KR100282535B1 - 구동 스테이지용 위치 검출 장치 - Google Patents

Abstract

구동 스테이지용 위치 검출장치가 개시된다.

개시된 구동 스테이지용 위치 검출장치는, X, Y, 및 θ스테이지와, 구동부가 구비된 구동 스테이지와; 상기 구동 스테이지의 X, Y, 및 θ방향의 위치 검출이 가능하도록 설치된 위치 검출용 센서모듈과, 상기 위치 검출용 센서모듈로부터 광신호를 받아 다시 상기 위치 검출용 센서모듈로 전달 가능하게 설치된 구면미러를 구비한 위치 검출수단;을 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 정밀한 위치 검출이 가능하고, 구동 스테이지의 로테이션량의 검출 및 보정이 가능하며, X, Y방향뿐만 아니라 θ방향의 틀어짐도 측정할 수 있는 이점이 있다.

Description

구동 스테이지용 위치 검출장치{Detecting device for aposition for driving stages}

본 발명은 구동 스테이지용 위치 검출장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 정밀한 위치검출이 가능하고, 구동 스테이지의 로테이션량도 검출 및 보정이 가능한 구동 스테이지용 위치 검출장치에 관한 것이다.

일반적으로, 산업현장에서 각종 정밀기기 등의 제작 공정에 사용되는 스테이지는 X축 방향 및 Y축 방향으로 이동이 가능한 XY-스테이지를 구비하고 있으며, 각 스테이지는 각각의 구동 모터에 의해 직선 왕복 운동이 가능하게 되어 있다.

도 1에는 이와 같은 XY-스테이지의 개략적인 장치 구성이 도시되어 있다.

도면을 참조하면, XY-스테이지는, 스테이지 장치를 지지하는 스테이지 베이스(미도시)가 마련되어 있고, 이 스테이지 베이스 위로 Y 스테이지(11)가 안착되어 있고, 상기 Y 스테이지(11) 위에는 X 스테이지(12)가 안착되어 있다. 그리고, 상기 각각의 Y, 및 X 스테이지(11, 12)의 왕복 직선 운동의 구동력을 발생시키는 Y 스테이지 구동모터(13)와 X 스테이지 구동모터(14)가 각각의 Y, 및 X 스테이지(11, 12)의 일측에 설치된다.

이와 같이 구성된 XY-스테이지와 같은 구동부의 기준위치 정렬은 슬릿홈이나 마크패턴에 대한 위치 검출이 일반적이다. 슬릿홈에 대해 X 및 Y 광전센서(photo interrupter)(15, 16)를 이용한 기준위치 정렬은 구조적으로 간단하지만, 그 오차폭이 크다는 단점으로 정밀 스테이지의 기준위치 정렬용으로는 적용하기가 어렵다.

반면에, 마크패턴을 이용한 기준위치 정렬은 슬릿홈을 이용한 위치검출에 비해 보다 정밀한 결과는 얻을 수 있으나, 정렬센서모듈의 구성이 광학계를 포함하여 복잡하고 기준이 되는 X, Y가 각각 분리되어 장착되는 경우에는 스테이지의 로테이션량을 보정할 수 있는 방법이 없게 되는 단점이 있다.

그리고 마크패턴이 X, Y 공동으로 장착된 경우에는 이러한 문제점을 보완할 수가 있으나, 마크패턴이 구동 스테이지상에 장착되어야 하는 제약이 있어서 구동 스테이지를 채용한 장비에 대해 구속조건이 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 창출된 것으로서, 정밀한 위치 검출이 가능하고, 구동 스테이지의 로테이션량의 검출 및 보정이 가능하며, 설치상의 제약조건을 극복할 수 있는 구동 스테이지용 위치 검출장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 기술에 따른 구동 스테이지용 위치 검출장치를 개략적으로 도시한 사시도.

도 2는 본 발명에 따른 구동 스테이지용 위치 검출장치의 개략적인 사시도.

도 3은 도 2의 구동 스테이지용 위치 검출장치의 개략적인 설명도.

도 4는 리니어 스텝 모터의 개략적인 사시도.

도 5a 내지 도 5c는 센서모듈 및 구면미러의 작동관계를 개략적으로 나타낸 도면.

도 6은 본 발명에 따른 구동 스테이지용 위치 검출장치를 이용하여 구동 스테이지의 틀어짐량을 보정됨을 나타낸 블록도.

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞

20. 구동 수테이지 21. Y 스테이지

22. X 스테이지 23. θ 스테이지

24. Y 스테이지 구동모터 25. X 스테이지 구동모터

30. 위치 검출용 센서모듈 31. 제 1센서모듈

32. 제 2센서모듈 40. 구면미러

61. 마크 플레이트 311. X1-LED

312. Y1-PD 321. X2-PD

322. Y2-LED

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 구동 스테이지용 위치 검출장치는, X, Y, 및 θ스테이지와, 구동부가 구비된 구동 스테이지와; 상기 구동 스테이지의 X, Y, 및 θ방향의 위치 검출이 가능하도록 설치된 위치 검출용 센서모듈과, 상기 위치 검출용 센서모듈로부터 광신호를 받아 다시 상기 위치 검출용 센서모듈로 전달 가능하게 설치된 구면미러를 구비한 위치 검출수단;을 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 구면미러는 상기 구동 스테이지에 고정 장착되고, 상기 위치 검출용 센서모듈은 상기 구동 스테이지의 일측에 설치된 제 1, 2센서모듈을 포함하며, 상기 제 1, 2센서모듈에 따라 상기 구면미러가 각각 하나씩 구비되는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 제 1, 2센서모듈은 상기 구동 스테이지의 상측에 고정 설치되고, 상기 제 1, 2센서모듈은 상기 구동 스테이지의 소정의 광을 조사하는 정렬광원과; 상기 정렬광원으로부터 조사된 상기 광을 수광하는 수광부와; 정확한 위치정렬 여부를 확인할 수 있는 신호를 발생시켜주기 위한 슬릿마크가 새겨진 마크 플레이트;를 각각 포함하여 되는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 슬릿마크는 비등간격으로 이루어지고, 상기 정렬광원은 적어도 하나 이상의 LED를 구비하고, 상기 수광부는 적어도 하나 이상의 PD를 구비하여 되는 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2에는 본 발명에 따른 구동 스테이지용 위치 검출장치가 개략적으로 도시되어 있다.

도면을 참조하면, 본 발명에 따른 구동 스테이지용 위치 검출장치는, 구동 스테이지(20)와, 상기 구동 스테이지(20)에 설치된 위치 검출장치로 대별할 수 있고, 상기 위치 검출장치는 두 부분으로 구분된다. 상기 위치 검출장치중 하나는 위치 검출용 센서모듈(30)이고, 다른 하나는 위치 상기 검출용 센서모듈(30)로부터 광신호를 받아 다시 이 광신호를 위치 검출용 센서모듈(30)에 전달하며 위치 검출 대상물인 상기 구동 스테이지(20)에 고정 장착된 구면미러(40)를 포함한다.

상기 구동 스테이지(20)는, 이 구동 스테이지(20)를 지지하도록 구비된 스테이지 베이스(미도시)와, 이 스테이지 베이스 위로 안착된 Y 스테이지(21)와, 상기 Y 스테이지(21) 위에 안착 설치된 X 스테이지(22)와, 상기 X 스테이지(22)의 위에 설치된 θ 스테이지(23)가 포함한다. 그리고, 상기 각각의 Y, 및 X 스테이지(21, 22)의 왕복 직선 운동의 구동력을 발생시키는 Y 스테이지 구동모터(24)와 X 스테이지 구동모터(25)가 각각의 Y, 및 X 스테이지(21, 22)의 일측에 각각 설치된다.

그리고 상기 위치 검출용 센서모듈(30)은, 구동 스테이지(20)의 일측에 위치 검출이 가능하도록 설치된 제 1, 2센서모듈(31, 32)을 포함한다. 상기 제 1, 2센서모듈(31, 32)은 각각 시스템 내에 고정되어 있다. 상기 제 1, 2센서모듈(31, 32)은 도 3에 도시된 바와 같이, 위치 검출로 이용되는 정렬광원(이하, LED)과 수광부(이하, PD), 그리고 정확한 위치정렬 여부를 확인할 수 있는 신호를 발생시켜주기 위한 슬릿마크가 새겨진 마크 플레이트(미도시)를 포함하여 이루어진다.

상기 슬릿마크는 PD에서 검출되는 신호의 콘트라스트를 높이기 위해 비등간격으로 이루어진다. 특히, X, Y방향의 기준위치 즉, 상기 구동 스테이지(20)의 기준 위치(base position)를 검출하기 위해 제 1, 2센서모듈(31, 32)에는 X축 및 Y축 기준위치 검출용으로 LED와 PD가 설치되어 있다. 따라서, 상기 제 1센서모듈(31)은 X1-LED(311)와 Y1-PD(312)가 구비되고, 상기 제 2센서모듈(32)에는 X2-PD(321)와 Y2-LED(322)가 구비된다. 그리고, 상기 구면미러(40)는 제 1, 2센서모듈(31, 32)에 따라 각각 하나씩 구비된다.

도 4에는 평편한 스텝 모터(이하, LSM; Linear Step Motor)의 개략적인 도면이다.

도면을 참조하면, 우선, 모든 구동부에서 공통적으로 요구되는 기준위치의 검출은 구동부의 예기치 않은 다운 이후에 또는, 구동에 앞서 기준위치를 확인하여 그 지점을 좌표의 원점으로 삼아 이후 공정중 스테이지의 좌표를 매김하기 위해 필요하다. 일반적인 모터의 구동에 있어서는 전원의 급작스러운 차단에 의해 모터의 구동이 멈춘 경우에라도 다시 전원이 연결되면 기준위치쪽으로 모터를 구동하여 다시 기준위치를 검출하고 그 위치를 원점으로 삼으면 된다.

그러나, LSM의 경우는 일반 스텝 모터를 평면으로 펼쳐놓은 것과 같은 구조로서 실제 구동을 하는 인덕터(inductor)(51)부분이 구동부가 되고, 스테이터(stator)(52) 부분이 베이스가 된다. 즉, X, Y LSM의 구동은 상기 스테이터(52) 위를 공기 부양된 인덕터(51)가 움직이는 형태이다. 상기 인덕터(51)와 스테이터(52)에는 각 방향으로 치차(teeth)가 일정 간격으로 만들어져 있으며, 이들 치차가 정확히 맞는 상태에서 구동 스테이지(20)가 움직이는 것이다. 만일, 인덕터(51)와 스테이터(52)간의 치차가 허용범위 이상으로 벗어난 경우 LSM은 더 이상 자체구동이 불가능하다.

이러한 이유로 갑작스러운 전원의 차단이나 기구들간의 간섭 또는 충돌 등의 원인으로 인덕터(51)와 스테이터(52)간의 치차가 어긋나면 LSM은 구동능력을 잃게 된다. 이러한 경우에 대비한 여러 가지의 방법들이 LSM을 채택한 산업용 장치에서 제시되고 있으며, 본 발명이 적용된 구동 스테이지용 위치 검출장치에서는 별도의 치차 정렬용 모터를 구비한다.

상기 LSM의 일측에 구비된 견인용 모터(53)는 이러한 경우, 인덕터(51)에 설치된 공압노즐(미도시)을 통해 인덕터(51)와 스테이터(52)가 서로 이격됨으로서 공기 부양된 채로 스테이터(52)에 대해 치차가 어긋나 있는 인덕터(51)를 스테이터(52)의 일측 단부에 구비된 정렬 가이드(57)로 견인해 오게 된다. 견인된 상기 인덕터(51)는 스테이터(52)의 가이드 면에 밀착되면서 스테이터(52)와 치차가 일치된다. 일단 스테이터(52)와 인덕터(51)가 치차정렬이 되면 인덕터(51)는 자체적으로 구동이 가능해 진다.

그러나, 이러한 방법은 상기 인덕터(51)가 견인되어 정렬 가이드(57)면에 대해 기구적인 마찰을 통해 이루어지므로 반복정도가 상당히 좋지 못하다. 매번 견인을 통한 정렬시 그 오차가 반도체 장비와 같은 고정밀 시스템이 요구하는 위치 정밀도에 비해 상당히 크다는 것이다.

이러한 견인에는 견인용 모터(53)와 구동 스테이지(20)간에 연결된 견인용 로프(rope)가 이용된다. 상기 견인용 모터(53)의 회전링을 회전시킴으로써 견인용 로프(54)를 감아들이게 되고 이 견인용 로프(54)의 장력에 의해 공기부양된 스테이지가 견인되는 것이다. 일단 견인된 스테이지가 스테이터(52)와 치차정렬이 되고 자체 구동모드가 되면 견인용 모터(53)는 전원차단이 된다. 따라서, 구동 스테이지(20)의 자체 구동모드에 의한 움직임에 견인용 로프(54)는 아무런 제약조건이 되지 않으며 구동 스테이지(20)의 이동에 따라 상기 견인용 모터의 회전축에 구비된 회전릴(55)로부터 풀려나가게 된다.

이러한 견인에 의한 치차정렬 시점에서 발생할 수 있는 경우에 따라 랜덤(random)하게 발생되는 위치오차를 정밀한 정렬센서를 기준으로 확인하여 보정량을 알아냄으로써 구동 스테이지(20)의 위치오차를 보정할 수 있도록 위치 검출장치가 구비된다. X, Y LSM의 특성상 정렬센서는 각 축에 대해 별도로 설치하기가 어려우며 θ방향의 틀어짐도 확인하여야 하기 때문에 도 2에 도시된 바와 같이, X, Y기준위치의 동시 검출이 가능한 구조로 2개의 제 1, 2센서모듈(31, 32)이 이용된다.

상술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 구동 스테이지용 위치 검출장치는 다음과 같이 작동한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 구동 스테이지(20)는 시스템에서 허용된 구간인 구동 스트로크(stroke)내에서 자유로이 움직이고, 그리고 도 3에 도시된 바와 같이, 이상적으로 구동 스테이지(20)가 정렬되어 이 구동 스테이지(20)에 장착된 구면미러(40)가 센서모듈에 대해 정확히 위치한 경우 정렬광원의 광경로(beam path)를 보여준다. 그리고, 한 축의 정렬동작에 대해서만 동작원리를 나타낸 도 5a 내지 도 5c를 참조하여 본 발명에 따른 구동 스테이지(20)용 위치 검출장치의 동작원리를 설명하면 다음과 같다.

상기 제 1, 2센서모듈(31, 32)에 구비된 LED(311, 322)는 빛을 발산하고, PD(312, 321)는 빛에 대해 광전효과를 통해 입사된 빛에 비례한 전류를 발생시킨다. 그리고, 마크 플레이트(61)의 슬릿마크는 전면이 크롬으로 코팅되어 빛이 통과할 수 없는 글래스의 일부분에만 빛이 통과할 수 있도록 복수개의 가는 막대형태로 크롬이 제거되어 있다. 상기 구면미러(40)는 LED(311, 322)로부터 발산된 빛이 PD(312, 321)쪽으로 반사되도록 빛의 경로를 변환시켜주는 역할을 한다. 상기 구면미러(40)는 구동 스테이지(20)에 장착되어 있으므로 구동 스테이지(20)의 위치에 따라 구동 스테이지(20)와 함께 움직이게 된다.

상술한 바와 같이 상기 제 1, 2센서모듈(31, 32)은 구동 스테이지(20)보다 상단의 위치에 고정이 되어 있으며 구동 스테이지(20)만이 움직이게 된다. 상기 제 1, 2센서모듈(31, 32)의 LED(311, 322)에서 발산된 LED(311, 322)는 구면미러(40)의 위치에 따라 LED(311, 322)의 도달 위치가 달라지게 된다. 상기 LED(311, 322)의 도달위치에 따라 상기 PD(312, 321)로 입사되는 광량의 변화가 있게 된다. 상기 구면미러(40)가 정확한 위치에 있을 때 PD(312, 321)로 입사되는 LED(311, 322)는 최대가 되며 구면미러(40)의 특성상 그 위치가 미소하게 변화하더라도 LED(311, 322)는 PD(312, 321)에 도달하지 못하게 된다. 따라서 정밀한 위치정렬이 가능하다.

그리고, X, Y에 대한 정확한 위치정렬의 정도는 하나의 센서모듈로부터 출력된 전기신호로 확인이 가능하지만, θ방향의 틀어짐은 하나의 센서모듈만으로는 확인이 어려우므로 X, Y, θ방향에 대한 정렬을 수행하기 위해서는 상기 두 개의 제 1, 2센서모듈(31, 32)이 필요하게 된다.

이와 같은 본 발명에 따른 구동 스테이지용 위치 검출장치에 대한 동작을 보다 구체적으로 상술하면 다음과 같다.

먼저 시스템에 부착된 두 개의 상기 구동 스테이지(20) 기준위치 확인용 제 1, 2센서모듈(31, 32)은 설계시 지정된 위치에 고정 장착된다. 그런 다음 시스템의 조립 및 평가 단계에서 정확한 센서의 위치좌표를 얻어낸다. 이 과정은 구동 스테이지(20)의 전원을 차단하지 않고 동일한 환경에서 반복측정을 하여 얻어낼 수가 있으며, 좌표를 구동 스테이지(20)의 기준위치 좌표로 설정한다. 따라서, 전원이 차단되어 구동 스테이지(20)가 스테이터의 가이드면에 대한 기구적인 정렬을 수행했을 때, 기구적인 정렬에서 어떠한 위치 오차도 발생이 되지 않았다면, 구동 스테이지(20)를 조립 및 평가 단계에서 얻어진 위치좌표로 구동 스테이지(20)를 이동시켰을 때 그 위치에서 정렬센서로부터 정확한 정렬신호가 얻어져야 한다.

그러나, 가이드에 대한 기구적인 정렬에서 오차가 발생한 경우에는 해당 위치좌표에서 정확한 정렬신호를 얻을 수가 없으며 기존의 위치좌표와는 다른 점에서 정렬신호가 얻어질 것이다. 따라서, 기존의 위치좌표와 실제 얻어진 위치좌표간의 차이로써 현재의 구동 스테이지(20)의 X, Y, θ방향의 틀어짐량을 얻을 수 있으며 이를 이용하여 구동 스테이지(20)를 보정할 수가 있는 것이다.

하나의 센서모듈로부터 정렬된 위치좌표(X1, Y1)를 확인하고 다른 하나의 센서모듈로부터 정렬된 위치좌표(X2, Y2)를 확인하면, θ방향의 틀어짐은 두 센서모듈의 정렬된 Y축 좌표와 두 센서모듈간 거리를 이용하여 간단한 계산을 통해 얻어진다. 즉, θ=(Y2-Y1)/두 센서모듈간 거리의 공식으로 산출할 수 있다.

그리고, 상기 제 1, 2센서모듈(31, 32)을 이용하여 얻어진 구동 스테이지(20)의 틀어짐 량은 도 6에 도시된 바와 같이 점차로 보정이 된다.

도 6을 참조하면, 상기 제 1, 2센서모듈(71, 72)로부터 얻어진 정렬상태 정보는 주 제어부(CPU)(73)로 전송되어 보정량이 계산되며, 이는 다시 구동 스테이지의 제어부(74) 및 모터 구동부(75)의 명령으로 전달되어 구동 스테이지(76)의 위치를 보정하게 된다. 상기 구동 스테이지(76)의 보정이 정확하게 되었는지는 다시 한번 상기 제 1, 2센서모듈(71, 72)로 위치 보정된 구동 스테이지(76)를 재확인함으로써 확인이 된다. 이러한 과정은 상기 구동 스테이지(76)의 틀어짐 량이 시스템에서 설정하여 놓은 틀어짐 허용범위 내에 들어올 때까지 반복된다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 구동 스테이지용 위치 검출장치는 다음과 같은 효과를 갖는다.

본 발명에 따른 구동 스테이지용 위치 검출장치는 기본적으로 위치 검출 대상물인 구동 스테이지의 3축인 X, Y, θ방향의 현재 위치를 확인할 수 있다.

또한, 정밀한 위치 검출이 가능하고, 구동 스테이지의 로테이션량의 검출 및 보정이 가능하며, 설치상의 제약조건을 극복할 수 있다.

따라서, 정밀한 위치 확인이 필요하지 않은 일반장치 보다는 정밀한 위치검출, 특히 X, Y방향뿐만 아니라 θ방향의 틀어짐도 측정할 필요가 있는 반도체 장비와 같은 초정밀 산업용기기의 구동부 등에 적용 될 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구 범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (6)

1. 스테이지와, 구동부가 구비된 구동 스테이지와;

   상기 구동 스테이지의 위치 검출이 가능하도록 설치된 위치 검출용 센서모듈과, 상기 위치 검출용 센서모듈로부터 광신호를 받아 다시 상기 위치 검출용 센서모듈로 전달하는 구면미러를 포함하는 위치 검출수단을 포함하여 이루어지며; 여기서

   상기 센서모듈은 상기 구동스테이지에 대하여 소정의 광을 조사하는 정렬광원과, 상기 구면미러에 의하여 반사된 상기 정렬광원으로부터 조사된 빛을 수광하여 광량에 따라 신호를 발생하는 수광부와 정확한 위치정렬여부를 확인하는 신호를 발생하기 위한 슬릿마크가 새겨진 마크 플레이트를 포함하여 이루어지며,

   상기 구면미러는 상기 구동스테이지에 고정장착되는 구동스테이지용 위치검출장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 위치 검출용 센서모듈은 상기 구동 스테이지의 일측에 설치된 제 1, 2센서모듈을 포함하여 이루어져, 하나의 센서모듈로부터 정렬된 위치좌표를 확인하고 다른 하나의 센서모듈로부터 정렬된 위치좌표를 확인하여 이들을 비교함으로써 θ방향의 틀어짐을 검출할 수 있음을 특징으로 하는 구동스테이지용 위치 검출장치.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 제 1, 2센서모듈에 따라 상기 구면미러가 각각 하나씩 구비되는 것을 특징으로 하는 구동 스테이지용 위치 검출장치.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 제 1, 2센서모듈은 상기 구동 스테이지의 상측에 고정 설치된 것을 특징으로 하는 구동 스테이지용 위치 검출장치.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 슬릿마크는 비등간격으로 이루어진 것을 특징으로 하는 구동 스테이지용 위치 검출장치.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 정렬광원은 적어도 하나 이상의 LED를 구비하고, 상기 수광부는 적어도 하나 이상의 PD를 구비하여 된 것을 특징으로 하는 구동 스테이지용 위치 검출장치.