KR100381974B1 - Three-axis stage control device using frictionless flexure bearings - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체칩용 웨이퍼, PCB, TAB 필름 등의 기재에 집적회로를 전사하는데 사용할 수 있는 3축 스테이지 제어장치에 관한 것으로, 반도체칩용 웨이퍼, PCB, TAB 필름 등을 이송시키는 기재이송수단의 상부 공간에 배치된 베이스에 다수개의 무마찰 탄성베어링을 통하여 X축을 따라 이동하는 X축 스테이지가 설치되고, 상기 X축 스테이지에 다수개의 무마찰탄성베어링을 매개하여 Y축을 따라 이동함과 더불어 θ축을 기준으로 회전하는 Y-θ축 스테이지가 설치되어 있는 한편, 상기 X축 스테이지에 X축 방향을 따라 이동하는 거리를 감지하기 위한 X축 위치감지센서와 X축 스테이지를 X축방향을 따라 이동시키는 2개의 X축 엑튜에이터가 X축 스테이지를 사이에 두고 서로 마주보게 설치되고, 상기 Y-θ축 스테이지에 Y축 방향을 따라 이동하는 거리를 감지하기 위한 Y축 위치감지센서와 θ축을 따른 회전각을 감지하기 위한 θ축 위치감지센서 및 2개의 Y-θ축 액튜에이터가 Y-θ축 스테이지를 서로 마주보게 설치되어 있으며, 센서들이 전자제어기와 연결되어 각각의 액튜에이터를 정밀하게 제어하도록 되어 있다. 이러한 구조로 이루어진 본 발명의 장치는 스프링판과 같은 무마찰탄성베어링을 매개하여 X축 스테이지와 Y-θ축 스테이지가 서로 이동할 수 있게 설치되어 선형시스템 특성을 가지므로 제어가 용이하고, 2개의 스테이지를 사용하여 X축과 Y축은 물론 θ축의 각도도 제어할 수 있게 되어 있으므로 간단한 구조로 만들 수 있으면서 저렴한 구조의 다축스테이지 구동장치를 제공할 수가 있는 것이다.The present invention relates to a three-axis stage control device that can be used to transfer an integrated circuit to a substrate such as a semiconductor chip wafer, PCB, TAB film, etc., the upper space of the substrate transfer means for transferring a semiconductor chip wafer, PCB, TAB film, etc. An X-axis stage is installed on the base disposed in the base to move along the X-axis through a plurality of frictionless elastic bearings, and the X-axis stage moves along the Y-axis through a plurality of frictionless elastic bearings and is based on the θ axis. A rotating Y-θ axis stage is provided, while an X axis position sensor for detecting a distance moving along the X axis direction and two X moving the X axis stage along the X axis direction on the X axis stage. Axis actuators are installed to face each other with the X-axis stage interposed therebetween, and detect a distance moving along the Y-axis direction to the Y-θ axis stage. Y-axis position sensor, θ-axis position sensor and 2 Y-θ-axis actuators for detecting the rotation angle along the θ-axis are installed to face the Y-θ-axis stage, and the sensors are connected to the electronic controller. It is designed to precisely control each actuator. The device of the present invention having such a structure is installed so that the X-axis stage and the Y-θ-axis stage can move with each other through a frictionless elastic bearing such as a spring plate, and thus has a linear system characteristic, and thus, two stages are easy to control. It is possible to control the angles of the θ axis as well as the X axis and the Y axis, so that it is possible to provide a simple structure and an inexpensive multi-axis stage driving device.
Description
본 발명은 무마찰 탄성베어링을 이용한 다축스테이지 제어장치에 관한 것으로, 특히 무마찰 탄성베어링과 액튜에이터의 차동구동을 이용하여 2개의 스테이지만으로 3축방향의 위치를 제어할 수 있게 한 3축스테이지 제어장치에 관한 것이다.The present invention relates to a multi-axis stage control device using a frictionless elastic bearing, in particular a three-axis stage control device that can control the position in the three-axis direction using only two stages by using the differential friction of the frictionless elastic bearing and the actuator It is about.
일반적으로 반도체칩에는 그 내부에 집적회로가 식각되어 있는데, 이 집적회로를 개개의 반도체칩에 직접 그려 넣은 것이 아니라 마스크라는 기본 회로판에 그려진 원본을 각각의 반도체 기재, PCB, TAB 등과 같은 기재(substance)에 전사하여 그 패턴을 노광하여 새긴 후, 다시 식각 등의 과정을 통하여 집적회로를 완성시키게 되어 있다.In general, an integrated circuit is etched in a semiconductor chip. Instead of drawing the integrated circuit directly on an individual semiconductor chip, an original drawn on a basic circuit board called a mask is used as a substrate such as each semiconductor substrate, PCB, and TAB. After transferring the pattern, the pattern is exposed and inscribed, and then the integrated circuit is completed through etching or the like.
한편 반도체 칩은 하나만이 만들어지는 것이 아니라 동일한 형태를 여러개 반복하여 만드는 바, 이러한 과정에서 상기 집적회로가 새겨진 마스크는 스테이지(stage)에 고정시킨 상태로 두고, 이 마스크 스테이지의 아래로 기재를 이동시키면서 하나씩 집적회로의 패턴을 전사시키게 되는데, 기재의 위치가 마스크 스테이지의 배치위치와 정확하게 일치하여야만 마스크에 새겨진 집적회로를 정확하게 전사시킬 수가 있는 것이다.On the other hand, not only one semiconductor chip is made, but the same shape is repeated several times. In this process, the mask engraved with the integrated circuit is fixed to a stage, while the substrate is moved under the mask stage. The patterns of the integrated circuits are transferred one by one, and the position of the substrate must exactly match the position of the mask stage to accurately transfer the integrated circuits engraved in the mask.
이때 마스크에 새겨진 집적회로의 특성상 마스크와 기재의 위치조정이 ㎛ 이하의 정밀도로 제어되어져야 할 필요가 있다.At this time, it is necessary to adjust the position of the mask and the substrate to a precision of less than or equal to the characteristics of the integrated circuit engraved on the mask.
따라서, 통상적으로 반도체칩 제조공장에서는 여러 가지 초정밀 제어장치를 사용하여 마스크와 기재의 위치를 조정하고 있는 바, 일반적으로 반도체칩 제조공장에서 사용하고 있는 종래의 장치로서는, 예컨대 미국 특허 제 5329825 호, 제 4948330 호, 제 4012112 호 및 제 4532462 호 등과 같은 장치가 있는 바, 이들 장치는 대부분 마스크를 지지하고 있는 스테이지가 볼스크류나 LM가이드 등과 같은 부품으로 구성되어, 구동장치의 작동에 따라 스테이지가 원하는 거리만큼 이동하게 되어 있다.Therefore, in the semiconductor chip manufacturing plant, the position of the mask and the substrate are generally adjusted using various ultra-precision control devices. As a conventional apparatus used in the semiconductor chip manufacturing plant, for example, US Patent No. 5329825, There are devices such as 4948330, 4012112, 4532462, etc., and most of these devices consist of parts, such as ballscrews or LM guides, in which the stage supporting the mask is desired by the operation of the driving device. It is supposed to travel by distance.
그런데, 볼스크류와 같이 회전운동을 직선운동으로 변환시키는 운동변환기구나, LM가이드류의 구동안내기구를 사용할 경우에는 그 구조가 복잡해지고, 백래쉬(backlash), 고착현상(stick-slip) 및 마찰등과 같은 원인에 의하여 도면 5 에 도시한 바와 같이 구동력이 소정치 이상으로 되기까지는 스테이지가 이동하지 않다가 소정치 이상이 되면 비로소 이동하게 비선형적 특성을 갖게 되고, 또 일반적으로 큰 스트로크에 사용되어지기 때문에, 상기와 같이 마스크의 위치와 기재의 위치를 정렬시키기 위해 미세한 위치를 제어하기 위해 사용하기에는 적합하지 않으며, 또 부품을 정확하고 정밀하게 제어하기가 어렵다는 단점이 있을 뿐만 아니라,소음이 발생하는 등의 문제점이 있다.However, when using a motion conversion mechanism that converts rotational motion into a linear motion like a ball screw, or a driving guide mechanism of LM guides, the structure becomes complicated, and backlash, stick-slip, friction, etc. As shown in FIG. 5, the stage does not move until the driving force becomes greater than or equal to a predetermined value due to such a cause, but when it becomes greater than or equal to a predetermined value, the stage has a nonlinear characteristic and is generally used for a large stroke. Therefore, it is not suitable for use to control the fine position to align the position of the mask and the position of the substrate as described above, and also has the disadvantage that it is difficult to control the parts accurately and precisely, noise is generated, etc. There is a problem.
한편, 종래의 장치에 대한 다른 경우의 예로서, 미국 특허 제 6008882 호에서와 같은 장치에서는, 마찰등이 발생하는 이송기구 및 구동수단을 사용하지 않고 대신에 리니어모터와 에어베어링을 사용하여 스테이지를 이송시키도록 되어 있는 바, 이와 같이 리니어모터를 사용함으로써 볼스크류와 같은 구동력변환부품이 필요하지 않기 때문에 구조가 간단해지고, 에어베어링을 사용함으로써 마찰손실과 소음발생이 없기 때문에 운동전달이 비선형적으로 이루어지지 않는다는 장점이 있기는 하지만, 상기의 리니어모터와 에어베어링은 모두 고가의 부품이고 이들 장비를 이용한 장치는 그 설계가 어렵다는 단점이 있다.On the other hand, as another example of the conventional apparatus, in an apparatus such as US Patent No. 6008882, the stage is used by using a linear motor and an air bearing instead of using a conveying mechanism and driving means where friction or the like occurs. Since the linear motor is used, the driving force conversion parts such as ball screws are not required. Therefore, the structure is simplified, and the use of air bearings eliminates frictional loss and noise. Although there is an advantage in that it is not made, the above-mentioned linear motor and air bearing are both expensive parts, and devices using these equipments have a disadvantage in that their design is difficult.
또한, 미국 특허 제 4528852 호에 게재된 장치에서는, 구동원으로서 피에조구동기를 사용하고 베이스에 대해 X축 스테이지를 지지하는 수단과 상기 X축 스테이지에 대해 Y축 스테이지를 지지하는 수단으로 탄성지지베어링을 사용하면서, 상기 구동원에서 동력을 전달받아 이동하는 스테이지에 마찰이나 소음 등이 발생하지 않게 되어 있다.Further, in the device disclosed in US Pat. No. 4,528,852, a piezo actuator is used as a driving source, and an elastic support bearing is used as a means for supporting the X axis stage with respect to the base and a means for supporting the Y axis stage with respect to the X axis stage. In the meantime, friction, noise, and the like do not occur in the stage that is driven by the power source and moves.
그러나, 이 장치는 스테이지의 회전각(θ)을 조정하는 수단이 직선 운동하는 피에조 구동기에 의하여 제어되게 되어 있으면서, X축 방향에 대한 위치와 Y축 방향에 대한 위치의 정확한 보상등의 수단이 제시되어 있지 않으므로, 마스크 스테이지의 정확한 위치제어가 용이하지 않을 뿐만 아니라, 탄성지지베어링이라 칭하는 스테이지 사이의 운동전달매개수단도 이 인용 발명의 장치에서는 별도의 특이한 구조가 제시되어 있는 바, 따라서 상기의 발명에 따른 장치를 위한 구조는 간단하지않으면서 특정의 부품이 필요하다는 단점이 있다.However, this apparatus is designed such that the means for adjusting the rotational angle θ of the stage is controlled by a piezo actuator that moves linearly, and means such as accurate compensation of the position in the X-axis direction and the position in the Y-axis direction are presented. Not only does not facilitate accurate position control of the mask stage, but also a motion transfer mediating means between stages called elastic support bearings. The structure for the device according to the present invention has a disadvantage in that it is not simple but requires a specific part.
그리고, 무엇보다도 상기의 발명들에 따른 장치들은 모두 3개의 축방향을 따른 위치를 제어하기 위해 3개의 스테이지를 사용하게 되어 있다. 즉 하나의 스테이지로 하나의 방향만 제어하도록 되어 있으므로 전체적으로 부피가 증가하고 가격도 비싸진다는 단점이 있었다.And, above all, the devices according to the above inventions all use three stages to control the position along three axial directions. That is, since only one direction is controlled by one stage, the overall volume increases and the price is expensive.
이에 본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 다축 스테이지 제어장치에 대한 문제점을 해결하여, 2개의 스테이지만으로 X축과 Y축 및 θ축 위치를 제어할 수 있게 하여 간단한 구조를 이루게 하면서 정밀한 제어를 할 수가 있고, 그 구성부품 또한 손쉽게 구할 수가 있어 제작비용도 절감시킬 수 있게 한 무마찰탄성베어링과 액튜에이터의 차동구동을 이용한 3축스테이지 제어장치를 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention solves the problems of the conventional multi-axis stage control device as described above, and it is possible to control the position of the X-axis, Y-axis and θ-axis with only two stages to achieve a simple structure and achieve precise control. It is also an object of the present invention to provide a three-axis stage control apparatus using frictionless elastic bearings and differential actuators, which makes it possible to easily obtain components and reduce manufacturing costs.
상기한 바의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장치는, 기기의 베이스상에 다수개의 무마찰 탄성베어링을 통하여 X축을 따라 이동하는 X축 스테이지가 설치되고, 상기 X축 스테이지상에 다수개의 무마찰탄성베어링을 매개하여 Y축을 따라 이동함과 더불어 θ축을 기준으로 회동하는 Y-θ축 스테이지가 설치되어 있다.The apparatus of the present invention for achieving the above object is provided with an X-axis stage moving along the X-axis through a plurality of frictionless elastic bearings on the base of the device, a plurality of friction-free on the X-axis stage The Y-θ stage stage is installed to move along the Y axis through the elastic bearing and to rotate about the θ axis.
그리고, 상기 X축 스테이지에 X축 방향을 따라 이동하는 거리를 감지하기 위한 X축 위치감지센서와 X축 스테이지를 X축방향을 따라 이동시키는 2개의 X축 엑튜에이터가 X축 스테이지를 사이에 두고 서로 마주보게 설치되고, 상기 Y-θ축 스테이지에 Y축 방향을 따라 이동하는 거리를 감지하기 위한 Y축 위치감지센서와 θ축을 따른 회전각을 감지하기 위한 θ축 위치감지센서 및 2개의 Y-θ축 액튜에이터가 Y-θ축 스테이지를 서로 마주보게 설치되어 있으며, 센서들이 전자제어기와 연결되어 각각의 액튜에이터를 정밀하게 되어 있다.In addition, an X-axis position sensor for detecting a distance moving along the X-axis direction and two X-axis actuators for moving the X-axis stage along the X-axis direction are disposed between the X-axis stages. It is installed to face each other, the Y-axis position sensor for detecting the distance moving along the Y-axis direction on the Y-θ axis stage, the θ-axis position sensor and two Y- for detecting the rotation angle along the θ axis The θ-axis actuators are installed to face the Y-θ-axis stages, and the sensors are connected to the electronic controller to precisely adjust each actuator.
이러한 구조로 이루어진 본 발명의 장치는 무마찰탄성베어링과 액튜에이터의 차동구동을 이용함으로써 3축방향의 제어를 2개의 스테이지만으로 제어할 수가 있으므로, 전체적으로 장치의 부피를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 기기의 가격도 낮출수가 있는 등의 효과를 얻을 수 있는 것이다.The apparatus of the present invention having such a structure can control the three-axis control by only two stages by using frictionless elastic bearings and differential drive of the actuator, so that the overall volume of the device can be reduced and the cost of the device can be reduced. The effect can be lowered.
도 1 은 본 발명에 따른 무마찰탄성베어링과 액튜에이터의 차동구동을 이용한 3축스테이지 제어장치의 전체구성을 나타낸 개략적 사시도,1 is a schematic perspective view showing the overall configuration of a three-axis stage control apparatus using a frictionless elastic bearing and the differential drive of the actuator according to the present invention,
도 2 는 본 발명에 따른 장치의 배열관계를 개념적으로 나타낸 단면도,2 is a cross-sectional view conceptually illustrating an arrangement relationship of a device according to the present invention;
도 3 은 본 발명에 따라 X축 스테이지와 Y축 스테이지만으로 Y축 방향의 위치뿐만 아니라 θ축을 따른 회전각을 제어하는 상태를 도시한 개념적 평면도,3 is a conceptual plan view showing a state of controlling the rotation angle along the θ axis as well as the position in the Y axis direction using only the X axis stage and the Y axis stage according to the present invention;
도 4 는 본 발명에 따른 무마찰베어링을 사용할 경우의 시스템특성을 나타낸 그래프,4 is a graph showing the system characteristics when using a frictionless bearing according to the present invention,
도 5 는 종래의 일반적인 구동안내기구, 즉 베어링 LM가이드 등을 사용할 경우의 시스템 특성을 나타낸 그래프,도 6 은 도 2의 사시도이고,도 7 은 도 2의 작동상태를 나타낸 평면도이다.5 is a graph showing system characteristics when using a conventional general driving guide mechanism, that is, a bearing LM guide, FIG. 6 is a perspective view of FIG. 2, and FIG. 7 is a plan view showing an operating state of FIG. 2.
<도면의 주요부분에 대한 부호설명><Code Description of Main Parts of Drawing>
1 - 기재(substance) 2 - 기재 이송스테이지1-substrate 2-substrate transfer stage
3 - 베이스 4,5,6,7 - 무마찰탄성베어링3-Base 4,5,6,7-Friction Free Bearings
8 - X축 스테이지 9,10,11,12 - 무마찰탄성베어링8-X-axis stage 9,10,11,12-Friction-free elastic bearing
13 - Y-θ축 스테이지 14 - 마스크13-Y-θ Axis Stage 14-Mask
15 - X축 위치센서 16 - X축 액튜에이터115-X-axis position sensor 16-X-axis actuator 1
17 - X축 액튜에이터2 18 - Y축 위치센서17-X-axis actuator 2 18-Y-axis position sensor
19 - θ축 위치센서 20 - Y- θ축 액튜에이터119-θ-axis position sensor 20-Y- θ-axis actuator 1
21 - Y- θ축 액튜에이터221-Y-θ Actuator 2
이하 본 발명의 구체적인 실시예를 첨부한 예시도면을 참조하여 자세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, a specific embodiment of the present invention will be described in detail.
도면 1은 본 발명에 따른 장치의 전체적 구성을 나타내는 개략적 사시도이고, 도면 2는 본 발명에 따른 장치의 배열관계를 개념적으로 나타낸 단면도이며, 도면 3은 본 발명에 따라 Y-θ축 스테이지만으로 Y축 방향과 θ축 방향을 제어하는 과정을 설명하기 위한 평면도로서, 이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른장치는, 반도체칩을 만드는 재료인 웨이퍼나 PCB, TAB 필름 등의 기재(1)를 이송시키는 기재 이송스테이지(2)의 위쪽에 광학계(A)와 3축스테이지 구동장치(B)가 배치된 구조로 되어 있다.Figure 1 is a schematic perspective view showing the overall configuration of the device according to the invention, Figure 2 is a cross-sectional view conceptually showing the arrangement relationship of the device according to the invention, Figure 3 is a Y-axis only Y-θ axis stage in accordance with the present invention As a plan view for explaining the process of controlling the direction and the θ-axis direction, as shown in these figures, the apparatus according to the present invention, the substrate 1, such as a wafer, PCB, TAB film or the like, which is a material for making a semiconductor chip The optical system A and the triaxial stage drive device B are arranged above the substrate transfer stage 2 to be transferred.
상기 3축 스테이지 구동장치(B)는 베이스(3)에 다수개의 무마찰탄성 베어링(4,5, 6,7)을 매개하여 X축방향을 따라 이동하는 X축 스테이지(8)가 설치되고, 상기 X축 스테이지(8)에 역시 다수개의 무마찰탄성베어링(9,10,11,12)을 매개하여 Y축방향을 따라 직선이동함과 더불어 θ축을 중심으로 회전하는 Y-θ축 스테이지(13)가 설치되어 있으며, Y- θ축 스테이지(13)에 집적회로의 패턴이 새겨진 마스크(14)가 장착되어 있다.The three-axis stage drive device (B) is provided with an X-axis stage (8) which moves along the X-axis direction via a plurality of frictionless elastic bearings (4, 5, 6, 7) on the base (3), Y-θ stage stage 13 which rotates about the θ axis while linearly moving along the Y axis direction through a plurality of frictionless elastic bearings 9, 10, 11, 12 to the X axis stage 8. ) Is provided, and a mask 14 having an integrated circuit pattern engraved on the Y-θ axis stage 13 is mounted.
한편, 상기 X축 스테이지(8)에 X축 방향을 따라 이동하는 거리를 감지하기 위한 X축 위치감지센서(15)와 X축 스테이지(8)를 X축방향을 따라 이동시키는 2개의 X축 엑튜에이터1,2 (16,17)가 X축 스테이지(8)의 양쪽에 서로 마주보게 설치되어 있고, 상기 Y-θ축 스테이지(13)에 Y축 방향을 따라 이동하는 거리를 감지하기 위한 Y축 위치감지센서(18)와 θ축을 따른 회전각을 감지하기 위한 θ축 위치감지센서(19) 및 2개의 Y-θ축 액튜에이터1,2 (20,21)가 Y-θ축 스테이지(13)의 양쪽에 서로 마주보게 설치되어 있으며, 센서(15,19)들이 도시되지 않은 전자제어기와 연결되어 상기 여러 개의 액튜에이터를 선택적으로 제어하게 되어 있다.Meanwhile, two X-axis actuators for moving the X-axis position detecting sensor 15 and the X-axis stage 8 along the X-axis direction to detect the distance moving along the X-axis direction to the X-axis stage 8. Y, 1, 2 (16, 17) are provided opposite to each other on both sides of the X-axis stage (8), Y-axis for sensing the distance to move along the Y-axis direction to the Y-θ axis stage (13) The position sensor 18, the θ axis position sensor 19 for detecting the rotation angle along the θ axis, and two Y-θ axis actuators 1, 2 (20, 21) of the Y-θ axis stage 13 Both sides are provided to face each other, and the sensors 15 and 19 are connected to an electronic controller (not shown) to selectively control the plurality of actuators.
본 발명에서 사용하는 무마찰탄성베어링(4,5,6,7,9,10,11,12)은 판 스프링이나 경강선 등과 같은 스프링으로 이루어진다.The frictionless elastic bearings 4, 5, 6, 7, 9, 10, 11, and 12 used in the present invention are made of springs such as leaf springs or hard wires.
그리고, 상기 X축 액튜에이터(16,17)와 Y-θ축 액튜에이터(20,21)는 직선운동형 보이스코일로 구성되어 있으면서, 지지부쪽에 보이스코일 구동기의 코일부가 설치되고, 이동부쪽에 보이스코일 구동기의 자계부가 설치된다. 예컨대 X축방향을 따라 이동하는 X축 스테이지는 상기 베이스(3)에 액튜에이터를 이루는 보이스코일의 코일부가 고정되고, X축 스테이지에 보이스코일의 자계부가 설치된 구조로 되어 있는 것이다.The X-axis actuators 16 and 17 and the Y-θ actuators 20 and 21 are configured as linear motion voice coils, and a coil part of the voice coil driver is installed on the support side, and a voice coil driver on the moving part. Magnetic field is installed. For example, the X-axis stage moving along the X-axis direction has a structure in which the coil portion of the voice coil constituting the actuator is fixed to the base 3, and the magnetic field portion of the voice coil is installed on the X axis stage.
또, 상기 위치센서(15,17,19)는 비접촉식 센서를 사용하는데, 그 에로서 에디커런트센서(eddy durrent sensor), 캐패시티브근접센서(capacitive prximity sensor), 콜리미터(collimator), 레이저간섭계(lazer interferrometer) 등을 들 수 있다.In addition, the position sensors 15, 17, 19 use a non-contact sensor, such as an eddy durrent sensor, a capacitive prximity sensor, a collimator, a laser interferometer and lazer interferrometer.
이러한 위치센서(15,17,19)와 X축 액튜에이터(16,17) 및 Y-θ축 액튜에이터(20,21)는 도시되지 않은 전자제어기에 연결되어, 상기 센서에서 감지된 엑튜에이터(16,17,20,21)의 위치에 따라 기재(1)에 대한 마스크(14)의 위치를 보정하여 그 위치를 정렬하게 되어 있다.The position sensors 15, 17, 19, the X-axis actuators 16, 17, and the Y-θ axis actuators 20, 21 are connected to an electronic controller (not shown), and the actuators 16, The position of the mask 14 with respect to the base material 1 is corrected according to the position of 17,20,21, and the position is aligned.
이러한 구조로 이루어진 본 발명의 장치는, 기재 이송스테이지(2)를 따라 이송되는 기재(1)가 본 발명에 따른 장치의 베이스(3)하단에 위치하면, 상기 기재 이송스테이지(1)에 실려 있는 기재(2)의 위치와 상기 Y-θ축 스테이지(13)에 장착되어 있는 마스크(14)의 위치를 감지하여, 상기 기재(2)와 마스크(14)사이에 편차가 나는 경우에는 그 편차의 크기와 방향에 따라 X축 스테이지(8)와 Y-θ축 스테이지(13)를 이동시켜 상기 Y-θ축 스테이지(13)에 설치되어 있는 마스크(14)의 위치를 이동시켜 기재(1)의 위치와 일치시켜 준다.In the apparatus of the present invention having such a structure, when the substrate 1 to be transported along the substrate transfer stage 2 is located below the base 3 of the apparatus according to the present invention, the apparatus is loaded on the substrate transfer stage 1. When the position of the substrate 2 and the position of the mask 14 mounted on the Y-θ axis stage 13 are sensed and a deviation occurs between the substrate 2 and the mask 14, the deviation of the deviation The X-axis stage 8 and the Y-θ axis stage 13 are moved in accordance with the size and direction, and the position of the mask 14 provided in the Y-θ axis stage 13 is shifted. Match the position.
이와 같이 상기 기재(1)에 대한 마스크(16)의 위치를 보정하기 위해, 상기 X축 스테이지(8)와 Y-θ축 스테이지(13)를 이동시키는 액튜에이터(16,17,20,21)는 1㎛이하의 칫수까지 정밀하게 제어작동하여야 할 필요가 있는 바, 이러한 요구를 만족시키기 위해 본 발명에서 상기 액튜에이터로서 보이스코일 구동기를 사용하는데, 이 보이스코일 구동기는 전류가 흐르는 도체가 자계내부에 위치하면 이 도체에 힘이 작용하여 움직이게 된다는 원리인 로렌쯔 원리에 의해 구동되는 것으로서, 브러시가 없기 때문에 마찰이 전혀 없으며, 응답성이 좋기 때문에 빠른 동작을 필요로 하는 정밀구동시스템에 적합한 구동기라 할 수 있다.Thus, in order to correct the position of the mask 16 with respect to the substrate 1, the actuators 16, 17, 20, 21 for moving the X-axis stage 8 and the Y-θ axis stage 13 are In order to satisfy this demand, the voice coil driver is used as the actuator in the present invention. In this voice coil driver, a conductor through which a current flows is located in the magnetic field. It is driven by the Lorentz principle, which is the principle of force acting on this conductor, and it is suitable for the precision driving system that requires fast action because there is no friction because there is no brush and the response is good. .
그리고, 상기 센서(15,18,19)에서 측정된 값은 도시되지 않은 전자제어기로 인가되어, 이 제어기에서 상기 액튜에이터(16,17,20,21)를 연속적으로 제어함으로써 마스크(14)의 위치를 정확하면서 빠르게 제어할 수가 있는 것이다.The values measured by the sensors 15, 18, and 19 are applied to an electronic controller (not shown), whereby the position of the mask 14 is controlled by continuously controlling the actuators 16, 17, 20, and 21. Can be controlled quickly and accurately.
한편, 상기한 바와 같은 스테이지(8,13)의 기본적인 동작개념을 설명하기 위해 X축 스테이지(8)의 구동을 예로 들어 설명하자면, X축 스테이지(8)를 구동시키기 위해서는 X축 액튜에이터(16,17)를 이루는 직동형 보이스코일의 코일부인 코일조립체가 Y-θ축 스테이지(13)에 고정되고 작동부인 필드 조립체(마그네틱 조립체)는 X 스테이지(8)에 고정되도록 설치된다.On the other hand, in order to explain the basic operation concept of the stage (8, 13) as described above by taking the driving of the X-axis stage 8 as an example, in order to drive the X-axis stage 8, the X-axis actuator 16, The coil assembly, which is the coil part of the linear voice coil constituting 17), is fixed to the Y-θ axis stage 13, and the field assembly (magnetic assembly), which is an operating part, is installed to be fixed to the X stage 8.
따라서, 상기 X축 액튜에이터(16,17)를 이루는 보이스코일에 전원이 인가되면 로렌쯔원리에 의하여 구동력이 발생하게 되고, 이에 따라 상기 2개의 X축 액튜에이터(16,17)가 상호 신축 작동하면서 X축 스테이지(8)를 Y-θ축 스테이지(13)에 대하여 이동시키는 것이다.Accordingly, when power is applied to the voice coils forming the X-axis actuators 16 and 17, a driving force is generated by the Lorentz principle. Accordingly, the two X-axis actuators 16 and 17 expand and contract with each other. The stage 8 is moved with respect to the Y-θ axis stage 13.
이때 상기 X축 스테이지(8)를 지지하고 있는 4개의 탄성지지베어링(9,10,11,12)에는 굽힘(bending)이 발생하게 되고, 그 굽힙의 양은 탄성지지베어링(9,10,11,12)의 강성에 따라 다른 값을 나타낸다.At this time, bending occurs in the four elastic support bearings 9, 10, 11, and 12 supporting the X-axis stage 8, and the amount of bending is equal to the elastic support bearings 9, 10, 11, The value is different depending on the stiffness of 12).
그리고, 상기 탄성지지베어링의 강성은 이를 구성하는 스프링요소의 두께, 폭. 길이 등 형상에 관계된 값으로서, 본 발명에 따른 장치의 동적 특성을 좌우하는 중요한 변수이다.And, the rigidity of the elastic support bearing the thickness, width of the spring element constituting it. As a value related to shape, such as length, it is an important parameter that influences the dynamic properties of the device according to the invention.
한편, 상기의 탄성지지베어링이 가져야 할 특성으로는 첫째, 구동방향의 강성이 작아서 시스템 1차 고유진동수가 1 ∼ 2 Hz가 넘지 않을 것, 둘째 나머지 5축의 강성이 충분히 커서 각 방향의 고유 지동수가 제어대역(control bandwidth)의 2배 이상이 될 것, 셋째 좌굴이 발생하지 않을 것 등이다.On the other hand, the characteristics of the above-mentioned elastic support bearings are as follows: First, the system primary natural frequency should not exceed 1 to 2 Hz due to the small rigidity of the driving direction; It will be more than twice the control bandwidth, the third buckling will not occur.
그리고, Y-θ축 스테이지(13)의 구동방식은 상기 X축 스테이지(8)의 구동방식과는 달리 Y축방향과 θ축방향의 구동이 동시에 이루어지게 되어 있는 것으로서, 이를 도면 3과 관련하면 다음과 같이 설명할 수 있다.In addition, unlike the driving method of the X-axis stage 8, the driving method of the Y-θ-axis stage 13 is driven in the Y-axis direction and the θ-axis direction at the same time. It can be explained as follows.
만약, Y축 방향으로 Δу와, θ축의 시계방향으로 Δθ의 오차가 있다면 Y-θ 액튜에이터 1(20)은 다음 식과 같은 거리만큼 구동하여야 한다.If there is an error of Δу in the Y-axis direction and Δθ in the clockwise direction of the θ axis, the Y-θ actuator 1 (20) should be driven by a distance as shown in the following equation.
Δу-ＲΔθΔу-ＲΔθ
반면에, 상기 Y-θ 액튜에이터 2(21)는 다음 식과 같은 거리만큼 구동하여야 한다.On the other hand, the Y-θ actuator 2 (21) should be driven by the distance as shown in the following equation.
Δу+ＲΔθΔу + RΔθ
즉, 상기 2개의 액튜에이터(20,21)는 차동구동되어 Y축과 θ축 구동을 동시에 발생시키게 되는 것이다.That is, the two actuators 20 and 21 are differentially driven to simultaneously generate Y-axis and θ-axis driving.
한편, 이때 Y축 위치센서(18)는 Y축상에 위치하고 있기 때문에 순수하게 Δу값만을 감지하게 되고, θ축 위치센서(19)는 Y변위와 함께 회전각도도 감지하게 되는 것이다.On the other hand, since the Y-axis position sensor 18 is located on the Y-axis, only the Δу value is detected purely, and the θ-axis position sensor 19 detects the rotation angle along with the Y displacement.
Δу*= Δу+ＲΔθΔу * = Δу + RΔθ
따라서, 주컴퓨터에서는 위의 값과 Δу, Ｒ(마스크중심에서 위치센서(19)장착지점까지의 거리)을 이용하여 다음 식과 같이 회전각을 계산하게 된다.Therefore, in the main computer, the rotation angle is calculated using the above values, Δу, and R (distance from the mask center to the position of the position sensor 19) as shown in the following equation.
Δθ = (Δу*- Δу)/ＲΔθ = (Δу * -Δу) / R
이 값과 센서에서 측정된 X, Y 변위 값은 제어기에 전달되어 폐루프제어를 행하게 된다.한편, 도 6 및 도 7은 도 2의 사시도 및 작동상태에 따른 평면도로, 별도로 이동하는 X축과, Y축 변위와 함께 θ축의 이동에 따라 Y축 스테이지(13)가 함께 이동하는 것을 나타낸 것으로, Y-θ축에 의해 동일축선상에서 움직이는 것을 볼 수 있다.This value and X and Y displacement values measured by the sensor are transmitted to the controller to perform closed loop control. Meanwhile, FIGS. 6 and 7 are plan views according to the perspective view and the operating state of FIG. The Y-axis stage 13 moves together with the Y-axis displacement as the θ-axis moves, and it can be seen that the Y-θ-axis moves on the same axis.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 3축스테이지 제어장치는 이와 같이 본 발명에 따른 3축 스테이지 제어장치는, X축 스테이지(8)와 Y-θ축 스테이지(13)가 스프링강판, 스프링강선 등과 같은 탄성스프링으로 이루어진 무마찰탄성베어링을 매개하여 연결되어 있기 때문에, 이들 스테이지를 작동시킬 때 마찰력이 발생하지 않기 때문에 선형제어가 가능하며, 2개의 스테이지(8,13)만으로 X축방향의 이동과 Y축 및 θ축 방향의 이동을 제어할 수 있게 되어 있으므로 전체적으로 구조를 간단하게 만들 수 있으며 기기의 가격도 낮출 수 있는 등의 장점을 얻을 수 있는 것이다.As described above, the three-axis stage control apparatus according to the present invention, the three-axis stage control apparatus according to the present invention, the X-axis stage 8 and the Y-θ axis stage 13 is a spring steel plate, spring steel wire Since it is connected by frictionless elastic bearings made of elastic springs, etc., since no friction force is generated when operating these stages, linear control is possible, and movement in the X-axis direction with only two stages 8 and 13 is possible. And since it is possible to control the movement in the Y-axis and θ-axis direction, the overall structure can be made simple, and the cost of the device can be reduced.
따라서 본 발명에 따른 다축 스테이지 제어장치를 반도체칩의 제조과정에서기재(1)와 집적회로가 새겨진 마스크(14)사이의 상대적 위치를 2개의 스테이지만으로 정밀하게 제어하여 정렬노광시키는데 효과적으로 이용할 수 있는 것이다.Therefore, the multi-axis stage control apparatus according to the present invention can be effectively used to precisely control the relative position between the substrate 1 and the mask 14 engraved with the integrated circuit in the manufacturing process of the semiconductor chip with only two stages. .
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