KR100434975B1 - 범용 나노 스테이지의 구동장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 스테이지를 공간상에서 부상시킬 수 있게 구성하여 스테이지의 초정밀 구동을 가능하도록 한 범용 나노 스테이지의 구동장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 이를 위해 하우징내에 설치되어 스테이지를 X, Y축 방향으로 구동시킬 수 있도록 전원의 인가에 따라 가동되는 공심 솔레노이드를 구비한 다수개의 X, Y축 구동부와, 상기 다수개의 X, Y축 구동부 상부에 설치되어 상기 X, Y축 구동부의 구동력을 상기 스테이지에 전달하는 다수개의 영구자석을 구비한 구동전달부와, 상기 구동전달부 상부에 설치되어 상기 스테이지를 Z축 방향으로 구동시킬 수 있도록 다수개의 영구자석과 반응하여 변위를 일으키는 다수개의 코일 및 요크와, 상기 구동전달부와 다수개의 코일 및 요크 사이 각각에 설치되어 하우징내의 공간상에서 자기 흡입력을 이용하여 구동전달부를 부상시킬 수 있도록 상기 코일 및 요크와 반응하여 자석의 흡입력을 만들어 내는 하나 이상의 강자성체 평판과, 상기 스테이지의 측면 동일선상에 설치되어 임의의 초기설정위치를 기준으로 상기 스테이지의 X, Y축 방향의 구동에 따른 위치변위를 감지할 수 있도록 레이저빔을 전사하는 레이저부와, 상기 구동전달부 하부의 임의의 위치에 설치되어 임의의 초기설정위치를 기준으로 상기 스테이지의 Z축 방향의 구동에 따른 위치변위와 자세각 변화에 따른 위치변위를 감지하는 갭센서를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하며, 이에 따라, 스테이지의 기계적인 마찰과 같은 비선형성을 배제하여 초정밀 구동이 가능하고, 스테이지의 구동에 따른 스테이지의 자세각 보정을 위해 별도의 지그가 필요없으므로, 제품의 제작비용이 절감 및 제작이 용이할뿐아니라, 자석과 솔레노이드의 다양한 배열형태가 가능하여 스테이지의 평면 운동 및 6자유도 운동을 할 수 있으며, 또한, 스테이지의 구동시 발생되는 위치 오차를 미연에 방지하여 제품의 신뢰성 및 안정성을 향상시키고, 또한, 이러한 제품은 청정도 및 기계적인 접촉의 배제를 요구하는 반도체 제조 공정 및 박막 표시 장치의 노광 공정상에 적용하는데 용이한 효과가 있다.

Description

범용 나노 스테이지의 구동장치 및 그 방법{ Positioning System of Nano-Meter Stage and Method Thereof }
본 발명은 범용 나노 스테이지의 구동장치 및 방법에 관한 것으로, 특히, 스테이지를 공간상에서 부상시킬 수 있게 구성하여 스테이지의 초정밀 구동을 가능하도록 한 반도체용 범용 나노 스테이지의 구동장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 제조공정에 있어 회로 선폭의 미세화와 더불어 웨이퍼 사이즈의 증가에 따른 고정밀도와 큰작업 영역확보의 동시 구현은 종래 기계적인 구동기 관점에서 보면 모순되는 성능 목표라 할 수 있다.
따라서, 이러한 요구에 부응하기 위해 산업 현장에서는 대부분 볼스크류와 리니어 가이드 조합의 간접 구동기를 1차 구동기로 하고 작업 영역은 미세하지만 더욱 정밀한 구동기, 즉 압전 소자등과 같은 기능 소자를 1차 구동기에 탑재한 형태의 2중 구조 구동기를 채택하여 원하는 성능을 구현하고 있다.
그러나, 이러한 방식은 조동 구동기와 미동 구동기 사이의 전이 구간 존재로 인한 응답속도 한계, 복잡한 제어기로 인한 과대한 제작비 및 보정 시험의 난이함으로 인하여 많은 제약이 뒤따르는 문제점이 있었다.
따라서, 상기와 같은 간접 구동방식 대신에 리니어 모터와 같은 직접 구동방식을 이용한 직선운동기기들이 그 전달 효율의 진일보 덕택에 활발히 개발되고 있으며, 기계적인 전달 메커니즘을 이용할 경우에는 평면상에서 자유도를 확장하기 위해 별도의 구동 메커니즘이 필요하지만 직접 구동방식에서는 가동부는 하나이고 평면상에 구동부를 적절히 배치하여 평면상에서 다자유도를 얻는 것이 가능하였으나 이러한 사실은 시스템의 응답 속도를 결정하는 중요한 요인의 하나로서 가동부의 관성 효과를 가능한 낮추는 것이 상대적으로 유리하며, 또한 반도체 제조 공정은 회로선폭의 미세화에 따라 그 작업환경에서도 더욱 엄격한 제약을 낳고 있기 때문에 앞서 언급한 2중 구동기를 대처할 수 있는 초정밀 구동 능력과 큰 작업 영역뿐만아니라 초청정 환경에 부합하는 구동기술의 개발이 절실히 요구되는 실정이다.
또한, 초정밀 평면운동을 할 수 있는 기존의 나노 구동장치들에 있어서, 작업개체와의 초기 보정시험은 필수적인데 이를 해결하기 위하여 추가로 압전소자등을 이용한 복잡한 보정 지그가 필요하며, 따라서 불가결하게 장치들이 대단히 복잡한 구조를 가지므로, 초정밀 구동의 한계로 인한 빠른 응답속도를 요구할 수 없는 단점이 있었다.
따라서, 나노 구동 장치에 범용성을 부여하기 위해서는 이러한 평면 운동을 제외한 나머지 자유도에 대한 보정 구동기를 통합한 형태가 바람직하다.
또한, 기존의 자기력을 이용하여 평면 운동을 만드는 기기들에 있어 추력 발생원리는 크게 자기장안에 놓여 있는 전류가 흐르는 코일이 받는 로렌쯔 ( Lenz' s Law)의 힘을 이용하는 방법과 솔레노이드와 영구 자석간의 상호작용에 의한 맥스웰(Maxwell)의 힘을 이용하는 방법으로 구별될 수 있다. 또한, 고정밀도 운동을 구현하기 위해 스테이지 자체를 부상시킬 때는 공기압 베어링등을 이용하며 대부분의 평면 운동은 가동부와 구동부 사이에 마찰 계수가 적은 평판을 삽입해 넣거나 가동부를 보조 가이드를 통해서 안내하는 방식을 취한다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 이미 미국 특허청과 대한민국 특허청에에 선출원된바 상기 선행 기술의 구성을 살펴보면,
도 1 에 도시된 바와같이, 1995년 Journal of Dynamic Systems, Measurementand Control(Vol. 117, pp.311-319)에 수록된 " Study on Surface-Motor Driven Precise Positioning System " 에 제시되어 있는 서피스 모터 구동방식의 정밀 위치 시스템이다. 스테이지(1)은 공기압 베어링(4)에 의해 공간상에 부상되고 스테이지 하단에는 배열 형태의 영구자석 (6)이 요크(7)에 장착되어 있고, 고정단(5)에는 코일 어셈블리(8)이 놓여 있어 영구자석과 반응한다. 또한, 스테이지의 공간상 위치는 레이저(2)(3)를 스테이지 측면에 조사시켜 제어 루프로 되먹임하게 된다.
도 2에 도시된 바와같이, 미국특허 U. S. Pat. No. 3,857,078에 제시된 가변 자기 저항(Variable Reluctance)방식 평면 구동기에 관한 것이다. 일명 소요(Sawyer)모터라 불리는 비접촉식 평면 구동기의 효시라 할 수 있다. 코일(11)이 가동부의 철심(12)(12')에 감겨 있으며 각 철심 끝단에 부착되어 있는 자성체(13)(13')(14)(14')가 고정단(16)의 자성체(15)와 자기 저항의 변화를 이용하여 추력을 얻는다. 직선운동에 추가하여 두축운동을 얻기 위해서는 도 2에 도시되어 있는 조합을 평면 방향으로 확장하여 추가 배치하면, 간단히 원하는 운동을 얻을 수 있다.
도 3에 도시된 바와같이, 미국특허 U. S. Pat. No. 4,535,278에 제시된 반도체 제조 공정을 위한 2자유도 정밀 위치기기에 관한 것이다. 높은 분해능력과 큰 작업 영역을 필요로 하면서 구동로드는 비교적 크지 않은 반도체 제조 공정을 위해 코일(3)(4)을 포함하고 있는 평판이 영구 자석(22)(28)을 부착한 고정단(21)(27)사이에서 평면운동을 하며 영구자석사이의 자로(磁路)는 자성재료인 하판(21)과 상판(27)을 통해 폐회로를 구성한다. 다른 예로 코일(34)(35)가 자성체로 된상판(32)에 부착되어 있고, 하판(31)에는 영구 자석(33)이 부착되어 있다.
도 4에 도시된 바와같이, 미국특허 U. S. Pat. No. 4,555,650에 제시된 역시 반도체 제조 공정을 위한 2자유도 구동기기에 관한 것으로 도 3에 제시되어 있는 내용에서 파워를 증대 시킨 형태이다. 자기 경로를 확보하기 위해 자성체 재질의 상판(47)에 영구 자석(48)이 하판(41)에는 영구자석(42)이 부착되어 있으며, 가동부에는 자성체(43)를 사이에 두고 상하방향에 코일(44)(45)이 부착되어 있다.
도 5 및 도 6에 도시된 바와같이, 미국특허 U. S. Pat. No. 3,881,139에 제시된 펄스 구동 방식의 다축 리니어 모터이다. 요철 모양의 자성판인 하판(59)에 이송 가이드 트랙(51)이 양쪽으로 설치되어 있고, 1차 가동부(54)에 가이드 롤러(52)(52')와 가이드 트랙(58)이 있으며, 안쪽면에는 고정 트랙(53)이 설치되어 있고, 2차 가동부(56)에는 가이드 롤러(55)와 구동 코일 연결선(57)이 부착되어 있다. 도 6에 도시된 바와같이, 상기 2차 가동부(56)위에 탑재되는 3차 가동부와, 상기 3차 가동부로 실린더 형태의 자성 요철부(61)와 코일(62)이 연결된 최종 상판(65)의 상하운동을 위해 수직봉(63)과 이송통로(64)로 구성되어 있다.
도 7에 도시된 바와같이, 대한민국 특허청 수록된 특허출원번호 제 1998-0065084 호의 원자간력(Atomic Force) 현미경용 초정밀 3축 스테이지의 구성은 기초로서 베이스(71)가 형성되고 베이스 중앙으로는 베이스 내측의 x축 선상 일측 중앙에 형성된 압전소자(72a)에 의해 좌우측 방향으로 구동되는 x축 가이드(81)와 상기 x축 가이드(81) 내측으로 y축 선상과 수직을 이루며 y축 전방 중앙에 형성된 압전소자(72b)에 의해 전후 방향으로 구동되는 y축 가이드(82)와 상기 가이드 내축중앙부에 수직으로 형성되어 하측 중앙부에 형성된 압전소자(73)에 의해 상하 방향으로 구동되는 z축 가이드(83)로 구성되며 각 축 운동을 감지하는 감지센서(84)(84')와 센서 홀더(74)(74')로 구성된다.
도 8, 9, 10에 도시된 바와같이, 대한민국 특허청 수록된 특허출원번호 제 1998-008814 호의 평면 스텝 모터를 이용한 노광 장비 스테이지의 미소 각도 보정 장치 구성은, 스테이지(91)의 평면운동은 레이저 센서(92)(93)에 의해 감지되며, 평면 직선 운동을 위한 스테이지 하단의 평면 스텝 모터(94)(95)와 스테이지의 회전운동을 위한 링형 스텝 모터(96)로 구성된다.
그러나, 도 1의 서피스 모터 구동방식의 정밀 위치 시스템은, 스테이지의 부상을 위해 세 개의 공기압 베어링을 이용하는데 자기력과 공압의 조합으로 인해 서보 장비가 대단히 복잡하게 되며 실제 구현에 있어 제작비가 많이드는 결점이 있다.
또한, 도 2의 자기저항 방식 평면 구동기는, 자기 저항의 가변성을 이용하는방법인데 폴 사이의 가공 정밀도의 불균성등에 의해 코킹(Caulking)요소가 산재해 있어 초정밀 구동에는 한계가 있다.
또한, 도 3 및 도 4의 반도체 제조 공정을 위한 2자유도 정밀 위치기기는, 무빙 코일(Moving Coil)방식이기 때문에 엄밀하게 애기하면 완전한 자기부상이라 할 수 없다 따라서, 평면운동을 위해 적절한 가이드 기구들이 필요 하며, 또한, 구성 요소의 특성상 평면 운동만이 가능하다. 이러한 특성은 기구 자체의 정밀도에 한계를 가져오는 요소이며, 또한, 자성체를 채택하고 있으므로, 자기 포화 문제로인해 구동력의 한계가 존재한다.
또한, 도 5 및 도 6의 펄스 구동 방식의 다축 리니어 모터는, 맥스웰 힘을 이용하는 방법인데 맥스웰 힘은 솔레노이드와 영구자석간의 상호작용을 이용하는 방법으로, 이러한 힘은 발생 메커니즘 형태로 보면, 불가피한 불연속 효과가 존재한다. 또한, 두 번째, 세 번째 가동부가 첫 번째 가동부에 모두 탑재된 형태를 취하기 때문에 그 응답 속도에 한계를 가져오는 구성형태이다. 또한, 종단부에 가서 각 구동부의 위치 오차가 중첩되는 형태를 취하기 때문에 정밀운동 기기로서는 적합하지 않다.
또한, 도 7의 원자간력 현미경용 초정밀 3축 스테이지는, 자기력 베이스가 아닌 압전 소자를 이용한 스테이지를 나타내는데, 결국 다축 나노 스테이지의 성능 구현을 위해서 대단히 복잡한 기계적인 메카니즘이 필요한 것을 알 수 있으며, 또한 상단부 스테이지의 회전각 변화량은 결국 또 다른 메카니즘에 의존해야하는 것을 알 수 있다.
또한, 도 8, 도 9 및 도 10의 평면 스텝 모터를 이용한 노광 장비 스테이지의 미소 각도 보정 장치는, 스테이지의 수직 방향 회전 변화에 대한 언급은 전혀 없는 것을 알 수 있으며, 과도한 회전 운동을 위해 링형 스텝 모터를 추가했지만, 이때, 직선 운동에 대한 가능 여부에 대해 언급이 전혀 없다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 자석과 구동부에 안착되어 자기 흡입력을 이용하여 스테이지를 공간상에서 부상시킴으로써, 구동부에 수동적인 자기 요소들만이 존재할 경우에 고정단과 구동부를 분리하는 것이 가능하며 고정단과 구동부사이에 기계적인 전달 메커니즘이 필요없으므로, 스테이지의 초정밀 구동을 가능하도록 한 범용 나노 스테이지의 구동장치 및 그 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 자석과 구동부에 안착되어 자기 흡입력을 이용하여 스테이지를 공간상에서 부상시킬 수 있는 강자성체를 구비함으로써, 복잡한 전달 메커미즘과 별도의 자세각 보정 지그가 필요없어 제품의 제작비용을 절감할 수 있도록 한 범용 나노 스테이지의 구동장치 및 그 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 스테이지의 강자성체 하부에 자석과 공심 솔레노이드를 다양하게 배열정렬시킴으로써, 자석과 공심 솔레노이드와의 상호 작용에 의한 추력을 증진시키고, 이를 이용하여 스테이지의 구동운동인 평면운동 및 6자유도 운동을 할 수 있도록 한 범용 나노 스테이지의 구동장치 및 그 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 스테이지의 구동부가 공간상에 부상되어 있으므로, 제품의 대역폭을 임의로 설계할 수 있을 뿐아니라, 구동영역을 확대하기 위하여 고정단의 코일 구동부를 확대시켜 보다 큰 구동 영역을 얻을 수 있도록 한 범용 나노 스테이지의 구동장치 및 그 방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 범용 나노 스테이지의 구동장치는, 하우징내에 설치되어 스테이지를 X, Y축 방향으로 구동시킬 수 있도록 전원의 인가에 따라 가동되는 공심 솔레노이드를 구비한 다수개의 X, Y축 구동부와, 상기 다수개의 X, Y축 구동부 상부에 설치되어 상기 X, Y축 구동부의 구동력을 상기 스테이지에 전달하는 다수개의 영구자석을 구비한 구동전달부와, 상기 구동전달부 상부에 설치되어 상기 스테이지를 Z축 방향으로 구동시킬 수 있도록 다수개의 영구자석과 반응하여 변위를 일으키는 다수개의 코일 및 요크와, 상기 구동전달부와 다수개의 코일 및 요크 사이 각각에 설치되어 하우징내의 공간상에서 자기 흡입력을 이용하여 구동전달부를 부상시킬 수 있도록 상기 코일 및 요크와 반응하여 자석의 흡입력을 만들어 내는 하나 이상의 강자성체 평판과, 상기 스테이지의 측면 동일선상에 설치되어 임의의 초기설정위치를 기준으로 상기 스테이지의 X, Y축 방향의 구동에 따른 위치변위를 감지할 수 있도록 레이저빔을 전사하는 레이저부와, 상기 구동전달부 하부의 임의의 위치에 설치되어 임의의 초기설정위치를 기준으로 상기 스테이지의 Z축 방향의 구동에 따른 위치변위와 자세각 변화에 따른 위치변위를 감지하는 갭센서를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 범용 나노 스테이지의 구동방법은, 하우징에 설치된 스테이지의 각 X축, Y축, Z축 구동부의 구동에 따른 입력 전원값을 산정하고, 상기 각 구동부의 구동위치를 초기화 하는 단계와, 상기 단계로부터 각 구동부에 산정된 입력 전원값에 따라 전원을 인가하는 단계와, 상기 단계로부터 각 구동부에 전원이 인가함과 동시에 하우징내에 구비된 강자성체 평판의 자기 흡인력에 의해 하우징의 공간상에서 스테이지를 부상시키는 단계와, 상기 단계로부터 스테이지를 다수개의 X, Y축 구동부에 의해 X, Y축 방향으로 구동시키고, 다수개의 코일 및 요크에 의해 스테이지를 Z축 방향으로 구동시키는 단계와, 상기 단계로부터 스테이지의 구동에 따른 위치변위를 감지함과 동시에 위치변위가 입력단의 허용범위 위치에서 벗어나는 경우 이를 감지하는 스테이지 위치변위 감지단계와, 상기 단계로부터 감지된 신호를 저주파 통과 필터로 통과시키는 단계와, 상기 단계로부터 통과된 신호를 아날로그-디지털 변환기로 인가하여 디지털 신호로 변환하는 단계와, 상기 단계로부터 변환된 디지털 신호를 디지털 필터로 인가하여 정량적 오차를 보상하는 단계와, 상기 단계로부터 디지털 신호를 제어부에 인가하여 제어부에 산정된 입력 전원값을 결정하고 이를 재입력하여 신호화 하는 단계와, 상기 단계로부터 수정된 신호를 다시 디지털-아날로그 변환기로 인가하여 아날로그 신호로 변환하는 단계와, 상기 단계로부터 변환된 신호를 파워드라이버를 통해 다시 각 구동부에 전원을 인가하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
도 1은 종래의 일 실시예에 따른 스테이지의 구동장치 중 공압지지 방식의 서피스 모터를 나타낸 사시도,
도 2는 종래의 다른 실시예에 따른 스테이지의 구동장치 중 가변 자기저항 방식의 소요 모터를 나타낸 도면,
도 3은 종래의 또 다른 실시예에 따른 스테이지의 구동장치 중 반도체 공정을 위한 2자유도 정밀 위치 기기를 나타낸 도면,
도 4는 종래의 또 다른 실시예에 따른 스테이지의 구동장치 중 반도체 공정을 위한 2자유도 구동 시스템을 나타낸 도면,
도 5는 종래의 또 다른 실시예에 따른 스테이지의 구동장치 중 3축 펄스 구동 리니어 모터를 나타낸 도면,
도 6은 도 5의 스테이지의 구동장치 중 펄스 구동 리니어 모터 위에 놓이는 구동기를 나타낸 도면,
도 7은 종래의 또 다른 실시예에 따른 스테이지의 구동장치 중 헤드를 생략한 초정밀 3축 스테이지를 나타낸 사시도,
도 8은 종래의 또 다른 실시예에 따른 스테이지의 구동장치 중 노광장비 스테이지의 미소 각도 보정 장치를 나타낸 도면,
도 9는 도 8의 평면 스텝모터를 나타낸 도면,
도 10은 도 8의 링형 스텝모터를 나타낸 도면,
도 11는 본 발명의 일실시예에 따른 범용 나노 스테이지의 구동장치의 구성을 나타낸 분해사시도,
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 범용 나노 스테이지의 구동장치의 결합상태를 나타낸 사시도,
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 범용 나노 스테이지의 구동장치의 부분절단면을 나타낸 사시도.
도 14a는 본 발명의 일실시예에 따른 범용 나노 스테이지의 구동장치의 구성을 나타낸 측단면도,
도 14b는 본 발명의 일실시예에 따른 범용 나노 스테이지의 구동장치의 작동상태를 나타낸 측단면도,
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 범용 나노 스테이지의 구동장치의 구성중 X, Y축 구동부의 배치를 나타낸 사시도,
도 16a는 본 발명의 일실시예에 따른 범용 나노 스테이지의 구동장치의 구성중 코일 및 요크의 배치를 나타낸 사시도,
도 16b는 도 16a의 A부 확대사시도,
도 17은 본 발명의 다른실시예에 따른 범용 나노 스테이지의 구동장치를 나타낸 사시도,
도 18은 본 발명의 다른실시예에 따른 범용 나노 스테이지의 구동장치의 구성 중 각 구동부의 배치를 나타낸 평면도.
도 19는 본 발명의 다른실시예에 따른 범용 나노 스테이지의 구동장치의 구성 중 강자성체 평판를 나타낸 사시도,
도 20은 본 발명에 따른 범용 나노 스테이지의 구동방법을 나타낸 흐름도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 본체 101 : 하우징
102 : 스테이지 102a : 전반사 거울
103, 103a : X축 구동부 104, 104a : Y축 구동부
105 : 구동전달부 105a : 지지평판
105b : 연결중심축 106 : 코일
107 : 요크 107a : 철심부
108, 200 : 강자성체 평판 109 : 레이저부
110 : 갭센서 111 : 영구자석
201 : 관통홀
이하, 본 발명의 일 실시예에 의한 범용 나노 스테이지의 구동장치 및 그 방법에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 11는 본 발명의 일실시예에 따른 범용 나노 스테이지의 구동장치의 구성을 나타낸 분해사시도 이고, 도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 범용 나노 스테이지의 구동장치의 결합상태를 나타낸 사시도 이고, 도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 범용 나노 스테이지의 구동장치의 부분절단면을 나타낸 사시도 이고, 도 14a는 본 발명의 일실시예에 따른 범용 나노 스테이지의 구동장치의 구성을 나타낸 측단면도 이고, 도 14b는 본 발명의 일실시예에 따른 범용 나노 스테이지의 구동장치의 작동상태를 나탄내 측단면도 이고, 도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 범용 나노 스테이지의 구동장치의 구성중 X, Y축 구동부의 배치를 나타낸 사시도 이고, 도 16a는 본 발명의 일실시예에 따른 범용 나노 스테이지의 구동장치의 구성중 코일 및 요크의 배치를 나타낸 사시도 이고, 도 16b는 도 16a의 A부 확대사시도 이고, 도 17은 본 발명의 다른실시예에 따른 범용 나노 스테이지의 구동장치를 나타낸 사시도 이고, 도 18은 본 발명의 다른실시예에 따른 범용 나노 스테이지의 구동장치의 구성 중 각 구동부의 배치를 나타낸 평면도 이고, 도 19는 본 발명의 다른실시예에 따른 범용 나노 스테이지의 구동장치의 구성 중 강자성체 평판를 나타낸 사시도 이다.
도 11 내지 도 19에 도시한 바와같이, 범용 나노 스테이지의 구동장치 본체(100)는 하우징(101)과, 스테이지(102)와, 다수개의 X, Y축 구동부(103)(103a)(104)(104a)와, 구동전달부(105)와, 다수개의 코일(106) 및 요크(107)와, 하나 이상의 강자성체 평판(108)과, 다수개의 레이저부(109)와, 다수개의 갭센서(110)로 이루어져 있다.
상기 스테이지(102)는 하우징(101) 상단면에 설치되어 있다.
상기 하우징(101) 상단 중심부에는 상기 후술하는 구동전달부(105)의 연결중심축(105b)을 관통결합하도록 결합홀(101a)이 형성되어 있다.
상기 다수개의 X, Y축 구동부(103)(103a)(104)(104a)는 상기 스테이지(102)를 X, Y축 방향으로 구동시킬 수 있도록 전원의 인가에 따라 가동되는 공심 솔레노이드를 구비함과 동시에 하우징(101)내에 설치되어 있다.
또한, 상기 X, Y축 구동부는 하우징(101) 각각의 모서리에 서로 대각선으로 엇갈리게 배치되도록 한쌍의 X, Y축 구동부(103)(103a)(104)(104a)로 이루어져 있다.
또한, 도 18에 도시된 바와같이, 상기 X, Y축 구동부(103)(103a)(104)(104a)는 한쌍의 X, Y축 구동부(103)(103a)(104)(104a)를 서로 교차되게 배치되도록 하우징(101)의 임의의 위치에 설치되어 있다.
상기 구동전달부(105)는 상기 X, Y축 구동부(103)(103a)(104)(104a)의 구동력을 상기 스테이지(102)에 전달하도록 상기 X, Y축 구동부(103)(103a)(104)(104a) 상부에 설치되어 있다.
또한, 상기 구동전달부(105)는 지지평판(105a)과, 연결중심축(105b)과, 다수개의 영구자석(111)으로 이루어져 있다.
상기 지지평판(105a)은 상기 다수개의 영구자석(111)을 지지하도록 상기 구동전달부(105) 하부에 형성되어 있다.
상기 연결중심축(105b)은 상기 스테이지(102)와 연결되어 스테이지(102)에 구동력을 전달하도록 지지평판(105a) 상단면 중심부에 형성되어 있다.
상기 다수개의 영구자석(111)은 다수개의 코일(106) 및 요크(107)와 대응하도록 상기 지지평판(105a)과 X, Y축 구동부(103)(103a)(104)(104a) 사이에 설치되어 있다.
상기 다수개의 코일(106) 및 요크(107)는 상기 스테이지(102)를 Z축 방향으로 구동시킬 수 있도록 다수개의 영구자석(111)과 반응하여 변위를 일으킬 수 있게상기 구동전달부(105) 상부에 설치되어 있다.
또한, 상기 다수개의 코일(106) 및 요크(107)는 상기 요크(107) 하부에 다수개의 철심부(107a)가 형성되어 있다. 상기 다수개의 철심부(107a)에 결합되도록 다수개의 코일(106)로 이루어져 있다.
상기 하나 이상의 강자성체 평판(108)은 하우징(101)내의 공간상에서 자기 흡입력을 이용하여 구동전달부(105)를 부상시킬 수 있도록 상기 코일(106) 및 요크(107)와 반응하여 자석의 흡입력을 만들어 냄과 동시에 상기 구동전달부(105)와 다수개의 코일(106) 및 요크(107) 사이 각각에 설치되어 있다.
또한, 도 17 및 도 19에 도시된 바와같이, 상기 강자성체 평판(200)은 상기 다수개의 코일(106) 및 요크(107)와 대응되도록 한개의 평판으로 이루어짐과 동시에 상기 강자성체 평판(108)의 중심부에는 상기 구동전달부(105)의 연결중심축(105b)이 관통되도록 관통홀(201)이 형성되어 있다.
상기 다수개의 레이저부(109)는 임의의 초기설정위치를 기준으로 상기 스테이지(102)의 X, Y축 방향의 구동에 따른 위치변위를 감지할 수 있도록 상기 스테이지(102) 측면과 동일선상에 설치되어 있다.
또한, 상기 스테이지(102)의 측면에는 상기 레이저부(109)에서 전사되는 레이저빔을 반사하도록 전반사 거울(102a)이 설치되어 있다.
상기 다수개의 갭센서(110)는 임의의 초기설치위치를 기준으로 상기 스테이지(102)의 Z축 방향의 구동에 따른 위치변위와 자세각 변화에 따른 위치변위를 감지하도록 상기 구동전달부(105) 하부의 임의의 위치에 설치되어 있다.
그러면, 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 일 실시예에 의한 범용 나노 스테이지(102)의 구동장치의 동작과정을 첨부된 도 11 내지 도 19를 참조하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 11내지 도 13에 도시된 바와같이, 하우징(101)에 설치된 스테이지(102)의 각 X축, Y축 구동부(103)(103a)(104)(104a)와 Z축 구동부인 다수개의 코일 (106) 및 요크(107)의 구동에 따른 입력 전원값을 산정한다.
이 상태에서 도 14a에 도시된 바와같이, 스테이지(102)를 Z축 방향으로 구동시키는 다수개의 코일(106) 및 요크(107)에 전원을 인가하면, 전류에 의해 코일(106) 및 요크(107)가 자화되어 구동전달부(105)와 다수개의 코일(106) 및 요크(107) 사이각각에 설치된 하나 이상인 즉 네 개의 강자성체 평판(108)에 자석의 흡입력이 발생한다.
이때, 도 14b에 도시된 바와같이, 상기 구동전달부(105)는 Z축 방향으로 부상되고, 상기 구동전달부(105) 상단면 중심부에 형성된 연결중심축(105b)과 연결된 스테이지(102)도 함께 부상된다.
이와 같이 네 개의 강자성체 평판(108)의 네 접점에서 만들어진 부상력에 의해 스테이지(102)의 무게 중심이 Z축 방향으로 이루어지고, 이 네 개의 강자성체안에 존재하는 영역이 스테이지(102)의 최대 구동범위가 된다.
이 상태에서, 도 15에 도시된 바와같이, 상기 하우징(101)내의 공간상에서 자기 흡입력을 이용하여 부상된 스테이지(102)를 X, Y축 방향으로 구동시킬 경우 산정된 입력 전원값의 전원을 인가하면, 전류세기에 따라 공심 솔레노이드가 가동되어 스테이지(102)를 X, Y축 방향으로 구동시킨다.
이때, 상기 X, Y축 구동부(103)(103a)(104)(104a) 상부에 스테이지(102)와 연결된 구동전달부(105)가 설치되어 있으므로, 상기 X, Y축 구동부(103)(103a)(104)(104a)의 구동력을 구동전달부(105)가 스테이지(102)에 전달한다.
또한, 도 16a,b에 도시된 바와같이, 다수개의 코일(106) 및 요크(107)는 강자성체 평판(108)과 반응하여 스테이지(102)를 부상시킴과 동시에 영구자석(111)과 반응하여 변위를 일으켜 스테이지(102)를 Z축방향으로도 구동시킨다.
도 12에 도시된 바와같이, 스테이지(102)의 X, Y축 방향으로 구동에 따른 위치변위를 감지하기 위해 임의의 초기위치를 설정하고, 이 초기설정위치의 기준에 따라 스테이지(102)의 구동위치변위를 감지하기 위해 세 개의 레이저부(109)가 하우징 상단의 임의의 위치에 설치된다.
상기 세 개의 레이저부(109)는 스테이지(102) 측면과 동일선상에 설치됨과 동시에 하우징(101) 상단면 각각에 X축 방향과 Y축방향으로 설치된다.
상기 세 개의 레이저부(109)는 스테이지(102)의 측면에 설치된 전반사 거울(102a)에 레이저빔을 전사하여 이 전반사 거울(102a)에서 반사되어 오는 레이저빔에 의해 스테이지(102)의 X, Y축 방향의 위치변위를 감지한다.
이와 동시에 스테이지(102)의 Z축 방향으로 구동에 따른 위치변위를 감지하기 위해 임의의 초기위치를 설정하고, 이 초기설정위치의 기준에 따라 스테이지(102)의 구동위치변위를 감지함과 동시에 스테이지(102)의 자세각 변화에따른 위치변위를 감지하기 위해 다수개의 갭센서(110)를 상기 구동전달부(105) 하부의 임의의 위치에 설치한다.
상기 다수개의 갭센서(110)에 의해 스테이지(102)의 Z축 방향의 구동에 따른 위치변위와 자세각에 따른 위치변위를 감지한다.
또한, 도 17 및 도 18에 도시된 바와같이, 범용 나노 스테이지의 구동장치의 다른 실시예를 나타낸 것으로서, 하우징내에 설치되는 한쌍으로 이루어진 X, Y축 구동부(103)(103a)(104)(104a)는 한쌍의 X, Y축 구동부(103)(103a)(104)(104a)를 서로 교차되게 배열함으로써, 영구 자석(111)과 솔레노이드와의 상호 작용에 의한 추력을 증진시킨다.
또한, 도 19에 도시된 바와같이, 상기 강자성체 평판(200)은 상기 다수개의 코일(106) 및 요크(107)와 대응되도록 한 개의 강자성체 평판(200)으로 이루어진다.
상기 한 개의 강자성체 평판(108)의 중심부에는 상기 구동전달부(105)의 연결중심축(105b)이 관통되도록 관통홀(201)이 형성된다.
그러면, 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 일 실시예에 의한 범용 나노 스테이지의 구동방법의 동작과정을 첨부된 도 20을 참조하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 20은 본 발명에 따른 범용 나노 스테이지(102)의 구동방법을 나타낸 흐름도 이다.
도 20에 도시된 바와같이, 하우징(101)에 설치된 스테이지(102)의 각 X축, Y축, Z축 구동부의 구동에 따른 입력 전원값을 산정하고(S2), 상기 각 구동부의 구동위치를 초기화 한다(S1)
상기 S2로부터 각 구동부에 산정된 입력 전원값에 따라 전원을 인가한다.(S3)
상기 S3로부터 각 구동부의 전원의 인가함과 동시에 하우징(101)내에 구비된 강자성체 평판(108)의 자기 흡인력에 의해 하우징(101)의 공간상에서 스테이지(102)를 부상시킨다.(S4)
상기 S4로부터 스테이지(102)를 다수개의 X, Y축 구동부(103)(103a)(104)(104a)에 의해 X, Y축 방향으로 구동시킨다.(S5),
상기 S5로부터 스테이지(102)의 X, Y축 방향으로 구동에 따른 위치변위를 다수개의 레이저부(109)가 감지한다.(S6)
또한, 상기 S4로부터 스테이지(102)를 다수개의 코일(106) 및 요크(107)에 의해 Z축 방향으로 구동시킨다.(S7)
상기 S7로부터 스테이지(102)의 Z축 방향 구동위치와 자세각 변화에 따른 구동위치변위를 다수개의 갭센서(110)가 감지한다.(S8)
상기 S6 및 도 S8로부터 스테이지(102)의 위치변위를 입력단의 허용범위내에서 구동됨과 동시에 스테이지(102)의 구동위치변위가 입력단의 허용범위 위치에서 벗어날 경우 이를 레이지부와 갭센서(110)에서 감지한다.(S9)
상기 S9로부터 감지된 신호를 저주파 통과 필터로 통과시킨다.(S10)
상기 S10로부터 통과된 신호를 아날로그-디지털 변환기로 인가하여 디지털신호로 변환한다(S11)
상기 S11로부터 변환된 디지털 신호를 디지털 필터로 인가하여 정량적 오차를 보상한다(S12)
상기 S12로부터 디지털 신호를 제어부에 인가하여 제어부에 산정된 입력 전원값을 결정하고 이를 재입력하여 신호화 한다(S13)
상기 S13로부터 수정된 신호를 다시 디지털-아날로그 변환기로 인가하여 아날로그 신호로 변환한다(S14)
상기 S14로부터 변환된 신호를 파워드라이버를 통해(S15) 다시 각 구동부에 전원을 인가한다.
이상에서 설명한 본 발명의 범용나노 스테이지의 구동장치 및 그 방법은 전술한 실시 예 및 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않은 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의한 범용 나노 스테이지의 구동장치 및 그 방법에 의하면,
자기 흡인력을 이용하여 스테이지를 공간상에 부상시킴으로써, 스테이지의 기계적인 마찰과 같은 비선형성을 배제하여 초정밀 구동이 가능하고, 스테이지의 구동에 따른 스테이지의 자세각 보정을 위해 별도의 지그가 필요없으므로, 제품의 제작비용이 절감 및 제작이 용이할뿐아니라, 자석과 솔레노이드의 다양한 배열형태가 가능하여 스테이지의 평면 운동 및 6자유도 운동을 할 수 있으며, 또한, 스테이지의 구동시 발생되는 위치 오차를 미연에 방지하여 제품의 신뢰성 및 안정성을 향상시키고, 또한,이러한 제품은 청정도 및 기계적인 접촉의 배제를 요구하는 반도체 제조 공정 및 박막 표시 장치의 노광 공정상에 적용하는데 용이한 효과가 있다.

Claims (9)

  1. 하우징내에 설치되어 스테이지를 X, Y축 방향으로 구동시킬 수 있도록 전원의 인가에 따라 가동되는 공심 솔레노이드를 구비한 다수개의 X, Y축 구동부와,
    상기 다수개의 X, Y축 구동부 상부에 설치되어 상기 X, Y축 구동부의 구동력을 상기 스테이지에 전달하는 다수개의 영구자석을 구비한 구동전달부와,
    상기 구동전달부 상부에 설치되어 상기 스테이지를 Z축 방향으로 구동시킬 수 있도록 다수개의 영구자석과 반응하여 변위를 일으키는 다수개의 코일 및 요크와,
    상기 구동전달부와 다수개의 코일 및 요크 사이 각각에 설치되어 하우징내의 공간상에서 자기 흡입력을 이용하여 구동전달부를 부상시킬 수 있도록 상기 코일 및 요크와 반응하여 자석의 흡입력을 만들어 내는 하나 이상의 강자성체 평판과,
    상기 스테이지의 측면 동일선상에 설치되어 임의의 초기설정위치를 기준으로 상기 스테이지의 X, Y축 방향의 구동에 따른 위치변위를 감지할 수 있도록 레이저빔을 전사하는 레이저부와,
    상기 구동전달부 하부의 임의의 위치에 설치되어 임의의 초기설정위치를 기준으로 상기 스테이지의 Z축 방향의 구동에 따른 위치변위와 자세각 변화에 따른 위치변위를 감지하는 갭센서를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 범용 나노 스테이지의 구동장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 X, Y축 구동부는 하우징 각각의 모서리에 서로 대각선으로 엇갈리게 배치되도록 한쌍으로 이루어진 X, Y축 구동부를 설치하는 것을 특징으로 하는 범용 나노 스테이지의 구동장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 X, Y축 구동부는 하우징에 구동부를 서로 교차되게 배치되도록 한쌍으로 이루어진 X, Y축 구동부를 설치하는 것을 특징으로 하는 범용 나노 스테이지의 구동장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 구동전달부에는, 상기 구동전달부 하부에 형성되어 다수개의 영구자석을 지지하는 지지평판과,
    상기 지지평판 상단면 중심부에 형성되어 상기 스테이지와 연결되는 연결중심축과,
    상기 지지평판과 X, Y축 구동부 사이에 설치되어 상기 다수개의 코일 및 요크와 대응하는 다수개의 영구자석을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 범용 나노 스테이지의 구동장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 코일 및 요크은 상기 요크 하부에 형성된 다수개의 철심부와,
    상기 다수개의 철심부에 결합되는 다수개의 코일로 이루어진 것을 특징으로 하는 범용 나노 스테이지의 구동장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 강자성체 평판은 상기 강자성체 평판의 중심부에 관통홀이 형성된 한 개의 강자성체 평판으로 이루어진 것을 특징으로 하는 범용 나노 스테이지의 구동장치.
  7. 하우징에 설치된 스테이지의 각 X축, Y축, Z축 구동부의 구동에 따른 입력 전원값을 산정하고, 상기 각 구동부의 구동위치를 초기화 하는 단계와,
    상기 단계로부터 각 구동부에 산정된 입력 전원값에 따라 전원을 인가하는 단계와,
    상기 단계로부터 각 구동부에 전원이 인가함과 동시에 하우징내에 구비된 강자성체 평판의 자기 흡인력에 의해 하우징의 공간상에서 스테이지를 부상시키는 단계와,
    상기 단계로부터 스테이지를 다수개의 X, Y축 구동부에 의해 X, Y축 방향으로 구동시키고, 다수개의 코일 및 요크에 의해 스테이지를 Z축 방향으로 구동시키는 단계와,
    상기 단계로부터 스테이지의 구동에 따른 위치변위를 감지함과 동시에 위치변위가 입력단의 허용범위 위치에서 벗어나는 경우 이를 감지하는 감지하는 스테이지 위치변위 감지단계와,
    상기 단계로부터 감지된 신호를 저주파 통과 필터로 통과시키는 단계와,
    상기 단계로부터 통과된 신호를 아날로그-디지털 변환기로 인가하여 디지털 신호로 변환하는 단계와,
    상기 단계로부터 변환된 디지털 신호를 디지털 필터로 인가하여 정량적 오차를 보상하는 단계와,
    상기 단계로부터 디지털 신호를 제어부에 인가하여 제어부에 산정된 입력 전원값을 결정하고 이를 재입력하여 신호화 하는 단계와,
    상기 단계로부터 수정된 신호를 다시 디지털-아날로그 변환기로 인가하여 아날로그 신호로 변환하는 단계와,
    상기 단계로부터 변환된 신호를 파워드라이버를 통해 다시 각 구동부에 전원을 인가하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 범용 나노 스테이지의 구동방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 스테이지 위치변위 감지단계는, 공간상에서 스테이지 구동에 따른 X, Y축 방향의 위치변위를 레이저부로 감지하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 범용 나노 스테이지의 구동방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 스테이지 위치변위 감지단계는, 공간상에서 스테이지의 구동에 따른 Z축 방향의 위치변위와 자세각 변화에 따른 위치변위를 갭센서로 감지하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 범용 나노 스테이지의 구동방법.
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