KR100663699B1 - 스테이지장치의 스테이지와 구동부의 결합장치 - Google Patents

스테이지장치의 스테이지와 구동부의 결합장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스테이지장치의 스테이지와 구동부의 결합장치에 관한 것으로, 그 목적은 볼스크류의 대각방향 또는 수직방향으로 발생되는 이동블록의 변위에 의한 스테이지의 위치결정 오차를 제거함과 더불어 충분한 강성을 구현할 수 있는 스테이지장치의 스테이지와 구동부의 결합장치를 제공함에 있다. 이를 위한 본 발명은 스테이지장치에 구비된 구동부의 볼스크류와 대상물이 놓여지는 스테이지를 결합하는 스테이지와 구동부의 결합장치에 있어서, 상기 볼스크류의 회전에 의해 이동하는 이동블록의 이동방향 전후 양측에서 이동블록의 전/후면과 각각 접촉하여 슬라이딩 되게 상호 대칭구조를 갖도록 배치된 한쌍의 제1 결합부들; 및 상기 각각의 제1 결합부와 볼조인트구조에 의해 일단이 연결되어 제1 결합부를 회동가능하게 지지하고, 나머지 타단이 스테이지에 형성된 브라켓에 고정되는 한쌍의 제2 결합부들;로 구성된 스테이지장치의 스테이지와 구동부의 결합장치에 관한 것을 그 기술적 요지로 한다.
제1 결합부, 제2 결합부, 스테이지, 볼스크류, 불확정 오차

Description

스테이지장치의 스테이지와 구동부의 결합장치{Transmission Joint apparatus for Nano Resolution Stage}
도 1 은 종래의 피아노 와이어를 이용해 스테이지와 구동부가 연결된 상태를 나타낸 평면도,
도 2 는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 결합장치의 평면도,
도 3 은 본 발명의 결합장치를 보다 상세히 나타낸 평면도,
도 4 는 본 발명의 결합장치의 또 다른 구조를 나타낸 평면도,
도 5 는 도 4에 도시된 결합장치에 밸런스 스프링이 설치된 상태를 나타낸 평면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
(100) : 결합장치 (110) : 제1 결합부
(111) : 볼 (120) : 제2 결합부
(210) : 스테이지 (220) : 볼스크류
(230) : 이동블록 (240) : 피에조 엑츄에이터
(250) : 슬라이더
본 발명은 스테이지와 구동부의 결합장치에 관한 것으로, 특히 구동부에 의한 스테이지의 이동시 발생되는 불확정 오차를 해소함과 더불어 충분한 강성을 유지할 수 있도록 하는 스테이지장치의 스테이지와 구동부의 결합장치에 관한 것이다.
일반적으로 나노미터 수준의 초정밀 계측기술 및 공정제어기술은 광학부품과 같은 고정도 부품의 형상을 단시간에 측정하거나, 초고집적화 반도체 공정에서 마스크 선폭을 측정하며, 레이저로 초정밀 치수의 형상을 미세가공하는 등의 다양한 분야에 걸쳐 점차 활용성이 증대되고 있다.
이러한 나노 소자기술에 관련되는 장치로는 집속 이온빔(FIB: Focused Ion Beam) 장치와 전자현미경(SEM: Scanning Electron Microscope) 장치 및 대상 소재의 위치를 미세하게 제어하기 위한 스테이지장치 등이 있다.
통상 상기 스테이지장치는 대상물이 놓여지는 스테이지와, 상기 스테이지를 X,Y축 방향으로 이동시키거나 틸팅 또는 회전시키는 구동부로 구성되며, 이때 상기 구동부로는 대부분 볼스크류와 LM가이드로 이루어져 큰 작업영역을 갖는 1차 구동기와, 압전소자등으로 이루어져 작업영역은 작으나 정밀한 분해능을 갖는 2차 구동기로 구성되어 있다.
한편, 상기와 같이 1차 구동기와 2차 구동기로 구분되는 스테이지장치는 1차 구동기와 2차 구동기 사이의 전이 구간의 존재로 인한 응답속도 한계, 복잡한 제어로 인한 과대한 제작비 및 보정 시험의 난해함으로 인하여 많은 제약이 뒤따르는 문제점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 고려하여 본 출원인은 국내 특허출원 10-2006-0017861호에서 진공대변위 나노스테이지를 개시하였다. 개시된 나노스테이지는 각축 구동부를 구성하는 1차 구동기 및 2차 구동기가 직렬 연결구조를 갖는 구성으로서, 볼스크류에 설치되어 이동하는 슬라이더에 피에조 엑츄에이터가 설치되고, 이 피에조 엑츄에이터가 스테이지 또는 다른 축의 구동부에 연결되어 스테이지를 이동시키도록 구성되며, 대변위 이동과 미소변위 이동이 볼스크류와 피에조 엑츄에이터의 직렬연결구조에 의해 이루어짐으로써 스테이지의 전체 영역에 대해서 정밀한 미소변위의 위치결정이 가능하도록 되어 있다.
전술된 종래의 스테이지장치나 후술된 본 출원인의 스테이지장치의 경우, 볼스크류의 축방향, 즉 이송방향으로 발생되는 오차는 피드백 제어를 통해 보정할 수 있으나, 볼스크류의 대각방향 또는 수직방향으로 발생되는 변위에 의한 스테이지의 위치결정 오차는 피드백 제어를 통해 보정할 수 없으므로, 도 1과 같이 피아노 와이어(30)를 이용해 스테이지(10)와 볼스크류(21)를 연결하도록 하였다. 이처럼 구동부(20)인 볼스크류(21)와 스테이지(10)를 피아노 와이어(30)로 연결함으로서, 볼스크류(21)의 축방향으로 발생되는 변위는 그대로 스테이지(10)에 전달되어 스테이지(10)가 이동하도록 하는 한편, 볼스크류(21)의 대각방향 또는 수직방향으로 발생 되는 변위는 피아노 와이어(30)가 변형하며 제거하도록 함으로써 볼스크류의 축방향으로 발생되는 힘에 의해서만 스테이지가 구동하도록 하였다.
그러나 피아노 와이어의 사용으로 인해 강성이 저하되며, 이러한 강성저하를 고려하여 스테이지장치의 제어기법을 개선하는 것은 용이하지 못한 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 볼스크류의 대각방향 또는 수직방향으로 발생되는 이동블록의 변위에 의한 스테이지의 위치결정 오차를 제거함과 더불어 충분한 강성을 구현할 수 있는 스테이지장치의 스테이지와 구동부의 결합장치를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 스테이지장치에 구비된 구동부의 볼스크류와 대상물이 놓여지는 스테이지를 결합하여 볼스크류의 대각방향 또는 수직방향으로 발생되는 변위에 의한 스테이지의 위치결정 오차를 해소함과 더불어 구동부에 의해 스테이지가 이동되게 하는 스테이지와 구동부의 결합장치에 있어서,
상기 볼스크류의 회전에 의해 이동하는 이동블록의 이동방향 전후 양측에서 이동블록의 전/후면과 각각 접촉하여 슬라이딩(sliding) 되게 상호 대칭구조를 갖도록 배치된 한쌍의 제1 결합부들; 및
상기 각각의 제1 결합부와 볼조인트구조에 의해 일단이 연결되어 제1 결합부를 회동가능하게 지지하고, 나머지 타단이 스테이지에 형성된 브라켓에 고정되는 한쌍의 제2 결합부들;로 구성된 결합장치를 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면과 연계하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 결합장치(100)를 도시하고 있다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 결합장치(100)는 제1 결합부(110)들과, 제2 결합부(120)들로 구성되어 있다. 이러한 결합장치(100)는 구동부를 구성하는 볼스크류(220)의 회전에 의해 이동하는 슬라이더(250)에 설치된 이동블록(230)과 스테이지(210)를 연결하여 볼스크류(220)의 축방향으로 발생되는 이동블록(230)의 변위는 스테이지(210)로 전달함으로서 스테이지(210)가 이동하도록 하고, 볼스크류(220)의 대각방향 또는 수직방향으로 발생되는 이동블록(230)의 변위는 제거하여 스테이지(210)로 전달되지 않도록 함으로서 스테이지(210)의 위치결정오차, 즉 불확정 오차를 해소하도록 구성되어 있다.
상기 제1 결합부(110)들은 볼스크류(220)에 수직하는 방향으로 발생되는 이동블록(230)의 변위를 제거하는 것으로, 2개의 제1 결합부(110)들이 이동블록(230) 을 사이에 두고 대칭구조로 배치된 것에 의해 구성된다. 이때 2개의 제1 결합부(110)들은 볼스크류(220)에 의해 이동하는 이동블록(230)의 이동방향 전후 양측에서 이동블록(230)의 전/후면과 접촉하도록 배치되며, 이동블록(230)과 접촉되는 부분에는 다수개의 볼(111)들 또는 롤러들이 구비되어 이동블록(230)을 볼스크류(220)에 수직한 방향으로 이동가능하도록 지지하게 된다. 이에 따라 볼스크류(220)에 의한 이동블록(230)의 이동시 볼스크류(220)의 수직방향으로 발생되는 변위(A)는 이동블록(230)이 제1 결합부(110)들과 접촉한 채로 슬라이딩 이동하게 됨에 따라 스테이지(210)로 전달되지 않고 제거된다.
상기 제2 결합부(120)들은 볼스크류(220)의 대각방향으로 발생되는 이동블록(230)의 변위를 제거하는 것으로, 2개의 제2 결합부(120)들이 상호 대칭구조를 이루며 상기 제1 결합부(110)들과 스테이지(210)를 각각 연결하도록 구성되어 있다. 한편 상기 각각의 제2 결합부(120)는 일단이 제1 결합부(110)와 볼조인트구조에 의해 연결되고, 나머지 타단은 스테이지(210)에 형성된 브래킷(211)에 고정되어 있다. 이에 따라 볼스크류(220)에 의한 이동블록(230)의 이동시 볼스크류(220)의 대각방향으로 발생되는 변위(B)에 의해 이동블록(230)이 기울어질 경우, 제2 결합부(120)는 제1 결합부(110)가 이동블록(230)의 기울기에 대응하여 회전하도록 지지하게 됨으로써 대각방향으로 발생되는 변위에 따른 불확정 오차를 제거하게 된다.
상기와 같은 제1 결합부(110)와 제2 결합부(120)의 구조를 다시 한번 설명하면, 이동블록(230)에 이웃하는 영역에 배치되는 제1 결합부(110)에는 볼(111) 또는 롤러가 구비되어 이동블록(230)이 볼스크류(220)의 수직방향에 대해서 슬라이딩 이 동가능하게 지지하게 되고, 제1 결합부(110)와 제2 결합부(120)의 연결부분은 볼조인트구조, 즉 제1 결합부(110)에 구형홈(112)이 형성되고, 제2 결합부(120)의 일단에 구형홈(112)에 삽입되는 볼(121)이 구비되어 이동블록(230)에 밀착되어 있는 제1 결합부(110)가 이동블록(230)의 상태에 따라 기울어질 수 있도록 되어 있다.
한편, 상기 이동블록(230)에 의한 스테이지(210)의 이동시 이동블록(230)에 발생되는 비틀림을 방지하기 위한 밸런스 스프링(260)이 더 구비될 수 있다. 상기 밸런스 스프링(260)은 스테이지에 연결되고, 나머지 타단이 이동블록(230)에 연결되어 있다. 보다 구체적으로 상기 밸런스 스프링(260)의 일단은 스테이지에 연결되어 이동블록(230)의 이동에 상관없이 이동블록(230)과 일정한 거리 간격을 유지하게 되며, 밸런스 스프링(260)의 타단은 제1 결합부(110)와 제2 결합부(120)와 반대쪽에 위치하여 슬라이더(250)로부터 돌출된 이동블록(230)의 끝단에 연결되어 있다. 이러한 밸런스 스프링(260)은 스테이지(210)의 이동시 하중을 대칭적으로 분산하게 작동함으로써 이동블록(230)의 비틀림을 방지하게 된다.
도 4는 상기 이동블록(230)이 피에조 엑츄에이터(240)에 연결되어 이동하는 구성을 도시하고 있다. 상기 이동블록(230)의 경우, 도 1에 도시된 바와 같이, 볼스크류(220)의 회전에 의해 이동하는 슬라이더(250)에 직접 설치될 수도 있으며, 도 4에 도시된 바와 같이, 슬라이더(250)에 설치된 피에조 엑츄에이터(240)에 설치될 수도 있다. 이처럼 피에조 엑츄에이터(240)에 이동블록(230)이 설치될 경우, 대변위 이동과 미소변위 이동이 볼스크류(220)와 피에조 엑츄에이터(240)의 직렬연결구조에 의해 이루어짐으로써 스테이지(210)의 전체 영역에 대해서 정밀한 미소변위 의 위치결정이 가능함과 더불어 볼스크류(220)의 수직방향 또는 대각방향으로 발생되는 이동블록(230)의 변위에 의한 불확정 오차를 감소시켜 보다 정밀한 위치결정이 가능한 스테이지(210)를 구성할 수 있게 된다.
한편, 상기와 같이 피에조 엑츄에이터(240)에 이동블록(230)이 설치될 경우에도 이동블록(230)을 비틀림변형을 방지하기 위한 밸런스 스프링(260)이 도 5와 같이 설치될 수 있다. 이러한 밸런스 스프링(260)의 구조 및 작용은 도 3을 참조하여 설명된 바 있으므로 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
본 발명은 상술한 바와 같이 제1 결합부와 제2 결합부를 이용하여 이동블록과 스테이지를 결합함으로써, 기존 피아노 와이어와 동일하게 볼스크류의 수직방향 및 대각방향의 변위 발생으로 인한 불확정 오차를 제거함과 더불어 기존 피아노 와이어로는 구현할 수 없었던 기계적 강성의 구현이 가능하게 되어 보다 견고한 스테이지를 제공할 수 있게 되었다.

Claims (5)

  1. 스테이지장치에 구비된 구동부의 볼스크류와 대상물이 놓여지는 스테이지를 결합하여 볼스크류의 대각방향 또는 수직방향으로 발생되는 변위에 의한 스테이지의 위치결정 오차를 해소함과 더불어 구동부에 의해 스테이지가 이동되게 하는 스테이지와 구동부의 결합장치에 있어서,
    상기 볼스크류의 회전에 의해 이동하는 이동블록의 이동방향 전후 양측에서 이동블록의 전/후면과 각각 접촉하여 슬라이딩 되게 상호 대칭구조를 갖도록 배치된 한쌍의 제1 결합부들; 및
    상기 각각의 제1 결합부와 볼조인트구조에 의해 일단이 연결되어 제1 결합부를 회동가능하게 지지하고, 나머지 타단이 스테이지에 형성된 브라켓에 고정되는 한쌍의 제2 결합부들;로 구성된 것을 특징으로 하는 스테이지장치의 스테이지와 구동부의 결합장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 결합부들은,
    상기 이동블록의 전/후면에 접촉하여 슬라이딩 되는 다수개의 볼들이 구비된 것을 특징으로 하는 스테이지장치의 스테이지와 구동부의 결합장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 결합부들은,
    상기 이동블록의 전/후면에 접촉하여 슬라이딩 되는 다수개의 롤러들이 구비된 것을 특징으로 하는 스테이지장치의 스테이지와 구동부의 결합장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 이동블록은,
    상기 볼스크류에 결합되어 이동하는 슬라이더에 설치된 피에조 엑츄에이터에 연결되어 이동하는 것을 특징으로 하는 스테이지장치의 스테이지와 구동부의 결합장치.
  5. 제 1 항 또는 4 항에 있어서,
    상기 스테이지에 일단에 연결되고, 나머지 타단이 상기 슬라이더측으로 돌출된 이동블록의 끝단에 연결된 밸런스 스프링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스테이지장치의 스테이지와 구동부의 결합장치.
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