KR100663939B1 - Long range stage with full stroke nano resolution for high vacuum - Google Patents

Long range stage with full stroke nano resolution for high vacuum Download PDF

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KR100663939B1
KR100663939B1 KR1020060017861A KR20060017861A KR100663939B1 KR 100663939 B1 KR100663939 B1 KR 100663939B1 KR 1020060017861 A KR1020060017861 A KR 1020060017861A KR 20060017861 A KR20060017861 A KR 20060017861A KR 100663939 B1 KR100663939 B1 KR 100663939B1
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ball screw
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displacement
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최헌종
강은구
홍원표
이석우
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한국생산기술연구원
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Abstract

A nano-stage having a wide range of displacement for processing ultrafine or high precision optical parts is provided to accurately determine position of microfine displacement on all area of the stage and to embody higher resolution of precision or optical products using FIB(focused ion beam) by using a motion controller for feed-back control of a driving motor and a piezo-actuator of the nano-stage. The nano-stage generally includes: a platform(100) to fix a subject to be processed or measured thereon; X-axis driving part(200) that has X-axis piezo-actuator fixed to X-axis slider given on X-axis ball screw driven by X-axis driving motor; Y-axis driving part(300) that has Y-axis piezo-actuator fixed to Y-axis slider given on Y-axis ball screw driven by Y-axis driving motor; position detection parts that are formed on the X-axis driving part and the Y-axis driving part, respectively, in order to detect displacement amount of the platform to each of the X-axis and Y-axis; and a motion controller that feedback controls all of the X-axis driving motor, the X-axis piezo-actuator, the Y-axis driving motor and the Y-axis piezo-actuator based on the detected displacement amount.

Description

진공용 대변위 나노 스테이지{long range stage with full stroke nano resolution for high vacuum}Long range stage with full stroke nano resolution for high vacuum}

도 1 은 종래의 나노 스테이지의 구동개념을 나타낸 개념도,1 is a conceptual diagram showing a driving concept of a conventional nano stage,

도 2 는 본 발명에 따른 나노 스테이지의 구동개념을 나타낸 개념도,2 is a conceptual diagram showing a driving concept of the nano-stage according to the present invention;

도 3 은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 나노 스테이지의 사시도,3 is a perspective view of a nano-stage according to a preferred embodiment of the present invention,

도 4 는 도 3에 도시된 X축 구동부의 사시도,4 is a perspective view of the X-axis drive unit shown in FIG.

도 5 는 도 3에 도시된 X축 구동부의 이면 사시도,5 is a rear perspective view of the X-axis driving unit shown in FIG. 3;

도 6 은 도 3에 도시된 X축 구동부의 부분 평면도,6 is a partial plan view of the X-axis drive unit shown in FIG.

도 7 은 도 3에 도시된 Y축 구동부의 사시도,7 is a perspective view of the Y-axis drive unit shown in FIG.

도 8 은 본 발명에 따른 Z축 구동부의 정면도,8 is a front view of a Z-axis drive unit according to the present invention;

도 9 는 도 8에 도시된 Z축 구동부의 일부분을 절개하여 나타낸 사시도,FIG. 9 is a perspective view illustrating a portion of the Z-axis driving unit shown in FIG. 8;

도 10 은 도 8에 도시된 컬럼과 이동블록의 연결상태를 나타낸 단면도,10 is a cross-sectional view showing a connection state of a column and a moving block shown in FIG. 8;

도 11 은 도 3 및 도 8에 도시된 X,Y,Z축 구동부의 결합상태를 나타낸 정면도,11 is a front view showing a coupling state of the X, Y, Z axis drive unit shown in FIGS.

도 12 는 본 발명에 따른 모션컨트롤러의 블록도.12 is a block diagram of a motion controller according to the present invention.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

(100) : 플랫폼 (200) : X축 구동부100: platform 200: X-axis drive unit

(210) : X축 지지판 (220) : X축 볼스크류(210): X-axis support plate 220: X-axis ball screw

(230) : X축 구동모터 (240) : X축 슬라이더230: X axis drive motor 240: X axis slider

(250) : X축 피에조 엑츄에이터 (260) : 프리로더(250): X axis piezo actuator (260): preloader

(300) : Y축 구동부 (310) : 가동판300: Y-axis drive part 310: movable plate

(320) : Y축 지지판 (330) : Y축 볼스크류(320): Y-axis support plate (330): Y-axis ball screw

(340) : Y축 구동모터 (350) : Y축 슬라이더(340): Y-axis drive motor 350: Y-axis slider

(360) : Y축 피에조 엑츄에이터 (370) : 프리로더(360): Y-axis piezo actuator (370): preloader

(410) : 그리드 엔코더 (420) : 제1 디텍터410: grid encoder 420: first detector

(430) : 리니어 스케일 (440) : 제2 디텍터430: linear scale 440: second detector

(500) : 모션컨트롤러 (510) : 모션제어기(500): motion controller (510): motion controller

(520) : 제1 제어부 (530) : 제2 제어부520: First control unit 530: Second control unit

(600) : Z축 구동부 (610) : Z축 지지판600: Z-axis drive unit 610: Z-axis support plate

(620) : 베이스 (630) : Z축 구동모터(620): Base 630: Z axis drive motor

(640) : Z축 볼스크류 (650) : Z축 슬라이더(640): Z axis ball screw (650): Z axis slider

(660) : Z축 피에조 엑츄에이터 (670) : 가동블록(660): Z axis piezo actuator (670): movable block

(680) : 하부 밀편 (690) : 상부 밀편680: Lower compaction 690: Upper compaction

(700) : 컬럼 (710) : 이동블록(700): column (710): moving block

본 발명은 진공상태에서 극미세 또는 초정밀한 부품 가공을 위해 사용되는 나노 스테이지에 관한 것으로, 특히 집속이온빔(FIB)을 이용한 극미세ㆍ극초정밀 제품의 제조에 사용되는 나노 스테이지에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to nanostages used for ultra-fine or ultra-precision parts processing in vacuum, and more particularly to nanostages for the production of ultra-fine and ultra-precision products using focused ion beams (FIBs).

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.In general, nanometer-level ultra-precision measurement technology and process control technology measure the shape of high-precision parts such as optical parts in a short time, or measure the mask line width in ultra-high density semiconductor process, and use micro-machining Increasingly, the utilization is increasing in various fields such as.

이러한 나노 소자기술에 관련되는 장치로는 집속 이온빔(FIB: Focused Ion Beam) 장치와 전자현미경(SEM: Scanning Electron Microscope) 장치가 있으며, 대상 소재의 위치를 미세하게 제어하기 위한 스테이지 등이 있다.Devices related to the nano device technology include a focused ion beam (FIB) device and a scanning electron microscope (SEM) device, and a stage for finely controlling the position of a target material.

한편, 대한민국 특허공개공보 제2003-0033744호에서는 레이저를 이용한 초미세 위치제어기술이 개시된다. 개시된 위치제어기술은 초정밀 위치결정기구의 고속, 대스트로크 이동을 위해 AC 서보모터와 리드스크류 시스템이 이용되고, 더욱 미세한 이동을 위해 피에조 엑츄에이터가 이용되었다. 그리고 변위 피드백은 레이저 인테페로메터(Laser Interferometer)를 이용하여 변위를 측정하고 이를 실시간으로 피드백 하도록 되어 있다.On the other hand, Korean Patent Publication No. 2003-0033744 discloses an ultra-fine position control technology using a laser. The disclosed position control technique uses an AC servomotor and a lead screw system for high speed, large stroke movement of an ultra-precision positioning mechanism, and a piezo actuator for finer movement. Displacement feedback measures the displacement using a laser interferometer and feeds it back in real time.

그러나 상기와 같은 구성은 도 1과 같이 이송나사기구를 이용한 고속/대스트로크 위치결정기구(11)의 상부에 피에조 엑츄에이터를 이용한 미세 위치결정기구(12)가 설치된 구성으로, 각각의 위치결정기구(11,12)가 독립된 구동방식으로 되어 있어, 스테이지의 전체 영역에 대한 정밀한 미소변위이동의 구현이 어려우며, 각 위치결정기구(11,12)의 변위를 측정하기 위해서는 각각의 스케일(14,15)이 구비되어야만 하는 문제점을 갖고 있다. 즉, 대스트로크 위치결정기구와 미세 위치결정기구가 독립된 구동방식이므로 변위의 피드백 제어를 위한 시스템이 각 위치결정기구에 각각 제공되어야만 하지만, 미세 위치결정기구를 위한 피드백 제어시스템을 구축하기 위해서는 많은 공간과 함께 복잡한 설치구조가 요구되므로, 실질적으로는 대스트로크 위치결정기구의 변위만을 레이저 인테페로메터(13)를 이용하여 피드백 제어하도록 하고 있으나, 상기 미세 위치결정기구를 구성하는 피에조 엑츄에이터는 경우, 주변환경에 많은 영향을 받게 되므로, 컴팩트한 구조로서 정밀한 미소변위의 구현이 어려운 문제점을 갖고 있다.However, the configuration as described above is a configuration in which the fine positioning mechanism 12 using the piezo actuator is installed on the upper portion of the high speed / large stroke positioning mechanism 11 using the feed screw mechanism. 11 and 12 are independent driving methods, so it is difficult to realize precise micro displacement movement over the entire area of the stage, and to measure the displacement of each positioning mechanism 11 and 12, This has a problem that must be provided. That is, since the large stroke positioning mechanism and the fine positioning mechanism are independent driving methods, a system for feedback control of displacement must be provided to each positioning mechanism, but a large amount of space is required to construct a feedback control system for the fine positioning mechanism. In addition, since a complicated installation structure is required, only the displacement of the large stroke positioning mechanism is controlled by the feedback using the laser interferometer 13. However, in the case of the piezo actuator constituting the fine positioning mechanism, Since it is greatly influenced by the environment, it is difficult to implement precise micro displacement as a compact structure.

한편, 전체 영역에 대해서 정밀한 미소변위 이동이 가능한 스텝퍼가 있으나, 통상 스텝퍼는 에어가이드를 이용한 방식으로, 진공 분위기에는 적용이 곤란한 문제점을 갖고 있다.On the other hand, there is a stepper capable of precise micro displacement movement over the entire area, but the stepper is a method using an air guide, it is difficult to apply to a vacuum atmosphere.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 전체적으로 컴팩트한 외형을 유지하면서 스테이지의 전체 영역에 대해서 정밀한 미소변위의 위치결정이 가능한 진공용 대변위 나노 스테이지를 제공함에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a large displacement nanostage for vacuum, which enables precise microdisplacement positioning with respect to the entire area of the stage while maintaining a compact appearance as a whole.

본 발명의 다른 목적은 보다 높은 해상도의 구현이 가능한 진공용 대변위 나노 스테이지를 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide a large displacement nano stage for vacuum that can be implemented in a higher resolution.

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 가공 또는 측정 대상물이 고정되는 플랫폼;The present invention to achieve the object as described above and to perform the problem for eliminating the conventional drawbacks is a platform to which the processing or measuring object is fixed;

상기 플랫폼을 X축 방향으로 이동시키되, 플랫폼과 연결되는 X축 피에조 엑츄에이터가 X축 구동모터에 의해 회전하는 X축 볼스크류 상에 구비된 X축 슬라이더에 설치된 것으로 구성되어 X축 볼스크류와 X축 피에조 엑츄에이터의 직렬 연결구조에 의해 X축 볼스크류에 의한 플랫폼의 대변위 이동과 X축 피에조 엑츄에이터에 의한 플랫폼의 미세변위 이동이 X축 볼스크류의 축선을 따라 이루어지게 하는 X축 구동부;Move the platform in the X-axis direction, X-axis piezo actuator connected to the platform is configured to be installed on the X-axis slider provided on the X-axis ball screw rotated by the X-axis drive motor X axis ball screw and X axis An X-axis driving unit configured to perform a large displacement movement of the platform by the X-axis ball screw and a micro displacement movement of the platform by the X-axis piezo actuator along the axis of the X-axis ball screw by the piezo actuator in series connection structure;

상기 플랫폼을 Y축 방향으로 이동시키되, 상기 X축 구동부와 가동판을 통해 연결되는 Y축 피에조 엑츄에이터가 Y축 구동모터에 의해 회전하는 Y축 볼스크류 상에 구비된 Y축 슬라이더에 설치된 것으로 구성되어 Y축 볼스크류와 Y축 피에조 엑츄에이터의 직렬 연결구조에 의해 Y축 볼스크류에 의한 플랫폼의 대변위 이동과 Y축 피에조 엑츄에이터에 의한 플랫폼의 미세변위 이동이 Y축 볼스크류의 축선을 따라 이루어지게 하는 Y축 구동부;Move the platform in the Y-axis direction, the Y-axis piezo actuator connected through the X-axis drive unit and the movable plate is configured to be installed on the Y-axis slider provided on the Y-axis ball screw rotated by the Y-axis drive motor Due to the series connection structure of the Y-axis ball screw and the Y-axis piezo actuator, the displacement of the platform by the Y-axis ball screw and the displacement of the platform by the Y-axis piezo actuator are made along the axis of the Y-axis ball screw. Y-axis drive unit;

상기 X축 구동부 및 상기 Y축 구동부에 제공되어 상기 플랫폼의 X축 및 Y축에 대한 변위량을 검출하는 위치검출부; 및A position detection unit provided to the X-axis driving unit and the Y-axis driving unit to detect displacement amounts with respect to the X and Y axes of the platform; And

상기 위치검출부에 의해 검출된 변위량에 기초하여 상기 X축 구동모터와 X축 피에조 엑츄에이터 및 상기 Y축 구동모터와 Y축 피에조 엑츄에이터를 피드백 제어하는 모션컨트롤러;를 구비하는 진공용 대변위 나노 스테이지를 특징으로 한다.And a large displacement nanostage for vacuum, comprising: a motion controller for feedback-controlling the X-axis drive motor and the X-axis piezo actuator and the Y-axis drive motor and the Y-axis piezo actuator based on the displacement detected by the position detector. It is done.

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.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In describing the present invention, if it is determined that the detailed description of the related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

도 2는 본 발명에 따른 나노 스테이지의 구동 개념을 도시하고 있다. 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 나노 스테이지는 구동모터(21)와 볼스크류(22) 및 슬라이더(23)를 이용한 대변위 이동과 피에조 엑츄에이터(24)를 이용한 미소변위 이동이 볼스크류(22)의 축선(S)을 따라 이루어지도록 구성되어 대변위 이동과 미소변위 이동이 볼스크류(22)와 피에조 엑츄에이터(24)의 직렬 연결구조에 의해 이루어지도록 구성되어 있다. 이때 볼스크류(22)에 의한 플랫폼(100)의 대변위 이동은 위치검출부로부터 전달되는 마이크로 단위의 피드백값을 이용하여 플랫폼을 목적으로 하는 위치로 빠르게 이동시키게 되며, 피에조 엑츄에이터(24)에 의한 미소변위 이동은 위치검출부로부터 전달되는 나노 단위의 피드백값을 이용하여 플랫폼을 목적으로 하는 정확한 위치에 위치하도록 이동시킴으로써, 본 발명의 나노 스테이지는 전체 영역에 대해 나노 단위의 정밀도를 구현할 수 있게 된다. 한편, 상기 언급된 직렬 연결구조란 볼스크류(22)와 피에조 엑츄에이터(24) 및 플랫폼(100)이 순차적으로 연결된 구조로서, 볼스크류(22)에 의해 피에조 엑츄에이터(24)가 이동하여 플랫 폼(100)을 대변위로 이동시키고, 피에조 엑츄에이터(24)의 단독적인 작동에 의해 플랫폼(100)을 미소변위로 이동시키도록 이루어진 구조를 의미한다.2 illustrates a driving concept of the nano stage according to the present invention. Referring to FIG. 2, the nano stage according to the present invention has a large displacement movement using a drive motor 21, a ball screw 22, and a slider 23 and a micro displacement movement using a piezo actuator 24. It is configured to be made along the axis (S) of the large displacement movement and the small displacement movement is configured to be made by the series connection structure of the ball screw 22 and the piezo actuator (24). At this time, the large displacement movement of the platform 100 by the ball screw 22 is quickly moved to the target position of the platform by using the feedback value of the micro-unit transmitted from the position detection unit, and the minute by the piezo actuator 24 The displacement movement is moved to position the platform at the correct position using the nano-value feedback value transmitted from the position detector, so that the nano-stage of the present invention can realize nano-scale precision over the entire area. On the other hand, the above-described series connection structure is a structure in which the ball screw 22, the piezo actuator 24 and the platform 100 are sequentially connected, the piezo actuator 24 is moved by the ball screw 22 to the platform ( It refers to a structure made to move the platform 100 to a large displacement, and to move the platform 100 to a small displacement by the sole operation of the piezo actuator 24.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 나노 스테이지를 도시하고 있다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 나노 스테이지는 플랫폼(100)과, X축 구동부(200)와, Y축 구동부(300)와, 위치검출부와, 모션컨트롤러(500)로 구성된다. 이때 X축 구동부(200)와 Y축 구동부(300)는 상술한 바와 같이 대변위 이동과 미소변위 이동이 볼스크류와 피에조 엑츄에이터의 직렬 연결구조에 의해서 이루어지도록 구성되며, 상기 위치검출부 및 모션컨트롤러(500)를 통한 피드백 제어에 의해 전체 영역에 대해 나노 분해능을 갖게 되어 보다 높은 해상도의 구현이 가능하도록 구성되어 있다. 이와 같은 나노 스테이지는 진공압 10-6 토르(Torr)에서 10-7 토르(Torr), 또는 그 이하의 초진공 분위기에서 사용될 수 있다.3 illustrates a nano stage according to a preferred embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3, the nano stage according to the preferred embodiment of the present invention includes a platform 100, an X-axis driver 200, a Y-axis driver 300, a position detector, and a motion controller 500. do. At this time, the X-axis drive unit 200 and the Y-axis drive unit 300 is configured such that the large displacement movement and the small displacement movement is made by the series connection structure of the ball screw and the piezo actuator as described above, the position detection unit and the motion controller ( 500) has a nano resolution for the entire area by feedback control and is configured to enable higher resolution. Such a nano stage may be used in an ultra-vacuum atmosphere of 10 −7 Torr or less at a vacuum pressure of 10 −6 Torr.

상기 플랫폼(100)은 가공 또는 측정 대상물이 놓여지는 공간을 제공하는 것으로, 평판형으로 형성되며, 진공도를 효과적으로 달성하기 위한 다수개의 구멍(101)들이 형성되어 있다.The platform 100 provides a space in which a processing or measuring object is placed, and is formed in a flat plate shape, and a plurality of holes 101 are formed to effectively achieve a degree of vacuum.

도 4 및 도 5는 상기 X축 구동부(200)를 도시하고 있다. 도 3과 도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 X축 구동부(200)는 X축 지지판(210)과, X축 볼스크류(220)와, X축 구동모터(230)와, X축 슬라이더(240)와, X축 피에조 엑츄에이터(250)로 구성된다. 상기 X축 지지판(210)은 플랫폼(100)과 연결되는 부분으로, 플랫폼(100)의 X축 방향에 대한 이동을 안내하는 레일(211)이 상단부에 구비되어 플랫폼(100)과 결합 되도록 구성되어 있다. 상기 X축 볼스크류(220)는 X축 지지판(210)의 일측면 양끝단에 각각 형성된 한쌍의 고정블록(212,213)에 양단이 지지되어 회전하도록 구성되어 있다. 상기 X축 구동모터(230)는 한쌍의 고정블록(212,213)들 중 어느 한쪽의 고정블록(212)에 설치되며 X축 볼스크류(220)와 연결되어 X축 볼스크류(220)를 회전시키도록 구성되어 있다. 상기 X축 슬라이더(240)는 X축 볼스크류(220)상에 설치되어 X축 볼스크류(220)의 회전에 의해 이동하도록 구성되어 있다. 상기 X축 피에조 엑츄에이터(250)는 X축 슬라이더(240)와 함께 이동하도록 X축 슬라이더(240)에 설치됨과 더불어 플랫폼(100)과 연결되어 X축 슬라이더(240)의 이동시에는 플랫폼(100)을 대변위로 이동시키고, 자체 구동시에는 플랫폼(100)을 미소변위로 이동시키도록 구성되어 있다.4 and 5 illustrate the X-axis driving unit 200. 3, 4, and 5, the X-axis driving unit 200 includes an X-axis support plate 210, an X-axis ball screw 220, an X-axis driving motor 230, and an X-axis slider ( 240 and an X-axis piezo actuator 250. The X-axis support plate 210 is a portion connected to the platform 100, the rail 211 for guiding the movement in the X-axis direction of the platform 100 is provided on the upper end is configured to be coupled to the platform 100 have. The X-axis ball screw 220 is configured to rotate by being supported at both ends by a pair of fixed blocks 212 and 213 formed at both ends of one side of the X-axis support plate 210, respectively. The X-axis drive motor 230 is installed on one of the fixed block 212 of the pair of fixed blocks (212, 213) and is connected to the X-axis ball screw 220 to rotate the X-axis ball screw 220 Consists of. The X-axis slider 240 is installed on the X-axis ball screw 220 is configured to move by the rotation of the X-axis ball screw 220. The X-axis piezo actuator 250 is installed on the X-axis slider 240 to move together with the X-axis slider 240 and connected to the platform 100 to move the platform 100 when the X-axis slider 240 is moved. It is configured to move in a large displacement, and to move the platform 100 in a small displacement when driving itself.

상기와 같이 구성된 X축 구동부(200)는 X축 구동모터(230)가 작동하여 X축 볼스크류(220)를 회전시키게 되면, X축 슬라이더(240)가 이동하게 되고, 이러한 X축 슬라이더(240)의 이동에 의해 X축 피에조 엑츄에이터(250)가 이동하여 플랫폼(100)을 X축 방향에 대하여 대변위 즉, 마이크로 단위로 이동시키게 되며, 이때 X축 피에조 엑츄에이터(250)는 플랫폼(100)을 미소변위, 즉 나노 단위로 이동시킴으로써 목적으로 하는 위치에 정확하게 대상물을 위치시킬 수 있게 된다.When the X-axis drive unit 200 configured as described above rotates the X-axis ball screw 220 by operating the X-axis driving motor 230, the X-axis slider 240 is moved, and such an X-axis slider 240 X-axis piezo actuator 250 is moved by the movement of) to move the platform 100 in a large displacement, that is, micro units with respect to the X-axis direction, wherein the X-axis piezo actuator 250 moves the platform 100 By microdisplacement, ie, shifting by nano units, the object can be accurately positioned at the desired position.

한편, 상기 X축 피에조 엑츄에이터(250)와 플랫폼(100)의 사이에는 X축 피에조 엑츄에이터(250)의 변형오차를 방지하기 위한 프리로더(260)가 설치되어 있다. 상기 프리로더(260)는 도 6에 도시된 바와 같이 X축 피에조 엑츄에이터(250)의 양측에 각각 설치되며, 각 프리로더(260)는 탄성소재로서 "ㄹ"형상의 구조를 갖도록 형성되어 있다.Meanwhile, a preloader 260 is installed between the X-axis piezo actuator 250 and the platform 100 to prevent deformation errors of the X-axis piezo actuator 250. As shown in FIG. 6, the preloader 260 is installed on both sides of the X-axis piezo actuator 250, and each preloader 260 is formed to have a "d" shape as an elastic material.

도 7은 상기 Y축 구동부(300)를 도시하고 있다. 도 3 및 도 7을 참조하면, 상기 Y축 구동부(300)는 가동판(310)과, Y축 지지판(320)과, Y축 볼스크류(330)와, Y축 구동모터(340)와, Y축 슬라이더(350)와, Y축 피에조 엑츄에이터(360)로 구성되어 있다. 상기 가동판(310)은 X축 구동부(200)의 하부 즉, X축 지지판(210)의 하부에 고정되게 설치되어 X축 구동부(200)와 함께 이동하도록 구성되어 있다. 상기 Y축 지지판(320)은 가동판(310)의 하부에 설치되며, 그의 상단부에 구비된 레일(321)에 의해 가동판(310)과 결합되어 가동판(310)을 Y축 방향으로 안내하도록 구성되어 있다. 상기 Y축 볼스크류(330)는 Y축 지지판(320)의 일측면 양끝단에 각각 형성된 한쌍의 고정블록(322,323)에 양단이 지지되어 회전하도록 구성되어 있다. 상기 Y축 구동모터(340)는 한쌍의 고정블록(322,323)들 중 어느 한쪽의 고정블록(322)에 설치되며 Y축 볼스크류(330)와 연결되어 Y축 볼스크류(330)를 회전시키도록 구성되어 있다. 상기 Y축 슬라이더(350)는 Y축 볼스크류(330)상에 설치되어 Y축 볼스크류(330)의 회전에 의해 이동하도록 구성되어 있다. 상기 Y축 피에조 엑츄에이터(360)는 Y축 슬라이더(350)에 설치되어 Y축 슬라이더(350)와 함께 이동함과 더불어 가동판(310)과 연결되어 가동판(310)을 Y축 방향으로 이동시키도록 구성되어 있다.7 illustrates the Y-axis driver 300. 3 and 7, the Y-axis driving unit 300 includes a movable plate 310, a Y-axis supporting plate 320, a Y-axis ball screw 330, a Y-axis driving motor 340, The Y-axis slider 350 and the Y-axis piezo actuator 360 are comprised. The movable plate 310 is fixed to the lower portion of the X-axis drive unit 200, that is, the lower portion of the X-axis support plate 210 is configured to move together with the X-axis drive unit 200. The Y-axis support plate 320 is installed below the movable plate 310 and coupled to the movable plate 310 by a rail 321 provided at an upper end thereof to guide the movable plate 310 in the Y-axis direction. Consists of. The Y-axis ball screw 330 is configured so that both ends are supported and rotated by a pair of fixed blocks 322 and 323 formed at both ends of one side of the Y-axis support plate 320, respectively. The Y-axis drive motor 340 is installed in any one of the fixed block 322,323 of the fixed block 322 is connected to the Y-axis ball screw 330 to rotate the Y-axis ball screw 330 Consists of. The Y-axis slider 350 is provided on the Y-axis ball screw 330 is configured to move by the rotation of the Y-axis ball screw 330. The Y-axis piezo actuator 360 is installed on the Y-axis slider 350 to move together with the Y-axis slider 350 and connected to the movable plate 310 to move the movable plate 310 in the Y-axis direction. It is configured to.

상기와 같이 구성된 Y축 구동부(300)는 Y축 구동모터(340)가 작동하여 Y축 볼스크류(330)를 회전시키게 되면, Y축 슬라이더(350)가 이동하게 되고, 이러한 Y축 슬라이더(350)의 이동에 의해 Y축 피에조 엑츄에이터(360)가 이동하여 가동판 (310)을 Y축 방향으로 이동시킴으로써 플랫폼(100)을 Y축 방향으로 이동시키게 된다. 이때 전술한 X축 구동부(200)와 동일하게 Y축 볼스크류(330)에 의해 대변위 이동이 이루어지고, Y축 피에조 엑츄에이터(360)에 의해 미소변위 이동이 이루어지게 된다.When the Y-axis drive unit 300 configured as described above rotates the Y-axis ball screw 330 by operating the Y-axis drive motor 340, the Y-axis slider 350 moves, and such a Y-axis slider 350 The Y-axis piezo actuator 360 moves by the movement of) to move the movable plate 310 in the Y-axis direction to move the platform 100 in the Y-axis direction. At this time, the large displacement movement is made by the Y-axis ball screw 330 similarly to the X-axis driving unit 200 described above, and the small displacement movement is made by the Y-axis piezo actuator 360.

또한, 상기 Y축 피에조 엑츄에이터(360)와 가동판(310)의 사이에는 X축 구동부(200)에 설치된 프리로더(260)와 동일한 구조를 갖는 또 다른 프리로더(370)가 설치되어 있다.In addition, another preloader 370 having the same structure as the preloader 260 installed in the X-axis driving unit 200 is provided between the Y-axis piezo actuator 360 and the movable plate 310.

도 8 내지 도 10은 플랫폼(100)의 Z축 방향 이동을 위한 Z축 구동부(600)를 도시하고 있다. 도 8 내지 도 10을 참조하면, 상기 Z축 구동부(600)는 Y축 구동부(300)의 하부에 설치되어 플랫폼(100)을 Z축 방향으로 이동시키는 것으로, Z축 지지판(610)과, 베이스(620)와, Z축 구동모터(630)와, Z축 볼스크류(640)와, Z축 슬라이더(650)와, Z축 피에조 엑츄에이터(660)와, 가동블록(670)과, 하부 밀편(680)과, 상부 밀편(690)으로 구성된다. 상기 Z축 지지판(610)은 Y축 지지판(320)의 하부에 설치되어 Y축 구동부(300)를 지지하도록 구성되어 있다. 상기 베이스(620)는 Z축 지지판(610)과 평행한 채로 Z축 지지판(610)의 하부로 소정의 간격을 유지하도록 배치되어 있다. 이러한 Z축 지지판(610)과 베이스(620)는 컬럼(700)과 이동블록(710)에 의해 연결되어 있다. 즉 상기 컬럼(700)은 베이스(620)의 상면으로부터 Z축 지지판(610)을 향해 돌출된 구조로 형성되며, 그의 일측면에는 안내홈(701)이 형성되어 있다. 상기 이동블록(710)은 Z축 지지판(610)의 하부에 설치되며, 그의 일부분이 안내홈(701)에 결합되어 안내홈(701)을 따라 Z축 방향으로 이동하도록 구 성되어 있다. 이때 상기 컬럼(700)과 이동블록(710)은 흔들림 없는 정밀한 구동을 위해 상호 접촉면이 평탄하지 않는 맞물림 구조(예컨대 L형 또는 T형 단면)를 갖는다. 상기 Z축 구동모터(630)는 베이스(620)의 일측단에 설치되어 Z축 구동부(600)의 작동을 위한 동력을 제공하게 된다. 상기 Z축 볼스크류(640)는 그의 일단이 Z축 구동모터(630)에 연결되고, 나머지 타단이 상기 컬럼(700)을 관통하여 베이스(620)의 반대편 끝단에 형성된 고정블록(621)에 지지됨으로써 회전하도록 구성되어 있다. 상기 Z축 슬라이더(650)는 Z축 볼스크류(640)에 설치되어 Z축 볼스크류(640)의 회전에 의해 이동하도록 구성되어 있다. 상기 Z축 피에조 엑츄에이터(660)는 Z축 슬라이더(650)에 설치되어 Z축 슬라이더(650)와 함께 이동하도록 설치되어 있다. 상기 가동블록(670)은 Z축 피에조 엑츄에이터(660)에 설치되어 수평방향으로 이동하도록 구성되어 있다. 상기 하부 밀편(680)은 가동블록(670)을 양측에 각각 설치되어 이동되며, 그의 상단부에는 경사진 기울기를 갖는 제1 경사부(680-1)가 형성되어 있다. 이러한 하부 밀편(680)은 베이스(620)의 상면에 형성된 롤러 가이드(622)에 결합되어 가동블록(670)에 의해 베이스(620)의 상부에서 수평방향으로 이동하게 된다. 상기 상부 밀편(690)은 하부 밀편(680)에 대응하도록 Z축 지지판(610)의 하부에 설치되며, 그의 하부에는 제1 경사부(680-1)에 대면하는 제2 경사부(690-1)가 구비되어 있다.8 to 10 illustrate the Z-axis driver 600 for Z-axis movement of the platform 100. 8 to 10, the Z-axis driving unit 600 is installed below the Y-axis driving unit 300 to move the platform 100 in the Z-axis direction, the Z-axis supporting plate 610, and the base. 620, Z-axis drive motor 630, Z-axis ball screw 640, Z-axis slider 650, Z-axis piezo actuator 660, movable block 670, the lower piece ( 680 and the upper compact piece 690. The Z-axis support plate 610 is installed below the Y-axis support plate 320 and configured to support the Y-axis driver 300. The base 620 is disposed to maintain a predetermined distance below the Z-axis support plate 610 while being parallel to the Z-axis support plate 610. The Z-axis support plate 610 and the base 620 are connected by the column 700 and the moving block 710. That is, the column 700 is formed to protrude toward the Z-axis support plate 610 from the upper surface of the base 620, the guide groove 701 is formed on one side thereof. The moving block 710 is installed at the lower portion of the Z-axis support plate 610, and a portion thereof is coupled to the guide groove 701 is configured to move in the Z-axis direction along the guide groove 701. At this time, the column 700 and the moving block 710 has an engagement structure (for example, L-shaped or T-shaped cross-section) in which the contact surfaces are not flat for precise driving without shaking. The Z-axis driving motor 630 is installed at one end of the base 620 to provide power for the operation of the Z-axis driving unit 600. One end of the Z-axis ball screw 640 is connected to the Z-axis driving motor 630, and the other end thereof is supported by the fixing block 621 formed at the opposite end of the base 620 through the column 700. It is comprised by rotating. The Z-axis slider 650 is installed on the Z-axis ball screw 640 is configured to move by the rotation of the Z-axis ball screw 640. The Z-axis piezo actuator 660 is installed on the Z-axis slider 650 to move together with the Z-axis slider 650. The movable block 670 is installed on the Z-axis piezo actuator 660 is configured to move in the horizontal direction. The lower compact piece 680 is moved to each of the movable block 670 is installed on both sides, the upper end portion is formed with a first inclined portion 680-1 having an inclined slope. The lower piece 680 is coupled to the roller guide 622 formed on the upper surface of the base 620 is moved in the horizontal direction from the top of the base 620 by the movable block 670. The upper mill piece 690 is installed at the lower portion of the Z-axis support plate 610 to correspond to the lower mill piece 680, the lower portion of the second inclined portion 690-1 facing the first inclined portion 680-1. ) Is provided.

상기와 같이 구성된 Z축 구동부(600)는 도 11과 같이 Y축 구동부(300)의 하부에 설치되며, Z축 구동모터(630)에 의해 Z축 볼스크류(640)가 회전되면, Z축 슬라이더(650) 및 Z축 피에조 엑츄에이터(660)가 함께 이동하여 가동블록(670)을 이 동시키게 되며, 이때 가동블록(670)의 양측에 고정된 하부 밀편(680)이 롤러 가이드(622)를 따라 수평방향으로 이동하게 되고, 이때 하부 밀편(680)의 제1 경사부(680-1)와 대면하는 제2 경사부(690-1)를 갖는 상부 밀편(690)은 수직방향으로 이동하여 Z축 지지판(610)을 상승 또는 하강시킴으로써 Y축 구동부(300)와 X축 구동부(200) 및 플랫폼(100)의 Z축 방향에 대한 이동이 이루어지게 된다.The Z-axis driving unit 600 configured as described above is installed below the Y-axis driving unit 300 as shown in FIG. 11, and when the Z-axis ball screw 640 is rotated by the Z-axis driving motor 630, the Z-axis slider 650 and the Z-axis piezo actuator 660 moves together to move the movable block 670, where the lower mill pieces 680 fixed to both sides of the movable block 670 are along the roller guide 622. The upper compact piece 690 having the second inclined portion 690-1 facing the first inclined portion 680-1 of the lower compact piece 680 moves in the vertical direction and moves in the vertical direction to the Z axis. As the support plate 610 is raised or lowered, the movement of the Y-axis driver 300, the X-axis driver 200, and the platform 100 in the Z-axis direction is performed.

또한, 상기 Z축 피에조 엑츄에이터(660)와 가동블록(670)의 사이에는 X축 구동부(200)에 구비된 프리로더(260)와 동일한 구조를 갖는 또 다른 프리로더(720)가 설치되어 있다.In addition, another preloader 720 having the same structure as the preloader 260 included in the X-axis driving unit 200 is installed between the Z-axis piezo actuator 660 and the movable block 670.

상기 위치검출부는 X축 구동부(200)와 Y축 구동부(300)의 상대운동을 검출함으로써 결과적으로 플랫폼(100) 상에 고정된 대상물의 위치를 검출하는 것으로, 그리드 엔코더(410)와, 제1 디텍터(420)로 구성되어 있다. 상기 그리드 엔코더(410)는 도 5에 도시되어 있으며, 상기 제1 디텍터(420)는 도 7에 도시되어 있다. 상기 그리드 엔코더(410)는 플랫폼(100)의 저면 중앙부에 설치됨과 더불어 X축 구동부(200)를 구성하는 X축 지지판(210)을 통해 X축 지지판(210)의 저면으로 노출되도록 설치되며, 상기 제1 디텍터(420)는 Y축 구동부(300)를 구성하는 Y축 지지판(320)의 상면 중심부에 설치됨과 더불어 가동판(310)의 통해 가동판(310)의 상면으로 노출되도록 설치되어 있다. 이에 따라 X,Y축 구동부(200,300)에 의한 플랫폼(100)의 이동시 그리드 엔코더(410)는 플랫폼(100)과 함께 이동하게 되고, 제1 디텍터(420)는 Y축 지지판(320)에 고정되어 있으므로 X축 구동부(200)와 Y축 구동부(300)의 상대운동을 검출할 수 있게 된다.The position detecting unit detects the relative motion of the X-axis driving unit 200 and the Y-axis driving unit 300, thereby detecting the position of the object fixed on the platform 100. The grid encoder 410 and the first The detector 420 is comprised. The grid encoder 410 is shown in FIG. 5, and the first detector 420 is shown in FIG. 7. The grid encoder 410 is installed so as to be exposed to the bottom surface of the X-axis support plate 210 through the X-axis support plate 210 constituting the X-axis drive unit 200 is installed in the bottom center of the platform 100, The first detector 420 is installed at the center of the upper surface of the Y-axis support plate 320 constituting the Y-axis driver 300 and is exposed to the upper surface of the movable plate 310 through the movable plate 310. Accordingly, when the platform 100 is moved by the X and Y axis drivers 200 and 300, the grid encoder 410 moves together with the platform 100, and the first detector 420 is fixed to the Y axis support plate 320. Therefore, the relative motion of the X-axis driver 200 and the Y-axis driver 300 can be detected.

한편, 상기 Z축 구동부(600)에 의한 플랫폼(100)의 Z축 변위량을 검출하기 위한 수단으로서, 리니어 스케일(430)과 이에 대응하는 제2 디텍터(440)가 Z축 구동부(600)에 구비되어 있다. 상기 리니어 스케일(430)은 컬럼(700)의 안내홈(701)에 설치되고, 상기 제2 디텍터(440)는 컬럼(700)을 따라 이동하는 이동블록(710)에 설치되어 있다. 이에 따라 Z축 구동부(600)의 작동에 의해 이동블록(710)이 Z축 방향으로 이동할 경우, 리니어 스케일(430)과 제2 디텍터(440)는 이동블록(710)의 이동거리를 검출함으로써 플랫폼(100)의 Z축 변위량을 검출하게 된다.Meanwhile, as a means for detecting the Z-axis displacement of the platform 100 by the Z-axis driver 600, a linear scale 430 and a second detector 440 corresponding thereto are provided in the Z-axis driver 600. It is. The linear scale 430 is installed in the guide groove 701 of the column 700, and the second detector 440 is installed in the moving block 710 moving along the column 700. Accordingly, when the moving block 710 moves in the Z-axis direction by the operation of the Z-axis driver 600, the linear scale 430 and the second detector 440 detect the moving distance of the moving block 710 so that the platform The Z-axis displacement of 100 is detected.

상기 모션컨트롤러(500)는 위치검출부에 의해 검출된 변위값에 기초하여 플랫폼(100) 상에 놓인 대상물이 목적으로 하는 위치에 정확하게 위치할 수 있도록 X,Y,Z축 구동부(200,300,600)를 제어하는 것으로, 모션제어기(510)와, 제1,2 제어부(520,530)로 구성된다. 상기 모션제어기(510)는 그리드 엔코더(410)와 제1 디텍터(420)에 의해 검출된 플랫폼(100)의 X,Y축에 대한 변위값과 리니어 스케일(430) 및 제2 디텍터(440)에 의해 검출된 플랫폼(100)의 Z축에 대한 변위값을 전달받아 분석함으로써 이동된 플랫폼(100)이 목적으로 하는 위치에 정확하게 위치하였는지를 판단함과 더불어 위치의 보정을 위한 변위값을 계산하게 된다. 상기 제1 제어부(520)는 모션제어기(510)로부터 출력되는 신호를 이용하여 각축 구동부의 구동모터(230,340,630)들로 인가되는 전원을 제어함으로써 플랫폼(100)의 대변위 이동을 제어하도록 구성된다. 상기 제2 제어부(530)는 모션제어기(510)로부터 출력되는 신호를 이용하여 각축 구동부의 피에조 엑츄에이터(250,360,660)로 인가되는 전원을 제어함으로써 플랫폼(100)의 미소변위 이동을 제어하도록 구성된다.The motion controller 500 controls the X, Y, and Z axis drivers 200, 300, and 600 so that an object placed on the platform 100 can be accurately positioned at a target position based on the displacement value detected by the position detector. The controller includes a motion controller 510 and first and second controllers 520 and 530. The motion controller 510 is provided with a displacement value with respect to the X and Y axes of the platform 100 and the linear scale 430 and the second detector 440 detected by the grid encoder 410 and the first detector 420. By receiving and analyzing the displacement value of the platform 100 detected by the Z-axis, it is determined whether the moved platform 100 is correctly positioned at the desired position and the displacement value for the correction of the position is calculated. The first controller 520 is configured to control the displacement of the platform 100 by controlling the power applied to the driving motors 230, 340, and 630 of each axis driver by using the signal output from the motion controller 510. The second control unit 530 is configured to control the microdisplacement movement of the platform 100 by controlling the power applied to the piezo actuators 250, 360, 660 of each axis driver by using the signal output from the motion controller 510.

상기와 같이 구성된 나노 스테이지의 작용에 대해 설명하면 아래와 같다.Referring to the operation of the nano stage configured as described above is as follows.

상기 플랫폼(100) 상에 가공 대상물을 고정하고, 상기 모션컨트롤러(500)의 모션제어기(510)에 해당 대상물에 대한 가공 데이터를 입력하면, 모션제어기(510)는 제1 제어부(520)를 통해 X,Y,Z축용 구동모터(230,340,630)를 제어하여 플랫폼(100)을 대변위로 이동시키게 된다. 이때 그리드 엔코더(410)와 리니어 스케일(430)에 각각 대응하도록 설치된 제1,2 디텍터(420,440)는 플랫폼(100)의 변위값을 검출하여 모션제어기(510)로 전달하게 되고, 모션제어기(510)는 전달된 변위값을 이용하여 플랫폼(100)의 현재 위치를 분석한 뒤, 그 결과를 제1,2 제어부(520,530)로 전달하여 피드백 제어를 수행하게 된다. 이때 제1 제어부(520)는 볼스크류(220,330,640)에 의해 구현되는 마이크로 단위의 범위내에서 각축 구동모터(230,340,630)와 볼스크류(220,330,640)를 이용해 플랫폼(100)이 목적으로 하는 위치에 가장 근접할 수 있도록 피드백 제어를 반복적으로 수행하게 되고, 제2 제어부(530)는 피에조 엑츄에이터(250,360,660)에 의해 구현되는 나노 단위의 범위내에서 피에조 엑츄에이터(250,360,660)를 이용해 플랫폼(100)이 목적으로 하는 위치에 정확하게 위치할 수 있도록 하는 피드백 제어를 수행하게 된다.When the object to be fixed is fixed on the platform 100, and the processing data for the object is input to the motion controller 510 of the motion controller 500, the motion controller 510 is controlled by the first controller 520. The driving motors 230, 340, 630 for the X, Y, and Z axes are controlled to move the platform 100 in a large displacement. At this time, the first and second detectors 420 and 440 respectively installed to correspond to the grid encoder 410 and the linear scale 430 detect the displacement value of the platform 100 and transmit the displacement value to the motion controller 510, and the motion controller 510. ) Analyzes the current position of the platform 100 using the transferred displacement value, and transmits the result to the first and second controllers 520 and 530 to perform feedback control. In this case, the first control unit 520 may be closest to the target position of the platform 100 using the axial drive motors 230, 340, 630 and the ball screws 220, 330, 640 within the range of micro units implemented by the ball screws 220, 330, 640. Feedback control is repeatedly performed so that the second control unit 530 uses the piezo actuators 250, 360, and 660 within the range of nano units implemented by the piezo actuators 250, 360, and 660 to the target position of the platform 100. Feedback control is performed to ensure accurate positioning.

이해를 돕기 위해, 하나의 축만을 예시로서 설명하면 다음과 같다.To help understanding, only one axis is described as an example.

플랫폼(100)의 X축 좌표값을 100.01㎛로 위치시키며, 볼스크류, 즉 대변위 이동에 의해서는 1㎛ 이내로 제어가 이루어지며, 피에조 엑츄에이터, 즉 미소변위 이동에 의해서는 10㎚ 이내로 제어가 이루어지는 것으로 가정한다.The X-axis coordinate value of the platform 100 is positioned at 100.01 μm, and the control is performed within 1 μm by the ball screw, that is, the displacement, and the control is performed within 10 nm by the piezo actuator, that is, the micro displacement movement. Assume that

상기 모션제어기(510)를 통해 플랫폼(100)의 X축 좌표값을 100.01㎛로 위치시키도록 X축 구동부(200)를 제어하게 되면, X축 구동모터(230)의 작동에 의해 X축 볼스크류(220)가 회전하여 X축 슬라이더(240)를 이동시킴으로써, 플랫폼(100)의 대변위 이동을 통해 해당위치로 이동시키게 된다. 그러나 실제 볼스크류의 정밀도에는 한계가 있으며, 또한 다양한 원인으로 인해 오차가 발생되므로 플랫폼은 정확한 목표점에 위치하지 못하게 된다. 이때 위치검출부는 플랫폼(100)의 실제 위치를 감지하게 되고, 만약 스테이지의 위치가 101.05㎛로서 대변위 이동에 의해 보정이 가능할 경우, 모션제어기(510)는 제1 제어부(520)로 보정을 위한 변위값을 전달하여 피드백 제어를 수행하게 된다. 이처럼 대변위 이동 및 피드백 제어를 통해 플랫폼(100)이 100.05㎛에 위치하여 대변이 이동을 통해서는 보정이 불가능할 경우, 모션제어기(510)는 제2 제어부(530)로 보정을 위한 변위값을 전달하여 X축 피에조 엑츄에이터(250)를 작동시킴으로써 플랫폼(100)을 미소변위로 이동시켜 목표점에 근접시키게 되며, 이때의 경우에도 계속적인 피드백 제어를 통해 플랫폼(100)을 목표로한 좌표지점에 정확하게 위치시킬 수 있게 된다.When the X-axis driving unit 200 is controlled to position the X-axis coordinate value of the platform 100 to 100.01 μm through the motion controller 510, the X-axis ball screw by the operation of the X-axis driving motor 230. By rotating the 220 to move the X-axis slider 240, it is moved to the corresponding position through the displacement of the platform 100. However, there is a limit to the precision of the actual ball screw, and because of the error caused by various causes, the platform will not be located at the exact target point. At this time, the position detection unit detects the actual position of the platform 100, and if the position of the stage can be corrected by the displacement of the displacement as 101.05㎛, the motion controller 510 is corrected by the first control unit 520 Feedback control is performed by passing the displacement value. As such, when the platform 100 is positioned at 100.05 μm through large displacement movement and feedback control, and correction is impossible through the displacement movement, the motion controller 510 transmits a displacement value for correction to the second control unit 530. By operating the X-axis piezo actuator 250 to move the platform 100 to a micro displacement close to the target point, even in this case, through the continuous feedback control to accurately position the target point to the platform 100 You can do it.

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.The present invention is not limited to the above-described specific preferred embodiments, and various modifications can be made by any person having ordinary skill in the art without departing from the gist of the present invention claimed in the claims. Of course, such changes will fall within the scope of the claims.

본 발명은 상술한 바와 같이 볼스크류에 의한 대변위 이동과 피에조 엑츄에이터에 의한 미소변위 이동이 볼스크류와 피에조 엑츄에이터의 직렬 연결구조에 의해 이루어짐과 더불어 그리드 엔코더와 제1 디텍터 및 리니어 스케일과 제2 디텍터로부터 검출되는 플랫폼의 변위값을 이용해 각축 구동모터와 각축 피에조 엑츄에이터를 피드백 제어함으로써, 전체적으로 컴팩트한 외형을 유지하면서 스테이지의 전체 영역에 대해서 정밀한 미소변위의 위치결정이 가능하게 되었다. 이처럼 전체 영역에 대해 정밀한 미소변위의 위치결정이 가능하므로 높은 해상도를 갖는 나노 스테이지의 구현이 가능하게 되었다.As described above, the large displacement movement by the ball screw and the small displacement movement by the piezo actuator are made by the series connection structure of the ball screw and the piezo actuator, and the grid encoder, the first detector, the linear scale, and the second detector. Feedback control of each axis drive motor and each axis piezo actuator is carried out using the displacement value of the platform which is detected from the platform, enabling precise microdisplacement positioning over the entire area of the stage while maintaining an overall compact appearance. As such, precise microdisplacement positioning is possible over the entire area, and thus nanoscale stages with high resolution are possible.

Claims (9)

가공 또는 측정 대상물이 고정되는 플랫폼;A platform on which a workpiece or measurement object is fixed; 상기 플랫폼을 X축 방향으로 이동시키되, 플랫폼과 연결되는 X축 피에조 엑츄에이터가 X축 구동모터에 의해 회전하는 X축 볼스크류 상에 구비된 X축 슬라이더에 설치된 것으로 구성되어 X축 볼스크류와 X축 피에조 엑츄에이터의 직렬 연결구조에 의해 X축 볼스크류에 의한 플랫폼의 대변위 이동과 X축 피에조 엑츄에이터에 의한 플랫폼의 미세변위 이동이 X축 볼스크류의 축선을 따라 이루어지게 하는 X축 구동부;Move the platform in the X-axis direction, X-axis piezo actuator connected to the platform is configured to be installed on the X-axis slider provided on the X-axis ball screw rotated by the X-axis drive motor X axis ball screw and X axis An X-axis driving unit configured to perform a large displacement movement of the platform by the X-axis ball screw and a micro displacement movement of the platform by the X-axis piezo actuator along the axis of the X-axis ball screw by the piezo actuator in series connection structure; 상기 플랫폼을 Y축 방향으로 이동시키되, 상기 X축 구동부와 가동판을 통해 연결되는 Y축 피에조 엑츄에이터가 Y축 구동모터에 의해 회전하는 Y축 볼스크류 상에 구비된 Y축 슬라이더에 설치된 것으로 구성되어 Y축 볼스크류와 Y축 피에조 엑츄에이터의 직렬 연결구조에 의해 Y축 볼스크류에 의한 플랫폼의 대변위 이동과 Y축 피에조 엑츄에이터에 의한 플랫폼의 미세변위 이동이 Y축 볼스크류의 축선을 따라 이루어지게 하는 Y축 구동부;Move the platform in the Y-axis direction, the Y-axis piezo actuator connected through the X-axis drive unit and the movable plate is configured to be installed on the Y-axis slider provided on the Y-axis ball screw rotated by the Y-axis drive motor Due to the series connection structure of the Y-axis ball screw and the Y-axis piezo actuator, the displacement of the platform by the Y-axis ball screw and the displacement of the platform by the Y-axis piezo actuator are made along the axis of the Y-axis ball screw. Y-axis drive unit; 상기 X축 구동부 및 상기 Y축 구동부에 제공되어 상기 플랫폼의 X축 및 Y축에 대한 변위량을 검출하는 위치검출부; 및A position detection unit provided to the X-axis driving unit and the Y-axis driving unit to detect displacement amounts with respect to the X and Y axes of the platform; And 상기 위치검출부에 의해 검출된 변위량에 기초하여 상기 X축 구동모터와 X축 피에조 엑츄에이터 및 상기 Y축 구동모터와 Y축 피에조 엑츄에이터를 피드백 제어하는 모션컨트롤러;를 구비하는 것을 특징으로 하는 진공용 대변위 나노 스테이지.And a motion controller configured to feedback-control the X-axis drive motor and the X-axis piezo actuator and the Y-axis drive motor and the Y-axis piezo actuator based on the displacement amount detected by the position detection unit. Nano stage. 제 1 항에 있어서, 상기 X축 구동부는,The method of claim 1, wherein the X-axis drive unit, 상기 플랫폼의 X축 방향 이동을 안내하는 레일이 상단부에 구비되어 플랫폼을 하부에서 지지하는 X축 지지판;An X-axis support plate having a rail for guiding the X-axis movement of the platform at an upper end thereof to support the platform from below; 상기 X축 지지판의 일측면 양끝단에 형성된 한쌍의 고정블록에 지지되어 회전하는 X축 볼스크류;An X-axis ball screw supported and rotated by a pair of fixed blocks formed at both ends of one side of the X-axis support plate; 상기 X축 볼스크류와 연결되어 회전시키도록 상기 고정블록에 설치된 X축 구동모터;An X-axis drive motor installed in the fixed block to rotate in connection with the X-axis ball screw; 상기 X축 볼스크류에 설치되어 X축 볼스크류의 회전에 의해 이동하여 플랫폼의 대변위 이동을 구현하는 X축 슬라이더; 및An X-axis slider installed on the X-axis ball screw to move by rotation of the X-axis ball screw to implement a displacement of the platform; And 상기 X축 슬라이더에 설치되며, 상기 플랫폼에 연결되게 설치되어 상기 모션컨트롤러의 제어에 의해 플랫폼의 위치를 미세하게 보정하는 X축 피에조 엑츄에이터;로 구성된 것을 특징으로 하는 진공용 대변위 나노 스테이지.And an X-axis piezo actuator installed on the X-axis slider and connected to the platform to finely correct the position of the platform under the control of the motion controller. 제 1 항에 있어서, 상기 Y축 구동부는,The method of claim 1, wherein the Y-axis drive unit, 상기 X축 구동부의 하부에 설치된 가동판;A movable plate provided below the X-axis driving unit; 상기 가동판의 하부에 설치되며, 상기 가동판을 Y축 방향으로 안내하도록 가동판과 결합되는 레일이 상단부에 구비된 Y축 지지판;A Y-axis support plate installed at a lower portion of the movable plate and provided with an upper end of a rail coupled to the movable plate to guide the movable plate in the Y-axis direction; 상기 Y축 지지판의 일측면 양끝단에 형성된 한쌍의 고정블록에 지지되어 회전하는 Y축 볼스크류;A Y-axis ball screw supported and rotated by a pair of fixed blocks formed at both ends of one side of the Y-axis support plate; 상기 Y축 볼스크류와 연결되어 회전시키도록 상기 고정블록에 설치된 Y축 구동모터;A Y-axis drive motor installed in the fixed block to rotate in connection with the Y-axis ball screw; 상기 Y축 볼스크류에 설치되어 Y축 볼스크류의 회전에 의해 이동하는 Y축 슬라이더; 및A Y-axis slider installed on the Y-axis ball screw and moved by rotation of the Y-axis ball screw; And 상기 Y축 슬라이더에 설치되며, 상기 가동판에 연결되게 설치되어 상기 모션컨트롤러의 제어에 의해 가동판의 위치를 미세하게 보정하는 Y축 피에조 엑츄에이터;로 구성된 것을 특징으로 하는 진공용 대변위 나노 스테이지.And a Y-axis piezo actuator installed on the Y-axis slider and connected to the movable plate to finely correct the position of the movable plate by the control of the motion controller. 제 1 항에 있어서, 상기 위치검출부는,The method of claim 1, wherein the position detection unit, 상기 플랫폼의 저면에 설치됨과 더불어 상기 X축 구동부의 저면으로 노출되게 설치된 그리드 엔코더; 및A grid encoder installed on the bottom of the platform and exposed to the bottom of the X-axis driving unit; And 상기 그리드 엔코더에 대응하도록 상기 Y축 구동부의 상단에 고정되게 설치된 제1 디텍터:로 구성된 것을 특징으로 하는 진공용 대변위 나노 스테이지.A large displacement nano-stage for vacuum, comprising: a first detector fixedly installed at an upper end of the Y-axis driving unit to correspond to the grid encoder. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 Y축 구동부의 하부에 설치된 Z축 지지판;A Z-axis support plate installed below the Y-axis drive unit; 상기 Z축 지지판의 하부에서 Z축 지지판과 평행한 채로 소정의 간격을 유지하도록 배치된 베이스;A base disposed at a lower portion of the Z axis support plate to maintain a predetermined distance while being parallel to the Z axis support plate; 상기 베이스의 일측단에 설치된 Z축 구동모터;A Z-axis driving motor installed at one end of the base; 상기 Z축 구동모터에 일단이 연결되고, 나머지 타단이 상기 베이스에 고정된 고정블록에 지지되어 회전하는 Z축 볼스크류;One end connected to the Z-axis driving motor, and the other end of the Z-axis ball screw rotated by being supported by a fixed block fixed to the base; 상기 Z축 볼스크류에 설치되어 이동하는 Z축 슬라이더;A Z-axis slider installed on the Z-axis ball screw and moving; 상기 Z축 슬라이더에 설치된 Z축 피에조 엑츄에이터;A Z axis piezo actuator installed on the Z axis slider; 상기 Z축 피에조 엑츄에이터에 연결되어 Z축 볼스크류에 의한 대변위 이동과 Z축 피에조 엑츄에이터에 의한 미소변위 이동이 이루어지는 가동블록;A movable block connected to the Z-axis piezo actuator to perform a large displacement movement by a Z-axis ball screw and a small displacement movement by a Z-axis piezo actuator; 상기 Z축 가동블럭에 연결되어 수평방향으로 이동하는 하부 밀편; 및A lower tight piece connected to the Z-axis movable block and moving in a horizontal direction; And 상기 Z축 지지판의 하부에 설치되며 상기 하부 밀편과 접촉하여 하부 밀편의 수평방향 이동에 의해 수직방향으로 이동하는 상부 밀편;으로 구성된 Z축 구동부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 진공용 대변위 나노 스테이지.A large displacement nano-stage for vacuum, characterized in that it further comprises a Z-axis drive unit which is installed in the lower portion of the Z-axis support plate and in contact with the lower mill piece to move in the vertical direction by the horizontal movement of the lower mill piece. . 제 5 항에 있어서,The method of claim 5, 상기 베이스의 상면으로부터 상기 Z축 지지판으로 근접하도록 돌출된 구조를 갖으며, 그의 일측면에 안내홈이 형성된 컬럼;A column having a structure protruding from the upper surface of the base to the Z-axis supporting plate and having a guide groove formed on one side thereof; 상기 Z축 지지판의 하부에 설치되며, 상기 컬럼의 안내홈에 결합되어 이동하는 이동블록;A moving block installed at a lower portion of the Z-axis support plate and coupled to a guide groove of the column; 상기 컬럼의 안내홈 내부에 설치된 리니어 스케일; 및A linear scale installed inside the guide groove of the column; And 상기 리니어 스케일에 대응하도록 상기 이동블록에 설치되어 플랫폼의 Z축 변위량을 검출하는 제2 디텍터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 진공용 대변위 나노 스테이지.And a second detector installed at the moving block to detect the Z-axis displacement of the platform so as to correspond to the linear scale. 제 2 항 또는 제 3 항 또는 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to claim 2 or 3 or 5, 상기 X축 피에조 엑츄에이터와 상기 플랫폼의 사이 또는 상기 Y축 피에조 엑츄에이터와 상기 가동판의 사이 또는 상기 Z축 피에조 엑츄에이터와 상기 가동블록의 사이에 피에조 엑츄에이터의 변형을 방지하는 프리로더가 더 구비된 것을 특징으로 하는 진공용 대변위 나노 스테이지.A preloader is further provided to prevent deformation of the piezo actuator between the X axis piezo actuator and the platform or between the Y axis piezo actuator and the movable plate or between the Z axis piezo actuator and the movable block. Large displacement nano stage for vacuum. 제 7 항에 있어서, 상기 프리로더는,The method of claim 7, wherein the preloader, 상기 각 X,Y,Z축 피에조 엑츄에이터의 양측에 위치하도록 한쌍씩 제공되며, "ㄹ"형상의 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 진공 나노 스테이지.A pair of vacuum nano-stage, characterized in that provided in pairs to be located on both sides of each of the X, Y, Z axis piezo actuators, the "d" shape. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 모션 콘트롤러는, 마이크로프로세서와 입출력부가 구비되며, 상기 위치검출부에 의해 검출된 데이터를 입력받아 처리하는 마이컴;The motion controller may include a microprocessor and an input / output unit configured to receive and process data detected by the position detection unit; 상기 마이컴의 제어에 의해 상기 X,Y,Z축 구동모터에 구동전원을 인가하는 제1 구동기; 및A first driver for applying driving power to the X, Y, and Z axis driving motors under the control of the microcomputer; And 상기 마이컴의 제어에 의해 상기 X,Y,Z축 피에조 엑츄에이터에 구동전원을 인가하는 제2 구동기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 진공 나노 스테이지.And a second driver for applying driving power to the X, Y and Z axis piezo actuators under the control of the microcomputer.
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