KR100726711B1 - 자기부상방식의 대면적 스테이지 장치 - Google Patents

자기부상방식의 대면적 스테이지 장치 Download PDF

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KR100726711B1 KR1020050134639A KR20050134639A KR100726711B1 KR 100726711 B1 KR100726711 B1 KR 100726711B1 KR 1020050134639 A KR1020050134639 A KR 1020050134639A KR 20050134639 A KR20050134639 A KR 20050134639A KR 100726711 B1 KR100726711 B1 KR 100726711B1
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Abstract

본 발명은 다축 방향으로의 대면적 이송 및 초정밀 위치 제어가 가능한 자기부상방식의 대면적 스테이지 장치에 관한 것이다.
더욱 상세하게는, 본 발명은 하부 이송대의 받침 플레이트 상면에 다수개의 코일모듈들로 구성된 코일모듈 어레이를 설치하되, 이웃 코일모듈 간 코일 권선방향이 직각이 되도록 상기 코일모듈들을 서로 직교하여 바둑판 형태로 배치하고, 컨트롤러 및 구동회로부에 의해 상기 각 코일모듈의 온/오프 및 인가되는 전류가 제어되면서 상기 스테이지가 코일모듈과 영구자석 간 발생된 전자기력에 의해 Z축 방향의 부상은 물론 X축, Y축 방향의 2차원 수평 이동이 모두 가능하도록 구성함으로써, 다축 방향의 스테이지 이송 및 초정밀 위치 제어가 가능하고, 코일모듈을 확장 배치하여 이동면적을 무한대로 확장시킬 수 있어 스테이지의 대면적 이송이 가능한 자기부상방식의 대면적 스테이지 장치에 관한 것이다.
스테이지, 자기부상, 대면적, 코일모듈, 영구자석, 초정밀

Description

자기부상방식의 대면적 스테이지 장치{Wide area movement stage with magnetic levitation technology}
도 1은 본 발명에 따른 자기부상방식의 스테이지 장치를 도시한 측면도,
도 2는 본 발명에 따른 자기부상방식의 스테이지 장치를 도시한 평면도,
도 3a와 도 3b는 본 발명에 따른 자기부상방식의 스테이지 장치에서 전자기력을 발생시키는 코일모듈이 설치된 하부 이송대의 측면도 및 평면도,
도 4는 도 3a 및 도 3b에 도시된 하부 이송대에서 코일모듈의 배치상태를 도시한 평면도,
도 5a는 본 발명에서 각 코일모듈을 구성하는 공심형 단위 권선을 도시한 도면,
도 5b는 도 5a에 도시된 공심형 단위 권선이 조합되어 구성된 코일모듈을 도시한 도면,
도 6a와 도 6b는 본 발명에 따른 자기부상방식의 스테이지 장치에서 스테이지를 도시한 측면도 및 저면도,
도 7a와 도 7b는 도 6a와 도 6b에 도시된 스테이지에서 하면에 설치 구성되는 영구자석 어레이의 각 실시예를 나타낸 도면,
도 8은 본 발명의 스테이지 장치에서 구성부의 제어관계를 나타낸 블럭도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 컨트롤러 2 : 구동회로부
10 : 하부 이송대 11 : 받침 플레이트
12 : 지지블럭 13 : 고정 플레이트
20 : 코일모듈 어레이 21 : 코일모듈
22 : 공심형 단위 권선 30 : 스테이지
31 : 빈 공간 32 : 갭 센서
40 : 영구자석 어레이 41 : N극 영구자석
42 : S극 영구자석
본 발명은 자기부상방식의 대면적 스테이지 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 본 발명은 하부 이송대의 받침 플레이트 상면에 다수개의 코일모듈들로 구성된 코일모듈 어레이를 설치하되, 이웃 코일모듈 간 코일 권선방향이 직각이 되도록 상기 코일모듈들을 서로 직교하여 바둑판 형태로 배치하고, 컨트롤러 및 구동회로부에 의해 상기 각 코일모듈의 온/오프 및 인가되는 전류가 제어되면서 상기 스테이지가 코일모듈과 영구자석 간 발생된 전자기력에 의해 Z축 방향의 부상은 물 론 X축, Y축 방향의 2차원 수평 이동이 모두 가능하도록 구성함으로써, 다축 방향의 스테이지 이송 및 초정밀 위치 제어가 가능하고, 코일모듈을 확장 배치하여 이동면적을 무한대로 확장시킬 수 있어 스테이지의 대면적 이송이 가능한 자기부상방식의 대면적 스테이지 장치에 관한 것이다.
일반적으로 스테이지(stage) 장치는 반도체의 웨이퍼 및 액정표시패널(LCD) 등의 정밀검사를 위한 스캐닝 장치와 반도체 가공기 및 정밀 가공기 등에 사용되는 것으로서, 웨이퍼와 같은 물품을 수백 밀리미터(mm)의 영역에서 나노미터(nm)급의 정밀도로 이송할 수 있는 선형구동 메커니즘이다.
예컨대, 반도체 공정 중 노광 공정에서 상기 스테이지 장치는 웨이퍼 상에 패턴을 형성하기 위해 웨이퍼를 2차원(X축,Y축) 방향으로 수십 nm 간격으로 위치 이동시키는데 사용하고 있다.
이러한 스테이지 장치로는 웨이퍼가 올려지는 스테이지를 수십 nm 간격으로 평면 운동시키기 위해서 스테이지 하단에 공기를 주입하여 스테이지를 부상(浮上)시키는 공기부상방식이 널리 사용되고 있다.
종래의 공기부상방식 스테이지 장치는 스테이지를 부상시키기 위한 부상장치와, 스테이지를 선형 이송시키기 위한 추진장치를 별도로 구비하고 있다.
즉, 상용화된 공기부상방식 스테이지 장치의 경우, 각 축마다 직선형 정반을 설치하여 가이드로 사용하고, 이 가이드에 구비된 노즐을 통해 공기를 불어주어 여기서 발생된 공기압을 이용해 스테이지를 부상시킨 후, 리니어 모터를 이용하여 스테이지를 직선 이송시킨다.
이때 스테이지는 가이드를 따라 이동하게 되며, 이렇게 제작된 스테이지를 교차로 다수 적용하여 X축과 Y축의 다축 이송이 가능하도록 구성한다.
그러나, 이러한 공기부상방식의 스테이지 장치에서는 공기를 불어주는 압력을 일정하게 유지하여 Z축 방향의 부상 갭(gap)을 유지하고, 또한 공기압 제어를 통해 부상 갭을 제어하므로, 부상 갭 제어의 응답성이 느리고, 부상 갭 제어를 수행하는 것이 용이하지 않다.
또한 종래 공기부상방식의 스테이지 장치는 부상장치와 추진장치를 별도로 구비해야 하므로 장치 전체가 커질 수밖에 없고, 특히 공기 오염 등으로 인해 진공 챔버에는 적용하기가 어렵다.
또한 각 축에 대한 위치 정밀도가 수 nm 정도로 낮은 수준이며, 선폭 45nm 이상의 공정에서만 사용 가능하다.
한편, 이러한 공기부상방식 스테이지 장치가 가지고 있는 문제점을 해결하기 위하여 전 세계 연구자들에 의해 자기부상방식의 스테이지 장치가 개발 중에 있는 것으로 알려지고 있다.
현재까지 자기부상방식의 스테이지 장치에서는 직선형 정반을 적용하지 않고 리니어 모터를 특수 설계/제작하여 부상은 물론 추진을 동시에 수행할 수 있도록 개선하였음이 알려지고 있다.
이러한 자기부상방식의 스테이지 장치에서는 부상 갭의 제어 응답성이 공기부상방식에 비해 빠르고, 진공 챔버에서의 적용이 가능하다는 장점이 있다.
또한 위치 정밀도가 나노미터 수준 아래까지 가능하므로 향후 선폭 45nm 이 하의 공정에서도 적용이 가능할 것으로 기대되고 있다.
그러나, 현재까지 알려진 자기부상방식의 스테이지 장치는 X축 방향의 일축과 Z축 방향의 부상 갭 제어만이 가능한 수준으로 스테이지의 이송방향 제어가 매우 제한적이다.
그리고, 스테이지가 이동할 수 있는 면적이 제한되어 있어(하우징 등에 의해 이송거리가 제한됨) 대면적 이송 및 정밀 위치 제어가 용이하지 않다는 문제점을 가지고 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 하부 이송대의 받침 플레이트 상면에 다수개의 코일모듈들로 구성된 코일모듈 어레이를 설치하되, 이웃 코일모듈 간 코일 권선방향이 직각이 되도록 상기 코일모듈들을 서로 직교하여 바둑판 형태로 배치하고, 컨트롤러 및 구동회로부에 의해 상기 각 코일모듈의 온/오프 및 인가되는 전류가 제어되면서 상기 스테이지가 코일모듈과 영구자석 간 발생된 전자기력에 의해 Z축 방향의 부상은 물론 X축, Y축 방향의 2차원 수평 이동이 모두 가능하도록 구성함으로써, 다축 방향의 스테이지 이송 및 초정밀 위치 제어가 가능하고, 코일모듈을 확장 배치하여 이동면적을 무한대로 확장시킬 수 있어 스테이지의 대면적 이송이 가능한 자기부상방식의 대면적 스테이지 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은, 코일과 영구자석 간에 발생하는 전자기력에 의해서 스테이지가 부상 및 이송되는 자기부상방식의 스테이지 장치에 있어서,
수평면을 형성하는 받침 플레이트(11)를 구비한 하부 이송대(10)와;
상기 받침 플레이트(11)의 상면에 설치되어 전자계를 발생시키는 코일모듈 어레이(20)와;
상기 하부 이송대(10)의 상측에서 부상 및 이송되는 스테이지(30)와;
상기 스테이지(30)의 하면에 다수개의 영구자석(41,42)들이 배열 설치되어 이루어진 영구자석 어레이(40);
를 포함하여 구성되고, 상기 코일모듈 어레이(20)가 받침 플레이트(11) 상면의 코일모듈(21) 다수개로 구성되되, 이웃 코일모듈(21) 간 코일 권선방향이 직각이 되도록 상기 코일모듈(21)들이 서로 직교하여 바둑판 형태로 배치되고, 컨트롤러(1) 및 구동회로부(2)에 의해 상기 각 코일모듈(21)의 온/오프 및 인가되는 전류가 제어되면서 상기 스테이지(30)가 코일모듈(21)과 영구자석(41,42) 간 발생된 전자기력에 의해 Z축 방향의 부상과 X축, Y축 방향의 2차원 수평 이동이 가능하도록 된 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 각 코일모듈(21)은 다수개의 공심형 단위 권선(22)들이 적층구조로 조합되어 구성되고, 상기 공심형 단위 권선(22)들이 A상, B상, C상의 순서로 번갈아 놓이도록 결선되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 영구자석 어레이(40)는 다수개의 N극과 S극의 영구자석(41,42)들이 등간격으로 설치되어 구성되되, 하나의 N극 또는 S극의 영구자석(41,42)을 중심으로 그 사방에 반대 극의 영구자석(41,42)이 배치되는 형태로 상기 N극과 S극의 영구자석(41,42)이 반복 설치되어서 서로 직교 형태의 배열을 이루는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 N극과 S극의 영구자석(41,42)이 정사각형의 영구자석인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 N극과 S극의 영구자석(41,42)이 원형의 영구자석인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 스테이지(30)의 하면 3방향 위치에 그 하측 코일모듈 어레이(20)와의 간격을 검출하기 위한 갭 센서(32)가 설치되고, 상기 스테이지(30)의 가로방향과 세로방향의 각 측면에 반사용 평면거울(33a,33b)이 설치되며, 상기 스테이지(30)의 각 반사용 평면거울(33a,33b) 전방으로 X축 및 Y축 거리 측정을 위한 레이저 간섭계(34a,34b)가 설치되어, 상기 컨트롤러(1)가 상기 갭 센서(32)와 레이저 간섭계(34a,34b)의 신호를 입력받아 상기 구동회로부(2)를 통해 스테이지(30)의 6자유도 운동을 제어하도록 된 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 자기부상방식의 스테이지 장치를 도시한 측면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 자기부상방식의 스테이지 장치를 도시한 평면도이다.
도 3a와 도 3b는 본 발명에 따른 자기부상방식의 스테이지 장치에서 전자기력을 발생시키는 코일모듈이 설치된 하부 이송대의 측면도 및 평면도이고, 도 4는 도 3a 및 도 3b에 도시된 하부 이송대에서 코일모듈의 배치상태를 도시한 평면도이며, 도 5a는 본 발명에서 각 코일모듈을 구성하는 공심형 단위 권선을, 도 5b는 도 5a에 도시된 공심형 단위 권선이 조합되어 구성된 코일모듈을 도시한 도면이다.
본 발명은 반도체 공정 중 노광 공정에서 웨이퍼 상에 패턴을 형성하기 위해 웨이퍼를 2차원(X축,Y축) 방향으로 수십 nm 간격으로 위치 이동시키는데 사용될 수 있는 스테이지 장치에 관한 것으로서, 종래와 같은 공기부상방식의 문제점을 해결하면서 스테이지의 다축 이송 및 대면적 초정밀 이송이 가능하도록 하기 위해 자기부상방식의 새로운 형태를 채용한 스테이지 장치에 관한 것이다.
우선, 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 자기부상방식의 스테이지 장치는 크게 수평면을 형성하는 받침 플레이트(11)를 구비한 하부 이송대(10)와, 상기 받침 플레이트(11)의 상면에 설치되어 전자계를 발생시키는 코일모듈 어레이(20)와, 상기 하부 이송대(10) 상측에서 부상 및 이송되는 스테이지(30)와, 상기 스테이지(30)의 하면에 설치된 영구자석 어레이(40)를 포함하여 구성되고, 여기서 상기 스테이지(30)가 상기 코일모듈 어레이(20)에서 발생하는 전자계에 의해 자기 부상 및 추진 이송되도록 구성된다.
상기 하부 이송대(10)는 도 3a 및 도 3b에 도시한 바와 같이 수평면을 형성하는 받침 플레이트(11) 및 그 하측의 지지블럭(12), 상기 받침 플레이트(11)의 상면에 사각 배치되는 다수개의 고정 플레이트(13)로 구성된다.
상기 받침 플레이트(11)의 사각 모서리 부분 하면에 상기 지지블럭(12)이 볼트 체결되어 일체로 조립되고, 상기 받침 플레이트(11)의 상면에는 상기 다수개의 고정 플레이트(13)들이 중앙의 사각공간을 형성하도록 사각 배치된 후 볼트 체결되어서 일체로 조립된다.
그리고, 상기 받침 플레이트(11)의 상면에서 고정 플레이트(13)가 형성하는 사각공간 내에 다수개의 코일모듈(21)이 바둑판 형태로 직교 배치되어서 고정 설치되는 바, 이들 다수개의 코일모듈(21)이 코일모듈 어레이(20)를 구성하고, 이 코일모듈 어레이(20)가 고정자 역할을 하게 된다.
상기 코일모듈 어레이(20)는 도 4에 도시한 바와 같이 다수개의 코일모듈(21)이 바둑판 형태로 설치되어 조합되는 것이며, 특히 이웃한 두 코일모듈(21) 간에는 코일의 권선방향이 서로 직각방향이 될 수 있도록 코일모듈들이 배치된다.
본 발명의 코일모듈 어레이(20)에서는 코일모듈이 바둑판 형태로 직교배치됨으로써 각 면에서 발생되는 전자력이 X축과 Z축 또는 Y축과 Z축과 같이 부상력과 추진력을 동시에 발생시키며, 따라서 6자유도 운동을 위해 4개의 코일모듈이 한 단위로 소요되어 고정자 구성이 매우 간단해지고, X축 또는 Y축 이송을 위한 전자석의 스위칭 패턴도 동일하게 되어 제어가 비교적 용이해진다..
상기 각 코일모듈(21)의 구성을 살펴보면, 각 코일모듈(21)은 다수개의 공심형 단위 권선(22)들로 구성되는 바, 각 공심형 단위 권선(22)들은 도 5a에 도시한 바와 같다.
또한 도 5b에 도시한 바와 같이 다수개의 공심형 단위 권선(22)들이 적층구 조로 조합되어 하나의 정방형 코일모듈(21)을 구성하게 되는데, 이때 공심형 단위 권선(22)들이 A상, B상, C상의 순서로 번갈아 놓이도록 결선시킨 뒤 구성하게 된다.
이와 같이 고정자 부분을 구성하는 코일모듈 어레이(20)의 각 코일모듈(21)에서 전자기력을 발생시키기 위해서는 도 5a에 도시한 각 공심형 단위 권선(22)에 사인파 전류를 인가시켜야 하며, 이때 유동전동기와 마찬가지로 입력 전기각을 60°씩 이동시켜 인가한다.
이와 같이 각 코일모듈(21)에 전류를 인가시켜 전자기력을 발생시키며, 이때 인가되는 전류의 위상과 세기를 제어함에 따라 각 코일모듈(21)에서 발생하는 전자기력의 세기를 제어할 수 있게 된다.
한편, 도 6a와 도 6b는 본 발명에 따른 자기부상방식의 스테이지 장치에서 스테이지를 도시한 측면도 및 저면도이고, 도 7a와 도 7b는 도 6a와 도 6b에 도시된 스테이지에서 하면에 설치 구성되는 영구자석 어레이의 각 실시예를 나타낸 도면이다.
우선, 본 발명의 스테이지 장치가 웨이퍼 이송에 적용될 경우 스테이지(30)는 웨이퍼가 올려지는 부분이 되며, 특히 본 발명에서 스테이지(30)는 바둑판 형태로 직교 배치된 하부 이송대(10)의 코일모듈(21)들에 의해 발생되는 전자기력에 의해서 Z축의 수직방향으로 부상할 수 있는 동시에 X축과 Y축의 2차원 수평방향으로 선형 이송이 가능하다.
또한 본 발명에서 스테이지는 코일모듈이 제어됨에 의해 X축, Y축 및 Z축의 위치 제어는 물론 요(Yaw), 피치(Pitch), 롤(Roll) 방향으로의 자세 제어가 가능하여 6자유도 운동을 수행하게 된다.
상기 스테이지(30)는 전자기력에 의해 부상하는 구성부인 만큼 그 중량을 줄이기 위해 가벼운 소재로 제작되는 것이 바람직하며, 도시한 예에서와 같이 중량 저감을 위해 내부에 여러 개로 구획된 다수개의 빈 공간(31)이 형성된 구조로 제작하는 것도 실시 가능하다.
그리고, 상기 스테이지(30)의 하면에는 영구자석 어레이(40)가 설치 구성되는데, 이 영구자석 어레이(40)는 다수개의 N극과 S극의 영구자석(41,42)들을 등간격으로 설치하여 구성되며, N극 및 S극의 영구자석(41,42)들이 도 7a 또는 도 7b에 나타낸 바와 같이 서로 직교하는 형태로 배치되어 설치된다.
즉, 상기 스테이지(30)의 하면에서 하나의 N극 또는 S극 영구자석(41,42)을 중심으로 그 사방에 반대 극의 영구자석이 배치되는 형태로 하여 N극과 S극이 반복 설치된다.
예를 들어, N극의 영구자석(41) 1개를 중심으로 S극의 영구자석(42) 4개가 두 대각선 방향으로 사방에 배치되며, 이러한 배치가 반복되므로, 역시 S극의 영구자석(42)을 중심으로도 N극의 영구자석(41) 4개가 사방으로 동일하게 배치되는 구조가 된다.
여기서, 영구자석 어레이(40)는 도 7a에 나타낸 바와 같이 정사각형의 영구자석(41,42)들로 구성할 수 있고, 더욱 바람직하게는 도 7b에 나타낸 바와 같이 원형의 영구자석(41,42)들로 구성할 수가 있다.
상기 영구자석 어레이(40)를 구성하는 영구자석(41,42)들은 그밖에 여러 형상으로 제작하여 설치할 수가 있는데, 예를 들어 육각형 또는 팔각형 등과 같이 정다각형의 형상이 실시 가능하다.
도 7a에서 정사각형의 영구자석(41,42)들을 등간격으로 배치하여 설치한 구성에서는 영구자석 간에 빈 공간이 상대적으로 많게 형성되나, 도 7b에서와 같이 원형의 영구자석(41,42)들을 설치한 구성은 영구자석 간에 빈 공간이 상대적으로 적게 형성되므로 더욱 바람직한 구성이 된다.
또한 상기 스테이지(30)의 하면에는 스테이지의 부상 갭 제어가 가능하도록 스테이지(30)와 하부 이송대(10) 간의 간격, 즉 부상 갭을 측정하기 위한 갭 센서(32)가 설치된다.
도시한 실시예에 따르면 스테이지(30)의 하면에 3방향 위치에 각 1개씩 총 3개의 갭 센서(32)가 설치되고 있으며, 여기서 스테이지(30)의 하면에 설치되는 상기 갭 센서(32)의 갯수와 위치는 적절히 변경이 가능하다.
상기 갭 센서(32)들은 그 하측으로 위치되는 하부 이송대(10), 보다 명확히는 코일모듈 어레이(20)와의 간격을 검출하여 그에 따른 전기적인 신호를 출력하게 되며, 그들이 출력하는 전기적인 신호가 스테이지 장치의 전반적인 작동을 제어하는 컨트롤러(1)에 입력될 수 있도록 도 8과 같이 연결된다.
또한 상기 스테이지(30)의 가로방향과 세로방향의 두 측면에는 각각 반사용 평면거울(33a,33b)을 부착 설치하고, 스테이지 장치의 주변에 스테이지(30)의 각 반사용 평면거울(33a,33b) 전방으로 대략 동일 높이가 되도록 레이저 간섭계(laser interferometer)(34a,34b)를 설치한다.
상기 레이저 간섭계(34a,34b)는 총 3개가 설치될 수 있으며, 이 중 2개는 X축 방향으로, 1개는 Y축 방향으로 설치하되, X축 방향의 레이저 간섭계(34a)는 장치의 X축 방향 중심위치에 2개가 서로 인접되게 설치하고, Y축 방향의 레이저 간섭계(34b)는 장치의 Y축 방향 중심위치에 1개를 설치한다.
상기 레이저 간섭계(34a,34b)는 레이저 빔을 스테이지(30)의 반사용 평면거울(33a,33b)로 X축 방향 및 Y축 방향으로 조사하여 스테이지(30)와의 X축과 Y축 거리를 검출하게 되는데, 그들이 출력하는 전기적인 신호가 스테이지 장치의 전반적인 작동을 제어하는 컨트롤러(1)에 입력될 수 있도록 도 8과 같이 연결된다.
상기 레이저 간섭계(34a,34b)에 의한 거리 계측은 레이저 간섭계로부터 조사되는 레이저 빔의 파장과 반사용 평면거울(33a,33b)로부터 반사되어 오는 레이저 빔의 파장을 비교해서 거리를 계측하게 된다.
상기와 같이 본 발명에서는 갭 센서(32)와 레이저 간섭계(34a,34b)의 신호를 컨트롤러(1)가 입력받아 이를 기초로 스테이지(30)의 현재 위치 및 자세를 판단하고, 또한 갭 센서(32)와 레이저 간섭계(34a,34b)의 신호를 토대로 코일모듈 어레이(20)의 작동을 적절히 제어하여 스테이지(30)의 위치 및 자세를 제어하게 된다.
이와 같이 하여, 스테이지 장치에서 스테이지(30)를 부상시키고 추진시킬 수 있는 구동부, 즉 고정자 부분인 코일모듈 어레이(20)와 이동자 부분인 영구자석 어레이(40)로 구성되는 자기부상방식의 구동부에 대하여 상세히 설명하였다.
한편, 스테이지(30)를 자기부상방식으로 부상 및 선형 이송시킬 수 있는 상 기 구동부는 컨트롤러(1)에 의해 작동이 제어되며, 상기 컨트롤러(1)는 리니어 드라이브 모듈(linear drive module) 등을 포함하여 구성되는 구동회로부(2)를 적절히 작동 및 제어하여 스테이지(30)의 부상 및 추진을 위한 코일모듈 어레이(20)의 전반적인 작동을 제어하게 된다(도 8 참조).
기본적으로 상기 컨트롤러(1)는 장치의 전반적인 상태 모니터링 및 제어를 수행하는 바, 갭 센서(32)와 레이저 간섭계(34a,34b)에 의해 계측된 데이터를 이용하여 스테이지(30)의 현재 중심위치(X,Y,Z,Yaw,Pitch,Roll) 계산 및 다음 위치로의 제어 명령을 출력한다.
그리고, 스테이지(30)의 중심위치에서 각 코일모듈(21)의 현재 중심위치 계산 및 전류 명령을 출력하고, 구동회로부(2) 내 리니어 드라이브 모듈은 전류 명령에 따른 3상 전류를 각 코일모듈(21)에 출력하게 된다.
이와 같이 컨트롤러(1)는 스테이지(30)의 영구자석 어레이(40) 영역 바로 아래에 위치하는 코일모듈(21)들에 전류를 인가하여 온(on) 작동시킴으로써 전자계를 발생시키고, 이때 발생하는 코일모듈(21)과 영구자석(41,42) 간의 전자기력, 즉 반발력에 의해 스테이지(30)가 부상하게 된다.
또한 상기 컨트롤러(1)는 스테이지(30)가 부상한 상태에서 스테이지의 갭 센서(32)들이 출력하는 신호를 토대로 Z축 방향의 위치 제어, 즉 부상 갭 제어를 수행하며, 이때 컨트롤러(1)는 갭 센서(32)들에 의해 검출된 값들의 평균치로 코일모듈(21)에 인가되는 전류의 위상과 세기를 제어하면서 스테이지(30)의 부상 갭을 피드백 제어하게 된다.
또한 상기 컨트롤러(1)는 스테이지(30)가 부상한 상태에서 갭 센서(32)에 의해 계측된 데이터를 이용하여 스테이지의 피치(Pitch), 롤(Roll) 운동을 제어한다.
또한 상기 컨트롤러(1)는 스테이지(30)가 부상된 상태에서 선택된 코일모듈(21)에 전류를 인가함과 동시에 인가되는 전류의 위상과 세기를 제어하여 코일모듈(21)과 영구자석(41,42) 간의 전자기력에 의해 X축 또는 Y축으로 스테이지(30)가 이송되도록 한다.
그리고, 스테이지(30)의 요(Yaw) 운동시에 X축 방향의 두 레이저 간섭계(33a)에 의해 계측된 데이터, 즉 스테이지 두 지점과의 X축 거리에는 차이가 발생하는 바, 컨트롤러(1)는 두 레이저 간섭계(33a)에 의해 계측된 데이터를 이용하여 스테이지(30)의 요 운동을 제어하게 된다.
이와 같이 하여, 컨트롤러(1)의 제어하에, 고정자 부분, 즉 코일모듈 어레이(20)의 선택된 코일모듈(21)들에 전류가 인가되면서 그 상측의 이동자 부분, 즉 스테이지(30)에 설치된 영구자석 어레이(40)와의 사이에 발생하는 전자기력에 의해 상기 스테이지(30)가 Z축 방향으로 부상을 하게 되며, 이와 같이 스테이지(30)가 부상된 상태에서 선택된 각 코일모듈(21)에 인가되는 전류의 위상과 세기에 따라 코일모듈(21)이 영구자석 어레이(40)를 밀어내게 되면서 상기 스테이지(30)는 부상과 추진을 하게 된다.
이러한 본 발명의 스테이지 장치에서는 상기 컨트롤러(1)가 구동회로부(2)를 통해 코일모듈(21)들에 대한 선택적인 온/오프 작동, 그리고 코일모듈(21)에 인가되는 전류의 위상 및 세기를 제어함으로써, 상기 스테이지(30)는 코일모듈(21)에서 발생된 전자기력에 따라 6축, 즉 X축 및 Y축의 2차원 방향 평면 이송은 물론 Z축을 포함한 요(Yaw), 피치(Pitch), 롤(Roll) 방향으로의 자세 제어가 가능하다.
또한 본 발명의 스테이지 장치에서는 이동자 부분, 즉 영구자석 어레이(40) 및 스테이지(30)가 하부 이송대(10) 상측의 고정자 부분, 즉 코일모듈 어레이(20)의 선택된 특정 영역을 넘어서 인접한 다른 영역으로 이송이 가능하고, 또한 코일모듈이 직교로 배치되어 구성된 코일모듈에서 부상력과 추진력을 동시에 발생시키므로, 코일모듈(21)들을 평면상으로 필요한 만큼 확장할 수 있어 이송면적 확장에 제한이 없고, 2차원 대면적 이송 및 초정밀 위치 제어가 가능해진다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 자기부상방식의 대면적 스테이지 장치에 의하면, 하부 이송대의 받침 플레이트 상면에 다수개의 코일모듈들로 구성된 코일모듈 어레이를 설치하되, 이웃 코일모듈 간 코일 권선방향이 직각이 되도록 상기 코일모듈들을 서로 직교하여 바둑판 형태로 배치하고, 컨트롤러 및 구동회로부에 의해 상기 각 코일모듈의 온/오프 및 인가되는 전류가 제어되면서 상기 스테이지가 코일모듈과 영구자석 간 발생된 전자기력에 의해 Z축 방향의 부상은 물론 X축, Y축 방향의 2차원 수평 이동이 모두 가능하도록 구성함으로써, 다음과 같은 장점이 제공된다.
1)자기부상에 의한 6자유도 운동, 즉 X축, Y 축, Z축 방향 운동 및 요(Yaw), 피치(Pitch), 롤(Roll) 운동이 가능하다.
2)자기부상방식을 이용함으로써, 부상장치와 추진장치를 별도로 구비할 필요가 없고, 스테이지 장치의 크기를 줄일 수 있으며, 진공 챔버 내에서 적용이 가능하고, 빠른 응답성을 이용한 외란 억제가 용이하다.
3)고정자의 구성에 있어서 코일모듈의 면을 바둑판 모양으로 직교배치하였으므로, 각 면에서 발생되는 전자력은 X축과 Z축 또는 Y축과 Z축과 같이 부상력과 추진력을 동시에 발생시킨다. 따라서, 6자유도 운동을 위해 4개 단위의 코일모듈이 소요되어, 고정자 구성이 간단해지고, X축 또는 Y축 이송을 위한 전자석(코일모듈)의 스위칭 패턴도 동일하게 되어 제어가 비교적 용이하다.
4)하우징 등과 같이 이송거리를 제한하는 구조가 없고 직교로 배치되어 구성된 코일모듈에서 부상력과 추진력을 동시에 발생시키므로 이송면적의 제한을 받지 않는다. 또한 전체적인 구조가 커지지 않고도 코일모듈을 평면상으로 필요한 만큼 확장할 수 있어 대면적 이송 및 초정밀 위치 제어가 가능해진다. 이에 300mm 웨이퍼용 반도체 장비는 물론 차세대 디스플레이 제조장비 등에 적용할 수 있다.
5)위치 제어 정밀도를 수 nm 이하로 제어할 수 있으므로 차세대 반도체 및 디스플레이 제조장비에 유용하게 적용할 수 있다.
이러한 본 발명의 스테이지 장치는 반도체 노광장비용 정밀 스테이지, 디스플레이 패널 노광장비용 대면적 정밀 스테이지, 나노가공기용 대면적 정밀 스테이지, 반도체 및 디스플레이 패널 E-빔(beam) 라이터용 대면적 정밀 스테이지 등에 널리 적용될 수 있다.

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 코일과 영구자석 간에 발생하는 전자기력에 의해서 스테이지가 부상 및 이송되는 자기부상방식의 스테이지 장치에 있어서,
    수평면을 형성하는 받침 플레이트(11)를 구비한 하부 이송대(10)와;
    상기 받침 플레이트(11)의 상면에 설치되어 전자계를 발생시키는 코일모듈 어레이(20)와;
    상기 하부 이송대(10)의 상측에서 부상 및 이송되는 스테이지(30)와;
    상기 스테이지(30)의 하면에 다수개의 영구자석(41,42)들이 배열 설치되어 이루어진 영구자석 어레이(40);
    를 포함하여 구성되고, 상기 코일모듈 어레이(20)가 받침 플레이트(11) 상면의 코일모듈(21) 다수개로 구성되되, 이웃 코일모듈(21) 간 코일 권선방향이 직각이 되도록 상기 코일모듈(21)들이 서로 직교하여 바둑판 형태로 배치되고, 컨트롤러(1) 및 구동회로부(2)에 의해 상기 각 코일모듈(21)의 온/오프 및 인가되는 전류가 제어되면서 상기 스테이지(30)가 코일모듈(21)과 영구자석(41,42) 간 발생된 전자기력에 의해 Z축 방향의 부상과 X축, Y축 방향의 2차원 수평 이동이 가능하도록 이루어지되, 상기 각 코일모듈(21)은 다수개의 공심형 단위 권선(22)들이 적층구조로 조합되어 구성되고, 상기 공심형 단위 권선(22)들이 A상, B상, C상의 순서로 번갈아 놓이도록 결선되는 것을 특징으로 하는 자기부상방식의 대면적 스테이지 장치.
  3. 코일과 영구자석 간에 발생하는 전자기력에 의해서 스테이지가 부상 및 이송되는 자기부상방식의 스테이지 장치에 있어서,
    수평면을 형성하는 받침 플레이트(11)를 구비한 하부 이송대(10)와;
    상기 받침 플레이트(11)의 상면에 설치되어 전자계를 발생시키는 코일모듈 어레이(20)와;
    상기 하부 이송대(10)의 상측에서 부상 및 이송되는 스테이지(30)와;
    상기 스테이지(30)의 하면에 다수개의 영구자석(41,42)들이 배열 설치되어 이루어진 영구자석 어레이(40);
    를 포함하여 구성되고, 상기 코일모듈 어레이(20)가 받침 플레이트(11) 상면의 코일모듈(21) 다수개로 구성되되, 이웃 코일모듈(21) 간 코일 권선방향이 직각이 되도록 상기 코일모듈(21)들이 서로 직교하여 바둑판 형태로 배치되고, 컨트롤러(1) 및 구동회로부(2)에 의해 상기 각 코일모듈(21)의 온/오프 및 인가되는 전류가 제어되면서 상기 스테이지(30)가 코일모듈(21)과 영구자석(41,42) 간 발생된 전자기력에 의해 Z축 방향의 부상과 X축, Y축 방향의 2차원 수평 이동이 가능하도록 이루어지되, 상기 영구자석 어레이(40)는 다수개의 N극과 S극의 영구자석(41,42)들이 등간격 설치되어 구성되며, 하나의 N극 또는 S극의 영구자석(41,42)을 중심으로 그 사방에 반대 극의 영구자석(41,42)이 배치되는 형태로 상기 N극과 S극의 영구자석(41,42)이 반복 설치되어서 서로 직교 형태의 배열을 이루는 것을 특징으로 하는 자기부상방식의 대면적 스테이지 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 N극과 S극의 영구자석(41,42)이 정사각형의 영구자석인 것을 특징으로 하는 자기부상방식의 대면적 스테이지 장치.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 N극과 S극의 영구자석(41,42)이 원형의 영구자석인 것을 특징으로 하는 자기부상방식의 대면적 스테이지 장치.
  6. 삭제
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