KR101340033B1 - 유연기구 메커니즘을 이용한 3축 면외방향 운동 스테이지 - Google Patents

유연기구 메커니즘을 이용한 3축 면외방향 운동 스테이지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 정확한 면외방향 운동을 수행하도록 대칭형 증폭구조 및 유연 복합 힌지구조를 가지는 3축 면외방향 운동 스테이지에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 복수의 유연 복합 힌지구조를 가지고, 일축 방향의 직선운동이 가능한 제 1 내지 제 4 구동부와, 상기 구동부들이 설치되는 베이스 및 상기 구동부들에 의해 상기 축 방향들로 운동하는 최종단을 포함하여, 기존의 유연기구 메커니즘의 구조와 다른 형태의 유연기구 메커니즘을 가짐으로써, 기존의 스테이지들보다 큰 강성과 소형의 사이즈를 가지는 것을 특징으로 하는 유연기구 메커니즘을 이용한 3축 면외방향 운동 스테이지가 제공된다.

Description

유연기구 메커니즘을 이용한 3축 면외방향 운동 스테이지{3 AXES OUT-OF-PLANE MOTION STAGE USING FLEXURE MECHANISM}
본 발명은 초정밀 생산장비 또는 정밀 측정장치에 사용되는 다양한 형태의 시편 이송장치에 관한 것으로, 더 상세하게는, 유연기구 메커니즘을 이용한 면외방향 운동 스테이지에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 구동부의 유연기구 메커니즘이 기존과 다른 새로운 구조를 가짐으로써, 종래에 비하여 더욱 큰 강성과 소형의 사이즈를 가지는 유연기구 메커니즘을 이용한 3축 면외방향 운동 스테이지에 관한 것이다.
아울러, 본 발명은, Z, θy, θz 스테이지로서 정확한 면외방향 운동을 수행하도록 대칭형 증폭구조 및 유연 복합 힌지구조를 가지는 유연기구 메커니즘을 이용한 3축 면외방향 운동 스테이지에 관한 것이다.
최근, 반도체 제조공정이나, 원자현미경(AFM/STM)과 같은 정밀 측정 시스템 및 대면적 나노리소그래피(nano lothigraphy) 등의 분야에 있어서, 수백 ㎛ 이상의 구동범위를 가지면서 nm 수준의 위치결정 정밀도 및 nm 미만의 평면 외 운동(out of plan motion, OPM)의 구현이 가능한 대구동 나노위치결정기구에 대한 수요가 증가하고 있다.
여기서, 특히, AFM에 있어서는, 시료나 AFM 팁을 정밀하게 이동시켜 위치시키는 것이 중요하고, 또한, 축의 움직임에 대하여 간섭없이 독립적이어야 하는 조건이 요구된다.
이러한 조건을 만족하기 위해, 종래에는, 피에조현상(Piezoelectricity)과 유연 힌지(flexure mechanism) 메커니즘을 이용하여 초정밀 위치결정기구를 제작하는 연구가 많이 이루어져 왔다.
즉, 피에조 현상(Piezoelectricity)은 nm 미만의 분해능을 가지고 있고, 열 발산이 없으며, 빠른 응답속도를 가지고 큰 힘을 낼 수 있다는 장점이 있으며, 또한, 유연 힌지 메커니즘은 마모에 강하고, 연속적인 가이드 모션(guide motion)을 가지며, 움직임을 증폭하기 위한 압상 레버(force lever) 등의 다양한 기구를 적용하기 용이한 장점이 있다.
따라서 이러한 특징들에 의해, 종래, AFM(Atomic Force Microscope)이나 SEM(scanning electron microscope) 등과 같은 정밀측정장치에 있어서는, 시편의 이송을 위해 피에조 현상과 유연기구 메커니즘을 이용한 스테이지가 사용되고 있다.
더 상세하게는, 예를 들면, AFM에 있어서, X, Y, Z의 각 방향을 스캔하기 위해 초정밀도의 운동을 생성하는 스테이지가 요구되며, 이러한 스테이지로서, 일반적으로, 압력을 가하면 압력에 비례하는 양음의 전하가 나타나는 압전현상을 역으로 이용한 압전 소자를 사용하여 구현된 운동 스테이지가 사용되고 있다.
여기서, 이러한 종래의 압전 소자를 이용한 운동 스테이지의 원리는, 소자의 양단에 전압을 가하면 소자가 변형하여 신장이 일어나고, 신장된 방향에 수직한 방향에서는 수축이 일어나게 되므로, 이러한 변위를 이용하여 스테이지를 구동하는 것이다.
그러나 압전 소자를 이용한 스테이지의 경우, X, Y 및 Z 방향의 운동이 서로 연동됨으로 인해, 예를 들면, X 또는 Y 방향만의 운동이 필요한 경우에도 Z 방향의 운동까지 함께 발생하므로, 오차가 많이 발생하는 문제가 있었으며, 이러한 종래의 압전 소자의 문제점을 개선하기 위해, 압전소자의 한 방향의 변위만을 이용하는 유연기구 메커니즘이 사용되었다.
또한, 압전 소자는 수㎛ 내지 수십 ㎛의 운동범위를 가지므로, 이보다 큰 범위에서 구동하기 위해서는 운동량의 증폭이 필요하다는 문제도 있으며, 이를 위해, 종래에는, 일반적으로, 레버구조의 유연기구가 사용되었다.
즉, 종래의 레버구조의 유연기구는, 유연 힌지구조에 레버가 부착되는 구성을 가지고, 레버에서 유연 힌지구조의 회전 중심으로부터 가까운 지점에 변위를 주면 상대적으로 먼 지점에 증폭된 원주방향의 변위가 생성되는 것을 이용한 것이다.
그러나 이러한 레버구조의 유연기구는, 변위는 증폭해 줄 수 있으나, 생성되는 운동이 원주방향이므로 순수 직선운동은 불가능하게 된다.
따라서 이러한 문제를 해결하기 위해, 종래에는, 레버와 이중 직선스프링을 조합하여 사용하였으나, 이 경우에도 높은 수준의 정확도에서는 여전히 무시할 수 없는 오차가 발생하는 문제가 있었다.
아울러, 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 연구의 일환으로, 예를 들면, 본 발명의 발명자들에 의해 한국 특허청에 출원되어 등록된 등록특허 제10-0497729호(2005.06.17. 등록)에 개시된 바와 같은 "유연기구 메커니즘을 이용한 3축 직선운동 스테이지"가 제시된 바 있다.
더 상세하게는, 상기한 등록특허 제10-0497729호의 "유연기구 메커니즘을 이용한 3축 직선운동 스테이지"는, 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점들을 해결하기 위해, 스테이지간의 커플링이 없도록 독립적으로 변위하는 X, Y 스테이지를 사용하고, 순수 직선운동을 생성하기 위해 유연 복합 힌지구조 및 대칭형 증폭구조를 사용한 유연기구 메커니즘을 이용한 3축 직선운동 스테이지에 관한 것이다.
이를 위해, 상기한 등록특허 제10-0497729호는, 각각의 모서리에 다열의 유연 복합 힌지구조가 인접하게 배치되고 일측의 변에 제 1 구동부가 형성되어 일축방향의 직선운동이 가능한 X 스테이지; 상기 X 스테이지의 중앙에 형성되며, 각각의 모서리에 다열의 유연 복합 힌지구조가 인접하게 배치되고 일측의 변에 형성된 제 2 구동부에 의해 상기 일축방향과 수직인 축방향으로 직선운동이 가능한 Y 스테이지; 상기 Y 스테이지 상에 설치되며, 인접하게 위치하는 다열의 유연 복합 힌지구조가 각각의 모서리의 내부에 형성되고 제 3 구동부가 내설되어 상기 축방향들과 수직한 방향으로 직선운동이 가능한 Z 스테이지; 및 상기 X 스테이지가 설치되는 스테이지 베이스를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 유연기구 메커니즘을 이용한 3축 직선운동 스테이지를 제시하고 있다.
따라서 상기한 바와 같은 등록특허 제10-0497729호의 구성에 따르면, X 스테이지와 Y 스테이지가 서로 독립적으로 변위하므로 다른 스테이지의 운동에 영향을 주지 않으며, 스테이지에 형성된 유연 복합 힌지구조를 통해 각각의 스테이지의 자유도가 일방향으로 제한되므로 정확한 직선운동을 생성할 수 있다.
아울러, 상기한 등록특허 제10-0497729호 이외에, 스테이지에 대한 종래기술의 다른 예로는, 예를 들면, 미국 특허 US 7,239,107호(2007.07.03.)에 제시된 바와 같은 "Flexure stage" 및 US 7,038,888호(2006.05.02.)에 제시된 바와 같은 "Piezo-electric microactuator for dual stage actuator" 등이 있다.
더욱이, 상기한 바와 같은 종래기술의 스테이지에 대한 더욱 상세한 내용은, 예를 들면, "Flexure hinges for piezoactuator displacement amplifiers: flexibility, accuracy, and stress considerations", Wei Xu, Tim King, Precision Engineering 19, 1996 및 "Deisign and modeling of a novel 3-DOF precision micro-stage", Hwa Soo Kim, Young Man Cho, Mechatronics 19, 2009 등을 참조할 수 있다.
그러나 상기한 바와 같은 종래의 스테이지는, X, Y, Z 축에 대하여 직선운동만을 생성할 수 있을 뿐, 보다 정밀하고 복잡한 면외방향 운동을 생성할 수 있는 스테이지는 제시된 바 없었다.
또한, AFM이나 SEM 등과 같은 초정밀 생산장비 및 정밀 측정장치에 있어서 정밀도나 공정속도 및 측정속도를 증가시키기 위하여는, 기존의 스테이지들보다 큰 강성과 소형의 사이즈를 가지도록 기존의 유연기구 메커니즘의 구조와 다른 형태의 새로운 구조의 유연기구 메커니즘을 제공하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제공되지 못하고 있는 실정이다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점들을 해결하고자 하는 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, X, Y, Z 축에 대하여 직선운동만을 생성할 수 있는 종래의 스테이지의 단점을 개선하여, 보다 정밀하고 복잡한 면외방향 운동을 생성할 수 있는 새로운 구조의 유연기구 메커니즘을 이용한 3축 면외방향 운동 스테이지를 제공하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, AFM, SEM 등과 같은 정밀 측정 장치에서 정밀 시편 이송장치로 사용되는 스테이지에 있어서, 기존의 스테이지들보다 큰 강성과 소형의 사이즈를 가지는 새로운 구조의 유연기구 메커니즘을 이용한 3축 면외방향 운동 스테이지를 제공하고자 하는 것이다.
아울러, 본 발명의 또 다른 목적은, 상기한 바와 같이 기존의 스테이지들보다 큰 강성과 소형의 사이즈를 가지는 새로운 구조의 유연기구 메커니즘을 이용한 3축 면외방향 운동 스테이지를 제공함으로써, 초정밀 생산장비 및 정밀 측정장치의 정밀도, 공정속도 및 측정속도를 증가시켜 생산력을 높일 수 있도록 하고자 하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 유연기구 메커니즘을 이용한 3축 면외방향 운동 스테이지에 있어서, 시편이 위치되는 시편장착부가 형성된 최종단; 상기 스테이지 본체를 형성하고 상단에 상기 최종단이 결합되는 베이스; 및 상기 베이스 내부에 설치되어 상기 최종단의 면외방향 운동을 생성하는 구동부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 유연기구 메커니즘을 이용한 3축 면외방향 운동 스테이지가 제공된다.
여기서, 상기 구동부는, 상기 베이스의 바닥면에 배치되는 제 1 구동부; 상기 제 1 구동부와 축 대칭으로 배치되는 제 2 구동부; 상기 제 1 구동부와 직교하는 축상에 배치되는 제 3 구동부; 상기 제 3 구동부와 축 대칭으로 배치되는 제 4 구동부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1 내지 상기 제 4 구동부는, 압전소자를 포함하는 한 쌍의 증폭 메커니즘(amplification mechanisms); 및 상기 증폭 메커니즘의 상단에 설치되어 상기 증폭 메커니즘과 상기 최종단을 연결하는 힌지부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 증폭 메커니즘은, 2개의 브리지 구조(bridge structure) 사이에 PZT 액츄에이터(piezoelectric actuator)가 위치되어 이루어지는 더블 브리지 증폭 메커니즘(Double bridge amplification mechanism)으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 상기 베이스는, 센서가 위치되는 센서 고정부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 센서 고정부는, 상기 최종단의 변위를 측정하기 위한 커패시턴스 센서(Capacitance sensor)가 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기한 스테이지는, 상기 커패시턴스 센서에 의해 측정된 상기 최종단의 변위를 통하여 상기 최종단의 중심 부분의 Z축, θX축, θY축의 변위를 각각 계산하도록 구성된 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명에 따르면, 상기에 기재된 유연기구 메커니즘을 이용한 3축 면외방향 운동 스테이지를 이용하여 구성된 것을 특징으로 하는 측정장치가 제공된다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 1개의 압전소자와 유연기구 메커니즘을 포함하는 4개의 구동부와, 상기 구동부가 설치되는 베이스, 상기 구동부와 연결되어 각 구동부의 운동을 최종적으로 전달하는 최종단을 포함하여 구성됨으로써, 상기 구동부 안에 있는 압전소자에 전압을 인가하는 것에 의해 구동부가 변형하여 이동부의 면외 방향 운동을 가능하게 하는 새로운 구조의 유연기구 메커니즘을 이용한 3축 면외방향 운동 스테이지가 제공된다.
따라서 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 기존의 유연기구 메커니즘의 구조와 다른 형태의 새로운 구조의 면외방향 운동 스테이지가 제공됨으로써, 기존의 스테이지들보다 큰 강성과 소형의 사이즈를 가지는 유연기구 메커니즘을 이용한 3축 면외방향 운동 스테이지를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, AFM, SEM 등과 같은 정밀 측정 장치에서 정밀 시편 이송장치로 사용되는 유연기구 메커니즘을 이용한 면외방향 운동 스테이지에 있어서, 상기한 바와 같이 새로운 구조의 유연기구 메커니즘을 이용한 3축 면외방향 운동 스테이지가 제공됨으로써, 초정밀 생산장비 및 정밀 측정장치의 정밀도, 공정속도 및 측정속도를 증가시켜 생산력을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유연기구 메커니즘을 이용한 3축 면외방향운동 스테이지의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 나타낸 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유연기구 메커니즘을 이용한 3축 면외방향운동 스테이지에서 최종단을 제거한 모습을 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 유연기구 메커니즘을 이용한 3축 면외방향운동 스테이지의 최종단을 제거한 모습의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유연기구 메커니즘을 이용한 3축 면외방향운동 스테이지의 구동부의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 도 4에 나타낸 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유연기구 메커니즘을 이용한 3축 면외방향운동 스테이지의 구동부의 평면도이다.
도 6은 도 4 및 도 5에 나타낸 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유연기구 메커니즘을 이용한 3축 면외방향운동 스테이지의 구동부에서 증폭이 이루어지는 원리를 개념적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 도 4 및 도 5에 나타낸 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유연기구 메커니즘을 이용한 3축 면외방향운동 스테이지의 구동부에 적용 가능한 힌지부의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 8은 MATLAB을 이용하여 최적화 설계를 수행한 결과를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명에 따라 최적화 설계를 수행한 결과를 나타내는 표이다.
도 10은 본 발명에 따른 분석 결과를 검증하기 위해 최종 수치에 따라 FEM 시뮬레이션을 수행한 결과를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 유연기구 메커니즘을 이용한 3축 면외방향 운동 스테이지의 상세한 내용에 대하여 설명한다.
여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다.
즉, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, AFM, SEM 등과 같은 정밀 측정 장치에서 정밀 시편 이송장치로 사용되는 스테이지에 있어서, X, Y, Z 축에 대하여 직선운동만을 생성할 수 있었던 종래의 스테이지의 단점을 개선하여, 보다 정밀하고 복잡한 면외방향 운동을 생성할 수 있는 동시에, 기존의 스테이지들보다 큰 강성과 소형의 사이즈를 가지는 새로운 구조의 유연기구 메커니즘을 이용한 3축 면외방향 운동 스테이지에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명에 따르면, 후술하는 바와 같이, Z, θy, θz 스테이지로서 정확한 면외방향 운동을 수행하도록 대칭형 증폭구조 및 유연 복합 힌지구조를 가지는 3축 면외방향 운동 스테이지가 제공된다.
따라서 본 발명에 따르면, 후술하는 바와 같이, 기존의 스테이지들보다 큰 강성과 소형의 사이즈를 가지는 새로운 구조의 유연기구 메커니즘을 이용한 3축 면외방향 운동 스테이지를 AFM이나 SEM 등과 같은 초정밀 생산장비 및 정밀 측정장치에 적용함으로써, 초정밀 생산장비 및 정밀 측정장치의 정밀도, 공정속도 및 측정속도를 증가시켜 생산력을 높일 수 있다.
계속해서, 도면을 참조하여, 상기한 바와 같은 본 발명에 따른 유연기구 메커니즘을 이용한 3축 면외방향 운동 스테이지의 구체적인 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
먼저, 도 1을 참조하면, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 유연기구 메커니즘을 이용한 3축 면외방향 운동 스테이지의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 유연기구 메커니즘을 이용한 3축 면외방향 운동 스테이지(10)는, 크게 나누어, 시편이 위치되는 시편장착부(11)가 형성된 최종단(12)과, 내부에 구동부를 포함하고 상단에 최종단이 결합되어 스테이지 본체를 이루는 베이스(13)를 포함하여 구성되어 있다.
또한, 도 2 및 도 3을 참조하면, 도 2는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 유연기구 메커니즘을 이용한 3축 면외방향 운동 스테이지(10)에서 최종단(12)을 제거한 모습을 나타내는 도면이며, 도 3은 그 평면도이다.
즉, 도 2에 나타낸 바와 같이, 구동부는, 각각 유연 복합 힌지구조를 가지고, 일축 방향의 직선운동이 가능한 제 1 내지 제 4 구동부(21, 22, 23, 24)를 포함하여 이루어지며, 이러한 구동부들(21, 22, 23, 24)에 의해 최종단(12)이 각각의 축 방향들로 운동하게 된다.
더 상세하게는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 각각의 구동부(21, 22, 23, 24)는 베이스(13)의 바닥면에 배치되며, 이때, 제 1 구동부(21)와 제 2 구동부(22)가 축 대칭으로 배치되고, 또한, 제 3 구동부(23) 및 제 4 구동부(24)는 제 1 구동부(21)와 직교하는 축 상에 서로 축 대칭으로 배치된다.
아울러, 베이스(13)에는, 센서가 위치되는 센서 고정부(25)가 설치되어 있으며, 각각의 센서고정부(25)에는 커패시턴스 센서(Capacitance sensor)가 설치된다.
또한, 각각의 커패시턴스 센서는, 3개의 센서의 위치에 따른 최종단의 변위를 측정하고, 측정된 변위를 통하여 최종단 중심 부분의 Z축, θX축, θY축의 변위를 각각 계산하는 역할을 수행한다.
즉, 센서고정부(25)는, 상기한 바와 같이 커패시턴스 센서를 고정하기 위한 부분이며, 아울러, 스테이지(10) 전체에 있어서 시편이 위치되는 최종단(12)의 중심부분의 변위가 가장 중요하므로, 상기한 바와 같이 각각의 센서고정부(25)에 커패시턴스 센서를 설치하여 최종단(12)의 중심부분 변위를 구한다.
계속해서, 도 4 및 도 5를 참조하여, 각각의 상기한 바와 같은 구동부(21, 22, 23, 24)의 구체적인 구성 및 동작에 대하여 상세하게 설명한다.
즉, 도 4 및 도 5를 참조하면, 상기한 바와 같은 구동부(21, 22, 23, 24)의 구체적인 구성을 나타내는 도면이며, 도 5는 그 평면도이다.
더 상세하게는, 본 발명에 따른 유연기구 메커니즘을 이용한 3축 면외방향운동 스테이지(10)의 각 구동부(21, 22, 23, 24)에 적용된 유연 복합 힌지구조는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 압전소자를 포함하는 한 쌍의 증폭 메커니즘(amplification mechanisms)(41)과, 상기 증폭 메커니즘(41)의 상단에 설치되어 증폭 메커니즘(41)과 상기한 최종단(12)을 연결하는 힌지부(42)를 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기한 증폭 메커니즘은, 도 5에 나타낸 바와 같이, 2개의 브리지 구조(bridge structure)(51) 사이에 PZT 액츄에이터(piezoelectric actuator)(52)가 위치되어 이루어지는 더블 브리지 증폭 메커니즘(Double bridge amplification mechanism)으로 구성된다.
또한, 도 6을 참조하면, 도 6은 상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 더블 브리지 증폭 메커니즘에서 증폭이 이루어지는 원리를 개념적으로 나타낸 도면이다.
즉, 예를 들면, 8개의 리프 스프링(leaf-spring)으로 상기한 바와 같은 증폭 메커니즘을 구성함으로써, 도 6에 나타낸 바와 같은 과정을 통해 일축 방향의 변위에 대한 증폭이 이루어지게 된다.
또한, 도 7을 참조하면, 도 7은 상기한 바와 같은 본 발명의 구동부에 적용 가능한 힌지부의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
즉, 도 7a 내지 7c에 나타낸 바와 같이, 힌지부(42)는, 실린더, 프리즘 빔(prismatic beam), 원형 노치(circular notched) 등의 다양한 형태로 형성 가능하다.
또한, 도 7을 참조하면, 도 7은 각각의 힌지 형태에 대한 좌표계를 함께 나타내고 있다.
여기서, 리프 스프링 및 원형 노치 힌지의 컴플라이언스 행렬(compliance matrix)은, 예를 들면, "Kinematic Analysis of Translational 3-DOF Micro Parallel Mechanism Using Matrix Method", Koseki, Y., et al., Advanced Robotics, 2002.에 개시된 바와 같은 빔 이론(beam theory)을 참조하여, 다음과 같이 얻어질 수 있다.
Figure 112012051729720-pat00001

아울러, 강체(rigid body)와 힌지 사이의 관계는, 예를 들면, "Optimal design of a flexure hinge based wafer stage", Ryu, J. W. and Gweon, D. G., M.KS, The Journal of Precision Engineering 21, pp. 18-28, 1997.에 개시된 바와 같은 내용을 참조하여, 수학적으로 모델링 될 수 있다.
또한, 동적 특성을 개선하기 위해, 다음과 같이 밴드폭(bandwidth)을 최대화하는 최적화 과정이 필요하다.
Figure 112012051729720-pat00002

여기서, 다음과 같이, 최대 변위(maximum displacement)를 고려한 제약(constraint)이 존재한다.
Z축 최대 변위 > 170 ㎛
최대 회전각 θX,Y > ±1.2 mrad
스테이지가 θX,Y 축에 작용할 때 증폭 메커니즘 왜곡 방지
θamp _Z - 0.00005 ≤ 0
아울러, 상기한 바와 같은 문제의 해는, SQP(Sequential Quadratic Programming) 방법 및 MATLAB을 이용하여 구할 수 있다.
즉, 도 8을 참조하면, 도 8은 상기한 바와 같이 MATLAB을 이용하여 최적화 설계를 수행한 결과를 나타내는 도면으로, 도 8a는 비용 함수(cost fuction)이고, 도 8b는 글로벌 미니멈(global minimum)을 각각 나타내고 있다.
또한, 도 9를 참조하면, 도 9는 상기한 바와 같이 하여 최적화 설계를 수행한 결과를 나타내는 표이다.
도 9에 있어서, 최종 수치는 제조시 최소 허용오차(minimum tolerance)를 고려하여 결정된다.
계속해서, 도 10을 참조하면, 도 10은 상기한 바와 같은 분석 결과를 검증하기 위해 최종 수치에 따라 FEM 시뮬레이션을 수행한 결과를 나타내는 도면이다.
도 10에 나타낸 바와 같이, FEM 시뮬레이션 결과로부터, 5% 내외의 오차를 가지는 것을 확인할 수 있다.
따라서 상기한 바와 같이 하여, 더블 브리지 구조로 구성된 유연 복합 힌지구조를 이용하여 면외방향 운동을 발생하는 구동부를 구성함으로써, 본 발명의 실시예에 따른 유연기구 메커니즘을 이용한 3축 면외방향 운동 스테이지를 구현할 수 있다.
또한, 상기한 바와 같이 하여 본 발명의 실시예에 따른 유연기구 메커니즘을 이용한 3축 면외방향 운동 스테이지를 구현함으로써, 더블 브리지 구조의 2개의 브리지 구조에 의해 스테이지 전체의 높이를 감소할 수 있으며, 아울러, 유연기구 메커니즘의 강도를 높일 수 있다.
따라서 본 발명에 따르면, 기존의 유연기구 메커니즘의 구조와 다른 형태의 유연기구 메커니즘을 가짐으로써, 기존의 스테이지들보다 큰 강성과 소형의 사이즈를 가지는 유연기구 메커니즘을 이용한 3축 면외방향 운동 스테이지를 실현할 수 있다.
이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 유연기구 메커니즘을 이용한 3축 면외방향 운동 스테이지의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 따라서 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다.
10. 유연기구 메커니즘을 이용한 3축 면외방향 운동 스테이지
11. 시편장착부 12. 최종단
13. 베이스 21. 제 1 구동부
22. 제 2 구동부 23. 제 3 구동부
24. 제 4 구동부 25. 센서 고정부
41. 증폭 메커니즘 42. 힌지부
51. 브리지 구조 52. PZT 액츄에이터

Claims (8)

  1. 유연기구 메커니즘을 이용한 3축 면외방향 운동 스테이지에 있어서,
    시편이 위치되는 시편장착부가 형성된 최종단;
    상기 스테이지 본체를 형성하고 상단에 상기 최종단이 결합되는 베이스; 및
    상기 베이스 내부에 설치되어 상기 최종단의 면외방향 운동을 생성하는 다수의 구동부를 포함하고,
    상기 구동부는 압전소자를 포함하는 한 쌍의 증폭 메커니즘(amplification mechanisms); 및
    상기 증폭 메커니즘의 상단에 설치되어 상기 증폭 메커니즘과 상기 최종단을 연결하는 힌지부를 각각 포함하며,
    상기 증폭 메커니즘은, 2개의 브리지 구조(bridge structure) 사이에 PZT 액츄에이터(piezoelectric actuator)가 위치되어 이루어지는 더블 브리지 증폭 메커니즘(Double bridge amplification mechanism)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 유연기구 메커니즘을 이용한 3축 면외방향 운동 스테이지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 구동부는,
    상기 베이스의 바닥면에 배치되는 제 1 구동부;
    상기 제 1 구동부와 축 대칭으로 배치되는 제 2 구동부;
    상기 제 1 구동부와 직교하는 축상에 배치되는 제 3 구동부;
    상기 제 3 구동부와 축 대칭으로 배치되는 제 4 구동부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 유연기구 메커니즘을 이용한 3축 면외방향 운동 스테이지.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 베이스는, 센서가 위치되는 센서 고정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유연기구 메커니즘을 이용한 3축 면외방향 운동 스테이지.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 센서 고정부는, 상기 최종단의 변위를 측정하기 위한 커패시턴스 센서(Capacitance sensor)가 설치되는 것을 특징으로 하는 유연기구 메커니즘을 이용한 3축 면외방향 운동 스테이지.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 커패시턴스 센서에 의해 측정된 상기 최종단의 변위를 통하여 상기 최종단의 중심 부분의 Z축, θX축, θY축의 변위를 각각 계산하도록 구성된 것을 특징으로 하는 유연기구 메커니즘을 이용한 3축 면외방향 운동 스테이지.
  8. 청구항 1항 내지 2항 및 청구항 5항 내지 7항 중 어느 한 항에 기재된 유연기구 메커니즘을 이용한 3축 면외방향 운동 스테이지를 이용하여 구성된 것을 특징으로 하는 측정장치.
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