KR101598997B1 - 자기부상 이중서보 스테이지 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 자기부상 이중서보 스테이지는 2차원 자석배열과 상기 2차원 자석배열의 상부에 공극을 두고 배치된 다수개의 코일로 구성된 평면모터에 의해 부상 및 구동되는 조동 스테이지 및 상기 조동 스테이지의 상부에 다수개의 보이스코일모터로 부상 및 구동되는 미세 스테이지;를 포함한다.

Description

자기부상 이중서보 스테이지{DUAL SERVO STAGE USING MAGNETIC LEVITATION TECHNOLOGY}
본 발명은 자기부상 이중서보 스테이지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다축 방향으로의 대면적 이송, 초정밀 위치 제어 및 오차 보상이 가능한 자기부상 이중서보 스테이지에 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(nm)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 nm간격으로 위치 이동시키는데 사용하고 있다.
이러한 스테이지 장치로는 웨이퍼가 올려지는 스테이지를 수십 nm 간격으로 평면 운동시키기 위해서 스테이지 하단에 공기를 주입하여 스테이지를 부상시키는 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 구비해야하므로 장치 전체가 커질 수밖에 없고, 특히 공기오염 등으로 인해 진공 챔버에는 적용하기 어렵다.
한편, 이러한 공기부상방식 스테이지 장치가 가지고 있는 문제점을 해결하기 위하여 전 세계 연구자들에 의해 자기부상방식의 스테이지 장치가 개발 중에 있다.
현재까지 자기부상방식의 스테이지 장치에서는 직선형 정반을 적용하지 않고 리니어 모터를 특수 설계/제작하여 부상은 물론 추진을 동시에 수행할 수 있도록 개선하고 있다. 이러한 자기부상방식의 스테이지 장치에서는 부상 갭의 제어 응답성이 공기부상방식에 비해 빠른 장점이 있다.
현재 널리 사용되어지는 표면형상 측정기인 AFM은 분해능과 정밀도는 우수하지만, 이송 스테이지의 제한으로 측정영역이 좁은 단점이 있다.
따라서, 넓은 작동 영역과 높은 정밀도를 유지하며 넓은 주파수 응답 특성을 가진 스테이지의 개발이 필요한 실정이다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로, 그 목적은 넓은 작동 영역과 높은 정밀도를 유지하고, 넓은 주파수 응답 특성을 가지며, 외란에 의한 오차를 보상할 수 있는 자기부상 스테이지를 제공하는데 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 자기부상 이중서보 스테이지는 2차원 자석배열과 상기 2차원 자석배열의 상부에 공극을 두고 배치된 다수개의 코일로 구성된 평면모터에 의해 부상 및 구동되는 조동 스테이지 및 상기 조동 스테이지의 상부에 다수개의 보이스코일모터로 부상 및 구동되는 미세 스테이지;를 포함한다.
본 발명의 자기부상 이중서보 스테이지에 의하면, 이중서보 메커니즘을 이용함으로써, 높은 정밀도를 유지하고, 넓은 주파수 응답 특성을 가지며, 외란 발생에 의한 오차 보상이 가능하다. 또한, 코일에서 발생한 열을 방출함으로써, 열화에 의한 손실을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자기부상 이중서보 스테이지의 전체를 나타낸 사시도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 베이스를 도시한 사시도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 자기부상 이중서보 평면모터의 조동 스테이지와 상기 조동 스테이지 상부에 위치한 미세 스테이지가 설치된 구조를 도시한 사시도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 조동 스테이지의 사시도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 조동 스테이지의 평면도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 조동 스테이지의 배면도.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 자기부상 이중서보 평면모터의 미세 스테이지를 나타낸 사시도.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 자기부상 이중서보 평면모터의 미세 스테이지를 나타낸 배면도.
도 9는 본 발명의 자기부상 이중서보 스테이지 장치에서 구성부의 제어관계를 도시한 블록도.
본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시 예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공 되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명의 자기부상 이중서보 스테이지를 상세히 설명한다.
본 발명에서는 초정밀 위치 제어에서 넓은 작동 영역과 높은 정밀도를 유지하며 넓은 주파수 응답 특성을 가진 시스템을 구현하기 위한 방법으로 이중 서보 메커니즘을 이용한다. 이중 서보 메커니즘은 두 개의 구동 스테이지가 직렬로 연결된 구조를 가지고 있으며, 넓은 운동범위와 상대적으로 낮은 주파수 특성을 가진 조동 스테이지와 좁은 운동 범위를 가지며 높은 주파수 특성을 가진 미세 스테이지로 구성된다. 이러한 서로 다른 특성을 가진 스테이지를 사용하여 넓은 작업 영역과 높은 정밀도 그리고 넓은 주파수 응답 특성을 가진 자기부상 이중서보 스테이지를 구현할 수 있다.
구체적으로, 자기부상 스테이지는 X 및 Y 방향으로 대면적을 움직이면서 나머지 4자유도 방향(Z축, 요(Yaw), 피치(Pitch), 롤(Roll))방향은 Nulling 제어를 수행하는 것을 목적으로 한다. 그런데, 조동 스테이지를 단독으로 사용하게 되면 대면적을 움직일 수 있으나 정밀도가 낮아지게 된다. 즉, 조동 스테이지는 평면모터로 구동되고 부상되기 때문에 자석배열 구조에 따른 자기선속밀도와 코일배열 및 입력 전류에 따른 자기선속 내 전류, 상호간의 부조화에 따른 힘리플의 발생으로 인해 정밀도 저하 현상이 크게 발생할 수 있다. 언급한 바와 같은 조동 스테이지에 의해 발생하는 오차들을 미세 스테이지가 실시간으로 보상하는 기능을 수행한다. 미세 스테이지는 짧은 거리를 움직이나, 고정밀도 제어가 가능한 보이스코일모터로 구동되고 부상되기 때문에 조동 스테이지에 의해 발생한 오차들을 고정밀 고속 제어를 통해 보상할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 자기부상 이중서보 스테이지를 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자기부상 이중서보 스테이지의 전체를 나타낸 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 베이스를 도시한 사시도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 자기부상 이중서보 평면모터의 조동 스테이지와 상기 조동 스테이지 상부에 위치한 미세 스테이지가 설치된 구조를 도시한 사시도이며, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 조동 스테이지의 사시도이며, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 조동 스테이지의 평면도이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 조동 스테이지의 배면도이며, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 자기부상 이중서보 평면모터의 미세 스테이지를 나타낸 사시도이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 자기부상 이중서보 평면모터의 미세 스테이지를 나타낸 배면도이며, 도 9는 본 발명의 자기부상 이중서보 스테이지 장치에서 구성부의 제어관계를 도시한 블록도이다.
우선, 도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 자기부상 이중서보 스테이지는 크게 수평면을 형성하는 베이스(1), 베이스(1)의 상면에 설치된 조동 스테이지의 운동자 및 미세 스테이지의 고정자(2), 미세 스테이지의 운동자(3)를 포함하여 구성된다.
도 2에 도시된 바와 같이 베이스(1)에 2차원 자석배열이 구비되는데, 상기 자석배열은 다수의 N극과 S극의 영구자석들을 등간격으로 설치하여 구성되거나 또는 선속밀도를 높이기 위한 할바흐(halbach) 배열될 수 있다.
조동 스테이지부는 대면적으로 넓게 형성된 상기 2차원 자석배열을 고정자로 갖는다. 상기 2차원 자석배열의 상면에 상기 2차원 자석배열에 의해 형성된 자기장과 반응하여 로렌츠 힘을 발생하는 코일이 구비된다. 상기 코일은 상기 2차원 자석배열 상부에 공극을 두고 떠있는 조동 스테이지의 운동자 하부에 구성된다.
2차원 자석배열과 다수개의 코일로 구성된 평면모터로 부상되고 구동되는 조동 스테이지는 X축, Y축, Z축, 요(Yaw), 피치(Pitch), 롤(Roll) 방향으로의 자세 제어가 가능하여 6자유도 운동을 수행할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이 미세 스테이지는 조동 스테이지의 상부에 다수개의 보이스코일모터(voice coil motor)로 부상되고 구동되어 6자유도 운동을 수행한다.
미세 스테이지는 조동 스테이지 상부에 형성되는 부분으로, 기본적으로 조동 스테이지와 함께 움직인다. 즉, 조동 스테이지의 운동자 상부에 미세 스테이지의 고정자인 보이스코일모터의 코일 어레이가 배치됨으로써, 조동 스테이지의 운동자와 미세 스테이지의 고정자가 한 몸체(2)를 이룬다. 그리고 미세 스테이지의 운동자는 미세 스테이지의 고정자인 보이스코일모터의 자석이 배치되어 로렌츠 힘을 받아 코일 어레이에 대해 상대적으로 부상되어 구동된다. 여기서, 보이스코일모터의 코일은 바둑판 형태로 설치되어 조합될 수 있고, 이웃한 두 코일 간에는 코일의 권선방향이 서로 직각방향이 될 수 있도록 배치된다. 보이스코일모터의 자석은 일반적인 N-S 배열을 사용하거나 선속밀도를 높이기 위한 할바흐 배열을 사용할 수 있다.
자기부상 스테이지는 전자기력으로 부상력과 구동력을 모두 형성하며, 조동스테이지의 평면모터와 미세 스테이지의 보이스코일모터는 모두 전자기 구동기로서 자석과 코일간에 상대적으로 발생하는 로렌츠 힘을 이용한다. 로렌츠 힘은 자석과 코일 간에 작용하는 힘이므로 고정자 및 운동자를 자석 또는 코일 중 어느 부분으로 하느냐에 따라 서로 다른 조합으로 자기부상 이중서보 스테이지를 구성할 수 있다. 즉 조동-미세 구성을 moving coil-moving coil, moving coil-moving magnet, moving magnet-moving coil, moving magnet-moving magnet과 같이 4가지로 구성할 수 있다.
본 발명에서는 상위의 조합 중 가장 많은 장점을 갖는 조합으로서, 조동-미세 조합을 moving coil-moving magnet 으로 구성하는 일례로 설명하기로 한다.
다시 말해서, 조동 스테이지는 2차 자석배열을 고정자로 갖고, 조동 스테이지의 운동자 하부에 코일이 구성되며(moving coil), 조동 스테이지의 운동자 상부에 미세 스테이지의 고정자로서 보이스코일모터의 코일이 배치되고, 미세 스테이지의 운동자는 보이스코일모터의 자석이 배치(moving magnet)되는 구조이다.
예를 들어, 조동 스테이지가 moving magnet 구성일 경우에는 움직이는 부분에 코일로 연결되는 다양한 전선이 연결되지는 않으나 자석 배열이 바깥쪽 경계에서 끊어지면서 단부효과로 인해 형성되는 선속밀도 불균일로 인해 제어 복잡성이 증가하고 전력 소모가 증가한다.
반면, 조동 스테이지가 본 발명의 실시예와 같이 moving coil 구성일 경우 전선이 연결되어 외란이 추가되나 moving magnet 구성에 비하여 제어가 쉽고 전력소모가 낮다. 또한, 정밀모션을 구현하는 최종단인 미세 스테이지의 운동자가 자석인 moving magnet 구성을 통해 조동 스테이지 운동자 상부에 구성되는 미세 스테이지의 코일로부터 발생한 열이 최종단에 직접적으로 전달되는 것을 막고 최종단에 결선이 없도록 하여 외란으로부터 자유롭게 만들 수 있다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 조동 스테이지의 운동자와 미세 스테이지의 고정자는 한 몸체(2)로 구비되고, 조동 스테이지의 운동자는 평면모터의 코일로 구성되고, 미세 스테이지의 고정자는 보이스코일모터의 코일로 구성되어 있다.
본 발명의 자기부상 이중서보 스테이지는 상기 조동 스테이지의 운동자와 미세 스테이지의 고정자로 구성된 각 몸체(2)들 사이에 냉각수 채널을 구성하여 코일에서 발생한 열을 냉각수를 통해 방출함으로써, 열화를 방지한다.
상기 냉각수 채널은 유로가 파여있는 구조체와 이를 덮는 뚜껑의 구조로 되어 있다. 뚜껑은 세라믹(alumina 또는 silicon carbide) 재질로 선택하여 열전도율은 높이고 전기전도도는 떨어뜨림으로써, 하부의 대면적 자석배열에서 상부를 떠서 움직일 때 발생하는 와전류를 방지한다. 유로를 새겨 놓은 구조체는 가공성이 좋은 알루미늄 재질로 구비하여 경량화 및 고강성 형태에서 열전도율을 높이는 것이 바람직하다. 이 구조체는 세라믹 뚜껑 상부에 있기 때문에 이에 의해 발생하는 와전류는 미미하다. 이와 같은 구조는 조동-미세 구조를 moving coil-moving magnet으로 하여 가능하다.
또한, 본 발명의 자기부상 이중서보 스테이지의 모든 와이어(wire)는 조동 스테이지의 운동자(미세스테이지의 고정자)에 연결하는 형태로써, 고정밀 모션을 구현하는 미세 스테이지의 운동자에는 어떠한 결선도 없이 외란으로부터 자유로운 상태를 구현한다.
즉, 조동 스테이지의 운동자 부분에 평면모터의 코일로 인한 전선, 보이스코일모터의 코일로 인한 전선, 냉각수를 공급하는 유연파이프, 조동 스테이지의 운동자와 미세 스테이지의 운동자 상대 모션을 측정하는 센서의 전선 등의 와이어를 결선한다. 이러한 구성을 통해 모든 외란 발생은 조동 스테이지에서 일어나며, 미세 스테이지는 고정밀 고속 제어를 통해 상기 조동 스테이지에서 발생한 외란에 의한 오차들을 모두 보상한다. 이러한 오차를 보상할 수 있는 구조는 또한 조동-미세 스테이지의 구조를 moving coil-moving magnet으로 하여 가능하다.
이와 같은 조동 스테이지의 외란에 의한 오차를 보상하는 방법을 도 4 내지 도 9를 참조하여 설명하기로 한다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 자기부상 이중서보 스테이지 장치는 조동 스테이지 및 미세 스테이지의 각 6자유도 모션을 측정하는 센서부(10)와, 센서부(10)의 신호를 입력받아 이를 기초로 상기 조동 스테이지의 초기 위치 대비 현재 위치를 비교하여 오차를 판단하는 제어부(20) 및 제어부(20)에 의해 상기 보이스코일모터의 작동을 제어하여 상기 미세 스테이지를 구동시키는 미세 스테이지 구동부(30)를 포함한다.
제어부(20)는 센서부(10)의 신호를 입력받아 이를 기초로 조동 스테이지의 현재 위치 및 자세를 포함하는 상태를 판단하고, 이를 초기 상태와 비교함으로써, 오차를 판단할 수 있다. 또한, 제어부(20)는 센서부(10)의 신호를 토대로 보이스코일모터의 코일의 작동을 적절히 제어함으로써, 미세 스테이지의 상태를 제어할 수 있다.
기본적으로 제어부(20)는 장치의 전반적인 상태 모니터링 및 제어를 수행하고, 센서부(10)에 의해 계측된 데이터를 이용하여 조동 스테이지의 현재 중심위치(X, Y, Z, Yaw, Pitch, Roll) 계산 및 다음 위치로의 제어 명령을 출력한다.
그리고, 조동 스테이지의 중심위치에서 각 코일의 현재 중심위치 계산 및 전류 명령을 출력하고, 미세 스테이지 구동부(30)는 전류 명령에 따른 3상 전류를 각 코일에 출력하게 된다. 코일에 인가되는 전류의 위상과 세기의 제어에 의해 미세 스테이지의 운동이 제어될 수 있다.
미세 스테이지 구동부(30)는 도 5에 도시된 바와 같이 수평방향 미세 스테이지 구동부(5) 및 수직 방향 미세 스테이지 구동부(6)를 포함하여 구성될 수 있다.
센서부(10)에서 센서는 센서고정부(4)에 고정되며, 자기부상 이중서보 스테이지의 제어를 위해서 조동 스테이지 및 미세 스테이지 각각의 6자유도 모션을 측정하기 위해 구비된다.
구체적으로, 미세 스테이지의 경우, 고정밀 모션 측정을 위해 6개의 비접촉식 센서를 조동 스테이지의 고정자와 연결된 프레임에 설치하여 구비된다.
일례로 정전 용량형 센서는 절대 위치를 인지하는 센서로서 3개의 센서는 미세 스테이지 상부면을, 나머지 3개의 센서는 측면을 타겟팅하여 측정한다. 이러한 절대 위치 센서는 스테이지 시스템의 초기 위치를 알아내고 시스템 동작을 시작하는 데에 유용하게 사용된다.
정전 용량형 센서의 경우, 측정 대상면이 금속재질이어야 하므로 미세 스테이지 상부면 및 측면에 금속면을 형성한다. 또한 공중에 떠 있는 대상을 다수개의 정전 용량형 센서로 측정할 경우 상호간의 신호간섭이 발생하므로 이를 보상하기 위한 센서 회로 구성을 추가할 수 있다.
다른 예로 레이저 간섭계(laser interferometer)는 incremental type의 센서로서 스테이지 시스템의 초기 위치를 인지하지 못한다. 따라서 레이저 간섭계를 사용할 경우 초기 위치를 인식하기 위한 용도로서 절대 위치 센서를 추가로 구성할 수 있다.
레이저 간섭계의 경우, 측정 대상면이 간섭계에서 사용하는 광원을 잘 반사시킬 수 있는 거울면을 미세 스테이지 상부 및 측면에 구성한다.
본 발명의 자기부상 이중서보 스테이지는 정전 용량형 센서 및 레이저 간섭계를 혼용하여 사용할 수 있으며, 구체적으로 긴 행정거리 측정이 필요한 측면부 타겟팅의 경우 레이저 간섭계를 사용하고, 짧은 행정거리 측정이 필요한 상부 타겟팅의 경우 정전용량형 센서를 사용하는 것이 유리하다. 이때에는 초기 위치를 알아내기 위한 별도의 3개 절대 위치 센서를 초기 위치에서 미세 스테이지의 측면부에 타겟팅한다.
조동 스테이지의 경우 6개의 접촉 또는 비접촉식 센서를 사용할 수 있다. 그러나 구조 상 측면 타겟팅은 가능하나 상부면을 타겟팅 하는 것이 불가능하므로, 3축의 센서는 미세 스테이지에 대한 조동 스테이지의 상대적인 위치를 측정하고 나머지 3축의 센서는 측면 타겟팅한다. 이때 상대적인 위치 센서는 비접촉식을 사용한다. 또는 6축의 센서 모두 미세 스테이지에 대한 조동 스테이지의 상대적인 위치를 측정하는 것도 가능하다. 이때에도 모두 비접촉식 센서를 사용한다.
일례로 6개의 정전 용량형 센서를 조동 스테이지 운동자 상부에 배치하여 미세 스테이지 운동자에 대한 상대적인 위치를 측정한다.
또 다른 예로서 3축의 정전 용량형 센서를 조동 스테이지 운동자 상부에 배치하여 미세 스테이지 운동자에 대한 상대적인 위치를 측정하고, 레이저 간섭계 3축을 조동스테이지 고정자와 연결된 프레임에 설치하여 조동스테이지 측면을 타겟팅 하여 위치를 측정한다. 이 때에는 레이저 빔을 반사하기 위한 거울면과, 조동스테이지의 초기 위치를 알 수 있는 3축의 절대 위치 센서를 더 구비한다. 6축의 정전용량형 센서 사용의 경우 모두 절대 위치센서이므로 초기 위치 파악이 가능하다.
이상에서 설명된 본 발명의 자기부상 이중서보 스테이지의 실시 예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
1: 베이스 2: 조동 스테이지의 운동자 및 미세 스테이지의 고정자
3: 미세 스테이지의 운동자 4: 센서 고정부
5: 수평방향 미세 스테이지 구동부 6: 수직방향 미세 스테이지 구동부
10: 센서부 20: 제어부
30: 미세 스테이지 구동부

Claims (10)

  1. 2차원 자석배열과 상기 2차원 자석배열의 상부에 공극을 두고 배치된 다수개의 코일로 구성된 평면모터에 의해 부상 및 구동되는 조동 스테이지; 및
    상기 조동 스테이지의 상부에 다수개의 보이스코일모터로 부상 및 구동되는 미세 스테이지;를 포함하되,
    상기 조동 스테이지는 무빙 코일-무빙 마그넷 구조(moving coil-moving magnet)로서, 상기 2차원 자석배열을 고정자로 구비하고, 상기 다수개의 코일을 운동자로 구비하며, 상기 미세 스테이지는 상기 다수개의 보이스코일모터의 코일을 고정자로 구비하고, 상기 보이스코일모터의 자석을 미세 스테이지의 운동자로 구비하며, 상기 조동 스테이지의 운동자와 상기 미세 스테이지의 고정자가 이루는 한 몸체들 사이에 구비되어 상기 평면모터의 코일과 상기 보이스코일모터의 코일에서 발생한 열을 냉각수를 통해 방출하는 냉각수 채널을 더 구비하고,
    상기 냉각수 채널은, 유로가 새겨진 구조체와 상기 구조체를 덮는 뚜껑의 구조로 구비되되, 상기 뚜껑은 상기 2차원 자석배열의 상부에 발생된 와전류를 방지하는 세라믹 재질(alumina 또는 silicon carbide)로 구비되고, 상기 유로가 새겨진 구조체는 알루미늄으로 구비되는 것을 특징으로 하는 자기부상 이중서보 스테이지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 조동 스테이지 및 미세 스테이지의 각 6자유도 모션을 측정하는 센서부;
    상기 센서부의 신호를 입력받아 이를 기초로 상기 조동 스테이지의 초기 위치 대비 현재 위치를 비교하여 오차를 판단하는 제어부; 및
    상기 제어부에 의해 상기 보이스코일모터의 작동을 제어하여 상기 미세 스테이지를 구동시키는 미세 스테이지 구동부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 자기부상 이중서보 스테이지.
  3. 삭제
  4. 제2항에 있어서, 상기 센서부는,
    상기 미세 스테이지의 경우, 고정밀 모션 측정을 위해 6개의 비접촉식 센서를 상기 조동 스테이지의 고정자와 연결된 프레임에 구비하는 것을 특징으로 하는, 자기부상 이중서보 스테이지.
  5. 제2항에 있어서, 상기 센서부는,
    상기 조동 스테이지의 경우, 측면은 접촉 또는 비접촉식 3축의 센서로 타겟팅하고, 상부면은 비접촉식 3축의 센서로 상기 미세 스테이지에 대한 조동 스테이지의 상대적인 위치를 측정하는 것을 특징으로 하는, 자기부상 이중서보 스테이지.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 조동 스테이지의 운동자 상부에 상기 미세스테이지의 고정자인 상기 보이스코일모터의 코일이 배치됨으로써, 상기 조동 스테이지의 운동자와 상기 미세 스테이지의 고정자가 한 몸체를 이루어 함께 움직이는 것을 특징으로 하는, 자기부상 이중서보 스테이지.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제5항에 있어서,
    상기 평면모터의 코일로 인한 전선, 상기 보이스코일모터의 코일로 인한 전선, 냉각수를 공급하는 유연파이프, 상기 조동 스테이지의 운동자와 상기 미세 스테이지의 운동자 간의 상대모션을 측정하는 센서의 전선을 포함한 와이어들은 상기 조동 스테이지의 운동자 부분에 결선하는 것을 특징으로 하는, 자기부상 이중서보 스테이지.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3557326A1 (de) * 2018-04-17 2019-10-23 Schneeberger Holding AG Positioniervorrichtung zum positionieren eines objektes innerhalb einer ebene in wenigstens zwei freiheitsgraden
KR102422060B1 (ko) * 2020-11-19 2022-07-18 공주대학교 산학협력단 반송물 특성 측정 가능한 반송장치
CN115694263B (zh) * 2022-11-15 2023-10-24 哈尔滨工业大学 一种集成式模块化六自由度磁悬浮平面运动装置

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009049434A (ja) * 2008-11-20 2009-03-05 Canon Inc ステージベース、ステージ装置、露光装置及びデバイスの製造方法
JP2013098355A (ja) * 2011-11-01 2013-05-20 Nikon Corp 移動体装置及び露光装置、並びにデバイス製造方法
JP2013149996A (ja) * 2006-03-30 2013-08-01 Nikon Corp 移動体装置、露光装置、及びデバイス製造方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013149996A (ja) * 2006-03-30 2013-08-01 Nikon Corp 移動体装置、露光装置、及びデバイス製造方法
JP2009049434A (ja) * 2008-11-20 2009-03-05 Canon Inc ステージベース、ステージ装置、露光装置及びデバイスの製造方法
JP2013098355A (ja) * 2011-11-01 2013-05-20 Nikon Corp 移動体装置及び露光装置、並びにデバイス製造方法

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