KR102046189B1 - 열 부하에 노출되는 스핀들, 스테이지, 또는 컴포넌트의 수동적 위치 보상 - Google Patents

열 부하에 노출되는 스핀들, 스테이지, 또는 컴포넌트의 수동적 위치 보상 Download PDF

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Abstract

장착된 기계적 컴포넌트 상의 열 영향에 대한 수동적 보정을 제공하기 위한 장치가 본 명세서에 개시된다. 수동적 열 영향 보정 장치를 이용하는 웨이퍼 검사 시스템이 또한 개시된다.

Description

열 부하에 노출되는 스핀들, 스테이지, 또는 컴포넌트의 수동적 위치 보상{PASSIVE POSITION COMPENSATION OF A SPINDLE, STAGE, OR COMPONENT EXPOSED TO A HEAT LOAD}
본 발명은 열 영향에 관한 것으로, 특히 열 부하에 노출되는 컴포넌트 상의 열 영향에 대한 수동적 보상에 관한 것이다.
열 영향은 어디에나 있고, 많은 시스템 상에 큰 영향을 미친다. 열 팽창 및 컴포넌트 간의 열 팽창 계수(coefficients of thermal expansion; CTE)의 차이는 오차 및 다른 문제로 이어질 수 있다. 일례로 웨이퍼 검사 시스템의 스핀들이 있다. 높은 웨이퍼 회전 속도로 인해, 즉, 높은 스핀들 전력으로 인해, 웨이퍼 검사 동안에 결과적으로 큰 열 상승이 존재한다. 온도의 임의의 변화는 부분적으로 장착 물질의 CTE로 인해, 스핀들과 같은 컴포넌트의 위치에 영향을 미친다. 위치에서의 이러한 변화는 검사 정확도 및 감도를 저하시킬 수 있다. 예를 들어, 알루미늄 시스템의 경우, 스핀들의 크기 및 알루미늄의 CTE를 고려하면, 섭씨 2 도의 온도 변화는 XY 정확도를 사양에서 벗어나게 할 수 있다. 유사한 열 영향이 공작 기계(machine tool)와 같은 다수의 다른 기계적 시스템들에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 특별하게 낮은 열 팽창 계수로 유명한 인바(Invar), 니켈 강 합금(nickel steel alloy)과 같은 매우 낮은 CTE를 갖는 물질을 이용함으로써 열 변위를 최소화하기 위한 시도를 해왔다. 그러나, 인바와 같은 물질의 이용은 새로운 문제를 만든다. 시스템의 일부분이 CTE가 거의 0인 인바이고, 나머지 시스템은 CTE가 24um/m/℃인 알루미늄이면, 이것은 환경 온도 변화에 대한 감도를 만든다. 그리고, 인바를 중요한 구조적 작업에 이용하기에는 엄청나게 비싸다. 모든 것을 알루미늄으로 유지하는 것은 문제를 제거한다.
고객의 요구가 웨이퍼 검사 처리량 요건을 더욱 높은 레벨로 구동함에 따라, 스핀들 전력에서의 필요한 증가는 열 영향의 보정이 결함 위치 정확도를 유지하는데 매우 중요하게 되는 정도로 증가된 열 부하를 야기시켰다.
본 발명의 목적은, 열 부하에 노출되는 스핀들, 스테이지, 또는 컴포넌트의 수동적 위치 보상을 제공하는 것이다.
장착된 기계적 컴포넌트 상의 열 영향에 대한 수동적 보정을 제공하기 위한 장치가 본 명세서에 개시된다. 수동적 열 영향 보정 장치를 이용하는 웨이퍼 검사 시스템이 또한 개시된다.
본 발명에 따르면, 열 부하에 노출되는 스핀들, 스테이지, 또는 컴포넌트의 수동적 위치 보상을 제공하는 것이 가능하다.
도 1a는 웨이퍼 검사 시스템과 같은 시스템 상에 스핀들의 장착을 도시한다.
도 1b는 스핀들 하우징 내의 스핀들 어셈블리의 횡단면의 단면도를 도시한다.
도 2는 열 위치 보상이 작동하는 방법을 나타내기 위해 이용되는 외부 하우징(110)의 기하학적 구조를 도시한다.
본 발명은 웨이퍼 검사 시스템, 특히 웨이퍼 장착 스핀들에 관한 실시예를 이용하여 예시될 것이다. 그러나, 발명의 개념 및 유사한 장치가 비제한적으로, 계측, 측정, 데이터 기록 및 판독, 및 현미경 시스템과 같은 다수의 다른 애플리케이션들에 이용될 수 있다는 것을 유념한다.
웨이퍼 검사 시스템 실시예를 참조하면, 현재 방법은 결함 위치 정확도에 오차를 야기한다. 온도에 기초한 결함 위치의 일부 소프트웨어 보정이 이용되긴 하지만, 기계가 예열되거나 냉각됨에 따라, 비교적 큰 오차가 온도 과도 현상(temperature transient) 동안에 발생할 수 있다. 결함 위치 오차를 최대 대략 50 미크론에서 5 미크론 미만으로 줄이는 온도 관련 스핀들 위치 오차에 대한 완전한 수동적 제어가 이하에 개시된다. 그리고, 이러한 작은 오차는 소프트웨어 보정을 이용하여 더욱 감소될 수 있다. 오차의 전체 크기가 크게 감소됨에 따라, 추가 소프트웨어 보정은 특히 과도 상태(transient state) 동안에, 훨씬 더욱 정확해 질 것이다.
본 발명의 실시예에서, 장착 요소에 걸친 온도 분포가 장착 요소의 열 팽창으로 인한 이동을 상쇄하기 위한 물리적 구성과 결합하도록 비균등 길이 요소 상에 컴포넌트를 장착함으로써 컴포넌트의 위치 변화가 수동적으로 보정된다.
도 1a는 웨이퍼 검사 시스템과 같은 시스템 상에 스핀들의 장착의 실시예를 도시한다. 스핀들 어셈블리(100)는 스핀들 하우징(105) 내에 하우징된다. 도 1b는 스핀들 하우징(105) 내의 스핀들 어셈블리(100)의 횡단면의 단면도를 도시한다. 가압판(132)(또는 "스핀들 플랜지"로 일컬어짐)이 스핀들 로터(135) 상에 장착된다. 스핀들 베어링(140)은 스핀들 회전을 용이하게 한다. 스핀들 모터(145)는 스핀들 회전을 작동시키고, 주요 열원이다. 스핀들 하우징(105)은 외부 하우징(110)에 연결되고, 외부 하우징(110)은 기계적 장착면(115)에 부착된다. 위부 하우징(110)은 스핀들 모터로부터의 열을 멀리 전도시키는 일련의 요소들로 구성된다. 이러한 요소들 각각은 스핀들 모터(145)에 가장 가까운 가장 뜨거운 단과 기계적 접지에 가까운 가장 차가운 단을 갖는 요소들에 걸쳐 온도 기울기를 갖고, 기계적 접지는 이 경우에 기계적 장착면(115)이다. 이하에 도시되는 바와 같이, 구조는 뜨겁고 짧은 내부 요소가 스핀들을 한 방향으로 이동시키고, 차갑고 긴 외부 요소가 스핀들을 반대 방향으로 같은 양만큼 이동시키는 것이다. 이용 가능한 대류 냉각 및 주어진 열 부하에 대한 적절한 기하학적 구조를 이용하면, 이러한 영향은 서로 상쇄되어, 어떠한 스핀들 움직임도 야기하지 않는다. 다양한 열 부하 및 일부 과도 영향이 있어도, 오차를 수 미크론으로 줄이는 것이 가능하다. 유사한 설계 및 전력의 비보상 스핀들은 대략 50 미크론의 써멀 드리프트(thermal drift)를 도시한다. 온도 분포가 도시된다. 온도는 스핀들 모터(145) 근처의 영역(118 및 120)에서 높고, 스핀들 모터(145)에서 더욱 이동되는 측벽(125)에서 낮다는 것을 유념한다. 중앙 영역(118)에 더하여, 대각선 장착 암(diagonal mounting arm)(130)이 또한 측벽(125)보다 뜨겁다.
도 2는 열 위치 보상이 작동하는 방법을 나타내기 위해 이용되는 외부 하우징(110)의 실시예의 기하학적 구조를 도시한다. 하부 코너 에지(200)가 기계적 장착면(115)에 고정적으로 부착된다. 연성 요소(205)가 하부 코너 에지(200) 사이에 배치된다. 연성 요소 또는 요소들은 설계가 넓은 온도 범위에 걸쳐 작동하는 것을 허용하고, 하우징이 열 부하로 크기를 변경하는 것을 허용하며, 그것이 장착된 시스템의 나머지의 왜곡을 최소화할 수 있다. 오리피스(210)에 위치된 스핀들(100)[및 스핀들 모터(145)]은 회전할 때 국부 열원의 역할을 한다. 대각선 장착 암(215)은 앞벽(220)에 부착되고, 앞벽(220)은 외부 표면(225)에서 자유롭게 서 있다. 스핀들(100)은 두꺼운 영역(228)에 의해 앞벽(220)에 직접적으로 부착된다. 측벽(230)은 하부 코너 에지(200)에 고정된다. 측벽(230)이 길이 L1(235)을 갖고, 대각선 장착 암(215)이 길이 L2(240)를 가지며, 측벽(230)으로부터 각도 θ(245)에서 장착된다고 가정한다. 이러한 영향의 간단한 설명을 제공하기 위해, 각각의 요소는 그 길이에 걸쳐 잘 정의된 온도를 갖는다고 가정한다. (실제로, 온도 분포는 요소에 걸쳐 온도 경사를 갖고 더욱 복잡할 것이다.) 온도 변화는 ΔT로 가정한다. 그리고 나서, 각각의 컴포넌트의 길이 L은 ΔL = LαΔT 만큼 변할 것이고, 여기서, α = CTE, 즉 열 팽창 계수이다. 특히, 측벽 길이는 ΔL1 = L1αΔT1 만큼 변할 것이고, 대각선 장착 암 길이는 ΔL2 = L2αΔT2 만큼 변할 것이며, 여기서 ΔT1 및 ΔT2는 각각 측벽 및 대각선 장착 암에 대한 온도 변화이다. 측벽의 팽창은 위쪽 방향(255)(이는 양의 방향으로 정의됨)으로 스핀들(100)의 중심(250)에 변위 X1 = ΔL1를 일으킬 것이다. 그러나, 대각선 장착 암의 팽창은 아래쪽 방향(260)(이는 음의 방향으로 정의됨)으로 스핀들(100)의 센터(250)에 대략 ΔL2Sinθ에 동일한 변위 X2를 일으킬 것이다. 두꺼운 영역(228)의 팽창은 아래쪽, 즉 음의 방향으로 변위 X3을 일으킬 것이다. (이 설명은 간략화되었지만, 반대 방향으로 스핀들의 이동을 일으키는 주요 팽창 컴포넌트들을 나타낸다는 것을 또한 유념한다.) 연성 요소(205)는 위에서 언급한 팽창에 따라 스핀들의 이동을 허용한다. 양의 방향에서의 측벽(230) 및 음의 방향에서의 대각선 장착 암(215)과 두꺼운 영역(228)으로 인한 반대의 이동 때문에, 길이 및 각도가 2개 요소들의 상대적인 온도 변화에 따라 적절하게 선택되면 이러한 이동은 서로 상쇄되도록 설계될 수 있다. 특히,
X1 + X2 + X3 = 0이면, 변위 = 0이다.
요소 길이의 결정은 멀티피직스 FEA(Finite Element Analysis; 유한 요소 분석법) 프로그램을 이용하여 시뮬레이션되었고, 이러한 프로그램은 스핀들 모터의 열 부하, 공기의 대류 냉각, 및 하우징의 열 변위의 동시 영향에 대한 모델링을 제공한다. 대안적으로, 이것은 종래의 FEA를 이용하여, 또는 가능하게는 간단한 시스템의 경우 수동 계산을 이용하여 반복적 방식으로 수행될 수 있지만, 이러한 대안적인 방법들은 훨씬 더 많은 시간을 소비할 것이다.
이러한 설계의 발명의 개념은 또한 컴포넌트 외부의 열 부하를 보정하는데 이용될 수 있어서, 관심 있는 컴포넌트 근처에 장착된 웜 디바이스(warm device)로부터 그 컴포넌트를 효과적으로 분리할 수 있다.
이러한 설계의 발명의 개념은 시스템에서 열적으로 유도된 오차로 인한 위치 결정 스테이지의 수동적 위치 보정에 이용될 수 있고, 시스템은 비제한적으로, 검사(베어 웨이퍼 검사, 패턴화된 웨이퍼 검사, LED 검사, 태양열 PV 전지 검사, 디스크 드라이브 검사, 광학 매체 검사를 포함함), 웨이퍼 계측을 포함하는 계측, 측정, 데이터 기록 및 판독, 현미경 시스템, 음성 코일 모터, 선형 모터, 반도체 제조 도구, 공작 기계, 고정밀도 로봇, 증폭기, 광학 컴포넌트, 센서, DNA 시퀀싱, 화학 분석 및 전력 공급기를 포함할 수 있다. 이것은 또한 앞서 언급된 시스템에서 열적으로 유도된 오차에 대한 수동적 위치 보정에 이용될 수 있다. 이러한 개념은 열 부하에 노출된 광학 컴포넌트 또는 센서의 써멀 드리프트를 상쇄하기 위해 유사한 방식으로 이용될 수 있다. 열 부하는 본 명세서에 개시된 스핀들의 경우에서와 같이 내부에 있을 수 있거나, 또는 이러한 개념을 반전시켜 모터 또는 인근에 장착된 전자 컴포넌트와 같은 외부 열원에 대해 보상할 수 있다. 도 2는 외부 열원(도면에서 태양으로 표시됨)으로부터, 광학 요소와 같은 요소, 또는 CCD 또는 위치 감지 디바이스와 같은 센서를 분리하기 위해 본 발명의 방법 및 장치를 이용하는 것을 더욱 예시한다.
본 명세서에 개시된 열 보상 장치 및 방법은 구조적 변형(예컨대, 열 팽창)이 온도 변화에 선형적으로 의존하는 온도 범위에서 적용 가능하다는 것을 유념한다. 이러한 크지만 제한적인 온도 간격은 본 명세서에 기술된 바와 같은 웨이퍼 검사 시스템의 스핀들이 직면하는 온도 범위를 포함한다.
본 발명의 설계의 이용으로 인한 추가적인 이점은, 시스템에서 실질적으로 일정한 CTE를 유지하는 것이 대개 바람직하고, 즉, 알루미늄과 같은 유사한 주변 물질을 이용하는 것이 바람직하여, 모든 컴포넌트들이 환경 온도의 변화에 대해 주변 컴포넌트들과 팽창률을 공유한다는 것이다. 본 발명의 설계의 이용은 알루미늄과 같은 물질의 이용을 허용하여 국부 열 경사를 여전히 보상한다. 이것은 열 경사로 인한 드리프트를 줄이기 위해 잘 작동할 수 있는 인바와 같은 값비싼 물질을 이용하는 것보다 더욱 양호한 해결책임을 입증할 수 있지만, 환경 온도가 변할 때 주변 컴포넌트에 대하여 오차를 일으킬 수 있다. 특히, 본 발명의 설계는 온도에 상관없이 시스템 내에 장착된 컴포넌트의 평면 위치를 유지하는 것이 가능하고, 시스템의 면외 CTE를 계속해서 유지하는 것이 가능하다. 예를 들어, 하나의 광학 요소가 다른 광학 요소들도 지원하는 알루미늄 구조의 디바이스에 본 발명의 설계를 이용하여 장착되면, 조명 램프와 같은 주변의 열원은 광학 요소가 광축으로부터 벗어나도록 야기시키지 않는다. 디바이스가 알루미늄으로 구성되고, 주요 광학 구조가 또한 알루미늄으로 구성되기 때문에, 일치된 CTE로 인해, 공통 CTE는 나머지 시스템에 대하여 임의의 면외 변위를 정상화한다. 이러한 해결책은 알루미늄 시스템에 인바와 같은 제로 CTE 물질을 이용하지 않을 수 있다.
웨이퍼 검사 시스템의 스핀들의 적용에서, 결함 위치 정확도는 처리량을 최대화하기 때문에 가장 중요하다. 높은 처리량은 높은 스핀 속도 및 가속도를 요구하고, 이는 열 발생량을 증가시킨다. 보정되지 않으면, 이러한 열은 필연적으로 결함 위치에서의 증가된 오차로 이어진다.
특정한 웨이퍼 검사 시스템의 이전 세대와 현 세대 사이에, 검사 동안에 스핀들에서 소모되는 전력은 2배 이상이 되고, 이에 대응하는 열 부하를 갖는다. 열 부하의 큰 증가에도 불구하고, 본 명세서에 개시된 설계를 장착한 스핀들을 이용하면, 전체적인 정확도가 크게 개선된다.
본 발명은 본 명세서에 개시된 정확한 실시예들로 제한되는 것으로 예상되지 않는다. 발명 기술 분야의 당업자는 변경 및 수정이 본 발명의 개념으로부터 벗어나지 않고 행해질 수 있다는 것을 인식할 것이다. 예로서, 장착 요소의 구성은 정확히 도시된 바와 같을 필요는 없다. 열 팽창으로 인한 반대의 움직임을 야기시키고, 이러한 반대의 움직임은 서로 상쇄되는 다른 구성들이 설계될 수 있다. 본 발명의 범위는 특허청구범위를 고려하여 해석되어야 한다.

Claims (12)

  1. 시스템에 장착된 기계적 컴포넌트 상의 열 영향에 대한 수동적 보정을 제공하기 위한 장치에 있어서,
    상기 시스템 상에 상기 기계적 컴포넌트를 장착하기 위한 물리적 구성을 포함하고,
    상기 물리적 구성은 열 팽창으로 인해, 상기 시스템에 관해 상기 기계적 컴포넌트의 반대 움직임을 야기하도록 설계되고,
    열 팽창이 온도 변화에 선형적으로 의존하는 온도 범위에 대하여, 상기 반대 움직임은 서로 상쇄되며,
    상기 기계적 컴포넌트는 상기 온도 범위 내의 온도 변화 동안에 상기 시스템에 관해 움직이지 않고,
    상기 물리적 구성은, 장착 요소에 걸친 온도 분포가 상기 장착 요소의 열 팽창으로 인한 이동을 상쇄하기 위한 상기 물리적 구성과 결합하도록 설계된 비균등 길이의 장착 요소를 포함하고,
    상기 비균등 길이의 장착 요소는,
    제 1 길이를 갖는 제 1 세트의 장착 요소;
    상기 제 1 길이보다 짧은 제 2 길이를 갖는 제 2 세트의 장착 요소
    를 포함하고,
    상기 제 2 세트의 장착 요소는 상기 제 1 세트의 장착 요소보다 더 큰 온도 변화를 겪고,
    상기 제 1 세트의 장착 요소는 제 1 방향으로 상기 기계적 컴포넌트의 움직임을 야기하며,
    상기 제 2 세트의 장착 요소는 상기 제 1 방향에 반대인 제 2 방향으로 상기 기계적 컴포넌트의 움직임을 야기하는 것인, 수동적 보정을 제공하기 위한 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 기계적 컴포넌트는, 광학 요소, 센서, 전하 결합 소자(Charge Coupled Device; CCD), 및 위치 감지 디바이스 중 하나이고,
    상기 기계적 컴포넌트는 열원에 근접해 있는 것인, 수동적 보정을 제공하기 위한 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    온도는 상기 기계적 컴포넌트로부터 더 먼 거리에 있는 장착 요소에 대해 더 낮은 것인, 수동적 보정을 제공하기 위한 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 기계적 컴포넌트에 가까운 열원을 포함하는, 수동적 보정을 제공하기 위한 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 시스템 외부의 열원을 포함하는, 수동적 보정을 제공하기 위한 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 시스템은 웨이퍼 검사 시스템이고, 상기 기계적 컴포넌트는 스핀들인 것인, 수동적 보정을 제공하기 위한 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 시스템은 LED 검사 시스템이고, 상기 기계적 컴포넌트는 스핀들인 것인, 수동적 보정을 제공하기 위한 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 시스템은 하드 디스크 드라이브 검사 시스템이고, 상기 기계적 컴포넌트는 스핀들인 것인, 수동적 보정을 제공하기 위한 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 시스템은 광학 매체 검사 시스템이고, 상기 기계적 컴포넌트는 스핀들인 것인, 수동적 보정을 제공하기 위한 장치.
  12. 청구항 1의 장치와 함께 스핀들이 장착된 웨이퍼 검사 시스템.
KR1020147008468A 2011-09-06 2012-09-06 열 부하에 노출되는 스핀들, 스테이지, 또는 컴포넌트의 수동적 위치 보상 KR102046189B1 (ko)

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US13/226,492 2011-09-06
US13/226,492 US8995066B2 (en) 2011-09-06 2011-09-06 Passive position compensation of a spindle, stage, or component exposed to a heat load
PCT/US2012/053990 WO2013036660A2 (en) 2011-09-06 2012-09-06 Passive position compensation of a spindle, stage, or component exposed to a heat load

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