KR102653016B1 - 척 구동 장치 및 기판 처리 장치 - Google Patents

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Abstract

일부 실시예들에 따른 기판 처리 장치는 제1 및 제2 방향으로 연장되는 평판 형상의 베이스; 상기 베이스 상에 배치되고, 상기 제1 및 제2 방향에 수직한 제3 방향으로 이동할 수 있도록 구성된 슬라이더; 상기 베이스 상에 배치되고 상기 슬라이더를 상기 제3 방향으로 지지하는 공압 실린더; 및 상기 베이스 상에 배치되고 상기 공압 실린더를 둘러싸며 상기 슬라이더를 제3 방향으로 구동시키는 모터 어셈블리를 포함하되, 상기 모터 어셈블리는, 상기 공압 실린더의 측면을 둘러싸는 코일 어셈블리; 및 상기 코일 어셈블리의 일부를 둘러싸는 자석 어셈블리를 포함할 수 있다.

Description

척 구동 장치 및 기판 처리 장치{Chuck driving device and substrate processing apparatus}
본 발명의 기술적 사상은 척 구동 장치 및 기판 처리 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 동적 제어 특성이 개선된 척 구동 장치 및 상기 척 구동 장치를 포함하는 기판 처리 장치에 관한 것이다.
반도체 공정 중 다수는 광학계를 이용하게 되고, 반도체 공정의 신뢰도를 제고하기 위해 상기 광학계의 광이 기판의 타겟 영역 상에 정확히 포커스 되어야 한다. 이러한 광학계를 이용한 대표적인 리소그래피 공정 및 검사 공정이 있다. 리소그래피 공정의 경우, 기판에 굴곡이나 휨에 의한 광로 정렬에 오차를 방지 하기 위해, 기판의 휨이나 굴곡을 계측하고 이 계측 결과에 대응하여 척 상의 기판을 구동시키는 칩 레벨링이라고 불리는 기술이 이용되고 있다. 검사 공정도 마찬가지로, 정확한 검사결과를 얻기 위해서 기판 상의 측정 위치가 광학계에 대해 정렬되어야 하는데, 일부 광학계의 경우 오토 포커스 모듈을 포함하지 않을 수 있다. 이 경우, 기판 상의 타겟에 대한 광학계의 포커싱을 유지하기 위해 기판의 위치를 실시간으로 구동시킬 필요가 있다. 이와 같이, 기판의 위치를 고속으로, 그리고 고정밀도로 구동 시키기 위해서, 기판 스테이지를 경량화하고 또한 외란(진동)을 최소화하기 위한 연구가 수행되고 있다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 동적 제어 특성이 개선된 척 구동 장치 및 상기 척 구동 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 일부 실시예들에 따른 척 구동 장치는 제1 및 제2 방향으로 연장되는 평판 형상의 베이스; 상기 베이스 상에 배치되고, 상기 제1 및 제2 방향에 수직한 제3 방향으로 이동할 수 있도록 구성된 슬라이더; 상기 베이스 상에 배치되고 상기 슬라이더를 상기 제3 방향으로 지지하는 공압 실린더; 및 상기 베이스 상에 배치되고 상기 공압 실린더를 둘러싸며 상기 슬라이더를 제3 방향으로 구동시키는 모터 어셈블리를 포함하되, 상기 모터 어셈블리는, 상기 공압 실린더의 측면을 둘러싸는 중공을 갖는 평판 형태의 코일 베이스; 상기 코일 베이스 상에 배치되고, 상기 공압 실린더의 측면을 둘러싸는 코일 어셈블리; 및상기 코일 어셈블리의 일부를 둘러싸는 자석 어셈블리를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 따른 척 구동 장치는 제1 및 제2 방향으로 연장되는 평판 형상의 베이스; 상기 베이스 상에 배치되고, 상기 제1 및 제2 방향에 수직한 제3 방향으로 이동할 수 있도록 구성된 슬라이더; 상기 슬라이더의 상기 제3 방향 하중을 지지하도록 구성된 중량 상쇄기; 상기 슬라이더를 상기 제3 방향으로 구동시키도록 구성된 모터 어셈블리; 및 상기 슬라이더로부터 베이스로 전달되는 상기 제3 방향의 반력을 상쇄하도록 구성된 반력 상쇄기를 포함하되, 상기 중량 상쇄기, 모터 어셈블리 및 반력 상쇄기는 인접하게 배치될 수 있다.
일부 실시예들에 따른 기판 처리 장치는 서로 수직한 제1 및 제2 방향과 평행한 상면을 갖는 원판 형상의 베이스; 상기 베이스 상에 배치되고, 상기 제1 및 제2 방향에 수직한 제3 방향으로 이동할 수 있도록 구성된 원통형의 슬라이더; 상기 슬라이더를 상기 제3 방향으로 지지하는 원통형의 공압 실린더; 상기 슬라이더를 제3 방향으로 구동시키고 상기 공압 실린더를 둘러싸는 모터 어셈블리; 및 상기 모터 어셈블리를 둘러싸고, 상기 제1 방향 또는 제2 방향으로 연장되는 복수개의 평행 판 스프링들을 포함하되, 상기 모터 어셈블리는, 상기 공압 실린더의 측면을 둘러싸는 중공을 갖는 평판 형태의 코일 베이스; 상기 코일 베이스 상에 배치되고, 상기 공압 실린더의 측면을 둘러싸는 코일 어셈블리; 및 상기 코일 어셈블리의 일부를 둘러싸는 자석 어셈블리를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 저주파 대역을 통과시키는 반력 상쇄기를 포함하므로, 모터 어셈블리부터 척 구동 장치 전체에 전달되는 고주파의 외란을 차단할 수 있다. 이에 따라 전체 시스템에 대한 제어 특성이 제고될 수 있다. 또한 중량 상쇄기의 공진 주파수가 가변적이므로, 슬라이더나 작엄물의 중량이 변하는 경우에도 기판 및 척의 평형 위치의 조절이 용이하다.
도 1은 일부 실시예들에 따른 반도체 처리 장치를 설명하기 위한 사시도이다.
도 2a는 일부 실시예들에 따른 구동 장치를 설명하기 위한 사시도이다.
도 2b는 도 2a의 절단선 I-I'를 따라 취한 단면을 포함하는 사시도이다.
도 3은 일부 실시예들에 따른 자석 어셈블리에 포함된 자석 세트들을 설명하기 위한 단면도 들이다.
도 4a는 종래의 척 구동 장치의 문제점을 설명하기 위한 개략적인 개념도이다.
도 4b는 종래의 척 구동 장치의 문제점을 설명하기 위한 그래프이다.
도 5a는 일부 실시예들에 따른 척 구동 장치의 효과를 설명하기 위한 개략적인 개념도이다.
도 5b는 일부 실시예들에 따른 척 구동 장치의 효과를 설명하기 위한 그래프이다.
도 6은 일부 실시예들에 따른 기판 처리 장치를 설명하기 위한 개략적인 개념도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고, 이들에 대한 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 일부 실시예들에 따른 척 구동 장치(10)를 도시한 사시도이다.
도 2a는 일부 실시예들에 따른 구동 장치(100)를 설명하기 위한 사시도이며, 도 2b는 도 2a의 절단선 I-I'를 따라 취한 단면을 포함하는 사시도이다.
도 1 내지 도 2b를 참조하면, 척 구동 장치(10)는 구동 장치(100), 가이드(200) 및 슬라이더(300)를 포함할 수 있다.
구동 장치(100)는 베이스(110), 중량 상쇄기(120), 모터 어셈블리(130), 복수개의 고정단 지지 구조(140), 복수개의 평행 판 스프링들(150), 및 슬라이더 연결 구조(160)를 포함할 수 있다.
베이스(110)는 구동장치(100)의 다른 구성요소들 및 상기 베이스(110) 상에 배치되는 가이드(200) 및 슬라이더(300)를 지지하기 위한 구조일 수 있다. 일부 실시예들에 따르면 베이스(110)는 대략 원판 형상을 가질 수 있다.
여기서, 베이스(110)의 상면과 평행하고 서로 교차하는 두 방향을 제1 방향(X 방향) 및 제2 방향(Y 방향)으로 지칭하고, 제1 및 제2 방향(X 방향, Y 방향)에 수직인 방향을 제3 방향(Z 방향)으로 지칭한다. 제1 및 제2 방향(X 방향, Y 방향)은 서로 수직으로 교차할 수 있다. 전술한 방향에 대한 정의는 특별한 언급이 없는 한 이하 모든 도면에서 동일하다.
가이드(200)는 베이스(110)에 대한 슬라이더(300)의 상대 운동의 방향을 조절할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 가이드(200)는 베이스(110)에 대해 슬라이더(300)의 제3 방향(Z 방향) 이외의 방향의 운동을 규제할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면 가이드(200)는 에어 베어링의 방식으로 슬라이더(300)의 운동 방향을 조절할 수 있다.
여기서, 에어 베어링은 공기 정역학 베어링 또는 공기 역학적 베어링으로도 지칭되며, 서로 대향하는 표면 사이의 마찰 계수를 낮추기 위해, 상기 대향하는 표면 사이에 가압 가스의 박막을 형성하여 대상체의 표면을 지지하는 방식의 베어링이다. 이때, 대향하는 표면들은 서로 접촉하지 않으므로 마찰, 마모, 미립자 및 윤활제 취급과 같은 문제점을 피할 수 있어 고속 어플리케이션에 적합하고, 백 래시 및 정적 마찰이 없는 정밀 위치 설정에 유리하다.
경우에 따라, 슬라이더(300) 상에 기판을 지지하기 위한 척이 배치될 수 있다. 척 상에는 처리될 기판이 실장될 수 있다. 기판은 예컨대, 반도체 기판, 글라스 기판 등을 포함할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 척은 실장된 기판을 정전기력에 의해 고정시키는 정전 척일 수 있다. 또는, 척은 실장된 기판을 진공압에 의해 고정시키는 진공 척일 수 있다.
중량 상쇄기(120, weight canceller)는 제3 방향(Z 방향)으로 상기 슬라이더(300)를 지지할 수 있다. 중량 상쇄기(120)는 상기 슬라이더(300) 및 슬라이더(300)상에 배치되는 요소들(예컨대, 척 및 기판)에 의한 하중의 적어도 일부를 상쇄할 수 있다.
후술하듯, 모터 어셈블리(130)는 보이스 코일 모터(Voice coil motor, 이하 VCM) 등의 방식으로 구현될 수 있는데 모터 어셈블리(130)가 지지하는 중량이 지나치게 큰 경우, 큰 값의 인덕턴스를 갖는 코일을 이용해야 한다. 인덕턴스 값이 큰 코일은 제조하기 어렵고 부피가 지나치게 크며 작동시 과다한 열을 발생시키는 문제점이 있다. 일부 실시예들에 따르면 중량 상쇄기(120)를 이용하여 상기 슬라이더(300) 및 그 위에 배치되는 요소들의 하중을 지지함으로써, 모터 어셈블리(130)에 인가되는 하중이 감소되므로 작은 인덕턴스의 코일로 구현한 모터 어셈블리(130)를 이용하여 슬라이더(300)를 구동시킬 수 있다.
일부 실시예들에 따르면 중량 상쇄기(120)는 공압 실린더를 포함할 수 있다. 중량 상쇄기(120)가 공압 실린더를 포함하는 경우 슬라이더(300)의 위치에 따라 공압 실린더 내부의 압력이 변화할 수 있다. 보다 구체적으로, 슬라이더(300)가 베이스(110)에 가까워진 경우 공압 실린더 내부의 압력이 증가하고, 슬라이더(300)가 베이스(110)로부터 멀어지는 경우 공압 실린더 내부의 압력이 감소할 수 있다. 따라서 슬라이더(300)와 베이스(110)사이의 상대 운동은 단진동 운동으로 해석될 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 예컨대, 중량 상쇄기(120)의 댐핑을 고려하여, 슬라이더(300)와 베이스(110)의 상대 운동의 주파수 응답 특성이 코시 분포를 따르는 것으로 해석할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 슬라이더(300)와 베이스(110) 사이의 상대 운동은 특정 주파수의 진동에 대한 크기 응답 특성이 클 수 있다. 중량 상쇄기(120)에 대한 슬라이더(300)의 운동이 가장 큰 응답을 보이는 주파수를 제1 공진 주파수로 지칭한다.
일부 실시예들에 따르면 중량 상쇄기(120)는 공압 실린더의 내부 압력을 조절할 수 있는 레귤레이터를 포함할 수 있다. 이에 따라 제1 공진 주파수는 변할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면 제1 공진 주파수는 약 10Hz 이하일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 일부 실시예들에 따르면, 공압 실린더인 중량 상쇄기(120)의 압력을 조정함으로써 제1 공진 주파수를 조정할 수 있다.
또한 일부 실시예들에 따른 중량 상쇄기(120)는 슬라이더(300) 및 그 위에 배치되는 요소들(예컨대, 척이나 기판 등)의 질량이 증가하거나 감소하는 경우, 이에 대응하여 슬라이더(300)를 지지하는 힘을 조절할 수 있다. 이에 따라, 슬라이더(300)의 제3 방향(Z 방향)에 따른 평형위치를 용이하게 조절할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 모터 어셈블리(130)는 VCM일 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 모터 어셈블리(130)는 코일 베이스(131), 코일 어셈블리(132), 자석 어셈블리들(133), 및 자유단 지지 구조들(134)을 포함할 수 있다.
코일 베이스(131)는 모터 어셈블리(130)에 포함된 다른 구성 요소들을 지지하기 위한 구조일 수 있다. 코일 베이스(131)는 후술하듯 평행 판 스프링들(150) 및 고정단 지지 구조들(140)에 의해 베이스(110)에 연결될 수 있다. 코일 베이스(131)는 중앙부에 상기 중량 상쇄기(120)가 배치될 수 있도록 중공(中孔, central hollow portion)을 갖는 평판 형상을 가질 수 있다.
코일 어셈블리(132)는 코어(132a) 및 권선(132b)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 코어(132a)는 코일 베이스(131)의 중공을 따라 코일 베이스(131)로부터 제3 방향(Z 방향)으로 돌출될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 코어(132a)는 강자성체일 수 있으며, 코일의 인덕턴스 값을 설정하기 위한 소정의 투자율을 가질 수 있다. 코어(132a)는 중량 상쇄기(120)를 둘러쌀 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 코어(132a)는 상면과 하면의 모서리는 라운드진 사각 형상을 가질 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 일부 실시예들에 따르면, 코어(132a)는 중량 상쇄기(110)를 둘러싸도록 내부 공간을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 코어(132a)는 상면 및 하면이 열린 속이 빈 사각 기둥일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 예컨대, 코어는 속이 빈 원기둥 형상, 타원 형상 또는 다각 기둥형상 또는 불규칙한 기둥 형상일 수 있다.
권선(132b)은 코어(132a)의 외측벽 상에 감길 수 있다. 권선(132b)을 통해 전류가 전도될 수 있으며, 이 때 코일 어셈블리(132) 주위에 자기장이 형성될 수 있다. 코일 어셈블리(132)에 의해 형성된 자기장에 의해 자석 어셈블리(133)에 로렌츠 힘이 작용될 수 있다. 자석 어셈블리(133)는 슬라이더(300)에 연결될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면 모터 어셈블리(130)는 자석 어셈블리(133)에 작용하는 제3 방향(Z 방향) 힘을 이용하여 슬라이더(300)를 제3 방향(Z 방향)으로 구동시킬 수 있다. 이하에서 설명의 편의상 슬라이더(300)의 구동을 위해 자석 어셈블리(133)에 작용하는 힘을 추력으로 지칭한다. 일부 실시예들에 따르면, 추력은 스텝 함수 형태를 가질 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
여기서 도 3을 참조하여 자석 세트들(MS)에 대해 설명하도록 한다. 도 3은 일부 실시예들에 따른 자석 어셈블리(133)에 포함된 자석 세트들(MS)을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 2b 및 도 3을 참조하면, 자석 어셈블리(133)는 서로 이격되어 배치된 복수개의 자석 세트들(MS)을 포함할 수 있다. 복수개의 자석 세트들은 코어(132a)의 각각의 가장자리들과 평행하게 배치될 수 있다. 자석 세트들(MS)은 제1 내지 제4 자석들(M1, M2, M3, M4)을 포함할 수 있다. 제1 내지 제4 자석들(M1, M2, M3, M4)은 각각 제1 방향(X 방향) 또는 제2 방향(Y 방향)을 따라 길게 연장될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 한 쌍의 자석 세트들(MS)은 제1 방향(X 방향)을 따라 연장될 수 있고, 다른 한 쌍의 자석 세트들(MS)은 제2 방향(Y 방향)을 따라 연장될 수 있다.
도 2a 내지 도 3에서 자석 세트들(MS)이 각각 4개의 자석들을 포함하는 것으로 도시되었으나. 이에 제한되는 것은 아니다. 예컨대 자석 세트들(MS)이 1개 내지 3개 또는 5개 이상의 자석들을 포함하는 것도 가능하다. 일부 실시예들에 따르면, 인접한 자석들은 동일한 극이 서로 대향하도록 배치될 수 있다. 예컨대 제1 자석(M1)의 N극이 윗 방향(즉 코일 베이스(131)로부터 멀어지는 방향)을 향하고 S 극이 아랫 방향(즉 코일 베이스(131)를 향하는 방향)을 향하도록 배치된 경우, 제1 자석(M1)에 인접하고 제1 자석(M1) 아래에 배치된 제2 자석(M2)은 S 극이 윗 방향을 향하고, N 극이 아랫 방향을 향하도록 배치될 수 있다.
다시 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 자유단 지지 구조들(134)은 코일 베이스(131)에 연결되고, 코일 베이스(131)로부터 제3 방향(Z 방향)으로 돌출될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면 자유단 지지 구조들(134)은 평행 판 스프링들(150)과 연결될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면 자유단 지지 구조들(134)은 코일 베이스(131)의 상면 및 하면으로부터 제3 방향(Z 방향)으로 돌출될 수 있다. 이에 따라, 자유단 지지 구조들(134)의 상면 및 하면에 각각 평행 판 스프링들(150)이 연결될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 코일 베이스(131) 및 코일 어셈블리(132)는 자유단 지지 구조들(134) 및 평행 판 스프링들(150)을 통해 고정단 지지 구조들(140)에 연결될 수 있다. 이에 따라 코일 베이스(131) 및 코일 어셈블리(132)는 베이스(110)에 대해 자석 어셈블리(133)에 비해 상대적으로 작은 진폭으로 상대 운동할 수 있다.
평행 판 스프링들(150)은 일종의 리프 스프링일 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 평행 판 스프링들(150)은 제1 방향(X 방향) 또는 제2 방향(Y 방향)으로 연장될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 평행 판 스프링들(150)은 베이스(110)와 실질적으로 평행할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면 각각의 평행 판 스프링들(150)은 코어(132a)의 가장자리들 중 어느 하나에 인접하게 배치될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면 각각의 평행 판 스프링들(150)은 코어(132a)의 가장자리들 중 어느 하나와 실질적으로 평행하게 연장될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 자유단 지지 구조들(134) 및 고정단 지지 구조들(140)은 코어(132a)의 라운드진 코너에 인접하게 배치될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 자유단 지지 구조들(134)은 코어(132a)의 코너들 중 서로 대각에 위치한 코너들에 인접하게 배치될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 고정단 지지 구조들(140)은 코어(132a)의 코너들 중 서로 대각에 위치한 코너들에 인접하게 배치될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 평행 판 스프링들(150)은 고정단 지지 구조들(140)의 상부 및 하부를 각각 자유단 지지 구조들(134)의 상부 및 하부에 연결시킬 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 평행 판 스프링들(150)은 고정단 지지구조들(140)의 하부 및 자유단 지지 구조들(134)의 하부에 연결되거나, 고정단 지지구조들(140)의 상부 및 자유단 지지 구조들(134)의 상부에 연결될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 고정단 지지 구조들(140)은 서로 대각에 위치한 자유단 지지 구조들(134) 각각에 연결될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 자유단 지지 구조들(134)은 평행 판 스프링들(150)에 의해 서로 대각에 위치한 고정단 지지 구조들(140) 각각에 연결될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면 두 개의 평행 판 스프링들(150)이 하나의 자유단 지지 구조(134)를 하나의 고정단 지지 구조(140)와 연결시키는 것으로 도시되었으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예컨대 한 개, 또는 세 개 이상의 평행 판 스프링들이 하나의 자유단 지지 구조를 하나의 고정단 지지 구조와 연결시킬 수 있다.
하나의 자유단 지지구조(134)와 하나의 고정단 지지구조(140)를 연결하는 평행판 스프링들(150)은 서로 제3 방향(Z 방향)으로 이격되고 제3 방향(Z 방향)으로 서로 중첩되도록 배치될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면 코일 베이스(131), 코어(132a) 및 자유단 지지 구조(134)는 일체형으로 형성될 수 있다. 하지만 이에 제한되는 것은 아니고, 코일 베이스(131), 코어(132a) 및 자유단 지지 구조(134)는 별도의 구성일 수 있다.
모터 어셈블리(130)가 슬라이더(300)를 제3 방향(Z 방향)으로 구동시킬 때, 베이스(110) 및 코일 베이스(131) 상에 반력(reaction force)이 작용할 수 있다. 이때, 평행 판 스프링들(150)은 코일 스프링으로 모델링하여 해석할 수 있는바, 근사적으로 모터 어셈블리(130)가 베이스(110)에 대한 단진동 운동을 하는 것으로 해석될 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 예컨대, 평행 판 스프링들(150)의 댐핑을 고려하여, 모터 어셈블리(130)와 베이스(110)의 상대 운동의 주파수 응답 특성이 코시 분포를 따르는 것으로 해석할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면 평행 판 스프링들(150)은 저역 통과 필터(Low pass filter, 이하 LPF)일 수 있다. 평행 판 스프링들(150)이 LPF라 함은, 평행 판 스프링들(150)의 공진 주파수인 제2 공진 주파수가 충분히 낮음을 의미할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면 제2 공진 주파수는 제1 공진 주파수보다 더 클 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 제2 공진 주파수는 약 10Hz 내지 약 20Hz일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 일부 실시예들에 따르면, 제1 및 제2 공진 주파수는, 제1 공진 주파수를 중심 주파수로 하는 슬라이더(300)와 베이스(110) 사이의 운동의 주파수 응답 특성의 분포와 제2 공진 주파수를 중심 주파수로 하는 코일 베이스(131)와 베이스(110) 사이의 운동의 주파수 응답 특성의 분포가 서로 충분히 이격되도록, 주파수 영역의 서로 이격된 위치에 존재할 수 있다.
예컨대, 슬라이더(300)와 베이스(110)의 진동 운동의 차단 주파수들 각각은 코일 베이스(131)와 베이스(130)의 진동 운동의 차단주파수들 각각 보다 더 작을 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 여기서 차단 주파수는 공학적으로 진동 운동이 발생하지 않는 것으로 파악하는 주파수를 의미하며, 예컨대, 주파수 응답에서 공진 시 응답의 절반의 크기를 나타내는 주파수들을 기준할 수 있다. 제1 공진 주파수와 제2 공진 주파수 값을 충분히 분리함으로써, 슬라이더(300)와 베이스(110) 통과 대역(예컨대, 공진시 응답의 절반 이상의 크기인 주파수 대역)과 코일 베이스(131)와 베이스(130) 통과 대역의 중첩으로 인해 베이스(110) 또는 코일 베이스(131)에 진폭이 큰 저주파 진동이 나타나는 것을 방지할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 슬라이더 연결 구조(160)는 플렉셔(flexure) 장치일 수 있다. 슬라이더 연결 구조(160)는 속이 빈 원통형 케이스에 서로 대향하고 제1 방향(X 방향)으로 연장하는 홈들 및 서로 대면하고 제2 방향(Y 방향)으로 홈들을 포함할 수 있다. 제1 방향(X 방향)으로 연장하는 홈들과 제2 방향(Y 방향)으로 홈들은 제3 방향(Z 방향)을 따라 서로 교번하여 형성될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면 슬라이더 연결 구조(160)는 슬라이더(300)가 베이스(110)에 대해 제3 방향(Z 방향) 병진 운동, 방위각(여기서, X, Y 평면상의 편각을 의미한다) 회전, 극 각(여기서, Z 축에 대한 편각을 의미한다) 회전에 대한 자유도를 갖도록 구성된다. 일부 실시예들에 따르면, 슬라이더 연결 구조(160)는 피봇 베어링일 수 있다.
여기서, 플렉셔 장치는, 특정한 자유도를 준수하도록 설계된 유연 엘레멘트, 또는 이들의 조합을 의미한다. 다수의 부품의 표면 상호 작용에 의해 자유도가 부여되는 볼 베어링과 달리, 플렉셔 장치의 자유도는 유연한 요소의 굽힘 및/또는 비틀림에 의존한다. 슬라이더 연결 구조(160)가 플렉셔 장치로 구현되는 경우 해상도 한계 범위의 미세 제어를 달성할 수 있다.
도 4a 및 4b는 대조예에 따른 척 구동 장치의 동작 특성을 설명하기 위한 개략적인 도면들이다. 보다 구체적으로, 도 4a는 대조예에 따른 척 구동 장치(20)에 포함된 구성 요소들 사이의 역학 관계를 설명하기 위한 개략적인 개념도이고, 도 4b는 종래 척 구동 장치(20)의 문제점을 설명하기 위하여 대조예의 척 구동 장치(20)에 포함된 베이스와 슬라이더의 시간에 따른 상대 거리 함수를 퓨리에 변환한 그래프이다.
도 4a를 참조하면, 대조예의 척 구동 장치(20)는 베이스(BS), 베이스(BS) 상에 배치된 가이드(GD) 및 슬라이더(SL), 가이드(GD)에 연결되어 슬라이더(SL) 및 그에 결합된 요소들의 중량을 지지하는 코일 형태 스프링인 중량 상쇄기(WC)를 포함한다. 중량 상쇄기(WC)는 스프링으로 모델링 되었으며 가이드(GD)와 슬라이더(SL) 사이의 상호작용은 평행 스프링(PS)으로 모델링 되었다. 또한 도시되지 않았으나, 척 구동 장치(20)는 슬라이더를 구동하기 위한 VCM 등의 구동 장치를 포함할 수 있다. 도 4a에서는 구동 장치에 의해 발생하여 슬라이더에 작용하는 추력 및 이에 의한 베이스에 작용하는 반력이 양쪽 화살표로 도시되었다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 대조예의 척 구동 장치(20)에 포함된 베이스(BS)와 슬라이더(SL) 사이의 상대 거리 응답이 노치(notch) 주파수(fn)에서 노치를 보이는 것을 확인할 수 있다. 일반적으로, 베이스(BS) 상에 배치된 슬라이더(SL)를 베이스(BS)에 대해 상대적으로 구동시키는 경우, 반력으로 인해 베이스(BS) 및 척 구동 장치(20) 전체에 의도치 않은 섭동인 외란이 발생할 수 있다. 따라서, 의도한 위치로 슬라이더(SL)를 구동시키기 위해 외란에 의한 슬라이더(SL) 레벨의 오차를 보정할 필요성이 있다. 이하에서는, 설명의 편의상 외란에 의한 슬라이더(SL) 레벨의 오차를 간단히 레벨 오차로 지칭한다.
대조예의 척 구동 장치(20)에 포함된 구동 장치는 레벨 오차를 보정하기 위해 슬라이더(SL) 추가적인 추력을 인가하게 되는데, 상기 추가적인 추력은 계단 함수 형태가 아닌 정현파 함수로 인가될 수 있다. 이때 대조예의 척 구동 장치(20)는 외란을 보정하기 위해 노치 주파수(fn) 근방의 주파수를 이용할 수 없는 문제점이 있다. 이러한 노치는, 베이스(BS)와 슬라이더(SL)의 위상이 반대가 되어 베이스(BS)가 슬라이더(SL)의 반대 방향으로 운동할 때 나타날 수 있다.
또한, 종래의 반도체 처리 장치의 진폭 응답은 노치 주파수(fn)로부터 이격된 고주파 대역에서 큰 값을 갖는 것을 확인할 수 있다. 고주파 대역의 진폭 응답을 저주파 대역의 정현파 추력으로 보정하는 것은 어려우므로, 대조예의 척 구동 장치(20)는 고주파 대역의 외란을 보정하기 위해 지나치게 큰 주파수의 추가적인 추력이 요구되는 문제점이 있었다. 나아가, 진동 운동은 주파수의 제곱에 비례하는 에너지를 가지므로, 대조예의 척 구동 장치(20)에서는 큰 에너지를 갖는 외란이 발생할 수 있다. 이러한 고 에너지의 외란으로 인해 척 구동 장치(20)의 정밀 제어 특성이 악화되는 문제점이 있었다.
도 5a 및 5b는 일부 실시예들에 따른 척 구동 장치(10)의 동작 특성을 설명하기 위한 개략적인 도면들이다. 보다 구체적으로, 도 5a는 일부 실시예들에 따른 척 구동 장치에 포함된 구성 요소들 사이의 역학 관계를 설명하기 위한 개략적인 개념도이고, 도 5b는 일부 실시예들에 따른 척 구동 장치(10)에 포함된 베이스(110)와 슬라이더(300)의 시간에 따른 상대 거리 함수를 퓨리에 변환한 그래프이다.
도 5a를 참조하면, 도 4a와 유사하게 중량 상쇄기(120) 및 리프 스프링들(150)은 코일 스프링으로 모델링 되었고, 가이드(200)와 슬라이더(300) 사이의 에어 베어링 방식의 상호 작용 또한 평행 스프링(PS)로 모델링 되었다.
모터 어셈블리(130)에 의한 추력 및 반력은 양쪽 화살표로 표시되었다. 모터 어셈블리(130)의 구동에 의해 자석 어셈블리(133) 및 슬라이더(300)에 추력이 작용하고, 베이스(110) 및 코일 베이스(131)에 반력이 작용할 수 있다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 중량 상쇄기(120)와 평행 판 스프링들(150)이 LPF(예컨대 수동 LPF)의 역할을 하므로, 외란 중 고주파 성분이 베이스(110)에 전달되는 것을 방지할 수 있다. 따라서 베이스(110)와 슬라이더(300)의 시간에 따른 상대 거리의 고주파 대역 성분이 상대적으로 작을 수 있고, 상대적으로 낮은 주파수를 갖는 추력을 이용하여 레벨 오차를 보정할 수 있다. 또한, 상대적으로 큰 에너지를 갖는 고주파 대역의 외란을 차단함으로써, 슬라이더(300)와 베이스(110)의 상대 위치 제어 특성을 제고시킬 수 있다.
또한 도 4b에서 설명한 노치는 베이스(110)가 슬라이더(300)와 반대 위상을 갖고 비슷한 크기의 진폭으로 운동할 때 나타날 수 있는데, 전술했듯 일부 실시예들에 따른 척 구동 장치(10)는 외란 중 고주파 대역 성분이 베이스(110)로 전달되는 것을 차단할 수 있다. 이에 따라, 베이스(110)와 슬라이더(300) 사이의 상대 거리의 주파수 응답이 고주파 대역에서 노치를 갖지 않으므로, 레벨 오차의 보정을 위해 더욱 다양한 주파수 대역의 추력을 사용할 수 있다. 이에 따라 슬라이더(300)의 위치 및 동작 특성 제어의 정밀도를 제고할 수 있다.
도 6a는 일부 실시예들에 따른 기판 처리 장치(1)를 설명하기 위한 개략적인 개념도이다.도 6a를 참조하면, 일부 실시예들에 따른 기판 처리 장치(1)는 도 1 내지 도 2b를 참조하여 설명한 척 구동 장치(10), 척(CHK), 광원(LS), 패터닝 마스크(MSK), 광학계(OS) 및 챔버(CB)를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 기판 처리 장치(1)는 노광 장치일 수 있다. 기판 처리 장치(1)는 감광제가 도포된 기판(W) 상에 설정된 광을 노광하여 회로 패턴을 형성할 수 있다. 기판 처리 장치(1)는 형성하고자 하는 회로 패턴 정보를 포함하는 노광 빔을 기판(W) 상에 투사할 수 있다. 도 6을 참조하면 투사 광학계 및 척 구동 장치(10)를 포함하는 기판 처리 장치(1)가 도시되었으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예컨대, 반사 광학계 및 도 1 내지 도 2b에서 설명한 척 구동 장치(10) 포함하는 기판 처리 장치가 제공되는 것도 가능하다. 기판 처리 장치(10)는 스텝퍼 방식, 또는 스캐너 방식 중 어느 하나의 방식으로 기판(W)을 노광할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면 챔버(CB)는 기판(W)을 처리하기 위한 공정이 수행되는 내부 공간을 제공할 수 있다. 챔버(CB)는 기판(W)이 처리가 수행되는 공간을 외부와 분리하여 기판(W)의 처리에 적합한 분위기 및 환경을 제공할 수 있고, 기판(W)의 오염을 방지할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 챔버(CB)는 내부 공간의 상단의 적어도 일부를 닫는 광학 창(W)을 더 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 광학 창(W)은 공정에 사용되는 광(Li)의 주파수 대역을 선택적으로 통과시킬 수 있는 물질로 형성될 수 있다. 광학 창(W)은 예컨대 석영(quartz) 등의 물질로 형성될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
도 1a 내지 도 2b를 참조하여 설명한 것과 마찬가지로, 척 구동 장치(10) 상에 척(CHK)이 연결되고, 척(CHK) 상에 기판(W)이 실장될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 광원(LS)은 예컨대, 자외선, 엑시머 레이저 빔, EUV 광 (극 자외선), X 선 또는 전자선 등의 광(Li)를 방출할 수 있다. 파선의 화살표로 도시된 것은 광원(LS)에 의해 방출된 광(Li)이다.
레티클 등의 마스크 패턴(MSK)를 투과한 광(Li)은 회로 패턴 정보를 얻을 수 있다. 일부 실시예들에 따르면 마스크 패턴(MSK)를 소정의 구동 장치에 연결되어 제1 방향(X 방향)또는 제2 방향(Y 방향)으로 이동할 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
일부 실시예들에 따르면 광학계(OS)는 기판(W)에 도달한 광이 설정된 파면 및 빔 형상을 갖도록 하는 복수의 요소들로 구성될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면 광학계(OS)는 대역 차단 필터, 빔 확대경, 빔 마스크, 렌즈, 반사경, 빔스플리터 중 일부를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 광학계(OS)는 광(Li)을 확대 투사하거나 축소 투사할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 광학계(OS)는 광(Li)을 소정의 위치로 포커싱할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 기판(W)의 노광면에 대한 광로 정렬에 오차가 발생하여, 기판에 형성되는 패턴의 선폭에 오차가 발생할 수 있다. 예를 들어 스캔 노광을 할 경우, 스캔 노광을 하면서 실시간으로 상술한 기판의 휨이나 굴곡을 계측하고 이 계측 결과에 대응하여 척(CHK) 상의 기판을 구동할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 척 구동 장치(10)의 동적 제어 특성이 개선되는바, 기판 처리 장치(1)의 신뢰도가 제고될 수 있다.
도 6b는 일부 실시예들에 따른 기판 검사 장치(2)를 설명하기 위한 개략적인 개념도이다.
설명의 편의상 도 6a와 중복되는 것은 생략하고 차이를 위주로 기술하도록 한다.
일부 실시예들에 따르면 기판 검사 장치(2)는 도 1 내지 도 2b를 참조하여 설명한 척 구동 장치(10), 척(CHK), 측정용 광학계(OSD), 및 챔버(CB)를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면 측정용 광학계(OSD)는 측정용 광(Li)을 방출하는 광원(LS) 및 기판으로부터 반사된 광을 수광하는 검출기(DT)를 포함할 수 있다. 하지만 이에 제한되는 것은 아니고, 경우에 따라 측정을 위한 별도의 광원이 제공되지 않고, 광원(LS)이 생략되는 것도 가능하다. 이 경우 반사된 자연광 또는 기판으로부터 방출되는 적외선광 등을 이용하여 기판의 특성을 측정할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면 측정용 광학계(OSD)는 기판(W)에 대한 다양한 비파괴 검사를 수행할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면 측정용 광학계(OSD)는 기판(W) 상에 형성된 층의 두께를 측정할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면 측정용 광학계(OSD)는 기판(W)의 임계 선폭이나 중간 층(즉, 최상층이 아닌 층)의 두께를 측정할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면 측정용 광학계(OSD)는 기판(W)에 형성된 층 사이의 정렬 오차인 오버레이 오차를 측정할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 측정용 광학계(OSD)가 별도의 오토 포커싱 모듈을구비하지 않는 경우에도, 척 구동 장치(10)에 의한 척의 정밀 제어가 가능한바, 기판 검사 장치(2)의 신뢰도가 제고될 수 있다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 예시적인 실시예들이 개시되었다. 본 명세서에서 특정한 용어를 사용하여 실시예들을 설명되었으나, 이는 단지 본 개시의 기술적 사상을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 개시의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 개시의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 구동 장치, 110: 베이스, 120: 중량 상쇄기, 130: 모터 어셈블리
131: 코일 베이스, 132: 코일, 133: 자석 어셈블리, 134: 자유단 지지 구조
150: 평행 판 스프링, 140: 고정단 지지 구조, 200: 가이드, 300: 슬라이더

Claims (10)

  1. 제1 및 제2 방향으로 연장되는 평판 형상의 베이스;
    상기 베이스 상에 배치되고, 상기 제1 및 제2 방향에 수직한 제3 방향으로 이동할 수 있도록 구성된 슬라이더;
    상기 베이스로부터 상기 제3 방향으로 돌출된 복수개의 고정단 지지 구조들;
    상기 베이스 상에 배치되고 상기 슬라이더를 상기 제3 방향으로 지지하는 공압 실린더;
    상기 베이스의 상면과 평행한 복수개의 평행 판 스프링들; 및
    상기 베이스 상에 배치되고 상기 공압 실린더를 둘러싸며 상기 슬라이더를 제3 방향으로 구동시키는 모터 어셈블리를 포함하되,
    상기 모터 어셈블리는,
    상기 공압 실린더의 측면을 둘러싸는 중공을 갖는 평판 형태의 코일 베이스;
    상기 코일 베이스 상에 배치되고, 상기 공압 실린더의 측면을 둘러싸는 코일 어셈블리; 및
    상기 코일 어셈블리의 일부를 둘러싸는 자석 어셈블리;를 포함하고,
    상기 코일 베이스는 상기 코일 베이스의 상면 및 하면으로부터 상기 제3 방향으로 돌출된 자유단 지지 구조들을 포함하고,
    상기 복수개의 평행 판 스프링들은 각각 상기 자유단 지지 구조들과 상기 복수개의 고정단 지지 구조들을 연결시키는 것을 특징으로 하는 척 구동 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 코일 어셈블리는 상기 공압 실린더가 배치될 수 있는 내부 공간을 포함하는 코어 및 상기 코어 상에 감긴 도전성의 권선을 포함하는 것을 특징으로 하는 척 구동 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수개의 평행 판 스프링들은 로우패스 필터인 것을 특징으로 하는 척 구동 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 복수개의 평행 판 스프링들의 공진 주파수는 10Hz 내지 20Hz인 것을 특징으로 하는 척 구동 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 복수개의 평행 판 스프링들은 상기 코일 어셈블리를 둘러싸는 것을 특징으로 하는 척 구동 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 복수개의 평행 판 스프링들은 제1 방향 또는 제2 방향으로 길게 연장하는 평판 형상인 것을 특징으로 하는 척 구동 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 복수개의 평행 판 스프링들 중 일부는 상기 제3 방향으로 이격되고 상기 제3 방향으로 서로 중첩되도록 배치된 것을 특징으로 하는 척 구동 장치.
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 베이스 상에 배치되고, 상기 슬라이더를 둘러싸는 가이드를 더 포함하고, 상기 가이드는 에어 베어링에 의해 상기 슬라이더의 운동을 조절하도록 구성된 것을 특징으로 하는 척 구동 장치.

KR1020180111597A 2018-09-18 2018-09-18 척 구동 장치 및 기판 처리 장치 KR102653016B1 (ko)

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