KR20030033744A - 레이저를 이용한 초미세 위치제어기술 - Google Patents

레이저를 이용한 초미세 위치제어기술 Download PDF

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Abstract

① 발명에 속한 기술분야
레이저를 이용한 초미세 위치제어기술은 초정밀 위치결정의 최첨단 나노테크날로지의 한 분야이다.
② 발명의 목적
초정밀 위치결정 기구는 정밀 가공기, 정보기기, 계측기기, 반도체 제조장치 등의 각종 산업기기에 있어 중요한 장치로 많이 이용되고 있다. 현재는 각 분야에서 고정도가 요구되고 있어 이에 대응할 수 있는 고 정밀 미동제어 위치결정 기구에 대한 필요성이 대두되고 있다.
이러한 초정밀 위치결정 제어를 하기위해 레이저를 이용하여 피드백 시스템을 구성하고, 반도체 제조장비 및 초정밀 가공기에 장착하여 초정밀 위치제어를 하기 위한 것 발명의 목적이다.
③ 발명의 구성
초정밀 위치결정기구의 고속, 대 스트로크 이동을 위해 AC Servo Motor와 Lead Screw System을 이용하고 아주 미세한 이동을 하기위해 PZT(Piezo Actuator)와 힌지를 이용한다. 그리고 변위 피드백은 레이저 인테페로메터를 이용하여 변위를 측정하고 이를 실시간으로 피드백 한다.
이렇게 두 개의 다른시스템을 응용하여 서브 미크론의 빠르고 정밀한 위치제어를 실현하고자 한다.
④ 발명의 효과
기존의 위치결정 시스템은 한 개의 시스템만을 이용하여 빠르고 아주 미세한 운동은 시현하지 못했다. 볼스크류와 서보 모터를 이용한 시스템과 리니어모터를 이용 시스템 등은 본 기술에서 제한한 위치결정정도는 실현할수 없다.
따라서 본 기술로서 반도체 분야의 초정밀 스테이지 설계 및 제작기술 방안 확립과 액츄에이터 제작 및 활용기술과 정밀조립 및 베어링 설계기술의 향상도모하고, 미세가공분야에 적합한 위치결정기구의 설계 기술력 확보가 가능하며, 반도체 제조 및 검사장비용 스테이지 설계요건 강화될 것이다.

Description

레이저를 이용한 초미세 위치제어기술{Technology for Ultra Precsion Position Control Usig Laser}
◆ 발명의 목적
초정밀 위치결정 기구는 정밀 가공기, 정보기기, 계측기기, 반도체 제조장치 등의 각종 산업기기에 있어 중요한 장치로 많이 이용되고 있다. 현재는 각 분야에서 고정도가 요구되고 있어 이에 대응할 수 있는 고 정밀 미동제어 위치결정 기구에 대한 필요성이 대두되고 있다.
이러한 초정밀 위치결정 제어를 하기위해 레이저를 이용하여 피드백 시스템을 구성하고, 반도체 제조장비 및 초정밀 가공기에 장착하여 초정밀 위치제어를 하기 위한 것 발명의 목적이다.
◆ 발명이 속하는 분야
레이저를 이용한 초미세 위치제어기술은 초정밀 위치결정의 최첨단 나노테크날로지의 한 분야이다.
레이저를 이용한 초미세 위치제어기술은 초정밀 기계가공기술과 센서응용기술, 정밀 측정기술, Laser간섭계 적용기술 등이 복합적으로 요구되는 연구분야이다. 단순한 정밀측정기술이 요구되는 것이 아니라 복합적인 여러 분야의 기술이 필수적이다. 초정밀·초 미세가공을 바탕으로 위치결정의 고정도화가 요구되고 위치결정기구의 초정밀 구동을 위한 마찰 구동 기구와 안내면의 개발이 필요하다. 더불어 유정압 및 공기정압 안내면 설계기술, 커플링 설계기술, Servo motor 및 Actuator를 사용한 Dual Servo 설계 기술, Laser간섭계 및 광학 해석기술이 필요하다. 이러한 고정도의 위치 및 자세 결정 기술은 차세대 초고밀도 집적회로(ULSI:Ultra Large Scale Integrated Circuit) 제조 장치의 일부인 반도체 제조 검사장비용 스테이지의 병진 운동과 회전운동을 동시에 제어할 수 있는 미동기구의 제작과 나노미터급 극 미세구조의 위치, 형상, 치수의 어느 것이나 제어성 있게 가공되는 조·미동 제어기술의 연계개발로 최소한의 변수 이용과 연동제어 방식을 통하여 이를 실용화함으로써 반도체관련 정보통신분야, 생체공학, 의학 관련분야 등에 적용되는 유연하고 정밀한 작업을 필요로 하는 로봇 산업에 있어서 다양한 응용이 가능하리라 본다. 특히 반도체 노광장비 및 웨이퍼 검사장비 등의 반도체 분야를 포함하여 초정밀 측정기, 초정밀 가공기 제작 분야에 직접적으로 적용될 수 있는 기술이다.
◆ 그분야의 종래의 기술
종래기술
국내에서는 간섭계와 정전 용량센서를 이용하여 초정밀 위치 제어 기술법을 이용한 연구 개발은 다소 이루어지고 있다. 하지만 종래에는 stepping Motor나 Servo Motor만을 이용한 위치 결정기구가 많이 사용되어 왔다. 이는 0.1μm이하의 고분해능과 고정도화를 실현하는 데는 어려움이 많았다.
종래의 문제점
① Stepping Motor나 Servo Motor만을 이용한 위치 결정기구를 구성하였기 때문에 위치결정 분해능이 서브미크론의 구현은 힘들다.
② 변위측정 및 피드백 센서를 앤코더를 대부분 사용하였기 때문에 이또한 고정도 분해능 구현은 힘들다.
③ 이러한 시스템은 반도체 제조장치나 초정밀 가공분야의 장비에는 응용하기가 어렵다.
일반적으로 많이 사용하는 위치결정기구로는 이송 나사식, 마찰구동식, 벨트식이 있다. 이들은 큰 가동 범위를 갖고 고속으로 위치결정이 가능하며 큰 부하에 대응할 수 있는 장점을 가지는 반면에 고정도 위치 결정이 곤란한 단점이 있다. 압전소자와 힌지를 이용한 미세운동기구는 고정도의 위치 결정이 가능하지만 스트로크가 짧고 작은 부하에 적합하다. 따라서 이러한 두 시스템을 응용하여 초정밀 위치결정기구를 구성한다. 이를 실용화하기 위해서는 고정도와 함께 큰 스트로크를 가지며,동시에 고속 동작을 실현 가능하다.
본 발명에서는 고속, 대스트로크 이동 시스템에는 나사와 더블너트로 구성된 이송나사기구(Lead Screw)를 구성하며 미세 운동기구로는 탄성 힌지를 이용하여 구성하고 각각의 구동기(Actuator)로는 AC 서보모터와 압전소자를 이용한다. 1자유도에 대해 2종류의 기구를 이용하여 고속, 대 스트로크 위치결정과 변위 분해능을 높이는 초정밀위치결정을 병행하여 실시한다. 이렇게 가동 범위가 서로 다른 두 종류의 엑츄에이터를 이용하기 위해 연동 제어방식을 채택, 고속, 대 스트로크 동작이 실시되는 도중에 미세운동기구의 위치결정동작을 실시한다. 또한 지능형 계측시스템은 레이저 인테페로메터 이용하여 변위를 측정하고, 제어기(Controller)로는 디지털신호처리시스템(DSP)을 이용하여 고속, 대 스트로크 및 미세운동기구의 위치 제어를 실시하고 또한 이를 통하여 초정밀위치결정기구에 대한 유효성을 확인하고 레이저를 이용한 초미세위치제어를 구현 하고자 한다.
이에 본 발명에서는 위와 같은 응용분야와 첨단 Sensing 기술들을 복합하여 고속, 대 스트로크 이송 기구는 제어대상을 약 150mm의 범위를 600mm/s의 고속으로 목표치 부근에 위치결정을 실시하는 것을 목적으로 하고, 미세이송기구는 탄성힌지의 마이크로 스테이지를 구성하고, 압전소자에 의해 구동시켜 약 ±5μm의 구동 범위에 5 ∼ 10nm 이내의 위치결정도를 갖도록 한다. 이 때 레이저 피드백을 통해 초정밀 위치결정기구는 고속, 대 스트로크이동과 미세운동을 동시에 제어되도록 하고 연동동작중에 미세운동기구의 변위가 스트로크 범위를 넘지 않도록 주의해서 설계하도록 한다. 결과적으로 초정밀위치결정기구의 연동제어에 의한 1출력의 미세위치결정을 하고, 10nm 이하의 위치결정 분해능을 얻으면서 대 스트로크의 위치결정을 가능하게 하고자 한다.
도 1은 초정밀위치결정 시스템의 개략도 이다.
초정밀위치결정기구는 고속, 대스트로크 위치결정기구와 그 위에 고정시킨 미세위치결정기구로 구성된다. 고속, 대스트로크 위치결정기구에는 이송나사(Lead Screw) 기구를 선택하였다. 이송나사 기구는 볼스크류(Ball Screw)와 더블 너트(Double Nut)로 구성되어 있고, AC서보 모터에 의해 구동시킨다. 미세위치결정기구는 탄성 흰지의 마이크로 스테이지를 구성하고, 압전소자에 의해 구동시킨다.
초정밀위치결정기구 시스템에서 위치결정을 위한 변위 측정 및 피드백 센서로는 레이저 인터페로메터(Laser Interferometer)을 이용하여 변위를 측정하고 실시간 피드백한다. 제어시스템으로는 디지털 신호처리시스템(DSP)을 사용한다.
도 2는 고속, 대스트로크 위치결정기구의 설계도면이다.
도 3은 초미세위결정기구의 설계도면이다.
도 4는 연동제어계의 블록선도이다.
연동제어계는 고속, 대스트로크 스테이지 위에 초미세 운동기구의 베이스(Base)를 체결하여 구성하다. 연동제어 구동은 고속, 대스트로크 스테이지가 목표지점까지 이송운동을 하면서 위치에러를 초미세 운동기구 PZT 액튜에이터(Actuator)로서 초정밀 스테이지를 이송하여 보상해 주거나 고속, 대스트로크 스테이지를 목표지점에 보낸 후 이때의 위치에러를 미동 스테이지의 PZT 액튜에이터(Actuator)가 보상해주는 구조로 이루어지게 된다.
① 장비구성
본 기구는 고속, 대스트로크 위치결정기구와 그 위에 고정시킨 미세위치결정기구로 구성된다. 고속, 대스트로크 위치결정기구에는 여러 가지 방식이 있지만 본 과제에서는 이송나사(Lead Screw) 기구를 선택하였다. 이송나사 기구는 볼스크류(Ball Screw)와 더블 너트(Double Nut)로 구성되어 있고, AC서보 모터에 의해 구동시킨다. 모터의 회전 운동은 더블너트식 볼 나사(리드 5mm, 외경19mm)에 의해 직선운동으로 변환되어 고속, 대스트로크 스테이지를 움직인다. 이동거리는 약 100mm이고 AC서보 모터는 구동용 서보앰프에 의해서 최대 약2A의 전류공급이 가능하고 고속, 대스트로크 스테이지를 약 600mm/s로 이동이 가능하다.
미세위치결정기구는 탄성 흰지의 마이크로 스테이지를 구성하고, 압전소자에 의해 구동시킨다. 구동범위는 ±10μm이다.
초정밀위치결정기구 시스템에서 위치결정을 위한 변위 측정 및 피드백 센서로는 레이저 인터페로메터(Laser Interferometer)을 이용하여 변위를 측정하고 실시간 피드백한다.
제어시스템으로는 디지털 신호처리시스템(DSP)을 사용한다. 이는 레이저 인터페로메터로 부터의 신호를 A/D변환하고 DSP의 메인 CPU에서 연산처리를 실시한 다음 D/A변환을 하여 AC서보 모터용 앰프로 출력한다.
다음 그림은 본 시스템의 개략도와 고속, 대스트로크 운동기구와 초미세운동기구의 도면이다.
② 연동제어계 구성
연동제어계는 고속, 대스트로크 스테이지 위에 초미세 운동기구의 베이스(Base)를 체결하여 구성하다. 연동제어 구동은 고속, 대스트로크 스테이지가 목표지점까지 이송운동을 하면서 위치에러를 초미세 운동기구 PZT 액튜에이터(Actuator)로서 초정밀 스테이지를 이송하여 보상해 주거나 고속, 대스트로크 스테이지를 목표지점에 보낸 후 이때의 위치에러를 미동 스테이지의 PZT 액튜에이터(Actuator)가 보상해주는 구조로 이루어지게 된다.
초정밀 운동스테이지 상에서는 변위 측정을 위한 레이저 옵틱스(Optics)가 설치되어 고속, 대스트로크 스테이지와 초정밀 미세운동의 이송이 함께 측정된다. 고속, 대스트로크 서보는 PC Based Controller를 통해서 출력된 구동 신호로 AC Servo Motor와 볼스크류(Ball Screw)를 이용하여 구동한다. 압전소자 구동기는 내적인 히스테리시스와 시간에 따른 드리프트(drift), 온도 변화에 따른 스테이지의 신장율등의 영향으로 개회로 제어시 반복성과 정확도에 문제가 많이 발생하므로 폐루프제어가 필수적이다. D/A Converter는 미세운동 스테이지의 구동 최소한 최소 이송운동을 결정하게 되므로 12 bit D/A Converter를 사용하기로 한다. 시스템은 ㎛이하의 분해능을 구현하고자 하며 동적인 폐루프 제어를 요하므로 PC Based Laser Interferometer를 이용한다.
레이저를 이용한 초미세 위치제어 기술은 이송기구 속도의 안정화를 위한 Dual Loop제어기술 등은 정밀 공작기계제작 및 정밀 측정기술부분에 직접적용이 가능하며 Laser Feedback 및 Linear Encoder에 의한 위치 결정기구의 제어기술과 보정기술등을 적용할 수 있다. 그리고 현 시점에서 가장 취약한 부분이라 볼 수 있는 위치결정기구의 열변형에 의한 이송오차 보정기술 및 고정도 위치결정·마찰구동기구설계 기술은 외국에 비하여 상대적으로 떨어지는 부분이며 자체기술을 보유하고 있지 못하기에 그 격차는 더욱 더 벌어질 전망이다. 원인을 분석하자면 기술개발에의 투자가 부족하고 해외 기술 의존도가 높기 때문이라 하겠는데, 기본 소자와 원재료의 수급이 불안정한 실정과 접목되어 자체 소자를 개발 하는 업체가 국내에 없기 때문에 악순환은 되풀이 된다고 생각된다. 따라서 본 기술이 국내 산업에 끼칠 영향은 대단하리라 판단되며, 보다 정밀한 측정 및 위치제어를 통하여 정보통신, 반도체, 의료기기 그리고 기타 산업 기술에의 적용으로 산업의 발달을 가져올 것으로 확신한다.

Claims (2)

  1. 고속, 대스트로크 이동을 위해 Lead Screw 시스템과 Servo Motor를 이용하고 초미세 운동을 하기위해 PZT(압전소자)와 힌지를 이용한 초정밀위치결정기구 구성 방법
  2. 제 1항에서 초정밀위치결정기구의 초미세 위치결정을 하기위해 고속, 대스트로크 이동과 미세운동의 연동제어 방법
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