KR20130021148A - 스테이지 ｚ축 구동장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 웨이퍼와 같은 피작업물이 놓여지는 스테이지를 Z축방향으로 이동시키기 위한 스테이지의 Z축 구동장치를 개시한다.
본 발명의 일 측면에 따른 스테이지 장치는 구동모터와, 상기 스테이지를 Z축방향으로 이동시키기 위한 복수의 승강장치와, 상기 복수 승강장치에 상기 구동모터의 동력을 전달하기 위한 동력전달장치와, 상기 동력전달장치와 상기 승강장치사이의 동력전달을 단속하기 위한 클러치를 포함한다.

Description

스테이지 Ｚ축 구동장치{Z-axis driving apparatus of stage}
본 발명은 웨이퍼와 같은 피작업물이 놓여지는 스테이지를 Z축방향으로 이동시키기 위한 스테이지의 Z축 구동장치에 관한 것이다.
스테이지는 웨이퍼 등의 피작업물이 놓여진 상태에서 식각, 증착, 노광공정 등의 공정이 진행되도록 하는 것으로, 필요에 따라 구동장치에 의해 피작업물의 수평을 유지 및 적정 높이를 맞추기 위하여 Z축 구동을 하게 된다.
이러한 스테이지의 Z축 구동장치는 스테이지의 Z축 구동을 위하여 스테이지 하부의 모서리 부분에는 다수의 승강기구가 설치되고, 각각의 승강기구에는 구동하기 위한 구동부가 각각 마련되며 편하중 등의 원인에 의하여 스테이지에 기울기가 발생할 경우 각 승강기구의 구동부를 제어하여 스테이지의 수평상태를 유지할 수 있도록 한다.
그러나, 이와 같이 각 승강기구마다 구동부를 마련하게 되면 각 구동부의 특성차이와 다축 제어로 인하여 정확한 제어가 어려울 수 있다. 또한, 스테이지의 자세 유지를 피드백 제어와 같이 자세의 검출 및 이에 따른 자세 보정의 방법으로 행하기 때문에 스테이지를 완전한 정적인 상태로 유지하는 것이 불가능하고 스테이지의 Z축 방향으로 큰 하중을 유지하게 어려울 수 있다. 또한, 자세유지를 위하여 지속적인 전원 공급이 필요한데, 이에 따른 발열은 시스템 전체의 성능 및 정확성을 저하시킬 수 있다.
본 발명의 일 측면은 스테이지의 정밀한 높이 조절 및 유지가 가능한 스테이지 Z축 구동장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 일 측면은 동력 소비 및 발열이 적은 스테이지 Z축 구동장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 스테이지 장치는 구동모터와, 상기 스테이지를 Z축방향으로 이동시키기 위한 복수의 승강장치와, 상기 복수 승강장치에 상기 구동모터의 동력을 전달하기 위한 동력전달장치와, 상기 동력전달장치와 상기 승강장치사이의 동력전달을 단속하기 위한 클러치를 포함한다.
상기 스테이지 Z축 구동장치는 상기 각각의 승강장치가 정지상태를 유지할 수 있도록 하는 제동장치를 더 포함한다.
상기 동력전달장치는 상기 구동모터의 구동축으로부터 동력을 전달받는 제1종동축과, 상기 제1종동축으로부터 동력을 전달받아 상기 복수의 승강장치 중 적어도 하나의 승강장치로 전달하기 위한 제2종동축을 포함한다.
상기 동력전달장치는 상기 구동모터의 구동축과 상기 제1 종동축사이에 연결되는 원동 웜기어를 더 포함한다.
상기 동력전달장치는 상기 제1종동축 및 상기 한 쌍의 제2종동축사이에 각각 연결되는 제1종동 웜기어를 더 포함한다.
상기 동력전달장치는 상기 각각의 승강장치와 상기 제2종동축사이에 연결되는 제2종동 웜기어를 더 포함한다.
상기 클러치는 상기 각각의 승강장치로 전달되는 동력을 독립적으로 단속할 수 있도록 상기 제1종동 웜기어와 상기 제2종동 웜기어 사이의 상기 제2종동축 상에 각각 설치된다.
상기 제동장치는 상기 승강장치와 상기 클러치 사이에 배치된다.
상기 승강장치는 롤러 스크류(Roller screw)를 포함한다.
본 발명에 따른 스테이지 Z축 구동장치는 스테이지를 Z축방향으로 이동시키기 위하여 상기 스테이지 하부에 배치되는 4개의 승강장치와, 구동모터와,
상기 승강장치에 상기 구동모터의 동력을 전달하기 위한 동력전달장치와, 상기 각각의 승강장치의 독립적인 구동을 위하여 상기 동력전달장치와 상기 각각의 승강장치사이의 동력전달을 단속하기 위한 클러치를 포함한다.
상기 각각의 승강장치가 독립적으로 정지상태를 유지할 수 있도록 하는 제동장치를 더 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스테이지 Z축 구동장치를 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1에 따른 스테이지 Z축 구동장치에 대한 측면도이다.
도 3은 도 1의 제2종동워엄기어와 승강장치의 결합관계를 나타낸 확대도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 스테이지 Z축 구동장치에 대한 측면도이다.
이하에서는 본 발명에 따른 일 실시예에 따른 스테이지 Z축 구동장치를 도면을 참조하여 설명한다.
도 1 내지 도 3에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 스테이지 장치(10)는 장치를 지지하는 스테이지 베이스(11)와, 스테이지 베이스(11) 위에 이동가능하게 설치되는 스테이지(12)와, 스테이지(12)의 Z축 이동을 위한 구동장치(20)를 포함한다.
스테이지 Z축 구동장치(10)는 동력원인 구동모터(21)와, 구동모터(21)로부터 동력을 받아 스테이지의 Z방향 이동을 유도하는 승강장치(40)와, 구동모터(21)의 동력을 승강장치(40)에 전달하는 동력전달장치(30)와, 승강장치(40)와 동력전달장치(30)사이의 동력전달을 단속하기 위한 클러치(50)와, 각각의 승강장치(40)가 정지상태를 유지할 수 있도록 하는 제동장치(60)를 포함한다.
구동모터(21)는 승강장치의 구동을 위한 동력을 공급하는 요소로, 제어부(미도시)에 의해 정밀한 제어가 가능하도록 서보 모터(servo motor) 또는 스테핑 모터(stepping motor)로 구성될 수 있다.
동력전달장치(30)는 구동모터(21)의 동력을 각 승강장치(40)로 전달하기 위하여, 구동모터(21)의 구동축(21a)으로부터 동력을 전달받는 제1종동축(32)과, 제1종동축(32)으로부터 동력을 전달받아 후술할 4개의 승강장치(40) 중 두 개의 승강장치(40)로 각각 전달하기 위한 한 쌍의 제2종동축(34)을 포함한다.
또한, 구동모터(21)의 구동축(21a)과 제1종동축(32)사이에는 동력전달을 위하여 원동 웜기어(31)가 연결되며, 이에 따라 구동모터(21)의 구동축(21a)에는 워엄(31a)이, 제1종동축(33)에는 워엄 휠(31b)이 각각 연결된다. 구동모터(21)와 원동 워엄기어(31)는 각 승강장치(40)로의 동력전달거리가 대략 동일하도록 도시된 바와 같이 동력전달장치(30)의 중앙부에 배치되는 것이 유리하다.
마찬가지로, 제1종동축(32)과 제2종동축(34)사이에는 제1종동 워엄기어(33)가 연결되는데, 하나의 제2종동축(34)은 두 개의 승강장치(40)와 연결되며, 전체적으로는 한 쌍으로 구성되어 제1종동축(32)의 양단에 제1종동축(32)에 대하여 상하방향으로 이격되면서 직교하도록 배치된다.
제1종동축(32)의 양단부에는 제1종동 워엄기어(33)의 워엄(33a)이 연결되며, 제2종동축(34)에는 워엄 휠(33b)이 마련된다. 따라서, 제1종동축(32)의 동력이 제2종동축(34)으로 전달되어 제1종동축(32)과 제2종동축(34)은 서로 연동된다.
제2종동축(34)에서 승강장치(40)로의 동력전달을 위하여 제2종동축(34)의 양단부와 승강장치(40)사이에는 제2워엄기어(35)가 연결된다. 제2종동축(34)에 워엄(35a)이 마련되며, 이에 맞물리는 워엄 휠(35b)은 후술할 승강장치(40)쪽에 결합된다.
구동모터(21)와 동력전달장치(30)는 스테이지(12)의 하부에 설치되고, 이에 따라 구동모터(21) 및 제1종동워엄기어(33)는 스테이지(12)의 하면에 고정된다.
승강장치(40)는 네 개로 구성되며, 스테이지(12)와 스테이지 베이스(11) 사이에서 스테이지(12)의 Z축 방향 이동 및 수평상태 유지를 위하여 스테이지(12)의 네 모서리 부분에 각각 배치될 수 있다. 승강장치(40)는 동력전달장치(30)를 통해 전달받은 회전운동을 직선운동으로 변환시키기 위하여 롤러 스크류(roller screw)를 포함할 수 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 롤러 스크류는 회전운동을 전달받게 되는 입력부(41)와, 입력부(41)의 회전운동에 따라 직선운동하게 되는 출력부(42)를 포함한다. 출력부(42)에는 외면에 나사산이 형성되며, 입력부(41)는 출력부(42)에 대하여 회전가능하게 결합되며 전술한 제2워엄기어(35)의 워엄휠(35b)이 연결되어 제2종동축(34)으로부터 회전력을 전달받는다.
입력부(41)와 출력부(42)사이에는 롤러(미도시)가 배치되는데, 롤러 스크류는 그 자체로는 공지기술에 해당하므로 여기서는 롤러 스크류의 세부구조에 대한 설명은 생략한다.
롤러 스크류는 볼 스크류(ball screw)와 동작은 동일하지만 보다 정밀한 동작이 가능하고 큰 하중을 적용시킬 수 있으므로, 본 발명과 같이 롤러 스크류를 승강장치(40)에 적용하면 스테이지(12)의 Z축 방향의 미세 구동이 가능하며 아울러 큰 하중을 적용시킬 수 있다.
본 실시예에 따르면, 승강장치(40)에 회전운동을 직선운동으로 변환시키기 위한 요소로 롤러 스크류를 사용한 예를 나타내고 있지만, 이는 하나의 예시일 뿐 볼 스크류와 같이 회전운동을 직선운동으로 변환시키기 위한 다른 기계요소가 적용될 수 있다.
승강장치(40)의 상단은 스테이지(12)의 하면에 결합되고, 승강장치(40)의 하단부에는 플랜지 형상의 중간판(45)이 마련된다.
중간판(45)의 하부에는 유연결합부(46)와, 에어 베어링 패드(47)가 마련된다. 유연결합부(46)는 그 자체로 길이방향에 대하여 변형가능한 구성요소로, 각 승강장치(40)의 길이가 상이하게 설정됨에 따라 스테이지(12)의 이동과정에서 기울기가 발생될 경우 유연결합부(46)가 스스로 변형량을 흡수하면서 스테이지(12)와 스테이지 베이스(11) 사이를 지지한다. 본 실시예에 따른 유연결합부(46)는 내부에 중공이 형성된 원통형 부재에 굴곡된 절개부가 형성된 형태로 이루어진다. 그러나, 유연결합부(46)는 반드시 중공이 형성된 구조로만 한정되는 것이 아니라 이는 하나의 예시일 뿐 길이방향에 대한 유연성을 제공할 수 있는 구조라면 다양한 형태로 적용될 수 있다.
에어 베어링 패드(47)는 스테이지 베이스(11) 위에서 공기에 의해 부상되어 스테이지 베이스(11) 위의 모든 장치들이 스테이지 베이스(11) 위에서 정밀하게 이동할 수 있도록 마찰력을 감소시킨다.
한편, 클러치(50)는 4개 승강장치(40)를 각각 독립적으로 구동할 수 있도록 동력전달장치(30)를 통해 각 승강장치(40)로 전달되는 동력을 단속할 수 있도록 제1종동 워엄기어(33)와 제2종동 워엄기어(35) 사이의 제2종동축(34)상의 네 개소에 각각 설치된다.
클러치(50)는 제어부(미도시)를 통한 전자적인 제어가 가능하도록 전자제어식 클러치로 구성되며, 동력 소비 및 그에 따른 발열이 감소되도록 무여자 방식의 전자제어식 클러치가 사용될 수 있다.
제동장치(60)는 각 승강장치(40)가 원하는 상태로 제어되어 동력전달이 클러치(50)에 의해 차단되면서 승강장치(40)가 정지상태를 유지할 수 있도록 클러치(50)와 승강장치(40) 사이인 제2종동 워엄기어(35)의 워엄(35a)에서 연장된 제2종동축(34)의 단부에 설치된다.
제동장치(60)는 클러치(50)와 마찬가지로 제어부를 통한 전자적인 제어가 가능하도록 전자제어식 브레이크로 구성되며, 동력 소비 및 그에 따른 발열이 감소되도록 무여자 방식의 전자제어식 브레이크가 사용될 수 있다.
상기한 바와 같이 하나의 구동모터(21)와 동력전달장치(30)를 통해 4개의 승강장치(40)에 각각 동력전달이 가능하게 하면서 각 승강장치(40)의 동력전달 및 동작을 제어하기 위하여 클러치(50)와 제동장치(60)를 설치하고, 제어부에 의해 클러치(50)를 통한 동력전달 시간을 제어하는 한편 클러치(60) 해제상태에서 제동장치(60)가 작동하도록 하면 각 승강장치(40)마다 독립하게 구동부를 설치한 경우 마찬가지로 각 승강장치(40)의 개별적인 제어가 가능하게 된다.
따라서, 스테이지(12)의 Z방향 구동을 위하여 하나의 구동모터(21)를 이용하므로 구동장치(10)가 전체적으로 간소화될 수 있으며, 동력 소비 및 그에 따른 발열이 감소된다.
또한, 각 승강장치(40)마다 제동장치(60)를 통해 높이 조절상태를 정확히 유지할 수 있다.
도시된 실시예에 의하면, 4개의 승강장치(40)가 스테이지(12)의 하면의 네 모서리부분에 사각형태로 배치되어 스테이지(12)를 지지하도록 구성된 예를 나타내고 있지만, 3개의 승강장치(40)가 삼각형태로 배치되어 스테이지(12)를 3축 지지되도록 구성될 수 도 있다. 이 경우, 2개의 승강장치(40)은 도 1과 같이 제2종동축(34)를 통해 동력을 전달받도록 구성되고, 나머지 하나의 승강장치(40)은 제2종동축(34)를 통하지 않고 제1종동축(34)에 직접 연결되는 형태로 구성될 수 있다.
도 4는 본원발명의 다른 실시예를 나타낸 것으로, 도시된 바와 같이 구동모터(미도시)와 제1종동워엄기어(33)를 포함하는 동력전달장치(30)가 스테이지 베이스 (11)가 아닌 이와는 별도로 마련되는 지지 플레이트(70)의 상면에 설치된다. 지지플레이트(70)은 동력전달장치(30)과 스테이지 베이스(11)에 배치되며, 지지플레이트(70)의 하면과 스테이지 베이스(11)사이에 에어 베어링 패드(47)가 설치되어 동력전달장치(30)을 포함하는 스테이지 베이스(11) 위쪽의 모든 구성요소들이 에어 베어링 패드(47)에 의해 부상상태로 구동될 수 있도록 한다. 또한, 유연결합부재(46)는 승강장치(40)와 스테이지(12)사이에 설치되어 스테이지(12)의 이동과정에서 기울기가 발생될 경우 스스로 변형량을 흡수하면서 스테이지(12)와 스테이지 베이스(11) 사이를 지지한다.
본 발명은 상기에 기재된 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 사상에서 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 수정 및 변형할 수 있다는 점은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
10: 스테이지 장치 11: 스테이지 베이스
12: 스테이지 20 : Z축 구동장치
21: 구동모터 30 : 동력전달장치
40 : 승강장치 50 : 클러치
60 : 제동장치

Claims (11)

  1. 구동모터;와,
    스테이지를 Z축방향으로 이동시키기 위한 복수의 승강장치;와,
    상기 복수 승강장치에 상기 구동모터의 동력을 전달하기 위한 동력전달장치;와,
    상기 동력전달장치와 상기 승강장치사이의 동력전달을 단속하기 위한 클러치를 포함하는 스테이지 Z축 구동장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 각각의 승강장치가 정지상태를 유지할 수 있도록 하는 제동장치를 더 포함하는 스테이지 Z축 구동장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 동력전달장치는 상기 구동모터의 구동축으로부터 동력을 전달받는 제1종동축과, 상기 제1종동축으로부터 동력을 전달받아 상기 복수의 승강장치 중 적어도 하나의 승강장치로 전달하기 위한 제2종동축을 포함하는 스테이지 Z축 구동장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 동력전달장치는 상기 구동모터의 구동축과 상기 제1 종동축사이에 연결되는 원동 웜기어를 더 포함하는 스테이지 Z축 구동장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 동력전달장치는 상기 제1종동축 및 상기 한 쌍의 제2종동축사이에 각각 연결되는 제1종동 웜기어를 더 포함하는 스테이지 Z축 구동장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 동력전달장치는 상기 각각의 승강장치와 상기 제2종동축사이에 연결되는 제2종동 웜기어를 더 포함하는 스테이지 Z축 구동장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 클러치는 상기 각각의 승강장치로 전달되는 동력을 독립적으로 단속할 수 있도록 상기 제1종동 웜기어와 상기 제2종동 웜기어 사이의 상기 제2종동축 상에 각각 설치되는 스테이지 Z축 구동장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제동장치는 상기 승강장치와 상기 클러치 사이에 배치되는 스테이지 Z축 구동장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 승강장치는 롤러 스크류(Roller screw)를 포함하는 스테이지 장치.
  10. 스테이지를 Z축방향으로 이동시키기 위하여 상기 스테이지 하부에 배치되는 4개의 승강장치;와,
    구동모터;와,
    상기 승강장치에 상기 구동모터의 동력을 전달하기 위한 동력전달장치;와,
    상기 각각의 승강장치의 독립적인 구동을 위하여 상기 동력전달장치와 상기 각각의 승강장치사이의 동력전달을 단속하기 위한 클러치를 포함하는 스테이지 Z축 구동장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 각각의 승강장치가 독립적으로 정지상태를 유지할 수 있도록 하는 제동장치를 더 포함하는 스테이지 Z축 구동장치.
KR1020110083501A 2011-08-22 2011-08-22 스테이지 ｚ축 구동장치 KR20130021148A (ko)

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