KR970005565B1

KR970005565B1 - Xy-스테이지의 위치 제어 시스템

Info

Publication number: KR970005565B1
Application number: KR1019940026260A
Authority: KR
Inventors: 조정호
Original assignee: 삼성항공산업 주식회사; 이대원
Priority date: 1994-10-13
Filing date: 1994-10-13
Publication date: 1997-04-17
Also published as: KR960015125A

Abstract

내용 없음.

Description

XY-스테이지의 위치 제어 시스템

제1도는 종래 XY-스테이지 시스템의 일예에 대한 개략적인 장치 구성도.

제2도는 제1도의 종래 XY-스테이지 시스템을 분리한 상태를 나타내 보인 분리사시도.

제3도는 본 발명에 따른 XY-스테이지의 위치 제어 시스템의 개략적인 시스템 구성도.

제4도는 본 발명에 따른 XY-스테이지의 위치 제어 시스템 있어서, XY-스테이지의 인덕터부터의 개략적인 구성도.

제5도는 본 발명에 따른 XY-스테이지의 위치 제어 시스템에 있어서, XY-스테이지의 스테이터부의 개략적인 구성도.

제6도는 본 발명에 따른 XY-스테이지의 위치 제어 시스템에 있어서, 개략적인 시스템 흐름도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11 : 스테이지 베이스 12 : Y-스테이지

13 : X-스테이지 12m,13m : 구동모터

12k,13k : 구동부 12s,13s : 볼스크류

12b1,12b2,13b1,13b2 : 리니어 베어링 31 : 레이저빔 방출기

32,33 : 제1, 제2빔스프리터 34,35,36 : 평면경 간섭계

37,38,39 : 수신기 40 : CPU 보드

41,42 : 구동부 43 : 에어 센서

44 : LSM 드라이버 50 : 인덕터부

51 : 스테이터부

본 발명은 정밀 서보 제어 시스템의 제어 기술분야인 XY-스테이지(stage)의 위치 제어 시스템에 관한 것으로, 특히 기구적 마찰에 의한 위치오차를 최소화시키고 미소한 회전 변위를 가능하게 하며, 주위의 환경 변화에 관계없이 고정도의 위치제어를 가능하게 하는 XY-스테이지의 위치 제어 시스템에 관한 것이다.

산업현장에서 각종 정밀기기 등에 사용되는 스테이지는 통상, x,y축 방향으로 이동이 가능한 x,y 스테이지를 구비하고 있으며, 각 스테이지는 각각의 구동모터에 의해 직선 왕복이동이 가능하게 되어 있다. 그리고, 그와 같은 구성의 XY-스테이지에 있어서의 위치 제어는 엔코더(encoder) 펄스의 피드백(feedback) 값을 제어기가 매 샘플링(sampling) 시간 간격으로 카운트하여 위치변위량을 계산한 후, 설정된 목표 위치량과의 차를 위치 제어 신호로 사용하는 방식을 취하고 있다.

첨부 도면의 제1도에는 그와 같은 종래 XY-스테이지 시스템의 일예에 대한 개략적인 장치구성도이다.

이를 참조하면, 종래 XY-스테이지 시스템(10)은 장치를 지지하는 스테이지 베이스(11)가 마련되어 있고, 그 위로 Y-스테이지(12)가 안착되고, Y-스테이지(12) 위에는 X-스테이지(13)가 안착되어 있다.

그리고, 상기 각 스테이지의 왕복 직선이동의 구동력을 발생시키는 X-스테이지 구동모터(13m)와 Y-스테이지 구동모터(12m)가 장치의 일측에 각각 설치되어 있다.

한편, 제2도는 상기 제1도의 시스템을 분리한 상태를 나타내 보인 분리사시도이다.

이를 참조하면, 상기 X-스테이지(13)와 Y-스테이지(12)를 이동시키는 각 구동부(12k,13k)에는 대략 그 중심부 일측에 구동모터(12m,13m)가 설치되어 있고, 구동모터(12m,13m)의 축에는 볼스크류(ball screw : 12s,13s)가 각각 설치되어 있다. 그리고 볼스크류(12s,13s)의 양측으로는 리니어 베어링(linear bearing : 12b1,12b2,13b1,13b2)이 각각 설치되어 있다.

그런데, 이와 같은 구성의 종래 XY-스테이지 시스템은 리니어 베어링과 볼스크류에 의한 기구적 마찰로 오차가 발생하며, 주위의 환경 변화에 따라 엔코더 펄스상의 손실이 초래된다는 것이 하나의 문제점으로 지적되고 있다. 뿐만 아니라, XY-스테이지의 미소한 회전 변위에 대한 위치제어가 불가능하여 정밀한 위치 제어에 상당한 어려움이 수반되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 기구적 마찰로 인한 오차를 최소화시키고, 미소한 회전변위를 가능하게 하며, 주위환경에 따른 자체 보정기능을 구비하고 있어 고정도의 위치제어를 가능하게 하는 XY-스테이지의 위치 제어 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 XY-스테이지의 위치 제어 시스템은, XY-스테이지상에 레이저빔을 조사(照射)하는 레이저빔 방출부와, 상기 레이저빔 방출부로부터의 레이저빔을 소정의 비율로 분광시키는 복수의 빔 스프리터와, 상기 빔 스프리터를 거쳐 입사된 빔에 간섭 현상을 일으키는 복수의 간섭계와, XY-스테이지에 반사된 빔이 상기 간섭계를 재통과한 후의 빔을 수신하는 X-축 수신부와, XY-스테이지에 반사된 빔이 상기 간섭계를 재통과한 후의 빔을 수신하는 Y-축 수신부와, 상기 X-축 수신부와 Y-축 수신부로부터의 신호를 수신하여 소정의 위치 제어 명령 신호를 송출하는 CPU부와, 상기 CPU로부터의 위치 제어 명령 신호에 따라 XY-스테이지를 소정 거리 이동시키는 XY-스테이지 구동부와, 시스템의 주변의 대기의 온도, 습도 및 대기압을 감지하는 에어감지부를 구비하여 된 점에 그 특징이 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

제3도는 본 발명에 따른 XY-스테이지의 위치 제어 시스템의 개략적인 시스템 구성도이다.

이를 참조하면, 본 발명에 따른 XY-스테이지의 위치 제어 시스템(30)은 XY-스테이지(20) 상에 레이저빔을 조사하는 레이저빔 방출기(31)가 마련되고, 레이저빔 방출기(31)로부터 방출된 빔을 소정의 비율, 즉 직진 경로로 67%, 직진 경로에 대해 직각 반사 경로로 33%로 분할하는 제1빔스프리터(32)와, 제1빔스프리터(32)를 거친 상기 67%의 직진빔을 다시 직진 경로 및 직각 반사 경로로 33%씩 분할하는 제2빔스프리터(33)가 마련된다. 그리고, 상기 제1, 제2빔스프리터(32,33)를 거친 빔에 소정 파장의 간섭 현상을 일으키는 X-스테이지용 평면경 간섭계(36)와 Y-스테이지용 평면경 간섭계(34,35)가 각각 마련된다. 또한, 상기 간섭계들(34,35,36)을 거쳐 XY-스테이지(20)에 도달한 후, 반사되는 빔에 있어서, X-스테이지용 간섭계(36)를 다시 거쳐 방출되는 빔(즉, 광신호)을 수신하는 X-축 수신기(37)와, Y-스테이지용 간섭계(34,35)를 다시 거쳐 방출되는 빔을 수신하는 Y1-축 수신기(38) 및 Y2-축 수신기(39)가 각각 마련된다. 그리고, 상기 Y1-축 수신기(38)와 Y1-축 수신기(38) 및 Y2-축 수신기(39)로부터의 광신호를 수신하여 소정의 알고리즘(algorism)에 의해 X,Y축 변위량 계산한 후, 위치 제어 명령 신호를 송출하는 CPU부(40)와 CPU부(40)로부터의 위치 제어 명령신호에 따라 XY-스테이지(20)을 소정 거리 이동시키는 XY-스테이지 구동부(41,42)가 마련된다.

여기서, 특히 이 구동부(41,42)에 사용되는 전동기로는 미소한 회전변위가 가능한 리니어 스텝 모터(linea r step motor : 이하 LSM으로 약칭함)가 사용된다. 한편, 시스템 주변의 대기의 온도 및 습도를 감지하여 상기 CPU부(40)로 소정의 신호를 전송하는 에어 센스(43)가 또한 마련된다. 부호 20a, 20b는 빔의 반사를 원활하게 하기 위한 평면경이고, 44는 LSM 드라이버, 45는 LSM 콘트롤 보드, 46, 47, 48은 X축 및 Y축의 좌표 보드, 49는 센서로부터의 감지 신호 보정부이다.

한편, 제4도 및 제5도는 본 발명에 따른 XY-스테이지의 위치 제어 시스템에 있어서, XY-스테이지의 구동 매커니즘을 나타내 보인 것으로서, 제4도에는 XY-스테이지의 인덕터(inductor)부가, 제5도에는 스테이터(stator)부가 도시되어 있다.

제4도를 참조하면 인덕터부(50)는 도시된 것과 같이 X축 방향으로 4개소의 인턱터(51a,51b,51c,51d)가, 그리고 Y축방향으로도 4개소의 인덕터(52a,52b,52c,52d)가 마련된다. 여기서, 각 인덕터의 이(teeth)의 간격(d1)은 0.62mm로 형성한다. 이에 대하여 제5도의 스테이터부(51)에 있어서의 이(teeth)의 간격(d2)은 0.64mm로 형성한다.

그러면, 이상과 같은 구성된 본 발명에 따른 XY-스테이지의 위치 제어 시스템의 작동관계에 대해 제3도 및 제6도를 참조하면서 설명해 보기로 한다.

제6도는 본 발명에 따른 XY-스테이지 위치 제어 시스템의 개략적인 시스템 흐름도이다.

이를 참조하면 최초의 단계(61)에서는 제3도의 CPU보드(40)가 X, Y1, Y2축 보드(46,47,48)로부터 λ/2변위만큼씩 발생되는 프린지(fringe : 회절따위로 인한 빛의 줄무늬) 개수를 판독하게 된다. 여기서, 이 λ/2 변위로 발생되는 프린지와 관련하여 좀더 설명해 보기로 한다.

제3도에서 LSM구동 매커니즘으로 구성된 XY-스테이지의 이동거리(L)는, 레이저빔 방출기(31)로부터 방출된 기준파(λ)와 이 기준파가 스테이지에 부착된 평면경(20a,20b)에 반사된 후 간섭계(34,35,36)를 다시 거쳐 수신기(37,38,39)에 입사된 소정의 파를 X, Y1, Y2축 보드(46,47,48)에 입력하여, 간섭 현상에 의해 λ/2변위만큼씩 발생되는 프린지의 개수(N)를 카운팅한 후, 그 값을 CPU보드(40)에 전달하여 계산하게 되는데, 그 관계를 수식으로 나타내면 다음과 같다.

L=λ/2×N ………………………………………………………………………… (1)

이때, 기준파(λ)는 주위의 환경 변화에 따라 변할 수 있는데, 그 변화된 파를 λa라 하면, 다음과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, λv는 진공 상태에서의 기준파이고, K는 에어 센서(43)로부터 측정한 온도, 습도 및 대기압 등에 의해 보정되는 보정계수이다.

CPU는 상기 (1)식을 계산함에 있어서, λ대신 (2)식에서 구한 λa를 대입하여 정확한 이동거리를 계산하게 된다. 그리고, 이와 같이 계산된 이동거리는 LSM구동 매커니즘으로 구성된 XY-스테이지의 위치 제어 시, 매 샘플링 시간 간격으로 귀환되는 위치 정보량으로서 제6도의 시스템 흐름도에 의해 장치의 정밀 위치 제어를 수행하는데 이용된다.

한편, 제6도의 최초 단계(61)에서의 판독이 완료되면, 다음 단계(62)에서는 X,Y축의 변위량을 계산하게 된다.

그것을 수식으로 표현하면 다음과 같다.

Y=(Y1＋Y2)/2 ………………………………………………………… (3)

A=(Y1-Y2)/2 ………………………………………………………… (4)

X=X＋A ………………………………………………………………… (5)

여기서, 수식의 우측 X, Y1, Y2의 값은 상기 (1)식에 의해 계산되는 값이다.

이와 같이, X,Y축의 변위량이 계산되면, 그 값에 대하여 다음 단계(63)에서는 단위를 μm로 변환하게 된다. 그런 후, 64단계에서는 목표량과 63단계에서 구한 현재 피드백량과의 차를 구하게 된다.

한편, 그와 같이 목표량과 피드백량과의 차를 구한 후, 65, 65´단계에서는 XY-스테이지가 현재 작업 영역 내에 정지하고 있는 상태에서 다음 목표 위치량을 설정하게 된다. 그리고, 66, 66´단계에서는 XY-스테이지가 이동중인 상태에서 다음 목표량을 구하기 위하여 XY-스테이지가 가속, 정속, 감속 중 어느 상태인지를 판단하여, 각 상태에 따라 기 설정된 속도 값(제3도의 LSM 콘트롤 보드(45)내의 ROM 테이블에 존재함)을 사용하여 목표 위치량을 설정하게 된다. 그런 후, 67단계에서는 제3도의 보정 보드(49)로부터 측정한 주위 환경 변화에 따른 기준파의 변화량을 상기 (2)식에 의해 계산한 후, (1)식의 기준파의 파장을 보상하여 목표 위치량을 재설정하게 된다. 그리고 68단계에서는 회전변위에 대한 목표위치량을 계산하게 되며, 69단계에서 상기 67, 68단계에서의 목표 위치량을 LSM 제어량으로 변환하게 된다. 그렇게 변환된 LSM 제어량을 데이터로 CPU(40)는 LSM 드라이버(44 : 제3도 참조)로 소정의 위치 제어 명령 신호를 전송하고, 이에 따라 XY-스테이지 구동부(41,42)가 구동하여 스테이지는 정밀하게 이동된다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 XY-스테이지의 위치 제어 시스템은 종래의 시스템에서와 같은 리니어 베어링 및 볼스크류 대신 리니어 스텝 모터가 사용되므로, 기구적 마찰로 인한 오차를 최소화시킬 수 있고, 미소한 회전변위를 가능하게 하며, 에어 센서의 사용으로 주위 환경 변화에 따른 자체 보정기능을 구비하고 있어 XY-스테이지를 고정도로 위치 제어할 수 있다.

Claims

XY-스테이지 상에 레이저빔을 조사(照射)하는 레이저빔 방출부와, 상기 레이저빔 방출부로부터의 레이저빔을 소정의 비율로 분광시키는 복수의 빔 스프리터와, 상기 빔 스프리터를 거쳐 입사된 빔에 간섭 현상을 일으키는 복수의 간섭계와, XY-스테이지에 반사된 빔이 상기 간섭계를 재통과한 후의 빔을 수신하는 X-축 수신부와, XY-스테이지에 반사된 빔이 상기 간섭계를 재통과한 후의 빔을 수신하는 Y-축 수신부와, 상기 X-축 수신부와 Y-축 수신부로부터의 신호를 수신하여 소정의 위치 제어 명령 신호를 송출하는 CPU부와, 상기 CPU로부터의 위치 제어 명령 신호에 따라 XY-스테이지를 소정 거리 이동시키는 XY-스테이지 구동부와, 시스템 주변의 대기의 온도, 습도 및 대기압을 감지하는 에어감지부를 구비하여 된 것을 특징으로 XY-스테이지의 위치 제어 시스템.
제1항에 있어서, 상기 XY-스테이지 구동부는 리니어 스텝 모터로 구성된 것을 특징으로 하는 XY-스테이지의 위치 제어 시스템.