KR100381974B1

KR100381974B1 - 무마찰탄성베어링과 액튜에이터의 차동구동을 이용한3축스테이지 제어장치

Info

Publication number: KR100381974B1
Application number: KR10-2001-0015758A
Authority: KR
Inventors: 배상신
Original assignee: 주식회사 실리콘 테크
Priority date: 2001-03-26
Filing date: 2001-03-26
Publication date: 2003-05-09
Also published as: KR20020075963A

Abstract

본 발명은 반도체칩용 웨이퍼, PCB, TAB 필름 등의 기재에 집적회로를 전사하는데 사용할 수 있는 3축 스테이지 제어장치에 관한 것으로, 반도체칩용 웨이퍼, PCB, TAB 필름 등을 이송시키는 기재이송수단의 상부 공간에 배치된 베이스에 다수개의 무마찰 탄성베어링을 통하여 X축을 따라 이동하는 X축 스테이지가 설치되고, 상기 X축 스테이지에 다수개의 무마찰탄성베어링을 매개하여 Y축을 따라 이동함과 더불어 θ축을 기준으로 회전하는 Y-θ축 스테이지가 설치되어 있는 한편, 상기 X축 스테이지에 X축 방향을 따라 이동하는 거리를 감지하기 위한 X축 위치감지센서와 X축 스테이지를 X축방향을 따라 이동시키는 2개의 X축 엑튜에이터가 X축 스테이지를 사이에 두고 서로 마주보게 설치되고, 상기 Y-θ축 스테이지에 Y축 방향을 따라 이동하는 거리를 감지하기 위한 Y축 위치감지센서와 θ축을 따른 회전각을 감지하기 위한 θ축 위치감지센서 및 2개의 Y-θ축 액튜에이터가 Y-θ축 스테이지를 서로 마주보게 설치되어 있으며, 센서들이 전자제어기와 연결되어 각각의 액튜에이터를 정밀하게 제어하도록 되어 있다. 이러한 구조로 이루어진 본 발명의 장치는 스프링판과 같은 무마찰탄성베어링을 매개하여 X축 스테이지와 Y-θ축 스테이지가 서로 이동할 수 있게 설치되어 선형시스템 특성을 가지므로 제어가 용이하고, 2개의 스테이지를 사용하여 X축과 Y축은 물론 θ축의 각도도 제어할 수 있게 되어 있으므로 간단한 구조로 만들 수 있으면서 저렴한 구조의 다축스테이지 구동장치를 제공할 수가 있는 것이다.

Description

무마찰탄성베어링과 액튜에이터의 차동구동을 이용한 3축스테이지 제어장치{Three-axis stage control device using frictionless flexure bearings}

본 발명은 무마찰 탄성베어링을 이용한 다축스테이지 제어장치에 관한 것으로, 특히 무마찰 탄성베어링과 액튜에이터의 차동구동을 이용하여 2개의 스테이지만으로 3축방향의 위치를 제어할 수 있게 한 3축스테이지 제어장치에 관한 것이다.

일반적으로 반도체칩에는 그 내부에 집적회로가 식각되어 있는데, 이 집적회로를 개개의 반도체칩에 직접 그려 넣은 것이 아니라 마스크라는 기본 회로판에 그려진 원본을 각각의 반도체 기재, PCB, TAB 등과 같은 기재(substance)에 전사하여 그 패턴을 노광하여 새긴 후, 다시 식각 등의 과정을 통하여 집적회로를 완성시키게 되어 있다.

한편 반도체 칩은 하나만이 만들어지는 것이 아니라 동일한 형태를 여러개 반복하여 만드는 바, 이러한 과정에서 상기 집적회로가 새겨진 마스크는 스테이지(stage)에 고정시킨 상태로 두고, 이 마스크 스테이지의 아래로 기재를 이동시키면서 하나씩 집적회로의 패턴을 전사시키게 되는데, 기재의 위치가 마스크 스테이지의 배치위치와 정확하게 일치하여야만 마스크에 새겨진 집적회로를 정확하게 전사시킬 수가 있는 것이다.

이때 마스크에 새겨진 집적회로의 특성상 마스크와 기재의 위치조정이 ㎛ 이하의 정밀도로 제어되어져야 할 필요가 있다.

따라서, 통상적으로 반도체칩 제조공장에서는 여러 가지 초정밀 제어장치를 사용하여 마스크와 기재의 위치를 조정하고 있는 바, 일반적으로 반도체칩 제조공장에서 사용하고 있는 종래의 장치로서는, 예컨대 미국 특허 제 5329825 호, 제 4948330 호, 제 4012112 호 및 제 4532462 호 등과 같은 장치가 있는 바, 이들 장치는 대부분 마스크를 지지하고 있는 스테이지가 볼스크류나 LM가이드 등과 같은 부품으로 구성되어, 구동장치의 작동에 따라 스테이지가 원하는 거리만큼 이동하게 되어 있다.

그런데, 볼스크류와 같이 회전운동을 직선운동으로 변환시키는 운동변환기구나, LM가이드류의 구동안내기구를 사용할 경우에는 그 구조가 복잡해지고, 백래쉬(backlash), 고착현상(stick-slip) 및 마찰등과 같은 원인에 의하여 도면 5 에 도시한 바와 같이 구동력이 소정치 이상으로 되기까지는 스테이지가 이동하지 않다가 소정치 이상이 되면 비로소 이동하게 비선형적 특성을 갖게 되고, 또 일반적으로 큰 스트로크에 사용되어지기 때문에, 상기와 같이 마스크의 위치와 기재의 위치를 정렬시키기 위해 미세한 위치를 제어하기 위해 사용하기에는 적합하지 않으며, 또 부품을 정확하고 정밀하게 제어하기가 어렵다는 단점이 있을 뿐만 아니라,소음이 발생하는 등의 문제점이 있다.

한편, 종래의 장치에 대한 다른 경우의 예로서, 미국 특허 제 6008882 호에서와 같은 장치에서는, 마찰등이 발생하는 이송기구 및 구동수단을 사용하지 않고 대신에 리니어모터와 에어베어링을 사용하여 스테이지를 이송시키도록 되어 있는 바, 이와 같이 리니어모터를 사용함으로써 볼스크류와 같은 구동력변환부품이 필요하지 않기 때문에 구조가 간단해지고, 에어베어링을 사용함으로써 마찰손실과 소음발생이 없기 때문에 운동전달이 비선형적으로 이루어지지 않는다는 장점이 있기는 하지만, 상기의 리니어모터와 에어베어링은 모두 고가의 부품이고 이들 장비를 이용한 장치는 그 설계가 어렵다는 단점이 있다.

또한, 미국 특허 제 4528852 호에 게재된 장치에서는, 구동원으로서 피에조구동기를 사용하고 베이스에 대해 X축 스테이지를 지지하는 수단과 상기 X축 스테이지에 대해 Y축 스테이지를 지지하는 수단으로 탄성지지베어링을 사용하면서, 상기 구동원에서 동력을 전달받아 이동하는 스테이지에 마찰이나 소음 등이 발생하지 않게 되어 있다.

그러나, 이 장치는 스테이지의 회전각(θ)을 조정하는 수단이 직선 운동하는 피에조 구동기에 의하여 제어되게 되어 있으면서, X축 방향에 대한 위치와 Y축 방향에 대한 위치의 정확한 보상등의 수단이 제시되어 있지 않으므로, 마스크 스테이지의 정확한 위치제어가 용이하지 않을 뿐만 아니라, 탄성지지베어링이라 칭하는 스테이지 사이의 운동전달매개수단도 이 인용 발명의 장치에서는 별도의 특이한 구조가 제시되어 있는 바, 따라서 상기의 발명에 따른 장치를 위한 구조는 간단하지않으면서 특정의 부품이 필요하다는 단점이 있다.

그리고, 무엇보다도 상기의 발명들에 따른 장치들은 모두 3개의 축방향을 따른 위치를 제어하기 위해 3개의 스테이지를 사용하게 되어 있다. 즉 하나의 스테이지로 하나의 방향만 제어하도록 되어 있으므로 전체적으로 부피가 증가하고 가격도 비싸진다는 단점이 있었다.

이에 본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 다축 스테이지 제어장치에 대한 문제점을 해결하여, 2개의 스테이지만으로 X축과 Y축 및 θ축 위치를 제어할 수 있게 하여 간단한 구조를 이루게 하면서 정밀한 제어를 할 수가 있고, 그 구성부품 또한 손쉽게 구할 수가 있어 제작비용도 절감시킬 수 있게 한 무마찰탄성베어링과 액튜에이터의 차동구동을 이용한 3축스테이지 제어장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 바의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장치는, 기기의 베이스상에 다수개의 무마찰 탄성베어링을 통하여 X축을 따라 이동하는 X축 스테이지가 설치되고, 상기 X축 스테이지상에 다수개의 무마찰탄성베어링을 매개하여 Y축을 따라 이동함과 더불어 θ축을 기준으로 회동하는 Y-θ축 스테이지가 설치되어 있다.

그리고, 상기 X축 스테이지에 X축 방향을 따라 이동하는 거리를 감지하기 위한 X축 위치감지센서와 X축 스테이지를 X축방향을 따라 이동시키는 2개의 X축 엑튜에이터가 X축 스테이지를 사이에 두고 서로 마주보게 설치되고, 상기 Y-θ축 스테이지에 Y축 방향을 따라 이동하는 거리를 감지하기 위한 Y축 위치감지센서와 θ축을 따른 회전각을 감지하기 위한 θ축 위치감지센서 및 2개의 Y-θ축 액튜에이터가 Y-θ축 스테이지를 서로 마주보게 설치되어 있으며, 센서들이 전자제어기와 연결되어 각각의 액튜에이터를 정밀하게 되어 있다.

이러한 구조로 이루어진 본 발명의 장치는 무마찰탄성베어링과 액튜에이터의 차동구동을 이용함으로써 3축방향의 제어를 2개의 스테이지만으로 제어할 수가 있으므로, 전체적으로 장치의 부피를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 기기의 가격도 낮출수가 있는 등의 효과를 얻을 수 있는 것이다.

도 1 은 본 발명에 따른 무마찰탄성베어링과 액튜에이터의 차동구동을 이용한 3축스테이지 제어장치의 전체구성을 나타낸 개략적 사시도,

도 2 는 본 발명에 따른 장치의 배열관계를 개념적으로 나타낸 단면도,

도 3 은 본 발명에 따라 X축 스테이지와 Y축 스테이지만으로 Y축 방향의 위치뿐만 아니라 θ축을 따른 회전각을 제어하는 상태를 도시한 개념적 평면도,

도 4 는 본 발명에 따른 무마찰베어링을 사용할 경우의 시스템특성을 나타낸 그래프,

도 5 는 종래의 일반적인 구동안내기구, 즉 베어링 LM가이드 등을 사용할 경우의 시스템 특성을 나타낸 그래프,도 6 은 도 2의 사시도이고,도 7 은 도 2의 작동상태를 나타낸 평면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호설명>

1 - 기재(substance) 2 - 기재 이송스테이지

3 - 베이스 4,5,6,7 - 무마찰탄성베어링

8 - X축 스테이지 9,10,11,12 - 무마찰탄성베어링

13 - Y-θ축 스테이지 14 - 마스크

15 - X축 위치센서 16 - X축 액튜에이터1

17 - X축 액튜에이터2 18 - Y축 위치센서

19 - θ축 위치센서 20 - Y- θ축 액튜에이터1

21 - Y- θ축 액튜에이터2

이하 본 발명의 구체적인 실시예를 첨부한 예시도면을 참조하여 자세히 설명한다.

도면 1은 본 발명에 따른 장치의 전체적 구성을 나타내는 개략적 사시도이고, 도면 2는 본 발명에 따른 장치의 배열관계를 개념적으로 나타낸 단면도이며, 도면 3은 본 발명에 따라 Y-θ축 스테이지만으로 Y축 방향과 θ축 방향을 제어하는 과정을 설명하기 위한 평면도로서, 이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른장치는, 반도체칩을 만드는 재료인 웨이퍼나 PCB, TAB 필름 등의 기재(1)를 이송시키는 기재 이송스테이지(2)의 위쪽에 광학계(A)와 3축스테이지 구동장치(B)가 배치된 구조로 되어 있다.

상기 3축 스테이지 구동장치(B)는 베이스(3)에 다수개의 무마찰탄성 베어링(4,5, 6,7)을 매개하여 X축방향을 따라 이동하는 X축 스테이지(8)가 설치되고, 상기 X축 스테이지(8)에 역시 다수개의 무마찰탄성베어링(9,10,11,12)을 매개하여 Y축방향을 따라 직선이동함과 더불어 θ축을 중심으로 회전하는 Y-θ축 스테이지(13)가 설치되어 있으며, Y- θ축 스테이지(13)에 집적회로의 패턴이 새겨진 마스크(14)가 장착되어 있다.

한편, 상기 X축 스테이지(8)에 X축 방향을 따라 이동하는 거리를 감지하기 위한 X축 위치감지센서(15)와 X축 스테이지(8)를 X축방향을 따라 이동시키는 2개의 X축 엑튜에이터1,2 (16,17)가 X축 스테이지(8)의 양쪽에 서로 마주보게 설치되어 있고, 상기 Y-θ축 스테이지(13)에 Y축 방향을 따라 이동하는 거리를 감지하기 위한 Y축 위치감지센서(18)와 θ축을 따른 회전각을 감지하기 위한 θ축 위치감지센서(19) 및 2개의 Y-θ축 액튜에이터1,2 (20,21)가 Y-θ축 스테이지(13)의 양쪽에 서로 마주보게 설치되어 있으며, 센서(15,19)들이 도시되지 않은 전자제어기와 연결되어 상기 여러 개의 액튜에이터를 선택적으로 제어하게 되어 있다.

본 발명에서 사용하는 무마찰탄성베어링(4,5,6,7,9,10,11,12)은 판 스프링이나 경강선 등과 같은 스프링으로 이루어진다.

그리고, 상기 X축 액튜에이터(16,17)와 Y-θ축 액튜에이터(20,21)는 직선운동형 보이스코일로 구성되어 있으면서, 지지부쪽에 보이스코일 구동기의 코일부가 설치되고, 이동부쪽에 보이스코일 구동기의 자계부가 설치된다. 예컨대 X축방향을 따라 이동하는 X축 스테이지는 상기 베이스(3)에 액튜에이터를 이루는 보이스코일의 코일부가 고정되고, X축 스테이지에 보이스코일의 자계부가 설치된 구조로 되어 있는 것이다.

또, 상기 위치센서(15,17,19)는 비접촉식 센서를 사용하는데, 그 에로서 에디커런트센서(eddy durrent sensor), 캐패시티브근접센서(capacitive prximity sensor), 콜리미터(collimator), 레이저간섭계(lazer interferrometer) 등을 들 수 있다.

이러한 위치센서(15,17,19)와 X축 액튜에이터(16,17) 및 Y-θ축 액튜에이터(20,21)는 도시되지 않은 전자제어기에 연결되어, 상기 센서에서 감지된 엑튜에이터(16,17,20,21)의 위치에 따라 기재(1)에 대한 마스크(14)의 위치를 보정하여 그 위치를 정렬하게 되어 있다.

이러한 구조로 이루어진 본 발명의 장치는, 기재 이송스테이지(2)를 따라 이송되는 기재(1)가 본 발명에 따른 장치의 베이스(3)하단에 위치하면, 상기 기재 이송스테이지(1)에 실려 있는 기재(2)의 위치와 상기 Y-θ축 스테이지(13)에 장착되어 있는 마스크(14)의 위치를 감지하여, 상기 기재(2)와 마스크(14)사이에 편차가 나는 경우에는 그 편차의 크기와 방향에 따라 X축 스테이지(8)와 Y-θ축 스테이지(13)를 이동시켜 상기 Y-θ축 스테이지(13)에 설치되어 있는 마스크(14)의 위치를 이동시켜 기재(1)의 위치와 일치시켜 준다.

이와 같이 상기 기재(1)에 대한 마스크(16)의 위치를 보정하기 위해, 상기 X축 스테이지(8)와 Y-θ축 스테이지(13)를 이동시키는 액튜에이터(16,17,20,21)는 1㎛이하의 칫수까지 정밀하게 제어작동하여야 할 필요가 있는 바, 이러한 요구를 만족시키기 위해 본 발명에서 상기 액튜에이터로서 보이스코일 구동기를 사용하는데, 이 보이스코일 구동기는 전류가 흐르는 도체가 자계내부에 위치하면 이 도체에 힘이 작용하여 움직이게 된다는 원리인 로렌쯔 원리에 의해 구동되는 것으로서, 브러시가 없기 때문에 마찰이 전혀 없으며, 응답성이 좋기 때문에 빠른 동작을 필요로 하는 정밀구동시스템에 적합한 구동기라 할 수 있다.

그리고, 상기 센서(15,18,19)에서 측정된 값은 도시되지 않은 전자제어기로 인가되어, 이 제어기에서 상기 액튜에이터(16,17,20,21)를 연속적으로 제어함으로써 마스크(14)의 위치를 정확하면서 빠르게 제어할 수가 있는 것이다.

한편, 상기한 바와 같은 스테이지(8,13)의 기본적인 동작개념을 설명하기 위해 X축 스테이지(8)의 구동을 예로 들어 설명하자면, X축 스테이지(8)를 구동시키기 위해서는 X축 액튜에이터(16,17)를 이루는 직동형 보이스코일의 코일부인 코일조립체가 Y-θ축 스테이지(13)에 고정되고 작동부인 필드 조립체(마그네틱 조립체)는 X 스테이지(8)에 고정되도록 설치된다.

따라서, 상기 X축 액튜에이터(16,17)를 이루는 보이스코일에 전원이 인가되면 로렌쯔원리에 의하여 구동력이 발생하게 되고, 이에 따라 상기 2개의 X축 액튜에이터(16,17)가 상호 신축 작동하면서 X축 스테이지(8)를 Y-θ축 스테이지(13)에 대하여 이동시키는 것이다.

이때 상기 X축 스테이지(8)를 지지하고 있는 4개의 탄성지지베어링(9,10,11,12)에는 굽힘(bending)이 발생하게 되고, 그 굽힙의 양은 탄성지지베어링(9,10,11,12)의 강성에 따라 다른 값을 나타낸다.

그리고, 상기 탄성지지베어링의 강성은 이를 구성하는 스프링요소의 두께, 폭. 길이 등 형상에 관계된 값으로서, 본 발명에 따른 장치의 동적 특성을 좌우하는 중요한 변수이다.

한편, 상기의 탄성지지베어링이 가져야 할 특성으로는 첫째, 구동방향의 강성이 작아서 시스템 1차 고유진동수가 1 ∼ 2 Hz가 넘지 않을 것, 둘째 나머지 5축의 강성이 충분히 커서 각 방향의 고유 지동수가 제어대역(control bandwidth)의 2배 이상이 될 것, 셋째 좌굴이 발생하지 않을 것 등이다.

그리고, Y-θ축 스테이지(13)의 구동방식은 상기 X축 스테이지(8)의 구동방식과는 달리 Y축방향과 θ축방향의 구동이 동시에 이루어지게 되어 있는 것으로서, 이를 도면 3과 관련하면 다음과 같이 설명할 수 있다.

만약, Y축 방향으로 Δу와, θ축의 시계방향으로 Δθ의 오차가 있다면 Y-θ 액튜에이터 1(20)은 다음 식과 같은 거리만큼 구동하여야 한다.

Δу-ＲΔθ

반면에, 상기 Y-θ 액튜에이터 2(21)는 다음 식과 같은 거리만큼 구동하여야 한다.

Δу+ＲΔθ

즉, 상기 2개의 액튜에이터(20,21)는 차동구동되어 Y축과 θ축 구동을 동시에 발생시키게 되는 것이다.

한편, 이때 Y축 위치센서(18)는 Y축상에 위치하고 있기 때문에 순수하게 Δу값만을 감지하게 되고, θ축 위치센서(19)는 Y변위와 함께 회전각도도 감지하게 되는 것이다.

Δу^*= Δу+ＲΔθ

따라서, 주컴퓨터에서는 위의 값과 Δу, Ｒ(마스크중심에서 위치센서(19)장착지점까지의 거리)을 이용하여 다음 식과 같이 회전각을 계산하게 된다.

Δθ = (Δу^*- Δу)/Ｒ

이 값과 센서에서 측정된 X, Y 변위 값은 제어기에 전달되어 폐루프제어를 행하게 된다.한편, 도 6 및 도 7은 도 2의 사시도 및 작동상태에 따른 평면도로, 별도로 이동하는 X축과, Y축 변위와 함께 θ축의 이동에 따라 Y축 스테이지(13)가 함께 이동하는 것을 나타낸 것으로, Y-θ축에 의해 동일축선상에서 움직이는 것을 볼 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 3축스테이지 제어장치는 이와 같이 본 발명에 따른 3축 스테이지 제어장치는, X축 스테이지(8)와 Y-θ축 스테이지(13)가 스프링강판, 스프링강선 등과 같은 탄성스프링으로 이루어진 무마찰탄성베어링을 매개하여 연결되어 있기 때문에, 이들 스테이지를 작동시킬 때 마찰력이 발생하지 않기 때문에 선형제어가 가능하며, 2개의 스테이지(8,13)만으로 X축방향의 이동과 Y축 및 θ축 방향의 이동을 제어할 수 있게 되어 있으므로 전체적으로 구조를 간단하게 만들 수 있으며 기기의 가격도 낮출 수 있는 등의 장점을 얻을 수 있는 것이다.

따라서 본 발명에 따른 다축 스테이지 제어장치를 반도체칩의 제조과정에서기재(1)와 집적회로가 새겨진 마스크(14)사이의 상대적 위치를 2개의 스테이지만으로 정밀하게 제어하여 정렬노광시키는데 효과적으로 이용할 수 있는 것이다.

Claims

기기의 바탕체를 이루는 베이스(3)에 다수개의 무마찰 탄성베어링(4,5,6,7)을 통하여 X축을 따라 이동하는 X축 스테이지(8)가 설치되고, 상기 X축 스테이지(8)에 다수개의 무마찰탄성베어링(9,10,11,12)을 매개하여 Y축을 따라 이동함과 더불어 θ축을 기준으로 회동하는 Y-θ축 스테이지(13)가 설치되어 있는 한편, 상기 X축 스테이지(8)에 X축 방향을 따라 이동하는 거리를 감지하기 위한 X축 위치감지센서(15)와 X축 스테이지를 X축방향을 따라 이동시키는 2개의 X축 엑튜에이터(16,17)가 X축 스테이지(8)를 사이에 두고 서로 마주보게 설치되고, 상기 Y-θ축 스테이지(13)에 Y축 방향을 따라 이동하는 거리를 감지하기 위한 Y축 위치감지센서(18)와 θ축을 따른 회전각을 감지하기 위한 θ축 위치감지센서(19) 및 2개의 Y-θ축 액튜에이터(20,21)가 Y-θ축 스테이지(13)를 서로 마주보게 설치되어 있으며, 상기 센서들과 액튜에이터가 전자제어기에 연결되어 이루어진 무마찰탄성베어링과 액튜에이터의 차동구동을 이용한 3축스테이지 제어장치