KR100381975B1 - Multi-axis stage control device using frictionless flexure bearings - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체용 웨이퍼, PCB, TAB 필름 등의 기재에 집적회로를 전사하는데 사용할 수 있는 무마찰 탄성베어링을 이용한 다축스테이지 구동장치에 관한 것으로, 반도체용 웨이퍼, PCB, TAB 필름 등을 이송시키는 기재이송수단의 상부공간에 배치된 베이스에 다수개의 무마찰 탄성베어링을 통하여 X축을 따라 이동하는 X축 스테이지가 설치되고, 상기 X축 스테이지에 다수개의 무마찰탄성베어링을 매개하여 Y축을 따라 이동하는 Y축 스테이지가 설치되며, 상기 Y축 스테이지위에 하나의 비틀림탄성회전축을 매개하여 회전하면서 집적회로의 패턴이 새겨진 마스크가 장착된 θ축 스테이지가 설치되어 있는 한편, 상기 X축 스테이지에 X축 방향을 따라 이동하는 거리를 감지하기 위한 X축 위치감지센서와 X축 스테이지를 X축방향을 따라 이동시키는 X축 액튜에이터가 설치되고, 상기 Y축 스테이지에 Y축 방향을 따라 이동하는 거리를 감지하기 위한 Y축 위치감지센서와 Y축 스테이지를 Y축방향을 따라 이동시키는 Y축 액튜에이터가 설치되어 있으며, 상기 θ스테이지의 비틀림탄성회전축에 보이스코일로 이루어진 회전구동수단이 설치된 구조로 되어 있다. 그리고 상기 센서들은 전자제어기에 연결되어 각각의 액튜에이터를 정밀하게 제어하도록 되어 있다. 이러한 구조로 이루어진 본 발명의 장치는 무마찰탄성베어링을 사용하여 X스테이지와 Y스테이지 및 θ스테이지를 각각 이동시키게 되어 있으므로 1㎛의 미세한 거리도 간단하게 제어할 수 있어, 베이스의 아래로 이동하는 기재의 위치에 맞추어 상기 θ스테이지에 설치된 마스크의 위치를 정확하게 제어해 줄 수가 있는 것이다.The present invention relates to a multi-axis stage driving apparatus using frictionless elastic bearings that can be used to transfer integrated circuits to substrates such as semiconductor wafers, PCBs, and TAB films, and a substrate for transferring semiconductor wafers, PCBs, and TAB films. An X-axis stage moving along the X axis is installed in the base disposed in the upper space of the conveying means through a plurality of frictionless elastic bearings, and the Y-axis moving along the Y axis via the plurality of frictionless elastic bearings on the X-axis stage. An axial stage is installed, and a θ-axis stage equipped with a mask engraved with an integrated circuit pattern is installed on the Y-axis stage while rotating through one torsional elastic axis, while the X-axis stage is arranged along the X-axis direction. X-axis position sensor to detect moving distance and X-axis actuator to move X-axis stage along X-axis direction A Y-axis position sensor and Y-axis actuator for moving the Y-axis stage along the Y-axis direction are installed on the Y-axis stage. The torsionally elastic rotary shaft has a structure in which a rotary driving means made of voice coils is installed. The sensors are connected to an electronic controller to precisely control each actuator. The apparatus of the present invention having such a structure uses the frictionless elastic bearing to move the X stage, the Y stage, and the θ stage, respectively, so that even a minute distance of 1 μm can be easily controlled, and the substrate moves below the base. The position of the mask provided on the θ stage can be accurately controlled in accordance with the position of.

Description

무마찰탄성베어링을 이용한 다축스테이지 제어장치{Multi-axis stage control device using frictionless flexure bearings}Multi-axis stage control device using frictionless flexure bearings}

본 발명은 무마찰베어링을 이용한 다축스테이지 제어장치에 관한 것으로, 특히 반도체 기재에 집적회로의 패턴을 전사하는데 사용할 수 있도록 간단하면서 가격이 저렴하고 정밀제어작동시킬 수 있게 한 무마찰베어링을 이용한 다축스테이지 제어장치에 관한 것이다.The present invention relates to a multi-axis stage control apparatus using frictionless bearings. In particular, the multi-stage stage using frictionless bearings, which can be used to transfer patterns of integrated circuits to semiconductor substrates, is simple, inexpensive, and precisely controlled. It relates to a control device.

일반적으로 반도체 칩에는 그 내부에 집적회로가 식각되어 있는데, 이 집적회로를 개개의 반도체칩에 직접 그려 넣은 것이 아니라 기본 회로판인 마스크에 그려진 원본을 각각의 기재에 전사하여 그 패턴을 노광한 후, 다시 식각 등의 과정을 통하여 집적회로를 완성시키게 되어 있다.In general, an integrated circuit is etched in a semiconductor chip, and the original circuit drawn on a mask, which is a basic circuit board, is transferred onto each substrate, and the pattern is exposed, instead of drawing the integrated circuit directly on each semiconductor chip. The integrated circuit is completed through etching and the like again.

한편 반도체칩은 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.On the other hand, not only one semiconductor chip is made, but the same shape is repeated several times. In this process, the mask in which the integrated circuit is engraved is fixed to a stage, while the substrate is moved under the mask stage. The patterns of the integrated circuits are transferred one by one, and the position of the substrate must exactly match the position of the mask stage to accurately transfer the integrated circuits engraved in the mask.

이때 마스크에 새겨진 집적회로의 특성상 마스크와 기재의 위치조정이 ㎛ 이하의 정밀도로 제어되어져야 할 필요가 있다.At this time, it is necessary to adjust the position of the mask and the substrate to a precision of less than or equal to the characteristics of the integrated circuit engraved on the mask.

따라서, 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.Therefore, the position of the mask and the base material is adjusted, and as a conventional device generally used in a semiconductor chip manufacturing plant, for example, devices such as US Pat. Nos. 5,329,825, 4,948,330, 4,212,112 and 4532462 are used. In these devices, the stage supporting the mask is mostly composed of parts such as a ball screw or an LM guide, so that the stage is moved by a desired distance according to the operation of the driving device.

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.However, when using a motion conversion mechanism that converts rotational motion into a linear motion like a ball screw, or a driving guide mechanism of LM guides, the structure becomes complicated, and backlash, stick-slip, friction, etc. As shown in FIG. 5, the stage does not move until the driving force becomes greater than or equal to a predetermined value due to such a cause, but when it becomes greater than or equal to a predetermined value, the stage has a nonlinear characteristic and is generally used for a large stroke. Therefore, it is not suitable for use to control the minute position to align the position of the mask and the position of the substrate as described above, and also has the disadvantage that it is difficult to control the parts accurately and precisely, noise is generated, etc. There is a problem.

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 있기하는 하지만, 상기의 리니어모터와 에어베어링은 모두 고가의 부품이고 이들 장비를 이용한 장치는 그 설계가 어렵다는 단점이 있다.On the other hand, as another example of the conventional apparatus, in an apparatus such as US Patent No. 6008882, the stage is used by using a linear motor and an air bearing instead of using a conveying mechanism and driving means where friction or the like occurs. Since the linear motor is used, the driving force conversion parts such as ball screws are not required. Therefore, the structure is simplified, and the use of air bearings eliminates frictional loss and noise. Although there is an advantage of not being made, the above-mentioned linear motor and air bearing are both expensive parts, and the device using these equipments has a disadvantage in that the design is difficult.

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.Further, in the device disclosed in US Pat. No. 4,528,852, a piezo actuator is used as a driving source, and an elastic support bearing is used as a means for supporting the X axis stage with respect to the base and a means for supporting the Y axis stage with respect to the X axis stage. In the meantime, friction, noise, and the like do not occur in the stage that is driven by the power source and moves.

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 간단하지 않으면서 특정의 부품이 필요하다는 단점이 있다.However, this apparatus is designed such that the means for adjusting the rotational angle θ of the stage is controlled by a piezo actuator that moves linearly, and means such as accurate compensation of the position in the X-axis direction and the position in the Y-axis direction are presented. Not only does not facilitate accurate position control of the mask stage, but also a motion transfer mediating means between stages called elastic support bearings. The structure for the device according to the invention has the disadvantage of not requiring a simple part.

이에 본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 다축 스테이지 제어장치에 대한 문제점을 해결하여, 간단한 구조를 이루면서 정밀한 제어를 할 수가 있고, 그 구성부품 또한 손쉽게 구할 수가 있어 제작비용도 절감시킬 수 있게 한 무마찰탄성베어링을 이용한 다축스테이지 제어장치를 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention solves the problems of the conventional multi-axis stage control device as described above, and can achieve precise control while forming a simple structure, and its components can also be easily obtained, thus reducing the production cost. It is an object of the present invention to provide a multi-axis stage control apparatus using an elastic bearing.

상기한 바의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장치는, 반도체칩용 웨이퍼나 PCB 또는 TAB 등과 같은 기재를 이송하는 이송수단위에 배치된 베이스에 무마찰 탄성베어링통하여 X축을 따라 이동하는 X축 스테이지가 설치되고, 상기 X축 스테이지위에 무마찰탄성베어링을 매개하여 Y축을 따라 이동하는 Y축 스테이지가 설치되며, 상기 Y축 스테이지위에 비틀림탄성회전축을 매개하여 회전하면서 집적회로의 패턴이 새겨진 마스크가 장착된 θ축 스테이지가 설치되어 있다.The apparatus of the present invention for achieving the above object is provided with an X-axis stage moving along the X-axis through a frictionless elastic bearing through a base disposed in a transfer unit for transferring a substrate such as a semiconductor chip wafer or PCB or TAB And a Y-axis stage moving along the Y-axis through frictionless elastic bearings on the X-axis stage, and a mask engraved with a pattern of an integrated circuit while rotating through a torsional elastic axis on the Y-axis stage. An axis stage is provided.

그리고, 상기 X축 스테이지에 X축 방향을 따라 이동하는 거리를 감지하기 위한 X축 위치감지센서와 X축 스테이지를 X축방향을 따라 이동시키는 X축 액튜에이터가 설치되고, 상기 Y축 스테이지에 Y축 방향을 따라 이동하는 거리를 감지하기 위한 Y축 위치감지센서와 Y축 스테이지를 Y축방향을 따라 이동시키는 Y축 액튜에이터가 설치되어 있으며, 상기 θ스테이지의 비틀림탄성회전축에 보이스코일로 이루어진 회전구동수단이 설치된 구조로 되어 있다.The X-axis stage is provided with an X-axis position detection sensor for detecting a distance moving along the X-axis direction and an X-axis actuator for moving the X-axis stage along the X-axis direction. Y-axis position sensor and Y-axis actuator for moving the Y-axis stage along the Y-axis direction are installed to detect the distance moving along the direction, and the rotary drive means made of a voice coil on the torsional elastic axis of the θ stage. This structure is installed.

그리고 상기 센서들은 전자제어기에 연결되어 각각의 액튜에이터를 정밀 제어하게 되어 있다.The sensors are connected to an electronic controller to precisely control each actuator.

이러한 구조로 이루어진 본 발명의 장치는 무마찰탄성베어링을 사용하여 X스테이지와 Y스테이지 및 θ스테이지를 각각 이동시키게 되어 있으므로 1㎛ 이하의 미세한 거리도 간단하게 제어할 수 있어, 베이스의 아래로 이동하는 기재의 위치에 맞추어 상기 세타 스테이지에 설치된 마스크의 위치를 정확하게 제어해 줄 수가 있는 것이다.The apparatus of the present invention having such a structure uses the frictionless elastic bearing to move the X stage, the Y stage, and the θ stage, respectively, so that even a minute distance of 1 μm or less can be easily controlled, and the bottom of the base can be moved. According to the position of the substrate, it is possible to accurately control the position of the mask provided on the theta stage.

도 1 은 본 발명에 따른 무마찰탄성베어링을 이용한 다축스테이지 제어장치의 전체구성을 나타낸 개략적 사시도,1 is a schematic perspective view showing the overall configuration of a multi-axis stage control apparatus using a frictionless elastic bearing according to the present invention,

도 2 는 본 발명에 따른 장치의 배열관계를 개념적으로 나타낸 단면도,2 is a cross-sectional view conceptually illustrating an arrangement relationship of a device according to the present invention;

도 3 은 본 발명에 따른 장치를 구성하는 X축 스테이지와 Y축 스테이지의 연결구성을 나타낸 사시도,Figure 3 is a perspective view showing a connection configuration of the X-axis stage and the Y-axis stage constituting the device according to the present invention,

도 4 는 본 발명에 따른 장치를 구성하는 Y축 스테이지와 θ 스테이지의 연결구성을 나타낸 사시도,Figure 4 is a perspective view showing a connection configuration of the Y-axis stage and θ stage constituting the device according to the present invention,

도 5 는 본 발명에 따른 무마찰베어링을 사용할 경우의 시스템특성을 나타낸 그래프,5 is a graph showing the system characteristics when using a frictionless bearing according to the present invention,

도 6 은 종래의 일반적인 구동안내기구, 즉 베어링 LM가이드 등을 사용할 경우의 시스템 특성을 나타낸 그래프,도 7 은 도 2의 사시도이고,도 8 은 도 2의 작동상태를 나타낸 평면도이다.Figure 6 is a graph showing the system characteristics when using a conventional general drive guide mechanism, that is, a bearing LM guide, Figure 7 is a perspective view of Figure 2, Figure 8 is a plan view showing the operating state of Figure 2.

<도면의 주요부분에 대한 부호설명><Code Description of Main Parts of Drawing>

1 - 기재(substance) 2 - 기재 이송스테이지1-substrate 2-substrate transfer stage

3 - 베이스 4,5,6,7 - 무마찰탄성베어링3-Base 4,5,6,7-Friction Free Bearings

8 - X축 스테이지 9,10,11,12 - 무마찰탄성베어링8-X-axis stage 9,10,11,12-Friction-free elastic bearing

13 - Y축 스테이지 14 - 비틀림탄성회전축13-Y-axis stage 14-Torsional elastic axis

15 - θ축 스테이지 16 - 마스크15-θ-axis stage 16-Mask

17 - X축 위치센서 18 - X축 액튜에이터17-X-axis position sensor 18-X-axis actuator

19 - Y축 위치센서 20 - Y축 액튜에이터19-Y-axis position sensor 20-Y-axis actuator

21 - 회전구동수단 22 - θ축 위치센서21-Rotary drive means 22-θ axis position sensor

이하 본 발명의 구체적인 실시예를 첨부한 예시도면을 참조하여 자세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, a specific embodiment of the present invention will be described in detail.

도면 1은 본 발명에 따른 장치의 전체적 구성을 나타내는 개략적 사시도이고, 도면 2는 본 발명에 따른 장치의 배열관계를 개념적으로 나타낸 단면도이며, 도면 3은 본 발명의 장치에서 X축 스테이지와 Y축 스테이지의 연결관계를 나타낸 사시도이며, 도면 4는 본 발명의 장치에서 X축 스테이지와 θ축 스테이지의 연결관계를 나타낸 사시도로서, 이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 장치는, 반도체 칩을 만드는 재료인 웨이퍼나 PCB 또는 TAB 등과 같은 기재(1)를 이송시키는 기재 이송스테이지(2)의 위쪽에 광학계(A)와 다축스테이지 구동장치(B)가 배치된 구조로 되어 있다.Figure 1 is a schematic perspective view showing the overall configuration of the device according to the invention, Figure 2 is a cross-sectional view conceptually showing the arrangement of the device according to the invention, Figure 3 is an X-axis stage and Y-axis stage in the device of the present invention 4 is a perspective view illustrating a connection relationship between an X-axis stage and a θ-axis stage in the apparatus of the present invention, and as shown in these figures, the apparatus according to the present invention makes a semiconductor chip. The optical system A and the multi-axis stage driving device B are arranged above the substrate transfer stage 2 for transferring the substrate 1 such as a wafer, PCB, or TAB, which is a material.

상기 다축 스테이지 구동장치(B)는 베이스(3)에 4개의무마찰탄성베어링(4,5, 6,7)을 매개하여 X축 스테이지(8)가 설치되고, 상기 X축 스테이지(8)에 역시 4개의 무마찰탄성베어링(9,10,11,12)을 매개하여 Y축 스테이지(13)가 설치되어 있으며, 상기 Y축 스테이지(13)에 비틀림탄성회전축(14)을 매개하여 θ축 스테이지(15)가 설치된 구조로 되어 있다.The multi-axis stage drive device (B) is provided with an X-axis stage (8) through the four frictionless elastic bearings (4, 5, 6, 7) on the base (3), the X-axis stage (8) The Y-axis stage 13 is installed through the four frictionless elastic bearings 9, 10, 11, and 12, and the θ-axis stage is connected to the Y-axis stage 13 by the torsional elastic rotating shaft 14. (15) is provided.

그리고, 상기 θ축 스테이지(15)에 집적회로의 패턴이 새겨진 마스크(16)가 장착되어 있다.Then, a mask 16 having an integrated circuit pattern engraved thereon is mounted on the θ-axis stage 15.

한편, 상기 X축 스테이지(8)에 X축 방향을 따라 이동하는 거리를 감지하기 위한 X축 위치감지센서(17)와 X축 스테이지(8)를 X축방향으로 이동시키는 X축 액튜에이터(18)가 서로 마주보도록 대향 설치되고, 상기 Y축 스테이지(13)에 Y축 방향을 따라 이동하는 거리를 감지하기 위한 Y축 위치감지센서(19)와 Y축 스테이지(13)를 Y축방향으로 이동시키는 Y축 액튜에이터(20)가 설치되어 있으며, 상기 θ스테이지(15)에 비틀림탄성회전축(14)을 중심으로 회전 구동시키는 회전구동수단(21)과 θ각 위치감지센서(22)가 설치된 구조로 되어 있다.On the other hand, the X-axis actuator 18 for moving the X-axis position detection sensor 17 and the X-axis stage 8 in the X-axis direction for detecting the distance to move in the X-axis direction to the X-axis stage (8) Are installed to face each other and move the Y-axis position detection sensor 19 and the Y-axis stage 13 in the Y-axis direction to detect a distance moving along the Y-axis direction on the Y-axis stage 13. The Y-axis actuator 20 is installed, and the θ stage 15 has a structure in which rotation driving means 21 and θ angular position sensor 22 are installed to rotate around the torsional elastic shaft 14. have.

본 발명에서 사용하는 무마찰탄성베어링(4,5,6,7,9,10,11,12)은 판 스프링이나 경강선 등과 같은 스프링으로 이루어지고, 상기 비틀림탄성회전축(14)은 일반적으로 비틀림 스프링의 일종으로서 마찰과, 회전축의 이탈 및 이력현상이 없는 이상적인 베어링이라 할 수 있는데, 이러한 특성의 비틀림 탄성회전축(14)에 θ축 스테이지(15)가 지지되어 있는 것이다.The frictionless elastic bearings (4, 5, 6, 7, 9, 10, 11, 12) used in the present invention is made of a spring, such as a leaf spring or hard steel wire, the torsional elastic rotary shaft 14 is generally a torsion spring As an example, it can be said that it is an ideal bearing without friction, separation of the rotating shaft and hysteresis. The θ-axis stage 15 is supported by the torsionally elastic rotating shaft 14 having this characteristic.

한편, 상기 비틀림탄성회전축(14)을 중심으로 θ축스테이지(15)를 회전시키는 회전구동수단(21)은 회전형 보이스코일로 구성되어 있는 한편, 상기 X축 액튜에이터(18)와 Y축 액튜에이터(20)는 직선운동형 보이스코일로 구성되어 있다.On the other hand, the rotation driving means 21 for rotating the θ-axis stage 15 around the torsional elastic rotation shaft 14 is composed of a rotary voice coil, while the X-axis actuator 18 and the Y-axis actuator ( 20) consists of a linear motion voice coil.

그리고, 상기 위치센서(17,19,22)와 액튜에이터(18,20)는 도시되지 않은 전자제어기에 연결되어, 상기 센서에서 감지된 엑튜에이터(18,20)의 위치에 따라 기재(1)에 대한 마스크(16)의 위치를 보정하여 그 위치를 맞추어 주게 되어 있으며, 상기 위치센서(17,19,22)는 비접촉식 센서를 사용하는데, 그 에로서 에디커런트센서(eddy current sensor), 캐패시티브근접센서(capacitive proximity sensor), 콜리미터(collimator), 레이저간섭계(laser interferometer) 등을 들 수 있다.In addition, the position sensors 17, 19 and 22 and the actuators 18 and 20 are connected to an electronic controller (not shown), and the substrate 1 is connected to the substrate 1 according to the position of the actuators 18 and 20 detected by the sensor. The position of the mask 16 is corrected to adjust its position, and the position sensors 17, 19, and 22 use a non-contact sensor, for example, an eddy current sensor and a capacitive sensor. Capacitive proximity sensors, collimators, laser interferometers, and the like.

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 θ축 스테이지(15)에 장착되어 있는 마스크(16)의 위치를 감지하여, 편차가 나는 경우에는 그 편차위치에 따라 X축 스테이지(8)와 Y축 스테이지(13) 또는 θ축 스테이지(15)를 이동시켜 고정되어 있는 기재(1)에 대하여 마스크(16)의 위치를 이동시켜 상기 기재(1)와 마스크(16)가 정확하게 정렬시켜준다.In the apparatus of the present invention having such a structure, when the substrate 1 to be transported along the substrate transfer stage 2 is located below the base 3 of the apparatus according to the present invention, the apparatus is loaded on the substrate transfer stage 1. The position of the base material 2 and the position of the mask 16 mounted on the θ axis stage 15 are sensed, and if there is a deviation, the X axis stage 8 and the Y axis stage 13 according to the deviation position. ) Or the θ-axis stage 15 to move the position of the mask 16 with respect to the fixed substrate 1 so that the substrate 1 and the mask 16 are accurately aligned.

이와 같이 상기 기재(1)에 대한 마스크(16)의 위치를 보정하기 위해, 상기 X축 스테이지(8)와 Y축 스테이지(13) 또는 θ축 스테이지(15)를 이동시키는 액튜에이터(18,20,21)는 1㎛이하의 치수까지 정밀하게 제어 작동하여야 할 필요가 있는 바, 이러한 요구를 만족시키기 위해 본 발명에서는 보이스코일 구동기를 사용하며, 특히 θ축 스테이지(15)를 회전시키는데 사용하는 액튜에이터(21)는 회전형 보이스코일을 사용함으로써 브러시가 필요 없고 모터 고유의 코깅현상도 없어지게 되므로, 소음이 없게 작동시킬 수 있으면서 정확한 동작을 제어할 수가 있는 것이다.In this way, in order to correct the position of the mask 16 with respect to the substrate 1, the actuators 18, 20 for moving the X-axis stage 8 and the Y-axis stage 13 or the θ-axis stage 15, 21 needs to be precisely controlled to a dimension of 1 μm or less. In order to satisfy this demand, the present invention uses a voice coil driver, and in particular, an actuator used to rotate the θ-axis stage 15 ( 21) eliminates the need for a brush and eliminates the inherent cogging phenomenon of the motor by using a rotary voice coil, so that it can be operated without noise and can control precise operation.

그리고, 상기 센서(17,19,22)에서 측정된 값은 도시되지 않은 전자제어기로 인가되어, 이 제어기에서 상기 액튜에이터(18,20,21)을 연속적으로 제어함으로써 마스크(16)의 위치를 정확하면서 빠른 시간 내에 제어할 수가 있는 것이다.The values measured by the sensors 17, 19, and 22 are applied to an electronic controller (not shown) so that the position of the mask 16 can be accurately corrected by continuously controlling the actuators 18, 20, and 21. While you can control in a short time.

한편, 상기한 바와 같은 스테이지(8,13,15)의 동작개념을 설명하기 위해 X축 스테이지(8)의 구동을 예로 들어 설명하자면, X축 스테이지(8)를 구동시키기 위해서는 Y축 스테이지(13)가 고정부가 된 상태에서 X축 구동원인 X축 액튜에이터(18)의 작동에 따라 구동하게 되는데, 상기 X축 액튜에이터(18)를 이루는 직동형 보이스코일의 코일조립체는 Y축 스테이지(13)에 고정되고 필드 조립체(마그네틱 조립체)은 X 스테이지(8)에 고정된 상태로 가동되게 된다.On the other hand, in order to explain the operation of the stage (8, 13, 15) as described above to take the driving of the X-axis stage 8 as an example, in order to drive the X-axis stage 8, Y-axis stage 13 ) Is driven according to the operation of the X-axis actuator 18, which is the X-axis driving source in the state of being fixed, the coil assembly of the linear voice coil forming the X-axis actuator 18 is fixed to the Y-axis stage (13) The field assembly (magnetic assembly) is operated in a fixed state on the X stage 8.

따라서, 상기 X축 액튜에이터(18)을 이루는 보이스코일에 전원이 인가되면 로렌쯔원리에 의하여 구동력이 발생하게 되고, 이에 따라 상기 X축 스테이지(8)가 도면 3 에서 화살표(23)방향으로 이동하게 된다. 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.Therefore, when power is applied to the voice coil forming the X-axis actuator 18, a driving force is generated by the Lorentz principle, thereby moving the X-axis stage 8 in the direction of the arrow 23 in FIG. . At this time, bending occurs in the four elastic support bearings 9, 10, 11, and 12 supporting the X-axis stage 8, and the amount of bending is equal to the elastic support bearings 9, 10, 11, The value is different depending on the stiffness of 12).

그리고, 상기 탄성지지베어링의 강성은 이를 구성하는 평판스프링의 두께, 폭. 길이 등 형상에 관계된 값으로서, 본 발명에 따른 장치의 동적 특성을 좌우하는 중요한 변수이다.And, the rigidity of the elastic support bearing the thickness, width of the flat spring constituting it. As a value related to shape, such as length, it is an important parameter that influences the dynamic properties of the device according to the invention.

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 고유지동수가 제어대역(control bandwidth)의 2배 이상이 될 것, 셋째 좌굴이 발생하지 않을 것 등이다.On the other hand, the characteristics of the above-mentioned elastic support bearings are as follows: First, the system primary natural frequency should not exceed 1 to 2 Hz due to the small rigidity of the driving direction; Will be more than twice the control bandwidth, and no third buckling will occur.

그리고, Y축 스테이지(13)의 구동방식은 상기 X축 스테이지(8)의 구동방식과 동일하며, θ축 스테이지(15)의 구동방식은 약간 다른데, 도면 4 에 도시한 바와 같이 상기 θ축 스테이지(15)의 구동액튜에이터(21)를 구성하는 회전형 보이스 코일구동기가 회전하면서 상기 비틀림탄성회전축(14)을 중심으로 상기 구동액튜에이터(21)에 고정 연결되어 있는 상기 θ축 스테이지(15)를 소정 각도로 회동시키게 되는 것이다.The driving method of the Y-axis stage 13 is the same as the driving method of the X-axis stage 8, and the driving method of the θ-axis stage 15 is slightly different, as shown in FIG. The θ-axis stage 15, which is fixedly connected to the drive actuator 21 about the torsional elastic shaft 14 while the rotary voice coil driver constituting the drive actuator 21 of the rotation, is predetermined, is rotated. Is rotated at an angle.

이와 같이 본 발명에 따른 다축 스테이지 제어장치는 상기 X축 스테이지(8)와 Y축 스테이지(13) 및 θ축 스테이지(15)가 모두 로렌쯔 원리에 의해 마찰 없이 작동하면서 미소한 거리를 정밀하게 이동시킬 수 있는 보이스 코일에 의해 구동하게 되어 있으면서, 상기 X축 스테이지(8)와 Y축 스테이지(13)가 스프링평판이나 스프링강선 또는 경강선 등으로 이루어진 무마찰 탄성베어링을 매개체로 하여 지지되어 있으므로 X축 스테이지(8)와 Y축 스테이지(13)를 액튜에이터의 작동과 동시에 도면 5에 도시한 바와 같이 선형적으로 이동시킬 수 있으므로, 결국 기재(1)에 대한 마스크(16)의 위치를 정확하게 제어할 수가 있는 것이다.도 7 및 8은 도 2의 사시도 및 작동상태에 따른 평면도를 나타낸 것으로, θ축이 이동할 경우 θ축 스테이지(15)가 이동함에 따라 Y축 스테이지(13)가 이동하지 않은 상태를 나타낸 것이다.As described above, the multi-axis stage control apparatus according to the present invention allows both the X-axis stage 8, the Y-axis stage 13, and the θ-axis stage 15 to move minute distances precisely while operating without friction by the Lorentz principle. The X-axis stage 8 and the Y-axis stage 13 are driven by a frictionless elastic bearing made of a spring flat plate, a spring steel wire, or a hard steel wire, while being driven by a voice coil capable of driving. Since the 8 and Y axis stages 13 can be linearly moved as shown in FIG. 5 simultaneously with the operation of the actuator, the position of the mask 16 relative to the substrate 1 can be precisely controlled. 7 and 8 are a plan view according to the perspective view and the operating state of FIG. 2, the Y-axis stay as the θ-axis stage 15 moves when the θ-axis moves The 13 illustrates a non-moving state.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 다축스테이지 제어장치는 다수개의 스테이지가 판스프링과 같은 무마찰 탄성베어링과 같은 수단을 매개체로 하여 연결되어 있으면서, 상기 각각의 스테이지가 직동형 보이스코일로 이루어진 액튜에이터에 의해 구동하게 되어 있기 때문에 운동이 전달될 때 마찰현상이 발생하지 않고 선형적으로 이루어지게 되므로 정확한 이동을 제어할 수 있는 효과가 있다.As described above, in the multi-axis stage control apparatus according to the present invention, a plurality of stages are connected via a medium such as a frictionless elastic bearing such as a leaf spring, and each stage is an actuator comprising a linear voice coil. Because it is driven by the friction is not generated when the motion is transmitted is made linearly because there is an effect that can control the precise movement.

또한, 본 발명에 따른 장치는 θ축 스테이지(15)는 회전형 보이스코일구동기로 이루어진 회전액튜에이터(21)와 비틀림 스프링의 일종인 비틀림탄성회전축(14)에 의해 지지된 구동되도록 되어 있기 때문에, 정확하고 정밀한 각도의 제어가 가능한 것이다.In addition, since the device according to the present invention is driven by the θ-axis stage 15 supported by the rotary actuator 21 made of the rotary voice coil actuator and the torsion spring shaft 14 which is a kind of torsion spring, it is accurate. And precise angle control is possible.

따라서 본 발명에 따른 다축 스테이지 제어장치를 반도체 칩의 제조과정에서 기재(1)와 집적회로가 새겨진 마스크(18)사이의 위치를 정밀하게 제어하여 정렬시키는데 효과적으로 사용할 수가 있다.Therefore, the multi-axis stage control apparatus according to the present invention can be effectively used to precisely control and align the position between the substrate 1 and the mask 18 in which the integrated circuit is engraved during the manufacturing process of the semiconductor chip.

Claims (3)

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)위에 다수개의 무마찰탄성베어링(9,10,11,12)을 매개하여 Y축을 따라 이동하는 Y축 스테이지(13)가 설치되며, 상기 Y축 스테이지(13)위에 비틀림탄성회전축(14)을 매개하여 회전하면서 집적회로의 패턴이 새겨진 마스크(16)가 장착된 θ축 스테이지(15)가 설치되어 있는 한편, 상기 X축 스테이지(8)에 X축 방향을 따라 이동하는 거리를 감지하기 위한 X축 위치감지센서(17)와 X축 스테이지를 X축방향을 따라 이동시키는 X축 액튜에이터(18)가 설치되고, 상기 Y축 스테이지(13)에 Y축 방향을 따라 이동하는 거리를 감지하기 위한 Y축 위치감지센서(19)와 Y축 스테이지를 Y축방향을 따라 이동시키는 Y축 액튜에이터(20)가 설치되어 있으며, 상기 θ축 스테이지(15)의 비틀림탄성회전축(14)에 회전구동수단(21)이 설치된 구조로 이루어진 무마찰탄성베어링을 이용한 다축스테이지 제어장치An X-axis stage 8 which is moved along the X-axis through a plurality of frictionless elastic bearings 4, 5, 6, and 7 is installed on the base 3 that forms the base of the device, and on the X-axis stage 8 Y-axis stage 13 moving along the Y-axis is installed through a plurality of frictionless elastic bearings (9, 10, 11, 12), by the torsionally elastic rotating shaft (14) on the Y-axis stage (13) An X-axis stage 15 equipped with a mask 16 engraved with an integrated circuit pattern while being rotated is installed, and an X-axis position for sensing a distance moving along the X-axis direction in the X-axis stage 8 is provided. A detection sensor 17 and an X-axis actuator 18 for moving the X-axis stage along the X-axis direction are installed, and the Y-axis position for sensing the distance moving along the Y-axis direction on the Y-axis stage 13. Y-axis actuator 20 for moving the sensor 19 and the Y-axis stage along the Y-axis direction is installed. Multi-stage stage control device using a frictionless elastic bearing having a structure in which the rotation driving means 21 is installed on the torsionally elastic rotating shaft 14 of the θ-axis stage 15. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 무마찰탄성베어링이 스프링평판, 스프링강선, 경강선중의 하나로 이루어진 것을 특징을 하는 무마찰 탄성베어링을 이용한 다축스테이지 제어장치Multi-stage stage control device using a frictionless elastic bearing characterized in that the frictionless elastic bearing is made of one of a spring plate, spring steel wire, hard steel wire 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 X축 액튜에이터(18)와 Y축 액튜에이터(19)가 직동형 보이스코일로 이루어지고, 상기 θ축 스테이지(15)를 회동시키는 회전구동수단(21)이 회전형 보이스코일구동기로 이루어진 것을 특징으로 하는 무마찰 탄성베어링을 이용한 다축스테이지 제어장치The X-axis actuator 18 and the Y-axis actuator 19 is made of a linear voice coil, and the rotary drive means 21 for rotating the θ axis stage 15 is made of a rotary voice coil driver. Multi-stage stage controller using frictionless elastic bearing