KR101103174B1 - 스테이지장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 베이스, 베이스에 대해 회전가능하게 마련된 제1 및 제2스테이지, 제1스테이지 및 제2스테이지를 연결하는 적어도 하나의 연결힌지, 제2스테이지 및 베이스를 연결하는 적어도 하나의 회전힌지, 제1스테이지 및 베이스 사이에 마련되어 제1스테이지 및 베이스를 가압하며, 제2스테이지의 중심에 대해 대칭을 이루도록 마련된 복수의 엑츄에이터를 포함하는 스테이지장치를 제공한다.
이와 같은, 스테이지장치는, 압전소자를 이용하는 엑츄에이터로부터 가압력을 전달받아 회전하는 제1스테이지의 회전력이 플렉쳐힌지 구조를 가지면서 각각 제1스테이지 및 제2스테이지, 제2스테이지 및 베이스를 연결하는 연결힌지 및 회전힌지에 의해 제1스테이지 내측의 시편이 올려지는 제2스테이지에 전달된다. 따라서, 제2스테이지의 회전 위치오차를 줄일 수 있어 초정밀의 위치제어가 가능하게 된다.

Description

스테이지장치{Stage device}
본 발명은 스테이지장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반도체의 웨이퍼 등을 지지하는 스테이지를 정밀하게 제어하는 스테이지장치에 관한 것이다.
일반적으로 초정밀용 스테이지장치는 반도체의 웨이퍼 및 액정표시패널(LCD) 등의 정밀검사를 위한 스캐닝장치, 반도체 가공기 및 초정밀 가공기 등에 사용된다. 그리고, 이러한 스테이지장치는 주로 반도체의 웨이퍼 등을 지지하는 프레임과 같은 스테이지와, 스테이지와 결합되어 스테이지를 이동시키도록 구동하는 액추에이터와, 이러한 액추에이터를 정밀하게 제어하기 위한 제어부 등을 포함한다.
이러한 종래의 초정밀용 스테이지장치는 미국특허 US4,667,415의 마이크로 리소그래픽 레티클 위치장치(micro lithographic reticle positioning system)에 개시되어 있다.
도 1을 참조하면, 종래의 스테이지장치는, 베이스 등에 고정된 외부프레임(35,37)과, 외부프레임(35,37)의 내측에 외부프레임(35,37)에 대해 이동가능하게 사각형상으로 마련된 내부프레임(41,43,45,47)과, 베이스 등에 고정되어 내부프레임(41,43,45,47)을 가압하도록 구동하는 구동모터(61,62,63)와, 구동모 터(61,62,63)의 구동력을 내부프레임(41,43,45,47)에 전달하도록 마련된 커넥팅로드(71,72,73)와, 구동모터(61,62,63)의 구동력에 의해 내부프레임(41,43,45,47)이 평면의 3자유도(X,Y,θ)를 갖도록 내부프레임(41,43,45,47) 및 외부프레임(35,37) 사이에 마련된 다수의 플렉쳐힌지(flexure hinge)(51,52,53,54,55,56,57,58)를 포함한다. 상기 구동모터(61,62,63)는 사각형상의 프레임(33)의 외측에 3개로 마련된다. 즉, 제1구동모터(61) 및 제2구동모터(62)는 내부프레임(47)의 외측에 각각 좌우방향으로 편심되어 마련된다. 그리고, 상기 제3구동모터(63)는 외부프레임(35,37)의 외측 중앙에 마련된다. 그리고, 상기 제1구동모터(61) 및 제2구동모터(62)는 제1커넥팅로드(71) 및 제2커넥팅로드(72)를 구동시켜 내부프레임(47)의 좌측 및 우측을 각각 가압하게 된다. 그리고, 상기 제3구동모터(63)는 제3커넥팅로드(73)를 구동시켜 내부프레임(43)의 중앙을 가압하게 된다. 그리고, 이러한 구동모터(61,62,63)는 갈바노미터일 수도 있다. 상기 커넥팅로드(71,72,73)는 구동모터(61,62,63)에 대응하여 3개로 마련된다. 그리고, 커넥팅로드(71,72,73)의 일측은 크랭크(crank)(65,66,67)에 의해 구동모터(61,62,63)에 결합되며, 타측은 내부프레임(47,43)에 결합된다.
이러한 구성에 의해 종래의 스테이지장치의 작동과정은 다음과 같다.
상기 제3구동모터(63)의 구동에 의해 상기 내부프레임(41,43,45,47)은 X축의 전후방향으로 이동가능하게 되며, 제1구동모터(61) 및 제2구동모터(62)의 동일한 구동에 의해 내부프레임(41,43,45,47)은 Y축의 전후방향으로 이동가능하게 된다. 그리고, 상기 제1구동모터(61) 및 제2구동모터(63)의 구동을 달리 함으로써 내부프 레임(41,43,45,47)은 내부프레임(41,43,45,47)의 중심에 대해 θ방향으로 정회전 및 역회전가능하게 된다.
그러나, 종래의 스테이지장치는 구동력을 발생하는 구동모터들이 프레임에 대해 비대칭적인 구조로 배치되는데, 초정밀의 위치제어가 요구되는 경우 이러한 비대칭적인 구조에 의해 위치오차를 줄이기 어려운 문제점이 있다.
또한, 종래의 스테이지장치는 프레임을 이동시키기 위해 구동모터를 사용하는데, 이러한 구동모터로는 수십 나노미터(nano meter)의 위치오차를 갖는 초정밀의 위치제어를 구현하기 어려우며, 구동시 발생되는 열에 의해 프레임에 열적변형을 야기할 수 있는 문제점이 있다.
본 발명은, 초정밀의 위치제어가 가능하도록 위치오차를 용이하게 줄일 수 있는 스테이지장치를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은, 베이스와; 상기 베이스에 대해 회전가능하게 마련된 제1 및 제2스테이지와; 상기 제1스테이지 및 상기 제2스테이지를 연결하는 적어도 하나의 연결힌지와; 상기 제2스테이지 및 상기 베이스를 연결하는 적어도 하나의 회전힌지와; 상기 제1스테이지 및 상기 베이스 사이에 마련되어 상기 제1스테이지 및 상기 베이스를 가압하며, 상기 제2스테이지의 중심에 대해 대칭을 이루도록 마련된 복수의 엑츄에이터를 포함하는 스테이지장치를 제공한다.
또한, 상기 베이스에는 상기 제1스테이지와 연결되어, 상기 액츄에이터의 가압력을 가압방향으로 집중시키도록 제1스테이지의 중심에 대칭되게 복수의 유연가이드를 마련할 수 있다. 여기서, 상기 유연가이드는 상기 연결힌지 및 상기 회전힌지의 각각 중심축선상을 중심으로 상호 이격되게 절취한 '「' 형상을 가지는 한 쌍의 가이드커팅부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 베이스에는 상기 제1스테이지의 중심에 대해 대칭되면서 상기 제1스테이지의 접선상에 연직되게 요입 형성되어, 상기 엑츄에이터를 수용하는 복수의 수용부를 마련할 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2스테이지는 커팅부에 의해 원형의 형상으로 절취 마련 되며, 상기 제1스테이지외측에는 각각의 상기 수용부에 인접하게 상기 베이스 내측으로 돌출 형성된 복수의 돌출부를 마련할 수 있다.
또한, 상기 연결힌지 및 상기 회전힌지는 상호 상기 제1스테이지의 중심에 대칭되도록 복수개를 마련할 수 있다.
또한, 상기 연결힌지는 상기 제1스테이지 및 상기 제2스테이지를 연결하도록 상호 이격된 상태로 절취된 복수의 커팅부와, 상기 각 커팅부에 상호 이격되게 연장 절취된 적어도 하나의 보조커팅부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 회전힌지는 상기 제2스테이지 및 상기 베이스를 연결하도록 상호 이격된 상태로 절취된 복수의 커팅부와, 상기 각 커팅부에 상호 이격되게 연장 절취된 적어도 하나의 보조커팅부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 스테이지장치는, 압전소자를 이용하는 엑츄에이터로부터 가압력을 전달받아 회전하는 제1스테이지의 회전력이 플렉쳐힌지 구조를 가지면서 각각 제1스테이지 및 제2스테이지, 제2스테이지 및 베이스를 연결하는 연결힌지 및 회전힌지에 의해 제1스테이지 내측의 시편이 올려지는 제2스테이지에 전달된다. 따라서, 제2스테이지의 회전 위치오차를 줄일 수 있어 초정밀의 위치제어가 가능하게 된다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 스테이지장치의 사시도이며, 도 3은 도 2의 분해사시도이다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 스테이지장치는, 베이스(100), 제1스테이지(200), 제2스테이지(300), 연결힌지(400), 회전힌지(500), 엑츄에이터(600)를 구비한다.
상기 베이스(100)는 움직이지 않도록 고정되며, 이후 설명될 상기 제1스테이지(200) 및 상기 제2스테이지(300)가 회전 가능한 상태로 형성되는 판 형상 부재이다. 이러한, 상기 베이스(100)는 커팅부(140)(141)(410)(510)에 의해 상기 제1스테이지(200) 및 상기 제2테이지(300), 상기 제1스테이지(200) 및 상기 제2스테이지(300)를 연결하는 적어도 하나의 연결힌지(400), 상기 제2스테이지(300) 및 상기 베이스(100)를 연결하는 적어도 하나의 회전힌지(500)가 형성된다. 여기서, 상기 커팅부(140)(141)(410)(510)는 와이어커팅에 의해 가공되는 것이 바람직하나, 레이져와 같은 가공으로 형성할 수 있음은 물론이다.
그리고, 상기 베이스(100)에는 상기 제1스테이지(200)의 중심에 대칭된 상태로 배치되며, 이후 설명될 상기 제1스테이지(200)와 연결되는 복수의 유연가이드(110)들을 구비할 수 있다. 이러한, 각 상기 유연가이드(110)들은 이후 설명될 상기 액츄에이터(600)의 가압력이 발생될 때, 상기 가압력을 가압방향으로 집중시킴으로써, X축 및 Y축방향으로의 강성을 증가시켜 기생힘이 발생되지 않게 하여, 상기 제1스테이지(200)에 순수한 회전력만이 전달될 수 있게 한다. 여기서, 상기 유연가이드(110)는 상기 연결힌지(400) 및 상기 회전힌지(500)의 각각 중심축선상을 중심으로 상호 이격되게 절취된 '「' 형상의 가이드커팅부(111)를 한 쌍으로 마 련한다. 이러한, 상기 가이드커팅부(111) 역시, 상기 커팅부(140)(141)(410)(510)와 마찬가지로 와이어커팅이나 레이져에 의해 가공 형성할 수 있다.
또한, 상기 베이스(100)에는 상기 제1스테이지(200)의 접선 상에 연직되게 요입 형성한 한 쌍의 수용부(120)를 마련한다. 이러한, 상기 수용부(120)에는 이후 설명될 상기 엑츄에이터(600)를 각각 삽입 설치한다. 여기서, 상기 수용부(120)는 한 쌍이 마련된 것으로 도시하였으나, 이에 한정하지 않고 상기 제1스테이지(200)의 중심에 대해 대칭을 이루도록 복수 구비할 수도 있다. 즉, 상기 수용부(120)는 이후 설명될 상기 엑츄에이터(600)를 제1스테이지(200)의 중심에 대해 180°등각도로 이격되게 배치함과 동시에 상기 제1스테이지(200)의 접선방향에 연직되게 상기 엑츄에이터(600)가 배치되게 함으로써, 상기 엑츄에이터(600)의 가압방향이 상기 엑츄에이터(600)의 길이방향으로 작용한다면, 상기 제1스테이지(200) 및 상기 제2스테이지(300)가 회전할 수 있게 된다. 또한, 상기 베이스(100)에는 이후 설명될 상기 엑츄에이터(600)의 단부를 삽입 결합하도록 엑츄에이터결합부(121)를 형성할 수도 있다.
상기 제1스테이지(200)는 상기 베이스(100) 내측에 상기 커팅부(140)로써 회전가능하게 원형 형상으로 마련된다. 상기 제1스테이지(200)는 이후 설명될 상기 엑츄에이터(600)의 가압력을 전달받아 회전하게 된다. 여기서, 상기 제1스테이지(200)의 외측부에는 상기 베이스(100)의 각 수용부(120)에 인접하게 상기 베이스(100) 내측으로 돌출 형성된 복수의 돌출부(210)를 구비한다. 이러한, 상기 돌출부(210)는 상기 수용부(120)와 연통되어, 이후 상기 수용부(120)에 설치되는 상기 엑츄에이터(600)의 동작시, 상기 제1스테이지(200)가 가압력을 전달받을 수 있게 한다. 여기서, 상기 돌출부(210)는 한 쌍의 상기 수용부(120)에 대응되게 한 쌍이 마련된 것으로 도시하였으나, 이에 한정하지 않고, 상기 수용부(120)가 복수 구비될 경우, 그에 대응되게 복수 구비할 수도 있다.
상기 제2스테이지(300)는 상기 제1스테이지(200) 내측에 동일 중심을 가지도록 상기 커팅부(141)로써 회전가능하게 원형 형상으로 마련된다. 상기 제2스테이지(300)는 상기 제1스테이지(200)의 회전력을 전달받아 미세회전하게 된다. 이러한, 상기 제2스테이지(300) 상부에는 웨이퍼 등과 같은 시편을 안착시킬 수 있는 별도의 지지부(도면미도시)를 가질 수도 있음은 물론이다.
상기 연결힌지(400)는 상기 제1스테이지(200) 및 상기 제2스테이지(300)를 연결하도록 상호 이격된 상태로 절취된 복수의 커팅부(410)에 의해 형성된다. 여기서, 상기 연결힌지(400)는 적어도 하나 구비된다. 상기 연결힌지(400)는 상기 제1스테이지(200)에 대해 상기 제2스테이지(300)가 상기 베이스(100) 판면상에서 회전이동가능하게 무마찰의 탄성력을 가지게 하며, 이러한, 상기 연결힌지(400)는 플렉쳐힌지로써, 무마찰탄성베어링 구조를 가지게 된다. 여기서, 각 상기 커팅부(410)에는 상호 이격된 상태로 연장 절취되게 적어도 하나의 보조커팅부(420)를 형성한다. 이러한, 상기 보조커팅부(420)는 상기 엑츄에이터(600)의 가압력이 상기 제1스테이지(200)를 거쳐 상기 제2스테이지(300)로 전달시 분산되는 것을 방지하여 상기 엑츄에이터(600)의 가압력을 가압방향으로 집중시킴으로서 상기 엑츄에이터(600)로부터 전달받는 가압력을 용이하게 제어할 수 있게 된다. 여기서, 상기 보조커팅 부(420)는 상기 커팅부(410)와 마찬가지로 와이어커팅이나 레이져에 의한 가공으로 형성될 수 있다.
상기 회전힌지(500)는 상기 제2스테이지(300) 및 상기 베이스(100)를 연결하도록 상호 이격된 상태로 절취된 복수의 커팅부(510)에 의해 형성된다. 여기서, 상기 회전힌지(500)는 적어도 하나 구비된다. 상기 회전힌지(500)는 일 단부를 상기 베이스(100) 상에 고정시킴으로서, 상기 제1스테이지(300) 및 상기 제2스테이지(400)를 1자유도의 회전력만을 발생시키게 한다. 이러한, 상기 회전힌지(500)는 상기 연결힌지(400)와 마찬가지로 플렉쳐힌지로써, 무마찰탄성베어링 구조를 가지게 된다. 여기서, 각 상기 커팅부(510)에는 상호 이격된 상태로 연장 절취되게 적어도 하나의 보조커팅부(520)를 형성한다. 이러한, 상기 보조커팅부(520)는 상기 연결힌지(400)의 보조커팅부(420)와 마찬가지로 상기 엑츄에이터(600)의 가압력이 상기 제1스테이지(200)를 거쳐 상기 제2스테이지(300)로 전달시 분산되는 것을 방지하여 상기 엑츄에이터(600)의 가압력을 가압방향으로 집중시킴으로서 상기 엑츄에이터(600)로부터 전달받는 가압력을 용이하게 제어할 수 있게 된다. 여기서, 상기 보조커팅부(520)는 상기 커팅부(510)와 마찬가지로 와이어커팅이나 레이져에 의한 가공으로 형성될 수 있다.
여기서, 상기 연결힌지(400) 및 상기 회전힌지(500)는 상호 상기 제1스테이지(200)의 중심에 대칭되도록 4개가 설치된 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정하지 않고 복수 쌍이 마련될 수 있음은 물론이다.
상기 엑츄에이터(600)는 상기 제1스테이지(200) 및 상기 베이스(100) 사이에 복수 마련된다. 이러한, 상기 엑츄에이터(600)는 상기 제2스테이지(300)의 중심에 대해 대칭을 이루도록 설치된다. 즉, 상기 엑츄에이터(600)는 상기 베이스(100)의 수용부(120)에 각각 2개가 180°등간격으로 이격되게 배치된 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정하지 않고, 등간격으로 배치되는 상기 수용부(120)에 대응되게 삽입 설치될 수 있음은 물론이다. 여기서, 상기 엑츄에이터(600)는 압전소자로 형성된 압전구동기를 사용하는 것이 바람직하다. 즉, 상기 엑츄에이터(600)는 작동시 복수의 압전소자에 의해 그 길이방향으로 신축가능하게 마련되며, 이러한, 길이의 신축을 이용하여 상기 제1스테이지(200) 및 상기 베이스(100)를 가압하게 된다. 여기서, 상기 엑츄에이터(600)의 일 단부에는 상기 제1스테이지(200)와 접촉가능하도록 접촉볼(610)이 마련되며, 타 단부에는 상기 베이스(100)의 엑츄에이터결합부(121)에 삽입 결합되는 베이스결합부(620)를 구비한다.
여기서, 상기 베이스결합부(620)는 상기 베이스(100)의 수용부(120)에 삽입되어 스크류 등에 의해 결합되는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 베이스결합부(620)의 단부에는 제어부(도면미도시)와 연결되는 케이블이 마련된다.
상기 접촉볼(610)은 상기 제1스테이지(200)와 점 접촉하여 상기 제1스테이지(200)를 가압하게 된다. 즉, 상기 접촉볼(610)은 상기 제1스테이지(200)의 돌출부(210)에 점 접촉됨으로써, 상기 엑츄에이터(600)의 가압력이 상기 제1스테이지(200)에 정확하게 전달되어 상기 제1스테이지(200) 및 상기 제2스테이지(300)의 회전 이동이 평면상으로만 제한가능하게 된다.
이같이, 상기 엑츄에이터(600)로 압전소자를 이용한 압전구동기를 사용함으 로써, 종래의 모터와 같은 엑츄에이터에 비해 위치오차를 줄일 수 있게 된다.
이와 같이 구성되는 일실시예에 따른 상기 스테이지장치의 작동을 도 2 및 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상기 베이스(100)의 판면상에 상기 제1 및 제2스테이지(200)(300)를 θ방향으로 회전시키는 과정을 살펴보면, 상기 엑츄에이터(600)를 모두 구동시킨다. 그러면, 상기 제1스테이지(200)에 회전력이 발생된다. 이때, 상기 유연가이드(110)는 X축 및 Y축방향으로의 강성을 증가시키면서 기생힘이 발생하지 않도록 하여 상기 제1스테이지(200)에 수순한 회전력만이 전달되게 한다. 이렇게, 발생된 상기 제1스테이지(200)의 회전력은 상기 연결힌지(500)를 통해 상기 제2스테이지(300)로 전달되면서 상기 제2스테이지(300)를 X축 및Y축방향으로의 기생힘없는 순수한 회전만을 하게 된다. 이때, 상기 회전힌지(500)는 상기 제2스테이지(300)를 상기 베이스(100)에 고정상태로 연결하여, 상기 제2스테이지(300)가 1자유도의 회전력만을 발생시키게 한다.
이와 같이, 일실시예의 상기 스테이지장치는, 압전소자를 이용하는 상기 엑츄에이터(600)로부터 가압력을 전달받아 회전하는 제1스테이지(200)의 회전력이 플렉쳐힌지 구조를 가지면서 상기 제1스테이지(200) 및 상기 제2스테이지(300), 상기 제2스테이지(300) 및 상기 베이스(100)를 연결하는 상기 연결힌지(400) 및 상기 회전힌지(500)에 의해 상기 제1스테이지(200) 내측의 시편이 올려지는 제2스테이지(300)에 전달된다. 따라서, 상기 제2스테이지(300)의 회전 위치오차를 줄일 수 있어 초정밀의 위치제어가 가능하게 된다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
도 1은 종래의 스테이지장치를 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 스테이지장치의 사시도이다.
도 3은 도 2의 분해사시도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명>
100: 베이스 140,141,410,510: 커팅부
200: 제1스테이지 300: 제2스테이지
400: 연결힌지 500: 회전힌지
600: 엑츄에이터

Claims (9)

  1. 베이스와;
    상기 베이스에 대해 회전가능하게 마련된 제1 및 제2스테이지와;
    상기 제1스테이지 및 상기 제2스테이지를 연결하는 적어도 하나의 연결힌지와;
    상기 제2스테이지 및 상기 베이스를 연결하는 적어도 하나의 회전힌지와;
    상기 제1스테이지 및 상기 베이스 사이에 마련되어 상기 제1스테이지 및 상기 베이스를 가압하며, 상기 제2스테이지의 중심에 대해 대칭을 이루도록 마련된 복수의 엑츄에이터를 포함하는 스테이지장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 베이스에는 상기 제1스테이지와 연결되어, 상기 액츄에이터의 가압력을 가압방향으로 집중시키도록 제1스테이지의 중심에 대칭되게 복수의 유연가이드가 마련된 스테이지장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 유연가이드는 상기 연결힌지 및 상기 회전힌지의 각각 중심축선상을 중심으로 상호 이격되게 절취한 '「' 형상을 가지는 한 쌍의 가이드커팅부를 포함하는 스테이지장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 베이스에는 상기 제1스테이지의 중심에 대해 대칭되면서 상기 제1스테이지의 접선상에 연직되게 요입 형성되어, 상기 엑츄에이터를 수용하는 복수의 수용부가 마련된 스테이지장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 및 제2스테이지는 커팅부에 의해 원형의 형상으로 절취 마련되는 스테이지장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 연결힌지 및 상기 회전힌지는 상호 상기 제1스테이지의 중심에 대칭되도록 복수개가 마련된 스테이지장치.
  7. 청구항 1 또는 청구항 6에 있어서,
    상기 연결힌지는 상기 제1스테이지 및 상기 제2스테이지를 연결하도록 상호 이격된 상태로 절취된 복수의 커팅부와, 상기 각 커팅부에 상호 이격되게 연장 절취된 적어도 하나의 보조커팅부를 포함하는 스테이지장치.
  8. 청구항 1 또는 청구항 6에 있어서,
    상기 회전힌지는 상기 제2스테이지 및 상기 베이스를 연결하도록 상호 이격된 상태로 절취된 복수의 커팅부와, 상기 각 커팅부에 상호 이격되게 연장 절취된 적어도 하나의 보조커팅부를 포함하는 스테이지장치.
  9. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1스테이지 외측에는 각각의 상기 수용부에 인접하게 상기 베이스 내측으로 돌출 형성된 복수의 돌출부가 마련된 스테이지장치.
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