KR101470749B1 - 고정밀 대변위 나노 스테이지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고정밀 대변위 나노 스테이지에 관한 것으로, 대상물이 놓여지는 베이스 플레이트, 상기 베이스 플레이트를 X축 방향으로 구동시키기 위해 LM 가이드와 리니어 모터를 포함하여 구성되는 X축 베이스, 상기 베이스 플레이트를 Y축 방향으로 구동시키기 위해 LM 가이드와 리니어 모터를 포함하여 구성되는 Y축 베이스;로 구성되고, 상기 X축 베이스와 Y축 베이스로는 슬라이딩 구동 시 마찰 저항을 가지는 마찰 패드가 상호 작용하도록 각각 구비되며, 상기 X축 베이스와 Y축 베이스로는 슬라이딩 구동 시 대응하는 슬라이드바와 상기 슬라이드바에 구동력을 전달하는 PI(Physik Instrumente) 모터를 포함하고, 상기 PI모터는 상기 베이스 플레이트의 이동량을 검출하는 간섭계(Interferometer)의 값을 입력받고 그 값을 피드백하여 구동을 제어하는 제어부를 포함하여 구성된다.

Description

고정밀 대변위 나노 스테이지{Ultraprecision and long displacement stage}

본 발명은 고정밀 대변위 나노 스테이지에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 보다 정밀한 이송이 가능하며 더불어 오차값을 보상하여 고정밀 스테이지 구동이 가능한 나노 스테이지에 관한 것이다.

일반적으로 나노미터 수준의 초정밀 계측기술 및 공정제어기술은 광학부품과 같은 고정도 부품의 형상을 단시간에 측정하거나, 초고집적화 반도체 공정에서 마스크 선폭을 측정하며, 레이저로 초정밀 치수의 형상을 미세 가공하는 등의 다양한 분야에 걸쳐 점차 활용성이 증대되고 있다.

이러한 나노 소자기술에 관련되는 장치로는 집속 이온빔(FIB: Focused Ion Beam) 장치와 전자현미경(SEM: Scanning Electron Microscope) 장치가 있으며, 대상 소재의 위치를 미세하게 제어하기 위한 스테이지 등이 있다.

한편, 대한민국 특허공개공보 제2003-0033744호에서는 레이저를 이용한 초미세 위치제어기술이 개시된다. 개시된 위치제어기술은 초정밀 위치결정기구의 고속, 대스트로크 이동을 위해 AC 서보모터와 리드스크류 시스템이 이용되고, 더욱 미세한 이동을 위해 피에조 엑츄에이터가 이용되었다. 그리고 변위 피드백은 레이저 인터페로메터(Laser Interferometer)를 이용하여 변위를 측정하고 이를 실시간으로 피드백 하도록 되어 있다.

상기 미세 제어기술은 이송나사기구를 이용한 고속/대스트로크 위치결정기구의 상부에 피에조 엑츄에이터를 이용한 미세 위치결정기구가 설치된 구성으로, 각각의 위치결정기구가 독립된 구동방식으로 되어 있어, 스테이지의 전체 영역에 대한 정밀한 미소변위이동의 구현이 어려우며, 각 위치결정기구의 변위를 측정하기 위해서는 각각의 스케일이 구비되어야만 하는 문제점을 갖고 있다. 즉, 대스트로크 위치결정기구와 미세 위치결정기구가 독립된 구동방식이므로 변위의 피드백 제어를 위한 시스템이 각 위치결정기구에 각각 제공되어야만 하지만, 미세 위치결정기구를 위한 피드백 제어시스템을 구축하기 위해서는 많은 공간과 함께 복잡한 설치구조가 요구되므로, 실질적으로는 대스트로크 위치결정기구의 변위만을 레이저 인터페로메터를 이용하여 피드백 제어하도록 하고 있으나, 상기 미세위치결정기구를 구성하는 피에조 엑츄에이터는 경우, 주변 환경에 많은 영향을 받게 되므로, 컴팩트한 구조로서 정밀한 미소변위의 구현이 어려운 문제점을 갖고 있다.

한편, 전체 영역에 대해서 정밀한 미소변위 이동이 가능한 스텝퍼가 있으나, 통상 스텝퍼는 에어가이드를 이용한 방식으로, 진공 분위기에는 적용이 곤란한 문제점을 갖고 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 도 1은 종래 대변위 나노 스테이지를 개략적으로 도시한 도면이다. 도면에서 도면, 스테이지 상판은 LM 가이드로(슬라이더) 구성되어 Ball screw와 연결되어 모터의 구동에 의하여 대변위 이송하게 되고, 정해진 위치 값에 정지하게 된다. 또한, 볼스크류의 정밀도에 대한 오차를 피에조 모터를 이용하여 오차만큼 이송시켜 보상하는 구성이다.

하지만, 이와 같은 종래기술은 Ball screw의 가공 공차는 정밀급(C0~C1급)일 경우 500mm로 가정하면 50㎛ 내외의 축방향의 흔들림이 발생하며, 압전구동기로서 PI Motor를 적용하여 정해진 위치로 이동시켜 멈추는 작동을 한다. 이때, Stage의 이동은 눈으로 봤을 때는 아무런 미동이 없어 보이지만, 드리프트(미세하게 정지 하지 못하고 흘러내리는 현상)가 발생하게 된다. 드리프트의 확인은 전자현미경 및 고배 율 장치에서 확연히 나타나게 된다.

또한, 피에조 모터만을 이용하여 위치 결정을 하게 되면 드리프트 및 볼나사의 영향으로 위치 결정시간이 오래 걸리며, 스테이지가 정해진 위치의 범위에 정지했을 때 위치에 대한 기준점 및 변위를 알기 어렵다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 도 1과 도 2의 종래기술에 따른 나노 스테이지를 도시하고 있다. 플랫폼과, X축 구동부, Y축 구동부, 위치검출부 그리고 모션컨트롤러를 포함한다. 다시 말해, X축 지지판(210), 레일(211), 고정블록(212, 213)이 구비되고, 상기 X축 지지판을 구동시키기 위한 X축 볼스크류(220)와 X축 구동모터(230), X축 슬라이더(240)가 구비되고, 정밀 제어를 위하여 X축 볼스크류를 구동 제어하기 위한 X축 피에조 액츄에이터(250)와 프리로더(260)를 더 포함하여 구성된다.

하지만 이와 같은 종래 고정밀 스테이지의 경우 드리프트(drift) 현상에 극심한 문제점을 가지고 있으며, 특히, 볼스크류 시스템을 적용함에 따라 가공 편차에 따른 구동 오차범위가 매우 크기 고정밀 산업에서 적용이 어려운 단점이 있다.

KR 10-2003-0033744호 KR 10-0663939호

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 보다 정밀한 구동과 드리프트(Drift)에 대한 보정 기능을 확보하여 결과적으로 신뢰적인 나노 스테이지를 제공하고자 하는데 목적이 있다.

또한, 부품의 가공 공차에 대한 편차에 영향으로 인한 정밀도 저하를 해소할 수 있는 고정밀 나노급 스테이지를 제공하려는 목적을 가진다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 대상물이 놓여지는 베이스 플레이트, 상기 베이스 플레이트를 X축 방향으로 구동시키기 위해 LM 가이드와 리니어 모터(Liner Moter)를 포함하여 구성되는 X축 베이스, 상기 베이스 플레이트를 Y축 방향으로 구동시키기 위해 LM 가이드와 리니어 모터(Liner Moter)를 포함하여 구성되는 Y축 베이스로 구성되고, 상기 X축 베이스와 Y축 베이스로는 슬라이딩 구동 시 마찰 저항을 가지는 마찰 패드와 상기 마찰 패드에 압력을 가하는 압전구동기를 포함하여 구성된다.

또한, 상기 X축 베이스와 Y축 베이스는 이동량을 검출하는 리니어 스케일(Liner scale)을 더 포함하여 구성된다.

또한, 상기 마찰패드는, 상기 X축 베이스와 Y축 베이스에 각각 양측으로 두 개의 마찰패드가 구성된다.

또한, 상기 X축 베이스와 Y축 베이스는, 상기 리니어 모터의 구동력에 따른 슬라이딩 구동을 가이드하기 위하여 양측으로 각각 구성된 상기 LM 가이드 내측으로 각각 두 개의 마찰패드가 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 X축 베이스는, 소정 크기의 베이스에 일측으로 구비되는 리니어 모터, 상기 베이스 상에 구비되며, 상부측으로 위치하는 베이스 플레이트의 하부면 양측을 슬라이딩 가능하게 지지하는 LM 가이드, 양측으로 구성되는 상기 LM 가이드의 내측 방향에서 양쪽으로 각각 구비되는 마찰패드 및 상기 베이스 플레이트의 이동량을 검출하기 위해 중앙에 위치하는 리니어 스케일을 포함하여 구성된다.

또한, 상기 Y축 베이스는, 소정 크기의 베이스에 일측으로 구비되는 리니어 모터, 상기 베이스 상에 구비되며, 상부측으로 위치하는 상기 X축 베이스 의 하부면 양측을 슬라이딩 가능하게 지지하는 LM 가이드, 양측으로 구성되는 상기 LM 가이드의 내측 방향에서 양쪽으로 각각 구비되는 마찰패드 및 상기 X축 베이스의 이동량을 검출하기 위해 중앙에 위치하는 리니어 스케일을 포함하여 구성된다.

또한, 상기 고정밀 대변위 나노 스테이지는, 상기 압전구동기는 상기 베이스 플레이트의 이동량을 검출하는 간섭계(Interferometer)의 값을 입력받고 그 값을 피드백하여 구동을 제어하는 제어부를 포함하여 구성된다.

상기와 같이 구성되고 작용되는 본 발명은 빠르고 정확한 이동이 가능하며, 드리프트(Drift)에 대한 보정이 가능한 특징이 있다.

또한, 볼 스크류(Ball screw) 제작 시 발생하는 가공 공차에 대한 편차가 없으며, 간섭계(Interferometer)를 사용하면서 스테이지에 대한 절대 기준 값 및 편차를 확인 할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 종래기술에 따른 나노 스테이지의 개략적인 구성도,
도 2는 도 1의 구동부를 상세히 나타낸 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 고정밀 대변위 나노 스테이지의 개략적인 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 고정밀 대변위 나노 스테이지의 X축 베이스를 나타낸 상세도,
도 5는 본 발명에 따른 고정밀 대변위 나노 스테이지의 Y축 베이스를 나타낸 상세도,
도 6은 본 발명에 따라 구성되는 베이스의 측면도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 대변위 나노 스테이지의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 대변위 나노 스테이지는, 대상물이 놓여지는 베이스 플레이트, 상기 베이스 플레이트를 X축 방향으로 구동시키기 위해 LM 가이드와 리니어 모터(Liner Moter)를 포함하여 구성되는 X축 베이스, 상기 베이스 플레이트를 Y축 방향으로 구동시키기 위해 LM 가이드와 리니어 모터(Liner Moter)를 포함하여 구성되는 Y축 베이스로 구성되고, 상기 X축 베이스와 Y축 베이스로는 슬라이딩 구동 시 마찰 저항을 가지는 마찰 패드와 상기 마찰 패드에 압력을 가하는 압전구동기를 포함하여 구성된다.

본 발명에 따른 고정밀 나노 스테이지는, X축 베이스와 Y축 베이스에 각각 구성되어 스테이지의 슬라이딩 구동 시 브레이킹 제어하는 마찰패드와 PI 모터를 각각 구비함에 따라 드리프트 보상이 가능하고, 이동량을 정밀 검출하는 간섭계를 통해 이동량을 피드백하여 고정밀 구동 제어가 가능한 대변위 나노 스테이지를 제공하고자 하는 것을 주요 기술적 요지로 한다.

도 3은 본 발명에 따른 고정밀 대변위 나노 스테이지의 개략적인 구성도이다.

본 발명은 크게 대상물을 위치시키는 베이스 플레이트(40)와, 상기 베이스를 플레이트의 X축 방향에 대한 슬라이딩 구동을 제어하는 X축 베이스(10), Y축 방향에 대한 슬라이딩 구동을 제어하는 X축 베이스(20)를 포함하고, 상기 X축 베이스와 Y축 베이스에 각각 구성되는 리니어 모터와 LM 가이드, 그리고 이동량을 카운트하는 LM 스케일을 포함한다.
또한, 본 발명의 주요 기술 요지에 해당하는 상기 X축 베이스(10)와 Y축 베이스(20)에 각각 구비되어 드리프트 보상과 정밀 구동을 결정하는 마찰패드(13, 23)와 압전구동기로서 예를 들면 PI(Physik Instrumente) 모터(12, 22)를 포함한다.

삭제

기본적으로 대변위 나노 스테이지는 X축 베이스와 Y축 베이스가 각각 구비되고, 각 베이스는 구동수단을 통해 X축과 Y축 구동을 실현하게 되며 여기에는 LM가이드가 슬라이딩 구동을 위하여 결합됨에 따라 부드러운 구동을 재현한다. 구동수단의 경우 볼스크류나 리니어 모터 등과 같은 디바이스를 적용할 수 있으며, 본 발명에서는 리니어 모터(30)를 적용하였다.

공간적으로 맨 상부측에 베이스 플레이트가 놓여지며, 상기 베이스 플레이트를 X축 방향으로 구동시키는 X축 베이스가 아래 위치하고, 상기 X축 베이스를 Y축 방향으로 구동시키는 Y축 베이스가 Y축 베이스를 지지하며 아래에 위치하게 된다.

한편, 본 발명은 스테이지의 이동량을 정확하게 검출 즉, 베이스 플레이트의 이동량을 정확하게 검출하기 위하여 간섭계(50 ; Interferometer)가 구비된다. 상기 간섭계는 공지의 장치로써, 광학 신호를 이용하여 이동량을 검출할 수 있다. 여기서 검출된 신호는 PI 모터 제어를 위한 피드백값으로 적용한다.

도 4는 본 발명에 따른 고정밀 대변위 나노 스테이지의 X축 베이스를 나타낸 상세도, 도 5는 본 발명에 따른 고정밀 대변위 나노 스테이지의 Y축 베이스를 나타낸 상세도이다.

도 3과 도 4에 도시된 바처럼 베이스 양측으로는 슬라이드 구동을 가이드하는 LM 가이드(11, 21)가 위치하며, LM 가이드 내측면쪽으로 마찰패드(13, 23)가 각각 구비된다. 상기 마찰패드의 위치는 예로써 적용한 것으로 별도의 슬라이드바에 구성할 수 있다.

도 6은 본 발명에 따라 구성되는 X축 베이스의 측면도이다(Y축 베이스는 대응하여 생략함.)

상기 X축 베이스에 마련되는 마찰패드는 압전구동기로서의 PI 모터(12, 22)가 구동 시 마찰되어 브레이킹 역할을 하는 것으로, 앞서 설명한 바와 같이 간섭계에서 검출된 검출값을 PI 구동부(미도시)에 피드백 함으로써, PI 모터가 마찰패드에 압력(저항)을 가하여 브레이킹 된다. 이때, 상기 PI 모터는 마찰패드와 항상 접촉된 상태를 유지하며 구동 시 보다 큰 압력을 작용하여 정지 위치를 정확하게 결정하도록 도와준다.

따라서, 상기 압전구동기 즉, PI 모터와 마찰패드는 드리프트(Drift) 현상을 현저히 줄임으로써 보다 정밀한 구동 및 정지가 가능한 것이다.

상기 Y축 베이스도 마찬가지로 마찰패드와 PI 모터가 각각 구비되어 Y축 구동에 대응하여 드리프트 현상을 보상하게 된다.

한편, 본 발명에서는 X, Y축 베이스에 구동값 즉, 각 축의 리니어 모터에 의해 구동되는 이동값을 검출하기 위하여 별도의 리니어 스케일(scale)이 추가 구성된다.

도면에 도시하지는 않았지만, 리니어 모터를 제어하는 구동 드라이버와 PI 모터를 구동시키는 구동 드라이버가 각각 구성되며 스테이지를 전반적으로 제어하고 상기 간섭계로에서 검출되는 검출신호를 전달받아 구동 드라이버에 제어신호를 인가하는 제어부를 포함한다.

이와 같이 구성되는 본 발명은 X축 구동 베이스와 Y축 구동 베이스에 대해 드리프트를 보상할 수 있는 PI 모터와 마찰패드를 구비하여 고정밀 구동이 가능하며, 상기 PI 모터는 간섭계에서 검출되는 신호를 피드백하여 제어함으로써 매우 정확한 스테이지를 구현할 수 있어 고정밀 산업에 적합한 특징이 있다.

이상, 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려, 첨부된 청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

10 : X축 베이스
11 : LM 가이드
12 : PI 모터
13 : 마찰패드
14 : 리니어 스케일
20 : Y축 베이스
21 : LM 가이드
22 : 압전구동기(PI 모터)
23 : 마찰패드
30 : 리니어 모터
40 : 베이스 플레이트
50 : 간섭계

Claims (7)

1. 대상물이 놓여지는 베이스 플레이트(40);
   상기 베이스 플레이트(40)를 X축 방향으로 구동시키기 위해 LM 가이드와 리니어 모터(Liner Moter)(30)를 포함하여 구성되는 X축 베이스(10);
   상기 베이스 플레이트(40)를 Y축 방향으로 구동시키기 위해 LM 가이드(11)와 리니어 모터(Liner Moter)(30)를 포함하여 구성되는 Y축 베이스(20);로 구성되고,
   상기 X축 베이스(10)와 Y축 베이스(20)의 양측에는 각각 슬라이딩 구동시 마찰저항을 가지는 두 개의 마찰 패드(13)(23)와, 상기 마찰 패드에 압력을 가하는 압전구동기(12)(22)를 포함하여 구성되는 고정밀 대변위 나노 스테이지.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 X축 베이스와 Y축 베이스는 이동량을 검출하는 리니어 스케일(Liner scale)을 더 포함하여 구성되는 고정밀 대변위 나노 스테이지.
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서, 상기 X축 베이스와 Y축 베이스는,
   상기 리니어 모터의 구동력에 따른 슬라이딩 구동을 가이드하기 위하여 양측으로 각각 구성된 상기 LM 가이드 내측으로 각각 두 개의 마찰패드가 구비되는 것을 특징으로 하는 고정밀 대변위 나노 스테이지.
5. 제 1항에 있어서, 상기 X축 베이스는,
   소정 크기의 베이스에 일측으로 구비되는 리니어 모터;
   상기 베이스 상에 구비되며, 상부측으로 위치하는 베이스 플레이트의 하부면 양측을 슬라이딩 가능하게 지지하는 LM 가이드;
   양측으로 구성되는 상기 LM 가이드의 내측 방향에서 양쪽으로 각각 구비되는 마찰패드; 및
   상기 베이스 플레이트의 이동량을 검출하기 위해 중앙에 위치하는 리니어 스케일을 포함하여 구성되는 고정밀 대변위 나노 스테이지.
6. 제 1항에 있어서, 상기 Y축 베이스는,
   소정 크기의 베이스에 일측으로 구비되는 리니어 모터;
   상기 베이스 상에 구비되며, 상부측으로 위치하는 상기 X축 베이스 의 하부면 양측을 슬라이딩 가능하게 지지하는 LM 가이드;
   양측으로 구성되는 상기 LM 가이드의 내측 방향에서 양쪽으로 각각 구비되는 마찰패드; 및
   상기 X축 베이스의 이동량을 검출하기 위해 중앙에 위치하는 리니어 스케일을 포함하여 구성되는 고정밀 대변위 나노 스테이지.
7. 제 1항에 있어서,
   상기 압전구동기는 상기 베이스 플레이트의 이동량을 검출하는 간섭계(Interferometer)의 값을 입력받고 그 값을 피드백하여 구동을 제어하는 제어부;를 포함하여 구성되는 고정밀 대변위 나노 스테이지.

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