KR101496951B1 - 분리된 다수 스테이지 위치 결정 시스템 - Google Patents

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Abstract

분할된 축 스테이지 아키텍처는 높은 속도 및 가속도로 진동 및 열적으로 안정한 물질을 운송할 수 있는 다수 스테이지 위치 결정 시스템(10)으로서 구현된다. 분할된 축 디자인은 분리된 평행한 평면에 놓이는 2개의 수직인 축을 따라 스테이지 이동을 분리시킨다. 화강암이나, 세라믹 물질 또는 주철로 만들어진 다른 스톤 슬래브의 형태로 된 치수가 안정적인 기판(12)이 하부 스테이지 및 상부 스테이지를 위한 기초로서 사용된다. 단단한 지지체 구조물은 레이저 처리 시스템에서 축 방향으로 조정 가능한 광학 성분들의 더 빠르고 더 정확한 위치 결정을 허용한다. 다수 스테이지 위치 결정 시스템의 시료 스테이지(26) 위의 지지 구조물(236,240)에 장착되는 단단한 공기 베어링 슬리브(214)에 광학 조립체(30)가 수용될 때, 진동 및 열적 안정성이 향상된다.

Description

분리된 다수 스테이지 위치 결정 시스템{DECOUPLED, MULTIPLE STAGE POSITIONING SYSTEM}
저작권 공고( Copyright Notice )
저작권자는
Figure 112014024476530-pat00001
2008 일렉트로 싸이언티픽 인더스트리이즈, 인코포레이티드사이다. 본 특허 문서의 개시물의 일부는 저작권 보호를 받는 자료를 포함한다. 본 저작권 소유자는 본 특허 문서 또는 본 특허 개시물이 특허청 특허 파일 또는 레코드에 보이는 그대로, 누군가 본 특허 문서 또는 본 특허 개시물을 팩스 복제하는 것(facsimile reproduction)에는 반대하지 않지만, 그 외의 다른 경우에는 모든 저작권을 보유한다. 37 CFR §1.71(d).
본 발명은 시료 처리 시스템들에 관한 것으로, 특히 대상 시료에 대한 처리 디바이스의 2차원 위치 결정 또는 3차원 위치 결정의 제어를 위한 스테이지 설계(stage architecture)에 관한 것이다.
반도체 웨이퍼-레벨 처리에서 사용하기 위해 구성된 웨이퍼 운송 시스템은, 통상적으로 처리를 위해 웨이퍼를 고정하는 척(chuck)을 가지는 스테이지를 포함한다. 때때로 이 스테이지는 정지하고 있고, 때때로 움직일 수 있다. 일부 애플리케이션들은 스테이지가 1차, 2차, 또는 3차의 카테시안(Cartesian) 좌표로, 회전이 있거나 회전이 없이 선형으로 움직일 것을 요구한다. 웨이퍼를 정렬하고 운송하는데 상당한 양의 총 처리 시간이 든다면, 스테이지 이동 속도가 전체 웨이퍼 처리 플랫폼의 처리량(throughput)을 지시할 수 있다.
광학 처리를 포함하는 애플리케이션들의 경우, 움직일 수 있는 광학 조립체가 웨이퍼 표면 위에 장착될 수 있어, 요구되는 웨이퍼 운송 거리를 최소화한다. 스테이지 이동의 주된 방향을 "장축(major axis)"이라고 하고, 그러한 주된 방향에 수직인 스테이지 이동 방향을 "단축(minor axis)"이라고 한다. 처리될 웨이퍼 또는 시료를 홀딩하는 척은, 장축을 따라 일어나는 움직임을 위한 장축 스테이지, 단축을 따라 일어나는 움직임을 위한 단축 스테이지, 또는 장축과 단축 아래의 정지(stationary) 위치에 장착될 수 있다. 장축 스테이지는 단축 스테이지를 지지할 수 있거나 장축 스테이지와 단축 스테이지가 서로 독립적일 수 있다.
이러한 광학 시스템의 스테이지 디자인은 전기 회로 치수가 줄어듦에 따라 점점 더 중요해지고 있다. 한 가지 스테이지 디자인 고려 사항은 웨이퍼 척과 광학 조립체의 진동 및 열적 안정성으로부터 생기는 처리 품질의 영향력이다. 레이저 빔 위치가 계속해서 조정되는 경우, 레이저 조립체를 지지하는 종래 기술의 구조는 요구되는 정밀도 레벨을 유지하기에는 너무 유연하다. 더욱이, 회로 치수가 줄어듦에 따라, 입자 오염이 더 큰 관심사가 되고 있다.
"분할된 축 스테이지(split axis stage)" 아키텍처는, 바람직한 일 실시예에서, 레이저 처리를 위해 레이저 빔이 입사하는 표면을 가지는 공작물과 레이저 광학 조립체를 지지하는 다수 스테이지 위치 결정 시스템으로서 구현된다. 이러한 다수 스테이지 위치 결정 시스템은 높은 속도 및 가속도로 진동 및 열적으로 안정한 물질을 운송할 수 있다. "분할된 축" 디자인은 분리된 평행한 평면에 놓여 있는 2개의 수직인 축을 따라 구동된 스테이지 이동을 분리시킨다. 바람직한 일 실시예에서, 수평 평면에서의 이동은 서로에 대해 직교하게 움직이는 스캔 광학 조립체(단축 또는 상부) 스테이지와 시료(장축 또는 하부) 스테이지 사이에서 분할된다.
화강암, 또는 다른 스톤 슬래브(stone slab), 또는 세라믹 물질의 슬래브, 주철, 또는 AnocastTM과 같은 중합체 복합 물질의 형태로 된 치수가 안정적인 기판이 하부 스테이지와 상부 스테이지의 기초로서 사용된다. 슬래브와 스테이지들은, 시스템이 간섭성(coherent) 방식으로 온도 변화에 유리하게 반응하도록 하기 위해 유사한 열팽창 계수들을 지닌 물질들로 바람직하게 제작된다. 기판은 그것의 상부 스테이지 표면과 하부 스테이지 표면의 부분들이 편평하고 서로에 대해 평행하도록 정확하게 절단{"접혀지는(lapped)"}된다. 바람직한 일 실시예에서, 시료-홀딩 척(specimen-holding chuck)을 운반하는 하부 스테이지를 가이드하는 하부 가이드 트랙 조립체는 기판의 하부 표면에 결합된다. 레이저 빔 초점 구역 제어 서브시스템을 운반하는 상부 스테이지를 가이드하는 상부 가이드 트랙 조립체는 기판의 상부 표면에 결합된다. 가이드 트랙 조립체들의 인접하는 레일(rail)들을 따라 위치하고 있는 선형 모터들은, 하부 스테이지와 상부 스테이지의 움직임을 제어한다.
부피가 크고 구조상 뻣뻣한 기판은 레이저 광학 조립체와 시료의 이동을 격리시키고 안정화시키며, 진동을 흡수하고, 지지하는 구조가 본질적으로 단단하기 때문에 더 매끄러운 가속 및 감속을 허용한다. 기판의 뻣뻣함과 스테이지 이동 축들의 가까운 격리 거리는 더 높은 주파수 공진을 초래하고, 모든 3개의 축에 따라 생기는 이동에 있어 에러의 감소를 초래한다. 기판은 또한 열 싱크(heat sink)로서 작용함으로써 열적 안정성을 제공한다. 더욱이, 소형인 구성으로 디자인되기 때문에, 시스템은 더 적은 양의 재료로 구성되어, 가열될 때 팽창에 덜 영향을 받는다. 기판 중앙의 타원형의 슬롯 절단부(cutout)는 아래의 시료를 레이저 빔에 노출시키고, 기판을 통한 레이저 광학 조립체의 수직 이동을 허용한다. 그렇지 않은 경우에는, 레이저 처리가 행해지는 국소 구역을 제외하고는, 시료가 오버헤드(overhead) 이동에 의해 발생된 입자들로부터 기판에 의해 차단된다.
레이저 빔 초점 구역 제어 서브시스템은 하부 스테이지 위에서 지지되고, 지지 구조체에 의해 상부 스테이지에 장착된 단단한 공기 베어링 슬리브(sleeve) 내에 위치한 수직으로 조정 가능한 광학 조립체를 포함한다. 지지 구조체의 단단한 성질은 빔 축을 따라 더 빠르고 더 정확한 수직 이동을 허용한다. 슬리브의 내부 표면은 외부 레이스(race)로서 작용하고, 렌즈의 외부 표면은 내부 레이스로 작용하여, 레이저 빔의 초점 구역의 수직 이동을 가이드하는 공기 베어링을 형성한다. 수직 이동은 슬리브의 위 단부에 있는 렌즈 강제자(forcer)에 의해 시작되고, 이는 하부 척 위의 공작물(workpiece)에 대한 그것의 높이를 조정하기 위해 광학 조립체에 구동력(motive force)을 주며, 그렇게 하는데 있어서 작업 표면에 대한 레이저의 초점 구역을 조정한다. 빔 축을 따라 단단하고 수평 평면에서 유연한(compliant) 격리 만곡 디바이스는 광학 조립체로부터의 렌즈 강제자의 초과 이동을 완충시킨다.
분할된 축 스테이지 디자인은 다이싱(dicing), 성분 트림(component trim), 퓨즈 처리, 잉킹(inking), 드릴링(drilling)을 통한 PWB(printed wire board), 라우팅(routing), 검사, 도량형(metrology)을 포함하는 반도체 처리에서 사용된 많은 플랫폼에 적용 가능하다. 그러한 디자인에 의해 제공된 장점들은 또한 기계적 처리 도구들의 전체 종류(class)에 이익이 된다.
첨부 도면을 참조하여 진행되는 바람직한 실시예의 후속하는 상세한 설명으로부터 추가 양상 및 장점이 명백해진다.
본 발명은 분할된 축 스테이지 디자인은 다이싱(dicing), 성분 트림(component trim), 퓨즈 처리, 잉킹(inking), 드릴링(drilling)을 통한 PWB(printed wire board), 라우팅(routing), 검사, 도량형(metrology)을 포함하는 반도체 처리에서 사용된 많은 플랫폼에 적용 가능한 분리된 다수 스테이지 위치 결정 시스템에 효과적이다.
도 1은 분리된 다수 스테이지 위치 결정 시스템의 등각도(isometric view).
도 2는 시스템이 조립될 때 스톤 슬래브와 같은 치수가 안정적인 기판에 장착되는 상부 스테이지와 하부 스테이지를 도시하는 도 1의 위치 결정 시스템의 부분적으로 분해된 등각도.
도 3은 스캔 렌즈를 지지하는 상부 스테이지와 상부 스테이지 구동 성분들을 보여주는 도 1의 위치 결정 시스템의 등각도.
도 4는 시료 홀딩 척을 지지하는 하부 스테이지와 하부 스테이지 구동 성분들을 도시하는 도 1의 위치 결정 시스템의 등각도.
도 5a, 도 5b, 및 도 5c는 도 1 내지 도 4의 위치 결정 시스템의 상부 스테이지와 하부 스테이지 중 하나 또는 둘 다를 움직이기 위한 대안적인 가이드 트랙 조립체 구성을 도시하는 도면들.
도 6은 스캔 렌즈를 수용하고, 스캔 렌즈의 수직(Z축) 이동을 가이드하는 공기 베어링 슬리브 조립체를 포함하는 레이저 빔 초점 구역 제어 서브시스템의 바람직한 일 실시예의 분해도.
도 1과 도 2는 바람직한 일 실시예에서, 대상 시료에 입사하기 위해 레이저 빔이 전파하는 레이저 처리 시스템의 성분들을 지지하는 분리된 다수 스테이지 위치 결정 시스템(10)을 보여준다. 위치 결정 시스템(10)은 바람직하게는 화강암으로 형성된 스톤 슬래브, 세라믹 물질의 슬래브, 주철, 또는 AnocastTM과 같은 중합체 복합 물질로 만들어진 치수가 안정적인 기판(12)을 포함한다. 기판(12)은 제 1 또는 상부의 편평한 주 표면(14)과, 계단형 홈(stepped recess)(18)을 가지는 제 2 또는 하부의 편평한 주 표면(16)을 가진다. 주 표면(14,16)은 서로 평행하고 약 10미크론의 허용오차(tolerance) 내에서 편평함과 평행함을 보여주도록 조건이 설정되는 평면인 표면 부분들을 포함한다.
상부 주 표면(14)의 표면 부분과 제 1 가이드 트랙 조립체(20)는 제 1 축을 따라 레이저 광학 조립체 스테이지(22)의 움직임을 가이드하기 위해 결합되고, 하부 주 표면(16)의 표면 부분과 제 2 가이드 트랙 조립체(24)는 제 1 축을 가로지르는 제 2 축을 따라 시료 스테이지(26)의 움직임을 가이드하기 위해 결합된다. 광학 조립체 스테이지(22)은 레이저 빔 초점 구역 제어 서브시스템(28)을 지지하고, 이 레이저 빔 초점 구역 제어 서브시스템(28)은 기판(12)의 하부 주 표면(16) 밑에서 아래쪽으로 매달려 있는 스캔 렌즈(30)를 포함한다. 시료 스테이지(26)는 시료 홀딩 척(32)을 지지한다. 스테이지(22,26)의 가이드된 이동은 척(32)에 의해 홀딩된 시료(도시되지 않음)의 표면 위에 있는 레이저 빔 처리 위치들에 대해 스캔 렌즈(30)를 움직인다.
바람직한 일 구현예에서, 기판(12)은 주 표면(14,16)이 일정한 간격을 두고 떨어진 수평 평면들을 정의하고, 제 1 축과 제 2 축이 서로 수직이 되어 각각 Y축과 X축을 정의하도록 가이드 트랙 조립체(20,24)가 위치가 정해지도록 적소에 놓인다. 이러한 분할된 축 아키텍처는 X축과 Y축을 따라 일어나는 움직임을 분리하여, 자유도가 거의 허용되지 않은 채로 레이저 빔과 척(32)의 위치 결정 제어를 단순화한다.
도 3은 광학 조립체 스테이지(22)를 상세히 보여주고, 이러한 광학 조립체 스테이지(22)는 도 2에 도시된 제 1 가이드 트랙 조립체(20)로 동작한다. 제 1 가이드 트랙 조립체(20)는 상부 주 표면(14)의 부분들을 지지하기 위해 확보된 2개의 간격을 두고 떨어진 가이드 레일(40)과, 광학 조립체 스테이지(22)의 바닥 표면(44) 위에서 지지된 2개의 U자형 가이드 블록(42)을 포함한다. 각각의 가이드 블록(42)은 인가된 구동력에 응답하여 레일(40) 중 대응하는 레일 위에 조립되어 그 레일을 따라 미끄러져 이동한다. 광학 조립체 스테이지(22)에 관한 모터 드라이브는 상부 주 표면(14) 위에 그리고 각각의 가이드 레일(40)의 길이를 따라 장착되는 선형 모터(46)를 포함한다. 선형 모터(46)는 대응하는 가이드 레일(40)을 따라 일어나는 미끄러지는 움직임을 위해 대응하는 가이드 블록(42)을 추진하기 위한 구동력을 준다. 각각의 선형 모터(46)는 가이드 레일(40)의 길이를 따라 배치된 다수의 자석(50)의 간격을 두고 떨어진 선형 배열들을 홀딩하는 U자형 채널 자석 트랙(48)을 포함한다. 자석(50)들의 선형 배열들 사이에 위치해 있는 강제자 코일 조립체(52)는 광학 조립체 스테이지(22)의 바닥 표면(44)에 연결되고, 광학 조립체 스테이지(22)를 움직이는 선형 모터(46)의 움직일 수 있는 부재를 구성한다. 적합한 선형 모터(46)는 팬실베니아주 피츠버그 소재의 Aerotech사로부터 입수 가능한 모델 MTH480이다.
도 2에 도시된 제 1 가이드 트랙 조립체(20)의 각각의 레일 가이드(40)-가이드 블록(42) 쌍은 구르는 요소를 가지는 조립체이다. 가이드 트랙 조립체(20)에 관한 대안예는 편평한 공기 베어링 또는 진공 미리 적재된 공기 베어링을 포함한다. 어떤 타입의 공기 베어링을 사용하던 각각의 가이드 레일(40)의 제거, 가이드 표면들을 형성하기 위해 상부 표면(14)의 표면 부분들을 노출시키는 것, 및 각각의 가이드 블록(42)에 관해 레이저 광학 조립체 스테이지(22)의 바닥 표면(44)에 부착되는 베어링의 베어링 면 또는 가이드 표면을 대체하는 것을 수반한다. 압력 포트(port)와 진공 포트를 가지는 진공의 미리 적재된 공기 베어링들은 그것들 자체를 동시에 가이드 표면 밑으로 내리고 위로 올린다. 진공의 미리 적재된 공기 베어링들을 사용하는 것은 오직 하나의 편평한 가이드 표면을 필요로 하는데 반해, 서로 마주보는 베어링의 미리 적재의 사용은 2개의 편평하고 평행한 가이드 표면을 필요로 한다. 적합한 공기 베어링들은 팬실베니아주 Aston 소재의 New Way Machine Components사로부터 입수 가능하다. 그러므로, 사용된 가이드 트랙 조립체의 타입에 따라, 상부 주 표면(14)의 표면 부분들은 가이드 레일 장착 접촉 표면을 나타내거나 베어링 면 비접촉 가이드 표면을 나타낼 수 있다.
광학 조립체 스테이지(22)의 바닥 표면(44)에 고정되고 가이드 블록(42) 중 상이한 것들에 인접하게 위치한 한 쌍의 인코더 헤드(60)는, 광학 조립체 스테이지(22)의 움직이는 거리와 좌우운동 각(yaw angle)을 측정하는 위치 감지기들을 포함한다. 위치 감지기들을 가이드 레일(40)들, 가이드 블록(42)들, 및 각 스테이지(22,26)를 구동하는 선형 모터(46)들에 가깝게 배치하는 것은 공진 효과를 최소화하면서 효율적인 폐쇄 루프 피드백 제어를 보장한다. 한 쌍의 정지 부재(stop member)(62)는 기판(12)에 부착된 자석(도시되지 않음)에 의해 작동되는 인코더 헤드(60)들에 포함된 제한 스위치(limit switch)들에 응답하여 가이드 블록(42)들의 이동 거리를 제한한다. 가이드 레일(40)들을 벗어나는 초과이동 움직임을 방지하기 위해, 한 쌍의 대시포트(dashpot)(64)가 광학 조립체 스테이지(22)의 이동을 완충시키고 정지시킨다.
가이드 레일(40)들의 길이 사이에서 및 가이드 레일(40)들의 길이를 따라서 기판(12)에 형성된 타원형의 슬롯(66)은, 광학 조립체 스테이지(22)가 가이드 레일(40)들을 따라 움직일 때 스캔 렌즈(30)가 이동할 수 있는 개구부(opening)를 제공한다. 기판(12)에서 계단형 홈(18) 구역에 형성된 한 쌍의 스루 홀(through hole)(68)은 그것들의 줄맞춤(alignment)을 유지하기 위해 상부 표면(14)으로부터 인코더 헤드(60)로의 조작자(operator) 서비스 액세스를 제공한다.
도 4는 도 2의 제 2 가이드 트랙 조립체(24)와 관련하여 동작하는 시료 스테이지(26)를 상세히 보여준다. 제 2 가이드 트랙 조립체(24)는 가이드 레일들, U자형 가이드 블록들, 선형 모터들, U자형 채널 자석 트랙들, 자석들, 강제자 코일 조립체들, 및 제 1 가이드 트랙 조립체(20)와 관련하여 위에서 설명된 것과 동일한 참조 번호에 대응하고, 이들 참조 번호에 의해 식별되는 인코더 헤드들을 포함한다. 선형 모터(46)들과, 제 2 가이드 트랙 조립체(24)의 성분들과 제 2 가이드 트랙 조립체(24)에 의해 지지된 성분들은 시료 스테이지 베드(bed)(72)의 표면(70) 위에 장착된다.
스테이지(22,26)와 모터(46)의 기계적인 배치는, 감소된 피치(pitch) 및 스테이지(22,26)의 롤(roll)을 초래하고, 고속의 이동의 정확도를 증가시킨다. 스테이지(22,26)의 반대 면들 위에 있는 모터(46)들의 대칭적인 배치는 좌우운동(yaw)의 제어를 향상시킨다. 스테이지(22,26)의 아래쪽과는 반대로 스테이지(22,26)의 측면들을 따라 모터(46)들을 배치하는 것은, 중요한 성분들과 위치 감지기들의 열적 교란을 최소화한다.
제 2 가이드 트랙 조립체(24)와 척(32)을 지지하는 시료 스테이지(26)는 계단형 홈(18)으로 맞추어 넣어져서 그 계단형 홈(18) 내에 고정된다. 시료 스테이지 베드(72)의 표면(70)은 계단형 홈(18)의 더 넓고, 더 낮은 부분에 인접한 더 낮은 주 표면(16)의 표면 부분(74)에 등을 맞대게 고정되고, 척(32)은 하부 주 표면(16)의 계단형 홈(18)의 가장 안쪽 부분 아래에 위치하여, 제 2 가이드 트랙 조립체(24)를 따라 시료 스테이지(26)를 움직이는 선형 모터(46)들에 의해 주어진 구동력에 응답하여 하부 주 표면(16) 밑에서 움직인다. 한 쌍의 정지 부재(76)가 기판(12)에 부착된 자석(도시되지 않음)에 의해 작동되는 인코더 헤드(60)들에 포함된 제한 스위치들에 응답하여 가이드 블록(42)들의 이동 거리를 제한한다. 가이드 레일(40)들을 벗어나는 초과이동 움직임을 방지하기 위해, 한 쌍의 대시포트(78)가 시료 스테이지(26)의 이동을 완충시키고 정지시킨다.
가이드 트랙 조립체(24)의 제 1 대안예는, 베어링 랜드(land) 또는 가이드웨이(guideway)로서 시료 스테이지 베드(72)를 사용하는 자석의 미리 적재된 공기 베어링이다. 자석의 미리 적재된 공기 베어링의 사용은 시료 스테이지 베드(72)의 표면 부분들을 노출시키는 각각의 가이드 레일(40)의 제거, 및 시료 스테이지(26)의 바닥 표면 위에 노출된 표면 부분 반대쪽에 위치한 (다공성) 베어링 면을 구비한 공기 베어링을 장착하기 위한 공간을 제공하는 각각의 가이드 블록(42)의 제거를 수반한다.
도 5a는 이러한 제 1의 대안적인 장치에서 2개의 자석의 미리 적재된 공기 베어링(100)의 배치를 보여주는 개략도이다. 강철판, 또는 강철 적층판 구조(102)가 강제자 코일 조립체(52) 사이에 또는 강제자 코일 조립체(52)의 길이를 따라 존재하는 표면(70)에 고정된다. 2개의 간격을 두고 떨어진 편평한 공기 베어링(100)은 시료 스테이지(26)의 바닥 표면(106)의 대응하는 표면 부분(104)들에 고정되고, 선형 모터(46)들의 길이들을 따라 달린다. 적합한 공기 베어링은 팬실베니아주 Aston 소재의 New Way Machine Components사로부터 입수 가능한 실리콘 카바이드(carbide) 다공성 매체의 편평한 베어링 시리즈 Part No. S1xxxxx이다. 시트(sheet) 자석(108)이 시료 스테이지(26)의 바닥 표면(106) 위의 공기 베어링(100)들 사이에, 그리고 강철판(102)과 공간적으로 정렬되게 위치하고 있어, 자석(108)의 노출된 표면들과 강철판(102)이 서로 마주보고 있다. 자기 인력(magnetic force of attraction)이 도 5a에서 아래로 향하는 화살표에 의해 표시된 것처럼, 강철판 또는 강철 적층판(102) 쪽으로 아래로 시트 자석(108)을 밀고, 공기 베어링(100)들의 순수한 힘(net force)이 도 5a에서 2개의 평행한 위로 향하는 화살표에 의해 표시된 것처럼, 시료 스테이지 베드(72)로부터 표면(70)으로부터 위쪽으로 시료 스테이지(26)를 민다. 반대 방향의 자기력과 압력이 가해진 공기를 동시에 인가하게 되면, 표면(70) 위의 베어링 가이드웨이(114)들과 공기 베어링(100)들의 (다공성) 베어링 면(112)들 사이의 공간(110)에서 공기의 얇은 막을 생성한다. 공기 베어링(100)들의 들어올리는 힘은 시료 스테이지(26)의 무게와 자석(108)의 자기력을 합한 것의 2배와 같다. 선형 모터(46)들은 베어링 가이드웨이(114)들의 길이를 따라 시료 스테이지(26)의 마찰이 거의 0인 이동을 초래하는 구동력을 준다.
가이드 트랙 조립체(24)에 관한 제 2의 대안은 베어링 랜드나 가이드웨이로서 시료 스테이지 베드(72)를 사용하는 진공의 미리 적재된 공기 베어링이다. 가이드 트랙 조립체(20)에 관한 전술한 제 1 대안예와 유사하게, 진공의 미리 적재된 공기 베어링을 사용하는 것은, 시료 스테이지 베드(72)의 표면 부분(114)을 노출시키는 각각의 가이드 레일(40)의 제거, 및 시료 스테이지(26)의 바닥 표면(106) 위에 노출된 표면 부분(114) 반대쪽에 위치한 압력 랜드를 구비한 진공 공기 베어링을 장착하기 위한 공간을 제공하는 각각의 가이드 블록(42)의 제거를 수반한다.
도 5b는 제 2 대안 장치에서 2개의 진공의 미리 적재된 공기 베어링(120)의 배치를 보여주는 개략도이다. 2개의 간격을 두고 떨어진 진공의 미리 적재된 공기 베어링(120)이 시료 스테이지(26)의 바닥 표면(106)의 대응하는 표면 부분(104)들에 고정되고, 선형 모터(46)들의 길이들을 따라 달린다. 적합한 공기 베어링은 팬실베니아주 Aston 소재의 New Way Machine Components사로부터 입수 가능한 진공의 미리 적재된 공기 베어링 시리즈 Part No. S20xxxx이다. 진공의 미리 적재된 베어링(120)들은 그것들 자체를 동시에 표면(70) 위에 있는 베어링 가이드웨이(114)들 밑으로 내리고 위로 올린다. 각각의 진공의 미리 적재된 베어링(120)은 간격을 두고 떨어져 있는 랜드 부분(122a,122b)으로 나누어지는 압력 랜드를 가진다. 진공 영역(124)은 랜드 부분(122a,122b) 사이에 위치한다. 공기 압력과 진공 압력을 동시에 인가하고 분배하는 것은, 진공의 미리 적재된 공기 베어링(120)들의 압력 랜드 부분(122a,122b)과 표면(70) 위의 베어링 가이드웨이(114)들 사이의 공간(126)에 공기의 얇은 막을 생성한다. 선형 모터(46)들은 베어링 가이드웨이(114)들의 길이를 따라 시료 스테이지(26)의 마찰이 거의 0인 이동을 초래하는 구동력을 준다.
가이드 트랙 조립체(24)의 제 3 대안예는, 제 1 대안예의 자석의 미리 적재된 공기 베어링을 사용하는 것이나, 시료 스테이지 베드(72)뿐만 아니라 각각의 가이드 레일(40)과 각각의 가이드 블록(42)의 부재시 제 2 대안예의 진공의 미리 적재된 공기 베어링을 사용하는 것을 수반한다.
도 5c는 기판(12)의 바닥 표면(142)을 따라 진공의 미리 적재된 공기 베어링(140)들이나 자석의 미리 적재된 공기 베어링들 위에 얹혀서 움직이는 시료 스테이지(26)를 보여주는 개략도이다. 기판(12)이 수평 배열에 있을 때, 자석의 미리 적재된 또는 진공의 미리 적재된 공기 베어링(140)들이 시료 스테이지(26)가 바닥 표면(142)을 따라 얹혀서 움직일 때 시료 스테이지(26) 위에 가해지는 중력을 극복하기에 충분한 힘을 만들어낸다. 당업자라면 레이저 광학 조립체 스테이지(22)가 기판(12)의 상부 주 표면(14)을 따라 진공의 미리 적재된 공기 베어링들이나 자석의 미리 적재된 공기 베어링들 위에서 얹혀 움직이도록 유사하게 적응될 수 있다는 점을 알게 된다. 스테이지 구성은 전술한 공기 베어링들 대신 기계적인 선형 가이드들을 사용할 수 있다. 간섭계(interferometer)와 같은 위치 측정을 위한 다른 디바이스들이 이러한 위치 결정 시스템 디자인으로 구현될 수 있다.
기판(12)의 질량은 스테이지(22,26) 중 하나의 가이드된 이동이 스테이지(22,26) 중 나머지 하나에 무시할 수 있는 구동력을 기여할 수 있도록, 시료 스테이지(26) 위에 장착된 시료를 포함하여 시료 스테이지(26)의 질량과 광학 조립체 스테이지(22)의 질량을 분리하기에 충분하다. X축과 Y축을 따라 움직이는 스테이지(22,26)의 질량들은 낮고 이로 인해, 높은 가속도와 높은 속도 처리를 허용하고, 선형 모터(46)들에서의 열 발생을 제한한다. 레이저 빔 초점 구역 제어 서브시스템(28)의 질량 중심이 광학 조립체 스테이지(22)의 질량 중심과 정렬되기 때문에, 광학 조립체 스테이지(22)의 이동에 있어서 섭동은 최소화된다.
레이저 광학 조립체 스테이지(22)는 제어 서브시스템(28)을 수용하는 개구부(200)를 가지고, 이러한 제어 서브시스템(28)은 스캔 렌즈(30)를 포함하는 공기 베어링 조립체(202)를 포함한다. 제어 서브시스템(28)은, 레이저 빔이 일반적으로 스캔 렌즈(30)의 광 축인 빔 축(206)을 따라 전파할 때, 스캔 렌즈(30)에 의해 형성된 레이저 빔 초점 구역의 축 위치(axial position)를 제어하고, 이 스캔 렌즈(30)를 통해 레이저 빔이 시료 스테이지(26) 위에서 지지된 대상 시료의 작업 표면에 입사한다.
도 6은 제어 서브시스템(28)의 성분들과, 레이저 광학 조립체 스테이지(22) 위의 제어 서브시스템(28)의 장착을 상세히 보여준다. 도 6을 참조하면, 제어 서브시스템(28)은 공기 베어링 조립체(202)의 공기 부싱(bushing)(214)의 내부에 포함된 스캔 렌즈(30)에 요크 조립체(212)에 의해 결합되는 렌즈 강제자 조립체(210)를 포함한다. 적합한 공기 부싱은 팬실베니아주 Aston 소재의 New Way Machine Components사로부터 입수 가능한 Part No. S307501이다. 바람직하게는 음성 코일 액추에이터인 렌즈 강제자 조립체(210)는 스캔 렌즈(30)를 움직여 레이저 빔의 초점 구역을 빔 축(206)을 따라 선택된 위치들로 움직이는 구동력을 요크 조립체(212)에 의해 준다.
음성 코일 액추에이터(210)는 일반적으로 구리 와이어가 감기는 자기 코어로 형성된 고리 모양의 코일(232)과 원통형 하우징(230)을 포함한다. 고리 모양의 코일(232)과 원통형 하우징(230)은 동축 정렬되고, 고리 모양의 코일(232)은 음성 코일 액추에이터(210)에 인가된 제어 신호들(도시되지 않음)에 응답하여 하우징(230)의 축의 방향으로 내외로 움직인다. 바람직한 음성 코일 디바이스(210)는 캘리포니아주 Vista 소재의 BEI Kimco Magnetics사로부터 입수 가능한 액추에이터 No. LA 28-22-006 Z이다.
고리 모양의 코일(232)은 레이저 빔 초점 구역 제어 서브시스템(28)에 관한 지지를 제공하기 위해 레이저 광학 조립체 스테이지(22) 위에 장착된 직립부(upright)(240) 위에 놓여 있는 반대쪽 부재(238)를 가지는 음성 코일 브릿지(bridge)(236) 내의 일반적으로 원형인 개구부(234)를 통해 확장한다. 음성 코일 브릿지(236)는 2개의 반대쪽 돌출부(242) 각각에 가이딩 마운트(guiding mount)(256)의 상부 표면(254)으로부터 확장하는 로드(rod)(252)을 통과하는 관 모양의 하우징(250)을 포함하는 구멍(244)을 포함한다. 각각의 로드(252)는 자유 단부(258)를 가진다. 가이딩 마운트(256)는 그것의 상부 표면(254) 위에 고리 모양의 코일(232)이 놓여 있는 고리 모양의 베어링대(pedestal)(260)를 가진다. 2개의 겹쳐 쌓인 축 방향으로 정렬된 선형 볼(ball) 부싱(264)은 음성 코일 브릿지(236)의 옆 돌출부(242)의 각 구멍(244)에 포함된 관 모양의 하우징(250)에 맞추어진다. 볼 부싱(264)을 통과하는 로드(252)의 자유 단부(258)는 로드 클램프(clamp)(266)에 의해 마개가 씌워져, 빔 축(206)을 따라 고리 모양의 코일(232)의 하부 이동 제한의 단단한 정지부(hard stop)를 제공한다.
하우징(230)은 고리 모양의 코일(232)의 중심과 동축 정렬되게 위치되어 있는 원형 개구부(270), 음성 코일 브릿지(236)의 개구부(234), 가이딩 마운트(256)의 고리 모양의 베어링대(260)의 중심을 가진다. 속이 빈 강철 샤프트(272)는 하우징(230)의 개구부(270)를 통해 확장하고, 6각형의 너트(nut)(274)가 속인 빈 강철 샤프트(272)와, 아래에 추가로 설명되는 요크 조립체(212)에 결합되는 유연한 관 모양의 강철 부재(276)와 축 정렬되어 연결된다. 6각형의 너트(274)는 고리 모양의 코일(232)의 내외의 축 방향 움직임에 응답하여, 구동 또는 Z축(280)을 따라 유연한 강철 부재(276)를 구동하기 위해 고리 모양의 코일(232)의 하부 표면(278)과 접촉하게 위치되어 있다. 속이 빈 강철 샤프트(272)는 코일 스프링(282)의 중심을 통과하고 코일 스프링(282)의 축을 따라 움직이며, 이러한 코일 스프링(282)의 축은 속이 빈 강철 샤프트(272)의 자유 단부(290)에 고정된 원통형 스프링 리테이너(retainer)(286)와, 하우징(230)의 위 표면(284) 사이로 제한된다. 코일 스프링(282)은 음성 코일 액추에이터(210)에 인가된 제어 신호의 부재시, 고리 모양의 코일(232)을 Z축(280)을 따라 고리 모양의 코일(232)의 행정(stroke)의 중간점(mid-point)으로 치우치게 한다.
요크 조립체(212)는 한쪽 단부(302)는 요크 링(306)의 표면(304)에 고정되고, 나머지 단부(308)가 여러 레벨의 직사각형 요크 마운트(310)에 고정되는 마주 바라보는 요크 옆 판(side plate)(300)을 포함한다. 원통형 둘레(312)로 형성되고 고리 모양의 위 플랜지(top flange)(314)를 가지는 스캔 렌즈(30)는, 위 플랜지(314)가 요크 링(306)의 표면(304) 위에 놓이도록 요크 조립체(212)에 맞추어진다. 공기 부싱(214)의 내부에 포함된 스캔 렌즈(30)는 공기 베어링 조립체(202)의 내부 레이스를 형성하고, 공기 부싱(214)의 내부 표면(316)은 공기 베어링 조립체(202)의 외부 레이스를 형성한다. 공기 베어링 조립체(202)를 구현하는 것은 X-Y 평면에서 스캔 렌즈(30)의 단단함(rigidity)을 증가시키지만, 스캔 렌즈(30)가 매우 매끄럽고 제어된 방식으로 Z축을 따라 움직이는 것을 허용한다.
유연한 강철 부재(276)는 요크 마운트(310)의 상부 표면(324)에 있는 홈(322)에 맞추어진 자유 단부(320)를 가져, 그것을 Z축(280)을 따라 움직여 스캔 렌즈(30)를 빔 축(206)을 따라 움직인다. 인코더(328)를 홀딩하고 음성 코일 브릿지(236)에 부착되어 있는 인코더 헤드 마운트(326)는, 인코더 스케일을 홀딩하고 가이딩 마운트(256)에 부착되는 인코더 바디(body) 마운트(330)와 협력하여, 광 회절 원리를 사용하여, 고리 모양의 코일(232)의 움직임에 응답하여 음성 코일 브릿지(236)에 대한 가이딩 마운트(256)의 변위를 측정한다. 유연한 관 모양의 강철 부재(276)가 고리 모양의 코일(232)에 부착되어 있기 때문에, 측정된 변위는 빔 축(206)을 따라 스캔 렌즈(30)의 위치를 나타낸다.
마운팅 링(mounting ring)(342) 위의 장소에 고정된 1/4파 판(340)은 직사각형의 요크 마운트(310)의 하부 표면(344)과 스캔 렌즈(30)의 위 플랜지(314) 사이에 위치한다. 광학 조립체 스테이지(22)(도 3)에 부착된 압전 고속 스티어링 미러(piezoelectric fast steering mirror)와 같은 빔 편향 디바이스(346)는, 직사각형의 요크 마운트(310)와 1/4파 판(340) 사이에 위치한다. 고속 스티어링 미러(346)는 빔 축(206)을 따라 전파하는 들어오는 레이저 빔(348)을 받고, 그 레이저 빔(348)을 1/4파 판(340)과 스캔 렌즈(30)를 통과하게 한다. 1/4파 판(340)은 들어오는 선형으로 편광된 레이저 빔에 원편광을 주고, 고속 스티어링 미러(346)는 시료 스테이지(26) 위에서 지지된 대상 시료의 작업 표면의 선택된 위치들에 입사를 위해 원편광된 레이저 빔을 향하게 한다. 고속 스티어링 미러(346)가 그것의 중립 위치에 있을 때, Z축(280), 빔 축(206), 및 레이저 빔(348)의 전파 경로는 동일 선 상에 있게 된다. 고속 스티어링 미러(346)가 동작중일 때, 레이저 빔(348)의 전파 경로는 일반적으로 빔 축(206)과 정렬된다.
유연한 강철 부재(276)는 Z축 방향에서는 단단하지만, X-Y 평면에서는 유연하다. 유연한 강철 부재(276)의 이러한 특성은 그것이 스캔 렌즈(30)를 움직이는 렌즈 강제자 조립체(210)의 가이딩 작용으로부터 스캔 렌즈(30)를 포함하는 공기 베어링 조립체(202)의 가이딩 작용을 격리시키는 버퍼로서 기능을 가능하게 한다.
렌즈 강제자 조립체(210)와 공기 베어링 조립체(202)는 무게 중심을 가지고, Z축을 따라 위치하고 있다. 렌즈 강제자 조립체(210)의 음성 코일 브릿지(236)는 2개의 감압부(depression)(350)를 가지고, 이들 감압부의 깊이와 단면적은 2개의 무게 중심의 축 정렬을 이루기 위해 크기가 변할 수 있다. 그러한 무게 중심 정렬은 제어 시스템(28)에서의 모멘트 암(moment arm)들을 제거하여, 종래 기술의 캔틸레버(cantilever) 빔 디자인들에 존재하는 낮은 공진 주파수 진동들의 성질(propensity)을 감소시키는데 도움을 준다.
위치 결정 시스템(10)이 설치될 수 있는 레이저 처리 시스템들의 가능한 타입들의 몇 가지 예들에는 반도체 웨이퍼 또는 다른 시료 마이크로 기계가공(micromachining), 다이싱(dicing), 및 퓨즈 처리 시스템들이 포함된다. 웨이퍼 다이싱 시스템에서는, 레이저 빔(348)이 웨이퍼 표면 위의 스크라이브(scribe) 위치들을 따라 움직인다. 웨이퍼 퓨즈 처리 시스템에서는, 펄스 형태의(pulsed) 레이저 빔(348)이 퓨즈들의 웨이퍼 표면 위치들을 조사하기 위해, 퓨즈들의 웨이퍼 표면 위치들에 대해 움직여, 레이저 펄스들이 퓨즈 물질을 부분적으로 또는 완전히 제거한다.
당업자들에게는 본 발명의 기본 원리들을 벗어나지 않으면서, 전술한 실시예들의 세부 내용에 많은 변경이 이루어질 수 있다는 점이 분명해진다. 그러므로 본 발명의 범주는 후속하는 청구항들에 의해서만 결정되어야 한다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 시료 처리 시스템들, 특히 대상 시료에 대한 처리 디바이스의 2차원 위치 결정 또는 3차원 위치 결정의 제어를 위한 스테이지 설계 분야에 이용 가능하다.

Claims (7)

  1. 레이저 처리 시스템으로서,
    레이저 빔이 빔 축을 따라서, 그리고 지지체 위에 장착된 대상 시료의 작업 표면 위의 입사를 위한 렌즈를 통해 전파하고, 상기 렌즈는 상기 작업 표면 위의 선택된 위치들에서 상기 레이저 빔의 위치를 결정하기 위해 레이저 빔과 대상 시료를 서로에 대해 움직이는 다수-축(multiple-axis) 위치 결정 시스템에 동작 가능하게 연결되는 지지체와 레이저 빔의 초점 구역을 형성하는, 레이저 처리 시스템으로서,
    렌즈를 포함하고, 상기 렌즈에 인가된 구동력에 응답하여 상기 빔 축을 따라 렌즈의 움직임을 가이드하는 공기 부싱을 포함하는 공기 베어링 조립체;
    빔 축을 따라 일어나는 움직임을 위해 가이드되고, 상기 빔 축을 따라 렌즈를 움직여 작업 표면에 대해 레이저 빔의 초점 구역을 조정하도록 구동력을 주기 위해 렌즈에 동작 가능하게 연결되는 움직일 수 있는 부재를 포함하는 렌즈 강제자(forcer); 및
    상기 렌즈 강제자의 움직일 수 있는 부재에 의해 렌즈에 주어진 가이드된 움직임으로부터 상기 렌즈 강제자의 움직일 수 있는 부재의 가이드된 움직임을 격리하기 위해, 상기 렌즈 강제자와 렌즈 사이의 버퍼(buffer)로서 동작하는 격리 만곡(flexure) 디바이스를 포함하는,
    레이저 처리 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 공기 부싱은 내부 표면을 가지고, 상기 렌즈는 상기 렌즈의 베어링 표면을 정의하는 외부 직경을 가지며, 상기 렌즈의 베어링 표면은 상기 공기 베어링의 내부 레이스(race)로서 동작하고, 상기 공기 부싱의 내부 표면은 상기 공기 베어링의 외부 레이스로서 동작하는, 레이저 처리 시스템.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 렌즈 강제자는 움직일 수 있는 부재의 이동을 제어하는 음성 코일 액추에이터(voice coil actuator)를 포함하는, 레이저 처리 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 렌즈 강제자는 제 1 위치에 존재하는 무게 중심을 갖고, 렌즈를 포함하는 공기 베어링 조립체는 제 2 위치에 존재하는 무게 중심을 갖고, 상기 제 1 및 제 2 위치는 상기 빔 축을 따라 축 방향으로 정렬된, 레이저 처리 시스템.
  6. 삭제
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 격리 만곡 디바이스는 빔 축을 따라 단단하고, 상기 빔 축을 가로지르는 평면에서는 유연한(compliant), 레이저 처리 시스템.
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