Recently, a larger wafer size and a new light source for optical lithography are two important issues in the semiconductor industry. To expose a larger size wafer, the motion range of the stage should become longer. In addition, the stage should move quickly with high velocity and high acceleration, since manufacturing the throughput is closely related to how quickly the wafer stage can move. If EUV is used as a light source for optical lithography, the environment should be a high vacuum. The magnetic levitation stage is suitable to achieve long range and high speed in a vacuum environment. One way to deal with the vacuum environment is to use magnetic levitation, which employs non-contact and non-outgas actuators and guides. Moreover, if the actuators are composed as a planar motor, long range and high speed motion can be realized because of a single moving body with fast response.
The main objective of this thesis is to propose a long stroke planar motion maglev stage using a copper strip array that has 450mm motion range and 500mm mover size. To realize a long stroke and a large size mover, the stator was designed using a copper strip array. The mover contains the Halbach magnet array and the fixture part has characteristics of low weight and high structural bandwidth.
The effectiveness of the copper strip array structure is proved by electromagnetic simulation. Electromagnetic force is increased by 33% with same magnet array and current. The thrust directional force ripple decreases from 5.92% to 0.02% and the levitation directional force ripple decreases from 11.83% to 2.94%. By using the copper strip array, magnet array structure becomes simpler.
To maximize the force of the proposed system, the design optimization is carried out. An analytical modeling of magnetic force and an optimization procedure were executed. Before manufacturing the proposed system, a system’s safety was confirmed by modal analysis and thermal simulation.
The manufacturing processes of copper strip array and monolithic machined mover with magnet array are described.
To evaluate basic performance, the six capacitive sensors are installed at the corner of the stator for the homing process and three other capacitive sensors and three laser interferometers are used to measure tracking position. Power supplies, current amplifiers and a controller are implemented. The realized system has the in-position stability of 6.4 nm in x direction and 8.5 nm in y direction with 450 mm travel range. The position resolution is 40 nm steps in translational directions and 0.03 arcsec step in rotational direction. The settling time is about 70 msec and tracking error is smaller than $\pm$ 80 nm.
최근 반도체 산업에서의 큰 이슈는 450 mm 크기의 웨이퍼 사용과 EUV 광원 사용이다. 이와 더불어 큰 힘과 빠른 속도는 높은 생산률을 위한 스테이지의 필수 요소이다. 빠른 속도로 큰 크기의 웨이퍼를 이송하기 위해서는 기존에 비해 더 큰 이동거리를 가지며 가벼운 스테이지가 필요하다. 또한, EUV 광원을 사용하기 위해서는 스테이지가 진공환경에서 구동이 가능해야한다. 자기부상 평면구동 스테이지는 공기 베어링과 같은 가이드 구조가 없고, 단일 몸체로 구동이 되는 특징을 가져 앞서 언급한 조건을 만족시키는 가장 적합한 구조이다.
본 논문의 목표는 450 mm 웨이퍼 이송이 가능하기 위한 500 mm 크기의 이동부가 450 mm를 이동하는 자기부상 평면구동 스테이지를 제안 및 설계하고, 구현하여 성능평가를 하는 것이다. 큰 크기의 이동부를 대행정으로 이동시키기 위해 고정부에 새로운 도체구조인 구리 스트립 배열을 제안한다. 이동부는 할바흐 자석배열과 이를 고정시키기 위한 가볍고 고강성의 고정부로 이루어져 전류가 흐르는 스트립 배열 위를 이동한다.
전자기 시뮬레이션 결과 새롭게 제안된 구리 스트립 배열은 기존의 코일을 사용하는 도체 구조에 비해 33 % 더 큰 힘을 발생시켰다. 힘 리플은 추진력 방향으로 5.92 % 에서 0.02 %로, 부상력 방향으로 11.83 % 에서 2.94 % 로 좋아짐을 확인하였다. 또한, 구리 스트립 배열을 사용함으로써 기존의 2차원 자석배열에 비해 제작이 쉬우며 조립오차가 작은 1차원 자석배열을 사용할 수 있다.
앞서 제안된 1차원 자석배열과 구리 스트립 배열을 이용한 자기부상 평면구동 스테이지의 성능을 최적화하기 위해 최적설계를 수행한다. 최적설계를 위해 자기장과 전자기력 모델링을 수행하고 이를 이용하여 주어진 조건에서 최대의 힘을 발생시키는 구조의 최종 치수를 결정한다. 최종 설계 결과를 이용하여 시스템을 제작하기에 앞서 동적 구조해석, 열전달 해석등을 수행하여 시스템의 안정성을 확인한다.
새롭게 제안된 구리 스트립 배열을 제작하기 위한 새로운 제작방법을 제안하고, 이를 이용하여 구리 스트립 배열을 포함하는 고정부를 제작한다. 이동부는 조립오차를 최대한 줄이고, 고강성을 유지하기 위한 구조로 제작한다.
제작된 스테이지의 성능을 평가하기 위해서 총 12개의 센서를 사용한다. 고정부의 가장자리에 위치한 6개의 정전용량형 센서를 이용하여 이동부의 원점을 측정하고, 세개의 레이저 간섭계와 3개의 정전용량형 센서를 이용하여 추종위치를 측정한다. 센서와 함께 전류 증폭기와 같은 전장, 제어를 위한 제어기를 통합한 스테이지 시스템을 구성하고 제작된 자기부상 평면 구동 스테이지의 성능평가를 수행한다. 성능평가결과 450 mm의 행정거리를 움직였으며 X축 6.4 nm, Y축 8.5 nm의 정지정밀도, X 및 Y축으로 ±20 nm의 위치 분해능, 약 70 msec의 세틀링 시간, $\pm$ 80 nm의 추종오차를 달성하였다
