Stage is a system that makes a specimen track desired positions in real time. There are many kinds of stage systems and their applications. The stage system for semiconductor process requires highest precision and accordingly highest complexity. The technological improvement of stages was expedited by the advancement of semiconductor industry. According to the roadmap of the semiconductor industry, it is time to develop a magnetic levitation stage with high speed and high precision.
The main objective of this thesis is to propose, design and control a novel dual servo magnetic levitation planar motion stage which is fast, highly precision, easy to expand motion range and vacuum compatible. Dual servo mechanism, for the first time, is applied to maglev stage system. The coarse maglev planar motion stage has form of moving coils and stationary magnets. Voice coil motors(VCMs) for a fine stage are designed within limited size of space. The coarse stage and the fine stage are integrated then the dual servo stage is controlled with laser interferometers and capacitive sensors.
The coarse stage of the novel dual servo maglev stage has form of a maglev planar motor and the fine stage is driven by VCMs. Conceptual design of the both stages are followed by the design specifications of the planar motor and the VCMs. Electromagnetism, heat transfer and kinetics of the fine stage are utilized to obtain mathematical models explaining the relationship between the design parameters and the design specifications. Based on those models, the design parameters are determined so that the fine coarse stage and the fine stage show optimal performances. Final designs are verified by FEM simulations before realization.
Two sets of sensors are equipped to the dual servo stage. Six capacitive sensors are used to measure the relative position of the coarse stage to the fine stage. Three other capacitive sensors and three laser interferometers are used to measure the absolute position of the fine stage. The dual servo stage is controlled in the manner of master and slave. The fine stage, the master axis is controlled to follow main command and the coarse stage, the slave axis, is controlled to follow the fine stage. Each stage is considered as six SISO systems by decoupling using model based kinematics and sensor transformation.
Data acquisition boards, power supplies, current amplifiers and a controller embedding simple PID control algorithm are implemented and the performance of the dual servo stage is evaluated. The stage shows maximum speed of 100 mm/s and in-position stability of 10 nm which is highest level of precision ever. The dual servo stage should be improved to be in practical use but this thesis can give a contribution as a ground work for the next generation semiconductor lithography process.
스테이지는 실시간으로 시편을 원하는 위치로 이송하는 시스템이다. 이미 널리 연구되고 상용화되어 산업현장에서 사용하는 다양한 형태의 스테이지가 있으며, 그 적용 범위 또한 매우 다양하다. 그 중 반도체 노광 공정에 사용되는 스테이지는 가장 높은 수준의 정밀도를 가지는데, 반도체 공정 기술의 발전에 따라 스테이지 또한 더 높은 수준의 성능이 요구되고 있다. 현재는 이러한 고속, 고정밀 성능을 위하여 자기부상 기술이 스테이지에 사용되고 있다.
이 연구의 목표는 고속, 고정밀, 고진공 대응을 위한 새로운 이중서보 자기부상 스테이지 시스템을 제안 및 설계하고 최종적으로 제어하여 구현하는 것이다. 이중서보 메커니즘은 자기부상 스테이지에 처음으로 적용되는 것으로 장행정을 담당하는 조동스테이지부와 고정밀을 담당하는 미동스테이지부로 나뉜다. 조동스테이지부는 권선이 운동자인 평면 모터를 구동기로 채용하고, 미동스테이지부는 자석이 운동자인 보이스 코일 모터를 구동기로 채용한다. 조동 및 미동 스테이지부는 이중서보 스테이지로 통합되어 레이저 간섭계 및 정전용량형 변위 센서를 이용하여 되먹임 제어된다.
두 스테이지부의 개념 설계 후, 향후 상세 설계를 위해 수학적 모델을 수립한다. 자석과 코일간의 전자기적 해석, 동체로 전달되는 힘에 대한 역학적 해석, 코일에 흐르는 전류에 의한 전압 강하와 열 발생 등에 대한 해석을 바탕으로 한 수학적 모델은 스테이지의 목표 성능을 설계 변수에 대해 분석하는데 이용된다. 또한 이를 바탕으로 최적 설계를 수행하여, 각 스테이지부가 목표 성능에 부합할 수 있도록 최적의 설계 변수를 선정한다. 최종 설계값은 유한요소법을 이용한 시뮬레이션을 통해 검증한다.
이중서보 스테이지의 제어를 위해서 12개의 변위 센서가 사용된다. 3개의 레이저 간섭계 및 3개의 정전용량형 변위 센서는 외부 프레임에 부착되어 미세스테이지부의 변위를 측정하고, 또 다른 6개의 정전용량형 변위 센서는 조동스테이지부와 미세스테이지부의 상대 거리를 측정한다. 따라서 이중서보 스테이지는 주축이 되는 미세스테이지부가 주 제어 입력을 추종하고, 종축이 되는 조동스테이지부가 미세스테이지부를 추종하는 주종 제어 방식을 채용한다. 이 때, 각 스테이지부는 다중입출력 시스템이나, 각 구동기의 6자유도 힘과 스테이지부의 6자유도 모션 간의 관계인 역운동학 행렬과 센서 변환 행렬을 모델로부터 구하여 6개의 단일입출력 시스템으로 변환하여 제어한다.
데이터 획득 보드, 전원장치, 전류 증폭기 및 PID 제어 알고리즘을 탑재한 제어기를 사용하여 이중서보 스테이지를 제어하고 그 성능을 평가한다. 스테이지는 최대 100 mm/s 의 속력을 보이며, 정지 정밀도는 10 nm 수준으로 현재까지 연구 및 보고된 사례들 보다 높은 정밀도를 보여준다. 그러나 실장 환경에서 사용되기 위해서는 속도 성능의 향상이 매우 요구된다. 본 연구는 차세대 반도체 노광 공정에 있어서 스테이지 장비 기술에 대한 기초연구로서의 가치를 높이 평가할 수 있다.
