This paper presents the novel dual-servo stage using magnetic levitation technology for semiconductor lithography has been proposed to perform high precision and high acceleration simultaneously. Dual-servo mechanism is one of the methods to achieve high-precision, high-velocity and time effective. Generally, a dual-servo stage is composed of a coarse stage and a fine stage. The coarse stage has large strokes and capacity for heavy payload while it has low precision. On the other hand, the fine stage has high-precision and fast response with short strokes. Since the fine stage is combined with the coarse stage, dual-servo stage can perform large strokes and high-precision simultaneously. The proposed dual-servo stage is vacuum compatible and cost effective.
The magnetic levitated six degrees of freedom fine stage has also been proposed for the dual-servo stage. The proposed fine stage is levitated and actuated using a voice coil motor actuator with the Halbach magnet array. The magnetic flux modeling and optimization are performed to manufacture optimal fine stages.
The two degrees of freedom stack type coarse stage has been proposed for providing large stroke and thrust force. Linear motor was used for actuator and linear encoder and LM guide were installed.
Control strategies for the proposed dual-servo stage were introduced. The master-slave type control block diagram was used for overall control. For compensating reaction force, force observer was proposed. The time delay control and the proximate time optimal servomechanism control laws were derived and the mode switch control for two different controllers was proposed.
The dual-servo stage has been manufactured by using optimized design values. For levitating, six LVDTs were used for homing control. After levitating, out of plane motion was finely controlled by three capacitance sensors and in plane motion was also finely controlled by three laser interferometers. The performances of the manufactured dual-servo stage were evaluated by several categories, such as basic and dynamic performances. The moving ranges are 400mm to both of X and Y axis. The maximum speed is 350mm/s and maximum acceleration is 1G. In position stability is $\pm4.5nm$ and settling time is 45ms when 1mm step reference excited (1% settling).
차세대 반도체 노광 공정에 있어 스테이지는 여러 요구 조건을 만족시켜야 한다. 나노 수준의 정밀도를 가져야 하며 고속으로 움직임이 가능하여야 한다. 또한 고속을 달성하기 위하여 높은 가속도를 구현하여 고속으로의 진입이 빨라야 한다. 차세대 노광 광원은 좁아지는 선폭에 대응하기 위하여 진공에서 사용이 가능한 EUV 광원으로 개발됨에 따라 스테이지 또한 진공에서 사용이 가능하여야 한다.
본 논문에서는 고정밀, 고가속 이중 서보 스테이지를 제안하고 설계, 제작, 평가한다. 이중 서보 스테이지는 장행정을 낮은 정밀도로 구현이 가능한 조동 스테이지와 짧은 행정거리를 고정밀로 구현 가능한 미세 스테이지의 결합으로 이루어진다. 이때 진공에서 사용이 가능하도록 미세 스테이지를 6 자유도 방향으로 자기 부상 시킨다. 자기 부상 기법을 사용하여 미세 스테이지와 조동 스테이지간의 기계적 결합없이 진공에서 높은 성능을 구현할 수 있다.
미세 스테이지는 로렌츠 힘에 의하여 자기 부상된다. 각 4개의 수평 방향 구동기와 수직 방향 구동기가 제안되며 설계된다. 자속을 강화하기 위하여 할바흐 자석 배열을 적용하였으며 스틸 요크를 사용하여 자기 폐루프를 구성하였다. 제안된 구동기를 최적화하기 위하여 모델링을 수행한다. 영구자석에서 발생하는 자속을 수학적으로 모델링하며 이후 이를 적용할 자석 배열에 맞게 변환한다. 또한 이미지 메소드를 통해 요크의 역할을 모델링하여 최종적으로 구동기에서 구현 가능한 힘을 모델링한다. 이러한 모델링을 바탕으로 최적 설계를 수행한다. 구동기의 힘을 최대화하기 위하여 여러 변수를 설정하고 목적 함수와 제한 조건을 설계하여 제한된 조건 하에서 최적의 성능을 구현하는 구동기를 설계한다. 이후 설계된 값은 FEM 해석을 통해 검증된다.
조동 스테이지는 리니어 모터와 LM 가이드를 사용하여 구동된다. 조동 스테이지는 이중 서보 스테이지의 행정거리와 추력을 제공해주며 조동 스테이지에서 발생하는 오차들은 모두 미세 스테이지에서 보상된다. 설계된 미세 스테이지와 조동 스테이지를 결합하여 이중 서보 스테이지를 구성한다.
이중 서보 스테이지의 제어를 커플링된 구동기의 축들을 모두 디커플링하며 센서 변환 행렬을 통하여 6 자유도의 모션을 측정한다. 피드백 제어를 위해 여러 종류의 센서가 사용된다. 먼저 미세 스테이지를 자기 부상시키기 전에 리니어 엔코더를 사용하여 조동 스테이지를 정지시킨다. 이후, 착륙해 있는 미세 스테이지를 이륙시키기 위하여 6축의 LVDT를 사용한다. 이륙된 미세 스테이지는 장행정과 정밀도를 위하여 면내방향은 3축의 레이저 인터페로미터로 스위치되며 면외방향은 3축의 캐패시턴스 센서로 스위치된다. 이후 이중 서보 스테이지는 주종 관계로 제어된다. 이중 서보 스테이지는 Time delay control을 통해 제어된다. 또한 고가속과 빠른 세틀링을 위하여 Proximate time optimal servomechanism이 적용된다. 이후 잔류 진동 제거를 위해 TDC와 PTOS를 결합한 모드 변경 제어가 적용된다.
제작된 이중 서보 스테이지는 기본 성능과 동적 성능에 대해 평가된다. 행정거리는 각 축으로 400mm이며 최고 속도는 350mm/s이다. 또한 최대 가속도는 1G 이며 정지 정밀도 $\pm4.5nm$와 세틀링 타임 45ms을 구현한다.
