광학 웨이퍼 검사에 최척화한 차세대 모션 시스템- VEGA 모션 플랫폼

PM

정밀 리니어 베어링 회사로 잘 알려진 PM은 맞춤형 모션 시스템의 개발과 생산 경험을 쌓아왔다.

최근 PM은 자체에서 개발하고 조립한 스테이지를 출시했다. 'Vega'로 명명된 이 모션 플랫폼은 광학 웨이퍼 검사에서 속도와 정확도에 대한 새로운 기준을 설정한다. 설계의 컨셉은 시스템의 민감한 부분에서 원하지 않는 반작용 토크를 방지하기 위해 모든 구동 역학을 하나의 평면에 배치한 것이다.

Vega 모션 플랫폼

Vega 모션 플랫폼은 back-end 웨이퍼 검사에 초점을 둔 빠르고 정확한 스테이지이어야 했다. 매우 까다로운 이 시장에서 경쟁력이 입증되면, 의료 시장과 같은 다른 분야에도 애플리케이션을 확장할 수 있다.

• 300mm 이상의 모든 스트로크에서 X 및 Y 방향의 기구 정확도는 1 μm보다 좋아야 한다.
• 모션 프로파일은 수평면에서 2g의 가속 및 최대 2m/s의 속도 실현한다.
• 수평면의 진동은 기계가 VC-C 사양에서 진동이 클린룸 바닥에서 발생한다고 가정할 때 25nm 미만으로 유지되어야 한다.
• 수직 방향의 진동(웨이퍼를 광학의 초점 방향으로 이동)은 10nm를 초과할 수 없다.

웨이퍼 처리량이 중요한 애플리케이션에서는 높은 가속과 짧은 정착 시간을 달성하는 것이 중요하다. 기술적 요구와 함께 프로젝트의 타이밍도 매우 어렵다. 이 스테이지는 견고하고 외부로부터 소재 도입을 최소화해야 했다. 거의 모든 구성 요소를 PM에서 제작했다.

Vega 모션 플랫폼 디자인의 출발점은 모든 주행 동역학이 하나의 평면에 있어야 한다는 점이다. 아울러 모터는 시스템의 민감한 부분에서 원치 않는 반작용 토크를 유발해서는 안됐다. 이는 모든 이동 물체의 질량 중심, 운동력의 위치 및 베어링의 위치를 적절히 정렬함으로써 달성된다. 이 디자인의 또 다른 장점은, 베어링의 평면 외 하중도 최소화할 수 있다는 것이다. 베어링 하중이 낮을수록 마모가 적고 수명이 길어지고 베어링으로 인한 부정확성이 줄어든다.

이 모든 동적 구성 요소를 한 평면에 설계하는 것은 비교적 쉽다. 첫 번째 축 방향에 직교하는 모션을 실현하기 위해 두 번째 축이 첫 번째 축 위에 놓일 것이다. 또한 필요한 경우 세 번째 축을 맨 위에 쌓을 수 있다. 그러나 이렇게 축을 적층하게 되면, 이동질량의 무게중심(COG, the centre of gravity)으로 축을 가속 또는 감속할 때 반응 토크가 발생한다. 이러한 반작용 토크는 피치 및 롤 오류를 생성한다.

그림 1에서 처럼 PM은 다른 솔루션을 찾았다. 구조는 각 측면의 리니어 베어링으로 지지되는 수평 상자 프레임으로 구성된다. 이 사각형 프레임에서 두 번째 축은 첫 번째 축과 동일 평면에 있다. 그런 다음 Zθ 모듈이 이 두 번째 축에 통합되어 회전 및 수직 이동을 담당한다. 오로지 짧은 수직 이동만 수행되므로 질량 중심과 작동 중심은 대부분 한 평면에 유지된다. 이는 움직이는 질량이 레버 암 동작으로 나타나지 않으므로 위치 정확도가 훨씬 뛰어나다. 재순환 볼 베어링은 적절한 설계 원칙을 적용했을 때 광학 웨이퍼 검사에 정확한 것으로 나타났다.

토폴로지 최적화

PM은 세부 엔지니어링 단계에 들어갔다. 웨이퍼 검사 스테이지에서의 동적 요구사항은 박스 프레임이 최소한의 이동 질량에서 높은 구조적 강성을 지니고 있어야 한다는 것을 의미한다. 이를 달성하기 위해 PM은 알루미늄 프레임을 형성하기 위해 Matlab에서 자체 토폴로지 최적화 프로그램을 개발했다.

토폴로지(모양) 최적화 연구에서 제조성도 고려됐다. 이때 제약 조건은 크로스 구성품의 재료 두께가 일정해야 정확한 제조가 가능하다는 것이었다. 이 소프트웨어에서 크로스 구성품에 대해 큰 C형 프로파일을 생성하기 위해 최적화를 반복했다(그림 2 참조). C형 프로파일은 우수한 강성-무게 값을 제공할 뿐만 아니라 베어링 설치를 위한 좋은 기반이 됐다.

엑추에이터

다음은 모션 플랫폼을 어떻게 구동해야 하는 것이었다. 다양한 컨셉이 논의되고 평가되었다(그림 3). 그림 3a와 3b의 컨셉은 베어링 강성을 최적으로 사용하지 않으면서 두 개의 개별 구성요소(빨간색으로 표시)에 고가의 연삭 공차를 요구하는 반면, 그림 3c의 컨셉은 단일 구성요소에 대해 타이트한 연삭 공차만 요구된다.

결국 PM은이 세 번째 컨셉을 선택했다(그림 3c). 즉, 무빙 코일이 있는 아이언리스 모터 기반의 솔루션이다. 이러한 선택으로 다소 복잡한 구조가 되긴 했지만, 모터, 베어링 및 엔코더를 모두 C 프로파일의 하부에 장착할 수 있었다. 또한 연삭 공차가 필요한 표면을 최소화하는 데 도움이 됐을 뿐 아니라 비용을 최소화하므로 효율적인 컨셉이었다.

정착 시간 시뮬레이션

정착시간(settling time)이 어떻게 생성되는지에 대한 이해를 높이기 위해서는 스테이지의 주파수 응답을 정확하게 예측해야 했다. 스테이지 구조는 단단한 베이스 플레이트와 다수의 금속 크로스 구성요소로 되어 있으며 각 축 사이에는 베어링이 있다(그림 4참조).

정확한 전달함수를 얻는 데 어려움은 대부분 베어링역학에 있었다. Hertzian contact 이론을 기반으로 한 기존의 베어링 강성 모델은 실제 베어링 강성보다 과대평가된다. 따라서 PM은 Hertzian contact 이론과 구성요소 기반 테스트를 조합하고 베어링에 가상하중(dummy load)을 적용하여 모달 해석(modal analysis)을 했다(그림 5 참조). 테스트 결과, 강화된 베어링 모델은 기존의 Hertzian contact 이론 모델보다 훨씬 더 실제적이었다.

스테이지 어셈블리(베어링 강성 포함)의 FEM(finite-element method, 유한 요소법) 시뮬레이션에 기초하여, 개방 루프 전달 함수(open-loop transfer functions)가 결정되었으며, 첫 번째 고유 모드가 스테이지의 목표 대역폭보다 높게 나타났다.

이러한 전달 함수를 중심으로 피드백 제어 루프를 모델링하여 제어를 포함한 스테이지의 정착 시간(settling time)을 예측할 수 있다. 또한 웨이퍼 검사주기를 기반으로 모션 프로파일을 시뮬레이션 하여 기계의 최대 처리량을 평가할 수 있었다.

액티브 제진

잔류 진동 요구 사항이 엄격하기 때문에 제진 시스템은 절대적으로 필요하다. 특히 가속 요구가 높으면 높은 측면 힘이 가해짐으로 제진대는 액티브 시스템 이어야 한다(그림 6 참조). 설치 공간의 부족으로 밸런스 매스(balance mass)를 사용하여 진동을 제거하는 대안은 포기했다.

바닥 진동에서 스테이지로의 전달성은 제진 시스템의 최초 고유 주파수보다 빠르게 감소할 것이다. 제진 시스템은 스테이지 정착 시간에 큰 영향을 미치므로, 관련 동역학도 정착 시간 시뮬레이션에 포함했다.

열 관리

열 관리는 특별한 주의를 기울여야 할 주제였다. 시스템이 최대 처리량 주기로 작동하고 엑추에이터가 상당한 양의 열을 생성하는 경우에도 툴 포인트의 위치(웨이퍼상의 작업 포인트)는 1um의 정확도를 유지해야 한다.

컨셉 단계에서 열 관리에 대한 개념을 이해하기 위해 포괄적인 열 네트워크 모델이 구축되었다. PM은 고객의 요구 사항에 따라 액체 냉각의 모든 형태는 사용을 엄격히 금지했다. 이는 잠재적인 냉각제 누출로 인해 고가의 페이로드를 손상시키거나 중요한 생산 단계에서 정지를 유발할 수 있는 위험을 초래할 수 있기 때문이다. 또한, 스테이지 또는 민감한 페이로드에서 진동을 유발할 수 있으므로 냉각팬을 사용하지 않는 것이 좋다.

액티브 냉각이 허용되지 않는 상태에서 설계는 패시브 냉각 쪽으로 밀려났으며 이는 상당한 설계 제약을 가해왔다. 엑추에이터의 열을 제거하기 위해, 상대적으로 큰 방열판은 온도를 유지하고 열 팽창을 상대적으로 낮게 유지하도록 설계했다. 방열판은 구조적으로 연결되어 있지만 열 장벽을 통해 나머지 시스템과 열적으로 절연됐다. 이러한 방식으로 방열판은 스테이지의 정확도에 영향을 주지 않으면서 스테이지의 강성도에 기여할 수 있었다.

FEM 분석은 열 장벽이 잘 기능하는 것으로 나타났지만, 스테이지의 열 변형을 최소화하기 위해 추가 개선이 필요했다. 일부 구성 요소가 열팽창 계수가 낮은 니켈-철 합금인 invar로 만들어 졌기 때문이었다. 그러나 invar는 비용이 높았고 강성은 높지 않았다.

PM은 값 비싼 재료를 사용하는 대신 스테이지 구조를 자유롭게 확대할 수 있도록 알루미늄 플렉셔(flexures)을 사용하기로 결정했다. 또한, 열팽창 중심에 invar를 부착해 구성 요소의 중심이 온도 변화와 무관하게 했다.

열 관리에 대한 마지막 단계는 최대 효과를 위해 방열판 모양을 최적화하는 것이었다. 방열판을 통해 공기가 흐르는 대류 열전달 모델이 만들어졌다. 이러한 방식으로 냉각핀의 두께, 높이 및 간격이 결정됐다. 그림 7은 대류 열전달 분석에 대한 결과를 보여준다. 최적의 엔코더 위치를 결정하는 데 있어 열적(및 동적) 안정성도 중요했다.

향후 전망

PM은 제진 시스템을 포함한 구조설계를 진행 중이다. 여러 잠재 고객이 이미 Vega 모션 플랫폼에 관심을 보이고 있으며, 향후 더욱 개발해 나갈 것이다.

자료 제공: PM(www.PM.nl)