고정밀 모션 응용기술 발전을 위한 나노 포지셔닝 솔루션

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나노 포지셔닝은 재료 과학, 유전체학, 광 자학, 국방, 생물 물리학 등 반도체와 같이 다양한 애플리케이션을 신속하게 발전시키는 분야로 혁신의 속도가 매우 빠르게 일어나고 있다. 나노 포지셔닝 장치는 1 나노미터만큼 작은 단위로 모션을 반복적으로 실행할 수 있는 메커니즘이다. 최근 산업계 및 연구 분야의 수요는 1/10 나노미터 이하로 요구된다.

점점 새로운 접근 방식이 애플리케이션(real time, high dynamics)을 주도하고 있다. 이는 프로세스 경제성을 최적화 할 수 있는 새로운 기회를 제공한다. 실제로 최적화는 최신 실리콘 포토닉스(SiP) 장치의 제조 공장 테스트 및 패키징에서 간단히 적용된다. 이러한 애플리케이션에서 광학 소자 및 프로브는 웨이퍼에서 최종 패키지에 이르기까지 신속하고 완벽하게 결합되어야 한다. 여기서 나노 스케일 상호 정렬이 1초 이내에 달성될 것을 요구한다. 이러한 애플리케이션을 가능하게 하는 새로운 솔루션은 위치 최적화 엔진이다.
  

Fab-class 애플리케이션에는 자체 고려사항이 있다. 예를 들어, 수백만 달러에 달하는 완전히 패턴화된 SiP 웨이퍼를 광학적으로 프로빙하는 경우 포지셔닝 시스템이 프로그래밍 방식으로 제한될 수 있는 능력은 웨이퍼 안전에 중요하다. 아날로그 대안은안정적으로 구속하기 어렵기 때문에 디지털 제어 방식이 필요하다.

긴 이동 범위 나노 포지셔닝 시스템

모션 시스템에서 기계적 마찰이 낮을수록 나노미터 수준에서 포지셔닝 성능이 높아진다. 가이던스 영향은 장거리 스테이지에서 최고의 기계식 베어링 시스템의 효과적인 최소 증분 운동을 제한한다. 나노 포지셔닝 애플리케이션에는 플렉셔, 에어 베어링 및 자기 베어링의 3가지 마찰이 없는 시스템이 사용된다.
  

피에조 나노 포지셔닝 시스템에서 더 긴 이동 범위의 경우 에어 베어링은 정밀 산업용 모션 애플리케이션에서도 매우 성공적이다. 에어 베어링 스테이지는 리니어 또는 회전식 포지셔너로, 사전 로드된 여러 메커니즘 중 하나를 사용하여 에어쿠션에 띄워 기계적 접촉이 거의 없어 마모, 마찰, 진동 및 히스테리시스 효과가 발생한다. 고해상도 광학 엔코더 또는 간섭계를 적용한 슬롯없는 직접 구동 모터는 리니어 애플리케이션에서 나노 베어링 내에, 또는 회전 애플리케이션에서 10분의 10초 이내에 에어 베어링으로 지지된 이동 캐리지를 배치할 수 있다.
  

마찰이 없고 기계적 접촉이 없기 때문에 히스테리시스 또는 반전 오류가 최소화되므로 반복성이 높고 대량 검사 및 제조 작업에 이상적이다. 정지마찰이 사실상 제거되어 분해능 기능이 향상되고 위치내 ‘헌팅’(제한 사이클링)이 줄어들고 몇 가지 기본 엔코더를 장착하면 위치 반복성이 확보될 수 있다. 에어 베어링은 위치 안정성과 장기 안정성을 제공하기 위해 잠겨질 수 있다.
  

표면 평균화 효과(surface averaging effect)로 인해, 에어 베어링 스테이지는 전체 직진도 및 평탄도로 인한 에러가 매우 적을 뿐만 아니라, 반복성 에러도 매우 적다. 에어 베어링 나노 포지셔닝 스테이지는 계측, 반도체, 평판 디스플레이 검사 및 기타 정밀 스캐닝 애플리케이션과 같은 고정밀 모션 애플리케이션에 사용된다. 비접촉식 설계로 인해 이러한 스테이지는 클린룸 애플리케이션에서 잘 작동한다.

액티브 자기 베어링 및 자기 부상

자기 베어링은 전자기장과 기계적 접촉을 대체한다. 자기부상과 함께 사용될 때, 다축 평면 포지셔닝스테이지는 플랫폼을 능동적으로 안내하는 컴퓨터 제어 자기장에 의해 부상되는 수동 플랫폼으로 설계될 수 있다. 뛰어난 정확도로 긴 이동 범위에서 대상 물체를 리니어 또는 회전식으로 배치 할 수 있다.

자기부상 포지셔너는 에어 베어링 포지셔닝 스테이지와 유사한 성능을 달성할 수 있다. 마찰이 없으므로 작업 공간을 오염시키는 마모가 없다. 또한 윤활을 위해 공기 또는 그리스가 필요하지 않기 때문에 자기장 기반 시스템은 진공 또는 질소 대기 환경에 적합하다.

짧은 이동 범위 나노 포지셔닝 스테이지 및 피에조 포지셔너

플렉셔 가이드는 밀리미터 이하의 짧은 이동애플리케이션에 많은 이점을 제공한다. 에어 베어링 및 자기 베어링과 마찬가지로 마찰이 없다. 그리고 적은 비용으로 작고 견고하게 만들 수 있다. 플렉셔는 보이스 코일에서부터 리니어 모터 및 솔리드 스테이트 액추에이터에 이르기까지 수많은 마찰없는 드라이브 시스템과 결합된다.
  

플렉셔 가이드는 대부분 피에조 방식의 나노 포지셔닝 시스템에 사용된다. 피에조 기술은 나노미터 분해능 및 요구 사항 미만의 애플리케이션에서 포지셔닝하는 데 기본 역할을 한다. 피에조 효과는 100년 전에 발견되었으며 오늘날의 나노 포지셔닝 장치는 전압을 사용하여 재료 팽창을 통해 역효과를 활용한다. 이러한 장치의 대부분은 납, 지르코늄 및 티타늄으로 만든 분극 강유전성 세라믹 재료를 사용한다. 결과적으로 이들은 화학 성분을 나타내는 약어인 피에조 변환기 또는 PZT라고 한다.

피에조 기반 장치의 장점은 다음과 같다.

‣무제한 해상도: 1 nm 미만의 위치 증분이 가능하다. 이는 반도체 리소그래피에서 초 해상도 현미경 및 광학 핀셋에 이르는 애플리케이션에 매우 중요하다. 그러나 정밀한 성능을 구현하기 위해서 신중한 설계 및 제조된 메커니즘이 필요하다. 그렇지 않으면 증분 운동은 stickslip효과, 기계적 손실, 기생(parasitic)모션에러 및 광학 계측 구현에 의해 제한될 수 있다.
‣빠른 확장 및 응답(마이크로 초) 효과를 제공한다.
‣유지 보수가 필요없는 솔리드 스테이트 구조로 마모를 줄이고 사용량이 많은 경우에도 정기 유지 보수, 윤활 또는 조정이 필요하지 않다.
‣고효율: 전기적으로 피에조 소자는 커패시터와 유사하다. 즉, 에너지는 위치를 유지하지 않고 이동 만 수행하기 위해 흡수된다는 점이다.
‣독창적 진공 호환성(특히 최신 세라믹 캡슐화된피에조 스택의 경우)을 제공한다.
‣비자성 및 자기 비민감성 구성: 피에조 소자는 세라믹 장치이기 때문에 자기장에 영향을 받지 않으며 자체적으로 생성되지 않는다. 적절한 구조 재료 및 베어링과 함께 사용하면 사실상 현장이 없고 현장에 영향을 받지 않는 메커니즘 스캔이 구성된다.
‣최신 제어 기술을 활용할 때 높은 처리량과 동적 정확도를 제공한다.
‣나노미터보다 높은 해상도를 유지하면서 수 밀리미터의 이동 거리를 제공하는 새로운 메커니즘에 적용된다.

산업의 신뢰성

대부분의 피에조 세라믹 액추에이터는 세라믹 커패시터와 유사하게 전극 사이에 샌드위치식의 많은 층으로 구성되며 전통적으로 외부의 폴리머 코팅을 단열재로 사용한다. 그러나 폴리머 코팅은 수분을 가두어 수명을 제한한다. 다음으로, 높은 듀티 사이클, 높은 동적, 가동 시간에 중요한 산업 애플리케이션의 출현으로 전통적인 캡슐화는 민감한 메커니즘을 보호하기에 부적절한 것으로 입증되었다. 높은 동적 산업 애플리케이션은 폴리머 코팅에 문제가 될 수 있는 가열을 초래했으며, 나노 포지셔닝은 전자빔리소그래피 및 현미경과 같은 진공 애플리케이션에서 점점 더 중요해지고 있다.
  

결과적으로 세라믹으로 캡슐화된 피에조액추에이터가 도입되어 성능과 신뢰성이 새로운 한계에 도달하게 되었다. 동시 발화 세라믹 캡슐화의 새로운 사용은 이러한 액추에이터를 습기에 대해 몇 배의 비 침투성으로 만들며, 특히 까다로운 환경에서 사용될 때 이를 기반으로 한 장치의 신뢰성을 크게 향상시킨다. 온도 범위를 150°C로 확장하는 재료를 사용하면 뜨거운 환경에서 실행할 수 있고, 고진공 호환성을 위해 구워지거나, 동적 작동에서 더 강력하고 빠르게 구동할 수 있다.

사실, NASA/JPL 엔지니어는 이 액추에이터를 열악한 환경에서 천억 번의 팽창(수축)주기를 포함한 수명 테스트를 통해 Mars Rover의 과학 실험실에서 적용한다.

지금까지의 논의는 전압이 인가될 때 층들이 모두 종 방향으로 작동하여 스택을 연장시키고 1nm 미만의 위치 제어를 제공하는 적층 피에조액추에이터에 집중되었다. 그러나 층이 평면 내 운동을 제공하여 전단 모드에서 작동하도록 구성할 수도 있다.

측면 작동과 길이 방향 작동을 결합하여 또 다른 중요한 새로운 메커니즘인 PiezoWalk의 기본 요소가 구성된다. 이 모션 디바이스 제품군에서, 피에조 소자 그룹은 중앙로드에 대해 어레이로 예압이 된다. 디지털 컨트롤러는 동작을 시퀀싱하여 고 강력, 장거리 이동 단계 모드 작동 및 피코 미터 해상도 미세 고 대역폭 작동을 제공한다.

이 기술 내에서 여러 모션 장치 제품군을 사용할 수 있다. 모두 본질적으로 진공 호환이 가능하며 몇 개월, 몇 년 동안 나노 스케일 전원 차단 위치 안정성(power-off position stability)을 제공한다. 표준 설계는 800N, 해상도는 50pm, 힘은 몇 밀리미터이다. 이러한 높은 힘, 높은 해상도, 안정성 및 장거리 이동의 조합은 밀리미터의 이동 거리에 걸쳐 높은 힘, 높은 강성, 높은 안정성 및 피코 미터 분해능을 요구하는 다양한 마이크로 리소그래피, 나노 임프린트와 천문학 응용을 위한 기술로 입증되었다.
  

피에조 세라믹 기술의 또 다른 사용은 초음파 피에조 모터이다. 이들은 적층 구조가 아니라 수십에서 수백 킬로 헤르츠의 주파수에서 기판의 정재파를 구동하는 데 사용되는 피에조 세라믹의 모놀리식슬래브로 구성된다. 공진 노드 점에 부착하여 강화 된 접점 은 준 지각 방식으로 진동하게 된다.

이러한 피에조 모터 구현은 사실상 무제한 이동 범위에서 최대 500mm/sec 속도를 달성하면서 나노미터 높은 정밀도와 빠른 시작/정지 모션을 제공한다. 이러한 종류의 모터의 주요 이점은 위치 안정성이다. 스크류 구동 메커니즘 내에서 발생하는 나노 스케일 윤활유 흐름이 제거되었기 때문에, 안정성은 최첨단 현미경 애플리케이션의 기존 메커니즘으로 달성 할 수 있는 것보다 훨씬 우수한 것으로 입증되었다.
  

또 다른 피에조 기술 혁신은 관성 모터(스틱 슬립) 효과에 기반한 소형 메커니즘에서 발견된다. stick-slip 피에조 모터는 초음파 모터에 비해 속도가 느리지만 초소형이며 비용 효율적이다. 작은 스테이지는 썸네일 크기이지만 폐루프 작동 및 1 nm 분해능을 갖춘 리니어 엔코더로 수 밀리미터의 이동 거리를 제공한다.

나노 포지셔닝의 하이브리드형

새로운 컨트롤러 기술로 PZT, 보이스 코일, 서보 모터 드라이브를 모두 사용하는 하이브리드 나노 포지셔닝 시스템을 개발할 수 있게 되었다. 이 시스템은 서보 모터/볼 스크류 배열의 긴 이동 범위 및 높은 유지력과 함께 무제한 분해능과 매우 빠른 응답 특성을 결합한다.

고도로 전문화된 하이브리드 컨트롤러는 통합된 나노미터 급 리니어 엔코더에서 스테이지 위치를 읽고 피에조(또는 보이스 코일) 단거리 및 장거리 서보 모터 드라이브를 지속적으로 조정하여 최상의 성능을 제공한다. 기존 구조에서 얻을 수없는 성능으로 빠른 풀인(rapid pull-in), 나노미터 규모의 양방향 반복성 및 축 방향이다. 결과적으로 뛰어난 반복성과 해상도를 갖춘 고속 장거리 이동 시스템이다.

폐루프 작동을 위한 센서 및 컨트롤러

나노미터 및 서브 나노미터 정밀도를 달성하려면 정밀 스케일로 움직일 수 있는 피에조 스테이지 그 이상이 필요하다. 스테이지 내부 계측 시스템은 나노미터 스케일에서 모션을 측정할 수 있어야한다. 스테이지 계측 시스템을 선택할 때 고려해야 할 주요 특성은 진직도, 감도(분해능), 안정성, 대역폭 및 비용이다. 다른 요소로는 이동 플랫폼을 비접촉식 측정과 접촉식 측정 기능이 있다.

나노 포지셔닝 애플리케이션에는 리니어엔코더(장거리 이동용)와 용량성 및 스트레인 센서(단거리 이동)의 세 가지 유형의 센서가 주로 사용된다. 리니어 엔코더는 최대 수백 밀리미터의 긴 변위를 측정하는 데 익숙한 장치이며 최고의 단위는 한 자릿수 나노미터 분해능 영역 아래에 도달한다. 기존의 리니어 엔코더는 광학 또는 자기 스케일과 판독 헤드 요소를 사용한다.

광학 장치는 미세한 피치 선 또는 면으로 구성된 스케일과 유사한 이동 레티클 간의 1차 회절을 관찰함으로써 기능하다. 나노 포지셔닝 표준에 의해, 스케일의 주기는 무아레 스케일(moiré scale) 또는 홀로 그래픽 엔코더를 위해 수십 미크론으로 상당히 거칠다.

프린지 전이를 세고 인접한 피크 사이를 보간하여 위치를 결정한다. 분해능은 최대 10,000 배 이상 증가한다. 서브 나노미터 범위의 분해능은 일반적이지만 정확도는 100mm 당 1 미크론으로 제한된다. 그러나 이것은 최신 컨트롤러가 룩업(look-up) 테이블 또는 다항식 오류 수정으로 보정되어 크게 향상될 수 있다.
  

인크리멘탈 리니어 엔코더는 더 높은 분해능을 제공하지만 시간이 많이 걸리고 정확도를 제한하는 절차인 참조 마크를 찾아 초기화 때 마다 좌표계를 다시 설정해야한다. 앰솔루트 엔코더는 참조 마크가 필요가 없으며 해상도와 경제성 측면에서 용이하다.

단거리 이동 나노 포지셔닝 장치의 경우 비용 효율적인 스트레인 게이지(피에조 저항 센서 포함)는 전기적 특성이 스트레인에 따라 변하는 요소를 사용한다. 이러한 장치는 피에조 세라믹 자체 또는 포지셔닝 스테이지의 구조적 요소에 부착된다.
  

결과적으로 스테이지의 이동 플랫폼에 대한 독립적인 다이렉트 모션 계측이 아닌 드라이브 트레인 입력 계측으로 사용된다. 그럼에도 불구하고, 이들은 폐루프 시스템에서 효과적으로 위치 측정이 가능하다. 이 센서는 높은 감도를 제공할 수 있으며 소형이며 서브 나노미터 분해능 수준에 배치하기에 적합하다. 절대 위치 측정을 제공하고 초기화가 필요하지 않으며 시그널 컨디셔닝 접근 방식(signal conditioning approaches)을 구현하면 안정적 일 수 있다.

우수한 구현은 열 변화를 보상하기 위해 여러 센서와 브리지 회로를 통합한다. 그러나 메커니즘으로 설계할 때는 주의를 기울여야한다. 동작 지점과 측정 지점 사이의 경로에 탄성 또는 마찰 요소가 있으면 오류가 발생한다. 물리적으로 작은 압력 저항 센서와 같은 센서는 전체 메커니즘의 움직임을 유추해야하는 변형률만 측정한다.
  

이러한 센서는 다축 구성에서 직교 오류를 보상하도록 구성할 수 없다. 실제 이동 플랫폼의 병렬 계측만이 이 기능을 제공할 수 있다. 간섭계를 사용하여 샘플 위치를 측정하고 피드백 제어 신호를 제공할 수도 있다. 이러한 시스템은 매우 높은 정확도를 제공하며 비 접촉식이지만 모션 시스템의 움직이는 고정 요소에 부피가 큰 특수 광학 장치를 장착해야하며 빔 차단 및 시력 안전에 대한 규정을 고려해야한다.
  

Window와 Fiber를 통해 레이저 광을 공급하여 진공 시스템에 간섭계를 배치할 수 있다. 일부 간섭계는 서브 나노미터 분해능을 제공할 수 있지만 일부 단위에서는 주기적 부정확성이 표시될 수 있다.

간섭계는 공기를 작동 유체로 사용하기 때문에 환경적 요인(온도, 기압, 습도, 미량 가스 농도 및 음향)에 민감할 수 있다. 간섭 측정법은 많은 비용이 소요되는 경향이 있으며 특히 드리프트는 저렴한 장치의 경우 문제가 될 수 있다.

정전 용량 센서는 짧은 이동 범위를 요구하는 가장 까다로운 나노 포지셔닝 애플리케이션의 기본 선택으로 발전했다. 수백 미크론 또는 밀리미터 범위의 절대 위치를 결정하기 위한 정확한 초 고해상도 장치이다.

이 장치의 포지셔닝 모션은 두 개의 나노 가공 커패시터 플레이트 사이의 거리를 변화시켜 정밀 AC 캐리어에 의해 자극될 때 드리프트가 없는 위치 피드백 신호를 제공한다. 홈 스위치가 필요하지 않으므로 매회 반복성이 뛰어나다. 이 센서의 가장 큰 장점은 높은 대역폭과 높은 정밀도를 제공한다. 비접촉식이며 드라이브 트레인 출력(직접 계측)을 측정하기 위해 포장되어 간섭 메커니즘에 의해 발생하는 오류를 제거한다. 용량 성 센서의 물리적 특성은 단일 축이 있는 다축 병렬 운동학 방식에 이상적이다.

모놀리식 이동 플랫폼은 여러 자유도에서 동시에 작동된다. 이를 통해 잠재적 오류를 능동적으로 보상할 수 있으며, 이산 축 스택으로는 달성할 수 없다. 또한, 병렬 운동학은 실시간 애플리케이션에서 작은 패키징, 큰 기계적 강성, 높은 처리량 및 큰 동적 정확성을 용이하게 한다. 한편, 정전 용량 센서의 단일 주파수 자극은 본질적으로 외부 노이즈 소스에 대한 내성이 있다.

자료 제공: PI(www.pi.ws)