고정밀 모션 응용기술 발전을 위한 나노 포지셔닝 솔루션

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-이 기사는 5월호와 6월호로 나뉘어 연재됩니다.

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 요구하고 있다.

액티브 광학 마운트

피에조 디바이스는 리니어 또는 팁/틸트 메커니즘과 리니어 및 회전 자유도를 결합한 다축 구성에 적합하다. 리니어 스테이지 또는 액추에이터 애플리케이션에서 1nm 미만의 해상도를 달성 할 수 있으며, 로터리 및 팁/틸트 애플리케이션에서는 1/100 arc sec를 초과하는 해상도를 달성 할 수 있다.

소형 피에조작동식 액티브 광학 마운트는 여러 각도의 광 편향이 가능하다. 2축 병렬 운동식피에조 마운트는 동일 평면 상 회전축으로 짐벌 스타일의 작동을 제공하는데, 이는 편광 회전의 결점을 야기하는 검류계 구동 방식에 필요한 별도의 직교 메커니즘과 비교할 때 중요한 이점이다.

음성 코일 시스템과 비교할 때, 피에조 구동식 액티브 광학 마운트는 전력이 차단될 때 작고, 필드가 없고, 빠르며, 단단하며 예측 가능하다. 전류 요구 사항이 낮을수록 저항 손실과 열 생성이 감소하고 케이블 연결이 쉽고 간편하다. 피에조의 평면 Bodé 곡선은 동적 범위를 통해 높은 응답성을 의미한다.

처리량, 속도 및 정밀성

전기 세라믹의 매우 빠른 움직임이 필요한 경우 피에조 장치가 유일한 솔루션 인 경우가 많다. 피에조 세라믹 포지셔닝 장치는 수십 킬로 헤르츠 이상의 대역폭을 가질 수 있다.

- 증폭기, 센서 및 서보 처리 기능에 의해 제한되는 전자 대역폭은 모션 애플리케이션에서 ‘rounding corners’, 위상 지연 및 높은 동적 애플리케이션의 비선형성을 유발한다.
- 메커니즘의 가장 낮은 공진 주파수(Fres)를 특징으로하는 기계적 강성은 높은 동적 애플리케이션에서 메커니즘의 정확한 제어 가능성을 제한한다. 문제를 개선하기위한 기존의 접근 방식에는 높은 전력 증폭기, 빠른 서보 업데이트 속도, 단단한 재료 등이 있다.

그러나 이는 단지 시스템 점진적으로 성능을 떨어뜨리고 때로는 비용 및 효율이 낮은 경우도 있다. 또한, 다양한 부하를 요구하는 애플리케이션은 적합하지 않은 서보 설정 등 타협해야할 경우도 생긴다. 나노 포지셔닝 메커니즘이 모션 파형에서 빠르게 작동할 때 추가 오류 메커니즘이 발생할 수 있다.

관찰 가능한 공진

- Fres 근처에 푸리에 구성요소가 포함된 작동 프로파일은 공진 증폭 및 런 어웨이를 초래한다.

시스템 롤오프 및 서보랙

- 서보 컨트롤러 및 앰프의 유한 전자 대역폭으로 원하는 모션 파형의 고주파 성분이 롤오프 된다.
- Fres가 관심있는 모션 파형 구성요소 순서에 있으면 Fres의 양쪽에 추가 롤오프 동작을 제공 할 수 있다.
- 서보는 명령 입력과 모션 출력 사이에 지연을 준다. 주파수 종속 롤오프와 결합하면 모션 파형 출력이 왜곡되어 시간이 지남에 따라 미세한 기능을 원치 않게 반올림 할 수 있다.
- 일부 디지털 구현에서 전파 지연은 명령과 동작 사이에 추가 지연을 줄 수 있다.

관찰 불가능한 공진

- Fres는 장치의 1차 공진을 나타내지만 스테이지의 하중, 장착 구조 및 주변 구성요소와 같은 모든 모션 시스템(특히 외부 구성요소를 고려할 때)에 다른 공명이 존재할 수 있다. 이들 모두는 빠른 작동에서 반동력에 의해 진동으로 구동 될 수 있다.

운동학의 최적화

동역학이 엄격할수록 모션 명령에 대한 반응이 더 선명해진다. Fres가 상승하고 롤오프가 시스템의 Bodé 플롯에서 오른쪽으로 밀려 동적 정확도가 향상된다. 다축시스템에서 기생 운동을 동시에 해결하면서 Fres를 높이는 데 매우 효과적인 기술은 ‘attack the stack’하는 것이다. 볼트로 묶거나 단일 축 메커니즘의 중첩된 레이어를 사용하는 전통적인 디자인 방식을 병렬 작동 및 단일 이동 요소로 대체하는 것이다.
  

액추에이터 및 센서 어레이 방법은 병렬 운동학으로 강성을 향상시키면서 작동 질량을 줄인다. 따라서 공명에 대한 Hookes 방정식의 두 매개 변수가 최적화된다. 다른 축은 원치 않는 운동을 취소하여 실제 궤적과 부하 및 외부 힘에 대한 자동 보정으로 인해 메커니즘을 변형시킬 수 있다.

2-6개의 자유도를 제공하는 병렬 운동 스테이지가 제공된다. 4개 이상의 자유도를 제공하는 시스템에는 좌표계 변환을 자동으로 수행하는 디지털 컨트롤러가 있어 사용자가 익숙한 단위 및 직교 규칙을 사용할 수 있다. 모션 장치 설계에는 강성에 영향을 줄 수 있는 많은 고려 사항이 있다. 예를 들어, 이동 및 폼 팩터 요구 사항은 레버 증폭이 필요할 수 있다.

레버 증폭기는 나노 포지셔너의 운동 방향의 강성에 영향을 미친다. 강성 계수는 레버 증폭 비율의 제곱에 따라 감소한다. 메커니즘의 강성도 사용자의 장착 사항에 영향을 받는다. 하중의 경우, 모션 장치 플랫폼의 대칭 축에 대한 질량 중심의 모멘트 암은 가능한 짧게 유지해야한다. 빠른 작동에서 대칭 축 위 또는 옆의 CG 오프셋은 각각 피치 및 요 모멘트를 자극할 수 있다. 이러한 상황에서 질량을 추가해야하더라도 카운터 밸런싱을 통해 동적 정확도를 실제로 향상시킬 수 있다. 그리고 마운팅 하드웨어는 가능한 단단해야한다.

컨트롤 최적화

일반적으로 서보 제어, 증폭기 및 피드백 메커니즘에 의해 나타나는 다양한 롤오프 및 지연은 고출력 증폭기, 빠른 서보 업데이트 속도 등을 선택하여 점진적으로 향상시킬 수 있다. 그러나 때론 시스템 성능을 감소시키고 부정확성의 근본 원인을 해결하지 못한다. 다행히도 최근의 기술은 문제를 개선할 수 있는 도구를 제공한다.

다운로드 가능한 서보 매개 변수: 디지털 컨트롤러를 사용하면 예상되는 모든 로드와 함께 안전하면서 서로 다른 로드에 대해 거의 즉각적으로 서보 매개 변수를 다운로드 할 수 있다.

노치 필터: Fres에서 공진 증폭(양쪽 롤오프)은 컨트롤러의 노치 필터를 통해 해결할 수 있다. 모든 피에조 컨트롤러에 노치 필터가 있는 것은 아니므로 진동과 폭주 위험을 제거하기 위해 부드러운 서보 설정이 필요하다. 부드럽게 설정하면 동적 정확도는 떨어진다.

피드 포워드(Simple feedforward): 이 기술은 모터 컨트롤러에 널리 사용되는 것으로 서보를 우회하여 명령 신호의 일부를 증폭기에 직접 주입한다. 피에조 장치는 0차 미분 위치에서 작동하기 때문에 이 기술은 1차 미분에서 작동하는 서보 모터보다 더 문제가 된다. 간단한 구현에서 동적 정확도를 줄일 수 있다.

디지털 동적 리니어화(DDL, Digital dynamic linearization): 이 제어 기술은 내부 알고리즘을 계측 및 서보 로직에 통합한다. 내부 센서로 감지된 오류 신호에 따라 반복 파형에 대해 생성된 내부 명령을 최적화한다. 다이나믹 정확도 향상을 위한 최신 기술이다.

이 제품은 1990년대에 특허된 오프라인 기술인 Signal Preshaping으로 정밀한 자동차 가공 애플리케이션에 배포되어 경제적으로 수용 가능한 선반 회전 속도로 고급 비 원통형 피스톤을 가공하는 데 필요한 대역폭을 향상시켰다.   DDL은 완전 자동이며 완전 내부화된 구현으로, 2002년에 출시되었다. 모션 매개 변수, 원하는 파형 또는 로딩이 변경될 때 사용자가 간단한 구성을 명령한다(또는 이전에 저장된 최적화를 다시로드 할 수 있음). 소음을 줄일 수 있다.

인풋 쉐이핑(input shaping): 많은 애플리케이션에서 나노 포지셔닝 스테이지의 빠른 작동과 부하 그리고 주변 구성요소로 인해 공진 주파수가 발생한다. 이러한 진동은 모션 피드백 센서에 의해 관찰되지 않을 수 있으므로 서보 파라미터는 유용성이 제한된다. 인풋쉐이핑은 특허받은 시간 영역의 피드 포워드 기술이다.

이는 시스템의 동적 정확도를 향상시키기 위해 관측 불가능한 모션 구동 공진을 무효화한다. 시스템 통합자는 먼저 진동의 빈도를 정량화한다. 그다음 컨트롤러는 실시간 매개 변수 세트를 RAM(nonvolatile RAM)으로 다운로드하여 알려준다. 그 시점부터 명령된 모션은 공진을 자극하지 않는다. 이 기술은 여러 공진(비 직교, nonorthogonal)의 사이에서 에너지를 절충하고 모든 댐핑을 수용한다.

에너지복구(Energy recovery): 커패시턴스가 큰 피에조액추에이터를 사용하는 고하 중 및 다이나믹 애플리케이션을 위해 개발된 앰프다. 이 앰프 설계는 고유한 에너지 복구 기술과 펄스 폭 변조를 통합한다.

방열판의 무효 전력을 소비하는 대신, 피에조액추에이터가 사용하는 유효 전력만 공급되도록 전하가 복구된다. 액추에이터가 방전되는 동안 사용되지 않은 에너지가 반환되어 앰프에 공급된다. 이 앰프의 생산 버전은 2kW의 피크 전력을 출력 및 싱크 할 수 있다.

DAC 분해능 향상: 피에조 팽창은 적용된 전압에 비례한다. 결과적으로 명령 할 수 있는 가장 작은 동작은 적용 할 수 있는 가장 작은 전압 증분에 거의 비례한다. 보편적으로 전압은 디지털-아날로그 변환기(DAC)에 의해 명령된다. 후자의 경우, 파형을 생성하고 다른 프로세스 및 계측과 동기화하기 위해 매우 유연하고 정교한 소프트웨어 프로그래밍 환경이 존재한다. 이는 PC 기반 아날로그 I/O의 유연성으로 인해 널리 사용하고 있다.
  

이름 그대로 DAC는 디지털 숫자를 입력하여 사용하며 응답으로 전압을 생성한다. 전압 분해능(세분성)은 전압 범위를 2N으로 나눈 값과 같다. 여기서 N은 디지털 명령의 비트 폭이다. 따라서 12 비트 DAC는 DAC의 전압 범위(예: 0 ~ 10V 또는 -10~ +10V)를 4,096개의 고유 값으로 나눌 수 있다. 16 비트 DAC는 전압 범위를 65,536 단계로 나눌 수 있다.

PC용으로 가장 많이 사용되는 계측 등급 아날로그 I/O 카드는 16 비트이다. 그러나 경제성 및 애플리케이션 측면에서 점점 긴 피에조 메커니즘을 필요로 한다. 최대 1800μm 이동의 정밀 가이드 스테이지를 애플리케이션에 사용할 수 있다. 16 비트 DAC로 제한된 고객은 DAC 세분성으로 인해 이러한 스테이지에서 약 28nm의 해상도만 달성할 수 있다.

특허 기술인 HyperBit은 피에조만큼 빠르면 DAC가 더 빠르다는 사실을 이용한다. 피에조 시스템이 응답할 수 없는 속도로 DAC의 고속 변조를 수행함으로써 포지셔닝 대역폭 또는 안정성의 손실 없이 최대 11 비트의 분해능 포지셔닝을 추가로 달성 할 수 있다. 파형 및 준정적 위치 결정, 개방형 또는 폐쇄 형 루프 모두 이점이 있다. 이 기술은 소프트웨어 및 아날로그 I/O 하드웨어에 대한 기존 투자를 유지한다.

인터페이스

강력한 RS-232는 이더넷, SPI 및 USB에 이르는 다양한 계측 인터페이스와 특수 인터페이스가 제공된다. 나노 포지셔닝과 모션 컨트롤러가 짧은 메시지를 통해 통신하기 때문에 대기 시간은 대량 전송 속도보다 전체 처리량에 훨씬 더 중요하다. USB와 이더넷은 어디에나 있고 사용하기 쉬우며, 후자는 가변 대기 시간으로 원격 및 분산 통신을 지원한다.
  

흥미롭게도 아날로그 인터페이스가 가장 오래되었지만 지연 시간과 속도가 본질적으로 없다. 데이터 수집, 트리거링 및 기타 실시간 프로세스와 쉽게 조정할 수 있다. 컨트롤러 제조업체는 LabVIEW 및 다양한 디지털 인터페이스 소프트웨어 라이브러리가 있다.

최근의 혁신은 Lab VIEW 서브 루틴(서브 VI)을 포함됐다는 것이다. 여러 컨트롤러 모델과 사용 가능한 모든 인터페이스를 투명하게 지원하는 소프트웨어 아키텍처 내에서 즉시 포인트-투-포인트 및 파형 포지셔닝을 수행한다. 이를 통해 빠른 애플리케이션 개발 및 코드 재사용이 가능해지며 대체 컨트롤러와 호환된다.
  

나노 포지셔닝 공급 업체와 애플리케이션을 논의할 때 명심해야 할 것은 디지털 통신 인터페이스보다 디지털 컨트롤러에 훨씬 더 많은 것이 있다는 것이다. 통신 포트와 내부 DAC를 아날로그 서보 컨트롤러에 추가하면 적당한 처리량의 지점 간 애플리케이션으로 제한될 수 있다. 최고 성능 구현은 물론 아날로그 서보 회로를 완전히 제거하는 완전한 DSP 아키텍처이다. 이들은 진정한 디지털 컨트롤러이다.

포멧과 애플리케이션

원자력 현미경(AFM), 광자 어셈블리 정렬, 표면 프로파일링, 포토 리소그래피 포지셔닝, 웨이퍼/마스크 검사 및 수리 시스템 및 광학 핀셋과 같은 애플리케이션은 이미 피에조 장치를 사용한다.
니어 필드 프로빙, 스캐닝 프로브 현미경 및 디스크 드라이브 테스트 애플리케이션은 나노미터 이하의 초정밀 정밀도를 제공하는 차세대 피에조 기술을 사용하고 있다. 이 시스템은 나노미터 규모의 평탄도, 직진도 및 평면성을 위해 능동적 또는 수동적으로 궤적 제어를 사용하며 처리량에 대한 양방향 처리를 허용한다.

단일 축 나노 포지셔닝 메커니즘에 폐 루프 원리를 적용하는 것 외에도 XY 나노 포지셔닝 스테이지를 6축 능동 궤적 제어와 통합하는 시스템을 사용할 수 있다. 능동 궤적 제어에는 병렬 계측 구성에서 비접촉 센서를 사용한 병렬 운동학 설계가 필요하다. 디지털 제어 시스템은 아날로그 리니어 제어 시스템에 비해 실시간 진직도 보상, 일부 드리프트 메커니즘 제거(서보 루프 내에 고해상도 DAC 포함), 고급 인터페이스, 파형 생성 기능 및 디지털 아키텍처만 가능한 기능을 제공해야한다.
  

그러나 일부 디지털 구현에는 고 대역폭, 빠른 정착 시간, 고급 피드 포워드 기술과의 호환성, 안정성 및 강력한 작동과 같은 아날로그 구현의 기능이 부족하다. 엔지니어는 응답성, 안정성, 비용, 노이즈, 해상도 및 입증된 설계의 사용 편의성과 같은 특성에 대해 이점을 평가하는 것이 현명하다. 공급업체의 디자인 철학은 전체 시스템 성능에 큰 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 정교하지 않은 설계는 서보 루프 내부의 낮은 비트 폭 DAC에 의존하여 DAC가 인접 비트 사이를 구불구불하게 한다. 저비용으로 단기간 안정성과 처리량의 해상도를 제공하는 저 대역폭 증폭기를 구동할 수 있다.
  

또 다른 장점은 캘리브레이션 칩을 모션 장치에 통합한 것이다. 이를 통해 컨트롤러는 장치 별 매개 변수 및 교정 정보를 다운로드 할 수 있다. 처음부터 수리 문제를 피하는 견고하고 안정적인 설계를 대체할 수는 없다. 최근에 개발된 일부 기술은 아날로그 및 디지털 제어 구현에 모두 적용할 수 있다. 광자에 나노 포지셔너 애플리케이션은 자동 정렬이다. 이것은 오늘날의 모든 광자 장치 포장 작업의 기본 단계이며, 장치의 속도와 신뢰성으로 전반적인 경제성을 좌우한다.
  

최초의 자동 정렬 시스템은 1980년대 후반에 도입된 실험실 등급의 디바이스다. 이들은 피에조디더링메커니즘(piezo dithering mechanism)과 아날로그 위상-복조화 기법을 이용하여 고해상도 정렬 스테이지를 구동시켰다. 이러한 시스템 일부는 여전히 제공되고 있다.
  

아날로그 위상 복조 기술(analog phase-demodulationtechnology)은 여러 유형의 ‘그라데이션 검색’ 방법 중 하나이다. 그라데이션 검색은 깨끗하고 단조롭지 않은 준 가우시안 커플링 단면의 빠른 정렬에 적합하며, 이 경우 몇 초 안에 결론을 내리고 드리프트를 추적하는 매우 빠른 정렬이 가능하다. 그러나 이 방법은 커플링에서 발생하는 첫 번째 ‘평평한 지점’에 고정된다. 따라서 실제 패키징 애플리케이션에는 적합하지 않다. Brute Force 래스터 및 스파이럴 스캔 기술은 애플리케이션에서 효과적일 수 있다.

Hexapod 6D 시스템

산업용 포토닉스 패키징 자동화를 위해 산업용 마이크로 로봇이 도입되었다. 가장 흥미로운 것은 스테이지 스택이 아닌 hexapod 디자인을 기반으로 한다. 이 방법은 hexapod 접근 방식으로 회전 피벗 포인트를 컨트롤러의 내부 좌표 변환을 통해 공간의 어느 곳에나 배치 할 수 있으므로 팁/틸트 정렬을 매우 유연한 방식으로 자동화 할 수 있다.
  

따라서 회전은 고정물 또는 장치 변형에 관계없이 섬유 단면, 레이저 빔 허리, 렌즈 초점, 배열 축, MEMS 채널 등 효과적으로 집중될 수 있다. 이것은 횡 운동을 해결함으로써 프로세스를 크게 향상시킨다.

이러한 마이크로 로봇의 도입은 최근 반도체 산업에서 볼 수 있었으나, 당시 제조 수율 문제로 인해 수동 웨이퍼 처리가 사용되지 않았다. 하지만 hexapod 포멧 마이크로 로봇의 독창적인 정렬 및 포맷 등 장점으로 인해 빠른 적용은 멀지 않았다.

자료 제공: PI(www.pi.ws)