[NC] 1.7_위치결정 , 이송계의 설계

   위치결정 및 이송계의 설계에서 검토되는 사양은 다음과 같다.

> 자유도 (제어축의 수)

> 작업공간의 넓이 (Stroke)

> 위치결정 정도

> 운동정도

> 위치결정 시간 (Takt time, 이송 속도, 가속도)

> 속도의 안정성

> 강성

   다른 사양을 같은 장치에 요구되는 경우도 있으나, 실제로는 제어 장치의 구성은 똑같이 해두고, 목적에 맞게 제어 모드를 변환 해줌으로 대응이 가능하다. 서로 다른 목적의 기계라 할지라도 축 유닛의 기본적인 구성은 비슷하고, 다만 용도에 따라 중요시 되는 사양이 다르다. 실제 사례를 보면서 설명 하겠다.

사례 1 NC 공작기계 (복합가공기)

   NC공작기계의 기본은 3축제어의 머시닝 센터와, 2축제어의 NC 선반이 있고, 설계에 있어서는 이전에 언급한 각각의 사양을 검토해야 한다. 머시닝 센터의 이송계를 예로 들면, 1축의 위치결정 정도가 5μm,  종합 정도는 10μm, 최고 이송 속도는 50~60 m/min 의 사양을 가지는 가공기가 현재 주류이다. 또한, 이송계에는 절삭력에 밀리지 않는 강성이 요구 된다.

   NC 공작기계는 최근 다축화가 진전되고 있다. Fig. 1.19는, 선삭과 밀링이 1대의 기계에서 행해지는 다축제어가공기로, 복합가공기로 불리운다. 이런 기계에는 선반구조를 가지고, 제1, 제2 주축은 선삭 주축이면서 동시에 위치결정 기능 (C1, C2 축 제어) 을 가진다. 또한, 통상의 선반이 가지는 XZ의 제어축에 Y축을 더해주어 대형의  밀링 주축을 구비하고 있다. 기계 전체로는, 제어 축 수와 작업 공간의 확보가 양립되면서, 저 중심 설계가 되어있으며, 구동기구에는 강성이 높은 볼스크류 이송이 사용된다. 이러한 다축제어가공기에서는 운동정도가 30μm 정도 였지만, 최근에는 10μm까지 향상되었다.

Fig. 1.19 복합가공기의 제어축 구성

 

사례 2 반도체 노광 장치

   반도체 디바이스의 제조공정은, 크게 실리콘 기반내에 소자를 만드는 웨이퍼 제조 공정과 웨이퍼에서 반도체 소자를 잘라 내어 조립, 배선, 패키징, 검사하는 공정으로 나누어지며, 전자는 전공정, 후자는 후공정으로 불리고 있다. 노광장치는 전공정의 주요 설비이며, 회로 패턴 (노광 슬릿) 을 축소투영렌즈를 통하여 축소 복사하여, 실리콘 웨이퍼위에 반복적으로 전사시킨다. 회로패턴은 레티클 (마스크) 로 불리는 글래스 기반에 그리게 된다. 

   예전에는, 레티클은 고정시키고, 실리콘 웨이퍼를 스테이지에서 스텝 이송시키면서, 전사를 반복하는 Step & repeat 방식이 사용되었다. 하지만, 현재에는, 보다 넓은 해상도와 노광 면적에 대응하기 위하여, Fig. 1.20 처럼 레티클과 웨이퍼를 이동하면서 노광하는 Step & scan 방식이 사용되고 있다. 회로 패턴은, 축소투영렌즈에 의하여 1/4의 크기가 된다. 이로 인하여, 레티클 스테이지는 웨이퍼 스테이지에 대하여, 4배의 속도로 움직이지 않으면 안된다.

   제조공정에 있어서, 많은 층이 노광되어, 높은 중복정도를 달성하기 위해서는 레티클 스테이지와 웨이퍼 스테이지의 동기 (Synchronized)  정도가 요구된다. 이런 동기정도는 +- 수 nm, 스캔속도는 약 2m/s, 최대가속도는 약 60 m/s^2 이 필요되고, 위치결정 시템에는 엄격한 사양이 필요된다. 때문에, 노광장치는 레티클 스테이지의 구동에는 비접촉구동인 리니어 모터와 공기정압안내의 조합이 사용된다. 또한, 작업점 가까이에 위치 검출이 가능하도록 레이저 간섭계가 사용되고, 정확한 위치 계측이 가능하도록 여러가지 calibration이 적용되어있다. 반도체 노광장치에 사용되는 위치결정 시스템은, 분해능x정도x스피드로는 위치결정분야에서 최고봉이라 할 수 있다.