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문제 정의
- 본 연구에서 해석한 시뮬레이션 결과는 현재 보유하고 있는 nano-imprinting stage의 안정성 및 초정밀 성을 실험과 CAE를 이용하여 확인하고 모델 및 해석의 타당성과 신뢰성을 확보하며 보완점을 찾는데 목표를 두었다. 따라서 이전 연구인 3축 4축 스테이지의 거동 특성 분석에 이어 진동 특성에 대한 연구를 수행 하였다.
- 이번 연구에서는 앞에서 언급한 데로 현제 보유하고 있는 3축 스테이지의 모델 및 해석의 타당성을 찾고 더 나아가 4축 스테이지를 개발하는데 있다. Fig 8과 9는 3축 스테이지와 4축 스테이지의 상판을 제외시키고 위에서 내려다본 그림이다.
제안 방법
- 가장 먼저, 진동 실험에서 스캐닝 대상이 된 상판(upper plate)을 Modal Neutral File로 교체하였고 그 후에 프레임의 진동을 스테이지에 가장 많이 전달하는 부분으로 예상되는 프레임과 스테이지 사이에 스테이지를 지지하고 있는 스테이지 지지 부(ground plate)를 flexible body로 교체하였다. Fig 10과11은 각각 상판(upper plate)의 FEM과 ADAMS/Vibration에서 상판(upper plate)과 지지 부(ground plate)가 Modal Neutral File로 교체된 모습을 보여주고 있다.
- 가장 바람직한 실험 방법은 실험 대상인 스테이지와 스캐닝 헤드가 수직방향에 놓이는 것이지만 시스템의 구조상 수직 방향 스캐닝에는 어려움이 따라 Fig 2에 보이는 것과 같이 스캐닝 헤드를 수직 방향이 아닌 대각 방향에 설치하여 실험을 수행 하였다.(2)
- 따라서 본 연구에서는 이전 연구에 이어 스테이지 장비의 동적특성을 분석하기 위해 3D CAD Tool을 이용하여 모델링을 하였고, 다물체 기구 동역학 해석 프로그램을 이용하여 동역학 모델을 만들었으며, 진동해석에 있어 유연성이 클 것으로 예상되는 상판(upper plate)을 유연체 모델로 유한요소 해석 프로그램을 이용하여 만들었다. 나노 임프린팅 스테이지를 비접촉식 진동측정 장치를 이용하여 수행한 진동실험을 통하여 얻은 mode shape와 frequency response의 실험 결과 값과 다물체 기구 동역학 해석 프로그램을 이용하여 얻은 결과 값을 비교하여 모델링 및 해석의 타당성을 찾고 더 나아가 3D CAD Tool을 이용하여 가상의 4축 스테이지를 제작하고 안전성 및 신뢰도를 평가하도록 하겠다.(1) Fig 1은 현재 보유하고 있는 3축 나노 임프린팅 스테이지 장비의 모습이다.
- 그러나 대부분 스테이지 장비의 구성요소를 강체로 모델링한 상태에서 시스템의 기구동역학해석을 수행함으로서 실제 발생 가능한 유연체 특성을 고려하지 않음으로 인해 발생할 수 있는 부정확성을 내포하고 있다. 따라서 본 연구에서는 이전 연구에 이어 스테이지 장비의 동적특성을 분석하기 위해 3D CAD Tool을 이용하여 모델링을 하였고, 다물체 기구 동역학 해석 프로그램을 이용하여 동역학 모델을 만들었으며, 진동해석에 있어 유연성이 클 것으로 예상되는 상판(upper plate)을 유연체 모델로 유한요소 해석 프로그램을 이용하여 만들었다. 나노 임프린팅 스테이지를 비접촉식 진동측정 장치를 이용하여 수행한 진동실험을 통하여 얻은 mode shape와 frequency response의 실험 결과 값과 다물체 기구 동역학 해석 프로그램을 이용하여 얻은 결과 값을 비교하여 모델링 및 해석의 타당성을 찾고 더 나아가 3D CAD Tool을 이용하여 가상의 4축 스테이지를 제작하고 안전성 및 신뢰도를 평가하도록 하겠다.
- 본 연구에서 해석한 시뮬레이션 결과는 현재 보유하고 있는 nano-imprinting stage의 안정성 및 초정밀 성을 실험과 CAE를 이용하여 확인하고 모델 및 해석의 타당성과 신뢰성을 확보하며 보완점을 찾는데 목표를 두었다. 따라서 이전 연구인 3축 4축 스테이지의 거동 특성 분석에 이어 진동 특성에 대한 연구를 수행 하였다.(1) 3축 모델은 실험 결과와 비교해 평균 약 5%정도의 오차가 생기지만 이는 매우 근사한 오차이다.
- 이외에도 ADAMS/Vibration에서는 가진을 주는 입력부(input chanel)와 진동을 측정하는 출력부(output chanel)를 필요로 한다. 따라서 입력부로는 가진의 역할을 하는 스프링을, 출력부로는 실험에서 스캐닝이 되었던 상판의 중심점을 설정 하였다. Fig 13은 시뮬레이션 모델에서 입력부와 출력부를 나타내고 있다.
- 모델링 과정에서는 최대한 실제 모델과 흡사하게 만들기 위해 기초 도면을 바탕으로 디자인 하는데 노력하였고, 정밀하고 세밀한 측정을 통하여 이루어 졌다. 뿐만 아니라 스테이지 구동의 메카니즘을 고려하여 다물체 기구동역학 해석 프로그램을 이용하여도 실제 메카니즘을 완벽히 구연할 수 있도록 모델링 하였다. Fig 5는 스테이지의 3D CAD 모델을 보여주고 있다.
- 스테이지 및 프레임 모델링은 3D CAD Tool을 이용하여 모델링을 하였다. 모델링 과정에서는 최대한 실제 모델과 흡사하게 만들기 위해 기초 도면을 바탕으로 디자인 하는데 노력하였고, 정밀하고 세밀한 측정을 통하여 이루어 졌다.
- 프레임은 여러 개의 단면을 갖은 보 구조물들의 결합으로 이루어 져 있다. 이 역시도 정확한 해석을 위해 정밀하고 세밀한 측정을 통하여 실물과 최대한 흡사하게 모델링을 하였다. Fig 6은 프레임의 3D CAD 모델을 보여주고 있으며 Fig 7은 진동실험과 같은 초기조건 및 경계조건을 만들어 주기위해 스테이지와 프레임을 합쳐놓은 모델이다.
- Fig 2에 보이는 것과 같이 가진기를 프레임의 우측 하단에 설치하여 스테이지의 직접 가진을 피하였다. 이렇게 설치한 가진기를 통해 프레임 부에 1~2000Hz의 가진을 주어 주파수에 대한 분석을 실행 하였다. 2000Hz의 가진은 임프린팅 공정 중에 발생할 수 있는 내부가진 요소 Linear motor(50~100Hz) 가진의 약 20배에 달하는 가진이다.
- 하지만 수행하고자 하는 실험 대상은 초정밀 나노 스테이로 직접적인 가진은 스테이지 내부의 결함을 초래할 수 있으므로 장비를 보호하기 위해 간접 가진의 방법을 사용하였다. 나노 임프린트 장비의 전체적인 시스템을 구성하고 있는 요소 중, 비교적 강성이 크고 스테이지 정밀 제어에도 큰 영향을 미치지 않는 프레임 부에 가진을 주는 방법을 택하였다.
- 현재 보유하고 있는 3축 스테이지의 간접 가진을 이용한 실험 결과 값들과 3D CAD모델을 ADAMS/Vibration을 이용하여 해석한 결과 값들을 비교 하도록 하겠다. Fig 14는 해석을 통해 얻은 각각의 mode shape들의 결과 값을 실험 결과 값들과 비교해 놓은 것이다.
이론/모형
- 본 시뮬레이션에 사용 될 Tool은 ADAMS/Vibration이며, ADAMS/Vibration에서 필요로 하는 MNF(Modal Neutral File)를 생성하기 위해 유한요소생성 프로그램으로는 Hypermesh를 사용하였고, solver로는 MSC.Nastran을 사용하였다.
성능/효과
- 따라서 이전 연구인 3축 4축 스테이지의 거동 특성 분석에 이어 진동 특성에 대한 연구를 수행 하였다.(1) 3축 모델은 실험 결과와 비교해 평균 약 5%정도의 오차가 생기지만 이는 매우 근사한 오차이다. 오차의 이유로는 스테이지 component간의 연결부 강성이 실제와는 차이가 발생 할 수 있는 부분과, 모든 물질들은 flexible하지만 모델에서는 상판(upper plate)과 스테이지 지지 부(ground plate)만이 flexible하기 때문이라 생각 된다.
- 오차의 이유로는 스테이지 component간의 연결부 강성이 실제와는 차이가 발생 할 수 있는 부분과, 모든 물질들은 flexible하지만 모델에서는 상판(upper plate)과 스테이지 지지 부(ground plate)만이 flexible하기 때문이라 생각 된다. 3축 스테이와 4축 스테이지의 결과 값들을 비교해보면, frequency response나 mode shape 결과에서 4축 스테이지가 3축 스테이지보다 많게는 8% 까지 증가함을 확인 할 수 있다. 이는 내부 가진 원인 Linear motor의 frequency 대역인 50~100Hz에서 발생할 수 있는 공진 영역을 더 피할 수 있음을 의미한다.
- 하지만 수행하고자 하는 실험 대상은 초정밀 나노 스테이로 직접적인 가진은 스테이지 내부의 결함을 초래할 수 있으므로 장비를 보호하기 위해 간접 가진의 방법을 사용하였다. 나노 임프린트 장비의 전체적인 시스템을 구성하고 있는 요소 중, 비교적 강성이 크고 스테이지 정밀 제어에도 큰 영향을 미치지 않는 프레임 부에 가진을 주는 방법을 택하였다.
- Table 4와 5는 실험과 3축 4축 스테이지 frequency response및 mode shape 해석 결과 값을 비교하여 나타내었다. 언급하지는 않았지만 해석 결과 4축 스테이지의 mode shape 결과 값도 3축 스테이지에 비해 2~5%정도 향상 되어 나타났다.
- Fig 4는 실험을 통해 얻은 스테이지의 주파수 스펙트럼(Frequency response)결과를 나타내는 그래프이다. 이 그래프를 통하여 스테이지에는 1st torsion mode와 1st bending mode의 고유진동 값이 시스템에 가장 큰 영향을 미침을 알 수 있었다.
- 전반적으로 그 값이 실험 결과 보다 조금 크게 나타났지만 그 오차는 평균적으로 약 5% 정도로 작은 범위에서 발생하였다. Fig 15와 Table 2는 frequency response에 대한 그래프와 그 결과 값들을 보여주고 있다.
후속연구
- 앞으로 초정밀 가공 장비이며 차세대 반도체 핵심 기술로 각광받고 있는 nano-imprinting stage의 안정성 및 기술의 발전을 위해 내부 가진에 의한 진동과 거동 및 구동 특성을 살펴보고 연구할 계획이다.
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