X-ray 나노토모그래피를 위한 정밀 계측 시스템

리니어모터로 구동되는 무빙 플랫폼

독일 함부르크에 위치한 DESY 연구 센터의 X-ray 광원 PETRAⅢ에서 이미징 빔라인 ‘P05’가 구동된다. 이 빔 라인의 나노토모그래피 엔드스테이션은 최대 100nm의 공간 분해능 을 가진 나노토모그래피를 위해 설계되었다. 이 레벨에서 결 과를 얻으려면 높은 기계 안정성과 10nm 범위에서 정확한 포 지셔닝이 이루어져야 한다. 이를 위해 P05 빔라인 계측은 적 절한 피드백 센서와 컴포넌트로 구성되고 기계적 최적화에 대한 요구를 충족해야 했다.

나노토모그래피, 사용자 유연성과 결합된 기계적 안정성 필요

나노토모그래피의 실험 계측 셋업 시 진동의 영향을 최소화 하기 위해 6.8m 길이의 석정반 벤치를 기반으로 하며, 샘플 및 디텍터 스테이지를 위한 4개의 개별 무빙 플랫폼과 이미징 또는 원추형 빔 구성을 위한 X-ray 광학 장치가 위에 장착 된다. 무게가 몇 톤에 달하는 하부 구조도 에어베어링 위에 장 착된다. 따라서 두 번째 실험 스테이션을 사용할 때 최소한의 노력으로 전체 어셈블리를 X-ray 빔 밖으로 이동하는 동시에 에어가 꺼지는 즉시 안정적인 위치를 유지할 수 있다. 모든 이 동식 플랫폼은 자체적으로 에어베어링에 장착되며 리니어 모 터에 의해 구동된다. 이를 통해 모든 컴포넌트를 빠르고 정확 하게 배치할 수 있다.

복잡한 작업, 나노미터 정밀도로 샘플 배치

필요한 공간 분해능을 달성하기 위해 샘플 스테이지가 100nm 미만 범위에서 기계적으로 안정돼야 하므로 샘플 스 테이지의 구성이 중요하다. 샘플이 회전할 때 항상 동일하게 검사할 수 있도록 여러 포지셔닝 시스템이 최대 정밀도로 함께 작동해야 한다.
샘플 포지셔닝의 기본은 샘플 스테이지를 빔으로 이동시키 는 수평 포지셔닝 장치다. 이 고정밀 포지셔닝 장치에는 스테 퍼 모터, 정밀 크로스 롤러 가이드 및 고해상도 광학 리니어 인 코더가 장착되어 있으며 20mm의 이동 범위, 300kg의 가반 하중, 30nm의 반복성으로 작동한다. 적절한 모션 컨트롤러와 결합하여 수 나노미터의 폐루프 스텝 사이즈를 달성한다.
높이 조정은 기울기 보정 및 빔에 대한 직교 정렬을 담당하 는 세 가지 리프팅 요소를 사용하여 수행된다. 이 시스템은 웜 기어 및 스핀들 드라이브와 결합된 3개의 스테퍼 모터를 기반으로 한다. Z 스테이지에는 에어를 지지하는 회전 스테이지 가 장착되어 있다. 이 스테이지를 개발하는 과정에서 엔지니어들은 최소한의 흔들림, 방사형 런아웃, 편심성 등 기술적 실 현 가능성의 한계를 극복해야 했다. 선명한 사진을 얻기 위해 36°/s의 속도로 회전하는 스테이지가 0.5µrad의 분해능에서 100nm 미만의 평탄도 편차로 작동한다. 에어베어링은 마찰을 일으키지 않으므로 마모가 없고 좋은 사양을 유지한다.

실제 샘플 홀더는 6축 SpaceFAB 로봇의 무빙 플랫폼에 있 는 로테이션 스테이지의 애퍼쳐에 있다. 자유롭게 선택 가능 한 피벗 포인트와 높은 강성은 필수다.
SpaceFAB은 크기가 10~100μm에 불과한 작은 샘플과 홀 더를 초기에 낮은 정밀도로 스테이지에 삽입할 수 있기 때문 에 연구원의 작업을 확실히 더 쉽게 만든다. 그런 다음 소프트 웨어 명령을 사용하여 자동으로 정렬할 수 있으며 올바른 정렬을 위해 추가 기계 부품이 필요하지 않다.
이 유형의 6축 시스템은 독일 미세구조 기술 연구소(KIT, Karlsruhe)에서 개발된 복합 굴절 렌즈(CRL)가 사용되는 X-ray 포지셔닝에도 사용된다.

자료제공: PI코리아(www.pikorea.co.kr)