[인더스트리뉴스 조창현 기자] 독일 함부르크에 위치한 DESY연구센터 내 ‘X-ray 광원 PETRA III’에서 ‘이미징 빔라인 P05’가 구동되고 있다. DESY연구센터는 빔 라인에 포함된 ‘나노토모그래피 엔드스테이션’이 최대 100nm 수준 공간 분해능을 가진 나노토모그래피를 위해 작동하도록 설계했다.

독일 함부르크 DESY연구센터 내 P05 빔라인, PETRA III 내부 ‘나노토모그래피’ 실험 셋업 [사진=PI/HZG]

나노토모그래피 단계에서 좋은 결과를 얻기 위해서는 높은 ‘기계 안정성’과 10nm 범위에서 ‘정확한 포지셔닝’이 이뤄져야 한다. 이에 ‘P05 빔라인 계측’은 적절한 피드백 센서와 컴포넌트로 구성되며, 기계적 최적화에 대한 요구를 충족해야 했다.

나노토모그래피, 리니어 모터로 구동되는 ‘무빙 플랫폼’에서 진행

나노토모그래피 실험 계측 설계시 진동으로부터 받는 영향을 최소화하기 위해 6.8m 길이를 가진 ‘석정반 벤치’에 샘플 및 디텍터 스테이지를 위한 개별 무빙 플랫폼 4개, 이미징 또는 원추형 빔 구성 목적 ‘X-ray 광학 장치’를 장착한다.

또, 무게가 몇 톤에 달하는 하부 구조도 ‘에어베어링’ 상부에 부착해 ‘실험 스테이션’ 사용시, 최소한의 노력으로 전체 어셈블리를 X-ray 빔 밖으로 이동하면서도 에어가 꺼지는 즉시 안정적인 위치를 유지할 수 있다.

특히 이동식 플랫폼은 자체적으로 에어베어링에 장착 및 ‘리니어 모터’에 의해 구동되며, 이에 모든 컴포넌트를 빠르고 정확하게 배치할 수 있다.

‘초정밀 샘플 포지셔닝’을 위한 Z 스테이지, 에어 베어링 로테이션 스테이지 및 6축 샘플 홀더 [사진=PI/HZG]

나노미터 정밀도 갖춘 ‘PI 포지셔닝 장치’

나노토모그래피 작업은 필요한 ‘공간 분해능’을 달성하기 위해 샘플 스테이지가 ‘100nm 미만 범위’에서 기계적 안정을 취해야 하므로 샘플 스테이지 구성이 중요하며, 샘플이 회전할 때마다 동일한 검사를 진행할 수 있도록 다양한 ‘포지셔닝 시스템’이 최대 정밀도로 함께 작동해야 한다.

샘플 포지셔닝은 샘플 스테이지를 빔으로 이동시키는 ‘수평 포지셔닝 장치’이며, 고정밀도를 갖춘 포지셔닝 장치로는 △스테퍼 모터 △정밀 크로스 롤러 가이드 △고해상도 광학 리니어 인코더를 탑재한다. 이에 이동범위 20mm와 가반하중 300Kg 및 30nm 수준 반복성으로 작동하며, 적절한 ‘모션 컨트롤러’와 결합해 수 나노미터 폐루프 스텝 사이즈를 갖추게 된다.

아울러 높이 조정은 기울기 보정 및 빔에 대한 ‘직교 정렬’을 담당하는 세 가지 리프팅 요소를 사용하여 수행되는데, 웜 기어 및 스핀들 드라이브와 결합된 스테퍼 모터 3개를 기반으로 하고 있다.

무빙 플랫폼에 위치한 ‘샘플 홀더’ [사진=PI]

DESY연구센터, PI 솔루션으로 ‘기술적 한계’ 극복

에어를 지지하는 회전 스테이지가 장착된 ‘Z스테이지’를 개발하는 과정에서 DESY연구센터 엔지니어들은 최소한의 흔들림과 방사형 런아웃, 편심성 등 기술적 실현 가능성에 대한 한계를 극복해야 했다.

이에 선명한 사진을 얻기 위해 ‘36°/s’ 속도로 회전하는 스테이지가 ‘0.5µrad’ 수준 분해능에서 ‘100nm 미만’의 평탄도 편차로 작동하게 했으며, PI가 제공하는 에어베어링은 마찰을 일으키지 않으므로 마모가 없으면서도 좋은 사양을 유지한다고 전했다.

추가적으로 실제 샘플 홀더는 자유롭게 선택 가능한 피벗 포인트와 높은 강성이 필수인데, PI의 지원으로 ‘6축 SpaceFAB 로봇’ 내 무빙 플랫폼에 있는 로테이션 스테이지는 DESY연구센터의 필요를 충족하게 됐다.

SpaceFAB은 크기가 ‘10~100μm’에 불과한 작은 샘플과 홀더를 초기에 낮은 정밀도로 스테이지에 삽입할 수 있어 연구원이 진행하는 작업을 이전보다 쉽게 만들고, 올바른 정렬을 위한 추가 기계 부품 대신 ‘소프트웨어 명령’을 통한 ‘자동 정렬’을 지원한다.

PI에서 제공하는 솔루션을 통해 DESY연구센터가 구축한 6축 시스템은 복합 굴절 렌즈(CRL)를 사용하는 독일 미세구조기술연구소(KIT) 개발 ‘X-ray 포지셔닝’에도 사용되고 있는 것으로 알려졌다.

[조창현 기자 (news@industrynews.co.kr)]

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