[논문]공기부상방식 반도체 웨이퍼 이송시스템의 추진력계수

문인호; 황영규

문제 정의

차세대 반도체 및 LCD 시장에서 지속적인 가격경쟁력 확보를 위한 수단으로 반도체 제조용 웨이퍼의 대구경화 및 LCD 유리의 대형화, 제조공정의 수율 향상, 공정능력 향상으로 재공품 최소화 등을 실현하지 않으면 안 되게 되었다. 특히 재공품을 최소화하는 방안으로 대두되는 방식이 이송시스템을 기존의 카세트(cassette) 이송시스템에서 낱장이 송시스템으로 전환하는 방식이다.
본 연구에서는 공기부상 방식 웨이퍼 이송 시스템의 추진력 계수가 직경 300mm 웨이퍼의 이송 속도 및 안정성에 미치는 영향에 관하여 상용프 로그램(FLUENT)을 사용하여 얻은 수치적 계산값과 실제 실험을 통하여 얻은 값을 비교한 결과 상호 잘 일치함을 밝히고, 계산값 사용의 유용성을 보이고자 하였다.
추진 노즐이 경사져 있기 때문에 노즐에서 토출된 분류는 대부분이 추진 방향으로 흐른다. 이때 웨이퍼하면에 발생하는 표면 마찰력과 전단 응력을 계산하여 추진력을 구하는데 이용하고자 하였다. Fig.

가설 설정

(3)이 송중 웨이퍼 하부면에 공기의 불균일분 포에 의한 미세한 속도 변화는 무시한다.
6은 3차원 해석 형상을 나타낸다. 부상 높이는 0.4mm, 노즐직경은 0.5mm, 추진 노즐의 각도는 45°이며 웨이퍼에서의 계산 영역은 직경 10mm로 가정하였다.
본 연구에서 수치 해석을 위해 입력 변수로 사용한 추진 노즐의 토출 유속 150 m/s는 압축성 유동으로 해석할 때와 비압축성 유동으로 해석할 경우 밀도 차이가 약 9%가량 발생한다. 그러나 실제적으로 본 장치에서 주로 사용되는 토출 노즐의 유속은 약 100m/s 내외이므로, 최대 노즐의 토출 유속이 약간의 오차를 포함하고 있으나 분석을 위하여 150 m/s 속도 영역까지 확장하여 비압축성 유동으로 가정하고 계산하였다.

제안 방법

제어 트랙에서 부상 및 복원력을 주기 위한 노즐의 피치는 37mm로 균등하게 배치하고 이송트랙의 부상 및 복원력을 주기 위한 노즐 피치는 외부 한 줄과 내부두 줄은 37 mm, 중간 부분 네줄은 18.5mm로 배치하여 웨이퍼가 초기에 중심을 벗어나고자 할 경우 큰 복원력을 주어 안전하게 이송될 수 있도록 하였다. 제어 트랙에서의 추진 노즐 배치는 추진하는 방향의 전단에 2줄로 피치를 74mm로 배치하고 후단에는 가운데 1줄로 피치를 37mm로 배치하였으며, 이송트랙에 서의 추진 노즐은 2줄로 피치 74 mm로 배치하였다.
5mm로 배치하여 웨이퍼가 초기에 중심을 벗어나고자 할 경우 큰 복원력을 주어 안전하게 이송될 수 있도록 하였다. 제어 트랙에서의 추진 노즐 배치는 추진하는 방향의 전단에 2줄로 피치를 74mm로 배치하고 후단에는 가운데 1줄로 피치를 37mm로 배치하였으며, 이송트랙에 서의 추진 노즐은 2줄로 피치 74 mm로 배치하였다. 추진이나 부상 및 이송용 노즐의 지름은 0.
01~200g인 정밀 로드셀(CAS)과 로드셀의 전류 값을 중량 단위로 변환하는 인디케이터를 사용하였다. 먼저 이송트랙의 평형을 맞춘 다음 그림과 같이 트랙을 가로지르는 지지대를 설치하고 로드셀을 고정하였다. 웨이퍼 하부에서 부상력과 추진력을 주기 위해 공급되는 공기가 측정지점을 통과하면 서 로드셀에 의해 감지되는 값을 배경(background)값으로 취하였으며, 이 값은 웨이퍼를 로드셀에 닿지 않을 정도로 근접시켰을 때의 힘을 측정하여 기록하였다.
먼저 이송트랙의 평형을 맞춘 다음 그림과 같이 트랙을 가로지르는 지지대를 설치하고 로드셀을 고정하였다. 웨이퍼 하부에서 부상력과 추진력을 주기 위해 공급되는 공기가 측정지점을 통과하면 서 로드셀에 의해 감지되는 값을 배경(background)값으로 취하였으며, 이 값은 웨이퍼를 로드셀에 닿지 않을 정도로 근접시켰을 때의 힘을 측정하여 기록하였다. 측정값은 여러 번 측정하여 평균하였으며, 측정할 때마다 영점 조정을 하여 오차를 줄이도록 하였다.
웨이퍼 하부에서 부상력과 추진력을 주기 위해 공급되는 공기가 측정지점을 통과하면 서 로드셀에 의해 감지되는 값을 배경(background)값으로 취하였으며, 이 값은 웨이퍼를 로드셀에 닿지 않을 정도로 근접시켰을 때의 힘을 측정하여 기록하였다. 측정값은 여러 번 측정하여 평균하였으며, 측정할 때마다 영점 조정을 하여 오차를 줄이도록 하였다.
복원력은 중심선 기준으로 외부로 이동시키면서 측정하고, 추진력은 추진 노즐의 유량을 변화시키면서 측정하였다. 측정 방법은 웨이퍼를 로드셀의 측정 부위에 근접시키고 웨이퍼가 로드셀에 가볍게 닿도록 한 다음 정적인 힘을 측정하고 이 값에서 배경 값을 빼서 실제 웨이퍼에 가해지는 순수한 힘만을 측정하였다.
복원력은 중심선 기준으로 외부로 이동시키면서 측정하고, 추진력은 추진 노즐의 유량을 변화시키면서 측정하였다. 측정 방법은 웨이퍼를 로드셀의 측정 부위에 근접시키고 웨이퍼가 로드셀에 가볍게 닿도록 한 다음 정적인 힘을 측정하고 이 값에서 배경 값을 빼서 실제 웨이퍼에 가해지는 순수한 힘만을 측정하였다.
본 연구에서는 웨이퍼의 이송 속도 계산을 위해서는 식(1)의 수치해를 구하는 방법을 사용하였으며, 추진력 계수를 구하기 위해서는 상용프로 그램을 활용하였다.
먼저 추진 속도를 구하기 위한 계산은 시간에 대한 이산화를 수행하여 편미방방정식(1)의 수치해를 구하여 주위치에서의 속도를 구하였다.
웨이퍼 정지 시간 의 정의는 웨이퍼가 움직이는 속도 범위를 10"7 m/s 이하가 되도록 하였으며, 이때를 정지한 것으로 판단하여 프로그램을 종료시켰다. 웨이퍼가 추진하기 전에는 하부에 추진 노즐이 16개 존재하고 있으며, 웨이퍼가 추진력을 받아 이동하게 되면 추진 방향의 뒤쪽에 위치한 노즐은 웨이퍼가 피치만큼 이동에 해당되는 노즐 수량을 제거하는 방법을 이용하였다. 노즐 토출 유량은 분사 노즐 토출 속도 기준으로 100~150m/s까지 변화시키며 해석하였다.
웨이퍼가 추진하기 전에는 하부에 추진 노즐이 16개 존재하고 있으며, 웨이퍼가 추진력을 받아 이동하게 되면 추진 방향의 뒤쪽에 위치한 노즐은 웨이퍼가 피치만큼 이동에 해당되는 노즐 수량을 제거하는 방법을 이용하였다. 노즐 토출 유량은 분사 노즐 토출 속도 기준으로 100~150m/s까지 변화시키며 해석하였다.
추진력 계수 계산을 위한 전산해석은 트랙의 추진 노즐은 공기분사 구멍의 지름이 0.5mm인 반면에 피치가 37mm로, 서로 간 거리가 충분히 크므로 노즐간의 상호 간섭 효과를 무시하고 한 개의 노즐에 대하여 유동상태를 해석하였다.
본 연구에서의 유동해석은 상용 코드(FLUENT)를 사용하였으며, 경계층 유동을 적절히 표현하기 위해서 벽면에 격자를 밀집시키는 점 성 격자망(viscous mesh)을 이용하였다. 본계산에서의 유량은 하부 압력 챔버의 영향을 무시하고 분사노즐 토출 속도 기준으로 50~150m/s까지 변화시키며 해석하였다.
수치 해석에서 유동은 밀도가 일정한 정상 상태 의 비압축성 난류 유동이며, 입구 조건은 노즐 평균속도, 출구조건은 대기압 조건을 적용하였다. 난류 모델로는 k-a)모델의 식에서 벽면 근처와 외부 유동영역 모두 정확하게 작용하는 것을 보장하기 위하여 배합함수(blending function)와 식에 교차확산(cross-diffusion)항을 추가한 SST k-모델을 적용하였다.
10에 나타내었다. 복원력은 노즐의 유속을 약 90m/s, 추진력의 경우 노즐의 유속을 약 150m/s까지 변화시키면서 수행하였다.
12에 나타내었다. 분사노즐 유속을 100~150 m/s로 변화시키고 계산과 실험으로 구한 추진력계수 값을 입력값으로 설정하고 이 조건에 따른 웨이퍼 이송 속도 변화값을 계산하였다.
본 연구는 300mm 웨이퍼용 공기부상 방식 클린튜브 시스템의 이송트랙과 제어 트랙에서 노즐의 유속에 따른 추진력 계수를 수치해석 으로 계산한 값과 실험 값을 비교 검토하고, 일정 구간에 서 추진 노즐의 유속에 따른 웨이퍼 이송 속도를 구한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

300mm용 반도체 웨이퍼용 공기부상 이송장치의 실험장치는 Fig. 1과 같으며, 양쪽에 제어 트 랙(control track), 가운데에는 이송 트랙(transfer track) 3개 설치하였으며 제어 트랙 중심간 길이는 2.072m이다. 트랙 하부에는 압축 청정 공기 공급용 챔버(chamber)와 유량 조절용 제어장치(전자밸브 및 유량계 포함)가 설치되어 있다.
4에 나타내었다. 추진력 측정은 측정 범 위가 0.01~200g인 정밀 로드셀(CAS)과 로드셀의 전류 값을 중량 단위로 변환하는 인디케이터를 사용하였다. 먼저 이송트랙의 평형을 맞춘 다음 그림과 같이 트랙을 가로지르는 지지대를 설치하고 로드셀을 고정하였다.

이론/모형

식(6)을 시간에 대하여 Adam-bashforth method를 적용하여 이산화하였다. 웨이퍼 정지 시간 의 정의는 웨이퍼가 움직이는 속도 범위를 10"7 m/s 이하가 되도록 하였으며, 이때를 정지한 것으로 판단하여 프로그램을 종료시켰다.
노즐에서 토출된 기류는 웨이퍼의 하부 벽면에 작용하여 추진력과 부상력을 나타내므로 웨이퍼 밑면의 경계층이 매우 중요하다. 본 연구에서의 유동해석은 상용 코드(FLUENT)를 사용하였으며, 경계층 유동을 적절히 표현하기 위해서 벽면에 격자를 밀집시키는 점 성 격자망(viscous mesh)을 이용하였다. 본계산에서의 유량은 하부 압력 챔버의 영향을 무시하고 분사노즐 토출 속도 기준으로 50~150m/s까지 변화시키며 해석하였다.
수치 해석에서 유동은 밀도가 일정한 정상 상태 의 비압축성 난류 유동이며, 입구 조건은 노즐 평균속도, 출구조건은 대기압 조건을 적용하였다. 난류 모델로는 k-a)모델의 식에서 벽면 근처와 외부 유동영역 모두 정확하게 작용하는 것을 보장하기 위하여 배합함수(blending function)와 식에 교차확산(cross-diffusion)항을 추가한 SST k-모델을 적용하였다.(6)

성능/효과

(1) 웨이퍼 상부면과 하부면의 거칠기는 동일하며, 국부적인 거칠기 변화에 따른 마찰력의 변화는 무시한다.
(2) 제어 트랙의 상부면과 웨이퍼 하부면에서의 유동은 모두 층류 유동이다.
(4) 추진을 시작하여 웨이퍼가 이송이 시작되는 지점에서부터 받게 되는 부상용 노즐에 의한 저항은 무시한다.
본 연구에서 수치 해석을 위해 입력 변수로 사용한 추진 노즐의 토출 유속 150 m/s는 압축성 유동으로 해석할 때와 비압축성 유동으로 해석할 경우 밀도 차이가 약 9%가량 발생한다. 그러나 실제적으로 본 장치에서 주로 사용되는 토출 노즐의 유속은 약 100m/s 내외이므로, 최대 노즐의 토출 유속이 약간의 오차를 포함하고 있으나 분석을 위하여 150 m/s 속도 영역까지 확장하여 비압축성 유동으로 가정하고 계산하였다.
이 결과에서 나타나는 바와 같이 분사노즐 유속이 100m/s인 경우 추진력 계수가 큰 차이를 보이지 않고 있으므로 웨이퍼 최대 이송 속도도 실험값과 계산값이 동일하게 약 0.200m/s, 노즐 유속이 125m/s인 경우 웨이퍼 최대 이송 속도는 계산값이 약 0.244 m/s이고 실험 값이 약 0.252 m/s, 노즐 유속이 150m/s인 경우 웨이퍼 최대 이송속 도는 계산값이 약 0.286m/s이고 실험 값이 약 0.298 m/s로 나타났다.
실험으로 구한 전체 구간 평균 속도는 추진 노즐 유속 150m/s인 경우 추진에서 정지할 때까지 시간을 측정하여 약 0.29 m/s로 나타났다. 따라서 실험값과 비교하기 위하여 평균하는 방법에 따른 웨이퍼 이송 속도 변화를 Fig.
그래프에서 나타나는 바와 같이 토출 유속이 100m/s일 경우 웨이퍼 이송 속도는 전체 평균일 때 약 0.15 m/s, 일 정 구간 평균일 때 약 0.18 m/s, 최고속도일 때 약 0.2m/s로 계산값과 실험 값이 동일하게 나타났다. 유속이 125m/s일 경우 웨이퍼 이송 속도는 전체 평균일 때 약 0.
2m/s로 계산값과 실험 값이 동일하게 나타났다. 유속이 125m/s일 경우 웨이퍼 이송 속도는 전체 평균일 때 약 0.20n/s, 일정구간 평균일 때 약 0.23 m/s, 최고속도일 때 약 0.25m/s, 유속이 150m/s일 경우 웨이퍼 이송 속도는 전체 평균일 때 약 0.22m/s, 일정구간 평균 일 때 약 0.26 m/s, 최고속도일 때 약 0.28 m/s로, 유속이 150m/s 영역에서는 실험 값이 평균적으로 약 0.01 m/s 높게 나타났다. 최고 속도 대비 일정 구간 평균 속도와는 약 10% 이내, 전구간 평균속 도와의 차이는 약 21~23% 정도 나는 것으로 나타났다.
01 m/s 높게 나타났다. 최고 속도 대비 일정 구간 평균 속도와는 약 10% 이내, 전구간 평균속 도와의 차이는 약 21~23% 정도 나는 것으로 나타났다. 분사노즐 유속 150m/s 조건에서 실제 실험으로 구한 전체 구간 평균 속도인 0.
최고 속도 대비 일정 구간 평균 속도와는 약 10% 이내, 전구간 평균속 도와의 차이는 약 21~23% 정도 나는 것으로 나타났다. 분사노즐 유속 150m/s 조건에서 실제 실험으로 구한 전체 구간 평균 속도인 0.29m/s와 근접한 속도 평균 방법은 일정구간 평균속도 계산 결과와 가장 유사한 결과를 보였다.
웨이퍼 이송 속도의 평균 방법에 관계없이 추진 노즐 유속이 증가할수록 실험 으로 구한 추진력계 수를 이용한 속도 계 산값이 수치 계산의 추진력 계수를 이용한 속도 계산값보다 약간씩 비례적으로 증가하는 경향을 보이는 경향을 보이고 있다. 이는 실제 웨이퍼 이송 속도 측정 시에는 노즐 토출 속도에 비례하여 웨이퍼 부상 높이가 높아 지나 웨이퍼 이송 속도 계산시 부상 높이를 고정시킨 상태에서 토출시킨 결과와 관계가 있다고 판단된다.
(1)이 송 트랙에서 정밀 로드셀을 사용하여 복원력 및 추진력을 측정한 결과 수치 해석으로 계산한 값과 잘 일치하였다.
(2)이 송 트랙의 45° 추진 노즐에서 구한 Cp값 으로 제어 트랙의 추진 노즐에 적용했을 때 오차율 ±10% 이내의 정확한 값을 구할 수 있었다.
(3) 추진력 계수 값은 일정 구간에서 추진 노즐 의 공기분사 속도의 함수로 표현됨을 알 수 있 었다.
(4) 웨이퍼의 이송 속도는 Cp값을 실험으로 측정한 값과 수치적으로 계산한 값의 오차범위가 약 5% 이내로 매우 잘 일치하는 결과를 얻었다.

후속연구

5와 2사이로, 실험값과 계산값에 차이가 있으나 유속이 증가함에 따라 추 진력계수가 감소하는 경향은 일치하고 있다. 본 연구에서 이송트랙 22°복원력용 노즐의 복원력이 실험값과 이론 값에 차이가 발생하는 이유에 대한 추가 연구가 필요하다고 판단되어 여기에서는 결과에 대한 언급을 피하고 제어트랙에서의 45° 추진력용 노즐에 대해서만 분석하기로 한다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

[국내논문] 공기부상방식 반도체 웨이퍼 이송시스템의 추진력계수
Evaluation of a Propulsion Force Coefficients for Transportation of Wafers in an Air Levitation System 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

[국내논문] 공기부상방식 반도체 웨이퍼 이송시스템의 추진력계수 Evaluation of a Propulsion Force Coefficients for Transportation of Wafers in an Air Levitation System 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

Keyword

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

황영규 (42)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

[국내논문] 공기부상방식 반도체 웨이퍼 이송시스템의 추진력계수
Evaluation of a Propulsion Force Coefficients for Transportation of Wafers in an Air Levitation System 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper