[논문]반송 시 웨이퍼 이탈을 최소화 하기 위한 새로운 형태의 웨이퍼 가이드 메커니즘

김대원; 유지환

반송 시 웨이퍼 이탈을 최소화 하기 위한 새로운 형태의 웨이퍼 가이드 메커니즘
New Mechanism for Wafer Guide to Minimize the Drop in Wafer Transfer 원문보기

반도체디스플레이기술학회지 = Journal of the semiconductor & display technology, v.9 no.1, 2010년, pp.23 - 28

김대원 (한국기술교육대학교 기계정보공학부) , 유지환 (한국기술교육대학교 기계정보공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, wafer drop from wafer guide mechanism, which is one of the serious problems in water transfer robot, is analyzed, and new wafer guide mechanisms are proposed to minimize this drop. Three types of new wafer guide mechanisms are proposed: roller type, gear type and L-shape rocker type. We choose one of the proposed mechanism, which is roller type, and verified this mechanism through real transfer experiment. Wafer picking up test is conducted with initial aligning error for simulating the wafer drop. Number of drop is compared between conventional mechanism and proposed mechanism. As a result, we can find the proposed mechanism can reduce the number of wafer drop dramatically.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 기존 웨이퍼 가이드가 가지고 있던 메커니즘 상의 문제점을 분석하고, 이를 해결하기 위한 3가지 새로운 형태의 메커니즘을 제안하였다. 3가지 메커니즘을 조합하여 새로운 한가지 형태의 메커니즘을제작하였으며, 실험을 통하여 제안된 메커니즘이 기존의 메커니즘에 비하여 웨이퍼의 반송 중 이탈을 현격히 줄일 수 있다는 것을 증명하였다.
본 논문에서는 이러한 노력의 일환으로, 450 mm 웨이퍼 반송로봇 기술 중 웨이퍼 반송 시에 발생하는 웨이퍼 이탈에 대한 문제를 중점적으로 다루고자 한다. 초기 접근방법으로는, 기존 300mm 웨이퍼 반송로봇에 대한 문제점의 분석으로부터 출발하여 새로운 메커니즘(Mechanism)을 제안하는 방법을 취하고자 한다[4].
본 논문에서 중점적으로 다루려고 하는 웨이퍼 반송중 웨이퍼 가이드로부터의 웨이퍼 이탈 현상은 지극히 랜덤 하게 일부 공정에서 1회/달 발생하는 것으로 비공식적으로 보고되고 있지만, 한번 발생하는 경우 생산공정 전체를 멈춰야 하는 큰 문제를 발생한다. 본 논문의 목적은 웨이퍼 반송 시 웨이퍼 가이드로부터 웨이퍼가 이탈하는 현상을 최소화하도록 새로운 형태의 웨이퍼가이드(Wafer Guide) 메커니즘을 설계하고 이를 실험을 통하여 검증하는 것이다[5].
본 절에서는 기존 웨이퍼 가이드의 문제점, 특히 밀대장치와의 충돌에 의하여 발생하는 이탈을 해결하기 위한 3가지 새로운 형태의 메커니즘이 제안되었다.
본 절에서는 기존의 웨이퍼 가이드 메커니즘에서 웨이퍼가 이탈하는 원인에 대하여 현장 전문가들의 의견을 토대로 분석하고, 이를 토대로 이탈을 최소화 하기 위한 메커니즘을 제안하고자 한다.

제안 방법

웨이퍼가 놓여지는 카세트 의 각 지점에 번호를 지정하고, 각 지점마다 작은 블록을 설치하여 높이를 2 mm씩 변경시켜 가며 웨이퍼 이탈 실험을 진행하였다. 각각 30회씩 실시 하였으며, 시작위치를 동일하게 하기 위하여 웨이퍼를 집어오는 과정 작업만 실시하였다. 한 지점의 높이만 변화시키거나 앞쪽(1번과2번)만 또는 뒤쪽(3번과4번)만의 높이를 변화 시키기도 하였다.
역시 주요문제를 야기하던 밀대장치를 제거하고, 기어형태의 롤러를 후방에 3개 설치하여 설계하였다. 앞의 롤러 형태의 문제점을 해결하기 위하여 기어형태의 롤러 메커니즘이 제안되었으며, 이는 웨이퍼의 끝 단이 롤러 의 정점을 지나쳐 후방에 놓이더라도 접지력의 향상 및 기어 형태가 회전 모멘트를 증가시킨다는 특수성에 의하여 자동 정렬기능의 향상을 가져올 수 있었다.
웨이퍼를 카세트의 정 중앙으로부터 좌우로 1 mm 씩 이동시켜 가며 웨이퍼의 이탈실험을 동일하게 실시 하였다. 역시, 시작위치를 동일하게 하기 위하여 웨이퍼를 집어오는 과정작업만 실시하였으며, 횟수는 30회씩 속도는 50~100으로 변화시켜가며 좌우 변동에 의한 웨이퍼 이탈 횟수를 분석하였다.
웨이퍼가 놓여지는 카세트 의 각 지점에 번호를 지정하고, 각 지점마다 작은 블록을 설치하여 높이를 2 mm씩 변경시켜 가며 웨이퍼 이탈 실험을 진행하였다. 각각 30회씩 실시 하였으며, 시작위치를 동일하게 하기 위하여 웨이퍼를 집어오는 과정 작업만 실시하였다.
웨이퍼의 이탈을 유발시킬 수 있는 실험인자로서 카세트(Cassette)(그림 8)내의 웨이퍼 정렬오차를 선정하였다. 웨이퍼가 카세트 내에서 정렬 시 발생할 수 있는 정렬 오차는 상하 좌우로 구분될 수 있으며, 각각의 오차와 웨이퍼 이탈과의 상관관계를 분석하는 실험을 수행하였다.
웨이퍼를 카세트의 정 중앙으로부터 좌우로 1 mm 씩 이동시켜 가며 웨이퍼의 이탈실험을 동일하게 실시 하였다. 역시, 시작위치를 동일하게 하기 위하여 웨이퍼를 집어오는 과정작업만 실시하였으며, 횟수는 30회씩 속도는 50~100으로 변화시켜가며 좌우 변동에 의한 웨이퍼 이탈 횟수를 분석하였다.
한 지점의 높이만 변화시키거나 앞쪽(1번과2번)만 또는 뒤쪽(3번과4번)만의 높이를 변화 시키기도 하였다. 이송로봇의 최고속도를 100으로 표시하였으며 10단위로 변경 가능하여 50~100의 속도로 변경하며 실험을 진행하였다.
제안된 3가지 메커니즘의 장단점을 분석하여 그림 12와 같이 개선된 웨이퍼 가이드 메커니즘이 실제 제작되었다. 롤러 타입의 웨이퍼 가이드를 기본으로 하되 앞쪽은 기존의 전방 스토퍼를 그대로 채용 하였다.
주요 문제를 야기하던 기존의 웨이퍼 가이드가 가지고 있던 밀대장치를 제거하고, 웨이퍼 가이드 앞뒤에 각각 롤러를 4개씩 설치하여 설계되었다. 웨이퍼의 자 중에 의한 보다 자연스러운 정렬을 유도하며 기존의 후방 스토퍼에 의한 경사로 방식보다 미끄러져 정렬되는 성능이 향상되는 것을 시뮬레이션을 통하여 확인할 수 있었다.
본 논문에서는 이러한 노력의 일환으로, 450 mm 웨이퍼 반송로봇 기술 중 웨이퍼 반송 시에 발생하는 웨이퍼 이탈에 대한 문제를 중점적으로 다루고자 한다. 초기 접근방법으로는, 기존 300mm 웨이퍼 반송로봇에 대한 문제점의 분석으로부터 출발하여 새로운 메커니즘(Mechanism)을 제안하는 방법을 취하고자 한다[4]. 본 논문에서 중점적으로 다루려고 하는 웨이퍼 반송중 웨이퍼 가이드로부터의 웨이퍼 이탈 현상은 지극히 랜덤 하게 일부 공정에서 1회/달 발생하는 것으로 비공식적으로 보고되고 있지만, 한번 발생하는 경우 생산공정 전체를 멈춰야 하는 큰 문제를 발생한다.

대상 데이터

웨이퍼의 이탈을 유발시킬 수 있는 실험인자로서 카세트(Cassette)(그림 8)내의 웨이퍼 정렬오차를 선정하였다. 웨이퍼가 카세트 내에서 정렬 시 발생할 수 있는 정렬 오차는 상하 좌우로 구분될 수 있으며, 각각의 오차와 웨이퍼 이탈과의 상관관계를 분석하는 실험을 수행하였다.

성능/효과

본 논문에서는 기존 웨이퍼 가이드가 가지고 있던 메커니즘 상의 문제점을 분석하고, 이를 해결하기 위한 3가지 새로운 형태의 메커니즘을 제안하였다. 3가지 메커니즘을 조합하여 새로운 한가지 형태의 메커니즘을제작하였으며, 실험을 통하여 제안된 메커니즘이 기존의 메커니즘에 비하여 웨이퍼의 반송 중 이탈을 현격히 줄일 수 있다는 것을 증명하였다.
결론적으로 개선된 웨이퍼 가이드로 실험한 결과 웨이퍼의 이탈이 줄어들었음을 확인하였다. 표 1는 3.
실험을 통하여, 위치이동 및 속도변화에 비례하여 오류가 발생함을 알 수 있었으며, 카세트의 구조 상 상하보다는 좌우 오차변화가 웨이퍼 이탈에 좀더 영향을 미치고 있다는 것을 알 수 있었다. 기구적으로 대칭인 구조를 가지고 있으므로, 좌측과 우측중 한 부분만의 결과로도 충분한 분석이 될 수 있었다.
본 절에서는 제안된 웨이퍼 가이드 메커니즘이 기존 웨이퍼 가이드 메커니즘과 비교하여 웨이퍼 이탈 횟수를 줄일 수 있다는 것을 실험을 통하여 증명하였다.
그림 11은 웨이퍼를 카세트 정 중앙에서 좌측으로 1 mm단위로 이동시키면서 앞서 언급한 실험방법에 따라 실시한 실험 결과이다. 실험을 통하여, 위치이동 및 속도변화에 비례하여 오류가 발생함을 알 수 있었으며, 카세트의 구조 상 상하보다는 좌우 오차변화가 웨이퍼 이탈에 좀더 영향을 미치고 있다는 것을 알 수 있었다. 기구적으로 대칭인 구조를 가지고 있으므로, 좌측과 우측중 한 부분만의 결과로도 충분한 분석이 될 수 있었다.
주요 문제를 야기하던 기존의 웨이퍼 가이드가 가지고 있던 밀대장치를 제거하고, 웨이퍼 가이드 앞뒤에 각각 롤러를 4개씩 설치하여 설계되었다. 웨이퍼의 자 중에 의한 보다 자연스러운 정렬을 유도하며 기존의 후방 스토퍼에 의한 경사로 방식보다 미끄러져 정렬되는 성능이 향상되는 것을 시뮬레이션을 통하여 확인할 수 있었다. 하지만, 웨이퍼의 끝 단이 롤러의 정점에 위치하게 되는 경우 자연스러운 정렬에 한계가 있다는 문제점을 발견하였다.
카세트 안 지지대의 높이는 7 mm이다. 위의 결과를 분석하면 7 mm 까지는 최고속도와 어떠한 지점에서도 오류가 발생하지 않음을 알 수 있으며 이를 통해 웨이퍼 위치의 상하변동에 의한 요인은 웨이퍼 이탈의 원인으로 주요하지 않음을 알 수 있었다.
그림 9는 웨이퍼가 놓이는 각 지점에 8 mm의 상하오차를 주었을 때 속도의 변화에 따른 이송 중 이탈 횟수에 대한 결과이다. 지점변화에 따른 오류횟수는 큰 변화가 없으나 속도에 정비례하여 오류가 증가하고 있음을 알 수 있었다.

후속연구

제안된 메커니즘의 적용을 통하여 웨이퍼 이송로봇의 성능개선을 기대할 수 있을 것으로 예상하며, 추후 개발되는 450 mm 웨이퍼 이송로봇에도 동일한 형태의 기술이 접목 가능할 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전세계 반도체 제조기기 시장은 업계를 중심으로 현재 300mm크기의 웨이퍼에서 몇 mm크기의 웨이퍼로 표준이 옮겨가는 시점인가?	전세계 반도체 제조기기 시장은 업계를 중심으로 현재 300mm크기의 웨이퍼(Wafer) 에서 450 mm크기의 웨이퍼로 표준이 옮겨가는 시점에 있으며, 이에 따라 모든 공정 및 제조환경의 전반적인 변혁이 요구되고 있다. 이러한 표준화 및 시장 동향에 따라 450 mm 웨이퍼의 제조공정 및 제조장비에 대한 기술개발이 제조장비 업계를 중심으로 활발히 진행되고 있는 실정이다[1].
	웨이퍼를 FOUP으로부터 집어 나오는 동작을 분석하여보면, 웨어퍼 가이드는 실제 웨어퍼가 FOUP 에 놓여있는 위치보다 1~2 mm 정도 전진하여 웨이퍼를 들고 나오도록 대부분 프로그램 되어 운영되고 있는 이유는?	웨이퍼를 FOUP(Front Opening Unified Pod)으로부터 집어 나오는 동작을 분석하여보면, 웨어퍼 가이드는 실제 웨어퍼가 FOUP 에 놓여있는 위치보다 1~2 mm 정도 전진하여 웨이퍼를 들고 나오도록 대부분 프로그램 되어 운영되고 있다. 이는 웨어퍼가 FOUP에 정렬 (pre-align) 되어 놓여있지 않기 때문에, 웨이퍼를 집어 나오는 공정에 있어서 작업공차를 확보하기 위함이다.
	기존의 가이드 메커니즘에서 제안한 두 가지의 메커니즘은?	이러한 경우 집어 올릴 시에 웨어퍼가 웨이퍼 가이드에 매번 정확히 정렬되어 놓여지지 않는 문제점을 해결하기 위하여, 기존의 가이드 메커니즘 에서는 두가지의 수동 및 능동 정렬 메커니즘을 제안하고 있다. 첫 번째는 후방 스토퍼(2번)로서, 웨이퍼가 정렬되지 않은 경우 자중에 의하여 자연스럽게 미끄러져 정렬이되도록 웨이퍼와의 접촉 부위에 일정한 경사의 기울기를 주고 있다. 두번째는 후방 스토퍼에 의하여도 자연 스럽게 정렬되지 않을 정도로 웨이퍼가 웨이퍼 가이드 후방에 집어올릴 시에(pick up) 놓이게 되는 경우의 문제점을 해결하여 위하여, 강제 정렬 메커니즘인 밀대장치를 사용하고 있다(그림 2).

참고문헌 (5)

Chen-Fu, Chien.,Wang, j.k., Tzu-Ching, Chang., Wen- Chin Wu., "Economic analysis of 450mm wafer migration", International Symposium on Semiconductor Manufacturing, pp. 1-4, 2007.
이종회,"반도체 장비 산업 현황 및 전망," 대한기계학회, 제40권, 제 9호, pp. 30-34, 2000.
구준모, 정정열, 강용태, "대구경 웨이퍼 스핀코팅 공정 최적화 연구," 대한기계학회, 2009년도 추계학술대회 강연 및 논문 초록집, pp. 1778-1781, 2009.
성학경, 김동일, 김성권, "반도체 WAFER CASSETTE HANDLING 용 MOBILE ROBOT SYSTEM," 한국자동제어학술회의, '94한국자동제어학술논문집, pp. 1-6, 1994.
전혜영, 양학진, 김성근, "실험계획법과 신경망을 이용한 웨이퍼 이송 핸들러의 설계 방법," 한국정밀공학회, 2008년도 추계학술대회논문집, pp. 557-558, 2008.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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