[논문]구조 안정성 향상을 위한 Wafer Grinder의 설계 개선

신윤호; 노승훈; 윤현진; 길사근; 김영조; 이대웅; 김상화

구조 안정성 향상을 위한 Wafer Grinder의 설계 개선
Design Alterations of a Wafer Grinder for the Improved Stability 원문보기

반도체디스플레이기술학회지 = Journal of the semiconductor & display technology, v.18 no.3, 2019년, pp.82 - 87

신윤호 (금오공과대학교 대학원) , 노승훈 (금오공과대학교 기계시스템공학과) , 윤현진 (금오공과대학교 대학원) , 길사근 (대신설계) , 김영조 (구미대학교 기계공학과) , 이대웅 (한온시스템(주)) , 김상화 (한국폴리텍)

Abstract ▼ AI-Helper

One of the most critical aspects of the semiconductor industry is the quality of the wafer surface. And the vibrations of wafer grinder are supposed to be the most dominant factors to damage the wafer surface quality. In this study, structure of a wafer grinder has been analyzed through experiments and computer simulations to figure out the main reasons of the vibrations. And the design alterations based on the analysis were applied to identify the effects of those alterations on the vibration suppression. The result shows that the design alterations can effectively suppress about 90% of the vibrations.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 Wafer Grinder의 진동 최소화를 통한 구조 안정성 향상을 위한 설계 개선안을 찾고자 하였다. 이를 위하여 기존 Wafer Grinder의 동특성을 분석하고 이를 바탕으로 Simulation Model에 설계 개선안을 적용하여 그 효과를 검증하였고 이 효과들을 조합하여 기존의 장비에 비하여 진동이 95%이상 소멸된 안정된 장비의 설계안을 도출하 였다.
본 연구에서는 Wafer Grinder의 진동을 효과적으로 억제할 수 있도록 설계를 개선함으로써 Wafer가공면의 품질을 개선함은 물론 점차 엄격화되는 품질사양에 대비할 수 있는 원천기술의 확보를 목표로 한다.
앞에서 다양한 설계 개선을 통해 진동량의 변화 양상을 살펴보았다. 언급된 설계 변경안 모두 진동 감소 효과가 있으므로 함께 적용하여 결과를 확인하고자 한다.

제안 방법

Base의 모터 작동속도와의 공진 및 모터 고유진동수와의 공진 모두를 억제하기 위하여 강성을 크게 하여 고유진동수를 120 Hz이상이 되도록 설계하되 진동을 효과적으로 억제하기 위한 방향으로 Fig. 5와 같이 설계하였다.[4]
Wafer Grinder의 진동 상태 분석과 설계 개선안 도출을 위하여 주파수분석 실험을 진행하고 이를 통해 구조물의 동특성(고유진동수, 진동형, 공진여부)을 분석하여 장비의 진동 원인이 되는 고유진동수에 대하여 분석한다.
반도체의 제조공정은 크게 전 공정인 Wafer 제조 및 가공과 후 공정인 패키지 조립 그리고 모듈 조립으로 분류되며 본 논문의 주제인 Wafer Grinder는 Wafer 제조공정의 핵심 장비이다.
앞에서 다양한 설계 개선을 통해 진동량의 변화 양상을 살펴보았다. 언급된 설계 변경안 모두 진동 감소 효과가 있으므로 함께 적용하여 결과를 확인하고자 한다.
양쪽 모터의 회전속도, 제원, Housing, 설치조건이 모두 일치하여 공진이 발생하게 되므로 이를 억제하기 위하여 양쪽을 다르게 설계하였다.
본 연구는 Wafer Grinder의 진동 최소화를 통한 구조 안정성 향상을 위한 설계 개선안을 찾고자 하였다. 이를 위하여 기존 Wafer Grinder의 동특성을 분석하고 이를 바탕으로 Simulation Model에 설계 개선안을 적용하여 그 효과를 검증하였고 이 효과들을 조합하여 기존의 장비에 비하여 진동이 95%이상 소멸된 안정된 장비의 설계안을 도출하 였다. 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.
컴퓨터 시뮬레이션을 통해 구조물의 동특성을 파악하기 위해 구조물의 형상, 물성치, 지지조건을 반영하여 모델링을 진행한다.

대상 데이터

시뮬레이션 모델의 재질은 구조용 강(Young’s Modulus : 200 GPa, Poisson’s ratio : 0.3, Density : 7870 kg/m3)으로 하였으며 각 부분별 접촉조건으로 볼트 체결부위는 연결점을 공유하는 것과 유사한 조건인 Bonded로 하였고 베이스 바닥부분은 Fixed로 하였다.

성능/효과

1) 기존 Wafer Grinder는 Table 5와 같은 진동 특성을 보이며 75 Hz의 작동속도 구간에서 공진 및 120 Hz 구간에서 고유진동수 간의 공진으로 인해 진동이 크게 발생하는 것을 알 수 있다.
2) Base는 작동속도와 공진하고 있으므로 이를 차단하며 다른 부위와의 공진 또한 최소화하기 위하여 Fig. 5와 같이 설계 변경하여 49%의 진동량 감소 효과를 보았다.
3) 양쪽 모터가 서로 공진하며 Bracket이 Base와 공진하므로 이를 최소화하기 위하여 Table 6과 같이 Bracket을 설계 변경하여 좌·우측 각각51, 71%의 진동량 감소 효과를 보았다.
4) 모터에서 발생되어 Base로 전달된 진동이 Loading/Unloading 부위로 전달되므로 이를 최소화하며 Wafer Grip과 지면의 공진 또한 차단하기 위하여 Fig. 8과 같이 설계 변경하여 Frame 진동량 38%, Holder 진동량 97%의 감소 효과를 보았다.
5) 가공Case의 좌·우 측면 고유진동수 60, 120 Hz는 각각 모터의 작동속도 및 고유진동수와 근접하며 이러한 공진을 최소화하기 위하여 Fig. 11과 같이 두께를 강화하였으며 그 결과 40%의 진동량 감소 효과를 보았다.
6) 본 설계안을 바탕으로 기계가 제조되면 진동을 95% 이상 억제할 수 있게 되어 가공정도의 혁신적 향상을 실현할 수 있을 것으로 사료된다. 지속적 연구가 진행됨으로써 모든 Wafer 가공장비의 국산화 및 설계제조 원천기술 확보를 실현할 수 있으며, 아울러 고품질, 고생산성을 실현하여 기술 우위를 바탕으로 한 경쟁력 확보가 가능할 것으로 사료된다.
8의 개선안을 적용하여 시뮬레이션을 진행한 결과를 Figs. 9, 10에 정리하였으며 작동속도(75 Hz) 구간 Frame 진동량이 38%, Holder 진동량이 97% 감소함을 확인하였다.
Table 6의 개선안을 적용하여 시뮬레이션을 진행한 결과를 Fig. 7에 정리하였으며 작동속도(75 Hz) 구간 좌측 진동량이 51%, 우측 진동량이 71% 감소함을 확인하였다.
실험 결과로부터 장비의 고유진동수를 확인할 수 있으며 Table 3은 구간별 고유진동수이다. 모터의 작동속도(75 Hz)가 구조물의 고유진동수(75 Hz)와 공진하여 진동이 커지게 함을 확인할 수 있다.
13은 개선 전·후의 진동을 Computer Simulation으로 비교한 것이다. 본 구조 안정화 설계 연구를 통해 Table 7과 같이 Wafer Grinder의 작동속도(75 Hz) 구간 진동량이 평균 95% 이상 저감되어 구조 안정성 향상에 크게 기여할 수 있어 이를 최종 개선안으로 결정하였다.
실험 및 시뮬레이션을 통하여 얻어진 고유진동수를 비교한 결과 Table 5에서 볼 수 있듯이 두 경우의 오차가 5% 이하로 실험 결과와 시뮬레이션에 의한 분석 결과가 잘 일치하므로 시뮬레이션 모델이 실제 장비의 특성을 잘 반영하고 있으며 이 모델을 이용하여 설계 개선을 진행할 수 있다.

후속연구

6) 본 설계안을 바탕으로 기계가 제조되면 진동을 95% 이상 억제할 수 있게 되어 가공정도의 혁신적 향상을 실현할 수 있을 것으로 사료된다. 지속적 연구가 진행됨으로써 모든 Wafer 가공장비의 국산화 및 설계제조 원천기술 확보를 실현할 수 있으며, 아울러 고품질, 고생산성을 실현하여 기술 우위를 바탕으로 한 경쟁력 확보가 가능할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전 세계 반도체 시장의 전망은 어떤가?	전 세계 반도체 시장은 최근 3년 동안 33% 증가하여, 2020년 매출이 5천억 달러에 이를 것으로 전망된다. 최근 4차 산업혁명의 화두로 떠오른 인공지능(AI), 5G, 자율주행 등에서의 새로운 수요가 반도체 시장 확대의 주요 요인이다.
	4차 산업혁명의 화두로 떠오른 것은?	전 세계 반도체 시장은 최근 3년 동안 33% 증가하여, 2020년 매출이 5천억 달러에 이를 것으로 전망된다. 최근 4차 산업혁명의 화두로 떠오른 인공지능(AI), 5G, 자율주행 등에서의 새로운 수요가 반도체 시장 확대의 주요 요인이다. [1]
	Wafer Grinder의 진동 최소화를 통한 구조 안정성 향상을 위한 설계 개선안을 찾고자 한 연구 결과는?	1) 기존 Wafer Grinder는 Table 5와 같은 진동 특성을 보이며 75 Hz의 작동속도 구간에서 공진 및 120 Hz 구간에서 고유진동수 간의 공진으로 인해 진동이 크게 발생하는 것을 알 수 있다. 2) Base는 작동속도와 공진하고 있으므로 이를 차단하며 다른 부위와의 공진 또한 최소화하기 위하여 Fig. 5와 같이 설계 변경하여 49%의 진동량 감소 효과를 보았다. 3) 양쪽 모터가 서로 공진하며 Bracket이 Base와 공진하므로 이를 최소화하기 위하여 Table 6과 같이 Bracket을 설계 변경하여 좌·우측 각각51, 71%의 진동량 감소 효과를 보았다. 4) 모터에서 발생되어 Base로 전달된 진동이 Loading/Unloading 부위로 전달되므로 이를 최소화하며 Wafer Grip과 지면의 공진 또한 차단하기 위하여 Fig. 8과 같이 설계 변경하여 Frame 진동량 38%, Holder 진동량 97%의 감소 효과를 보았다. 5) 가공Case의 좌·우 측면 고유진동수 60, 120 Hz는 각각 모터의 작동속도 및 고유진동수와 근접하며 이러한 공진을 최소화하기 위하여 Fig. 11과 같이 두께를 강화하였으며 그 결과 40%의 진동량 감소 효과를 보았다. 6) 본 설계안을 바탕으로 기계가 제조되면 진동을 95% 이상 억제할 수 있게 되어 가공정도의 혁신적 향상을 실현할 수 있을 것으로 사료된다. 지속적 연구가 진행됨으로써 모든 Wafer 가공장비의 국산화 및 설계제조 원천기술 확보를 실현할 수 있으며, 아울러 고품질, 고생산성을 실현하여 기술 우위를 바탕으로 한 경쟁력 확보가 가능할 것으로 사료된다.

참고문헌 (4)

Kim, J. Y., "Global market growth of 2.6% this year," 14th, Jan, 2019, https://www.yna.co.kr/view/AKR20190113019900003, Latest Article.
Kil, S. G., and Ro, S. H., "Design alterations of a grinder of semiconductor wafer for the improved stability," Journal of the Semiconductor & Display Technology, Vol. 16, No. 1, pp. 1-3, 2017.
Silicon Valley Microelectronics, "450mm Wafers," 2017, https://www.svmi.com/silicon-wafers/450mm-wafers/, Silicon Wafers.
Ro, S. H., and Park, Y. R., "Stability Design of a Laser Cutter for the Strengthened Glass", Journal of the Semiconductor & Display Technology, Vol. 14, No. 1, pp. 19-25, 2015.

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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