[논문]민감도 분석을 이용한 반도체 검사 장비의 X, Y 스테이지 구조의 경량화 연구

고만수; 권순기; 김참내

doi:10.14400/jdc.2019.17.7.125

민감도 분석을 이용한 반도체 검사 장비의 X, Y 스테이지 구조의 경량화 연구
A Study on the Weight Reduction of X,Y stage of Semiconductor Inspection Equipment using Sensitivity Analysis 원문보기

디지털융복합연구 = Journal of digital convergence, v.17 no.7, 2019년, pp.125 - 130

고만수 (호서대학교 기계공학과) , 권순기 (호서대학교 기계공학과) , 김참내 (아우라프리시젼 연구소)

초록
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민감도 해석은 어떤 설계 변수의 변화가 전체 시스템에 미치는 영향을 확인하기 위한 방법으로, 계산된 민감도는 구조개선 시 중요한 지표가 된다. 본 연구에서는 유한요소해석을 이용하여 설계 변수에 대한 민감도 도출 및 분석 방법과, 민감도 결과를 활용한 구조개선 방법을 제안하였다. 구조 개선이 필요한 실제 반도체 검사 장비를 이용하여 경량화를 위한 설계 변수를 선정하고 설계 변수에 대한 민감도를 유한요소법과 유한차분법을 활용하여 계산하였으며, 장비가 요구하는 과도응답(Transient Response)은 유지하면서도 무게 감소가 가능한 개선 방안을 제시하였다. 유한요소해석과 유한차분법을 이용한 민감도 분석 결과를 이용한다면 구조물의 설계 개선 시 원하는 응력 또는 변위는 만족하면서도 구조적으로 향상된 설계를 할 수 있고, 이는 반도체 검사 장비뿐만 아니라 다양한 분야에서 활용이 가능하다.

Abstract ▼ AI-Helper

Sensitivity analysis is used to determine the effect of a change in a design parameter on the total system, and the calculated sensitivity is an important indicator of the improvement of a structure. In this study, we investigated the method of deriving and analyzing the sensitivity of design parameters by using finite element analysis and the method of improving a structure by using sensitivity analysis results. Design parameters for weight reduction design were selected using actual semiconductor inspection equipment that requires structural improvement, and the sensitivity to design parameters was calculated by using and finite difference method. We propose an improvement method that can reduce the weight while maintaining the transient response required by the equipment. By using the results of the sensitivity analysis through finite element analysis and finite difference method, we can create a structurally improved design that satisfies the desired stress or displacement by improving the design of the structure. Therefore, sensitivity analysis is applicable to various fields as well as semiconductor inspection equipment.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Transient Response at a Center of Camara with Comparing to the Pixel Size
그림 Fig. 2. Part Names and Materials of Equipment
그림 Fig. 3. Boundary Condition and Loading Conditions
그림 Fig. 4. Mode Shapes of 1st to 4th Modes
표 Table 1. Maximum Transient Response due to Impact of Moving Parts
그림 Fig. 5. Transient Response versus time of X-axis Impact
그림 Fig. 6. Transient Response versus time of Y-axis Impact
그림 Fig. 7. Design Variables for Sensitivity Analysis
그림 Fig. 8. Proposed Weight Reduction Design A
그림 Fig. 9. Proposed Weight Reduction Design B
표 Table 2. Sensitivities of Design Variables
표 Table 3. Weight Reduction and Maximum Displacement of Proposed Designs

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 유한요소해석을 이용하여 민감도 해석을 활용하는 이론적 배경을 검토하였고, 실제 반도체 검사 장비에 적용해 보았다. 해석에 사용한 반도체 검사 장비는 상부 프레임이 석정반으로 이루어져 유사 장비에 비해 중량이 큰 단점이 있었다.
본 연구에서는 다수의 부재로 구성된 구조 시스템의 과설계된 부재를 파악하여 부재의 두께 감소 또는 형상을 변경시킴으로써 경량화 하는 방법을 제안하였다. 어떤 부재의 어느 설계 변수가 전체 시스템에 미치는 영향을 파악하기 위한 방법으로 민감도 해석을 사용하였다 [4].

제안 방법

검사 기판 이송부는 Fig. 3과 같이 X축 및 Y축 방향으로 이동하며, X축, Y축 이동 방향에 대한 X, Y, Z 3축 방향의 진동 변위를 확인해 보았다. 이 때, 반도체 검사 장비가 지면에 닿는 바닥면의 자유도를 모두 구속하였다.
경량화 설계안에 대한 기준은 두 가진 방향에 대한 최대 변위를 기준(X축 방향 가진 시 X축 변위, Y축 방향 가진 시 Y축 변위)으로 하였으며, 경량화된 구조의 Transient Response 최대 변위가 3.5μm 이내가 되도록 선정하였다.
비전 검사 장비 모델이 검사를 위해 급출발 또는 급정지 시 발생 되는 충격에 의한 진동 변위를 과도응답해석을 통해 확인하고, 진동에 영향을 주는 설계 변수를 선정 하기 위하여 민감도 해석을 수행하였다. 과도응답해석은 NX/NASTRAN을 이용하였으며, 민감도 해석에는 유한 차분법을 사용하여 장비가 경량화 하여도 진동 변위에 영향을 미미하게 미치는 설계 변수를 선별하여 경량화된 구조 개선안을 도출하였다.
구조를 경량화 하는 차원에서 설계 변수 t_i를 감소시키는 방법을 이용 하였다. 따라서 분모는 항상 음수 (-) 결과가 나오며 분자의 결과에 따라 민감도 결과가 양수(+)인지 음수(-)인지 결정된다.
해석에 사용한 반도체 검사 장비는 상부 프레임이 석정반으로 이루어져 유사 장비에 비해 중량이 큰 단점이 있었다. 따라서 상부 프레임의 중량 감소에 영향을 줄 수 있는 임의의 설계 변수를 선정한후 유한요소해석과 유한차분법 이론을 이용하여 각 설계 변수의 민감도를 분석하였고 경량화 방안을 제시하였다.
민감도 결과를 이용하여 다음의 2가지 구조 개선안을 제시하였다. 경량화 설계안에 대한 기준은 두 가진 방향에 대한 최대 변위를 기준(X축 방향 가진 시 X축 변위, Y축 방향 가진 시 Y축 변위)으로 하였으며, 경량화된 구조의 Transient Response 최대 변위가 3.
민감도는 선정된 설계 변수들이 전체 시스템의 성능에 미치는 가중치를 확인 할 수 있는 척도로, 본 논문에서는 과도응답해석의 진동 변위를 기준으로 계산하였다. 구조를 경량화 하게 되면 강성이 약해져 진동 변위가 증가 할것으로 예상하였으나, 민감도 분석 결과 경량화를 하여도 진동 변위가 감소되는 효과를 발생시키는 설계 변수를 찾을 수 있었다.
민감도를 계산하는 방법에는 직접적분법, 부가 변수법등 여러 가지가 있지만[6], 본 연구에서는 유한요소해석을 이용한 과도응답해석(Transient Response Analysis)과 유한차 분법을 이용하여 계산하였고, 민감도의 크기와 방향 등을 분석 하여 구조개선 방안을 제시하였다. 과도응답해석은 매우 짧은 시간에 가해지는 충격 하중이 외력으로 작용할 때 시스템의 응답을 확인하기 위한 해석으로 갑자기 큰 힘이 짧은 시간에 발생하게 되면 구조물에 예기치 못한 큰 응답이 발생할 수 있다[7].
비전 검사 장비 모델이 검사를 위해 급출발 또는 급정지 시 발생 되는 충격에 의한 진동 변위를 과도응답해석을 통해 확인하고, 진동에 영향을 주는 설계 변수를 선정 하기 위하여 민감도 해석을 수행하였다. 과도응답해석은 NX/NASTRAN을 이용하였으며, 민감도 해석에는 유한 차분법을 사용하여 장비가 경량화 하여도 진동 변위에 영향을 미미하게 미치는 설계 변수를 선별하여 경량화된 구조 개선안을 도출하였다.
유한차분법은 미분 식을 이웃하는 점들 사이의 변화 율을 이용하여 근사해를 구하는 방법으로[13], 다른 수치 해석 계산에 비해 상대적으로 접근이 용이하기 때문에 해를 간단히 구할 수 있는 장점이 있다[14]. 초기 설계 변수에서의 과도응답 변위 결과와 설계 변수의 미소 변화 량에 따른 과도응답 변위 결과를 이용하여 민감도를 계산하였다.[15]
충격에 의한 과도응답해석을 이용하여 실제 검사 시발생할 수 있는 진동을 계산하기 위해 검사 헤드의 상의 맺히는 부분(촬영 시 카메라 렌즈)과 검사 대상물 사이의 상대 변위를 계산하였다[12]. Fig.

대상 데이터

민감도 분석에 사용한 설계 변수는 Fig. 7과 같이 고유진동수와 모드 형상에 영향을 미치며 상부 프레임의 경량화를 위해 장비 중량에 많은 영향을 미치는 설계 변수 5개를 선정하였다.
2와 같이 검사 기판 이송부(Moving Part)가 검사를 위해 X, Y 축으로 이동 하는 갠트리 로봇(Gantry Robot)방식의 장비이다. 상부 프레임은 Granite로 이루어진 석정반 구조이며, 상부 프레임과 하부 프레임을 연결하는 Post는 SS400으로 이루어졌다.
일반적으로 충격을 받는 구조물의 경우, 정하중에 충격계수를 곱하여 마치 그 크기의 충격하중이 작용한다고 정하중으로 간주하여 설계에 사용하지만 [8], 충격 하중 작용 시 시간에 따른 응답을 확인하기 위해서는 과도응답해석이 필수적이다. 연구의 적용 대상으로는 반도체용 비전(Vision) 검사 장비를 선정하였다.
해석에 사용한 검사 장비는 Fig. 2와 같이 검사 기판 이송부(Moving Part)가 검사를 위해 X, Y 축으로 이동 하는 갠트리 로봇(Gantry Robot)방식의 장비이다. 상부 프레임은 Granite로 이루어진 석정반 구조이며, 상부 프레임과 하부 프레임을 연결하는 Post는 SS400으로 이루어졌다.

이론/모형

본 연구에서는 다수의 부재로 구성된 구조 시스템의 과설계된 부재를 파악하여 부재의 두께 감소 또는 형상을 변경시킴으로써 경량화 하는 방법을 제안하였다. 어떤 부재의 어느 설계 변수가 전체 시스템에 미치는 영향을 파악하기 위한 방법으로 민감도 해석을 사용하였다 [4]. 상용 프로그램에도 민감도를 계산해주는 기능은 있으나, 설계변수가 유한요소모델의 Shell 요소의 두께로 제한되어 있고, 해석의 범주도 정하중에 의한 응력 해석, 자유진동 해석 등으로 제한되어 있다.
충격에 의한 과도응답분석 방법으로 식(2)와 같이 모드의 고유진동수와 모드 형상을 이용하여 충격 가진 시변위를 확인하는 방법인 모드합성법을 사용하였다[11].

성능/효과

민감도는 선정된 설계 변수들이 전체 시스템의 성능에 미치는 가중치를 확인 할 수 있는 척도로, 본 논문에서는 과도응답해석의 진동 변위를 기준으로 계산하였다. 구조를 경량화 하게 되면 강성이 약해져 진동 변위가 증가 할것으로 예상하였으나, 민감도 분석 결과 경량화를 하여도 진동 변위가 감소되는 효과를 발생시키는 설계 변수를 찾을 수 있었다. 이와 같이 설계 시 유한요소해석과 유한 차분법 이론을 이용한 민감도 해석을 활용한다면 시간과 비용 등을 절약하면서 다양한 설계안을 도출 할 수 있을 것이며, 이는 반도체 장비 뿐 아니라 광범위한 분야에서 활용할 수 있을 것으로 예상된다.
중량은 기존 634.8kg에서 421kg으로 약 34% 감소하였고 진동 변위는 증가하였으나 최대 변위 기준인 3.5μm를 만족한다.

후속연구

구조를 경량화 하게 되면 강성이 약해져 진동 변위가 증가 할것으로 예상하였으나, 민감도 분석 결과 경량화를 하여도 진동 변위가 감소되는 효과를 발생시키는 설계 변수를 찾을 수 있었다. 이와 같이 설계 시 유한요소해석과 유한 차분법 이론을 이용한 민감도 해석을 활용한다면 시간과 비용 등을 절약하면서 다양한 설계안을 도출 할 수 있을 것이며, 이는 반도체 장비 뿐 아니라 광범위한 분야에서 활용할 수 있을 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	민감도 해석이란?	민감도 해석은 어떤 설계 변수의 변화가 전체 시스템에 미치는 영향을 확인하기 위한 방법으로, 계산된 민감도는 구조개선 시 중요한 지표가 된다. 본 연구에서는 유한요소해석을 이용하여 설계 변수에 대한 민감도 도출 및 분석 방법과, 민감도 결과를 활용한 구조개선 방법을 제안하였다.
	빠르고 정확한 비전 검사 품질을 요구하는 시장의 수요에 따라 생기는 변화는?	최근 반도체 검사 장비는 복합적인 검사 기능을 수행 하기 위하여 검사 헤드가 여러 기능을 갖추어서 대형화 되면서 장비의 무게 또한 무거워지고 있다[9]. 빠르고 정확한 비전 검사 품질을 요구하는 시장의 수요에 따라 증가된 렌즈의 무게를 포함한 광학계의 무게 증가로 인해 검사 속도가 느려지고 충격에 의한 진동이 커져 검사에 많은 어려움이 발생하고 있다. 반도체 검사장비는 Fig.
	안전율이 각 제조사의 보안으로 간주돼 외부 노출 불가로 생기는 문제점은?	그러나 이러한 안전율은 각 제조사의 보안으로 간주되어 외부 노출을 철저히 금하고 있는 실정이 다. 따라서 기구설계자들이 선택하는 방법은 내구수명을 길게 하여 구조물의 안전성을 확보하게 되는데, 이는 곧바로 과설계(Over Design)로 이어져 구조물의 중량을 늘리는 결과를 초래하게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 여러 분야에서 구조물 경량화에 대한 연구를 진행하고 있으며, 경험에 의한 특정 구조의 단면형상 또는 두께 등의 치수(Size)를 반복적으로 변경하면서 유한요소해석으로 최적의 결과를 찾는 연구가 확산되고 있다[2,3].

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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