[논문]박판 웨이퍼의 적재 시 손상 최소화 기술

이종항

doi:10.5762/kais.2021.22.1.321

초록
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본 연구는 웨이퍼를 적재할 때 웨이퍼의 손상을 최소화 시키기 위한 기술이다. 반도체와 솔라셀에 이용되는 두께가 얇은 웨이퍼는 적재된 웨이퍼 사이의 표면 장력에 의해 웨이퍼의 분리를 어렵게 만들어 웨이퍼의 표면에 손상을 줄 수 있다. 이러한 웨이퍼의 손상을 최소화시키는 기술은 압축 공기를 웨이퍼 쪽으로 분사하고, 미소의 수평 이동 기구를 동시에 적용하는 것이다. 연구에 사용된 주요 실험 인자는 웨이퍼의 공급 속도, 압축 공기의 노즐 압력, 그리고 흡착 헤드의 흡착 시간이다. 실험 결과, 동일한 노즐 압력에서 웨이퍼의 공급 속도가 빠를수록 파손율이 증가하고, 동일한 공급 속도에서는 노즐 압력이 낮을수록 파손율이 증가한다. 그리고, 웨이퍼를 흡착시키데 필요한 시간은 어느 수준 이상이면 웨이퍼의 공급 속도에 따른 파손율에는 큰 영향을 미치지 않는다. 본 연구의 실험 범위 안에서 최적의 실험 조건은 웨이퍼의 공급 속도 600 ea/hr, 압축 공기의 노즐 압력 0.55 MPa, 흡착 헤드의 흡착 시간 0.9 sec 이다. 또한, 반복성능 실험을 통해 개선된 기술은 웨이퍼의 파손율을 최소화시킬 수 있음을 보여 주었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a technique to minimize damaged wafers during loading. A thin wafer used in solar cells and semiconductors can be damaged easily. This makes it difficult to separate the wafer due to surface tension between the loaded wafers. A technique for minimizing damaged wafers is to supply...

This paper presents a technique to minimize damaged wafers during loading. A thin wafer used in solar cells and semiconductors can be damaged easily. This makes it difficult to separate the wafer due to surface tension between the loaded wafers. A technique for minimizing damaged wafers is to supply compressed air to the wafer and simultaneously apply a small horizontal movement mechanism. The main experimental factors used in this study were the supply speed of wafers, the nozzle pressure of the compressed air, and the suction time of a vacuum head. A higher supply speed of the wafer under the same nozzle pressure and lower nozzle pressure under the same supply speed resulted in a higher failure rate. Furthermore, the damage rate, according to the wafer supply speed, was unaffected by the suction time to grip a wafer. The optimal experiment conditions within the experimental range of this study are the wafer supply speed of 600 ea/hr, nozzle air pressure of 0.55 MPa, and suction time of 0.9 sec at the vacuum head. In addition, the technology improved by the repeatability performance tests can minimize the damaged wafer rate.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. Conventional unloading method of a thin wafer.
그림 Fig. 2. New unloading method with both small horizontal movement and compressed air supply to thin wafers.
그림 Fig. 3. Small movement mechanism using air cylinder (dotted box: linear air cylinder).
그림 Fig. 4. Photograph of attached wafer under vacuum head.
그림 Fig. 5. Photograph of setup nozzle for wafer separation.
그림 Fig. 6. Counted damage trend at the nozzle pressure of 0.55 MPa and vacuum time of 0.9 sec according to the variation of supply speed.
그림 Fig. 7. Counted damage trend at the speed of 600 ea/hr and vacuum time of 0.9 sec according to the variation of nozzle pressure.
표 Table 1. Counted damage at the experimental condition of 600 ea/hr(speed) and 0.55 MPa(pressure) according to the variation of vacuum time.
표 Table 2. Selected 3 factors and 3 levels.
표 Table 3. Experimental results by the full factorial design method.
그림 Fig. 8. Main effects plot of mean damaged wafer.
그림 Fig. 9. Interaction plot of mean damaged wafer.
표 Table 4. Experimental results for repeatability of wafer damage rate at the optimum condition.

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 진공에 의한 흡착 기구 (vacuum suction mechanism)를 적절히 개선하여 웨이퍼의 손상을 최소화시키는 것에 중점을 두었다. 개선된 기구는 수평 방향으로의 미소 이동과 동시에 적재된 웨이퍼의 측면 쪽으로 압축공기를 분사시켜주는 방법이 적용된다.
개선된 기구는 수평 방향으로의 미소 이동과 동시에 적재된 웨이퍼의 측면 쪽으로 압축공기를 분사시켜주는 방법이 적용된다. 또한, 개선된 기구의 검증을 위하여 각종 실험 파라미터가 성능에 미치는 영향도 연구한다.
본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 Fig. 2와 같이 웨이퍼들을 적절히 분리시키기 위한 방법을 도입하였다. 이는 웨이퍼의 측면 쪽으로 압축 공기를 분사함과 동시에 흡착된 웨이퍼를 수평 방향으로 5 mm 이상의 미소한 변위(small displacement)를 주는 방법이다.

제안 방법

두께가 얇은 웨이퍼를 적재시킬 때 웨이퍼의 파손을최소화시키기 위해 압축공기의 분사와 수평방향의 미소이송 기구를 적용한 결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
앞 절의 실험과 같이 영향인자는 웨이퍼의 공급속도, 압축공기의 분사압력, 흡착시간으로 설정하였으며, 이에 대한 수준은 Table 2와 같다. 실험계획의 수준은 앞 절에서 최적이라고 판단되었던 공급속도 600 ea/hr, 노즐 압력 0.55 MPa, 흡착시간 0.9 sec가 포함되도록 하였다. 또한, 분석결과 그림 안에 숫자 표기가 용이하도록 공급속도를 5분당으로 변환시켰다.
)의 실험조건에 대한 실험결과를 보여준다[9]. 실험순서는 실험오차를 줄이기 위하여 랜덤하게 실험(run order)을 진행하였다. 실험 결과인 반응치(response)는 파손된 웨이퍼의 수를 나타낸다.
웨이퍼의 손상에 미치는 영향인자(factor)들을 파악하기 위하여 두께 0.2 mm의 웨이퍼를 적재함으로부터 다른 적재함까지 총 3회(600 ea/1회)에 걸쳐 이동 및 적재시킬 때 웨이퍼의 파손율을 측정하였다.
개선된 기구의 성능을 평가한 것이다. 이 실험은 생산성과 파손율 측면을 고려하여 공급속도 600 ea/hr, 노즐압력 0.55 MPa, 흡착시간 0.9 sec의 실험조건에서 수행하였다.

이론/모형

그러나 이러한 일회 일인자 법도 분석 초기에 해(solution)를 모르는 경우, 대략적으로 해의 위치를 파악하는데 도움이 된다. 본 연구의 실험은 3인자 3수준, 2회 반복의 완전요인배치법(full factorial design method)을 적용한다[8]. 앞 절의 실험과 같이 영향인자는 웨이퍼의 공급속도, 압축공기의 분사압력, 흡착시간으로 설정하였으며, 이에 대한 수준은 Table 2와 같다.

성능/효과

30회의 반복실험 중, 8번과 28번의 실험만 600개의 웨이퍼 중에서 단 1개씩만 파손(파손율; 0.01 %/hr) 되었음을 볼 수 있다.
넷째, 압축공기의 분사와 수평방향의 미소이송 기구를 적용하면 웨이퍼의 파손율을 최소화시킬 수 있다.
둘째, 웨이퍼를 흡착시키데 필요한 시간은 어느 수준 이상이면 웨이퍼의 공급속도에 따른 파손율에는 큰 영향을 미치지 않는다.
따라서 개선된 기구에서의 최적의 실험조건은 공급속도는 600 ea/hr, 노즐압력은 0.55 MPa, 흡착시간은 0.9 sec 라고 판단된다.
셋째, 웨이퍼의 공급속도 600 ea/hr, 압축공기의 노즐 압력 0.55 MPa, 흡착헤드의 흡착시간 0.9 sec의 조건은 실험범위 안에서 최소의 파손율을 보여 준다.
5 sec인 경우를 제외하고는 모두 웨이퍼에 파손이 발생되지 않았다. 이 실험 결과는 적절한 공급속도와 노즐압력에서 흡착시간이 0.9 sec이면 충분함을 보여준다.
8은 각각의 3인자들이 파손율에 미치는 주 효과를 나타낸 것으로서, 수준(x축)에 대한 평균 파손 수(y축)의 기울기가 영향인자에 따라 다르다는 것을 볼 수 있다. 즉, 다른 인자에 비해 기울기가 큰 압축공기의 압력은 파손율에 절대적인 영향을 주고 있으며, 공급속도는 약간의 영향을 미치고, 흡착시간의 영향은 거의 없다는 것을 알 수 있다. 여기서 흡착시간에 대한 웨이퍼의 파손 수(약 150개)가 앞의 실험결과와 다른 것은 노즐압력과 공급속도에 의한 영향이라고 판단된다.
첫째, 동일한 노즐압력에서 웨이퍼의 공급속도가 빠를수록 파손율이 증가하고, 동일한 공급속도에서는 노즐 압력이 낮을수록 파손율이 증가한다.

참고문헌 (9)

J. K., Won, J. H., Lee, J. T., Lee, E. S., Lee, "The Selection on the Optimal Condition of Si-wafer Final Polishing by Combined Taguchi Method and Respond Surface Method," Transactions of the Korean Society of Machine Tool Engineers, Vol.17, No.1, pp.21-28, Feb. 2008.
B. S., Yeb, "Development of Automatic Precision Inspection System for Defect Detection of Photovoltaic Wafer," Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, Vol.20, No.5, pp.666-672, Oct. 2011.
D. H., Lee, C., Lee, S. D., Kim, H. C., Young, "Full Duplex Robot System for Transferring Flat Panel Display Glass," Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, Vol.22, No.6, pp.996-1002, Jun. 2013. DOI: https://dx.doi.org/10.7735/ksmte.2013.22.6.996

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J. H., Kim, "Design of the Air Pressure Pick-up Head for Non-contact Wafer Gripper," Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, Vol.21, No.3, pp.401-407, Jun. 2012.

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J. H., Kim, "Study on Through Paths Inside the Air Pressure Pick-up Head for Non-contact Gripper," Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, Vol.21, No.4, pp.563-569, Aug. 2012. DOI: https://dx.doi.org/10.7735/ksmte.2012.21.4.563

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J. H., Kim, H., Bae, J., Sung, "Factors Affecting Vacuum Suction Performance of a Compact Ejector using Compressed Air," Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, Vol.29, No.4, pp.296-304, Aug. 2020. DOI: https://dx.doi.org/10.7735/ksmte.2020.29.4.296

상세보기
S. M., Jeong, S. M., Jang, "A Design and Development of Multi Air Gun for Suction and Shooting a Jet of Compressed Air," Journal of the Korea Academia-Industrial Cooperation Society, Vol.13, No.11, pp.4944-4949, 2012. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2012.13.11.4944

원문보기 상세보기
D. C., Montgomery, Design and Analysis of Experiments, p.655, John Wiley & Sons Inc. USA, 2009, pp.215-263.
S. B., Lee, Minitab Example-oriented Experimental System, p.431, Iraetech Ltd., 2014, pp.141-159.

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