펌]공기압반송제어

[푸미나안]

기류제어에 의한 비접촉 반송장치와 Fab 라인

최근 반도체, 액정, PDP 분야의 기반기술로 반송장치가 주목받고 있다. 이와 관련, 본지에서는 클린룸 내에서의 공작물 대미지, 균열, 파티클 오염 및 케미컬 오염 등을 대폭 감소시켜 수율을 향상시키기 위한 툴로서 유체역학 효과를 이용하는 비접촉 반송장치에 관하여 기술한다.

秋山泉

개발 배경

1. 반송 시스템의 기본구성
먼저 반도체 및 액정제조 라인에 있어서 반송 시스템의 기 본적인 구성을 설명한다.
① 스토커, 버퍼 스토커 등의 보관 및 일시 보관 부분.
② OHT(Over Head Transfer System), RGV(Rail Guided Vehicle), AGV(Automated Guided Vehicle), PGV(Person Guided Vehicle) 등의 스토커부터 로더부 사이의 Fab 내에서 케이스(또는 캐리어) 단위의 반송, 이른바 배치 반송하는 부분.
③ 로더/언로더, 오토로더, 프론트 엔드, EFEM 등으로 불 리는 케이스에서 로봇 사용에 의하여 1매씩 공작물 (Work；기판)을 꺼내 제조장치 속에 넣고 처리한 후, 공작물을 1매씩 인출하여 케이스에 수납하는 매엽(枚葉) 반송 부분.
④ 롤러 컨베이어에 의해 매엽 반송하는 부분.
⑤ 소터, 소팅스테이션 등의 로봇 사용에 의하여 케이스에 서 매엽 반송으로 공작물을 꺼내고 각 공작물 ID를 인식 하여 호스트 컴퓨터의 지시에 따라 공작물을 고객별 혹 은 레시피별로 지정 케이스의 지정 슬롯에 선별 수납하 는 부분.
⑥ 각 제조장치 내의 매엽 반송을 담당하는 부분.
⑦ 거기에 이들의 각 하드웨어와 호스트 컴퓨터 및 제조장 치를 결부시키는 소프트웨어 담당 CIM의 머티어리얼 핸들링부분.

2. 개발까지의 경위
공작물 사이즈의 대형화슬림화가 진행되는 가운데 상기 반송부의 매엽 반송을 실행하는 부분에서는 진공 흡착이 주 류를 이루었다. 그러나 반도체 분야에서 실행되기 시작한 에 지 그립(Edge Grip)에 의한 매엽 반송보다도 공작물과 엔드 이펙터의 접촉을 대폭적으로 없앤 매엽반송으로 실현할 경 우, 이면의 스크래치나 에지의 크랙 등의 대미지, 파티클 오 염, 케미컬 오염 등을 대폭 감소시키므로 반도체, 액정, PDP 분야의 제조공정에 있어서 수율을 대폭 향상시킬 수 있다고 생각됐다.
그러한 가운데 공동연구개발을 계획, 1995년 8월에 독일 의 스패터 메이커와 초대형 글라스 기판(2,000×1.000mm ×1.1t)의 종형 매엽 반송 테스트를 실행했지만 실용화할 수 있는 레벨은 아니었다.
챔피언 데이터의 비디오 화상과 사양 등의 자료로 하면 간 단하게 실용화할 수 있다고 생각했지만 실제로는 테스트 환 경이 나쁘고 세미클린에서 도어 개폐 시의 차압도 발생하여 글라스 기판은 쉽게 균열되었다. 스테인리스의 가이드로 길 이 상하방향 각 2개소에서 지지하기 때문에 세로방향의 중심 (重心)이 제대로 잡히지 않으면 중심(中心)보다 아래 부분에 정지상태에서도 편 가중이 걸리고 하복부 이하가 凸상태로 밀려나온 것처럼 된다. 이 수직반송은 초대형 글라스의 에지 그립 반송이라는 점에서 획기적이었지만 좋은 결과에 이르지 는 못했다.
당시의 반도체 웨이퍼는 일본에서도 8인치가 주류를 이루 었고 글라스 기판 사이즈는 제4세대(650×550mm×1.1t or 0.7t)가 주류를 이루었지만 로봇에서 진공 흡착을 실행하는 접촉 반송으로 글라스 기판을 핸들링하는 데 급급했다. 반도 체 웨이퍼 반송에 있어서 에지 그립 매엽 반송이 다소 시행되 기 시작했지만 새로운 반송방법을 연구 개발하는 바와 같은 시간적인 여유는 전혀 없었다.
2000년을 맞이하면서 반도체산업에 있어서 300mm 웨이 퍼에의 투자가 활발해져 슈퍼 실리콘 사이즈(500mmØ)에의 전망도 보이기 시작했다. 액정산업도 4.5·5·5.5세대 (1,100×1,300mm×1.1t or 0.7t)의 글라스 기판 사이즈 Fab에의 투자가 시작되었으며 대형화된 6.5·7·8세대에의 투자 전망이 보이기 시작했다. PDP 산업에서는 글라스 기판 사이즈의 대형화에 투자하여 액정과의 경합으로 슬림화가 진 행되었다.
반도체 웨이퍼, 액정 글라스 기판 및 PDP 글라스 기판의 각 사이즈가 초대형화되고 또한 경량화에 따른 초슬림화 경 향에 대해 진공 흡착방식이나 에지 그립 방식 등의 공작물과 엔드 이펙터가 접촉하는 종래의 로봇 반송은 한계에 도달했 다. 로봇 반송은 진공 흡착방식 및 에지 그립 방식을 주체로 한 접촉 반송이므로 공작물과 엔드 이펙터의 접촉빈도가 필 연적으로 증대되고 각 공작물 이면의 흡착 패드 흔적, 이면 및 에지의 스크래치, 크랙 등의 대미지, 파티클 오염, 케미컬 오염, 정전기에 의한 대미지, 진동 및 충격에 의한 대미지 등 이 증대되어 최종 제품의 수율을 악화시키고 있다.
그래서 이러한 대미지 및 오염을 최소한으로 억제하고 수 율을 높이기 위한 기술혁신이 요구되고 있으므로 조건을 모 두 충족시키는 것이 비접촉 매엽 반송이라 결론지었다. 반도 체용으로는 엔드 이펙터로 가공할 수 있고, 액정용으로는 로 봇과 다른 반송을 가능케 하며 또한 PDP용으로는 로봇과 달 리 중량 공작물을 반송할 수 있게 하는 등의 조건을 만족시킬 수 있는 매엽 비접촉 반송을 가능케 하는 것으로, 에어 사용 에 의한 유체역학 효과를 이용하는‘기류분출구’를 개발한 것 이다(사진 1).


사진 1. 비접촉 반송기(글라스 반전기)

기류분출구에 의한 비접촉 반송의 특징

1. 위치결정 정밀도
다른 메이커의 개발 제품은 에어 부상으로 비접촉 반송을 실현하고 있지만 기류가 공작물에 직접 분출되거나 와류를 베이스로 하는 등, 기류제어를 극히 미세하게 실행하고 있지 않기 때문에 정지 정밀도가 낮아져 있으며 에지부에서의 접 촉부분을 많이 잡아야 하므로 위치결정 정밀도를 올리기 위 해서는 에지의 접촉이 반드시 필요하다.
그러나 필자가 개발한 기류분출구에서는 와류를 사용하지 않으므로 공작물과 기류분출구의 극간이 안정적으로 유지 될 뿐만 아니라 기류가 공작물에 직접 닿지 않도록 연구, 기 류제어를 극히 세밀하게 유지하고 있다. 때문에 정지 정밀 도를 높일 수 있고 위치결정 정밀도도 저절로 높아진다.

2. 극간 정밀도
다른 메이커의 직접 반송은 강한 기류를 공작물에 직접 분 출하거나 와류를 공작물에 분출하고 기류제어도 대략적으로 하고 있어 공작물과 기류분출구와의 극간이 위아래로 움직이 고 있기 때문에 극간 정밀도는 에지의 접촉부분을 증가시키 지 않는 한 높아지지 않는다. 기류분출구에서는 와류를 사용 하지 않고 기류도 공작물에 직접 분출하지 않으며 세밀한 기 류제어를 실행하므로 공작물과 기류분출구와의 극간이 안정 되어 극간 정밀도가 매우 높아진다.

3. 에어 소비량
기류분출구는 위치결정 정밀도 및 극간 정밀도를 높이기 위해 다른 메이커보다 에어의 소비량을 매우 낮게 하고 있다.

4. 진동
기류분출구는 높은 위치결정 정밀도, 높은 극간 정밀도, 낮 은 에어 소비량을 달성함에 따라 요동 폭이 억제되어 저진동 비접촉 반송을 실현했다.

5. 소음(노이즈)
기류분출구는 높은 위치결정 정밀도, 높은 극간 정밀도, 낮 은 에어 소비량 및 저진동을 달성함으로써 보다 낮은 소음으 로 억제할 수 있게 됐다.

6. 정전기
기류분출구는 공작물에 스트레스 레이트로 기류를 분출하 지 않기 때문에 정전기는 비접촉 반송 전후에 차이가 없어 반 송에 의한 대전량은 거의 ±0이다.

7. 기체
비접촉 반송에서 사용되는 기체는 질소, CDA(Chemical Air) 등이다.

적용 예

제조장치 내 매엽 반송도 포함하여 로더 기능을 베이스로 한 공작물 부분 이재에 적용하는 경우가 대부분이지만 그밖에 스토커에서 각 제조장치 사이의 Fab 내 주요 반송에도 비접 촉 반송을 적용할 수 있다. 이것을 완성시킴으로써 대미지 및 오염을 대폭 감소시킬 수 있으며 수율을 향상시킬 수 있다.

1. 위치결정 정밀도
(1) 완전 매엽 액정PDP 글라스 기판 비접촉 반송 이재기
액정PDP Fab 내의 주요 글라스 반송장치에 있어서 비접 촉 반송 플레이트에 의해 매엽에서 5.5세대 이상의 글라스 기 판을 평탄상태로 한 채 플레이트와 글라스 기판의 간극을 50~400㎛ 정도로 열고, 비접촉상태 Z축에서 위쪽으로 200~300mm 끌어올리며 θ축을 사용하여 90°선회시키고 X축을 사용하여 글라스 기판의 긴 변 1스트로크분 이상 반송 함으로써 제조장치 측의 소정 위치에 글라스 기판을 이동시 키는 완전 매엽 액정PDP 글라스 기판 비접촉 반송장치이다 (사진 2).


사진 2. 글라스 이재기

(2) 완전 매엽 비접촉 글라스 반전기
Fab 내의 주요 액정PDP 글라스 반송장치에 있어서 비접 촉 반송 플레이트에 의해 매엽에서 5.5세대 이상의 글라스 기 판을 아래로 매달고 평탄도는 플레이트와 글라스 기판의 간 극을 50~400㎛ 정도 열어 비접촉상태에서 회전축을 사용하 여 반전시키는 완전 매엽 비접촉액정PDP 글라스 반전장치 이다(사진 3). 정지위치는 75, 90, 180°등 임의의 위치이다.


사진 3. 글라스 반전기

(3) 로더/언로더
이 장치는 웨이퍼 이재기의 일종으로 FOUP에서 웨이퍼 이 재 로봇의 비접촉 엔드 이펙터에 의해 비접촉상태에서 웨이퍼 를 인출하고, 비접촉 프리얼라이너에 의해 비접촉상태에서 얼 라인(위치결정)한다. 그 후, 호스트 컴퓨터 또는 제조장치의 요구에 따라 터치패널 상의 메뉴에서 선택된 모드로 각 웨이 퍼를 웨이퍼 반송 로봇의 비접촉 엔드 이펙터에 의해 비접촉 상태로 제조장치 내 웨이퍼 스테이지에 놓고, 가공처리 후에 웨이퍼를 장치 안에서 비접촉상태로 인출하여 FOUP의 소정 슬롯에 수납하는 장치이다(사진 4). 엔드 이펙터는 비접촉상 태에서 반전할 수도 있다.


사진 4. 웨이퍼 로더/언로더

(4) 웨이퍼 소터
웨이퍼 이재기의 일종으로 센더 측 FOUP에서 웨이퍼 이 재 로봇의 비접촉 엔드 이펙터에 의해 비접촉 상태로 웨이퍼 를 인출하고, 비접촉 프리얼라이너에 의해 비접촉 상태로 얼 라인하여 OCR 등의 특수 광학기기에 의해 각 웨이퍼 상의 ID를 판독 인식한다. 그 후, 호스트 컴퓨터 또는 제조장치의 요구에 따라 터치 패널 상의 메뉴에서 선택된 모드로, 웨이퍼 반송 로봇의 비접촉 엔드 이펙터에 의해 각 웨이퍼를 비접촉 상태로 리시버 측 FOUP의 소정 슬롯에 집합시키거나 분산 시키는 장치이다(사진 5). 엔드 이펙터는 비접촉상태에서 반 전할 수 있다.


사진 5. 극박 웨이퍼의 소터

2. 반송 셔틀과 반송 플로
(1) 완전 매엽 비접촉 반송 셔틀
글라스 기판 및 반도체 웨이퍼의 비접촉 반송 셔틀을 그림 1, 그림 2에 나타낸다.





Fab 내 투입 스토커에서 비접촉으로 글라스 또는 웨이퍼를 매엽 인출하여 X축 장착의 비접촉 공작물 유지기능을 구비한 제1 셔틀로 옮긴다. 제1 셔틀은 공작물을 비접촉상태로 유지 한 채 스토커에서 제1 제조장치의 인렛(Inlet；공작물 입구) 으로 이동하여 공작물을 제1 제조장치 내로 옮기고 스토커로 복귀한다.
제2 셔틀이 제1 제조장치 처리 후의 공작물을 아웃렛에서 비접촉 상태로 인출, 유지한 채 제2 제조장치의 인렛으로 이 동하고 제2 셔틀은 공작물을 비접촉으로 제2 제조장치 내로 이재한 후 제1 제조장치의 아웃렛으로 복귀한다. 이 일련의 동작을 반복하여 실행하고 각 제조장치 사이를 셔틀링하여 출하 스토커에 최종처리 후의 공작물을 비접촉 반송으로 수납해 간다. 공작물은 비접촉으로 셔틀 아래에 매 달거나 위로 부상시키거나 혹은 수직으로 세워진 상태에서의 셔틀링도 가능하다. 이러한 시스템에 의해 공작물과 엔드 이 펙터의 접촉빈도가 가장 높은 Fab 내의 주요반송 라인도 비 접촉 반송에서 대미지나 오염을 대폭 감소시키면 수율을 크 게 향상시킬 수 있다.
(2) 완전 매엽 비접촉 반송 플로



완전 비접촉 반송 플로(그림 3)는 Fab 내의 스토커에 있어 서 각 제조장치 사이의 주요 반송장치에서 벨트 컨베이어로 대체하는 것이다.
공작물을 수평인 상태로 위를 향한 채, 아래로 매달린 채, 혹은 수직인 채 비접촉 반송하는 대상의 플로이다. 당연히 임 의의 각도에서의 비접촉 유지 반송도 가능하다.
이 플로는 스루풋이 벨트 컨베이어와 같이 빠르며 각 제조 장치 앞에 비접촉 반송 전용 로더/언로더가 필요하지만, 초대 형 로봇의 접촉 반송 로더/언로더보다는 코스트 면에 있어서 도 저가이고 또한 기동도 로봇 장착형보다 단시간에 이루어 진다.

앞으로의 방향

반도체 웨이퍼, 액정 글라스 기판, PDP 글라스 기판이 초 대형화초박형화되고 로봇 반송에서는 진공 흡착방식, 에지 그립 방식을 사용하고 있기 때문에 접촉 반송에 의한 이면의 패드 흔적, 스크래치, 진동, 충격 등의 대미지와 파티클 케미 컬 오염 등이 대폭 증가한다. 때문에 최종 제품의 수율이 악 화되고 로봇 반송의 한계가 도래하여 비접촉 반송의 양산 라 인 적용이 기대되고 있다.
(1) 반도체의 동향
반도체 Fab에서는 300mm 이상의 웨이퍼에 대해, Fab 사 이에서는 FOSB에, Fab 내에서는 FOUP에 25매를 넣어 운 반하고 있다.
가공 후의 케이스 내 온도차에서 발생하는 웨이퍼 이면의 결로방지를 위해 스톡해둘 경우, 케이스 안에 질소나 CDA를 충전하는 퍼지 포트(Purge Port) 사용을 SEMI에서 인정하 는 방향으로 진행되고 있다.
이면의 결로 유기오염을 막았다고 해도 진공 흡착이나 에 지 그립으로 접촉 반송하면 대미지, 오염, 정전기로부터 웨이 퍼를 지킬 수 없기 때문에 처음에는 예전 로봇에 비접촉사양 의 엔드 이펙터를 사용한 후 스타트하지만 웨이퍼는 대구형 화슬림화에 따라 로봇을 사용하지 않는 비접촉 반송이 주류 를 이루게 될 것이다.
(2) 액정의 동향
액정 글라스 기판은 긴 변이 2m를 넘어 대형화되고 또 두 께도 0.5mm 이하를 실현하는 경향으로 되어 이제는 로봇 반 송이 불가능해지고 있다. 오염, 진동, 충격, 대미지, 정전기로 부터 글라스 기판을 지키기 위해, 또 패널의 수율을 향상시키 기 위해서도 비접촉 반송에 의한 인라인에 가까운 반송방식 이 요구되고 있다.
(3) PDP의 동향
PDP는 액정 제품과의 격심한 시장경쟁에 의해 제품 중량 을 대폭 경량화시키고 수율을 향상시켜야 하므로 롤러 컨베 이어에 의한 접촉 반송에 의해 발생되는 대미지, 오염, 충격, 진동, 정전기를 대폭 줄이기 위해 비접촉 반송에 의한 인라인 식 반송방식이 시급히 요구되고 있다.

출처 : Tong - 에조™님의 반도체공정 및 제조장치통