반도체 장비의 프로세스 안정과 생산성 향상을 위한 액티브 제진 시스템 ①

ETEL

개요

ETEL S.A.에 의해 개발된 액티브 제진 솔루션은 반도체 공정에서 안정성과 처리량을 높인다.

소개

반도체 시장은 신뢰성과 출시 시간, 총원가와 같은 주요 변수에 의해 좌우된다. 총원가는 기계 처리량과 정밀도, 수율과 직접적인 관련이 있다.
반도체 장비는 보통 매우 비슷한 기계 구조를 가진다. 프로세싱 기기를 지지하는 프로세스 플레이트, 처리할 기판을 지지하는 모션 시스템은 모두 화강암(granite)과 연결되어 댐핑 시스템 위에 놓여있다. 그리고 이 모든 것은 바닥에 프레임으로 연결된다(그림 1).

높은 공정 안정성과 작업 처리량을 요구하는 애플리케이션의 경우, 제진 시스템이 매우 중요하다. 제진 시스템의 주요 목표는 다음과 같다.

(1) 바닥에서 오는 진동을 거르고, (2) 스테이지 자체의 움직임으로 발생하는 구동력을 제거한다.

(1)은 완전 수동 시스템을 일정 수준으로 수행하려는 것이며 (2)는 동시에 대안의 운동 시스템 아키텍처(안정된 질량)나 능동 제진 시스템 사용과 관련한다.

지금까지 OEM은 모션 시스템과 모션 제어, 진동 차단 시스템을 자체적으로 결합할 수밖에 없었다. 이 접근법의 한계는 공급 업체가 많다는 것이다. 그 누구도 전체 시스템 성능에 대해 명확한 소유권이 없었다.

그러나 이제, 업계의 한 공급 업체가 이 문제를 해결할 수 있다. ‘전방 통합(Forward Integration)’ 전략의 일환으로 ETEL S.A.는 세계에서 공급력이 큰 모션 시스템 공급 업체로서, 액티브 제진 솔루션을 자체 개발했다(그림 2).

QuiET은 제진 문제에 대한 ETEL의 해법이다. 이 플랫폼은 지상과 스테이지에서 생긴 모든 진동원에 대처할 수 있다.

제진 시스템을 요구하는 주요 이유

장비에 제진 시스템을 도입하는 가장 큰 이유는 바닥 진동 레벨과 관계한다. 기판의 위치 지터(jitter)가 좋지 않으면 공정 안정성에 영향을 미친다.
일부 다른 애플리케이션에서는, 특정 범주의 격리 시스템에서만 수행되는 구동력 제거로 처리량 향상과 그에 따른 이동과 정착 시간을 개선할 수 있다.

바닥 진동 발생원

기계 환경에서 고려해야 할 두 가지 외란 요인이 있다. 외부 진동원(일반적으로 바닥에서 오는 진동)과 운동 시스템 자체 움직임으로 발생한 외란과 관련한 내부 진동원이다.
바닥 진동은 그림 3처럼 여러 다른 원인과 관련한다. 이들 각각은 일반적인 주파수 범위 내에서 작동한다. 이러한 모든 진동은 기계의 바닥에 장착된 장비의 일부를 ‘방해’하여 전체 기계 성능을 저하시킨다. 바닥 품질은 최종 기계 성능에 기여하는 핵심 요인이다.

바닥 품질 측정 항목

바닥의 품질은 일반적으로 ‘VC’ 기준이라고 한다. 공통으로 사용되는 특정 규정에 따라 정의되며 그림 4에 나와 있다.

VC 표준은 서로 다른 수준의 진동 VC-A와 VC-B, VC-C, VC-D, VC-E를 정의한다. 이것은 속도와 주파수의 함수로 나뉜다. 실제로, 그림 4에 도시된 상이한 레벨이 표 1에 요약되어 있다.

패시브 vs 액티브 제진 시스템

물체를 바닥 진동으로부터 격리하는데, 패시브 댐핑이나 액티브 댐핑의 두 가지 옵션이 있다.
패시브 제진 시스템은 스프링과 댐퍼로 구성된다. 댐퍼가 질량/스프링 시스템의 고유 진동수를 감쇠하도록, 스프링은 바닥 진동과 분리되도록 설계되었다. 제진대는 공기 주머니와 발포체(foam), 자성 요소 등 여러 종류가 있다. 패시브 댐핑 요소는 유압이나 공압, 폴리머로 구성된다.

액티브 제진 시스템은 스프링이나, 그것과 유사하지만 센서로 진동을 측정하는 장치로 구성된다. 이 센서 정보는 리니어 모터와 공압 실린더, 유압 실린더와 같은 액티브 구동 댐퍼에 공급된다. 액티브 제진 시스템은 패시브 제진 시스템보다 더 높은 수준으로 진동을 차단한다.

상대 댐핑 vs 절대 댐핑

아키텍처의 선택에 따라 댐핑은 상대와 절대 두 유형으로 나뉜다.

상대 댐핑

상대 댐핑(액티브 또는 패시브)을 제공하는 시스템에서 제진대와 댐퍼는 이동체와 지면 사이에 연결된다.

상대 및 패시브 댐핑 시스템

이것은 울퉁불퉁한 길에서 운전되는 자동차의 일반적인 구성과 같다. 이것은 상대 패시브 댐핑 시스템이다(그림 5).

상대 액티브 댐핑 시스템

그림 6은 액티브 댐핑 시스템의 모션 시스템에 적용된 상대 측정을 보여준다.

절대 댐핑

절대 댐핑을 제공하는 시스템에서 제진대는 이동체를 지면에 연결하고, 댐퍼는 이동체를 절대적이고 고정된 기준점에 연결한다. 측정은 몸체부터 절대 기준점으로 진행된다.

그림 7과 8에서 볼 수 있듯이, 절대 참조는 정지 위성과 같다. 위성은 지표면과 달리 움직이지 않는다. 두 개의 액티브 제진 시스템을 비교할 때, 측정에 사용되는 센서는 시스템을 상대적이거나 절대적으로 만든다. 그림 24처럼, 제진 성능 레벨은 절대 댐핑 시스템이 상대 댐핑 시스템이나 액티브, 패시브보다 좋다.

전달 성능

제진 시스템의 성능을 검증하는 주요 매개 변수는 전달률이다. 전달률(그림 9)은 바닥 진동(XFloor)과 격리 시스템의 화강암(XGranite) 진동의 비율이다.

이 비율로 출력(화강암 변위)과 입력(바닥 변위) 사이의 증폭이나 축소 계수를 알 수 있다.

전달 곡선

전달 곡선은 바닥 진동의 주파수 함수로, 진동 차단 기능이 있다. 그림 10처럼, 이것은 주파수(Hz)의 함수로서 게인(dB)을 보여주는 보드 플롯(Bode plot)으로 나타난다.
그림 10에서, 1~8Hz에서 진동의 증폭이, 8Hz 이상에서 진동의 감소가 보인다. 증폭 영역의 피크는 대개 제진대의 고유 주파수에 해당한다.

전달 곡선 읽기

전달 곡선을 읽을 때 X축은 Hz 단위의 로그 눈금으로 표시된다. 전달 곡선의 기울기는 dB/decade로 표시된다.
일반적으로 질량-스프링 시스템은 높은 주파수에서 –40dB/decade의 제진력을 갖는 제진대다(그림 11).

dB를 댐핑 효율로 변환

dB는 비율을 설명하는 로그 눈금이다. 게인은 다음 공식으로써 dB로 환산한다.

혹은

예를 들어 설명하면 다음과 같다.

•-10dB는 입력 신호와 출력 신호의 비율을 3으로 변환
•-20dB는 입력 신호와 출력 신호 사이의 비율을 10으로 변환
•-40dB는 입력 신호와 출력 신호의 비율을 100으로 변환

스테이지 감도-제어 대역폭

모션 시스템은 위치 피드백과 제어 루프를 통해 외부 교란을 저지한다. 저지는 일반적으로 스테이지 제어 대역폭까지는 매우 좋으며 그 이상이면 크게 저하된다.
이러한 저지 기능을 스테이지의 ‘감도(Sensitivity)’라 한다. 제진 시스템을 나타내는 전달 곡선과 유사하게, 감도 곡선은 주어진 교란을 저지하는 스테이지 용량에 대한 주파수의 함수로 나타낼 수 있다.

궁극적으로 모션 시스템 플랫폼에서 도달하는 위치 안정성은 스테이지 자체의 감도와 그것이 놓인 화강암의 진동 수준의 조합이다.

<다음호에 계속>

자료 제공: ETEL(www.etel.ch)