반도체 장비 제조업체(OEM)와 FAB 엔지니어를 위한 리니어 모션시스템의 효과적인 운영 방법

Schneeberger

반도체 제조업체는 시장에 대응하기 위해 기술, 프로세스, 워크플로 및 수율에서의 개선을 지속적으로 추구한다. 그러나 이러한 개선에는 라인 가동이 성공하는 것에만 국한되지 않고 고장 가능성을 방지하는 것도 포함된다.

반도체 Fab 프로세스에서 리니어 모션시스템과 같이 사소한 것처럼 보이는 구성에 대한 개선과 보호 장치를 무시하면 제조 전체에 영향을 받을 수 있다. 따라서 Fab 관리자와 이를 공급하는 장비 제조업체는 이를 항상 유의해야 한다. 본문은 리니어 모션시스템의 선정, 설계, 설치 및 유지 관리에 대한 효과적인 방법을 소개한다.

요약

전 세계의 반도체 엔지니어링 관리자들은 안정적인 리니어 모션이 절대적으로 필요한 운영 요소라고 말한다. 이는 Fab 관리자와 장비 공급업체가 프로세스 전반에 걸쳐 리니어 모션 구성요소 또는 시스템에서 고장 위험도 모니터링을 해야함을 의미한다. 예를 들면 계측, 와이어 또는 다이 본딩, 웨이퍼 다이싱 및 스크라이빙 또는 패키징 장비들이다.

고장에 의한 비용은 상상을 초월한다. 단일 부품이나 시스템의 고장은 단기간의 다운타임에도 수십만 달러의 비용이 들 수 있다. 물론 수리 또는 교체에 대한 위치, 심각도 및 응답 시간에 따라 비용은 훨씬 많이 증가할 수 있다.

아울러 인적 안전 위험도 가장 중요한 관심사다. 설계결함이나 작동 안전장치를 따르지 않으면 끼임에서 폭주 단계에 이르기까지 모든 안전사고가 발생할 수 있으며, 기계에 부딪쳐 부상하거나 감전으로 인한 손상까지 초래할 수 있다.

사양 및 디자인

우선, 리니어 모션 제조시설은 Fab에서의 일관된 웨이퍼 수율을 보장하기 위해, ISO 인증을 받는 것이 중요하다. 또한 세심한 프로토타입 제작은 모션의 완성도 또는 시스템의 성능과 안정성을 유지하는 데 도움이 된다.

조립 또는 테스트에서 작고 중요한 단계가 누락되거나 제대로 수행되지 않으면 궁극적으로 현장에서 시스템 고장이 발생할 수 있다. 따라서 장비 제조업체는 경험이 풍부한 고품질 리니어 모션 공급업체와 거래하고 있는지 확인해야 한다.

또한 구성요소의 수명계산을 올바르게 수행해야 한다. 듀티 사이클은 Fab마다 다를 수 있기 때문에 리니어 모션의 경우 수명은 이동 킬로미터로 표시된다. 리니어 모션 업체는 이를 제품에 맞게 변환해야 한다. 예를 들어, 케이블은 50밀리미터 이상의 굽힘 반경(bend radius)이 유지되는 경우 1천만 회 이상의 굴곡 주기(flex cycles)를 지정한다.

그러나 굽힘 반경의 크기가 적절하지 않으면 케이블에서 떨어지는 미립자 또는 케이블 트랙과 커넥터에 가해지는 응력으로 인해 Fab에서 조기 고장이 발생할 수 있다(특히 유지관리 일정이 엄격하게 준수되지 않는 경우)많은 장비 제조업체는 장비를 업데이트 또는 차세대 플랫폼으로 교체하기 전에, 5~7년의 안정적인 서비스를 제공하는 목표를 설정한다.

맞춤화 고려

부품은 장비 제조업체가 반도체 Fab을 위해 구축하는 어셈블리에서 중요한 역할을 한다. 그러나 우려사항은, 기존의 리니어 모션 스테이지가 Fab 공급업체의 다른 구성요소와 잘 조화되어 정확히 작동할 수 있는지 여부다. 예기치 않은 비호환성이 발생할 수 있기 때문이다.

종종 맞춤형 제품만이 Fab의 특정 요구사항에 궁극적으로 충족할 수 있다. 맞춤화를 통해 장비 제조업체는 Fab가 필요로 하는 단계의 설계 측면, 즉 속도에서 가속 및 안정성에 이르기까지 정확하게 구현하는 데 집중할 수 있다. 기성제품에서 표준으로 제공되는 불필요한 기능을 제거하여 비용을 절감할 수도 있다. 또한 모르고 있는 비호환성 문제가 제거된 통합 솔루션을 보장받을 수 있다.

장비 공급업체는 리니어 모션 제조업체로부터 주문에 맞는 프로토타입인지 살펴봐야 한다. 이러한 맞춤화는 제품의 결점을 예측 및 방지할 뿐만 아니라, Fab 전체에서 잠재적인 장애물을 피하고, 모든 라인에서 고장을 방지하는 데 필수적이다. 그리고 맞춤화는 작업에 필요한 정확한 크기, 모양, 코팅 또는 재료로 제품을 특화해야 한다. 그리고 정확도, 속도, 평탄도, 예압, 서비스 수명, 유지관리 수준 및 가격에 대한 목표를 충족하는 솔루션으로 의도해야 한다.

때로는, 보다 혁신적인 재료가 특정 맞춤형 설계의 위험을 줄이는 데 도움이 될 수도 있다. 예를 들어, 탄소섬유 구조는 구조적 강도, 강성 및 안정성을 최적화할 수 있으며 세라믹 베어링은 특정 윤활문제에 대한 솔루션이 될 수도 있다.

구성품

반도체 제조시설로 향하게 되는 리니어 모션부품이 장비 제조업체 현장에 도착하게 되면 여러 리스크가 발생할 수 있다. 리니어 모션 제조업체는 여기서 발생되는 문제해결을 위해 호출될 수 있다. 리니어 모터는 레일에서 움직이는 코일이 이동 중 한 지점에서 해당 레일과 마찰하는 바인딩 문제(binding problem)를 겪을 수 있다. 이것은 코일이 레일에서 약간 벗어나는 삐걱거림으로 인해 발생한다. 또는 움직이는 스테이지의 한 부분이 부딪혀 뒤틀림이 발생할 수 있다.

장비에 큰 툴 시스템을 구성할 때, 너무 긴 나사를 사용하면 슬라이드가 밀리게 되고 이로 인해 다른 슬라이드도 밀려나게 됨으로써 작동 중의 예측할 수 없는 긁힘 등의 위험을 초래할 수도 있다. 또는 추가 케이블을 실행하기 위해 코일의 나사를 해체한 후, 재체결 시에 나사를 잘못 조일 수 있다. 이와 같은 사고는 Fab에서 작은 성능문제부터 모터 손상 및 가동중지에 이르기까지 다양한 위험을 초래한다.

표면처리는 세심한 주의가 필요한 영역이다. 공차는 모든 면에서 일치해야 한다. 어떤 경우에는, 장비 툴을 만드는 업체가 리니어 모션 구성요소의 평탄도를 0.0005인치(12.7미크론)로 요구할 때가 있다.

그리고 툴 제작자는 그 부품을 0.005인치(127미크론)의 평면도를 가진 더 큰 어셈블리에 볼트로 고정한다. 이때 스테이지가 뒤틀리는 것은 거의 감지할 수 없다. 그러나, 고정밀 카메라로 웨이퍼 검사를 수행하기 위해 도구를 배치할 경우 초점이 Fab의 원하는 사양을 충족하지 못하게 된다.

전기 접지

장비 제조업체가 차후 문제를 방지하기 위해 리니어 모션시스템의 모든 구성 요소에 적절한 전기 접지가 있는지 확인해야한다. 이를 간과하면 작업자에게 감전 위험이 발생할 수 있다. 시스템 성능에 큰 영향을 미칠 수도 있다.

접지 경로를 통해 피드백을 하는 시스템의 접지 루프는 인코더에 잘못된 판독을 유도하여, 구성요소의 1mm 움직임이 컨트롤러 레지스터는 100mm의 이동을 기록할 수 있다. 예로, 스크라이빙 도구가 잘못된 위치에서 절단을 할 수 있거나, 칩이나 전체 웨이퍼를 손상시킬 수 있다.

효율적인 통합

Fab 고객에게 가장 높은 신뢰성의 제품을 제공하기 위해 장비 제조업체는 장기적으로 생각하고 예방해야 한다. 하역장에 부품이 도착하기 전에 위험을 제거해야 한다. 최고의 단일 구성요소에 집중하기보다는, 바닥에서부터 측정 지점까지의 하나의 완전한 계측 솔루션을 생각해야 한다. 즉, 부드러움과 높은 속도를 제공하는 고성능 크로스 롤러 베어링 외에도 전체 어셈블리 차원에서의 솔루션이 필요하다. 스테이지만이 아니라 스테이지가 장착되는 프레임과 최첨단 완충 장치도 함께 제공되어야 한다. 이러한 종류의 통합 기술을 통해 구성요소의 운동과 모든 주변 진동을 확실하게 제어할 수 있다.

그러나, 장비에서 사고를 일으킬 가능성이 가장 큰 부분은 리니어 모션시스템을 제어하고 구성하는 것이다. 여기서 부적절한 배선과 같은 문제가 발생할 수 있다. 그러나 가장 주의가 필요한 것은 제어를 프로그래밍하고 하드웨어와 소프트웨어를 통합하는 단계이다.

제어자는 다음과 같은 사항을 사전에 점검해야한다. 스테이지가 재고 구매인 경우, 모든 리미트 스위치(스테이지의 이동제한을 위한 하드 스톱과 같은 지점에 도달할 때, 스테이지를 보호하기위해 온 또는 오프 상태를 트리거함)가 옵션으로 주문됐는지 이다. 이것이 모두 적절하게 설정되고, 올바른 방향으로(적용되는 경우 왼쪽 또는 오른쪽 핀에 플러스 또는 마이너스 제한이 전송됨) 컨트롤러에 연결되었으며 사용됐는지 이다. 전류제한이 적절한 수준으로 설정되어 있는지, 스테이지가 올바르게 조정되었는지, 속도가 제한되어 시스템 구성요소의 지정된 제한을 초과하지 않는지도 확인해야 한다.

극단적으로, 이 실수는 Fab에서 폭주 단계로 이어질 수도 있다. 부품은 컨트롤러와의 통신이 끊기고 스스로 움직이기 시작한다. 아마도 원하는 거리를 넘어서 기계의 다른 부품에 영향을 끼치게 될 것이다.

더욱 가능성이 높은 시나리오는 제어 설계를 감독하지 않으면 과전류 상황이 발생하고 모터 손상이 발생할 수 있다는 것이다. 제한이 적절하게 지정되지 않고 이동하는 동안 스테이지나 테이블과 같은 구성요소가 레일에서 예상치 못한 무언가(떨어진 나사, 작업자의 손, 이동 끝 등)에 의해 물리적으로 방해를 받는 경우 모터가 손상될 때까지 점점 많은 암페어를 소모한다. 결과적으로 가동 정지, 분해, 교체로 이어지며 이 모두 Fab의 가동 중지와 비용을 발생시킨다.

제어 설계자가 리니어 모션 장비가 작동 중에 발생할 수 있는 모든 가능한 상황을 고려하지 않으면 훨씬 복잡한 문제가 발생할 수 있다. 예를 들어, 3축 리니어 모션 구성요소는 모든 작업을 수천번 반복하면서 완벽하게 수행한다. 그러나 X, Y 및 Z 축이 모두 동시에 가장 낮은 이동 지점에 있는 경우처럼 리미트 스위치가 설정되지 않은 구성에서는 움직이는 요소가 주변 환경과 충돌할 수 있다.

문제점

리니어 베어링은 지속적인 동적 및 정적 하중을 수용하는 데 탁월하다. 하지만 리니어 모션 구성요소가 고속으로 무언인가에 부딪히면 충격 하중이 발생할 수 있다. 그러한 단일 타격은 시스템의 모든 베어링을 파괴할 수 있다. 장비 제조업체는 리니어 구성품이 Fab에서 심각한 문제를 일으킬 수 있는 작은 사항에도 주의를 기울여야 한다.

Fab 클린룸 표준을 충족하려면, 오일과 잔류물을 모든 부품에서 미리 제거해야 한다. 가장 작은 미립자라도 Fab 운영 중에 웨이퍼에 회로를 적용하는 것부터 계측 장비를 통한 검사에 이르는 프로세스를 저하시키거나 망칠 수 있다. 사전 청소는 고해상도 광학 장치의 얼룩이나 회로 경로에 떨어진 입자의 위험을 제거한다.

가스 방출로 인해 탄성물질(고무 성분)이 오일, 첨가제, 물 또는 기타 화학 물질과 같은 물질을 방출할 수 있다. 시스템 구성요소에 박막으로 증착되면 전자 장치 내부, 광학 표면 등에 큰 피해를 줄 수 있다. 이를 방지하기 위해 민감한 구성 요소는 미리 처리해야 한다. 일부 경우, 관통나사(vented screw)를 사용하여 조립해야 한다. 나사 끝부분에 오염될 수 있는 작은 공기 주머니가 끼지 않도록 해야 한다. 다. 엄격한 ISO 요구사항을 충족해야 하는 포지셔닝 시스템 구성의 첫 번째 질문이 클린룸 환경에서 제조했는지는 여부다.

마지막으로, 통합 측정 시스템을 평가할 때 값비싼 압축공기 퍼지시스템 없이 작동 환경에서 사용할 수 있는지를 확인해야한다.

추가된 복잡성은 시스템에 여러가지 고장 가능성을 그대로 추가한다.

운송 및 설치

리니어 모션시스템의 충격하중에 대한 상대적으로 낮은 저항은 앞에서 논의되었다. 가장 큰 위험은 다음의 세 개 기간에 발생한다.

1) 리니어 모션 공급자에서 장비 제조업체로 운송하는 과정

2) 시스템이 도착하여 장비에 통합되는 과정

3) 완성된 장비 어셈블리를 팹으로 운송하고 정해진 공간에 설치하는 과정

신뢰할 수 있고 경험이 풍부한 리니어 모션 공급업체는 첫 번째 단계에서 충격 손상의 가능성을 크게 줄인다. 공급업체 전문가는 제조공간의 제약을 조기에 파악할 수 있으므로 클린룸이나 제조 현장에서 쉽게 조립할 수 없는 너무 크거나 무거운 스테이지를 설계하지 않는다. 또한 운송 장비 사용(크레인형 등)을 계획하여 무대를 상자에서 도구로 안전하게 운송하며 현장 직원의 부상 위험과 손상 위험을 최소화한다.

 첫 번째 단계와 두 번째 단계 모두에서 리니어 모션 공급업체는 운송 상자 및 포장 시스템 사례들을 참고해야 한다. 한 선도적인 공급업체는 운송을 위해 두 개로 나누어 시스템을 포장한다. 그런 다음 섬세한 운송을 위해 특수 장비와 카트를 제공한다.

세 번째 단계에서 시스템을 위에서부터 아래의 장비 어셈블리에 배치하는 경우는 크레인으로 충분할 수 있다. 까다로운 측면 하중 조정이 필요한 경우 공급업체는 장착이 완료될 때까지 장비 측면에 볼트로 고정할 수 있는 특수 챔버 상자를 제공한다.

마지막으로, 설치하는 동안 리니어 모션시스템 또는 장비에 필요한 수동 조치(예: 엘라스토머 풋 또는 패드) 또는 댐퍼(센서 조정 에어백 시스템)를 장착하여 과도한 위험 또는 후속 Fab의 충격 또는 진동을 줄일 수 있다.

진동

장치가 작동할 때 주변의 다른 장비나 인접도로를 지나가는 대형 트럭과 같은 외부 환경에서 발생하는 Fab 바닥의 진동은 초정밀 리니어 모션 구성 요소에 위험이 된다. 웨이퍼 소자에 일정 두께의 코팅을 추가하는 과정에서도 과도한 진동은 방해가 된다. 위에서 언급한 능동 또는 수동 조치 및 댐핑 시스템을 전략적으로 배치하면 이러한 위험을 줄일 수 있다.

윤활

리니어 모션시스템은 정기적인 유지관리가 항상 중요하다. 효과적인 유지관리의 핵심은 첫 번째도 윤활, 두 번째도 윤활이다.

모든 리니어 모션시스템 공급업체는 지정된 재윤활 서비스 주기로 제품을 공급한다. 그러나 Fab에서 보고된 많은 문제는 권장 주기를 따르지 않아서 발생한다. 필요한 윤활이 없으면 마찰응력이 증가하고 결국 시스템 정지 또는 모터 손상과 같은 매우 큰 이벤트가 발생한다. 또 다른 윤활문제는 Fab의 많은 리니어 모션 구성요소가 진공 챔버에서 작동한다는 사실에서 발생한다. 이 환경에서는 고도로 전문화된 진공 그리스가 필요하다.

그러나 사용하는 모든 진공 그리스가 똑같지 않다. 실제로 시스템에 따라 Klüber, Barrierta 및 Krytox와 같은 다른 그리스가 필요할 수 있다. 주의: 각 기계에는 올바른 그리스만 사용해야 한다. 호환되지 않는 오일이나 그리스를 혼합하지 않도록 세심한 주의를 기울여야 한다. 이렇게 섞이면 필요한 점도가 변경된다. 그 결과 끈적끈적한 시멘트 같은 재료가 기계에 쌓이게 된다. 과도하게 구부러진 케이블이나 케이블 캐리어 또는 손상된 웨이퍼로부터 미립자가 생겨나면, 레일 고장이 발생한다.

성능 로드맵

리니어 모션 제조업체는 장비 제조업체와 Fab 요구에 부응하여 성능 한계를 뛰어넘기 위해 항상 노력한다. 우수한 리니어 모션 공급업체는 현재 요구사항에 맞게 설계할 수 있을 뿐만 아니라, Fab의 차세대 장비에 맞는 설계를 위해 ‘성능 로드맵(performance roadmap)’을 제공할 것이다.

결론

리니어 모션시스템은 전체 장비 제품에 핵심적인 요소는 아니다. 또한 반도체 Fab 관리자가 최우선으로 생각하는 관심사도 아니다.
그러나 리니어 모션의 고장은 장비제조업체와 Fab에 심각한 문제를 초래할 수 있다. 설계, 설치, 운영 및 유지관리에 대한 합리적인 관심은 Fab의 지속적인 성공에 핵심적인 역할임을 잊지 말아야 한다.

자료 제공: Schneeberger(ww.schneeberger.com)