Fab 엔지니어를 위한 리니어 모션 시스템 선정·설계·유지관리 방법

거센 경쟁에서의 압력과 기하급수적인 시장 성장에 대응하기 위 해 반도체 제조업체는 기술, 프로세스, 워크플로 및 수율에서의 개선을 지속적으로 추구해야 한다. 그러나 개선은 성공하는 것에 만 국한되지 않고 고장의 가능성을 방지하는 것도 포함된다. Fab 프로세스에서 리니어 모션 시스템과 같이 사소한 것처럼 보이는 구성 시스템에 대한 개선과 보호장치를 무시하면 제조 전체에 영 향을 미칠 수 있다. 이는 작은 것에서부터 매우 치명적인 것까지 다양하다. 따라서 Fab 관리자와 이를 공급하는 장비 제조업체는 항상 유의해야 한다. 이번 기사는 문제가 발생하기 전에 이를 방 지하기 위해 리니어 모션 시스템 선정, 설계, 설치 및 유지 관리에 대한 방법을 소개한다.


고장 위험, 미리 모니터링 해야

전 세계의 반도체 엔지니어링 관리자 및 관련 임원들은 안정적인 리니어 모션이 절대적으로 필요한 운영 요소라고 말한다. 예방의 관점에서 이는 Fab 관리자와 장비 공급업체가 프로세스 전반에 걸쳐 리니어 모션 구성요소 또는 시스템에서 비교적 드문 고장의 위험도 모니터링을 해야 함을 의미한다. 예를 들면 계측, 와이어 또는 다이 본딩, 웨이퍼 다이싱 및 스크라이빙 또는 패키징 장비들이다.
고장에 의한 비용은 상상을 초월한다. 단일 부품이나 시스템의 고장은 상대적으로 단기간의 다운타임 이벤트에도 수십만 달러 의 비용이 들 수 있다. 물론 수리 또는 교체에 대한 위치, 심각도 및 응답 시간에 따라 비용이 훨씬 더 많이 증가할 수 있다. 인적 안전 위험도 또 다른 가장 중요한 관심사이다. 가끔은 설계 결함 이나 작동 안전장치를 따르지 않으면 끼임에서 폭주 단계에 이르 기까지 모든 것이 발생할 수 있다.


사양 및 디자인

우선, 리니어 모션 제조시설은 Fab에서의 일관된 웨이퍼 수율을 보장하기 위해, ISO 인증을 받는 것이 중요하다. 또한 세심한 프 로토타입 제작은 완성된 모션 구성요소 또는 시스템의 성능 및 안 정성을 유지하는 데 도움이 된다. 조립 또는 테스트에서 많은 작 고 중요한 단계가 누락되거나 제대로 수행되지 않으면 궁극적으 로 현장에서 시스템 고장이 발생할 수 있다. 따라서 장비 제조업 체는 경험이 풍부한 올바른 고품질 리니어 모션 공급업체와 거래 하고 있는지 확인해야 한다.
또한 구성요소의 수명계산을 올바르게 수행해야 한다. 듀티 사 이클은 Fab마다 다를 수 있기 때문에 많은 리니어 모션 구성요소 의 경우 서비스 수명은 이동 킬로미터로 표시된다. 리니어 모션 업체는 이를 제품에 맞게 변환해야 한다.


맞춤화 고려

기성 부품은 장비 제조업체가 반도체 Fab을 위해 구축하는 많은 어셈블리에서 중요한 역할을 한다. 그러나 예기치 않은 비호환성이 발생할 수 있다. 종종 맞춤형 제품만이 Fab의 특정한 성능의 요구사항에 궁극적으로 충족할 수 있다. 맞춤화를 통해 장비 제조 업체는 Fab이 필요로 하는 단계의 설계 측면, 즉 속도에서 가속 및 안정성에 이르기까지 요소를 정확하게 구현하는 데 집중할 수 있다. 기성제품에서 표준으로 제공되는 불필요한 기능을 제거하 여 비용을 절감할 수도 있다. 또 모르고 있는 비호환성 문제가 제 거된 통합 솔루션을 보장한다.
장비 공급업체는 리니어 모션 제조업체로부터 주문에 맞는 ‘사 양 시트에서 프로토타입 제작’을 살펴봐야 한다. 이러한 맞춤화는 종종 제품의 결점을 예측 및 방지할 뿐만 아니라, Fab 전체에서 잠재적인 장애물을 피하고, 모든 라인에서 고장을 방지하는 데 필 수적이다.
때로는 보다 혁신적인 재료가 특정 맞춤형 설계의 위험을 줄이 는 데 도움이 될 수도 있다. 예를 들어 탄소섬유 구조는 구조적 강 도, 강성 및 안정성을 최적화할 수 있으며 세라믹 베어링은 특정 윤활문제에 대한 실행 가능한 솔루션이 될 수도 있다.


구성품

리니어 모션부품이 장비 제조업체의 현장에 도착하게 되면 여러 리스크가 발생할 수 있다. 리니어 모터는 레일에서 움직이는 코 일이 이동 중에 한 지점에서 해당 레일과 마찰하는 바인딩 문제 (binding problem)를 겪을 수 있다. 이것은 코일이 레일에서 약간 벗어나는 삐걱거림으로 인한 문제로 인해 발생할 수 있다. 또는 움 직이는 스테이지의 한 부분이 부딪혀 뒤틀림이 발생될 수 있다.
장비에 큰 툴을 구성할 때, 너무 긴 나사를 사용해 슬라이드를 밀리게 되고 이로 인해 다른 슬라이드도 밀려나게 됨으로써 긁힘 과 작동 중의 예측할 수 없는 위험을 초래할 수도 있다. 이와 같은 사고는 Fab에서 작은 성능문제부터 모터 손상 및 가동중지에 이 르기까지 다양한 위험을 초래한다.
표면처리는 세심한 주의가 필요한 또 다른 영역이다. 공차는 모 든 면에서 일치해야 한다. 어떤 경우에는, 장비 툴을 만드는 업체 는 리니어 모션 구성요소의 평탄도를 0.0005인치 (12.7미크론) 요구할 때가 있다. 그리고 툴 제작자는 그 부품을 0.005인치(127 미크론)의 평면도를 가진 더 큰 어셈블리에 볼트로 고정한다. 결 과적으로 스테이지가 뒤틀리는 것은 거의 감지할 수 없다. 그러나 고정밀 카메라를 통해 웨이퍼 검사를 수행하기 위해 도구를 배치 할 경우 초점이 Fab의 원하는 사양을 충족하지 못할 수 있다.


전기접지

리니어 모션 시스템의 모든 구성 요소에 적절한 전기 접지가 있는 지 확인하는 것은 자본 장비 제조업체가 차후 문제를 방지하기 위 해 취할 수 있는 또 다른 예방 조치이다. 접지 경로를 통해 피드백을 하는 시스템 어딘가의 접지 루프는 인코더에 잘못된 판독을 유도하여, 구성요소의 1mm 움직임이 컨 트롤러 레지스터는 100mm의 이동을 기록할 수 있다. 예를 들어 스크라이빙 도구가 잘못된 위치에서 절단을 할 수 있는 등의 실수 가 포착되지 않으면 칩이나 전체 웨이퍼를 손상시킬 수 있다.


효율적인 통합

장비 측면에서 라인에 사고를 일으킬 가능성이 가장 큰 부분은, 리니어 모션 시스템을 제어하고 구성하는 것일 것이다. 제어자는 스테이지가 재고 구매인 경우, 모든 리미트 스위치가 옵션으로 주 문되었는지? 그것들이 모두 적절하게 설정되고, 올바른 방향으로 컨트롤러에 적절하게 연결되었으며 적절하게 사용이 되었는지? 전류제한이 적절한 수준으로 설정되어 있는지? 스테이지가 올바 르게 조정되었는지? 속도가 제한되어 시스템 구성요소의 지정된 제한을 초과하지 않는지? 등을 면밀히 살펴보아야 한다.
제어 설계자가 리니어 모션 장비 작동 중에 발생하는 모든 가능 한 조건을 고려하지 않으면 훨씬 더 복잡한 문제가 발생할 수 있 다. 예를 들어, 3축 리니어 모션 구성요소는 모든 일상적인 작업 을 수천 번의 반복을 하면서 완벽하게 수행한다. 그러나 X, Y, Z 축이 모두 동시에 가장 낮은 이동 지점에 있는 경우와 같이 리미 트 스위치가 설정되지 않은 구성에서는 움직이는 구성요소가 주 변 환경의 구조와 충돌할 수 있다.

장비 제조업체는 리니어 구성품이 Fab에서 심각한 문제를 일 으킬 수 있는 작은 세부 사항에도 적절한 주의를 기울이도록 해야 한다.
Fab 클린룸 표준을 충족하려면, 오일과 잔류물을 모든 부품에 서 미리 제거해야 한다. 가장 작은 미립자라도 웨이퍼에 회로를 적용하는 것부터 계측 장비를 통한 검사에 이르기까지 Fab 운영 중에 중요한 프로세스를 저하시키거나 망칠 수 있다. 사전 청소는 고해상도 광학 장치의 얼룩이나 회로 경로에 떨어진 입자의 위험 을 제거하는 데 도움이 된다.
가스 방출로 인해 탄성물질(고무 성분)이 오일, 첨가제, 물 또는 기타 화학 물질과 같은 물질을 방출할 수 있다. 시스템 구성요소 에 박막으로 증착되면 전자 장치 내부, 광학 표면 등에 큰 피해를 줄 수 있다. 이를 방지하기 위해 민감한 구성 요소는 미리 처리해야 한다.


운송 및 설치

가장 큰 위험은 다음과 같은 세 개의 기간에 발생한다.
• 리니어 모션 공급자에서 장비 제조업체로 운송하는 동안
• 시스템이 도착하여 장비에 통합되는 동안
• 완성된 장비 어셈블리를 팹으로 운송하고 그곳에 설치하는 동안

신뢰할 수 있고 경험이 풍부한 리니어 모션 공급업체는 첫 번째 단계에서 충격 손상의 가능성을 크게 줄일 수 있다. 공급업체 전 문가는 제조공간의 제약을 조기에 파악할 수 있으므로 크린룸이 나 제조 현장에서 쉽게 조립할 수 없는 너무 크거나 무거운 스테 이지를 설계하지 않는다. 또한 운송 장비 사용(크레인, 인형 등)을 계획하여 무대를 상자에서 도구로 안전하게 운송하여 현장 직원 의 부상 위험과 손상 위험을 최소화할 수 있다.
첫 번째 단계와 두 번째 단계 모두에서 리니어 모션 공급업체는 운송 상자 및 포장 시스템을 구성하는 사례들을 참고해야 한다. 한 선도적인 공급업체는 운송을 위해 두 개로 나누어 시스템을 포 장한다. 그런 다음 섬세한 운송을 위한 특수 장비와 카트를 제공한다.
세 번째 단계에서 시스템을 위에서부터 장비 어셈블리에 배치하 는 경우, 장비 제조업체의 크레인으로 충분할 수 있다. 더 까다로운 측면 하중 조정이 필요한 경우 공급업체는 장착이 완료될 때까지 장비 측면에 볼트로 고정할 수 있는 특수 챔버 상자를 제공한다.
마지막으로, 설치하는 동안 리니어 모션 시스템 또는 장비의 관 련 부분에 필요한 수동 격리 조치(예: 엘라스토머 풋 또는 패드) 또는 능동 격리 댐퍼 (센서 조정 에어백 시스템)를 장착하여 과도 한 위험 또는 후속 Fab 작업 중의 충격 또는 진동을 줄일 수 있다.


진동

장치가 정상 작동할 때 Fab 바닥의 다른 장비나 중장비 또는 지나 가는 트럭과 같은 직접적인 환경 외부의 소스에서 발생하는 진동 은 항상 많은 초정밀 리니어 모션 구성 요소에 대한 위험이 된다. 웨이퍼 소자에 일정 두께의 코팅을 추가하는 과정에서도 과도한 진동으로 인해 방해를 받을 수 있다.
위에서 언급한 능동 또는 수동 격리 및 댐핑 시스템을 전략적으 로 배치하여 이러한 위협을 크게 줄일 수 있다.


윤활

리니어 모션 시스템은 일반적으로 한 주기별로 특별한 문제없이 실행되지만, 정기적인 유지관리가 항상 중요하다. 효과적인 유지 관리의 핵심은 첫 번째도 윤활, 두 번째도 윤활이다. 모든 리니어 모션 시스템 공급업체는 지정된 재 윤활 서비스 주기로 제품을 공급한다.
그러나 Fab에서 보고되는 많은 문제는 권장되는 주기를 따르 지 않아서 발생하는 고장으로 추정된다. 필요한 윤활이 없으면 마 찰응력이 증가하고 결국에는 시스템 정지 또는 모터 손상과 같은 매우 문제가 발생한다.

자료제공: Schneeberger( www.schneeberger.com)