KR0135032B1 - 클러스터 장비용 반송모듈의 고진공 압력제어방법 및 장치 - Google Patents

클러스터 장비용 반송모듈의 고진공 압력제어방법 및 장치

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KR0135032B1 KR1019940025177A KR19940025177A KR0135032B1 KR 0135032 B1 KR0135032 B1 KR 0135032B1 KR 1019940025177 A KR1019940025177 A KR 1019940025177A KR 19940025177 A KR19940025177 A KR 19940025177A KR 0135032 B1 KR0135032 B1 KR 0135032B1
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Abstract

본 발명은 반도체 제조공정의 통합화를 위한 클러스터 장비(cluster tool)에 관한 것으로 특히 클러스터 장비용 반송모듈의 웨이퍼 운송시 발생되는 오차값들이 자동유량조절기에 피드백(feedback)되는 디지탈 PID 방법을 이용한 클러스터 장비용 반송모듈의 고진공 압력 제어방법 및 장치에 관한 것이다.
반송모듈의 주위에 부착된 카세트모듈 또는 공정모듈과의 웨이퍼운송시 고진공 압력 제어기능이 없으면 사각밸브의 개폐시 두 모듈내의 압력차에 의한 흐름형성으로 인하여 먼지발생(particle generation)이나 여러가지 반응가스의 역류(backstreaming)에 의해 반송모듈이 오염 (contamination)되며, 사각밸브의 개페시 22.5 mtorr로 규정된 최대 압력차보다 큰 압력차로 인하여 밸브수명이 단축되는 문제점을 해결하기 위하여 고진공 센서에서 나오는 이전의 3개의 오차값과 현재의 오차값인 4개의 오차값들이 자동유량 조절기에 피드백(feedback)되는 디지탈 PID 알고리즘(algorithm)을 사용하여 10-4에서 10-5torr 범위의 고진공 압력을 제어하는 클러스터 장비용 반송모듈의 고진공 압력제어방법 및 장치에 관한 것이다.

Description

클러스터 장비용 반송모듈의 고진공 압력제어방법 및 장치
제1도는 클러스터 장비의 전체구성도.
제2도는 클러스터 장비용 반송모듈의 고진공 압력제어장치의 구성도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 반송모듈(transport mdoulde) 2 : 로봇(robot)
3 : 웨이퍼(wafer) 4 : 반입용 카세트 모듈
5 : 반출용 카세트 모듈 6 : 카세트(cassette)
7 : 공정모듈(process module) 8 : 정렬모듈(alibner)
9 : 냉각모듈(cooler) 10 : 압력조절기(regulator)
11 : 압력게이지(pressure gauge) 12 : 흐름스위치(flow switch)
13 : 필터(filter) 14 : 차단밸브(shutoff valve)
15 : 자동유량조절기(mass flow controller)
16 : 고진공센서(high vacuum sensor)
17 : 저진공센서(low vacuum sensor)
18 : 격리밸브(isolation valve) 19 : 터보펌프(turbodrag pump)
20 : 진공밸브(vacuum valve) 21 : 보조펌프(backing pump)
22 : 압력측정 및 제어기(measurement and control module)
23 : 클러스터 모듈제어기(cluster module controller)
23-1 : 주제어기(main controller) 24 : 사각밸브(rectanguler valve)
25 : 니이들 밸브(needle valve) 26 : 배기밸브(vent valve)
본 발명은 반도체 제조공정의 통합화를 위한 클러스터 장비(cluster tool)에 관한 것으로 특히 클러스터 장비용 반송모듈의 웨이퍼 운송시 발생되는 오차값들이 자동유량조절기에 피드백(feedback)되는 디지탈 PID 방법을 이용한 클러스터 장비용 반송모듈의 고진공 압력 제어방법 및 장치에 관한 것이다.
반도체 제조공정의 통합화는 각기 다른 장비에 의해 독립적으로 실행되던 복수의 연속공정 과정을 한 대의 클러스터 장비내에서 하나로 통합하는 것을 뜻한다.
종래의 클러스터 장비용 반송모듈을 살펴보면 미국의 Brooks Automation사와 CVC사에서 개발된 바 있으나 고진공 압력제어 기능을 갖는 장치는 아직 실시되어 지고 있지 않다.
종래의 관련 기술을 검색한 결과, 확산장비(furnace)에서 배기밸브에 의한 저진공 공정압력 제어방법(US5118286)과 역시 배기밸브에 의한 압력제어방법이 응용된 플라즈마 식각장비(JO5262884)와 증축합장치에서 진공펌프의 회전수 조절에 의해 배기량을 조절하는 진공도 제어방법(JO5262884)이 제안된 바 있다.
또한 반도체장비에 있어서 일반적인 디지탈 PID 제어를 응용한 다른 예들은 다음과 같다.
급속열처리(rapid thermal processing)장비에서 파이로메타(pyrometer)의 온도신호로 램프강도(lamp internsity)를 조절하는 방법과 확산장비(furnace)에서 열전대(thermocouple)의 온도신호로 히터출력(heater power)를 조절하는 방법이 그 응용예들이다.
그리고 압력센서의 압력신호로 배기관의 개구면적을 조절하여 저진공 공정압력을 제어하는 방법이 있으나 이러한 배기밸브에 의한 압력제어기로는 주제어기보다 제조회사에서 판매하는 전용제어기에 의해서 제어된다.
왜냐하면, 배기밸브를 구동하는데 사용되는 스텝모터(step motor)를 구동하기 위해서는 전용의 제어회로(driver circuit)가 필요하기 때문이다.
결국 반송모듈의 주위에 부착된 카세트모듈 또는 공정모듈과의 웨이퍼운송시 고진공 압력 제어기능이 없으면 사각밸브의 개폐시 두 모듈 내의 압력차에 의한 흐름형성으로 인하여 먼지발생(particle generation)이나 여러가지 반응가스의 역류(backstreaming)에 의해 반송모듈이 오염(contamination)되며, 사각밸브의 개폐시 22.5 mtor r로 규정된 최대 압력차보다 큰 압력차로 인하여 밸브수명이 단축된다.
따라서 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 고진공 센서에서 나오는 이전의 3개의 오차값과 현재의 오차값인 4개의 오차값들이 자동유량 조절기에 피드백(feedback)되는 디지탈 PID 알고리즘(slgorithm)를 사용하여 10-4에서 10-5torr 범위의 고진공 압력을 제어하는 클러스터 장비용 반송모듈의 고진공 압력제어방법 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
이하에서 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하고자 한다.
제1도는 클러스터 장비의 전체 구성도이다.
웨이퍼(3)를 자동으로 운송할 수 있는 로보트(2)가 중앙에 위치한 다면체의 반송모듈(1)이 기본 플랫폼(plarform)이고, 그 각면에 주위 모듈과 격리가 가능하도록 사각밸브(24)들이 부착되어 있다.
두면은 작업가가 카세트(6)의 반출입을 가능하게 하는 반입용 카세트 모듈(4)과 반출용 카세트모듈(5)이 부착되어 있으며, 두 모듈의 전면은 청정실(clean room)로 향하도록 되어 있다.
반입용 카세트모듈(4) 다음에는 웨이퍼를 공정모듈(7)로 운송하기 전에 정렬하는 기능을 가지는 정렬모듈(8)이 있고, 고온공정 후에 웨이퍼를 저온으로 식히는 냉각모듈(9)이 반출용 카세트모듈(5) 다음에 부착되어 있으며, 각 모듈들 사이에는 사각밸브(24)로 격리되어 있다.
나머지 면에는 서로 다른 반도체 제조공정을 수행할 수 있는 여러개의 공정모듈(7)들이 부착되어 있다.
제2도는 클러스터 장비용 반송모듈의 웨이퍼 운송시 디지탈 PID 방법을 이용한 고진공 압력 제어장치의 구성도이다.
물은 터보펌프(19)와 로보트(2)의 냉각매질로 사용되며, 공기(air)는 각종 밸브들(14,18,24,26)을 개폐할 때 솔레노이드밸브(solenoid valve)에 의해 구동되도록 연결되어 있다.
질소는 반송모듈(1)과 카세트 모듈들(4,5)의 배기용으로 사용되며, 반송모듈(1)의 압력제어시 역시 사용된다.
질소는 압력조절기(10), 압력게이지(11), 흐름스위치(12), 필터(13)를 통해 장비로 주입되며, 장비로 들어가는 연결관 최종단에는 차단밸브(14)가 설치되어 있다.
클러스터 장비의 진공배기계는 각 모듈(1,4,5)에 각각 설치되어 있으며, 고진공센서(16), 저진공센서(17), 격리밸브(18), 터보펌프(19), 진공밸브(20), 보조펌프(21)순으로 구성되어 있다.
저진공센서(17)는 대기압(760torr)에서 10-4torr범위의 진공압력을 측정하며, 고진공센서(16)는 10-4torr이상의 진공압력을 측정할 수 있다.
보조펌프(21)는 격리밸브(18)와 진공밸브(20)를 열고 반송모듈(1)을 10 mbar까지 배기하면, 터보펌프(19)가 작동되어 반송모듈(1)을 10-6torr 이하의 고진공 상태로 배기한다.
이때 카세트모듈(4,5)이나 공정모듈(7)로 웨이퍼(3)를 운송할 수 있도록 반송모듈(1)의 고진공 압력을 제어해야 한다.
이를 위한 일반적인 방법은 고진공센서(16)에서 나오는 신호를 별도의 압력측정 및 제어기(22)에 의해 자동유량조절기(15)로 피드백(feedback)하여 질소의 유량을 조절하는 방법으로 주제어기(23-1)에서 RS232C통신으로 설정값을 지시하거나 변경시킬 수 있다.
이 방법은 별도의 압력측정 및 제어기(22)에 대한 비용이 소요되는 단점이 있다.
따라서 본 발명에서는 클러스터 모듈 제어기(23)에서 별도의 압력측정 및 제어기(22) 없이 고진공센서(16)에서 나오는 신호를 클러스터 모듈 제어기(23)의 아날로그/디지탈 변환기로 받아 디지탈 PID알고리즘으로 출력을 계산한다.
계산된 값은 디지탈/아날로그 변활기를 거쳐 자동유량 조절기(15)로 피드백(feedback)하여 질소의 유량을 조절하는 방법을 통하여 10-4에서 10-5torr범위의 고진공 압력을 제어할 수 있는 장치를 구현하였다.
다면체 반송모듈의 웨이퍼 운송시 고진공 압력제장치를 효과적으로 설계 및 구성하기 위한 첫 번째 응용예를 기술하면 다음과 같다.
반송모듈(1)과 진공펌프(21)사이에 여러가지 기구들로 인하여 흐름저항이 발생되므로 압력제어장치를 구성하거나 설계할 때 이론적인 검토가 필요하다.
여기에 사용된 변수들의 정의를 [표1]에 흐름저항, 콘덕턴스, 배기속도, 배기시간에 대한 식을 (1)에서 (5)까지 나타내었다.
a) 직렬연결인 경우
b) 병렬연결인 경우
여기서 Q식에서 Q1,Qm,Qo는 미소량이라고 가정하고 분자흐름영역에서 압력증가방법(pressure-ise method)에 의한 실험식으로 부터 QP와 단위시간당 유입되는 질소의 체적유량(V)과의 관계식을 구하면 다음과 같다.
위 식들을 조합하면 반송모듈의 웨이퍼운송시 고진공 압력, 시간, 유량(throughput)과의 관계식은 다음과 같이 유도된다.
현재 팔면체 반송모듈에 대한 변수들에 대한 값인 [표 1]에 나타낸 수치를 식(6)과 (8)에 적용하여 계산하면, 10-6torr에서 10-4또는 10-5torr범위의 반송압력으로 10초이내에 도달하려면 질소의 유량이 9.8 또는 7.2sccm정도가 소요됨을 알았다.
앞으로 실제 실험에 의해 고진공 센서(16)에서 나오는 이전의 3개의 오차값과 현재의 오차값인 4개의 오차값들이 자동유량조절기(15)에 피드백(feedback)되는 디지탈 PID알고리즘(algorithm)을 적용하면, 입력은 10-4에서 10-5torr범위의 고진공 압력값이고 출력은 반송모듈에 주입되는 질소의 유량으로 0에서 10sccm이다.
그 적용결과로서 설정값(setpoint)인 5x10-5torr에 대한 안정화시간(settling time), 압력오차, 최대압력 초과치(maximum overshoot)에 대한 정량치가 산출될 것이다.
클러스터 장비용 반송모듈의 웨이퍼 운송시 디지탈 PID 제어방법에 대해 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
일반적인 PID제어는 피드백(feedback)에 의해 물리량을 제어할 때에 가장 많이 응용되는 제어방식으로서, 제어부는 크게 세가지로 구성된다.
첫째는 제어대상인 물리량을 검출하는 센서이고, 둘째는 기준값과의 오차로부터 출력값을 계산하는 제어부, 마지막으로 실제 물리량을 조절할 수 있는 출력부이다.
PID제어부에서 출력값은 설정값(setpoint)과 실제값의 차인 압력오차에 의해 결정된다.
제어기의 출력값은 오차, 시간에 대한 오차의 적분, 오차의 변화율이 고려된 합이다.
즉, 비례성분(proportional term)은 오차의 크기에 비례하여 결정되며, 적분성분(integral term)은 오차를 시간에 대해서 적분한 값이고, 정상상태 오차(steady state error)를 없애기 위해 사용된다.
미분성분(derivative term)은 오차의 변화를 감쇄시키기 위해서 사용되며, 모멘텀(momentum)이 있는 시스템에 적용된다.
각 성분에서 고려될 영향요소(factor)는 제어대상의 특성에 따라 다르며, 실험에 의해서 최적의 값이 측정된다.
디지탈 PID제어는 일정한 주기로 물리량을 추출하고 소프트웨어에 의해 비례, 적분 및 미분성분들을 계산한 후 출력값을 계산한다.
보통 물리량은 아날로그/디지탈 변환기(A/D converter)에 의해 디지탈 수치로 변환되며, 출력값은 디지털 /아날로그 변환기(A/D converter)에 의해서 출력된다.
여기서 유지하고자 하는 물리량의 기준값(setpoint)과 유지하고자 하는 물리량의 현재값(value)의 차이인 오차값은 E, 물리량을 조절하기 위한 출력값(output)은 O, 샘플링시간(sampling time)은 제어동작의 주기인 TS로 나타내었다.
이러한 PID제어는 연속적인 값을 갖는 출력수단에 의해서 역시 연속적인 값을 갖는 물리량을 제어하고자 하는 분야에 적용될 수 있으며, 이때 입력값과 출력값은 모두 유한한 범위를 가져야 한다.
일반적인 디지탈 PID제어 방정식은 다음과 같다.
여기에서 O(k)는 출력(output), E(k)는 오차, E(k-1)는 이전오차(previous error), KP는 비례성분, Ki는 적분성분, Kd는 미분성분, TS는 샘플링 시간이다.
이 경우 오차의 적분성분은 처음부터 현재까지의 오차값들의 합이다.
보통 디지탈 제어기의 경우 유한한 메모리와 계산시간을 고려하여 현재로부터 유한개의 오차값들만을 계산에 고려한다.
본 발명에 사용된 클러스터 모듈제어기(23)의 출력계산에는 과거 3개의 오차값과 현재의 오차값을 이용한 아래의 알고리즘(algorithm)이 사용되었다.
즉,
여기서, KO-K3상수들은 개회로(open loop)시스템에서 실험으로 측정된 몇가지 변수들을 사용한다.
Gr은 단위스텝 입력(unit step input)을 가했을 때 측정되는 최대의 기울기, Lt은 단위스텝의 입력을 가한 순간부터 물리량이 증가하기 시작하기 까지의 지연시간(lag time), 이 값은 단위스텝 입력에 대한 시간대 물리량의 그래프에서, 최대기울기가 생긴 점에서 그 기울기에 해당하는 직선을 그었을 때, 이 직선이 시간축과 만나는 교차점으로 정의된다.
이러한 PID제어방식이 적용된 변형예로서 웨이퍼 뒷면을 헬륨가스로 냉각하는 금속식각장비(metal etcher)에서 헬륨 압력을 제어하는 경우를 들 수 있다.
입력은 1-10torr의 저진공 압력이고, 출력은 0-50sccm유량으로 하고, Gr은 2.0torr/sec, Lt은 2.5sec, TS는 1.0sec로 하였다.
그 결과 설정값인 5torr에 대한 안정화시간은 10-15sec, 최대압력오차는 ±0.005torr, 최대압력초과치는 0.1torr로 얻어졌다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 있어서 클러스터 장비용 반송모듈의 고진공 압력제어장치의 효과는 카세트모듈이나 공정모듈과의 웨이퍼 운송시 먼지발생방지, 공정가스의 역류에 의한 오염방지, 고가인 사각밸브의 수명유지에 기여하게 되어 결과적으로 공정성능이 향상되고 유지보수 시간이 절감되어 생산성이 증대되는 잇점이 있다.

Claims (4)

  1. 반도체 제조공정의 통합화를 위한 클러스터 장비(cluster tool)에 있어서, 클러스터 장비의 진공배기계는 각 모듈(1, 4, 5)에 각각 설치되어 있으며, 고진공센서(16), 저진공센서(17), 격리밸브(18), 터보펌프(19), 진공밸브(20), 보조펌프(21)순으로 구성된 것으로 웨이퍼 운송시 상기 고진공 센서(16)에서 나오는 신호중 이전의 3개의 오차값과 현재의 오차값인 4개의 오차값들이 고려된 디지탈 PID 압력제어방법으로 고진공 반송압력을 조절하도록 구성된 클러스터 장비용 반송모듈의 고진공 압력 제어장치.
  2. 반도체 제조공정의 통합화를 위한 클러스터 장비(cluster tool)를 구성하는 고진공 센서(16)에서 나오는 신호중 이전의 3개의 오차값과 현재의 오차값인 4개의 오차값들이 고려된 디지탈 PID 압력제어방법으로 질소의 유량을 10sccm 이하로 조절하도록 자동유량조절기(15)에 피드백(feedback)함으로써 10초 이내에 10-4에서 10-5torr 범위의 고진공 반송압력으로 조절하도록 함을 특징으로 하는 클러스터 장비용 반송모듈의 고진공 압력 제어방법.
  3. 제2항에 있어서, 디지탈 PID 압력제어 방법을 사용할 때 질소가스가 아닌 불활성 가스를 사용하여 고진공 압력이 제어되도록 함을 특징으로 하는 클러스터 장비용 반송모듈의 고진공 압력 제어방법.
  4. 제2항에 있어서, 고진공센서(16)에서 나오는 신호는 클러스터 모듈제어기(23)의 아날로그/디지탈 변환기로 받아 디지탈 PID알고리즘으로 출력을 계산한 다음 계산된 값은 디지탈/아날로그 변환기를 거쳐 자동유량 조절기(15)로 피드백(feedback)하여 질소의 유량조절에 의한 10-4에서 10-5torr 범위의 고진공 압력을 제어하도록 하는 클러스터 장비용 반송모듈의 고진공 압력 제어방법.
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