KR101187684B1 - 래디얼 플로우를 이용한 비접촉식 기판 척킹용 에어 패드 - Google Patents

래디얼 플로우를 이용한 비접촉식 기판 척킹용 에어 패드 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 웨이퍼, 유리 기판, PCB, FPC, 종이, 필름 등의 기판을 후속공정으로 이송할 때, 기판을 비접촉 방식으로 파지하여 이송할 수 있는 기판이송장치의 기판 척킹용 에어 패드에 관한 것으로서, 선회류가 아닌, 래디얼 플로우에 의해 기판 중심부에 부압(負壓)을 형성하는 기판 척킹용 에어 패드에 관한 것이다.
본 발명의 래디얼 플로우를 이용한 비접촉식 기판 척킹용 에어 패드는, 기판이송장치의 로봇 아암에 지지 가능한 홀더(100)와, 홀더(100)와 분해?조립이 가능한 노즐플레이트(200)를 포함하며; 홀더는, 높이에 비해 지름이 큰 원통체로서, 상면 중심을 관통하여 일정 지름의 공기주입구멍(110)이 형성되고, 노즐플레이트를 수용할 수 있는 오목부(130)가 상면의 반대측 면에 형성되며, 오목부(130)는, 홀더의 저면(160)으로부터 일정 깊이만큼 더 들어간 평탄면(150)과, 평탄면(150)의 가장자리와 저면(160)의 내측 가장자리를 연결하는 구배면(140)으로 구성되고; 노즐플레이트는, 홀더의 공기주입구멍(110)에 대해 각각 유체연통하는 복수의 확산노즐구조(210)가 홀더(100)의 오목부(130)의 평탄면(150) 및 구배면(140)에 대응되는 상면(230)과 구배면(220)에 걸쳐 형성되며, 복수의 확산노즐구조(210) 각각은, 상면(230)에 대해 수직으로 관통하는 복수의 오리피스(240)가 구비된 것을 특징으로 한다.

Description

래디얼 플로우를 이용한 비접촉식 기판 척킹용 에어 패드 {Non-contact air pads for chucking a substrate by using the radial flow}
본 발명은, 반도체 웨이퍼, 액정표시용 유리 기판, 플라즈마 표시용 유리 기판, 광디스크용 기판, PCB, FPC(flexible printed circuit), 종이, 필름 등의 기판을 후속공정으로 이송할 때 기판을 비접촉 방식으로 파지하여 이송할 수 있는 기판이송장치의 기판 척킹용 에어 패드에 관한 것으로서, 특히, 선회류(swirling flow)가 아닌 래디얼 플로우(radial flow: 반경류)에 의해 기판 중심부에 부압(負壓)을 형성하는 래디얼 플로우를 이용한 비접촉식 기판 척킹용 에어 패드에 관한 것이다.
반도체 웨이퍼는, 팹(Fab) 공정을 통해, 반도체 웨이퍼의 지름 크기에 따라, 275～750㎛의 두께로 공급되는 것이 일반적이지만, 복수의 IC칩을 3차원적으로 적층한 패키지를 만들기 위해, 100㎛ 이하의 두께로 공급되기도 한다.
나노단위의 미세회로(또는, 패턴)가 형성된 기판의 경우, 미세회로의 표면오염을 줄이기 위해, 또, 두께에 비해 상대적으로 면적이 넓은 기판의 경우, 이송 중에 발생하는 기판의 변형을 방지함과 아울러, 제품 수율을 향상시키기 위해, 가급적이면, 기판을 비접촉 방식으로 이송하거나 핸들링하는 것이 좋다. 특히, 최근에는 차세대 기술의 개발로 인해, 두께가 얇은 연성 기판에도 미세회로를 형성할 수 있기 때문에, 기판을 비접촉 방식으로 이송하거나 핸들링하는 장치는, 이 분야에서 필수적인 것이 되고 있다.
기판을 비접촉 방식으로 이송하거나 핸들링하는 예로서, 도 1의 (a)～(g)에 나타낸 여러 가지 유형의 것이 사용되고 있다. 이들 중, 특히, 도 1의 (d)에 나타낸 베르누이 효과(또는, 베르누이 원리)를 응용한 비접촉 방식은 작고 가벼운 기판을 이송하는데 매우 유용하게 사용되고 있다.
더 구체적으로, 도 1의 (d)에 나타낸 비접촉 방식의 구현 예로서, 도 2에 도시된 에어 패드(10)가 있는데, 이 에어 패드(10)가 기판(20)을 비접촉 방식으로 파지하는 작용원리는 도 3과 같다.
즉, 에어 패드(10)의 측면 일측에 구비된 노즐(11)을 통해, 에어 패드(10)의 내측공간(12)으로 공기가 주입되면, 원통 모양으로 된 내측공간(12)의 벽면을 따라 공기가 유동하면서 선회류가 발생하고, 이 선회류에 의해, 에어 패드(10)의 내측공간(12)에 부압(-P: 약한 진공압)이 형성된다.
그 결과, 에어 패드(10) 아래로 근소한 틈새를 두고 떨어져 있는 기판(20)의 중심부가 이 부압에 의해 내측공간(12) 측으로 부양된다. 한편, 내측공간(12)의 벽면을 따라 선회하는 공기의 일부는 에어 패드(10)의 가장자리 부분의 표면과 기판(20) 사이의 틈을 통해 바깥으로 토출된다.
따라서 공기가 주입되는 동안에는, 에어 패드(10)의 내측공간(12)이 부압으로 유지되고, 에어 패드(10)와 기판(20) 사이의 틈으로는 공기의 일부가 토출된다.
그러므로 기판(20)의 중심부에 작용하는 부압의 크기와 기판(20)의 가장자리 부분에 작용하는 공기 토출압의 크기를 적절히 제어하면, 기판이 에어 패드(10)에 전혀 닿지 않은 상태로 파지될 수 있다.
기판 표면에 어떠한 물리적 손상도 야기함이 없이, 베르누이 효과를 유발하는 공기의 흐름에 의해 기판을 비접촉 방식으로 파지하여 이송하거나 핸들링하도록 구성되는 기판이송장치(특히, 기판을 파지하는 로봇 아암)에 있어서는, 적정 공기압이 주입된 때, 안정적인 유동장(flow field)이 형성됨과 동시에, 기판의 중심부와 가장자리 부분에, 각각 적절한 세기의 부압과 토출압(또는, 정압)이 가해질 수 있는 내부 형상과 구조를 가진 에어 패드의 설계가 핵심 기술이 된다.
안정적인 흡인력(suction force)을 제공하고 기판의 변형을 방지한다는 관점에서, 베르누이 효과에 의해 유발되는 부압은, 좁은 영역에 집중되어 강하게 형성되는 것보다 넓은 영역에 걸쳐 일정한 크기로 분산되어 약하게 형성되는 것이 바람직하다.
이 점에서, 기판의 중심부에 가해지는 부압이 더 넓은 영역에 걸쳐 생성되도록 하려면, 에어 패드의 내측공간에서 형성되는 공기의 흐름을 적절히 제어해야 하는데, 이와 같은 공기의 흐름은, 에어 패드의 내측공간에 주입되는 공기압의 세기, 내측공간의 형상, 유로(air path)의 단면 모양과 크기 등에 의해 좌우된다.
다시 말해, 에어 패드의 내측공간에서 형성되는 공기의 흐름을 제어할 수 있는 설계 변수는 다양하다.
그러나 종래의 에어 패드는, 도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 선회류에 의해 부압을 발생시키는 구성이므로, 부압과 더불어, 선회류의 회전 토크까지 기판에 작용하여, 기판의 파지 상태가 안정적이지 못한 단점이 있다. 또한, 선회류에 의해 발생된 부압은 좁은 영역에 강하게 작용하므로, 두께가 얇거나 소재가 유연한 기판은 중심부가 볼록하게 변형될 염려가 있다.
본 발명은 선회류 방식의 종래 에어 패드가 가진 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 종래에 비해 부압(또는, 부양력)이 더 넓은 영역에 걸쳐 고르게 발생할 수 있고, 또, 기판의 파지 상태를 불안정하게 하는 회전 토크의 발생을 방지할 수 있는, 래디얼 플로우를 이용한 비접촉식 기판 척킹용 에어 패드를 제공함에 목적이 있다.
따라서 이러한 목적을 갖고서 제안되는 본 발명은, 두께가 얇은 대면적의 기판이나, 두께 30㎛ 내외의 초박막 웨이퍼 또는 연성 기판의 이송에 특히 더 효과적으로 사용될 수 있다.
첨부도면과 실시예의 설명을 통해 더욱 명확해지겠지만, 상술한 과제가 효과적으로 해결될 수 있도록 구성된 본 발명의 래디얼 플로우를 이용한 비접촉식 기판 척킹용 에어 패드는, 기판을 비접촉 방식으로 척킹하여 후속공정으로 이송할 수 있는 기판이송장치의 기판 척킹용 에어 패드로서, 기판이송장치의 로봇 아암에 지지 가능한 홀더(100) 및 이 홀더(100)와 분해?조립이 가능한 노즐플레이트(200)를 포함한다.
홀더는, 높이에 비해 지름이 큰 원통체로서 상면의 중심을 관통하여 일정 지름의 공기주입구멍(110)이 형성되어 있고, 노즐플레이트(200)를 수용할 수 있는 오목부(130)가 상면의 반대 측의 면에 형성되어 있다.
오목부는, 홀더 저면(160)으로부터 일정 깊이만큼 더 들어간 위치에 형성된 평탄면(150)과, 평탄면(150)의 가장자리와 저면(160)의 내측 가장자리 사이를 연결하는 구배면(140)으로 구성되어 있다.
노즐플레이트는, 홀더의 공기주입구멍(110)에 대해 각각 유체연통하는 복수의 확산노즐구조(210)가 상술한 오목부(130)의 평탄면(150) 및 구배면(140)에 대응되는 상면(230)과 구배면(220)에 걸쳐 형성되어 있다.
복수의 확산노즐구조(210) 각각은, 일정 거리만큼 떨어져서 노즐플레이트의 아래에 놓이는 기판이 부양될 수 있도록, 기판에 작용시키는 부압을 형성하기 위한 복수의 오리피스(240)가 상면(230)에 대해 수직으로 관통되어 있다.
더 구체적으로, 복수의 확산노즐구조는, 노즐플레이트의 상면과 구배면에 걸쳐 방사상으로 배치됨과 아울러, 노즐플레이트의 중심 부근에 위치되는 일측 끝 부분이 공기주입구멍(110)과 각각 유체연통한다. 또한, 각각의 확산노즐구조는, 노즐플레이트의 중심으로부터 멀어짐에 따라, 둘 사이가 점점 더 벌어지도록 배치된 양측 경계벽(211)과, 이들 양측 경계벽(211) 사이에 형성되는 채널(212)로 구성된다.
또한, 채널(212)의 바닥면이 되는 노즐플레이트의 상면에, 일정한 배열 규칙에 따라, 복수의 오리피스(240)가 형성되며, 또, 홀더 저면의 내측 가장자리와 노즐플레이트의 저면 가장자리 사이에는 에어 패드의 내부로 주입된 공기를 배출하기 위한 간격(g)이 형성된다.
또한, 홀더(100)의 높이(h1)는, 홀더(100)와 노즐플레이트(200)가 조립된 상태에서, 홀더(100) 상면에서부터 노즐플레이트(200) 저면까지의 높이(h2)보다 큰 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 래디얼 플로우를 이용한 비접촉식 기판 척킹용 에어 패드에 따르면, 종래 선회류 방식의 에어 패드에 비해, 기판과 마주보는 에어 패드의 면적이 동일한 경우, 기판을 들어올리는 부상력이 상승하고, 또, 두께가 극히 얇은 기판도 휨(변형)을 야기함이 없이 편평하게 유지할 수 있으며, 공기(또는, 공기압) 소모량도 절감되는 효과가 있다.
또한, 오리피스의 지름, 개수, 형성 위치 등을 적절히 선택하면, 에어 패드의 크기도, 예를 들면, 지름 30-150㎜ 범위 내에서 다양하게 제작할 수 있다.
또한, 에어 패드의 크기에 따라, 예를 들면, 단일 에어 패드를 사용하여, 4-12인치의 반도체 웨이퍼를 비접촉 방식으로 낱장 이송할 수도 있고, 복수의 에어 패드를 사용하여, 대형 LCD 패널을 비접촉 방식으로 파지하여 이송할 수도 있다.
도 1의 (a)～(g)는 기판을 비접촉 방식으로 이송하는 예를 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 선회류를 이용한 종래 에어 패드의 외관 사시도.
도 3은 도 2에 도시된 종래 에어 패드의 작용원리를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 래디얼 플로우를 이용한 비접촉식 기판 척킹용 에어 패드의 결합 사시도로서, 저면이 위를 향하도록 하여 나타낸 도면.
도 5의 (a)～(b)는 도 4에 나타낸 에어 패드를 분해하여 서로 다른 각도에서 바라본 사시도.
도 6의 (a)～(c)는 도 4에 나타낸 에어 패드의 각(各) 구성요소 사이의 위치관계를 설명하기 위한 도면.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 노즐플레이트 상에 형성되는 확산노즐구조의 형상과 설계 변수를 설명하기 위한 도면.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 에어 패드의 확산노즐구조에서의 유동장(streamline field)을 나타낸 도면.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 에어 패드의 확산노즐구조에서, 채널을 따라 유동하는 공기와 오리피스를 통해 채널 측으로 유동하는 공기의 속도장을 나타낸 도면.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 지름 100㎜ 모델의 시뮬레이션 결과로서, 기판과 에어 패드 사이의 틈새의 크기에 따른 압력 분포도.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 지름 100㎜ 모델의 시뮬레이션 결과로서, 기판 표면에 있어서의 등압 분포도(contour pressure distribution).
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 지름 100㎜ 모델의 시뮬레이션 결과로서, 지름 1.0㎜의 오리피스와, 지름 1.2㎜의 오리피스가 각각 적용된 경우, 기판의 표면상에 작용하는 압력 라인 분포와, 압력 윤곽(contour) 및 속도 윤곽과, 오리피스 내 속도장을 나타내는 도면.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 지름 100㎜ 모델의 시뮬레이션 결과로서, 오리피스의 지름을 0.6-1.4㎜ 범위 내에서, 0.2㎜씩 증가시켜 적용한 경우, 기판에 작용하는 압력 분포를 나타내는 도면.
도 14a와 도 14b는 본 발명의 일 실시예에 따른 지름 100㎜ 모델의 시뮬레이션 결과로서, 오리피스의 위치 변화에 따른 압력 라인 분포와, 압력 윤곽 및 속도 윤곽과, 오리피스 내 속도장을 나타내는 도면.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 지름 100㎜ 모델의 시뮬레이션 결과로서, 에어 패드의 중심으로부터 첫 번째 오리피스는 8.5㎜와 10.5㎜ 떨어진 위치에, 두 번째 오리피스는 13.5㎜와 15.5㎜ 떨어진 위치에, 세 번째 오리피스는 18.5㎜와 20.5㎜ 떨어진 위치에 각각 2개씩 형성하고, 주입되는 공기의 압력은 3bar로 하며, 에어 패드와 기판 사이의 틈새는 0.7㎜로 설정한 경우, 기판에 작용하는 압력 분포를 나타내는 도면.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 지름 100㎜ 모델의 시뮬레이션 결과로서, 오리피스의 설치 개수(個數)에 따른 압력 라인 분포, 압력 및 속도 윤곽, 오리피스 내 속도장을 나타내는 도면.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 지름 100㎜ 모델의 시뮬레이션 결과로서, 오리피스의 개수가 8개인 경우에는 에어 패드의 중심으로부터 10.5㎜, 14.5㎜, 18.5㎜, 22.5㎜ 떨어진 위치에 각각 2개씩 쌍으로 형성하고, 오리피스의 개수가 10개인 경우에는 에어 패드의 중심으로부터 10.5㎜, 13.5㎜, 16.5㎜, 19.5㎜, 22.5㎜ 떨어진 위치에 각각 2개씩 쌍으로 형성하며, 주입되는 공기의 압력은 3bar로 하고, 에어 패드와 기판 사이의 틈새는 0.7㎜로 설정한 경우, 기판에 작용하는 압력 분포를 나타내는 도면.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 지름 100㎜ 모델에서의 공기 유동을 해석하기 위한 계산영역(computational domain)의 모식도.
도 19a 및 도 19b는 본 발명의 일 실시예에 따른 지름 100㎜ 모델의 시뮬레이션 결과로서, 확산노즐구조의 형상 변화에 따른 유선(streamline) 분포, 압력 윤곽, 속도 윤곽을 나타내는 도면.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 지름 100㎜ 모델의 시뮬레이션 결과로서, 주입되는 공기의 압력을 3bar, 에어 패드와 기판 사이의 틈새를 0.7㎜로 설정한 경우, 확산노즐구조의 형상에 따라 달라지는 기판상의 압력 분포를 나타내는 도면.
본 발명에 따른 래디얼 플로우를 이용한 비접촉식 기판 척킹용 에어 패드는, 기판을 비접촉 방식으로 척킹하여 후속공정으로 이송할 수 있는 에어 척 모듈로서, 본 출원인의 선출원 공개특허 제2010-0007774호에 개시된 비접촉식 웨이퍼이송장치와 같은 기판이송장치의 로봇 아암에 배치되어 효과적으로 사용될 수 있다.
아래의 실시예를 통해 더욱 명확히 이해될 것이지만, 본 발명에 따른 래디얼 플로우를 이용한 비접촉식 기판 척킹용 에어 패드는, 베르누이 효과로 인해 발생하는 부양력(부압)으로 기판을 파지(holding)할 때, 기판이 에어 패드로부터 일정 간격(0.5-1.0㎜)만큼 떨어져서 안정된 상태로 파지될 수 있도록 하고, 또한, 기판 중심부를 에어 패드 측으로 끌어올리는 부압과 기판의 가장자리 부분이 에어 패드에 닿지 않도록 아래로 밀어내는 공기 토출압이 적절한 세기로 형성될 수 있도록 하며, 특히, 공기소비량과 관련이 있는 질량 유량(mass flow rate)을 줄임과 아울러, 선회류 방식의 단점인 회전 토크가 발생하지 않도록 하고, 또, 약한 부압이 넓은 영역에 걸쳐 일정한 세기로 발생할 수 있도록 하는데 중점을 두고 있다.
이하, 첨부도면에 의거하여, 본 발명에 따른 래디얼 플로우를 이용한 비접촉식 기판 척킹용 에어 패드의 구성과 작용원리를 설명한다.
첨부된 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 비접촉식 기판 척킹용 에어 패드의 결합 사시도로서 저면이 위를 향해 있는 상태에서의 도면이고, 도 5의 (a)～(b)는 에어 패드를 분해하여 서로 다른 각도에서 바라본 사시도이며, 도 6의 (a)～(c)는 에어 패드의 주요 구성요소 사이의 위치관계와 형상을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
이들 도면에 나타나 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 에어 패드는, 분해?조립이 가능한 홀더(100)와, 노즐플레이트(200)로 구성되어 있다.
홀더(100)는 높이에 비해 지름이 5배가량 큰 원통 모양으로서, 기판 측을 향하여 배치되는 저면(160)에 노즐플레이트(200)를 수용할 수 있는 오목부(130)가 형성되어 있다. 오목부(130)는 홀더(100)의 저면(160)으로부터 일정 깊이만큼 들어가 있는 평탄면(150)과 구배면(140)으로 구성되어 있으며, 이 구배면(140)에 의해, 상기 평탄면(150)의 가장자리와 저면(160)의 내측 가장자리가 서로 연결된다. 또, 홀더(100)의 중앙에는 일정 지름(D1)의 공기주입구멍(110)이 관통되어 있고, 공기주입구멍(110)으로부터 일정 간격을 두고 4개의 체결구멍(120)이 천공되어 있다. 다시 말해, 이들 체결구멍(120)은, 상기 일정 간격을 반지름으로 하는 가상의 동심원 상에, 90°간격마다 천공되어 있다.
다음으로, 홀더(100)의 오목부(130)에 수용되는 노즐플레이트(200)는, 전체적인 형상이 접시를 엎어 놓은 듯한 모양으로 되어 있다.
도 5의 (b) 및 도 6의 (a)～(c)에 나타나 있는 바와 같이, 본 실시예에 따른 노즐플레이트(200)는, 상기 홀더(100)의 오목부(130) 내에 노즐플레이트(200)가 수용되어 있을 때, 오목부(130)의 평탄면(150) 측을 향해 배치되는 평평한 상면(230)과, 이 상면(230)의 가장자리를 따라 비스듬하게 아래로 경사져 있는 구배면(220)으로 구성되어 있다. 이 구배면(220)의 경사각은, 오목부(130)의 구배면(140)의 경사각과 같거나 더 크다. 또한, 꽃잎 모양으로 된 8개의 경계벽(211)이 상면(230)과 구배면(220)에 걸쳐 45°간격마다 일정 높이로 돌출되어 있으며, 이에 의해, 8개의 채널(212)이 경계벽(211) 사이마다 형성되어 있다. 또한, 각각의 채널(212)마다 상면(230)에 위치해 있는 구간에, 2개씩 쌍을 이루고 있는 3쌍의 오리피스(240)가 관통되어 있다. 더 구체적으로, 노즐플레이트(200)의 중심을 기점(중심점)으로 하는 3개의 동심원(CC1, CC2, CC3)과, 채널(212)의 내각(θ1)을 등분하는 2개의 법선(N2, N3)이 만나는 지점마다, 지름(D3) 1㎜의 오리피스(240)가 하나씩 천공되어 있다. 본 실시예의 경우, 가장 큰 동심원(CC1)은 지름이 45㎜, 중간 크기의 동심원(CC2)은 지름이 35㎜, 가장 작은 동심원(CC3)은 지름이 25㎜로 각각 설정되었다. 또한, 하나씩 건너뛴 형태로, 4개의 경계벽(211)에는 체결구멍(250)이 하나씩 형성되어 있다. 이 체결구멍(250)과 홀더(100)의 체결구멍(120)은 서로 대응되지만, 홀더(100)의 체결구멍(120)과 달리, 이 체결구멍(250)은 노즐플레이트(200)를 관통하지는 않는다.
도 6의 (a)～(c)와, 도 7을 참조하여, 본 실시예에 따른 래디얼 플로우를 이용한 비접촉식 기판 척킹용 에어 패드의 각부(各部) 구성을 더욱 상세히 설명한다.
먼저, 도 6의 (a)에서, 도면참조부호 CL1은 홀더(100)의 저면(160)에서의 외측 가장자리 윤곽선을 나타내고, CL2는 저면(160)의 내측 가장자리 윤곽선을 나타내며, CL3는 노즐플레이트(200)의 저면의 가장자리 윤곽선을 나타낸다. 홀더(100)와 노즐플레이트(200)가 조립된 상태에서, 이들 윤곽선은 동심원을 이루는데, 지름이 각각 100㎜, 83.44㎜, 74㎜이다.
다음으로, 도 6의 (b)에서, 도면참조부호 D1은 홀더(100) 중앙에 천공된 공기주입구멍(110)의 지름을, D2는 홀더(100)의 평탄면(150) 및 노즐플레이트(200)의 상면(230)의 지름을 각각 나타내며, 본 실시예의 경우, 각각, 6㎜와 54㎜이다. 또, D3는 앞에서 언급한 바와 같이, 오리피스(240)의 지름을 나타낸다.
또한, 도면참조부호 h1은 홀더(100)의 높이를, h2는 홀더(100)와 노즐플레이트(200)가 결합된 상태에서 홀더(100)의 상면에서 노즐플레이트(200)의 저면까지의 높이를, h3는 노즐플레이트(200)의 상면과 저면 사이의 높이를 각각 나타내는데, 이들 각각의 높이(h1, h2, h3)는, 19.5㎜, 19㎜, 3㎜이다.
또한, 노즐플레이트(200)의 상면(230)에는 높이 1㎜의 경계벽(211)이 돌출되어 있는바, 홀더(100)의 오목부(130) 내에 상기 노즐플레이트(200)가 끼워져 고정되면, 이 오목부(130)의 평탄면(150)과 노즐플레이트(200)의 상면(230) 사이에 1㎜의 간격(g)이 형성된다. 따라서, 이 간격(g)에 의해, 깊이 1㎜의 채널(212)이 완성된다.
다음으로, 도 6의 (c)에서, 도면참조부호 N1은 노즐플레이트의 윤곽선(CL3) 밖으로 돌출해 있는 경계벽(211)의 끝점과 노즐플레이트의 중심을 연결한 법선으로서, 이 법선(N1)을 중심으로, 경계벽(211)의 양측 부분이 정확히 포개진다. 다시 말해, 이 법선(N1)을 중심으로, 경계벽(211)의 양측 부분은 모양과 면적이 똑같다. 또한, 본 실시예에서, 인접해 있는 법선(N1)과 법선(N1) 사이의 내각(θ1)은 45°로 설정되어 있고, 인접해 있는 법선(N1)과 법선(N2, N3) 사이의 내각(θ3)은 각각 15°로 설정되어 있으며, 경계벽(211)의 양 측면 사이의 내각(θ2 )은 20°로 설정되어 있다. 또한, 노즐플레이트(200)의 중심 근처에 있는 각(各) 경계벽(211)의 끝점은 가상의 동심원 상에 위치되며, 이 동심원의 지름은, 홀더(100)의 중앙에 관통되어 있는 공기주입구멍(110)의 지름(D1)보다 크다.
다음으로, 도 7에서, 도면참조부호 L은, 채널(212) 양측의 경계벽(211)이 일직선을 유지하는 직선구간의 직선길이를 나타내며, θ는, 경계벽(211)의 일측 측면과 법선(N1) 사이의 내각을 나타낸다. 내각(θ)의 크기는, 앞서 언급한 경계벽(211)의 양 측면 사이의 내각(θ2 )의 절반 크기와 같다. 또한, 직선길이(L)는, 노즐플레이트(200)의 중심으로부터 상면(230) 가장자리까지의 길이를 초과할 수는 없다. 도면참조부호 R은, 노즐플레이트의 윤곽선(CL3) 밖으로 약간 돌출된 경계벽(211)의 끝점과 상기 경계벽(211)이 일직선을 유지하는 직선구간의 끝점을, 일정 반지름의 원호로 연결하는 곡선부이다. 본 실시예에서, 이 곡선부(R)의 반지름은 20㎜이다. 한편, 설명의 편의를 위해 도입한 확산노즐구조(210)는, 채널(212)과 이 채널(212)의 양측에 배치된 경계벽(211)을 둘 다 포함하는 개념인 것으로 정의한다.
이하, 시뮬레이션 결과를 토대로, 본 발명에 따른 래디얼 플로우를 이용한 비접촉식 기판 척킹용 에어 패드의 작용?효과를 설명한다.
도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른 에어 패드의 확산노즐구조 내에서의 유동장(streamline field)을 나타낸 도면으로서, 실시예의 에어 패드가 8개의 확산노즐구조(210)를 가지는 대칭형 모델이라는 점에서, 정확히 ⅛모델이다.
도 5, 도 6, 도 8을 통해 알 수 있듯이, 홀더(100)와 노즐플레이트(200)가 조립되어 구성된 에어 패드는, 홀더(100)의 중앙에 관통된 공기주입구멍(110)을 통해, 에어 패드의 내부로, 압축공기(주로, 3bar의 공기압 적용)가 주입된다. 에어 패드 내부로 주입된 압축공기는, 방사상으로 분리?배치되어 있는 8개의 확산노즐구조(210)의 채널(212)을 따라, 에어 패드의 중심으로부터 가장자리 측으로 유동한 뒤, 홀더(100)의 저면(160)의 내측 가장자리와 노즐플레이트(200)의 가장자리 사이에 개구(開口)된 간격(g)을 통해, 에어 패드 바깥으로 배출된다.
도 3에 도시된 선회류 방식의 에어 패드와 달리, 본 발명에 따른 에어 패드는, 확산노즐구조(210)의 채널(212) 안으로 도입된 공기가 래디얼 플로우 형태로 유동하기 때문에, 회전 토크로 인한 기판의 떨림(움직임)이 발생하지 않는다. 따라서 본 발명에 따른 에어 패드는 기판을 안정된 상태로 파지할 수 있다.
또, 1㎜의 간격(g)을 통해 바깥으로 배출되는 공기는, 토출된 이후에도 일정 범위까지 기판의 표면 위를 유동하므로, 두께가 얇은 기판을 부양시켜 파지하는 경우, 기판의 편평도 유지에도 장점으로 작용한다.
또한, 대칭을 이루고 있는 8개의 확산노즐구조(210)를 통해 공기가 토출되므로, 유동장도 안정된 상태를 유지할 수 있다.
도 9는 상기 확산노즐구조(210)에서, 채널(212)을 따라 유동하는 공기와, 오리피스(240)를 통해 채널(212) 측으로 유동하는 공기의 속도장(velocity field)을 나타낸 도면이다.
도 5, 도 6, 도 9를 통해 알 수 있듯이, 확산노즐구조(210)의 채널(212) 바닥에는, 복수(複數)의 미세한 오리피스(240)가 노즐플레이트(200)를 관통한 형태로 형성되어 있다. 또한, 홀더(100)의 오목부(130) 내에 노즐플레이트(200)를 장착했을 때, 노즐플레이트(200)의 저면이 홀더(100)의 저면(160)보다 좀 더 들어간 위치에 있도록 하여, 기판의 파지시, 더 안정적인 진공압(부압 또는 부상력)이 기판에 작용할 수 있도록 하였다. 즉, 점성을 가진 공기가 빠른 속도로 채널(212)을 빠져나가게 함으로써, 채널과 유체연통(fluid communication)해 있는 오리피스(240) 속의 공기가 점성으로 인해 채널 측으로 빨려들게 되고, 이러한 점성의 영향이 연쇄적으로 전파되어 에어 패드의 하부 영역이 부압 상태로 되는 것이다.
이와는 대조적으로, 공기의 연속체 유동원리에 따라, 에어 패드의 저면측 가장자리 부분에 개구된 간격(g)을 통해, 대부분의 공기가 대기압보다 높은 정압(양압) 상태로 기판을 향해 토출됨으로써 기판과 에어 패드의 저면 사이에 0.5-1.0㎜의 틈새가 유지되며, 아주 소량의 공기만이, 도 8 및 도 9에 도시된 것처럼, 에어 패드의 저면측에 형성된 부압영역으로 유입된다. 그러나 부압영역으로 유입되는 공기량은 상기 간격(g)을 통해 기판 측으로 토출되는 공기량에 비하면 극히 적은 량일뿐만 아니라, 오리피스(240)를 통해 지속적으로 채널(212) 내에 배출되므로, 상기 부압영역이 거의 일정한 진공압(부압)을 유지할 수 있다.
여기서, 오리피스의 개수, 배열 위치, 크기는 매우 중요한 설계 변수로 작용하는데, 도 6에 나타낸 지름 100㎜ 모델의 경우, 확산노즐구조 하나당 6개의 오리피스(240)를 설치함과 아울러, 각(各) 오리피스는 지름을 1㎜, 높이를 3㎜ 함이 바람직하였다.
도 10과 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 지름 100㎜ 모델의 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
그 중, 도 10은, 기판과 에어 패드 사이의 틈새의 크기에 따른 압력 분포를 나타낸 것으로서, 선회류 방식의 종래 에어 패드보다 더 넓은 범위에 걸쳐 흡인영역(부압영역)이 형성됨과 아울러, 흡인영역의 진공압(부압)도 더 안정적으로 유지됨을 확인할 수 있었다. 더 구체적으로, 에어 패드와 기판 사이의 틈새를, 0.5-1.5㎜ 범위 내에서 0.1㎜(또는, 0.2㎜)씩 증가시켜 시뮬레이션한 결과, 에어 패드와 기판 사이의 틈새가 0.7-0.9㎜인 경우, [기판의 자중력+기판에 작용하는 공기 압력 분포력]이 [부압에 의해 기판에 작용하는 흡인력(부상력)]과 같아지는 안정적인 균형점으로 접근함을 확인할 수 있었다. 또, 에어 패드의 중심으로부터 반지름 0.032m(32㎜)까지의 흡인영역(부압영역) 내에, 일정 세기의 부압이 흡인영역의 전 구간에 걸쳐 균일하게 발생하여, 기판도 전체 길이에 걸쳐 균일하게 흡인됨을 볼 수 있었다.
한편, 에어 패드의 저면측 가장자리 부분에 개구된 1㎜ 간격(g)을 통해 토출된 공기는, 에어 패드의 저면과 기판 표면 사이에 형성된 0.7-0.9㎜의 틈새를 통해 바깥으로 배출되며, 이 과정에서, 대기압보다 높은 압력이 기판 표면에 가해져, 에어 패드와 기판이 비접촉 상태를 유지하게 된다.
다음으로, 도 11은, 기판이 에어 패드로부터 0.7-0.9㎜만큼 떨어져서 척킹된 때, 기판의 각 부분에 작용하는 정압과 부압의 세기를 나타낸 등압 분포도(contour pressure distribution)로서, 대기압보다 높은 압력(정압)이 작용하는 에어 패드의 가장자리 부분 중 일부 영역을 제외하고는, 방사상으로 균일하게, 압력이 정압부와 부압부로 나누어져 있음을 확인할 수 있다.
다음으로, 도 12는, 지름 1.0㎜의 오리피스와 지름 1.2㎜의 오리피스를 각각 적용한 경우, 기판의 표면상에 작용하는 압력 라인 분포와, 압력 윤곽(contour) 및 속도 윤곽과, 오리피스 내 속도장(velocity field)을 나타낸다. 압력 윤곽 및 속도 윤곽의 분포로부터, 확산노즐구조(210) 내에서 공기가 고르게 방사형으로 진행함을 알 수 있다.
도 13은, 본 발명의 일 실시예에 따른 지름 100㎜ 모델의 시뮬레이션 결과로서, 오리피스의 지름을 0.6-1.4㎜ 범위 내에서, 0.2㎜씩 증가시켜 적용한 경우, 기판에 작용하는 압력 분포를 나타낸다. 확산노즐구조(210) 하나당 6개의 오리피스를 배치하되, 노즐플레이트(200)의 중심으로부터 각각 반지름이 12.5㎜, 17.5㎜, 22.5㎜가 되는 가상의 동심원 상에, 2개씩 배치한 것으로 가정하였다. 또한, 기판과 에어 패드 사이의 틈새는 0.7㎜, 공기주입구멍(110)을 통해 주입되는 공기의 압력은 3bar인 것으로 가정하였다.
도 13의 시뮬레이션 결과로부터 알 수 있듯이, 오리피스의 지름이 1.0-1.2㎜ 범위에 있을 때 부압이 원활하게 형성되었다. 오리피스의 지름을 0.6-0.8㎜ 범위로 한 경우, 에어 패드의 저면측 가장자리 부분의 간격(g)을 통해 기판 측으로 토출되는 공기가 기판의 표면에 지나치게 큰 정압을 작용함은 물론, 부압도 원활하게 형성되지는 못하였다. 이에 대해, 오리피스의 지름을 1.4㎜로 한 경우, 너무 큰 부압이 형성되어 안정적이지 못하였다.
따라서, 정압과 부압을 균형적으로 형성한다는 관점에서, 오리피스의 지름은 1.0-1.2㎜인 것이 바람직함을 알 수 있다.
다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 지름 100㎜ 모델에서, 확산노즐구조 하나당 6개의 오리피스(240)를 2개씩 쌍을 이루어 아래의 표 1과 같이 배치한 때의 영향이 도 14a와 도 14b 및 도 15에 각각 나타나 있다. 구체적으로, 도 14a와 도 14b는 오리피스의 위치 변화에 따른 압력 라인 분포, 압력 윤곽, 속도 윤곽, 오리피스 내 속도장을 각각 나타내며, 도 15는 공기주입구멍(110)을 통해 주입되는 공기의 압력을 3bar로 하고, 에어 패드와 기판 사이의 틈새를 0.7㎜로 설정한 경우, 기판에 작용하는 압력 분포를 나타낸다.
Figure 112010069013341-pat00001
시뮬레이션 결과, 에어 패드의 중심에 인접하여 배치되는 첫 번째 오리피스는 중심으로부터 8.5-12.5㎜ 떨어진 위치에 형성되고, 두 번째 및 세 번째 오리피스는 각각 첫 번째 오리피스로부터 5㎜와 10㎜ 떨어진 위치에 형성되었을 때, 안정적으로 부압(또는, 부압영역)이 형성됨을 확인할 수 있었다.
케이스 C의 경우, 즉, 첫 번째 오리피스가 에어 패드의 중심으로부터 14.5㎜ 이상 떨어진 위치에 형성된 경우에는, 도 13에서 보는 것처럼, 부압영역에 형성되는 부압의 세기가 크게 증가하였다. 따라서, 첫 번째 오리피스는 에어 패드의 중심으로부터 10-13㎜ 범위 내에 형성되는 것이 바람직하다.
다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 지름 100㎜ 모델에서, 아래의 표 2와 같이, 오리피스가 2개씩 쌍을 이루어, 4열 또는 5열로 배치된 경우의 영향이 도 16 및 도 17에 나타나 있다.
Figure 112010069013341-pat00002
가상의 동심원 상에 배열되는 지름 1㎜의 오리피스의 개수를 8개, 10개로 증가시켰을 때, 개수가 증가함에 따라 부압영역의 진공도가 높아져, 예를 들면, 에어 패드와 기판 사이의 틈새를 0.7㎜로 유지하는 조건에서는, 에어 패드의 아래에 놓여져 있는 기판에 작용하는 정압의 절대치보다 진공압의 절대치가 커지게 되어, 기판을 안정적으로 부상시킬 수 없었다.
시뮬레이션 결과에 따르면, 지름 100㎜ 모델의 경우, 지름 1㎜의 오리피스는 확산노즐구조 하나당 적게는 4개에서 많게는 8개까지 적용할 수 있었다.
지름이 같다는 가정하에, 8개의 오리피스가 적용된 경우는 6개의 오리피스가 적용된 경우보다 정압과 부압이 둘 다 높게 형성되므로, 더 무겁고 큰 기판을 비접촉 방식으로 파지할 때 유리하다. 이와 대조적으로, 4개의 오리피스가 적용된 경우는 더 얇고 가벼운 기판을 비접촉 방식으로 파지할 때 유리하다.
다음으로, 도 6, 도 7, 도 18을 통해, 본 발명에 따른 래디얼 플로우를 이용한 비접촉식 기판 척킹용 에어 패드의 주요 구성요소인 확산노즐구조(210)에 대해 더 구체적으로 설명한다.
먼저, 도 6에 나타나 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 에어 패드는, 꽃잎 모양으로 된, 높이 1㎜의 경계벽(211)이 노즐플레이트(200)의 상면과 구배면에 걸쳐진 형태로, 45°간격마다 돌출되어 있다. 이에 의해, 인접해 있는 두 경계벽(211)(211) 사이에는, 노즐플레이트(200)의 중심에서 멀어질수록 점점 더 사이가 벌어지는 형태의 채널(212)이 형성된다. 각각의 채널(212)은, 노즐플레이트의 중심 부근에 위치된 일측 끝 부분이 홀더(100)의 공기주입구멍(110)에 각각 유체연통되어 있다.
따라서 홀더의 오목부(130) 내에 노즐플레이트가 끼워져 고정되면, 오목부의 평탄면(150)이 채널(212)의 상부를 덮어, 공기가 유동할 수 있는 1㎜의 간격(g)이 형성된다.
도 6에 나타낸 확산노즐구조(210)의 형상은, 에어 패드의 내부로 주입된 공기가 상기 채널(212)을 따라 에어 패드의 바깥으로 토출될 때까지 원활하게 유동할 수 있도록 하고, 또, 에어 패드의 저면측 가장자리 부분에 개구(開口)된 간격(g)을 통해 바깥으로 배출된 공기가 에어 패드의 저면측 중심부에 형성되는 부압영역으로 흡인되어 재순환(recirculation)하는 것을 억제하며, 또, 에어 패드의 저면측 가장자리 부분에 대면(對面)하고 있는 기판의 표면에 지나치게 큰 정압(양압)이 작용하는 것을 방지하는 효과가 있다. 특히, 노즐플레이트의 구배면(220) 측으로 약간 돌출되어 있는 꽃잎 모양의 경계벽(211)의 선단은, 에어 패드의 저면측 가장자리 부분에서, 공기의 흐름을 바깥쪽으로 적극 유도하여, 공기가 재순환하는 것을 최대한 방지하는 역할을 하게 된다.
앞서 언급한 바 있는 도 7은, 확산노즐구조(210)의 일 실시예를 나타낸 것으로서, 경계벽(211)의 일측 측면과 법선(N1) 사이의 내각(θ)을 10°로 하고, 곡선부(R)의 반지름을 20㎜로 한 경우, 도 8에 나타낸 것처럼, 채널(212)의 내부와 에어 패드의 저면측 가장자리 부분에서 공기의 유선(streamline)이 안정적으로 유지됨을 확인할 수 있었다. 또한, 에어 패널의 저면측 가장자리 부분에 개구된 간격을 통해 바깥으로 토출된 공기도, 꽃잎 모양으로 된 경계벽(211)의 선단에 의해, 재순환이 최대한 억제되었다.
도 18은 도 6에 나타낸 지름 100㎜ 모델에서의 공기의 유동을 해석하기 위한 계산영역(computational domain)의 모식도로서, 오리피스(240)의 높이를 3㎜로 설정한 경우, 노즐플레이트(200)의 구배면(220)의 경사각은 17.745°로 하는 것이 가장 바람직하였다.
한편, 도 6에서는, 홀더의 높이(h1)는 19.5㎜로 하고, 홀더와 노즐플레이트가 결합된 상태에서의 홀더 상면에서부터 노즐플레이트의 저면까지의 높이(h2)는 19㎜로 함으로써, 기판 측을 향해, 홀더의 저면(160)이 노즐플레이트의 저면보다 0.5㎜ 더 돌출되도록 하였다. 이러한 차이에 의해, 에어 패드의 저면측 가장자리 부분에 개구된 간격(g)을 경계로 하여 정압영역과 부압영역이 확실하게 구분되어 형성되며, 상기 간격(g)을 통해 토출된 공기의 재순환도 최대한 억제된다.
다음으로, 확산노즐구조(210)를 형성하는 경계벽의 일측 측면과 법선(N1) 사이의 내각(θ), 곡선부(R)의 반지름, 채널(212)의 직선길이(L)를 아래의 표 3과 같이 변화시켰을 때의 영향이 도 19a와 19b 및 도 20에 각각 나타나 있다.
Figure 112010069013341-pat00003
케이스 I의 시뮬레이션 결과에서 보듯이, 경계벽의 일측 측면과 법선(N1) 사이의 내각(θ)을 20°까지 늘려, 양 경계벽 사이의 각도(채널 주입 각도)를 좁혔을 때, 공기의 유동속도가 빨라짐과 아울러, 에어 패드의 바깥으로 토출된 공기가 인접해 있는 다른 채널(212)로부터 토출되는 공기와 간섭을 일으킴으로써, 유선이 원활한 형상을 유지할 수 없었다.
이와는 대조적으로, 케이스 F의 경우는, 도 19a에서 보는 바와 같이, 유선이 원활한 형상을 유지함을 알 수 있다.
한편, 채널 주입 각도를 좁혔을 때, 에어 패드의 저면측 가장자리 부분에 개구되어 있는 간격(g) 부근에서 압력 분포가 불균일함을 알 수 있다. 이 경우, 에어 패드의 저면과 기판 사이에, 균일한 틈새를 형성할 수 없기 때문에, 일정한 부상력을 기대할 수 없다.
시뮬레이션 결과에 따르면, 지름 100㎜ 모델에서, 오리피스의 지름을 1㎜로 설정한 경우, 안정적인 부상력이 얻어지는 내각(θ)은 10° 내지 12°였다.
이상, 본 발명의 실시예에 대해 설명했지만, 본 발명이 상기 실시예로 한정되는 것은 아니다. 따라서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 기술사상을 일탈하지 않는 범위 내에서, 통상의 창작 능력을 발휘하여, 다양한 변형예를 도출할 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 특허청구범위의 기재 사항과 더불어, 당업자에게 있어서 자명한 설계변경사항도 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100...홀더(holder)
110...공기주입구멍(air injection hole)
120...체결구멍(screwed hole)
130...오목부(dished recess)
140...구배면(slope)
150...평탄면(flat surface)
160...저면(bottom surface)
200...노즐플레이트(nozzle plate)
210...확산노즐구조(divergent nozzle structure)
211...경계벽(barrier wall)
212...채널(channel)
220...구배면(slope)
230...상면(upper surface)
240...오리피스(orifice)
250...체결구멍(screwed hole)
CC1, CC2, CC3...동심원(concentric circle)
CL1, CL2, CL3...윤곽선(contour line)
D1, D2, D3...지름(distance across)
g...간격(gap)
h1, h2, h3...높이(height)
L...직선길이(straight guidance length)
N1, N2, N3...법선(normal line)
R...곡선부(round)
θ, θ1, θ2, θ3...내각(interior angle)
θ4...경사각(rake angle)

Claims (4)

  1. 기판을 비접촉 방식으로 척킹하여 후속 공정으로 이송하는 기판이송장치의 기판 척킹용 에어 패드로서, 상기 에어 패드는,
    기판이송장치의 로봇 아암에 지지 가능한 홀더(100) 및 이 홀더(100)와 분해조립 가능하게 결합되는 노즐플레이트(200)를 포함하며;
    홀더(100)는, 높이에 비해 지름이 큰 원통체로서, 상면의 중심을 관통하여 일정 지름의 공기주입구멍(110)이 형성되고, 노즐플레이트(200)를 수용할 수 있는 오목부(130)가 상면의 반대 측의 면에 형성되며, 오목부(130)는 홀더의 저면(160)으로부터 일정 깊이만큼 더 들어간 평탄면(150) 및 이 평탄면(150)의 가장자리와 저면(160)의 내측 가장자리를 연결하는 구배면(140)으로 구성되고;
    노즐플레이트(200)는, 노즐플레이트 중심에서 멀어질수록 양측 경계벽(211) 사이의 채널(212)이 넓어지는 형태의 확산노즐구조(210)가 노즐플레이트 상면(230)과 구배면(220)에 걸쳐 방사상으로 복수 개가 배치됨과 아울러, 노즐플레이트 중심 부근에 위치되는 각(各) 채널(212)의 일측 끝 부분은 홀더의 공기주입구멍(110)과 유체연통하며, 확산노즐구조의 채널(212)마다, 채널 바닥면이 되는 노즐플레이트 상면(230)에, 노즐플레이트를 수직으로 관통하는 복수 개의 오리피스(240)가 일정한 배열 규칙에 따라 형성된 것을 특징으로 하는 래디얼 플로우를 이용한 비접촉식 기판 척킹용 에어 패드.
  2. 제1항에 있어서,
    홀더(100)의 저면(160)의 내측 가장자리와 노즐플레이트(200)의 저면의 가장자리 사이에, 공기를 배출하기 위한 일정 폭의 간격(g)이 형성되는 것을 특징으로 하는 래디얼 플로우를 이용한 비접촉식 기판 척킹용 에어 패드.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    홀더(100)의 높이(h1)는,
    홀더(100)와 노즐플레이트(200)가 조립된 상태에서, 홀더(100)의 상면에서부터 노즐플레이트(200)의 저면까지의 높이(h2)보다 큰 것을 특징으로 하는 래디얼 플로우를 이용한 비접촉식 기판 척킹용 에어 패드.
  4. 삭제
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