KR20090120344A - 매엽식 기판처리장치의 스핀척 장치 및 척핀 작동 방법 - Google Patents

매엽식 기판처리장치의 스핀척 장치 및 척핀 작동 방법 Download PDF

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Abstract

매엽식 세정장치의 스핀척 장치는 웨이퍼를 지지하기 위한 지지면을 제공하는 척, 척에 대해 상대적인 회전이 가능한 링 기어, 상기 지지면으로부터 부분적으로 노출되도록 장착되며 링 기어에 의해서 구동되는 복수개의 척핀, 척 및 링 기어에 회전을 전달하는 구동축 부재, 및 척의 회전을 단속하는 브레이크를 구비한다. 웨이퍼의 장착 시, 브레이크가 척을 고정시키는 동시에, 구동축 부재가 링 기어를 통해 복수개의 척핀을 회전시키고, 복수개의 척핀이 웨이퍼를 장착할 수 있는 상태로 전환될 수 있다.
매엽식 세정장치, 싱글 웨이퍼, single wafer, 브레이크

Description

매엽식 기판처리장치의 스핀척 장치 및 척핀 작동 방법 {SPIN CHUCK DEVICE FOR SINGLE WAFER TREATING MACHINE AND METHOD OF OPERATING CHUCKING PIN IN SPIN CHUCK DEVICE}
본 발명은 스핀척 장치에 관한 것으로서, 보다 자세하게는, 매엽식 기판처리장치에서 스핀척의 회전과 웨이퍼 척핀 작동을 원활하게 할 수 있는 스핀척 장치 및 척핀 작동 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 소자는 기판, 예를 들어, 실리콘 기판을 이용하여 증착, 사진 및 식각 공정 등을 반복 수행함으로써 제조될 수 있다. 공정들을 거치는 동안 기판 상에는 각종 파티클, 금속 불순물, 유기 불순물 등과 같은 오염 물질이 잔존할 수 있다. 오염 물질은 반도체 소자의 수율 및 신뢰성에 악영향을 미치기 때문에 반도체 제조시에는 기판에 잔존하는 오염 물질을 제거하는 공정이 수행된다.
상기 공정을 위한 기판 처리 방식은 크게 건식 처리 방식 및 습식처리 방식으로 구분될 수 있으며, 이 중에서 습식 처리 방식은 여러 가지 약액을 이용한 방식으로서, 복수의 기판을 동시에 처리하는 배치식(batch type) 장치와 낱장 단위로 기판을 처리하는 매엽식(single wafer type) 장치로 구분된다.
배치식 처리장치는 세정액이 수용된 세정조에 복수의 기판을 한꺼번에 침지시켜서 오염원을 제거한다. 그러나, 기존의 배치식 처리장치는 기판의 대형화 추세에 대한 대응이 용이하지 않고, 세정액의 사용이 많다는 단점이 있다. 또한 배치식 처리장치에서 공정 중에 기판이 파손되는 경우에는 세정조 내에 있는 기판 전체에 영향을 미치게 되므로 다량의 기판 불량이 발생할 수 있는 위험이 있었다.
상기와 같은 이유들로 인해 최근에는 매엽식 처리장치가 선호되고 있다.
매엽식 처리장치는 낱장의 기판 단위로 처리하는 방식으로서, 고속으로 회전시킨 기판 표면에 세정액 또는 건조가스를 분사함으로써, 기판의 회전에 의한 원심력과 세정액의 분사에 따른 압력을 이용하여 오염원을 제거하는 스핀 방식(spinning method)으로 세정이 진행된다.
통상적으로 매엽식 처리장치는 기판이 수용되어 세정 공정이 수행되는 챔버와 기판을 고정시킨 상태로 회전하는 스핀척 및 기판에 약액과 린스액 및 건조가스 등을 포함하는 세정액을 공급하기 위한 노즐 어셈블리를 포함한다.
도 1은 종래의 스핀척을 설명하기 위한 사시도이며, 도 2는 종래의 스핀척에서 척핀을 설명하기 위한 사시도이다.
도 1을 참조하면, 스핀척(10)은 상부 및 하부 몸체를 포함하여 구성된다. 하부 몸체는 하부의 모터 및 승강장치와 연결되어 회전 및 승강할 수 있으며, 상부 몸체는 하부 몸체와 일체로 연결되며 기판을 고정시킬 수 있는 지지면을 제공한다.
스핀척(10)은 상부 몸체와 하부 몸체 사이에 제공되는 링 기어(14) 및 상부 몸체를 통해서 지지면의 주변에 배치되는 척핀(20)을 포함한다. 링 기어(14)와 척 핀(20)은 치합 또는 마찰에 의해서 상호 맞물려 있으며, 링 기어(14)의 회전이 척핀(20)을 회전시켜 기판의 테두리를 선택적으로 고정시킬 수 있다. 도 2를 참조하면, 척핀(20)은 링 기어(14)와 치합되는 하부 기어부(22) 및 척 상판으로부터 노출되어 기판을 고정하는 상부 편심부(24)를 포함하며, 척핀(20)의 하부 기어부는 링 기어(14)와 치합되어 상호 회전할 수 있다.
구체적으로, 스핀척(10)은 캠 장치를 포함하며, 캠 장치는 링 기어(14)의 바퀴살(spoke)과 접하는 캠(30)을 포함한다. 캠(30)이 링 기어(14)를 일 방향 회전시키면, 링 기어(14)의 테두리에 부분적으로 형성된 기어(18)와 치합된 척핀(20)이 회전하여 언척(unchuck) 상태로 전환될 수 있다.
이때 링 기어(14)를 원래 위치로 복귀시키기 위해서, 캠(30)이 다시 반대방향으로 회전하면, 스프링(16)의 복원력에 의해 척핀(20)이 반대 방향으로 회전하여 다시 원위치인 척(chuck) 상태로 전환될 수 있다.
이와 같이, 종래에는 척핀(20)을 작동시키기 위해서 캠(30)이 사용되고 있으며, 스핀척(10)을 회전시키기 위한 모터는 캠(30)과는 별도로 중심 샤프트를 통해 스핀척(10)의 하부 몸체와 연결되어 있다. 따라서 스핀척(10)은 캠(30)을 작동하기 위한 구동장치 외에 중심 샤프트와 연결되는 별도의 구동장치를 포함한다.
본 발명은 하나의 구동장치로 중심 샤프트 회전 및 척핀 작동을 제어할 수 있는 매엽식 세정장치의 스핀척 장치를 제공한다.
본 발명은 브레이크를 이용하여 중심 샤프트 회전의 감속 및 척핀의 선택적 작동을 제어할 수 있는 매엽식 세정장치의 스핀척 장치를 제공한다.
본 발명은 브레이크 위치 변경이라는 간단한 구조 개선을 통해서 중심 샤프트 회전의 감속 및 척핀의 선택적 작동을 제어할 수 있는 매엽식 세정장치의 스핀척 장치를 제공한다.
본 발명의 예시적인 일 실시예에 따르면, 매엽식 세정장치에서의 스핀척 장치는 웨이퍼를 지지하기 위한 지지면을 제공하는 척(chuck), 척에 대해 상대적인 회전이 가능한 링 기어(ring gear), 척의 지지면으로부터 부분적으로 노출되도록 장착되며 링 기어에 의해서 구동되는 복수개의 척핀(chuck pin), 척과 링 기어에 회전을 전달하는 구동축 부재, 및 척의 회전을 단속하는 브레이크(brake)를 구비한다.
브레이크는 기본적으로 회전하는 구동축 부재에 필요한 마찰을 가하여 척의 회전을 정지시키기 위한 것이지만, 웨이퍼를 척에 장착할 때에도 척핀이 척에 대해 회전하도록 할 수가 있다. 구체적으로, 웨이퍼의 장착 시, 브레이크가 척을 고정시키고, 그와 동시에 구동축 부재가 링 기어를 통해 복수개의 척핀을 회전시킬 수 있 으며, 그 결과 복수개의 척핀이 웨이퍼를 장착할 수 있는 상태로 전환될 수 있다.
즉, 기존에 구동축 부재를 정지시키기 위한 브레이크를 이용하되, 척을 직접적으로 구속하도록 하며, 링 기어를 척에 대해 상대적으로 회전하도록 회전을 전달하여 복수개의 척핀을 작동시킬 수가 있다. 따라서 하나의 구동장치를 이용하여 종래의 캠 구동을 대신할 수 있으며, 스핀척의 내부 구성을 더욱 간단하게 형성할 수가 있다.
복수개의 척핀은 링 기어와 치합 또는 마찰 등 다양한 방법에 의해서 상호 기능적으로 연결될 수 있으며, 링 기어 역시 척의 내부 또는 하부에 장착될 수가 있다. 구동축 부재는 다양한 방식으로 제공될 수 있다. 또한, 매엽식 세장장치에서 구동축 부재는 회전뿐만 아니라 상하로 승강할 수 있어야 하고 그 내부로는 약액 또는 순수(Deionized Water) 등을 제공할 수 있어야 하기 때문에, 외부로는 구동축 부재를 수용하기 위한 축 하우징이 더 제공될 수 있으며, 내부로는 약액이나 순수 등을 제공할 수 있는 내부 공급관이 더 제공될 수 있다.
본 발명의 예식적인 일 실시예에 따르면, 매엽식 세정장치의 스핀척 장치에서 척핀을 작동하기 위한 방법은, 웨이퍼를 지지하기 위한 지지면을 제공하는 척 및 상기 척에 대해 상대적인 회전이 가능한 링 기어를 제공하는 단계, 척의 회전을 단속하는 브레이크를 이용하여 척을 고정하는 단계, 척 및 상기 링 기어에 회전을 전달하는 구동축 부재를 이용하여 척에 대비하여 링 기어를 상대적으로 회전시키는 단계, 링 기어에 의해서 구동되는 복수개의 척핀을 웨이퍼를 장착할 수 있는 상태로 전환하는 단계, 웨이퍼를 복수개의 척핀 안쪽으로 위치시키는 단계, 구동축 부 재를 이용하여 링 기어를 원위치로 복귀시키는 단계, 및 척으로부터 브레이크를 해제하는 단계를 포함한다.
본 발명의 스핀척 장치는 하나의 구동장치로 구동축 부재의 회전 및 척핀 작동을 제어할 수 있으며, 이때 구동축 부재를 감속할 수 있는 기존의 브레이크를 활용하여 척핀의 선택적 작동을 구현할 수 있다.
또한, 브레이크에 의한 척핀의 선택적 작동은 웨이퍼를 척 상에 장착할 때 적용되고, 브레이크에 의한 구동축 부재의 감속은 세정 과정 후 적용되기 때문에, 브레이크에 의한 장비 혼란을 방지할 수 있다.
즉, 종래의 스핀척 장치와는 달리 캠을 생략할 수 있으며, 브레이크의 위치 또는 요소 간의 작동 관계를 수정하여 척 회전 외에 링 기어 작동도 구현할 수 있고, 부수적으로 부품의 개수를 줄일 수도 있다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀척 장치를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 스핀척 장치(100)는 척(110), 링 기어(120), 척핀(130), 구동축 부재(140), 외부 축 하우징(150), 내부 공급관(155) 및 브레이크(160)를 포함한다.
척(110)은 구동축 부재(140) 상에 장착되며, 척 상판(112) 및 척 하판(114)을 포함한다. 척 상판(112) 및 척 하판(114)는 상하 조립되어 일체로 연결되며, 척 하판(114)은 구동축 부재(140)와 주로 고정되어 구동축 부재(140)와 함께 회전할 수가 있다. 다만, 척 하판(114) 또는 척 상판(112)은 구동축 부재(140)와 소정의 각도 범위에서 슬립이 가능하도록 연결된다.
구동축 부재(140)는 하부의 모터(미도시)를 포함하며, 모터의 회전력은 구동축 부재(140)의 중심 샤프트(142)를 통해 척(110)으로 전달될 수 있다. 구체적으로 중심 샤프트(142)는 중공형으로 형성되며, 외부로는 축 하우징(150)에 의해서 수용되며, 내부로는 내부 공급관(155)이 제공된다.
축 하우징(150)과 중심 샤프트(142) 사이에는 베어링(144)이 제공될 수 있으며, 베어링(144)에 의해서 중심 샤프트(142)는 축 하우징(150)의 중심축을 중심으로 안정적으로 회전할 수 있다. 또한, 중심 샤프트(142)의 내부로 내부 공급관(155)이 제공될 수 있다. 내부 공급관(155)은 웨이퍼(W)의 저면으로 필요한 약액 또는 순수(DI-water)를 제공할 수 있으며, 외부의 약액 공급부 또는 순수 공급부와 연결될 수 있다.
척(100)의 척 상판(112) 및 척 하판(114) 사이로 링 기어(120)가 제공될 수 있다. 링 기어(120)는 도 1에 도시된 바와 같이 형성될 수도 있으며, 다양한 방식으로 형성될 수가 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 형상은 캡에 의한 구동이 필요하기 때문에 바퀴살이 있는 형상으로 형성되어야 하지만, 본 발명에 따르면 링 기어(120)는 바퀴살 구조 없이 원판 또는 평판 형상으로 제공될 수가 있다. 이는 링 기어의 강도와도 연관되는 것으로서, 바퀴살 구조 없이 제작이 가능하면 링 기어 제작에 소비되는 비용을 절감할 수 있으며, 링 기어 제작 정밀도에 대한 부담을 줄일 수도 있다.
링 기어(120)의 외주변에는 척핀(130)과 구속되는 기어치가 전체적으로 형성될 수 있으며, 척핀(130)이 있는 구간에 대응하여 부분적으로 형성될 수 있다. 척핀(130)은 상부 편심부(134) 및 하부 기어부(132)를 포함하며, 하부 기어부(132)는 링 기어(120)와 기어 결합에 의해 연결되어 링 기어(120)에 의해서 회전할 수가 있다.
상부 편심부(134)는 하부 기어부(132)와 함께 회전하도록 장착되며, 하부 기어부(132)의 축에 대해 편심된 구조로 형성된다. 따라서, 하부 기어부(132)가 회전함에 따라 상부 편심부(134)의 편심된 구조는 안쪽 또는 바깥쪽으로 이동하면서 웨이퍼(W)의 테두리를 선택적으로 고정할 수가 있다. 도 3을 보면, 좌측에 도시된 척핀(130)에서 상부 편심부(134)가 안쪽으로 이동하여 웨이퍼를 고정할 수 있는 위치에 있으며, 우측에 도시된 척핀(130)에서 상부 편심부(134)는 바깥쪽으로 이동하여 웨이퍼를 장착 또는 분리할 수 있는 위치에 있다. 물론, 도시된 바와는 다르게, 복수개의 척핀은 동시에 안쪽으로 이동하거나 동시에 바깥쪽으로 이동하도록 설계되는 것이 일반적이다.
도 4는 도 1의 스핀척 장치에서 브레이크를 설명하기 위한 평면도이다. 참고로, 도 4의 (a)는 브레이크가 작동하기 전 상태를 도시한 것이며, 도 4의 (b)는 브레이크가 작동한 후 상태를 도시한 것이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 브레이크(160)는 일종의 드럼식 브레이크로서, 드럼(162) 및 작동 캠(164)을 포함한다. 작동 캠(164)에 의해서 드럼(162)의 반경이 선택적으로 확장될 수 있으며(b), 확장된 드럼(162)은 척 하판(114)의 하부와 밀착하여 척(110)의 회전을 억제할 수 있다.
본 실시예에서는 브레이크로 일종의 드럼식 브레이크를 예로 설명하지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 브레이크는 브레이크 패드를 사용하거나 유압 드럼을 사용하는 등의 방법으로 다양하게 구현될 수가 있다.
도 5는 도 1의 척핀을 설명하기 위한 확대 단면도이다.
도 5를 참조하면, 척핀(130)은 상호 분리된 하부 기어부(132)와 상부 편심부(134)를 포함한다. 구체적으로, 하부 기어부(132)는 척 상판(112)과 척 하판(114) 사이에 장착되며 링 기어(120)와 치합된다. 반대로, 상부 편심부(134)는 핀(136)에 의해서 하부 기어부(132)의 상부에 고정적으로 장착되며, 척 상판(112) 상에서 하부 기어부(132)와 일체로 결합될 수 있다.
상부 편심부(134)가 변형되어도 척 상판(112)을 분리할 필요가 없으며, 상부 편심부(134)를 하부 기어부(132)로부터 분리한 후 새로운 상부 편심부로 교체하는 것이 가능하다.
척 상판(112)에 하부 기어부(132)가 통과할 수 있는 홀(113)을 형성하고, 그 홀 입구 주변으로 돌기(116)를 형성하여 약액 등이 척 내부로 유입되는 것을 1차로 방지할 수 있으며, 상부 편심부(134)가 그 돌기를 부분적으로 수용하여 약액의 유입을 2차적으로 방지할 수 있다.
다시 도 3 내지 도 5를 참조하면, 링 기어(120) 및 척(110)은 구동축 부재(140)와 기능적으로 연결되어 함께 회전할 수 있으되, 척(110)과 구동축 부재(140)는 상대적으로 소정의 회전각 내에서는 슬립이 발생하도록 연결될 수 있다. 또한, 축 하우징(150)과 구동축 부재(140) 사이에는 베어링(144)이 제공될 수 있다.
이하, 도 3 내지 도 5를 참조하여, 본 발명에 따른 척핀 작동 방법을 설명한다. 도시된 바에 따르면, 브레이크(160)는 축 하우징(150)에 장착되며, 일 예로 드럼 브레이크로서 척 하판(114)과 선택적으로 결속되어 회전하는 척(110)을 정지시킬 수 있다.
우선 웨이퍼(W)를 지지하기 위한 척(110) 및 척(110)에 대해 상대적인 회전이 가능한 링 기어(120)를 포함하는 스핀척 장치(100)가 제공된다. 그리고, 구동축 부재(140)가 회전하기 전에, 브레이크(160)가 작동하여 척(110)을 고정시킬 수 있는데, 이때 링 기어(120)는 척(110)에 대해 상대적인 회전이 가능하다.
구동축 부재(140)는 척(110) 및 링 기어(120)와 고정적으로 또는 기능적으로 연결되며, 함께 회전할 수가 있다. 구동축 부재(140)가 회전하여 링 기어(120)를 적은 각도 범위 내에서 회전시킬 수 있으며, 고정된 척(110)은 고정된 위치를 유지한다. 그 결과, 링 기어(120)의 회전이 각 척핀(130)으로 전달되면서, 척핀(130)은 척(110) 상에서 회전할 수 있다.
링 기어(120)에 의해서 구동되는 복수개의 척핀(130)에서 상부 편심부(134)의 중심이 바깥쪽으로 이동하게 되며, 상부 편심부(134)는 웨이퍼를 장착할 수 있 는 상태로 전환된다. 그리고, 사용자 또는 웨이퍼 로딩 장치는 웨이퍼(W)를 복수개의 척핀(130) 안쪽, 즉 척(110) 상에 위치시킬 수 있다.
다시 구동축 부재(140)가 반대 방향으로 회전하게 되면, 링 기어(120)에 의해서 각 척핀(130)은 원위치로 복귀하게 되며, 구동축 부재(140)에 의한 척(110)의 회전을 가능하게 하기 위해 브레이크(160)가 해제된다.
상술한 과정으로 웨이퍼(W)를 척(chuck) 또는 언척(unchuck)할 수 있는 상태로 전환할 수 있다. 웨이퍼를 척킹한 후, 구동축 부재(140)는 정해진 방향으로 회전하여, 매엽식 세정 과정을 수행할 수 있다. 브레이크(160)는 척핀을 작동하기 위한 용도 외에도 회전하는 척(110)과 구동축 부재(140)를 정지시키기 위한 목적으로도 사용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 스핀척을 설명하기 위한 사시도이다.
도 2는 종래의 스핀척에서 척핀을 설명하기 위한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀척 장치를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 도 1의 스핀척 장치에서 브레이크를 설명하기 위한 평면도이다.
도 5는 도 1의 척핀을 설명하기 위한 확대 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100：스핀척 장치 110：척
120：링 기어 130：척핀
140：구동축 부재 150：축 하우징
155：내부 공급관

Claims (10)

  1. 웨이퍼를 지지하기 위한 지지면을 제공하는 척;
    상기 척에 대해 상대적인 회전이 가능한 링 기어;
    상기 척의 상기 지지면으로부터 부분적으로 노출되도록 장착되며, 상기 링 기어에 의해서 구동되는 복수개의 척핀;
    상기 척 및 상기 링 기어에 회전을 전달하는 구동축 부재; 및
    상기 척의 회전을 단속하는 브레이크;를 구비하며,
    상기 웨이퍼의 장착 시, 상기 브레이크가 상기 척을 고정시키는 동시에, 상기 구동축 부재가 상기 링 기어를 통해 상기 복수개의 척핀을 회전시키고, 상기 복수개의 척핀이 상기 웨이퍼를 장착할 수 있는 상태로 전환되는 것을 특징으로 하는 스핀척 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 링 기어는 상기 지지면 하부에 위치하며 상기 척에 대해 상대적인 회전이 가능한 것을 특징으로 하는 스핀척 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수개의 척핀은 상부 편심부 및 하부 기어부를 포함하며, 상기 하부 기어부는 상기 링 기어의 외주면에 형성된 기어치와 치합되는 것을 특징으로 하는 스핀척 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 상부 편심부와 상기 하부 기어부는 별도로 제작되어 조립되는 것을 특징으로 하는 스핀척 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 구동축 부재를 외부에서 수용하기 위한 축 하우징을 더 포함하며,
    상기 브레이크는 상기 축 하우징에 장착되는 것을 특징으로 하는 스핀척 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 구동축 부재의 내부로는 내부 공급관이 제공되며, 상기 내부 공급관은 상기 척의 상기 지지면으로 약액 또는 순수(Deionized Water)를 제공하는 것을 특징으로 하는 스핀척 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 구동축 부재와 상기 척은 상대적으로 소정의 범위 내에서 슬립이 가능하도록 연결되는 것을 특징으로 하는 스핀척 장치.
  8. 웨이퍼를 지지하기 위한 지지면을 제공하는 척 및 상기 척에 대해 상대적인 회전이 가능한 링 기어를 제공하는 단계;
    상기 척의 회전을 단속하는 브레이크를 이용하여 상기 척을 고정하는 단계;
    상기 척 및 상기 링 기어에 회전을 전달하는 구동축 부재를 이용하여 상기 척에 대비하여 상기 링 기어를 상대적으로 회전시키는 단계;
    상기 링 기어에 의해서 구동되는 복수개의 척핀을 웨이퍼를 장착할 수 있는 상태로 전환하는 단계;
    웨이퍼를 상기 복수개의 척핀 안쪽으로 위치시키는 단계;
    상기 구동축 부재를 이용하여 상기 링 기어를 원위치로 복귀시키는 단계; 및
    상기 척으로부터 상기 브레이크를 해제하는 단계;를 구비하는 척핀 작동 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 링 기어의 외주변에 기어치를 형성하고, 상부 편심부 및 하부 기어부를 포함하는 각각의 상기 복수개의 척핀에서, 상기 하부 기어부를 상기 링 기어의 상기 기어치와 치합시키는 것을 특징으로 하는 척핀 작동 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    별도로 제작된 상기 상부 편심부와 상기 하부 기어부를 조립하여 제공하는 것을 특징으로 하는 척핀 작동 방법.
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