KR20120031183A - 기판들의 미립자 없는 핸들링을 위한 디바이스 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 청결실 조건들 하의 미니 환경들(mini environments)내에서 마이크로 기술에 따라 기판들의 미립자없는 핸들링을 위한 디바이스에 관한 것이다. 본 발명의 과제는 마찰이 없고 그에 따라 미립자 없이 작동하는 기판들의 핸들링을 위한 디바이스를 제공하기 위한 것이다. 본 발명에 따라, 디바이스에 대한 몇 개의 자유도들(degrees of freedom)이 설계되고, 그에 의해 적어도 x축-, y-축, z-축 및 Φ-방향은 자기적으로 그리고 접촉 없이 지지되고 그리고/또는 안내되고, 그에 의해 축 및 방향 각각의 지지 및 구동은 접촉 없는 전자기(contact less electromagnetic)로 달성되고, 그에 의해 베어링 및 구동을 위한 에너지의 전송은 접촉 없이 달성된다. 적어도 하나의 능동 컴포넌트(3) 및 적어도 하나의 수동 컴포넌트(2)가 설계되고, 그에 의해 이동 가능한 능동 컴포넌트(3)는 고정된 수동 컴포넌트(2)에서 자기 베어링(4, 5)에 의해 현수되어 안내되고, 그에 의해 능동 컴포넌트(3)에 탑재된 구동 모터(7)는 전자기 결합을 통해 에너지 공급원에 결합된다.

Description

기판들의 미립자 없는 핸들링을 위한 디바이스{DEVICE FOR PARTICLE FREE HANDLING OF SUBSTRATES}
본 발명은 청정실 조건들(clean room conditions)하의 미니 환경들(mini environments) 내에서 마이크로 기술에 따라 기판들의 미립자 없는 핸들링, 특히 반도체 산업에서의 실리콘 웨이퍼들의 핸들링을 위한 디바이스에 관한 것이다.
90년대 초에 200mm 웨이퍼들의 핸들링을 위한 SMIF 기술(Standard Mechanical Interface)이 적용된 이래로, 반도체들의 제조시에 실리콘 웨이퍼는 더 이상 사람들에 의해 핸들링되지 않고 로봇들에 의해 핸들링되어 왔다. 따라서, 각각의 제조 머신에는 이른바 팩토리 인터페이스라 불리는 EFEM (Equipment Front-End Module)이 각각 장착되는데, EFEM은 머신에서 내부에 웨이퍼들 갖는 이송 카세트들 ? 200mm를 위한 SMIF-포드들(pods) 및 "FOUPS"(Front Opening Unified Pod) ? 을 개방하고, 웨이퍼를 인출하고 생산 머신 내에 웨이퍼를 위치시키도록 배치된다.
따라서 EFEM들은 각각의 생산 머신과 같이 최고 청결 표준(highest purity standard)의 기본이 된다. 200mm 기술의 경우에, EFEM들의 설계는 머신 제조업자들에 대해 자유롭게 선택 가능했지만, 카세트들에 대한 개방 매커니즘(SMIF 로더)인 SMIF 포트들만은 국제 반도체 장비 재료 협회(SEMI(semi.org)) 에 의해 규정되었고 전세계적으로 표준화되었다. 사용된 로봇 공학 및 SMIF 로더와 머신 액세스 사이의 핸드-오버 영역의 청정실 엔지니어링의 설계는 다소 불충분하게 고안되었으며, 각각의 반도체 기술의 필요한 청결 표준을 따르지 않았다.
이른바 미니 환경들이라 불리는 이러한 작은 EFEM 청정실들의 청결도의 관점에서 측정 및 승인을 위한 프로시저들은 머신들의 제조업자들이 이러한 시스템들의 청결도를 정의하는 것을 용이하게 하도록 1995년 및 1996년의 표준 "SEMI E44"에서 SEMI로부터 체계화되었다.
SMIF 기술에서의 경험에 기초하여 조직 SEMATECH(permatech.org)는 1999년 3월에 300mm 웨이퍼들의 개시와 함께 EFEM들의 설계에 대한 가이드라인을 공개하였다(#99033693A-ENG, "Integrated Mini Environment Design Best Practices").
미니 환경들 내에서 로봇들을 핸들링하는 구조(construction)는 이 문서에서 규정되지 않았다. 통상적으로 로봇들은 핸들러(handler)로도 불린다. 이들은 4개의 자유도들(선형 x-축, y-축, z-축 및 z-축을 중심으로 한 회전 운동, Φ-방향)을 이용한 실리콘 웨이퍼의 핸들링을 위한 구조들이며, 이러한 미니 환경들에서 이용된다. 사용되는 영역들의 이유로 인하여 복수의 회전축을 갖는 새로운 로봇들 이용된다.
로봇들에는 통상적으로 베어링 또는 슬라이드 베어링이 설치된다. 미니 환경의 베이스(통상적으로 y축으로 칭함)에서의 긴(long) 선형 이동들은 대부분 종래의 롤(roll)들 또는 볼 원형 베어링 상에서 이동하고 최적의 경우 드라이브 벨트들, 스티어링 랙들(steering racks), 또는 선형 모터들에 의해 구동된다.
이러한 시스템들의 에너지 공급은 물론, 필요한 경우 신호 케이블들과 진공 호스들은 각각 에너지 케이블 드레그 체인들(drag chains)인 드레그 체인들 위의 케이블들에 의해 전달되어야 한다.
모든 이러한 기계적인 컴포넌트들은 피할 수 없는 마찰로 인해 미립자들을 생성한다. 실제 시스템들에서, 공기의 수직 운동 및 배출 및 캡슐화를 통해 임계 웨이퍼 표면으로부터 생성된 미립자들을 떼어내려고 시도된다. 움직이는 시스템들에서 유동하는 공기흐름의 난기류 및 "혼란한(chaotic)" 특성으로 인해, 이러한 방법들의 유효성은 일반적으로 제한된다. 즉, 생성된 미립자들의 일 부분들은 통계적인 관점에서 항상 웨이퍼의 표면에 도달한다.
구조들의 진보된 소형화 및 실리콘 웨이퍼 상에서의 기능들의 복잡도의 증대 및 특히 450mm의 차기의 더 큰 웨이퍼 직경으로 인해, 청결도의 관점에서의 요건들은 절대적으로 강화될 것이다. SEMATECH는 ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors)에서 ISP 클래스 1(ISO Standard #14644)로 공기 품질의 개선을 제안한다.
JP 04264749는 웨이퍼가 자기력에 의해 터널을 통과하여 캐리지(carriage)로 이송되며 그에 의해 캐리지가 터널에 임펭팅(impend)하거나 자기력에 의해 홀딩되는 핸들링 디바이스 아래에 임펜딩하는 이송 로봇을 개시한다. 몇 개의 이송 경로(roadway)들내로의 웨이퍼의 전달은 이송 로봇에 의해 핸들링된다. 유사한 웨이퍼용 이송 시스템이 EP0 626 724 B1에서 기술된다.
US 6 045 319 B 및 EP 0 246 098 Bl은 몇 개의 물품들을 운반할 수 있는 캐리지들의 임펜딩 이송(impending transport)을 위한 자기 이송 시스템을 또한 개시한다. 그러나 미립자들을 생성할 수 있는 몇 개의 부가적인 안내 엘리먼트들이 존재한다.
이러한 이송 시스템들에서 웨이퍼의 핸들링을 위해, x-, y-, z- 및 Φ-방향으로 웨이퍼의 이송을 실현하는, 웨이퍼들의 핸들링을 위한 핸들러들이 이용된다.
JP 04267355 A에서, 진공 챔버 외부에 위치한 자석들에 의해 구동되는 로봇에 의해 진공 챔버에서 웨이퍼들을 이송할 수 있는 웨이퍼 이송 로봇이 개시된다.
US 5 288 199에서, 선형 운동을 위해 자기 드라이브가 설치되는 고정 위치 웨이퍼 핸들러가 기술된다. 상기 목적을 위해, 작동 암(working arm)에는 하나의 단부에 전자석에 의해 축방향으로 이동되는 포크(fork)가 설치된다. 웨이퍼 핸들러의 피봇의 베어링은 통상적으로 수행된다.
본 발명의 과제는 마이크로 기술의 기판들의 미립자 없는 핸들링을 위한, 마찰 없이 작동하는 디바이스를 제공하는 것이다.
이 과제는 몇 개의 자유도들(degrees of freedom)을 갖고 그에 의해 적어도 x축-, y-축, z-축 및 Φ-방향으로 자성으로 그리고 접촉 없이(magnetic and contact free) 운반되고 그리고/또는 안내되는 본 발명에 따른 디바이스에 해결되며, 그에 의해 각각의 축의 구동 및 베어링은 접촉 없는 전자기(contact less electromagnetic)로 달성되고, 베어링 및 구동을 위한 에너지의 전송은 접촉 없이 달성되고, 적어도 하나의 능동 컴포넌트 및 적어도 하나의 수동 컴포넌트가 설계된다.
자석 베어링들은 전자기, 전기 동적 또는 영구 자기 베어링들로 설계되고, 그에 의해 에너지는 유도에 의해 또는 변압기에 의해 전달된다.
각 축에는 접촉 없이 센서 데이터를 전달하는 위치 센서들이 설치되며, 그에 의해 센서 데이터는 무선으로 전달된다.
작동 엘리먼트(actuating element)들은 일반적으로 고정되고, 이송 유닛은 작동 엘리먼트에 의해 접촉없이 이동되며, 그에 의해 작동 엘리먼트들은 이송 유닛에 탑재(ride with) 된다.
이동 가능한 능동 유닛은 고정 직립형 수동 컴포넌트 상의 자기 베어링상에 현수되어(hanging) 안내되고, 그에 의해 상기 능동 컴포넌트에 배치된 구동 모터는 결합 유닛을 통해 에너지 공급원에 연결되고, 그리고 핸들러와 함께 리프트-로터리 유닛(lift-rotary unit)이 능동 컴포넌트에 배치된다.
상기 리프트-로터리 유닛에는 능동 컴포넌트 상에 고정 직립형 외부 튜브가 설치되고, 2개의 말단 위치들 사이에서 수직 방향으로 그리고 접촉 없이 내부 튜브를 안내하기 위해 내부 표면상에 규칙적으로 배치된 적어도 3개의 자기 베어링이 하나 이상의 고도들 내에 배치된다.
내부 튜브 내에서 고정 직립형 바(bar)와 기능적으로 연결된 중앙 리프트 모터가 내부 튜브내에 배치된다.
고정 직립형 바에 반대로 내부 튜브의 제어 가능한 회전을 달성하기 위해 내부 튜브내에 전자기 회전 드라이브(electromagnetic rotary drive)가 또한 배치된다.
전자기 이동 가능한 포크(electromagnetic movable fork)가 실리콘 웨이퍼를 지지하기 위해 핸들러에 배치된다.
본 발명에 따르면 몇개의 컴포넌트들로의 에너지 및 신호 전송은 물론, 몇개의 컴포넌트들의 마찰없는 기계적인 베어링을 포함한다.
이하, 본 발명은 예시를 통해 기술될 것이다. 각각의 도면들이 다음과 같이 예시된다.
도 1 : 고정된 수동 컴포넌트에 대한 구동 방향에 대해 횡단면도로 도시되는 기판들의 미립자없는 핸들링을 위한 본 발명에 따른 디바이스이며, 능동 컴포넌트는 수동 컴포넌트 내에서 이동하며, 그에 의해 이송되는 실리콘 웨이퍼를 구비하는 물품은 능동 컴포넌트내에 상주함.
도 2: 능동 컴포넌트가 수동 컴포넌트를 통해 이동하는 도 1에 따른 디바이스의 개략 측면도.
도 3: 이동되는 수동 컴포넌트에 대한 구동 방향에 대해 횡단면도로 도시된 서있는(standing) 능동 컴포넌트를 갖는 기판들의 미립자없는 핸들링을 위한 본 발명에 따른 디바이스이며, 그에 의해 이송되는 실리콘 웨이퍼를 갖는 물품은 수동 컴포넌트내에 상주함.
도 4: 수동 컴포넌트가 간극(interspace)을 갖고 배치되는 능동 컴포넌트들을 통해 구동하는 도 3에 따른 디바이스의 개략도.
도 5a 내지 도 5c: 몇 개의 위치들에서 능동 컴포넌트를 통과하여 움직이는 동안의 수동 컴포넌트를 나타낸 도면.
도 6: 전자기 선형-베어링은 물론, 본 발명에 따른 능동 컴포넌트 내에서 수동 컴포넌트를 구동하기 위한 단면도.
도 7: 본 발명에 따른 전자기 리프트-로터리 베어링의 단면도.
도 8: 본 발명에 따른 도 7의 리포트-로터리 베어링의 측면 단면도.
도 9: 핸들러가 바깥으로 이동되며, 하부 위치에 실리콘 웨이퍼들을 위한 부착형 핸들러를 갖는 선형 베어링 및 로터리 베어링의 조합의 개략적인 단면도.
도 10: 상위 위치에서 핸들러로 이동한 도 9에 따른 디바이스.
도 11: 자기 베어링 및 전자기 드라이브를 갖는 도 10에 따른 핸들러의 상세들.
도 12: 외부 위치로 이동한 도 11에 따른 핸들러.
도 13: 도 12의 뷰 A에 따른 핸들러의 단면도.
도 14: 도 12에 따른 핸들러의 뷰 B
도 1은 본 발명에 따라 컨테이너(1)내에서 이송되는 기판들(도시되지 않음) 또는 다른 물품들의 미립자없은 핸들링을 위한 디바이스를 예시하며, 구동 방향에 대한 횡단면도를 도시한다. 디바이스는 고정된 수동 컴포넌트(2), 계획된 선로(trackway)를 따라 자기력에 의해 이동 가능한 능동 컴포넌트(3)로 구성된다. 능동 컴포넌트가 이동되기 때문에, 수동 컴포넌트 아래에서 부양한채로 유지되는 자기 베어링(4,5)을 위한 에너지를 능동 컴포넌트에 제공하는 것이 필수적이다. 에너지 공급은 선형 유도 모터로서 설계되는 구동 모터(7)에 에너지를 또한 공급하는 전자기 커플링 디바이스(6)에 의해 실현된다. 수동 컴포넌트(2)에는 영구 자석들(8)만이 설치된다.
도 2는 수동 컴포넌트(2)를 따른 구동 동안의 능동 컴포넌트(3)를 예시한다.
도 3에서, 이동되는 수동 컴포넌트(2)와 함께 고정된 능동 컴포넌트(2)가 도시된다. 이송될 실리콘 웨이퍼들을 갖는 물품은 동시에 수동 컴포넌트(3)인 이송 컨테이너(1)내에 상주한다. 이 실시예에서 수동 컴포넌트(2)의 구동을 실현하기 위해, 계획된 선로를 따라 다른 능동 컴포넌트에 대해 간극을 갖고 배치되는 몇 개의 능동 컴포넌트들(2)이 존재한다. 도 4는 몇 개의 능동 컴포넌트들(3)을 통한 구동 동안의 수동 컴포넌트(2)를 도시한다.
수동 컴포넌트(2)의 안전한 안내를 허용하기 위해, 구동 동안 수동 컴포넌트는 항상 적어도 2개의 능동 컴포넌트(3)에 의해 항상 일시 정지(abeyance) 상태가 유지될 것이 보장된다(도 5a 내지 도 5c).
도 6은 본 발명에 따라 능동 컴포넌트(3)가 수동 컴포넌트(2)에서 지지되는 전자기 선형 베어링의 상세한 단면도를 도시한다.
능동 컴포넌트에 에너지를 전달하기 위해, 전송 안테나로서 이용되는 수동 컴포넌트의 고정 코일들(9)과 마주하는 전자기 결합 디바이스(6)가 능동 컴포넌트(3) 상에 배열된다. 또한, 수동 컴포넌트(2) 상에 능동 컴포넌트(3)를 균형있게 그리고 일시 정지 상태로 유지하는 2개의 측면에 고정된 자기 베어링(4, 5)이 배열된다.
능동 컴포넌트(3)의 구동은 선형 모터로서 설계된, 능동 컴포넌트 위에 배열된 구동 모터(7)를 통해 실현된다.
또한, 능동 컴포넌트(3)에는 리프트-로터리 유닛(lift-rotary unit; 10)이 설치된다.
도 7, 8은 이러한 리프트-로터리 유닛의 단면도를 도시한다. 이 리프트-로터리 유닛은 예를 들어, 능동 컴포넌트(3)(도 3)상에 고정 직립형 외부 튜브(11)를 포함하며, 외부 튜브(11)는 2개의 말단 위치들 사이에서 이동 가능하게 지지되고 수직 방향에서 접촉하지 않고 내부 튜브(13)를 베어링하기 위해 4개의 자기 베어링 사이에서 각각 90도의 각도 오프셋을 갖고 배치된, 하나 이상의 고도들 내의 내부 원주 표면에 있는 4개의 자기 베어링(12)을 갖는다.
내부 튜브(13)를 수직 방향으로 이동시키기 위해, 고정 직립형 코일 장치(15)와 내부 튜브 안의 중앙 리프트 모터(14) 및 추가로 튜브(13)내에 수직적으로 디스포저블(disposable)한 자기화가능한 바(magnetizable bar; 16)가 배치된다. 내부 튜브(13)의 상부 자유단(18)은 웨이퍼를 홀딩 및 이송하기 위해 핸들러(19)같은 추가의 컴포넌트들을 홀딩하기 위해 이용된다.
또한, 내부 튜브(13) 내에 회전 드라이브(17)가 배치된다(도 7).
도 9는 실리콘 웨이퍼(21)(도 14)를 이동시키기 위해 전자기적 제거 가능한 포크(20)가 설치되는, 부착된 핸들러(19)를 갖는 도 7에 따라 지지되는 선형 및 회전 지지의 조합을 도시한다. 도 9에서, 하단부 위치로 포크(20)가 구동되어 나온 핸들러(19)를 도시하고, 도 10에서, 상단부 위치로 포크(20)가 집어넣어진 핸들러(19)를 도시한다. 핸들러에는 또한 접촉 없는 베어링 및 드라이브가 장착된다.
핸들러(19)의 상세들은 도 11 내지 14에서 도시된다. 도 11은 자기 베어링(22) 및 전자기 드라이브(23)를 구비한 도 10에 따른 핸들러(19)를 도시하고, 도 11은 집어넣어진 포크(20)를 도시하고 도 12는 밖으로 나온 포크(20)를 도시한다.
도 13은 자기 베어링(22) 및 전자기 드라이브(23)과 함께 도 12에 따른 뷰 A에서 본 핸들러의 단면도를 도시한다.
도 14는 집어넣어진 포크(20)와 함께 도 12에 따른 핸들러는 물론, 도 7에 따른 회전 드라이브의 뷰 B를 도시한다.
기판들의 미립자 없는 핸들링 디바이스에 대한 참조번호들의 리스트
1 이송 컨테이너
2 수동 컴포넌트
3 능동 컴포넌트
4 자기 베어링
5 자기 베어링
6 전자기 결합 디바이스
7 구동 모터
8 영구 자석
9 코일
10 리프트 유닛
11 외부 튜브
12 자기 베어링
13 내부 튜브
14 리프트 모터
15 코일 장치
16 자화 가능한 바
17 회전 드라이브
18 자유단
19 핸들러
20 포크
21 실리콘
22 웨이퍼 자기
23 베어링 전자기 드라이브

Claims (12)

  1. 청결실 조건들 하의 미니 환경들(mini environments)내에서 마이크로 기술의 기판들의 미립자없는 핸들링을 위한 디바이스로서,
    몇 개의 자유도들(degrees of freedom)이 상기 디바이스에 대해 설계되고, 그에 의해 적어도 x축-, y-축, z-축 및 Φ-방향은 자기적으로 그리고 접촉 없이(magnetic and contact free) 지지되고 그리고/또는 안내되고, 그에 의해 상기 축 및 방향 각각의 지지 및 구동은 접촉 없는 전자기(contact less electromagnetic)로 달성되고, 그에 의해 베어링 및 구동을 위한 에너지의 전송은 접촉 없이 달성되고, 그에 의해 적어도 하나의 능동 컴포넌트(3) 및 적어도 하나의 수동 컴포넌트(2)가 설계되는,
    기판들의 미립자없는 핸들링을 위한 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    자석 베어링들을 위해, 설계된 전자기, 전기 동적 또는 영구 자기 베어링들이 존재하는, 기판들의 미립자없는 핸들링을 위한 디바이스.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 에너지는 유도(induction)에 의해 또는 변압기에 의해 전달되는,
    기판들의 미립자없는 핸들링을 위한 디바이스.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 축들에는 접촉 없이 센서 데이터를 전달하는 위치 센서들이 설치되는,
    기판들의 미립자없는 핸들링을 위한 디바이스.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 센서 데이터는 무선으로 전송되는,
    기판들의 미립자없는 핸들링을 위한 디바이스.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    작동 엘리먼트(actuating element)들은 고정되고, 이송 유닛은 상기 작동 엘리먼트에 의해 접촉없이 이동되는,
    기판들의 미립자없는 핸들링을 위한 디바이스.
  7. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 작동 엘리먼트들은 이송 유닛에 탑재(ride with)되는,
    기판들의 미립자없는 핸들링을 위한 디바이스.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    이동 가능한 능동 유닛(3)은 고정 직립형 수동 컴포넌트(2) 상의 자기 베어링(4, 5) 위에 현수되어 안내되고, 그에 의해 상기 능동 컴포넌트(3)에 배치된 구동 모터(7)는 결합 유닛(6)을 통해 에너지 공급원에 연결되고, 그리고 그에 의해 핸들러(19)와 함께 리프트-로터리 유닛(lift-rotary unit; 10)이 상기 능동 컴포넌트에 배치되는,
    기판들의 미립자없는 핸들링을 위한 디바이스.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 리프트-로터리 유닛(10)에는 상기 능동 컴포넌트(3) 상에 고정 직립형 외부 튜브(11)가 설치되고, 2개의 말단 위치들 사이에서 수직 방향으로 그리고 접촉 없이 내부 튜브(13)를 안내하기 위해 내부 표면상에 규칙적으로 배치된 자기 베어링(12)이 하나 이상의 고도들 내에 배치되는,
    기판들의 미립자없는 핸들링을 위한 디바이스.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 내부 튜브 내에서 고정 직립형 바(bar; 16)와 기능적으로 연결된 상기 내부 튜브(13) 내에 중앙 리프트 모터(14)가 배치되는,
    기판들의 미립자없는 핸들링을 위한 디바이스.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 고정 직립형 바(16)에 반대로 상기 내부 튜브(13)의 제어 가능한 회전을 달성하기 위해 상기 내부 튜브(13)내에 전자기 회전 드라이브(17)가 배치되는,
    기판들의 미립자없는 핸들링을 위한 디바이스.
  12. 제 8 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    전자기 이동 가능한 포크(20)가 실리콘 웨이퍼(21)를 지지하기 위해 상기 핸들러(19)에 배치되는,
    기판들의 미립자없는 핸들링을 위한 디바이스.
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