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* 자료제공 : 삼익THK(주) www.samickthk.co.kr / 홍유식, 노호철
웨이퍼 이송로봇의 분류 및 기술동향(上)
최근에 반도체 및 FPD 산업에 있어서 클린룸과 그에 관련된 기술이 핵심기술 중의 하나로, 특히 반도체 제조공정 등과 같은 클린공정에서는 클린기술을 채용한 클린 환경 대응 이송로봇들이 사용되고 있다. 이 로봇들은 일반 환경에서 사용되어지고 있는 로봇들과 운동학적으로나 제어상 별다른 차이가 없으나 클린 환경의 특성에 맞도록 특수하게 설계되고 있다.
본 내용에서는 이들 산업의 발전과 함께 새롭게 부상하고 있는 웨이퍼 이송로봇에 관한 분류와 구성, 기술동향에 대해 살펴보도록 하겠다.
1. 웨이퍼 이송로봇
마이크로프로세서(Microprocessor)가 보편화되기 시작한 1980년 전후에 현대적인 산업용 로봇의 등장이 많이 이루어졌고, 최근에 반도체(Semiconductor) 및 LCD(Liquid Crystal Display) 생산에 있어서는 클린룸(Clean Room)과 그에 관련된 기술이 핵심기술 중의 하나가 되었다.
특히, 반도체 제조공정 등과 같은 클린공정에서는 클린기술을 채용한 클린 환경 대응 이송로봇(간단히 클린로봇이라고 함)들이 사용되고 있다. 이러한 클린로봇들은 일반 환경에서 사용되어지고 있는 로봇들과 운동학적으로나 제어상 별다른 차이가 없으나 클린 환경의 특성에 맞도록 특수하게 설계된다.
반도체 제조장치의 웨이퍼는 해마다 대형화와 고밀도화의 경향에 따라 사람의 손에 의한 운반이 곤란하게 되어 웨이퍼의 이송을 담당하는 로봇이 사용되게 되었다.
로봇에 의한 웨이퍼의 이송이 이루어지는 가장 큰 이유는 무엇보다도 웨이퍼 제조공정상의 환경적 요인이 가장 큰 요인을 차지하는데, 그 이유는 사람에 의한 웨이퍼의 이송자체가 바로 반도체 제조공정에 가장 큰 영향을 미치는 발진(Particle)의 원인이 되고 또한 공정의 수율을 결정하는 택타임(Tact Time)에 막대한 영향을 미치기 때문이다. 
가. 좌표계에 의한 분류
로봇의 좌표계에 의한 분류상 대부분의 웨이퍼 이송로봇은 원통 좌표계(Cylindrical Coordinate)에 속하며, 싱글 암(Single Arm)일 경우는 3축의 자유도를, 듀얼 암(Dual Arm)인 경우에는 암 하나를 더 제어하기 위하여 1축이 추가된 즉, 4축 자유도의 구조를 가진다. 이들은 로봇의 끝단이 작업방향으로 항상 직선운동(Radial Motion)을 한다는 특징이 있다.
또한 로봇의 핸드부는 고속으로 움직이는 로봇의 특성상 이송 중 웨이퍼의 낙하 및 이탈을 방지하기 위하여 진공 흡착하여 웨이퍼를 고정할 수 있도록 흡착 포트가 장착되어 있다.
그러나 최근의 경향을 살펴보면 로봇 핸드와 웨이퍼 접촉면의 오염(Contamination)을 최소화하기 위하여 진공 흡착방식을 사용하는 대신에 웨이퍼의 가장자리만을 핸들링해서 웨이퍼를 이송하는 Edge Grip 방식의 도입이 늘고 있다.
나. 사용환경에 따른 분류
웨이퍼 이송로봇은 사용환경에 따라 크게 두 가지 종류로 나뉠 수 있는데 하나는 일반 대기환경(Atmospheric Environment)에서 사용되는 로봇이고, 다른 하나는 진공환경(Vacuum Environment)에서 사용되는 로봇이다.
일반 대기환경에서 사용되는 웨이퍼 이송로봇의 경우 로봇몸체 전체를 작업영역에 상관없이 시스템에 부착하여 사용할 수 있으나, 진공환경에서 사용되는 웨이퍼 이송로봇의 경우는 로봇 암 부분만을 진공환경의 작업영역에서 사용하게 되므로 진공환경에 대응할 수 있도록 Feed Through나 Lip Seal 등을 사용하여 대기와 진공을 분리하는 밀폐처리를 하여 클린 환경에 대응하고 있다.
이러한 웨이퍼 이송로봇은 반도체의 제조장비에 설치되어 로봇의 전후 혹은 좌우 등으로 웨이퍼를 이송시켜 주는데 주로 활용되고 있다.
본 내용에서는 웨이퍼 이송로봇의 구성 및 주변장치 그리고 일반적인 로봇의 용어를 알아보고 대기용 웨이퍼 이송로봇과 진공용 웨이퍼 이송로봇의 특징과 최근의 로봇 개발 동향에 대해서 언급하고자 한다.
2. 웨이퍼 이송로봇의 구성
웨이퍼 이송로봇은 직접 웨이퍼를 이송하는 로봇 기구부와 기구부를 구동시키고 제어하는 로봇전용 제어기 그리고 로봇 체와 제어기를 연결해주는 케이블로 구성된다.
●로봇몸체(기구부)
주로 구동원으로 서보모터와 스테핑모터가 사용되고 있으며 제어 안정성의 측면에서 최근에는 주로 서보모터가 사용되고 있으나 일부 외국 메이커에서는 Direct-Drive를 사용하기도 한다.
●로봇전용 제어기(Controller)
대부분의 로봇 메이커에서는 로봇 전용 제어기를 사용하고 있고 이를 통해서 로봇의 위치와 자세를 제어하게 되며 일반적으로 로봇이 사용되는 장비에서 로봇 제어기와의 통신을 통해서 로봇제어가 이뤄지게 된다.
●케이블
크게 로봇 내부의 케이블과 로봇 몸체와 제어기 간을 연결하는 외부케이블로 나누어지게 된다.
가. 축의 구성
먼저 로봇몸체의 중심축을 기준으로 수직방향 위치를 Z축 좌표로 나타내고, 몸통 회전부의 회전각도는 T축 좌표로 나타낸다.
구속조건에 의해서 핸드는 항상 중심축을 향하고 있으므로, 전면부에 대한 핸드의 각도가 바로 T가 된다. 그리고 중심축에 대한 첫째 팔의 회전각도를 R축 좌표로 나타낸다. 첫째 암과 둘째 암의 길이를 A라 하고 핸드의 길이를 B라고 하면, 중심축으로 부터 핸드 끝단까지의 거리는 B+2A Sin(R-30°)mm가 되므로, 그 거리는 전적으로 회전각도 R에 의해서 결정된다.
결국, 로봇의 자세는 좌표값(Z, T, R)에 의해서 정해지고, 각 좌표축의 방향뿐만 아니라 로봇의 원점(0, 0, 0)의 자세를 보여준다.
나. 주변장치
로봇의 주변장치라 함은 로봇 본체를 제외한 시스템에 필요한 장치로써 Mapping Sensor, Hand, Align Sensor, 주행축 등이 있다. 웨이퍼 이송로봇의 경우 Mapping 센서와 웨이퍼 이송용 Hand, 그리고 주행축이 주변장치로 제공되고 있는데 그 용도는 각각 다음과 같다.
Mapping Sensor는 웨이퍼용 카세트에 웨이퍼가 다층으로 적재가 되어 있는 상태를 감지하는 센서로 적재상태(Cross, Double)와 웨이퍼의 존재여부를 확인하며, 로봇선단의 Hand 후방에 설치되어 있다. 여기서 Cross란 웨이퍼가 카세트의 두 단(Slot)에 걸쳐 놓여있는 상태를 의미하고, 더블은 하나의 단에 두 장의 웨이퍼가 놓인 상태를 의미한다.
웨이퍼의 Mapping Sensor로는 주로 Laser Sensor를 사용하는데 웨이퍼의 상태를 감지하는 방식에 따라 크게 투과형 센서와 반사형 센서로 나누어지게 된다.
투과형 Mapping Sensor는 수광부와 발광부를 가진 레이저 센서 사이로 웨이퍼가 위치하게 되며 발광부의 레이져 신호를 수광부에서 감지하여 그 광량의 강도로 웨이퍼의 유무를 판정하게 된다.
반사형 Mapping Sensor의 경우는 투과형과 달리 수광부나 발광부의 구분이 없이 하나의 센서로 Mapping을 진행하게 된다.
웨이퍼 이송용 핸드는 그 용도에 따라 다양한 형상과 재질로 구성이 되어 있으며 용도에 따라 진공패드가 있는 형태도 있다. 재질은 알루미늄과 세라믹을 사용하며, 진동이나 강성 등의 물리적 성질이 좋은 세라믹을 많이 사용하고 있으나 단점은 충돌시 파손의 위험이 크고 가격이 고가인 점이다. 그래서 최근에는 세라믹 재질의 파손 위험을 대비한 복합재료의 일종인 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic)를 사용이 늘고 있다.
핸드의 형상은 사용환경에 따라 변경이 되고 주로 I-자형과 Y-자형의 Hand를 사용하고 있다. 또한 웨이퍼를 고정하는 방법으로는 진공패드를 사용하는 진공 흡착 방식과 웨이퍼를 그립하여 이송하는 Edge Grip 방식이 있는데 최근에 웨이퍼의 오염(Contamination)을 방지하기 위하여 Edge Grip 핸드의 도입이 늘고 있는 추세이다.
다. 로봇의 주요 용어
●자유도 : 서로 독립된 좌표축를 의미하며 공간상의 모든 위치와 자세를 나타내기 위해서는 최소한 6축이 필요하다. 그러나 로봇의 작업형태에 따라서 그 이하의 축으로도 사용한다.
●엔코더 : 로봇의 위치를 알려주는 장치로 Incremental 엔코더와 Absolute 엔코더가 있으며 Inc. 엔코더는 로봇의 전원을 넣은 후에 원점을 인식시키는 작업(Calibration)을 수행해야 한다.
●최소 회전반경 : 로봇이 회전을 할 경우 주위의 물체와 간섭이 되지 않는 최소 범위를 의미하며 반송용의 경우 웨이퍼나 LCD 글래스를 포함한 상태의 최소 반경을 나타낸다.
●가반하중(Payload) : 로봇의 끝단(End Effector)에서 허용하는 부하의 크기를 의미하며 무게(kgf)로 표시한다.
●반복정밀도 : 로봇이 특정한 동일 지점을 반복하여 지시할 경우 그 편차 및 로봇의 정밀도를 나타내며 그 값이 작을수록 정밀한 로봇이다.
●분해능 : 위치를 감지하는 센서(엔코더)의 한 단위(1 Pulse)에 해당되는 길이 또는 각도를 나타내는 것으로 로봇의 정밀도와 관련되는 부분이나 분해능은 제어기의 제어방식에 따라 차이가 있을 수 있다.
3. 웨이퍼 이송로봇의 종류
웨이퍼 이송로봇은 로봇이 작업을 하는 환경(공정이 이루어지는 환경)에 따라 대기형과 진공환경용의 두 가지로 구분하게 되고, 용도에 따라서는 각기 다른 기능을 가지는 이형 로봇들이 있다. 특히 대기형과 진공환경용 로봇은 작업환경만큼이나 로봇구조의 측면에 있어서도 많은 차이를 나타내고 있다.
가. 대기형 웨이퍼 이송로봇
일반적으로 대기형 로봇(Atmo-spheric Type Robot, 이하 ‘ATM 로봇’)은 로봇이 구동하는 작업환경이 일반적인 대기상태에서 이루어진다는 의미로 주로 공정 간의 인터페이스 역할을 담당하는 EFEM이나 Loader/Unloader에서 사용된다.
반도체 공정의 웨이퍼 이송로봇의 대부분이 대기형이다. 그 구조나 구성은 위에서 언급한 것처럼 원통좌표형이 가장 일반적이고 공정에 따라 필요한 축만을 만들어 사용하는 전용 로봇들도 사용되고 있으며 최근의 ATM 로봇의 동향을 살펴보면 다음과 같이 요약될 수 있다.
1) High Throughput화
반도체 공정에서 수율에 영향을 미치는 여러 가지 요소들 중의 하나가 프로세스 택타임(Process Tact Time)을 단축하는 일이다. 이를 위해서 최근에 사용되는 로봇들은 듀얼 암의 채용이 늘어나고 있다.
웨이퍼를 이송하는 방식도 공정에 따라 다소간의 차이가 있지만 매엽식 이송에서 배치(Batch Type)의 이송 방식 즉, 한꺼번에 여러 장을 이송하는 방식을 도입하고 있다.
또한 로봇 제어의 측면에 있어서도 웨이퍼의 이송 속도가 고속화되어 감에 따라 이송 최적경로 산출과 최적의 가/감속 제어를 통한 초고속화가 진행되고 있다.
2) 저발진/저진동화
로봇 설계시에 파티클을 많이 발생시키는 운동부를 작업부로 부터 멀리 위치시키거나 발생한 파티클의 제거가 용이하도록 하며, 또는 케이블을 로봇몸체 내부에 위치하도록 하여 파티클의 발생을 최소화시키는 등의 로봇의 기본구조의 바탕위에서 300mm 웨이퍼용 장비의 경우에는 진동 및 소음문제와 장비의 소형화를 동시에 해결할 수 있도록 주행축을 사용하지 않고 로봇자체로만 카세트간의 웨이퍼를 이송하는 로봇이 사용되기도 한다.
일반적으로 Scara Arm 구조라고 하는데 기존의 원통형 로봇구조의 Arm Joint부에 구동원을 하나 더 추가하여 Robot Arm의 직선운동에 의해서만 웨이퍼를 이송하였던 것과는 달리 3축의 독립된 회전운동으로 CP(Continuous Path) Motion을 구현하여 주행축 없이 카세트 간의 웨이퍼 이송이 가능하게 된다.
3) 주변장치 기능의 일체화
로봇이 주로 사용되는 EFEM의 필수 요소품 중에 하나가 Pre-Aligner이다. EFEM에서 Pre-Aligner의 기능은 웨이퍼의 중심위치와 Notch의 방향(Orientation)을 제어하여 일정한 방향으로 배치시켜 주는 기능을 수행하는데, 최근 들어서는 앞에서 언급한 Edge Grip Hand를 토대로 로봇이 Pre-Aligner의 역할까지 수행할 수 있도록 Aligner와 로봇의 일체형 바디를 가진 로봇이 등장하였다.
Edge Gripping을 통해 기구적으로 웨이퍼의 Centering을 수행하고 별도의 구동원을 사용하여 웨이퍼를 회전시켜 로봇 핸드의 센서를 통해 Notch Align을 하게 되는 방식이 사용되고 있다.
나. 진공환경용 웨이퍼 이송로봇
내진공도 10-8Torr 이상이 요구되는 고진공환경용 로봇의 경우 웨이퍼를 이송하는 기능은 대기환경에서 사용되는 로봇과 기본적으로 동일하나 그 사용환경이 크게 다르므로 진공, 화학물질, 열 등의 외적환경에 대응하는 구조 및 요소품 선정에 많은 제약을 받게 되고 따라서 그 구조와 요소기술이 대기형과는 크게 다르게 된다.
진공환경에서 사용되는 요소품들은 온도변화에 강한 내성이 있어야 한다. 가끔 다른 팽창계수를 가진 재료가 진공환경 안에서 서로 합쳐져서 베이킹되는 경우 각각의 재료가 서로 다른 비율로 크기가 변하여, 합쳐지는 부분이 변화하는 원인이 되고 이 변형이 접합부분을 왜곡시켜 리크의 원인이 되기도 한다.
따라서 진공시스템에서 사용되는 재료를 선정하고 요소품을 활용하는 기술은 매우 중요하며 일반적으로 진공시스템에서 사용되는 재료들은 ①광범위한 온도 허용오차 ②비슷한 열팽창율 ③낮은 탈가스 비율 계수 등이 고려되어 선정되어야 한다.
이러한 요소품 선정 및 활용기술뿐만 아니라 Feed Through나 Magnetic Seal에 의한 밀폐기술, 웨이퍼의 오염을 막기 위한 고청정기술과 MTBF 60,000hr 이상의 고신뢰성 구조, 그리고 저진동 기술 등이 고진공환경용 로봇의 주요 핵심기술이다.
현재 로봇업체 및 국외장비 메이커들에 의해 자체설비 대응이 가능한 전용 로봇의 개발이 활발히 진행되고 있다. 진공환경용 200mm 웨이퍼 이송로봇의 경우에는 그 형태가 Cluster Tool의 Gate의 높이를 고려하여 Z축(Up-Down)이 없는 2축 로봇이거나 Z축의 Stroke가 매우 작은 로봇이 주류를 이루었다.
그러나 300mm 웨이퍼의 경우에는 PM 업체들의 자체 설비에 대한 전용 로봇의 개발이 진행됨으로써 일부 로봇업체의 경우에는 Z축 Stroke가 최대 150mm에 이르는 로봇이 개발되는 등 Z축 Stroke가 200mm용에 비해서 크게 늘어난 형태이며 웨이퍼의 반경이 늘어나고 고속에서 웨이퍼가 이송됨에 따라 Slip을 방지하는 웨이퍼의 Chucking Part의 설계 및 제작이 매우 중요하게 되고 있다.
구동방식은 미국과 일본로봇 메이커 간에 다소의 차이가 있어서 미국의 로봇 메이커들은 주로 DD 모터를 이용한 Direct-Drive 구동 방식을 채용하고 있는데 비해 일본의 업체들은 일반 서보모터와 서보 드라이버를 사용하여 로봇을 구동하는 방식을 택하고 있다.
4. 로봇의 주요 성능지표
웨이퍼 이송로봇의 성능을 측정하기 위한 시험 항목은 크게 기능/성능 시험과 내환경 시험으로 나누어 질 수 있으며 시험에 관련된 표준은 아래와 같다.
●ISO 9283 : Manipulation industrial robot - Performance criteria and related test methods
●ISO TR 13309 : Manipulat-ing industrial robots - Informative guide on test equipment and metrology methods of operating robot performance evaluation in accordance
또한 시험항목의 선정은 로봇의 기능을 확인할 수 있는 항목, 로봇의 성능을 측정할 수 있는 항목 그리고 로봇의 유지보수를 위한 기초 데이터를 확보할 수 있는 항목을 기준으로 선정된다.
