반도체 장비 기초

반도체 클러스터 장비 (Cluster Tool)

ad-will 2025. 5. 21. 21:43

클러스터 장비란 ?

300mm 웨이퍼를 사용하는 현대 반도체 제조에서는 고속, 고정밀, 고수율이 핵심 목표입니다. 이러한 요구에 대응하기 위해 설계된 시스템이 바로 **반도체 클러스터 장비(Cluster Tool)**입니다. 이 장비는 진공 환경 내에서 다수의 공정 모듈이 연결된 구조로, 웨이퍼가 외기 노출 없이 연속적인 공정을 수행할 수 있게 설계되어 있습니다.

특히, **300mm 웨이퍼 클러스터 장비는 EFEM(Equipment Front End Module)**을 포함한 완전 자동화 시스템을 채택하여, FOUP 로딩에서부터 진공 챔버 내부 이송, 각종 공정 처리까지 모든 과정이 통합되어 작동합니다. 

 

반도체 클러스터 장비 (Cluster Tool)

클러스터 장비의 전체 하드웨어 구성 개요

300mm 클러스터 장비의 기본적인 구조는 아래와 같은 모듈들로 구성됩니다.

모듈 명칭 기능 요약
EFEM (Front End) FOUP 로딩, 웨이퍼 맵핑, 정렬, ID 판독
Load Lock (LL) 외기 ↔ 진공 환경 전환 인터페이스
Transfer Module (TM) 로봇암을 통한 웨이퍼 이송
Process Module (PM) 실제 반도체 공정 수행 공간
Gate Valve 모듈 간 진공 차단 및 격리
Vacuum Pumping System 진공 생성 및 유지
Control System 전체 장비 시퀀스 제어, 에러 감지, 통신 등
 

 

EFEM (Equipment Front End Module)

EFEM은 클러스터 장비의 전면부에 위치하며, 웨이퍼의 입출구 역할을 수행합니다.  OHT( Overhead Hoist Transport )에 의해 장비에 FOUP이 장착되면, EFEM 내부 로봇이 FOUP에서 웨이퍼를 꺼내 Load Lock으로 이송합니다.

EFEM 주요 구성 요소

  1. Load Port (LP)
    • FOUP 자동 클램핑 및 도어 오픈
    • 장비 인터페이스 표준 SEMI E84, E87 적용
  2. Mapping Sensor
    • 웨이퍼 유무, 결함 감지, 슬롯 위치 식별
  3. Wafer ID Reader (OCR or Barcode Reader)
    • 웨이퍼 고유 식별자 인식, MES 시스템 연동
  4. Aligner
    • 웨이퍼 notch 방향 및 중심 정렬
  5. ATM Robot
    • X-Y-Z 및 θ 회전축 보유
    • 웨이퍼를 안전하게 Load Lock 또는 Buffer로 이송

EFEM의 특징

  • ISO Class 1~10 수준의 청정 환경 유지
  • 내부 공기 순환: FFU(Filtered Fan Unit) 장착
  • 수명 5년 이상 고내구성 로봇 탑재

 

Load Lock 모듈 구조 및 기능

Load Lock은 EFEM과 진공 트랜스퍼 모듈 사이의 진공 인터페이스입니다. 외기 상태의 웨이퍼를 진공 환경으로 안전하게 이송하거나 반대로 배출합니다.

Load Lock의 구조

  • Gate Valve 
    진공 상태의 TM과 격리 가능
  • Door Valve 
    ATM 상태의 EFEM과 격리 가능
  • 진공 펌프 (Dry Pump (+ TMP) )
    Roughing 및 고진공 유지
  • 가스 퍼지 시스템
    질소 또는 아르곤으로 이물질 제거
  • Pressure Sensor (Capacitance Gauge, Pirani)
    내부 압력 정밀 측정
  • Heater 옵션
    웨이퍼 건조 또는 온도 안정화를 위한 옵션 제공

작동 시퀀스

  1. EFEM 로봇이 웨이퍼를 Load Lock 내 Stage에 올림
  2. Door Valve Close 후 진공펌핑
  3. 내부 압력 안정 후 Transfer Robot 호출
  4. 반대 시에는 Gate Valve Close → Venting → Door Valve Open → ATM Robot  호출 EFEM으로 웨이퍼 복귀

 

Transfer Module과 진공 로봇

Transfer Module은 클러스터 장비의 핵심. 내부는 진공 상태로 유지되며, 중앙에는 **진공 로봇(Transfer Arm)**이 위치하여 Load Lock과 각 Process Chamber를 연결합니다.

진공 로봇의 동작 구조

  • 다관절 로봇: R (Extend/Retract), Z (Up/Down), θ (Rotate)
  • 웨이퍼 센서: 웨이퍼 유무, 정렬 상태 확인
  • 정밀 제어: ±50μm 이하 위치 정밀도
  • 콜리전 디텍터: 충돌 시 자동 정지

 

Process Module: 공정 챔버 구성과 공정별 특징

Process Chamber는 실제 공정이 이루어지는 모듈입니다. 공정 종류에 따라 다양한 챔버가 장착될 수 있으며, 일반적으로는 아래의 공정이 포함됩니다.

1. CVD (Chemical Vapor Deposition) 챔버

  • 용도: 박막 증착 (절연막, 배선층)
  • 구성: Shower Head, ESC(정전척), Heater, Gas Inlet
  • 제어: 온도, 압력, 유량 정밀 제어

2. ALD (Atomic Layer Deposition) 챔버

  • 용도: 원자 단위의 박막 형성
  • 구성: Precursor Line, Pulse Valve, Purge Valve
  • 특징: Cycle 시간, 퍼지 효율 중요

3. Etcher (Dry Etch) 챔버

  • 용도: 플라즈마 식각
  • 구성: Plasma Source, RF Generator, Bias Power
  • 기술: RIE(반응성 이온 식각), ICP 등

 

진공 시스템 구성과 제어 메커니즘

클러스터 장비에서 가장 중요한 인프라 중 하나가 진공 시스템입니다. 안정적인 진공 상태는 공정 품질을 좌우합니다.

진공 시스템 구성

  • Dry Pump: 초기 배기 (Roughing)
  • Turbo Molecular Pump (TMP): 고진공 유지
  • Backing Line + Throttle Valve: 공정압 제어
  • Vacuum Gauge: Chamber 내 압력 실시간 측정

시퀀스

  • Slow Pumping/Venting: 웨이퍼 파손 방지
  • Interlock: 압력 조건 만족 시 다음 단계 허용
  • Purge 시나리오: N₂ 가스 흐름 제어로 내부 청정도 유지

 

제어 시스템 및 자동화 기능

전체 장비는 중앙 제어 시스템에서 시퀀스를 기반으로 제어됩니다.

주요 제어 항목

  • PLC (Programmable Logic Controller)
    I/O 제어, 인터락, 안전 시스템
  • Motion Controller
    로봇, 밸브, 슬릿밸브, Pre-aligner 정밀 제어
  • Host Controller / SECS-GEM
    MES 시스템과 통신, 레시피 다운로드, 생산 이력 저장
  • HMI (Human Machine Interface)
    운영자 인터페이스: 공정 상태, 알람, 트렌드 모니터링

 

정리

300mm 클러스터 장비는 고진공 상태에서의 다단계 공정 자동화를 실현함으로써, 수율 향상, 공정 안정성 확보, 청정도 유지, 생산 효율 극대화를 가능하게 합니다. EFEM부터 로봇, Load Lock, 공정 챔버, 진공 시스템까지 모든 모듈이 정밀하게 통합 제어되어야만 하기 때문에, 장비 설계는 매우 고난도이며, 유지관리 또한 숙련된 기술자를 요구합니다.

이러한 장비는 단순한 기계장치가 아니라, 기계·제어·소프트웨어·진공·열·유체 기술이 융합된 최첨단 시스템입니다.