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1 한국반도체장비회지제 2 권제 3 호 (2003 년 9 월 ) Journal of the Korean Society of Semiconductor Equipment Technology, Vol. 2, No. 3. September 나노측정시스템을위한방진구조물의동적설계에관한연구 전종균 이홍기 * 김강부 * 백재호 * 선문대학교기계공학부, *RMS TECHNOLOG CO., LTD A Study on the Dynamic Design of Anti-Vibration Structures for Nano-class Measuring System Chong-Keun Chun, Hong-Ki Lee*, Kang-Boo Kim*, and Jae-Ho Baek* Div. of Mechanical Engineering, SunMoon Univ., *RMS TECHNOLOG CO., LTD ABSTRACT It is necessary to design the anti-vibration system of precision machinery for a quality assurance. However, in general, the allowable vibration limit is not well known. In this paper, the vibration criteria for foundation of sensitive machinery is proposed and anti-vibration system is designed by using vibration measurement results of foundation. Also, the finite element analysis is performed to verify the effectiveness of the designed anti-vibration system and to determine the allowable dynamic loads of precision measuring system. The results of this study will be helpful for the future design of anti-vibration structures with nano scale measuring system. Key words : Precision Measuring System( 초정밀측정시스템 ), Vibration Criteria( 진동규제치 ), Anti-Vibration System( 방진시스템 ) 1. 서론 반도체칩의집적도향상은고청정기술과함께미진동제어기술이라는또하나의문제를등장시켰다. 메가비트 (mega-bits) 수준에서기가 (giga-bits) 급에이르는반도체칩을생산하기위해서는가공에필요한선폭은수마이크로미터에서서브마이크로미터수준이다. 메모리소자인 256 M DRAM 의경우손톱크기의면적에선폭이 0.25 µm 이고 1.5 µm 정도의미세한틈사이로금속을채우는기술이필요하다. 선폭이서브마이크로미터수준의반도체를생산하기위해서는개발, 제조, 검사등각생산공정에사용되는장비들이고정도, 고성능, 고신뢰성이요구되고있다. 반도체칩의실험시제품개발에서엔지니어링샘플, 양산용샘플제작이후반도체공장을건설하고최종제품의양산에들어간다. 양산을위해서는광범위한고급기반기술의확보가필수적이다. ckchun@sunmoon.ac.kr 미진동제어를위한구조의동적해석및설계, 진동전달특성및방진, 제진기술등이미진동의제어라는차원에서전체를총괄할수있는해석및설계기술이반도체공장기반기술의한부분으로반드시필요하다. 일반적으로반도체공장에서정밀장비의진동허용규제치는고정밀노광장비, 반도체웨이퍼를제조하는실리콘단결정성장기등이설치되는독립절연기초와제진대 ( 除振臺 ) 위에서 3 차원으로주파수별로제한하고있다. 이러한진동대책을위한설계의한계는초정밀측정 / 분석시스템의구조적인동적특성을표현하고있는진동허용규제치가명확하게알려져있지않다는점이다. 이러한문제를해결하는방법의하나는기존의방진및내진기술로서성취할수있는 Floating Seismic Mass Anti-Vibration System[1, 2] 의진동상태를부지및내외부의진동원을고려하여성취할수있는진동상태가얼마인가를평가하고, 이를설계목표치로결정하는방법이다 [3,4]. 따라서본연구에서는초정밀장비의정상적인가 37

2 38 전종균 이홍기 김강부 백재호 동을위한미진동제어기술의하나로기존의진동대책기술로얻을수있는 Floating Seismic Mass Anti- Vibration System의진동허용규제치의설계목표치를설정하고, 초정밀측정 / 분석시스템구조의동적설계를위한최소한의가이드라인을제시하는방안을결정하는것이다. 2. 동적설계방향결정현재까지기가급반도체공장을건설하기위한구조물및 Clean Room의진동허용규제치의설계목표치가 0.2 µm[rms] 수준이며, 256 M DRAM C/R의 Main Structure의진동이최대한으로성취할수있는한계가진동속도로 6µm/s로알려져있다. 이값은국내의대부분 C/R에서측정 / 분석한데이터를근거로하여내린결론이다. 이것은기본적으로건물에서특별한조건이부여되지않는한장비에서이를기본적인방진및내진성능향상을위한기준점으로설정해야한다는것을의미한다. 다른하나는기본적으로 Floating Seismic Mass Anti-Vibration System에서성취할수있는진동상태를인정하고이를초정밀측정 / 분석시스템의구조물동적설계의기본자료로반영하는방법이다. 이것은초정밀측정 / 분석시스템의구조및시스템설계에제한을주는것이기때문에이에대한논의는반드시이루어져야한다 [5, 6]. 본논문에서는위에논의한두가지를동시에고려하는방법을선택하였다. 즉, 기존의진동대책기술로얻을수있는진동변위 0.2 µm[rms] 와진동속도 6 µm/s[rms] 를성취할수있는 Floating Seismic Mass Anti-Vibration System의진동허용규제치를 설계목표치로설정하고, 초정밀측정 / 분석시스템구조의동적 ( 動的 ) 설계를위한최소한의가이드라인을제시하는방향으로연구의목표를설정하였다. Fig. 1 과 Fig. 2 는분해능 5nm 의반도체가공장비에서요구하고있는진동허용규제치와구조물동적허용규제치의예를나타낸것이다. Fig. 2. Dynamic stiffness criteria on the isolation pad (CANON ES3-SCANNER) 방진시스템의진동허용규제치초정밀측정 / 분석시스템의정상적인운영을위한외부및건물내부진동영향성문제를측정 / 분석하고정밀측정시스템의거리 1m 에대한상대불확도가 1nm 이하를구현할수있는방진시스템 (Floating Seismic Mass Anti-Vibration System) 을설계하고자한다. Fig. 3 과 Fig. 4 는방진시스템에서성취해야할주파수범위 2~80 Hz 에서진동변위 0.2 µm[rms] 진동허용규제치와구조물동특성허용규제치의설계목표치이다. Fig. 1. Vibration criteria on the isolation pad(canon ES3- SCANNER). Fig. 3. Design criteria of floating seismic mass anti-vibration system. 한국반도체장비학회지제 2 권제 3 호, 2003

나노측정시스템을위한방진구조물의동적설계에관한연구 39 Fig. 4. Dynamic stiffness criteria of floating seismic mass anti-vibration system(1 µm/n) 2.

하나는초정밀측정 / 분석시스템의진동허용규제치 (floor allow-able vibration criteria) 이고다른하나는방진시스템의구조물동특성허용규제치 (structure allowable dynamic property criteria) 가있다.

그러나우선적으로는내외부로기인하는진동이초정밀측정 / 분석시스템 ( 거리 1m/ 불확도 1nm) 의구조적인동적특성을표현하고있는진동허용규제치를만족해야한다. 진동허용규제치와구조물동특성허용규제치의목표설계치를만족할수있는방진시스템의개념도는 Fig. 5 와같다.

3 나노측정시스템을위한방진구조물의동적설계에관한연구 39 Fig. 4. Dynamic stiffness criteria of floating seismic mass anti-vibration system(1 µm/n) 2.2. 방진시스템의설계초정밀측정 / 분석시스템의진동환경측면에서안정된운영을위한방진시스템 (Floating Seismic Mass Anti-Vibration System) 의설계방향은두가지의관점에서이루어져야한다. 하나는초정밀측정 / 분석시스템의진동허용규제치 (floor allow-able vibration criteria) 이고다른하나는방진시스템의구조물동특성허용규제치 (structure allowable dynamic property criteria) 가있다. 전자는초정밀측정 / 분석시스템이외부의진동에의한교란을방지하기위한규제치이고후자는자체의진동원에의하여발생하는방진시스템의진동으로인한상호작용을방지하기위한규제치이다. 물론, 두가지의설계조건은상호작용이발생하기때문에이에대한고려가이루어져야한다. 그러나우선적으로는내외부로기인하는진동이초정밀측정 / 분석시스템 ( 거리 1m/ 불확도 1nm) 의구조적인동적특성을표현하고있는진동허용규제치를만족해야한다. 진동허용규제치와구조물동특성허용규제치의목표설계치를만족할수있는방진시스템의개념도는 Fig. 5 와같다. 기본적인방진시스템의수직방향고유진동수는 3Hz 이하이며, 블록의지지 (support) 시스템은강성을가변형으로하여건물기초및초정밀측정 / 분석시스템의자체동하중특성에대하여유연하게작동할수있도록하였다. 3. 진동측정및동특성실험 3.1. 지반진동측정신축부지의진동상태를대표할수있는총 4 개지점에서 3 개채널을이용하여수평 2 방향 (x, y), 수직 1 방향 (z) 을동시에암진동을측정하였다. 동특성실험분석환경 Trigger Mode : Free Run No. of Average : 50 Time Span : 8 sec(2048) Frequency Span : 100 Hz(801) Average Method : Linear Fig. 5. Schematic diagram of floaing seismic mass anti vibration system. Fig. 6. Measurement point for ground vibration. Journal of KSSET Vol. 2, No. 3, 2003

40 전종균 이홍기 김강부 백재호 Fig. 6 에서는암진동측정지점을나타내고있으며, Table 1 은측정지점에대한암진동측정 / 분석결과를나타내고있다. Fig. 7 은암진동측정결과중 No. 1 지점의 x 방향에대한진동가속도그래프이다. 3.2.

8 과같이방진시스템을모델링하였다. 현재초기설계된구조물에서정밀장비가놓일바닥부 (CON'C MASS BLOCK) 에대하여동특성영향을실시하였으며, 방진시스템사이의진동영향성문제를동적해석을통하여전달함수를결정하고진동가진력허용규제치를결정하였다. Fig. 9 는단위하중에대한주파수별진동응답변위를나타내고있다. Fig. 7.

3490 [rms] 0.3636 0.4706 0.2468 OverAll [rms : µm] Direction 1.0617 0.9287 0.6199 Fig. 8. Modelling of floating seismic mass system. No. 2 0.9525 0.4047 0.4590 0.6735 0.2862 0.3246 1.5142 0.7151 0.

4 40 전종균 이홍기 김강부 백재호 Fig. 6 에서는암진동측정지점을나타내고있으며, Table 1 은측정지점에대한암진동측정 / 분석결과를나타내고있다. Fig. 7 은암진동측정결과중 No. 1 지점의 x 방향에대한진동가속도그래프이다 동특성해석초정밀측정 / 분석시스템의구조물동특성영향을평가위하여초기설계된구조물에대하여범용유한요소해석프로그램인 ANSS[7] 를이용하여해석을수행하였다. 경계조건으로 Foundation 에설치되는 Pile 의자유도를 0 으로하고경계부는대칭조건 (symmetric condition) 으로단순화하였다. 해석모델은개념설계를바탕으로 Fig. 8 과같이방진시스템을모델링하였다. 현재초기설계된구조물에서정밀장비가놓일바닥부 (CON'C MASS BLOCK) 에대하여동특성영향을실시하였으며, 방진시스템사이의진동영향성문제를동적해석을통하여전달함수를결정하고진동가진력허용규제치를결정하였다. Fig. 9 는단위하중에대한주파수별진동응답변위를나타내고있다. Fig. 7. Measured acceleration in frequency domain (No.1 x-direction). Table 1. Experimental data of ground vibration Point No. 1 Peak Frequency [Hz] 2.38 Peak displacement [µm] [0-Peak] [rms] OverAll [rms : µm] Direction Fig. 8. Modelling of floating seismic mass system. No No No 초정밀연구실신축예정부지에서암진동상태는 방향으로약 0.25~0.37[µm:rms] 수준으로나타났다. 이는실험실방진설계진동허용규제치 0.2 µm[rms : 2 (80 Hz] 의약 1.25~1.85 배에도달하고있으며, 이에대한대책이필요한실정이다. 내외부의유틸리티뿐만아니라건물구조와기초에대한방진및내진을위한동적설계가필요하다. Fig. 9. FEM result of point frequency response function 동하중허용규제치초정밀측정 / 분석시스템의내부에동하중을발생시키는진동원이존재할경우, 방진시스템이이러한내부동하중으로기인하는진동응답이진동허용규제치를만족해야한다. 동하중허용규제치는초정밀측정 / 분석시스템이설 한국반도체장비학회지제 2 권제 3 호, 2003

나노측정시스템을위한방진구조물의동적설계에관한연구 41 치되는방진시스템의동특성을나타내는데이터이다.

주파수응답함수 (FRF) 해석결과를이용하여진동허용규제치 0.2 µm(rms) 를만족하는정밀장비의동적하중허용규제치를 Fig. 10 과같이산출하였다.

Dynamic stiffness criteria of Precision Measuring System. 4.

사각틀내부에콘크리트를부어양생시키고, 그림의오른쪽아래와같이 Air-spring 을설치하였다. Fig. 13.

Floating seismic mass system 상단부분 9 지점에서수직방향 () 으로 point mobility(no.

5 나노측정시스템을위한방진구조물의동적설계에관한연구 41 치되는방진시스템의동특성을나타내는데이터이다. 즉, 진동허용규제치를만족할수있는초정밀측정 / 분석시스템의동하중에대한제한조건과주변의유틸리티에서발생하는진동의방진효율을결정하는기본적인데이터이다. 주파수응답함수 (FRF) 해석결과를이용하여진동허용규제치 0.2 µm(rms) 를만족하는정밀장비의동적하중허용규제치를 Fig. 10 과같이산출하였다. 그래프에서곡선이상의동하중이입력될경우에는설계진동허용규제치를초과한다는것을의미한다. Fig. 12. Experimental set-up. Fig. 10. Dynamic stiffness criteria of Precision Measuring System. 4. 방진시스템시공후측정 / 분석결과 초정밀측정 / 분석시스템의방진시스템을 Fig. 11 과같이제작 / 설치하였다. 사각틀내부에콘크리트를부어양생시키고, 그림의오른쪽아래와같이 Air-spring 을설치하였다. Fig. 13. Dynamic stiffness test of floating seismic mass system. Floating seismic mass system 상단부분 9 지점에서수직방향 () 으로 point mobility(no. 1) 및 transfer mobility(no. 2~9 : No. 1 를 driving point 로선정 ) 를구 Fig. 11. Installed floating seismic mass system. Fig. 12, Fig. 13 과같이설치된방진시스템에대한동특성성능평가를위해동특성실험을수행하였다. Fig. 14. Mode shapes of floating seismic mass system. Journal of KSSET Vol. 2, No. 3, 2003

42 전종균 이홍기 김강부 백재호 하였으며, 이를이용하여고유진동수에서의모드형상을산출하였다. 실험결과주요고유진동수 2 개를확인하였으며, 해당하는모드형상은 1 개의병진거동 (translation behavior) 과 1 개의회전거동 (rotation behavior : rolling) 형태이며 Fig. 14 에나타내었다. Table 2.

실선은해석모델에서의데이터이고, 점선은실험을통해실제시스템에서구한데이터이다. Fig. 15 에서점선은실선아래에있다. Fig. 15. Comparison of point FRF on floating seismic mass system. 이것은실제방진시스템이진동허용규제치의설계목표를만족하고있다는것을의미한다.

6 42 전종균 이홍기 김강부 백재호 하였으며, 이를이용하여고유진동수에서의모드형상을산출하였다. 실험결과주요고유진동수 2 개를확인하였으며, 해당하는모드형상은 1 개의병진거동 (translation behavior) 과 1 개의회전거동 (rotation behavior : rolling) 형태이며 Fig. 14 에나타내었다. Table 2. Results of modal analysis Mode Freq. [Hz] Damp.[%] Description 1 st Vertical 2 nd Rolling Fig. 15 는해석모델과실제방진시스템을설치한후에단위하중에대한주파수별진동응답함수 (Frequency Response Function) 를비교하였다. 실선은해석모델에서의데이터이고, 점선은실험을통해실제시스템에서구한데이터이다. Fig. 15 에서점선은실선아래에있다. Fig. 15. Comparison of point FRF on floating seismic mass system. 이것은실제방진시스템이진동허용규제치의설계목표를만족하고있다는것을의미한다. 또한, 이설계목표치의진동허용규제치를만족하기위한조건으로초정밀측정 / 분석장비가유발하는동하중은 Fig. 10 에서제시된동하중허용규제치내에있어야한다. Fig. 16 은 floating seismic mass system 위에초정밀측정 / 분석장비가설치된모습이다. 5. 고찰및결론 초정밀측정 / 분석장비가설치될방진시스템의진동 Fig. 16. Installed precision measuring system on floatin seismic mass system. 허용규제치를반도체비의진동허용규제치및구조물통특성허용규제치를토대로결정하였다. 현재구조상태에서의기초진동상태를측정하였으며이를바탕으로결정된진동허용규제치를만족시킬수있는방진시스템을설계하였다. 설계된방진시스템의성능을확인하기위하여유한요소해석및동특성실험을통하여검증하였으며, 예측된전달함수를사용하여설계된방진시스템에설치될장비의동하중허용규제치를제안하였다. 본연구를통하여초정밀장비가설치될기초구조및방진시스템의진동허용규제치를정량적으로평가할수있는방안을제시하였으며, 본방안을통하여향후반도체장비와같은초정밀장비가설치될방진시스템의설계에유용하게사용될것으로판단된다. 감사의글 이논문은 2002 년도선문대학교교내학술연구비지원으로수행되었슴. 참고문헌 1. Gordon, C.G. Generic Criteria for Vibration-Sensitive Equipment, SPIE Proceedings Volume 1610, pp (1991). 2. Gordon, C.G. Vibration Prediction and Control in Microelectronics Facilities, Inter. Noise 96, Book1, pp (1996). 3. Broch, J.T. Mechanical Vibration and Shock Measurements, B&K Series (1984). 4. Ewins, D.J. 1995, Modal Testing : Theory and Prac- 한국반도체장비학회지제 2 권제 3 호, 2003

7 나노측정시스템을위한방진구조물의동적설계에관한연구 43 tice, Research Studies Press Ltd. (1995). 5. RMS 테크놀러지 ( 주 ), H- 전자산업 ( 주 ) 격자보와제진대의동적특성분석, 평가및진동저감대책, RMS 테크놀러지 ( 주 ) 기술용역보고서 (2000). 6. 백재호, 이홍기, 김강부, 칩마운트 (SMD) 장비의동 하중 ( 動荷重 ) 발생특성에관한연구, 한국소음진동공학회춘계학술대회논문집, pp (2000). 7. Swanson Analysis System Inc., Ansys Dynamic User's Guide for Revision 5.4, (1993). Journal of KSSET Vol. 2, No. 3, 2003

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DBPIA-NURIMEDIA 한국소음진동공학회 2015추계학술대회논문집년 Study of Noise Pattern and Psycho-acoustics Characteristic of Household Refrigerator * * ** ** Kyung-Soo Kong, Dae-Sik Shin, Weui-Bong Jeong, Tae-Hoon Kim and Se-Jin Ahn Key Words