THROUGHPUT SIMULATION

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Throughput의 개요

반도체 및 디스플레이 장비에서의 스루풋(Throughput)은 단일공정에서 단위 시간당 웨이퍼 또는 기판의 공정을 처리하는 양을 말하며 그 단위로는 Wafer/Hour (WPH) 또는 Glass/Hour (GPH)가 주로 사용된다. PM의 공정시간, Vacuum robot의 속도, Load Lock의 흡배기 속도, Glass 또는 Wafer의 Cooling/Heating 시간, ATM robot의 속도데이터 등을 가지고 Mechanical throughput을 예상할 수 있다.

PM의 Mechanical throughput

PM의 Throughput은 PM에 사용되는 Lift pin의 up/down을 PM 시간에 포함을 시켰을 때, PM chamber의 수량과 각 PM의 평균 Process time이 사용되며, 계산식은 다음과 같다.
Mechanical T.P of PM= No. of PM X [3600 / average process time]

Vacuum robot의 Throughput

Vacuum robot의 Glass 이송 순서는 Load Lock에서의 Swap, PM에서의 Swap, 다음 Station으로 방향전환(Rotate)의 순서로 이루어 진다.
Throughput simulation에서 Rotate는 average 값을 사용하며, 계산식은 다음과 같다.
T.P of VR = 3600 / (Swap time at LL + Swap time at PM + 2 X Rotate average)

Load Lock (Input)의 Throughput

Load Lock (Input)의 Glass 이송 순서는 LL에 ATM robot이 Place, ATM door close, LL에 Glass가 있는 상태에서 Pumping, Slot valve open, Vacuum robot의
pick, Slot valve close, Glass가 있는 상태에서 vent, ATM door valve open으로 이루어 지며, Throughput의 계산식은 다음과 같다.
T.P of LL (Input) = 3600 / { ATM robot place time + (ATM door close time + Pump time with glass + Slot valve open time) + VR pick time +
(Slot valve close time + Vent time without glass + ATM door open time) }

Load Lock (Output)의 Throughput

Load Lock (Output)의 Glass 이송 순서는 LL로부터 ATM robot이 pick, ATM door close, LL에 Glass가 없는 상태에서 Pumping, Slot valve open,
Vacuum robot의 Place, Slot valve close, Glass가 있는 상태에서Vent, ATM door valve open으로 이루어 지며, Throughput의 계산식은 다음과 같다.
T.P of LL (Output) = 3600 / { ATM robot pick time + (ATM door close time + Pump time without glass + Slot valve open time) + VR place time +
(Slot valve close time + Vent time with glass + ATM door open time) }

ATM Robot의 Throughput

ATM Robot의 Glass 이송 순서는 Cassette로부터 ATM robot이 pick, T/Z/S, LL에 place, T/Z/S, LL으로부터 pick, T/Z/S, Cassette로 Place, T/Z/S 로 이루어
지며, Wafer system의 경우 Wafer align (Aligner로 Place, align, aligner로부터 Pick) 순서가 추가가 된다. 그리고, Throughput의 계산식은 다음과 같다.
T.P of LL ATM robot (Glass) = 3600 / { 2 X ( ATM robot pick time + ATM robot place time) + 4 X T/Z/S }
T.P of LL ATM robot (Wafer) = 3600 / { 2 X ( ATM robot pick time + ATM robot place time) + 4 X T/Z/S + Wafer align time }

Bottle Neck

상기 다섯 가지의 Glass 또는 Wafer의 이동 Step별 Throughput simulation을 통하여 가장 취약한 Step을 확인할 수 있으며,
이 Step을 개선시켜 Throughput을 향상시킬 수 있다.

Throughput 개선의 Tip

각 Step 별 Bottle neck의 개선 방법은 다음과 같다.
PM : Process time을 줄이지 못하는 경우 PM 수량을 늘린다.
Vacuum robot : Vacuum robot의 속도를 높이는 방법은 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 첫 번째는 Robot의 End Effector의 형상 개선을 통하여 반송물의
Slippage가 발생되지 않는 범위에서 로봇 자체의 속도를 높이는 방법이고, 두 번째 방법은 사용되는 시스템에 적합한 로봇 암을 적용하는 방법이다. 싱글암 보다는
듀얼암의 적용이 Throughput에 개선이 있고, 로봇 암의 구조에 따라서 단 방향에서의 Swap time이 빠른 타입과 서로 마주보는 방향에서의 Swap time이 빠른
타입이 있다.
Load Lock : Load Lock이 Bottle neck일 경우 Throughput을 개선할 수 있는 방법은 Chamber의 Volume을 최대한 줄이는 방법, Pump 사양 및 배관 설계의
개선, 그리고, Gas line의 개선으로서 Pumping/Venting 시간을 줄일 수 있다.
ATM robot : ATM robot의 속도를 높이는 방법은 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 첫 번째는 End Effector의 Grip 방법의 개선이다. End Effector의 Grip 방법은
크게 Edge grip, Vacuum grip, Passive grip으로 나눌 수 있으며, 이 중 Edge grip과 Vacuum grip은 속도는 빠르지만 Particle에 취약하고,
Passive grip은 속도는 상대적으로 느리지만 Particle의 발생을 현저히 줄일 수 있다. 두 번째 방법은 사용되는 시스템에 적합한 로봇 암을 적용하는 방법이다.
싱글암 보다는 듀얼암의 적용이 Throughput에 개선이 있고, 듀얼암의 구조에 따라서 암 두개가 개별적으로 구동되는 방식과 하나의 암을 사용하지만 아래 위로
두 개의 Wrist를 사용하는 방식이 있다.

아래의 예는 Wafer system으로서 System 구성은 다음과 같다.

System configuration
Number of PM 3
Process time (Case 1) 50
Process time (Case 2) 150
Load Lock 1 Wafer in
Load Lock 2 Wafer out
Vacuum robot Dual arm
ATM robot Dual arm
Aligner 1 ea
Software overhead 10%
ATM robot (Dual arm)
Pick/Place time Wafer align time
Place Load Lock 1 3 Pick FOUP 3
Place Load Lock 2 3 Place FOUP 3
Pick Load Lock 1 3 Rotate/Z/S 1
Pick Load Lock 2 3 Align (Place/Align/Pick) 17
Load Lock pump/vent
Pump time Vent time
Pump (Wafer) 15 Vent (Wafer) 15
Pump (None wafer) 7 Vent (None wafer) 7
Vaccum robot
Pick/Place Load Lock time Wafer swap time
Place Load Lock 3.5 Swap Load Lock 8
Place PM chamber 3.5 Swap PM chamber 8
Place PM chamber 1.5  
Valves
Door valve time Slot valve time
Door valve on 1 Slot valve on 1
Door valve off 1 Slot valve off 1

위의 각 Step 별 식에서 다음과 같은 값을 얻을 수 있다.

01
(case1)
PM시간 50sec의 throughput
3 X (3600/50) = 216 WPH
01
(case2)
PM시간 50sec의 throughput
3 X (3600/50) = 216 WPH
02 ATM robot 의 throughput (Aligner 장치포함)
3600/{2X(3+3)+17+4X1} = 109 WPH
03 Load Lock (In)의 throughput
3600/{3+(1+15+1)+3.5+(1+7+1)} = 111 WPH
04 Load Lock (In)의 throughput
3600/{3+(1+7+1)+3.5+(1+15+1)} = 111 WPH
05 Vacuum robot의 throughput
3600/(8+8+2X1.5) = 189.5 WPH

위의 1~5 Step에서 얻은 결과 값으로 PM 시간을 제외한 Automation 만의 Throughput을 알아 보기로 한다. PM time을 0으로 가정하고, 위의 2~5 Step 중
가장 낮은 값이 Automation mechanical throughput에 해당하며, 여기에 system software overhead (10%)를 포함한 값이 Automation throughput이 된다.

Automation mechanical throughput과 Automation throughput의 식은 아래와 같다.
Automation mechanical throughput = Lowest WPH at Step 2~5
Automation throughput = (Lowest WPH at Step 2~5) / (Software overhead)

따라서 이 System에서의 Automation throughput은 다음과 같이 얻어진다.
Automation mechanical throughput = 109 WPH
Automation throughput = (109) / (1+10/100) = 99 WPH

다음은 최대 PM time의 계산 방법이다. 최대 PM time이란 Process time 이 아무리 적더라도 더 이상 Throughput이 늘어나지 않는 최대의 PM time을
산출하는 것으로서 그 식은 아래와 같다.
최대 PM time = PM의 수 X [ 3600 / Automation throughput – ( slot valve open + vacuum robot place to PM + slot valve close ) ]

이 시스템의 최대 PM time = 3 X [3600/99-(1+8+1)] = 99sec
이 시스템에서 최종 Mechanical throughput의 계산 식은 다음 2가지로 나눌 수 있다.
Case 1. PM time이 99초 이하인 경우 Automation throughput과 동일함
Case 2. PM time이 99초를 초과하는 경우
3600 / { PM time + ( Slot valve open + Vacuum robot place to PM + slot valve close ) } X PM의 수 3600/(150+10)X3 = 54 WPH

이 시스템에서 Mechanical thourghput simulation결과는 다음과 같다.
Case 1. PM 시간이 50sec의 Mechanical throughput은 99 WPH
Case 2. PM 시간이 150sec의 Mechanical throughput은 54 WPH