JP2005118951A - キャリブレーション方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ハンドに対するセンサの光軸のずれを求めてキャリブレーションを行う方法を提供する。アームに対するハンドのずれを求めてキャリブレーションを行う方法を提供する。
【解決手段】収納容器あるいは搬送装置の半導体ウェハの載置位置に載置した教示治具１１を、ロボット１のハンド５上に設けたセンサ６で検出することによって、ロボット１に前記半導体ウェハの位置を教示するために、センサ６の光軸１０をキャリブレーションする方法において、ロボット１で教示治具１１を所定の位置に載置させ、教示治具１１をセンサ６で検出して教示冶具１１の位置を推定し、教示治具１１を載置した教示位置と前記推定値との差を求めるものである。
【選択図】 図７

Description

本発明は、半導体ウェハ搬送用ロボットに半導体ウェハの位置を教示するために、ロボットハンドに備えたセンサの光軸をキャリブレーションする方法に関するものである。

従来、半導体ウェハ搬送用ロボットの教示作業は、一般の産業用ロボットと同様に、作業者が、搬送対象のウェハを目視して、その位置を確認してロボットをウェハに誘導していた。しかしながら、処理装置等の内部にあるウェハを外部から目視することは、困難あるいは不可能な場合がある。そこで、実物のウェハと同一寸法の教示用治具をウェハの代わりに処理装置等に載置して、その教示用治具の位置をロボットのエンドエフェクタに設けたセンサで検出して、ロボットに位置を教示するいわゆるオートティーチングの方法や装置が提案されている。

本発明の発明者は、先に特許文献１において、２つの透過式センサを備えたハンドを使って教示冶具のセンシングを行う方法を提案している。この方法では、教示冶具に設けられた小円板に、異なる方向からハンドを接近させて、その結果に最小２乗法を適用してロボットの教示位置すなわち、円筒座標系（Ｒ-θ-Ｚ）のＲ値、θ値、Ｚ値を求めている。ここで、Ｒ値はロボットアームの伸縮方向の教示値を、θ値はロボットの回転方向の教示値を、Ｚ値はロボットの上下方向の教示値を意味する。
国際公開公報 ＷＯ０３／２２５３４

自動教示を行う前提として、ハンド上のセンサの光軸の調整が正しく行われていることが必要であるが、特許文献１では、光軸の調整の手段については言及していない。またハンド自体の取り付け角のずれも、光軸のずれとして加算されるが、この光軸のずれを正確に求めて補正する方法は提案されていない。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、ハンドに対するセンサの光軸のずれを求めてキャリブレーションを行う方法を提供するものである。また、アームに対するハンドのずれを求めてキャリブレーションを行う方法を提供するものである。

上記問題を解決するために、本発明は、収納容器あるいは搬送装置の半導体ウェハの載置位置に載置した教示治具を、ロボットのハンド上に設けたセンサで検出することによって、前記ロボットに前記半導体ウェハの位置を教示するために、前記センサの光軸をキャリブレーションする方法において、前記ロボットで前記教示治具を載置させ、前記教示治具を前記センサで検出して前記教示冶具の位置を推定し、前記教示治具を載置した教示位置と前記推定値との差を求めるものである。また、前記教示治具を前記センサで検出して半導体ウェハ位置を推定する操作をロボットアームの伸縮量の異なる２つ以上の姿勢で繰り返すものである。また、ロボットがアームの伸縮量の異なる２つ以上の姿勢でアクセスできるキャリブレーション用ステーションを備えた搬送装置を用いるものである。また、前記ステーションにロボットによってウェハもしくは教示治具を設置する際に、そのウェハ位置がずれることのないよう平面でウェハを保持する機構を備えるものである。

本発明によれば、ロボットが教示治具をステーションに載置し、その教示治具をセンサで検出してウェハ位置を推定し、教示位置と推定位置の差からセンサのキャリブレーションを行うので、治具やゲージが不要で、容易にキャリブレーションが行えるという効果がある。また、ロボットアームの伸縮量の異なった姿勢で２回以上繰り返して計測するので、ハンドのアームに対する取り付け角度のずれを求めて補正する効果がある。また、キャリブレーション用のステーションを処理装置内に備えているので、キャリブレーションを自動で行うことができるといった効果がある。また、前記ステーションの搬送面はウェハ位置がずれることのないよう平面でウェハを保持する機構なので、ロボットによってウェハもしくは教示治具を置載する際に、その位置がずれることがなく正しくキャリブレーションができるといった効果がある。また、ロボットを処理装置に組み込んだ状態でキャリブレーションを実行できるので、センサが搭載されているロボットハンドを装置にぶつけてダメージを受け、ハンドを交換した場合でも、本キャリブレーション操作を再実行することにより自動ティーチングを継続することができる効果がある。

以下、本発明の具体的実施例を図に基づいて説明する。

図１、図２、図３および図４は本発明の実施に用いるロボットの説明図であり、図１、図２および図３は平面図であり、図４は側面図である。図において、1は半導体ウェハ搬送用の水平多関節型ロボットであり、Ｗはロボット１の搬送対象の半導体ウェハである。ロボット１は、昇降自在な円柱状の支柱部２のロボット旋回中心軸７回りに水平面内で旋回する第１アーム３と、第１アーム３の先端に水平面内で旋回自在に取り付けられた第２アーム４と、第２アーム４の先端に水平面内で旋回自在に取り付けられたウェハ把持部５を備えている。ウェハ把持部５は半導体ウェハＷを載置するＹ字形のハンドであって、Ｙ字形の先端に１組の透過式センサ６を備えている。また、２１は走行軸ユニットであり、２２は走行軸ユニット２１の可動架台であり、ロボット１は可動架台２２に固定されて、走行する。

図１ないし図４に示すように、ロボット１は第１アーム３、第２アーム４およびウェハ把持部５の相対的な角度を保ったまま、第１アーム３を支柱部２の中心軸７回りに旋回させるθ軸動作（旋回）、第１アーム３、第２アーム４およびウェハ把持部５を一定の速度比を保って旋回させることにより、ウェハ把持部５を支柱部２の半径方向に伸縮させるＲ軸動作(伸縮)、支柱部２を昇降させるＺ軸動作(昇降)、および走行軸ユニット２１の直線動作によりロボット1自身が走行運動するＴ軸動作（走行）の４自由度を有している。なお、ここで、θ軸は反時計回りをプラス方向とし（図２参照）、Ｒ軸は、ウェハ把持部５を支柱部２から遠ざける方向、つまりアームを伸ばす方向をプラスとし（図３参照）、Ｚ軸は、支柱部２を上昇させる方向をプラス（図４参照）とし、Ｔ軸は、ロボットを図面上方へ走行させる方向をプラス（図１参照）とする。

図５は透過式センサ６の説明図である。図において、８はＹ字形のウェハ把持部５の一方の端に取り付けられた発光部であり、９は他方の端に発光部８に対向するように取り付けられた受光部である。発光部８と受光部９で透過式センサ６を構成している。１０は発光部８から受光部９に向かう光軸であり、透過式センサ６は光軸１０を遮る物体を検出することができる。

図６は本発明の実施に用いる教示治具の説明図である。図において、教示冶具１１は大円板部１２に小円板部１３を同心に組み合わせた物であり、大円板部１２の直径は実物ウェハと同径である。また、大円板部１２には、軽量化穴１４を開けて軽量化してあるのでロボット自身がウェハを把持するのと同じ要領で本治具を把持し、ステーションへ置載することができる。なお、大円板部１２の厚さは約２ｍｍであり、実物の半導体ウェハの厚さ０．７ｍｍより大きいが、これは強度上の制約から決められたものであり、実物の半導体ウェハの厚さと同一にしたほうが望ましいことは言うまでもない。

図７は、センサの光軸のずれの説明図であり、第１アーム３、第３アーム４およびウェハ把持部５の平面図である。光軸のずれにはＲ軸方向のずれであるΔＲ（図７（ａ）参照）と回転方向のずれΔθ（図７（ｂ））の２つがある。センサの光軸の位置は、第３アームの回転中心２０から光軸までの距離Ｌの位置に取り付けるよう設計されているが、組み立て時に前後へのずれが生じ、それがΔＲである。Δθは２つの要因からなる。１つは図７（ｃ）に示した理想光軸１６（Ｒ軸に直角の線）と実光軸１５のずれ角αである。これはロボット旋回中心７に対して定数である。もう１つは図７（ｄ）に示した第３アームのずれ角βである。これはロボット旋回中心７に対して定数ではなく、アームの姿勢すなわちＲ軸の伸縮量に比例して変化する。ロボット旋回中心７から第３アーム回転中心２０までの距離をＲ、第３アーム回転中心２０から理想光軸１６までの距離をＬとするとセンシング時の影響角β’は式１で表される。

（式１）

従って補正量Δθは式２で表され、その係数αとβを求めれば、センサのキャリブレーションを実施できる。

（式２）

図８は本発明の実施に用いるウェハ搬送装置の平面図である。図において、２３は仮ステーションであり、ステーション２４、ステーション２５およびステーション２６は収納容器であり、ステーション２７およびステーション２８はロードロックであり、図示しないロボットによって各ステーション２４〜２８の間を半導体ウェハが搬送される。仮ステーション２３は、ステーション２４〜２８に前記ロボットがアクセスする際に干渉することのない位置に設置される。またＴ軸（走行軸）を使ってロボットの位置をずらすことにより、アームの伸縮量の異なる姿勢でアクセスできる位置に設置する。すなわち前記ロボット走行軸（Ｔ軸）の延長線上に仮ステーション２３を設置する。

図９は本発明の実施に用いる仮ステーションの説明図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は側面図である。仮ステーション２３は円柱形状をなし、ステー２３ａによって側壁２３ｂに固定されている。仮ステーション２３の搬送面２９はゴム質の材料を使用し教示治具１１との摩擦を高めロボットによる載置時に位置ずれないようにしている。また図９（ａ）に示すように、ウェハ把持部５の中央部の切り欠きと仮ステーション２３の円柱部とはクリアランス３０を確保している。これはロボットによる載置位置が前後左右に所定の距離ずれても載置可能とするためである。

図１０は本発明の実施例を示すキャリブレーション方法のフローチャートである。また、図１１ないし図１３は、キャリブレーション操作中のウェハ把持部５と教示冶具１１の位置関係を示す説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。以下、このキャリブレーション方法をステップを追って説明する。
（ステップ１）教示治具１１をロボットのウェハ把持部５にセットする。
（ステップ２）装置図面などの情報から仮ステーション２３の位置は既知であるので、ロボットがウェハを置載することができる教示位置を（θs1、Ｒs1、Ｚs1、Ｔs1）にセットする。
（ステップ３）i=1とする。
（ステップ４）教示位置（θsi、Ｒsi、Ｚsi、Ｔsi）すなわち仮ステーション２３へロボット自身で教示治具１１を置載する。
（ステップ５）ロボットがウェハを載置した教示位置（θsi、Ｒsi、Ｚsi、Ｔsi）は既知であるので、ウェハ把持部５を大円板部１２の下へ自動で移動させる。
（ステップ６）ウェハ把持部５を上昇させ（図１１および図１２参照）、大円板部１２の下面を透過式センサ６で検出し、その時のロボットのＺ軸の座標値Ｚ_１を記録する。さらにウェハ把持部５を上昇させ、大円板部１２の上面を透過式センサ６で検出し、その時のロボットのＺ軸の座標値Ｚ_２を記録する。
（ステップ７）ウェハ把持部５を大円板部１２の上に移動させる。つまり、ウェハ把持部５を前進（ここで前進とはＲ軸の＋方向をいう）させたときに、透過式センサ６が小円板部１３を検出できる高さへ設定する。
（ステップ８）透過式センサ６が小円板部１３を検出しない位置までウェハ把持部５を後退させる。
（ステップ９）θ軸を動作させて、ウェハ把持部５の向きを変え（図１３参照）、次にＲ軸を動作させて、ウェハ把持部５を前進させて、小円板部１３にゆっくり接近させ、透過式センサ６が小円板部１３を最初に検出した（つまり光軸１０が小円板部１３の円周に接する）時のθ軸とＲ軸の座標を記録する。
（ステップ１０）ステップ８とステップ９を繰り返して、ウェハ把持部５を異なる方向から小円板部１３に接近させて、光軸１０が小円板部１３の円周に接する時のθ軸とＲ軸の座標を複数求め、これらの値から最小２乗法を解くことにより、小円板部１３すなわち教示治具の中心の位置（θei、Ｒei）を求めて記録する。なお、最小２乗法を用いて中心の位置を求めるアルゴリズムは特許文献１に詳述しているので、参照されたい。
（ステップ１１）ステップ４で仮ステーション２３に載置した教示治具１１をステップ１０でセンシングして求めた（θei、Ｒei）と教示治具１１を載置した教示位置（θsi、Ｒsi）との差ΔθiとΔＲiを計算し記憶する。またＲsiも記憶する。

Δθi = θsi − θei、 ΔＲi = Ｒsi − Ｒei （式３）

（ステップ１２）ステーション２３の教示治具１１をロボットで把持する。ロボットは教示治具を載置した教示位置（θsi、Ｒsi、Ｔsi）を記憶しているので、把持することが可能である。
（ステップ１３）i=２の場合、ステップ１６へジャンプする。
（ステップ１４）次回（i+1）の教示治具の載置位置を（式４）とする。

（θsi+1、Ｒsi+1、Ｚsi+1、Ｔsi+1）＝（θsi、Ｒsi＋Ｒoft、Ｚsi、Ｔsi−Ｒoft ） （式４）

これは、ロボットアームの伸縮量の異なった姿勢で教示治具をセンシングしてデータを計測するためであり、同じ位置の仮ステーション２３を使うため式４となる。本実施例では、Ｒ軸のプラス方向とＴ軸のプラス方向が一致しているため、式４のようにＲ軸にはＲoftを加算し、Ｔ軸にはＲoftを減算する。
（ステップ１５）i= i + 1として、ステップ４にジャンプする。
（ステップ１６）ステップ１１で記憶したΔθi、ΔＲi、Ｒsiを使って、キャリブレーション値ΔθとΔＲを求める。本実施例ではサンプル数は２であるので、式５，６を解くことによってα、βが求まり式２によりΔθが求まる。ΔＲは（ΔＲ_１＋ΔＲ_２）／２とする。求めたα、β、ΔＲをコントローラに保存する。

（式５）


（式６）

またサンプル数がＮの場合は、ステップ１３のＲoftをＲoft／（Ｎ−１）に置き換え、ステップ１４のi=２をi=Ｎに変更することでセンシングデータを得ることができる。キャリブレーション値の求め方は、Δθについては最小２乗法をΔＲについては平均値を適用すればよい。
（ステップ１７）ロボットのウェハ把持部５上の教示治具１１を回収する。
また、ステップ２からステップ１６までの操作を予め、プログラムしておけば、自動ティーチングのためのセンサキャリブレーションを、作業者の操作に拠らず、自動的に行なうことができる。

以上により、キャリブレーションが完了したので、次にウェハ位置教示方法を説明する。図１４は本発明の実施例を示すウェハ位置教示方法のフローチャートである。以下、このウェハ位置教示方法をステップを追って説明する。
（ステップ１８）教示治具１１を収納容器等の半導体ウェハを載置する場所に載置する。大円板部１２は実物の半導体ウェハと全く同一の外径を有するから、収納容器等の位置決めガイド等により、教示用治具１１は正しく位置決めさせる。また、教示するステーションが複数ある場合は、全てのステーションに教示治具１１を載置する。
（ステップ１９）装置図面などの情報からウェハ教示位置の概略位置は既知であり、ロボットの機構も既知であるので、図１２に示す位置を逆算して求めることが可能であり、ウェハ把持部５を大円板部１２の下へ自動で移動させる。
（ステップ２０）ウェハ把持部５を上昇させ（図１２と１３の姿勢を参照）、大円板部１２の下面を透過式センサ６で検出し、その時のロボットのＺ軸の座標値Ｚ_１を記録する。さらにウェハ把持部５を上昇させ、大円板部１２の上面を透過式センサ６で検出し、その時のロボットのＺ軸の座標値Ｚ_２を記録する。
（ステップ２１）ウェハ把持部５を大円板部１２の上に移動させる。つまり、ウェハ把持部５を前進（ここで前進とはＲ軸の＋方向をいう）させたときに、透過式センサ６が小円板部１３を検出できる高さへ設定する。
（ステップ２２）透過式センサ６が小円板部１３を検出しない位置までウェハ把持部５を後退させる。
（ステップ２３）θ軸を動作させて、ウェハ把持部５の向きを変え（図１４の姿勢を参照）、次にＲ軸を動作させて、ウェハ把持部５を前進させて、小円板部１３にゆっくり接近させ、透過式センサ６が小円板部１３を最初に検出した（つまり光軸１０が小円板部１３の円周に接する）時のθ軸とＲ軸の座標を記録する。
（ステップ２４）ステップ２２とステップ２３を繰り返して、ウェハ把持部５を異なる方向から小円板部１３に接近させて、光軸１０が小円板部１３の円周に接する時のθ軸とＲ軸の座標を複数求め、これらの値から最小２乗法を解くことにより、小円板部１３すなわち教示治具の中心の位置（θei、Ｒei）を求めて記録する。
（ステップ２５）ウェハの推定位置は、ステップ２０で記憶したＺ_１、Ｚ_２より（Ｚ_１＋Ｚ_２）／２をＺ軸の推定値とし、ステップ２４で求めた（θei、Ｒei）にステップ１６で求めたキャリブレーション値を足しこんだ（θei＋Δθ、Ｒei＋ΔＲ）をθ軸、Ｒ軸の推定値とする。これらの値を該当ステーションの教示位置としてコントローラに保存する。
（ステップ２６）教示ステーションが複数ある場合は、ステップ１９〜２５を繰り返す。
（ステップ２７）ステップ２５において各ステーションの教示位置が求まっているのでロボットはそれらの情報を基に通常ウェハを搬送するのと同じ要領で、自動で全ての教示治具を回収する。回収とは、例えば処理装置の蓋を開けて直接手で教示治具を取り出すのではなく、カセットステーションの異なるスロットへ教示治具同士が干渉しないように搬送して、カセットに溜めた教示治具をまとめて取り出すことである。
また、ステップ１９からステップ２７までの操作を予め、プログラムしておけば、半導体ウェハの位置の教示を、作業者の操作に拠らず、自動的に行なうことができる。

本発明は、半導体ウェハ搬送用ロボットに半導体ウェハの位置を教示するセンサのキャリブレーション方法として有用である。

本発明の実施に用いるロボットの平面図である。 本発明の実施に用いるロボットの平面図である。 本発明の実施に用いるロボットの平面図である。 本発明の実施に用いるロボットの側面図である。 本発明の実施に用いる透過式センサの説明図である。 本発明の実施に用いる教示冶具の説明図である。 センサの光軸のずれの説明図である。 本発明の実施例を示す搬送装置の説明図である。 本発明の実施例を示す仮ステーションの説明図である。 本発明によるキャリブレーション方法を示すフローチャートである。 キャリブレーション操作中のウェハ把持部と教示冶具の位置関係を示す説明図である。 キャリブレーション操作中のウェハ把持部と教示冶具の位置関係を示す説明図である。 キャリブレーション操作中のウェハ把持部と教示冶具の位置関係を示す説明図である。 本発明によるウェハ位置教示方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１ ロボット、２ 支柱部、３ 第1アーム、４ 第2アーム、５ ウェハ把持部、６ 透過式センサ、７ ロボット旋回中心、８ 発光部、９ 受光部、１０ 光軸、１１ 教示治具、１２ 大円板部、１３ 小円板部、１４ 軽量化穴、１５ 実光軸、１６ 理想光軸、１７ 光軸ずれ角α、１８ 光軸ずれ角β´、１９ 第３アームずれ角β、２０ 第３アーム旋回中心、２１ 走行軸ユニット、２２ 可動架台、２３ 仮ステーション、２３ａ ステー、２３ｂ 側壁、２４〜２８ ステーション、２９ 搬送面、３０ クリアランス

Claims (4)

1. 収納容器あるいは搬送装置の半導体ウェハの載置位置に載置した教示治具を、ロボットのハンド上に設けたセンサで検出することによって、前記ロボットに前記半導体ウェハの位置を教示するために、前記センサの光軸をキャリブレーションする方法において、前記ロボットで前記教示治具を所定の位置に載置させ、前記教示治具を前記センサで検出して前記教示冶具の位置を推定し、前記教示治具を載置した教示位置と前記推定値との差を求めることを特徴とするキャリブレーション方法。
2. 前記教示治具を前記センサで検出して半導体ウェハ位置を推定する操作をロボットアームの伸縮量の異なる２つ以上の姿勢で繰り返すことを特徴とする請求項１に記載のキャリブレーション方法。
3. ロボットがアームの伸縮量の異なる２つ以上の姿勢でアクセスできるキャリブレーション用ステーションを備えた搬送装置を用いることを特徴とする請求項１に記載のキャリブレーション方法。
4. 前記ステーションは、ロボットによってウェハもしくは教示治具を設置する際に、そのウェハ位置がずれることのないよう平面でウェハを保持する機構を備えていることを特徴とする請求項３に記載のキャリブレーション方法。