JP2005123261A

JP2005123261A - 教示治具

Info

Publication number: JP2005123261A
Application number: JP2003353783A
Authority: JP
Inventors: Masaru Adachi; 勝足立; Mitsunori Kawabe; 満徳川辺
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2003-10-14
Filing date: 2003-10-14
Publication date: 2005-05-12
Anticipated expiration: 2023-10-14
Also published as: JP4501102B2; WO2005036635A1

Abstract

【課題】位置の推定精度を向上させるとともに、ウェハをピンで支持するタイプの装置においても教示治具を正確に位置決めすることが可能であり、さらに、教示治具をロボット自身で自動回収できる教示治具を提供する。
【解決手段】ウェハを載置する場所に載置して、被検出部をロボットのハンド５上に設けた透過光式のセンサで検出することによって、ロボットにウェハの位置を教示する教示治具１１において、ウェハと同一の外径を有する大円板部１２と、大円板部１２と中心軸を共通にする小円ピン２２と、大円板部１２と中心軸を共通にするアーチ形状物２６を備え、大円板部１２の中心からアーチ形状物２６の外円部までの距離と、前記センサの光軸１０からハンド５のウェハ載置部の中心２９までの距離とが等しくなるように教示治具１１を構成するものである。
【選択図】図５

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教示治具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つの透過光式センサを備えたハンドを使って教示治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、教示治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

しかしながら、特許文献１の装置では、教示治具にハンドを接近させる方向およびセンサで教示治具を検出するときのハンドの姿勢が、実際にロボットがウェハを搬送等するときの方向や位置と異なるので、ロボットの相対移動精度が保証されていないとセンシングによって自動算出された教示位置の推定精度が満足できないという問題があった。
また、狭隘な処理装置の内部では、方向を変えてハンドを小円板に接近させることができないという問題もあった。
また、教示治具はウェハと同径なのでカセットのようなステーションではスロットへ押し付けることによって容易に位置決めが可能であるが、３本ピンでウェハを支持するステーションや落としこみ形状でウェハ設置位置に許容があるステーションやプリアライナのように円筒状の支持台でウェハを受けるステーションでは教示治具の位置決めが困難であるという問題があった。
また、自動ティーチング終了後に教示治具をステーションから取り除く作業を人手で行うので、処理装置などの場合ステーションの蓋を開けるなどして作業に時間を要するといった問題もあった。
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、教示治具の位置の推定精度を向上させるとともに、ウェハをピンで支持するタイプの装置においても教示治具を正確に位置決めすることが可能であり、さらに、教示治具をロボット自身で自動回収できる教示治具を提供することを目的とするものである。

上記問題を解決するために、本発明は半導体ウェハの搬送を行なうロボットに搬送対象のウェハの位置を教示する教示治具であって、前記搬送対象のウェハに代えて、前記ウェハを載置する場所に載置し、前記教示治具に設けた被検出部を前記ロボットのハンド上に設けた透過光式のセンサで検出することによって、前記ロボットに前記ウェハの位置を教示する教示治具において、前記ウェハと同一の外径を有する大円板部と、前記大円板部と中心軸を共通にする小円ピンと、前記大円板部と中心軸を共通にするアーチ形状物を備え、前記大円板部の中心から前記アーチ形状物の外円部までの距離と、前記センサの光軸から前記ハンドのウェハ載置部の中心までの距離とが等しくなるように教示治具を構成するものである。また、前記教示治具の背面に処理装置のウェハ支持ピンと嵌合する溝を備えるものである。また、前記搬送対象と同じ要領で、前記ハンドで掴むことができるように教示治具を構成するものである。

本発明によれば、教示治具をハンド上のセンサで、ロボットがウェハを置載する姿勢と同じ姿勢で検出できるので、ロボットの相対移動精度がよくない場合でも、正確な教示ができるという効果がある。また、径の小さい小円ピンを被検出部として使用するので、ハンドの姿勢を大きく変化させずに、実際の搬出入の際の姿勢の近傍姿勢で教示治具を検出できる効果がある。また、教示治具と中心軸を共通とするアーチ形状物を被検出部にしているので、教示治具を設置する際の回転方向の向きは所定の角度ずれても問題ないので、教示治具の設置が容易であるという効果がある。また、教示治具をステーションのウェハ設置面の形状に嵌合するよう教示治具の背面に溝があるので教示治具を正しく設置することが容易であるという効果がある。さらに、ロボットのハンドで実際に掴むことができるので、自動ティーチング終了後、複数ステーションに設置された教示冶具をロボット自身で回収でき、教示時間を短縮できるといった効果がある。

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および図３は本発明の実施に用いるロボットの説明図であり、図１および図２は平面図であり、図３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を載置しるＹ字形のハンドであって、Ｙ字形の先端に１組の第１の透過光式センサ6を備えている。

図１ないし図３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)、および支柱部２を昇降させるＺ軸動作(昇降)の３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１参照）、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２参照）、Ｚ軸は、支柱部２を上昇させる方向をプラス（図３参照）とする。

図４は透過光式センサ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で第１の透過光式センサ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、第１の透過光式センサ６は光軸１０を遮る物体を検出することができる。

図５は本発明の第１実施例を示すウェハ把持具と教示治具の説明図であり、（ａ）はウェハ把持具の平面図であり、（ｂ），（ｃ）は教示治具の平面図と側面図である。図において、１２は教示治具１１の大円板部であり、大円板部１２の直径Ｄは実物ウェハと同径である。２２は小円ピンであり、２６はアーチ形状部である。大円板部１２の中心からアーチ形状部２６の外周までの距離Ｌ１と、ウェハ把持部５にウェハを把持させたときのウェハ中心点２９から光軸１０までの距離Ｌ２が同じになる位置にアーチ形状部２６を配置する。教示治具１１は実物の半導体ウェハと全く同一の外径を有するので、収納容器等の位置決めガイド等により、正しく位置決めされる。また教示治具１２のアーチ形状部２６の外周の円弧と大円板部１２は中心が一致し、半径が等しいので、教示治具１２を設置する際の回転方向の向きの多少のずれは許容される。本実施例ではＬ１は約１２３ｍｍであり、アーチ形状部２６の外周円弧の長さは約５５ｍｍで設計しており、角度にして約２５度に相当する。従って、回転方向の設置許容角度は約±１２度である。

図６は本発明の第２実施例を示す教示治具の説明図であり。（ａ）は平面図であり、（ｂ））は側面図である。この教示治具２３は大円板部１２の直径Ｄが実物ウェハの径よりもやや大きいことが特徴である。これはステーション側にウェハより径の大きい凹部があって、その凹部にウェハを落とし込むことによってウェハを支持するタイプで、その落とし込み部の径に教示治具２３の径を合わせることによって、教示治具２３を正しく設置することを意図したものである。実際、半導体ウェハ処理装置において、ロードロックと呼ばれるフロントエンド部とプロセス部を結合するステーションは落としこみ型のステーションであることが多いからである。

図７は本発明の第３実施例を示す教示治具の説明図であり、（ａ）は表面の平面図、（ｂ）は裏面の平面図、（ｃ）は側面図である。この教示治具２４の直径Ｄは実物ウェハと同径であり、背面部にステーション側の支持ピンに嵌合する嵌合用溝２７を形成して、前記支持ピンに教示治具２４の嵌合されて、教示治具２４を正しく設置することを意図している。実際、半導体ウェハ処理装置において、３本の支持ピンでウェハを保持するステーションは多いからである。

図８は本発明の第４実施例を示す教示治具の説明図であり、（ａ）は表面の平面図、（ｂ）は裏面の平面図、（ｃ）は側面図である。この教示治具２５の直径Ｄは実物ウェハと同径であり、背面部に大円板部１２の中心軸を同じとする円形の嵌合用溝２８を形成しておくことにより、ステーション側の支持台（円筒状）に教示治具２５の嵌合用溝２８を合わせて、教示治具２５を正しく設置することを意図している。実際、半導体ウェハ処理装置において、プリアライナと呼ばれるウェハのノッチ方向を検出する装置などは円筒状の台座でウェハを保持するしくみとなっているものが多いからである。

図９は本発明の実施に用いるセンサ治具の説明図である。センサ治具１３は、センサマウント板１４、第２透過光式センサ１７、およびセンサケーブル１９から構成される。センサマウント板１４は、円板の一部をＶ字形に切欠いた平板であり、位置決め穴１５を４個設けている。位置決め穴１５は後述するウェハ把持部５の位置決めピン２０と嵌合して、センサ治具１３を前記ウェハ把持部５に正確に位置決めするガイド穴である。前述のＶ字形切り欠きはセンシング用切欠き１６であり、センサ治具１３をウェハ把持部５に取り付けたときに、ウェハ把持部５の第１の透過光式センサ６の光軸１０とセンサマウント板１４が干渉するのを避けるとともに、後述する教示治具の小円ピンとセンサマウント板１４の干渉を避けるための切り欠きである。１７は第２透過光式センサであり、センサマウント板１４の中心に固定されている。１８は第２透過光式センサ１７の光軸である。第２透過光式センサは略コ字型をなし、その開口の幅、つまり、光軸１８の長さは約１３ｍｍである。第２透過光式センサ１７は、センサマウント板１４の中心に固定されているので、センサ治具１３をロボットハンドに取り付けたときに、前記ロボットハンドの半導体ウェハ載置部の略中心に第２透過光式センサ１７が位置する。１９は第２透過光式センサ１７の信号を図示しないロボット制御装置に送るためのセンサケーブルである。

次に、これらの教示治具を用いたウェハ位置教示方法を説明する。図１０ないし図１３は本発明によるウェハ位置教示方法の説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。図は、センサ治具１３をロボットウェハ把持部５に取り付けて教示治具１１に接近させた状態を示している。位置決めピン２０はセンサマウント板１４の位置決め穴（本図では、図示していない）と嵌合して、センサ治具１３をロボットウェハ把持部５に正しく位置決めするガイドピンである。センサケーブル接続コネクタ２１はセンサケーブル１９を接続するコネクタである。

ロボットウェハ把持部５に固定された第１の透過光式センサ６の光軸１０はロボットウェハ把持部５の長さ軸に直交しているが、センサ用治具に固定された第２透過光式センサ１７の光軸１８は前記長さ軸に平行に取り付けられている。つまり、光軸１０と光軸１８は直交している。前述したように、教示治具１１は、実物の半導体ウェハと等しい直径を有する大円板部１２の中心に小円ピン２２と大円板部１２と中心軸を共通にするアーチ形状部２６を立設したものであり、収納容器等の半導体ウェハを載置する場所に大円板部１２を載置することができる。小円ピン２２の直径は約３ｍｍである。この直径の大きさは第２透過光式センサ１７の開口の幅１３ｍｍに対して十分余裕があるように決められたものである。アーチ形状部２６の外周円弧の長さは約５５ｍｍである。この長さはセンサマウント板１４の開口の幅１２６ｍｍに対して十分余裕があるように決められたものである。大円板部１２と小円ピン２２の相対位置は、事前に測定されているので、小円ピン２２の位置を知れば大円板部１２の位置を知ることができる。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１４は本発明による位置教示方法を示すフローチャートである。以下、この位置教示方法をステップを追って説明する。

（ステップ１）センサ治具１３をロボットのウェハ把持部５にマウントする。このとき位置決めピン穴１５と位置決めピン２０を使って両者の位置を正確にマウントする。またセンサケーブル１９をコネクタ２１へ接続する。

（ステップ２）教示治具１１または教示治具２３、２４、２５のいずれか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。教示治具の選択はステーション側のウェハ設置面の形状に応じて適切なものを選択するものとする。本実施例では以下教示治具１１で説明する。教示治具１１の大円板部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、教示治具１１は正しく位置決めされる。

（ステップ３）作業者の操作により、図１１に示すように、ウェハ把持部５を大円板部１２の下へ移動させる。

（ステップ４）ウェハ把持部５を上昇させ、大円板部１２の下面を第１の透過光式センサ６で検出し、その時のロボットのＺ軸の座標値Ｚ₁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の上面を第１の透過光式センサ６で検出し、その時のロボットのＺ軸の座標値Ｚ₂を記録する。

（ステップ５）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、第１の透過光式センサ６が小円ピン２２を検出できる高さへ設定する。

（ステップ６）第１の透過光式センサ６が小円ピン２２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７）θ軸を動作させて、ウェハ把持部５の向きを変え、次にＲ軸を動作させて、ウェハ把持部５を前進させて、小円ピン２２にゆっくり接近させ、第１の透過光式センサ６が小円ピン２２を最初に検出した（つまり光軸１０が小円ピン２２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８）ステップ６とステップ７を繰り返して、ウェハ把持部５を異なる方向から小円ピン２２に接近させて、光軸１０が小円ピン２２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、小円ピン２２の中心の位置（θ_S、Ｒｓ）を求めて記録する。

（ステップ９）ステップ８で求めた小円ピン２２の位置に基づいて、θ軸とＲ軸を動作させて、ウェハ把持部５を図１２に示す位置へ移動させる。センサマウント板１４とそのセンシング用切り欠き１６と第２透過光式センサ１７の寸法は事前に測定されているので、小円ピン２２やアーチ形状部２６との干渉を回避して図１２に示す位置へウェハ把持部５を移動させることができる。

（ステップ１０）θ軸を動作させて、第２透過光式センサ１７の光軸１８を小円ピン２２にゆっくり接近させ、第２透過光式センサ１７が小円ピン２２を最初に検出した（つまり光軸１８が小円ピン２２の右側面に接する）時のθ軸の座標値θ₁を記録する。次に第２透過光式センサ１７が小円ピン２２を検出しなくなった（つまり光軸１８が小円ピン２２の左側面から離れた）時のθ軸の座標値θ₂を記録する。（θ₁＋θ₂）／２をθ軸の推定値θ_Sとして更新する。

（ステップ１１）θ軸をステップ１０で記憶したθ_Sに動作させる。次に図１３に示すような、第１の透過光式センサ６がアーチ形状部２６を検出する位置までウェハ把持部５を後退させる。Ｒ軸を動作させて、第１の透過光式センサ６の光軸１０をアーチ形状部２６からゆっくり遠ざけ、第１の透過光式センサ６がアーチ形状部２６を検出しなくなった（つまり光軸１０がアーチ形状部２６の外周から離れた）時のＲ軸の座標値Ｒｔを記録する。

（ステップ１２）小円ピン２２の推定位置は、ステップ４で記憶したＺ₁、Ｚ₂より（Ｚ₁＋Ｚ₂）／２をＺ軸の推定値とし、ステップ１１で求めたＲｔをＲ軸の推定値とし、ステップ１０で記憶したθ_Sをθ軸の推定値として保存する。小円ピン２２と大円板部１２の相対的な位置関係は事前に測定されているから、この位置関係分だけ前記位置をシフトすれば、大円板部１２すなわち、収納容器等に載置された半導体ウェハの位置が求まり、こ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１３）教示ステーションが複数ある場合は、ステップ２〜１２を繰り返す。また教示治具をステーション数分用意し、ステップ２であらかじめ全ステーションに教示治具を設置しておけば、ステップ３〜１２を繰り返すだけでよい。

（ステップ１４）センサ治具１３をロボットのウェハ把持部５から取り外す。

（ステップ１５）ステップ１２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３からステップ１５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。ただし、ステップ３、１４の作業など一部人手が必要な作業も含まれる。ステップ３は、人手で操作する代わりに、事前にコントローラに装置図面からの教示位置を入力しておけば、その値からステップ３の開始位置を自動で求め、その位置へ自動でロボットアームを移動させることも可能である。
なお、ステップ８での最小２乗法による（θ_S、Ｒｓ）の導出は、本願の発明者が特許文献１で詳細に開示しているので、参考にされたい。

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教示治具として有用である。

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側面図である。本発明の実施に用いる透過光式センサの説明図である。本発明の第１実施例を示す教示治具の説明図である。本発明の第２実施例を示す教示治具の説明図である。本発明の第３実施例を示す教示治具の説明図である。本発明の第４実施例を示す教示治具の説明図である。本発明の実施に用いるセンサ治具の説明図である。本発明によるウェハ位置教示方法の説明図である。本発明によるウェハ位置教示方法の説明図である。本発明によるウェハ位置教示方法の説明図である。本発明によるウェハ位置教示方法の説明図である。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透過光式センサ、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センサ治具、１４センサマウント板、１５位置決め穴、１６センシング用切り欠き、１７第２透過光式センサ、１８光軸、１９センサケーブル、２０位置決めピン、２１センサケーブル接続コネクタ、２２小円ピン、２３教示治具、２４教示治具、２５教示治具、２６アーチ形状部、２７嵌合用溝、２８嵌合用溝、２９ウェハ中心点

Claims

半導体ウェハの搬送を行なうロボットに搬送対象のウェハの位置を教示する教示治具であって、前記搬送対象のウェハに代えて、前記ウェハを載置する場所に載置し、前記教示治具に設けた被検出部を前記ロボットのハンド上に設けた透過光式のセンサで検出することによって、前記ロボットに前記ウェハの位置を教示する教示治具において、
前記ウェハと同一の外径を有する大円板部と、前記大円板部と中心軸を共通にする小円ピンと、前記大円板部と中心軸を共通にするアーチ形状物を備え、前記大円板部の中心から前記アーチ形状物の外円部までの距離と、前記センサの光軸から前記ハンドのウェハ載置部の中心までの距離とが等しいことを特徴とする教示治具。
前記教示治具の背面に処理装置のウェハ支持ピンと嵌合する溝を有することを特徴とする請求項１記載の教示治具。
前記搬送対象と同じ要領で、前記ハンドで掴むことができることを特徴とする請求項１または請求項２記載の教示治具。