JP2010131682A - ロボット装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】処理チャンバ内に収納されている基板の一部のみを搬出する場合に残りの基板が処理チャンバの内壁に干渉することを防止し、処理チャンバを十分に小型化できるようにする。
【解決手段】自由端１２２が基軸１６を通過することなく基準線１７に接近するようにアーム機構１０の前段用モータ１２Ａ及び後段用モータ１２Ｂを駆動しつつ、搬出される基板４Ａを保持した保持端２１２Ａが基準線１７上を移動するようにハンド用モータ２２Ａを駆動する。これと同時に、搬出されない基板４Ｂを保持した保持端２１２Ｂが保持端２１２Ａから離間するようにハンド用モータ２２Ｂを駆動する。
【選択図】図７

Description

この発明は、真空チャンバ等の処理チャンバ内に設置され、例えば半導体基板、液晶ガラス基板、磁気ディスク等の基板を処理チャンバ外に設置されたステージと処理チャンバ内との間に搬送するロボット装置、及びこのロボット装置の制御方法に関する。

半導体デバイス、液晶ディスプレイ、磁気ディスク等の製造には、材料となる精密基板に対する処理チャンバ内での処理が含まれる。処理チャンバは、例えば真空チャンバである。基板は、処理チャンバ内に設置されたロボット装置により、処理チャンバ外に設置されたステージと処理チャンバ内との間を搬送される。

ステージと処理チャンバ内との間に基板を搬送する従来のロボット装置は、アーム機構とハンド機構とを備えている（例えば、特許文献１参照。）。アーム機構は、前段側アーム、後段側アーム、前段側用モータ及び後段側用モータを含む。ハンド機構は、ハンド及びハンド用モータを含む。

前段側アームと後段側アームとは、それぞれの一方の端部を軸支端として互いに軸支されている。前段側アームにおける軸支端の反対側の端部は、水平面内に設定された基準軸を中心に軸支された基端である。後段側アームにおける軸支端の反対側の端部は、ハンドの一方の端部である支持端を軸支する自由端である。ハンドにおける支持端の反対側の端部は、基板を保持する保持端である。

前段側用モータは、基準軸廻りを中心に前段側アームを回転させる。後段側アームは、軸部を中心に後段側アームを回転させる。ハンド用モータは、自由端を中心にハンドを回転させる。前段用モータ及び後段側用モータを個別に駆動すると、自由端が水平面内で直交座標動作を行う。ハンド用モータを駆動すると、保持端が極座標動作を行う。チャンバ内からステージへの搬出時には、移動距離が最短となるように、前段用モータ、後段側用モータ及びハンド用モータを個別に駆動し、基板を基準点とステージの中心と結ぶ基準線に沿って直線状に移動させる。

従来のロボット装置には、基板に対する処理の効率化を考慮して、複数のハンド機構を備え、同時に複数枚の基板を処理チャンバ内に搬入出できるようにしたものもある。複数のハンド機構を備えたロボット装置の各保持端に基板を保持している状態でも、処理の都合上、チャンバ内に収納されている複数枚の基板の一部のみをステージへ搬出する場合がある。この場合でも、基板を基準点とステージの中心と結ぶ基準線に沿って直線状に移動させる必要がある。
特開２００３−１８８２３１号公報

しかし、従来のロボット装置及びその制御方法では、チャンバ内に収納されている複数枚の基板の一部のみをステージへ搬出する場合に、搬出されない基板と処理チャンバの内壁との干渉を十分に考慮したものが無かった。このため、処理チャンバを十分に小型化することができない問題があった。

例えば、搬出すべき基板を保持した保持端を支持端とともに基準線に沿って直線上に移動させると、処理チャンバの半径がハンドの長手方向における支持端から基板の外周までの長さよりも短い場合、搬出されない基板が処理チャンバの内壁に接触する。このため、処理チャンバの半径をハンドの長手方向における支持端から基板の外周までの長さよりも短くすることができず、処理チャンバを十分に小型化することができない。

この発明の目的は、ハンドの支持部を軸支するアームの自由端を直交座標動作させつつ、ハンドの保持端を極座標動作させ、処理チャンバ内に収納されている基板の一部のみを搬出する場合に残りの基板が処理チャンバの内壁に干渉することを防止でき、処理チャンバを十分に小型化できるロボット装置及びその制御方法を提供することにある。

この発明のロボット装置は、アーム機構、複数のハンド機構及び制御部を備え、複数のハンド機構の少なくとも２つのハンド機構の各保持端に保持されている複数の基板のうちの一部の基板のみを処理チャンバ内からステージへ搬出する。アーム機構は、基端が水平面内の所定位置に設定された基準点に回転自在に支持されるとともに自由端が水平面内で直交座標動作を行う。複数のハンド機構は、それぞれの支持端が自由端で回転自在に支持されるとともにそれぞれの保持端が水平面内で極座標動作を行い、保持端に基板を保持する。制御部は、自由端が基準点とステージの中心とを結ぶ基準線に基準点を通過することなく接近するようにアーム機構を駆動しつつ、搬出される基板を保持した搬出用保持端が基準線上を移動するとともに搬出されない基板を保持した非搬出用保持端が搬出用保持端から離間するように複数のハンド機構を駆動する。

この構成では、アーム機構の自由端が基準点とステージの中心とを結ぶ基準線に基準点を通過することなく接近すると同時に、一方のハンド機構の搬出用保持端が基準線上を移動し、かつ他方のハンド機構の非搬出用保持端が搬出用保持端から離間する。搬出用保持端が自由端を中心に極座標動作する間に自由端が基準点を通過することなく基準線に接近するように直交座標動作することで、基板が搬出用保持端とともに基準線上をステージに向かって移動する。非搬出用保持端が搬出用保持端から離間するように極座標動作する際の中心である自由端が基準点を通過しないため、処理チャンバの半径が基準端から非搬出用保持端に保持された基板の外周までの長さよりも短い場合にも、基板が処理チャンバの内壁に当接しない。

アーム機構は、一例として、前段側アーム及び後段側アームを備える。前段側アームは、基端である第１の端部が基準点廻りに水平面内で回転自在に支持されている。後段側アームは、前端側アームの第２の端部に第３の端部が水平面内で回転自在に支持されるとともに自由端である第４の端部にハンドの支持端を水平面内で回転自在に支持する。互いの一端を節点とした前段用アーム及び後段用アームにより、自由端を直交座標動作させることができる。

制御部は、自由端が基準線の延長線上から外れた位置を開始位置として直線状の軌跡を描いて基準線に接近するようにアーム機構を駆動するものとしてもよいが、自由端が円弧状の軌跡を描いて基準線に接近するようにアーム機構を駆動するものとすることが好ましい。処理チャンバの半径をより小さくすることができる。

図１は、この発明の実施形態に係るロボット装置の側面図である。ロボット装置１は、アーム機構１０、ハンド機構２０Ａ，２０Ｂ、制御部３０を備えている。

アーム機構１０は、前段側アーム１１、後段側アーム１２、前段用モータ１３、後段用モータ１４を備えている。前段用アーム１１及び後段用アーム１２は、それぞれの一端が軸１１１で互いに軸支されている。前段用アーム１１における軸端１１１の反対側の端部は、支柱１５により基軸１６で回転自在に支持されている。後段側アーム１２における軸端１１１の反対側の自由端には、軸１２２が設けられている。

前段用モータ１３は、支柱１５内に収納されており、図示しない伝達機構を介して基軸１６廻りに前段用アーム１１を水平面内に回転させる。後段用モータ１４は、支柱１５内に収納されており、図示しない伝達機構を介して軸１１１廻りに後段用アーム１２を回転させる。前段用モータ１３及び後段用モータ１４を個別に駆動することで、軸１２２を水平面内で直交座標動作させることができる。

ハンド機構２０Ａは、ハンド２１Ａ及びハンド用モータ２２Ａを備えている。ハンド２１Ａは、支持端２１１Ａを軸１２２に軸支されており、保持端２１２Ａに基板４Ａを保持する。ハンド用モータ２２Ａは、支柱１５内に収納されており、図示しない伝達機構を介して軸１２２廻りにハンド２１Ａを水平面内に回転させる。

ハンド機構２０Ｂは、ハンド２１Ｂ及びハンド用モータ２２Ｂを備えている。ハンド２１Ｂは、支持端２１１Ｂを軸１２２に軸支されており、保持端２１２Ｂに基板４Ｂを保持する。ハンド用モータ２２Ｂは、支柱１５内に収納されており、図示しない伝達機構を介して軸１２２廻りにハンド２１Ｂを水平面内に回転させる。

ハンド用モータ２２Ａ及びハンド用モータ２２Ｂを個別に駆動することで、ハンド２１Ａ及びハンド２１Ｂが水平面内で互いに独立して極座標動作する。

制御部３０は、前段用モータ１３、後段用モータ１４、ハンド用モータ２２Ａ及びハンド用モータ２２Ｂの駆動データを作成し、図示しないモータドライバに出力する。モータドライバは、駆動データに従って前段用モータ１３、後段用モータ１４、ハンド用モータ２２Ａ及びハンド用モータ２２Ｂを駆動する。

図２は、ロボット装置を含む基板処理装置の要部の平面図である。ロボット装置１は、処理チャンバ２内に設置されており、処理チャンバ２のゲート２Ａを経由して処理チャンバ２外のステージ３と処理チャンバ２内との間に基板４を搬送する。

ロボット装置１は、基軸１６が処理チャンバ２の中心に位置するように配置されている。ロボット装置１は、ゲート２Ａの構造上、及び搬送距離の最短化のため、基軸１６とステージ３の中心とを結ぶ基準線１７に沿って基板４を搬送する。

図３（Ａ）及び（Ｂ）は、ロボット装置による一般的な基板の搬出方法を示す概略の平面図である。軸１２２が基軸１６を通過するように搬出する場合、まず、図３（Ａ）に示すように、搬出すべき基板４Ａを保持したハンド２１Ａ及び搬出しない基板４Ｂを保持したハンド２１Ｂを基準線１７上に重ねる。この状態から、図３（Ｂ）に示すように、軸１２２が基準線１７の延長線上から基軸１６を経由して基準線１７に沿って移動するように前段用モータ１３及び後段用モータ１４を駆動して前段側アーム１１及び後段側アーム１２を動作させる。これとともに、ハンド用モータ２２Ｂを駆動して非搬出用保持端である保持端２１２Ｂが搬出用保持端である保持端２１２Ａから離間するようにハンド２１Ｂを動作させる。

このように、軸１２２が基軸１６を通過するように前段側アーム１１及び後段側アーム１２を動作させつつ、保持端２１２Ｂが保持端２１２Ａから離間するようにハンド２１Ｂを動作させると、処理チャンバ２の内径を十分に小さくすることができない。

即ち、保持端２１２Ｂを保持端２１２Ａから離間するように軸１２２廻りに極座標動作させる場合に、基板４Ｂを処理チャンバ２の内壁に当接させないためには、軸１２２が基軸１６にある時の基板４Ｂの外周端より外側に処理チャンバ２の内壁が位置している必要がある。したがって、処理チャンバ２の半径βは、ハンド２１Ｂの長手方向における軸１２２から基板４Ｂの外周端までの長さαよりも小さくできない。

図４（Ａ）及び（Ｂ）は、この発明のロボット装置による基板の第１の搬出方法を示す概略の平面図である。制御部３０は、まず、軸１２２が基準線１７の延長線上から外れた位置で、保持端２１２Ａを基準線１７上に位置させる。この状態から、制御部３０は、自由端１２２が基準線１７に直線的に接近するように前段用モータ１３及び後段用モータ１４を駆動して前段側アーム１１及び後段側アーム１２を動作させる。これとともに、制御部３０は、ハンド用モータ２２Ａを駆動して保持端２１２Ａが基準線１７上をステージ３に向かって移動するようにハンド２１Ａを動作させる。また、制御部３０は、ハンド用モータ２２Ｂを駆動して保持端２１２Ｂが保持端２１２Ａから離間するようにハンド２１Ｂを回転させる。

このように、軸１２２が基準点１６を通過することなく基準線１７に直線的に接近させつつ、基準線１７上を移動する保持端２１２Ａから保持端２１２Ｂを離間させることで、ハンド２１Ｂが基準線１７を跨いで回転する。したがって、処理チャンバ２の半径βをハンド２１Ｂの長手方向における支持端２１１Ｂから基板４Ｂの外周端までの長さαより小さくしても、基板４Ｂが処理チャンバ２の内壁に当接することがなく、処理チャンバ２の内径を小さくすることができる。

図５（Ａ）及び（Ｂ）において、保持端２１２Ａが基準線１７上に位置するように、アーム１１、１２を動作させて軸１２２を距離Ｘだけ移動させた場合、
Ｘ＝ＸＢ−ＸＡ
＝Ｙ／ｔａｎθＷ−ＸＡ
である。第１の搬出方法は、図５（Ｂ）に示すように、軸１２２を直角座標動作させつつ、ハンド２１Ａを極座標軌跡に沿って旋回動作させる。このときのハンド角度Δθは、アームの移動量をΔＸ、ハンド２１Ａの長さをＬ、最終ハンド角度をθＷとして、
Δθ＝θ１−θ２
θ２＝１８０−９０−θＷ＝９０−θＷ
θ１＝ｃｏｓ^−１（Ｂ／Ｌ）
Ｂ＝Ａ・ｓｉｎθＷ
Ａ＝Ｌ−ΔＸ
の関係から、アームの移動量ΔＸを用いて、
Δθ＝ｃｏｓ^−１｛（Ｌ−ΔＸ）・ｓｉｎθＷ／Ｌ｝−（９０−θＷ）
で求められる。

ハンド２１Ａのハンド長Ｌが２１０ｍｍ、最終ハンド角度θＷが３０ｄｅｇである場合、最高速度Ｖを１２０ｄｅｇ／ｓｅｃ、加速度αを４００ｄｅｇ／ｓｅｃ^２ とすると、アームの移動距離及び伸縮側のハンド２１Ａの角度は図６（Ａ）に示すように変化し、ワーク４Ａの伸縮距離は図６（Ｂ）に示すように変化する。また、アームの移動距離変位と伸縮側のハンド２１Ａの角変位は図６（Ｃ）に示すように変化し、ワーク４Ａの伸縮距離変位は図６（Ｄ）に示すように変化する。

図７（Ａ）及び（Ｂ）この発明のロボット装置による基板の第２の搬出方法を示す概略の平面図である。第２の搬出方法では、軸１２２が基軸１６を通過することなく基準線１７に円弧状に接近させつつ、基準線１７上を移動する保持端２１２Ａから保持端２１２Ｂを離間させる。これによっても、処理チャンバ２の半径βをハンド２１Ｂの長手方向における軸１２２から基板４Ｂの外周端までの長さαより小さくしても、基板４Ｂが処理チャンバ２の内壁に当接することがなく、処理チャンバ２の内径を小さくすることができる。

図８に示す距離ＬＣは、アーム１１，１２のアーム引き量をＬＡ、アーム角度をθＡとして、
ＬＣ＝ＬＡ×ｓｉｎθＡ
であり、ハンド角度θＢは、ハンド２１Ａのハンド長をＬＢとして、
θＢ＝ｓｉｎ^−１（ＬＣ／ＬＢ）
＝ｓｉｎ^−１｛（ＬＡ×ｓｉｎθＡ）／ＬＢ｝
である。

アーム引き量ＬＡが１８５ｍｍ、ハンド２１Ａのハンド長ＬＢが２１０ｍｍである場合、最高速度Ｖを１２０ｄｅｇ／ｓｅｃ、加速度αを４００ｄｅｇ／ｓｅｃ^２ とすると、アームと伸縮側のハンド２１Ａとの角度θＡ及びアームと退避側のハンド２１Ｂとの角度θＢは図９（Ａ）に示すように変化し、ワーク４Ａの伸縮距離は図９（Ｂ）に示すように変化する。また、アームと伸縮側のハンド２１Ａとの角変位及びアームと退避側のハンド２１Ｂとの角変位は図９（Ｃ）に示すように変化し、ワーク４Ａの伸縮距離変位は図９（Ｄ）に示すように変化する。

なお、ロボット装置１は、２つのハンド機構２０を備えているが、これに限るものではない。ロボット装置１が３つ以上のハンド機構２０を備えている場合でも、少なくとも２つ以上のハンド機構２０が基板４を保持している状態で、一部の基板４のみを処理チャンバ２からステージ３に搬出する際に、この発明を適用できる。

上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明の実施形態に係るロボット装置の側面図である。 ロボット装置を含む基板処理装置の要部の平面図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、自由端が基準点を通過する基板の搬出方法を示す概略の平面図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、自由端が基準点を通過することなく基準線に直線的に接近する基板の第１の搬出方法を示す概略の平面図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、第１の搬出方法を用いる場合のロボット装置におけるアーム引き量、ハンド長、伸縮ハンド角度及び退避ハンド角度を示す概略の平面図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、第１の搬出方法を用いた場合のロボット装置における各部の変化を示すタイミングチャートである。 （Ａ）及び（Ｂ）は、自由端が基準点を通過することなく基準線に円弧状に接近する基板の第２の搬出方法を示す概略の平面図である。 は、第２の搬出方法を用いる場合のロボット装置におけるハンド長、伸縮ハンド角度及び退避ハンド角度を示す概略の平面図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、第２の搬出方法を用いた場合のロボット装置における各部の変化を示すタイミングチャートである。

符号の説明

１ ロボット装置
２ 処理チャンバ
３ ステージ
４ 基板
１０ アーム機構
１１ 前段用アーム
１２ 後段用アーム
１６ 基軸
１７ 基準線
２０Ａ，２０Ｂ ハンド機構
２１Ａ，２１Ｂ ハンド
３０ 制御部
１１１，１２１ 軸端
１１２ 基端
１２２ 軸
２１１Ａ，２１１Ｂ 支持端
２１２Ａ，２１２Ｂ 保持端

Claims (7)

1. 基板に所定の処理を行う処理チャンバ内に配置され、前記処理チャンバ外に配置されたステージと前記処理チャンバ内との間に基板を搬送するロボット装置であって、
   基端が水平面内の所定位置に設定された基準点に回転自在に支持されるとともに自由端が水平面内で直交座標動作を行うアーム機構と、
   それぞれの支持端が前記自由端で回転自在に支持されるとともにそれぞれの保持端が水平面内で極座標動作を行う複数のハンド機構であって前記保持端に基板を保持する複数のハンド機構と、
   前記アーム機構及びハンド機構を駆動する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記複数のハンド機構の少なくとも２つのハンド機構の各保持端に保持されている複数の基板のうちの一部の基板のみを前記処理チャンバ内から前記ステージへ搬出する際に、前記自由端が前記基準点と前記ステージの中心とを結ぶ基準線に前記基準点を通過することなく接近するように前記アーム機構を駆動しつつ、搬出される基板を保持した搬出用保持端が前記基準線上を移動するとともに搬出されない基板を保持した非搬出用保持端が前記搬出用保持端から離間するように前記複数のハンド機構を駆動するロボット装置。
2. 前記アーム機構は、前記基端である第１の端部が前記基準点廻りに水平面内で回転自在に支持された前段側アームと、前記前端側アームの第２の端部に第３の端部が水平面内で回転自在に支持されるとともに前記自由端である第４の端部に前記ハンドの支持端を水平面内で回転自在に支持する後段側アームと、を含む請求項１に記載のロボット装置。
3. 前記制御部は、前記自由端が前記基準線の延長線上から外れた位置を開始位置として直線状の軌跡を描いて前記基準線に接近するように前記アーム機構を駆動する請求項１又は２に記載のロボット装置。
4. 前記制御部は、前記自由端が円弧状の軌跡を描いて前記基準線に接近するように前記アーム機構を駆動する請求項１又は２に記載のロボット装置。
5. 基板に対する処理を行う処理チャンバ内に設置されたロボット装置であって、水平面内の基準点で基端の位置が固定されるとともに自由端が水平面内で直交座標動作を行うアーム機構と、それぞれの支持端が前記自由端で回転自在に支持されるとともにそれぞれの保持端が水平面内で極座標動作を行う複数のハンド機構であって前記保持端に基板を保持する複数のハンド機構と、を備えたロボット装置により、前記処理チャンバ外に配置されたステージと前記処理チャンバ内との間に基板を搬送するロボット装置の制御方法において、
   前記複数のハンド機構の少なくとも２つのハンド機構の各保持端に保持されている複数の基板のうちの一部の基板のみを前記処理チャンバ内から前記ステージへ搬出する際に、前記自由端を前記基準点と前記ステージの中心とを結ぶ基準線に前記基準点を通過することなく接近させつつ、搬出される基板を保持した搬出用保持端を前記基準線上に移動させるとともに搬出されない基板を保持した非搬出用保持端を前記搬出用保持端から離間させるロボット装置の制御方法。
6. 前記制御部は、前記自由端が前記基準線の延長線上から外れた位置を開始位置として直線状の軌跡を描いて前記基準線に接近するように前記アーム機構を駆動する請求項５に記載のロボット装置の制御方法。
7. 前記制御部は、前記自由端が円弧状の軌跡を描いて前記基準線に接近するように前記アーム機構を駆動する請求項５に記載のロボット装置の制御方法。

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