JP2013152974A - 基板保持装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 薄膜化したウエハを、ハンド内の所定経路に生じさせたエアフローを利用して効率よく保持可能な基板保持装置を提供する。
【解決手段】 表面にウエハを保持するとともに、エア供給路が内部に形成されたハンド本体１０と、エア供給路２０先端のエア排気孔２３と連通する溝の先端がエアノズル２１となるノズル部と、ハンド本体１０の表面を区画した凹所からなるデフューザ１５と、デフューザ１５の入口とエアノズル２１との近傍にエア排出ポート１６と、ハンド本体１０の表面を区画した凹所からなるウエハ吸着領域１４とを設ける。エアノズル２１を介してエア供給路２０からのエアをデフューザ部１５に噴出し、エアフローによるベルヌーイ効果でウエハを保持する。併せてエア排出ポート１６からウエハ吸着領域１４内の空気を引き出すエジェクタ効果によりウエハ吸着領域１４に低真空状態を形成してウエハを保持する。
【選択図】 図１

Description

本発明は基板保持装置に係り、空気流によって生じる、ベルヌーイ効果とエジェクタ効果とを利用して対象物の吸着面に真空領域を形成して、基板をハンド上に保持できるようにした基板保持装置に関する。

近年、半導体ウエハの薄膜化が進んだために、真空吸着機構を備えた基板保持装置では、基板の搬送工程において、薄い基板の反り、自重たわみによってハンド先端の基板吸着面と基板との間に隙間が生じて、密着度が保持できず、真空吸着が不完全となり、搬送時の精度等に問題が生じている。

また、基板保持装置としての搬送ロボットのハンド内に配管できる配管は、内部に組み込まれる駆動機構等とのスペースの関係で、その管径が限られている。このため、大気圧との圧力差が限られた真空吸着では大流量の真空供給が困難で、ハンドと基板との間に、基板保持のために必要な負圧を発生することができない場合もある。また、従来の吸着機構では、ウエハの吸着を保持するために、数１０kPaの真空吸着を継続する必要があり、搬送する基板へのストレスが大きくなり、基板を破損させるおそれもある。

そこで、真空吸着機構に代えて、吸着板の吸着面から側面側に圧縮空気を吐出させることで、半導体ウエハ等の吸着対象物との間に負圧を発生させて吸着対象物を吸着板側に浮上させる、ベルヌーイ効果を利用した吸着保持機構を備えた真空ピンセットが提案されている（特許文献１）。

また、他の構成からなる噴出空気を利用した負圧の発生機構として、ハンド側に渦流（旋回流）を発生させて、それによって生じる負圧とワークと保持面との間に生じる正圧とをバランスさせてワークを非接触状態で保持可能なハンドも提案されている（特許文献２）。

特開２００５−７４６０６公報 特開２０１１−１３８８７７公報

特許文献１に開示された真空ピンセットでは、低ストレスでのウエハの保持が可能となるが、大口径のウエハを保持するに従って、吸着保持部を大きくして、その内部の溝孔に供給する圧縮エアも大流量にする必要になる。すなわち、流路の大容量化、圧縮エアの消費コストの問題がある。

特許文献２に開示した、渦流（旋回流）を発生させてワークを搬送する非接触保持ハンドの場合、個々の吸着面での圧縮エアの消費は、特許文献１に開示された装置よりも少なくなるが、負圧発生領域が限定的であるため、薄膜化した大口径ウエハを均一に保持するためには、ウエハ吸着面に渦流を発生させる保持部を多数配置する必要があり、ワークの大口径化に伴い、特許文献１と同様に、エア消費流量の増加は避けられない。そこで、本発明の目的は上述した従来の技術が有する問題点を解消し、当初はベルヌーイ効果による吸引保持を行い、その後、対象物を吸引保持する領域からのエアのエジェクト効果を利用した真空領域の確保を行い、対象物を比較的低真空圧で保持できるようにした基板保持装置を提供することにある。そこで、本発明の目的は上述した従来の技術が有する問題点を解消し、エアフローによるベルヌーイ効果による基板の吸着に加え、真空領域をエジェクタ効果で実現し、基板の吸着保持を行うことができる基板保持装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は 表面にウエハを保持するとともに、エア供給路が内部に形成されたハンド本体と、前記エア供給路先端のエア排出孔と連通する溝の先端がエアノズルとなるノズル部と、前記ハンド本体の表面を区画した凹所からなるデフューザ部と、該デフューザ部の入口と前記エアノズルとの近傍にエア排出ポートを有する、前記ハンド本体の表面を区画した凹所からなるウエハ吸着領域とを備え、前記エアノズルを介して前記エア供給路からのエアを前記デフューザ部に噴出して前記ウエハを保持するとともに、前記エア排出ポートから前記ウエハ吸着領域内の空気を引き出して前記ウエハ吸着領域に低真空状態を形成して前記ウエハを保持することを特徴とする。

この発明は、前記デフューザ部内のエアフローによって生じるベルヌーイ効果と、前記エア排出ポートから前記ウエハ吸着領域内から空気を引き出し、前記ウエハ吸着領域内を低真空状態にするエジェクタ効果とにより、前記ウエハを前記ハンド本体に保持させるようにしたことを特徴とする。

前記ハンド本体は、平板を重ね合わせて構成され、前記平板の対向面に形成した溝を前記エア供給路とし、一方の平板のウエハを保持する外側面に、前記デフューザ部と前記ウエハ吸着領域となる凹所が得られるように、前記ウエハ保持ベースを形成することが好ましい。

前記ノズル部は、前記エア供給路先端のエア排出孔を塞いで、該エア排出孔と連通する溝端がエアノズルとなるようにした、前記溝が形成されたプレートを取り付けて構成することが好ましい。

前記ノズル部は、センターパッド内に設けられ、該センターパッド外周に前記ウエハ吸着領域を区画するリング状パッドが設けられ、該リング状パッドの一部が前記センターパッドのノズル部のエア排出ポートのエアフロー経路上で切欠かれ、前記ノズル部からのエアフローに伴い、エジェクタ効果により前記ウエハ吸着領域内に低真空状態が形成され、前記センターパッドと前記リング状パッドとにより、前記ウエハを保持することが好ましい。また、前記センターパッドと前記リング状パッドとの組み合わせによる吸着パッドを、前記ハンドの表面に、基板保持に必要＄な数、位置だけ配置することで、その作用を十分に発揮できる。

本発明によれば、エアフローによるベルヌーイ効果による基板の吸着に加え、真空領域をエジェクタ効果で実現することで、圧縮エアの消費を軽減し、対象基板に応じた適正な保持性能を提供することができるという効果を有する。

本発明の基板保持装置の一実施例によるハンドを示した平面図。 図１に示したハンドを示した斜視図。 図２に示したハンドの分解斜視図。 基板保持装置の他の実施例によるハンドを示した平面図。 図４に示したハンドのノズルプレート部分を拡大して示した断面図。 図４に示したハンドのウエハ吸着状態を示した説明図。 本発明の基板保持装置の一実施例による吸着パッドを示した平面図、断面図。 図７に示した吸着パッドを配置したハンドの例を示した平面図。

以下、本発明の基板保持装置の実施するための形態として、以下の実施例について添付図面を参照して説明する。

以下、第１の実施例について図１〜図３を参照して説明する。図１は、本発明の基板保持装置のハンド１０を示した平面図である。図２は、ハンド１０を立体視して示した斜視図、図３は図２の組立状態の構成部品を分解して示した分解斜視図である。

本発明の基板保持装置としてのハンド１０は、各図に示したように、２枚の同形の平板１１（以後区別する場合には上板１１ａ、下板１１ｂと記す。）を密着して作られている。ハンド１０は図示しない搬送ロボット等の旋回アーム先端に取り付けられ、ハンド１０根元に形成されたエア供給孔１２に、図示しないアーム先端まで導かれたエア供給路が接続されるようになっている。本実施例のハンド１０は、図１に示したように、平面視してほぼ長方形状をなし、先端の所定保持位置に小径のウエハ１を吸着させ、アームの旋回によりウエハ１を所定位置に移動する。

ハンド１０の先端は、ウエハ１を直接載置可能な平板表面１０ａと、平板表面１０ａから所定深さで形成され区画された凹所１０ｂから形成されている。凹所１０ｂには略Ｕ字形をなして、外面がハンド１０の側端と一致し、対向する同形のウエハ保持ベース１３が形成されている。このウエハ保持ベース１３は、内部にウエハ吸着領域１４を形成するとともに、凹所１０ｂに４カ所のデフューザ１５を区画する形状となっている。ウエハ保持ベース１３の先端とエアノズル２１とデフューザ入口１５ａとの間の近傍に位置するように、ウエハ吸着領域１４のエア排出ポート１６として機能する。このハンド１０は、本実施例ではポリアセタール（ＰＯＭ：ポリオキシメチル）加工品で、凹所１０ｂの一部であるウエハ吸着領域１４とデフューザ１５とは、図２に立体的に示したように、上述したウエハ保持ベース１３を残すように、ハンド１０の平板表面１０ａを所定深さで研削した凹所１０ｂに相当する。

デフューザ１５の形状は、図１，図２に示したように、エアノズル２１側のデフューザ入口１５ａから排気ポート１５ｂにかけて平面視してわずかに幅が広くなる平面テーパ形状となっている。このテーパ形状は、後述するエアノズル２１から噴出して生じるエアフローによるベルヌーイ効果がウエハ保持のために効果的に得られるように決定することが好ましい。デフューザ１５内において必要に応じて凹所１０ｂの深さを変えるテーパ、段差を設けることも可能である。

エア供給路２０、エアノズル２１の構成について、図１〜図３を参照して説明する。ハンド１０の同形の平板１１の対向面には、長手方向に所定深さの溝１７が形成されている。この溝１７が平板１１ａ，１１ｂを合わせたエア供給路２０となる。さらに図３に示したように、上板に形成された溝（図３中、破線表示）には、根元側にエア供給孔１２が、先端側凹所１０ｂ内に２個のエア排気孔２３が形成されている。このうち、エア排気孔２３の上面を塞ぐようにノズルプレート２５が取り付けられている。ノズルプレート２５は小さな平板で、その下面に所定幅の溝２６が形成され、その溝２６の端部がエアノズル２１として、デフューザ入口１５ａに向くとともに、エア排気孔２３のほぼ中心位置と重なるように取り付けられている。これにより、エア供給孔１２から供給されるエアは、ハンド１０内のエア供給路２０を経て、エア排気孔２３、ノズルプレート２５内の溝２６を通り、溝端のエアノズル２１からデフューザ１５に所定圧のエアを噴出させることができる。ノズルから噴出したエアはデフューザ１５内で所定のエアフローを形成してハンド１０側面の排気ポート１５ｂから外部に排気される。なお、上述した平板１１ａ、１１ｂ同士、ノズルプレート２５等の各部品は、皿子ネジ（図示せず）による螺着、接着剤による接着等で気密性を保持して一体化することが好ましい。また、各部材は、ＰＯＭのようなエンジニアリングプラスチック他の強度、耐久性に富む合成樹脂材料や、アルミニウム板、ステンレス板等の金属板等、用途に応じた材料で製作することができる。

ここで、本発明におけるエアフローによるベルヌーイ効果と、ウエハ吸着領域１４におけるエジェクタ効果の作用について、図１を参照して説明する。
図１に示したように、本実施例では、ウエハ１（仮想線で図示）がハンド１０先端の所定位置に載置された状態で、所定圧（０．２５〜０．５MPa）のエアを、１個のエアノズル２５からエア流量５〜１０リットル／分程度で噴出する設計となっている。そのため、エアは、エア供給路２０で２０〜４０リットル／分の流量が得られるように、図示しないエア供給源からエア導入孔１２を介してエア供給路２０に供給される。エアは、さらにエア供給路２０を通じて先端側のエア排気孔２３からノズルプレート２５の溝２６内に流れ、その溝端のエアノズル２１から上面がウエハ１で塞がれたデフューザ１５に向けて噴出され、デフューザ１５内で所定のエアフローとなり、排気ポート１５ｂから排気される。このときデフューザ１５内とウエハ１の上面との間でベルヌーイ効果による静圧差が生じ、ウエハ１がハンド１０側に引かれる吸引力が生じる。これによりウエハ１の一部がハンド１０表面に吸着されるとともに、デフューザ入口１５ａに入るエアフローに引き込まれるように、ウエハ吸着領域１４のエア排出ポート１６からウエハ吸着領域１４内の空気がエジェクタ効果によってエアフローの空気の粘性に伴い引き出される。このウエハ吸着領域１４内から引き出された空気は、さらにエアフローとともに排気ポート１５ｂから排出される。このエジェクタ効果により、ウエハ吸着領域１４内には低真空状態が生じる。このため、ウエハ保持ベース１３に載っているウエハ１には、この低真空状態（１〜２kPa程度）による十分なウエハ保持力が加わる。

次に、第２の実施例について図４〜図６を参照して説明する。図４は、本実施例の基板保持装置のハンド１０を示した平面図である。図５両図は、ノズルプレート２５位置を拡大してノズルの詳細を示した断面図である。

このハンド１０の構成は、図１に示したハンド１０とほぼ同様であるが、デフューザ１５をハンド１０の左右に張り出した形状として、それぞれのデフューザ入口１５ａにノズルプレート２５を配置しているため、ウエハ吸着領域１４を区画するウエハ保持ベース１３を大きくとることができ、より直径の大きなウエハ１（基板）を保持することができる。この実施例も図５両図に示したように、２枚の平板１１ａ、１１ｂを一体的に貼り合わせた構成からなり、対向する面に図４に示したように、略Ｔ字形をなすエア供給路２０となる溝が上板１１ａと下板１１ｂとに形成されている。さらにエア供給路２０の先端に、ウエハ吸着領域１４端部のエア排出ポート１６との間隔を調整した状態で、エア排気孔２３を塞ぐようにノズルプレート２５を配置し、ハンド１０に沿った向きにデフューザ１５を形成して、その延長を十分確保するようにしてある。

図５各図は、ハンド１０本体の凹所１０ｂに取り付けられたノズルプレート２５位置を拡大して示した断面図である。図５（ａ）に示したように、同図に示したように、ハンド１０本体の下板１１ｂに形成された溝端に対応して上板１１ａにはエア排出孔２３（円孔）が形成され、そのエア排出孔２３を塞ぐようにノズルプレート２５が取り付けられている。ノズルプレート２５の厚さは凹所１０ｂの深さと等しく、図５（ａ）に示したように、ノズルプレート２５の上面とハンド１０上面とは同一平面を構成し、真空吸着機能が有効に機能するようになっている。ノズルプレート２５に形成された溝２６は本実施例では深さ０．２mm、幅２mmに設定され、エアノズル２１の断面に相当する。

本実施例におけるベルヌーイ効果とエジェクタ効果について、図６各図を参照して説明する。なお、各図において、載置されているウエハ１の図示を省略している。各エアノズル２１からエアが対向位置にあるデフューザ１５に向けて噴出されると、図示しないウエハ１とデフューザ１５とに囲まれた空間内に図６（ａ）に示したようなエアフローが生じる。これによりウエハ１上面とデフューザ１５との間にはベルヌーイ効果による静圧差が生じ、その静圧差によって生じる下向き力（ウエハ１がハンド１０上に載置されている場合）により、ウエハ１はハンド１０に吸着される。引き続き、図６（ｂ）に示したように、デフューザ入口１５ａ付近の高速なエアフローによって、その近傍に位置するウエハ吸着領域１４のエア排出ポート１６から、エジェクタ効果によってウエハ吸着領域１４内の空気が引き出される。ウエハ保持ベース１３にウエハ１が載置されているため、閉空間であるウエハ吸着領域１４に低真空状態が形成される。これにより、ウエハ１の保持がより確実になる。

ウエハ１の吸着力はウエハ保持ベース１３で囲まれたウエハ吸着領域１４の面積に比例し大きくすることができるので、供給するエア量を大きくすることなく、ウエハ１の保持力を増加させることができ、デフューザ１５とウエハ吸着領域１４の拡大により、より大きな直径のウエハ１の保持が可能にある。特にエジェクタ効果によって、ウエハ吸着領域１４内に発生する真空圧はエア供給路２０の断面積、真空ポート形状等により調整可能である。このため、直径が大きく、厚い基板の搬送、保持に必要な真空圧を発生させることで対応可能である。

次に、エジェクタ効果を利用した吸着パッドの実施例を、図７，図８を参照して説明する。この吸着パッド３０は、図７（ａ），（ｂ）に示したように、エア供給路２０の先端排気孔位置のハンド１０の表面に形成された円形凹所１０ｄ内において、センターパッド３１とリング状パッド３２とから構成されている。センターパッド３１は上面が平滑で、直径の大きな側となる円錐台形状をなし、内部にエア供給溝３３が形成され、エアノズル３３ａがパッド下端位置で図７（ａ）に示した向きに形成されている。リング状パッド３２は、図７（ｂ）に示したように、中心方向に向かったテーパ内周面３２ａが形成され、この内周面３２ａのうち、センターパッド３１のエアノズル３３ａの向いている部分にエア排気ポート３４が形成されている。

この吸着パッド３０では、センターパッド３１からのエアフローがリング状パッド３２のエア排気ポート３４から排気されるように形成されるのに伴い、リング状パッド３２からのエジェクタ効果によりセンターパッド３１とリング状パッド３２との間の円周状の空間に真空領域３５が形成される。そこで、図８に示したように、たとえば３個の吸着パッド３０をハンド１０の所定位置に適当な間隔で配置することで、これらの吸着パッド３０を用いて、ハンド１０上にウエハ（図示せず）を載置保持することができる。このとき各吸着パッド３０にエアを供給する経路をハンド１０内に形成する点は、上述の実施例と同様である。

図７（ｂ）は、リング状パッド３２の直径を大きくすることで、真空領域３５を拡大した変形例を示している。この場合、エジェクタ効果は図７（ａ）と同様に作用するが、真空となる面積が大きいため、同じエア消費量で、リング状パッド３２の大きさに応じた吸着力を確保することができる。

以上の説明では、第１及び第２の実施例において、ハンド内のエア供給路からのエア排出孔に設けられるエアノズルからは反対方向にエアフローがでるように設定されていたが、反対方向を向いて形成されるエアフローはまったく同じ流量、流速である必要はなく、また方向も正反対である必要はない。さらに片側のみにエアノズルを設けることも可能である。この場合には、ベルヌーイ効果が生じる前の段階でエアフローによってウエハ１が滑らないようにすることが好ましい。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、各請求項に示した範囲内での種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲内で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態も、本発明の技術的範囲に含まれる。

１０ ハンド
１３ ウエハ保持ベース
１４ ウエハ吸着領域
１５ デフューザ
１６ エア排出ポート
２０ エア供給路
２１ エアノズル
２３ エア排出孔
２５ ノズルプレート
３０ 吸着パッド
３１ センターパッド
３２ リング状パッド
３５ 真空領域

Claims (6)

1. 表面にウエハを保持するとともに、エア供給路が内部に形成されたハンド本体と、前記エア供給路先端のエア排出孔と連通する溝の先端がエアノズルとなるノズル部と、前記ハンド本体の表面を区画した凹所からなるデフューザ部と、該デフューザ部の入口と前記エアノズルとの近傍にエア排出ポートを有する、前記ハンド本体の表面を区画した凹所からなるウエハ吸着領域とを備え、
   前記エアノズルを介して前記エア供給路からのエアを前記デフューザ部に噴出して前記ウエハを保持するとともに、前記エア排出ポートから前記ウエハ吸着領域内の空気を引き出して前記ウエハ吸着領域に低真空状態を形成して前記ウエハを保持することを特徴とする基板保持装置。
2. 前記デフューザ部内のエアフローによって生じるベルヌーイ効果と、前記エア排出ポートから前記ウエハ吸着領域内から空気を引き出し、前記ウエハ吸着領域内を低真空状態にするエジェクタ効果とにより、前記ウエハを前記ハンド本体に保持させる請求項１に記載の基板保持装置。
3. 前記ハンド本体は、平板を重ね合わせて構成され、前記平板の対向面に形成した溝を前記エア供給路とし、一方の平板のウエハを保持する外側面に、前記デフューザ部と前記ウエハ吸着領域となる凹所が得られるように、前記ウエハ保持ベースを形成した請求項１または請求項２に記載の基板保持装置。
4. 前記ノズル部は、前記エア供給路先端のエア排出孔を塞いで、該エア排出孔と連通する溝端がエアノズルとなるようにした、前記溝が形成されたプレートを取り付けてなる請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の基板保持装置。
5. 前記ノズル部は、センターパッド内に設けられ、該センターパッド外周に前記ウエハ吸着領域を区画するリング状パッドが設けられ、該リング状パッドの一部が前記センターパッドのノズル部のエア排出ポートのエアフロー経路上で切欠かれ、前記ノズル部からのエアフローに伴い、エジェクタ効果により前記ウエハ吸着領域内に低真空状態が形成され、前記センターパッドと前記リング状パッドとにより、前記ウエハを保持する請求項１に記載の基板保持装置。
6. 前記センターパッドと前記リング状パッドとの組み合わせによる吸着パッドを、前記ハンドの表面に、基板保持に必要な数、位置だけ配置した請求項５に記載の基板保持装置。

Images