JP2015135963A - 改善されたウェハ・ハンドリングのための微細構造体 - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体ウェハなどの基板の搬送のための高摩擦係数接触面、それらの接触面を有するロボットエンドエフェクタ並びに関連する高スループット搬送システム及び方法を提供する。を提供する。
【解決手段】接触面は、基板１０を傾斜させることなくｚ方向に容易に解放することを可能としながら、基板搬送中のｘ−ｙ方向の接着および摩擦を増強するために、分子間表面力を利用する微細構造体を有する。
【選択図】図１

Description

半導体デバイスの製造において、何百もの処理オペレーションを実施するために、様々なタイプのツールが用いられる。それらのオペレーションの多くは、極低圧の処理室内で、すなわち真空または半真空中で、実施される。そのような処理室は、中央ハブの周りに配置することができ、ハブと処理室を、略同じ極低圧に維持することができる。ウェハは、処理室および／または中央ハブに機械的に連結されたウェハ・ハンドリングシステムによって、処理室に導入することができる。ウェハ・ハンドリングシステムは、ウェハを、工場フロアから処理室へ搬送する。ウェハ・ハンドリングシステムは、ウェハを大気条件から極低圧条件に移すとともに戻すためのロードロックと、ウェハを様々な位置に移送するためのロボットと、を備えることができる。ウェハ・ハンドリングシステムは、真空環境外で動作するロボット、例えば工場フロアである周囲環境で動作するロボットと、処理室および中央ハブの極低圧環境内で動作するロボットと、を利用することができる。スループット、すなわち一定時間内で処理されるウェハ数は、処理時間、同時に処理されるウェハ数、ウェハを真空処理室内に導入するのに要する時間、によって左右される。
本明細書で記載する主題の一態様は、エンドエフェクタ用の接触パッドにおいて実現することができる。接触パッドは、接触パッド・ベース上に配列された構造体を含むことができ、各構造体は、可撓性部材と、可撓性部材に接続された複数の接触部材と、を有し、可撓性部材は、基板を当てると撓むように構成されており、接触部材は、ファンデルワールス接着により基板に接着するように構成されている。構造体は、様々に異なる実現形態によって多様な配置で配列することができる。例えば、構造体は、接触パッド・ベースの中心の周りに延びる周方向の列に配置することができる。一部の実現形態では、構造体は、複数のゾーンに配置されて、これにより、接触パッドからの基板の解放が、ゾーンごとに段階的に実施されるように構成されている。一部の実現形態では、複数の構造体の高さおよび／または有効ばね定数は、接触パッドにわたって変化している。高さおよび／または有効ばね定数の変化は、点対称とすることができる。例えば、変化は、円対称とすることができる。
可撓性部材は、多様なサイズを有し得る。一部の実現形態では、可撓性部材の最大寸法は、１ｍｍ未満である。この実現形態または他の実現形態において、可撓性部材の最小寸法は、１００ミクロン未満とすることができる。可撓性部材の材料の例として、カーボンナノチューブネットワークなどのカーボン、およびポリマ材料を含むことができる。また、接触部材も、多様なサイズを有し得る。一部の実現形態では、接触部材の最小寸法は、１ミクロン未満、または５００ｎｍ未満である。一部の実現形態では、各接触部材は、複数の自由端に分割されたベースを有し得る。
本明細書で記載する主題の別の態様は、エンドエフェクタ用の接触パッドにおいて実現することができ、それは、接触パッド・ベース上に配列された複数の構造体を含み、複数の構造体の各々は、有効ばね定数および高さを有し、複数の構造体の有効ばね定数のうち少なくとも一方は、接触パッドにわたって変化している。一部の実現形態では、高さまたは有効ばね定数の変化は、円対称とすることができる。
本明細書で記載する主題の別の態様は、エンドエフェクタにおいて実現することができ、それは、本明細書に記載のエンドエフェクタ接触パッドを１つ以上有する。
本明細書で記載する主題の別の態様は、ロボットにおいて実現することができ、それは、１つ以上のアームと、上記１つ以上のアームを動かすように構成されたモータと、上記１つ以上のアームに装着された１つ以上のエンドエフェクタと、を備える。上記１つ以上のエンドエフェクタは、受動接触によって半導体基板を滑脱なくｘ−ｙ方向に少なくとも約０．５ｇの加速度で搬送するように構成することができ、さらに、垂直力の印加によって半導体基板を傾斜させることなく半導体基板を無駆動で解放するように構成することができる。一部の実現形態では、上記１つ以上のエンドエフェクタは、４００℃よりも高い温度で半導体基板を支持するように機能する。一部の実現形態では、上記１つ以上のエンドエフェクタは、少なくとも３００ｍｍの直径、または少なくとも４５０ｍｍの直径の、半導体基板を搬送するように構成することができる。
本明細書で記載する主題の別の態様は、半導体処理ツールにおいて実現することができる。処理ツールは、搬送モジュールを備えることができ、それは、１つ以上の処理モジュールに接続するように構成されるとともに、半導体基板を上記１つ以上の転送モジュールへ搬入および搬出するように構成される。搬送モジュールは、本開示に記載のエンドエフェクタ接触パッドを１つ以上有するロボットを含む。一部の実現形態では、処理ツールは、搬送モジュールに接続された１つ以上の処理モジュールをさらに備える。一部の実現形態では、搬送モジュールは、ロードロックまたは基板保管場所に接続されるとともに、半導体基板を該ロードロックまたは基板保管場所へ搬入および搬出するように構成される。搬送モジュールは、真空搬送モジュールまたは大気搬送モジュールとすることができる。処理ツールは、少なくとも０．５ｇ、または少なくとも１ｇ、またはそれより高い加速度で、エンドエフェクタをｘ−ｙ方向に動かすための機械可読命令を含むコントローラをさらに備えることができる。
本明細書で記載する主題の別の態様は、エンドエフェクタから基板を解放する方法において実現することができる。該方法は、受動接触によりエンドエフェクタで支持された基板であって、該基板とエンドエフェクタ上の複数のファンデルワールス構造体との間のファンデルワールス接着力により支持された基板を提供することと、基板をエンドエフェクタから持ち上げるため、基板に垂直な力を印加することであって、これにより基板がその解放中に傾斜することなく維持されるようにファンデルワールス力を解放させることと、を含み得る。一部の実現形態では、解放は段階的に実施され、これにより、垂直力は、上記接着力よりも小さいものとなる。
本明細書で開示する主題のこれらおよび他の態様について、図面を参照して、以下でさらに詳しく説明する。
基板搬送の際に、ロボットエンドエフェクタのエンドエフェクタ接触パッドに支持された基板に作用する力の概略図の一例を示す図である。
未ロード状態にある、接触構造体に接続された可撓性部材を含む、可撓性ファンデルワールス型微細構造体の一例の模式図である。
その上に基板をロードしつつある、図２ａの可撓性ファンデルワールス型微細構造体を示す図である。
ロード状態にある、図２ａの可撓性ファンデルワールス型微細構造体を示す図である。
図２ａに示す接触構造体の一例の拡大図である。
ファンデルワールス型微細構造体の可撓性部材に接続された接触構造体の一例の模式図である。
その上に基板をロードしつつある、接触構造体に接続された可撓性部材を含む、可撓性ファンデルワールス型微細構造体の一例の模式図である。
ロードする際の、ファンデルワールス型微細構造体の接触構造体のナノ構造体の一例の模式図である。
ファンデルワールス型構造体の可撓性部材の一例の概略図である。
ファンデルワールス型微細構造体の複数のゾーンを含むエンドエフェクタ接触パッドを上面視した一例の模式図である。
図４ａのエンドエフェクタ接触パッドの最も内側の３つのゾーンの、図４ａのＡ線に沿った断面模式図である。
段階的に実施される、高さの異なるいくつかのゾーンに配置されたファンデルワールス型微細構造体を有する接触パッドを含むロード状態のエンドエフェクタのエンドエフェクタパッド・ベースからの基板の解放を示す図である。 段階的に実施される、高さの異なるいくつかのゾーンに配置されたファンデルワールス型微細構造体を有する接触パッドを含むロード状態のエンドエフェクタのエンドエフェクタパッド・ベースからの基板の解放を示す図である。 段階的に実施される、高さの異なるいくつかのゾーンに配置されたファンデルワールス型微細構造体を有する接触パッドを含むロード状態のエンドエフェクタのエンドエフェクタパッド・ベースからの基板の解放を示す図である。 段階的に実施される、高さの異なるいくつかのゾーンに配置されたファンデルワールス型微細構造体を有する接触パッドを含むロード状態のエンドエフェクタのエンドエフェクタパッド・ベースからの基板の解放を示す図である。 段階的に実施される、高さの異なるいくつかのゾーンに配置されたファンデルワールス型微細構造体を有する接触パッドを含むロード状態のエンドエフェクタのエンドエフェクタパッド・ベースからの基板の解放を示す図である。
段階的に実施される、ばね定数の異なるいくつかのゾーンに配置されたファンデルワールス型微細構造体を有する接触パッドを含むロード状態のエンドエフェクタのエンドエフェクタパッド・ベースからの基板の解放を示す図である。 段階的に実施される、ばね定数の異なるいくつかのゾーンに配置されたファンデルワールス型微細構造体を有する接触パッドを含むロード状態のエンドエフェクタのエンドエフェクタパッド・ベースからの基板の解放を示す図である。 段階的に実施される、ばね定数の異なるいくつかのゾーンに配置されたファンデルワールス型微細構造体を有する接触パッドを含むロード状態のエンドエフェクタのエンドエフェクタパッド・ベースからの基板の解放を示す図である。 段階的に実施される、ばね定数の異なるいくつかのゾーンに配置されたファンデルワールス型微細構造体を有する接触パッドを含むロード状態のエンドエフェクタのエンドエフェクタパッド・ベースからの基板の解放を示す図である。
具体的な実現形態によって異なり得るファンデルワールス型微細構造体の角度の例の模式図を示す図である。 具体的な実現形態によって異なり得るファンデルワールス型微細構造体の角度の例の模式図である。
ファンデルワールス型微細構造体を有するエンドエフェクタ接触パッドを４つ含むエンドエフェクタの一例を示す図である。
ファンデルワールス型微細構造体を有するエンドエフェクタを備えた高スループット真空搬送モジュールを含む半導体処理ツールの一例を示す図である。
半導体処理ツールを制御するために採用することができる制御システムの一例のブロック図である。
様々な実施形態の例を、添付の図面に示すとともに、以下でさらに詳しく説明する。当然のことながら、本明細書における解説は、特許請求の範囲を、記載の特定の実施形態に限定するものではない。むしろ、添付の請求項で規定される発明の趣旨および範囲に含まれ得る代替案、変形、および均等物を網羅するものである。以下の説明では、本発明についての完全な理解を与えるため、様々な具体的詳細について記載する。本発明は、それら特定の詳細の一部または全てを省いても実施することができる。また、本発明を不必要に不明瞭にすることがないよう、周知の工程処理については詳細に記載していない。
本明細書において、基板搬送のための装置、システム、および方法を提供する。記載される装置、システム、および方法は、半導体製造に用いることができるが、理解されるべきことは、それらは、特にディスプレイ技術におけるガラスパネルのような他の大面積基板である基板を搬送する任意のプロセスまたは産業で用いることができるということである。解説を目的として、以下の説明では、主に半導体ウェハに関して述べるが、これらの方法、システム、および装置を、他のタイプの基板およびワークピースの搬送のために、いかにして実現すべきか、理解されるであろう。
集積回路の製造において、半導体ウェハは、多くの場合、ウェハ搬送装置によって処理ステーションまたは処理モジュールに導入される。多くの集積回路製造プロセスでは、ウェハは高温で処理され、すなわち、一般的には略室温の範囲である「低温」でウェハ搬送装置に入り、例えば約３０℃〜５００℃の間の「高温」で処理モジュールを出る。例えば、誘電体層または導体層のエッチングは、約３０℃〜２５０℃の間のウェハ温度で実施されることがある。別の例では、誘電体層のプラズマ化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）が、約３００℃〜５００℃のウェハ温度で実施されることがある。
ロボットによって、低温ウェハを、例えばロードロックまたは保管場所である第１の場所から、処理のための処理モジュールへ搬送することができ、さらに、処理済みの高温ウェハを、処理モジュールから第１の場所に戻すか、または別の場所へ搬送することができる。多くの適用例では、処理モジュールへのウェハの搬入および搬出のために真空搬送モジュールを用いて、プロセスは、真空環境で実施される。真空搬送モジュール内の真空搬送モジュールロボットによって、低温ウェハを、ロードロックまたはその他の場所から、処理のための処理モジュールへ搬送することができ、さらに、処理済みの高温ウェハを、処理モジュールからロードロックに戻すか、または真空搬送モジュールに接続された第２の処理モジュールなどの別の場所に搬送することができる。
エンドエフェクタは、ブレード、パドル、またはフォークなど、ロボットアームの端に接続されるデバイスまたはツールである。本明細書で使用される場合のエンドエフェクタとは、ウェハまたはその他の基板に、その搬送のために物理的に接触するような支持体またはデバイスである。エンドエフェクタには、ブレード、パドル、またはフォークなど、その上にウェハが載置される略平坦な支持体が含まれ、さらには、ウェハを定位置に保持するグリッパなどのデバイスも含まれる。本明細書で記載されるウェハ搬送のいくつかの実現形態では、ウェハは、エンドエフェクタの２つ以上の隆起パッドの上に載置される。スループット、すなわち１時間当たりに処理できるウェハ数は、いくつかの場所の間でウェハを搬送することができる速度に依存し得る。スループットを左右し得る因子には、ロボットモータによる制限、ならびにウェハを搬送するエンドエフェクタでウェハの滑脱なく得られる最大加速度および減速度の制限、が含まれる。後者の因子は、搬送中のウェハが載置されるエンドエフェクタパッドまたはその他の面の静止摩擦係数によって決まる。高摩擦係数の材料を用いることで、より大きな加速度が許容されて、ウェハの搬送に要する時間が削減される。一例として、パーフルオロエラストマ（ＰＦＥ）は、シリコンウェハに対して約１の静止摩擦係数を有する。これは、セラミックの場合の約０．３の係数と比較される。結果として、ＰＦＥエンドエフェクタ上にウェハが載置される場合に得られる加速度は、セラミックエンドエフェクタ上にウェハが載置される場合に得られるものと比較して、２倍を超える大きさとなる。
図１は、基板搬送の際に、エンドエフェクタ１２のエンドエフェクタ接触パッド１４に支持された４５０ｍｍ半導体ウェハなどの基板１０に作用する力の概略図の一例を示している。表側グリッパ、または基板１０の表側１５と接触するその他のものを使用することは、低発塵要求によって除外され得る。図１の例では、基板との接触は、受動的であって、かつ基板１０の裏面に限られており、よって、把持力は作用せず、Ｆz gripはゼロである。振動および空気力が全くないか、または無視できる程度である場合には、Ｆxy accelは、エンドエフェクタ接触パッド１４の静止摩擦係数（Ｃｆ）と、基板の質量および重力に依存する。半導体プロセスの文脈では、３００ｍｍベアシリコンウェハは、約０．１２８ｋｇの質量を有し、４５０ｍｍベアシリコンウェハは、約０．３４２ｋｇの質量を有する。ＰＦＥおよびその他のエラストマは、同種の材料の中で最も高い０．７５〜１．５のＣｆを有するが、約１５０℃〜３００℃で機械的に劣化する。また、エラストマのＣｆは、温度の上昇とともに低下し、例えば、室温での１．５から、高温では０．２に低下する。より高温に耐え得るセラミックは、かなり低い０．２〜０．５のＣｆを有する。セラミック材料を使用すると、許容最大加速度および減速度が著しく減少し、スループットが低下する。
本明細書で記載される装置、システム、および方法は、高温耐性のある高Ｃｆの接触面を含むものである。様々な実現形態により、接触面は、ｘ−ｙ方向の接着および静止摩擦（吸着）の増強ために分子間表面力を利用する微細構造体を有する。また、接触面は、ｘ−ｙ方向では高吸着が得られるとともに、ｚ方向には極低吸着または無吸着であるように構成することができる。
一部の実現形態では、微細構造体は、ウェハまたはその他の大面積基板を、エンドエフェクタからの該ウェハの滑脱または剥離を伴うことなく、エンドエフェクタから取り外すことができるように構成された階層構造の一部である。また、いくつかの実現形態において、ロードおよび／または解放する際の、エンドエフェクタとの接触は、受動的であって、機械駆動、電気駆動、真空駆動、または他のタイプの駆動を必要としない。
いくつかの実現形態において、本明細書で記載されるエンドエフェクタの接触パッドまたはその他の接触面は、２つ以上のレベルを有する階層構造を含む。マルチレベル階層構造は、マイクロスケールまたはナノスケールの接触部材を有する接触構造体を含むことができ、それらの接触部材は、それらの部材と基板面との間のファンデルワールス力によって基板に接着するように構成されている。マルチレベル階層構造は、さらに、接触構造体をエンドエフェクタまたは接触パッド・ベースに直接的または間接的に接続する可撓性部材を含むことができる。いくつかの実現形態において、接触構造体は、詳細は後述するヤモリの足指の階層構造を参考にした合成毛および／または合成スパチュラとして特徴付けることができる。
微細構造体という用語は、１０００ミクロン未満の寸法を少なくとも１つ有する構造体を指して用いられる。例えば、微細構造体の長さ、幅、高さ、または直径のうち最小のものが、１０００ミクロン未満であり得る。詳細は後述するように、一部の実現形態では、微細構造体は、マイクロスケールおよび／またはナノスケールの寸法を有し得る。一部の実現形態では、本明細書で開示する微細構造体の寸法のうち２つ以上、または寸法の全てが、マイクロスケールおよび／またはナノスケールであり得る。一部の実現形態では、微細構造体は、ナノスケール・レベルに連結されたマイクロスケール・レベルを含む階層構造を有し得る。本明細書で使用される場合のマイクロスケールとは、１ミクロン〜１０００ミクロンの間の寸法を指し、ナノスケールとは、１ナノメートル以上のサブミクロン寸法を指す。
ヤモリの足指は、１０を超える数のラメラを含み、それらの各々は、千を超える数の剛毛からなる配列を含んでいる。オオヤモリの剛毛は、長さが約１００ミクロン、直径が４ミクロンであり得る。それぞれの剛毛は、１００〜１０００のスパチュラに分岐しており、それらは、スパチュラ柄部と先端部とを有し、直径が約１００ｎｍであり得る。このマルチレベル階層を複製することによって、接着力をヤモリのそれ（１０Ｎ／ｃｍ2 ）に近づけることができるが、本明細書で記載されるエンドエフェクタでは、接着のために、接触構造体の微細構造体と基板面との間のファンデルワールス力に依拠しつつ、より単純な階層構造を用いることができる。２つの面（例えば、エンドエフェクタと基板）の間の分子間力は、接触子の数に強く相関している。いくつかの実現形態により、移送される基板の質量および所望の許容加速度に応じて、本明細書に記載のエンドエフェクタは、数千、数万、数十万、数百万、またはそれより多くの個々の接触子を有し得る。一例として、１ｃｍのヤモリの足は、室温でのエラストマのそれの約２倍である３に近いＣｆを有することによって、約１ｋｇを保持することが可能である。
いくつかの実現形態により、本明細書に記載のエンドエフェクタは、以下の特徴のうち１つ以上を含むものである。１）基板をロードおよびアンロードする際に、垂直力が印加および／または解除されると、この力に対して横方向に動くように構成された可撓性構造体であって、例えば、該構造体は、基板に沿って摺動するように構成されている。２）ファンデルワールス型接触構造体と、該ファンデルワールス型接触構造体を接触パッド・ベースに接続する可撓性部材と、を含むマルチレベル階層構造。３）制御された係合および解放を可能とするように３次元に配列された複数の微細構造体。これらの側面のそれぞれについて、以下でさらに詳しく説明する。
図２ａ〜図２ｄを参照すると、ファンデルワールス型可撓性構造体を示している。本明細書で使用される場合のファンデルワールス型構造体とは、該構造体の接着強度または摩擦力の多くまたは略全てが、該構造体と基板との間の分子間力によって得られる構造体を指す。図２ａは、未ロード状態にある、接触構造体２８に接続された可撓性部材２０を含む、可撓性ファンデルワールス型微細構造体１８の一例を示している。図２ａの例では、可撓性部材２０は、エンドエフェクタパッド・ベース１６に接続されたスプリング・カンチレバーとして特徴付けることができる。接触構造体２８の詳細を、図２ｄの挿図Ａに示しており、これは、可撓性部材２０の横向き部分２０Ａに接続されたバッキング層３２の上に配列された複数のナノ毛３０を有している。ナノ毛３０は、基板がロードされた状態では、極めて近接するように構成されており、エンドエフェクタパッドの複数のファンデルワールス型微細構造体１８にわたるナノ毛３０が近接すること、および多数あることによって、エラストマのそれよりも大きな摩擦力が得られる。図２ａおよび２ｄは、可撓性部材、およびナノファイバを有する接触構造体の、考え得る構成の例を示しているが、当然のことながら、数多くの他の構成が可能である。例えば、一部の実現形態では、ナノ毛３０は、中間バッキング層３２を設けることなく、可撓性部材２０から直接延出し得る。そのような実現形態の一例の模式図を、図３ａに示している。別の例では、スプリング・カンチレバーがエンドエフェクタパッド・ベース１６と接触構造体２８に直接接続されて、可撓性部材２０は横向き部分２０Ａを含んでいなくてもよく、そのような一例の模式図を、図３ｂに示している。図３ｂの構造体は、図２ｂに関して詳細は後述する基板をロードしつつあるときを示している。
ヤモリの剛毛列の摺動によって、効果的な吸着および切り離しが可能となることが明らかにされている（参照により本明細書に組み込まれる、Ｔｉａｎ等著，Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｒｅｐｏｒｔｓ ３：１３８２（２０１２年））。一部の実現形態では、図２ａ〜２ｃのファンデルワールス型微細構造体１８によって、接触構造体２８は、図２ｂおよび２ｃに関して模式的に示すように、駆動されることなく、荷重が印加または解除されたときに、受動的に摺動することが可能である。図２ｂにおいて、基板１０を、ファンデルワールス型微細構造体１８に接触させる。可撓性部材２０は撓み始めて、接触構造体２８は、基板１０に沿って摺動することが可能となる。特定の理論に制限されることなく、吸着は、剛毛列に関してＴｉａｎの文献に記載されている以下のメカニズムを伴い得る。垂直力および摩擦力によって、ナノ毛３０は圧縮されて、その結果、傾斜角はより小さくなり、それらの力は増大する。これは、ナノ毛３０が密集状態に達するまで続行される。図３ｃを参照すると、ロード段階４０ａおよび４０ｂにおいて、接触構造体２８のナノ毛３０は圧縮され、ロードされると（基板は図示していない）ナノファイバは密集状態４０ｃに達する。図２ｃは、対応するロード状態のファンデルワールス型微細構造体１８を示している。可撓性部材２０によって、ファンデルワールス型微細構造体１８は、ｘ−ｙ方向に静止状態に保持された基板１０に対して摺動することが可能となる。これは、（例えば、図２ｃから図２ｂへと進行する）解放の場合にも当てはまり、基板は、剥離されるのではなく、傾斜を伴うことなくｚ方向に持ち上げられる。これは、単に直立した摺動しないファイバによるマイクロファイバ列を採用したエンドエフェクタとは大きく異なる。そのようなエンドエフェクタは、重力に逆らってウェハを上下逆に保持することができるが、ウェハの解放は、ウェハをエンドエフェクタから剥離するための角度で傾けることを伴う。
いくつかの実現形態により、（上記の例におけるナノ毛３０のような）接触部材は、マイクロスケールまたはナノスケールのものとすることができ、横寸法（例えば、直径または幅）の例は、数十ナノメートル〜数十ミクロンの間である。
一部の実現形態では、接触部材の少なくとも自由端は、サブミクロンであり、５００ｎｍ未満、１００ｎｍ未満、５０ｎｍ未満、または２０ｎｍ未満の横寸法（例えば、直径または幅）を有し得る。接触部材は、略一定の断面か、または変化のある断面を有することができる。一部の実現形態では、接触部材は、テザー端から自由端へと幅を狭めたものとすることができる。また、一部の実現形態では、接触部材のベースは、複数の自由端に分割されたものであってもよい。例えば、一部の実現形態では、接触部材は、ヤモリの足指の剛毛およびスパチュラとするか、またはそれらを模倣することができる。オオヤモリの剛毛は、約４．２ミクロンであり、例えば、それぞれの剛毛の先端部は数百のスパチュラ柄部およびスパチュラに分割されており、それらの直径は約１００ｎｍである。
接着力、許容加速度、および摩擦力による制限を受けるスループットは、接触子の数に相関するので、一部の実現形態では、接触部材をより多数とすることが可能となるように、接触部材の少なくとも自由端は、サブミクロンであることが効果的となり得る。また、接触部材がより小さいと、総接触面積を減少させることができ、粒子制御のために望ましくなり得る。一方、一部の実現形態では、接触部材の自由端は、１〜１００ミクロンの間、または１〜１０ミクロンの間とすることができる。Ｌｉｕは、直径５ミクロンのファイバ列を用いた場合に、標準的なエンドエフェクタに比してウェハ搬送の加速度が増加することを明らかにしている（Ｌｉｕ等著，Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｒｏｂｏｔ ３９／１（２０１２年）７９〜９１）。接触部材の長さの例は、約１〜５００ミクロンの間とすることができるが、他の適切な長さを採用してもよい。
可撓性部材のカンチレバーの長さ（例えば、図２ａの長さＬを参照）の例は、約１ミクロン〜１０００ミクロンの間の長さとすることができ、例えば１０ミクロン〜５００ミクロンとすることができる。一部の実現形態では、可撓性部材は、ヤモリの足指のラメラとするか、またはそれらを模倣することができる。一部の実現形態では、可撓性部材は、カンチレバーの長さに沿って概ね１次元にのみ延びるファイバまたはロッドの形態とすることができる。一部の実現形態では、可撓性部材は、撓み方向に交差する第２の次元に延びるものであってもよい。一例を図３ｄに示しており、同図では、長さＬに交差する幅Ｗに沿って延びる３つの可撓性部材２０を示している。それぞれの可撓性部材２０は、サイド２２に沿ってエンドエフェクタパッド・ベース（図示せず）に固定される。図３ｄに示す例では、幅Ｗは長さＬよりも大きいが、他の実現形態では、長さを、幅よりも大きくするか、または幅と略同じとすることができる。幅の例として、１ミクロン〜１０００ミクロンが含まれる。一部の実現形態では、可撓性部材を、例えば、エンドエフェクタパッド・ベースの中心の周りに少なくとも部分的に延びるように、若干湾曲させることができる。一部の実現形態では、可撓性部材は、ヤモリの足指の剛毛とするか、またはそれらを模倣することができる。そのような実現形態における長さの例は、１ミクロン〜１０ミクロンのオーダとすることができる。そのような実現形態では、接触部材はサブミクロンとすることができる。
上記の例は、２レベルまたはそれ以上のレベルの階層を有するファンデルワールス型構造体に関するものである。例えば、５００ミクロン幅の可撓性部材の上の直径５ミクロンの接触部材の配列は、２レベル階層構造として特徴付けることができる。５ミクロンの接触部材がさらに５００ｎｍの自由端に分割されている実現形態は、３レベル階層構造として特徴付けることができる。いくつかの実現形態において、本明細書に記載の構造体は、追加のレベル、例えば４つのレベルを含むことができ、その場合、それらの構造体の自由端は、基板面とファンデルワールス相互作用するように構成されて、荷重の印加によって撓むように構成された可撓性部材に直接的または間接的に接続される。さらに、一部の実現形態では、単一の階層レベルを採用することができ、その場合、可撓性部材の自由端が、基板とファンデルワールス相互作用するように構成される。このように、微細構造体またはナノ構造体は、可撓性部材と接触部材のどちらとしても機能し得る。
いくつかの実現形態において、複数の微細構造体を３次元に配列することで、制御された係合および解放を可能とする。図４ａは、複数のゾーン４８を含むエンドエフェクタ接触パッド１４を上面視した一例の模式図を示している。各ゾーン４８は、ファンデルワールス型微細構造体の列を１つ以上含むことができ、それらは、エンドエフェクタからの基板の解放が、ゾーンごとに順次行われるように構成されている。このようにして、基板を解放するために用いる力が著しく削減される一方で、基板が外れたり、または不必要に粒子を発生したりすることはない。図４ａの例では、ゾーン４８は、パッドの中心４６の周りに周方向に延びている。図４ｂは、最も内側の３つのゾーン４８の、図４ａのＡ線に沿った断面模式図を示している。図４ｂでは、これらのゾーンを４８ａ、４８ｂ、４８ｃと表示している。図３ｂの例の模式図では、これらのゾーンのそれぞれは、ファンデルワールス型構造体の列を３つ含んでいる。基板の解放が段階的に行われるように、ファンデルワールス型構造体の有効ばね定数と高さのうち一方または両方が、ゾーン４８ａ〜４８ｃ間で異なっている。図４ｂの例では、ゾーン４８ａは高さＨａを有し、ゾーン４８ｂは高さのＨｂを有し、ゾーン４８ｃは高さＨｃを有し、このとき、Ｈｃ＞Ｈｂ＞Ｈａである。高さは、エンドエフェクタパッド・ベース１６の底面から接触構造体２８の最上点までを測定するものとして図示しているが、エンドエフェクタ面の平面に対して、またはロードされ傾斜していない基板に対して平行な任意の共通基準面から測定することができる。
ゾーン４８ａ〜４８ｃの接触構造体２８は、ゾーンの高さに従って、エンドエフェクタパッド・ベース１６上に載置された基板と接触し、このとき、最も高いゾーン（図４ｂのゾーン４８ｃ）が最初に基板と接触し、その後に他のゾーンが高さの順に次々と接触する。これらの高さは、基板を持ち上げる力Ｆが１度に１つのゾーンのみのファンデルワールス力に打ち勝つことになるように構成することができる。一部の実現形態では、１つのゾーンで解放されるとすぐに次のゾーンで解放が開始されるような、高さの差になっている。例えば、図４ｂでは、続くゾーンの高さの差は、傾斜した接触構造体２８の高さとすることができる。具体的な例では、数百または数千のゾーンが設けられる場合があり、その各々の高さの差は、わずか数ナノメートルである。
図５ａ〜図５ｅは、ロードされたエンドエフェクタ１２のエンドエフェクタパッド・ベース１６からの基板の解放を示している。説明を簡単にするために、図４ｂと同様にゾーンを３つのみ示しているが、いくつかの実現形態により、エンドエフェクタパッドは、数十、数百、数千、数十万、またはそれより多くのゾーンを有し得る。同じく、説明を簡単にするために、各ゾーンは、ファンデルワールス型微細構造体の列を３つ有するものとして示しているが、いくつかの実現形態により、各ゾーンは、１列から、数百、数千、またはそれより多くの列を含み得る。最初に図５ａを参照して、エンドエフェクタ１２は、エンドエフェクタパッド・ベース１６と、基板１０を支持するファンデルワールス型微細構造体１８と、を有する。図５ａに示すロード状態では、基板１０を、エンドエフェクタ１２によって、基板１０とファンデルワールス型微細構造体１８との間の最大摩擦力により制限される最大加速度で、ｘ−ｙ方向に移送することができる。基板１０との間の最大摩擦力は、ファンデルワールス型微細構造体１８の数に相関している。ファンデルワールス型微細構造体１８は、ロードされているときは密集状態にある。
図５ｂ〜図５ｄは、解放中のファンデルワールス型構造体を示している。最初に図５ｂにおいて、ゾーン４８ｂと４８ｃは基板１０と係合したまま、最も内側のゾーンであるゾーン４８ａが解放される。ゾーン４８ａのファンデルワールス型微細構造体は、基板１０の荷重が解除されて、弛緩した非圧縮・非伸張状態で示されている。引き続き基板１０が持ち上げられると、図５ｃに示すように、次のゾーン４８ｂのファンデルワールス型微細構造体が剥離される。図５ｄでは、引き続き基板１０がエンドエフェクタ１２から持ち上げられて、ゾーン４８ｃのファンデルワールス型微細構造体が、基板１０に対して摺動するか、または基板から剥離するものとして示されている。ゾーン４８ｃのファンデルワールス型微細構造体のスプリング・カンチレバーは、完全に弛緩した状態ではなく、接触構造体は部分的に解放されている。図５ｄでは、エンドエフェクタから解放された基板１０を示しており、ゾーン４８ａ〜４８ｃのファンデルワールス型構造体は、弛緩した非密集・非圧縮・非伸張状態に戻っている。
図５ａ〜図５ｅの例において、基板１０を持ち上げる力Ｆは、基板１０と１つのゾーンのファンデルワールス型微細構造体との間の接着力に打ち勝つのに十分なものであり、全てのファンデルワールス型構造体を同時に剥離する場合よりも、はるかに小さな力を用いることが可能となる。
図５ａの例において、ファンデルワールス型微細構造体１８は、図２ａ〜３ｄに関して上述したように、接触部材に接続された可撓性部材を有し、これにより、基板１０が持ち上げられるときに基板に沿って摺動するように構成されている。代替的実現形態では、ファンデルワールス型微細構造体は、基板１０に沿って摺動するように構成されていなくてもよく、例えば、ゾーン４８ａ〜４８ｃは、ナノファイバの垂直列を含むことができ、段階的解除のために、ナノファイバの高さはゾーンごとに異なる。基板は、非段階的な解放プロセスで基板を外すために用いられるものよりも小さい力で、ナノファイバからの剥離またはその他の切り離しが可能である。
ファンデルワールス型構造体の段階的解放は、それぞれのゾーンの構造体の有効ばね定数に依存させることができ、その場合、ばね定数をゾーン間で変化させて、ファンデルワールス型構造体の高さは、ゾーン間で一定とすることができる（または変化させることができる）。一例を図６ａ〜図６ｄに示している。
図６ａは、エンドエフェクタパッド・ベース１６上の３つのゾーン４８ａ、４８ｂ、４８ｃのファンデルワールス型構造体の断面模式図を示している。説明を簡単にするために、ゾーンを３つのみ示しているが、いくつかの実現形態により、エンドエフェクタパッドは、数十、数百、数千、数十万、またはそれより多くのゾーンを有し得る。図６ａの例の模式図では、それらのゾーンのそれぞれは、ファンデルワールス型微細構造体の列を１つ含んでいる。基板の解放が段階的に行われるように、ファンデルワールス型構造体の有効ばね定数は、ゾーン４８ａ〜４８ｃ間で異なる。図６ａの例では、ゾーン４８ａは有効ばね定数ｋａを有し、ゾーン４８ｂは有効ばね定数ｋｂを有し、ゾーン４８ｃは有効ばね定数ｋｃを有し、このとき、ｋａ＞ｋｂ＞ｋｃである。本明細書で使用される場合のファンデルワールス型微細構造体の有効ばね定数とは、微細構造体の剛性およびそれがファンデルワールス接着力に抵抗する程度を特徴付ける微細構造体全体としてのばね定数を指す。
図６ｂ〜図６ｄは、図６ａに示す構造体を含むエンドエフェクタパッドからの基板の解放を示している。図６ｂでは、エンドエフェクタ１２のエンドエフェクタパッド・ベース１６上のファンデルワールス型微細構造体１８によって基板１０を支持している。図６ｂに示すロード状態では、基板１０を、エンドエフェクタ１２によって、基板１０とファンデルワールス型構造体１８との間の最大摩擦力により制限される最大加速度で、ｘ−ｙ方向に移送することができる。
図６ｃでは、ゾーン４８ｃは基板１０と係合したまま、ゾーン４８ｂのファンデルワールス型構造体が基板１０に対して摺動または基板から剥離して、最も内側のゾーンであるゾーン４８ａが解放される。図６ｄでは、エンドエフェクタから解放された基板１０を示しており、ゾーン４８ａ〜４８ｃのファンデルワールス型構造体は、弛緩した非圧縮・非伸張状態に戻っている。
ファンデルワールス型微細構造体の有効ばね定数は、構造体が弛緩した状態から一定の変位で構造体を圧縮または伸張させる力によって特徴付けることができる。有効ばね定数は、材料の弾性率ならびに構造体の長さおよび形状を含む各種因子に依存し得る。ファンデルワールス型構造体を、端部に荷重を受けたカンチレバービームとして近似すると、変位は、ＦＬ３／３ＥＩとして近似することができ、ただし、Ｆはファンデルワールス力、Ｌはビームの長さ、Ｅは弾性率、Ｉは断面２次モーメントである。エンドエフェクタパッドの微細構造体の全てにわたって一定の力、弾性率、慣性モーメントを仮定すると、いくつかの実現形態において、ファンデルワールス型構造体の長さをゾーンごとに変化させることができる。いくつかの実現形態において、長さに加えて、またはその代わりに、他のいずれかの因子を変化させることができる。例えば、異なるゾーンでは異なる材料を用いることで弾性率を変化させることができ、ゾーンごとに構造体の幾何学的形状を変えることで慣性モーメントを変化させることができ、ゾーンごとに構造体上の接触部材の数を変えることで力を変化させることができる。
図５ａ〜図５ｅおよび図６ａ〜図６ｄの例では、段階的な解放が径方向外向きに進行するように、ゾーンが構成されている。他の実現形態では、段階的な解放が径方向内向きに進行するように、ゾーンを構成することができ、例えば、ファンデルワールス型構造体の長さをパッドの中心に向かって増加させる。代替的実現形態において、非隣接ゾーンが相次いで解放されることが効果的である場合があり、例えば、基板の中心に近いゾーンを最初に解放し、続いて基板の外周に近いゾーンを解放することなどができる。
様々な実現形態によれば、ゾーンは必ずしも円状であるとは限らず、曲線または直線で表される任意の適切な構成配置とすることができる。例えば、接触面を、方形とすることができ、それぞれ直線状に配置される数千のゾーンで構成することができる。
ファンデルワールス型微細構造体は、一部の実現形態において、基板がエンドエフェクタパッドから持ち上げられる際に、基板から剥離して、基板に対して傾斜するように構成することができる。この傾斜および剥離の挙動は、基板の傾斜または剥離を伴うことなく基板を持ち上げることを可能とし得るものであって、高さ、有効ばね定数、パッド・ベースの角度、およびファンデルワールス型構造体の配置構成の結果として生成されるものであり得る。図７ａは、具体的な実現形態によって異なり得る角度の模式図の一例を示している。解放中のファンデルワールス型構造体の剥離および他の特性を制御するために、これらの角度のうちの１つ以上を、ファンデルワールス型構造体の長さおよび弾性率と共に、変化させることができる。角度α1は、エンドエフェクタパッド・ベース１６の傾きを制御するものであり、０°（平坦なベース）〜４５°超の範囲とすることができる。一部の実現形態では、パッド・ベースは、かなり浅く、例えば、α1は０°〜１５°の間である。角度α2は、可撓性部材２０が接触パッド・ベース１６から突き出す角度であり、角度α3は、横向き部分２０Ａが（もし存在する場合に）可撓性部材２０の残りの部分から突き出す角度である。α2の値の例は、２０°〜１６０°の範囲とすることができる。なお、α2が鋭角である実現形態では、接触構造体２８は、径方向外側に向き得るということに留意すべきである。α3の値の例は、２０°〜１６０°の範囲とすることができ、α2とα3は、ファンデルワールス型構造体がロードする際の基板に接触するように構成されるような値を有する。角度α4は、接触構造体２８が基板１０に対して傾斜した角度である。α4の値の例は、０°（基板１０に対して平坦）〜８０°の範囲とすることができ、約４０°〜８０°の間など、より大きな値によって、より大きな傾きが得られる。一部の実現形態では、角度α4は、基板１０からのファンデルワールス型構造体の剥離角度であるか、またはそれに近いものであり得る。一部の実現形態では、角度α4は、接触部材が突き出している接触部材ベース（バッキング面３２または可撓性部材２０）と、面２９に平行であって接触構造体２８の直ぐ上方にある平面と、の間の角度として特徴付けることができる。これは、接触構造体２８と係合する直前の傾斜していない基板の平面であり、図７ａの例では、基板１０の平面である。エンドエフェクタパッド・ベース１６の面２９は、エンドエフェクタに取り付けるように構成された面とすることができる。角度α5は、可撓性部材２０が基板１０に対して傾斜した角度である。一部の実現形態では、角度α5は、基板１０からのファンデルワールス型構造体の剥離角度であるか、またはそれに近いものであり得る。α5の値の例は、２０°〜１６０°の範囲とすることができる。一部の実現形態では、角度α5は、可撓性部材２０と、上記のような面２９に平行であって接触構造体２８の直ぐ上方にある平面との間の角度として特徴付けることができる。角度α6は、相次ぐゾーンによる係合および解放の速度の因子であり得る。α6の値の例は、１°〜２０°の範囲とすることができ、より低い値によって、より円滑な係合および解放が得られる。一部の実現形態では、角度α6は、複数の構造体の頂部を結ぶ線（例えば、図７ａの線３１）と、面２９に平行であってこれらの構造体の上方にある平面（例えば、図７ａにおける基板１０の平面）と、の間の角度として特徴付けることができる。図７ｂは、バッキング面３２または可撓性部材２０の上にナノ毛３０を有する接触構造体２８の一例を示している。角度α8は、ナノ毛３０がバッキング面３２／可撓性部材２０に対して傾斜した角度である。
上述のように、本明細書で開示するエンドエフェクタパッドは、ファンデルワールス型構造体を有し、それらは可撓性とすることができ、ファンデルワールス分子間ポテンシャルによって半導体ウェハまたは他の基板に接着するように構成される。いくつかの実現形態により、ファンデルワールス型基板は、マルチレベル階層構造または単一レベル構造とすることができる。ファンデルワールス型微細構造体の材料として、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）およびグラフェンなどのカーボン系材料を含むことができる。材料には、さらに、ポリイミドおよびポリエチレンテレフタレートのような様々な熱可塑性プラスチックなどのポリマ材料、可撓性金属材料と結晶性金属のハイブリッド、シリコンなどの半導体材料、を含むことができる。ファンデルワールス型微細構造体のいくつかの実現形態は、可撓性かつ弾性であって、荷重を支持するとともに、破損することなく繰り返し撓むための十分に高い強度を有する。カーボンは、非常に高強度かつ可撓性であり、さらに高い耐熱性を有するため、材料として望ましい。カーボン構造体は、チューブ、ロッド、ワイヤなどの形態で、上述のようにマイクロスケールおよび／またはナノスケールとすることができる。ポリマ材料は、可撓性であって、かつ多様な構造体を容易に製造できるので、高温耐性を必要としない用途の場合に効果的となり得る。
マルチレベル階層構造の場合に、異なる階層レベルは、同じ材料または異なる材料とすることができる。一部の実現形態では、例えば可撓性部材と接触部材とを含む全てのレベルにカーボン系材料を用いることができる。
いくつかの実現形態により、可撓性部材は、基板上に例えば化学気相成長（ＣＶＤ）により成長させることができ、マスクを施した材料をエッチングすることにより形成することができ、マイクロインプリントもしくはナノインプリント・テンプレート法または他のモールドプロセスにより形成することができる。ナノ毛またはその他の接触部材は、可撓性部材の上に例えば触媒化学気相成長法により成長させることができ、または製造後に可撓性部材に接合することができる。パッド・ベースは、その上に可撓性部材の成長もしくは印刷が可能な、または製造後の可撓性部材をそれに接合することが可能な、任意の材料とすることができる。例として、金属およびシリコンが含まれる。ポリマ構造体は、ナノインプリント・テンプレート法、ブロック共重合体材料の自己組織化、リソグラフィなど、様々な方法で形成することができる。金属構造体は、ＣＶＤ、物理気相成長（ＰＶＤ）、原子層堆積（ＡＬＤ）などの気相成長法によって形成することができる。シリコンナノワイヤなどのシリコン構造体は、触媒ＣＶＤ、またはシリコン基板のエッチングなど、様々な方法によって形成することができる。
ＣＮＴなどのマイクロスケールおよびナノスケールのカーボン構造体の気相成長は、触媒により開始されるエチレンなどの炭素含有ガスの熱分解を伴い得る。一部の実現形態では、触媒の注入、犠牲テンプレート内への堆積などを制御することによって、成長を制御することができる。一部の実現形態では、堆積は、製造後のエンドエフェクタパッドにおいて構造体が配置されることになる表面上で、実施することができ、例えば、直接、エンドエフェクタパッド・ベース上で、可撓性部材上で、またはマルチレベル階層構造における他のレベル上で、実施することができる。他のいくつかの実現形態では、ＣＮＴまたは他の構造体を、堆積面から外して、エンドエフェクタパッド・ベース、可撓性部材などに取り付けることができる。
上述のように、一部の実現形態において、本明細書に記載のマイクロスケールおよびナノスケールの部分は、エンドエフェクタパッド・ベース、またはファンデルワールス型構造体の他の部分に対して、傾斜したものとすることができる。Ｚｈｏｕ等は、参照により本明細書に組み込まれるＣａｒｂｏｎ ５０（２０１２年）５３７２〜５３７９において、傾斜した構造体を形成することについて開示している。Ｚｈｏｕの文献では、明確な多層カーボンナノチューブ（ＭＷＣＮＴ：ＭｕｌｔｉＷａｌｌ Ｃａｒｂｏｎ ＮａｎｏＴｕｂｅ）アレイが、触媒ＣＶＤによりシリコン基板上に作製されている。ＭＷＣＮＴアレイは、直径が１０〜１５ｎｍ、長さが約４００ミクロンのＭＷＣＮＴ、および１０10〜１０11ＭＷＣＮＴ／ｃｍ2 の密度によって特徴付けられるものであった。静電吸着フィルムを用いてシリコン基板からＭＷＣＮＴアレイを剥離し、続いて摺動圧縮機を用いてアレイを圧縮することによって、ナノチューブを傾斜させている。２層ＣＮＴ（ＤＷＣＮＴ）などのＭＷＣＮＴの他に、単層ＣＮＴ（ＳＷＣＮＴ）を用いることができる。このように、弛緩状態において一定の傾斜角を有する可撓性部材および／または接触部材を形成するために、ＣＮＴを用いることができる。
ＣＮＴファイバは、可撓性部材および／または接触部材などの様々な階層レベルに用いることができる。Ｂｅｈａｂｔｕ等は、参照により本明細書に組み込まれるＳｃｉｅｎｃｅ ３３９，１８２（２０１３年）において、高抗張力、高弾性率、高伸度を有するＣＮＴファイバの製造について開示している。
ナノ構造体をエンドエフェクタパッドの他の構成要素の上に直接成長させない実現形態では、種々の転写法を用いることができる。それらには、吸着を用いたナノ構造体アレイの剥離、エラストマを用いた転写印刷、が含まれる。例えば、ＳＷＮＴの上に金属層を堆積させることができ、その金属／ＳＷＮＴ層を、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）を用いて所望の表面に転写し、化学エッチャントを用いて金属層を除去する。
Ｌｅｅ等は、参照により本明細書に組み込まれるＮａｎｏ Ｌｅｔｔ．２０１１年，１１，３４３５〜３４３９において、転写印刷法について開示しており、それは、水がナノ構造体とドナー基板との界面に浸透する現象を利用して、ドナー基板からのナノ構造体のリフトオフ、およびターゲット面への接着を可能とするものである。本明細書で開示する構造体を形成するために、ＣＶＤ堆積の他に、印刷などの技術を用いることができる。例えば、Ｐａｒｋ等は、参照により本明細書に組み込まれるＮａｎｏｓｃａｌｅ、２０１３年，５，１７２７〜１７５２において、単層ナノチューブ（ＳＷＮＴ）のインクジェット印刷およびエアロゾル印刷について開示している。
マルチレベル階層構造の異なるレベルを別々に製造するための様々な方法を用いることに加えて、複数のレベルの同時製造のための技術を実施することができる。そのような方法の例を以下で提示する。Ｇｅ等は、参照により本明細書に組み込まれるＰｒｏｃ．Ｎａｔｌ．Ａｃａｄ．Ｓｃｉ．２００７年，１０４，１０７９２〜１０７９５において、カーボンナノチューブを、露出した先端を個別に有しつつ一緒に変形するピラーにバンドル化することについて開示している。このようにして、スパチュラ（露出した先端）に分割しているヤモリの剛毛（バンドル化されたピラー）に類似した構造体を形成することができる。そして、そのようなピラーを、例えば可撓性部材またはエンドエフェクタパッド・ベースなどのベースに接合するか、または埋め込むことができる。
異なる階層レベルを同時製造する更なる方法として、レーザパターニング、リソグラフィ、各種材料を用いたインプリントを含むことができる。ヤモリのラメラに類似した可撓性部材は、フィルムのレーザパターニングによって製造することができる。Ｌｅｅ等は、参照により本明細書に組み込まれるＬａｎｇｍｕｉｒ，２００９年，２５（２１），１２４４９〜１２４５３において、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）を用いてラメラ状構造体上にナノファイバ・アレイの合成マルチレベル構造を形成する方法について開示している。ラメラの厚さ、幅、長さは、それぞれ１５ミクロン、０．８ｍｍ、１．３ｍｍであって、直径６００ｎｍ、長さ１８ミクロンのナノファイバのアレイがラメラ構造体上に同時製造された。この方法は、他の寸法および材料に拡張可能である。
Ｍｕｒｐｈｙ等は、参照により本明細書に組み込まれるＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ，１巻，４号，８４９〜８５５，２００９年において、広がった形状を有するものなど、ヤモリのスパチュラのそれと類似した制御された先端形状を有するマルチレベル階層構造を形成する方法について開示している。キノコ形状の先端を有する基材繊維を、液体ポリマに浸漬し、そしてそれを、ネガ型にエッチングされた所望の先端部を有するエッチング済みモールド上に配置する。基材繊維上の液体ポリマは、モールドのネガ型フィーチャの中に引き込まれて硬化され、硬化後にモールドはエッチング除去される。それらの先端に、更なるレベルの製造において、カーボンナノチューブを埋め込むことができる。
いくつかの実現形態において、可撓性部材は、カーボン微細構造体で形成することができる。Ｄａｉｃｈｏ等は、参照により本明細書に組み込まれるＯｐｔｉｃａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ，３巻、６号、８７５〜８８３頁（２０１３年）において、レーザ直接書き込みおよびマイクロトランスファモールディング技術を含む、複雑なカーボン微細構造体を製造するための技術について記載している。Ｗａｎｇ等は、参照により本明細書に組み込まれるＡＣＳ Ｍａｃｒｏ Ｌｅｔｔ．２０１２年，１，１１７６〜１１７９において、カーボンナノチューブネットワークで微細構造体を形成する技術について記載しており、それらの微細構造体は、調整可能な機械的特性を有する。
上記の技術は、製造方法の例を提示したものであり、当該技術分野で周知の他の技術を用いることもできる。
パッドは、形成されたら、使用のためにエンドエフェクタに取り付けることができる。図８は、４つのエンドエフェクタ接触パッド１４を有するエンドエフェクタ１２の一例を示している。エンドエフェクタ接触パッド１４上に円形ゾーンを模式的に表示しているが、それらのゾーンは、一般に、巨視的レベルで見るには小さすぎるものである。様々な実現形態により、エンドエフェクタ接触パッド１４は、一定の使用時間の後に取り外し可能かつ交換可能である。
エンドエフェクタ接触パッド１４の数およびサイズは、基板サイズならびに所望の最大加速度に依存し得る。一例では、接触部材の１００ｎｍ幅の先端は、０．４μＮのファンデルワールス引力を有し得る。パッド上の２５００万個の先端、すなわち４つのパッドの各々の上の６２５万個の先端によって、１０Ｎすなわち約１ｋｇの合力が得られることになる。これによって、４５０ｍｍ、０．３４２ｋｇの半導体ウェハの場合に、約３のＣｆと同等のものが得られることになる。
さらに、本明細書に記載のファンデルワールス型エンドエフェクタを有する高スループット真空搬送モジュール、ならびに高スループット真空搬送モジュールを備えた半導体ツールが提供される。図９は、高スループット真空搬送モジュールを備えた半導体処理ツールの一例を示している。図９に示す半導体処理ツール５２は、直径３００ｍｍの半導体ウェハ、および直径４５０ｍｍの半導体ウェハなど、任意の寸法の半導体ウェハのような基板を処理するために使用することができる。真空搬送モジュール５８は、ロードロック５６と処理モジュール５４に接続されている。処理モジュールは１つのみ図示しているが、いくつかの実現形態により、真空搬送モジュール５８に接続された任意の数の処理モジュールを設けることができる。処理モジュールの例として、成長室、エッチング室などを含むことができる。真空搬送モジュール５８は、デュアル・ロボットアーム６６と、ロボットアーム６６の各々に取り付けられたデュアル・ファンデルワールス型エンドエフェクタ１２と、を有する真空搬送モジュール（ＶＴＭ）ロボットを収容している。２つのエンドエフェクタ１２が、半導体ウェハ１０で覆われているものとして図示されている。処理モジュール５４は、複数のウェハサポート７０を収容している。図９における真空搬送モジュール５８は、ロードロック５６と処理モジュール５４との間で基板を搬送するように構成されている。ロードロック５６は、大気（ＡＴＭ）ロボットを有する大気搬送モジュール（図示せず）に接続することができ、そしてこれを、１つ以上の正面開口一体型ポッド（ＦＯＵＰ（フープ）：Ｆｒｏｎｔ Ｏｐｅｎｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｐｏｄ）などのウェハ保管場所に接続することができる。ウェハが、ＦＯＵＰから、処理モジュール５４で処理されるまでに辿る経路の一例を、以下に提示する。
１−ＡＴＭロボットによりＦＯＵＰからピックアップされる
２−ＡＴＭロボットによりロードロックに移送される
３−ＡＴＭロボットによりロードロックに載置される
４−ロードロックのポンプダウン
５−ＶＴＭロボットによりロードロックからピックアップされる
６−ＶＴＭロボットにより処理モジュールに移送される
７−ＶＴＭロボットにより処理モジュールに載置される
処理されたウェハが、処理モジュール５４からＦＯＵＰまで辿る経路を、以下の例に提示する。
１’−ＶＴＭロボットにより処理モジュールからピックアップされる
２’−ＶＴＭロボットによりロードロックに移送される
３’−ＶＴＭロボットによりロードロックに載置される
４’−ロードロックの換気／冷却
５’−ＡＴＭロボットによりロードロックからピックアップされる
６’−ＡＴＭロボットによりＦＯＵＰに移送される
７’−ＡＴＭロボットによりＦＯＵＰに載置される
移送ステップ２、２’、６、６’のそれぞれのための時間は、最大摩擦係数により制限される。例えば、５の安全率を用いて、最大加速度および減速度を、エンドエフェクタの摩擦係数に基づく値に制限することができ、これにより、それらのステップにおける最大加速度は、最大許容加速度の１／５を超えないようにされる。ステップ２および６’のＡＴＭロボットの場合は、真空作動式のエンドエフェクタによって加速度を増加させることができるが、ステップ２’および６のＶＴＭロボットの場合は、真空作動を用いることができない。これらのステップでは、本明細書で開示するファンデルワールス型エンドエフェクタによって、加速度を著しく高めることが可能となる。また、本明細書で開示するファンデルワールス型エンドエフェクタによって、ステップ２および６’のＡＴＭロボットの場合に、駆動を伴わない受動システムを用いて高加速度を可能とすることができる。いくつかの実現形態において、少なくとも０．５ｇ、少なくとも１ｇ、少なくとも２ｇ、または少なくとも３ｇの加速度を用いることができる。
半導体処理ツール５２は、さらに、半導体処理ツール５２のプロセス条件ならびにハードウェア状態を制御するために採用されるコントローラを備えることができる。図１０は、制御システムの一例のブロック図を示している。当然のことながら、他のスキームおよび構成を採用することもできる。いくつかの実施形態において、（１つ以上の物理コントローラまたは論理コントローラを含み得る）コントローラ５３により、処理ツールの動作の一部または全てを制御する。適切な動作制御を実現するための命令が、プロセッサ上で実行される。これらの命令は、コントローラに関連付けられたメモリデバイスに格納されていてもよいし、あるいはネットワークを介して提供されるものであってもよい。いくつかの実施形態において、コントローラは、システム制御ソフトウェアを実行する。
例えば、コントローラによって、本装置の外部からウェハを受け取り、ウェハをピックアップおよび載置し、さらに／またはウェハをある場所から別の場所へ搬送することができる。コントローラ５３は、１つ以上の記憶装置５７と、１つ以上のプロセッサ５９とを備えることができる。プロセッサ５９は、ＣＰＵまたはコンピュータ、アナログおよび／またはデジタル入力／出力接続、ステッピングモータ・コントローラボード、などを含むことができる。
一部の実施形態では、コントローラ５３は、真空搬送モジュール５８の動作の全てを制御する。一部の実施形態では、コントローラ５３は、処理ツール５２の動作の全てを制御するシステムコントローラである。一部の実施形態では、コントローラ５３は、記憶装置５７に保存されてプロセッサ５９で実行される機械可読制御ソフトウェア５９を実行し、これにより、本装置は、本発明の実施形態による方法を実施する。あるいは、制御ロジックは、コントローラにハードコーディングされてもよい。このような目的で、特定用途向け集積回路、プログラマブルロジックデバイス（例えば、フィールドプログラマブルゲートアレイ、すなわちＦＰＧＡ）などを用いることができる。以下の解説において、「ソフトウェア」が用いられる場合には、いずれも、機能的に同等のハードコーディングされたロジックが代わりに用いられてもよい。「コード」という用語は、ソフトウェアまたはハードコーディングされたロジックを指し得る。
制御ソフトウェア５９は、ピックアップおよび載置、移送のタイミングと、バルブおよびドアの開放と、回転運動を含むロボットの動きと、垂直方向、θ（回転）方向、ｘ−ｙ方向の動きを含むロボットアームの動きと、ロボットアームの加速および減速と、基板台座、チャック、および／またはサセプタの位置と、半導体処理ツールを用いた具体的な搬送プロセスのその他パラメータとを制御するための命令を含むことができる。制御ソフトウェアは、任意の適切な方法で構成することができる。例えば、種々の処理ツール・プロセスを実行する処理ツール構成要素の動作を制御するための、各種処理ツール構成要素サブルーチンまたは制御オブジェクトを作成することができる。制御ソフトウェア５９は、任意の適切なコンピュータ可読プログラミング言語でコーディングすることができる。
いくつかの実施形態において、制御ソフトウェア５９は、上記の各種パラメータを制御するための入力／出力制御（ＩＯＣ）シーケンシング命令を含み得る。例えば、搬送プロセスの各段階は、コントローラ５３で実行される１つ以上の命令を含むことができる。いくつかの実施形態において、コントローラ５３に関連付けられた大容量記憶装置５７に保存された他のコンピュータソフトウェアおよび／またはプログラムを用いることができる。本目的のためのプログラムまたはプログラム部分の例には、基板位置決めプログラム、ロボット制御プログラム、処理モジュールのドアまたはバルブタイミング・プログラム、およびロードロックのドアまたはバルブタイミング・プログラムが含まれる。
図１０に示す例では、コントローラ５３は、スイッチ６８を介して、処理モジュールＰＭ１およびＰＭ２を制御する処理モジュール・コントローラ６３および６４、真空搬送モジュール・コントローラ６５、および真空搬送モジュールロボット６１にコマンドを送ることができる。（プロセスコントローラが制御し得る半導体処理ツールのその他の部分は、同図には示していない。）図１０に示すように、各モジュールにおいて個々のバルブ、センサなどに接続するための複数の入力／出力コントローラ（ＩＯＣ）を、各モジュールに設けることができる。それらのコントローラは、例えば、モジュール内、またはモジュールから離れた所など、装置内の様々な場所に物理的に配置することができる。真空搬送ロボット６１は、コントローラ５３の代わりに、またはそれに加えて、真空搬送コントローラ６５から直接コマンドを受け取ることができる。
基板位置決めプログラムは、公称経路に沿って基板を移送するための、基板位置を検出するための、検出された基板位置に基づいて基板位置を修正するための、プログラムコードを含むことができる。
ロボット制御プログラムは、ロボットおよびロボットアームを１つ以上の公称経路に沿ってｚ方向、ｘ−ｙ方向、θ方向に動かすための、プログラムコードを含むことができる。ロボット制御プログラムは、１つ以上のロボットモータを適切に始動および停止させるための、ロボットアームの加速および減速を制御するための、コードを含むことができる。ロボット制御プログラムは、様々な場所で基板をピックアップおよび載置するための、コードを含むことができる。処理モジュールまたはロードロックのドアまたはバルブタイミング・プログラムは、ロボットによるアクセスを可能とするようにドアまたはバルブを開閉するための、プログラムコードを含むことができる。
いくつかの実施形態において、コントローラ５３に関連付けられたユーザインタフェースを設けることができる。ユーザインタフェースとして、ディスプレイ画面と、装置および／またはプロセス条件のグラフィックソフトウェア表示と、さらに、ポインティングデバイス、キーボード、タッチスクリーン、マイクロフォンなどのユーザ入力装置を含むことができる。
監視のための信号を、各種処理ツールセンサから、システムコントローラ５３のアナログおよび／またはデジタル入力接続によって供給することができる。プロセスを制御するための信号は、処理ツール５２のアナログおよびデジタル出力接続に出力することができる。監視され得る処理ツールセンサの非限定的な例として、基板位置検出器、熱電対、ロボットモータ・トルクセンサなどが含まれる。適切にプログラムされたフィードバックおよび制御アルゴリズムを、これらのセンサからのデータと共に用いることで、条件を維持することができる。
上記の装置／プロセスは、例えば、半導体デバイス、ディスプレイ、ＬＥＤ、太陽電池パネルなどの作製または製造のために、リソグラフィパターニング・ツールまたはプロセスと共に用いることができる。一般に、そのようなツール／プロセスは、必ずしもそうではないが、共通の製造設備で一緒に使用または実施される。リソグラフィによる膜のパターニングは、通常、以下の工程の一部またはすべてを含み、各工程は、いくつかの考え得るツールによって実施可能となる。（１）ワークピースすなわち基板の上に、スピン式またはスプレー式のツールを用いて、フォトレジストを塗布する；（２）ホットプレートまたは炉またはＵＶ硬化ツールを用いて、フォトレジストを硬化させる；（３）ウェハステッパなどのツールによって、可視光線または紫外線またはＸ線でフォトレジストを露光する；（４）ウェットベンチなどのツールを用いて、選択的にレジストを除去するようにレジストを現像し、これによりパターンを形成する；（５）ドライまたはプラズマアシスト・エッチングツールを用いて、レジストパターンを下の膜またはワークピースに転写する；（６）ＲＦまたはマイクロ波プラズマ・レジストストリッパなどのツールを用いて、レジストを剥離する。あるツールから別のツールに基板を移送するために、本明細書に記載のもののようなロボットを使用することができ、これにより、製造プロセスが円滑となる。
記載された具体的な実現形態のいずれかにおける特徴が、相互に非両立であることが明示されているか、またはそれらが相補的および／もしくは補助的な意味で相互排他的であって容易に組み合わせ可能ではないことが周辺の文脈で示唆されていない限り、本開示は全体として、包括的であるがわずかに異なる１つ以上の技術的ソリューションを提供するために、そのような相補的な実現形態の特定の特徴を選択的に組み合わせ可能であることを企図および想定するものであることは、理解されるであろう。よって、さらに理解されるべきことは、上記の説明は、単なる例として提示したものにすぎず、本発明の範囲内で細部の変更を実施することができるということである。

Claims (35)

  1. エンドエフェクタ用の接触パッドであって、
    接触パッド・ベースと、
    前記接触パッド・ベース上に配列された複数の構造体であって、各構造体は、可撓性部材と、前記可撓性部材に接続された複数の接触部材と、を有し、前記可撓性部材は、基板を当てると撓むように構成されており、前記複数の接触部材は、ファンデルワールス接着により基板に接着するように構成されている、複数の構造体と
    を備える接触パッド。
  2. 前記複数の構造体は、前記接触パッド・ベースの中心の周りに延びる周方向の列になっている請求項１に記載の接触パッド。
  3. 前記複数の構造体は、複数のゾーンに配置されており、これにより、当該接触パッドからの基板の解放が、ゾーンごとに段階的に実施されるように構成されている請求項１に記載の接触パッド。
  4. 前記複数の構造体の各々は高さを有し、前記複数の構造体の高さは、当該接触パッドにわたって変化している請求項１に記載の接触パッド。
  5. 高さの前記変化は、円対称である請求項４に記載の接触パッド。
  6. 前記複数の構造体の各々は有効ばね定数を有し、前記複数の構造体の有効ばね定数は、当該接触パッドにわたって変化している請求項１に記載の接触パッド。
  7. 有効ばね定数の前記変化は、円対称である請求項６に記載の接触パッド。
  8. 前記可撓性部材は、ミクロンスケールの構造体である請求項１に記載の接触パッド。
  9. 各接触部材は、複数の自由端に分割されたベースを有する請求項１に記載の接触パッド。
  10. 前記可撓性部材は、カーボン微細構造体を含む請求項１に記載の接触パッド。
  11. 前記可撓性部材は、カーボンナノチューブネットワークを含む請求項１に記載の接触パッド。
  12. 可撓性部材の最大寸法は、１ｍｍ未満である請求項１に記載の接触パッド。
  13. 可撓性部材の最小寸法は、１００ミクロン未満である請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載の接触パッド。
  14. 接触部材の最小寸法は、１ミクロン未満である請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載の接触パッド。
  15. 接触部材の最小寸法は、５００ナノメートル未満である請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載の接触パッド。
  16. 前記可撓性部材は、ポリマを含む請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載の接触パッド。
  17. 前記接触パッド・ベースは、エンドエフェクタに接触するように構成された第１の面を有し、各構造体は、前記接触部材が突き出している接触部材ベースをさらに有し、前記接触部材ベースは、前記第１の面に平行かつ該構造体の上方にある平面に対して、０°〜８０°の間の値を有する第１の角度で傾斜している請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載の接触パッド。
  18. 前記第１の角度は、４０°〜８０°の間である請求項１７に記載の接触パッド。
  19. 前記接触パッド・ベースは、エンドエフェクタに接触するように構成された第１の面を有し、各構造体の前記可撓性部材は、前記第１の面に平行かつ該構造体の上方にある平面に対して、２０°〜１６０°の間の値を有する角度で傾斜している請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載の接触パッド。
  20. 前記接触パッド・ベースは、エンドエフェクタに接触するように構成された第１の面を有し、前記第１の面に平行かつ前記複数の構造体の上方にある平面と、複数の構造体の前記接触部材を結ぶ線との間の角度は、約０°〜２０°の間である請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載の接触パッド。
  21. エンドエフェクタ用の接触パッドであって、
    接触パッド・ベースと、
    前記接触パッド・ベース上に配列された複数の構造体であって、該複数の構造体の各々は、有効ばね定数および高さを有し、該複数の構造体の有効ばね定数と高さのうち少なくとも一方は、当該接触パッドにわたって変化している、複数の構造体と
    を備える接触パッド。
  22. 高さまたは有効ばね定数の前記変化は、円対称である請求項２１に記載の接触パッド。
  23. 前記接触パッド・ベースは、エンドエフェクタに接触するように構成された第１の面を有し、各構造体は、接触部材が突き出している接触部材ベースをさらに有し、前記接触部材ベースは、前記第１の面に平行かつ該構造体の上方にある平面に対して、０°〜８０°の間の値を有する第１の角度で傾斜している請求項２１に記載の接触パッド。
  24. 前記第１の角度は、４０°〜８０°の間である請求項２３に記載の接触パッド。
  25. 前記接触パッド・ベースは、エンドエフェクタに接触するように構成された第１の面を有し、各構造体は、前記第１の面に平行かつ該構造体の上方にある平面に対して、２０°〜１６０°の間の値を有する角度で傾斜している請求項２１に記載の接触パッド。
  26. 前記接触パッド・ベースは、エンドエフェクタに接触するように構成された第１の面を有し、各構造体は、接触部材が突き出している接触部材ベースをさらに有し、前記第１の面に平行かつ前記複数の構造体の上方にある平面と、複数の構造体の前記接触部材を結ぶ線との間の角度は、約０°〜２０°の間である請求項２１に記載の接触パッド。
  27. ロボットアームに装着されるように構成されたエンドエフェクタであって請求項１から請求項２６のいずれか一項に記載のエンドエフェクタ接触パッドを１つ以上備える、エンドエフェクタ。
  28. ロボットであって、
    １つ以上のアームと、
    前記１つ以上のアームを動かすように構成されたモータと、
    前記１つ以上のアームに装着されるように構成された１つ以上のエンドエフェクタであって、受動接触によって半導体基板を滑脱なくｘ−ｙ方向に少なくとも約０．５ｇの加速度で搬送するように構成され、さらに、垂直力の印加によって前記半導体基板を傾斜させることなく前記半導体基板を無駆動で解放するように構成された、１つ以上のエンドエフェクタと
    を備えるロボット。
  29. 前記１つ以上のエフェクタは、４００℃よりも高い温度で半導体基板を支持するように機能する請求項２８に記載のロボット。
  30. 各エンドエフェクタは接触パッドを有し、該接触パッドは、
    接触パッド・ベースと、
    前記接触パッド・ベース上に配列された複数の構造体であって、各構造体は、可撓性部材と、前記可撓性部材に接続された複数の接触部材と、を有し、前記可撓性部材は、基板を当てると撓むように構成されており、前記複数の接触部材は、ファンデルワールス接着により基板に接着するように構成されている、複数の構造体と
    を備える請求項２８に記載のロボット。
  31. 半導体処理ツールであって、
    １つ以上の処理モジュールと、
    前記１つ以上の処理モジュールに接続された搬送モジュールであって、半導体基板を前記１つ以上の処理モジュールへ搬入および搬出するように構成されるとともに請求項２８から請求項３０のいずれか一項に記載のロボットを有する、搬送モジュールと
    を備える半導体処理ツール。
  32. 前記搬送モジュールは、半導体基板をロードロックまたは基板保管場所へ搬入および搬出するように構成されている請求項３１に記載の半導体処理ツール。
  33. 前記搬送モジュールは、真空搬送モジュールである請求項３１に記載の半導体処理ツール。
  34. ｘ−ｙ方向に少なくとも１ｇの加速度で前記エンドエフェクタを動かすための機械可読命令を含むコントローラをさらに備える請求項３１に記載の半導体処理ツール。
  35. エンドエフェクタから基板を解放する方法であって、
    受動接触によりエンドエフェクタで支持された基板であって、該基板と前記エンドエフェクタ上の複数のファンデルワールス構造体との間のファンデルワールス接着力により支持された基板を提供することと、
    前記基板を前記エンドエフェクタから持ち上げるため、前記基板に垂直な力を印加することであって、これにより前記基板がその解放中に傾斜することなく維持されるように前記ファンデルワールス力を解放させることと、を含む方法。
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