JP3888991B2

JP3888991B2 - ポッドオープナにおけるポッドクランプユニット、ポッドクランプユニットに対応するポッドおよびポッドクランプユニットを用いたクランプ機構およびクランプ方法

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Publication number: JP3888991B2
Application number: JP2003363378A
Authority: JP
Inventors: 俊彦宮嶋; 勉岡部
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2003-10-23
Filing date: 2003-10-23
Publication date: 2007-03-07
Anticipated expiration: 2023-10-23
Also published as: JP2005129706A

Description

本発明は、半導体製造プロセスにおいて、ポッドと呼ばれる搬送容器に内部保持されたウエハを半導体処理装置に移載する際に当該ポッドが載置されて用いられる、いわゆるFIMS（front-opening interface mechanical standard）システムに関する。より詳細には、いわゆるFOUP(front-opening unified pod)と呼ばれるポッドが載置されると共に当該ポッドから半導体ウエハの移載を行うFIMSシステムにおいて、ポッドをFIMSシステムに固定するポッドクランプユニット、当該ユニットに対応するポッド、および当該ユニットを用いたクランプ機構およびクランプ方法に関する。

以前、半導体製造プロセスは、半導体ウエハを取り扱う部屋内部を高清浄化したいわゆるクリーンルーム内において行われていた。しかしウエハサイズの大型化とクリーンルームの管理に要するコスト削減との観点から、近年では処理装置内部、ポッド（ウエハの収容容器）、および当該ポッドから処理装置への基板受け渡しを行う微小空間のみを高清浄状態に保つ手法が採用されるに至っている。

ポッドは、その内部複数のウエハを平行且つ隔置した状態で保持可能な棚と、その一面にウエハ出し入れに用いられる開口部とを有する略立方体形状を有する本体部と、その開口部を閉鎖する蓋とから構成される。この開口部の形成面がポッドの鉛直下方ではなく一側面（微小空間に対して正面）に配置されたポッドは、FOUP(front-opening unified pod)と総称され、本発明はこのFOUPを用いる構成を対象としている。

上述した微小空間は、ポッド開口部と向かい合う第一の開口部と、第一の開口部を閉鎖するドアと、半導体処理装置側に設けられた第二の開口部と、第一の開口部からポッド内部に侵入してウエハを保持すると共に第二の開口部を通過して処理装置側にウエハを搬送する移載ロボットとを有している。微小空間を形成する構成は、同時にドア正面にポッド開口部が正対するようにポッドを支持する載置台を有している。

載置台上面には、ポッド下面に設けられた位置決め用の穴に嵌合されてポッドの載置位置を規定する位置決めピンと、ポッド下面に設けられた被クランプ部と係合してポッドを載置台に対して固定するクランプ部材とが配置されている。通常、載置台はドア方向に対して所定距離の前後移動が可能となっている。ポッド内のウエハを処理装置に移載する際には、ポッドが載置された状態でポッドの蓋がドアと接触するまで移動し、接触後に蓋がドアによってポッド開口より取り除かれる。これら操作によって、ポッド内部と処理装置とが微小空間を介して連通することとなり、以降ウエハの移載操作が繰り返して行われる。この載置台、ドア、第一の開口部、ドアの開閉機構、第一の開口部が構成された微小空間の一部を構成する壁等を含めて、FIMS（front-opening interface mechanical standard）システムと総称される。

FIMSシステムにおけるクランプ機構は、ポッド底面に設けられて係合凹部についてその凹部開口の一部を覆うように凹部の中央に向けて突出した被クランプ部を有する係合凹部と、載置台側に配置されたクランプ部材とから構成される。従来からあるクランプ部材としては、特許文献１乃至３に開示される構成が知られている。特許文献１に開示されるいわゆるフロントリテイニング方式におけるクランプ部材は、一端にカギ爪が形成された略棒状の部材の中央部を回動可能に支持し、他端をアクチュエータと接続して構成される。当該構成においては、他端をアクチュエータによって駆動することでクランプ部材を回転させ、カギ爪がポッドの被クランプ部と係合する仕組みとなっている。

しかしながら、本構成においては、ポッド固定時において、カギ爪が被クランプ部上を摺動しながら最終停止位置に達する。このために、パーティクル等を発生する可能性が高く、パーティクル等の発生、存在を極端に嫌うFIMSシステムにおいては、当該構成は用いられなくなってきている。当該構成に換えて、近年は、以下に示すセンターリテイニング（特許文献２参照）方式或いは特許文献３に開示されるフロントリテイニング方式からなる構成が用いられている。

センターリテイニング方式においては、略Ｔ字形状を有するクランプ部材が用いられる。具体的には、ポッドが載置台上の所定位置に載置された後に、当該クランプ部材は一旦上昇し、ポッド内に設けられた回動空間内で停止後、略90度回転し、その後下降して回動空間の下方開口を狭めるように張り出した被クランプ部と係合する。当該構成においては、特許文献１の場合とは異なりクランプ部材と被クランプ部表面とが擦れ合うことが無いため、これに起因するパーティクル等は大幅に低減される。

特許文献３に開示されるフロントリテイニング方式は、特許文献４に開示されるロータリクランプシリンダを用いたものである。ロータリクランプシリンダは、伸縮可能なピストンロッドが伸長状態から収縮状態に至る際に、その伸縮軸と垂直な平面におけるピストンロッドの向きが略90度回転するものである。実際には、ピストンロッドの上部にクランプ用部材を固定して用いられる。クランプ操作においては、ポッドを載置台上に載置した状態で、載置台表面から突出するクランプ用部材が係合凹部に既に進入している。この状態からピストンロッドを収縮させることにより、クランプ用部材が被クランプ部と係合し、ポッドの固定が行われる。

特開２００２−１６４４１２号公報米国特許第６５０１０７０Ｂ１号米国特許第６２８１５１６Ｂ１号実開平５−５２３０５号公報

しかし、特許文献２に開示されるセンターリテイニング方式においては、ポッド内にＴ字状のクランプ部材が回転するための大きな回動空間が必要となる。この回動空間は被クランプ部の存在によってその開口が狭められており、洗浄等を行う上で直接アクセスできない空間となる。このようなアクセスが困難な空間の存在は、ポッドの清浄度を保つ上で好ましくない。

フロントリテイニング方式においては、係合凹部の開口をある程度大きくすることによって、上述したようなアクセス困難な空間の存在は必要最小限とすることが可能である。しかし、当該方法に用いられるロータリクランプシリンダは、その構成上、ポッドが非係合の状態で常にピストンロッドを伸長させておく必要がある。このため、載置台上にポッドを載置する際に、位置決めピンによるポッド位置決めがなされる以前に、ポッド下面とピストンロッド先端のクランプ用部材とが接触し、ポッドに対して不必要な衝撃を与える、或いは本来生じないはずのパーティクル等を発生させる等の問題を生じる恐れがある。

この問題は、Ｔ字状クランプ部材の回転用の諸構成を必要とすること、或いは大きな回動領域を必要とすることによる位置決め上の理由等により、Ｔ字状部分が載置台表面に突出せざるを得ない特許文献２に開示されるセンターリテイニング方式においても同様に生じ得る。更に特許文献２に開示されるクランプ部材は載置台の移動に伴って上下動する構成を採用しており、この点からも必然的に載置台表面から突出する構成となる。

また、近年ウエハサイズが大型化することに伴って、ポッド自体も、その大型化とその重量の増加とが進んでいる。このため、これまで大きな問題とはならなかったこのクランプ用の部材とポッド下面との不必要な接触、衝突といった上記の事態が生じる可能性が顕在化しつつある。ポッド自体およびこれに収容されるウエハ全ての重量が重くなった場合、上述した不必要な衝撃も大きくなる可能性が高く、このような事態は未然に防ぐ必要がある。

さらに近年、このようなFIMSシステムを、いわゆるオープンカセットにも対応させたい旨の要望が存在している。しかしながら、載置台表面にこのような位置決め用のピン以外の突出部分が存在することによって、オープンカセットを載置台上に載置することができなくなっている。

本発明は、上記状況に鑑みて為されたものであり、ポッドをFIMSシステムに固定するポッドクランプを行う際に、当該クランプに要する部材を載置台表面に突出させること無く、クランプに際しては被クランプ部との摺動を接触のみとし、且つ係合凹部におけるアクセス困難な領域を必要最小限にとどめるポッドクランプユニット、当該ユニットに対応したポッドおよび当該ユニットを用いたクランプ機構或いはクランプ方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明に係るポッドクランプユニットは、一側面に開口するポッド本体と開口を開閉する蓋とを有すると共にその内部にウエハを収容可能なポッドを載置台の表面上に固定して蓋を開閉してポッド内部へのウエハの挿脱を可能とするポッドオープナにおいてポッドを載置台に対して固定するポッドクランプユニットであって、載置台の裏面に固定されて水平シリンダロッドの一端を支持すると共に水平シリンダロッドを第一の方向に伸縮する水平シリンダと、水平シリンダロッドの他端に固定されて垂直シリンダロッドの一端を支持すると共に垂直シリンダロッドを第二の方向に伸縮する垂直シリンダと、垂直シリンダロッドの他端に固定されたクランプ部材とを有し、載置台は更に垂直シリンダロッドが貫通可能でありクランプ部材が載置台の表面側に存在することを可能とする開口を有し、クランプ部材は、垂直シリンダロッドが縮んだ状態において、載置台表面にポッドを載置した際にポッドの底面と接触しない、載置台表面からの所定高さに位置することを特徴としている。

また、上記課題を解決するために、本発明に係るポッドクランプ機構は、上述したポッドクランプユニットとポッドの底面に設けられた係合凹部とからなるポッドクランプ機構であって、係合凹部は、クランプ部材を所定深さに収容可能な内部深さを有する係合穴と、クランプ部材が進入可能な広さを有する係合穴に連通する開口部分と、クランプ部材が第一の方向に駆動することでクランプ部の一部と係合可能となり、開口部分と隣接して係合穴の一部を閉鎖する被クランプ部分とを有することを特徴としている。

また、上記課題を解決するために、本発明に係るポッドは、一側面に開口するポッド本体と開口を開閉する蓋とを有すると共にその内部にウエハを収容可能なポッドであって、蓋を開閉してポッド内部へのウエハの挿脱を可能とするポッドオープナにおける載置台上に載置され載置台に対して固定される際に用いられる係合凹部を有し、係合凹部は、ポッドオープナにおけるクランプ部材を所定深さに収容可能な内部深さを有する係合穴と、クランプ部材が進入可能な広さを有する係合穴に連通する開口部分と、クランプ部材が第一の方向に駆動することでクランプ部の一部と係合可能となり、開口部分と隣接して係合穴の一部を閉鎖する被クランプ部分とを有することを特徴としている。

また、上記課題を解決するために、本発明に係るポッドクランプ方法は、一側面に開口するポッド本体と開口を開閉する蓋とを有すると共にその内部にウエハを収容可能なポッドを載置台の表面上に固定し蓋を開閉してポッド内部へのウエハの挿脱を可能とするポッドオープナにおいてポッドを載置台に対して固定するポッドクランプ方法であって、載置台の表面上の所定位置にポッドを載置する工程と、載置台表面からポッド底面に設けられた係合凹部に載置台に配置されたクランプ部材を第一のシリンダを用いて突出させる工程と、クランプ部材および第一のシリンダを第二のシリンダを用いて所定の方向に移動する工程と、第一のシリンダを用いてクランプ部材を突出させる方向とは逆の方向に移動させて係合凹部の開口部に隣接する被クランプ部分とクランプ部材とを係合する工程とを有することを特徴としている。

本発明によれば、クランプ用部材は載置台表面より下方に存在することとなり、ポッドを載置台上に載置する際に、位置決めピンを用いた位置決め操作を容易且つ円滑に行うことが可能となる。また、エアシリンダ等を用いて、クランプ用部材の駆動に要する機構を簡易且つ小型のものから構成することを可能としている。即ち、本発明においては、特許文献４と異なり、位置軸方向にのみロッドの伸縮が可能な小型のシリンダを複数用いてクランプ機構を構成するため、クランプユニットとしての外形を小さくし且つその重量も小さく抑えることが可能である。従って、これまでのFIMSシステムにおける種々の機構の配置等を大きく変更することなく、本発明に係る構成を用いることが可能となる。その結果、当該クランプユニットが固定される載置台の軽量化とその構成の簡略化を図ることが可能となり、載置台の移載機構、更にはFIMSシステムとしての構成の簡略化、軽量化を図ることが可能となる。

また、クランプ時においては、クランプ用部材と、被クランプ部表面とが接触した位置から互いに移動することが無いために、これら部材の擦り合わせによるパーティクル等は大幅に低減される。また、係合凹部における外部からのアクセスが困難な領域は、必要最小限の大きさとなる被クランプ部の裏面だけとなり、この部分の洗浄作業も容易に行うことが可能となる。

本発明に係るクランプ機構の実施形態について、以下図面を参照して説明する。図１は、本発明に係るクランプ機構の実施形態の概略構成を示す図である。本発明に係るクランプ機構は、ポッド本体１０６の下面に設けられた係合凹部３１と、FIMSシステム１４０に配置されたクランプユニット１とから構成される。ポッド本体６の底面に設けられた係合凹部３１は、係合穴３１ｂと、その係合穴の開口３１ａと、係合穴３１ｂと隣接して当該係合穴３１ｂの一部を覆うように係合凹部３１の中央に向けて突出した被クランプ部３３とを有する。

本実施の形態において、係合穴３１ｂ深さは、後述するクランプ部材を所定深さに収容可能であると共に当該クランプ部材が載置台表面と略平行は第一の方向に移動可能となる内部深さとされている。なお、ポッド本体１０６は、載置台１１９上の不図示の位置決めピンおよび略平坦なポッド受面によって支持されており、クランプ機構周辺に関しては、図示の如くポッド本体１０６の下面は載置台１１９の表面より隔置された状態で維持される。

クランプユニット１は、クランプ部材３、垂直シリンダロッド５、垂直シリンダ７、垂直運動ガイド９、水平シリンダロッド１１、水平シリンダ１３、水平シリンダガイド１５とを有している。クランプ部材３は、載置台１１９に形成された開口１１９ａを貫通して垂直方向（図中Ａにて示す矢印方向）に伸縮可能な垂直シリンダロッド５の上端部に固定されている。また、垂直シリンダロッド５は初期位置（点線にて示す位置）において、ポッド本体１０６を載置台１１９上に載置する際に、ポッド本体１０６下面とクランプ部材３とが接触しない位置にて、クランプ部材３を保持、待機している。

垂直シリンダロッド５の下端部は垂直シリンダ７に支持されて伸縮可能とされており、垂直シリンダ７本体に固定された垂直運動ガイド９によってその伸縮方向を規定されている。垂直シリンダ７および垂直運動ガイド９は、載置台１１９の下部空間内に配置されている。垂直シリンダ７は、更にポッド本体底面と略平行な方向（図中Ｂにて示す矢印方向）伸縮可能な水平シリンダロッド１１の一端部に固定されている。水平シリンダロッド１１の他端部は水平シリンダ１３に支持されており、水平シリンダ１３或いは載置台１１９に固定された水平運動ガイド１５によってその伸縮方向を規定されている。また、水平シリンダ１３は、載置台１１９に対して固定されている。

これら構成を有することによって、クランプ部材３は、初期状態においては、ポッド本体１０６の下面と接触する可能性のない位置にて待機し、クランプ動作時においてはＢ（垂直）方向およびＡ（水平）方向に独立して駆動することを可能としている。なお、ここで述べる水平方向および垂直方向は、ポッドの下面に対して便宜的に規定される方向であり、ポッドの形状等に応じて各々直行する第一および第二の方向として適宜設定されることが望ましい。

次に、これらクランプ機構による実際のクランプ動作について図1、および図２Ａおよび２Ｂを参照して述べる。ポッド本体１０６が載置台１１９上に載置され、その位置決めが不図示の位置決めピン等によって行われた状態でのクランプ部材３の配置は、図1における点線にて示されるように、ポッド本体１０６の下面より下方に位置している。クランプ動作に際しては、垂直シリンダロッド５が垂直シリンダ7によって伸長され、クランプ部材３が係合凹部３１内部に突出、侵入する。続いて、水平シリンダロッド１１が水平シリンダ１３によって短縮され、垂直シリンダ７等と共にクランプ部材３が、被クランプ部３３が配置された方向に移動される。クランプ部３が被クランプ部３３と係合可能な所定の水平位置に達しところで、この移動が停止される。この状態が図２Ａに示される。

水平シリンダ１３によるクランプ部材３等の移動が終了した後、垂直シリンダロッド５が短縮される。この短縮操作は、クランプ部材３のクランプ部３ａと被クランプ部３３の係合面３３ａとが接触、係合した時点で停止される。この停止操作は、垂直シリンダ７として所定の負荷以上は駆動不能となるシリンダを用いることで係合と共に自動的にその駆動が停止することとすることが好ましい。この垂直シリンダ７による所定の負荷が、クランプ部３ａと係合面３３ａとの間に与えられることにより、ポッド本体１０６は載置台１１９に対して、所定の負荷を伴って固定されることとなる。

なお、上述した実施の形態におけるクランプ部材３および被クランプ部３３の形状は、図示されたものに限定されるものではなく、適当な負荷を伴って点接触し且つ摺動等を起こさない形状、配置であればこれに限定されない。また、過荷重の付加を避けることが容易であることから、各部材の駆動はシリンダを用いたエア作動方式によることとしている。しかしながら、本発明は当該作動方式に限られず、荷重の制御、位置制御等が容易である種々の細動方式からなるものと用いることとしても良い。

本発明に係るクランプ機構を実際に有するFIMSシステム、これに載置されるポッド、およびFIMSシステムが取り付けられるウエハ移載装置等について、図３および図４を用いて、以下に本発明の実施例として説明する。図３は、これら全ての構成を含むウエハ等のポッドから処理装置までの移載を行うシステムの概略構成を示している。図１に示すシステムは、ウエハ移載ロボット１１４が中央に配置された高清浄状態に保たれた微小空間１０５、当該空間１０５の一方の壁に設けられた不図示の処理装置側の基板受け取りステージ１３１、当該空間１０５の他方の壁に設けられたFIMSシステム１４０とから構成される。

FIMSシステム１４０は、微小空間１０５の他方の壁と、開口１０２と、ドア１０３、載置台１１９とを有している。開口１０２は、微小空間１０５の他方の壁に設けられている。ドア１０３は、不図示の駆動機構によって、開口１０２を当該空間１０５の内部からの閉鎖および、且つ開口１０２を開状態にする際には下方への移動を可能とする。載置台１１９は、ポッド１０６の開口面を開口１０２に対して正対させて載置可能であり、且つ載置台駆動装置１１５（図４参照）によって開口１０２に対してポッド１０６を接近或いは隔置可能となっている。ポッド１０６は、その内部に、複数のウエハ７を垂直方向に等間隔空けて収容している。ポッド１０６の開口面には、これを閉鎖するための蓋１０４に固定されており、FIMSシステムにおけるウエハの挿脱に際して当該蓋１０４は、ドア１０３に保持されてドア１０３と共に下方に移動される。

FIMSシステム１４０における載置台１１９、開口１０２、およびドア１０３およびこれらに付随する構成の略断面状態を図４に示す。載置台１１９は、開口１０２が形成された壁１１０と一体化されたテーブル１０９上に配置される。載置台１１９は、支持部材１２３を介してエアシリンダ１１５と接続されている。エアシリンダ１１５はテーブル１０９に設けられた矩形穴１２４内部においてテーブル１０９に対して固定されており、載置台１１９を壁１１０に対して接近或いは隔置するために用いされる。載置台１１９の壁１１０方向に対する移動量は、当接部材１２２が矩形穴１２４の端部と当接することによって規制される。

載置台１１９の下面には、前述したように水平シリンダ１３が固定されている。なお、水平シリンダおよびその他のクランプ機構を構成する各要素の配置、および関係は、実施の形態において述べた内容と特に異なる部分は無いことからここでの説明は省略する。以上に述べた構成からなるクランプ機構を用いることにより、載置台１１９の表面には、位置決めピン以外にその上面に突出する部材は存在しなくなる。従って、ポッド下面と、載置台表面との不必要な接触、およびこれに伴うポッド底部の磨耗等を無くすことが可能となる。また、載置台表面が略平坦となることにより、オープンカセットに対しても対応することが可能となる。

本発明の実施の形態にかかるクランプ機構に関し、その概略構成を示す側面図である。（Ａ）図１に示すクランプ機構に関し、その動作状態を示す図である。（Ｂ）図１に示すクランプ機構に関し、その動作状態を示す図である。本発明に係るクランプ機構を用いたFIMSシステム等の実施例を示す概略図である。図３に示すFIMSシステムの主要部の部分断面を含む側面図である。

符号の説明

１：クランプユニット
３：クランプ部材
５：垂直シリンダロッド
７：垂直シリンダ
９：垂直方向ガイド
１１：水平シリンダロッド
１３：水平シリンダ
１５：水平方向ガイド
３１：係合凹部
３３：被クランプ部
１０２：開口
１０３：ドア
１０４：蓋
１０５：微小空間
１０６：ポッド本体
１０７：ウエハ
１０９：テーブル
１１０：壁
１１２：載置台
１１４：移載ロボット
１１５：エアシリンダ
１２２：当接部材
１２３：支持部材
１２４：矩形穴
１３１：ウエハ受け取りステージ

Claims

一側面に開口するポッド本体と前記開口を開閉する蓋とを有すると共にその内部にウエハを収容可能なポッドを載置台の表面上に固定し、前記蓋を開閉して前記ポッド内部への前記ウエハの挿脱を可能とするポッドオープナにおいて、前記ポッドを前記載置台に対して固定するポッドクランプユニットであって、
前記載置台の裏面に固定されて水平シリンダロッドの一端を支持すると共に前記水平シリンダロッドを第一の方向に伸縮する水平シリンダと、
前記水平シリンダロッドの他端に固定されて、垂直シリンダロッドの一端を支持すると共に前記垂直シリンダロッドを第二の方向に伸縮する垂直シリンダと、
前記垂直シリンダロッドの他端に固定されたクランプ部材とを有し、
前記載置台は更に前記垂直シリンダロッドが貫通可能であり前記クランプ部材が前記載置台の表面側に存在することを可能とする開口を有し、
前記クランプ部材は、前記垂直シリンダロッドが縮んだ状態において、前記載置台表面に前記ポッドを載置した際に前記ポッドの底面と接触しない、前記載置台表面からの所定高さに位置することを特徴とするポッドクランプユニット。
請求項１記載のポッドクランプユニットと、前記ポッドの底面に設けられた係合凹部とからなるポッドクランプ機構であって、
前記係合凹部は、前記クランプ部材を所定深さに収容可能な内部深さを有する係合穴と、前記クランプ部材が進入可能な広さを有する前記係合穴に連通する開口部分と、前記クランプ部材が前記第一の方向に駆動することで前記クランプ部の一部と係合可能となり、前記開口部分と隣接して前記係合穴の一部を閉鎖する被クランプ部分とを有することを特徴とするポッドクランプ機構。
一側面に開口するポッド本体と前記開口を開閉する蓋とを有すると共にその内部にウエハを収容可能なポッドを載置台の表面上に固定し、前記蓋を開閉して前記ポッド内部への前記ウエハの挿脱を可能とするポッドオープナにおいて、前記ポッドを前記載置台に対して固定するポッドクランプ方法であって、
前記載置台の表面上の所定位置に前記ポッドを載置する工程と、
前記載置台表面から前記ポッド底面に設けられた係合凹部に、前記載置台に配置されたクランプ部材を第一のシリンダを用いて突出させる工程と、
前記クランプ部材および第一のシリンダを、第二のシリンダを用いて所定の方向に移動する工程と、
前記第一のシリンダを用いて前記クランプ部材を前記突出させる方向とは逆の方向に移動させて、前記係合凹部の開口部に隣接する被クランプ部分と前記クランプ部材とを係合する工程とを有することを特徴とするポッドクランプ方法。