JP4305652B2 - ウェハ位置教示方法 - Google Patents

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方法に関するものである。また前記方法に用いる教示用治具に関するものである。

半導体製造設備において、収納容器と処理装置の間、あるいは処理装置相互間の半導体ウェハの搬送に、教示再生型のロボットが多用されている。このロボットの教示作業は、作業者が収納容器等の内部に載置された半導体ウェハを視認しながら、ティーチングペンダントを操作してロボットに半導体ウェハの位置を手動で教示していた。
半導体製造設備のシステム図面（ロボットと収納容器等の位置関係を示す図面）から、半導体ウェハの位置を直接入力する方法や、パソコン上でシミュレーションしながら教示する、いわゆるオフラインティーチングなどの方法もあるが、これらの方法を実行したとしても、ロボット自身のキャリブレーション誤差、装置の加工精度、組み付け誤差などを補正するために、個別の装置毎に直接、手動で教示する必要があった。
また、ロボットのハンドに距離センサを取り付けて、前記距離センサで搬送対象物を検出して、自動的にロボットの位置決めを行なう、いわゆるオートティーチングも各種提案されている（例えば、特許第２８９８５８７号、特開平１０−６２６２号）。
ところが、従来の方法では、収納容器や処理装置に作業者が接近するのが困難な場合が多いので、作業者が半導体ウェハを直接視認するのが、困難あるいは不可能な場合があり、トライアンドエラーの繰り返しが必要であった。
また、作業者の個人差による教示作業の品質の差が生じるので、同じシステムであってもロボットの動作にバラツキが生じるという問題があった。
また、従来提案されているオートティーチングの方法では、１方向の距離センサで検出した情報をもとにウェハの位置を推定するので、ロボットに対するウェハの距離は比較的に精度良く求められるが、ウェハの方向の精度に関して満足できないというケースがあり問題であった。
特許第２８９８５８７号 特開平１０−６２６２号

そこで本発明は、作業者の視覚に拠らないで半導体ウェハの位置を精度良く、自動的に教示する方法を提供することを目的とするものである。また、その方法に使用する教示用治具を提供することを目的とするものである。

上記の課題を解決するために、請求項１の発明は、ウェハ把持部に載置した半導体ウェハを、伸縮軸、旋回軸、及び昇降軸を動作させて収納容器と処理装置の間あるいは処理装置相互の間で搬送するロボットに前記半導体ウェハの位置を教示する方法において、前記ウェハ把持部の先端に設けられ、前記伸縮軸及び昇降軸に直交する光軸を有する第１の透過式センサと、前記収納容器あるいは前記処理装置に載置可能な大円板部と前記大円板部の中心に立設された小円ピンとからなる教示用治具と、前記小円ピンを検出可能な第２の透過式センサが固定され、前記ウェハ把持部に着脱可能なセンサ用治具と、を準備し、前記収納容器あるいは前記処理装置の前記半導体ウェハを搬送する位置に前記教示用治具を設置し、前記第２の透過式センサの光軸が前記伸縮軸と平行となるよう前記センサ用治具を前記ウェハ把持部に設置し、前記第１の透過式センサで前記大円板部の外周部を検出して前記教示用治具の高さ方向の位置を求める第１の段階と、前記旋回軸を動作させ、異なった方向から前記第１の透過式センサで前記小円ピンを複数回検出することによって前記旋回軸の前記小円ピンまでの距離と角度とを求める第２の段階と、前記第２の段階で求めた前記小円ピンまでの距離と角度に基づいて前記第２の透過式センサの光軸を前記小円ピンに接近させ、前記旋回軸を動作させて前記第２の透過式センサで前記小円ピンの側面を検出して前記旋回軸の前記小円ピンまでの角度を求める第３の段階と、を含み、前記第１の段階で求めた前記教示用治具の高さ方向の位置から前記昇降軸の座標を教示し、前記第２の段階で求めた前記旋回軸の前記小円ピンまでの距離から前記伸縮軸の座標を教示し、前記第３の段階で求めた前記旋回軸の前記小円ピンまでの角度から前記旋回軸の座標を教示することを特徴とするウェハ位置教示方法とするものである。

以上述べたように、本発明によれば、教示用治具をウェハ把持部に取り付けた透過式センサで検出することにより、半導体ウェハの位置を自動的に教示できるので、半導体ウェハが作業者から直接視認できない場所に置かれていても、正確な教示ができるという効果がある。また、作業者のスキルの巧拙に関わらず、一定の品質の教示結果が得られるという効果がある。
また、本発明によれば、第２の透過式センサで、小円ピンを直接センシングするので、θ軸の位置教示の精度を向上できる効果がある。
また、本発明によれば、第２の透過式センサをロボットハンド上の半導体ウェハ載置部の略中心に配置するので、実際にウェハを載置する姿勢に近い姿勢で位置教示ができる。そのため、ロボットの相対移動精度がよくない場合でも、θ軸の位置教示の精度を向上できる効果がある。
また、本発明によれば、第２の透過式センサの光軸を第１の透過式センサの光軸と略直交となるように配置するので、θ軸の位置教示の精度を向上できる効果がある。

以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。図１および図２は本発明の実施例を示すロボットの平面図であり、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の透過式センサ６を備えている。
図に示すように、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。
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は本発明の実施例を示す透過式センサの説明図である。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および図６は本発明の実施例を示すウェハ位置教示方法の説明図である。図において、１１は大円板部１２と小円板部１３の中心を一致させて上下に重ねて結合した教示用治具である。大円板部１２の直径は実物の半導体ウェハに等しく、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。また大円板部１２と小円板部１３の相対位置は、事前に測定されているので、小円板部１３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。

次に、ウェハ位置教示方法の手順を説明する。
（ステップ１）教示治具１１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。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、教示用治具１１は正しく位置決めさせる。
（ステップ２）作業者の操作により、図６に示すように、ウェハ把持部５を小円板部１３の上に移動させる。
（ステップ３）ウェハ把持部５を下降させ、小円板部１３の上面を第１の透過式センサ６で検出し、その時のロボット１のＺ軸の座標値Ｚ１を記録する。さらにウェハ把持部５を下降させ、小円板部１３の下面を第１の透過式センサ６で検出し、その時のロボット１のＺ軸の座標値Ｚ２を記録する。
（ステップ４）ロボット１のＺ軸の座標値を（Ｚ１＋Ｚ２）／２にする。つまり、ウェハ把持部５の高さを小円板部１３の上面と下面の中間に設定する。
（ステップ５）Ｒ軸を動作させて、第１の透過式センサ６が小円板部１３を検出しない位置までアームを縮める。
（ステップ６）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を小円板部１３にゆっくり接近させ、第１の透過式センサ６が小円部１３を最初に検出した（つまり光軸１０が小円板部１３の円周に接した）時の、θ軸とＲ軸の座標を記録する。
（ステップ７）ステップ５とステップ６を繰り返して、ウェハ把持部５を異なる方向から小円板部１３に接近させて、光軸１０が小円板部１３の円周に接する時のθ軸とＲ軸の座標を複数組求め、これらの値から、小円板部１３の中心の位置を求めて記録する。
以上のようにして、小円板部１３の位置が求まる。小円板部１３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の位置すなわち、収納容器等に載置された半導体ウェハの位置が求まるわけである。
また、ステップ２からステップ７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。
また、教示対象の処理装置がプリアライナのような、円板状の台座の上に半導体ウェハを載置する装置であれば、教示用治具１１の小円板部１３に代えて、前記台座に対して、ステップ１からステップ７の操作を行なって、半導体ウェハの位置を教示できる。

次に、ステップ２ないしステップ７において、小円板部１３の中心座標（θｓ，Ｒｓ）を求める計算の手順の詳細を説明する。図７はステップ６において、光軸１０が小円板部１３の円周に接した状態を示す説明図である。θｉ、Ｒｉは第１の透過式センサ６の光軸１０が小円板１３の円周に接した時のロボット１のθ軸およびＲ軸の座標である。Ｒｍは光軸１０と小円板１３の円周の接点と第１アーム３の旋回中心の距離であり、ｒは小円板部１３の半径であるとすると、下記の式が成り立つ。
Ｒｉ＋ｒ＝（Ｒｍ＋ｒ）＊ｃｏｓ（θｉ−θｓ） （式１）
ここで、Ｒｓ＝Ｒｍ＋ｒだから、
Ｒｉ＋ｒ＝Ｒｓ＊ｃｏｓ（θｉ−θｓ） （式２）
変形すると、
Ｒｉ＋ｒ＝Ｒｓ＊ｃｏｓθｓ＊ｃｏｓθｉ＋Ｒｓ＊ｓｉｎθｓ＊ｓｉｎθｉ（式３）
ここで、Ａ＝Ｒｓ＊ｃｏｓθｓ，Ｂ＝Ｒｓ＊ｓｉｎθｓとおくと、下記の式が得られる。
Ｒｉ＋ｒ＝Ａ＊ｃｏｓθｉ＋Ｂ＊ｓｉｎθｉ （式４）
ここで、ステップ７で説明したように、ウェハ把持部５の向きを変えて、計測を繰り返して、θｉ、Ｒｉの値を３組以上求めて、最小２乗法を用いて係数Ａ，Ｂを決定する。
係数Ａ，Ｂが決定するとθｓは下記の式で得られる。
θｓ＝ｔａｎ−１（Ｂ／Ａ） （式５）
また、ｃｏｓθｓ＝Ａ／√（Ａ２＋Ｂ２）だから、Ｒｓは下記の式で得られる。
Ｒｓ＝√（Ａ２＋Ｂ２） （式６）

次に、本発明の第２の具体的実施例について説明する。
図８は本発明の実施に用いるセンサ用治具１４の平面図である。１５はセンサマウント板である。センサマウント板１５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１６を４個設けている。位置決め穴１６は後述するウェハ把持部の位置決めピンとセンサ用治具１４を前記ウェハ把持部に正しく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１７であり、センサ用治具１４をロウェハ把持部に取り付けたときに、前記ウェハ把持部の第１の透過式センサの光軸とセンサマウント板１５が干渉するのを避けるとともに、後述する教示用治具のピンとセンサマウント板１５の干渉を避けるための切り欠きである。１８は第２の透過式センサであり、センサマウント板１５の中心に固定されている。１９は第２の透過式センサ１８の光軸である。第２の透過式センサは略コ字型をなし、その開口の幅、つまり、光軸１９の長さは約１３ｍｍである。第２の透過式センサ１８は、センサマウント板１５の中心に固定されているので、センサ用治具１４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の透過式センサが位置する。２０は第２の透過式センサ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。

図９はセンサ用治具１４の別の例を示す平面図である。このセンサ用治具１４は、センサマウント板１５のセンシング用切り欠き１７を必要最小限度の大きさと形状にするとともに、センサマウント板１５の外縁の一部をカットしたことを特徴とするものであり、その他の構成と機能は図８に示したセンサ用治具１４と同じである。

次に、これらのセンシング用治具を用いたウェハ位置教示方法を説明する。図１０は本発明の第２の実施例を示すウェハ位置教示方法の説明図であり、センシング用治具１４をロボットウェハ把持部５に取り付けて教示治具２１に接近させた状態を示している。ロボットウェハ把持部５は第１の実施例で説明したものと同一であるが、位置決めピン２２とセンサケーブル接続コネクタ２３を備えた点で異なる。位置決めピン２２はセンサマウント板１５の位置決め穴（本図では、図示していない）と嵌合して、センサ用治具１４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２３はセンサケーブル２０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、センシング用治具１４に固定された第２の透過式センサ１８の光軸１９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１９は直交している。教示治具２１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２４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２４の直径は約３ｍｍである。この直径の大きさは第２の透過式センサ１８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。大円板部１２と小円ピン２４の相対位置は、事前に測定されているので、小円ピン２４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。

本発明の第２の実施例のウェハ位置教示方法の処理手順を図１１に示す。以下、この処理手順をステップを追って説明する。
（ステップ１）センサ用治具１４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１６と位置決めピン２２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２０をコネクタ２３へ接続する。
（ステップ２）教示治具２１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。教示用治具２１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２１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１２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の透過式センサ６が小円ピン２４を検出できる高さへ設定する。
（ステップ６）第１の透過式センサ６が小円ピン２４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２４にゆっくり接近させ、第１の透過式センサ６が小円ピン２４を最初に検出した（つまり光軸１０が小円ピン２４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２４に接近させて、光軸１０が小円ピン２４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２４の中心の位置（θｓ、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２４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１３に示す位置へ移動させる。センサマウント板１５とそのセンシング用切り欠き１７と第２の透過式センサ１８の寸法は事前に測定されているので、小円ピン２４との干渉を回避して図１３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の透過式センサ１８の光軸１９を小円ピン２４にゆっくり接近させ、第２の透過式センサ１８が小円ピン２４を最初に検出した（つまり光軸１９が小円ピン２４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の透過式センサ１８が小円ピン２４を検出しなくなった（つまり光軸１９が小円ピン２４の左側面から離れた）時のθ軸の座標値θ２を記録する。
小円ピン２４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８で求めたＲｓをＲ軸の推定値とし、ステップ１０で記憶したθ１、θ２より（θ１＋θ２）／２をθ軸の推定値として保存する。

以上のようにして、小円ピン２４の位置が求まる。小円ピン２４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るわけである。
また、ステップ３からステップ１０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。
ステップ８での最小２乗法による（θｓ、Ｒｓ）の導出は、前記第１の実施例で説明済みであるので省略する。
なお、本実施例では、センサ用治具１４をロボットのウェハ把持部５に位置決めするのに、位置決めピン穴１６と位置決めピン２２を利用したが、センサマウント板１５を搬送対象の半導体ウェハと同一の径にすれば、ウェハ把持部５自体の把持機構の作用で自動的に位置決めできるので、このような態様を選択してもよい。また、センサ用治具１４をロボットのウェハ把持部５に正しく位置決めする手段であれば、その他の手段を選んでもよい。

なお、以上で説明した実施例において、半導体ウェハを載置する台座の位置を検出して、半導体ウェハの位置を教示すれば、教示用治具を必要とせず、安価に実施できると言う効果がある。
また、計測を複数回繰り返して、教示用治具の位置を最小２乗法を用いて決定すれば、半導体ウェハの位置をさらに精度良く教示できると言う効果がある。
また、教示用治具は、実際の半導体ウェハと同一の外径の大円板部とすれば、収納容器当に正しく載置でき、位置教示の精度を向上できる効果がある。
また、第２の透過式センサをロボットハンド上の半導体ウェハ載置部の略中心に配置すれば、実際にウェハを載置する姿勢に近い姿勢で位置教示ができる。そのため、ロボットの相対移動精度がよくない場合でも、θ軸の位置教示の精度を向上できる効果がある。
また、センサ用治具に、第１の透過式センサの光軸との干渉を避けるため切欠き部を設ければ、水平面内におけるセンサ用治具と小円ピンの干渉がないので、Ｒ軸とθ軸のみを操作して、第２の透過式センサを小円ピンに接近させることができる。したがって上下方向（Ｚ軸方向）の余裕に乏しい狭い空間においてもウェハ位置の自動教示を実行できる効果がある。

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方法として有用である。また前記方法に用いる教示用治具として有用である。

本発明の実施に使用するロボットの平面図 本発明の実施に使用するロボットの別の平面図 本発明の実施に使用するロボットの側面図 本発明の第１の透過式センサの説明図 本発明の第１実施例のウェハ位置教示方法の説明図 本発明の第１実施例のウェハ位置教示方法の説明図 本発明の第１実施例のウェハ位置教示方法の説明図 本発明の第２実施例のセンサ用治具の説明図 本発明の第２実施例の別の形態のセンサ用治具の平面図 本発明の第２実施例のウェハ位置教示方法の説明図 本発明の第２実施例のウェハ位置教示方法の処理手順のフローチャート 本発明の第２実施例のウェハ位置教示方法におけるステップ３の状態を示す図 本発明の第２実施例のウェハ位置教示方法におけるステップ９の状態を示す図

符号の説明

５ ウェハ把持部
Ｗ 半導体ウェハ
６ 第１の透過式センサ
１２ 大円板部
２４ 小円ピン
２１ 教示用治具
１８ 第２の透過式センサ
１４ センサ用治具
Ｒ軸 伸縮軸
θ軸 旋回軸
Ｚ軸 昇降軸

Claims (1)

1. ウェハ把持部に載置した半導体ウェハを、伸縮軸、旋回軸、及び昇降軸を動作させて収納容器と処理装置の間あるいは処理装置相互の間で搬送するロボットに前記半導体ウェハの位置を教示する方法において、
   前記ウェハ把持部の先端に設けられ、前記伸縮軸及び昇降軸に直交する光軸を有する第１の透過式センサと、前記収納容器あるいは前記処理装置に載置可能な大円板部と前記大円板部の中心に立設された小円ピンとからなる教示用治具と、前記小円ピンを検出可能な第２の透過式センサが固定され、前記ウェハ把持部に着脱可能なセンサ用治具と、を準備し、
   前記収納容器あるいは前記処理装置の前記半導体ウェハを搬送する位置に前記教示用治具を設置し、
   前記第２の透過式センサの光軸が前記伸縮軸と平行となるよう前記センサ用治具を前記ウェハ把持部に設置し、
   前記第１の透過式センサで前記大円板部の外周部を検出して前記教示用治具の高さ方向の位置を求める第１の段階と、
   前記旋回軸を動作させ、異なった方向から前記第１の透過式センサで前記小円ピンを複数回検出することによって前記旋回軸の前記小円ピンまでの距離と角度とを求める第２の段階と、
   前記第２の段階で求めた前記小円ピンまでの距離と角度に基づいて前記第２の透過式センサの光軸を前記小円ピンに接近させ、前記旋回軸を動作させて前記第２の透過式センサで前記小円ピンの側面を検出して前記旋回軸の前記小円ピンまでの角度を求める第３の段階と、を含み、
   前記第１の段階で求めた前記教示用治具の高さ方向の位置から前記昇降軸の座標を教示し、
   前記第２の段階で求めた前記旋回軸の前記小円ピンまでの距離から前記伸縮軸の座標を教示し、
   前記第３の段階で求めた前記旋回軸の前記小円ピンまでの角度から前記旋回軸の座標を教示することを特徴とするウェハ位置教示方法。

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