JP4436772B2 - 物体の正確な運動を提供するためのロボット案内組立体 - Google Patents

Description

本発明は、物体の正確な運動を提供するロボット案内組立体、物体の表面を検査するための検査装置、及びそのような検査装置において実施される方法に関する。

半導体ウェーハは、クリーンルーム環境で複雑な多段階のプロセスにより製造される。ウェーハからの精巧な電子チップの製造は、約１５０ステップをも含む場合がある。サブミクロン領域における技術はとても精密であり、多くの段階の各々において欠陥または障害が存在する可能性があり、これらはできるだけ早く見つけだす必要がある。

半導体プロセスのいたるところで、例えば、顕微鏡のようなウェーハ測定装置において、例えば、位置決めステージのような精密な運動システムが使用される。

共通する段取りは、測定装置内で、自己内蔵型の、すなわち、機能的に独立している、ＸＹ運動システムを使用することであり、該システムは、一つの生産段階または検査段階から次の生産段階または検査段階にウェーハを搬送させるためのロボットを含むウェーハ・ハンドリング・システムからウェーハが搬送されるチャックを有する。これは典型的なワークフローに帰結する。
１． ＸＹ運動システムが装填位置に移動し、
２． そこでウェーハがロボットからＸＹ運動システムのチャックに搬送され、この後、ウェーハを測定手段に移動し、
３． 測定プロセスまたは検査プロセスが実施され、次に、
４． 該運動システムは、ウェーハを装填位置に戻し、
５． そこでウェーハは、ハンドリング・システムまたはロボットに搬送される。

このフローをシステムの観点からみると、２つの同様の運動システム、つまりハンドリング・システムと測定装置のＸＹ運動システムとがあることが分かる。このようなハンドリング・システムにおいて、処理量は、ロボット・ハンドラーによって渡される材料を測定装置が待たなければならない時間に大きく依存する。さらに、注目すべきは従来のシステムにおいては、二つの分離した運動システムがハンドリング・プロセス及び測定プロセスのために必要なことである

これら等のまたその他の不利な点が本発明の目的に通ずるものであり、特に、本発明は、既知の運動システムを単純化し、かつ、生産プロセスおよび／または検査プロセスのスループットを増大させることを目的としている。

本発明の解決策は、独立クレームで規定された装置によって得られる。さらなる改良及び有利な点が各従属クレームに記載された特徴により得られる。

本発明は、物体の正確な運動を提供するための、特にウェーハのようなディスク状要素の正確な運動を提供するための、ロボット手段を含むロボット案内組立体に係わり、該ロボット手段は、自由端およびロボット手段に取り付けられている固定端を含む少なくとも一つのロボット・アームを含み、該ロボット手段は、少なくとも一つの移動平面において、該アームの自由端を動かすようにされており、それによって、少なくとも該平面において、該アームの自由端を正確に案内するための、案内手段が設けられている。

このように、初めて、本発明は、測定装置内の余分な運動システムの必要性をなくし、測定装置のための運動システムとしても、ウェーハ・ハンドリング・システム毎に存在するロボットを利用する可能性を示している。大いに有利な形で、これはコストを削減し、かつ、ハンドリング・システムから測定用運動システムへのウェーハを搬送するための時間の節約により、ウェーハの測定のためのサイクル時間も削減する。そのうえ、注目すべきは、スカラ・ロボットまたはリニアロボットのような様々なタイプのハンドリング・ロボットを本発明に用いることができることである。

ロボットの運動システムに依存して、すなわち、ロボットが線形―半径軸またはｒ移動軸と、回転ステージ軸またはθ移動軸とを（ｒθ）有する極座標系を有するか、または、ＸＹ運動のためのデカルト（直交）座標系を有するかによって、好適には一つまたは二つまたはより多くの高精度の移動軸または案内軸を含む案内手段が設けられている。従って、ロボット・アームの端部、または、その端部で物体またはディスク状要素を受けて保持するためのロボット・アームの端部に取り付けられたエンドエフェクター手段が、各軸に沿って正確に動かされることが確保される。そうでなければ、エンドエフェクターの動作が、内部スキャンのための、例えば、マイクロスコープのための高精度の要求に応えることができない。ｒθシステムの場合には、一般的には一つの運動軸で十分である。ＸＹ運動システムを用いる時には、２つの積層リニア軸が設けられている。これらの軸ついての運動方向は、９０°ずらしてデカルト座標系を与えている。

運動システムの選択は、適切なエンドエフェクター手段の選択にも影響を与える。従って、例えば、本発明により、もし、例えば、ｒθ運動システムを有するスカラ・ロボットが使用された場合、ディスク状要素をその回転軸を中心として回転させる能力を有利に有するエンドエフェクターが設けられる。このようなエンドエフェクターは、ＷＯ０２／０２２８２Ａ１により開示されており、参照としてここに組み込まれる。

従って、大いに有利には、エンドエフェクターが、別途必要となるであろう別個の回転ステージの運動に取って代わる。さらに、これは腕関節の角度方位(angular orientation)の依存性、従って、スカラ・ロボットのエンドエフェクターのそれが、とても簡単に解消できる。上記した角度方位の依存性の解消は、それらのロボットのエンドエフェクターがθ軸に対して常に半径方向に向く事実に起因するものである。

本発明の別のさらなる技術的成果は、前記案内手段にロボット・アームの端部、および／または、エンドエフェクター手段を取り外し自在に装着するための装着機構の提供に関する。好適には、装着機構は、ステージの一側または上側に配置された空気係止手段を含み、ステージのその反対側は滑動手段を含む。滑動手段は、既知の種類の軸受けを、例えば交差ころ軸受、循環ボール・キャリッジを有する断面ガイド（profiled guides）、または、空気軸受けをも含むことができる。これらの滑動手段は、ステージを、従ってロボット・アームの端部またはエンドエフェクターを正確に案内する目的の装着要素に配置されたレールと協働する。

さらに、本発明の装着機構は、もし望むなら、ロック位置へのエンドエフェクターの回転を可能にする、回転の自由度を含み、腕関節の角度方向の依存性、従って上述のようなエンドエフェクターの角度依存性を解消する可能性も開く。

本発明の好適な実施形態によると、本発明の案内手段は、前記ロボット・アームの前記自由端を受動的に案内する。これは、ロボット手段が、ロボット・アームの案内された自由端、および／または、エンドエフェクター、それぞれの移動のための駆動力を提供することをだけを意味する。これは、単にロボットのモーター及び位置フィードバック要素が運動プロセスのために使用されることを含む。

本発明の組立体の運動システムのさらなる改良点として、案内手段は二次的な位置決めフィードバック・システムのための追加のエンコーダを含む。従って、ステージ位置の閉ループ制御を使用することにより、ステージが迷い込んでしまうようなことが無くなる。この点で精密な運動システムは、ステージが１００ｍｍにつき２μｍから３μｍの許容域で案内されていることを意味する。

もちろん、案内手段自体が、内部駆動装置を含むことは可能である。この場合、例えば、位置制御ループを閉じるためにその内部フィードバック・システムを利用する運動コントローラとして、ロボットを使用することができる。従って、有利には、プロセス・コントローラーに接続するための追加のインターフェースを必要としない。さらに、ロボットと、測定運動システムとが同じ制御言語を使用するので、制御プログラミングが簡単になる。

さらに、本発明のさらなる技術的成果によると、マイクロスコープのＸＹＺステージによって知られているような、内蔵式の運動システムを含む案内手段が設けられており、特に、ロボット・アームから完全にエンドエフェクターを機械的に分離することができる手段が与えられる。注目すべきは、この実施形態においてもまた、ロボットが重要な役割を果たすことである。この点に関して、例えば、ロボットは適切なエンドエフェクター（上記参照）及び電子制御機器においてディスク状要素またはウェーハの回転運動をさらに与えることができ、従って、コストを削減し、かつ、システム設計を単純化する。但し、エネルギーはロック機構を介して提供される。

本発明の別の目的は、物体の表面を検査するための、特にウェーハのようなディスク状要素の表面の検査のための、検査装置を提供することであり、該検査装置は、物体を検査するための検査手段と、該検査手段内で物体を位置決めし整合させる上記のような組立体とを含む。

さらに、本発明の範囲は、方法、特に本発明の検査装置で実施される方法に及び、ディスク状要素またはウェーハを保持するロボットのエンドエフェクターが、定められた位置で案内手段に取り付けられており、該案内手段は運動軸を有し、ディスク状要素の表面を細かく検査することができるように、該案内手段は、案内手段の運動軸における駆動により前記エンドエフェクターを検査装置にそして検査装置の内部に移動させ、それによって、検査後にエンドエフェクターは定められた位置にもどされる。その位置で、エンドエフェクターが案内手段から取り外され、従って、取り外し後、そのエンドエフェクターと共にロボットは、生産プロセスまたは検査プロセスにおける次のステーションに移動することができる。

本発明は、更なる特徴及びその利点と共に、以下の説明から明らかになる。

図１は、本発明のロボット案内組立体１の一つの実施形態の一例を示す。組立体は、二つの主な構成要素、すなわち、ロボット手段２と案内装置または案内手段３とを含む。示されたロボット手段２は、スカラ(SCARA)型ロボットである。それは、本体４と、ロボット・アーム５と、ウェーハ７を保持するエンドエフェクター６とを含む。ロボット手段２は、図１には示されていないが、ロボット・コントローラーと、ロボット・アーム５及びエンドエフェクター６を駆動するためのモーター駆動装置とを含む。エンドエフェクター６は、ウェーハ７をつかみ、かつ、保持するために使用され、図面に示されていない種々のモーター及び機械的機構を含むロボット・アーム５は、エンドエフェクター６とその把持部内に保持しているウェーハ７とを、検査プロセスまたは生産プロセスにおいて、一つのステーションから他へ移動させる。

半導体製造におけるシングル・ウェーハのハンドリングのために、ロボット２は、典型的には、三つの位置決め軸を有する。アームでウェーハ７を垂直方向上方または下方に移動させるための一つの軸をＺ軸と呼び、生産プロセスにおいて一つのステーションから他のステーションへ水平にウェーハを動かすための少なくとも二つの他の軸は典型的にはθ及びｒ軸と呼ぶ。これらのタイプのロボットは、当該技術分野でよく知られており、以下で詳細にさらなる説明は加えない。

図１の実施例によると、エンドエフェクター６がエンドエフェクター・ロック８を介して、案内装置３に取り付けられている。この目的のための案内装置はリニアガイドであり、このリニアガイドは、図１に示されていない測定装置の一部である。案内装置は、ステージ９を含み、ステージ９には、その上部に、エンドエフェクター・ロック８の係合部が取り付けられている。ステージの下部に、リニアスライダー１０が設けられている。移動および案内部材としてのこれらのリニアスライダー１０は、プレート１１上に配設された一対の平行に延在するレール１２と協働する。リニアスライダー１０は、交差ころ軸受、循環ボール・キャリッジ（recirculating ball carriage）を有する断面ガイド（profiled guide）、または、空気軸受けも含む、既知のいずれのガイドから構成することができる。機能的な観点からは、図１に示されたリニアガイド３は、受動的な案内装置（passive guide）であり、マイクロ・スコープ（不図示）のような測定装置の内部でのエンドエフェクター６の正確なロボット２駆動の直線移動を提供すべく直線上でエンドエフェクター６を押し進め、それによって、ウェーハ７の表面が、移動中、空間において、定められた向きを維持することが確保される。

しかし、完全な走査のためには、すなわち、測定装置内部における静止外側視点に関するウェーハ表面上のどの部分にも達するためには、単一の直線運動では不十分である。図１に示した実施例に関する本発明によると、この問題は、表面に対して９０°の角度を成すウェーハの対称軸を中心として、把持されたウェーハ７を回転させることができるエンドエフェクター６を用いることにより、解決される。このようなエンドエフェクター６は、例えば、ＷＯ０２／０２２８２Ａ１で開示されており、ここに参照として組み込まれている。このようなエンドエフェクター６を利用することは、一つのステーションから他のステーションにウェーハを移動させながらエンドエフェクター６がウェーハを前もって整合させることができるので独立型のプリアライナーはもはや不要であるという利点をさらに有する。

本発明の組立体または案内手段３の他の主要部分は上述のようなエンドエフェクター・ロックまたはロック機構８である。本発明の可能な実施形態の詳細図を図２に示す。ロック機構８は、ステージ９とエンドエフェクター６とを取り外し可能に結び付ける空気ロックの形態の運動学的装着（kinematic mount）であり、これによって、空気ロック（pneumatic lock）に負圧を与えることによって、エンドエフェクター６をステージ９に連結させる。負圧ロックすなわち負圧による係止は、クリーンルームの環境において特に好ましい。

ロック機構８は、３つの主要部分、すなわち、ステージ９に取り付けられるステージ・プレート１３と、以下に詳細に示されるロック機構８の主要部分を構成するロック部材１４とを含む。ロック部材１４は、エンドエフェクター・ハウジング１５（図１）の下側に収容されるエンドエフェクター・プレート１６に取り付けられており、従って、これらの係合面は精密な平坦であるとされている。エンドエフェクター・プレートを通って延在するねじ穴１７に挿入され、ロック部材１４のポケット・ホール内に端部があるねじを介して、エンドエフェクター・プレート１６はロック部材１４に固定される。

エンドエフェクター・プレートと共にロック部材は中空要素１８を形成する。中空要素１８は、薄膜（membrane）１９によって、上部チャンバー１８’と、下部チャンバー１８”とに分けられている。薄膜１９は２つのチャンバーを互いに気密にする。ロック部材の中央に中空ガイド２０が設けられている。中空ガイド２０はロック部材の一部であり、かつ、円錐状ロック・ピン２１を移動可能に収容する貫通孔２０’を含む。その下端部において、ピン２１は、薄膜１９を突き抜けており、かつ、薄膜１９を間に挟みハード・センター２４を形成するプレート２４’、２４”を含む。この点において、プレート２４”はチャンバー１８”の内部にあり、プレート２４’はチャンバー１８’の内部にある。

円錐状ロック・ピン２１は、その下部において、ブラインド・ホール２３を含み、そこに、スプリング２２の上部が導入される。スプリング２２はブラインド・ホール２３の底部に取り付けられ、かつ、エンドエフェクター・プレート１６によって支持されている。ロック機構に負圧が印加されていない場合、図２に示すように、スプリング２２が円錐状ロック・ピンを均衡位置に保持する。

ロック部材１４の上方端部において、孔ガイド２０は、ロック部材１４の上部の溝に嵌め込まれたロック・リング２５によって包囲されている。リング２５の厚みは、ロック・リング２５の内側において表面を越えて延在するリング・ノーズまたはエッジ２６が設けられていることを除いて、ロック部材１４の頂部と同じ高さである。エッジ２６の外径は、ステージ・プレート孔２７の内径と同じである。したがって、エッジ２６は、ステージ・プレート１３をロック機構８のロック位置の中心に配置させる。ステージ・プレート孔２７は孔ガイド２０のケージ部材２９と共にロック・ボール２８のためのケージを形成する。この実施例に関しては、全部で、３つのロック・ボールが１２０°の角度で存在する。

さらに、位置固定機構３１が設けられている。それは、３つの位置固定要素を含む。これらの要素３１は、ロック部材１４の上方側の外側リングに配されており（図４参照）、したがって、ロック部材１４の上部とステージ・プレート１３との間に挟まれている。位置固定要素はブラインド・ホールを含み、そこにピン３２が挿入される。ブラインド・ホールは、１２０°間隔で（図４参照）ロック部材１４の上面のキー・ノッチ３３及び、ステージ・プレート１３の下部内の溝によって形成されており、そこでノッチの配置位置はロック・ボール２８またはケージ部材２９の配置位置と同じであり、ステージ・プレート１３の下部内の溝はノッチ３３に隣接して構成されている。機能的には、本発明のロック機構８の組み付け状態において、ロック部材１４とステージ・プレート１３との間に所定の方向付けを与えることが位置固定機構３１の目的である。

本発明のロック機構８の機能に関しては、図５Ａ及び５Ｂを参照して言及する。図５Ａはロック位置でのロック機構８を示す。この場合、チャンバー１８’とチャンバー１８”との間に圧力差を生じさせることにより、図５Ａの如く、円錐状ロック・ピン２１の上方移動がもたらされる。その上昇位置において、円錐状ロック・ピン２１の円錐部分がケージ部材２９を脇へ押しやる。これが次にロック・ボール２８をロック・リング２５のエッジ２６上に押圧し、従って、このようにして、ステージ・プレート１３がロック部材１４に係止される。

その逆が図５Ｂに示されている。図５Ｂにおいては、チャンバー１８’とチャンバー１８”との間に生じる圧力差が、図５Ａに示されているそれとは逆にされており、これにより円錐状のロック・ピン２１が下に押し下げられ、ロック機構８が開放される。

本発明のロック機構は好適にはエンドエフェクター６を再現可能な位置に取付けることを可能にすると共に、空間的に正確に繰り返すことが可能な向きに取り付けることを可能にし、従って、ウェーハ表面７はリニアガイドの方向に常に平行であることを確保する。勿論、本発明は上記のような空気ロックに限定されず、電気機械的な態様または磁気的な態様から成ることもできる。ここで留意すべきは、重力でも十分な場合があることである。

図６は、ラック３４内に組み込まれた本発明の組立体を示す。ラック３４は、ＦＯＵＰ、すなわち、前開き一体型ポッド３５のための、ロードポート（Load Port）をその前部に、かつ、ロボット・アーム５の端部及びエンドエフェクター６を正確に案内するための本発明の案内装置３を背部に、それぞれ、含む。本発明の案内装置３は、これまで、通常、ロボット２が種々の目的のために、ウェーハ４を配置しなければならない従来のＸＹステージに取って代わるものである。、もちろん、ラック３４全体として、または、少なくとも本発明の案内装置３を防振絶縁とすることができる。

本発明のロボット案内組立体の主要部分の概略図。 本発明のエンドエフェクター・ロック機構の一つの実施例の図４のＡ−Ａ断面図。 図２のロック機構により使用される位置固定要素の断面図。 図２、図５Ａ及び図５Ｂのロック機構の平面図。 本発明のロック機構の図４におけるＢ−Ｂ断面図であり、ロック位置におけるロック機構を示す。 本発明のロック機構の図４におけるＢ−Ｂ断面図であり、ロック解除位置におけるロック機構を示す。 ラックに組み込まれた本発明の組立体の概略図。

符号の説明

１・・・ロボット案内組立体 ２・・・ロボット手段 ３・・・案内手段 ５・・・ロボットアーム ６・・・エンドエフェクター ８・・・ロック機構 ９・・・ステージ １３・・・ステージプレート １４・・・ロック部材 １６・・・エンドエフェクタープレート

Claims (13)

1. ディスク状要素の正確な運動を提供するためのロボット案内組立体（１）であって、ロボット手段（２）を有し、該ロボット手段は、自由端と該ロボット手段に取り付けられた固定端とを含む少なくとも一つのロボット・アーム（５）を含み、該ロボット手段（２）は、少なくとも一つの移動平面において該アーム（５）の自由端を動かすようにされており、該アームの自由端を該少なくとも一つの平面において正確に案内するために設けられた案内手段（３）を該ロボット案内組立体がさらに含み、該ロボット・アームは、該自由端に、該ディスク状要素を受け、かつ、保持するためのエンドエフェクター手段を有し、前記案内手段（３）は、前記アーム（５）の該エンドエフェクター手段（６）を前記案内手段（３）に取り外し自在に装着するための装着機構（８）を含むことを特徴とする、ロボット案内組立体。
2. 前記案内手段が少なくとも一つの案内軸を含む、請求項１に記載の組立体。
3. 前記エンドエフェクター手段は、該ディスク状要素の表面に垂直で、かつ、その中心点を通る軸を中心として該ディスク状要素を回転させる、請求項１または２に記載の組立体。
4. 前記案内手段が２つの面を含むステージを含み、前記装着機構が前記面の一方に取り付けられている、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の組立体。
5. 前記ステージがその下部に滑動手段を含む、請求項４記載の組立体。
6. 前記案内手段は滑動手段と協働する案内レールを含む装着要素を含む、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の組立体。
7. 前記案内手段が前記ロボット・アームの前記自由端を受動的に案内する、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の組立体。
8. 前記案内手段が位置決めフィードバック・システムのためのエンコーダを含む、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の組立体。
9. 前記案内手段が内部駆動装置を含む、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の組立体。
10. 前記エンドエフェクター手段が、前記ロボット・アームの前記自由端に取り外し自在に装着されている、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の組立体。
11. ディスク状要素の表面を検査するための検査装置であって、該ディスク状要素の検査のための検査手段と、該検査手段内に該ディスク状要素を位置決めし整合させるための請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のロボット案内組立体を含む検査装置。
12. 請求項１１の検査装置を用いて実施される方法であって、ロボット手段のエンドエフェクターが、表面を有するディスク状要素を保持し、エンドエフェクターが運動軸を含む案内要素に定められた位置で取り外し自在に取り付けられ、該運動軸における案内要素の従動移動により、少なくとも一つの移動軸に沿う前記エンドエフェクターの該検査装置に対する正確な運動をもたらし、この運動に基づいて、該ディスク状要素の該表面が走査される方法。
13. 検査後、該エンドエフェクターが該定められた位置に戻された後に、該定められた位置において該エンドエフェクターが該案内手段から取り外される、請求項１２に記載の方法。

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