JP4596361B2

JP4596361B2 - ウェハのアライナー装置

Info

Publication number: JP4596361B2
Application number: JP2005016339A
Authority: JP
Inventors: 光昭萩尾; 真大崎
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2005-01-25
Filing date: 2005-01-25
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2025-01-25
Also published as: JP2006210373A

Description

本発明は、半導体の製造装置や検査装置に使用され、ウェハのセンタリングやノッチ等の角度合わせを行うアライナー装置に関する。

半導体製造装置等において、アライナー装置は主にウェハハンドリングロボットと組み合わせて使用され、ロボットから搭載されたウェハを把持（グリップ）し、ウェハを回転させることによってその外周に予め施されているノッチやオリフラなどの切り欠き部分を検知し、これをもとに所定の方向へアライメントさせたり、ウェハ自体の中心位置を決定（センタリング）する装置である。
従来アライナー装置は、ウェハの把持方法としてその裏面を真空吸着する方式が採られてきた。しかし、最近のデザインルールの微細化に伴い、半導体の製造装置等において、ウェハの表面上のパーティクルだけでなく、裏面のパーティクルも問題視されるようになってきた。ところが上記の真空吸着方式では、ウェハ裏面に吸着パッドが接触するため、裏面へのパーティクル付着が多いという問題が発生することから、最近のアライナー装置では、ウェハ裏面を汚染することが少ないウェハのエッジや端面を把持（グリップ）する方式が使用されるようになってきた。
そのエッジグリップ式のアライナー装置の一例として、特許文献１（特開２００３−２４３２９４）などがある。特開２００３−２４３２９４では、ウェハの把持部に関して記されている。この把持の方法を、図５と図６を用いて説明する。図５と図６は、ウェハ把持機構の上面図である。図５はウェハ１０１を把持していない状態、図６は把持している状態を示している。
図において、ウェハ１０１の把持機構１２１は、グリップチャックアーム１２０を構成する２本のアーム本体１２３に形成された４個の把持部１２４を、同時にウェハ１０１の中心方向に向けて、あるいは遠ざかるように移動させるリンク機構である。
２本のアーム本体１２３は、ウェハ１０１を挟んで正対し、アーム本体１２３には矢印Ｘ方向にアーム本体１２３を直線案内させるスライダ１２７が設置されている。さらに矢印Ｘ方向と直交するＹ方向にスライドするよう配置されたスライダブロック１２８に、２本のリンクアーム１２９が設置されている。リンクアーム１２９は、スライダブロック１２８が矢印Ｙ方向に直線移動することによって、スライダ１２７を矢印Ｘ方向に移動させることができ、これによって２本のアーム本体１２３がウェハ１０１の把持開閉動作をする。
一方スライダブロック１２８は、スライダブロック１２８に組み込まれたロッド１２８ａに案内され、ソレノイド１４０のロッド１４１の矢印Ｙ方向への移動動作によってその動作が実現する。このとき把持部１２４の中心方向に関する動作量δは、ウェハ１０１をチャックした際に、ウェハ１０１に歪み等が生じないようにウェハ外径に応じた適正な把持力となるように、あらかじめ行われるティーチングプロセスによって規定されている。
特開２００３−２４３２９４号公報

ところが、以上のようにウェハ外径に応じた適正な把持力となるよう、あらかじめ行われるティーチングプロセスによって把持機構が調整されていても、半導体分野の世界的規格であるＳＥＭＩ規格の、例えば外径３００ｍｍのウェハではその公差が±０．２ｍｍあるため、外径が３００．２ｍｍの場合は、把持機構の把持力が大きくなり、２９９．８ｍｍの場合は把持力が小さく、正しく把持できない可能性もある。把持力が弱いとアライメント時のウェハ旋回時にウェハがずれ、アライメント精度が悪化したり、ウェハ落下させるなどの問題がある。さらに、把持機構はソレノイドで駆動されているため、その開閉動作の際に開閉速度の調整ができず、ソレノイドの動作とともに瞬時に把持機構が動いてしまう。これにより、ウェハをはじいてパーティクルを発生させたり、把持機構の開閉時に異音がするなどの問題がある。
そこで、把持機構開閉時の速度を調整出来るようにするため、特許文献１では把持機構の駆動源であるソレノイドを、直動モータによる機構か、回転型モータによる直動変換機構などに置き換えることが考えられる。しかし、この場合においてもウェハ外径の公差により把持ができなくなるという問題は解決できない。また、予めティーチングされたウェハ外径よりも大きいウェハを把持した場合、ウェハの外径によって動作が妨げられるため、モータはティーチングされた所定の位置まで動作できず、もし使用しているモータがパルスモータであれば脱調して位置ずれが発生するか、またサーボモータであれば位置偏差過大によるエラーが発生する。また、駆動源にモータを使用している場合は、停電や装置の非常停止により電源が遮断されると、モータの励磁がＯＦＦとなるため、ウェハの把持力が著しく低下する。そのため、アライメントの動作時や、ウェハの保持中に、停電や装置の非常停止により電源が遮断されると、把持機構がウェハを落下させる問題も発生する。
さらに、例えばウェハハンドリングロボットが、ウェハをアライナー装置に対して載置する際にずれた位置に置いてしまうなどで、アライナー装置がウェハを正常に把持できていない場合、そのままアライメントのために旋回動作を行うとウェハを落下させ、ウェハに対して致命的なダメージを与えることになる。つまり従来の把持機構では開いた位置からティーチング位置への移動のみしか行えないため、把持機構部での把持の正常、異常の監視が出来ないという問題がある。
そこで、本発明は以上の問題を解決するエッジグリップ方式のアライナー装置を提供することを目的とする。

上記の問題を解決するため、本発明は以下のようにした。
請求項１記載の発明は、ウェハの外周を把持する把持機構と、前記ウェハを把持した前記把持機構を回転させる回転機構と、前記ウェハの切り欠きおよび外周を検出するセンサ機構と、を備えたアライナー装置において、前記把持機構が、互いに接近したときに前記ウェハの外周を把持する一対のクランプアームと、前記一対のクランプアームが互いに同一直線状を直動するよう案内するガイドと、前記一対のクランプアームを常に接近させるように付勢するばねと、前記ばねによって引っ張られた前記一対のクランプアームと当接し、前記一対のクランプアームが前記ウェハを把持したときよりもさらに互いに接近した位置で前記一対のクランプアームを維持する内側ストッパと、前記一対のクランプアームのそれぞれに当接して前記一対のクランプアームを互いに離した状態に維持する外側位置と、前記一対のクランプアームのそれぞれが前記内側ストッパと当接している位置からさらに空隙が形成されるまで離れる内側位置と、を移動可能な一対のパドルと、前記一対のパドルを接離動作させるラックアンドピニオンと、前記ラックアンドピニオンを駆動するパルスモータと、前記一対のパドルが前記内側位置にあるときの前記パルスモータを原点位置として検出する原点センサと、を備えたことを特徴とするアライナー装置とした。
請求項２記載の発明は、請求項１記載のアライナー装置において、前記センサ機構に前記ウェハの切り欠きおよび外周を検出するセンサが少なくとも２個備えられ、かつ前記一対のクランプアームが前記ウェハを把持したときの前記クランプアームの位置を検出するクランプ状態検出センサが備えられ、前記センサ機構のセンサのうち少なくとも１個が前記ウェハを検出し、前記クランプ状態検出センサが前記一対のクランプアームの前記把持を検出せず、前記原点センサが前記原点位置を検出したとき、前記ウェハが前記一対のクランプアームに対して斜めの状態であると判断することを特徴とするアライナー装置とした。

以上、本発明によれば、以下の効果がある。
（１）把持機構の把持動作が、モータおよびばねによる附勢手段の組み合わせによってなされるため、把持の開閉動作はモータによる最適な速度制御が可能となり、把持の際ウェハをはじいてパーティクルを増大させることがなく、また異音を発生させることもなく、最適な把持が可能となる。
（２）把持機構の開閉動作のみをモータが駆動させ、ウェハ把持後はモータの力が把持力に影響しないように構成し、ばねによる附勢手段のみでウェハを把持しているため、ウェハ外径のばらつきがあっても、把持力をほぼ一定にさせることができる。また、これによりウェハ把持後は、急な電源遮断などがあってもウェハを把持したままとなって、ウェハを落下させず保護できる。また、把持機構の閉動作時は直動機構が把持機構と離れ、モータが必ず所定の位置まで駆動できるように構成したため、外径の大きなウェハを把持しても、モータの駆動がウェハによって妨げられることがない。このためモータの脱調や位置偏差過大などを発生させることなくウェハを把持できる。
（３）把持機構の開閉動作範囲が、ウェハ外径のばらつきの範囲以上になるよう構成したため、ウェハ外径の大小（ばらつき）に関わらず把持できる。
（４）把持機構に把持状態を検出するセンサを少なくとも１個備えることによって、把持機構がウェハを正しく把持できたかを検出できるので、アライメント動作で回転させる前にこれが判明し、アライメント動作が可能かを判定できるため、ウェハを損傷させることがない。
（５）ウェハの切り欠きおよび外周を検出するセンサ機構の少なくとも２個のセンサと、把持機構の把持状態を検出する少なくとも１個のセンサとを備えたので、これらによってウェハの搭載異常および有無検出が可能となった。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

以下、本発明のアライナー装置の実施形態の一例について、図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施形態のアライナー装置の上面図を示したものである。図２は、図１の側断面図を示したものである。図３は図１におけるアライナー装置の原点位置の上面図を示している。図４は図３の側断面図を示している。

まず本発明の構成を、図１と図２を用いて説明する。１０１はウェハを示す。１はウェハ１０１の中心を軸に回転可能な旋回ベースで、円筒状の接続部品２を介してプーリ３に接続されている。プーリ３はサーボモータなど位置検出が可能な旋回用モータ６の軸端にあるプーリ５に、タイミングベルト４を介して接続されている。円筒状の接続部品２は、アライナー本体８にベアリング７で回転可能に支持されており、旋回用モータ６の回転により、旋回ベース１が旋回できる構成となっている。
旋回ベース１上には、２本のリニアガイド９が設置され、リニアガイド９のスライダ９ａ、９ｂ、９cが、２つのクランプ１０または２つのパドル１１の下側に固定されており、クランプ１０とパドル１１は、同一直線上を直動できる構成となっている。
さらに、２つのクランプアーム１０は、旋回ベース１に対してばね１２（ここでは引っぱりバネ）によって、装置中央方向に常時引っ張られている。このばね１２の可動域内の内側と外側にストッパ１３および１４が設けられており、２つのクランプアーム１０はそれぞれ、このストッパ１３および１４の間を動作領域としている。なお、外側のストッパ１４はウェハの最大外径よりも外側に、内側のストッパ１３はウェハの最小外径よりも小さく設けてある。
また、クランプアーム１０には、ウェハのエッジ部（外周）を挟みこんでウェハを把持することができるクランパ２２が４箇所設けられている。クランパ２２はクランプアーム１０の直動運動によってウェハを把持した時のウェハ中心を、旋回ベース１の旋回中心と一致させるよう、ウェハの外径に沿った円弧状を成している。
一方、パドル１１にはラック１５が固定されており、クランプ駆動用モータ（例えばパルスモータ）１７の回転軸先端に固定されているピニオン１６と噛み合わさって、ラックアンドピニオンの直動機構を構成している。
またクランプ駆動用モータ１７の回転軸下端にはドグ１８が、円筒状の接続部品２には原点センサ１９が固定されており、これらによってクランプ駆動用モータ１７の原点位置を検出できる。本発明では、図３および図４の状態を原点位置としている。この原点位置は、クランプアーム１０がばね１２により引っ張られ、内側のストッパ１３に接触している状態よりもパドル１１がさらに内側にある状態であり、パドル１１とクランプアーム１０は空隙Ｇを確保した状態としている。すなわちこの状態がクランプ駆動用モータ１７の原点位置である。
また、クランプアーム１０には、クランプ検出用のドグ２０が、旋回ベース１には、クランプ状態検出センサ２１が設けられており、クランプ状態検出センサ２１が近接してきたドグ２０に反応することによって、クランプアーム１０の位置を検出するように調整している。
さらに、アライナー本体８にはウェハの外周のノッチ等を検出する検出センサ２３が、ウェハ１０１外周の約１８０°で対向する２箇所に固定されている。図２の側面図が示すように、検出センサ２３は略コの字状を形成しており、ウェハ１０１およびクランパ２２部を略コの字で挟み、かつこれらと干渉しない位置に固定されている。コの字の上下にはセンサを備えており、ウェハ１０１をクランパ２２が把持した後、旋回ベース１に対して旋回することでウェハ１０１のノッチやオリフラを検出する構成となっている。
ここで、本発明においては、クランプ駆動用モータ１７はリニアモータなど直動式のモータで構成してもよく、その場合は上記のラックアンドピニオン部分の直動機構の構成が簡易的になるといえる。また、ばね１２は引っ張りばねに限らず、クランプアーム１０をウェハの把持方向に常に助勢できるもので、電気的な附勢手段でなければよい。

次に、以上で構成されたアライナー装置の動作について説明する。
まず、本装置にウェハを搭載するための動作を説明する。原点位置状態である図３および図４の状態から、クランプ駆動用モータ１７が図３において左回転することによって、ピニオン１６が回転し、ラック１５が直動し、２つのパドル１１がそれぞれ図の外側に向かって動き出す。空隙Ｇを動いたところから、パドル１１はクランプアーム１０にそれぞれ接触するが、さらにクランプ駆動用モータ１７が回転することでパドル１１は、クランプアーム１０を図の中心に引っ張っているばね１２に対抗しながらクランプアーム１０を外側へ押し、２つのクランプアーム１０が開く。そして、４つのクランパ２２が形成するウェハ把持部が、ウェハの外径よりもすこし開いたところでクランプ駆動用モータ１７を停止させる。なお、外側のストッパ１４は、この動作のオーバーランに備えたもので、通常運転時にはクランプアーム１０はこれに当接させない。以上の状態で、図示しないウェハハンドリングロボット等がクランパ２２にウェハを載せる。

次に、ウェハを搭載された本装置のウェハの把持動作について説明する。
ここでクランプ駆動用モータ１７が、上記とは逆回転するとパドル１１は内側へと動き出すが、一方２つのクランプアーム１０は、それぞれ引っぱりのばね１２によって図の内側方向に引っ張られているため、クランプアーム１０は、パドル１１とともにそれぞれ内側に動き出す。そして、ウェハが４つのクランプ２２により把持されると、ウェハの外径によりクランプアーム１０は、それ以上内側には動くことはできなくなる。このときクランプ状態検出センサ２１がドグ２０を検出し、把持が適切に完了したことを検知する。
ウェハを把持後もクランプ駆動用モータ１７はさらに動き続け、パドル１１がクランプアーム１０と空隙Ｇを形成したところで原点センサ１９がドグ１８を検出し、クランプ駆動用モータ１７は原点位置へと復帰する。この状態においては、パドル１１がクランプアーム１０とは接していないため、ウェハは引っぱりのばね１２の力のみにより把持され、クランプベース１の旋回中心位置に位置決めされる。なお、クランプ駆動用モータ１７の駆動速度は、把持機構の開閉時にウェハのはじきやずれなどがなく、また異音などがない最適な速度にて駆動する。
以上より本発明においては、把持機構の開閉動作のみをクランプ駆動用モータ１７によって駆動させ、クランプ２２がウェハと接触後（把持後）はモータの力が把持力に影響しないようパドル１１（直動機構）がクランプアーム１０（把持機構）と離れるように構成するのである。つまり把持機構は、ウェハの外径によりその内側への動きが規制されるようにし、直動機構によって規制されないように構成する。これによりウェハとクランプ２２が接触後はばね１２による力のみでウェハを把持しているため、ウェハ外径のばらつきがあっても、把持力をばね１２によってほぼ一定にさせることができる。また、これにより急な電源遮断などがあってもウェハを把持したままとなって、ウェハを落下させず保護できる。
また直動機構を駆動するクランプ駆動用モータ１７は、必ず所定の原点位置まで回転することになるため、外径の大きなウェハを把持しても、クランプ駆動用モータ１７の回転がウェハ外径によって妨げられることがない。このためモータの脱調や位置偏差過大などを発生させることなくウェハを把持できる。

次に、以上によりウェハの把持が完了した本装置のアライメント動作について説明する。
まず、旋回用モータ６によって、プーリ５、タイミングベルト４およびプーリ３を介して、クランプベース１が旋回する。このときクランパ２２に搭載されたウェハを１８０°旋回させることで、２箇所の検出センサ２３がウェハの外周にあるノッチもしくはオリフラを検出する。検出センサ２３のノッチ検出タイミングと、旋回用モータ６に備わるエンコーダ情報などを、図示しないコントローラにて、目的の位置までノッチを回転させる量を演算後、ノッチを目的の位置へ回転させてアライメント動作を完了する。
その後、図示しないウェハハンドリングロボットがウェハを本装置から移動させ、一連の動作が終了する。

次に、ウェハハンドリングロボットが、ウェハをクランパ２２に置き損なった場合や斜めに置いた場合の動作について、本装置にウェハを搭載するための待機状態から説明する。
上述したようにクランプアーム１０が動き、４つのクランパ２２がウェハの外径より開いた位置が本装置のウェハ搭載待機状態であり、この状態でウェハハンドリングロボットがウェハをクランパ２２に搭載する。
クランプ駆動用モータ１７の回転によって、クランプアーム１０がウェハを把持する方向（装置の内側）に動き出す。ここでウェハが斜めの状態だと、クランパ２２がウェハを正しく把持できないままクランプアーム１０は内側のストッパ１３に当接するまで移動し、それ以上内側には移動できずに停止する。この把持ミスの時は、クランプアーム１０はウェハを把持すべき範囲を過ぎて、さらに内側に入り込んでいるため、クランプ状態検出センサ２１はドグ検出していない。また、クランプ駆動用モータ１７は、原点センサ１９がドグ１８を検出するまで動き続け、もとの原点位置まで回転する。このときパドル１１はクランプアーム１０と空隙Ｇを形成している。
ここで、本装置の検出センサ２３は少なくとも２つ備えられているため、このようにウェハが斜めの状態で搭載され、一方の検出センサ２３でウェハの外周を検出できていない場合においても、もう一方の検出センサ２３ではウェハの外周を検出することができる。さらに、クランプ状態検出センサ２１はドグ１８を検出していないため、本装置はこれらのセンサの検出状態によってウェハが斜めおきであると判断することができる。
この場合は、本装置はアライメント動作（旋回軸動作）は行わず、エラーを発生し、ウェハの落下損傷を回避させる。
また、検出センサ２３の両方がウェハ外周を検出しておらず、クランプ状態検出センサ２１もドグ１８検出していない場合は、ウェハがないと判断することができる。
このように、複数の検出センサ２３とクランプ状態検出センサ２１のそれぞれの検出状況により、ウェハの搭載状態を検出することができる。

次に、本装置がウェハを把持している状態で、停電や装置の非常停止などによって本装置への電源が遮断された場合の動作について説明する。
ウェハを把持している状態では、ばね１２の引っ張り力によってウェハが把持されており、電源遮断によりクランプ駆動用モータ１７が励磁されていない場合でも、把持力については何ら影響がない。またアライメント動作で旋回中に電源遮断が発生し、回転部が惰性で旋回した場合でも、引っぱりばね１２によってウェハを把持し続けるため、ウェハをずらせたり、落下させることはない。

本発明の一実施形態の上面図である。（ウェハを把持している状態を示す）図１の側断面図である。図１におけるウェハ把持動作の原点位置の上面図である。図３の側断面図である。従来のウェハアライナにおける把持機構の上面図図５においてウェハを把持している状態

符号の説明

１０１ウェハ
１０クランプアーム
１２ばね
１７クランプ駆動用モータ
２１クランプ状態検出センサ
２３検出センサ

Claims

ウェハの外周を把持する把持機構と、
前記ウェハを把持した前記把持機構を回転させる回転機構と、
前記ウェハの切り欠きおよび外周を検出するセンサ機構と、を備えたアライナー装置において、
前記把持機構が、
互いに接近したときに前記ウェハの外周を把持する一対のクランプアームと、
前記一対のクランプアームが互いに同一直線状を直動するよう案内するガイドと、
前記一対のクランプアームを常に接近させるように付勢するばねと、
前記ばねによって引っ張られた前記一対のクランプアームと当接し、前記一対のクランプアームが前記ウェハを把持したときよりもさらに互いに接近した位置で前記一対のクランプアームを維持する内側ストッパと、
前記一対のクランプアームのそれぞれに当接して前記一対のクランプアームを互いに離した状態に維持する外側位置と、前記一対のクランプアームのそれぞれが前記内側ストッパと当接している位置からさらに空隙が形成されるまで離れる内側位置と、を移動可能な一対のパドルと、
前記一対のパドルを接離動作させるラックアンドピニオンと、
前記ラックアンドピニオンを駆動するパルスモータと、
前記一対のパドルが前記内側位置にあるときの前記パルスモータを原点位置として検出する原点センサと、
を備えたことを特徴とするアライナー装置。
請求項１記載のアライナー装置において、
前記センサ機構に前記ウェハの切り欠きおよび外周を検出するセンサが少なくとも２個備えられ、かつ前記一対のクランプアームが前記ウェハを把持したときの前記クランプアームの位置を検出するクランプ状態検出センサが備えられ、
前記センサ機構のセンサのうち少なくとも１個が前記ウェハを検出し、前記クランプ状態検出センサが前記一対のクランプアームの前記把持を検出せず、前記原点センサが前記原点位置を検出したとき、前記ウェハが前記一対のクランプアームに対して斜めの状態であると判断することを特徴とするアライナー装置。