JP5317119B2 - 真空吸着ヘッド - Google Patents

Description

本発明は、真空吸着ヘッド、特に、平面研磨装置等において研磨を行い、純水等でリンスした後、純水等で研磨定盤に付着したウエハ等の平板状ワークを縁部から吸着しながら剥がして搬出するための真空吸着ヘッドに関する。

両面研磨装置は、外歯のサンギア、これと同心に配置されたインターナルギア、これらサンギアとインターナルギア（内歯）とに噛合しワーク保持孔を有するキャリア、及びキャリアを上下から挟むように配置される上下の研磨定盤を備えている。研磨時には、ワーク保持孔内に半導体ウエハなどの平板状ワークが装填、保持され、上下の研磨定盤間には研磨圧が加えられる。そして、研磨定盤間に研磨液を供給しながら、各研磨定盤、サンギア、インターナルギアを回転駆動することにより、キャリアのワーク保持孔内のワークを遊星運動させる。これによりワークの平坦面が各研磨定盤によって均一に研磨される。

研磨作業が終了すると、純水等によって研磨液を洗い流した後、上定盤が引き上げられ、真空吸着ヘッドあるいは爪チャック等によってワークが把持され、下定盤上から搬出される。この時、下定盤上には純水等が残っているため、ワークをそのまま持ち上げようとするとワークと下定盤の間隙に純水等が残っているために表面張力（メニスカス）が発生し、あたかもワークが定盤に吸着されているかのようになる。このため、ワークの持ち上げ、搬出が困難になる。これを無理矢理持ち上げて剥がそうとして大きい力を加えると、場合によってはワークが破損することになる。ワークが、薄いほど、また、大径になるほど、ワークが破損されるおそれが強くなる。

このような問題に対処するため、搬出時にワークの姿勢を変えて縁部をわずかに持ち上げ、ここから下定盤とワークの間隙に空気を流れ込ませ、もって間隙の表面張力（メニスカス）を解消することにより、ワークの剥離、搬出を容易にしたものが知られている。この一例を特許文献１あるいは特許文献２に見ることができる。

特許文献１は以下のようなものである。すなわち、この装置（同文献の第２実施例、図５）は、チャックヘッド（ベース部材２０）を、チャックヘッド３１による真空吸引の把持中心から離れた位置で取出アーム１４にヒンジ結合したものである。ワークＷを取り出すとき、チャックヘッド３１によってワークＷを吸引把持した状態で、取出アーム１４を上方に移動させると、把持中心（ワークＷの中心）がヒンジ結合の中心の真下に配置されていないため、ベース部材２０にはヒンジ部を中心とするモーメントが働く。

これにより、ワークＷが傾き、一方の縁部（図５における左側の縁部）から剥がされる。これにより空気が流入し間隙の表面張力（メニスカス）が解消されるので、ワークを破損させることなく、剥離、搬出することができる。

前記特許文献１のものは、ヒンジ機構、及び、吸着開始前にベース部材２０を水平にするためのアクチュエータ２５等が必要であるため、構造が複雑化するだけでなく、縁部剥離機能維持のための特別なメンテナンス上の負担が新たに生じるという問題があった。

特許文献２のものは、上述のような装置のメカニカルな構造によって縁部剥離機能を持たせることなく、研磨装置内における半導体ウエハの搬送に搬送ロボットが使用されていることを利用し、この制御機能により、搬送ロボットにワークＷの一方の縁部から剥がすための剥離運動をさせることが行われている（搬送運動の中に組み込まれる）。

この運動を記述するためのプログラムは、ティーチング、つまり、操作者が搬送ロボットに必要なハンドの動きを手動で行わせてこれを電子データとして記録すること、等によって作成される。制御装置は、記録されたデータを再生することにより、ロボットハンドに所定の動き、つまり、剥離動作、そのほかを行わせる。

通常、ティーチングには実際に使用されている搬送ロボットが使われる。そのためティーチングのためには生産ラインを止めることが必要となり、生産効率を低下させる。ティーチングは、研磨装置内におけるワーク搬送全体に対して行われるものであるから、全体に対する縁部剥離機能のための部分はわずかではあるが、ハンド部、あるいは、その部品の交換などによっても再ティーチングが必要になる場合もあるから、この部分（縁部剥離機能のための部分）については、できればティーチングの必要がないものとしたい。

特開平１１−３２０３８８号公報 特開２００３−０５１５３２号公報

本発明は、真空吸着ヘッドに縁部剥離機能を持たせることによって搬送ロボットに縁部剥離機能のためのティーチングを不要にするだけでなく、真空吸着ヘッド自体の構造を複雑化させることなく、縁部剥離機能維持のためだけに特別なメンテナンスを必要としない真空吸着ヘッドを提供することを課題とする。

前記課題は以下の手段により解決される。すなわち、第１番目の発明は、吸着パッドが備えられた真空吸着ヘッドにおいて、前記吸着パッドは、弾性体からなる筒状体であって、真空吸着ヘッド本体に開口された吸引口を取り囲むように取り付けられ、且つ筒状体の一方の端面が前記真空吸着ヘッド本体に取り付けられ、他方の端面が平板状ワークと接触し真空吸着面を構成する弾性筒状壁体で構成され、前記平板状ワークをその平板状ワークの中心から外れた縁部近傍において、前記平板状ワークに前記弾性筒状壁体を密着させて形成された空間部が前記吸引口を通して減圧吸引されることにより、前記弾性筒状壁体が圧縮変形を受けるとき、前記平板状ワークの縁部に近い側の壁の圧縮変形量が、前記平板状ワークの中心に近い側の壁の圧縮変形量よりも大きい吸着パッドであることを特徴とする真空吸着ヘッドである。

第２番目の発明は、第１番目の発明の真空吸着ヘッドにおいて、前記吸着パッドは、その弾性筒状壁体が、前記弾性筒状壁体の前記平板状ワークの縁部に近い側の壁の、真空吸着時の前記平板状ワークとの接触面積が、前記平板状ワークの中心に近い側の壁よりも狭い接触面積を備えていることを特徴とする真空吸着ヘッドである。

第３番目の発明は、第２番目の発明の真空吸着ヘッドにおいて、前記弾性筒状壁体の前記平板状ワークの縁部に近い側の壁は、前記平板状ワークの縁部の輪郭に沿った円弧形状を有していることを特徴とする真空吸着ヘッドである。

第４番目の発明は、第３番目の発明の真空吸着ヘッドにおいて、前記弾性筒状壁体は、前記平板状ワークに接触する真空吸着面として、前記平板状ワークを汚損しないための保護層を備えていることを特徴とする真空吸着ヘッドである。

本発明の真空吸着ヘッドは、真空吸着面を構成する弾性筒状壁体がそれ自体で平板状ワークを縁部側から剥がすように偏った圧縮変形をするため、特別な構成や部材を新たに追加することなく、縁部剥離機能を実現することができる。また、特別な部材を追加した場合のように、その部材に対して新たにメンテナンスの必要性が生じるようなこともなく、弾性筒状壁体の定期的交換など、実質的に縁部剥離機能がないものと同様のメンテナンスの手間で対応することができるので、経済的である。

更に、本発明の真空吸着ヘッドを搬送ロボットに取り付けた場合には、縁部剥離機能を実現させるために特別なティーチングをする必要がないため、生産ラインを止める時間をその分だけ少なくすることができる。

両面研磨装置の下定盤上から、研磨が終了した平板状ワークが搬送ロボットによって搬出される時の様子を示している説明図である。 真空吸着ヘッドとこれを取り付けるハンド部を下側（吸着面側）から見た下方斜視図である。 真空吸着ヘッドによる縁部剥離機能を説明するための一連の説明図であって、平板状ワークを吸着する直前のものである。 真空吸着ヘッドによる縁部剥離機能を説明するための一連の説明図であって、平板状ワークの吸着が開始され縁部側から剥離し始めたときのものである。 真空吸着ヘッドによる縁部剥離機能を説明するための一連の説明図であって、平板状ワークが吸着把持され、完全に持ち上げられて搬出されるときのものである。

本発明を実施するための形態を、実施例に基づいて説明する。なお、この実施例は、両面研磨装置に関連して使用するものとして説明されているが、本発明は、両面研磨装置においてのみ使用されることを限定するものではない。

図１は、両面研磨装置１の下定盤１１上から、研磨が終了した平板状ワークＷ、つまり、この場合、半導体ウエハが搬送ロボット２によって搬出される時の様子を示す説明図である。図２は、真空吸着ヘッド３とこれを取り付けるハンド部２２を下側（吸着面側）から見た下方斜視図である。

研磨が終了して上定盤（不図示）が下定盤上から上昇したとき、平板状ワークＷは、キャリア１２のワーク保持孔１２１（後述、図３）内に納められて下定盤１１に載った状態である。搬送ロボット２は両面研磨装置１の機台１０の近くまで接近可能であり、その先端のハンド部２２の真空吸着ヘッド３で平板状ワークＷを吸着把持して搬出する。搬出された平板状ワークＷは、不図示の別の加工処理装置あるいはカセットなどに搬入される。

図３から図５は、ハンド部２２と真空吸着ヘッド３を中心に描いた断面図であって、真空吸着ヘッド３による縁部剥離機能を説明するための一連の説明図である。図３は、平板状ワークＷを吸着する直前のものであり、図４は吸着が開始され平板状ワークＷが縁部側から剥離し始めたときのものであり、図５は平板状ワークＷが吸着把持され、完全に持ち上げられて搬出されるときのものである。

ハンド部２２は、この実施例ではＬ字形状をなしており、縦板部２２１とこれに直角な横板部２２２、及び横板部２２２に設けられたヘッド取り付け部２２３からなる。ヘッド取り付け部２２３には連絡凹部２２４が形成されており、この連絡凹部２２４は吸引ホース２２５と連通して不図示の真空源に接続される。なお、符号１１１は下定盤１１に貼り付けられている研磨パッドであり、符号１２２は、キャリアの外側の歯（歯車の歯）である。

真空吸着ヘッド３は、ハンド部２２の前記連絡凹部２２４を気密に塞ぐように取り付けられる板状基体３１、この板状基体３１に設けられ、前記連絡凹部２２４に開口する吸引口３４、及び、弾性筒状壁体３２を備えている。なお、ハンド部２２と板状基体３１は一体に形成されていてもよい。また、連絡凹部２２４を設けずに、直接吸引口３４に吸引ホース２２５を接続させてもよい。

弾性筒状壁体３２は、吸引口３４を取り囲むように一方の端面で板状基体３１の平坦面に気密に取り付けられており、他方の端面が真空吸着面を構成する筒状体である。この弾性筒状壁体３２は、スポンジシート、ゴムシート、ゲルシートなどの弾性体材料により作成することができる。より好ましくは、低弾性材料であるスポンジシートの材料として、ポリウレタンスポンジ、クロロプレンゴムスポンジ、ＥＰＤＭスポンジ、ＮＢＲスポンジ、シリコンゴムスポンジ、フッ素ゴムスポンジのうちのいずれかの材料から選択されたものを使用することができ、平板状ワークへの金属汚染を防止するために、ポリウレタンスポンジ、ＥＰＤＭスポンジを用いるのが好ましい。スポンジシートは独立気泡を有するスポンジシートを用いることが更に好ましい。ゴムシートの材料として、天然ゴム、合成ゴム、また、ゲルシートの材料として、シリコーン樹脂の材料からなるものを使用することができる。

また、弾性筒状壁体３２の真空吸着面側には、平板状ワークＷを汚損しないために保護層３３を設けてもよい。

弾性筒状壁体３２は、平板状ワークＷの縁部に近い側の壁３２１とその他の部分（中心に近い側）の壁３２２からなり、縁部側の壁３２１の真空吸着面の接触面積が、中心に近い側の壁３２２の真空吸着面の接触面積よりも狭い接触面積を備えるように作られている。具体的には、縁部側の壁３２１の幅（壁幅：Ｔｏ）が、中心に近い側の壁３２２の幅（壁幅：Ｔｉ）よりも狭い壁幅（すなわち、Ｔｉ＞Ｔｏ）を備えるように作られている。また、弾性筒状壁体３２の縁部に近い側の壁３２１は、平板状ワークＷの縁部を剥離するのにいっそう有利であることから、できるだけ平板状ワークＷの輪郭に沿った形状すなわち、半導体ウエハの輪郭に沿う円弧形状とするのが望ましい。

以下、図に沿って本発明の真空吸着ヘッドの吸着把持時の動作、作用を説明する。図３は、平板状ワークＷを吸着する直前のものであって、不図示の制御装置によって、搬送ロボット２が両面研磨装置１の近傍のワーク搬出位置に移動させられ、ハンド部２２が位置決めされて真空吸着ヘッド３が平板状ワークＷの上平面に接触した状態が示されている。

図２に示されているように、弾性筒状壁体３２の縁部側の壁３２１は、平板状ワークＷの縁部の輪郭に沿うような円弧形状に形成されている。これにより、全吸着力の中心（重心）がより平板状ワークＷの縁部に近づき、縁部がより容易に剥離できるようになっている。ただ、この壁３２１は平板状ワークＷの縁部からわずかな距離Ｓだけ内側にくるように位置決めされる（図２、図３参照）。これは、平板状ワークＷ（半導体ウエハ）の周縁に形成されている傾斜部やノッチ部によって正常な吸引把持が阻害されるのを防止するためである。

図３の状態で、不図示の真空源を動作させると、吸引ホース２２５、連絡凹部２２４、吸引口３４を通して矢印ａのように空間部３５の空気（あるいは装置が置かれた環境の気体）が吸引される。吸引が進行することにより空間部３５内を負圧にすると、平板状ワークＷの空間部３５を形成する面部分には大気圧ｐがかかるようになる。この大気圧ｐは、平板状ワークＷを介して空間部３５の周囲の弾性筒状壁体３２に圧縮力として働くことになる。

このとき、弾性筒状壁体３２の壁３２１、３２２の幅が異なるため、つまり、縁部側にある壁３２１が狭く（幅Ｔｏ、圧縮変形しやすい）、中心に近い側の壁３２２が広い（幅Ｔｉ、圧縮変形しにくい）ため、縁部側にある壁３２１の方に中心に近い側の壁３２２よりも相対的に大きな圧縮変形が生じる。この圧縮変形の偏りが、図４に示されるように、平板状ワークＷの縁部側をめくり上げるように働くとともに縁部からは平板状ワークＷの裏側に向けて空気が流入する（矢印ｂ）ことを可能とする。

この状態で吸引把持は完了しているので、搬送ロボット２が、平板状ワークＷを上方に持ち上げると、平板状ワークＷの裏側全体に向けて空気が流入可能となっているので、空気が流入することによって間隙の表面張力（メニスカス）の影響が解消される。これにより、平板状ワークＷは純水等による表面張力（メニスカス）の影響を実質的に受けることなく、図５に示されるように、角度θだけ傾いて研磨パッド１１１から離れた状態にまで持ち上げられる。その後、搬送ロボット２はこの平板状ワークＷを不図示搬入先に向けて搬出する。

なお、吸着時、平板状ワークＷは空間部３５内に引き込まれて変形し、ここに窪みが生じる。この窪み量が過剰な場合、平板状ワークＷが破損するおそれがあるため、中心に近い側の壁３２２には調整突起３６（図２）が形成されており、この調整突起３６によって窪み量を緩和し、破損を防止している。なお、請求項において真空吸着ヘッド本体というのは、弾性筒状壁体３２が取り付けられるものであって、板状基体３１単独の場合の他、これとハンド部２２の一部あるいは全部がユニット化された場合を含めた総称を示す用語である。

本発明の真空吸着ヘッドは、特に、両面研磨装置等において、研磨を行い、純水等でリンスした後、純水等で研磨定盤に付着したウエハ等の平板状ワークを縁部から吸着しながら剥がして搬出するための真空吸着ヘッドとして利用可能である。

１ 両面研磨装置
１０ 機台
１１ 下定盤
１１１ 研磨パッド
１２ キャリア
１２１ ワーク保持孔
１２２ 駆動歯
２ 搬送ロボット
２２ ハンド部
２２１ 縦板部
２２２ 横板部
２２３ ヘッド取り付け部
２２４ 連絡凹部
２２５ 吸引ホース
３ 真空吸着ヘッド
３１ 板状基体
３２ 弾性筒状壁体
３２１ 縁部に近い側の壁
３２２ 中心に近い側の壁
３３ 保護層
３４ 吸引口
３５ 空間部
３６ 調整突起
Ｗ 平板状ワーク

Claims (4)

1. 吸着パッドが備えられた真空吸着ヘッドにおいて、
   前記吸着パッドは、弾性体からなる筒状体であって、真空吸着ヘッド本体に開口された吸引口を取り囲むように取り付けられ、且つ筒状体の一方の端面が前記真空吸着ヘッド本体に取り付けられ、他方の端面が平板状ワークと接触し真空吸着面を構成する弾性筒状壁体で構成され、
   前記平板状ワークをその平板状ワークの中心から外れた縁部近傍において、前記平板状ワークに前記弾性筒状壁体を密着させて形成された空間部が前記吸引口を通して減圧吸引されることにより、前記弾性筒状壁体が圧縮変形を受けるとき、
   前記平板状ワークの縁部に近い側の壁の圧縮変形量が、前記平板状ワークの中心に近い側の壁の圧縮変形量よりも大きい吸着パッドであること
   を特徴とする真空吸着ヘッド。
2. 請求項１に記載された真空吸着ヘッドにおいて、
   前記吸着パッドは、その弾性筒状壁体が、前記弾性筒状壁体の前記平板状ワークの縁部に近い側の壁の、真空吸着時の前記平板状ワークとの接触面積が、前記平板状ワークの中心に近い側の壁よりも狭い接触面積を備えていること
   を特徴とする真空吸着ヘッド。
3. 請求項２に記載された真空吸着ヘッドにおいて、
   前記弾性筒状壁体の前記平板状ワークの縁部に近い側の壁は、前記平板状ワークの縁部の輪郭に沿った円弧形状を有していることを特徴とする真空吸着ヘッド。
4. 請求項３に記載された真空吸着ヘッドにおいて、
   前記弾性筒状壁体は、前記平板状ワークに接触する真空吸着面として、前記平板状ワークを汚損しないための保護層を備えていること
   を特徴とする真空吸着ヘッド。

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