JP5861677B2 - 吸着構造、ロボットハンドおよびロボット - Google Patents

Description

開示の実施形態は、吸着構造、ロボットハンドおよびロボットに関する。

従来、ウェハやガラス基板といった薄板状の基板を搬送する基板搬送用のロボットが知られている（たとえば、特許文献１参照）。

かかるロボットは、たとえば、アームと、アームの先端部に設けられるロボットハンド（以下、「ハンド」と記載する）とを備え、かかるハンドを用いて基板を保持しつつ、アームを水平方向などに動作させることによって基板を搬送する。

なお、搬送中においては、確実に基板を保持して位置ずれを防ぐ必要があることから、ハンドに真空パッドなどを用いた吸着構造を有し、これにより吸着することで、搬送中の基板を固定するロボットも提案されている。

ところで、かかるロボットが半導体製造プロセスにおいて用いられるような場合、基板は、成膜処理などの熱処理工程を経ることから、この熱処理工程により高温となった基板を搬送することもある。

特開２００８−２８１３４号公報

しかしながら、上述した従来技術には、反りの生じた基板を確実に吸着するうえで更なる改善の余地がある。

具体的には、基板は、上述のような熱処理工程を経た後、熱の影響を受けて反りを生じる場合がある。このような場合、上述の真空パッドの表面と基板の表面との間に隙間が生じてしまい、真空吸着を行えずに基板を固定できないという問題点があった。

なお、これは、基板が薄型化した場合や大型化した場合、基板の材質による場合、または、処理工程上における基板の状態変化、たとえば、上述のように熱や成膜の影響等による場合などに生じうる共通の課題である。

実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、反りの生じた基板を確実に吸着することができる吸着構造、ロボットハンドおよびロボットを提供することを目的とする。

実施形態の一態様に係る吸着構造は、固定ベースと、パッドと、支持部と、ねじり部と、シール部材と、吸気孔とを備える。前記パッドは、被吸着物に接触する接触部を有する。前記支持部は、平面視で前記パッドを貫く直線沿いに配置され前記固定ベースに対して前記パッドを固定する。前記ねじり部は、前記支持部にあって前記パッドが前記直線を中心に傾動可能に前記パッドを支持する。前記シール部材は、前記パッドおよび前記固定ベースの間に設けられる。前記吸気孔は、前記接触部に囲まれた空間を前記シール部材を通って真空源に連通させる。

実施形態の一態様によれば、反りの生じた基板を確実に吸着することができる。

図１は、実施形態に係るロボットの斜視模式図である。 図２は、ハンドの平面模式図である。 図３Ａは、パッドの平面模式図である。 図３Ｂは、図３Ａに示すＡ−Ａ’線略断面図である。 図４Ａは、パッドの取り付け構造を示す略断面図（その１）である。 図４Ｂは、パッドの取り付け構造を示す略断面図（その２）である。 図５Ａは、パッドの配置例を示す平面模式図である。 図５Ｂは、パッドの動きを示す平面模式図である。 図６Ａは、第１の変形例に係るパッドの平面模式図である。 図６Ｂは、図６Ａに示すＢ−Ｂ’線略断面図である。 図６Ｃは、第２の変形例に係るパッドの平面模式図である。

以下、添付図面を参照して、本願の開示する吸着構造、ロボットハンドおよびロボットの実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

また、以下では、ロボットが、被搬送物としてウェハを搬送する基板搬送用ロボットである場合を例に挙げて説明を行う。ウェハには、符号「Ｗ」を付す。また、以下では、「機械構造を構成し、互いに相対運動可能な個々の剛体要素」を「リンク」とし、かかる「リンク」を「アーム」と記載する場合がある。

まず、実施形態に係るロボット１の構成について図１を用いて説明する。図１は、実施形態に係るロボット１の斜視模式図である。

なお、説明を分かりやすくするために、図１には、鉛直上向きを正方向とし、鉛直下向きを負方向とするＺ軸を含む３次元の直交座標系を図示している。したがって、ＸＹ平面に沿った方向は、「水平方向」を指す。かかる直交座標系は、以下の説明に用いる他の図面においても示す場合がある。

また、以下では、説明の便宜上、ロボット１の旋回位置や手先の向きが図１に示す状態であるものとして、ロボット１における各部位の位置関係を説明する。

また、以下では、複数個で構成される構成要素については、複数個のうちの一部にのみ符号を付し、その他については符号の付与を省略する場合がある。かかる場合、符号を付した一部とその他とは同一の構成であるものとする。

図１に示すように、ロボット１は、基台２と、昇降部３と、第１関節部４と、第１アーム５と、第２関節部６と、第２アーム７と、第３関節部８と、ハンド１０とを備える。

基台２は、ロボット１のベース部であり、床面や壁面と固定されるほか、ベース部上面にて、装置と固定されることもある。昇降部３は、かかる基台２から鉛直方向（Ｚ軸方向）にスライド可能に設けられ（図中の両矢印ａ０参照）、ロボット１のアーム部を鉛直方向に沿って昇降させる。

第１関節部４は、軸ａ１まわりの回転関節である。第１アーム５は、かかる第１関節部４を介し、昇降部３に対して回転可能に連結される（図中の軸ａ１まわりの両矢印参照）。

また、第２関節部６は、軸ａ２まわりの回転関節である。第２アーム７は、かかる第２関節部６を介し、第１アーム５に対して回転可能に連結される（図中の軸ａ２まわりの両矢印参照）。

また、第３関節部８は、軸ａ３まわりの回転関節である。ハンド１０は、かかる第３関節部８を介し、第２アーム７に対して回転可能に連結される（図中の軸ａ３まわりの両矢印参照）。

なお、ロボット１には、モータなどの駆動源（図示略）が搭載されており、第１関節部４、第２関節部６および第３関節部８のそれぞれは、かかる駆動源の駆動に基づいて回転する。

ハンド１０は、ウェハＷを真空吸着して保持するエンドエフェクタである。ハンド１０の構成の詳細については、図２以降を用いて後述する。なお、図１では、ロボット１が１個のハンド１０を備える場合を図示しているが、ハンド１０の個数を限定するものではない。

たとえば、軸ａ３を同心として重ねて設けられ、それぞれ独立して軸ａ３まわりに回転可能となるようにハンド１０を複数個設けてもよい。

そして、ロボット１は、昇降部３による昇降動作、各アーム５，７およびハンド１０の回転動作を組み合わせることによって、ウェハＷを搬送する。なお、これら各種動作は、通信ネットワークを介してロボット１と相互通信可能に接続された制御装置２０からの指示によって行われる。

制御装置２０は、ロボット１の動作制御を行うコントローラである。たとえば、制御装置２０は、上述の駆動源の駆動を指示する。そして、ロボット１は、かかる制御装置２０からの指示に従って駆動源を任意の角度だけ回転させることで、アーム部を回転動作させる。

なお、かかる動作制御は、あらかじめ制御装置２０に格納されている教示データに基づいて行なわれるが、やはり相互通信可能に接続された上位装置３０から教示データを取得する場合もある。

次に、ハンド１０の構成について、図２を用いて説明する。図２は、ハンド１０の平面模式図である。なお、図２には、規定位置にあるウェハＷを二点鎖線で示している。かかる規定位置にあるウェハＷの中心には、以下、符号「Ｃ」を付す。

図２に示すように、ハンド１０は、第２アーム７の先端部において、第３関節部８を介し、軸ａ３まわりに回転可能に設けられる。ハンド１０は、プレート支持部１１と、プレート１２と、パッド１３と、真空路１４とを備える。

プレート支持部１１は、第３関節部８に連結され、プレート１２を支持する。プレート１２は、ハンド１０の基部にあたる部材であり、セラミックス等により形成される。なお、図２には、先端側が二股に分かれた形状のプレート１２を例示しているが、プレート１２の形状を限定するものではない。

パッド１３は、ウェハＷを真空吸着することでハンド１０上へ保持する部材である。本実施形態では、かかるパッド１３が、図２に示す位置に３個設けられ、ウェハＷを３点で吸着して保持するものとする。なお、パッド１３の個数は限定されるものではなく、たとえば、３個以上設けられてもよい。また、パッド１３の構成については、図３Ａ以降を用いて詳しく述べる。

真空路１４は、パッド１３それぞれから真空源（図示略）に延びる吸気経路であり、一例として図２に示すように、プレート１２の内部に形成される。なお、真空源は、パッド１３にウェハＷが置かれることでかかる真空路１４を介して吸引を行い、パッド１３にウェハＷを吸着させる。なお、真空路１４は、真空源からの吸引が可能な形態であれば、どこに形成されてもよい。

ところで、ウェハＷに生じる反りの態様としては、中心Ｃにかけて徐々に盛り上がったいわゆる「ドーム型」や、中心Ｃにかけて徐々にへこんだいわゆる「椀型」、またウェハＷ内にてこれら両方の変形を併せ持ったランダム変形がある。ただし、実際の変形でのパッド１３上の局所的部分においては、「ドーム型」あるいは「椀型」のいずれかを想定しておけば十分であるため、以下では、これら「ドーム型」および「椀型」の場合を例に挙げて、パッド１３の挙動を説明する。

すなわち、ウェハＷは、径方向をたわみ方向とする反りの態様をとるといえる。本実施形態は、このような反りを生じたウェハＷであっても、かかるウェハＷにパッド１３を確実に倣わせ、真空吸着するものである。

次に、パッド１３の構成について説明する。なお、以下の説明では、図２に示したパッド１３のうち、閉曲線Ｐ１で囲まれたパッド１３を主たる例に挙げる。

図３Ａは、パッド１３の平面模式図である。また、図３Ｂは、図３Ａに示すＡ−Ａ’線略断面図である。図３Ａに示すように、パッド１３は、接触部１３ａと、主面部１３ｂと、吸気孔１３ｃと、支持部１３ｄとを備える。

また、図３Ｂに示すように、パッド１３は、固定部１３ｅと、第１突起部１３ｆと、第２突起部１３ｇとを備える。

かかるパッド１３は、樹脂等の種々の材料を用いて形成することができる。たとえば、その材料は、ウェハＷの変形に倣うことができるという点から言えば、可撓性を有するものが好ましい。

また、高温状態のウェハＷに接触するという点からは、耐熱性に優れるものが好ましい。したがって、一例としては、ポリイミド樹脂等を好適に用いることができる。本実施形態では、パッド１３が、かかるポリイミド樹脂を用いて一体成形されているものとする。

接触部１３ａは、被吸着物であるウェハＷに接触する部材である。主面部１３ｂは、パッド１３のいわば基板にあたる部材であり、その外周を接触部１３ａによって囲まれる。なお、図３Ａには、略円形状の主面部１３ｂを例示しているが、主面部１３ｂの形状を限定するものではない。

また、主面部１３ｂは、中央部に吸気孔１３ｃが形成される。吸気孔１３ｃは、接触部１３ａに囲まれた空間を、後述するシール部材１５（図４Ａまたは図４Ｂ参照）を通って真空源に連通させる。支持部１３ｄは、プレート１２に対してパッド１３を固定する部材であり、パッド１３において直線上の位置に配置される。

固定部１３ｅは、支持部１３ｄからプレート１２側に下垂させて設けられる部材であり、先割れ形状で頭部に返しとなる突起を有した形状に形成される。なお、かかる固定部１３ｅは、自由状態で拡開する弾性を有することが好ましい。

第１突起部１３ｆは、後述するシール部材１５（図４Ａまたは図４Ｂ参照）の位置決め用となる突起部である。具体的には、第１突起部１３ｆは、シール部材１５に接触してシール部材１５の位置を規制する。第２突起部１３ｇは、パッド１３のずれ防止用となる突起部である。

次に、パッド１３の取り付け構造について説明する。図４Ａおよび図４Ｂは、パッド１３の取り付け構造を示す略断面図（その１）および（その２）である。なお、図４Ａおよび図４Ｂは、図３Ａに示したＡ−Ａ’線に対応している。

図４Ａに示すように、プレート１２には、真空路１４に連なる吸気孔１２ａと、固定部１３ｅに対応する貫通孔１２ｂと、第２突起部１３ｇに係合する係合孔１２ｃとがあらかじめ形成される。すなわち、プレート１２は、本実施形態に係る吸着構造の固定ベースである。

また、パッド１３とプレート１２との間には、シール部材１５が設けられる。シール部材１５は、略環状に形成された弾性体であって、たとえば、シリコン樹脂等を用いて形成される。

また、シール部材１５の内周は、第１突起部１３ｆの外周に密着する寸法で形成される。また、シール部材１５は、パッド１３とプレート１２との間隔ｈ２（図４Ｂ参照）よりも大きい高さｈ１を有して形成される。

そして、パッド１３は、第１突起部１３ｆの外周およびシール部材１５の内周と、第２突起部１３ｇおよび係合孔１２ｃとをそれぞれ係合させつつ、固定部１３ｅを貫通孔１２ｂに挿し込むことによってプレート１２に取り付けられる。

ここで、図４Ｂに示すように、固定部１３ｅは、先端部に返しとなる突起を有しているので、工具を用いることなく、パッド１３をプレート１２に緊合させることができる。すなわち、パッド１３をプレート１２へ容易に取り付けることができるので、エンドユーザの現場等において効率よく交換作業を実施することができる。

また、接着剤を用いることなく、パッド１３をプレート１２へ取り付けることができるので、ウェハＷが高温の場合に接着剤に含まれる有機物が揮発して製品に影響を及ぼすのを防ぐことができる。

また、シール部材１５は、パッド１３とプレート１２との間隔ｈ２よりも大きい高さｈ１を有しているので、押しつぶされた状態で圧着されることになる。これにより、吸気孔１３ｃ，１２ａの間を確実に封止して気密空間を確保することができる。

なお、図４Ａおよび図４Ｂでは、各突起部１３ｆ，１３ｇが、パッド１３側に設けられる場合を示したが、無論、プレート１２側に設けられていてもよい。

また、本実施形態に係る吸着構造は、パッド１３がこのように取り付けられることで、支持部１３ｄにあってパッド１３が支持部１３ｄの軸線を中心に傾動可能となるようにパッド１３を支持するねじり部１３ｈを備えることとなる。この点については、図５Ｂを用いて後述する。

次に、パッド１３の配置例とその動きについて説明する。図５Ａは、パッド１３の配置例を示す平面模式図である。また、図５Ｂは、パッド１３の動きを示す平面模式図である。

図５Ａに示すように、一例としてパッド１３は、規定位置にあるウェハＷの径方向に対して、支持部１３ｄの軸線ａｘが略直交する向きとなるように配置される。言い換えれば、支持部１３ｄの軸線ａｘが、規定位置にあるウェハＷの中心Ｃから仮想的に描かれる同心円の接線方向を向くように配置される。

これにより、まず、ドーム型や椀型といった径方向に沿った反りの態様をとるウェハＷに対して、パッド１３を径方向に略直交する軸線ａｘまわりに傾動させやすくできるので、反りのあるウェハＷであってもパッド１３を倣わせやすくすることができる。

なお、図５Ｂに示すように、パッド１３はプレート１２に対し、支持部１３ｄの一端側を固定部１３ｅによって固定されている。このため、パッド１３は、支持部１３ｄの他端側を捻転させる、すなわちねじることによって、軸線ａｘまわりに傾動することとなる（図中の矢印５０１参照）。なお、このときのねじり力には、パッド１３の可撓性とシール部材１５の弾性が相乗的に作用する。

言い換えれば、本実施形態に係る吸着構造は、支持部１３ｄにあってパッド１３が軸線ａｘを中心に傾動可能にパッド１３を支持するねじり部１３ｈ（図５Ｂの塗りつぶし領域参照）を備える。これにより、パッド１３が軸線ａｘを中心に傾動可能となり、反りの生じたウェハＷであってもパッド１３を容易に倣わせることができる。すなわち、確実にウェハＷを吸着することができる。

ところで、パッド１３の形状や固定方法は、これまで示してきた例に限られない。そこで、次に、パッド１３の変形例について、図６Ａ〜図６Ｃを用いて説明する。なお、図６Ａおよび図６Ｂに示す変形例は、第１の変形例とする。また、図６Ｃに示す変形例は、第２の変形例とする。

図６Ａは、第１の変形例に係るパッド１３’の平面模式図である。また、図６Ｂは、図６Ａに示すＢ−Ｂ’線略断面図である。

第１の変形例に係るパッド１３’は、直線上に配置される支持部１３ｄを備える点は上述してきたパッド１３と同様であるが、支持部１３ｄの一端側と他端側とで幅が違う点が異なる。

すなわち、図６Ａに示すように、パッド１３’は、一端側（固定部１３ｅおよびその周囲）よりも幅の小さい他端側（ねじり部１３ｈ）を有する。これにより、ねじり部１３ｈは、支持部１３ｄにあって部分的に剛性が低い部位となる。

すなわち、ねじり部１３ｈが捻転しやすくなり、パッド１３’を傾動させやすくすることができるので、反りの生じたウェハＷであってもパッド１３を容易に倣わせることが可能となる。すなわち、確実にウェハＷを吸着することができる。

なお、パッド１３’が傾動しやすくなるうえでは、かかる傾動によって位置ずれしないように、シール部材１５を確実に押さえつけて圧着することが好ましい。そこで、図６Ｂに示すように、ねじり部１３ｈからプレート１２側に向けてリブ部１３ｉを形成することとしてもよい。

これにより、リブ部１３ｉによって確実にシール部材１５を押さえつけ、圧着することができる。すなわち、シール部材１５の位置ずれを防ぎ、真空路１４に連なる気密空間を確実に確保することができる。

また、これまでは、固定部１３ｅが、いわば先割れピン状の固定具である場合を例に挙げたが、締結部材を用いることとしてもよい。図６Ｃは、第２の変形例に係るパッド１３’’の平面模式図である。

すなわち、図６Ｃに示すように、ボルトやネジといった締結部材ＳＣを用いてパッド１３’’を固定するように固定部１３ｅ’を構成してもよい。この場合、支持部１３ｄには、貫通孔が形成され、プレート１２にはこれに係合する孔部が形成される。そして、支持部１３ｄの貫通孔へ挿通させた締結部材ＳＣを、プレート１２の孔部へ挿入して固定することで、パッド１３’’がプレート１２に対して固定される。

かかる場合もまた、先割れピン状の固定部１３ｅの場合と同様に、接着剤等を用いることなく容易にパッド１３’’を取り付けることができるので、製品への影響を排しつつ、効率的に交換作業を行うことができる。

また、図示していないが、これまで説明した固定部１３ｅや第２突起部１３ｇ等に、たとえば、プレート支持部１１の方から導体を導くこととしてもよい。これにより、ウェハＷの帯電防止に資することができるので、ウェハＷにパーティクル等が付着するのを防ぐことができる。

上述してきたように、実施形態に係る吸着構造は、固定ベース（プレート）と、パッドと、支持部と、ねじり部と、シール部材と、吸気孔とを備える。上記パッドは、被吸着物に接触する接触部を有する。上記支持部は、上記パッドにおいて直線上の位置に配置され上記固定ベースに対して上記パッドを固定する。

上記ねじり部は、上記支持部にあって上記パッドが上記直線を中心に傾動可能に上記パッドを支持する。上記シール部材は、上記パッドおよび上記固定ベースの間に設けられる。上記吸気孔は、上記接触部に囲まれた空間を、上記シール部材を通って真空源に連通させる。

したがって、実施形態に係る吸着構造によれば、反りの生じたウェハを確実に吸着することができる。

なお、上述した実施形態では、パッドの主面部が略円形状である場合を例に挙げたが、これに限られるものではなく、たとえば、楕円形状や、角丸長方形状を含むオーバル形状であってもよい。この場合、パッドは、長軸方向がウェハの径方向に対して略直交するように配置されることが好ましい。

また、上述した実施形態では、単腕ロボットを例に挙げて説明したが、双腕以上の多腕ロボットに適用することとしてもよい。

また、上述した実施形態では、被吸着物がウェハである場合を例に挙げたが、これに限定されるものではなく、薄板状の基板であればよい。ここで、基板の種別を問うものではなく、たとえば、液晶パネルディスプレイのガラス基板などであってもよい。

なお、ガラス基板などの場合、上述してきた径方向は、被吸着物の中心から仮想的に描かれる同心円の径方向、あるいは、被吸着物の中心から放射状に伸びる方向ということになる。

また、被吸着物は、薄板状のワークであれば基板でなくともよい。

また、上述した実施形態では、ロボットが、ウェハ等の基板を搬送する基板搬送用ロボットである場合を例に挙げたが、搬送作業以外の作業を行うロボットであってもよい。たとえば、吸着構造を備えたハンドを用いて薄板状のワークを真空吸着しながら所定の組立作業を行う組立ロボット等であってもよい。

また、上述した実施形態によって、ロボットの腕の数やハンドの数、軸数などが限定されるものではない。

さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

１ ロボット
２ 基台
３ 昇降部
４ 第１関節部
５ 第１アーム
６ 第２関節部
７ 第２アーム
８ 第３関節部
１０ ハンド
１１ プレート支持部
１２ プレート
１２ａ 吸気孔
１２ｂ 貫通孔
１２ｃ 係合孔
１３、１３’、１３’’ パッド
１３ａ 接触部
１３ｂ 主面部
１３ｃ 吸気孔
１３ｄ 支持部
１３ｅ、１３ｅ’ 固定部
１３ｆ 第１突起部
１３ｇ 第２突起部
１３ｈ ねじり部
１３ｉ リブ部
１４ 真空路
１５ シール部材
２０ 制御装置
３０ 上位装置
Ｃ 規定位置にあるウェハの中心
ＳＣ 締結部材
Ｗ ウェハ

Claims (9)

1. 固定ベースと、
   被吸着物に接触する接触部を有するパッドと、
   平面視で前記パッドを貫く直線沿いに配置され前記固定ベースに対して前記パッドを固定する支持部と、
   前記支持部にあって前記パッドが前記直線を中心に傾動可能に前記パッドを支持するねじり部と、
   前記パッドおよび前記固定ベースの間に設けられるシール部材と、
   前記接触部に囲まれた空間を前記シール部材を通って真空源に連通させる吸気孔と
   を備えることを特徴とする吸着構造。
2. 前記シール部材は、
   略環状に形成された弾性体であること
   を特徴とする請求項１に記載の吸着構造。
3. 前記支持部は、
   前記固定ベース側に下垂させて設けられる固定部を有し、
   前記固定部は、
   先割れ形状で頭部に返しとなる突起を有した形状に形成され、前記固定ベースに設けられた貫通孔に挿し込まれることによって前記パッドを前記固定ベースに固定すること
   を特徴とする請求項１または２に記載の吸着構造。
4. 前記支持部は、貫通孔を有し、
   前記固定ベースは、前記貫通孔に係合する孔部を有し、
   前記支持部は、
   前記貫通孔に挿通させた締結部材を前記孔部へ挿入して固定することによって前記パッドを前記固定ベースに固定すること
   を特徴とする請求項１または２に記載の吸着構造。
5. 前記シール部材は、
   前記パッドおよび前記固定ベースの間隔よりも大きい高さを有して形成され、前記パッドが前記固定ベースに固定されることによって圧着固定されること
   を特徴とする請求項３または４に記載の吸着構造。
6. 前記パッドに設けられ、前記シール部材に接触して該シール部材の位置を規制する突起部
   をさらに備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の吸着構造。
7. 前記パッドは、
   規定位置にある前記被吸着物の中心から放射状に伸びる方向に対して前記直線である前記支持部の軸線方向が略直交する向きとなるように配置されること
   を特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の吸着構造。
8. 前記固定ベースを基部とし、
   請求項１〜７のいずれか一つに記載の吸着構造
   を備えることを特徴とするロボットハンド。
9. 請求項８に記載のロボットハンド
   を備えることを特徴とするロボット。

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