JP6179012B2

JP6179012B2 - ウエハ位置決め装置

Info

Publication number: JP6179012B2
Application number: JP2013156215A
Authority: JP
Inventors: 光吉　敏彦; 敏彦光吉
Original assignee: アテル株式会社
Priority date: 2013-07-28
Filing date: 2013-07-28
Publication date: 2017-08-16
Anticipated expiration: 2033-07-28
Also published as: JP2015026750A

Description

本発明はウエハ位置決め装置に係り、真空内作業において、ウエハの中心出し、オリフラやノッチの位置決めを行える２軸構造のウエハ位置決め装置に関する。

通常、円形のシリコンウエハや、円形の液晶ガラス基板の外周縁の一部にはオリフラ、ノッチ等が形成され、円形の基板（以下、本明細書では、これらを総称して「円形基板」と呼ぶ。）の正確な位置決めの目安とされている。アライナ等と呼ばれる位置決め装置では、基板載置面上の円形基板の中心位置合わせを行い、その後オリフラ、ノッチを検知のガイドとして、回転方向の位置合わせが行われる（特許文献１）。

特許文献１に開示された半導体ウエハのオリフラノッチ合わせ装置では、中心合わせを半導体ウエハの外径と同一半径のガイド部を有する搬送アームを用いて行う。その後のオリフラノッチ検出では、ウエハ端部を撮像し、画像処理データにおけるウエハ面積の変化を確認して、ウエハの回転状態に対応したオリフラノッチの位置検出を行っている。

特開平１１−２８４０５５号公報

特許文献１に開示されたオリフラノッチ合わせ装置は、スライドアームと半導体ウエハ把持装置とを用いて中心合わせとオリフラノッチ検出とを行うため、装置が大がかりなものとなる上、画像認識手段も必要となる。

一方、現在の技術的要請として、ウエハ位置決め作業を真空内で行うことが求められている。特許文献１に開示された装置では、昇降ロッドより上部を真空チャンバー等内に収容する必要があるため、駆動部を真空内に設けることとなり、駆動部からのダスト発生のおそれがあるため、クリーン状態の保持が難しくなるという問題がある。また、オリフラノッチ検出を簡易に行えるようにすることが求められる。そこで、本発明の目的は上述した従来の技術が有する問題点を解消し、ウエハの中心位置出し、ノッチまたはオリフラが形成されたウエハの位置決めを簡易な構造で実現できるようにしたウエハ位置決め装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明のウエハ位置決め装置は、ウエハを載置可能なウエハ載置板と、該ウエハ載置板を中心回転軸回りに自由回転あるいは所定旋回角だけの回動とに制御して動作可能な旋回駆動手段と、該旋回駆動手段を前記ウエハ載置板とともに昇降可能な昇降手段と、該昇降手段の複数の停止位置を検出する位置検出手段と、駆動側スライド手段と、該駆動側スライド手段と前記中心回転軸に関して対向して配置され、リンク機構で前記駆動側スライド手段と連係された従動側スライド手段とで前記ウエハをクランプ可能なウエハクランプ機構と、前記ウエハ載置板の下面に設けられ、前記駆動側スライド手段の一部に係止可能な旋回駆動部材とを備え、前記ウエハクランプ機構は、前記昇降手段の動作により前記駆動側スライド手段に係止された前記旋回駆動部材が、前記旋回駆動手段の規定された旋回角度に応じて前記中心回転軸回りに回動して前記駆動側スライド手段に装置中心方向への並進動作を付与し、該並進動作に応じて前記従動側スライド手段も前記リンク機構を介して装置中心方向に沿ってスライドし、前記ウエハをクランプすることを特徴とする。

前記ウエハクランプ機構は、前記駆動側スライド手段と、前記従動側スライド手段に設けられたローラクランプで前記ウエハをクランプすることが好ましい。

前記昇降手段の停止位置は、前記ウエハ載置板および旋回駆動部材に規定された動作に対応して設定されることが好ましい。

本発明によれば、簡易かつコンパクトな構造によって、真空チャンバー内でのウエハ受け渡し作業などにおいて、ウエハの中心位置出し、オリフラやノッチの位置決めを容易かつ高精度に行えるという効果を奏する。

本発明のウエハ位置決め装置の一実施形態の内部構成（Ｚ軸原点位置）を示した部分断面図。図１に示した装置のウエハクランプ機構の平面構成に示した平面図。旋回装置の一部の概略平面構成を示した概略部分平面図。本発明のウエハ位置決め装置の一実施形態の内部構成（ウエハクランプ時）を示した部分断面図。図４に示した装置のウエハクランプ機構の平面構成に示した平面図。本発明のウエハ位置決め装置の一実施形態の内部構成（オリフラまたはノッチ検出時）を示した部分断面図。図６に示した装置のウエハクランプ機構の平面構成に示した平面図。ウエハクランプ機構のウエハクランプ機構の動作状態を説明した状態説明図。

以下、本発明のウエハ位置決め装置の実施するための形態について添付図面を参照して説明する。

図１は、本発明のウエハ位置決め装置１０の大気中ケーシング１内に収容された昇降装置２０、旋回装置３０と、真空チャンバー２内に収容されたウエハ位置決め機構４０の構成とを示した装置断面図である。図２は真空チャンバー２内に収容された、ウエハＷを保持したウエハ載置板１２とウエハ位置決め機構４０の構成を示した部分平面図である。以下、ウエハ位置決め装置の概略構成について、これらの図を参照して説明する。

本発明のウエハ位置決め装置１０の外観は、図１に示したように、略細円筒形状の大気部ケーシング１と、大気部ケーシング１の上部に位置するように気密的に連接された扁平円筒状の真空チャンバー２とからなる。大気部ケーシング１の上部には真空チャンバー２とを仕切る仕切板３が取り付けられ、その外周縁に真空チャンバー２底盤の底面開口の内周縁が真空シール４を介して連接されている。ウエハ位置決め装置のうち、大気部ケーシング１内には装置固定支持板１１が水平をなすようにケーシング１の内周面に固定支持されている。この装置固定支持板１１にはウエハ載置板１２の昇降装置２０と、ウエハ載置板１２の旋回装置３０とが固定支持されている。

（ウエハ載置板の昇降装置）
ウエハ載置板１２の昇降装置２０は、昇降装置２０自体と旋回装置３０とを、大気部ケーシング１内の所定高さ範囲で制御昇降させる装置である。図１に示すように、昇降装置２０は装置固定支持板１１に支持された図示しない駆動モータからタイミングベルト２１を介して回転駆動力を受けるプーリ２２と、このプーリ２２が同軸に螺着されたボールネジ２３と、ボールネジ２３と螺合され、装置固定支持板１１下面の所定位置に取り付けられたボールネジナット２４とを有する。

大気部ケーシング１内を一体的に昇降する部材は、上からウエハ載置板１２、ウエハ載置板１２に回転及び所定の旋回角の回動を付与する中心回転軸１４、中心回転軸１４を軸支するとともに、真空チャンバー２の真空保持を図る真空シールハウジング１５、中心回転軸１４の下部軸支部１６、後述する旋回装置３０からの回転力を受けて中心回転軸１４を回転させる従動プーリ３３、中心回転軸１４の回転状態を検知するエンコーダ１７、中心回転軸１４の旋回角を規制する旋回センサ用ドグ１８とが縦方向に中心回転軸１４の回転に関連して設けられている。これらの各部品は、装置固定支持板１１に支持されたボールネジナット２４位置にボールネジ２３の回転が伝達されることで、ボールネジ２３の回転が装置固定支持板１１の上下方向移動（昇降）に変換される。このときウエハ載置板１２の昇降位置を検知把握するために、Ｚ軸位置検出センサが高さ方向に沿って３箇所設けられている。具体的には下側からＺ軸クランプ位置センサ２５Ｌ、Ｚ軸原点センサ２５、上限リミッタ２５Ｕが、昇降装置２０の上下方向位置を正確に検知し、昇降装置２０の駆動モータ（図示せず）の制御が行われ、上下方向位置調整が高精度に行われる。

また、この昇降装置２０によって旋回装置３０も一体として上下する。したがって、旋回装置３０の上端に位置するウエハ載置板１２の回転高さ位置の調整が行われる。このため、後述するウエハ位置決め機構４０の動作（中心位置出し、オリフラまたはノッチ検出）のために適切な高さにウエハ載置板１２を昇降できる。

（ウエハ載置板の旋回装置）
ウエハ載置板１２の旋回装置３０の構成について、図１及び図３を参照して説明する。図３は、図１における大気部ケーシング１内に収容された旋回装置固定支持板１９に支持された旋回モータ３１と、旋回モータ３１の回転軸３１ａに取り付けられた駆動プーリ３２と、中心回転軸１４に軸支された従動プーリ３３との間に掛け渡されたタイミングベルト３４により、中心回転軸１４に所定の回転を付与し、中心回転軸１４、ウエハ載置板１２（図１）を回転することができる。回転速度等はモータ制御により適宜設定できる。また、図示したように中心回転軸１４に取り付けられた旋回センサ用ドグ１８により、中心回転軸１４に所定の旋回角θ（図３）の規制を付与して、後述するウエハ位置決め機構４０の動作を制御することができる。

（ウエハ位置決め機構）
ウエハＷの位置決め機構４０の構成について、図２、図４及び図５を参照して説明する。図２には星形形状をなした６本のウエハ受け部１２ａを有するウエハ載置板１２の平面形状が示されている。各ウエハ受け部の先端にはウエハＷをソフトに支持するパッド１２ｐが設けられている。ウエハ載置板１２の下面側には、中心回転軸１４の上端を保持する台座板１３が取り付けられている。この台座板１３の中心点から所定距離の下面にクランプレバー駆動ローラ４１が取り付けられている。ウエハ位置決め機構４０のうちのウエハクランプ機構４５の構成について、図４，図５を参照して説明する。このウエハクランプ機構４５は、後述するように、４カ所に配置された受けピン４２上に載置されたウエハＷの中心位置出しを行う機能を有する。中心位置出し動作については後述するが、基本的に２個の駆動ローラクランプ４６と中心点を挟んで対向位置にある従動側ローラクランプ４７とで両側から等しい押圧力でウエハＷを把持することで円形形状のウエハＷの中心点を装置中心と一致させることができる。

ウエハクランプ機構４５は、図５に示したように、駆動側クランプ機構４６０と従動側クランプ機構４７０とを組み合わせた構成からなる。駆動側クランプ機構４６０はリニアガイド４６１に沿ってＸ軸に平行にスライドするクランプレバー４６２と、クランプレバー４６２と第１スプリング４６３を介して連結され、上面に２個のローラクランプ４６４が取り付けられ、リニアガイド４６６に沿ってスライド可能な駆動側スライドベースプレート４６７と、クランプレバー４６２のＸ軸を挟んで反対側に取り付けられた駆動側リンクアーム４６８とを有する。スライドベースプレート４６７にはクランプレバー４６２により中心方向にスライドした際に、スライドベースプレート４６７を初期位置に復帰させるための第２スプリング４６９の一端が定着されている。

従動側クランプ機構４７０は、従動側スライドベースプレート４７７を本体とし、その上面に２個のローラクランプ４７４が取り付けられ、従動側リンクアーム４７８のスライド動作により、２本のリニアガイド４７６に沿ってＸ軸に平行にスライドすることができる。また、図４に示したように、ノッチ検出センサ５０がブラケット５１を介して設けられている。このノッチ検出センサ５０は、後述するように、ノッチ検出情報を制御部（図示せず）に送り、制御部ではその情報が記憶され、位置決め動作にフィードバックされる。駆動側リンクアーム４６８と従動側リンクアーム４７８の先端間には反対方向への並進運動を実現する連係リンク機構４８０が設けられている。この連係リンク機構４８０は、図７に示したように、回動点周りに揺動する連結リンクアーム４８１の両端に設けられたローラ４８２，４８３が駆動側リンクアーム４６８と従動側リンクアーム４７８の先端に形成された長孔４８５、４８６に沿って移動することで駆動側リンクアーム４６８と従動側リンクアーム４７８の反対方向への等距離の並進運動が実現する。

（昇降装置におけるウエハ載置板の高さ制御）
本発明のウエハ位置決め装置では、その機能実現のために、ウエハ載置板１２の位置（Ｚ軸方向、旋回方向）を大きく以下の３位置を基本位置として設定している。
(1)ウエハ載置板自由旋回可能位置への制御動作（図１、図２、図８（ａ））
ウエハ載置板１２が、受けピン４２上に仮置きされたウエハＷに接触せず、かつウエハ載置板１２の下面に設けられたクランプレバー駆動ローラ４１がクランプレバー４６２に干渉しないことがＺ軸上での高さの条件となる。この高さ状態はＺ軸原点センサ２５がＯＮであることで確認できる。このＺ軸上の高さにおいて、ウエハ載置板１２は旋回モータ３１の回転駆動により自由に回転できる。さらに旋回方向原点の位置確認が行われる。すなわち、ウエハ載置板１２を所定方向に回転させると、旋回原点センサ３５がＯＮとなる位置に来る。この旋回位置から所定角度旋回させた位置を旋回方向原点とする。この位置では、クランプレバー駆動ローラ４１が接触する手前の旋回角度が設定されている。ウエハ載置板１２がこの旋回方向原点に位置するときにのみ、昇降装置２０のＺ軸方向の下降が可能となる。そして昇降装置２０は、クランプ位置高さ(ウエハ受け渡し可能高さ位置)まで移動させることができる。したがって、ウエハ位置決め装置１０の装置起動時では、まず昇降装置２０が動作し、そのときのＺ軸位置からＺ軸原点位置までの昇降（原点位置出し）が行われ、さらに旋回装置３０が動作し、旋回方向原点の原点位置出しが行われる。その後、昇降装置２０の下降動作により昇降可能部材をＺ軸下限位置まで下降させる。この位置（Ｚ軸方向原点、旋回方向原点）で装置は待機状態となり、ウエハＷの受け渡しが可能となる。

(2)ウエハクランプ機構動作可能位置での制御（図４、図５、図８（ｂ）、（ｃ））
ウエハＷを上述したウエハクランプ機構４５でクランプ可能な位置となるために、まず昇降装置２０はＺ軸方向の下限位置まで下降し、Ｚ軸クランプ位置センサ２５ＬがＯＮ状態となる。また、旋回可能位置として、旋回原点センサ３５もＯＮ状態となっている。なお制御は、これら２個のセンサ２５Ｌ、３５のＯＮ状態がＡＮＤ条件となって、旋回装置３０が次動作に移ることができる。すなわち、以下の動作で受けピン４２上にウエハＷを載せた後にウエハＷの中心合わせが行われる。図８（ｂ）に示したように、待機状態にあるウエハ載置板１２（図４）の下面に設けられたクランプレバー駆動ローラ４１は、旋回モータ３１の矢印方向Ａ（図８（ｂ））への回転により、クランプレバー４６２のローラ係止部４６２ａに当接する。そしてさらに旋回することで、クランプレバー４６２がリニアガイド４６１に沿ってＸ軸方向にスライドする。この状態でクランプレバー４６２の後方に連結された第１スプリング４６３が駆動側スライドベースプレート４６７をリニアガイド４６１に沿って装置中心方向にスライドさせる。これにより、駆動側スライドベースプレート４６７上の駆動側ローラクランプ４６４が、第２スプリング４６９の付勢力に抗して、ウエハＷをクランプする方向に移動する。駆動側スライドベースプレート４６７がクランプ方向に移動すると駆動側リンクアーム４６８もリニアガイド４６６に沿って装置中心方向にスライドする。駆動側リンクアーム４６８のスライドに対応して、その先端位置にある連係リンク機構４８０が動作し、従動側リンクアーム４７８を装置中心側にリニアガイド４７６を介してスライドさせる。これにより従動側スライドベースプレート４７７全体がリニアガイド４７６を介して装置中心方向へスライドし、その上面に設けられた従動側ローラクランプ４７４は、駆動側ローラクランプ４６４との間を狭めるように、閉じる方向に移動する。この結果、２個の駆動側ローラクランプ４６と、２個の従動側ローラクランプ４７とがウエハＷの外周縁に当接し、ウエハＷを挟み込む。ウエハＷと当接するローラクランプ４６、４７は自由回転可能なローラ形状であるため、ウエハＷとローラとの間の摩擦力はほとんど発生せず、その結果、４個のローラクランプ４６，４７でウエハＷをソフトに挟み込んで、ウエハ中心をウエハ載置板１２の回転中心位置に位置決めすることができる。

ウエハクランプ機構４５はウエハＷの位置決め時に一定の把持力に調整する機能を有する。駆動側、従動側の４個のローラクランプ４６（４６４）、４７（４７４）がウエハＷに当接して駆動側、従動側のローラが停止した後、クランプレバー駆動ローラ４１は、さらにあらかじめ設定されている旋回角度まで回動する。その結果、駆動側スライドベースプレート４６７は第１スプリング４６３を伸長させながら、さらに装置中心方向に移動する。この第１スプリング４６３が伸長すると、駆動側スライドベースプレート４６７も装置中心に向かってスライドする。このため、駆動側スライドベースプレート４６７上の駆動側ローラクランプ４６（４６４）は第１スプリング４６３の付勢力により、所定の押圧力でウエハＷを把持し、ウエハＷの直径誤差を吸収することができる。その際、一端がベース固定部に定着された第２スプリング４６９は所定量伸長される。

ウエハ中心が位置決めされた後、旋回モータ３１（図４）は逆方向回転し、ウエハ載置板１２は反対方向に回動して旋回原点位置まで戻ることができる（図８（ｃ）参照）。この動作と同時に、駆動側スライドベースプレート４６７も伸長した第２スプリング４６９の付勢力により、装置中心方向と逆方向へスライドし、ウエハクランプ機構４５のローラクランプ４６、４７は、駆動側、従動側が同期してクランプによるウエハ把持をソフトに解除する。

（オリフラまたはノッチ検出の検出）（図６、図７、図８（ｃ））
ウエハ中心が位置決めされ、ローラクランプ４６、４７が解放され、旋回モータ３１（図６）の駆動によりウエハ載置板１２が旋回原点位置に戻った状態で、昇降装置２０の動作により昇降可能な部材はＺ軸方向の上限リミッタ２５Ｕの高さまで上昇される。この位置はＺ軸の上限リミッタＯＮで判断される。ウエハＷは、ウエハ載置板１２のパッド１２ｐ上に載置されており、パッド１２ｐの摩擦力によって円周方向に滑らない安定した状態にある。この状態でウエハ載置板１２は自由回転可能であり、オリフラまたはノッチ（図示せず）の検出のために、中心回転軸１４の制御された回転方向に回転される。検出手段としては、本実施形態では、図６、図８（ｃ）に示したように、ノッチ検出センサとして光透過センサ５０が用いられている。センサ光５５は図示しない光ファイバーによって光透過センサ５０に導かれ、発光５０ｓ側から鉛直下方の受光側センサ５０ｒに向けて照射される。センサ光５５のラインは、通常はウエハ外周縁付近で遮光されるが、オリフラまたはノッチ箇所で受光側センサ５０ｒに到達できるように、鉛直に光軸設定されている。光透過センサ５０がＯＮでウエハ積載板１２でウエハＷを回転させながら、センサ光５５が透過し始める位置と遮光し始める位置とを検出する。同時にウエハ載置板１２を回転駆動する中心回転軸１４に固定されたエンコーダ１７のパルス情報を記憶する。これらの情報からオリフラまたはノッチの角度位置を演算する。そして、たとえば透過開始時のパルス情報と遮光開始時のパルス情報の中心位置情報をオリフラまたはノッチの中心位置として定義して位置検出する。その後、エンコーダ１７の回転状態の情報をもとに、あらかじめ設定されている角度位置までウエハ載置板１２を旋回し、オリフラまたはノッチの角度に最終的に位置決めする。オリフラまたはノッチ位置決め完了後にウエハ載置板１２をＺ軸原点位置まで下降させ、ウエハＷをウエハ載置板１２から受けピン４２に載置させる。その後、中心回転軸１４を旋回原点位置まで旋回させ、一連のウエハ位置決め動作を終了させる。その後、図示しない搬送装置によりウエハＷの受け渡しを行うことができる。

以上の説明では、ウエハクランプ機構４５は真空チャンバー２内に配置されているが、大気中におけるウエハＷの位置決め装置として使用することができ、同様の効果を奏することができることはいうまでもない。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、各請求項に示した範囲内での種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲内で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態も、本発明の技術的範囲に含まれる。

１大気部ケーシング
２真空チャンバー
１０ウエハ位置決め装置
１２ウエハ載置板
１４中心回転軸
１７エンコーダ
１８旋回センサ用ドグ
２０昇降装置
２５Ｚ軸原点センサ
２５ＬＺ軸クランプ位置センサ
２５Ｕ上限リミッタ
３０旋回装置
３１旋回モータ
４０ウエハ位置決め機構
４１クランプレバー駆動ローラ
４２受けピン
４５ウエハクランプ機構
４６０駆動側クランプ機構
４６２クランプレバー
４７０従動側クランプ機構
４６（４６４）駆動側ローラクランプ
４７（４７４）従動側ローラクランプ
４８０連係リンク機構
５０ノッチ検出センサ（光透過センサ）
５５センサ光

Claims

ウエハを載置可能なウエハ載置板と、
該ウエハ載置板を中心回転軸回りに自由回転あるいは所定旋回角だけの回動とに制御して動作可能な旋回駆動手段と、
該旋回駆動手段を前記ウエハ載置板とともに昇降可能な昇降手段と、
該昇降手段の複数の停止位置を検出する位置検出手段と、
駆動側スライド手段と、該駆動側スライド手段と前記中心回転軸に関して対向して配置され、リンク機構で前記駆動側スライド手段と連係された従動側スライド手段とで前記ウエハをクランプ可能なウエハクランプ機構と、
前記ウエハ載置板の下面に設けられ、前記駆動側スライド手段の一部に係止可能な旋回駆動部材と、
を備え、
前記ウエハクランプ機構は、前記昇降手段の動作により前記駆動側スライド手段に係止された前記旋回駆動部材が、前記旋回駆動手段の規定された旋回角度に応じて前記中心回転軸回りに回動して前記駆動側スライド手段に装置中心方向への並進動作を付与し、該並進動作に応じて前記従動側スライド手段も前記リンク機構を介して装置中心方向に沿ってスライドし、前記ウエハをクランプすることを特徴とするウエハ位置決め装置。
前記ウエハクランプ機構は、前記駆動側スライド手段と、前記従動側スライド手段に設けられたローラクランプで前記ウエハをクランプする、請求項１に記載のウエハ位置決め装置。
前記昇降手段の停止位置は、前記ウエハ載置板および前記旋回駆動部材に規定された動作に対応して設定される、請求項１に記載のウエハ位置決め装置。