JP7287332B2 - ロボットハンド - Google Patents

Description

本発明は、搬送する基板を載置して把持するロボットハンドに関し、特には半導体製品の製造もしくは検査を目的に基板を搬送する工程に用いられるロボットハンドに関する。

半導体デバイスの高集積化・微細化を背景に、数ｎｍ～数十ｎｍのパターンが作られるようになった。パーティクルなどに起因するデバイス不良を最少化するため、その製造工程や検査工程には非常に高いクリーン度が求められており、クリーンルームやクリーンブース内で実施されることが一般的である。半導体デバイスが形成される基板に枚葉処理をする際、容器から取り出された基板は前処理工程、後処理工程へと搬送される。そのイメージを図９に示す。基板搬送時にはロボットハンドが旋回および伸縮動作を繰り返すため、基板がロボットハンドからずり落ちる懸念がある。そこで、基板の外周面を３点で保持するクランプ機構を備えることで、安定した搬送を実現する特許文献１のような技術がある。

しかし、基板と接触するロボットハンドに駆動部があることで、パーティクルが発生してしまう課題がある。例えば、図１０（上面および側面）に示すロボットハンド１０１の場合、はじめに基板Ｗは支持体１２１と１２２の上に載置され、次に基板押さえ部材１３１がアクチュエータと接続されているスライド機構１３２によって図１１のように基板Ｗを押さえつける方向に動くと、図１２のように基板押さえ部材１３１と基板Ｗが接触した後、基板Ｗを押しながら動く。最終的には図１３のように支持体１２１の鉤状の壁面部（突起）に基板Ｗが接触することで、基板Ｗが固定される。アクチュエータにはばね機構があり、固定後にアクチュエータが少々動いたとしても、ばねの力により基板押さえ部材１３１は基板Ｗが固定された位置で停止し続ける。ここで、この機構ではアクチュエータによって加速された基板押さえ部材１３１が基板Ｗと接触する際、さらに支持体１２１の壁面部（突起）と基板Ｗが接触する際に大きい衝撃がかかるため発塵が起こり、基板Ｗの表面にパーティクルが付着するリスクがある。

そこで、その衝撃を緩和するために、特許文献２の技術が提案されている。上記特許文献２では、基板位置の位置検出器を設け、衝撃を緩和しているが、アクチュエータの構成が複雑化するという問題がある。そこで特許文献３の技術ではこの点を鑑み、移動速度を低減する方向に推力を発生させる励磁コイルを有する励磁回路を追加している。

特開平７－３７９６０号公報 特開２００４－１１９５５４号公報 特開２０１１－２２２６８３号公報

しかしながら、上記特許文献１、２および３の対策を備えた装置であっても基板表面に局所的なパーティクルの付着が発生すると想定される。これまでの調査から、図１０の構造を有するロボットハンド１０１において、基板Ｗが支持体１２２上を滑って移動する際に、図１４のように摩擦による発塵があり、そのパーティクルが基板Ｗの表面に回り込む現象が確認されている。
そのときの基板１００枚の重ね合わせパーティクルマップを図１５に示す。ここで、パーティクルの位置は◆で示されている。図面中、基板の右端側の丸で囲った２つの範囲が２つの支持体１２２と接触する位置（表面側）であり、その周辺で局所的なパーティクルの密集がある。一方で、同じ基板上の支持体１２１と接触する側（図面中、左端側）にはパーティクル密集は確認されていない。これは、支持体１２１側（左端側）では基板が支持体１２１を覆う方向に動いているが、支持体１２２側（右端側）では、図１４に示したように支持体１２２が露出する方向に基板が動いているため回り込みが発生しているものと推測できる。この現象は上記特許文献１、２および３の対策では不十分であり、追加の対策が必要である。

本発明の課題は、基板をロボットハンドでクランプ（把持）する際に、支持体と基板が擦れることにより基板の表面に局所パーティクルが付着する現象を従来のロボットハンドの場合に比べて抑制し、かつ基板の安定した搬送を実現するためのロボットハンドを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、搬送する基板を載置して把持するロボットハンドであって、
前記基板が載置される第１支持体および突起を有する第２支持体と、前記第２支持体が固定配置されているハンドベースと、前記載置された基板を外周側面から押し込むための基板押さえ部材と、前記ハンドベース上の前記第２支持体に対して前記第１支持体および前記基板押さえ部材を前後にスライド可能なスライド機構とを有しており、
前記スライド機構は、
前記基板押さえ部材を前記第２支持体に向かってスライドさせて、前記載置された基板を前記第２支持体に向かって押し込んで移動させて前記基板押さえ部材と前記第２支持体の前記突起との間に挟んで把持するものであり、かつ、前記第１支持体を前記第２支持体に向かって、平面視において前記把持された基板に隠れる方向にスライドさせるものであることを特徴とするロボットハンドを提供する。

このようなものであれば、基板を確実に把持することができて安定した基板の搬送を行うことが可能である。その上、第１支持体と基板が擦れるときに発生するパーティクルの基板表面への付着を抑制することができる。なぜなら、クランプ時に第１支持体は、基板に隠れる方向（すなわち、基板の裏側に入り込む方向）に動くためである。第１支持体に相当する支持体が固定配置されている図１０のような従来品の場合よりも、基板と擦れた第１支持体の表面の露出部分が少なくなるようにスライドするものであり、そのため、第１支持体と基板の擦れにより発塵したとしても、基板表面にパーティクルが付着するのを効果的に抑制することができる。特には、基板に完全に隠れるようにスライドするものであれば、パーティクルの付着を著しく防ぐことができる。
これにより、パーティクル起因のリーク電流などのデバイス不良を効果的に防止することができる。

また、前記ハンドベースは開口部を有しており、
前記スライド機構は、前記ハンドベースの開口部内に、前記第１支持体および前記基板押さえ部材を有するスライドベースを有しており、前記ハンドベース上の前記第２支持体に対して前記スライドベースを前後にスライド可能なものとすることができる。

このようなものであれば、比較的簡便な構造で、第１支持体および基板押さえ部材をスライドさせることができる。

また、前記スライド機構は、前記第１支持体および前記基板押さえ部材を互いに連動してスライド可能なものとすることができるし、または、前記第１支持体および前記基板押さえ部材を互いに独立してスライド可能なものとすることができる。

第１支持体および基板押さえ部材のスライドが連動タイプでも独立タイプでも、第１支持体表面で発塵したパーティクルの付着を効果的に防止できる。

また、前記スライド機構は、アクチュエータを有するものとすることができる。

物体のスライド動作にアクチュエータはよく用いられるものであり簡便であるし、スムーズなスライド動作が可能になる。

また、前記第１支持体は、前記基板が載置される載置面のエッジにテーパを有するものとすることができる。

基板と第１支持体の擦れの際に第１支持体のエッジは摩耗しやすいが、テーパの存在によりその摩耗を効果的に抑制することができる。

また、前記第１支持体は、前記基板が載置される載置面が平坦であるものとすることができる。

このようなものであれば、載置面全体が傾斜している場合に比べて、基板のエッジと第１支持体の載置面との摩擦を低減して載置面からの発塵をより一層低減することができる。

また、前記第１支持体は、前記基板が載置される載置面に溝を有するものとすることができる。

このようなものであれば、基板と第１支持体の載置面との接触面積が小さくなり、両者間の摩擦が低減して載置面からの発塵をより一層低減することができる。

また、前記ロボットハンドは、枚葉式のものとすることができる。

ロボットハンドでの搬送において枚葉式のものはよく用いられており、本発明はそれらのタイプに特に有効である。

以上のように、本発明のロボットハンドであれば、基板の安定把持および搬送が可能であるし、第１支持体と基板が擦れるときに発生するパーティクルの基板表面への付着を効果的に抑制することができる。そして、パーティクル起因のデバイス不良の発生を抑制することが可能である。

本発明のロボットハンドの実施形態の上面および側面の一例を示す説明図である。 第１支持体のエッジにテーパーをつけた例を示す第１支持体周辺の拡大説明図である。 第１支持体の載置面に溝をつけた例を示す上面説明図である。 第１支持体の載置面が平坦である例を示す第１支持体周辺の拡大説明図である。 第１支持体の載置面全体が傾斜している例を示す第１支持体周辺の拡大説明図である。 本発明のロボットハンドにおける基板載置後のスライド初期状態を示す説明図である。 本発明のロボットハンドにおけるスライド完了状態を示す説明図である。 実施例における本発明のロボットハンドを持つ搬送装置における基板１００枚の重ね合わせパーティクルマップを示す測定図である。 ロボットにより基板を自動枚葉搬送するイメージ図である。 従来技術のロボットハンドの上面および側面の一例を示す説明図である。 従来技術のロボットハンドにおける基板受け取り後（載置後）の初期状態の説明図である。 従来技術のロボットハンドにおけるクランプ動作（把持動作）の中間状態の説明図である。 従来技術のロボットハンドにおけるクランプ動作の完了状態の説明図である。 クランプ動作時の基板表面へパーティクルが付着する様子を示す支持体周辺の拡大説明図である。 従来技術のロボットハンドを持つ搬送装置における基板１００枚の重ね合わせパーティクルマップを示す測定図である。

前述したように、従来のロボットハンドでは、基板を載置して把持するとき、基板が載置された支持体と基板とが擦れることによって支持体の載置面で発塵し、そのパーティクルが基板表面に付着する問題があった。
そこで本発明者がロボットハンドについて鋭意研究を行ったところ、基板が載置される第１支持体と第２支持体（突起あり）と、第２支持体が固定配置されているハンドベースと、載置された基板を外周側面から押し込むための基板押さえ部材と、ハンドベース上の第２支持体に対して第１支持体と基板押さえ部材を前後にスライド可能なスライド機構とを有しているロボットハンドにおいて、上記スライド機構が、基板押さえ部材を第２支持体に向かってスライドさせて、載置された基板を第２支持体に向かって押し込んで移動させて基板押さえ部材と第２支持体の突起との間に挟んで把持するものであり、かつ、第１支持体を第２支持体に向かって、平面視において把持された基板に隠れる方向にスライドさせるものであれば、基板を安定して把持して搬送ができるとともに、第１支持体と基板が擦れるときに発生するパーティクルの基板表面への付着を効果的に抑制できることを見出し、本発明を完成させた。

以下、本発明について図面を参照して実施の形態を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
先ず、図１を用いて本発明に係る基板搬送に用いられるロボットハンドの好適な一例について説明する。例えば半導体基板等の製造もしくは検査を目的に薄板状製品を搬送する工程において用いられるものとすることができる。
図１は、本発明のロボットハンドの一例であり、図１０に示した従来のロボットハンドの一部（特に支持体関連）を大きく変更改良したものである。上側が上面図、下側が側面図である。なお、ここでは枚葉式のものを例に挙げて説明するが、これに限定されず、複数枚の基板を搬送するタイプのものとすることも可能である。

本発明のロボットハンド１は、基台となるハンドベース１１を有しており、該ハンドベース１１は、連結部１２を介して、ロボットハンド１を自在に動かすためのアーム（不図示）と連結されている。ハンドベース１１は、先端に向かって二手に分かれており、Ｕ字を形成している。分かれた二手の各々の先端側に第２支持体２１が固定配置されている。この第２支持体２１には、基板Ｗの載置のための載置面２１Ａがある他、面鉤状の壁面部（突起２１Ｂ）が設けられている。

一方、ハンドベース１１の根元側（連結部１２の側）には、従来品と比べて大きな開口部３０が設けられている。この開口部３０の内側には、２つの第１支持体２２と基板押さえ部材３１を有するスライドベース３３が配置されている。
ここで第２支持体２１の載置面２１Ａはハンドベース１１の先端側の位置において基板Ｗを支持する面であるのに対し、第１支持体２２の載置面２２Ａはハンドベース１１の根元側の位置（なお、実際に位置するのは上記のようにスライドベース３３）において基板Ｗを支持する面である。
また、基板押さえ部材３１は、基板Ｗを把持するときに、その外周側面に当接して第２支持体２１に向かって押し込むための部品である。

そしてスライドベース３３は、第１支持体２２と基板押さえ部材３１をまとめて、第２支持体２１に対して前後にスライド可能に動かすためのスライド機構３２の一部として配置されている。つまり、スライドベース３３自体がスライドすることで、第１支持体２２と基板押さえ部材３１が一緒にスライド可能になっている。スライド機構３２としては、例えばアクチュエータを有するものとすることができる。アクチュエータを用いれば、簡便に、スムーズに上記スライドの動作を行うことができるので好ましい。

ところで、ここでは、基板Ｗの外周側面を押すための基板押さえ部材３１と第１支持体２２のスライド動作を互いに連動させる目的で、前述したように、ハンドベース１１の開口部３０を従来品に比べて大きく拡大し、その間にスライドベース３３を設置し、スライドベース３３上には基板押さえ部材３１と第１支持体２２が設けられており、スライド機構３２と連結している。
しかしながら、このような連動タイプの形態に限定されず、基板押さえ部材３１と第１支持体２２とが互いに独立してスライド可能な形態であっても良い。例えば、スライドベース３３が２つの第１支持体２２と基板押さえ部材３１とで別々に分割されており（つまり３つに分かれており）、その３つの各々に対して別個独立してアクチュエータ等が設けられており、独自にスライド可能になっているものとすることも可能である。

第１支持体２２は図２のようにエッジにテーパー２２Ｂをつけることが好ましい。なぜなら、第１支持体２２は基板Ｗと擦れる際に、支持体２２のエッジが摩耗しやすいからである。故に、エッジにテーパー２２Ｂをつけることで、擦れによる摩耗を低減することができる。

また、図３の上面図のように、第１支持体２２の基板が接触する載置面２２Ａには、スライド動作する方向と同じ方向に沿って溝２２Ｃをつけることが好ましい。こうすることで、第１支持体２２と基板との接触面積が小さくなり、両者間の摩擦が低減するためである。

また、載置面２２Ａの形態としては図４に示すように平坦なものが挙げられる。この他、平坦ではなく、図５に示した第１支持体２２の基板の載置面２２Ａに全体的に傾斜がつけてあるものとすることもできる。従来技術のロボットハンドでは、基板がロボットハンドから落下することを防ぐために、このような傾斜を持つ場合がある。ただし、本発明においては、このような傾斜面とするよりも平坦なものにする方がより好ましい。
傾斜面の場合、第１支持体２２が基板Ｗの裏面に入り込むように動作すると、基板Ｗのエッジが第１支持体２２の傾斜面を上るようになる。このときの基板Ｗのエッジと支持体２２の載置面との間での摩擦を、傾斜面ではなく平坦なものとすることでより効果的に防ぐことができる。また、その結果として、第１支持体２２の載置面２２Ａに凹みができたり、そこからのパーティクルの発生や、摩耗の進みによる基板エッジの第１支持体２２の載置面２２Ａへの引っかかりや、クランプの動作不良の引き起こしが生じるのを防ぐのに極めて有効であるため、平坦なものが好ましい。

次に、図１における本発明のロボットハンド１におけるクランプ動作を説明する。基板Ｗを載置して、スライド機構３２を作動させて、基板押さえ部材３１と第１支持体２２をスライドさせたときのイメージを、図６のスライド初期状態、図７のスライド完了状態に示す。
まず、基板Ｗがロボットハンドの各支持体（第１支持体２２、第２支持体２１）に載っただけの状態を図６のスライド初期状態とし、そこから矢印で示した方向に、スライド機構３２によって、基板押さえ部材３１が基板側（第２支持体２１側）にスライドする。このとき、第１支持体２２はスライドベース３３を介してスライド機構３２と連結しているため、第１支持体２２も矢印の方向に同時に連動してスライド移動する。すなわち、第１支持体２２は基板Ｗの裏面側に入り込む方向（平面視において基板Ｗに隠れる方向）に移動する。基板押さえ部材３１が基板Ｗと接触する位置まで移動すると、そのまま基板Ｗを押しながら移動し、ロボットハンド１の先端側にある第２支持体２１の鉤形状壁（突起２１Ｂ）に基板Ｗの外周側面が接触する。これにより基板Ｗが第２支持体２１の突起２１Ｂと基板押さえ部材３１との間に挟まれて把持されることになる。スライド機構３２のアクチュエータにはバネがあり、接触して把持後は基板押さえ部材３１および基板Ｗは動かず図７のスライド完了状態（クランプ動作完了状態）となる。

このような構造により第１支持体２２が基板押さえ部材３１と同じ距離を動くことになる。その結果、クランプ動作の中で、支持体が動かない従来品の場合のときに比べて、第１支持体２２が基板の裏側により一層隠れることにより、基板Ｗと擦れた載置面２２Ａが露出する範囲が小さくなり、基板表面へのパーティクル付着を抑制することができる。第１支持体２２の載置面２２Ａの全てが隠れるようになると、より好ましい。
表面に付着した局所パーティクルはデバイス不良の原因となる。近年のデバイスは微細化が進んでおり、微小なパーティクルが基板表面に存在するだけであっても、そのパーティクルを起点としてリークなどが発生し、デバイスの動作に致命的なエラーをもたらすことがある。本発明であればこれらの問題の発生を効果的に防ぐことができる。

一方、本発明を実施した場合においても、基板裏面には局所パーティクルの付着が既存技術と同程度あることが予想される。しかし、デバイス構造は基板の表面に形成されるため、裏面パーティクルは表面のそれと比較して問題となりにくい。

なお、上記のクランプ動作の例では、第１支持体２２は基板押さえ部材３１とスライドベース３３を介して連結されていたが、第１支持体２２が独立したスライドが可能な機構を有するものを用いてクランプを行ってもよい。その場合、第１支持体２２は基板と同じ速度、もしくはよりはやい速度で、基板と同じ方向にスライド移動すると良い。また、第１支持体２２のスライド移動終了のタイミングは、基板の移動が完了したと同時、もしくは移動の後にするのが良い。この条件が満たされると、第１支持体２２は基板からより一層露出しないで済むため、発明の効果がより効果的に発揮される。

以下、本発明の実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

（実施例）
図１の本発明の枚葉式のロボットハンドを有する搬送装置を用いて基板の搬送作業を行った。搬送作業において、載置した基板のクランプ動作時、スライド機構３２によってスライドベース３３をスライドして、基板押さえ部材３１により基板を第２支持体２１に向かって押し込むと同時に、第１支持体２２を基板裏面側に隠れるようにスライドさせた。クランプ完了時、第１支持体２２では、その載置面２２Ａの大部分が基板裏面側に隠れていた。
この場合における基板１００枚の重ね合わせパーティクルマップを図８に示す。図面中の右端側の丸で囲った範囲が第１支持体２２の接触する位置（表面側）であり、ここに局在するパーティクルは無かった。

（比較例）
図１０に示した従来技術のロボットハンド（すなわち、いずれの支持体も固定配置）を有する搬送装置を用いて基板の搬送作業を行った。基板のクランプ完了時、根元側の支持体１２２（載置面全体の面積は、実施例における第１支持体２２の載置面全体の面積と同じ）では、載置面の大部分が露出しており、基板裏面側に隠れている領域は実施例よりも大幅に少なかった。
この場合における重ね合わせパーティクルマップは図１５にすでに示している。ここで、この比較例の図１５において丸で囲った右端側の位置範囲は、実施例の図８と同じ位置範囲を示している。図１５では、支持体１２２の接触位置周辺にパーティクル密集があることが確認できる。

実施例と比較例を比較して分かるように、これらの結果は、基板がクランプされるときに基板の移動と同一方向にスライド移動する機構を有する第１支持体２２が設けられている本発明のロボットハンドを使用した場合、表面のパーティクル付着を抑制する効果があることを証明するものである。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

１…本発明のロボットハンド、 １１…ハンドベース、 １２…アームとの連結部、
２１…第２支持体、 ２１Ａ…第２支持体の載置面、 ２１Ｂ…突起、
２２…第１支持体、 ２２Ａ…第１支持体の載置面、 ２２Ｂ…テーパ、
２２Ｃ…溝、 ３０…開口部、 ３１…基板押さえ部材、 ３２…スライド機構、
３３…スライドベース、 Ｗ…基板。

Claims (8)

1. 搬送する基板を載置して把持するロボットハンドであって、
   前記基板が載置される第１支持体および突起を有する第２支持体と、前記第２支持体が固定配置されているハンドベースと、前記載置された基板を外周側面から押し込むための基板押さえ部材と、前記ハンドベース上の前記第２支持体に対して前記第１支持体および前記基板押さえ部材を前後にスライド可能なスライド機構とを有しており、
   前記スライド機構は、
   前記基板押さえ部材を前記第２支持体に向かってスライドさせて、前記載置された基板を前記第２支持体に向かって押し込んで移動させて前記基板押さえ部材と前記第２支持体の前記突起との間に挟んで把持するものであり、かつ、前記第１支持体を前記第２支持体に向かって、平面視において前記把持された基板に隠れる方向にスライドさせるものであり、
   前記ハンドベースは開口部を有しており、
   前記スライド機構は、前記ハンドベースの開口部内に、前記第１支持体および前記基板押さえ部材を有するとともに平面視において前記開口部内におさまっているスライドベースを有しており、前記ハンドベース上の前記第２支持体に対して前記スライドベースを前後にスライド可能なものであることを特徴とするロボットハンド。
2. 前記スライド機構は、前記第１支持体および前記基板押さえ部材を互いに連動してスライド可能なものであることを特徴とする請求項１に記載のロボットハンド。
3. 前記スライド機構は、前記第１支持体および前記基板押さえ部材を互いに独立してスライド可能なものであることを特徴とする請求項１に記載のロボットハンド。
4. 前記スライド機構は、アクチュエータを有するものであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のロボットハンド。
5. 前記第１支持体は、前記基板が載置される載置面のエッジにテーパを有するものであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載もロボットハンド。
6. 前記第１支持体は、前記基板が載置される載置面が平坦であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のロボットハンド。
7. 前記第１支持体は、前記基板が載置される載置面に溝を有するものであることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のロボットハンド。
8. 前記ロボットハンドは、枚葉式のものであることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のロボットハンド。

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