JPH08510093A - エンドエフェクタ上の物品のセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 特定の位置における物品の存在が、特定の位置に物品を位置させることにより生じるキャパシタンスの変化を測定することにより検知される。この測定に使用される装置は、オシレータを含み、この周波数は３重同軸ケーブルを含む構造とボルテージフォロワ回路を含む電気回路により、測定されるキャパシタンスに対し高感度になっている。

Description

【発明の詳細な説明】 エンドエフェクタ上の物品のセンサ 発明の背景 １．発明の分野 本発明の装置は一般的には物品搬送装置に関する。搬送される物品はシリコン やガリウムヒ素等のセミコンダクタウエハや高密度インタコネクト等のセミコン ダクタパッケージング基板、マスクやレチクル等のセミコンダクタ製造プロセス の画像プレート、アクティブマトリックスＬＣＤ基板等の広面積ディスプレイパ ネル等であるが、これに限定されるものではない。 ２．従来技術の説明 繊細なシリコンウエハ等をセミコンダクタデバイス製造に際してワークステー ションや所定位置の間を搬送するに際して、取扱い上の特有の問題がある。通常 このような搬送は真空チャンバ中で作動する関節アーム搬送装置をリモートコン トロールして行っている。したがって、搬送装置のエンドエフェクタにウエハが あるか否か検出できることが重要である。シリコンウエハは非常にデリケートで あり、表面が高精度に研磨されている。そのためその存在を非接触で検知するこ とが望ましい。 シリコンウエハを搬送するための装置は従来よりも多数ある。 たとえば米国特許4,666,366と4,909,701はウエハ搬送取扱い装置を開示してお り、この装置は関節アーム装置を有し、これが“カエル的”動作で伸縮して、ウ エハ等の対象物を複数位置間で搬送するようになっている。２つの関節アームは 、１つのアームがモータにより駆動されると”カエル的”或いは”カエル蹴り” タイプの動作を行って伸縮するように結合されている。プラットフォームはこの アームに連結され、搬送対称物をその上に載せる。 発明の概要 この発明は、特定の場所において物品を位置させることにより生じるキャパシ タンスの変化を測定することにより、特定の場所における物品の存在を検知する ための装置を含む。キャパシタンスにおける変化は、キャパシタンスを含む回路 内の電気的発振により測定される。キャパシタンスの変化が発振周波数の変化を 起こし、これにより該キャパシタンスの変化は測定される。この周波数の変化は 電圧に変換され、電圧計に表示される。 図面の簡単な説明 図１は本発明のキャパシタンスセンサの等角図であって、採用するプレートの 位置を示す； 図２は図１のキャパシタンスセンサの端面図； 図３は本発明のキャパシタンスセンサの回路と図１と図２のプレートを回路要 素に接続する３重同軸ケーブルを示す回路図； 図４と図５は回路図であって、図３の回路の代替回路を示し、図４に示される ”フロントエンド”発振回路は基本的に図３のものと同じであり、図５の回路は 信号調整器として機能する。 発明の詳細な説明 この発明の装置は容量型センサであって、非接触でシリコンウエハやマスクプ レートの検出が可能である。また実質的に同一レベルの表面を有する（coplanar ）２つの近接するキャパシタプレートに近接することによりその容量を変化させ るどのようなものの検出も可能である。この装置の基本部分は（１）周波数が容 量センサにより調整される発振器、（２）低出力インピーダンスのボルテージフ ォロワ、（３）中央コンダクタと２つのシールドを有する３重同軸（triaxial） ケーブル、（４）周波数−電圧変換器又は他の適当な出力回路、である。 図１及び図２を参照すると、この発明のセンサはグランドプレート１、センシ ングプレート２とシールドプレート３を有する。グランドプレート１は３重同軸 （triaxial）ケーブル５のアウターシールド４に第１リード６により接続されて いる。センシングプレート２は３重同軸ケーブル５の中央コンダクタ７に第２リ ード８により接続されている。シールドプレート３は３重同軸ケーブル５のイン ナーシールド９に第３リード１０により接続されている。検出されるべき物品１ １は、存在する時は、グランドプレート１とセンシングプレート２にきわめて近 接する。 この発明の発振器の周波数は、適当な抵抗−キャパシタ（ＲＣ）回路により決 定され、本発明の発振器の回路とボルテージフォロワは、オペレーショナルアン プ（オペアンプ）を使用している。抵抗とキャパシタ部品は非常に安定して作る ことができるため、また最近のオペレーショナルアンプは広帯域でハイゲイン及 び低出力インピーダンスであるため、そして３重同軸ケーブルはボルテージフォ ロワによりそのインナーシールドからアウタ（グランド）シールドに対する固定 キャパシタンスが駆動されることを許容するため、センサヘッドのキャパシタン スを合計チューニングキャパシタンスの主要部とすることが可能で、検出される べき接近するデバイスによる周波数変化が大きくなる。 図３にこの発明の一実施例の回路を示す。図３において、バイアスネットワー ク、波形形成及び同様の補助回路は示されていない。帰還抵抗１３とグランドに 対する入力キャパシタンスを有するインバータ回路１２により鋸歯状波が発生さ れる。入力キャパシタンスは図１および図２に示すように、オペアンプ入力（即 ちインバータ回路１２の入力）に接続されたセンシングプレート２により形成さ れ、シールドプレート３はインナーシールド９に接続される。接続構造は次の通 りである：３重同軸ケーブル５の中央コンダクタ７は第２リード８によりセンシ ングプレート２に接続し、３重同軸ケーブル５のアウタ（グランド）シールド４ はグランドプレート１とオペアンプのａ−ｃグランドとに接続している。３重同 軸ケーブル５のインナーシールド９は延長してセンシングプレート２をグランド からシールドしても良い。 ボルテージフォロワ１４により駆動されてケーブルキャパシタンスをキャンセ ルするのはインナーシールド９である。インナーシールドから中央コンダクタま でのケーブルのキャパシタンスは１０ピコファラドのレベルであるが、もしボル テージフォロワのために２つのコンダクタ間に電位差がなければ、電流もなく、 そして高インピーダンスノードにおける発振に与える影響も無視できるものとな る。同時に、インナーシールドのアウターシールドに対するキャパシタンスは、 ボルテージフォロワの低インピーダンスにより駆動され、要求される電流はイン ナーシールド電圧波形を著しく歪ませることはない。 従って、全てのケーブル容量性電流は、オシレータ電流ループ外のソースによ り与えられ、全てのオシレータ電流はセンサプレートのインピーダンスを流れる ことになり、センサキャパシスタの変化と共に、周波数の大きな変化を生ずる。 その結果として、回路は基本的に、グランドループや回路内のリード構成（lead dress）或いは回路に関連しない他の変動物であって放置しておくと所望の信号 を減衰したり歪ませたりする物から影響を受けない。 インバータ回路１２により駆動される発振周波数、検出されるキャパシタンス の尺度である周波数はインバータ回路１２の出力に表れる。インバータ回路１２ は標準周波数−電圧コンバータ１５の入力に接続され、その出力は電圧計により 表示することが可能である。 上記した装置において、図３に示す回路、センサ、３重同軸ケーブルはすべて エンドエフェクタを収納する真空チャンバ内にあっても良い。もしそうであれば 、グランドリードに加えて２つのコンダクタが必要であり、これらは真空チャン バの壁を通る必要がある。その中の１つはオシレータとボルテージフォロワに供 給される電力のためのコンダクタで、他の１つは周波数一電圧コンバータに供給 される矩形波電圧出力のためのコンダクタである。必要とするコンダクタの数は 、図５に示す図３の標準周波数−電圧コンバータ１５の替りになる信号調整器（ signal conditioner）のような回路を用いることにより１つに減じることが可能 である。更に図３の回路の残り部分（これは“フロントエンド”オシレータと呼 んでも良い）は図４に示すように若干変更される。 図５に示される信号調整器は入力オペアンプ２１を有し、オペアンプ２１のマ イナス入力は電流信号を受け、出力は再構成された矩形波電圧を伝達する。適宜 の電源からのパワー入力２２はフロントエンドオシレータのホットリード（hot lead）Ａに抵抗２３を介して供給される。パワー入力２２は抵抗２４とツエナー ダイオード２５を通ってグランドに接続している。ツエナーダイオード２５は電 圧基準型（voltage-reference）であり、例えば３ボルトの電圧においてツェナ ーモードーで作動する。オペアンプ２１のプラス入力は抵抗２４とツエナーダイ オード２５の接続点に接続している。オペアンプ２１へのパワーはパワー入力２ ２により供給される。フィードバック抵抗Ｒ_SENSEは入力オペアンプ２１のマイ ナス入力と出力との間に接続されている。図５の信号調整器のグランドは図４の “フロントエンド”オシレータのグランドに接続されている。 図４と図５に関し、矩形波電圧オシレータは、負荷抵抗Ｒ_Lを駆動し、この信 号は前述したように図３の１５に示すような周波数−電圧コンバータの入力とし て直接用いても良い。あるいはＲ_L上の信号が高い（通常５ボルト）時、負荷電 流がＲ_Lの出力信号が低い（通常０ボルト）時より大きくなる（５ｍＡ，Ｒ_L＝１ ｋオームの時）。負荷抵抗を流れる電流はパワー入力により与えられ、パワーサ プライにより信号調整器を通じて与えられる電流は、通常発振“高”半波に対し “低”半波に対してよりも５ｍＡ大きくなる。 調整器の入力回路は変化を感知し、入力オペアンプ２１は、Ｒ_SENSEを通じて 電流を発生し、このオペアンプマイナス入力を仮想グランドに維持する。この電 圧（△Ｉ×Ｒ_SENSE）は再構成発振である。 キャパシタ２６と２つのダイオード２７、２８は該発振を周波数に比例した電 圧Ｅ＝ｋｆに変換する。ポテンショメータ２９は出力をスイッチングするための スレッショルドのセッティングを行うためのものである。他のかわりの回路はア ナログ出力を供給する。 更に詳細には、抵抗２３の電流は、図５の信号調整器パワー供給入力２２から 図４の“フロントエンド”オシレータへ供給される平均電流のままである。この 電流を、前記した負荷抵抗Ｒ_Lの電流における変化の結果として変化させようと する傾向は、結果的にオペアンプ２１のマイナス入力における電圧を変化させよ うとする傾向となる。しかし、後者の傾向は直ちに抵抗Ｒ_SENSEを通ってオペア ンプ２１のフィールドバックにより修正される。その結果、負荷抵抗Ｒ_Lを流れ るどの ような電流の変化も帰還抵抗Ｒ_SENSEを流れる電流の変化として表われる。一方 、抵抗２３の電流はパワー供給入力２２からの平均電流のままである。この帰還 抵抗Ｒ_SENSEの電流における変化を生じさせるために、オペアンプ２１の出力電 圧も図４のインバータ回路１２の元の矩形波電圧出力を再構成するように変化し なければならない。この電圧出力はキャパシタンス２６によりパルスに変換され 、したがってキャパシタ２６は微分器として機能する。矩形波電圧出力が低から 高へ上がる時、正パルスはダイオード２８を通って積分アンプとして機能するオ ペアンプ３０のマイナス入力に至る。フィードバック負パルスは帰還キャパシタ ンス３１を充電する。オペアンプ２１からの矩形波電圧出力が高から低へ落ちる 時、充電されたキャパシタンス２６はダイオード２７を介して放電する。帰還キ ャパシタンス３１に一時的にストアされた電気は、抵抗３２を通って定常的に放 出され、この電流の合計は、帰還キャパシタンス３１が充電される周波数に比例 している。したがってオペアンプ３０の電圧出力は矩形波信号の周波数に比例し 、オペアンプは積分アンプとして機能する。 図５の信号調整器により、オシレータにおけるパワーリード上で変化する電流 への信号変換が、キャビネット、真空チャンバ等へのシャーシグランド以外の１ 本のリードによる貫通を可能にする。そのため、ロボットアームにおけるリード の問題やチャンバ壁のシールの問題等を単純化する。信号調整器の回路は変化す る電流をフロントエンド回路の元の発振を模写する電圧波形に変換する。更なる 回路は矩形波周波数を周波数又はオン／オフスイッチシグナルに比例するアナロ グ電圧に変換する。 以上のように本発明の基本を図示する実施例と共に説明したように、上記では 特定のものが採用されているが、これらは説明のために一般的に述べられている のであって、以下の請求の範囲で設定される本発明の範囲及び限定の目的のため のものでないことが理解されるべきである。

【手続補正書】特許法第１８４条の７第１項 【提出日】１９９４年９月１２日 【補正内容】 特許請求の範囲 請求項１． グランドプレート、物品がそこに近づくにつれて増加するキャパシ タンスを該グランドプレートと形成するように設けられたセンサプレート、前記 グランドプレートとセンサプレートとの間に設けられたシールドプレートと、前 記センサプレートに接続する入力を有し、前記キャパシタンスの変化につれて変 化する周波数を有し、これにより該周波数が前記キャパシタンスの大きさを示し 、これにより該周波数が前記プレートへの物品の接近を示す、オシレータと、を 含む３つのプレートと、その中央コンダクタが前記センサプレートに接続され、 そのインナーシールドが前記シールドプレートに接続され、そのアウターシール ドが前記グランドプレートに接続された１本の３重同軸ケーブルと、前記インナ ーシールドをセンサプレートから駆動するように接続されたボルテージフォロワ 回路と、前記オシレータの周波数を前記キャパシタンスの大きさを示すアナログ 又はデジタル出力信号に変換する信号調整器と、を含む対称物のセンサシステム 。 請求項２． 前記オシレータがＲ−Ｃ３角波源であり、前記ボルテージフォロワ が前記中央コンダクタを駆動するオシレータ信号電圧と少し異なる電圧で前記イ ンナーシールドを駆動し、前記アウターシールドが接地されている、請求項１の センサシステム。 請求項３． Ｒ−Ｃオシレータのキャパシタンスを形成する検出キャパシタンス が、中央コンダクタにより駆動されるプレートと接地されたプレート間のキャパ シタンスであって、検出されるべき対称物が両プレートに近接する時、該対称物 により一対となる、請求項１のセンサシステム。 請求項４． 前記信号調整回路が周波数一電圧回路又はデジタル周波数カウンタ 回路を含み、アナログ又はデジタル出力が後段の計算回路により直接使われるか 又はスイッチ動作のためにイエス・ノー型信号に変換される、請求項１のセンサ システム。 請求項５． 物品とキャパシタプレートの間のキャパシタンスが変化するにつれ て変化する周波数を有する信号を生成し、これにより該信号が前記キャパシタン スの大きさを示し、従って前記キャパシタプレート上又はこれに接近する物品の 存在を示すことにより、キャパシタプレート上又はこれに近い物品の存在を検知 するための装置であって、孔を有し、その近傍に物品を位置させるための表面を 形成する容量性グランドプレート（１）と、前記孔内で前記表面に近接し、しか し絶縁されているセンサプレートであって、これにより該センサプレートとグラ ンドプレート間のキャパシタンスの一部を該センサプレートとグランドプレート との相互位置により生成し、またこれにより物品が前記プレート上の近くに位置 する時、前記キャパシタンスが増加するセンサプレート（２）と、前記グランド プレートとセンサプレート間の他の主なキャパシタンスから前記センサプレート をシールドするために設けられる被駆動シールド（３）と、前記センサプレート に接続される入力を有し、前記キャパシタンスの関数であり前記キャパシタンス が変化する時に変化し、これにより該周波数が前記キャパシタンスの大きさを示 す周波数を有するオシレータ（１２、１３、２、１）と、発振中に前記センサプ レートと前記シールド間の電圧を無にするための手段（３、９、１４）と、前記 周波数を測定し、これにより前記物品の存在を示すための手段（１５）と、を有 するキャパシタプレート上の又はこれに近い物品の存在を検知するための装置。 請求項６． 前記信号調整回路が発振信号を前記オシレータへの電源リード上で 変化する電流に変換する回路を含む、請求項５のセンサシステム。 請求項７． 前記信号調整回路が前記変化する電流を前記オシレータの元の発振 を模写する電圧波形に変換する回路を含む、請求項６のセンサシステム。 請求項８． 前記信号調整回路が、前記電圧波形を周波数又はオン／オフスイッ チ信号に比例するアナログ電圧に変換する回路を含む、請求項７のセンサシステ ム。 【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９５年５月２日 【補正内容】 特許請求の範囲 請求項１． グランドプレートと、物品がそこに近接するにつれて増加するキャ パシタンスを該グランドプレートと形成するセンサプレート、前記センサプレー トに接続する入力を有し、前記キャパシタンスの変化につれて変化する周波数を 有し、これにより該周波数が前記キャパシタンスの大きさを示し、これにより該 周波数が前記プレートへの物品の近接を示す、オシレータと、を含む３つのプレ ートと、前記センサプレートに接続された中央コンダクタと、前記グランドプレ ートに接続されたインナーシールドとアウターシールドと、を有する１本の必要 な長さを有する３重同軸ケーブルと、前記インナーシールドをセンターコンダク タから駆動するように接続されたボルテージフォロワ回路と、前記オシレータの 周波数を前記キャパシタンスの大きさを示すアナログ又はデジタル出力信号に変 換する信号調整器と、を含む対称物のセンサシステム。 請求項２． 前記オシレータがＲ−Ｃ３角波源であり、前記ボルテージフォロワ が前記中央コンダクタを駆動するオシレータ信号電圧と少し異なる電圧で前記イ ンナーシールドを駆動し、前記アウターシールドが接地されている、請求項１の センサシステム。 請求項３． Ｒ−Ｃオシレータのキャパシタンスを形成する検出キャパシタンス が、中央コンダクタにより駆動されるプレートと接地されたプレート間のキャパ シタンスであって、検出されるべき対称物が両プレートに近接する時、該対称物 により一対となる、請求項１のセンサシステム。 請求項４． 前記信号調整回路が周波数一電圧回路又はデジタル周波数カウンタ 回路を含み、アナログ又はデジタル出力が後段の計算回路により直接使われるか 又はスイッチ動作のためにイエス・ノー型信号に変換される、請求項１のセンサ システム。 請求項５． 物品とキャパシタプレートの間のキャパシタンスが変化するにつれ て変化する周波数を有する信号を生成し、これにより該信号が前記キャパシタン スの大きさを示し、従って物品の前記キャパシタプレートへの近接を示すことに より、物品のキャパシタプレートへの近接を検知するための装置であって、孔を 有し、その近傍に物品を位置させるための表面を形成する容量性グランドプレー トと、前記孔内で前記表面に近接し、しかし絶縁されているセンサプレートであ って、これにより該センサプレートとグランドプレート間のキャパシタンスの一 部を該センサプレートとグランドプレートとの相互位置により生成し、またこれ により物品が前記プレート上に近接して来る時、前記キャパシタンスが増加する センサプレート２と、前記グランドプレートとセンサプレート間の他の主なキャ パシタンスから前記センサプレートをシールドするために設けられる被駆動シー ルド３と、前記センサプレートに接続される入力を有し、前記キャパシタンスの 関数であり前記キャパシタンスが変化する時に変化し、これにより該周波数が前 記キャパシタンスの大きさを示す周波数を有するオシレータ１２、１３、２、１ と、発振中に前記センサプレートと前記シールド間の電圧を無にするための手段 ３、９、１４と、前記周波数を測定し、これにより前記物品の存在を示すための 手段と、を有するキャパシタプレートに近接する物品の存在を検知するための装 置。 請求項６． 前記周波数を測定するための手段が、オシレータ電圧信号をオシレ ータへのパワーリード上で変化する電流に変換するように適用された回路と、前 記パワーリードが前記変換されたオシレータ信号を信号調整回路に伝達する、請 求項５のセンサシステム。 請求項７． 前記信号調整回路が前記変化する電流を前記オシレータの元の発振 を模写する電圧波形に変換するように適用された、請求項６のセンサシステム。 請求項８． 前記信号調整回路が、前記電圧波形を周波数又はオン／オフスイッ チ信号に比例するアナログ電圧に変換するように適用された、請求項７のセンサ システム。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 請求項１． グランドプレート、センサプレート及びシールドプレートとを含み 、検出されるべき物品が該プレートに近接した時該物品と協働して該物品が近接 するに従って変化するキャパシタンスを呈するように設けられた３つのプレート と、周波数が前記キャパシタンスの関数であるオシレータと、その中央コンダク タが前記センサプレートに接続され、そのインナーシールドが前記シールドプレ ートに接続され、そのアウターシールドが前記グランドプレートに接続された１ 本の３重同軸ケーブルと、前記インナーシールドに接続されたボルテージフォロ ワ回路と、前記オシレータの周波数を所望のアナログ又はデジタル出力信号に変 換する信号調整器と、を含む対称物のセンサシステム。 請求項２． 前記オシレータがＲ−Ｃ３角波源であり、前記ボルテ−ジフォロワ が前記中央コンダクタを駆動するオシレータ信号電圧と少し異なる電圧で前記イ ンナーシールドを駆動し、前記アウターシールドが接地されている、請求項１の センサシステム。 請求項３． Ｒ−Ｃオシレータのキャパシタンスを形成する検出キャパシタンス が、中央コンダクタにより駆動されるプレートと接地されたプレート間のキャパ シタンスであって、検出されるべき対称物が両プレートに近接する時、該対称物 により一対となる、請求項１のセンサシステム。 請求項４． 前記信号調整回路が周波数一電圧回路又はデジタル周波数カウンタ 回路を含み、アナログ又はデジタル出力が後段の計算回路により直接使われるか 又はスイッチ動作のためにイエス・ノー型信号に変換される、請求項１のセンサ システム。 請求項５． 孔を有し物品を位置させる平面を形成する支持プレートと、前記平 面に近接し且つ下側に隙間を空けた前記孔内のセンサプレートであって、これに より該センサプレートと支持プレート間のキャパシタンスの一部を該センサプレ ートと支持プレートとの相互位置により生成し、またこれにより物品が前記支持 プレート上に位置する時キャパシタンスが増加するセンサプレートと、前記支持 プレートとセンサプレート間の他の主なキャパシタンスから前記センサプレート をシールドするために設けられる被駆動シールドと、前記センサプレートに接続 される入力を有し、前記キャパシタンスの関数である周波数を有するオシレータ と、発振中に前記センサプレートと前記シールド間の電圧を無にするための手段 と、前記周波数を測定する手段と、を有する支持プレート上の物品の存在を検知 するための装置。 請求項６． 前記信号調整回路が発振信号を前記オシレータへの電源リード上で 変化する電流に変換するように構成された回路を含む、請求項５のセンサシステ ム。 請求項７． 前記信号調整回路が前記変化する電流を前記オシレータの元の発振 を模写する電圧波形に変換するように適用された回路を含む、請求項６のセンサ システム。 請求項８． 前記信号調整回路が、前記電圧波形を周波数又はオン／オフスイッ チ信号に比例するアナログ電圧に変換するように適用された回路を含む、請求項 ７のセンサシステム。