JPWO2012077296A1 - 給電装置 - Google Patents

Abstract

小さい設置面積で簡単に装着でき、真空中で可動する、小型で複雑な形態を有する可動体への給電に適した給電装置を提供する。可動体（Ｒ）の構成部品（Ｐ１）、（Ｐ２）に対して非接触式で給電する給電装置は、キャパシタ（Ｃ）と交流電源（ＰＳ）とを備え、キャパシタは、対向配置される一対の電極（ＣＰ１）、（ＣＰ２）間で機械的に分離されたものであり、一方の電極を固定配置すると共にこの一方の電極に交流電源からの出力を接続し、上記構成部品に接続される他方の電極を、電極間距離を一定に維持しながら相対移動するように可動体に装着すると共に交流電源の負荷に接続する。

Description

本発明は、可動体の構成部品に対して非接触式で給電する給電装置に関し、特に、静電チャック付きのロボットハンドを有する搬送用ロボット等、真空中で可動する可動体の構成部品に対して非接触式で給電するものに関する。

従来、この種の給電装置は例えば特許文献１で知られており、例えば、真空中で可動する搬送用ロボットのロボットハンドに備えられた静電チャックに吸着用の電圧を印加するために用いられる。上記従来例のものは、自励発振器と、自励発振器に接続された一次コイルと、一次コイルと同軸状に配置され、搬送用ロボットの基板保持部たる静電チャックに接続された二次コイルとを有する。

そして、一次コイルに自励発振器の周波数で電力が供給され、一次コイルによって二次コイルに誘導起電力が発生させられるように構成される。つまり、一次コイルに、自励発振器より電力が供給されると、一次コイルに磁束が生じ、その磁束が二次コイルと鎖交して、二次コイルに誘導起電力が発生する。これにより、二次コイルに発生した誘導起電力が静電チャックに供給される。

然し、上記従来例のものでは、一次コイル及び二次コイルを近接配置しなければ効率の良い給電が困難であるという問題がある。このため、両コイルを可動体が収納される真空処理室内に配置する必要があるが、コイル等の部品はその表面積が大きく、放出ガス量が多くなる。その結果、真空処理室内の真空引きに時間がかかる等の不具合が生じる。また、近年の搬送用ロボットは、小型化や処理速度の向上等のため、その形状が複雑化しており、上記従来例の構成では、搬送用ロボットの回転軸等の可動体への給電装置の各部品の組み付けが困難となるという問題を招来している。

特許第３２９３８９１号公報

本発明は、以上の点に鑑み、小さい設置面積で簡単に装着でき、小型で複雑な形態を有する可動体への給電に適した給電装置を提供することをその課題とするものである。

上記課題を解決するために、本発明は、可動体の構成部品に対して非接触式で給電する給電装置であって、キャパシタと交流電源とを備え、キャパシタは、対向配置される一対の電極間で機械的に分離されたものであり、一方の電極を固定配置すると共にこの一方の電極に交流電源からの出力を接続し、上記構成部品に接続される他方の電極を、電極間距離を一定に維持しながら相対移動するように可動体に装着すると共に交流電源の負荷に接続したことを特徴とする。なお、本発明において、交流電源とは、その駆動周波数が１００ｋＨｚ〜数十ＭＨｚのものであり、高周波帯域の駆動周波数を含むものである。

本発明においては、例えば、前記負荷は、前記キャパシタと共に直列共振回路を構成するインダクタであることが好ましい。また、本発明においては、例えば、前記可動体が、回転軸と、この回転軸に連結され、静電チャック付きロボットハンドを有するロボットアームとを備えた搬送用ロボットであり、前記構成部品を静電チャックとし、前記インダクタの両端電圧を整流して当該静電チャックのチャック電極に吸着用の電圧を印加し得るものに適用できる。

本発明によれば、可動体を搬送用ロボットとし、負荷をインダクタとした例では、上記各電極を金属板や金属製の円筒管等から構成し、直列共振回路内の分離されたこのキャパシタの一方の電極を搬送用ロボットが収納された真空処理室内に固定配置し、交流電源からの出力を接続する。この一方の電極に対向させてかつ相対移動するように、他方の電極を搬送用ロボットの回転軸等に装着し、静電チャックのチャック電極に接続する。そして、直列共振回路内の分離されたキャパシタと、インダクタとが共振状態となるように交流電源の駆動周波数を設定すると共に、当該直列共振回路のＱ値と印加電圧の振幅を適宜選択すれば、静電チャックに必要な高電圧を得ることができる。この場合、倍電圧整流等の公知技術を適用して必要な高電圧を得るようにしてもよい。また、チャック電極やインダクタの帰還回路（配線）は、例えば、回転軸やロボットハンドがアース接地された金属製のものであれば、当該回転軸に接地することできる。なお、本発明においては、交流電源の負荷を、例えば整流回路とすることができ、このような場合には、インダクタは不要で、チャック電極からの帰還回路（配線）が当該整流回路に直接接続され、交流電源の駆動周波数に応じて所定電圧が静電チャックに印加される。

このように本発明の給電装置は、金属板等で構成されるキャパシタを用いるため、２個のコイルを用いる上記従来例と比較して、その表面積を小さくして放出ガスを抑えることができる。しかも、各電極を例えば金属板で構成すれば、その設置面積も小さくでき、搬送用ロボット等の可動体への装着も容易にできる。なお、本発明では、電磁結合を要しないため、コイルを金属ケースで覆うことも可能であり、更なる放出ガス対策を取ることもできる。

また、上記においては、前記キャパシタの他方の電極を構成する部材表面に渦巻き状にインダクタを一体に形成してなる構成を採用できる。これによれば、キャパシタとインダクタを接続する配線等の省略等、部品点数を少なくして構造を簡単にでき、しかも、その組み付けも容易にできる。結果として、真空処理装置内に配置される給電装置用の構成部品の表面積を更に小さくして放出ガス量を一層低下させることができる。その上、キャパシタの電極等との帰還回路で形成される浮遊容量の影響を少なくすることができる。

本発明の実施形態の給電装置にて給電を行い得る静電チャック付きの搬送用ロボットの模式斜視図。 本実施形態の給電装置の回路構成を説明する図。 給電装置の効果を示すグラフ。 変形例に係る給電装置の回路構成を説明する図。 他の変形例に係る給電装置の回路構成を説明する図。 更に他の変形例に係る給電装置の回路構成を説明する図。 更に他の変形例に係る給電装置の回路構成を説明する図。 変形例に係る給電装置のキャパシタの電極の構成を模式的に示す図。

以下、図面を参照して、可動体を真空処理室内に配置される搬送用ロボットとし、構成部品をロボットハンドに備えられた静電チャックとし、この静電チャックに給電する場合を例に本発明の実施形態の給電装置を説明する。

図１中、Ｒは、図外の真空処理室内に配置される搬送用ロボットである。搬送用ロボットＲは、所謂フログレッグ式のものであり、同心状に配置され、図外の駆動源により夫々回転駆動される２本の回転軸Ｒ１１、Ｒ１２と、この回転軸Ｒ１１、Ｒ１２に夫々連結され、先端にロボットハンドＲ２を有するロボットアームＲ３とから構成される。回転軸Ｒ１１、Ｒ１２、ロボットハンドＲ２及びロボットアームＲ３は夫々金属製であり、ロボットハンドＲ２には静電チャックを構成する静電チャック電極Ｐ１、Ｐ２が夫々埋設されている。そして、両チャック電極Ｐ１、Ｐ２に給電するために本発明の実施形態の給電装置が用いられる。

給電装置は、図２に示すように、交流電源ＰＳと、キャパシタＣと、このキャパシタＣと共に直列共振回路ＬＣを構成する、交流電源ＰＳの負荷たるインダクタＬとから構成される。キャパシタＣは、対向配置される一対の電極ＣＰ１、ＣＰ２間で機械的に分離されたもの（所謂エアーギャップ式のもの）である。本実施形態では、両電極ＣＰ１、ＣＰ２は、同一の形態を有し、環状の金属板から構成されている。一方の電極ＣＰ１は、真空処理室内の底面に立設した絶縁ピンＩで支持させて固定配置されている。他方の電極ＣＰ２は、径方向外側に位置する回転軸Ｒ１２に外挿され、回転軸Ｒ１２の回転に伴って回転される。これにより、両電極ＣＰ１、ＣＰ２間距離を一定に維持しながら相対移動するようになる。この場合、両電極ＣＰ１、ＣＰ２の表面積や両電極ＣＰ１、ＣＰ２相互間の距離は、用途に応じて、キャパシタＣに加わる電圧がパッシェンの法則で制限される放電電圧以上あるように適宜選択され、また、両電極ＣＰ１、ＣＰ２の対向する面積は同一である必要はない。

一方の電極ＣＰ１は、真空チャンバ外に設けた公知の交流電源ＰＳに配線接続される。交流電源ＰＳは、その駆動周波数が１００ｋＨｚ〜数十ＭＨｚのものであり、高周波帯域の駆動周波数を含むものである。また、他方の電極ＣＰ２の表面には、平面コイルを構成すべく、金属線を渦巻き状に巻回して構成したインダクタＬが一体に形成されている。この場合、キャパシタＣの電極ＣＰ２とインダクタＬで生ずる磁束との間で生ずる渦電流などによる損失を防ぐため、平面コイルとしたインダクタＬの裏面（即ち、電極ＣＰ２と平面コイルの間）には高周波損失の少ないフェライトなどを用いることが好ましい。なお、線径や巻数は用途に応じて適宜設定される。

インダクタＬの一端はロボットハンドＲ２に埋設した一方の電極Ｐ１に、インダクタＬの両端電圧を整流するダイオードＤ１を介して、ロボットアームＲ３の作動を阻害しないように配置した配線Ｗにより接続されている。この場合、インダクタＬからの帰還回路（配線）は機械的に分離されていないが、回転軸Ｒ１２が金属性であるため、これに接続している。また、他方の電極Ｐ２もまた、金属製のロボットハンドＲ２に接続している。以下に、本実施形態の給電装置による給電を説明する。

ロボットハンドＲ２上に、搬送対象たるシリコンウエハ等の基板（図示省略）を載置する。次に、交流電源ＰＳにより交流電圧を印加する。このとき、交流電源ＰＳの周波数をキャパシタＣとインダクタＬとを備えた直列共振回路ＬＣが共振状態となるように設定すると共に、当該直列共振回路ＬＣのＱ値と印加電圧の振幅（交流電圧）を適宜設定する。これにより、静電チャック用の電極Ｐ１に、基板を吸着するのに必要な電圧が印加されて、静電気力にて基板が吸着される。このとき、倍電圧整流等の公知技術を適用して必要な高電圧を得るようにしてもよい。

このように本実施形態では、２枚の金属板で構成されるキャパシタＣと１個のインダクタ（コイル）Ｌで給電回路を構成したため、２個のコイルを用いる上記従来例と比較して、その表面積を小さくして放出ガスを抑えることができる。しかも、設置面積も小さくなり、また、金属板の回転軸Ｒ１２への装着も容易にできる。なお、本発明では、電磁結合を要しないため、コイルを金属ケースで覆うことも可能であり、更なる放出ガス対策を取ることもできる。

また、上記実施形態では、キャパシタＣの電極ＣＰ２にインダクタＬを一体に形成したため、キャパシタＣとインダクタＬを接続する配線の省略等、部品点数を少なくして簡素化できるだけでなく、真空処理装置内に配置される給電装置用の構成部品の表面積を更に小さくして放出ガス量を一層低下させることができる。その上、キャパシタの電極等とのリターン回路で形成される浮遊容量の影響を少なくすることができる。

次に、本発明の給電装置の作用を確認する実験を行った。本実験では、キャパシタＣの電極ＣＰ１、ＣＰ２として、外形φ１５０ｍｍ、内径φ６０ｍｍでアルミニウム製の金属板を用い（電極相互間の距離を１ｍｍとした）、インダクタＬとして公称値０．６ｍＨのものを用いた。そして、図２の如く、直列共振回路を用い、交流電源ＰＳからの印加電圧を３．２Ｖに設定し、周波数を１００ＫＨｚ〜１ＭＨｚまで変化させて直列共振を起こさせた。図３は、インダクタＬ両端の電圧をダイオードＤ１にて整流した後の出力電圧（ＤＣ）の変化を示すグラフである。これによれば、共振周波数が約６００ＫＨｚのとき、４５Ｖ程度の直流電圧が得られているのが判る。これにより、交流電圧や周波数を適宜設定すれば、基板吸着に必要な電圧を得ることができることが判る。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記に限定されるものではない。上記実施形態では、搬送用ロボットＲの静電チャック用のチャック電極Ｐ１、Ｐ２に給電するものを例に説明したが、非接触式で給電する必要があるものに本発明は広く適用できる。また、上記実施形態では、回転軸が通常の金属製である場合を例に説明したが、電極を装着するものが金属製でない場合には、図４に示すように、直列共振回路のキャパシタＣ１、Ｃ２を２つに分割し、帰還回路側も機械的に分離するようにすればよい。他方で、図５に示すように、一方のチャック電極Ｐ２からの帰還回路をインダクタに接続するようにしてもよい。なお、図４及び図５中、上記実施形態と同一の部材または要素には同一の符号を付しており（以下同様）、また、図５中、Ｃ１１は、他のキャパシタであり、Ｒは抵抗である。

また、上記実施形態では、交流電源ＰＳの負荷としてインダクタＬを用いるものを例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、図６に示すように、ダイオード等の整流素子Ｄ２と、他のキャパシタＣ２１、Ｃ２２との整流回路に、他方のチャック電極Ｐ２からの帰還回路（配線）を接続するようにしてもよい。これにより、交流電源ＰＳの駆動周波数に応じて所定電圧が静電チャックＰ１、Ｐ２に印加される。この場合、上記図２に記載のものと比較して、機械的に分離されたキャパシタの電極ＣＰ１、ＣＰ２間にかかる電圧を小さくでき、真空中での放電にとって有利な構成とできる。なお、図７に示すように、インダクタＬを設ける構成とすることもできる。また、静電チャックの各電極に交流電圧を印加するような場合には、当該電極を負荷としてもよい。

更に、上記実施形態では、キャパシタＣの電極を環状の金属板から構成した場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、可動体が直動式のものであるような場合には、図８に示すように、長さの異なる円筒状のものを、可動体の駆動軸ＤＳの周囲に同心に配置してキャパシタＣの各電極ＣＰ２１、ＣＰ２２を構成してもよい。これによれば、各電極ＣＰ２１、ＣＰ２２の相対する面積、電極間距離は機械的に各電極が動いたとしても変化がない。他方、交流電源と直列共振回路で自励発振をおこさせて、キャパシタンス変化に従って共振周波数を追随させるようにしてもよく、また、共振状態を検出するセンサを用いこの信号を駆動周波数変化させる信号として用いてもよい。

また、上記実施形態では、キャパシタの電極ＣＰ２にインダクタＬを一体形成したものを例に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、両者を分割して構成することもできる。他方で、キャパシタＣの電極を構成する基板（電極を構成する部材）をシリコン基板とし、片面に所定金属を成膜したキャパシタ用の電極とし、その裏面側に整流回路やそのほかの電子回路を半導体製造方法で製作して一体化させることも可能である。この裏面側にフェライトやアモルファス合金を成膜しその上に平面コイルとしたインダクタを形成してもよい。更に、上記実施形態では、直列共振回路を構成するインダクタＬを真空雰囲気が形成される真空処理室内に配置したものを例としているが、当該インダクタＬを大気中に配置し、昇圧された交流電圧を真空中に導入し、上記キャパシタＣによる非接触給電する構成を採用することもできる。

ＬＣ…直列共振回路（給電装置）、Ｃ…キャパシタ、ＣＰ１、ＣＰ２…電極、Ｌ…インダクタ（負荷）、Ｄ１、Ｄ２…ダイオード（整流回路）、Ｒ…搬送用ロボット（可動体）、Ｒ１１、Ｒ１２…回転軸、Ｒ２…ロボットハンド、Ｒ３…ロボットアーム、Ｐ１、Ｐ２…静電チャック（可動体の構成部品）の電極。

Claims (4)

1. 可動体の構成部品に対して非接触式で給電する給電装置であって、
   キャパシタと交流電源とを備え、キャパシタは、対向配置される一対の電極間で機械的に分離されたものであり、一方の電極を固定配置すると共にこの一方の電極に交流電源からの出力を接続し、上記構成部品に接続される他方の電極を、電極間距離を一定に維持しながら相対移動するように可動体に装着すると共に交流電源の負荷に接続したことを特徴とする給電装置。
2. 前記負荷は、前記キャパシタと共に直列共振回路を構成するインダクタであることを特徴とする請求項１記載の給電装置。
3. 前記可動体は、回転軸と、この回転軸に連結され、静電チャック付きロボットハンドを有するロボットアームとを備えた搬送用ロボットであり、前記構成部品を静電チャックとし、前記インダクタの両端電圧を整流して当該静電チャックのチャック電極に吸着用の電圧を印加し得ることを特徴とする請求項２記載の給電装置。
4. 前記キャパシタの他方の電極を構成する部材表面に渦巻き状にインダクタを一体に形成してなることを特徴とする請求項２または請求項３記載の給電装置。

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