JPWO2020121778A1 - 静電容量センサ - Google Patents

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Abstract

ウエハ搬送ロボットのフィンガ表面に貼付することが可能な薄型の検出部が検出する静電容量であっても、除電装置や駆動源から発生するノイズの影響を除去して、正確な測定を行うことが出来る静電容量センサを提供する。検出部１ａに交流電圧を供給する交流供給源２９と、寄生容量補償回路３３と、演算増幅器２８と、差動アンプ３４と、位相検波手段３５と、ローパスフィルタとを備え、演算増幅出力端子は第１のバンドパスフィルタ３０を介して前記差動アンプ３４の反転入力端子に接続され、交流供給源２９は第２のバンドパスフィルタ３１を介して前記差動アンプ３４の非反転入力端子に接続され、差動アンプ３４の出力端子は位相検波手段３５の入力端子に接続され、位相検波手段３５は、交流供給源２９から出力される交流信号を参照信号とする。

Description

本発明は被検出体とセンサ間の距離を測定する静電容量センサに関するものであり、特に、半導体ウエハ等の薄板状の基板を搬送する基板搬送ロボットの基板保持ハンドに設置される静電容量検出センサと検出回路に関するものである。
被検出体の位置や基板保持ハンドとセンサ検出部との間の距離を正確に計測する方法の一つに静電容量センサを用いたものがある。この方法は、被検出体を検出する検出部と被検出体との間に生じる静電容量を検出して、この検出された静電容量の値から被検出体と検出部との距離を計測するものである。
具体的には、センサの検出回路から供給される微弱な交流電流を検出部から被検出体に向かって放出して、検出部表面と被検出体表面との間に発生する静電容量の変化を検出することにより、二つの表面間の距離を計測しようとするものである。この静電容量センサは、近年、半導体ウエハを保持するウエハハンドに設置され、ウエハハンドと半導体ウエハとの間の距離を測定することに使用されるようになってきている。
引用文献１には、処理装置内で半導体ウエハを搬送する搬送装置に搭載されるフォーク５９ｂが記載されている。フォーク５９ｂの左右両側には、静電容量センサのセンサヘッド（検出部）７１ａ、７１ｂがそれぞれ取り付けられている。図１を参照。静電容量センサは、これらフォーク５９ｂに配置されたセンサヘッド７１ａ、７１ｂのそれぞれと半導体ウエハとの間に発生する静電容量を計測する。計測された値から半導体ウエハの有無情報、半導体ウエハとフォーク５９ｂとが適切な距離を保っているか否かの情報等を搬送装置のメインコントローラに出力することが出来る。そして、このメインコントローラでは、これら入力された情報に基づいて搬送装置の駆動系への制御信号を出力し、搬送装置の動作を制御する。
また、引用文献１に記載の搬送装置では、静電容量センサにしきい値を設定して、フォーク５９ｂが半導体ウエハの外周を通過する際に、静電容量センサとフォーク５９ｂを駆動する駆動系とが協調動作することによって、半導体ウエハの外周部の位置がフォーク５９ｂの前後方向の移動量として計測することが可能になり、本来垂直方向の距離を計測する静電容量センサで半導体ウエハＷの水平方向の位置を計測することが可能となった。
特開平０８−３３５６２２号公報
しかしながら、引用文献に記載されたフォーク５９ｂでは半導体ウエハを正確に検出することが出来ない可能性が高い。近年、半導体は回路線幅２０ナノメートル程度まで微細化されてきていて、こういった微細化が進むことで半導体ウエハの被処理面へのパーティクルの付着が大きな問題となってきている。ここで、パーティクルが半導体ウエハの表面に付着する原因の一つとして、半導体ウエハの帯電が挙げられる。半導体ウエハは半導体の各製造工程において各種表面処理を施されるが、この時に半導体ウエハが帯電してしまい、これによってパーティクルを半導体ウエハ表面に付着させてしまうのである。さらに、この半導体ウエハの帯電は、パーティクルを引き付けるばかりでなく半導体ウエハ表面に形成された回路パターンを破壊する原因になっているのである。
こういったトラブルを解消するために、半導体製造装置やウエハ搬送装置の内部空間には、半導体ウエハの帯電を防止するために除電装置が設置されている。除電装置は針状の電極であるエミッタに所定の周波数の電圧を印加して、電極と接地面との間にコロナ放電を起こし、プラスイオンもしくはマイナスイオンを発生させるものである。この除電装置によって発生したイオンが搬送装置に設置されたＦＦＵ（Ｆｕｎ Ｆｉｌｔｅｒ Ｕｎｉｔ）から供給される下向きの気流によって半導体ウエハ等の帯電した物品に移動して物品の除電を行う。
除電装置は数千〜数万ボルトの高電圧を所定の周波数で印加して放電させながら使用されるため、周囲に変動電界や変動磁界を発生させる。このような変動電界や変動磁界はノイズとなって搬送装置内に設置された計測機器や電子機器の誤作動の原因となり、静電容量センサの正確な検出の妨げになるのである。また、搬送装置内部に配置される駆動源の作動によるノイズもまた静電容量の正確な検出の妨げになる。
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、除電器等のノイズ発生源が配置された搬送装置の内部空間においても安定して被検出体の検出が可能な静電容量センサを提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明の静電容量センサは、検出部と被検出体との間の距離を測定する静電容量センサであって、前記検出部に交流電圧を供給する交流供給源と、寄生容量補償回路と、演算増幅器と、差動アンプと、位相検波手段と、ローパスフィルタと、を備え、前記演算増幅出力端子は第１のバンドパスフィルタを介して前記差動アンプの反転入力端子に接続され、前記交流供給源は第２のバンドパスフィルタを介して前記差動アンプの非反転入力端子に接続され、前記差動アンプの出力端子は前記位相検波手段の入力端子に接続され、前記位相検波手段は、前記交流供給源から出力される搬送波を参照信号としていることを特徴としている。
上記構成とすることで、本発明の静電容量センサは、ノイズに影響されることなく微小な静電容量の変化であっても正確に検出することが可能になり、検出部と被検出体との間の距離を正確に測定することが出来る。
また、本発明の静電容量センサを備えるウエハ搬送ロボットは、検出部が半導体ウエハを保持するフィンガの表面に備えられていることを特徴としていて、さらに、本発明の静電容量センサを備えるウエハ搬送ロボットを内部空間に備えるウエハ搬送装置は、少なくとも、前記内部空間を清浄な状態に維持するＦＦＵと、前記半導体ウエハを収納する収納容器を載置して、前記収納容器の蓋を開閉するロードポートと、前記ウエハ搬送装置の天井付近に設置され前記内部空間を除電する除電装置とを備え、前記静電容量センサが備える前記交流供給源から出力される搬送波の周波数は、前記除電装置のエミッタに印加される電源の周波数よりも高い周波数であることを特徴としている。
上記構成とすることで、本発明の静電容量センサは微小な静電容量の変化も検出することが出来るようになった。また、本発明の静電容量センサの検出部をウエハ搬送ロボットのフィンガの表面に張り付けて使用しても半導体ウエハに干渉することが無くなり、半導体ウエハをトラブル無く搬送することが可能になった。また、半導体ウエハとフィンガとの離間距離を正確に検出することが出来るようになったので、ウエハ搬送ロボットの教示作業が容易になった。
図１は、従来の静電容量センサが搭載されたフィンガを示す図である。 図２は、本発明の静電容量センサを備えるウエハ搬送ロボットの一実施形態を示す図である。 図３は、本発明の静電容量センサを備えるウエハ搬送ロボットが搭載されたウエハ搬送装置の一実施形態を示す図である。 図４は、本発明の静電容量センサを備えるウエハ搬送ロボットが搭載されたウエハ搬送装置の一実施形態を示す図である。 図５は、本発明の静電容量センサが配置されるフィンガの一実施形態を示す図である。 図６は、本発明の静電容量センサが備える検出部の一実施形態を示す図である。 図７は、本発明の静電容量センサの一実施形態を示すブロック図である。
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図２は本発明の第一の実施形態である静電容量センサ１を備えるウエハ搬送ロボット２を示す図であり、図３、図４は、このウエハ搬送ロボット２が搭載されたウエハ搬送装置３を示す図である。本実施形態のウエハ搬送装置３はＥＦＥＭ（Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｆｒｏｎｔ Ｅｎｄ Ｕｎｉｔ）と呼ばれ、半導体ウエハＷに所定の表面処理を施すウエハ処理装置４の前面に設置される装置であり、ウエハ処理装置４とともにクリーンルームと呼ばれる清浄な雰囲気に管理された工場内に設置されている。ウエハ搬送装置３は主に、ロードポート５とウエハ搬送ロボット２とウエハ搬送ロボット２を水平方向に移動させるＸ軸テーブル６とを備えている。半導体製造工程には様々な工程が存在し、各工程は専用のウエハ処理装置４によって行われる。処理中の半導体ウエハＷはＦＯＵＰ（Ｆｒｏｎｔ−Ｏｐｅｎｉｎｇ Ｕｎｉｆｉｅｄ Ｐｏｄ）７と呼ばれる密閉容器の内部に鉛直方向に所定の間隔を空けて形成された棚板の上に載置された状態で収納されて各ウエハ処理装置４の間を移送される。所定のウエハ処理装置４まで移送されたＦＯＵＰ７はウエハ搬送装置３が備えるロードポート５の所定の位置にセットされる。
ＦＯＵＰ７がセットされると、ロードポート５は各駆動部を作動させて、ＦＯＵＰ７の蓋を開けることで内部に収納されている半導体ウエハＷを搬送可能な状態にする。ＦＯＵＰ７に収納されている半導体ウエハＷは、ウエハ搬送装置３が備えるウエハ搬送ロボット２によってウエハ処理装置４へと搬送される。また、ウエハ搬送ロボット２は、ウエハ処理装置４によって表面処理が施された半導体ウエハＷをウエハ処理装置４からＦＯＵＰ７へと搬送する。なお、ロードポート５はウエハ搬送装置３のフレーム８を介して接地されている。また、ＦＯＵＰ７は導電性樹脂で成型されており、ロードポート５に載置されたＦＯＵＰ７もまた接地される。ここで、本実施形態のウエハ搬送装置３が取り扱う半導体ウエハＷの直径は３００ｍｍである。半導体ウエハＷはＦＯＵＰ７の棚板に載置されていて、この棚板と半導体ウエハＷとの間には静電容量が発生する。また、ＦＯＵＰ７とロードポート５との間にも静電容量は発生し、さらに、後で説明するウエハ搬送ロボット２のフィンガ１８が半導体ウエハＷを搬送するためにＦＯＵＰ７に移動した際には、ＦＯＵＰ７とフィンガ１８との間にも静電容量が発生する。
ウエハ搬送装置３は、フレーム８と、そのフレーム８に固定され外部雰囲気と分離するためのカバー９と、外部からの空気を高清浄な空気に清浄化してダウンフローとしてウエハ搬送装置３の内部空間１１に導入するＦＦＵ１２と、ウエハ搬送装置３の内部空間１１にイオン化された空気分子を供給して半導体ウエハＷ等の帯電した物品を除電して電気的に中和する除電装置１３とが設けられている。ＦＦＵ１２はウエハ搬送装置３の天井部分に設置されていて、ウエハ搬送装置３の内部空間１１に向かって下向きに空気を送るファン１２ａと、送られてきた空気の中に存在する塵埃や有機物などの汚染物質を除去するフィルタ１２ｂとで構成されている。除電装置１３はウエハ搬送装置３の天井付近であってＦＦＵ１２の下方に設置されている。本実施形態のウエハ搬送装置３に設置される除電装置１３は、コロナ放電式のものであり、不図示の供給源から供給される高電圧をエミッタに印加して放電させて、周囲の空気分子を電気的にイオン化するものである。イオン化された空気の分子は、除電装置１３から半導体ウエハＷの表面に到達して、帯電している半導体ウエハＷを電気的に中和する。また、本実施形態のウエハ搬送装置３が備える除電装置１３は、２０Ｈｚの電圧をエミッタに印加して周囲の空気分子をイオン化している。印加する電圧の周波数は除電装置１３が配置される環境によって左右されるが、ウエハ搬送装置３の場合最大でも１００Ｈｚ程度である。
本実施形態のウエハ搬送ロボット２はＸ軸テーブル６の移動部６ａに固定される基台２ａと、基台２ａに対してＺ軸方向に昇降移動が可能であり、且つ、基台の中心軸を回転中心にして、Ｚ軸方向に対して垂直に交わる平面（旋回面）を回動する昇降旋回部２ｂとを備えている。昇降旋回部２ｂの上面には互いに左右対称に構成される一対のアーム体１４、１５が備えられていて、各アーム体１４、１５には、第１アーム１４ａ、１５ａと、第２アーム１４ｂ、１５ｂと、半導体ウエハＷを保持するウエハハンド１６、１７が備えられている。第１アーム１４ａ、１５ａの基端部は、昇降旋回部２ｂに旋回自在に取り付けられている。第２アーム１４ｂ、１５ｂは、それぞれ対応する第１アーム１４ａ、１５ａの先端部に、各第１アーム１４ａ、１５ａに対してベルトとプーリを介して一定の速度比をもって取り付けられている。また、ウエハハンド１６、１７は、それぞれ対応する第２アーム１４ｂ、１５ｂの先端に、第２アーム１４ｂ、１５ｂに対してベルトとプーリを介して一定の速度比をもって取り付けられている。
アーム体１４、１５は、各第１アーム１４ａ、１５ａの中心軸を中心とした旋回動作が、一定の速度比をもって各第２アーム１４ｂ、１５ｂ及び各ウエハハンド１６、１７へと伝達され、ウエハ搬送ロボット２の中心軸を通り中心軸に対して直角な方向への伸縮運動に変換される構成となっている。したがって、ウエハ搬送ロボット２は、昇降旋回部２ｂを中心軸の回りに旋回させる移動（旋回移動）、アーム体１４、１５を進退方向へ伸縮させる直線移動及び昇降旋回部２ｂをＺ軸方向へ移動させるＺ軸移動（昇降移動）の３自由度を有している。また、Ｘ軸テーブル６は、ウエハ搬送ロボット２をＸ軸方向へ移動させるＸ軸移動（平行移動）の１自由度を有している。上記構成により、ウエハ搬送ロボット２はアーム先端に取り付けられたウエハハンド１６、１７をウエハ搬送装置３内の所定の位置まで移動させることが出来る。また、ウエハハンド１６、１７は、第１アームと第２アームとの伸縮動作に連動して、所定の姿勢を維持したまま進退移動することが出来る。また、アーム体１４、１５、昇降旋回部２ｂ、Ｘ軸テーブル６それぞれの駆動手段である各モータは、ウエハ搬送ロボット２が備える不図示の制御部によって駆動軸の回転角度をフィードバック制御される。また、制御部は、ウエハハンド１６、１７を予め教示された所定の経路に沿って移動させる。さらに、制御部は、本発明の静電容量センサ１の信号やその他検出手段から出力される信号を受信して、予め記憶されたプログラムに則ってウエハハンド１６、１７の位置やウエハ搬送経路の補正を行うことが出来るように構成されている。
ウエハハンド１６、１７には、それぞれウエハ保持手段であるフィンガ１８、１８´が備えられている。上方に配置されるフィンガ１８の表面には検出部１ａが配置されていて、この検出部１ａはフィンガ部１８の内部に配置されるアンプモジュール１ｂと接続されている。また、下方に配置されるフィンガ１８´の表面には検出部１ａ´が配置されていて、この検出部１ａ´はフィンガ部１８´の内部に配置されるアンプモジュール１ｂ´と接続されている。図５は本実施形態のフィンガ１８を示す図である。本実施形態のフィンガ１８は、略Ｙ字型に形成された２枚の板状部材１８ａ、１８ｂが気密に貼り合わされて構成されている。２枚の板状部材１８ａ、１８ｂは軽量で剛性の高いアルミナ等の焼結材料で形成されていて、上側の板状部材１８ａの上面に半導体ウエハＷが載置される。下側の板状部材１８ｂの上面には流路１９が略Ｙ字型に形成されている。また、上側の板状部材１８ａの流路１９に対応する先端部には、上側の板状部材１８ａを上下方向に貫通する孔２１が形成されている。さらに、下側の板状部材１８ｂの基端部であってこの流路１９に対応する位置には、下側の板状部材１８ｂを上下方向に貫通する孔２２が形成されている。この下側の板状部材１８ｂに形成された孔２２は、ウエハ搬送ロボット２に備えられた不図示の配管を介して不図示の真空源と連通していて、上下の板状部材１８ａ、１８ｂが気密に接合されることで、流路１９は真空経路を形成することとなり、フィンガ１８に載置された半導体ウエハＷは、真空吸着力によりフィンガ１８上に保持される。
また、上側の板状部材１８ａの上面にであって孔２１の周囲には、孔２１を囲うように長円形の吸着スペーサ１８ｃが形成されている。吸着スペーサ１８ｃはフィンガ１８の表面から約１．５ｍｍ盛り上がった土手状に形成されていて、半導体ウエハＷを吸着するための吸着パッドとしての働きを有する。またフィンガ１８の中央部には支持スペーサ１８ｄが形成されている。支持スペーサ１８ｄは吸着スペーサ１８ｃと同様に約１．５ｍｍ盛り上がった台状に形成されている。これにより、半導体ウエハＷはフィンガ１８上のフィンガ基準面１８ｅから１．５ｍｍ浮いた状態で吸着スペーサ１８ｃと支持スペーサ１８ｄとによって吸着支持される。
さらに、略Ｙ字状のフィンガ１８の基準面１８ｅには、本発明の一実施形態である静電容量センサ１の検出部１ａが貼り付けられている。本実施形態の静電容量センサ１は、フィンガ１８に配置された検出部１ａと半導体ウエハＷとの間の静電容量を検出して、半導体ウエハＷとフィンガ１８（ウエハハンド１６、１７）との間の距離を測定することが出来る。さらに、ウエハハンド１６、１７上に半導体ウエハＷが載置されているか否かを監視することも出来る。検出部１ａで検出した値はウエハハンド１６、１７の内部に配置されるアンプモジュール１ｂに送信される。アンプモジュール１ｂは、検出部１ａと半導体ウエハＷとの間の静電容量を計測して、この計測された値をウエハ搬送ロボット２の動作を制御する不図示の制御部に送信する。制御部はこの送信された値を半導体ウエハＷとフィンガ１８との距離に換算して、ウエハ搬送ロボット２の動作に反映させる。
本実施形態の静電容量センサ１の検出部１ａは、フィンガ１８の半導体ウエハＷが載置される面に設置されるものであり、０．２ｍｍ程度の厚み寸法で、ポリイミド等の絶縁性を有する柔軟な素材のベースフィルムに、銅箔に代表される導電性金属で電極や配線が形成されている。図６は、本実施形態の検出部１ａを示す図である。本実施形態の検出部１ａはガード電極層２４、２６とセンサ電極層２５とシールドアース層２７とが積層された構造を有していて、電極層の最上面である第１の層には、第１のガード電極２４ａが形成された第１のガード電極層２４が配置され、第２の層にはセンサ電極２５ａが形成されたセンサ電極層２５が配置され、第３の層には第２のガード電極２６ａが形成された第２のガード電極層２６が配置され、第４の層にはシールドアース層２７が配置されている。また、第１のガード電極層２４の上面には、第１のガード電極層２４を保護するための保護膜２３が配置されている。本実施形態の検出部１ａは高さ寸法が約１ｍｍでありフィンガ１８の基準面１８ｅに貼り付けられて使用される。吸着スペーサ１８ｃと支持スペーサ１８ｄは約１．５ｍｍの高さ寸法で形成されているので、フィンガ１８の吸着スペーサ１８ｃと支持スペーサ１８ｄに保持される半導体ウエハＷと干渉することはない。なお、本実施形態のウエハ搬送ロボット２が備えるフィンガ１８は半導体ウエハＷを真空圧により吸着保持する形態であるが、本発明はこれに限定されることは無く、例えば半導体ウエハＷの周囲を把持するクランプ式フィンガやベルヌーイチャック式のフィンガであっても適用可能である。
センサ電極２５ａは、半導体ウエハＷとの間に発生する静電容量を検出するための円形の電極であり、ベースフィルムの上面に形成されている。第１のガード電極層２４に形成される第１のガード電極２４ａは、ベースフィルムの上面に、センサ電極２５ａの外径よりも大きな内径を有していて、センサ電極２５ａの周囲を取り囲むように円環状に形成されている。また、センサ電極２５ａと第１のガード電極２４ａとはベースフィルムによって電気的に絶縁されている。第２のガード電極層２６に形成される第２のガード電極２６ａは、第１のガード電極層２４に形成される第１のガード電極２４ａの外径と略同じ直径を有する円形に形成されている。また、第２のガード電極２６ａが形成される第２のガード電極層２６の下方には第４の層であるシールドアース層２７が配置されている。なお、本実施形態の第２のガード電極２６ａは第１のガード電極２４ａの外形と略同じ直径を有しているが、本発明はこれに限定されることは無く、第２のガード電極２６ａの直径は第１のガード電極２４ａの外形よりも大きく形成されても良い。
シールドアース層２７は銅箔などの導電性金属を第１と第２のガード電極層２４、２６と略同じ直径の円形に形成された電極であり、不図示のアース線を介してウエハ搬送装置３のグランド端子に接続されている。このシールドアース層２７はガード電極２４ａ、２６ａから放射される電界の影響が下方に向かうことを防止するものであり、これによって静電容量センサ１は、検出部１ａよりも下方に存在する被検出体の影響を受けることが無くなり、フィンガ１８の上方にある被検出体と検出部１ａとの間に発生する静電容量のみを測定することが可能になる。
第２の層であるセンサ電極層２５に形成されるセンサ電極２５ａには、センサ電極２５ａとアンプモジュール１ｂの演算増幅器２８の反転入力端子とを電気的に接続するための直線状の回路パターン２５ｂが形成されている。第１の層である第１のガード電極２４に形成される第１のガード電極２４ａには、第１のガード電極２４ａとアンプモジュール１ｂの演算増幅器２８の非反転入力端子とを電気的に接続するための直線状の回路パターン２４ｂが、センサ電極２５ａと接続される回路パターン２５ｂに対して平行となるように形成されている。第３の層である第２のガード電極層２６に形成される第２のガード電極２６ａには、第２のガード電極２６ａとアンプモジュール１ｂの演算増幅器２８の非反転入力端子とを電気的に接続するための直線状の回路パターン２６ｂが、センサ電極２５ａと接続される回路パターン２５ｂに対して平行となるように形成されている。また、各ガード電極２４ａ、２６ａに接続されている回路パターン２４ｂ、２６ｂの幅寸法は、センサ電極２５ａに接続されている回路パターン２５ｂよりも太くなるように形成されている。上記構成により、センサ電極２５ａに接続されている回路パターン２５ｂは、ガード電極２４ａ、２６ａに接続されている回路パターン２４ｂ、２６ｂによって上下方向から挟まれるように配置されることとなり、センサ電極２５ａに接続される回路パターン２５ｂへのノイズの影響は低減される。
また、第１の層の上面には、ベースフィルムと同じ材質で形成された絶縁層である保護膜２３が配置されている。この保護膜２３は、第１の層２４〜第４の層２７と同じ外形寸法を有している。本実施形態の検出部１ａに形成されるセンサ電極は約１５ｍｍの直径を有する円形に形成されており、第１のガード電極２４ａは内径が約１６ｍｍで外径が１９ｍｍの略円環状に形成されており、第２のガード電極２６ａは２０ｍｍの直径を有する円形に形成されている。検出部１ａの外形寸法は本実施形態に限定されることはなく、状況に応じて適宜変更することが可能である。また、本実施形態の検出部１ａでは、各電極２４ａ、２５ａ、２６ａをそれぞれ個別のベースフィルム上に形成する形態としているが、本発明の静電容量センサ１はこれに限定されることは無い。たとえば、第１の層である第１のガード電極層２４のベースフィルムの上面に第１のガード電極２４ａと回路パターン２４ｂを形成して、ベースフィルムの反対の面にセンサ電極２５ａと回路パターン２５ｂを形成する形態としてもよい。さらに、センサ電極層２５のベースフィルムの上面にセンサ２５ａと回路パターン２５ｂを形成して、ベースフィルムの反対の面に第２のガード電極２６ａと回路パターン２６ｂを形成する形態としてもよい。なお、電極と回路パターンをベースフィルムの両面に形成する形態の場合、隣り合う層との電気的接触を防止するため、間に絶縁性の保護膜を挟み込む必要がある。
次に、アンプモジュール１ｂについて説明する。図７は本実施形態の静電容量センサ１を示すブロック図である。検出部１ａのセンサ電極２５ａはアンプモジュール１ｂが備える演算増幅器２８の反転入力端子に接続され、検出部１ａのガード電極２４ａ、２６ａは演算増幅器２８の非反転入力端子に接続されている。また、演算増幅器２８の非反転入力端子には、交流供給源２９からの交流電圧が印加されている。なお、本実施形態のアンプモジュール１ｂが備える交流供給源２９は、検出部１ａが検出する静電容量を伝達するための搬送波を、２Ｖの電圧を２００ｋＨｚの周波数で出力するように構成されている。また、交流供給源２９はアンプモジュール１ｂが備える第２のＢＰＦ（バンドパスフィルタ）３１にも同様の交流電圧を印加している。さらに、演算増幅器２８の出力端子は、アンプモジュール１ｂが備える第１のＢＰＦ３０に接続されている。なお、ＢＰＦ３０、３１については後述する。また、演算増幅器２８の出力端子と反転入力端子との間には帰還回路が接続されていて、この帰還回路には基準キャパシタ３２が接続されている。さらに、演算増幅器２８の反転入力端子には、検出部１ａの電極やアンプモジュール１ｂの回路に発生する寄生容量を打ち消すための寄生容量補償回路３３が備えられている。この寄生容量補償回路により、静電容量センサ１内部に発生する寄生容量は打ち消される。また、上記したアンプモジュール１ｂが備える回路では、演算増幅器２８の反転入力端子と非反転入力端子とはイマジナリショートの状態となり、反転入力端子と非反転入力端子とは互いに略同電位となる。これによって、センサ電極２５ａはガード電極２４ａ、２６ａによってガーディングされる。
演算増幅器２８の出力端子は所定の周波数帯域の信号のみを通過させる第１のＢＰＦ３０を経由してアンプモジュール１ｂが備える差動アンプ３４の反転入力端子に接続されている。また、差動アンプ３４の非反転入力端子は第２のＢＰＦ３１を介して交流供給源２９にも接続されている。演算増幅器２８の出力端子と非反転入力端子を、第１のＢＰＦ３０、第２のＢＰＦ３１を介して差動アンプ３４と接続することで、センサ検出部１ａが検出した半導体ウエハＷから発生するノイズ成分を除去することが出来る。ここで、信号増幅回路では検出手段からの信号を差動アンプ３４によって増幅した後ノイズ成分を除去する方法が一般的であるが、この方法だと信号の増幅と共にノイズも増幅され、ノイズ電圧が大きい場合は差動アンプ３４が飽和してしまい信号が失われる。そこで、本実施形態のアンプモジュール１ｂでは、比較的狭い帯域に存在するノイズ成分を先に第１のＢＰＦ３０によって除去して、その後に差動アンプ３４によって信号を増幅する構成としている。また、本実施形態のアンプモジュール１ｂが備える差動アンプ３４のゲインは１００倍に設定されている。これにより、差動アンプ３４の飽和を防ぎ信号を正常に処理できるようになる。
また、本実施形態のアンプモジュール１ｂには、演算増幅器２８の出力端子に接続される一方のＢＰＦ３０と交流供給源２９の出力端子に接続される他方のＢＰＦ３１の２つが備えられている。これは、演算増幅器２８の出力端子から出力される信号と交流供給源２９から出力される交流搬送波との差分を抽出する際、演算増幅器２８の出力端子から出力される信号が交流供給源２９から出力される交流搬送波に対して遅れて差動アンプ３４に伝達されるので、差動アンプ３４によって正確な差分の増幅が行われない。そこで、交流供給源２９から出力される搬送波にもＢＰＦ３１を通過させることで、演算増幅器２８からの出力信号と交流供給源２９から出力される搬送波とのタイミングを一致させている。これにより、演算増幅器２８の出力端子から出力される信号の遅れは解消される。また、本実施形態のアンプモジュール１ｂが備えるＢＰＦ３０、３１は、交流供給源２９が出力する２００ｋＨｚあたりの周波数以外の周波数成分を除去するように設定されている。これにより、ウエハ搬送装置３内に配置された除電装置１３から発生する低い周波数のノイズや、ウエハ搬送ロボット２の駆動源から発生するノイズを効果的に除去することが出来る。
差動アンプ３４の反転入力端子にはＢＰＦ３０を介して演算増幅器２８の出力端子が、また、差動アンプ３４の非反転入力端子にはＢＰＦ３１を介して演算増幅器２８の非反転入力端子と交流供給源２９の出力端子がそれぞれ接続されている。差動アンプ３４の非反転入力端子に接続された交流供給源２９からの交流搬送波と演算増幅器２８の出力端子からＢＰＦ３１を介して差動アンプ３４の反転入力端子に出力された静電容量成分を含む信号成分を増幅して位相検波手段３５へと出力する。
本実施形態のアンプモジュール１ｂが備える位相検波手段３５は、交流供給源２９から出力される２Ｖ、２００ｋＨｚの搬送波を参照信号として、差動アンプ３４により増幅された信号から、検出部１ａが検出した静電容量を抽出する。そして、ここで抽出された信号はＬＰＦ（Ｌｏｗ−Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）３６によってノイズが除去された後、出力端子３７へと出力される。出力端子３７は不図示の制御部と接続されていて、制御部は、抽出された静電容量からフィンガ１８と半導体ウエハＷとの間の距離を算出する。静電容量は検出部１ａと被検出体である半導体ウエハＷの離間距離に反比例の関係にあり、検出部１ａの面積は既知であることから、検出部１ａと半導体ウエハＷとの間に発生する静電容量を検出することで、検出部１ａと半導体ウエハＷとの離間距離は容易に測定することが出来る。また、検出部１ａと半導体ウエハＷとの間に発生する静電容量の変化を検出することで、検出部１ａと半導体ウエハＷとの変位を測定することが出来る。
上記したように、本発明の静電容量センサは、２００ｋＨｚ程度の比較的高い周波数を有する電源で駆動されているので、除電装置１３やウエハ搬送ロボット２が備える駆動源から発せられる比較的低い周波数成分のノイズを効果的に除去することが出来る構成を有しており、これにより、検出部１ａと被検出体との間に発生する静電容量を正確に検出することが出来る。またアンプモジュール１ｂにおいて、演算増幅器２８により増幅された検出信号は差動アンプ３４により増幅処理される前に、ＢＰＦ３０によりノイズ等の周波数成分は減衰処理させられるので、大きなノイズが入った場合でも差動アンプを飽和させることなく信号を処理することができる。
さらに、差動アンプ３４と交流供給源２９とは、演算増幅器２８と差動アンプ３４との間に配置されるＢＰＦ３０と同等のＢＰＦ３１を介して接続されているので、差動アンプ３４に入力される演算増幅器２８からの信号と交流供給源２９から入力される搬送波の位相は一致する。これにより差動アンプ３４は正確な差動増幅処理を行うことが可能になり、ノイズ成分の効果的な減衰を行うことが出来る。
上記のように、本発明の静電容量センサ１は、ノイズ耐性の高い信号抽出処理を行うことが可能なアンプモジュール１ｂを備えているので、検出部１ａは比較的低い検出精度を備えていても被検出体との間の静電容量を正確に測定することが出来る。本発明の静電容量センサ１では、厚み寸法が約１ｍｍの薄型の検出部１ａであっても静電容量を正確に測定することができるので、検出部１ａをウエハ搬送ロボット２が備えるフィンガ１８の表面に貼り付けて使用してもフィンガ１８上に保持された半導体ウエハＷに干渉することがなくなった。
１ 静電容量センサ
１ａ、１ａ´ 検出部
１ｂ、１ｂ´ アンプモジュール
２ ウエハ搬送ロボット
２ａ 基台
２ｂ 昇降旋回部
３ ウエハ搬送装置
４ ウエハ搬送処理装置
５ ロードポート
６ Ｘ軸テーブル
６ａ 移動部
７ ＦＯＵＰ（Ｆｒｏｎｔ−Ｏｐｅｎｉｎｇ Ｕｎｉｆｉｅｄ Ｐｏｄ）
８ フレーム
９ カバー
１１ 内部空間
１２ ＦＦＵ
１２ａ ファン
１２ｂ フィルタ
１３ 除電装置
１４、１５ アーム体
１４ａ、１５ａ 第１アーム
１４ｂ、１５ｂ 第２アーム
１６、１７ ウエハバンド
１８、１８´ フィンガ
１８ａ 上側の板状部材
１８ｂ 下側の板状部材
１８ｃ 吸着スペーサ
１８ｄ 支持スペーサ
１８ｅ 基準面
１８ａ、１８ｂ 板状部材
１９ 流路
２１、２２ 孔
２３ 保護膜
２４ 第１のガード電極層
２４ａ 第１のガード電極
２４ｂ、２５ｂ、２６ｂ 回路パターン
２５ センサ電極層
２５ａ センサ電極
２６ 第２のガード電極層
２６ａ 第２のガード電極
２７ シールドアース層
２８ 演算増幅器
２９ 交流供給源
３０ 第１のＢＰＦ
３１ 第２のＢＰＦ
３２ キャパシタ
３３ 寄生容量補償回路
３４ 差動アンプ
３５ 位相検波手段
３６ ＬＰＦ（Ｌｏｗ−Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）
３７ 出力端子
Ｗ ウエハ

Claims (3)

  1. 検出部と被検出体との間の距離を測定する静電容量センサであって、前記検出部に交流電圧を供給する交流供給源と、寄生容量補償回路と、演算増幅器と、差動アンプと、位相検波手段と、ローパスフィルタと、を備え、
    前記演算増幅出力端子は第１のバンドパスフィルタを介して前記差動アンプの反転入力端子に接続され、前記交流供給源は第２のバンドパスフィルタを介して前記差動アンプの非反転入力端子に接続され、前記差動アンプの出力端子は前記位相検波手段の入力端子に接続され、前記位相検波手段は、前記交流供給源から出力される交流信号を参照信号としていることを特徴とする、静電容量センサ。
  2. 前記検出部は、半導体ウエハを所定の位置まで搬送するウエハ搬送ロボットのウエハハンドに備えられていることを特徴とする請求項１に記載の静電容量センサ。
  3. 前記ウエハ搬送ロボットはウエハ搬送装置の内部空間に設置され、
    前記ウエハ搬送装置は、少なくとも、
    前記内部空間を清浄な状態に維持するＦＦＵと、前記半導体ウエハを収納する収納容器を載置して、前記収納容器の蓋を開閉するロードポートと、前記ウエハ搬送装置の天井付近に設置され前記内部空間を除電する除電装置とを備え、
    前記交流供給源から出力される搬送波の周波数は、前記除電装置のエミッタに印加される電源の周波数よりも高い周波数であることを特徴とする請求項２に記載の静電容量センサ。
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