KR100281239B1 - 로봇 조립체 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 로봇 조립체로서, 중심 허브, 및 이 중심 허브에 대하여 서로 독립적으로 회전하도록 배열된 2개의 아암을 갖추고 있다. 서로에 대하여 180도 만큼 이격되어 있는 2개의 캐리어는 각각의 아암 단부에 연결된다. 캐리어들중 어느하나가 중심 허브로 부터 방사상으로 연장되도록 아암을 반대방향으로 회전시키고 캐리어가 효과적으로 회전하도록 아암을 같은 방향으로 회전시키기 위한 구동수단이 제공된다.
Description
제1도는 본 발명에 따른 로봇 조립체의 평면도.
제2도는 본 발명에 따른 로봇 조립체의 상세도.
제3도는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 로봇 조립체의 일부분의 상세도.
제4(a)도, 제4(b)도 및 제4(c)도는 본 발명에 따른 로봇 조립체의 동작을 각각 도시한 개략도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
2 : 로봇 조립체 3 : 반응장치
4 : 허브 6,8 : 아암
7,9,11 : 반응 챔버 10 : 제1웨이퍼 캐리어
12 : 제2웨이퍼 캐리어 13 : 웨이퍼
24,25,36,37 : 스트럿
본 발명은 로봇 공학에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다수의 물건, 예컨대 반도체 웨이퍼들을 동시에 처리하기 위한 로봇 조립체에 관한 것이다.
로봇 아암의 이용은 비효율적이거나 바람직하지 못한 수작업이 적용되는 분야에서 제조공정을 편리하게 한다. 예를들면, 반도체 기술 분야에서, 로봇 아암은 다양한 공정단계를 거치는 동안에 웨이퍼를 다루는데 사용된다. 그와같은 공정단계는 반응 챔버에서 진행되는 에칭, 증착, 및 표면 부동태화(passivation) 등을 포함하는데, 이러한 공정이 진행되는 반응챔버는 오염의 가능성을 제한하고 여러 특정한 공정 조건을 제공하도록 밀봉된 환경으로 유지되어야만 한다.
현재 통용되는 로봇 아암은 반도체 웨이퍼를 적제포트(loading port)로부터 다수의 반응 챔버 시스템 내의 다양한 처리 포트로 적재하는데 사용된다. 로봇 아암은 또한 관련 공정 챔버내에서 웨이퍼를 처리한 후에 특별한 처리 포트로부터 웨이퍼를 회수하는데에도 사용된다. 웨이퍼는 추가적인 처리를 위하여 로봇 아암에 의해서 다음의 처리 포트로 이송된다. 반응 챔버 내에서 모든 처리가 완료될 때, 로봇 아암은 반도체 웨이퍼를 적제포트로 회수하고, 다음의 웨이퍼를 시스템 내로 위치시킨다. 통상적으로, 여러개의 반도체 웨이퍼의 적층은 각각의 단계가 진행되는 동안에 상기한 방식으로 처리된다.
다수의 반응 챔버 시스템에서 하나 이상의 반도체 웨이퍼는 동시에 처리되는 것이 바람직하다. 이러한 방식에서, 반응 시스템은 최대 생산성을 얻기 위해 사용된다. 해당 기술 분야에서, 반응 시스템에서 사용되는 로봇아암은 하나의 웨이퍼를 저장하고, 또다른 웨이퍼를 공급하여 위치시키며, 다음에는 저장된 웨이퍼를 공급하여 위치시킨다. 비록, 이는 반응 시스템의 사용을 개선시키고 생산성을 향상시키지만, 로봇 아암은 상당한 반복운동을 해야만 한다.
이러한 낭비적인 로봇 아암의 운동에 따른 비효율성을 극복하기 위한 한가지 방법은 두 개의 웨이퍼를 동시에 취급할 수 있는 능력을 갖춘 로봇아암을 제공하는 것이다. 그러므로, 몇몇의 장비 제조자들은 2개의 캐리어가 아암의 단부에 구동 벨트를 갖춘 전동기에 의해서 피봇을 중심으로 회전하는 로봇 아암을 제공하였다. 이러한 방식의 로봇 아암에서는 하나의 웨이퍼가 하나의 캐리어 상에 저장되는 동안에, 다른 캐리어는 제2웨이퍼를 공급하여 위치시키는데 사용된다. 이후, 캐리어들은 회전되고, 저장된 웨이퍼는 원하는 위치로 위치될 것이다. 이러한 메카니즘은 다소 복잡하며, 연장가능한 로봇 아암의 단부에 위치된 캐리어 구동수단의 중량을 지지하기 위해 큰 부피의 조립체가 필요하다. 예컨대, 3개의 구동수단은 하나의 구동수단이 아암을 회전시키고, 또 하나의 구동수단이 아암을 연장시키며, 그리고 다른 하나의 구동 수단이 캐리어를 회전시키는 로봇 아암과 같은 통합된 장치에 필요하다. 이러한 다수의 캐리어를 갖춘 로봇 아암에 의해 생산성이 향상된다. 그러나, 다수의 캐리어를 갖춘 로봇 아암은 제조비용의 증가, 중량 및 동력 소비의 증가, 및 장치가 복잡하게 되어서, 신뢰성 및 실용성이 떨어지게 된다.
다수의 캐리어를 갖춘 로봇 아암을 제공하기 위한 또다른 시도는 2개의 로봇 아암을 공동의 피봇점(pivot point)에 대하여 동축으로 위치시키는 것이다. 이러한 각각의 로봇 아암은 다른 아암과 독립적으로 작동하며, 이러한 장치의 증가된 처리능력(즉, 2개의 아암이 하나의 아암보다 우수함)을 통해서 생산성을 향상시킬 수 있다. 그러나, 공동의 축에 대하여 독립적으로 작동할 수 있는 2개의 로봇 아암을 제공하는 것은 단순하지가 않다. 그러므로, 다수의 구동수단 및 고정축이 제공되어야만 한다. 이러한 구동수단 및 고정축이 제공됨에 따라, 장치의 신뢰성은 떨어지고, 장치가 복잡하게 되며, 제조비용도 증가된다.
본 발명은 2개의 아암을 갖춘 중심 허브를 포함하는 로봇 조립체이다. 각각의 아암은 허브에 대하여 회전하도록 배열된다. 서로 이격된 2개의 캐리어는 반도체 웨이퍼 등의 다양한 물건을 처리하기 위하여 제공된다. 각각의 캐리어는 각각의 아암 단부에 연결되어 있다. 캐리어 중의 어느 하나가 중심 허브로부터 방사상으로 연장되도록 아암을 서로에 대하여 반대방향으로 회전시키고, 허브에 대하여 캐리어가 효과적으로 회전하도록 두 아암을 같은 방향으로 회전시키기 위하여 구동수단이 제공되어 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 하나의 구동수단은 하나의 아암을 회전시키는데 사용되고, 또 하나의 구동수단은 다른 아암을 회전시키는데 사용된다. 구동수단의 동기작동에 의해서 아암들은 같은 방향 또는 다른 방향으로 회전될 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 다수의 물건을 처리하기에 적합한 로봇 조립체이다. 바람직한 실시예에서, 본 발명은 반도체의 제조에 사용되는 반응 시스템에 응용될 수 있음을 알 수 있다. 예컨대, 본 발명은 반응 챔버 구멍을 통해서 웨이퍼를 적재 및 회수하는데 유용하게 사용될 수 있다.
본 발명에 의해서 반도체 웨이퍼와 같은 2개의 물건의 적재, 회수, 또는 회전이 동시에 이루어질 수 있으므로, 하나의 웨이퍼는 다른 하나의 웨이퍼가 위치되는 동안에 로봇 조립체상에 저장될 수 있다. 이러한 본 발명의 특징은 웨이퍼를 저장시키기 위해 전체적인 조작 과정을 거쳐야 하는 종래의 로봇 조립체에 비해서, 웨이퍼를 처리하는 동안에 생산성을 향상시킬 수 있다. 이러한 방식에서, 반응 챔버는 웨이퍼를 처리하는데 있어서 연속적으로 사용될 수 있는데, 즉 종래의 장치에서 존재하는 “사장시간(dead-time)”, 즉 처리된 웨이퍼를 스택(stack)에 위치시킨 후에 새로운 웨이퍼를 공급하는 사이의 시간 간격이 존재하지 않는다. 본 발명은 데이지-체인(daisy-chain)형 처리장치에 사용되는 경우, 즉 일련의 처리 단계를 위하여 다수의 반응챔버가 순차적으로 사용되는 경우에, 상기와 비슷한 장점을 제공한다.
제1도는 반응 시스템(3) 내에 위치된 로봇 조립체(2)의 평면도이다.
로봇 조립체(2)는 반도체 웨이퍼(13)를 반응챔버(7,9,11) 내외로 이동시키기 위해 반응 시스템(3) 내의 중앙에 배열되어 있다. 비록, 본 발명의 바람직한 실시예가 3개의 반응챔버를 포함하는 반응 시스템 내의 중앙에 위치된 로봇 조립체에 대하여 설명하고 있지만, 본 발명은 여러 상이한 분야에 적용될 수 있다. 그러므로, 바람직한 실시예는 본 발명의 범위를 제한하지 않는다.
즉, 본 발명은 다수의 반응 챔버를 포함하고, 로봇 조립체가 여러 방향으로 회전할 수 있는 반응 시스템을 포함하는 모든 웨이퍼의 처리 분야에 용이하게 적용된다.
로봇 조립체(2)는 제1아암(6) 및 제2아암(8)을 포함하는데, 이러한 각각의 아암들의 일단부는 중심 허브(4)에 연결되어 있다. 각각의 아암은 허브(4)를 중심으로 시계방향 또는 반시계방향으로 다른 아암과 독립적으로 회전될 수 있다. 그러므로, 이 두 아암들은 동일한 방향 및 반대방향으로 회전될 수도 있다. 회전은 전기 작동식 전동기와 같은 동력원에 의해 달성될 수도 있다.
동력원은 아암(6,8)을 반대방향 또는 동일한 방향의 역으로 회전시킬 수 있도록 구성되어야 한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 아암들은 허브를 중심으로 동축선 상에서 서로 독립적으로 회전할 수 있으며, 동력원은 자기 연결식 전동기이다. 이러한 전동기는 1989년 10월 20일에 출원되어 현재는 포기된 미합중국 특허출원 제424,771호의 연속출원으로서, 1991년 1월 22일에 출원되어 계류중인 미합중국 특허출원 제644,852호에 개시되어 있다. 두 출원은 모두 본 출원의 출원인인 “어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드(Applied Materials, Inc.)”에 양도되었다.
각각의 아암(6;8)은 허브(4)에 연결된 아암단부의 반대쪽 단부에 제공된 각각의 피봇(28,29)을 포함하고 있다. 아암은 스트럿(strut; 24,25)에 선회 가능하게 연결되어 있다. 스트럿(24,25)은 피봇(18,19)에 의해 제1웨이퍼 캐리어(10)에 연결되어 있다. 로봇 조립체가 작동하는 동안 스트럿이 선회될 때, 제1웨이퍼 캐리어(10)가 허브(4)와 견고하게 방사상으로 정렬된 상태를 유지하도록, 각각의 스트럿(24,25)은 제1웨이퍼 캐리어(10) 내의 일단부에 맞물림 기어(meshing gear; 14,15)를 포함하고 있다. 본 발명에 몇몇 실시예에서는, 8자형 벨트가 맞물림 기어(14,15) 대신에 사용될 수도 있다.
제1도에 도시된 아암 및 연결부는 기계 분야에서 때때로 프로그-레그 수단(frog-leg mechamism)으로서 언급되는 복합 관절식 수단(compound articulated mechanism)을 형성한다. 제1도에 있어서, 제1웨이퍼 캐리어(10)는 부분적으로 연장된 위치, 예컨대 웨이퍼를 반응챔버로 운반하거나 또는 반응챔버로부터 회수하는 부분적으로 연장된 위치에 위치되어 있다.
제1도에는 또한 제2웨이퍼 캐리어(12)가 도시되어 있는데, 여기서 아암(6,8)은 스트럿(36,37)의 일단부에 위치된 피봇(34,35)에서 스트럿(36,37)에 연결되어 있다. 스트럿(36,37)은 스트럿의 다른쪽 단부에 위치된 피봇(20,21)에서 제2웨이퍼 캐리어(12)에 또한 연결되어 있다. 이하에서 보다 상세하게 설명된 바와같이, 제2웨이퍼 캐리어(12)는 제1웨이퍼 캐리어(10)와 동일한 방식으로 아암(6,8)에 연결되어 있다. 이렇게 하여, 두 캐리어(10,12)는 허브(4)의 축선에 대하여 서로 180° 이격된 상태로 유지된다.
제2도는 로봇 조립체(2)를 상세하게 도시한 도면이다. 제2도에서, 제1웨이퍼 캐리어(10)는 부분적으로 연장된 위치에 위치되어 있고, 제2웨이퍼 캐리어(12)는 부분적으로 수축된 위치에 위치되어 있다. 제2도의 화살표는 허브(4)에 대한 아암(6,8)의 상대 운동을 나타낸다. 제1웨이퍼캐리어(10)는 스트럿(24,25)에 의해 아암(6,8)에 연결되어 있다. 스트럿(24,25)은 제1웨이퍼 캐리어(10)에 있는 피봇(18,19) 및 아암(6,8)에 있는 피봇(28,29)의 작동에 의해서 아암(6,8)과 연동하여 회전하도록 구성되어 있다.
제2웨이퍼 캐리어(12)는 피봇(20,21)에서 스트럿(36,37)에 선회가능하게 연결되어 있다. 스트럿(36,37)은 피봇(34,35)에서 아암(6,8)에 선회가능하게 연결되어 있다.
비록, 각각의 아암(6,8)은 각각의 캐리어 및 스트럿에 대해 2개의 피봇을 갖는 것으로 도시되어 있지만, 아암은 캐리어 및 스트럿이 각각의 아암에 있는 단일 피봇점을 공유하도록 쉽게 구성될 수 있음에 주목해야 한다. 이러한 구성은 제3도에 도시되어 있다. 제3도에 도시된 바와같이, 아암(6,8)은 그의 일단부가 허브(4)에 대하여 선회하도록 배열되어 있다. 각각의 아암의 다른쪽 단부는 단일 피봇(40,42)을 각각 포함하고 있다. 아암은 피봇(40,42)에서 2개의 스트럿에 각각 연결되어 있고, 하나의 스트럿은 각각의 캐리어에 연결되어 있다. 그러므로, 아암(6)은 피봇(40)에서 제1웨이퍼 캐리어(10)에 대한 스트럿(24) 및 제2웨이퍼 캐리어(12)에 대한 스트럿(36)에 연결되어 있다. 반면에, 아암(8)은 피봇(42)에서 제1웨이퍼 캐리어(10)에 대한 스트럿(22) 및 또 하나의 스트럿(37)에 연결되어 있다.
제4(a)도, 제4(b)도 및 제4(c)도에는 본 발명에 따른 로봇 조립체의 작동이 도시되어 있다. 제4(a)도에서, 두 개의 캐리어(10,12)가 화살표로 나타낸 바와 같이, 허브(4)를 중심으로 동시에 회전운동하는 로봇 조립체(2)가 도시되어 있다. 이러한 회전운동을 준비하기 위해서, 캐리어(10,12)가 허브(4)로부터 등거리에 위치하도록, 아암(6,8)은 180도로 이격될 때까지 허브(4)를 중심으로 시계방향 또는 반시계방향으로 서로 독립적으로 회전한다. 이러한 캐리어들의 회전은 두 아암(6,8)을 동일한 방향, 즉 시계방향으로 회전시킴으로써 달성된다. 이러한 회전력은 관련 스트럿(24,25 ; 36,37)을 통해서 캐리어(10,12)로 전달된다.
제4(b)도에는 로봇 조립체의 작동이 도시되어 있는데, 제1웨이퍼 캐리어(10)는 수축되고 제2웨이퍼 캐리어(12)는 연장되어 있다. 화살표로 나타낸 바와같이, 허브(4)를 중심으로 한 아암(6,8)의 각각의 반시계 방향 및 시계방향 운동은 스트럿(24,25)에 당김력을 가하여 제1웨이퍼 캐리어(10)를 허브(4)쪽으로 끌어 당긴다. 이와 동시에, 아암(6,8)은 스트럿(36,37)에 미는 힘을 가하여 제2웨이퍼 캐리어(12)를 허브(4)로부터 멀어지게 한다.
제4(c)도에는 로봇 조립체의 작동이 도시되어 있는데, 제2웨이퍼 캐리어(12)는 수축되어 있고 제1웨이퍼 캐리어(10)는 연장되어 있다. 화살표로 나타낸 바와같이, 허브(4)를 중심으로 한 아암(6,8)의 각각의 반시계방향 및 시계방향 운동은 스트럿(36,37)에 당김력을 가하여 제2웨이퍼 캐리어(12)를 허브(4)쪽으로 끌어 당긴다. 이와 동시에, 아암(6,8)은 스트럿(24,25)에 미는 힘을 가하여 제1웨이퍼 캐리어(10)를 허브(4)로부터 멀어지게 한다.
본 발명은 다수의 물건을 처리하는데 유용하다. 상기한 바와같이 본 발명의 바람직한 실시예는 반도체 웨이퍼를 처리하기 위한 반응 시스템에 사용될 수 있음을 알 수 있다. 제1도에서, 제1웨이퍼 캐리어(10)는 연장된 위치에 위치되어 있고, 제2웨이퍼 캐리어(12)는 수축된 위치에 위치되어 있다. 그러므로, 제2웨이퍼 캐리어(12)는 반도체 웨이퍼(13)를 저장하는데 사용될 수 있는 반면에, 제1웨이퍼 캐리어(10)는 반도체 웨이퍼(13)를 반응 챔버(11)로부터 회수하는데 사용될 수 있다.
작동에 있어서, 로봇 아암은 웨이퍼의 스택으로부터 웨이퍼를 빼내어 반응챔버 내로 위치시킨다. 이후, 로봇 아암은 제1웨이퍼가 반응챔버내에 유지되는 동안, 제2웨이퍼를 빼낸다. 충분한 처리 시간이 경과한 후에, 제1웨이퍼가 반응 챔버로부터 회수되고, 로봇 아암은 2개의 웨이퍼, 즉 처리된 웨이퍼와 새로운 웨이퍼를 운반한다. 제3도에 도시된 캐리어는 캐리어 상에 놓인 새로운 웨이퍼가 반응 챔버내로 위치되고 다른 캐리어상에 놓인 처리된 웨이퍼가 웨이퍼의 스택으로 회수되도록 회전한다. 이후, 로봇 아암은 웨이퍼의 스택으로부터 또다른 새로운 웨이퍼를 적재하여 반응 챔버로 운반한다. 이러한 과정은 필요에 따라서 반복된다. 또한,본 발명의 로봇아암은 웨이퍼들이 일련의 반응 챔버들을 통해서 순차적으로 이동하는 데이지-체인 공정(daisy-chain processes)에서 용이하게 사용된다.
이에 비해, 종래의 로봇 조립체에서는 상기한 작동을 행하기 위해, 제1웨이퍼가 로봇 조립체에 의해 반응 챔버로부터 제거되고, 저장을 위해 웨이퍼의 스택으로 회수되어야 한다. 이후, 로봇 조립체는 제2웨이퍼를 빼내는데 사용되고, 제2웨이퍼를 반응챔버 내로 위치시킨다. 제1웨이퍼를 저장시키고 제2웨이퍼를 반응챔버내로 위치시키는 시간 간격동안에, 반응챔버는 이용되지 않게 된다. 이러한 사장시간(dead-time)은 반응 시스템의 생산성을 현저하게 떨어뜨리게 된다. 그러므로, 본 발명은 반응 시스템 내에서 웨이퍼를 이동시키고 웨이퍼를 새로운 웨이퍼와 교체시키는데 수반되는 수많은 단계 및 작업을 감소시키고, 불필요하고 낭비적인 로봇 조립체의 작동을 제거함으로써 생산성을 향상시킨다.
비록, 본 발명은 로봇 조립체의 바람직한 실시예를 참조로하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자들은 본 발명의 사상 및 영역으로부터 이탈됨이 없는 다양한 수정 및 변경이 가능함을 이해하게 될 것이다.
예를들면 허브를 중심으로 한 아암의 독립적인 동축운동은 불필요할 수 있다. 즉, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 이탈됨이 없는 다양한 운동이 제공될 수 있다. 따라서, 본 발명은 청구범위에 의해서만 제한받는다.
Claims (12)
- 로봇 조립체로서, 중심 허브와, 상기 허브를 중심으로 회전하도록 배열된 2개의 아암과, 서로에 대해 180°이격되어 있고, 상기 아암 단부에 각각 연결되어 있는 2개의 캐리어와, 그리고 상기 캐리어들 중 어느 하나가 상기 중심 허브로부터 방사상으로 연장되도록 상기 아암을 반대방향으로 회전시키고, 상기 캐리어가 동축회전을 수행하도록 상기 아암을 동일한 방향으로 회전시키기 위한 구동수단을 포함하는 로봇 조립체.
- 제1항에 있어서, 상기 아암을 상기 캐리어에 연결시키는 관절식 연결부를 더 포함하는 로봇 조립체.
- 제1항에 있어서, 상기 구동수단이 자기 연결식 전동기를 포함하는 로봇 조립체.
- 제2항에 있어서, 상기 관절식 연결부는 상기 캐리어를 상기 허브와 방사상으로 정렬된 상태로 유지시키는 맞물림 수단을 더 포함하는 로봇 조립체.
- 제1항에 있어서, 상기 캐리어가 반도체 웨이퍼들을 처리하도록 구성된 로봇 조립체.
- 로봇 조립체로서, 중심 허브와, 상기 허브를 중심으로 동축회전하도록 단부가 상기 허브에 연결된 제1아암과, 상기 허브를 중심으로 동축회전하도록 단부가 상기 허브에 연결된 제2아암과, 서로에 대해 180°이격되어 있는 2개의 캐리어와, 각각의 상기 캐리어를 각각의 상기 아암 단부에 연결시키기 위한 관절식 연결부와, 그리고 상기 캐리어들 중 어느 하나가 상기 중심 허브로부터 방사상으로 연장되도록 상기 아암을 반대방향으로 회전시키고, 상기 캐리어가 회전하도록 상기 아암을 동일한 방향으로 회전시키기 위한 구동수단을 포함하는 로봇 조립체.
- 제6항에 있어서, 상기 구동수단이 자기 연결식 동력원을 포함하는 로봇 조립체.
- 제6항에 있어서, 상기 관절식 연결부는 상기 캐리어를 상기 허브와 방사상으로 정렬된 상태로 유지시키는 맞물림 수단을 더 포함하는 로봇 조립체.
- 제6항에 있어서, 상기 캐리어가 반도체 웨이퍼를 처리하도록 구성된 로봇 조립체.
- 반도체 웨이퍼를 처리하기 위한 반응 장치에 사용되는 로봇 조립체로서, 중심 허브와, 상기 허브를 중심으로 동축회전하도록 단부가 상기 허브에 연결된 제1아암과, 상기 허브를 중심으로 동축회전하도록 단부가 상기 허브에 연결된 제2아암과, 서로에 대해 180°이격되어 있는 2개의 캐리어와, 상기 하나의 캐리어를 각각의 상기 아암 단부에 연결시키기 위한 제1관절식 연결부와, 또다른 하나의 상기 캐리어를 각각의 상기 아암 단부에 연결시키기위한 제2관절식 연결부와, 그리고 상기 캐리어들 중 어느 하나가 상기 허브쪽으로 끌어 당겨지는 동안 또다른 하나의 상기 캐리어가 상기 중심 허브로부터 연장되도록 상기 아암들을 상기 허브의 축에 대하여 반대 방향으로 서로 독립적으로 회전시키고, 상기 캐리어가 회전하도록 상기 아암들을 동일한 방향으로 회전시키기 위한 구동수단을 포함하는 로봇 조립체.
- 제10항에 있어서, 상기 구동수단이 자기 연결식 전동기를 포함하는 로봇 조립체.
- 제10항에 있어서, 상기 관절식 연결부는 상기 캐리어를 상기 허브와 방사상으로 정렬된 상태로 유지시키는 맞물림 수단을 더 포함하는 로봇 조립체.
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