KR20070108573A - 로봇아암의 관절조립체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 로봇아암이나 기타 기계장치용 관절조립체(311)에 관한 것이다. 이 관절조립체는 제1 반경부(317)로 끝나는 제1 아암(313), 제2 반경부(319)로 끝나는 제2 아암(315), 및 용접조인트가 없이 상기 반경부들 각각의 일부분을 감싸는 제1 밴드(331)를 포함한다.

Description

로봇아암의 관절조립체{WRIST ASSEMBLY FOR BOBOTIC ARM}

본 발명은 로봇아암, 그중에서도 웨이퍼 처리장비에 사용되는 로봇아암의 관절조립체에 관한 것이다.

반도체 기판 처리공정은 집적회로 제조공정과 일치한다. 이들 기판은 대부분 실리콘 웨이퍼 형태로서 직경이 5~8인치이지만, 다른 사이즈의 기판도 알려져 있다. 웨이퍼마다 CVD(chemical vapor deposition), PVD(physical vapor deposition), 에칭, 평탄화, 이온주입 등을 포함한 순차적인 처리공정에 노출되지만, 반드시 이에 한정되는 것도 아니다.

반도체공정에 로봇을 사용하는 것이 이제는 일반적인 추세이다. 로봇은 여러 처리기술을 통해 대량의 기판을 처리할 수 있으며, 반복작업을 신속정확히 할 수 있다. 따라서, 로봇을 이용하면 제조공정에서 인간의 피로도를 없애고 조작실수를 최소화할 수 있다.

대부분의 현대 반도체 처리시스템은 여러 처리실을 하나로 병합해 고도로 제어된 처리환경에서 기판을 꺼내지 않고도 여러 순차 처리단계들을 수행하는 로봇 클러스터 툴을 갖추고 있다. 이들 처리실에는 탈기실, 기판 사전조절실, 냉각실, 이송실, CVD 처리실, PVD 처리실, 에칭실 등이 있다. 처리실을 클러스터 툴에 합치는 것과, 작동조건과 처리실 운용 인자들은 처리사양과 처리순서를 이용하는 특정 구조를 만들도록 선택된다.

일정 처리단계들을 실행하기 위한 보조장비와 원하는 처리실로 클러스터 툴을 셋업했으면, 클러스터 툴은 대개 연속처리에 의해 대량의 기판들을 하나씩 처리한다. 이런 처리법과 순서는 통상 마이크로프로세서 컨트롤러에 프로그램되고, 컨트롤러는 클러스터 툴을 통해 각 기판의 처리작업을 감시한다. 웨이퍼 카세트를 클러스터 툴에서 성공적으로 처리했으면, 카세트를 다른 클러스터 툴로 옮기거나, 화학기계 연마기와 같은 다른 툴로 옮겨 후처리한다.

이런 제조시스템의 일례가 미국특허 6,222,337(Kroeker)에 소개된 클러스터 툴인데, 도 1-4에 그 예가 도시되어 있다. 여기 소개된 자기결합 로봇은 개구리 다리 모양의 아암을 갖추고 있는데, 이 아암은 일정한 평면상에서 로봇 블레이드의 직선운동과 회전운동을 제공하기에 적합하다. 이런 직선운동과 회전운동의 조합으로 기판을 집어서 클러스터 툴내의 한 위치에서 다른 위치로 운반할 수 있다. 예를 들어, 로봇아암을 이용해 기판을 처리실에서 처리실로 운반할 수 있다.

도 1에는 상기 특허의 클러스터 툴(10)의 개략도가 도시되어 있는데, 기판은 카세트 로드락(12)을 통해 툴(10)을 출입한다. 블레이드(17)가 달린 로봇(14)이 클러스터 툴(10) 내부를 회전하면서 기판을 처리실 사이로 움직인다. 이들 처리실에는 전술한 카세트 로드락(12), 배가스 웨이퍼 배향실(20), 클린실(24), PVD TiN 처리실(22) 및 냉각실(26)이 있다. 로봇 블레이드(17)는 접혀진 상태에 있고, 이 상 태에서 처리실(18) 안을 자유롭게 회전한다.

운반실(30) 안에 있는 제2 로봇(28)은 냉각실(26), 클린실(24), CVD Al 처리실(도시 안됨) 및 PVD AlCu 처리실(도시 안됨)을 포함한 여러 처리실 사이로 기판을 운반한다. 도 1에 도시된 특정 처리실은 CVD 공정과 PVD 공정을 하나의 툴에서 처리할 수 있는 일괄 처리시스템을 제공한다. 제조공정 순서, 클러스터 툴내의 상태 및 로봇(14,28)의 동작을 제어하기 위해 마이크로프로세서 컨트롤러(29)를 배치한다.

도 2는 도 1의 자기결합 로봇이 접혀진 상태와 펼쳐진 상태의 개략도이다. 로봇(14)의 제1 스트럿(81)은 제1 자석클램프(80)에, 제2 스트럿(82)은 제2 자석클램프(80')에 단단히 연결된다. 제3 스트럿(83)은 피봇(84)에 의해 스트럿(81)에, 피봇(85)에 의해 웨이퍼 블레이드(86)에 연결된다. 제4 스트럿(87)은 피봇(88)에 의해 스트럿(82)에, 피봇(89)에 의해 웨이퍼 블레이드(86)에 연결된다. 스트럿(81-83,87)과 피봇(84,85,88,89)은 구조적으로 자석클램프(80,80')에 대하 웨이퍼 블레이드(86)의 개구리 다리모양의 연결부를 형성한다.

자석클램프(80,80')가 같은 각속도 같은 방향으로 회전하면, 로봇도 x축을 중심으로 같은 속도 같은 방향으로 회전한다. 자석클램프(80,80')가 동일 각속도로 반대 방향으로 회전하면, 로봇(14)은 회전하지 않고 웨이퍼 블레이드(86)가 선형운동한다(이점쇄선 81'-89' 참조).

도 3, 4에 의하면, 웨이퍼(35)가 웨이퍼 블레이드(86)에 얹혀져 있고, 웨이퍼 블레이드는 처리실(32) 벽면(811)의 웨이퍼 이송슬롯(810)을 통해 웨이퍼를 처 리실(32) 밖으로 운반할 수 있다. 자석클램프(80,80')가 모두 같은 속도 같은 방향으로 회전하는 모드에서는 로봇이 인접 처리실(12,20,22,24,26)중 하나에서 웨이퍼를 교환하기에 적당한 위치로부터 다른 처리실의 웨이퍼 교환 위치까지 회전한다. 자석클램프(80,80')가 모두 같은 속도 반대 방향으로 회전하는 모드에서는, 웨이퍼 블레이드가 한쪽 처리실로 들어간 다음 이 처리실을 나간다. 클램프 회전을 다르게 조합하면, 로봇이 x축을 중심으로 회전하듯이 웨이퍼 블레이드를 펼치거나 접을 수 있다.

회전축 x에서 웨이퍼 블레이드(86)를 방사상으로 떨어뜨리려면, 피봇이나 캠(85,89) 사이에 이들의 동일하고 반대방향의 회전을 보장하는 연계 메커니즘을 이용한다. 연계 메커니즘의 디자인은 많을 수 있다. 한가지 가능한 것은 피봇(85,89)상에 한쌍의 연결기어(92,93)를 형성하는 것이다. 이들 기어는 느슨하게 맞물린다. 이들 2 기어 사이에 느슨한 맞물림으로 인한 요동을 없애기 위해 기어상의 한 지점(95)에서 다른 기어상의 한 지점(96)까지 이어진 약한 스프링(94)을 설치하여 스프링의 장력으로 이들 2 기어를 서로 반대 방향으로 가볍게 회전시키되, 기어 사이에 가벼운 접촉이 일어날 때까지 회전시킨다(도 4 참조).

반도체 처리공정에 미국특허 6,222,337(Kroeker)에 소개된 종류의 로봇을 이용하면 여러 장점이 있는데, 그중 몇가지는 이미 소개한 바 있다. 특히, 이런 로봇은 제조공정의 속도와 정밀도를 개선한다. 또, 로봇을 이용하면 인간이 직접 작업할 때 문제가 되었던 반도체기판의 오염을 줄이거나 없앨 가능성이 있다. 이런 사항은 집적회로의 크기가 축소되면서 그 중요성이 점차 증가하고 있는데, 불순물이 많을수록 불량률도 커지고 집적회로의 크기도 줄어들기 때문이다.

반도체 제조공정에 로봇을 사용하면 많은 장점은 있지만, 유감스럽게도 몇가지 문제가 있다. 예를 들어, 반도체 공정에 사용되는 로봇들은 미국특허 6,222,337에 소개된 종류의 로봇을 포함하여 그 관절조립체들이 사용중에 지나치게 요동함이 밝혀졌다. 그 결과 로봇과 카세트 로드락 사이에 부적절한 접촉이 일어나, 수리가 필요하고 오염이 생기곤 했다. 이 문제는 관절조립체의 속도가 높을수록 심각한데, 이는 속도가 높을수록 모멘트도 높아지기 때문이다. 유감스럽게도 높은 속도로 작업하기 위한 조립공장이 필요한데, 이는 높은 생산성과 효율이 필요하기 때문이다. 따라서, 과잉 요동은 반드시 고려해야 할 문제이다. 과잉 요동은 또한 웨이퍼의 포지셔닝의 부정확을 유발하기도 한다. 이런 부정확은 공정의 고장을 일으키고, 결국 웨이퍼의 손실을 최대화한다. 과잉요동은 또한 기어 사이의 마찰로 인해 처리장비의 마모를 가속하기도 한다.

어떤 관절조립체들은 이런 문제점을 해결하고자 개발되었다. 그중 하나가 도 5에 도시되었다. 관절조립체(201)는 제1, 제2 아암(213,215)을 갖는다. 이들 아암의 끝에는 각각 제1, 제2 반경부(217,219)가 달려있고, 이들 반경부는 일련의 체결구(227)에 의해 블레이드 마운트(225)에 연결된 제1, 제2 피봇(221,223)에 회전 가능하게 결합된다. 블레이드 마운트에는 기계나사(229)에 의해 블레이드(도시 안됨)가 고정된다.

도 6, 7은 이들 제1, 제2 반경부(217,219)를 제1, 제2 피봇(221,223)에 회전 가능하게 결합하는 수단을 보여준다. 이들 반경부(217,219) 각각의 일부분을 제1, 제2 스틸밴드(231,233)로 감는다. 제1 밴드(231)는 제1 인장판(241)에 의해 제1 반경부(217)에 고정되고 다른 쪽은 제1 터미널(253)에 의해 제2 반경부(219)에 고정된다. 마찬가지로, 제2 밴드(233)는 제2 인장판(243)에 의해 제2 반경부(219)에 고정되고 다른 쪽은 제2 터미널(251)에 의해 제1 반경부(217)에 고정된다.

제 인장판(241)에 도 6에 자세히 도시되었다. 제1 밴드(231)는 제1 용접조인트(261)에 의해 제1 인장판(241)에 연결되는 한편, 제1 인장판(241)은 스프링부하 나사(271)에 의해 제2 반경부(219)에 고정된다.

제1 터미널(251)이 도 7에 자세히 도시되었다. 제1 밴드(231)는 제2 용접조인트(263)에 의해 제1 터미널(251)에 연결되는 한편, 제1 터미널(251)은 나사(273)에 의해 제1 반경부(217)에 고정된다.

이상 설명한 밴드는 제1, 제2 아암(213,215)의 움직임을 효과적으로 연계한다는 장점을 보여준다. 이런 구성은 특히 개구리 다리 디자인을 갖는 반도체 처리장비에 특히 유용한데, 적절히 실시되기만 하면 요동을 없앨 수 있기 때문이다.

이상의 관절조립체는 불행히도 현장에서 상당한 유지관리를 해야함이 밝혀졌다. 예를 들어, 제1, 제2 밴드(231,233)는 균열이 되기 쉬워, 밴드를 교체하는 동안 조립라인을 세워야만 했다. 반도체 제조공정에서의 이런 중단에 소요되는 비용이 크기 때문에, 이 문제를 해결하도록 관절조립체를 튼튼하게 디자인해야 할 필요가 생겼다. 또, 반도체 제작에 사용하기에 적당하면서도 요동을 최소로 하고 제조라인에서 웨이퍼를 정밀하게 포지셔닝하는데 사용할 수 있는 로봇 아암이 필요하기도 하다. 또, 충돌지점이 없어서 수명이 길어지고 마모는 줄어드는 관절조립체가 필요하다.

발명의 요약

본 발명에 의한 로봇아암이나 기계장치에 사용되는 관절조립체는, 제1 반경부로 끝나는 제1 아암, 제2 반경부로 끝나는 제2 아암, 및 제1, 제2 반경부들 각각의 일부분을 감싸되 용접조인트를 전혀 갖지 않는 제1 밴드를 포함한다. 이런 관절조립체는 반도체 제조에 사용하기에 적당하고 요동을 최소화한다.

또, 본 발명에 의한 기계장치에 사용되는 관절조립체는 (a) 제1 및 제2 피봇, (b) 제1 피봇에 회전가능하게 연결된 제1 반경부로 끝나는 제1 아암, (c) 제2 피봇에 회전가능하게 연결된 제2 반경부로 끝나는 제2 아암, (d) 제1, 제2 반경부 각각의 일부분을 둘러싸고, 제1 단부에서 제1 아암이나 제1 반경부에 연결되며, 제2 단부에서 제2 아암이나 제2 반경부에 연결되는 제1 밴드, 및 (e) 제1, 제2 반경부 각각의 일부분을 둘러싸고, 제1 단부에서 제2 아암이나 제2 반경부에 연결되며, 제2 단부에서 제1 아암이나 제1 반경부에 연결되는 제2 밴드를 포함하고, 상기 제1 밴드에 용접조인트가 없는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 의한 기계장치용의 다른 관절조립체는 (a) 제1 반경부로 끝나는 제1 아암, (b) 제2 반경부로 끝나는 제2 아암, 및 (c) 제1, 제2 반경부들 각각의 일부분을 감싸되, 제1 단부는 터미널에 연결되고 제2 단부는 인장판에 연결되는 제1 밴드를 포함하고; 상기 밴드가 터미널이나 인장판의 둘중 하나나 둘다에 착탈 가능하게 연결되는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 의한 기계장치용의 다른 관절조립체는 (a) 제1 반경부로 끝나는 제1 아암, (b) 제2 반경부로 끝나는 제2 아암, (c) 제1, 제2 반경부들 각각의 일부분을 감싸는 제1 밴드, 및 (d) 반경부에 제1 밴드를 연결하는 체결구를 포함하고, 제1 밴드가 상기 체결구를 중심으로 회전하는 것을 특징으로 한다.

또, 기계장치용의 다른 관절조립체는 (a) 제1 반경부로 끝나는 제1 아암; (b) 제2 반경부로 끝나는 제2 아암; (c) 제1, 제2 반경부들 각각의 일부분을 감싸는 제1 밴드; (d) 제1 밴드의 제1 말단부를 제1 아암이나 제1 반경부중 하나나 둘다에 연결하기에 적합한 제1 체결구; 및 (e) 제1 밴드의 제2 말단부를 제1 아암이나 제1 반경부중 하나나 둘다에 연결하기에 적합한 제2 체결구를 포함하고, 제1 체결구는 축을 가지며 제1 밴드의 제1 말단부를 이 축을 중심으로 피봇시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.

또, 로봇아암용의 관절조립체는 (a) 제1 반경부로 끝나는 제1 아암과, 제2 반경부로 끝나는 제2 아암; (b) 제1 구멍이 형성된 제1 말단부와, 제2 구멍이 형성된 제2 말단부를 갖고, 제1 및 제2 반경부 각각의 일부분을 감싸는 밴드; 및 (c) 제1 아암이나 제1 반경부에 제1 말단부를 연결하고, 제1 말단부가 회전 가능하도록 제1 구멍에 삽입되는 부재를 갖춘 메커니즘을 포함한다.

본 발명에 따른 로봇아암용 관절조립체를 만드는 방법은, (a) 제1 반경부로 끝나는 제1 아암과, 제2 반경부로 끝나는 제2 아암을 제공하는 단계; (b) 제1 말단부에 제1 구멍이 형성되고 제2 말단부에 제2 구멍이 형성되어 있는 밴드를 제공하는 단계; (c) 상기 밴드를 제1, 제2 반경부들 각각의 일부분에 감는 단계; 및 (d) (1) 제1 구멍에 삽입되는 돌출부를 갖춘 터미널을 통해 제1 아암이나 제1 반경부에 제1 말단부를 연결하되 돌출부를 중심으로 제1 말단부를 회전 가능하게 연결하거나, (2) 제 구멍에 끼워지는 체결구를 갖춘 인장판을 통해 제2 아암이나 제2 반경부에 제2 말단부를 연결하되 체결구를 중심으로 제2 말단부가 회전 가능하게 연결하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명에 따르면 로봇 조인트의 밴드를 기판에 연결하는 방법이 제공된다. 이 방법에 의하면, 제1 구멍이 형성된 말단부를 갖는 밴드를 제공한 다음, 제1 구멍에 회전 가능하게 끼워지는 돌출부와, 기판에 터미널을 부착하기에 적합한 체결구를 갖춘 터미널을 제공하며, 이어서 돌출부를 제1 구멍에 위치시킨 다음, 터미널을 체결구에 의해 기판에 연결한다.

또, 본 발명에 의하면 로봇 조인트의 밴드를 기판에 연결하는 방법이 제공된다. 이 방법에 의하면, 제1 구멍이 형성된 말단부를 갖는 밴드를 제공한 다음, 제1 구멍에 회전 가능하게 끼워지는 요소와, 기판에 인장판을 부착하기에 적합한 체결구를 갖춘 인장판을 제공하고, 이어서 인장판을 체결구에 의해 기판에 연결한 다음, 상기 요소를 제1 구멍에 끼운다.

또, 본 발명에 의하면 로봇 조인트의 금속밴드와 터미널의 조립체가 제공되는데, 금속밴드의 말단부에는 제1 구멍이 형성되어 있고, 터미널은 기판에 터미널을 연결하기 위한 체결구, 상기 체결구를 끼우기 위한 제2 구멍, 및 제1 구멍에 걸리는 돌출부를 갖는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 의하면 로봇 조인트의 금속밴드와 인장판의 조립체가 제공되 는데, 금속밴드의 말단부에는 제1 구멍이 형성되어 있고; 상기 인장판은 기판에 인장판을 연결하기 위한 체결구, 금속밴드 말단부를 회전 가능하게 연결하도록 제1 구멍에 끼워지는 부재, 및 이 부재를 끼우기 위한 제2 구멍을 갖는 것을 특징으로 한다.

로봇 관절조립체의 금속밴드의 균열에 관한 전술한 문제점이 금속밴드의 용접조인트 때문인 것으로 밝혀졌다. 도 5-7에 도시된 상용 관절조립체의 금속밴드는 2개의 용접조인트를 갖는다. 제1 밴드(231)의 경우, 제1 용접조인트(261)에서 인장판(241)에 연결되고 제2 용접조인트(261)에서 터미널(253)에 연결된다. 이들 용접조인트는 금속밴드의 구조적 안전성에 심각한 응력 및/또는 취약성을 일으켜, 밴드의 터미널 부근에 위치한 용접조인트 부근에서 밴드를 균열시킴이 밝혀졌다. 결과적으로, 밴드를 자주 교체해야만 했다. 예를 들어 이런 종류의 관절조립체의 밴드의 경우, 로봇아암이 (처리실 측벽과 같은) 고정체에 부딪칠 때 밴드에 균열이 생기곤 하는데, 이런 충돌은 로봇아암을 교정할 때 일어나곤 한다.

굳이 이론적으로 정립하지 않아도, 이상의 용접조인트가 다양한 방식으로 밴드에 응력을 생기게 하거나 약화시키는데 기여한다고 믿어진다. 예를 들어, 용접조인트는 밴드의 말단부위를 제자리에 단단히 고정하는 효과를 발휘하여 장치의 가공이나 조립의 불완전성을 보상하기 위해 필요한대로 회전할 수 없도록 하고; 이렇게 되면 밴드의 말단부의 응력을 증가시키게 된다. 또, 용접조인트가 있으면 금속이 얇아지고 결정의 변화를 가져옴은 물론, 부근의 밴드의 기계적 물성에 악영향을 준 다.

이런 문제점들은 관절조립체의 금속밴드에서 용접조인트를 없애면 해결됨이 알려졌다. 예를 들어 각각의 로봇아암에 밴드 말단부를 조이되, 말단부의 회전을 제한하도록 하면 된다. 따라서, 예컨대, 밴드의 말단부에 구멍을 뚫고, 이 구멍에 나사나, 핀 등의 부재를 끼워 말단부를 이 부재에 대해 회전시키고, 이 부재는 직간접적으로 로봇아암에 연결한다. 이 방식은 밴드 말단부의 변형을 경감시키는 효과가 있다. 다양한 종류의 적당한 클램프를 사용해 밴드를 고정해도 비슷한 결과를 얻을 수 있지만, 단 이들 클램프가 연결점에서 회전을 제한할 수 있어야 한다.

이런 방식은 밴드의 구조에 악영향을 주지 않으므로, 밴드의 균열을 획기적으로 줄일 수 있다. 동시에, 로봇아암의 움직임을 효과적으로 연동하여 개구리 다리 디자인을 갖는 로봇에서 요동을 없애는 등의 다른 장점도 유지된다.

도 8에 이런 종류의 구성의 일례가 도시되어 있다. 관절조립체(311)의 제1 아암(313) 말단부의 제1 반경부(317)는 볼트 등의 체결구(327)에 의해 제1 피봇(321)에 회전 가능하게 연결되고, 제2 아암(315)의 제2 반경부(319)도 마찬가지 방식으로 제2 피봇(323)에 회전 가능하게 연결된다. 이들 제1, 제2 아암은 제1 밴드(331) 및 제2 밴드(도시 안됨)에 의해 서로 연결되는데, 이들 밴드는 상기 반경부들 각각의 일부분을 둘러싼다.

도 8의 관절조립체의 제1, 제2 밴드들은 용접조인트 없이 로봇아암에 적당히 연결된다. 특히, 도시된 실시예의 경우, 체결구(361)를 끼울 구멍이 뚫려있는 터미널(351)을 이용한다. 체결구로는 반경부(317)에 배치된 나사공에 맞물리는 볼트나 나사를 이용하지만(경우에 따라서는 나사공을 로봇아암에 배치할 수도 있음), 당업자라면 알 수 있듯이 여러가지 다른 체결구도 물론 이용할 수 있다. 터미널(351)에는 스틸밴드(331) 말단부의 구멍에 걸리는 돌기(363)가 있다. 반경부(317)나 로봇아암에도 이 돌기를 끼우기에 맞는 크기의 구멍을 마련한다. 돌기의 끝은 라운드를 주거나 약간 크게 하여 밴드 구멍에 잘 걸리도록 한다.

제1 밴드(331)의 말단부에 뚫린 구멍에 끼우는 핀(373) 등의 체결구로 인장판(343)에 제1 밴드를 연결하는데, 이 체결구는 인장판(343)의 구멍에도 끼워진다. 이어서 스프링 나사(371)를 이용해 로봇아암(315)에 인장판(343)을 연결한다.

용접조인트로 인한 문제점을 해결하는 외에도, 스틸밴드(331)의 말단부를 로봇아암(313,315)의 반경부나 로봇아암 자체에 연결하는 방법에 의하면 체결구(361,373)를 중심으로 스틸밴드(331)의 말단부의 회전이 제한된다. 이렇게 되면 밴드(333)를 체결구(361,373) 둘레에 필요한만큼 회전시켜 장치의 가공과 조립의 불완전성을 보상함은 물론 밴드 말단부의 응력을 완화시켜, 균열의 발생을 억제할 수 있다.

도 9는 본 발명에 따른 로봇의 일례이다. 이 로봇(401)은 개구리 다리 디자인을 갖고, 제1, 제2 로봇아암(403)은 허브(405)를 맞물도록 되어있다. 각각의 로봇아암의 하부 아암(407)과 상부아암(409)은 엘보(411)에 의해 서로 회전가능하게 연결된다. 이들 2개의 아암이 관절조립체(413)를 이루고, 관절조립체는 말단작동기(415)에 착탈설치된다.

도 10-14에는 본 발명에 따른 로봇아암의 관절조립체가 도시되어 있다. 관절 조립체(511)는 제1, 제2 로봇아암(513,515)을 갖는다. 이들 로봇아암 말단부의 제1, 제2 반경부(517,519)는 체결구(527)에 의해 블레이드 마운트(525)에 연결된 제1, 제2 피봇(521,523)에 각각 맞닿는다(도 5-6 참조). 이런 체결구로는 납작머리나사가 바람직하지만, 다른 체결구를 사용해도 된다. 가공된 구멍(529)을 통해 블레이드 마운트에 블레이드(도시 안됨)를 고정할 수 있다.

도 7-8은 반경부(517,519)를 피봇(521,523)에 회전고정하는 수단을 보여준다. 제1, 제2 밴드(531,533)는 제1, 제2 반경부(517,519) 일부를 감싼다. 이들 밴드(531,533)로는 0.005" 스프링강 밴드를 사용할 수 있다.

제1 밴드(531)는 제1 인장판(541)에 의해 제1 반경부(517)에, 그리고 제1 터미널(553)에 의해 제2 반경부(519)에 고정된다. 마찬가지로, 제2 밴드(533)는 제2 인장판(543)에 의해 제2 반경부(519)에, 그리고 제2 터미널(551)에 의해 제1 반경부(517)에 고정된다. 이들 밴드(531,533)는 정밀가공된 평판으로서, 반경부(517,519)의 반경면에 배치될 때 인장력을 적절히 조정하여 각각의 위치를 유지할만큼 넓다(도 10 참조).

이상 설명한 밴드는 구성상 제1, 제2 로봇아암(513,515)의 움직임을 효과적으로 연계한다는 장점을 갖는다. 이런 구조는 특히 개구리다리 디자인을 갖는 반도체 처리장비에 유용한데, 이는 적절히 구현되기만 하면 요동을 없앨 수 있기 때문이다.

도 13을 보면, 제1 로봇아암(513)의 상부아암에 스프링조립체(561)를 설치한다. 스프링조립체는 제2 로봇아암에도 설치될 수 있지만, 한쪽 로봇아암에만 스프 링조립체를 설치하는 것이 좋은데, 양쪽에 모두 설치하면 시스템의 조정과 정렬이 복잡하기 때문이다. 스프링조립체(561)는 일정 인장력의 스프링(563)을 구비하고, 이 스프링은 상부아암의 채널(565) 안에 배치된다. 인장판(543)의 구멍에 끼워진 핀(567) 일단부에 스프링을 끼운다. 스프링은 인장판(543)을 통해 밴드(533)에 일정 인장력을 가한다.

스프링조립체(561)를 상부아암 안에 설치하면, 물리적인 접촉이나 처리환경으로부터 스프링조립체를 보호할 수 있다는 장점이 있다. 이런 배치에 의하면, 미숙련공이 관절조립체의 인장력을 쉽게 바꿀 수 없기도 하다. 또, 핀(567)에서 스프링조립체(561)가 자유롭게 회전할 수 있어서, 사고나 부적절한 조작으로 핀(567)이 회전해도 스프링조립체의 장력을 유지할 수 있다. 결과적으로, 스프링의 인장력이 부주의하게 바뀌는 상황을 피할 수 있다.

관절조립체(511)의 다른 큰 특징은 밴드(533)를 인장판(543)과 터미널(553)에 연결하는데 있다(도 12 참조). 밴드(533)의 단부에 구멍을 뚫고 이 구멍에 핀(567) 끼워 반경부(519)에 밴드를 고정한다. 도 8에서 설명한 바와 같이, 이런 구성에서는 밴드(533)가 필요한 만큼 핀(567)을 중심으로 피봇하여 응력을 경감하고 가공과 조립작업의 미흡함을 보상할 수 있다. 반면에, 용접과 같은 다른 방법으로 밴드를 반경부(519)에 고정하면 밴드 및/또는 인장판(543) 또는 터미널(553)이 응력으로 파손될 수 있다.

도 13을 보면, 반경부(519)에 턱(571)이 있다. 인장판(543) 일단부의 돌출부(573)가 이 턱(571)에 걸린다. 이런 구성에서, 인장판(543)은 턱(571)을 중심으 로 회전하므로, 스프링장력하에 탭을 유지하고 요동을 없앨 수 있다.

이상 설명한 관절조립체에 다양한 방법을 이용할 수 있다. 도 7에서 알 수 있는 바람직한 방법은, 제1 반경부(517)에 배치된 인장판(541)에 제1 밴드(531)를 연결하는 것이다. 편의상, 제1 밴드를 하부밴드라 하자{즉, 도 14의 반경부(519)에 배치된 밴드(533)}. 다음 밴드(531)를 로봇아암(513)의 반경부(517)에 감고 로봇아암(515)의 반경부(519)로 넘긴다. 이 지점에서 밴드를 제2 터미널(553)에 고정한다. 이어서, 밴드(533)를 인장판(543)에 연결한 다음 로봇아암(515)의 반경부(519)와 밴드(531) 위로 감아 제1 터미널(551)에 연결한다(이때 중간 지점에서 교차한다).

도 15-17은 다른 실시예를 보여준다. 블레이드(603)가 연결되어 있는 관절조립체(601)는 모든 면에서 도 10-14의 관절조립체와 아주 비슷하지만, 기존의 로봇 관절조립체의 교체품으로 사용된다. 따라서, 기존 로봇의 상부아암에 고정하기 위한 탭(605)이 관절조립체에 달려있다. 이들 탭(605)에 구멍(607)을 뚫고 이 구멍에 나사 등의 체결구를 끼워 관절조립체를 고정한다.

통상, 종래의 관절조립체에서 볼 수 있는 탭은 기다랗고 평평한 직사각형이다. 반면에, 도 15-17의 탭(605)은 단면이 H형으로서 양쪽 가장자리가 두툼하다. 이런 형상이기 때문에 탭의 기계적 성질이 개선되어 관절조립체의 수명과 전체 성능이 개선되었다.

도 15, 17은 관절조립체의 다른 특징을 보여준다. 관절조립체의 블레이드 마 운트(609)에 접시머리나사(611)를 조여 블레이드(603)를 마운트(609)에 고정한다. 블레이드 마운트(609)에 슬롯이 있는데, 이 슬롯에 블레이드 일단부를 끼워 마운트 가운데로 블레이드(603)가 들어가도록 한다. 나사(611)는 블레이드 마운트(609)를 관통해 블레이드를 압박하므로, 블레이드를 제자리에 고정한다.

나사(611) 가까이에 블레이드 마운트에 나사공(613)을 뚫는다(도 17 참조). 각각의 나사공에 세트스크루(도시 안됨)를 끼운다. 세트스크루는 블레이드의 위치를 정밀조정하여 항상 제위치로 유지하도록 한다. 블레이드나 관절조립체를 기존의 공구로 교체하는 교체작업시, 세트스크루를 사용해 블레이드를 필요한 공구에 적절히 위치시킬 수 있다.

도 15-17에 의하면, 관절조립체에 일정 인장력의 스프링(615)이 배치된다. 이 스프링(615)은 도 13의 스프링(667)과 기능적으로 동일하다. 그러나, 도 13의 관절조립체는 300mm 작업용이어서 채널(565)와 회전피봇(523) 사이의 간격이 길어 로봇아암(515) 안에 스프링을 배치할 수 있었다. 반면에, 도 15-17의 관절조립체(601)는 200mm 작업용이어서, 채널과 피봇 사이의 간격이 좁으므로, 로봇아암 외부에, 특히 탭(605)에 스프링(615)을 배치하는 것이 편리하다.

도 15-17의 관절조립체가 도 13의 것과 다른 또다른 특징은, 후자의 스프링조립체(561)이 반경부(519)를 당겨서 반경부에 인장력을 가한다는 것이다. 반면에, 도 15-17의 관절조립체에서는 반경부(617)를 밀어서 인장력을 가한다(도 17 참조).

도 15-17의 관절조립체의 대부분의 부품은 블레이드(603), 탭(605), 반경부617) 및 피봇(619)의 외장판을 포함해 6061 알루미늄으로 이루어진다. 이 재료의 장점은, 재료의 합금이 반도체분야에 잘 적응되어 가공이 쉽다는 것이다. 그러나, 알루미나 세라믹 등의 다른 재료도 물론 사용할 수 있다. 알루미나 세라믹은, 로봇 부품들과 주변 표면들 사이의 마찰접촉에서 생기는 분진오염이 문제가 되는 경우에 특히 바람직하다. 알루미나 세라믹은 반도체에 많이 사용되는 알루미늄 합금보다 상당히 단단하고 쉽게 긁힌 상처가 생기지 않는다. 또, 알루미나 세라믹은 1400℃ 정도의 높은 온도의 처리작업에 사용할 수 있다. 따라서, 고온과 저온의 양쪽 환경에서 모두 기판과 처리장비의 오염을 상당히 줄일 수 있다. 블레이드(603)의 재료로 알루미나 세라믹을 사용하면 특히 바람직하다. 이상 설명한 관절조립체에 이런 블레이드를 사용하면 오염 입자수를 상당히 줄일 수 있다.

도 15의 블레이드(603)에는 다수의 지지패드(621)가 있다. 지지패드(621)의 재료로는 기판처리조건에 저항성을 갖는 과불화탄성체(perfluoroelastomer)가 바람직하고, 이런 재질은 (기판 표면에 대해 충분히 높은 마찰계수를 생성하여) 작업중에 기판을 제대로 고정하기에 충분히 기판을 조여준다. 이들 패드는 기판의 외주부에서 떨어져 기판에 접촉하도록, 바람직하게는 기판의 중심과 기판의 외주부 사이의 중간 경로에서 기판에 접촉하도록 블레이드 표면에 배치된다. 이렇게 패드를 배치하면, 기판의 처짐을 최소화할 수 있다. 기판의 처짐은 로봇을 사용할 때 기판의 주요 오염원인데, 왜냐하면 기판과 최종 조작기 표면 사이에 마찰접촉을 유발하기 때문이다. 따라서, 패드를 사용해 처짐을 줄이거나 없애면, 기판의 오염을 크게 줄일 수 있다. 이상과 같은 알루미나 세라믹 블레이드에 있어서, 이상 설명한 관절조립체에 패드를 사용하면, 오염입자수를 크게 줄일 수 있다.

도 1은 로봇 웨이퍼 조작시스템을 갖춘 클러스터 툴의 개략도;

도 2는 도 1의 로봇의 아암조립체가 접힌 상태와 펼쳐진 상태를 보여주는 개략도;

도 3은 도 1의 로봇의 관절조립체 개략도;

도 4는 종래의 로봇 아암조립체가 접히고 펼쳐진 상태의 개략도;

도 5는 종래의 관절조립체의 사시도;

도 6은 도 5의 관절조립체의 인장판의 상세도;

도 7은 도 5의 관절조립체의 터미널의 상세도;

도 8은 본 발명에 따른 관절조립체에서 금속밴드가 인장판과 터미널에 연결되는 상태를 보여주는 평면도;

도 9는 본 발명에 따른 로봇의 평면도;

도 10은 본 발명에 따라 이루어진 로봇아암용 관절조립체의 일례의 평면도;

도 11은 본 발명에 따른 로봇아암의 관절조립체의 사시도;

도 12는 본 발명에 따른 로봇아암용 관절조립체의 일례의 밴드 구성을 보여주는 도면;

도 13은 본 발명에 따른 관절조립체의 인장스프링을 보여주는 도면;

도 14는 본 발명에 따른 피봇의 일례의 측면도;

도 15-17은 본 발명에 따른 관절조립체의 개략도.

Claims (28)

1. 제1 및 제2 피봇(521,523);

   상기 제1 피봇에 회전가능하게 연결된 제1 반경부(517)로 끝나는 제1 아암(513);

   상기 제2 피봇에 회전가능하게 연결된 제2 반경부(519)로 끝나는 제2 아암(515);

   상기 제1, 제2 반경부 둘다를 감싸되, 제1 단부에서 제1 반경부에 연결되며 제2 단부에서 제2 반경부에 연결되는 제1 밴드(531); 및

   상기 제1, 제2 반경부 둘다를 감싸되, 제1 단부에서 제2 반경부에 연결되며 제2 단부에서 제1 반경부에 연결되는 제2 밴드(533);를 포함하고,

   상기 제1 밴드가 볼트 등의 체결구로 고정되는 것을 특징으로 하는 관절조립체.
2. 제1항에 있어서, 제2 밴드도 체결구로 고정되는 것을 특징으로 하는 관절조립체.
3. 제1 반경부(517)로 끝나는 제1 아암(513);

   제2 반경부(519)로 끝나는 제2 아암(515); 및

   제1, 제2 반경부 둘다를 감싸되, 제1 단부는 터미널(553)에 연결되고 제2 단 부는 인장판(541)에 연결되는 제1 밴드(531);를 포함하고,

   상기 밴드(531)가 터미널과 인장판에 착탈 가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는 관절조립체.
4. 제3항에 있어서, 상기 제1 밴드가 터미널과의 연결지점에서 회전가능한 것을 특징으로 하는 관절조립체.
5. 제3항에 있어서, 상기 제1 밴드가 인장판과의 연결지점에서 회전가능한 것을 특징으로 하는 관절조립체.
6. 제3항에 있어서, 제1, 제2 반경부 둘다를 감싸는 제2 밴드(533)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 관절조립체.
7. 제6항에 있어서, 상기 제2 밴드가 제1 단부는 터미널(551)에 착탈 가능하게 연결되고 제2 단부는 인장판(543)에 착탈 가능하게 연결된 것을 특징으로 하는 관절조립체.
8. 제5항에 있어서, 상기 제1 밴드가 밴드의 구멍을 관통하는 체결구에 의해 인장판에 착탈 가능하게 연결된 것을 특징으로 하는 관절조립체.
9. 제8항에 있어서, 상기 체결구가 핀(567)인 것을 특징으로 하는 관절조립체.
10. 제3항에 있어서, 상기 제1 밴드가 밴드의 구멍을 관통하는 체결구에 의해 터미널에 착탈 가능하게 연결된 것을 특징으로 하는 관절조립체.
11. 제3항에 있어서, 상기 제1 밴드가 용접조인트가 없이 체결구로만 고정된 것을 특징으로 하는 관절조립체.
12. 제1 반경부(517)로 끝나는 제1 아암(513);

    제2 반경부(519)로 끝나는 제2 아암(515);

    제1, 제2 반경부 둘다를 감싸는 제1 밴드(531); 및

    상기 반경부에 제1 밴드를 연결하는 체결구;를 포함하고,

    제1 밴드가 상기 체결구를 중심으로 회전하는 것을 특징으로 하는 관절조립체.
13. 제1 반경부(517)로 끝나는 제1 아암(513);

    제2 반경부(519)로 끝나는 제2 아암(515);

    제1, 제2 반경부 둘다를 감싸는 제1 밴드(531);

    제1 밴드의 제1 말단부를 제1 반경부에 연결하기에 적합한 제1 체결구(541); 및

    제1 밴드의 제2 말단부를 제2 반경부에 연결하기에 적합한 제2 체결구(553);를 포함하고,

    제1 체결구는 축을 가지며 제1 밴드의 제1 말단부를 이 축을 중심으로 피봇시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 관절조립체.
14. 제13항에 있어서, 상기 제2 체결구가 축을 갖고 제1 밴드의 제2 말단부를 이 축을 중심을 피봇시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 관절조립체.
15. 제13항에 있어서, 제1 반경부와 제2 반경부 둘다를 감싸는 제2 밴드(533)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 관절조립체.
16. 제15항에 있어서,

    제1 반경부에 제2 밴드의 제1 말단부를 연결하기에 적합한 제3 체결구(551); 및

    제2 반경부에 제2 밴드의 제2 말단부를 연결하기에 적합한 제4 체결구(543);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 관절조립체.
17. 제13항에 있어서, 상기 제1 밴드가 스틸밴드인 것을 특징으로 하는 관절조립체.
18. 로봇아암용 관절조립체를 만드는 방법에 있어서:

    제1 반경부(517)로 끝나는 제1 아암(513)과, 제2 반경부(519)로 끝나는 제2 아암(515)을 제공하는 단계;

    제1 말단부에 제1 구멍이 형성되고 제2 말단부에 제2 구멍이 형성되어 있는 밴드(531 또는 533)를 제공하는 단계;

    상기 밴드를 제1, 제2 반경부 둘다에 감는 단계; 및

    (a) 제1 구멍에 체결구를 끼워 터미널(551 또는 553)를 통해 제1 반경부에 제1 말단부를 연결하되 체결구를 중심으로 제1 말단부를 회전 가능하게 연결하거나, (b) 제2 구멍에 체결구를 끼워 인장판(541 또는 543)을 통해 제2 반경부에 제2 말단부를 회전 가능하게 연결하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
19. 제18항에 있어서, 제1 반경부에 인장판을 통해 밴드 말단부를 연결하는 단계를 더 포함하되, 상기 인장판을 고정하는 체결구를 중심으로 밴드 말단부를 회전시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 방법.
20. 제18항에 있어서, 제2 반경부에 터미널을 통해 밴드 말단부를 연결하는 단계를 더 포함하되, 상기 터미널을 고정하는 체결구를 중심으로 밴드 말단부를 회전시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 방법.
21. 제20항에 있어서, 상기 체결구가 핀인 것을 특징으로 하는 방법.
22. 제21항에 있어서, 상기 핀의 축을 중심으로 밴드 말단부를 회전시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 방법.
23. 제10항에 있어서, 상기 인장판에 인장부하 나사가 구비되고, 이 나사를 이용해 인장판을 제2 반경부에 연결하는 것을 특징으로 하는 방법.
24. 제23항에 있어서, 상기 인장판 양쪽에 제1 및 제2 단부가 있고, 상기 체결구는 인장판의 제1 단부에, 인장하중 나사는 인장판의 제2 단부에 배치되는 것을 특징으로 하는 방법.
25. 제1 반경부(517)로 끝나는 제1 아암(513);

    제2 반경부(519)로 끝나는 제2 아암(515);

    제1 구멍이 형성된 제1 말단부와, 제2 구멍이 형성된 제2 말단부를 갖고, 제1 및 제2 반경부 둘다를 감싸는 밴드(531 또는 533); 및

    제1 반경부에 제1 말단부를 연결하고, 제1 말단부가 회전 가능하도록 제1 구멍에 삽입되는 부재를 갖춘 메커니즘;을 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇아암용 관절조립체.
26. 제25항에 있어서, 상기 메커니즘이 터미널(551 또는 553)이고, 상기 부재가 터미널 표면에 배치되어 제1 구멍을 관통하는 체결구인 것을 특징으로 하는 관절조립체.
27. 제25항에 있어서, 상기 메커니즘이 인장판(541 또는 543)이고, 상기 부재가 제1 구멍을 관통하는 체결구인 것을 특징으로 하는 관절조립체.
28. 제27항에 있어서, 상기 체결구가 핀인 것을 특징으로 하는 관절조립체.

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