KR20120116909A

KR20120116909A - 진공 척

Info

Publication number: KR20120116909A
Application number: KR1020127011341A
Authority: KR
Inventors: 아츠시 다카타; 마사카즈 다카츠; 가즈키 조단
Original assignee: 가부시끼 가이샤 나노템
Priority date: 2009-11-30
Filing date: 2010-11-29
Publication date: 2012-10-23
Also published as: CN102668059B; CN102668059A; JP2011114253A; WO2011065021A1

Abstract

본 발명은 진공 척에 관한 것으로서, 진공 척에 요구되는 흡착력으로, 흡착면의 일부에 얹어 설치되는 피흡착물을 확실히 흡착하는 진공 척을 제공하며, 대기압을 (P1), 진공 척에 요구되는 최소 흡착력을 (Fmin)으로 하고, 도달 압력이 (Pu), 배기 효율이 (Se)인 진공 펌프로 배면측이 흡인되는 흡착 패드가, 흡착 패드의 단위 표면적과 상기 단위 표면적 내로 노출되는 관통 구멍의 총 개구 면적의 비인 개구율(n)과, 다수의 관통 구멍에 의한 흡착 패드 전체의 컨덕턴스(C)가, 하기 식을 만족하는 진공 척은, 피흡착물에 덮이지 않은 흡착 패드의 일부로부터 공기 누출이 있어도 (Fmin) 이상의 흡착력으로 피흡착물을 확실히 흡착 유지하는 것을 특징으로 한다.
Fmin≤n?(P1-Pu)?Se/(Se+C)

Description

진공 척{VACUUM CHUCK}

본 발명은 밀폐된 배면측을 진공 펌프로 감압하고, 다수의 관통 구멍을 통해 흡착 패드의 표면상에 얹어 설치되는 피흡착물을 흡착하여 위치를 정하는 진공 척에 관한 것으로서, 더 상세하게는 흡착면의 일부가 피흡착물로 덮히지 않는 경우에도 피흡착물을 흡착할 수 있는 진공 척에 관한 것이다.

피흡착물을 흡인하는 흡착 패드의 표면에 대해 배면측을 진공 펌프로 감압하고, 표면과 배면에 연통하는 관통 구멍을 통해 작업 대상의 피흡착물을 흡인하여 유지하는 진공 척에서는, 표면측의 대기압에 대해 배면측의 배압을 진공에 가까운 압력으로 유지할 필요가 있다. 이와 같은 진공 척은 피흡착물이 흡착면인 표면 전체를 덮지 않으면, 관통 구멍의 일부가 표면에 개구되고, 관통 구멍을 통해 외기가 유입되며, 표면측과 배면측의 차압이 충분히 취해지지 않으므로, 소정의 흡착력이 얻어지지 않는 문제가 있었다.

따라서, 흡착 패드의 표면측과 배면측에 연통하는 다수의 관통 구멍을 가는 직경으로 하여, 관통 구멍 전체의 컨덕턴스를 저하시킨 진공 척이, 특허문헌 1 및 특허문헌 2에 알려져 있다. 이 종래의 진공 척에 의하면, 일부의 관통 구멍이 피흡착물로 덮이지 않고 표면에 개구되어도, 관통 구멍을 통해 표면으로부터 배면측으로 흐르는 유량이 제한되어, 표면측과 배면측의 차압을 일정하게 유지할 수 있으며, 표면의 일부에 얹어 설치되는 피흡착물이라도 소정의 흡착력으로 표면상에 위치를 정해 유지할 수 있다.

일본 실용신안공보 소43-16175호 공보 일본 특허공보 제2693720호

상술한 종래의 흡착 패드는, 단지 다수의 관통 구멍을 가는 직경으로 하여 흡착 패드의 컨덕턴스를 저하시키는 것에 착안하여 배압을 일정하게 유지하는 것이지만, 피흡착물을 흡착하는 소정의 흡착력은 컨덕턴스를 저하시키는 것만으로는 얻어지지 않는다. 즉, 피흡착물은 관통 구멍의 개구를 덮는 저면의 연직 방향으로, 하방(표면으로부터 배면 방향)으로 움직이는 대기압과 상방(배면으로부터 표면 방향)으로 움직이는 배압의 차압에 의해 흡착 패드의 표면측에 흡착되는 것으로, 그 흡착력은 피흡착물이 덮는 관통 구멍의 개구의 총 면적에 차압을 곱해 얻어진다.

따라서, 단지 흡착 패드 전체의 컨덕턴스를 저하시키기 위해, 관통 구멍을 소직경으로 하거나 관통 구멍 밀도를 저하시키는 것만으로는, 피흡착물이 덮는 관통 구멍의 개구의 총 면적도 감소하므로, 진공 척에 요구되는 소정의 흡착력이 얻어지지 않는 종래의 진공 척에서는 해결되지 않는 과제가 남아 있었다.

본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 고려하여 이루어진 것으로서, 진공 척에 요구되는 흡착력으로 흡착면의 일부에 얹어 설치되는 피흡착물을 확실히 흡착하는 진공 척을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위해, 청구항 1에 기재된 진공 척은, 측면의 전체가 밀폐되고, 표면측과 배면측이 대략 등(等) 밀도로 형성된 다수의 관통 구멍에 의해 연통하는 다공성 기판의 흡착 패드를 구비하며, 밀폐된 배면측을 진공 펌프로 감압하고, 표면상에 얹어 설치되는 피흡착물을 피흡착물로 덮이는 복수의 관통 구멍을 통해 흡착하는 진공 척으로서, 대기압을 "P1", 피흡착물의 유지에 필요한 단위 면적당 최소 흡착력을 "Fmin"으로 하고, 도달 압력이 "Pu", 배기 효율이 "Se"인 진공 펌프로 배면측이 흡인되는 흡착 패드는, 흡착 패드의 단위 표면적과 상기 단위 표면적 내에 노출되는 관통 구멍의 총 개구면적의 비인 개구율(n)과, 다수의 관통 구멍에 의한 흡착 패드 전체의 컨덕턴스(C)가,

을 만족하는 것을 특징으로 한다.

단위 면적당 흡착력은 대기압(P1)과 배압의 차압에 개구율(n)을 곱한 값이며, 차압은 (P1-Pu)?Se/(Se+C)로 표시된다.

따라서,

를 만족하는 흡착 패드의 표면상에 피흡착물을 얹어 설치하지 않은 상태에서, 배기 효율이 Q인 진공 펌프로 흡인했을 때의 흡착력은 피흡착물의 유지에 필요한 단위 면적당 최소 흡착력(Fmin) 이상이 된다. 표면상에 피흡착물을 얹어 설치하면 그 크기에 관계없이 흡착 패드의 컨덕턴스(C)가 저하하므로, n?(P1-Pu)?Se/(Se+C)로부터 얻어지는 흡착력은 최소 흡착력(Fmin) 이하가 되지 않는다. 따라서, 흡착 패드의 표면의 일부가 피흡착물에 의해 덮이지 않아도 피흡착물은 최소 흡착력(Fmin) 이상의 흡착력으로 유지된다.

또한, 청구항 2에 기재된 진공 척은, 흡착 패드의 관통 구멍의 내부 직경이 1㎛ 내지 10㎛인 것을 특징으로 한다.

(1)식으로부터 개구율(n)은 가능한한 크게, 흡착 패드의 컨덕턴스(C)는 가능한한 작은 값으로 할수록 큰 흡착력이 얻어진다. 진공에 가까운 분자류 영역에서 원통 구멍의 컨덕턴스는 그 반경의 3 승에 비례하고, 대기압의 점성 영역에서는 4승에 비례하는 한편, 개구율(n)을 결정하는 관통 구멍의 총 개구 면적은 각 관통 구멍이 원통형이면, 개구 면적은 그 반경의 2 승에 비례한다. 따라서, 관통 구멍의 내부 직경을 1㎛ 내지 20㎛의 미소 직경으로 하는 것에 의해, 소정의 개구율(n) 이상으로 하면서 효율적으로 흡착 패드 전체의 컨덕턴스(C)를 작게 할 수 있다.

또한, 청구항 3에 기재된 진공 척은, 흡착 패드가 개구율(n)이 20% 이상의 다공질 세라믹 기판인 것을 특징으로 한다.

세라믹 소결에 의해, 미세한 관통 구멍을 개구율(n)이 20% 이상이 되는 고밀도로 형성할 수 있다. 개구율(n)이 20% 미만의 세라믹 기판에서는 관통 구멍의 일부가 폐쇄되어, 표리면이 연통되지 않는 부분이 생긴다.

청구항 1의 발명에 의하면, 진공 펌프의 흡인 능력에 따라서, (1)식을 만족하는 개구율(n)과 컨덕턴스(C)의 흡착 패드를 이용함으로써 확실히 피흡착물의 크기에 관계없이 흡착 유지할 수 있다.

청구항 2의 발명에 의하면, 컨덕턴스(C)가 낮고, 개구율(n)이 높은 흡착 패드가 얻어진다.

청구항 3의 발명에 의하면, 개구율(n)을 20% 이상으로 하여 미세한 관통 구멍을 고밀도로 형성하고, 컨덕턴스(C)가 낮은 흡착 패드가 얻어진다. 또한, 세라믹 기판으로 하므로, 비교적 얇은 두께로 해도 피흡착물을 표면상에 얹어 설치하는 소정의 강도가 얻어진다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 진공 척(1)을 도시한 설명도이다.
도 2는 흡착 패드(2)로 피흡착물(W)을 얹어 설치하여 흡인하고 있는 상태의 진공 척(1)을 도시한 설명도이다.

이하, 본 발명의 일 실시형태에 따른 진공 척(1)을, 도 1과 도 2를 이용하여 설명한다. 도면에 도시한 바와 같이, 진공 척(1)은, 피흡착물(W)을 흡착하여 그 표면에 유지하는 흡착 패드(2)와, 흡착 패드(2)의 모든 측면을 밀봉하며 흡착 패드(2)의 배면측에 외기와 차단한 감압실(3)을 형성하는 척 본체(4)와, 감압실(3)에 연통하는 배기로로부터 배기하는 진공 펌프(5)와, 진공 펌프(5)의 배기 효율(Se)을 검출하기 위한 단위 시간당 배기량을 검출하는 유량계(6)를 구비하고 있지만, 유량계(6)는 후술하는 조건을 만족하는 적합한 흡착 패드(2)를 선정한 후에는 제거해도 좋다.

흡착 패드(2)는 한 변이 60㎝인 정방형 형상의 다공질 세라믹 기판으로 형성되고, 본 실시형태에서는 평균 구멍 직경이 10㎛의 관통 구멍이 밀접하여 형성되며, 기공률(n)이 35%인 흡착 패드(2)로 되어 있다. 여기서, 기공률(n)이란, 배면측과 연통하는 관통 구멍이 흡착 패드(2)의 평면에 등밀도로 형성되어 있는 것으로서, 흡착 패드(2) 표면의 단위 면적에 대한 단위 면적 내에 개구되는 관통 구멍의 총 개구 면적의 비율을 말한다. 세라믹 소결 기술을 이용하면, 평균 구멍 직경이 1㎛ 내지 200㎛의 범위이고, 기공률(n)을 10% 내지 60%의 범위로 다공질 세라믹 기판을 형성할 수 있지만, 기공률(n)을 20% 미만으로 하면, 관통 구멍의 일부가 폐쇄되어, 산정한 흡착력이 얻어지지 않는 경우가 있으며, 또한 60% 이상으로 하면 틈이 증가하여 강도가 열화되고, 파손될 우려가 있다.

이와 같이 구성된 진공 척(1)의 감압실(3)로부터 도달 압력(Pu)의 진공 펌프(5)로 배기했을 때의 감압실(3) 내의 압력(이하, 배압이라고 함)(P2)은, 흡착 패드(2)의 표면측의 대기압을 "P1", 흡착 패드(2) 전체의 컨덕턴스를 "C", 유량계(6)로 계측되는 진공 펌프(5)의 배기 효율을 "Se"로 하면, 일반적으로,

으로 표시된다.

(2)식을 이용하여, 대기압(P1)과 배압(P2)의 차압(ΔP)은,

이 된다.

한편, 배압이 P2로 되어 있는 흡착 패드(2)에, 도 2에 도시한 바와 같이, 피흡착물(W)을 얹어 설치하면, 피흡착물(W)에 의해 덮인 관통 구멍의 개구에 있어서, 연직 방향으로 대기압(P1)과 배압(P2)의 차압(ΔP)을 받아 흡착되고, 피흡착물(W)은 피흡착물(W)에 의해 덮인 모든 관통 구멍의 개구 면적의 총합(S2)에 차압(ΔP)을 곱한 흡착력(F)을 받는다.

피흡착물(W)의 흡착 패드(2) 표면으로의 투영 면적을 "S1"로 하면, 개구율(n)로부터 상기 총 합(S2)은 S1?n이고, 피흡착물(W)의 흡착력(F)은,

으로 표시되며, 피흡착물(W)의 단위 면적당 흡착력(F’)은,

이 된다.

또한, (3)식과 (5)식으로부터 피흡착물(W)의 단위 면적당 흡착력(F’)은,

이 얻어진다.

(6)식에 있어서, "P1"은 대기압, "Pu"는 진공 펌프(5)의 도달 압력으로서, 이미 알고 있으며, "Se"는 도 1에 도시한 피흡착물(W)을 얹어 설치하지 않은 상태로 단위 시간에 유량계(6)로 계측되는 유량을 진공 펌프(5)의 배기 효율로서 계측할 수 있으므로, (6)식으로부터 개구율(n)과 컨덕턴스(C)의 흡착 패드(2)에 의한 최소 흡착력(F’)이 얻어진다.

즉, 흡착 패드(2)의 표면상에 피흡착물(W)을 얹어 설치하지 않은 상태에서, 도 2에 도시한 바와 같이, 피흡착물(W)을 얹어 설치하여 관통 구멍의 일부를 덮으면, 흡착 패드(2)의 컨덕턴스(C)가 저하하고, 배기 효율(Se)은,

으로 얻어지는 Se까지 저하한다. (7)식으로부터 산정되는 Se의 값으로 안정되기까지 컨덕턴스(C)가 배기 효율(Se)에 선행하여 저하하므로, (6)식 중의 Se/(Se+C)는 적어도 도 1의 상태 보다 크고, 단위 면적당 흡착력(F’)은 상승한다.

따라서, 피흡착물(W)의 유무에 관계없이 단위 면적당 흡착력(F’)은, 도 1에 도시한 상태로 (6)식으로부터 산정되는 흡착력(F’)을 하회하지 않고, 이 흡착력(F’)을, 진공 척(1)의 피흡착물(W)을 흡착 유지하기 위해 필요한 최소 흡착력(Fmin)으로서,

을 만족하는 개구율(n)과 컨덕턴스(C)의 흡착 패드(2)를 선정하면, 피흡착물(W)의 크기에 관계없이 확실히 최소 흡착력(Fmin) 이상의 흡착력으로 피흡착물(w)을 흡착할 수 있는 진공 척(1)으로 할 수 있다.

실시예

흡착 패드(2)의 컨덕턴스(C)는, 그 표면측과 배면측에 이미 알고 있는 차압(ΔP)을 더한 상태에서의 표면과 배면 사이에 흐르는 단위 시간당의 유량(Q)을 계측하여, Q/ΔP로 산정할 수 있다. 본 실시형태에서는 본 실시형태의 발명에 따른 흡착 패드(2)와 동일 재질의 다공정 세라믹 기판(B재라고 함)과, 비교하기 위해 종래의 진공 척에 이용되고 있는 다공성 기판(A재라고 함)을, 각각 직경 10mm의 원형으로 절단한 시험 부재의 표리에 대기압(P1)의 1/10의 차압(11kPa)을 더해, 각각의 단위 시간당 유량(Q)을 계측했다.

그 결과, 단위 시간당 유량[Q(MPa*m³/s)은, A재가 0.9133*10-3, B재가 0.0458*10-3이었다. 대기압(P1)의 차압을 더한 경우의 각 시험 부재의 컨덕턴스(C)는 A재가 9,133*10-3(MPa?m³/s), B재가 0.458*10-3(MPa?m³/s)이고, 이것으로부터 60㎝ 평방의 흡착 패드(2)의 크기로 환산한 각 컨덕턴스[C(L/min)]는 A재가 197.4, B재가 9.9가 된다.

진공에 가깝고 분자의 평균 자유 행정(行程)이 길며, 관통 구멍의 내벽에 충돌하는 분자류 영역에서는, 관통 구멍이 원통형 파이프라고 가정한 각 관통 구멍의 컨덕턴스(c)는, "k"를 볼츠만 정수, "m"을 분자 질량, "r:을 파이프의 반경, "L"을 파이프의 길이, "T"를 온도로 하여,

으로 표시되고, 반경(r)을 작은 값으로 할수록 πr2로 표시되는 개구 면적에 대해, r3에 비례하는 컨덕턴스(c)를 저하시킬 수 있다. 본 실시형태에 따른 B재에 의한 흡착 패드(2)는 관통 구멍을 10㎛의 미세 구멍으로 형성하는 것에 의해, 기공률(n)이 45%인 A재에 대해 기공률(n)이 35%로 약간 저하시키는 것만으로 컨덕턴스(C)를 A재의 약 1/20까지 저하시키고 있다.

(1)식에 있어서, 진공 척(1)에 요구되는 최소 흡착력(Fmin)을 33kPa, 즉 대기압(P1)의 3/10으로 하고, 진공 펌프(5)의 도달 압력(Pu)을 거의 진공압으로 하면, (1)식은,

으로 치환된다.

A재의 컨덕턴스(C)는 197.4(L/min), 기공률(n)은 0.45이므로, 각각 (9)식에 대입하면,

가 되지만, 피흡착물(W)을 얹어 설치하지 않은 흡착 패드가 개방 상태에서의 배기 효율(Se)은 394.8(L/min) 미만이므로, 33kPa의 최소 흡착력(Fmin)이 얻어지지 않는다.

한편, 본 실시형태에 따른 B재의 컨덕턴스(C)는 9.9(L/min), 기공률(n)이 0.35이므로, 각각 (9)식에 대입하면,

이 되지만, 피흡착물(W)을 얹어 설치하지 않은 도 1의 상태에서의 배기 효율(Se)은 59.4(L/min) 이상이므로, 피흡착물(W)의 크기에 관계없이 최소 흡착력(Fmin) 이상의 흡착력으로 피흡착물(W)을 흡착 유지할 수 있다.

상술한 실시형태에서는 흡착 패드(2)로서 60㎝ 평방의 다공질 세라믹 기판으로 설명했지만, (1)식의 개구율(n)과 컨덕턴스(C)를 만족하는 기판이면, 여러 가지 재질, 구조의 기판을 흡착 패드로 할 수 있다.

또한, 흡착 패드의 개구율(n)은 구조상 다수의 관통 구멍을 형성할 수 있으면, 임의의 값으로 할 수 있지만, 흡착력의 최대값이 대기압(P1)인 관계 때문에, 진공 척(1)에 요구되는 최소 흡착력(Fmin)의 대기압(P1)에 대한 비 이하의 개구율(n)로 할 수 없다.

본 발명은 반도체, 액정, 프린트 배선 기판 등의 제조 장치나 인쇄기의 작업 공정에서 여러 가지 크기의 작업물을 흡착 패드를 변경하지 않고 유지하는 진공 척에 적합하다.

1 : 진공 척
2 : 흡착 패드
3 : 감압실
5 : 진공 펌프
6 : 유량계

Claims

측면 전체가 밀폐되고, 표면측과 배면측이 대략 등밀도로 형성된 다수의 관통 구멍에 의해 연통하는 다공성 기판의 흡착 패드를 구비하고, 밀폐된 배면측을 진공 펌프로 감압하며, 표면상에 얹어 설치되는 피흡착물을 피흡착물로 덮인 복수의 관통 구멍을 통해 흡착하는 진공 척에 있어서,
대기압을 "P1", 피흡착물의 유지에 필요한 단위 면적당 최저 흡착력을 "Fmin"으로 하고,
도달 압력이 "Pu", 배기 효율이 "Se"인 진공 펌프로 배면측이 흡인되는 흡착 패드는,
흡착 패드의 단위 표면적과 상기 단위 표면적 내에 노출되는 관통 구멍의 총 개구 면적의 비인 개구율(n)과, 다수의 관통 구멍에 의한 흡착 패드 전체의 컨덕턴스(C)가,
[수학식 7]

를 만족하는, 진공 척.
제 1 항에 있어서,
흡착 패드의 관통 구멍의 내부 직경은 1㎛ 내지 20㎛인, 진공 척.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
흡착 패드는 개구율(n)이 20% 이상의 다공질 세라믹 기판인, 진공 척.