KR20210101208A - 정전 용량 센서 - Google Patents

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KR20210101208A
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wafer
differential amplifier
detection unit
input terminal
wafer transfer
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KR1020217014816A
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요시키 후쿠자키
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로제 가부시키가이샤
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Publication date
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Abstract

웨이퍼 반송 로봇의 핑거 표면에 부착하는 것이 가능한 박형의 검출부가 검출하는 정전 용량이어도, 제전 장치나 구동원으로부터 발생되는 노이즈의 영향을 제거하여, 정확한 측정을 행하는 것이 가능한 정전 용량 센서를 제공한다. 검출부(1a)에 교류 전압을 공급하는 교류 공급원(29)과, 기생 용량 보상 회로(33)와, 연산 증폭기(28)와, 차동 앰프(34)와, 위상 검파 수단(35)과, 로우 패스 필터를 구비하고, 연산 증폭 출력 단자는 제 1 밴드 패스 필터(30)를 통해 상기 차동 앰프(34)의 반전 입력 단자에 접속되고, 교류 공급원(29)은 제 2 밴드 패스 필터(31)를 통해 상기 차동 앰프(34)의 비반전 입력 단자에 접속되고, 차동 앰프(34)의 출력 단자는 위상 검파 수단(35)의 입력 단자에 접속되고, 위상 검파 수단(35)은 교류 공급원(29)으로부터 출력되는 교류 신호를 참조 신호로 한다.

Description

정전 용량 센서
본 발명은 피검출체와 센서 사이의 거리를 측정하는 정전 용량 센서에 관한 것이며, 특히 반도체 웨이퍼 등의 박판상의 기판을 반송하는 기판 반송 로봇의 기판 유지 핸드에 설치되는 정전 용량 검출 센서와 검출 회로에 관한 것이다.
피검출체의 위치나 기판 유지 핸드와 센서 검출부 사이의 거리를 정확하게 계측하는 방법 중 하나로 정전 용량 센서를 사용한 것이 있다. 이 방법은 피검출체를 검출하는 검출부와 피검출체 사이에 생기는 정전 용량을 검출하고, 이 검출된 정전 용량의 값으로부터 피검출체와 검출부의 거리를 계측하는 것이다.
구체적으로는, 센서의 검출 회로로부터 공급되는 미약한 교류 전류를 검출부로부터 피검출체를 향해서 방출하고, 검출부 표면과 피검출체 표면 사이에 발생되는 정전 용량의 변화를 검출함으로써 2개의 표면 사이의 거리를 계측하려고 하는 것이다. 이 정전 용량 센서는 최근, 반도체 웨이퍼를 유지하는 웨이퍼 핸드에 설치되어 웨이퍼 핸드와 반도체 웨이퍼 사이의 거리를 측정하는 것에 사용되도록 되어 왔다.
인용문헌 1에는 처리 장치 내에서 반도체 웨이퍼를 반송하는 반송 장치에 탑재되는 포크(59b)가 기재되어 있다. 포크(59b)의 좌우 양측에는 정전 용량 센서의 센서 헤드(검출부)(71a, 71b)가 각각 장착되어 있다(도 1을 참조). 정전 용량 센서는 이들 포크(59b)에 배치된 센서 헤드(71a, 71b)의 각각과 반도체 웨이퍼 사이에 발생되는 정전 용량을 계측한다. 계측된 값으로부터 반도체 웨이퍼의 유무 정보, 반도체 웨이퍼와 포크(59b)가 적절한 거리를 유지하고 있는지의 여부의 정보 등을 반송 장치의 메인 컨트롤러에 출력하는 것이 가능하다. 그리고, 이 메인 컨트롤러에서는 이들 입력된 정보에 의거하여 반송 장치의 구동계로의 제어 신호를 출력하고, 반송 장치의 동작을 제어한다.
또한, 인용문헌 1에 기재된 반송 장치에서는 정전 용량 센서에 임계값을 설정하고, 포크(59b)가 반도체 웨이퍼의 외주를 통과할 때에, 정전 용량 센서와 포크(59b)를 구동하는 구동계가 협조 동작함으로써, 반도체 웨이퍼의 외주부의 위치가 포크(59b)의 전후 방향의 이동량으로서 계측하는 것이 가능해지고, 본래 수직 방향의 거리를 계측하는 정전 용량 센서에서 반도체 웨이퍼(W)의 수평 방향의 위치를 계측하는 것이 가능해졌다.
일본 특허 공개 평08-335622호 공보
그러나, 인용문헌에 기재된 포크(59b)에서는 반도체 웨이퍼를 정확하게 검출할 수 없을 가능성이 높다. 최근, 반도체는 회로 선폭(20) 나노미터 정도까지 미세화되어오고 있어서, 이러한 미세화가 진행함으로써 반도체 웨이퍼의 피처리면으로의 파티클의 부착이 큰 문제가 되어오고 있다. 여기서, 파티클이 반도체 웨이퍼의 표면에 부착되는 원인 중 하나로서, 반도체 웨이퍼의 대전이 예시된다. 반도체 웨이퍼는 반도체의 각 제조 공정에 있어서 각종 표면 처리를 실시하지만, 이 때에 반도체 웨이퍼가 대전되어버려, 이것에 의해 파티클을 반도체 웨이퍼 표면에 부착되게 해버리는 것이다. 또한, 이 반도체 웨이퍼의 대전은 파티클을 인출할 뿐만 아니라 반도체 웨이퍼 표면에 형성된 회로 패턴을 파괴하는 원인이 되고 있는 것이다.
이러한 트러블을 해소하기 위해서, 반도체 제조 장치나 웨이퍼 반송 장치의 내부 공간에는 반도체 웨이퍼의 대전을 방지하기 위해서 제전 장치가 설치되어 있다. 제전 장치는 침상의 전극인 이미터에 소정의 주파수의 전압을 인가하고, 전극과 접지면 사이에 코로나 방전을 일으키고, 플러스 이온 또는 마이너스 이온을 발생시키는 것이다. 이 제전 장치에 의해 발생된 이온이 반송 장치에 설치된 FFU(Fun Filter Unit)로부터 공급되는 하방의 기류에 의해 반도체 웨이퍼 등의 대전된 물품으로 이동해서 물품의 제전을 행한다.
제전 장치는 수 천∼수 만볼트의 고전압을 소정의 주파수로 인가해서 방전시키면서 사용되기 때문에 주위에 변동 전계나 변동 자계를 발생시킨다. 이러한 변동 전계나 변동 자계는 노이즈가 되어서 반송 장치 내에 설치된 계측 기기나 전자기기의 오작동의 원인이 되고, 정전 용량 센서의 정확한 검출의 방해가 되는 것이다. 또한, 반송 장치 내부에 배치되는 구동원의 작동에 의한 노이즈나 또한 정전 용량의 정확한 검출의 방해가 된다.
본 발명은 상기 문제점을 감안하여 이루어진 것이며, 제전기 등의 노이즈 발생원이 배치된 반송 장치의 내부 공간에 있어서도 안정적으로 피검출체의 검출이 가능한 정전 용량 센서를 제공하는 것에 있다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 정전 용량 센서는 검출부와 피검출체 사이의 거리를 측정하는 정전 용량 센서로서, 상기 검출부에 교류 전압을 공급하는 교류 공급원과, 기생 용량 보상 회로와, 연산 증폭기와, 차동 앰프와, 위상 검파 수단과, 로우 패스 필터를 구비하고, 상기 연산 증폭 출력 단자는 제 1 밴드패스 필터를 통해서 상기 차동 앰프의 반전 입력 단자에 접속되고, 상기 교류 공급원은 제 2 밴드 패스 필터를 통해서 상기 차동 앰프의 비반전 입력 단자에 접속되고, 상기 차동 앰프의 출력 단자는 상기 위상 검파 수단의 입력 단자에 접속되고, 상기 위상 검파 수단은 상기 교류 공급원으로부터 출력되는 반송파를 참조 신호로 하고 있는 것을 특징으로 하고 있다.
상기 구성으로 함으로써, 본 발명의 정전 용량 센서는 노이즈에 영향을 미치지는 않아 미소한 정전 용량의 변화라도 정확하게 검출하는 것이 가능해져서 검출부와 피검출체 사이의 거리를 정확하게 측정하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명의 정전 용량 센서를 구비하는 웨이퍼 반송 로봇은 검출부가 반도체 웨이퍼를 유지하는 핑거의 표면에 구비되어 있는 것을 특징으로 하고 있고, 또한 본 발명의 정전 용량 센서를 구비하는 웨이퍼 반송 로봇을 내부 공간에 구비하는 웨이퍼 반송 장치는 적어도, 상기 내부 공간을 청정한 상태로 유지하는 FFU와, 상기 반도체 웨이퍼를 수납하는 수납 용기를 적재하고, 상기 수납 용기의 뚜껑을 개폐하는 로드 포트와, 상기 웨이퍼 반송 장치의 천장 부근에 설치되어 상기 내부 공간을 제전하는 제전 장치를 구비하고, 상기 정전 용량 센서가 구비하는 상기 교류 공급원으로부터 출력되는 반송파의 주파수는 상기 제전 장치의 이미터에 인가 되는 전원의 주파수보다 높은 주파수인 것을 특징으로 하고 있다.
상기 구성으로 함으로써, 본 발명의 정전 용량 센서는 미소한 정전 용량의 변화도 검출하는 것이 가능하게 되었다. 또한, 본 발명의 정전 용량 센서의 검출부를 웨이퍼 반송 로봇의 핑거의 표면에 붙여서 사용해도 반도체 웨이퍼에 간섭하는 것이 없어지고, 반도체 웨이퍼를 트러블없이 반송하는 것이 가능하게 되었다. 또한, 반도체 웨이퍼와 핑거의 이간 거리를 정확하게 검출하는 것이 가능하게 되었으므로, 웨이퍼 반송 로봇의 교시 작업이 용이해졌다.
도 1은 종래의 정전 용량 센서가 탑재된 핑거를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 정전 용량 센서를 구비하는 웨이퍼 반송 로봇의 일 실시형태를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 정전 용량 센서를 구비하는 웨이퍼 반송 로봇이 탑재된 웨이퍼 반송 장치의 일 실시형태를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 정전 용량 센서를 구비하는 웨이퍼 반송 로봇이 탑재된 웨이퍼 반송 장치의 일 실시형태를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 정전 용량 센서가 배치되는 핑거의 일 실시형태를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 정전 용량 센서가 구비하는 검출부의 일 실시형태를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 정전 용량 센서의 일 실시형태를 나타내는 블록도이다.
이하, 도면을 참조해서 본 발명의 실시형태를 설명한다. 도 2는 본 발명의 제 1 실시형태인 정전 용량 센서(1)를 구비하는 웨이퍼 반송 로봇(2)을 나타내는 도면이고, 도 3, 도 4는 이 웨이퍼 반송 로봇(2)이 탑재된 웨이퍼 반송 장치(3)를 나타내는 도면이다. 본 실시형태의 웨이퍼 반송 장치(3)는 EFEM(Equipment Front End Unit)이라고 불리며, 반도체 웨이퍼(W)에 소정의 표면 처리를 실시하는 웨이퍼 처리 장치(4)의 전방면에 설치되는 장치이고, 웨이퍼 처리 장치(4)와 함께 클린룸이라고 불리는 청정한 분위기에 관리된 공장 내에 설치되어 있다. 웨이퍼 반송 장치(3)는 주로 로드 포트(5)와 웨이퍼 반송 로봇(2)과 웨이퍼 반송 로봇(2)을 수평방향으로 이동시키는 X축 테이블(6)을 구비하고 있다. 반도체 제조 공정에는 다양한 공정이 존재하고, 각 공정은 전용의 웨이퍼 처리 장치(4)에 의해 행해진다. 처리 중의 반도체 웨이퍼(W)는 FOUP(Front-Opening Unified Pod)(7)라고 불리는 밀폐용기의 내부에 연직 방향으로 소정의 간격을 두고서 형성된 선반판 상에 적재된 상태에서 수납되어서 각 웨이퍼 처리 장치(4) 사이를 이송된다. 소정의 웨이퍼 처리 장치(4)까지 이송된 FOUP(7)은 웨이퍼 반송 장치(3)가 구비하는 로드 포트(5)의 소정의 위치에 셋팅된다.
FOUP(7)이 셋팅되면, 로드 포트(5)는 각 구동부를 작동시켜서 FOUP(7)의 뚜껑을 엶으로써 내부에 수납되어 있는 반도체 웨이퍼(W)를 반송 가능한 상태로 한다. FOUP(7)에 수납되어 있는 반도체 웨이퍼(W)는 웨이퍼 반송 장치(3)가 구비하는 웨이퍼 반송 로봇(2)에 의해 웨이퍼 처리 장치(4)로 반송된다. 또한, 웨이퍼 반송 로봇(2)은 웨이퍼 처리 장치(4)에 의해 표면 처리가 실시된 반도체 웨이퍼(W)를 웨이퍼 처리 장치(4)로부터 FOUP(7)으로 반송한다. 또한, 로드 포트(5)는 웨이퍼 반송 장치(3)의 프레임(8)을 통해서 접지되어 있다. 또한, FOUP(7)은 도전성 수지로 성형되어 있고, 로드 포트(5)에 적재된 FOUP(7)도 또한 접지된다. 여기서, 본 실시형태의 웨이퍼 반송 장치(3)가 취급하는 반도체 웨이퍼(W)의 직경은 300㎜이다. 반도체 웨이퍼(W)는 FOUP(7)의 선반판에 적재되어 있고, 이 선반판과 반도체 웨이퍼(W) 사이에는 정전 용량이 발생된다. 또한, FOUP(7)과 로드 포트(5) 사이에도 정전 용량은 발생하고, 또한 이후에 설명하는 웨이퍼 반송 로봇(2)의 핑거(18)가 반도체 웨이퍼(W)를 반송하기 위해서 FOUP(7)으로 이동했을 때에는 FOUP(7)과 핑거(18)사이에도 정전 용량이 발생한다.
웨이퍼 반송 장치(3)는 프레임(8)과, 그 프레임(8)에 고정되어 외부 분위기와 분리하기 위한 커버(9)와, 외부로부터의 공기를 고청정한 공기로 청정화해서 다운 플로우로서 웨이퍼 반송 장치(3)의 내부 공간(11)으로 유입하는 FFU(12)와, 웨이퍼 반송 장치(3)의 내부 공간(11)에 이온화된 공기 분자를 공급해서 반도체 웨이퍼(W) 등의 대전한 물품을 제전해서 전기적으로 중화하는 제전 장치(13)가 설치되어 있다. FFU(12)는 웨이퍼 반송 장치(3)의 천장 부분에 설치되어 있고, 웨이퍼 반송 장치(3)의 내부 공간(11)을 향해서 하향으로 공기를 보내는 팬(12a)과, 보내져온 공기 중에 존재하는 진애나 유기물 등의 오염 물질을 제거하는 필터(12b)로 구성되어 있다. 제전 장치(13)는 웨이퍼 반송 장치(3)의 천장 부근이며 FFU(12)의 하방에 설치되어 있다. 본 실시형태의 웨이퍼 반송 장치(3)에 설치되는 제전 장치(13)는 코로나 방전식의 것이고, 도시하지 않은 공급원으로부터 공급되는 고전압을 이미터에 인가해서 방전시켜서 주위의 공기 분자를 전기적으로 이온화하는 것이다. 이온화된 공기의 분자는 제전 장치(13)로부터 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 도달하여 대전하고 있는 반도체 웨이퍼(W)를 전기적으로 중화한다. 또한, 본 실시형태의 웨이퍼 반송 장치(3)가 구비하는 제전 장치(13)는 20Hz의 전압을 이미터에 인가 해서 주위의 공기 분자를 이온화하고 있다. 인가하는 전압의 주파수는 제전 장치(13)가 배치되는 환경에 의해 좌우되지만, 웨이퍼 반송 장치(3)의 경우, 최대라도 100Hz 정도이다.
본 실시형태의 웨이퍼 반송 로봇(2)은 X축 테이블(6)의 이동부(6a)에 고정되는 기대(2a)와, 기대(2a)에 대하여 Z축 방향으로 승강 이동이 가능하고, 또한 기대의 중심축을 회전 중심으로 해서 Z축 방향에 대하여 수직으로 교차하는 평면(선회면)을 회동하는 승강 선회부(2b)를 구비하고 있다. 승강 선회부(2b)의 상면에는 서로 좌우 대칭으로 구성되는 한 쌍의 암체(14, 15)가 구비되어 있고, 각 암체(14, 15)에는 제 1 암(14a, 15a)과, 제 2 암(14b, 15b)과, 반도체 웨이퍼(W)를 유지하는 웨이퍼 핸드(16, 17)가 구비되어 있다. 제 1 암(14a, 15a)의 기단부는 승강 선회부(2b)에 선회 가능하게 장착되어 있다. 제 2 암(14b, 15b)은 각각 대응하는 제 1 암(14a, 15a)의 선단부에 각 제 1 암(14a, 15a)에 대하여 벨트와 풀리를 통해서 일정한 속도비를 가지며 장착되어 있다. 또한, 웨이퍼 핸드(16, 17)는 각각 대응하는 제 2 암(14b, 15b)의 선단에 제 2 암(14b, 15b)에 대하여 벨트와 풀리를 통해서 일정한 속도비를 가지며 장착되어 있다.
암체(14, 15)는 각 제 1 암(14a, 15a)의 중심축을 중심으로 한 선회 동작이 일정한 속도비를 가지며 각 제 2 암(14b, 15b) 및 각 웨이퍼 핸드(16, 17)로 전달되고, 웨이퍼 반송 로봇(2)의 중심축을 통해 중심축에 대하여 직각인 방향으로의 신축 운동으로 변환되는 구성으로 되어 있다. 따라서, 웨이퍼 반송 로봇(2)은 승강 선회부(2b)를 중심축의 주위에 선회시키는 이동(선회 이동), 암체(14, 15)를 진퇴 방향으로 신축시키는 직선 이동 및 승강 선회부(2b)를 Z축 방향으로 이동시키는 Z축 이동(승강 이동)의 3자유도를 갖고 있다. 또한, X축 테이블(6)은 웨이퍼 반송 로봇(2)을 X축 방향으로 이동시키는 X축 이동(평행 이동)의 1자유도를 갖고 있다.상기 구성에 의해, 웨이퍼 반송 로봇(2)은 암 선단에 장착된 웨이퍼 핸드(16, 17)를 웨이퍼 반송 장치(3) 내의 소정의 위치까지 이동시키는 것이 가능하다. 또한, 웨이퍼 핸드(16, 17)는 제 1 암과 제 2 암의 신축 동작에 연동하고, 소정의 자세를 유지한 채 진퇴 이동하는 것이 가능하다. 또한, 암체(14, 15), 승강 선회부(2b), X축 테이블(6) 각각의 구동 수단인 각 모터는 웨이퍼 반송 로봇(2)이 구비하는 도시하지 않은 제어부에 의해 구동축의 회전 각도를 피드백 제어된다. 또한, 제어부는 웨이퍼 핸드(16, 17)를 미리 교시된 소정의 경로를 따라 이동시킨다. 또한, 제어부는 본 발명의 정전 용량 센서(1)의 신호나 기타 검출 수단으로부터 출력되는 신호를 수신하고, 미리 기억된 프로그램에 준해서 웨이퍼 핸드(16, 17)의 위치나 웨이퍼 반송 경로의 보정을 행하는 것이 가능하게 구성되어 있다.
웨이퍼 핸드(16, 17)에는 각각 웨이퍼 유지 수단인 핑거(18, 18')가 구비되어 있다. 상방에 배치되는 핑거(18)의 표면에는 검출부(1a)가 배치되어 있고, 이 검출부(1a)는 핑거부(18)의 내부에 배치되는 앰프 모듈(1b)과 접속되어 있다. 또한, 하방에 배치되는 핑거(18')의 표면에는 검출부(1a')가 배치되어 있고, 이 검출부(1a')는 핑거부(18')의 내부에 배치되는 앰프 모듈(1b')과 접속되어 있다. 도 5는 본 실시형태의 핑거(18)를 나타내는 도면이다. 본 실시형태의 핑거(18)는 대략 Y자형으로 형성된 2장의 판상 부재(18a, 18b)가 기밀하게 접합되어 구성되어 있다. 2장의 판상 부재(18a, 18b)는 경량이고 강성이 높은 알루미나 등의 소결 재료로 형성되어 있고, 상측의 판상 부재(18a)의 상면에 반도체 웨이퍼(W)가 적재된다. 하측의 판상 부재(18b)의 상면에는 유로(19)가 대략 Y자형으로 형성되어 있다. 또한, 상측의 판상 부재(18a)의 유로(19)에 대응하는 선단부에는 상측의 판상 부재(18a)를 상하 방향으로 관통하는 구멍(21)이 형성되어 있다. 또한, 하측의 판상 부재(18b)의 기단부이며 이 유로(19)에 대응하는 위치에는 하측의 판상 부재(18b)를 상하 방향으로 관통하는 구멍(22)이 형성되어 있다. 이 하측의 판상 부재(18b)에 형성된 구멍(22)은 웨이퍼 반송 로봇(2)에 구비된 도시하지 않은 배관을 통해서 도시하지 않은 진공원과 연통하고 있고, 상하의 판상 부재(18a, 18b)가 기밀하게 접합됨으로써 유로(19)는 진공 경로를 형성하게 되고, 핑거(18)에 적재된 반도체 웨이퍼(W)는 진공 흡착력에 의해 핑거(18) 상에 유지된다.
또한, 상측의 판상 부재(18a)의 상면에 있어서 구멍(21)의 주위에는 구멍(21)을 둘러싸도록 타원형의 흡착 스페이서(18c)가 형성되어 있다. 흡착 스페이서(18c)는 핑거(18)의 표면으로부터 약 1.5㎜ 고조된 토수 형상으로 형성되어 있고, 반도체 웨이퍼(W)를 흡착하기 위한 흡착 패드로서의 작용을 갖는다. 또한, 핑거(18)의 중앙부에는 지지 스페이서(18d)가 형성되어 있다. 지지 스페이서(18d)는 흡착 스페이서(18c)와 마찬가지로 약 1.5㎜ 고조된 대 형상으로 형성되어 있다. 이것에 의해, 반도체 웨이퍼(W)는 핑거(18) 상의 핑거 기준면(18e)으로부터 1.5㎜ 뜬 상태에서 흡착 스페이서(18c)와 지지 스페이서(18d)에 의해 흡착 지지된다.
또한, 대략 Y자 형상의 핑거(18)의 기준면(18e)에는 본 발명의 일 실시형태인 정전 용량 센서(1)의 검출부(1a)가 부착되어 있다. 본 실시형태의 정전 용량 센서(1)는 핑거(18)에 배치된 검출부(1a)와 반도체 웨이퍼(W) 사이의 정전 용량을 검출하고, 반도체 웨이퍼(W)와 핑거(18)(웨이퍼 핸드(16, 17)) 사이의 거리를 측정하는 것이 가능하다. 또한, 웨이퍼 핸드(16, 17) 상에 반도체 웨이퍼(W)가 적재되어 있는지의 여부를 감시하는 것도 가능하다. 검출부(1a)에서 검출한 값은 웨이퍼 핸드(16, 17)의 내부에 배치되는 앰프 모듈(1b)에 송신된다. 앰프 모듈(1b)은 검출부 (1a)와 반도체 웨이퍼(W) 사이의 정전 용량을 계측하고, 이 계측된 값을 웨이퍼 반송 로봇(2)의 동작을 제어하는 도시하지 않은 제어부에 송신한다. 제어부는 이 송신된 값을 반도체 웨이퍼(W)와 핑거(18)의 거리로 환산하고, 웨이퍼 반송 로봇(2)의 동작에 반영시킨다.
본 실시형태의 정전 용량 센서(1)의 검출부(1a)는 핑거(18)의 반도체 웨이퍼(W)가 적재되는 면에 설치되는 것이며, 0.2㎜ 정도의 두께 치수에서 폴리이미드 등의 절연성을 갖는 유연한 소재의 베이스 필름에 동박으로 대표되는 도전성 금속으로 전극이나 배선이 형성되어 있다. 도 6은 본 실시형태의 검출부(1a)를 나타내는 도면이다. 본 실시형태의 검출부(1a)는 가드 전극층(24, 26)과 센서 전극층(25)과 실드 어스층(27)이 적층된 구조를 갖고 있고, 전극층의 최상면인 제 1 층에는 제 1 가드 전극(24a)이 형성된 제 1 가드 전극층(24)이 배치되고, 제 2 층에는 센서 전극(25a)이 형성된 센서 전극층(25)이 배치되고, 제 3 층에는 제 2 가드 전극(26a)이 형성된 제 2 가드 전극층(26)이 배치되고, 제 4 층에는 실드 어스층(27)이 배치되어 있다. 또한, 제 1 가드 전극층(24)의 상면에는 제 1 가드 전극층(24)을 보호하기 위한 보호막(23)이 배치되어 있다. 본 실시형태의 검출부(1a)는 높이 치수가 약 1㎜이고, 핑거(18)의 기준면(18e)에 부착되어 사용된다. 흡착 스페이서(18c)와 지지 스페이서(18d)는 약 1.5㎜의 높이 치수로 형성되어 있으므로, 핑거(18)의 흡착 스페이서(18c)와 지지 스페이서(18d)에 유지되는 반도체 웨이퍼(W)와 간섭하는 일은 없다. 또한, 본 실시형태의 웨이퍼 반송 로봇(2)이 구비하는 핑거(18)는 반도체 웨이퍼(W)를 진공압에 의해 흡착 유지하는 형태이지만, 본 발명은 이것에 한정되는 일은 없고, 예를 들면 반도체 웨이퍼(W)의 주위를 파지하는 클램프식 핑거나 베르누이 척식의 핑거여도 적용 가능하다.
센서 전극(25a)은 반도체 웨이퍼(W)와의 사이에 발생되는 정전 용량을 검출하기 위한 원형의 전극이며, 베이스 필름의 상면에 형성되어 있다. 제 1 가드 전극층(24)에 형성되는 제 1 가드 전극(24a)은 베이스 필름의 상면에 센서 전극(25a)의 외경보다 큰 내경을 갖고 있고, 센서 전극(25a)의 주위를 둘러싸도록 원환상으로 형성되어 있다. 또한, 센서 전극(25a)과 제 1 가드 전극(24a)은 베이스 필름에 의해 전기적으로 절연되어 있다. 제 2 가드 전극층(26)에 형성되는 제 2 가드 전극(26a)은 제 1 가드 전극층(24)에 형성되는 제 1 가드 전극(24a)의 외경과 대략 같은 지름을 갖는 원형으로 형성되어 있다. 또한, 제 2 가드 전극(26a)이 형성되는 제 2 가드 전극층(26)의 하방에는 제 4 층인 실드 어스층(27)이 배치되어 있다. 또한, 본 실시형태의 제 2 가드 전극(26a)은 제 1 가드 전극(24a)의 외형과 대략 같은 직경을 갖고 있지만, 본 발명은 이것에 한정될 일은 없고, 제 2 가드 전극(26a)의 직경은 제 1 가드 전극(24a)의 외형보다 크게 형성되어도 좋다.
실드 어스층(27)은 동박 등의 도전성 금속을 제 1과 제 2 가드 전극층(24, 26)과 대략 같은 직경의 원형으로 형성된 전극이고, 도시되지 않은 어스선을 통해 웨이퍼 반송 장치(3)의 그라운드 단자에 접속되어 있다. 이 실드 어스층(27)은 가드 전극(24a, 26a)으로부터 방사되는 전계의 영향이 하방을 향하는 것을 방지하는 것이며, 이것에 의해 정전 용량 센서(1)는 검출부(1a)보다 하방에 존재하는 피검출체의 영향을 받는 일이 없어지고, 핑거(18)의 상방에 있는 피검출체와 검출부(1a) 사이에 발생되는 정전 용량만을 측정하는 것이 가능해진다.
제 2 층인 센서 전극층(25)에 형성되는 센서 전극(25a)에는 센서 전극(25a)과 앰프 모듈(1b)의 연산 증폭기(28)의 반전 입력 단자를 전기적으로 접속하기 위한 직선상의 회로 패턴(25b)이 형성되어 있다. 제 1 층인 제 1 가드 전극(24)에 형성되는 제 1 가드 전극(24a)에는 제 1 가드 전극(24a)과 앰프 모듈(1b)의 연산 증폭기(28)의 비반전 입력 단자를 전기적으로 접속하기 위한 직선상의 회로 패턴(24b)이 센서 전극(25a)과 접속되는 회로 패턴(25b)에 대하여 평행이 되도록 형성되어 있다. 제 3 층인 제 2 가드 전극층(26)에 형성되는 제 2 가드 전극(26a)에는 제 2 가드 전극(26a)과 앰프 모듈(1b)의 연산 증폭기(28)의 비반전 입력 단자를 전기적으로 접속하기 위한 직선상의 회로 패턴(26b)이 센서 전극(25a)과 접속되는 회로 패턴(25b)에 대하여 평행이 되도록 형성되어 있다. 또한, 각 가드 전극(24a, 26a)에 접속되어 있는 회로 패턴(24b, 26b)의 폭 치수는 센서 전극(25a)에 접속되어 있는 회로 패턴(25b)보다 굵어지도록 형성되어 있다. 상기 구성에 의해, 센서 전극(25a)에 접속되어 있는 회로 패턴(25b)은 가드 전극(24a, 26a)에 접속되어 있는 회로 패턴(24b, 26b)에 의해 상하 방향으로부터 끼워지도록 배치되게 되고, 센서 전극(25a)에 접속되는 회로 패턴(25b)으로의 노이즈의 영향은 저감된다.
또한, 제 1 층의 상면에는 베이스 필름과 같은 재질로 형성된 절연층인 보호막(23)이 배치되어 있다. 이 보호막(23)은 제 1 층(24)∼제 4 층(27)과 같은 외형치수를 갖고 있다. 본 실시형태의 검출부(1a)에 형성되는 센서 전극은 약 15㎜의 직경을 갖는 원형으로 형성되어 있고, 제 1 가드 전극(24a)은 내경이 약 16㎜이고 외경이 19㎜인 대략 원환 형상으로 형성되어 있고, 제 2 가드 전극(26a)은 20㎜의 직경을 갖는 원형으로 형성되어 있다. 검출부(1a)의 외형 크기는 본 실시형태에 한정되지 않고, 상황에 따라 적절하게 변경하는 것이 가능하다. 또한, 본 실시형태의 검출부(1a)에서는 각 전극(24a, 25a, 26a)을 각각 개별의 베이스 필름 상에 형성하는 형태로 하고 있지만, 본 발명의 정전 용량 센서(1)는 이것에 한정되지 않는다.예를 들면, 제 1 층인 제 1 가드 전극층(24)의 베이스 필름의 상면에 제 1 가드 전극(24a)과 회로 패턴(24b)을 형성하고, 베이스 필름의 반대면에 센서 전극(25a)과 회로 패턴(25b)을 형성하는 형태로 해도 좋다. 또한, 센서 전극층(25)의 베이스 필름의 상면에 센서(25a)와 회로 패턴(25b)을 형성하고, 베이스 필름의 반대면에 제 2 가드 전극(26a)과 회로 패턴(26b)을 형성하는 형태로 해도 좋다. 또한, 전극과 회로 패턴을 베이스 필름의 양면에 형성하는 형태의 경우, 이웃하는 층과의 전기적 접촉을 방지하기 위해, 사이에 절연성의 보호막을 끼울 필요가 있다.
이어서, 앰프 모듈(1b)에 대해서 설명한다. 도 7은 본 실시형태의 정전 용량 센서(1)를 나타내는 블록도이다. 검출부(1a)의 센서 전극(25a)은 앰프 모듈(1b)이 구비하는 연산 증폭기(28)의 반전 입력 단자에 접속되고, 검출부(1a)의 가드 전극(24a, 26a)은 연산 증폭기(28)의 비반전 입력 단자에 접속되어 있다. 또한, 연산 증폭기(28)의 비반전 입력 단자에는 교류 공급원(29)으로부터의 교류 전압이 인가 되어 있다. 또한, 본 실시형태의 앰프 모듈(1b)이 구비하는 교류 공급원(29)은 검출부(1a)가 검출하는 정전 용량을 전달하기 위한 반송파를 2V의 전압을 200kHz의 주파수에서 출력하도록 구성되어 있다. 또한, 교류 공급원(29)은 앰프 모듈(1b)이 구비하는 제 2 BPF(밴드 패스 필터)(31)에도 마찬가지의 교류 전압을 인가하고 있다. 또한, 연산 증폭기(28)의 출력 단자는 앰프 모듈(1b)이 구비하는 제 1 BPF(30)에 접속되어 있다. 또한, BPF(30, 31)에 대해서는 후술한다. 또한, 연산 증폭기(28)의 출력 단자와 반전 입력 단자 사이에는 귀환 회로가 접속되어 있고, 이 귀환 회로에는 기준 커패시터(32)가 접속되어 있다. 또한, 연산 증폭기(28)의 반전 입력 단자에는 검출부(1a)의 전극이나 앰프 모듈(1b)의 회로에 발생하는 기생 용량을 해소하기 위한 기생 용량 보상 회로(33)가 구비되어 있다. 이 기생 용량 보상 회로에 의해, 정전 용량 센서(1) 내부에 발생되는 기생 용량은 해소된다. 또한, 상기 한 앰프 모듈(1b)이 구비하는 회로에서는 연산 증폭기(28)의 반전 입력 단자와 비반전 입력 단자는 이미지너리 쇼트의 상태가 되고, 반전 입력 단자와 비반전 입력 단자는 서로 대략 동 전위가 된다. 이것에 의해, 센서 전극(25a)은 가드 전극(24a, 26a)에 의해 가딩된다.
연산 증폭기(28)의 출력 단자는 소정의 주파수 대역의 신호만을 통과시키는 제 1 BPF(30)를 경유해서 앰프 모듈(1b)이 구비하는 차동 앰프(34)의 반전 입력 단자에 접속되어 있다. 또한, 차동 앰프(34)의 비반전 입력 단자는 제 2 BPF(31)를 통해서 교류 공급원(29)에도 접속되어 있다. 연산 증폭기(28)의 출력 단자와 비반전 입력 단자를 제 1 BPF(30), 제 2 BPF(31)를 통해서 차동 앰프(34)와 접속함으로써 센서 검출부(1a)가 검출한 반도체 웨이퍼(W)로부터 발생되는 노이즈 성분을 제거하는 것이 가능하다. 여기서, 신호 증폭 회로에서는 검출 수단으로부터의 신호를 차동 앰프(34)에 의해 증폭한 후 노이즈 성분을 제거하는 방법이 일반적이지만, 이 방법이라면 신호의 증폭과 함께 노이즈도 증폭되어 노이즈 전압이 큰 경우에는 차동 앰프(34)가 포화되어버려 신호가 소실된다. 그래서, 본 실시형태의 앰프 모듈(1b)에서는 비교적 좁은 대역에 존재하는 노이즈 성분을 먼저 제 1 BPF(30)에 의해 제거하고, 그 후에 차동 앰프(34)에 의해 신호를 증폭하는 구성으로 하고 있다. 또한, 본 실시형태의 앰프 모듈(1b)이 구비하는 차동 앰프(34)의 게인은 100배로 설정되어 있다. 이것에 의해, 차동 앰프(34)의 포화를 막아 신호를 정상으로 처리할 수 있게 된다.
또한, 본 실시형태의 앰프 모듈(1b)에는 연산 증폭기(28)의 출력 단자에 접속되는 일방의 BPF(30)와 교류 공급원(29)의 출력 단자에 접속되는 타방의 BPF(31)의 2개가 구비되어 있다. 이것은 연산 증폭기(28)의 출력 단자로부터 출력되는 신호와 교류 공급원(29)으로부터 출력되는 교류 반송파의 차분을 추출할 때, 연산 증폭기(28)의 출력 단자로부터 출력되는 신호가 교류 공급원(29)으로부터 출력되는 교류 반송파에 대하여 지연되어 차동 앰프(34)에 전달되므로, 차동 앰프(34)에 의해 정확한 차분의 증폭이 행해지지 않는다. 그래서, 교류 공급원(29)으로부터 출력되는 반송파에도 BPF(31)를 통과시킴으로써 연산 증폭기(28)로부터의 출력 신호와 교류 공급원(29)으로부터 출력되는 반송파의 타이밍을 일치시키고 있다. 이것에 의해, 연산 증폭기(28)의 출력 단자로부터 출력되는 신호의 지연은 해소된다. 또한, 본 실시형태의 앰프 모듈(1b)이 구비하는 BPF(30, 31)는 교류 공급원(29)이 출력하는 200kHz 당의 주파수 이외의 주파수 성분을 제거하도록 설정되어 있다. 이것에 의해, 웨이퍼 반송 장치(3) 내에 배치된 제전 장치(13)로부터 발생하는 낮은 주파수의 노이즈나 웨이퍼 반송 로봇(2)의 구동원으로부터 발생되는 노이즈를 효과적으로 제거하는 것이 가능하다.
차동 앰프(34)의 반전 입력 단자에는 BPF(30)를 통해서 연산 증폭기(28)의 출력 단자가, 또한 차동 앰프(34)의 비반전 입력 단자에는 BPF(31)를 통해서 연산 증폭기(28)의 비반전 입력 단자와 교류 공급원(29)의 출력 단자가 각각 접속되어 있다. 차동 앰프(34)의 비반전 입력 단자에 접속된 교류 공급원(29)으로부터의 교류 반송파와 연산 증폭기(28)의 출력 단자로부터 BPF(31)를 통해서 차동 앰프(34)의 반전 입력 단자에 출력된 정전 용량 성분을 포함하는 신호 성분을 증폭해서 위상 검파 수단(35)으로 출력한다.
본 실시형태의 앰프 모듈(1b)이 구비하는 위상 검파 수단(35)은 교류 공급원(29)으로부터 출력되는 2V, 200kHz의 반송파를 참조 신호로 하고, 차동 앰프(34)에 의해 증폭된 신호로부터 검출부(1a)가 검출한 정전 용량을 추출한다. 그리고, 여기서 추출된 신호는 LPF(Low-Pass Filter)(36)에 의해 노이즈가 제거된 후, 출력 단자(37)에 출력된다. 출력 단자(37)는 도시하지 않은 제어부와 접속되어 있고, 제어부는 추출된 정전 용량으로부터 핑거(18)와 반도체 웨이퍼(W) 사이의 거리를 산출한다. 정전 용량은 검출부(1a)와 피검출체인 반도체 웨이퍼(W)의 이간 거리에 반비례의 관계에 있고, 검출부(1a)의 면적은 이미 알려져 있기 때문에, 검출부(1a)와 반도체 웨이퍼(W) 사이에 발생되는 정전 용량을 검출함으로써 검출부(1a)와 반도체 웨이퍼(W)의 이간 거리는 용이하게 측정하는 것이 가능하다. 또한, 검출부(1a)와 반도체 웨이퍼(W) 사이에 발생되는 정전 용량의 변화를 검출함으로써 검출부(1a)와 반도체 웨이퍼(W)의 변위를 측정하는 것이 가능하다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 정전 용량 센서는 200kHz 정도의 비교적 높은 주파수를 갖는 전원으로 구동되어 있으므로, 제전 장치(13)나 웨이퍼 반송 로봇(2)이 구비하는 구동원으로부터 발생하는 비교적 낮은 주파수 성분의 노이즈를 효과적으로 제거하는 것이 가능한 구성을 갖고 있고, 이것에 의해 검출부(1a)와 피검출체 사이에 발생되는 정전 용량을 정확하게 검출하는 것이 가능하다. 또한, 앰프 모듈(1b)에 있어서, 연산 증폭기(28)에 의해 증폭된 검출 신호는 차동 앰프(34)에 의해 증폭 처리되기 전에 BPF(30)에 의해 노이즈 등의 주파수 성분은 감쇠 처리시키므로, 큰 노이즈가 들어간 경우라도 차동 앰프를 포화시키지 않고 신호를 처리할 수 있다.
또한, 차동 앰프(34)와 교류 공급원(29)은 연산 증폭기(28)와 차동 앰프(34)사이에 배치되는 BPF(30)와 동등한 BPF(31)를 통해서 접속되어 있으므로, 차동 앰프(34)에 입력되는 연산 증폭기(28)로부터의 신호와 교류 공급원(29)으로부터 입력되는 반송파의 위상은 일치한다. 이것에 의해, 차동 앰프(34)는 정확한 차동 증폭 처리를 행하는 것이 가능해지고, 노이즈 성분의 효과적인 감쇠를 행하는 것이 가능하다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 정전 용량 센서(1)는 노이즈 내성이 높은 신호추출 처리를 행하는 것이 가능한 앰프 모듈(1b)을 구비하고 있으므로, 검출부(1a)는 비교적 낮은 검출 정밀도를 구비하고 있어도 피검출체와의 사이의 정전 용량을 정확하게 측정하는 것이 가능하다. 본 발명의 정전 용량 센서(1)에서는 두께 치수가 약 1㎜인 박형의 검출부(1a)라도 정전 용량을 정확하게 측정할 수 있으므로, 검출부(1a)를 웨이퍼 반송 로봇(2)이 구비하는 핑거(18)의 표면에 부착해서 사용해도 핑거(18) 상에 유지된 반도체 웨이퍼(W)에 간섭하는 것이 없어졌다.
1: 정전 용량 센서 1a, 1a': 검출부
1b, 1b': 앰프 모듈 2: 웨이퍼 반송 로봇
2a: 기대 2b: 승강 선회부
3: 웨이퍼 반송 장치 4: 웨이퍼 반송 처리 장치
5: 로드 포트 6: X축 테이블
6a: 이동부 7: FOUP(Front-Opening Unified Pod)
8: 프레임 9: 커버
11: 내부 공간 12: FFU
12a: 팬 12b: 필터
13: 제전 장치 14, 15: 암체
14a, 15a: 제 1 암 14b, 15b: 제 2 암
16, 17: 웨이퍼 밴드 18, 18': 핑거
18a: 상측의 판상 부재 18b: 하측의 판상 부재
18c: 흡착 스페이서 18d: 지지 스페이서
18e: 기준면 18a, 18b: 판상 부재
19: 유로 21, 22: 구멍
23: 보호막 24: 제 1 가드 전극층
24a: 제 1 가드 전극 24b, 25b, 26b: 회로 패턴
25: 센서 전극층 25a: 센서 전극
26: 제 2 가드 전극층 26a: 제 2 가드 전극
27: 실드 어스층 28: 연산 증폭기
29: 교류 공급원 30: 제 1 BPF
31: 제 2 BPF 32: 커패시터
33: 기생 용량 보상 회로 34: 차동 앰프
35: 위상 검파 수단 36: LPF(Low-Pass Filter)
37: 출력 단자 W: 웨이퍼

Claims (3)

  1. 검출부와 피검출체 사이의 거리를 측정하는 정전 용량 센서로서, 상기 검출부에 교류 전압을 공급하는 교류 공급원과, 기생 용량 보상 회로와, 연산 증폭기와, 차동 앰프와, 위상 검파 수단과, 로우 패스 필터를 구비하고,
    상기 연산 증폭 출력 단자는 제 1 밴드패스 필터를 통해서 상기 차동 앰프의 반전 입력 단자에 접속되고, 상기 교류 공급원은 제 2 밴드패스 필터를 통해서 상기 차동 앰프의 비반전 입력 단자에 접속되고, 상기 차동 앰프의 출력 단자는 상기 위상 검파 수단의 입력 단자에 접속되고, 상기 위상 검파 수단은 상기 교류 공급원으로부터 출력되는 교류 신호를 참조 신호로 하고 있는 것을 특징으로 하는 정전 용량 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출부는 반도체 웨이퍼를 소정의 위치까지 반송하는 웨이퍼 반송 로봇의 웨이퍼 핸드에 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 정전 용량 센서.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 웨이퍼 반송 로봇은 웨이퍼 반송 장치의 내부 공간에 설치되고,
    상기 웨이퍼 반송 장치는 적어도,
    상기 내부 공간을 청정한 상태로 유지하는 FFU와, 상기 반도체 웨이퍼를 수납하는 수납 용기를 적재하고, 상기 수납 용기의 뚜껑을 개폐하는 로드 포트와, 상기 웨이퍼 반송 장치의 천장 부근에 설치되어 상기 내부 공간을 제전하는 제전 장치를 구비하고,
    상기 교류 공급원으로부터 출력되는 반송파의 주파수는 상기 제전 장치의 이미터에 인가되는 전원의 주파수보다 높은 주파수인 것을 특징으로 하는 정전 용량 센서.
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