WO2005036635A1 - 半導体ウェハ搬送用ロボットの教示治具 - Google Patents

Abstract

　位置の推定精度を向上させるとともに、ウェハをピンで支持するタイプの装置においても教示治具を正確に位置決めすることが可能であり、さらに、教示治具をロボット自身で自動回収できる教示治具を提供する。 　ウェハを載置する場所に載置して、被検出部をロボットのハンド（５）上に設けた透過光式のセンサで検出することによって、ロボットにウェハの位置を教示する教示治具（１１）において、ウェハと同一の外径を有する大円板部（１２）と、大円板部（１２）と中心軸を共通にする小円ピン（２２）と、大円板部（１２）と中心軸を共通にするアーチ形状物（２６）を備え、大円板部１２の中心からアーチ形状物２６の外円部までの距離と、前記センサの光軸（１０）からハンド５のウェハ載置部の中心（２９）までの距離とが等しくなるように教示治具（１１）を構成するものである。

Description

半導体ゥェハ搬送用口ポットの教示治具

技術分野

[0001] 本発明は、半導体ウェハ搬送用ロボットに半導体ウェハの位置を教示する教示治具 に関するものである。

背景技術

[0002] 従来、半導体ウェハ搬送用ロボットの教示作業は、一般の産業用ロボットと同様に、 作業者が、搬送対象のウェハを目視して、その位置を確認してロボットをウェハに誘 導していた。しかしながら、処理装置等の内部にあるウェハを外部から目視することは 、困難あるいは不可能な場合がある。そこで、実物のウェハと同一寸法の教示治具を ウェハの代わりに処理装置等に載置して、その教示治具の位置をロボットのエンドェ フエクタに設けたセンサで検出して、ロボットに位置を教示するいわゆるオートティー チングの方法や装置が提案されて！ヽる。

[0003] 本発明の発明者は、先に特許文献 1において、 2つの透過光式センサを備えたハ ンドを使って教示治具のセンシングを行う方法を提案している。この方法では、教示 治具に設けられた小円板に、異なる方向からハンドを接近させて、その結果に最小 2 乗法を適用してロボットの教示位置すなわち、円筒座標系（R- θ -Z)の R値、 Θ値、 Z値を求めている。ここで、 R値はロボットアームの伸縮方向の教示値を、 Θ値はロボ ットの回転方向の教示値を、 Z値はロボットの上下方向の教示値を意味する。

特許文献 1：国際公開公報 WO03Z22534

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0004] し力しながら、特許文献 1の装置では、教示治具にハンドを接近させる方向および センサで教示治具を検出するときのハンドの姿勢が、実際にロボットがウェハを搬送 等するときの方向や位置と異なるので、ロボットの相対移動精度が保証されていない とセンシングによって自動算出された教示位置の推定精度が満足できないという問 題があった。 また、狭隘な処理装置の内部では、方向を変えてハンドを小円板に接近させること ができな!/、と!/、う問題もあった。

また、教示治具はウェハと同径なのでカセットのようなステーションではスロットへ押 し付けることによって容易に位置決めが可能である力 3本ピンでウェハを支持するス テーシヨンや落としこみ形状でウェハ設置位置に許容があるステーションやブリアライ ナのように円筒状の支持台でウェハを受けるステーションでは教示治具の位置決め が困難であるという問題があった。

また、自動ティーチング終了後に教示治具をステーション力 取り除く作業を人手 で行うので、処理装置などの場合ステーションの蓋を開けるなどして作業に時間を要 すると ヽつた問題もあった。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、教示治具の位置の推定精 度を向上させるとともに、ウェハをピンで支持するタイプの装置においても教示治具を 正確に位置決めすることが可能であり、さらに、教示治具をロボット自身で自動回収 できる教示治具を提供することを目的とするものである。

課題を解決するための手段

上記問題を解決するために、本発明は半導体ウェハの搬送を行なうロボットに搬送 対象のウェハの位置を教示する教示治具であって、前記搬送対象のウェハに代えて 、前記ウェハを載置する場所に載置し、前記教示治具に設けた被検出部を前記ロボ ットのハンド上に設けた透過光式のセンサで検出することによって、前記ロボットに前 記ウェハの位置を教示する教示治具において、前記ウェハと同一の外径を有する大 円板部と、前記大円板部と中心軸を共通にする小円ピンと、前記大円板部と中心軸 を共通にするアーチ形状物を備え、前記大円板部の中心から前記アーチ形状物の 外円部までの距離と、前記センサの光軸力 前記ハンドのウェハ載置部の中心まで の距離とが等しくなるように教示治具を構成するものである。また、前記教示治具の 背面に処理装置のウェハ支持ピンと嵌合する溝を備えるものである。また、前記搬送 対象と同じ要領で、前記ハンドで掴むことができるように教示治具を構成するもので ある。

発明の効果 [0006] 本発明によれば、教示治具をハンド上のセンサで、ロボットがウェハを置載する姿勢 と同じ姿勢で検出できるので、ロボットの相対移動精度がよくない場合でも、正確な 教示ができるという効果がある。また、径の小さい小円ピンを被検出部として使用する ので、ハンドの姿勢を大きく変化させずに、実際の搬出入の際の姿勢の近傍姿勢で 教示治具を検出できる効果がある。また、教示治具と中心軸を共通とするアーチ形 状物を被検出部にして 、るので、教示治具を設置する際の回転方向の向きは所定 の角度ずれても問題ないので、教示治具の設置が容易であるという効果がある。また 、教示治具をステーションのウェハ設置面の形状に嵌合するよう教示治具の背面に 溝があるので教示治具を正しく設置することが容易であるという効果がある。さらに、 ロボットのハンドで実際に掴むことができるので、自動ティーチング終了後、複数ステ ーシヨンに設置された教示冶具をロボット自身で回収でき、教示時間を短縮できると いった効果がある。

図面の簡単な説明

[0007] [図 1]本発明の実施に用いるロボットの平面図である。

[図 2]本発明の実施に用いるロボットの平面図である。

[図 3]本発明の実施に用いるロボットの側面図である。

[図 4]本発明の実施に用いる透過光式センサの説明図である。

[図 5]本発明の第 1実施例を示す教示治具の説明図である。

[図 6]本発明の第 2実施例を示す教示治具の説明図である。

[図 7]本発明の第 3実施例を示す教示治具の説明図である。

[図 8]本発明の第 4実施例を示す教示治具の説明図である。

[図 9]本発明の実施に用いるセンサ治具の説明図である。

[図 10]本発明によるウェハ位置教示方法の説明図である。

[図 11]本発明によるウェハ位置教示方法の説明図である。

[図 12]本発明によるウェハ位置教示方法の説明図である。

[図 13]本発明によるウェハ位置教示方法の説明図である。

[図 14]本発明によるウェハ位置教示方法を示すフローチャートである。

符号の説明 [0008] 1 ロボット、 2 支柱部、 3 第 1アーム、 4 第 2アーム、 5 ウェハ把持部、 6 透過光 式センサ、 7 ロボット旋回中心、 8 発光部、 9 受光部、 10 光軸、 11 教示治具、 12 大円板部、 13 センサ治具、 14 センサマウント板、 15 位置決め穴、 16 セン シング用切り欠き、 17 第 2透過光式センサ、 18 光軸、 19 センサケーブル、 20 位置決めピン、 21 センサケーブル接続コネクタ、 22 小円ピン、 23 教示治具、 24 教示治具、 25 教示治具、 26 アーチ形状部、 27 嵌合用溝、 28 嵌合用溝、 29 ウェハ中心点

発明を実施するための最良の形態

[0009] 以下、本発明の具体的実施例を図に基づいて説明する。

実施例 1

[0010] 図 1、図 2および図 3は本発明の実施に用いるロボットの説明図であり、図 1および 図 2は平面図であり、図 3は側面図である。図において、 1は半導体ウェハ搬送用の 水平多関節型ロボットであり、 Wはロボット 1の搬送対象の半導体ウェハである。ロボッ ト 1は、昇降自在な円柱状の支柱部 2のロボット旋回中心軸 7回りに水平面内で旋回 する第 1アーム 3と、第 1アーム 3の先端に水平面内で旋回自在に取り付けられた第 2 アーム 4と、第 2アーム 4の先端に水平面内で旋回自在に取り付けられたウェハ把持 部 5を備えて 、る。ウェハ把持部 5は半導体ウェハ Wを載置しる Y字形のハンドであつ て、 Y字形の先端に 1組の第 1の透過光式センサ 6を備えている。

[0011] 図 1ないし図 3に示すように、ロボット 1は第 1アーム 3、第 2アーム 4およびウェハ把 持部 5の相対的な角度を保ったまま、第 1アーム 3を支柱部 2の中心軸 7回りに旋回さ せる Θ軸動作 (旋回）、第 1アーム 3、第 2アーム 4およびウェハ把持部 5を一定の速度 比を保って旋回させることにより、ウェハ把持部 5を支柱部 2の半径方向に伸縮させる R軸動作 (伸縮)、および支柱部 2を昇降させる Z軸動作 (昇降)の 3自由度を有している 。なお、ここで、 Θ軸は反時計回りをプラス方向とし（図 1参照）、 R軸は、ウェハ把持 部 5を支柱部 2から遠ざける方向、つまりアームを伸ばす方向をプラスとし（図 2参照） 、 Z軸は、支柱部 2を上昇させる方向をプラス（図 3参照）とする。

[0012] 図 4は透過光式センサ 6の説明図である。図において、 8は Y字形のウェハ把持部 5 の一方の端に取り付けられた発光部であり、 9は他方の端に発光部 8に対向するよう に取り付けられた受光部である。発光部 8と受光部 9で第 1の透過光式センサ 6を構 成している。 10は発光部 8から受光部 9に向力 光軸であり、第 1の透過光式センサ 6 は光軸 10を遮る物体を検出することができる。

[0013] 図 5は本発明の第 1実施例を示すウェハ把持具と教示治具の説明図であり、 (a)は ウェハ把持具の平面図であり、 (b) , (c)は教示治具の平面図と側面図である。図に おいて、 12は教示治具 11の大円板部であり、大円板部 12の直径 Dは実物ウェハと 同径である。 22は小円ピンであり、 26はアーチ形状部である。大円板部 12の中心か らアーチ形状部 26の外周までの距離 L1と、ウェハ把持部 5にウェハを把持させたとき のウェハ中心点 29から光軸 10までの距離 L2が同じになる位置にアーチ形状部 26 を配置する。 教示治具 11は実物の半導体ウェハと全く同一の外径を有するので、 収納容器等の位置決めガイド等により、正しく位置決めされる。また教示治具 12のァ ーチ形状部 26の外周の円弧と大円板部 12は中心が一致し、半径が等しいので、教 示治具 12を設置する際の回転方向の向きの多少のずれは許容される。本実施例で はし 1は約 123mmであり、アーチ形状部 26の外周円弧の長さは約 55mmで設計し ており、角度にして約 25度に相当する。従って、回転方向の設置許容角度は約 ± 1 2度である。

実施例 2

[0014] 図 6は本発明の第 2実施例を示す教示治具の説明図であり。（a)は平面図であり、 ( b)は側面図である。この教示治具 23は大円板部 12の直径 Dが実物ウェハの径よりも やや大きいことが特徴である。これはステーション側にウェハより径の大きい凹部があ つて、その凹部にウェハを落とし込むことによってウェハを支持するタイプで、その落 とし込み部の径に教示治具 23の径を合わせることによって、教示治具 23を正しく設 置することを意図したものである。実際、半導体ウェハ処理装置において、ロードロッ クと呼ばれるフロントエンド部とプロセス部を結合するステーションは落としこみ型のス テーシヨンであることが多 、からである。

実施例 3

[0015] 図 7は本発明の第 3実施例を示す教示治具の説明図であり、 (a)は表面の平面図、

(b)は裏面の平面図、（c)は側面図である。この教示治具 24の直径 Dは実物ウェハと 同径であり、背面部にステーション側の支持ピンに嵌合する嵌合用溝 27を形成して 、前記支持ピンに教示治具 24の嵌合されて、教示治具 24を正しく設置することを意 図している。実際、半導体ウェハ処理装置において、 3本の支持ピンでウェハを保持 するステーションは多 、からである。

実施例 4

[0016] 図 8は本発明の第 4実施例を示す教示治具の説明図であり、 (a)は表面の平面図、

(b)は裏面の平面図、（c)は側面図である。この教示治具 25の直径 Dは実物ウェハと 同径であり、背面部に大円板部 12の中心軸を同じとする円形の嵌合用溝 28を形成 しておくことにより、ステーション側の支持台（円筒状）に教示治具 25の嵌合用溝 28 を合わせて、教示治具 25を正しく設置することを意図している。実際、半導体ウェハ 処理装置において、ブリアライナと呼ばれるウェハのノッチ方向を検出する装置など は円筒状の台座でウェハを保持するしくみとなつているものが多いからである。

[0017] 図 9は本発明の実施に用いるセンサ治具の説明図である。センサ治具 13は、セン サマウント板 14、第 2透過光式センサ 17、およびセンサケーブル 19から構成される。 センサマウント板 14は、円板の一部を V字形に切欠いた平板であり、位置決め穴 15 を 4個設けている。位置決め穴 15は後述するウェハ把持部 5の位置決めピン 20と嵌 合して、センサ治具 13を前記ウェハ把持部 5に正確に位置決めするガイド穴である。 前述の V字形切り欠きはセンシング用切欠き 16であり、センサ治具 13をウェハ把持 部 5に取り付けたときに、ウェハ把持部 5の第 1の透過光式センサ 6の光軸 10とセンサ マウント板 14が干渉するのを避けるとともに、後述する教示治具の小円ピンとセンサ マウント板 14の干渉を避けるための切り欠きである。 17は第 2透過光式センサであり 、センサマウント板 14の中心に固定されている。 18は第 2透過光式センサ 17の光軸 である。第 2透過光式センサは略コ字型をなし、その開口の幅、つまり、光軸 18の長 さは約 13mmである。第 2透過光式センサ 17は、センサマウント板 14の中心に固定 されているので、センサ治具 13をロボットハンドに取り付けたときに、前記ロボットハン ドの半導体ウェハ載置部の略中心に第 2透過光式センサ 17が位置する。 19は第 2 透過光式センサ 17の信号を図示しないロボット制御装置に送るためのセンサケープ ルである。 [0018] 次に、これらの教示治具を用いたウェハ位置教示方法を説明する。図 10ないし図 1 3は本発明によるウェハ位置教示方法の説明図であり、（a)は平面図、（b)は側面図 である。図は、センサ治具 13をロボットウェハ把持部 5に取り付けて教示治具 11に接 近させた状態を示している。位置決めピン 20はセンサマウント板 14の位置決め穴（ 本図では、図示していない）と嵌合して、センサ治具 13をロボットウェハ把持部 5に正 しく位置決めするガイドピンである。センサケーブル接続コネクタ 21はセンサケープ ル 19を接続するコネクタである。

[0019] ロボットウェハ把持部 5に固定された第 1の透過光式センサ 6の光軸 10はロボットゥ ェハ把持部 5の長さ軸に直交しているが、センサ用治具に固定された第 2透過光式 センサ 17の光軸 18は前記長さ軸に平行に取り付けられている。つまり、光軸 10と光 軸 18は直交している。前述したように、教示治具 11は、実物の半導体ウェハと等しい 直径を有する大円板部 12の中心に小円ピン 22と大円板部 12と中心軸を共通にす るアーチ形状部 26を立設したものであり、収納容器等の半導体ウェハを載置する場 所に大円板部 12を載置することができる。小円ピン 22の直径は約 3mmである。この 直径の大きさは第 2透過光式センサ 17の開口の幅 13mmに対して十分余裕がある ように決められたものである。アーチ形状部 26の外周円弧の長さは約 55mmである。 この長さはセンサマウント板 14の開口の幅 126mmに対して十分余裕があるように決 められたものである。大円板部 12と小円ピン 22の相対位置は、事前に測定されてい るので、小円ピン 22の位置を知れば大円板部 12の位置を知ることができる。 なお、 大円板部 12の厚さは約 2mmであり、実物の半導体ウェハの厚さ 0. 7mmより大きい 力 これは強度上の制約力 決められたものであり、実物の半導体ウェハの厚さと同 一にしたほうが望ましいことは言うまでもない。

[0020] 図 14は本発明による位置教示方法を示すフローチャートである。以下、この位置教 示方法をステップを追って説明する。

[0021] (ステップ 1)センサ治具 13をロボットのウェハ把持部 5にマウントする。このとき位置決 めピン穴 15と位置決めピン 20を使って両者の位置を正確にマウントする。またセン サケーブル 19をコネクタ 21へ接続する。

[0022] (ステップ 2)教示治具 11または教示治具 23、 24、 25の 、ずれかを収納容器等の半 導体ウェハを載置する場所に載置する。教示治具の選択はステーション側のウェハ 設置面の形状に応じて適切なものを選択するものとする。本実施例では以下教示治 具 11で説明する。教示治具 11の大円板部 12は実物の半導体ウェハと全く同一の外 径を有するから、収納容器等の位置決めガイド等により、教示治具 11は正しく位置 決めされる。

[0023] (ステップ 3)作業者の操作により、図 11に示すように、ウェハ把持部 5を大円板部 12 の下へ移動させる。

[0024] (ステップ 4)ウェハ把持部 5を上昇させ、大円板部 12の下面を第 1の透過光式センサ 6で検出し、その時のロボットの Z軸の座標値 Zを記録する。さらにウェハ把持部 5を

1

上昇させ、大円板部 12の上面を第 1の透過光式センサ 6で検出し、その時のロボット の Z軸の座標値 Zを記録する。

2

[0025] (ステップ 5)ウェハ把持部 5を大円板部 12の上に移動させる。つまり、ウェハ把持部 5 を前進 (ここで前進とは R軸の +方向をいう）させたときに、第 1の透過光式センサ 6が 小円ピン 22を検出できる高さへ設定する。

[0026] (ステップ 6)第 1の透過光式センサ 6が小円ピン 22を検出しな 、位置までウェハ把持 部 5を後退させる。

[0027] (ステップ 7) Θ軸を動作させて、ウェハ把持部 5の向きを変え、次に R軸を動作させて 、ウェハ把持部 5を前進させて、小円ピン 22にゆっくり接近させ、第 1の透過光式セン サ 6が小円ピン 22を最初に検出した (つまり光軸 10が小円ピン 22の円周に接する） 時の Θ軸と R軸の座標を記録する。

[0028] (ステップ 8)ステップ 6とステップ 7を繰り返して、ウェハ把持部 5を異なる方向力も小 円ピン 22に接近させて、光軸 10が小円ピン 22の円周に接する時の Θ軸と R軸の座 標を複数求め、これらの値力 最小 2乗法を解くことにより、小円ピン 22の中心の位 置（0 、Rs)を求めて記録する。

s

[0029] (ステップ 9)ステップ 8で求めた小円ピン 22の位置に基づいて、 0軸と R軸を動作さ せて、ウェハ把持部 5を図 12に示す位置へ移動させる。センサマウント板 14とそのセ ンシング用切り欠き 16と第 2透過光式センサ 17の寸法は事前に測定されているので 、小円ピン 22やアーチ形状部 26との干渉を回避して図 12に示す位置へウェハ把持 部 5を移動させることができる。

[0030] (ステップ 10) Θ軸を動作させて、第 2透過光式センサ 17の光軸 18を小円ピン 22に ゆっくり接近させ、第 2透過光式センサ 17が小円ピン 22を最初に検出した (つまり光 軸 18が小円ピン 22の右側面に接する）時の Θ軸の座標値 Θ を記録する。次に第 2

1

透過光式センサ 17が小円ピン 22を検出しなくなった（つまり光軸 18が小円ピン 22の 左側面から離れた）時の Θ軸の座標値 Θ を記録する。（0 + 0 ) Z2を Θ軸の推定

2 1 2

値 0 として更新する。

S

[0031] (ステップ 11) Θ軸をステップ 10で記憶した Θ に動作させる。次に図 13に示すような

S

、第 1の透過光式センサ 6がアーチ形状部 26を検出する位置までウェハ把持部 5を 後退させる。 R軸を動作させて、第 1の透過光式センサ 6の光軸 10をアーチ形状部 2 6からゆっくり遠ざけ、第 1の透過光式センサ 6がアーチ形状部 26を検出しなくなった (つまり光軸 10がアーチ形状部 26の外周力も離れた）時の R軸の座標値 Rtを記録す る。

[0032] (ステップ 12)小円ピン 22の推定位置は、ステップ 4で記憶した Z、 Zより（Z +Z )

1 2 1 2 Z

2を Z軸の推定値とし、ステップ 11で求めた Rtを R軸の推定値とし、ステップ 10で記 憶した Θ を Θ軸の推定値として保存する。小円ピン 22と大円板部 12の相対的な位

S

置関係は事前に測定されて 、るから、この位置関係分だけ前記位置をシフトすれば

、大円板部 12すなわち、収納容器等に載置された半導体ウェハの位置が求まり、こ の値を該当ステーションの教示位置としてコントローラに保存する。

[0033] (ステップ 13)教示ステーションが複数ある場合は、ステップ 2— 12を繰り返す。また 教示治具をステーション数分用意し、ステップ 2であら力じめ全ステーションに教示治 具を設置しておけば、ステップ 3— 12を繰り返すだけでよい。

[0034] (ステップ 14)センサ治具 13をロボットのウェハ把持部 5から取り外す。

[0035] (ステップ 15)ステップ 12において各ステーションの教示位置が求まっているので、 ロボットはそれらの情報を基に通常ウェハを搬送するのと同じ要領で、自動で全ての 教示治具を回収する。回収とは、例えば処理装置の蓋を開けて直接手で教示治具を 取り出すのではなぐカセットステーションの異なるスロットへ教示治具同士が干渉し な 、ように搬送して、カセットに溜めた教示治具をまとめて取り出すことである。 また、ステップ 3からステップ 15までの操作を予め、プログラムしておけば、半導体ゥ ェハの位置の教示を、作業者の操作に拠らず、自動的に行なうことができる。ただし、 ステップ 3、 14の作業など一部人手が必要な作業も含まれる。ステップ 3は、人手で 操作する代わりに、事前にコントローラに装置図面からの教示位置を入力しておけば 、その値力もステップ 3の開始位置を自動で求め、その位置へ自動でロボットアーム を移動させることも可能である。

なお、ステップ 8での最小 2乗法による ( Θ 、 Rs)の導出は、本願の発明者が特許文

S

献 1で詳細に開示して 、るので、参考にされた!/、。

産業上の利用可能性

本発明は、半導体ウェハ搬送用ロボットに半導体ウェハの位置を教示する教示治 具として有用である。

Claims

請求の範囲

[1] 半導体ウェハの搬送を行なうロボットに搬送対象のウェハの位置を教示する教示治 具であって、前記搬送対象のウェハに代えて、前記ウェハを載置する場所に載置し、 前記教示治具に設けた被検出部を前記ロボットのハンド上に設けた透過光式のセン サで検出することによって、前記ロボットに前記ウェハの位置を教示する教示治具に おいて、

前記ウェハと同一の外径を有する大円板部と、前記大円板部と中心軸を共通にす る小円ピンと、前記大円板部と中心軸を共通にするアーチ形状物を備え、前記大円 板部の中心力 前記アーチ形状物の外円部までの距離と、前記センサの光軸力 前 記ハンドのウェハ載置部の中心までの距離とが等しいことを特徴とする教示治具。

[2] 前記教示治具の背面に処理装置のウェハ支持ピンと嵌合する溝を有することを特 徴とする請求項 1記載の教示治具。

[3] 前記搬送対象と同じ要領で、前記ハンドで掴むことができることを特徴とする請求 項 1または請求項 2記載の教示治具。