JP2886756B2 - 板状体の非接触位置決め装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、板状体（ウエハ）をそ
の上に塵埃などを落下させずに非接触で位置決めする装
置に関する。

【０００２】たとえば、半導体装置の製造方法において
は、半導体ウエハを自動的に搬送する工程が多数存在す
る。これらの搬送工程において、半導体ウエハに損傷を
与えずに、所望の位置に正確に搬送するためには、半導
体ウエハを所定位置に正確にかつ機械的衝撃を与えるこ
となく、塵埃等を付着させることなく、速やかに配置す
る技術が必要である。

【０００３】

【従来の技術】従来のシリコンウエハなどの非接触位置
決め装置は、所定の大きさのウエハをその主面と平行な
方向に移動させ、静止固定している複数のホトカプラ
（発光素子と受光素子との組み合わせ）で構成されるセ
ンサユニットで位置検出をしたり、静止固定されている
所定の大きさのウエハを該ウエハの主面と平行な方向に
移動するセンサユニットで位置検出をすることにより、
所定の位置へ位置決めをするものであった。

【０００４】このような従来技術を示すものとして、技
術誌『自動化技術』第１９巻 第８号（１９８７）ｐｐ
５４〜６０に記載の論文や特公昭６１−３６３７号公報
がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では、位
置決めすべきウエハの真上には、前記センサユニットま
たは、その一部が存在するような配置となっていて、ク
リーンルーム内におけるダウンフローが行き届かなかっ
たり、そこに大気中の塵や微小パーティクル等が溜り、
真下にあるウエハの上面に異物が落下し付着する恐れが
ある。

【０００６】また、これらの装置の構造は、クリーンル
ーム内のダウンフローの気流を乱すようなものであった
り、ダウンフローの気流を遮るものであった。さらに
は、所定の大きさのウエハとはサイズが異なるウエハを
検出しようとすると、検出に必要なウエハあるいはセン
サユニットの移動距離が大きくなり、位置検出に時間が
かかりまた移動機構も大きいものになってしまう。

【０００７】この点を解決すべく光センサの数を増やし
て、各種サイズのウエハの位置検出が短時間に完了する
ようにしたとしても、多数の光センサの配置や配線さら
には各光センサの検出結果の処理回路などの面で装置が
複雑となる。

【０００８】本発明の目的は、ウエハの上面に異物が落
下せず各種形状、サイズのウエハの位置検出に対して正
確かつ迅速に対応することが可能である簡素な構成のウ
エハの非接触位置決め装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の特徴とするところは、指向性の強い電磁波または音
波で構成される集束エネルギ線がウエハの縁に接するこ
とをセンサで検出してウエハの非接触位置決めを行なう
ものにおいて、複数の集束エネルギ線を中心軸に沿って
次第に収束、または発散する方向に放射するエミッショ
ン手段および放射されたエネルギ線をそれぞれ検出する
検出手段を有するセンサユニットと、前記中心軸にほぼ
垂直な面内にウエハを保持する手段と、前記ウエハの縁
が前記複数の集束エネルギ線のおのおのに接するように
前記センサユニットおよびウエハの一方を他方に対して
相対的に移動または回転させる手段とを備え、前記エミ
ッション手段および検出手段の双方のうち板状体より鉛
直方向上方に位置するものは板状体の周縁より外側に設
置されていることにある。

【００１０】

【作用】中心軸に沿って次第に収束、または発散する方
向に複数の集束エネルギ線を放射しつつ、中心軸ににほ
ぼ垂直な面内に板状体を保持し、該板状体またはセンサ
ユニットを相対的に中心軸に沿って移動または回転させ
た場合に、複数の集束エネルギ線の各々を板状体の縁で
遮ることができる。

【００１１】板状体の高さを変化させ、その縁によって
各集束エネルギ線が初めて遮られた高さから各集束エネ
ルギ線上の位置を求め、その位置を中心軸と垂直な面に
投影すると、板状体と合同または相似となる図形の形状
を特徴化できる点となる。

【００１２】これら特徴化点の基準点からの距離差と集
束エネルギ線の配置より、板状体中心の面内方向での位
置偏差を知ることができる。また、集束エネルギ線また
は板状体のどちらか一方を他方に対して回転させたと
き、集束エネルギ線が板状体によって遮られた各点の出
力と回転角の関係と集束エネルギ線の配置より、板状体
の面内方向での位置決めしようとしている所定の角度か
らの角度偏差を得ることができる。

【００１３】これらのデータに基づき、板状体を保持す
るハンドもしくはテーブルのセンサユニットに対する相
対的な移動または回転により板状体の位置修正を行な
う。検知ラインに用いる複数の集束エネルギ線の本数は
板状体の形状を特徴化できる数であればよいので、エミ
ッタおよび検出器の数は少なくて済み、装置全体は簡素
なものとなる。

【００１４】また、中心軸に沿って次第に収束、または
発散する方向に複数の集束エネルギ線を放射する前記エ
ミッション手段、または、前記検出手段をウエハの真上
の位置に設置しないことにより、クリーンルーム内にお
けるダウンフローを乱さず、また、ウエハの真上に、大
気中の塵や微小パーティクル等が溜らないので、ウエハ
の上面に異物が落下付着することは少なく、高クリーン
度でウエハの非接触位置決めを行なうことができる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１により説明す
る。図１において、ベース１にガイドレール２が固定さ
れ、ガイドレール２の上をガイドブロック３が移動でき
るようになっている。ガイドブロック３にはサポート４
が固定されている。また、ベース１にはモータブラケッ
ト５が固定され、モータブラケット５にはパルスモータ
７ａが固定されている。

【００１６】サポート４にボールねじナット６があり、
パルスモータ７ａの出力軸にはボールねじナット６に通
されたボールねじ８が取り付けられている。従って、パ
ルスモータ７ａが回転すると、サポート４はガイドレー
ル２の上をＺ方向に昇降する。

【００１７】サポート４には水平多関節ロボットの本体
１３ｅが取り付けられている。ロボット本体１３ｅの上
部にはロボット軸１３ｄ、リンク１３ｃがあり、リンク
１３ｃはさらにリンク１３ｂ、ハンド１３ａに接続され
ている。

【００１８】また、ロボット本体１３ｅの下部には、ハ
ンド１３ａをロボット軸中心Ｏｒに対して直進的に（半
径方向に）伸縮する動作を行なう駆動用のパルスモータ
７ｃ、また、ハンド１３ａをロボット軸中心Ｏｒまわり
に（円周方向に）回転させる駆動用のパルスモータ７ｄ
が取り付けられている。この水平多関節ロボットの制御
は制御機器１０が担当する。

【００１９】ハンド１３ａには、前後機器から搬送され
てきたウエハ１２が載っている。このハンド１３ａの先
端部は二股に分かれ、その間をウエハ１２が載っている
面と平行な面を有する回転テーブル１１が通過できるよ
うになっている。回転テーブル１１は回転軸を内蔵した
ハウジング１８上に配置されている。

【００２０】ハウジング１８はブラケット１９上に固定
されている。ハウジング１８、ブラケット１９を介して
回転テーブル１１の支持軸がベース１に対して回転可能
に取り付けられている。ブラケット１９の下部には、回
転テーブルを回転させるパルスモータ７ｂが取り付けら
れている。

【００２１】回転テーブル１１の中心における法線であ
る仮想的中心軸に沿って次第に収束、または発散する方
向に複数の集束エネルギ線を放射する発光素子１４ａ〜
１４ｇと、放射された光線１６（全てを図示すると複雑
になるので、１６ｄで代表して図示した）をそれぞれ検
出する光検出器１５ａ〜１５ｇを有するセンサユニット
１７は、ベース１とともに空間を形成するハウジング１
ａ（簡略化のために一部のみを図示した）に固定されて
いる。なお、発光素子１４ｈと光検出器１５ｈとを有す
るセンサについては後述する。

【００２２】制御機器１０は、発光素子１４ａ〜１４ｇ
に駆動電流を供給して各発光素子から光線を発射させ
る。ウエハ１２がない状態では、光検出器１５ａ〜１５
ｇはそれぞれ光線を受光する。ウエハ１２によって光線
が遮られると、光検出器は受光しなくなり、その出力を
変化させる。このようにして、光検出器１５の出力信号
によってウエハ１２の縁端部を検出できる。

【００２３】パルスモータ７ａ〜７ｄの出力軸にはエン
コーダ９ａ〜９ｄが接続され、それぞれのパルスモータ
の出力軸の回転を検出する信号を発生する。光検出器１
５ａ〜１５ｇの出力信号およびエンコーダ９ａ〜９ｄの
出力信号は、制御機器１０に取り込まれる。また、制御
機器１０はパルスモータ７ａ〜７ｄに駆動パルスを供給
するドライバの機能も果たしている。

【００２４】次に、位置決め動作について説明する。な
お、位置決めにおいては、ウエハ等の位置決め対象物の
位置がある場所で検出できればよく、必ずしも最終状態
での位置が検出されなくてもよい。その後の移動は、ハ
ンドやテーブルの移動量で知ることができる。

【００２５】パルスモータ７ａの回転によるボールねじ
８の駆動でウエハ１２の載っているハンド１３ａをウエ
ハ１２の主面と垂直なＺ方向に昇降させることにより、
位置決めしようとしている所定の位置からの面内方向に
おける位置偏差を得ることができる。

【００２６】図２は発光素子から発射される光線１６ａ
〜１６ｇとウエハ１２の関係を示している。光線１６ａ
〜１６ｇは一点鎖線で示すようにＺ軸を中心軸とする錐
状に放射され、その交点１６Ｚは錐の頂点であり、二点
鎖線で示すＺ軸上にある。

【００２７】各光線１６ａ〜１６ｇとＺ軸に垂直な平面
との交点を該平面上で結ぶ図形は、平面の高さに拘ら
ず、全て相似形となる。図示の場合は七角形であるがこ
の七角形が内接する円形とも等価なものとして扱える。
なお、実際の装置においては、後述するようにハンドの
挿入等のため、正多角形以外の形を取ることが多い。

【００２８】まず、ウエハ１２ａのＸＹ面内位置は正し
く、Ｚ軸方向の位置のみが不明であるとする。今、ウエ
ハ１２ａが点線で示す位置に配置されているとする。こ
の時、全光線１６ａ〜１６ｇはウエハ１２ａの縁で遮ら
れていないため、光検出器１５ａ〜１５ｇは全光線１６
ａ〜１６ｇを検出する。これは、ウエハ１２が未だ検出
されていないことを意味する。

【００２９】そこで、ウエハ１２をＺ軸に沿って下降さ
せる。実線で示す位置において、全光線１６ａ〜１６ｇ
をウエハ１２ａの縁で同時に遮ったとする。この時、光
検出器１５ａ〜１５ｇは全光線１６ａ〜１６ｇを検出し
なくなる。そこで、この位置でウエハ１２のＺ方向位置
が検出されたものと判断してウエハ１２の移動を止め
る。

【００３０】光線１６ａ〜１６ｇは一点鎖線で示す錐状
に放射されているから、ウエハ１２をＺ方向にわずかに
移動させるだけで光線１６ａ〜１６ｇをウエハ１２で遮
ることができ、迅速に位置検出を行なうことができる。

【００３１】たとえば、厚さの異なるウエハ１２の表面
を所定の高さに位置決めすることが容易に行なえるし、
さらにウエハ１２の径が異なる場合でも光線とウエハの
相対位置が変化するだけであり、ウエハ径を入力してお
けば、ウエハが光線を遮った高さからウエハ表面の高さ
を知ることができ、同じ光線１６の配置で位置決めする
ことができる。

【００３２】円形ウエハの場合、光線は位置を指定でき
る最低３本の光線を放つものでよいから、装置全体は簡
素なものとなる。ただし、より多数の光ビームを用いる
と、後述のような利点が得られる。

【００３３】次に、ウエハ１２がＺ軸方向だけでなくＸ
軸やＹ軸の方向にもずれている場合にそのずれを検出
し、必要に応じて修正する例を説明する。本例では、ハ
ンド１３ａ上に水平に載っているウエハ１２を発光素子
１４ａ〜１４ｇと光検出器１５ａ〜１５ｇとの間に入れ
た状態で、パルスモータ７ａによるボールねじ駆動によ
りＺ軸に沿って移動させる。各光線がウエハと接する位
置を検出することにより、ウエハ１２の位置検出を行な
う。

【００３４】光線の配置における発光素子群と光検出器
群の中心軸、すなわち、錐状に放射されている各光線の
交点１６Ｚの存在するＺ軸とウエハ１２の中心軸が偏心
していると、ウエハ１２の端縁が光線を遮る位置は光検
出器１５ａ〜１５ｇで異なってくる。

【００３５】それぞれの光線が遮られる位置を検出し、
その位置データを制御機器１０で演算することによって
ウエハ１２の中心軸が光線の配置の中心軸からどの方向
にどれだけ偏心しているか、すなわち、ウエハ１２の位
置（面内偏差）を検出することができる。

【００３６】この演算結果より、ウエハ１２を偏心量だ
け逆方向に移動させることで、ウエハ１２を測定系とは
非接触で正確にセンタリングすることが可能となる。以
下、制御機器１０で行なう位置データの演算について詳
細に説明する。

【００３７】図１のＡ１−Ａ２矢視線の方向を水平と
し、ウエハ１２を上面から見た状況を図３に示す。水平
面（ＸＹ面）上に投影した状態で考察する。本図は、ウ
エハ１２の中心Ｏｂが、光線の配置の中心軸Ｏａから偏
心している場合について示したものである。

【００３８】射影面上で光線１６ａと光線１６ｅを結ぶ
線は、中心軸Ｏａを通る一直線上にあり、また、同じく
光線１６ｂと光線１６ｆを結ぶ線も、中心軸Ｏａを通る
一直線上にあり、また、同じく光線１６ｃと光線１６ｇ
を結ぶ線も、中心軸Ｏａを通る一直線上にある。

【００３９】また、光線１６ｃと光線１６ｅのなす角の
中央部に光線１６ｄが中心軸Ｏａを通る方向に配置され
ている。光線１６ｂと光線１６ｆはＡ１−Ａ２矢視線の
方向に向いていて、光線１６ａ、１６ｃ、１６ｅ、１６
ｇはＡ１−Ａ２矢視線の方向に対してそれぞれ４５度の
角度をなしている。すなわち、ハンド１３ａの挿入方向
に光線１６ｄがあり、各光線１６ａ〜１６ｇはそれぞれ
隣接光線と４５度の角度をなしている。

【００４０】ウエハ１２をＺ軸に沿って移動させると、
図示の場合、ウエハ１２によって光線１６ｆ、１６ｇ、
１６ｅ、１６ｄ、１６ａ、１６ｃ、１６ｂの順番に遮ら
れる。

【００４１】各光線が初めて遮光された時、光検出器１
５ａ〜１５ｇの出力が変化し、ウエハの高さを知ること
ができる。この高さから各光線１６ａ〜１６ｇのウエハ
１２の外側の部分の長さが判明する。このウエハ１２外
側部分の光線を射影面上へ投影した長さをそれぞれＬ
ａ、Ｌｂ、Ｌｃ、Ｌｄ、Ｌｅ、Ｌｆ、Ｌｇとする。

【００４２】Ｏａを原点とし、図３に示すように、ハン
ド１３ａの挿入方向をＹ軸方向、ハンド１３ａの挿入方
向と直角な方向をＸ軸方向とする。光線の配置の中心軸
Ｏａとウエハ１２の中心Ｏｂの各軸方向の偏差ｘ，ｙ
は、たとえば、

【００４３】

【数１】

【００４４】

【数２】 と近似できる。なお、異なる方向の光線を用いた時は数
式が変化するが、その導出は当業者に自明であろう。

【００４５】図３では、ウエハ１２のオリエンテーショ
ンフラットがいずれの光線にも検出されない場合につい
て示したが、オリエンテーションフラットがどれかの光
線によって検出されている場合でも、どの光軸がオリエ
ンテーションフラットやノッチ等を検出しているかをウ
エハ１２の主面へ投影した光線の長さＬを比較すること
によって判別でき、オリエンテーションフラットやノッ
チ等を検出していない箇所の光線の長さからウエハ１２
の中心Ｏｂの各軸方向の偏差ｘ，ｙを算出することがで
きる。

【００４６】したがって、各光線１６ａ〜１６ｇがウエ
ハ１２で遮光されるときの高さを表すエンコーダ９ａの
信号を図１の制御機器１０に取り込み、予め分かってい
る発光素子１４ａ〜１４ｇの位置データなどから各遮光
された部分の光線の長さＬａ〜Ｌｇを求め、上記両式ま
たは対応する式で演算して偏差ｘ，ｙを容易に得ること
ができる。

【００４７】次に、偏差ｘ，ｙだけハンド１３ａを逆方
向に移動させると、中心軸Ｏａとウエハ１２の中心Ｏｂ
は一致する。このようにして、ウエハ１２の面内位置を
測定し、修正することができる。

【００４８】次に、オリエンテーションフラットの位置
決めについて説明する。上記に説明した方法により、ま
ず中心軸Ｏａとウエハ１２の中心Ｏｂを一致させる。ウ
エハ１２のセンタリングが完了すると、ハンド１３ａは
さらに下降し、回転テーブル１１にウエハ１２を預け
る。

【００４９】図１において、発光素子１４ｈから放射さ
れた光線１６ｈは光検出器１５ｈに受光されるようにな
っていて、この光線１６ｈにより回転テーブル１１上に
載っているウエハ１２のオリエンテーションフラット部
を検出する。

【００５０】図１におけるＡ１−Ａ２矢視線の方向を水
平とし、ウエハ上面から見た状況を図４に示す。オリエ
ンテーションフラットの検出ならびに指定の方向へ向け
る動作について説明する。

【００５１】回転テーブル１１に載せられたウエハ１２
のオリエンテーションフラットが１２Ｔａの状態であっ
たとする。このとき、発光素子１４ｈから放射された光
線１６ｈはウエハ１２上のＯｃ点で遮られている。

【００５２】回転テーブル１１の回転により矢印の方向
へウエハ１２を回転させると、まず、オリエンテーショ
ンフラットが１２Ｔｂの位置にきたとき、発光素子１４
ｈから放射された光線１６ｈはウエハ１２上のＯｃ点で
遮られることなく光検出器１５ｈで検出される。

【００５３】さらに、ウエハ１２が回転しオリエンテー
ションフラットが１２Ｔｃの位置にきたとき、発光素子
１４ｈから放射された光線１６ｈはウエハ１２上のＯｃ
点で再び遮られる。

【００５４】オリエンテーションフラットが１２Ｔｂの
位置から１２Ｔｃの位置に変わるまでの回転角度を、回
転テーブルを回転させるパルスモータ７ｂの出力軸に取
り付けられているエンコーダ９ｂによって検出すること
により、オリエンテーションフラットの角度位置を検出
することができ、回転テーブルによってオリエンテーシ
ョンフラットを指定された方向へ向けることが可能とな
る。

【００５５】本図では、第２フラットやノッチ等がない
場合について説明したが、第２フラットやノッチ等があ
っても、予め制御装置１０に入力されているオリエンテ
ーションフラットの形状データならびに発光素子１４ｈ
と光検出器１５ｈの配置の位置データ等を用いてオリエ
ンテーションフラットを判別することができる。

【００５６】また、オリエンテーションフラットを指定
の方向へ向ける代わりに、第２フラットやノッチ等を指
定の方向へ向けることも可能である。ウエハ１２の周縁
よりも内側領域の上方には発光素子１４ａ〜１４ｈや光
検出器１５ａ〜１５ｈがなく、ウエハ１２の真上に塵埃
が溜ることはない。また、ダウンフローを形成しても、
その流れが乱れることはない。

【００５７】なお、遮られた光線部分の長さを用いて偏
差を算出したが、中心軸からウエハ端縁までの長さを用
いることもできる。光線の配置は種々に設定できる。帯
状体の横方向位置のみを位置決めできればよい場合等に
は、２本の光ビームで行なうこともできる。光源と検出
器を入れ換えてもよい。

【００５８】以上の実施例においては、集束エネルギ線
１６として半導体レーザや発光ダイオードから放射され
る光線を用いた。しかし、光線に限らず、その原理から
明らかなように、指向性の強いビームの利用が可能であ
る。実用的検知から光を含むより広い波長範囲の電磁波
や音波の利用が好ましい。

【００５９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
板状体の上面に異物が落下付着する恐れが少なく、各種
形状、サイズの板状体の位置検出に対して正確かつ迅速
に対応することが可能である簡素な構成の板状体の非接
触位置決め装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による板状体の非接触位置決
め装置を示す部分的斜視図である。

【図２】図１に示す位置決め装置における位置決めの動
作を説明する図である。

【図３】図１に示す位置決め装置を用いて行なう別の位
置決めの動作を説明する図である。

【図４】図１に示す位置決め装置を用いて行なうオリエ
ンテーションフラットの位置決めの動作を説明する図で
ある。

【符号の説明】

１ ベース ２ ガイドレール ３ ガイドブロック ４ サポート ５ モータブラケット ６ ボールねじナット ７ パルスモータ ８ ボールねじ ９ エンコーダ １０ 制御機器 １１ 回転テーブル １２ ウエハ １３ａ ハンド １４ａ〜１４ｈ 発光素子 １５ａ〜１５ｈ 光検出器 １６ａ〜１６ｈ 光線 １７ センサユニット １８ ハウジング １９ ブラケット

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01B 21/00 - 21/32 H01L 21/68

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】指向性の強い電磁波または音波で構成され
   る集束エネルギ線（１６）が板状体の縁に接することを
   センサで検出して板状体の非接触位置決めを行なうもの
   において、 複数の集束エネルギ線を中心軸に沿って次第に収束、ま
   たは発散する方向に放射するエミッション手段および放
   射された各エネルギ線を検出する検出手段を有するセン
   サユニットと、 前記中心軸にほぼ垂直な面内に板状体を保持する手段
   と、 前記板状体の縁が前記複数の集束エネルギ線の各々に接
   するように前記センサユニットおよび板状体のいずれか
   一方を他方に対して相対的に移動または回転させる手段
   とを備え、 前記エミッション手段および検出手段の双方のうち板状
   体より鉛直方向上方に位置するものは板状体の周縁より
   外側に設置されていることを特徴とする板状体の非接触
   位置決め装置。
2. 【請求項２】前記中心軸の方向に前記板状体またはセン
   サユニットのいずれかを移動または回転させた場合に前
   記板状体の縁が前記複数の集束エネルギ線の各々に接す
   る時の板状体またはセンサユニットの位置データから前
   記板状体の面内方向での前記板状体の中心と前記中心軸
   との位置偏差を得る手段をさらに備えたことを特徴とす
   る請求項１記載の板状体の非接触位置決め装置。