JP2009049250A - ティーチング用機構を備えたカセットステージ及びそれを備えた基板搬送装置、半導体製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基板を収納したカセットの蓋を開閉するカセットステージにおいて、基板搬送ロボットの教示を正確に行えるようにする。
【解決手段】カセット２０の正面側に、基板の平面に平行になるよう光軸が設定される第１のセンサ７と、基板の平面に垂直になるよう光軸が設定され、かつカセット２０の正面の中心軸から均等に離間するよう光軸が設定される第２及び第３のセンサ９と、を備えたカセットステージとした。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体の製造装置や検査装置に使用され、基板を収納して装置間の移載に使用されるカセットを搭載して蓋の開閉を行うカセットステージ装置に関する。

半導体の製造装置や検査装置（以下、まとめて半導体製造装置と呼ぶ）において、カセットステージ装置は、主にウェハやレチクルといった基板が収納されたカセットを搬送するカセット搬送ロボットやカセット内に収納された基板を搬送する基板搬送ロボットと組み合わせて使用され、他の半導体製造装置より移載されてきたカセットを搭載し、その蓋を開閉する装置である。搬送ロボットは、カセットステージがカセットの蓋を開放させると、カセット内の基板を半導体製造装置の基板処理部へ搬出する。また、処理や検査が完了した基板を再びカセットへ搬入する。そして、カセットステージは、再びカセットの蓋を閉め、次工程の装置へカセットが移載ができるようにする。
従って、基板の搬送ロボットに対しては、カセットステージ上のカセットに対する位置を正確にティーチング（教示）して搬送を行わせる必要がある。そこで最近では基板搬送ロボットへカセットに対してティーチングを行う際に、画像処理用のカメラやセンサを用いたティーチング用ツールを搬送ロボットのアームへ搭載し、ティーチング対象であるカセット側に対しカメラによる画像処理やセンサによる位置検出を行い、これらの信号を搬送ロボットのコントローラや上位コントローラにて理想のティーチング位置からの誤差量を算出し、補正を行うことで位置の算出を行うティーチング方法が提案されている。これにより作業者の目視によるティーチングが不要となるため、作業者によるティーチング精度の誤差が発生しなくなるという利点がある。また、搬送ロボットのコントローラや上位コントローラにてティーチングを自動化することにより、作業工数を大幅に削減する効果もある。
搬送ロボットにティーチング用ツールを搭載し、ティーチングを行う半導体製造装置の搬送システムの一例として、特許文献１などがある。図８はこの従来の半導体製造装置の搬送システムの側面図を示している。この特許文献１におけるティーチング方法及びその装置について説明する。
図８において、基板搬送ロボット４０は、アーム４１の先端に取り付けられた基板の搬送面であるエンドエフクタ４２上にティーチング用ツール９０を搭載している。このティーチング用ツール９０上に搭載したセンサ９１（またはカメラ）にてティーチング対象であるカセット２０内に収納された基板Ｗを垂直方向および平面方向に基板搬送ロボット４０を移動させながら検出し、センサ１１１の出力が変化したロボットの位置からティーチング位置の算出を行っている。
特開平１０−６２６２号公報（第８項、図１）

図８に示した従来のティーチング方法の装置では、ティーチング用ツール９０を基板搬送ロボット４０のエンドエフェクタ４２に搭載し、しかもあらかじめティーチング用ツール９０に搭載されたセンサ９１やカメラをケーブル９２で基板搬送ロボット４０を制御するコントローラ４３に接続する作業が発生する。つまり、ティーチングの度にエンドエフェクタ４２へのティーチング用ツール９０の搭載とケーブル９２の接続作業が必要となり、事前の準備に時間を要してしまう。
また、ティーチングを実施する度にティーチング用ツール９０の設置作業が発生するので、エンドエフェクタ４２へのティーチング用ツール９０の設置精度がそのままティーチングの精度に影響してしまい、ティーチングの再現性が低いという問題がある。
また、近年の半導体製造装置の高密度化（密集化）により、装置のモジュールのレイアウトによっては基板搬送ロボット４０へ作業者がアクセス困難な場合もあるため、ティーチング用ツール９０を基板搬送ロボット４０へ搭載する作業自体も困難になる場合もある。
さらに、エンドエフェクタ４２へティーチング用ツール９０を搭載した際にティーチング用ツール９０の重量によって発生するエンドエフェクタ４２やアーム４１の撓み量を考慮したティーチング位置の補正をコントローラ４３にて制御する必要がある。

上記課題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１の発明は、基板を収納するカセットを搭載し、前記カセットの蓋を開閉するカセットステージにおいて、前記カセットの正面側に、前記基板の平面に平行になるよう光軸が設定される第１のセンサと、前記基板の平面に垂直になるよう光軸が設定され、かつ前記カセットの正面の中心軸から均等に離間するよう前記光軸が設定される第２及び第３のセンサと、が備えられたカセットステージとした。
請求項２の発明は、前記第１乃至第３の全てのセンサが、矩形の枠形状をなすフレーム上に設けられ、前記フレームが前記カセットステージの本体に対して位置決めピンによって位置を決定されて固定される請求項１記載のカセットステージとした。。
請求項３の発明は、請求項１又は２記載のカセットステージと、アームの旋回軸と昇降軸と伸縮軸とを少なくとも有する基板搬送ロボットと、を備える基板搬送装置において、前記基板搬送ロボットは、前記昇降軸を昇降させ、前記アーム先端のエンドエフェクタが前記第１のセンサの光軸を遮光したときの位置をもとに前記昇降軸の教示位置が決定され、前記旋回軸を一方向に回転させ、前記エンドエフェクタが前記第２のセンサの光軸を遮光したときの位置と、前記一方向とは逆に回転させ、前記エンドエフェクタが前記第３の光軸を遮光したときの位置と、から算出した前記カセット正面の中心位置が前記旋回軸の教示位置として決定され、前記昇降軸と前記旋回軸とを前記決定された教示位置まで移動させた後、前記伸縮軸を伸長させ、前記エンドエフェクタが前記第１のセンサの光軸を遮光した位置をもとに前記伸縮軸の教示位置が決定される基板搬送装置とした。
請求項４の発明は、前記伸縮軸の教示位置を決定する際、前記エンドエフェクタが前記第２又は第３のセンサの光軸を遮光した位置をもとに前記伸縮軸の教示位置が決定される請求項３記載の基板搬送装置とした。
請求項５の発明は、請求項３又は４記載の基板搬送装置を備えた半導体製造装置とした。

以上、本発明によれば、以下の効果がある。
（１）カセットステージ側へティーチング用の位置検出機構を設置することにより、基板搬送ロボットへのティーチングツールの搭載やケーブルの接続作業が不要となり、ティーチングツールのセッティング作業が発生しないため、作業工数の短縮が可能である。
（２）カセットステージ側にティーチングの検出機構を固定化することにより、ティーチングツールの設置精度によるティーチング精度への影響が解消される。
（３）基板搬送ロボットのエンドエフェクタ上にティーチングツールを搭載しないため、エンドエフェクタの撓みが同じ条件でティーチングを行うことにより、撓み量の差を上位コントローラ側で補正することなくティーチング位置の算出が可能である。
（４）基板搬送ロボットのティーチング用の位置検出用のセンサ群が、フレーム枠に全て搭載され、そのフレームをカセットステージの本体に対して位置精度よく設置できるので、センサ群の調整をフレーム枠単体で行うことができる。
（５）少なくとも３組のセンサをカセットステージ側が備えているので、基板搬送ロボットの旋回、昇降、伸縮の３軸を簡単に行うことができる。
（６）カセットステージ側にティーチング用機構が備えられているので、密集化した半導体製造装置においても、基板搬送ロボットの教示を簡単に正確に行うことができる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

以下、本発明のカセットステージ装置の実施形態の第一例について、説明する。
図４は、本発明のカセットステージを備えた基板搬送装置を示す側面図である。図８で説明した従来構成と同等の部分については同符号を付している。図４において、カセット搬送ロボット５０は、矢印５１方向の動作によりカセット２０を本発明のカセットステージ３１のステージ３２上に移載する。ステージ３２はカセット２０をメカニカルに保持する。カセットステージ３１は、矢印３３方向にステージ３２を下降させる。このときカセット２０の蓋２１を残し、カセット２０のみを下降させることで、基板搬送ロボット４０がカセット２０内の図示しない基板にアクセス可能な位置へと移動させる。その後、基板搬送ロボット４０は、カセット２０内の図示しない基板の搬出・搬入を行う。このような基板搬送装置では上述のように、カセットステージ３１に搭載されたカセット２０に対して、基板搬送ロボット４０には予めティーチングを行う。そのため、本発明のカセットステージ３１は以下の構成を有している。

本発明のカセットステージ３１の構成を図１〜図３にて説明する。図１は実施例１のカセットステージ装置であって、カセットを搭載したときの正面図の部分図である。図２は図１の側面図であって、基板搬送ロボットがカセットにアクセスするときの図である。図３は図２における上面図である。
本発明のカセットステージ３１には、基板搬送ロボット４０のアクセス側、すなわちカセットの正面側にティーチング用機構としてティーチングフレーム１が取り付けられている。
ティーチングフレーム１は、カセット２０がカセットステージ３１に正常に載置（保持）されているとき、カセット２０の正面に対してほぼ平行となるように設置されている。また、基板搬送ロボットがエンドエフェクタ４２によってカセット２０内の基板を搬出入する際、これと干渉しないようティーチングフレーム１は矩形の枠形状を成していて、この枠内でエンドエフェクタ４２が通過できるよう必要十分な大きさを有している。
ティーチングフレーム１の外周部分（枠の部分）の縦フレームには、水平方向に光軸８を配した透過型の垂直方向検出用センサ７ａ、７ｂが少なくとも１組固定されている。水平方向とは、カセット２０内の基板の平面と同一方向である。また、同じく横フレームには、垂直方向に光軸１０ａ、１０ｂを配した透過型の平面方向検出用センサ９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄが二組固定されている。垂直方向とは、カセット２０内の基板の平面と垂直をなす方向である。また、光軸１０ａと１０ｂは、カセット２０がカセットステージ３１に正常に載置されているとき、カセット正面の中心から均等な距離で離間するように配置されている。
垂直方向検出用センサ７ａ、７ｂおよび平面方向検出用センサ９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄは、ティーチングフレーム１に対して、垂直方向検出用センサ７ａ、７ｂはセンサ固定機構１４ａ、１４ｂによって、また、平面方向検出用センサ９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄはセンサ固定機構１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄによって固定されていて、固定機構を調整・固定することにより、垂直方向検出用センサ７ａ、７ｂの光軸８および平面方向検出用センサ９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄの光軸１０ａ、１０ｂの水平度、垂直度の精度が調整できる機構となっている。
また、平面方向検出用センサ９ａ、９ｂと９ｃ、９ｄの二組は、基板搬送ロボット４０が旋回方向１３ａとその逆側の旋回方向１３ｂに対して旋回したとき、エンドエフェクタ４２が検出できる機構となっていて、本実施例の場合、平面検出用センサ９ａ、９ｂと９ｃ、９ｄのピッチは、エンドエフェクタ４２の平面方向の幅Ｌよりやや大きい位置で配置されている。
また、ティーチングフレーム１は、カセットステージ３１に設けられている３つの位置決めピン１６ａ、１６ｂ、１６ｃに対し押し当てられ、固定ネジ１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄにて固定される。こうすることで、カセットステージ３１の本体側に取り付ける際、位置の再現性が確保できる。また、ティーチングフレーム１を本体側に取り付ける前に、上記センサ群の光軸を予め調節できるので、光軸の再現性確保と共に作業性が向上する。そして、ティーチングフレーム１を本体側に取り付けたときに、カセット２０つまり基板に対して、垂直方向検出用センサ７ａ、７ｂの光軸８および平面方向検出用センサ９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄの光軸１０ａ、１０ｂの水平方向および垂直方向の精度が確保できる機構となっている。以上の構成により、本発明のカセットステージ３１は、垂直方向に移動する基板搬送ロボット４０のエンドエフェクタ４２が垂直方向検出用センサ７ａ、７ｂの光軸８を遮光できるようになっている。また、平面方向に移動する基板搬送ロボット４０のエンドエフェクタ４２が平面方向検出用センサ９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄの光軸１０ａ、１０ｂをそれぞれ遮光できるようになっている。そして、これらが遮光されたとき、各々の検出用センサ出力信号が切り替わる構成となっている。
垂直方向検出用センサ７ａ、７ｂおよび平面方向検出用センサ９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄの信号出力ケーブル１１は、カセットステージ３１内部のその他の機器の信号と同様にカセットステージ３１のインターフェース部を介してコントローラ４３へ出力される。また、垂直方向検出用センサ７ａ、７ｂと平面方向検出用センサ９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄには、アンプ分離式のファイバセンサを用い、センサアンプ１２をティーチングフレーム１に配置せずに、フレーム以外の箇所に配置しているので、垂直方向検出用センサ７ａ、７ｂと平面方向検出用センサ９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄのファイバ部分のみがティーチングフレーム１に配置されるように構成されているので、基板搬送ロボットのアクセス方向に対するティーチングフレーム１の薄型化が可能となっている。
なお、本実施例ではカセットステージ３１と基板搬送ロボット４０とがコントローラ４３で制御されているが、カセットステージ３１と基板搬送ロボット４０が各々のコントローラで制御され、これらが互いに接続されて、カセットステージのコントローラから上記のセンサの情報が基板搬送ロボットのコントローラへと送信されるように構成してもよい。

次に、以上で構成されたカセットステージ３１に対する基板搬送ロボット４０のティーチング手法について説明する。基板搬送ロボット４０は、少なくとも昇降軸、旋回軸、アーム伸縮軸にて構成されているものとする。基板搬送ロボット４０のティーチングは、まず垂直方向のティーチング、次に旋回方向のティーチング、最後に伸縮方向のティーチング、なる手順で完了する。以下、各手順のティーチングを説明する。なお、垂直方向のティーチングと旋回方向のティーチングの手順は逆になってもよい。

図５は垂直方向のティーチング方法のフローチャートを示している。
（ステップ１）まず、カセットステージ３１と基板搬送ロボット４０の位置関係によりあらかじめ求められた垂直方向検出用センサ７ａ、７ｂの光軸８近傍まで基板搬送ロボット４０のエンドエフェクタ４２を移動させる。このとき、エンドエフェクタ４２は光軸８を未だ遮光しない位置であって、エンドエフェクタ４２の高さ方向の位置は、垂直方向検出用センサ７ａ、７ｂの光軸８より下側の遮光しない位置とする。
（ステップ２）基板搬送ロボット４０の昇降軸を上昇させ、エンドエフェクタ４２が光軸８を遮光し、垂直方向検出用センサ７ａ、７ｂの信号出力が変化したときの昇降軸の位置Ｚ１をコントローラ４３で記憶させ、基板搬送ロボット４０の動作を停止させる。
（ステップ３）さらに基板搬送ロボット１を上昇させ、遮光されていた光軸８が再び入光する位置まで上昇させ、基板搬送ロボット４０の動作を停止させる。
（ステップ４）搬送ロボット４０の昇降軸を下降させ、エンドエフェクタ４２が光軸８を遮光し、垂直方向検出用センサ７ａ、７ｂの信号出力が変化した昇降軸の位置Ｚ２をコントローラ４３で記憶させ、搬送ロボット１の動作を停止させる。
（ステップ５）ステップ２、ステップ４にて上位コントローラ１２で記憶した位置Ｚ１、Ｚ２の中間位置Ｚ３を算出し、上位コントローラ１２にて記憶する。
Ｚ３＝（Ｚ１＋Ｚ２）／２
（ステップ６）ステップ５にて算出された位置Ｚ３に対し、垂直方向検出用センサ７ａ、７ｂと理想の垂直方向の基準位置との位置関係から得られる補正値αで以って補正することにより垂直方向基準位置Ｚとして上位コントローラ１２に記憶させる。
垂直方向基準位置Ｚ＝Ｚ３＋α
ここで、中間位置Ｚ３を算出するのは、昇降軸の動作の上昇、下降動作において、減速機などが起因していわゆるヒステリシスが発生しているが、この誤差を減少させるためである。よって、勿論、Ｚ１のみやＺ２のみの位置で垂直方向の基準位置Ｚを決定してもよい。また、昇降軸の昇降動作を複数回行ってその平均から基準位置Ｚを決定してもよい。
また、本実施例では垂直方向検出用センサは１組のみを使用しているが、基準位置Ｚを精度よく決定するため、ティーチングフレーム１に複数の組を設置してもよい。

図６は旋回方向のティーチング方法のフローチャートのを示している。
（ステップ１）基板搬送ロボット４０の旋回軸を矢印１３ａの方向へ回転させ、エンドエフェクタ４２が水平方向検出用センサ９ａ、９ｂの光軸１０ａを遮光し、水平方向検出用センサ９ａ、９ｂの出力が変化したときの旋回軸の位置θ１をコントローラ４３で記憶させ、基板搬送ロボット４０の動作を停止させる。
（ステップ２）基板搬送ロボット４０の旋回軸をステップ１の矢印方向１３ａとは反対の矢印１３ｂの方向へ回転させ、エンドエフェクタ４２が水平方向検出用センサ９ｃ、９ｄの光軸１０bを遮光し、水平方向検出用センサ９ｃ、９ｄの出力が変化したときの旋回軸の位置θ２をコントローラ４３で記憶させ、基板搬送ロボット４０の動作を停止させる。
（ステップ３）ステップ１、ステップ２にてコントローラ４３で記憶した旋回軸の位置の中間位置θを算出し、上位コントローラ１２にて記憶する。
旋回方向基準位置θ＝（θ１＋θ２）／２
（ステップ４）ステップ３で算出した旋回軸の基準位置θを旋回方向基準位置としてコントローラ４３に記憶させる。
なお、水平方向検出用センサの光軸１０ａ、１０ｂのピッチは、上述のようにエンドエフェクタ４２の幅Ｌより大きいものとしているが、上記の作業においてコントローラ４３が問題なければ、ピッチがＬよりも小さくてもよい。つまり、ピッチがＬよりも小さい場合はエンドエフェクタ４２が上記作業において光軸１０ａ、１０ｂを同時に遮光してしまうが、コントローラ４３がこれらの光軸の遮光が同時にされても上記中間位置θの算出に問題が無ければピッチが狭くなってもよい。

図７はアーム伸縮方向のティーチング方法のフローチャートを示している。
（ステップ１）基板搬送ロボット４０を、垂直方向のティーチングで算出した垂直方向の基準位置Ｚおよび旋回方向のティーチングで算出した旋回方向基準位置θへ移動させる。
（ステップ２）基板搬送ロボット４０のアーム伸縮軸を伸ばし、エンドエフェクタ４２をカセット２０方向へ移動させ、エンドエフェクタ４２が垂直方向検出用センサ７ａ、７ｂの光軸８を遮光し、垂直方向検出用センサ７ａ、７ｂの信号出力が変化したときの伸縮軸の位置Ｘ１をコントローラ４３で記憶させ、基板搬送ロボット４０の動作を停止させる。
（ステップ３）ステップ２にて算出された位置Ｘ１に対し、垂直方向検出用センサ７ａ、７ｂと理想のアーム伸縮方向の基準位置との位置関係から得られる補正値βで以って補正することにより伸縮方向基準位置Ｘとしてコントローラ４３に記憶させる。
Ｚ＝Ｘ１＋β

以上により、カセット内の基板の径、垂直方向の間隔及び平面方向の位置は既知であるので、以上の各手順により決定された垂直方向基準位置Ｚから基板搬送ロボットの昇降軸の教示位置を自動的に生成することができ、また、伸縮方向基準位置Ｘから伸縮軸の教示位置を自動的に生成することができ、基板搬送ロボット４０は３つの軸がカセットステージすなわちカセット２０に対して正確にティーチングされる。
本発明のカセットステージでは、少なくとも３組の教示用センサをカセットステージに以上の構成によって備えているので、従来のように、ティーチングツールをロボットのエンドエフェクタに搭載する必要がない。

本発明実施例１のカセットステージ装置の正面図 図２の側面図に基板搬送ロボットが接近した図 図３における上面図 本発明実施例１のカセットステージ装置を備えた搬送システムの側面図 垂直方向ティーチング手順のフローチャート 旋回方向ティーチング手順のフローチャート 伸縮方向ティーチング手順のフローチャート 従来のカセットステージに対する搬送ロボットのティーチングを説明する図

符号の説明

１ ティーチングフレーム

７ａ 垂直方向検出用センサ
７ｂ 垂直方向検出用センサ
８ 垂直方向検出用センサの光軸
９ａ 水平方向検出用センサ
９ｂ 水平方向検出用センサ
９ｃ 水平方向検出用センサ
９ｄ 水平方向検出用センサ
１０ａ 水平方向検出用センサの光軸
１０ｂ 水平方向検出用センサの光軸
１１ 信号出力ケーブル
１２ センサアンプ

２０ カセット
２１ 蓋

３１ カセットステージ
３２ ステージ
３３ 矢印

４０ 基板搬送ロボット
４１ アーム
４２ エンドエフェクタ
４３ コントローラ

５０ カセット搬送ロボット
５１ 矢印

９０ ティーチング用ツール
９１ センサ
９２ ケーブル
９３ 上位コントローラ

Ｗ 基板

Claims (5)

1. 基板を収納するカセットを搭載し、前記カセットの蓋を開閉するカセットステージにおいて、
   前記カセットの正面側に、
   前記基板の平面に平行になるよう光軸が設定される第１のセンサと、
   前記基板の平面に垂直になるよう光軸が設定され、かつ前記カセットの正面の中心軸から均等に離間するよう前記光軸が設定される第２及び第３のセンサと、が備えられたことを特徴とするカセットステージ。
2. 前記第１乃至第３の全てのセンサが、矩形の枠形状をなすフレーム上に設けられ、前記フレームが前記カセットステージの本体に対して位置決めピンによって位置を決定されて固定されることを特徴とする請求項１記載のカセットステージ。
3. 請求項１又は２記載のカセットステージと、アームの旋回軸と昇降軸と伸縮軸とを少なくとも有する基板搬送ロボットと、を備える基板搬送装置において、
   前記基板搬送ロボットは、
   前記昇降軸を昇降させ、前記アーム先端のエンドエフェクタが前記第１のセンサの光軸を遮光したときの位置をもとに前記昇降軸の教示位置が決定され、
   前記旋回軸を一方向に回転させ、前記エンドエフェクタが前記第２のセンサの光軸を遮光したときの位置と、前記一方向とは逆に回転させ、前記エンドエフェクタが前記第３の光軸を遮光したときの位置と、から算出した前記カセット正面の中心位置が前記旋回軸の教示位置として決定され、
   前記昇降軸と前記旋回軸とを前記決定された教示位置まで移動させた後、前記伸縮軸を伸長させ、前記エンドエフェクタが前記第１のセンサの光軸を遮光した位置をもとに前記伸縮軸の教示位置が決定されること、を特徴とした基板搬送装置。
4. 前記伸縮軸の教示位置を決定する際、前記エンドエフェクタが前記第２又は第３のセンサの光軸を遮光した位置をもとに前記伸縮軸の教示位置が決定されることを特徴とした請求項３記載の基板搬送装置。
5. 請求項３又は４記載の基板搬送装置を備えたことを特徴とする半導体製造装置。

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