JP2011114253A - 真空チャック - Google Patents

Abstract

【課題】真空チャックに求められる吸着力で、吸着面の一部に載置される被吸着物を確実に吸着する真空チャックを提供する。
【解決手段】大気圧をＰ１、真空チャック１に求められる最小吸着力をＦｍｉｎとし、到達圧力がＰｕ、排気効率がＳｅの真空ポンプ５で背面側が吸引される吸着パッド２が、吸着パッドの単位表面積と該単位表面積内に露出する貫通孔の総開口面積との比である開口率ｎと、多数の貫通孔による吸着パッド全体のコンダクタンスＣが、

を満たす。（１）式を満たす真空チャック１は、被吸着物に覆われない吸着パッド２の一部から空気漏れがあっても、Ｆｍｉｎ以上の吸着力で被吸着物を確実に吸着保持する。
【選択図】図２

Description

本発明は、密閉された背面側を真空ポンプで減圧し、多数の貫通孔を介して吸着パッドの表面上に載置される被吸着物を吸着して位置決めする真空チャックに関し、更に詳しくは、吸着面の一部が被吸着物で覆われない場合であっても、被吸着物を吸着可能な真空チャックに関するものである。

被吸着物を吸引する吸着パッドの表面に対して背面側を真空ポンプで減圧し、表面と背面に連通する貫通孔を介して作業対象の被吸着物を吸引して保持する真空チャックでは、表面側の大気圧に対して背面側の背圧を真空に近い圧力に保つ必要がある。このような真空チャックは、被吸着物が吸着面である表面全体を覆わないと、貫通孔の一部が表面に開口し、貫通孔を通して外気が流入し、表面側と背面側との差圧が充分にとれないので、所定の吸着力が得られないという問題があった。

そこで、吸着パッドの表面側と背面側に連通する多数の貫通孔を細径として、貫通孔全体のコンダクタンスを低下させた真空チャックが特許文献１、特許文献２で知られている。この従来の真空チャックによれば、一部の貫通孔が被吸着物に覆われずに表面に開口しても、貫通孔を通して表面から背面側に流れる流量が制限され、表面側と背面側との差圧を一定に保つことができ、表面の一部に載置される被吸着物であっても所定の吸着力で表面上に位置決め保持することができる。

実公昭４３−１６１７５号公報

特許第２６９３７２０号公報

上述の従来の吸着パッドは、単に多数の貫通孔を細径として吸着パッドのコンダクタンスを低下させることに着目して背圧を一定に保つものであるが、被吸着物を吸着する所定の吸着力は、コンダクタンスを低下させるだけでは得られない。すなわち、被吸着物は、貫通孔の開口を覆う底面の鉛直方向で、下方（表面から背面方向）に働く大気圧と上方（背面から表面方向）に働く背圧との差圧によって吸着パッドの表面側に吸着されるもので、その吸着力は、被吸着物が覆う貫通孔の開口の総面積に差圧を乗じて得られる。

従って、単に吸着パッド全体のコンダクタンスを低下させるために貫通孔を小径としたり、貫通孔密度を低下させるだけでは、被吸着物が覆う貫通孔の開口の総面積も減少するので、真空チャックに求められる所定の吸着力が得られないという従来の真空チャックでは解決されていない課題が残されていた。

本発明は、このような従来の問題点を考慮してなされたものであり、真空チャックに求められる吸着力で、吸着面の一部に載置される被吸着物を確実に吸着する真空チャックを提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、請求項１に記載の真空チャックは、側面の全体が密閉され、表面側と背面側が略等密度に形成された多数の貫通孔によって連通する多孔性基板の吸着パッドを備え、密閉された背面側を真空ポンプで減圧し、表面上に載置される被吸着物を被吸着物で覆われる複数の貫通孔を介して吸着する真空チャックであって、大気圧をＰ１、被吸着物の保持に要する単位面積あたりの最小吸着力をＦｍｉｎとし、到達圧力がＰｕ、排気効率がＳｅの真空ポンプで背面側が吸引される吸着パッドは、吸着パッドの単位表面積と該単位表面積内に露出する貫通孔の総開口面積との比である開口率ｎと、多数の貫通孔による吸着パッド全体のコンダクタンスＣが、

を満たすことを特徴とする。

単位面積あたりの吸着力は、大気圧Ｐ１と背圧との差圧に、開口率ｎを乗じた値であり、差圧は、（Ｐ１−Ｐｕ）・Ｓｅ／（Ｓｅ＋Ｃ）で表される。従って、

を満たす吸着パッドの表面上に被吸着物を載置しない状態で、排気効率がＱである真空ポンプで吸引した際の吸着力は、被吸着物の保持に要する単位面積あたりの最小吸着力Ｆｍｉｎ以上となる。表面上に被吸着物を載置するとその大きさにかかわらず、吸着パッドのコンダクタンスＣが低下するので、ｎ・（Ｐ１−Ｐｕ）・Ｓｅ／（Ｓｅ＋Ｃ）から得られる吸着力は、最小吸着力Ｆｍｉｎ以下とならない。従って、吸着パッドの表面の一部が被吸着物によって覆われなくても、被吸着物は最小吸着力Ｆｍｉｎ以上の吸着力で保持される。

また、請求項２に記載の真空チャックは、吸着パッドの貫通孔の内径が、１μｍ乃至１０μｍであることを特徴とする。

（１）式から、開口率ｎはできるだけ大きく、吸着パッドのコンダクタンスＣは、できるだけ小さい値とするほど大きな吸着力が得られる。真空に近い分子流領域で、円筒孔のコンダクタンスは、その半径の３乗に比例し、大気圧の粘性領域では４乗に比例する一方、開口率ｎを決定する貫通孔の総開口面積は、各貫通孔が円筒形であるとすると、開口面積はその半径の二乗に比例する。従って、貫通孔の内径を、１μｍ乃至２０μｍの微小径とすることにより、所定の開口率ｎ以上としつつ、効率的に吸着パッド全体のコンダクタンスＣを小さくすることできる。

また、請求項３に記載の真空チャックは、吸着パッドが、開口率ｎが２０％以上の多孔質セラミック基板であることを特徴とする。

セラミック焼結により、微細な貫通孔を開口率ｎが２０％以上となる高密度で形成することできる。開口率ｎが２０％未満のセラミック基板では、貫通孔の一部が閉塞し、表裏面が連通しない部分が生じる。

請求項１の発明によれば、真空ポンプの吸引能力に応じて、（１）式を満たす開口率ｎとコンダクタンスＣの吸着パッドを用いることにより、確実に被吸着物の大きさにかかわらず吸着保持できる。

請求項２の発明によれば、コンダクタンスＣが低く、開口率ｎが高い吸着パッドが得られる。

請求項３の発明によれば、開口率ｎを２０％以上として微細な貫通孔を高密度で形成し、コンダクタンスＣの低い吸着パッドが得られる。また、セラミック基板とするので、比較的薄肉としても被吸着物を表面上に載置する所定の強度が得られる。

図１は、本発明の一実施の形態に係る真空チャック１を示す説明図である。 図２は、吸着パッド２へ被吸着物Ｗを載置して吸引している状態の真空チャック１を示す説明図である。

以下、本発明の一実施の形態に係る真空チャック１を図１と図２を用いて説明する。図に示すように、真空チャック１は、被吸着物をＷを吸着してその表面に保持する吸着パッド２と、吸着パッド２の全ての側面を密封し、吸着パッド２の背面側に外気と遮断した減圧室３を形成するチャック本体４と、減圧室３に連通する排気路から排気する真空ポンプ５と真空ポンプ５の排気効率Ｓｅを検出する為の単位時間あたりの排気量を検出する流量計６を備えているが、流量計６は、後述する条件を満たす好適な吸着パッド２を選定した後は、取り除いても良い。

吸着パッド２は、一辺が６０ｃｍの正方形状の多孔質セラミック基板で形成され、本実施の形態では、平均孔径が１０μｍの貫通孔が密接して形成され、気孔率ｎが３５％の吸着パッド２となっている。ここで、気孔率ｎとは、背面側と連通する貫通孔が吸着パッド２の平面に等密度で形成されているものとして、吸着パッド２表面の単位面積に対する単位面積内に開口する貫通孔の総開口面積の比率をいう。セラミック焼結技術を用いれば、平均孔径が１乃至２００μｍの範囲で、気孔率ｎを１０乃至６０％の範囲で多孔質セラミック基板を形成することができるが、気孔率ｎを２０％未満とすると、貫通孔の一部が閉塞し、算定した吸着力が得られない場合があり、また、６０％以上とすると、空隙が増加して強度が劣化し、破損する恐れがある。

このように構成された真空チャック１の減圧室３から到達圧力Ｐｕの真空ポンプ５で排気したときの減圧室３内の圧力（以下、背圧という）Ｐ２は、吸着パッド２の表面側の大気圧をＰ１、吸着パッド２全体のコンダクタンスをＣ、流量計６で計測される真空ポンプ５の排気効率をＳｅとすると、一般に、
Ｐ２＝（Ｐｕ＋Ｃ／Ｓｅ・Ｐ１）／（１＋Ｃ／Ｓｅ）・・・（２）式
で表される。

（２）式を用いて、大気圧Ｐ１と背圧Ｐ２との差圧ΔＰは、
ΔＰ＝Ｐ１−Ｐ２＝（Ｐ１−Ｐｕ）・Ｓｅ／（Ｓｅ＋Ｃ）・・・（３）式
となる。

一方、背圧がＰ２となっている吸着パッド２に、図２に示すように、被吸着物Ｗを載置すると、被吸着物Ｗにより覆われた貫通孔の開口において、鉛直方向に大気圧Ｐ１と背圧Ｐ２との差圧ΔＰを受けて吸着され、被吸着物Ｗは、被吸着物Ｗにより覆われた全ての貫通孔の開口面積の総和Ｓ２に差圧ΔＰを乗じた吸着力Ｆを受ける。

被吸着物Ｗの吸着パッド２表面への投影面積をＳ１とすれば、開口率ｎから上記総和Ｓ２は、Ｓ１・ｎであり、被吸着物Ｗの吸着力Ｆは、
Ｆ＝ｎＳ１・ΔＰ・・・（４）式
で表され、被吸着物Ｗの単位面積あたりの吸着力Ｆ’は、
Ｆ’＝Ｆ／Ｓ１＝ｎ・ΔＰ・・・（５）式
となる。

更に、（３）式と（５）式から、被吸着物Ｗの単位面積あたりの吸着力Ｆ’は、
Ｆ’＝ｎ・（Ｐ１−Ｐｕ）・Ｓｅ／（Ｓｅ＋Ｃ）・・・（６）式が得られる。
（６）式において、Ｐ１は、大気圧、Ｐｕは、真空ポンプ５の到達圧力として既知であり、Ｓｅは、図１に示す被吸着物Ｗを載置しない状態で単位時間中に流量計６で計測される流量を真空ポンプ５の排気効率として計測できるので、（６）式から、開口率ｎとコンダクタンスＣの吸着パッド２による最小の吸着力Ｆ’が得られる。

すなわち、吸着パッド２の表面上に被吸着物Ｗを載置しない状態から、図２に示すように被吸着物Ｗを載置して貫通孔の一部を覆うと、吸着パッド２のコンダクタンスＣが低下し、排気効率Ｓｅは、
Ｓｅ＝（Ｐ１−Ｐ２）／（Ｐ２−Ｐｕ）・Ｃ・・・（７）式
で得られるＳｅまで低下する。（７）式から算定されるＳｅの値に安定するまでの間、コンダクタンスＣが排気効率Ｓｅに先行して低下するので、（６）式中のＳｅ／（Ｓｅ＋Ｃ）は、少なくとも図１の状態より大きく、単位面積あたりの吸着力Ｆ’は上昇する。

従って、被吸着物Ｗの有無に関わらず、単位面積あたりの吸着力Ｆ’は、図１に示す状態で（６）式から算定される吸着力Ｆ’を下回ることはなく、この吸着力Ｆ’を、真空チャック１の被吸着物Ｗを吸着保持するために必要な最小吸着力Ｆｍｉｎとして、

を満たす開口率ｎとコンダクタンスＣの吸着パッド２を選定すれば、被吸着物Ｗの大きさにかかわらず、確実に最小吸着力Ｆｍｉｎ以上の吸着力で被吸着物Ｗを吸着可能な真空チャック１とすることができる。

（実施例）
吸着パッド２のコンダクタンスＣは、その表面側と背面側に既知の差圧ΔＰを加え状態での表面と背面間に流れる単位時間あたりの流量Ｑを計測し、Ｑ／ΔＰより算定できる。本実施の形態では、本実施の形態に係る発明に係る吸着パッド２と同材質の多孔性セラミック基板（Ｂ材という）と、比較する為従来の真空チャックに用いられている多孔性基板（Ａ材という）とを、それぞれ直径１０ｍｍの円形に切断した試験片の表裏に大気圧Ｐ１の１／１０の差圧（１１ｋＰａ）を加えて、それぞれの単位時間あたりの流量Ｑを計測した。

その結果、単位時間あたりの流量Ｑ（ＭＰａ＊ｍ^３／ｓ）は、Ａ材が０．９１３３＊１０^−３、Ｂ材が０．０４５８＊１０^−３であった。大気圧Ｐ１の差圧を加えた場合の各試験片のコンダクタンスＣは、Ａ材が９．１３３＊１０^−３（ＭＰａ・ｍ^３／ｓ）、Ｂ材が０．４５８＊１０^−３（ＭＰａ・ｍ^３／ｓ）であり、これより６０ｃｍ平方の吸着パッド２の大きさに換算した各コンダクタンスＣ（Ｌ／ｍｉｎ）は、Ａ材が１９７．４、Ｂ材が９．９となる。

真空に近く分子の平均自由行程が長く、貫通孔の内壁に衝突する分子流領域では、貫通孔が円筒形のパイプと仮定した各貫通孔のコンダクタンスｃは、ｋをボルツマン定数、ｍを分子質量、ｒをパイプの半径、Ｌをパイプの長さ、Ｔを温度として、
ｃ＝４／３・ｒ^３／Ｌ・（２π・ｋ・Ｔ／ｍ）^１／２・・・（８）式
で表され、半径ｒを小さい値とするほど、πｒ^２で表される開口面積に対して、ｒ^３に比例するコンダクタンスｃを低下させることができる。本実施の形態に係るＢ材による吸着パッド２は、貫通孔を１０μｍの微細孔で形成することによって、気孔率ｎが４５％であるＡ材に対して気孔率ｎが３５％とわずかに低下させるだけで、コンダクタンスＣを、Ａ材の約１／２０まで低下させている。

（１）式において、真空チャック１に求められる最小吸着力Ｆｍｉｎを３３ｋＰａ、すなわち大気圧Ｐ１の３／１０とし、真空ポンプ５の到達圧力Ｐｕをほぼ真空圧とすると、（１）式は、

に置き換えられる。

Ａ材のコンダクタンスＣは、１９７．４（Ｌ／ｍｉｎ）、気孔率ｎは０．４５であるので、それぞれ（９）式に代入すると、

となるが、被吸着物Ｗを載置しない吸着パッドが開放状態での排気効率Ｓｅは、３９４．８（Ｌ／ｍｉｎ）未満であるので、３３ｋＰａの最小吸着力Ｆｍｉｎが得られない。

一方、本実施の形態に係るＢ材のコンダクタンスＣは、９．９（Ｌ／ｍｉｎ）、気孔率ｎが０．３５であるので、それぞれ（９）式に代入すると、

となるが、被吸着物Ｗを載置しない図１の状態での排気効率Ｓｅは、５９．４（Ｌ／ｍｉｎ）以上であるので、被吸着物Ｗの大きさにかかわらず、最小吸着力Ｆｍｉｎ以上の吸着力で被吸着物Ｗを吸着保持できる。

上述の実施の形態では、吸着パッド２として、６０ｃｍ平方の多孔質セラミック基板で説明したが、（１）式の開口率ｎとコンダクタンスＣを満たす基板であれば、種々の材質、構造の基板を吸着パッドとすることができる。

また、吸着パッドの開口率ｎは、構造上多数の貫通孔を形成できれば、任意の値とすることができるが、吸着力の最大値が大気圧Ｐ１である関係から、真空チャック１に求められる最小吸着力Ｆｍｉｎの大気圧Ｐ１に対する比以下の開口率ｎとすることはできない。

本発明は、半導体、液晶、プリント配線基板などの製造装置や印刷機の作業工程で種々の大きさのワークを吸着パッドを変更せずに保持する真空チャックに適している。

１ 真空チャック
２ 吸着パッド
３ 減圧室
５ 真空ポンプ
６ 流量計

Claims (3)

1. 側面の全体が密閉され、表面側と背面側が略等密度に形成された多数の貫通孔によって連通する多孔性基板の吸着パッドを備え、密閉された背面側を真空ポンプで減圧し、表面上に載置される被吸着物を被吸着物で覆われる複数の貫通孔を介して吸着する真空チャックであって、
   大気圧をＰ１、被吸着物の保持に要する単位面積あたりの最低吸着力をＦｍｉｎとし、
   到達圧力がＰｕ、排気効率がＳｅの真空ポンプで背面側が吸引される吸着パッドは、
   吸着パッドの単位表面積と該単位表面積内に露出する貫通孔の総開口面積との比である開口率ｎと、多数の貫通孔による吸着パッド全体のコンダクタンスＣが、
   

   

   
   を満たすことを特徴とする真空チャック。
2. 吸着パッドの貫通孔の内径が、１μｍ乃至２０μｍであることを特徴とする請求項１に記載の真空チャック。
3. 吸着パッドが、開口率ｎが２０％以上の多孔質セラミック基板であることを特徴とする請求項１又は２に記載の真空チャック。

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