JP4090990B2 - 半導体または液晶ウエハー枚葉搬送及び移載システム - Google Patents
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Description
この発明は半導体製造または液晶製造工程において製造装置へのウエハーの供給回収を、通常25枚入りのカセットやFOUP(密閉ボックス)を使用して行われていたものを、クリーントンネルによって連結形態の移載設備、即ち、EFEM(Equipment Front End Module)を構成し、ウエハーを枚葉搬送移載することによって製造期間の短縮、仕掛在庫削減などの合理化をするものであり、特殊EFEM、ウエハーの搬送移載、ウエハーナンバーの読み取り方法などに開する。
背景技術
従来から半導体製造工場前処理工程におけるウエハーの搬送の取り扱いは25枚入りのカセットや第15図のFOUP(密閉ボックス)にウエハーを入れて、製造装置に供給、回収を行っていた。このためにカセットに入った25枚のウエハーの最初の1枚目は残りの24枚が処理されるまで、FOUP内などで待たねばならない。全てのウエハーはFOUP内の他のウエハーが処理されるまで待ち続けなければならなくなり、100台以上、500ステップ以上にも及ぶ半導体や液晶の全製造装置に処理待ちウエハーという仕掛品が発生する。この方法では処理されるまでの待ち時間と、それに伴う仕掛品が膨大になる。また製造装置にはFOUPからウエハーを取り出したり、装置での処理の後、再びウエハーを入れる機構が必要であった。また、このカセットやFOUPを自動搬送、自動保管するには、これらの寸法、重量に合わせた大きいスペースと高価な物流システムが必要であった。一方、生産効率向上のためにウエハー寸法は大口径化しており、カセットやFOUPの寸法と重量は高額投資を要するクリーンルーム工場建設経費増大要因の一つになっている。本発明はウエハーを極小クリーン域で枚葉連続搬送することによって、製造装置間をウエハー単体で結びつけるシステムであり、従来の技術の欠点を補い、枚葉製造の実現を具体化するものである。
半導体や液晶ウエハーは200mm径から300mm径に移行しており、300mmに対応する製造装置も200mm世代のバッチ処理方式から大半が枚葉処理方式に変わっており、製造装置と搬送の枚葉化によって、生産効率を上げることが業界の目標になっている。例えば、以前IBMはEAST FISHKILL工場でQTATという空気の圧力で半導体ウエハーを浮上させて搬送するシステムを発表したが、ウエハーを浮上させても強い空気流による静電気と搬送移載に難点があり、1時間当たり500枚から1000枚のウエハーの搬送が必要な実用ラインの仕様を満足させるものではないし、実稼動もしていない。また似たようなシステムとして、従来からコンベヤによりウエハーを装置間搬送する設備は存在していた。例えば、JP3−154751Aにはループ状のコンベヤとロボットによる移載に関する方法が示されている。しかし本方法はカセット単位でハンドリングするものであり、ロボットもカセットをグリップする方法で、しかも装置側にカセットを移載する際にはロボットに走行機能を持たせる必要がある。ウエハーを枚葉、単位で、しかもウエハーの端面のみを持って移載する本発明とは異なるものであり、カセットに一旦ストックすることを避けて、製造処理時間を短縮しようとするものではない。
また、ウエハーを従来技術によるベルトを使い装置間搬送する方法がある。例えば、US5820679AとJP7−122622Aに示されているが、コンベヤと装置の移載方法が明確ではないが、コンベヤはウエハーの底面をベルトで受けるものであって、ウエハーとベルトの擦れによる発塵があり、ウエハー製造に要求されるウエハー底面も極力接触してはならないとする最新の仕様を満足するものではない。更にこれらには半導体や液晶の生産に必要なクリーン域を極小にするという考えは示されていない。また、多数のEFEM間をクリーン域で接続して、ウエハーを枚葉で搬送することによって製造期間を早める連結形態のEFEMという概念も存在していなかった。製造装置間を最小のクリーン域で搬送することはクリーン工場の設備投資額とランニングコスト低減のためには極めて重要である。本発明は半導体製造または液晶製造において連結形態のEFEMにより、枚葉搬送を実現することによって生産時間の短縮(Quick Tum Around Time)と仕掛品及び完成品在庫低減を具現化するものである。
発明の開示
本発明の主要部である連結形態のEFEMは次の4つの構成要素から成り立っている。半導体及び液晶各製造装置の前にはロボット(2)、FOUP(12)、及びFOUPオープナー(14)からなる特殊EFEM(Equipment Front End Module)(10)と、これらの特殊EFEM(2)とクリーン域を共通にするクリーントンネル(1)と、クリーントンネル内でウエハー(16)を連続搬送する枚葉コンベヤ(15)と、半導体または液晶ウエハーをFOUPに詰替えする詰替えステーション(3)とである。(通常のEFEMは第14図参照)この4つの構成によりEFEM群を連結した形態とした連結形態のEFEMはFOUP(12)へのウエハー(16)の詰替えステーション(3)で連結形態のEFEM外部と接している。連結形態のEFEM内ではウエハー(16)を枚葉で搬送移載し、連結形態のEFEM外部ではウエハー(16)をFOUP(12)単位で搬送移載する。ウエハー(16)単位とFOUP(12)単位の接点であるウエハー詰替えステーション(3)でロボット(20)によってFOUP(12)内のウエハー(16)を枚葉にしたり、FOUP(12)に詰めたりするが、実空FOUP(12)を仮収納するバッファーステーション(4)に組み込まれており、バッファーステーション(4)は連結形態のEFEM間の搬送を行なう小バッチ搬送機(5)に繋がっている。
特殊EFEM(2)はウエハー移載用ロボット(20)と、バーコード、英数字の読み取り機器(25)と、自動運転用バッファーカセット(13)と、マニュアル運転用FOUP(12)及びFOUPオープナー(14)とを備え、クリーントンネル(1)でクリーン域を接続している。(第1図斜線部)
特殊EFEM(2)内ロボット(20)はウエハー(16)の外周縁部のみを保持する保持部(22)を備え、枚葉コンベヤ(15)と、製造装置(50−54)と、バッファーカセット(13)と、FOUP(12)との間の移載を行なう。
枚葉コンベヤ(15)はループ状の形状をして、コンベヤベルト(38)で駆動する連続走行式であり、LMガイドレール(36)上のブロック(37)には一定間隔でウエハー(16)を載せるフィンガー(23)を取り付けている。コンベヤベルト(38)は一定期間が経過すれば伸びが発生するので、LMガイドレール(36)の一部にコンベヤベルト(38)を張るためのテークアップ機構(17)と調整レール取替え箇所(18)を設けている。(第16図、第17図)コンベヤベルト(38)が延びた際には延びた寸法分を継ぎ足した調整用LMガイドに取り替える。枚葉コンベヤ(15)のフィンガー(23)にはウエハー(16)への接触を最小限にするための保持部(24)を取り付けて、ウエハー(16)の外周縁部のみを保持する。枚葉コンベヤ(15)の駆動に伴う発塵がクリーントンネル(1)内のクリーン度に影響しないように、枚葉コンベヤ(15)内部を負圧にするための排気ファン(31)を取り付けて、排気ダクト(32)に繋ぎ、エアーフィルターを介して空気を排出するクリーン対策をしたコンベヤである。
半導体または液晶工場の生産管理を司るコンピューターであるMES(Manufacturing Engineering System)が全ウエハーを間違いなくトラッキングすることは困難であるので、製造装置(50−54)にウエハー(16)を掛ける前、即ち特殊EFEM(2)内のロボット(20)が枚葉コンベヤ(15)からウエハー(16)を掬い取った時点で、ウエハーナンバーを読み取って、然るべきウエハーであることをMESに報告して、製造装置(50−54)によって決められた装置ステージ(19)の位置にウエハー(16)の向きを合わせて渡すことが最も望ましい。本仕様を満たすためにロボットハンド(21)はウエハー(16)の外周縁部を保持して、ロボットハンド(21)の移載動作中にウエハー(16)を回転させて、Vノッチやオリエンタルフラットを検出して停止させて、所定の位置を出してウエハー(16)の英数字やバーコードを読み取る機構を備える。
発明を実施するための最良の形態
本発明を詳細に説述するために、添付の図面に従ってこれを説明する。
第1図及び第2図は連結形態のEFEMとバッファーステーション(4)及び小バッチ搬送機(5)の関係を示すものであり、第3図及び第4図は特殊EFEM(2)を示すものである。半導体または液晶製造装置の前の特殊EFEM(2)は通常クリーン度クラス1のスーパークリーン域とクラス1000程度のクリーン域に属しており、クラス1の区域には移載ロボット(20)とバッファーカセット(13)が備わっている。クラス約1000の区域にはFOUP(12)が設けてあり、搬送系統に支障がある場合と、半導体または液晶製造装置での特別緊急処理のために作業者がFOUPを人手で搬送するためのものであり、通常の自動運転時に使用することはない。また、通常のEFEM(図14)は全てFOUP単位で処理されており、本発明の特殊EFEM(2)はバッファーカセット(13)とFOUP(12)の両方に対応する点で通常のEFEMと異なる。
特殊EFEM(2)とウエハー詰替えステーション(3)はクリーントンネル(1)と接続してクリーン度クラス1の区域を構成しており、装置ステージ(19)を含めてこのクリーン度クラス1の区域内でウエハー(16)は全て枚葉で搬送移載され、緊急処理の人手操作の場合を除いて、ウエハー(16)がFOUP(12)に詰替えられるのは、ウエハー詰替えステーション(3)を介する場合だけであり、ウエハー(16)のFOUP化、枚葉化が詰替えステーション(3)の一箇所であるところから、特殊EFEM(2)を接続した連結EFEMの形態を構成している。
プロセス管理用コンピューターの指示で小バッチ搬送機(5)によって搬送されてきたFOUP(12)はウエハー詰賛えステーション(3)でロボット(20)によって枚葉化されて、枚葉コンベヤ(15)に載せられるが、製造装置(50−54)と搬送のタイミングが合わない場合は一旦バッファーステーション(4)でストレージされ、管理用コンピューターの指示で製造装置(50−54)にとって都合の良い状態になればFOUP(12)はバッファーステーション(4)から詰替えステーション(3)に移され、枚葉化されて枚葉コンベヤ(15)で製造装置(50−54)に搬送される。枚葉コンベヤ(15)に載せられたウエハー(16)は所定の製造装置(50−54)前の特殊EFEM(2)内のロボット(20)によってバッファーカセット(13)に仮置きされるか、製造装置ステージ(19)に供給される。製造装置(50−54)で加工が終わったウエハー(16)はロボット(20)によって、枚葉コンベヤ(15)に載せられて次の装置(50−54)に搬送される。
連結形態のEFEMは半導体または液晶製造装置を10台以上と接続することになるので、枚葉コンベヤ(15)は時間当たり500から1000枚程度の搬送能力が必要となるが、本発明の枚葉コンベヤ(15)はフィンガーピッチ500mm、コンベヤ速度が10m/分の場合で、時間当たり1200枚の搬送が可能であり、更に能力を上げることもできる。
また、特殊EFEM(2)から詰替えステーション(3)に送られてきたウエハー(16)は詰替えステーション(3)でFOUP(12)にウエハー(16)を詰めて発送するタイミングを任意の小バッチに設定できる。例えば、決められた時間が経過するか、決められた枚数に達すればFOUP(12)の蓋を自動で閉めて小バッチ搬送機(5)で他の連結形態のEFEMに自動発送する。連結形態のEFEM内を枚葉搬送してウエハー処理の待ち時間をなくしても連結形態のEFEM間でバッチ搬送していれば、枚葉搬送の効果が削減されるので、小バッチにするための時間と枚数を設定して、小刻みな搬送を行なう。結果的に、連結形態のEFEM間を枚葉コンベヤで搬送すれば毎分10mから15mの速度の場合、150m長さの工場の場合で一周に20分から30分を要するが、小バッチ搬送機(5)は毎分150mの速度が出せるので一周の時間は2分で良く、連結形態のEFEM内の枚葉搬送の効果が削減されることはない。全体のフローは第18図に示す通りである。
第5図及び第6図は枚葉コンベヤ(15)によって搬送されてきたウエハー(16)が製造装置(50−54)に供給、回収される動作関係を示すものである。
枚葉コンベヤ(15)はループ状のコンベヤベルト(38)によってAの方向へ駆動する連続走行式コンベヤであり、枚葉コンベヤ(15)のフィンガー(23)の4つの保持部(24)に載せられたウエハー(16)が所定の製造装置(50−54)の前にさし掛かった時にロボットハンド(21)はAの方向へ進む枚葉コンベヤ(15)の走行速度に同期しながら、フィンガー(23)の下にもぐり込み、ロボットハンド(21)のB方向の速度とフィンガー(23)のA方向の速度を等速にして、ロボット本体(20)がCの方向に上昇することによってウエハー(16)をロボットハンド(21)上の4つの保持部(22)に載せる。ウエハー(16)をコンベヤに載せる時は空のフィンガー(23)が製造装置の所定の位置に来れば、ウエハー(16)を保持部(22)上に載せたロボットハンド(21)はAの方向に進むフィンガー(23)上を前記フィンガーに連動してBの方向に動き、AとBの動きを等速にしてロボットハンド(21)がDの方向へ下降することによって移載を行なう。
ウエハー(16)のVノッチまたはオリエンタルフラットの位置出しと、ウエハー(16)に刻印されたバーコードや英数字の読み取りは、従来ロボットの近くに設置した回転式ウエハー位置出し専用装置(アライナー)とナンバー読み取り装置とを介して行っていたが、ロボットハンド(21)に回転機構を組み込み、移し替えをなくして動作時間を短縮することができる。この場合は枚葉コンベヤ(15)からウエハー(16)を掬い取る時と、製造装置(50−54)の加工が終わって枚葉コンベヤ(15)に載せる時のいずれにおいても、ロボット(20)に搭載されたウハエーナンバー読取装置(25)はウエハー(16)に刻印された英数字やバーコードを読取ることができる。ウエハー(16)の位置出しと読み取りに際してはロボットハンド(21)に内臓されている回転機構を利用する。またウエハー(16)の移載はウエハー(16)に接触する面積が少なく、ウエハー(16)の欠けが最も少ない方法である枚葉コンベヤフィンガー(23)の保持部(24)とロボットハンドの保持部(22)を介して、ウエハー(16)の外周縁部を保持している。
第7図は第4図、第5図の連続走行式のコンベヤに対して、装置ステージ(19)の前で一旦コンベヤのフィンガー(23)を停止させる方法を示すものである。ファンガー(23)はパレット(28)に取り付けられ、駆動ローラー(29)によって走行する。パレット(28)が所定の位置に到達するとリフト式ストッパー(30)が上昇することによって、パレット(28)は停止する。停止と同時にロボットハンド(21)はウエハー(16)の下にもぐり込み、上昇することによってウエハー(16)を掬い取る。掬い取った時点でリフト式ストッパー(30)は下降するのでパレット(28)は駆動ローラー(29)の働きによって、再び走行する。フィンガー(23)上にウエハー(16)を置く場合もパレット(28)の動きは同様であり、ロボット(20)の動きは第4,5図の説明と同様である。このパレット停止方法はアキュームレーション機能付き駆動ローラーを使い、当て止め式ストッパーを働かせることによっても同様の機能が達成できる。ローラーコンベヤ本体(15’)外に塵がでないようにフィルター付き排気ファン(31)や排気ダクト(32)を取り付けることは連続運転タイプの枚葉コンベヤ(15)と共通である。
製造装置(50,51,52,53,54)の前で、ウエハー(16)のバーコードや英数字を読み取り、生産管理用コンピューター(MES)へ連絡するシステムの場合はロボットハンド(21)にウエハー(16)を回転させる機構を取り付ける。
第8図は枚葉ロボット(15)とウエハーナンバー読取装置、及びロボットハンド(21)の回転機構を示すものであり、ロボット(20)はウエハーを持ったままハンドの先端部の回転ハンド(33)を回転させるタイプである。第9図と第10図はロボットハンド(21)上のウエハー回転タイプであり、2種類あるが、同じ機能を有する。
第9図、第10図のタイプ1は走行する枚葉コンベヤ(15)のフィンガー(23)の速度に同期してロボットハンド(21)を動かせ、ロボットハンド(21)でウエハー(16)の外周縁部を回転駆動ローラー(40)とフリーローラー(41,42)の傾斜面部で受け、回転駆動ローラー(40)を回転させながらEの方向に移動させ、ウエハー(16)をフリーローラーの(41,42)垂直部と回転駆動ローラー(40)の垂直部の間に挟み込む。
第11図、第12図のタイプIIは4つのフリーローラー(41’、42’、43’、44’)でウエハー(16)の外周縁部を受け、回転駆動ローラー(40’)をEの方向に移動させウエハー(16)をはさみ込む。両タイプともローラー(40,41,42または40’、41’、42’、43’、44’)が回転しながら挟み込むことによって、ウエハー(16)は回転しながらローラーの傾斜部を登ることになるので、ウエハー(16)の擦れが防止できる。また、コンベヤフィンガー(23)とロボットハンドのローラー(40,41,42または40’、41’、42’、43’、44’)間の移載寸法誤差は1,3mm以内であり、回転駆動ローラー(40または40’)のE方向へのストロークも小さく、ウエハー(16)のVノッチなどの位置出しとバーコードや英数字の読み取り時間も3秒以内である。従来の位置出し専用アライナーを用いたウエハーの位置出しと、読み取りをすれば、20秒以上を要するので、処理時間短縮効果は極めて大きい。
第13図は搬送頻度が高く、単にウエハーを搬送だけすれば良い場合の仕様あり、ウエハー(16)を一枚単位で運んでいては間に合わない場合に、フィンガー(34)とロボットアーム(35)を複数搬送可能にしたものである。ウエハー(16)を縦方向に多段の保持部を有するコンベヤフィンガー(34)にウエハー(16)を2段、3段に同時に載せて搬送し、移載の際もロボットハンド(21)を縦方向に多段式にして移載することによって搬送能力が増える。ウエハー(16)を載せる多段式コンベヤフィンガー(34)と多段式ロボットハンド(35)を2段式にすれば2倍の搬送及び移載ができ、3段式にすれば3倍の能力向上になる。
産業上の利用可能性
以上のように本発明は従来カセットや密閉ボックスに入れて搬送していたウエハーを枚葉連続搬送に変えるものであり、連続ウエハーの供給、回収を可能とするものである。FOUPなどを使うバッチ処理の方法では、FOUP内の25枚の内の1枚目が処理されても残りの24枚の処理を待たねば次工程に送れず、500以上にも及ぶ前処理工程は極めて待ち時間の多いシステムであった。
本発明の枚葉搬送移載方式では処理した1枚のウエハーは直ちに次工程に送れる。この枚葉搬送移載の効果についての具体例は、従来のウエハー25枚単位のバッチ単位の搬送ではアレイ工程に25日間を要していたが、これを13枚単位のバッチ搬送に変えると13日に短縮されたことである。更にウエハーを人手ではあるが枚葉で搬送すると5、8日になったとの報告がなされている。ウエハーのアレイ工程の枚葉搬送化は究極の搬送方式と言われて久しいが量産工場で実現できる具体的なシステムが存在していなかった。従来のジョブショップ生産方式から、本発明によって半導体製造装置または液晶製造装置を製造のプロセスの順番にならべるというフローショップ生産方式に変えることによって(ソニー株式会社長崎工場では人手によるフローショップ生産方式が実現している。)本発明の連続形態のEFEM内をウエハーの枚葉搬送を行い、バッファーステーション間を枚葉搬送のコンセプトを継承する小バッチ搬送を行うことによって、ウエハーが完成するまでの前処理工程時間は大幅に短縮され製造仕掛品量と完成品仕掛量の低減と、搬送、保管のスペース低減による建設投資額削減に貢献する。
半導体のアレイ工程での製造日数は現在25日から30日程度を要しているが、前記のように枚葉で処理すれば5日から6日以内の製造日数で十分とされている。従来のバッチ方式に比べて1/5のTATと仕掛品で良くなるので、仕掛品の削減額はウエハー月産5000枚の比較的小さい規模の工場でも、数十億円になり、完成品在庫量の低減効果については100億円前後の規模になり、キャッシュフロー向上の効果は極めて大きい。図19は従来のバッチ方式による生産と枚葉方式による生産の生産日数による仕掛品の量とそれに伴う金額の差を試算したものである。工場の生産枚数やチップの販売単価、原価比率によって、数値は異なるが大局的な生産効率の差は明らかである。また従来のFOUPによる搬送は熱処理されたウエハーがFOUPに入れられた場合などにFOUP内の温度上昇によりFOUP自体から有機ガスが発生し、製品の歩留まりを悪くするとの報告がなされており、更に進展するウエハー加工の微細化のためにFOUP内に有機ガス除去装置を内臓する研究も進んでいるが、本発明はクリーントンネル内でのオープンエアー方式であり、有機ガス対策も不要である。本発明は単なる機械の効率敵な使用にとどまらず、半導体生産前処理工程全体の合理化を促すものであり、直ちに実現可能である。
【図面の簡単な説明】
第1図は連結形態のEFEMと周辺設備の関係を示す平面図である。
第2図は連結形態のEFEMの断面図である。
第3図は特殊EFEMの平面図である。
第4図は特殊EFEMの断面図である。
第5図は枚葉コンベヤとロボットの詳細平面図である。
第6図は枚葉コンベヤとロボットの詳細断面図である。
第7図はローラー式枚葉コンベヤと枚葉ロボットの詳細断面図である。
第8図はロボットのハンド部回転機構と読取り装置の側面図である。
第9図はウエハー回転機構タイプIの平面図である。
第10図はウエハー回転機構タイプIの断面図である。
第11図はウエハー回転機構タイプIIの平面図である。
第12図はウエハー回転機構タイプIIの断面図である。
第13図は複数枚のウエハー搬送、移載を行う多段式コンベヤと多段式枚葉ロボットの断面図である。
第14図はEFEMの平面図である。
第15図はFOUPである。
第16図は枚葉コンベヤの断面図である。
第17図は枚葉コンベヤのテークアップ部である。
第18図はフロー図である。
第19図は在庫金額計算である。
符号の説明
1 クリーントンネル
2 特殊EFEM
3 詰替えステーション
4 バッファーステーション
5 小バッチ搬送機
6 HEPAフィルター
11 EFEM
12 FOUP
13 バッファーカセット
14 FOUPオープナー
15 枚葉コンベヤ本体
15’ローラー式コンベヤ本体
16 ウエハー
17 テークアップ機構
18 調整レール取替え箇所
19 装置ステージ
20 ロボット本体
21 ロボットハンド
22 ロボットハンドのウエハー保持部
23 コンベヤのフィンガー
24 フィンガー上の保持部
25 ウエハーバーコード、英数字読取装置
26 読取装置のサポート
27 アームのベース部
28 パレット
29 駆動ローラー
30 リフト式ストッパー
31 排気ファン
32 排気ダクト
33 ハンド回転機構
34 タ段式コンベヤフィンガー
35 タ段式ロボットハンド
36 LMガイドレール
37 ブロック
38 コンベヤベルト
40、40’回転駆動ローラー
41、42、41’、42’、43’、44’フリーローラー
50、51、52、53、54製造装置
Claims (1)
- クリーントンネル内で、半導体または液晶ウエハーを枚葉毎に搬送すると共に、その駆動に伴う発塵がクリーントンネル内のクリーン度に影響しないように、排気ファンを介して排気ダクトを設けたループ状の枚葉コンベヤと、
前記クリーントンネルとクリーン域を共通するように連結され、且つ、前記枚葉コンベヤと製造装置間で、前記半導体または液晶ウエハーの移載を行う移載設備と、
前記クリーン域の内外にわたって、FOUPへの半導体またはウエハーの出し入れを行う詰替えステーションを備えた半導体または液晶ウエハー枚葉搬送及び移載システムであって、
前記移載設備はFOUPと、FOUPオープナーと、バッファーカセットと、前記半導体または液晶ウエハーの外周縁部を保持するハンドを持つロボットとを備え、前記ロボットは前記半導体または液晶ウエハーの外周縁部を保持するフィンガーを持ち、連続走行する前記枚葉コンベヤの走行速度に等速同期して、前記半導体または液晶ウエハーの移載を行うと共に、
前記半導体または液晶ウエハーのVノッチもしくはオリエンタルフラット合わせや、前記半導体または液晶ウエハーに刻印したバーコードや英数字を読み取る場合において、前記半導体または液晶ウエハーを持った前記ロボットハンドの一部を回転させる機構を備え、
前記回転機構は、前記ウエハーの外周縁部を回転駆動ローラーとフリーローラーの傾斜面部で受け、前記回転駆動ローラーを回転させながら移動させ、ウエハーをフリーローラーの垂直部と回転駆動ローラーの垂直部の間に挟み込むことを特徴とする半導体または液晶ウエハー枚葉搬送及び移載システム。
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