JP4333879B2 - 非接触吸着治具及び非接触チャック装置 - Google Patents

Description

本発明は、吸着対象物を非接触で運搬、保持および位置決めする装置に関するものである。

半導体チップの素材に用いられるウエハは、その製造段階において次工程や同一工程内において多数の移動を必要とする。近年の半導体製品の多様化によるウエハ径の大型化やウエハ厚の薄型化はそのようなウエハ移動工程においてウエハを機械的にチャッキングもしくは吸着させることを困難にしている。つまり、機械的なチャッキングや吸着はウエハに歪の発生や塵の付着を引き起こしやすく、大型かつ薄型のウエハの運搬方式として必ずしも適しているとはいえない。

そのため、近年、機械的なチャッキングおよび吸着ではなく、非接触式のチャック装置が実用化されつつある。例えば、特許文献１には、負圧を利用してウエハを吸着させる装置が開示されている。かかる装置では、チャックに円形の凹部を形成し、その凹部内周面に空気の噴出孔を設ける。そして、空気を円周方向に沿って吐出させ、旋回流が引き起こす負圧を利用してウエハを非接触状態で吸着させていた。
特開２００２−６４１３０号公報

しかしながら、上述した従来の非接触式チャック装置では、負圧を利用して被運搬物を保持しているため、運搬すべきウエハの重量が大きい場合には、空気の流量を増加させずに運搬する事が困難であった。その一方で、空気の流量を増加させると、静電気の発生により半導体デバイス不良率が著しく高くなり、製造コストが高くなってしまう問題が生じる。

また、負圧を用いて吸着する場合、ウエハの重心がチャック中心からずれているとウエハが回転してしまい、ウエハを正確に位置決めできなくなるということがある。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、空気流量に対して効率よく負圧を発生させることができる非接触吸着治具及び非接触チャック装置を提供することである。

上述した課題を解決するため、本発明は、吸着対象物を非接触状態で保持する非接触吸着治具であって、吸着面に開口する円柱状の凹部と、該凹部に流体を噴射する流体通路とを有し、前記流体通路の幅Ｈと前記凹部の半径Ｒとは、０．１≦Ｈ／Ｒ≦０．５を満たすように設定されており、前記流体通路の軸心ＣＬは前記凹部の径線Ｄと直交するように設けられており、軸心ＣＬ及び径線Ｄの交点Ｐに関する、該凹部の中心Ｏを原点とする座標Ｓは、０．２５Ｒ≦Ｓ≦０．８０Ｒを満たすように設定されている、ことを特徴とする。好適には、前記座標Ｓ＝０．５Ｒである。

また、本発明は、同課題を解決するための非接触チャック装置も提供する。

本発明に係る非接触チャック装置は、少なくとも３つの非接触吸着治具と、前記非接触吸着治具毎に流体の噴射流量を制御する流量個別制御手段とを備え、それら非接触吸着治具は、上述した構成を備える。

本発明に係る非接触チャック装置によれば、空気流量に対して効率よく負圧を発生させることができるため、静電気による不良デバイス発生率を著しく抑制することができ、且つ、従来よりも省エネ化、小型化を図ることができる。

同様に、本発明に係る非接触チャック装置によれば、空気流量に対して効率よく負圧を発生させることができるため、静電気による不良デバイス発生率を著しく抑制しながら、ウエハの回転および位置を制御することができる。さらに、一つ一つの非接触吸着治具が従来よりも省エネ化、小型化できるため、非接触チャック装置全体として大幅に省エネ化、小型化を達成することができる。

なお、本発明の他の特徴及びそれによる作用効果は、添付図面を参照し、実施の形態によって更に詳しく説明する。

以下、本発明に係る実施の形態について添付図面に基づいて説明する。なお、図中、同一符号は同一又は対応部分を示すものとする。

図１は、本実施の形態に係る非接触吸着治具の下方からの斜視図であり、図２及び図３はそれぞれ、図１及び図２のＩＩ−ＩＩ線及びＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。非接触吸着治具１は、中央に凹部３を備えた有底円筒状部材により構成されている。凹部３は、円柱状に形成されており、非接触吸着治具１の下面（吸着面）１ａに開口している。

非接触吸着治具１には吸着面とほぼ平行に延長する一対の流体通路５が形成されている。一対の流体通路５は、矩形の流路を有している。さらに、一対の流体通路５は、相互に軸心ＣＬが平行関係に設けられており、それぞれ軸心ＣＬが凹部３（非接触吸着治具１）の径線Ｄと直交している。

一対の流体通路５の流体導入孔７はそれぞれ、非接触吸着治具１の外周面に開口している。また、流体通路５の流体流入孔９はそれぞれ、凹部３を画定する非接触吸着治具１の内周面に開口している。

流体通路５はそれぞれ、その軸心ＣＬに亘って流路面積が一定な通路である。流体通路５における流路の幅Ｈは、凹部３の半径を符号Ｒとするとき、０．１≦Ｈ／Ｒ≦０．５の条件式を満たすように設定されている。

さらに、図４をもとに流体通路５の形成位置について説明する。図４に示されるように、凹部３（非接触吸着治具１）の中心Ｏを原点として相互に直行するようにＸ軸及びＹ軸をとる。また、Ｙ軸は、流体通路５の軸心ＣＬと平行となるようにとり、Ｘ軸は、軸心ＣＬと直交するようにとる。

このような座標において、流体通路５の軸心ＣＬとＸ軸とが交差する点Ｐの位置は、そのＸ座標を符号Ｓとしたとき、０．２５Ｒ≦Ｓ≦０．８０Ｒの条件式を満たすように設定されている。

次に、以上のような構成を有する非接触吸着治具の作用について説明する。図５において矢印１１で示されるように、所定の空気供給装置から流体導入孔７へ空気が供給されると、その空気は流体通路５を介して流体流入孔９から凹部３に噴出される。凹部３内においては、上記のような条件・構成で設けられた一対の流体通路５から空気が噴射されることで、交互に強められ同一方向に旋回する旋回流１３が生じる。かかる旋回流１３によって凹部３内にはエゼクタ効果に基づく負圧が発生し、図５に示されるように、非接触吸着治具１の下面１ａにウエハ（吸着対象物）１５が吸引され保持される。

さらに、凹部３内の旋回流１３は、非接触吸着治具１の平坦状且つ環状の下面１ａと、それに対向するウエハ１５の上面との間から高速の噴流１７となって流出するので、ベルヌーイ効果によって非接触吸着治具１の下面１ａとウエハ１５の間は負圧になる。

エゼクタ効果やベルヌーイ効果により凹部３内や非接触吸着治具１の下面１ａとウエハ１５との間が負圧になると、ウエハ１５は相対的に高圧となる周囲の大気圧に押されて非接触吸着治具１の下面１ａ側に吸引され、それと同時に、その非接触吸着治具１の下面１ａとウエハ１５の間に介在する空気の圧力により反発力を受け、それらのバランスによってウエハ１５は非接触吸着治具１の下面１ａと微細な間隔をもって対向した状態で、すなわち非接触状態で保持される。

ここで、従来であれば、運搬すべきウエハの重量が大きい場合には、空気の流量を増加せざるを得ない一方、空気の流量を増加させると、静電気の発生により半導体デバイス不良率が著しく高くなり、製造コストが高くなってしまう問題があった。しかしながら、本発明においては、以下に説明するように空気流量に対して効率よく負圧を発生させることで上記問題を解決している。

図６に、吸着力を一定にしたときの本発明の比Ｈ／Ｒと不良率との関係を示す。Ｈ／Ｒが０．１未満のときは吸着力を保持するために空気の流量を上げなくてはならず、それにより静電気が発生するために不良率が上がる。不良品発生率はＨ／Ｒが０．３付近のときに最小値を示す。逆に、Ｈ／Ｒが０．５を超える場合は、凹部３で旋回流がきれいに整流されず、０．１未満のときと同様に空気の流量を上げることとなり、不良率が上がる。

大型ウエハの運搬における半導体デバイス不良率が３％を超えると、同じ径のウエハを一般的な接触型チャックで運搬したときよりも不良発生率が大きくなってしまい、非接触型チャックの優位性が保てなくなる。

つまり、大型ウエハ運搬において半導体デバイスの不良率を接触型チャックと同じもしくはそれ以下にしたまま、非接触チャックの非接触であることの優位性を保つためには０．１≦Ｈ／Ｒ≦０．５という条件を満たさなくてはいけない。

本出願人の鋭意検討によれば、不良発生率は負圧比に関連していることが分かった。図７に、図６と同条件で得られた負圧比と比Ｈ／Ｒとの関係を示す。ウエハ１５に作用する負圧はＨ／Ｒの値が０．３付近にあるとき最も大きくなる。つまり、前述のように、Ｈ／Ｒの関係は旋回流の流れに影響を与え、Ｈ／Ｒの値を調整することでウエハを吸着させるための空気量を減少させることができ、ウエハへの静電気発生抑制による不良率の低下だけでなく、装置の小型化および省エネ化を達成することができる。これは、換言するならば、図７において負圧比が０．６に達しない場合には、大型ウエハの運搬における半導体デバイス不良率が３％を超え、前述した従来の問題を解消することが困難になることを意味する。

さらに、上記の比Ｈ／Ｒ＝０．３で固定したときの、点Ｐの位置とデバイス不良発生率との関係を図８に示す。図８から分かるように、ウエハの不良発生率は点Ｐの位置が、凹部３の中心と径上の点の中間地点にあるとき、つまりＸ座標Ｓが０．５Ｒの位置にあるときに最も小さくなる。つまり、径と質量が同じウエハであれば、点Ｐの位置をＲ／２付近にすることによりウエハを吸着させるための空気流量を減少させることができ、ウエハへの静電気発生による不良を抑制できる。

また、半導体デバイス不良率が３％を超えないためには、流体通路５に関する点Ｐの位置は、Ｘ座標Ｓが少なくとも０．２５Ｒ≦Ｓ≦０．８０Ｒである条件式を満たすように設定する必要がある。

さらに、Ｘ座標Ｓが少なくとも０．２５Ｒ≦Ｓ≦０．８０Ｒである場合、半導体デバイス不良率が３％を超えないことは、図４に示す点Ｐの位置と負圧比との関係によっても現れている。すなわち、図４において、点Ｐの位置が凹部３の中心から０．５Ｒまでは外周方向に向かうほど大きくなり、０．５Ｒ以降は外周へ向かうほど小さくなる。そして、Ｘ座標Ｓが少なくとも０．２５Ｒ≦Ｓ≦０．８０Ｒである場合には、常に負圧比０．６以上の状態を維持している。すなわち、図６及び図７の双方の結果からも分かるように、０．２５Ｒ≦Ｓ≦０．８０Ｒである場合には、負圧比が０．６以上であり半導体デバイス不良率が３％以下であることが理解できる。これに対して、前述した特許文献１に記載の構成では、流体通路が凹部の外周にほぼ接するような位置にあり、本願の負圧スケールでいうと負圧比０．６を割り込むこととなり、大型のウエハを非接触吸着するための十分な負圧を得られない。

このように、比Ｈ／Ｒの調整によって著しく減少できる不良品発生率は、点ＰのＸ座標Ｓによっても調整することができ、点Ｐの位置も非接触という利点を持ちながら接触型チャックの不良品発生率をより低い値にできるかどうかを決める重要な因子である。

以上のように、本実施の形態では、流体通路５に関する比Ｈ／Ｒ及び座標Ｓを特定の条件にすることによって、ウエハ１５を従来よりも少ない空気流量で保持することができるため、静電気による不良デバイス発生率を著しく抑制できる。また、従来の非接触運搬装置に比べてチャック装置の省エネ化、小型化が達成できる。

次に、本発明を、非接触チャック装置として実施した場合の実施の形態について図９に基づいて説明する。非接触チャック装置１０１は、図中一点鎖線で示すように、ウエハ１１５を吸着して支持し、また、ウエハを並進運動や回転運動させることで位置決めする。

本実施の形態に係る非接触チャック装置１０１は、空気供給源１２１、空気切替え制御弁１２３、空気流量を制御する流量制御回路１２５及び非接触吸着板１２７を備えている。非接触吸着板１２７には、上述した実施の形態に係る非接触吸着治具１が４つ設けられている。非接触吸着板１２７は平面視四角形状に構成されており、非接触吸着治具１はそれぞれ非接触吸着板１２７の対応する角部に配置されている。空気切替え制御弁１２３及び流量制御回路１２５は、非接触吸着治具１毎に空気（流体）の流量を制御することができる流量個別制御手段として機能する。

続いて、非接触チャック装置１０１の作用について説明する。空気供給源１２１から空気切替え制御弁１２３を通じて非接触吸着板１２７に供給された空気は、４つの非接触吸着治具１から放出されてウエハ１１５との間に負圧を生じ、ウエハ１１５を吸着する。このとき、非接触吸着板１２７に設置されている非接触吸着治具１の少なくとも１つの空気供給をＯＦＦあるいは流量を変える事でウエハ１１５を僅かに傾かせ、ウエハ１１５における静止釣合状態を崩すことにより、ウエハ１１５を非接触吸着板１２に沿って並進的に移動させることができる。また、そのような制御を行う対象となる非接触吸着治具１をローテーションさせることによって、ウエハ１１５を回転的に移動させ、ウエハ１１５の角度位置決めもすることができる。

このように、本実施の形態では、複数の非接触吸着治具１に空気切替え制御弁および制御回路を設けるだけで、ウエハの回転および位置を制御することができ、従来の非接触チャック装置にない特徴を持っている。さらに、空気流量に対して効率よく負圧を発生させることができるため、静電気による不良デバイス発生率を著しく抑制しながら、ウエハの回転および位置を制御することができる。さらに、一つ一つの非接触吸着治具１が従来よりも省エネ化、小型化できるため、非接触チャック装置１０１全体として大幅に省エネ化、小型化を達成することができる。また、非接触状態でウエハを回転および位置決めさせることができるため、発塵や振動をほとんど発生させないでウエハを所望の位置に設置することができる。

以上、好ましい実施の形態を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種々の改変態様を採り得ることは自明である。

例えば、非接触吸着治具に設けられた流体通路の流路形状は、矩形に限らず円形状や多角形状などであってもよい。また、１つの非接触吸着治具に形成される流体通路の数は、１つであってもよく、あるいは、３つ以上であってもよい。また、非接触チャック装置において設けられる非接触吸着治具は、４つに限定されず、少なくとも３つ以上であれば適宜改変することができる。さらに、非接触吸着治具の凹部内に噴射される流体は空気に限定されるものではない。

本発明の実施の形態に係る非接触吸着治具の下方からの斜視図である。 図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。 図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。 比Ｈ／Ｒ＝０．３における流体通路の形成位置、及びそれと負圧比との関係を示す図である。 非接触吸着治具によるウエハの吸着状態を示す図である。 吸着力を一定として、Ｓ＝０．５Ｒにおける流体通路に関する比Ｈ／Ｒと不良率との関係を示す図である。 Ｓ＝０．５Ｒにおける流体通路に関する比Ｈ／Ｒと負圧比との関係を示す図である。 吸着力を一定として、比Ｈ／Ｒ＝０．３における流体通路の形成位置と不良率との関係を示す図である。 本発明の実施の形態に係る非接触チャック装置の構成を示す図である。

符号の説明

１ 非接触吸着治具
３ 凹部
５ 流体通路
１５、１１５ ウエハ（吸着対象物）
１０１ 非接触チャック装置
１２３ 空気切替え制御弁（流量個別制御手段）
１２５ 流量制御回路（流量個別制御手段）

Claims (3)

1. 吸着対象物を非接触状態で保持する非接触吸着治具であって、
   吸着面に開口する円柱状の凹部と、該凹部に流体を噴射する流体通路とを有し、
   前記流体通路の幅Ｈと前記凹部の半径Ｒとは、
   ０．１≦Ｈ／Ｒ≦０．５を満たすように設定されており、
   前記流体通路の軸心ＣＬは前記凹部の径線Ｄと直交するように設けられており、軸心ＣＬ及び径線Ｄの交点Ｐに関する、該凹部の中心Ｏを原点とする座標Ｓは、
   ０．２５Ｒ≦Ｓ≦０．８０Ｒを満たすように設定されている、
   ことを特徴とする非接触吸着治具。
2. 前記座標Ｓ＝０．５Ｒであることを特徴とする請求項１に記載の非接触吸着治具。
3. 請求項１又は２に記載の非接触吸着治具を少なくとも３つ備え、
   前記非接触吸着治具毎に流体の噴射流量を制御する流量個別制御手段を備えた、
   ことを特徴とする非接触チャック装置。

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