(57)【要約】位置合わせマーク（３）を有するウェーハ（１）を保持し配向させる装置（７）であって、可動ロボットアーム（１９）及びそのロボットアームの一端に取り付けられたエンドエフェクタ（２０）を備えてなり、そして該エンドエフェクタ（２０）が、作動中ウェーハを保持してウェーハの面に垂直な軸線を中心にして回転させる把持機構（２１ａ、２１ｂ、２１ｃ）及び該把持機構（２１ａ、２１ｂ、２１ｃ）がウェーハを回転させて感知要素（２１）を通過させるとき、ウェーハ（１）の位置合わせマーク（３）を検出する感知要素（２１）を備えている装置（７）。
2004502312.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
位置合わせマークを有するウェーハを保持し配向させる装置であって、
可動ロボットアーム、及び
そのロボットアームの一端に取り付けられたエンドエフェクタを備えてなり、
前記エンドエフェクタが、作動中ウェーハを保持してウェーハの面に垂直な軸線を中心にして回転させる把持機構、及び該把持機構がウェーハを回転させて感知要素を通過させるとき、ウェーハの位置合わせマークを検出する感知要素を備えている装置。
【請求項２】
把持機構が、第一接触部材、第二接触部材、及び制御信号に応答して第一接触部材と第二接触部材の間の間隔を増減する駆動要素を備えている請求項１に記載の装置。
【請求項３】
第一接触部材と第二接触部材が、ウェーハの向かい合った端縁を把持するように配置されている請求項２に記載の装置。
【請求項４】
第一接触部材が第一ローラ要素を備えている請求項２に記載の装置。
【請求項５】
第二接触部材が、互いに間隔をおいて隔てられた第二と第三のローラ要素を備えている請求項３に記載の装置。
【請求項６】
把持機構が、第一ローラ要素に連結されてその第一ローラ要素を第二と第三のローラ要素の方へ及びこれら要素から離して移動させる機械アクチュエータを備えている請求項５に記載の装置。
【請求項７】
該第一ローラ要素が円筒形外面を有し、その外面に円周方向の溝が形成されている請求項５に記載の装置。
【請求項８】
第一、第二及び第三のローラ要素が、共通面内に配置されて平行な回転軸線を有する請求項５に記載の装置。
【請求項９】
把持機構がさらに、第一ローラ要素を回転させる駆動モータを備えている請求項３に記載の装置。
【請求項１０】
感知要素が発光器及び光検出器を備えている請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
ウェーハが把持機構によって把持されているとき、発光器と光検出器がウェーハの両面側に位置するように配置されている請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
ウェーハが回転しているとき、ウェーハの外周のマークを検出することによって、センサが配向を感知する請求項１４に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
技術分野
本発明は、材料を加工する際、例えば半導体ウェーハを加工する際に使用できるロボットハンドラー用のエンドエフェクタに関する。
【０００２】
背景
ロボットハンドラーは、材料例えば半導体ウェーハを、ウェーハ製作工程の異なるステージ間を移動させるために一般に使用されている。例えば、ロボットハンドラーは、ウェーハを、クラスタツールのプラズマエッチステーションから堆積ステーションへ、又は製作ステーションから試験ステーションへ移動させるのに使用することができる。ウェーハ製作工程のいくつかのステージでは、ロボットハンドラーによって送達されるウェーハは、配向が分かっていなければならない。例えばステージがマスキングプロセスを含んでいれば、そのマスクは、ウェーハ上に予め形成されたパターンと位置が合っていなければならないので、ウェーハの配向は重要である。適切な位置合わせを達成するため、ロボットハンドラーは一般に、ウェーハを前位置合わせステーション（ｐｒｅ−ａｌｉｇｎｉｎｇ ｓｔａｔｉｏｎ）と呼ばれているものに移動させる。そのステーションでそのウェーハに堆積を行った後、前位置合わせ器（ｐｒｅ−ａｌｉｇｎｅｒ）がウェーハを定置し、次にウェーハを回転させて予め定められた配向にする。次いで、ロボットハンドラーは、その配向させたウェーハを取り上げて次の加工ステージへ移動させる。
【０００３】
典型的なロボットハンドラーはエンドエフェクタとロボットアームを備えている。そのエンドエフェクタは、ウェーハを保持するロボットハンドラーの部品である。そのロボットアームは、保持しているエンドエフェクタやウェーハを所望の位置に移動させるのに使われる機械機構を備えている。
【０００４】
要約
一般に、一面において、本発明は、位置合わせマーク（ａｌｉｇｎｍｅｎｔ ｆｅａｔｕｒｅ）を有するウェーハを保持し配向させる装置である。この装置は可動ロボットアーム及びそのロボットアームの末端に取り付けられたエンドエフェクタを備えている。そのエンドエフェクタは、作動中、ウェーハを保持しウェーハの面に垂直の軸線を中心にして回転させる把持機構、及びその把持機構がウェーハを回転させて感知素子を通りすぎさせるとき、ウェーハの位置合わせマークを検出する感知素子を備えている。
【０００５】
本発明の他の実施態様は、１又は２以上の下記特徴をもっている。該把持機構は、第一接触部材、第二接触部材、及び第一と第二の接触部材の間の間隔を制御信号に応答して増減する駆動要素を備えている。第一と第二の接触部材は、ウェーハの向かい合った端縁を把持するように配置されている。第一接触部材は、第一ローラ要素を有し、そして第二接触部材は互いに間隔をおいて隔てられた第二ローラ要素と第三ローラ要素を備えている。また、該把持機構は、該第一ローラ要素に連結されて、該第一ローラ要素を、該第二ローラ要素と第三ローラ要素の方へ及びこれら要素からはなして移動させる機械式アクチュエータも備えている。第一ローラ要素は円筒形の外面を有し、その外面には円周方向に溝が形成されている。第一、第二及び第三のローラ要素は、共通面内に配列されかつ平行な回転軸線を有している。把持機構はさらに、第一ローラ要素を回転させる駆動モータを備えている。
【０００６】
また、他の実施態様は下記の追加の特徴ももっている。該感知要素は発光器と光検出器を備えている。その発光器と光検出器は、ウェーハが該把持機構によって保持されているとき、ウェーハの両面側に位置するように配置されている。ウェーハが回転しているとき、センサがウェーハの外周のマークを検出することによって配向を感知する。
【０００７】
本発明は１又は２以上の下記利点を有している。該エンドエフェクタによって使用者は、ウェーハを別の前位置合わせ器に移送することなしに、ウェーハの位置合わせを行うことができる。これによって、他の方法ではウェーハを前位置合わせ器からエンドエフェクタに移送することから起こりかねない位置合わせ精度の低下がなくなる。また、これによって、前位置合わせ器との追加の接触から起こりかねないウェーハの汚染を減らすか又はなくす傾向がある。ウェーハをロボットアームから前位置合わせ器に移送しそして元に戻すことをなくすと、時間が節約されて、加工処理量が増大する。
【０００８】
本発明の１又は２以上の実施態様の詳細を、添付図面と下記説明で説明する。本発明の他の特徴及び利点は、下記説明と図面及び特許請求の範囲から明らかになるであろう。なお、各種図面の同じ参照記号は同じ要素を示す。
【０００９】
詳細な説明
図１Ａと１Ｂを参照して説明するが、ウェーハ１を動かすロボットハンドラー７は、二つの主要要素すなわちロボットアーム１９及びそのロボットアーム１９の一末端に取り付けられたエンドエフェクタ２０を有している。エンドエフェクタ２０は、ウェーハ１とロボットアーム１９を把持し保持するのに使用され、ロボットアーム１９はこれらの図には示していない各種のモータや機械機構を備えて、エンドエフェクタ２０及びエンドエフェクタが保持して把持するウェーハを動かす。
【００１０】
ウェーハ１は一般に、半導体材料例えばシリコン製の円形ディスクである。ウェーハ１は、一般に、厚さが均一で、その円周上の一つの位置に位置合わせマーク３をもっている。位置合わせマーク３は、一般にフラットな部分か又は図１Ａに図示されているようなＶ形ノッチである。その位置合わせマークは、ウェーハを既知の配向に位置合わせするのに使用できる基準として役立つ。以下により詳細に述べるように、エンドエフェクタ２０は、ウェーハ１がそのエンドエフェクタに保持されているときにそのウェーハ１を回転させる駆動機構を備え、そして該位置合わせマークを検出してウェーハ１の配向を確認し達成するセンサ回路系をもっている。
【００１１】
記載する実施態様では、該駆動機構が二つのアイドルローラ２１ａと２１ｂ及び駆動ローラ２１ｃを備えている。アイドルローラ２１ａと２１ｂは、対応する支持ロッド５０ａと５０ｂの遠隔末端に取り付けられている。ローラ２１ａと２１ｂは、自由に回転するように、対応する支持ピンの軸受（図示せず）によって支持されている。図３を見ると、駆動ローラ２１ｃが駆動ローラハウジング２６ａ上に取り付けられている。より具体的に述べると、駆動ローラ２１ｃは、該ハウジング内の軸受によってそれ自体が支持されているシャフトに取り付けられている。二つのアイドルローラ２１ａと２１ｂ及び駆動ローラ２１ｃは、共通の面内に配列されかつ平行の回転軸線を有している。
【００１２】
図３と４を見ると、駆動ローラハウジング２６ａは一方の末端でピン２６ｂを中心にして回転する。把持アクチュエータシリンダ２９（例えばリニアモータ又は油圧作動式装置）がシャフト２７を備え、そのシャフト２７は、制御信号に応答してシリンダ２９の内外を移動する。アクチュエータシャフト２７の遠隔末端はピン２５によってハウジング２６ａに接続されている。したがって、制御信号に応答してアクチュエータ２４のシャフト２７が内外に移動すると、ハウジング２６ａをピン２６ｂを中心にして回転させ、順に駆動ローラ２１ｃを、二つのアイドルローラ２１ａと２１ｂの方へ及びこれらアイドルローラから離して移動させる。
【００１３】
アクチュエータのシャフト２７がシリンダ２９中に引っ込むと、駆動ローラ２１ｃ及び他の二つのアイドルローラ２１ａと２１ｂの間の間隔はウェーハ１を受け入れるのに充分に大きくなる。ウェーハが三つのローラ２１ａ〜２１ｃによって規定される領域内に一旦配置されると、アクチュエータシャフト２７がシリンダ２９から延出して、三つのローラがすべてウェーハ１の外周縁に接触してウェーハ１を保持するまで、駆動ローラ２１ｃを残りの二つのローラの方へ押す。ローラ２１ａ〜２１ｃは、互いに充分に離れた位置でウェーハ１の周縁に接触するように配置されているので、ウェーハは容易に摺動してこれらローラに把持され、ローラにしっかり保持される。
【００１４】
ローラ２１ａの構造を図２により詳細に示す。残りの二つのローラ２１ｂと２１ｃは同様に構成されている。ローラ２１ａは実質的に円筒形の外側リム２６を有し、その外周に位置決め溝４１が形成されている。ローラ２１ａのリムがウェーハの周縁に接触すると、位置決め溝４１がウェーハの端縁を受け入れて保持し、ウェーハが、該ローラの上又は下に滑り出るのを防ぐ。三つのローラ２１ａ〜２１ｃがすべて同じ位置決め溝をもっているので、これらローラがウェーハの周縁に接触して、ウェーハがこれら三つのローラの対応する位置決め溝内に着座すると、ウェーハの面は固定され、正確に決定される。これらローラの外表面は、ウェーハを汚染しないプラスチック製である。
【００１５】
図４に一層明瞭に示されているように、駆動ローラ２１ｃを回転させる機構は、駆動ハウジング２６ａに取り付けられた駆動モータ３０を備えている。駆動モータ３０は駆動シャフト６１を有するサーボ制御モータであり、そのシャフト６１はハウジング２６ａを貫通して下へ延びている。ハウジング２６ａの下方のシャフト６１の他方の末端に駆動モータプーリ３１が取り付けられている。駆動ローラ２１ｃは、ハウジング２６ａ内に、軸受３３によって回転可能に支持されているもう一つのシャフト６３に取り付けられている。駆動ローラシャフト６３の他方の末端にもう一つのプーリ３２がある。これら二つのプーリ３１と３２は互いにベルト（図示せず）によって接続されている。こうして、駆動モータ３０は駆動ローラ２１ｃを回転させる。そして、駆動ローラ２１ｃは、ウェーハの周縁に接触すると、ウェーハを、該三つのローラで把持しながら回転させる。
【００１６】
エンドエフェクタ２０は、ウェーハが回転されている間にウェーハ１の位置合わせマーク３が通過すると、その存在を検出する光感知システム２１（図５により詳細に示す）を備えている。感知システム２１は、発光要素を含む上部アーム６５及び光検出要素を含む下部アーム６７を備えている。ウェーハがローラ２１ａ〜２１ｃによって保持されているとき、ウェーハの端縁は上部アーム６５と下部アーム６７の間に位置している。上部アーム６５は、ウェーハの端縁を照明するのに使用される発光ダイオード３５（仮想線で示す）を備えている。ダイオード３５からの光は、コリメータオプティック３６に至り、コリメータオプティック３６は順に、光を下方へウェーハに向けて導く。コリメータオプティック３６の開口は細くて長く、その長い方の次元が、ウェーハの端縁に垂直に配向されている。下部アーム６７は、コリメータオプティック３６と同様にやはり長くて細く、そしてコリメータオプティック３６の開口と同心の検出ウィンドウを有するシリコンダイオードレシーバ３７を備えている。ダイオードレシーバ３７が発する信号は、そのレシーバに到達するコリメータオプティック３６からの光の量に比例している。
【００１７】
ウェーハ１がエンドエフェクタ２０に把持されて回転すると、ウェーハの端縁は発光要素と光検出要素の間を通過する。ウェーハの端縁がコリメータオプティック３６からの光のいくらかがダイオードレシーバ３７に到達するのを防ぐために、光ハウジング２２が配置されている。前記位置合わせマークが発光要素と光検出要素の間を通過すると、より多くの光がダイオードレシーバ３７に到達することができ、その出力信号が増大する。そしてその位置合わせマークがセンサを通り過ぎると、信号は前の値まで低下する。したがって、該ダイオードレシーバの出力信号を監視することによって、電子機器が、位置合わせマークの存在を検出し、その正確な角位置を、ウェーハの回転位置の関数として求めて、ウェーハの角配向を正確に整合させることができる。
【００１８】
位置合わせマークの角位置を求め、その情報に基づいてウェーハを位置合わせする方法は、当業技術者にとって周知の方法である。このような方法は、一般に先に簡単に述べたタイプの独立型の前位置合わせ器と関連して使用される。このような方法の利用可能な一例は、発明の名称が「Ｗａｆｅｒ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ Ｓｔａｔｉｏｎ」の米国特許第４，４５７，６６４号に記載されている。なお、この特許は本願に援用するものである。
【００１９】
図１Ａに戻ると、エンドエフェクタ２０は、プリント基板２３上に、必要な電機制御機能を実行する制御プロセッサも備えている。例えば、その制御プロセッサは、駆動モータとアクチュエータに対して制御信号を発し、次に感知信号を分析して、ウェーハの位置合わせマークの配向を確認し確立する。
【００２０】
図６を見ると、エンドエフェクタの典型的な用途は、ウェーハをウェーハ保管ラック７０からつかみ出してマスキングステーション（図示せず）に移送することである。ラック７０は一般に、Ｚ方向に変位できるプラットフォーム７２上に取り付けられたウェーハホルダ７１を備えている。そのウェーハホルダはウェーハ６０ａ〜６０ｃを保持し、これらウェーハは間隔６１ａ、６１ｂをとって隔てられている。
【００２１】
図７を見ると、ロボットハンドラー７は、以下のように作動して、ウェーハをラック７０から取り出してウェーハの位置合わせを行う。ロボットハンドラーはエンドエフェクタ２０を、把持されるウェーハの下方の間隙に挿入する。作動中のある時点で、該制御プロセッサが駆動ローラを引っ込めて、ラックからのウェーハを受け入れるための間隔をあける（ブロック１０１）。エンドエフェクタが適正な位置にありそして駆動ローラがウェーハを受け入れるのに充分な間隔を提供するため充分に引っ込むと、ウェーハを保持するプラットフォームは、ウェーハがエンドエフェクタの三つのローラの平面内に入るまでウェーハを下降させる（ブロック１０２）。ウェーハが前記三つのローラの溝と位置が合うと、前記三つのローラがウェーハの外周縁（すなわち端縁）をしっくりと保持するまで、制御プロセッサが駆動ローラをアイドルローラの方へ前進させる（ブロック１０３）。次いでロボットアームがウェーハをウェーハホルダから移動させることができる。
【００２２】
該三つのローラがウェーハを把持した後、制御プロセッサは駆動モータを利用してウェーハを回転させる（ブロック１０４）。エンドエフェクタは、ウェーハを回転させているとき、ダイオードレシーバの信号を監視して、位置合わせマークの存在を検出して、ウェーハの回転に対する該マークの正確な角配向を確認する（ブロック１０５）。制御プロセッサは、センサから得た情報を利用して、位置合わせマークが予め定められた角位置に位置するようにウェーハを配向させる（ブロック１０６）。
【００２３】
本発明のいくつもの実施態様を説明してきた。しかしながら、本発明の精神と範囲から逸脱することなく各種の変形を行うことができるものである。例えば、他の種類のセンサを使用してウェーハの配向を感知することができる。これらセンサは、少数の可能な方法をあげるならば物理的接触、磁場又はキャパシタンスによって位置合わせマークの存在を検出することができる。そのうえに、四つ以上のローラを利用して、ウェーハの周縁及びウェーハを回転させるための輸送機構を把持することができる。あるいは他の移動する面、例えばベルトを、ローラの代わりに利用できる。したがって、他の実施態様は本願の特許請求の範囲の中に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】ウェーハを保持するロボットハンドラーを示す。
【図１Ｂ】ウェーハなしで図１Ａに示すロボットハンドラーを示す。
【図２】図１Ａに示すローラの詳細を示す。
【図３】エンドエフェクタ機構の内部要素が見えるように制御プリント基板を外した図１Ａのロボットハンドラーを示す。
【図４】図１Ａに示すエンドエフェクタの垂直断面図である。
【図５】図１Ａに示すセンサの詳細を示す。
【図６】図１Ａに示すウェーハを保持するためのウェーハラックを示す。
【図７】エンドエフェクタの作動のフローチャートである。
【図１Ａ】
2004502312.tif 000003
【図１Ｂ】
2004502312.tif 000004
【図２】
2004502312.tif 000005
【図３】
2004502312.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
2004502312.tif 000009
【図７】
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【国際公開パンフレット】
2004502312.tif 000011
2004502312.tif 000012
2004502312.tif 000013
2004502312.tif 000014
2004502312.tif 000015
2004502312.tif 000016
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2004502312.tif 000018
2004502312.tif 000019
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2004502312.tif 000021
2004502312.tif 000022
2004502312.tif 000023
2004502312.tif 000024
2004502312.tif 000025
2004502312.tif 000026
2004502312.tif 000027
2004502312.tif 000028
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004502312.tif 000029
2004502312.tif 000030
2004502312.tif 000031
2004502312.tif 000032
2004502312.tif 000033
2004502312.tif 000034
2004502312.tif 000035
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2004502312.tif 000038
2004502312.tif 000039
2004502312.tif 000040
2004502312.tif 000041
2004502312.tif 000042
2004502312.tif 000043
2004502312.tif 000044
2004502312.tif 000045
【国際調査報告】
2004502312.tif 000046
2004502312.tif 000047