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特集論

三菱クリーンルーム用ロボット
ープラント検査からクリーン搬送までー

文MITSUBISHI CLEAN ROOM ROBOT
Clean Material Handling Originated from Plant
Equipment Inspection
樋口

村

田直優川村

武也

史川口正隆

貝漕

高明

半導体デバイス及び液晶ディスプレイ工場においては，生産原材料であるシリコンウェハ及びガラス基板の急速な大型化が進んでおり，それらを工場内で搬送するロボットの大型化・高機能化が一つの技術課題となっている．当社では従来，プラント検査用等の特殊作業ロボット及び一般研究・産業向けの可搬式汎用知能アーム（PA10）等を手がけてきたが，このような半導体／液晶メーカのニーズに対応して新たにクリーンルーム用ロボットを開発，市場へ投入した．
本論文では，当社ロボット技術の背景と新たに開発した半導体／液晶搬送用クリーンルーム用ロボットについて紹介する．

1．はじめ受入れられ，国内外に累計約 310 台（2003 年４月現在）を販に売した．また，従来は特注対応で製作していた特殊作業ロボ

情報化社会を牽引する半導体／液晶の生産現場においてットについても PA10 の小改造で対応することにより，作業は，ウェハのサイズが従来の直径 200 mm から 300 mm へ，準備期間，コストの大幅低減という効果を得た．図１は水中またガラス基板のサイズが従来の１ m 角程度（第５世代）の発電プラント容器材料を検査する装置に深傷アームとしてから数年中に２ m 角以上（第７世代）へ移行するなど急速

PA10 ロボットを採用した例．図 ２ は船舶構造内のクレーンな大型化が進行している．

型自動塗装装置の先端に PA10 ロボットを採用した例であ

これに伴い，半導体／液晶工場内でウェハ／ガラス基板をクリーン搬送するロボットの大型化が不可欠となっており，発電／宇宙機器用等の大型クリーン設備を備えた当社に対しる．

2．半導体ウェハ搬送ロボットの開発
半導体工場においては，規模にもよるが数十〜数百台のウても具体的な引合いが寄せられている．
当社では主力製品である発電プラント機器の現地補修点検

ェハプロセス装置が設置されており，一般に各プロセス装置を行う必要から，各種特殊作業ロボットの開発を約 20 年前間のウェハ搬送はウェハ 25 枚をカセットに収納した形態，から手がけてきており（表１），特殊環境下でのロボット技

各プロセス装置内のウェハ搬送は装置内に組み込まれたロボ術について豊富な実績を有している．

ットがカセットからウェハを１〜複数枚取り出しプロセス部

また，これら特殊ロボットで培った冗長軸制御技術，軽量化技術をいかした７軸多関節マニピュレータ
能アーム PA10に送り込むという形態となっている．

可搬式汎用知を 1992 年から一般市場に投入した．このロボットは 10 kg 可搬で自重 40 kg 未満という軽量さ，業界初の冗長７軸，そしてパソコンで手軽に制御可能という特長が

表１

当社のロボット製品

年 代

主なロボット製品

1980 〜

発電プラント点検補修ロボット
産業用塗装ロボット
海底ケーブル点検補修ロボット
極限作業ロボット（多本指マニピュレータ）タンク壁面検査ロボット
大型望遠鏡レンズ交換ロボット
可搬式汎用知能アーム PA10
防災支援ロボット（クローラ走行双腕ロボット）

1990 〜2000 〜

図１

水中プラント検査ロボット
三菱重工技報 Vol.40 No.5（2003_9）

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半導体ウェハ上に形成される回路パターン幅は今や 0.1 μ

他社ロボットでは関節シール機構を省略してロボット機内m を下回っており，ウェハ搬送ロボットに対しては，ロボッを負圧吸引することによりクリーン度を維持するものもある

ト動作に伴う粒径 0.1 μm 以上の発塵がほぼゼロであることが，PA10-6C/7C ロボットではこうした付加設備が不要であが要求される．

るので運転コストの低減に寄与する．

また，ウェハ搬送ロボットは従来スカラ型と呼ばれる構造

また，ウェハ上の精密パターンを損傷することのないよう，のものがほとんどである．スカラ型ロボットは搬送方向を水ロボット搬送時の加速度，位置決め精度に対しても厳しい要平面内に限定することで速度・精度に優れるという特長を有求がある．こうした要求を満足するため，動特性解析モデルするが，ウェハサイズの 300 mm 化・装置の大型化に伴いスによる制御パラメータの最適調整を実施している（図４）．

カラ型ロボット設置に不可欠な水平出し作業を省略したい，このようにクリーン度に優れた PA10 ロボットを活用したスカラ型では不可能な搬送中のウェハ姿勢転換を行いたい等の新たなニーズが生まれていることから，自由度の多さ，設置の容易さに特長のある多関節ロボットとの使い分けも図られつつある（表２）．
当社ではこうしたニーズにこたえるため，従来販売してきた可搬式汎用知能アーム PA10 をベースにクリーン仕様対応
版 PA10-6C/7C ロボットを 2002 年夏より市場投入した．
PA10-6C/7C ロボットの外観を図３に，仕様を表３に示す．
PA10 ロボットは元々，水中プラント検査等にも対応できるよう，全関節軸に省スペース・交換容易を特長とする O
リングシール機構を採用しており，外気からロボット機内への異物侵入を防ぐほか，ロボット動作に伴う機内発塵を外部に放出しないという特長を有していた．
今回新たに市場投入した PA10-6C/7C では，関節軸受保持構造の見直し，グリース材質の見直しなどにより機内発塵の放出を更に低減する対策を実施しており，当社クリーンルー
ム内の計測では，ロボット関節軸からの発塵がクラス１（Fed. Std.209 準拠粒径 0.1 um）以内を満足していることを

図３

PA10 ロボット（クリーン仕様）外観
左： PA10-7C 右： PA10-6C確認している．
表３

PA10 ロボット（クリーン仕様）仕様

型式

PA10−６C

関節軸数6

最長関節間距離（mm）

自重（kg）

可搬重量

（kg）

動作速度

（°/s）

位置繰返精度

（mm）

クリーン度

図２

ウェハ姿勢を変えずに搬送搬送中のウェハ姿勢転換が可能（５自由度以上ロボット）

可搬重量

ウェハ５枚程度が限度（先端垂れ許容量が小）ウェハ25−50枚搬送可能（先端垂れの補償が可能）

速度・精度

一般に高速・高精度

速度・精度はやや劣る

設置の容易性

設置面の水平出し必要

水平出し不要40
10

根元 28.5

肘 57

手首 180±0.1

防塵・防滴（IP54）

ユーザ配管・配線

アーム先端まで内臓可能

角度・角速度

第１関節速度制御

多関節型ロボット

自由度38

保護構造

スカラ型ロボットと多関節型ロボットの比較スカラ型ロボット

7930

クラス１（機内吸引不要）

船舶構造塗装ロボット（(株)ナカタマックご提供）

表２

PA10−７C

第２関節速度制御
目標軌跡

座標
変換

第３関節速度制御
第４関節速度制御

デジタル
モックアップ（機構モデル）

第５関節速度制御
第６関節速度制御

図４PA10 ロボット動特性解析モデル例
三菱重工技報 Vol.40 No.5（2003_9）

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プロセスチャンバ

真空中ロボット（トランスファチャンバ）

真空プロセス

ロードロックチャンバ
大気中ロボット
大気プロセス

図５

カセットステーション

PA10 ロボット利用によるウェハ 25 枚搬送の例

図６

図７

液晶ガラス搬送システムの構成

PA10 ロボットによるレチクル搬送（(株)アルバック成膜ご提供）

半導体分野の応用例としては次のようなものがある．

図８液晶ガラス基板ロボット（大気中搬送用）

ウェハ 25 枚一括搬送（図５）
ウェハカセット搬送

表４液晶ガラス基板搬送ロボットの仕様
大気中搬送ロボットの仕様

露光用レチクル搬送（図６）
現在は，これら用途に対応した最適な搬送速度・精度を実現するロボットシステムの開発に取り組んでいる．

3．液晶ガラス搬送ロボットの開発

ガラスサイズ

2.0×2.0 m 以上

構 成

垂直軸＋水平移動ハンド（２本）

動作範囲

垂直 1 800 mm 水平 2 500 mm 以上

クリーンクラス

クラス 100 相当

ウェハサイズの直径 200 mm から 300 mm への大型化が結
真空中搬送ロボットの仕様

果的に 10 年近くをかけて行われてきたのに対し，液晶ガラ
ス基板サイズはここ数年で１ m 角クラス（第５世代）からガラスサイズ2.0×2.0 m 以上２ m 角クラス（第７世代）へ急速に大型化することが確実

構 成

垂直軸＋水平移動ハンド（２本）視されている．これは液晶ディスプレイの爆発的な普及と大動作範囲

垂直 200 mm 水平 2 500 mm 以上型化によるものであるが，ガラス基板を収納するチャンバやクリーンクラス

クラス 100 相当

搬送ロボットが単品で３ m を超える大きさになることから従来の製造・輸送方法等の大幅な見直しが不可欠となっていトから基板を一枚ずつ取り出し，真空前室（ロードロック）る．

チャンバに送り込む大気ロボットと真空前室から真空本室

当社では，大型チャンバの低コスト製作に道を開く超厚肉（プロセスチャンバ）に基板を送り込む真空ロボットより構

電子ビーム溶接技術とともに，これまでに培ったロボット技成されており，一般的に大気ロボットはカセット高さに対応術をいかした大型液晶ガラス基板搬送ロボットの開発に取りするため垂直ストロークが大きい，真空ロボットは基板の吸組んでいる．

着が行えないため加減速ショックを極限まで低減させた水平液晶ディスプレイ工場におけるガラス基板の搬送も，半導体ウェハと同様プロセス装置間はカセット搬送，プロセス装置内は組込みロボットによる枚葉搬送となっている．代表的な液晶ガラス真空プロセス装置における搬送ロボットの構成を図７に示す．
液晶ガラス搬送系は，ガラス基板を複数枚収納したカセッ搬送運動制御が必要という特長がある．
当社で開発中の液晶ガラス基板搬送ロボットの外観と仕様を図８，表４に示す．
大型ガラス基板搬送ロボットの技術課題としては次のような項目が挙げられる．
大負荷・高速・長寿命の要求に耐える垂直駆動軸の製作．
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制御部機構部
駆動トルク

目
標
軌
道作成

角角
速度度制
制御
御モー
タ
特性

リン
ク
特性

ギ
ア
特性

モータ角
（エンコーダ値）

アーム角

動特性モデル
5：T社

4

アーム先端水平振れ

図 10：H社

3

大気中搬送ロボットの三次元評価モデル

24．ま

10め

当社ロボット技術の歴史を簡単に振り返りながら，昨年新−1

たに市場投入したクリーン仕様可搬式汎用知能ロボット−2

PA10-6C/7C，及び PA10 ロボットを活用して開発中の半導体−3

ウェハ搬送ロボットと液晶ガラス基板搬送ロボットの仕様及−4−5とび技術的特長について紹介した．
00.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

半導体／液晶の搬送分野は，技術面・コスト面ともに競争

時間（s）と変化が激しいが，当社が保有する多様な技術，設備が顧客

大気中ロボットの水平搬送動特性シミュレー
ションに少しでもお役に立つことができるよう全力を尽くしていく

２ m 角のガラス基板を 1/10 mm 精度で位置決めすること

参 考 文 献（1）可搬式汎用知能アームの実用化 日本ロボット学会誌
Vol.18 No.1（2000）p.55-56（2）次世代ガラス基板搬送用ロボット 日本ロボット工業会
ロボット 151 号（2003）p.42（3）可搬式汎用知能アーム PA10 当社ホームページ
http://www.robot-arm.com

図９のできる水平駆動軸の製作．
ガラスパネルとカセット・チャンバの取合い寸法を満たし，かつ軽量なフォークハンドの製作．
ロボット動作軸からの発塵を最小限に抑えるクリーン度技術．

所存である．

これらの技術課題の中でも，高精度位置決めが可能な水平駆動軸の開発は特に重要であるため，当社ではウェハ搬送ロ

樋口優

川村武也

神戸造船所
新製品・宇宙部ロボ
ット G

神戸造船所
新製品・宇宙部ロボット G

ではバックラッシの大小，剛性の大小で両者一長一短であっ

貝漕高明

村田直史

たが，シミュレーションの結果プラノセントリック方式の減

技術本部
高砂研究所
機器・自動化装置研
究室

技術本部
高砂研究所
制御システム研究室

ボットの開発でも適用した駆動軸機構の動特性評価を事前に実施し，最適な部品選定等に役立てている．図９は，大気中ロボットの３軸型水平駆動機構について，２機種の減速機についての搬送軌跡精度の事前評価を行った例である．この例速機の方が良好な軌跡精度が得られることが分かった．
また，ロボットの製作に先立って図 10 のような三次元モデルにより機器間相互の干渉チェック等を行い，製作試験時の手戻りを最小限としている．
真空中基板搬送ロボットについては，米国 Brooks-PRIAutomation 社と技術提携を締結し，独自の機構・制御による第７世代対応ロボットを開発中である．

川口正隆
技術本部
高砂研究所
振動・騒音研究室主席

三菱重工技報 Vol.40 No.5（2003_9）