JP5525339B2 - ロボットアーム - Google Patents

Description

本発明はロボットアームに関する。特に、半導体ウエハを搬送するロボットアームに関する。

半導体ウエハを搬送するロボットアームが知られている。具体的には、ロボットアームは、半導体ウエハをプロセスチャンバに挿入したり、プロセスチャンバから取り出す。プロセスチャンバにはトランスファーチャンバが連結されている。そのトランスファーチャンバ内に、ロボットアームが配置される。半導体ウエハは、ロボットアームによって、トランスファーチャンバとプロセスチャンバの間で搬送される。トランスファーチャンバは小さなクリーンルームであり、半導体ウエハをゴミなどの不純物から保護する。トランスファーチャンバ内では、空気（あるいはガス）が清浄に保たれる。また、トランスファーチャンバ内は真空に保たれる場合もある。そのようなクリーンな環境で動作するロボットアームには、不純物を発生させない工夫が要求される。

半導体ウエハを搬送するロボットアームは、通常、半導体ウエハをプロセスチャンバへ搬送するために、２以上の自由度を有する。そのようなロボットアームは、典型的には、２つのリンクとハンドで構成されている。本明細書では、２つのリンクを、上腕リンクと前腕リンクと称する。典型的には、上腕リンクの一端はモータの出力シャフトに連結されており、他端は前腕リンクの一端に連結されている。前腕リンクの他端はハンドに連結されている。上腕リンクと前腕リンクは関節を介して連結されており、前腕リンクとハンドも関節を介して連結されている。夫々の関節には、リンクが円滑に回転するように軸受が実装されている。そのようなロボットアームの一例が、特許文献１及び２に開示されている。半導体ウエハを搬送するロボットアームでは、トランスファーチャンバ内を汚染しないように、関節の軸受がシールドされている。

特開２０００−１５０６１７号公報 特開２０００−１９５９２３号公報

半導体ウエハは、プロセスチャンバ内で高温に曝される場合がある。そのため、ロボットアームは、高温の半導体ウエハを搬送する場合がある。高温の半導体ウエハがハンドに接すると、ハンドの温度が上昇するとともに、前腕リンクとハンドの間に配置されている関節の軸受の温度も上昇する。軸受の温度上昇は、その軸受内の潤滑剤の劣化を促進する。そのため、前腕リンクとハンドの間に配置されている関節の軸受は、上腕リンクと前腕リンクの間に配置されている関節の軸受よりも、メンテナンスの頻度が多い。

上述したように、ロボットアームは、内部が清浄に保たれるトランスファーチャンバ内に配置される。関節の軸受をメンテナンスするには関節を分解しなければならない。すなわち、上腕リンクと前腕リンクの間に配置されている関節の軸受をトランスファーチャンバ内でメンテナンスすると、トランスファーチャンバ内が汚れる。本明細書に開示する技術は、軸受のメンテナンスに際して、トランスファーチャンバ内の汚染を抑制することができるロボットアームを提供する。

本明細書が開示するロボットアームは、半導体ウエハを搬送するロボットアームであり、ハンドと前腕リンクと上腕リンクを備えている。半導体ウエハを把持するためのハンドは関節を介して前腕リンクに連結しており、上腕リンクは関節を介して前腕リンクに連結している。以下の説明では、ハンドと前腕リンクを連結する関節を第１関節と称し、前腕リンクと上腕リンクを連結する関節を第２関節と称する。本明細書が開示するロボットアームでは、前腕リンクが、第１関節と第２関節の間で分割可能に構成されている。

上記のロボットアームでは、前腕リンクを分割することにより、ハンドと前腕リンクを、両者の連結を維持したままトランスファーチャンバ内から取り出すことができる。すなわち、第１関節を分解することなく、第１関節をトランスファーチャンバから取り出すことができる。その後に、トランスファーチャンバの外で第１関節内の軸受のメンテナンス作業を行うことができる。従って、本明細書が開示する技術によって、トランスファーチャンバ内の汚染を抑制することができる。なお、前腕リンクの先端部と第１関節とハンドとが組み立てられた交換部品を予め用意し、メンテナンス作業の際にトランスファーチャンバ内の先端部と交換してもよい。

本明細書に開示するロボットアームでは、上腕リンクに連結している前腕リンク後端部とハンドに連結している前腕リンク先端部とが、前腕リンクの長手方向に直交する方向でオーバーラップしていてよい。この場合、前腕リンク後端部と前腕リンク先端部のオーバーラップ部分に、複数の位置決めピンが挿入されていることが好ましい。複数の位置決めピンによって、前腕リンク後端部と前腕リンク先端部を再び組立てる際に、両者を正確に位置合わせすることができる。

本明細書が開示する技術は、トランスファーチャンバ内の汚染を抑制することができるロボットアームを実現することができる。

ロボットアームの平面図を示す。 ロボットアームの側面図を示す。 図１のIII−III線に沿った断面図を示す。 前腕リンク先端部を前腕リンク後端部に取り付ける手順を説明するための断面図を示す。

実施例を説明する前に、実施例の技術的特徴を以下に簡潔に記す。
（特徴１）ロボットアームは、第１軸受と第２軸受の軸線が鉛直方向に伸びており、ハンドが水平面内で移動する水平移動型ロボットである。
（特徴２）前腕リンク先端部と後端部がオーバーラップしている部分の厚みは、オーバーラップしている部分に隣接する非オーバーラップ部分の厚みに等しい。
（特徴３）前腕リンク先端部が、前腕リンク後端部の上側に位置している。
（特徴４）前腕リンク先端部と前腕リンク後端部とが複数のボルトによって固定されており、複数のボルトが、前腕リンクの長手方向において位置決めピンの両側に配置されている。
（特徴５）位置決めピンが、前腕リンク後端部に固定されている。従って、前腕リンク先端部と前腕リンク後端部を分割する際、位置決めピンは前腕リンク先端部から外れる。

図１と図２を参照し、ロボットアーム１００について説明する。ロボットアーム１００は、上腕リンク１４と前腕リンク１０とハンド２を備えている。ロボットアーム１００は、支持ボックス２２に取り付けられている。上腕リンク１４は、第１上腕リンク１４ａと第２上腕リンク１４ｂで構成されている。第２上腕リンク１４ｂを駆動するためのモータは、支持ボックス２２内に配置されている。

前腕リンク１０は、第１前腕リンク１０ａと第２前腕リンク１０ｂで構成されている。第１前腕リンク１０ａと第２前腕リンク１０ｂは、常に平行に維持される。前腕リンク１０（第１前腕リンク１０ａと第２前腕リンク１０ｂ）の一端は、第１関節２０を介してハンド２に連結されている。前腕リンク１０の他端は、第２関節１１を介して上腕リンク１４に連結されている。

第１前腕リンク１０ａは、第１前腕リンク後端部８ａと第１前腕リンク先端部６ａで構成される。第２前腕リンク１０ｂは、第２前腕リンク後端部８ｂと第２前腕リンク先端部６ｂで構成される。以下の説明では、第１前腕リンク後端部８ａと第２前腕リンク後端部８ｂを、単に前腕リンク後端部８と称することがある。第１前腕リンク先端部６ａと第２前腕リンク先端部６ｂを、単に前腕リンク先端部６と称することがある。

第２関節１１には、第２軸受（図示省略）が配置されている。第２軸受は、上腕リンク１４に対する前腕リンク１０の回転を円滑にする。第１関節２０には、第１軸受が配置されている。第１軸受は、前腕リンク１０に対するハンド２の回転を円滑にする。

第１上腕リンク１４ａと第２上腕リンク１４ｂは常に平行に維持される。第１上腕リンク１４ａの一端は支持ボックスに連結されており、第２上腕リンク１４ｂの一端１６はモータ（図示省略）に連結されている。図１の符号１７は、第２上腕リンク１４ｂの回転軸を示している。モータは第２上腕リンク１４ｂを回転させる。第２上腕リンク１４ｂは、モータによって駆動される駆動リンクと表現することができる。また、第１上腕リンク１４ａは、駆動リンク（第２上腕リンク１４ｂ）の動作に伴って動作する従動リンクと表現することができる。モータが第２上腕リンク１４ｂを駆動することによって、上腕リンク１４が水平面内で移動する。それにより、ハンド２を水平面内で図１のＸ方向に移動させることができる。ロボットアーム１００は調整リンク１２を備える。詳細な説明は省略するが、調整リンク１２は、複数のリンク群で構成されており、上腕リンク１４と前腕リンク１０に接続している。調整リンク１２が、モータの回転をハンド２の直進運動に変換する。ロボットアーム１００は、ハンド２を水平面内で移動させることができるので、水平移動型ロボットアームと称される場合がある。

ロボットアーム１００は、トランスファーチャンバ（図示省略）内に配置され、半導体ウエハを搬送するために使用される。ハンド２には、高温の半導体ウエハが載置される場合がある。高温の半導体ウエハがハンド２に接すると、ハンド２の温度が上昇する。

上記したように、前腕リンク１０は、前腕リンク後端部８と前腕リンク先端部６で構成されている。前腕リンク後端部８と前腕リンク先端部６は、第１関節２０と第２関節１１の間で分割可能である。上記したように、前腕リンク１０の他端（前腕リンク先端部６）は、第１関節２０を介してハンド２に連結されている。そのため、前腕リンク先端部６とハンド２を第１関節２０で連結したまま、それらをトランスファーチャンバ内から取り出すことができる。以下の説明では、前腕リンク先端部６と第１関節２０とハンド２を併せて、アーム先端ユニット４と称することがある。ロボットアーム１００は、前腕リンク後端部８と前腕リンク先端部６を分割することにより、トランスファーチャンバ内からアーム先端ユニット４を取り出すことができる。

図３を参照し、前腕リンク後端部８とアーム先端ユニット４について説明する。上記したように、アーム先端ユニット４は、前腕リンク先端部６と第１関節２０とハンド２で構成されている。第１関節２０は、ベース２３と、ベース２３に固定されている円柱部２４（２４ａ、２４ｂ）を備えている。円柱部２４と前腕リンク先端部６の間に、一対の第１軸受（円筒ころ軸受）３４が配置されている。なお、第１前腕リンク先端部６ａは、第１軸受３４ａを介して円柱部２４ａを回転可能に支持している。第２前腕リンク先端部６ｂは、第１軸受３４ｂを介して円柱部２４ｂを回転可能に支持している。円柱部２４ａと円柱部２４ｂは、ハンド２が往復移動（直進運動）する方向Ｘに沿って配置されている。

上述したように、高温の半導体ウエハがハンド２に接すると、ハンド２の温度が上昇する。ハンド２の温度上昇に伴って、第１関節２０の温度が上昇する。また、半導体ウエハ、プロセスチャンバ等からの輻射熱によっても、ハンド２や第１関節２０近傍の温度が上昇する。半導体ウエハの温度によっては、第１関節２０近傍の温度が２００℃以上に上昇することもある。第１軸受３４の温度も上昇し、第１軸受３４内の潤滑剤が劣化することがある。ロボットアーム１００では、アーム先端ユニット４を、前腕リンク先端部６とハンド２を連結したまま前腕リンク後端部８から取り外すことができる。そのため、アーム先端ユニット４をトランスファーチャンバから取り出した後に、第１関節２０を分解して第１軸受３４をメンテナンスすることができる。すなわち、第１軸受３４のメンテナンス作業を、トランスファーチャンバ内で行う必要がない。ロボットアーム１００は、従来のロボットアームに比べ、トランスファーチャンバ内の汚染を抑制することができる。

第１軸受３４のメンテナンスを行う場合、アーム先端ユニット４をトランスファーチャンバ内から取り出し、トランスファーチャンバの外で第１軸受３４のメンテナンスを行う。メンテナンスを行った後のアーム先端ユニット４を、前腕リンク後端部８に取り付ける。そのため、第１軸受３４内の潤滑剤等が、トランスファーチャンバ内に飛散することがない。なお、前腕リンク後端部８から取り外したアーム先端ユニット４とは別のアーム先端ユニット４を予め準備しておき、アーム先端ユニット４を取り外す作業に続いて、メンテナンス済みの別のアーム先端ユニット４を前腕リンク後端部８に取り付けてもよい。アーム先端ユニット４の交換時間を短くすることができる。

従来のロボットアームでも、ロボットアーム全体をトランスファーチャンバ外に取り出せば、トランスファーチャンバ内を汚染することなく、軸受のメンテナンスを行うことができる。上記したように、第１軸受３４の潤滑材の劣化は、高温のウエハを把持するハンド２の温度上昇に伴って生じる。第２関節１１内の第２軸受は、第１軸受３４よりもハンド２からの距離が遠いので、第１軸受３４よりもメンテナンスの頻度が少なくて済む。従来のロボットアームは、メンテナンスの必要がない部品（上腕リンク、第２軸受等）までもトランスファーチャンバ外に取り出さないと、トランスファーチャンバ外で第１軸受のメンテナンスをすることができない。しかしながら、ロボットアーム１００は、トランスファーチャンバ内に第２軸受（第２関節１１）を残したまま、第１軸受３４（第１関節２０）をトランスファーチャンバ外に取り出すことができる。そのため、従来のロボットアームよりも、メンテナンス作業を容易にすることができる。

ロボットアーム１００の他の特徴について説明する。前腕リンク後端部８の一部（前腕リンク後端部８のうちのハンド２に近い部分）と前腕リンク先端部６の一部（前腕リンク先端部６のうちのハンド２から遠い部分）が、範囲７でオーバーラップしている。以下の説明では、範囲７をオーバーラップ部分７と称することがある。オーバーラップ部分７では、前腕リンク先端部６と前腕リンク後端部８が、前腕リンク１０の長手方向に直交する方向でオーバーラップしている。より正確にいうと、前腕リンク先端部６と前腕リンク後端部８が、ハンド２が移動する平面（水平面）に直交する方向でオーバーラップしている。なお、前腕リンク先端部６は、前腕リンク後端部８よりも上側に位置している。そのため、ロボットアーム１００からアーム先端ユニット４を取り外すときに作業がしやすい。同様に、前腕リンク後端部８にアーム先端ユニット４を取り付けるときも作業がしやすい。

オーバーラップ部分７では、２つの位置決めピン３０が、前腕リンク後端部８と前腕リンク先端部６の双方に嵌め込まれている。位置決めピン３０によって、前腕リンク後端部８と前腕リンク先端部６の位置ずれが抑制される。別言すると、前腕リンク後端部８と前腕リンク先端部６の相対的な角度が変化することを抑制することができる。

オーバーラップ部分７における前腕リンク後端部８の厚みＴ７８は、オーバーラップ部分７に隣接する位置（非オーバーラップ部分）における前腕リンク後端部８の厚みＴ８のおよそ半分である。また、オーバーラップ部分７における前腕リンク先端部６の厚みＴ７６は、非オーバーラップ部分の前腕リンク先端部６の厚みＴ６のおよそ半分である。厚みＴ８と厚みＴ６は等しい。そのため、ハンド２が移動する平面に直交する方向において、厚みＴ８、厚みＴ６及びオーバーラップ部分７の厚みが等しい。すなわち、前腕リンク１０の長手方向において、前腕リンク１０の厚みが一定である。この特徴によって、ハンド２が往復移動するときに、前腕リンク１０が、他のリンクと干渉することを防止することができる。なお、ハンド２が移動する平面に直交する方向は、鉛直方向に相当する。

図４に示すように、位置決めピン３０は、前腕リンク後端部８に固定されている。従って、前腕リンク後端部８と前腕リンク先端部６（アーム先端ユニット４）を分離すると、位置決めピン３０は前腕リンク先端部６から離れる。そのため、前腕リンク後端部８に前腕リンク先端部６（アーム先端ユニット４）を取り付けるときに、位置決めピン３０の位置を目視しながら前腕リンク先端部６（アーム先端ユニット４）を取り付けることができる。前腕リンク先端部６にはピン貫通孔４２が設けられており、位置決めピン３０をピン貫通孔４２に嵌め込むことにより、前腕リンク後端部８に対する前腕リンク先端部６（アーム先端ユニット４）の位置が決まる。

前腕リンクの長手方向において、２つのボルト溝４４が、前腕リンク後端部８に位置決めピンの両側に形成されている。前腕リンク先端部６には、２つのボルト孔４０が、ピン貫通孔４２の両側に形成されている。アーム先端ユニット４を前腕リンク後端部８に取り付けるときは、位置決めピン３０をピン貫通孔４２に挿入した後、ボルト３２をボルト溝４４に固定する。アーム先端ユニット４を前腕リンク後端部８に取り付けると、図３に示すように、２つのボルト３２が、前腕リンク１０の長手方向において位置決めピン３０の両側に位置する。そのため、ロボットアーム１００の使用中にハンド２が撓んでも、位置決めピン３０に力が加わることを抑制することができる。位置決めピン３０が変形することが抑制されるので、第１軸受３４のメンテナンスを繰り返しても、ハンド２の位置がずれることを抑制することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：ハンド
６：前腕リンク先端部
８：前腕リンク後端部
１０：前腕リンク
１１：第２関節
１４：上腕リンク
２０：第１関節
３０：位置決めピン
３４：第１軸受
１００：ロボットハンド

Claims (2)

1. 半導体ウエハを搬送するロボットアームであり、
   半導体ウエハを把持するためのハンドと、
   第１関節を介してハンドに連結している前腕リンクと、
   第２関節を介して前腕リンクに連結している上腕リンクと、を備えており、
   前腕リンクが、第１関節と第２関節の間で分割可能に構成されており、
   前腕リンク先端部と前腕リンク後端部とが前腕リンクの長手方向に直交する方向でオーバーラップしており、
   前記オーバーラップ部分に、複数の位置決めピンが前腕リンクの長手方向に沿って挿入されおり、
   前腕リンク先端部と前腕リンク後端部とが、前腕リンクの長手方向に沿って複数の位置決めピンの両側に配置されているボルトによって固定されており、
   前記位置決めピンと前記ボルトとが、１つの直線上に並んでいることを特徴とするロボットアーム。
2. 複数の位置決めピンが、前腕リンク後端部に固定されていることを特徴とする請求項１に記載のロボットアーム。

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