JP2012012142A - 搬送用部材および搬送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的軽量で、加速度を受けても変形が少ない搬送部材を提供する。
【解決手段】対象物を搬送するための搬送用部材であって、前記対象物が載置される一方主面１２Ａを備える、セラミックスを主成分とする板状部１２と、該板状部１２の他方主面に接合された、前記板状部１２と略同一のヤング率を有する肋材部１４と、前記板状部１２の前記他方主面１２Ｂと前記肋材部１４とを接合する接合層とを有しており、該接合層の厚さをＴ、前記接合層のヤング率をＹ１、前記板状部１２および前記肋材部１４のヤング率をＹ２としたとき、Ｙ１≦Ｙ２であり、下記式（１）で表すαが、０＜α≦１．１６を満たすことを特徴とする搬送用部材を提供する。

【選択図】図１

Description

本発明は、セラミックス材料からなる板状部を備える搬送部材、および搬送装置に関する。

従来から、例えば半導体デバイス製造工程や、液晶基板等のディスプレイ基板製造工程等に用いる露光装置等において、処理対象基板である半導体基板やディスプレイ基板を搬送するためのステージとして、例えば下記特許文献１に記載されているような、セラミックスからなる搬送ステージが用いられている。

特開平３−１０１０５号公報

半導体デバイス製造やディスプレイ基板製造における高スループット化の要求に対応し、露光装置においても、処理対象基板の大型化と、ステージ駆動速度の高速化とが進行している。セラミックスからなる搬送ステージには、なるべく軽量であること、かつ、高速移動にともなって比較的強い加速度がかかった際の変形が少ないこと、等が要求されている。

特許文献１に記載されているような、単に板状のセラミックス体では、軽量化の為に板厚を薄くした場合、剛性が低下してしまい、加速度がかかった際の変形が大きくなってしまうといった課題があった。

また、板状のセラミックス体を作製する際、成形時や成形後の生加工時に板状体の裏面に肋材部を形成し、ステージの剛性を比較的高くしたステージも提案されているが、このように肋材部を形成した場合も、依然として変形が大きいという問題がある。本発明は、かかる課題を解決することを目的になされたものである。

本発明は、対象物を搬送するための搬送用部材であって、前記対象物が載置される一方主面を備える、セラミックスを主成分とする板状部と、該板状部の他方主面に接合された、前記板状部と略同一のヤング率を有する肋材部と、前記板状部の前記他方主面と前記肋材部とを接合する接合層とを有しており、該接合層の厚さをＴ、前記接合層のヤング率をＹ１、前記板状部および前記肋材部のヤング率をＹ２としたとき、Ｙ１≦Ｙ２であり、下記式（１）で表すαが、０＜α≦１．１６を満たすことを特徴とする搬送用部材を提供する。

本発明の搬送部材は、比較的軽量で、加速度を受けても変形が少ない。また、本発明の搬送装置は、対象物を、比較的高速に、高い位置精度で搬送することができる。

（ａ）および（ｂ）は、本発明の搬送用部材の一実施形態である搬送用部材について説明する概略斜視図である。 図１に示す搬送用部材の一部を拡大して示す概略断面図である。 図１に示す搬送部材を備えて構成された、本発明の搬送装置の一実施形態である搬送装置について説明する概略構成図である。 図１に示す搬送部材における板状部の変形の程度を示すグラフである。 図４に示す変形量の算出に用いた、シミュレーションモデルを示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１（ａ）および（ｂ）は、本発明の搬送用部材の一実施形態である搬送用部材１０について説明する概略斜視図である。図１（ａ）は、搬送用部材１０を、後述する一方主面１２Ａの側から見た斜視図であり、図１（ｂ）は、搬送用部材１０を、後述する他方主面１２Ｂの側から見た斜視図である。また、図２は、搬送用部材１０の一部を拡大して示す概略断面図である。また、図３は、搬送部材１０を備えて構成された、本発明の搬送装置の一実施形態である搬送装置７０について説明する概略構成図である。

搬送用部材１０は、板状部１２と、肋材部１４（１４ａ〜１４ｉ）と、板状部１２と肋材部１４とを接合する接合層１６と、を備えて構成されている。本実施形態において、板状部１２と肋材部１４とは、いずれもＳｉＣを主成分として構成されており、板状部１２と肋材部１４は、例えば３００〜５００ＧＰａの範囲のヤング率を有する。

搬送用部材１０は、図３に示すような搬送装置７０に装着されて用いられる。搬送装置７０は、例えば半導体デバイスの製造装置や、液晶基板等のディスプレイ基板の製造装置等に備えられ、半導体ウエハ等の処理対象物の搬送・位置決めに用いられる。

搬送装置７０は、搬送部材１０を移動させることで、搬送部材１０の一方主面１２Ａに載置された対象物を搬送する装置である。Ｘ軸ガイド７４とＹスライド７９とを連結しＹ軸ガイド８１に沿ってＹ軸リニアモータ８６にてＸ軸ガイド７４がＹ軸方向の移動を行ない、Ｘ軸ガイド７４に沿ってＸスライド８５がＸ軸方向の移動を行なう。

搬送用部材１０は、搬送装置７０において、一方主面１２Ａを上側に向けて配置され、Ｙ軸リニアモータ８６やＸスライド８５によって、一方主面１２Ａに略平行に、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に移動する。

半導体デバイス製造やディスプレイ基板製造における高スループット化の要求に対応し、搬送装置７０のような搬送・位置決め手段においても、処理対象物を搬送する搬送部材１０のようなステージの大型化、および搬送部材１０の移動速度の高速化が進行している。搬送部材１０は、Ｘ軸方向に沿った辺の長さが約１０００ｍｍ、Ｙ軸方向に沿った辺の長さが約１０００ｍｍと、半導体ウエハ等の被処理対象物が載置される一方主面１２Ａの面積が、比較的大きくされている。搬送用部材１０では、比較的大きな面積の一方主面１２Ａを備える一方、板状部１２の厚さｔ０は約５ｍｍと比較的小さくされ、板状部１２Ａは軽量化されている。搬送用部材１０は比較的軽量であり、Ｙ軸リニアモータ８６やＸスライド８５によって、比較的高速に移動することができる。搬送装置７０では、軽量な搬
送部材１０を比較的高速に移動させることができる。搬送部材１０を比較的高速に移動させる場合、搬送部材１０の移動・停止にともない、搬送部材１０には、一方主面１２Ａに平行な方向に比較的大きな加速度がかかる。

板状部１２の他方主面１２Ｂには、肋材部１４が接合層１６を介して接合されている。搬送部材１０では、４つの側板肋材部１４ａ〜１４ｄが、板状部１２の他方主面１２Ｂの周縁辺それぞれに配置されている。また、中央部分に柱状肋材部１４ｅが配置されるとともに、側板肋材部１４ａ〜１４ｄと柱状部材１４ｅとを繋ぐように、４つの梁状肋材部１４ｆ〜１４ｉが設けられている。

搬送部材１０では、側板肋材部１４ａ〜１４ｄの幅ｔ１が約５ｍｍ、梁状肋材部１４ｆ〜１４ｉの幅ｔ２が約３ｍｍ、柱状部材１４ｅの一辺の幅ｔ３が約２０ｍｍ、となっている。各肋材部の高さｈは、いずれも約５５ｍｍとなっている。搬送部材１０では、これら肋材部１４によって、板状部１２の変形が抑制されている。例えば、板状部１２に肋材部１４を設けず、単純に厚さ約５５ｍｍの板状体で板状部１２を構成した場合、板状部１２は重くなり、搬送速度や搬送精度を高くすることができない場合もある。肋材部１４を備える搬送部材１０は、比較的軽量でありながら、一方主面１２に平行な方向の加速度に対する変形は少なくされている。

加速度に対する変形が小さい搬送部材を提供するためには、板状部に補強構造として肋部を形成することが良いことは知られている。板状のセラミックス体に補強構造として肋部を設ける場合、通常、成型や研作加工によって、板状部と一体に肋部を形成する。従来は、このように一体に形成された肋部の方が、板状部と肋材部とのヤング率が同一で、かつ接合部分においてヤング率の変動がないので剛性も高く、加速度がかかった場合の変形も比較的少ないと考えられていた。

本願発明者は、種々のシミュレーションによって、従来と全く異なる発想の構造の搬送部材を提案するものである。具体的には、本願発明者は、種々のシミュレーションによって、接合層の厚さとヤング率に対する、板状部材の変形の大きさの関係を確認してている。本願発明者は、このシミュレーションにより、板状部と一体に肋部を形成する場合よりも変形の少ない搬送部材を、板状部と肋材部との接合によって形成できる条件を、全く新たに見出している。

具体的には、本実施形態の搬送部材１０では、接合層１６の厚さをＴ、接合層１６のヤング率をＹ１、板状部１２および肋材部１４のヤング率をＹ２としたとき、Ｙ１≦Ｙ２であり、下記式（１）で表すαが、０＜α≦１．１６を満たしている。この条件を満たしていることで、搬送部材１０は、駆動にともなう熱による熱応力が小さく、かつ、この一方主面１２Ａに平行な方向に大きな加速度がかかった場合でも、板状部１２の変形を比較的小さく抑制することが可能となっている。たとえば、下記式（１）を満たすことで、搬送用部材１０と同等形状の搬送用部材を、成型や研作加工で作製した場合に比べて、板状部１２の変形をより小さくすることが可能となる。

搬送部材１０では、板状部材１２と肋材部１４とが、いずれもＳｉＣを主成分としたセラミックス部材であり、この板状部１２と肋材部１４のヤング率Ｙ１はＹ１＝４４０ＧＰａとなっている。また、搬送部材１０では、板状部１２の他方主面１２Ｂが、一辺１００
０ｍｍと比較的大きく、例えば側板肋材部１４ａ〜１４ｄの長さが約１０００ｍｍ、梁状肋材部１４ｆ〜１４ｉの長さが約５００ｍｍと比較的長くなっている。このため、側板肋材部１４ａ〜１４ｄの姿勢の微小なずれや、板状部１２の他方主面１２Ｂの表面の微小な荒れ等に起因し、側板肋材部１４ａ〜１４ｄの接合や、梁状肋材部１４ｆ〜１４ｉの接合において、板状部材１２と肋材部１４（側板肋材部１４ａ〜１４ｄや、梁状肋材部１４ｆ〜１４ｉ）との間隔が、比較的大きくなり易い。すなわち、板状部の面積が大きくなると、接合層の厚さは比較的大きくなり易い。搬送部材１０では、接合層Ｔの厚さは比較的大きく、例えば０．５ｍｍとされている。

かかる搬送部材１０において、接合層１６のヤング率Ｔ２は、上記式（１）を満たす範囲、例えば１００〜２００ＧＰａ程度の値とされている。通常、接合層１６の厚さが大きい場合は、例えば、二酸化珪素（ＳｉＯ_２）にホウ酸（Ｂ（ＯＨ）_３）が混合された、いわゆるホウ珪酸ガラス成分の粉末を溶融して固化させただけの接合層が形成される。このようにホウ珪酸ガラス成分の粉末を溶融して固化させただけの場合、ヤング率は約６０〜７０ＧＰａと、１００ＧＰａ未満にとどまる場合が多い。搬送部材１０では、例えば、ホウ珪酸ガラスなどのガラス成分に、フィラーとして、ＳｉＣ等のセラミックス成分を含有させた接合層１４を用いている。このような接合層は、ＳｉＣ等のセラミックス成分の含有量や製造条件を変更することで、７０ＧＰａ〜３００ＧＰａと広い範囲でヤング率の大きさを調整することができる。通常、接合層を介した接合で、肋部を有する構造体を構成した場合、特に大型になるほど接合層の厚さは大きくなり、ガラス成分の割合が大きくなる傾向になるが、本願発明者の上記シミュレーションにより、この接合層のヤング率を、通常のガラス接合における接合層以上のヤング率に制御することによって、搬送部材全体の変形を抑制できることがわかった。

また、上記ヤング率がＹ１≦Ｙ２を満たすことで、搬送部材の駆動にともなって発生する熱に起因した、搬送部材にかかる熱応力が抑制できる。まず、本願発明者は、図１に示す搬送部材の形状を再現する有限要素モデルを作成し、公知の有限要素解析ソフトであるＡＮＳＹＳを用い、搬送部材に発生する熱応力の大きさを計算した。このシミュレーションでは、雰囲気の温度を２０度とし、図１における下端面に４０℃に昇温したモータ駆動部が配置された状態を再現するシミュレーションを行った。より具体的には、モータ駆動部を模してＳＵＳ３０４(厚み５ｍｍ)板を再現するモデル（図示せず）を配置し、この状態での熱応力をシミュレーションによって求めた。

まず、搬送部材モデルとして、接合層を備えない以外は、図１と同様の搬送部材をもつモデルを用い、このモデルの材質をＳｉＣと仮定してヤング率を４１０ＧＰａに設定した場合、このモデルに発生する熱応力は最大で２９０ＭＰａであった。また、図１と同様の搬送部材をもつモデルを用い、このモデルの材質をＳｉＣと仮定してヤング率を４４０ＧＰａに設定した場合、このモデルに発生する熱応力は最大で３０８ＭＰａであった。

次に、図１に示す搬送部材１０の、接合層１６も正確に再現したモデルを作成し、このモデルにおける接合層のヤング率と厚さとを変更した各場合について、搬送部材に生じる熱応力の最大値を計算した。結果を下記表１に示す。表１に示すように、ヤング率がＹ１≦Ｙ２を満たすことで、搬送部材の駆動にともなって発生する熱に起因した、搬送部材にかかる熱応力が抑制できることがわかる。

図４は、本願発明者が実施したシミュレーションによって得られた、搬送部材１０における板状部の変形の程度を示すグラフである。図４では、板状部１２および肋材部１４のヤング率Ｙ１を４４０ＧＰａに固定し、接合層１６の厚さＴとヤング率Ｙ２の値を種々変更した場合における、上記式（１）に対する板状部１２の変形量の程度を表している。なお、図５は、図４に示す変形量の算出に用いた、シミュレーションモデルを示す図である。このシミュレーションでは、図５に示すように、板状部１２の一部を再現する部分モデル２２、側板肋材部１４ａを再現する部分モデル２４ａ、梁状肋材部１４ａを再現する部分モデル２４ｃ、が接合層１６を再現する部分モデル２６を介してそれぞれ接合されている。部分モデル２４ａ、および部分モデル２４ｃは、いずれもヤング率は４４０ＧＰａに設定した。

図４に示す値は、図５に示すシミュレーションモデルを用いて、板状部１２の変形量を近似的に求めた値である。具体的には、図４に示す数値は、構造解析シミュレータであるＡＮＳＹＳを用い、有限要素法による解析を行って得られた値である。この有限要素法解析では、図５に示すモデルに、図中の矢印で示す方向の加速度（９８０６．６ｍｍ／ｓｅｃ^２）を与え、この場合に発生する板状部１２の変形量を求めている。図４に示す値は、このようにして求められた値である。また、図４で示す破線は、図５に示すモデルにおいて、部分モデル２６を設けず、板状部１２や肋材部１４を再現する部分モデルを直接当接させて接合したモデルを用い、上記シミュレーションを行った場合の変形量を示している。この直接当接させた状態でのシミュレーションでは、板状部１２と肋材部１４とのヤング率は、いずれも４１０ＧＰａで計算している。例えばＳｉＣのヤング率は、４１０ＧＰａ〜４４０ＧＰａの範囲で、ある程度の調整が可能となっている。

この状態で上記シミュレーションを実施した場合、板状部１２を再現する部分モデル２２の変形量は、２１９．３ｎｍであった。接合層１６の厚さが比較的大きい場合でも、上記式（１）に示すαが０＜α≦１．１６を満たしている場合は、接合層１６を設けない従来の構造、すなわち成型や研作加工によって板状部に一体に肋部が設けられた構造に比べて、加速度にともなう板状部１２の変形が小さくされている。板状部１２の面積が比較的大きいことで、接合層１６の厚さＴが比較的大きくなる場合であっても、この式（１）で表したパラメータαの範囲を規定することで、加速にともなう変形を小さくすることができる。また、図４に示すグラフからも明らかであるように、上記αが例えばα≦１．０を満たす場合、板状部の変形量を比較的低いレベルに抑えておくことができる。

図５に示すモデルは、搬送部材１０の最低限の構成要素を再現したモデルである。図５に示すモデルによるシミュレーション結果は、搬送部材１０の微小部位での変形の程度を表している。搬送部材が、図１に示すような形状でなく、肋材部の配置等が異なっている場合であっても、板状部の主面に平行な方向に加速度がかかる状態において、搬送部材に
おける最低限の各構成要素において、図４に示す変形が生じる。図５に示すモデルを用いた、図４に示すシミュレーション結果は、比較的複雑な構成の搬送部材１０においても、パラメータαに対する変形量の関係を、よく表しているといえる。

このような作用効果は、本願発明者が実施した、試行錯誤をともなう上記シミュレーション作業によって、初めて確認された事項である。

次に、搬送部材１０の製造方法について説明しておく。まず、板状部１２と肋材部１４との前駆体となる未焼成セラミックス成形体を種々の成形法を用いて成形する。特に大型の成形体を作製する場合には、静水圧プレス（コールドアイソスタティックプレス、以下ＣＩＰと記載。）成形装置により、セラミックス粉体（本実施形態では、主にＳｉＣ）を成形した後、切削加工等により所定形状とするのがより好ましい。ここで、成形体表面は切削加工等により、平面度を３次元測定器による測定値が５０〜１００μｍ、算術平均表面粗さＲａを面粗さ測定器による測定値が１．０〜２．０μｍとするのが好ましい。なお、上記面粗さ測定器で測定する際、成形体に損傷を及ぼさないためには触針の触針径は０．３ｍｍとするのがより好ましい。

次に、接合層の原料となるスラリーを作製する。このスラリーは、ガラス成分の粉体と、フィラーとなるセラミックス粉末（本実施形態ではＳｉＣ）とを溶媒に投入し、万能混合機により真空脱泡しながら撹拌、混合して作製する。そして、スラリーをセラミックス成形体の接合面に塗布し、セラミック成形体同士を接合面にて当接させた後、加圧・乾燥する。なお、スラリーの塗布は、接合する２つのセラミックス成形体の両方の接合面に塗布しても良いし、片方のセラミックス成形体の接合面に塗布してもよく、焼成による収縮率を考慮して塗布される。最後に、数十時間程度の脱脂工程を経た後、大気中または真空中にて焼成することで、搬送部材１０を得ることができる。

上記実施形態では、板状部１２や肋材部１４がＳｉＣとされているが、板状部１２や肋材部１４はＳｉＣに限定されない。例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＮ、ＳｉＣ、コージライト等を用いてもよい。加速度による変形を抑制するには、板状部１２や肋材部１４は、ヤング率が比較的高いことが好ましい。板状部１２や肋材部１４は、例えば、ＳｉＣを主成分とする部材や、Ｂ_４Ｃを主成分とする部材、ＳｉＣとＢ_４Ｃとの混合物を主成分とする部材、等であることが好ましい。ここで、ＳｉＣを主成分とするとは、ＳｉＣの含有割合が５０質量％以上であることをいい、Ｂ_４Ｃを主成分とするとは、Ｂ_４Ｃの含有割合が５０質量％以上であることをいう。また、ＳｉＣとＢ_４Ｃとの混合物を主成分とするとは、ＳｉＣの含有割合とＢ_４Ｃの含有割合との合計が、５０質量％以上であることをいう。ＳｉＣとＢ_４Ｃは、ヤング率が比較的大きい部材である。板状部１２や肋材部１４を、これらＳｉＣやＢ_４Ｃを主成分とする部材で構成することで、加速度に対する変形が比較的小さい搬送部材を得ることができる。

なお、上記実施形態では、接合層１４として、ガラス成分にフィラーとしてのセラミックスがに混合された接合層を設けている。接合層１４を構成する材質に特に限定はなく、上記式（１）におけるαがα≦１．１６を満たす範囲で、板状部材１２や肋材部１４同士を接合する接合材を用いればよい。例えば、上記式（１）を満たす範囲であれば、例えば公知の樹脂接着剤や、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉなどのメタライズ材、金属ロウ材、また、バインダにセラミックス粉末が混合されたセラミックス接合材など、種々の接合材を用いることができる。

上記実施形態では、一方主面１２Ａの大きさが、１０００ｍｍ×１０００ｍｍと比較的大きな板状部１２を用いた例を示している。本願は、板状部１２Ａの大きさや厚さ、肋材部１４（１４ａ〜１４ｉ）の大きさや厚さや配置など、特に限定されない。例えば、板状
部と肋材部とは、異なる材料で構成し、これら異なる材質の部材を接合層を介して接合してもよい。例えば、板状部をコージェライトで構成するとともに、肋材部をＳｉＣで構成したり、板状部をＳｉＣで構成するとともに、肋材部をコージェライトで構成してもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良が可能である。

１０ 搬送用部材
１２ 板状部１２
１２Ａ 一方主面
１４ａ〜１４ｉ 肋材部
１６ 接合層
７０ 搬送装置

Claims (7)

1. 対象物を搬送するための搬送用部材であって、
   前記対象物が載置される一方主面を備える、セラミックスを主成分とする板状部と、
   該板状部の他方主面に接合された、前記板状部と略同一のヤング率を有する肋材部と、
   前記板状部の前記他方主面と前記肋材部とを接合する接合層とを有しており、
   該接合層の厚さをＴ、前記接合層のヤング率をＹ１、前記板状部および前記肋材部のヤング率をＹ２としたとき、Ｙ１≦Ｙ２であり、下記式（１）で表すαが、０＜α≦１．１６を満たすことを特徴とする搬送用部材。
   
2. 前記セラミックスは、ＳｉＣまたはＢ_４Ｃのいずれか一方を５０質量％以上含有することを特徴とする請求項１記載の搬送用部材。
3. 前記セラミックスは、ＳｉＣおよびＢ_４Ｃを含有し、ＳｉＣとＢ_４Ｃとの合計が５０質量％以上であることを特徴とする請求項１記載の搬送用部材。
4. 前記接合層のヤング率Ｙ１が１００ＧＰａ以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の搬送用部材。
5. 前記接合層の厚さＴが０．５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の搬送用部材。
6. 前記接合層は、ガラス成分に炭化物セラミックスが含有されてなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の搬送用部材。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の搬送用部材と、
   該搬送用部材を前記板状体の前記一方主面と平行な方向に沿って移動させる移動機構とを備えて構成された搬送装置。