テクニカルレポート 2023 No.9
安川電機のトータルソリューションにて世界の半導体を支える
～SEMICON Japan 2023に出展～

技術分野	ロボット技術,モータ・アクチュエータ技術,ドライブ技術
技術キーワード	半導体,高精度化,生産性向上,データ活用,i³-Mechatronics,ロボット,サーボ

2024年1月31日

1. はじめに

半導体はトランジスタの集積度を上げて高性能化・高機能化を実現するため、前工程の製造プロセスでは微細化が一層進んでおり、現在ではナノオーダーの半導体が製造されています。このようなハイエンドの半導体では、わずかな不純物でも製品歩留まりに大きな影響を及ぼすため、真空環境や大気中のクリーンな環境下での製造が求められます。また、後工程では、3Dパッケージング技術の採用に伴い、ダイボンディングやワイヤボンディングなどの製造プロセスがより精密化し、これを実現するために高性能かつ高機能のサーボシステムが不可欠です。
当社は、パーティクル発生を抑制し、低振動で高精度なウエハ搬送を可能にするウエハ搬送ロボットを製品化しています。また、高精度なデータ収集と解析が可能なACサーボドライブ「Σ-Xシリーズ」を製品化し、業界最高クラスのモーション性能とデジタルデータを活用したソリューション（故障予知など）を両立しています。これらの製品は、当社が提案する自動化にデジタルデータ活用を加えたソリューションコンセプト「i³-Mechatronics（アイキューブメカトロニクス）」を実現する製品で、継続的な生産効率・品質向上を実現します。
SEMICON Japan 2023では、「安川電機のトータルソリューションにて世界の半導体を支える」というテーマのもと、半導体業界の課題解決ソリューションを展示しました。クリーン度向上と振動低減、高精度を実現した半導体ウエハ搬送用の真空用ロボット「SEMISTAR-GEKKO VD31HQF」と大気用クリーンロボット「SEMISTAR-GEKKO MD124D」を紹介しました。また、業界最高クラスのモーション性能を持ち、デジタルソリューションを実現するサーボドライブ「Σ-X FT56」を使ったシステムも紹介しました。
本レポートでは、SEMICON Japan 2023に出展した展示品を通して、当社の提案するソリューションを紹介します。

2. 半導体を作る工程と当社へのニーズについて

半導体を作る工程は、一般的に図１に示すようなウエハ製造工程とウエハにトランジスタ層を形成する前工程と、ウエハをチップに切り分けてパッケージングをする後工程を経て半導体のチップが作られます。
こうした工程の中で、前工程では、半導体の微細化に対応するガスのない真空環境や究極のクリーンな環境が必要です。特に、微細加工や薄膜形成の需要増加で、真空プロセスの重要性が高まっています。このため、更なる高精度かつ高速でウエハへのダメージのない搬送をしたいなどの要望があります。
後工程では集積度を更に向上させるため、チップやパッケージを縦方向に積層することで集積度を向上させる三次元化が求められています。そのため、製造工程が増加しているので装置を監視して止まらないようにしたいとの要望や高精度動作の要求などがあります。
これらの要望・要求に応えるため、真空環境やクリーンな環境に対応し高精度・低振動でウエハを搬送するロボット技術や、装置を止めないΣ-Xサーボを用いたデジタルソリューションを紹介します。

図1 半導体を作る工程と当社へのニーズ

3. 低振動/ノンストレスでウエハを搬送するロボット技術

3.1 真空用ロボット SEMISTAR-GEKKO VD31HQF

真空用ロボットSEMISTAR-GEKKO VD31HQF
図2　真空用ロボット
SEMISTAR-GEKKO VD31HQF

表1　真空用ロボット
^＊1: 当社測定条件による結果の一例

前工程の真空環境が必要なプロセスにおいて、ウエハの搬送精度向上に加え、低振動、高真空、低コンタミといったお客さまの要求に応えるために高真空ダイレクトドライブモータと金属ベルトで動力を伝達する半導体ウエハ搬送用の真空用ロボットSEMISTAR-GEKKO VD31HQFを製品化しています。(図2)
双腕のアームに片側2枚のウエハを同時に持ち、1時間に約370枚運ぶことができます。金属ベルトの採用により有機コンタミを出さずにモータの動力を伝えられることと、自社製の高真空ダイレクトドライブモータにより高真空対応が可能であるという特長を持っています。最大の特長は自社製の高分解能真空エンコーダにより高い精度での搬送を実現できるということです。真空用ロボットのスペックを表1に示します。
SEMICON Japan 2023では、ハンド上にずれて置かれたウエハを補正して載置(AWC)する連続搬送を実演しました。

3.1 大気用クリーンロボット SEMISTAR-GEKKO MD124D

大気用クリーンロボットSEMISTAR-GEKKO MD124D
図3　大気用クリーンロボット
SEMISTAR-GEKKO MD124D

表2　大気用クリーンロボット
^＊2: 当社測定条件による結果の一例

前工程において、究極のクリーンと高精度・低振動を実現するために、ロボット駆動部から減速機とベルトを無くしたダイレクトドライブモータ駆動の半導体ウエハ搬送用の大気用クリーンロボットSEMISTAR-GEKKO MD124Dを製品化しています。(図3)
減速機・ベルト駆動式のロボットでは比較的振動が大きくなるので、ハンド上でウエハがずれたり衝撃を与えたりしないために吸着式やエッジグリップ式エンドエフェクタが必要でした。
減速機・ベルトを廃止し、モータがアームを直接駆動するダイレクトドライブを採用することで、コンタミを出さず、アームからエンドエフェクタへの振動を大幅に低減し、かつダイレクトドライブの特長である高精度を実現しました。これにより、パッシブグリップハンドでも高スループットのウエハ搬送を実現しています。狭小スロットピッチへのウエハ搬送・高精度ウエハ搬送にも対応し、歩留まり向上を実現しています。大気用クリーンロボットのスペックを表2に示します。
SEMICON Japan 2023では、SEMISTAR-GEKKO MD124Dのひとつの特長である低振動をいかし、2枚同時ウエハ搬送と、今まで困難であった7mmの狭小スロットへの搬送を実演しました。1時間に約350枚のウエハを運ぶことができます。

4. サーボから始めるデジタルデータソリューション

お客さまの生産性向上を実現する当社サーボΣ-Xは、業界最高クラスのモーション性能を誇り、先進的なデジタルデータソリューションを提供します。図4に示すように、Σ-Xの持つ動作最適化モニタを監視し、必要に応じて運転パターンを変更することで、突発的な装置の停止を回避することができます。

図4 動作最適化モニタを活用した停止回避

図5　Σ-X FT56仕様のサーボシステム

また、特別な仕様のΣ-X FT56では、外部センサーのデータをサーボ内で直接分析し、ラダープログラムでモーション制御を行うことが可能です。通常、外部センサーのデータ処理とモーション制御はコントローラで行われますが、これには処理周期やネットワークの遅延が影響し、精度が低下することがあります。しかしながら、Σ-X FT56は最速125μsの高速処理により、精度の高いデータを迅速に分析し、これを用いてサーボ内でモーション制御を実行します。
図5に、距離センサーのデータをΣ-X FT56に取り込み、その情報を基にモーション指令を作っている様子を示します。一連のプロセスがサーボ単体で完結するので、コントローラの負荷を軽減しながら、高精度なモーション制御が実現できます。
SEMICON Japan 2023では、距離センサーで、基準点とサーボで動かす対象物の距離を測定し、Σ-X FT56を活用して、基準点を変化させたときに対象物の距離を一定に保つように制御するデモンストレーションを行いました。このデモは、コントローラに依存する従来の方法と比較して、より高精度な制御が可能であることを示しました。当社のΣ-X FT56は、高度なデータ分析と精密なモーション制御を融合し、高精度なモーション制御を自律的に実行可能な製品です。

5. おわりに

今回は、前工程をターゲットにした半導体ウエハ搬送用の真空用ロボット「SEMISTAR-GEKKO VD31HQF」と大気用クリーンロボット「SEMISTAR-GEKKO MD124D」、後工程をターゲットにしたサーボ「Σ-X FT56」を用いたデジタルデータソリューションを紹介しました。
当社の半導体搬送ロボットは進化している前工程に対応し、高精度・高速搬送で歩留まり向上に貢献します。また、当社のACサーボドライブ「Σ-X FT56」は、装置変化を可視化し精度の高い分析をすることができるので、精度の高いモーション制御が実現でき、生産性の向上が実現できます。
半導体市場は、通信の５G化、自動車の電動化、製品のIoT化、データセンターの巨大化などに伴い、今後も拡大傾向にあります。これらの動向から、半導体製造装置も進化し続けると予測されています。当社はこのような市場動向に対応し、半導体市場に求められる要望・お客さまのお困りごとに応えるため、製品力と技術力をいかしたソリューションを提供し続けます。
今後も、当社の製品と技術を半導体市場の成長に合わせて進化させ、市場の発展に貢献していくことを目指していきます。

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