CN110544660A - 模块化晶圆传输系统和半导体设备 - Google Patents

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Abstract

一种模块化晶圆传输系统和半导体设备，模块化晶圆传输系统包括相互独立的装载台模块、前端模块、过渡腔室模块和传输腔室模块，其中：装载台模块与前端模块相连接；前端模块与传输腔室模块之间以及各传输腔室模块之间通过过渡腔室模块相连接。本发明可以通过过渡腔室模块将多个传输腔室模块相连接，从而增加单台设备可集成的工艺模块数量，进而实现晶圆前后道工艺在单台设备中连续传输。

Description

模块化晶圆传输系统和半导体设备
技术领域
本发明涉及半导体设备领域，特别涉及一种模块化晶圆传输系统和包括该模块化晶圆传输系统的半导体设备。
背景技术
芯片加工过程对硅晶圆进行一系列处理，例如涂膜、显影、光刻、化学气相沉积、刻蚀、离子植入、物理气相沉积、化学机械研磨、退火、检测、切片、封装等。经过上述加工步骤以后，硅晶圆才会被加工成CPU、存储芯片和图形处理器等电子器件。这些加工过程对环境要求很高，因此大多数工艺都在真空密封腔室中进行。
晶圆传输系统是半导体设备的重要组成部分，其负责将晶圆在不同工艺模块之间快速、高效、可靠的传输，体现了整台设备的自动化程度和可靠性。随着工艺产能需求的不断提升和工艺制程节点的不断前进，晶圆传输系统向着高真空度、高速度、连续化、高集成度的趋势发展。
目前半导体制造设备一般含有1～2个大气机械手和1～2个真空机械手。其中真空机械手传输位的数量决定了传输平台所外挂工艺模块的数量，受工艺模块以及传输平台结构的限制，一个真空机械手最多有8个传输位。
根据传输腔室的数量，半导体制造设备可分为一级晶圆传输系统和二级晶圆传输系统。一级晶圆传输系统包括一体加工的装载腔和传输腔室，传输腔室外挂单独的工艺腔室。晶圆从装载腔传入传输腔室，依工艺顺序放入相应的工艺模块中进行工艺，工艺完成后，晶圆传回装载腔。二级晶圆传输系统包括一体加工的装载腔、一级传输腔室和二级传输腔室，各腔室呈直线型布局，一级传输腔室和二级传输腔室可外挂工艺模块。一级传输腔室比二级传输腔室真空度差、氧气和水汽含量高，适用于外挂对真空、氧和水汽含量要求较低的工艺模块。晶圆从装载腔传入传输腔室，依工艺顺序依次放入一级传输腔室和二级传输腔室相应的工艺模块中进行工艺，工艺完成后，晶圆传回装载腔。
现有晶圆传输系统的主要缺点在于装载腔室、传输腔室是一体加工的，加工难度大、成本高、适用性和互换性差，一种晶圆传输系统只能适用于特定的工艺流程。另外，一体式、直线型的布局决定了传输腔室所能对接的工艺模块不足，无法满足更多的工艺要求。
发明内容
本发明的目的是提出一种模块化晶圆传输系统，以克服现有晶圆传输系统加工难度大、加工成本高、难以集成较多工艺模块的缺陷。
本发明一方面提出一种模块化晶圆传输系统，包括相互独立的装载台模块、前端模块、过渡腔室模块和传输腔室模块，其中：
所述装载台模块与所述前端模块相连接；
所述前端模块与所述传输腔室模块之间以及各传输腔室模块之间通过所述过渡腔室模块相连接。
优选地，所述模块化晶圆传输系统海报：
多个阀门，所述阀门设于所述传输腔室模块与所述过渡腔室模块之间，和/或设于所述传输腔室模块与对所述晶圆执行工艺的工艺模块之间。
优选地，所述多个阀门的结构与尺寸相同。
优选地，所述过渡腔室模块设有供晶圆通过的晶圆入口和晶圆出口。
优选地，所述传输腔室模块为正八边形或正方形结构。
优选地，所述过渡腔室模块为直线型或折线型结构。
优选地，还包括前端阀门，所述前端阀门设于所述过渡腔室模块与所述前端模块之间。
优选地，所述传输腔室模块内设有真空机械手。
优选地，所述传输腔室模块包括至少一个一级传输腔室模块和至少一个二级传输腔室模块，所述一级传输腔室模块与所述二级传输腔室模块之间、两个一级传输腔室模块之间、两个二级传输腔室模块之间通过所述过渡腔室模块相连接。
本发明另一方面提供一种半导体设备，包括：
所述的模块化晶圆传输系统；
多个工艺模块，每个所述工艺模块连接于所述传输腔室模块。
优选地，所述工艺模块为预清洗模块、退火模块、去气模块、镀膜模块、刻蚀模块、研磨工艺模块之一。
本发明的有益效果在于：
1、在模块化晶圆传输系统中，晶圆停留的各个位置均是独立的模块，可以通过过渡腔室模块将多个传输腔室模块以及前端模块与传输腔室模块相连接，从而增加单台设备可集成的工艺模块数量，进而实现晶圆前后道工艺在单台设备中连续传输，避免晶圆传输到大气中接触大气，并缩短了传输路径，提高了晶圆的良率和设备产能。
2、通过过渡腔室模块可以连接不止一个一级传输腔室模块和二级传输腔室模块，从而将不同数量的双片传输系统与单片传输系统组合，提高晶圆传输系统的传片速率，进而提高晶圆加工工艺性能和产能。
3、半导体设备采用本发明的模块化晶圆传输系统，从而可以根据工艺要求在传输腔室模块上灵活地增设或更换工艺模块，提高了工艺灵活性和通用性。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的附图标记通常代表相同部件。
图1显示根据本发明示例性实施例的模块化晶圆传输系统的示意图。
附图标记说明：
401装载台模块，402晶圆盒，403操作面板，404前端模块，405大气机械手，406～407过渡腔室模块，408～409工艺模块，410传输腔室模块，411真空机械手，412～413过渡腔室模块，414～419工艺模块，420阀门，421～422工艺模块，423传输腔室模块，424真空机械手，425～428过渡腔室模块，429真空机械手，430传输腔室模块。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
根据本发明实施例的模块化晶圆传输系统，包括相互独立的装载台模块、前端模块、过渡腔室模块和传输腔室模块，其中：
装载台模块与前端模块相连接；
前端模块与传输腔室模块之间以及各传输腔室模块之间通过过渡腔室模块相连接。
对于该模块化晶圆传输系统，晶圆停留的各个位置均是独立模块，可以通过过渡腔室模块将多个传输腔室模块相连接，从而增加单台设备可集成的工艺模块数量，进而实现晶圆前后道工艺在单台设备中连续传输，避免晶圆传输到大气中接触大气，并缩短了传输路径，提高了晶圆的良率和设备产能。多个传输腔室模块相连接还能够将不同数量的双片传输系统与单片传输系统组合，提高晶圆传输系统的传片速率，进而提高晶圆加工工艺性能和产能。
在一个示例中，传输腔室模块包括多个阀门，阀门设于传输腔室模块与过渡腔室模块之间，也可设于传输腔室模块与对晶圆执行工艺的工艺模块之间。
阀门用于隔离不同模块，以保证各模块内的环境要求。阀门可以集成在传输腔室模块，更便于根据工艺要求在传输腔室模块上灵活地增设或更换工艺模块，提高了使用灵活性和通用性。
优选地，多个阀门的结构与尺寸相同，以提高系统的通用性，也便于维护。优选地，多个阀门与前端阀门的结构与尺寸也相同，以提高阀门的可互换性。
在一个示例中，装载台模块用于放置晶圆盒，前端模块用于设置大气机械手，传输腔室模块用于设置真空机械手，工艺模块为预清洗模块、退火模块、去气模块、镀膜模块、刻蚀模块、研磨工艺模块之一，分别用于执行预清洗、退火、去气、镀膜、刻蚀、研磨工艺。根据操作需要，大气机械手和真空机械手可以是单手传输机械手或双手传输机械手。根据工艺需要，传输腔室模块可连接上述工艺模块，以执行相应的工艺。
在一个示例中，过渡腔室模块设有供晶圆通过的晶圆入口和晶圆出口，晶圆通过晶圆入口和晶圆出口进出与过渡腔室模块连接的传输腔室模块或前端模块。
在一个示例中，传输腔室模块为正八边形或正方形结构，工艺模块、过渡腔室模块可设于传输腔室模块的各边上，利于进行紧凑布局。传输腔室模块的这种结构形式也便于通过过渡腔室模块进行连接，从而系统可包括不止一个一级传输腔室模块和不止一个二级传输腔室模块，对多种工艺模块进行集成。
在一个示例中，过渡腔室模块为直线型或折线型结构。当过渡腔室模块为直线型结构时，晶圆入口和晶圆出口相互对齐，晶圆在过渡腔室模块中的传输路径为直线；当过渡腔室模块为折线型结构时，晶圆入口和晶圆出口形成夹角，例如90°或135°，晶圆在过渡腔室模块中的传输路径为折线。在实际应用时，可根据传输腔室模块的数量和布局选择适当形式的过渡腔室模块，以保证模块化晶圆传输系统的合理和紧凑布局。
在一个示例中，还设有前端阀门，前端阀门设于过渡腔室模块与前端模块之间，以实现过渡腔室模块与前端模块之间的隔离密封。
在一个示例中，模块化晶圆传输系统还包括设于前端模块的操作面板，用于对整个晶圆传输系统进行操作控制，例如控制各机械手的启动、暂停、开关各阀门、启动各工艺模块内的操作等。
本发明实施例还提供一种半导体设备，包括所述的模块化晶圆传输系统，以及多个工艺模块，每个工艺模块连接于传输腔室模块。
在一个示例中，工艺模块为预清洗模块、退火模块、去气模块、镀膜模块、刻蚀模块、研磨工艺模块之一，分别用以执行预清洗、退火、去气、镀膜、刻蚀、研磨工艺工艺。
实施例
图1显示根据本发明示例性实施例的模块化晶圆传输系统的示意图。如图1所示，模块化晶圆传输系统包括装载台模块401，前端模块404，过渡腔室模块406、407、412、413、425、426、427、428，以及传输腔室模块410、423、430，模块化晶圆传输系统与工艺模块408、409、414～419、421、422相连接。
其中，装载台模块401用于放置晶圆盒402，其上还设有操作面板403，用于对整个晶圆传输系统进行操作控制。前端模块404的内部设有大气机械手405。
传输腔室模块410为正八边形结构，其内设有真空机械手411，真空机械手411是单手传输机械手。传输腔室模块410的八条边分别连接工艺模块408和409、过渡腔室模块406、407、412、413、427、428。工艺模块408和409均为预清洗模块，分别执行预清洗工艺，在每个工艺模块与传输腔室模块410之间均设有阀门420，以保证执行工艺所需的环境条件。此外，在与传输腔室模块410与过渡腔室模块406、407、412、413、427、428之间也分别设有阀门420，以隔离各传输腔室模块以及前端模块，以保证各传输腔室模块内的真空度、氧气、水汽含量等条件满足工艺要求。
传输腔室模块430也为正八边形结构，其内设有真空机械手429，真空机械手429是单手传输机械手。传输腔室模块430的八条边分别连接工艺模块414至419、过渡腔室412、413。工艺模块414至419均为镀膜模块，用于执行镀膜工艺(例如钽工艺、铜工艺、铝工艺等)，每个工艺模块与传输腔室模块430之间均设有阀门420。此外，过渡腔室412、413与传输腔室模块430之间也设有阀门420。
传输腔室模块423为正方形结构，其内设有真空机械手424，真空机械手424是双手传输机械手。传输腔室模块423的四条边分别连接工艺模块421和422、过渡腔室模块425、426、427、428。工艺模块421和422均为退火模块，每个工艺模块能够同时执行两片晶圆的退火工艺。工艺模块421和422与传输腔室模块423之间设有阀门420。此外，过渡腔室模块425、426、427、428与传输腔室模块423之间设有阀门420。
每个过渡腔室模块均设有供晶圆通过的晶圆入口和晶圆出口。在本实施例中，过渡腔室模块425、426为直线型结构，从而晶圆在过渡腔室模块中的传输路径为直线；过渡腔室模块406、407、412、413、427、428为折线型结构，从而晶圆在过渡腔室模块中的传输路径为折线。选用不同形式的过渡腔室模块有利于优化传输腔室模块及相应的工艺模块的布局，使模块化晶圆传输系统能够连接多个传输腔室模块。
根据实施例的模块化晶圆传输系统的工作过程如下：
首先，大气机械手405将待加工晶圆从装载台模块401上的晶圆盒402中传输到过渡腔室模块425和426中；
然后，真空机械手425同时将过渡腔室模块425和426中的两片晶圆传输到工艺模块421或422中，在其中同时进行退火工艺，工艺模块421和422都可以同时对两片晶圆进行退火工艺，因此在实施例中，四片晶圆可以同时进行退火工艺；退火工艺和去气工艺均是高温工艺，退火是将晶圆加热到320°左右持续100～120秒，主要去除晶圆上附带的前道工艺残留的有机物、晶圆表面水汽和空气、还原被氧化的铜等；去气工艺将晶圆加热到300°左右持续90～110秒，主要去除经过退火工艺后回到大气粘附的水汽和空气，在实施例中退火工艺能够代替去气工艺；
真空机械手424将经过退火的晶圆传输到过渡腔室模块427和428中；
真空机械手411将过渡腔室模块427和428中的晶圆传输到工艺模块408或409进行预清洗，预清洗时间一般为50～60秒；
预清洗结束后，真空机械手411将晶圆传输到过渡腔室模块412或413；
真空机械手429将晶圆传输到工艺模块414～419中的一个，进行镀膜工艺；
完成所有工艺的晶圆再通过过渡腔室模块412或413以及过渡腔室模块406或407传输回晶圆盒，进入下一道工序。
在实施例的模块化晶圆传输系统中，晶圆停留的各个位置均是单独模块，可以通过过渡腔室模块将多个传输腔室模块相连接，从而增加单台设备可集成的工艺模块数量，在本例中，将退火工艺、预清洗工艺、镀膜工艺集成在一起，可以实现晶圆前后道工艺在单台设备中连续传输，避免晶圆传输到大气中接触大气，并缩短了传输路径，提高了产能。此外，用于隔离各模块的阀门可以集成在传输腔室模块，可以根据工艺要求在传输腔室模块上增设或更换工艺模块，提高了使用灵活性和通用性。
以上已经描述了本发明的实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (11)

1.一种模块化晶圆传输系统，其特征在于，包括相互独立的装载台模块、前端模块、过渡腔室模块和传输腔室模块，其中：
所述装载台模块与所述前端模块相连接；
所述前端模块与所述传输腔室模块之间、以及各传输腔室模块之间通过所述过渡腔室模块相连接。
2.根据权利要求1所述的模块化晶圆传输系统，其特征在于，还包括：
多个阀门，所述阀门设于所述传输腔室模块与所述过渡腔室模块之间，和/或设于所述传输腔室模块与对所述晶圆执行工艺的工艺模块之间。
3.根据权利要求2所述的模块化晶圆传输系统，其特征在于，所述多个阀门的结构与尺寸相同。
4.根据权利要求1所述的模块化晶圆传输系统，其特征在于，所述过渡腔室模块设有供晶圆通过的晶圆入口和晶圆出口。
5.根据权利要求1所述的模块化晶圆传输系统，其特征在于，所述传输腔室模块为正八边形或正方形结构。
6.根据权利要求1所述的模块化晶圆传输系统，其特征在于，所述过渡腔室模块为直线型或折线型结构。
7.根据权利要求1所述的模块化晶圆传输系统，其特征在于，还包括前端阀门，所述前端阀门设于所述过渡腔室模块与所述前端模块之间。
8.根据权利要求1所述的模块化晶圆传输系统，其特征在于，所述传输腔室模块内设有真空机械手。
9.根据权利要求1所述的模块化晶圆传输系统，其特征在于，所述传输腔室模块包括至少一个一级传输腔室模块和至少一个二级传输腔室模块，所述一级传输腔室模块与所述二级传输腔室模块之间、两个一级传输腔室模块之间、两个二级传输腔室模块之间通过所述过渡腔室模块相连接。
10.一种半导体设备，其特征在于，包括：
根据权利要求1-9中任一项所述的模块化晶圆传输系统；
多个工艺模块，每个所述工艺模块连接于所述传输腔室模块。
11.根据权利要求1所述的半导体设备，其特征在于，所述工艺模块为预清洗模块、退火模块、去气模块、镀膜模块、刻蚀模块、研磨工艺模块之一。
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