CN219998166U - 一种密闭式晶圆盒装载口 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种密闭式晶圆盒装载口，用于安装在半导体制程设备前端模块的前方，所述装载口包括：阻挡单元，设置在所述装载口的基板传输接口处，用于控制所述装载口与所述半导体制程设备前端模块的气体流通；进气单元，一端连接于气源，另一端通入所述装载口的密封腔中；排气单元，连通于所述密封腔，用于将所述密封腔中的气体排出；控制单元，用于控制所述阻挡单元、所述进气单元和所述排气单元的工作状态。本实用新型至少能够解决晶圆在工艺前被氧化的问题。

Description

一种密闭式晶圆盒装载口

技术领域

本实用新型涉及半导体制造设备技术领域，具体涉及一种密闭式晶圆盒装载口。

背景技术

半导体行业中6、8英寸晶圆盒为了保证洁净度，通常使用SMIF(standardmechanical interface)形式的密闭式晶圆盒进行晶圆装载。

随着芯片制造中先进制程的发展，芯片图案趋于精细化，为了控制芯片的良率，对芯片过程中晶圆所接触到的气体氛围控制愈发严格。例举1，在芯片制造过程中，晶圆暴露在空气中接触氧气、水气会发生缓慢氧化，生成的很薄的二氧化硅氧化膜可能影响芯片中晶体管电性能。行业通常通入经过加热后的氮气，置换出密闭式晶圆盒中的氧气，降低湿度。

例举2，半导体制程涉及很多化学工艺，例如晶圆刻蚀工艺，会使用到氯气、溴气等强酸性气体，在刻蚀制程完成后，晶圆表面可能会有残余的杂质。前一道工艺中残余的杂质如果带入当前工艺中，可能会造成工艺设备的污染及芯片良率的下降，因此在制程开始的时候，会考虑对晶圆进行气体吹扫，置换晶圆表面或者密闭式晶圆盒中残余的气体。

因此，如何解决上述两个问题，是本技术领域关注的焦点。

实用新型内容

本实用新型的目的是提出一种密闭式晶圆盒装载口，至少能够解决晶圆在工艺前被氧化的问题。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种密闭式晶圆盒装载口，用于安装在半导体制程设备前端模块的前方，所述装载口包括：

阻挡单元，设置在所述装载口的基板传输接口处，用于控制所述装载口与所述半导体制程设备前端模块的气体流通；

进气单元，一端连接于气源，另一端通入所述装载口的密封腔中；

排气单元，连通于所述密封腔，用于将所述密封腔中的气体排出；

控制单元，用于控制所述阻挡单元、所述进气单元和所述排气单元的工作状态。

可选方案中，所述阻挡单元包括：

挡板；

水平向移动组件，连接于所述挡板，能够带动所述挡板在水平方向上靠近/远离所述基板传输接口；

垂向移动组件，连接于所述水平向移动组件，能够带动所述水平向移动组件和所述挡板在竖向方向上靠近/远离所述基板传输接口。

可选方案中，所述挡板的表面具有钝化层。

可选方案中，所述密封腔的底板设有进气口和排气口，所述进气单元和所述排气单元分别连通于所述进气口和所述排气口。

可选方案中，所述密封腔中设有垂向风道和水平向风道，所述垂向风道的底部连通于所述进气口，顶部延伸至所述装载口的水平台，所述水平向风道位于所述底板上方，一端与所述垂向风道的底部连通，另一端为开放端，所述开放端靠近所述排气口。

可选方案中，所述垂向风道朝向所述基板传输接口的一侧设有多个通气孔。

可选方案中，所述水平风道中设置有风机，所述风机的后端依次设置气体止回阀和过滤器。

可选方案中，所述密封腔中还设有氧浓度传感器，用于检测氧气浓度；所述装载口上设置有用于指示氧气浓度的指示灯。

可选方案中，所述进气单元包括进气管道，以及安装在所述进气管道上的进气电磁阀和质量流量控制器；所述排气单元包括排气管道，以及安装在所述排气管道上的排气电磁阀和质量流量控制器。

可选方案中，所述装载口包括：

承载台，用于承载晶圆盒；

传动机构，连接于所述承载台，用于带动所述承载台上下运动；

所述传动机构的底部安装在所述密封腔的底板上，所述垂直风道避开所述传动机构的底部，相对于所述传动机构的底部呈对称结构，所述进气口的数量为两个，相对于所述传动机构的底部对称设置。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型在装载口的基板传输接口处设置阻挡单元，装载口内部形成了密闭式区域，防止置换出的残余气体进入设备前端模块EFEM(Equipment front end module)内部，污染EFEM内部环境。同时惰性气体氮气作为装载口内部的填充气体，避免晶圆表面发生氧化。

进一步地，在装载口内部设置风机，提到气体内循环，减少氮气的使用量；在风机后增加气体过滤器，进一步过滤装载口内部循环氮气时残余的颗粒、化学气体等。

附图说明

通过结合附图对本实用新型示例性实施例进行更详细的描述，本实用新型的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，在本实用新型示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1为本实用新型实施例中装载口和EFEM结构示意图。

图2A为本实用新型实施例中装载口的剖面示意图。

图2B为图2中A-A部剖视图。

图3为本实用新型实施例中晶圆传输时装载口示意图。

图4为本实用新型实施例中气体控制及气流流向示意图。

图5A为本实用新型实施例中晶圆传输开始前装载口控制流程图。

图5B为本实用新型实施例中晶圆传输开始后装载口控制流程图。

附图标记说明：

1-装载口；2-EFEM；3-外壳；4-晶圆盒；5-晶圆；6-底座；7-气体洁净单元；8-洁净空气；9-机械手；10-末端执行器、11-承载台；12-垂向传动机构；13-支撑机构；14A-垂向风道；14B-水平向风道；15-电机；16-进气管路；17-质量流量控制器；18-进气电磁阀；19-排气电磁阀；20-质量流量控制器；21-排气管道；22-垂向移动组件；23-氧浓度传感器；24-风机；25-气体止回阀；26-过滤器；27-水平向移动组件；28-挡板；29-密封圈；30-水平台；31-控制单元；32-底板。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。根据下面的说明和附图，本实用新型的优点和特征将更清楚，然而，需说明的是，本实用新型技术方案的构思可按照多种不同的形式实施，并不局限于在此阐述的特定实施例。附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。

应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本实用新型教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。

空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本实用新型的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

实施例1

参照图1至图4，本实施例提供了一种密闭式晶圆盒装载口，用于安装在半导体制程设备前端模块(EFEM)的前方，所述装载口包括：

阻挡单元，设置在所述装载口的基板传输接口处，用于控制所述装载口与所述半导体制程设备前端模块的气体流通；

进气单元，一端连接于气源，另一端通入所述装载口的密封腔中；

排气单元，连通于所述密封腔，用于将所述密封腔中的气体排出；

控制单元，用于控制所述阻挡单元、所述进气单元和所述排气单元的工作状态。

具体地，本实施例中，装载口1包括：承载台11，用于承载晶圆盒；传动机构，连接于所述承载台11，用于带动所述承载台11上下运动。

参照图1，装载口1安装在EFEM(Equipment front end module)2的正前方，用以装载6,8英寸密闭式晶圆盒。EFEM2内部有机械手9、晶圆预对准装置、气体洁净单元7等，是公知的晶圆传输装置。为了保证EFEM 2内部洁净度，通常气体洁净单元7流入EFEM2内部的洁净气体大于EFEM2底部排除的气体，EFEM2内部形成比外部大气高1-2pa的微压差，使得EFEM2气流方向总是自内部流向外部大气。

密闭式晶圆盒由外壳3，晶圆盒4，底座4组成，外壳3和底座6之间具备互相锁定装置。晶圆盒4放置在底座6的上部，晶圆盒4的内部有多个晶圆载台，承载多片晶圆5。

密闭式晶圆盒放置在装载口1的承载台11上，承载台11上具备解锁/锁紧外壳3和底座6的解锁/锁紧装置(未展示,该装置正/反转实现解锁/锁紧功能)，该解锁/锁紧装置为现有技术，此处不再赘述。在外壳3和底座6解锁后，外壳3搭载在装载口1的水平台30上不动，底座6随着承载台11一起下降到晶圆传输位置(图3示)，在下降过程中，实现了外壳3和底座6互相分离。

传动机构包括电机15、垂向传动机构12(包括丝杠，轴承座等)、支撑机构13。支撑机构13连接在垂向传动机构12上，用于支持承载台11承载晶圆盒4。底座6承载着晶圆盒4一起随着承载台11进行垂向升降(装载晶圆盒时下降，卸载晶圆盒时上升)。

本实施例中，阻挡单元包括：挡板28；水平向移动组件27，连接于所述挡板28，能够带动所述挡板28在水平方向上靠近/远离所述基板传输接口；垂向移动组件22，连接于所述水平向移动组件27，能够带动所述水平向移动组件27和所述挡板28在竖向方向上靠近/远离所述基板传输接口，实现挡板28的开关动作。阻挡单元还包含密封圈29，安装在挡板28靠近装载口1的框架的一侧，在挡板28关闭时，密封挡板28和装载口1之间的间隙。图2A所示，挡板28在关闭状态，水平移动组件27带动挡板28向右运动，密封圈29脱离装载口1的框架后，垂向移动组件22带动水平移动组件27及挡板28向下运动，使得挡板28完全和装载口1的传输接口分离。

阻挡单元安装在装载口1的底板32上。机械手9取放晶圆的时候，挡板28会开启，同时EFEM2内部洁净空气8会进入装载口1的内部，导致装载口1内部的氮气浓度下降。挡板28仅在晶圆取放的时候开启，尽可能减少EFEM 2内部的洁净空气8进入装载口1的内部。具体地，在晶圆取放开始的时候，保持机械手9的垂向高度固定，承载台11进行垂向升降。例如，取放晶圆盒4的第一槽晶圆时，承载台11升降到第一槽晶圆的高度，对应挡板28的中心位置，取放第二片时，承载台11升降到第二槽晶圆的高度，对应挡板28的中心位置…，装载口1的传输接口的高度与垂向移动组件22的行程相适应，保证在垂向移动组件22的垂向行程内，所有的晶圆都能通过传输接口，取放晶圆。传输接口的高度适应机械手9在固定垂向高度取放晶圆时所需要的空间即可，尽可能减少传输接口的高度，以减小晶圆取放时洁净空气8的流入量，以减少对置换的氮气稀释。

挡板28具有良好的平面度，在装载口1的基板传输接口关闭时，能很好的贴合传输接口处的框架，密封传输开口处。挡板28的表面具有钝化层，一方面是耐磨(需要反复开合)，避免开关时候产生颗粒，另外金属钝化能够防止挡板与工艺腐蚀性气体发生反应。

本实施例中，装载口的底板32设有进气口和排气口，所述进气单元和所述排气单元分别连通于所述进气口和所述排气口。所述进气单元包括进气管道，以及安装在所述进气管道上的进气电磁阀18和质量流量控制器17，进气管道的末端连接在干燥，洁净的氮气气源上。所述排气单元包括排气管道21，以及安装在所述排气管道21上的排气电磁阀19和质量流量控制器20，排气管道的末端连接工厂的抽排管路，能够形成一定的负压。

所述密封腔中设有垂直风道14A和水平风道14B，所述垂直风道14A的底部连通于所述进气口16，顶部延伸至所述装载口的水平台30，所述水平风道14B位于所述底板上方，一端与所述垂直风道14A的底部连通，另一端为开放端，所述开放端靠近所述排气口。

如图2B所述，进气管路16连接在垂向风道14A的底部(即进气口位于垂向风道底部)。垂向风道14A为了避开电机15和垂向传动机构12，设计成了W形状。为了提供进气在垂向风道14A的内部均匀性，垂向风道14A的W状风腔宽度和2个进气风道16，在装载口底部呈镜像分布。如图4所示，垂直风道14A朝向基板传输接口的一侧设有多个通气孔，使得置换气体能够自上而下均匀流入装载口1的内部，多个通气孔区域高度设置满足晶圆盒4下降到最低位时，垂向风道14A的气体能够吹扫到晶圆盒4内部搭载的全部晶圆5。

水平向风道14B一端连接垂向风道14A，一端开口部朝向装载口1的背面框架。所述水平向风道14B右侧开口部距离背面框架有一定距离，用以吸入吹扫过晶圆盒4后的气体。水平向风道14B在高度上低于装载口承载台11的最低位置，形状可以是长方形的箱体，或者为从开口部开始，到垂向风道14A连接处结束逐渐收缩的梯形横截面的箱体。由于气流是从大风腔向小风腔方向流动，箱体收缩以后，风机不变的情况下，风腔内部的流速增加，使单位时间内换气量增加。另外，缩小箱体体积，氮气填充开始的时候，能够更快速排净箱体内部的空气。

水平向风道14B的内部安装了风机24，用以在水平向风道14B的开口部形成负压，吸入装载口1内部置换后含有杂质性气体，实现装载口1内部气体的循环。风机24的后端安装有气体止回阀25，用于防止开始进行气体置换时，洁净的氮气直流流向排气管道21。气体止回阀25的前端安装有过滤器26，用以过滤循环气体中的残余杂质。过滤器26为能够过滤颗粒、酸、碱、有机物的合成过滤器。

排气管道21连接在水平风道14B的开口部，管道连接工厂的抽排管路，能够形成一定的负压，开启后能够吸入装载口1内部的气体。排气管道21上连接有质量流量控制器(MFC：MASS FLOW CONTROLLER)20,和排气电磁阀19，用于开启，控制排气的流量。

本实施例中，装载口1的密封腔中还设有氧浓度传感器23，用于检测氧气浓度。氧浓度传感器23安装在水平向风道14B开口上方的一段距离，通过检测氧气浓度来判断装载口1内部的氮气流量是否达到阈值。

控制单元23为本装载口的控制器，控制上述晶圆盒开盒，装载口承载台11垂向升降，挡板开闭控制，及图4所示的气路控制(质量流量控制器17、进气电磁阀18、排气电磁阀19、质量流量控制器20)等。

参照图4、图5A和图5B，上述密闭式晶圆盒装载口的工作原理和工作过程如下：

第一阶段，密闭式晶圆盒放置在装载口1的承载台11上(S11)，外壳3、装载口1的框架、挡板28形成密闭式腔体(图2A中，底板32以上的腔体)。控制单元31收到上位机晶圆盒装载命令开始后，打开排气电磁阀19，设置质量流量控制器20的流出气体的流量(S12)。开启进气电磁阀18，设置质量流量控制器17的流入氮气流量。因回止阀25的设置，流入的氮气只会通过进气管路16流入垂向风道14A中，并通过垂向风道14A的通气孔流入装载口1内部。通过对装载口1密闭式腔体内填充氮气，置换出的空气通过排气管道21流出装载口1的内部腔体，气体置换开始。同时氧浓度传感器23监测腔体内部的剩余氧气含量，并与控制单元31内部设定的氧气浓度阈值比较(S14)。当剩余氧气浓度低于设定的阈值时，关闭排气电磁阀19(S15)后，关闭进气电磁阀18(S16)。在上述气体置换中，装载口1密闭式腔体内部的氧气和晶圆盒，晶圆表面残余的杂质性气体会顺着排气管道21一起流出。

在氮气含量达到晶圆传输要求时(S16)，打开外壳3和底座6之间的解锁/锁紧装置。外壳3搭在水平台30上不动，电机15控制垂向传动机构12带动承载台11开始下降。承载台11承载底座6及晶圆盒4下降到传片等待位置时停止(S17)。

打开风机24(S18)，水平向风道14B内部右侧形成负压，装载口1密闭式腔体内部的气体会被吸入水平向风道14B的开口部。气体在水平向风道14B内部经过过滤器26时，晶圆盒4及晶圆5上剩余残留的杂质会被进一步吸附在过滤器26上，随着循环次数的增加，晶圆盒4和晶圆5表面的杂质被吹扫、过滤干净，避免残余杂质对当前制程机台(由于前一道制程设备里面的化学气体在晶圆盒里有残留，该步骤是将晶圆盒中残留化学气体过滤干净，避免污染当前制程设备的工艺环境)的污染。待循环时间达到控制单元31预设的时间后，晶圆进入等待传输的状态。

第二阶段，晶圆传输开始(S21)后，控制单元31控制挡板28、水平向移动组件27向右运动，使得密封圈29和装载口1的框架完全分离。垂向移动组件22承载着水平向移动组件27及挡板28一起向下运动，使得挡板28和装载口1的传输接口完全分离(S22)。此时,EFEM内部的洁净空气8从装载口1的传输接口流入装载口的腔体内部，氧浓度传感器23检测到的剩余氧气含量不断上升(S23)。

控制单元31打开进气电磁阀18，在质量流量控制器17设定流入腔体内部的氮气流量。(S24)设置流入装载口腔体内部的氮气流量，能够实现装载口1腔体内部的气体压力略大于EFEM内部的压力，气体流向变为由装载口1传输接口流向EFEM 2的内部。氮气浓度恢复到晶圆传输的要求。

晶圆传输开始后，机械手9的末端执行器10通过装载口1的传输接口往晶圆盒里伸入取片。

机械手9取片完成后，挡板28可以关闭，并停止氮气的供应，等待下一次机械手9取放片时再开启挡板28和供应氮气。也可以一直打开挡板28，持续供给氮气。待当前晶圆盒4内的晶圆5全部完成半导体工艺制程后(S25)，挡板28关闭(S26)。此时可以打开排气电磁阀19，对晶圆5当前制程工艺中残余物质进行吹扫一段时间，待吹扫完成后承载台11带着底座6及晶圆盒4上升到装载口1的水平台30的高度，进行外壳3和底座6互相锁定。氮气供给停止(S27)，排气电磁阀19打开(S28)，装载口1的内部气体置换为空气。

为了避免生产人员在拿走密闭式晶圆盒时，吸入装载口1腔体内部流出的氮气而发生窒息性事件。可以在装载口1的水平台30上设置安全指示灯，当装载口1内部氧气浓度高于设定值时(如19.5％)时，安全指示灯亮起后，再关闭风机24，关闭排气电磁阀19。

需要说明的是，本实用新型提到装载的晶圆盒、晶圆也可以是其他半导体行业(如光伏、OLED)的各类基板盒及基板。

本实施例采用晶圆盒4下沉到装载口1内部，利用装载口1，挡板28，外壳3实现密闭区域，氮气填充开始时，通过设置进气单元、排气单元，首次置换装载口1中的空气，及晶圆盒4及晶圆5表面残余的颗粒、化学气体。

在密闭区域内增加垂向风道14A、水平向风道14B和风机24，在氮气浓度达到预设的阈值时，可以关闭氮气气源和排气管路，使用风机实现氮气在装载口1内部循环，减小了氮气的使用量，同时在风机24后增加了过滤器26(高效颗粒过滤器、化学过滤器等组成)，进一步过滤掉装载口1内部循环氮气时残余的颗粒、化学气体等。

在装载口1内部使用干燥的氮气置换出空气中的氧气和水气，解决了背景中的问题1。在氮气置换时气体排除，及过滤器26有效地过滤。过滤晶圆盒及晶圆表面的残余工艺杂质，解决了背景中的问题2。

上述描述仅是对本实用新型较佳实施例的描述，并非对本实用新型范围的任何限定，本实用新型领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (10)

1.一种密闭式晶圆盒装载口，用于安装在半导体制程设备前端模块的前方，其特征在于，所述装载口包括：

阻挡单元，设置在所述装载口的基板传输接口处，用于控制所述装载口与所述半导体制程设备前端模块的气体流通；

进气单元，一端连接于气源，另一端通入所述装载口的密封腔中；

排气单元，连通于所述密封腔，用于将所述密封腔中的气体排出；

控制单元，用于控制所述阻挡单元、所述进气单元和所述排气单元的工作状态。

2.如权利要求1所述的密闭式晶圆盒装载口，其特征在于，所述阻挡单元包括：

挡板；

水平向移动组件，连接于所述挡板，能够带动所述挡板在水平方向上靠近/远离所述基板传输接口；

垂向移动组件，连接于所述水平向移动组件，能够带动所述水平向移动组件和所述挡板在竖向方向上靠近/远离所述基板传输接口。

3.如权利要求2所述的密闭式晶圆盒装载口，其特征在于，所述挡板的表面具有钝化层。

4.如权利要求1所述的密闭式晶圆盒装载口，其特征在于，所述密封腔的底板设有进气口和排气口，所述进气单元和所述排气单元分别连通于所述进气口和所述排气口。

5.如权利要求4所述的密闭式晶圆盒装载口，其特征在于，所述密封腔中设有垂向风道和水平向风道，所述垂向风道的底部连通于所述进气口，顶部延伸至所述装载口的水平台，所述水平向风道位于所述底板上方，一端与所述垂向风道的底部连通，另一端为开放端，所述开放端靠近所述排气口。

6.如权利要求5所述的密闭式晶圆盒装载口，其特征在于，所述垂向风道朝向所述基板传输接口的一侧设有多个通气孔。

7.如权利要求5所述的密闭式晶圆盒装载口，其特征在于，所述水平向风道中设置有风机，所述风机的后端依次设置气体止回阀和过滤器。

8.如权利要求1所述的密闭式晶圆盒装载口，其特征在于，所述密封腔中还设有氧浓度传感器，用于检测氧气浓度；所述装载口上设置有用于指示氧气浓度的指示灯。

9.如权利要求1所述的密闭式晶圆盒装载口，其特征在于，所述进气单元包括进气管道，以及安装在所述进气管道上的进气电磁阀和质量流量控制器；所述排气单元包括排气管道，以及安装在所述排气管道上的排气电磁阀和质量流量控制器。

10.如权利要求6所述的密闭式晶圆盒装载口，其特征在于，所述装载口包括：

承载台，用于承载晶圆盒；

传动机构，连接于所述承载台，用于带动所述承载台上下运动；

所述传动机构的底部安装在所述密封腔的底板上，所述垂向风道避开所述传动机构的底部，相对于所述传动机构的底部呈对称结构，所述进气口的数量为两个，相对于所述传动机构的底部对称设置。