TWI830432B - 製程腔室、半導體製程設備和半導體製程方法 - Google Patents

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Abstract

一種應用於半導體製程設備的製程腔室，包括傳輸腔和位於傳輸腔上方的多個反應腔，多個反應腔均通過底部開口與傳輸腔連通，多個基座可在反應腔與傳輸腔之間升降，還包括設置在傳輸腔中的傳輸機構和承載機構，傳輸機構用於將晶圓由製程腔室外部轉移至承載機構或多個基座上，以及將多個基座上的晶圓傳出製程腔室，承載機構用於承載多個晶圓，並能夠將其所承載的多個晶圓轉移至多個基座上。

Description

製程腔室、半導體製程設備和半導體製程方法
本發明涉及半導體製程設備領域，具體地，涉及一種製程腔室、一種包括該製程腔室的半導體製程設備和一種通過該製程腔室實現的半導體製程方法。
近年來，隨著半導體行業的迅猛發展，電子元器件小型化趨勢越來越明顯，在原子尺度上對材料進行加工的需求也越來越多，原子層沉積(Atomic Layer Deposition，ALD)技術，尤其是等離子體增強型原子層沉積(Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition，PEALD)技術成為人們日益關注的課題。原子層沉積技術要求多種反應氣體依次連續進入腔室，且進入腔室之前必須保持為彼此互相獨立的氣態，以在反應腔室中沉積生成預定厚度的膜層，進而獲得性能達到要求的薄膜。
現有的原子層沉積製程設備主要包括前端模組、傳輸平臺和製程腔室，其中，傳輸平臺中配置有機械手，用於在前端模組與製程腔室之間傳輸晶圓。隨著PEALD製程產能需求越來越高，為提高機台產能，製程腔室中可採用多腔室結構，即，同一製程腔室中設置有多個反應腔，從而可以同步向多個反應腔中載入晶圓、進氣，並同步控制多個反應 腔中的氣壓，在保證各個反應腔的獨立性的同時，提高了晶圓的加工效率。
然而，傳輸平臺中配置的機械手原先是與採用單腔室結構的製程腔室配合使用，現有的機械手的傳片效率已經遠遠無法滿足多腔室結構的製程需求，成為現有原子層沉積製程設備提高產能的新的技術瓶頸。
本發明旨在提供一種製程腔室、半導體製程設備和半導體製程方法，該製程腔室能夠節約晶圓傳輸時間，提高機台產能。
為實現上述目的，本發明提供一種應用於半導體製程設備的製程腔室，包括傳輸腔和位於該傳輸腔上方的多個反應腔，多個該反應腔均通過底部開口與該傳輸腔連通，該製程腔室還包括多個用於承載晶圓的基座，多個該基座與多個該反應腔的位置一一對應，且可在該反應腔與該傳輸腔之間升降並封閉或打開該底部開口，其中，該製程腔室還包括設置在該傳輸腔中的傳輸機構和承載機構，該傳輸機構用於將晶圓由該製程腔室外部轉移至該承載機構或該基座上，以及將該基座上的晶圓傳出該製程腔室；該承載機構用於承載多個晶圓，並能夠將其所承載的多個該晶圓轉移至多個該基座上。
可選地，多個該基座環繞該承載機構設置，該承載機構具有多個晶圓承載位，該晶圓承載位的數量與該基座的數量一致，且該承載機構被設置為使多個該晶圓承載位能夠同時靠近對應的多個該基座，並將多個該晶圓轉移至對應的多個該基座上；或者，能夠同時遠離對應的多個該基座。
可選地，該承載機構包括驅動器、連接件和多個手指件，該手指件的上表面形成該晶圓承載位，多個該手指件環繞固定在該連接件的四周，該驅動器用於驅動該連接件帶動多個該手指件升降以及繞該連接件的旋轉軸轉動。
可選地，該基座具有環繞該基座軸線分佈的多個基座孔，多個該基座孔中一一對應地設置有多個支撐柱，該支撐柱用於在基座上升時沿該基座孔相對於該基座下降，並在該支撐柱的頂面不高於該基座的承載面後隨該基座一同上升，以及，在該基座下降至該支撐柱的底端與該傳輸腔的底壁接觸後支撐並抬起該基座上的晶圓； 該手指件在朝向對應的該基座的一側形成有避讓口，且當該驅動器驅動該連接件帶動多個該手指件轉動至多個該手指件一一對應地位於多個該基座上方時，每一該基座上的多個支撐柱位於對應的該手指件的該避讓口中。
可選的，該支撐柱具有限位部，該限位部與該基座孔配合，用於在該基座上升，且在該支撐柱的頂面不高於該基座的承載面時，使該支撐柱與該基座相對位置固定，以使該支撐柱隨該基座一同上升。
可選地，該製程腔室對應於該傳輸腔的側壁上形成有兩個傳片口，該傳輸機構用於通過兩個該傳片口由該製程腔室外部獲取晶圓，並通過兩個該傳片口將晶圓傳出該製程腔室。
可選地，該製程腔室還包括多個密封環，多個該密封環與多個該基座一一對應，該密封環沿周向套設在該基座的側壁上，且該密封環能夠在該基座上升至對應的該反應腔時密封該反應腔的底部開口。
可選地，該傳輸腔的頂壁上形成有與多個該反應腔的底部 開口一一對應的多組環形密封槽，每組中的多個該環形密封槽同心且環繞對應的該底部開口設置，該密封環具有朝向該傳輸腔的頂壁的環形定位面，該環形定位面上形成有多個同心設置的環形凸起部，多個該環形凸起部與多個該環形密封槽一一對應；在該基座上升至該反應腔時，該環形凸起部至少部分進入對應的該環形密封槽中。
可選地，該傳輸機構包括驅動部、手指部和多個擺杆部，多個該擺杆部依次連接在該驅動部與該手指部之間，多個該擺杆部之間以及該擺杆部與該驅動部、該手指部之間均通過鉸接軸鉸接，且多個該鉸接軸均沿豎直方向延伸，該驅動部用於分別驅動該手指部和多個該擺杆部繞對應的該鉸接軸轉動，以及驅動多個該擺杆部及該手指部作升降運動。
作為本發明的第二個方面，提供一種半導體製程設備，該半導體製程設備包括前面所述的製程腔室。
作為本發明的第三個方面，提供一種半導體製程方法，應用於前面所述的製程腔室，該方法包括：步驟S1、控制該傳輸機構將該製程腔室外部的晶圓傳輸至多個該基座上；步驟S2、控制多個該基座上升至對應的該反應腔中，並進行半導體製程，同時控制該傳輸機構將該製程腔室外部的晶圓傳輸至該承載機構上；步驟S3、在該半導體製程結束後，控制多個該基座下降至該傳輸腔中，並控制該傳輸機構將多個該基座上的晶圓傳出該製程腔室；步驟S4、控制該承載機構將其所承載的多個該晶圓轉移至多個該基座上；重複執行該步驟S2至該步驟S4。
在本發明提供的製程腔室、半導體製程設備和半導體製程方法中，製程腔室的傳輸腔中設置有傳輸機構和承載機構，承載機構能夠暫存晶圓，從而在多個基座分別承載當前一批晶圓上升至對應的反應腔 中，並同步進行半導體製程時，傳輸機構可以先將下一批晶圓由製程腔室外傳輸至承載機構上，在當前一批晶圓的半導體製程結束後，傳輸機構將晶圓傳出製程腔室，再由承載機構將其所承載的下一批晶圓轉移至多個基座上，這與現有技術中相鄰兩批晶圓進行半導體製程的步驟之間需要將下一批晶圓依次傳輸至各個基座上相比，節約了傳輸晶圓的時間，提高了機台產能。
並且，晶圓的傳輸及定位均可由傳輸腔中的傳輸機構和承載機構實現，製程腔室外側無需設置帶有機械手的傳輸平臺，製程腔室的傳片口一側可直接與預裝載台對接，進而使半導體製程設備的整機結構更加緊湊，降低了設備占地面積，進而提高了半導體產線的經濟效益。
1:上蓋
2:反應腔
3:晶圓
4:傳輸腔
5:電機
6:氣體管路
7:機械手組件
8:基座
9:密封環
10:傳片口
11:支撐柱
21:承載機構
22:傳輸機構
23:第二基座
24:第三基座
25:第一基座
26:第四基座
42:預裝載台
43:前端模組
44:裝載台
81:基座孔
201:環形密封槽
210:上腔體
211:手指件
211a:避讓口
212:手指件
213:手指件
214:手指件
221:手指部
222:第一擺杆部
223:第二擺杆部
410:下腔體
901:環形凸起部
當結合附圖閱讀時，從以下詳細描述最佳理解本揭露之態樣。應注意，根據產業中之標準實踐，各種構件未按比例繪製。事實上，為了論述的清楚起見可任意增大或減小各種構件之尺寸。
圖1是本發明實施例提供的製程腔室的結構示意圖；圖2是本發明實施例提供的製程腔室的局部放大示意圖；圖3是本發明實施例提供的製程腔室中基座的結構示意圖；圖4A是本發明實施例提供的製程腔室中承載機構、傳輸機構與基座在傳輸腔中的相對位置示意圖；圖4B是本發明實施例提供的製程腔室中基座和支撐柱在相對位置固定時的結構示意圖；圖5是本發明實施例提供的製程腔室中傳輸機構的部分結構示意圖；圖6是本發明實施例提供的製程腔室中傳輸機構由製程腔室外部獲取 晶圓的原理示意圖；圖7是本發明實施例提供的製程腔室中傳輸機構將晶圓放置在承載機構上的原理示意圖；圖8是本發明實施例提供的半導體製程設備的結構示意圖。
以下揭露提供用於實施本揭露之不同構件之許多不同實施例或實例。下文描述組件及配置之特定實例以簡化本揭露。當然，此等僅為實例且非意欲限制。舉例而言，在以下描述中之一第一構件形成於一第二構件上方或上可包含其中該第一構件及該第二構件經形成為直接接觸之實施例，且亦可包含其中額外構件可形成在該第一構件與該第二構件之間，使得該第一構件及該第二構件可不直接接觸之實施例。另外，本揭露可在各個實例中重複參考數字及/或字母。此重複出於簡化及清楚之目的且本身不指示所論述之各個實施例及/或組態之間的關係。
此外，為便於描述，諸如「下面」、「下方」、「下」、「上方」、「上」及類似者之空間相對術語可在本文中用於描述一個元件或構件與另一(些)元件或構件之關係，如圖中圖解說明。空間相對術語意欲涵蓋除在圖中描繪之定向以外之使用或操作中之裝置之不同定向。設備可以其他方式定向(旋轉90度或按其他定向)且因此可同樣解釋本文中使用之空間相對描述詞。
儘管陳述本揭露之寬泛範疇之數值範圍及參數係近似值，然儘可能精確地報告特定實例中陳述之數值。然而，任何數值固有地含有必然由於見於各自測試量測中之標準偏差所致之某些誤差。再者，如本文中使用，術語「大約」通常意謂在一給定值或範圍之10%、5%、1%或 0.5%內。替代地，術語「大約」意謂在由此項技術之一般技術者考量時處於平均值之一可接受標準誤差內。除在操作/工作實例中以外，或除非以其他方式明確指定，否則諸如針對本文中揭露之材料之數量、時間之持續時間、溫度、操作條件、數量之比率及其類似者之全部數值範圍、數量、值及百分比應被理解為在全部例項中由術語「大約」修飾。相應地，除非相反地指示，否則本揭露及隨附發明申請專利範圍中陳述之數值參數係可根據需要變化之近似值。至少，應至少鑑於所報告有效數位之數目且藉由應用普通捨入技術解釋各數值參數。範圍可在本文中表達為從一個端點至另一端點或在兩個端點之間。本文中揭露之全部範圍包含端點，除非另有指定。
為解決上述技術問題，作為本發明的一個方面，提供一種應用於半導體製程設備的製程腔室，如圖1、圖4A所示，該製程腔室包括傳輸腔4和位於傳輸腔4上方的多個反應腔2，多個反應腔2均通過底部開口與傳輸腔4連通，製程腔室還包括多個用於承載晶圓的基座8，該基座8設置於傳輸腔4中；多個基座8與多個反應腔2的位置一一對應，且可在反應腔2與傳輸腔4之間升降並封閉或打開對應的反應腔2的底部開口。該製程腔室還包括機械手組件7，機械手組件7包括設置在傳輸腔4中的傳輸機構22和承載機構21，二者的用於承載、傳輸晶圓的執行部分位於傳輸腔4中，而二者的用於驅動上述執行部分運動的驅動部分例如可以設置於傳輸腔4的下方，並與傳輸腔4的底壁固定連接(圖1中未示出機械手組件7位於傳輸腔中的執行部分)，這樣可以減少傳輸腔4的佔用空間，但是，本發明實施例並不局限於此，在實際應用中，根據具體需要，也可以將上述傳輸機構22和承載機構21整體設置於傳輸腔4中。
傳輸機構22用於將晶圓由製程腔室外部轉移至承載機構21或基座8上，以及將基座8上的晶圓傳出製程腔室；承載機構21用於承載多個晶圓，並能夠將其所承載的多個晶圓轉移至多個基座8上。容易理解，在承載機構21將其所承載的多個晶圓轉移至多個基座8上之前，需要保證基座8上無晶圓。
發明人經研究發現：在現有技術中，晶圓的傳輸功能均通過傳輸平臺中的機械手獨立實現，在當前一批晶圓(每批晶圓指多個基座同步進行半導體製程加工的多個晶圓)完成半導體製程後，由傳輸平臺中的機械手將製程腔室中多個基座上的晶圓依次取出製程腔室，再將下一批晶圓依次傳入製程腔室並放置在各個基座上。
而在本發明中，傳輸腔4中設置有傳輸機構22和承載機構21，承載機構21能夠暫存待加工的晶圓3，從而在多個基座8分別承載當前一批晶圓3上升至對應的反應腔2中，並同步進行半導體製程時，傳輸機構22可以先將下一批晶圓由製程腔室外傳輸至承載機構21上，在當前一批晶圓3的半導體製程結束後，傳輸機構22將加工後的晶圓3傳出製程腔室，再由承載機構21將其所承載的下一批晶圓轉移至多個基座8上，這與現有技術相比，相當於將現有技術中相鄰兩批晶圓進行半導體製程的步驟之間，需要將下一批晶圓依次傳輸至製程腔室中並進行定位的操作時間，調整為下一批晶圓的傳輸時間與當前一批晶圓進行半導體製程的時間重疊)，從而節約了傳輸晶圓的時間，提高了機台產能。
並且，晶圓的傳輸及定位均可由傳輸腔4中的傳輸機構22和承載機構21實現，從而製程腔室外側無需設置帶有機械手的傳輸平臺，製程腔室的傳片口10一側可直接與預裝載台(Loadlock，用於在接收晶圓 後將自身腔室抽氣至(接近)真空，從而在與製程腔室連通並進行傳片操作後無需再次對製程腔室進行抽真空操作，同時還可具有晶圓完整性檢測等功能)對接，進而使半導體製程設備的整機結構更加緊湊，降低了設備占地面積，進而提高了半導體產線的經濟效益。
作為本發明的一種可選實施方式，如圖1、圖2所示，製程腔室包括沿高度方向層疊設置的上蓋1、上腔體210和下腔體410，多個反應腔2形成於上腔體210中，傳輸腔4形成於下腔體410中，上蓋1封閉多個反應腔2在上腔體210頂部形成的頂部開口。可選地，上腔體210中還形成有多個環繞各反應腔2的排氣通路，排氣通路中設置有排氣元件，排氣元件通過周向分佈的多個排氣孔與對應的反應腔2連通，用於抽取反應腔2中的尾氣並排出製程腔室。
作為本發明的一種可選實施方式，製程腔室包括4個反應腔2。
為提高承載機構21向多個基座8上轉移晶圓3的傳片效率，作為本發明的一種優選實施方式，承載機構21上能夠承載的晶圓3數量與基座8數量相同，且承載機構21能夠同步向多個基座8上轉移晶圓3。具體地，如圖4A、圖6所示，多個基座8(例如，包括第一基座25、第二基座23、第三基座24、第四基座26)環繞承載機構21設置，承載機構21具有多個晶圓承載位，晶圓承載位的數量與基座8數量一致，且承載機構21被設置為使多個晶圓承載位同時靠近對應的多個基座8，並將多個晶圓轉移至對應的多個基座8上，或者使多個晶圓承載位同時遠離對應的多個基座8，以在將晶圓轉移至基座8上後，能夠避讓基座8，以使基座8能夠正常升降。
作為本發明的一種可選實施方式，承載機構21被設置為使多個晶圓承載位元通過旋轉的方式同步靠近或遠離各個基座8，具體地，如圖4A、圖6所示，承載機構21包括驅動器(圖4A、圖6中視角下位於連接件的下方，未示出)、連接件和多個手指件(例如，包括4個手指件，分別為手指件211、手指件212、手指件213、手指件214)，手指件的上表面形成晶圓承載位，多個手指件環繞固定在連接件的四周，驅動器能夠驅動連接件帶動多個手指件升降以及繞連接件的旋轉軸轉動，以使多個手指件同時靠近對應的多個基座8，並同步將多個晶圓轉移至對應的多個基座8上，或者在將多個晶圓轉移至對應的多個基座8上後，使多個手指件同時遠離對應的基座8。
為節約製程腔室空間，作為本發明的一種優選實施方式，驅動器可設置在製程腔室外部，並通過穿過傳輸腔4的底壁上通孔的傳動軸與連接件連接。
為提高晶圓3在基座8、手指件以及傳輸機構22之間交接的平穩性，作為本發明的一種優選實施方式，如圖4所示，基座8具有環繞基座8軸線分佈的多個基座孔，多個基座孔中一一對應地設置有多個支撐柱11，支撐柱11用於在基座8上升時沿基座孔相對於基座8下降，並在支撐柱11的頂面與基座8的承載面相平後隨基座8一同上升，以及，在基座8下降至支撐柱11的底端與傳輸腔4的底壁接觸後支撐並抬起基座8上的晶圓。
具體來說，手指件或傳輸機構22在與基座8進行晶圓交接時，基座8為低位，支撐柱11的頂端伸出至基座8的承載面上方，從而在手指件或傳輸機構22先攜帶晶圓並移至支撐柱11上方，再下降高度，使 晶圓3落在與同一基座8對應的多根支撐柱11上，隨後水準撤去手指件或傳輸機構22。隨著基座8升高，支撐柱11縮回至頂端低於或平齊於基座8的承載面的位置處，進而使晶圓3平穩落在基座8的承載面上。
作為本發明的一種優選實施方式，如圖4A和圖4B所示，為了更清楚的顯示基座孔81的結構，圖4B中僅示意性的示出了一個支撐柱11，該支撐柱11能夠相對於基座8升降，並且支撐柱11具有限位部11a，限位部11a與基座孔81配合，用於在基座8上升，且在支撐柱11的頂面不高於基座8的承載面時，使支撐柱11與基座8相對位置固定，以使支撐柱11隨基座8一同上升。具體來說，在基座8上升時，支撐柱11在自身重力作用下相對於基座8下降，直至限位部11a與基座孔81配合，此時支撐柱11不再繼續下降，與基座8的相對位置固定，從而可以隨基座8一同上升。可選的，限位部11a為設置於支撐柱11的頂端的限位頭，例如為錐台，該錐台的側面為由頂部向下組件縮窄的錐形限位面，而基座孔81的孔壁頂部設置有錐形孔段81a，基座孔81在錐形孔段81a的孔徑由基座8的承載面向下逐漸縮窄，該限位頭在支撐柱11相對於基座8下降時進入錐形孔段18a，並與該錐形孔段81a相配合，以使支撐柱11與基座8相對位置固定。並且，上述限位頭的頂面低於或平齊於基座8的承載面，以使基座8的上表面能夠承載晶圓。在基座8下降，且在支撐柱11的底端與傳輸腔4的底壁(即，下腔體410的底壁)接觸後，支撐柱11的頂端相對於傳輸腔4是靜止的，而相對於正在下降的基座8是上升的，從而支撐柱11的頂端在高於基座8的承載面時，可以托起基座8上的晶圓。
為提高晶圓位置的穩定性，作為本發明的一種優選實施方式，如圖4A、圖6所示，以手指件211為例，手指件211在朝向對應的基座 8的一側形成有避讓口211a，且當驅動器驅動連接件帶動多個手指件轉動至多個手指件一一對應地位於多個基座8上方時，每一基座8上的多個支撐柱11位於對應的手指件的避讓口211a中。優選地，如圖4A、圖6所示，手指件可形成為彎鉤狀，以減小手指件與晶圓3之間的接觸面積，該彎鉤狀手指件的開口即為避讓口211a。
在本發明實施例中，以手指件211為例，手指件211在朝向對應的基座8的一側形成有避讓口211a，從而在向基座8傳輸晶圓3時，手指件211將在徑向與基座8上的多個支撐柱11錯開，避免了手指件211與支撐柱11發生刮擦、碰撞，提高了晶圓的安全性及位置穩定性。
具體地，如圖4A、圖6所示，以多個手指件的避讓口均朝向順時針方向為例：在傳輸機構22取出多個基座8上的晶圓後，驅動器驅動連接件帶動多個手指件及其上承載的晶圓3升降至高於基座8上的支撐柱11的位置，再驅動連接件帶動多個手指件沿順時針轉動，直至多個手指件上的晶圓3均與對應的基座8沿豎直方向對齊。此時，手指件211位於第一基座25上方，手指件212位於第二基座23上方，手指件213位於第三基座24上方，手指件214位於第四基座26上方；隨後驅動器驅動連接件帶動多個手指件下降至高度低於多個支撐柱11的頂端且高於基座8的承載面的位置，使晶圓落在支撐柱11上。即，手指件211承載的晶圓3落在第一基座25的支撐柱11上，手指件212承載的晶圓3落在第二基座23的支撐柱11上，手指件213承載的晶圓3落在第三基座24的支撐柱11上，手指件214承載的晶圓3落在第四基座26的支撐柱11上； 最後驅動器再驅動連接件帶動多個手指件逆時針轉動，使多個手指件同步離開對應的基座8，完成晶圓交接操作。
作為本發明的一種可選實施方式，如圖5所示，傳輸機構22包括驅動部(圖未示)、手指部221和多個擺杆部，多個擺杆部依次連接在驅動部與手指部221之間，多個擺杆部之間以及擺杆部與驅動部、手指部221之間均通過鉸接軸鉸接，且多個鉸接軸均沿豎直方向延伸，驅動部用於分別驅動手指部221和多個擺杆部繞對應的鉸接軸轉動，以及驅動多個擺杆部及手指部221做升降運動。
為節約製程腔室內部空間，作為本發明的一種優選實施方式，驅動部可設置在製程腔室外部，並通過穿過傳輸腔底壁上通孔的傳動軸與擺杆部連接。在本發明的一些實施例中，承載機構21的驅動器中驅動連接件帶動多個手指件升降的結構可以與傳輸機構22的驅動部集成為同一結構。
在本發明實施例中，驅動部用於控制手指部221的高度，同時可通過調節多個擺杆部之間以及擺杆部與驅動部、手指部221之間的鉸接軸轉角的方式，控制手指部221的水準位置及朝向，從而控制手指部221依次攜帶晶圓移動至手指件或者基座8的支撐柱11的上方，並控制手指部221下降，使晶圓3落在對應的手指件或者基座8的支撐柱11上，再控制手指部221水準撤出，從而實現晶圓交接操作。
作為本發明的一種可選實施方式，如圖5所示，傳輸機構22包括第一擺杆部222和第二擺杆部223兩個擺杆部，第一擺杆部222的第一端與手指部221的尾端鉸接，第一擺杆部222的第二端與第二擺杆部223的第一端鉸接，第二擺杆部223的第二端與驅動部的輸出軸鉸接，各鉸接 位置均可通過相應的驅動結構自動調節轉角，以改變傳輸機構22的姿態。
如圖6、圖7所示為傳輸機構22驅動手指部221向手指件上傳片的過程示意圖，優選地，如圖7所示，傳片時手指部221的頭部朝向對應的手指件的避讓口，以避免手指部221在升降過程中與手指件發生刮擦、碰撞，從而提高晶圓的安全性及位置穩定性。
為提高傳輸機構22的傳片效率，作為本發明的一種優選實施方式，如圖4A、圖6、圖7所示，製程腔室對應於傳輸腔4的側壁(即，下腔體410的側壁)上形成有兩個傳片口10，傳輸機構22用於通過兩個傳片口10由製程腔室外部獲取晶圓，並通過兩個傳片口10將晶圓傳出製程腔室。
為提高各反應腔2的密封性，作為本發明的一種優選實施方式，如圖1至圖3所示，製程腔室還包括多個密封環9，多個密封環9與多個基座8一一對應，密封環9沿周向套設在對應的基座8的側壁上，且密封環9能夠在基座8上升至對應的反應腔2時密封該反應腔2的底部開口。
在本發明實施例中，每個基座8的側壁上均套設有密封環9，從而在各基座8上升至對應的反應腔2時，通過基座8及密封環9封閉對應的反應腔2的底部開口，構成該反應腔2獨立的製程環境，從而根據製程需要，不僅可以實現在單個製程腔室中實現兩道以上工序(即多個反應腔2中的晶圓進行不同工序)，也可以在單個製程腔室中同時對多個晶圓進行同一製程(即多個反應腔2中的晶圓進行相同工序)，進一步提高機台產能。
為進一步提高各反應腔2的密封性，作為本發明的一種優選實施方式，如圖1至圖3所示，傳輸腔4的頂壁上形成有與多個反應腔2 的底部開口一一對應的多組環形密封槽201，每組中的多個環形密封槽201同心且環繞對應的底部開口設置，密封環9具有朝向傳輸腔4的頂壁的環形定位面，環形定位面上形成有多個同心設置的環形凸起部901，多個環形凸起部901與多個環形密封槽201一一對應；在基座8上升至反應腔2時，環形凸起部901至少部分進入對應的環形密封槽201中。
在本發明實施例中，隨著基座8上升至對應的反應腔2中，密封環9上的多個環形凸起部901也分別進入對應的環形密封槽201中，從而在密封環9的環形定位面與傳輸腔4的頂壁之間形成迷宮密封結構，進一步提高了各反應腔2的密封性。在本發明的一些實施例中，密封環9上的環形凸起部901高度與環形密封槽201的深度不同(例如，環形凸起部901的高度小於環形密封槽201的深度，以確保密封環9的環形定位面與傳輸腔4的頂壁接觸)，以保證機械密封的效果。
為提高密封環9與基座8之間軸向相對位置的穩定性，進一步提高各反應腔2的密封性，作為本發明的一種優選實施方式，如圖1至圖3所示，密封環9的內壁頂部形成有內凸沿，內凸沿的上表面與密封環9的頂端端面平齊，基座8的頂部形成有環繞基座8承載面的環形定位槽，內凸沿設置在環形定位槽中，且內凸沿的上表面與基座8的承載面平齊。密封環9的外壁底部形成有外凸沿，環形定位面形成在外凸沿上。
在本發明實施例中，密封環9的頂端通過內凸沿搭接在基座8的頂部，底端通過外凸沿與傳輸腔4的頂壁接觸，從而在基座8下方的升降裝置(例如，如圖1所示，可以是電機5)通過支撐軸驅動基座8上升至反應腔2中時，密封環9能夠通過內凸沿與環形定位槽之間的配合關係保持與基座8之間的軸向相對位置，進而通過內凸沿及外凸沿結構精確定位 基座8的高度。
為提高傳輸腔4的潔淨度，作為本發明的一種優選實施方式，該製程腔室還包括氣體管路6，多個反應腔2中均設置有第一製程規，傳輸腔4中設置有第二製程規，半導體製程設備的控制裝置能夠通過第一製程規和第二製程規檢測並比較反應腔2與傳輸腔4中的氣體壓強，並根據反應腔2與傳輸腔4中氣體壓強的比較結果控制氣體管路6氣體的通斷，使傳輸腔4中的氣體壓強大於各反應腔2中的氣體壓強，從而避免反應腔2中的製程氣體通過密封環9的環形定位面與傳輸腔4的頂壁之間形成迷宮密封結構或者支撐柱11與基座孔之間的縫隙流入傳輸腔4，消除傳輸腔4中的顆粒源，提高傳輸腔4的潔淨度，並且還能夠保證各反應腔2在半導體製程中總是處於獨立的製程環境中。
作為本發明的第二個方面，提供一種半導體製程設備，該半導體製程設備包括本發明實施例提供的製程腔室。
在本發明提供的半導體製程設備中，傳輸腔4中設置有傳輸機構22和承載機構21，承載機構21能夠暫存待加工的晶圓3，從而在多個基座8分別承載當前一批晶圓3上升至對應的反應腔2中，並同步進行半導體製程時，傳輸機構22可以先將下一批晶圓由製程腔室外傳輸至承載機構21上，在當前一批晶圓3的半導體製程結束後，傳輸機構22將加工後的晶圓3傳出製程腔室，再由承載機構21將其所承載的下一批晶圓轉移至多個基座8上，這與現有技術相比，相當於將現有技術中相鄰兩批晶圓進行半導體製程的步驟之間，需要將下一批晶圓依次傳輸至製程腔室中並進行定位的操作時間，調整為下一批晶圓的傳輸時間與當前一批晶圓進行半導體製程的時間重疊)，從而節約了傳輸晶圓的時間，提高了機台產能。
並且，晶圓的傳輸及定位均可由傳輸機構22和承載機構21實現，從而製程腔室外側無需設置帶有機械手的傳輸平臺，作為本發明的一種優選實施方式，如圖8所示，製程腔室的傳片口10一側可直接與預裝載台42(Loadlock)對接，進而使半導體製程設備的整機結構更加緊湊，降低了設備占地面積，進而提高了半導體產線的經濟效益。
作為本發明的一種可選實施方式，如圖8所示，該半導體製程設備還包括前端模組43和多個裝載台44，前端模組43中設置有機械手，機械手用於在大氣環境下將裝載台44上的晶圓存儲裝置(如，儲片盒)中的晶圓取出至預裝載台42中，或者將預裝載台42中的晶圓傳回裝載台44上的晶圓存儲裝置中。預裝載台42用於在接收晶圓後將自身腔室抽氣至(接近)真空，以便傳輸腔4中的傳輸機構22在(接近)真空環境下取片；還用於在接收傳輸機構22傳出的晶圓後恢復至大氣壓強，以便前端模組43的機械手取走晶圓。
為提高傳片效率，作為本發明的一種優選實施方式，如圖4A、圖6、圖7、圖8所示，傳輸腔4的側壁上形成有兩個傳片口10，製程腔室的外側對應於兩個傳片口10的位置設置有兩個預裝載台42，傳輸機構22用於通過兩個傳片口10由兩個預裝載台42獲取晶圓，並通過兩個傳片口10將晶圓傳輸至兩個預裝載台42中。
作為本發明的第三個方面，提供一種半導體製程方法，應用于本發明實施例提供的製程腔室，該方法包括：步驟S1、控制傳輸機構22將製程腔室外的晶圓傳輸至多個基座8上；步驟S2、控制多個基座8上升至對應的反應腔2中，並進行 半導體製程，同時控制傳輸機構22將製程腔室外的晶圓傳輸至承載機構21上；步驟S3、在半導體製程結束後，控制多個基座8下降至傳輸腔4中，並控制傳輸機構22將多個基座8上的晶圓傳出製程腔室；步驟S4、控制承載機構21將其所承載的多個晶圓轉移至多個基座8上；重複執行上述步驟S2至步驟S4。
需要說明的是，步驟S1中基座8位於低位，支撐柱11伸出至頂部高於基座8的承載面。在執行最後一批晶圓的半導體製程時，僅需執行步驟S2和步驟S3，且步驟S2中無需控制傳輸機構22將製程腔室外的晶圓傳輸至承載機構21上(製程腔室外無下一批待傳入製程腔室的晶圓)。
在本發明提供的半導體製程方法中，傳輸腔4中設置有傳輸機構22和承載機構21，承載機構21能夠暫存待加工的晶圓3，從而在多個基座8分別承載當前一批晶圓3上升至對應的反應腔2中，並同步進行半導體製程時，傳輸機構22可以先將下一批晶圓由製程腔室外傳輸至承載機構21上，在當前一批晶圓3的半導體製程結束後，傳輸機構22將加工後的晶圓3傳出製程腔室，再由承載機構21將其所承載的下一批晶圓轉移至多個基座8上，這與現有技術相比，相當於將現有技術中相鄰兩批晶圓進行半導體製程的步驟之間，需要將下一批晶圓依次傳輸至製程腔室中並進行定位的操作時間，調整為下一批晶圓的傳輸時間與當前一批晶圓進行半導體製程的時間重疊)，從而節約了傳輸晶圓的時間，提高了機台產能。
並且，晶圓的傳輸及定位均由傳輸腔4中的傳輸機構22和 承載機構21實現，從而製程腔室外側無需設置帶有機械手的傳輸平臺，製程腔室的傳片口10一側可直接與預裝載台42(Loadlock)對接，進而使半導體製程設備的整機結構更加緊湊，降低了設備占地面積，進而提高了半導體產線的經濟效益。
在製程腔室包括4個反應腔2的情況下，步驟S1具體可以包括：
步驟S11、控制傳輸機構22校正高度，使手指部221高於支撐柱11的頂端，並由製程腔室外(的預裝載台42)獲取待處理的晶圓3，控制傳輸機構22的多個擺杆部擺動，使手指部221及其上承載的晶圓運動至第一基座25的支撐柱11上方；控制傳輸機構22驅動手指部221下降，使待處理的晶圓3落在支撐柱11上，並驅動手指部221回到初始位置(例如，位於第二基座23與第四基座26之間，且不與基座8及承載機構21干涉的位置)。
步驟S12、控制傳輸機構22校正高度，使手指部221高於支撐柱11的頂端，並由製程腔室外(的預裝載台42)獲取待處理的晶圓3，控制傳輸機構22的多個擺杆部擺動，使手指部221及其上承載的晶圓運動至第二基座23的支撐柱11上方；控制傳輸機構22驅動手指部221下降，使待處理的晶圓3落在支撐柱11上，並驅動手指部221回到初始位置。
步驟S13、控制傳輸機構22校正高度，使手指部221高於支撐柱11的頂端，並由製程腔室外(的預裝載台42)獲取待處理的晶圓3，控制傳輸機構22的多個擺杆部擺動，使手指部221及其上承載的晶圓運動至第三基座24的支撐柱11上方； 控制傳輸機構22驅動手指部221下降，使待處理的晶圓3落在支撐柱11上，並驅動手指部221回到初始位置。
步驟S14、控制傳輸機構22校正高度，使手指部221高於支撐柱11的頂端，並由製程腔室外(的預裝載台42)獲取待處理的晶圓3，控制傳輸機構22的多個擺杆部擺動，使手指部221及其上承載的晶圓運動至第四基座26的支撐柱11上方；控制傳輸機構22驅動手指部221下降，使待處理的晶圓3落在支撐柱11上，並驅動手指部221回到初始位置。
為避免承載機構21與傳輸機構22相互刮擦、碰撞，優選地，步驟S1還可以包括在步驟S11之前進行的步驟S10、控制承載機構21校正高度，使承載機構21位於承載位，高於傳輸機構22的最高極限位置。
在步驟S2中，控制傳輸機構22將製程腔室外的晶圓傳輸至承載機構21上具體可以包括：
步驟S21、控制承載機構21校正高度，使承載機構21位於傳輸位，低於傳輸機構22的最高極限位置。
步驟S22、控制傳輸機構22校正高度，由製程腔室外(的預裝載台42)獲取待處理的晶圓3(如圖6所示)，控制傳輸機構22升高至手指部221高於手指件，並控制傳輸機構22的多個擺杆部擺動，使手指部221及其上承載的晶圓運動至手指件211上方(如圖7所示)；控制傳輸機構22驅動手指部221下降，使待處理的晶圓3落在手指件211上，並驅動手指部221回到初始位置。
步驟S23、控制傳輸機構22校正高度，由製程腔室外獲取 待處理的晶圓3，控制傳輸機構22升高至手指部221高於手指件，並控制傳輸機構22的多個擺杆部擺動，使手指部221及其上承載的晶圓運動至手指件212上方；控制傳輸機構22驅動手指部221下降，使待處理的晶圓3落在手指件212上，並驅動手指部221回到初始位置。
步驟S24、控制傳輸機構22校正高度，由製程腔室外獲取待處理的晶圓3，控制傳輸機構22升高至手指部221高於手指件，並控制傳輸機構22的多個擺杆部擺動，使手指部221及其上承載的晶圓運動至手指件213上方；控制傳輸機構22驅動手指部221下降，使待處理的晶圓3落在手指件213上，並驅動手指部221回到初始位置。
步驟S25、控制傳輸機構22校正高度，由製程腔室外獲取待處理的晶圓3，控制傳輸機構22升高至手指部221高於手指件，並控制傳輸機構22的多個擺杆部擺動，使手指部221及其上承載的晶圓運動至手指件214上方；控制傳輸機構22驅動手指部221下降，使待處理的晶圓3落在手指件214上，並驅動手指部221回到初始位置。
步驟S26、控制承載機構21回到承載位。
為提高半導體製程腔室的安全性，優選地，承載機構21的初始周向位置為，每個手指件位於兩相鄰基座8之間。即，在製程腔室包括4個反應腔2的情況下，兩相鄰基座8之間的周向夾角為90°，手指件與鄰近基座8之間的周向夾角為45°，以避免基座8在升降過程中與手指件之間發生碰撞。
為增大手指部221的運動空間，優選地，步驟S21還包括控制承載機構21驅動連接件帶動多個手指件沿逆時針方向轉動預設角度(如，15°)，從而在手指件211與第一基座25之間為手指部221流出足夠的活動空間(此時基座8已升至反應腔2中，手指件不會與基座8下方較細的軸結構接觸)。步驟S26還包括控制承載機構21驅動連接件帶動多個手指件沿順時針方向轉動相同的預設角度(即恢復多個手指件的周向位置)。
在製程腔室包括4個反應腔2的情況下，作為本發明的一種可選實施方式，步驟S4具體包括：步驟S41、控制傳輸機構22驅動連接件帶動多個手指件及其上承載的晶圓3沿順時針轉動(45°)，使手指件211位於第一基座25上方，手指件212位於第二基座23上方，手指件213位於第三基座24上方，手指件214位於第四基座26上方；步驟S42、控制傳輸機構22驅動連接件帶動多個手指件，下降至高度低於多個支撐柱11的頂端且高於基座8的承載面，使手指件211上的晶圓3落在第一基座25的支撐柱11上，手指件212上的晶圓3落在第二基座23的支撐柱11上，手指件213上的晶圓3落在第三基座24的支撐柱11上，手指件214上的晶圓3落在第四基座26的支撐柱11上；步驟S43、控制傳輸機構22驅動連接件帶動多個手指件逆時針轉動(45°)，使多個手指件恢復初始周向位置，並驅動連接件帶動多個手指件升高至承載位。
前述內容概括數項實施例之特徵，使得熟習此項技術者可更佳地理解本揭露之態樣。熟習此項技術者應瞭解，其等可容易地使用本 揭露作為用於設計或修改用於實行本文仲介紹之實施例之相同目的及/或達成相同優點之其他製程及結構之一基礎。熟習此項技術者亦應瞭解，此等等效構造不背離本揭露之精神及範疇，且其等可在不背離本揭露之精神及範疇之情況下在本文中作出各種改變、置換及更改。
3:晶圓
11:支撐柱
21:承載機構
22:傳輸機構
23:第二基座
24:第三基座
25:第一基座
26:第四基座
211:手指件
211a:避讓口

Claims (10)

  1. 一種應用於半導體製程設備的製程腔室，包括一傳輸腔和位於該傳輸腔上方的多個反應腔，多個該反應腔均通過一底部開口與該傳輸腔連通，該製程腔室還包括多個用於承載晶圓的基座，多個該基座與多個該反應腔的位置一一對應，且可在該反應腔與該傳輸腔之間升降並封閉或打開該底部開口，其中，該製程腔室還包括設置在該傳輸腔中的一傳輸機構和一承載機構，該傳輸機構用於將晶圓由該製程腔室外部轉移至該承載機構或該基座上，以及將該基座上的晶圓傳出該製程腔室；該承載機構用於承載多個晶圓，並能夠將其所承載的多個該晶圓轉移至多個該基座上；多個該基座環繞該承載機構設置，且該承載機構具有多個晶圓承載位，該晶圓承載位的數量與該基座的數量一致，該承載機構被設置為使多個該晶圓承載位能夠同時靠近對應的多個該基座，並將多個該晶圓轉移至對應的多個該基座上；或者，使多個該晶圓承載位能夠同時遠離對應的多個該基座。
  2. 如請求項1所述的製程腔室，其中，該承載機構包括一驅動器、一連接件和多個手指件，該手指件的上表面形成該晶圓承載位，多個該手指件環繞固定在該連接件的四周，該驅動器用於驅動該連接件帶動多個該手指件升降以及繞該連接件的旋轉軸轉動。
  3. 如請求項2所述的製程腔室，其中，該基座具有環繞該基座軸線分佈的多個基座孔，多個該基座孔中一一對應地設置有多個支撐柱，該支撐柱用於在基座上升時沿該基座孔相對於該基座下降，並在該支撐柱的頂面不 高於該基座的承載面後隨該基座一同上升，以及，在該基座下降至該支撐柱的底端與該傳輸腔的底壁接觸後支撐並抬起該基座上的晶圓；該手指件在朝向對應的該基座的一側形成有一避讓口，且當該驅動器驅動該連接件帶動多個該手指件轉動至多個該手指件一一對應地位於多個該基座上方時，每一該基座上的多個支撐柱位於對應的該手指件的該避讓口中。
  4. 如請求項3所述的製程腔室，其中，該支撐柱具有一限位部，該限位部與該基座孔配合，用於在該基座上升，且在該支撐柱的頂面不高於該基座的承載面時，使該支撐柱與該基座相對位置固定，以使該支撐柱隨該基座一同上升。
  5. 如請求項1至4中任意一項所述的製程腔室，其中，該製程腔室對應於該傳輸腔的側壁上形成有兩個傳片口，該傳輸機構用於通過兩個該傳片口由該製程腔室外部獲取晶圓，並通過兩個該傳片口將晶圓傳出該製程腔室。
  6. 一種應用於半導體製程設備的製程腔室，包括一傳輸腔和位於該傳輸腔上方的多個反應腔，多個該反應腔均通過一底部開口與該傳輸腔連通，該製程腔室還包括多個用於承載晶圓的基座，多個該基座與多個該反應腔的位置一一對應，且可在該反應腔與該傳輸腔之間升降並封閉或打開該底部開口，其中，該製程腔室還包括設置在該傳輸腔中的一傳輸機構和一承載機構，該傳輸機構用於將晶圓由該製程腔室外部轉移至該承載機構 或該基座上，以及將該基座上的晶圓傳出該製程腔室；該承載機構用於承載多個晶圓，並能夠將其所承載的多個該晶圓轉移至多個該基座上；其中，該製程腔室還包括多個密封環，多個該密封環與多個該基座一一對應，該密封環沿周向套設在該基座的側壁上，且該密封環能夠在該基座上升至對應的該反應腔時密封該反應腔的底部開口。
  7. 如請求項6所述的製程腔室，其中，該傳輸腔的頂壁上形成有與多個該反應腔的底部開口一一對應的多組環形密封槽，每組中的多個該環形密封槽同心且環繞對應的該底部開口設置，該密封環具有朝向該傳輸腔的頂壁的環形定位面，該環形定位面上形成有多個同心設置的環形凸起部，多個該環形凸起部與多個該環形密封槽一一對應；在該基座上升至該反應腔時，該環形凸起部至少部分進入對應的該環形密封槽中。
  8. 一種應用於半導體製程設備的製程腔室，包括一傳輸腔和位於該傳輸腔上方的多個反應腔，多個該反應腔均通過一底部開口與該傳輸腔連通，該製程腔室還包括多個用於承載晶圓的基座，多個該基座與多個該反應腔的位置一一對應，且可在該反應腔與該傳輸腔之間升降並封閉或打開該底部開口，其中，該製程腔室還包括設置在該傳輸腔中的一傳輸機構和一承載機構，該傳輸機構用於將晶圓由該製程腔室外部轉移至該承載機構或該基座上，以及將該基座上的晶圓傳出該製程腔室；該承載機構用於承載多個晶圓，並能夠將其所承載的多個該晶圓轉移至多個該基座上；其中，該傳輸機構包括一驅動部、一手指部和多個擺杆部，多個該擺杆部依次連接在該驅動部與該手指部之間，多個該擺杆部之間以及該擺 杆部與該驅動部、該手指部之間均通過鉸接軸鉸接，且多個該鉸接軸均沿豎直方向延伸，該驅動部用於分別驅動該手指部和多個該擺杆部繞對應的該鉸接軸轉動，以及驅動多個該擺杆部及該手指部做升降運動。
  9. 一種半導體製程設備，其中，該半導體製程設備包括請求項1至8中任意一項所述的製程腔室。
  10. 一種半導體製程方法，其中，應用於請求項1至8中任意一項所述的製程腔室，該方法包括：步驟S1、控制該傳輸機構將該製程腔室外部的晶圓傳輸至多個該基座上；步驟S2、控制多個該基座上升至對應的該反應腔中，並進行半導體製程，同時控制該傳輸機構將該製程腔室外部的晶圓傳輸至該承載機構上；步驟S3、在該半導體製程結束後，控制多個該基座下降至該傳輸腔中，並控制該傳輸機構將多個該基座上的晶圓傳出該製程腔室；步驟S4、控制該承載機構將其所承載的多個該晶圓轉移至多個該基座上；重複執行該步驟S2至該步驟S4。
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