具有密封、清洗、循环功能的晶圆盒装载设备的制作方法

本发明涉及半导体晶圆装载，尤其涉及具有密封、清洗、循环功能的晶圆盒装载设备。

背景技术：

1、在半导体制造工艺中，立式炉批量热处理工序对工艺设备内部的环境洁净度具有极高要求。典型立式炉工艺流程为，承载待处理晶圆的晶圆盒经物料搬运系统运送至晶圆盒装载设备的装载区，装载设备执行开盒动作开启晶圆盒盒口，晶圆搬运机构将晶圆逐片取出并送入工艺舟内，工艺舟进入炉管完成氧化、扩散、退火或者沉积等热处理工艺。工艺结束且晶圆冷却后，晶圆搬运机构将晶圆逐片取回并送入晶圆盒内，装载设备关闭盒门，解除对接密封状态，晶圆盒由物料搬运系统运离装载工位。在对接、开盒、搬运、热处理、回盒的完整作业过程中，装载区作为晶圆盒内腔与工艺腔室之间的过渡界面，装载区的洁净条件以及热环境条件，直接影响整批晶圆的成品良率。

2、现有立式炉配套的晶圆盒装载设备在晶圆对接、开盒、晶圆转运、晶圆回盒全流程作业场景下，存在如下技术局限。

3、1、现有盒口对接密封结构难以兼顾满载、空载不同工况下的密封一致性，易出现密封缝隙引发气氛侵入。多数装载设备依靠晶圆盒自重实现盒口位置贴合密封，晶圆盒满载晶圆与空载状态整体重量差异较大，密封圈受压压缩量波动明显。空载工况下压紧力不足，盒口对接位置容易形成微小缝隙，外界含氧空气、环境浮尘、设备运动副磨损颗粒可经由缝隙侵入装载区。该类结构无独立主动轴向压紧驱动部件，无法补偿密封圈老化、装配加工误差带来的密封偏差，不能持续维持稳定的低氧密封环境。

4、2、常规吹扫方案气流组织方式存在固有缺陷，容易产生吹扫死角与气流紊流，难以实现晶圆盒内腔全区域均匀气氛置换。部分装载设备采用底部进气吹扫或者单喷嘴直吹吹扫架构，进气与排气通道布局缺少定向环流设计。底部进气方案气流仅由盒体底部输入输出，难以形成沿晶圆片表面横向扫掠的均匀层流，晶圆夹层间隙、晶圆边缘区域废气与颗粒物无法被充分裹挟排出；单喷嘴直吹方案气流方向多平行于晶圆平面，缺少朝向排气侧的倾斜导流分量，容易在盒内形成紊流涡流，造成沉降颗粒二次悬浮。同时部分方案进气流通面积大于排气流通面积，容易引发盒内压力堆积，未实现排气流通面积大于进气流通面积的低压差稳定环流条件。

5、3、时序控制逻辑不完善，无法实现开盒全时段持续吹扫、工艺后强化清洗降温的协同时序配合。现有装载设备的吹扫控制多采用定时启停逻辑，并未做到盒门从开启直至关闭的全部时段同步持续进气与排气；部分方案仅在盒门完全开启之后才启动吹扫，开盖瞬时晶圆直接接触未经过置换的环境空气，存在氧化污染风险。同时缺少晶圆完成热处理回盒之后的大流量强化吹扫流程，无法及时清除晶圆携带的工艺残气，也不能利用吹扫气流完成对装载区的被动散热控温。

6、4、装载区缺少依托吹扫气流的被动散热设计，热堆积会加速构件老化并放大晶圆氧化风险。立式炉炉管、高温工艺舟会持续向装载区辐射与对流散热，造成装载区热量累积，环境温度升高。高温环境一方面会加速装载区内开盒机构、驱动组件、密封构件、传感器的老化失效，增加设备运维成本与非计划停机概率；另一方面会加快硅基底氧化反应速率，加剧晶圆表面氧化缺陷。现有方案如需控温，需要额外增设水冷或者风机散热部件，既提升设备复杂度与制造成本，风机扰动气流还存在扬起悬浮颗粒的洁净度风险。

7、5、部分现有处理方式选择将整批工艺完成后的晶圆盒传出设备再开展氮气清洗，清洗工序滞后，无法规避等待窗口期的污染损伤。晶圆完成热处理之后，晶圆本体残余温度较高，表面会残存工艺副产气体与脱落微颗粒。若将晶圆盒转运至设备外部存储工位再实施清洗，在等待转运的窗口期内，残留气体会持续和晶圆表面发生化学反应，同时外界颗粒也有机会侵入盒内，既增加晶圆污染概率，也会拉低整套产线的设备吞吐节拍。

8、6、现有装载设备普遍存在功能部件分散布置的情况，进气、排气的气体管路以及各机构的驱动管路多外露于设备主体外部。外露管路表面容易积聚粉尘颗粒，颗粒存在脱落扬起并污染装载区环境的风险，同时外露管路也会增大设备整体占用空间，不利于立式炉狭小配套空间内的安装布局。

9、综上所述，现有晶圆盒装载设备存在盒口密封工况适应性不足、吹扫流场存在死角与紊流、吹扫时序无法覆盖开盒全周期、装载区易出现热堆积、回盒后清洗工序滞后、部件与管路布置不利于洁净管控等技术局限，难以同时实现主动轴向压紧密封、歧管式定向循环吹扫、开盖全时序气氛防护、吹扫气流协同散热降温的一体化协同运行。因此，有必要开发一种新型晶圆盒装载设备，解决立式炉热处理工况下密封可靠性、吹扫洁净度、作业时序匹配、热环境管控以及设备洁净布局的工程应用问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供具有密封、清洗、循环功能的晶圆盒装载设备，通过压紧密封组件与承载主体的轴向压紧密封配合，结合进气歧管、排气歧管构建的定向环流吹扫结构、开盖全周期时序控制逻辑、吹扫气流协同散热，以及各功能部件集成布置、气体管路与驱动管路内置于承载主体的技术手段，实现立式炉工况下晶圆盒对接-开盒-晶圆转运-晶圆回盒-关盒全流程的密封隔离、气氛置换、颗粒抑制与装载区协同控温，同时优化设备布局，降低外露管路带来的洁净污染风险。

2、本发明提供了具有密封、清洗、循环功能的晶圆盒装载设备，包括：承载主体，设有与晶圆盒盒口相对的装载口；承载台组件，设于所述承载主体，用于承托晶圆盒；压紧密封组件，包括环形密封件和压紧驱动机构；所述环形密封件环绕所述装载口周缘设置，所述压紧驱动机构被配置为：当晶圆盒落位于所述承载台组件上后，沿所述装载口轴向向晶圆盒施加压紧力，使晶圆盒盒口端面压紧所述环形密封件，形成周向封闭的密封空间；进气歧管，设于所述承载主体并位于所述装载口在水平方向上的一侧，具有进气接口及连通所述密封空间的多个出风口；多个所述出风口沿晶圆排布方向间隔布置，所述出风口的出气方向相对晶圆所在平面倾斜设置，且在晶圆所在平面内的投影指向排气歧管所在侧；排气歧管，设于所述承载主体并位于所述装载口在水平方向上的另一侧，与所述进气歧管相对设置，所述排气歧管的排气流通面积大于所述进气歧管的出风流通面积；开盒机构，设于所述承载主体，用于开闭晶圆盒的盒门；控制单元，与所述压紧驱动机构、所述进气歧管、所述排气歧管、所述开盒机构电连接，且被配置为：当晶圆盒落位后，控制所述压紧驱动机构输出压紧力；接收到开盒指令，控制所述开盒机构打开盒门，并在盒门开启的全部时段内，控制所述进气歧管以第一流量供气、所述排气歧管同步执行排气；接收到表征晶圆已完成工艺处理的信号，控制所述进气歧管切换为流量大于所述第一流量的第二流量供气；当晶圆全部送入晶圆盒且达到预设吹扫时长后，控制所述开盒机构关闭盒门、所述进气歧管停止供气、所述排气歧管停止排气，并控制所述压紧驱动机构释放压紧力。

3、进一步地，所述出风口的出气方向相对所述晶圆所在平面的倾斜角度为第一夹角r1，满足；所述出风口的出气方向在所述晶圆所在平面内的投影与由所述进气歧管所在侧指向所述排气歧管所在侧的方向之间的夹角为第二夹角r2，满足。

4、进一步地，所述环形密封件为柔性密封圈，所述环形密封件的轮廓与所述晶圆盒的盒口外轮廓相适配；所述压紧驱动机构完成压紧动作后，由所述环形密封件密封形成的所述密封空间与所述晶圆盒的内腔相连通；所述环形密封件受压后的压缩量为。

5、进一步地，所述进气歧管包括进气歧管块以及进气密封垫；所述进气歧管块上开设有进气接口，所述进气歧管块通过所述进气密封垫与所述承载主体密封贴合，所述进气歧管块内部开设有渐变流道，所述进气接口通过所述渐变流道与各所述出风口相连通。

6、进一步地，所述出风口为圆形出风孔，各所述出风口沿晶圆排布方向均匀布设；所述进气歧管块沿出风口排布方向的长度为d，所述出风口的直径为α1，相邻所述出风口的中心间距为l1，所述出风口的总数量为n；所述进气歧管块与各所述出风口满足如下几何约束关系：，，且；其中，k1、k2为预设比例系数。

7、进一步地，所述排气歧管包括排气歧管块以及排气密封垫；所述排气歧管块通过所述排气密封垫与所述承载主体密封贴合；所述排气歧管块的排气口通径大于所述进气歧管块的出风口通径。

8、进一步地，由所述进气歧管通入的保护气体为氮气，所述保护气体的温度为20℃～25℃。

9、进一步地，所述进气歧管与所述排气歧管形成的循环气流能够带走工艺设备扩散至所述装载口所在装载区的热量，使所述装载区的稳态温度不高于40℃。

10、进一步地，所述第二流量与所述第一流量的比值为2～10；所述控制单元还被配置为：在打开所述盒门之前，控制所述进气歧管以小于所述第一流量的预吹扫流量进行预吹扫，置换所述密封空间内的初始空气；在预吹扫过程达到预设条件后，控制所述开盒机构开启所述盒门；所述预设吹扫时长为所述晶圆全部送入所述晶圆盒后10s～60s。

11、进一步地，所述进气歧管、所述排气歧管、所述压紧密封组件以及所述开盒机构均集成设置于所述承载主体；所述进气歧管与所述排气歧管的气体管路，以及所述压紧驱动机构和所述开盒机构的驱动管路均内置于所述承载主体。

12、相较于现有技术，本发明提供的具有密封、清洗、循环功能的晶圆盒装载设备，具有以下显著有益效果。

13、1、密封工况适应性强，可兼容晶圆盒满载、空载多种装载状态。本设备设置压紧密封组件，通过压紧驱动机构输出轴向压紧力，使晶圆盒盒口端面压紧环形密封件，环形密封件受压后的压缩量能够稳定控制在；密封作用不依赖晶圆盒自身重量，能够补偿装配加工误差以及环形密封件老化带来的密封偏差，晶圆盒落位后可形成周向封闭的密封空间，降低外界颗粒物、含氧空气经由盒口对接缝隙侵入密封空间的风险。

14、2、歧管式定向环流吹扫，减少吹扫死角，抑制颗粒二次悬浮。本设备采用相对设置的进气歧管与排气歧管，进气歧管的多个出风口沿晶圆排布方向间隔布置，出风口出气方向相对晶圆所在平面倾斜设置，出风口出气方向在晶圆所在平面内的投影指向排气歧管所在侧；进气歧管内部设置渐变流道，配合出风口几何排布约束，能够形成指向排气歧管一侧的定向扫掠式循环流场。排气歧管的排气流通面积大于进气歧管的出风流通面积，能够避免密封空间内部出现压力堆积；循环气流可以覆盖晶圆夹层间隙以及晶圆边缘区域，减少吹扫死角，抑制密封空间内部产生紊流与涡流，降低沉降颗粒受气流扰动发生二次悬浮的概率。

15、3、多段式时序逻辑完整，实现盒门开启全时段气氛防护，规避开盖瞬时氧化风险。本设备的控制单元内置完整作业控制逻辑，在打开盒门之前，控制进气歧管以小于第一流量的预吹扫流量开展预吹扫作业，置换密封空间内部的初始空气；盒门开启的全部时段内，持续维持进气歧管以第一流量供气、排气歧管同步排气；晶圆全部送入晶圆盒并达到预设吹扫时长后，再执行关盒、停气、释放压紧力的操作。预吹扫工序能够避免盒门刚开启时，晶圆直接接触高氧环境；晶圆完成工艺处理后可在设备内部完成气体清洗，无需将晶圆盒传出设备进行清洗处理，有利于缩短工序等待时长，提升产线设备吞吐效率。

16、4、分级流量配置，适配不同作业阶段的吹扫需求。控制单元配置第一流量、第二流量两级供气模式，第二流量与第一流量的比值设置为2～10。盒门开启、晶圆处于转运过程时，采用第一流量维持密封空间内部洁净气氛；接收到表征晶圆已完成工艺处理的信号后，切换至更大的第二流量进行强化吹扫清洗。既能够在晶圆转运窗口期维持洁净屏障，又可以在晶圆回盒阶段依靠大流量快速清除工艺残留气体，同时预设吹扫时长设置为，可根据不同工艺批次需求灵活配置清洗时间。

17、5、利用吹扫循环气流实现装载区被动散热，减少额外散热部件带来的洁净度隐患。进气歧管与排气歧管形成的循环气流，可带走工艺设备扩散至装载口所在装载区的热量，使装载区的稳态温度不高于。该散热方式依托设备已有的保护气体吹扫回路实现，无需额外增设水冷换热组件或者独立散热风机，简化整机硬件结构，同时规避风机搅动气流扬起悬浮颗粒物所带来的洁净度风险。

18、6、抑制高温工况带来的部件老化与晶圆损伤，提升整机运行稳定性。循环吹扫气流对装载区起到散热作用，能够降低装载区的环境工作温度，减缓开盒机构、压紧密封组件、各类传感器因高温出现的老化、参数漂移现象，降低设备维护频次以及非计划停机风险；同时较低的环境温度能够减缓硅基底的氧化反应速率，有利于减少晶圆氧化类缺陷的产生。

19、7、保护气体供气参数可控，降低晶圆热冲击风险。进气歧管通入的保护气体选用温度为的氮气，供气温度匹配半导体洁净车间常规环境温度，可避免晶圆受冷热冲击产生热应力，降低晶圆翘曲变形风险，适配立式炉批量热处理的连续生产工况。

20、8、整机功能一体化集成，发挥结构之间的耦合增益效果。本发明将压紧密封组件、进气歧管、排气歧管、开盒机构统一接入控制单元，由控制单元完成逻辑调度。克服分立部件简单叠加、各单元之间缺少参数与结构耦合关系的短板，在晶圆盒对接-开盒-晶圆转运-晶圆回盒-关盒的完整流程中，同步实现密封隔离、气氛置换、颗粒抑制、热环境管控，降低晶圆颗粒污染以及氧化缺陷发生概率，提高整批次晶圆加工良率。

21、9、部件集成布置，规避外露管路带来的污染隐患。进气歧管、排气歧管、压紧密封组件以及开盒机构均集成设置于承载主体；进气歧管与排气歧管的气体管路，以及压紧驱动机构和开盒机构的驱动管路全部内置于承载主体，消除外部外露管路，减少管路表面积尘后颗粒脱落扬起的风险，同时压缩设备外部占用空间，适配立式炉配套狭小安装空间的使用条件。