用于晶圆镀膜的磁吸分体式载环自动分合及晶圆装载机构的制作方法

本发明属于半导体晶圆镀膜设备，具体涉及用于晶圆镀膜的磁吸分体式载环自动分合及晶圆装载机构，尤其涉及一种在晶圆镀膜工艺中，用于将上环与下环磁吸配合的分体式载环自动分离、将晶圆以非接触方式装载于下环嵌槽、并将上环与下环重新组合为一体的自动化作业机构。

背景技术：

1、半导体制造领域的化学气相沉积、物理气相沉积、原子层沉积等镀膜工序，对晶圆承载与传输环节的洁净控制、定位精度、工艺适配性均设定较高技术标准。早期晶圆承载载体多采用一体式单层载环，作业时晶圆直接平放于载环内部完成镀膜加工。伴随制程对晶圆放置姿态稳定性指标提升，磁吸分体式载环逐步投入工业化应用，该类载环也可称为上下环holder，由上环、下环两套部件组成，二者依靠磁吸自锁结构实现贴合；晶圆夹持于上环与下环之间，晶圆底面作为镀膜工作面暴露于工艺气氛环境，晶圆非镀膜边缘由上下环夹持限位。该结构可降低镀膜过程中晶圆偏移、形变现象的发生概率，同时规避载具接触晶圆镀膜面引发污染，适配洁净度、形位公差管控标准更高的先进镀膜制程。

2、磁吸分体式载环的标准作业流程存在固定工序约束：晶圆装载前，上环与下环需要完成分离，露出下环用于承托晶圆的嵌槽；晶圆放置完成后，再驱动上环下移，与下环重新磁吸贴合。同时受镀膜工艺约束，晶圆镀膜底面不允许与任何机械结构接触，取放机构仅能从载环上方伸入嵌槽，完成晶圆上下料操作。现阶段完成该类分体载环分合、晶圆装载作业，主要分为人工操作、通用输送设备组合两种实施形式。人工完成上下环拆分与贴合操作，会产生固定人力工时消耗，人员介入作业会提升工艺环境引入颗粒物的概率；采用标准机械手搭配通用载台的组合方案，难以匹配分体载环专属的“上环分离、晶圆上料、上环闭合”时序流程，难以持续稳定满足晶圆底面无接触取放的工艺条件，载环分合全过程的定位精度、姿态稳定度存在波动区间。

3、量产场景存在多规格晶圆并行加工需求，对应配套分体式载环的内部嵌槽尺寸随晶圆外径区分设置，如适配12英寸晶圆的载环嵌槽与适配8英寸晶圆的载环嵌槽尺寸存在差异；为降低产线设备改造投入，行业普遍采用统一不同规格分体载环外轮廓直径的设计方案，依靠内部嵌槽尺寸差异区分适配晶圆型号。现有自动化设备未针对“外径统一、内槽差异化”的载环结构特征设计一体化兼容架构，多采用分规格独立配置分合机构的实施方式，设备整体占用空间更大，硬件配套投入相应增加。

4、磁吸分体式载环在上料输送、工位定位过程中，易出现摆放平整度偏差，直观表现为载环单侧翘曲、上环与下环同轴度偏移等状态。该类状态若未完成识别，执行上环分离、贴合动作时，会产生上下环对位偏差、磁吸贴合缝隙，极端工况下会对晶圆表面产生机械损伤。现有设备传感采集层级较为单一，传感检测单元、程序控制单元、机械执行单元相互独立，未搭建传感信号驱动控制逻辑、控制逻辑联动机械动作的软硬件一体化闭环体系，设备针对载环姿态异常工况的自动化处置流程存在缺失，设备识别异常状态后进入停机状态，需要人工介入完成校正处理。

5、结合上述工艺条件、载体结构特征与现有设备运行过程中客观存在的工况约束，行业内存在对可集成多类功能模块、配套联动控制逻辑的磁吸分体式载环自动化装载机构的应用需求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于弥补现有设备运行过程中存在的工况约束，提供用于晶圆镀膜的磁吸分体式载环自动分合及晶圆装载机构，采用一体化模块布局搭配三层联动控制逻辑，完成磁吸分体式载环自动化分合作业与晶圆高精度装载，适配分体载环作业时序约束、载环姿态识别校正、同心偏移自适应补偿、多规格载环兼容等多类工艺使用场景。

2、为达上述目的，本发明采用如下技术方案：用于晶圆镀膜的磁吸分体式载环自动分合及晶圆装载机构，应用于具有磁吸自锁结构的分体式载环，所述分体式载环包括上环与下环，所述下环设有用于承载晶圆的嵌槽；包括：下环定位夹持模块，用于通过多个独立驱动的夹持件，夹紧下环的周向特征角位置，完成下环的夹持固定以防止位移；上环分离组合模块，设有带弹性预压件的预压固定结构，用于在下环被夹持固定后，通过下压预压方式按住下环、防止分离过程中下环晃动，并用于通过导向与同心提拉结构，将与下环磁吸配合的上环分离提起至设定分离位置以露出下环的嵌槽，并在晶圆装载后驱动上环下行，使上环与下环重新磁吸贴合；晶圆取放模块，所述晶圆取放模块的结构轮廓与嵌槽相适配，用于在上环分离提起后，以不接触晶圆底面的方式将晶圆取放至下环的嵌槽；检测模块，用于采集上环是否到达设定分离位置、下环预压状态、晶圆在位状态及分体式载环姿态的检测信号；控制模块，分别与下环定位夹持模块、上环分离组合模块、晶圆取放模块及检测模块通信连接，并被配置为：执行机构时序硬互锁控制、预压行程异常闭环控制及多夹持件定心自适应容差控制，基于检测模块输出的检测信号，按作业时序协调各模块联动作业，实现分体式载环的自动分离、组合及晶圆装载。

3、进一步地，所述下环定位夹持模块还设有预定位结构，用于对下环执行初定位；多个所述夹持件沿所述下环外周延伸方向均匀布置。

4、进一步地，所述检测模块采集弹性预压件输出的压缩行程信号，控制模块依据所述压缩行程信号区分设备正常工况与分体式载环翘曲异常工况；所述导向与同心提拉结构包括导向组件与同心提拉组件，所述导向组件由多根导柱构成；所述同心提拉组件沿圆周分布并夹持上环，向上提拉使上环与下环分离并停留于设定分离位置，以及向下移动使上环与下环重新磁吸贴合。

5、进一步地，还包括与控制模块通信连接的搬运模块，用于将分体式载环取放至下环定位夹持模块的作业工位，并转运由分体式载环夹持固定的晶圆。

6、进一步地，所述搬运模块的前端还设有多根支撑支柱，以协同托举分体式载环完成输送。

7、进一步地，所述分体式载环的外径尺寸统一设置，所述下环的嵌槽尺寸区分设置，用于适配不同规格的晶圆。

8、进一步地，所述机构时序硬互锁控制被配置为：仅当所述检测模块确认所述上环抵达设定分离位置后，才允许所述晶圆取放模块执行进给动作；且在所述晶圆取放模块完全退出所述下环的嵌槽后，才允许所述上环下行与所述下环重新磁吸贴合；所述机构时序硬互锁控制还配置有超时保护机制与机械限位冗余机制，以形成不可逆的作业时序约束；所述超时保护机制被配置为：在所述上环启动分离提起动作后，若正常作业区间内未收到所述上环抵达设定分离位置的检测信号，所述控制模块判定设备动作异常，并锁止所述晶圆取放模块的进给通道，防止所述晶圆取放模块在空间不足的状态下进给产生干涉碰撞；所述机械限位冗余机制被配置为：沿所述晶圆取放模块的进给行程终点设置限位挡件，所述限位挡件的布设位置与所述上环的安全下落高度匹配限位；当所述检测模块的传感信号失效、所述控制模块的控制逻辑出错时，所述限位挡件能够从物理层面阻挡所述晶圆取放模块进入所述上环下方的干涉区域。

9、进一步地，还设有旋转载台与间隙传感器，所述上环分离组合模块与所述下环定位夹持模块中的至少一者搭载于所述旋转载台；所述间隙传感器用于检测上环、下环对接位置处的缝隙数值，并输出表征上环与下环是否完成完全磁吸贴合状态的检测信号；所述预压行程异常闭环控制被配置为：所述检测模块持续采集所述弹性预压件的压缩行程信号；若所述分体式载环摆放姿态平整，所述弹性预压件的压缩行程处于正常区间，判定为设备正常工况；若所述分体式载环出现单侧翘曲姿态异常，所述弹性预压件的压缩行程偏离正常区间，判定为分体式载环翘曲异常工况；所述控制模块不锁止旋转载台对应的运动执行机构，联动间隙传感器反馈的检测信号，驱动所述旋转载台回转，带动搭载于所述旋转载台上的所述上环分离组合模块与所述下环定位夹持模块中的至少一者同步周向回转，通过周向位置调整校正所述分体式载环的单侧翘曲姿态异常，使上环与下环重新完全磁吸贴合；若经过预设次数周向回转校正后，间隙传感器仍然检出超标的对接缝隙，则控制模块锁定下环定位夹持模块、上环分离组合模块以及晶圆取放模块的运动执行机构，并触发报警。

10、进一步地，在不配置所述旋转载台的情况下，所述预压行程异常闭环控制被配置为：当判定分体式载环出现单侧翘曲姿态异常时，所述控制模块锁定下环定位夹持模块、上环分离组合模块以及晶圆取放模块的运动执行机构，并触发报警。

11、进一步地，所述多夹持件定心自适应容差控制被配置为：基于所述下环定位夹持模块中的各夹持件的实时位置反馈信号，所述控制模块独立调整对应夹持件的进给行程，自适应补偿所述分体式载环制造公差所导致的上环与下环之间的同心偏移量；当连续多轮自适应校正操作完成后，上环与下环之间的同心偏移量仍超出预设允许范围时，则判定所述分体式载环定位异常并输出停机指令。

12、相较于现有技术，本发明提供的用于晶圆镀膜的磁吸分体式载环自动分合及晶圆装载机构，具有以下显著有益效果。

13、1、本机构集成下环定位夹持模块、上环分离组合模块、晶圆取放模块、搬运模块，由控制模块依照预设作业时序实现各模块联动运行，自动完成磁吸分体式载环的分离、晶圆装填、分体式载环磁吸闭合整套作业流程。该运行方式可替代人工执行上环与下环的分合作业，减少人工操作产生的工时占用，降低外界颗粒物侵入工艺腔体环境的概率。

14、2、晶圆取放模块与下环的嵌槽相适配；晶圆存取过程仅接触晶圆上部区域，作业全过程不会触碰晶圆底面，匹配镀膜工艺对晶圆镀膜面的非接触管控要求，降低晶圆底面受机械接触作用产生表面不良的概率。

15、3、本机构适配外径统一、下环嵌槽尺寸差异化布设的分体式载环结构，同一套下环定位夹持模块、上环分离组合模块可适配多款不同规格晶圆对应的分体式载环，无需依照晶圆规格分别配置独立执行机构，精简设备硬件配置体量，减少设备加工制造与后期运维过程中的资金投入。

16、4、控制模块配置有机构时序硬互锁控制逻辑，以检测模块反馈的上环抵达设定分离位置信号作为晶圆取放模块进给动作的前置触发条件，以晶圆取放模块完全退出下环嵌槽区域作为上环下行磁吸贴合的启动条件；配合超时保护机制以及限位挡件构成的机械限位冗余机制，从电控逻辑、实体机械结构两个层级约束各运动部件的运动行程范围，减小晶圆取放模块与上环发生干涉触碰的概率，缓解晶圆、机构零部件因撞击作用产生结构形变的工况。

17、5、上环分离组合模块所设的弹性预压件、旋转载台、间隙传感器构成协同调控体系；弹性预压件在下环被夹持固定后下压按住下环，并依托检测模块采集其压缩行程信号，区分设备正常工况与分体式载环单侧翘曲异常工况；控制系统识别翘曲异常工况后，锁止下环定位夹持模块、上环分离组合模块、晶圆取放模块全部运动执行部件并输出报警信号。旋转载台搭载上环分离组合模块和/或下环定位夹持模块同步做周向回转运动，间隙传感器实时采集上环、下环的对接缝隙数值，通过周向位置调校修正分体式载环的空间姿态，实现上环与下环的完全磁吸贴合，降低设备停机状态下人工校正作业的执行频次。

18、6、下环定位夹持模块配置多组可独立驱动的夹持件，依托多夹持件定心自适应容差控制逻辑，控制模块根据各组夹持件的位置反馈信号独立调节夹持件伸出行程，补偿分体式载环加工公差带来的上环、下环同心偏移量；多轮自适应校正后同心偏移量仍超出允许区间时，设备下发停机指令，令分体式载环分离、闭合作业过程的同轴度参数满足镀膜工艺使用要求。

19、7、搬运模块的前端设置多根支撑支柱，支撑支柱承载分体式载环完成工位输送工作，该模块可同步完成空载分体式载环转运、装载晶圆的分体式载环转运两类输送任务，简化产线物料传输路径，缩减整机配套传动零件的布置数量，压缩设备整体占用空间，便于和现有镀膜产线的efem模块、真空腔工位完成一体化装配对接。