可实现自动全向开合的半导体设备的制作方法

1.本发明涉及半导体制造技术领域，具体涉及一种半导体设备，特别是涉及一种可实现自动全向开合的半导体设备。


背景技术：

2.随着电子技术的飞速发展，半导体器件特征尺寸越来越小而集成度越来越高，同时为了满足日益增长的用户需求和降低生产成本，晶圆尺寸越来越大，故而用于承载晶圆进行芯片加工制造的半导体设备的尺寸也越来越大。此外，由于大部分半导体芯片制造工艺都非常复杂，用于对腔体进行开合的腔盖上通常会设置有多种工艺组件以配合工艺生产，这些因素都使得半导体设备的腔盖的体积和重量越来越大，在进行手动开合时，需要至少两人以上的合力操作。这种人力操作存在诸多问题，比如一是由于腔盖自重与体积过大，紧靠人力操作非常困难，存在安全隐患；二是由于现有的上盖开合运动时存在设计缺陷（例如腔盖与腔体通过转轴固定，开合时腔盖施加的力将过分集中），在开启腔盖时，由于自重会造成腔盖变形，导致腔盖与腔体处于闭合状态时，密封面无法实现密封；三是腔盖开合过程中会产生摆动，容易磕碰腔体，且容易造成腔盖和/或腔体周向的橡胶圈（o-ring）因摩擦而滑落移位出橡胶圈槽，和/或导致橡胶圈因摩擦而破损。除上述问题外，现有的用于半导体设备的开盖运动装置比较单一，多个传送腔在上盖开合时，必须各自独立配备开合装置，而无法实现共用。此外，现有的开合装置，其安装固定位置具有唯一性，在腔盖开合时空间方位也具有唯一性，例如通常位于腔体正上方，在拆卸与更换安装时，由于其他主体装置占用空间影响，操作很不方便。


技术实现要素：

3.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种可实现自动全向开合的半导体设备，用于解决现有技术中，因半导体设备的腔盖的体积和自重较大，人力手动开合存在诸多不便，存在安全隐患，且在操作过程中容易导致橡胶圈脱落和/或破损，各传送腔需独立配备腔盖开合装置等问题。
4.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种可实现自动全向开合的半导体设备，包括：腔体、用于对腔体进行闭合的腔盖，以及开合装置，所述开合装置包括主支撑模块、腔盖受力臂、主驱动模块、腔盖升降模块、旋转模块和控制模块；所述主支撑模块包括中心柱和固定于中心柱上的中心轴承；所述腔盖受力臂与所述中心轴承相连接，包括相互固定连接且不在同一直线上的动力臂和阻力臂，所述动力臂中设置有沿所述动力臂的长度方向延伸的长槽；所述主驱动模块包括固定支架、第一电机、第一减速机、第一丝杆和施力杆，所述第一减速机与所述固定支架相固定，第一电机和第一丝杆均与第一减速机相连接，第一丝杆向下延伸至与施力杆的一端相连接，所述施力杆的另一端设置有移动部件，所述移动部件位于所述长槽内，且可以在所述长槽内移动；所述腔盖升降模块与所述阻力臂和腔盖均相连接，包括第二电机、第二减速机、第二丝杆和连接轴，所述第二电机和第二丝杆均
与第二减速机相连接，所述连接轴与所述第二丝杆及腔盖相连接；所述旋转模块与主支撑模块相连接，用于带动主支撑模块旋转；所述控制模块与所述第一电机、第二电机和旋转模块电连接。
5.可选地，所述主驱动模块还包括若干滑轨和滑块，所述滑轨与所述固定支架相固定，滑轨的长度延伸方向和第一丝杆的长度延伸方向相互平行，滑块一一对应设置于滑轨上，且均与第一丝杆连接，以在第一丝杆的带动下沿滑轨上下移动。
6.可选地，所述中心柱包括垂直部分和与垂直部分相连接的水平延伸部分，所述中心轴承固定于所述垂直部分内，所述主驱动模块的固定支架与所述水平延伸部分相固定。
7.可选地，所述动力臂和阻力臂之间的连接角度为60
°‑
150
°
，所述长槽为腰形槽。
8.可选地，所述腔盖升降模块还包括缓冲连接单元，所述缓冲连接单元包括缓冲支架、弹簧和固定螺钉，所述缓冲支架与第二丝杆相连接，缓冲支架的端面设置有滑槽，所述固定螺钉一端与腔盖相固定，另一端向上延伸到缓冲支架的滑槽内，且在缓冲支架的带动下，可在滑槽内上下移动，所述弹簧套设于固定螺钉上，且位于缓冲支架与腔盖之间。
9.可选地，所述缓冲连接单元为2个以上，2个以上缓冲连接单元在所述第二丝杆的周向均匀间隔分布。
10.可选地，所述旋转模块包括刻度转盘和与刻度转盘电连接的驱动电机，所述中心柱固定于所述刻度转盘上。
11.可选地，所述腔体包括沉积腔室、刻蚀腔室、退火腔室、清洗腔室和离子注入腔室中的若干种。
12.可选地，所述半导体设备还包括手动自锁模块和制动杆，所述手动自锁模块固定于所述中心柱上，且与阻力臂相邻，所述手动自锁模块上设置有多个沿弧形面间隔设置的自锁孔，手动自锁模块的固定壳体上设置有与制动杆相匹配的螺纹，向自锁孔内插入制动杆，由此可以将阻力臂锁死。
13.本发明还提供一种半导体设备的自动全向开合方法，所述自动全向开合方法基于上述任一方案中所述的可实现自动全向开合的半导体设备进行，所述自动全向开合方法在开启腔体时，先将所述腔盖自腔体表面垂直提升以离开腔体，然后对腔盖进行翻转，在闭合时，先将腔盖翻转至水平状态，然后将腔盖垂直下降而将腔体闭合。
14.如上所述，本发明的可实现自动全向开合的半导体设备，具有以下有益效果：本发明提供的半导体设备经改善的结构设计，可通过设备的全自动操作，将腔体开盖与闭合时的角度控制在90
°
内的任意值，可以省去人力操作，提高设备操作便利性和安全可靠性；在开合前，可先将腔盖垂直上升脱离腔体，确保腔盖沿与腔体接合面完全垂直运动，不磕碰腔体以及腔体以外零件，例如避免腔盖与橡胶圈发生摩擦而导致的橡胶圈磨损和/或脱落；而在闭合时，则先将腔盖翻转至水平状态且处于腔体的正上方，之后再将腔体垂直下降，以实现和腔体的贴合密封；在需对腔体和/或开合装置本身进行拆装时，可将开合装置移动至远离腔体的位置，避免相互干扰（例如避免拆卸开合装置时产生的杂质落入腔体中），方便拆装。此外，本发明提供的半导体设备，可实现多个腔体共用一个开合装置，有助于简化设备结构，降低设备成本和设备占用空间。
附图说明
15.图1显示为本发明提供的可实现自动全向开合的半导体设备处于闭合状态的示意图。
16.图2显示为本发明提供的可实现自动全向开合的半导体设备处于开启状态的示意图。
17.图3显示为本发明提供的可实现自动全向开合的半导体设备的开合原理图。
18.元件标号说明腔体-11；腔盖-12；主支撑模块-13；垂直部分-1311；水平延伸部分-1312；中心轴承-132；动力臂-141；长槽-1411；阻力臂-142；主驱动模块-15；固定支架-151；第一电机-152；第一减速机-153；第一丝杆-154；施力杆-155；滑轨-156；滑块-157；腔盖升降模块-16；第二电机-161；第二减速机-162；连接轴-163；缓冲支架-164；弹簧-165；旋转模块-17；刻度转盘-171；驱动电机-172；手动自锁模块-181；制动杆-182。
具体实施方式
19.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
20.为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。
21.在本技术的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
22.需要说明的是,本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。为使图示尽量简洁，各附图中并未对所有的结构全部标示。
23.请参阅图1至图3。
24.如图1及图2所示，本发明提供一种可实现自动全向开合的半导体设备，所述半导体设备包括：腔体11、用于对腔体11进行闭合的腔盖12和对腔盖12进行开合操作的开合装置；所述开合装置包括主支撑模块13、腔盖受力臂、主驱动模块15、腔盖升降模块16、旋转模块17和控制模块（附图1中仅对各模块进行了大致的标记，实质上各模块之间并没有严格的分界线）；所述主支撑模块13位于腔体11的一侧，其包括中心柱和固定于中心柱上的中心轴承132；所述腔盖受力臂与所述中心轴承132相连接，所述腔盖受力臂包括相互固定连接且
不在同一直线上的动力臂141和阻力臂142，且所述动力臂141中设置有沿所述动力臂141的长度方向延伸的长槽1411，长槽1411的长度可以根据需要设置，且该长槽1411较佳地为腰形槽，以为后续提及的移动部件提供圆滑的移动空间；较佳地，动力臂141和阻力臂142为一体连接，两者可以通过一弧形面（未标记）相连接，两者之间的角度为大于零度且小于180度，腔盖受力臂与绕设于中心轴承132周向的卡圈相连接，中心轴承132位于动力臂141和阻力臂142之间；所述主驱动模块15包括固定支架151、第一电机152、第一减速机153、第一丝杆154和施力杆155，所述第一减速机153与所述固定支架151相固定，例如第一减速机153固定于固定支架151上，第一电机152和第一丝杆154均与第一减速机153相连接，以通过第一电机152驱动减速机运转，由此带动第一丝杆154上下移动，第一丝杆154较佳地为滚珠丝杆，第一丝杆154向下延伸至与施力杆155的一端相连接，所述施力杆155的另一端设置有移动部件，所述移动部件位于所述长槽1411内，且可以在所述长槽1411内移动，所述移动部件例如可以为可滚动轴承；当然，在其他示例中，也可以在长槽中设置滑轨，而移动部件可以为滑块；随着施力杆升降位置不同，受力臂的受力点随之变化，从而可实现腔盖开启角度越大时越省力的效果；所述腔盖升降模块16与所述阻力臂142和腔盖12均相连接，其包括第二电机161、第二减速机162、第二丝杆（未示出）和连接轴163，腔盖升降模块16亦可以包括固定第二减速机162的固定架（未标记），所述第二电机161和第二丝杆均与第二减速机162相连接，第二丝杆同样较佳地为滚动丝杆，且第二丝杆与减速机固定连接，所述连接轴163与所述第二丝杆及腔盖12相连接，通过第二电机161驱动第二减速机162运转，由此带动第二丝杆移动，进而带动腔盖12先在垂直方向上下移动；所述旋转模块17与主支撑模块13相连接，用于带动主支撑模块13旋转；所述控制模块（未示出）与所述第一电机152、第二电机161和旋转模块17电连接；所述控制模块例如为plc控制器或中央控制器，其可以准确控制腔盖12的开启与闭合角度，也可控制腔盖12开启和闭合的时间，以及控制腔盖12开启或闭合的速度，以及腔盖12垂直抬升的高度，即控制模块可以根据相关的工艺参数控制第一电机152、第二电机161和旋转模块17的工作，使得整个半导体设备可以实现全自动化操作。本实施例提供的半导体设备的工作原理为：一方面，腔盖升降模块16的第二电机161开启后带动第二减速机162运转，进而带动第二丝杆先沿垂直方向上下移动，由此带动腔盖12在垂直方向上下移动，当腔盖12运动到预定高度时，第二电机161断电（即电机自锁），腔盖12保持至垂直安全距离固定不动，以使腔盖12在垂直安全高度锁定，即第二电机161自带制动功能，有助于提高设备稳定性，第一电机152和第二电机161均优选伺服电机；另一方面，主驱动模块15的第一电机152开启后带动第一减速机153运转，第一减速机153带动第一丝杆154上下移动，由此带动施力杆155上下移动，施力杆155端面上的移动部件在动力臂141的长槽1411内移动，由此给动力臂141的不同点施力而使动力臂141发生转动，与动力臂141相连接的阻力臂142同步转动，由此带动腔盖12翻转，同样地，当腔盖12翻转到预定位置时，第一电机152断电（即电机自锁），相关施力点固定不动，以将腔盖12锁定在该预定位置，即第一电机152同样自带制动功能，有助于提高设备稳定性；且在需要时，旋转模块17可以带动主支撑模块13旋转，由此带动腔盖12在360
°
的周向范围内旋转，可实现不同方位腔体的腔盖在全方向的开合。通常，在需要开启腔体11时，先通过腔盖升降模块16驱动腔盖12垂直上升，然后利用主驱动模块15和腔盖受力臂驱动腔盖12翻转，在需要时还可以通过旋转模块17将腔盖12整体带离腔体11上方，而在闭合腔体11时，先将腔盖12移动到腔体11正上方，且使腔盖
12处于水平状态，然后使腔盖12垂直下降而将腔体11闭合。更具体地，参考图3所示，图3中，o点代表中心轴承132的中心点，腔盖受力臂与中心轴承132周向接触且运动轨迹的若干点分别定义为a，b，c，d，e，f，g
……
点，阻力臂142自水平状态移动至竖直状态的过程中，阻力臂142与腔盖12相邻一端的端点的移动轨迹分别定义为a2，b2，c2，d2，e2，f2，g2
……
点，施力杆155的上部端点自上而下移动过程中的轨迹定义为mn（n为1，2，3，4，5，6
……
之类的整数）点，下部端点自上而下移动过程中的轨迹定义为nn（n为1，2，3，4，5，6
……
之类的整数）点，这也是开启状态下动力臂的不同受力点，而动力臂141与施力杆155接触的受力轨迹定义为a’，b’，c’，d’，e’，f’，g
’……
点；从该原理图可以看到，随着施力杆mn给动力臂oaa1不断施力，相关机构开始运动，施力点n在动力臂141的长槽1411内运动。由于施力杆155的长度是不变的，即图3中的线段mn= m1n1= m2n2= m3n3= m4n4= m5n5= m6n6，施力杆155给动力臂141施力的点n逐步变为n1、n2 、n3 、n4、 n5 、n6
……
，而阻力臂142也将带动腔盖12沿着a2，b2，c2，d2，e2，f2，g2
……
点的轨迹移动；当腔盖12开合到90
°
时，动力臂141在第三象限内沿规则的轨迹运动，动力臂141与受力点以o点为支点运动时，开合角度越大，动力f会逐渐减小；因为开合角度越大，如图3所示，动力臂oan、obn1、ocn2、odn3、oen4、ofn5、ogn6，即受力点与支点的距离越大，根据杠杆原理，动力臂越大越省力；同时因减速机在施力时可以增大扭力，故而结合减速机的运动，可以提高力的最大效率，有助于降低设备功耗。本发明提供的半导体设备经改善的结构设计，可通过设备的全自动操作，将腔体开盖与闭合时的角度控制在90
°
内的任意值，可以省去人力操作，提高设备操作便利性和安全可靠性；在开合前，可先将腔盖垂直上升脱离腔体，确保腔盖与腔体接合面完全垂直平行运动，不磕碰腔体以及腔体以外零件，例如避免腔盖与橡胶圈发生摩擦而导致的橡胶圈磨损和/或脱落；同样在闭合时，将腔盖相对于腔盖缓冲支架先保持在垂直状态，再将腔盖翻转直至与腔体闭合，以实现和腔体无磕碰的贴合密封；在需对腔体和/或开合装置本身进行拆装时，可将开合装置移动至远离腔体的位置，避免相互干扰（例如避免拆卸开合装置时产生的杂质落入腔体中），方便拆装。此外，本发明提供的半导体设备，可实现多个腔体共用一个开合装置，有助于简化设备结构，降低设备成本和设备占用空间。
25.为避免第一丝杆154在上下移动过程中产生晃动而造成腔盖12在开合过程中发生晃动，在较佳的示例中，所述主驱动模块15还包括若干滑轨156和滑块157，所述滑轨156与所述固定支架151相固定，例如该固定支架151可以为一个矩形框架，而该滑块157固定在矩形框架上，滑轨156的长度延伸方向和第一丝杆154的长度延伸方向相互平行，或者说滑轨156和第一丝杆154平行间隔设置，而滑块157一一对应设置于滑轨156上，且均与第一丝杆154连接，即滑块157两端分别与滑轨156和第一丝杆154连接，以在第一丝杆154的带动下沿滑轨156上下移动，例如滑轨156和滑块157可以为2个，两个滑轨156对称设置于第一丝杆154的相对两侧。
26.为避免所述主支撑模块13的各结构发生不必要的晃动，所述固定支架151可以通过合适的结构，例如利用外部支架进行固定。在一较佳的示例中，所述中心柱包括垂直部分1311和与垂直部分1311相连接的水平延伸部分1312，所述中心轴承132固定于所述垂直部分1311内，所述主驱动模块15的固定支架151与所述水平延伸部分1312相固定，而所述施力杆155向下穿过所述中心柱的水平延伸部分1312而延伸到动力臂141的长槽1411中。这样的结构设计有助于加强各模块之间的连接，同时简化设备结构。
27.所述动力臂141和阻力臂142的长度，以及两者之间的连接角度可以根据需要灵活设置，例如两者之间的连接角度可以为60
°‑
150
°
，但该角度较佳地为钝角，更佳地为135
°
，这可以给腔盖受力臂提供较大的运动空间，同时便于对腔盖施力。
28.较佳地，所述腔盖升降模块16还包括缓冲连接单元，所述缓冲连接单元较佳地为2个以上，例如为2个，3个，4个或更多个（较佳地为不超过4个），2个以上缓冲连接单元在所述第二丝杆的周向均匀分布，例如均匀间隔分布；具体地，所述缓冲连接单元包括缓冲支架164、弹簧165和固定螺钉，所述缓冲支架164与第二丝杆相连接，缓冲支架164的端面设置有滑槽，所述固定螺钉一端与腔盖12相固定，两者之间可以直接连接，还可以通过连接块（未示出）相连接，固定螺钉例如为松不脱螺钉，其另一端向上延伸到缓冲支架164的滑槽内，且在缓冲支架164的带动下，可在滑槽内上下移动，所述弹簧165套设于固定螺钉上，且位于缓冲支架164与腔盖12之间。当缓冲支架164在第二丝杆的带动下朝腔盖12方向移动时，弹簧165被压缩，反之则回弹到正常状态。通过设置所述缓冲邻接模块，弹簧165压缩产生的反相力可以消除固定螺钉抬升时产生的间隙，使得腔盖12的垂直升降运动更加平稳。
29.在一较佳示例中，所述旋转模块17包括刻度转盘171和与刻度转盘171电连接的驱动电机172，所述中心柱固定于所述刻度转盘171上，该驱动电机172与控制模块电连接，该驱动电机172同样可以采用伺服电机，而采用刻度转盘171可以精确控制旋转角度。所述半导体设备还可以包括与所述主支撑模块13，例如与所述中心柱相连接的升降模块（未示出），该升降模块例如位于该旋转模块17上，而中心柱则位于升降模块上，以在需要时驱动整个开合装置向上提升。
30.本示例提供的半导体设备可以为多种制程的工艺设备，例如所述腔体11可以为沉积腔室、刻蚀腔室、退火腔室、清洗腔室和离子注入腔室中的若干种。所述腔体11可以为单个，也可以为多个，腔盖12与腔体11一一对应设置，即多个腔体11可以共用一个开合装置，当腔体11为多个时，多个腔体11可以为同一制程腔室，也可以为不同制程的腔室，例如所述半导体设备可以同时包括沉积腔室和退火腔室。
31.除前述的利用电机进行自锁外，在一较佳示例中，所述半导体设备还包括手动自锁模块181和制定杆，所述手动自锁模块181固定于所述中心柱上，且与阻力臂142相邻，所述手动自锁模块181上设置有多个沿弧形面间隔设置的自锁孔，向自锁孔内插入制动杆182，由此可以将阻力臂142锁死。例如当腔盖12开合到某一角度时，为防止意外闭合，可以手动操作制动杆182，手动自锁模块181的固定壳体上设置有与制动杆182相匹配的螺纹，，靠弹簧的拉伸力将制动杆182穿过自锁孔并插入阻力臂142，从而起到将阻力臂142锁死的作用，确保安全（即该手动自锁模块181利用弹簧压缩与锁死制动杆182伸缩结构，在闭合时，制动杆182缩回，制动杆182与手动自锁模块的固定壳体的内部螺纹作用锁死，避免干涉阻力臂142的正常运动）。
32.本发明还提供一种半导体设备的自动全向开合方法，所述自动全向开合方法基于上述任一方案中所述的可实现自动全向开合的半导体设备进行，故前述对所述半导体设备的介绍可以全文引用至此。所述自动全向开合方法的重点在于（可参考图1及图2），在开启腔体11时，先将所述腔盖12自腔体11表面垂直提升以离开腔体11，然后对腔盖12进行翻转，在需要时，还可以对腔盖12进行周向旋转以远离腔体11；在闭合时，先将腔盖12翻转至水平状态，且处于腔体11的正上方，然后将腔盖12垂直下降而将腔体11闭合。所述自动全向开合
方法的更多操作详情还请参考前述内容，出于简洁的目的不赘述。本发明提供的自动全向开合方法，可以降低功耗，提高设备操作便利性和安全性。
33.综上所述，本发明提供一种可实现自动全向开合的半导体设备。该半导体设备包括：腔体、用于对腔体进行闭合的腔盖，以及开合装置，所述开合装置包括主支撑模块、腔盖受力臂、主驱动模块、腔盖升降模块、旋转模块和控制模块。本发明提供的半导体设备经改善的结构设计，可通过设备的全自动操作，将腔体开盖与闭合时的角度控制在90
°
内的任意值，可以省去人力操作，提高设备操作便利性和安全可靠性；在开合前，可先将腔盖垂直上升脱离腔体，确保腔盖沿与腔体接合面完全垂直运动，不磕碰腔体以及腔体以外零件，例如避免腔盖与橡胶圈发生摩擦而导致的橡胶圈磨损和/或脱落；而在闭合时，则先将腔盖翻转至水平状态且处于腔体的正上方，之后再将腔体垂直下降，以实现和腔体的贴合密封；在需对腔体和/或开合装置本身进行拆装时，可将开合装置移动至远离腔体的位置，避免相互干扰（例如避免拆卸开合装置时产生的杂质落入腔体中），方便拆装。此外，本发明提供的半导体设备，可实现多个腔体共用一个开合装置，有助于简化设备结构，降低设备成本和设备占用空间。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
34.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。