一种晶圆自动传输方法与流程

1.本发明属于半导体化学气相沉积技术领域，具体涉及一种用于外延反应设备的晶圆自动传输方法。


背景技术：

2.目前在半导体化学气相沉积领域，对于基于感应加热原理的水平气流式设备，承载晶圆的装置普遍采用平面盘状的石墨基座。针对单片式反应设备，晶圆的装载和卸载较为适合于用自动化模式进行操作。半导体领域对于晶圆正面的洁净度要求是非常苛刻的，因为晶圆正面是化学气相沉积的反应区域，应避免晶圆的正面与任何类型的机构进行接触，否则可能严重影响工艺质量，从而容易导致器件存在致命缺陷。
3.因此，在保证洁净度的前提下，为了实现自动移动晶圆，只能通过接触晶圆背面或边缘来进行晶圆装卸操作。
4.如图1所示，常见的碳化硅外延载片载片基座2主要包含了三部分：从下至上依次为底座22，圆环21以及晶圆1，其中，底座22和圆环21称为载片盘，底座22、圆环21及晶圆1上均设计有斜边，三者斜边均对齐后才能完成晶圆装载。为了避免接触晶圆正面的前提下在基座上装卸晶圆，现有技术主要有以下三种方法：
5.一是采用人工方式进行装卸操作。通过手动分离、更换、对齐斜边的方法，可避免接触晶圆正面的同时实现基座上装卸晶圆，然而存在效率慢，人为干扰因素大，制约了规模化批量生产等缺点。
6.二是如图2(a)所示，在基座中做成通孔形活动部件，在晶圆装卸时用穿过通孔的顶升机构使晶圆升起，顶升机构可以向上运动来实现升起，也能向下运动使晶圆落在基座上。虽然这种技术能够保证不与晶圆正面接触的条件下实现晶圆装卸，但是石墨基座中开孔后会引起电流流动不均匀，导致温度场不均匀，进而影响工艺效果。
7.三是如图2(b)所示，不改变基座结构，通过设置载片基座的拆装装置，结合利用顶升机构，可以实现晶圆在载片圆环的升降，进而组装成载片基座。存在的不足有两方面：
8.一是在装载过程中，随着顶升机构下降，晶圆在重力作用下缓降，为了使晶圆恰好对齐斜边的姿态进入圆环，要求顶升机构的支撑面和圆环面同时处于绝对水平状态，同时，要求顶升机构下降过程平稳，耗时较长，且晶圆降落接触圆环时易滑动，无法进一步调整晶圆相对位置。
9.二是在卸载过程中，特别是在经过多次工艺后的卸载过程中，圆环内边缘的局部区域可能形成工艺反应产生的微小固体颗粒物(阻碍物)，阻碍晶圆在顶升机构的作用下垂直上升，此时顶升机构无法将晶圆顺畅的从圆环取出，系统无法识别和处理该类情况，只能完全依靠人工干预解决。


技术实现要素：

10.本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种原理简单、自动化程
度高、控制精准且避免接触晶圆正面的晶圆自动传输方法。
11.为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
12.一种晶圆自动传输方法，包括自动卸载和自动装载流程，所述自动卸载流程包括以下步骤：
13.s1、将完成工艺的载片基座拆装成底座和带有晶圆的圆环；
14.s2、自动识别圆环上的阻碍物对晶圆的遮挡及分布情况，根据识别结果判断是否可继续进行自动卸载流程：
15.s3、将晶圆校准后转送至晶圆下料装置，将圆环和底座合成为载片基座；
16.所述自动装载流程包括以下步骤：
17.s4、将基座拆装成圆环和底座，从晶圆上料装置取新的晶圆放置在晶圆校准器进行校准；
18.s5、自动识别圆环上的阻碍物对晶圆的遮挡及分布情况，根据识别结果判断是否可继续进行自动装载流程：
19.s6、将底座与带有晶圆的圆环合成为载片基座，并传送至反应室。
20.作为本发明的进一步改进，所述步骤s2中，若不能继续自动卸载，则报警提示人工干预；若可以继续自动卸载，则利用吸盘机械臂从圆环底部向上穿过圆环，并以先倾斜微调后垂直上升的方式将晶圆卸载出来。
21.作为本发明的进一步改进，所述步骤s5中，若不能继续自动装载，则报警提示人工干预；若可以继续自动装载，则利用吸盘机械臂从圆环底部向上穿过，然后从晶圆校准器上吸取晶圆，并以先垂直下降后倾斜微调的方式将晶圆装载在圆环上。
22.作为本发明的进一步改进，所述步骤s2和步骤s5中，采用高清分辨率相机和图像识别系统，通过图像识别方法识别晶圆是否可以继续自动装卸。
23.作为本发明的进一步改进，所述图像识别方法包括以下步骤：
24.y1、拍摄并记录一组晶圆正常放置在圆环内的图像，将其存储在图像识别系统中，作为标准工位参照组；
25.y2、图像识别系统分别识别晶圆与圆环的圆、圆心和斜边，将其与标准工位参照组进行相互图形对比，计算匹配度，若晶圆偏离圆环上正常位置超出阈值范围，则判定不能继续自动装/卸载，提前结束后续的识别流程，否则进入步骤y3；
26.y3、图像识别系统存储晶圆的位置区域数据，识别圆环上阻碍物的位置分布和密集程度，判断圆环上阻碍物与晶圆位置的重合位置及分布情况，并进行能否自动装/卸载的判定：若判定不能继续进行自动装/卸载，结束识别流程；否则进入步骤y4；
27.y4、系统判定能自动装/卸载。
28.作为本发明的进一步改进，所述步骤y3中的判定流程包括：若任一阻碍物的聚集区沿晶圆径向方向的覆盖长度超过晶圆直径的2％，则判定为不能自动装卸载；
29.或者，识别出沿晶圆径向方向的覆盖长度不超过晶圆直径2％的若干阻碍物，但这些阻碍物的分布情况是沿晶圆圆周的连续跨度≥180
°
，则判定为不能自动装卸载。
30.作为本发明的进一步改进，所述步骤s2和步骤s5中，利用多自由度配置伺服电机的吸盘机械臂进行角度和位移的调控。
31.作为本发明的进一步改进，所述步骤s2和步骤s5中，吸盘机械臂可感知力和力矩，
若力或力矩超过阈值，则终止晶圆自动装卸，并提示人工干预。
32.作为本发明的进一步改进，所述步骤s2包括：
33.s21、采用前述图像识别方法，识别圆环上的阻碍物遮挡及分布情况，判定是否能够继续自动卸载；
34.s22、若不能继续自动卸载，则停止自动卸载流程，并报警提示需人工卸载；
35.s23、若能继续自动卸载，则利用吸盘机械臂穿过圆环底部并相对圆环平面倾斜以移动晶圆，使晶圆相对圆环侧移，直至脱离阻碍物遮挡区域，吸盘机械臂垂直上升将晶圆卸载脱离圆环；
36.s24、若能继续自动卸载且晶圆上方不存在阻碍物遮挡，利用吸盘机械臂从圆环底部垂直向上穿过圆环将晶圆卸载出来。作为本发明的进一步改进，所述步骤s23中，吸盘机械臂从圆环底部以相对圆环平面小于2
°
的倾斜角度移动晶圆。
37.作为本发明的进一步改进，所述步骤s5包括：
38.s51、采用图像识别方法，自动识别圆环上的阻碍物遮挡及分布情况，判定是否能够继续自动卸载；
39.s52、若不能继续自动卸载，则停止自动卸载流程，并报警提示需人工卸载；
40.s53、若沿着圆环圆周没有阻碍物遮挡，则从晶圆上料装置取新的晶圆进行校准，吸盘机械臂从圆环底部向上穿过，并从晶圆校准器上吸取晶圆后垂直下降，直至距离圆环上方不低于5mm；
41.s54、微调吸盘机械臂角度和偏移量，使得晶圆的斜边对准圆环的斜边，将晶圆装载置于圆环中。
42.作为本发明的进一步改进，所述步骤s53中，吸盘机械臂垂直下降的速度大于10mm/s；所述步骤s54中，晶圆装载的速度小于5mm/s。
43.与现有技术相比，本发明的优点在于：
44.1、本发明的晶圆自动传输方法，将载片基座拆装成底座和带有晶圆的圆环，通过自动识别技术识别圆环上的阻碍物对晶圆的遮挡及分布情况，并根据识别结果判断是否可继续进行自动卸载或自动装载流程，利用吸盘机械臂从圆环底部向上穿过并在圆环上装载或卸载晶圆，在传输晶圆的过程中，没有直接接触晶圆正面，保证了晶圆洁净度，同时，也没有对基座开通孔，保证了温度场均匀性。
45.2、本发明的晶圆自动传输方法，在卸载过程中，对于移动被圆环上沉积的反应物遮挡的晶圆脱离圆环的情况，尤其是阻碍物沿圆环圆周方向的连续跨度小于180
°
时，带吸力的吸盘机械臂通过合理的倾斜角度平移和顶起晶圆，实现了以不弯曲晶圆的方式柔性的取出晶圆，且无需人工干预处理，提升了自动化程度和传送效率。
46.3、本发明的晶圆自动传输方法，在装载过程中，带吸力的吸盘机械臂在确保晶圆不滑移的前提下，将晶圆快速移动至圆环上方，同时采用图像识别技术，进一步微调姿态，配合高精度多自由度吸盘机械臂，使得晶圆装载进入圆环的流程具有高效、高精度且稳定等优点。
47.4、本发明的晶圆自动传输方法，在装卸载过程中，利用带有力和力矩传感器的吸盘机械臂感知受力情况，超过阈值后将产生报警，提示用户手动干预，如圆环上沉积反应的阻碍物过多等情况，无法完成装卸操作，进一步提升了装卸晶圆的安全性。
附图说明
48.图1为现有技术中载片基座的结构示意图。
49.图2为现有技术中晶圆装卸载的流程图。
50.图3为本发明中晶圆自动卸载的流程图。
51.图4为本发明中晶圆自动装载的流程图。
52.图5为本发明实施例中吸盘机械臂与圆环的相对位置示意图。
53.图例说明：1、晶圆；2、载片基座；21、圆环；22、底座；23、圆环圆周；24、圆环底部；3、吸盘机械臂。
具体实施方式
54.以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
55.实施例
56.如图3至图5所示，本发明的晶圆自动传输方法，包括自动卸载和自动装载流程，自动卸载流程包括以下步骤：
57.s1、将完成工艺的载片基座2拆装成底座22和带有晶圆1的圆环21；
58.s2、自动识别圆环21上的阻碍物对晶圆1的遮挡及分布情况，根据识别结果判断是否可继续进行自动卸载流程：
59.s3、将晶圆1校准后转送至晶圆下料装置，将圆环21和底座22合成为载片基座2；
60.自动装载流程包括以下步骤：
61.s4、将载片基座2拆装成圆环21和底座22，从晶圆上料装置取新的晶圆1放置在晶圆校准器进行校准；
62.s5、自动识别圆环21上的阻碍物对晶圆1的遮挡及分布情况，根据识别结果判断是否可继续进行自动装载流程：
63.s6、将底座22与带有晶圆1的圆环21合成为载片基座2，并传送至反应室。
64.本实施例中，晶圆1是用于制造半导体器件的碳化硅晶圆。
65.步骤s2和步骤s5中，利用多自由度配置伺服电机的吸盘机械臂3进行角度和位移的精准调控，以提高晶圆传输的稳定性。
66.步骤s2和步骤s5中，吸盘机械臂3可感知力和力矩，若力或力矩超过阈值，为了保证晶圆1安全，则终止晶圆1自动装卸，并提示人工干预。
67.本实施例中，步骤s2和步骤s5中，采用高清分辨率相机和图像识别系统，通过图像识别方法识别晶圆是否可以继续自动装卸。高清分辨率相机安装在载片基座2圆心位置的垂直上方处，距离范围为载片基座2直径的1.5倍～5倍。
68.y1、拍摄并记录一组晶圆1正常放置在圆环21内的图像，将其存储在图像识别系统中，作为标准工位参照组。正常放置是指，圆环21上无阻碍物且经反复试验能够自动装/卸载的情况，例如试验连续10次以上。
69.y2、图像识别系统分别识别晶圆1与圆环21的圆、圆心和斜边，将其与标准工位参照组进行相互图形对比，计算匹配度，若晶圆1偏离圆环21上正常位置超出阈值范围(例如匹配度低于50％)，则判定不能继续自动装/卸载，提前结束后续的识别流程，否则进入步骤
y3。
70.y3、图像识别系统存储晶圆1的位置区域数据，识别圆环21上阻碍物的位置分布和密集程度，判断圆环21上阻碍物与晶圆1位置的重合位置及分布情况，并进行能否自动装/卸载的判定：若判定不能继续进行自动装/卸载，结束识别流程；否则进入步骤y4。
71.y4、系统判定能自动装/卸载。
72.本实施例中，步骤s2中，若不能继续自动卸载，则报警提示人工干预；若可以继续自动卸载，则利用吸盘机械臂3从圆环底部24向上穿过圆环21，并以先倾斜微调后垂直上升的方式将晶圆1卸载出来。
73.步骤s2的具体步骤包括：
74.s21、采用前述的图像识别方法，识别圆环21上的阻碍物遮挡及分布情况，判定是否能够继续自动卸载；
75.s22、若不能继续自动卸载，则停止自动卸载流程，并报警提示需人工卸载；
76.s23、若能继续自动卸载，则利用吸盘机械臂3穿过圆环底部24并相对圆环21平面倾斜以移动晶圆1，使晶圆1相对圆环21侧移，直至脱离阻碍物遮挡区域，吸盘机械臂3垂直上升将晶圆1卸载脱离圆环21；
77.s24、若能继续自动卸载且晶圆1上方不存在阻碍物遮挡，利用吸盘机械臂3从圆环底部24垂直向上穿过圆环21将晶圆1卸载出来。
78.进一步地，步骤s23中，吸盘机械臂3从圆环底部24以相对圆环21平面小于2
°
的倾斜角度移动晶圆1，既能够将晶圆1从遮挡物中移出，又不会触碰到晶圆1正面。
79.本实施例中，步骤s5中，若不能继续自动装载，则报警提示人工干预；若可以继续自动装载，则利用吸盘机械臂3从圆环底部24向上穿过，然后从晶圆校准器上吸取晶圆1，并以先垂直下降后倾斜微调的方式将晶圆1装载在圆环21上。
80.步骤s5的具体步骤包括：
81.s51、采用前述的图像识别方法，自动识别圆环21上的阻碍物遮挡及分布情况，判定是否能够继续自动卸载；
82.s52、若不能继续自动卸载，则停止自动卸载流程，并报警提示需人工卸载；
83.s53、若沿着圆环圆周23没有阻碍物遮挡，则从晶圆上料装置取新的晶圆1进行校准，吸盘机械臂3从圆环底部24向上穿过，并从晶圆校准器上吸取晶圆1后垂直下降，直至距离圆环21上方不低于5mm；
84.s54、微调吸盘机械臂3角度和偏移量，使得晶圆1的斜边对准圆环21的斜边，将晶圆1装载置于圆环21中。进一步地，步骤s53中，吸盘机械臂3垂直下降的速度大于10mm/s。吸盘机械臂3能以较快速度完成动作，关于将晶圆1装入圆环21的现有技术中，通常采用无吸力的顶升机构，不能以过快的速度下降，而本实施例中的吸盘机械臂3由于具有吸力，能在以尽量快的速度提高传输效率的同时确保晶圆1不脱落。
85.步骤s54中，晶圆1装载的速度小于5mm/s。在晶圆1较为接近圆环21的范围内(如s53所述不低于5mm)，需要以低速运动，配合图像识别，进行晶圆1姿态(如s23所述小于2
°
)的调整，进而提高装载成功率。
86.本实施例中，通过采用具有吸力的吸盘机械臂3，在晶圆1远离圆环21时可采用较快速度而不脱落，在晶圆1接触圆环21时采用低速以提高成功率。
87.虽然本发明以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

技术特征：
1.一种晶圆自动传输方法，其特征在于，包括自动卸载和自动装载流程，所述自动卸载流程包括以下步骤：s1、将完成工艺的载片基座(2)拆装成底座(22)和带有晶圆(1)的圆环(21)；s2、自动识别圆环(21)上的阻碍物对晶圆(1)的遮挡及分布情况，根据识别结果判断是否可继续进行自动卸载流程：s3、将晶圆(1)校准后转送至晶圆下料装置，将圆环(21)和底座(22)合成为载片基座(2)；所述自动装载流程包括以下步骤：s4、将载片基座(2)拆装成圆环(21)和底座(22)，从晶圆上料装置取新的晶圆(1)放置在晶圆校准器进行校准；s5、自动识别圆环(21)上的阻碍物对晶圆(1)的遮挡及分布情况，根据识别结果判断是否可继续进行自动装载流程：s6、将底座(22)与带有晶圆(1)的圆环(21)合成为载片基座(2)，并传送至反应室。2.根据权利要求1所述的晶圆自动传输方法，其特征在于，所述步骤s2中，若不能继续自动卸载，则报警提示人工干预；若可以继续自动卸载，则利用吸盘机械臂(3)从圆环底部(24)向上穿过圆环(21)，并以先倾斜微调后垂直上升的方式将晶圆(1)卸载出来。3.根据权利要求2所述的晶圆自动传输方法，其特征在于，所述步骤s5中，若不能继续自动装载，则报警提示人工干预；若可以继续自动装载，则利用吸盘机械臂(3)从圆环底部(24)向上穿过，然后从晶圆校准器上吸取晶圆(1)，并以先垂直下降后倾斜微调的方式将晶圆(1)装载在圆环(21)上。4.根据权利要求3所述的晶圆自动传输方法，其特征在于，所述步骤s2和步骤s5中，采用高清分辨率相机和图像识别系统，通过图像识别方法识别晶圆是否可以继续自动装卸。5.根据权利要求4所述的晶圆自动传输方法，其特征在于，所述图像识别方法包括以下步骤：y1、拍摄并记录一组晶圆(1)正常放置在圆环(21)内的图像，将其存储在图像识别系统中，作为标准工位参照组；y2、图像识别系统分别识别晶圆(1)与圆环(21)的圆、圆心和斜边，将其与标准工位参照组进行相互图形对比，计算匹配度，若晶圆(1)偏离圆环(21)上正常位置超出阈值范围，则判定不能继续自动装/卸载，提前结束后续的识别流程，否则进入步骤y3；y3、图像识别系统存储晶圆(1)的位置区域数据，识别圆环(21)上阻碍物的位置分布和密集程度，判断圆环(21)上阻碍物与晶圆(1)位置的重合位置及分布情况，并进行能否自动装/卸载的判定：若判定不能继续进行自动装/卸载，结束识别流程；否则进入步骤y4；y4、系统判定能自动装/卸载。6.根据权利要求5所述的晶圆自动传输方法，其特征在于，所述步骤y3中的判定流程包括：若任一阻碍物的聚集区沿晶圆(1)径向方向的覆盖长度超过晶圆(1)直径的2％，则判定为不能自动装卸载；或者，识别出沿晶圆(1)径向方向的覆盖长度不超过晶圆(1)直径2％的若干阻碍物，但这些阻碍物的分布情况是沿晶圆(1)圆周的连续跨度≥180
°
，则判定为不能自动装卸载。7.根据权利要求6所述的晶圆自动传输方法，其特征在于，所述步骤s2和步骤s5中，利
用多自由度配置伺服电机的吸盘机械臂(3)进行角度和位移的调控；吸盘机械臂(3)可感知力和力矩，若力或力矩超过阈值，则终止晶圆(1)自动装卸，并提示人工干预。8.根据权利要求6所述的晶圆自动传输方法，其特征在于，所述步骤s2包括：s21、采用图像识别方法，识别圆环(21)上的阻碍物遮挡及分布情况，判定是否能够继续自动卸载；s22、若不能继续自动卸载，则停止自动卸载流程，并报警提示需人工卸载；s23、若能继续自动卸载，则利用吸盘机械臂(3)穿过圆环底部(24)并相对圆环(21)平面倾斜以移动晶圆(1)，使晶圆(1)相对圆环(21)侧移，直至脱离阻碍物遮挡区域，吸盘机械臂(3)垂直上升将晶圆(1)卸载脱离圆环(21)；s24、若能继续自动卸载且晶圆(1)上方不存在阻碍物遮挡，利用吸盘机械臂(3)从圆环底部(24)垂直向上穿过圆环(21)将晶圆(1)卸载出来。9.根据权利要求8所述的晶圆自动传输方法，其特征在于，所述步骤s23中，吸盘机械臂(3)从圆环底部(24)以相对圆环(21)平面小于2
°
的倾斜角度移动晶圆(1)。10.根据权利要求6所述的晶圆自动传输方法，其特征在于，所述步骤s5包括：s51、采用图像识别方法，自动识别圆环(21)上的阻碍物遮挡及分布情况，判定是否能够继续自动卸载；s52、若不能继续自动卸载，则停止自动卸载流程，并报警提示需人工卸载；s53、若沿着圆环圆周(23)没有阻碍物遮挡，则从晶圆上料装置取新的晶圆(1)进行校准，吸盘机械臂(3)从圆环底部(24)向上穿过，并从晶圆校准器上吸取晶圆(1)后垂直下降，直至距离圆环(21)上方不低于5mm；s54、微调吸盘机械臂(3)角度和偏移量，使得晶圆(1)的斜边对准圆环(21)的斜边，将晶圆(1)装载置于圆环(21)中。

技术总结
本发明公开了一种晶圆自动传输方法，包括自动卸载和自动装载流程，自动卸载包括：S1、将完成工艺的载片基座拆装成底座和带有晶圆的圆环；S2、自动识别圆环上的阻碍物对晶圆的遮挡及分布情况，根据识别结果判断是否继续进行自动卸载流程：S3、将晶圆校准后转送至晶圆下料装置，将圆环和底座合成为基座；自动装载包括：S4、将基座拆装成圆环和底座，取新的晶圆进行校准；S5、自动识别圆环上的阻碍物对晶圆的遮挡及分布情况，根据识别结果判断是否可继续进行自动装载流程：S6、将底座与带有晶圆的圆环合成为载片基座，并传送至反应室。本发明具有原理简单、自动化程度高、控制精准且避免接触晶圆正面等优点，提高了晶圆传输的安全性。提高了晶圆传输的安全性。提高了晶圆传输的安全性。


技术研发人员：吴限 周立平 林伯奇 陈国钦
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第四十八研究所
技术研发日：2023.05.08
技术公布日：2023/8/6