真空互联传样系统及其传样方法与流程

本发明涉及晶体生长，尤其是指一种真空互联传样系统及其传样方法。

背景技术：

1、mbe（molecular beam epitaxy，分子束外延）与mocvd（metal-organic chemicalvapor deposition，金属有机化合物化学气相沉淀）作为两种成熟的外延材料生产技术目前已经被广泛地应用于半导体材料器件的生长与研究，其技术特点是可以精确控制和生长多种不同的原子层材料，从而实现了半导体异质结构单晶薄膜材料生长技术的飞跃，使得原来无法实现的超晶格和量子阱结构以及渐变组分的生长成为可能。mocvd以其较高的控制灵活性，较少的投入，较好的工艺重复性，较低的材料生长温度及较简单的设备机构等优点成为了目前市场上最为普及的外延材料生长技术。mbe作为另外一种重要的外延材料生长技术，因其出色的材料生长质量，精确的材料厚度控制能力与生长时极高的材料纯度(杂质极低)等特点成为高性能材料与器件研发的重要方法。当然movcd与mbe也存在明显的缺点:mocvd因其利用气态源生长不可避免存在杂质，且其制程时腔体真空度较低，成膜质量相对较差;mbe其运营成本很高，材料生产需要的真空度非常高，其材料生长速度慢、效率较低，未实现大规模应用与普及。两者在实际应用上有诸多交集，也存在较大差异。应用过程中，只能轮换使用mbe与mocvd来进行材料生长，即先用mocvd进行生长后取出样品，再转移至mbe腔体内进行生长，或先用mbe进行生长再用mocvd进行生长，或一直轮换生长。

2、其中，在大气环境下直接轮换使用外延方法生长材料时主要有以下缺陷：

3、1、污染问题。

4、主要有以下两个污染问题：

5、（1）颗粒污染：

6、由于无法在一个封闭的腔体内实现mbe与mocvd的两种生长方法，只能先进行一种方式的生长后再取出晶圆传递至另外一种方式生长腔体内进行生长，此过程不可避免地会引入众多大小不同的颗粒，颗粒来源包括腔体内存在的颗粒、空气中的灰尘、晶圆盒、取放时接触的镊子或载具（吸盘等）、操作人员引入等。

7、（2）水氧污染：

8、晶圆在从一个真空腔体取出转移至另一个腔体的过程中除了颗粒的污染问题外，水汽污染也在所难免。真空环境中水氧占比非常稀少，特别是mbe生长的超高真空环境中水氧分压都低于e-12torr量级，所以mbe特别适合生长高性能材料。而一旦晶圆暴露于大气，接触到空气中的水汽和氧气后，晶圆表面的材料会很快被氧化并在晶圆材料表面形成一层薄薄的水膜，这对于下一阶段材料生长的结果会造成严重甚至致命的损伤，材料性能将不能按照预期设计要求实现其功能。

9、2、效率低下。

10、效率低下主要体现在三个方面：

11、（1）升降温过程。mocvd于mbe在材料生长过程中均需要较高温度，区别在于mocvd生长温度一般在600-700度，mbe生长材料需要400-600度（不同的材料体系，生长温度有差异），为实现传输目的，均需要进行降温，后再升温，其升降温过程均需要控制升降温速率，如此将需要花费大量时间。

12、（2）抽真空过程。不管是从mocvd腔体传向mbe腔体还是从mbe腔体传向mocvd腔体，均需要进行破真空后再抽真空的动作，特别对于mbe系统而言，破完真空后还需要再次抽成高真空环境，一般而言从atm（(atmospheric，大气环境）到e-9torr量级的真空度大约需要20-30分钟时间（腔体大小，环境情况不同时间会有差异）。

13、（3）晶圆人工取放过程。由于mbe系统和mocvd系统为相互独立系统，其晶圆在从一个系统传递至另外一个系统时，均需要人工将晶圆从mocvd系统的石墨盘上小心取下，再小心的转移至mbe系统的钼托上，或者进行相反的操作。对于批量化生产需要而言，不管是mocvd还是mbe系统，单次运行的晶圆数量都是几个至几十个之多，有些对于小尺寸的晶圆而言，数量可以高达50片以上，如此在人工取样和放样过程而言，则需要花费大量的时间成本。

14、3、误操作风险高；但凡是涉及需要人工操作的地方和动作过程，便一定存在失误的可能。当一种材料生长过程需要在mbe与mocvd系统之间进行多次切换时，便需要人工进行多次的取样和放样的过程，在此过程中人员的误操作或者重大失误可能造成非常严重的后果，此过程可通过先进的管理手段和方法以及科学的管理与培训来降低其发生概率，但是仍不可避免。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明公开了一种真空互联传样系统及其传样方法。

2、本发明所采用的技术方案如下：

3、一种真空互联传样系统，包括多个通过插板阀隔断的mbe生长室、mbe缓冲室、真空互联室、mocvd装载室和mocvd生长室；

4、其中，所述真空互联室内设有真空控制模块、圆心校正模块和取样机械手；所述真空控制模块控制和保持所述真空互联室的真空度，所述圆心校正模块纠正晶圆的圆心位置，所述取样机械手包括安装于固定座的第一机械臂和第二机械臂，第一机械臂被设置为从所述mbe缓冲室或所述mocvd装载室抓取晶圆，第二机械臂被设置为抓取晶圆载盘；

5、材料先在所述mbe生长室进行mbe生长，后在所述mocvd生长室进行mocvd生长，最后在所述mbe生长室进行mbe生长。

6、在一些实施例中，所述真空控制模块包括分子泵、前级机械泵、低温泵和皮拉尼真空计；所述真空互联室连通第一管道、第二管道和所述低温泵，所述第一管道上依次设有第五插板阀、所述分子泵、第一隔离阀、所述前级机械泵和所述皮拉尼真空计；所述第二管道上设有第二隔离阀，且所述第二管道的一端与所述第一管道连通，所述低温泵和所述真空互联室的侧壁之间设有第六插板阀。

7、在一些实施例中，所述真空互联室还设有全量程真空计，所述全量程真空计用以测量所述真空互联室内压强。

8、在一些实施例中，所述圆心校正模块包括包括样品平台、导杆、一组夹持组件和基座；所述导杆的一端连接升降驱动源的作用端，所述升降驱动源安装于所述基座；所述导杆的另一端连接所述样品平台，所述样品平台用于放置晶圆；一组所述夹持组件对称设置在所述导杆的两侧，且安装于所述基座。

9、在一些实施例中，所述夹持组件包括推动驱动源和呈弧形的卡夹，所述推动驱动源的作用端连接卡夹，在所述推动驱动源的作用端的作用下，所述卡夹向样品平台靠近，用以纠正晶圆的圆心位置。

10、在一些实施例中，所述第一机械臂和所述第二机械臂均包括升降基座、第一节手臂、第二节手臂和第三节手臂；所述升降基座安装于所述固定座，所述升降基座的作用端连接所述第一节手臂，驱动所述第一节手臂进行升降。

11、在一些实施例中，所述第一机械臂的第三节手臂连接支撑臂，所述支撑臂连接静电吸附卡盘。

12、在一些实施例中，所述第二机械臂的第三节手臂连接托架环，所述托架环上设有多个用以限位晶圆载盘的定位针。

13、在一些实施例中，所述定位针有四个，相邻两个所述定位针相互成90°的夹角。

14、在一些实施例中，所述晶圆载盘为由高纯钼制成的晶圆托盘。

15、一种利用如上述所述的真空互联传样系统进行传样，包括以下步骤：

16、s1、连通mbe缓冲室和真空互联室，第一机械臂从mbe缓冲室取出晶圆载盘后停留在真空互联室的设定位置；

17、s2、隔断mbe缓冲室和真空互联室，待真空互联室压力上升至大气压时，将晶圆放置于晶圆载盘上，之后真空互联室开始进行抽真空直到其真空度达到或优于设定真空度；

18、s3、连通mbe缓冲室和真空互联室，第二机械臂将晶圆载盘递至mbe缓冲室进行预处理，后晶圆载盘传递进mbe生长室进行材料生长；

19、s4、晶圆从mbe生长室退出，连通真空互联室与mocvd装载室，第一机械臂从第二机械臂上的晶圆载盘上抓取晶圆，随即第一机械臂翻转晶圆；第一机械臂将晶圆放置于圆心校正模块上，以纠正晶圆的圆心位置；

20、第一机械臂再次抓取晶圆后，将晶圆放置于mocvd装载室的mocvd石墨盘预定位置，隔断真空互联室与mocvd装载室；

21、s5、当mocvd装载室与mocvd生长室压力相同时，连通mocvd装载室与mocvd生长室，mocvd石墨盘被送入mocvd生长室，进行材料生长；

22、当mocvd材料生长工艺完成后，将mocvd石墨盘传递至mocvd暂存室；

23、s6、连通真空互联室与mocvd装载室，第一机械臂从mocvd石墨盘上抓取晶圆后翻转后放置于圆心校正模块上，再由第一机械臂抓取后放置于第二机械臂的晶圆载盘上；

24、s7、连通mbe缓冲室和真空互联室，第二机械臂将晶圆载盘传送至mbe缓冲室，mbe缓冲室进行抽高真空操作；当mbe缓冲室的真空度达到与mbe生长室相同数量级的压力时，连通mbe生长室和mbe缓冲室，晶圆载盘被传递进mbe生长室进行材料生长。

25、本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

26、本发明所述的真空互联传样系统中的取样机械手具有独立控制的第一机械臂和第二机械臂。第一机械臂和第二机械臂的双机械手设计，其中一个机械臂负责晶圆的取放与翻转，另一个机械臂负责托盘取放互不干扰。并且第一机械臂和第二机械臂可以独立进行运动和升降操作，完全实现独立控制。

27、本发明所述的真空互联传样系统中可旋转的静电吸附卡盘设计有效的解决了在真空环境下对晶圆的取放问题，同时也可避免抓取晶圆过程中对晶圆表面造成损伤；此外，还解决了机械卡盘与真空吸盘对晶圆造成的应力变化问题与接触污染的问题；同时，实现了晶圆翻转功能。

28、本发明所述的真空互联传样系统中设计圆心校正模块，圆心校正模块的设计有效避免在晶圆抓取与放置过程中出现的位置偏移问题，起到及时位置纠正的功能，确保晶圆在托盘上的位置正确。

29、本发明所述的真空互联传样系统具有结构简单，容易实现，操作性好，安全性高，灵活性高，可大规模普及或者小范围使用，可解决当前在对于特殊材料生长工艺过程中需要同时使用到mbe与mocvd系统的过程控制，将mbe与mocvd系统进行高真空互联，并真正实现工艺互联，实现mbe与mocvd两种工艺在真空环境下进行交互生长的方案，能极大程度的提高产能及产品性能，实现较好的经济价值。