一种便于位置校准的堆叠结构腔体设备的制作方法

本发明涉及半导体高端设备制造技术领域，具体而言，涉及一种便于位置校准的堆叠结构腔体设备。

背景技术：

气相沉积设备在进行工艺流程之前，都需要对抓取和传输晶圆的机械抓手进行腔内位置的定位校准，以保证机械抓手传输位置的准确性与覆膜的均匀性。

现有公开技术中，气相沉积设备（包括rid、pvd、cvd）的高真空装载腔（loadlockchamber，简称llc）和高真空冷却腔（cooldownchamber，简称cdc）的排布位置一般都是相互独立或相互连接的水平排布，即在同一水平面的前后或左右位置分布。这种前后或左右位置分布的腔体可方便单独进行机械抓手的位置校准，如在腔体的正上方的腔体盖上设计激光定位器实现对机械抓手的精确校准，操作简单便捷且不同腔体之间的校准互不影响。

垂直布局设计的上下腔体堆叠结构，在节省占地面积的同时，还提高了晶圆传输的效率，具有非常高的应用前景。对于上下分层的堆叠结构腔体的机械抓手位置校准而言，最上层腔体仍可以沿用现有公开的校准方式，但对于非最上层腔体则因垂直堆叠而无法直接校准，导致校准的过程不直接、校准的结果不可靠。

因此，如何对垂直布局设计的上下堆叠结构腔体中，下腔室的机械抓手位置实现精确校准，是目前急需解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种便于位置校准的堆叠结构腔体设备，该便于位置校准的堆叠结构腔体设备能够利用校准杆销贯穿顶层腔与非顶层腔之间的隔层台盘，且对腔室的性能不产生影响，并结合校准治具块实现对非顶层腔中的机械抓手的直接校准，校准操作方便且精度高。

本发明的实施例可以这样实现：

本发明提供一种便于位置校准的堆叠结构腔体设备，便于位置校准的堆叠结构腔体设备包括：

上下堆叠结构腔体，包括顶层腔和至少一个非顶层腔；

顶层腔盖，设置在顶层腔的顶部，并与上下堆叠结构腔体可拆卸连接；

第一机械抓手，用于取放顶层腔中的晶圆，第一机械抓手上开设有第一校准孔，第一校准孔为通孔；

隔层台盘，设置在顶层腔与非顶层腔之间，隔层台盘上开设有台盘通孔；

台盘密封块，可拆卸地密封安装在台盘通孔内，台盘密封块的顶面上开设有密封块校准孔，密封块校准孔为盲孔；

底层台盘，设置在非顶层腔的底部，底层台盘上开设有台盘校准孔，台盘校准孔为盲孔；

第二机械抓手，用于取放非顶层腔中的晶圆，第二机械抓手上开设有第二校准孔，第二校准孔为通孔；

校准治具块，可替换台盘密封块安装在台盘通孔内，校准治具块上开设有治具块校准孔，治具块校准孔为通孔；

校准杆销，用于插入第一校准孔和密封块校准孔，以校准第一机械抓手的位置，还用于插入治具块校准孔、第二校准孔和台盘校准孔，以校准第二机械抓手的位置。其中，校准杆销的端部具有锥形结构，通过锥形结构便于校准杆销插入各个孔内，并且，校准杆销的直径与各个孔的直径相等，以使校准杆销精准确定机械手的位置。

在可选的实施方式中，校准治具块采用透明材料制成。

在可选的实施方式中，校准杆销的长度大于顶层腔盖到底层台盘的距离。

在可选的实施方式中，台盘通孔内还设置有隔绝密封环，隔绝密封环夹持在隔层台盘与台盘密封块之间。

在可选的实施方式中，台盘通孔为阶梯孔，台盘通孔包括从上至下依次连通的第一孔段、第二孔段和第三孔段，第一孔段、第二孔段和第三孔段的孔径逐次减小。

在可选的实施方式中，台盘密封块为阶梯轴，台盘密封块包括从上至下依次连接的第一轴段和第二轴段，第一轴段和第二轴段的直径逐次减小，第一轴段与第一孔段配合，第二轴段与第二孔段配合。

在可选的实施方式中，隔绝密封环位于第三孔段与第二轴段之间，隔绝密封环的内径大于第三孔段的孔径，隔绝密封环的外径小于第二轴段的直径。

在可选的实施方式中，第一轴段的边缘开设有第一螺钉孔，第二孔段的外围开设有第二螺钉孔，第一螺钉孔与第二螺钉孔采用螺钉连接。

在可选的实施方式中，隔层台盘的内部开设有冷却管道，冷却管道相互平行排布或者相互交叉排布。并且，冷却管道的排布会绕过台盘通孔，避免相互干涉。

在可选的实施方式中，校准治具块为阶梯轴，校准治具块包括从上至下依次连接的第三轴段和第四轴段，第三轴段和第四轴段的直径逐次减小，第三轴段与第一孔段配合，第四轴段与第三孔段配合。

在可选的实施方式中，第三轴段的边缘开设有第三螺钉孔，第三螺钉孔与第二螺钉孔采用螺钉连接。

在可选的实施方式中，校准杆销采用合金材料或陶瓷材料制成。

在可选的实施方式中，校准杆销上根据每层腔体的位置设置有校准标记，以判断校准杆销是否完全插入对应腔体内的台盘密封块的密封块校准孔内。

本发明实施例提供的一种便于位置校准的堆叠结构腔体设备的有益效果包括：

1.采用台盘密封块密封安装在台盘通孔内，可以隔绝顶层腔与非顶层腔，保证腔室的性能不受影响，同时，打开顶层腔盖，将校准杆销穿过第一机械抓手上的第一校准孔、并插入台盘密封块上的密封块校准孔，即可实现对第一机械抓手的位置校准；

2.将校准治具块替换台盘密封块安装在隔层台盘上的台盘通孔内，将校准杆销依次穿过校准治具块上的治具块校准孔和第二机械抓手上的第二校准孔、并插入底层台盘上的台盘校准孔，即可实现对第二机械抓手的位置校准；

3.改变了现有的非顶层腔与机械抓手校准使用间接关系推算的校准方式，使其变为直接关系校准方式，校准操作方便、且精度高；

4.对第二机械抓手的位置校准过程中，校准杆销将穿过校准治具块上的治具块校准孔，解决了因校准杆销插入过深、过长带来的引导位置准确性不足的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的便于位置校准的堆叠结构腔体设备的常规状态的剖视示意图；

图2为图1中台盘密封块的结构示意图；

图3为图1中台盘密封块的剖视示意图；

图4为图1中便于位置校准的堆叠结构腔体设备的俯视示意图；

图5为本发明实施例提供的便于位置校准的堆叠结构腔体设备的校准状态的剖视示意图；

图6为图5中便于位置校准的堆叠结构腔体设备另一视角的示意图；

图7为图5中校准治具块的结构示意图；

图8为图5中校准治具块的剖视示意图。

图标：1-便于位置校准的堆叠结构腔体设备；2-顶层腔盖；3-上下堆叠结构腔体；31-顶层腔；32-第一晶圆进出口；33-非顶层腔；34-第二晶圆进出口；4-第一机械抓手；41-第一校准孔；5-第一晶圆托盘；6-隔层台盘；61-台盘通孔；611-第一孔段；612-第二孔段；613-第三孔段；614-第二螺钉孔；62-隔绝密封环；63-冷却管道；7-台盘密封块；71-密封块校准孔；711-第一轴段；712-第二轴段；713-第一螺钉孔；8-底层台盘；81-台盘校准孔；9-第二晶圆托盘；10-第二机械抓手；101-第二校准孔；11-校准治具块；111-第三轴段；112-第四轴段；113-第三螺钉孔；114-治具块校准孔；12-校准杆销。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。

为解决现有技术中存在的技术问题，经过研究发现：

1.现有的非顶层腔中的机械抓手的校准方式均是间接校准，即下腔中的机械抓手校准位置参考上腔中的机械抓手的校准位置以间接获取，校准的结果不直接，不直观，也不可靠，因此如何解决垂直布局设计的上下堆叠结构腔体的下腔室的机械抓手位置校准问题，将具有非常重要的实际意义。

2.垂直布局设计的上下堆叠结构腔体，非顶层腔的机械抓手位置校准，是通过在内部腔顶部设置激光定位器实现，该方案的缺点是对腔体的隔层台盘的制造工艺要求非常高，在保证不破坏隔层台盘中的冷却管道的同时，也不能受冷却管道的影响，而且隔层台盘之间走线路、并设置激光定位器，也会随着隔层台盘冷热的变化和时间的延长，其定位精度也会发生变化，同时需要在待测量层的腔体内的晶圆台盘上设置激光接收装置，并且要辅以强大高效的激光定位控制软件方能完成，对腔体设计的要求高，还需要辅助计算机控制，增加了设备的制造成本，而且操作起来也不便捷，并且需要在每个非顶层腔内安装配置，要求过高，增加设备的投入成本。因此放弃以该方案为基础进行改进。

3.垂直布局设计的上下堆叠结构腔体，非顶层腔的机械抓手位置校准，使用校准杆销从顶层腔的校准位置、由上而下贯穿到机械抓手与底层台盘的定位孔，从该角度出发进行设计需要考虑到以下问题：

1）因为上下分层的腔体之间，在进行工艺时要保持高真空密封，隔层台盘之间必须绝对密封，下层的顶部即是上层的底部；在正上方校准的方式通过了两个高真空的腔室，带出了两个腔室密封性问题，因此需要解决这方面的问题。

2）隔层台盘的内部分布有冷却管道，现有公开的冷却管道排布方式是圆环状或螺旋环状，以保证均匀地冷却晶圆，机械抓手位置校准的过程不应破坏原有的冷却效果；在正上方校准的方式要通过隔层台盘中的冷却管道，带出了校准通过结构与冷却管道的干涉为题，因此需要解决校准结构通过隔层台盘中的冷却管道的问题。

3）在正上方校准的方式要通过上腔室的机械抓手校准定位结构，带出了上腔室的机械抓手校准定位结构要做拆装位移的动作，拆装位移的动作过后会产生上腔室与机械抓手校准定位不能满足需要的问题，因此需要解决拆装动作过后，上腔室与机械抓手位置校准的可靠稳定。

4）正上方校准的方式，在进行下腔室与机械抓手位置校准时，要通过设在其上方的腔室，需要的校准杆销的长度大幅加长，杆销加长后，原有的手工直接插入感触位置是否准确的确认方式，对下腔室与机械抓手的校准定位已变得不可靠，因此需要解决以上各方面的问题。

针对以上各方面的问题，本实施例提供一种便于位置校准的堆叠结构腔体设备，不仅解决了以上各方面的问题，还实现了对非顶层腔中的机械抓手直接校准，校准操作方便、且精度高的效果。便于位置校准的堆叠结构腔体设备的具体结构见下文。

请参考图1，本实施例提供了一种便于位置校准的堆叠结构腔体设备1，这里的便于位置校准的堆叠结构腔体设备1包括物理气象沉积设备（pvd）、化学气象沉积设备（cvd）等。

便于位置校准的堆叠结构腔体设备1包括顶层腔盖2、上下堆叠结构腔体3、第一机械抓手4、第一晶圆托盘5、隔层台盘6、台盘密封块7、底层台盘8、第二晶圆托盘9和第二机械抓手10。

其中，上下堆叠结构腔体3包括顶层腔31和至少一个非顶层腔33，顶层腔31即为最顶层的空腔。非顶层腔33的数量可以是一个，也可以是多个，并沿竖直方向排布在顶层腔31的下方。

顶层腔盖2设置在顶层腔31顶部的中心位置，并与上下堆叠结构腔体3可拆卸连接。顶层腔盖2在闭合状态下，可保证顶层腔31处于高真空密封状态，顶层腔盖2在开启状态下，技术人员可进行第一机械抓手4和第二机械抓手10的位置校准工作。

顶层腔31的一对称侧壁上开设有第一晶圆进出口32，便于第一机械抓手4通过第一晶圆进出口32伸入或伸出顶层腔31，实现对晶圆的取放与传输。顶层腔31的另一对称侧壁上设置有第一晶圆托盘5，用于托放对应尺寸的晶圆，此时，顶层腔31可以充当装载腔使用。

非顶层腔33的一对称侧壁上开设有第二晶圆进出口34，便于第二机械抓手10通过第二晶圆进出口34伸入或伸出非顶层腔33，实现对晶圆的取放与传输。非顶层腔33的另一对称侧壁上设置有第二晶圆托盘9，用于托放对应尺寸的晶圆。

隔层台盘6呈圆形，其尺寸与所需处理的晶圆的尺寸相对应，隔层台盘6设置在顶层腔31与非顶层腔33之间，隔层台盘6的边缘位置开设有用于固定晶圆的卡槽（图中未示出），隔层台盘6的中心位置开设有台盘通孔61。具体的，台盘通孔61为阶梯孔，台盘通孔61包括从上至下依次连通的第一孔段611、第二孔段612和第三孔段613，第一孔段611、第二孔段612和第三孔段613的孔径逐次减小。

请参阅图4，隔层台盘6的内部开设有冷却管道63，冷却管道63相互平行排布或者相互交叉排布。冷却管道63不仅能够保证对隔层台盘6的冷却效果，且不影响台盘通孔61的开设。

台盘密封块7可拆卸地密封安装在台盘通孔61内，台盘密封块7顶面的中心位置开设有密封块校准孔71，密封块校准孔71为盲孔。校准杆销12一并穿过密封块校准孔71和对应腔室内机械抓手的校准孔，可用于校准定位对应腔室内机械抓手的位置，在校准结束后，将台盘密封块7安装在台盘通孔61内，可实现上下腔室之间的高压密封。

请参阅图1至图3，台盘密封块7为阶梯轴，台盘密封块7包括从上至下依次连接的第一轴段711和第二轴段712，第一轴段711和第二轴段712的直径逐次减小，第一轴段711与第一孔段611配合，第二轴段712与第二孔段612配合，优选地，第一轴段711与第一孔段611的直径相等，第二轴段712与第二孔段612的直径相等。第一轴段711的边缘开设有第一螺钉孔713，第二孔段612的外围开设有第二螺钉孔614，第一螺钉孔713与第二螺钉孔614采用螺钉连接。当然，台盘密封块7与隔层台盘6还可以采用其它连接方式，例如卡接、螺纹连接等。

请参阅图1，台盘通孔61内还开设有隔绝密封槽（图中未示出），隔绝密封槽内设置有隔绝密封环62，隔绝密封环62夹持在隔层台盘6与台盘密封块7之间。具体的，隔绝密封环62位于第三孔段613与第二轴段712之间，隔绝密封环62的内径大于第三孔段613的孔径，隔绝密封环62的外径小于第二轴段712的直径。这样，隔绝密封环62安装位置稳定、且能够隔绝上下两层腔室，起到良好的密封效果。

底层台盘8设置在非顶层腔33的底部，底层台盘8呈圆形，其尺寸与所需处理的晶圆的尺寸相对应，底层台盘8的边缘位置开设有用于固定晶圆的卡槽（图中未示出），底层台盘8的中心位置开设有台盘校准孔81，台盘校准孔81为盲孔，台盘校准孔81用于校准第二机械抓手10的位置。

第一机械抓手4用于取放顶层腔31中的晶圆，第一机械抓手4上开设有第一校准孔41，第一校准孔41为通孔。当第一机械抓手4处于抓取晶圆的最佳位置时，第一校准孔41、密封块校准孔71、台盘校准孔81则位于同一竖直方向上。当第二机械抓手10处于抓取晶圆的最佳位置时，第二校准孔101、密封块校准孔71、台盘校准孔81则位于同一竖直方向上。

第二机械抓手10用于取放非顶层腔33中的晶圆，第二机械抓手10上开设有第二校准孔101，第二校准孔101为通孔。

机械抓手（包括第一机械抓手4和第二机械抓手10）的高度可以依据需求上升或下降，以实现对晶圆的取放，机械抓手的正面和背面均设置有对应晶圆位置的沟槽和吸盘，以使机械抓手的正面和背面都可以吸附晶圆，具体的，第一机械抓手4的正面可以吸附位于第一晶圆托盘5上的晶圆，第一机械抓手4的背面可以吸附隔层台盘6上的晶圆。第二机械抓手10的正面可以吸附位于第二晶圆托盘9上的晶圆，第二机械抓手10的背面可以吸附底层台盘8上的晶圆。

请参阅图1、图5和图6，便于位置校准的堆叠结构腔体设备1还包括校准治具块11和校准杆销12，其中，校准治具块11可替换台盘密封块7安装在台盘通孔61内，校准治具块11上开设有治具块校准孔114，治具块校准孔114为通孔。校准杆销12用于插入第一校准孔41和密封块校准孔71，以校准第一机械抓手4的位置，还用于在第一机械抓手4移开时插入治具块校准孔114、第二校准孔101和台盘校准孔81，以校准第二机械抓手10的位置。

具体的，请参阅图1、图5至图8，校准治具块11采用透明材料制成，具体可以采用玻璃或树脂。校准治具块11为阶梯轴，校准治具块11包括从上至下依次连接的第三轴段111和第四轴段112，第三轴段111和第四轴段112的直径逐次减小，第三轴段111与第一孔段611配合，第四轴段112与第三孔段613配合，优选地，第三轴段111与第一孔段611的直径相等，第四轴段112与第三孔段613的直径相等。第三轴段111的边缘开设有第三螺钉孔113，第三螺钉孔113与第二螺钉孔614采用螺钉连接。当然，校准治具块11与隔层台盘6还可以采用其它连接方式，例如卡接、螺纹连接等。

本实施例中，校准治具块11与台盘密封块7的外形均为两段式的阶梯轴，二者的长度可以不同，也可以相同。校准治具块11的长度可以尽量大，从而使治具块校准孔114的长度尽可能大，这样，治具块校准孔114对校准杆销12能够起到良好的稳定支撑作用。

校准杆销12采用不易形变的材料制成，例如合金材料或陶瓷材料。校准杆销12的长度大于顶层腔盖2到底层台盘8的距离。校准杆销12上根据每层腔体的位置设置有校准标记，以判断校准杆销12是否完全插入对应腔体内的台盘密封块7的密封块校准孔71内。

请参阅图1、图5和图6，本实施例提供的一种便于位置校准的堆叠结构腔体设备1的校准过程：

首先，打开顶层腔盖2，将台盘密封块7设置在隔层台盘6的台盘通孔61内，使校准杆销12竖直插入顶层腔31，并穿过第一机械抓手4的第一校准孔41，直到插入台盘密封块7上的密封块校准孔71，从而完成对第一机械抓手4的校准定位；

其次，将已完成校准定位的第一机械抓手4移出顶层腔31，将台盘通孔61内的台盘密封块7替换为校准治具块11，再使校准杆销12竖直插入顶层腔31，并依次穿过校准治具块11上的治具块校准孔114和第二机械抓手10的第二校准孔101，直到插入底层台盘8上的台盘校准孔81，从而完成对第二机械抓手10的校准定位。

可以理解的是，本实施例提供的一种便于位置校准的堆叠结构腔体设备1只展示了一个非顶层腔33，对应的，只展示了一个隔层台盘6和一个台盘密封块7。在其它实施例中，可以展示多个非顶层腔33，例如非顶层腔33的数量为两个，对应的，便于位置校准的堆叠结构腔体设备1中每相邻两个腔室之间设置一个隔层台盘6，每个隔层台盘6上设置一个台盘密封块7，对顶层腔31中的机械抓手的校准过程与上述第一机械抓手4的校准过程相同；对从上至下的第一个非顶层腔33中的机械抓手的校准过程中与上述第二机械抓手10的校准过程相近，只是校准杆销12的底端最终插入第一个非顶层腔33底部的台盘密封块7的密封块校准孔71内，而不是底层台盘8上的台盘校准孔81；对从上至下的第二个非顶层腔33中的机械抓手的校准过程中与上述第二机械抓手10的校准过程相同，这里不再赘述。

本实施例提供的便于位置校准的堆叠结构腔体设备1的有益效果包括：

1.采用台盘密封块7密封安装在台盘通孔61内，可以隔绝顶层腔31与非顶层腔33，保证腔室的性能不受影响，同时，打开顶层腔盖2，将校准杆销12穿过第一机械抓手4上的第一校准孔41、并插入台盘密封块7上的密封块校准孔71，即可实现对第一机械抓手4的位置校准；

2.将校准治具块11替换台盘密封块7安装在隔层台盘6上的台盘通孔61内，将校准杆销12依次穿过校准治具块11上的治具块校准孔114和第二机械抓手10上的第二校准孔101、并插入底层台盘8上的台盘校准孔81，即可实现对第二机械抓手10的位置校准；

3.校准治具块11采用透明材料制成，在对第二机械抓手10进行校准的过程中，操作人员可以从便于位置校准的堆叠结构腔体设备1的上方向下观察，即可透过校准治具块11观察到第二机械抓手10，便于对第二机械抓手10进行位置调整，实现快速完成对第二机械抓手10的校准；

4.改变了现有的非顶层腔33与机械抓手校准使用间接关系推算的校准方式，使其变为直接关系校准方式，校准操作方便、且精度高；

5.对第二机械抓手10的位置校准过程中，校准杆销12将穿过校准治具块11上的治具块校准孔114，解决了因校准杆销12插入过深、过长带来的引导位置准确性不足的问题。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。