一种用于MOCVD与MBE样品交互的真空互联系统及方法与流程

本发明涉及晶体生长设备及工艺方法，尤其涉及一种用于mocvd与mbe样品交互的真空互联系统及方法。

背景技术：

1、金属有机化学气相沉积(metal organic chemical vapor deposition，简称mocvd)和分子束外延(molecular beam epitaxy，简称mbe)已成为化合物半导体材料及其器件结构制备的主流外延技术，广泛应用于光电子、微电子芯片研制及大规模生产。mocvd技术是以ⅲ族、ⅱ族元素的有机化合物和v、ⅵ族元素的氢化物等作为晶体生长源材料，以热分解反应方式在衬底上进行气相外延，生长室真空度在100torr左右，具有较高的速率、较低的成本、较好的控制灵活性和工艺重复性，适合于以氮化物和磷化物为代表的高温生长材料。mbe技术是在超高真空条件下(通常优于10-10torr)，将组成晶体的各元素在相应束源炉中加热形成定向原子束或分子束入射到加热的衬底上进行薄膜生长，具有材料纯度高，厚度、组分、掺杂单原子层级可控，表面及界面平整等特点，适合于以砷化物和锑化物为代表的低温生长材料。但是mocvd和mbe也有其固有缺点：mocvd采用气态源，不可避免会引入杂质，真空度较差，成膜质量相对较差；mbe由于真空度高，生长速率慢，运营成本高，量产能力不如mocvd。

2、mocvd和mbe在实际应用中有较多交集，采用mocvd+mbe交替生长的方式可实现优势互补，例如高质量有源层或低阻值欧姆接触层用mbe生长，而膜层较厚的过渡层或波导层用mocvd生长，可大幅提升材料的生长质量和效率，同时为gan射频器件、长波vcsel、dfb激光器、深紫外光电器件等高性能器件材料的规模制造提供全新平台。

3、mocvd和mbe为相互独立的系统，两者晶圆承载形式有较大差异：mocvd晶圆生长面向上，背面接触置于各晶圆载具内，气浮驱动自转的晶圆载具再置于电机驱动公转的大石墨盘内。mbe晶圆生长面向下，边缘接触置于钼托各晶圆位内，mocvd石墨盘和mbe钼托因固有工艺差异和真空度差异不可交换进入彼此系统。目前，两个系统之间的样品交互通过人工操作，需要暴露大气环境，样品表面极易被氧化或吸附上颗粒、水蒸气、有机物等污染，导致晶体质量下降，转移过程中还需引入额外的腐蚀清洗工艺。两个系统之间样品交互需先破真空再抽真空、先降温再升温，流程时间长、效率低、风险高，不利于充分发挥两个系统的优势。

4、中国专利文献cn215628426u提出了一种用于mocvd与mbe样品交互的真空互联系统，然而该技术方案未指出样品交互的具体实现方法。中国专利文献cn219132311u进一步公开了通过真空高温多轴机械手来实现样品交互，通过相向运动的两个夹爪来夹持晶圆周缘区域，而实际应用中，晶圆置于mocvd石墨盘或mbe钼托的各凹槽位中，晶圆周缘没有空间可供夹爪来夹取或释放晶圆。多轴机械手要求具备x轴、y轴、z轴平移运动以及x轴、z轴旋转功能，而用于提供驱动力的电机或气缸等均安装在传样腔室中，实际难以有电机或气缸满足10-7torr真空和200℃高温环境使用要求。

5、中国专利文献cn116377572a提出了一种用于mocvd与mbe样品交互的真空互联传样系统，通过第一机械臂上的静电吸附卡盘来抓取和翻转晶圆，通过第二机械臂来抓取和传输晶圆载盘。以mocvd向mbe传样为例，静电吸附卡盘以非接触形式从mocvd石墨盘上抓取晶圆正面并翻转，使晶圆生长面向下置于圆心校正模块的样品平台上，通过夹持组件推动晶圆来纠正圆心位置，最后通过静电吸附卡盘抓取晶圆背面转移至mbe钼托上。在位置纠正过程中，晶圆生长面会不可避免与样品平台发生相对滑动和摩擦，与采用静电吸附卡盘避免晶圆表面损伤和接触污染的初衷不符。并且真空静电吸附卡盘通常最高耐温100℃，难以实现高温传样需求。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种无需接触晶圆生长面，降低了晶圆表面损伤和接触污染的风险，无需夹持晶圆周缘区域，降低了挤压应力造成的碎片风险的用于mocvd与mbe样品交互的真空互联系统。

2、本发明进一步提供一种用于mocvd与mbe样品交互的方法。

3、为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

4、一种用于mocvd与mbe样品交互的真空互联系统，包括依次对接的mocvd生长室、mocvd过渡室、翻转室、mbe过渡室和mbe生长室，相邻腔室之间通过隔离阀相互隔离，所述mocvd过渡室设有mocvd过渡室机械手，所述翻转室内设有转移盘、过滤盘、可升降和旋转的中转部件、与转移盘或钼托可拆卸连接的第一升降组件以及与过滤盘可拆卸连接的第二升降组件，所述转移盘上设有多个晶圆载具位，所述过滤盘上设有多个晶圆过滤通孔，所述晶圆过滤通孔的直径大于晶圆的直径且小于晶圆载具的直径，过滤盘上表面和下表面分别设有用于放置所述钼托和所述转移盘的放置部，所述翻转室一侧对接有机械手箱，所述机械手箱内设有翻转机械手，所述mbe过渡室设有mbe过渡室机械手。

5、作为上述技术方案的进一步改进：所述转移盘与所述过滤盘之间设有第一定位结构，所述过滤盘与所述钼托之间设有第二定位结构。

6、作为上述技术方案的进一步改进：所述第一定位结构包括设于所述转移盘上的第一定位缺口和设于所述过滤盘上的第二定位缺口；

7、作为上述技术方案的进一步改进：所述第二定位结构包括设于所述过滤盘上的定位柱和设于所述钼托上的定位孔；或，所述第二定位结构包括设于所述过滤盘上的定位孔和设于所述钼托上的定位柱。

8、作为上述技术方案的进一步改进：所述第一升降组件和所述第二升降组件均包括多根升降杆，所述转移盘、所述钼托和所述过滤盘上设有与所述升降杆对接的插槽。

9、作为上述技术方案的进一步改进：所述放置部外周设有凸台，所述晶圆过滤通孔位于所述放置部。

10、作为上述技术方案的进一步改进：所述mocvd过渡室机械手、所述mbe过渡室机械手、所述翻转机械手、所述中转部件、所述第一升降组件和所述第二升降组件均支持真空环境下800℃高温运动。

11、作为上述技术方案的进一步改进：所述mocvd过渡室机械手的驱动部分位于所述mocvd过渡室外并通过磁力耦合传动，所述mbe过渡室机械手的驱动部分位于所述mbe过渡室外并通过磁力耦合传动。

12、作为上述技术方案的进一步改进：所述翻转机械手包括间隔布置的上夹爪和下夹爪。

13、一种用于mocvd与mbe样品交互的方法，包括以下步骤：

14、s1、连通mocvd生长室、mocvd过渡室和翻转室，三腔室抽真空至第一目标真空度，mocvd过渡室机械手将mocvd生长室内石墨盘上的各晶圆连同晶圆载具转移至转移盘的各晶圆载具位，隔离mocvd生长室、mocvd过渡室和翻转室；

15、s2、第二升降组件带动过滤盘下降落于转移盘上，晶圆过滤通孔与晶圆载具位对齐；

16、s3、翻转室抽真空至第二目标真空度，连通翻转室和mbe过渡室，mbe过渡室机械手从mbe过渡室取空钼托，如果空钼托已经处于翻转状态，直接进行步骤s5；如果空钼托处于未翻转状态，mbe过渡室机械手将空钼托转移至中转部件然后撤回，中转部件旋转一定角度以使取片位对准翻转机械手；

17、s4、翻转机械手从中转部件取出空钼托并后撤一定距离，然将空钼托翻转180°再送回中转部件，中转部件旋转一定角度以使取片位对准mbe过渡室机械手，mbe过渡室机械手取回翻转后的空钼托；

18、s5、中转部件上升，第一升降组件上升带动转移盘及过滤盘至与mbe过渡室机械手适配，mbe过渡室机械手将空钼托转移至过滤盘上，钼托上的晶圆位与晶圆过滤通孔对齐，mbe过渡室机械手撤回；

19、s6、翻转机械手同时夹持转移盘、过滤盘和钼托，第一升降组件下降与转移盘分离，翻转机械手后撤一定距离然后翻转180°，晶圆载具上的晶圆通过晶圆过滤通孔落入最下方的钼托上的晶圆位；

20、s7、翻转机械手将钼托、过滤盘和转移盘送回，第一升降组件上升承接住钼托，翻转机械手撤回，第二升降组件上升带动过滤盘及上方的转移盘与钼托分离，mbe过渡室机械手夹持钼托，第一升降组件下降与钼托分离，mbe过渡室机械手取回钼托；隔离翻转室和mbe过渡室。

21、作为上述技术方案的进一步改进：

22、还包括步骤：

23、s8、mbe过渡室抽真空至第三目标真空度，连通mbe过渡室和mbe生长室，mbe过渡室机械手将钼托转移至mbe生长室，隔离mbe过渡室和mbe生长室，mbe生长室抽真空至第四目标真空度，开始进行mbe工艺；

24、s9、完成mbe工艺后，连通mbe生长室和mbe过渡室，mbe过渡室机械手从mbe生长室取出钼托，隔离mbe生长室和mbe过渡室，连通mbe过渡室和翻转室，mbe过渡室机械手将钼托转移至翻转室，第一升降组件上升承接住钼托，mbe过渡室机械手撤回，隔离mbe过渡室和翻转室，第二升降组件下降带动过滤盘及上方的转移盘落于钼托上，翻转机械手同时夹持钼托、过滤盘和转移盘，第一升降组件下降与钼托分离，第二升降组件下降与过滤盘分离，翻转机械手后撤一定距离然后翻转180°，钼托上的晶圆通过晶圆过滤通孔落入最下方的转移盘的晶圆载具；

25、s10、翻转机械手将转移盘、过滤盘和钼托送回，第一升降组件承接住转移盘，翻转机械手撤回，第二升降组件上升带动过滤盘及上方的钼托与转移盘分离，连通mocvd生长室、mocvd过渡室和翻转室，mocvd过渡室机械手将翻转室内转移盘上各晶圆连同晶圆载具转移至mocvd生长室内的石墨盘上，隔离mocvd生长室、mocvd过渡室和翻转室。

26、与现有技术相比，本发明的优点在于：

27、本发明公开的用于mocvd与mbe样品交互的真空互联系统，在晶圆传输和翻转过程中，无须接触晶圆生长面，降低了晶圆表面损伤和接触污染的风险，无须夹持晶圆周缘区域，降低了挤压应力造成的碎片风险，可实现不同规格载盘之间晶圆的洁净、高效、安全转移，实现从mocvd向mbe或mbe向mocvd的双向自动传样，真正实现mocvd+mbe真空互联与工艺互联，充分发挥两种设备的优势，显著提升工艺性能和生产效率，为特殊材料和新型器件的研制提供可能。

28、本发明公开的用于mocvd与mbe样品交互的方法，实现了不同规格载盘之间晶圆的洁净、高效、安全转移，实现从mocvd向mbe或mbe向mocvd的样品双向自动交互，真正实现mocvd+mbe真空互联与工艺互联，充分发挥两种设备的优势，显著提升工艺性能和生产效率，为特殊材料和新型器件的研制提供可能。