一种半导体设备中原位机械调节用晶圆式驱动装置及方法与流程

本发明涉及半导体加工设备领域，具体涉及等离子体处理腔室中聚焦环原位调节用晶圆式定位装置及调节方法。

背景技术：

1、等离子体加工系统、装备广泛应用于半导体制造，用于在半导体晶圆上开展材料刻蚀、薄膜沉积、表面改性、薄膜处理等工艺。典型等离子体工艺包括等离子刻蚀、等离子增强化学气相沉积（pecvd）、原子层沉积（ald）、溅射沉积、等离子清洗等相关工艺。在常规等离子体加工系统中，工艺气体通过布气结构（例如晶圆承载台上方的喷淋头）通入真空腔室；同时施加射频（rf）能量，在腔室内激发等离子体，使工艺气体电离并生成离子、自由基及其他活性粒子。生成的等离子体粒子与半导体晶圆表面发生相互作用，根据设定工艺条件实现晶圆表面材料去除、薄膜沉积或表面改性。其中，刻蚀速率、沉积速率、薄膜均匀性、选择比、关键尺寸控制、轮廓均匀度等工艺指标，会受气体组分、腔室压强、射频功率、衬底偏置条件、等离子体密度、腔室内电场分布等参数影响。尤其晶圆边缘区域的电场均匀性，会显著影响整片晶圆的工艺均匀性与工艺重复性。

2、随着半导体器件持续向更小尺寸、更严苛工艺容差、更高集成度发展，等离子加工的工艺均匀性愈发关键。若半导体晶圆边缘区域等离子体状态不均匀，会劣化器件性能、薄膜特性、关键尺寸控制能力，降低晶圆边缘良率。入射至晶圆表面的离子、自由基、中性粒子及沉积材料通量，会受加工环境内相邻结构的电学、几何、热学、化学特性影响。晶圆外周边缘处，材料组分、几何结构、电学边界条件会发生突变，造成阻抗、电场分布、等离子体鞘层特性、化学反应活性等参数不连续。这类不连续会扰乱晶圆边缘局部等离子体状态，引发边缘刻蚀不均、边缘沉积厚度差异、图形轮廓偏移、膜厚波动等工艺缺陷，大幅提升晶圆边缘区域良率损耗。

3、为改善晶圆边缘等离子加工均匀性，等离子加工系统通常在晶圆承载结构上、半导体晶圆外周布置聚焦环；在加工过程中，被加工的半导体晶圆与聚焦环呈同心布置，聚焦环上表面高度基本与半导体晶圆上表面平齐。通过在晶圆外围形成连续过渡表面，聚焦环可削弱晶圆边缘电场突变与边缘杂散电场效应，使聚焦环上方等离子体鞘层特性与晶圆上方趋于一致，即便在晶圆边缘区域也能保证离子基本垂直入射，进而提升刻蚀均匀性、降低边缘工艺偏差。相关系统和工艺可参考美国专利第7658816号、美国专利公开号2023/0402255等技术文献。

4、聚焦环的调节效果取决于其与半导体晶圆的相对位置，因此二者精准对中至关重要。晶圆与聚焦环之间出现偏心、错位、偏移时，会形成不对称电场，造成等离子鞘层分布不均，工艺均匀性大幅下降。为此业内开发了多种高精度测量、校验晶圆与聚焦环相对位置的技术方案。

5、但绝大多数现有技术提供的技术方案仅能在开启腔室、中断加工流程后，在离线状态下或者在真空腔室外完成聚焦环或晶圆位置调节。这类离线调节会增加设备维护时长、降低产能，同时真空腔室开盖、重新装配会引入额外工艺波动；且加工过程中无法动态修正位置偏差，限制了工艺均匀性与重复性的提升上限。

6、因此业内亟需一套可在等离子处理腔室内原位调节半导体晶圆与聚焦环相对位置的装置及方法，以此提升加工效率、减少停机时间，同时优化等离子工艺均匀性与产品制造良率。

技术实现思路

1、本发明提供一种晶圆式定位装置，用于调节等离子处理腔室内聚焦环的位置。该晶圆式定位装置包含基板，基板尺寸与半导体晶圆匹配，可通过半导体晶圆传输系统送入等离子处理腔室，且基板能够放置于聚焦环内圈开孔中。基板上/内部布置多台薄型微定位器；至少一台微定位器可驱动基板、顶杆、接触尖端或其他机械交互部件，与聚焦环邻近区域发生机械接触作用。

2、控制器可选择性驱动一台或多台薄型微定位器，将微执行器的微量运动转化为作用于聚焦环的合成侧向力，实现在等离子腔室内原位调整聚焦环位置。微定位器沿基板周向排布，可选择性驱动，带动聚焦环向不同水平方向平移。部分实施例中，重复执行驱动循环可实现聚焦环步进式微量移动，调节精度可达微米级甚至亚微米级。

3、部分实施例中，至少一台微定位器为机电微执行器，配备顶杆、接触尖端、推块或其他机械输出件，用于向聚焦环施加侧向力。控制器可选取脉冲幅值、脉冲时长、波形、时序、驱动循环次数等驱动参数，保证施加在聚焦环上的侧向力大于聚焦环静摩擦力，同时将基板回弹位移控制在预设公差范围内。部分实施例可基于回弹模型选取驱动参数，该模型可建立基板回弹位移与归一化脉冲幅值的对应关系。

4、部分实施例中，至少一台微定位器可驱动基板相对晶圆载台/吸盘支撑面产生位移。例如线性共振执行器生成非对称惯性力，带动基板侧向步进漂移；又例如基板内部/表面布置叉指电极，输入带相位差的多相交流电，形成行波电场。行波电场通过电容耦合作用于吸盘内接地、偏置或射频耦合导电构件，产生侧向静电力，驱动基板相对吸盘平移，基板随之与聚焦环机械接触，完成聚焦环位置调节。

5、部分实施例中，晶圆式定位装置搭载一组或多组传感器，为位置闭环控制提供反馈信号：第一传感器采集运动数据，估算基板当前相对初始位置的位移；第二传感器检测聚焦环相对基板的位置。控制器融合基板估算位置与聚焦环相对位置，换算出以基板初始位置为基准坐标系的聚焦环绝对位置，并驱动微定位器将聚焦环移动至目标位置。

6、部分实施例可协同使用不同类型微定位器：第一微定位器直接与聚焦环接触施加定位侧向力；第二微定位器通过静电作用平移、稳定基板，抵消第一微定位器驱动时反作用力造成的基板偏移。

7、根据本发明的一个方面，提供一种用于在等离子体处理腔室内调整聚焦环位置的晶圆式定位装置，包括：

8、一基板，其尺寸与半导体晶圆相适应，并经配置可由半导体晶圆传输系统移送至等离子体处理腔室；其中，基板可放置于聚焦环的内孔中；若干个薄型微定位器，设置于基板上或基板内，其中至少一个微定位器被配置为使基板、顶杆、接触尖端或其他机械交互部件与聚焦环的邻近部分发生机械交互；以及

9、一个控制器，其配置用于驱动所述多个微定位器中的至少一个，以将微观执行器运动转化为作用于聚焦环的合成侧向力，从而在等离子体加工腔室内原位调整聚焦环的位置。

10、优选地，所述多个微定位器包括以下至少一种：静电执行器、压电执行器、热执行器、微机电系统执行器或超声波执行器。

11、优选地，所述多个微定位器中的至少一个包括安装于基板上或内置在基板内的线性共振执行器，该线性共振执行器具有可相对于基板振动的活动质量；控制器被配置为以非对称驱动波形驱动该线性共振执行器，从而在驱动周期的相反阶段产生不均衡的惯性力分布，使得在驱动周期的一个阶段，惯性力足以克服基板与支撑面之间的摩擦；而在驱动周期的另一个阶段，基板则几乎不会发生或基本不会发生反向位移；反复的驱动循环会在基板相对于支撑表面产生渐进式的侧向漂移。

12、优选地，所述多个微定位器中的至少一个包括安装在基板上或基板内的机电微执行器，该机电微执行器配备有一个顶杆或接触尖端，用于与聚焦环实现机械交互；控制器被配置为选择执行器驱动信号的脉冲幅度和脉冲持续时间，使得顶杆或接触尖端施加于聚焦环的侧向力大于聚焦环的静态阻力，但小于晶圆夹具上基板的侧向保持阈值，从而在限制基板反冲位移小于预定公差的同时，使聚焦环发生侧向位移。

13、优选地，其中所述机电微执行器包括压电执行器、静电执行器、热执行器、微机电执行器、超声执行器、磁驱动结构或热执行器。

14、优选地，所述顶杆或接触尖端被配置成在半导体晶圆传输系统转移基板期间始终缩回于基板外周界内，并在基板定位至聚焦环内开口后向外伸出。

15、优选地，所述控制器被配置为根据一个反冲模型来选择脉冲幅度和脉冲持续时间，在该反冲模型中，基板的反冲位移被表示为相对于基板横向保持阈值的归一化脉冲幅度的函数。

16、优选地，其中基板的底面包括一个增强摩擦力的表面微结构，该微结构经配置以提高基板在晶圆夹具上的侧向保持阈值，从而在顶杆或接触尖端动作过程中，减少基板的后坐位移，该增强摩擦的表面区域包括纹理表面、图案化接触区域、柔性接触层、增强摩擦的涂层，或者上述方式的任何组合方式。

17、优选地，所述多个薄型微定位器中的至少一个包括多个交错排列的电极，这些电极设置于基板上或基板内，并被配置为接收具有各自相位差的多相交流电压，以在基板与卡盘支撑面之间的界面上产生行进电场，所述行进电场通过电容耦合至卡盘中导电、接地、偏置或射频耦合的部件，从而产生横向静电力，使基板相对于卡盘发生平移，进而促使基板与聚焦环实现机械相互作用并调整其位置。

18、优选地，所述控制器被配置为反转多相交流电压的相序，以改变基板相对于卡盘的平移方向。

19、优选地，其中，控制器被配置为控制多相交流电压的至少一项参数，包括电压幅值、频率、相位差、相序、占空比、波形形状、驱动周期数或动作时序，以控制横向静电力的大小或方向。

20、优选地，其中卡盘的导电、接地、偏置或射频耦合部件包括导电卡盘本体、嵌入式静电卡盘电极、接地支撑板、射频供电电极、射频回流电极或偏置电极。

21、优选地，所述晶圆式定位装置还包括：第一传感器，其设置于基板上或基板内，用于生成运动数据，以估算当前基板位置psub相对于初始基板位置的偏差；以及第二传感器，其设置于基板上或基板内，并且配置为确定相对于基板的聚焦环相对位置pring_rel，其中控制器配置为根据以下公式，在与初始基板位置相关联的坐标系中确定聚焦环位置pring：

22、pring = pring_rel + psub，

23、并根据确定的聚焦环位置，控制多个薄型微定位器中的一个或多个，将聚焦环移动至目标位置。

24、优选地，，其中第一传感器包括加速度计、惯性测量单元、陀螺仪、光学运动传感器、电容式位移传感器或微机电系统惯性传感器。

25、优选地，，第二传感器包括非接触式位置传感器、光学传感器、电容式传感器、电感式传感器、涡流传感器、超声波传感器或物体位置传感器，该传感器用于感应聚焦环的内缘或其附近区域。

26、优选地，其中目标位置对应于与初始基板位置同中心的聚焦环位置。

27、优选地，多个薄型微定位器包括：第一微定位器，其配置为与聚焦环实现机械交互；以及第二微定位器，其配置为通过静电方式相对晶圆保持架平移基板，控制器被配置为协调驱动第一微定位器和第二微定位器，使得第一微定位器向聚焦环施加侧向力，而第二微定位器则减小由第一微定位器驱动过程中产生的反作用力所引起的基板位移。

28、优选地，所述第一微定位器包括一个机电微型执行器，该执行器具有一个顶杆或接触尖端，且其中，第二微定位器包括多个图案化电极，用于在基板与晶圆托架之间产生横向静电力。

29、优选地，其中基板包括一个基本呈圆形的晶圆式本体，其厚度和外轮廓与通过半导体晶圆传输系统的传输相兼容。

30、优选地，其中多个薄型微定位器沿基板周向分布，并被定位以向聚焦环的不同周向部分施加侧向力。

31、优选地，所述控制器被配置为选择性地驱动多个薄型微定位器中的不同微定位器，以使聚焦环沿不同的横向方向移动。

32、优选地，其中所述多个薄型微定位器中的至少一个的每个驱动周期都会使聚焦环产生增量移动；重复进行驱动周期则可使聚焦环实现约1微米至约500微米范围内的累计调整。

33、优选地，其中每个驱动周期使聚焦环产生约0.1微米或更大的增量移动。

34、根据本发明的另一个方面，还提供一种调整等离子体加工腔内聚焦环位置的方法，包括如下步骤：

35、a.在半导体晶圆传输系统可触及的盒式载具中，设置一种晶圆式检测装置和一种晶圆式定位装置；

36、b.使用半导体晶圆传输系统将晶圆式检测装置传输至等离子体处理腔室中；

37、c.使用晶圆式检测装置测量聚焦环相对于晶圆参考位置的定位；

38、d.基于聚焦环实测位置与聚焦环目标位置确定晶圆定位装置的一个或多个驱动参数；

39、e.从等离子体处理腔中取出晶圆式检测装置；

40、f.利用半导体晶圆传输系统将晶圆式定位装置传输至等离子体处理腔室中；以及

41、g.根据一个或多个驱动参数驱动所述晶圆式定位装置，以机械方式调整聚焦环的位置，使其达到目标位置。

42、优选地，上述方法进一步包括：

43、- 在驱动晶圆式定位装置之后，从等离子体处理腔中取出晶圆式定位装置；

44、- 将晶圆式检测装置传输至等离子体处理腔室中；

45、- 使用晶圆式检测装置测量聚焦环的更新后位置；以及

46、- 当聚焦环的更新位置超出目标位置的预定公差时，重复确定驱动参数并驱动所述晶圆式定位装置。

47、本发明还提供一种聚焦环调节方法，分别采用晶圆式检测装置、独立的晶圆式定位装置完成调节。晶圆式检测装置与晶圆式定位装置可存放于晶圆传输系统可读取的晶圆盒内；先将晶圆式检测装置送入等离子腔室，测量聚焦环相对晶圆基准的位置；再结合实测位置与聚焦环目标位置，计算晶圆式定位装置的驱动参数；随后将晶圆式定位装置送入腔室，按计算参数驱动，通过机械作用将聚焦环调至目标位置。

48、部分实施例中，完成一次定位装置驱动后，再次送入晶圆式检测装置，复测聚焦环更新后的位置；若实测位置超出目标位置预设公差，则更新驱动参数并重复调节流程。该晶圆式定位装置及配套方法无需拆解腔室、人工移位或取出聚焦环，即可完成聚焦环高精度原位调节。

49、通过本发明提供的技术方案，可以在不开启腔体、不人工移动聚焦环的方式下高精度地完成对聚焦环位置的调整，即实现原位调节聚焦环，从而提高半导体加工过程中的生产效率。