衬底位置检测和调整的制作方法

衬底位置检测和调整
优先权主张
1.本技术要求于2019年2月8日申请的、名称为“wafer location detection and adjustment”的美国临时专利申请no.62/802,932的优先权，其全部公开内容通过引用合并于此。
技术领域
2.本公开总体上涉及使用半导体制造中的工艺工具上的相机图像的衬底(例如晶片)位置检测和调整。在一些示例中，提供了一种用于相对于诸如边缘环或卡盘之类的基准结构来定位衬底的系统和方法。


背景技术：

3.这里提供的背景描述是为了总体呈现本公开的背景的目的。当前指定的发明人的工作在其在此背景技术部分以及在提交申请时不能确定为现有技术的说明书的各方面中描述的范围内既不明确也不暗示地承认是针对本公开的现有技术。
4.使晶片居中于边缘环或静电卡盘(esc)的一种方法依赖于在晶片放置在“最佳猜测”晶片中心位置的情况下获得毯式蚀刻速率和背侧颗粒数据。晶片在该位置获得毯式蚀刻速率，然后对毯式晶片进行蚀刻后计量，以确定它们与中心的偏差。背侧颗粒测试使用esc上预涂覆的背侧颗粒印记来确定晶片相对于esc的偏移。该信息可以用于调整真空传送模块(vtm)机械手校准并实现晶片居中。至少因为毯式晶片昂贵且笨重，该过程是昂贵的。


技术实现要素：

5.在一些示例中，提供了一种用于相对于基准结构定位晶片的系统。示例性的系统包括：包括至少两个相机的相机装置，所述至少两个相机中的每一个当被定位在所述相机装置中时都包括视场，每个视场都包括所述晶片的外围边缘和所述基准结构的外围边缘；处理器，其用于从所述至少两个相机中的每一个接收位置数据，并确定与每个视场相关的在相应的所述视场中包括的所述基准位置与所述晶片的相应的外围边缘之间的间隙尺寸；和控制器，其基于所确定的相应的间隙尺寸调整晶片相对于所述基准结构的位置。
6.在一些示例中，所述基准位置包括边缘环。
7.在一些示例中，所述基准位置包括卡盘。
8.在一些示例中，所述相机装置设置在晶片处理室的壁中。
9.在一些示例中，所述相机装置包括第三相机，所述第三相机向所述处理器提供与相应的第三视场相关的位置数据。
10.在一些示例中，将所确定的所述相应的间隙尺寸与相应的预定间隙尺寸进行比较，所述相应的预定间隙尺寸与所述晶片的相对于所述基准结构的居中或期望位置相关联。
11.在一些示例中，所述控制器包括真空传送模块(vtm)的机械臂。
12.在一些示例中，所述处理器基于所确定的所述相应的间隙尺寸来识别所述晶片的中心。
13.在一些示例中，一种用于相对于基准结构定位晶片的系统包括：包括一个或多个相机的相机装置，所述一个或多个相机中的每一个当被定位在所述相机装置中时都包括视场，每个视场都包括所述晶片的外围边缘和所述基准结构的外围边缘；处理器，其用于从所述或每一个相机接收位置数据，并确定与每个视场相关的在相应的所述视场中包括的所述基准位置与所述晶片的相应的外围边缘之间的间隙尺寸；和控制器，其基于所确定的相应的间隙尺寸调整晶片相对于所述基准结构的位置。
14.在一些示例中，所述一个或多个相机包括单个可移动相机。
15.在一些示例中，所述单个可移动相机安装在机械臂上。
16.在一些示例中，所述机械臂安装在真空传送模块(vtm)上。
17.在一些示例中，所述相机装置设置在晶片处理室的壁中。
附图说明
18.在附图的图中以示例而非限制的方式显示了一些实施方案：
19.图1是根据一些示例的反应室的示意图，在该反应室中可以采用本公开的方法的一些示例。
20.图2
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3描绘了根据一些示例的相机装置。
21.图4
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8描绘了根据一些示例的相机图像。
22.图9描绘了根据示例性实施方案的相机装置。
23.图10描绘了根据示例的散点图。
24.图11描绘了根据示例的使晶片居中的方法中的操作。
25.图12描绘了根据示例的单个相机装置。
具体实施方式
26.后续说明包含实现本发明的说明性实施方案的系统、方法、以及技术。在后续描述中，为了说明的目的，说明了许多特定细节以提供对示例性实施方案的完整了解。然而，对于本领域技术人员而言将显而易见的是，本发明的主题可在不具有这些特定细节的情况下实践。
27.本专利文件的公开内容的部分含有受到版权保护的材料。版权所有者不反对任何人对专利文件或专利公开内容进行传真复制，因为其出现于专利和商标局的专利档案或纪录中，但除此之外保留所有的版权。以下声明适用于下文所描述和构成本文件的一部分的附图中的软件和数据：lam research corporation,2018
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2020,all rights reserved。在此用作示例的术语“晶片”旨在更一般地将“衬底”包括在其范围内。衬底可包括也可用本文所述的系统和方法处理的光掩模、平板显示器等。
28.在附图的图1中示出了示例性的室，其中可以采用本公开的一些示例，对其进行适当的室修改以用于膜沉积和控制测试。典型的等离子体蚀刻(或沉积)设备包括反应器，其中存在让一或多种反应气体流通过的室。在室内，通常通过射频能量将气体离子化成等离子体。等离子体气体的高度反应性离子能够与材料反应，该材料诸如待处理成集成电路
(ic)的半导体晶片表面上的聚合物掩模。在蚀刻之前，将晶片放置在室中并以卡盘或保持器以合适的位置保持，将该晶片顶部表面暴露于等离子体气体。存在一些在本领域中已知的几种类型的卡盘。卡盘提供等温表面并用作用于晶片的热沉。在一种类型中，以机器夹持的方式将半导体晶片保持在适当位置以进行蚀刻。在另一类型的卡盘中，以卡盘及晶片之间的电场所产生的静电力将半导体晶片保持在合适位置。本公开的方法可应用于两种类型的卡盘。
29.图1说明了电容耦合等离子体处理室100，其代表典型实施以蚀刻衬底的类型的示例性等离子体处理室。现在参考图1，卡盘102代表工件保持器，在蚀刻期间诸如晶片104之类的衬底定位于卡盘102上。卡盘102可以通过任何合适的夹持技术实现，例如通过静电、机器、夹持、真空等等实现。在蚀刻期间，一般对卡盘102供应双rf频率(低频和高频)，例如，在蚀刻期间，通过双频源106同时地供应2mhz和27mhz。
30.真空传送模块(vtm)(未示出)可用于将晶片104放置和居中(或定位)于卡盘102上。准确的晶片定位或居中通常是当寻求在处理室100内的晶片104上成功执行某些处理操作时的关键方面。例如，这些操作可以包括沉积、蚀刻和边缘斜角去除(ebr)。其他操作也是可能的。在一些示例中，vtm包括一个或多个机械手控制器或臂以在晶片104被放置在卡盘102上时操纵晶片104。在本公开的示例中，vtm机械手臂在晶片放置和居中期间通过反馈或其他由一系列相机和在下面进一步讨论的vtm控制模块生成的数据引导。处理室100的一个或多个部件可用作确定晶片104的位置或中心的基准点。在一些示例中，晶片104的外围边缘处的一个或多个位置与处理室部件的接近度用于确定晶片中心。在一些示例中可以使用晶片104的两个或三个外围边缘位置。在一些示例中，基准部件包括边缘环118。
31.再次参考图1，上电极108位于晶片104上方，上电极108接地。图1说明了蚀刻反应器，其中上电极108的表面大于卡盘102和晶片104的表面。在蚀刻期间，等离子体110是由经气体管线112供应并通过排气管线114排出的蚀刻剂源气体所形成。电绝缘环109使上电极108与处理室100绝缘。
32.可将约束环116放置在上电极108和诸如图1中的卡盘102之类的下电极之间。一般来说，约束环116帮助将蚀刻等离子体110限制在晶片104上方区域以改善工艺控制并且确保重复性。
33.当将rf功率从双频源106供应至卡盘102时，在晶片104上建立等势场线。等势场线是遍布介于晶片104和等离子体110之间的等离子体鞘的电场线。在一些示例中，等势面和电场线彼此垂直。在晶片104和等离子体110之间存在等势面。电场线加速穿过这些等势面的带电粒子。在等离子体处理期间，正离子加速通过等势场线以冲击在晶片104表面上，从而提供所期望的蚀刻效果，诸如改善蚀刻方向性。由于上电极108和卡盘102的几何形状，场线可能在整个晶片表面不是均匀的且可能在晶片104边缘显著地改变。因此，一般提供边缘(聚焦)环118以改善遍布整个晶片表面的工艺均匀性。参考图1，将晶片104显示为设置在边缘环118内，边缘环118可以由合适的介电材料形成，诸如由陶瓷、石英、塑料等等形成。因此，聚焦环118的存在使得能将等势场线在晶片104整体表面上方基本上均匀地设置
34.导电屏蔽件120基本上围绕边缘环118。将导电屏蔽件120配置成在处理室100内实质上接地。导电屏蔽件120防止不希望的等势场线在边缘环118外侧出现。
35.如上所述，可能存在与在晶片居中操作中使用毯式晶片相关联的重大挑战。本公
开的示例不需要毯式晶片图像，而是使用由安装在晶片104上方的相机捕获的图像来测量和引导晶片居中操作。晶片居中操作可以相对于处理模块内的基准结构或部件(例如边缘环118或卡盘102，例如静电卡盘(esc))进行。在一些示例中，位置数据作为反馈传输到晶片传送模块(例如，vtm)以调整其校准，直到晶片104适当地在卡盘102上居中。
36.本公开的示例在晶片居中操作期间执行晶片104的原位测量并且向控制模块的控制器用户界面(ui)提供即时反馈。随着晶片104放置在处理室100中的卡盘102上，一个或多个测量相机的阵列拍摄图像，该图像可以包括在晶片104的外周边缘处的一个或多个位置或部分，以及边缘环118的至少一个内边缘。图像处理软件定位晶片外围和边缘环118的内边缘并计算它们之间的间隔距离或间隙。在一些示例中，该测量是在围绕晶片104外围的几个点处进行的。然后使用测量结果来调整vtm机械手控制以将晶片104放置在处理室100中的卡盘102上。重复上述过程可以快速进行晶片居中操作。
37.参考图2，与处理室100相关联的一个或多个相机(例如，相机1和相机2)的布置200可以捕获图像并进行图像测量。在一些示例中，相机1和2中的每一个具有各自的视场200'和200”，其可以检测边缘环210的内边缘202和晶片206的外围边缘204。边缘环210的内边缘202和外围边缘204之间的间隔距离或间隙208可以由相机1和2检测和测量。用于执行间隙208测量的便利的示例布置包括在处理室100的壁内提供真空密封窗，并将相机1和2定位在窗内。在一些示例中，在处理室100的启动和维护阶段期间执行图像捕获和间隙测量。在其他示例中，相机1和2安装在真空传送模块(vtm)的机械臂上以促进在处理室100的操作员的控制下进行的居中和间隙测量。在一些示例中，在间隙图像测量期间控制照明。
38.尽管图2中的布置200包括两个相机，但其他布置也是可能的。例如，单个可移动相机可以布置在两个不同的位置以获得相应的视场200'和200”。在图12所示的又一示例布置1200中，单个可移动相机可以在位置1202、1204和1206之间移动以获得或生成在这些相机位置处的一个或多个相应的视场1200'、1200”和1200”'。此处描述的各种示例中的一些或所有相机可以是固定的或可移动的。一些示例可以包括或生成复合视场，例如由单个相机拍摄的包括或包含多个子视图的单个视图。示例性子视图可以包括图12中的位置1202、1204和1206处的子视图。视场和相机装置的其他组合也是可能的。
39.图3中示出了替代的相机装置300。所示的布置包括三个相机1、2和3(在视图中标记为302、304和306)，它们被定位成俯视并拍摄设置在处理室(例如图1的处理室100)内的边缘环310和晶片312的图像。每个相机1、2和3具有各自的视场300'、300”和300”'。vtm 308(未按比例示出)可以位于被监测的处理室100附近。在一些示例中，单个vtm 308具有跨越足够大的区域以服务多个相邻处理室100的矩形占用区域。在一些示例中，单个vtm 308具有沿其每一侧定位的五个处理室100。vtm 308(图3)可以包括机械臂310(未按比例示出)用于操纵在相应的视场302、304和306之间的一个或多个相机。单个相机或多个相机可以安装在vtm臂310上，使得视场或间隙测量可以根据操作者的判断或者由处理器在自动化下来建立或进行。在一些示例中，例如在进行间隙测量期间或在监视视场时控制视场的照明。虽然图3的布置包括三个相机1
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3，但可以使用单个移动相机或几个固定相机来进行这样的测量。
40.图4示出了由本文描述的各种实施方案的相机1和2捕获的图示示例性图像402和404。左边的图像402描绘了边缘环210的内边缘202和晶片206的外围边缘204之间的相对小
的间隙406。因此相机1已经检测到晶片放置相对靠近边缘环210。右侧的图像404描绘了边缘环210的内边缘202和晶片206的外围边缘204之间的较大间隙408。相机2已经检测到晶片放置更远离边缘环210。在一些示例中，图2中的晶片到边缘环间隙208(或图4中的406和408)可以基于不同的vtm机械手设置来调整或设置。可以采用(例如)裸硅(si)晶片206，但是其他类型的晶片206也是可能的。其他示例可以包括使用带有指示参考角度和/或晶片半径的标记的校准晶片，并且在一些示例中，可以在图像402和404内以不同的颜色提供。关于间隙406和408的信息(位置数据))可以在晶片居中操作期间作为反馈动态传输到vtm308。基于接收到的反馈，可以递增地或连续地调整晶片位置，直到为晶片中心位置建立预设或预定间隙值。
41.图5
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8示出了晶片502的外围边缘204的与边缘环210的相关联的内边缘202相邻的每个相机的位置对应的相应的示例性图像(例如在由图3中的相机1、2和3拍摄的视场300'、300”和300”'中)。晶片502被定位在处理室100内的卡盘102上。虽然晶片502的外围边缘由直线表示，但应理解的是，在现实生活中，它们会略微呈弧形。vtm 512的邻近处理室100的位置在图5中示出。vtm 512在图6
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8的每个视图中类似地定位。在图5的示图中，晶片502的顶部边缘、底部边缘和右侧边缘的初始或基准位置504、506和508分别在图5中指示。间隔距离或顶部间隙510(为了该示例的目的)可以相应地导出和标注。
42.在图6中的图像表示在远离vtm 512位置(图5)的vtm 512的机械臂的控制下沿方向602的晶片移动。顶部间隙510相应地变宽。
43.在图7中的图像代表晶片在702中朝向vtm 512移动回到初始或基准晶片位置。顶部间隙510的尺寸已相应恢复。
44.为了该示例的进一步的目的，可以导出并标注初始侧间隙704(图7)。在图8中的图像表示在vtm 512的机械臂控制下晶片沿方向802向右移动。侧面间隙704相应地变窄。从由相机1、2和3的阵列捕获的顶部和侧面间隙图像导出的代表这种晶片移动的位置数据被动态传输回vtm 512的控制模块以在晶片放置和居中操作期间促进晶片502的定位和居中。
45.参考图9，示出了晶片206和边缘环210的布置900。使用边缘环210作为基准，可以基于顶部间隙510和侧部间隙704的测量值或基于与间隙510和704相关联的位置来确定已知直径(并且因此已知半径)的晶片206的中心。基于由视图中所示的相机1和2拍摄的图像，晶片206的外围边缘204上的位置x与边缘环210的内边缘202上的相邻位置x'之间的间隔距离或顶部间隙510可以被确定。可以以类似方式为位置y和y'确定间隔距离或侧面间隙704。为简单起见，相机1和2并未显示在顶部和左侧象限中的真实位置(其中顶部间隙510和侧面间隙704的图像将在现实生活中拍摄)，而是显示在右侧和底部象限中的相机位置，如图所示。
46.在一些示例中，点x'和y'的位置是已知的或者可以例如基于边缘环210的已知位置或尺寸推导出来，边缘环210在这方面可以用作基准部件。可以相应地建立边缘环210的中心908作为晶片居中和处理目的的参考。
47.使用点x'和y'的已知位置，可以分别应用顶部间隙和侧面间隙510和704来确定点x和y在晶片206的外围边缘204上的位置。晶片206是已知的并且基于晶片半径的名义圆周(或圆周的弧部分)可以相应地围绕每个点x和y外接。x点的名义圆周标记为902，而y点的名义圆周相应地标记为904。晶片206外围内的名义圆周902和904的相交在中心910处建立晶
片206的中心。晶片206外围外的圆周902和904(在点906处)的交点可以被丢弃作为无效的结果，应理解，晶片206的中心将落在其周边内。所确定的晶片206的中心910可在动态基础上与边缘环210的真实中心908进行比较以导出偏移或位置数据912。
48.在一些示例中，基于偏移数据的反馈被提供给vtm 512的控制模块以在晶片居中期间调整晶片206的位置或路径。在晶片居中操作期间，晶片206的位置调整可以由vtm 512的控制模块基于顶部间隙510和侧面间隙704的确定、或边缘环210和晶片中心908和910的位置或基于在两组数据的组合或其部分来进行。
49.图10描绘了散点图1000，其示出了通过相机测量(实心环点1002)和vtm机械手设定点命令(虚环点1004)获得的晶片中心的测量变化。线段1006和1008将测量的晶片中心1002链接到其相关的机械手设定点1004。以实线轮廓示出的相对较短的线段1008表示相应的测量的晶片中心1002在vtm机械手晶片设定点1004的规格内。这反映了上述机械手可重复性规范。相对较长的线段1006表示测得的晶片中心1002在例如vtm机械手规格的133％之内。可以使用其他精度范围。散列线1010表示例如超过机械手设定点的133％的单个晶片测量结果。虚线1012例如表示正确捕捉到机械手放置错误的相机测量结果。其他指标也是可能的。
50.因此，在一些示例中，提供了用于使晶片居中的方法。参考图11，用于将晶片相对于基准结构居中的方法1100包括：在操作1102，邻近晶片处理室放置包括至少两个相机的相机装置，至少两个相机中的每一个当定位在相机装置中时包括视场，每个视场包括晶片的外围边缘和基准结构的外围边缘；在1104，从至少两个相机中的每一个接收位置数据，并确定与每个视场相关的在相应视场中包括的基准位置与晶片的相应的外围边缘之间的间隙尺寸；并且，在1106，基于确定的相应间隙尺寸调整晶片相对于基准结构的位置。
51.在一些示例中，基准位置包括边缘环。在一些示例中，基准位置包括卡盘。
52.在一些示例中，方法1100还包括在晶片处理室的壁中提供相机装置。
53.在一些示例中，方法1100还包括：在相机装置中包括第三相机，并且将来自第三相机的与相应的第三视场相关的位置数据提供给处理器。
54.在一些示例中，方法1100还包括将所确定的相应间隙尺寸与相应预定间隙尺寸进行比较，相应预定间隙尺寸与晶片相对于基准结构或晶片处理室的居中或期望位置相关联。
55.在一些示例中，方法1100还包括在控制器中包括真空传送模块(vtm)的机械臂。
56.因此，提供了用于基于相机的图像感测以相对于处理室100内部的边缘环210定位晶片位置的实施方案。本公开的示例可以提供改进的速度、成本和准确性。一些示例可能有助于在晶片定位或居中操作期间进行快速的原位测量。通常在工艺模块中蚀刻毯式晶片，并且在晶片206上执行计量以确定晶片居中。在晶片厂(fab)中，在通常跟踪、预先测量和移动晶片206的情况下，传统的测量操作可能需要给定的时间段才能完成。另一方面，目前的流程可以将该时间减少至八分之一。在实验室工艺工具上，使用本文公开的方法，执行这些操作可能只需要晶片厂所需的常规时间的12.5％。
57.晶片居中的传统方法通常需要很长时间才能完成，并且经常使用毯式晶片。这里的一些示例性方法仅产生一次性成本。在一些示例中，本公开的相机测量可以在大多数情况下确定晶片放置在vtm机械手控制设定点的规范内。在除了图1 0的一个示例外的所有的
示例中，相机测量确定晶片放置是在常规背侧粒子计量规范内。可以根据需要通过在硬件和图像处理算法中进行改变来配置或调整实施方案。
58.虽然已参照特定的示例性实施方案描述了实施方案，但显然，可在不偏离本发明主题的更广泛范围的情况下对这些实施方案进行各种修改及改变。因此，说明书和附图被视为说明性的而非限制性的。构成本文中的一部分的附图以说明(而非限制)的方式显示特定实施方案，可在这些特定实施方案中实践主题。所示实施方案以足够细节进行描述，以使本领域技术人员能够实行本文所公开的教导。可使用其他实施方案及从中产生其他实施方案，使得可在不偏离本公开内容的范围的情况下进行结构与逻辑的替换及变化。因此该具体实施方式不被视为限制性的，且各种实施方案的范围仅由所附的权利要求、连同这些权利要求所赋予的等效方案的全部范围所限定。
59.本发明主题的这些实施方案在此可单个地和/或共同地由术语“发明”所提及，其仅是为了方便，而不旨在将本技术的范围自愿性地限制于任何单一的发明或发明构思(如果事实上公开多于一个的发明或发明构思的话)。因此，虽然本文显示并描述了特定实施方案，但应理解，为实现相同目的而计算的任何配置可替代所示的特定实施方案。本公开内容旨在涵盖各种实施方案的所有的调整或变化。在阅读以上说明后，上述实施方案的组合以及本文未具体描述的其他实施方案对于本领域技术人员而言是显而易见的。