用于基板的后侧沉积的系统和方法与流程

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年7月28日提交的题为“systemandmethodforbacksidedepositionofasubstrate”的美国临时专利申请第62/538,251号的权益，其全部内容通过引用并入本文。

背景技术：

本公开内容涉及半导体制造，具体地涉及晶片叠对(overlay)。

半导体制造涉及多个不同的步骤和工艺。一种典型的工艺已知为光刻(也称为微光刻)。光刻使用诸如紫外线或可见光的辐射在使用光反应膜的半导体器件设计中生成精细图案。可以使用包括光刻、蚀刻、膜沉积、表面清洁、金属化等的半导体制造技术来制造许多类型的半导体器件，例如二极管、晶体管和集成电路。

曝光系统(也称为工具)用于实现光刻技术。曝光系统通常包括：照明系统、用于形成电路图案的分划板(reticle)(也称为掩模)或空间光调制器(slm)、投射系统以及用于对准已涂覆有光敏抗蚀剂的半导体晶片的晶片对准台。照明系统利用(优选为)矩形槽照明场对分划板或slm的区域进行照明。投射系统将分划板图案的照明区域的图像投射到晶片上。为了准确地投射，重要的是在相对平坦或平面的、优选地具有小于10纳米的高度偏差的晶片上对光图案进行曝光。

技术实现要素：

半导体制造开发现在包含诸如高级图案化和3d器件构造之类的技术以减小特征大小并增加器件密度。然而，这些技术的实施为成功的微制造带来了新的挑战。这些新的制造方法包括在晶片表面上形成多层各种材料的膜。但是，每一层都会给晶片的表面增加额外的应力。随着膜层的堆积，所产生的应力使晶片的平坦度变化(distort)。已经表明，这种变形降低了整个晶片表面上关键特征的大小均匀性。

这种变形还导致叠对误差和叠对挑战。各种制造工艺步骤会造成基板的膨胀和/或收缩，从而导致翘曲或弯曲的基板。例如，在曝光期间，由于从曝光光束转移到基板的能量，基板被局部加热。基板在退火工艺期间也被加热。这种加热导致基板膨胀。如果未检查基板膨胀，则膨胀超过叠对误差要求。此外，如果基板和基板卡盘之间的夹紧力不足以防止基板膨胀，则基板会在基板卡盘上滑动，并且将发生较大的基板膨胀，导致较大的叠对误差。因为在曝光期间基板周围的环境是真空，因此在一些工艺中例如在极紫外(euv)系统中，滑动可能更显著。因此，并不总是可以真空夹持，并且必须使用较弱的静电夹持来代替真空夹持。

其他制造步骤也可能造成基板膨胀和收缩。例如，沉积的膜可能引起基板收缩。此外，各种退火步骤和掺杂步骤可能在给定的基板中产生大量的弯曲。退火步骤尤其会带来叠对挑战。这些各种制造步骤的结果是不平坦或非平面的基板。例如，基板的后侧可以具有既有高点又有低点的z高度差(竖直高度的差)。由于这种弯曲引起的高度差可能在约1微米至约100微米的数量级。因为通过各种曝光工具曝光的半导体器件或结构以几十纳米到几百纳米的规模被曝光，所以这种波动是显著的。因此，具有数千纳米至10000纳米的挠曲变化会大大降低产量。

用于解决部分处理的基板上的基板弯曲和不均匀曲率的常规技术集中在用于将基板卡紧(或夹紧/吸紧)到基板保持器以使曲率平坦化的卡紧技术。然而，在具有相当大的弯曲的情况下，仅通过卡紧很难或者不可能精确地使基板平坦。因此，期望拥有基板弯曲校正技术以在基板被发送至或返回至扫描仪用于另外的曝光之前校正基板弯曲并改善叠对。

本文公开的技术包括用于在基板的后侧上沉积膜以产生矫正应力或补偿应力来抵抗基板的工作表面上的应力以使基板平坦的系统。换句话说，将膜施加至晶片的后侧可以平衡晶片的前侧上的受应力的表面，从而减小平坦度变化。

在基板的后侧上沉积膜是有挑战性的。尽管许多不同的半导体制造工具在基板的前侧(顶面或工作表面)上沉积膜，但通常不会执行后侧沉积。在前侧沉积的情况下，基板通常位于卡盘、基座或板上并且可以夹紧至该表面上。这种卡紧会在后侧造成划痕和瑕疵。因为在后侧上不存在特征和器件(晶体管)，因此作为结果被引入到基板的后侧的划痕和缺陷通常是不重要的。为了使用现有的沉积工具将膜沉积在基板的后侧上，必须将基板翻转颠倒并放置在支承表面上以进行处理。在前侧表面上卡紧基板会导致划痕、引入瑕疵并且通常在制造时会破坏特征。因此，为了成功地制造器件，不能将基板用前侧表面放置在卡盘上、卡紧至卡盘或者与卡盘接触。一种解决方案是在前侧表面上施加保护涂层，但是这种保护涂层提出了一组新的挑战，包括施加和完全移除保护层而不损坏保护层下面的特征和结构。

本文中的技术提供了用于在基板上进行膜的后侧沉积，同时维持基板的现有定向而不接触前侧表面的器件区域并且不接触后侧表面的内部区域。本文中的技术仅在基板后侧表面的外周边或外围接触给定基板，同时允许对后侧表面的其余部分进行处理。本文中的技术包括基板保持器，其有效地将处理室的上区段与处理室的下区段密封，使得下区段中的沉积气体无法沉积在基板的前侧表面上。在没有物理接触基板的任一侧的情况下，存在适当地加热基板以用于膜沉积的挑战。常规地，基板保持器(卡盘)通常提供各种工艺所需的温度控制。本文中的技术通过在基板上方形成分开且不同的环境提供了温度控制的替选手段，该手段可以通过适当的压力和气体选择与有效控制基板温度的可移动温度控制表面来结合。

当然，为了清楚起见，已经给出了本文描述的不同步骤的讨论顺序。通常，这些步骤可以以任意合适的顺序执行。另外，虽然本文中的不同特征、技术、配置等中的每一个可能在本公开内容的不同地方论述，但是旨在可以彼此独立地或者彼此组合地执行构思中的每一个。因此，本发明可以以许多不同方式来实施和观察。

注意，该发明内容部分没有详细说明本公开内容或要求保护的发明的每一个实施方式和/或递增的新颖方面。相反，本发明内容仅提供了不同实施方式的初步讨论和相比于常规技术的对应的新颖性的要点。对于本发明和实施方式的另外的细节和/或可能的观点，读者可参照如下进一步讨论的本公开内容的具体实施方式部分和对应的附图。

附图说明

参考结合附图考虑的下面的具体实施方式，本发明的各种实施方式的更完整的理解及其许多随附的优点将容易变得明显。附图不一定按比例绘制，而是着重于说明特征、原理和构思。

图1是示例性后侧沉积系统的剖面图。

图2是用于防止前侧沉积的基板支承件的放大的剖面图。

图3是示例性基板支承密封机构的剖面图。

图4是示例性基板支承密封机构的剖面图。

图5是示例性基板支承密封机构的剖面图。

图6是示例性基板支承密封机构的剖面图。

具体实施方式

本文中的技术包括用于将薄膜施加至半导体基板的后侧表面以消除或减小基板平坦度失真的处理室。换句话说，本文中的系统通过在晶片的后侧表面上沉积膜来帮助使弯曲的晶片平坦。本文中的处理室包括提供围绕基板的底部和/或侧面的环形周边密封的基板支承件，该基板支承件允许大部分基板后侧暴露于处理环境。可以选择夹紧和密封基板的各种方式之一。当基板形成密封时，该室基本上分为在工艺环境方面分开且不同的上室和下室或者上区段和下区段。处理室的下区段包括被配置成施加和移除薄膜的沉积硬件。沉积硬件可以是包括以下的各种类型的任何一种：化学气相沉积(cvd)、原子层沉积(ald)、超原子层沉积(sald)、等离子体增强cvd(pecvd)以及原子层蚀刻(ale)。下区段也可以被配置成包含远程等离子体单元以实现或增强处理。远程等离子体单元可以作为供应管或作为供应环或者作为其他替选的可部署配置被包含在内。上区段可以保持化学惰性环境，保护晶片顶部表面上的现有特征。

由基板支承系统提供的密封是有益的，因为不需要来自上区段的吹扫气流。这样的吹扫气流会产生不希望的结果。利用本文中的技术，上区段可以成为与下区段分离的环境，并且为基板提供有效的温度控制手段。

现在参照图1，一个实施方式包括用于在基板105的后侧上沉积膜的后侧沉积系统100。该系统包括具有上区段111和下区段112的处理室。基板支承机构120被定位在处理室中，并且被配置成将基板105保持在上区段111与下区段112之间。基板105具有用于电子器件的前侧表面106和与前侧表面相对的后侧表面107。例如，在半导体制造中，使用硅晶片，并且通常在基板的一侧上形成晶体管和其他器件。对于大多数工艺，基板通常面向上，并且后表面安装至或者卡紧至各种基板保持器上。然后上表面是在其上微制造半导体器件的工作表面或前侧表面。相对侧被标记为后侧或后侧表面。

然而，本文中的基板支承机构120被配置成在基板的周边处支承基板105，而不与前侧表面106的内部区域接触并且不与后侧表面107的内部区域接触。换句话说，仅在基板的外围处保持(handle)或者接触基板。这可以包括后侧表面的外环。这样的基板通常是圆形的，但是可以是矩形或其他形状并且具有各种尺寸。一种常见的基板大小是直径300毫米的圆形基板。作为非限制性示例，基板支承机构(或基板支承机构的元件)可以在从基板的外边缘起并且朝着基板的中心延伸约几毫米至12毫米或多于12毫米的区域中与后侧表面和/或前侧表面接触。因此，大部分内部后侧表面区域(例如，在该示例中为具有约260毫米至298毫米的直径的区域)不与基板支承机构接触。注意，这些仅是示例尺寸。通常，给定基板仅在基板的外周表面处与支承构件接触。

基板支承机构120被配置成以前侧表面106面向上区段111并且后侧表面107面向下区段112的方式来保持基板。这对于某些工艺是有益的，因为基板不需要从一个系统翻转到另一个系统。基板支承机构可以被配置成在基板的周边处形成足以防止沉积气体从下区段通向上区段的密封。例如，在基板周围形成流体密封，使得没有(或者很少)气体可以流过密封并且在上区段与下区段之间迁移。例如可以使用弹性体材料和/或利用压力差来形成密封。因此，基板支承机构可以被实现为气流或压力差的配置。在将基板105相应地保持在后侧沉积系统100内并且在基板的外围处形成密封的情况下，基板实质上在上区段111与下区段112之间划分处理室，并且还起到将处理室划分成两种不同的环境的作用。例如，上区段111可以具有与下区段不同的处理压力、温度和气体化学性质。注意，上区段和下区段在体积或大小上不一定相等。

该系统包括气体分配单元132，气体分配单元132被定位在处理室的下区段中并且在基板由基板支承机构保持的情况下面向基板的后侧表面。气体分配单元被配置成将沉积气体引导至基板的后侧表面107以在基板的后侧表面上沉积膜。控制器150被配置成控制来自气体分配单元132的沉积气体的流动以用于在基板的后侧表面上的沉积。因此，可以执行各种不同的沉积工艺，例如化学气相沉积(cvd)、原子层沉积(ald)、超原子层沉积(sald)、等离子体增强cvd(pecvd)和原子层蚀刻(ale)。将这样的膜沉积在基板的后侧表面上而不沉积在基板的前侧表面上。然后可以在材料成分和厚度方面对这样的膜进行调节，以选择性地提供张力或压缩应力来抵消晶片弯曲，从而得到更平坦的基板。

基板支承机构120可以被实施为用于在基板的周边位置处支承基板的搁板。在基板支承机构提供密封接触的情况下，可以利用压力差实现基板夹持。例如，在上区段中维持与在下区段中维持的压力相比相对较大的压力使基板被迫抵靠基板支承机构或支承机构的元件。这有效地密封了基板的边缘。支承机构可以向上或向下移动以调节基板在处理室内的定位以及/或者有助于维持压力差。压力差的精确控制有利于拥有足够的压力以形成密封，而压力不足会使基板过分受力或导致基板过度挠曲或损坏。

基板支承机构可以包括被配置成接触基板的周边的可变形构件。这样的可变形构件可以有助于在基板处提供气体密封。参照图6，可变形构件包括可充气囊状物161，可充气囊状物161被配置成围绕基板的外围边缘使得当充气时可充气囊状物保持基板并形成密封，以及当放气时可以从处理室移除基板。换句话说，可充气管例如围绕基板并朝向基板的中心点挤压基板边缘。这样的囊状物可以移动经过基底的边缘，使得可充气材料的一部分接触前侧表面的一部分以及后侧表面的一部分。

参照图3至图5，在其他实施方式中，可变形构件包括被配置成在后侧基板的外围处接触后侧表面的o形环。这可以包括均被配置成在基板的外围处接触后侧表面的第一o形环163和第二o形环164。第一o形环163可以具有与第二o形环相比较小的直径，使得在第一o形环163与第二o形环164之间存在间隙。基板支承机构可以包括被定位在第一o形环163与第二o形环164之间的真空排气部167。基板支承机构120可以包括被定位在第一o形环163与第二o形环164之间的提升销169，提升销169被配置成使基板从第一o形环和第二o形环升高和降低。第一o形环可以具有与第二o形环相比较小的竖直高度以更好地抵消基板挠曲，以及/或者第一o形环可以与第二o形环相比更可变形。

返回图1，实施方式可以包括被定位在处理室的上区段111中的气体递送入口171，气体输送入口171可以包括喷头组件或者将气流从前侧表面的内部区域引导到基板的外围区域的其他气体分配导管。控制器150可以被配置成当基板被支承在处理室内时控制来自气体递送入口171和气体分配单元132的气体流动以在上区段与下区段之间产生压力差。第一真空排气部174可以连接至上区段，第二真空排气部134可以连接至下区段。控制器150可以被配置成当基板被支承在处理室内时控制第一真空排气部和第二真空排气部以在上区段与下区段之间形成压力差。

压力计可以被定位成当基板被支承在处理室内时测量上区段与下区段之间的压力差并且提供工艺反馈以用于压力差的调节。控制器可以被配置成通过控制第一真空排气部174和第二真空排气部134来控制基板的挠曲。气体分配单元可以包括被配置成可控制地加热沉积气体的第一加热机构137。第二加热机构177可以被定位在处理室的上区段中。第二加热机构177被配置成在不接触基板的前侧表面的情况下来加热基板，例如通过辐射热和/或对流来加热。

基板支承机构可以被配置成在处理室内竖直地平移基板。换句话说，在被保持和密封的同时向上和向下移动基板。在其他实施方式中，气体分配单元可朝向基板的后侧表面移动并且可远离基板的后侧表面移动。取决于将沉积的膜的类型，该移动可能是有益的。在其他实施方式中，第二加热机构177可朝向基板的前侧表面移动并且可远离基板的前侧表面移动。该系统可以包括连接至气体分配单元的、被配置成产生沉积气体的远程等离子体源155。注意，给定气体分配单元的一部分可以位于处理室之外，而喷头或其他导管被定位在处理室内。

基板上方的加热器可以是加热灯或其他热投射装置例如光栅或扫描投射。加热器还可以包括辐射板或者对流机构。取决于特定的沉积反应，可以使基板与加热器之间的距离最小化。可以在上区段使用有益的气体种类例如氦以辅助传热。

在另一实施方式中，该系统在外围没有物理密封的情况下或者在没有足以物理阻挡基板保持器与基板周边之间的气流的密封(当搁置在基板保持器上时)的情况下起作用。在该实施方式中，形成了压力差或气流差，使得用于在后侧表面上沉积膜的沉积气体流至基板的后侧表面，然后由于周边气体压力流至排气部而不流至基板的前侧表面。图2示出了该实施方式。示出了基板支承机构120的剖面。在该实施方式中，基板支承机构是刚性的环形支承件，其具有与基板接触的平坦的支承表面。基板105的边缘被示出为搁置在后侧沉积装置的基板保持器上。在该实施方式中，不必具有有基板的周边搁置在其上的密封。相反，从源自前侧表面的惰性气体或吹扫气体到排气部的较高气体压力防止任何沉积气体到达基板的前侧表面。例如，惰性气体流可以被引导以穿过基板的周边，大致朝向后侧表面流动或者沿大致向下的方向流动。气体压力差本身可以在基板与基板支承件之间形成密封。

给定的气体压力差可以基于将沉积的特定膜材料和/或沉积工艺的类型。作为非限制性示例，如果下区段的压力保持在约1托，则上区段的压力可以保持在约1.5托。优选地，保持压力差足以防止沉积气体迁移至基板的前侧表面，而该压力差不足以造成基板的过度挠曲。

在一些实施方式中，可以存在单个排气部，而其他实施方式中可以存在两个或更多个排气部。存在用于源自室的上区段(前侧表面区域)穿过基板的前侧表面的惰性气体的排气部(第一真空排气部174)以及用于来自基板的后侧表面的沉积气体的排气部(第二真空排气部134)。惰性气体是惰性的，因为它不干扰后侧表面沉积反应而被选择。因此，惰性气体可能并非在所有化学性质上都是惰性的，而是在惰性气体到达后侧表面的情况下不会破坏沉积。图2中的箭头示出了基板支承机构的区域中的气流。

注意，在基板与基板支承件之间存在小间隙。这可能是由于基板仅搁置在支承件上并且由于基板不完全平坦而具有一些间隙。这可能是由于各种制造技术导致的典型晶片弯曲所致。因此，在基板与基板支承件之间具有空间的情况下，对于沉积气体而言存在足够的空间穿过这些间隙并行进至基板的顶部表面。然而，在该实施方式中，在基板的整个周边上，惰性气体压力保持在与沉积气体压力相比较大的压力。在基板支承件的外部部分上保持与下区段112中的沉积气体压力相比较高的惰性气体压力可以防止沉积气体穿过基板与基板支承件之间的间隙。

除了较高的压力之外，惰性气体还可以被引向远离前侧表面定位的惰性气体排气部(第一真空排气部174)。因此，朝向该排气部的惰性气体流可以进一步防止沉积气体到达前侧表面。利用这种配置，惰性气体流大部分流至第一真空排气部174，但是在上区段111中具有较高的压力导致一部分惰性气体通过基板与基板支承件之间的任何间隙流至第二真空排气部134。因此，在该实施方式中，在基板的外围周围不需要密封，并且这种差动气压和/或定向气流防止任何沉积气体到达基板的前侧表面。碰巧通过任何间隙的任何沉积气体随后将流至第一真空排气部174，而不会到达前侧表面106。在一些实施方式中，单个真空泵可以用于第一真空排气部174和第二真空排气部134两者。排气导管的大小可以变化以产生压降来帮助排出气体流向单个真空泵。

另一实施方式包括用于在基板的后侧上沉积膜的装置，该装置使用压力差保护基板的前侧表面。在该实施方式中，处理室具有上区段和下区段。基板支承件被定位在处理室中，并且被配置成将基板保持在上区段与下区段之间。该支承件可以例如是刚性的环形支承件。基板具有用于电子器件的前侧表面和与前侧表面相对的后侧表面。基板支承件被配置成在基板的周边处支承基板，而不与前侧表面的内部区域接触并且不与后侧表面的内部区域接触。基板支承件被配置成以前侧表面面向上区段并且后侧表面面向下区段的方式来支承基板。

第一气体分配单元被定位在下区段中并且当基板由基板支承机构保持时面向基板的后侧表面。第一气体分配单元被配置成将沉积气体引导至基板的后侧表面以在基板的后侧表面上沉积膜。这可以包括具有与基板的直径相似的直径的喷头组件，或者喷头组件可以实质上较小并且可以被定位在基板的中心点附近以使沉积气体径向地流到基板的后侧表面上。

第二气体分配单元被配置成使惰性气体流到处理室的上区段中，以足以在上区段产生与下区段相比较大的气压。第二气体分配单元可以被实施为喷头组件或者中心定位的导管或外围定位的导管等。

控制器被配置成控制来自第一气体分配单元的沉积气体的流动以用于基板的后侧表面上的沉积。控制器还被配置成控制惰性气体流入到上区段中以维持足以防止在基板搁置在基板支承件上时沉积气体从下区段流至基板的前侧表面的气体压力差。控制器可以被实施为一个或更多个控制器。

第一真空排气部可以连接至上区段，并且第二真空排气部可以连接至下区段。控制器可以被配置成当基板被支承在处理室内时控制第一真空排气部和第二真空排气部以在上区段与下区段之间产生压力差(或者有助于产生压力差)。在其他实施方式中，第一真空排气部连接至上区段，第二真空排气部连接至下区段，其中，第一真空排气部和第二真空排气部连接至单个真空泵。

因此，可以使用压力差和/或惰性气体流来执行后侧晶片沉积，而不会将不期望的材料沉积在基板的工作表面上。

在前面的描述中，已经阐明了具体细节，例如处理系统的特定几何形状以及对本文中使用的各种部件和工艺的描述。然而，应当理解，本文中的技术可以在脱离这些具体细节的其他实施方式中实施，并且这些细节是为了说明而不是限制的目的。已经参照附图描述了本文公开的实施方式。类似地，出于说明的目的，已经阐述了具体的数字、材料和配置以提供透彻的理解。然而，可以在没有这样的具体细节的情况下实施实施方式。具有大致相同的功能构造的部件由相同的附图标记表示，因而可以省去任何多余的描述。

已经将各种技术描述为多个离散操作以帮助理解各种实施方式。描述的顺序不应被解释为意味着这些操作必须依赖于该顺序。实际上，这些操作不需要按照呈现的顺序执行。可以以与所描述的实施方式不同的顺序来执行所描述的操作。在另外的实施方式中，可以执行各种另外的操作和/或可以省略所描述的操作。

如本文中使用的“基板”或“目标基板”一般是指根据本发明将被处理的对象。基板可以包括器件特别是半导体或其他电子器件的任何材料部分或结构，并且可以例如是诸如半导体晶片、分划板的基础基板结构或者在基础基板结构上或覆盖在基础基板结构上的层例如薄膜。因此，基板不限于图案化或未图案化的任何特定的基础结构、下覆层或覆盖层，而是预期包括任何这样的层或基础结构以及层和/或基础结构的任何组合。描述可能参考特定类型的基板，但这仅仅是为了说明的目的。

本领域技术人员还将理解，可以对以上说明的技术的操作进行许多变化，同时仍然实现本发明的相同目的。这样的变化旨在由本公开内容的范围覆盖。因此，本发明的实施方式的前述描述并非旨在限制。相反，对本发明的实施方式的任何限制均在所附权利要求中呈现。