CN108682629B - 控制衬底接近目标水平面的系统和方法 - Google Patents

控制衬底接近目标水平面的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及控制衬底接近目标水平面的系统和方法。当衬底保持器围绕旋转轴线旋转时，确定位于衬底保持器的支撑表面上的凹口对准特征相对于远离衬底保持器的旋转轴线垂直延伸的固定参考射线的实时方位角位置。确定凹口对准特征相对于固定参考射线的接近开始方位角位置，在该接近开始方位角位置处衬底保持器的竖直运动应该开始，以便当衬底保持器到达规定竖直位置时使凹口对准特征相对于固定参考射线位于规定方位角位置处。确定使凹口对准特征位于接近开始方位角位置处所需的时间延迟。根据经确定的时间延迟开始衬底保持器的竖直运动。

Description

控制衬底接近目标水平面的系统和方法
技术领域
本发明涉及半导体器件制造。
背景技术
现代半导体器件制造可以包括在衬底上执行电镀工艺以在存在于衬底上的结构内镀敷导电材料层。在电镀工艺中，电镀单元(即工具)装载有衬底。衬底在衬底进入电镀溶液之前倾斜并旋转，以提供气泡清除和工艺改进。在较新的技术节点中通常使用恒电位电镀工艺，其中在衬底进入电镀溶液期间向衬底上的导电晶种层施加电压，以便防止晶种材料溶解并在衬底进入时保持衬底上的均匀电流密度。在恒电位电镀工艺中，一旦导电晶种层材料与电镀溶液接触就会发生电镀。衬底上的根据衬底上位置的变化而变化的电镀结果可以与衬底如何进入电镀溶液相关。因此，知道衬底上的哪个点首先接触电镀溶液是令人感兴趣的。正是在这种环境下，出现了本发明。
发明内容
在一个示例性实施方式中，公开了一种电镀系统。该电镀系统包括衬底保持器，该衬底保持器具有被配置为接触衬底的背面的下表面。衬底保持器被构造成牢固地保持衬底，其中衬底的正面朝下。衬底保持器具有位于衬底保持器的下表面的周边的凹口对准特征。衬底保持器被构造成绕延伸穿过衬底保持器的下表面的中心点的旋转轴线旋转。旋转轴线垂直于衬底保持器的下表面定向。衬底保持器被构造成相对于水平面倾斜。衬底保持器被构造成相对于位于衬底保持器下方的电镀溶液浴竖直运动。电镀系统包括连接到衬底保持器的倾斜机构，以提供衬底保持器的下表面相对于水平面的角位置控制。电镀系统包括连接到衬底保持器的升降机构，以提供衬底保持器的竖直位置控制。该电镀系统包括连接到衬底保持器的旋转机构，以提供衬底保持器围绕旋转轴线的旋转控制。所述电镀系统包括控制器，所述控制器被配置为提供所述升降机构和所述旋转机构的集成控制，以使得当所述衬底保持器到达规定竖直位置时能够控制所述凹口对准特征围绕所述旋转轴线相对于远离所述旋转轴线垂直延伸的固定参考射线的方位角位置，在所述规定竖直位置处，保持在所述衬底保持器上的所述衬底首先接触所述电镀溶液浴。
在示例实施方式中，公开了一种用于控制衬底朝向目标水平面接近的系统。所述系统包括凹口对准特征定位模块，所述凹口对准特征定位模块被配置为当衬底保持器围绕垂直于所述衬底保持器的下表面定向的旋转轴线旋转时确定位于所述衬底保持器的下表面的周边的凹口对准特征的实时方位角位置。所述凹口对准特征的所述实时方位角位置相对于远离所述旋转轴线垂直延伸的固定参考射线而确定。该系统还包括接近开始控制模块，所述接近开始控制模块被配置为确定所述凹口对准特征相对于所述固定参考射线的接近开始方位角位置，在所述接近开始方位角位置处，所述衬底保持器的竖直运动应该开始，以便当所述衬底保持器到达规定竖直位置时使所述凹口对准特征相对于所述固定参考射线位于规定方位角位置处。所述接近开始控制模块进一步配置为基于所述凹口对准特征的经确定的所述实时方位角位置以及基于所述衬底保持器的实时旋转状态确定使所述凹口对准特征位于所述接近开始方位角位置所需的时间延迟。所述接近开始控制模块还被配置为根据经确定的所述时间延迟来开始所述衬底保持器的竖直运动。
在示例实施方式中，公开了一种用于控制衬底朝向目标水平面接近的方法。该方法包括将衬底定位在被配置为牢固地保持衬底的衬底保持器的支撑表面上。衬底保持器具有位于衬底保持器的支撑表面的周边的凹口对准特征。衬底保持器被构造成绕延伸穿过衬底保持器的支撑表面的中心点的旋转轴线旋转。旋转轴线垂直于衬底保持器的支撑表面定向。衬底保持器被构造成相对于目标水平面倾斜。衬底保持器被构造成相对于目标水平面竖直运动。该方法还包括使衬底保持器相对于目标水平面倾斜至支撑表面的规定角位置。该方法还包括以规定的旋转速度使衬底保持器绕旋转轴线旋转。该方法还包括当衬底保持器围绕旋转轴线旋转时确定凹口对准特征的实时方位角位置。凹口对准特征的实时方位角位置相对于远离所述旋转轴线垂直延伸的固定参考射线确定。该方法还包括确定所述凹口对准特征相对于所述固定参考射线的接近开始方位角位置，在所述接近开始方位角位置处，所述衬底保持器的竖直运动应当开始，以便当所述衬底保持器相对于所述目标水平面达到规定竖直位置时使所述凹口对准特征相对于所述固定参考射线位于规定方位角位置处。该方法还包括基于凹口对准特征的确定的实时方位角位置和规定旋转速度确定使凹口对准特征位于接近开始方位角位置处所需的时间延迟。该方法还包括根据经确定的时间延迟开始衬底保持器朝向目标水平面的竖直运动。
具体而言，本发明的一些方面可以阐述如下：
1.一种电镀系统，其包括：
衬底保持器，其具有构造成接触衬底的背面的下表面，所述衬底保持器被构造为牢固地保持所述衬底，其中所述衬底的正面朝下，所述衬底保持器具有位于所述衬底保持器的所述下表面的周边的凹口对准特征，所述衬底保持器被构造成围绕延伸穿过所述衬底保持器的所述下表面的中心点的旋转轴线旋转，所述旋转轴线垂直于所述衬底保持器的所述下表面定向，所述衬底保持器被构造成相对于水平面倾斜，所述衬底保持器构造成相对于将位于所述衬底保持器下方的电镀溶液浴竖直运动；
倾斜机构，所述倾斜机构连接到所述衬底保持器以提供所述衬底保持器的所述下表面相对于所述水平面的角位置控制；
升降机构，其连接至所述衬底保持器以提供所述衬底保持器的竖直位置控制；
旋转机构，所述旋转机构连接到所述衬底保持器以提供所述衬底保持器围绕所述旋转轴线的旋转控制；以及
控制器，所述控制器被配置成提供所述升降机构和所述旋转机构的集成控制，以使得当所述衬底保持器到达规定竖直位置时能够控制所述凹口对准特征围绕所述旋转轴线相对于远离所述旋转轴线垂直延伸的固定参考射线的方位角位置，在所述规定竖直位置处，保持在所述衬底保持器上的所述衬底首先接触所述电镀溶液浴。
2.根据条款1所述的电镀系统，其中所述控制器包括凹口对准特征定位模块，所述凹口对准特征定位模块被配置成当所述衬底保持器围绕所述旋转轴线旋转时确定所述凹口对准特征相对于所述固定参考射线的实时方位角位置。
3.根据条款2所述的电镀系统，其中所述凹口对准特征定位模块在所述控制器内实现为硬件和固件的组合。
4.根据条款2所述的电镀系统，其中，所述控制器包括接近开始控制模块，所述接近开始控制模块被配置为确定所述凹口对准特征相对于所述固定参考射线的接近开始方位角位置，在所述接近开始方位角位置处，所述衬底保持器的向下运动应该开始，以便当所述衬底保持器到达规定竖直位置时使所述凹口对准特征相对于所述固定参考射线位于规定方位角位置处。
5.根据条款4所述的电镀系统，其中所述接近开始控制模块被配置为处理进入简档以确定所述凹口对准特征相对于所述固定参考射线的所述接近开始方位角位置，所述进入简档包括从所述衬底保持器的向下运动的开始直到所述衬底保持器到达所述规定竖直位置要实施的所述衬底保持器的旋转运动规范和所述衬底保持器的竖直运动规范。
6.根据条款5所述的电镀系统，其中所述控制器被配置为从外部数据库获得所述进入简档。
7.根据条款4所述的电镀系统，其中所述接近开始控制模块被配置为从外部数据库获得所述凹口对准特征相对于所述固定参考射线的所述接近开始方位角位置，在所述外部数据库中对于不同的进入简档存储有所述凹口对准特征相对于所述固定参考射线的多个预定接近开始方位角位置。
8.根据条款4所述的电镀系统，其中，所述接近开始控制模块被配置为基于经确定的所述凹口对准特征的所述实时方位角位置以及基于所述衬底保持器的实时旋转状态确定使所述凹口对准特征相对于所述固定参考射线位于所述接近开始方位角位置处所需的时间延迟。
9.根据条款8所述的电镀系统，其中所述接近开始控制模块包括被配置为确定所述时间延迟的硬件和固件的组合。
10.根据条款8所述的电镀系统，其中所述控制器被配置为根据经确定的所述时间延迟来引导所述升降机构开始所述衬底保持器的向下移动。
11.一种用于控制衬底朝向目标水平面接近的系统，其包括：
凹口对准特征定位模块，所述凹口对准特征定位模块被配置为当衬底保持器围绕垂直于所述衬底保持器的下表面定向的旋转轴线旋转时确定位于所述衬底保持器的所述下表面的周边的凹口对准特征的实时方位角位置，其中所述凹口对准特征的所述实时方位角位置相对于远离所述旋转轴线垂直延伸的固定参考射线而确定；以及
接近开始控制模块，所述接近开始控制模块被配置为确定所述凹口对准特征相对于所述固定参考射线的接近开始方位角位置，在所述接近开始方位角位置处，所述衬底保持器的向下运动应该开始，以便当所述衬底保持器到达规定竖直位置时使所述凹口对准特征相对于所述固定参考射线位于规定方位角位置处，所述接近开始控制模块进一步配置为基于所述凹口对准特征的经确定的所述实时方位角位置以及基于所述衬底保持器的实时旋转状态确定使所述凹口对准特征位于所述接近开始方位角位置所需的时间延迟，所述接近开始控制模块还被配置为根据经确定的所述时间延迟来开始所述衬底保持器的竖直运动。
12.根据条款11所述的系统，其特征在于，所述规定竖直位置是所述衬底保持器的竖直位置，在该竖直位置处，保持在所述衬底保持器的下表面上的衬底首先到达所述目标水平面。
13.根据条款12所述的系统，其中所述目标水平面对应于液体浴的顶表面。
14.根据条款13所述的系统，其中所述液体是电镀溶液。
15.根据条款11所述的系统，其还包括：
接触验证模块，其被配置为在所述衬底保持器到达所述规定竖直位置的精确时刻记录所述凹口对准特征相对于所述固定参考射线的实际方位角位置。
16.一种用于控制衬底朝向目标水平面接近的方法，其包括：
将衬底定位在被配置成牢固地保持衬底的衬底保持器的支撑表面上，所述衬底保持器具有位于所述衬底保持器的支撑表面的周边的凹口对准特征，所述衬底保持器被构造成围绕延伸穿过所述衬底保持器的所述支撑表面的中心点的旋转轴线旋转，所述旋转轴线垂直于所述衬底保持器的所述支撑表面定向，所述衬底保持器被配置为相对于水平参考平面倾斜，所述衬底保持器被配置为相对于所述目标水平面竖直运动；
使所述衬底保持器相对于所述水平参考平面倾斜至所述支撑表面的规定角位置；
以规定旋转速度使所述衬底保持器围绕所述旋转轴线旋转；
当所述衬底保持器围绕所述旋转轴线旋转时，确定所述凹口对准特征的实时方位角位置，其中所述凹口对准特征的所述实时方位角位置相对于远离所述旋转轴线垂直延伸的固定参考射线确定；
确定所述凹口对准特征相对于所述固定参考射线的接近开始方位角位置，在所述接近开始方位角位置处，所述衬底保持器的竖直运动应当开始，以便当所述衬底保持器相对于所述目标水平面达到规定竖直位置时使所述凹口对准特征相对于所述固定参考射线位于规定方位角位置处；
基于所述凹口对准特征的经确定的所述实时方位角位置以及基于所述规定旋转速度来确定使所述凹口对准特征位于所述接近开始方位角位置处所需的时间延迟；以及
根据经确定的所述时间延迟开始所述衬底保持器朝向所述目标水平面的竖直运动。
17.根据条款16所述的方法，其中确定使所述凹口对准特征位于所述接近开始方位角位置所需的所述时间延迟以及根据经确定的所述时间延迟开始所述衬底保持器朝向所述目标水平面的竖直运动是通过硬件和固件的组合来执行的，以避免由于信号通信延迟引起开始所述衬底保持器朝向所述目标水平面的竖直运动的不精确性。
18.根据条款16所述的方法，其中确定所述凹口对准特征相对于所述固定参考射线的所述接近开始方位角位置包括处理进入简档，所述进入简档包括从所述衬底保持器的向下运动的开始直到所述衬底保持器相对于所述目标水平面到达所述规定竖直位置要实施的所述衬底保持器的旋转运动规范和所述衬底保持器的竖直运动规范。
19.根据条款16所述的方法，其还包括：
在所述衬底保持器相对于所述目标水平面达到所述规定竖直位置的精确时刻，记录所述凹口对准特征相对于所述固定参考射线的实际方位角位置。
20.根据条款16所述的方法，其中所述目标水平面对应于位于所述衬底保持器下方的电镀溶液浴的顶表面，并且其中所述衬底保持器的所述支撑表面是所述衬底保持器的下表面，并且其中所述衬底保持器朝向所述目标水平面的所述竖直运动是所述衬底保持器的向下运动。
通过以下结合附图的详细描述，本发明的其他方面和优点将变得更加明显，附图以示例的方式说明本发明。
附图说明
图1A示出了根据本发明的一些实施方式的电镀系统的示例图。
图1B示出了根据本发明的一些实施方式的朝向由衬底保持器保持的衬底的下侧看去的图1A中提及的视图A-A。
图1C根据本发明的一些实施方式示出了图1B的视图A-A，其中衬底保持器围绕旋转轴线旋转，使得凹口对准特征相对于固定参考射线位于90°的方位角位置。
图2A根据本发明的一些实施方式示出了定位在参考z方向的衬底装载位置处的图1A-1C的衬底保持器。
图2B根据本发明的一些实施方式示出了图1A至图1C的衬底保持器，其位于参考z方向的衬底装载位置处，进入开始状态已经应用至衬底保持器。
图2C根据本发明的一些实施方式示出了图1A-1C的衬底保持器已经相对于目标水平面从衬底装载位置竖直运动一段距离到规定竖直位置。
图2D根据本发明的一些实施方式示出了图1A-1C的衬底保持器已经从衬底装载位置竖直运动一段距离到达目标处理竖直位置。
图3根据本发明一些实施方式示出了控制器的示例体系结构。
图4根据本发明的一些实施方式示出了用于控制衬底朝向目标水平面接近的方法的流程图。
图5A示出了许多衬底度量雾度图(metrology haze map)，其显示了当衬底首次接触电镀溶液时缺乏对凹口对准特征的控制，这可能在没有本文公开的先进凹口控制(Advanced Notch Control)系统和方法的情况下发生。
图5B根据本发明的一些实施方式示出了许多衬底度量雾度图，其显示了当衬底第一次接触电镀溶液时，本文公开的先进凹口控制系统和方法如何提供凹口对准特征位置相对于固定参考射线的控制。
图6示出了在具有和不具有本文公开的先进凹口控制系统和方法的不同进入条件下运行的一组衬底在衬底进入期间的凹口对准特征位置的比较。
具体实施方式
在以下描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，可以在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实践本发明。在其它情况下，众所周知的处理操作没有被详细描述以免不必要地模糊本发明。
图1A根据本发明一些实施方式示出了电镀系统100的示例图。电镀系统100包括衬底保持器101，衬底保持器101具有构造为接触衬底103背面的下表面。衬底保持器101构造为牢固地保持衬底103，其中衬底103的正面朝下。图1B根据本发明的一些实施方式示出了朝向由衬底保持器101保持的衬底103的下侧看去的图1A中提及的视图A-A。如图1B所示，衬底保持器101具有位于衬底保持器101的下表面周边处的凹口对准特征117。衬底103具有凹口119，当衬底103定位在衬底保持器101上时，凹口对准特征117与凹口119对准。
在一些实施方式中，衬底103是经历制造程序的半导体晶片。然而，应该理解，在各种实施方式中，衬底103可以基本上是进行电镀工艺的任何类型的衬底。例如，在一些实施方式中，这里使用的术语衬底103可以指由蓝宝石、GaN、GA-As或SiC或其他衬底材料形成的衬底，并且可以包括玻璃面板/基板、金属箔、金属片、聚合物材料、或类似的。而且，在各种实施方式中，如本文所提到的衬底103可以在形式、形状和/或尺寸上变化。例如，在一些实施方式中，这里所指的衬底103可对应于200mm(毫米)的半导体晶片、300mm的半导体晶片或450mm的半导体晶片。而且，在一些实施方式中，本文中提到的衬底103可以对应于非圆形衬底，诸如用于平板显示器的矩形衬底等，以及其他形状。
如图1A和1B所示，如旋转箭头109所示，衬底保持器101被构造成围绕穿过衬底保持器101的下表面的中心点延伸的旋转轴线105旋转。应该理解的是，在各种电镀工艺实施方式中，衬底保持器101可以以顺时针方式围绕旋转轴线105旋转，或者以逆时针方式围绕旋转轴线105旋转，或者以顺时针方向和逆时针方向围绕旋转轴线105旋转。因此，应该理解的是，旋转箭头109的方向是作为例子提供的。旋转轴线105垂直于衬底保持器101的下表面定向。衬底保持器101还构造成相对于水平参考平面110倾斜，使得衬底保持器101的下表面相对于水平参考平面110以规定角度位置112移动。衬底保持器101被配置为相对于将位于衬底保持器101下方的电镀溶液111的浴垂直(在z方向上)移动。
电镀系统100还包括连接到衬底保持器101的倾斜机构127，以提供衬底保持器101的下表面相对于水平参考平面110的角位置控制。电镀系统100还包括连接到衬底保持器101的升降机构129以提供衬底保持器101的竖直位置控制(沿z方向)。电镀系统100还包括连接到衬底保持器101的旋转机构125，以提供衬底保持器101围绕旋转轴线105的旋转控制。电镀系统100还包括控制器131以提供对倾斜机构127、升降机构129和旋转机构125的控制。更具体地，控制器131被配置为提供升降机构129和旋转机构125的实时集成控制，以使得当衬底保持器101相对于目标水平面113到达规定竖直位置(在z方向上)时能够控制凹口对准特征117围绕旋转轴线105相对于远离旋转轴线105垂直地延伸的固定参考射线115的方位角位置121(参见图1B)。应当理解的是，固定参考射线115位于与衬底保持器101的下表面重合的平面内。例如，图1C示出了图1B的视图A-A，其中衬底保持器101围绕旋转轴线105旋转使得凹口对准特征117相对于固定参考射线115位于90°的方位角位置123处。在一些实施方式中，衬底保持器101相对于目标水平面113的规定竖直位置对应于衬底保持器101的保持在衬底保持器101上的衬底103首先接触电镀溶液111的浴的竖直位置。因此，在这些实施方式中，控制器131被配置为提供升降机构129和旋转机构125的实时集成控制，以当保持在衬底保持器101上的衬底103首先接触电镀溶液111的浴时，在衬底保持器101在竖直(z)方向上向下移动时，实现对凹口对准特征117围绕旋转轴线105相对于固定参考射线115的方位角位置121(参见图1B)的控制。
因为一旦衬底101接触电镀溶液111就开始电镀，所以知道并控制衬底101上的首先接触电镀溶液111的位置对于工艺稳定性和缺陷故障排除目的是重要的。本文公开了用于精确地监视和控制衬底101上的首先接触电镀溶液111的位置的系统和方法。衬底101上首先接触电镀溶液111的位置的精确监视和控制可称为先进凹口控制(ANC)。
在衬底103进入电镀溶液111之前，存在由控制器131执行的多个机械和硬件验证步骤，诸如验证衬底103在衬底保持器101上的适当装载、衬底保持器101转速验证、衬底保持器101倾斜角度验证、电镀溶液111流速验证、电镀溶液111温度验证、电源通信和准备验证等。在执行这些各种机械和硬件验证步骤时存在固有的硬件和软件通信延迟。而且，由于这些验证步骤中的许多步骤是在衬底保持器101开始旋转以提高生产量之后执行的，因此衬底与衬底间看到衬底103上的首先接触电镀溶液111的位置的变化，这导致工艺稳定性问题并影响整体器件产量。
在具有越来越小的特征尺寸的新技术节点中，电镀工艺可以在几秒钟内填充整个特征。而且，大部分空洞和灾难性器件缺陷在电镀工艺的初始阶段发生。例如，在电镀工艺开始时，例如在电镀工艺的第一秒内，可发生电镀缺陷，例如空洞和/或晶种层溶解等。而且，衬底103的表面上的电镀溶液111的流动动力学可以取决于衬底103上首先接触电镀溶液111的位置。因此，有必要知道衬底103上首先接触电镀溶液111的特定位置，以便于故障排除。
传统的电镀系统不提供对衬底103上首先接触电镀溶液111的特定位置的控制或监视。现有的用于识别衬底103上首先接触电镀溶液111的特定位置的“老化(burn-in)”方法是当坯料Cu晶种晶片(blank Cu seed wafer)被移动以初始接触电镀溶液111时，将向坯料Cu晶种晶片施加高电压(>2V)，从而导致产生“烧伤痕迹”(或“雾度标记”)，表明坯料Cu晶种晶片上的哪个位置首先接触电镀溶液111。在电镀工艺之后，可以在雾度图测量工具上测量坯料Cu晶种晶片以识别首先接触电镀溶液111的位置。然后，与用于坯料铜晶种晶片的相同衬底103装载和移动程序将被用于电镀另一图案化晶片，其中假设对于坯料Cu晶种晶片确定的初始电镀接触位置将适用于图案化晶片。
然而，衬底103上的缺陷性能取决于衬底103进入电镀溶液111的整体进入简档(entry profile)，其中首先与电镀溶液111接触的位置是整体进入简档中的许多参数之一。例如，进入简档还可以包括诸如衬底103倾斜角度、衬底103旋转加速度/减速度/速度、衬底103竖直加速度/减速度/速度、电镀溶液111填充水平、电镀溶液111组成、电镀溶液111流速、电镀溶液111温度等等之类的参数。因此，之前的“老化”方法不够可靠，无法支持缺陷故障排除分析。此外，先前的“老化”方法导致额外的电镀工具停机时间，并且需要额外的资源并增加成本。
需要关于衬底上的首先接触电镀溶液111的位置的信息以找到缺陷(例如空洞)的根本原因，并且在缺陷形成时确定电镀步骤。应该理解的是，衬底到衬底的关于衬底上的首先接触电镀溶液111的位置的可变性使得其非常难以(如果不是不可能的话)在缺陷故障排除期间将具有低命中率(不经常发生)的缺陷与衬底上的首先接触电镀溶液111的位置相关联。因此，当衬底上的首先接触电镀溶液111的位置从一个衬底到另一个衬底存在变化时，缺陷故障排除过程变得不太可靠。而且，关于“老化”方法，应该理解的是，坯料Cu晶种晶片上的首先接触电镀溶液111的位置可能与图案化衬底上的存在缺陷特征的首先接触电镀溶液111的位置不同，这可能会使缺陷故障排除过程变得复杂。
图2A-2D根据本发明的一些实施方式示出了说明衬底保持器101在电镀工艺中的移动的一系列图。图2A根据本发明的一些实施方式示出了定位在参考z方向的衬底装载位置201处的图1A-1C的衬底保持器101。在衬底装载位置201处，衬底103被定位并固定到衬底保持器101。应该理解的是，在一些实施方式中，衬底103在衬底保持器101上的装载可以使用可用于半导体制造行业的任何合适的机器人装置/机电装置。衬底装载位置201位于目标水平面113上方的距离202处，其中目标水平面113在该实例中对应于电镀溶液111的浴的顶面。应当理解，在其他实施方式中，目标水平面113可以被建立为基本上垂直于z方向的任何水平面，其提供可以指定衬底保持器101的竖直运动控制的适当参考。在一些实施方式中，目标水平面113可以位于电镀溶液111的浴的顶表面上方。并且，在一些实施方式中，目标水平面113可以位于电镀溶液111的浴的顶表面下方。并且，在一些实施方式中，目标水平面113可以位于基本上与电镀溶液111的浴的顶表面重合的位置。
根据本发明的一些实施方式，图2B示出了定位在参考z方向的衬底进入开始位置204的图1A-1C的衬底保持器101，进入开始状态已经应用到衬底保持器101。进入开始状态包括衬底保持器101的倾斜，使得衬底保持器101的下表面相对于水平参考平面110定向在规定角位置112处。进入开始状态还包括衬底保持器101围绕旋转轴线105以规定旋转速度旋转，如由旋转箭头109指示的。应当理解的是，在衬底保持器101从衬底进入开始位置204朝向目标水平面113竖直运动时，位于衬底保持器101的下表面上的凹陷对准特征117将在相对于水平参考平面110定向在规定角位置112的平面内以圆形路径围绕旋转轴线105行进。
图2C根据本发明的一些实施方式示出了图1A-1C的衬底保持器101已经相对于目标水平面113从衬底进入开始位置204竖直运动通过距离205到规定竖直位置203。在一些实施方式中，规定竖直位置203可以通过在衬底进入开始位置204与规定竖直位置203之间竖直地(在z方向上)测量的距离205来指定。并且，在一些实施方式中，规定竖直位置203可以通过竖直地(在z方向上)在规定竖直位置203和目标水平面113之间测量的距离207来指定。在一些实施方式中，规定竖直位置203被指定为对应于衬底103首先接触电镀溶液111的浴时衬底保持器101的竖直位置203，如位置208所示。在这些实施方式中，规定竖直位置203可称为液体接触点(LTP)。
图2D根据本发明的一些实施方式示出了图1A-1C的衬底保持器101已经从衬底进入开始位置204竖直运动通过距离211到达目标处理竖直位置209。在一些实施方式中，例如图2D中所示的示例，目标处理竖直位置209对应于衬底103完全浸没在电镀溶液111的浴中时衬底保持器101的竖直位置。然而，在一些实施方式中，目标处理竖直位置209对应于衬底103部分浸入电镀溶液111的浴中时衬底保持器101的竖直位置。并且，在一些实施方式中，目标处理竖直位置209对应于衬底103至少一半浸入电镀溶液111的浴中时衬底保持器101的竖直位置。
一些现有的电镀工具使用两个独立的主运动控制器来分别控制衬底保持器101的竖直运动和衬底保持器101的旋转，两个独立的主运动控制器中的每一个通过软件进行通信以协调竖直运动和旋转动作。应该理解的是，在这些现有电镀工具中，用于控制衬底保持器101的竖直运动和衬底保持器101的旋转的两个独立的主运动控制器不具有通过非软件方式(例如通过电路(硬件)和/或固件)彼此直接通信的能力。由于与控制软件的执行相关的正常的信号通信延迟，所以在两个独立的主运动控制器通过软件进行相互通信以进行竖直运动和旋转动作的协调的情况下，在衬底保持器101的协调的竖直和旋转运动的定时中具有非常高的精度是不可行的。
在衬底保持器竖直运动和旋转控制器之间的通信的定时中需要非常高的精度以在衬底旋转101时跟踪凹口对准特征117相对于固定参考射线115的位置，并且在精确时刻开始衬底保持器101朝向电镀溶液111的浴的竖直运动，在该在精确时刻凹口对准特征117相对于固定参考射线115被正确地定位。应当理解，由于衬底保持器101在其接近电镀溶液111期间快速竖直移动，所以仅仅在软件内简单地协调衬底保持器101竖直运动和旋转命令并不足以在衬底103首次接触电镀溶液111的精确时刻将凹口对准特征117相对于固定参考射线115进行精确定位。例如，在衬底保持器101围绕旋转轴线105以90转/每分钟(RPM)旋转的情况下，衬底保持器101竖直运动和/或旋转命令的执行中的10毫秒变化可能导致在衬底103首先接触电镀溶液111的精确时刻凹口对准特征117相对于固定参考射线115的位置的方位角变化超过5度。此外，电镀系统100设置的变化，诸如相对于电镀溶液111的浴的衬底进入开始位置204和/或衬底保持器101构造等可以在衬底103首先接触电镀溶液111的精确时刻影响控制凹口对准特征117相对于固定参考射线115的位置时的重复性。
本文公开的控制器131通过硬件和/或固件将衬底保持器101的竖直运动和旋转运动的控制合并到单个主控制器中，以实现衬底101的协调竖直和旋转运动的定时中的非常高的精确度。应当理解，通过在单个主控制器131中的硬件和/或固件中实现的衬底保持器101的竖直运动和旋转运动的控制，执行衬底保持器101竖直运动和/或旋转命令的延迟减少到小于微秒。而且，单个主控制器131的操作可通过软件编程，以使得能够根据规定的配方精确定时地执行衬底保持器101竖直运动和/或旋转指令，以在衬底103首先接触电镀溶液111时的精确时刻提供对凹口对准特征117相对于固定参考射线115的位置的控制。
如前所述，控制器131被配置为提供升降机构129和旋转机构125的实时集成控制，以使得能够当衬底保持器101相对于目标水平面113到达规定竖直位置203时控制凹口对准特征117围绕旋转轴线105相对于固定参考射线115的方位角位置。因此，应该理解的是，控制器131被配置为提供升降机构129和旋转机构125的实时集成控制来控制围绕旋转轴线105测量的在凹口对准特征117和衬底103上首先接触电镀溶液111的浴的位置之间的方位角距离。
图3根据本发明的一些实施方式示出了控制器131的示例体系结构。控制器131包括被配置为控制升降机构129的升降控制器305以及被配置为控制旋转机构125的旋转控制器307和被配置为控制倾斜机构127的倾斜控制器313。控制器131还被连接以从与电镀系统100一起部署的各种电镀单元度量317接收数据/信息/信号。例如，在一些实施方式中，各种电镀单元度量317可以包括用于检测和验证衬底保持器101的竖直位置和电镀溶液111的浴的上表面的一个或多个传感器。另外，在一些实施方式中，各种电镀单元度量317可以包括用于检测和验证衬底保持器101的旋转状态和/或倾斜状态的一个或多个传感器。而且，在一些实施方式中，各种电镀单元度量317可以包括用于检测和验证电镀溶液111的浴的一个或多个条件(例如，流速、温度、组成等等)的一个或多个传感器。
控制器131包括凹口对准特征定位模块319，该凹口对准特征定位模块319被配置成当衬底保持器101围绕旋转轴线105旋转时确定凹口对准特征117相对于固定参考射线115的实时方位角位置。应当理解的是，在衬底保持器101围绕旋转轴线105旋转时、当衬底保持器101被定位在衬底进入开始位置204处时并且在开始衬底保持器101朝向规定竖直位置203的竖直运动之前，凹口对准特征定位模块319被配置为跟踪和确定凹口对准特征117相对于固定参考射线115的实时方位角位置。同样，应当理解的是，在衬底保持器101从衬底进入开始位置204竖直运动到规定竖直位置203时，凹口对准特征定位模块319被配置为在衬底保持器101围绕旋转轴线105旋转时跟踪和确定凹口对准特征117相对于固定参考射线115的实时方位角位置。
在一些实施方式中，凹口对准特征定位模块319作为硬件和固件的组合在控制器131内实现。应该理解的是，作为硬件和固件的组合的凹口对准特征定位模块319的实施减轻了否则在凹口对准特征定位模块319以软件实现的情况下会发生的数据通信延迟。因此，在凹口对准特征定位模块319被实施为硬件和固件的组合的情况下，凹口对准特征定位模块319可以执行其在衬底保持器101的围绕旋转轴线105旋转时确定凹口对准特征117相对于固定参考射线115的实时方位角位置的功能。
控制器131还包括接近开始控制模块321，接近开始控制模块321被配置为确定凹口对准特征117相对于固定参考射线115的接近开始方位角位置，在该接近开始方位角位置处衬底保持器101的向下移动应当开始以便当衬底保持器101到达规定竖直位置203时使得凹口对准特征117相对于固定参考射线115位于规定的方位角位置。应当理解的是，凹口对准特征117相对于固定参考射线115的接近开始方位角位置是当衬底保持器101开始其从衬底进入开始位置204朝向规定竖直位置203的竖直运动(在z方向)时在固定参考射线115与存在于衬底保持器101的下表面上的凹口对准特征117之间围绕旋转轴线105以度数测量的方位角距离。并且，应该理解的是，凹口对准特征117相对于固定参考射线115的接近开始方位角位置被确定为使得在凹口对准特征117与衬底103上的首先接触电镀溶液111的浴的位置之间围绕旋转轴线105测量的方位角距离与衬底保持器101到达规定竖直位置203时的规定方位角距离相等。
在一些实施方式中，接近开始控制模块321作为硬件和固件的组合在控制器131内实现。应该理解的是，作为硬件和固件的组合的接近开始控制模块321的实现方案减轻了在以软件实现接近开始控制模块321时原本会发生的数据通信延迟。因此，在接近开始控制模块321被实现为硬件和固件的组合的情况下，接近开始控制模块321可以执行其确定凹口对准特征117相对于固定参考射线115的接近开始方位角位置的功能，在该接近开始方位角位置处，衬底保持器101应该开始向下运动，以便当衬底保持器101到达规定竖直位置203时使凹口对准特征117相对于固定参考射线115位于规定的方位角位置。
在一些实施方式中，接近开始控制模块321被配置为处理进入简档以确定凹口对准特征117相对于固定参考射线115的接近开始方位角位置。进入简档包括从衬底保持器101在衬底进入开始位置204处的竖直运动的开始直到衬底保持器101到达规定竖直位置203要实施的用于衬底保持器101的旋转运动规范和用于衬底保持器101的竖直运动规范。在一些实施方式中，电镀配方可以指定使用某个进入简档来优化电镀工艺，例如以最小化空气滞留。旋转运动规范包括指示在从衬底保持器101在衬底进入开始位置204处开始向下移动直到衬底保持器101到达规定竖直位置203的时间段期间如何使衬底保持器101围绕旋转轴线105旋转的信息(诸如旋转加速度、旋转减速度和/或旋转速度，全部作为时间的函数)。竖直运动规范包括指示在从衬底保持器101在衬底进入开始位置204处开始向下移动直到衬底保持器101到达规定竖直位置203的时间段期间衬底保持器101如何竖直移动(沿z方向向上、向下和/或向上和向下的组合)的信息(诸如竖直加速度、竖直减速度和/或竖直速度，全部作为时间的函数)。在一些实施方式中，控制器131被配置为从诸如数据库等之类的外部源323获得进入简档。
在一些实施方式中，接近开始控制模块321被配置为基于进入简档来计算凹口对准特征117相对于固定参考射线115的接近开始方位角位置。并且，在一些实施方式中，接近开始控制模块321被配置为从外部源325(诸如数据库等)获得凹口对准特征117相对于固定参考射线115的接近开始方位角位置，在外部源325中针对不同的进入简档存储有凹口对准特征117相对于固定参考射线115的多个预定的(即，预先计算的)接近开始方位角位置。
接近开始控制模块321还被配置为基于凹口对准特征117的确定的实时方位角位置和衬底保持器101的实时旋转状态确定使凹口对准特征117相对于固定参考射线115位于接近开始方位角位置所需的时间延迟。衬底保持器101的实时旋转状态包括表征衬底保持器101如何围绕旋转轴线105实时旋转的必要信息，诸如关于衬底保持器101的实时旋转速度、衬底保持器101的实时旋转加速度和/或衬底保持器101的实时旋转减速度的信息。控制器131被配置成根据经确定的时间延迟通过升降控制器305指导升降机构129开始衬底保持器101从衬底进入开始位置204到规定竖直位置203的竖直运动。
而且，在一些实施方式中，控制器131可以包括接触验证模块327，接触验证模块327被配置为在衬底保持器101到达规定竖直位置203时的精确时刻记录凹口对准特征117相对于固定参考射线115的实际方位角位置。在一些实施方式中，接触验证模块327被配置为确定(在衬底保持器101到达规定竖直位置203的精确时刻)凹口对准特征117相对于固定参考射线115的实际方位角位置和凹口对准特征117相对于固定参考射线115的规定方位角位置之间的方位角差。并且，在一些实施方式中，接触验证模块327被配置为基于所确定的方位角差确定对(如由接近开始控制模块321所确定的)时间延迟的调整，以将方位角差的绝对值减小到可接受的水平。在一些实施方式中，方位角差的绝对值的可接受水平高达约5度。并且，在一些实施方式中，控制器131被配置成将所确定的调整应用于时间延迟，以在随后的衬底处理事件中启动衬底保持器101的竖直运动。
在一些实施方式中，控制器131被配置为接收指定的衬底进入简档作为输入以及衬底进入开始位置204数据并且确定从衬底保持器101远离衬底进入开始位置204的初始竖直运动开始直到衬底保持器101到达衬底103首先接触电镀溶液111的规定竖直位置203将经过的进入过程时间。然后，根据该进入过程时间和在进入过程中对衬底保持器101的移动的追踪，当衬底保持器101到达规定竖直位置203时，控制器131确定凹口对准特征117相对于固定参考射线115的位置。然后，控制器131在开始衬底保持器101远离衬底进入开始位置204朝向规定竖直位置203的竖直运动之前确定所需的时间延迟，以便当衬底103首先接触电镀溶液111时使凹口对准特征117相对于固定参考射线115位于规定位置处。在一些实施方式中，时间延迟可以高达2秒。然而，应该理解的是，根据进入简档特性，时间延迟实质上可以是任何时间量。
在一些实施方式中，预先确定为电镀配方的一部分的进入简档在衬底103进入电镀溶液111的进入过程期间不会改变。而是，在发出移动至板指令之后，在衬底进入开始位置204处应用经确定的时间延迟，使得衬底保持器101根据预定进入简档的移动将导致当衬底103首先接触电镀溶液111时凹口对准特征117将相对于固定参考射线115处于规定位置。换句话说，利用预先编程的进入简档，当衬底保持器101开始朝向电镀溶液111竖直运动时，可以确定凹口对准特征117相对于固定参考射线115应当被定位的位置，使得当衬底103首先接触电镀溶液111时凹口对准特征117将相对于固定参考射线115处于规定位置。并且，因为凹口对准特征117的位置由控制器131从衬底保持器101上的衬底103的初始装载追踪，所以控制器131能够确定所需的时间延迟，以便当衬底保持器101朝向电镀溶液111的竖直移动开始时使凹口对准特征117相对于固定参考光线115处于规定位置。
应该理解的是，本文描述的用于控制衬底103进入电镀溶液111的浴中的原理可以推广到电镀应用之外的任何应用。在一般化的实施方式中，衬底保持器将在垂直于目标平面的方向上线性地移动，其中目标平面可以具有任何空间取向，例如水平、竖直、偏离水平等。在该一般化的实施方式中，衬底保持器101的旋转轴线105垂直于目标平面定向。而且，在该一般化的实施方式中，衬底保持器101在规定的角度位置112处的倾斜相对于平行于目标平面的参考平面进行。另外，在该一般化的实施方式中，如关于竖直(z方向)移动实施方式所描述的，相对于目标水平面113的规定竖直位置203变成相对于目标平面的规定的法向位置(normal position)，即在垂直于目标平面的矢量上的规定位置，衬底保持器101沿着该矢量朝向目标平面移动。
图4根据本发明的一些实施方式示出了用于控制衬底103朝向目标水平面113接近的方法的流程图。该方法包括用于将衬底103定位在被配置成牢固地保持衬底103的衬底保持器101的支撑表面上的操作401。衬底保持器101具有位于衬底保持器101的支撑表面的周边的凹口对准特征117。衬底保持器101被构造成绕延伸穿过衬底保持器101的支撑表面的中心点的旋转轴线105旋转。旋转轴线105垂直于衬底保持器101的支撑表面定向。衬底保持器101构造成相对于水平参考平面110倾斜。衬底保持器101构造成相对于目标水平面113竖直运动。该方法还包括用于使衬底保持器101相对于水平参考平面110倾斜至支撑表面的规定角位置112的操作403。该方法还包括操作405，操作405用于以规定的旋转速度使衬底保持器101围绕旋转轴线105旋转。
该方法还包括用于在衬底保持器101围绕旋转轴线105旋转时确定凹口对准特征117的实时方位角位置的操作407，其中凹口对准特征117的实时方位角位置相对于远离旋转轴线105垂直延伸的固定参考射线115来确定。该方法还包括操作409，操作409用于确定凹口对准特征117相对于固定参考射线115的接近开始方位角位置，在所述接近开始方位角位置处，衬底保持器101的竖直运动应当开始，以便当所述衬底保持器101相对于所述目标水平面113到达规定竖直位置203时凹口对准特征117相对于所述固定参考射线115定位在规定的方位角位置处。在一些实施方式中，确定凹口对准特征117相对于固定参考射线115的接近开始方位角位置包括处理进入简档，所述进入简档包括从衬底保持器101的竖直运动的开始直到衬底保持器101相对于目标水平面113到达规定竖直位置203要实施的用于衬底保持器101的旋转运动规范和用于衬底保持器101的竖直运动规范。
该方法还包括用于基于凹口对准特征117的确定的实时方位角位置以及基于规定旋转速度来确定使凹口对准特征117位于接近开始方位角位置处所需的时间延迟的操作411。
在一些实施方式中，确定使凹口对准特征117位于接近开始方位角位置所需的时间延迟并且根据经确定的时间延迟开始衬底保持器101朝向目标水平面113的竖直运动是通过硬件和固件的组合来执行的，以避免由于信号通信延迟而引起衬底保持器101朝向目标水平面113的竖直运动的不精确性。该方法还包括操作413，操作413用于根据经确定的时间延迟开始衬底保持器101朝向目标水平面113的竖直运动。在一些实施方式中，该方法还可以包括用于在衬底保持器101相对于目标水平面113到达规定竖直位置203时的精确时刻记录凹口对准特征117相对于固定参考射线115的实际方位角位置的操作。
在图4的方法的一些实施方式中，目标水平面113对应于位于衬底保持器101下方的电镀溶液111的浴的顶表面，并且所述衬底保持器101的支撑表面是所述衬底保持器101的下表面，并且所述衬底保持器101朝向所述目标水平面113的竖直移动是所述衬底保持器101的向下移动。然而，应该理解，图4的方法不限于电镀工艺。例如，图4的方法可以等同地应用于一般化的实施方式，在该一般化的实施方式中，衬底保持器101将沿垂直于目标平面的方向线性地移动，其中目标平面可以具有任何空间取向，水平、垂直、偏离水平等。在这个一般化的实施方式中，衬底保持器101的旋转轴线105垂直于目标平面定向。而且，在该一般化的实施方式中，衬底保持器101相对于平行于目标平面的参考平面倾斜至规定的角度位置112。而且，在该一般化的实施方式中，相对于目标水平面113的规定竖直位置203变成相对于目标平面的规定法向位置。
图5A示出了显示当衬底103首先接触电镀溶液111时对凹口对准特征117相对于固定参考射线115的位置的控制的缺乏的多个衬底度量雾度图，其可以在没有高级缺口控制系统和方法的情况下发生。图5A示出了首先接触电镀溶液111的每个衬底上的位置501。关于衬底上首先接触电镀溶液111的位置的衬底与衬底间可变性可归因于在不同衬底上执行的电镀工艺之间的衬底保持器101的竖直运动和/或旋转运动时间差异。
图5B根据本发明的一些实施方式示出了多个衬底度量雾度图，表明当衬底103首次接触电镀液111时本文公开的先进凹口控制系统和方法如何提供凹口对准特征117相对于固定参考射线115的位置的控制。图5B表明，本文公开的先进凹口控制系统和方法提供了凹口对准特征117相对于固定参考射线115的位置的有效监测和控制，以在不同衬底上执行的不同电镀工艺中当衬底103首先接触电镀溶液111时实现相对于固定参考射线115的凹口对准特征117位置的定位的可重复性，这可以促进缺陷故障排除。
图6示出了在具有和不具有本文公开的先进凹口控制系统和方法的不同进入条件下运行的一组衬底的衬底进入期间的凹口对准特征117定位的比较。在没有先进凹口控制的情况下，凹口对准特征117的位置可以相对于固定参考射线115在从-180°到+180°的范围内随机变化。利用先进凹口控制，凹口对准特征117的位置可以被控制在围绕凹口对准特征117相对于固定参考射线115的规定位置的5°范围，如紧密分组的数据点601所指示的。在一些实施方式中，无论进入简档和电镀系统设置如何，这里描述的先进凹口控制系统和方法可以控制当衬底103首先接触电镀溶液111时凹口对准特征117相对于固定参考射线115的位置在至多+/-5°的方位角范围内。
本文描述的先进凹口控制系统和方法包括控制器131硬件和固件以及控制器131软件程序中的进步，以实现衬底保持器101的竖直运动、旋转运动和倾斜运动的集成控制。应该理解的是，通过在衬底103进入电镀溶液111期间通过单个主控制器131控制衬底保持器101的竖直、旋转和倾斜运动，衬底保持器101的这些不同运动可以同步并且以非常精确的定时执行，以提供对衬底103上的首先接触电镀溶液111的位置的控制。此外，这里公开的先进凹口控制系统和方法使得能够在衬底103进入电镀溶液111期间实现衬底保持器101的特别协调的竖直、旋转和倾斜运动，这可以导致电镀工艺改进和器件产量提高。在单个主控制器131的控制下，在衬底保持器101的竖直、旋转和倾斜运动的情况下，可以规划衬底103进入电镀溶液111的进入运动，并根据用户定义的程序和/或工艺配方规定凹口对准特征117相对于衬底103上的首先接触电镀溶液111的位置。
在一些实施方式中，控制器131中的固件被配置为通过固件中的点表执行衬底保持器101竖直运动进入简档计算，用于梯形和复杂函数进入运动。梯形进入点表可以设计成考虑衬底保持器101竖直加速度、衬底保持器101竖直减速度、衬底103进入液体接触点和衬底保持器101位置的可变性。利用作为固件的一部分实施的衬底保持器101的竖直运动简档，可以基于通过处理配方请求的特定衬底保持器101竖直运动简档来预先计算衬底保持器101的竖直运动定时。控制器131的固件能够实时跟踪凹口对准特征117的位置，并且使用它来基于工艺配方内指定的任何衬底保持器101的竖直运动简档和旋转速度来预测在衬底保持器101的任何给定竖直位置处的凹口对准特征117的位置。
如上所述，在没有这里公开的先进凹口控制系统和方法的情况下，在衬底103进入电镀溶液111之前执行电镀工艺可以包括一些信号通信延迟，其导致相对于衬底103上的首先接触电镀溶液111的位置的凹口对准特征117位置的可变性。然而，利用先进凹口控制系统和方法，控制器131能够实时跟踪凹口对准特征117的位置，直到最后移动到板的命令，该命令启动衬底保持器101朝向电镀溶液111的浴的竖直运动。在移动到板的命令之前，控制器131跟踪凹口对准特征117的位置，预先计算衬底保持器101的竖直运动定时，并且预测当衬底103首先接触电镀溶液111时的最终凹口对准特征117位置。此外，在一些实施方式中，衬底103上的首先接触电镀溶液111的位置可以被指定为通过与控制器131通信的控制系统软件的输入。
在一些实施方式中，可能期望在许多多个衬底中使衬底103上的相同位置首先接触用于每个衬底的电镀溶液111。本文公开的先进凹口控制系统和方法提供了当衬底103首先接触电镀溶液111时使凹口对准特征117相对于固定参考射线115位于规定位置处所需的时间延迟的动态计算，如电镀工艺配方中所述。基于衬底保持器101的现有旋转速度和衬底保持器101的垂直移动规范，控制器131实时执行定时计算(timing computation)，以在衬底103首次接触电镀溶液111时实现对凹口对准特征117位置的精确和可重复控制。此外，因为定时计算由控制器131内的固件快速执行，所以衬底处理吞吐量得到提高。
在一些实施方式中，衬底电镀工艺进入简档由一组3到50个升降点表格定义。升降点表格上的每个点包括衬底保持器101竖直位置(相对于衬底103首先接触电镀溶液111的规定衬底保持器竖直位置203限定)，以及在衬底保持器101竖直位置处的衬底保持器101竖直运动速度、加速度以及减速度值。具有25个点的示例衬底电镀工艺进入简档将由100个参数值限定，所述100个参数值对应于每个衬底保持器101竖直位置处的衬底保持器101竖直运动速度、加速度和减速度值。
由于每个电镀工艺配方可以具有不同的进入简档，所以在一些实施方式中，控制器131每次执行衬底电镀工艺时计算进入简档，这需要一些时间开销而不是可能影响吞吐量。在一些实施方式中，衬底电镀工艺进入简档可针对特定技术节点进行优化和定制以提高产量。但是，一旦进入简档得到优化，在大批量制造中，可以为许多衬底批次运行相同的进入简档。在一些实施方式中，控制器131提供当前电镀工艺配方与先前已经执行的电镀工艺配方的动态比较。并且，如果动态比较显示当前电镀工艺配方与先前执行的电镀工艺配方之间的匹配，则控制器131可以使用针对先前执行的电镀工艺配方先前计算的进入简档，由此减少计算进入简档所需的时间开销，从而更快地执行移动到平板的命令并提高吞吐量。
在一些实施方式中，可以通过改进用于开始衬底保持器101朝向电镀溶液111的竖直运动的时间延迟控制来提高电镀工艺产量。如本文所讨论的，在开始衬底保持器101朝向电镀溶液111的竖直运动之前的时间延迟在衬底103首先接触电镀溶液111的情况下，整体地控制凹口对准特征117的位置。由于时间延迟计算由控制器131动态地执行，因此在开始衬底保持器101朝向电镀溶液111的竖直运动中可能存在一些时间开销延迟，这可导致在衬底103首先接触电镀溶液111时的情况下凹口对准特征117位置的一些不准确性。在一些实施方式中，为了解决这个问题，可以对开始衬底保持器101的竖直运动的时间延迟进行调整控制以解决控制器131计算时间开销。然而，在一些情况下，对用于开始衬底保持器101的竖直运动的时间延迟的这种调整可能影响吞吐量。
在一些实施方式中，为了补偿控制器131计算时间开销，启用基于阈值的旋转触发检查，其动态地确定凹口对准特征117相对于所需的凹口对准特征117位置的方位角偏移，在该位置处，将开始衬底保持器101的竖直运动，并且当所确定的凹口对准特征117的方位角偏移小于设定的方位角偏移阈值时增加衬底保持器101的旋转速度。应该认识到，为了补偿控制器131的计算时间开销，增加衬底保持器101的旋转速度不需要增加用于开始衬底保持器101的竖直运动以考虑方位偏移的时间延迟。而且，应该认识到，增加衬底保持器101的旋转速度以补偿控制器131计算时间开销仅在衬底103首先接触电镀溶液111的情况下在方位角偏移指示存在规定的凹口对准特征117位置的过量(overshoot)的不可接受量的可能性时进行。在许多电镀工艺的过程中，作为实施先进凹口控制系统和方法的一部分，基于阈值的旋转触发检查可以减少用于开始衬底保持器101朝向电镀溶液111的竖直运动的整体时间延迟。
利用本文公开的先进的凹口控制系统和方法，可以实现许多其他的衬底进入过程增强，包括在用于工艺改进的衬底进入期间协调旋转和竖直运动简档，使用高级旋转简档，诸如由进入触发的反向旋转、以协调的竖直运动来回运动、以及由进入引起的旋转速度变化等。已经显示由本文公开的先进凹口控制系统和方法提供的这些衬底进入过程增强提供了电镀工艺改进。另外，应该理解的是，本文公开的先进凹口控制系统和方法不限于用在电镀工艺中，而是可以在需要控制衬底关于多个运动轴线的运动(例如倾斜、旋转、线性运动)的任何工具上实施。
应该理解的是，在没有这里公开的先进凹口控制系统和方法的情况下，具有分别用于衬底保持器101竖直运动和衬底保持器101旋转的两个单独的主控制器的电镀系统将需要在单独的主控制器之间建立附加通信层，以尝试由本文公开的先进凹口控制系统和方法提供的凹口对准特征117位置控制。实现附加通信层以在用于衬底保持器101竖直运动和衬底保持器101旋转的单独的主控制器之间建立直接通信的电镀系统比实施如本文所公开的先进凹口控制系统和方法的电镀系统更不准确且更昂贵。或者，在没有这里公开的先进凹口控制系统和方法的情况下，具有分别用于衬底保持器101竖直运动和衬底保持器101旋转的两个单独的主控制器的电镀系统将不得不管理竖直运动和旋转控制系统之间的协调，这是最不准确的。而且，对于这种最不准确的电镀系统配置，在衬底103首先接触电镀溶液111的情况下凹口对准特征117位置的表征将不得不凭经验确定。这意味着对于每种类型的衬底进入简档和电镀系统硬件设置，都需要执行重复的衬底进入运动以“教导”控制系统，这将需要工具停机时间并增加成本。
尽管出于清楚理解的目的已经相当详细地描述了前述发明，但显而易见的是，在所附权利要求的范围内可以实施某些改变和修改。因此，本实施方式被认为是说明性的而非限制性的，并且本发明不限于在此给出的细节，而是可以在所描述的实施方式的范围和等同方案内进行修改。

Claims (20)

1.一种电镀系统，其包括：
衬底保持器，其具有构造成接触衬底的背面的下表面，所述衬底保持器被构造为牢固地保持所述衬底，其中所述衬底的正面朝下，所述衬底保持器具有位于所述衬底保持器的所述下表面的周边的凹口对准特征，所述衬底保持器被构造成围绕延伸穿过所述衬底保持器的所述下表面的中心点的旋转轴线旋转，所述旋转轴线垂直于所述衬底保持器的所述下表面定向，所述衬底保持器被构造成相对于水平面倾斜，所述衬底保持器构造成相对于将位于所述衬底保持器下方的电镀溶液浴竖直运动；
倾斜机构，所述倾斜机构连接到所述衬底保持器以提供所述衬底保持器的所述下表面相对于所述水平面的角位置控制；
升降机构，其连接至所述衬底保持器以提供所述衬底保持器的竖直位置控制；
旋转机构，所述旋转机构连接到所述衬底保持器以提供所述衬底保持器围绕所述旋转轴线的旋转控制；以及
控制器，所述控制器被配置成提供所述升降机构和所述旋转机构的同步控制，以使得当所述衬底保持器到达规定竖直位置时达到所述凹口对准特征围绕所述旋转轴线相对于远离所述旋转轴线垂直延伸的固定参考射线的规定方位角位置，在所述规定竖直位置处，保持在所述衬底保持器上的所述衬底首先接触所述电镀溶液浴。
2.根据权利要求1所述的电镀系统，其中所述控制器包括凹口对准特征定位模块，所述凹口对准特征定位模块被配置成当所述衬底保持器围绕所述旋转轴线旋转时确定所述凹口对准特征相对于所述固定参考射线的实时方位角位置。
3.根据权利要求2所述的电镀系统，其中所述凹口对准特征定位模块在所述控制器内实现为硬件和固件的组合。
4.根据权利要求2所述的电镀系统，其中，所述控制器包括接近开始控制模块，所述接近开始控制模块被配置为确定所述凹口对准特征相对于所述固定参考射线的接近开始方位角位置，在所述接近开始方位角位置处，所述衬底保持器的向下运动应该开始，以便当所述衬底保持器到达规定竖直位置时使所述凹口对准特征相对于所述固定参考射线位于规定方位角位置处。
5.根据权利要求4所述的电镀系统，其中所述接近开始控制模块被配置为处理进入简档以确定所述凹口对准特征相对于所述固定参考射线的所述接近开始方位角位置，所述进入简档包括从所述衬底保持器的向下运动的开始直到所述衬底保持器到达所述规定竖直位置要实施的所述衬底保持器的旋转运动规范和所述衬底保持器的竖直运动规范。
6.根据权利要求5所述的电镀系统，其中所述控制器被配置为从外部数据库获得所述进入简档。
7.根据权利要求4所述的电镀系统，其中所述接近开始控制模块被配置为从外部数据库获得所述凹口对准特征相对于所述固定参考射线的所述接近开始方位角位置，在所述外部数据库中对于不同的进入简档存储有所述凹口对准特征相对于所述固定参考射线的多个预定接近开始方位角位置。
8.根据权利要求4所述的电镀系统，其中，所述接近开始控制模块被配置为基于经确定的所述凹口对准特征的所述实时方位角位置以及基于所述衬底保持器的实时旋转状态确定使所述凹口对准特征相对于所述固定参考射线位于所述接近开始方位角位置处所需的时间延迟。
9.根据权利要求8所述的电镀系统，其中所述接近开始控制模块包括被配置为确定所述时间延迟的硬件和固件的组合。
10.根据权利要求8所述的电镀系统，其中所述控制器被配置为根据经确定的所述时间延迟来引导所述升降机构开始所述衬底保持器的向下移动。
11.一种用于控制衬底朝向目标水平面接近的系统，其包括：
凹口对准特征定位模块，所述凹口对准特征定位模块被配置为当衬底保持器围绕垂直于所述衬底保持器的下表面定向的旋转轴线旋转时确定位于所述衬底保持器的所述下表面的周边的凹口对准特征的实时方位角位置，其中所述凹口对准特征的所述实时方位角位置相对于远离所述旋转轴线垂直延伸的固定参考射线而确定；以及
接近开始控制模块，所述接近开始控制模块被配置为确定所述凹口对准特征相对于所述固定参考射线的接近开始方位角位置，在所述接近开始方位角位置处，所述衬底保持器的竖直运动与所述衬底保持器的旋转的同步的开始使所述凹口对准特征相对于所述衬底保持器的规定竖直位置处的所述固定参考射线位于规定方位角位置处，所述接近开始控制模块进一步配置为基于所述凹口对准特征的经确定的所述实时方位角位置以及基于所述衬底保持器的实时旋转状态确定使所述凹口对准特征位于所述接近开始方位角位置所需的时间延迟，所述接近开始控制模块还被配置为根据经确定的所述时间延迟来开始所述衬底保持器的竖直运动。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述规定竖直位置是所述衬底保持器的竖直位置，在该竖直位置处，保持在所述衬底保持器的下表面上的衬底首先到达所述目标水平面。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述目标水平面对应于液体浴的顶表面。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述液体是电镀溶液。
15.根据权利要求11所述的系统，其还包括：
接触验证模块，其被配置为在所述衬底保持器到达所述规定竖直位置的精确时刻记录所述凹口对准特征相对于所述固定参考射线的实际方位角位置。
16.一种用于控制衬底朝向目标水平面接近的方法，其包括：
将衬底定位在被配置成牢固地保持衬底的衬底保持器的支撑表面上，所述衬底保持器具有位于所述衬底保持器的支撑表面的周边的凹口对准特征，所述衬底保持器被构造成围绕延伸穿过所述衬底保持器的所述支撑表面的中心点的旋转轴线旋转，所述旋转轴线垂直于所述衬底保持器的所述支撑表面定向，所述衬底保持器被配置为相对于目标水平面倾斜，所述衬底保持器被配置为相对于所述目标水平面竖直运动；
使所述衬底保持器相对于所述目标水平面倾斜至所述支撑表面的规定角位置；
以规定旋转速度使所述衬底保持器围绕所述旋转轴线旋转；
当所述衬底保持器围绕所述旋转轴线旋转时，确定所述凹口对准特征的实时方位角位置，其中所述凹口对准特征的所述实时方位角位置相对于远离所述旋转轴线垂直延伸的固定参考射线确定；
确定所述凹口对准特征相对于所述固定参考射线的接近开始方位角位置，在所述接近开始方位角位置处，所述衬底保持器的竖直运动与所述衬底保持器的旋转的同步的开始使所述凹口对准特征相对于所述衬底保持器的相对于所述目标水平面的规定竖直位置处的所述固定参考射线位于规定方位角位置处；
基于所述凹口对准特征的经确定的所述实时方位角位置以及基于所述规定旋转速度来确定使所述凹口对准特征位于所述接近开始方位角位置处所需的时间延迟；以及
根据经确定的所述时间延迟开始所述衬底保持器朝向所述目标水平面的竖直运动。
17.根据权利要求16所述的方法，其中确定使所述凹口对准特征位于所述接近开始方位角位置所需的所述时间延迟以及根据经确定的所述时间延迟开始所述衬底保持器朝向所述目标水平面的竖直运动是通过硬件和固件的组合来执行的，以避免由于信号通信延迟引起开始所述衬底保持器朝向所述目标水平面的竖直运动的不精确性。
18.根据权利要求16所述的方法，其中确定所述凹口对准特征相对于所述固定参考射线的所述接近开始方位角位置包括处理进入简档，所述进入简档包括从所述衬底保持器的向下运动的开始直到所述衬底保持器相对于所述目标水平面到达所述规定竖直位置要实施的所述衬底保持器的旋转运动规范和所述衬底保持器的竖直运动规范。
19.根据权利要求16所述的方法，其还包括：
在所述衬底保持器相对于所述目标水平面达到所述规定竖直位置的精确时刻，记录所述凹口对准特征相对于所述固定参考射线的实际方位角位置。
20.根据权利要求16所述的方法，其中所述目标水平面对应于位于所述衬底保持器下方的电镀溶液浴的顶表面。
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