CN113174586B - 一种在半导体处理装置中动态调节喷头倾斜的致动器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于调节半导体衬底处理装置中的喷头的喷头调节机构包括：至少一个致动器组件，该致动器组件可动态地操作以相对于衬底基座的与所述喷头的面板邻近的上表面调节所述面板的平行度，该至少一个致动器组件中的每一个包括：压电叠堆；具有第一端和第二端的杠杆，该杠杆在第一端上机械地耦合到所述压电叠堆，并且在第二端上机械地耦合到所述喷头以使所述喷头沿至少一个倾斜方向移动，该杠杆可机械地操作以放大所述压电叠堆的位移；和杠杆枢转点，其耦合到所述杠杆并且位于所述杠杆的所述第一端和所述第二端之间。

Description

一种在半导体处理装置中动态调节喷头倾斜的致动器
本申请是申请号为201611224666.0，申请日为2016年12月27日，申请人为朗姆研究公司，发明创造名称为“一种在半导体处理装置中动态调节喷头倾斜的致动器”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及用于处理半导体衬底的半导体衬底处理装置，并且可以发现在执行薄膜的化学气相沉积中特别有用。
背景技术
半导体衬底处理装置用于通过包括物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、原子层沉积(ALD)、等离子体增强原子层沉积(PEALD)、脉冲沉积层(PDL)、分子层沉积(MLD)、等离子体增强脉冲沉积层(PEPDL)处理、蚀刻和抗蚀剂去除的技术处理半导体衬底。例如，用于处理半导体衬底的一种类型的半导体衬底处理装置包括含有喷头模块的反应室和在反应室中支撑半导体衬底的衬底基座模块。喷头模块将工艺气体输送到反应室中，使得可以处理半导体衬底。在这种室中，喷头模块的安装和移除可能是耗时的，此外，如果喷头模块的下表面不平行于衬底基座模块的上表面，则可能发生在衬底处理期间的不均匀的膜沉积(即，方位角变化)。
发明内容
本文公开了一种用于处理半导体衬底的半导体衬底处理装置。所述半导体衬底处理装置包括：化学隔离室，在该化学隔离室中处理单个的半导体衬底，其中顶板形成所述化学隔离室的上壁；工艺气体源，其与所述化学隔离室流体连通，以将工艺气体供应到所述化学隔离室中；喷头模块，其将来自所述工艺气体源的所述工艺气体输送到所述处理装置的处理区域中，在所述处理区域中处理所述单个的半导体衬底，其中所述喷头模块包括附接到杆的下端的基板，其中，有气体通道穿过其中的面板形成所述基板的下表面；衬底基座模块，其被配置为在所述衬底的处理期间在所述面板下方的所述处理区域中支撑所述半导体衬底；和喷头模块调节机构，其支撑在所述顶板中的所述喷头模块，其中所述喷头模块调节机构能动态地操作以相对于所述衬底基座模块的与所述面板邻近的上表面调节所述喷头模块的面板的平坦化，其中所述喷头模块调节机构包括至少一个致动器组件。
所述喷头模块调节机构可以包括：至少一个致动器组件，其使得所述喷头模块能在至少一个倾斜方向上动态运动。所述至少一个致动器组件可以包括：杠杆，其机械地放大压电叠堆和挠曲底座(mount)的位移，以将所述杠杆耦合到致动器壳体。所述至少一个致动器组件还可以包括上挠曲部分，其耦合在所述压电叠堆的上端和容纳所述压电叠堆的致动器壳体之间，并且，其中所述挠曲底座耦合到所述杠杆和所述压电叠堆的底端，并且其中所述上挠曲部分和所述挠曲底座被构造成减小所述压电叠堆上的应力。所述喷头模块调节机构可以被构造成使得：(a)三个致动器组件用以实现所述喷头模块在两个倾斜方向运动和轴向平移运动；(b)所述杠杆的与所述压电叠堆相对的端部引起耦合到波纹管组件的顶板的调节螺杆的运动；(c)所述杠杆的与所述压电叠堆相对的端部经由承窝凹槽作用在所述调节螺杆的球接头上；(d)所述喷头模块附接到所述波纹管组件的顶板；(e)所述挠曲底座在横向和竖直平移中约束所述杠杆；(f)上挠曲部分、挠曲底座和致动器壳体的组合热膨胀与所述压电叠堆的热膨胀匹配；或者，(g)喷头模块调节机构在约3毫弧度的范围内动态调节所述喷头模块的面板的倾斜度。所述喷头模块调节机构还可以以优于0.15毫弧度的分辨率动态地调节所述喷头模块的所述面板的位置。
在致动器组件的实施方式中，所述至少一个致动器组件还包括：杠杆，其机械地放大压电叠堆的位移；球窝接头，其耦合到所述压电叠堆的底端和所述杠杆；以及上挠曲部分，其耦合在所述压电叠堆的上端和容纳所述压电叠堆的致动器壳体之间。
具体而言，本发明的一些方面可以阐述如下：
1.一种用于处理半导体衬底的半导体衬底处理装置，其包括：
化学隔离室，在该化学隔离室中处理单个的半导体衬底，其中顶板形成所述化学隔离室的上壁；
工艺气体源，其与所述化学隔离室流体连通，以将工艺气体供应到所述化学隔离室中；
喷头模块，其将来自所述工艺气体源的所述工艺气体输送到所述处理装置的其中处理所述单个的半导体衬底的处理区域中，其中所述喷头模块包括附接到杆的下端的基板，其中面板形成所述基板的下表面，所述面板具有穿过其中的气体通道；
衬底基座模块，其被配置为在所述衬底的处理期间在所述面板下方的所述处理区域中支撑所述半导体衬底；和
喷头模块调节机构，其支撑在所述顶板中的所述喷头模块，其中所述喷头模块调节机构能动态地操作以相对于所述衬底基座模块的与所述面板邻近的上表面调节所述喷头模块的所述面板的平坦化，其中所述喷头模块调节机构包括至少一个致动器组件。
2.根据条款1所述的半导体衬底处理装置，其中所述至少一个致动器组件包括：
至少一个压电叠堆，其动态地使得所述喷头模块能在至少一个倾斜方向上移动。
3.根据条款2所述的半导体衬底处理装置，其中，所述至少一个致动器组件还包括：
杠杆，其机械地放大所述至少一个压电叠堆的位移，其中刀片形挠曲部是杠杆支点。
4.根据条款3所述的半导体衬底处理装置，其中所述至少一个致动器组件包括：
第一挠曲件，其耦合在所述压电叠堆的第一端和容纳所述压电叠堆的致动器壳体之间，以及
第二挠曲件，其耦合在所述压电叠堆的第二端和所述杠杆的一侧之间。
5.根据条款3所述的半导体基板处理装置，其中：
(a)所述喷头模块调节机构包括被配置成实现所述喷头模块在两个倾斜方向的运动和轴向平移的运动的三个致动器组件；
(b)所述杠杆的与所述压电叠堆相对的端部引起耦合到波纹管组件的顶板的调节螺杆的运动；
(c)所述杠杆的与所述压电叠堆相对的端部经由承窝凹槽作用在所述调节螺杆的球接头上；
(d)所述喷头模块附接到所述波纹管组件的顶板；
(e)所述杠杆支点约束所述杠杆的横向和竖直平移；
(f)上挠曲部分、挠曲底座和致动器壳体的组合热膨胀与所述压电叠堆的热膨胀匹配；或者，
(g)所述喷头模块调节机构在约3毫弧度的范围内动态调节所述喷头模块的面板的倾斜。
6.根据条款1所述的半导体衬底处理装置，其中所述喷头模块调节机构以优于0.15毫弧度的分辨率动态地调节所述喷头模块的面板的位置。
7.一种支撑在半导体衬底处理装置的顶板中的喷头模块的喷头模块调节机构，其中所述喷头模块调节机构能动态地操作以在所述半导体衬底处理装置中相对于衬底基座模块的与所述喷头模块的面板的邻近的上表面调节所述面板的平坦化。
8.根据条款7所述的喷头模块调节机构，其中所述喷头模块调节机构包括：
至少一个致动器组件，其使得所述喷头模块能在至少一个倾斜方向上动态运动。
9.根据条款8所述的喷头模块调节机构，其中所述至少一个致动器组件还包括：
杠杆，其机械地放大压电叠堆的位移；以及
刀片形挠曲部，其是杠杆支点并且将所述杠杆耦合到致动器壳体。
10.根据条款9所述的喷头模块调节机构，其中：
第一挠曲件耦合在压电叠堆的第一端和容纳所述压电叠堆的致动器壳体之间，并且
第二挠曲件耦合到所述压电叠堆的第二端和所述杠杆的一侧，并且
所述第一挠曲件和所述第二挠曲件被配置为减小在所述压电叠堆上的应力。
11.根据条款9所述的喷头模块调节机构，其还包括：
(a)三个致动器组件，其被配置成实现所述喷头模块在两个倾斜方向的运动和轴向平移的运动；
(b)所述杠杆的与所述压电叠堆相对的端部引起耦合到波纹管组件的顶板的调节螺杆的运动；
(c)所述杠杆的与所述压电叠堆相对的端部经由承窝凹槽作用在所述调节螺杆的球接头上；
(d)所述喷头模块附接到所述波纹管组件的顶板；
(e)所述杠杆支点约束所述杠杆的横向和竖直平移；
(f)上挠曲部分、挠曲底座和致动器壳体的组合热膨胀与所述压电叠堆的热膨胀匹配；或者，
(g)喷头模块调节机构在约3毫弧度的范围内动态调节所述喷头模块的面板的倾斜。
12.根据条款7所述的喷头模块调节机构，其中所述喷头模块调节机构以优于0.15毫弧度的分辨率动态地调节所述喷头模块的所述面板的位置。
13.根据条款9所述的喷头模块调节机构，其中，所述至少一个致动器组件还包括：
上挠曲部分，其耦合在所述压电叠堆的上端和容纳所述压电叠堆的致动器壳体之间。
14.根据条款8所述的喷头模块调节机构，其中所述至少一个致动器组件还包括：
杠杆，其机械地放大压电叠堆的位移；
球窝接头，其耦合到所述杠杆和所述压电叠堆的底端；以及
上挠曲部分，其耦合在所述压电叠堆的上端和容纳所述压电叠堆的致动器壳体之间。
15.一种用于调节在用于处理半导体衬底的沉积装置中使用的喷头的动力机构，所述动力机构在小于一秒内调节所述喷头的一个、两个或三个自由度。
16.根据条款15所述的动力机构，其中三个独立的致动器组件用于提供三个自由度，所述三个自由度是两个倾斜方向和一个线性轴向方向。
17.根据条款16所述的动力机构，其中每个致动器组件是压电叠堆和具有作为支点的刀片形挠曲部的杠杆的组合，所述杠杆被构造成放大所述压电叠堆的位移。
18.根据条款17所述的动力机构，其还包括至少一个粗螺杆调节器和至少一个精细/动态致动器组件，以使得所述喷头能被手动调节和被动态调节。
19.根据条款17所述的动力机构，其中挠曲件定位在所述压电叠堆的任一端上，以使得所述压电叠堆能运动学运动，同时减小所述压电叠堆上的应力。
20.根据条款17所述的动力机构，其中：
(a)球窝接头定位在所述压电叠堆的一端上以将所述压电叠堆附接到所述杠杆，其中所述球窝接头被配置为哥特式拱形几何形状以减少赫兹应力和磨损；
(b)选择所述动力机构的材料的热膨胀系数(CTE)和每种材料的长度以使位置随温度的变化最小化；
(c)第一挠曲件定位在所述压电叠堆和容纳所述压电叠堆的致动器壳体之间，而第二挠曲件定位在所述压电叠堆和所述杠杆之间，其中第二挠曲件是交叉刀片状挠曲件，并且使用直接金属激光烧结(DMLS)或其他快速原型技术制造；
(d)位置传感器集成到所述致动器中以使得能进行闭环反馈控制以检测非功能致动器；或者
(e)使用一个或两个独立的致动器以分别提供一个或两个自由度，其中所述自由度选自两个倾斜方向和一个线性轴向方向。
附图说明
图1图解了根据本文公开的实施方式显示的化学沉积装置的概观的示意图。
图2图解了描绘被布置用于实施本文公开的实施方式的各种装置部件的框图，其中等离子体可以用于在薄膜生成期间增强反应物质之间的沉积和/或表面反应。
图3A、3B图解了根据本文公开的实施方式布置的喷头模块。
图4图解了根据本文公开的实施方式布置的喷头模块调节机构的横截面。
图5A、5B、5C图解了根据本文公开的实施方式布置的致动器组件。
图6A、6B图解了根据本文公开的实施方式布置的致动器组件。
具体实施方式
在以下详细描述中，阐述了许多具体实施方式以便提供对本文所公开的装置和方法的透彻理解。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的情况下或通过使用替代的元件或工艺来实现这些实施方式。在其他情况下，没有详细描述公知的工艺、过程和/或部件，以免不必要地使本文公开的实施方式的方面难以理解。当在本文结合数值使用时，术语“约”是指±10％。
如所指示的，本文的实施方式提供用于进行化学气相沉积(诸如等离子体增强化学气相沉积)的诸如沉积装置(或在替代实施方式中为蚀刻装置)之类的半导体衬底处理装置和相关方法。这些装置和方法特别适用于与基于半导体制造的电介质沉积工艺或金属沉积工艺结合使用，这些工艺需要在多步沉积工艺(例如原子层沉积(ALD)、等离子体增强原子层沉积(PEALD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、脉冲沉积层(PDL)、分子层沉积(MLD)或等离子体增强脉冲沉积层(PEPDL)处理)中的单独的自限制沉积步骤，但是它们不受限于此。处理半导体衬底的方法的示例性实施方式可以在共同转让的美国公开专利申请No.2013/0230987、2013/0005140、2013/0319329,以及美国专利No.8,580,697、8,431,033和8,557,712中找到，其通过引用全部并入本文。
上述工艺可能遭遇与将工艺气体非均匀输送到从工艺气体(例如工艺气体前体或反应物)接收沉积膜的晶片或半导体衬底的上表面相关的一些缺点。例如，如果将工艺气体输送到半导体衬底的喷头模块的下表面不平行于支撑半导体衬底的衬底基座模块的上表面，则会形成在半导体衬底的上表面上的不均匀的前体分布。
通常有两种主要类型的CVD喷头模块：枝形吊灯型(the chandelier type)和嵌入式安装型(the flush mount type)。枝形吊灯喷头模块具有在一端附接到反应室的顶板并在另一端附接到面板的杆，从而类似于枝形吊灯。杆的一部分可以突出到顶板上方，以使得能够连接气体管线和射频(“RF”)功率。嵌入式安装型喷头模块集成在室顶部，并且没有杆。尽管这里示出的示例是枝形吊灯型喷头，但是喷头模块不受限于这种类型的喷头。
喷头模块调平(平坦化)通常在湿法清洁程序之后进行，该湿法清洁程序涉及使装置的反应室(化学隔离室)冷却和通风(venting)一次或多次。可能需要冷却和通风以进入室的内部，从而调节喷头和衬底基座模块之间的间隔以及相对于基座模块的上表面的喷头的下表面的平坦化。常规技术涉及将金属箔球放置在室内以测量喷头模块和衬底基座模块之间的间隙，然后基于测量结果调节在喷头模块的背板与反应室的顶板之间的多个支架，通常为三个或更多个支架。只在使室通风和冷却后才能通过打开顶板调节支架。在喷头模块被视为水平之前可以执行多个测量和调节循环。因为喷头不能通过外部操纵来调平，所以该过程可能非常耗时，长达约20小时。
在一个实施方式中，使用一个或多个压电致动器以除了该手动调节过程之外还提供附加的动态精细调节。工艺通常需要将不同类型的膜顺序地放置在同一晶片上，并且每个膜可能具有对于喷头倾斜的不同灵敏度。压电致动器对于这种应用是理想的，因为它们能够通过将操作电压的小变化转换为平滑运动来控制亚纳米范围内的位置变化。由压电致动器控制的移动不受摩擦或阈值电压的影响。压电致动器还提供快速响应时间，能提供大于10,000g的加速率。压电致动器不产生磁场，也不受磁场的影响；因此，它们特别适合于具有低磁场容差(tolerances)的应用。最后，压电致动器既没有齿轮也没有旋转轴，因此它们的位移基于固态动力学并且没有表现出磨损。
然而，包括商业压电级的当前可用的电动致动器和级别不满足用于喷头倾斜调节所需要的驱动力(每个致动器80磅力)、分辨率(0.15毫弧度)、耐久性(10,000,000个周期)、或紧密封装要求。例如，机动导螺杆致动器或者提供不足的驱动力(每个致动器10-15磅力)或者太大而不能封装在半导体处理工具中。单独的压电叠堆能够提供足够的驱动力，但是它们的最大位移是非常小的，通常在其长度的0.1％的量级。针对纳米精度和在方向之间的几乎零交叉耦合而设计的其他市售压电级没有足够的运动范围或所需的驱动力。
本文公开了连接到喷头模块调节机构的喷头模块，其被设计为将在同一晶片上的处理步骤之间从反应室的外部被调平。在两种或更多种不同的膜材料被顺序地沉积的工艺中，动态调节喷头倾斜校正方位角变化而不破坏真空。喷头致动器组件优选地包括具有介于2和20之间的增益比的杠杆；例如，可以使用诸如6.5：1之类的期望增益比来增强独立压电叠堆的运动范围。包括集成杠杆运动放大器的压电致动器可以将压电叠堆位移增大通常2至20倍。为了在增加的行程范围内保持高分辨率和快速响应，杠杆系统优选是刚性的以及无间隙和无摩擦，这就是为什么滚珠或滚子轴承不是优选的原因。具有集成运动放大器的压电致动器与标准压电致动器相比具有若干优点，包括引导运动，力与陶瓷的解耦；与叠堆致动器相比具有相等位移的紧凑尺寸；和减小的电容。
在优选配置中，即使在通过杠杆减小驱动力之后，压电叠堆也在调节点处施加足够的驱动力(至少80磅力)。此外，挠曲件确保杠杆组件在没有摩擦和磨损的情况下工作，这是期望延长致动器寿命。挠曲件是基于固体材料的弹性变形(挠曲)的无摩擦的无粘性装置。滑动和滚动完全消除。除了不存在内摩擦之外，挠曲器件还显示出高刚度和负载能力。挠曲件与其他引导系统相比对冲击和振动较不灵敏，并且还可以用作用于压电叠堆的应力减小器，并且允许沿期望方向的运动学运动，从而使得致动器能够实现其全范围的运动并进一步延长致动器寿命。
图1是示出根据本文公开的实施方式的用于化学气相沉积的半导体衬底处理装置201的概观的示意图。诸如晶片之类的半导体衬底13位于可移动基座模块223的顶部，可移动基座模块223可相对于喷头模块211升高或降低，喷头模块211也可竖直移动。反应物材料气体经由气体管线203被引入到室的处理区域318中，其中工艺气体流由质量流量控制器229控制。注意，装置可以修改为具有一个或多个气体管线，具体取决于所使用的反应物气体的数目(number)。室通过连接到真空源209的真空管线235抽空。真空源可以是真空泵。
本文公开的实施方式可以在等离子体增强化学气相沉积装置(即等离子体增强化学气相沉积(PECVD)装置、等离子体增强原子层沉积(PEALD)装置或等离子体增强脉冲沉积层(PEPDL)装置)中实现。图2提供了描绘被布置用于实施本文公开的实施方式的各种装置部件的简单框图，其中利用等离子体来增强沉积。如图所示，处理区域318用于容纳由电容耦合等离子体系统产生的等离子体，该电容耦合等离子体系统包括与衬底基座模块223结合工作的喷头模块211，其中衬底基座模块223被加热。连接到匹配网络206的RF源(例如至少一个高频(HF)RF发生器204)和可选的低频(LF)RF发生器202连接到喷头模块211。在替代的实施方式中，HF发生器204可连接到衬底基座模块223。由匹配网络206提供的功率和频率足以从工艺气体/蒸气产生等离子体。在使用HF发生器和LF发生器两者的实施方式中，并且在替代实施方式中，仅使用HF发生器。在典型的工艺中，HF发生器在约2-100MHz的频率下操作；在优选实施方式中，在13.56MHz或27MHz的频率下操作。LF发生器在约50kHz至2MHz下操作；在优选实施方式中，在约350kHz至600kHz下操作。可以基于室体积、衬底尺寸和其他因素来缩放工艺参数。类似地，工艺气体的流速可取决于真空室(反应室)或处理区的自由体积。
在室内，衬底基座模块223支撑衬底13，在衬底13上可沉积诸如薄膜之类的材料。衬底基座模块223可以包括叉或升降销，以在沉积和/或等离子体处理反应期间和之间保持和转移衬底。在一实施方式中，衬底13可以被配置为搁置在衬底基座模块223的表面上，然而在替代实施方式中，衬底基座模块223可以包括静电卡盘、机械卡盘或用于将衬底13保持在衬底基座模块223的表面上的真空卡盘。衬底基座模块223可以与加热器块220耦合，以将衬底13加热到期望的温度。根据待沉积的材料，将衬底13保持在约25℃至500℃或更高的温度。
在某些实施方式中，在沉积、沉积后处理和/或其它工艺操作期间，采用系统控制器228来控制工艺条件。控制器228通常将包括一个或多个存储器设备和一个或多个处理器。处理器可以包括CPU或计算机、模拟和/或数字输入/输出连接、步进式马达控制器板等。
在某些实施方式中，控制器228控制装置的所有活动。系统控制器228执行系统控制软件，该系统控制软件包括用于控制处理操作的时序、LF发生器202和HF发生器204的操作的频率和功率、前体和惰性气体及其相对混合的流速和温度、加热器模块220和喷头模块211的温度、室的压强、喷头的倾斜度、以及特定工艺的其他参数的指令集。在一些实施方式中可以采用存储在与控制器相关联的存储设备上的其他计算机程序。
通常将存在与控制器228相关联的用户接口。用户接口可以包括显示屏、装置和/或工艺条件的图形软件显示、以及用户输入设备，例如指点设备、键盘、触摸屏、麦克风等。
非暂时性计算机机器可读介质可以包括用于控制装置的程序指令。用于控制处理操作的计算机程序代码可以以任何常规计算机可读编程语言编写：例如汇编语言、C、C++、Pascal、Fortran或其他。编辑的目标代码或脚本由处理器执行以执行程序中标识的任务。
控制器参数涉及工艺条件，诸如，例如处理步骤的时序、前体和惰性气体的流速和温度、晶片的温度、室的压强、喷头的倾斜度、和特定工艺的其它参数。这些参数以配方的形式提供给用户，并且可以使用用户界面输入。
用于监视工艺的信号可以由系统控制器的模拟和/或数字输入连接件提供。用于控制工艺的信号通过装置的模拟和数字输出连接件输出。
系统软件可以以许多不同的方式设计或配置。例如，可以写入各种室部件子程序或控制对象以控制执行沉积工艺所需的室部件的操作。用于此目的的程序或程序段的示例包括处理步骤的衬底时序代码、前体和惰性气体的流速和温度代码、以及用于室的压强的代码。
喷头模块211优选地是温度受控的和RF供能的。温度受控的、RF供能的喷头模块的示例性实施方式可以在共同转让的美国公开专利申请No.2013/0316094中找到，其通过引用整体并入本文。
根据本文公开的实施方式，喷头模块优选地包括用于手动和动态地调节喷头模块的平坦化的喷头模块调节机构。如图3A和3B所示，喷头模块211优选地包括杆305、包括背板317和面板316的基板315以及用于调节喷头模块211的平坦化的喷头模块调节机构400。模块211的平坦化也可以通过拧紧或松开调节螺杆405粗略地调节。调节螺杆405包括细螺纹并且可以用于在两个倾斜度和在轴向位置手动地调节喷头模块211。调节螺杆405与致动器组件的承窝凹槽430配合。喷头模块211的平坦化可以通过经由集成杠杆运动放大器操纵压电致动器的压电叠堆的位移来精细地和动态地调节。
在一个实施方式中，可以使用作为喷头调节机构的一部分的三个致动器组件来调节喷头模块211的面板316的平坦化，以动态地提供三个自由度：轴向平移和两个倾斜方向。在另一个实施方式中，可以将两个致动器组件用于提供两个自由度。在又一个实施方式中，一个致动器组件可以用于提供一个自由度(例如在一个方向上的动态倾斜)。喷头模块211和喷头模块调节机构400设计使用快速响应(例如小于一秒)压电致动器组件以动态地调节喷头模块211的倾斜，从而允许改善从多种不同膜类型中选择的特定膜的沉积的均匀性。
如图4所示，喷头模块211优选地被支撑在化学隔离室(即反应室)的顶板330中。顶板330优选地支撑轴环413。顶板330的水平上表面优选地具有开口，例如螺纹开口，其中在轴环413中的用于接收紧固件的相应开口包括至少三个紧固件402，紧固件402将轴环413连接到顶板330。轴环413支撑喷头模块调节机构400的在顶板330中的剩余部分。喷头模块调节机构400通过顶板330接地。
O形环409通过至少三个可调节调节螺杆405在波纹管组件403的顶板和支撑在套环413上方的冷却板412之间形成不透气的密封(即，气密密封)，其中至少三个可调节调节螺杆405还可操作以相对于轴环413粗略地调节冷却板412的平坦化。优选地，每个调节螺杆405的上端通过螺纹被支撑在波纹管组件的顶板403中，并且每个相应的调节螺杆405的下端(即球接头425)被可旋转地容纳在致动器组件的承窝凹槽430中。喷头杆305延伸穿过轴环413、波纹管411和冷却板412中的开口，并且通过另一O形环409连接到冷却板412的上表面，该另一O形环409形成法兰416和冷却板412之间的气密密封件。此外，法兰416和冷却板412可以共同钎焊。喷头模块211的杆305通过将轴环413连接到顶板330的紧固件402支撑在顶板330的开口中。
波纹管411优选地在轴环413和冷却板412之间形成气密可膨胀和挠性的真空密封件，其中杆305延伸通过气密可膨胀真空密封件，使得可以调节喷头模块211的平坦化而不破坏气密可膨胀真空密封件。波纹管411优选地在上端焊接到顶板403并且在下端焊接到轴环413。
喷头模块调节机构400可以经由三个或更多个紧固件402附接到化学隔离室的顶板330。喷头调节机构可以包含一个和三个之间的致动器组件。每个致动器组件提供一个运动度。三个致动器组件将给出三个运动度：两个倾斜和轴向位置。成本降低的版本将使用一个致动器提供在一个维度上的倾斜。
图5A-5C示出了致动器组件的一个实施方式。在每个致动器组件中，压电叠堆419安装在致动器壳体421中。压电叠堆194由长度在施加电压时增加的材料制成；长度上的变化与电压大致成线性关系，并且在100V下约为0.1％。由于压电叠堆单独仅提供这种小量的运动，所以杠杆422被制造成进入致动器壳体421中以放大喷头模块调节机构400的运动范围并且同时将力以至少2:1减小，优选地以至少4:1减小，并且在优选实施方式中以6.5:1减小。可以使用杆增益的更高或更低的比率。例如，比率越高，允许运动范围越大，但力越小；比率越低，使得力越大，但是运动的范围较小。杠杆422通常使用放电机(EDM)制成。杠杆枢轴(即支点)是刀片形挠曲部415，刀片形挠曲部415被设计成弯曲。
包括挠曲底座423和上挠曲部分424(例如，带螺纹保持器的一部分)的放电机(EDM)切割挠曲件被容纳在致动器壳体421中，并在其他方向上约束杆422的同时允许杆422有少量的倾斜。挠性底座423在压电叠堆419和致动器壳体421的杆422之间提供低应力连接，并且被设计成在弯曲时是顺应性的，但是在压缩时非常刚性的。在该实现方式中，挠曲底座423是交叉刀片状挠曲件。挠曲底座423可以使用诸如直接金属激光烧结(DMLS)之类的快速原型技术制造。DMLS或其他快速原型技术优选用于快速加工不能使用常规加工技术(例如铣削)容易地制造的高度复杂的几何结构。
上挠曲部分424是带螺纹保持器的一部分，带螺纹保持器使用细间距螺纹拧入致动器壳体421中，直到压电叠堆419在挠曲底座423和保持器之间轻微挤压。因此，带螺纹保持器能够消除致动器壳体421、压电叠堆419和挠曲底座423之间的组装公差。带螺纹保持器还被设计成在弯曲时是顺应性的，但是在压缩时非常刚性。需要分别在压电叠堆419的下端和上端的挠曲底座423和上挠曲部分424来减小应力并消除压电叠堆419上的摩擦，且允许其能具有驱动杠杆422所需的运动自由度。
刀片形挠曲部415为杆422提供无摩擦枢转，从而导致在杆422的操作中增加的精度和更高的可靠性。此外，压电叠堆和EDM切割挠曲件的组合使得致动器能实现高位移和高驱动力。杠杆422的与压电叠堆419相对的端部经由插座槽430作用在调整螺杆405的球接头425上。球接头425进而作用在波纹管组件的顶板403上，从而调节与波纹管组件的顶板403连接的喷头模块211的面板316的平坦化。波纹管组件由焊接在一起的顶板403、底板426和波纹管411组成。底板426附接到室的顶板330，并且波纹管组件的顶板403附接到与喷头附接的冷却板412。波纹管组件是顺应式的；当波纹管411挠曲时，顶板403可以相对于底板426移动。
调整螺杆405还可以用于喷头模块211位置的粗调。螺杆粗调节和压电致动器动态精细调节的组合允许在宽位移范围内手动调节喷头模块211，以消除(take up)制造公差，然后在处理步骤之间动态调节。
选择材料以使致动器绝热，使得喷头模块211的倾斜在沉积过程中经历的宽的操作温度范围内不波动。选择诸如Invar、Nitronic 60和钛之类的材料，使得致动器壳体、带螺纹保持器和挠曲底座的组合热膨胀匹配压电叠堆的热膨胀。
图6A和6B示出了致动器组件的另一实施方式。在每个致动器组件中，压电叠堆419的下端上的球窝接头523在不能制造挠曲底座(图5A-5C)情况下是有利的。在如图6A和6B的构造中，压电叠堆419具有与使用挠曲底座423时的运动自由度相同的运动自由度。球接头构造通过允许枢转运动而在压电叠堆和致动器壳体的杠杆之间提供低应力连接，同时在压缩中仍然是刚性的。可以通过使用哥特式(Gothic)拱形几何形状，以使接触面积最大化和降低赫兹应力，并且还通过使用诸如耐磨损的Nitronic 60之类的材料来减小磨损。
图5A-6B中所示的实施方式使得能动态调节喷头模块211，以便控制面板316和衬底基座模块223的上表面之间的间隙高度。喷头倾斜会影响沉积在衬底上的膜的厚度轮廓。因为不同的膜对于喷头倾斜具有不同的灵敏度，因此在不破坏真空的情况下的喷头倾斜的动态调整在生产效率和维护成本方面是有利的。在图5A-6B中所示的实施方式还满足现代喷头调节机构所需的驱动力(每个致动器80磅力)、分辨率(0.15毫弧度)、耐久性(10,000,000个循环)和运动范围(3毫弧度)要求。
优选地，系统控制器228电连接到至少一个原位传感器(检测器)，以测量面板316和衬底基座模块223的上表面之间的间隙高度，以及相对于衬底基座模块223的上表面的面板316的平坦度，使得间隙控制和平坦化控制可以在反馈控制模式中执行。可以使用例如激光干涉仪，电感式、电容式、声学、线性可变差动变压器(LDVT)和应变传感器等各种类型的原位检测器作为间隙和平面度传感器，其中传感器可位于化学隔离室内部或外部。传感器可以集成到致动器中，从而允许闭环反馈控制并且还提供检测非功能致动器的装置。
虽然已经参考其具体实施方式详细描述了包括挡板装置的半导体衬底处理装置，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以进行各种改变和修改以及使用等同方式，而不背离所附权利要求书的范围。

Claims (18)

1.一种喷头调节机构，用于调节衬底处理装置中的喷头，所述喷头调节机构包括：
至少一个致动器组件，该致动器组件可动态地操作以相对于衬底基座的与所述喷头的面板邻近的上表面调节所述面板的平行度，该至少一个致动器组件中的每一个包括：
压电叠堆；
具有第一端和第二端的杠杆，该杠杆在第一端上耦合到所述压电叠堆，并且在第二端上机械地耦合到所述喷头以使所述喷头沿至少一个倾斜方向移动，该杠杆可机械地操作以放大所述压电叠堆的位移；
其中所述杠杆在第一端通过挠曲底座或球窝接头耦合到所述压电叠堆，
进一步包括在所述杠杆的所述第二端中的承窝凹槽，以在与所述喷头耦合的调节螺杆的球接头上起作用，以使所述喷头沿至少一个倾斜方向动态地运动；和
杠杆支点，其耦合到所述杠杆并且位于所述杠杆的所述第一端和所述第二端之间。
2.根据权利要求1所述的喷头调节机构，其中，所述喷头的调节是为了控制所述喷头的面板与所述衬底基座的上表面之间的至少一个间隙距离。
3.根据权利要求2所述的喷头调节机构，还包括至少一个原位传感器以测量所述至少一个间隙距离和所述面板相对于所述衬底基座的上表面的平行度。
4.根据权利要求1所述的喷头调节机构，其中，所述杠杆的增益比在2：1至20：1之间。
5.根据权利要求1所述的喷头调节机构，其中，所述杠杆的增益比为6.5：1。
6.根据权利要求1所述的喷头调节机构，其中，所述至少一个致动器组件中的每一个与至少一个运动自由度相关。
7.根据权利要求1所述的喷头调节机构，包括连接在所述压电叠堆的第一端和所述杠杆的第一端之间的挠曲底座。
8.根据权利要求1所述的喷头调节机构，其中，所述喷头的面板相对于所述衬底基座的上表面的平行度从容纳所述喷头的反应室的外部进行调节，而不会破坏所述反应室的真空度。
9.根据权利要求1所述的喷头调节机构，其中，所述调节被配置为在安装到所述衬底基座的衬底上的后续处理步骤之间进行。
10.根据权利要求1所述的喷头调节机构，其中，所述喷头调节机构被动态地构造成以小于0.15毫弧度的分辨率来调节所述喷头的面板的位置。
11.根据权利要求1所述的喷头调节机构，其中，所述杠杆支点位于所述杠杆的一侧，所述一侧位于与所述压电叠堆的第一端与所述杠杆之间的接触点相反的一侧。
12.一种喷头调节机构，用于调节衬底处理装置中的喷头，所述喷头调节机构包括：
至少一个致动器组件，该致动器组件可动态地操作以相对于衬底基座的与所述喷头的面板邻近的上表面调节所述面板的平行度，该至少一个致动器组件中的每一个包括：
压电叠堆；
具有第一端和第二端的杠杆，该杠杆在第一端通过挠曲底座或球窝接头耦合到压电叠堆，并且在第二端上耦合到所述喷头以沿至少一个倾斜方向移动所述喷头，杠杆可操作以机械地放大所述压电叠堆的位移；
进一步包括在所述杠杆的所述第二端中的承窝凹槽，以在与所述喷头耦合的调节螺杆的球接头上起作用，以使所述喷头沿至少一个倾斜方向动态地运动；和
刀片形挠曲部，其基于固体材料的弹性变形而用作无摩擦支点，所述刀片形挠曲部联接至所述杠杆并且位于所述杠杆的所述第一端和所述第二端之间。
13.根据权利要求12所述的喷头调节机构，其中，所述压电叠堆包括其长度随着所施加的电压的增加而线性地增加的材料。
14.根据权利要求12所述的喷头调节机构，其中，所述杠杆将所述喷头的运动范围放大至少2∶1。
15.根据权利要求12所述的喷头调节机构，其中，所述杠杆将所述喷头的运动范围放大至少4∶1。
16.根据权利要求12所述的喷头调节机构，其中，所述杠杆将所述喷头的运动范围放大至少6.5：1。
17.一种喷头调节机构，用于调节衬底处理装置中的喷头，所述喷头调节机构包括：
至少一个致动器组件，该致动器组件可动态地操作以相对于衬底基座的与所述喷头的面板邻近的上表面调节所述面板的平行度，该至少一个致动器组件中的每一个包括：
压电叠堆；
具有第一端和第二端的杠杆，该杠杆在所述第一端通过挠曲底座或球窝接头耦合到所述压电叠堆，在所述第二端机械耦合到所述喷头以沿至少一个倾斜方向移动该喷头，该杠杆可机械地操作以放大所述压电叠堆的位移；
进一步包括在所述杠杆的所述第二端中的承窝凹槽，以在与所述喷头耦合的调节螺杆地球接头上起作用，以使所述喷头沿至少一个倾斜方向动态地运动；和
杠杆支点，其耦合到所述杠杆并且位于所述杠杆的所述第一端和所述第二端之间；和
至少一个原位传感器，用于测量所述喷头的所述面板和所述衬底基座的所述上表面之间的间隙距离和所述面板相对于所述衬底基座的所述上表面的平行度。
18.根据权利要求17所述的喷头调节机构，其中，所述至少一个原位传感器包括选自如下的至少一个传感器：激光干涉仪、线性可变差动变压器和一个或多个应变传感器。
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