CN100405555C

CN100405555C - 电解处理装置和电解处理方法

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Publication number: CN100405555C
Application number: CNB2004800201467A
Authority: CN
Inventors: 野路郁太郎; 安田穗积; 饭泉健; 广川一人; 小畠严贵
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2003-07-15
Filing date: 2004-07-14
Publication date: 2008-07-23
Anticipated expiration: 2024-07-14
Also published as: CN1823403A

Abstract

本发明提供一种电解处理装置和电解处理方法，能够有效地避免形成会对影响处理产品的质量的凹坑。该电解处理装置包括：用于处理工件的处理电极(210)；用于给工件供电的供电电极(212)；用于向处理电极(210)和供电电极(212)之间施加电压的电源(232)；在其中容纳处理电极(210)和供电电极(212)的压力密闭容器(200)；和用于将高压液体供应到压力密闭容器(210)内的高压液体供应系统(204)。

Description

电解处理装置和电解处理方法

技术领域

本发明涉及一种电解处理装置和电解处理方法，尤其涉及一种可用于处理形成在衬底(例如半导体晶片)表面上的导电材料或者用于去除粘附在衬底表面上的杂质的电解处理装置和电解处理方法。

背景技术

近年来，有一种很明显的趋势是使用电阻率低且耐电迁移性高的铜(Cu)，而不是使用铝或铝合金作为在衬底如半导体晶片上形成电路的材料。通过将铜填充在衬底表面上形成的细微凹穴中，整体形成铜内连。形成这种铜内连的各种技术是已知的，包括化学汽相淀积、溅射和电镀。根据上述技术中的任何一种，铜薄膜形成在衬底的基本整个表面上，然后经过化学机械抛光(CMP)去除不必要的铜。

图1A到1C按照加工步骤顺序说明了形成这种具有铜内连的衬底W的一个实例。如图1A中所示，在半导体衬底1上形成其中形成了半导体器件的导电层1a，绝缘膜2(如SiO₂氧化膜或低k材料膜)淀积在导电层1a上。通过光刻法/蚀刻技术在绝缘膜2中形成若干个接触孔3和内连槽4。此后，在绝缘膜2的表面上形成TaN或类似物的阻挡层5，通过溅射或CVD或类似方式，在阻挡层5上形成籽晶层7，作为用于电镀的供电层。

然后，如图1B中所示，在衬底W的表面上电镀铜，从而用铜填充接触孔3和槽4，同时在绝缘膜2上淀积铜薄膜6。此后，经过化学机械抛光(CMP)或类似处理，去除绝缘膜2上的铜薄膜6、籽晶层7和阻挡层5，使得填充在接触孔2和槽4中的铜薄膜4的表面和绝缘膜2的表面基本上位于同一平面上。由此形成图1C中示出的由铜薄膜6构成的内连。

近来各类设备中的部件已经变得更加精细并且需要更高的精确度。由于已经普遍使用亚精密制造技术时，处理方法对材料性质的影响很大。在这些情况下，利用工具对工件中所需要的部分进行物理破坏并且从其表面上去除的这种常规机械加工方法中，可能会产生大量的瑕疵而损坏了工件的性质。因此，执行处理而不会损坏材料的性质就变得很重要。

已经研究了一些处理方法来解决该问题，诸如化学抛光、电镀处理和电镀抛光。与常规物理处理相反，这些方法通过化学溶解反应进行去除处理等。因而，这些方法没有诸如因塑料变形而形成变样的层和错位这类缺点，因此可以执行处理而不损坏材料的性质。

在上述电解处理或电解抛光的情况下，处理是通过工件和电解液(NaCl、NaNO₃、HF、HCl、HNO₃、NaOH等水溶液)之间的电化学相互作用进行的。由于必须使用含有这种电解质的电解液，所以工件受到电解液的污染是不可避免的。

而且，据报道有一种方法，同时进行CMP处理和电镀，即化学机械电解抛光。根据该方法，对生长的电镀膜表面进行机械处理，这导致的问题是得到的薄膜变形。

近来已经研究了一些电解金属处理方法，其改善了对环境造成的负担、经过处理的产品的污染、操作中的危险等(参见例如日本专利特开No.2000-52235和2001-64799)。这些电解处理方法在进行电解处理时使用纯水或超纯水。由于纯水或超纯水中几乎不通过电流，所以这些处理方法使用设置在用作阳极的工件和用作阴极的处理电极之间的离子交换器，从而进行工件的电解处理。由于工件、离子交换器和处理电极都放在纯水或超纯水环境中，所以能够显著减轻环境的负担和工件污染问题。而且，工件的金属通过电解反应作为金属离子被除去，并且溶解的离子保持在离子交换器中。这可以进一步减低工件和液体自身(纯水或超纯水)的污染。因此，这样的处理方法被认为是理想的电解处理方法。

如上所述，根据通过使用离子交换器并且供应超纯水来处理工件的电解处理方法，可以避免工件的污染并且显著降低环境负担。而且，该电解处理方法能够给各种金属零件提供镜面光泽表面，并且还可以不使用切削油、含有抛光剂的浆料、电解液等，而这些对用于抛光方法的常规机械金属处理来说是必须的。

虽然使用离子交换器的电解处理方法具有上述优点，众所周知，根据工件的类型、处理条件等，能够在处理过的表面上形成凹坑(小孔)。这些凹坑是肉眼看不到的细微孔，以致于即使处理过的表面显示出镜面光泽时它们也可能会存在。因此，这些凹坑是只有利用扫描电子显微镜、激光显微镜、原子力显微镜等通过分析才能确定的细微孔。

当这种凹坑形成在普通机械零件中经过了抛光的表面上时，可能不会对物品的外观造成不利的影响。然而，当凹坑形成在需要高密封度(例如真空装置或压力装置)的密封表面中时，就可能不会得到所需要的真空或压力。此外，这些凹坑能够促进金属的腐蚀。而且，在半导体器件的情况下，凹坑的形成也会施加各种不利影响。

而且，在使用离子交换器并且采用某一电极装置(供电电极和处理电极)的电解处理中，处理速率随着工件和处理电极之间相对速度的变化而变化。具体如图2中所示，当以工件和处理电极之间的快相对速度进行处理时，处理速率低。反之，当以工件和处理电极之间的慢相对速度进行处理时，处理速率高。

在这方面，打滑现象可能是第一因素。具体如图3A和3B所示，当通过在工件W和处理电极300之间提供液体(如纯水，优选为超纯水)，同时使工件W和覆盖处理电极300表面的离子交换器(离子交换膜)302彼此接触，然后彼此相对移动，并且向工件W和处理电极300之间施加电压，由此进行电解处理时，在离子交换器302和工件W的处理表面之间形成水膜304a或304b(打滑现象)。图3A示出的水膜304a是在以工件W和处理电极300(离子交换器302)之间的慢相对速度进行电解处理的过程中形成的，它比图3B中示出的水膜304b薄，水膜304b是在以工件W和处理电极300(离子交换器302)之间的快相对速度进行电解处理的过程中形成的。由于水膜304a或304b为绝缘体，所以随着水膜厚度的增加，电解效率降低并且处理速率降低。

由于反应产物引起的导电率增大是第二因素。具体而言，在以图3A和3B中示出的相同方式进行电解处理的过程中，当工件W和处理电极300(离子交换器302)之间的相对速度低时，工件W的处理表面中每单位面积上处理电极300的滞留时间较长，并且释放的反应产物306(铜离子/氧化铜、纯水电解产生的OH^-等)变少，如图4A中所示。因此，与图4B中示出的工件W和处理电极300(离子交换器302)之间快相对速度的情况相比，反应产物306的浓度高。较高浓度的反应产物306增大了导电率，因此提高了电解效率并且增大了处理速率。

当通过使用离子交换器的上述电解处理去除图1B中示出的绝缘膜2上多余的膜6且使其平整而形成图1C中示出的内连时，已知的是，被处理的表面中处理量和残留平面差整体具有如图5中所示的关系：平面差随着处理量的增加而降低。依据工件初始的膜厚度、初始平面差、处理条件等，平面差减少的程度不同。

在使用离子交换器的电解处理中，当处理速率较高时，图5中示出的消除平面差的效果往往会降低。由此认为，当对工件W进行处理，同时使工件W和处理电极300(离子交换器302)彼此相对移动时，处理速率随着相对速度的增加而降低，如上所述，平面差消除效果随着处理速率的减小而提高。也可以由离子交换器的工作状态推断出，平面差消除效果随着工件W和处理电极300(离子交换器302)之间相对速度的增加而提高。

在这方面，导电率的增加可能是第一因素。具体而言，与如图6B中所示工件W和处理电极300(离子交换器302)之间的相对速度快(处理速率低)的情况相比，如同图4A中示出的上述情况一样，工件W和处理电极300(离子交换器302)之间的相对速度慢(处理速率高)时，处理产物306的浓度高，如图6A中所示。因此，图案的凹槽内的反应产物浓度更高，并且图案的凸起部分和凹陷部分之间的处理速率差更小，因而降低了平面差消除效果。

离子交换器的表观弹性模数的变化可能是第二因素。具体而言，当如图7A所示，工件W和处理电极300(离子交换器302)之间的相对速度慢时，与如图7B所示的工件W和处理电极300(离子交换器302)之间的相对速度快时的情况相比，离子交换器302的表观弹性模数低。因此，离子交换器302的变形更大，使得其更深地挤入图案凹槽中。这使图案的凹陷部分和离子交换器302之间的距离变窄，因此图案的凸起部分和凹陷部分之间的处理速率差就更小，因此降低了平面差消除效果。

发明内容

鉴于背景技术中的上述情况作出本发明。因此本发明的第一个目的就是要提供一种电解处理装置和一种电解处理方法，其能够有效地避免形成会对经过处理的产品的质量造成损坏的凹坑。

本发明的第二个目的就是要提供一种电解处理方法，其能够去除例如已经用于在凹槽中嵌入内连的金属(如铜)的多余部分成为平整表面，同时提高平面差消除效果，并且其能够缩短处理时间。

为了实现上述目的，本发明提供一种电解处理装置，其包括：用于处理工件的处理电极；用于给工件供电的供电电极；用于向处理电极和供电电极之间施加电压的电源；在其中容纳处理电极和供电电极的压力密闭容器；和用于将高压液体供应到压力密闭容器内的高压液体供应系统。

图8示出了使用离子交换器的电解处理的原理。图8中示出了当安装在处理电极14上的离子交换器12a和安装在供电电极16上的离子交换器12b接触或接近工件10的表面，同时从电源17向处理电极14和供电电极16之间施加电压，并且液体18(如超纯水)由流体供应部分19提供到处理电极14、供电电极16和工件10之间时，反应系统中的离子状态。

当使用自身电阻率大的液体如超纯水时，优选使离子交换器12a与工件10的表面“接触”。这可以降低电阻，降低所施加的电压，并且减少耗电量。因此，在根据本发明的处理中，“接触”并不意味着例如象CMP中那样用于对工件施加物理能量(应力)的“按压”。

液体18(如超纯水)中的水分子20被离子交换器12a、12b分解成氢氧离子22和氢离子24。由此产生的氢氧离子22，例如被工件10和处理电极14之间的电场和液体18的流动传送到工件10中与处理电极14相面对的表面上，因此在工件10附近氢氧离子22的密度增加，并且氢氧离子22与工件10中的原子10a发生反应。反应产生的反应产物26溶解在液体18(如超纯水)中，并且通过液体18沿着工件10表面的流动而从工件10中除去。从而实现工件10中表面层的去除处理。

正如由上述所理解的那样，该处理方法仅仅通过反应离子和工件之间的电化学相互作用来实现。因而该方法在处理原理上明显与通过CMP的处理不同，因为根据CMP的处理是通过抛光部件和工件之间的物理相互作用与抛光液体和工件中化学物质之间的化学相互反应的组合来实现的。根据该方法，对工件10中与处理电极14相面对的部分进行处理。因此，通过移动处理电极14，可以将工件10处理成所需要的表面构造。

此外，由于根据本发明的电解处理装置只是通过基于电化学相互作用的溶解反应进行工件的去除处理，这与CMP装置明显不同，CMP装置是通过抛光部件和工件之间的物理相互作用与抛光液体和工件中化学物质之间的化学相互反应的组合进行处理的，本发明的电解处理装置可以对材料进行去除处理而不损害材料的性质。即使该材料为机械强度低的材料如上述低k材料时，也可以对该材料进行去除处理而不会引起任何物理相互作用。此外，与常规电解处理装置相比，本发明的装置因为使用导电率不大于500μS/cm的液体作为电解质液体，优选为纯水，更优选为超纯水，所以显著地降低了工件表面的杂质污染，并且可以使处理之后的废液处理变得容易。

在上述电解处理时，通常凹坑的数量往往也会随着处理时间的增加而增加。经验已经证明，在电解处理的过程中工件表面上形成的气体(气泡)量越大，凹坑的数量就越大。因此，当使用水溶性电解液时，凹坑的数量随着电极上产生的氧气和氢气的数量的增加而增加。因此这种凹坑也称之为气坑。

根据本发明，气体在液体中的溶解性与液体压力成比例地增加，而产生的气泡量由产生的气体量与液体中溶解的气体量之差确定。因此，通过在高压液体存在的情况下进行电解处理，可以使电极和工件表面上产生的气体的溶解速度和溶解量增大，因此可以降低气体产生部位产生的气泡量，由此可以减少凹坑的形成。

优选在工件与处理电极和供电电极中的至少一个之间设置接触部件。

优选地，该装置还包括：具有供电电极和处理电极的电极部分，和接触部件，其设置在电极部分和工件之间和/或在电极部分的处理电极和供电电极之间。

该接触部件优选包括离子交换器或抛光垫。

通过象这样使用离子交换器作为接触部件，可以执行电解处理，从而促进液体如超纯水中的水分子分解成氢离子和氢氧离子。

在本发明的优选实施例中，将被供应到压力密闭容器中的高压液体压力不低于2kgf/cm²。

优选高压液体供应系统设置有热交换器，用于对将被供应到压力密闭容器中的高压液体的温度进行调整。

液体中气体的溶解速度和溶解能力随着液体温度的增加而降低。因此，通过降低将被供应到压力密闭容器中的高压液体的温度，可以增加液体中的气体溶解速度和气体溶解能力，由此可以降低气体产生部位产生的气泡量，并且同时可以抑制由液体温度引起的气体膨胀。

优选高压液体供应系统设置有排气装置，用于从将被供应到压力密闭容器中的高压液体中排出所溶解的气体。

当溶解的气体存在于液体中时，与溶解的气体量相对应的气体分压使气体溶解能力降低。此外，气体溶解速度随着液体中存在的气体量的增加而降低，因为剩余气体的溶解能力降低了。因此，通过在将高压液体供应到压力密闭容器中之前预先从其中排出所溶解的气体，可以增大液体中的气体溶解能力和气体溶解速度，由此可以增加气体产生部位产生的气泡量。

本发明提供另一种电解处理装置，其包括：用于处理工件的处理电极；用于给工件供电的供电电极；用于向处理电极和供电电极之间施加电压的电源；和用于在工件与处理电极和供电电极中的至少一个之间供应液体的液体供应系统，其中液体供应系统设置有热交换器，用于对将被供应到工件与处理电极和供电电极中至少一个之间的液体的温度进行调整。

液体中气体的溶解速度和溶解能力随着液体温度的增加而降低。因此，通过降低将被供应到工件与处理电极和供电电极中至少一个之间的高压液体的温度，可以增加液体中的气体溶解速度和气体溶解能力，由此可以降低在气体产生部位产生的气泡量，并且同时可以抑制由液体温度引起的气体膨胀。

在本发明的优选实施例中，热交换器对将被提供到工件和离子交换器之间的液体进行调整，使得液体温度变为不高于25℃。通常，将被提供到工件和离子交换器之间的液体的温度优选不高于25℃。

本发明还提供另一种电解处理装置，其包括：包括由电极和覆盖电极表面的离子交换器构成的电极部件的电极部分；用于支撑工件并且使工件与电极部件的离子交换器接触的支架；用于在离子交换器和由支架支撑的工件之间提供液体的液体供应系统；用于引起电极部分和工件之间相对运动的驱动机构；和与电极部分中电极部件的电极连接的电源；其中离子交换器与工件处理表面中的点的连续接触时间不超过10msec。

离子交换器与工件处理表面中的点的连续接触时间通常不超过10msec，优选不超过5msec，更优选不超过1.5msec。

优选覆盖电极的离子交换器设计成与由支架支撑的工件接触并且接触宽度为0.2～1.5mm。

液体中气体的溶解量随着气体溶解时间而增加，并且最后接近气体溶解能力。因而，气体溶解时间越长，液体中气体溶解量就越大。通过使覆盖电极的离子交换器和由支架支撑的工件之间的接触区域的接触宽度变窄，可以缩短电极在工件上的处理点上的通过时间(处理时间)。这缩短了气体产生时间并且延长了气体溶解时间，由此增加了气体溶解量并降低了气体产生部位上产生的气泡量。该接触宽度通常为0.2～1.5mm，优选为0.2～1.2mm，更优选为0.2～1.0mm。

驱动机构优选设计成引起电极部分和工件之间以不低于0.2m/sec的相对速度相对运动。

在电解处理中，产生的气体溶解在电极和工件之间存在的液体中。因此，通过使电极和工件之间的相对速度变大，以由此使电极和工件之间的液体体积或液体流速变大，从而替换为电极和工件之间的相对运动，可以降低气体产生部位上产生的气泡量。该相对速度通常不低于0.2m/sec，优选不低于0.5m/sec，更优选不低于0.7m/sec。

本发明还提供了另外一种电解处理装置，其包括：包括由电极和覆盖电极的离子交换器构成的电极部件的电极部分；用于支撑工件并且使工件与电极部件的离子交换器接触的支架；用于在离子交换器和由支架支撑的工件之间提供液体的液体供应系统；用于引起电极部分和工件之间相对运动的驱动机构；和与电极部分中电极部件的电极连接的电源；其中以与在电极部分和工件之间相对运动同步的方式对该电源进行开/关或正/负控制。

通过象这样使电极部分和工件之间的相对运动与电源的开/关控制同步进行，因此仅仅在电极部分的电极和工件之间在该电极的宽度方向的相对速度快(例如不低于0.2m/sec)的时段内进行处理，在上述增大相对速度的情况下能够降低气体产生部位产生的气泡量。

优选的是，进行开/关控制，使得当电极部分的电极和工件之间在电极宽度方向的相对速度不低于0.2m/sec时，接通该电源。

在本发明的优选实施例中，相邻电极部件与电源的阴极和阳极交替连接。

该液体为例如纯水、超纯水、或导电率不大于500μs/cm的液体。

本发明还提供一种电解处理方法，其包括：通过对电极部分施加电压，在存在高压液体的情况下对工件进行处理。

优选地，在电极部分和工件之间供应高压液体。

优选地，通过将工件和电极部分浸渍到高压液体中对工件进行处理。

优选地，电极部分包括用于处理工件的处理电极和用于给工件供电的供电电极。

该高压液体的压力优选不低于2kgf/cm²。

本发明提供另一种电解处理方法，其包括：通过对电极部分施加电压，在存在高压液体的情况下对工件进行处理，其中电极部分包括用于处理工件的处理电极和用于给工件供电的供电电极。

本发明还提供另一种电解处理方法，其包括：提供可以接近或接触工件的处理电极，和用于给工件供电的供电电极；通过向处理电极和供电电极之间施加电压，同时在工件与处理电极和供电电极中的至少一个之间供应温度经过调整的液体，由此对工件进行处理。

本发明还提供另一种电解处理方法，其包括：提供可以接近或接触工件的处理电极，和用于给工件供电的供电电极；通过向处理电极和供电电极之间施加电压，同时在工件与处理电极和供电电极中的至少一个之间供应脱气液体，由此对工件进行处理。

优选的是，在工件与处理电极和供电电极中的至少一个之间设置离子交换器。

本发明还提供另一种电解处理方法，其包括：通过对电极施加电压并且使覆盖电极表面的离子交换器和由支架支撑的工件彼此相对运动，同时使离子交换器和工件彼此保持接触，使得离子交换器和工件之处理表面上的点的接触时间不超过10msec，由此在液体存在的情况下对工件进行处理。

优选离子交换器和由支架支撑的工件彼此接触，且接触宽度为0.2到1.5mm。

优选离子交换器和由支架支撑的工件以不低于0.2m/sec的相对速度彼此相对运动，同时使它们彼此保持线接触。

本发明还提供另一种电解处理方法，其包括：通过对多个平行排列的电极施加电压并且使覆盖该多个电极之表面的离子交换器和由支架支撑的工件彼此相对运动，同时使离子交换器和工件彼此保持接触，由此在液体存在的情况下对工件进行处理；其中以与该相对运动同步的方式对该电压进行开/关或正/负控制。

本发明还提供另一种电解处理方法，其包括：使工件和处理电极彼此接近或接触；以及通过向工件和处理电极之间施加电压，同时使工件和处理电极彼此相对运动，由此在液体存在的情况下对工件进行处理；其中使工件和处理电极之间的相对速度在初始处理阶段中快，在后期处理阶段中慢。

根据该方法，在初始处理阶段中，通过采用在工件和处理电极之间的高相对速度，可以提高消除平面差的效果，然而在后期阶段中，当平面差已经消除时，通过降低工件和处理电极之间的相对速度，可以提高处理速率。该处理方式由此可以实现提高平面差消除效果并且缩短处理时间。

在本发明的优选实施例中，当形成在工件之处理表面上并且被处理的膜的厚度已达到不大于600nm之值时，使工件和处理电极之间的相对速度变慢。

使工件和处理电极之间的相对速度变慢的时机为膜的厚度已达到整体不超过600nm之值的时侯，优选不超过500nm的时侯，更优选不超过400nm的时侯。

本发明还提供另一种电解处理方法，其包括：使工件和处理电极彼此接近或接触；以及通过向工件和处理电极之间施加电压，同时使工件和处理电极彼此相对运动，由此在液体存在的情况下对工件进行处理；其中使工件和处理电极之间的相对速度在初始处理阶段中快，在中间处理阶段中慢，并且在后期处理阶段的相对速度比在中间阶段中快。

根据该方法，在初始处理阶段中使工件和处理电极之间的相对速度快，从而提高消除平面差的效果，然后使在中间处理阶段中相对速度变慢，由此提高处理速率。此外，在后期处理阶段使工件和处理电极之间的相对速度再次变快，从而提高平面差消除效果并且进行最后处理，同时避免在处理表面上形成凹坑。此外，通过降低在后期处理阶段中的处理速率，可以更精确地检测出处理的终点。

在本发明的优选实施例中，当被处理的膜的厚度不超过600nm之值时，使工件和处理电极之间的相对速度变慢，并且当膜的厚度已经达到50到300nm之值时，使工件和处理电极之间的相对速度再次变快。

在中间处理阶段中使工件和处理电极之间的相对速度变慢的时机为膜厚度已达到整体不超过600nm之值的时侯，优选不超过500nm的时侯，更优选不超过400nm的时侯。在后期处理阶段中使工件和处理电极之间的相对速度再次变快的时机为膜厚度已达到整体不超过50到300nm之值的时侯，优选不超过50到200nm的时侯，更优选不超过50到120nm的时侯。

本发明还提供另一种电解处理方法，其包括：使工件和处理电极彼此接近或接触；以及通过向工件和处理电极之间施加电压，同时使工件和处理电极彼此相对运动，由此在液体存在的情况下对工件进行处理；其中使工件和处理电极之间的相对速度在初始处理阶段中慢，在后期处理阶段中快。

根据该方法，在初始处理阶段中使工件和处理电极之间的相对速度变慢以增大处理速率，并且在后期处理阶段中使该相对速度变快，由此提高平面差消除效果。因此该处理方式可以实现提高平面差消除效果和缩短处理时间。

在本发明的优选实施例中，在被处理的膜的厚度已达到50到300nm之值时，使工件和处理电极之间的相对速度变快。

在后期处理阶段中使工件和处理电极之间的相对速度变快的时机为膜厚度已达到整体为50到300nm之值的时侯，优选为达到50到200nm的时侯，更优选为达到50到150nm的时侯。

可以逐步地改变工件和处理电极之间的相对速度。可选择地，可以连续改变工件和处理电极之间的相对速度，例如线性地或曲线地改变。

本发明还提供另一种电解处理方法，其包括：使工件和处理电极彼此接近或接触；以及通过向工件和处理电极之间施加电压，同时通过使工件和/或处理电极作圆周运动以引起工件和处理电极之间相对运动，由此在液体存在的情况下对工件进行处理；其中在处理期间改变工件和/或处理电极的圆周运动的周期。

根据本发明，与CMP处理不一样，通过电化学反应，可以实现工件(如衬底)的电解处理，而没有在工件中引起任何损害工件性质的物理缺陷。此外，本发明的电解处理装置和方法能够有效地除去(清洗掉)粘附在工件表面上的物质。因此，本发明能够省略整个CMP处理或者至少降低对CMP造成的负荷。此外，即使仅仅使用纯水或超纯水，就可以实现衬底的电解处理。这避免了杂质(如电解质)粘附到或保留在衬底的表面上，能够简化去除处理之后的清洁过程，并且能够显著降低对废液处理造成的负荷。

根据本发明，通过在处理过程中使工件和处理电极之间的相对速度变快，可以提高平面差消除的效果，而通过使工件和处理电极之间的相对速度变慢，可以增大处理速率。由此该处理方式可以提高平面差消除效果并且缩短处理时间。此外，可以避免在处理表面上形成会损害工件质量的凹坑。

附图说明

图1A到1C为按照加工步骤顺序地说明了制造具有铜内连的衬底W的示例的说明图；

图2为示出工件和处理电极之间的“相对速度”与“处理速率”之间关系的曲线图；

图3A为说明当工件和处理电极之间的相对速度低时观察到的打滑现象的示意图，图3B为说明当相对速度快时观察到的打滑现象的示意图；

图4A为说明当工件和处理电极之间的相对速度慢时处理产物的浓度的示意图，以及图4B为说明当相对速度快时处理产物的浓度的示意图；

图5为示出“处理量”和“平面差”之间关系的图；

图6A为说明工件和处理电极之间的相对速度慢时处理产物的浓度的图，以及图6B为说明当相对速度快时处理产物的浓度的图；

图7A为说明工件和处理电极之间的相对速度慢时离子交换器的形变的图，以及图7B为说明相对速度快时离子交换器的形变的图；

图8为说明当通过使处理电极和供电电极与衬底(工件)接近，并且在处理电极、供电电极和衬底(工件)之间供应纯水或导电率不大于500μS/cm的流体来实现根据本发明的电解处理原理的示意图；

图9为根据本发明实施例的电解处理装置的示意图；

图10为示出“气体溶解速度与气体溶解量”和“水压”之间关系的图；

图11为示出“气体溶解量”和“液体温度”之间关系的图；

图12为示出相对于具有不同初始量溶解气体的液体、“气体溶解能力”和“水压”之间关系的图；

图13为示出“气体溶解速度”和“液体中存在的气体量”之间关系的图；

图14为示出根据本发明另一个实施例设置有电解处理装置的衬底处理装置构造的平面图；

图15为图14中示出的衬底处理装置的电解处理装置的平面图；

图16为图15的纵向截面视图；

图17A为图15中电解处理装置的旋转制止机构的平面图；以及图17B为沿着图17A中的线A-A的截面图；

图18为图15中电解处理装置中的电极部分的平面图；

图19为沿着图18中的线B-B的截面图；

图20为图19的部分放大图；

图21A为示出在对表面上形成有两种不同材料之膜的衬底的表面进行电解处理时所观察到的“电流”和“时间”之间关系的图；以及图21B为示出在对表面上形成有两种不同材料之膜的衬底的表面进行电解处理时所观察到的“电压”和“时间”之间关系的图；

图22为说明在电解处理过程中离子交换器和衬底之间接触状态的横截面图；

图23A到23C为说明在电解处理过程中，除了电极部分的卷绕运动之外，通过在Y方向上使衬底支架移动预定距离来消除处理量偏差的机构的图；

图24A到24D为说明电解处理方法的图，该方法在电解处理期间，除了电极部分的卷绕运动之外，通过在Y方向上使衬底支架移动预定距离，可以消除处理量的偏差；

图25为示出“气体溶解量”和“气体溶解时间”之间关系的图；

图26为示出对于不同体积的液体，“气体溶解速度与气体溶解量”和“水压”之间关系的图；

图27为通过使用具有不同接触宽度的电极1到4所进行的电解处理中“凹坑的数量”和“相对速度”之间关系的图；

图28为示出通过使用具有不同接触宽度的电极1到4所进行的电解处理中“凹坑的数量”和“电极(离子交换器)接触时间”之间关系的图；

图29A到29C为说明在电极部分和衬底之间的相对卷绕运动中，电极和衬底表面上的点之间的相对速度的图；

图30为说明与相对卷绕运动同步地对电源进行开/关控制的图；

图31为示出衬底处理装置的构造图，该衬底处理装置配置有用于实施根据本发明的电解处理方法的电解处理装置；

图32为图31中示出的衬底处理装置中电解处理装置的纵向截面图；

图33为示出在根据本发明的电解处理方法中工件(衬底)和处理电极(电极)之间的“相对速度”和“处理时间”之间关系的一个示例的图；

图34为示出在根据本发明的电解处理方法中工件(衬底)和处理电极(电极)之间的“相对速度”和“处理时间”之间关系的另一个示例的图；

图35为示出在根据本发明的电解处理方法中工件(衬底)和处理电极(电极)之间的“相对速度”和“处理时间”之间关系的再一个示例的图；

图36为示出在根据本发明的电解处理方法中工件(衬底)和处理电极(电极)之间的“相对速度”和“处理时间”之间关系的再一个示例的图；

图37示出在根据本发明的电解处理方法中工件(衬底)和处理电极(电极)之间的“相对速度”和“处理时间”之间关系的再一个示例的图；

图38为适于实施根据本发明电解处理方法的电解处理装置的主要部分的纵向截面图；

图39为图38中的主要部分的放大图；

图40为示出适于实施根据本发明电解处理方法的另一个电解处理装置的平面示意图。

实现本发明的最佳实施方式

现在，参考附图对本发明的优选实施例进行详细说描述。虽然下面的描述说明了由电解处理装置处理衬底作为工件的情况，本发明当然还可以适用于除衬底之外的工件。

图9示出了根据本发明第一实施例的电解处理装置的示意图。该电解处理装置主要由具有可气密封的压力密闭容器200的主体装置202、用于给主体装置202的压力密闭容器200供应高压液体的高压液体供应系统204、用于将压力密闭容器200中的液体排放到外部的液体排放系统206、和辅助线路系统208构成。

主体装置202包括具有一对处理电极210和供电电极212的电极板218和用于可拆卸支撑衬底W(如半导体晶片)的支架220，其中处理电极210和供电电极212中暴露出来的表面分别由离子交换器214、216覆盖。电极板218和衬底支架220彼此相对地设置在压力密闭容器200中。电极板218固定在主轴224的前端，其中主轴224穿过压力密闭容器200并且驱动部分222可使其前后移动。另一方面，衬底支架220固定在旋转主轴226的前端，其中旋转主轴226穿过压力密闭容器200并且通过联轴器230与电机228的输出主轴连接。

离子交换器214、216可以由具有阴离子交换基或阳离子交换基的无纺织物构成。阳离子交换器优选携带强酸性阳离子交换基(磺酸基)；然而，也可以使用携带弱酸性阳离子交换基(羰基)的阳离子交换器。虽然阴离子交换器优选携带强碱性阴离子交换基(季铵基)，但是也可以使用携带弱碱性阴离子交换基(叔氨基或更低级的氨基)的阴离子交换器。

携带强碱性阴离子交换基的无纺织物可以由例如下述方法制备：对纤维直径为20-50μm并且孔隙率约为90％的聚烯烃无纺织物进行所谓的辐射接枝聚合，其包括：对无纺织物上进行γ-射线辐射，接着进行接枝聚合，由此引入接枝链，然后使由此引入的接枝链胺化，从而在其中引入季铵基。引入的离子交换基的容量可以由引入的接枝链的量确定。可以通过使用单体如丙烯酸、苯乙烯、甲基丙烯酸缩水甘油酯(glicidyl methacrylate)、苯乙烯基磺酸钠或氯甲基苯乙烯或类似物进行接枝聚合。可以通过调整单体的浓度、反应温度和反应时间来控制接枝链的量。因而，可以使接枝度，即接枝聚合之后无纺织物的重量与接枝聚合之前无纺织物的重量之比最大达到500％。因此，可以使接枝聚合之后引入的离子交换基团的容量最大达到5meq/g。

携带强酸性阳离子交换基的无纺织物可以通过如下方法制备：与携带强碱性阴离子交换基的无纺织物的情况一样，对纤维直径为20-50μm并且孔隙率约为90％的聚烯烃无纺织物进行所谓的辐射接枝聚合，其包括：对无纺织物上进行γ-射线辐射，接着发生接枝聚合，由此引入接枝链，然后用热硫酸对由此引入的接枝链进行处理，从而在其中引入硫酸基。如果用热磷酸处理接枝链，可以引入磷酸基。接枝度最大可以达到500％。并且接枝聚合之后引入的离子交换基的容量最大可以达到5meq/g。

离子交换器214、216的基体材料可以是聚烯烃，如聚乙烯或聚丙烯，或者其他任何有机聚合物。此外，除了是无纺织物的形式之外，离子交换器还可以是纺织物、片材、多孔材料或短纤维等形式。

当使用聚乙烯或聚丙烯作为基体材料时，可以通过如下步骤实现接枝聚合：先将放射线(γ-射线和电子束)照射在基体材料上辐射(预辐射)，由此产生自由基，然后该自由基与单体发生反应，由此可以得到几乎没有杂质的均匀接枝链。另一方面，当使用除聚烯烃之外的有机聚合物作为基体材料时，可以通过如下方式实现自由基聚合：使单体渗透到基体材料中，然后在基体材料上照射放射线(γ-射线、电子束和UV-射线)(同时辐射)。虽然该方法没有提供均匀的接枝链，但是可以广泛适用于的各种基体材料。

通过使用具有阴离子交换基或阳离子交换基的无纺织物作为离子交换器214、216，纯水、超纯水或如电解液的液体就可以自由地在无纺织物内部移动并且容易达到无纺织物中对水分解具有催化活性的活性点，使得很多水分子分解成氢离子和氢氧离子。此外，通过纯水、超纯水或如电解液的液体的移动，水分解产生的氢氧离子可以有效地传送到处理电极的表面上，由此即使施加低电压也可以得到高电流。

当离子交换器214、216仅具有阴离子交换基和阳离子交换基之一时，使可电解处理的材料受到限制，此外，因为极性的原因很可能形成杂质。为了解决该问题，可以叠置携带阴离子交换基的阴离子交换器和携带阳离子交换基的阳离子交换器，或者离子交换器214、216本身可以携带阳离子交换基和阴离子交换基，由此可以扩大将被处理的材料的范围，并且可以抑制杂质的形成。

本发明不局限于使用离子交换器的电解处理。当使用例如电解液作为处理液体时，将被安装在电极表面的处理部件(接触部件)不局限于最适于纯水或超纯水的离子交换器214、216，也可以使用柔软的抛光垫或无纺织物或类似物。可以使用Politex(Rodel Products Corporation的商标)、聚氨酯海绵、无纺织物、泡沫聚氨酯或PVD海绵作为接触部件。

根据该实施例，处理电极210与电源232的阴极连接，供电电极212与电源232的阳极连接。这是因为在阴极侧上进行例如铜的电解处理。根据将被处理的材料，与电源232的阴极连接的电极可以用作供电电极，并且与阳极连接的电极可以用作处理电极。因此，当将被处理的材料为铜、钼、铁或类似物时，在阴极侧发生电解处理操作，因此与电源232的阴极连接的电极变成处理电极210，与阳极连接的电极变成供电电极212。另一方面，当将被处理的材料为铝、硅或类似物时，在阳极侧发生电解处理操作，因此与电源232的阳极连接的电极变成处理电极，并且与阴极连接的电极变成供电电极。

至于处理电极210和供电电极212，电解反应引起它们的氧化或分解会是个问题。鉴于此，作为用于电极的材料，除了常规金属和金属化合物之外，还可以使用碳、相对惰性的贵金属、导电氧化物或导电陶瓷。贵金属基电极可以是例如通过在用作电极基体材料的钛上电镀或涂敷铂或铱而得到的电极，然后在高温下烧结该具有涂层的电极，以消除电极内部应力并且强化电极。陶瓷产品通常通过对无机原料进行热处理而得到，并且由包括金属和非金属的氧化物、碳化物和氮化物的各种原料制造具有各种性质的陶瓷产品。在其中有具有导电性的陶瓷。当电极被氧化时，通常电阻值增大而引起施加的电压增大。然而，通过用没有氧化性的材料如铂或用传导性氧化物如氧化铱保护电极的表面，可以避免因电极的基体材料而引起导电率降低。

高压液体供应系统204包括用于传送纯水(优选为超纯水)的纯水线路240。在纯水线路240中设置用于对沿着纯水线路240流动的纯水的温度进行调整的热交换器242、和用于从沿着纯水线路240流动的纯水中排出所溶解的气体的排气装置244。在排气装置244的下游侧，纯水线路240分支到其中放置有关闭阀246的初始水供应线路248、和其中放置有高压(超)纯水产生装置250的高压纯水供应线路254，并且这两条线路再次汇合并且统一标准的线路与主体装置202的压力密闭容器200连接。

流过纯水线路240的纯水首先通过热交换器242，其中纯水冷却至其温度不高于25℃。然后纯水通过排气装置244除去(排出)初始溶解的气体。一开始，打开关闭阀246，使已经冷却且排过气的纯水通过初始水供应线路248并且将纯水提供到压力密闭容器200中。另一方面，当进行电解处理时，关闭阀246闭合，使纯水通过高压纯水供应线路254。在高压纯水产生装置250中使纯水加压至不低于2kgf/cm²的压力，并且将加压的纯水供应到压力密闭容器200中。

根据该实施例，使用柱塞泵作为高压纯水产生装置250，并且已由高压纯水产生装置(柱塞泵)250加压的纯水供应到压力密闭容器200中，以使已经存储在压力密闭容器200中的纯水加压到预定压力。

液体排放系统206包括其中放置有关闭阀256的水排放线路258。可以通过开/关关闭阀256来排出/关闭压力密闭容器200中的液体。

辅助线路系统208包括用于排水和排气的辅助线路262，其中辅助线路262设置有关闭阀260并且与压力密闭容器200连接。辅助线路262与其中设置有关闭阀264的惰性气体供应线路266、和设置有释放阀268的安全线路270连接，其中释放阀268在压力低于压力密闭容器200的极限压力时打开。辅助线路系统208还设置有用于检测压力密闭容器200中的液体(加压的纯水)压力的压力计272。

通过打开惰性气体供应线路266的关闭阀264，可以使惰性气体如N₂气体供应到压力密闭容器200的内部。此外，通过设置具有在压力低于压力密闭容器200的极限压力时打开的释放阀268的安全线路270，在压力达到压力密闭容器200的极限压力之前，可以释放出压力密闭容器200中的液体(纯水)压力，由此可以避免压力密闭容器200被液体压力破坏。

此处纯水是指导电率不大于10μS/cm(此处是指在25℃，1atm下)的水，超纯水是指导电率不大于0.1μS/cm的水。在电解处理时使用不含电解质的纯水或超纯水，可以避免额外的杂质(如电解质)粘附并残留在衬底W的表面上。

可以使用导电率不大于500μS/cm的液体或通过将电解质添加到纯水或超纯水中得到的电解液代替纯水或超纯水。使用电解液还可以降低电阻并且减低耗电量。可以使用中性盐溶液如NaCl或Na₂SO₄、酸性溶液如HCl或H₂SO₄或者碱性溶液如氨水作为电解液，并且可以根据工件的性质有选择地使用这些溶液。

此外，还可以使用通过将表面活性剂添加到纯水或超纯水中得到导电率不大于500μS/cm的液体代替纯水或超纯水，优选不大于50μS/cm，更优选不大于0.1μS/cm。由于表面活性剂的存在，液体能够在衬底W和离子交换器214、216之间的界面上形成层，其起到抑制离子均匀迁移的作用，由此使离子交换(金属溶解)的浓度适中，从而提高了经过处理的表面的平整性。理想地，表面活性剂的浓度不大于100ppm。当导电率值太高时，电流效率降低并且处理速率降低。使用导电率不大于500μS/cm，优选为不大于50μS/cm，更优选为不大于0.1μS/cm的液体可以获得所需要的处理速率。

现在对通过该实施例的电解处理装置进行电解处理的示例进行描述。

首先，用衬底支架220支撑衬底W。此时，压力密闭容器200是空的，并且电极板218以预定间距处于与由衬底支架220支撑的衬底W相对的位置。

然后，打开惰性气体供应线路266的关闭阀264，使惰性气体如N₂气体供应到压力密闭容器200中，由此惰性气体如N₂替换了压力密闭容器200中的内部空气。通过用惰性气体如N₂的替换，在电解处理之前挤出并且除去了压力密闭容器200中存在的气体如O₂，这种气体也将在电解处理过程中产生并且往往溶解在电解处理过程中使用的液体(纯水)中。具体而言，空气中存在大量的O₂气体，因此最好应当提前除去O₂气体。

接下来，打开初始水供应线路248的关闭阀246，使已经由热交换器242冷却(温度调节)并且由排气装置244排气的纯水通过初始水供应线路248供应到压力密闭容器200中，与此同时，打开辅助线路262的关闭阀260，由此将未加压的纯水注满压力密闭容器200，同时使压力密闭容器200中的气体和残余气泡排放到外部。

此后，闭合初始水供应线路248的关闭阀246，使高压纯水产生装置250中已经产生的高压纯水通过高压纯水供应线路254供应到压力密闭容器200中，由此使加压为例如2kgf/cm²的纯水注满压力密闭容器200。根据该实施例，如上所述，使用柱塞泵作为高压纯水产生装置250，柱塞泵中排出的纯水对注满压力密闭容器200的未加压纯水施加压力。然而，当然本发明不局限于此。

当压力密闭容器200由此注满高压纯水的时候开始电解处理。

首先，启动驱动部分222，以将电极板218向前移向由衬底支架220支撑的衬底W，致使离子交换器214、216与衬底W接触。然后驱动电机228使衬底W连同衬底支架220一起旋转。由电源232在处理电极210和供电电极212之间施加预定电压，从而在处理电极(阴极)210上通过离子交换器214、216产生的氢离子或氢氧离子的作用，对衬底W上的导电膜例如图1B中示出的铜膜6进行电解处理。

在电解处理过程中，用监控部件监控在处理电极210和供电电极212之间施加的电压或其之间流过的电流，以测检出处理的终点。

当使用象超纯水那样其自身电阻率大的液体时，优选使离子交换器214、216与衬底W接触。这可以降低电阻，降低所施加的电压并且减少耗电量。这里的“接触”并不意味着象CMP中那样用于对工件施加物理能量(应力)的“按压”，在这点上，根据CMP，衬底一般以大约20到50kPa的压力压在抛光表面上。另一方面，根据该实施例的电解处理装置，离子交换器214、216可以以例如不大于20kPa的压力与衬底W接触。即使以不大于10kPa的压力也将产生足够的处理效果。

电解处理结束之后，使电解电极210和供电电极212与电源232断开连接，并且衬底支架220停止旋转，然后从衬底支架220上移开电极板218。

此后，首先打开辅助线路262的关闭阀260，使压力密闭容器200中的高压纯水降压。因而，其中已收集的部分纯水和气体被排出到压力密闭容器200的外部。与降压同时进行的是，打开惰性气体供应线路266的关闭阀264，使惰性气体(如N₂气)供应到压力密闭容器200中。已经溶解在高压纯水中并且已经汽化而由此快速增大其体积的H₂被惰性气体如N₂气体稀释。这避免了H₂的爆炸。

接下来，打开水排放线路258的关闭阀256，使压力密闭容器200中的纯水通过水排放线路258排放到外部，由此完成电解处理操作。

根据该实施例，由此进行电解处理，同时压力例如不低于2kgf/cm²的高压纯水注满压力密闭容器200，温度例如不高于25℃的低温纯水(高压纯水)供应到压力密闭容器200中，并且己经预先对供应到压力密闭容器200中的纯水(高压纯水)进行脱气而放出所溶解的气体。这可以避免在衬底W上的导电膜(例如图1B中示出的铜膜6)的处理表面上形成凹坑。现在对避免形成凹坑的机理进行解释。

产生的气泡量是形成凹坑的原因，其可以确定为产生的气体量和纯水(液体)中溶解的气体量之差，即：

气泡量＝产生的气体量-溶解的气体量.......(1)

因此，既可以通过减少产生的气体量也可以通过增加溶解的气体量来减少气泡量。

液体中气体的溶解速度和气体的溶解能力与每单位体积液体(恒温，1kg·cm²)的气体溶解量(C)、液体体积(V)和液体压力(＝气体分压)(P)与所溶解的气体的初始量相对应的气体分压(P₀)之差的乘积成正比：

液体中气体溶解速度和气体溶解能力∝C×V×(P-P₀).......(2)

因此，液体中气体溶解速度和气体溶解能力和液体压力(水压)之间的关系如图10中所示。因而，液体中气体溶解速度和气体溶解能力与液体压力成正比增加，而根据等式(1)，由液体中产生的气体量和所溶解的气体量之差计算得出产生的气泡量。因此，通过在高压液体存在的情况下进行电解处理，可以增加电极和工件表面上所产生的气体的溶解速度和溶解量，因此可以降低气体产生部位产生的气泡量，由此可以减少凹坑的形成。

等式(2)中每单位体积液体的气体溶解量(C)随着液体温度的增加而降低。因此，气体溶解量和液体温度之间的关系如图11中所示。因此，通过降低将被供应到压力密闭容器200中的高压液体的温度，可以增加液体中的气体溶解速度和气体溶解能力，由此可以减少气体产生部位产生的气泡量，与此同时，可以抑制因液体温度而引起的气体膨胀。

此外，如等式(2)中所示，当液体中存在初始溶解的气体时，由与所溶解气体的初始量相对应的气体分压(P₀)降低了气体溶解能力。因此，对于所溶解气体的初始量以这个顺序(A＞B＞C)增大的液体A、B和C来说，液体压力(水压)和气体溶解能力之间的关系如图12中所示。此外，因为残余气体的溶解能力降低，所以气体溶解速度随着液体中存在的气体量的增加而降低。因此，液体中存在的气体量和液体溶解速度之间的关系如图13中所示。因此，通过在高压液体供应到压力密闭容器中之前预先从高压液体中放出溶解的气体，可以提高液体中气体溶解能力和气体溶解速度，由此可以减少气体产生部位产生的气泡量。

图14为说明设置有根据本发明第二实施例中电解处理装置的衬底处理装置的构造平面图。如图14中所示，衬底处理装置包括：一对装卸单元30，作为用于运入和运出衬底W(例如图1B中示出的衬底W)的运入和运出部分；用于翻转衬底W的翻转机32；和电解处理装置34。这些装置连续放置。设置能够平行于这些装置移动的自动传送装置36作为运输装置，用于传送并且在其间转移衬底W。衬底处理装置还设置有与装卸单元30邻接的监控部件38，用于在电解处理装置34中电解处理时监控下述处理电极和供电电极之间施加的电压，或者其间流过的电流。

图15为衬底处理装置中设置的电解处理装置34的平面图，以及图16为图15的纵向截面图。如图15和16中所示，电解处理装置34包括：能够垂直移动并且在水平面内进行往复移动的臂40；垂直支撑在臂40的自由端的衬底支架42，用于用其面朝下的前表面(面向下)牵引和支撑衬底W；与臂40连接的可移动框架44；矩形电极部分46；和与电极部分46连接的电源48。在该实施例中，电极部分46的尺寸设计成其直径略微大于要由衬底支架42支撑的衬底W的直径。

如图15和16中所示，垂直运动的电机50安装在可移动框架44的上端。垂直伸展的滚珠螺杆52与垂直运动的电机50连接。臂40的基座40a与滚珠螺杆52连接，因此借助垂直运动的电机50的传动，臂40通过滚珠螺杆52垂直移动。可移动框架44自身与水平伸展的滚珠螺杆54连接，所以借助往复式电机56的传递，使可移动框架44和臂40在水平面上作往复运动。

衬底支架42与支撑在臂40的自由端的衬底旋转电机58连接。借助衬底旋转电机58的传动使衬底支架42(围绕其轴)旋转。如上所述，臂40可以垂直移动并且在水平方向上作往复运动，衬底支架42可以垂直移动并且连同臂40一起在水平方向上作往复运动。

中空电机(hollow motor)60设置在电极部分46的下方。驱动端64形成在中空电机64的主轴62的上端部分，并且设置在偏离主轴62中心的位置上。电极部分46在其中心部位通过轴承(未示出)与驱动端64可旋转连接。在电极部分46和中空电机60之间沿着圆周方向设置三个或多个旋转抑制机构。

图17A为示出该实施例中旋转抑制机构的平面图，以及图17B为图17A中沿线A-A的横截面图。如图17A和17B中所示，在电极部分46和中空电机60之间沿着圆周方向设置三个或多个旋转抑制机构66。如图17B中所示，在中空电机60上表面和电极部分46下表面中相对应的位置上沿着圆周方向等间隔地形成多个凹陷部分68，70。轴承72、74分别固定在各凹陷部分68、70中。连接部件80具有两个彼此不同圆心的偏心距为“e”的轴76、78，通过将轴76、78各自的端部插入到轴承72、74中，该连接部件80与每对轴承72、74连接。驱动端64偏离中空电机60中主轴62中心的距离也是“e”。因此，借助中空电机60的传动，电极部分46可以以主轴62的中心和驱动端64之间的距离为半径“e”进行回转运动，而不是围绕自身的轴旋转，即所谓的卷绕运动(平移旋转运动)。

接下来，对根据该实施例的电极部分46进行描述。该实施例的电极部分46包括多个电极部件82。图18为该实施例的电极部分46的平面图，图19为沿图18中线B-B的截面图，以及图20为图19的部分放大图。如图19和20中所示，电极部分46包括多个沿X方向伸展(参见图15和18)且以均匀间距平行设置在管形基部84上的电极部件82。

如图20中所示，每个电极部件82包括将与电源48连接的电极86(参见图1和16)、层叠在电极86上部的离子交换器88、和整体覆盖电极86和离子交换器86表面的离子交换器(离子交换膜)90。离子交换器90通过设置在电极86两侧的夹板85安装在电极86上。

离子交换器88、90应当符合以下四个要求：

(1)处理产物(包括气体)的去除

这个与处理速率和处理速率分布的均匀性密切相关。为了满足该要求，优选使用具有“透水性”和“吸水性”的离子交换器。此处术语“透水性”是指广义上的渗透性。因而，此处作为“可透水”部件，包括此处自身不具有透水性但通过具有孔或凹槽可以允许水渗透其中的部件。术语“吸水性”是指吸收水和允许水渗透到材料中的性质。

(2)处理速率的稳定性

为了满足该要求，最好使用多层片状离子交换器，由此确保足够的离子交换能力。

(3)经过处理的表面的平整性(消除平面差的能力)

为了满足该要求，离子交换器的处理表面最好具有良好的表面平滑度。而且，通常，部件越硬，经过处理的表面就越平整(消除平面差的能力)。

(4)长寿命

根据部件的长机械寿命，最好使用具有高耐磨性的离子交换材料。

优选使用离子交换能力大的离子交换器作为离子交换器88。根据该实施例，离子交换器88具有三个1mm厚层叠的多层片状结构(无纺织物离子交换器)，因此总离子交换能力增大。使用这种离子交换能力大的离子交换器能够避免电解反应产生的处理产物(氧气和离子)以超过离子交换器88聚积容量的数量聚积在离子交换器88中。这能够避免聚积在离子交换器88中的处理产物改变其形式并且对处理速率及其分布有负面影响。此外，可以确保足以用于处理所需要处理量的工件的离子交换能力。当离子交换器88的离子交换能力足够高时，其可以具有单个膜。

优选的是，至少将与工件相对的离子交换器90具有高硬度和良好的表面平整度。此处术语“高硬度”是指高刚度和低压缩弹性模数。具有高硬度的离子交换器，当用在对表面上具有细微参差不齐的工件进行处理时，很难顺着参差不齐处进行，并且因此可能有选择地仅除去在工件表面上的凸起部分。此处措辞“具有表面平整度”是指表面具有很小的参差不齐。表面平整的离子交换器不太可能与工件表面中的凹陷部分接触，并且更可能有选择地(优先地)仅除去凸起部分。根据该实施例，因而通过组合表面平整的离子交换器90和离子交换能力大的离子交换器88，离子交换器90的离子交换能力小这一缺点可以由离子交换器88补偿。

此外，优选使用透水性优异的离子交换器作为离子交换器90。通过允许纯水或超纯水流过离子交换器90，所以可以给功能基(在强酸性阳离子交换材料情况下的磺酸基)供应足够量的水，由此增大所溶解的水分子的量，并且通过水的流动，可以除去由将被处理的材料和氢氧离子(或OH自由基)之间的反应所形成的处理产物(包括气体)，由此可以提高处理效率。因而，纯水或超纯水的流动是必不可少的，而且纯水或超纯水的流动最好应当持续且均匀。纯水或超纯水流动的持续性和均匀性导致离子供应和处理产物去除的持续性和均匀性，这又导致处理的持续性和均匀性。

该发明不局限于使用离子交换器的电解处理。当使用例如电解液作为处理液体时，将被安装在电极表面上的处理部件(接触部件)不局限于最适于纯水或超纯水的离子交换器88、90，而是还可以使用柔软抛光垫或无纺织物、或类似物。可以使用Politex(Rodel Products Corporation的商标)、聚氨酯海绵、无纺织物、泡沫聚氨酯或PVD海绵作为接触部件。

根据该实施例，相邻电极部件82的电极86与电源48的阴极和阳极交替连接。例如，电极86a(参见图19)与电源48的阴极连接，而且电极86b(参见图19)与阳极连接。例如，当处理铜时，在阴极侧上发生电解处理作用，因此与电源48的阴极连接的电极86a变为处理电极，而且与电源48的阳极连接的电极86b变为供电电极。因而，根据该实施例，处理电极86a和供电电极86b是平行且交替设置的。

如上所述，根据将被处理的材料，与电源阴极连接的电极可以用作供电电极，与阳极连接的电极可以用作处理电极。

此外，在将被处理的材料为导电氧化物如氧化锡或氧化铟锡(ITO)的情况下，在对将被处理的材料进行还原之后进行电解处理。更具体为，参考图16，与电源48的阳极连接的电极用作还原电极，而且与阴极连接的电极用作供电电极，从而实现导电氧化物的还原。随后，通过使先前的供电电极用作处理电极，对还原的导电材料进行处理。可选择地，还原导电氧化物时的还原电极的极性可以颠倒，使得还原电极可以用作处理电极。通过使将被处理的材料用作阴极并且使其与阳极相对，还可以实现导电氧化物的去除处理。

根据上述实施例，虽然是对形成在衬底表面上的作为导体膜的铜膜6进行处理，通过使钌膜用作阳极而且与阴极连接的电极用作处理电极，以以同样的方式进行电解处理，可以对衬底表面上形成的或粘附的不需要的钌(Ru)膜进行处理(蚀刻并且除去)。

通过象这样在电极部分46的Y方向(与电极部件82的纵向方向垂直的方向)上交替设置处理电极和供电电极，就不需要固定供电部分来给衬底的导电膜(将被处理的部分)供应电子，并且可以对衬底的整个表面进行处理。

根据该实施例，在电解处理过程中，除了卷绕运动(第一相对运动)之外，由衬底支架42支撑的衬底W沿着Y方向移动预定距离，由此使衬底W和电极部件82做第二相对运动，从而消除处理量的变化。因此，如图23A中所示，当在电解处理时仅做卷绕运动(第一相对运动)时，在Y方向上产生了衬底W的处理量的差别，并且在Y方向上的处理量分布包括出现在每个间距P的相同图形的处理量分布单元。在电解处理过程中，驱动往复式电机56使臂40和衬底支架42在Y方向上移动与图23A中示出的间距P的整数倍相当的距离，由此在衬底W和电极部件82之间进行第二相对运动。当这种第二相对运动连同第一相对运动一起进行例如，与间距P相对应的距离时，图23B中示出的衬底W中的点Q被处理的量与面积S_Q相对应，同时图23C中示出的衬底W中的点R被处理的量与面积S_R相对应。由于各个处理量分布单元具有相同的图形，所以面积S_Q与面积S_R相等，即，在衬底W的点Q的处理量与在点R的处理量相等。因此，第二相对运动连同第一相对运动一起进行，可以均匀地对衬底W的整个表面进行处理。在这种情况，优选第二相对运动的速度是恒定的。

如图19中所示，在电极部分46的基部84内部形成用于将纯水(更优选为超纯水)供应到处理表面的流道92，并且流道92通过纯水供应管道94与纯水供应系统120连接。纯水供应系统120包括纯水线路122。在纯水线路122中设置热交换器124，用于对沿着纯水线路122流动的纯水的温度进行调节；和排气装置126，用于从沿着纯水线路122流动的纯水中放出所溶解的气体。如同前述实施例一样，沿着纯水线路122流动的纯水首先通过热交换器124，在那里使纯水冷却，使其温度不高于25℃，然后纯水通过排气装置126，除去(放出)最初溶解的气体。

在各电极部件82的任何一侧上，设置用于喷射上述纯水或超纯水的纯水喷嘴96，该纯水或超纯水已经在其通过热交换器124的过程中冷却(温度调节)并且在其通过排气装置126的过程中脱气，然后从流道92供应到衬底W和电极部件82的离子交换器90之间。在各纯水喷嘴96中，沿着X方向设置了多个喷射口98(参见图18)，用于朝向衬底W中面对电极部件82的处理表面，即衬底W中与离子交换器90接触的部分喷射纯水或超纯水。流道92中的纯水或超纯水由纯水喷嘴96的喷射口98供应到衬底W的整个处理表面上。如图20中所示，各纯水喷嘴96的高度低于各电极部件82的离子交换器90的高度，所以在衬底W与电极部件82的离子交换器90接触时，纯水喷嘴96的顶端没有接触到衬底W。

在各电极部件82的电极86内形成连通流道92和离子交换器88的通孔100。因此，流道92中的纯水或超纯水通过通孔100供应到离子交换器88中。如同前述实施例一样，也可以使用导电率不大于500μS/cm的液体或电解液代替纯水，或者更优选的超纯水。

接下来，将要对使用该电解处理装置的衬底处理(电解处理)进行说明。首先，通过自动传送装置36将衬底W(例如图1B中示出的衬底W)从容纳衬底的盒子中取出，并且放在装卸部分30上，衬底表面上具有铜膜作为导电膜(将被处理的部分)。如果需要，通过自动传送装置36将衬底W转送给翻转机32，翻转衬底W使得衬底W中具有导体膜(铜膜6)的前表面面朝下。

然后，自动传送装置36接收翻转过的衬底W并且将其转送给电解处理装置34。衬底W由衬底支架34牵引并且支撑。移动臂40，使支撑衬底W的衬底支架42正好移动到位于电极部分46上方的处理位置。接下来，驱动垂直运动电机50降低衬底支架42，以使由衬底支架42支撑的衬底W接近或接触电极部分46的离子交换器90的表面。此后，驱动衬底旋转电机58使衬底W旋转，与此同时，驱动中空电机60使电极部分46做卷绕运动。此时，从纯水喷嘴96的喷射口98将纯水或超纯水喷射到衬底W和电极部件82之间，并且纯水或超纯水通过电极部分46的通孔100供应到离子交换器88中。在该实施例中，供应到离子交换器88中的纯水或超纯水沿着各电极部件82的纵向方向从端部排出。

然后由电源48在处理电极和供电电极之间施加预定电压，而且通过离子交换器88、90产生的氢离子或氢氧离子的作用，在处理电极(阴极)上对衬底W表面上的导电膜(铜膜6)进行电解处理。根据该实施例，旋转衬底支架42进行处理，与此同时使电极部分做卷绕运动。在电解处理的过程中，通过往复式电机56的传动，使臂40和衬底支架42可以沿着Y方向移动。

因此，从图24A中示出的位置看，如上所述，衬底W相对于电极部件82沿着Y₁方向移动与间距P的整数倍相对应的距离。接下来，驱动衬底旋转电机58，使衬底W反时针方向旋转90度，然后衬底W沿着Y₂方向移动与间距P的整数倍相对应的距离(参见图24B)。相类似地，在使衬底W反时针方向旋转90度之后，衬底W沿着Y₁方向移动与间距P的整数倍的距离(参见图24C)。此外，在使衬底W反时针方向旋转90度之后，衬底W沿着Y₂方向移动与间距P的整数倍的距离(参见图24D)。因此，通过在第二相对运动中，这样改变衬底W每一次向前移动(沿着Y₁方向的移动)和每一次向后移动(沿着Y₂方向的移动)的移动方向，即使当处理电极之间的处理速率存在一些变化时，也可以使该变化在衬底W上平坦化，并且可以在总体上消除处理的不平整性。

可以使衬底W做卷绕运动。此外，可以采用沿着Y方向的平移往复运动来代替卷绕运动。

监控器部分38对处理电极和供电电极之间施加的电压或其中间流过的电流进行监控，以检测出结束点(处理的终点)。关于这一点要注意的是，在电解处理中，电流(施加的电压)根据将被处理的材料而改变，对电压(电流)也是一样的。例如，如图21A所示，在对依次层叠了材料A膜和材料B膜的衬底W表面进行电解处理中监控电流时，在材料A的处理过程中观察到了恒定电流，而该电流在转向不同材料B的处理中发生变化。同样地，当对处理电极和供电电极之间施加的电压进行监控时，如图21B中所示，虽然在处理材料A的过程中在处理电极和供电电极之间施加恒定电压，但是施加的电压在转向不同材料B的处理中发生变化。作为一个示例，图21A说明了与材料A的电解处理相比，在材料B的电解处理中电流更难以流过这一情况，以及图21B说明了与材料A的电解处理相比，在材料B的电解处理中施加的电压更高这一情况。正如从上述示例中将理解的，监控电流或电压的变化必然可以检测出结束点。

虽然该实施例示出了监控部件38对处理电极和供电电极之间施加的电压或流过其中间的电流进行监控、以检测出处理的结束点这一情况，但是还可使监控部件38对所处理衬底的状态变化进行监控，从而检测出任意设定的处理结束点。在这种情况下，“处理结束点”是指对在将被处理的表面上的指定区域达到所需要处理量的点，或者对在将被处理的表面上的指定区域、依据与处理量有关联的参数达到与所需要处理量相对应的量的点。通过象这样甚至在处理的中间阶段任意设定并且检测出处理的结束点，可以进行多步骤的电解处理。

在电解处理结束之后，电源48被断开，衬底支架42和电极部分46停止旋转。此后，使衬底支架42升起，并在移动臂40之后将衬底W传送到自动传送装置36上。自动传送装置36从衬底支架42上取下衬底W，如果需要将衬底W传送到翻转机32上使其翻转，然后使衬底W返回到装卸单元30的盒子中。

在通过使衬底W和各电极部件82的离子交换器90接触而进行的电解处理中，处理是在电极部分46的离子交换器90和衬底W的处理表面之间的接触面积中进行的。根据该实施例，如图22中所示，在电解处理过程中，离子交换器90和衬底W的处理表面彼此线接触且接触宽度W₁为0.1到1.5mm，优选为0.2到1.2mm，更优选为0.2到1.0mm。此外，在电解处理过程中，电极部分46做卷绕运动，同时由衬底支架42支撑的衬底W旋转。使电极部分46和衬底W之间的相对运动的相对速度不低于0.2m/sec，优选不低于0.5m/sec，更优选不低于0.7m/sec。这能够避免在衬底W上的导电膜(例如图1B中示出的铜膜6)的处理表面中形成凹坑。下面对避免形成凹坑的机理进行说明。

此外，因为上述机理，所以通过喷射(供应)纯水或超纯水也可以避免在衬底W的处理表面上形成凹坑，其中喷射的纯水或超纯水已经在其通过热交换器124时被冷却(温度调节)并且在其通过排气装置126时被脱气，然后被从流道92供应到衬底W和各电极部件82的离子交换器90之间。

如图25中所示，气体在液体中的溶解量随着气体溶解时间的增加而增大并且最终接近气体溶解能力。因此，气体溶解时间越长，液体中气体的溶解量就越大。通过使覆盖各电极86的离子交换器90和由衬底支架42支撑的衬底W之间的线接触面积的接触宽度W₁缩小，可以缩短电极86对衬底W上的处理点的通过时间(处理时间)。这缩短了气体产生时间并且延长了气体溶解时间，由此增加了气体溶解量并且降低了在气体产生部位产生的气泡量。

图27示出了通过使用分别具有如下面表1中所示电极宽度的电极1到4，并且如表1中所示的那样设定各离子交换器和衬底W的处理表面之间的接触宽度而进行电解处理的过程中，(衬底W和电极之间)相对速度和电极中形成的凹坑数之间的关系。在该试验中，离子交换器和衬底的处理表面之间的接触宽度由安装在电极上的离子交换器的张力和曲率确定，并且没有采用用于对接触面积，如绝缘膜附着在离子交换器上的接触面积进行限制的措施。

表1

	电极1	电极2	电极3	电极4
	电极1	电极2	电极3	电极4	电极宽度	1.5mm	8mm	16mm	24mm
离子交换器接触宽度	1mm	3mm	8mm	16mm	电极宽度	1.5mm	8mm	16mm	24mm

由图27中电极1到4之间凹坑数量与相同相对速度0.22m/sec的比较中可以看出，利用离子交换器和衬底的处理表面之间的接触宽度窄至1mm的电极1可以得到特别好的结果。

此外，在电解处理中，产生的气体溶解在电极86和衬底W之间存在的液体中。图26示出液体压力(水压)和溶解在体积A和B的液体(A＞B)中的气体的气体溶解速度和气体溶解量之间的关系。因此，通过使电极86和衬底W之间的相对速度变大，由此使电极86和衬底W之间的液体的体积或流速变大，从而以电极86和衬底W之间的相对运动取代，可以减少气体产生部位上产生的气泡量。

这点也可以从上述图27中看到。图27显示出凹坑的数量随着电极86和衬底W之间相对速度的增大而减少。

图28示出凹坑的数量和各电极(离子交换器)1到4与衬底处理表面中的点的接触时间之间的关系。如可以从图28中所看的那样，凹坑的数量随着电极(离子交换器)与衬底处理表面中的点接触的时间的减少而减少。

电极86(离子交换器96)与衬底W的处理表面中的点接触的时间，可以由离子交换器90和衬底W的处理表面之间接触宽度W₁的优选值、和电极部分46和衬底W之间相对运动速度的优选值确定，通常不超过10msec，优选不超过5msec，更优选不超过1.5msec。

虽然在该实施例中，总是通过由电源48对电极86施加电压来进行电解处理，但是也可以与在电极部分46和衬底W之间相对卷绕运动同步的方式对电源48进行开/关控制。

在卷绕运动中，例如，如图29B中所示，在垂直于电极(离子交换器)A的方向上的相对速度Vcosθ总是变化，并且存在相对速度变为最大值(图29C中的点“a”)的点和相对速度变为零的点(图29C中的点“b”)。因此，通过使卷绕运动与电源48的开/关控制同步，如图30中所示，使得接通电源48，从而仅在卷绕运动的相对速度变快时的区间内进行处理，能够产生与通过上述高相对速度相同的凹坑减少效果。可以与卷绕运动同步地进行电源48的开/关控制，例如，通过根据来自于用于卷绕运动的旋转电机的脉冲信号或来自于工作台上设置的位置传感器的信号，检测做卷绕运动的工作台的旋转角度，并且结合该检测来执行电源的开/关操作。

通过象这样使卷绕运动和电源的开/关控制同步，使得仅在电极部分的电极和衬底的处理表面之间的相对速度在电极部分的宽度方向上变快(例如，不低于0.2m/sec，优选不低于0.5m/sec，更优选不低于0.7m/sec)的区间内进行处理，与上述增大相对速度的情况一样，可以降低气体产生部位上产生的气泡量。

而且在该情况中，离子交换90和衬底W的处理表面优选彼此线接触且接触宽度W₁为0.1到1.5mm，优选为0.2到1.2mm，更优选为0.2到1.0mm。此外，电极(离子交换器)与衬底处理表面上的点接触的时间通常不超过10msec，优选不超过5msec，更优选不超过1.5msec。

下面的表2中示出了卷绕半径(mm)、卷绕转速N(rpm)、旋转角度θ(度)和接触宽度L(mm)的计算结果，假设θa＝45°(开/关负荷50％)或30°(开/关负荷30％)；在“开”期间最小相对速度v为0.2m/s；以及最大接触时间为1.5msec。

表2

r：mm	10	20	30	10	30
r：mm	10	20	30	10	30	N：rpm	300	150	100	720	240
θ：deg	45	45	45	30	30	N：rpm	300	150	100	720	240
θ：deg	45	45	45	30	30	L：mm	1	1	1	1	1
V(θ)：m/s	0.2	0.2	0.2	0.7	0.7	L：mm	1	1	1	1	1
V(θ)：m/s	0.2	0.2	0.2	0.7	0.7	T：msec	4.5	4.5	4.5	1.5	1.5

如上所述，根据本发明，代替CPM处理，例如，可以通过电化学反应实现工件如衬底的电解处理，而不会在工件中引起任何会损害工件性质的物理缺陷。因此，本发明可以省略整个CMP处理或至少减少CMP的负担。此外，本发明可以有效地除去(清洗)附着在工件表面上的物质。此外，即使仅使用纯水或超纯水也可以实现衬底的电解处理。这排除了杂质(如电解质)会附着或残留在衬底表面的可能性，可以简化去除处理后的清洗处理，并且可以显著降低废液处理的负担。而且，本发明可以避免在工件中形成会损害产品质量的凹坑。

图31为示出设置有用于执行根据本发明电解处理方法的电解处理装置的衬底处理装置的构造平面图。如图31中所示，衬底处理装置包括一对装卸部分30，作为用于运入和运出衬底W(例如图1B中示出的衬底W)的运入/运出部分；用于对衬底进行初步清洗的第一清洗机31a；用于对衬底进行第二次清洗(最后清洗)的第二清洗机31b；用于翻转衬底的翻转机32和电解处理装置34a。这些装置串行设置。设置能够平行于这些装置移动的自动传送装置36作为运输装置，用于传送并在其中转送衬底W。衬底处理装置还设置有与装卸单元30邻接的控制部分38a，用于根据涡电流传感器200的输出，对电极部分46的旋转速度进行控制，如下所述。

图32为衬底处理装置中设置的电解处理装置34a的纵向截面图。电解处理装置34a与图15到20中示出的上述电解处理装置在下述方面是不同的。涡电流传感器200嵌入在电解处理装置34a的电极部分46中。涡电流传感器200在淀积在衬底W表面上的导电膜如铜膜6(参见图1B)内部产生涡电流，并且检测所产生的涡电流的强度。由涡电流传感器200检测到的信号输入到作为膜厚度检测部分的信号处理器202中，然后由信号处理器202处理过的信号输入到控制部分38a中。

涡电流传感器200具有传感线圈，并且通过使高频率电流流过传感线圈，在淀积在衬底W表面上的导电膜如铜膜6内部产生涡电流。产生的涡电流的强度随着导电膜如铜膜6的厚度变化。

根据该实施例，用涡电流传感器200检测淀积在衬底W表面上的导电膜如铜膜6内部产生的涡电流的强度，然后将涡电流传感器200检测到的信号传送给信号处理器202。当例如信号处理器202检测到涡电流的强度变化已经达到预定值时，它确定衬底W上(剩余)的导电膜如铜膜6的厚度已经达到预定值，因此检测出处理的结束点。当检测到处理的结束点时，信号处理器202给控制部分38传送预定信号。

接下来，对通过使用电解处理装置的衬底处理(电解处理)进行说明。首先，通过自动传送装置36将衬底W从容纳衬底的盒子里取出，然后放在装卸部分30中，该衬底例如为图1B中示出的衬底W，其表面上具有铜膜6作为导电膜(将被处理的部分)。如果需要，自动传送装置36将衬底W传送给翻转机32使衬底W翻转，使得具有导体膜(铜膜6)的衬底W的前表面面朝下。

然后，自动传送装置36接收已经翻转的衬底W并且将其传送给电解处理装置34a。衬底W由衬底支架42牵引并支撑。移动臂40，使支撑衬底W的衬底支架42正好移动到位于电极部分46上方的处理位置上。接下来，驱动垂直运动动电机50以降低衬底支架42，以使由衬底支架42支撑的衬底W接近或接触电极部分46的离子交换器90的表面。此后，驱动衬底旋转电机58使衬底W旋转，与此同时，驱动中空电机60使电极部分46做卷绕运动，使得衬底W和电极部分46作相对运动。此时，通过纯水喷嘴96的喷射口98将纯水或超纯水喷射到衬底W和电极部件82之间，并且纯水或超纯水通过电极部分46的通孔100供应到离子交换器88中。在该实施例中，供应到离子交换器88中的纯水或超纯水沿着各电极部件82的纵向方向从端部排出。

然后由电源48在处理电极和供电电极之间施加预定电压，而且通过离子交换器88、90产生的氢离子或氢氧离子的作用，在处理电极(阴极)上对衬底W表面上的导电膜(铜膜6)进行电解处理。根据该实施例，通过旋转衬底支架42进行处理，与此同时使电极部分做卷绕运动来执行处理。在电解处理的过程中，通过往复式电机56的传动，使臂40和衬底支架42可以沿着Y方向移动。

如图33中所示，在电解处理的初始阶段(-t₁)中，通过例如使电极部分46的卷绕运动速度变快，而使由衬底支架42支撑的衬底W和各电极86之间的相对速度变快。例如，使该相对速度不低于0.4m/sec，优选不低于0.5m/sec，更优选不低于0.6m/sec。如先前所述，通过象这样使由衬底支架42支撑的衬底W和各电极86之间的相对速度变快，可以使处理速率降低。这提高了去除且整平衬底W上形成的薄膜(例如图1B中示出的铜膜6)时消除平面差的效果。

当涡电流传感器200检测到剩余铜膜6的厚度已经达到预定值，例如不超过600nm，优选不超过500nm，更优选不超过400nm时，传感器200将该信号传送给信号处理器202。根据来自于信号处理器202的经过处理的信号，控制部分38减慢例如电极部分46的卷绕运动速度，使得由衬底支架W支撑的衬底W和各电极86之间的相对速度在后期处理阶段(t₁-)中变慢，如图33中所示。如前所述，降低衬底W和各电极86之间的相对速度，使处理速率增大。处理表面中的初始平面差通常为300到500nm。在完成初始平面差的消除之前，即通过对应于初始平面差的膜厚度的处理进行的去除之前，使用于增大处理速率的相对速度转变。

因此，在初始处理阶段(-t₁)中，通过在衬底W和电极86之间使用高相对速度，可以提高消除平面差的效果，然而在后期处理阶段(t₁-)，当已经消除了平面差时，通过降低衬底W和电极86之间的相对速度，可以增大处理速率。因此该处理方式可以实现提高平面差消除效果和缩短处理时间。

在完成电解处理之后，断开电源48，衬底支架42和电极部分46停止旋转。此后，使衬底支架42升起，在移动臂40之后将衬底W传送到自动传送装置36上。自动传送装置36从衬底支架42上取下衬底W，如果需要的话，将衬底W传送到翻转机32上使其翻转。然后自动传送装置36将衬底W传送给第一清洗机31a，在其中对衬底进行初次清洗。然后由自动传送装置36将衬底W传送给第二清洗机31b，在其中对衬底进行第二次清洗(最后清洗)。然后干燥衬底W，并且将干燥后的衬底W返回到装卸部分30的盒子中。

应当注意的是，当使用自身电阻率大的液体(象超纯水)时，可以通过使离子交换器90和衬底W接触来降低电阻，由此也可以降低所需要的电压，因此能够降低耗电量。这里的“接触”并不意味着象CMP中那样用于对工件施加物理能量(应力)的“按压”。因此，该实施例的电解处理装置使用垂直运动的电机50，用于使衬底W接触或接近电极部分46，并且不具有如CMP装置中通常使用的将衬底压向抛光部件的那种按压机构。在这一点上，根据CMP装置，通常以大约20-50kPa的压力将衬底压向抛光表面，由此在该实施例的电解处理装置中，可以在例如低于20kPa的压力下使衬底W接触离子交换器90。即使在低于10kPa的压力下，也可以得到足够的去除处理效果。

尽管在该实施例中，在初始处理阶段使衬底W和电极86之间的相对速度变快，并且在后期处理阶段减慢。在初始处理阶段(-t₂)，还可以使衬底W和电极86之间的相对速度变快，在中间处理阶段(t₂-t₃)变慢，然后在后期处理阶段(t₃-)再变快，如图34中所示。

尤其是，通过例如在电解处理的初始阶段(-t₂)使电极部分46的卷绕运动速度变快，使由衬底支架42支撑的衬底W和各电极86之间的相对速度变快，从而降低处理速率，由此提高去除并且整平衬底W上形成的薄膜(例如图1B中示出的铜膜6)时消除平面差的效果。

在中间处理阶段(t₂-t₃)中，在涡电流传感器200检测到剩余铜膜6的厚度已经到达预定值，例如不超过600nm，优选不超过500nm，更优选不超过400nm之后，通过例如使电极部分46的卷绕运动速度减慢，从而使由衬底支架42支撑的衬底W和各电极86之间的相对速度减慢，由此增加处理速率。使该阶段的相对速度比在此之前的相对速度慢。具体来说，使该阶段中的相对速度不高于0.4m/sec，优选不高于0.3m/sec，更优选不高于0.2m/sec。

此外，在后期处理阶段(t₃-)中，在涡电流传感器200检测到剩余铜膜6的厚度已经达到预定值，例如50到300nm，优选为50到200nm，更优选为50到150nm之后，通过例如使电极部分46的卷绕运动速度加快，从而使由衬底支架42支撑的衬底W和各电极86之间的相对速度再次变快，从而提高平面差消除效果并且进行最后的处理，同时避免了在处理表面上形成凹坑。

通过象这样使衬底W和各电极86之间的相对速度在该后期处理阶段(t₃-)变快，就可以进一步提高平面差消除效果以及避免在处理表面上形成凹坑。在这方面，已经证实，在进行电解处理时，同时使电极部分46和由衬底支架42支撑的衬底W之间做相对运动，其方式使得电极部分46做卷绕运动以及衬底W旋转，正如在该实施例中的那样，通过使电极86和衬底W之间的相对速度不低于0.4m/sec，优选不低于0.5m/sec，更优选不低于0.6m/sec，可以避免在对形成在衬底W上的导电膜(如图1B中示出的铜膜6)进行处理的过程中形成凹坑。此外，通过象这样在后期处理阶段中降低处理速率，能够更精确地检测到处理的结束点。

没有必要使后期阶段中衬底W和各电极86之间的相对速度与初始阶段中的相对速度相等。后期阶段中的相对速度可以不同于(例如高于)初始阶段中的相对速度，这取决于预期的目的。

此外，如图35中所示，还可以使得在初始处理阶段(-t₄)中衬底W和各电极86之间的相对速度减慢，在中间处理阶段(t₄-t₅)变快，并且根据需要，在后期处理阶段(t₅-)中快于中间处理阶段(t₄-t₅)。

具体而言，通过例如在电解处理的初始阶段(-t₄)使电极部分46的卷绕运动速度减慢，使由衬底支架42支撑的衬底W和各电极86之间的相对速度变慢，从而增大处理速率。在中间处理阶段(t₄-t₅)中，在涡电流传感器200检测到形成在衬底W上的剩余膜(如图1B中所示的铜膜6)的厚度已经到预定值，例如不超过500nm，优选不超过400nm，更优选不超过300nm之后，通过例如使电极部分46的卷绕运动加速，从而使由衬底支架42支撑的衬底W和各电极86之间的相对速度变快，由此提高去除并且整平例如铜膜6时消除平面差的效果。该方式的电解处理还可以实现提高平面差消除效果和缩短处理时间。

此外，通过象这样使中间处理阶段中的衬底W和各电极86之间的相对速度变快，能够避免在处理表面上形成凹坑。此外，通过使后期处理阶段(t₅-)中的相对速度比中间处理阶段(t₄-t₅)中的相对速度快，还可以进一步提高平面差消除效果和避免在处理表面上形成凹坑的效果。

此外，如图36中所示，还可以使在初始处理阶段(-t₇)中衬底W和电极86之间的相对速度变快(其中剩余膜的厚度不超过600nm，优选不超过500nm，更优选不超过400nm)，在中间处理阶段(t₇-t₈)中变慢(其中剩余膜的厚度为50到300nm，优选为50到200nm，更优选为50到150nm)，而且在后期处理阶段(t₈-)中再次变快；并且在初始处理阶段(-t₇)中后期(t₆-t₇)中的相对速度比早期(-t₆)中的相对速度慢，从而获得处理速率，以及在后期处理阶段(t₈-)中后期(t₉-)中的相对速度比早期(t₈-t₉)中的相对速度快，从而可以进一步提高平面差消除效果和避免在处理表面上形成凹坑的效果。

虽然在上述示例中逐步地改变衬底W和电极86之间的相对速度，但是还可以以连续的或渐进的方式改变相对速度。例如，如图37中所示，以在初始处理阶段(-t₁₀)中衬底W和电极86之间的相对速度变快，在中间处理阶段(t₁₀-t₁₁)减慢，然后在后期处理阶段(t₁₁-)中再次变快这种方式进行电解处理时，可以线性降低初始处理阶段(-t₁₀)中衬底W和电极86之间的相对速度，并且线性增大在处理后期阶段(t₁₁-)中衬底W和电极86之间的相对速度。可以任意设置初始处理阶段(-t₁₀)中相对速度降低线的倾斜度和后期处理阶段(t₁₁-)中相对速度增加线的倾斜度。

虽然在该示例中衬底W和电极86之间的相对速度线性降低或增大，但是还可以曲线方式降低或增大衬底W和电极86之间的相对速度。

根据该实施例，通过用涡电流传感器200测量例如图1B中示出的剩余铜膜6的厚度，检测出进行相对速度转换的时机。也可以如下步骤检测出相对速度转换的时机：(1)根据预先量好的初始膜厚度和处理速率，计算处理时间，(2)固定施加的电流和电压之一，测量另一个的变化，(3)测量使电极部分46旋转的中空电机60的转矩或者测量每单位时间的转矩变化，或(4)用光学手段测量膜厚度。还可以通过试错法确定剩余膜的转换处理量/厚度，用于相对速度的切换，不用预先测量处理量和平面差之间关系，以便使处理之后的平面差最佳化。此外，可以进行电解处理，同时在原位置上测量各种膜的厚度，并且不仅改变相对速度，还改变衬底W和电极86(离子交换器90)之间施加的电压和/或接触压力。

图38为示出适于实施根据本发明电解处理方法的另一个电解处理装置的主要部分的纵向截面图，以及图39为图38所示主要部分的放大图。如图38中所示，电解处理装置600包括衬底支架602，用于支撑衬底W且使其前表面面朝下；和设置在衬底支架602下面的矩形电极部分604。衬底支架602，与上述示例一样，是可旋转及可垂直和水平移动的。电极部分604设置有中空卷绕电机606，并且通过卷绕电机606的传动，做圆周运动而不是旋转，所谓的卷绕运动(平移旋转运动)。

电极部分604包括多个线性伸展的电极部件608和朝上开口的容器610。多个电极部件608以均匀间距平行设置在容器610中。此外，位于容器610上方，设置用于向容器610中供应液体如纯水或超纯水的液体供应喷嘴612。电极部件608均包括将与在该装置中的电源连接的电极614。电极614与电源的阴极和阳极交替连接，即，处理电极614a与电源的阴极连接，供电电极614b与电源的阳极连接。因此，如上所述，当处理铜时，例如，在阴极侧上发生电解处理反应，因此与电源阴极连接的电极614就变成处理电极614a，与电源阳极连接的电极614变成供电电极614b。

如图39中详细示出的那样，对于与阴极连接的各处理电极614a来说，由例如无纺织物构成的离子交换器616a安装在电极的上面。处理电极614a和离子交换器616a整体地由第二离子交换器618a覆盖，第二离子交换器618a由切断液体在其中的渗透并且仅允许离子通过其中的离子交换膜构成。同样，由例如无纺织物构成的离子交换器616b安装在与阳极连接的各供电电极614b的上部，并且供电电极614b和离子交换器616b整体地由第二离子交换器618b覆盖，第二离子交换器618b由切断液体在其中的渗透并且仅允许离子通过其中的离子交换膜构成。

因此，超纯水或液体通过在沿着电极614之纵向的某些位置上设置的通孔(未示出)，并且能够在由无纺织物构成的离子交换器616a或616b的内部自由移动，并且能够容易达到无纺织物内部中具有水分解催化活性的活性点，同时由离子交换膜构成的离子交换器618a或618b切断液体的流动，其构成下述第二隔离物。

一对液体供应喷嘴620设置在与电源阴极连接的各处理电极614a的两侧上。在各液体供应喷嘴620的内部，设置沿纵向伸展的液体流道620a，以及在沿纵向的某些位置上设置朝上开口且与液体流道620a连通的液体供应孔620c。

处理电极614a和一对液体供应喷嘴620借助一对接头扁材622形成为一体，并且保持在一对插入板624之间并固定在基部626上。另一方面，其表面由离子交换器618b覆盖的供电电极614b被固定在一对夹板628之间并被固定在基部626上。

离子交换器616a、616b例如由具有阴离子交换基或阳离子交换基的无纺织物构成。如上所述，可以使用具有阴离子交换基的阴离子交换器和具有阳离子交换基的阳离子交换器的叠层，或者可以将阴离子交换基和阳离子交换基给予离子交换器616a、616b自身。可以使用聚烯烃聚合物(如聚乙烯或聚丙烯)或其他有机聚合物作为离子交换器的基体材料。关于电极部件608中电极614的基体材料，不是广泛用于电极的金属或金属化合物，也如上所述，优选使用碳、相对惰性的贵金属、导电氧化物或导电陶瓷。

由例如具有弹性的树脂构成的隔离物630a在沿纵向的整个长度上安装在各液体供应喷嘴620的上表面。设置隔离物630a的厚度，使得当由衬底支架602支撑的衬底W接近或接触电极部件608的离子交换器618a、618b，从而对衬底W进行电解处理时，隔离物630a的上表面开始与由衬底支架602支撑的衬底W压力接触。

因此，电解处理时，形成在处理电极614a和衬底W之间的流道632和形成在供电电极614b和衬底W之间的流道634平行地形成在电极部分64和衬底支架602之间，其中流道632和流道634由隔离物630a隔开。此外，形成在处理电极614a和衬底W之间的各流道632被作为第二隔离物且由离子交换膜构成的离子交换器618a分隔成两个流道632a、632b，同时形成在供电电极614b和衬底W之间的各流道634被作为第二隔离物且由离子交换膜构成的离子交换器618b分隔成两个流道634a、634b。

根据该实施例，电解处理时，容器610装满由液体供应喷嘴612供应的液体(如超纯水或纯水)，同时保持将液体(如超纯水或纯水)从电极614中设置的通孔(未示出)中供应到设置在处理电极614a和供电电极614b上方部分上的由无纺织物构成的离子交换器616a、616b中。在容器610的外侧设置溢流通道636，用于排出溢出容器610的圆周壁610a的液体。溢出容器610的圆周壁610a的液体流过溢流通道636，进入废液罐中(未示出)。

在该实施例中，在各处理电极的两侧上设置一对液体供应喷嘴，其中液体供应喷嘴具有沿纵向设置在一定位置上的液体供应孔，并且液体由液体供应喷嘴供应。利用这种设置，就可以更可靠地控制沿着处理电极614a和衬底W之间形成的流道632流动的液体的流动；和沿着供电电极614b和衬底W之间形成的流道634流动的液体的流动，并且降低了流过隔离物进入相邻空间的液体量。还可以通过沿着电极的纵向挤出液体而使液体沿着电极流动。

在上述示出在电极上安装离子交换器的情况的实施例中，电极的形状和用于处理的液体不作特别限定，只要接触部件或隔离物可以设置在相邻电极之间即可。因此，电极的形状不局限于类似于棒的形状，而是可以选择任何形状的电极，并且可以设置多个这种电极，使它们与工件相对。可以在电极上安装不同于离子交换器的能渗透水的净化部件。此外，可以使接触部件或隔离物高于电极表面，由此避免工件和电极之间直接接触，并且使电极表面暴露出来。即使在电极的表面上没有安装离子交换器的情况下，优选设置用于使工件和电极之间的液体流动隔离开的第二隔离物。

图40示意地示出了又一个适于实施根据本发明电解处理方法的电解处理装置。该电解处理装置包括用于可拆卸地支撑衬底的衬底支架134和设置在衬底支架134下面的可旋转的电极部分136，该电极部分的直径大于衬底支架134直径的两倍。在电极部分136的上表面设置多个径向伸展的处理电极152，并且在各处理电极152的两侧上设置一对线性伸展的供电电极154。在各处理电极152的上表面(前表面)设置由例如离子交换器构成的接触部件156，并且还在各供电电极154的上表面(前表面)设置由例如离子交换器构成的接触部件158。

在该实施例中，处理电极152通过未示出的集电环与电源阴极连接，同时供电电极154通过未示出的集电环与电源的阳极连接。这是因为在处理铜时，在阴极侧发生电解处理反应。如先前所述的那样，取决于将被处理的材料，阴极侧可以作为供电电极，阳极侧可以作为处理电极。

根据该实施例，降低位于电极部分36上方预定位置中的衬底支架34，使由衬底支架146支撑的衬底W与接触部件156、158接触，其中接触部件156、158覆盖安装在电极部分136上表面的处理电极152和供电电极154的表面。此后，使衬底支架134和电极部分136(绕它们的轴)旋转，同时由电源向处理电极152和供电电极154之间施加预定电压，然后在由衬底支架134支撑的衬底W和接触部件156、158之间供应纯水，优选供应超纯水，由此对衬底W的表面实施电解处理。

根据该实施例的电解处理装置，可以简单地通过使电极(处理电极152和供电电极154)和由衬底支架134支撑的衬底旋转，同时使其之间的相对速度恒定，进行电解处理。此外，可以使电极(处理电极152和供电电极154)和衬底之间的相对速度比卷绕运动更快。

虽然已经参考本发明的优选实施例对本发明进行了说明，但是本发明不局限于这些实施例，并且在本发明的技术原理范围内，可以对本发明进行变化和改进。

工业实用性

本发明的电解处理装置和电解处理方法可以有利地用于对形成在衬底(如半导体晶片)上的导电材料进行处理，或者去除附着在衬底表面上的杂质。

Claims

1.一种电解处理装置，包括：

电极部分，包括由电极和覆盖该电极表面的离子交换器构成的电极部件；

支架，用于支撑工件并且使工件与该电极部件的该离子交换器接触；

液体供应系统，用于在该离子交换器和由该支架支撑的工件之间提供液体；

驱动机构，用于引起该电极部分和工件之间的相对运动；以及

电源，与该电极部分中的电极部件的电极连接；

其中该离子交换器与工件的处理表面中的点的连续接触时间不超过10msec。

2.根据权利要求1所述的电解处理装置，其中该驱动机构设计成引起该电极部分和工件之间以不低于0.2m/sec的相对速度相对运动。

3.根据权利要求1所述的电解处理装置，其中覆盖该电极的该离子交换器设计成与由该支架支撑的工件接触并且接触宽度为0.2mm到1.5mm。

4.根据权利要求3所述的电解处理装置，其中该驱动机构设计成引起该电极部分和工件之间以不低于0.2m/sec的相对速度相对运动。

5.一种电解处理方法，包括：

通过对电极施加电压并且使覆盖该电极之表面的离子交换器和由支架支撑的工件彼此相对运动，同时使该离子交换器和工件彼此保持接触，使得该离子交换器和工件的处理表面中的点的接触时间不超过10msec，由此在存在液体的情况下对工件进行处理。

6.根据权利要求5所述的电解处理方法，其中该离子交换器和由该支架支撑的工件彼此接触，且接触宽度为0.2mm到1.5mm。

7.根据权利要求5所述的电解处理方法，其中该离子交换器和由该支架支撑的工件以不低于0.2m/sec的相对速度彼此相对运动，同时使它们彼此保持线接触。

8.根据权利要求6所述的电解处理方法，其中该离子交换器和由该支架支撑的工件以不低于0.2m/sec的相对速度彼此相对运动，同时使它们彼此保持线接触。