CN100497748C - 电解抛光组件以及对导电层执行电解抛光的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于对晶片上的导电薄膜执行电解抛光的设备和方法。电解抛光设备包括：一用于保持晶片的晶片夹盘、一用于转动夹盘的致动器、一被设计成对晶片执行电解抛光的喷嘴、以及一环绕着晶片边缘的护套。电解抛光方法包括操作：以足够的速度转动晶片夹盘，从而使得喷射到晶片上的电解液能在晶片表面上流向其边缘。

Description

电解抛光组件以及对导电层执行电解抛光的方法
与相关申请的交叉引用
本申请要求享有如下在先申请的优先权：于2001年11月13日提交的、名称为“ELECTROPOLISHING ASSEMBLY”第60/332417号美国专利临时申请；于2002年4月14日提交的、名称为“METHODAND APPARATUS FOR ELECTROPOLISHING METAL FILM ON”的第60/372567号美国专利申请，这些在先申请的全部内容都被结合到本文中作为参考资料。
技术领域
本发明总体上涉及一种半导体处理设备，更具体而言，本发明涉及一种用于对半导体器件上的导电层执行电解抛光处理的电解抛光设备。
背景技术
半导体器件是利用许多不同的处理步骤而被制在或加工在半导体晶片上的，由此形成了一些晶体管和互连元件。为了将有关的晶体管接线端与半导体晶片在电路上连接起来，要在作为半导体器件组成部分的介电材料中制出导电的(例如用金属制成)沟道、通路或类似结构。沟道和通路在晶体管、半导体器件的内部电路、以及半导体器件的外部电路之间传输电信号和电能。
在制出互连元件的过程中，半导体晶片例如要经受掩模、蚀刻、以及淀积处理，由此来制出半导体器件所需的电子电路。尤其是，可执行多次掩模和蚀刻步骤来在半导体晶片上的介电层中制出由凹陷区域组成的布图，其中的凹陷区域作为进行电路互连的沟道和通路。然后可执行一淀积过程来在半导体晶片上沉积一金属层，由此就在沟道和通路内都淀积了金属，而且在半导体晶片的非凹陷区域上也淀积了金属层。为了隔离开各条互连线—例如布图设计的沟道和通路，要将淀积在半导体晶片非凹陷区域上的金属去掉。
将淀积在半导体晶片介电层上非凹陷区域上的金属膜去除掉的常用方法例如是化学机械抛光(CMP)。CMP方法被广泛地应用在半导体工业中，用于抛光和磨平沟道和通路内的金属层、以及用介电层的非凹陷区域形成互连线路。
在一CMP工艺中，一晶片组件被定位到一CMP垫上，该垫被放置到一压板或一辐板上。晶片组件包括一基片，其具有一个或多个层体和/或一些部件，这些层体和/或部件例如是制在介电层中的互连元件。然后，向晶片组件施加一个作用力，以此来将晶片组件紧压到CMP垫上。在施加作用力的同时，使CMP垫与基片组件相对地运动，从而可抛光和磨平晶片的表面。在CMP垫上施用一种抛光液—其通常被称为抛光浆料，以利于抛光工作。抛光浆料一般含有研磨剂，其能与晶片上不需要的材料(例如金属层)比其它材料(例如介电材料)更快地发生化学反应，从而能将不需要的材料从晶片上有选择地去除掉。
但是，CMP方法由于涉及到较大的机械作用力，所以会对底层的半导体结构产生几方面不利影响。举例来讲，随着连线的几何尺寸逐渐发展到0.13微米以内，则导电材料的机械特性之间出现了很大的差异，其中的导电材料例如是用在普通大马士革(damascene)工艺中的铜和低k值的薄膜。举例来讲，低k值介电薄膜的杨氏模量可能会比铜的杨氏模量低10个数量级以上。因此，除了其它问题之外，如果在CMP工艺中向介电薄膜和铜施加较强的机械作用力，则就会在半导体结构上产生与应力相关的缺陷，这些缺陷包括分层、碟凹、腐蚀、薄膜翘起、刮擦、以及类似的缺损。
因而，人们希望能有新的处理工艺。例如，可利用电解抛光工艺将金属层从晶片上去除或蚀刻掉。通常，在电解抛光工艺中，将晶片上要被进行抛光的部分浸入到一电解溶液中，并在随后向晶片输送电荷。这些条件将使得铜被从晶片上去除或抛光掉。
发明内容
在本发明的一个方面，提供了一种示例性的设备和方法，它们用于对晶片上的导电薄膜执行电解抛光。一种示例性的设备包括：一用于保持晶片的晶片夹盘、一用于转动夹盘的致动器、一被设计成对晶片执行电解抛光的喷嘴、以及一环绕着晶片边缘的护套。对晶片上导电薄膜执行电解抛光的一种示例性方法包括操作：以足够的速度转动一晶片夹盘，从而使得喷射到晶片上的电解液能在晶片表面上流向其边缘。
在阅读了下文结合附图所作的详细描述以及权利要求书之后，可对本发明有更好的理解。
附图说明
图1A和图1B分别是示例性的、带有一护套的半导体处理设备的剖视图和俯视图；
图1C、1D、1E是半导体处理设备中几种示例性喷嘴的剖视图；
图2中的剖视图表示了半导体处理设备中的示例性喷嘴；
图3是半导体处理设备中示例性喷嘴的剖面图；
图4中的剖视图表示了半导体处理设备中示例性的喷嘴和块体；
图5A到图5H中的剖视图表示了各种示例性喷嘴的形状和构造；
图6A和6B是一示例性喷嘴结构的剖视图和俯视图；
图6C到图6I中的俯视图表示了各种示例性的喷嘴结构；
图7中的剖视图表示了带有一导电构件的、示例性的半导体处理设备；
图8A和图8B中的剖视图也表示了带有一导电构件的、示例性的半导体处理设备；
图8C是一示例性的晶片夹盘组件的分解视图，该夹盘组件带有一导电构件；
图9A和图9B中的剖视图表示了带有一导电构件的、示例性的半导体处理设备；
图10A和10B中的剖视图分别表示了带有一个和两个光学传感器的、示例性的半导体处理设备；
图11A和图11B分别为一示例性的半导体处理设备的俯视图和剖视图；
图12是一示例性半导体处理设备的剖视图；
图13A—13E表示了带有一多路旋转组件的示例性电解抛光组件；
图14A和14B中的剖视图表示了示例性的多路旋转喷嘴组件；
图14C表示了用于对晶片上导电层执行电解抛光的示例性过程；
图15是一电解抛光室的剖视图，该电解抛光室带有示例性的、可线性移动的多路喷嘴组件；以及
图16A—16E是一电解抛光设备的例示图，该设备带有可线性移动的多路旋转喷嘴。
具体实施方式
为了使人对本发明有更为透彻的理解，下文的描述列举了各种具体的细节特征—例如具体的材料、参数等。但应当指出的是：对细节的描述并非是为了对本发明的范围作出限定，而只是为了对示例性实施方式作更好的描述。
I.示例性的电解抛光设备
图1A和图1B是一种示例性的晶片电解抛光设备的剖视图和俯视图，该设备可被用来对晶片1004进行抛光。宽泛地讲，该示例性的电解抛光设备是通过将电解液引流向晶片上的金属薄膜、同时向晶片输送电荷来进行工作的。电荷和电解液使得金属薄膜中的金属离子溶解到电解液中。电解液中的电流密度和金属离子浓度至少在部分上决定了抛光速率的大小。因而，通过对电流密度、电解溶液的浓度等指标进行控制，该电解抛光设备就能对位于半导体晶片上的金属层精确地进行抛光。
如图1A所示，电解抛光设备可包括夹盘1002、致动器1000、以及抛光容器1008。抛光容器1008可用任何不导电、耐酸耐腐蚀的材料制成，这些材料例如为聚四氟乙烯(商品名为TEFLON)、聚氯乙烯(PVC)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、以及聚丙烯等。优选地是，抛光容器1008可用PVDF制成。但应当指出的是：可根据具体的应用条件而采用不同的材料制出抛光容器1008。
如图1A所示，电解液1038可经过喷嘴1010、1012和/或1014而流入到抛光容器1008中。更具体来讲，泵1020将电解液1038从电解液储器1070中经过回流阀1024泵送到过滤器1018中。过滤器可包括液体质量流量控制器(LMFC)，该控制器可对输送给喷嘴1010、1012、以及1014的电解液1038的数量和流量进行控制。另外，过滤器1018可将杂质从电解液1038中滤出，以便于减少可能经喷嘴1010、1012或1014进入到抛光容器1008中的杂质的量，杂质可能会降低电解抛光过程的品质，或者，如果使用了LMFC的话，则杂质会将其阻塞。按照上述的方式，可防止杂质进入到抛光容器1008中和/或阻塞LMFC。在当前的实施例中，过滤器1018能适当地去除掉约大于0.05微米到0.1微米的颗粒。但可以认识到：可根据具体的应用而使用各种过滤系统。另外，尽管将杂质过滤掉是有益的，但在某些应用场合中，也可将过滤器1018从晶片抛光组件中取消掉。
电解液1038可包含诸如磷酸等任何方便的电解抛光流体。优选地是，电解液1038包括重量浓度约为60％到85％的亚磷酸(H3PO4)，其中的重量浓度更为优选地是76％。此外，电解液1038最好包括10％到40％(重量比)的乙二醇，其余部分为水和H3PO4，亚磷酸中含有约1％(与酸液的重量相比)的铝金属。但是，电解液1038的浓度和组成成分可根据特定的应用条件而改变。
泵1020可以是任何合适的液压泵—例如为离心泵、隔膜泵、膜盒泵等。此外，泵1020可耐酸、耐腐蚀，并能耐受杂质。尽管在图中只表示出了一台泵1020，但应当认识到：可使用任意数目台泵1020。举例来讲，可为每个喷嘴1010、1012和1014都单独地设置一台泵。另外，在某些应用条件下，电解液1038无需借助于泵1020就可经喷嘴1010、1012和1014流入到抛光容器1008中。例如，可将电解液储器1070中的电解液1038保持在一定压力下。作为备选方案，也可使电解液储器1070与喷嘴1010、1012和1014之间的输送管线保持在一定压力下。
LMFC可以是任何方便的质量流量控制器，优选地是，其还应当能耐受酸、腐蚀和杂质。另外，LMFC以设定的流量将电解液1038向喷嘴1010、1012和1014输送。此外，LMFC可按照与喷嘴1010、1012和1014的横截面面积成比例的流量来适当地输送电解液1038。例如，如果喷嘴1012的直径大于喷嘴1014的直径，则LMFC以较大的流量向喷嘴1012输送电解液1038将是有利的。在当前该示例性的实施方式中，优选地是：LMFC被设计成以0.5升/分到40升/分的流量对电解液1038执行输送，具体的流量值取决于喷嘴的尺寸、喷嘴与晶片之间的距离、以及其它的因素。
电解液储器1070还可包括一热交换器1036、冷却器/加热器1034、以及一温度传感器1032，以便于对流体储器1070内电解液1038的温度进行控制。此外，可在储器1070中设置一个或多个与电源1030相连的电极1028。向电极1028施加电荷能将金属离子从电解液1038中去掉，由此来对电解液1038中金属离子的浓度进行调节。可通过向电极1028施加相反的电荷来向电解液1038中添加金属离子。
该示例性的晶片抛光组件还包括设置在喷嘴1012和1014中的电极。如下文将要详细介绍的那样，尽管该示例性的实施方式具有两个其中带有电极的喷嘴，但也可使用任意数目个喷嘴及每个喷嘴中所带有的电极，而不论该数目是大于2还是小于2。一般情况下，加大喷嘴内电极的表面积能增大电流密度，并能提高电解液1038流纵剖面横断方向上的电解抛光速率。
如图1D和图1E所示，喷嘴1012和1014分别带有电极1056和1060。电极1056和1060可包含任何的导电材料—例如铜、不锈钢、钽(Ta)、钛(Ti)、TaN、TiN、铅、铂等。
在电解抛光过程中，某些从晶片1004的金属层迁移出的金属离子可聚积在电极1056和1060上。如下文将要详细介绍的那样，可在一除去镀层的过程中将金属聚积层或镀层去掉。例如，当电极1056和1060上施加正电荷、而晶片1004上施加负电荷时，晶片就被电镀而非被电解抛光。按照这种方式和类似的方式，可将镀在电极1056和1060上的金属去掉—即除去镀层。作为备选方案，可按照任何适当的时长对电极1056和1060作合适的更换。例如，可在每处理了约100个晶片后就更换电极1056和1060。
在某些实例中，金属层可包含铜材料。因而，在电解抛光过程中，一些铜离子从正被抛光的金属层迁移到电镀电极1056和1060上。但是，如果电极1056和1060含铜，则在除去镀层的过程中，电极1056和1060就会溶解，从而发生变形。因而，在某些实施例中，希望电极1056和1060中所含材料能在除去镀层的过程中抗溶解。例如，电极1056和1060可包含铂或铂基合金。作为备选方案，电极1056和1060可以是其外部覆盖着一层铂的钛，铂层的厚度例如约在50微米到400微米之间。
在该示例性的设备中，晶片夹盘1002将晶片1004合适地保持定位在容器1008中、或容器1008的上方。更具体来讲，晶片1004被合适地定位着，从而正对着喷嘴1010、1012、以及1014，并位于护套1006中。护套1006是可选的，如下文将要详细介绍的那样，其环绕着晶片1004，以防止出现飞溅等现象。
在将晶片1004合适地定位在抛光容器1008中之后，由电源1040向电极1056和1060施加电荷。另外，电源1040还向晶片1004加电。作为备选方案，也可采用多个电源来对电极1056和1060、以及晶片1004加电。如果电荷的施加状况合适，则电解液1038就会在喷嘴1012和1014中的电极1056、1060与晶片1004表面之间流动，从而构成了电路。更具体来讲，对电极1056和1060的加电使其相对于晶片1004的电势为负。响应于电极1056和1060上的该负电势，金属离子会从晶片1004迁移到电解液1038中，从而对晶片1004执行了电解抛光。但如果将电路的极性反转，则金属离子就会迁移向晶片1004，从而对晶片1004执行了电镀。
此外，如图1A和图1C所示，喷嘴1010包括喷射管嘴1052和终点探测器1016。在电解抛光过程中，喷射管嘴1052被设计成可输送电解液1038，而终点探测器1016则被设计成能对晶片1004上金属层的厚度进行检测。终点探测器1016可包括各种传感器—例如超声传感器、光学反射传感器、诸如电涡流传感器等的电磁传感器、如此等等。由喷射管嘴1052输送来的电解液1038可作为传输介质，所以终点探测器1016经该介质发出信号，以此来对金属薄膜的厚度进行测量。利用电解液1038作为传输信号的单一介质可提高终点探测器1016执行测量的精度，原因在于电解液1038只提供了单一的物质相。与此相反，如果喷射管嘴1052并不输送电解液1038，则从终点探测器发出的发射信号和测量信号在穿过由喷嘴1012或1014输送给晶片1004的电解液1038之前，要穿过了各种其它的介质—例如空气等物质。如下文将要介绍的那样，使电解液1038具有可随时间进行变化的适时或实时特性也能提高终点探测器的精度。另外，尽管在图中表示为只有一个喷嘴1010带有终点探测器1016，但也可使任意数目个喷嘴具有任意个终点探测器。
从图1A还可看出，致动器100可将夹盘1002和晶片1004绕Z轴线转动。另外，在某些应用条件下，致动器1000能将夹盘1002和晶片1004沿X轴方向移动，而将喷嘴1010、1012和1014保持不动。在其它的应用场合中，喷嘴1010、1012和1014可沿X轴方向移动，而夹盘1002和晶片1004却在X轴方向上保持不动。在另外的应用条件下，致动器100可将夹盘1002和晶片1004沿X轴方向移动，同时，喷嘴1010、1012和1014也能沿X轴移动。
另外，可按照备选的形式来对该电镀设备进行定向。例如，可将喷嘴1010、1012和1014定位在晶片1004的上方，从而使电解液能向下冲流向晶片1004。另外，晶片1004可被垂直定向，且喷嘴1010、1012和1014将电解液引流向晶片1004。
可参见于1999年7月2日提交的、名称为“METHODS ANDAPPARATUS FOR ELECTROPOLISHING METALINTERCONNECTIONS ON SEMICONDUCTOR”的第6395152号美国专利来进一步了解该示例性的晶片电解抛光设备，该文献中的全部内容都被结合到本文中，以作为背景技术。此外，可参见于2000年5月12日提交的、名称为“METHODS AND APPARATUS FOREND-POINT DETECTION”的第6447688号美国专利申请来进一步了解示例性的终点探测器，该文献中的全部内容都被结合到本文中以作为参考。
II.电解液的飞溅防护
一种示例性的电解抛光方法包括操作：在将电解液1038引流向晶片1004表面的同时，转动晶片1004。晶片1004的转动速率足以产生使喷射到晶片1004上的电解液1038能在其表面上流向边缘的离心力。优选地是，电解液1038在从晶片1004表面上滴落下来之前已被甩到边缘处。通过使电解液流过晶片1004的表面，可防止流体从晶片表面上滴落下来，从而不会影响干扰电解液1038的射流，或者防止了在容器1008内形成连续的电解液滴流液柱。但是，这样的处理方法会造成电解液在容器内飞溅，并溅到设备之外、或干扰电解液的射流。因而，一种示例性的电解抛光设备包括一护套1006，其套绕着晶片1004，用于减弱或阻止受到离心力作用的液体在容器1008内飞溅或从容器1008中逃逸除去。
图1A和图1B表示出了护套1006，其被设计成环绕着晶片1004和夹盘1002。如图1A所示，喷嘴1012可向晶片1004的表面输送电解液流。为了能更为均匀地对晶片1004上的金属薄膜进行抛光，可按照一定方式转动晶片1004，以便于使电解液1038能流过晶片1004而到达夹盘1002的外露部分处、而非从晶片1004的表面滴落到抛光容器1008中。从晶片1004流下、并在晶片1004与抛光容器1008之间形成连续的电解液液柱的任何电解液都可能造成对晶片1004上形成液柱部位处的过度抛光。这种额外的抛光将导致对金属层的抛光速率不均匀、且不可预测。
另外，从晶片1004滴落下的、或在容器1008内飞溅的任何电解液都会干扰由喷嘴1012输送来的电解液流。电解液1038射流的形状—更具体而言：射流的纵剖面形状反过来会影响电流密度、以及电解抛光设备的抛光速率。因而，希望电解液1038沿着晶片1004的表面流向晶片1004的边缘，并远离喷射到晶片1004上的电解液1038射流。
可按照适当的旋转速度转动晶片1004，以使得电解液能从晶片1004上流过而流向其边缘、或流到夹盘1002的外露部分，具体的速度取决于所用电解液的粘度。转动速度应当使电解液1038能从晶片1004上流过，而不会从晶片1004的表面上滴落下去从而形成连续的液柱、或者干扰电解液1038的射流。具体来讲，电解液的粘度越低，所需要的离心加速度越高。举例来讲，对于85％的磷酸，离心加速度被选择为超过约1.5米/秒2。在一种示例性的方法中，对直径为300mm的晶片转动速度在约100转/分(rpm)到约2000rpm之间，甚至更高，优选地是，在约1500rpm到2000rpm之间。
通常情况下，喷嘴1012或1014将扫过晶片1004的整个表面，以便于更为均匀地抛光晶片1004。当喷嘴1012扫喷到晶片1004的不同部位时，晶片1004的转动应当能在入射电解液1038上产生恒等的离心加速度。例如，离心加速度与距离晶片中心的尺寸成正比、与转速的平方成正比。因而，如果喷嘴1012或1014正在对靠近晶片1004边缘的部分—即大半径处执行抛光，则晶片1004的转速就可以降低，而当抛光部位靠近晶片1004的中心时—即半径很小时，转速就应当增大。
通常，如果按照上述的方式向晶片1004输送电解液，则电解液就能流向晶片1004的边缘，并越过边缘而流向抛光容器1008的侧壁。如未设置护套1006，则电解液1038就会接触到抛光容器1008的侧壁，从而在容器1008内飞溅，由此会干扰电解液1038的射流，或者会从抛光容器1008中溅逸出去。
如图1A和图1B所示，护套1006可被放置成环绕着晶片1004和夹盘1002，以便于能减弱或防止电解液1038在抛光容器1008内的飞溅或从容器中溅逸出去。另外，在抛光过程中，护套1006可与夹盘1002和致动器1000一道在x轴方向上移动。具体来讲，可利用机械联接件、接头等机构将护套1006联接到夹盘1002和/或致动器1000上。作为备选方案，可使用另一致动器单独地驱动护套1006，该致动器将护套1006的运动与夹盘1002和致动器1000的运动同步。护套1006还可与夹盘1002一致或不一致地转动着。
护套1006可被制成任何合适的形状—例如圆形、多边形等形状。优选地是，护套1006的形状被设计为能减弱电解液1038在从晶片1004上流下之后的飞溅、并能将电解液1038保留在容器1008内。夹盘1002与护套1006之间的间隙例如在约1mm到10mm之间的范围内，优选地是约为5mm。另外，如图1A所示，护套1006的侧壁的剖面形状可被制为L形，以便于防止电解液从护套1006或夹盘1002的上方飞溅出去。但是，护套1006的剖面也可以为各种其它的形状。举例来讲，护套1006的侧壁—即L形的垂直部分也可被制成诸如C形等的其它形状。另外，护套1006可向内锥缩或向外锥扩，从而能减弱飞溅等现象。护套1006的延伸长度也可不同于图1A的状况—即超过或低于晶片1004和夹盘1002。
护套1006是用塑料、陶瓷等材料制成的，或者是用诸如钽、钛、300系列不锈钢等抗腐蚀的金属或合金制成的。另外，可在护套上涂覆能抵抗电解液的材料—例如Teflon等材料。
但应当指出的是：上文所述的电解抛光方法并不需要电解液1038流过晶片的边缘、且溅射到护套1006上。在电解液并不完全地流过晶片1004的情况下，电解液1038与容器1008形成连续液柱、在容器1008内飞溅或溅到容器1008之外的问题将会得到改善或解决。例如，仅通过对晶片1004的转动进行设计，以使得电解液在从晶片1004上滴落下来之前，朝向晶片1004的边缘流过了晶片表面的一部分，这样就可以减弱或防止出现不利的效果。
III.减小对边缘的过度抛光
在另一方面，下文将对用于减小对晶片边缘或边缘附近部位过度抛光的电解抛光方法和设备进行描述。通常，晶片边缘或边缘附近处的金属层部分要比晶片上其它区域处的金属层被更快地抛光掉。与晶片边缘相连接的电极会增大晶片边缘区域附近电解液中的电流密度，从而导致抛光速率的增大。一般来讲，利用一个布置在晶片边缘上或边缘附近的导电构件吸收掉从电解液通过的一部分电流密度，就可降低晶片边缘区域附近较高的电流密度和抛光速率，其中的导电构件例如是一环体等结构。还可通过向导电构件施加电荷，从而改变其所吸收的电流量、进而实现对电流密度的控制，由此就可以在更大程度上对边缘附近的电流密度进行调整。
参见图7，图中表示了一种可减小对边缘过度抛光的示例性设备和方法。电解液7080的液流从喷嘴7054喷射到晶片7004上。晶片7004的转动速度足以形成一电解液薄层7081，这一薄层电解液可对晶片7004上的金属层执行抛光。通常情况下，如果晶片的边缘与一个电极相连接，则晶片7004边缘上或边缘附近的金属层受电解液薄层7081抛光的速度就快于晶片7004其余区域上的金属层。因此，晶片7004边缘或边缘附近的金属层就会出现过度抛光现象。
夹盘7002包括一导电构件7114，该构件可减小晶片7004边缘或边缘附近处的过度抛光量。例如，晶片7004和导电构件7114可都连接到电源7110上，并被施加电荷，从而使电解液薄层7081中的一部分抛光电流被导电构件7114所吸收。导电构件通过将一部分抛光电流吸收掉，就可降低晶片7004边缘或边缘附近金属层的抛光速率，从而防止或减弱过度抛光。
导电构件7114可以是一个环体，其被布置在晶片7004的边缘上或边缘附近。作为备选方案，导电构件也可包括设置在晶片7004边缘或边缘附近的两个或多个弧段。导电构件7114可包括诸如钽、钛、不锈钢等金属或合金、以及其它适于与电解液7081相接触的其它导电材料。
另外，如图7所示，晶片7004可被定位在晶片夹盘7002与导电构件7114之间。例如可用机械臂等装置将晶片7004定位在靠近晶片夹盘7002的位置处、或将其定位在晶片夹盘7002与导电构件7114之间。然后，可将晶片夹盘7002和导电构件7114相互靠近或压紧，以便于将晶片7004保持在它们之间。因而，该示例性的组件可带有其它的元件，这些元件例如是保持器或定位器，它们用于将晶片夹盘7002与导电构件7114对齐，并将二者保持在一起，组件还带有一些绝缘构件，这些构件位于导电构件7114与向晶片7004通电的接触件之间。
应当理解的是：图7中所表示的例示性设备还包括图1A中所示的其它那些部件，但在当前情况下，这些部件被略去，以便于对该具体实施例的描述。举例来讲，该示例性的设备除了使用了各种泵、过滤器、喷嘴等元件之外，还可采用护套1006(见图1A和图1B)。
图8A表示了用于降低晶片边缘附近抛光速率的另一种示例性电解抛光设备。图中表示出了一个带有导电构件8114的夹盘8002，其中的导电构件可降低晶片8004边缘或边缘附近的过度抛光量。图8A与图7类似，区别仅在于导电构件8114通过一间隔元件8118与晶片8004分开。间隔元件8118例如是由一O型圈构成的。间隔元件8118还可用其它能耐酸、耐腐蚀的绝缘材料制成，这些材料例如为陶瓷、聚四氟乙烯(商品名为TEFLON)、聚氯乙烯(PVC)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚丙烯、硅橡胶、氟橡胶等。导电构件8114与电源8112相联接，且一第二导电构件或电极(例如为弹簧构件8119)与电源8110相联接。如图所示，可利用电源8112对流经导电构件8114的电流进行调节或控制，以便于对晶片8004边缘上或边缘附近金属层的抛光速率进行控制。一般来讲，随着底部夹盘8114所吸收的电流量增大，晶片8004边缘或边缘附近处金属层的抛光速率就会降低。
电源8112可以是DC电源、与主抛光电源8110同步的AC电源、或其它的电源。交流(AC)电源还可包括正向脉冲电源、正向电源和反向电源。另外，电源8112可工作在恒流模式、恒压模式、或恒流—恒压组合模式下，在其中的组合模式下，在其中一部分抛光时间段内，应用恒流模式，而在抛光时间的另一部分内，则应用恒压模式。还可用一可变电阻器来取代电源8112(例如参见图9A)，由此也能向导电构件8114可变地施加电荷。另外，可变电阻器可被设置在导电构件8114与弹簧构件8119之间。
类似地，导电构件8114也包含诸如钽、钛、不锈钢等金属或合金，以及其它的导电材料。另外，导电构件8114可包括设置在晶片8004边缘或边缘附近的两个或多个弧段。
因而，在该示例性的电解抛光设备中，可利用电源8110和8112分别对经弹簧构件8119和导电构件8114输送给晶片8004的电荷实施相互独立的控制。这样就在更大程度上控制晶片8004边缘附近的电流密度，进而控制和减小对边缘区域的过度抛光。
图8B是一放大视图，表示了由图8A中导电构件8114和晶片8004构成的结构和连接关系。具体来讲，导电构件8114由电源8112进行供电，并通过间隔元件8118与晶片8004分开。电源8110单独地对晶片8004进行加电，该电源与环绕着晶片8004边缘进行定位的弹簧构件8119联接着。例如与沿着晶片8004的边缘进行排列的几个电极相比，由弹簧构件8119向晶片8004施加的电荷将分布得更为均匀。在由导电构件8114和弹簧构件8119分开供电的条件下，可在导电构件8114与弹簧构件8119设置一绝缘构件8121。弹簧构件8119可被制为环状的螺旋弹簧(例如参见图8C)，但是，其它形状的剖面轮廓—例如椭圆形的断面轮廓也是可行的。另外，可根据具体的应用场合而使用任意数目的螺旋弹簧。可使用任何合适的弹性导电材料来制造弹簧构件，这些材料例如为不锈钢、弹簧钢、钛等。还可用铂、TiN、TaN等耐腐蚀材料制造弹簧构件8119，或在弹簧构件的外部涂覆耐腐蚀材料。
可通过改变弹簧构件8119中的匝圈数来改变晶片8004与电源之间接触点的数目。按照这种方式，输送给晶片8004的电荷能在晶片8004的外周长上更为均匀地分布，例如，对于200mm规格的晶片，通常施加了约1到10安培的电流。对弹簧构件8119进行设计，以使与晶片8004的接触点约为1000个，这样就可以将每一接触点处的电荷减小到约1到10毫安。
但应当指出的是：也可用一个或多个电接触件向晶片8004供电。另外，采用任何能将电荷绕晶片8004进行分布的措施都是有利的。
在导电构件8114与晶片8004之间被间隔元件8118隔开的条件下，如果弹簧构件8119被暴露在电解液中，则就会出现短路。将弹簧构件8119短路可能会降低晶片8004边缘部分附近抛光速率的均匀性。因而，在一实施例中，间隔元件8118还起到密封件的作用，以便于将弹簧构件8119与电解液隔绝开。可用氟橡胶(碳氟化合物)、硅橡胶等抗腐蚀材料制出间隔元件8118。另外，可根据具体的应用条件而将间隔元件8118制为各种形状和构造。
图8C是一种示例性晶片夹盘保持器的分解视图，该保持器与上述用于降低晶片边缘附近抛光速率的示例性电解抛光设备配套使用。该示例性的晶片夹盘包括一个盘体，盘体的上部具有一基础部分8002，并带有一导电构件8114，其中，晶片8004被夹持在盘体的基础部分8002与导电构件8114之间。晶片夹盘还可包括一顶部保持器(图中未示出)，用以将晶片8004和夹盘组件夹压或保持到一起。除了第一导电构件8114之外，晶片夹盘还包括一第二导电构件，其例如是弹簧构件8119，该构件用于向晶片8004加电。在某些实施例中，晶片夹盘还可包括设置在基础部分8002与导电构件8114之间的绝缘构件8121和间隔构件8118，其中的导电构件8114位于盒体的下部。但应当说明的是：例如如图7所示，在某些实例中，可将弹簧构件8119与间隔构件8118去掉。在弹簧构件8119被取消掉的情况中，可设置一电极等装置作为第二导电构件，用于向晶片8004施加电荷。
在当前的实例中，弹簧构件8119被布置在晶片8004与弹簧构件8118之间。如果施加压力来将导电构件8114与基础部分8002保持到一起，则弹簧构件8119应当保持着与晶片8004(见图8B)的电接触。另外，如果需要的话，间隔构件8118适于在导电构件8114与晶片8004之间形成一密封件，该密封件可将弹簧构件8119与电解液隔开，从而在弹簧构件8119与导电构件8118之间实现电绝缘。
半导体晶片的形状一般大体上为圆形。因此，图中将晶片夹盘的各个组成部件也表示成大体为圆形。但应当认识到：可根据具体的应用条件和/或晶片的形状将晶片夹盘的各个部件设计为各种形状。例如，半导体晶片可以为截圆形，晶片夹盘各个部件的形状应当与之一致。
适于用在上述设备和方法中的、用于对晶片进行保持并向其施加电荷的晶片夹盘组件的其它示例性构造可参见第6248222号美国专利，该专利的授权日为2001年6月19日，名称为“METHOD ANDAPPARATUS FOR HOLDING AND POSITIONINGSEMICONDUCTOR WORKPIECES DURINGELECTROPOLISHING AND/OR ELECTROPLATING OF THEWORKPIECES”，该专利的全部内容都被结合到本文中作为参考。
图9A表示了用于降低晶片边缘附近区域抛光速率的另一种示例性电解抛光设备。具体而言，如上文所述那样，晶片夹盘9002包括可减小晶片9004边缘处或边缘附近过度抛光量的导电构件9114。图9A与图8A类似，区别在于导电构件9114具有一绝缘环9115、以及一个制在绝缘环9115中的导电环9116。绝缘环9115可包括诸如塑料、陶瓷等抗腐蚀的绝缘材料。导电环9116可包含铂、钽、钛、不锈钢等金属或合金。导电环9116可通过变阻器9112等器件与电源9110相连接。另外，例如为O型圈等元件的间隔元件9118被放置到导电构件9114与晶片9004之间，用于防止电解液与晶片9004上通过一个或多个电极与电源9110的那一部分发生接触。另外，还可设置一弹簧构件等装置(图中未示出)，以便于将电荷更为均匀地分布到晶片9004上。
图9A中示例性的设备使导电构件9114使用更少的导电材料。这就使设备更便宜、更轻，且在工作过程中消耗更少的能量。另外，相比于导电构件8114(见图8A和8B)，导电构件9114的表面积更小，这样就能在更大的程度上对晶片8004边缘区域的电流密度进行控制。另外，将图9A(以及图7)中的结构与图7、8A到8C的构造组合起来使用将是有利的。
图9B中的放大图表示了电解抛光设备的另一种实例。该实施例与图9A中的设备类似，区别在于导电构件9114的下部—即与晶片9004相反的一侧上制有一绝缘构件9121。另外，晶片组件的构造被设计为：使得晶片9004上的金属层9005是通过一导电的间隔构件9118在靠近边缘的位置处获得电荷的。
因而，如图9B所示，电解液9080被导流到靠近晶片9004边缘的部位处，从而使一部分电流I1流向金属层9005，第二部分电流I2流向导电构件9114。制在导电构件9114下部上的绝缘构件9121用于减小电流I2，从而增大流向金属层9005的电流I1。因而，可通过调整绝缘构件9121与导电构件9114的相对厚度来对电流I1和I2作相应的调节。
IV.对晶片上破碎的金属层执行电解抛光的方法。
在电解抛光过程中，晶片上形成的金属层可能会变为破碎状。例如，可能在晶片表面上会出现一块或多块不连续的金属区域。如果出现了这样的情况，则某些金属碎片就可能会与晶片上设置了电极的边缘部位断开。在此情况下，由于电极不能对破碎的金属层进行加电，所以传统的电解抛光方法就无法有效地将这些碎片部分清除掉。在一种示例性的方法中，通过以足够高的转速转动晶片，且在金属层的碎片部分周围设置一导电构件，就可在碎片部分上形成一薄层电解液，这层电解液与导电构件相接触。电解液薄层与导电环使得碎片部分成为可被电解抛光的。
如图11A和图11B所示，图中的金属层11150例如已经在抛光过程中变为破碎状的了。金属层11150的碎片未与晶片11004的边缘相连接、或位于边缘上，而在边缘处，一电极(图中未示出)与电源11110连接着。由于金属层11150的碎片未处于晶片11004的边缘处、或借助于金属与边缘连接起来，所以电流无法流经碎片而到达晶片11004边缘处的电极。因而，传统的抛光方法—例如将晶片浸没在抛光槽中等的方法一般无法对这些碎片进行抛光。
金属层的碎片11150例如是一些裸露的阻挡层部分，在铜层被抛光去之后，这些阻挡层部分仍留在半导体器件的非沟道部分上。另外，金属层碎片11150例如也可能是对边缘区域的抛光不均匀、或过度抛光的结果。
参见图11B，图中表示了一种用于对晶片11004上的金属层碎片执行电解抛光的示例性设备。该抛光系统包括夹盘11002、固定不动的喷嘴11054、以及电源11110。如上所述那样，在喷嘴11054向晶片11004喷射电解液11080的液流时，致动器11000带动夹盘11002转动，从而使电解液11080在晶片11004的表面上流动，由此而形成了一个薄层11081，这一薄层电解液漫淹了金属层11150的碎片部分。举例来讲，对于300mm直径的晶片，晶片夹盘11002的转速约在100rpm到2000rpm的范围内，优选为约1500rpm。电解液薄层11081形成了一条穿过金属层11150碎片的路径，以便于在电解液射流11080与夹盘11002的导电构件11114之间传导电流。这一电流使设备能对晶片11004上孤立的金属层碎片11150执行电解抛光。
另外，图11B中所示的示例性设备可以是图1A所示组件等的大型电解抛光组件的一个组成部分。例如，可设置一护套1006(见图1)来防止出现飞溅、抛光不均、或对电解液1038的抛光液流造成干扰。另外，可将上文描述的、关于降低边缘抛光速率的导电构件11114的各种示例性实施方式应用到图11B所示的设备上。
图12表示了可对晶片12004上金属层碎片执行电解抛光的另一种系统。图12与图11类似，区别仅在于致动器12180和12182能在致动器12000转动固定位置上的夹盘12002的同时、将喷嘴12054沿X轴移动。
尽管在图11B和图12所示的系统中，夹盘或喷嘴是沿X轴方向移动，但应当认识到：无论是夹盘、还是喷嘴都可以根据具体的应用条件而在不定的方向上移动。
V.金属浓度测量以及终点检测控制
在批量生产的环境下，使对晶片的抛光质量更为稳定一致且在可接受限度内的一个因素就是：对抛光晶片所用电解液的供应源中的金属浓度进行控制。如果电解液供应源中的金属浓度达到一定值，则电解液的活性就会非常高—甚至在不施加任何电流的情况下。在电解抛光之后的处理过程中，这样的情形例如会造成对晶片的化学蚀刻或腐蚀。因而，希望能在工作过程中对电解液中的金属浓度进行监控，并可根据需要在实时的基础上对浓度进行调节。
另外，终点检测传感器一般是采用光学传感器，其穿透电解液进行测量。因而，测量结果至少在部分上取决于电解液的光学特性。但电解液的光学特性可随时间而改变，变化状况取决于金属溶入到电解液中的浓度以及其它的因素，其它的因素例如是杂质颗粒、电解液中形成的氢气气泡等。因而，由于在工艺的执行过程中，电解液的光学特性会发生改变，所以要相应地调节从终点探测器输出的测量结果，以便于提高终点检测结果的精度。
图10A表示了一种示例性的系统，其可被用来对电解液10038供应源中的金属浓度进行测量，其中的供应源例如是电解液储器1070(见图1A)等装置。该示例性的系统包括光纤探头10102、光纤传感器10104、以及反射器10100。光纤探头10102和反射器10100被浸没到电解液10038中，光纤探头10102可相对于反射器10100进行定位，以便于使光纤探头10102发出的光线以最大的光强被反射器10100反射回光纤探头10102。举例来讲，如图10A所示，光纤探头10102可被定位成沿垂直于反射器10102表面的方向发射光线。
另外，反射器10100与光纤探头10102之间的距离H可能会影响到对电解液中金属浓度测量结果的精度。因而，对距离H进行选择，以使得光学传感器10104能在电解液10038供应源中的浓度达到最小值时接收到最大的光强。应当指出的是：可选择光学传感器10104与反射器10100的其它路径，可根据具体应用条件和所希望的路径长度而选用具有多段路径和多次反射的路线。光纤探头10102也可被设置在电解液储器的外部，从而使传播路径横穿一部分电解液1038。另外，可利用一光学传感器来取代反射器10100，该光学传感器被设置成可对由光学传感器10104接收到的光线强度进行检测。
一般来讲，电解液的颜色取决于溶入到电解液中的金属离子的类型和浓度。举例来讲，铜离子在磷酸(H3PO4)中为蓝色。此外，穿过电解液后的光强衰减取决于电解液的颜色。通常情况下，随着金属离子在电解液中浓度的提高，对光强的衰减也在增强。
对于图10A所示的系统，针对该系统所使用的特定金属和电解液，电解液中金属浓度与光强衰减之间的关系被编排到如下的表中：
 
金属浓度(wt％) 光强衰减
0 Y1
0.2 Y2
0.4 Y3
0.6 Y4
0.8 Y5
1.0 Y6
该列表信息可被存储到计算机10105中。计算机利用该列表信息，根据由光学传感器10104检测到的光强值，使用插值、圆整或其它合适的算法自动计算出电解液中的金属浓度。尽管在上面的表格中列出了关于金属浓度(wt％)的一些特定数值，但可使用任何数值，且能使用任意多个浓度值。
可对由光纤探头10102发射出的光线的颜色进行选择，以便于提高光学传感器10104所检测到的测量结果的灵敏度。具体来讲，由光纤探头10102发射出的光线的颜色可不同于电解液供应源中金属离子的颜色，以便于提高对该特定金属离子的灵敏度。例如，对于在磷酸中的铜离子，发射红光时对铜离子的灵敏度要高于发射绿光时的灵敏度，而绿光时的灵敏度又高于发射蓝光时的灵敏度。但是，对于电解液中任何颜色的金属离子，白光都是可以的。
图10A还表示出了上述一示例性系统的另一方面，该系统可被用来将金属离子从电解液10038的供应源中去除掉。此系统还包括两个电极10028和10029、以及电源10030。当光学传感器10104测量出电解液10038供应源中的金属离子浓度已经达到一第一预设值时，计算机10105就向电源10030发出指令，使其向电极10028和10029施加电压，以便于将金属离子从电解液供应源中去除掉。当向电极10028和10029施加电压时，来自于电解液10038源的金属离子就会涂覆到电极10029上。如果光学传感器10104检测到金属离子浓度已经下降到一第二预设值之下，计算机10105就指示电源10030停止向电极10028和10029施加电压，从而停止从电解液10038源中去除金属离子。按照这样的方式，例如在电解抛光过程中，可将电解液10038供应源中金属离子的浓度保持在第一预设值与第二预设值之间。
电解液10038中金属离子的浓度值对于终点探测器1016(见图1A、1B)也是有帮助的。终点探测器1016可被用来确定晶片1004上金属层的厚度。电解抛光设备利用该信息来确定何时继续执行或中止晶片1004某一特定区域上的电解抛光过程。还可利用该信息来确定出合适的抛光速率。终点探测器1016可包括各种传感器，例如超声传感器、光学传感器、电磁传感器等。利用电解液1038作为传送信号和所获得测量结果的介质可提高测量结果的精度，原因在于无须考虑介质之间的界面—例如空气到电解液1038的界面。但是，如果电解液1038那些可影响到传感器的特性发生了改变，则测量结果就不会随时间而保持正确。因而，通过将电解液1038的特性改变因素考虑进去，就能改善终点探测器的处理结果。
图10B表示了另一种示例性的系统，其用于监控电解液的光学特性，例如利用光学特性来对终点探测器的检测结果进行调整。图10B与图10A类似，区别仅在于设置了一个第二光学传感器10204和光纤10202。光学传感器10104、光纤10102、以及反射器10100的工作方式与上午参照图10A所描述的方式相同。第二光学传感器10204和光纤10202的工作原理也类似于光学传感器10104和光纤10102；但是，光学传感器10204与光纤10202测量的是电解液的其它光学特性。例如，在执行电解抛光的过程中，通常会在电极上形成氢气气泡。气泡由于会折射电解液中测量光束、并降低其强度，所以会对终点探测器产生不利影响。测量光束强度的降低会影响到金属离子浓度的测量结果，但是，通过采用对不同特性敏感的多个探测器，就能精确地确定出金属离子的浓度。
在对电解液由气泡而出现的光学特性进行确定的该实施例中，同样对光纤探头10202所发出光线的颜色进行选择，以提高由光学传感器10204检测到的测量结果的灵敏度。在此情况下，可将光纤探头10202所发光线的颜色选为与电解液供应源中金属离子相同的颜色，从而可提高对气泡的灵敏度，并降低对金属离子的灵敏度。例如，对于磷酸供应液中的铜，发射蓝光比发射白光对气泡具有更高的灵敏度，但对铜离子的灵敏度则较低，而发射白光与发射红光相比，对气泡的灵敏度较高，对铜离子的灵敏度较低。
此外，电解液中出现的任何气泡都会减弱光纤探头10102所发出红光的强度，从而使铜离子浓度的测量结果不准确。但第二光学传感器10204却能指明主要是受气泡影响、而非受铜离子浓度影响而降低的光强部分，其中的原因在于光纤探头10202的灵敏性被选定为对铜离子浓度是不敏感的。因而，通过将由第二光学传感器10204确定出的、受气泡影响的光强减小部分考虑进去，就能确定出红光强度的减弱。另外，终点探测器1010(见图1A)可从计算机10105中找出电解液的光学特性，并精确地测量出晶片1004(见图1A)上的金属厚度。因而，第二光学传感器10204既能提高终点探测器测量结果的精度，也能提高对金属离子浓度测量值的精度。
应当能认识到：可使用任意数目的传感器来对电解液的各项特性进行测量。各种特性—例如光学特性等可被储存起来，用于对终点探测器的测量结果等测量值进行调节或确定。
VI.喷嘴的构造
按照另一方面，用于对晶片上金属薄膜执行电解抛光的一种示例性方法和设备包括措施：采用抛光速率不同的、多种尺寸的喷嘴。一般来讲，大的喷嘴对晶片上形成的金属薄膜(例如铜膜)的抛光速率较高，而小喷嘴的抛光速率就较低。因而，可用大喷嘴来对金属层执行粗抛光，然后，采用小喷嘴来更为精确地控制电解抛光过程。从而，对于要对晶片不同区域执行更加精确的抛光的情况，采用多个喷嘴将是有利的。但是，例如由于可用空间内的尺寸有限，所以希望具有多个喷嘴的设备能紧凑一些。一种示例性的设备实现了在紧凑空间内使用多个喷嘴的设计，该设备具有一定数目的喷嘴，这些喷嘴被布置到一个转动的喷嘴支架上。
图13A、13B、13C、13D和13E表示了一种具有多个旋转式喷嘴组件的示例性电解抛光组件。图13A到图13E与图1A到图1E类似，区别仅在于：在靠近光学终点探测器1014的位置处，另加了一个具有多个喷嘴的旋转式喷嘴1012，并增设了电涡流厚度/终点探测器1009。如图13A中的箭头所示，旋转喷嘴2012可进行转动，从而将不同尺寸和/或形状的喷嘴1014定位成将电解液1038的射流引向晶片1004。因而，泵1018只是将电解液1038泵送给终点探测器1016所对应的喷嘴1010、以及单个喷嘴1014，而在图1A中，电解液1038则被输送到所采用的每一个单独的喷嘴中。
终点探测器1009在工作时可测量出晶片1004上形成的金属层的厚度。探测器1009可在执行电解抛光过程之前、之中、之后测量金属薄膜的厚度。在一种示例性的方法中，在执行电解抛光之前，终点探测器1000被用来确定整个晶片1004上金属薄膜的厚度，该测量操作例如使用了一电涡流终点探测器。然后，通过对电流密度和/或流动的纵剖面图进行控制，就可利用金属薄膜的厚度来对晶片1004上各个位置处不同的局部抛光速率实施控制。终点探测器1009与晶片1004之间的距离例如约在5微米到1000微米的范围内。通过旋转晶片1004、同时在水平方向上移动夹盘1002以使得终点探测器1009能扫过晶片1004的整个表面，这样就确定了整个晶片上的薄膜厚度。但应当指出的是，作为备选方案，也可以用活动着的终点探测器1009扫过固定不动的晶片1004。
这样，旋转喷嘴2012就能根据晶片1004上要被进行抛光的部分、金属薄膜的厚度、以及其它因素来进行旋转，以选择一个所需的喷嘴1014。例如，在金属层很厚的区域处，要使用大的喷嘴，而在金属层很薄的区域，则要使用小喷嘴。因而，在一个能被迅速、容易地更换掉的简单、紧凑的电解抛光组件内设置多个不同尺寸和型面的喷嘴能提高抛光作业的精度。
参见图14A，图中表示了一种示例性的多路旋转式喷嘴支架2012的剖面结构。旋转喷嘴支架2012保持着喷射管嘴2014。驱动装置2070借助于驱动接头2068转动着旋转喷嘴2012，用以定位一个新的喷射管嘴，以便于对电解液的射流进行引导。一O型圈2066例如对驱动接头2068进行密封。驱动装置2070可以是步进电机、伺服马达、气动(压缩气体或液体)驱动的转动装置等装置。旋转喷嘴支架2012上的喷射管嘴2014带有电极2056，该电极通过电流引线2062而与外部电源(见图13A)相联接。旋转式喷嘴支架2012落座在盘板2084上，其通过O型圈2072和螺栓2074而与抛光室1008密封着。
喷嘴支架2012是用PVC、PVD、TEFLON、聚丙烯等塑料制成的，或者是外覆有基本上绝缘且耐腐蚀的材料。喷嘴2014可以用钽、钛、铂、不锈钢等材料制成。
图14C表示了利用图14A所示的设备对晶片1002上的金属薄膜执行电解抛光处理的一种示例性过程。在步骤1中，确定出金属薄膜厚度的轮廓，该操作例如是如上文所述那样完成的：在晶片1004进行转动的同时，终点探测器1009在X轴方向上平动。在步骤2中，可使用一大喷嘴2014、以较高的抛光速率对金属薄膜执行初始抛光。在采用高抛光速率之后，在步骤3中，对旋转喷嘴2012进行转动，以便于使用小喷嘴2014、以较低的抛光速率进行工作。在经过步骤1和/或步骤2的初始抛光之后，在步骤4中，利用终点探测器1009确定出剩余金属厚度的轮廓，其中的终点探测器例如是电涡流终点探测器、光学终点探测器等装置。在步骤5中，基于由步骤4确定出的剩余金属厚度的轮廓，对抛光电流进行调节或调整，以便于以较高的抛光速率对厚膜部位执行抛光，而以较低的抛光速率对薄膜部位执行抛光，而在薄膜厚度为零的位置处，则停止执行抛光。例如可通过使用不同的喷嘴2014和/或改变电源的供电，就可对抛光电流进行调整。在步骤6中，重复执行对厚度轮廓的测量—即步骤4，如果金属层的厚度达到了一个预定值，则就终止了抛光过程的执行。但是，如果金属的厚度尚未预定值，则重复执行步骤5，直致达到理想的厚度为止。
应当能认识到：可对图14C所示的过程作多种改动和变化。另外，还可用图14A所示的示例性设备完成众多其它的处理。
参见图14B，图中表示了另一种示例性的多路旋转喷嘴组件。图14B所示的旋转喷嘴组件与图14A所示的喷嘴组件类似，区别仅在于驱动接头2068被磁耦合接头2078和2082所取代。采用磁耦合接头2078和2082的一个优点在于：驱动接头2078不与喷嘴支架20122066直接连接，且可取消图14A中的O型圈。这将能降低电解液1038泄漏到驱动接头2068的可能性。因而，可以看出：将驱动接头2068联接到旋转喷嘴2012上的各种方法都是可行的。
参见图15，图中表示了一种可线性移动的多路喷嘴组件。除了能实现与转动运动相反的线性运动之外，该可线性移动的多路喷嘴组件的工作过程与图13A到图13E所示旋转喷嘴2012的工作过程类似。此线性可动的喷嘴组件包括分别带着电极3056、3220和3224的喷嘴3054、喷嘴3222、以及3226。这三个喷嘴被设计成具有不同的型面，例如具有不同的直径，因而可提供不同的抛光速率。
利用喷嘴支架3180和移动导轨3182，喷嘴3054、3222和3226可在水平方向—即X轴方向上移动。电极3056、3220和3224还通过引线(图中未示出)与电源3110相连接。电解液3080流经喷嘴支架3180而输送到喷嘴3054、3222和3226中。如上文参照图14C所描述的那样，在执行用于从晶片1004上去除金属膜的电解抛光过程中，可互换地使用各个不同尺寸的喷嘴3054、3222和3226。一般来讲，当金属薄膜很厚时，可用大喷嘴以较高的抛光速率对金属膜执行抛光，而如果金属膜很薄、或只希望去除很少量的金属，则可用小喷嘴以较低的抛光速率对金属膜执行抛光。
图16A到图16E表示了一种示例性的电解抛光组件，其包括一多路旋转喷嘴组件。除了另加了一个可线性移动的底座4180和移动导轨4182之外，图16A到图16E与图13A到图13E是类似的，其中，在导轨4182上安装着旋转喷嘴4012和4014。
具体来讲，多路旋转喷嘴4014、光学终点探测器4016、以及厚度/终点电涡流探测器4060被安装到可线性移动的底座4180上。线性可动的底座构件可沿着移动导轨4182在水平方向—即X轴方向上移动。该组件使得多路喷嘴能被安装到紧凑的空间内。
多路喷嘴4014的结构和工作原理都与图14A到图14B所示情况类似，但是，图中为了便于表示，略去了诸如旋转驱动装置、驱动接头、电流引线、以及电解液管路等结构。
VII.喷嘴的自清洁过程
根据本发明的另一方面，下文将描述一种用于使电解抛光喷嘴自清洁的方法。在普通的电解抛光工艺中，溶入到电解液中的金属可能会逐渐涂覆在喷嘴电极上。涂覆上的金属可能会限制喷嘴的开孔、或者使开孔变形，从而改变了电解液射流的形状和/或方向。液流形状的改变会导致液流中电流密度发生变化，因而会改变电解抛光随便的抛光速率。通过向喷嘴施加一个反向电压，可对喷嘴执行去镀层处理或清洁处理，其中，所施加的反向电压会促使金属离子再次溶入到电解液中。例如，该金属可被电镀到另一喷嘴、一牺牲材料、或其它物体上。
再次参见图1A到图1E，被从晶片1004金属层抛光下来的金属会溶入到电解液1038中，并会导致一部分溶入的金属电镀到喷嘴电极1056和/或1060上。为了将金属从喷嘴电极1056和/或1060上去除掉，可向喷嘴电极1056和/或1060施加一个反向电压。不论是DC电源、还是AC电源都可被用来施加反向电压。在一种示例性的方法中，施加了反向电压来将堆积起来的金属溶入到电解液中。在另一种示例性的方法中，所施加的反向电压是为了将堆积起来的金属电镀到一个一次性的晶片上。在又一种实例中，所施加的反向电压将堆积起来的金属电镀到一块体上。
A.利用DC电源将金属堆积物溶入到电解液中。
参见图1A，利用一DC电源，可将堆积在喷嘴1012上的金属电解下来、并溶入到电解液1038中。更具体来讲，导线C被连接到导线b上，导线B与导线a连接，从而就将喷嘴电极1056(见图1B—1E)作为了阳极，而将喷嘴电极1060当作了阴极，可向喷嘴1012和1014输送电解液1038，以便于在电极1056与1060之间形成电路，这就使得堆积在喷嘴1012上的金属能被从该喷嘴上清除下来，并溶入到电解液1038中。溶入到电解液1038中的一部分金属会电镀到喷嘴1014上。
尽管看起来这一处理过程似乎只是将金属从一个喷嘴移走、并电镀到另一喷嘴上，但从喷嘴1012移走的大部分金属仍然留在电解液1038中。对于示例性的电解抛光过程，电解液1038中金属的浓度一般较低—例如小于3％(重量比)，因而，电解抛光过程是由带电的电极1012和1014启动的，而非是由电解液1038的化学性质驱动的。因而，从喷嘴1012电解下来的金属量大于电镀到喷嘴1014上的金属量。例如，每从喷嘴1012上清除下10个金属离子，才有一个金属离子电镀到喷嘴1014上，这就导致大部分金属离子被溶解到了电解液1038中。
继续参照图1A，可利用一DC电源反过来执行该过程，从而将堆积在喷嘴1014上的金属电解掉，并使其溶解到电解液1038中。更具体来讲，导线B与导线b相连接，导线C则与导线a进行连接，从而使喷嘴电极1060(见图1B到1E)成为阳极，而将喷嘴电极1056作为阴极。向喷嘴1012和1014输送电解液1038，以便于形成电路，该电路使堆积在喷嘴1014上的金属从该喷嘴上溶入到电解液1038中。同样，也有一部分溶入到电解液1038中的金属被电镀到喷嘴1012上。
通过重复执行上述的过程—即反复逆反该设备中所用的喷嘴的电压，就可完成对喷嘴的清洁操作。在一示例性的过程中，在对晶片依次执行电解抛光时，首先是对喷嘴1012执行去镀层处理、对喷嘴1014执行电镀，后次操作则对喷嘴1014执行去镀层处理、对喷嘴1012执行电镀，由此来快速地清洁两喷嘴。如上文讨论的那样，由于相比于被电镀到相对喷嘴上的金属量，大部分金属溶入到了电解液1038中，所以两喷嘴实际上都可以获得清洁。
图2和图3表示了喷嘴1012、1014在清洁过程中所处的两种示例性状态。喷嘴1012、1014被定位成相互靠近，且使电解液从喷嘴1012、1014中流过，从而在它们之间形成一电解液膜或一条流道。当喷嘴1012、1014被布置成靠到一起时—如图3所示，则在喷嘴1012、1014之间流动的两层电解液膜或流道1080就会合并到一起而形成单条流道。该单条流道缩短了电路的长度，因而提高了对金属堆积物的清除效率。当然，从中应该能看出：该示例性的方法也可用于喷嘴多于两个的情况。
B.利用DC电源将金属堆积物电镀到晶片上
参见图1A，按照另一种示例性处理方法，采用一直流电源将堆积在喷嘴1012上的金属电解掉，并将其电镀到晶片1004上。更具体来讲，导线A与导线b相连接，导线B则与导线a进行连接，从而将晶片1004作为了阴极，而将喷嘴电极1056(见图1B—1E)当作了阳极。电解液1038被从喷嘴1012向晶片1004输送，从而形成了一闭合电路，这样就可以将堆积在喷嘴1012上的金属电镀到晶片1004上。在将堆积在喷嘴1012上的金属清除掉之后，可将晶片1004抛弃。
类似地，参见图1A，也可利用直流电源将堆积在喷嘴1014上的金属电解掉，并将其电镀到晶片1004上。更具体来讲，可将导线A与导线b相连接，导线C则与导线a进行连接，从而将晶片1004作为了阴极，而将喷嘴电极1060(见图1B—1E)当作了阳极。电解液1038被从喷嘴1014向晶片1004输送，从而构成电路，这样就可以将堆积在喷嘴1014上的金属电镀到晶片1004上。可将电解抛光设备中的喷嘴1012或其它喷嘴与喷嘴1014进行并联或串联，以便于获得清洁。在将堆积在喷嘴1014上的金属清除掉之后，可将晶片1004抛弃。
C.利用一DC电源将金属堆积物电镀到一个块体上
参见图4，根据另一种示例性的方法，利用直流电源将喷嘴1012上的金属堆积物1057电解溶解，并将其电镀到块体1082上。更具体来讲，导线B与导线a相连接，导线D则与导线b进行连接，从而将块体1082作为了阴极，而将喷嘴电极1056当作了阳极。电解液1038(见图1)被从喷嘴1012中输送过，且能与块体1082接触，从而构成了一条经过电解液1038的闭合电路，使得堆积在喷嘴1012上的金属能被电镀到块体1082上。在将堆积在喷嘴1012上的金属清除掉之后，可将块体1082丢弃。
类似地，参见图4，也可利用直流电源将堆积在喷嘴1014上的金属堆积物1057电解掉，并将其电镀到块体1082上。更具体来讲，可将导线C与导线a相连接，导线D则与导线b进行连接，从而将块体1082作为了阴极，而将喷嘴电极1060当作了阳极。电解液1038(见图1)被从喷嘴1014中输送过，且能与块体1082接触，从而构成了一条闭合电路，该电路能将堆积在喷嘴1014上的金属电镀到块体1082上。在将堆积在喷嘴1014上的金属清除掉之后、或者在其它方便的时候，可将块体1082丢弃。另外，可将电极1056和1060串联起来或并联起来执行清洁。
D.利用交流电源去除金属堆积物。
在另一种示例性的喷嘴清洁方法中，可在上述的任一种结构中采用与直流电源相反的交流电源来从喷嘴1012和1014上去除掉金属堆积物。具体来讲，一AC电源用于将金属堆积物溶解到电解液中，并将金属堆积物电镀到要被抛弃的晶片、块体或其它牺牲材料上。
电解液中金属的浓度越低，用AC电源将金属堆积物从喷嘴上去除掉的效率越高。因此，在执行清除作业时，金属浓度一般是在约0.1％到5％(重量比)的范围内，优选地是约小于0.5％wt。
VIII.喷嘴的形状
在上述的任一种示例性实施方式中，都能有利地应用各种形状的喷嘴。不同类型的喷嘴—例如不同尺寸、不同型面、不同横截面形状等的喷嘴能带来不同的抛光特性，可根据具体的应用状况而有利地选用这些喷嘴。例如，如图1B所示，图中示例性的电解抛光设备包括两个不同尺寸的喷嘴1012、1014，这两个喷嘴被用来对晶片1004的不同部位执行电解抛光。
另外，图5A到图5H表示了具有各种形状和结构的示例性喷嘴。喷嘴的形状—例如其通道和其远端可改变从该喷嘴流出的电解液的流动状态、电解液射流中的电流密度等。图5A到图5E表示出了各种带有绝缘体5054和电极5056的喷嘴的构造和形状。图5F到图5H表示了各种不带有绝缘体的喷嘴。某些结构的喷嘴带有靠近其开口的弯曲电极5056。弯曲的电极5056可防止在电极的尖点处出现尖峰电荷，这将有助于使电流密度在电解液的液流中更为均匀。图5H表示了一种带有电极5056和一杆体5058的喷嘴，杆体5058接近于喷嘴的中心，其用于增大电极的表面积，从而使电流密度变得更为均匀。
对于每一种上述喷嘴，电极5056都包含诸如钽、钛、不锈钢等金属或合金。另外，绝缘体5054可包括PVC、PVD、Teflon等塑料，或Al2O3、ZrO2、SiO2等陶瓷。因此，由于金属和合金通常比塑料和陶瓷更易于被制为各种形状，所以，相比于其它的形状，制造带有弯曲状或锥状电极、以及直条状绝缘体的喷嘴的成本更低。另外，如图5F、5G、和5H所示的、只带有一个电极5056的喷嘴具有更为简单的结构设计和更大的表面积。另外，图5H所示的喷嘴具有一杆体5058，其作为电极5056的组成部分，能使电极具有更大的表面积，从而能使从喷嘴流过的电解液1038(见图1)断面上的电势分布更为平均。分布更为均匀的电势使对晶片1004的电解抛光处理更为均匀。
图6A和图6B表示了另一种示例性的喷嘴，其具有绝缘体6054、电极6056、以及导电的内部结构6086。内部结构6086包括诸如钽、钛、不锈钢等金属或合金。另外，内部结构6086包括多条通道，这些通道可增大电极的表面积，并能使电势在喷嘴6056断面上的分别更为均匀。通道的尺寸约在0.1mm到10mm的范围内，具体数值取决于喷嘴的直径以及特定的应用场合。优选地是，每一通道的尺寸约为喷嘴直径的1/10。
通道的横截面可被制为各种形状，例如被制为图6B到6I所示的形状。举例来讲，通道可以为方形、纤维状、直缝状、金属棒状、波纹槽状、矩形、蜂窝形等。另外，图6B到6I表示出了一些具体的横截面形状，但通道的横截面也可被制为任何形状，例如制为三角形、多边形、椭圆形等。
上文的详细描述是为了对示例性的实施方式进行介绍，并非是为了进行限定。本领域技术人员可很显然地认识到；在本发明的范围内，可作出多种形式的改动和变型。举例来讲，可将不同的示例性电解抛光设备(例如关于护套、导电构件、各种喷嘴、终点探测器等特征)应用在同一组件中，或者也可单独应用这些实施方式，用以改进现有的电解抛光设备。因此，本发明应当是由所附的权利要求书限定，而不应当由文中的具体描述进行限定。

Claims (55)

1.一种用于对晶片执行电解抛光的设备，其包括：
一用于夹持晶片的晶片夹盘；
一用于转动晶片夹盘的致动器；
一喷嘴，其被设计成对晶片执行电解抛光；以及
一环绕着晶片边缘的护套。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：致动器被设计成以足够的速度转动晶片夹盘，从而使得喷射到晶片上的电解液流能流向晶片的边缘。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于：电解液流过晶片的边缘，并被溅射到护套上。
4.根据权利要求2所述的设备，其特征在于：晶片被定向为面朝下方，且喷射到晶片上的电解液在从晶片表面上滴落下来之前流到晶片的边缘处。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：致动器被设计成可根据晶片上要被执行电解抛光的部位而改变夹盘的转速。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于：致动器被设计成当晶片上的电解抛光部分靠近中心时以较高转速驱动夹盘。
7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：晶片夹盘被设计成可相对于喷嘴进行平动。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于：护套被设计成可随晶片夹盘一道相对于喷嘴移动。
9.根据权利要求7所述的设备，其特征在于：护套和晶片夹盘机械地联接起来，从而可相对于喷嘴一起运动。
10.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：喷嘴被设计成可相对于晶片夹盘运动。
11.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：护套被定位成距离夹盘的边缘约1mm到10mm。
12.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：护套被定位成距离夹盘的边缘约5mm。
13.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：护套侧壁的剖面形状为L形。
14.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：护套的侧壁是锥形的。
15.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：护套侧壁的延伸长度超出夹盘。
16.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：护套包含塑料材料或陶瓷材料。
17.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：护套包含抗腐蚀金属或合金。
18.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：护套上涂覆有耐受电解液的材料。
19.一种用于对半导体晶片执行电解抛光的方法，其包括操作：
用电解液流对晶片执行电解抛光；
对晶片进行转动，以使得喷射到晶片上的电解液在晶片表面上流向其边缘；以及
将一护套定位在晶片边缘的附近。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于：以足够的速度转动晶片，从而使喷射到晶片上的电解液流在其流向晶片的边缘之前不会离开晶片的表面。
21.根据权利要求19所述的方法，其特征在于：电解液流过晶片的边缘，并被溅射到护套上。
22.根据权利要求19所述的方法，还包括操作：根据晶片上要被执行电解抛光的部位而改变夹盘的转速。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于：当晶片上的电解抛光部分靠近中心时以较高速度转动晶片。
24.根据权利要求19所述的方法，其还包括操作：相对于喷嘴将晶片平移。
25.根据权利要求19所述的方法，其还包括操作：相对于喷嘴移动护套。
26.根据权利要求19所述的方法，其还包括操作：相对于喷嘴将护套和晶片一起进行运动。
27.根据权利要求19所述的方法，其还包括操作：相对于晶片移动喷嘴。
28.一种用于对半导体晶片上破碎的金属层执行电解抛光的设备，其包括：
一用于夹持晶片的晶片夹盘；
一导电构件，其环绕着晶片夹盘的周边；
一喷嘴，其被设计成将电解液流喷射到晶片的表面上；以及
一致动器，其被设计成以足够高的转速转动晶片夹盘，以便于在晶片的表面上形成一电解液薄膜，以此来与破碎的金属层实现电连接。
29.根据权利要求28所述的设备，其特征在于：电解液薄膜形成了一条通路，用于在电解液与导电构件之间传导电流。
30.根据权利要求28所述的设备，其特征在于：晶片被定向为面朝下方，且喷射到晶片上的电解液流在从晶片表面上滴落下来之前流到晶片的边缘处。
31.根据权利要求28所述的设备，其特征在于：致动器被设计成可根据晶片上要被执行电解抛光的部位而改变夹盘的转速。
32.根据权利要求31所述的设备，其特征在于：致动器被设计成当晶片上的电解抛光部分靠近中心时以较高转速驱动夹盘。
33.根据权利要求28所述的设备，其特征在于：晶片夹盘被设计成可相对于喷嘴进行平动。
34.根据权利要求28所述的设备，其特征在于：喷嘴被设计成可相对于晶片夹盘移动。
35.根据权利要求28所述的设备，其还包括：一护套，其环绕着晶片夹盘。
36.根据权利要求35所述的设备，其特征在于：护套与晶片夹盘一道相对于喷嘴移动。
37.根据权利要求35所述的设备，其特征在于：护套和晶片夹盘机械地联接起来，从而可相对于喷嘴一起运动。
38.根据权利要求35所述的设备，其特征在于：护套被定位成距离晶片夹盘的边缘约1mm到10mm。
39.根据权利要求35所述的设备，其特征在于：护套被定位成距离夹盘的边缘约5mm。
40.根据权利要求35所述的设备，其特征在于：护套侧壁的剖面形状为L形。
41.根据权利要求35所述的设备，其特征在于：护套的侧壁是锥形的。
42.根据权利要求35所述的设备，其特征在于：护套侧壁的延伸长度超出夹盘。
43.根据权利要求35所述的设备，其特征在于：护套包含塑料材料或陶瓷材料。
44.根据权利要求35所述的设备，其特征在于：护套包含抗腐蚀金属或合金。
45.根据权利要求35所述的设备，其特征在于：护套上涂覆有耐受电解液的材料。
46.一种用于对半导体晶片上破碎的金属层执行电解抛光的方法，其包括操作：
利用一晶片夹盘保持住晶片，夹盘包括一导电构件，其被定位成环绕着晶片的周边；
利用电解液流对晶片执行电解抛光；以及
转动晶片，以使得喷射到晶片上的电解液在晶片表面上形成一电解液薄膜。
47.根据权利要求46所述的方法，其特征在于：以足够的速度转动晶片，从而使喷射到晶片上的电解液流在其流向晶片的边缘之前不会离开晶片的表面。
48.根据权利要求46所述的方法，其还包括操作：根据晶片上要被执行电解抛光的部位而改变夹盘的转速。
49.根据权利要求48所述的方法，其特征在于：当晶片上的电解抛光部分靠近中心时以较高速度转动晶片。
50.根据权利要求46所述的方法，其还包括操作：相对于喷嘴将晶片平移。
51.根据权利要求46所述的方法，其还包括操作：对一护套进行定位，使其环绕着晶片夹盘。
52.根据权利要求46所述的方法，其还包括操作：电解液流过晶片的边缘而溅射到一护套上。
53.根据权利要求52所述的方法，其还包括操作：相对于喷嘴移动所述护套。
54.根据权利要求52所述的方法，其还包括操作：相对于喷嘴将所述护套和晶片一起进行运动。
55.根据权利要求46所述的方法，其还包括操作：相对于晶片移动喷嘴。
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