CN100528484C - 用于微电子工件的电化学-机械加工的设备 - Google Patents
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Abstract
一种用于微电子工件的电化学-机械加工的设备和方法,根据本发明的电化学加工设备包括:设置成用于容纳微电子工件的工件支架、工件电极、第一远程电极和第二远程电极,工件电极设置成当工件容纳于工件支架中时能与工件的加工面相接触,第一和第二远程电极与工件支架间隔开。设备还包括:AC交流电源、DC直流电源和转换组件。转换组件与工件电极、第一远程电极、第二远程电极相连接。在操作中,转换组件使所述AC交流电源电连接到所述转换组件,以便通过转换组件与第一和第二远程电极电连接;所述DC直流电源电连接到所述转换组件,以便通过转换组件与工件电极以及至少第一和第二远程电极之一电连接,用于电镀、去镀层和/或机械地去除材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于采用电化学-机械加工工艺在微电子工件上电镀和去除材料的方法和设备。
背景技术
典型的微电子工件包括具有多个元件的基片,诸如用导线和其他部件内部连接的存储单元。导线可以通过在工件上形成电缆沟或一些凹槽,然后将导电材料或一些化合物放置在电缆沟内而构成。然后,将在电缆沟上方作为导电材料一部分的导电材料的覆盖层去除,从而在电缆沟内留下不连续的导电材料导线。
电化学加工既可以用于放置金属层,也可以用于去除金属层。典型的电化学电镀加工涉及到采用化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)或其他合适的加工方法将种子层(seed layer)放置在工件的表面。种子层形成后,通过在种子层和电加工溶液(例如电解溶液)中的电极之间施加合适的电势,可以将金属的覆盖层或图案层电镀在工件上。对大多数材料而言,阴极与种子层相连接,而阳极浸入在电解溶液中,从而在种子层和阳极之间可以建立起电场。
电加工技术同样也能用于从微电子工件中去除金属层。例如,阳极与工件上的金属层相连接,而阴极浸入在电解溶液中,从而将金属从工件表面上去除。在另一实例中,将交流电通过电解液施加在导电层上,从而去除金属部分。例如,图1显示出采用交流电去除金属的传统设备60,其包括与电流源21相连接的第一电极20a和第二电极20b。第一电极20a直接连接到半导体基片10上的金属层11上,并且第二电极20b至少部分浸入在放置于金属层11的表面上的电解液31中。例如,第二电极20b可以向下移动,直到其与电解液31相接触。隔板22保护第一电极20a避免与电解液31直接接触。电流源21通过第一电极20a、第二电极20b和电解液31给基片10施加交流电,以便从金属层11上去除导电材料。交流信号可以具有各种波形,诸如Frankenthal et al在‘硅集成电路上钛-铂-金金属化的铂的电蚀刻’(贝尔实验室)公开的那些波形,在此,其整体作为参考。
图1中所示系统的缺点在于,在将第一电极20a安装于基片10的区域中不可能将材料从金属层11中去除,因为隔板22阻止电解液31与在此区域中的基片10相接触。可选择地是,如果第一电极20a是与电解液相接触的自耗电极,电解加工可能会使第一电极20a分解。还有一个缺点就是电解加工可能会不均匀地去除基片10上的材料。例如,不与第一电极20a直接电气连接的剩余电导材料的不连续区域(例如,“岛状物”)可能会在导体层11中逐步扩展。剩余电导材料的不连续区域可能会干涉导线的形成和/或工作,并且可能很难用电解加工去除这些剩余材料,除非第一电极20a重新定位以与这些“岛状物”相连接。
减轻如前所述一些缺点的方法是将多个第一电极20a安装在基片10的周围,以便提高去除导电材料的均匀性。然而,尽管有附加数目的电极与基片10相接触,但剩余导电材料的不连续区域还仍然存在。另一种方法是用诸如碳之类的惰性材料构成电极20a和20b,这样就不需要隔板22。虽然这可能使得金属层11的更多区域能与电解液31相接触,但惰性电极不可能与更多的反应电极(例如,自耗电极)在去除导电材料上一样有效。结果,惰性电极可能会仍将剩余导电材料留在基片10上。
图2显示出减轻如前所述的一些缺点的另一种方法,其中两片基片10部分浸入在包含电解液31的容器30中。第一电极20a连接到一片基片10上,而第二电极20b连接到另一基片10上。这种方法的优点在于第一电极20a和第二电极20b不与电解液相接触。然而,在电解加工完成后,导电材料的岛状物可能仍然保留,并且很难将导电材料从电极20a和20b连接到基片10的地方上去除掉。
国际专利申请PCT/US00/08336(如WO/00/59682所公布的)公开了具有用于在半导体晶片上加上电导材料的第一室以及用于通过电解法抛光或化学机械抛光将导电材料从半导体晶片上去除的第二室的装置。第二室包括具有与圆柱形机械衬垫同样结构的涂料辊,当阳极和晶片绕垂直轴转动时,涂料辊与电解溶液和晶片表面都接触。包括有与电解液槽隔离的导电液体的阴极与晶片的一边缘进行电气连接。这种装置的缺点在于其也会将剩余电导材料的岛状物留在晶片上。
加利福尼亚州的Nutool拥有的美国专利No.6,176,992 B1中公开了另一种现有装置。该专利公开了具有与晶片加工面相接触的第一电极、与晶片加工面的另一部分结合的抛光衬垫、以及在抛光衬垫下面的第二电极。电解液通过与第一电极、第二电极、以及晶片表面相接触的抛光衬垫。在电镀循环期间,直流电通过第一和第二电极,以便将金属离子电镀在晶片的表面上。在去镀层或整平循环期间,当抛光衬垫与晶片表面摩擦时,直流电的极性转换,从而从晶片上去除金属。
在美国专利No.6,176,992所公开的装置中值得关注的一点在于去镀层或整平循环期间从晶片周围比从晶片中心可以更快地去除材料。更具体地说,在进行去镀层或整平循环的过程期间,晶片的覆盖层变得非常薄,这样在晶片的周围和中心之间会出现显著的电压降。电压降可能引起从晶片的周围比从晶片的中心去除更多的镀层。此外,直流电可能会在金属层表面形成可以加剧电压降的钝化层。这种现象对于加工较大的晶片(例如,300mm)特别成问题,因为这些晶片的直径大,从而产生较大的电压降。因此,需要从晶片表面更加均匀地去除材料。
发明内容
本发明旨在提供一种微电子工件的电化学-机械加工的方法和设备。在全文中所用的术语“微电子工件”包括由在其上和/或其中装配有微电子电路或一些其他元件(例如,数据存储元件、互连部件、晶体管、和/或微机械元件等等)的基片形成的工件。根据本发明的电化学加工设备的一个实施方式包括:设置成用于容纳微电子工件的工件支架、工件电极、第一远程电极以及第二远程电极。工件电极设置成当工件容纳于工件支架中时其能与工件的加工面相接触。第一和第二远程电极与工件支架间隔开。设备还包括AC交流电源、DC直流电源以及转换组件。转换组件与工件电极、第一远程电极、第二远程电极相连接。操作中,所述AC交流电源电连接到所述转换组件,以便通过转换组件与第一和第二远程电极电连接;所述DC直流电源电连接到所述转换组件,以便通过转换组件与工件电极以及至少第一和第二远程电极之一电连接。
该设备的不同实施方式还包括在工件支架与第一和第二远程电极之间的机械介质。例如,机械介质可以包括由第一电极承载的第一衬垫,以及由第二电极承载的第二衬垫。在其他实施方式中,机械介质包括由转动台板或固定工作台承载的衬垫。机械部件可能是不磨损的衬垫或用于化学-机械整平加工的固定磨损衬垫。
在另一实施方式中,设备还包括与工件支架间隔开的可移动远程电极组件。第一和第二远程电极由电极组件承载,并且机械部件还包括由第一远程电极承载的第一抛光衬垫和由第二远程电极承载的第二抛光衬垫。可移动电极组件能够相对工件支架移动,以(a)能够摩擦在工件表面上的第一和第二抛光衬垫,并且(b)能够使第一和第二远程电极相对工件表面的不连续区域进行定位。
工件支架包括具有设置成能够固定工件的夹盘的基片托架,这样可以使工件的加工面朝下。在任一实施方式中,工件支架可能包括与基片托架相连接的驱动组件,其附加或代替第一和第二远程电极相对工件的移动,使基片托架移动。在另一实施方式中,工件电极还由工件支架承载,以使当工件容纳于支架中时,工件电极可能与在工件加工面上的种子层或另一类型的层相接触。
在另一实施方式中,设备包括与转换组件相连接的控制器。控制器包括计算机,其具有包括用于操作转换组件以控制施加给工件的直流、交流、和/或机械摩损的指令的计算机可操作介质。更具体地说,控制器可以使转换组件同时或在整个加工循环中的独立阶段给工件施加直流、交流、和/或机械介质,从而进行电镀、去镀层、和/或从工件的加工面机械地去除材料。通过计算机可操作介质执行的方法的一个实施方式包括步骤:使工件的加工面与电解溶液相接触,以及给工件电极和至少第一远程电极施加直流电。在该实施方式中,工件电极和第一远程电极在电解溶液中产生电场。该方法中的实施方式还包括步骤:在给工件电极施加直流电的同时,或在停止施加直流电以后,给第一远程电极和第二远程电极施加交流电。方法还进一步包括步骤:将工件的加工面与机械介质相接触,至少同时给第一和第二远程电极施加交流电。
本发明还包括用于电化学和/或机械加工工件方法的几种其他的或不同的实施方式。在一个实施方式中,在不连续的电镀阶段,将直流电施加给工件电极和第一远程电极,然后在不连续的去镀层/整平阶段,当机械介质与工件的加工面相摩擦时,仅将交流电施加给第一和第二远程电极。在此特定实施方式中在电镀阶段结束时以及去镀层/整平阶段之前,直流电也相应停止。可选实施方式包括步骤:在给工件电极和第一远程电极施加直流电时,使机械介质与工件的加工面相摩擦。在另一可选择的实施方式中,直流电仍施加给工件电极和第一远程电极,同时施加交流电给第一和第二远程电极,并且同时使机械介质与工件相摩擦。此外,第一和第二远程电极在工件不连续区域的停留时间可能变化,同时施加交流电以便从工件的所选区域中去除更多的材料。例如,第一和第二远程电极的停留时间在具有较厚导电材料覆盖层的晶片区域可能增加,从而更加均匀地去除这些覆盖层。
附图说明
图1是根据现有技术的用于从微电子工件上去除导电材料的设备的侧视图;
图2是根据现有技术的用于从多个微电子工件上去除导电材料的另一设备的侧视图;
图3是根据本发明的一个实施方式中用于对微电子工件进行电化学-机械加工的设备的侧视截面图,图3中示意地显示出所选部件;
图4A-4C是根据本发明的几个实施方式中用于电化学-机械设备的远程电极组件的侧视截面图,在这些图中示意地显示出远程电极组件的几个部件;
图5A-5E是根据本发明的几个实施方式中用于电化学-机械设备的远程电极组件的侧视截面图,在这些图中示意地显示出远程电极组件的几个部件;
图6是根据本发明的另一个实施方式中用于对微电子工件进行电化学-机械加工的设备的侧视截面图,图6中示意地显示出所选部件;
图7是根据本发明的某些实施方式中用于电化学-机械加工设备的工件托架和远程电极组件的侧视截面图。
具体实施方式
本发明公开从用于半导体装置、微机械装置和其他类型装置的制造中的微电子工件中去除材料的几种方法和设备。在下文中,以及在图3-7中将给出本发明的某些实施方式的一些详细说明,从而有助于完全理解这些实施方式。然而,可以认为理解本领域的熟练技术人员可能实现其他实施方式,或本发明可以在脱离下述的一些详细说明的情况下实现。
图3显示出根据本发明的一个实施方式中用于对微电子工件110进行加工的电化学-机械(ECM)加工设备100的实施例。电化学-机械加工设备100可以用于在工件110的加工面113上电镀材料层面111,和/或从层面111上去除材料。电化学-机械加工设备100可以采用各种DC电源、AC电源以及机械摩损的组合,从而形成导线或工件110中的其他部件。
电化学-机械(ECM)加工设备100包括设置成可以容纳工件110,并将其固定在所需位置上的工件支架120。工件支架120可以包括基片托架121,其具有固定工件110的卡盘,这样加工面113可以朝上或朝下。在如图3所示的实施方式中,工件支架120就是具有设置成用于固定工件110的卡盘的基片托架121,这样加工面113可以朝上。工件支架120可以不动,以便将工件110固定在确定的位置,或其可以与驱动系统122相连接,从而转动或平移工件110(如箭头A和B所示)。
ECM设备100还包括设置成当工件110容纳于工件支架120中时,可以与工件110的加工面113相接触的工件电极130。工件电极130由工件支架120承载。在可选实施方式中,工件电极130可以由与工件支架120间隔开的支架(未示出)承载。工件电极130可以是与工件110的外围相接触的环形触点或多点触点。在电化学电镀技术中,用于给层面111提供电流的许多合适的工件电极都是众所周知的。工件电极130一般由浸入在或由电化学加工溶液覆盖的金属组成。在操作中,工件电极130给工件110上的层面111提供阳极或阴极电荷取决于具体的加工过程和应用。
电化学-机械加工设备100还进一步包括与工件电极130间隔开的远程电极组件140。在一个实施方式中,远程电极组件140具有由电极托架144支撑的多个远程电极142。远程电极组件140可以包括单根远程电极142或多个不连续的远程电极。在如图3所示的实施方式中,远程电极组件140包括第一远程电极142a和与第一远程电极142a相间隔开的第二远程电极142b。远程电极142同样也与工件支架120相间隔,这样远程电极142在加工过程循环中不与层面111相接触。
远程电极组件140还包括使远程电极142相对工件110移动,用于控制高度(箭头“F”所示)、转动(箭头“G”所示)、和/或电极的平移(箭头“H”所示)的驱动组件146。在其他的实施方式中,远程电极组件140静止不动,并且不需要包括驱动组件146。当远程电极组件140仍保持不动时,与工件支架120相结合的驱动系统122可以在工件110和远程电极142之间提供相对运动。
ECM设备100还包括在工件支架120和远程电极142之间用于与工件110进行机械摩擦的机械介质150。在如图3所示的特殊实施方式中,机械介质150包括安装于第一远程电极142a的端部的第一抛光衬垫152a,以及安装于第二远程电极142b的端部的第二抛光衬垫152b。机械介质150可以是没有磨粒的非研磨元件,或具有固定磨粒的研磨元件。此外,机械介质150的表面图案可以具有不连续的凸起特征或有凹槽,或实质上为平面。整平衬垫152a-b可以限定用于与层面111相接触的支撑面153。美国明尼苏达州圣保罗的3M公司和特拉华州的罗德公司可以生产安装于远程电极142上的合适类型的机械介质150。
工件支架120、工件电极130、以及远程电极组件140可以位于容纳有电化学加工溶液161的容器160中。在可选实施方式中,电化学加工溶液161可以通过采用喷嘴或与分配装置相似的其他类型装置分配给工件110,这种分配装置在化学机械整平过程中,可用于将整平溶液沉积在抛光衬垫上。在这种可选实施方式中,相应地可以不需要容器160。电化学加工溶液161可以是具有能够从工件110的层面111上电镀和/或去镀层材料的混合物的液体或凝胶体。例如,电化学加工溶液161可以是具有金属离子或适合将金属离子电镀到层面111上的其他成分的电解液。例如,电化学加工溶液161可能具有用于将铂、钛、金、铜或其他金属电镀到层面111上的金属离子。
ECM设备100可以电镀、去镀层、和/或机械地从在工件110上的层面111去除材料。工件电极130和至少一根远程电极142可以与电化学加工溶液进行电连通,这样电流流过层面111,此时在工件电极130和任意一根远程电极142之间具有电势。离析电流同样可以流过层面111,此时在第一远程电极142a和第二远程电极142b之间也会产生电势。相应地,ECM设备100可以包括DC直流电源172、AC交流电源174和转换组件180。转换组件180与工件电极130、远程电极142、DC直流电源172、以及AC交流电源174相连接。在操作中,转换组件180可选择地将DC直流电源172和/或AC交流电源174与工件电极130和远程电极142所选结合相连接或断开连接,从而电镀或从工件110上去除材料。
ECM设备100还进一步包括具有包含指令用于操作转换组件180运行的计算机操作介质的控制器190。控制器190同样也可操作地连接于DC直流电源172和AC交流电源174上,从而调节施加于工件电极130和远程电极142上的电流的电学参数。计算机操作介质可以是软件或硬件,其(a)能导致转换组件180可选择地使DC直流电源172和AC交流电源174与工件电极130和/或远程电极142的所选结合相连接;和/或(b)导致控制器190在层面111的表面上压紧机械介质150。例如,在控制器中的计算机操作介质包含用于控制转换组件180、DC直流电源172、AC交流电源174、以及驱动系统122的指令,以便在层面111上电镀材料,和/或去镀层/整平层面111。
由包含在计算机操作介质中的指令实现的方法的一个实施方式包括不连续的电镀阶段,和与电镀阶段分开的不连续去镀层/整平阶段。在控制器190中的计算机操作介质通过使工件110的加工面113与电化学加工溶液161相接触,并且施加直流电给工件电极130和至少一根远程电极142,从而使该实施方式的电镀阶段初始化。工件110的加工面113可以通过在容器160中添加电化学加工溶液161或通过直接将电化学加工溶液161分配在层面111上,从而能与电化学加工溶液161相接触。直流电可以通过将工件电极130与DC直流电源172的端子相连接,以及将一根或两根远程电极142与DC直流电源172的另一端子相连接,从而施加在工件110上。AC交流电源174可以与远程电极142和工件电极130断开连接,这样在该实施方式的电镀阶段只有直流电施加在工件110上。在用于将金属电镀到层面111上的多个实施方式中,工件电极130是阴极,而远程电极142是阳极。然而,用于电镀其他类型材料的极性可以转换,这样工件电极130是阳极,而远程电极142是阴极。
在将足够量的材料电镀到层面111上之后,在控制器190中的计算机操作介质通过使DC直流电源172与工件电极130和远程电极142断开连接,可以使去镀层/整平阶段初始化。控制器190还可能引起(a)转换组件180使AC交流电源174与第一和第二远程电极142a和142b相连接;和/或(b)引起驱动组件146在层面111的表面上压紧整平衬垫152a-b的支撑面153。控制器190也会引起驱动组件146和/或驱动系统122在工件110和远程电极组件140之间产生相对运动,从而摩擦横跨在层面111表面上的整平衬垫152a-b。
在去镀层/整平阶段的一个实施方式中,给第一和第二远程电极142a-b施加交流电,同时机械介质150摩擦该表面。可以预期在第一和第二远程电极142a-b之间的交流电以使层面111的表面交变,这样可以使机械去除更加容易些。例如,交流电使铂、铜、以及一些金属的表面氧化,从而形成容易受到机械摩损的表面层。交流电也同样可以从各种层面上去除电镀材料。结果,由于由交流电引起的电化学加工溶液161和层面111之间的电化学相互作用,并且同样由于由机械介质150引起的机械磨损,在去镀层/整平阶段可以将材料从层面111的表面中去除。
通过包含在控制器190的计算机操作介质中的指令实现的方法的另一实施方式包括通过给工件电极和至少一根第一和第二远程电极施加直流电,并同时给第一和第二远程电极施加交流电,从而同时实现电镀和去镀层/整平。该实施方式还包括至少一个微电子工件和/或远程电极组件140彼此相对移动,同时施加直流和交流以便从工件110的表面机械地磨损材料,在该实施方式中,交流明显小于直流,这样直流可以有效地传送交流。远程电极组件140和工件110在该过程中仍然保持静止不动,或至少远程电极组件140或工件110可以相对另一个移动,以便使远程电极142相对层面111的表面定位。例如,如下文中进行地更详细说明,远程电极142可以在工件110的选择区域停留较长的时间。
控制器190的计算机操作介质同样也包含用于导致在加工循环的各阶段从层面111上去除材料的指令。例如,或同时(a)将直流电施加于工件电极130和远程电极142上,从而将材料电镀在工件110上,(b)将交流电施加于第一和第二远程电极142a-b上,或(c)没有电流施加于任何工件电极130、第一远程电极142a或第二远程电极142b上,控制器190可以指挥驱动组件146将整平衬垫152a-b的支撑面153压紧在层面111上。由此,只在电化学加工溶液161和机械介质150中采用化学反应的化学机械整平过程可以在或不在层面111的电加工过程中予以实现。
在方法的另一实施方式中,远程电极组件140的停留时间可以调节,这样远程电极142并置于加工面113的第一区域一段与第二区域不同的时间间隔。例如,当层面111的厚度在工件110的周围比在其中心要大得多时,电极组件140在去镀层/整平阶段在周围的停留时间比在中心的停留时间要长,以便从工件上去除更多的材料。在去镀层/整平阶段,电极组件140的停留时间一般要多于工件上层面111较厚的区域。应当理解,远程电极组件140的停留时间可以在工件110的表面上均匀分布,或可以根据本发明的其他实施方式中的其他参数而发生变化。
ECM设备100的几个实施方式被认为可以在工件110上提供很平的表面。通过给远程电极142施加交流电,用机械介质150摩擦层面111,使材料从层面111上去除的主要原因为(a)在层面111表面上的材料氧化,并且(b)氧化材料的机械去除。此外,因为通过不与层面111相接触的远程电极142将电流施加给层面111,所以远程电极142能够相对工件110移动(或者工件110可以相对远程电极142移动),从而当层面111的覆盖层在去镀层/整平循环的后期变得很薄时,可以避免在层面111上产生稳定的电压降。这将可以在层面111上提供很平的表面。
图4A-4C显示出几种不同的远程电极组件,其容纳在电化学-机械加工过程中产生的气体,并且从工件110和/或远程电极上引导出气体。参照图4A,ECM设备200的一个实施方式包括具有由电极托架244承载的第一和第二远程电极242a和242b的远程电极组件240。远程电极组件240还进一步包括机械介质250(可看成与第一远程电极242a相邻的第一机械介质250a以及与第二远程电极242b相邻的第二机械介质250b)。在该实施方式的一方面,机械介质250一般可以是无孔材料,其覆盖小于各远程电极242a-b的整个向下表面。各远程电极242a-b的暴露表面245相应地直接面向工件110。这些暴露表面245可以包括由通道表面248限定的用于收集和引导来自工件110和/或远程电极242a-b的最近区域中的气体的通道247。
在该实施方式的另一方面,远程电极242a-b能够通过间隔249彼此分开,其可以减少或消除在远程电极242a-b之间的直接电气耦合。结果,电流从远程电极242a或242b之一通过微电子基片110的层面111,并且接着流向远程电极242a或242b的另一根上。此外,间隔249能够附加或代替通道247工作,以便引导气体从远程电极242a-b和/或微电子工件110离开。在该实施方式的另一方面,电极托架244还可以以能够满足用离心力迫使气体径向向外的转速旋转(如箭头“G”所示)。
如图4A所示的ECM设备200的另一特征是机械介质250a-b的类型和布置可以控制远程电极242a-b和工件110之间的电气耦合。例如,机械介质250a-b一般可以是无孔衬垫,这样只有电极242a-b的暴露部分通过电化学加工溶液161与工件110电气相连。在可选实施方式中,机械介质250a-b可以是有孔的或部分有孔的衬垫,用以在电极242a-b和工件110之间产生些电气耦合,在此区域机械介质250a-b设置在工件110和第一和第二远程电极242a-b之间。通过机械介质250a-b进行的电气耦合程度可能小于在第一和第二远程电极242a-b的暴露部分和工件110之间的电气耦合程度。
图4B显示出ECM设备200的另一实施方式,其包括具有第一和第二远程电极242a-b的远程电极组件240b,以及承载第一和第二远程电极242a-b的电极托架244。在该实施方式中的ECM设备200还包括由各第一和第二远程电极242a-b支撑的第一和第二机械介质250a-b。各机械介质250a-b是包括孔251和从孔251向上延伸到远程电极242a-b的通道252的多孔衬垫。远程电极242a-b可以包括面向下,与通道252液体相通的通道247。相应地,通道252可以使气体从工件110上升,并在将其收集在通道247中的位置穿过机械介质250。此外,当通道252中充满溶液161时,通道252可以在电极242a-b和工件110之间提供电气连接。
图4C显示出ECM设备200的另一实施方式,其具有包括第一和第二远程电极242a-b的远程电极组件242c,以及相应的第一和第二机械介质250a-b。在该实施方式的一方面,机械介质250可以是有孔的材料,以便将气泡从工件110中引导出。该实施方式的另一方面可以包括在电极242a-b中面向下的通道247,用以收集和引导从电极242a-b产生出来的气泡。远程电极组件240c还包括具有能够使通道247以可选角度定位的斜置下表面270的电极托架244。在该实施方式的一方面,各电极242a-b的向下表面272同样倾斜。倾斜角度一般较小,以用于减少在工件110和电极242a-b之间从远程电极组件242c的中心到外围的距离差。在可选实施方式中,倾斜角比较大,用以有意减少电极242a-b的外围和工件110之间的电气耦合。在另一实施方式中,通道247可以向上倾斜(如图4C所示),虽然电极242a-b的下表面可以是水平的(如图4C中参考数字245所示的虚线)。
图5A-5E显示出根据本发明的另一实施方式中几种用于ECM设备的远程电极组件340。参照图5A,图中显示出包括电极托架341、由电极托架341承载的第一和第二远程电极342a-b、以及由第一和第二远程电极342a-b承载的机械介质350的远程电极组件340的实施方式。机械介质350包括多个具有不同电气特性的区域352a-d。例如,在一实施方式中,区域352a-d可以环形设置在中心区域352a的周围,或在一些实施方式中具有其它图案或排列的区域(例如,网格)。区域352a-d可以具有不同的介电常数和/或传导率,从而可以改变在空间上跨过面层111的第一和第二远程电极342a-b和工件110之间的电气耦合程度。相应地,由第一和第二远程电极342a-b和层面111形成的电路的阻抗在工件110的表面会发生变化,从而提供了电去除材料速率的变化或其他改变。可选择地是,空间变化的电气特性可能修正有可能在其他方面导致空间非均匀的材料去除率的因素(例如,工件110和机械介质350之间相对速度的固定差值)。
图5B显示出根据本发明的另一实施方式中具有多孔机械介质350的远程电极组件340。在该实施方式的一方面,机械介质350可以包括孔353和通道354,其中在通道中包含有电化学加工溶液161用以将远程电极342a-b与工件110的层面111电气连接。在该实施方式的另一方面,机械介质350的多孔率可以从一个区域到另一区域以连续的方式变化。例如,多孔性在径向朝外的方向上可能减少,从而降低工件110周围的电气耦合。在其他实施方式中,多孔性可能以其他方式发生变化,从而在工件110的不同区域提供不同的电气耦合度。
图5C显示出包括具有三个各具有不同多孔率的同心区域355a-c的远程电极组件340。例如,第一区域355a具有贯穿整个第一区域355a的第一均匀多孔率,第二区域355b具有贯穿整个第二区域355b的第二均匀多孔率,第三区域355c具有贯穿整个第三区域355c的第三均匀多孔率。在该实施方式的一方面,机械介质350的多孔率可以在径向朝外的方向上减少,或在其他实施方式中,多孔率可以以其他方式进行变化。在另一实施方式中,机械介质350具有比这三个不同区域355a-c要多或少的区域。
图5D显示出根据本发明的另一实施方式具有有孔和无孔区域的机械介质350的远程电极组件340。例如,机械介质350可以包括中心有孔区域356a和外部无孔区域356b。外部无孔区域356b同心地位于中心有孔区域356a的周围。相应地,远程电极342a-b可以只在远程电极组件340的中心区域与工件110电气连接,并且机械介质350可以从较大的接触面上机械地去除材料。图5E显示出一种可选排列,其中远程电极组件340包括具有均匀孔率的机械介质350。机械介质350可以连接到用于防止或至少限制远程电极342a-b和工件110之间电气耦合的面罩357上,其中在此区域面罩357位于工件110和电极342a-b之间。
图6是根据本发明的另一个实施方式中用于对微电子工件110进行电化学-机械加工的ECM加工设备600的侧视截面图。图6中示意地显示出ECM设备600的一些部件,并且具有相同参考数字的部件与图2-6中的部件一样。在该实施方式的一方面,ECM加工设备600具有压盘或工作台610,工件托架组件620、由工件托架组件620支撑的工件电极630、以及具有由工作台610支撑的第一和第二远程电极642a-b的640。ECM加工设备600还包括由工作台610支撑的机械介质650。驱动系统612产生旋转(箭头G)和/或在工作台610上往复运动(箭头H),并且驱动组件622能够转动(箭头I)或平移工件托架620(箭头J)。工作台610和工件托架620的运动可以协调,以便在机械介质650的支承面653上压紧工件110的加工面113。
在加工循环过程中,一种或多种加工溶液660可以沉积在机械介质650的支承面653上。对机械介质650和加工溶液660可以被选择以提供用于加工工件110的合适的电气、化学和机械特性。例如,机械介质650可以是具有固定磨粒的抛光衬垫或无磨粒衬垫。加工溶液660可以是用于电镀工件110或从工件110上去镀层材料的电解溶液,和/或用于从工件110上用化学和/或机械方法去除材料的整平溶液。加工溶液660可以相应地包括电解液和/或磨粒,还有选来用于与工件110进行特定反应的化学物。
ECM加工设备600还包括转换组件180、DC直流电源172、AC交流电源174和控制器190。工件电极630和远程电极642a-b与转换组件180相连接,用于可选择地施加直流和/或交流给各种电极。如图6所示的ECM加工设备600可以相应地实现参照图3如上所述的许多相同的方法。
图7是如上所述更详细地显示设备部分的ECM加工设备600的实施方式的侧视图。在该实施方式的一方面,ECM加工设备600还进一步包括多个在机械介质650下面和/或与其成一整体的第一和第二远程电极642a-b。例如,远程电极642a-b可以成对排列,并由工作台610支撑。各远程电极642a-b可以具有面向工件110的表面643,并且各远程电极642a-b与使第一和第二远程电极642a-b相互电气隔离的间隔物644相邻。第一和第二远程电极642a-b还由多个液体导管663分隔成不连续的几组,由此加工溶液661可以流到机械介质650的底面。机械介质650可以相应地具有通过其加工溶液661可以流到支承面653上的孔或通道(图7中未示出)。机械介质650还包括多个在支承面653上的通道654。其(a)将加工溶液661传送到机械介质650的表面,并且(b)收集并移动来自工件110的气泡。
进一步参照图7,ECM加工设备600可选地包括非接触能量源699,其在加工循环过程中与加工溶液661最接近。非接触能量源699可以是能将超声能传送给加工溶液661的超声能量源发送器。可以理解,将超声能传送给加工溶液661能够增加气泡从工件110的最接近区域去除的速度和效率。
从上所述,应当理解在此进行说明的本发明的上述具体实施方式仅为示例性目的进行了说明,本领域的熟练技术人员可能在此基础上做出各种变更而不会脱离由权利要求所限定的保护范围和主题精神。本发明的保护范围仅由权利要求及其等同物的范围所限定。
Claims (37)
1.一种用于微电子工件的电化学-机械加工的设备,包括:
设置成用于容纳微电子工件的工件支架;
设置成当工件容纳于工件支架中时能与工件的加工面相接触的工件电极;
第一远程电极和第二远程电极,所述第一和第二远程电极与工件支架间隔开;
具有面向工件支架的支撑表面以及面向第一和第二远程电极的背面的机械介质;
连接到工件电极、第一远程电极和第二远程电极的转换组件;
AC交流电源,所述AC交流电源电连接到所述转换组件,以便通过转换组件与第一和第二远程电极电连接;和
DC直流电源,所述DC直流电源电连接到所述转换组件,以便通过转换组件与工件电极以及至少第一和第二远程电极之一电连接。
2.根据权利要求1所述的设备,其特征在于,所述工件电极由工件支架承载。
3.根据权利要求1所述的设备,其特征在于:
所述工件电极由工件支架承载;以及
所述第一远程电极和第二远程电极由与工件支架间隔开的远程电极组件承载。
4.根据权利要求1所述的设备,其特征在于:
所述工件支架包括:具有设置成能够固定工件以使加工面朝下的夹盘的基片托架;以及与基片托架相连接用于使基片托架移动的驱动组件;以及
所述工件电极由工件支架承载。
5.根据权利要求1所述的设备,其特征在于:
所述工件支架包括:具有设置成能够固定工件以使加工面朝上的夹盘的基片托架;以及与基片托架相连接用于使基片托架移动的驱动组件;以及
所述工件电极由工件支架承载。
6.根据权利要求1所述的设备,还进一步包括:
与工件支架间隔开的远程电极组件,以及其中第一远程电极和第二远程电极由所述远程电极组件承载。
7.根据权利要求1所述的设备,其特征在于:
所述设备还进一步包括与工件支架间隔开的可移动电极组件,所述可移动电极组件可相对工件支架移动;以及
第一远程电极和第二远程电极由所述可移动电极组件承载。
8.根据权利要求1所述的设备,其特征在于:
所述设备还进一步包括与工件支架间隔开的可移动电极组件,所述可移动电极组件可相对工件支架移动;
第一远程电极和第二远程电极由所述可移动电极组件承载;以及
机械介质包括由第一远程电极承载的第一抛光衬垫和由第二远程电极承载的第二抛光衬垫。
9.根据权利要求1所述的设备,其特征在于:
所述设备还进一步包括工作台;
机械介质包括由工作台承载的抛光衬垫;
工件支架位于抛光衬垫的上方,并且工件电极由工件支架承载;以及
第一远程电极和第二远程电极由工作台承载。
10.根据权利要求1所述的设备,还进一步包括:
控制器,其具有包括用于根据下述过程以操作设备的指令的计算机可操作介质,其中所述过程包括步骤:(a)使微电子工件的加工面与电化学加工溶液相接触,(b)给工件电极和至少第一远程电极和第二远程电极之一施加直流电,同时工件与电化学加工溶液相接触,(c)给第一远程电极和第二远程电极中的至少一个施加交流电,同时工件与电化学加工溶液相接触,以及(d)至少同时施加交流电时,在机械介质上压紧工件的加工面。
11.根据权利要求1所述的设备,还进一步包括:
控制器,其具有包括用于根据下述过程以操作设备的指令的计算机可操作介质,其中所述过程包括步骤:(a)使微电子工件的加工面与电化学加工溶液相接触,(b)给工件电极和至少第一远程电极和第二远程电极之一施加直流电,同时工件与电化学加工溶液相接触,(c)给第一远程电极和第二远程电极施加交流电,同时工件与电化学加工溶液相接触,以及(d)至少同时施加交流电时,在机械介质上压紧工件的加工面。
12.根据权利要求1所述的设备,还进一步包括:
控制器,其具有包括用于根据下述过程以操作设备的指令的计算机可操作介质,其中所述过程包括步骤:(a)使微电子工件的加工面与电化学加工溶液相接触,(b)给工件电极和至少第一远程电极和第二远程电极之一施加直流电,同时工件与电化学加工溶液相接触,(c)给第一远程电极和第二远程电极施加交流电,同时施加直流电。
13.根据权利要求1所述的设备,还进一步包括:
控制器,其具有包括用于根据下述过程以操作设备的指令的计算机可操作介质,其中所述过程包括步骤:(a)使微电子工件的加工面与电化学加工溶液相接触,(b)给工件电极和至少第一远程电极和第二远程电极之一施加直流电,同时工件与电化学加工溶液相接触,(c)给第一远程电极和第二远程电极施加交流电,同时工件与电化学加工溶液相接触,(d)至少同时施加交流电时,在机械介质上压紧工件的加工面,以及(e)移动至少工件电极、第一远程电极和第二远程电极之一,以使第一和第二远程电极在工件的第一区域比在第二区域具有更长的停留时间。
14.一种用于微电子工件的电化学-机械加工的设备,包括:
设置成用于容纳微电子工件的工件支架;
设置成当工件容纳于工件支架中时能与工件的加工面相接触的工件电极;
第一远程电极和第二远程电极,其中当工件容纳于工件支架中时,第一、第二远程电极与工件支架并置,从而与工件的加工面间隔开;
AC交流电源;
DC直流电源:以及
与工件电极、第一远程电极、第二远程电极、AC交流电源、以及DC直流电源相连接的转换组件,其中:转换组件至少包括第一结构和第二结构,其中在第一结构中,DC直流电源连接到工件电极和第一远程电极,而AC交流电源同时连接到第一和第二远程电极,且其中在第二结构中,DC直流电源连接到工件电极和至少第一和第二远程电极之一,而AC交流电源同时连接到第一和第二远程电极。
15.根据权利要求14所述的设备,其特征在于:
所述工件电极由工件支架承载,并且其中设备还进一步包括具有面向工件支架的支撑面以及面向第一和第二远程电极的背面的机械介质。
16.根据权利要求15所述的设备,其特征在于:
所述工件电极由工件支架承载;以及
第一远程电极和第二远程电极由与工件支架间隔开的远程电极组件承载。
17.根据权利要求15所述的设备,还进一步包括:
与工件支架间隔开的远程电极组件,并且其中第一和第二远程电极由所述远程电极组件承载。
18.根据权利要求15所述的设备,其特征在于:
所述设备还进一步包括与工件支架间隔开的可移动电极组件,其中所述可移动电极组件可相对工件支架移动;以及
第一远程电极和第二远程电极由所述可移动电极组件承载。
19.根据权利要求15所述的设备,其特征在于:
所述设备还进一步包括与工件支架间隔开的可移动电极组件;
第一远程电极和第二远程电极由所述可移动电极组件承载;以及
机械介质包括由第一远程电极承载的第一抛光衬垫和由第二远程电极承载的第二抛光衬垫。
20.根据权利要求15所述的设备,其特征在于:
所述设备还进一步包括工作台;
机械介质包括由工作台承载的抛光衬垫;
工件支架位于抛光衬垫的上方并且工件电极由工件支架承载;以及
第一远程电极和第二远程电极由工作台承载。
21.一种用于微电子工件的电化学-机械加工的设备,包括:
设置成用于容纳微电子工件的工件支架;
设置成当工件容纳于工件支架中时能与工件的加工面相接触的工件电极;
第一远程电极和第二远程电极,所述第一和第二远程电极是从工件支架间隔开的远程电极;
位于工件支架和各第一和第二远程电极之间的机械介质;
AC交流电源;
DC直流电源:以及
与工件电极、第一远程电极、第二远程电极、AC交流电源、以及DC直流电源相连接的转换组件,其中转换组件包括至少三个如下结构:
第一结构,其中DC直流电源与工件电极和第一、第二远程电极断开,而AC交流电源连接到第一和第二远程电极;
第二结构,其中DC直流电源连接到工件电极以及至少第一、第二远程电极之一,而AC交流电源与第一和第二远程电极断开;和
第三结构,其中DC直流电源连接到工件电极以及至少第一、第二远程电极之一,而AC交流电源同时连接到第一和第二远程电极。
22.根据权利要求21所述的设备,其特征在于,所述工件电极由工件支架承载。
23.根据权利要求21所述的设备,其特征在于:
所述工件电极由工件支架承载;以及
第一远程电极和第二远程电极由与工件支架间隔开的电极组件承载。
24.根据权利要求21所述的设备,其特征在于:
所述工件支架包括:具有设置成能够固定工件以使加工面朝下的夹盘的基片托架;以及与基片托架相连接用于使基片托架移动的驱动组件;以及
所述工件电极由工件支架承载。
25.根据权利要求21所述的设备,其特征在于:
所述工件支架包括:具有设置成能够固定工件以使加工面朝上的夹盘的基片托架;以及与基片托架相连接用于使基片托架移动的驱动组件;以及
所述工件电极由工件支架承载。
26.根据权利要求21所述的设备,还进一步包括:
与工件支架间隔开的电极组件,并且其中第一和第二远程电极由电极组件承载。
27.根据权利要求21所述的设备,其特征在于:
所述设备还进一步包括与工件支架间隔开的可移动电极组件;以及
所述第一和第二远程电极由所述可移动电极组件承载。
28.根据权利要求21所述的设备,其特征在于:
所述设备还进一步包括与工件支架间隔开的可移动电极组件;
所述第一和第二远程电极由所述可移动电极组件承载;以及
机械介质包括由第一远程电极承载的第一抛光衬垫和由第二远程电极承载的第二抛光衬垫。
29.根据权利要求21所述的设备,其特征在于:
所述设备还进一步包括工作台;
机械介质包括由工作台承载的抛光衬垫;
工件支架位于抛光衬垫的上方,并且工件电极由工件支架承载;以及
第一和第二远程电极由工作台承载。
30.根据权利要求21所述的设备,还进一步包括:
控制器,其具有包括用于根据下述过程以操作设备的指令的计算机可操作介质,所述过程包括下述步骤:(a)使微电子工件的加工面与电解溶液相接触,(b)给工件电极和至少第一远程电极和第二远程电极之一施加直流电,同时工件与电解溶液相接触,(c)给至少第一远程电极和第二远程电极之一施加交流电,同时工件与电解溶液相接触,以及(d)至少同时施加交流电时,在机械介质上压紧工件的加工面。
31.根据权利要求21所述的设备,还进一步包括:
控制器,其具有包括用于根据下述过程以操作设备的指令的计算机可操作介质,所述过程包括下述步骤:(a)使微电子工件的加工面与电解溶液相接触,(b)给工件电极和至少第一和第二远程电极之一施加直流电,同时工件与电解溶液相接触,(c)给第一和第二远程电极施加交流电,同时工件与电解溶液相接触,以及(d)至少同时施加交流电时,在机械介质上压紧工件的加工面。
32.根据权利要求21所述的设备,还进一步包括:
控制器,其具有包括用于根据下述过程以操作设备的指令的计算机可操作介质,所述过程包括下述步骤:(a)使微电子工件的加工面与电解溶液相接触,(b)给工件电极和至少第一和第二远程电极之一施加直流电,同时工件与电解溶液相接触,(c)给第一和第二远程电极施加交流电,同时施加直流电。
33.根据权利要求21所述的设备,还进一步包括:
控制器,其具有包括用于根据下述过程以操作设备的指令的计算机可操作介质,所述过程包括下述步骤:(a)使微电子工件的加工面与电解溶液相接触,(b)给工件电极和至少第一和第二远程电极之一施加直流电,同时工件与电解溶液相接触,(c)给第一和第二远程电极施加交流电,同时工件与电解溶液相接触,(d)在机械介质上压紧工件的加工面,至少同时施加交流电,以及(e)移动至少工件电极、第一远程电极和第二远程电极之一,以使第一和第二远程电极在工件的第一区域上比在第二区域上具有更长的停留时间。
34.一种用于微电子工件的电化学-机械加工的设备,包括:
设置成用于容纳微电子工件的工件支架;
设置成当工件容纳于工件支架中时能与工件的加工面相接触的工件电极;
第一远程电极和第二远程电极,所述第一和第二远程电极与工件支架间隔开;
位于工件支架和各第一和第二远程电极之间的机械介质;
AC交流电源;
DC直流电源:以及
与工件电极、第一远程电极、第二远程电极、AC交流电源、以及DC直流电源相连接的转换组件;以及
与转换组件相连接的控制器,所述控制器包括包含用于根据下述过程以操作转换组件的指令的计算机可操作介质,其中所述过程包括至少下述步骤之一:(a)将工件电极和至少第一和第二远程电极之一与DC直流电源相连接,和(b)将第一和第二远程电极与AC交流电源相连接。
35.一种用于微电子工件的电化学-机械加工的设备,包括:
设置成用于容纳微电子工件的工件支架;
设置成当工件容纳于工件支架中时能与工件的加工面相接触的工件电极;
第一远程电极和第二远程电极,所述第一远程电极和第二远程电极与工件支架间隔开;
位于工件支架和各第一和第二远程电极之间的机械介质;
连接到工件电极、第一远程电极和第二远程电极的转换组件;
AC交流电源,所述AC交流电源电连接到所述转换组件,以便与第一和第二远程电极电连接;和
DC直流电源,所述DC直流电源电连接到所述转换组件,以便通过转换组件与工件电极以及至少第一和第二远程电极之一电连接。
36.一种用于微电子工件的电化学-机械加工的设备,包括:
设置成用于容纳微电子工件的工件支架;
由工件支架承载的工件电极,所述工件电极设置成当工件容纳于工件支架中时能与工件的加工面相接触;
材料去除装置,其包括:面向工件支架的电极组件、由电极组件承载的第一远程电极、由电极组件承载的第二远程电极、以及由第一和第二远程电极承载的机械介质,其中第一和第二远程电极与工件支架间隔开;
AC交流电源;
DC直流电源:以及
与工件电极、第一远程电极、第二远程电极、AC交流电源、以及DC直流电源相连接的转换组件,其中转换组件包括至少三个如下结构:
第一结构,其中DC直流电源与工件电极和第一、第二远程电极断开,而AC交流电源连接到第一和第二远程电极;
第二结构,其中DC直流电源连接到工件电极以及至少第一、第二远程电极之一,而AC交流电源与第一和第二远程电极断开;和
第三结构,其中DC直流电源连接到工件电极以及至少第一、第二远程电极之一,而AC交流电源同时连接到第一和第二远程电极。
37.一种用于微电子工件的电化学-机械加工的设备,包括:
设置成用于容纳微电子工件的工件支架;
由工件支架承载的工件电极,所述工件电极设置成当工件容纳于工件支架中时能与工件的加工面相接触;
材料去除装置,其包括:面向工件支架的电极组件、由电极组件承载的第一远程电极、由电极组件承载的第二远程电极、以及由第一和第二远程电极承载的机械介质,其中电极组件是可移动的以使第一和第二远程电极相对工件支架产生运动;
AC交流电源;
DC直流电源:以及
与工件电极、第一远程电极、第二远程电极、AC交流电源、以及DC直流电源相连接的转换组件,其中:转换组件包括至少两个如下结构:
第一结构,其中DC直流电源连接到工件电极以及第一远程电极,而AC交流电源连接到第一和第二远程电极;和
第二结构,其中DC直流电源连接到工件电极以及第二远程电极,而AC交流电源同时连接到第一和第二远程电极。
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