CN104862772B - 电化学抛光装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种电化学抛光装置，包括晶圆夹盘和喷嘴，晶圆夹盘开设有数个晶圆凹槽，数个晶圆凹槽均匀分布在晶圆夹盘的圆心至晶圆夹盘的外边缘之间。数个晶圆凹槽的直径相等，数个晶圆凹槽的圆心分布在以晶圆夹盘的圆心为中心的同心圆上，且每一个晶圆凹槽的圆心位于晶圆夹盘的圆心至晶圆夹盘的外边缘的半径的中点上。晶圆夹盘和喷嘴相对线性运动。本发明还提出一种使用电化学抛光装置抛光晶圆的方法，适用上述的电化学抛光装置包括晶圆夹盘和喷嘴，在抛光晶圆时，使夹持有数片晶圆的晶圆夹盘和喷嘴相对线性运动，运动范围在晶圆夹盘的圆心与晶圆夹盘的外边缘之间或晶圆凹槽的直径范围内。

Description

电化学抛光装置及方法

技术领域

本发明涉及集成电路制造领域，尤其涉及一种电化学抛光装置及方法。

背景技术

在集成电路制造过程中，化学机械抛光（CMP）技术在单晶硅衬底和多层金属互连结构的层间全局平坦化方面得到了广泛的应用。化学机械抛光可以抛光和平坦化在介质材料的非凹陷区域上形成的金属层。虽然化学机械抛光可以只抛光金属层而对电介质层没有影响，然而，由于其强机械作用力，化学机械抛光会对集成电路结构带来一些有害的影响，尤其是随着极大规模集成电路和超大规模集成电路的快速发展，铜和低K或者超低K电介质材料被应用在极大规模集成电路和超大规模集成电路中，由于铜和低K或者超低K电介质材料的机械性能有很大的差别，化学机械抛光中的强机械作用力可能会对低K或者超低K电介质材料造成永久性的损伤。

为了解决化学机械抛光技术中的缺点，人们在不断完善化学机械抛光技术的同时，也在不断探索和研究新的平坦化技术，其中，电化学抛光技术被逐渐应用在极大规模集成电路和超大规模集成电路的制造中。电化学抛光技术能够克服传统的化学机械抛光技术在超微细特征尺寸集成电路制造中的缺陷。电化学抛光能够无机械应力的对金属互连结构进行平坦化。常见的电化学抛光装置包括一用于夹持晶圆的晶圆夹盘，一用于驱动晶圆夹盘转动和移动的马达，该马达受控于一运动控制器，一用于向晶圆夹盘上的晶圆喷射电解液的喷嘴及一电连接晶圆夹盘和喷嘴的电源，其中，电源的阳极与晶圆夹盘电连接，通过晶圆夹盘向晶圆表面的金属层供电，电源的阴极与喷嘴电连接，通过喷嘴使电解液带电荷。

采用现有的电化学抛光装置对晶圆进行电解抛光时，晶圆通常固定在晶圆夹盘的中心，晶圆的圆心与晶圆夹盘的圆心重合。在电解抛光过程中，由于晶圆夹盘带动晶圆旋转，导致晶圆夹盘圆心处的线速度与晶圆夹盘上其他位置处的线速度不同，再加上电解液具有一定的粘度，从而导致电解液在晶圆夹盘圆心处形成的液柱形状与电解液在晶圆夹盘其他位置处形成的液柱形状有很大的不同，进而导致晶圆圆心处的去除率和抛光均匀性相对于晶圆的其他区域有较大的不同。此外，现有的电化学抛光装置的晶圆夹盘每次仅能夹持一片晶圆进行电解抛光，使晶圆加工效率受到限制。

发明内容

本发明的目的是针对上述背景技术存在的缺陷提供一种电化学抛光装置，该装置能够有效解决晶圆在电解抛光时其圆心处的去除率和抛光均匀性相对于晶圆的其他区域不同的问题，且该装置每次可以加工多片晶圆，提高了晶圆加工效率。

为实现上述目的，本发明提出的电化学抛光装置，包括晶圆夹盘和喷嘴，晶圆夹盘开设有数个晶圆凹槽，数个晶圆凹槽均匀分布在晶圆夹盘的圆心至晶圆夹盘的外边缘之间，晶圆夹盘和喷嘴相对线性运动。

在一个实施例中，数个晶圆凹槽的直径相等，数个晶圆凹槽的圆心分布在以晶圆夹盘的圆心为中心的同心圆上，且每一个晶圆凹槽的圆心位于晶圆夹盘的圆心至晶圆夹盘的外边缘的半径的中点上。

在一个实施例中，晶圆夹盘除去晶圆凹槽外的区域表面覆盖一层由导电材料制成的薄板。导电材料在电化学抛光过程中参与电化学抛光反应，或者，导电材料在电化学抛光过程中不参与电化学抛光反应。

在一个实施例中，晶圆夹盘除去晶圆凹槽外的区域表面覆盖一层由绝缘材料制成的薄板。

本发明还提出了使用电化学抛光装置抛光晶圆的方法，电化学抛光装置包括晶圆夹盘和喷嘴，晶圆夹盘开设有数个晶圆凹槽，数个晶圆凹槽均匀分布在晶圆夹盘的圆心至晶圆夹盘的外边缘之间，数片晶圆分别固定在晶圆夹盘的晶圆凹槽中，抛光晶圆时，使夹持有数片晶圆的晶圆夹盘和喷嘴相对线性运动，运动范围在晶圆夹盘的圆心与晶圆夹盘的外边缘之间或晶圆凹槽的直径范围内。

在一个实施例中，抛光晶圆时，喷嘴的位置固定，使夹持有数片晶圆的晶圆夹盘相对于喷嘴从晶圆夹盘的圆心处向晶圆夹盘的外边缘线性运动，或者从晶圆夹盘的外边缘向晶圆夹盘的圆心处线性运动，或者在晶圆夹盘的圆心至晶圆夹盘的外边缘之间往返运动。

在一个实施例中，抛光晶圆时，夹持有数片晶圆的晶圆夹盘的位置固定，使喷嘴相对于夹持有数片晶圆的晶圆夹盘从晶圆夹盘的圆心处向晶圆夹盘的外边缘线性运动，或者从晶圆夹盘的外边缘向晶圆夹盘的圆心处线性运动，或者在晶圆夹盘的圆心至晶圆夹盘的外边缘之间往返运动。

在一个实施例中，抛光晶圆时，喷嘴的位置固定，使夹持有数片晶圆的晶圆夹盘相对于喷嘴从晶圆凹槽的内边缘向晶圆凹槽的外边缘线性运动，或者从晶圆凹槽的外边缘向晶圆凹槽的内边缘线性运动，或者在晶圆凹槽的内边缘至晶圆凹槽的外边缘的直径范围内往返运动。

在一个实施例中，抛光晶圆时，夹持有数片晶圆的晶圆夹盘的位置固定，使喷嘴相对于夹持有数片晶圆的晶圆夹盘从晶圆凹槽的内边缘向晶圆凹槽的外边缘线性运动，或者从晶圆凹槽的外边缘向晶圆凹槽的内边缘线性运动，或者在晶圆凹槽的内边缘至晶圆凹槽的外边缘的直径范围内往返运动。

综上所述，本发明通过提供结构紧凑、能够夹持多片晶圆的晶圆夹盘，使具有该晶圆夹盘的电化学抛光装置能够同时对多片晶圆进行电化学抛光处理，提高了晶圆加工效率，而且，每片晶圆位于晶圆夹盘的圆心至晶圆夹盘的外边缘之间，避免晶圆在晶圆夹盘的圆心位置处进行电解抛光工艺，有效解决了晶圆在电解抛光时其圆心处的去除率和抛光均匀性相对于晶圆的其他区域不同的问题。

附图说明

图1揭示了本发明的一实施例的电化学抛光装置的晶圆夹盘的仰视图。

图2揭示了本发明的一实施例的晶圆夹盘的剖面结构示意图。

图3揭示了本发明的一实施例的晶圆夹盘夹取晶圆的示意图。

图4揭示了本发明的一实施例的晶圆夹盘夹持晶圆的示意图。

图5揭示了本发明的一实施例的晶圆夹盘夹持晶圆的仰视图。

图6揭示了本发明的又一实施例的晶圆夹盘的仰视图。

图7揭示了使用本发明的电化学抛光装置电解抛光晶圆时晶圆夹盘和喷嘴相对线性运动的示意图。

图8揭示了使用本发明的电化学抛光装置电解抛光晶圆时晶圆夹盘和喷嘴相对线性运动的又一示意图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效，下面将结合实施例并配合图式予以详细说明。

参阅图1和图2，揭示了本发明的一实施例的电化学抛光装置的晶圆夹盘的仰视图和剖面结构示意图。在一个实施例中，适用于电解抛光的晶圆夹盘110开设有数个晶圆凹槽112，数个晶圆凹槽112均匀分布在晶圆夹盘110的圆心至晶圆夹盘110的外边缘之间。数个晶圆凹槽112的直径相等，数个晶圆凹槽112的圆心分布在以晶圆夹盘110的圆心为中心的同心圆上。在图示的实施例中，三个晶圆凹槽112以120°夹角均匀分布。每一个晶圆凹槽112的圆心位于晶圆夹盘110的圆心至晶圆夹盘110的外边缘的半径的中点上。晶圆夹盘110与致动器（图中未示）连接，致动器能够使晶圆夹盘110在水平方向或垂直方向移动及旋转。晶圆夹盘110优选为真空夹盘，通过真空系统夹取并固定晶圆。

参阅图3至图5，晶圆夹盘110夹取晶圆120时，晶圆120先被放置在一承载台130上，晶圆夹盘110移动至承载台130上方的装载位置，旋转晶圆夹盘110，使晶圆夹盘110上的一个晶圆凹槽112对准承载台130上的晶圆120。晶圆夹盘110下降，打开真空系统，晶圆120被固定在与之相对准的晶圆凹槽112中。然后升起晶圆夹盘110至装载位置，完成第一片晶圆120的装载。接着，以相同的方式完成余下两片晶圆120的装载。

本发明的晶圆夹盘并不局限于开设三个晶圆凹槽，本领域的技术人员可以理解的是，晶圆夹盘开设晶圆凹槽的数量取决于晶圆夹盘尺寸的大小或晶圆尺寸的大小等因素。在晶圆夹盘上可以最大限度的设计晶圆凹槽的个数，只要能够确保每个晶圆凹槽分布在晶圆夹盘的圆心至晶圆夹盘的外边缘的半径中央的位置，以避免晶圆在晶圆夹盘的圆心位置处进行电解抛光工艺，有效解决了晶圆在电解抛光时其圆心处的去除率和抛光均匀性相对于晶圆的其他区域不同的问题。如图6所示，晶圆夹盘210开设有四个晶圆凹槽212以容纳四片晶圆，四个晶圆凹槽212以90°夹角均匀分布。每一个晶圆凹槽212的圆心位于晶圆夹盘210的圆心至晶圆夹盘210的外边缘的半径的中点上。四个晶圆凹槽212的圆心位于一个以晶圆夹盘210的圆心为中心的圆上。

参阅图7，揭示了使用本发明的电化学抛光装置电解抛光晶圆时晶圆夹盘和喷嘴相对线性运动的示意图。以晶圆夹盘110夹持三片晶圆120为例，对使用本发明的电化学抛光装置电解抛光晶圆120的过程加以说明。在一个实施例中，电解抛光晶圆120时，喷嘴140的位置固定，晶圆夹盘110夹持晶圆120移动至水平方向的工艺位置处，然后，晶圆夹盘110下降至垂直方向的工艺位置处。旋转晶圆夹盘110，同时使晶圆夹盘110相对于喷嘴140从晶圆夹盘110的圆心O1处向晶圆夹盘110的外边缘线性运动，或者使晶圆夹盘110相对于喷嘴140从晶圆夹盘110的外边缘向晶圆夹盘110的圆心O1处线性运动，或者使晶圆夹盘110相对于喷嘴140在晶圆夹盘110的圆心O1至晶圆夹盘110的外边缘之间往返运动。在一个实施例中，电解抛光晶圆120时，晶圆夹盘110夹持晶圆120移动至水平方向的工艺位置处，然后，晶圆夹盘110下降至垂直方向的工艺位置处。晶圆夹盘110的位置固定后，旋转晶圆夹盘110，同时使喷嘴140相对于晶圆夹盘110从晶圆夹盘110的圆心O1处向晶圆夹盘110的外边缘线性运动，或者使喷嘴140相对于晶圆夹盘110从晶圆夹盘110的外边缘向晶圆夹盘110的圆心O1处线性运动，或者使喷嘴140相对于晶圆夹盘110在晶圆夹盘110的圆心O1至晶圆夹盘110的外边缘之间往返运动。

参阅图8，揭示了使用本发明的电化学抛光装置电解抛光晶圆时晶圆夹盘和喷嘴相对线性运动的又一示意图。仍以晶圆夹盘110夹持三片晶圆120为例，对使用本发明的电化学抛光装置电解抛光晶圆120的过程加以说明。在一个实施例中，电解抛光晶圆120时，喷嘴140的位置固定，晶圆夹盘110夹持晶圆120移动至水平方向的工艺位置处，然后，晶圆夹盘110下降至垂直方向的工艺位置处。旋转晶圆夹盘110，同时使晶圆夹盘110相对于喷嘴140从晶圆凹槽112的内边缘A1处向晶圆凹槽112的外边缘A2线性运动，或者使晶圆夹盘110相对于喷嘴140从晶圆凹槽112的外边缘A2处向晶圆凹槽112的内边缘A1线性运动，或者使晶圆夹盘110相对于喷嘴140在晶圆凹槽112的内边缘A1与晶圆凹槽112的外边缘A2的直径范围内线性运动（在本发明中，晶圆凹槽上距离晶圆夹盘的圆心最近的一点定义为晶圆凹槽的内边缘，晶圆凹槽上距离晶圆夹盘的圆心最远的一点定义为晶圆凹槽的外边缘）。在一个实施例中，电解抛光晶圆120时，晶圆夹盘110夹持晶圆120移动至水平方向的工艺位置处，然后，晶圆夹盘110下降至垂直方向的工艺位置处。晶圆夹盘110的位置固定后，旋转晶圆夹盘110，同时使喷嘴140相对于晶圆夹盘110从晶圆凹槽112的内边缘A1处向晶圆凹槽112的外边缘A2线性运动，或者使喷嘴140相对于晶圆夹盘110从晶圆凹槽112的外边缘A2处向晶圆凹槽112的内边缘A1线性运动，或者使喷嘴140相对于晶圆夹盘110在晶圆凹槽112的内边缘A1与晶圆凹槽112的外边缘A2的直径范围内线性运动。

本发明中的晶圆夹盘，除去晶圆凹槽外的区域表面可以覆盖一层由导电材料或绝缘材料制成的薄板。

导电材料中，可以选用金属铜制成所需的薄板，在晶圆夹盘除去晶圆凹槽外的区域表面覆盖一层铜膜，在电解抛光过程中，铜膜能够参与电化学抛光反应，铜膜相当于牺牲层，晶圆夹盘可以被认为是一个整体的、超大的铜膜进行电化学反应，从而有助于提高抛光均匀性以及去除率的精确控制，降低抛光工艺中的系统电阻，提高抛光工艺中的抛光电流或电压，提高晶圆铜膜表面的光滑度。由于铜膜会参与电化学抛光反应，因此，当铜膜消耗完后，需更换新的铜薄板。

也可以选用不参与电化学抛光反应的导电材料，如石墨、钛或钽制成所需的薄板，以降低抛光工艺中的系统电阻，提高抛光工艺中的抛光电流或电压，提高晶圆铜膜表面的光滑度。此外，由于该类导电材料不参与电化学抛光反应，因此，无需更换薄板，从而可以降低成本，便于日常保养维护。

绝缘材料中，可以选用聚对苯二甲酸类塑料（PET）、聚醚醚酮（PEEK）或聚丙烯（PP）等，制成所需的薄板。采用绝缘材料制成薄板，能够避免电子在非晶圆表面的消耗，有效提高电量与晶圆表面去除率的比值。此外，由于该类导电材料不参与电化学抛光反应，因此，无需更换薄板，从而可以降低成本，便于日常保养维护。

本发明还揭示了一种使用上述电化学抛光装置抛光晶圆的方法，包括：抛光晶圆时，使夹持有数片晶圆的晶圆夹盘和喷嘴相对线性运动，运动范围在晶圆夹盘的圆心与晶圆夹盘的外边缘之间或晶圆凹槽的直径范围内。

在一个实施例中，抛光晶圆时，喷嘴的位置固定，使夹持有数片晶圆的晶圆夹盘相对于喷嘴从晶圆夹盘的圆心处向晶圆夹盘的外边缘线性运动，或者从晶圆夹盘的外边缘向晶圆夹盘的圆心处线性运动，或者在晶圆夹盘的圆心至晶圆夹盘的外边缘之间往返运动。

在一个实施例中，抛光晶圆时，夹持有数片晶圆的晶圆夹盘的位置固定，使喷嘴相对于夹持有数片晶圆的晶圆夹盘从晶圆夹盘的圆心处向晶圆夹盘的外边缘线性运动，或者从晶圆夹盘的外边缘向晶圆夹盘的圆心处线性运动，或者在晶圆夹盘的圆心至晶圆夹盘的外边缘之间往返运动。

在一个实施例中，抛光晶圆时，喷嘴的位置固定，使夹持有数片晶圆的晶圆夹盘相对于喷嘴从晶圆凹槽的内边缘向晶圆凹槽的外边缘线性运动，或者从晶圆凹槽的外边缘向晶圆凹槽的内边缘线性运动，或者在晶圆凹槽的内边缘至晶圆凹槽的外边缘的直径范围内往返运动。

在一个实施例中，抛光晶圆时，夹持有数片晶圆的晶圆夹盘的位置固定，使喷嘴相对于夹持有数片晶圆的晶圆夹盘从晶圆凹槽的内边缘向晶圆凹槽的外边缘线性运动，或者从晶圆凹槽的外边缘向晶圆凹槽的内边缘线性运动，或者在晶圆凹槽的内边缘至晶圆凹槽的外边缘的直径范围内往返运动。

由上述可知，本发明通过提供结构紧凑、能够夹持多片晶圆的晶圆夹盘，使具有该晶圆夹盘的电化学抛光装置能够同时对多片晶圆进行电化学抛光处理，提高了晶圆加工效率，而且，每片晶圆位于晶圆夹盘的圆心至晶圆夹盘的外边缘之间，避免晶圆在晶圆夹盘的圆心位置处进行电解抛光工艺，有效解决了晶圆在电解抛光时其圆心处的去除率和抛光均匀性相对于晶圆的其他区域不同的问题。

综上所述，本发明通过上述实施方式及相关图式说明，己具体、详实的揭露了相关技术，使本领域的技术人员可以据以实施。而以上所述实施例只是用来说明本发明，而不是用来限制本发明的，本发明的权利范围，应由本发明的权利要求来界定。至于本文中所述元件数目的改变或等效元件的代替等仍都应属于本发明的权利范围。

Claims (11)

1.一种电化学抛光装置，其特征在于，包括晶圆夹盘和喷嘴，所述晶圆夹盘开设有数个晶圆凹槽，数个晶圆凹槽均匀分布在晶圆夹盘的圆心至晶圆夹盘的外边缘之间，所述晶圆夹盘和喷嘴相对线性运动。

2.根据权利要求1所述的电化学抛光装置，其特征在于，所述数个晶圆凹槽的直径相等，数个晶圆凹槽的圆心分布在以所述晶圆夹盘的圆心为中心的同心圆上，且每一个晶圆凹槽的圆心位于晶圆夹盘的圆心至晶圆夹盘的外边缘的半径的中点上。

3.根据权利要求1所述的电化学抛光装置，其特征在于，所述晶圆夹盘除去晶圆凹槽外的区域表面覆盖一层由导电材料制成的薄板。

4.根据权利要求3所述的电化学抛光装置，其特征在于，所述导电材料在电化学抛光过程中参与电化学抛光反应。

5.根据权利要求3所述的电化学抛光装置，其特征在于，所述导电材料在电化学抛光过程中不参与电化学抛光反应。

6.根据权利要求1所述的电化学抛光装置，其特征在于，所述晶圆夹盘除去晶圆凹槽外的区域表面覆盖一层由绝缘材料制成的薄板。

7.一种使用电化学抛光装置抛光晶圆的方法，所述电化学抛光装置包括晶圆夹盘和喷嘴，所述晶圆夹盘开设有数个晶圆凹槽，数个晶圆凹槽均匀分布在晶圆夹盘的圆心至晶圆夹盘的外边缘之间，数片晶圆分别固定在晶圆夹盘的晶圆凹槽中，其特征在于，抛光晶圆时，使夹持有数片晶圆的晶圆夹盘和喷嘴相对线性运动，运动范围在晶圆夹盘的圆心与晶圆夹盘的外边缘之间或晶圆凹槽的直径范围内。

8.根据权利要求7所述的使用电化学抛光装置抛光晶圆的方法，其特征在于，抛光晶圆时，喷嘴的位置固定，使夹持有数片晶圆的晶圆夹盘相对于喷嘴从晶圆夹盘的圆心处向晶圆夹盘的外边缘线性运动，或者从晶圆夹盘的外边缘向晶圆夹盘的圆心处线性运动，或者在晶圆夹盘的圆心至晶圆夹盘的外边缘之间往返运动。

9.根据权利要求7所述的使用电化学抛光装置抛光晶圆的方法，其特征在于，抛光晶圆时，夹持有数片晶圆的晶圆夹盘的位置固定，使喷嘴相对于夹持有数片晶圆的晶圆夹盘从晶圆夹盘的圆心处向晶圆夹盘的外边缘线性运动，或者从晶圆夹盘的外边缘向晶圆夹盘的圆心处线性运动，或者在晶圆夹盘的圆心至晶圆夹盘的外边缘之间往返运动。

10.根据权利要求7所述的使用电化学抛光装置抛光晶圆的方法，其特征在于，抛光晶圆时，喷嘴的位置固定，使夹持有数片晶圆的晶圆夹盘相对于喷嘴从晶圆凹槽的内边缘向晶圆凹槽的外边缘线性运动，或者从晶圆凹槽的外边缘向晶圆凹槽的内边缘线性运动，或者在晶圆凹槽的内边缘至晶圆凹槽的外边缘的直径范围内往返运动；

其中，晶圆凹槽上距离晶圆夹盘的圆心最近的一点定义为晶圆凹槽的内边缘，晶圆凹槽上距离晶圆夹盘的圆心最远的一点定义为晶圆凹槽的外边缘。

11.根据权利要求7所述的使用电化学抛光装置抛光晶圆的方法，其特征在于，抛光晶圆时，夹持有数片晶圆的晶圆夹盘的位置固定，使喷嘴相对于夹持有数片晶圆的晶圆夹盘从晶圆凹槽的内边缘向晶圆凹槽的外边缘线性运动，或者从晶圆凹槽的外边缘向晶圆凹槽的内边缘线性运动，或者在晶圆凹槽的内边缘至晶圆凹槽的外边缘的直径范围内往返运动；

其中，晶圆凹槽上距离晶圆夹盘的圆心最近的一点定义为晶圆凹槽的内边缘，晶圆凹槽上距离晶圆夹盘的圆心最远的一点定义为晶圆凹槽的外边缘。