CN107342245A - 用于ebr的卡盘和用于在ebr之前使晶片居中的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于EBR的卡盘和用于在EBR之前使晶片居中的方法。用于在EBR处理期间支撑晶片的卡盘包括：可旋转中心毂，其具有从其向外延伸的多个支撑臂，支撑臂的端部上的支撑销，延伸穿过支撑销上表面的气体通道、和支撑臂中的配置为向气体通道供应气体或施加真空的气体管道。支撑臂可包括可从远离晶片周边的外非对准位置旋转到晶片居中的内对准位置的对准凸轮。为了向支撑销中的气体出口供应气体或施加真空力，可旋转中心毂可具有气体入口和与支撑臂中的气体输送管道流体连通的多个气体输送端口。可由连接到气体入口的加压气体源向气体出口供应气体且可由连接到气体入口的真空源向气体出口施加抽吸力。在居中期间晶片浮在气垫上，这减少了支撑销磨损。

Description

用于EBR的卡盘和用于在EBR之前使晶片居中的方法
技术领域
本发明涉及用于支撑半导体晶片的卡盘技术。更具体地说，本发明涉及在倒角边缘去除(EBR)处理之前使晶片居中的方法，在EBR处理中，液体蚀刻剂除去晶片外边缘的不需要的金属。
背景技术
在典型的铜镶嵌工艺中，所需导电路径的形成通常从金属的薄物理气相沉积(PVD)开始，随后是较厚的电填充层(其通过电镀形成)。PVD工艺通常是溅射。为了使晶片的可用面积(在本文中有时称为“有源表面区域”)的尺寸最大化并且因此使由晶片产生的集成电路的数量最大化，电填充的金属必须被沉积到非常靠近半导体晶片的边缘。因此，需要允许金属在晶片的整个正面上的物理气相沉积。作为该工艺步骤的副产物，PVD金属通常涂覆有源电路区域外侧的前边缘区域、以及侧边缘，并且在一定程度上涂覆背面。
金属的电填充比较容易控制，因为电镀设备可被设计成将电镀溶液从不期望的区域(例如，晶片的边缘和背面)排除。将电镀溶液限制在晶片有源表面上的电镀设备的一个实例是可从加利福尼亚州圣何塞的Novellus Systems,Inc.获得的SABRETM蛤壳式电镀设备，并在E.Patton等人于1997年11月13日提交的美国专利No.6,156,167“ClamshellApparatus For Electrochemically Treating Semiconductor Wafers”(其全部内容通过引用并入本文)中描述。
由于各种原因，在电填充后残留在晶片边缘上的PVD金属是不期望的。例如，晶片边缘上的PVD金属不适于随后的沉积，并且倾向于剥离，从而产生不期望的颗粒。相比之下，晶片的有源内部区域上的PVD金属仅被厚且均匀的电填充金属覆盖，并通过CMP平坦化到电介质。这个大多是电介质的平坦表面被阻挡层所覆盖，阻挡层例如为氮化硅或碳化硅，这两者都能很好地粘附到电介质上，并有助于后续层的粘附。不幸的是，像残余PVD金属层一样沉积在晶片边缘区域上的阻挡层通常是薄且不均匀的，从而可能使得金属能够迁移到电介质中。当金属是铜时，这个问题尤其重要。
为了解决这些问题，半导体设备可能必须使得能够蚀刻掉不想要的残余金属层。在设计合适的蚀刻系统时会遇到各种困难。例如，倒角边缘去除(EBR)的主要限制之一是相对较长的处理时间。较小的节点技术允许显著减少薄膜的电镀时间。为了实现生产量增益，非常期望减少所有非电镀处理(例如EBR)的持续时间。另外的问题包括在EBR处理期间控制蚀刻区域。期望使晶片的有源区域中的电填充金属的损耗最小化，同时完全去除周围的倒角(即，以减小沉积的金属的“锥形宽度”)。总体而言，需要改进的倒角边缘去除方法和装置。由K.Ganesan等人于2008年8月27日提交的共同转让的美国专利No.8,419,964“Apparatus And Method For Edge Bevel Removal Of Copper From Silicon Wafers”(其通过引用并入本文)公开了一种用于执行EBR的装置，其中晶片被支撑在具有支撑销和对准销的能旋转的卡盘上。合适的卡盘描述于S.Mayer等人于2000年4月25日提交的共同转让的美国专利No.6,537,416“Wafer Chuck For Use In Edge Bevel Removal Of CopperFrom Silicon Wafers”中，其通过引用并入本文。在使晶片居中期间，晶片在橡胶支撑销上滑动，这可能导致磨损和颗粒问题。可能期望的是在使晶片居中期间延缓支撑销的磨损并减少颗粒产生。
发明内容
根据一实施方式，在倒角边缘去除(EBR)处理之前使半导体晶片居中的方法包括：(a)将晶片转移到具有至少三个支撑臂的能旋转的卡盘上方，在所述支撑臂的外部部分处具有支撑销，(b)将所述晶片降低到所述支撑销上，(c)将加压气体供应到在所述支撑销的上表面中具有气体出口的气体通道，使得所述晶片浮在由从所述支撑销的所述上表面中的所述气体出口流出的气体形成的气垫上，(d)通过在所述晶片浮在所述气垫上时在整个所述支撑销上移动所述晶片来使所述晶片居中，(e)向所述气体通道施加真空，使得所述晶片被真空夹紧到所述支撑销。
在居中之后，所述方法还可以包括：(f)旋转所述晶片；(g)使用包含去离子水的预冲洗液来预冲洗所述晶片；(h)通过增加所述晶片的转速来使所述预冲洗液的层变薄；以及(i)将液体蚀刻剂流输送到所述晶片的倒角边缘区域附近的所述变薄的预冲洗液层，使得所述液体蚀刻剂扩散穿过所述变薄的预冲洗液层，并从所述倒角边缘区域选择性地去除不需要的金属。
在一个实施方式中，所述卡盘包括六个支撑臂，所述支撑臂中的每一个具有与所述支撑销中的所述气体通道中的相应一个流体连通的气体输送管道，其中在(c)期间，气体流出所述六个支撑销的所述上表面中的所述气体出口，并且在(e)期间，向所述六个气体通道中的每一个施加真空。
在一个实施方式中，所述支撑销是当所述晶片在整个所述支撑销上滑动时具有粘附到所述晶片的趋势的弹性吸盘。这导致晶片“粘附和滑动”，从而产生颗粒。通过使氮气从吸盘中流出，可以减少吸盘的磨损并防止在使晶片在支撑销上居中(或移动)期间产生颗粒。流出吸盘中的氮气流也消除了唇密封型支撑销的卷曲或滚动。
优选地，在至少1psi的压强下将所述气体输送到所述气体通道。
所述支撑臂可以包括能旋转的对准凸轮，其中在(d)中，所述对准凸轮从远离所述晶片的周边的外部位置旋转到使所述晶片居中的内部位置。所述支撑臂优选地从所述能旋转的中心毂向外延伸，所述能旋转的中心毂具有气体入口和与所述支撑臂中的气体输送管道流体连通的多个气体输送端口，其中在(c)期间，气体供应到气体入口并从气体输送端口流出到支撑销中的气体通道。为了保持晶片，在(e)期间，将真空力施加到气体入口，并且通过支撑销将抽吸力(suction)施加到晶片底面的位置。所述对准凸轮可以包括上枢轴连接件和下枢轴连接件，其中在(d)期间，所述对准凸轮通过连接到所述下枢轴连接件的杆围绕所述上枢轴连接件旋转。优选地，所述对准凸轮枢转地附接到所述支撑臂，以便能够在对准位置和非对准位置之间移动，在所述对准位置处，所述对准凸轮的上部使所述晶片居中，在所述非对准位置处，所述对准凸轮的上部位于所述晶片下方。为了干燥所述晶片，所述方法还包括：(j)将所述对准凸轮旋转到所述对准位置，以及(k)通过以至少750rpm的干燥速度旋转所述晶片来干燥所述晶片，同时向所述气体通道施加真空，使得所述晶片被真空夹紧到所述支撑销。
根据另一实施方式，一种用于在倒角边缘去除(EBR)处理期间支撑晶片的卡盘包括：能旋转的中心毂，其具有从所述能旋转的中心毂向外延伸的多个支撑臂，所述支撑臂的端部上的支撑销，延伸穿过所述支撑销的上表面的气体通道和所述支撑臂中的气体管道，所述气体管道被配置为向所述气体通道供应气体或向所述气体通道施加真空。
所述卡盘包括六个支撑臂，所述支撑臂中的每一个具有与所述支撑销中的所述气体通道中的相应一个流体连通的气体输送管道。优选地，所述支撑销是安装在位于所述支撑臂的端部处的金属支撑件上的橡胶杯。所述金属支撑件在其中可以具有竖直延伸的孔，所述孔将所述支撑臂中的所述气体管道连接到所述支撑销中的所述气体通道。
所述支撑臂可以包括对准凸轮，所述对准凸轮可从远离所述晶片的周边的外部非对准位置旋转到使所述晶片居中的内部对准位置。为了向支撑销中的气体出口供应气体或施加真空力，所述能旋转的中心毂可以具有气体入口和与所述支撑臂中的所述气体输送管道流体连通的多个气体输送端口。可以通过连接到所述气体入口的加压气体源将气体供应到气体出口，并且可以通过连接到气体入口的真空源将抽吸力施加到气体出口。
对准凸轮可以包括上部枢轴连接件和下部枢轴连接件，其中所述能旋转的凸轮能通过附接到所述下枢轴连接件的杆围绕所述上枢轴连接件旋转。在一种布置中，所述卡盘包括位于60°、120°、180°、240°、300°和360°的径向位置的六个支撑臂，在60°、180°和300°处的所述支撑臂包括对准凸轮，而在120°、240°和360°处的所述支撑臂不包括对准凸轮。具有对准凸轮的支撑臂可以包括其中具有所述气体输送管道的上臂以及其中具有致动杆的下臂，所述致动杆附接到所述对准凸轮，使得所述对准凸轮在所述致动杆的端部从所述中心毂向外移动时朝向所述晶片的所述周边旋转，并且在所述致动杆的端部朝向所述中心毂移动时远离所述晶片的所述周边旋转。
具体而言，本发明的一些方面可以阐述如下：
1.一种在倒角边缘去除(EBR)处理期间去除不需要的金属之前使半导体晶片居中的方法，所述方法包括：(a)将晶片转移到具有至少三个支撑臂的能旋转的卡盘上方，在所述支撑臂的外部部分处具有支撑销，(b)将所述晶片降低到所述支撑销上，(c)将加压气体供应到在所述支撑销的上表面中具有气体出口的气体通道，使得所述晶片浮在由从所述支撑销的所述上表面中的所述气体出口流出的气体形成的气垫上，(d)通过在所述晶片浮在所述气垫上时在整个所述支撑销上移动所述晶片来使所述晶片居中，(e)向所述气体通道施加真空，使得所述晶片被真空夹紧到所述支撑销。
2.根据条款1所述的方法，其还包括：(f)旋转所述晶片；(g)使用包含去离子水的预冲洗液来预冲洗所述晶片；(h)通过增加所述晶片的转速来使所述预冲洗液的层变薄；以及(i)将液体蚀刻剂流输送到所述晶片的倒角边缘区域附近的所述变薄的预冲洗液的层，使得所述液体蚀刻剂扩散穿过所述变薄的预冲洗液的层，并从所述倒角边缘区域基本上选择性地去除不需要的金属。
3.根据条款1所述的方法，其中所述卡盘包括六个支撑臂，所述支撑臂中的每一个具有与所述支撑销中的所述气体通道中的相应一个流体连通的气体输送管道，其中在(c)期间，气体从所述六个支撑销的所述上表面中的所述气体出口流出。
4.根据条款1所述的方法，其中所述卡盘包括六个支撑臂，所述支撑臂中的每一个具有与所述支撑销中的所述气体通道中的相应一个流体连通的气体输送管道，其中在(e)期间，向所述六个气体通道中的每一个施加真空。
5.根据条款1所述的方法，其中在至少1psi的压强下将所述气体输送到所述气体通道。
6.根据条款1所述的方法，其中所述支撑臂包括能旋转的对准凸轮，其中在(d)期间，所述对准凸轮从远离所述晶片的周边的外部位置旋转到使所述晶片居中的内部位置，并且当所述对准凸轮接近所述晶片的所述外周边时，以脉冲形式向所述气体通道供应气体。
7.根据条款1所述的方法，其中所述支撑臂从能旋转的中心毂向外延伸，所述能旋转的中心毂具有气体入口和与所述支撑臂中的气体输送管道流体连通的多个气体输送端口，其中在(c)期间，气体被供应到所述气体入口并从所述气体输送端口流出到所述支撑销中的所述气体通道。
8.根据条款7所述的方法，其中在(e)期间，将真空力施加到所述气体入口，并且通过所述支撑销将抽吸力施加到所述晶片的底面上的位置。
9.根据条款6所述的方法，其中所述对准凸轮包括上枢轴连接件和下枢轴连接件，其中在(d)期间，所述对准凸轮通过附接到所述下枢轴连接件的杆围绕所述上枢轴连接件旋转。
10.根据条款2所述的方法，其中对准凸轮枢转地附接到所述支撑臂，以便能够在对准位置和非对准位置之间移动，在所述对准位置处，所述对准凸轮的上部使所述晶片居中，在所述非对准位置处，所述对准凸轮的所述上部位于所述晶片下方，所述方法还包括：(j)将所述对准凸轮旋转到所述对准位置，以及(k)通过以至少750rpm的干燥速度旋转所述晶片来干燥所述晶片，同时向所述气体通道施加真空，使得所述晶片被真空夹紧到所述支撑销。
11.一种用于在倒角边缘去除(EBR)处理期间支撑晶片的卡盘，其包括：能旋转的中心毂，其具有从所述能旋转的中心毂向外延伸的多个支撑臂，所述支撑臂的端部上的支撑销，延伸穿过所述支撑销的上表面的气体通道和所述支撑臂中的气体管道，所述气体管道被配置为向所述气体通道供应气体或向所述气体通道施加真空。
12.根据条款11所述的卡盘，其中所述卡盘包括六个支撑臂，所述支撑臂中的每一个具有与所述支撑销中的所述气体通道中的相应一个流体连通的气体输送管道。
13.根据条款11所述的卡盘，其中所述支撑销是橡胶杯，所述橡胶杯安装在位于所述支撑臂的端部处的金属支撑件上。
14.根据条款13所述的卡盘，其中所述金属支撑件在其中具有竖直延伸的孔，所述孔将所述支撑臂中的所述气体管道连接到所述支撑销中的所述气体通道。
15.根据条款11所述的卡盘，其中所述支撑臂包括对准凸轮，所述对准凸轮能从远离所述晶片的周边的外部非对准位置旋转到使所述晶片居中的内部对准位置。
16.根据条款11所述的卡盘，其中所述能旋转的中心毂具有气体入口和与所述支撑臂中的所述气体输送管道流体连通的多个气体输送端口。
17.根据条款16所述的卡盘，其还包括连接到所述气体入口的加压气体源和连接到所述气体入口的真空源。
18.根据条款15所述的卡盘，其中所述对准凸轮包括上枢轴连接件和下枢轴连接件，其中所述能旋转的凸轮能通过附接到所述下枢轴连接件的杆围绕所述上枢轴连接件旋转。
19.根据条款18所述的卡盘，其中所述卡盘包括位于60°、120°、180°、240°、300°和360°的径向位置的六个支撑臂，在60°、180°和300°处的所述支撑臂包括所述对准凸轮，而在120°、240°和360°处的所述支撑臂不包括所述对准凸轮。
20.根据条款19所述的卡盘，其中包括所述对准凸轮的所述支撑臂具有其中具有所述气体输送管道的上臂以及其中具有致动杆的下臂，所述致动杆附接到所述对准凸轮，使得所述对准凸轮在所述致动杆的端部从所述中心毂向外移动时朝向所述晶片的所述周边旋转，并且在所述致动杆的端部朝向所述中心毂移动时远离所述晶片的所述周边旋转。
附图说明
图1是示出用于在镶嵌工艺中形成铜线的一组模块的框图。
图2是可以在后电填充模块中使用的倒角边缘去除(EBR)部件的透视图。
图3示出了用于EBR的卡盘的支撑臂、支撑销和对准凸轮的细节。
图4示出了卡盘的支撑臂的细节，其中气体可以用于在居中期间使晶片漂浮(float)，并且可以在EBR期间将真空施加到晶片。
具体实施方式
在下面的详细描述中，阐述了许多具体实施方式以提供对本文描述的实施方式的透彻理解。然而，如对本领域技术人员显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或通过使用替代元件或处理的情况下实践所要求保护的发明。在其他情况下，没有详细描述众所周知的处理、过程和组件，以免不必要地模糊要求保护的发明的方面。
本文所述的“半导体晶片”是在集成电路生产中的各种制造状态中的任何一个状态下的半导体衬底。本发明中描述的一种标准半导体晶片的直径为300mm、厚度为0.75mm、近似曲率半径为约0.15毫米(见SEMI规格M1.15-0997)。当然，也可以使用其它尺寸的半导体晶片，例如标准的200mm直径的硅晶片(参见SEMI规格M1-0298)。本文公开的许多工艺参数取决于晶片尺寸。例如，转速是针对300mm规定的并且与其它直径成反比。因此，对于300mm晶片的400rpm的转速通常相当于对于200mm晶片的600rpm的转速。
在下面描述的实施方式中，描述了改进的晶片卡盘，其在设计成执行倒角边缘去除(EBR)以及其它处理(例如预冲洗、冲洗、酸洗和干燥)的后电填充模块(PEM)中进行晶片处理期间可使得能够扩展支撑销的磨损能力并减少颗粒的产生。后电填充模块(PEM)可以用于在通过镶嵌工艺在晶片上电填充铜之后执行各种处理步骤。
图1描绘了一种电填充系统107，其包括三个单独的电填充模块109、111和113。系统107还包括三个单独的后电填充模块115、117和119。它们中的每一个可用于在晶片已通过模块109、111和113中的一个电填充之后对晶片执行以下各项功能：倒角边缘去除、背面蚀刻(backside etching)和酸洗。系统107还包括化学稀释模块121和中央电填充浴123。这是将用作电镀浴的化学溶液保持在电填充模块中的槽。系统107还包括储存和输送用于电镀浴的化学添加剂的配料系统133。化学稀释模块121将待在后电填充模块中用作蚀刻剂的化学物质储存并混合。过滤和泵送单元137过滤用于中央浴123的电镀溶液并将其泵送到电填充模块。最后，电子单元139提供操作系统107所需的电子和接口控制。单元139还可以为系统提供电源。在操作中，包括机械臂125的机械手从晶片盒(例如盒129A或盒129B)中选择晶片(诸如晶片127)。机械臂125可以使用真空附件附接到晶片127。
为了确保晶片127在机械臂125上被适当对准以精确地输送到电填充模块，机械臂125将晶片127输送到对准器131。在优选实施方式中，对准器131包括对准臂，机械臂125抵靠该对准臂推动晶片127。当晶片127适当地抵靠对准臂对准时，机械臂125相对于对准臂移动到预设位置。然后机械臂125重新附接到晶片127并将其传送到电填充模块之一，例如电填充模块109。在那里，用铜金属电填充晶片127。电填充模块109使用来自中央浴123的电解质。
在电填充操作完成之后，机械臂125从电填充模块109移除晶片127，并将晶片127传送到后电填充模块之一(诸如模块117)。晶片上某些位置(即倒角边缘区域和背面)的不需要的铜被由化学稀释模块121提供的蚀刻剂溶液蚀刻掉。
优选地，晶片127不使用对准器131而在后电填充模块117内精确对准。为此，后电填充模块可以设置有如本文别处所述的对准卡盘。在替代实施方式中，晶片127在电填充之后并且在模块117中的倒角边缘去除之前在对准器131内单独地对齐。
在后填充模块117中的处理完成之后，机械臂125从该模块中取回晶片127并将其返回到盒129A。从那里可以将盒提供给其它系统(例如化学机械抛光系统)以用于进一步处理。
图2示意性地示出了包括室的后电填充模块，半导体晶片224在室中旋转。晶片224驻留在晶片卡盘226上，晶片卡盘226向晶片224施加旋转运动。该室配备有排水管和相关联的排水管线，其使得提供给室的各种液体流能够被去除以用于废物处理。
马达控制卡盘226的旋转。马达应该易于控制，并且应当在各种转速之间平稳过渡。它可以驻留在室内或室内。在一些实施方式中，为了防止来自液体腐蚀剂的损坏，马达位于室的外部，并通过旋转轴穿过的密封件与室分隔开。旋转时轴中的任何摆动应该是小的(例如<0.05毫米)，使得流体喷嘴相对于晶片的位置不会发生显著变化，也不会使晶片在不受对准构件或夹紧构件的限制时抖动离开其中心。优选地，马达可以以在0和大约2000rpm之间的转速使卡盘226和晶片224快速地加速和减速(以受控的方式)。马达速度和其他操作应当可以由计算机控制。
卡盘226可以具有在各种转速期间将晶片224保持在适当位置的任何合适的设计。它也可以促进用于蚀刻处理的晶片224的对准。下面描述晶片卡盘的一些特别优选的示例。
室可以具有将液体蚀刻剂限制在其内部并允许将各种流体输送到晶片224的任何合适的设计。其应由耐蚀刻材料构成，并且包括用于在蚀刻和清洁期间使用的各种液体流和气体流的端口和喷嘴。
EBR处理200可以由后电填充模块执行。该处理开始于机械臂将晶片放置在模块卡盘上以进行EBR处理。通常将晶片对准并放置在一组支撑销上，即使当晶片稍后旋转时，该一组支撑销也可以通过静摩擦将晶片保持在适当位置。在机械臂缩回之后，将去离子水施加到晶片正面(front)，并以大约200-400rpm的速度旋转晶片，以便预冲洗晶片上的从之前的步骤遗留下来的任何颗粒和污染物。然后关闭去离子水，并将晶片旋转至约350-500rpm之间的速度，这产生均匀的去离子水薄层(湿膜稳定化)。这种湿膜稳定化有利于蚀刻剂在整个晶片正面上的均匀分布。最晚，此时，用于精确对准卡盘中的晶片的任何对准销或夹具从晶片的边缘缩回。
在湿膜稳定化之后，执行倒角边缘金属的实际去除。EBR蚀刻剂通常使用薄的喷嘴管施加到晶片的表面，该喷嘴管在其端部处或其端部附近具有喷嘴开口。当将少量流体分配到表面本身上时，通常可以产生三种流动状态(flow regime)。第一种状态是边缘珠化(edge beading)，其中表面张力控制流体的行为；第二种是粘性流，其中粘性力占主导地位；而第三种是惯性流，其中惯性力占优势，并且流体倾向于喷射。在具体示例中，EBR分配臂位于晶片边缘上方，并且在以下条件下执行EBR：对于200毫米晶片，以约0.25至2毫升/秒(更优选约为0.5至1毫升/秒)的速率输送总共约2至4毫升的蚀刻剂。
在将所需量的液体蚀刻剂已施加到晶片的边缘之后，作为后EBR冲洗，将去离子水再次施加到晶片的正面。去离子水的这种施加通常将通过背面蚀刻和背面冲洗的后续操作继续，以保护晶片免受任何外部的背面蚀刻剂喷雾和损坏。当施加去离子水时，分配臂远离晶片移动蚀刻剂喷嘴。
在大致相同的时间，用去离子水预冲洗晶片的背面，去离子水以与晶片正面湿膜稳定相同的方式进行湿膜稳定(例如，晶片转速为保持在约350至500rpm)。在去离子水到晶片背面的流动结束之后，通常使用与用于EBR的蚀刻剂相同的蚀刻剂来执行背面蚀刻(BSE)操作。在一个具体实施方式中，液体蚀刻剂的薄射流(最初直径为0.02至0.04英寸)瞄准晶片背面的中心。优选从具有约0.02至0.04英寸的直径和至少约5倍直径的长度的管状喷嘴输送蚀刻剂。然后，该蚀刻剂分散在晶片的整个背面。BSE的目的是去除在形成PVD铜晶种层期间形成在晶片背面上的任何残留铜。
通常使用喷雾嘴施加BSE蚀刻剂。尽管有重力，但表面张力通常使蚀刻剂与晶片的底部保持接触足够长的时间以进行BSE。由于卡盘臂可能干扰晶片背面上的蚀刻剂的喷涂，所以喷射喷嘴的角度可以在BSE期间变化，以确保蚀刻剂的彻底施加。由于晶片通常由紧密接触晶片背面的支撑销支撑，所以该处理通常以两种不同的速度进行，以确保蚀刻剂在整个表面上充分流动。例如，在BSE的一部分期间，晶片可以以约350rpm的速度旋转，然后对于BSE的剩余部分，以500-700rpm的速度旋转。背面的由臂阻挡的部分在两种速度下将不同，从而确保完全覆盖。总体而言，BSE处理通常需要1-4秒，并且使用1至5立方厘米的下述优选蚀刻剂来将背面上的铜的浓度降低到小于5·10-10原子每平方厘米衬底。
在BSE之后，晶片的两侧(或至少晶片的背面)用去离子水冲洗以冲洗从BSE残留的任何液体蚀刻剂、颗粒和污染物。然后到正面的去离子水的流动结束，并且约2至4毫升稀酸(通常小于约15重量％的酸)施加到晶片的正面，以除去残留的金属氧化物并除去相关的变色。在一个具体实施方式中，以约2cc/sec的速率施加酸。在酸洗后，去离子水再次施加到晶片的两侧，或至少施加到正面，以从晶片上冲洗酸。在一个具体实施方式中，以约300-400毫升/分钟的速度施加去离子水约15-30秒。最后，可以旋转晶片并可以根据需要在两侧上用氮气将晶片吹干。通常，任何干燥步骤以约750-2000rpm进行约10至60秒，并且一旦达到约750rpm就需要夹紧晶片。夹紧机构的许多实施方式是可能的，并且下面将更详细地讨论其中的一些。在PEM中的这种处理完成之后，机械臂拾取晶片并将其放入盒中。
再转到图1和图2，将更详细地描述PEM的一些特征。首先，注意到，晶片224通过静摩擦搁置支撑销305上(位于晶片卡盘臂301上)。优选地，支撑销305位于距晶片224的边缘向内约5至20毫米(更优选约5至10毫米)。支撑销的设计取决于需要提供足够的摩擦力以(1)在其稍微偏离中心时(即当与倒角边缘去除处理的规格的公差对准时)，防止晶片从卡盘中脱离，(2)当晶片从其他转速(通常以50至300rpm/秒(在特定实施方式中为100rpm/秒))加速到EBR转速时不会滑动，以及(3)不脱落颗粒也不产生颗粒。然而，当晶片的转速增加时，其达到一个速度，在该速度下，由于较小的未对准和相关的向心力，来自搁置在销上的静摩擦不再能限制晶片。为了防止晶片以这种速度飞离卡盘226，可以采用夹紧凸轮307。合适的凸轮的设计如下所述。现在，简单地了解，在限定的晶片转速下，夹紧凸轮旋转到将晶片224锁定在适当位置的位置。
接下来注意，分配臂303用于保持分配喷嘴256并且在该处理的蚀刻步骤期间将喷嘴移动到晶片224上方的精确控制的位置。分配臂设计没有特别限制。它可以从晶片上方向下移动、从侧面向里移动、从边缘向里摆动、从上方向下旋转、或者这些运动的任何组合。然而，喷嘴的位置优选地可再现地精确到小于约0.5mm(更典型地小于约0.2mm)，使得整个蚀刻区域被机械地控制。任何合适的气动致动器、螺线管、马达控制齿轮或伺服控制马达都可以启动手臂。分配臂应将分配喷嘴精确地移动到晶片的边缘，并将喷嘴移开，以使晶片能够转入卡盘和移出卡盘。结构材料应耐用于所使用的特定化学蚀刻溶液。如果使用本文公开的优选蚀刻剂，则某些不锈钢(例如303、625、316L等)、陶瓷(Al2O3、氧化锆)、钽和塑料涂覆的金属(聚丙烯、聚乙烯、PTFE、PVDF)是很好的选择，因为它们将抵抗化学侵蚀，并具有足够的机械强度(无蠕变或流动)，以保持必要的严格的机械公差。类似的设计考虑适用于晶片卡盘。
如图3所示，卡盘226包括可旋转中心毂230，可旋转中心毂230具有从可旋转中心毂向外延伸的多个支撑臂301。支撑销305位于支撑臂301的端部。在下面结合图4描述的实施方式中，支撑臂可以包括与支撑销305中的气体通道流体连通的气体管道。支撑销优选为安装在支撑臂301的端部处的金属支撑件上的橡胶杯。
在图3的实施方式中，对准凸轮307是多件式部件，其包括可枢转定心指状物309，指状物309可以从其中晶片被居中的向内位置旋转到远离晶片外周边位置的向外位置(未示出)。为了防止在卡盘226以一定的转速旋转期间晶片从支撑销305滑出，离心力使对准凸轮的部件向外摆动，并使定心指状物309枢转到向内位置。在一些处理步骤期间，对准指状物309可能引起不期望的液体飞溅并导致晶片的不均匀清洁。
为了解决这个问题，图4中所示的卡盘226a包括其中具有气体管道311的支撑臂301a和其中包括气体通道313的支撑销305a，从而使得晶片224在居中期间能浮在气垫上并且在EBR处理期间被真空夹紧。支撑销305a优选是安装在金属支撑件315上的橡胶杯，金属支撑件315具有将流体管道311连接到气体通道313的孔317。
图4的实施方式还包括改进的对准凸轮307a，其中补充支撑臂301b中包括致动杆319，致动杆319可以从中心毂230向外移动以枢转对准凸轮307a。如图4所示，对准凸轮307a具有上枢轴连接件321和下枢轴连接件323。致动杆319的外端附接到下枢轴连接件323，并且对准凸轮307a附接到上枢轴连接件321。因此，当致动杆319远离中心毂230移动时，对准凸轮307a的上端朝向晶片224的外周边向内移动，以使晶片224居中或防止晶片224在卡盘226的高速旋转期间滑离支撑销305a。
如图4所示，支撑臂301a中的气体管道311可以向气体通道313供应气体，以使晶片224漂浮在支撑销305a上方，或者将真空施加到气体通道313以将晶片224真空夹紧在支撑销305a上。为了使晶片漂浮在支撑销305a上方，可以在持续短时间(例如0.5至5秒、优选约1秒)的脉冲中以1psi或更高的压强将气体供应到气体通道313。例如，氮气可以在1至5psi，优选约2psi下供应到气体通道，以在使晶片居中过程中使晶片漂浮。
在优选实施方式中，卡盘226a包括六个支撑臂301a，每个支撑臂具有与支撑销305a中的气体通道313中的相应一个流体连通的气体输送管道311。支撑臂301b包括对准凸轮307a，对准凸轮307a可以从远离晶片224的周边的外部非对准位置旋转到其中晶片224居中的内部对准位置，如图4所示。为了向支撑销305a中的气体出口供应气体或施加真空力，可旋转中心毂230a可以具有气体入口232和与支撑臂301a中的气体输送管道311流体连通的多个气体输送端口234。可以通过连接到气体入口232的加压气体源236将气体供应到气体出口，并且可以通过连接到气体入口的真空源238将抽吸力施加到气体出口。
如上所述，对准凸轮307a可以包括上枢轴连接件321和下枢轴连接件323，其中，通过附接到下枢轴连接件323的致动杆319，能旋转的凸轮307a可围绕上枢轴连接件旋转。在一种布置中，卡盘226a包括位于60°、120°、180°、240°、300°和360°的径向位置处的六个支撑臂，在径向位置60°、180°和300°处的支撑臂包括对准凸轮307a，而在径向位置120°、240°和360°处的支撑臂不包括对准凸轮307a。具有对准凸轮307a的支撑臂可以包括其中具有气体输送管道311的上臂301a以及其中具有致动杆319的下臂301b，致动杆319附接到对准凸轮307a，使得当致动杆319的端部从中心毂230a向外移动时，对准凸轮307a的上端旋转朝着晶片224的周边移动，并且使得当致动杆319的端部朝向中心毂230a移动时，对准凸轮307a的上端远离晶片224的周边旋转。在使晶片居中期间，机械手将晶片卸载到支撑销305a上，并且当晶片224被支撑在销305a上时，以足以使晶片漂浮在支撑销305a上方的压强将气体供应到气体通道313，并且对准凸轮307a从外部位置旋转到其中一个或多个对准凸轮307a接触晶片的周边的内部位置，并且将晶片移动到其中晶片的中心与卡盘226a的中心轴线对准的位置。
典型的镶嵌工艺从在先前形成的电介质层中形成线路径开始，其可以被蚀刻为具有沟槽和通孔。这些线限定要用导电材料填充的半导体晶片上的各种器件之间的导电路径。该工艺继续沉积薄的扩散阻挡层以防止导电材料扩散到电介质层中。适用于扩散阻挡层的材料包括钽、氮化钽、钨、钛和钛钨。在典型的实施方式中，通过PVD工艺(诸如溅射)形成阻挡层。接下来的操作涉及沉积导电晶种层以在电填充操作期间提供用于电流通过的均匀导电表面。可以采用PVD工艺以进行该操作。然后在晶种层上用较厚的铜层电填充晶片。电填充继续，直到线路径完全填充到电介质的顶表面。
可能期望的是，尽可能多地使用用于有源电路的晶片表面。虽然通常可以在电镀期间提供一些屏蔽，但类似的屏蔽对于PVD来说并不是直接的。因此，在PVD晶种层形成期间，铜沉积在一些不需要的区域中，例如倒角边缘区域。厚的铜沉积可能导致在电填充期间该区域中的较高的电流，这甚至在晶片的边缘上添加更多的金属到形成倒角形状的不期望的区域中。在后期的CMP中，该倒角可能容易脱落并损坏晶片表面上的器件。因此，倒角必须被去除，这是通过EBR和/或背面蚀刻(BSE)处理实现的。
使用EBR，以薄流形式将蚀刻剂施加到晶片的前边缘。在某些实施方式中，蚀刻剂在粘性流条件下施加以在预冲洗液的薄化层上保持薄。蚀刻剂通常以与流速和喷嘴取向对应的一些径向速度施加。此外，通过由晶片的旋转产生的离心力，将蚀刻剂推到晶片的边缘。这两种力与重力和表面张力的组合使得蚀刻剂向外流动、以及向下流过侧边缘、以及在背面上几个毫米上流动，从而完成从所有这三个区域中去除不需要的金属。在EBR之后，电镀铜通常通过CMP平坦化直到电介质，以准备进一步处理，通常添加后续的电介质和金属化层。
EBR处理细节
晶片以例如约150-400rpm的转速开始旋转，并且将去离子水施加到晶片的正面。晶片旋转用于将施加的去离子水均匀地分布在晶片表面上并从晶片从表面去除多余的水。这种预冲洗去除从先前的处理步骤中残留的颗粒和污染物。此外，预冲洗润湿晶片的正面，该晶片的正面在前面的处理步骤之后可能是干燥的。在一个实施方式中，预冲洗操作仅使用去离子水而不使用酸。预冲洗操作发生在1至5秒之间的任何时间，流速为200-800ml/min，具体取决于冲洗水温度、电镀化学物质、去离子水流速和晶片的转速。有时需要使用热冲洗水来加速预冲洗效率。因此，根据操作的经济性，可以使用20至50℃的去离子水。
在晶片表面上形成均匀的水膜通常是需要的。使用“蛤壳”或使用在电镀期间排除晶片边缘的其他晶片夹紧工具通常会导致晶片边缘的部分是干燥的，而其他部分是湿的。如果蚀刻剂分布在不均匀润湿的边缘上，则蚀刻工艺可能是无效的并且甚至损坏晶片。
在施加蚀刻剂的区域中可能需要具有均匀但薄的水层。较薄的膜提供蚀刻剂对金属的较快的扩散，并且在经蚀刻的金属边缘上提供较小的锥形宽度。为了产生较薄的膜，在预冲洗操作之后，去离子水被关闭，并且晶片转速在大约相对短的持续时间(例如，在某些实施方式中，为约1到5秒)显著增加(例如，在某些实施方式中，增加到约400-1300rpm)，从而使得湿膜变薄。在具体实施方式中，晶片以约600-1200rpm的转速旋转约1.5-3秒。这些参数可以取决于晶片尺寸、可用各种表面活性剂改性的预冲洗液的表面张力等因素。较高的转速导致预冲洗液层所经受的较大的离心力。该力远离晶片的中心取向，因此从晶片去除一些预冲洗的液体。此外，较高的离心力可以提供较好的层均匀性。此外，湿膜薄化操作的较高转速增强了预冲洗液从晶片表面的蒸发，从而进一步使剩余液体的层变薄。然而，转速不应超过薄水层失去其均匀性(即分裂开)或者晶片失去其对准的水平。
湿膜薄化操作可以包括将薄化(thinning)流体输送到晶片的边缘区域或整个表面。薄化流体可以降低所得溶液的表面张力并增加蒸汽压。降低的表面张力改变了在倒角边缘区域处的层的接触角，从而导致较小的珠(bead)。同时，较高的蒸汽压会增加蒸发。例如，类似于在EBR操作期间输送蚀刻剂，高蒸汽压有机溶剂(如异丙醇(“IPA”))可以通过喷嘴在预冲洗液的顶部上输送。
薄化流体也可以被预加热并与其它液体或载气一起施加，以进一步加热边缘液体并使液体层变薄，从而进一步降低表面张力和粘度。可以在预冲洗操作之后并且在晶片加速之前输送薄化流体。在另一个实施方式中，可以在晶片加速期间或之后施加薄化流体。
湿膜薄化操作可以包括使用冲击流动气体来帮助从外围物理地移除多余的流体。在这种操作中，流过晶片周边附近的喷嘴的定向喷射气体在液床上施加动量和增加的力，从而迫使曳出流体向外并远离倒角并允许其快速变薄。
在通常需要较低速度和速率的流动气体的替代方法中，边缘液珠薄化技术赋予液体表面张力减小的气流，该气流通常为被吹过喷嘴到液体边缘珠层的表面上的气体、蒸汽或气溶胶形式的有机化合物。表面张力降低的流的分子被吸附到晶片表面上的液体层中。通过使可溶的且表面张力降低的吸附物在空气-液体界面上通过，粘附在晶片上的流体的空气-液体界面张力减小，从而改变离心力和表面张力之间的力平衡，并允许珠变薄。合适的表面张力降低的化学物质倾向于是挥发性的、可溶于水的、并且具有一些空间分离的极性和非极性分子基团，使得与大多数表面活性剂一样，它们可以将非极性基团与表面对准并将极性基团与流体的内部区域对准，从而减小了表面能和表面力。异丙醇(IPA)是以蒸汽或气溶胶形式用于实现该液层薄化结果的化学品的一个典型实例。其它实例包括具有亲水和疏水分子基团的其它醇(乙醇、丁醇)、胺(乙胺和丙胺)、酮(MEK)和醛(乙酰醛)。从不同的角度来看，可以选择薄化液体以显著提高预冲洗液的蒸汽压。在一个实施方式中，在25-120kHz下操作的超声波振荡可以用于产生IPA气溶胶并有助于气体快速扩散到边缘珠流体中。通常，根据喷嘴的构造和其它工艺参数，以约1ml/min至100ml/min的速率以载气(例如氮气)计量的2至30％的摩尔分数来进给IPA。也可以使用其它蒸汽和气溶胶，并且也可以将珠的物理(流动气体的力)去除和化学(减少的表面张力)去除组合。
膜薄化操作产生大致均匀的薄水层。如在EBR操作中所描绘的，蚀刻剂然后在晶片的边缘区域中的该水层的顶部上输送并且扩散通过该层，以接触金属。较薄的预冲洗层提供较快的蚀刻剂扩散和较少的稀释。此外，蚀刻剂位于边缘区域中，而非穿过水层朝向晶片中心扩散从而导致增加的锥形宽度。
该工艺继续进行倒角边缘去除(EBR)操作。在某些实施方式中，对于200mm晶片，晶片以约150-400rpm(更优选为约200至250rpm)的转速旋转，对于300mm晶片，晶片以约175至225rpm的转速旋转。该转速确保了用EBR蚀刻剂覆盖整个边缘区域。可以以确保晶片在卡盘中的持续对准的速率来进行晶片在湿膜薄化操作期间的加速以及在EBR操作期间的减速。在某些实施方式中，当使用典型的塑料支撑销(例如，PPS或PVDF)时，转速不超过约150rpm/sec。可以使用具有较大摩擦系数的销，只要它们不会剥落或产生颗粒。
通常使用具有在其端部处或其端部附近的喷嘴开口的细管将EBR蚀刻剂和边缘珠液体表面张力降低的流施加到晶片表面。当将少量蚀刻剂如此分配到表面上时，通常会导致三种流动状态，其中任一种可能是适当的。第一种状态是边缘珠，其中表面张力控制流体的行为；第二种是粘性流，其中粘性力占主导地位；第三种是惯性流，其中惯性力占主导地位，并且流体倾向于喷射。EBR操作可以在以下条件下进行：以约0.25至2毫升/秒(更优选约0.3至0.5毫升/秒)的速率输送总共约2至14毫升蚀刻剂。所输送的量取决于待除去的膜厚度、晶片的尺寸、化学蚀刻剂的浓度、旋转速率和蚀刻剂温度。
可以以几个阶段输送蚀刻剂。例如，蚀刻剂可以分两个阶段输送：高流速阶段，然后是较低的流速阶段。在高流速阶段期间，可以以约0.25-0.35ml/s输送蚀刻剂约1-5秒，随后以约0.10-0.20ml/s的输送速率进行约10-30秒的低流速阶段。高流速阶段有助于EBR蚀刻剂克服预冲洗膜的表面张力，并快速扩散通过该层。在这个阶段，由于膜最初没有蚀刻剂，因此膜内蚀刻剂的扩散变得容易。然而，这个阶段的持续时间不应超过蚀刻剂布满(saturate)膜所需的时间。然后，低流速阶段为EBR提供大量的蚀刻剂。流速应足够小以防止蚀刻剂过度扩散到晶片的有源部分中而可能导致的较宽的锥度。在该阶段的输送速率和持续时间可以取决于晶片直径(倒角边缘的长度)、倒角厚度、预冲洗膜厚度以及其它因素。过多的蚀刻剂可能导致较宽的锥形宽度。在对于300mm晶片上的最多约0.75微米厚的倒角进行优化的特定实施方式中，在约15-20秒的时间内输送约2-4ml的蚀刻剂。
蚀刻剂可以包括酸和氧化剂。可用的酸的实例包括硫酸、氢卤酸、铬酸和硝酸。在一个实施方式中，用于铜EBR的蚀刻剂可以是H2SO4(硫酸)和H2O2(过氧化氢)在水中的溶液。在一个具体实施方式中，蚀刻剂包含约15重量％至25重量％的H2SO4和20重量％至35重量％的H2O2。预冲洗液的较薄膜可能允许蚀刻剂中较高的酸浓度。可以使用其它氧化剂，例如过氧化二硫酸盐S2O8 -2和浓HNO3(在水中为约30％)。也可以使用倾向于与溶解的金属复合的近中性和碱性蚀刻剂，例如pH约为9的甘氨酸或乙二胺和过氧化氢的组合。通常，液体蚀刻剂应具有与蚀刻系统相容的物理性质，如表面张力、接触角和粘度。
在将所需量的液体蚀刻剂施加到晶片的边缘之后，可以将去离子水施加到晶片的正面，以进行后EBR冲洗。去离子水可以作为整体施加到整个晶片，而不仅仅施加到晶片边缘。去离子水的这种施加通常将通过背面蚀刻和背面冲洗的后续操作继续，以保护晶片免受任何外部的背面蚀刻剂喷雾和损坏。当去离子水被施加时，分配臂使蚀刻剂喷嘴远离晶片移动。
尽管出于清楚理解的目的已经对前述发明进行了相当详细的描述，但是显而易见的是，在所附权利要求的范围内可以实施某些改变和修改。应当注意，存在实现本发明的许多替代方式。因此，本实施方式被认为是说明性的而不是限制性的，并且本发明不限于本文给出的细节。本文引用的所有参考文献通过引用并入本文以用于所有目的。

Claims (10)

1.一种在倒角边缘去除(EBR)处理期间去除不需要的金属之前使半导体晶片居中的方法，所述方法包括：(a)将晶片转移到具有至少三个支撑臂的能旋转的卡盘上方，在所述支撑臂的外部部分处具有支撑销，(b)将所述晶片降低到所述支撑销上，(c)将加压气体供应到在所述支撑销的上表面中具有气体出口的气体通道，使得所述晶片浮在由从所述支撑销的所述上表面中的所述气体出口流出的气体形成的气垫上，(d)通过在所述晶片浮在所述气垫上时在整个所述支撑销上移动所述晶片来使所述晶片居中，(e)向所述气体通道施加真空，使得所述晶片被真空夹紧到所述支撑销。
2.根据权利要求1所述的方法，其还包括：(f)旋转所述晶片；(g)使用包含去离子水的预冲洗液来预冲洗所述晶片；(h)通过增加所述晶片的转速来使所述预冲洗液的层变薄；以及(i)将液体蚀刻剂流输送到所述晶片的倒角边缘区域附近的所述变薄的预冲洗液的层，使得所述液体蚀刻剂扩散穿过所述变薄的预冲洗液的层，并从所述倒角边缘区域基本上选择性地去除不需要的金属。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述卡盘包括六个支撑臂，所述支撑臂中的每一个具有与所述支撑销中的所述气体通道中的相应一个流体连通的气体输送管道，其中在(c)期间，气体从所述六个支撑销的所述上表面中的所述气体出口流出。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述卡盘包括六个支撑臂，所述支撑臂中的每一个具有与所述支撑销中的所述气体通道中的相应一个流体连通的气体输送管道，其中在(e)期间，向所述六个气体通道中的每一个施加真空。
5.根据权利要求1所述的方法，其中在至少1psi的压强下将所述气体输送到所述气体通道。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述支撑臂包括能旋转的对准凸轮，其中在(d)期间，所述对准凸轮从远离所述晶片的周边的外部位置旋转到使所述晶片居中的内部位置，并且当所述对准凸轮接近所述晶片的所述外周边时，以脉冲形式向所述气体通道供应气体。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述支撑臂从能旋转的中心毂向外延伸，所述能旋转的中心毂具有气体入口和与所述支撑臂中的气体输送管道流体连通的多个气体输送端口，其中在(c)期间，气体被供应到所述气体入口并从所述气体输送端口流出到所述支撑销中的所述气体通道。
8.根据权利要求7所述的方法，其中在(e)期间，将真空力施加到所述气体入口，并且通过所述支撑销将抽吸力施加到所述晶片的底面上的位置。
9.根据权利要求6所述的方法，其中所述对准凸轮包括上枢轴连接件和下枢轴连接件，其中在(d)期间，所述对准凸轮通过附接到所述下枢轴连接件的杆围绕所述上枢轴连接件旋转。
10.一种用于在倒角边缘去除(EBR)处理期间支撑晶片的卡盘，其包括：能旋转的中心毂，其具有从所述能旋转的中心毂向外延伸的多个支撑臂，所述支撑臂的端部上的支撑销，延伸穿过所述支撑销的上表面的气体通道和所述支撑臂中的气体管道，所述气体管道被配置为向所述气体通道供应气体或向所述气体通道施加真空。
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