用於微電子工件的電化學－機械加工的方法和設備的製作方法
2023-09-15 06:13:00 3
專利名稱：用於微電子工件的電化學－機械加工的方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於採用電化學-機械加工工藝在微電子工件上電鍍和去除材料的方法和設備。
背景技術：
典型的微電子工件包括具有多個元件的基片，諸如用導線和其他部件內部連接的存儲單元。導線可以通過在工件上形成電纜溝或一些凹槽，然後將導電材料或一些化合物放置在電纜溝內而構成。然後，將在電纜溝上方作為導電材料一部分的導電材料的覆蓋層去除，從而在電纜溝內留下不連續的導電材料導線。
電化學加工既可以用於放置金屬層，也可以用於去除金屬層。典型的電化學電鍍加工涉及到採用化學氣相沉積(CVD)和物理氣相沉積(PVD)或其他合適的加工方法將種子層(seed layer)放置在工件的表面。種子層形成後，通過在種子層和電加工溶液(例如電解溶液)中的電極之間施加合適的電勢，可以將金屬的覆蓋層或圖案層電鍍在工件上。對大多數材料而言，陰極與種子層相連接，而陽極浸入在電解溶液中，從而在種子層和陽極之間可以建立起電場。
電加工技術同樣也能用於從微電子工件中去除金屬層。例如，陽極與工件上的金屬層相連接，而陰極浸入在電解溶液中，從而將金屬從工件表面上去除。在另一實例中，將交流電通過電解液施加在導電層上，從而去除金屬部分。例如，圖1顯示出採用交流電去除金屬的傳統設備60，其包括與電流源2 1相連接的第一電極20a和第二電極20b。第一電極20a直接連接到半導體基片10上的金屬層11上，並且第二電極20b至少部分浸入在放置於金屬層11的表面上的電解液31中。例如，第二電極20b可以向下移動，直到其與電解液31相接觸。隔板22保護第一電極20a避免與電解液31直接接觸。電流源21通過第一電極20a、第二電極20b和電解液31給基片10施加交流電，以便從金屬層11上去除導電材料。交流信號可以具有各種波形，諸如Frankenthal et al在『矽集成電路上鈦-鉑-金金屬化的鉑的電蝕刻』(貝爾實驗室)公開的那些波形，在此，其整體作為參考。
圖1中所示系統的缺點在於，在將第一電極20a安裝於基片10的區域中不可能將材料從金屬層11中去除，因為隔板22阻止電解液31與在此區域中的基片10相接觸。可選擇地是，如果第一電極20a是與電解液相接觸的自耗電極，電解加工可能會使第一電極20a分解。還有一個缺點就是電解加工可能會不均勻地去除基片10上的材料。例如，不與第一電極20a直接電氣連接的剩餘電導材料的不連續區域(例如，「島狀物」)可能會在導體層11中逐步擴展。剩餘電導材料的不連續區域可能會幹涉導線的形成和/或工作，並且可能很難用電解加工去除這些剩餘材料，除非第一電極20a重新定位以與這些「島狀物」相連接。
減輕如前所述一些缺點的方法是將多個第一電極20a安裝在基片10的周圍，以便提高去除導電材料的均勻性。然而，儘管有附加數目的電極與基片10相接觸，但剩餘導電材料的不連續區域還仍然存在。另一種方法是用諸如碳之類的惰性材料構成電極20a和20b，這樣就不需要隔板22。雖然這可能使得金屬層11的更多區域能與電解液31相接觸，但惰性電極不可能與更多的反應電極(例如，自耗電極)在去除導電材料上一樣有效。結果，惰性電極可能會仍將剩餘導電材料留在基片10上。
圖2顯示出減輕如前所述的一些缺點的另一種方法，其中兩片基片10部分浸入在包含電解液31的容器30中。第一電極20a連接到一片基片10上，而第二電極20b連接到另一基片10上。這種方法的優點在於第一電極20a和第二電極20b不與電解液相接觸。然而，在電解加工完成後，導電材料的島狀物可能仍然保留，並且很難將導電材料從電極20a和20b連接到基片10的地方上去除掉。
國際專利申請PCT/US00/08336(如WO/00/59682所公布的)公開了具有用於在半導體晶片上加上電導材料的第一室以及用於通過電解法拋光或化學機械拋光將導電材料從半導體晶片上去除的第二室的裝置。第二室包括具有與圓柱形機械襯墊同樣結構的塗料輥，當陽極和晶片繞垂直軸轉動時，塗料輥與電解溶液和晶片表面都接觸。包括有與電解液槽隔離的導電液體的陰極與晶片的一邊緣進行電氣連接。這種裝置的缺點在於其也會將剩餘電導材料的島狀物留在晶片上。
加利福尼亞州的Nutool擁有的美國專利No.6,176,992 B1中公開了另一種現有裝置。該專利公開了具有與晶片加工面相接觸的第一電極、與晶片加工面的另一部分結合的拋光襯墊、以及在拋光襯墊下面的第二電極。電解液通過與第一電極、第二電極、以及晶片表面相接觸的拋光襯墊。在電鍍循環期間，直流電通過第一和第二電極，以便將金屬離子電鍍在晶片的表面上。在去鍍層或整平循環期間，當拋光襯墊與晶片表面摩擦時，直流電的極性轉換，從而從晶片上去除金屬。
在美國專利No.6,176,992所公開的裝置中值得關注的一點在於去鍍層或整平循環期間從晶片周圍比從晶片中心可以更快地去除材料。更具體地說，在進行去鍍層或整平循環的過程期間，晶片的覆蓋層變得非常薄，這樣在晶片的周圍和中心之間會出現顯著的電壓降。電壓降可能引起從晶片的周圍比從晶片的中心去除更多的鍍層。此外，直流電可能會在金屬層表面形成可以加劇電壓降的鈍化層。這種現象對於加工較大的晶片(例如，300mm)特別成問題，因為這些晶片的直徑大，從而產生較大的電壓降。因此，需要從晶片表面更加均勻地去除材料。
發明內容
本發明旨在提供一種微電子工件的電化學-機械加工的方法和設備。在全文中所用的術語「微電子工件」包括由在其上和/或其中裝配有微電子電路或一些其他元件(例如，數據存儲元件、互連部件、電晶體、和/或微機械元件等等)的基片形成的工件。根據本發明的電化學加工設備的一個實施方式包括設置成用於容納微電子工件的工件支架、工件電極、第一遠程電極以及第二遠程電極。工件電極設置成當工件容納於工件支架中時其能與工件的加工面相接觸。第一和第二遠程電極與工件支架間隔開。設備還包括AC交流電源、DC直流電源以及轉換組件。轉換組件與工件電極、第一遠程電極、第二遠程電極、AC交流電源、以及DC直流電源相連接。操作中，轉換組件可選擇地將AC交流電源和/或DC直流電源與工件電極、第一遠程電極和/或第二遠程電極的任何組合相連接。
該設備的不同實施方式還包括在工件支架與第一和第二遠程電極之間的機械介質。例如，機械介質可以包括由第一電極承載的第一襯墊，以及由第二電極承載的第二襯墊。在其他實施方式中，機械介質包括由轉動臺板或固定工作檯承載的襯墊。機械部件可能是不磨損的襯墊或用於化學-機械整平加工的固定磨損襯墊。
在另一實施方式中，設備還包括與工件支架間隔開的可移動遠程電極組件。第一和第二遠程電極由電極組件承載，並且機械部件還包括由第一遠程電極承載的第一拋光襯墊和由第二遠程電極承載的第二拋光襯墊。可移動電極組件能夠相對工件支架移動，以(a)能夠摩擦在工件表面上的第一和第二拋光襯墊，並且(b)能夠使第一和第二遠程電極相對工件表面的不連續區域進行定位。
工件支架包括具有設置成能夠固定工件的夾盤的基片託架，這樣可以使工件的加工面朝下。在任一實施方式中，工件支架可能包括與基片託架相連接的驅動組件，其附加或代替第一和第二遠程電極相對工件的移動，使基片託架移動。在另一實施方式中，工件電極還由工件支架承載，以使當工件容納於支架中時，工件電極可能與在工件加工面上的種子層或另一類型的層相接觸。
在另一實施方式中，設備包括與轉換組件相連接的控制器。控制器包括計算機，其具有包括指令用於操作轉換組件以控制施加給工件的直流、交流、和/或機械摩損的計算機可操作介質。更具體地說，控制器可以使轉換組件同時或在整個加工循環中的獨立階段給工件施加直流、交流、和/或機械介質，從而進行電鍍、去鍍層、和/或從工件的加工面機械地去除材料。通過計算機可操作介質執行的方法的一個實施方式包括步驟使工件的加工面與電解溶液相接觸，以及給工件電極和至少第一遠程電極施加直流電。在該實施方式中，工件電極和第一遠程電極在電解溶液中產生電場。該方法中的實施方式還包括步驟在給工件電極施加直流電的同時，或在停止施加直流電以後，給第一遠程電極和第二遠程電極施加交流電。方法還進一步包括步驟將工件的加工面與機械介質相接觸，至少同時給第一和第二遠程電極施加交流電。
本發明還包括用於電化學和/或機械加工工件方法的幾種其他的或不同的實施方式。在一個實施方式中，在不連續的電鍍階段，將直流電施加給工件電極和第一遠程電極，然後在不連續的去鍍層/整平階段，當機械介質與工件的加工面相摩擦時，僅將交流電施加給第一和第二遠程電極。在此特定實施方式中在電鍍階段結束時以及去鍍層/整平階段之前，直流電也相應停止。可選實施方式包括步驟在給工件電極和第一遠程電極施加直流電時，使機械介質與工件的加工面相摩擦。在另一可選擇的實施方式中，直流電仍施加給工件電極和第一遠程電極，同時施加交流電給第一和第二遠程電極，並且同時使機械介質與工件相摩擦。此外，第一和第二遠程電極在工件不連續區域的停留時間可能變化，同時施加交流電以便從工件的所選區域中去除更多的材料。例如，第一和第二遠程電極的停留時間在具有較厚導電材料覆蓋層的晶片區域可能增加，從而更加均勻地去除這些覆蓋層。
圖1是根據現有技術的用於從微電子工件上去除導電材料的設備的側視圖；圖2是根據現有技術的用於從多個微電子工件上去除導電材料的另一設備的側視圖；圖3是根據本發明的一個實施方式中用於對微電子工件進行電化學-機械加工的設備的側視截面圖，圖3中示意地顯示出所選部件；圖4A-4C是根據本發明的幾個實施方式中用於電化學-機械設備的遠程電極組件的側視截面圖，在這些圖中示意地顯示出遠程電極組件的幾個部件；圖5A-5E是根據本發明的幾個實施方式中用於電化學-機械設備的遠程電極組件的側視截面圖，在這些圖中示意地顯示出遠程電極組件的幾個部件；圖6是根據本發明的另一個實施方式中用於對微電子工件進行電化學-機械加工的設備的側視截面圖，圖6中示意地顯示出所選部件；圖7是根據本發明的某些實施方式中用於電化學-機械加工設備的工件託架和遠程電極組件的側視截面圖。
具體實施例方式
本發明公開從用於半導體裝置、微機械裝置和其他類型裝置的製造中的微電子工件中去除材料的幾種方法和設備。在下文中，以及在圖3-7中將給出本發明的某些實施方式的一些詳細說明，從而有助於完全理解這些實施方式。然而，可以認為理解本領域的熟練技術人員可能實現其他實施方式，或本發明可以在脫離下述的一些詳細說明的情況下實現。
圖3顯示出根據本發明的一個實施方式中用於對微電子工件110進行加工的電化學-機械(ECM)加工設備100的實施例。電化學-機械加工設備100可以用於在工件110的加工面113上電鍍材料層面111，和/或從層面111上去除材料。電化學-機械加工設備100可以採用各種DC電源、AC電源以及機械摩損的組合，從而形成導線或工件110中的其他部件。
電化學-機械(ECM)加工設備100包括設置成可以容納工件110，並將其固定在所需位置上的工件支架120。工件支架120可以包括基片託架121，其具有固定工件110的卡盤，這樣加工面113可以朝上或朝下。在如圖3所示的實施方式中，工件支架120就是具有設置成用於固定工件110的卡盤的基片託架121，這樣加工面113可以朝上。工件支架120可以不動，以便將工件110固定在確定的位置，或其可以與驅動系統122相連接，從而轉動或平移工件110(如箭頭A和B所示)。
ECM設備100還包括設置成當工件110容納於工件支架120中時，可以與工件110的加工面113相接觸的工件電極130。工件電極130由工件支架120承載。在可選實施方式中，工件電極130可以由與工件支架120間隔開的支架(未示出)承載。工件電極130可以是與工件110的外圍相接觸的環形觸點或多點觸點。在電化學電鍍技術中，用於給層面111提供電流的許多合適的工件電極都是眾所周知的。工件電極130一般由浸入在或由電化學加工溶液覆蓋的金屬組成。在操作中，工件電極130給工件110上的層面111提供陽極或陰極電荷取決於具體的加工過程和應用。
電化學-機械加工設備100還進一步包括與工件電極130間隔開的遠程電極組件140。在一個實施方式中，遠程電極組件140具有由電極託架144支撐的多個遠程電極142。遠程電極組件140可以包括單根遠程電極142或多個不連續的遠程電極。在如圖3所示的實施方式中，遠程電極組件140包括第一遠程電極142a或與第一遠程電極142a相間隔開的第二遠程電極142b。遠程電極142同樣也與工件支架120相間隔，這樣遠程電極142在加工過程循環中不與層面111相接觸。
遠程電極組件140還包括使遠程電極142相對工件110移動，用於控制高度(箭頭「F」所示)、轉動(箭頭「G」所示)、和/或電極的平移(箭頭「H」所示)的驅動組件146。在其他的實施方式中，遠程電極組件140靜止不動，並且不需要包括驅動組件146。當遠程電極組件140仍保持不動時，與工件支架120相結合的驅動系統122可以在工件110和遠程電極142之間提供相對運動。
ECM設備100還包括在工件支架120和遠程電極142之間用於與工件110進行機械摩擦的機械介質150。在如圖3所示的特殊實施方式中，機械介質150包括安裝於第一遠程電極142a的端部的第一拋光襯墊152a，以及安裝於第二遠程電極142b的端部的第二拋光襯墊152b。機械介質150可以是沒有磨粒的非研磨元件，或具有固定磨粒的研磨元件。此外，機械介質150的表面圖案可以具有不連續的凸起特徵或有凹槽，或實質上為平面。整平襯墊152a-b可以限定用於與層面111相接觸的支撐面153。美國明尼蘇達州聖保羅的3M公司和德拉瓦州的羅德公司可以生產安裝於遠程電極142上的合適類型的機械介質150。
工件支架120、工件電極130、以及遠程電極組件140可以位於容納有電化學加工溶液161的容器160中。在可選實施方式中，電化學加工溶液161可以通過採用噴嘴或與分配裝置相似的其他類型裝置分配給工件110，這種分配裝置在化學機械整平過程中，可用於將整平溶液沉積在拋光襯墊上。在這種可選實施方式中，相應地可以不需要容器160。電化學加工溶液161可以是具有能夠從工件110的層面111上電鍍和/或去鍍層材料的混合物的液體或凝膠體。例如，電化學加工溶液161可以是具有金屬離子或適合將金屬離子電鍍到層面111上的其他成分的電解液。例如，電化學加工溶液161可能具有用於將鉑、鈦、金、銅或其他金屬電鍍到層面111上的金屬離子。
ECM設備100可以電鍍、去鍍層、和/或機械地從在工件110上的層面111去除材料。工件電極130和至少一根遠程電極142可以與電化學加工溶液進行電連通，這樣電流流過層面111，此時在工件電極130和任意一根遠程電極142之間具有電勢。離析電流同樣可以流過層面111，此時在第一遠程電極142a和第二遠程電極142b之間也會產生電勢。相應地，ECM設備100可以包括DC直流電源172、AC交流電源174和轉換組件180。轉換組件180與工件電極130、遠程電極142、DC直流電源172、以及AC交流電源174相連接。在操作中，轉換組件180可選擇地將DC直流電源172和/或AC交流電源174與工件電極130和遠程電極142所選結合相連接或斷開連接，從而電鍍或從工件110上去除材料。
ECM設備100還進一步包括具有包含指令用於操作轉換組件180運行的計算機操作介質的控制器190。控制器190同樣也可操作地連接於DC直流電源172和AC交流電源174上，從而調節施加於工件電極130和遠程電極142上的電流的電學參數。計算機操作介質可以是軟體或硬體，其(a)能導致轉換組件180可選擇地使DC直流電源172和AC交流電源174與工件電極130和/或遠程電極142的所選結合相連接，；和/或(b)導致控制器190在層面111的表面上壓緊機械介質150。例如，在控制器中的計算機操作介質包含用於控制轉換組件180、DC直流電源172、AC交流電源174、以及驅動系統122的指令，以便在層面111上電鍍材料，和/或去鍍層/整平層面111。
由包含在計算機操作介質中的指令實現的方法的一個實施方式包括不連續的電鍍階段，和與電鍍階段分開的不連續去鍍層/整平階段。在控制器190中的計算機操作介質通過使工件110的加工面113與電化學加工溶液161相接觸，並且施加直流電給工件電極130和至少一根遠程電極142，從而使該實施方式的電鍍階段初始化。工件110的加工面113可以通過在容器160中添加電化學加工溶液161或通過直接將電化學加工溶液161分配在層面111上，從而能與電化學加工溶液161相接觸。直流電可以通過將工件電極130與DC直流電源172的端子相連接，以及將一根或兩根遠程電極142與DC直流電源172的另一端子相連接，從而施加在工件110上。AC交流電源174可以與遠程電極142和工件電極130斷開連接，這樣在該實施方式的電鍍階段只有直流電施加在工件110上。在用於將金屬電鍍到層面111上的多個實施方式中，工件電極130是陰極，而遠程電極142是陽極。然而，用於電鍍其他類型材料的極性可以轉換，這樣工件電極130是陽極，而遠程電極142是陰極。
在將足夠量的材料電鍍到層面111上之後，在控制器190中的計算機操作介質通過使DC直流電源172與工件電極130和遠程電極142斷開連接，可以使去鍍層/整平階段初始化。控制器190還可能引起(a)轉換組件180使AC交流電源174與第一和第二遠程電極142a和142b相連接；和/或(b)引起驅動組件146在層面111的表面上壓緊整平襯墊152a-b的支撐面153。控制器190也會引起驅動組件146和/或驅動系統122在工件110和遠程電極組件140之間產生相對運動，從而摩擦橫跨在層面111表面上的整平襯墊152a-b。
在去鍍層/整平階段的一個實施方式中，給第一和第二遠程電極142a-b施加交流電，同時機械介質150摩擦該表面。可以預期在第一和第二遠程電極142a-b之間的交流電以使層面111的表面交變，這樣可以使機械去除更加容易些。例如，交流電使鉑、銅、以及一些金屬的表面氧化，從而形成容易受到機械摩損的表面層。交流電也同樣可以從各種層面上去除電鍍材料。結果，由於由交流電引起的電化學加工溶液161和層面111之間的電化學相互作用，並且同樣由於由機械介質150引起的機械磨損，在去鍍層/整平階段可以將材料從層面111的表面中去除。
通過包含在控制器190的計算機操作介質中的指令實現的方法的另一實施方式包括通過給工件電極和至少一根第一和第二遠程電極施加直流電，並同時給第一和第二遠程電極施加交流電，從而同時實現電鍍和去鍍層/整平。該實施方式還包括至少一個微電子工件和/或遠程電極組件140彼此相對移動，同時施加直流和交流以便從工件110的表面機械地磨損材料，在該實施方式中，交流明顯小於直流，這樣直流可以有效地傳送交流。遠程電極組件140和工件110在該過程中仍然保持靜止不動，或至少遠程電極組件140或工件110可以相對另一個移動，以便使遠程電極142相對層面111的表面定位。例如，如下文中進行地更詳細說明，遠程電極142可以在工件110的選擇區域停留較長的時間。
控制器190的計算機操作介質同樣也包含用於導致在加工循環的各階段從層面111上去除材料的指令。例如，或同時(a)將直流電施加於工件電極130和遠程電極142上，從而將材料電鍍在工件110上，(b)將交流電施加於第一和第二遠程電極142a-b上，或(c)沒有電流施加於任何工件電極130、第一遠程電極142a或第二遠程電極142b上，控制器190可以指揮驅動組件146將整平襯墊152a-b的支撐面153壓緊在層面111上。由此，只在電化學加工溶液161和機械介質150中採用化學反應的化學機械整平過程可以在或不在層面111的電加工過程中予以實現。
在方法的另一實施方式中，遠程電極組件140的停留時間可以調節，這樣遠程電極142並置於加工面113的第一區域一段與第二區域不同的時間間隔。例如，當層面111的厚度在工件110的周圍比在其中心要大得多時，電極組件140在去鍍層/整平階段在周圍的停留時間比在中心的停留時間要長，以便從工件上去除更多的材料。在去鍍層/整平階段，電極組件140的停留時間一般要多於工件上層面111較厚的區域。應當理解，遠程電極組件140的停留時間可以在工件110的表面上均勻分布，或可以根據本發明的其他實施方式中的其他參數而發生變化。
ECM設備100的幾個實施方式被認為可以在工件110上提供很平的表面。通過給遠程電極142施加交流電，用機械介質150摩擦層面111，使材料從層面111上去除的主要原因為(a)在層面111表面上的材料氧化，並且(b)氧化材料的機械去除。此外，因為通過不與層面111相接觸的遠程電極142將電流施加給層面111，所以遠程電極142能夠相對工件110移動(或者工件110可以相對遠程電極142移動)，從而當層面111的覆蓋層在去鍍層/整平循環的後期變得很薄時，可以避免在層面111上產生穩定的電壓降。這將可以在層面111上提供很平的表面。
圖4A-4C顯示出幾種不同的遠程電極組件，其容納在電化學-機械加工過程中產生的氣體，並且從工件110和/或遠程電極上引導出氣體。參照圖4A，ECM設備200的一個實施方式包括具有由電極託架244承載的第一和第二遠程電極242a和242b的遠程電極組件240。遠程電極組件240還進一步包括機械介質250(可看成與第一遠程電極242a相鄰的第一機械介質250a以及與第二遠程電極242b相鄰的第二機械介質250b)。在該實施方式的一方面，機械介質250一般可以是無孔材料，其覆蓋小於各遠程電極242a-b的整個向下表面。各遠程電極242a-b的暴露表面245相應地直接面向工件110。這些暴露表面245可以包括由通道表面248限定的用於收集和引導來自工件110和/或遠程電極242a-b的最近區域中的氣體的通道247。
在該實施方式的另一方面，遠程電極242a-b能夠通過間隔249彼此分開，其可以減少或消除在遠程電極242a-b之間的直接電氣耦合。結果，電流從遠程電極242a或242b之一通過微電子基片110的層面111，並且接著流向遠程電極242a或242b的另一根上。此外，間隔249能夠附加或代替通道247工作，以便引導氣體從遠程電極242a-b和/或微電子工件110離開。在該實施方式的另一方面，電極託架244還可以以能夠滿足用離心力迫使氣體徑向向外的轉速旋轉(如箭頭「G」所示)。
如圖4A所示的ECM設備200的另一特徵是機械介質250a-b的類型和布置可以控制遠程電極242a-b和工件110之間的電氣耦合。例如，機械介質250a-b一般可以是無孔襯墊，這樣只有電極242a-b的暴露部分通過電化學加工溶液161與工件110電氣相連。在可選實施方式中，機械介質250a-b可以是有孔的或部分有孔的襯墊，用以在電極242a-b和工件110之間產生些電氣耦合，在此區域機械介質250a-b設置在工件110和第一和第二遠程電極242a-b之間。通過機械介質250a-b進行的電氣耦合程度可能小於在第一和第二遠程電極242a-b的暴露部分和工件110之間的電氣耦合程度。
圖4B顯示出ECM設備200的另一實施方式，其包括具有第一和第二遠程電極242a-b的遠程電極組件240b，以及承載第一和第二遠程電極242a-b的電極託架244。在該實施方式中的ECM設備200還包括由各第一和第二遠程電極242a-b支撐的第一和第二機械介質250a-b。各機械介質250a-b是包括孔251和從孔251向上延伸到遠程電極242a-b的通道252的多孔襯墊。遠程電極242a-b可以包括面向下，與通道252液體相通的通道247。相應地，通道252可以使氣體從工件110上升，並在將其收集在通道247中的位置穿過機械介質250。此外，當通道252中充滿溶液161時，通道252可以在電極242a-b和工件110之間提供電氣連接。
圖4C顯示出ECM設備200的另一實施方式，其具有包括第一和第二遠程電極242a-b的遠程電極組件242c，以及相應的第一和第二機械介質250a-b。在該實施方式的一方面，機械介質250可以是有孔的材料，以便將氣泡從工件110中引導出。該實施方式的另一方面可以包括在電極242a-b中面向下的通道247，用以收集和引導從電極242a-b產生出來的氣泡。遠程電極組件240c還包括具有能夠使通道247以可選角度定位的斜置下表面270的電極託架244。在該實施方式的一方面，各電極242a-b的向下表面272同樣傾斜。傾斜角度一般較小，以用於減少在工件110和電極242a-b之間從遠程電極組件242c的中心到外圍的距離差。在可選實施方式中，傾斜角比較大，用以有意減少電極242a-b的外圍和工件110之間的電氣耦合。在另一實施方式中，通道247可以向上傾斜(如圖4C所示)，雖然電極242a-b的下表面可以是水平的(如圖4C中參考數字245所示的虛線)。
圖5A-5E顯示出根據本發明的另一實施方式中幾種用於ECM設備的遠程電極組件340。參照圖5A，圖中顯示出包括電極託架341、由電極託架341承載的第一和第二遠程電極342a-b、以及由第一和第二遠程電極342a-b承載的機械介質350的遠程電極組件340的實施方式。機械介質350包括多個具有不同電氣特性的區域352a-d。例如，在一實施方式中，區域352a-d可以環形設置在中心區域352a的周圍，或在一些實施方式中具有其它圖案或排列的區域(例如，網格)。區域352a-d可以具有不同的介電常數和/或傳導率，從而可以改變在空間上跨過面層111的第一和第二遠程電極342a-b和工件110之間的電氣耦合程度。相應地，由第一和第二遠程電極342a-b和層面111形成的電路的阻抗在工件110的表面會發生變化，從而提供了電去除材料速率的變化或其他改變。可選擇地是，空間變化的電氣特性可能修正有可能在其他方面導致空間非均勻的材料去除率的因素(例如，工件110和機械介質350之間相對速度的固定差值)。
圖5B顯示出根據本發明的另一實施方式中具有多孔機械介質350的遠程電極組件340。在該實施方式的一方面，機械介質350可以包括孔353和通道354，其中在通道中包含有電化學加工溶液161用以將遠程電極342a-b與工件110的層面111電氣連接。在該實施方式的另一方面，機械介質350的多孔率可以從一個區域到另一區域以連續的方式變化。例如，多孔性在徑向朝外的方向上可能減少，從而降低工件110周圍的電氣耦合。在其他實施方式中，多孔性可能以其他方式發生變化，從而在工件110的不同區域提供不同的電氣耦合度。
圖5C顯示出包括具有三個各具有不同多孔率的同心區域355a-c的遠程電極組件340。例如，第一區域355a具有貫穿整個第一區域355a的第一均勻多孔率，第二區域355b具有貫穿整個第二區域355b的第二均勻多孔率，第三區域355c具有貫穿整個第三區域355c的第三均勻多孔率。在該實施方式的一方面，機械介質350的多孔率可以在徑向朝外的方向上減少，或在其他實施方式中，多孔率可以以其他方式進行變化。在另一實施方式中，機械介質350具有比這三個不同區域355a-c要多或少的區域。
圖5D顯示出根據本發明的另一實施方式具有有孔和無孔區域的機械介質350的遠程電極組件340。例如，機械介質350可以包括中心有孔區域356a和外部無孔區域356b。外部無孔區域356b同心地位於中心有孔區域356a的周圍。相應地，遠程電極342a-b可以只在遠程電極組件340的中心區域與工件110電氣連接，並且機械介質350可以從較大的接觸面上機械地去除材料。圖5E顯示出一種可選排列，其中遠程電極組件340包括具有均勻孔率的機械介質350。機械介質350可以連接到用於防止或至少限制遠程電極342a-b和工件110之間電氣耦合的面罩357上，其中在此區域面罩357位於工件110和電極342a-b之間。
圖6是根據本發明的另一個實施方式中用於對微電子工件110進行電化學-機械加工的ECM加工設備600的側視截面圖。圖6中示意地顯示出ECM設備600的一些部件，並且具有相同參考數字的部件與圖2-6中的部件一樣。在該實施方式的一方面，ECM加工設備600具有壓盤或工作檯610，工件託架組件620、由工件託架組件620支撐的工件電極630、以及具有由工作檯610支撐的第一和第二遠程電極642a-b的640。ECM加工設備600還包括由工作檯610支撐的機械介質650。驅動系統612產生旋轉(箭頭G)和/或在工作檯610上往復運動(箭頭H)，並且驅動組件622能夠轉動(箭頭I)或平移工件託架620(箭頭J)。工作檯610和工件託架620的運動可以協調，以便在機械介質650的支承面653上壓緊工件110的加工面113。
在加工循環過程中，一種或多種加工溶液660可以沉積在機械介質650的支承面653上。對機械介質650和加工溶液660可以被選擇以提供用於加工工件110的合適的電氣、化學和機械特性。例如，機械介質650可以是具有固定磨粒的拋光襯墊或無磨粒襯墊。加工溶液660可以是用於電鍍工件110或從工件110上去鍍層材料的電解溶液，和/或用於從工件110上用化學和/或機械方法去除材料的整平溶液。加工溶液660可以相應地包括電解液和/或磨粒，還有選來用於與工件110進行特定反應的化學物。
ECM加工設備600還包括轉換組件180、DC直流電源172、AC交流電源174和控制器190。工件電極630和遠程電極642a-b與轉換組件180相連接，用於可選擇地施加直流和/或交流給各種電極。如圖6所示的ECM加工設備600可以相應地實現參照圖3如上所述的許多相同的方法。
圖7是如上所述更詳細地顯示設備部分的ECM加工設備600的實施方式的側視圖。在該實施方式的一方面，ECM加工設備600還進一步包括多個在機械介質650下面和/或與其成一整體的第一和第二遠程電極642a-b。例如，遠程電極642a-b可以成對排列，並由工作檯610支撐。各遠程電極642a-b可以具有面向工件110的表面643，並且各遠程電極642a-b與使第一和第二遠程電極642a-b相互電氣隔離的間隔物644相鄰。第一和第二遠程電極642a-b還由多個液體導管663分隔成不連續的幾組，由此加工溶液661可以流到機械介質650的底面。機械介質650可以相應地具有通過其加工溶液661可以流到支承面653上的孔或通道(圖7中未示出)。機械介質650還包括多個在支承面653上的通道654。其(a)將加工溶液661傳送到機械介質650的表面，並且(b)收集並移動來自工件110的氣泡。
進一步參照圖7，ECM加工設備600可選地包括非接觸能量源699，其在加工循環過程中與加工溶液661最接近。非接觸能量源699可以是能將超聲能傳送給加工溶液661的超聲能量源發送器。可以理解，將超聲能傳送給加工溶液661能夠增加氣泡從工件110的最接近區域去除的速度和效率。
從上所述，應當理解在此進行說明的本發明的上述具體實施方式
僅為示例性目的進行了說明，本領域的熟練技術人員可能在此基礎上做出各種變更而不會脫離由權利要求所限定的保護範圍和主題精神。本發明的保護範圍僅由權利要求及其等同物的範圍所限定。
權利要求
1.一種用於微電子工件的電化學-機械加工的設備，包括設置成用於容納微電子工件的工件支架；設置成當工件容納於工件支架中時能與工件的加工面相接觸的工件電極；第一遠程電極和第二遠程電極，所述第一和第二遠程電極與工件支架間隔開；具有面向工件支架的支撐表面以及面向第一和第二遠程電極的背面的機械介質；AC交流電源；DC直流電源；以及與工件電極、第一遠程電極、第二遠程電極、AC交流電源、以及DC直流電源相連接的轉換組件，其中轉換組件設置成可選擇地將AC交流電源和/或DC直流電源與工件電極、第一遠程電極和/或第二遠程電極相連接。
2.根據權利要求1所述的設備，其特徵在於，所述第一電極由工件支架承載。
3.根據權利要求1所述的設備，其特徵在於所述第一電極由工件支架承載；以及所述第一遠程電極和第二遠程電極由與工件支架間隔開的遠程電極組件承載。
4.根據權利要求1所述的設備，其特徵在於所述工件支架包括具有設置成能夠固定工件的夾盤以使加工面朝下的基片託架；以及與基片託架相連接用於使基片託架移動的驅動組件；以及所述工件電極由工件支架承載。
5.根據權利要求1所述的設備，其特徵在於所述工件支架包括具有設置成能夠固定工件的夾盤以使加工面朝上的基片託架；以及與基片託架相連接用於使基片託架移動的驅動組件；以及所述工件電極由工件支架承載。
6.根據權利要求1所述的設備，還進一步包括與工件支架間隔開的電極組件，以及其中第一遠程電極和第二遠程電極由電極組件承載。
7.根據權利要求1所述的設備，其特徵在於所述設備還進一步包括與工件支架間隔開的可移動電極組件，所述電極組件可相對工件支架移動；以及第一遠程電極和第二遠程電極由電極組件承載。
8.根據權利要求1所述的設備，其特徵在於所述設備還進一步包括與工件支架間隔開的可移動電極組件，所述電極組件可相對工件支架移動；第一遠程電極和第二遠程電極由電極組件承載；以及機械介質包括由第一遠程電極承載的第一拋光襯墊和由第二遠程電極承載的第二拋光襯墊。
9.根據權利要求1所述的設備，其特徵在於所述設備還進一步包括工作檯；機械介質包括由工作檯承載的拋光襯墊；工件支架位於拋光襯墊的上方，並且工件電極由工件支架承載；以及第一遠程電極和第二遠程電極由工作檯承載。
10.根據權利要求1所述的設備，還進一步包括控制器，其具有包括指令用於根據下述過程以操作設備的計算機可操作介質，其中所述過程包括步驟(a)使微電子工件的加工面與電化學加工溶液相接觸，(b)給工件電極和至少第一遠程電極和/或第二遠程電極之一施加直流電，同時工件與電化學加工溶液相接觸，(c)給至少第一遠程電極和/或第二遠程電極之一施加交流電，同時工件與電化學加工溶液相接觸，以及(d)至少同時施加交流電時，在機械介質上壓緊工件的加工面。
11.根據權利要求1所述的設備，還進一步包括控制器，其具有包括指令用於根據下述過程以操作設備的計算機可操作介質，其中所述過程包括步驟(a)使微電子工件的加工面與電化學加工溶液相接觸，(b)給工件電極和至少第一遠程電極和/或第二遠程電極之一施加直流電，同時工件與電化學加工溶液相接觸，(c)給第一遠程電極和第二遠程電極施加交流電，同時工件與電化學加工溶液相接觸，以及(d)至少同時施加交流電時，在機械介質上壓緊工件的加工面。
12.根據權利要求1所述的設備，還進一步包括控制器，其具有包括指令用於根據下述過程以操作設備的計算機可操作介質，其中所述過程包括步驟(a)使微電子工件的加工面與電化學加工溶液相接觸，(b)給工件電極和至少第一遠程電極和/或第二遠程電極之一施加直流電，同時工件與電化學加工溶液相接觸，(c)給第一遠程電極和第二遠程電極施加交流電，同時施加直流電。
13.根據權利要求1所述的設備，還進一步包括控制器，其具有包括指令用於根據下述過程以操作設備的計算機可操作介質，其中所述過程包括步驟(a)使微電子工件的加工面與電化學加工溶液相接觸，(b)給工件電極和至少第一遠程電極和/或第二遠程電極之一施加直流電，同時工件與電化學加工溶液相接觸，(c)給第一遠程電極和第二遠程電極施加交流電，同時工件與電化學加工溶液相接觸，(d)至少同時施加交流電時，在機械介質上壓緊工件的加工面，以及(e)移動至少工件和/或第一和第二遠程電極中之一，以使第一和第二遠程電極在工件的第一區域比在第二區域具有更長的停留時間。
14.一種用於微電子工件的電化學-機械加工的設備，包括設置成用於容納微電子工件的工件支架；設置成當工件容納於工件支架中時能與工件的加工面相接觸的工件電極；第一遠程電極和第二遠程電極，其中當工件容納於工件支架中時，第一、第二遠程電極與工件支架並置，從而與工件的加工面間隔開；AC交流電源；DC直流電源以及與工件電極、第一遠程電極、第二遠程電極、AC交流電源、以及DC直流電源相連接的轉換組件，其中轉換組件設置成可選擇地將AC交流電源和/或DC直流電源與工件電極、第一遠程電極和/或第二遠程電極相連接。
15.根據權利要求14所述的設備，其特徵在於所述工件電極由工件支架承載，並且其中設備還進一步包括具有面向工件支架的支撐面以及面向第一和第二遠程電極的背面的機械介質。
16.根據權利要求15所述的設備，其特徵在於所述工件電極由工件支架承載；以及第一遠程電極和第二遠程電極由與工件支架間隔開的遠程電極組件承載。
17.根據權利要求15所述的設備，還進一步包括與工件支架間隔開的電極組件，並且其中第一和第二遠程電極由電極組件承載。
18.根據權利要求15所述的設備，其特徵在於所述設備還進一步包括與工件支架間隔開的可移動電極組件，其中電極組件可相對工件支架移動；以及第一遠程電極和第二遠程電極由電極組件承載。
19.根據權利要求15所述的設備，其特徵在於所述設備還進一步包括與工件支架間隔開的可移動電極組件；第一遠程電極和第二遠程電極由電極組件承載；以及機械介質包括由第一遠程電極承載的第一拋光襯墊和由第二遠程電極承載的第二拋光襯墊。
20.根據權利要求15所述的設備，其特徵在於所述設備還進一步包括工作檯；機械介質包括由工作檯承載的拋光襯墊；工件支架位於拋光襯墊的上方並且工件電極由工件支架承載；以及第一遠程電極和第二遠程電極由工作檯承載。
21.一種用於微電子工件的電化學-機械加工的設備，包括設置成用於容納微電子工件的工件支架；設置成當工件容納於工件支架中時能與工件的加工面相接觸的第一電極；第二電極和第三電極，所述第二和第三電極是從工件支架間隔開的遠程電極；位於工件支架和各第二和第三電極之間的機械介質；AC交流電源；DC直流電源以及與第一電極、第二電極、第三電極、AC交流電源、以及DC直流電源相連接的轉換組件，其中轉換組件設置成可選擇地將AC交流電源和/或DC直流電源與第一、第二和/或第三電極相連接。
22.根據權利要求21所述的設備，其特徵在於，所述第一電極由工件支架承載。
23.根據權利要求21所述的設備，其特徵在於所述第一電極由工件支架承載；以及第二電極和第三電極由與工件支架間隔開的電極組件承載。
24.根據權利要求21所述的設備，其特徵在於所述工件支架包括具有設置成能夠固定工件的夾盤以使加工面朝下的基片託架；以及與基片託架相連接用於使基片託架移動的驅動組件；以及所述第一電極由工件支架承載。
25.根據權利要求21所述的設備，其特徵在於所述工件支架包括具有設置成能夠固定工件的夾盤以使加工面朝上的基片託架；以及與基片託架相連接用於使基片託架移動的驅動組件；以及所述第一電極由工件支架承載。
26.根據權利要求21所述的設備，還進一步包括與工件支架間隔開的電極組件，並且其中第二和第三電極由電極組件承載。
27.根據權利要求21所述的設備，其特徵在於所述設備還進一步包括與工件支架間隔開的可移動電極組件；以及所述第二和第三電極由電極組件承載。
28.根據權利要求21所述的設備，其特徵在於所述設備還進一步包括與工件支架間隔開的可移動電極組件；所述第二和第三電極由電極組件承載；以及機械介質包括由第二電極承載的第一拋光襯墊和由第三電極承載的第二拋光襯墊。
29.根據權利要求21所述的設備，其特徵在於所述設備還進一步包括工作檯；機械介質包括由工作檯承載的拋光襯墊；工件支架位於拋光襯墊的上方，並且第一電極由工件支架承載；以及第二和第三電極由工作檯承載。
30.根據權利要求21所述的設備，還進一步包括控制器，其具有包括指令用於根據下述過程以操作設備的計算機可操作介質，所述過程包括下述步驟(a)使微電子工件的加工面與電解溶液相接觸，(b)給第一電極和至少第二電極和/或第三電極之一施加直流電，同時工件與電解溶液相接觸，(c)給至少第二電極和/或第三電極之一施加交流電，同時工件與電解溶液相接觸，以及(d)至少同時施加交流電時，在機械介質上壓緊工件的加工面。
31.根據權利要求21所述的設備，還進一步包括控制器，其具有包括指令用於根據下述過程以操作設備的計算機可操作介質，所述過程包括下述步驟(a)使微電子工件的加工面與電解溶液相接觸，(b)給第一電極和至少第二和/或第三電極之一施加直流電，同時工件與電解溶液相接觸，(c)給第二和第三電極施加交流電，同時工件與電解溶液相接觸，以及(d)至少同時施加交流電時，在機械介質上壓緊工件的加工面。
32.根據權利要求21所述的設備，還進一步包括控制器，其具有包括指令用於根據下述過程以操作設備的計算機可操作介質，所述過程包括下述步驟(a)使微電子工件的加工面與電解溶液相接觸，(b)給第一電極和至少第二和/或第三電極之一施加直流電，同時工件與電解溶液相接觸，(c)給第二和第三電極施加交流電，同時施加直流電。
33.根據權利要求21所述的設備，還進一步包括控制器，其具有包括指令用於根據下述過程以操作設備的計算機可操作介質，所述過程包括下述步驟(a)使微電子工件的加工面與電解溶液相接觸，(b)給第一電極和至少第二和/或第三電極之一施加直流電，同時工件與電解溶液相接觸，(c)給第二和第三電極施加交流電，同時工件與電解溶液相接觸，(d)在機械介質上壓緊工件的加工面，至少同時施加交流電，以及(e)移動至少工件和/或第二和第三電極之一，以使第二和第三電極在工件的第一區域上比在第二區域上具有更長的停留時間。
34.一種用於微電子工件的電化學-機械加工的設備，包括設置成用於容納微電子工件的工件支架；設置成當工件容納於工件支架中時能與工件的加工面相接觸的工件電極；第一遠程電極和第二遠程電極，所述第一和第二遠程電極與工件支架間隔開；位於工件支架和各第一和第二遠程電極之間的機械介質；AC交流電源；DC直流電源以及與工件電極、第一遠程電極、第二遠程電極、AC交流電源、以及DC直流電源相連接的轉換組件；以及與轉換組件相連接的控制器，所述控制器包括包含指令用於根據下述過程以操作轉換組件的計算機可操作介質，其中所述過程包括下述步驟(a)將工件電極和至少第一和第二遠程電極之一與DC直流電源相連接，和/或(b)將第一和第二遠程電極與AC交流電源相連接。
35.一種用於微電子工件的電化學-機械加工的設備，包括設置成用於容納微電子工件的工件支架；設置成當工件容納於工件支架中時能與工件的加工面相接觸的工件電極；第一遠程電極和第二遠程電極，所述第一遠程電極和第二遠程電極與工件支架間隔開；位於工件支架和各第一和第二遠程電極之間的機械介質；AC交流電源；DC直流電源以及與工件電極、第一遠程電極、第二遠程電極、AC交流電源、以及DC直流電源相連接的轉換組件，其中轉換組件設置成可選擇地將工件電極和至少第一和/或第二遠程電極之一與DC直流電源相連接，並且其中轉換組件設置成可選擇地將至少第一和第二遠程電極與AC直流電源相連接。
36.一種用於微電子工件的電化學-機械加工的設備，包括設置成用於容納微電子工件的工件支架；由工件支架承載的工件電極，所述工件電極設置成當工件容納於工件支架中時能與工件的加工面相接觸；材料去除裝置，其包括面向工件支架的電極組件、由電極組件承載的第一遠程電極、由電極組件承載的第二遠程電極、以及由第一和第二遠程電極承載的機械介質，其中第一和第二遠程電極與工件支架間隔開；AC交流電源；DC直流電源以及與工件電極、第一遠程電極、第二遠程電極、AC交流電源、以及DC直流電源相連接的轉換組件，其中轉換組件設置成可選擇地將AC交流電源和/或DC直流電源與工件電極、第一遠程電極和/或第二遠程電極相連接。
37.一種用於微電子工件的電化學-機械加工的設備，包括設置成用於容納微電子工件的工件支架；由工件支架承載的工件電極，所述工件電極設置成當工件容納於工件支架中時能與工件的加工面相接觸；材料去除裝置，其包括面向工件支架的電極組件、由電極組件承載的第一遠程電極、由電極組件承載的第二遠程電極、以及由第一和第二遠程電極承載的機械介質，其中電極組件是可移動的以使第一和第二遠程電極相對工件支架產生運動；AC交流電源；DC直流電源以及與工件電極、第一遠程電極、第二遠程電極、AC交流電源、以及DC直流電源相連接的轉換組件，其中轉換組件設置成可選擇地將AC交流電源和/或DC直流電源與工件電極、第一遠程電極和/或第二遠程電極相連接。
38.一種電化學-機械加工微電子工件的方法，包括步驟使微電子工件的加工面與電解溶液相接觸；給與工件的加工面相接觸的工件電極和第一遠程電極施加直流電，所述工件電極和第一遠程電極與電解溶液進行電連通；給第一遠程電極和第二遠程電極施加交流電，所述第一和第二遠程電極與電解溶液進行電連通；以及使工件的加工面與機械介質相接觸，至少同時給第一和第二遠程電極施加交流電。
39.一種電化學-機械加工微電子工件的方法，包括步驟使微電子工件的加工面與電解溶液相接觸；給與工件的加工面相接觸的工件電極和至少第一遠程電極和/或第二遠程電極之一施加直流電，所述工件電極、第一遠程電極和第二遠程電極與電解溶液進行電連通；給第一和第二遠程電極施加交流電；以及使工件的加工面與機械介質相接觸，至少同時給第一和第二遠程電極施加交流電。
40.一種電化學-機械加工微電子工件的方法，包括步驟使微電子工件的加工面與電解溶液相接觸；與工件的加工面相接觸的工件電極和至少第一遠程電極和/或第二遠程電極之一施加直流電，其中所述工件電極、第一遠程電極和第二遠程電極與電解溶液進行電連通；以及給第一和第二遠程電極施加交流電，同時施加直流電。
41.一種電化學-機械加工微電子工件的方法，包括步驟使微電子工件的加工面與電解溶液相接觸；給與工件的加工面相接觸的工件電極和至少第一遠程電極和/或第二遠程電極之一施加直流電，所述工件電極、第一遠程電極和第二遠程電極與電解溶液進行電連通；給第一和第二遠程電極施加交流電，同時施加直流電；以及使至少微電子工件和/或第一和第二遠程電極之一彼此相對移動，同時施加直流電和交流電，以使第一和第二遠程電極在工件的第一區域上比在第二區域上具有更長的停留時間。
42.一種電化學-機械加工微電子工件的方法，包括步驟使微電子工件的加工面與電解溶液相接觸；給與工件的加工面相接觸的工件電極以及至少第一遠程電極和/或第二遠程電極之一施加直流電，所述工件電極、第一遠程電極和第二遠程電極與電解溶液進行電連通；給第一和第二遠程電極施加交流電，同時施加直流電；以及使至少微電子工件和/或第一和第二遠程電極之一彼此相對移動，同時施加直流電和交流電，以使第一和第二遠程電極在工件具有較厚電鍍材料層的區域上停留較長的時間。
全文摘要
一種用於微電子工件的電化學－機械加工的設備和方法，根據本發明的電化學加工設備包括設置成用於容納微電子工件的工件支架、工件電極、第一遠程電極和第二遠程電極，工件電極設置成當工件容納於工件支架中時能與工件的加工面相接觸，第一和第二遠程電極與工件支架間隔開。設備還包括AC交流電源、DC直流電源和轉換組件。轉換組件與工件電極、第一遠程電極、第二遠程電極、AC交流電源以及DC直流電源相連接。在操作中，轉換組件使AC交流電源和/或DC直流電源與工件電極、第一遠程電極和/或第二遠程電極相連接，用於電鍍、去鍍層和/或機械地去除材料。
文檔編號B24B37/04GK1646264SQ03808920
公開日2005年7月27日 申請日期2003年2月28日 優先權日2002年3月4日
發明者斯科特·E·穆爾, 沃恩集·李, 斯科特·G·米克爾, 特倫格·T·多恩 申請人:微米技術有限公司