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CN1701136B - 小作用力电化学机械处理方法和设备 - Google Patents

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CN1701136B CN028213904A CN02821390A CN1701136B CN 1701136 B CN1701136 B CN 1701136B CN 028213904 A CN028213904 A CN 028213904A CN 02821390 A CN02821390 A CN 02821390A CN 1701136 B CN1701136 B CN 1701136B
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Abstract

本发明涉及半导体集成电路技术，并公开了一种电化学机械处理系统，用于将所加的力均匀分布到工件表面。该系统包括工件托架，用于定位或固定工件表面和工件-表面-作用装置(WSID)。采用WSID将所加的力均匀分布到工件表面上，并且WSID包括各种膜层，这些膜层用于处理和向工件表面施加均匀而且全程的力。

Description

小作用力电化学机械处理方法和设备
技术领域
本发明总的涉及半导体集成电路技术，更具体涉及电处理或电化学设备和处理方法，例如，包括电镀的材料淀积方法和材料去除方法，例如，可以用于工件表面的抛光方法。
背景技术
诸如集成电路(IC)的常规的半导体器件通常包括半导体衬底，常用的硅衬底，和几层顺序形成的用绝缘材料层隔开的导电材料层。导电材料层，或互连形成IC的布线结构。布线结构经绝缘材料层或层间介质层与邻近的布线结构隔开。尽管当前有用低介电常数介质材料代替IC结构中的至少一部分标准的致密二氧化硅材料的趋势，但是，硅IC中通用的介质材料是二氧化硅。在需要降低RC时间常数和提高电路的运行速度的高性能IC中，这种代替是必要的。要想降低电容量，就必须用低介电常数介质材料代替互连结构中的高介电常数介质材料。
在工业上已经使用了各种低介电常数介质材料，这些材料是有机材料、无机材料、旋涂材料和CVD材料。一些低介电常数介质材料是介电常数低于3.0的多孔材料。众所周知，用低介电常数介质材料在制造上存在许多困难。例如，这些材料的机械强度低和/或对衬底的附着力低等，在半导体工业中存在一些困难。
在介质层间层中腐蚀形成的特征或空腔中通过金属化处理填充例如铜的导体形成IC互连。由于铜的电阻低和具有所希望的电磁特性，所以，铜是互连优选的导体。当前，电镀是形成铜金属层的优选工艺。
在典型的IC中，多层面(levels)的互连结构相对衬底表面横向延伸。顺序形成的多层互连用例如通路或接点的特征电连接。典型的互连制造工艺中，在半导体衬底上首先形成绝缘材料层。然后，进行构图和腐蚀工艺，然后在绝缘材料层中形成例如沟槽、通路和焊盘等特征。然后，电镀铜以填充特征。这种电镀工艺中，工件或晶片(这些技术术语在本文中可以交替使用)放在晶片托架上，与电极相关的阴极(-)电压加到晶片表面，而电解液或电解溶液浸湿晶片和电极的表面。
电镀工艺一旦完成，就要进行例如化学机械抛光(CMP)工艺，以去除晶片顶表面(也叫做场区)上多余的铜层(也叫做铜表层)，由此，只留下特征里的铜。然后，进行辅助材料去除工艺步骤，以去除例如在场区上的阻挡/粘接层的其他导电层。按该方式，特征里的淀积铜实质上是相互物理和电隔离的。注意，材料去除工艺包括但不限于CMP、电腐蚀和腐蚀工艺。而且，也可以用在一个工艺步骤中既去除场区上的铜又去除阻挡/粘接层的工艺。
在CMP中，在晶片旋转的状态下镀膜的晶片表面压到移动的抛光垫或抛光带上进行平整处理。如上所述，该工艺在规定的互连层面上电隔开各个特征中淀积的铜。该工艺重复几次后，可以形成多层面互连结构，其中，通路中或接点特征上的铜电连接各个互连层面。然而，CMP处理过程中，由于晶片表面加机械力，因此，用低介电常数介质材料会出现问题。例如，在CMP过程中，由于低介电常数介质材料的机械强度差和附着力小，所以，低介电常数介质材料可能会产生应力和分层，或出现其他的缺陷。CMP处理的时间越长，这些问题越严重。因此，要求减少CMP处理时间和减少加到晶片上的力，特别是用低介电常数介质材料时更需要减少CMP处理时间和减少加到晶片上的力。
企图在CMP处理中用更小的作用力或更小的压力。还企图用腐蚀或电腐蚀方法代替CMP处理来去除电镀衬底的场区上的铜表层。
用在工件表面上设置平面铜薄层的平面铜淀积方法可以使CMP的负面作用达到最小或完全克服。这种平面淀积方法是电化学机械淀积(ECMD)方法。按ECMD的一个技术方案，在工件表面和工件-表面-作用装置(WSID)例如，掩模、抛光垫或扫除器之间物理接触和相对移动时，在至少部分电淀积工艺过程中用工件-表面-作用装置(WSID)。在由本发明的受让人共同拥有的以下的专利和待审查的申请中可以找到有关各种平面淀积方法和设备的描述，这些专利和专利申请是：U.S.专利.No.6176992，发明名称是“Method and Apparatusfor Electrochemical Mechanical Deposition(电化学机械淀积方法和设备)”；2001年12月18日提交的U.S.申请No.09/740701，发明名称“Plating Method and Apparatus that Creates a Differential BetweenAdditive Disposed on a Top Surface and a Cavity Serface of aWorkpiece Using an External Influence(用外部作用在工件的顶表面和空腔表面上的附加淀积之间产生差别的电镀方法和设备)”；和2001年9月20日提交的U.S.申请No.09/961193，发明名称“Method andApparatus for Contrlling Deposition on Predetermined Portion of aWorkpiece(工件预定部分上的淀积的控制方法和设备)”。可以使用这些专利1申请中公开的方法以平面方式在工件上的空腔部分中和空腔部分上淀积金属。
使用ECMD方法，工件表面用电解液浸湿，并相对于电极为阴极，该电极也用电解液浸湿。结果在工件表面淀积材料。通过将所加的电压极性颠倒，并使工件表面相对于电极更具有阳性，这些方法也能用于电腐蚀或电抛光。在CMP装置中也可以对工件表面加阳极电压。用ECMD方法首先淀积平面层，然后在相同的电解液中电腐蚀该平面膜，或者，在专用的电腐蚀溶液或电抛光溶液中颠倒所加的电压，可以获得极薄的平面淀积。按该方式，淀积层的厚度可以按平面方式减小。事实上，该腐蚀工艺能够发生，直到去除了场区上的全部或大部分金属为止。注意，由于采用或不采用WSID都能实现平面腐蚀，所以，在电腐蚀工艺中可以使用WSID也可以不使用WSID。
更详细地说，在ECMD期间，在用WSID扫过工件表面时，工件表面推向WSID表面，或者，在至少部分时间里工件表面同样推向WSID表面。由于有上述的扫过动作，所以能进行平面淀积。而且要求减小扫除器加到工件表面上的力，特别是当工件具有结构性差的低介电常数介质材料时更是如此。但是，在力减小时需要保持工件表面与扫除器表面之间的整体接触。换句话说，该物理接触要均匀一致，和能够重复，以获得最佳的结果。因此，需要改进ECMD方法和设备，以使平面金属淀积或电腐蚀过程中加到衬底表面上的力最小，同时保持在扫除器区域上均匀分布的该力。
发明内容
本发明公开了一种电化学机械处理系统，使所加的力均匀分布在工件表面。系统包括：用于定位或固定工件表面的工件托架，和工件-表面-作用装置(WSID)。使用WSID将所加的力均匀分布到工件表面上，在一个实施例中，WSID还包括：柔性顶层，硬底层，和淀积在顶层和底层之间的可压缩的中间层。柔性顶层与工件表面接触。柔性顶层可以是单层，也可以是组合层。组合层还包括研磨上层和下层。
另一实施例中，本发明公开了一种系统，包括：具有第一可压缩层和第二可压缩层的WSID，淀积在第一可压缩层与第二可压缩层之间的硬支撑层，和附着在第一可压缩层上的柔性层，在此柔性层与工件表面接触。
以下将更详细描述包括用本发明方法的本发明所公开的其他实施例。
附图说明
通过以下结合附图对本发明实施例的详细描述，本发明的这些目的、其他目的和本发明的优点将变得更清楚和更容易理解，附图中：
图1A显示出常规的电化学机械处理系统；
图1B显示出与常规扫除器构件接触的晶片截面；
图1C显示出与按本发明的扫除器构件接触的晶片截面；
图2A显示出常规晶片表面的更详细的截面；
图2B显示出具有其上淀积的平面铜层的图2A中的晶片表面；
图3A显示出按本发明的工件-表面-作用装置；
图3B显示出按本发明的工件-表面-作用装置的透视图；
图3C显示出按本发明的操作中的工件-表面-作用装置；
图3D显示出按本发明的工件-表面-作用装置的组合层构件的一个例子；
图3E显示出按本发明的晶片托架的另一个例子；
图4显示出按本发明的工件-表面-作用装置的另一个例子；
图5A和5B显示出按本发明的工件-表面-作用装置的另一个例子；
图6显示出按本发明的工件-表面-作用装置的另一个例子；
图7A和7B显示出按本发明的工件-表面-作用装置的另一个例子；
图7C显示出按本发明的工件-表面-作用装置的顶层结构的一个例子；
图7D和7E分别显示出按本发明的图7C所示的顶层结构的顶膜底膜；
图8A-8C显示出使用常规的工件-表面-作用装置在衬底上形成的不均匀层的例子；和
图8D和8E显示出使用本发明的工件-表面-作用装置在衬底上形成的均匀层的例子。
具体实施方式
现在详细说明本发明，以便更好地理解本发明的优选实施例。正如本文其他地方所描述的，根据本文中描述的原理和教导，各个实施例可以有各种改进和替换。
现在参见图1-8描述本发明的优选实施例，在全部附图中相同的元件、结构、膜层等用相同的参考数字指示。而且，本文中提供了具体的参数，这些参数只是用于说明本发明而不是限制本发明。
以制造集成电路中用的互连为例，来说明本发明的优选实施例。注意，本发明用于填充任何工件上凹槽，这些凹槽以叫做空腔，所述的任何工件具有例如Au，Ag，Ni，Pt，Pd，Fe，Sn，Cr，Pb，Zn，Co及其合金的各种电镀材料。采用上述的材料填充空腔，本发明可以有不同的用途，例如用在封装、平面显示器、磁头等。
本发明的一个实施例中，通过小作用力ECMD工艺、使用给晶片表面加均匀的小作用力的新的工件-表面-作用装置(WSID)结构，在晶片表面上形成平面导电层。用小作用力电化学机械腐蚀(ECME)工艺也可以形成另外的结构。在以下的描述中，由于ECMD和ECME两种工艺都包括电化学工艺和机械动作，因此，ECMD和ECME两种工艺都叫做电化学机械工艺(ECMPR)。
图1A显示出能按本发明使用的常规的电化学机械处理系统。ECMPR系统10包括常规的WSID12，该WSID12具有位于紧靠工件或晶片16的开口15。多孔的并支撑WSID12的支撑板13包括开口或穿孔14。本例中，表示ECMD，晶片16是要镀例如铜或铜合金的导电材料的硅晶片。晶片托架18夹紧晶片16，使晶片16的正面20对着WSID12的顶表面22。开口15设计成能保证从电解溶液24中在晶片16的正面20上均匀地淀积铜。如果用电腐蚀或ECME，那么，用淀积溶液、电解溶液、腐蚀溶液、或电解液中的任何一种溶液，能对晶片正面20进行均匀的电腐蚀。面向晶片16的正面20的WSID12的顶表面22用作扫除器，WSID12本身确定溶液和电场流到晶片16的正面20进行整体和均匀的淀积和腐蚀。
ECMPR系统10还包括浸在溶液24中的电极26。溶液24通过WSID12的开口15与电极26和晶片16的正面20流体连通。电极26是用于Cu淀积的典型的Cu材料。电极26也可以是例如镀钛(Ti)的铂(Pt)构成的惰性电极。示例性的铜电解溶液可以是添加了工业上通用的促进剂、抑制剂、匀平剂、氯化物等的硫酸铜溶液。
操作过程中，WSID12的顶表面22至少在一部分工艺过程中扫过晶片16的正面20。注意，在ECMPR的整个工艺时间内WSID12不接触。淀积例如铜的平面膜时，晶片16的正面20要比将变成阳极的电极26更阴极性(即，更负)。进行电腐蚀时，晶片表面要比电极26更阳极性。
WSID12包括顶层28，中间层30，底层32。顶层28可以周例如3M公司供应的固定的-研磨剂-膜的研磨材料，或者用CMP用途中用的任何其它所谓的研磨垫材料，例如，Rodel供应的聚合IC-1000材料。顶层28的典型厚度范围是0.1-2.0mm。然后，中间层30是安装顶层28的安装层。中间层30通常是用硬塑料材料构成的，例如，厚度范围是1.0-3.0mm的聚碳酸酯。最后，底层32用作压缩层以完成结构。底层32通常用聚合泡沫材料构成，例如，聚氨酯或聚丙烯，具有要求10-20psi的压力的典型压缩强度，泡沫的压扁厚度是它的原始厚度2.0-5.0mm的25％。指定给本发明的相同受让人的2001年9月20日提交的美国申请No.09/960236发明名称“Mask Plate Design(掩模板设计)”公开了各种WSID的实施例。
如前面背景技术部分所描述的，例如薄铜层的薄导电层的平面淀积对低介电常数介质材料的应用具有吸引力，但是，包括低介电常数介质材料的衬底不能承受大的应力。通过减小对着WSID12的晶片表面20的压力，常规的WSID12可以用于用低介电常数介质材料处理晶片。因此，可以减小压力但不损坏低介电常数介质材料。然而，在ECMPR系统10的总压力的减小时，不排除在晶片16上可能存在局部的高压力点。由于存在是比较硬的泡沫的底层32，所以，WSID12整体上是一个软结构，由于存在中间层30，所以，它不需要局部柔软。在顶层比较厚(厚度大于0.5mm)的情况下，WSID结构的总硬度增大。图1A所示的WSID12使WSID12的表面与晶片16的正面20之间具有总的均匀的接触。但是，局部的状态会有差别。如果WSID12和晶片16的正面20的平整度不是非常平整，或者，两个平面不是完全平行，那么在处理中晶片16表面的某些部分所承受的压力会关于其他部分所承受的压力，特别是当晶片16表面首先与WSID12的表面接触时更是如此。如果不是绝对平行，当晶片表面降低到扫除器表面上时，晶片表面的一部分最初接触扫除器表面。由于所加的力是恒定的和扫除器的硬的，那么，晶片表面的这一部分会受到比较大的压力。
图1B显示出与常规扫除器结构接触的晶片的截面图。图1B中，晶片16的典型截面与扫除器结构16A接触。如图示的，晶片16可以具有不平的顶表面20。顶表面20可以包括场区，这里场区可以包含凹槽或空腔。顶表面可以有也可以没有已经淀积的导电层。可以有多种因素引起这种不平的表面，这些因素包括：用晶片托架固定晶片时加到晶片上的弯曲应力或其他应力，扫除器结构16A与晶片16之间平行缺陷，或者，场区的不平整的几何形状。
用常规的扫除器结构16A处理晶片16时，晶片表面20的某些部分与扫除器表面之间的接触区域不均匀，因此，压力也不均匀。特别是在截面16B中，在晶片表面20与扫除器表面16C之间存在间隙，在该截面上不存在加到晶片表面上的压力。结果，有高压点的整个晶片表面在与扫除器表面接触的晶片表面的部分扫除效果不一致。此外，产生了缺陷。特别是在晶片表面有机械强度差的膜层时，例如，有低介电常数介质材料时，加到在晶片表面上的局部的高压力也会引起应力和剥离的面积。
图1C显示出按本发明的与扫除器接触的晶片的截面图。按本发明的扫除器结构16AA是比较软的，而且，比常规的扫除器更软。用扫除器结构16AA能与晶片表面形成更均匀完全的接触。换句话说，扫除效果更均匀，压力分布均匀。因此，采用典型的1.0psi以下的小作用力时，最好是用0.5psi以下的小作用力时，在扫除器结构16AA与晶片16之间会产生完全接触，而不必考虑晶片是否存在由于晶片用晶片托架固定所产生的弯曲应力或其他应力所造成的晶片16不平、扫除器与晶片之间的平行缺陷、或场区的不平整的几何形状等因素。
图2A显示出常规晶片表面的更详细的截面。晶片衬底300包括晶片103上形成的构图层302，最好是绝缘层(见图3A)。构图层302可以包括绝缘体，例如，低介电常数介质材料，构图层302用公知的构图和腐蚀方法按照金属互连的设计规则形成。构图层302包括空腔或间隙，即由场区310相互隔开的第一空腔306和第二空腔308。这些空腔形成使得第一空腔306是通路，第二空腔308是具有第二通路309的凹槽。通路306由底壁312a和侧壁314a界定。凹槽308由底壁312b和带第二通路309的侧壁314b界定，第二通路309由底壁312c和侧壁314c界定。
具有例如Ta、TaN、Ti、TiN或WN材料的一层或多层薄层阻挡层或粘接层317覆盖空腔以及衬底300的顶表面。铜薄膜318作为籽层覆盖在阻挡层317上用于随后的电镀铜层。铜籽层318作为随后的淀积层生长的晶核。
图2B显示出其上有淀积的平面铜层的图2A所示的晶片表面。平面铜层320可以淀积到空腔306、308、309中和场区310上。采用以下将详细描述的本发明进行淀积工艺。
图3A显示出按本发明的工件-表面-作用装置(WSID)。WSID100设置在紧靠工件或被晶片托架105固定的晶片103的位置。晶片托架105相对Z-轴旋转和按X方向和Y方向横向移动晶片103。本实施例中，晶片托架105稳定，在处理过程中不水平移动。操作过程中，晶片103的正面104通常垂直于Z-轴。而且，图2A显示出晶片103的正面104的详细状态。本发明的WSID100和晶片托架105可以在常规的ECMPR系统10使用。
图3B是按本发明的工件-表面-作用装置(WSID)的透视图。WSID100包括：顶层100a，中间层100b和底层100c。本实施例中，顶层100a可以是附着到中间层100b的软薄膜。顶层100a可以是单层，也可以是组合层，即一层以上的多层结构。例如，如果顶层100a包括一层以上的多层，那么，这些多层膜的尺寸可以不同。但是，这种组合膜层的总厚度应小于0.5mm，最好小于0.2mm。例如，图3D显示出WSID的组合层结构170。组合层170结构包括上层172和下层174。本例中，要求上层172是研磨层。
图3C显示出按本发明的操作中的工件-表面-作用装置(WSID)现在参见图3A-3C，可压缩的软的中间层100b附着在底层100c的顶部。底层100c是支撑层，其硬度足够支撑中间层100b和顶层100a。底层100c是多孔板而且包括开口107，允许电解溶液和电场任意流向衬底表面。一些实施例中，底层100c可以是电极。在操作中，电解溶液108包含要淀积的金属离子和添加剂以形成优质膜，与电极与晶片表面104接触。
顶层100a是柔性层，其厚度小于或等于0.5mm，优选小于或等于0.2mm。顶层100a具有比较平的表面，例如，顶层100a是包含尺寸为0.05-0.5μm的研磨颗粒的研磨膜(例如，由Buehler或3M公司供应的研磨膜)，或者是3M公司供应的固定研磨垫中采用的那些平顶小直径柱或锥形柱。顶层100a的表面最好是研磨表面，以有效地扫除晶片表面。顶层100a的柔软度是关键。换句话说，顶层100a要足够软，当晶片表面不是绝对平坦时要与晶片表面完全一致，如图1C所示。
顶层100a还包括具有任意形状或尺寸的开口或沟道116用于在晶片103上均匀淀积铜。开口116具有任意形状，只要能允许流体经WSID100在晶片103与电极(没有显示)之间流动即可。尽管图3A和3B中显示的WSID100是矩形，但是，它也可以具有许多其他的几何形状，例如由本发明的受让人共同拥有的2001年9月20日提交的U.S.申请No.09/961193，发明名称“Plating Method and Apparatus forContrlling Deposition on Predetermined Portion of a Workpiece(工件预定部分上的淀积的控制方法和设备)”中公开的小面积扫除器。
中间层100b用泡沫类或凝胶类材料构成，使中间层100b在加压力时容易压缩，在所加的压力除去时又能恢复到原来的形状。这些材料的例子例如有：聚氨酯，聚丙烯，聚乙烯，橡胶，乙基乙烯乙酸酯，聚氯乙烯，聚乙烯醇，甲基乙烯丙烯二烯(ethlene propylene dienemethyl)，及其组合物。中间层100b可以包括许多互连开口多孔网，允许电解液经它们按箭头108指示的方向渗透。在本例中，中间层100b包括开口多孔结构。中间层100b的压缩强度应是在1-10psi的测试力下中间层100b能压缩大约25％，所述的测试力应高于本发明处理过程中用的小作用力。
在操作过程中，中间层100b要压缩的量小于2mm，而优选似的小于1mm，因此，晶片托架按X方向或Y方向移动时晶片的边缘不会损坏顶层100a。因此，要正确地选择中间层100b的厚度。例如，要在操作过程中压缩1mm，如果选择压缩强度为1psi(压缩25％)的泡沫材料，如果要求压缩强度是1psi，那么中间层100b的厚度应是4mm。但是，由于在低作用力ECMD工艺中通常要求小作用力，所以，泡沫材料通常的厚度比较大(本例中泡沫材料的厚度可以是10-20mm)，或者，选择的典型的泡沫材料具有比小的压缩强度。中间层100b加到晶片表面上的力的大小与中间层100b压缩量(图3C中“d”)之间的关系基本上是线性的，随给定的泡沫材料的压缩量作用力线性增加，但也可以不是线性关系。
如上所述，典型的ECMPR系统10可以进行平面或非平面电镀，以及平面或非平面电腐蚀。按该技术方案，如果要求非平面处理，晶片表面可以进到WSID100的顶层100a附近但最好不与顶层100a接触，从而进行非平面金属淀积。
而且，如果要求平面处理，在顶层100a和晶片表面104相对移动时，晶片表面104与顶层100a接触。溶液按箭头108指示的方向流过中间层100b的开口多孔和沟道116流过顶层100a，晶片103移动，例如，旋转和/或横向移动，而晶片表面104与顶层100a接触。在晶片103与电极之间施加电位和并存在流过WSID100的电解溶液的情况下，根据晶片表面与电极之间所加的电压极性在晶片表面104上电镀或腐蚀例如铜的金属。当顶层100a与晶片103接触时，顶层100a与晶片表面104一致，提供均匀一致的1接触和压力。
如上所述，低介电常数介质材料机械性能不稳定，在处理过程中不能承受例如1psi以上的高压力。由于WSID100具有可压缩性，所以，在铜层的平面淀积过程中可以按均匀方式在这种低介电常数介质材料构成的层间层上加小作用力。如图3C所示，当晶片103与顶层100a接触时，通过向底层100c压中间层100b可以控制加到晶片103上的力。如上面指示的，当加到晶片表面上的力增大“d”时，由于顶层100a具有柔软性和支撑顶层100a的中间层100b具有可压缩性，所以，WSID100可以整体是软的或局部是软的。这种结构允许晶片正面与柔软的顶层100a之间局部地和整体地均匀一致和低压力接触。同时在WSID100与晶片103之间出现完全接触状态和局部接触状态。
再参见图3C，随着晶片托架105向WSID100降低，晶片托架105向下移动首先对WSID100施压。晶片托架105使顶层100a弯曲和并对中间层100b施压。在这一点，在顶层100a之间立即建立均匀一致的整体接触。然后，当中间层100b企图恢复到它原有的形状时，中间层100b经顶层100a给晶片103加反作用力。由于位于这两个相反的作用力之间，在该处理过程中顶层100a与晶片103一致或局部接触。
为了进行说明，上述的处理需要两个阶段。应了解，可以按与晶片托架105推向WSID100的相同方式在晶片表面104与顶层100a之间建立局部接触。而且，按低压力技术方案，当晶片103与WSID100接触时，晶片103所施加的力引起WSID100的压缩量为“d”。由于晶片托架105在移动时稳定，即，它在WSID100上旋转和横向移动时，压缩量“d”不变。如果“d”小，通过WSID100施加到晶片表面上的力也小。随着“d”的增大，通过WSID100施加到晶片表面上的力也越来越大。选择中间层100b的强度和晶片向顶层100a推动的距离“d”，压力范围在0.01-1psi或更大的压力按均匀方式加到晶片表面。如上所述，“d”的优选量是小于1mm，如果“d”值太大且图3C中的晶片横向输送，那么，晶片的边缘会向柔性层100a的表面的相反方向移动，最后造成损坏。因此，最好选择可压缩层100b的压缩值，使加到晶片表面上的压力或力造成的压缩距离小于2mm。
本例中用的晶片托架105在处理过程中是稳定的不会转向(gimbal)。用例如1999年12月27日提交的美国专利申请No.09/472522，发明秒名称“Workpiece Carrier Head for Plating orPolishing(用于电镀或抛光的工件托架头)”中公开的万向夹头结构，将晶片安装在万向夹头上并给固定晶片的夹头面加预定的压力，实施本发明。然后，晶片向WSID100下降和推向顶层100a直到转向动作变成可操作时为止。这种情况下，通过施加晶片托架105加到万向夹头上的压力确定晶片表面上的力。WSID100的软的可压缩的特性允许施加0.01-1psi范围的小作用力不会损坏晶片表面与顶层100a之间的均匀一致的接触。
图3E显示出按本发明的晶片托架的另一例。晶片托架605与晶片托架105一样，只是晶片托架605包括一个线圈装置610。线圈装置610保证加到晶片上的压力是恒定的所要求的小作用力。例如，当WSID600更硬时，带线圈装置610的晶片托架605使要加到晶片上的压力是恒定的要求的小作用力。而且，如上述的，使用晶片托架605，WSID600与晶片表面一致。例如，如果WSID600(即研磨垫)的额定压力是1-2psi，那么，可以用额定压力小于0.5psi的线圈装置610，使得传送到夹头605上的压力也是小于0.5psi的小作用力。线圈装置610允许夹头605主要按垂直方向(Z-方向)移动。
图4显示出按本发明的工件-表面-作用装置(WSID)的另一例。WSID可以按不同的形式和形状构成。例如，WSID150包括第一可压缩层152和第二可压缩层154。可压缩层152和154可以用具有开口多孔结构的海棉状材料构成。本实施例中，具有开口155a的硬支撑层155夹在第一可压缩层152与第二可压缩层154之间。开口155a允许电解溶液从第二可压缩层154流到第一可压缩层152。支撑层155支撑WSID150，当对晶片施压时允许它均匀地压扁。与前面的实施例一样，WSID150包括附着到第一可压缩层152的柔性顶层156。在电镀过程中柔性顶层156扫过晶片表面。柔性顶层156中的开口158允许电解溶液从第一可压缩层152流向晶片。注意，这里可以用两层或多层可压缩层，和一层或多层支撑层。随着结构变得越来越厚，它变得越来越软。换句话说，当晶片向WSID150推固定距离“d”时，给定类型的多层可压缩层构成的比较厚的叠层产生在晶片表面上的较低作用力。
图5A和5B显示出按本发明的工件-表面-作用装置(WSID)的另一例。WSID201包括可压缩层200，可压缩层200具有从顶表面203延伸到可压缩层200的底表面204的沟道202。尽管在本实施例中可压缩层200最好用闭口的多孔海棉材料构成，使电解溶液通过沟道202流动，但是，可压缩层200也可以用开口的多孔海棉材料构成。柔性层206附着到可压缩层200的顶表面203，而支撑层208附着到底表面204。沟道202连续通过柔性层206和支撑板208。柔性层206包括软固定研磨层。柔性层206的柔软性和可压缩层200的压缩性两者的柔软特性组合，允许晶片与WSID201之间建立均匀一致的整体的和局部的接触。
操作过程中，如图5B所示，夹头使晶片103向着WSID201降低。晶片103所加的压力使WSID 201减小“d”的距离。与上面所述的实施例一样，当“d”增加时，或者，WSID201继续压下，在晶片表面上的压力增大。沟道202设计成能保证在晶片表面上进行均匀的淀积或腐蚀。而且，与上面所述的实施例一样，柔性层206可以是两层或多层膜构成的组合层。
WSID201可以按不同的形式和形状构成。例如，图6显示出按本发明的工件-表面-作用装置(WSID)的另一例。WSID220包括第一可压缩层222和第二可压缩层224。第一可压缩层222和第二可压缩层224用具有闭合孔结构的海棉状材料构成。本实施例中，在第一和第二可压缩层222、224之间插入硬支撑层226。最好是软研磨层的柔性层228附着到第一可压缩层222。贯通膜层226、224、222和228形成的沟道230允许电解溶液流过WSID 220。支撑层226支撑WSID220并在晶片对WSID220加压少时允许WSID220均匀地压扁。该结构中可以用多层可压缩材料和支撑材料。
图7A和7B显示出按本发明的工件-表面-作用装置(WSID)的另一例。WSID300设置在用晶片托架105固定的工件或晶片103的附近，具有与上述的特征相同的特征。WSID300包括：具有顶膜308和底膜310的顶层306，中间层312，和底层314。本实施例中，顶膜308和底膜310用薄的软材料层构成。具有上表面315的顶膜附着到底膜310的顶表面317，底膜310又附着到中间层312的顶部。中间层312放在底膜314上。
顶层306的顶膜308最好是有效扫除晶片表面具有研磨表面的软研磨膜(具有研磨表面)。因此，顶膜308用作用于ECMPR的扫除器。顶膜308的厚度范围可以是0.05-5mm，优选的厚度范围是0.1-1mm，也可以是具有较平整表面的膜层，例如，是含颗粒尺寸为0.05-0.5的研磨颗粒(可以从Buehler或3M公司购买到)或具有平顶的小直径的圆柱或锥形柱研磨颗粒的研磨膜，例如由3M公司供应的固定研磨垫中用的研磨颗粒材料。底层310可以是用聚酯薄膜或聚碳酸酯材料构成的薄膜。根据所要求的柔软性底膜310的厚度范围可以是0.01-2mm。顶膜308的柔软性和附着的底膜310的柔软性对于本发明的实践非常重要。一个实施例中，顶层106要足够软，甚至在表面不是绝对平时顶层106也能与晶片表面完全一致。
中间层312是具有开口或从底层314延伸到顶层306的沟道321。沟道允许处理液流过WSID300和浸湿晶片表面。本实施例中，沟道321形成为可压缩层312的多个截面部分319之间的凹槽。或者，可压缩层312的具有开口结构，允许流体在顶层306与底层314之间流动。底层314是支撑层，它有足够的硬度，以支撑可压缩层312和整个组件。
底膜310包括多个开口或沟道320。本实施例中，沟道320形成为在底膜310的多个条322之间的平行狭缝。底膜310的沟道图形最好与可压缩层314的沟道图形相同。顶膜308包括形成为顶膜308的多个条326之间的狭缝的沟道324。顶膜308的沟道或狭缝324可以大于底膜310的沟道或狭缝320。顶膜308的多个条326按交叉形式或网状形式附着在底膜310的多个条322上。
用交叉结构使顶层306使在与晶片103接触时更硬和更稳定，而不需要用本文所述的小作用力方法。换句话说，顶膜308基本上插入底膜310的沟道320中时，这就可以提供更硬的顶层306。另外，如果顶膜308没有插入底膜310的沟道320，那么在与晶片103接触时这些组成顶层306的膜变形。
交叉结构的另一优点是，交叉结构有助于溶液在晶片表面均匀分布。溶液流过可压缩层312和填充底膜310中的沟道320，然后填充顶膜308中的沟道324。立即而连续地保持在这些沟道中的处理液为晶片提供有效和均匀分布的溶液源。交叉和垂直叠置的沟道网允许处理液流动而不会停滞在WSID300的表面上。
图7C显示出按本发明的工件-表面-作用装置的顶层结构的一个例子。顶层500包括顶膜502(如图7D中显示的)和底膜504(如图7E中显示的)。图7D和7E分别显示出图7C中的顶层结构的顶膜和底膜。尤其，顶膜502包括斜条506和直条508。直条508位于顶膜502的两个不相邻的角510A与510B之间。通过角510A与510B中使用直条，该设计防止当晶片托架105横向移动时可以正切晶片托架105的边缘的任何条侧向啮合到晶片托架105的前缘。底膜504也包括保持两层的交叉结构的直条和斜条。图7E也是可压缩层的顶视图。
图8A-8C显示出用常规的工件-表面-作用装置在衬底上形成的不均匀层的一个例子。图8A显示出具有在绝缘层404中形成的特征402的衬底400。衬底400具有包括升高区408和凹槽区410的不平整的表面406。这种不平整性是由包括在铜淀积处理步骤前进行的不理想的处理条件的各种因素造成的。表面具有在不平整性中出现的多种缺陷。而且，这些小的缺陷或轻微的不平整性会在随后的多个处理步骤中加重，这就会影响多层膜的淀积，造成明显的不平整性。而表面406可以代表已经接受互连结构的至少一层的表面。与晶片托架相关的问题，例如，有缺陷的夹具面、O-形环，真空系统的问题或机械问题等中也会引起不平整性。例如，其上放置衬底的夹具面可能有缺陷，或者，衬底放置在会引起不平整性的有缺陷的O-形环上。
下面，图8B显示出在ECMD铜淀积过程中与不平整表面406接触的常规的工件-表面-作用装置412。如图8B所示，尽管升高区域接触常规的工件-表面-作用装置412，但是凹槽区域不接触常规的工件-表面-作用装置412，这就在凹槽区域410与装置412之间留下了间隙。如图7C所示，进行处理时，间隙414使铜膜416的厚度不均匀。
图8D和8E显示出使用按本发明的工件-表面-作用装置在衬底上形成的均匀层的一个例子。如图8D所示，按本发明的WSID418在处理过程中与凹槽区域410以及升高区域408一致，因此与表面406完全接触。图8E中，在这些条件下，铜淀积在衬底表面上形成均匀铜层420。
本发明的WSID也能用于腐蚀工件的导电表面，例如不给导电的工件表面加电压腐蚀半导体晶片，即，进行化学腐蚀。在这种腐蚀工艺中，WSID将均匀的小作用力加到工件表面，改善了例如均匀去除材料的处理结果。可以用腐蚀溶液进行腐蚀工艺。典型的腐蚀溶液可以是含例如过氧化氢的氧化剂和例如硫酸的酸性腐蚀剂。腐蚀过程中，腐蚀剂流过WSID的开口和接触要腐蚀的导电表面，并在工件表面与WSID的顶层之间建立物理接触和相对移动。结果，不加任何电位按均匀方式从工件表面去除材料。而且，接触工件的WSID的顶表面在小作用力下从晶片表面去除缺陷并有利于去除均匀性。
尽管以上已经详细描述了各个优选实施例，但是，本领域的技术人员应了解，在不脱离本发明的新教授和优点的前提下，本发明的典型实施例还有很多改进。

Claims (20)

1.一种用于在采用电化学机械工艺处理工件表面时均匀地分布所施加的小作用力的系统，所述电化学机械工艺采用施加到所述工件表面上的处理液以及电极和所述工件表面之间的电位差，该系统包括：
工件托架，用于在电化学机械处理中固定工件在适当位置；和
工件-表面-作用装置，用于将所施加的小作用力均匀地分布到所述工件的导电顶表面，所述工件-表面-作用装置包含可压缩材料，在所述工件-表面-作用装置的顶表面与所述工件的导电顶表面之间接触和相对移动时，该可压缩材料用于使所述工件-表面-作用装置的顶表面与所述工件的导电顶表面一致，其特征在是，所述工件-表面-作用装置包括：
作为顶表面的用研磨材料构成的柔性顶层；
用聚合泡沫材料构成的硬底层；和
包含泡沫材料或凝胶材料的可压缩的中间层，设置在所述柔性顶层和所述硬底层之间，
其中，所述硬底层包括电极。
2.按照权利要求1的系统，其特征是，所述可压缩的中间层可压缩小于2mm。
3.按照权利要求1的系统，其特征是，所述工件-表面-作用装置包括：
包含泡沫材料或凝胶材料的至少两层可压缩层；
在至少两层可压缩层之间设置的至少一层硬支撑层；和
附着到一层可压缩层的用研磨材料构成的柔性层，其中，该柔性层与所述工件表面接触。
4.按照权利要求1的系统，其特征是，所述工件-表面-作用装置的顶表面具有小于所述工件的导电顶表面的表面区域的表面区域，所述系统还包括在所述工件-表面-作用装置与所述工件之间建立相对移动的机构，使所述工件-表面-作用装置在所述工件的整个表面上扫过。
5.一种工件-表面-作用装置，用于将所施加的作用力均匀地分布到工件的导电顶表面上，该装置包括：
用研磨材料构成的柔性层，当所述工件的导电顶表面与所述柔性层之间接触和相对移动时，用于使所述柔性层与所述工件的导电顶表面一致；
包含泡沫材料或凝胶材料的可压缩层，用于吸收所施加的作用力，并帮助向柔性层所接触的所述工件的整个导电顶表面施加的作用力提供均匀性；和
用聚合泡沫材料构成的硬层，用于支撑所述柔性层和所述可压缩层，其中，所述柔性层、所述可压缩层和所述硬层中的每一层都提供将所施加的作用力均匀地分布到所述工件的导电顶表面上的结构，
其特征是，所述柔性层包括含有上层和下层的组合层，所述的上层和下层均包括按交叉结构排列的多个沟道。
6.按照权利要求5的工件-表面-作用装置，其特征是，所述可压缩层中的多个开口形成第一组多个沟道。
7.按照权利要求6的工件-表面-作用装置，其特征是，所述第一组多个沟道中至少有一些沟道相互平行。
8.按照权利要求7的工件-表面-作用装置，其特征是，所述柔性层还包括第二组多个沟道，其中，所述第一组多个沟道中的至少一些沟道与所述第二组多个沟道中的至少一些沟道按交叉结构交叉。
9.按照权利要求8的工件-表面-作用装置，其特征是，
所述柔性层包括顶膜和底膜；
所述第二组多个沟道形成在所述顶膜中；和
所述第一组多个沟道形成在所述底膜中。
10.按照权利要求9的工件-表面-作用装置，其特征是，所述底膜中的所述第二组多个沟道和所述可压缩层中的所述第二组多个沟道对准。
11.按照权利要求5的工件-表面-作用装置，其特征是，所述硬层包括电极。
12.按照权利要求5的工件-表面-作用装置，其特征是，所述可压缩层包括多个可压缩层。
13.按照权利要求12的工件-表面-作用装置，其特征是，所述柔性层包括多个柔软膜。
14.按照权利要求13的工件-表面-作用装置，其特征是，所述硬层包括多个硬层。
15.按照权利要求12的工件-表面-作用装置，其特征是，所述硬层包括多个硬层。
16.按照权利要求5的工件-表面-作用装置，其特征是，所述可压缩层在加1-10磅每平方英寸的测试作用力时可压缩25％。
17.按照权利要求5的工件-表面-作用装置，其特征是，所述可压缩层能压缩小于2mm。
18.按照权利要求9的工件-表面-作用装置，其特征是，所述顶膜和所述底膜按交叉结构相互附着。
19.一种在处理工件导电顶表面的过程中用工件托架和工件-表面-作用装置将所施加的小作用力均匀地分布到工件上的方法，所述工件具有导电顶表面，该方法包括以下步骤：
将所述工件支撑在所述工件托架上，使得所述工件的导电顶表面能够被处理；
在处理过程中，使所述工件托架和所述工件-表面-作用装置彼此相对移动，使得所述工件的导电顶表面和所述工件-表面-作用装置的顶表面接触；和
在使所述工件托架和所述工件-表面-作用装置彼此相对移动、使得所述工件的导电顶表面和所述工件-表面-作用装置的顶表面接触的步骤中，使用所述工件-表面-作用装置向所述工件的导电顶表面施加小作用力，使所述工件-表面-作用装置的顶表面与所述工件的导电顶表面一致，
其中，使用所施加的小作用力压缩所述工件-表面-作用装置小于2mm。
20.按权利要求19的方法，其特征是，在所述导电顶表面与电极之间施加电位差。
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