CN104625941B - 晶圆加工装置 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种晶圆加工装置，包括：壁向外凸伸形成台阶部的腔体。竖直夹持晶圆的晶圆夹盘。具有旋转端与末端的第一旋转摆臂，旋转端设置在腔体的台阶部上，第一旋转摆臂绕旋转端在竖直平面内转动。设置在第一旋转摆臂的末端的第一喷嘴，第一喷嘴向晶圆的待加工面喷射电解液。具有旋转端与末端的第二旋转摆，旋转端设置在腔体的台阶部上，第二旋转摆臂绕旋转端在竖直平面内转动。设置在第二旋转摆臂的末端的第二喷嘴，第二喷嘴向晶圆的待加工面的边缘部喷射电解液。电源分别与第一喷嘴及第二喷嘴电连接以使电解液带电荷。驱动器与晶圆夹盘连接，驱动器驱动晶圆夹盘沿晶圆夹盘的中心轴上升或下降或绕晶圆夹盘的中心轴旋转。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件制造领域，尤其涉及一种晶圆加工装置。
背景技术
半导体器件是利用许多不同的处理步骤制造或加工在半导体晶圆上，由此而形成一些晶体管和互连元件。为了将与该半导体晶圆相关的晶体管接线端在电路上相互连接起来，需要在作为半导体器件组成部分的介电材料中制出导电的沟道、通路或类似结构。沟道和通路在晶体管、半导体器件的内部电路以及半导体器件的外部电路之间传输电信号和电能。
在制出互连元件的过程中，半导体晶圆要经受例如，掩模、蚀刻以及淀积处理，由此来形成半导体器件所需的电子电路。尤其是，可执行多次掩模和蚀刻步骤来在半导体晶圆上的介电层中制出由凹陷区域组成的布图，这些凹陷区域作为形成电路互连线的沟道和通路。然后，可执行一淀积过程来在半导体晶圆上沉积一金属层，由此在沟道和通路内都淀积了金属，而且在半导体晶圆的非凹陷区域上也淀积了金属层。为了隔离开各条互连线，要将淀积在半导体晶圆非凹陷区域上的金属层去除。
将淀积在半导体晶圆介电层上非凹陷区域上的金属层去除的常用方法为化学机械抛光（CMP），CMP方法广泛应用于半导体工业中，CMP方法能够抛光和磨平沟道和通路内的金属层以及介电层上非凹陷区域上的金属层。然而，CMP过程中会向半导体晶圆施加较大的机械作用力，该机械作用力会对半导体结构产生不利影响，例如，当铜和低K或超低K介电质材料应用于半导体结构中时，较大的机械作用力可能会使半导体结构产生分层、碟凹、翘曲和刮擦等缺陷。
因而，人们希望开发出新的装置和工艺来对金属层执行淀积和抛光处理。例如，可利用电镀或电化学抛光工艺将金属层淀积到半导体晶圆上或从半导体晶圆上去除，特别是，在电化学抛光过程中，由于只有电解液与金属层接触，因此，电化学抛光能够无机械应力的去除金属层，从而避免由于机械作用力可能产生的技术缺陷。常见的用于电化学抛光和/或电镀的晶圆加工装置主要包括以下构件：夹持晶圆的晶圆夹盘、驱动晶圆夹盘水平移动、竖直移动和旋转的驱动器、布置在晶圆夹盘下方以向晶圆上的金属层喷射电解液的喷嘴、电连接晶圆和喷嘴的电源，其中，电化学抛光时，电源的阳极与晶圆电连接，电源的阴极与喷嘴电连接；电镀时，电源的阳极与喷嘴电连接，电源的阴极与晶圆电连接。这种常见的晶圆加工装置一般仅在晶圆夹盘下方固定设置一个喷嘴，从而导致晶圆加工效率较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种晶圆加工装置，该装置结构紧凑，且能够提高晶圆加工效率。
为实现上述目的，本发明提出的晶圆加工装置，包括：腔体、晶圆夹盘、第一旋转摆臂、第一喷嘴、第二旋转摆臂、第二喷嘴、电源及驱动器。腔体的壁向外凸伸形成台阶部。晶圆夹盘竖直夹持晶圆。第一旋转摆臂具有旋转端和与旋转端相对的末端，第一旋转摆臂的旋转端设置在腔体的台阶部上，第一旋转摆臂能够绕第一旋转摆臂的旋转端在竖直平面内转动。第一喷嘴设置在第一旋转摆臂的末端，第一喷嘴向晶圆的待加工面喷射电解液。第二旋转摆臂具有旋转端和与旋转端相对的末端，第二旋转摆臂的旋转端设置在腔体的台阶部上，第二旋转摆臂能够绕第二旋转摆臂的旋转端在竖直平面内转动。第二喷嘴设置在第二旋转摆臂的末端，第二喷嘴向晶圆的待加工面的边缘部喷射电解液。电源分别与第一喷嘴及第二喷嘴电连接以使电解液带电荷。驱动器与晶圆夹盘连接，驱动器驱动晶圆夹盘沿晶圆夹盘的中心轴上升或下降或绕晶圆夹盘的中心轴旋转。
在一个实施例中，晶圆加工工艺过程中，第一旋转摆臂绕第一旋转摆臂的旋转端转动，使得第一喷嘴从晶圆的待加工面的中心向晶圆的待加工面的边缘移动，第二旋转摆臂保持不动，第二喷嘴向晶圆的待加工面的边缘部喷射电解液。
在一个实施例中，第一旋转摆臂及第一喷嘴的数量不限于一个。
在一个实施例中，第二旋转摆臂及第二喷嘴的数量不限于一个。
在一个实施例中，电化学抛光时，电源的阳极与第二喷嘴电连接，电源的阴极与第一喷嘴电连接，电镀时，电源的阳极与第一喷嘴电连接，电源的阴极与第二喷嘴电连接。
在一个实施例中，晶圆夹盘为真空夹盘。
在一个实施例中，晶圆夹盘的***设置有防护罩，电解液溅射至防护罩上时，电解液沿防护罩的内壁流落至腔体。
在一个实施例中，该装置还进一步包括支架，支架设置在晶圆夹盘的中心，支架在致动器的驱动下能够升起而位于晶圆夹盘的上方或下降而位于晶圆夹盘的下方。支架为真空支架。
综上所述，本发明晶圆加工装置能够设置数个第一喷嘴和第二喷嘴向晶圆的待加工面喷射电解液，从而提高了晶圆加工效率，且本发明晶圆加工装置结构简单、紧凑。
附图说明
图1揭示了根据本发明晶圆加工装置的第一实施例的剖面结构示意图。
图2揭示了根据本发明晶圆加工装置的第一实施例的仰视图。
图3揭示了根据本发明晶圆加工装置的第一实施例的俯视图。
图4揭示了根据本发明晶圆加工装置的第一实施例的俯视图，其中，晶圆加工装置未进行晶圆加工工艺。
图5揭示了根据本发明晶圆加工装置的第一实施例的又一仰视图，其中，晶圆加工装置具有三个第一旋转摆臂及三个第一喷嘴。
图6揭示了根据本发明晶圆加工装置的第二实施例的剖面结构示意图。
图7揭示了根据本发明晶圆加工装置的第二实施例的俯视图。
图8揭示了根据本发明晶圆加工装置的第二实施例的装载或卸载晶圆时的剖面结构示意图。
图9揭示了根据本发明晶圆加工装置的第二实施例的俯视图，其中，晶圆加工装置未进行晶圆加工工艺。
图10揭示了根据本发明晶圆加工装置的第二实施例的又一俯视图，其中，晶圆加工装置具有三个第一旋转摆臂及三个第一喷嘴。
图11揭示了根据本发明晶圆加工装置的第三实施例的剖面结构示意图。
图12揭示了根据本发明晶圆加工装置的第三实施例的右视图。
图13揭示了根据本发明晶圆加工装置的第三实施例的装载或卸载晶圆时的剖面结构示意图。
图14揭示了根据本发明晶圆加工装置的第三实施例的右视图，其中，晶圆加工装置未进行晶圆加工工艺。
图15揭示了根据本发明晶圆加工装置的第三实施例的又一右视图，其中，晶圆加工装置具有三个第一旋转摆臂及三个第一喷嘴。
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。
参照图1至图5，揭示了根据本发明晶圆加工装置的第一实施例。如图1所示，揭示了根据本发明晶圆加工装置的第一实施例的剖面结构示意图。该晶圆加工装置包括：腔体110、晶圆夹盘120、第一旋转摆臂130、第一喷嘴140、第二旋转摆臂150、第二喷嘴160、电源及驱动器。腔体 110具有底壁、侧壁及顶壁,腔体110的侧壁向外凸伸形成台阶部111,腔体110侧壁的台阶部111大致形成于腔体110侧壁的中部并与腔体110的底壁平行。晶圆夹盘120布设在腔体110底壁的上方，晶圆夹盘120夹持晶圆170，晶圆170的正面向下，优选的，晶圆夹盘120为真空夹盘。第一旋转摆臂130具有旋转端和与旋转端相对的末端，第一旋转摆臂130的旋转端设置在腔体110侧壁的台阶部111上，第一旋转摆臂130能够绕第一旋转摆臂130的旋转端转动。第一喷嘴140设置于第一旋转摆臂130的末端，第一喷嘴140向晶圆夹盘120上的晶圆170的正面喷射电解液。第二旋转摆臂150具有旋转端和与旋转端相对的末端，第二旋转摆臂150的旋转端设置在腔体110侧壁的台阶部111上，第二旋转摆臂150能够绕第二旋转摆臂150的旋转端转动。第二喷嘴160设置于第二旋转摆臂150的末端，第二喷嘴160向晶圆夹盘120上的晶圆170正面的边缘部喷射电解液。电源分别与第一喷嘴140及第二喷嘴160电连接以使电解液带电荷，电化学抛光时，电源的阳极与第二喷嘴160电连接，电源的阴极与第一喷嘴140 电连接；电镀时，电源的阳极与第一喷嘴140电连接，电源的阴极与第二喷嘴160电连接。驱动器与晶圆夹盘120连接，驱动器驱动晶圆夹盘120 沿晶圆夹盘120的中心轴上升或下降或绕中心轴旋转。
参照图2和图3，揭示了根据本发明晶圆加工装置的第一实施例的仰视图和俯视图。使用该晶圆加工装置进行晶圆加工工艺，比如进行电化学抛光和/或电镀时，晶圆夹盘120夹持晶圆170，驱动器驱动晶圆夹盘120 下降至工艺位置，同时，驱动器驱动晶圆夹盘120绕晶圆夹盘120的中心轴旋转。第一旋转摆臂130绕第一旋转摆臂130的旋转端转动，使得第一喷嘴140正对着晶圆170的中心。第二旋转摆臂150绕第二旋转摆臂150 的旋转端转动，使得第二喷嘴160正对着晶圆170的边缘部。接通电源，第一喷嘴140和第二喷嘴160分别向晶圆170的中心和边缘部喷射电解液。为了避免电解液飞溅，较佳地，在晶圆夹盘120的***设置防护罩180，当电解液溅射至防护罩180上时，电解液沿防护罩180的内壁流落至腔体110。在电化学抛光和/或电镀工艺过程中，转动第一旋转摆臂130，使第一喷嘴140从晶圆170的中心向晶圆170的边缘移动，而第二旋转摆臂 150保持不动，如图2所示，图2中的虚线为第一喷嘴140移动的轨迹。通过控制晶圆夹盘120的转速或第一喷嘴140移动的速度等参数，实现电化学抛光和/或电镀的均匀性。
参照图1和图4，腔体110的底壁上设置有承载台190，承载台190 与晶圆夹盘120相对布置。电化学抛光和/或电镀工艺结束后，第一旋转摆臂130和第二旋转摆臂150分别转动至靠近腔体110的侧壁处。驱动器驱动晶圆夹盘120下降至承载台190的上方，晶圆夹盘120将晶圆170卸载在承载台190上，最后，晶圆170从承载台190上取走。为了减小晶圆170的正面与承载台190的接触面积，在承载台190上设置有承载环191，晶圆170由承载环191支撑，因而只有晶圆170的边缘与承载环191接触。
为了提高晶圆加工效率，晶圆加工装置具有不止一个第一旋转摆臂 130及第一喷嘴140。如图5所示，晶圆加工装置设置有三个第一旋转摆臂130及三个第一喷嘴140，相邻两第一旋转摆臂130之间的夹角为120 °，在电化学抛光和/或电镀工艺过程中，该三个第一旋转摆臂130转动的方向一致，避免该三个第一旋转摆臂130相互干涉。晶圆加工装置还可以具有不止一个第二旋转摆臂150和第二喷嘴160，第二旋转摆臂150设置于相邻两第一旋转摆臂130的中间。
参照图6至图10，揭示了根据本发明晶圆加工装置的第二实施例。如图6所示，该晶圆加工装置包括：腔体210、晶圆夹盘220、第一旋转摆臂230、第一喷嘴240、第二旋转摆臂250、第二喷嘴260、电源及驱动器。腔体210具有底壁、侧壁及顶壁,腔体210的侧壁向外凸伸形成台阶部211，腔体210侧壁的台阶部211大致形成于腔体210侧壁的中部并与腔体210 的底壁平行。与第一实施例相比，本实施例中的晶圆夹盘220倒置于腔体 210的底壁上，晶圆夹盘220水平夹持晶圆270，晶圆270的正面向上。第一旋转摆臂230具有旋转端和与旋转端相对的末端，第一旋转摆臂230 的旋转端设置在腔体210侧壁的台阶部211上，第一旋转摆臂230能够绕第一旋转摆臂230的旋转端转动。第一喷嘴240设置于第一旋转摆臂230 的末端，第一喷嘴240向晶圆夹盘220上的晶圆270的正面喷射电解液。第二旋转摆臂250具有旋转端和与旋转端相对的末端，第二旋转摆臂250 的旋转端设置在腔体210侧壁的台阶部211上，第二旋转摆臂250能够绕第二旋转摆臂250的旋转端转动。第二喷嘴260设置于第二旋转摆臂250 的末端，第二喷嘴260向晶圆夹盘220上的晶圆270正面的边缘部喷射电解液。电源分别与第一喷嘴240及第二喷嘴260电连接以使电解液带电荷，电化学抛光时，电源的阳极与第二喷嘴260电连接，电源的阴极与第一喷嘴240电连接；电镀时，电源的阳极与第一喷嘴240电连接，电源的阴极与第二喷嘴260电连接。驱动器与晶圆夹盘220连接，驱动器驱动晶圆夹盘220沿晶圆夹盘220的中心轴上升或下降或绕中心轴旋转。
参照图7，使用该晶圆加工装置进行电化学抛光和/或电镀工艺时，晶圆夹盘220夹持晶圆270，驱动器驱动晶圆夹盘220上升至工艺位置，同时，驱动器驱动晶圆夹盘220绕晶圆夹盘220的中心轴旋转。第一旋转摆臂230绕第一旋转摆臂230的旋转端转动，使得第一喷嘴240正对着晶圆 270的中心。第二旋转摆臂250绕第二旋转摆臂250的旋转端转动，使得第二喷嘴260正对着晶圆270的边缘部。接通电源，第一喷嘴240和第二喷嘴260分别向晶圆270的中心和边缘部喷射电解液。由于晶圆夹盘220 设置在腔体210的底壁上，因此，位于台阶部211与腔体210底壁之间的腔体210侧壁可以防止电解液飞溅，从而在本实施例中，省略了防护罩。在电化学抛光和/或电镀工艺过程中，转动第一旋转摆臂230，使第一喷嘴 240从晶圆270的中心向晶圆270的边缘移动，而第二旋转摆臂250保持不动。通过控制晶圆夹盘220的转速或第一喷嘴240移动的速度等参数，实现电化学抛光和/或电镀的均匀性。
为了便于装载或卸载晶圆270，在本实施例中，晶圆加工装置还进一步包括支架290，支架290设置在晶圆夹盘220的中心，支架290在致动器的驱动下能够升起而位于晶圆夹盘220的上方或下降而位于晶圆夹盘 220的下方，较佳地，该支架290为真空支架。如图8和图9所示，电化学抛光和/或电镀工艺结束后，第一旋转摆臂230和第二旋转摆臂250分别转动至靠近腔体210的侧壁处。驱动器驱动晶圆夹盘220下降而使支架290 位于晶圆夹盘220的上方，支架290将晶圆270夹持托起，最后，晶圆 270从支架290上取走；或者，致动器驱动支架290升起而使支架290位于晶圆夹盘220的上方，支架290将晶圆270夹持托起，最后，晶圆270 从支架290上取走。
为了提高晶圆加工效率，晶圆加工装置具有不止一个第一旋转摆臂 230及第一喷嘴240。如图10所示，晶圆加工装置设置有三个第一旋转摆臂230及三个第一喷嘴240，相邻两第一旋转摆臂230之间的夹角为120 °，电化学抛光和/或电镀工艺过程中，该三个第一旋转摆臂230转动的方向一致，避免该三个第一旋转摆臂230相互干涉。晶圆加工装置还可以具有不止一个第二旋转摆臂250和第二喷嘴260，第二旋转摆臂250设置于相邻两第一旋转摆臂230的中间。
参照图11至图15，揭示了根据本发明晶圆加工装置的第三实施例。与第二实施例相比，本实施例相当于将第二实施例所述的晶圆加工装置旋转90°布置。具体地，如图11所示，该晶圆加工装置包括：腔体310、晶圆夹盘320、第一旋转摆臂330、第一喷嘴340、第二旋转摆臂350、第二喷嘴360、电源及驱动器。晶圆夹盘320竖直夹持晶圆370。第一旋转摆臂330具有旋转端和与旋转端相对的末端，第一旋转摆臂330的旋转端设置在腔体310的台阶部311上，第一旋转摆臂330能够绕第一旋转摆臂 330的旋转端在竖直平面内转动。第一喷嘴340设置于第一旋转摆臂330 的末端，第一喷嘴340向晶圆夹盘320上的晶圆370的正面喷射电解液。第二旋转摆臂350具有旋转端和与旋转端相对的末端，第二旋转摆臂350 的旋转端设置在腔体310的台阶部311上，第二旋转摆臂350能够绕第二旋转摆臂350的旋转端在竖直平面内转动。第二喷嘴360设置于第二旋转摆臂350的末端，第二喷嘴360向晶圆夹盘320上的晶圆370正面的边缘部喷射电解液。电源分别与第一喷嘴340及第二喷嘴360电连接以使电解液带电荷，电化学抛光时，电源的阳极与第二喷嘴360电连接，电源的阴极与第一喷嘴340电连接；电镀时，电源的阳极与第一喷嘴340电连接，电源的阴极与第二喷嘴360电连接。驱动器与晶圆夹盘320连接，驱动器驱动晶圆夹盘320沿晶圆夹盘320的中心轴上升或下降或绕中心轴旋转。
参照图12，使用该晶圆加工装置进行电化学抛光和/或电镀工艺时，晶圆夹盘320竖直夹持晶圆370，驱动器驱动晶圆夹盘320上升至工艺位置，同时，驱动器驱动晶圆夹盘320绕晶圆夹盘320的中心轴旋转。第一旋转摆臂330绕第一旋转摆臂330的旋转端转动，使得第一喷嘴340正对着晶圆370的中心。第二旋转摆臂350绕第二旋转摆臂350的旋转端转动，使得第二喷嘴360正对着晶圆370的边缘部。接通电源，第一喷嘴340和第二喷嘴360分别向晶圆370的中心和边缘部喷射电解液。为了避免电解液飞溅，较佳地，在晶圆夹盘320的***设置防护罩380，进行电化学抛光和/或电镀工艺时，升起防护罩380，电解液溅射至防护罩380上时，电解液沿防护罩380的内壁流落至腔体310。在电化学抛光和/或电镀工艺过程中，转动第一旋转摆臂330，使第一喷嘴340从晶圆370的中心向晶圆370 的边缘移动，而第二旋转摆臂350保持不动。通过控制晶圆夹盘320的转速或第一喷嘴340移动的速度等参数，实现电化学抛光和/或电镀的均匀性。
参照图13至图14，电化学抛光和/或电镀工艺结束后，降下防护罩 380，第一旋转摆臂330和第二旋转摆臂350分别转动至靠近腔体310的侧壁处。驱动器驱动晶圆夹盘320下降而使支架390位于晶圆夹盘320的上方，支架390将晶圆370夹持托起，最后，晶圆370从支架390上取走；或者，致动器驱动支架390升起而使支架390位于晶圆夹盘320的上方，支架390将晶圆370夹持托起，最后，晶圆370从支架390上取走。
为了提高晶圆加工效率，晶圆加工装置具有不止一个第一旋转摆臂 330及第一喷嘴340。如图15所示，晶圆加工装置设置有三个第一旋转摆臂330及三个第一喷嘴340，相邻两第一旋转摆臂330之间的夹角为120 °，电化学抛光和/或电镀工艺过程中，该三个第一旋转摆臂330转动的方向一致。晶圆加工装置还可以具有不止一个第二旋转摆臂350和第二喷嘴 360，第二旋转摆臂350设置于相邻两第一旋转摆臂330的中间。
由上述可知，本发明晶圆加工装置通过采用数个第一喷嘴和第二喷嘴向晶圆的正面喷射电解液，从而提高了晶圆加工效率，且本发明晶圆加工装置结构简单、紧凑。
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 (8)
1.一种晶圆加工装置，其特征在于，包括：
腔体，所述腔体的壁向外凸伸形成台阶部；
晶圆夹盘，所述晶圆夹盘竖直夹持晶圆；
第一旋转摆臂，所述第一旋转摆臂具有旋转端和与旋转端相对的末端，第一旋转摆臂的旋转端设置在腔体的台阶部上，第一旋转摆臂能够绕第一旋转摆臂的旋转端在竖直平面内转动；
第一喷嘴，所述第一喷嘴设置在第一旋转摆臂的末端，第一喷嘴向晶圆的待加工面喷射电解液；
第二旋转摆臂，所述第二旋转摆臂具有旋转端和与旋转端相对的末端，第二旋转摆臂的旋转端设置在腔体的台阶部上，第二旋转摆臂能够绕第二旋转摆臂的旋转端在竖直平面内转动；
第二喷嘴，所述第二喷嘴设置在第二旋转摆臂的末端，第二喷嘴向晶圆的待加工面的边缘部喷射电解液；
电源，所述电源分别与第一喷嘴及第二喷嘴电连接以使电解液带电荷；及
驱动器，所述驱动器与晶圆夹盘连接，驱动器驱动晶圆夹盘沿晶圆夹盘的中心轴上升或下降或绕晶圆夹盘的中心轴旋转；
其中，在进行电化学抛光时，所述电源的阳极与第二喷嘴电连接，电源的阴极与第一喷嘴电连接，在进行电镀时，电源的阳极与第一喷嘴电连接，电源的阴极与第二喷嘴电连接。
2.根据权利要求1所述的晶圆加工装置，其特征在于，在电化学抛光或电镀工艺过程中，所述第一旋转摆臂绕第一旋转摆臂的旋转端转动，使得第一喷嘴从晶圆的待加工面的中心向晶圆的待加工面的边缘移动，第二旋转摆臂保持不动，第二喷嘴向晶圆的待加工面的边缘部喷射电解液。
3.根据权利要求1所述的晶圆加工装置，其特征在于，所述第一旋转摆臂及第一喷嘴的数量不限于一个。
4.根据权利要求1所述的晶圆加工装置，其特征在于，所述第二旋转摆臂及第二喷嘴的数量不限于一个。
5.根据权利要求1所述的晶圆加工装置，其特征在于，所述晶圆夹盘为真空夹盘。
6.根据权利要求1所述的晶圆加工装置，其特征在于，所述晶圆夹盘的***设置有防护罩，电解液溅射至防护罩上时，电解液沿防护罩的内壁流落至腔体。
7.根据权利要求1所述的晶圆加工装置，其特征在于，还进一步包括支架，支架设置在晶圆夹盘的中心，支架在致动器的驱动下能够升起而位于晶圆夹盘的上方或下降而位于晶圆夹盘的下方。
8.根据权利要求7所述的晶圆加工装置，其特征在于，所述支架为真空支架。
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