CN103866365A - 电镀填充真空电镀槽 - Google Patents

Abstract

本公开的实施方式涉及用于在低于大气压的条件下将衬底浸入电镀槽中的电解液中以在所述衬底被浸入时减少或消除气泡的形成/受困的方法和装置。各种电解液再循环回路被公开以将电解液提供给所述电镀槽。再循环回路可包括泵、脱气装置、传感器、阀，等等。所公开的实施方式允许衬底快速浸入，大大减少了电镀过程中与气泡形成和不均匀电镀时间相关的问题。

Description

电镀填充真空电镀槽

相关申请交叉参考

本申请要求2012年12月11日提交的、申请号为61/735,971、名称为“ELECTROFILL VACUUM PLATING CELL”的在先提交的美国临时申请和2013年3月6日提交的、申请号为61/773,725的、名称为“ELECTROFILL VACUUM PLATING CELL”的在先提交的美国临时申请的权益，这些申请中的每一个出于全部目的全文并入此处。本申请还是名称为“APPARATUS FOR WETTINGPRETREATMENT FOR ENHANCED DAMASCENE METALFILLING”的美国专利申请No.12/684,787和名称为“WETTINGPRETREATMENT FOR ENHANCED DAMASCENE METALFILLING”的美国专利申请No.12/684,792的后续部分，该两个申请均于2010年1月8日提交，且均通过参考出于全部目的全文并入此处。

背景技术

出于各种理由，要电镀的晶片在浸入电镀槽中时可倾斜成非水平角度。因此，相较于用来填充衬底上的特征的总时间（例如，目前技术节点晶片结构可在约1-2秒内填充，在一些情况下在少于约500毫秒内填充），用于电镀的一些现有方法和装置需要经过相当长的时间段（例如120-200毫秒，自前缘进入溶液的时间至尾缘完全被浸入的时间）将衬底浸入电镀溶液中。相对较长的浸入时间（定义为用于使衬底的整个电镀面浸入电镀溶液中的时间）导致不一致的特征填充，因为衬底的前缘在衬底的尾缘之前进入电镀溶液并开始电镀。初始电镀非均匀性可贯穿整个电镀过程，导致非均匀的填充。随着产业从300nm晶片移到450nm晶片，这些结果会进一步加剧。不欲被任何理论或作用机制束缚，跨越整个晶片的电镀开始时间的差异可导致对添加剂（比如加速剂、抑制剂和调平剂）的非均匀吸收，从而可导致跨越整个晶片表面的非均匀的电镀。因此，一般来说，具有相对于用于填充小特征的时间而言较短的浸入时间更好，以便跨越整个晶片的填充开始时间的差异可具有最小影响，使得特征填充和电镀均匀性能够被最大化。

在最小化浸入时间上的一个考虑是在电镀溶液和衬底之间形成气泡。在晶片浸入电镀电解液的过程中，可使气泡困在晶片的电镀面（活跃面或电镀表面）下面。如果衬底浸入太快，则气泡阱问题会被加剧。困在晶片的电镀表面上的气泡可引起许多问题。在气泡存在的地方，气泡遮蔽了晶片的电镀表面，使之不暴露于电解液，从而产生不发生电镀的区域。造成的电镀缺陷本身可表现为没有电镀的区域或者降低电镀厚度的区域，具体取决于气泡开始困于晶片上的时间以及气泡保持困在那里的时长。因此，在目前的电镀方法下，如果浸入浸入时间太快，则可出现显著的电镀缺陷。

发明内容

本文的实施方式涉及用于将材料电镀到衬底上的方法和装置。在所公开的实施方式中，衬底在低压下浸入电解液中以减少或消除气泡在衬底浸入时被困于衬底下面的风险。在所公开的实施方式的一个方面中，提供了一种将金属电镀到衬底上的方法，包括：使电解液流过电镀再循环回路，该电镀再循环回路包括电解液容器（reservoir）、泵、电镀槽（electroplating cell）以及在将所述电解液引入所述电镀槽之前使所述电解液脱气的脱气装置；将所述衬底浸入电镀槽中的电解液中，其中所述电镀槽中的压强在浸入期间是大约100托或更低；将材料电镀到所述衬底上；以及将所述衬底从电解液移除。

在一些实施方式中，所述电镀槽中的压强在浸入期间是至少约20托。将所述衬底浸入电解液中可持续（occur）经过约225毫秒或更短的时间段，其中所述衬底具有约150mm或更大的直径。在一些情况下，该浸入持续时间可以更短。例如，将所述衬底浸入电解液中可持续经过约50毫秒或更短的时间段，其中所述衬底具有约150mm或更大的直径。在这些实施方式或其它实施方式中，将所述衬底浸入电解液中持续经过具有第一持续时间的时间段，且将材料电镀以填充所述衬底上的特征持续经过具有第二持续时间的时间段，其中所述第一持续时间是所述第二持续时间的约10%或更少。在某些情况下，如按体积测量，所述特征是所述衬底上的最小特征。所述特征如按体积测量也可以是所述衬底上的中等大小的特征。

所述衬底可以成角度地浸入，且在一些实施方式中，所述衬底以约0.25-10度/秒之间的摆动速度摆动至水平方向。所述电镀槽中的低压至少在浸入期间存在，且可保持较长的时间段。在一些实施方式中，所述电镀槽中的压强在至少首先约10毫秒的电镀期间保持在约100托或低于约100托。在某些情况下，所述电镀槽中的压强保持在约100托或低于约100托直至电镀停止之后。在一些实施方式中可使用加载锁。在这种情况下，该方法可进一步包括将所述衬底插入加载锁中并降低所述加载锁中的压强至约100托或低于约100托。

该方法还可包括在所述电解液被脱气之后且在所述电解液被引入所述电镀槽之前将气体注入所述电解液。所注入的气体可以是氧气。所述氧气可被注入至约10ppm或更低的电解液浓度。在某些情况下，所述氧气可被注入至约1ppm或更低的电解液浓度。

在某些实施方式中，该方法进一步包括使电解液流过气体控制再循环回路，该气体控制再循环回路包括所述电解液容器和溶解气体传感器，其中溶解气体控制器基于来自所述溶解气体传感器的输入来控制气体注入单元以便调控溶解气体在所述电解液中的浓度。所述电镀再循环回路可以与所述气体控制再循环回路分离。在一些实施方式中，在电镀过程中，通过穿过旁路管道，电解液可绕过所述电镀再循环回路的所述电解液容器。还可在不发生电镀时使电解液流过大气再循环回路，其中所述大气再循环回路包括所述电解液容器、大气电解液容器和大气回路泵。该方法还可包括脱气电解液容器中的脱气电解液，且使电解液流过脱气再循环回路和大气再循环回路，其中所述脱气再循环回路包括所述电解液容器、脱气回路泵和脱气电解液容器，且其中所述大气再循环回路包括所述脱气电解液容器、大气回路泵和大气电解液容器。

在所公开的实施方式的另一方面中，提供了一种用于将金属电镀到衬底上的装置，包括：电镀槽，其被配置为承受低于约100托的压强，包括衬底架、电解液安全壳（electrolyte containment vessel）和能够在衬底浸入所述电解液安全壳中时控制衬底的方向的衬底定位系统；电镀再循环回路，其包括电解液容器、泵、脱气装置和所述电镀槽，其中所述脱气装置被设置在所述电镀再循环回路中的所述电解液容器之后且在所述电镀槽之前；以及电镀控制器，其被配置来在所述衬底被浸入所述电解液安全壳中时在电镀工艺过程中将压强维持在低于约100托。

在某些实施方式中，所述衬底定位系统能够控制所述衬底的平移、倾斜和旋转。该装置还可包括溶解气体传感器。在一些情况下，溶解气体控制器可与所述溶解气体传感器和气体注入器组合使用，其中所述溶解气体控制器基于来自所述溶解气体传感器的测量结果来控制所述气体注入器。

在某些实施方式中可使用旁路管道，其中所述电镀控制器被配置来使电解液流过所述旁路管道从而在电镀过程中绕过所述电解液容器。在一些实施方式中可使用大气再循环回路，其包括所述电解液容器、大气回路泵和大气电解液容器，其中所述电镀控制器被配置来防止所述大气再循环回路在电镀过程中循环。在一些实施方式中，该装置可包括脱气电解液再循环回路和大气再循环回路，其中所述脱气电解液再循环回路包括所述电解液容器、脱气回路泵和脱气电解液容器，且所述大气再循环回路包括所述脱气电解液容器、大气回路泵和大气电解液容器，其中所述电镀控制器被配置来确保所述脱气电解液再循环回路在电镀过程中不循环。在各种情况下，该装置包括一或多个附加电镀槽，所述附加电镀槽被配置为运转在约100托或低于约100托，其中所述附加电镀槽与所述电解液容器流体连通。

下面将参考相关附图描述这些特征以及其它特征。

附图说明

图1和2示出了在水平浸入（图1）和有角度的浸入（图2）过程中当衬底浸入在电镀槽的电解液中的衬底的视图。

图3示出了具有镀再循环回路和气体控制再循环回路的电镀系统。

图4示出了根据某些实施方式的真空电镀槽。

图5示出了根据某些实施方式的真空电镀槽的横截面图。

图6描绘了根据各种实施方式的电镀系统。

图7示出了具有旁路管道的电镀系统。

图8说明了具有两个电解液容器和两个再循环回路的电镀系统。

图9示出了具有三个电解液容器和三个再循环回路的电镀系统。

图10示出具有加载锁的电镀槽。

图11是表示在低于大气压和在大气压的压强下进行的电镀工艺的实验结果的表。

图12和13描述了根据某些实施方式的多工具电镀装置的替代实施方式。

具体实施方式

在本发明中，术语“半导体晶片”、“晶片”、“衬底”、“晶片衬底”，以及“部分制造的集成电路”可互换使用。本领域的普通技术人员应当理解，术语“部分制造的集成电路”是指在其上的集成电路制造的许多阶段中的任何阶段的硅晶片。在半导体器件工业中使用的晶片或衬底的直径通常为200毫米、或300毫米或450毫米。进一步地，术语“电解液”、“镀浴”、“浴”和“电镀溶液”可互换使用。以下的详细说明假设本发明是在晶片上实现的。然而，本发明并不局限于此。工件可以是各种形状、尺寸和材料。除了半导体晶片，利用本发明的其它工件可包括各种物品，如印刷电路板等。

在下面的描述中，阐述了许多具体细节以提供对所提出的实施方式的彻底理解。所公开的实施方式可以在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实施。在其他示例中，公知的处理操作未被详细描述，以避免不必要的混淆本公开的实施方式。虽然公开的实施方式将结合具体的实施方式描述，但应当理解的是，它不意图限制本公开的实施方式。

本发明是在用于在真空条件下电镀衬底的方法和装置的背景下提供的。本文公开的真空辅助的方法和相关联的硬件允许衬底被迅速浸入（例如，小于约50毫秒、小于约35毫秒、小于约20毫秒、小于约10毫秒，或介于约5-15毫秒之间），而没有不利的气泡的形成。此外，一些公开的真空实施方式允许衬底被浸入而在浸入的过程中不施加电偏压至衬底。另外，一些实施方式允许衬底浸入时带有很少或没有衬底倾斜，以便衬底的所有部分在基本相同的时间接触电解溶液。各种实施方式可以用于各种应用，包括金属镶嵌互连（提供此功能的工具的例子是Sabre^TMNExT^TM，Sabre^TMExtreme^TM，Sabre^TMExcel^TM，Sabre^TMMax^TM等，来自朗姆研究公司，弗里蒙特，加州），晶片级封装（WLP），硅通孔（TSV）（提供此功能的工具的例子是Sabre-3D^TM），和无电沉积（ELD）。

本文的实施方式通过在浸入之前和期间消除在衬底/流体界面的气体以及通过小心地控制晶片的进入概况（例如，垂直进入速率、倾斜角和旋转速率）大大地减少了气泡的形成。这允许衬底较快进入电镀溶液，因此在衬底的整个电镀表面能有较高质量的、更均匀的电镀/填充。此外，在电镀环境中消除氧气降低了在晶片表面上金属腐蚀的有害作用。

如上所述，气泡形成导致显著电镀缺陷，包括减少的电镀或在气泡存在的位置无电镀。在晶片沿垂直浸入轨迹以水平或基本水平方向（平行于由电解液的表面所限定的平面）浸入时，气泡的形成特别容易发生。图1示出了在电镀系统101所产生的一种典型气泡滞留情形的剖面图。由晶片架104保持的水平定向的晶片103沿垂直的Z轴向容器105中的电解液107降低并最终浸入在电解液107中。水平方向的晶片103的垂直浸入导致气泡109捕获在晶片103的下侧（电镀表面）。在倒置（面朝下）的配置中，浮力往往将气泡向上升，并到晶片的活性表面上。这些气泡难以从晶片表面除去，因为电镀槽没有内在的机构用于驱动气泡到所述晶片的边缘附近，其为脱离晶片表面的仅有路径。此外，一些实施方式在浸入过程中利用支撑晶片的在晶片边缘的夹具（例如，图1的晶片架104）-该晶片架通过其垂直于晶片表面的表面阻止了气泡离开晶片表面，从而加剧气泡滞留。通常，晶片103绕穿过其中心并垂直于它的电镀表面的轴线旋转。虽然该旋转有助于通过离心力撞出气泡，但许多较小气泡坚韧地附着到晶片上，不能通过该旋转去除。

有角度的浸入

解决上述问题的一个方法是使用有角度的晶片浸入。在这种方法中，相对于由电解液的表面所限定的平面，使晶片倾斜，同时沿垂直路径（沿Z轴）引入电解液。图2示出这样的浸入方案112，其中晶片103沿Z轴浸入电解液107，同时在这个例子中晶片也相对于电解液107的表面以角度θ被倾斜。使用有角度的浸入，由于晶片是倾斜的，本来被困在晶片表面上的气泡通过浮力辅助和通过从前浸入边缘向后浸入边缘推进的波推动，不再被困，而可以逃逸到大气中。另外，单一的湿润界面被建立，所以不存在与收敛湿润界面有关的问题。有角度的晶片浸入在美国专利6551487以及在2012年4月30日提交的、标题为“WEETING WAVE FRONT CONTROL FOR REDUCEDAIR ENTRAPMENT DURING WAFER ENTRY INTOELECTROPLATING BATH”的美国专利申请第13/460,423号有更详细的描述，其整体通过引用并入本文。旋转速率可以补充有角度的浸入，以减少气泡的形成。如上所述，晶片架可能加剧气泡滞留。

尽管有角度的浸入显著减少在大气压下操作的在电镀槽中气泡的形成，它也引入了挑战。在一段时间内衬底的镀面接触溶液，面中的一些区域比面中的其他区域先接触溶液。因此，一些区域可产生电镀添加剂（加速剂，抑制和/或平衡剂）的充分发展的浓度和吸附分布，而其他区域刚刚开始与添加剂接触。电镀开始时，具有充分发展的添加剂概况的这些区域比没有充分发展的添加剂概况的其他区域电镀更好。此外，当衬底在进入过程中被电偏置，首先接触电镀液的衬底的区域远在后接触溶液的衬底区域之前开始电镀。其结果是，在电镀的过程中，在衬底板的前缘部分比后缘部分有更大程度。在大气压下的电镀槽中，有角度的浸入所需要的时间的量可以是在电镀过程中用于填充凹陷特征所需要的总时间中的较大部分，特别是对于相对较小的特征。造成非均匀性是不合乎期望的。

在真空槽的某些实施方案中，在浸入过程中晶片的角度可小于离水平约3度。在一些实施方式中，该角度为约2度或更小。在一些实施方式中，该角度为约1度或更小。

在某些实施方式中，在浸入方案过程中晶片被倾斜的角度被改变。这可能会导致气泡的滞留减少。在这些实施方式中，“摆动速率”，即，晶片从θ倾斜为水平方向的速率，反之亦然，摆动速率可以被控制以不产生湍流，并因此不引入不必要的空气滞留。然而，就高吞吐率环境中的许多事件而言，存在性能和吞吐量之间的折衷。特别是，如果摆动速率太慢，吞吐量受到影响，并且如果摆动速率太快，可能产生湍流。在一个实施方式中，晶片的摆动速率介于每秒约0.25-10度之间。在另一个实施方式中，摆动速率介于每秒约0.25-1.5度之间。在另一个实施方式中，摆动速率介于每秒约0.5-1度之间。在又一个实施方式中，摆动速率高于每秒约1度。为了减少气泡滞留，可独立于Z-速率变化或与Z-速率变化组合使用有效的倾斜角控制。在一些实施方式中，当晶片被倾斜成与水平方向成第一角度时，晶片的前缘接触电镀液；然后晶片的倾斜增加至第二角度，随后减小到，例如，零度角。在其它实施方式中，在晶片被倾斜成与水平方向成第一角度时，晶片的前缘接触电镀液，然后在最后减小倾斜角度为零度之前将倾斜角减小到较小的倾斜角。

在某些实施方式中，倾斜角度在浸入之前被确定，并在浸入过程中保持恒定。

在浸入过程中也可以旋转晶片。与倾斜类似，只要晶片在进入电解液时是旋转的，晶片旋转可以在沿着晶片的垂直轨迹到电解液过程中的任何时间实现。关于浸入晶片，在一个实施方式中，晶片旋转速率对于直径200毫米为介于约10-180RPM，对于直径300毫米的晶片为介于约5-180RPM，以及对于直径450毫米的晶片为介于约5-150RPM。可以使用不同的旋转速率用于浸入（第一旋转速率）与电镀（第二旋转速率）以及镀后（进一步电镀速率）。例如，晶片可以以特定的速率旋转以从浴中取出后从晶片回收电解液，并且，例如，当从电镀晶片冲洗电解液时。这些旋转的细节，连同用于执行倾斜的浸入方法的示例性的硬件，在美国专利No.6,551,487中有更详细地描述，其通过参考并入本文。

在浸入过程中晶片的垂直进入速率可以是恒定的或可变的。可以改变垂直速率以对晶片提供最佳的湿润概况。例如，在某些实施方案中，在浸入工艺中的至少一部分期间晶片加速和/或减速以控制电解液湿润的波前。

在某些实施方式中，可以使用适当的机械控制系统同时调整任何两个或三个旋转、垂直平移和晶片的倾斜。调整机构可操作位于电镀槽的真空部件外的晶片架的一部分。当晶片平移、倾斜和/或旋转时，晶片架轴或其它旋转/倾斜/平移部件可以通过波纹管、真空轴承和/或保持真空的其它适当的接口与在电镀槽上的真空密封壁或盖啮合。

在真空下浸入

在本文所公开的各个实施方式中，晶片在真空条件下被浸入。根据常规的电镀技术，在（1）迅速浸入晶片和（2）减少空气滞留之间进行折衷。然而，真空电镀槽的使用允许快速浸入而无气泡形成，因为当晶片浸入时几乎没有空气成为在晶片下的滞留。因为在真空条件下气泡明显不太可能在衬底的表面上形成，所以本文的实施方式允许快速浸入时间，其与添加剂的吸附时限（约100毫秒）和成核的时限（大约50毫秒）相比差不多或更快。浸入的总时间是重要的，例如，因为在浸入的过程中，晶片的一部分暴露于所述电解液，而另一部分则没有。根据电镀条件（籽晶层的厚度等），尽可能快地浸入晶片往往是重要的。快速浸入时间将导致在整个衬底更均匀的电镀和更均匀的特征填补两者。

当使用大气压电镀槽与成角度的进入，300毫米的晶片的浸入时间可以是小于约150毫秒。450毫米晶片的浸入时间可以小于约225毫秒。当浸入发生在其中所述电镀溶液上方的空隙空间具有低的压强（例如，低于大气压的压强）的槽中时，气泡形成的风险，尤其是在高进入速率时，大大减小。在某些情况下，当使用低于大气压的镀槽时，浸入时间是指不超过填充电镀衬底上的最小特征的总时间的约10％（或不超过填充电镀衬底上的中等大小特征的总时间的约10％）。如前所述，在某些实施方式中，浸入时间可以是小于约50毫秒，小于约35毫秒，小于约20毫秒，小于约10毫秒，或介于约5-15毫秒之间。这些速率对于300毫米直径的晶片和/或450毫米直径的晶片是适合的。在某些情况下，衬底的垂直进入速率为介于约200-400毫米/秒之间。本文所描述的原理允许垂直进入速率比在常规方法中使用的典型的进入速率更快。

在各种实施方案中，具有电镀溶液和晶片（或其它衬底）的电镀槽是在真空下操作的（例如，低于大气压的压强，例如低于约100托，介于约30-100托之间，介于约40-80托之间，或介于约30-50托之间）。至少在晶片浸入期间压强应保持在低于大气压的水平。在一些实施方式中，在电镀工艺的初始部分期间（例如，在至少首先约0.5％或1％的电镀时间期间，在首先约10毫秒或20毫秒的电镀时间期间，或在电镀首先约0.5或1埃的金属）压强也被保持在低于大气压的水平。在某些实施方式中，压强保持在低于大气压的水平，直至镀覆停止。

周期性地将电镀槽暴露于较高的压强（例如，环境的压强）可能是有必要的，以便更换晶片，更新电镀液等。在一些实施方式中，整个电镀过程是在低于大气压的压强下进行的，并且只有当没有晶片电镀时电镀槽暴露于环境压强。如果采用加载锁（在下面参照图10更详细地讨论），则有可能操作该槽用未电镀晶片更换已镀晶片而不破坏真空。

通常情况下，电镀槽将与电镀系统的其它部件流体连通。这些其它部件包括电镀溶液的容器、为电镀溶液补充溶液的源、各种传感器、过滤器、以及在一些实施方式中的用于从电镀溶液和/或预湿溶液中除去溶解的气体的脱气装置。当电镀槽在低于大气压的压强下操作时，与电镀槽直接流体接触的其他系统部件也应在低于大气压的压强下进行操作。在图中所示的各种实施方式提供了用于在电镀过程中保持与电镀槽流体连通的所有组件真空的机构。在电镀过程中其他部件可保持暴露到大气压强。这些非真空部件仅在指定的期间内与真空部件接口，尤其是当电镀槽本身不暴露于真空时。

溶解气体控制

在各种实施方式中，电镀溶液中的一或多种气体的浓度通过用操作在真空下的脱气装置基本上去除电解液中的所有溶解气体来控制。如果电镀溶液在进入真空电镀环境之前没有经过脱气，则该溶液往往会起泡，这是一种不利于产生高品质电镀的状况。在一些实施方式中，电镀溶液中的溶解气体的浓度进一步通过选择性地将气体注回到用于特定应用的定义浓度的溶解电解液中来控制。一种气体或多种气体应当以相当低的浓度进行添加以避免引起电镀溶液在真空下起泡。在某些实施方式中，按百万分之个位数或十亿分之几的水平的浓度（例如，低于约10ppm，或者低于约1ppm）添加氧气。分子氧被认为在有机电镀添加剂（被称为加速剂）的活动中起作用。在一些实施方式中，电解液中的所有气体或一些气体的浓度被降低到低ppb范围或更低的水平（例如，在使用目前的工具检测的水平之外）。这可通过使电解液经过操作在真空下的脱气装置来完成。脱气装置和真空技术在美国专利申请12/684,787和12/684,792中有记载，该两个申请均于2010年1月8日提交，二者均在之前通过参考全文并入。

在某些实施方式中，希望的是使不同的电镀溶液与阳极（阳极电解液）和阴极（阴极电解液）接触。阳极电解液和阴极电解液可具有相同物质（species）的不同浓度（例如，不同浓度的铜离子），和/或它们可具有存在于溶液中的不同物质（例如，诸如加速剂之类的有机电镀添加剂可存在于阴极电解液中而在阳极电解液中缺失）。因此，一些实施方式使用用于阴极电解液和阳极电解液的部分或完全分离的流回路。以这种方式，阴极电解液和阳极电解液能够被分别地充分利用。

至少部分分离流回路的一个优势在于：在输送给电镀槽的阴极电解液和阳极电解液中，氧气的浓度可被维持在不同的水平。在一些实施方式中，希望的是，阴极电解液中的氧气的浓度是0ppm，或者尽可能接近0ppm（或0ppb），同时，阳极电解液中的氧气的浓度被维持在低的、非零的水平（例如，0.2-2ppm）。在某些情况下，阴极电解液中存在零氧气是优选的，因为氧气的存在在浸入期间会增大籽晶层溶解/氧化的可能性和程度。在阳极电解液中存在少量的氧气会是希望的。

具有至少部分分离的流回路的一个相关优势在于：消除了对与阴极电解液连接的氧气伺服机构的需要。在传统电镀中，可采用两个氧气伺服机构：一个伺服机构用于控制阴极电解液中的氧气量，一个伺服机构用于控制阳极电解液中的氧气量。在本文的实施方式中，不需要伺服机构控制阴极电解液中的氧气量，因为脱气装置/真空室可将阴极电解液中的氧气水平降低到大约0ppm。

在一些实施方式中，可能希望在阴极电解液中具有少量的严格控制的氧气量。这可通过例如选择性地将氧气注回到定义浓度的脱气阴极电解液中来完成。这可通过在包括低于大气压的电镀槽的流体回路中的脱气装置下游插入氧气注入器来实现。不欲被特定理论或作用机制束缚，相信少量的氧气可促使某些添加剂转变成其有用的形式（例如，将巯基丙烷磺酸（MPS）转变成二巯基丙烷磺酸（SPS））。对溶解氧的控制及其与添加剂性能的关系进一步在2011年9月9日提交的、名称为“By-Product Mitigation in Through-Silicon-Via Plating”的美国专利申请No.13/229,615和2011年12月13日提交的、名称为“Configuration and Method of Operation of an Electrodeposition Systemfor Improved Process Stability and Performance”的美国专利申请No.13/324,890中进行了讨论，该两个申请通过参考全文并入此处。

本文的实施方式还允许在流回路中的不同位置有不同的溶解气体（例如氧气）浓度。电解液中的氧气浓度可在例如电镀溶液储存室（holding cell）和电镀槽之间变化。脱气装置、真空电镀槽、电解液容器和其它部件（阀、真空泵等）结合起来工作以在该装置的不同部分提供希望的气体含量。举例来说，允许这种控制的装置在图3中进行了描绘。

图3示出了具有控制电镀溶液的溶解气体含量的能力的真空电镀槽装置的实施方式。在该实施方式中，真空电镀槽301包括压强传感器318且与再循环回路302中的真空电镀溶液容器304、泵306和脱气装置308连续流体连通。脱气装置可与真空泵310耦合。真空电镀溶液容器304被维持在真空下，且进一步与气体控制回路312连接。气体控制回路312可包括溶解气体传感器314、控制器350和气体注入单元355。控制器350例如可以是伺服控制器。如所提到的，在某些实施方式中，可能希望在电镀溶液中存在特定水平的一或多种气体。气体控制回路312允许根据需要操纵溶解气体的量和种类。首先，溶解气体传感器314感测电镀溶液中存在的溶解气体的量。接着，控制器350利用溶解气体的测量结果来确定是否应当将更多气体注入电镀溶液中。如果一或多种溶解气体的水平太低，则控制器350会指挥气体注入单元355将所需要的气体注入电镀溶液中。这个控制回路312允许随着时间密切监测和控制电镀溶液中的溶解气体的量。气体控制回路312在这些实施方式中尤其有益，因为一旦所有或接近所有的溶解气体被去除，它相对易于实现希望的气体含量。脱气电镀溶液提供了一种“初始空白（blank slate）”，其易于通过在希望的浓度注入希望的气体来进行自定义。

图3的真空电镀槽301示出为在阴极/晶片322和阳极323之间没有分离结构。在没有使用分离结构的地方，所示流体路径相当于电解液的流体路径。阴极电解液和阳极电解液没有分开的路径，因为这两种流体在没有使用分离结构的地方是相同的。然而，当膜或其它分离结构被设置在晶片322和阳极323之间时，分离的流体回路可被用于阴极电解液和阳极电解液。除非另有声明，否则本文所公开的流体回路可涉及整体电解液流体回路、阴极电解液流体回路或者阳极电解液流体回路。例如，如果图3的电镀槽301在晶片322和阳极323之间包括分离膜，那么所示流体路径可对应于阴极电解液的流体路径。同样地，虽然在某些实施方式中阳极电解液的流体路径可以比较简单，但类似的或相同的流体路径可被提供给阳极电解液。

在一实施方式中，在低于大气压的电镀槽中按非常低的水平提供氧气而在系统的在低于大气压的电镀槽之外的容器或其它部件中按稍微较高的浓度提供氧气。在这种情况下，电镀添加剂可在所述容器中被“修复（reconditioned）”。这种基于容器的修复允许电镀槽在这样的修复不可行的氧气浓度水平下进行操作，从而最小化籽晶溶解。

在进入时至衬底的电力

因为晶片进入电解液如此迅速，所以对恒电位晶片（potentiostatic wafer）进入的需求可显著降低或者消除。在许多传统的电镀技术中，控制器或其它电源在浸没过程中将电力提供至晶片，以帮助实现均匀电镀。例如，控制器可以在浸没之前和浸没期间将恒定的阴极电位或电流施加到晶片上，以便防止籽晶层溶解。这种技术被称为恒电位晶片进入，并且在2000年11月16日提交的专利号为6,946,065的美国专利中有所讨论，在此以整体并入以供参考。恒电位进入方法需要小心地控制施加到晶片上的电流密度，以实现均匀的电镀。在常规的恒电位进入的情况下，由于当衬底逐渐浸没时润湿晶片面积也变化着，电流密度的控制尤其困难。然而，目前公开的实施方式显著降低或者消除了恒电位进入的需要，因为浸没发生得如此之快，以至于籽晶层在浸没过程中并未溶解。因此，在某些实施方式中，在浸没过程中未将阴极或阳极偏置（anodic bias）施加到晶片上。这些实施方式是有利的，因为电镀在浸没过程中未发生。因此，在电镀开始之前，有机电镀添加剂轮廓（additive profiles）可以在衬底表面的所有区域内生成。这种快速进入也是有益的，因为衬底表面的任一区域不会在所述表面的任何其他区域之前开始电镀。此外，电镀控制系统较为不敏感，这意味着，它们不需要对电流密度和其他在使用恒电位晶片进入时至关重要的因素进行这样小心的控制。此外，这些实施例可以使用不太复杂和昂贵的控制器。

系统控制器

在一些实施例中，系统控制器（其可以包括一个或多个物理或逻辑控制器）控制一些或者所有对处理工具的操作。所述系统控制器将典型地包括一个或多个存储设备和一个或多个处理器。所述处理器可以包括中央处理单元（CPU）或计算机、模拟和/或数字输入/输出连接、步进电机控制器板以及其他类似部件。用于实施适当控制操作的指令在所述处理器上执行。这些指令可以被存储在与控制器相关联的存储设备上，或者它们可以在网络上被提供。在某些实施例中，系统控制器执行系统控制软件。

系统控制软件可以包括如下指令，其用于控制定时、电解质组分的混合物、进气压力、电镀池压力、电镀池温度、晶片温度、施加到晶片和任何其它电极上的电流和电位、晶片位置、晶片转动、晶片浸渍速度以及由处理工具实施的特殊过程的其他参数。系统控制软件能够以任何合适的方式进行配置。例如，各种处理工具组件子程序或控制对象可以被写入到需要实施各种处理工具过程的处理工具组件的控制操作中。系统控制软件能够以任何合适的计算机可读的编程语言来编码。

在一些实施例中，系统控制软件包括用于控制上述各种参数的输入/输出控制（IOC）序列指令。例如，电镀过程的每个阶段都可以包括由系统控制器执行的一个或多个指令。用于设定针对浸渍过程阶段的处理条件的指令可以被包括在相应的浸渍配方阶段。在一些实施例中，电镀配方阶段可以顺序排列，从而针对电镀处理阶段的所有指令都同时与该处理阶段一起被执行。

其它计算机软件和/或程序可以用在一些实施例中。用于此目的的程序示例或者程序段包括：衬底定位程序、电解质成分控制程序、压力控制程序、加热器控制程序和电压源/电流源控制程序。

在某些情况下，所述控制器控制以下功能中的一个或者多个功能：电解液中的气体浓度、晶片浸入（平移、倾斜、旋转）、容器之间的流体转移以及对槽和流体回路中的相关组件的真空控制。控制器可以控制气体浓度，例如通过使用由溶解气体传感器测量的气体浓度以及通过引导气体注入单元以期望的方式注入气体。晶片入可以进行控制，例如通过引导晶片升降组件、晶片倾斜组件和晶片旋转组件以期望的方式移动。控制器可以控制容器之间的流体转移，例如通过引导某些阀门打开或关闭以及某些泵开启和关闭。控制器可以基于传感器输出（例如当电流、电流密度、电势、压力等达到一定阈值的时候）、操作的定时（例如在一个过程中的特定时间打开阀门）或基于从用户接收的指令来控制这些方面。

应用

与传统的电镀技术相比，这里所公开的实施例可以提供一个或者多个优点。首先，真空电镀槽允许衬底非常迅速都浸没到电解质中。高速浸没会使得籽晶层明显较少溶解，并且所得到的特征填料（feature fill）中变化/缺陷大幅减少。高速浸没还可以减少进入瞬态时间段，从而使得它可以与用于吸附和成核的瞬态时间段差不多，并且在某些情况下少于所述用于吸附和成核的瞬态时间段。此外，在一些实施方式中，浸没是在未将电压偏置施加到衬底上的情况下进行的，从而避免了在浸泡过程中进行电镀。接着，真空电镀池通过大大减少（在某些情况下是消除）在进入时靠近晶片表面的气体减少了由气泡形成引起的缺陷的数量晶片。进一步，通过减少或消除进入时靠近晶片表面的O2，可以减少由O2造成的基于腐蚀的缺陷。类似地，在真空下利用脱气的预润湿流体来实施预润湿操作也可能有助于降低对籽晶层的腐蚀。这里的实施方式也提供用于从电镀溶液中减少或者消除溶解的气体，它的一个好处在于，进一步减少了由O2引起的与腐蚀有关的缺陷。

从电镀溶液中除去溶解的气体提供了一个方便的方法来控制溶液中溶解气体的确切的量/成分。在溶解的气体被除去到一个可以忽略不计的浓度点之后，所需量的气体可以被注入溶液中，以使气体浓度达到一个优选的电解质成分。对溶解的气体控制可以通过使用溶解的气体传感器和伺服装置来实现，以将气体浓度维持在一定范围内。

这里的某些实施方式允许电镀发生在比通用的常规电镀更低的温度状况下。例如，一些实施方式允许电镀发生在大气压条件下电镀溶液的通常的冻结温度之下。此外，这里的实施例允许电镀发生在降低的压力之下，在一些情况下，降至电镀液的沸点。在某些实现形式中，电镀腔室中的低压力条件下得以连续维持，例如当使用装载锁设计时。在其它实现形式中，维持大气与低于大气压条件之间的压力循环。

真空电镀池可以与以下各种晶片进入控制装置相结合，例如晶片升降机构、晶片倾斜机构、晶片旋转机构以及各种晶片搅动机构，其包括（但不限于）基于声波的液体搅动和旋转轴的周期性方向变化。这些元件中的每一个都可以有助于减少气泡形成，并且它们可以被同时优化，以产生尽可能少的泡沫。

另一优点是，当晶片被放置在镀槽之上等待浸没到电镀液中时，它是处于真空中的，并因此不会被暴露于有害的气体，例如氧气。这消除了可能会发生在该阶段的在大气压电镀池中的任何铜氧化反应。

在本文中的实现形式中，用于电镀的设备包括能在真空条件下（即低于大气压）操作的电化学池。在许多情况下，该设备包括能够使电解质和/或预湿溶液在其接触衬底之前基本脱气的脱气装置。如果电解质/预润湿液未在进入真空室并且与真空条件下的衬底接触之前脱气的话，溶解的气体可能在它进入该室时，从液体中释放出来。这种溶解气体释放可能导致在通孔内部和/或晶片表面上形成气泡。虽然不希望受特定模型或理论的限制，但通孔底部具有负曲率，并且相信这种类型的布置特别容易受气泡成核和从电解质/预润湿液中释放的气体的影响。如果发生了这种释放，那么会从流体中形成气泡，因为流体在真空条件下含有过饱和的气体。如此形成的气泡可能在预润湿处理之后和电镀期间还留存着，这转而会抑制在该位置处的电镀，并且导致相关的缺陷。

该设备可以包括一个或多个电镀液循环回路，其可以将电化学电池与一个或多个电解液容器、泵、脱气装置、溶解气体传感器、伺服控制器或者其他控制器、气体喷射单元和阀门连接。部分或者所有的前述特征可能存在于某些实施例中。

图4示出真空镀槽400的一个例子。该设备包括用于使衬底在z方向上（向上和向下）移动的晶片升降组件402、用于使晶片相对于水平面倾斜的晶片倾斜组件404和用于在电镀期间旋转晶片的晶片旋转组件406。这些元件一起工作，以控制晶片在电镀过程中的垂直速度、角度和旋转速度，并且在电镀过程的开始阶段它们在控制电镀方面尤其重要。接着，根据图4中的实施例的设备包括真空兼容镀槽410，其带有相应的真空顶板408。这些元件410和408提供了可以进行电镀的真空环境。电化学电池410还包括晶片架424和锥体422。当它支承在衬底支架424中的时候，锥体422向下压在晶片的背面上。在图5中提供了电镀槽410的额外组件。

图5示出根据一种实施例的电镀设备500。首先，电镀设备500具有衬底支架520、具有用于保持电镀液流体534的容积的电镀槽530、阳极和“顶帽”533，所述“顶帽”533可以包围电镀设备的上部（例如，装载衬底时的所述衬底支架420）。顶帽533能够使电镀槽530上保持真空，并且它相当于图4中的真空顶板408。衬底支架520通常包括安装在杯具524中的唇形密封件522，所述杯具524具有杯底部525、可相对于杯具524移动的锥体526和唇形密封件522，并且所述衬底支架520被配置成通过将衬底（未示出）压入唇形密封件422中来确保衬底固定在衬底支架520中。

在一些实施例中，如图5中所示，杯具524由杯支柱528支撑并且固定到杯和锥体升降机（未示出，但驻留在锥体526段之上）上。杯支柱528穿过锥体526的一部分，允许锥体通过气动机构（机构未示出）相对于杯具524上下移动。因此，翻盖组件（或衬底支架）可以闭合，以使得衬底（未示出）在其周边抵着唇形密封件522密封。当锥体526处于缩回/向上位置并因此翻盖组件（或衬底支架）处于如图5所示的敞开结构中的时候，衬底可以被加载到翻盖组件中并且搁置在唇形密封件522上。一旦衬底被搁置在唇形密封件522上，杯支柱528可以被压缩（例如穿过锥体526移动），从而使得杯具524和锥体526朝向彼此移动，以便将锥体526的底表面压向衬底的后表面，从而使得衬底的另一侧（即有待电镀的一侧）的周边被压向唇形密封件522，形成流体密封件。

衬底支架520典型地还包括多个电触头（图5中未示出），其通过电镀设备的电源（也未示出）在电镀操作过程中为衬底提供了电荷。在一些实施方式中，电触头形成为电触指，但是其它形状/类型的电引线也可以用于提供电流到衬底上。如上面所指出的那样，在电镀过程中，电触头一般由在衬底与唇形密封件522之间形成的流体密封件来保护，所述流体密封件使得在电镀过程中电镀液不沾到衬底的背面并且远离电触头。在一些实施例中，喷嘴514可以用于清洁电触头，例如通过改变喷嘴相对于电触头的高度和调节清洗液的流动、衬底支架的旋转速率、清洁溶液化学和其他适用的参数。

一旦衬底被加载并且密封在衬底支架中（即通过杯具524和锥体526啮合并且抵着唇形密封件522密封），那么衬底支架（或翻盖组件）的近端准备好被降低至电镀液（假设使用斜浸没）。电镀液包括包含在电镀设备500的电镀槽530中的电解液，所述电镀槽530保持着（或者具有体积来保持）电镀液流体534。在一些实施例中，电镀槽530可以包括由膜或其他分离结构分离开的阳极室和阴极室。此外，所述槽530可以包括具有沟槽的电阻板，有时也被称为高电阻虚拟阳极（HRVA），它作为电流配电控制器和流量扩散器438，如在专利号为7,967,969、7,622,024和8,308,931的美国专利中所描述的那样，每个专利都以整体并入本文用于所有目的。

在电镀操作过程中，衬底支架520下降到用于保持电镀液流体534的电镀槽容积532中，从而使得衬底的工作表面（向下的面）被降低至低于电镀流体/溶液534的液面535，因此使得晶片的工作表面浸没在电镀溶液中。

所述电镀设备500能够可选地包括清洗装置510，其可以包括喷嘴514、与喷嘴514保持流体连接的清洗液供应导管以及喷嘴臂513，所述喷嘴514固定到喷嘴臂513上。在一些实施例中，清洗装置510包括喷嘴臂致动器512，其机械联接至所述喷嘴臂513并且被配置为移动第一喷嘴514和处于缩回位置与清洁位置之间的喷嘴臂513。冲洗盾570可以用于帮助保护设备组件免于沾上清洗液喷雾。回收罩560可以用于帮助回收所使用的清洗液。在某些实施方式中，预润湿机构（未示出）可以被用来预湿衬底的镀覆面。预润湿机构可以在机械上类似于清洗装置510，虽然它可能会被定位成使得预润湿流体接触所述衬底的电镀面。在某些情况下，预润湿可能发生电镀槽530的外面。

图6示出真空镀槽601与电镀流体容器604保持流体连通的另一示例。本实施例类似于图3中所示的示例，但略为简单。真空镀槽601内的区域被保持在真空条件下。该设备包括脱气装置608，其用于从电镀溶液中除去溶解的气体，并且包括泵606，其通过电镀液循环回路602移动电镀液。脱气装置和它们的使用在申请号为12/684,787和12/684,792美国专利中有所描述（先前已参考并入）。电镀液循环回路602使得真空镀槽601与电镀液贮存器604、泵606和脱气装置608连接。可能存在与脱气装置相连的真空泵610。在图6的实施方式中，整个电镀液循环回路被保持在真空条件下，并包括电镀液贮存器604。

在本实施方式中，任何在电镀期间与真空镀槽保持开放流体连通的物件都应当在电镀期间保持在真空条件下，以确保真空镀槽中的压力得以适当控制。流体感应回路612使得电镀液贮存器604与溶解气体传感器614连接。溶解气体传感器确保了，溶解的气体处于电镀可接受的水平上。如果溶解的气体的水平太高，则可能导致在电镀溶液中形成气泡，其导致电镀不均匀。另外，溶解的氧的存在可能对电镀过程有害，因为氧气使得铜籽晶层氧化。因此，在一些实施方式中，溶解气体传感器614是氧传感器。真空镀槽601还可以包括压力传感器618。一种可能的类型的可用压力传感器是Baratron压力传感器，但是本领域技术人员会意识到，可以使用许多类型的压力传感器。该设备能够可选地包括预润湿器616，其用于在浸没到电镀液中之前在真空条件下将脱气的去离子水或者其它预湿溶液提供给衬底表面。所述预润湿器可以进一步减少使衬底完全浸没到电镀液中而不形成气泡所需要的浸没时间。因为衬底显示在电镀位置（即下面的位置，降至电解质）中，所以预润湿器高于晶片的平面。但是，需要理解的是，应该使预润湿器定位成它能够将预湿溶液施加到衬底的电镀面上，当衬底处于其非电镀位置的时候。

图7示出真空镀槽701与电镀溶液容器704保持流体连通的另一实施例。在该实施例中，电镀回路702在电镀过程中是敞开的，并且使得该真空镀槽701与泵706和脱气装置708连接。电解质在电镀过程中绕过电解质贮存器，而经过连接阀门722的导管。这些元件中的每一个都保持在真空条件下。当电镀未进行时，可以打开阀门722，因此打开非电镀液循环回路720。所述非电镀液循环回路720使得真空镀槽701与电镀溶液容器704、泵706和脱气装置708连接。在本实施方式中，电镀溶液容器704保持在大气条件下。因此，它必须在电镀过程中在流体上与真空镀槽分离开。电镀溶液容器704中的电镀液应该周期性更换或者更新，以使得电镀溶液中的添加剂保持在适当的水平上。在图7的实施方式中，电镀液中溶解的气体的水平大约为2ppm，这相当于溶解的气体单次穿过目前可用的脱气装置之后所能达到的水平。

图8示出具有双贮存器系统的真空镀槽801的一种实施方式。在本实施方式中，真空渡槽801与真空电镀溶液贮存器804、泵806和装置808保持连续流体连通。真空电镀溶液贮存器804保持在真空条件下，它与大气电镀溶液贮存器825、阀门822和泵824保持流体连通。当未进行电镀时，连接至大气电镀溶液贮存器825的流体回路可以打开，但是当进行电镀时应该关闭。大气电镀溶液贮存器825可以用于在电镀进行之间将新鲜的电镀液提供给真空电镀溶液贮存器804。电镀槽801内的电镀溶液中溶解的气体的水平可以小于约1ppm。具有一个贮存器处于真空条件下的双贮存器大大降低了溶解的气体在电镀液中的量，并且提供了对电镀液成分的额外控制。

图9示出具有三重贮存器系统的真空镀槽901的一种实施方式。在本实施方式中，真空电镀池901与真空电镀溶液贮存器904、泵906和脱气装置908保持连续流体连通。真空电镀溶液贮存器904保持在真空条件下，并且进一步与真空脱气室930、泵926和阀门922连接。阀门922在电镀期间关闭，从而在进行电镀时，真空电镀溶液贮存器904与真空脱气室930并没有流体连通。但是，当未进行电镀时，阀922可被打开，并且电镀溶液可在真空电镀溶液贮存器904与真空脱气室930之间流动。大气电镀溶液贮存器940可与真空脱气室930保持周期性流体连通。可以设置泵916，从而当阀923打开时，电镀溶液在真空脱气室930与大气电镀贮存器940之间流动。阀门923应该定期打开，以更新或者更换电镀液，并且确保添加剂或其它电镀液组分的浓度保持在其所需的范围内。真空电镀溶液贮存器904和真空脱气室930之间的一组阀922不应该与真空脱气室930与大气电镀液贮存器940之间的一组阀923同时打开。这将允许真空镀槽901一直保持在真空条件下。在本实施方式中，电镀液中溶解的气体例如可被控制在明显小于1ppm的水平上。

图10示出配备有一个装填闭锁装置的真空电镀槽的实施方式。当未电镀晶片替换电镀的晶片时，所述装填闭锁装置允许所述电镀槽在不破坏真空的情况下操作。图10示出了所述真空电镀槽在两个不同的位置（即，虽然图中示出了两个晶片1062A和1062B以及相关的晶片架1007A和1007B，但是这两个晶片是为了代表在两个不同的位置A和B上的单个晶片1062和架1007）。当晶片在装置1001A的非真空部分中的真空装填闭锁位置时，电镀槽在真空条件下密封，并且晶片1062可以被加载。然后真空装填闭锁被抽至真空条件，并且狭缝阀（slit valve）（未示出）或在真空-大气界面1044的其他合适的阀门被打开。然后晶片1062进入在真空下保持的所述装置1001B中的真空部分的真空电镀槽的位置，并且电镀会进行。

图11示出了确保低压电镀能成功的研究结果。研究中探讨的两个问题是：（1）电镀液的非水组分在低压力下是否蒸发显著的量，和（2）电镀液是否会在显著高于水的预期的沸点的压力下沸腾。这些问题是重要的，因为如果非水组分在真空压力下蒸发，或者如果电镀液在电镀期间开始沸腾，电镀可能会失败。为了探讨这些问题，电镀液和去离子水的溶液暴露于大气压和真空条件（特别是10，20，40和760托）之间的压力范围。在每一个压力下，观察样品的沸腾迹象，并且气体样品从电镀溶液上面提取并在残余气体分析仪中进行分析。在10托时观察到水和电镀溶液沸腾，两种溶液在20托时间歇地沸腾。在40或760托时在任何一个溶液中没有观察到沸腾。这表明电镀应该发生在高于至少约20托。在任何试验压力下，在去离子水的RGA分析和电镀液的RGA分析之间无显著差异。这表明电镀液的非水组分不会蒸发显著的量，使得低压电镀获得一个可行的选择。

本发明的一个方面涉及一种电镀装置，所述电镀装置包含连接到用来降低在电镀槽中的压力到低于大气压水平的机构的电镀槽。该装置还包括控制器，用于在电镀衬底在电镀液中的浸没期间使电镀槽中的压力低于大气压。该设备可以包括各种其他特征，如具有如附图中描述的具有容器、脱气装置、泵以及类似物的再循环回路。这些回路可被选择性地与在期望的电镀槽中的低于大气压的环境隔开或者包含在该环境内。在一些情况下，该装置被配置为在100托或更低的压力下进行衬底浸没。在一些情况下，该装置被配置为进行持续约50毫秒或更少、或约35毫秒或更少、或约25毫秒或更少、或约15毫秒或更少的时间的衬底浸没。在一些情况下，该装置被配置为进行持续不超过要求在衬底电镀表面充分电化学沉积的平均或中值的特征的总时间的约10％的时间的衬底浸没。

一种真空电镀槽可以被集成到一个多工具半导体加工装置。所述多工具装置可具有一个或多个真空电镀槽、一个或多个大气电镀槽、以及多种其他元件。图12示出了可用于实施本文中的实施方式的示范多工具装置。所述电镀装置1200可以包括三个独立的电镀模块1202、1204和1206。进一步，三个独立的模块1212、1214和1216可以被配置用于各种处理操作。例如，在一些实施方式中，模块1212、1214和1216中的一个或多个可以是旋转冲洗干燥（SRD）模块。在其它实施方式中，模块1212、1214和1216中的一个或多个可以是后电填充模块（PEMs），每一个被配置为执行一个功能，如边缘斜面去除、背面蚀刻以及在衬底被电镀模块1202、1204和1206中的一个处理之后的衬底的酸清洗。

电镀装置1200包括中央电沉积腔室1224。所述中央电沉积腔室1224是容纳用作电镀模块1202、1204和1206中的电镀溶液的化学溶液的腔室。所述电镀装置1200还包括计量系统1226，所述计量系统1226可为电镀液存储和传送添加剂。化学稀释模块1222可存储和混合用作蚀刻剂的化学物质。过滤和抽吸单元1228可过滤中央电沉积腔室1224的电镀液并将其泵入电镀模块。

系统控制器1230提供了操作该电镀装置1200所需的电子和接口控制。所述系统控制器1230在前述的系统控制器部分被介绍，并在此处进一步描述。所述系统控制器1230（其可包括一个或多个物理或逻辑控制器）控制电镀装置1200一些或全部的特性。所述系统控制器1230通常包括一个或多个存储器装置和一个或多个处理器。该处理器可包括一个中央处理单元（CPU）或计算机、模拟和/或数字输入/输出连接、步进电机控制器板，以及其他类似部件。如本文所述的实施适当的控制操作的指令可在处理器上执行。这些指令可被存储在与系统控制器1230相关联的存储装置中，或者它们可通过网络提供。在某些实施例中，所述系统控制器1230执行系统控制软件。

电沉积装置1200中的系统控制软件可包括用于控制定时、电解质组分的混合（包括一种或多种电解质组分的浓度）、电解质气体的浓度、进气压力、电镀槽压力、电镀槽温度、衬底温度、施加到衬底和任何其它电极的电流和电势、衬底的位置、衬底旋转以及通过电沉积装置1200执行的特定工艺的其它参数。

系统控制逻辑可以以任何合适的方式进行配置。例如，各种处理工具组件的子程序或控制对象可被写入以控制执行不同处理工具处理必须的处理工具组件的操作。系统控制软件可用任何合适的计算机可读的编程语言编码。所述逻辑还可作为在可编程逻辑装置（例如FPGA）、ASIC或其它适合的工具中的硬件执行。

在一些实施方式中，系统控制逻辑包括用于控制上述的各种参数的输入/输出控制（IOC）的序列指令。例如，电镀过程中的每个阶段可包括用于系统控制器1230的执行的一个或多个指令。设定用于浸入处理阶段的加工条件的指令可在在相应的浸入配方阶段被包括。在一些实施方式中，该电镀配方阶段可顺序地排列，使得电镀工艺阶段的所有指令与该过程阶段同时被执行。

所述控制逻辑可被分成各种部件，例如在一些实施方式中的程序或程序的部分。用于此目的逻辑组件的示例包括衬底定位组件、电解质组分控制组件、剥离液组分控制组件、溶液流量控制组件、压力控制组件、加热器控制组件以及电势/电流电源控制组件。所述控制器可通过例如引导所述衬底保持器如预期的移动（转动、升降、倾斜），来执行所述衬底的定位组件。该控制器可通过引导某些阀门在加工过程中在不同时间打开和关闭来控制不同的流体（包括但不限于电解质和剥离液）的成分和流量。该控制器可通过引导某些阀门、泵和/或密封件打开/开启或闭合/关闭来执行压力控制程序。类似地，所述控制器可通过例如引导一个或多个加热和/或冷却元件开启或关闭，来执行温度控制程序。所述控制器可通过在整个处理过程中引导电源提供预期的电流/电势水平，来控制电源。

在一些实施方式中，可有与系统控制器1230相关联的用户界面。所述用户界面可包括显示屏、所述装置和/或工艺条件的图形软件显示、和诸如定位装置、键盘、触摸屏、麦克风等的用户输入装置。

在一些实施方式中，由系统控制器1230调整的参数可涉及工艺条件。非限制性示例包括溶液环境（温度、成分和流速）、在不同的阶段的衬底的位置（旋转速度、线性（垂直方向）的速度、从水平的角度）等。这些参数可以以配方的形式提供给用户，其可利用所述用户界面被输入。

用于监控过程的信号可由来自各种处理工具传感器、由系统控制器1230的模拟和/或数字输入连接提供。用于控制该过程的信号可以在该处理工具的模拟和数字输出连接被输出。可被监视的处理工具传感器的非限制性示例包括质量流量控制器、压力传感器（例如压力计）、热电偶、光学定位传感器等。适当编程反馈和控制算法可与来自这些传感器的数据一起用于维护处理条件。

在多工具装置的一个实施方式中，指令可包括将衬底插入晶片架、倾斜衬底、在浸入期间偏置所述衬底、并在衬底上电沉积含铜结构。该指令还可包括将衬底输送给去除槽、将衬底浸在剥离溶液、旋转衬底、剥离溶液从内部横流歧管流动并且穿过晶片的表面（包括调节其全部或部分流速）、以及去除、漂洗和干燥该衬底。

切换工具（hand-off tool）1240可从衬底盒，如盒1242或盒1244，中选择衬底。盒1242或1244可以是前开式衬底传送盒（frontopening unified pods（FOUPs））。FOUP是设计用来牢固和安全地保持衬底在受控环境中、并允许衬底通过配备适当的装载端口和机器人装卸系统的工具被去除用于处理或测量的构件。所述切换工具940可使用真空吸附或一些其它连接机构来保持衬底。

该切换工具1240可与晶片处理站1232、盒1242或1244、传输站1250、或对准器1248相配合。切换工具1246可从传送站1250接近衬底。传送站1250可以是狭槽或所述切换工具1240和1246可不通过对准器1248传送衬底的位置。然而，在一些实施方式中，为了确保衬底在所述切换工具1246上适当地对齐用以精密输送到电镀模块，所述切换工具1246可将衬底与对准器1248对齐。所述切换工具1246还可将衬底传送到电镀模块1202、1204或1206中的一个，或传送到配置用于各种处理操作的单独的模块1212、1214和1216中的一个。

一种配置为允许衬底高效循环通过连续电镀、漂洗、干燥和PEM处理操作（如剥离）的装置，其对于在制造环境中的使用的实施是有用的。要做到这一点，该模块1212可被配置为旋转冲洗干燥机和边缘斜面移除室。有了这样一个模块1212，衬底只需要被在电镀模块1204和模块1212之间被运送以用于电镀铜和EBR操作。装置1200的一个或多个内部部分可在低于大气压的条件下。例如，在一些实施方式中，包围镀槽1202、1204和1206以及PEMs1212、1214和1216的整个区域可以是在真空条件下。在其它实施方式中，仅包围电镀槽的一个区域是在真空条件下。在进一步的实施中，单个电镀槽可以是在真空条件下。虽然电解质流回路未在图12或13中示出，可以理解，此处所描述的流动回路可作为多工具装置的一部分（或与之结合）被实现。

图13示出了可用于实施本文中的实施方式的的多工具装置的附加的实施例。在本实施例中，电镀装置1300具有一组以成对或多对（multiple duet）配置的电镀槽1307，每个含有电镀液。除了电镀本身，电镀装置1300可执行各种其它电镀相关的处理和子步骤，如漂洗、脱水、金属和硅湿蚀刻、无电镀沉积、预润湿和预化学处理、减量、退火、光致抗蚀剂剥离以及表面预活化。电镀装置1300示意性从上往下示出，并且只有一个单一的层或“地板”显示在图中，但本领域技术人员也可以很容易地理解，如加州弗里蒙特的朗姆研究公司的SabreTM3D工具的装置可具有两个或更多在彼此顶部“堆叠”的层，每个可能具有相同或不同类型的加工站。

再次参照图13，将被电镀的衬底1306一般通过前端装载FOUP1301被供应给电镀装置1300，并且在此示例中，通过前端机器人1302，所述衬底1306被从FOUP带到电镀装置1300的主衬底处理区，所述前端机器人可以缩回和在多个方向移动由主轴1303驱动的衬底1306从一个站到另一个可进入的站-本例中示出了两个前端可进入的站1304以及两个前端可进入的站1308。前端可进入站1304和1308可包括，例如前处理站以及旋转冲洗干燥（SRD）站。这些站1304和1308也可以是如本文所述的去除站。前端机器人1302的左右横向运动是利用机器人轨道1302a来完成的。每个衬底1306可以由连接到电动机（未示出）的主轴1303驱动的杯/锥体组件（未示出）保持，所述电动机可以连接到安装支架1309。在这个例子中还示出了四对电镀槽1307，总共八个电镀槽1307。所述电镀槽1307可用于含铜结构的电镀铜和焊接结构的电镀焊料材料（在其他可能的材料中）。系统控制器（未示出）可耦合到所述电镀装置1300以控制电镀装置1300的一些或全部的特性。所述系统控制器可被编程或另外根据前面所述的处理配置成执行指令。

上面描述的各种硬件和方法的实施方式可与光刻构图工具或处理结合，用于例如半导体装置、显示器、LED、光伏电池板等的装配或制造。通常，尽管不一定，此类工具/处理将在一个共同的制造设备中一起使用或进行。

如上文所述的电镀装置/方法可以与光刻构图工具或处理结合，用于例如半导体装置、显示器、LED、光伏电池板等的装配或制造。通常，尽管不一定，此类工具/处理将在一个共同的制造设备中一起使用或进行。薄膜的光刻图案化通常包括一些或所有下列步骤，每个步骤具有多种可能的工具：（1）将光致抗蚀剂应用在工件上，即，衬底，使用旋涂或喷涂工具；（2）固化使用热板或加热炉或UV固化工具的光致抗蚀剂；（3）用诸如晶片步进机的工具使所述光致抗蚀剂暴露在可见光、紫外光或X-射线光；（4）使抗蚀剂显影以便有选择地除去抗蚀剂，从而使用诸如湿式工作台的工具使其图案化;（5）通过使用干的或等离子辅助蚀刻工具转印抗蚀剂图案到基底薄膜或工件；和（6）使用诸如射频或微波等离子体抗蚀剂剥离工具去除抗蚀剂。

Claims (27)

1.一种将金属电镀到衬底上的方法，其包括：

使电解液流过电镀再循环回路，该电镀再循环回路包括电解液容器、泵、电镀槽以及在将所述电解液引入所述电镀槽之前使所述电解液脱气的脱气装置；

将所述衬底浸入电镀槽中的电解液中，其中所述电镀槽中的压强在浸入期间是大约100托或更低；

将材料电镀到所述衬底上；以及

将所述衬底从电解液移除。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述电镀槽中的压强在浸入期间是至少约20托。

3.如权利要求1所述的方法，其中将所述衬底浸入电解液中持续经过约225毫秒或更短的时间段，且其中所述衬底具有约150mm或更大的直径。

4.如权利要求3所述的方法，其中将所述衬底浸入电解液中持续经过约50毫秒或更短的时间段，且其中所述衬底具有约150mm或更大的直径。

5.如权利要求1所述的方法，其中将所述衬底浸入电解液中持续经过具有第一持续时间的时间段，且将材料电镀以填充所述衬底上的特征持续经过具有第二持续时间的时间段，且其中所述第一持续时间是所述第二持续时间的约10%或更少。

6.如权利要求5所述的方法，其中如按体积测量，所述特征是所述衬底上的最小特征。

7.如权利要求5所述的方法，其中如按体积测量，所述特征是所述衬底上的中等大小的特征。

8.如权利要求1所述的方法，其中所述衬底成角度地浸入，且其中所述衬底以约0.25-10度/秒之间的摆动速度摆动至水平方向。

9.如权利要求1所述的方法，其中所述电镀槽中的压强在至少首先约10毫秒的电镀期间保持在约100托或低于约100托。

10.如权利要求9所述的方法，其中所述电镀槽中的压强保持在约100托或低于约100托直至电镀停止之后。

11.如权利要求1所述的方法，其进一步包括将所述衬底插入加载锁中并降低所述加载锁中的压强至低于约100托。

12.如权利要求1所述的方法，其进一步包括在所述电解液被脱气之后且在所述电解液被引入所述电镀槽之前将气体注入所述电解液。

13.如权利要求12所述的方法，其中所述气体是氧气且所述氧气被注入至约10ppm或更低的电解液浓度。

14.如权利要求13所述的方法，其中所述氧气被注入至约1ppm或更低的电解液浓度。

15.如权利要求1所述的方法，其进一步包括使电解液流过气体控制再循环回路，该气体控制再循环回路包括所述电解液容器和溶解气体传感器，其中溶解气体控制器基于来自所述溶解气体传感器的输入来控制气体注入单元以便调控溶解气体在所述电解液中的浓度。

16.如权利要求15所述的方法，其中所述电镀再循环回路与所述气体控制再循环回路分离。

17.如权利要求1所述的方法，其中在电镀过程中，电解液通过穿过旁路管道来绕过所述电镀再循环回路的所述电解液容器。

18.如权利要求1所述的方法，其进一步包括在不发生电镀时使电解液流过大气再循环回路，其中所述大气再循环回路包括所述电解液容器、大气电解液容器和大气回路泵。

19.如权利要求1所述的方法，其进一步包括脱气电解液容器中的脱气电解液，且使电解液流过脱气再循环回路和大气再循环回路，其中所述脱气再循环回路包括所述电解液容器、脱气回路泵和脱气电解液容器，且其中所述大气再循环回路包括所述脱气电解液容器、大气回路泵和大气电解液容器。

20.一种用于将金属电镀到衬底上的装置，其包括：

电镀槽，其被配置为承受低于约100托的压强，包括衬底架、电解液安全壳和能够在衬底浸入所述电解液安全壳中时控制衬底的方向的衬底定位系统；

电镀再循环回路，其包括电解液容器、泵、脱气装置和所述电镀槽，其中所述脱气装置被设置在所述电镀再循环回路中的所述电解液容器之后且在所述电镀槽之前；以及

电镀控制器，其被配置来在所述衬底被浸入所述电解液安全壳中时在电镀工艺过程中将压强维持在低于约100托。

21.如权利要求20所述的装置，其中所述衬底定位系统能够控制所述衬底的平移、倾斜和旋转。

22.如权利要求20所述的装置，其进一步包括溶解气体传感器。

23.如权利要求22所述的装置，其进一步包括溶解气体控制器和气体注入器，其中所述溶解气体控制器基于来自所述溶解气体传感器的测量结果来控制所述气体注入器。

24.如权利要求20所述的装置，其进一步包括旁路管道，其中所述电镀控制器被配置来使电解液流过所述旁路管道从而在电镀过程中绕过所述电解液容器。

25.如权利要求20所述的装置，其进一步包括大气再循环回路，该大气再循环回路包括所述电解液容器、大气回路泵和大气电解液容器，其中所述电镀控制器被配置来防止所述大气再循环回路在电镀过程中循环。

26.如权利要求20所述的装置，其进一步包括脱气电解液再循环回路和大气再循环回路，其中所述脱气电解液再循环回路包括所述电解液容器、泵和脱气电解液容器，且所述大气再循环回路包括所述脱气电解液容器、泵和大气电解液容器，其中所述电镀控制器被配置来确保所述脱气电解液再循环回路在电镀过程中不循环。

27.如权利要求20所述的装置，其进一步包括附加电镀槽，该附加电镀槽被配置为运转在约100托或低于约100托，其中所述附加电镀槽与所述电解液容器流体连通。

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