CN104054160B - 具有屏蔽的接触环的电镀处理器 - Google Patents

Abstract

在用于镀半导体晶片与类似基板的电镀处理器中，接触环具有多个间隔开的接触触头。屏蔽件至少部分地上覆于接触触头。屏蔽件改变工件外部边缘与接触触头周围的电场，从而减少或消除使用高窃流电极电流(thief electrode current)和种晶层解镀的负方面。可以实质上完全上覆和覆盖以及选择性地碰触接触触头的环形环的形式提供屏蔽件。

Description

具有屏蔽的接触环的电镀处理器

发明背景

一般使用数种不同类型的机器在基板上和/或基板中制造诸如半导体装置之类的微电子装置、和微尺度机械、电子机械及光学装置。在典型的制造处理中，电镀处理器将导电材料的一或更多个层(通常为金属)镀至工件(如半导体晶片或基板)上。电镀处理器一般使用具有许多接触件(contact)或触头(finger)的接触环，接触环电气连接至基板表面。能将接触环分类为二个群组：湿环与干环。利用湿环，接触触头被暴露于镀浴(plating bath)，而使得在电镀处理过程中接触触头成为“湿”的。干环具有密封接触触头的密封件，而使得接触触头保持干燥。

随着半导体与类似的微尺度装置的特征尺寸不断地减小，能用于晶片上的种晶层变得更薄。这在晶片上产生高的初始薄层电阻(sheet resistance)，而影响反应器及接触触头二者。在干接触环处理器中，由于在密封件上的残余化学品和/或密封泄漏，薄种晶层容易发生非故意蚀刻。由通过薄种晶层的高电流产生的焦耳热亦能破坏均匀电镀。在湿接触环处理器中，可能需要在晶片边缘处的窃流电极(thief electrode)以控制“终端效应(terminal effect)”，该终端效应导致在接触触头碰触种晶层的位置附近的非均匀电场。然而，使用窃流电流来控制终端效应能解镀接触触头周围或接触触头之间的种晶层，并使得使用湿环处理器来均匀电镀有问题。窃流电流亦趋向于使更多的金属镀至接触触头上。

因此，工程的挑战仍然在于设计电镀处理器。

发明内容

现在已发明用于电镀处理器的新接触环，新接触环很大程度上克服上述挑战。接触环具有多个间隔开的接触触头。在第一方面中，屏蔽件至少部分地上覆于(overlie)接触触头。可用实质上完全上覆于及覆盖接触触头的环形环的形式提供屏蔽件。在第二方面中，屏蔽件可上覆于或围绕工件的外部边缘。屏蔽件改变工件的外部边缘及接触触头周围的电场，从而减小或消除由随湿接触环设计而使用的薄种晶层及高窃流电极电流产生的负的方面。

附图说明

图1是电镀处理腔室的示意图。

图2是图1所示的接触环的立体图。

图3是图1及图2所示的接触环的放大立体图。

图4是图3所示的接触环的反置示图。

图5是在预处理位置中的图3及图4的屏蔽的接触件的示意图。

图6是在处理位置中的图5的屏蔽接触环的示意图。

图7是屏蔽件与接触环的组合的示意图。

图8是可替代的屏蔽的接触环的示意图。

图9是可与具有较少且较远间隔开的接触触头的接触环一起使用的可替代的屏蔽件设计的平面图。

具体实施方式

如图1所示，电镀处理腔室20具有包括转子24的头部22。在头部22中的电机28使转子24如由箭头R所指示的那样旋转。转子24上的接触环组件30与固持到转子24中或转子24上的工件或晶片100电气接触。转子24可包括背板26，及用于在晶片装载/卸载位置与处理位置之间垂直(沿图1中的方向T)移动接触环组件30的环致动器34。头部22可包括波纹管32以允许接触环的垂直或轴向移动，同时将内部头组件从处理液体和湿气密封起来。

仍参考图1，将头部22接合至基座36上。在基座36中的容器或皿(bowl)38容纳电解液(electrolyte)。一或更多个电极定位在容器中。图1所示的实例具有中心电极40及围绕中心电极40并与中心电极40同轴的单一外部电极42。电极40及42可提供于介电材料场整形单元44之下，以在处理器20内设定期望的电场及电流流动路径。可使用各种数量、类型及配置的电极。容器可由膜170划分成含有阳极电解液液体的下阳极隔室与含有阴极电解液的上隔室。窃流电极190通常提供在处理器20中与接触环相邻，以补偿终端效应。

图2图示与转子24分开且未安装任何屏蔽件的接触环组件30。图2图示倒置的接触环组件30。相应地，在图2中，接触环组件30上的接触触头82图示为在接触环组件30的顶部处或顶部附近，而当接触环组件30安装至转子24时，接触环组件30上的接触触头82在接触环组件30的底端处或底端附近。安装凸缘(mounting flange)64可提供于接触环上以利用紧固件将接触环组件30附接至转子24。

图3及图4再次图示接触环组件30的截面图，所述接触环组件30以图1中所示的竖直方向安装，且安装有屏蔽件。在此实例中，接触环组件30在内衬垫56与外部屏蔽环52之间具有基座环50。接触触头82附接至环形基座50。现在也参照图5，接触触头82可定位至环形基座50的平角底部表面70上。因此，接触触头82朝接触环组件30的中心向内延伸并在图1及图3中还稍微向上。或者，底部或安装表面70可为水平的，或甚至向下倾斜。

接触触头82电气连接至处理器电气系统。此电气连接可经由导电的环形基座50实现，例如，利用部分或完全由金属制成的环形基座实现。或者，环形基座50亦可为非导电材料或介电材料，伴随一个或更多个电引线延伸穿过或并排于环形基座50，而与接触触头82电气连接。内衬垫56可具有向外的锥形表面58，以帮助引导和集中晶片100至接触环组件30中。内衬垫56通常为塑胶或其它非导电材料，内衬垫56可具有延伸至环形基座50中的槽或凹部中的向外延伸的唇部60。或者，内衬垫56的几何形状亦能够并入基座环50或成为基座环50的一部分。

用于直径300mm(12英寸)的晶片的接触环组件30可具有480个或甚至720个接触触头。当镀至非常薄的种晶层上时，提供大量接触触头可降低不利影响，所述不利影响例如电流路径的变化与加热。典型的接触触头的尺寸为长度约6mm(0.25英寸)且厚度从约0.1mm到0.25mm(0.005英寸至0.010英寸)变化。用于直径450mm的晶片的接触环可具有1080个或更多个接触触头。

屏蔽件54覆盖接触触头82的部分或整个长度，也覆盖晶片的整个边缘。在图3及图4中，仅接触触头82的最内部尖端75不由屏蔽件54覆盖或屏蔽。可调整屏蔽件54相对于接触触头82的长度向内延伸的长度以改变接触触头的电流窃流效应。在一些设计中，屏蔽件的内部边缘可名义上实质对准接触触头82的最内部尖端75。在一些设计中，屏蔽件亦可选择性地向内延伸超过接触触头82的尖端。冲洗孔62可提供于屏蔽件54中，以更好地允许清洁。冲洗孔62为小直径，以最小化在镀处理中的影响，并可提供冲洗孔62以改善清洁和冲洗。屏蔽件54由介电材料制成，并且可形成为屏蔽环52的一部分。或者，屏蔽件54可为附接至接触环组件30的独立环。环形基座50可由金属制成，例如钛。屏蔽环52可包括环部66及附加的或整合的屏蔽件或屏蔽部54。为说明的目的，从图2中省略屏蔽件54。

接触环组件30可用于接触触头与电解液接触的湿接触应用中。在此类型的应用中，屏蔽件54减少镀至接触触头上的金属的积聚，且亦有助于防止在接触触头之间的晶片边缘上的解镀。这改善镀腔室20的效能，并减少接触触头解镀所需的时间。屏蔽件54可用于各种类型的常规触头。接触环组件30亦可用于密封环或干接触应用中。

图5及图6示意性地图示屏蔽的湿接触环组件200。接触环组件200为“湿”的，因为各个接触触头和晶片边缘暴露于镀液。介电材料屏蔽件201覆盖一些或全部的接触环202。当接触环组件在负载/卸载位置(处理之前或处理之后)中时，屏蔽件201与接触触头206被间隙208间隔开。如图6所示，在处理过程中，屏蔽件201可直接与接触触头接触。间隙高度SG可大约等于接触件206的厚度CT。举例而言，CT可从约0.05mm变化到1mm、2mm或3mm，并且典型地从约0.05mm变化至1mm。可由夹在晶片100与屏蔽件201之间的接触件206产生间隙。在夹在晶片与屏蔽件之间的接触件具有等于CT的间隙的情况下，流体通过接触件之间的间隙润湿接触件。间隙可被容易地控制并在晶片的周边周围是均匀的。随着晶片充分接合接触件靠着屏蔽件，建立均匀的几何形状。另一方面，若间隙过大，则可能会出现不均匀的电流窃流，因为间隙亦可能会不均匀。

屏蔽件201可由薄且有弹性的非导电材料制成，如聚醚醚酮(PEEK)。图5图示电镀处理开始之前的组件位置。如图6所示，为启动电镀处理，移动屏蔽件与接触触头以接触晶片100的边缘。此移动通常由头部22中的致动器执行，头部22中的致动器拉升支撑环以接触固持在头部22中的转子中的晶片。此移动导致接触件稍微偏斜或向下弯曲。若屏蔽件201为可弯曲的，则晶片边缘上所施加的力是有限的，即使没有精确地保持机械公差。在其他设计中，如图3所示，屏蔽件可以较不可弯曲。

接触件于从晶片边缘向里大约0.75mm至大约2mm处碰触晶片，或尽可能接近边缘，但一般不会在斜角本身上。当使用窃流电极时，由于往往需要控制终端效应，窃流电流能解镀接触触碰点与晶片边缘之间的0.75mm至2mm宽的区域上的种晶层，使得此区域无法用于制造微尺度装置。如图1所示，屏蔽件54或201用以减少窃流电极190的电场效应。此举有助于防止晶片外部1mm或2mm处的解镀。接触件206由屏蔽件201覆盖以减少至接触件206上的电镀。在内部边缘处，屏蔽件201可具有非常低的剖面(例如，具有约0.5mm(0.020英寸)的厚度ET)。此举能最小化电场干扰并提高在晶片边缘处的电流密度控制。大量接触件206(例如，360、480、720或更多)可用以帮助控制薄种晶层上的接触件之间的终端效应。屏蔽件201可稍微伸出或向内延伸超过接触件的尖端，以帮助控制至接触件与晶片边缘的窃流电流。

图5及图6所示的设计可允许晶片上减少的边缘排除区(例如在300mm晶片上的半径148mm-148.5mm处)，因为所述设计允许在晶片边缘处的一些窃流。此举避免由于电流拥挤而通常随密封环出现的晶片边缘处的镀膜厚度的尖峰(spike)。图5及图6所示的设计还避免对在将需要密封的晶片缺口处的特殊处理的需要。为了密封缺口周围，必须使密封物(seal)从缺口径向向内，完全围绕晶片以保持圆形的几何形状，或密封物必须有用于密封缺口的局部几何形状。若使用局部几何形状，则需要晶片对准，晶片对准为额外的困难。由于未使用密封，因此避免了与密封相关的这些困难与额外的空间需求。可利用屏蔽件201具有至晶片上的相似的突出部分而将接触件206定位于晶片边缘的0.75mm-1mm内。

随着接触件被放置为非常靠近晶片边缘，且没有由密封物占用的额外的空间；非常薄(low)的剖面；利用腔室窃流对非常接近接触件的电流密度的控制；以及到晶片边缘与接触件上的窃流的受控制的量；本屏蔽环的设计提供优点，以产生非常靠近晶片边缘(即，距晶片边缘1mm-2mm)的良好处理结果(即，好的模具(die))；比现有的环接触设计更接近边缘。

由于接触环组件200是“湿”的，因此电镀处理一开始就“保护”铜或其他种晶层，因为在接触件处或接触件周围正在添加金属。相比之下，在处理期间，密封环容易受到能蚀刻密封件后面的种晶层的任何酸性湿气的影响。当不使用密封件时，亦不能在接触件与密封件之间分配接触力。相反地，整个接触力都在接触触头上。如图6所示，尽管不是必需的，但是接触触头可偏斜向下并触碰屏蔽件。如图5所示，亦可利用间隔开的接触触头及屏蔽件执行电镀。与密封环相比，由于屏蔽件不必须密封和适应密封力，因此可将屏蔽件制成具有更薄的剖面，从而通过允许腔室窃流在晶片边缘处更有效地起作用而有助于减少泡阱(bubble trapping)和提高边缘均匀性。

接触件与接触环202可涂布有非导电材料(除尖端处外)以防止电镀物积聚。随着屏蔽件201的使用，在一些情况下可能不需涂层，或可放大接触件至接触件(contact-to-contact)的被涂布/未被涂布区域的公差。使用未被涂布的接触件允许更容易的制造，并消除一些潜在的故障模式(例如，涂层的剥落或涂层中的针孔)。由于屏蔽件201减少接触触头206上的金属积聚，因此相较于未屏蔽的湿环减少了解镀时间。

屏蔽件201可稍微突出或向内延伸超过接触触头的内部尖端，以提供能用于“拨入(dial-in)”晶片非常边缘处的均匀性的可调参数(例如，突出量)。在一些情况下，屏蔽件201可有助于减少晶片的边缘排除区上的金属积聚，使得更容易和更快地斜角蚀刻(相较于无屏蔽的湿环)。孔228能被添加至屏蔽件的外部区域/直径，以帮助吊挂及冲洗。这可能为优于密封环的优点，密封环不能具有孔而使得冲洗/干燥维护更加困难。

屏蔽件的大小与形状取决于分离的接触件的数目与接触的径向位置。具有较少接触点(例如大致少于220个)的接触环可能需要屏蔽件几何形状的圆周差异。举例而言，如图9所示，屏蔽件230可具有单独突起232排列在接触环的接触件之间。具有较大数目的接触件(大致多于220个)的接触环一般并不需要单独的突起而可为环形。

图7图示可替代的设计，所述可替代的设计具有嵌入至屏蔽件220或与屏蔽件220一体形成的导电接触触头272。接触触头可完全包含在屏蔽件220中，除末端尖端240在屏蔽件的内部边缘向外突出的地方以外。屏蔽件220可选择性地具有直立(垂直或接近垂直)的侧壁242，以帮助控制在晶片边缘处的解镀。在此情况下，屏蔽件的内部边缘可结束于侧壁242，而不是一直延伸至末端尖端240。

图8图示具有附接至接触环的环形屏蔽件214的可替代的屏蔽环设计，其中环形屏蔽件垂直地对准并围绕晶片100。在此设计中的接触件206可具有直的或水平的外部部分与接触晶片的成角度的内部部分。屏蔽件214可选择性地具有凹口或槽，以允许接触件206穿过屏蔽件214。在此情况下，可使用如图3至图7所示的直接触件。在图8的设计中，屏蔽件通常为垂直定向的，例如，屏蔽件214可为具有垂直定向的中心轴的圆筒部。相比之下，图3至图5中所示的屏蔽件为基本上平的水平环。屏蔽件214的高度可等于晶片100厚度的约1、2或3倍，通常约1mm、2mm或3mm。屏蔽件214可形成为内衬垫56的一部分。在晶片边缘与屏蔽件214之间的间隙GG可从0mm变化至1mm或2mm。屏蔽件214的内径可大致等于晶片直径加上公差。

Claims (14)

1.电镀处理设备，所述设备包含：

头部；

转子，所述转子在所述头部中以用于固持工件；

接触环，所述接触环在所述转子上；

多个接触触头，所述多个接触触头在所述接触环上；

介电材料屏蔽件，所述介电材料屏蔽件包含环形环，其中所述接触环和所述屏蔽件包含分开的元件，并且其中所述屏蔽件至少部分地上覆于并相邻于所述接触触头；以及

基座，所述基座包括电解液容器中的至少一个电极，其中所述头部可移动至处理位置与升举位置，所述处理位置中所述接触环在所述容器中并且所述接触触头浸在所述容器中的电解液中，所述升举位置中所述接触环从所述容器移除，并且其中所述屏蔽件在所述接触环与所述电极之间，并且当所述头部在所述处理位置中时，所述屏蔽件不对固持在所述转子中的工件密封。

2.如权利要求1所述的设备，其中所述接触触头径向向内延伸超过所述屏蔽件的内部圆周边缘。

3.如权利要求1所述的设备，其中所述屏蔽件的内部部分与所述接触触头间隔开2mm或更少。

4.如权利要求1所述的设备，其中所述屏蔽件的内部部分具有2mm或更小的厚度。

5.如权利要求1所述的设备，其中所述接触触头与所述屏蔽件直接接触。

6.如权利要求1所述的设备，其中所述接触环在450mm的直径上具有至少720个接触触头。

7.如权利要求1所述的设备，其中所述屏蔽件的圆柱内表面实质上垂直于所述工件位置。

8.如权利要求1所述的设备，所述设备进一步包含窃流电极，所述窃流电极相邻于所述接触环。

9.电镀处理设备，所述设备包含：

头部；

转子，所述转子在所述头部中并用于固持圆形平面工件；

接触环组件，所述接触环组件在所述转子上，所述接触环组件包括多个接触触头，所述多个接触触头从环形基座朝向所述转子的中心径向向内延伸，其中所述接触触头具有在第一直径上对准的尖端；

屏蔽环，所述屏蔽环从所述环形基座朝向所述转子的中心径向向内延伸，其中所述屏蔽环的内部圆形边缘具有第二直径，并且其中所述第二直径在所述第一直径的1mm之内；

电解液容器，其中所述电解液容器中的电解液接触所述接触触头并且其中所述接触触头能在所述屏蔽环不弯曲的情况下弯曲；

一或更多个阳极，所述一或更多个阳极在所述电解液容器中；

电场整形器，所述电场整形器在所述电解液容器中并在所述阳极与所述接触环组件之间；

窃流电极，所述窃流电极在所述电解液容器中并邻近所述接触环组件；以及

头部升降器，所述头部升降器附接至所述头部。

10.如权利要求9所述的电镀处理设备，其中所述屏蔽环能移动到处理位置，在所述处理位置中所述屏蔽环碰触所述接触触头。

11.如权利要求9所述的电镀处理设备，其中所述接触触头嵌入所述屏蔽环中。

12.电镀处理设备，所述设备包含：

头部；

转子，所述转子在所述头部中；

接触环，所述接触环在所述转子上；

多个接触触头，所述多个接触触头在所述接触环上；

环形介电材料屏蔽件，所述环形介电材料屏蔽件被放置以围绕所述转子中的工件位置的外部边缘，其中所述屏蔽件垂直地在所述接触环的接触触头的上方，并且其中所述屏蔽件的部分在所述工件位置之下垂直地延伸，所述屏蔽件不对所述工件密封；以及

基座，所述基座包括电解液容器，其中所述头部可移动以将所述接触环定位在所述电解液容器中以及定位在所述电解液容器外。

13.如权利要求12所述的设备，其中所述转子能移动到所述基座中的处理位置中，在所述处理位置中所述接触环和所述接触触头与所述容器中的电解液接触。

14.如权利要求12所述的设备，所述屏蔽件没有上覆于所述工件位置或在所述工件位置之下的部分。