CN104272438A - 用于清洁电镀衬底保持器的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

这里披露了通过去除在先前的电镀操作中聚集的金属沉积物而清洁电镀设备的唇密封件和/或杯底的方法。该方法可包括：定位喷嘴以使其基本指向在唇密封件和/或杯底的内圆边；以及从喷嘴分配清洁溶液流以在唇密封件和/或杯底转动时使该流接触唇密封件和/或杯底的内圆边；去除金属沉积物。在一些实施例中，流具有与唇密封件和/或杯底的转动方向相反的速度分量。在一些实施例中，金属沉积物包括锡/银合金。本文同样公开用于安装在电镀设备中并从它们的唇密封件和/或杯底去除电镀金属沉积物的清洁装置。在一些实施例中，清洁装置可包括喷射喷嘴。

Description

用于清洁电镀衬底保持器的方法和装置
相关申请的交叉引用
本申请要求下列专利申请的优先权：2012年3月28日提交的名称为“Methods and Systems for Cleaning Electroplating Substrate Holders(用于清洁电镀衬底保持器的方法和系统)”的美国临时专利申请No.61/616,909，以及2012年7月27日提交的名称为“Methods,Apparatus,and Systems for CleaningElectroplating Substrate Holders(用于清洁电镀衬底保持器的方法、装置和系统)”的美国临时专利申请No.61/676,841，这两者均出于全部目的全篇地通过引用包含于此。
另外出于所有目的全篇地通过引用包含于此的是：2011年8月1日提交的名称为“Automated Cleaning of Wafer Plating Assembly(晶片电镀组件的自动清洁)”美国临时专利申请No.61/513,993(代理人案号NOVLP432PUS/NVLS003700P1US)以及2011年11月28日提交的名称为“Electroplating Apparatus and Process for Wafer Level Packaging(晶片层封装的电镀装置和工艺)”的美国专利申请No.13/305,384(代理人案号NOVLP368US/NVLS003623US)。
技术领域
本公开涉及电子设备的制造、半导体衬底的电镀以及与电镀工艺和设备相关的各种清洁装置和方法。
背景技术
半导体制造和加工中的最新进展已导致电镀锡银合金的增加使用。锡银合金的一些示例性应用在名称为“ELECTROPLATING APPARATUSAND PROCESS FOR WAFER LEVEL PACKAGING(晶片层封装的电镀装置和工艺)”的美国专利公开No.2012/0138471(美国专利申请No.13/305,384)中有披露，该文献全篇地并出于所有目的地通过引用包含于此。在这些申请的许多中，锡银合金至少部分地从对锡晶须成形的优越抗性、可用的合理稳定电镀浴和工艺、较低的焊料熔点以及对焊球连接在冲击力下的断裂的提高抗性中获得其实用性。然而，由于在电镀装置本身上面的伪锡银沉积物的积累，锡银合金在半导体衬底上的电镀经常发现是有问题的。尤其是，已发现在电镀装置的衬底保持器(或蛤壳组件)的唇密封件和/或杯底区域之上和周围的锡银合金累积会导致显著的加工困难。在这里被统称为“唇密封件电镀”的这种伪金属聚集甚至在某些情况下可能导致形成在衬底和唇密封件之间的密封失效。其结果是蛤壳组件的内部可能变得受有害的和腐蚀性的电镀溶液污染。
由于“唇密封件电镀”可能导致唇密封件失效，因此一般需要在电镀操作序列的过程中从唇密封件和/或杯底区域定期地去除或清除掉伪锡/银沉积物。当前清洁技术涉及使用已浸渍硝酸溶液中的手持擦布利用硝酸溶液手动地擦洗唇密封件区域的规则的定期清洁。一旦用硝酸擦拭，唇密封件和/或杯底上的沉积物溶解，并随后冲洗这些区域以去除酸溶液和溶解的沉积物。然而，这些过程容易产生错误，或者因为并非所有的沉积物被去除，或者因为施加过大的力致使擦拭破坏相对脆弱的唇密封件接触区。此外，当伪沉积物成为实块时，单纯地手动下擦技术可能是不充分有效的，并且电镀装置的一些部件可能需要被去除和更换。经常地，这些预防性操作需要按日进行——这在采用多个工具和需要高产量的生产环境中是一个大的挑战。由此，从电镀设备的唇密封件和/或杯底区域去除伪金属沉积物的当前技术充其量是低效的和不能胜任的。
发明内容
这里披露了通过去除在先前的电镀操作中聚集在唇密封件和/或杯底上的金属沉积物而清洁电镀设备的唇密封件和/或杯底的方法。在一些实施例中，该方法包括：相对于唇密封件和/或杯底定位第一喷嘴以使第一喷嘴基本指向唇密封件和/或杯底的内圆边；沿第一旋转方向转动唇密封件和杯底；以及从第一喷嘴分配具有在大约5米/秒和40米/秒之间的流体速度的清洁溶液流以使清洁溶液流在唇密封件和杯底沿第一旋转方向转动的同时接触唇密封件和/或杯底的内圆边；从唇密封件和/或杯底去除金属沉积物。在一些实施例中，金属沉积物包括锡/银合金。在一些实施例中，清洁溶液基本为蒸馏与去离子水。在一些实施例中，清洁溶液流从第一喷嘴以与第一旋转方向相反的速度分量分配。在一些实施例中，第一喷嘴相对于唇密封件和/或杯底的内圆边定向在大约-45°和+45°之间的法向角上，并在一些实施例中，第一喷嘴相对于唇密封件和/或杯底的水平平面定向在大约-30°和+10°之间的水平角上。在一些实施例中，清洁方法可进一步包括当从第一喷嘴分配清洁溶液时在第一喷嘴中的清洁溶液中产生兆声波。
本文另外披露了一种使用具有唇密封件和杯底的电镀装置在多个半导体衬底上电镀金属的方法。在一些实施例中，这些方法包括：将金属电镀在第一组的一个或多个衬底上；确定是否执行去除在电镀第一组衬底时聚集在唇密封件和/或杯底的金属沉积物的清洁操作；如果确定允许如此，则执行清洁操作；并随后将金属电镀到第二组的一个或多个衬底上。在一些实施例中，确定包括评价在唇密封件和/或杯底上是否有足够的金属沉积物累积以允许清洁。在一些实施例中，清洁方法是根据前面段落中描述的一个或多个清洁方法来执行的。
本文还公开了用于安装在电镀设备中并从电镀设备的唇密封件和/或杯底去除电镀的金属沉积物的清洁装置。在一些实施例中，清洁装置可包括第一喷嘴、与第一喷嘴流体连接的第一清洁流体供给导管以及喷嘴臂，第一喷嘴固定到该喷嘴臂上。在一些实施例中，清洁装置可进一步包括喷嘴臂致动器，该喷嘴臂致动器机械地耦合至喷嘴臂并被配置成当清洁装置被安装在电镀设备中时使第一喷嘴和喷嘴臂在缩回位置和清洁位置之间移动。在某些这样的实施例中，在缩回位置，第一喷嘴和喷嘴臂被定位以使半导体衬底位于唇密封件上并降低至电镀设备的体积之内而不物理地接触第一喷嘴或喷嘴臂，该体积被配置成保持电镀浴。在某些这样的实施例中，在清洁位置，第一喷嘴被定位以使其基本指向电镀设备的唇密封件和/或杯底的内圆边。在某些实施例中，喷嘴臂致动器被配置成绕旋转轴转动喷嘴臂，以使喷嘴臂在缩回位置和清洁位置之间移动。在一些实施例中，金属沉积物包括锡/银合金。在一些实施例中，第一喷嘴是喷射喷嘴。
本文还公开了在布图的半导体衬底上电镀金属的电镀装置。在一些实施例中，电镀装置可包括：衬底保持器；具有保持电镀浴流体的体积的电镀单元；被配置成供给电荷的电源；以及如前面段落中描述的衬底保持器清洁装置。在一些实施例中，衬底保持器可包括：具有杯底的杯；安装在杯内的唇密封件；多个电接触指；以及相对于杯和唇密封件可移动并被配置成通过将衬底压入唇密封件而将衬底固定在衬底保持器的锥体。在某些这样的实施例中，电镀装置的电源将电荷提供给接触指。在一些实施例中，电镀装置可进一步包括可缩回清洁罩，当衬底保持器位于清洁位置时它位于保持电镀浴的电镀单元体积之上并位于第一喷嘴和衬底之下。
附图说明
图1A-1和图1A-2展示了在一系列锡-银电镀操作之后唇密封件和杯底的内圆边的照片。
图1B-1、图1B-2和图1B-3示意地示出了电镀衬底保持器的唇密封件和杯底上的不期望有的锡-银沉积物。
图1C和图1C-1示意地示出了在电镀衬底保持器的杯底上的不期望有的锡-银沉积物。
图1D-1、图1D-2、图1D-3和图1D-4展示了呈现由不期望有的锡-银沉积物造成的严重损坏的杯底的照片。
图2A给出了电镀装置的立体示意图。
图2B给出了电镀衬底保持器的横截面示意图。
图3A给出了具有其喷嘴处于其缩回位置的内建清洁装置的电镀装置的横截面示意图。
图3B给出了具有其喷嘴处于其清洁位置的内建清洁装置的电镀装置的横截面示意图。
图3C示意地示出了相对于电镀衬底保持器的内圆边的法向向量具有相等和相反角的一对喷嘴。
图3D示意地示出了相对于电镀衬底保持器的内圆边具有不同垂直位置的一对喷嘴。
图3E示意地示出了相对于电镀衬底保持器的内圆边的水平平面向下成角度的喷嘴。
图4A给出了具有其喷嘴处于其清洁位置的内建清洁装置的电镀装置的剖视图示意。
图4B给出了图4A的电镀装置和内建清洁装置旋转90°后的剖视图示意。
图5A给出了图4A和图4B的电镀装置的剖视图，其示出处于其缩回位置的电镀装置的内建清洁装置。
图5B给出了图4A和图4B的电镀装置的顶视图，其示出了处于其清洁位置的电镀装置的内建清洁装置。
图5C给出了在图4A、4B、5A和5B中示意地给出的清洁装置的喷嘴和喷嘴臂的照片，该喷嘴和喷嘴臂处于缩回位置。
图5D给出了在图4A、4B、5A和5B中示意地给出的清洁装置的喷嘴和喷嘴臂的照片，该喷嘴和喷嘴臂处于清洁位置。
图6给出了具有内建清洁装置以及内建可缩回清洁罩的电镀装置的横截面示意图。
图7给出了展示电镀一系列半导体衬底的一实施例方法的流程图，它定期地采用从衬底保持器去除金属沉积物的方法。
图8A给出了展示图4A和图4B的电镀装置和内建清洁装置的剖视图示意图，其中衬底保持器处于装载位置。
图8B给出了展示图4A和图4B的电镀装置和内建清洁装置的剖视图示意图，其中衬底保持器处于电镀位置。
图8C给出了展示图4A和图4B的电镀装置和内建清洁装置的剖视图示意图，其中衬底保持器处于冲洗位置。
图9A给出了用于衬底保持器清洁装置的一个喷射喷嘴实施例的示意性正面图。
图9B给出了用于衬底保持器清洁装置的一个喷射喷嘴实施例的示意性横截面图。
图10A、图10B和图10C示意地示出了就各角度而言喷嘴相对于唇密封件和/或杯底的内圆边的取向。
图11A展示了例如在这里给出的马拉松测试中使用的锡银电镀的覆盖层测试晶片的照片。
图11B-1、图11B-2、图11B-3和图11B-4展示在这里给出的马拉松测试之前电镀衬底保持器的照片。
图11C-1、图11C-2、图11C-3和图11C-4展示了在这里给出的马拉松测试中采用这里描述的清洁方法以5个晶片的清洁间隔电镀500个覆盖层测试晶片之后电镀衬底保持器的照片。
图11D-1、图11D-2、图11D-3和图11D-4展示了在这里给出的马拉松测试中不采用这里描述的清洁方法在电镀200个覆盖层测试晶片之后电镀衬底保持器的照片。
图11E-1、图11E-2、图11E-3和图11E-4展示了在这里给出的马拉松测试中不采用这里描述的清洁方法和装置在电镀500个覆盖层测试晶片之后电镀衬底保持器的照片。
图11F-1、图11F-2、图11F-3、图11F-4和图11F-5示出电镀装置的高阻虚阳极的照片，其示出当不采用这里描述的清洁方法和装置时在分别电镀0、100、300、400和500个覆盖层测试晶片之后可能聚集在其上的污染物。
图11G-1、图11G-3、图11G-4展示了电镀装置的高阻虚阳极的额外照片，其示出当不采用这里描述的清洁方法和装置时可能聚集在其上的污染物。
图11G-2展示了电镀装置顶盖的照片，其示出尽管未采用这里披露的清洁方法和装置但在顶盖上的一些污染物已聚集。
图11H-1、图11H-2和图11H-3展示了电镀装置顶盖的照片，其示出当采用本文披露的清洁方法和装置时可能聚集在顶盖内的污染物。
图11I-1展示了电镀装置顶盖的冲洗罩的照片，它在电镀任何晶片之前是干净的。
图11I-2和图11I-3展示了电镀装置顶盖的冲洗罩，其示出当采用这里披露的清洁方法和装置时分别在电镀250个和500个晶片之后会聚集在冲洗罩内的污染物。
具体实施方式
引言
尽管当前半导体制造领域内的多个电镀填充应用对锡银合金的电镀存在很强的兴趣，然而锡银合金的伪唇密封件沉积物——也是伪杯底沉积物——已被证实是有问题的。问题在图1A-1和图1A-2中被例示。图1A-1示出在120个衬底上的一系列锡银电镀操作之后唇密封件10和杯底20的内圆边的照片。照片中示出在唇密封件10上大量锡银沉积物存在。图1A-2展示在另一系列电镀操作之后另一唇密封件10和杯底20的内圆边的相似照片。在这种情况下，除了在唇密封件10，大量沉积物还出现在杯底20。这种不期望有的沉积物需要被定期地去除以避免诸如工件或晶片的质量和产量的下降或对电镀设备的损坏之类的灾难性故障。
不受具体理论限制，相信至少部分地造成伪锡银合金沉积物的根源是原子锡与原子银的还原电位的显著差异。进一步相信，伪锡银沉积物的生长藉由唇密封件和杯底的表面上的置换反应而发生，该置换反应导致每个锡原子(具有氧化状态+2)交换2个银原子(具有氧化状态+1)。同样，不受具体理论限制，相信从具有明显不同还原电位的其它金属组合形成的其它合金也可导致涉及在唇密封件和/或杯底上的伪金属沉积物的相同或相似问题。一些例子包括例如铜-铟、镍-钯、银-铟、铜-锡和铁-钴合金。
这些沉积物成形、它们成核的方式以及它们生长的方式的进一步特征将用来进一步阐述问题的大小。经常地，非故意/伪沉积物开始或发起于电镀设备的唇密封件处(它当然用作衬底和电镀设备之间的接触点)并随后前行至衬底保持器的其它表面，例如杯底。例如，图1B-1示出被形成在衬底145的工作(前)表面上的伪锡-银沉积物191，该衬底145被装载在电镀设备的衬底保持器内——该衬底保持器包括唇密封件143、杯底102、接触指144和锥体103(其每一个会在下面更为详细地予以描述)。图1B-1示出了沉积物191与唇密封件143物理接触。位于衬底边缘并在唇密封件附近的该伪沉积物可能是起因于该区域内光阻剂的局部缺乏，光阻剂的局部缺乏是例如边缘缺陷、衬底不对准和其它潜在原因导致的。此外，锡银电镀特征和层可比光阻层更厚，并且结果可造成“凸出”电镀。“凸出”电镀有时用来节省成本，因为它能允许使用较少材料(较薄的光阻膜)，但那种节省应当与控制和避免特征至特征间的侵蚀和短路的难度以及唇密封件电镀的较高倾向性作出平衡。在任何情形下，当衬底保持器的锥体103上升以允许如图1B-2所示从衬底保持器去除衬底145时，该锡银沉积物可断开其与衬底145的连接并保持与唇密封件143连接——或保持连接于诸如杯底102的某些其它组件。(注意，在这种场景中，尽管衬底仍然暂时停靠在唇密封件上并因此与之物理接触，然而锥体103的上升已释放了衬底145背侧上的压力以使它不再将唇密封件143挤压至相同的程度。衬底145和唇密封件143之间的界面的物理性质变化因此可造成沉积物断开其与一者或另一者的连接，这本例中是衬底)。以这种方式，释放锥体103可在衬底(例如晶片)移除期间造成一些残留和不连续的锡银沉积物192保留在唇密封件143内。一旦保留在唇密封件或杯底上，沉积物可作为活性晶核以实现进一步的锡银沉积。
尽管这些活性晶核一开始从晶片断开或彼此断开，但在多个电镀循环期间，在这些成核位点处的沉积可使一些晶核变成连接的并形成半连续的导电表面。如果该表面接触被电镀的衬底的一部分以及当该表面接触被电镀的衬底的一部分时，它实际上可能成为附加的籽晶层(至少局部地)并由此同样地接收额外的电镀材料。此外，最初不连续的晶核(它可主要由锡构成)将可能根据方程1、2经历与电解质内的更多贵银离子的置换反应：
Sn→Sn+2+2e-     (方程1),
2Ag++2e-→2Ag     (方程2).
如前面提到的，这得到沉积材料中的明显净体积增加。效果是即便不重连接至外部电流源，这些晶核也往往尺寸增加并变得随时间的推移物理和电气地彼此连接或连接回电流源。考虑前述反应和银、锡的相对密度，估计锡/银交换反应以造成伪锡银沉积物中大约40％的净体积改变。由此，最初不连续晶核随时间的推移成为显著的电镀表面。晶核可形成在唇密封件上，但它们也可形成在杯底上，或两者之上。同样，如图1B-3所示，唇密封件143上的最初沉积物192可作为成核位点，其随时间推移而生长和延伸，从而在杯底102上形成沉积物193。注意，尽管本公开聚焦于锡银沉积物和方程1、2中给出的沉积机制，然而其它类型的沉积物和其它沉积机制也出现在锡银合金电镀过程中。已被观察到的一些涉及形成含异构胶体的银和/或锡金属。
尽管相信在杯底上的锡银沉积物如图1B-3所示藉由唇密封件上的成核位点的扩张而出现，然而也相信在杯底上可能出现直接的锡银沉积。图1C和图1C-1中示出的一种可能的机制是一种过程，在该过程中一些边缘材料从衬底被电化学地移除并随后被重电镀到杯底上，而不是被电镀并保留在衬底上。不受任何具体理论的约束，相信在唇密封件和杯底上的这种累积的典型沉积速率是时间上非线形的，朝向整个电镀过程的较后期阶段而增加。图1C和图1C-1详细地示出该过程，同样，不受具体理论限制，该过程被相信是根据由方程3-7描述的机制进行的：
Sn2++2e-→Sn(衬底上的锡沉积)  (方程3),
AgL++e-→Ag+L  (衬底上的银沉积)  (方程4),
L+e-→L*-(通过L*从衬底去除电子)  (方程5),
L*-→L+e-(将e-从L*转移至杯底成核位点)  (方程6),
Sn2++2e-→Sn  (在杯底成核位点处的锡沉积物)  (方程7)
在图1C和图1C-1以及方程3-7的示意之后，概念是锡和银以正常方式被沉积在衬底(图1C)上，但剩余的银配合基可充当载体以还原和将电子从衬底向唇密封件和/或杯底上的位置转移，在这些位置锡离子可随后接收电子(图1C-1)和溶液镀出。
也要相信离开衬底的伪金属沉积物可本质上作为“阴极电流窃取者”，因为这些沉积物可表现为电镀用的替代位点。为此，伪沉积物可重引导在电镀杯内的电流分布，尤其是，将其重引导离开在唇密封件和衬底之间的连接处或附近的特征，这进而可能导致在衬底边缘附近的电镀的降级。这也可能造成沉积物厚度和合金成份的不均匀性。一旦伪沉积位点具有显著量的覆盖物，“窃取电流”变得足够大以造成封装和晶片层封装(WLP)应用中的严重降级和缺陷。同样，这种无意的沉积物可能随机地从相对不明显转变至造成灾难性故障，一般是以突然方式发生的。
图1D-1示出可由杯底上的主要沉积物造成的这类灾难性失效的一个例子，损害的区域在图1D-2中被放大表示。图1D-3中展示的电镀杯示出甚至更大的损害，这在图1D-4中被放大。在这后一情形下，杯由于无意的锡银沉积可能变得永久地受损、凹陷和腐蚀。对唇密封件和杯底的这种损害以及甚至较不可见类型的损害会阻止这些元件正确地密封衬底保持器中的衬底。结果是电镀流体渗入电镀设备的通常密封区并潜在地接触各敏感元件(例如电接触指30)的可能性增加，如图1A-1和图1A-2所示。在极端的情形下，损害可能如此广泛以至于这些昂贵和精确制造的部件无法返工(例如通过拆卸、沉积金属的蚀刻、重新组装等)，而是必需被更换。
在任何情况下，由于将锡银合金用作半导体加工的金属化和焊接材料的当前益处以及这些合金累积在电镀设备的唇密封件和杯底部件上的趋势，因此期望有效的唇密封件清洁方法和装置以去除伪锡-银合金沉积物。在一些实施例中，自动化唇密封件清洁过程(也可包括杯底的清洁)是优选的，其潜在地避免了使担任手动唇密封件清洁任务的技术人员暴露于潜在的腐蚀性和/或毒性化学剂(例如浓硝酸溶液)下。另外，该“自清洁”过程潜在地消除了(或至少减少了)与手动清洁关联的错误或硬件损伤。此外，在一些实施例中，自清洁方法和装置可有效地从唇密封件和/或杯底去除绝大多数或全部金属沉积物，可保持唇密封件基本无金属累积，可基本上从唇密封件去除任何断裂的膜，并可基本防止和/或避免在杯底上的金属沉积物的形成。在一些实施例中，自清洁方法和装置可有效地使用蒸馏/去离子水作为清洁剂，而不是采用有害的、危险的和/或昂贵的化学剂，例如浓硝酸。如果这些自清洁方法和装置基本防止被移除的金属沉积物以及任何其它金属进入电镀浴或电镀设备的其它区域，由此因稀释或化学污染而对浴组成的影响很少或没有影响，这也是有利的。理想地，在一些实施例中，所有前述内容可以以实质上完全自动化方式来实现。
集成电路制造中的电镀工艺和污染
现在将提供在集成电路制造背景下的电镀工艺和污染来源的简单描述。电化学沉积可在集成电路制造和封装过程中的各个时点被采用。制造晶体管中的第一步骤被称为线前端(FEOL)加工。制造金属互连中牵涉的过程被称为线后端(BEOL)加工。在IC芯片层，在BEOL加工期间通过在通孔和沟槽内电沉积铜或其它充分导电材料而形成镶嵌特征，以形成多个互连的金属化层。一般来说，背离晶体管层面移动的较大互连特征比例具有渐增的层级。线后端一般以晶片(例如SiN)的气密性密封而结束，它被称为晶片钝化层。芯片的封装发生在多个预钝化互连金属化层之上。包括晶片层封装(WLP)的封装一般开始于使位于钝化层之下的金属焊盘露出的工艺，并结束在封装中的芯片。封装可在管芯(其中晶片被切片然后被加工)上执行或部分地在晶片层上执行。更先进的封装趋向于晶片层封装，并涉及与球布置和更传统的引线接合相对的至/来自许多更细的凸起和重分配线的电沉积。可采用各种晶片层封装结构，其中的一些可包含合金或两种或多种金属或其它组分的其它组合。例如，封装可包括从焊料或相关材料制成的一个或多个凸起。焊料电镀凸起的一个典型例开始于具有第一电镀层的导电衬底籽晶层(例如铜籽晶层)，它是在大约1-3微米厚和大约80-120微米宽或更具体地大约100微米之间宽的镀镍的下凸起扩散势垒层，在镀覆铅锡焊料的柱之下(例如大约50至100微米厚和大约80至120微米宽或更具体地大约100微米宽)。在电镀、光阻剂剥落、导电衬底铜籽晶层的蚀刻之后，焊料柱被小心地熔化或回流以形成附连至下凸起金属的焊料凸起或球。
在另一方案中(它也被称为“铜柱”和/或“微柱”)，电镀金属的非焊料型下凸起或柱、诸如铜、镍或这两者的组合的金属的柱被形成在典型比上方更薄的焊料膜之下。在这种方案中，可能需要取得紧密/精确的特征节距和间隔控制。铜柱可以是例如大约20至50微米或更小的宽度，而这些特征可中心至中心彼此相隔仅大约75至100微米。铜结构可以是大约10-40微米高。在铜柱的顶部上，经常但非总是(主要依赖于最终芯片的预期工作温度)镍或钴阻挡膜(例如大约1-2微米厚)可用来将铜与含锡焊料隔开并由此潜在地避免固态反应，这种反应可能形成许多机械和化学上不期望的黄铜。最终，添加厚度一般为10-40微米的焊料层。这类方案也允许对相同特征尺寸减少焊料量、降低成本和/或芯片中的铅总量(在含铅焊料中)。
最近，由于环境和健康安全考量，已开始向远离含铅焊料的领域发展。锡银焊料合金凸起是尤为被研究的。铅锡材料提供良好质量的“凸起”以封装并且非常易于电镀，但铅的不适宜的毒性正在驱使远离其应用的领域。例如，RoHs创制(欧洲议会指令2002/95/EC)要求企业从已建立的锡铅工艺改变至无铅工艺。合乎逻辑的取代凸起材料包括铟、锡、锡银二元材料、锡铋二元材料以及锡银铜三元材料。然而，非合金锡可能遭受其应用中的许多基本限制和困难，例如其形成具有变化的晶粒取向和热膨胀系数的大型单颗粒球的趋势以及形成可能导致互连-互连短路的“锡晶须”的趋势。例如前面列出的各种二元和三元材料一般表现更好并缓解了与使用纯的、非合金锡关联的一些问题。不受具体理论限制，这至少部分地可以由于这样的事实：焊料凝结过程(即焊料材料从熔融状态转变至固态)容易造成显著的小颗粒沉淀和在固态焊料中引入非锡组分。锡和银的合金是相比非合金锡具有改善性质和性能的组成的例子。
银锡合金的沉积是通过频繁地采用惰性阳极(而不是潜在地更期望的“活性”或可溶阳极)的工艺来达成的。对此或类似系统使用活性阳极的困难部分起因于银和锡的非常宽间隔的电化学沉积电位；这些金属的标准电化学电位(Eos)相隔0.9伏以上(Ag+/Ag:0.8V NHE,Sn+2/Sn:-0.15V)。由于元素银本质上比元素锡更稀有且更具惰性，因此它将经历置换反应并电镀离开溶液到达锡阳极或锡/银阳极的表面上。这种化学“短路”连续地从电镀溶液移除(剥离或提取)相对低浓度的银，由此导致不可控制的过程和在锡阳极上形成减少的银金属两者。
当使用电位有差异的多组金属时有效和高质量电镀的方法和装置在2011年6月29日提交的题为“ELECTRODEPOSITION WITH ISOLATEDCATHODE AND REGENERATED ELECTROLYTE(用分隔的阴极和再生电解质的电沉积)”的美国临时专利申请No.61/502,590、2010年12月1日提交的题为“ELECTROPLATING APPARATUS AND PROCESS FOR WAFERLEVEL PACKAGING(用于晶片层封装的电镀装置和工艺)”的美国临时专利申请No.61/418,781以及2011年6月29日提交的题为“CONTROL OFELECTROLYTE HYDRODYNAMICS FOR EFFICIENT MASS TRANSFERDURING ELECTROPLATING(对于在电镀期间有效质量转换的电解质流体动力学的控制)”中有记载，这些文献中的每一篇出于所有目的全篇地援引包含于此。然而，尽管当电镀两种或更多种金属时存在高质量电镀领域，但在电镀电位具有很大的差异的情形下，仍然留有下列问题：电镀杯和纯密封的表面上电镀出的不期望有的金属以及如何解决这些非故意的沉积物。尽管这里的讨论是按照银锡电镀来表达的，但它也同样好地适用于任何其它不期望的金属沉积处理。也就是说，本文描述的方法和装置可潜在地用于解决许多类型不想要的金属或甚至非金属沉积物和沉积过程。
电镀装置
因此，这里描述了用于清洁半导体衬底电镀设备的方法和装置，并更具体地涉及这些设备的衬底保持器。图2A给出可适用所披露的清洁方法和装置的半导体衬底电镀装置100的立体图。注意，尽管图2A示出一特定的衬底电镀装置，然而这里披露的清洁方法和装置可适用于多种电镀设备，并因此当前公开不将应用限制在图2A中披露的内容。
电镀装置100具有多个特征，这些特征示出于图2A并相对于接下来的附图另行描述。装置100包括半导体衬底保持器，它可被称为“蛤壳”。蛤壳可包括杯102并也包括锥体103，该锥体103可牢固地将半导体衬底夹持在杯102内。
在图2A中，杯102通过支柱104支承，这些支柱104连接至顶板105。被统称为杯/锥体组件101的该组件102-105(有时被称为蛤壳组件)经由主轴106通过电动机107驱动。电动机107附连至安装托架109。主轴106将转矩传至由杯/锥体组件101保持/咬合的半导体衬底(本图中未示出)，以使衬底在处理(例如电镀)期间转动。在主轴106内可存在空气圆柱(图2A中不可见)，该空气圆柱提供在杯102和锥体103之间夹持衬底的垂直力。被表示为102-109的部件的整体组装(其包括杯/锥体组件)在图2A中被统称为衬底保持器111。然而要注意，“衬底保持器”的概念总体延及用于咬合/保持衬底和/或提供其移动和定位的机构的部件的多种组合和子组合。
另外图2A中示出倾斜组件112，该倾斜组件112可包括可滑动地连接至第二板117的第一板115。第一板115也连接至安装托架109，该安装托架109位于衬底保持器111的远端上。另外图2A中示出分别在枢转接头119、121连接至第一板115和第二板117两者的驱动圆柱113。由此，驱动圆柱113可提供驱动力以使板115跨过板117滑动，由此定位半导体衬底保持器111。衬底保持器111的远端(具有安装托架109的一端)由此可沿通过板115、117之间的接触区定义的圆弧路径移动，并因此衬底保持器111的具有杯/锥体组件的近端可相对于虚拟枢转点倾斜。在一些实施例中，这允许半导体衬底具有角度地进入处理溶液(例如电镀浴)。
整个装置100经由另一致动器(未示出)或者向上或者向下垂直升降以将衬底保持器111的近端浸没到处理溶液中。由此，两分量定位机构提供沿与处理溶液(例如电解质电镀浴)垂直的轨迹的垂直移动和倾斜移动两者，所述倾斜移动允许衬底的位置相对于处理溶液的表面偏离于水平取向以提供成角度的衬底浸没能力。设备100的移动能力和相关硬件的更详细描述记载在2003年4月22日颁证、2001年5月31日提交的题为“METHODSAND APPARATUS FOR CONTROLLED-ANGLE WAFER IMMERSION(对受控制的角度晶片浸没的方法和装置)”美国专利No.6,551,487，该文献出于全部目的全篇地援引包含于此。
注意在电镀期间，装置100典型地与具有容纳阳极和电解质的电镀腔的特定电镀单元一起使用。电镀单元也可包括管道或管道连接以使电解质循环通过电镀单元并抵达被电镀的衬底。该电镀单元也可包括膜或其它间隔件，它们被设计成在阳极隔室内相对于阴极隔室保持不同的电解质化学产品。
图2B给出衬底保持器(也被称为杯/锥体组件或“蛤壳组件”)101的更详细图，其包括杯122和锥体103的横截面图。注意，图2B中绘出的杯/锥体组件101不打算是比例上合适地精确的，而是被样式化以增进下面说明的清楚性的展示。具有杯底102的杯122支承唇密封件143、触头144、总线条和其它元件，并且其本身经由支柱104通过顶板105被支承。总体来说，衬底145停靠在唇密封件143上，就在触头144之上，触头144被配置成支承衬底145。杯202也包括开口(如图中标示的)，电镀浴溶液可通过该开口接触衬底145。注意电镀发生在衬底145的前侧142上。由此，衬底145的周缘停靠在杯202底部向内突起上(例如“刀刃形”边缘)或更具体地停靠在位于杯202的底部向内突起上的唇密封件143上。
锥体103在衬底145背侧上下压以配合衬底145并将其保持在位，并在电镀期间将衬底浸没入电镀浴期间抵靠住唇密封件143地密封它。通过衬底145传递的来自锥体103的垂直力挤压唇密封件143以形成流体密封。唇密封件143防止电解质接触衬底145的背侧(在那里它可将污染的金属原子直接引入到硅中)并防止其到达装置101的敏感部件，例如建立与衬底145边部的电连接的接触指。这种电连接和关联的电触头144(它们本身是密封的并受唇密封件保护以不至变湿)用来向暴露于电解质的衬底145导电部分提供电流。总地来说，唇密封件143将衬底145未露出的边缘部分与衬底145的露出部分隔开。这两部分包括彼此电气连通的导电表面。
为了将衬底145装载到杯/锥体组件101中，锥体103经由主轴106从其描绘的位置抬升，直到在杯102和锥体103之间有足够的间隙以允许将衬底145插入到杯/锥体组件101为止。衬底145然后在一些实施例中通过机械臂被插入并允许轻轻地停靠在唇密封件和杯202上(或附连至杯的相关部件上，例如下面描述的唇密封件143)。在一些实施例中，锥体103从其描绘位置上升，直到它接触顶板105为止。接着，锥体103随后下降以挤压并咬合衬底使其抵靠杯102的边缘或附连的唇密封件143，如图2B所示。在一些实施例中，主轴106既传输使锥体103咬合住衬底145的垂直力，又传输使杯/锥体组件101和由杯/锥体组件保持的衬底145转动的转矩。图2B分别通过实线箭头150和虚线箭头152指示垂直力的方向和转矩的旋转取向。在一些实施例中，衬底145的电镀一般发生在衬底145转动时。在某些这样的实施例中，在电镀期间转动衬底145有助于取得均匀的电镀，并有助于去除金属累积去除物作为下面详细描述的工艺的一部分。
在一些实施例中，在杯102和锥体103之间还有额外的密封149，它咬合住杯102和锥体103的表面以当锥体103咬合住衬底145时总体形成基本流体密封。由杯/锥体密封149提供的额外密封发挥功能以进一步保护衬底145的背侧。杯/锥体密封149可固定于杯102或固定于锥体103，由此当锥体103咬合住衬底145时咬合住替代元件。杯/锥体密封149可以是单组件密封或多组件密封。类似地，唇密封件143可以是单部件密封或多部件密封。此外，多种材料可用来构筑密封件143、149，如本领域内普通技术人员能理解的那样。例如，在一些实施例中，唇密封件由弹性材料构成，而在某些这样的实施例中，由全氟聚合物构成。
具有内建唇密封件和/或杯清洁装置的电镀装置
这里披露的是电镀装置，其包括内建清洁装置(或多个清洁装置)，用以从电镀装置的衬底保持器——尤其从衬底保持器的唇密封件和/或杯底——清洁掉伪金属沉积物。然而注意在一些实施例中，清洁装置本身可以是独立部件，其被设计成被安装在或附连至预先存在的电镀设备之上。具有衬底保持器320和内建清洁装置310的该电镀装置300的具体例子示出于图3A和图3B。除了内建清洁装置310和衬底保持器320，该电镀装置300包括电镀单元330，该电镀单元330具有保持电镀浴流体334的体积332。衬底保持器320一般具有被安装在杯324内的唇密封件322、可相对于杯324和唇密封件322移动并被配置成通过将衬底340压入唇密封件322将衬底340固定在衬底保持器320中的锥体326，并另外典型地包括多个电接触指(图3A和图3B中未示出)，所述电接触指如前所述地当衬底340被密封在杯324内时并由电镀装置的电源(同样在图3A和图3B中未示出)提供电荷时一般受唇密封件322保护。
清洁装置本身——内建在或附连/安装至图3A和图3B的电镀装置——包括第一喷嘴314、与第一喷嘴流体连接的第一清洁流体供给导管(未示出)以及喷嘴臂313，第一喷嘴314固定到喷嘴臂313。在一些实施例中，例如图3A和3B中展示的实施例中，清洁装置310包括喷嘴臂致动器312，其机械地耦合至喷嘴臂313并被配置成在缩回位置和清洁位置之间移动第一喷嘴314和喷嘴臂313。图3A示出处于缩回位置的第一喷嘴314和喷嘴臂313。如图所示，在缩回位置，第一喷嘴314和喷嘴臂313被定位以使半导体衬底340可位于唇密封件322上并下降到电镀单元330的体积332内，该电镀单元330被配置成不物理地接触第一喷嘴314或喷嘴臂313地保持电镀浴流体334。类似地，图3B示出处于清洁位置的第一喷嘴314和喷嘴臂313，其中如图所示，第一喷嘴314被定位以使其基本指向在电镀设备300的唇密封件322和/或杯底325的内圆边。
在一些实施例中，例如图3A和图3B中所展示的实施例，喷嘴臂致动器312被配置成通过绕转轴316转动喷嘴臂313在缩回和清洁位置之间移动喷嘴314。当喷嘴臂致动器312绕转轴316转动喷嘴臂313时，喷嘴314绕轴316摆动到至少在开口的垂直边缘内的位置，如图3B所示。在图3A和图3B所示的例子中，转轴316基本是垂直的，这意味着喷嘴314基本在水平平面内行进。在该例中，喷嘴314相对于唇密封件322和/或杯底325的内圆边的垂直取向可通过均沿垂直方向移动清洁装置310或衬底保持器320或两者而达成。该垂直方向可对应于在电镀循环期间保持器的运动。
在另一例子中(图3A和图3B未示出)，转轴相对于垂直方向可以是非零角，并且绕轴的转动可对应于喷嘴或其它清洁设备的水平运动和垂直运动两者。在某些实施例中，电镀装置300可被设计和配置成以这样一种方式工作，即喷嘴臂313的单独转动足以将喷嘴314带到相对于内圆边的所需的最初位置。在其它实施例中，喷嘴314的垂直移动可经由喷嘴臂致动器312通过喷嘴臂313的垂直运动提供，例如通过喷嘴臂致动器312使得喷嘴臂313在壳体内沿其转轴上下滑动。在某些这样的实施例中，喷嘴不带任何显著旋转运动的垂直运动可足以将喷嘴带到足够靠近内圆边的位置以进行清洁操作。在一些实施例中，清洁装置310可包括可延伸喷嘴臂，该喷嘴附连在一端，并且喷嘴臂的延伸是将喷嘴带到足够靠近内圆边的位置以进行清洁操作所需的全部。喷嘴臂可相对于其支承结构或壳体沿其轴线延伸来完成这个。同样，在前面的全部内容中，要理解图3A和图3B中的喷嘴314可用不同类型的清洁设备代替，例如刷子或棉签，用以根据实施例施加清洁溶液。如此，以各种类型清洁设备取代喷嘴314落在本公开的范围内。
由此，图3A示出在其电镀模式下的电镀装置300，而图3B示出处于其清洁模式下的电镀装置300，并且如这些附图中所示，衬底保持器320可根据电镀装置的模式在电镀装置300内不同垂直位置之间移动。具体地说，图3A示出衬底保持器320，其垂直地定位在电镀位置并保持衬底340以使被电镀在其上的衬底340的表面位于电镀单元330的体积332内，该电镀单元330保持电镀浴流体334。在该位置，晶片保持器320支承衬底340并使其浸没入电镀浴流体/溶液334。此外，注意在电镀模式中，清洁系统310远离衬底保持器320被定位以避免与其在电镀装置300内的多个位置之间的垂直运动的任何干涉。
同样，图3B示出垂直地位于电镀装置300内的清洁位置的空衬底保持器320(即不保持衬底)，其中唇密封件322和/或杯底325相对于清洁装置310定位以使电镀金属沉积在唇密封件322上和/或杯底325可通过清洁装置310去除。由于在清洁模式下没有衬底出现在衬底保持器320内，因此在由衬底保持器320的唇密封件322和/或杯底325的内圆边限定的衬底保持器的底部内具有开口。在图3B中，包括喷嘴314的一部分清洁系统310通过该开口突出以使喷嘴314相对于唇密封件和/或杯底的内圆边位于预定位置。也要注意尽管图3A和图3B中未示出，但电镀装置300一般也包括垂直定位或“驱动机构”以将衬底保持器310定位在不同的上和下以及垂直高度或目标位置之间，该目标位置中的一者被称为装载位置，用于打开衬底保持器、装载/卸载衬底并闭合衬底保持器，另一位置被称为电镀位置，其用于将衬底定位到电镀浴溶液中，另一位置被称为收回位置，用于从衬底和衬底保持器去除多余夹带的流体，另一位置被称为冲洗位置，用于通过冲洗溶液(例如水)的喷洒大致地冲洗衬底底部，而另一位置被称为清洁位置，用于执行如这里详细说明的唇密封件清洁操作。
在清洁期间清洁设备相对于唇密封件和/或杯底的内圆边的预定位置和定位可依赖于清洁设备的类型——即是否为喷嘴和什么类型的喷嘴，或是否为其它类型的清洁设备。例如，诸如棉签和刷子的清洁设备典型地被定位成与内圆边直接接触以确保在衬底保持器转动期间在两者之间产生至少一些剪切力。另一方面，喷嘴被定位在某一距离以外。此外，为了防止回溅，喷嘴(例如音速喷嘴和/或高压喷射喷嘴)可相对于形成内圆边的表面以直角以外的角度定位。这示出于图3C，图3C展示了位置与(假想的唇密封件和/或杯底的)内圆边321离开某一非零距离的两个喷嘴314。由此，一般来说，这里披露的清洁装置在一些实施例中可包括第二喷嘴。另外，在采用第二喷嘴的某些这样的实施例中，装置可附加地采用与第二喷嘴流体连接的第二清洁流体供给导管。根据该实施例，两个喷嘴可连接至相同或不同的致动喷嘴臂。图3C中所示的这对喷嘴314相对于内圆边321的法向矢量具有相等和相反的角度。在某些实施例中，该角度可从大约0°和60°之间变化，或更具体地在大约30°和45°之间变化。
当然，图3C也一般地示出衬底保持器清洁装置可采用多个清洁设备，具体地说，该装置可采用多个清洁流体分配喷嘴314。然而要注意，当多个清洁设备被用于清洁装置时，所有这些可以是相同类型的(例如具有如图3C所示的多个喷嘴的清洁设备)，但它们不必定是：清洁装置根据该实施例在各种组合(例如音速喷嘴和棉签的组合)中可采用不同类型的清洁设备。也要注意，根据实施例，可将多个清洁设备定位在相同支承结构或多个支承结构上。在采用棉签和刷子式清洁设备的实施例中，这些设备可接收低压流体流，并且它们可在清洁的同时转动以在接触点提供额外的剪切力。此外，拭子或刷子式清洁设备的最初位置在该操作中可改变(例如角度、垂直取向、与边缘的距离)。
回到多喷嘴实施例，在一些情形下，例如图3C中示意地示出的，可以有两个喷嘴314，它们粗略地指向内圆边321上的相同点。在一些实施例中，喷嘴314相对于内圆边321的相应角度可粗略地相等，或者它们可如图3C所示粗略地相等但彼此相反，或者它们可相对于内圆边具有完全不同的角度。然而，在其它实施例中，多个喷嘴可具有不同的取向并指向在内圆边上的不同点，例如图3E中示意地示出那样。具有不同取向并在不同点击中内圆边的多个喷嘴可能有益于提供作用在表面污染物上的不同类型作用力。例如，一片金属沉积物可在一端松动但在其另一端良好地附连至内圆边。如果喷嘴以清洁流体流在其下方受力的方式倾斜，在松动端和边缘表面之间，片状物可容易分离并被移除。另一方面，如果喷嘴成角度以使清洁流体流朝向边缘表面推压松动端，则片状物的去除可变得明显更具挑战。由于不可能预测污染物将如何分布并附连至表面，因此不同的或可变的喷嘴取向可能是有利的。此外，即便对于同一喷嘴取向，改变转速甚至衬底保持器的方向也可帮助改变作用在污染物上的作用力。由此，在某些实施例中，清洁循环可涉及改变衬底保持器的旋转方向和/或速度。
图3C示出多个喷嘴，这些喷嘴具有在水平平面内改变的取向并具体地相对于内圆边的法向矢量具有变化的角度。然而，一些实施例可如图3D所示在不同垂直位置处采用多个喷嘴，以使从这些喷嘴分配的清洁流体流在不同垂直点冲击内圆边。此外，在一些实施例中，例如图3E中示意地示出的喷嘴的一个或多个喷嘴可相对于内部有内圆边的水平平面垂直地成角度。在这种情形下，喷嘴相对于内圆边的水平平面向下成角度，然而在下面描述的实施例中(见图4A和图4B)，喷嘴可相对于圆形边的水平平面向上成角度。并且，如图3C所示，可具有相对于内圆边的法向矢量的角度变化可比拟地相对于内圆边的水平平面变化的垂直角的多个喷嘴。另外(如下文中更完全描述的)，单个喷嘴可在清洁操作期间被重定位和/或重取向以在同一清洁操作/循环期间指向不同角度和/或内圆边上的不同点。在这种情形下，单个喷嘴可有效地提供与成组的喷嘴相同的功能。
在一些实施例中，清洁装置310的喷嘴(或多个喷嘴)314可以是喷射喷嘴——以喷射流式流动分配清洁流体的喷嘴——但可分配较低速度流体的其它类型喷嘴也可适宜地用于所披露的清洁装置。例如，在一些情形下，具有传播音速波的、更具体地传播兆音速波的较低速流体(即从“兆音速波喷嘴”分配的流体)可提供有效的清洁溶液。在具体实施例中，清洁装置可包括兆音速清洁系统，例如由德国Neuenbürg的Sonosys或加利福尼亚州的Campbell的Prosys提供的。兆音速清洁系统可配有抗腐蚀线路和喷嘴，并典型地配有兆声波功率发生器，该发生器将50/60Hz的主电压转换为大约700kHz和4MHz之间的频率。由此，当分配清洁溶液时，兆声波功率发生器被用来在喷嘴内的清洁溶液中产生兆声波(具有大约0.7MHz和4MHz之间的频率)。兆声波功率发生器的频率和结果得到的兆声波可针对特定清洁应用根据需要被调整。所使用的功率可以在大约0.5瓦/平方厘米和2瓦/平方厘米之间。占空比可包括在大约5-20％功率开之间和大约85-95％功率关之间(例如10％开和90％关)。这种兆声波清洁系统一般基于附于板上的压电换能器，被设置在含清洁流体的罐的外侧。换能器产生通过流体传播的高频波。沿波的每个点在最大和最小压力之间振荡。当压力最小值低于流体的蒸气压时，在流体中形成气泡。当压力增加至最大压力时，气泡向内瓦解，由此当流体冲入以填充由瓦解的气泡留下的空穴时发出强烈的能量震波。这种能量被称为空化能量，并在一些实施例中，很适于从内圆边去除微粒或污染物。相关地，当使用兆声波功率以提高清洁溶液的效率时，溶解气体(氮、氧等)可被添加至清洁溶液以增加流体流中的空化量(如刚才描述的)。因此，在某些实施例中，兆声波喷嘴(即分配具有传播的兆声波的清洁流体的喷嘴)可提供对极脆弱微结构和材料(例如唇密封件的内圆边)的平滑清洁，所述极脆弱微结构和材料经常产生自软的和易损的聚合物材料，具有诸如唇突起的相对小的特征。尽管相信超声清洁对于这类清洁应用而言过于粗略并具有破坏性，但兆声波清洁可提供有效的和更轻柔的替代。此外，兆声波喷嘴相比超声清洁允许去除小得多的粒子——这对于从唇密封件和/或杯底的内圆边去除潜在的电镀晶核而言是尤为重要的事实。超声清洁喷嘴的尖部可被定位在离内圆边的最近点大约0.5和3毫米之间的距离上，更具体地离内圆边大约1和2毫米之间。这些距离范围可至少确保有足够的距离以使流体流以某一最小期望流体速度离开喷嘴，同时仍然足够靠近内圆边以防止(兆)声波降解效果的显著消散。下面将更详细地描述喷嘴(或多个喷嘴)314相对于唇密封件和/或杯底的内圆边的进一步特定的预定位置(包括距离和取向)，这可依赖于喷嘴314的类型。
为了从图3A所示的电镀装置的电镀模式(和衬底保持器的电镀位置)向图3B所示的清洁模式(和衬底保持器的清洁位置)转变，衬底保持器320首先通过将衬底保持器320沿垂直方向抬升至装载位置而从保持电镀浴流体/溶液334的电镀单元330的体积332被去除。然后打开衬底保持器320，并且衬底320从衬底保持器310被卸载，这使衬底保持器320的底部开启，由此使唇密封件322和/或杯底325的内圆边露出。清洁装置310随后将喷嘴314定位在相对于唇密封件322和/或杯底325的内圆边的预定清洁位置。这可涉及单独移动清洁装置310的一个或多个部件(例如喷嘴臂致动器312或一般连接至喷嘴等的臂或脚)和/或将清洁装置本身的大部分向上或向下移动。替代地，它可涉及清洁装置310的一个或多个部件(例如喷嘴臂致动器312、喷嘴臂313和喷嘴314)结合衬底保持器320的移动的组合移动。在一些实施例中，喷嘴臂致动器312被配置成绕旋转中心316转动喷嘴臂313，由此将喷嘴臂313和喷嘴314在前述缩回位置和清洁位置之间移动。在一些实施例中，一旦处于其清洁位置，喷嘴314被定位在衬底保持器320下面并落在开口的垂直周缘内。衬底保持器320可随后被降低和/或喷嘴臂313和喷嘴314可上升以相对于唇密封件和/或杯底定位喷嘴314，以使喷嘴基本指向唇密封件和/或杯底的内圆边。
图4A和图4B示出了电镀装置的另一实施例，该电镀装置包括内建清洁装置，用于从电镀装置的衬底保持器(尤其是从衬底保持器的唇密封件和/或杯底)清洁伪金属沉积物。同样，尽管清洁装置在这里被描述为电镀装置的内建部件，然而在一些实施例中，清洁装置本身可以是被设计成拟被安装以用于先前存在的电镀设备的独立部件。
本质上，图4A和图4B均示意地示出了相同的电镀装置400，其区别在于图4B所示装置的透视图使装置从图4A给出的透视图转过大约90°，从而提供清洁装置410的不同视图。除了清洁装置410，电镀装置400具有：衬底保持器420(经常被称为“蛤壳”或“蛤壳组件”或“杯-锥体组件”)；具有用于保持电镀浴流体434的体积的电镀单元430；以及可围住电镀装置的上部(例如当衬底被装载时围住衬底保持器420)的“顶盖”433。衬底保持器420通常包括：安装在具有杯底425的杯424中的唇密封件422、可相对于杯424和唇密封件422移动并被配置成通过将衬底(未示出)压入到唇密封件422中而将衬底440固定在衬底保持器420中的锥体426。
在一些实施例中，例如图4A和图4B所示的实施例，杯424由杯支柱428支承并附连至杯和锥体升降机(未示出，但位于锥体426之上)。被支柱428经过锥体426的一部分，这允许锥体相对于杯424经由气动机构(未示出的机构)上、下移动。由此，蛤壳组件(或衬底保持器)可闭合以将衬底(未示出)密封，使其外周抵靠住唇密封件422。当锥体426处于缩回/上位置并因此蛤壳组件(或衬底保持器)处于如图4所示的开启配置时，可将衬底装载到蛤壳组件内并使其停靠在唇密封件422上。一旦衬底停靠在唇密封件422上，杯支柱428可被挤压(即移动通过锥体426)以使杯424和锥体426彼此朝向对方地移动——这是为了将锥体426的底表面压靠向衬底的背表面以使衬底另一侧(即拟被电镀的一侧)的外周压靠向唇密封件422，从而形成流体密封。
衬底保持器420也典型地包括多个电触头(图4A和图4B中未示出)，它们在电镀操作期间经由电镀装置(同样在图4A和图4B中未示出)的电源向衬底440提供电荷。在一些实施例中，电触头被形成为电接触指，但其它形状/类型的电引线也可向衬底提供电流。如前面指出的，在电镀期间，电触头一般受形成在衬底440和唇密封件422之间的流体密封保护，该流体密封在电镀期间保持电镀溶液不接触衬底的背侧并远离电触头。如果未正确密封，电触头可变得以不均匀地增加衬底/触头电阻的电镀浴金属电镀，可能受电镀溶液的腐蚀效果损害，或提取可能以其它方式终结在衬底外周的电流，所有这些将降低电镀过程的质量、均匀性和再现性。在一些实施例中，喷嘴314被用来例如通过改变喷嘴相对于电触头的高度并视情况调节清洁流体的流动、衬底保持器转速、清洁溶液化学性质和其它参数而执行电触头的清洁。
一旦衬底被装载并密封在衬底保持器内(即由杯424和锥体426咬合并抵靠住唇密封件422密封)，衬底保持器(或蛤壳组件)的近端准备下降至电镀浴内。电镀浴包括被包含在电镀装置400的电镀单元430内的电解质溶液，该电镀单元430保持(或具有体积以保持)电镀浴流体434。在一些实施例中，电镀单元430(在一些实施例中也被称为下外单元约束腔)可包括阳极腔436和HRVA(高阻虚拟阳极)电流分配控制器和流动扩散器438，如美国专利No.7,967,969、7,622,024和8,308,931中记载的那样，这些文献出于所有目的全篇地援引包含于此。在电镀操作期间，蛤壳组件被下降到用于保持电镀浴流体434的电镀单元的体积432中，以使衬底的工作表面(向下表面)降低至电镀浴流体/溶液434的流体页面435以下，由此使晶片的工作表面浸没到电镀溶液中。例如，参见图8B：具体地说，电镀单元430、阳极腔436、HRVA电流分配控制器和流动扩散器438、电镀单元430的体积432、电镀浴流体434以及可以看到刚好高过图8B中的衬底440的位置的电镀浴流体页面435(即，衬底440的底表面被浸没到电镀浴流体434中)。
现在参见清洁装置本身，如图4A、4B和图5A-5D所示，清洁装置410包括喷嘴414、与喷嘴414流体连接的清洁流体供给导管417(见图5C和图5D)以及喷嘴414固定至的喷嘴臂413。在一些实施例中，例如图4A、4B和图5A-5D中展示的实施例中，清洁装置410包括喷嘴臂致动器412，其机械地耦合至喷嘴臂413并被配置成在缩回位置和清洁位置之间移动第一喷嘴414和喷嘴臂413。
这些缩回和清洁位置进一步示出于图5A-5D，图5A-5D展示清洁装置420的一个实施例的特写图——以顶盖433的空间背景观察，但不脱离电镀装置400的其它部件而观察。图5A示出当喷嘴和喷嘴臂处于其缩回位置时喷嘴414、喷嘴臂413和喷嘴臂致动器412相对于顶盖433的定向。图5B示出喷嘴414和喷嘴臂413处于其清洁位置下的相同部件。图5C和图5D分别展示同样在其缩回和清洁位置下喷嘴414和喷嘴臂413的一个实施例的特写照片。从图5C和图5D可以看出，在该实施例中，清洁流体通过流体供给管线417被传递至喷嘴414，该流体供给管线417沿喷嘴臂413的外侧行进。在其它实施例中，喷嘴臂413本身可作为清洁流体的导管，由此使这部分供给管线变得多余。示意地示出于图3A和图3B中的这些实施例以相同方式配置。
同样从图5C和图5D中明显看到，在该实施例中，喷嘴臂413是圆弧形的并通过喷嘴臂致动器412绕转轴旋转以在缩回位置和清洁位置之间移动喷嘴和喷嘴臂，反之亦然。为了这样做，喷嘴臂致动器412使喷嘴臂413移动通过顶盖433内的旋转通孔466。注意在该实施例中，这种旋转运动是将喷嘴414从其缩回(和/或“储存”和/或“停驻”)位置带到其清洁(和/或扩张和/或延伸)位置并再次回来所需的全部。同样，类似于图3A和图3B所示的例子，转轴在这里基本是垂直的，这意味着喷嘴414基本在水平平面内行进。且同样，在一些实施例中，喷嘴414相对于唇密封件422和/或杯底425的内圆边的垂直取向可通过沿垂直方向移动衬底保持器420而达成。然而，在其它实施例中，转轴可能不是严格垂直的并因此喷嘴414绕轴线的转动将造成喷嘴的垂直位移，该垂直位移可能有助于将喷嘴314带到足够靠近唇密封件422和/或杯底423的内圆边以执行清洁操作。
从图5A和图5B也要注意，从这些图中可见的顶盖433的圆直径来判断，在喷嘴414如图5A和图5B所示地处于其缩回位置的状态下，适当尺寸的半导体衬底可沿顶盖433和电镀单元430的中轴线下降，并经过缩回的喷嘴414而不物理地接触喷嘴414或喷嘴臂413。相反，在喷嘴414如图5C和图5D所示处于其清洁位置的状态下，喷嘴414和喷嘴臂413将看上去阻挡半导体衬底尝试下降至电镀单元430的路径，在所述电镀单元430内保持电镀流体。然而，当喷嘴414和喷嘴臂413处于图5C和图5D所示的清洁位置时，喷嘴被取向以使其基本指向电镀设备400的唇密封件422和/或杯底423的内圆边，如图4A和图4B所示。
注意，图4A、4B和图5A-5D统一地示出在缩回位置和清洁位置之间实现喷嘴414和喷嘴臂413的移动的一种机构，并且图3A和图3B示出了另一种，然而，许多其它相关的喷嘴定位方案和实施例也是可行的并落在本文披露的创新性理念的范围内。
最小化清洁溶液进入电镀浴的配置
对于这里披露的采用分配清洁流体/溶液的喷嘴的电镀/清洁装置，清洁流体的流动(至唇密封件和/或杯底)一般在衬底保持器位于清洁位置时被分配，该清洁位置是典型地在电镀溶液正上方的位置。因此，在清洁操作期间存在危险，即清洁溶液可去除的金属沉积物可能落入电镀浴并污染电镀溶液。在一些实施例中，为了防止这种情况发生，衬底保持器可连续地转动以使离心力起作用以迫使清洁溶液/流体从内圆边和底部开口离开并朝向电镀装置的区域而不是电镀浴区域——落入朝向电镀单元的壁，在那里清洁流体可从电镀浴中排走。
与本方法一致，一些实施例清洁装置可采用一些类型的结构、设备或部件以帮助将用过的清洁流体/溶液移离电镀浴。例如，围住电镀装置内部的外周的环形流体收集结构/设备、部件可用来捕捉和捕获用过的清洁流体，该用过的清洁流体已通过由保持器转动产生的离心力沿径向向外施力。
作为其一个例子，注意在一些电镀装置中，优选地采用回收罩(为了回收电镀流体并使其返回到电镀浴)以及冲洗罩(为了使用过的冲洗溶液流离电镀浴)。然而，在一些实施例中，这些部件实现到额外的目的使用过的清洁流体/溶液(包括任何去除的金属沉积物，或者是溶解的或者作为微粒)转向离开电镀浴，由此防止电镀浴的污染。这种回收罩实施例460和冲洗罩实施例470示出于图4A和图4B，并且这些部件将在下面参照图8A、图8B和图8C进一步作更详细的描述。回收罩460和冲洗罩470也许在图5A和图5B中展示的剖视图中最清楚地看到。尽可能简洁地，这些部件中的每一个包括围绕电镀装置内部的径向外周并沿径向向外方向向下倾斜的架。每个架具有用来反射任何向下冲击的流体的下表面以及用来捕捉由于与其上方的电镀装置的内部区的冲击造成的滴落在其上的任何流体的上表面。达成这个的径向向下和向外倾斜可从图4A、图4B和图8A-8C中看到。注意，下表面和上表面可以是完美平坦的或可能只是基本平坦的，或可能具有一些(非平坦)轮廓，这有助于引导冲击流体或扮演一些其它的结构角色(例如这些图中所示的回收罩460的底表面对其具有非平坦轮廓)。如所述那样，上表面用来捕获流体，并为了防止表面因采集的流体而溢流，排水口一般可从这些上表面流体地到达。在一些实施例中，排水口可以是在上表面对导管(管道等)开口内的孔，该导管给出远离电镀浴的流体路径。在其它实施例中，排水口可以是在电镀装置靠近回收或冲洗罩的上表面的内壁中的孔，这同样导致导管呈现出远离电镀浴的流体路径。在任何情况下，由于这些罩部件的上表面总体起到使流体远离电镀浴转向的作用，因此它们可起到防止一些(或全部)用过的清洁流体(或任何溶解的和/或微粒金属)进入电镀浴。在图4A、4B和图8A-8C所示的实施例中，起到这个作用的是冲洗罩470的上表面。
当然，因为任何流体采集部件起到聚集用过的清洁流体的作用，由此防止其进入电镀浴，必须使清洁流体进入流体采集部件(和/或在其之上)。流体通过由衬底转动产生的离心力的径向向外加速，如前所述，将有助于达成这个目的。然而，当喷嘴被用来分配清洁流体时，这另一方面是喷嘴(或多个喷嘴)的类型和/或配置的明智选择以及喷嘴相对于唇密封件和/或杯底的内圆边的取向的选择(例如从喷嘴尖端至内圆边的距离、喷嘴角等)。同样重要的是各流体流参数(流体流率、流体流体积、流体速度、喷嘴压力等)的明智选择。结合衬底保持器转速(并因此唇密封件和杯底转速)，所有这些音速确定了用过的清洁流体在其离开来源(例如喷嘴)之后并随后继续在唇密封件和杯底周围和之上流动的目的地。在一些实施例中，例如图4A、图4B、图8A-8C示意地示出的实施例中，前述音速的适当选取/选择导致清洁流体离开喷嘴414，接触唇密封件422和/或杯底425的内圆边，有效地清洁唇密封件422和/或杯底425并去除金属沉积物，并随后继续在内杯表面上流动，在杯支柱428之间流动到其顶部之上，并随后最终降落到回收罩460的上表面或冲洗罩470的底表面，在那里流体可远离电镀浴被安全地排出。
应对用过的清洁溶液对电镀浴的潜在污染的另一方式(可与衬底转动结合)是采用可缩回清洁罩以捕获在清洁操作期间可能从电镀衬底保持器下落的任何用过的清洁流体。如图6所示，可缩回清洁罩380可位于电镀单元330保持电镀浴流体334的体积332之上，并位于用来分配清洁溶液的任何喷嘴314之下，并当衬底保持器320位于清洁位置时也位于衬底保持器320之下。可缩回清洁罩380一般具有展开配置和缩回配置，其中在缩回配置中，衬底保持器320可从清洁或装载位置移动至电镀位置而不受清洁罩380的物理妨碍，而在展开配置中，清洁罩380防止从喷嘴314分配的清洁流体落入电镀单元330保持电镀浴流体334的体积332中。在一些实施例中，处于其扩张配置下的清洁罩380如图6所示朝向开口的中心延伸过喷嘴314。在某些实施例中，在其扩张配置下通过可缩回清洁罩380形成的开口382的直径小于唇密封件322和杯底325的内圆边的直径的大约75％。在某些实施例中，处于扩张配置下的可缩回清洁罩的开口的直径可小于唇密封件322和杯底325的内圆边的直径的95％、85％、75％、65％、55％、45％、35％、25％或15％。如此，即使一些用过的清洁流体/溶液从内圆边或从衬底保持器320的任何底表面滴落，可缩回清洁罩380将仍然可能捕获用过的清洁流体并防止其污染电镀浴。
然而，即使电镀装置300配有可缩回清洁罩380，衬底保持器320和某些实施例中可缩回清洁罩380本身可转动以使如此产生的离心力迫使用过的清洁溶液/流体远离内圆边和底部开口，并如前所述地朝向电镀装置的区域而不是电镀浴区域。然而，由于可缩回清洁罩380的存在，转速可显著低于其中主要依赖离心力来防止用过的清洁溶液污染电镀浴的前面给出的例子中的转速。此外，尽管特定电镀装置可结合诸如回收罩460或冲洗罩470(如前所述)的流体采集部件地采用可缩回清洁罩380，然而一般可接受的是通过这些部件采集用过的清洁溶液的较少部分，因为可缩回清洁罩380可本质上为电镀浴提供后备保护。
在一些实施例中，清洁罩380是略呈圆锥形的光圈机构，它可被至少打开或闭合至尺寸以覆盖杯底和唇密封件的内径下面的突出表面。这种可缩回光圈类型或光圈快门清洁罩380可包括数个薄的可移动叶片，它们可根据电镀装置300处于清洁模式(其中衬底保持器320位于清洁位置)还是处于电镀模式而改变由罩形成的开口的尺寸。叶片可被配置成一旦可缩回罩缩回和展开则在彼此之上滑动，以使叶片产生可变尺寸的基本圆形开口(或某些其它形状)。在电镀循环期间，可缩回清洁罩380可被配置成形成大开口，该大开口允许衬底保持器320移动通过罩380并进入/离开电镀浴溶液334。在清洁循环期间，可缩回罩380可形成较小的开口并延伸过唇密封件322和杯底325的内圆边，如图6所示。
清洁电镀衬底保持器的方法&采用自动化衬底保持器清洁操作的电镀方法
这里也披露了将金属电镀到多个半导体衬底上的方法，其中周期地施加清洁操作以从用来执行电镀方法的电镀装置的衬底保持器的唇密封件和/或杯底去除伪金属沉积物(通常是锡银合金沉积物)。这些电镀装置前面已详细描述过，并如前所述地一般采用具有唇密封件和杯底的衬底保持器，所述唇密封件和杯底在一系列半导体衬底电镀过程中可能聚集锡银沉积物。因此，这里披露了电镀方法，该电镀方法包括：将金属电镀到第一组的一个或多个衬底上；定期地作出是否在电镀第一组衬底时执行去除聚集在唇密封件和/或杯底上的金属沉积物的清洁操作的判断；如果准许清洁操作，中断这一系列电镀操作以执行清洁操作；并在执行清洁操作之后，继续在第二组的一个或多个衬底上电镀相同的金属。
典型地，确定是否执行清洁操作涉及评价唇密封件和/或杯底上是否已有足够的金属沉积物累积来准许清洁，或者在一些实施例中评价是否已具备足以准许清洁的累积的可能性。下面将更详细地说明评价是否可能已具有足够累积的各种方法、技术、经验法则、电镀阈值、衬底阈值和潜在的其它度量。一般来说，这里的清洁涉及预防性维护程序和过程以避免或延迟灾难性的杯底电镀，这些完全有害的事件和结果如图1D-1至图4所示。
利用定期清洁操作的电镀多个半导体衬底的这些方法可采用本文描述的任何可适用的清洁方法，这些方法工作以去除在之前电镀操作过程中聚集在唇密封件和/或杯底上的金属沉积物。在一些实施例中，这些清洁操作利用相对于唇密封件和杯底的内圆边以特殊方式(将在下面更详细地描述)定位的流体分配喷嘴(也将在下面更详细地描述)。例如，唇密封件和/或杯底清洁方法可包括：相对于唇密封件和/或杯底定位喷嘴以使喷嘴基本指向在唇密封件和/或杯底的内圆边；转动唇密封件和杯底；以及分配清洁溶液流以使清洁溶液流在唇密封件和/或杯底转动时接触唇密封件和/或杯底的内圆边，由此从唇密封件和/或杯底去除金属沉积物。在一些实施例中，在大约5和40米/秒之间的流体速度下分配清洁溶液流，并在某些这样的实施例中，分配的流体流可具有与唇密封件和杯底的旋转方向相反的速度分量，但有关可能的流体流速度、喷嘴取向等的额外细节将在下文中更详细地予以描述。然而要注意，在一些实施例中，尤其是采用反转衬底的这些流体速度的实施例来说，仅仅蒸馏、去离子水的清洁溶液可能是有效地从唇密封件和/或杯底去除金属沉积物所需要的全部。
图7中示意地示出定期地采用从衬底保持器去除金属沉积物的方法的电镀一系列半导体衬底的一实施例方法。尽管图7的流程图示出一系列步骤，但本领域内技术人员将理解，在本公开的范围内可以对顺序作出一些变化，包括视情况省去一个或多个步骤。注意，图7中示意地示出的电镀方法采用若干步骤，将电镀装置的衬底保持器(并因此装载在衬底保持器中的衬底)定位在电镀装置内的多个垂直位置。这些垂直位置中的若干个被示意地示出在图8A、图8B和图8C中，每副图示出了垂直地定向在电镀装置内的衬底保持器。也要注意，图8A-8C示意地示出的电镀装置与图4A-4B中示出的装置基本相同，并且图4A和图4B中示出的衬底保持器的清洁位置也将在下面对具体方法的描述中予以参考。
因此，图7中示意地示出的电镀方法700开始于710，将新衬底440装载入图4A、4B、8A、8B和图8C的电镀装置400内。(步骤720)注意，在这之前可移动衬底保持器420(在这里也称蛤壳组件)至装载位置(步骤705)，如果尚未如此定位就绪的话——处于其装载位置的电镀装置400示意地示出在图8A中。一旦衬底保持器/蛤壳组件420处于装载位置，通过开启蛤壳组件(杯支柱428延伸以使杯424与锥体426分离)以接纳衬底440来装载衬底440，同样如图8A所示。接着闭合蛤壳组件(杯支柱428缩回以使锥体426咬合住衬底440，由此将其压靠在杯424的唇密封件422以形成密封)并降低到图8B所示的电镀位置(步骤722)，衬底440的工作表面低于电镀浴434的流体页面435。通过衬底440与电镀溶液434接触，电流经由接触元件(未示出)被施加至此，并且金属(例如银锡合金)被电镀在衬底440的工作表面上(步骤724)。
当电镀结束时，蛤壳组件/衬底保持器420在电镀单元430内上升至回收位置(步骤726)，在那里衬底440和衬底保持器420高于电镀浴434的流体液面，但衬底440低于回收罩460(注意该回收位置未被明显地示出在任何装置图中，但示出于图7中)。在该位置，衬底和衬底保持器以大约200和600RPM之间的转速转动大约1秒和10秒之间(例如400RPM达4秒)以去除附着于衬底和/或衬底保持器的任何剩余电镀溶液。(步骤726)从衬底和衬底保持器的自旋产生的离心力使得附着的电镀溶液甩离衬底和/或衬底保持器，然而，衬底和衬底保持器典型地想和对于回收罩460垂直地定位以使甩离的电镀溶液冲击回收罩460以返回到电镀浴434。
接着，衬底440和衬底保持器420垂直地上升至图8C所示的冲洗位置(步骤730)，其中衬底440位于回收罩460之上，但在冲洗罩470之下。在该位置，衬底和衬底保持器在以大约200和600RPM之间的转速自旋大约1秒和10秒之间的时间(例如400RPM达4秒)(步骤732)时被喷洒以冲洗溶液，并由于垂直位置，冲洗溶液和稀释电解质往往朝向在回收罩460之上但在冲洗罩470之下的顶盖433区域被甩离衬底和衬底保持器，由此导致用过的冲洗溶液和稀释的电解质聚集在回收罩460的上表面。
当已聚集足够的溶液时，用过的冲洗溶液和稀释的电解质通过排放口462从回收罩460的上表面被排出，这最清楚地示出在图8A和图8C中。注意，排放口462是顶盖433壁上的切口，但由于电镀装置400的视角示意地示出在图8A和图8C中，因此排放口462出现在后面并从回收罩460出现在图8A和图8C前景中的部分转离。
在这些步骤结束的情况下，衬底440和衬底保持器420返回到图8A的装载位置(步骤734)，衬底保持器被开启(通过伸出杯支柱428)，并且移除目前电镀的衬底440(步骤736)。
就在此时，采用自动化清洁程序的一些实施例电镀方法将利用作决策过程以确定是否在唇密封件和/或杯底上可能已有足够的金属沉积物累积以准许发起自动化衬底保持器清洁操作。(步骤740)根据该实施例，多个因素中的一个或多个可在关于是否发起自动化清洁操作的决策中被考虑。例如，在一些实施例中，自动化清洁将在自从最近一次清洁操作开始已对预定数量的衬底进行电镀之后发起。在某些这样的实施例中，衬底的预定数目是从1-200的范围选择的数，或者从1-100的范围选择的数，或者从1-50的范围选择的数，或者从1-25的范围选择的数。例如，在某些实施例中，在对每个晶片作电镀之后或在对每第25个晶片作电镀后或在对1个和25个之间的某一数量的晶片作电镀之后执行清洁。在某些实施例中，根据自从最近一次清洁操作起被电镀的衬底的布图表面积与未布图表面积之比选择衬底的预定数目。在某些实施例中，衬底的预定数目是根据在衬底的外周附近的部分电镀区而选择的。衬底布图界定衬底表面上的开放(未布图)区域的程度影响这种部分电镀。高比例的开放可电镀区往往被更厚地电镀，涉及更大的电流流动，并因此一般更快地聚集唇密封件和杯底沉积物。当然，在唇密封件和杯底上的金属沉积物聚集的速率也一般依赖于(厚电镀的)开放区与唇密封件和杯底的接近性。因此，在一些实施例中，在清洁之间拟被电镀的衬底的预定数目是根据每一衬底上的百分比开放区域和开放区域离衬底边缘的距离而设定的。
在一些实施例中，可测量(或估计)自从最近一次清洁操作起经由电镀被转移至衬底的电荷量，并随后将其用来确定是否准许清洁操作。由此，在一些实施例中，如果自从最近一次清洁操作起超过预定量的电荷已经由电镀被转移至衬底，则确定准许清洁操作。在某些这样的实施例中，预定量的电荷是从大约5库仑至500库仑的范围选择，或从大约10库仑至250库仑的范围选择的，或从大约20库仑至100库仑的范围选择的的电荷量。在一些实施例中，可采用与所适用的衬底布图的分析耦合的电荷转移的测量来确定发起清洁操作是否是有利的。例如，在一些实施例中，用来评价可能的聚集的预测性度量可涉及通过基于所使用的衬底布图以电荷转移至衬底上的哪个位置的可能性对测得的电荷转移进行加权。由此，例如在一些实施例中，根据自从最近一次清洁操作起电镀的衬底的布图表面积的径向分布和/或未布图表面积的径向分布而选择电荷的预定数量。
在任何情况下，此时在电镀方法700中，基于一个或多个前述考量作出回顾是否发起自动化唇密封件清洁操作的判断(步骤740)。如果一个或多个因素(例如前面讨论的那些)暗示唇密封件和杯底仍然充分地无金属沉积物，则电镀过程将再次对新衬底440开始(710)并且不需要介入性清洁程序，如图7的流程图所示。另一方面，如果一个或多个因素暗示唇密封件和/或杯底并非充分地无金属沉积物，则同样如图7的流程图所示那样发起自动化唇密封件清洁操作。
如果发起，则通过将喷嘴臂413移动到清洁位置(750)而开始唇密封件和/或杯底清洁方法，由此一旦衬底保持器420下降至其清洁位置，喷嘴414的位置接近唇密封件422和/或杯底425的内圆边。在一些实施例中，喷嘴臂413是圆弧形的并藉由喷嘴臂致动器112绕转动中心旋转，这使喷嘴臂413移动通过顶盖433中的旋转通孔466，如图5A-5D所示和前面所述。尽管这种配置具有前面已描述过一些的某些益处，但可使用许多不同的机制在缩回停驻/保存位置和展开清洁位置之间移动喷嘴414(和任何关联的喷嘴臂413)。
一旦喷嘴414处于其清洁位置，衬底保持器420——其在此时一般不再保持衬底——被降低到图4A和图4B所示的清洁位置(步骤752)。在该位置，如前面指示的，并在4A和4B所示，喷嘴414位于唇密封件422和/或杯底425的内圆边附近。注意一般来说，此时，衬底保持器420在蛤壳开启的衬底去除步骤(步骤736)之后尚未重新闭合，并因此锥体426不位于喷嘴414附近。在一些实施例中，这种配置提供改善的清洁，因为它允许清洁流体容易地进入电触头区并从衬底保持器420向外冲洗任何污染物并远离电镀单元的中心并重要地是远离电镀浴——并在一些实施例中，如前所述地在回收罩460或冲洗罩470上。另外，在一些实施例中，衬底保持器420下面有更多空间以最佳地将喷嘴414定位在唇密封件422的内缘附近而不与闭合的锥体426形成干涉。在一些实施例中，这种配置可能是有利的，仅仅因为唇密封件422的更多露出表面可用以清洁，例如密封衬底的表面被露出以实现微粒去除和清洁。然而，在其它实施例中，衬底保持器420可在前进至清洁程序之前被闭合，这意味着在之后的步骤中锥体426相对更靠近喷嘴414。同样注意，在许多配置中，当衬底保持器420不处于其清洁位置时，喷嘴414和喷嘴臂413仅应当移动至和自它们的展开清洁位置——因为，当衬底保持器420如此定位时，伸出或缩回的喷嘴414将可能使其冲击衬底保持器。而在一些实施例中，可能不是这种情况，由图7的流程图调用的程序是在将衬底保持器420移动到清洁位置(步骤752)之前使喷嘴414移动进入清洁位置(步骤750)，并随后在使喷嘴缩回(步骤768)之前将衬底保持器移出其清洁位置(至装载位置，步骤766)，如下面将要解释的那样。
在到达其清洁位置之前或同时，如图7所示，衬底保持器420被转动/旋转(步骤754)。另外是采用高转速还是低转速可依赖于用来分配清洁溶液的喷嘴类型的选择。在使用冲击性喷射喷嘴以外的某些其它喷嘴的某些实施例中，例如较低流动化学药品(非水和侵蚀性)传递喷嘴的实施例，较低转速可以是合适的，例如至少约30RPM，或更具体地至少60RPM或甚为具体地至少约100RPM。注意，衬底保持器旋转有助于使内圆边的整个外周露出于所分配的清洁溶液多次，由此促成彻底的均匀清洁。在某些实施例中，清洁循环/操作可包括衬底保持器至少大约30次完整的回转/旋转，更具体地是衬底保持器至少大约100次的回转/旋转。在其它实施例中，例如采用喷射喷嘴的那些实施例，在分配清洁溶液时衬底保持器的适当转速可以更高，例如在从大约250RPM至800RPM之间的范围内，或者更优选地在从大约350RPM至600RPM之间的范围内(参见下面关于喷嘴选择/配置的描述)。
一旦喷嘴保持器转动，清洁溶液可如图7所示那样从喷嘴414分配(步骤756)。在一些实施例中，喷嘴分配/释放清洁溶液的喷射流或喷射状流，其流体性质可有助于去除累积在唇密封件和/或杯底上的金属沉积物。在一些实施例中，可使用兆声波喷嘴——即分配具有传播通过其流体截止的兆声波的清洁溶液的喷嘴——并因此这种清洁方法可包括当从喷嘴分配清洁溶液时在喷嘴中的清洁溶液内产生兆声波。在一些实施例中，清洁溶液可以是蒸馏和/或去离子水(基本没有任何添加酸)，尽管根据实施例也可采用其它清洁方案。清洁溶液的其它例子可包括含金属腐蚀化合物的溶液(例如过氧化氢加诸如硫酸之类的酸、例如中度酸性溶液中诸如硝酸铁之类的铁盐或过硫酸铵)和/或湿润剂和表面张力减少的表面活性剂(例如各种肥皂和/或化学药品，比如聚乙烯或丙二醇以及氧化物)或仅有酸(例如甲烷磺酸、硫磺酸和/或诸如硝酸之类的氧化酸)。因此，例如清洁溶液可包括蒸馏和去离子水、从聚乙二醇和聚丙二醇中选择的表面张力降低剂，并可基本上无酸。
在一些实施例中，喷嘴414的取向可在分配清洁溶液流时改变以改变清洁流体冲击唇密封件422和/或杯底425的内圆边的角度。在某些这样的实施例中，喷嘴414相对于唇密封件422表面的角度可通过转动喷嘴臂413(例如用喷嘴致动器组件412)在清洁循环期间改变。这种喷嘴取向变化可在清洁循环期间重复若干次。
在一些实施例中，衬底保持器420且因此唇密封件422相对于喷嘴414的垂直位置可在清洁循环期间一定程度地改变。例如，在清洁过程开始时，可设定清洁流体的分配喷射流的中心以击中唇密封件的下部并随后向上流动，但当清洁循环发展时，蛤壳组件的高度可略为降低以使清洁流体的喷射流的冲击点逐渐地向上移动(沿锥体和电触头方向)。更通常地，清洁操作/循环可包括在分配清洁溶液流时抬升和/或降低唇密封件和杯底以在清洁循环过程中改变清洁溶液与唇密封件和/或杯底的内圆边的接触面积。此外，衬底保持器420相对于喷嘴414的各垂直位置在清洁循环期间可重复若干次。
图4B示出(在喷嘴414附近)箭头415，其在该具体实施例中指示清洁溶液流在离开喷嘴414时的方向。重复地，图4A和图4B均示出弯曲箭头416，该弯曲箭头416指示在该具体实施例中衬底保持器420相对于喷嘴414取向的旋转方向。注意，在该实施例中，分配流体流的方向415(图4B)与衬底保持器420(图4A和图4B)的旋转方向416相反，并因此这种从喷嘴分配的清洁溶液流具有逆着唇密封件422的内圆的旋转方向的速度分量。唇密封件相对于清洁溶液流的这种反转可作用以提高清洁溶液从唇密封件去除金属沉积物的能力。尽管不受关于有效工作模式的任何具体理论限制，然而唇密封件表面与流体流动流的高相对速度以及流体流相对于唇密封件表面(如下所述)的法向/冲击和平行分量的组合可允许通过已产生在唇密封件沉积物和弹性唇密封件本身之间的间隙下对清洁流体施力而增进唇密封件沉积物的去除。在一些实施例中，通过离开耦合至唇密封件422的反转的喷嘴414的清洁溶液产生的作用力可至少部分地作为将蒸馏/去离子水而不是例如腐蚀性的浓硝酸成功地用作清洁剂的原因。另外，注意指示图4B中的流方向的箭头415朝向唇密封件422的内圆边略为向上指向。在一些实施例中，也已发现这增加了离开喷嘴的流的清洁效率。喷嘴取向也将在下面更一般和更详细地予以讨论。同样注意，在一些实施例中，清洁方法可采用多个清洁流体分配喷嘴和具有多个清洁流体分配喷嘴的电镀装置。在下文中也将更详细地描述若干这样的方案。此外，注意在一些这样的多喷嘴配置中，喷嘴可指向相对于衬底旋转的相反方向，并因此清洁方法/循环可包括在从第一喷嘴分配清洁时使唇密封件和杯底沿第一旋转方向转动并随后在从第二喷嘴分配清洁流体时使唇密封件和杯底沿与第一旋转方向相反的第二旋转方向旋转。因此，在一些实施例中，从第一喷嘴分配的清洁溶液可具有与第一旋转方向相反的速度分量，而从第二喷嘴分配的清洁溶液流同样可具有与第二旋转方向相反的速度分量。
然而，即使在采用单喷嘴的实施例中，电镀衬底保持器可在清洁循环的不同时间沿相反方向转动。改变旋转方向可帮助提供不同的剪切力并沿不同方向或以不同方式对不想要的金属沉积物施压，由此促使它们通过流体流而去除。同样，尽管可能是较小程度的，改变衬底保持器的转速而不逆转旋转方向可改变沉积物上的剪切力，由此促进它们的去除。如果旋转方向被反转，在某些实施例中，清洁流体的供给被中断一时间段，在该时间段发生反转。如果只实现对转速的改变(而不改变旋转方向)，在转换期间中断流体流用处很小。
在任何情况下，通过衬底保持器旋转，清洁溶液典型地从喷嘴分配一规定时间周期(步骤758)，并在之后，如图7所示流动停止(步骤760)。在一些实施例中，衬底保持器继续自旋某一额外的规定时间段(步骤762)以通过甩离而去除任何残留的清洁溶液。在实践中，如果衬底保持器的转速高于在施加清洁溶液过程中使用的转速，则这可进一步有助于去除任何偏离的清洁溶液并可能去除之前沉积的金属的一些残余微粒(例如锡银)，这些微粒尽管基本上从唇密封件和/或杯底脱离，但仍然通过流体粘附力等保持附着于衬底保持器。在该旋离阶段(步骤762)，由于没有分配清洁溶液，一般可使用较高的转速而没有产生可能离开电镀单元并进入其它区域和/或接触电镀装置内的其它设施的不期望雾气或喷液的风险。由此，这种旋离可在与用于冲洗步骤的转速相等的转速下执行，或者可根据实施例更快或更慢。在旋离步骤之后，衬底转动停止(步骤764)，衬底保持器随后返回到其装载位置(步骤766)，且随后喷嘴臂413通过喷嘴臂致动器412向回移动至其缩回位置(步骤768)——这在一些实施例中避免了喷嘴414和杯424之间的干涉。现在清洁衬底保持器，使其基本无金属沉积物(例如锡银沉积物)，并准备接纳其它衬底以进行电镀。
喷嘴选择、取向；流动参数选择；衬底保持器转速
多种清洁流体分配喷嘴可用于这里披露的衬底保持器清洁设备，并因此也可用于具有内建衬底保持器清洁设备的电镀装置。类似地，多种清洁流体分配喷嘴可用于这里披露的清洁方法，以及采用衬底保持器自动清洁方法或操作的所披露电镀方法。事实上，对多种喷嘴进行测试，例如可从伊利诺伊州的圣查尔斯的Lechler公司和伊利诺伊州的Glendale Height的Spraying Systems公司商业购得的喷嘴。因此，在一些实施例中，扇形喷嘴、锥形喷嘴、单孔/孔口喷嘴和消防水管式(例如“Water-Pik”式)喷射喷嘴可被采用以传递清洁溶液。在某些这样的实施例中，具有小孔口的喷射喷嘴被使用而具有非常好的清洁结果(见下文)。通过正确的流率，这些“喷射喷嘴”产生诸如水的高速清洁流体的窄流，这在一些情形下可被宽松地描述为经校准的或具有低发散性的。
喷射喷嘴900的一个优选实施例示意地示出在图9A的正面以及图9B的横截面上。喷嘴900具有尖部910和底部920。尖部910具有带直径914的孔口912，该直径914可在大约0.02英寸至0.04英寸的范围内。更优选地，孔口直径可从大约0.25至0.35英寸之间的范围，或更优选地在大约0.3至0.32英寸之间，例如0.31英寸。在一些实施例中，可较为有利地选择孔口直径914以使离开孔口912的清洁流体流的直径粗略地对应于拟被清洁的唇密封件和/或杯底的内圆边的高度。
图9B中的喷射喷嘴900的横截面图也示出内部体积如何从喷射喷嘴900至其尖部910逐渐变细。在图9B中，显然喷嘴900的体积(或更准确地说是内径)从底部920向尖部910以固定比率逐渐变细，并因此该锥体具有被称为外倾角922的单角特征，它限定了逐渐变细的程度。在一些实施例中，外倾角922可在从0°至大约20°的范围，或优选地从大约2.5°至15°，或甚优选地从大约8°至11°，或大约10°。在其它实施例中，逐渐变细可以不固定，并因此可通过从底部至尖部变化的外倾角的范围来表征——例如，喷嘴具有从底部至尖部变化的外倾角但在大约0°和20°之间的范围，或更优选地在大约5°和12°之间的范围内，或甚优选地在大约8°和11°范围内。示意地示出在图9B中的喷射喷嘴900也包括喷嘴长度916，其被示意地标示为从喷嘴底部920的边缘至喷嘴尖部910的距离。如图9B中所示，优选的喷嘴长度可从大约0.5cm至2cm的范围内，或优选地从大约1.2cm至1.7cm之间，例如大约1.5cm。注意，根据实施例，喷嘴900的尖部910可延伸过喷嘴的主体，或者它可与喷嘴的主体平齐。在一些实施例中，喷嘴可由热塑性聚合物构成，然而在优选实施例中，喷嘴可由适宜的钢构成，例如304不锈钢。
清洁流体分配喷嘴相对于唇密封件和杯底的内圆边的位置和取向也可被优化以提高清洁性能。图10A、图10B和图10C示意地示出对于各角度相对于唇密封件1022的内圆边的喷嘴取向的选择。相对于唇密封件的喷嘴取向可由两个角定义，如图10A所示。第一角度是喷嘴与唇密封件的水平平面的夹角，它被标示为“水平角”。示意地绘出在图10A中的“水平角”用参考标号1001标示并在图10A中以虚线标示，该虚线指示喷嘴取向在页平面之外，并根据该图在20°之下。注意非零水平角是通过图4A和图4B的喷嘴414展示的。根据实施例，水平角可从大约-30°至+10°之间任何位置选择，要理解负水平角指示该喷嘴指离地面。由此，示意地示出在图4A和图4B中的喷嘴414拥有负的水平角。
界定喷嘴取向的第二角是喷嘴与正交于唇密封件的内边缘正交的直线的夹角，它在这里被标示为“法向角”。示意地绘出在图10A中的“法向角”用参考标号1002标示。图10B是在唇密封件的水平面上向下看的示意性顶视图并示出非零法向角1002限定了与唇密封件平行的流体流速分量(被标示为“平行分量”1003)以及与唇密封件边垂直的另一垂直分量(被标示为“冲击分量”1004)。因此，例如具有零法向角的喷嘴分配具有消逝中的平行分量1003和最大冲击分量1004的清洁流体流。图10A示意地示出的喷嘴取向具有30°法向角并因此任何分配的清洁流体将以非消逝平行分量和冲击垂直分量来冲击唇密封件。
在一些实施例中，已发现具有非零法向角(如前面定义)的喷嘴取向导致提高的清洁性能。具体地说，已发现选择导致具有其速度的平行分量相反与唇密封件的转速的流体流的法向角显著地提高了清洁性能，如图10C所示。这是因为冲击流体流的清洁力因为流体流速度的平行分量和唇密封件的自旋内圆边的转速两者而增强。本质上说，流体流的冲击力起因于将这两个速度相加。与唇密封件转动的方向相反的高平行流动分量容易导致清洁流体进入附着于唇密封件的沉积金属片的前缘下方并从效果上将它们剥离。因此，尽管可使用范围在大约+45°和-45°之间范围的法向角，然而优选实施例使用相对于唇密封件旋转的正法向角，如图10C所示。
若干其它喷嘴参数也可被调节以优化清洁性能，尤其是清洁流体流剥离金属沉积物的能力。例如，喷嘴与唇密封件的距离可被调节。在某些实施例中，从喷嘴尖部指唇密封件和杯底的内圆边的最近点的适宜距离在大约2mm和50mm之间，或更具体地在大约2mm和10mm之间，或再具体地在大约3mm和7mm之间。对于喷嘴尖部和内圆边的最近点之间的较小范围距离，应当选择喷嘴的取向以防止清洁流体本质上喷溅以最小化或本质上防止电镀浴的污染。根据该实施例，从喷嘴尖部至内圆边的距离可通过改变衬底保持器420的垂直清洁位置、由喷嘴臂致动器412控制的喷嘴臂413的清洁位置和/或喷嘴414在喷嘴413上的位置(假设这是可调的)而予以调节。当然，这些参数任何一个的改变也可能需要对前述两个喷嘴取向角的相应调节。
从喷嘴分配的清洁流体流的流率也可被调节。在一些实施例中，可从大约250ml/分钟和750ml/分钟之间选择合适的流率，或更具体地在大约400ml/分钟和500ml/分钟之间选择，要理解，流率和喷嘴孔径一般确定流体的离开速度并应当相应地予以调整。在一些实施例中，恒定流率被选择。在其它实施例中，可使用通过喷嘴的清洁流体的高频脉动流率。在一些实施例中，频率可在从大约3脉冲/秒至50脉冲/秒的范围内，或优选地在大约5脉冲/秒和20脉冲/秒之间。
如前面指出的，增加通过给定喷嘴孔径的流率增加了离开喷嘴的清洁流体的速度，并因此可选择适当的流率以取得具体期望的清洁流体速度。也可使用规定喷嘴(或仅在喷嘴尖部)内的流体压力代替规定流率来设定离开喷嘴的清洁流体流的适当速度。在一些实施例中，当分配清洁溶液流时喷嘴内的适当压力可从大约20PSI(磅/平方英寸)-100PSI之间选择，或更优选地在大约30PSI和75PSI之间。在一些实施例中，适当的清洁流体速度可在大约5米/秒和40米/秒之间，或优选地在大约10米/秒和25米/秒之间，或再优选地在大约13米/秒和19米/秒之间，例如大约16.4米/秒的清洁流体速度。
在一些实施例中，较为有利地使清洁流体和任何金属沉积物在其聚集在回收罩460和/或冲洗罩470中的状态下被去除，以使清洁流体和碎屑最终不落入下面的电镀溶液。用于实现这个的一种机制是选择多种流体流动参数和转速，以使退出喷嘴414的清洁流体接触唇密封件422和/或杯底425的内圆边，有效地清洁它以去除金属沉积物，并随后流到杯424的内表面上，在杯支柱428之间的其顶部上流动，然后最终降落到回收罩460的底表面或冲洗罩470的底表面。在一些实施例中，适当的流率和清洁流体速度连通喷嘴角、衬底保持器转速以及从喷嘴尖部至唇密封件和/或杯底的内圆边的距离可被选择以取得这种效果。
通过这个周期的分配清洁溶液的时间间隔(步骤756和758)和衬底转速(和方向)也可被调节以提高清洁性能。也可明智地选择清洁后自旋甩干转速(步骤762)以提高性能。在一些实施例中，适当的清洁时间可从大约1秒至10秒的范围，或优选地在大约2秒和5秒的范围内，并且在分配清洁溶液的同时对衬底保持器的适当转速可在大约250RPM-800RPM之间，或优选地在大约350RPM至600RPM之间。在一些实施例中，衬底保持器的转动方向可在操作过程中改变至少一次、或至少两次或至少三次、或至少四次，以在通过清洁流体去除的金属沉积物上提供不同的剪切力。在一些实施例中，在清洁后自旋甩干周期期间衬底保持器的适宜转速可以至少为大约100RPM，更优选地至少为300RPM，或甚优选地在大约400RPM和1250RPM之间，或再优选地在大约500RPM和800RPM之间。此外，在一些实施例中，在清洁后甩干期间，干燥气体(例如干氮或空气)的高速流可被施加至内圆边。
在一个优选实施例中，唇密封件和/或杯底清洁使用大约16.4米/秒的流速度在大约550RPM下执行大约4秒。在该实施例中，流率在大约47.5PSI的流体压力下将大约为480ml/分钟。在某些这样的优选实施例中，水平角(如前面定义的)可以是大约-20°，而法向角(如前面定义的)可以是大约30°(这意味着清洁流体流的平行分量与唇密封件的转动相反地指向，如前面讨论的那样)。在一些实施例中，在前述清洁流体流率和速度下使用这些喷嘴角可能造成清洁流体如前所述较为有利地向上流动并在杯424的内表面上流动并流入回收罩460和/或漂洗罩470，由此保持被去除的金属碎屑在下面的电镀浴424之外。在分配清洁溶液之后，在某些这样的优选实施例中，可在大约550RPM下执行大约15秒的清洁后自旋甩干。
控制器
具有自动化清洁设备的电镀装置可包括从装置的各个部件、模块、子系统等接收反馈信号并将控制信号提供给相同或其它的部件、模块或子系统的控制器。例如，控制器可控制作为电镀装置一部分的电镀衬底保持器、机械手、清洁系统等的操作。在某些实施例中，控制器可相对于其它衬底加工模块同步电镀衬底保持器和机械手的操作。
在一些实施例中，控制器可确定在一系列电镀操作中何时应当发起清洁过程。在一些实施例中，采用控制器在本文披露和描述的各个操作期间控制加工条件。这些操作的一些例子包括：移动清洁系统的支承以使声波清洁喷嘴相对于由至少唇密封件形成的内圆边位于预定位置；转动电镀衬底保持器；以及前面描述的其它操作。这些操作的一些例子包括：相对于电镀装置的衬底保持器的唇密封件和/或杯底取向喷嘴以使喷嘴基本指向在唇密封件和/或杯底的内圆边；转动唇密封件和杯底；以及从喷嘴分配具有在大约5米/秒和40米/秒之间的流体速度的清洁溶液流以使清洁溶液流在唇密封件和杯底转动的同时接触唇密封件和/或杯底的内圆边；从唇密封件和/或杯底去除金属沉积物。
控制器将一般包括一个或多个存储器设备以及一个或多个处理器。处理器可包括中央处理单元(CPU)或计算机、模拟和/或数字输入/输出连接、步进电机控制板和/或其它类似的部件。执行适当控制操作的机器可读指令在处理器上被执行。机器可读指令可被存储在与控制器关联的存储器设备上或者它们可在网络上提供。
在某些实施例中，控制器控制前面描述的半导体处理装置的全部或绝大多数活动。例如，控制器可控制与从衬底保持器的唇密封件和/或杯底清洁不想要的金属沉积物关联的半导体处理装置的全部或绝大多数活动。控制器执行系统控制软件，该系统控制软件包括成组的指令以控制处理步骤的定时、压力水平、气体流率和下面进一步描述的具体操作的其它参数。其它存储在与控制器关联的存储器设备上的计算机程序、脚本或例程可在一些实施例中被采用。
在一些实施例中，与衬底清洁操作关联的机器可读指令包括但不限于：用于将衬底保持器移动至装载位置、接收衬底以及闭合衬底保持器的指令；用于将衬底保持器移动至电镀位置并电镀衬底的指令；用于将衬底保持器移动至回收位置并转动衬底保持器和衬底的指令；用于在转动衬底保持器和衬底时将衬底保持器移动至冲洗位置并冲洗衬底的指令；用于使衬底保持器回到装载位置、开启衬底保持器并去除衬底的指令；用于在将衬底保持器移动至清洁位置之前将清洁装置的喷嘴臂致动器移动至其清洁位置的指令；用于将衬底保持器移动至清洁位置的指令；用于在转动衬底保持器时从清洁装置的喷嘴分配清洁溶液的指令；用于将衬底保持器移出清洁位置的指令；以及用于在将衬底保持器移出清洁位置之后使喷嘴臂致动器返回其缩回位置的指令。
典型地，存在与系统控制器关联的用户接口。用户接口可包括显示器屏幕、用于显示加工条件的图形软件，以及用户输入设备，例如定点设备、键盘、触摸屏、麦克风或其它类似部件。
用于控制前述操作的计算机程序代码可以任何传统计算机可读编程语言写成：例如，汇编语言、C、C++、Pascal、Fortran或其它。经编译的目标代码或脚本由处理器执行以实现程序中标识的任务。
监视过程的信号可通过控制器的模拟和/或数字输入连接提供。用于控制该过程的信号在处理系统的模拟和数字输出连接上被输出。
光刻布图
前面描述的装置/过程可与光刻布图工具或处理结合地使用。例如用于制造或生产半导体设备、显示器、LED、光伏板等。典型地，尽管不是必须的，这些工具/处理将在同一制造设施内被一起使用或执行。薄膜的光刻布图一般包括下列操作中的一些或全部，每个操作可以数个可能的工具来完成：(1)使用旋涂或喷涂工具在工件(即衬底)上涂覆光阻剂；(2)使用电热板或炉子或UV固化工具来固化光阻剂；(3)通过诸如晶片分档器之类的工具使光阻剂暴露于可见光或UV光或X射线；(4)使光阻剂显影以选择地去除光阻层并由此使用诸如湿式工作台之类的工具对其进行布图；(5)通过使用干蚀刻或等离子体辅助蚀刻工具将光阻剂图案转印到下层薄膜或工件内；以及(6)使用诸如RF或微波等离子体光阻剂剥落器的工具去除光阻剂。
测试清洁结果
为了评价这里披露的清洁方法和装置的清洁能力并展示这些方法和装置从电镀衬底保持器的唇密封件去除伪锡银沉积物的能力，在一测试序列的半导体晶片(作为电镀衬底)上执行“马拉松测试”。该马拉松测试是使用100％露出的开放边缘覆层测试晶片实现的，该晶片表比该领域内通常遇到的情形表现出艰巨地多的清洁任务——因此该试验在这里被称为“马拉松测试”。具体地说，该马拉松测试使用300mm硅晶片，其具有1000铜籽晶的完整面覆层(因此没有光阻剂)。例如参见图11A中所示的锡银电镀的覆层测试晶片。在该领域内，半导体晶片典型地被布图，经常具有例如4％左右的露出开放边缘。然而，在100％开放边缘覆层测试晶片(例如图11A所示的那个)上电镀导致在唇密封件上快得多的金属沉积物(在这种情况下是锡银沉积物)的累积，并因此代表一种有益的测试情形。注意在一些情形下，已发现在电镀装置的唇密封件上的金属累积速率近似反比于百分比开口区，由此例如对单个覆层测试晶片作电镀(如用在马拉松测试中)导致粗略对应于从大约25个4％开放区晶片(即25＝100％/4％)预期的累积的唇密封件累积。由此，马拉松测试中使用的500块覆层测试晶片可能等同于10000个以上的4％开放区晶片。
用来电镀测试晶片并执行衬底保持器清洁方法的装置基本类似于图4A、图4B和图8A-8C中展示的装置。清洁装置的喷嘴基本示意地类似于图9A和图9B所示的，并取向在20°的法向角和30°的水平角(如前面描述的这些术语)。基本上，DI(蒸馏和去离子)水被用作清洁溶液。DI水以大约570ml/分钟的流率和大约12.1米/秒的近似流体速度从喷嘴分配。在清洁步骤之后对在550RPM下自旋的晶片执行4秒冲洗，之后是15秒自旋甩干，同样在550RPM下。在对每5块晶片作电镀之后，在该马拉松测试中执行唇密封件清洁、自旋冲洗以及自旋甩干。然而要注意，在使用典型4％开放区布图晶片的领域内，这粗略地对应于125块晶片的清洁间隔(因为来自25个布图晶片的唇密封件累积粗略地对应于来自单个100％开放区晶片的金属累积)。马拉松测试的附加处理条件如下：
表I
表II
来自马拉松测试的结果示出在图11B-1至图11I-3。图11B-1至图11B-4示出在马拉松测试之前(即在电镀任何晶片之前)衬底保持器(包括唇密封件、杯底和接触指)的图像。图11C-1至图11C-4示出在表I、II的条件下电镀500个覆层测试晶片并在5个晶片的清洁间隔采用前述清洁方法(如前面指出的)之后衬底保持器的相同图像。将出现在图11C-1至11C-4中的图像与出现在图11B-1至图11B-4中的那些图像进行比较，显然在启用清洁操作电镀500个覆层测试晶片之后在衬底保持器上没有明显的锡银沉积。相反，图11D-1至图11D-4示出禁用衬底保持器自动清洁的情况下在电镀200个覆层测试晶片之后衬底保持器的图像，并且显然在四个图像中的第一个中，锡银沉积物已出现在衬底保持器上(见图11D-1中的箭头)。类似地，图11E-1至图11E-4示出在禁用自动清洁的情况下在电镀500个覆层测试晶片之后衬底保持器的图像。这里，在所有四个图像中看到衬底保持器的杯底上有锡银沉积物(如图11E-1至图11E-4中每一个中的箭头所指示)。由此，在马拉松测试期间定期的衬底保持器自动清洁实质上防止在500个覆层测试晶片上的一系列电镀期间在唇密封件和杯底上累积锡银，相反没有衬底保持器自动清洁的话，在500个晶片测试序列之后在杯底上会有显著的累积，并且甚至仅在电镀200个测试晶片后就已经有一些累积可见。
额外的结果示出在图11F、图11G、图11H和图11I中。图11F展示了在没有定期衬底保持器清洁的情况下出现在电镀装置的高阻虚拟阳极(HRVA)(图4A、4B和图8A-8C中的参考标号438)上的污染物。如图11F所示，一些污染物仅在100个晶片后就出现，但污染物随着更多晶片被电镀而显著地增加，直到示出在电镀500个晶片后出现显著污染的图11F的最终图像。要注意，当采用定期自动清洁时没有污染物出现在HRVA上。
图11G-1至图4进一步示出了电镀单元和在缺少定期衬底保持器清洁时出现的HEVA污染。图11G-1和图4示出污染HEVA的大型破裂金属颗粒(类似于图11F)(见箭头)，并且图11G-3示出由于这种污染在电镀单元内的金属薄膜生长。有趣的是，图11G-2表明，即使不采用定期清洁方法，一些金属微粒可能实际上偶然地终止在可被容易地去除的顶盖内(参见图4A、4B和图8A-8C的附图标记433)。然而，图11H-1至图3所示的图像示出，当采用定期清洁时，更多的微粒终结在顶盖上——具体地说是冲洗罩的上表面(见图4A、4B和图8A-8C的附图标记470)——在那里它们被捕获并防止污染电镀装置的敏感部件(例如HRVA)以及电镀浴(如前所述)。
在顶盖(参见例如图4A、4B和图8A-8C的附图标记433)中的这种有益的污染物收集进一步示出在图11I-1至图11I-3中，这些附图更具体地示出在顶盖的冲洗罩(参见例如4A、4B和图8A-8C的附图标记470)的上表面上的金属微粒聚集。图11I-1示出在马拉松测试之前(即在任何电镀之前)在顶盖内的干净冲洗罩，而图11I-2和图11I-3分别示出在电镀250个和500个晶片后逐渐聚集较大数量的金属微粒(见箭头)的冲洗罩。随着马拉松测试进行冲洗罩内的金属微粒的聚集展示出执行定期衬底清洁操作的正面效果。
其它实施例
尽管前面披露的过程、方法、系统、装置和组合物为增进明确性和理解性已在具体实施例的背景下详尽地予以描述，然而本领域内技术人员清楚知道有许多替代的方式来实现这些过程、方法、系统、装置和组合物，这些均落在本公开的精神内。因此，本文描述的实施例被视为所披露的创新性理念的解说，而非限定，并且不被用作过分地限制所附权利要求书的范围的不允许基础。

Claims (44)

1.一种通过去除在先前的电镀操作中聚集在唇密封件和/或杯底上的金属沉积物而清洁电镀设备的所述唇密封件和/或杯底的方法，所述方法包括：
相对于所述唇密封件和/或杯底定位第一喷嘴，以使所述第一喷嘴基本指向所述唇密封件和/或杯底的内圆边；
沿第一旋转方向转动所述唇密封件和杯底；以及
从所述第一喷嘴分配具有在大约5米/秒和40米/秒之间的流体速度的清洁溶液流以使所述清洁溶液流在所述唇密封件和/或杯底沿第一旋转方向转动时接触所述唇密封件和/或杯底的内圆边，从而从所述唇密封件和/或杯底去除金属沉积物。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述清洁溶液流的流体速度在大约10米/秒和25米/秒之间。
3.如权利要求1所述的方法，其中，当分配清洁溶液流时在所述第一喷嘴内的流体压力在大约20PSI和100PSI之间。
4.如权利要求1所述的方法，还包括当分配所述清洁溶液流时抬高和/或降低所述唇密封件和杯底，从而改变所述清洁溶液与所述唇密封件和/或杯底的内圆边接触的面积。
5.如权利要求1所述的方法，还包括在分配清洁溶液流时改变所述第一喷嘴的取向，从而改变所述清洁溶液与所述唇密封件和/或杯底的内圆边的冲击角。
6.如权利要求1所述的方法，其中，所述金属沉积物包括锡/银合金。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述清洁溶液基本是蒸馏和去离子水。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述清洁溶液包括蒸馏和去离子水、从聚乙二醇和聚丙二醇中选择的表面张力降低剂，并基本上无酸。
9.如权利要求1所述的方法，还包括：
相对于所述唇密封件和/或杯底定位第二喷嘴，以使所述第二喷嘴基本指向所述唇密封件和/或杯底的内圆边；以及
从所述第二喷嘴分配具有在大约5米/秒和40米/秒之间的流体速度的清洁溶液流以使所述清洁溶液流在所述唇密封件和/或杯底转动时接触所述唇密封件和/或杯底的内圆边，从而从所述唇密封件和/或杯底去除金属沉积物。
10.如权利要求9所述的方法，还包括沿与所述第一旋转方向相反的第二旋转方向转动所述唇密封件和杯底，其中从所述第一喷嘴分配的所述清洁溶液流具有与所述第一旋转方向相反的速度分量并且从所述第二喷嘴分配的所述清洁溶液流具有与所述第二旋转方向相反的速度分量。
11.如权利要求1所述的方法，其中，从所述第一喷嘴分配的所述清洁溶液流具有与第一旋转方向相反的速度分量。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述第一喷嘴相对于所述唇密封件和/或杯底的内圆边定向在大约-45°和+45°之间的法向角。
13.如权利要求12所述的方法，其中，所述第一喷嘴相对于所述唇密封件和/或杯底的水平平面定向在大约-30°和+10°之间的水平角。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述第一喷嘴尖部被定位在离所述唇密封件和杯底的内圆边的最近点在大约2mm至50mm之间的距离处。
15.如权利要求14所述的方法，其中，所述第一喷嘴尖部被定位在离所述唇密封件和杯底的内圆边的最近点在大约2mm至10mm之间的距离处。
16.如权利要求13所述的方法，其中，从所述第一喷嘴分配的所述清洁溶液流的流率在大约250ml/分钟和750ml/分钟之间。
17.如权利要求1所述的方法，进一步包括当从所述第一喷嘴分配清洁溶液时在所述第一喷嘴中的所述清洁溶液中产生兆声波。
18.一种使用具有唇密封件和杯底的电镀装置在多个半导体衬底上电镀金属的方法，所述方法包括：
在第一组的一个或多个衬底上电镀金属；
确定是否执行清洁操作，所述清洁操作移除在电镀所述第一组衬底时聚集在所述唇密封件和/或杯底上的金属沉积物，其中所述确定包括评价在所述唇密封件和/或杯底上是否有足够的金属沉积物累积以准予清洁；
如果确定所述清洁操作被准予，则执行根据权利要求1所述的清洁方法去除所述金属沉积物的清洁操作；以及
在确定是否准许清洁操作之后并且如果准许所述清洁操作，则在执行所述清洁操作之后，将所述金属电镀在第二组的一个或多个衬底上。
19.如权利要求18所述的电镀方法，其中，所述金属是锡银合金。
20.如权利要求19所述的电镀方法，其中，如果自从最近一次清洁操作起已电镀超过预定数量的衬底，则确定准予清洁操作。
21.如权利要求20所述的电镀方法，其中，根据自从最近一次清洁操作起电镀的衬底的布图表面积与未布图表面积之比选择衬底的预定数目。
22.如权利要求20所述的电镀方法，其中，所述衬底的预定数目是从1-200的范围内选择的。
23.如权利要求18所述的电镀方法，其中，如果自从最近一次清洁操作起超过预定数量的电荷已经经由电镀被转移至衬底，则确定准许清洁操作。
24.如权利要求23所述的电镀方法，其中，根据自从最近一次清洁操作起电镀的衬底的布图表面积的径向分布和/或未布图表面积的径向分布而选择所述电荷的预定数量。
25.如权利要求23所述的电镀方法，其中，所述电荷的预定数量是从大约5库仑至500库仑的范围内选择的电荷数量。
26.一种用于安装在电镀设备中并从所述电镀设备的唇密封件和/或杯底去除电镀金属沉积物的清洁装置，所述清洁装置包括：
第一喷嘴；
流体连接于所述第一喷嘴的第一清洁流体供给导管；以及
喷嘴臂，所述第一喷嘴固定至所述喷嘴臂。
27.如权利要求26所述的清洁装置，进一步包括喷嘴臂致动器，所述喷嘴臂致动器机械地耦合至所述喷嘴臂并被配置成当所述清洁装置被安装在电镀设备中时使所述第一喷嘴和喷嘴臂在缩回位置和清洁位置之间移动，由此：
在所述缩回位置，第一喷嘴和喷嘴臂被定位以使半导体衬底位于所述唇密封件上并降低至所述电镀设备的体积之内而不物理地接触所述第一喷嘴或喷嘴臂，该体积被配置成保持电镀浴；以及
在所述清洁位置，所述第一喷嘴被定位以使其基本指向所述电镀设备的所述唇密封件和/或杯底的内圆边。
28.如权利要求27所述的清洁装置，其中，所述喷嘴臂致动器被配置成绕旋转轴转动所述喷嘴臂，以使所述喷嘴臂在所述缩回位置和所述清洁位置之间移动。
29.如权利要求26所述的清洁装置，其中，所述金属沉积物包括锡/银合金。
30.如权利要求26所述的清洁装置，其中，所述第一喷嘴是喷射喷嘴。
31.如权利要求30所述的清洁装置，其中，所述第一喷嘴具有在大约0.02英寸和0.04英寸之间的孔径。
32.如权利要求31所述的清洁装置，其中，所述第一喷嘴的内部横截面或者以大约0°和20°之间的基本恒定外倾角或者以从底部至尖部变化但在大约0°和20°之间范围内的外倾角从底部向尖部逐渐变细。
33.如权利要求32所述的清洁装置，其中，从所述第一喷嘴的底部至尖部的长度在大约0.5cm和2cm之间。
34.如权利要求26所述的清洁装置，其中，进一步包括当从所述第一喷嘴分配所述清洁溶液时在所述第一喷嘴中的所述清洁溶液中产生兆声波的功率发生器。
35.如权利要求34所述的清洁装置，其中，所述功率发生器产生具有在大约0.7和4MHz之间的频率的电功率以形成兆声波。
36.如权利要求26所述的清洁装置，还包括：
第二喷嘴；以及
流体连接于所述第二喷嘴的第二清洁流体供给导管。
37.一种在布图半导体衬底上电镀金属的电镀装置，所述电镀装置包括：
衬底保持器，其包括：
具有杯底的杯；
被安装在所述杯中的唇密封件；
多个电接触指；以及
可相对于所述杯和唇密封件移动并被配置成通过将所述衬底挤压入所述唇密封件而固定衬底在所述衬底保持器内的锥体；
具有体积以保持电镀浴流体的电镀单元；
被配置成向所述电接触指提供电荷的电源；以及
权利要求26所述的清洁装置。
38.如权利要求37所述的电镀装置，其中，所述衬底保持器能在所述电镀装置内的多个垂直位置之间移动，所述位置包括：
用于开启所述衬底保持器、装载所述衬底并闭合所述衬底保持器的装载位置；
电镀位置，其中被装载在所述衬底保持器内的衬底被定位以使其上拟被电镀的衬底表面位于保持所述电镀浴流体的电镀单元的体积内；以及
清洁位置，其中在没有装载在衬底保持器内的衬底的情况下，所述唇密封件和/或杯底相对于所述清洁装置定位以使所述唇密封件和/或杯底上的所述电镀金属沉积物通过所述清洁装置被去除。
39.如权利要求38所述的电镀装置，还包括控制器，所述控制器具有其被配置来执行的机器可读指令，所述指令包括：
用于将所述衬底保持器移动至所述装载位置、接收衬底并闭合所述衬底保持器的指令；
用于将所述衬底保持器移动至所述电镀位置并电镀所述衬底的指令；
用于使所述衬底保持器回到所述装载位置、开启所述衬底保持器并去除所述衬底的指令；
用于将所述衬底保持器移动至所述清洁位置的指令；以及
用于在所述衬底保持器转动的同时从所述清洁装置的喷嘴分配清洁溶液的指令。
40.如权利要求39所述的电镀装置，其中：
如权利要求26所述的清洁装置，进一步包括喷嘴臂致动器，所述喷嘴臂致动器机械地耦合至喷嘴臂并被配置成当清洁装置被安装在电镀设备中时使第一喷嘴和喷嘴臂在缩回位置和清洁位置之间移动，使得：
在所述缩回位置，第一喷嘴和喷嘴臂被定位以使半导体衬底能位于所述唇密封件上并降低至所述电镀设备的体积之内而不物理地接触所述第一喷嘴或喷嘴臂，该体积被配置成保持电镀浴；以及
在所述清洁位置，所述第一喷嘴被定位以使其基本指向所述电镀设备的所述唇密封件和/或杯底的内圆边；以及所述控制器的机器可读指令进一步包括：
用于在将所述衬底保持器移动至所述清洁位置之前将所述清洁装置的喷嘴臂致动器移动至其清洁位置的指令；以及
用于在将所述衬底保持器移出所述清洁位置之后使所述喷嘴臂致动器返回到其缩回位置的指令。
41.如权利要求39所述的电镀装置，其中，还包括：
回收罩；以及
冲洗罩；
其中所述电镀装置中的所述多个垂直位置进一步包括：
回收位置，其中所述衬底被定位在保持所述电镀浴流体的所述电镀单元的体积之上但位于所述回收罩之下以使在该位置在大约150RPM和750RPM之间转动所述衬底造成附着于所述衬底的任何电镀浴流体的至少一部分甩离所述回收罩并返回到保持所述电镀浴的所述电镀单元的体积；以及
用冲洗溶液冲洗所述衬底的冲洗位置，其中所述衬底位于所述回收罩上方但位于所述冲洗罩下方，使得在该位置在大约150RPM和750RPM之间转动所述衬底造成附着于所述衬底的任何冲洗溶液和/或电镀浴流体的至少一部分被甩离所述冲洗罩并且不返回到保持所述电镀浴的电镀单元的体积；以及其中所述控制器的机器可读指令进一步包括：
用于将所述衬底保持器移动至所述回收位置并转动所述衬底保持器和衬底的指令；以及
在转动所述衬底保持器和衬底时将所述衬底保持器移动至所述冲洗位置并冲洗所述衬底的指令。
42.如权利要求38所述的电镀装置，还包括当所述衬底保持器位于所述清洁位置中时，位于保持所述电镀浴的电镀单元的体积之上并位于所述第一喷嘴和衬底之下的可缩回清洁罩，所述清洁罩具有扩展配置和缩回配置，其中：
在所述缩回配置中，所述衬底保持器能从所述清洁或装载位置移动至所述电镀位置而不受所述清洁罩物理地妨碍；以及
在所述扩展配置中，所述清洁罩防止从所述第一喷嘴分配的清洁流体落到保持电镀浴流体的所述电镀单元的体积内。
43.如权利要求42所述的电镀装置，其中，在所述扩展配置下由所述清洁罩形成的开口的直径小于所述唇密封件和杯底的内圆边的直径的大约75％。
44.如权利要求42所述的电镀装置，其中，所述清洁罩包括多个可移动叶片，所述多个可移动叶片被配置成在所述可缩回罩缩回和扩展时在彼此之上滑动，以使所述叶片形成可变尺寸的基本圆形的开口。
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