CN104695002B - 闭合回路电解液分析器 - Google Patents

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Abstract

一种用于电镀半导体晶片和类似基板的处理系统包括电解液贮槽、通过流体管线连接到所述电解液贮槽的至少一个处理腔室以及电解液分析器。所述电解液分析器可具有在所述电解液贮槽中的探测器(比如伏安法探测器)、泵、储存器以及至少一个阀,其中这些部件通过流体管线连接以形成流体回路。所述阀可以是能转换的以提供闭合的流体回路和提供开放的流体回路,在所述闭合的流体回路中电解液循环通过探测器以分析电解液,所述开放的流体回路用以去除已用过的电解液和从贮槽引入新的电解液到流体回路中。已用过的电解液可以排送到排放设施并且不再返回到电解液贮槽,以减小污染的风险。

Description

闭合回路电解液分析器
技术领域
本发明的领域是用于电镀半导体材料晶片和类似类型的基板的系统和方法。本发明还针对在这些类型的系统中使用的电解液分析器。
背景技术
诸如半导体装置之类的微电子装置通常制造在基板或晶片上和/或基板或晶片内。在典型的制造工艺中,在电镀处理器中,在晶片上形成一或多个金属层或者其他导电材料层。所述处理器具有容纳在容器或碗状物中的电解液槽,在所述碗状物中有一或多个阳极。由于微电子装置的微观尺寸与化学和电学特性,微电子装置对颗粒和化学污染是高度敏感的。因此,电解液必须保持无污染,并且具有在特定限度内的化学成分。因为电解液的变化会降低电镀质量,所以监测化学成分和浓度是重要的。
为了这个目的已经开发出电解液分析系统。这些系统通常使用伏安法测量技术,这种技术使用浸没在电解液中的电极探测器,通过交流和直流伏安法分析来测量电解液中无机成分和有机添加剂的浓度。然而,这种探测器对温度和流动速度是高度敏感的。因此,过去使用这些类型的探测器已经需要广泛应用各种热交换器、绝缘管线和其他温度控制技术,以及大的电解液缓冲容积。这种伏安法工艺本身也可能明显地在电解液中产生小的铜颗粒,这些小的铜颗粒可充当污染源。因此,在设计改良的电解液监测系统方面仍然存在工程学挑战。
发明内容
在一个方面中,本发明提供一种处理系统,所述处理系统包括电解液贮槽、至少一个处理腔室以及电解液分析器,所述至少一个处理腔室通过流体管线连接到所述电解液贮槽,所述电解液分析器包括:探测器,所述探测器至少部分地在所述电解液贮槽内;泵;阀,所述阀可转换到第一位置和第二位置;以及流体管线,所述流体管线将所述探测器至少间接地连接到所述泵和所述阀,其中所述泵、所述阀、所述探测器和所述流体管线形成流体回路,当所述阀在所述第一位置时所述流体回路是闭合的流体回路,当所述阀在所述第二位置时所述流体回路是开放的流体回路。
所述处理系统可进一步包括在所述流体回路中的储存器,其中所述储存器和所述探测器两者可实质上完全在所述电解液贮槽内,且其中所述探测器、所述储存器、所述泵和所述阀可被支撑在所述贮槽的顶表面上的板上。
此外,在所述处理系统中,所述贮槽内的所述流体管线的长度可大于不在所述贮槽内的所述流体管线的长度。
在另一方面中,本发明提供一种处理系统,所述处理系统包括:电解液贮槽;至少一个处理腔室,所述至少一个处理腔室通过流体管线连接到所述电解液贮槽;电解液分析器,所述电解液分析器包括流体回路,所述流体回路具有泵、储存器、供给阀、循环阀和至少部分地在所述电解液贮槽内的探测器,其中所述循环阀能转换到第一位置和第二位置,当所述循环阀在第一位置时所述流体回路是闭合回路以允许电解液不断地循环通过所述探测器,当所述循环阀在第二位置时所述流体回路是开放回路以允许将已用过的电解液泵送出所述流体回路;并且其中所述供给阀能转换到第一位置和第二位置,当所述供给阀在第一位置时所述流体回路是开放回路以供给新的电解液到所述流体回路中,当所述供给阀在第二位置时所述供给阀关闭以防止任何电解液流经所述供给阀。
此外,在所述处理系统中,所述供给阀可以是能转换到第三位置,当所述供给阀在第三位置时所述供给阀上的对照样本端口连接到所述泵的入口。
另外,所述处理系统中的所述泵可以是变容泵。
另外,所述处理腔室可具有与阳极电解液腔室分隔的阴极电解液腔室,并且其中所述流体管线将所述贮槽连接到所述阴极电解液腔室。
所述处理系统可进一步包括连接到加热或冷却液体源的在所述贮槽中的加热/冷却螺管。
另外,在所述处理系统中,所述流体回路可具有200mL到500mL的体积。
在又另一方面中,本发明提供一种电解液分析器,所述电解液分析器包括伏安法探测器、变容泵、储存器、供给阀和循环阀;所述循环阀具有连接到所述储存器的出口的入口、连接到排放管线的排放口以及连接到所述泵的入口的循环口,其中所述循环阀能从第一位置转换到第二位置,当所述循环阀在第一位置时所述循环阀的入口连接到所述循环口,当所述循环阀在第二位置时所述循环阀的入口连接到所述排放口;所述探测器具有连接到所述储存器的入口的出口以及连接到所述泵的出口的入口;所述供给阀具有第一入口、第二入口以及连接到所述泵的入口的出口,其中所述供给阀能从第一位置转换到第二位置,当所述供给阀在第一位置时所述第一入口连接到所述供给阀的出口,当所述供给阀在第二位置时所述第二入口连接到所述供给阀的出口。
此外,在所述电解液分析器中,所述储存器和所述探测器可从支撑托架的底表面向下延伸,并且其中所述泵、所述循环阀和所述供给阀可安装在所述支撑托架的顶表面上。
附图说明
在附图中,各附图中相同的标记数字指代相同的元件。
图1是电镀系统的顶视透视图。
图2是闭合回路电解液分析器的左侧顶视透视图,所述闭合回路电解液分析器可以在图1所示的系统中使用。
图3是图2所示的闭合回路电解液分析器的右侧顶视透视图。
具体实施方式
如图1所示,电镀系统10可包含被支撑在底板14上的多个处理腔室12。可以从体电解液贮槽16向腔室12供给电解液。通常通过计算机控制器20控制电镀系统10。
图2到图3图示电解液分析系统30,不同于先前的电解液分析系统,电解液分析系统30是闭合回路系统。从贮槽16中的体电解液将小体积的测试电解液引入系统30中,所述小体积的测试电解液被用于执行电解液分析。当分析完成时,所述小体积的测试电解液不再返回贮槽16。更确切地说,所使用的测试电解液被排送到排放设施并且将不被再利用。这减少了电镀操作中使用的体电解液被污染的可能性。
往往加热或者冷却贮槽16中的体电解液以将电解液温度维持在具体范围内,所述温度通常在18℃到25℃的范围内。可以通过使被加热或冷却的液体(比如水)流经浸没在贮槽内的电解液中的螺管(coil)90来实现这种温度控制。在电解液分析系统30中,探测器浸没在贮槽16中,探测器入口或供给管线也可提供有螺管52以提供贮槽16内的体电解液与流入探测器的测试电解液之间的液体-液体热传递。这种设计允许对测试电解液的精密温度控制,而无需使用绝缘流体管线和大量附加的加热和冷却设备。
现转为详细参看图2和图3,本发明的电解液分析系统30包括探测器36,探测器36选择性地使用垫圈48附接到盖34或其他结构。电极部38可位于探测器36的下端,选择性地靠近贮槽16的底部。从所述探测器的顶端延伸出的电缆50含有连接到探测计算机的电力线和信号线(导线),所述探测计算机配备有由探测器制造商供应的探测器。
供给阀60和出口阀70连接到泵66,泵66被支撑在盖34上或者支撑在附接到盖34的托架32上。所述盖可放置在贮槽16的顶部上,而探测器36和其他部件穿过贮槽16的顶部开口向下延伸到贮槽16中。
如图3所示,储存器(reservoir)56可附接到所述盖或托架的底表面并且向下延伸到贮槽16中。探测器供应商可以明确说明精确的伏安法分析所必须的最小电解液体积。所述储存器(若使用)可依一定尺寸形成以容纳一定体积的电解液,所述储存器中的电解液体积与系统30的其余部分所含的电解液的体积结合共计一总体积,所述总体积满足探测器供应商的技术要求。探测器入口管线46将泵66的出口40连接到探测器入口42。如图2所示,泵管线80通向T形接线(T-connection),所述T形接线有到供给阀60的出口82的分支以及到循环阀70上的出口72的分支。
循环阀70是能在循环位置与排放位置之间转换的,当循环阀70在循环位置时循环管线78通过循环阀70连接到泵管线80,当循环阀70在排放位置时循环管线78连接到排放口76。排放管线(未图示)从排放口76流通到排放设施。
如图2所示,贮槽入口管线64可连接到供给阀60上的贮槽入口62以从贮槽16提供新的测试体积的电解液到分析器系统30。供给阀60还可选择性地包括对照样本入口68,以允许将对照测试体积的电解液手动地引入分析器系统30。这使得能够使用从与贮槽16内的电解液分开的源手动提供的对照测试体积的电解液校准分析器系统30。供给阀60能从第一位置转换到第二位置,当供给阀在第一位置时贮槽入口管线64连接到T形接线,当供给阀在第二位置时对照样本入口68连接到T形接线。所述供给阀还可具有关闭位置,当供给阀在所述关闭位置时出口82封闭。
在使用时,分析器30可以支撑在贮槽16的顶部上和/或附接到贮槽16的顶部上,分析器30具有探测器36、储存器56以及浸没在贮槽16内的电解液中的探测器入口和出口管线。为了将初始体积的电解液提供到分析器30中,将供给阀转换到第一位置并开启泵66。使用变容泵(positive displacement pump)将电解液吸入泵66中且随后将电解液通过探测器入口管线46泵送到探测器36中。随着连续泵送,探测器36、储存器56、连接管线和循环阀70充满电解液。在此填充过程中,循环阀70可选择性地转换到第二位置。在这种情况下,从排放口76流出的电解液将指示分析器30已充满电解液。
供给阀60可转换到关闭位置,当供给阀60在所述关闭位置时出口82不连接到供给阀上的任何其他管线。将循环阀70设定到第一位置以形成闭合的电解液循环回路。在处理系统控制器20或者装备有由探测器供应商供应的探测器36的计算机的控制下,泵66持续使电解液在闭合回路中循环。根据电解液特性和探测器类型,对循环电解液的闭合回路的伏安法测量可持续预定的时段,例如从1小时到2小时、1小时到4小时或1小时到8小时。伏安法测量提供关于电解液的化学特性的各种类型的信息。这些信息可用于确定要对电解液和/或电镀工艺做出的调整。
在预定时段之后,更换分析器30中的电解液。将循环阀70转换到排放位置,并且使供给阀60处于或者保持关闭位置。随着泵66的运行,分析器中的电解液被泵送出并通过排放口76泵送到排放设施。然后供给阀60转换到第一位置以使得泵能够从贮槽16吸取新的电解液到分析器中。在分析器30充满新的电解液之后,关闭供给阀60,并且将循环阀转换到循环位置。分析器30则准备好继续通过探测器36进行监测。在典型设计中,分析器中的液体体积可减少到100ml到250ml、100ml到500ml或者100ml到1000ml。这减少了与探测器36的操作有关的电解液的消耗。
探测器校准或者其他探测器操作可能周期性地需要为这个目的特别提供的对照体积的电解液。为了将所述对照体积的电解液引入到分析器30中,将分析器中任何已用过的电解液泵送出到如上文所论述的排放口。将供给阀转换到第二位置,并使容纳对照样本的容器的吸管接合到对照样本入口68。泵66随后将对照样本吸取到分析器30中,并且转换阀以用如上文关于从贮槽16提供新的体积的电解液到分析器30中描述的一样的方式提供含有对照样本的闭合回路。
简要地说,伏安法系统中的探测器可提供有为正确的探测器操作而可能需要的特定闭合回路容积。小的缓冲容积可存在于贮槽中阴极电解液的主容积中或者阴极电解液上方的顶部空间(headspace)中。通过使用温度受控的阴极电解液,闭合回路中总体积的样本阴极电解液维持在与体阴极电解液相同的温度。流体管线可以是薄壁金属管道或者塑料管道以改良热传递。
如图2到图3所示,浸没在贮槽16内的电解液中的流体管线的长度比贮槽上方的流体管线的长度长很多。这增加了贮槽内电解液与闭合回路中电解液之间的热传递,并且帮助在分析之前将闭合回路中的电解液保持在所需的温度。
图2到图3显示可如何设计分析器30的一个实例。所图示的各种元件可以省略或者与另一元件合并,比如托架32、盖34、对照样本入口68、储存器56及其他元件。供给阀60和循环阀70还可以组合成单一阀。还可以根据系统需求改进各种流体管线的配置和相互连接。在电镀设备具有用隔膜分隔的两个处理腔室12的情况下,通常也将贮槽16划分为容纳第一电解液(被称为阳极电解液,在阳极上循环)的第一隔室和容纳第二电解液(被称为阴极电解液,在基板上循环)的第二隔室。所描述的设备和方法适用于阳极电解液和阴极电解液两者。
在本发明中,至少间接地连接意指相对于流体流直接地连接(即没有介入元件)或者间接地连接(即具有一或多个介入元件)或者在流体从一个元件移动到另一个元件的意义上的连接,而不必物理地连接或者附接。闭合的流体回路意指电解液循环穿过的连续回路。开放的流体回路意指流体回路中的阀或端口打开以使得能够从分析器去除已使用的电解液,和/或以使得能够将新的电解液引入到分析器中。
一种用于分析处理系统中电解液的方法,所述方法可包括下列步骤:将伏安法探测器的电极部安置到电解液的贮槽内;打开第一阀,并从贮槽泵送电解液到分析器的流体回路中,直到流体回路实质上充满,一般是具有约200mL到500mL的电解液;关闭第一阀以提供闭合的流体回路;使电解液在闭合的流体回路内循环,同时执行伏安法测量,打开第二阀,并将已用过的电解液泵送出流体回路并泵送到排放管线中;关闭第二阀,并用来自贮槽的新的电解液再充满流体回路。在电解液流入探测器之前,可通过使电解液在贮槽电解液中的延伸或者螺旋的路径中流动来加热或者冷却流体回路中的电解液。通过将第一阀转换到第二位置并通过泵将对照电解液吸取入流体回路,对照体积的电解液可替代贮槽电解液而被周期性地手动提供到流体回路中。

Claims (13)

1.一种处理系统,包括:
电解液贮槽;
至少一个处理腔室,所述至少一个处理腔室通过处理腔室流体管线连接到所述电解液贮槽;
电解液分析器,所述电解液分析器包括:探测器,所述探测器至少部分地在所述电解液贮槽内;泵;阀,所述阀可转换到第一位置和第二位置;以及探测器流体管线,所述探测器流体管线将所述探测器至少间接地连接到所述泵和所述阀,其中所述泵、所述阀、所述探测器和所述探测器流体管线形成流体回路,当所述阀在所述第一位置时所述流体回路是闭合的流体回路,当所述阀在所述第二位置时所述流体回路是开放的流体回路。
2.如权利要求1所述的处理系统,进一步包括在所述流体回路中的储存器。
3.如权利要求2所述的处理系统,其中所述储存器和所述探测器两者实质上完全在所述电解液贮槽内。
4.如权利要求1所述的处理系统,其中所述贮槽内的所述探测器流体管线的长度大于不在所述贮槽内的所述探测器流体管线的长度。
5.如权利要求2所述的处理系统,其中所述探测器、所述储存器、所述泵和所述阀被支撑在所述贮槽的顶表面上的板上。
6.一种处理系统,包括:
电解液贮槽;
至少一个处理腔室,所述至少一个处理腔室通过流体管线连接到所述电解液贮槽;
电解液分析器,所述电解液分析器包括流体回路,所述流体回路具有泵、储存器、供给阀、循环阀和至少部分地在所述电解液贮槽内的探测器,其中所述循环阀能转换到第一位置和第二位置,当所述循环阀在第一位置时所述流体回路是闭合回路以允许电解液不断地循环通过所述探测器,当所述循环阀在第二位置时所述流体回路是开放回路以允许将已用过的电解液泵送出所述流体回路;并且
其中所述供给阀能转换到第一位置和第二位置,当所述供给阀在第一位置时所述流体回路是开放回路以供给新的电解液到所述流体回路中,当所述供给阀在第二位置时所述供给阀关闭以防止任何电解液流经所述供给阀。
7.如权利要求6所述的处理系统,其中所述供给阀能转换到第三位置,当所述供给阀在第三位置时所述供给阀上的对照样本端口连接到所述泵的入口。
8.如权利要求6所述的处理系统,其中所述泵是变容泵。
9.如权利要求6所述的处理系统,其中所述处理腔室具有与阳极电解液腔室分隔的阴极电解液腔室,并且其中所述流体管线将所述贮槽连接到所述阴极电解液腔室。
10.如权利要求6所述的处理系统,进一步包括连接到加热或冷却液体源的在所述贮槽中的加热/冷却螺管。
11.如权利要求6所述的处理系统,其中所述流体回路具有200mL到500mL的体积。
12.一种电解液分析器,包括:
伏安法探测器、变容泵、储存器、供给阀和循环阀;
所述循环阀具有连接到所述储存器的出口的入口、连接到排放管线的排放口以及连接到所述泵的入口的循环口,其中所述循环阀能从第一位置转换到第二位置,当所述循环阀在第一位置时所述循环阀的入口连接到所述循环口,当所述循环阀在第二位置时所述循环阀的入口连接到所述排放口;
所述探测器具有连接到所述储存器的入口的出口以及连接到所述泵的出口的入口;
所述供给阀具有第一入口、第二入口以及连接到所述泵的入口的出口,其中所述供给阀能从第一位置转换到第二位置,当所述供给阀在第一位置时所述第一入口连接到所述供给阀的出口,当所述供给阀在第二位置时所述第二入口连接到所述供给阀的出口。
13.如权利要求12所述的电解液分析器,其中所述储存器和所述探测器从支撑托架的底表面向下延伸,并且其中所述泵、所述循环阀和所述供给阀安装在所述支撑托架的顶表面上。
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