CN106011982A - 电化学反应设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电化学反应器，其具有可调整电镀时的电场形状的能力。电化学反应器包括储存槽、阴极、阳极以及屏蔽。储存槽用于容纳一电解质溶液；阴极与阳极，设置于储存槽中，以形成通过电解质溶液的电力线，阴极或阳极包含一工件支架。屏蔽附接于不具工件支架的阴极或阳极。屏蔽包括一表面，用于阻挡部分的电力线；以及一导管，位于表面上，并用于将电力线集中于导管内。导管包括一突出部，具有由表面量测至导管的顶面的一高度；以及一开孔，贯通突出部，并且穿过表面，用于使电力线通过导管。

Description

电化学反应设备

技术领域

本发明关于电化学反应器。

背景技术

电镀金属层厚度的均匀性是衡量电镀质量的重要指针之一。在电镀过程中，由于电镀的“边缘效应”会造成电镀金属层中间薄、边缘厚的问题，厚度不均匀的金属镀层极可能影响后续制程或产品效能，进而降低整体制程良率。

如图1所示，在沉积金属凸块的制程中，当电镀液中的自由空间比晶圆2大时，电力线8会向外绕射并在晶圆2的边缘处221有集中的效应，称之为边缘效应。电力线8于晶圆2的边缘处221较为密集，即局部电流密度较大，使得电镀时生成较高的凸块。晶圆2的边缘处221的电镀凸块高度较位于中间的凸块高，使得整片晶圆2上的凸块的均匀性不佳。

发明内容

为解决边缘效应，本申请揭示内容的一实施例提供一种具有厚度的导管的屏蔽，其具有可调整电镀时的电场形状的能力。屏蔽的导管可缩短阴极与阳极之间的距离，使得电力线散射路径受阻，因而变更电场分布曲线，藉此可改善电场于边缘处集中的问题而提升晶圆电镀的均匀性。

本申请揭示内容的一实施例提供一种电化学反应器，其具有可调整电镀时的电场形状的能力。电化学反应器包括一储存槽、一阴极与一阳极以及一屏蔽。储存槽用于容纳一电解质溶液；阴极与阳极，设置于储存槽中，以形成通过电解质溶液的电力线，其中阴极或阳极包含一工件支架；屏蔽附接于不具工件支架的阴极或阳极。屏蔽包括一表面，用于阻挡部分的电力线；以及一导管，位于表面上，并用于将电力线集中于导管内。导管包括一突出部，具有由表面量测至导管的顶面的一高度；以及一开孔，贯通突出部，并且穿过表面，用于使电力线通过导管。

本申请揭示内容的一实施例提供一种电化学反应器，其具有可调整电镀时的电力线分布的能力，电化学反应器包括一储存槽、一阴极与一阳极以及一屏蔽。储存槽用于容纳一电解质溶液；阴极与阳极，设置于储存槽中，以形成通过电解质溶液的电力线，其中阴极或阳极包括一工件支架；屏蔽接触不具工件支架的阴极或阳极，屏蔽用于调整到达工件支架上的一工件的电力线的均匀性，其中屏蔽包括一表面，用于阻挡部分的电力线；以及一导管，耦接至表面，并用于聚集电力线通过一开孔，导管具有由表面量测至导管的顶面的一高度。

本申请揭示内容的一实施例提供一种电化学反应器，其具有可调整电镀时的电力线分布的能力，电化学反应器包括一储存槽、一阴极与一阳极以及一屏蔽。储存槽用于容纳一电解质溶液；阴极与阳极，设置于储存槽中，以形成通过电解质溶液的电力线，其中阴极包括一工件支架；屏蔽位于阳极，用于调整到达工件支架上的一工件的电力线的均匀性；屏蔽包括一表面，用于阻挡部分的电力线；以及一导管，连接至表面并用于将电力线导引通过一开孔；其中导管具有由表面量测至导管的顶面的一高度。

由以下详细说明与附图得以最佳了解本申请案揭示内容的各方面。注意，根据产业的标准实施方式，各种特征并非依比例绘示。实际上，为了清楚讨论，可任意增大或缩小各种特征的尺寸。

附图说明

图1为揭示一现有技术说明电化学反应器的横切面示意图。

图2为根据本发明揭示内容的一实施例说明电化学反应器的横切面示意图。

图3为根据本发明揭示内容的一实施例说明屏蔽(shield)的固定机制的立体示意图。

图4、6与9为根据本发明揭示内容的一些实施例说明屏蔽的立体示意图。

图5、7与8为根据本发明揭示内容的一些实施例说明屏蔽的横切面示意图。

附图标记：

2晶圆 3阴极

4阳极 5电解质溶液

7中心线 8电力线

9晶圆支架 10挡板

11导管 12顶面

13开孔 14表面

15外表面 16内表面

17背表面 20储存槽

22表面 23电源

100屏蔽 102电极支架

112固定件 114部分

200电化学反应器 221边缘处

H1高度 D、D1距离

TH1、TH2、TH3厚度 T1、T2角度

具体实施方式

以下揭示内容提供许多不同的实施方式或范例，用于实施本申请的不同特征。组件与配置的特定范例的描述如下，以简化本申请所揭示内容。当然，这些仅为范例，并非用于限制本申请。例如，以下描述在第二特征上或上方形成第一特征可包含形成直接接触的第一与第二特征的实施方式，亦可包含在该第一与第二特征之间形成其它特征的实施方式，因而该第一与第二特征可并非直接接触。此外，本申请可在不同范例中重复组件符号和/或字母。此重复是出于简化与清楚的目的，而非支配不同实施方式和/或所讨论架构之间的关系。

此外，本申请可使用空间对应语词，例如“之下”、“低于”、“较低”、“高于”、“较高”等类似语词的简单说明，以描述附图中一组件或特征与另一组件或特征的关系。空间对应语词是用以包括除了附图中描述的方位之外，装置于使用或操作中的不同方位。装置或可被定位(旋转90度或是其它方位)，并且可相应解释本申请使用的空间对应描述。

请参考图2，图2为电化学反应器200的横切面示意图。电化学反应器200具有可调整电镀时的电场形状的能力(adjustable field shaping capability)，电化学反应器200包含储存槽20、阳极4、阴极3以及屏蔽100。储存槽20用于容纳电解质溶液(即电镀液)5。阳极4与阴极3设置于储存槽20中，并至少局部浸泡于电解质溶液5中。电源23分别供应阳极4与阴极3正电与负电，以形成通过电解质溶液5的电力线8。

阳极4或阴极3的其中之一包含一工件支架，用于放置一欲被电镀的工件。如图2所示，于本实施例中，工件支架位于阴极3，且工件支架为一晶圆支架9，用于在电镀制程中置放晶圆2并电连接负电而成为阴极3。在一些实施例中，在电镀过程中，晶圆支架9可藉由机械驱动旋转而成为转盘。相对于工件支架，一电极支架102则用于支承阴极3或阳极4中的另一个，于本实施例中，电极支架102用于固定阳极4并电连接正电，且阳极4的至少一部分114被电极支架102暴露出，以通过电解质溶液5而与阴极3形成电力线8。阳极4由金属所形成，且可包含溶解性阳极及不溶解性阳极。在本实施例中，阳极4为不溶解性阳极，其用来传导电流，而电解质溶液5中的金属离子则是以金属盐来补充。不溶解性阳极通常为良好的导电体，且不会与电解质溶液5产生化学作用而污染溶液也不会受到侵蚀。

屏蔽100设置于储存槽20中，且位于阳极4与阴极3之间并附接于不具工件支架的阳极4或阴极3。于本实施例中，屏蔽100附接于阳极4，且屏蔽100固定于电极支架102上。请同时参考图3，电极支架102可包含固定件112，用于使屏蔽100可替换性地固定在电极支架102上，也就是说，屏蔽100可依据需求轻易地从电极支架102上移除并置换。屏蔽100由可抵抗电解质溶液5的侵蚀及不产生电镀反应的材料所制成。这些材料具有介电特性或是为包含有介电性涂覆的复合材料，以防止储存槽20中诱发的电位变化造成金属电镀在屏蔽100上或是屏蔽100产生化学反应而污染电解质溶液5。屏蔽100的材料包含塑料，例如聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、氟聚物、聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene，PTFE)或是聚偏二氟乙烯(polyvinylidenefluoride)。该材料阻挡电力线8通过，使电力线8被限制仅能通过开孔13而穿过屏蔽100。

屏蔽100包含具有表面14的挡板10以及导管11。挡板10藉由表面14阻挡部分的电力线8形成。表面14大体上与晶圆2的表面22以及晶圆支架9的平面平行。挡板10包含由表面14量测至背表面17厚度TH1。导管11位于表面14上。如图3所示，屏蔽100可用插置的方式使挡板10的边缘固定于固定件112中，并使导管11对应阳极4被电极支架102暴露出的部分114的局部区域，而阳极4暴露出的部分114的其余区域则完全被挡板10的表面14所覆盖。

如图2所示，导管11包含开孔13并具有一高度H1。高度H1系沿X的方向由表面14量测至导管11的顶面12，高度H1使导管11形成一突出部。导管11耦合至表面14，并且用于聚集电力线8以通过开孔13。开孔13穿过表面14与挡板10并贯通突出部，使得电力线8穿过屏蔽100。如图2所示，于本实施例中，电力线8始于阳极4，经由开孔13穿过屏蔽100，并通过电解质溶液5而到达阴极3上的晶圆2。开孔13用于塑形通过导管11内的电力线8。屏蔽100用于调整到达晶圆2的表面22上的电力线8分布的均匀性(uniformity)。电力线8的分布决定流经晶圆2的表面22的电流密度，并进一步影响表面22上所沉积的镀层的均匀性。

屏蔽100限制电流沿着电力线8的传送仅能经由开孔13散射出。屏蔽100是一种立体遮板，其功能为缩小阳极4暴露出来的面积及缩短阴极3与阳极4之间的距离。请继续参考图2，屏蔽100附接于阳极4上的位置是使导管11的开孔13的中心对准或接近晶圆2的中心线7，且阳极4暴露出的面积藉由挡板10的覆盖而缩小，因此屏蔽100可使得电力线8较为集中接近中心线7，即电力线8的分布较图1中的分布更为紧密。由于屏蔽100直接附接于阳极4上，电力线8由阳极4产生后即被局限于导管11的开孔13中移动，直至导管11的顶面12才开始不受局限而向外扩展直至晶圆2的表面22。屏蔽100藉由导管11而缩短了阴极3及阳极4之间的距离，使得电力线8散射路径受阻，因而变更了电场分布曲线。

具体而言，导管11的顶面12与晶圆2的表面22相隔一距离D1。依照晶圆2的表面22的尺寸与状态，可调整高度H1与距离D1的相对关系，例如，将导管11的高度H1增加及距离D1减少，使得开孔13更靠近晶圆2，电力线8从开孔13至晶圆2的散射路径较图1中的散射路径短。也就是说，图2中的电力线8才向外扩散一小段距离即到达晶圆2，不像图1中的电力线8有足够距离向外扩散绕射才折回集中至晶圆2的边缘处221。因此，增加高度H1及降低距离D1会减少到达晶圆2边缘处221上的电力线8的密度，使该处的镀层沉积厚度不会较其它区域厚。散射路径变短使电力线8的分布形状变更，因而减少了外围的电力线8密度，使得整体的电力线8分布均匀化，以降低边缘效应。降低边缘效应可缩小晶圆2的边缘处221的凸块高度与其它区域的凸块高度的差异，使晶圆2上的凸块高度的整体均匀性提高。

屏蔽100的导管11及开孔13的形状及形式可依据需求作变化，以调整到达晶圆2的表面22上的电力线8的均匀性。屏蔽100的第一实施例如图4所示。屏蔽100的第二实施例如图5所示。屏蔽100的第三实施例如图6所示。屏蔽100的第四实施例如图7所示。屏蔽100的第五实施例如图8所示。屏蔽100的第六实施例如图9所示。可理解地，本发明可用上述实施例的不同组合提供其它实施方式。图4说明屏蔽100的立体示意图。说明中具有指示三方向X、Y与Z的箭号的坐标系统。方向X、方向Y与方向Z为彼此垂直。方向Z与方向Y与表面14平行。

在图4中，屏蔽100包含圆筒形式的导管11。导管11具有由挡板10的表面14量测至导管11的顶面12的高度H1。高度H1的量测方向垂直于表面14，亦为方向X。顶面12的形状为圆环。导管11具有由导管11的外表面15沿平行表面14的方向量测至内表面16的一厚度TH2。开孔13为圆形并贯通导管11使其形成圆筒形式。在一些实施例中，开孔13的尺寸与导管11的高度H1之间的比例是预先决定的。外表面15与内表面16彼此平行。外表面15与内表面16平行于方向X，并且垂直于表面14。导管11的顶面12与挡板10的表面14平行。

在图5中，屏蔽100包含圆锥形式的导管11。开孔13于导管11内亦呈圆锥形，即开孔13于靠近表面14处的孔径相较顶面12处的孔径小。外表面15与内表面16彼此平行。外表面15与内表面16相对于表面14的倾斜角度为T1，其中T1小于90°。在一些实施例，外表面15与内表面16相对于表面14的倾斜角度可不相同，也就是外表面15与内表面16并非彼此平行。导管11及开孔13以中心线7为对称。

在图6中，屏蔽100包含矩形或棱形柱状形式的导管11。顶面12为矩形环状。开孔13于导管11内亦呈矩形或棱形柱状。导管11及开孔13以中心线7为对称。

在图7中，导管11由挡板10的表面14量测至顶面12的高度H1为渐变的，即导管11的顶面12相对于挡板10的表面14具有一倾斜角度T2。此时，开孔13与导管11相对于中心线7皆为非对称。电力线8从背表面17通过开孔13并且在顶面12的开孔13向外离开，而改变角度T2会改变从开孔13散出的电力线8的密度分布。例如，在导管11高度H1较小处的开孔13(图7中的左侧)散出的电力线8会较导管11高度H1较大处的开孔13(图7中的右侧)散出的电力线8更向外扩散而较远离中心线7。也就是，于本实施例中，电力线8相对于中心线7为非对称的。在其它实施例中，顶面12可包含多个角度T2，例如，沿着中心线7对导管11形成一垂直表面14的剖面来看，顶面12可为两侧对称或不对称的V字型。

在图8中，屏蔽100包含多个导管11。导管11可包含相似或是不同的特征，例如不同导管11的形状、高度H1、厚度TH2、倾斜角度或顶面12的形式可为相同或是不同。导管11彼此相隔距离D。距离D的量测方向与表面14平行。距离D是从一外表面15至另一外表面15的最短距离。相对于中心线7，电力线8可为对称或是不对称，取决于每一导管11的结构。在本实施例中，两个导管11从开口13向外扩展的部分的电力线8在靠近中心线7的区域R重合而增加区域R附近的电流密度。

在图9中，屏蔽100包含导管11。导管11包含多个开口13。开口13可为不同形状，例如正方形、长方形、多边形、椭圆或是圆形。导管11具有从导管11的外表面15量测至内表面16的厚度TH2。对于不同的开口13，厚度TH2可为不同。例如，在一些实施例中，一些开口13比其它开口13更靠近外表面15。更靠近外表面15的开口13具有较小的厚度TH2。顶面12包含多个开口13。厚度TH3是从内表面16至另一内表面16的最短距离。在不同的实施例中，不同开口13的内表面16可平行、倾斜分离或是向彼此倾斜。相对于中心线7，开孔13可为对称或是不对称。

在其它实施例中，外表面15与内表面16可为不规则形。根据预定要被电镀覆盖的面积，外表面15与内表面16的形状可为相同或是不同。顶面12也可为不规则环形。导管11可为筒状、矩形棱柱、三角棱柱、或是不规则棱柱。开孔13可为正方形、圆形、多边形、或是其它不规则形。可依照预先决定要被电镀覆盖的面积而调整开孔13的形状和尺寸。

上述不同实施例的不同特征可用于不同组合，以形成调整电力线8的散射路径及密度的其它实施例。调整电力线8的散射路径可藉由不同方法来达到，例如调整内表面16的倾斜度以控制散射路径扩散的程度，如图5所示。内表面16的倾斜度越大，扩散的程度越广。而调整顶面12的倾斜度以控制散射路径扩散的对称程度，如图7所示。顶面12的倾斜度越大，散射路径越不对称。

以上说明描述数个实施方式的特征，因而熟知此技艺之人士可更加了解本申请的揭示内容。熟知此技艺的人士应理解可轻易使用本申请所揭示内容作为设计或修饰其它程序与结构的基础，用于实现相同目的和/或达到此处所介绍的相同优点。熟知此技艺的人士亦应理解此等效架构并不脱离本申请所揭示内容的精神与范围，并且可进行不同的变化、取代与替换而不脱离本申请所揭示内容的精神与范围。

Claims (17)

1.一种电化学反应器，其具有可调整电镀时的电场形状的能力，所述电化学反应器包括：

一储存槽，用于容纳一电解质溶液；

一阴极与一阳极，设置于所述储存槽中，以形成通过所述电解质溶液的电力线，其中所述阴极或所述阳极包含一工件支架；以及

一屏蔽，附接于不具所述工件支架的所述阴极或所述阳极；所述屏蔽包括：一表面，用于阻挡部分的所述电力线；以及

一导管，位于所述表面上，并用于将所述电力线集中于所述导管内，其中所述导管包括：

一突出部，具有由所述表面量测至所述导管的顶面的一高度；以及

一开孔，贯通所述突出部，并且穿过所述表面，用于使所述电力线通过所述导管。

2.如权利要求1所述的电化学反应器，进一步包括一电极支架，用于固定附接有所述屏蔽的所述阴极或所述阳极。

3.如权利要求2所述的电化学反应器，其中所述电极支架包括一固定件，用于使所述屏蔽可替换地固定在所述电极支架上。

4.如权利要求2所述的电化学反应器，其中附接有所述屏蔽的所述阴极或所述阳极的至少一部分被所述电极支架暴露出并且对应所述开孔之外的区域完全被所述表面所覆盖。

5.如权利要求1所述的电化学反应器，其中所述屏蔽由介电材料制成。

6.如权利要求1所述的电化学反应器，其中所述表面与所述工件支架的一平面平行。

7.如权利要求1所述的电化学反应器，其中所述开孔包括正方形、圆形、椭圆形、多边形或是不规则形。

8.如权利要求1所述的电化学反应器，其中所述屏蔽包括多个所述导管。

9.一种电化学反应器，其具有可调整电镀时的电力线分布的能力，所述电化学反应器包括：

一储存槽，用于容纳一电解质溶液；

一阴极与一阳极，设置于所述储存槽中，以形成通过所述电解质溶液的电力线，其中所述阴极或所述阳极包括一工件支架；以及

一屏蔽，接触不具所述工件支架的所述阴极或所述阳极，所述屏蔽用于调整到达所述工件支架上的一工件的所述电力线的均匀性，其中

所述屏蔽包括：

一表面，用于阻挡部分的所述电力线；以及

一导管，耦接至所述表面，并用于聚集所述电力线通过一开孔，所述导管具有由所述表面量测至所述导管的顶面的一高度。

10.如权利要求9所述的电化学反应器，其中所述导管具有由所述导管的外表面量测至内表面的一厚度。

11.如权利要求9所述的电化学反应器，其中所述导管具有与所述表面垂直的一内表面。

12.如权利要求9所述的电化学反应器，其中所述导管具有与所述表面倾斜一角度的一内表面。

13.如权利要求9所述的电化学反应器，其中所述开孔包括正方形、圆形、椭圆形、多边形或是不规则形。

14.一种电化学反应器，其具有可调整电镀时的电力线分布的能力，所述电化学反应器包括：

一储存槽，用于容纳一电解质溶液；

一阴极与一阳极，设置于所述储存槽中，以形成通过所述电解质溶液的电力线，其中所述阴极包括一工件支架；以及

一屏蔽，位于所述阳极，用于调整到达所述工件支架上的一工件的所述电力线的均匀性；

所述屏蔽包括：

一表面，用于阻挡部分的所述电力线；以及

一导管，连接至所述表面并用于将所述电力线导引通过一开孔；其中所述导管具有由所述表面量测至所述导管的顶面的一高度。

15.如权利要求14所述的电化学反应器，其中所述屏蔽可替换地放置于所述阳极。

16.如权利要求14所述的电化学反应器，其中所述阳极中形成所述电力线的一部分在所述开孔之外的区域完全被所述表面所覆盖。

17.如权利要求14所述的电化学反应器，其中所述导管包括多个所述开孔。