CN106480481A

CN106480481A - 用于电镀装置的边缘流元件

Info

Publication number: CN106480481A
Application number: CN201610756695.5A
Authority: CN
Inventors: 加布里埃尔·海·格拉哈姆; 布莱恩·L·巴卡柳; 史蒂文·T·迈耶; 罗伯特·拉什; 詹姆斯·艾萨克·福特纳; 蔡李鹏
Original assignee: Lam Research Corp
Current assignee: Lam Research Corp
Priority date: 2015-08-28
Filing date: 2016-08-29
Publication date: 2017-03-08
Anticipated expiration: 2036-08-29
Also published as: US20170058417A1; KR20170026215A; TWI716435B; KR102629901B1; TW201718954A; CN106480481B; US10094034B2

Abstract

本发明涉及用于电镀装置的边缘流元件，具体涉及用于将一种或多种材料电镀到衬底上的方法和装置。在许多情况下，材料是金属并且衬底是半导体晶片，但不限于此。通常情况下，本发明的实施方式利用定位在衬底附近的有沟道的板，产生在底部由有沟道的板限定、在顶部由衬底限定并在侧面由横流约束环限定的横流歧管。通常还提供配置为引导电解液到衬底和衬底夹持器之间形成的拐角中的边缘流元件。电镀期间，流体向上穿过有沟道的板中的通道并横向通过位于横流约束环的一侧上的横流侧入口，进入横流歧管。流动路径组合在横流歧管中并且出口在位于横流入口相对处的横流出口处。这些组合的流动路径和边缘流元件导致改善的电镀均匀性，尤其在衬底的外周。

Description

用于电镀装置的边缘流元件

技术领域

本发明的实施方式涉及用于在电镀期间控制电解液流体力学的方法和装置。更具体地，在本发明中描述的方法和装置对于在半导体晶片衬底上镀覆金属特别有用，例如，具有小于例如约50μm的宽度的小的微凸起特征(例如，铜、镍、锡和锡合金焊料)以及铜穿硅通孔(TSV)特征的贯穿抗蚀剂镀覆(through resist plating)。

背景技术

在现代集成电路制造中电化学沉积工艺是完善的。在二十一世纪早期从铝到铜金属线互连的转变驱动对于日益复杂的电镀工艺和电镀工具的需求。大多复杂工艺响应于在设备金属化层中更小的载流线的需要演变。这些铜线以通常称为“镶嵌”的处理的方法(预钝化金属化)通过电镀金属到非常窄的、高深宽比的沟槽和通孔中形成。

电化学沉积现在正准备满足对复杂的封装和多芯片互连技术的商业需求，公知的复杂的封装和多芯片互连技术通常并通俗地称为晶片级封装(WLP)以及穿硅通孔(TSV)电气连接技术。部分由于通常较大的特征尺寸(相比于线前端(FEOL)互连)和高深宽比，这些技术提出对它们自身的非常显著的挑战。

根据包装特征的类型和应用(例如，通过芯片连接TSV，互连再分配布线，或芯片到板或芯片焊接，例如倒装芯片柱)，在目前的技术中的镀敷特征通常大于约2μm，并且它们的主要尺寸典型地为约5-100μm(例如，铜柱可以是约50μm)。对于诸如电源总线之类的一些芯片上结构，待镀特征可以大于100μm。WLP特征的深宽比通常为约1：1(高度比宽度)或更低，但它们的范围可高达约2:1左右，而TSV结构可具有非常高的深宽比(例如，在约20：1附近)。

随着WLP结构的尺寸从100-200μm缩小到小于50μm，产生独特的一组问题，这是由于在该数值范围上流体动力学和质量传输边界层是几乎相等的。对于具有较大特征的前几代，到特征中的流体和质量的运输是通过流场到特征中的基本穿透来运载的，但对于具有较小的特征的前几代，涡流以及停滞流的形成能抑制增长的特征内的质量运输的速率和均匀性两者。因此，需要在较小的“微凸起”和TSV特征内产生均匀的质量传输的新方法。

此外，用于纯扩散工艺的时间常数(一维扩散平衡时间常数)利用特征深度L和扩散常数D标度为

(秒)。

采用金属离子的扩散系数的平均合理值(例如，5×10^-6平方厘米/秒)，相对大的FEOL 0.3μm深的镶嵌特征将有仅约0.1毫秒的时间常数，但WLP凸块的50μm深的TSV将具有若干秒的时间常数。

不仅特征的大小，而且镀敷速度使WLP和TSV应用区别于镶嵌应用。对于许多WLP应用，根据被镀覆的金属(例如，铜、镍、金、银焊料等)的不同，在一方面在制造要求和成本要求之间存在平衡，并且在另一方面在技术要求和技术难度之间存在平衡(例如，具有晶片图案可变性的资本生产率的目标和对诸如裸芯片(die)内和特征内的晶片要求的目标)。对于铜，这种平衡通常以至少约2μm/分钟的速度，并且典型地以至少约3-4μm/分钟或更高来实现。对于锡电镀，可能需要大于约3μm/分钟的沉积速率，并且对于一些应用，可能需要至少约7μm/分钟的沉积速率。镍和击金(例如，低浓度金闪蒸膜层)，镀覆速率可介于约0.1至1μm/分钟之间。在这些金属的相对较高的电镀速率方案中，在电解液中金属离子到电镀表面的有效质量传输是重要的。

在一些实施方式中，电镀必须以高度均匀的方式在晶片的整个面上执行以实现晶片内(WIW)，在特定裸芯片的所有特征内以及特定裸芯片的所有特征之间(WID)，以及个别特征本身内(WIF)的良好的镀覆均匀性。WLP和TSV应用的高电镀速率提出了关于电沉积层的均匀性的挑战。对于各种WLP应用，电镀必须显示出沿晶片表面的径向至多约5％的半范围变化(称为WIW非均匀性，在跨越晶片的直径的多个位置的裸芯片中的单一特征类型上测量的)。类似的同样具有挑战性的要求是具有不同大小(例如，特征的直径)或特征密度(例如，在芯片裸芯片的阵列的中间的分隔的或嵌入的特征)的各种特征的均匀沉积(厚度和形状)。这种性能规范通常被称为WID非均匀性。WID非均匀性测量为相对于在晶片上特定的裸芯片位置(例如，在半径中点、中心或边缘)的给定的晶片裸芯片内的平均特征高度或其它维度的如上所描述的各种特征类型的局部变化性(例如，<5％的半范围)。

最后具有挑战性的要求是特征内形状的总体控制。如果没有适当的流和质量传输对流控制，在电镀之后，线或柱可以最终成为在两维或三维以凸的、平的或凹的方式(例如，鞍形或穹形)倾斜，通常优选具有平坦的轮廓，但并非总是如此。在面临这些挑战时，WLP应用必须与传统的、潜在更便宜的取放连续工艺路线操作竞争。更进一步，WLP应用的电化学沉积可涉及电镀各种非铜金属，诸如焊料，如铅、锡、锡-银，和其他凸起下(underbump)金属化材料，诸如镍、金、钯、和这些金属的各种合金，其中一些包括铜。锡-银近共晶合金的电镀是针对电镀为替代铅-锡共晶焊料的无铅焊料的合金的电镀技术的一个例子。

具体而言，本发明的一些方面可以阐述如下：

1.一种电镀装置，其包括：

(a)电镀室，其被配置成在将金属电镀到基本上平坦的衬底上时容纳电解液和阳极；

(b)衬底夹持器，其配置成保持基本上平坦的衬底使得在电镀期间所述衬底的电镀表面与所述阳极分隔开，其中，当所述衬底被定位在所述衬底夹持器中时，在所述衬底和衬底夹持器之间的界面处形成拐角，所述拐角在顶部通过所述衬底的电镀表面限定并在侧面通过所述衬底夹持器限定；

(c)离子阻性元件，其包括通过约10毫米或约10毫米以下的间隙与所述衬底的电镀表面分隔开的朝向衬底的表面，其中，在电镀期间所述离子阻性元件与所述衬底的电镀表面是至少共同延伸的，所述离子阻性元件适于在电镀期间提供通过所述元件的离子运输；

(d)通向所述间隙的入口，其用于引入电解液至所述间隙；

(e)通向所述间隙的出口，其用于接收在所述间隙中流动的电解液；以及

(f)边缘流元件，其被配置为引导电解液到在所述衬底和所述衬底夹持器之间的界面处的所述拐角，所述边缘流元件是圆弧形或环形的并定位在所述衬底的外周的附近并且至少部分沿径向定位在所述衬底和所述衬底夹持器之间的界面处的拐角的内部，

其中，在电镀期间所述入口和所述出口被定位在所述衬底的电镀表面上的方位角相对的外周位置附近，以及

其中，所述入口和所述出口适于产生在所述间隙中的横流电解液以在电镀期间产生或维持在所述衬底的电镀表面上的剪切力。

2.如条款1所述的装置，其中，所述边缘流元件被配置为连接到所述离子阻性元件和/或所述衬底夹持器。

3.如条款1所述的装置，其中，所述边缘流元件与所述离子阻性元件集成，并且包括在所述离子阻性元件的外周附近的凸起部，所述凸起部相对于所述离子阻性元件的朝向衬底的表面的剩余部分的高度被抬升，所述朝向衬底的表面的剩余部分被沿径向定位在所述凸起部的内部。

4.如条款2所述的装置，其中，所述离子阻性元件包括其中安装所述边缘流元件的槽。

5.如条款4所述的装置，其还包括定位在所述离子阻性元件和所述边缘流元件之间的一个或多个垫片。

6.如条款5所述的装置，其中，所述一个或多个垫片导致所述边缘流元件以方位角不对称的方式定位。

7.如条款1-6中任一项所述的装置，其中，所述边缘流元件相对于流旁路通路的(a)位置(b)形状，和/或(c)存在或形状中的一者或多者是方位角不对称的。

8.如条款7所述的装置，其中，所述边缘流元件至少包括第一部分和第二部分，所述部分基于所述边缘流元件的方位角不对称性来定义，其中，所述第一部分的中心位于通向所述间隙的所述入口附近或通向所述间隙的所述出口附近。

9.如条款1-6中任一项所述的装置，其中，所述边缘流元件包括允许电解液流动通过所述边缘流元件的流旁路通路。

10.如条款1-6中任一项所述的装置，其中，所述边缘流元件是环形的。

11.如条款1-6中任一项所述的装置，其中，所述边缘流元件是圆弧形的。

12.如条款1-6中任一项所述的装置，其中，所述边缘流元件的位置相对于所述离子阻性元件是能调节的。

13.如条款12所述的装置，其还包括用于调节所述边缘流装置的相对于所述离子阻性元件的位置的位置的垫片和/或螺钉。

14.如条款12所述的装置，其还包括致动器，所述致动器用于调节所述边缘流装置的相对于所述离子阻性元件的位置的位置，其中，所述致动器允许所述边缘流装置的位置能在电镀期间进行调整。

15.一种在电镀中使用的边缘流元件，所述边缘流元件包括：

配置成与在电镀装置中的离子阻性元件和/或衬底夹持器匹配的元件，

所述元件是环形或圆弧形的，

所述元件包括电绝缘材料，

其中，当所述元件安装在内部具有衬底的电镀装置中时，所述元件被至少部分地沿径向定位在所述衬底夹持器的内边缘的内部，以及

其中，在电镀期间，所述元件引导流体到在所述衬底和所述衬底夹持器之间的界面处形成的拐角中，所述拐角在其顶部由所述衬底定义并在其侧面由所述衬底夹持器定义。

16.如条款15所述的边缘流元件，其中，所述边缘流元件是方位角不对称的。

17.如条款15或16所述的边缘流元件，其还包括流旁路通路，在电镀期间电解液能够流过所述流旁路通路。

18.一种用于电镀衬底的方法，其包括：

(a)在衬底夹持器接收基本平坦的衬底，其中，所述衬底的电镀表面被暴露，并且其中所述衬底夹持器被配置为保持所述衬底使得在电镀期间所述衬底的电镀表面与阳极分隔开；

(b)在电解液中浸渍所述衬底，其中，在所述衬底的电镀表面和离子阻性元件的上表面之间形成约10毫米或约10毫米以下的间隙，其中所述离子阻性元件与所述衬底的电镀表面是至少共同延伸的，并且其中所述离子阻性元件适于在电镀期间提供通过所述离子阻性元件的离子运输；

(c)(i)使电解液从侧入口流到所述间隙，在边缘流元件上方和/或下方流动，并流出侧出口，和(ii)使电解液从所述离子阻性元件下方，通过所述离子阻性元件，流入所述间隙，并流出所述侧出口，其中电解液与在所述衬底夹持器中的所述衬底接触，其中，所述入口和出口被定位在所述衬底的电镀表面上的方位角相对的外周位置附近，并且其中，所述入口和出口被设计或配置成在电镀期间在所述间隙内产生横流电解液；

(d)旋转所述衬底夹持器；以及

(e)在使电解液如在(c)中流动时将材料电镀到所述衬底的电镀表面上，其中，所述边缘流元件被配置成引导电解液到在所述衬底和所述衬底夹持器之间形成的拐角中，所述拐角在其顶部由所述衬底的电镀表面定义并且在其侧面由所述衬底夹持器的内边缘定义。

19.如条款18所述的方法，其中，所述边缘流元件是方位角不对称的。

20.如条款18或19所述的方法，其中，所述边缘流元件包括允许电解液流动通过所述边缘流元件的流旁路通路。

21.根据条款18或19所述的方法，其还包括在电镀期间调节所述边缘流元件的位置。

发明内容

本文的某些实施方式涉及用于电镀一种或多种材料到衬底上的方法和装置。在许多情况下，材料是金属，并且衬底是半导体晶片，但实施方式不局限于此。通常情况下，本发明的实施方式利用位于衬底附近的有沟道的离子阻性板(CIRP)，产生在底部通过CIRP以及在顶部由衬底限定的横流歧管。在电镀期间，流体向上穿过CIRP的沟道，并侧向通过位于衬底一侧附近的横流侧入口进入横流歧管。流通路与横流歧管结合，出口在横流出口，横流出口位于横流入口对面。在各种实施方式中，边缘流元件可被用于引导在衬底的外周附近的流。边缘流元件可以与CIRP或与衬底夹持器集成，或者它可以是单独的。相比于不具有边缘流元件实现的结果，边缘流元件促进在衬底的边缘附近的相对较高程度的剪切流，其中所述衬底接触所述衬底夹持器。在衬底的外周附近的这种增大的剪切流导致更均匀的电镀结果。

在本文的实施方式中的一个方面，提供了一种电镀装置，其包括：(a)电镀室，其被配置成在将金属电镀到基本上平坦的衬底上时包含电解液和阳极；(b)衬底夹持器，其配置成容纳基本上平坦的衬底使得在电镀期间所述衬底的电镀表面与所述阳极分隔，其中，当所述衬底被定位在所述衬底夹持器中时，在所述衬底和衬底夹持器之间的界面形成拐角，所述拐角在顶部通过所述衬底的电镀表面限定并在侧面通过所述衬底夹持器限定；(c)离子阻性元件，其包括通过约10mm或约10mm以下的间隙与所述衬底的电镀表面分隔的朝向衬底的表面，其中，在电镀期间所述离子阻性元件与所述衬底的电镀表面是至少共同延伸的，所述离子阻性元件适于在电镀期间提供通过所述元件的离子运输；(d)通向所述间隙的入口，其用于引入电解液至所述间隙；(e)通向所述间隙的出口，其用于接收在所述间隙中流动的电解液；以及(f)边缘流元件，其被配置为引导电解液到在所述衬底和所述衬底夹持器之间的界面的所述拐角，所述边缘流元件是圆弧形或环形的并定位在所述衬底的外周的附近并且至少部分沿径向定位在所述衬底和所述衬底夹持器之间的界面处的拐角的内部，其中，在电镀期间所述入口和所述出口被定位在所述衬底的电镀表面上的方位角相对的外周位置附近，以及其中，所述入口和所述出口适于产生在所述间隙中的横流电解液以在电镀期间产生或维持在所述衬底的电镀表面上的剪切力。

在一些实现方式中，所述边缘流元件被配置为连接到所述离子阻性元件和/或所述衬底夹持器。在一些实施方式中，所述边缘流元件与所述离子阻性元件集成，并且包括在所述离子阻性元件的外周附近的凸起部，所述凸起部相对于所述离子阻性元件的朝向衬底的表面的剩余部分的高度被抬升，所述朝向衬底的表面的剩余部分沿径向被定位在所述凸起部的内部。

在一些实施方式中，所述离子阻性元件包括其中安装所述边缘流元件的槽。在某些这样的情况下，所述装置还包括定位在所述离子阻性元件和所述边缘流元件之间的一个或多个垫片。所述一个或多个垫片可能导致所述边缘流元件以方位角不对称的方式定位。

在一些实现方式中，所述边缘流元件相对于流旁路通道的(a)位置(b)形状，和/或(c)存在或形状中的一种或多种是方位角不对称的。在一些实施方式中，方位角不对称可以位于某些位置。例如，在一些情况下，所述边缘流元件至少包括第一部分和第二部分，这些部分基于方位角不对称性限定在所述边缘流元件中，其中，所述第一部分居中于通向所述间隙的所述入口或通向所述间隙的所述出口的附近。

所述边缘流元件可以具有各种形状和功能。在多种实现方式中，所述边缘流元件包括允许电解液流动通过所述边缘流元件的流旁路通道。在一些实施方式中，流旁路通道可允许电解液在边缘流元件的上边缘和离子阻性元件之间流动。在这些和其他情况下，流旁路通道可允许电解液在边缘流元件的下边缘与衬底夹持器之间流动。在一些情况下，边缘流元件是环形的。在其他情况下，边缘流元件可以是圆弧形的。

在一个或多个方面，所述边缘流元件可以是能调节的。例如，所述边缘流元件相对于所述离子阻性元件的位置可以是能调节的。在某些情况下，所述装置还包括用于调节边缘流装置的相对于所述离子阻性元件的位置的位置的垫片和/或螺钉。在多种实施方式中，边缘流元件可以相对于由所述离子阻性元件形成的平面升高和/或降低。这样的调节可影响衬底和衬底夹持器之间的界面附近的电解液的流模式，从而实现很大程度的可调节性。在一些实施方式中，该装置包括用于调节边缘流装置的相对于所述离子阻性元件的位置的位置的致动器，其中所述致动器允许边缘流装置的位置在电镀期间被调节。

在本发明的实施方式的另一个方面，提供了在电镀中使用的边缘流元件，所述边缘流元件包括：配置成与在电镀装置中的离子阻性元件和/或衬底夹持器匹配的元件，所述元件是环形或圆弧形的，所述元件包括电绝缘材料，其中，当所述元件安装在内部具有衬底的电镀装置中时，所述元件被至少部分地沿径向定位在所述衬底夹持器的内边缘的内部，并且其中在电镀期间，所述元件引导流体到在所述衬底和所述衬底夹持器之间的界面上形成的拐角中，所述拐角在其顶部由所述衬底定义并在其侧面由所述衬底夹持器定义。

在某些实施方式中，所述边缘流元件是方位角不对称的。在一些实施方式中，所述边缘流元件还包括在电镀期间电解液能够流过其中的流旁路通路。

在本发明的实施方式的另一方面，提供了一种用于电镀衬底的方法，该方法包括：(a)在衬底夹持器接收基本平坦的衬底，其中，所述衬底的电镀表面被暴露，并且其中所述衬底夹持器被配置为容纳所述衬底使得在电镀期间所述衬底的电镀表面与阳极分隔；(b)在电解液中浸渍所述衬底，其中，在所述衬底的电镀表面和离子阻性元件的上表面之间形成约10mm或约10mm以下的间隙，其中所述离子阻性元件与所述衬底的电镀表面是至少共同延伸的，并且其中所述离子阻性元件适于在电镀期间提供通过所述离子阻性元件的离子运输；(c)(i)使电解液从侧入口流到所述间隙，在边缘流元件上方和/或下方流动，并流出侧出口，和(ii)使电解液从所述离子阻性元件下方，通过所述离子阻性元件，流到所述间隙，并流出侧出口，使电解液与在所述衬底夹持器中的所述衬底接触，其中，所述入口和出口被定位在所述衬底的电镀表面的方位角相对的外周位置附近，并且其中所述入口和出口被设计或配置成在电镀期间产生横流电解液；(d)旋转所述衬底夹持器；以及(e)在使电解液如在(c)中流动时将材料电镀到所述衬底的电镀表面，其中，所述边缘流元件被配置成引导电解液到在所述衬底和所述衬底夹持器之间形成的拐角中，所述拐角在其顶部由所述衬底的电镀表面定义并且在其侧面由所述衬底夹持器的内边缘定义。

在一些实施方式中，所述边缘流元件是方位角不对称的。在某些情况下，所述边缘流元件可以包括允许电解液流动通过所述边缘流元件的流旁路通道。在一些实施方式中，所述边缘流元件的位置可以电镀期间进行调节。

这些和其它特征将在下面参照相关附图描述。

附图说明

图1A示出了用于电化学处理半导体晶片的衬底夹持和定位装置的透视图。

图1B示出了包括锥和杯体的衬底夹持组件的一部分的横截面图。

图1C示出了可以在实施本发明的实施方式中使用的电镀槽的简化视图。

图1D-1G示出了可用于增强跨越衬底的面的横流的多种电镀装置的实施方式，以及当实施本发明的实施方式时实现的流动力的俯视图。

图2根据本发明所公开的某些实施方式示出了电镀装置典型地存在于阴极室中的各部分的分解图。

图3A根据本发明的某些实施方式示出了横流侧入口和周围的硬件的特写图。

图3B根据本发明公开的某些实施方式示出了横流侧出口、CIRP歧管入口和周围的硬件的特写图。

图4示出了在图3A-3B中所示的电镀装置的各个部分的横截面图。

图5根据某些实施方式示出了分成6个单独的部分的横流喷射歧管和喷头。

图6根据本发明的某些实施方式示出了特别聚焦于横流的入口侧上的CIRP和相关的硬件的俯视图。

图7根据所公开的多种实施方式示出了CIRP和相关的硬件的简化俯视图，示出横流歧管的进口和出口侧。

图8A-8B根据某些实施方式示出了横流入口区域的初始(8A)和修改(8B)的设计。

图9示出了部分地通过流动约束环覆盖并由框架支撑的CIRP的一种实施方式。

图10A示出了其中不使用侧入口的CIRP和流约束环的简化俯视图。

图10B根据本发明所公开的多种实施方式示出了CIRP、流约束环，以及横流侧入口的简化俯视图。

图11A-11B分别示出了通过图10A-10B所示的装置的横流歧管的横流。

图12A-12B分别是针对图10A-10B中所示的装置的示出电镀期间水平横流速率与晶片位置的关系的示意图。

图13A和13B呈现了显示凸块高度与衬底上的径向位置的关系的实验结果，示出了在有关衬底的外周附近低镀覆速率的问题。

图14A描绘了电镀装置的一部分的横截面图。

图14B示出了有关流通过图14A所描绘的装置的模拟结果。

图15描绘了有关剪切流速与衬底上的径向位置的关系的模拟结果以及有关凸块高度与衬底上的径向位置的关系的实验结果，显示出在衬底的外周附近的具有较低程度的电镀。

图16A和16B示出了有关裸芯片内厚度的非均匀性(图16A)以及在衬底的不同径向位置的光致抗蚀剂的厚度(图16B)的实验结果。

图17A和17B描绘了根据其中使用边缘流元件的一种实施方式的电镀装置的横截面图。

图18A-18C根据多种实施方式说明了三种类型的用于安装边缘流元件在电镀装置上的连接件配置。

图18D呈现描述在图18A-18C中所示的边缘流元件的某些特征的图表。

图19A-19E示出了用于调节在电镀装置中的边缘流元件的方法。

图20A-20C根据多种实施方式示出了可以使用的若干类型的边缘流元件，其中一些是方位角不对称的。

图21示出了根据其中使用边缘流元件和顶部流插入件的某些实施方式的电镀装置的横截面图。

图22A和22B示出了其中具有凹槽的有通道的离子阻性板(CIRP)，边缘流元件被安装到所述凹槽中。

图22C和22D描绘了描述针对各种垫片厚度的邻近衬底的边缘的流速的模拟结果。

图23A和23B呈现了根据某些实施方式所述的涉及具有边缘流元件的电镀装置的模拟结果，所述边缘流元件具有斜坡形状。

图24A、24B和25呈现了根据某些实施方式所述的涉及具有边缘流元件的电镀装置的模拟结果，所述边缘流元件包括不同类型的流旁通通路。

图26A-26D示出了边缘流元件的几个例子，每一个在其中都具有流旁通通路。

图27A-27C描绘了用于产生在图28-30中所示的结果的实验装置。

图28-30呈现了针对有关图27A-27C所描述的实验装置的有关镀凸块高度(图28和30)或裸芯片内厚度非均匀性(图29)与在衬底上的径向位置的关系的实验结果。

具体实施方式

在本申请中，术语“半导体晶片”、“晶片”、“衬底”、“晶片衬底”和“部分制造的集成电路”可互换使用。本领域的普通技术人员将理解，术语“部分制造的集成电路”可以指的是在其上集成电路制造的许多阶段中的任何阶段过程中的硅晶片。下面的详细描述假设本发明是在晶片上实现的。通常情况下，半导体晶片的直径为200、300或450毫米。然而，本发明并不受此限制。工件可以具有各种形状、尺寸和材料。除了半导体晶片以外，可利用本发明的优点的其他工件包括各种物品，如印刷电路板和类似物。

在以下的描述中，阐述了许多具体细节，以便提供对所呈现的实施方式的透彻理解。所公开的实施方式可以在没有这些具体细节中的某些或所有的情况下实施。在其它实施例中，公知的处理操作未被详细描述，以避免不必要地使本方明的实施方式不清楚。虽然本发明的实施方式将结合特定实施方式进行描述，但应理解它并不意在限制本发明的实施方式。

在本发明中所描述的是用于将一种或多种金属电镀到衬底上的装置和方法。通常描述其中衬底是半导体晶片的实施方式；然而，本发明并不受此限制。

本发明的实施方式包括配置成在电镀期间控制电解液流体力学以便获得高度均匀的镀层的电镀装置以及包括在电镀期间控制电解液流体力学以便获得高度均匀的镀层的方法。在具体的实施方式中，所公开的实施方式采用产生冲击流(朝向或垂直于工件表面的流)与剪切流(有时称为“横流”或具有平行于工件表面的速度的流)的组合的方法和装置。

一种实施方式是包括以下特征的电镀装置：(a)电镀室，其配置为在电镀金属到基本上平坦的衬底上时容纳电解液和阳极；(b)衬底夹持器，其配置成保持基本上平坦的衬底以便使在电镀期间衬底的镀表面与阳极分隔，其中，当衬底定位在衬底夹持器上时，在衬底和衬底夹持器之间的界面上形成拐角，所述拐角在顶部由衬底的镀表面定义，在侧面由所述衬底夹持器定义；(c)有沟道的离子阻性元件，其包括基本上平行于衬底的镀面并且在电镀期间与衬底的镀面分隔的面向衬底的表面，有沟道的离子阻性元件包含多个非连通通道，其中非连通通道使得在电镀期间电解液能运输通过元件；(d)用于产生和/或施加剪切力(横流)至在衬底的镀面上流动的电解液的机构；及(e)用于促进在邻近衬底/衬底夹持器界面处、在衬底的外周附近的剪切流的机构。虽然晶片基本上是平坦的，但它典型地也具有一个或多个微型沟槽，并且可以具有表面的被掩蔽而不受电解液暴露影响的一个或多个部分。在各种实施方式中，该装置还包括在使电镀槽中的电解液沿衬底的镀面的方向流动时用于旋转所述衬底和/或有沟道的离子阻性元件的机构。

在某些实现方式中，用于施加横流的机构是具有在有沟道的离子阻性元件的外周上或邻近有沟道的离子阻性元件的外周处的例如适当的流引导和分配装置的入口。入口沿着有沟道的离子阻性元件的朝向衬底的表面引导横流的阴极电解液。入口是方位角不对称的，部分遵循有沟道的离子阻性元件的外周，并具有一个或多个间隙，并限定在电镀期间在有沟道的离子阻性元件与基本上平坦的衬底之间的横流喷射歧管。可选地提供其他元件以用于与横流喷射歧管合作地工作。这些可以包括横流喷射流分配喷头和横流约束环，结合附图在下面进一步描述它们。

在某些实施方式中，用于促进在衬底的外周附近的剪切流的机构是边缘流元件。在一些情况下，边缘流元件可以是有沟道的离子阻性板或衬底夹持器的组成部分。在其他情况下，边缘流元件可以是与有沟道的离子阻性板或衬底夹持器的接口的单独的部件。在其中边缘流元件是单独的部件的一些情况下，可单独地提供各种不同形状的边缘流元件，以允许衬底的边缘附近的流分布针对给定的应用被调节。在各种情况下，边缘流元件可以是方位角不对称的。下面描述有关边缘流元件的另外的详细信息。

在一些实施方式中，该装置被配置为在电镀期间使在朝向或垂直于衬底电镀表面的方向上的电解液的流能产生离开有沟道的离子阻性元件的孔的至少约3厘米/秒的平均流率(例如，至少约5厘米/秒或至少约10厘米/秒)。在一些实施方式中，该装置被配置成在产生约3厘米/秒或更大(如约5厘米/秒或更大，约10厘米/秒或更大，约15厘米/秒或更大，或约20厘米/秒或更大)的跨越衬底的镀面的中心点的平均横向电解液速率的条件下操作。在某些实施方式中，这些流率(即，离开离子阻性元件的孔的流率和跨越衬底的镀面的流率)适合于采用约20L/min的整体电解液流率和约12英寸直径的衬底的电镀槽。本文的实施方式可以用多种衬底尺寸来实施。在一些情况下，衬底的直径为约200毫米、约300毫米、或约450毫米。另外，本文的实施方式可以以各种各样的总体流率来实施。在某些实现方式中，总体电解液流率为介于约1-60升/分钟之间，介于约6-60升/分钟之间，介于约5-25升/分钟之间，或介于约15-25升/分钟之间。电镀期间获得的流率可受到某些硬件约束(诸如使用的泵的尺寸和容量)的限制。本领域的技术人员会理解，当公开的技术用较大的泵来实施时，本发明引用的流率可以是较高的。

在一些实施方式中，电镀装置包含分隔的阳极和阴极室，其中在两个室中的每个室存在不同的电解液组合物、电解液循环，和/或流体力学。离子渗透膜可用于抑制在这些室之间的一种或多种组分的直接对流运输(通过流的质量运动)，并保持这些室之间的期望的分隔。膜可以阻止大部分电解液流，并在允许离子(如阳离子)的运输时阻止某些物质(如有机添加剂)的运输。在一些实施方式中，膜包含杜邦公司的NAFION^TM或相关的离子选择性聚合物。在其他情况下，膜不包括离子交换材料，而是包括微多孔材料。通常，在阴极室中的电解液被称为“阴极电解液”，而在阳极室中的电解液被称为“阳极电解液”。通常，阳极电解液和阴极电解液具有不同的组合物，阳极电解液含有很少的电镀添加剂(例如，促进剂、抑制剂和/或均衡剂)或不含有电镀添加剂，阴极电解液含有显著浓度的这样的添加剂。在两个室之间金属离子和酸的浓度也经常不同。含有分隔的阳极室的电镀装置的例子在2000年11月3日提交的美国专利No.6527920[代理人案卷NOVLP007]；2002年8月27日提交的美国专利No.6821407[代理人案卷NOVLP048]，以及，2009年12月17日提交的美国专利No.8262871[代理人案卷NOVLP308]中被描述，其每一个全部内容通过引用并入本文。

在一些实施方式中，阳极膜不必包括离子交换材料。在一些实施方式中，所述膜由微孔材料制成，诸如通过马萨诸塞州威尔明顿的Koch Membrane制造的聚醚砜。这种膜类型最显著地适用于惰性阳极应用，诸如锡-银电镀和金电镀，也可以因此被用于可溶性阳极应用，如镍电镀。

在某些实施方式中，并且如在本发明的其它地方更全面地描述的，阴极电解液被注入歧管区域，以下称为“CIRP歧管区域”，其中电解液被馈送、累积，然后被基本上均匀分配并穿过CIRP的各非连通通道直接朝向晶片表面。

在以下的讨论中，当术语顶部和底部指的是本发明的实施方式的元件或顶部和底部特征(或类似术语，如上部和下部特征等)时，为方便起见所述术语被简单地使用，并且所述术语仅代表本发明的参照或实施方式的单个结构。其它配置是可能的，如在其中顶部部件和底部部件相对于重力反转和/或顶部部件和底部部件成为左侧部件和右侧部件或右侧部件和左侧部件的那些配置。

尽管本发明描述的一些方面可以在各种类型的电镀装置中使用，但为简单和清楚起见，大多数的实施例将涉及晶片面朝下，“喷泉式(fountain)”电镀设备。在这样的装置中，要电镀的工件(在本发明的实施方式中典型地为半导体晶片)通常具有大致水平的定向(可能在某些情况下，针对整个电镀过程的一部分或在整个电镀过程期间从真水平改变某些度数)并且可以被供电以在电镀期间旋转，从而产生通常垂直向上的电解液对流模式。从晶片的中心到边缘的冲击流质量的整合，以及旋转的晶片在它的边缘相对于它的中心的固有较高角速率，产生径向增大的剪切(晶片平行)流速率。喷泉式电镀类槽/装置的部件的一个实例是由加利福尼亚州圣何塞市的Novellus System公司生产并可从该公司获得的电镀系统。另外，喷泉式电镀系统在例如，2001年8月10日提交的美国专利No.6800187[代理人案卷NOVLP020]和2008年11月7日提交的美国专利No.8308931[代理人案卷NOVLP299]中被描述，其全部内容通过引用并入本文。

待镀衬底通常是平坦或基本上平坦的。如所使用的，具有如沟槽、通孔、光致抗蚀剂图案等特征的衬底被认为是基本上平坦的。通常，这些特征在微观尺度上，但是不一定总是如此。在许多实施方式中，衬底的表面的一个或多个部分可以被掩蔽而不暴露于电解液。

图1A和1B的以下描述提供了总体上非限制性背景以有助于理解所描述的装置和方法。图1A提供了用于电化学处理半导体晶片的晶片夹持和定位装置100的透视图。装置100包括晶片啮合部件(在本文中有时称为“翻盖”部件)。实际的翻盖包括杯体102和锥体103，使压强能施加到晶片和密封件之间，从而保证晶片在所述杯体中。

杯体102由支杆104支承，支杆104被连接到顶板105。组件(102-105)，统称为组件101，经由主轴106由电动机107驱动。电动机107连接到安装托架109。主轴106传递扭矩到晶片(在该图中未示出)，以允许在电镀期间转动。主轴106内的气缸(未示出)还提供杯体和锥体103之间的垂直力以产生杯体内容纳的晶片和密封部件(唇形密封件)之间的密封。为了讨论的目的，包括部件102-109的组件统称为晶片夹持器111。然而，注意“晶片夹持器”的概念通常延伸到啮合晶片并允许其移动和定位的部件的各种组合和子组合。

倾斜组件包括第一板115，第一板115可滑动地连接到第二板117，倾斜组件被连接到安装托架109。驱动缸113分别在枢轴接头119和121连接到板115和板117。因而，驱动缸113提供用于使板115(并因此晶片夹持器111)滑动穿过板117的力。晶片夹持器111的远端(即安装托架109)沿着弧形路径(未示出)移动，弧形路径限定板115和117之间的接触区域，并且因此晶片夹持器111(即杯体和锥体组件)的近端朝虚拟枢轴倾斜。这允许晶片成角度进入镀浴。

经由另一个致动器(未示出)将整个装置100垂直向上或向下抬升以将晶片夹持器111的近端浸入镀液。因此，双部件定位机构为晶片提供沿垂直于电解液的轨迹的垂直运动和允许偏离水平方向(平行于电解液表面)的倾斜运动两者(成角度的晶片浸没能力)。装置100的运动能力和相关联的硬件的更详细描述在2001年5月31日提交的，2003年4月22日授权的，美国专利6551487[代理人案卷NOVLP022]中被描述，其全部内容通过引用并入本文。

注意，装置100典型地与具有容纳阳极(例如，铜阳极或非金属惰性阳极)和电解液的电镀室的特定电镀槽一起使用。电镀槽还可以包括用于循环电解液通过电镀槽-并靠着被电镀的工件的管道或管道连接。它还可以包括设计成在阳极隔室和阴极隔室中保持不同的电解液化学物质的膜或其他分隔器。在一种实施方式中，一个膜被用来定义阳极室，所述阳极室容纳基本上不含抑制剂、促进剂或其它有机电镀添加剂的电解液，或者在另一种实施方式中，其中阳极电解液和阴极电解液的无机电镀组合物是实质上不同的。也可以任选地提供通过物理手段(例如，直接泵送，包括阀，或溢出槽)将阳极电解液输送到阴极电解液或传输到主镀液的装置。

以下描述提供翻盖的杯体和锥体组件的更多细节。图1B示出了横截面形式的组件100的部分101，其包括锥体103和杯体102。注意该图并不意味着是杯体和锥体组件的真实描绘，而是为了讨论的目的的程式化描绘。杯体102经由支柱104由顶板105支承，支柱104经由螺钉108连接。通常，杯体102提供上面搁置晶片145的支撑件。杯体102包括开口，来自电镀槽的电解液可以通过所述开口接触晶片。注意晶片145具有正面142，在所述正面142进行电镀。晶片145的外周搁置在杯体102上。锥体103向下压在晶片的背面以在电镀期间将晶片保持在适当位置。

为了装载晶片到101，锥体103经由主轴106从其描绘的位置抬升直到锥体103接触顶板105为止。从这个位置，在杯体和锥体之间产生间隙，晶片145可插入所述间隙，从而装入杯体中。然后如所描绘的，锥体103被降低以抵靠杯体102的外周啮合晶片，并配合沿晶片的外周在径向方向上超出唇密封件143的成组的电触点(在图1B中未示出)。

主轴106传输用于使锥体103啮合晶片145的垂直力和用于旋转组件101的转矩两者。这些传输的力由图1B中的箭头所示。注意通常在晶片旋转(如由图1B的顶部的虚线箭头表示)时进行晶片电镀。

杯体102具有可压缩唇密封件143，从而当锥体103啮合晶片145时形成流体密封。来自锥体和晶片的垂直力压缩唇形密封件143，以形成流体密封。唇形密封件防止电解液接触晶片145的背面(其中它可以引入诸如铜或锡离子之类的污染物质直接进入硅)并防止电解液接触装置101的灵敏元件。还可以存在位于杯体和晶片的界面之间的密封件，从而形成流体密封的密封，以进一步保护晶片145(未示出)的背面。

锥体103还包括密封件149。如图所示，当锥体103的边缘和杯体的上部区域啮合时，密封件149位于锥体103的边缘和杯体的上部区域附近。这还保护晶片145的背面避免可能从杯体上方进入翻盖的任何电解液。密封件149可被固定到锥体或杯体，并可以是单个密封件或多部件密封件。

当电镀开始时，锥体103被抬升到杯体102上方，并将晶片145引入到组件102。当晶片最初被引入杯体102时-通常通过机械臂-晶片145的正面142轻轻靠在唇密封件143上。为了有助于实现均匀的电镀，在电镀期间旋转组件101。在随后的附图中，组件101以较简单的方式并相对于用于控制在电镀期间在晶片电镀表面142上的电解液的流体力学的部件描绘。因而，随后是对在工件上质量传输和流体剪切力的概述。

如在图1C中所描绘的，电镀装置150包括容纳阳极160的电镀槽155。在这个例子中，电解液175通过在阳极160的开口在中央流入槽155，并且电解液穿过具有垂直定向(非交叉)的通孔的有沟道的离子阻性元件170，电解液通过所述通孔流动，然后冲击在晶片145上，晶片145在晶片夹持器101中保持、通过晶片夹持器101定位并移动。有沟道的离子阻性元件，如170，在晶片电镀表面提供均匀的冲击流。根据本发明所描述的某些实施方式，利用该有沟道的离子阻性元件的装置被构造成促进在整个晶片的表面的高速率和高均匀性的电镀和/或以促进在整个晶片的表面的高速率和高均匀性的电镀的方式操作，包括在诸如用于WLP和TSV应用的高沉积速率方案下电镀。所描述的多种实施方式中的任何一种或全部可在镶嵌以及TSV和WLP应用的背景中实施。

图1D-1G涉及可用于激励跨越待镀衬底的表面的横流的某些技术。相对于这些附图所描述的多种技术呈现激励横流的替代方案。因此，在本文附图中描述的某些元件是可选的，并且不存在于所有实施方式中。

在一些实施方式中，电解液流端口被配置成单独地或与如本文描述的流成形板和分流器组合地促进横流。下面描述关于流成形板和分流器的组合的多种实施方式，但本发明并不受限于此。注意，在某些实施方式中，认为跨越晶片表面的电解液流矢量的大小在排气孔或间隙的附近较大，并且跨越晶片表面逐渐变小，在假室的离排气孔或间隙最远的内部最小。如图1D所描绘的，通过使用适当配置的电解液流端口，这些横流矢量的大小跨越晶片表面更均匀。

一些实施方式包括构造成用于结合流成形板和分流器组件增强横流的电解液入口流端口。图1E描绘了用于电镀铜到晶片145上的电镀装置725的部件的横截面，所述晶片145通过晶片夹持器101被保持、定位和旋转。装置725包括电镀槽155，电镀槽155是双室槽，具有阳极室，所述阳极室具有铜阳极160和阳极电解液。阳极室和阴极室通过阳离子膜740分隔，阳离子膜740由支撑构件735支撑。电镀装置725包括如本发明中所描述的流成形板410。如本发明中描绘的，分流器325在流成形板410的顶部上，并有助于产生横向剪切流。阴极电解液经由流端口710被引入阴极室(在膜740上方)。阴极电解液从流端口710穿过本发明所述的流板410并产生冲击流到晶片145的电镀表面上。除了阴极流端口710，额外的流端口710a在其出口引入阴极电解液，所述出口在分流器325的排气口或间隙的远端的位置。在该实施例中，流端口710a的出口形成为流成形板410中的通道。功能性结果是阴极电解液流被直接导入在流板和晶片电镀表面之间形成的伪室以增强跨越晶片表面的横流，由此使跨越晶片(和流板410)的流向量标准化。

图1F示出了描述流端口710a(由图1E)的流示意图。如在图1F看出，流端口710a的出口跨越分流器750的内周的90度。本领域的普通技术人员将理解，端口710a的尺寸、配置和位置可在不脱离本发明的范围的情况下变化。本领域的技术人员还应理解等效配置将包括使阴极电解液从分流器325中的端口或通道和/或组合(在流板410中的)如在图1E描绘的通道离开。其他实施方式包括在分流器的(下部)侧壁中的一个或多个端口，所述侧壁即最靠近流成形板顶部表面的侧壁，其中该一个或多个端口位于分流器的与排风孔或间隙相对的部分上。图1G示出了组装有流成形板410的分流器750，其中分流器750具有在与分流器的间隙相对处从分流器供应电解液的阴极电解液流端口710b。诸如710a和710b之类的流端口可以相对于晶片电镀表面或流成形板顶表面的任何角度供应电解液。一个或多个流端口可输送冲击流到晶片表面和/或横向(剪切)流。

在一种实施方式中，例如相对于图1E-1G所描述的，如本发明中描述的流成形板结合分流器使用，其中，配置成增强横向流(如上所述)的流端口也与流成形板/分流器组件一起使用。在一种实施方式中，流成形板具有均匀分布的孔，在一种实施方式中，具有螺旋形孔图案。

术语和流动路径

提供许多附图来进一步说明和解释本发明的实施方式。除了其他方面，附图尤其包括与公开的电镀装置相关联的结构元件和流动路径的多个附图。这些元件被给定一定的名称/标号，它们在描述图2至22A-22B中一致地使用。

下面的实施方式假定在大多数情况下电镀装置包括单独的阳极室。所描述的特征被包含在阴极室中，阴极室包括将阳极室与阴极室分隔的膜框架274和膜202。可以采用任何数量的可行的阳极和阳极室配置。在以下实施方式中，包含在阴极室中的阴极电解液很大程度上位于横流歧管226或在有沟道的离子阻性板歧管208或在用于输送阴极电解液至两个单独的歧管的通道258和通道262中。

以下描述的重点大部分在于控制横流歧管226中的阴极电解液。阴极电解液通过两个单独的入口点进入横流歧管226：(1)有沟道的离子阻性板206的通道和(2)横流起始结构250。经由CIRP 206中的通道到达横流歧管226的阴极电解液被引导朝向工件的表面，典型地，沿基本上垂直的方向被引导。这种通道输送的阴极电解液可以形成冲击在工件的表面上的小射流，所述工件相对于有沟道的板通常旋转缓慢(例如，约1至30rmp)。相反，经由横流起始结构250到达横流歧管226的阴极电解液被基本上平行于工件的表面引导。

如上述讨论所指出的，为了使电场成形和控制电解液的流动特性，在电镀期间“有沟道的离子阻性板”206(或“有沟道的离子阻性元件”或“CIRP”)被定位在工作电极(晶片或衬底)和对电极(阳极)之间。本发明中的各附图显示了有沟道的离子阻性板206相对于所公开的装置的其它结构特征的相对位置。这样的离子阻性元件206的一个例子在2008年11月7日提交的美国专利No.8308931[代理人案卷NOVLP299]中被描述，其全部内容之前通过引用并入本文。本发明所描述的有沟道的离子阻性板适合于改善晶片表面上的径向电镀均匀性，晶片表面如那些含有相对低的导电率或那些含有非常薄的阻性种子层的晶片表面。有沟道的元件的某些实施方式的其它方面描述如下。

“膜框架”274(在其他文件中有时被称为阳极膜)是在一些实施方式中采用的结构元件，以支撑将阴极室与阳极室分隔的膜202。它可具有有关本发明公开的某些实施方式的其他特征。具体地，参照附图的实施方式，它可以包括用于输送阴极电解液朝向横流歧管226的流通道258和262，以及配置成输送横流阴极电解液至横流歧管226的喷头242。膜框架274也可含有槽堰壁282，槽堰壁282用于确定和调节阴极电解液的最上部的水平。本发明的各个附图描绘了在与所公开的横流装置相关联的其他结构特征的背景下的膜框架274。

参照图2，膜框架274是用于保持膜202的刚性结构，膜202通常是负责将阳极室从阴极室分隔的离子交换膜。如所解释的，阳极室可包含第一组合物的电解液，而阴极室含有第二组合物的电解液。膜框架274也可以包括多个流体调节杆270(有时被称为流约束元件)，流体调节杆270可以用于帮助控制流输送到有沟道的离子阻性元件206。膜框架274定义阴极室的最底部分和阳极室的最上部分。所描述的部件全部都位于阳极室和阳极室膜202上方的电化学电镀槽的工件侧。它们都可以被看作是阴极室的一部分。然而，应该理解的是，横流注入装置的某些实施方式不采用分隔的阳极室，因此膜框架274不是必需的。

通常位于工件和膜框架274之间的是有沟道的离子阻性板206、以及横流环垫圈238和晶片横流约束环210，其每一个可以固定到有沟道的离子阻性板206。更具体地，横流环垫圈238可以直接定位在CIRP 206顶上，晶片横流约束环210可以被定位在横流环垫圈238上方，并固定到有沟道的离子阻性板206的顶表面，有效地夹在垫圈238之间。本发明的各附图显示相对于有沟道的离子阻性板206布置的横流约束环210。

如图2所示，本发明的最上部的相关结构特征是工件或晶片夹持器。在一些实施方式中，工件夹持器可以是杯体254，杯体254在锥体和杯体翻盖式设计中是通常使用的，例如在上面提到的Novellus System的电镀工具中包含的设计。例如，图2和8A-8B示出了杯体254相对于装置的其它元件的相对方向。

在多种实施方式中，可以设置边缘流元件(未示于图2)。可以在基本上位于有沟道的离子阻性板206的上方和/或内部并在杯体254下方的位置设置边缘流元件。在下面进一步描述边缘流元件。

图3A示出了根据本发明公开的实施方式的横流入口侧的特写横截面图。图3B示出了根据本发明的实施方式所述的横流出口侧的特写横截面图。图4示出了根据本发明的一些实施方式的显示入口侧和出口侧两者的电镀装置的横截图。在电镀处理期间，阴极电解液填充并占据膜框架274上的膜202的顶部与膜框架堰壁282之间的区域。该阴极区域可以分成三个子区域：1)在CIRP206下方和(用于采用阳极室阳离子膜的设计)在分隔的阳极室阳离子膜202(该元件有时被称为下歧管区域208)上方的有沟道的离子阻性板歧管区域208，2)横流歧管区域226，其在晶片和CIRP 206的上表面之间，以及3)上部槽区域或“电解液容纳区域”，其在翻盖/杯体254的外部和槽堰壁282内部(槽堰壁282是膜框架274的物理部件)。当晶片不被浸渍和翻盖/杯体254不处于向下位置时，第二区域和第三区域合并成一个区域。

当工件安装在工件夹持器254中时，在有沟道的离子阻性板206的顶部与工件的底部之间上方的区域(2)包含阴极电解液，并称为“横流歧管”226。在一些实施方式中，阴极电解液通过单个进入端口进入阴极室。在其他实施方式中，阴极电解液通过位于电镀槽其他位置的一个或多个端口进入阴极室。在某些情况下，存在用于槽的浴的单个入口，其在阳极室的外周并从阳极室槽壁分割出来。该入口连接到在槽和阳极室的底部的中央阴极电解液入口歧管。在本发明的某些实施方式中，主阴极电解液歧管室馈送多个阴极电解液室入口孔(例如，12个阴极电解液室入口孔)。在各种情况下，这些阴极电解液室入口孔被分成两组：馈送阴极电解液至横流喷射歧管222的第一组，以及馈送阴极电解液至CIRP歧管208的第二组。图3B示出了通过通道262馈送CIRP歧管208的单个入口孔的横截面。虚线表示流体流的路径。

在中央阴极入口歧管(未示出)在槽的基部阴极电解液被分离到两个不同的流动路径或流中。该歧管通过连接到该槽的基部的单一管馈送。从主阴极电解液歧管，阴极电解液的流分成两股流：12个馈送孔中的6个馈送孔，其位于该槽的一侧，导致向CIRP歧管区域208供给并最终供应冲击阴极电解液流通过CIRP的各个微通道。其他6个孔也从中央阴极电解液入口歧管馈送，但随后通到横流喷射歧管222，然后馈送横流喷头的242的分配孔246(其数量可超过100)。在离开横流喷头孔246后，阴极电解液的流动方向(a)从晶片的法向方向改变成(b)平行于晶片的方向。当流冲击在入口腔250的横流约束环210中的表面并由该表面限制时，发生流的这种变化。最后，在进入横流歧管区域226时，在中央阴极电解液入口歧管中的槽的基部最初分隔的两个阴极电解液流再合在一起。

在附图中所示的实施方式中，进入阴极室的阴极电解液的一部分被直接提供给有沟道的离子阻性板歧管208并且一部分直接提供给横流喷射歧管222。至少一些阴极电解液并且通常但不总是被输送到有沟道的离子阻性板歧管208并且然后被输送到CIRP下表面的全部的阴极电解液被输送穿过板206中的多个微通道并到达横流歧管226。通过有沟道的离子阻性板206中的通道进入横流歧管226的阴极电解液作为基本上垂直定向的射流进入横流歧管(在一些实施方式中，通道制造成有角度，因此它们不是完全垂直于晶片的表面，例如，射流相对于晶片表面法线的角度可高达约45度)。阴极电解液进入横流喷射歧管222的部分被直接输送到横流歧管226，其中它在晶片下方作为水平定向的横流进入。在横流阴极电解液到横流歧管226的途中，它穿过横流喷射歧管222和横流喷头板242(例如，其包含约139个具有直径为约0.048”的分配孔246)，并且然后通过横流约束环210的入口腔250的操作/几何尺寸从垂直向上的流重定向到平行于晶片表面的流。

横流和射流的绝对角度不必是水平或正好完全垂直或甚至彼此正好成90°定向。然而，在一般情况下，横流歧管226中的阴极电解液的横流基本上沿着工件表面的方向，并且从有微通道的离子阻性板206的顶表面释放出的阴极电解液的射流方向基本上流至工件的表面/垂直于工件的表面。

如所提到的，进入阴极室中的阴极电解液被分成(i)从有沟道的离子阻性板歧管208流动，通过CIRP 206中的通道，然后进入横流歧管226的阴极电解液，以及(ii)流入横流喷射歧管222，通过喷头242中的孔246，然后进入横流歧管226的阴极电解液。从横流喷射歧管区域222直接进入的流可以经由横流约束环进入端口(有时称为横流侧入口250)进入，平行于晶片并从槽的一侧释放出。相比之下，经由CIRP 206的微通道进入横流歧管区域226的流体射流从晶片下方和横流歧管226下方进入，并且喷射流体在横流歧管226内被转向(重定向)以平行于晶片并朝向横流约束环排出端口234(有时也称为横流出口或出口)流动。

在一些实施方式中，进入阴极室的流体被引导到围绕电镀槽室(通常是外周壁)的阴极室部分的外周分布的多个通道258和262。在一个具体的实施方式中，在阴极室的壁中包含12个这样的通道。

在阴极室壁上的通道可连接到膜框架中的相应的“横流馈送通道”。馈送通道262中的一些直接输送阴极电解液到有沟道的离子阻性板歧管208。如上所述，提供给该歧管的阴极电解液随后穿过有沟道的离子阻性板206的小的垂直定向的通道，并作为阴极电解液的射流进入横流歧管226。

如所提到的，在附图中所描绘的实施方式中，阴极电解液通过12个阴极电解液馈送线/管中的6个馈送“CIRP歧管室”208。这些馈送CIRP歧管208的6个主要的管或线262位于横流约束环的出口腔234(其中流体流出晶片下方的横流歧管区域226)下方，并与所有的横流歧管组件相对(横流喷射歧管222、喷头242和约束环入口腔250)。

如在多个附图中所示，在膜框架中的一些横流馈送通道258直接通向横流喷射歧管222(例如，12个中的6个)。这些横流馈送通道258在槽的阳极室的底部开始，然后通过膜框架274的匹配通道，然后与在有沟道的离子阻性板206的下部的相应的横流馈送通道258连接。例如，参见图3A。

在一个特定的实施方式中，存在用于直接输送阴极电解液到横流喷射歧管222然后到横流歧管226的6个单独的馈送通道258。为了在横流歧管226中产生横流，这些通道258以方位角非均匀的方式出口转入横流歧管226。具体地，它们在横流歧管226的特定侧或方位角区域进入横流歧管226。在图3A所示的特定实施方式中，用于直接输送阴极电解液至横流喷射歧管222的流体路径258在到达横流喷射歧管222之前穿过四个单独的元件：(1)在槽内的阳极室壁的专用通道，(2)膜框架274中的专用通道，(3)有沟道的离子阻性元件206(即，不是用于将阴极电解液从CIRP歧管208输送到横流歧管226的1-D通道)中的专用通道，以及最后，(4)在晶片横流约束环210中的流动路径。

如所提到的，在膜框架中，流动路径的通过膜框架274并馈送横流喷射歧管222的部分被称为横流馈送通道258。流动路径的通过微沟道的离子阻性板206并馈送CIRP歧管的部分被称为馈送有沟道的离子阻性板歧管208的横流馈送通道262，或CIRP歧管馈送通道262。换言之，术语“横流馈送通道”包括馈送横流喷射歧管222的阴极电解液馈送通道258和馈送CIRP歧管208的阴极电解液馈送通道262两者。这些流258和262之间的一个不同之处如上指出：通过CIRP 206的流方向最初指向晶片，然后由于晶片和横流约束环210的存在转向成平行于晶片，而来自横流喷射歧管222并离开通过横流约束环进入端口250的横流部开始基本上平行于晶片。尽管不希望受限于任何特定的模型或理论，但冲击流和平行流的这样的组合和混合被认为促进凹陷/嵌入特征内实质上改进的流渗透，从而提高质量传输。通过在晶片下方产生空间均匀的对流场并旋转晶片，每个特征以及每个裸芯片在旋转和电镀工艺期间显示出几乎相同的流模式。

有沟道的离子阻性板206内的不通过板的微通道(而不是进入横流歧管226，这是由于流平行于晶片的面)的流动路径当它穿过板206中的横流馈送通道258时在垂直向上的方向开始，然后进入在有沟道的离子阻性板206的主体内形成的横流喷射歧管222。横流喷射歧管222是方位角腔，其可以是能够从各个单独馈送通道258分配流体(例如，从单个的6个横流馈送通道中的每一个)至横流喷头板242的各个多流分配孔246的在板206内挖出的通道。这种横流喷射歧管222沿着有沟道的离子阻性板206的外周或边缘区域的角部分定位。参见例如图3A和4-6。在一些实施方式中，横流喷射歧管222形成在板的外周区域的约90°至180°的角度上的C形结构。在一些实施方式中，横流喷射歧管222的角度范围为约120°至约170°，并且在一个更具体的实施方式中为介于约140°和150°之间。在这些或其它实施方式中，横流喷射歧管222的角度范围为至少约90°。在许多实现方式中，喷头242与横流喷射歧管222跨越大致相同的角度范围。此外，整体的入口结构250(在许多情况下其包括一个或多个横流喷射歧管222、喷头242、喷头孔246，和在横流约束环中的开口)可跨越这些相同的角度范围。

在一些实施方式中，喷射歧管222中的横流形成有沟道的离子阻性板206内的连续流体耦合的腔。在这种情况下，馈送横流喷射歧管(例如，所有6个)的所有的横流馈送通道258进入一个连续的和连接的横流喷射歧管室。在其他实施方式中，横流喷射歧管222和/或横流喷头242被分成两个或更多个角度不同的和完全或部分分隔的部分，如图5(其显示6个分隔的部分)所示。在一些实施方式中，成角度分隔的部分的数量介于约1-12之间，或介于约4-6之间。在一个具体的实施方式中，这些角度不同的部分中的每个被流体连接到设置在有沟道的离子阻性板206中的分隔的横流馈送通道258。因此，例如，在横流喷射歧管222内可以存在六个角度不同并分隔的子区域。在某些实施方式中，横流喷射歧管222的这些不同的子区域中的每个具有相同的体积和/或相同的角度范围。

在许多情况下，阴极电解液流出横流喷射歧管222，并通过具有多个成角度的分隔的阴极电解液排出端口(孔)246的横流喷头板242。参见例如图2、图3A-3B和图6。例如，在某些实施方式中，横流喷头板242被集成到有沟道的离子阻性板206，如图6所示。在一些实施方式中，喷头板242被粘合、通过螺栓连接，或以其它方式固定到有沟道的离子阻性板206的横流喷射歧管222的顶部。在某些实施方式中，横流喷头242的顶部表面齐平或稍微高于有沟道的离子阻性板206的平面或顶部表面。以这种方式，流动通过横流喷射歧管222的阴极电解液可最初垂直向上行进通过喷头孔246，然后在横流约束环210下方横向行进，并进入横流歧管226，使得阴极电解液以基本上平行于有沟道的离子阻性板的顶面的方向进入横流歧管226。在其他实施方式中，喷头242可被定向使得流出喷头孔246的阴极电解液已经以平行于晶片的方向行进。

在一个具体实施方式中，横流喷头242具有139个成角度的分隔的阴极电解液出口孔246。更通常地，也可以采用合理地建立在横流歧管226内的均匀的横流的任何数量的孔内。在一些实施方式中，在横流喷头242中存在介于约50至约300个之间的这样的阴极电解液出口孔246。在某些实施方式中，存在介于约100个与200个之间的孔。在一些实施方式中，存在约120和160个这样的孔。通常，各个端口或孔246的尺寸的直径可以为约0.020”至0.10”，更具体地从约0.03”至0.06”。

在一些实施方式中，这些孔246以角度均匀的方式(即孔246之间的间隔由槽中心与两个相邻孔之间的固定角度来确定)沿着横流喷头242的整个角度范围布置。例如参见图3A和7。在其他实施方式中，孔246以角度非均匀的方式沿着角度范围分布。然而，在进一步的实施方式中，角度非均匀的孔分布是线性(“x”方向)均匀分布的。换句话说，在后一种情况下，孔分布使得孔如果投射到垂直于横流的方向的轴(“x”方向)上是等距地间隔开的。每个孔246定位在离槽中心相同的径向距离处，并与相邻的孔在“x”方向上间隔开相同距离。具有这些角度不均匀的孔246的有效效应在于总体横流模式是较均匀的。在下面在实验部分进一步检查这两种类型的用于横流喷头孔246的配置。参见图22B和以下相关联的讨论。

在一些实施方式中，阴极电解液流出横流喷头242的方向进一步由晶片横流约束环210控制。在某些实施方式中，该环210在有沟道的离子阻性板206的全周上延伸。在一些实施方式中，横流约束环210的横截面具有L形，如图3A和4所示。在一些实施方式中，晶片横流约束环210包含一系列流引导元件，如与横流喷头242的出口孔246流体连通的定向翅片266。更具体地，定向翅片266很大程度上限定在晶片横流约束环210的上表面下方并在相邻的定向翅片266之间的隔离的流体通道。在某些情况下，定向翅片266的目的是为了将从横流喷头孔246离开的流从另外的径向向内的方向重新导向和限制成“从左到右”的流轨迹(左是横流的入口侧250，右是出口侧234)。这有助于建立基本上线性的横流模式。离开横流喷头242的孔246的阴极电解液由定向翅片266沿通过定向翼片266的取向产生的流的流线定向。在一些实施方式中，晶片横流约束环210的所有的定向翅片266是相互平行的。此平行配置有助于建立在横流歧管226内的均匀横流方向。在各种实施方式中，晶片横流约束环210的定向翅片226沿横流歧管226的入口250和出口侧234两者布置。例如这在图7的俯视图中所示。

如所指出的，如图3B和4所示，在横流歧管226中流动的阴极电解液从晶片横流约束环210的入口区域250流到环210的出口侧234。在一些实施方式中，在出口侧234，存在可以平行于入口侧的定向翅片266的以及可以与在入口侧的定向翅片266对齐的多个定向翅片266。横流穿过由在出口侧234的定向翅片266产生的通道，然后最终和直接流出横流歧管226。然后流通常径向向外地进入阴极室的另一区域并越过晶片保持架254和横流约束环210，其中流体在流过堰282用于收集和再循环之前通过膜框架的上堰壁282收集并暂时保留。因此应当理解，附图(例如，图3A、3B和4)只显示进入和离开横流歧管的阴极电解液的整个通路的局部路径。需要注意的是，在图3B和4所示的实施方式中，例如，从横流歧管226流出的流体当它在上述积聚区域中积聚时不穿过小孔或类似于在入口侧的馈送通道258的背部通道，而是以通常平行于晶片的方向向外流动。

图6示出了描绘有沟道的离子阻性板206内的嵌入式横流喷射歧管222，连同喷头242和139个出口孔246的横流歧管226的俯视图。还示出了用于横流喷射歧管流的所有六个流体调节杆270。在该绘图中，没安装横流约束环210，但示出了密封在横流约束环210和CIRP 206的上表面之间的横流约束环密封垫238的轮廓。在图6中示出的其它元件包括横流约束环紧固件218、膜框架274、以及在CIRP 206的阳极侧上的螺孔278(例如，其可以用于阴极屏蔽插入件)。

在一些实施方式中，横流约束环出口234的几何形状可以调节以进一步优化横流模式。例如，其中横流模式分叉到约束环210的边缘的情况可以通过减小横流约束环出口234的外部区域的开口面积进行修正。在某些实施方式中，出口歧管234可以包括分隔的部分或端口，很像横流喷射歧管222。在一些实施方式中，出口部分的数量介于约1-12之间，或介于约4-6之间。端口沿方位角分隔，沿着出口歧管234占据不同(通常相邻)的位置。在某些情况下，通过每个端口的相对流速可以单独受控。该控制可以例如通过使用类似于相对于入口流描述的控制杆的控制杆270来实现。在另一种实施方式中，通过出口的不同部分的流可通过出口歧管的几何形状来控制。例如，在各侧边缘附近有较小开口面积以及在中心附近有较大开口面积的出口歧管将导致其中在所述出口的中央附近有较多的流流出而在出口的边缘附近有较少的流流出的溶液流模式。也可使用控制通过出口歧管234中的端口的相对流率的其他方法(例如，泵等)。

如所提到的，进入阴极室的大多数电解液通过多个通道258和262，(例如，12个单独的通道)被单独引导到横流喷射歧管222和有沟道的离子阻性板歧管208。在一些实施方式中，通过这些单独的通道258和262的流通过适当的机构彼此独立地受控。在一些实施方式中，该机构涉及用于输送流体进入单独通道的单独泵。在其他实施方式中，单个泵被用于供给主阴极歧管，可调节的各种流限制元件可以设置在馈送流动路径的一个或多个通道中，设置所述流动路径以调节各通道258和262之间的和横向流喷射歧222和CIRP歧管208区域之间的和/或沿着槽的角度外围的相对流。在图中所描绘的各种实施方式中，在其中提供独立控制的通道中布置一个或多个流体调节杆270(有时也称为流控制元件)。在所描绘的实施方式中，流体调节杆270提供环形空间，其中阴极电解液在其朝向横流喷射歧管222或有沟道的离子阻性板歧管208流动时是受约束的。在完全缩回状态下，流体调节杆270对流基本上不提供阻力。在完全啮合状态下，流体调节杆270对流提供最大阻力，并且在一些实现方式中，使通过通道的所有流停止。在中间状态或位置中，杆270允许当流体流过通道的内径与流体调节杆的外径之间的受约束的环形空间时流的约束的中间水平。

在一些实施方式中，流体调节杆270的调节允许电镀槽的操作者或控制者促进流到横流喷射歧管222或到有沟道的离子阻性板歧管208。在某些实施方式中，在直接输送电解液至横流喷射歧管222的通道258中流体调节杆270的独立调节允许操作者或控制者能控制流入横流歧管226的流体流的方位角分量。这些调节的效果在下面的实验部分被进一步讨论。

图8A-8B示出了横流喷射歧管222和相应的横流入口250相对于电镀杯体254的横截面图。横流入口250的位置至少部分地由横流约束环210的位置定义。具体地，入口250可以被认为是开始，在此处横流约束环210终止。注意，在初始设计的情况下，如图8A所示，约束环210终止点(和入口250开始点)在晶片的边缘下方，而在修改的设计中，如图8B所示，终止/开始点在电镀杯体下方并相比于初始设计离晶片边缘径向向外更远。另外，在早期设计的横流喷射歧管222具有在横流环腔中的台阶(其中实质上向左箭头开始向上升起)，其潜在地在流体进入横流歧管区域226的地点附近形成一些不需要的湍流。在某些情况下，边缘流元件(未示出)可以存在于衬底的外周和/或有沟道的离子阻性板的外周的附近。在靠近入口250和/或靠近出口(在图8A和8B中未示出)可以存在边缘流元件。边缘流元件可被用来引导电解液到在衬底的电镀表面和杯体254的边缘之间形成的拐角中，从而抵消(counteracting)否则在该区域中的相对较低的横流。

本发明的装置可被配置成执行本发明所描述的方法。合适的装置包括本发明所描述和所示的硬件以及具有用于控制根据本发明所述的处理操作的指令的一个或多个控制器。该装置将包括用于控制尤其是下列操作或参数的一个或多个控制器：在杯体254和锥体中的晶片的定位、晶片相对于有沟道的离子阻性板206的定位、晶片的旋转、阴极电解液向横流歧管226内的输送、阴极电解液向CIRP歧管208内的输送、阴极电解向横流喷射歧管222内的输送、流体调整杆270的电阻/位置、电流向阳极和晶片和任何其它电极的输送、电解液组分的混合、电解液输送的定时、入口压强、电镀槽压强、电镀槽温度、晶片温度、边缘流元件的位置、以及通过处理工具所执行的特定工艺的其它参数。

系统控制器将通常包括配置成执行指令以便所述装置将执行根据本发明所述的方法的一个或多个存储器设备和一个或多个处理器。该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。包含用于控制根据本发明所述的处理操作的指令的机器可读介质可以被耦合到系统控制器。用于实施适当的控制操作的指令在处理器上执行。这些指令可以被存储在与控制器相关联的存储器设备上或它们可以通过网络来提供。在一些实施方式中，系统控制器执行系统控制软件。

系统控制软件可以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以控制执行各种处理工具流程必须的处理工具组件的操作。系统控制软件可以以任何合适的计算机可读编程语言来编码。

在一些实施方式中，系统控制软件包括用于控制上述的各种参数的输入/输出控制(IOC)测序指令。例如，电镀工艺的每个阶段可包括用于由系统控制器执行的一个或多个指令。用于设置浸渍处理阶段的工艺条件的指令可以被包括在相应的浸渍配方阶段中。在一些实施方式中，电镀配方阶段可顺序排列，以便所有的用于电镀工艺阶段的指令与该处理阶段同时执行。

在一些实施方式中可以采用其他的计算机软件和/或程序。用于此目的的程序或程序的部分的例子包括衬底定位程序、电解液组合物控制程序、压强控制程序、加热器控制程序、和电势/电流功率源控制程序。

在一些情况下，控制器控制下列功能中的一种或多种：晶片浸渍(平移、倾斜、旋转)、容器之间的流体输送等。晶片浸渍可通过例如引导晶片升降组件、晶片倾斜组件和晶片旋转组件来控制以如所期望地移动。控制器可以通过例如引导某些阀被打开或关闭以及引导某些泵打开和关闭来控制容器之间的流体输送。控制器可基于传感器的输出(例如，当电流、电流密度、电势、压强等达到一定的阈值时)，操作的定时(例如，在工艺中在特定的时间打开阀)，或基于从用户接收的指令来控制这些方面。

上述的装置/工艺可以结合光刻图案化工具或工艺使用，例如，用于制备或制造半导体器件、显示器、发光二极管、光伏电池板等。典型地，但不是必然地，此类工具/工艺将与普通的制造设施一起使用或执行。膜的光刻图案化通常包括以下步骤中的一些或全部，每个步骤可以使用许多可能的工具使来实施：(1)用旋涂或喷涂式工具施加光致抗蚀剂到工件上，即，衬底上；(2)使用热板或加热炉或UV固化工具固化光致抗蚀剂；(3)利用诸如晶片曝光机之类的工具将光致抗蚀剂暴露于可见光或紫外线或X射线光；(4)将抗蚀剂显影以便选择性地除去抗蚀剂，并使用诸如湿式工作台之类的工具使抗蚀剂图案化；(5)通过使用干式或等离子体辅助蚀刻工具转印抗蚀剂图案到下伏膜或工件中；以及(6)使用例如RF或微波等离子体抗蚀剂剥离器之类的工具除去抗蚀剂。

有沟道的离子阻性元件的特征

电气功能

在一些实施方式中，有沟道的离子阻性元件206近似于在衬底(阴极)的附近的几乎恒定和均匀的电流源，并且，因此，在一些情况下，可以被称为高电阻虚拟阳极(HRVA)。如上所述，该元件还可被称为有沟道的离子阻性板(CIRP)。通常，CIRP 206紧邻晶片放置。比较而言，同样紧邻衬底的阳极将显著不易于提供几乎恒定的电流到晶片，但将仅仅支持在阳极金属表面上的恒定电位面，从而允许在从阳极面到终点(例如，在晶片上的外周接触点)的净电阻较小之处电流是最大的。因此，尽管有沟道的离子阻性元件206已经被称为高电阻虚拟阳极(HRVA)，但这并不意味着两者在电化学上是可以互换的。在最佳操作条件下，CIRP 206将更紧密近似于虚拟均匀电流源并且或许可以更好地描述为虚拟均匀电流源，其中从整个CIRP 206的上平面供应几乎恒定的电流。虽然CIRP当然可看作为“虚拟电流源”，即它是电流从其发出的平面，并且由于它可以被认为是阳极电流从其发出的地方或源，因此它可以被认为是“虚拟阳极”，CIRP 206(相对于电解液)的相对高的离子电阻导致几乎均匀的电流跨越其整个面，并且相比于在相同的物理位置上具有金属阳极的情况导致进一步有利的总体优越的晶片均匀性。该板的对离子电流的流的电阻随着包含在板206的各沟道内的电解液的比电阻(经常但不总是具有与阴极电解液的阻性相同或几乎相似的阻性)的增大、板厚度的增大、孔隙率的减小(用于电流通路的较少部分横截面积，例如，具有相同的直径的较少的孔，或具有较小直径的相同数量的的孔，等等)而增大。

结构

在许多但不是所有的实施方式中，CIRP 206包含在空间上和离子性上彼此隔离并且不形成CIRP的主体内的互连沟道的微尺寸(通常小于0.04“英寸)的通孔。这些通孔通常称作非连通的通孔。它们典型地在一维方向上，通常但不必定，垂直于晶片的镀表面延伸(在一些实施方式中，非连通孔是相对于通常平行于CIRP前表面的晶片成角度的)。通常，通孔是相互平行的。通常，这些孔被布置成正方形阵列。其他情况下布局是偏移螺旋图案。这些通孔不同于三维多孔网络，其中由于通孔调节离子电流的流和平行于其中的表面的流体流两者，并且使电流和流体的流两者的路径朝向晶片表面变直，因此沟道在三维方向上延伸并形成互连孔结构。然而，在某些实施方式中，这样的具有互连网络孔的多孔板可以代替一维有沟道的元件(CIRP)使用。当从板的顶部表面到晶片的距离是小的(如，晶片半径的大小的约1/10的间隙，例如小于约5毫米)时，电流的流和流体的流的发散都被局部限制、传递并与CIRP通道对齐。

一个示例性CIRP 206是由离子阻性和电阻性的固体的非多孔电介质材料制成的盘。该材料在使用的电镀溶液中是化学性质稳定的。在某些情况下，CIRP 206由陶瓷材料(例如，氧化铝、氧化锡、氧化钛、或金属氧化物混合物)或塑料材料(例如，聚乙烯、聚丙烯、聚偏二氟乙烯(PVDF)，聚四氟乙烯、聚砜、聚氯乙烯(PVC)，聚碳酸酯，等)制成，具有介于约6000个至12000个之间的不相通的通孔。在许多实施方式中，盘206与晶片基本上共同延伸(例如，当使用300毫米晶片时，CIRP盘206的直径为约300毫米)，并紧邻晶片放置，例如在晶片面朝下的电镀装置中的晶片正下方。优选地，晶片的电镀表面距离最接近的CIRP表面在约10毫米内，更优选在约5毫米内。为此，有沟道的离子阻性板206的顶表面可以是平坦的或基本上平坦的。通常情况下，有沟道的离子阻性板206的顶表面和底表面两者都是平坦的或基本平坦的。

CIRP 206的另一个特征是通孔的直径或主要尺寸以及它与CIRP 206和衬底之间的距离的关系。在一些实施方式中，每个通孔的直径(或大多数的通孔的直径，或通孔的平均直径)不大于从经电镀的晶片表面到CIRP206的最近表面的距离。因此，在这些实施方式中，当CIRP 206放置在离经电镀的晶片表面约5毫米内时，通孔的直径或主要尺寸应该不超过约5毫米。

如上所述，板206的总离子电阻和流阻取决于板的厚度以及总体孔隙率(可用于流通过板的面积的比值)和孔的尺寸/直径两者。低孔隙率的板将具有更高的冲击流速和离子电阻。比较相同孔隙率的板，具有较小直径的1维孔(并因此有较大数量的一维孔)的板将有在晶片上的更微观均匀分布的电流，这是因为有更多单独的电流源，其更多表现为能在相同间隙分布的点源，并具有较高的总压降(高粘性流阻)。

然而，如上所述，在某些情况下，离子阻性板206是多孔的。在板206中的孔可以不形成独立的一维沟道，而是可以形成可以互连或可以不互连的通孔网格。应该理解的是，如本发明中使用的术语，有沟道的离子阻性板和有沟道的离子阻性元件(CIRP)旨在包括本实施方式，除非另有说明。

在一些实施方式中，CIRP 206可以被修改以包括(或容纳)边缘流元件。边缘流元件可以是CIRP 206的组成部分(例如，CIRP和边缘流元件一起形成整体结构)，或者它可以是安装在CIRP 206上或接近CIRP 206的可更换的部件。边缘流元件促进更高程度的横流，并且因此促进靠近衬底的边缘(例如，在衬底和衬底夹持器之间的接口附近)在衬底表面上的剪切力。在没有边缘流元件的情况下，例如由于衬底和衬底夹持器的几何形状和电解液的流动方向，可以在衬底和衬底夹持器的界面附近产生相对低的横流的区域。边缘流元件可起到增强在这个区域中的横流的作用，从而促进整个衬底上的更均匀的电镀结果。涉及边缘流元件的进一步细节如下所述。

通过通孔的垂直流

在其中终端效应是可操作/相关(如当在晶片种子层中电流的阻力相对于在槽中的电解液的阻力更大时)的某些应用中，在晶片附近离子阻性但离子可渗透的元件(CIRP)206的存在大幅度减小终端效应并提高径向电镀的均匀性。CIRP 206通过作用为流扩散歧管板还同时提供将电解液的基本上空间均匀的冲击流引导向上到晶片表面的能力。重要的是，如果相同的元件206被放置成离晶片较远，那么离子电流和流的均匀性的改善变得显著较不明显或根本没改进。

此外，由于不连通的通孔不允许在CIRP内离子电流或流体运动的横向运动，因此在CIRP 206内中心到边缘的电流和流运动被阻断，从而导致径向电镀均匀性的进一步改善。在图9中所示的实施方式中，CIRP 206是具有在板的表面上(例如在电镀300毫米的晶片的情况下直径为约300毫米的基本上圆形的区域上)的用作微通道的约9000个均匀间隔并布置成正方形阵列(即，孔以列和行排列)的一维孔的多孔板，有效平均孔隙率为约4.5％，单独的微孔尺寸的直径为约0.67毫米(0.026英寸)。图9还示出了流量分配调节杆270，其可以被用于优先引导流或者通过CIRP歧管208并向上穿过CIRP 206中的孔，或者通过横流喷射歧管222以及横流喷头242，以进入横流歧管226。横流约束环210装配在由膜框架274支撑的CIRP的顶部上。

应当注意，在一些实施方式中，CIRP板206可以主要或专门用作槽内的电解液流阻性、流控制元件，从而是流成形元件，有时称为涡轮板。该设计可以使用而不管板206是否通过例如平衡终端效果和/或调节与槽内的流结合的电镀添加剂的电场或运动阻力来修改径向沉积的均匀性。因此，例如，在TSV和WLP电镀中，其中所述种晶金属厚度通常是大的(如>1000埃厚)并且金属以非常高的速率被沉积，电解液流的均匀分布是非常重要的，而从晶片种晶内的欧姆的电压降而产生的径向不均匀性控制可能不太需要补偿(至少部分因为在使用较厚种晶层的情况下中心到边缘的不均匀性较不严重)。因此，CIRP板206可被称为离子阻性离子可渗透元件，并作为流成形元件，并且可以通过改变离子电流的流量，改变材料的对流，或两者来发挥沉积速率校正功能。

晶片和有沟道的板之间的距离

在一些实施方式中，晶片夹持器254和相关的定位机构保持旋转的晶片非常靠近有沟道的离子阻性元件206的平行上表面。在电镀时，衬底通常定位成使得它平行于或大致平行于离子阻性元件(例如，约10°的范围内)。虽然衬底可以在其上具有某些特征，但是在判定衬底和离子阻性板是否是基本上平行的时候仅考虑衬底的通常平坦的形状。

在典型的情况下，分隔距离是约0.5-10毫米，或约2-8毫米。在一些情况下，分隔距离是约2毫米或更小，例如约1毫米或更小。这种板到晶片的小的距离可以产生在晶片上的与图案的单个的孔的接近“成像”相关联的电镀图案，尤其是在晶片旋转中心的附近。在这种情况下，电镀环的图案(厚度或电镀纹理)可在晶片中心附近产生。为了避免这种现象，在一些实施方式中，CIRP 206(特别是在晶片中心与晶片中心附近)中的单个的孔可以构造为具有特别小的尺寸，例如小于板到晶片间隙的约1/5。当与晶片旋转耦合时，小孔径允许向上流动作为来自板206的射流的冲击流体的流速的时间平均并减少或避免小范围的不均匀性(例如，量级为μm的那些)。尽管有上述的预防措施，并取决于所使用的镀浴的性质(例如，沉积的特定金属、电导率和使用的浴添加剂)，但在某些情况下，由于不同厚度(例如，在围绕晶片中心“牛眼”形状)的时间平均曝光和接近成像的图案以及对应于所使用的单个孔图案，沉积可能易于在微观不均匀的图案(例如，成形中心环)中进行。如果有限孔图案产生不均匀的冲击流图案，可能发生这种情况并影响沉积。在这种情况下，已发现引入横向流跨越晶片中心，和/或修改正好在中心和/或靠近中心的孔的规则图案，这两者均在很大程度上消除否则在那里发现的微观不均匀性的迹象。有沟道的板的孔隙

在多种实施方式中，有沟道的离子阻性板206具有足够小的孔隙率和孔尺寸以在正常操作的体积流率下提供粘性流阻背压和高的垂直冲击流率。在一些情况下，有沟道的离子阻性板206的约1-10％是允许流体到达晶片表面的开口区。在特定的实施方式中，板206的约2-5％是开口区。在特定的实施例中，板206的开口区域为约3.2％，有效总开口截面积为约23平方厘米。

有沟道的板的孔尺寸

有沟道的离子阻性板206的孔隙率可以以许多不同的方式实施。在多种实施方式中，它是用小直径的许多垂直孔来实现的。在某些情况下，板206不包含单个“钻”的孔，而是由连续多孔材料的烧结板制成。该烧结板的实施例在美国专利No.6964792[代理人案卷NOVLP023]中描述，该专利其全部内容通过引用并入本发明。在一些实施方式中，钻的非连通孔具有约0.01至0.05英寸的直径。在一些情况下，孔的直径为约0.02至0.03英寸。如上所述，在多种实施方式中，孔的直径是有沟道的离子阻性板206与晶片之间的间隙距离的最多约0.2倍。孔的横截面通常但不必须是圆形的。另外，为了使结构简单，在板206中的所有孔可具有相同的直径。然而，也不必须是这种情况，并且由于特定需要可能要求整个板表面上孔的单独尺寸和局部密度两者可以变化。

作为例子，由合适的陶瓷或塑料材料(通常为介电绝缘和机械坚固的材料)制成的固体板206具有设置在其中的大量的小孔，例如，至少约1000个或至少约3000个或至少约5000个或至少约6000个(直径为0.026英寸的9465个孔已经发现是有用的)。如所提到的，一些设计具有约9000个孔。板206的孔隙率通常小于约5％以便产生高冲击速度需要的总流率并不太大。使用较小的孔相比于较大的孔有助于产生大的跨越板的压降，从而有助于产生更均匀的通过板的向上的速度。

一般地，在整个有沟道的离子阻性板206的孔的分布具有均匀的密度和非随机性。然而，在一些情况下，孔的密度可不同，尤其是在径向方向上。在一个具体实施方式中，如下面更充分描述的，在该板的引导流朝向旋转衬底中心的区域存在较大的密度和/或孔的直径。此外，在一些实施方式中，在旋转晶片的中心或在旋转晶片的中心附近引导电解液的孔可相对于该晶片表面以非直角引导流。此外，在该区域中的孔图案可以具有不均匀的电镀“环”的随机或部分随机分布，以解决数量有限的孔和旋转晶片之间可能的相互作用。在一些实施方式中，在分流器或约束环210的开口部分邻近处的孔密度低于有沟道的离子阻性板206的离所连接的分流器或约束环210的开口部分较远处的区域的孔密度。

边缘流元件

在许多实现方式中，电镀结果可以通过使用边缘流元件和/或流插入件来改善。一般来说，边缘流元件影响衬底的外周附近、衬底和衬底夹持器之间的界面邻近处的流分布。在一些实施方式中，边缘流元件可以与CIRP集成。在一些实施方式中，边缘流元件可以与衬底夹持器集成。在其它实施方式中，边缘流元件可以是能安装在CIRP或衬底夹持器上的单独的部件。边缘流元件可被用于如针对特定应用所期望的调节衬底的边缘附近的流分布。有利地，流元件促进在衬底的外周附近的高度的横流，从而促进更均匀的(从衬底的中心到边缘)、高质量的电镀结果。边缘流元件通常沿径向至少部分地位于衬底夹持器的内边缘/衬底的外周的内部。在一些情况下，边缘流元件可以至少部分地位于在其它位置，例如在衬底夹持器下方和/或衬底夹持器的沿径向外部，如下面进一步描述的。在本发明的一些附图中，边缘流元件称为“流元件”。

边缘流元件可以由各种材料制成。在一些情况下，边缘流元件可以由与CIRP和/或衬底夹持器相同的材料制成。一般来说，合乎期望的边缘流元件的材料是电绝缘的。

改善衬底的外周附近的横流的另一种方法是使用快速的衬底旋转。然而，快速的衬底旋转呈现其自身一组缺点，并且在各种实施方式可被避免。例如，如果衬底被旋转得太快，则它可以防止形成足够的跨越衬底表面的横流。因此，在一些实施方式中，衬底可以以介于约50-300RPM之间的速率旋转，例如以介于约100-200RPM之间的速率旋转。同样地，在衬底的外周附近的横流可以通过使用CIRP和衬底之间的相对较小的间隙来促进。然而，较小的CIRP-衬底间隙导致较敏感的并对工艺变量有较严格的公差范围的电镀工艺。

图13A呈现了显示针对在没有边缘流元件的情况下电镀的图案化衬底的凸起高度与在衬底上径向位置的关系的实验结果。图13B呈现出显示针对相对于图13A所描述的图案化衬底的裸芯片内不均匀性与衬底上径向位置的关系的实验结果。值得注意的是，凸起高度朝向衬底的边缘减小。不希望受到理论或作用机制的束缚，相信该减小的凸起高度是衬底的外周附近的相对较低的电解液流的结果。在衬底-衬底夹持器界面附近的差的对流条件导致较低的局部金属浓度，从而导致减小的镀覆速率。此外，光致抗蚀剂在衬底的边缘附近通常较厚，该增大的光致抗蚀剂厚度导致更深的特征，针对较深的特征比较难以实现充分的对流，从而导致在衬底的边缘较小的电镀速率。如图13B所示，在衬底的边缘附近的减小的电镀速率/减小的凸起高度对应于裸芯片内-不均匀性的增大。裸芯片内-不均匀性计算为((裸芯片中最大凸起高度)-(裸芯片中最小凸起高度))/(2*裸芯片中平均凸起高度)。

图14A描绘了在装置的出口侧在衬底1400的外周附近的电镀装置的结构。如箭头所示，电解液通过在CIRP1404上方和衬底1400下方流动并在衬底夹持器1406下方流出而离开横流歧管1402。在这个例子中，CIRP 1404具有位于衬底1400下方的基本上平坦的部分。在衬底1400和衬底夹持器1406之间的界面附近的区域的边缘，CIRP 1404成角度向下，然后再次变平。图14B描绘了示出有关在图14A中所示的区域中的衬底1400和CIRP 1404之间的流分布的模拟结果的图。

模拟结果表明在离衬底的表面0.25毫米的位置的预测的剪切速度。值得注意的是，在衬底的边缘附近剪切流大幅减小。

图15描绘了有关凸起高度与衬底上的径向位置的关系的实验结果以及显示剪切流与衬底上的径向位置(在电解液出口侧)的模拟结果。在这个例子中，在镀覆期间衬底不旋转。实验的凸块高度结果遵循与预测的剪切速度相同的趋势，这表明较低的剪切速度可能在低边缘凸起高度方面起作用。

图16A描绘了显示裸芯片内不均匀性与衬底上的径向位置的关系的实验结果。图16B描述了显示光致抗蚀剂的厚度与衬底上的径向位置的关系的实验结果。图16A和16B一起表明在光致抗蚀剂厚度和裸芯片内不均匀性之间有很强的相关性，在衬底的边缘附近发现较大的抗蚀剂的厚度和不均匀性。

图17A示出了具有边缘流元件1710安装在其中的电镀槽的横截面图。边缘流元件1710位于衬底1700的边缘下方，靠近衬底1700和衬底夹持器1706之间的界面。在本实施方式中，CIRP 1704成形为包括与衬底1700几乎共同延伸的凸起平台区域。在一些实施方式中，边缘流元件1710全部或部分沿径向定位在CIRP 1704的凸起部的外部。边缘流元件1710也全部或部分被定位在CIRP1704的凸起部上。如箭头所示，电解液流经横流歧管1702。分流器1708有助于使电解液所经过的路径成形。分流器1708在入口侧(横流起源于该处)与出口侧有不同的形状，以促进跨越衬底的表面的横流。

如在图17A中所示，电解液进入在电镀槽的入口侧的横流歧管1702。电解液围绕边缘流元件1710流动，通过横流歧管1702，第二次围绕边缘流元件1710，并通过出口流出。如上所述，电解液还通过向上行进通过CIRP1704中的通孔进入横流歧管1702。边缘流元件1710的一个目的是增大在衬底1700和衬底夹持器1706之间的界面的对流。该界面在图17B中更详细地示出。在不使用边缘流元件1710的情况下，以虚线圆示出的区域中的对流是不合期望的低。边缘流元件1710影响衬底1700的边缘的附近的电解液的流动路径，从而促进在以虚线圆示出的区域中的较大的对流。这有助于克服在衬底边缘附近的低对流和低电镀速率。因此，这可能有助于对抗由于不同的光致抗蚀剂/特征的高度而产生的差异，如相对于图16A和16B所说明的。

在一些实施方式中，边缘流元件1710被成形为使得在横流歧管1702中的横流将被引导更优选地到由衬底1700和衬底夹持器1706形成的拐角内。可以使用各种形状来实现这一目的。

图18A-18C描绘了在电镀槽中安装边缘流元件1810的三种可用的配置。也可以使用各种其它配置。不管确切的配置如何，在许多情况下边缘流元件1810可以成形为类似于环形或弧形，但图18A-18C仅示出了边缘流元件1810的一侧的横截面图。在第一配置(类型1，图18A)中，边缘流元件1810连接到CIRP 1804。在本实施例中的边缘流元件1810不包括用于电解液在边缘流元件1810和CIRP 1804之间流动的任何流旁路。因此，所有的电解液流经边缘流元件1810。在第二配置(类型2，图18B)，边缘流元件1810连接到CIRP1804并包括在边缘流元件和CIRP之间的流旁路。流旁路通过边缘流元件1810中的通道形成。这些通道允许一定量的电解液流动通过边缘流元件1810(在边缘流元件1810的上拐角和CIRP 1804之间)。在第三配置(类型3，图18C)，边缘流元件1810连接到衬底夹持器1806。在本实施例中，电解液可以在边缘流元件1810和CIRP 1804之间流动。另外，边缘流元件1810中的通道允许电解液的流通过边缘流元件1810，非常靠近衬底1800和衬底夹持器1806之间的界面。图18D呈现了概括在图18A-18C中所示的边缘流元件的一些特性的表格。

图19A-19E呈现了用于实现在边缘流元件1910中的可调节性的不同方法的实施例。在一些实施方式中，边缘流元件1910可以被安装在固定的位置，例如，在CIRP 1904上，并有固定的几何形状，如图19A所示。然而，在许多其他情况下，安装/使用边缘流元件的方式会存在额外的灵活性。例如，在一些情况下，在电镀工艺中间可(手动或自动)调节边缘流元件的位置/形状(例如，以相对于其他电镀工艺调整特定电镀工艺，如所期望的)，或在电镀工艺内可(手动或自动)调节边缘流元件的位置/形状(例如，以调整单个电镀工艺内随时间推移的电镀参数)。

在一个实施例中，垫片可被用于调节边缘流元件的位置(并且在一定程度上调整形状)。例如，可设置一系列垫片，其具有针对不同的应用的各种不同高度的垫片和期望的流模式/特性。垫片可以在CIRP和边缘流元件之间安装以抬高边缘流元件的高度，从而减小边缘流元件和衬底/衬底夹持器之间的距离。在某些情况下，垫片可以以方位角不对称的方式使用，从而在不同的方位角位置实现不同的边缘流元件的高度。相同的结果可使用螺钉(如图19B和19C中的元件1912所示)或其它机械特征以定位流成形元件来实现。图19B和19C示出了其中螺钉1912可以被用来控制边缘流元件1910的位置的两种实施方式。如同垫片一样，螺钉1912(沿着边缘流元件1910位于不同位置)可以以导致边缘流元件1910的方位角不对称定位的方式(例如，通过定位螺钉1912在不同的高度)定位。在图19B和19C中的每一个中，边缘流元件1910被示出在两个不同的位置。在19B中，边缘流元件通过围绕枢轴点旋转在两个(或更多个)位置之间变化。在图19C中，通过以线性的方式移动边缘流元件，边缘流元件在两个(或更多个)位置之间变化。可提供额外的螺钉或其他定位机构用于额外的支持。

在一些实现方式中，在电镀工艺期间边缘流元件1910的位置和/或形状可被动态地调节，例如，使用电动或气动致动器调节。图19D和19E呈现了其中即使在电镀工艺期间通过使用旋转致动器1913(图19D)或线性致动器1915(图19E)使边缘流元件1910可以动态地移动的实施方式。该调节允许随着时间的推移对电解液流进行精确控制，从而允许高程度可调性并促进高质量的电镀结果。

返回到图18D，由于边缘流元件1810连接到CIRP 1804(在电镀过程中它通常不旋转)，在图18A和18B中所示的第一和第二配置分别允许在边缘流元件1810是方位角不对称的。不对称性可涉及边缘流元件1810的位于电镀槽的入口侧附近的部分与边缘流元件的位于其他位置(例如电镀槽的出口侧附近)的部分之间的形状差异。该方位角不对称性可用于对抗由于在电镀过程中电解液横流跨越衬底表面的方式而产生的不均匀性。该不对称性可涉及在边缘流元件1810的形状中的多个特征的差异，例如高度、宽度、边缘的圆度/锐利度、流旁路通路的存在、垂直位置、水平/径向位置等。在图18C中所示的第三配置，其被安装在衬底夹持器1806上，也可以是方位角不对称的。然而，由于在许多实施方式中，在电镀期间衬底1800和衬底夹持器1806旋转，因此边缘流元件1810中的任何不对称性将可能达到平衡(average-out)，这是由于在电镀期间边缘流元件1810与衬底1800一起旋转(至少在其中边缘流元件被连接到衬底夹持器1806的情况中，如在图18C的实施方式中)。因此，当边缘流元件被连接到衬底夹持器并与衬底夹持器一起旋转时，具有方位角不对称的边缘流元件通常不是有益的。出于这个原因，图18D列出“无*”涉及第三配置的方位角不对称性。描述的所有的配置被认为是在本发明的实施方式的范围之内。

图20A-20C示出了其中边缘流元件2010可以是方位角不对称的多种方式。图20A-20C描绘了位于电镀槽中(例如在CIRP 2004上)的边缘流元件2010的俯视图。也可以使用其它连接方法，如以上所讨论的。在每个实施例中，示出了边缘流元件2010的横截面形状。在图20A中，边缘流元件2010是方位角对称的并围绕衬底的整个外周延伸。这里，边缘流元件2010具有三角形的横截面，具有朝向边缘流元件2010的内边缘定位的最高部。在图20B中，边缘流元件是方位角不对称的并围绕边缘流元件2010的整个外周延伸。这里，因为边缘流元件在电解液入口附近具有第一横截面形状(例如，三角形)，而在电解液出口(相对于入口定位)附近具有第二横截面形状(例如，圆形柱形)，所以导致方位角不对称。

在类似的实施方式中，可以使用横截面形状的任意组合。一般而言，横截面形状可以是任何形状，包括但不限于，三角形、正方形、长方形、圆形、椭圆形、圆角的、弯曲的、尖的、梯形的、波状、沙漏形等。可以或可以不通过边缘流元件2010本身来提供流通道。在另一个类似的实施方式中，横截面形状可以是相似的，但具有围绕外周的不同的尺寸，因而引入方位角不对称性。同样地，横截面形状可以是相同的或相似的，但定位在相对于衬底/衬底夹持器和/或CIRP 2004的不同的垂直和/或水平的位置。向不同的横截面形状的过渡可以是突然的或循序渐进的。在图20C中，边缘流元件2010只存在于某些方位角位置。这里，边缘流元件2010只存在于电镀槽的下游(出口)侧。在一个类似的实施方式中，边缘流元件可以只存在于电镀槽的上游(入口)侧。方位角不对称的边缘流元件可以特别有利于调谐电镀结果以克服由于横向流动的电解液而造成的任何的不对称性。这有助于促进均匀、高质量的电镀结果。显而易见，方位角不对称性可能源于边缘流元件的形状、尺寸(例如，高度和/或宽度)、相对于衬底边缘的位置，旁路区域存在或配置等的方位角变化。

对于图20C，在某些实施方式中，圆弧形的边缘流元件2010可靠近衬底的外周延伸至少约60°、至少约90°、至少约120°、至少约150°、至少约180°、至少约210°、至少约240°、至少约270°、或至少约300°。在这些或其它实施方式中，弧形边缘流元件可延伸不大于约90°、不大于约120°、不大于约150°、不大于约180度、不大于约210°、不大于约240°、不大于约270°、不大于约300°、或不大于约330°。弧形的中心可以定位在邻近入口区，出口区(与入口区相对)，或偏离入口/出口区的一些其他位置。在其中使用方位角不对称的某些其他实施方式中，在本段描述的弧形可以对应于显示这样的不对称性的区域的大小。例如，由于在沿着边缘流元件的不同位置安装不同的垫片高度，因而环形边缘流元件可以具有方位角不对称性，例如如参照图22说明的(下面进一步描述)。在一些这样的实施方式中，具有相对较厚或较薄的垫片的区域(从而在安装后分别导致相对较高或较矮的边缘流元件)可以跨越具有上述任何最小和/或最大尺寸的弧形。在一个例子中，具有相对较大垫片的区域跨越至少约60°，并且不超过约150°。可以使用列出的弧的尺寸的任何组合，并且存在的方位角不对称性可以是本发明所描述的任何类型的不对称性。

图21描绘了具有边缘流元件2110安装在其中的电镀槽的横截面图。在这个例子中，边缘流元件2110沿径向被定位在CIRP 2104的凸起的平台部的外部。边缘流元件2110的形状允许入口附近的电解液以一定角度向上行进到达横流歧管2102，并且类似地，允许出口附近的电解液以一定角度向下行进流出横流歧管2102。如图19A-19E所示，边缘流元件的最上部可在CIRP的凸起部的平面之上延伸。在其他情况下，边缘流元件的最上部可以与CIRP2104的凸部平齐。在一些情况下，边缘流元件的位置是可调节的，如在本文别处所述。边缘流元件2110的形状和位置可促进在衬底2100和衬底夹持器2100之间的拐角附近的较大程度的横流。

图22A示出了CIRP 2204和边缘流元件2210的横截面图。在该例子中，边缘流元件2210是装配入CIRP 2204中的槽2216的可移动的部件。图22B提供了在图22A中所示的边缘流元件2210和CIRP 2204的额外的示意图。在本实施方式中，使用高达12个螺钉将边缘流元件2210放置在CIRP 2204的适当位置，该12个螺钉提供了用于调节边缘流元件2210的高度/位置的12个单独的位置。在相似的实施方式中，可使用任意数量的螺钉/调节件/连接点。CIRP 2204可以包括第二槽2217，其可提供用于电解液流出横流歧管的出口，从而促进横向流动的电解液。使用一系列螺钉(在图22A和22B未示出)将边缘流元件2210固定到CIRP2204中的槽2216。

图22C提供了当电解液流出横流歧管时横流的x方向上的速率的模拟结果。也如图22C所示，可以使用一系列垫片2218(在这个例子中，围绕螺钉2212装配的垫片垫圈，螺钉2212将边缘流元件2210固定到CIRP 2204中的槽2216)来调节在围绕边缘流元件2210的各个位置上边缘流元件2210的高度。垫片的高度被标记为H。这些高度可以被独立地调节，以获得在边缘流元件2210的顶部和衬底之间的方位角不对称的距离(未示出)。在这个例子中，边缘流元件2210被定位成使得边缘流元件2210的内边缘延伸到在CIRP2204的凸起部上方的高度/位置，如图中黑色圆圈所示。

在一些实施方式中，边缘流元件的最上部与CIRP的最上部之间的垂直距离可以是介于约0-5毫米之间，例如介于约0-1毫米之间。在这些或其他情况下，在边缘流元件上的一个或多个位置，该距离可以是至少约0.1毫米，或至少约0.25毫米。边缘流元件的最上部和衬底之间的垂直距离可以是介于约0.5-5毫米之间，在某些情况下，介于约1-2毫米之间。在多种实施方式中，边缘流元件的最上部和CIRP的最上部之间的距离为CIRP的凸起部和衬底表面之间的距离的约10-90％之间，在某些情况下约25-50％之间。在本段中引用的“CIRP的最上部”不包括边缘流元件本身(例如，在其中边缘流元件与CIRP集成的情况下)。典型地，CIRP的最上部是CIRP的上表面，CIRP的上表面在横流歧管中定位成与衬底相对。在各种实施方式中，如图21所示，CIRP包括凸起的平台部分。在这样的实施方式中，“CIRP的最上部”是CIRP的凸起的平台部分。在其中CIRP包括一系列在其上的凸起的实施方式中，凸起的顶部对应于“CIRP的最上部”。当判定什么是CIRP的最上部时，只考虑CIRP的位于衬底正下方的区域。

返回到图22C的实施方式，在不使用垫片2218(或使用适当地薄的垫片2218)的情况下，边缘流元件2210的顶部可以大致与CIRP 2204的凸起部共面。在一种具体实施方式中，边缘流元件2210是如图22C所示的，并且垫片2218以方位角不对称的方式设置，使得在电镀槽的入口侧附近，边缘流元件2210的顶部与CIRP 2204的凸起部大致共面，边缘流元件2210的顶部在CIRP 2204的凸起部下方(例如在入口附近不设置垫片，在入口附近设置较少垫片和/或较薄的垫片)，并且在电镀槽的出口侧附近，边缘流元件2210的顶部在CIRP 2204的凸起部上方但沿径向在CIRP 2204的凸起部的外部(例如在出口附近相比于入口设置较多垫片和/或较厚的垫片)。

值得注意的是，在衬底2200和衬底保持夹持器2206之间形成的拐角中的流率有点低，但相比于其中不设置边缘流元件2210的情况有改善。

图22D描绘了示出使用图22C所示的设置针对几种不同的垫片厚度在衬底附近与在衬底上的径向位置的横流(即，在水平方向上的流)的x方向速率的模拟结果。垫片的高度对衬底的边缘附近的横流的速率有强烈影响。一般来说，垫片越厚，衬底的边缘附近的横流的速率越大。这种在衬底的外周附近的横流增大可补偿在衬底边缘附近典型地获得的低电镀速率(例如，如上所述，作为装置的几何形状和/或光致抗蚀剂厚度的结果)。这些差异允许边缘流轮廓能通过简单地改变在相关位置上的垫片的高度来调节/调整。

在某些实施方式中，边缘流元件具有介于约0.1-50毫米之间的宽度(作为外径和内径之间的差测量)。在某些这样的情况下，该宽度为至少约0.01毫米或至少约0.25毫米。通常情况下，该宽度的至少一部分沿径向定位在衬底夹持器的内边缘的内部。边缘流元件的高度在很大程度上取决于电镀装置的其余部分的几何形状，例如横流歧管的高度。另外，边缘流元件的高度取决于该元件是如何安装在电镀装置，以及在设备的其他部件中获得的容纳空间(例如，加工成CIRP的槽)内。在某些实现方式中，边缘流元件可以具有介于约0.1-5毫米之间，或约1-2毫米之间的高度。在垫片被使用的情况下，它们可以设置为各种厚度。这些厚度也取决于电镀装置的几何形状和在CIRP或装置的用于固定边缘流元件在其中的其他部件中获得的容纳空间。例如，如果边缘流元件装配到CIRP中的槽中，如图22A和22B所示，如果在CIRP中的槽是相对较深的，那么可能需要相对较厚的垫片。在一些实施方式中，垫片可具有介于约0.25-4毫米之间或介于约0.5-1.5毫米之间的厚度。

在位置方面，边缘流元件通常定位成使得边缘流元件的至少一部分是衬底支撑件的内边缘的沿径向的内部。在许多情况下，这意味着边缘流元件定位成使得边缘流元件的至少一部分是衬底本身的边缘的沿径向的内部。在某些实施方式中，边缘流元件从衬底支撑件的内边缘向内延伸的水平距离可为至少约1毫米，或至少约5毫米，或至少约10毫米或至少约20毫米。在一些实施方式中，该距离为约30毫米或更小，例如约20毫米或更小，约10毫米或更小，或约2毫米或更小。在这些或其他实施方式中，边缘流元件从衬底支撑件的内边缘径向向外延伸的水平距离可以是至少约1毫米，或至少约10毫米。一般地，边缘流元件从衬底支撑件的内边缘径向向外延伸的距离没有上限，只要边缘流元件可以装配在电镀装置内即可。

图23A描绘了其中使用具有斜坡形的边缘流元件的电解液流的模拟结果。在图23A中，颜色渐变区涉及电解液流动通过的区域。不同的色彩表示电解液流动的速率。颜色渐变区上面的白色空间对应于衬底和衬底夹持器(例如图22C中标记的)。颜色渐变区下面的白色空间对应于CIRP和边缘流元件。对于这个例子，边缘流元件可以是任何形状，边缘流元件与CIRP一起产生具有图23A中所示的形状的流路。在一些情况下，边缘流元件可以简单地是CIRP的边缘。在图23A中，CIRP/边缘流元件一起导致在衬底和衬底夹持器之间的界面附近的斜坡形状。如图中所示，斜坡具有斜坡高度，其在CIRP的凸起部上方延伸。斜坡具有沿径向位于衬底的边缘和衬底夹持器之间的界面的内部的最大高度。在一些实施方式中，斜坡高度可介于约0.25-5毫米之间，例如介于约0.5-1.5毫米之间。斜坡的最大高度和衬底夹持器(在图23A中标示为“斜坡从杯体内凹”)的内边缘之间的水平距离可以是介于约1-10毫米之间，例如介于约2-5毫米之间，衬底夹持器的内边缘和斜坡的开始之间的水平距离(标示在图23A的“内坡道宽度”)可以是大约1-30毫米之间，例如约5-10毫米之间。水平斜坡的开始和斜坡的端部之间的距离(在图23A标记为“总计斜坡宽度”)可以是介于约5-50毫米之间，例如约10-20毫米之间。斜坡在斜坡的内边缘倾斜的平均角度可以是介于约10-80度之间。斜坡在斜坡的外边缘上倾斜的平均角度可以是介于约10-80度之间，例如介于约40-50度之间。斜坡的顶部可以是锐角，也可以是平滑的，如图所示。

图23B描绘了示出针对不同的斜坡高度的流率与衬底的径向位置的关系的模拟结果。较高的坡道高度导致较高的速率的流。较高的坡道高度与较显著的压降相关。

图24A描述了涉及另一种类型的边缘流元件的模拟结果。在这个例子中，边缘流元件(其如同在图23A中的边缘流元件一样可以是连接到CIRP的单独的部件，或者可以与CIRP集成)，并且其包括允许电解液流过边缘流元件中的通道的流旁路。流旁路通路的长度被标记为“长度”，并且流旁路通路的高度标为“旁路高度”。“斜坡高度”指的是流旁路通路的顶部和坡道的顶部之间的垂直距离。在某些实施方式中，流旁路通路可以具有至少约1毫米，或至少约5毫米的最小长度，和/或约2毫米，或约20毫米的最大长度。流旁路通路的高度可以是至少约0.1毫米，或至少约4毫米。在这些或其他情况下，流旁路通路的高度可为约1毫米或更小，或约8毫米或更小。在一些实施方式中，流旁路通路的高度可以是在CIRP(例如，CIRP的凸起部，如果存在的话)与衬底之间的距离(该距离也是横流歧管的高度)的约10-50％之间。同样地，斜坡的高度可以是在CIRP和衬底之间的距离的约10-90％之间。这可对应于至少约0.2毫米，或者在某些情况下，至少约4.5毫米的斜坡高度。在这些或其他情况下，斜坡的高度可以是约6毫米或更小，例如约1毫米或更小。

图24B描绘了使用图24A中标记的参数的不同的值运行的模拟结果。值得注意的是，结果显示这些几何形状参数可被改变以调节衬底的边缘的流，从而实现针对任何给定的应用的合乎期望的流模式。在曲线图所示的不同的情况之间进行区分是没有必要的。相反，对于显示不同的流模式可以通过改变边缘流元件的几何形状来实现，结果是相关的。

图25呈现与位于衬底2500和衬底夹持器2506之间形成的拐角中的边缘流元件2510相关的流模拟结果。在本实施例中，边缘流元件2510包括流旁路通路以允许电解液流动，如图所示。值得注意的是，电解液可以在CIRP 2504和边缘流元件2510之间流动，并且也在边缘流元件2510和衬底2500/衬底夹持器2506之间流动。在一个实施例中，边缘流元件可以直接连接到衬底夹持器，如相对于图18C所述。在另一实施例中，边缘流元件可以直接连接到CIRP，如相对于图18B所述。

图26A-26D描绘了根据多种实施方式所述的边缘流插入件的若干实施例。在每种情况下仅示出边缘流元件的一部分。通过将这些边缘流元件连接到CIRP，它们可安装在电镀槽中，例如相对于图22A所述。在图26A-26D中所示的边缘流元件被制造成具有不同的高度，不同的流旁路通路的高度，不同的角度，不同程度的方位角对称性/不对称性，等等。在图26A和26B中的边缘流元件容易可见的一种类型的不对称性是在某些方位角位置，不存在流旁路通路，并且电解液必须自始至终在这些位置上的边缘流元件的最上部上方行进，以流出电镀槽。在边缘流元件的最上部上的其它位置，存在流旁路通路，允许电解液能在边缘流元件的最上部上方和下方流动。在某些实施方式中，边缘流元件包括具有流旁路通路的(多个)部分和没有流旁路通路的(多个)部分，不同的部分被定位在不同的方位角位置，如图26A和26B所示。边缘流元件可以被安装在电镀装置中使得具有流旁路通路的(多个)部分与电镀槽的入口/出口区中的一者或两者对准。在一些实施方式中，边缘流元件可以被安装在电镀装置中使得缺乏流旁路通路的(多个)部分与电镀槽的入口/出口区中的一者或两者对准。

使边缘流元件可以是方位角不对称的另一种方法是通过在边缘流元件上的不同位置设置不同尺寸的流旁路通路。例如，入口和/或出口附近的流旁路通路比离入口和/或出口较远处的流旁路通路可以较宽或较窄，或较高或较矮。同样，入口附近的流旁路通路比出口附近的流旁路通路可以较宽或较窄，或较高或较矮。在这些或其他情况下，相邻流旁路通路之间的空间可以是不均匀的。在一些实施方式中，流旁路通路在入口和/或出口区域附近相比于在离入口和/或出口较远的区域可更靠近在一起(或更远离)。同样地，流旁路通路在入口区附近相比于在出口区更靠近在一起(或更远离)。因此流旁路通路的形状也可以是方位角不对称的，例如，以促进横流。实现此目的的一种方式可以使用在一定程度上与横流的方向对准的流旁路通路。在一些实施方式中，边缘流元件的高度是方位角不对称的。在一些实施方式中，相对较高的部分可以与电镀装置的入口和/或出口侧对齐。同样的结果可以使用利用不同高度的垫片安装到CIRP上的具有方位角对称高度的边缘流元件来实现。

虽然理解电解液可在许多位置流出电镀槽，但电镀槽的“出口区”被理解为与入口相对的区(横向流动的电解液发起的地方，不考虑进入CIRP中的横流歧管通孔的电解液)。换言之，入口对应于上游区，其中横流基本上发起，以及出口对应于下游区，下游区与上游区相对。

图27A-27C呈现了用于图28-30描述的一些实验的实验设置。在这一系列的测试中，边缘流元件2710在不同位置在不同高度安装在CIRP2704中。使用四种不同的设置，在图27A中标记为A、B、C和D。不同高度的垫片被用于定位边缘流元件2710在不同的高度。如图27A所示，边缘流元件2710在概念上分为上游部分2710a(介于约9点钟位置和3点钟位置之间)和下游部分2710b(介于约4点钟位置和8点钟位置之间)。边缘流元件2710的上游部分2710a与横流歧管的入口对准(例如，入口的中心位于约12点钟位置)。在图27B的表中描述被测试的不同设置。在图27A中，应当理解，CIRP 2710通常比在图中的底部所示的长得多/宽得多。

图27B中的表描绘了与实验设置相关的3种间隙高度。第一间隙高度(晶片与CIRP的间隙)对应于衬底表面与CIRP的凸起部之间的距离。这是横流歧管的高度。第二间隙的高度(上游间隙)对应于衬底与边缘流元件的针对边缘流元件的上游部分的最顶端之间的距离。类似地，第三间隙高度(下游间隙)对应于衬底和边缘流元件的针对边缘流元件的下游部分的最顶端之间的距离。在设置A，上游间隙和下游间隙的大小都与衬底与CIRP的间隙的大小相同。在此，边缘流元件的顶部与CIRP的凸起部齐平。在设置B，上游间隙和下游间隙是相等的，并且都小于衬底与CIRP的间隙。在这个例子中，边缘流元件以方位角对称的方式延伸至高于CIRP的凸起部的位置。在设置C，上游间隙的与衬底与CIRP的间隙的大小相同，而下游间隙较小。在这个例子中，边缘流元件与在边缘流元件的上游位置处的CIRP的凸起部齐平，并且比在边缘流元件下游的位置的CIRP的凸起部高。设置D类似于设置C，具有甚至更小的下游间隙。边缘流元件和衬底之间较小的间隙是利用边缘流元件和CIRP之间较大的垫片的结果。图27C描绘了有关在不同位置的电解液的横流速率的模拟结果。该图显示相对于图27A和27B的基本实验设置的几何形状。

图28呈现与相对于图27A-27C所述的设置A和B相关的实验结果。对于这个实验，在电镀期间衬底不旋转。图28中的图示出了电镀凸起高度与在衬底上的径向位置的关系。结果表明设置B相比于设置A导致在衬底的边缘附近有显著更均匀的凸起高度。这表明抬高边缘流元件至CIRP的凸起部的平面之上会对电镀均匀性有实质益处。

图29呈现了与相对于图27A-27C描述的设置A-D相关的实验数据。图表示裸芯片(die)不均匀性与衬底上的径向位置的关系。较低程度的不均匀性是期望的。在各种实施方式中，可以有<5％的裸芯片内不均匀性的目标。D设置表现最佳(最低的不均匀性)。而B和C设置也比A设置表现更好。因此，相信抬高边缘流元件至凸起CIRP的平面上方有特别益处，特别是(但不一定限于)在边缘流元件下游的位置。

图30呈现了描绘针对相对于图27A-27C所描述的设置A-D的电镀凸起高度与衬底的径向位置的关系的实验结果。设置D导致最均匀的边缘轮廓，以及最低的裸芯片内不均匀性。在图30中所示的“WiD”值涉及在电镀后的衬底上观察到的裸芯片内厚度不均匀性。

应当理解，本发明中描述的配置和/或方法在本质上是示例性的，并且这些具体实施方式或实施例不以限制性意义来考虑，因为许多变化方案是可行的。本发明描述的特定例程或方法可以代表任意数量的处理方案中的一个或多个。因此，所示的各种操作可以以示出的序列执行，以其它序列执行，并行地执行或在某些情况下省略。同样，上述方法的顺序可以改变。

本公开内容的主题包括本发明以上所述的各种方法、系统和配置的所有新颖的和非显而易见的组合和子组合，以及其它特征、功能、操作、和/或特性，以及它们的任何和所有等同方案。

其他实施例

在本节中呈现了表明通过横流歧管226改善的横流是合乎期望的一些观察数据。在本节中，测试了两种基本的电镀槽设计。两种设计包含约束环210，有时被称为分流器，限定横流歧管226在有沟道的离子阻性板206的顶部。两种设计都不包括边缘流元件，但如所期望的这样的元件可被添加到任一设置中。第一个设计，有时称为控制设计和/或TC1设计，不包括通向该横流歧管226的侧入口。相反，在对照设计中，所有进入横流歧管226的流在CIRP206下方始发并向上行进穿过CIRP 206中的孔然后冲击在晶片上并跨越衬底的面流动。第二个设计，有时称为第二设计和/或TC2设计，包括用于直接喷射流体到横流歧管226中而不穿过CIRP 206中的通道或孔的横向流喷射歧管222和所有相关联的硬件(然而，注意在某些情况下，输送到横流喷射歧管的流通过CIRP 206的外周附近的专用通道，这些通道与用于引导流体从CIRP歧管208到横流歧管226的通道是不同的/或分开的)。

图10A和10B至图12A和12B比较了使用不具有侧入口(10A，11A，和12A)的控制电镀槽实现的流模式与具有通向横流歧管的侧入口的第二电镀槽(10B，11B，和12B)获得的流模式。

图10A示出了控制设计电镀装置的一部分的俯视图。具体地，附图示出了具有分流器210的CIRP 206。图10B示出了第二电镀装置的一部分的俯视图，特别示出了CIRP 206、分流器210和横流喷射歧管222/横流歧管入口250/横流喷头242。图10A-10B中的流的方向通常是从左到右，朝向分流器210上的出口234。在图10A-10B中所示的设计对应于图11A-11B至图12A-12B中的模拟的设计。

图11A示出了用于控制设计的通过横流歧管226的流。在这种情况下，在横流歧管226中的所有流从CIRP 206下方发起。在特定点的流的量由箭头的大小指示。在图11A的控制设计中，由于额外的流体通过CIRP 206，冲击在晶片上，并加入横流，在整个横流歧管226流的量显著增大。然而，在图11B的当前的设计中，流的这种增大没那么显著。由于一定量的流体是通过横流喷射歧管222和相关的硬件直接输送到横流歧管226，因此增大并不那么大。

图12A描绘了跨越在图10A中所示的控制设计装置中电镀的衬底的面的水平速度。值得注意的是，流率以零开始(在分流器出口相对的位置)，并增大，直至到达出口234为止。不幸的是，在对照实施方式中，在晶片的中心处的平均流率相对较低。结果，从有沟道的离子阻性板206的通道发出的阴极电解液射流在中央区域在流体动力学上占优势。由于晶片的旋转产生方位角平均的横流经历，朝向工件的边缘区域的问题不那么显著。

图12B描绘了跨越在图10B中所示的当前设计中电镀的衬底的面的水平速率。在这种情况下，由于从横流喷射歧管222中喷射的流体通过侧入口250并进入横流歧管226，因此水平速率在入口250以非零值开始。另外，与对照设计相比，在当前设计中在晶片的中央的流率增大，从而减小或消除晶片的中央附近的低横流的区域，在晶片的中央冲击射流可另外占主导。因此，侧入口显著改善沿入口至出口方向的横流率的均匀性，并且会导致更均匀的电镀厚度。

其他实施方式

尽管上面完整描述了具体实施方式，但也可以使用各种修改的方案，替代结构和等同结构。因此，上面的描述和说明不应视为限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims

1.一种电镀装置，其包括：

(d)通向所述间隙的入口，其用于引入电解液至所述间隙；

2.如权利要求1所述的装置，其中，所述边缘流元件被配置为连接到所述离子阻性元件和/或所述衬底夹持器。

3.如权利要求1所述的装置，其中，所述边缘流元件与所述离子阻性元件集成，并且包括在所述离子阻性元件的外周附近的凸起部，所述凸起部相对于所述离子阻性元件的朝向衬底的表面的剩余部分的高度被抬升，所述朝向衬底的表面的剩余部分被沿径向定位在所述凸起部的内部。

4.如权利要求2所述的装置，其中，所述离子阻性元件包括其中安装所述边缘流元件的槽。

5.如权利要求4所述的装置，其还包括定位在所述离子阻性元件和所述边缘流元件之间的一个或多个垫片。

6.如权利要求5所述的装置，其中，所述一个或多个垫片导致所述边缘流元件以方位角不对称的方式定位。

7.如权利要求1-6中任一项所述的装置，其中，所述边缘流元件相对于流旁路通路的(a)位置(b)形状，和/或(c)存在或形状中的一者或多者是方位角不对称的。

8.如权利要求7所述的装置，其中，所述边缘流元件至少包括第一部分和第二部分，所述部分基于所述边缘流元件的方位角不对称性来定义，其中，所述第一部分的中心位于通向所述间隙的所述入口附近或通向所述间隙的所述出口附近。

9.一种在电镀中使用的边缘流元件，所述边缘流元件包括：

配置成与在电镀装置中的离子阻性元件和/或衬底夹持器匹配的元件，所述元件是环形或圆弧形的，

所述元件包括电绝缘材料，

10.一种用于电镀衬底的方法，其包括：

(d)旋转所述衬底夹持器；以及