CN106480491B - 具有电流取样电极的电镀处理器 - Google Patents

Abstract

一种电镀处理器，所述电镀处理器具有头部，所述头部包括晶片夹具，其中所述头部为可移动的以将所述晶片夹具中的晶片放入储存第一电解液并具有一个或多个阳极的容器中。取样电极组件可定位成邻近所述容器下端、或在所述阳极下方。取样电流通道从所述取样电极组件延伸至邻近于所述晶片夹具的虚拟取样位置。所述取样电极组件中的取样电极定位在第二电解液内，所述第二电解液通过薄膜来与所述第一电解液分开。或者，可以使用两个薄膜，其中这两者间存在隔离溶液。所述处理器避免将金属涂镀至所述取样电极上，即使在处理具有较高安培‑分钟电镀特性的再分布层和晶片级封装的晶片时也是如此。

Description

具有电流取样电极的电镀处理器

技术领域

本公开内容涉及一种电镀处理器，并且更具体地，涉及一种具有电流取样电极的电镀处理器。

背景技术

微电子器件(诸如半导体器件)通常制造在晶片或工件之上和/或之中。典型晶片涂镀工艺涉及将晶种层经由气相沉积沉积到晶片表面上。接着，晶片移入电镀处理器，在所述电镀处理器中，电流传导通过电解液到达晶片，以将金属或其它导电材料的覆盖层或图案化层涂覆到晶种层上。导电材料的实例包括坡莫合金(permalloy)、金、银、铜和锡。后续处理步骤在晶片上形成部件、触点和/或导线。

在电镀处理器中，电流取样电极(current thief electrode)(也被称为辅助阴极)用于更好控制晶片边缘处的涂镀厚度，并且用于控制薄晶种层上的终端效应(terminaleffect)。对给定的晶种层的终端效应随着电解液浴的导电率的增加而增加。因此，电流取样电极可有效地与结合高导电率电解液浴的较薄的晶种层一起使用。薄晶种层越来越普遍地用于再分布层(ROL)和晶片级封装的(WLP)涂镀晶片。例如，可预期的是，RDL晶片不久可使铜晶种层薄至

并使铜浴的导电率达到470mS/cm或更高。

在WLP处理中，相对大量金属被涂镀至每个晶片之上。因此，在具有电流取样电极的WLP电化学处理器中，大量金属也将被涂镀至电流取样电极之上。这种金属必须以频繁时间间隔从所述电流取样电极退镀或以其它方式去除，其中在退镀操作中不使用处理器。退镀电流取样电极还会导致在电解液浴中产生污染颗粒。

金属镶嵌电镀处理器已经在膜管(membrane tube)内使用呈铂丝形式的电流取样电极。膜管储存无金属的单独的电解液(称为取样电解液)(例如，3％硫酸与去离子水的溶液)。在大多数的情况下，取样阴极反应放出氢气，而非将铜涂镀至线材之上。氢气通过流动的取样电解液排除出管。然而，一些金属就会穿过薄膜进入取样电解液并且涂镀至铂丝之上(尤其在使用较低导电率的浴时)。因此，取样电解液仅被使用一次，并且在穿过膜管后流动至排放口。在每个晶片经过处理后退镀铂丝。然而，在使用高取样电流的某些条件下，可能难以完全退镀铂丝。

处理RDL和WLP晶片中涉及的安培-分钟可为金属镶嵌中涉及的安培-分钟的20至40倍。因此，由于过量的金属涂镀至取样电极线材之上、以及取样电解液的过量消耗，用于金属镶嵌电镀中的膜管取样电极中的线材可能不适合于电镀RDL和WLP晶片。因此，在设计用于电镀RDL和WLP晶片的装置和方法、以及使用到取样电极的其它应用上仍然存在工程挑战。

发明内容

在第一方面中，电镀处理器具有容器，所述容器储存含金属离子的第一电解液或阴极电解液。头部具有晶片夹具，其中所述头部为可移动的以将所述晶片夹具放入所述容器中。在所述容器中，存在一或多个阳极。第二隔室中的第二电解液或隔离电解液通过第一薄膜来与所述阴极电解液隔开。第三隔室中的第三电解液或取样电解液通过第二薄膜来与所述隔离电解液隔开。电流取样电极在所述取样电解液中。电流取样电极被连接至辅助阴极，并且在电镀过程中提供电流取样功能。通过用所述薄膜来防止金属离子从所述阴极电解液传入所述取样电解液中，以减少或避免金属堆积在所述电流取样电极上。

附图说明

在附图中，相同的元件数字指示各图中的相同的元件。

图1是电化学处理器的分解顶透视图和前透视图。

图2是图1示出的处理器的侧视截面图。

图3是图1-2的处理器内的电场的计算模型。

图4是图1-3示出的处理器的透视截面图。

图5-7示出了取样电极的实例。

图8是使用两个平坦薄膜的取样电极的图式。

图9示出了类似于图8的设计，不同之处在于使用管状薄膜。

图10是示出电解提炼池的使用的图式。

图11是连接至补充池的图1的处理器的图式。

图12示出了类似于图11的设计，不同之处在于取样电极处于另一替代位置。

具体实施方式

现在详细参考附图，如图1-2所示，电化学处理器20具有定位在容器组件50上方的头部30。单个处理器20可以用作独立单元。或者，多个处理器20可提供为阵列，其中工件通过一或多个机械手装载到处理器中和从处理器中卸载。可将头部30支撑在升降装置或者说是升降/旋转单元34上，用以升降和/或倒置头部以将晶片装载到头部中和从头部中卸载，并且用以降低头部30使其与容器组件50接合以用于处理。连接至升降/旋转单元34并连接至内部头部组件的电控制和功率电缆40是从处理器20向上引至设施接头，或者引至多处理器自动系统内的接头。具有层叠的排放环的冲洗组件28可提供在容器组件50上方。

参考图3，电流取样电极组件92提供在中心位置处，朝向容器组件50底部。电流取样电极组件92允许取样电流均匀地分布在晶片200的边缘周围，同时具有相对小的电极区域。所使用的任何薄膜可以是较小的，从而更容易地在薄膜的周围形成密封。电流取样电极具有相对小的直径(例如，小于约140mm、120mm或100mm的有效直径)。然而，电流取样电极组件用作具有大得多的直径的(例如，大于晶片直径)虚拟环形取样装置。对于设计用于300mm直径晶片的处理器，虚拟环形取样装置具有大于310mm的直径，例如，320mm、330mm、340mm或350mm。虚拟取样电极通过将取样来源放在腔室的中心线附近或中心线处形成，使得取样电流径向向外流动并且达到晶片的水平。

电流取样电极组件92可以用在具有呈管中线材形式的阳极76和82的处理器20中。取样电极线材94提供在电流取样电极组件92中的取样电解液通道96中。虚拟取样电流通道102从电流取样电极组件92向上延伸穿过容器到达在容器顶部附近的虚拟取样位置99，超过晶片200的边缘。

图4示出使用图3的构思来设计的处理器的实例。在图4中，处理器20包括外环60，所述外环围绕容器组件50内的内环或杯状物64。内环64可以具有从内环64的外周边向下朝内环64的中心开口70弯曲的顶表面66。孔或通路68从内环64下方的阳极板74中的阳极隔室穿过内环64竖直延伸至内环64上方的阴极电解液腔室或空间。内部阳极隔室中的第一阳极76是以线材形式提供在膜管中。

类似地，外部阳极隔室中的一个或多个第二阳极82还以惰性阳极线材形式提供在膜管中。可以使用阳极流扩散器78和84，其中阳极管在扩散器出口侧上。扩散器可以具有用于保持膜管向下抵靠在阳极隔室底层的凸块。在使用过程中，阴极电解液腔室储存液体电解液，它被称为阴极电解液。通常，硫酸与去离子水的溶液(称为阳极电解液)循环通过阳极76和82的膜管。循环的阳极电解液排除管内从惰性阳极线材放出的氧气。阳极电解液还提供了用于电场的从惰性阳极线材至阴极电解液的导电路径。

仍然参考图4，电流取样电极组件92支撑在附接至阳极板74和/或外环60的取样板90上。电流取样电极组件92包括处于取样电解液通道96中的取样电极线材94。取样电极线材94被连接至辅助阴极。辅助阴极是第二阴极通道或者说是到处理器的连接，所述辅助阴极独立于连接至晶片的第一阴极通道。取样电解液通道96通过薄膜来与容器中的阴极电解液202隔开。通道102被填充有阴极电解液并且用作虚拟取样通道。取样电解液通道通过薄膜来与隔离电解液(即提供隔离功能的另一电解液)隔开。接着，隔离电解液通过另一薄膜来与阴极电解液隔开。

通道102中的阴极电解液202将电流取样电极组件92所形成的电场传导至虚拟取样位置99。以此方式，电流取样电极组件92模拟具有在容器组件50顶部附近的环形取样电极。

图5-7示出了取样电解液的实施方式。流过取样电极线材94的电流相较于晶片电流(即，从阳极76和82穿过阴极电解液202流向晶片200的电流)来说是相对小的(1％-20％)。因此，电流取样电极组件92可以使用小的电极和薄膜面积。另外，由于电流取样电极组件92远离晶片200，因此除了环形之外，电流取样电极组件92可提供为不同形状。例如，电流取样电极组件92可提供为2.5cm至10cm长的铂丝。相较之下，用于现有电镀处理器的周向管中线材取样电极约100cm长。

在图5中，取样电极线材94延伸穿过平坦薄膜95A。在图6中，取样电极线材94在膜管95B内。在图7中，取样电极线材94是由处于膜盖95C内的金属板或盘97替代。在每种情况下，取样电极线材94或取样盘97电连接至辅助阴极。金属丝网可替代取样电极线材94或取样盘97来使用。

转至图4和图8，另一薄膜或隔离溶液可添加至电流取样电极组件92。在这种设计中，隔离溶液或者说是隔离电解液110通过第一薄膜100A来与阴极电解液隔开，并且隔离电解液110通过第二薄膜100B来与取样电解液104隔开。隔离电解液110还可以是硫酸与去离子水的溶液。如果在具有呈管中线材形式的阳极的图3-4的处理器中使用隔离电解液，那么隔离电解液110可为与流过阳极76和84的膜管的阳极电解液相同的液体。因此，除了通向在电流取样电极组件92中的较小流体容积的管道装置之外，使用隔离电解液110不使处理器增加大量成本或复杂性。

隔离电解液110大大减少被携载至取样电解液104中的金属离子的量。在处理器涂镀铜的情况下，由于隔离电解液110具有低pH以及极低的铜浓度(当铜仅被携载穿过第二薄膜100B时)，甚至更少量铜离子将被输送穿过第一薄膜100A并进入取样电解液104以接触取样电极线材94。因此，涂镀至取样电极线材上的任何涂镀都将是非常小的。WLP的阴极电解液溶液具有低pH(高导电率)，并且因此流动穿过分开阴极电解液和隔离电解液的薄膜的铜是较少的。继而，隔离电解液具有低pH以及低铜浓度。这些因素组合产生穿过将隔离电解液和取样电解液分开的薄膜的甚至更低流量的铜。

如果隔离电解液110还是流过阳极76和84的膜管的阳极电解液溶液，那么到达阳极电解液/隔离电解液溶液的铜离子中的一些将会穿过阳极膜管并返回到阴极电解液202之中。此外，通过大大减少被输送到取样电解液104中的铜量，取样电解液104可循环地使用，而非仅仅使用一次。比起如金属镶嵌晶片处理器中那样仅仅使用取样电解液一次，循环取样电解液104大大降低处理成本。即使到达取样电解液104中的少量的铜可以涂镀至取样电极线材94之上，但也仅是少量，它们可快速在晶片之间退镀。

图8中示出的流体隔室可能较小，使得流体周转较高。在取样电解液104中，这种周转将氢气气泡排除出流体容积。在排出-进给方案中，可更换隔离电解液110(其还可为阳极电解液)和取样电解液104。由于硫酸与去离子水的溶液的成本低，因此可经济地更换大量溶液。由于隔离电解液110和取样电解液104的体积较小，因此比起单次使用取样电解液，更少溶液排放至排放口。

图9示出类似于图8的设计，其中内部膜管106A在外部膜管106B内，以便形成隔离流路108。

如图10所示，可以使用单个薄膜100，其中取样电解液104流过电解提炼池或通道120，以将穿过薄膜100到达阴极电解液中的任何金属去除。这减小了取样维护，并且还避免了单次使用取样电解液。电解提炼电极涉及进行维护，以便去除涂镀在其上的金属堆积，但是这个电极可针对取样电解液流体环路上的所有腔室定位在中心。这种配置可以在无电解提炼池或通道120的情况下使用，但是其中薄膜100可为单价型或阴离子型薄膜。

图11示出上述具有经由补充阴极电解液槽130连接至补充池140的第一腔室142的取样电解液通道96的处理器20。处理器20的阴极电解液腔室中的阴极电解液202流过具有可消耗的阳极148(诸如大量铜粒)的第三腔室146，并视情况穿过阴极电极液槽150。来自阳极76和84的阳极电解液流过补充池140的第二中心腔室144，并视情况穿过阳极电解液槽152。第二中心腔室144经由第一薄膜154和第二薄膜156来与第一腔室和第三腔室分开。

图12示出类似于图11的设计，但是在膜管内使用环形取样电极线材，更靠近于容器顶部。这种设计允许在容器中使用桨叶或搅拌器。

描述的装置和方法提供用于涂镀WLP晶片的电流取样技术，同时克服对涂镀到取样电极上的铜的维护问题。这可通过使用阳离子薄膜和高导电率(低pH)电解液的两个薄膜堆叠实现。含铜阴极电解液通过阴离子薄膜来与低铜隔离电解液分开，低铜隔离电解液继而通过另一阴离子薄膜来与含更少铜取样电解液分开。取样电极在取样电解液内。化学物质与薄膜的组合阻止铜离子迁移到取样电极。

这种双重薄膜设计(其中取样电极通过两个薄膜和两种电解液来与容器中的阴极电解液分开)适于防止铜在较长安培-分钟晶片级封装的电镀期间堆积在取样电极上。两种分开的电解液可为相同导电流体(即酸与水)。两种分开薄膜可为阳离子薄膜或单价薄膜。分开的隔离电解液腔室和取样电解腔室可形成为带平面薄膜的堆叠，或者两个薄膜可使用共轴管形薄膜来形成，其中内部管状薄膜容纳取样电解液和线材取样电极。取样组件中间隔室可为与流过处理腔室内的惰性阳极的阳极电解液相同的电解液。

或者，单个薄膜可以用于将阴极电解液与取样电解液分开。阴极电解液含铜，但是具有低pH。取样电解液预期无铜。薄膜可为防止铜离子穿过的阴离子薄膜，或为更强力阻止Cu++离子的单价薄膜。在单个薄膜设计中，取样电极通过单个薄膜(诸如平坦或平面阴离子薄膜)来与阴极电解液202隔开，并且取样电极组件具有单个隔室。在此所使用的隔开表示位于薄膜的任一侧上的电解液均会接触薄膜，从而如希望的那样，允许所选物质穿过薄膜。

在图3和图4中，在取样电极组件位于容器中心下方时，上述设计利用更容易密封的更小薄膜实现。

在概念上，居中地定位的取样装置穿过虚拟阳极通道、超过晶片边缘在周向上起作用。由于取样电流比起阳极电流来说相对较小，因此使用小的、居中地定位的取样电极(及其关联结构)是足够的，而不需要使用当前所用处理器设计中等于或大于晶片周长的取样电极或组件。

在无桨叶式搅拌器的处理器20中，虚拟取样位置或开口99可在晶片平面下方，如图3-4所示。在有桨叶式搅拌器的处理器中，虚拟取样位置99可为在晶片平面上或在晶片平面上方。虚拟取样位置或开口99可提供为连续环形开口、分段开口，或提供为一个或多个圆弧。例如，虚拟取样位置或开口99可对向30度圆弧，使得电流取样仅在晶片上的相对小的扇区上作用。这种设计在像凹槽的位置中进行不对称的边缘控制上是有用的，或者对于不具有足够空间用于周向电流取样开口的处理器来说是有用的。在这些设计中，如果晶片在处理过程中旋转，那么晶片边缘处的电流取样在晶片整个周长上是平均的。

返回参考图11-12，当耦接至三隔室补充池时，腔室组件内的三种电解液可匹配至补充池中的三个隔室。阴极电极液202流向补充阳极电解液(具有可消耗的阳极)。取样组件隔离电解液流向补充池中间隔室隔离电解液(腔室阳极电解液也是如此)。取样组件取样电解液流向补充池阴极电解液。取样电极可以反向电流运行，以供进行周期性的维护。

在替代设计中，电镀用处理器具有：容器，所述容器储存含金属离子的阴极电解液；以及头部，所述头部具有晶片夹具，其中所述头部为可移动的以将晶片夹具放入所述容器中；以及一个或多个阳极，所述一个或多个阳极在所述容器中。第一电解液或取样电解液隔室容纳第一电解液或取样电解液，其中取样电解液通过第一薄膜来与第二电解液或隔离电解液分开。电流取样电极定位在取样电解液隔室中，并连接至辅助阴极。至少一个取样电流通道被填充有阴极电解液，并且围绕晶片夹具中的晶片从第一薄膜延伸至虚拟取样开口，其中虚拟取样开口具有比晶片更大的直径，并且其中取样电解液隔室具有最大特征尺寸，所述最大特征尺寸小于晶片直径。取样电解液隔室可为矩形，其中最大特征尺寸是取样电解液隔室的长度。阳极可为惰性阳极或者说是可消耗的阳极。如果使用的话，惰性阳极可为膜管中的线材。

Claims (13)

1.一种电镀处理器(20)，所述电镀处理器包括：

容器，所述容器储存含金属离子的第一电解液，所述第一电解液为阴极电解液(202)；

头部(30)，所述头部具有晶片夹具，其中所述头部为可移动的以将所述晶片夹具放入所述容器中；

至少一个阳极(76,82)，所述至少一个阳极在所述容器中；

隔离电解液隔室，所述隔离电解液隔室容纳第二电解液，所述第二电解液为提供隔离溶液的隔离电解液(110)，其中所述隔离电解液通过第一薄膜(100B)来与所述阴极电解液分开；

取样电解液隔室，所述取样电解液隔室容纳用于电流取样电极且为取样电解液的第三电解液，其中取样电解液通过第二薄膜(100A)来与所述隔离电解液分开；以及

电流取样电极(94)，所述电流取样电极在所述取样电解液隔室中。

2.根据权利要求1所述的处理器，其进一步包括至少一个取样电流通道(102)，所述至少一个取样电流通道被填充有所述阴极电解液并从所述第一薄膜延伸至所述至少一个阳极上方的虚拟取样位置(99)。

3.根据权利要求2所述的处理器，其中，所述虚拟取样位置(99)围绕晶片(200)周边延伸。

4.根据权利要求2所述的处理器，其中，所述虚拟取样位置垂直地位于所述晶片夹具中保持的晶片上方。

5.根据权利要求4所述的处理器，其中，多个取样电流通道(102)被填充有阴极电解液，并且其中每个取样电流通道具有水平区段和竖直区段。

6.根据权利要求1所述的处理器，其中，所述第一薄膜(100B)和/或所述第二薄膜(100A)包括阳离子薄膜或单价薄膜。

7.根据权利要求1所述的处理器，其中，所述阳极(76,82)包括处于容纳阳极电解液的膜管内的线材，其中所述阳极电解液和所述隔离电解液是相同的电解液。

8.根据权利要求1所述的处理器，所述处理器包括内部阳极(76)，所述内部阳极被外部阳极(82)所包围，并且其中每个阳极包括处于容纳阳极电解液的膜管内的线材。

9.根据权利要求1所述的处理器，其进一步包括补充池(140)，所述补充池被连接至所述容器用以置换所述阴极电解液中的金属离子，并且其中所述补充池还连接至所述电镀处理器的阳极电解液隔室并连接至所述隔离电解液隔室。

10.根据权利要求1所述的处理器，其中，所述第二薄膜包括膜管(95B)。

11.根据权利要求1所述的处理器，其进一步包括内环，所述内环在所述至少一个阳极与所述晶片夹具之间，其中所述内环具有向下朝所述内环的中心开口弯曲的上表面，并且其中所述内环具有多个竖直穿孔。

12.根据权利要求1所述的处理器，所述处理器在所述容器中没有电场屏蔽。

13.根据权利要求1所述的处理器，其中，所述隔离电解液隔室在所述容器的外侧底表面上。

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