CN107208299A - 具有适用于凹槽的接触环密封件及窃流电极的电镀设备 - Google Patents

Abstract

电处理设备具有包含密封件的接触环，所述密封件能够补偿由晶片或工件上的凹槽(或其他不规则体)所产生的电场畸变。改变凹槽处接触环的形状，以减小凹槽处的电流拥挤。形状上的变化改变了窃流电极与晶片边缘之间的电流通路的阻抗，以增加从凹槽的区域抽取的窃流电极电流。结果，晶片被电镀有具有更均匀厚度的膜。

Description

具有适用于凹槽的接触环密封件及窃流电极的电镀设备

发明背景

半导体集成电路的制造及其他微尺寸器件的制造一般需要在晶片或其他基板上形成多个金属层。通过电镀金属层与其他步骤的组合(例如平坦化、蚀刻及光刻)，产生形成微尺寸器件的图案化金属层。

对于基板(或基板的一个侧面)的电镀在液体电解质的电镀槽中进行，其中电接点接触基板表面上的导电层。电流通过电解质及导电层。电解质中的金属离子沉积或电镀于基板上，在基板上产生金属膜。金属离子同样也趋向于电镀在电接点上。此效应称为“向上电镀(plate-up)”，会改变接点周围的电场，造成不均匀的电镀。因此必须移除电镀至电接点上的金属，这增加了制造过程的时间要求及复杂度。

已开发所谓干燥或封闭的接触环以避免接点的向上电镀。在这些设计中，密封件密封了电解质，使电解质远离电接点。密封件朝电接点径向向内接触基板表面，使得接点保持与电解质隔离。针对对于密封接触环的电镀的工业标准越来越多地要求：被密封件覆盖的晶片边缘处的环状带必须尽可能的小，目前趋于约1mm。为了电镀晶片边缘中具有凹槽的晶片(以指示晶片材料的特定晶体取向(crystal orientation))，密封件对应地必须具有在凹槽处的向内的突出物，以维持紧靠晶片的连续密封。在电镀期间，由于不规则的几何形状，电流在凹槽处拥挤。这导致所电镀的膜在凹槽周围比在晶片其余部分处更厚。晶片的产量可能因而减小，因为凹槽周围更厚的所电镀的膜可能负面地影响后续的处理步骤。

因此，工程挑战仍旧存在于电镀晶片及相似的具有边缘不规则体(例如凹槽)的工件。

发明内容

通过增加在凹槽的区域处的电流窃流电极(thief electrode)的影响，减小或消除在凹槽的区域中导致较厚电镀的电流拥挤。可在接触环中或接触环的密封件中(或以上两者)提供凹部。凹部提供从晶片上凹槽的区域至电流窃流电极的经由电解质的较大流动通路，使得相对于晶片的其余部分而言，电流窃流电极从凹槽的区域抽取更多的电流。

在第一设计中，电处理设备具有窃流电极，窃流电极与带有密封件的接触环一起操作，以补偿由晶片或工件上的凹槽(或其他不规则体)所产生的电场畸变。改变密封件的形状以提供凹槽周围的具有对窃流电极的更大暴露的局部面积。窃流电极因而抽取更多电流优先离开凹槽的区域，而改良电镀均匀性。在第一方面中，接触环具有密封件，该密封件具有凹槽处的薄区段。相对于密封件的其余部分，凹槽处密封件的形状被改变，以减小凹槽处的电流拥挤。凹槽处的密封件形状上的改变减小了窃流电极与晶片边缘之间的电流通路的阻抗，以增加从凹槽的区域抽取的窃流电极电流。结果，晶片被电镀有具有更均匀厚度的膜。

附图说明

图1为电镀设备的示意图。

图2为图1中所展示的电镀设备的接触环的示意图。

图3为图2中所展示的接触环上的密封件的区段的放大细部视图。

图4为图3中的密封件的末端的进一步放大细部视图。

图5为图4中所展示的晶片的透视示意图。

图6为图2中所展示的密封件的透视示意图。

图7为除了图5中所展示的凹槽处以外的在处理位置的密封件的所有区段的示意视图。

图8为图6及7的密封件在凹槽处的示意截面图。

图9为替代实施例的示意截面图。

图10为接触环的透视图。

图11为电连接的放大细部截面图，该电连接介于接触卡盘组件的环上的接触指部与转体之间。

图12为展示从转体松开图11的卡盘组件的截面图。

具体实施方式

为了从每一个晶片实现器件的高产量，被密封件接触的边缘区必须尽可能的小。在过去，经常可接受2mm或3mm的边缘区(亦即，晶片边缘处的环状环对于制造器件而言不可用)。由于现今工业的需求，边缘区现在接近或已为1mm。马上参考图5，一些晶片50具有凹槽52(为了便于图示已被放大)。在300mm直径的晶片50上，凹槽52延伸1.5mm。因此，用于处理这些类型的晶片的密封件在凹槽处具有向内凸起，以避免电镀流体经由凹槽泄漏。结果密封件在凹槽周围覆盖晶片的更多部分。这改变了凹槽周围区域中的电场，由于凹槽处的电流拥挤，而造成凹槽周围的电镀膜比在晶片其余部分上的电镀膜厚。

改良凹槽附近均匀性的一个方法是移除凹槽处的环接触指部。当所电镀膜是薄的(<0.5微米)时该方法是有效的。对于大于0.5微米厚度的膜，在接近凹槽的指部被移除时，仍优先电镀凹槽区域。因为晶片在电镀期间旋转，所以无法实现对于不跟着晶片旋转的电镀设备的部件的特别屏蔽或几何修改。

可使用在凹槽处具有变平的区段的密封件来应对凹槽(或其他边缘不规则体)所呈现的工程挑战。相对于密封件的其余部分，凹槽处密封件的形状被改变以减小凹槽处的电流拥挤。密封件形状上的变化改变了窃流电极与晶片边缘之间的窃流电极电流的阻抗或限制。窃流电极电流优先聚集于凹槽附近的电流拥挤区，改良了膜厚度的均匀性。

作为针对改良凹槽处的均匀性的替代或补充设计特征，可使用针对平坦区域中接触指部的分开的接触通道。可驱动该通道至稍高电位，使得凹槽处的所电镀的膜比晶片的其余部分更均匀。此外，可在平坦部附近的密封件的外部主体中嵌入小的外部窃流电极。可控制该外部窃流电极至与环的其余部分相同的电位，而无需分开的电源通道。窃流区域减小了平坦部处的电流拥挤。可在每一个环维护步骤期间除去外部窃流电极的镀层。

上述技术可以用于对于凹槽处具有平坦部的密封件接触环的铜镶嵌镀敷。如果电镀设备具有边缘窃流电极，上述技术也可用于晶片级封装电镀(WLP)。在这些应用中，可改变晶片周边的各部分处的密封件形状以允许这些区域中更多或更少的窃流。例如，在WLP晶片可不需具有平坦侧面的密封件时(因为这些晶片不具有凹槽)，这些晶片可具有导致电流拥挤及减小的电镀均匀性的晶片边缘周围较少的敞开面积(亦即，更多的光阻覆盖范围)的区域。

许多WLP晶片具有凹槽附近的划线区域(scribe region)(特征在于较少的敞开面积)。在处理这些类型的晶片时，在凹槽处具有较小横截面的密封件允许窃流电极在划线区域处优先动作，改良电流通量(current flux)的均匀性。在晶片上部分小片(die)未被图案化之处(亦即，无虚设凸块(dummy bumps))，晶片周围可存在连续光阻的变化区域，这些区域也可与合适的变化环横截面匹配以使得窃流电极更强或更弱地去动作。

现在详细地转到附图，如图1中展示，电镀设备20具有头部22中的转体24。转体24包含背板26及具有密封件80的接触环30。接触环致动器34垂直地移动接触环30(在图1中的方向T上)，以将接触环30及密封件80接合于晶片或基板50的面向下表面上。波纹管32可用以密封头部的内部部件。

接触环一般具有接触晶片50上导电层的金属指部35。放置头部22以将基板50放入基底36内的容器38中盛装液体电解质的电镀槽。一个或多个电极与液体电解质接触。图1展示具有被单一外部电极42围绕的中央电极40的设计，不过也可使用多个同心外部电极。可在电极与晶片之间的容器中放置由介电材料制成的电场塑形单元44。

可以可选地包含隔膜60，阳极液位于隔膜下方的下腔室中且阴极液位于隔膜60上方的上腔室中。电流从电极经过电解质至晶片上的导电表面。头部中的马达28可以用以在电镀期间旋转晶片。

转到图2至图4，密封件80一般具有弹性体末端84，末端84接触晶片且形成紧靠晶片的密封件，末端84支撑于缘部(rim)86上或是缘部86的一部分，缘部86具有梁状结构或悬臂结构。接触指部35(一般为柔性金属元件)触碰晶片至密封件外部，使得接触指部35不会曝露于电解质。传统密封件80一般在整体周边周围具有均匀的横截面。

现在参考图6，为了补偿凹槽52处的电流拥挤，本设备20可具有密封件80，密封件80具有薄区段90。使用中，晶片50被装载进入设备20，凹槽52与平坦区段90对齐。随着密封件80在处理期间与晶片50一起旋转，平坦区段90保持与凹槽52对齐。针对具有工业标准凹槽的300mm直径的晶片，平坦区段可具有25至33mm或27至31mm的宽度AA。

在图7至图9中，灰色区代表容器38中的液体电解质46。白色区44代表电场塑形单元44的固体材料。图7展示除了平坦区段90处以外整体周边周围的密封件80的横截面。在密封件80的底部或面向下表面82与电场塑形单元44的顶部表面48之间形成穿过电解质46的电流流动通路(具有特征尺寸P1)。

图8展示平坦区段90处的密封件80的横截面。在平坦区段90处，密封件80不会像覆于密封件80的周边的其余部分时那样向下凸出。结果，平坦区段90处经由电解质46的电流流动通路具有特征尺寸P2，特征尺寸P2比特征尺寸P1大20％至400％或50％至200％。当P2通路的阻抗低于P1，窃流电极92在凹槽52处的电场上施加更强的影响，帮助补偿凹槽52处的电流拥挤。

图9展示具有前往第二或外部电极94的外部电流通路96的替代设计。电极92及94皆可连接至抽取窃流电流的窃流通道，或者，当电极92作为阳极(接触指部作为阴极)时电极94可起窃流电极的作用。当电极92起额外阳极的作用且电极94起窃流电极的作用时，电流流经区段96增大，允许针对晶片偏移及凹槽校正的更佳补偿。区段或空间96(为电解质的容积)的横截面面积及长度影响了从晶片边缘抽取至窃流电极94的电流量。通过提供接触环中的局部凹部(接触环与晶片一起旋转，使得凹部在电镀期间保持与凹槽对齐)，可在凹槽周围增加空间96的横截面面积。

现在转到图10、图11、及图12，在某些更加新的晶片处理系统中，晶片被放入卡盘100，卡盘100包含带有密封件80的环接触件30。(有围住的晶片的)卡盘平移穿过具有多种设备或腔室的阵列的处理系统，以执行不同的处理步骤。在此类型的系统中，可匹配如上述修改的密封件至特定类型的晶片。例如，针对晶片的一套卡盘上的密封件可在划线附近处具有减小厚度的区域，且其他卡盘可具有为了与具有虚设凸块的晶片一起使用而特别修改的密封件。通过本方式，不需要改变电镀设备本身以解决多种晶片及这些晶片在晶片周边周围的独特电镀均匀性问题。

此处所使用的晶片意指基板，例如硅晶片，该晶片上形成微电子、微机械及/或微光学器件。上述技术可以类似地用以减小由划线区域造成的电镀偏差。

Claims (17)

1.一种电镀设备，包括：

容器，所述容器用于盛装电解质；

所述容器中的至少一个阳极及至少一个电流窃流电极；及

头部，所述头部具有转体，所述转体包含用于保持晶片的接触环，所述晶片具有凹槽，所述接触环具有密封件，且所述接触环具有凹部，所述凹部适于与晶片上的所述凹槽对齐，其中所述凹部允许相较于所述晶片其余部分有更大的电流从所述晶片上的所述凹槽的区域流动至所述电流窃流电极，以改良电镀厚度均匀性。

2.如权利要求1所述的设备，包括第一内电流窃流电极及第二外电流窃流电极。

3.如权利要求2所述的设备，其中所述第二外电流窃流电极位于所述第一内电流窃流电极的垂直上方。

4.如权利要求1所述的设备，其中所述凹部对向1至15度的弧。

5.如权利要求1所述的设备，其中所述接触环具有圆周上的第一组的接触指部及第二组的接触指部，其中所述第一组的接触指部相邻于所述凹槽且具有连接至所述第一组的接触指部的第一电连接及连接至所述第二组的接触指部的第二电连接，且其中所述第一电连接相较于所述第二电连接处于更高的电压。

6.如权利要求1所述的设备，进一步包括辅助电流窃流电极，所述辅助电流窃流电极在所述凹槽处嵌入所述密封件中。

7.如权利要求1所述的设备，其中所述密封件在所述凹槽处具有平坦部。

8.如权利要求1所述的设备，进一步包括所述容器中的凹部，其中所述晶片的所述凹槽与所述凹部对齐。

9.如权利要求1所述的设备，其中所述密封件被支撑在所述接触环的介电材料环上，且其中所述介电材料环具有与所述晶片的所述凹槽对齐的凹部。

10.一种电镀方法，包括以下步骤：

保持晶片，所述晶片具有在电镀设备的接触环中的边缘特征；

将所述晶片与密封件接触，所述密封件除了在所述边缘特征处以外具有均匀横截面，在所述边缘特征处所述密封件具有减小的高度分段；

放置所述晶片的至少一个侧面以与电镀溶液接触且将第一极性的第一电流通过所述电镀溶液、通过所述晶片的所述至少一个侧面上的导电膜、及通过所述接触环上的电接点；

将第二极性的电流通过窃流电极并且与所述电镀溶液接触，其中所述窃流电极抽取所述第一电流的一部分通过所述减小的高度分段，以补偿所述边缘特征处的电流拥挤。

11.如权利要求10所述的方法，其中所述边缘特征是所述晶片的所述边缘中的凹槽。

12.一种用于处理晶片的方法，包括以下步骤：

辨识所述晶片上的至少一个不规则体；

将所述晶片放入卡盘，所述卡盘具有接触环，所述接触环包含密封件，其中所述接触环及/或所述密封件具有适于减小所述不规则体处的电流拥挤的修改部；

移动所述卡盘进入电镀设备；及

电镀所述晶片同时通过经由窃流电极减小在所述不规则体处的电流拥挤来补偿所述不规则体。

13.如权利要求12所述的方法，其中所述不规则体是所述晶片的边缘中的凹槽。

14.如权利要求12所述的方法，其中所述不规则体是所述晶片上的划线区域。

15.如权利要求12所述的方法，其中所述晶片具有第一不规则体及第二不规则体，且所述密封件具有与所述第一不规则体及所述第二不规则体对齐的第一减小的高度分段及第二减小的高度分段。

16.如权利要求12所述的方法，其中所述修改部是所述接触环中的凹部。

17.如权利要求12所述的方法，其中所述修改部是使所述不规则体更多地暴露于所述窃流电极的所述接触环在所述不规则体处的形状改变部。