CN115233279A - 一体式晶圆电镀设备及电镀方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一体式晶圆电镀设备及电镀方法，该电镀设备包括电镀池、电镀系统，其中电镀系统包括具有相互连通的阳极腔和阴极腔的电镀槽体、电镀单元，电镀单元包括阳极板载架和阳极板，晶圆通过晶圆载架插入阴极腔且构成阴极板，电镀槽体和电镀单元一体设置，电镀单元还包括具有导电性的弹性件、气泡排出组件，其中阳极板与弹性件保持弹性接触导通；气泡排出组件包括架板，架板靠近阴极板。本发明一方面无需多次插装，从而方便实施单个或多个晶圆在电镀池进行电镀处理；另一方面使得阳极板在电镀消耗过程中始终保持稳定通电，确保电镀过程正常进行，同时有效避免气泡对晶圆表面金属离子沉积的影响，保证电镀质量。

Description

一体式晶圆电镀设备及电镀方法

技术领域

本发明属于半导体加工技术领域，具体涉及一种一体式晶圆电镀设备，同时还涉及一种晶圆电镀方法。

背景技术

晶圆是指制作硅半导体电路所用的硅晶片，其原始材料是硅。高纯度的多晶硅溶解后掺入硅晶体晶种，然后慢慢拉出，形成圆柱形的单晶硅。硅晶棒在经过研磨，抛光，切片后，形成硅晶圆片。进一步地，在晶圆上电镀一层导电金属层，并对导电金属层进行加工以制成导电线路。

目前，晶圆的电镀设备一般包括电镀槽体、设置在电镀槽体内的电镀单元，电镀单元包括位于阳极腔内的阳极板载架和阳极板，晶圆通过晶圆载架插入阴极腔且构成阴极板，电镀使得处于电镀池中的晶圆为阴极、阳极板为正极，从而在电镀池中产生电解反应，这样一来，电镀液中的金属离子能够随着电解反应的进行逐渐附着于晶圆表面形成电镀层。

然而，在上述电镀过程中，现有的电镀设备存在以下技术问题：

1、阳极板、晶圆所构成的阴极板之间结构分散，每次电镀时需要分别进行插装至电镀槽体中，操作繁琐，效率低；

2、阳极板采用固定金属材料（纯金属，如99.99%纯镍，或合金成分，如AgSn），因此在电镀过程中，阳极板会逐渐被消耗，导致阳极板形成的电路接触不良，影响电镀效果；

3、在电镀过程中，晶圆表面易形成滞留气体，这些气体形成气泡贴合在晶圆表面，若不及时处理的话，会干扰沉积，导致晶圆表面镀层不均匀。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种全新的一体式晶圆电镀设备。

同时，本发明还涉及一种晶圆电镀方法。

为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案如下：

一种一体式晶圆电镀设备，其包括电镀池、电镀系统，其中电镀系统包括具有相互连通的阳极腔和阴极腔的电镀槽体、设置在电镀槽体内的电镀单元，电镀单元包括位于阳极腔内的阳极板载架和阳极板，晶圆通过晶圆载架插入阴极腔且构成阴极板，电镀槽体和电镀单元一体设置，阴极腔自顶部敞开并形成有供晶圆载架进出的进出通道、自底部形成电镀液的进液通道，电镀单元还包括设置在阳极板载架上且具有导电性的弹性件、气泡排出组件，其中阳极板与弹性件保持弹性接触导通；气泡排出组件包括活动设置在阴极腔内的架板，架板靠近阴极板，且在架板相对阴极板运动中，带动贴合在阴极板表面的电镀液往复涌动以消除阴极板表面的气泡。

优选地，弹性件包括第一导电片和第二导电片，其中第一导电片与阳极板相平行，第二导电片有多个，且弹性连接在第一导电片上，阳极板安装时，第二导电片与阳极板保持接触。

具体的，第二导电片自第一导电片向一侧冲压成型。这样设置，结构简单，加工和制作成本低。

进一步的，第二导电片与第一导电片的夹角变化范围为15°~45°。这样设置，提升第二导电片与阳极板之间衔接的可靠性，保证第二导电片与阳极板之间接触稳定。

优选地，架板与阴极板平行，且上下活动设置在电镀槽体上。这样一来，在架板的运动中，不仅实施电解液的搅动，而且在搅动过程中将形成在晶圆表面的气泡去除。

具体的，在架板上开设有自上而下间隔分布的长形槽，相邻两个长形槽之间平行设置，并与架板运动方向相交设置。这样设置，有效提升滞留气体的去除效果。

进一步的，自架板向阴极板的投影中，长形槽所构成的槽区在架板上下运动中保持将阴极板表面全部覆盖。这样设置，保证电镀过程中金属离子的通过性。

优选地，架板与阴极板之间的距离为0.5mm~1.5mm。这样设置，在保证不相互干涉的前提下，极大地缩短架板与晶圆表面之间的距离，进一步提升搅拌效果，且缩小电镀设备的体积。

优选地，在阳极板和架板之间设有挡板架、挡板，其中挡板上下插装在挡板架上，且挡板对应阳极板所在的区域分布有多个离子通孔，多个离子通孔以该区域的中心为基准，并分成多级离子通孔，其中多级离子通孔沿着该区域的径向由内向外孔径逐级变小。这样设置，在电镀过程中，挡板能够阻挡多余离子，有效消除“边缘效应”，保证晶圆表面镀层厚度均匀。

优选地，在电镀槽体的相对两侧分别设有导向轮组，晶圆载架自对应侧边滑动地设置在导向轮组之间。方便晶圆载架的导入和导出。

优选地，电镀槽体、电镀单元构成一个电镀组，电镀系统包括对称设置的两个电镀组，晶圆载架的两侧对应设有晶圆装载区，且两个晶圆同时插入电镀槽体，同步进行晶圆表面电镀处理。这样设置，一次能够同步对两片晶圆的表面进行电镀。

优选地，两组架板运动方向相反。此时，所形成电镀槽体内电解液搅动幅度大。

本发明的另一种技术方案是，一种晶圆电镀方法，其采用上述的一体式晶圆电镀设备，且包括如下步骤：

S1、将阳极板安装于阳极板载架上，且阳极板与弹性件保持弹性接触导通，同时阳极板载架安装于电镀槽体内；

S2、将装载有晶圆的晶圆载架自上而下插入电镀槽体中，并将该电镀槽体自上而下插入至装有电镀液的电镀池中，电镀液自电镀槽体的底部进入阴极腔和阳极腔；

S3、通电进行电镀，其中晶圆构成阴极板，金属离子由阳极板向阴极板运动，并沉积在阴极板表面构成镀层；

S4、在形成镀层过程中，由架板相对阴极板运动中，带动贴合在阴极板表面的电镀液往复涌动以消除阴极板表面的气泡，直至晶圆表面镀层达到设定厚度，停止电镀，取出晶圆。

由于以上技术方案的实施，本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明一方面将电镀槽体和电镀单元一体设置并形成单个晶圆的电镀处理部件，无需多次插装，从而方便实施单个或多个晶圆在电镀池进行电镀处理；另一方面通过弹性件的弹性抵触，使得阳极板在电镀消耗过程中始终保持稳定通电，确保电镀过程正常进行，同时由电镀液的涌动以消除晶圆表面电镀所产生的气泡，有效避免气泡对晶圆表面金属离子沉积的影响，保证电镀质量。

附图说明

图1为本发明的晶圆与晶圆载架的安装示意图；

图2为本发明的电镀系统的结构示意图（第一视角）；

图3为本发明的电镀系统的结构示意图（第二视角）；

图4为图2的主视示意图；

图5为图4中A-A向剖视示意图；

图6为图2的分解示意图（第一视角）；

图7为图2的分解示意图（第二视角，其中未显示阳极板和挡板）；

图8为本发明的电镀设备的安装结构简化示意图；

其中：J、晶圆载架；Y、晶圆；

C、电镀池；

D、电镀系统；1、电镀槽体；c、定位凹槽；q1、阴极腔；k1、进出通道；k2、进液通道；k3、溢流通道；b、支撑部；d、导轮；q2、阳极腔；q3、滑动腔；2、电镀单元；20、阳极板载架；21、阳极板；22、弹性件；221、第一导电片；222、第二导电片；23、气泡排出单元；230、架板；k4、长形槽；231、直线电机；24、挡板架；25、挡板。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

如图1至图8所示，本实施例的晶圆载架J的前后侧分别固定有一片晶圆Y，且本实施所涉及的晶圆电镀设备能够在同一电镀池中，同步实施两个晶圆表面的电镀处理。

具体的，晶圆电镀设备包括电镀池C、电镀系统D，其中电镀系统D包括两个电镀组，其中每个电镀组包括具有相互连通的阴极腔q1和阳极腔q2的电镀槽体1、设置在电镀槽体1内的电镀单元2，电镀槽体1和电镀单元2一体设置。

本例中，两个电镀组对称设置，且两个电镀槽体1采用外接螺栓形成一个电镀槽，两个电镀单元2位于电镀槽体1内。

接下来，以其中一个电镀组为例进行描述，则另一电镀组的结构也是清楚的。

具体的，在每个电镀槽体1中，阴极腔q1自顶部敞开并形成供晶圆载架J进出的进出通道k1、自底部形成电镀液的进液通道k2，晶圆载架J在机械手的操纵下能够自上而下穿过进出通道k1并定位在阴极腔q1内。

电镀槽体1靠近顶部的槽壁上还设有两个并排设置的溢流通道k3，当电镀槽体1插入电镀池C中时，电镀液自进液通道k2进入阴极腔q1和阳极腔q2，并自顶部的溢流通道k3回流至电镀池C内。

阴极腔q1的横截面呈矩形，其中矩形的侧边分别沿着处于竖直状态的晶圆载架J的宽度和厚度方向延伸，且阴极腔q1底部形成沿着晶圆载架J的宽度方向延伸的支撑部b，进液通道k2形成在支撑部b上，且定位时，晶圆载架J自底部支撑在支撑部b上。这样设置，晶圆载架定位简单、方便。

进出通道k1自外向内（自上而下）逐渐变窄设置。这样设置，方便将晶圆载架J导入阴极腔内。

为了进一步方便晶圆载架J进出阴极腔q1，在电镀槽体的相对两侧分别设有导向轮组，晶圆载架J自对应侧边滑动地设置在导向轮组之间。

具体的，阴极腔q1沿着晶圆载架J的宽度方向的相对两侧侧壁上还分别设有沿着晶圆载架J进出方向（竖直方向）间隔分布的多个导轮d，放置晶圆载架J时，多个导轮d滚动设置在晶圆载架J的对应侧边上。这样设置，保证定位腔与晶圆载架在尺寸上匹配的前提下，减少晶圆载架与阴极腔内壁间的摩擦。

同时，多个导轮d自上而下划分为多组，每组中包括沿着晶圆载架J厚度方向间隔分布的两个导轮d，晶圆载架J进出阴极腔q1时，晶圆载架J的对应侧边夹在两个导轮d之间。这样设置，方便晶圆载体快速放入或取出阴极腔，避免干涉或碰撞。

本例中，电镀单元2包括阳极板载架20、阳极板21、弹性件22、气泡排出组件23。阳极板载架20和阳极板21位于阳极腔q2内，晶圆Y通过晶圆载架J插入阴极腔q1且构成阴极板；弹性件22设置在阳极板载架上且具有导电性，阳极板21与弹性件22保持弹性接触导通；气泡排出组件23包括活动设置在阴极腔q1内的架板230，架板230靠近阴极板，且在架板230相对阴极板运动中，带动贴合在阴极板表面的电镀液往复涌动以消除阴极板表面的气泡。

具体的，为了方便安装，在阳极腔q2的一侧所对应的电镀槽体1内壁上形成有与弹性件22相匹配的定位凹槽c，安装时，弹性件22定位在定位凹槽c内，阳极板载架20固定连接在阳极腔q2的一侧所对应的电镀槽体1内壁上并自周边将阳极板21抵紧在弹性件22上。这样设置，结构简单，便于安装和实施。

具体的，弹性件22包括第一导电片221、自第一导电片221向一侧冲压成型的第二导电片222，其中第一导电片221与阳极板21相平行，且第一导电片221的上部设有用于与电源阳极连接的连接端；第二导电片222有多个，且弹性连接在第一导电片221上，阳极板21安装时，第二导电片222与阳极板21保持接触。

同时，多片第二导电片222划分为两组第二导电片组，其中两组第二导电片组自内向外间隔分布，且每组第二导电片组中的多片第二导电片222绕着阳极板21的中心线圆周阵列分布。这样设置，保证阳极板各部分受力均匀，以避免在消耗过程中变形而影响电镀。

在整个电镀过程中，随着阳极板21的逐渐消耗，每片第二导电片222与第一导电片221之间的夹角变化30°。这样设置，提升第二导电片与阳极板之间衔接的可靠性，保证第二导电片与阳极板之间接触稳定。

本例中，架板230与阴极板平行，且上下活动设置在电镀槽体1上。架板230上还开设有自上而下间隔分布的长形槽k4，相邻两个长形槽k4之间平行设置，并与架板230运动方向相交设置。这样设置，有效提升滞留气体的去除效果。

具体的，自架板230向阴极板的投影中，长形槽k4所构成的槽区在架板230上下运动中保持将阴极板表面全部覆盖。这样设置，保证电镀过程中金属离子的通过性。

进一步的，架板230与阴极板之间的距离为1mm左右。这样设置，在保证不相互干涉的前提下，极大地缩短架板与晶圆表面之间的距离，进一步提升搅拌效果，且缩小电镀设备的体积。

为了方便实施架板230在电镀槽体1上上下活动，电镀槽体1上位于阴极腔q1的相对两侧还形成有上下延伸的两个滑动腔q3；气泡排出组件23还包括对应设置在两个滑动腔q3顶部的两个直线电机231，其中每个直线电机231的伸缩轴自上而下插入所述滑动腔q3并与架板230的对应侧边相固定连接，通过伸缩轴的伸缩运动带动架板230上下运动。

此外，电镀单元2还包括设置在阳极板21和架板230之间的挡板架24和挡板25，其中挡板25上下插装在挡板架24上，且挡板25对应阳极板21所在的区域分布有多个离子通孔，多个离子通孔以该区域的中心为基准，并分成多级离子通孔，其中多级离子通孔沿着该区域的径向由内向外孔径逐级变小。这样设置，在电镀过程中，挡板能够阻挡多余离子，有效消除“边缘效应”，保证晶圆表面镀层厚度均匀。

本例中，电镀槽体1、电镀单元2构成一个电镀组，电镀系统D包括对称设置的两个电镀组，晶圆载架J的两侧对应设有晶圆装载区，且两个晶圆同时插入电镀槽体1，同步进行晶圆表面电镀处理。在一些具体实施方式中，两组架板230由共同的直线电机驱动同步上下运动。在一些其他具体实施方式中，两组架板230由不同的直线电机驱动，且在电镀过程中，两组架板230运动方向相反。

因此，本实施例针对晶圆表面的电镀步骤如下：

S1、将阳极板21安装于阳极板载架20上，且阳极板21与弹性件22保持弹性接触导通，同时阳极板载架20安装于电镀槽体1内；

S2、将装载有晶圆Y的晶圆载架J自上而下插入电镀槽体1中，并将该电镀槽体1自上而下插入至装有电镀液的电镀池C中，电镀液自电镀槽体1的底部进入阴极腔q1和阳极腔q2；

S3、通电进行电镀，其中晶圆Y构成阴极板，金属离子由阳极板21向阴极板运动，并沉积在阴极板表面构成镀层；

S4、在形成镀层过程中，由架板230相对阴极板运动中，带动贴合在阴极板表面的电镀液往复涌动以消除阴极板表面的气泡，直至晶圆表面镀层达到设定厚度，停止电镀，取出晶圆。

综上，本实施例具有以下优势：

1、将电镀槽体和电镀单元一体设置并形成单个晶圆的电镀处理部件，无需多次插装，从而方便实施单个或多个晶圆在电镀池进行电镀处理；

2、通过弹性件的弹性抵触，使得阳极板在电镀消耗过程中始终保持稳定通电，确保电镀过程正常进行；

3、由电镀液的涌动以消除晶圆表面电镀所产生的气泡，有效避免气泡对晶圆表面金属离子沉积的影响，保证电镀质量；

4、通过第一导电片和第二导电片之间角度变化范围的限定，提升第二导电片与阳极板之间衔接的可靠性，保证第二导电片与阳极板之间接触稳定；

5、结构简单、紧凑，体积小，可实现多组电镀槽体同时插入电镀液中进行电镀，操作简单、方便，电镀效率高。

以上对本发明做了详尽的描述，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (13)

1.一种一体式晶圆电镀设备，其包括电镀池、电镀系统，其中所述电镀系统包括具有相互连通的阳极腔和阴极腔的电镀槽体、设置在所述电镀槽体内的电镀单元，所述电镀单元包括位于所述阳极腔内的阳极板载架和阳极板，晶圆通过所述晶圆载架插入所述阴极腔且构成阴极板，其特征在于：所述电镀槽体和所述电镀单元一体设置，所述阴极腔自顶部敞开并形成有供所述晶圆载架进出的进出通道、自底部形成电镀液的进液通道，所述电镀单元还包括设置在所述阳极板载架上且具有导电性的弹性件、气泡排出组件，其中所述阳极板与所述弹性件保持弹性接触导通；所述气泡排出组件包括活动设置在所述阴极腔内的架板，所述架板靠近所述阴极板，且在所述架板相对所述阴极板运动中，带动贴合在所述阴极板表面的电镀液往复涌动以消除所述阴极板表面的气泡。

2.根据权利要求1所述的一体式晶圆电镀设备，其特征在于：所述弹性件包括第一导电片和第二导电片，其中所述第一导电片与所述阳极板相平行，所述第二导电片有多个，且弹性连接在所述第一导电片上，所述阳极板安装时，所述第二导电片与所述阳极板保持接触。

3.根据权利要求2所述的一体式晶圆电镀设备，其特征在于：所述第二导电片自所述第一导电片向一侧冲压成型。

4.根据权利要求3所述的一体式晶圆电镀设备，其特征在于：所述第二导电片与所述第一导电片的夹角变化范围为15°~45°。

5.根据权利要求1所述的一体式晶圆电镀设备，其特征在于：所述架板与所述阴极板平行，且上下活动设置在所述电镀槽体上。

6.根据权利要求5所述的一体式晶圆电镀设备，其特征在于：在所述架板上开设有自上而下间隔分布的长形槽，相邻两个所述长形槽之间平行设置，并与所述架板运动方向相交设置。

7.根据权利要求6所述的一体式晶圆电镀设备，其特征在于：自所述架板向所述阴极板的投影中，所述长形槽所构成的槽区在所述架板上下运动中保持将所述阴极板表面全部覆盖。

8.根据权利要求5所述的一体式晶圆电镀设备，其特征在于：所述架板与所述阴极板之间的距离为0.5mm~1.5mm。

9.根据权利要求1所述的一体式晶圆电镀设备，其特征在于：在所述阳极板和所述架板之间设有挡板架和挡板，其中所述挡板上下插装在所述挡板架上，且所述挡板对应所述阳极板所在的区域分布有多个离子通孔，所述多个离子通孔以该区域的中心为基准，并分成多级离子通孔，其中多级离子通孔沿着该区域的径向由内向外孔径逐级变小。

10.根据权利要求1所述的一体式晶圆电镀设备，其特征在于：在所述电镀槽体的相对两侧分别设有导向轮组，所述晶圆载架自对应侧边滑动地设置在两个所述导向轮组之间。

11.根据权利要求1至10任一项所述的一体式晶圆电镀设备，其特征在于：所述电镀槽体、所述电镀单元构成一个电镀组，所述电镀系统包括对称设置的两个电镀组，所述晶圆载架的两侧对应设有晶圆装载区，且两个晶圆同时插入所述电镀槽体，同步进行晶圆表面电镀处理。

12.根据权利要求11所述的一体式晶圆电镀设备，其特征在于：两组所述架板运动方向相反。

13.一种晶圆电镀方法，其特征在于：其采用权利要求1至12中任一项所述一体式晶圆电镀设备，且包括如下步骤：

S1、将阳极板安装于阳极板载架上，且阳极板与弹性件保持弹性接触导通，同时阳极板载架安装于电镀槽体内；

S2、将装载有晶圆的晶圆载架自上而下插入电镀槽体中，并将该电镀槽体自上而下插入至装有电镀液的电镀池中，电镀液自电镀槽体的底部进入阴极腔和阳极腔；

S3、通电进行电镀，其中晶圆构成阴极板，金属离子由阳极板向阴极板运动，并沉积在阴极板表面构成镀层；

S4、在形成镀层过程中，由架板相对阴极板运动中，带动贴合在阴极板表面的电镀液往复涌动以消除阴极板表面的气泡，直至晶圆表面镀层达到设定厚度，停止电镀，取出晶圆。

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