CN115956143A - 用于形成半导体特征结构的电化学组件 - Google Patents

Abstract

本文提供了用于在工件上形成沉积特征结构的方法、装置和系统。通常，本文的技术采用沉积头来限定促进电化学沉积的电场。可以采用其他系统和控制器，所述系统和控制器可有助于将所述沉积头对准或定位在工件附近并控制沉积特征结构的尺寸和位置。

Description

用于形成半导体特征结构的电化学组件

通过引用并入

PCT申请表作为本申请的一部分与本说明书同时提交。本申请要求在同时提交的PCT申请表中确定的权益或优先权的每份申请均出于所有目的通过引用整体并入本文。

技术领域

本公开涉及衬底处理系统并且更具体地讲涉及提供半导体电互连件的电化学组件。

背景技术

本文提供的背景描述是为了总体呈现本公开的背景的目的。当前指定的发明人的工作在其在此背景技术部分以及在提交申请时不能确定为现有技术的说明书的各方面中描述的范围内既不明确也不暗示地承认是针对本公开的现有技术。

半导体互连件通常使用各种半导体工具形成，以实现半导体工艺的各个方面来沉积金属。此类半导体工具可包括金属沉积工具(例如，物理气相沉积(PVD)工具、化学气相沉积(CVD)工具或原子层沉积(ALD)工具以提供晶种金属层和/或本体金属层)、光致抗蚀剂沉积工具(如旋涂机或干式光致抗蚀剂沉积工具)、光刻工具(如光刻工具)、光致抗蚀剂显影工具、去渣或灰化工具(如光致抗蚀剂去渣工具)、镀覆工具(例如，电镀工具)、光致抗蚀剂剥离工具和/或金属蚀刻工具(例如，湿法金属蚀刻工具)。

此类半导体工具可结合用于嵌入式处理(沉积金属的增材工艺)或贯穿抗蚀剂处理和金属化。嵌入式处理通常用于具有高深宽比贯穿硅通孔(TSV)以及等级大于3的互连件与小于0.5微米(μm)流体孔和线性互连件。贯穿抗蚀剂处理和金属化通常用于尺寸大于约1微米且小于约三层的封装互连件形成(重新分布层、铜柱凸块、受控塌陷芯片连接(C4)镀焊料凸块等)。

这些半导体工具和工艺中的每一者都使用若干辅助工艺和硬件(光致抗蚀剂应用、光刻、光致抗蚀剂显影、光致抗蚀剂剥离和清洁、化学机械抛光、湿法蚀刻)，此外还需要电镀期望的载流金属互连线/通孔。

嵌入式半导体工艺(包括硅通孔(TSV)的形成)可以在电介质膜(如低介电常数(K)二氧化硅(SiO₂)中形成凹腔。使用光刻工具在电介质膜中限定蚀刻区域以形成掩模(例如金属膜)。该步骤之后通常是用于对暴露表面进行PVD金属化的PVD工具，以用晶种层和阻挡层(通常为铜(Cu)和钽(Ta)、钛(Ti)、氮化钛(TiN)或氮化钽(TaN))涂覆外表面和内表面。

PVD金属化通常具有高侧壁覆盖选择性，使得嵌入式结构的边缘壁，特别是结构底部处的边缘壁被充分覆盖，以允许完整的电连接和向上填充地电镀底部。然后，从“底部向上”电镀凹陷结构，并且可将金属蚀刻工具用于对表面进行化学机械抛光(CMP)，以留下位于一般表面下方的隔离线/通孔。

贯穿抗蚀剂处理和金属化用于形成凸块和/或线，该凸块和/或线在处理结束时，产生位于一般表面上方的互连结构。贯穿抗蚀剂处理和金属化通常涉及使用金属沉积工具在暴露表面接种(例如，在Ta/

上方覆盖Cu/2000埃

的PVD金属层)。然后，可使用光致抗蚀剂沉积工具来施加干光致抗蚀剂膜或湿光致抗蚀剂层(通过旋涂机，然后在旋涂机中干燥/固化光致抗蚀剂层)。光致抗蚀剂层可以是正色调或负色调(曝光区域在显影后被移除或保留)。然后，使用光刻工具在光刻步骤中将光致抗蚀剂曝光。接下来，采用光致抗蚀剂显影工具，通过浸入适用于特定类型和化学制剂的光致抗蚀剂的显影溶液中，选择性地去除光致抗蚀剂。显影后，可使用去浮渣工具去除残留在特征结构底部的残余光致抗蚀剂，这可以通过将晶片表面暴露于氧等离子体来去除(有时称为“去浮渣步骤”)。通常在该步骤中，氧端基取代了光致抗蚀剂表面的疏水性有机端基，使得有机光致抗蚀剂膜更加亲水。晶片然后具有向下到晶种层的一组光致抗蚀剂开口，并且将电镀工具用于电镀和填充这些开口以形成凸块、线、厚焊料膜(回流形成球)或在铜凸块顶部上形成较薄的焊料层以形成铜/焊料(例如铜/锡银)柱。

发明内容

本文的各种实施方案涉及用于电化学沉积的方法、装置和系统。本文所述的技术实现了金属特征结构的无光致抗蚀剂形成，显著简化了用于形成此类特征结构的工艺方案并且最小化了相关的资金和处理成本。在某些实施方案中，本文的技术采用沉积头(例如印刷头)来限定促进电化学沉积的电场。一些实施方案任选地采用流量分配头(FDH)来提供可被沉积的金属离子源。可使用系统和控制器，该系统和控制器可有助于将沉积头和/或FDH对准或定位在工件附近、在沉积头附近补充电解液、和/或控制沉积的特征结构(例如，印刷的特征结构)的尺寸和位置。

本公开的一些方面涉及可由以下特征结构表征的组件：(a)沉积头，其包括设置在沉积头的近侧表面上的阳极像素阵列，其中该阳极像素阵列包括多个惰性电极和多个控制装置，该控制装置被配置为向所述多个惰性电极中选定的一个或更多个惰性电极提供电流；(b)间隙测量系统，其包括一个或更多个传感元件，其中该间隙测量系统被配置为通过测量一个或更多个传感元件中的至少一个传感元件与工件的下面部分之间的区域的阻抗来测量该沉积头的近侧表面与工件表面之间的距离；以及(c)控制器，该控制器连接到沉积头并被配置为向所述阵列提供电流和/或电压或在工件和阵列之间提供电势差，从而形成由一个或更多个阳极像素限定的电场。

在一些实施方案中，该组件还包括对准系统，该对准系统包括：附接到沉积头的多个精细致动器元件，其中该精细致动器元件被配置成将沉积头的近侧表面定位在距工件表面第一间隙距离内和/或使沉积头的近侧表面位于平行于工件表面的平面上。在一些实施方案中，该对准系统被配置成控制沿五个轴的运动，该五个轴包括三个相互垂直的线性轴和两个旋转轴，该两个旋转轴被取向使得沉积头的平面度可相对于工件进行调整。在一些实施方案中，该对准系统被配置成通过一组以三角形布置的三个精细致动器元件或者以三角形布置的两个精细致动器元件与第三固定点来控制沿所述两个旋转轴的运动。

在某些实施方案中，一个或更多个传感元件中的至少一个传感元件设置在沉积头的近侧表面并电连接到电路以确定传感元件和工件表面之间的距离。在某些实施方案中，一个或更多个传感元件中的至少一个传感元件电耦合到供电电路和传感电路。在一些实施方式中，至少一个传感元件包括多个惰性电极中的一个惰性电极。

在一些实施方案中，控制器被配置为以提供沉积特征结构的方式供应电流和/或电压或供应电势差，并且其中沉积特征结构由单个阳极像素或多个阳极像素沉积。在一些情况下，控制器被配置为引起：向一组连续的阳极像素提供电流、电压或电势差以限定沉积特征结构的形状或尺寸。

在一些实施方案中，该组件还包括电耦合到多个惰性电极的供电电路，其中该供电电路被配置为施加第一电势和/或电流以使惰性电极用作相对于工件的阳极并施加第二电位和/或电流以使惰性电极用作相对于二次电极的阴极。在一些实施方式中，二次电极包括电镀到惰性电极上的金属。

在一些实施方案中，间隙测量系统被配置成通过将输入信号波施加到至少一个传感元件来测量介于至少一个传感元件和工件的下方部分之间的区域的阻抗。

输入信号波可以具有大约1毫伏至100毫伏的幅度。输入信号波可以具有约100kHz至10Mhz的频率。输入信号可具有约1MHz至10MHz的频率。

在某些实施方案中，控制器还被配置为使用从间隙测量系统测得的距离来保持沉积头的近侧表面与工件上的生长沉积特征结构的表面之间的距离。在某些实施方案中，控制器还被配置成保持沉积头的近侧表面和工件上的生长沉积特征结构的表面之间的恒定距离。在一些实施方式中，控制器和/或间隙测量系统采用将阻抗信息与沉积头的近侧表面和工件上的生长沉积特征结构的表面之间的距离相关联的经验模型。

在一些实施方案中，多个惰性电极凹陷在绝缘工件中的孔内，从而允许金属从二次电极电镀到多个惰性电极上并从所述多个惰性电极上退镀到工件上。在一些实施方式中，绝缘工件中的孔限制了电镀到所述多个惰性电极上的金属的位置。

本公开涉及将多个横向分离的特征结构电镀到工件上的方法。此类方法的特征在于以下操作：(a)将沉积头定位在第一位置处，并且当处于第一位置时，将金属电镀到沉积头的多个阳极像素的多个惰性电极上；(b)在(a)之前或之后，测量沉积头与工件或定位在工件位置处的另一衬底之间的间隙，其中测量该间隙包括确定间隙附近的电解液的阻抗；以及(c)通过使用从(b)测得的间隙，将沉积头定位在靠近工件的第二位置，并且当处于第二位置时，将金属从多个惰性电极电镀到工件上以至少部分地形成横向分离的特征结构。

在一些实施方案中，该方法还包括：(d)确定多个横向分离的特征结构尚未完全形成；以及(e)重复操作(a)、(b)和(c)。在一些实施方案中，该方法还包括：在将沉积头定位在所述第一位置之后，并且在将金属电镀到多个惰性电极上之前，在沉积头和工件之间递送电解液。

在一些实施方案中，该方法还包括将沉积物移动到靠近工件的第三位置并且将附加的多个特征结构电镀到工件上。在一些实施方案中，该方法还包括蚀刻工件上的导电晶种层的一部分。

在某些实施方案中，测量工件和沉积头之间的间隙包括在三个或更多个不在一条直线上的单独位置处测量间隙。在一些实施方式中，将沉积头定位在靠近所述工件的第二位置中包括修改沉积头的位置，使得工件和沉积头在平行平面上对准。

在某些实施方案中，将沉积头定位在靠近工件的第二位置中包括致动附接到沉积头的多个精细致动器元件中的一个或更多个精细致动器以将沉积头的近侧表面定位在距工件表面的第一间隙距离内和/或使沉积头的近侧表面位于平行于工件表面的平面上。在一些实施方式中，将沉积头定位在靠近工件的第二位置中包括控制沿五个轴中的一个或更多个轴的运动，所述五个轴包括三个相互垂直的线性轴和两个旋转轴。

本发明内容部分的以下部分确定了本公开的某些替代方面。在第一个这样的方面，本公开涵盖了一种组件(例如，沉积头组件或印刷头组件)，该组件包括：沉积头(例如，印刷头)，其包括至少一个设置在沉积头的近侧表面上的阳极；和流体分配头(FDH)。在一些实施方案中，沉积头至少部分地被FDH围绕或结合到FDH中，其中FDH包括与FDH的近侧表面流体连通的多个端口。在其他实施方案中，端口被配置成供应和/或移除至少一个阳极附近的电解液。

在第二方面，本公开涵盖一种组件，其包括：间隙测量系统，所述间隙测量系统包括一个或更多个传感元件(例如，本文所述的任一传感元件)。在一些实施方案中，间隙测量系统被配置成测量沉积头的近侧表面或FDH的近侧表面与工件表面之间的距离。

在第三方面，本公开包括一种组件(例如，沉积头组件或印刷头组件)，所述组件包括：沉积头(例如，印刷头)，其包括阳极像素阵列；FDH被配置为环绕该阵列；以及间隙测量系统，其包括一个或更多个传感元件，其中该间隙测量系统被配置为测量沉积头的近侧表面或FDH的近侧表面与工件的表面之间的距离。在一些实施方案中，该阵列设置在沉积头的近侧表面上，其中每个阳极像素包括虚拟电极、有源电极或惰性电极。在其他实施方案中，FDH包括与FDH的近侧表面流体连通的多个端口，其中这些端口被配置为供应和/或移除阳极像素附近的电解液。

在第四方面，本发明包括一种组件(例如，沉积头组件或印刷头组件)，包括：沉积头(例如，印刷头或本文所述的任一者)；FDH(例如，本文所述的任一者)，其被配置为围绕阵列；间隙测量系统(例如，本文所述的任一者)，其包括一个或更多个传感元件；和对准系统。在一些实施方案中，对准系统包括：多个直接或间接附接到沉积头的精细致动器元件；以及直接或间接附接到FDH的安装组件。在特定实施方案中，精细致动器元件被配置成将阵列定位在距工件表面的第一间隙距离内和/或使沉积头的近侧表面与工件表面共面。在其他实施方案中，安装组件包括用于将FDH竖直定位在距工件表面的第二间隙距离内的粗调致动器。

在第五方面，本发明包括一种提供沉积特征(例如印刷特征)的方法，该方法包括：接收工件，该工件包括设置在其表面上的晶种层，其中晶种层是导电的；将沉积头(例如印刷头或本文所述的任一者)定位在工件表面附近；通过配置成围绕沉积头的FDH将电解液递送到阳极像素；并且激活一个或更多个阳极像素，从而在第一位置提供沉积特征结构(例如印刷特征结构)。在一些实施方案中，沉积头包括多个阳极像素的阵列，并且FDH被配置为围绕该阵列。

在一些实施方案中，所述定位包括：确定沉积头的近侧表面与工件表面之间的距离；在第一间隙距离内将沉积头的近侧表面与工件的表面对准和/或使沉积头的近侧表面与工件的表面共面。在特定实施方案中，第一间隙距离与阵列的尺寸之比为0.1:1至1:0.5。在其他实施方案中，阵列的维度是两个阳极像素之间的距离或单个阳极像素的特征尺寸(例如，宽度、高度或直径)。

在一些实施例中，所述定位包括(例如，在所述对准之前)：将FDH的近侧表面竖直定位在距工件表面的第二间隙距离内。在特定实施方案中(例如，在所述递送期间)，第一间隙(沉积头的近侧表面与工件表面之间)小于第二间隙(FDH的近侧表面与工件表面之间)。

在一些实施方案中，所述递送包括：使电解液流过设置在FDH内的两个或更多个端口；并且通过设置在FDH内的一个或更多个端口去除电解液。

在一些实施例中，所述激活包括向阵列供应电流和/或电压或在工件与沉积头(或其阵列)之间供应电势差。在其他实施方案中，所述激活包括：向一个阳极像素或多个阳极像素供应电流、电压或电势差。在其他实施例中，所述供应包括向一组连续的阳极像素供应电流、电压或电势差以限定沉积特征结构(例如印刷特征结构)的形状或尺寸。

在一些实施例中，该方法还包括(例如，在所述激活之后)：将沉积头移动到工件表面上的第二位置；进一步通过FDH递送电解液至第二位置；并且进一步激活第二位置处的一个或更多个阳极像素，从而在第二位置处提供另外的沉积特征结构(例如，另外的印刷特征结构)。在特定实施方案中(例如，在所述激活和/或所述进一步激活之后)，该方法还包括：分别在第一位置和第二位置处蚀刻缺少沉积特征结构和另外的沉积特征结构的晶种层的一部分。

在本文的任一实施方案中，沉积头为印刷头。在其他实施方案中，组件是包括一个或更多个印刷头的印刷头组件。

在本文的任何实施方案中，阵列设置在沉积头的近侧表面上。

在本文的任何实施方案中，阳极或阳极像素包括虚拟电极、有源电极或惰性电极。

在本文的任何实施方案中，沉积头包括内部阳极、绝缘衬底和形成在内部阳极和绝缘衬底之间的内室；其中绝缘衬底包括多个孔；并且其中每个孔形成虚拟电极。

在本文的任何实施方案中，沉积头包括多个惰性电极和多个控制装置，所述控制装置被配置成向选定的阳极像素或选定的多个阳极像素供应电流。

在本文的任何实施方案中，沉积头和FDH可以直接或间接附接。

在本文的任何实施方案中，沉积头的近侧表面延伸超过FDH的近侧表面。

在本文的任何实施方案中，多个端口(例如，FDH的端口)围绕沉积头的外围。在一些实施方案中，该组件(例如，沉积头组件或印刷头组件)还包括与每个端口相关联的阀，其中每个阀可被配置为通过与每个阀相关联的端口供应或去除压力或流量。

在本文的任何实施方案中，组件(例如，沉积头组件或印刷头组件)还包括：多个沉积头(例如，多个印刷头)和多个流体分配头，其中每个FDH被配置成围绕一个沉积头。

在本文的任何实施方案中，该组件(例如，沉积头组件或印刷头组件)还包括：多个沉积头(例如，多个印刷头)，其中FDH被配置为包围多个沉积头中的每一个沉积头。

在本文的任何实施方案中，组件(例如，沉积头组件或印刷头组件)包括间隙测量系统。在一些实施方案中，间隙测量系统包括一个或更多个传感元件(例如，本文所述的任何传感元件)。在其他实施方案中，间隙测量系统被配置成测量沉积头的近侧表面或FDH的近侧表面与工件表面之间的距离。在其他实施方案中，FDH包括与FDH的近侧表面流体连通的多个端口，其中端口被配置为供应和/或移除阵列和/或阳极像素附近的电解液。

在本文的任何实施方案中，一个或更多个传感元件设置在沉积头的近侧表面上并且电连接到电路以确定传感元件和工件表面之间的距离。在一些实施方案中，传感元件包括多个阳极像素中的一个阳极像素。

在本文的任何实施方案中，组件(例如，沉积头组件或印刷头组件)还包括对准系统。在一些实施方案中，对准系统包括：直接或间接附接到沉积头的多个精细致动器元件，其中精细致动器元件被配置成将阵列定位在距工件表面的第一间隙距离内和/或使沉积头的近侧表面与工件表面共面。在其他实施方案中，对准系统还包括：直接或间接附接到FDH的安装组件，其中该安装组件还包括用于将FDH竖直定位在距工件表面的第二间隙距离内的粗调致动器。

在本文的任何实施方案中，该组件(例如，沉积头组件或印刷头组件)还包括：连接到沉积头(例如，印刷头)的控制器(例如，印刷头控制器)，其中该控制器被配置成引起：向阵列提供电流和/或电压或在工件和阵列之间提供电势差，从而形成由一个或更多个阳极像素限定的电场。在一些实施方案中，该供应提供沉积特征结构(例如，印刷特征结构)，其中沉积特征结构由单个阳极像素或由多个阳极像素沉积(例如，印刷)。在其他实施方案中，控制器被配置为引起：向一组连续的阳极像素提供电流、电压或电势差以限定沉积特征结构的形状或尺寸。

在本文的任何实施方案中，该组件还包括：连接到FDH的射流控制器，其中该射流控制器被配置成引起：电解液流入和/或流出多个端口，从而补充反应物并去除在阵列和工件之间形成的反应产物。

附图说明

图1是描述使用基于光致抗蚀剂的技术形成金属特征结构的方法的流程图。

图2是描述根据本文的实施方案形成沉积特征结构的方法的流程图。

图3A-3D示出了具有多个阳极的非限制性设备。提供了具有(A、C)虚拟电极和(B、D)惰性电极的装置。

图4示出了使用各种微电极对工件间隙(0.75μm至3.5μm的间隙)产生的非限制性1x1μm沉积特征结构的模拟结果。

图5A-5B示出了具有沉积头501和流量分配头(FDH)502的组件的非限制性示意图。提供(A)剖视图，其示出沉积头501和工件509之间的流动形成和同心流动限制；(B)俯视图，其示出了沉积头501、被配置成围绕沉积头的FDH 502和设置在FDH内的端口503。

图6示出了具有再分布层(RDL，1505)的非限制性结构，其可以是根据本文实施方案的沉积特征结构。

图7A-7D示出了使用多个沉积头的组件的非限制性实施方案。提供了(A)采用多个独立定位的沉积头的沉积操作；(B)采用多个沉积头在晶片701上进行沉积操作，其中单个FDH围绕每个沉积头；(C)利用多个沉积头在面板702上进行沉积操作；(D)沉积头705和具有端口706的FDH 705的近距离视图。

图8示出了具有流体端口布置的FDH的非限制性实施方案。

图9A-9C示出了用于不同电流流动方案的传感元件的非限制性实施方案。提供了(A)通过感测传感元件903a与导电层904之间的电流流动来确定间隙距离902a的传感操作；(B)通过感测传感元件903a与设置在导电层904上的突起或其他特征结构之间的电流来确定间隙距离902b的另一传感操作；(C)通过感测传感元件903a/b与导电层904之间的电流来确定间隙距离902b的又一传感操作。

图10A-10B示出了具有对准系统的部件的组件的非限制性实施方案。提供了对准操作以用于(A)将组件带到工件1007上的第一位置；以及(B)通过采用安装组件1005将组件垂直定位。

图11A-11B示出了具有另外的部件对准系统的组件的非限制性实施方案。提供了(A)对准操作以将沉积头在间隙距离1008内与工件1007的表面对准和/或使沉积头的近侧表面具有的平面平行于工件1007表面的平面；以及(B)具有多个精细致动器元件1010a/b/c的沉积头1001的顶视图。

图12A-12B示出了沉积头的非限制性实施方案，其具有(A)单个阳极和(B)多个阳极像素。提供了(A)阳极1201，其被配置为提供单个沉积特征结构1204和(B)多个阳极像素，其被配置为激活阳极像素簇1202以提供单个沉积特征结构1205。

图13A-B示出了其中沉积头与二次阳极相互作用以将金属电镀到沉积头上并与工件相互作用以将金属从沉积头电镀到工件的特征结构上的实施方案。

图13C示出了具有用于电镀到工件特征结构上的惰性电极和相关金属的示例或阳极像素。

图14示出了系统1400的非限制性实施方案，其包括具有沉积头1401、FDH 1402、安装组件1405和控制器1410的组件。

图15是描述根据本文的实施方案形成沉积特征结构的方法的流程图。

图16是描述根据本文的两步实施方案形成沉积特征结构的方法的流程图。

具体实施方式

在以下描述中，阐述了许多具体细节以提供对所呈现的实施方案的透彻理解。可在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实践所公开的实施方案。在其他情况下，没有详细描述众所周知的工艺操作以避免不必要地模糊所公开的实施方案。尽管将结合具体实施方案来描述所公开的实施方案，但是应当理解，其不旨在限制所公开的实施方案。

根据本公开的系统和方法涉及一种高效、高速、二维(2D)(或单层)和/或三维(3D)(多层)金属印刷工艺，其具有半导体-互连件级分辨率从而以更低的成本、使用更少的设备和更高的生产率形成互连件。更具体地讲，本文描述的系统和方法可在没有光致抗蚀剂光刻、显影、电介质蚀刻、清洁和/或上述其他步骤的共同步骤、设备和材料的情况下执行。

根据本公开的系统和方法涉及使用直接电化学沉积工艺形成集成电路级金属互连线。在一些实施方式中，采用电化学沉积来形成晶片级封装特征结构。通过在工件和沉积头之间的间隙中供应含金属阳离子的电解液，将金属互连线沉积到包括金属-晶种层的衬底上。

三维(3D)电印刷(或3DEP)是一种工艺，由此使用微米级阳极将可电镀金属特征结构直接生长到整体金属化(或加晶种)工件上的工艺。不断生长的特征结构演变并呈现由局部电极形状、电极与表面的接近度以及各种工艺条件和电解液成分限定的形状和大小。本文的硬件和工艺可允许形成用于封装应用的电镀互连特征结构，其消除了对多个光刻处理硬件和处理步骤的需要。由本文所公开的硬件和工艺实现的应用包括在铜、阻挡金属(诸如镍和钴)以及材料(诸如锡和锡-银合金)中的焊料球或覆盖膜中沉积互连凸块和线。本文描述了其他材料和沉积特征结构。某些硬件和工艺设计可能不足以形成适用于在封装特征结构尺寸规模上形成无缺陷、大规模、均匀沉积结构的条件。在特定实施方案中，本文的组件、装置、系统和工艺可克服这些不足。

对于某些应用，传统的半导体封装工艺使用一系列与光刻相关的硬件和工艺步骤来形成贯穿抗蚀剂可电镀表面(图1)。在典型的实施方案中，至少有八个顺序操作用于形成互连线或连接凸块，如操作101-108所示。

在图1中，该方法开始于操作101，其中导电晶种层沉积在衬底上。该沉积可发生在物理气相沉积设备、原子层沉积设备或化学气相沉积设备中。接着，将衬底转移到光致抗蚀剂沉积装置或旋涂机；并且在步骤102中，在晶种层上形成一层光致抗蚀剂。光致抗蚀剂可例如通过湿法处理(诸如旋涂)方法形成，或者其可通过干法(诸如在衬底上施加一卷预形成的光致抗蚀剂材料)形成。

在形成光致抗蚀剂层之后，将衬底转移到光致抗蚀剂图案化装置或光刻工具，其中在操作103中通过暴露于特定光条件来图案化光致抗蚀剂层。在操作104中，将衬底转移到光致抗蚀剂(PR)显影设备或PR显影工具，其中将在衬底上曝光的图案显影。在一个示例中，光致抗蚀剂通过湿化学处理显影，该湿化学处理涉及将衬底暴露于其中具有溶解盐的溶液，诸如碳酸钾的水溶液。这些图案化操作一起导致在光致抗蚀剂层中形成凹陷特征结构。这些凹陷的特征结构限定了稍后将沉积金属的空间。

接着，将衬底转移至等离子蚀刻装置或除渣/灰化工具；并且在操作105处，进行去浮渣工艺以从特征结构的底部去除过量光致抗蚀剂材料。去浮渣工艺通常涉及对含氧等离子体的暴露，该含氧等离子体用于烧尽特征结构底部处的过量光致抗蚀剂。

然后将衬底转移到电镀设备或电镀工具；并且在操作106处，将金属镀覆(例如，通过电镀或化学镀)到限定于光致抗蚀剂层中的特征结构中。然后将衬底转移到光致抗蚀剂剥离设备或工具；并且在步骤107中，从衬底剥离光致抗蚀剂层。可通过干法等离子体蚀刻技术(例如，通过将衬底暴露于含氧等离子体)或通过湿法技术(例如，通过将衬底暴露于光致抗蚀剂溶剂以溶解或溶胀光致抗蚀剂膜，此后可利用高流量、超声能量或其他方法去除光致抗蚀剂)。去除光致抗蚀剂层后，将衬底转移至化学刻蚀设备或湿法金属刻蚀工具；并且在操作108中，去除先前被光致抗蚀剂层保护的区域中的晶种层。

在许多情况下，用于执行图1中所示工艺的设备是不同的装置，每个装置被配置为执行图1中所述的工艺流程中的特定操作，因此示出了用于形成金属化特征结构(诸如细线互连件)的常规工艺流程是复杂、耗时且昂贵的。需要许多不同的专用半导体加工设备，并且每个设备都必须针对特定应用进行适当配置。传统工艺流程涉及的大量步骤和设备使得很难对工件加工技术(包括例如衬底设计和布局)进行任何更改或调整，因为每个过程和每件设备都必须进行适当调整。这使得其难以在一种衬底类型的生产或衬底设计与另一种之间切换。类似地，由于涉及复杂的工艺流程和大量设备，因此其难以运行测试、制作原型衬底等。

此外，图1中的每个步骤不仅需要工具，而且还涉及化学品/材料的消耗；例如，旋涂步骤102消耗旋涂光致抗蚀剂。这些步骤中的每一个步骤都会增加生产操作的总成本，通常以美元($)/经历该序列的晶片来衡量。对于管芯到管芯或管芯到衬底的凸块连接，该序列将运行一次。当在管芯上或封装衬底上形成互连件时，可在形成多层互连件时重复该序列。此类多管芯级布线，通常被称为WFO(晶圆扇出)或RDL(再分布层)互连件以包括具有多级水平和/或垂直互连件的多个管芯，例如如通过RDL、导线、柱、焊料凸点等。针对互连件的每一层必须重复操作每个101-108序列。

另选地，本文的方法可采用3DEP硬件和工艺直接在晶种/阻挡层的表面上提供沉积特征结构。本文描述的技术允许形成细线互连件、焊盘和其他类似的金属化特征结构，而不需要图1中所述的许多工艺和设备。因此，制造过程被显著简化，加工设备的数量显著减少，并且与加工相关的成本类似地降低(例如，因为涉及更少的步骤，并且因为加工成本的很大一部分与购买加工设备的资本支出直接相关)。

如图2中所见，非限制性方法开始于操作201，其中在衬底上形成导电晶种层。该晶种层可通过物理气相沉积(PVD)在PVD设备或工具中形成。如本领域已知的，可使用形成用于后续电镀的晶种层的另选的方法，诸如化学镀；在一些实施方案中，化学镀以化学活化(例如，对衬底进行锡离子暴露)开始，之后用含钯离子的电解液进行锡(II)到锡(IV)的置换/活化，这使衬底表面在其上留下钯电催化剂并允许许多介电材料的金属化。其他晶种沉积技术可包括化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)或导电材料(诸如金属或合金)的其他沉积方法。晶种层/阻挡层的非限制性材料包括铜(Cu)。

该方法还可包括经由含有待提供在沉积特征结构中的期望金属离子的溶液进行3D电化学沉积的操作202。本文所述的任何有用的沉积头、FDH或组件都可以与用于沉积的溶液一起使用。在一些实施方案中，电解液由沉积外部的来源提供。例如，传统的电解液供应系统可向工件提供电解液并且不使用FDH。在各种实施方案中，不采用头部或其他类似的可移动装置来管理电解液流动。在沉积特征结构之后，可将工件转移到化学蚀刻设备或湿法金属蚀刻工具；并且在操作203中，对衬底进行化学蚀刻以去除沉积特征结构之间的区域中的晶种层。换句话说，在3DEP期间经历相对较低沉积速率的区域中去除晶种层。该蚀刻用于在空间上将金属特征结构彼此隔离。

本文的方法和设备可用于提供例如为RDL的沉积特征结构。使用图1的调适工艺，常规方法可包括以下步骤：在介电层中形成的通孔内沉积101晶种层和/或阻挡层以提供与焊盘的电连接，在晶种/阻挡层上旋涂102光致抗蚀剂，图案化103光致抗蚀剂以限定通孔附近的沟槽(即，限定RDL的自上而下的2D图案)，显影104图案，去渣105以去除沟槽或通孔内的任何残余光致抗蚀剂，将金属电镀106在沟槽和通孔内以形成RDL特征结构，剥离107剩余的光致抗蚀剂以释放RDL的线部分(形成于PR沟槽中)，并蚀刻108任何可接近的金属/阻挡层。相比之下，使用本文的3DEP设备和图2的调适工艺，该方法可包括在通孔内沉积201晶种层和/或阻挡层以提供与焊盘的电连接，在种子/阻挡层的表面上3D电化学沉积202RDL特征结构，以及蚀刻203任何可接近的晶种/阻挡层以用于电隔离。RDL特征结构轮廓可通过沉积来限定，而不是通过图案化光致抗蚀剂限定。

图6提供了作为RDL 605的非限制性沉积特征结构，其继而电连接到晶种层604；图案化电介质603，其具有限定于其中的通孔；以及焊盘602，其电连接到衬底601、晶种层604和RDL 605。需注意，RDL具有由电介质层603上的图案化限定的通孔部分和由电沉积(或电印刷)限定的沟槽或线部分。

多件加工设备可以以各种方式组合。在一个示例中，系统包括PVD设备、3DEP设备和化学蚀刻设备，其中每个设备是不同的并且与其他设备分开。在另一实施方案中，图2中所示的设备或工具中的一个或更多个可以执行多个处理的更大设备的模块形式提供。例如，PVD设备可以是单独的设备，然而3DEP设备和化学蚀刻设备可作为统一处理设备中的模块提供。在另一示例中，化学蚀刻设备是单独的、不同的设备，然而PVD设备和3DEP设备各自作为更大的、统一的处理设备中的模块提供。在又一实施方案中，PVD设备和/或电镀设备中的一个或更多个可被修改以包括用于执行3DEP的硬件。设备的许多配置是可能的，并且任何此类的组合被认为在本文的实施方案的范围内。如此配置的工具可以是线性的、多级的、转盘式的、传送带式的、集群式的或其他通用工具设计，并且用于每种类型工艺的模块数量可以显著超过一个(例如10个)，其中基于工具的生产率/输出优化并行操作的每种类型的工艺模块数的组合。

阳极

3DEP可以以多种方式实现。在某些实现中，3DEP扩展了单个微电极电镀操作，以能够通过采用适当配置的硬件、控制和工艺进行大规模并行处理。微电极电镀工艺的一个常见方面是使微型阳极靠近工件的导电(例如，PVD金属化或化学沉积金属化)表面，并在阳极和工件之间施加电势差的行为(参见，图3A-3D)。在一些实施方式中，不使用消耗性(有源金属)微阳极；阳极材料将需要反复补充，并且如果形成高纵横比结构，则可能需要在单次形成高纵横比特征结构期间中多次重复电镀到阳极上。因此，在特定实施方案中，可以使用虚拟远程阳极或尺寸稳定的惰性阳极。

在虚拟阳极配置中(图3A和图3C中所示的示例)，非导电元件(或掩模)303在其中具有微型尺寸开口304。在使用中，电解液存在于孔内及其周围。内室302A设置在不导电掩模303和内部阳极302B之间。内部阳极302B可以是有源(腐蚀金属)阳极或惰性阳极302B，其连接到电源(未示出)的正极。在使用中，内室还包含电解液，因此提供了围绕孔304、内部阳极302B和工件301的导电介质。在各种实施方案中，虚拟阳极包括片状电极，其具有比非导电元件中的开口大得多的表面并且与通过非导电元件在其上发生电沉积的工件分离。特别地，非导电元件中的开口限定促进开口下方特征结构的电沉积的电势场线和离子电流分布。

在许多但不是所有的实施方式中，掩模可含有多个开口或通孔，所述开口或通孔在空间上和电学上彼此隔离并且在非导电(或离子电阻)元件的主体内不形成互连通道。此类通孔通常在一个维度上延伸，通常但不一定正交于工件的电镀表面(在一些实施方案中，非连通孔相对于晶片成一定角度，该角度通常平行于离子电阻元件前表面)。在一些实施方案中，通孔彼此平行。这些通孔不同于3-D多孔网络，其中通道在三个维度上延伸并形成互连的孔结构，因为通孔重组离子电流流动和(在某些情况下)平行于其中表面的流体流动，并拉直电流和流体流向工件表面的路径。在一些实施方案中，非导电掩模包括陶瓷材料(例如，氧化铝、氧化锡、氧化钛或金属氧化物的混合物)或塑性材料(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)。

在掩模303下方和工件301上方的是虚拟阳极孔开口305和金属化工件301之间的小间隙307。间隙的特征可在于阳极尺寸(例如，开口或电极尺寸，如宽度、直径或本文所述的其他几何参数)与阳极和工件表面之间的间隙距离的纵横比为约0.5:1至1:0.1。在一些实施方案中，纵横比为约1:1或更小。在某些实施方案中，阳极尺寸是电极面向工件的面或表面上的最大横截面尺寸。当从掩膜的近侧表面到工件的距离很小时，电流和流体流动的发散都被局部限制、施加并与开口对齐。

在操作期间，金属化工件连接到电源的负极(未显示)。包含金属离子的电解液被置于该间隙内，金属离子从该间隙被还原以在工件上电镀/沉积/印刷金属。在孔的每个开口内，电场被限制和准直，并且电流从孔开口出现的方式类似于当有源阳极位于那里时(因此称为虚拟阳极)。

在尺寸稳定的阳极配置中(图3B和3D中的示例)，衬底318包含相关联的布线和电路以连接、寻址(选择)并为位于其上的多个惰性阳极319中的每一个供电(布线未示出)。阳极的表面可涂覆有尺寸稳定的材料，如本领域已知且用于大规格惰性阳极的材料(例如，对水电解氧化反应具有催化作用并且不经受腐蚀的材料)。在间隙317中的是包含金属离子的电解液，金属离子通过在工件311的表面处还原从该电解液转化为镀覆金属。

惰性阳极可以由耐腐蚀的惰性材料制成。惰性阳极可电化学氧化电解液中的一种元素(例如水)，而本身基本上不会被氧化/腐蚀。惰性型阳极可暴露于电解液并且可由尺寸稳定和氧化化学稳定的材料制成。例如，惰性电极可由一种或多种贵金属制成，所述贵金属的氧化电位相对于水和可形成稳定的氧化膜，从而可氧化水但本身不会被显著腐蚀的其他金属的氧化电位是正的(1.23V相对于NHE)。例如，阳极可以由金、铂、钯、钌、铑、铌、钒以及这些材料的合金制成。如果电解液的组成不导致显著氧化，则碳(包括各种无定形和石墨形式)也可用于惰性阳极。

随时间推移，尺寸稳定的惰性阳极可在阳极表面和工件表面之间提供可预测和恒定的距离。然而，使用惰性阳极导致沉积期间电解液中金属离子供应的耗尽。

发生的两个半反应可以组合以在系统中形成总体反应，并且可如下所示：

工件/衬底/阴极还原：M^+z+ze^-→M        (1)；

微惰性阳极氧化：z/2*[2H₂O→O₂+2H⁺+2e^-](2)；以及

总体反应：M^+z+z H₂O→M+z/2O₂+z H⁺(3)，

其中M^+z是氧化态为z(例如，对于铜离子，z＝+2)的溶解金属离子(如铜、镍、锡、银等)。在没有补充的情况下，随着半反应(1)进行和金属沉积，金属离子在小间隙中被耗尽。较大的间隙将允许沉积更多的金属。但是，保持小间隙，使得每个单独的阳极仅写入与其位置正对的区域中。在间隙大于约1:1(间隙距离/阳极尺寸)时，电场从元件向外扩散，电镀面积大，并且可与相邻阳极的电镀重叠。

此类阳极可设置在阵列内，从而提供阳极像素阵列。顺便提及，在一些实施方案中，术语阳极像素是指包括惰性电极的结构，该惰性电极在工件上电镀期间用作阳极，但当金属从次级阳极电镀到惰性电极上时用作阴极。参见本文其他地方描述的对两步过程的讨论。

单个像素可限定沉积特征结构的整个区域，或者像素集合可以限定沉积特征结构的区域。在一个实施方案中，单个沉积区域包括共同限定单个沉积区域的形状和尺寸的多个像素。在一些实施方案中，阵列的每个像素可随机激活以基于在给定时间处被激活的像素集合来限定不同的沉积图案。

每个阳极或阳极像素可包括电极，诸如虚拟电极、有源电极或惰性电极。此外，每个电极可具有微型尺寸(例如，具有约1μm至1000μm或约10μm或更小的尺寸)。此类尺寸可包括半径、直径、圆周、宽度、长度、高度、倾斜高度、长轴、短轴、外周、多边形的两个相对顶点之间的距离、电极之间的间隙距离、中心到中心电极之间的距离、或其他横截面几何参数。

在一种情况下，电极是微电极。电极本身可以是任何有用的几何形状，诸如圆锥、圆柱、圆盘、管、直角棱柱、环形圆柱、半球、球体、三棱柱等。电极的横截面，例如最接近工件表面的电极横截面，可具有任何有用的几何形状，诸如圆形、椭圆形、正方形、矩形、三角形等。阵列内的每个阳极像素可具有任何有用的布置，诸如周期性、交错或随机布置。此外，阵列可由许多不同电极布置中的任一者组成，例如，一行电极或可限定矩形、圆形等的二维布置。

例如，如在图3C中所示，呈现给工件的电极横截面表示为圆形，并且电极的尺寸可包括圆形开口的半径305a或直径305b。在另一示例中，如图3D所示，呈现给工件的电极的横截面表示为矩形，并且电极的尺寸可以包括惰性电极319的宽度319a和长度319b。其他尺寸可以包括两个电极之间的间隙距离305c/319c和两个电极之间的中心到中心的距离305d/319d。

电极，包括微电极，可设置有衬底或作为衬底。在一种情况下，电极可以是从绝缘衬底的表面延伸的突出的导电结构。在另一种情况下，电极可以是平面电极，其中导电表面与周围的绝缘衬底共面。在又一情况下，电极可以为凹陷电极，其中导电表面从设置在周围绝缘衬底内的开口凹陷。在激活阳极后，在阳极的导电结构/表面和接地工件之间建立电场。

在一些情况下，电极是虚拟电极，其中具有一个或更多个开口的绝缘衬底被置于惰性阴极和工件之间。通过在惰性阴极和接地工件之间施加电流或电压，电场由绝缘表面内的开口限定。

在虚拟阳极和惰性阳极的情况下，3DEP设备可被配置为在阳极和表面之间具有非常小的间隙。否则，从源或虚拟源位置发出的电场和电流可合并在一起成为模糊的、失焦的电流分布图案，这继而导致模糊的镀层厚度分布。因此，系统和过程可采用受控程度的接近度焦点。图4示出了1μm阳极源在间隙尺寸增加时的一系列电场和电流分布计算机建模结果。大于阳极宽度与间隙的约1:1比率的间隙会降低分辨率并且无法聚焦。因此，在某个实施方案中，本文的设备、系统和方法包括间隙距离，其特征在于阳极尺寸(例如，开口或电极尺寸，诸如宽度、直径或本文所述的其他几何参数)与阳极和工件表面之间的间隙距离的比率为约0.5:1至1:0.1。在某些实施方案中，阳极尺寸(例如，阳极宽度)是电极面向工件的面或表面上的最大横截面尺寸。根据阳极形状，其可以是多边形的两个相对顶点之间的直径或距离。

在激活一个或更多个阳极或阳极像素(在阵列型沉积头的情况下)后，可将沉积特征结构沉积在晶种层的表面上。通过相对于施加到沉积头的阳极或一个或更多个阳极像素的正电势向晶种层施加负(阴极)电势，在工件上发生沉积。通常，将金属从电解液中的金属离子电沉积到金属化晶种工件上需要工件处于低于溶液中金属离子的还原电势的电势。例如，为将纯铜电镀到铜晶种层上，电解液应包含铜(而不是任何其他具有更正还原电势的金属)，并且使得金属膜的电势比铜还原电势更负/更阴。这通过在晶种层和选定的阳极(以及电解液)之间施加电势差来实现。控制器可向沉积头和选定的阳极和/或阳极像素中的一些(假设沉积头具有多于一个阳极)的控制装置提供控制信号以将其激活。

仍以铜为例，铜在晶种层上的沉积速率取决于在晶种层表面的各个点施加和存在的还原电位负的程度。换句话说，更负的电势通常对应于更快的电荷转移速率或将二价铜离子(Cu²⁺)还原为铜离子(Cu¹⁺)的高表面反应速率。沉积速率还取决于铜离子到达晶种层表面的传质阻力，这可随流动强度以及溶液的温度而降低。

沉积特征的形状和尺寸将由局部电极形状、电极在阳极内的布置、电极与表面的接近度、提供给特定位置的电流或电压的时间和大小、与电解液相关的各种处理条件等因素来限定。在一些示例中，阳极的形状以金属互连件的形式投射到晶种层上。

例如，影响电场线大小和模式的因素可影响沉积特征结构的尺寸和形状，其中因素可包括电极的形状。电极与工件的接近度可影响沉积特征结构的分辨率。例如，阳极和工件的晶种层可被定位成紧密地靠在一起，因此由阳极产生的电场不具有分散或扩散的空间，因此被聚焦(接近聚焦)并在与被激活的阳极紧邻的区域中高选择性地写入。

与电解液相关的因素可包括例如温度、电解液流速、电解液组成、pH等。在一种情况下，电解液对流的程度可影响某些金属掺入电沉积材料中的程度。例如，在对流程度相对较高的情况下，某些金属可更容易地掺入电沉积材料(例如铜-银或锡银合金)中。在其他情况下，可使用不同的流动模式来提供流体动力学条件，该流体动力学条件基于在电镀期间的任何给定时间处的特征结构形状来定制。例如，当特征结构具有高纵横比时可使用一个流动模式或一组流动模式，而当特征被更多填充并因此具有较低纵横比时可使用另一流动模式或一组流动模式。在一些实施方案中，可选择流动模式以在沉积过程中在沉积材料中实现相对均匀的组成(例如，银(或其他金属)的程度)(例如，使得深入沉积到特征结构中的材料具有与特征结构中较浅的稍晚沉积材料一致的组成)。

沉积特征结构可包括一种或多种导电材料。用于沉积特征结构的非限制性材料可包括铜(Cu)、镍(Ni)、钴(Co)、铁(Fe)、锡(Sn)、银(Ag)、金(Au)、锌(Zn)、镉(Cd)、铬(Cr)、钒(V)、钯(Pd)、铂(Pt)、铑(Rh)、钌(Ru)、铱(Ir)、铟(In)、铊(Tl)、铋、锑(Sb)、铅(Pb)、以及它们的组合或合金，诸如铜/钴、铜/镍、铜/铁/镍、铜/锡/银、镍/金、镍/钴/铁、锡/铅、锡/铟、锡/银或锡/铋。此类沉积特征结构可包括任何有用的金属化特征结构，诸如互连凸块、互连件、导线、线、再分布线(RDL)、硅通孔(TSV)的填充、二合一通孔、阻挡金属、覆盖膜、凸块下金属化(UBM)、柱(例如，具有或不具有覆盖层)、巨型柱、微柱、帽、含铅或无铅受控塌陷芯片连接(C4)凸块、微凸块、焊料凸块或焊球。在一些实施方案中，沉积特征结构的特征可在于纵横比通常约为1:1(高度比宽度)或更低，但它们的范围可能高达约2:1左右，而TSV结构可具有非常高的纵横比纵横比(例如，在约20:1附近)。在其他实施方案中，沉积特征结构可具有大于约2μm的尺寸并且主要尺寸通常为约5-200μm。在其他实施方案中，沉积特征结构可具有约0.5μm至100μm的横截面尺寸。

沉积特征结构可用于晶片级封装(WLP)和硅通孔(TSV)电连接技术。例如，沉积特征结构可包括具有各种尺寸特征结构的各种封装互连件，包括铜线、RDL和不同尺寸的柱，包括微柱、标准柱和集成高密度扇出(HDFO)和巨型柱。特征结构宽度的范围很广，其中这些方法对于较大的特征结构特别有用，诸如对于宽度为约1-300μm，如5μm(RDL)至约200μm(巨型柱)的特征结构特别有用。例如，可在制造具有多个宽度为约20μm的微柱的工件或具有多个宽度为约200μm的巨型柱的工件期间使用该方法。特征结构的纵横比可变化，并且在一些实施方案中为约1:2(高度比宽度)至2:1，以及更高。

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”可指在其上集成电路制造的许多阶段中的任一者期间的硅晶片。半导体器件行业中使用的晶片或衬底的直径通常为200mm、300mm或450mm。

此外，术语“电解液”、“电镀浴”、“浴”和“电镀溶液”可互换使用。电解液包括离子导电液体，例如含水液体。其包含至少一种从电解液镀覆到工件上以形成沉积特征结构的金属离子。电解液可包含其他组分，例如pH缓冲液、电导率增强组分(如酸)、金属离子络合剂、一种或多种有机电镀添加剂(例如，促进剂、抑制剂和/或整平剂)、以及这些组分中任一者的组合。在特定实施方案中，电解液包括本文中的任何金属。在一些实施方案中，金属包括易于进行电化学溶解的那些，例如Cu、Ni、Co、Sn，以及包括这些金属的合金。电解液可包含金属盐，例如其可包括硫酸铜水溶液。其还可包含酸以增加溶液电导率和改善溶液深镀能力(例如硫酸)，以及一种或多种不同添加剂类别的电镀添加剂(例如电镀促进剂、抑制剂、整平剂、晶粒细化剂等)。也可以使用如本领域已知的其他电解液。

本文的描述假设了实施方案在任何有用的工件上实施。工件可具有各种形状、尺寸和材料。除了半导体晶片之外，可利用本发明所公开的实施方案的其他工件包括多种制品，诸如印刷电路板、磁记录介质、磁记录传感器、反射镜、光学元件、微机械装置等。

在一些实施方案中，工件包括一个或更多个下伏层、布置在该一个或更多个下伏层上的阻挡层/粘附层和布置在阻挡层/粘附层上的金属晶种层。在一些示例中，金属晶种层包含沉积在均通过使用PVD沉积工具沉积的阻挡层/粘附层上的

铜(Cu)。在一些示例中，阻挡层/粘附层包括使用PVD沉积的

钽(Ta)。一层或多层可包括硅晶片、玻璃衬底、有机衬底等。

组件及其部件

在一些实施方案中，经济上有用的3DEP工艺需要在相当大的面积上同时电镀多个独立特征结构(例如，数万个或更多独立特征结构)。为了使这些特征结构中的每一个特征结构都产生期望的结构(例如，每个特征结构具有相同的结构)，它们需要在基本上相同的条件下产生。电镀的可变条件包括不同的间隙和不同的电解液条件(例如，金属离子浓度)。例如，要开始在5x5cm的面积(大约300mm晶片面积的1/30)上以100μm的间距开始沉积具有50μm宽特征结构的表面，250,000个特征结构中的每一个特征结构都可能具有多约50μm的均匀间隙和浓度足够高以支持高速沉积的电解液。假设间隙公差为10％或更小，则共面度偏差必须比5cm小+/-5μm，或小于+/-0.01％。此外，假设使用高金属含量的电解液(例如，铜为80g/L二价铜离子)，则计算示出间隙中的所有金属都将被消耗以形成仅约2.5μm高的柱/凸块。因此，本文还描述了硬件和控制器，其用于在间隙下方使电解液流动和补充以维持连续电镀操作而无需使工件和阳极移动分开，这可能是缓慢且低效的并且需要反复精确地回到相同的间隙和横向位置。本公开描述了使高速共面间隙寻找/形成能够开始生长并继续以使特征结构生长的硬件和工艺，使得工件到阳极的间隙在整个过程中受到控制并且间隙中的电解质得到有效补充。

可用于从微阳极或阳极阵列沉积的一种方法是首先使沉积头与工件直接接触。可以通过简单地用显微镜观察间隙，通过监测z运动控制设备的马达功率或扭矩，或者通过将测力传感器(如力传感器)作为设备的一部分来检测接触。这种方法的潜在困难是对工件的损坏，该损坏是两个表面之间的碰撞在工件的待电镀表面上导致的。划痕和金属缺失可导致电镀缺陷和良率损失。然后，该过程由定位机构的支撑通过将表面移动分开目标量以形成间隙来继续。这种方法的问题在于第一步对组件施加的压缩量通常未知，这导致所需的向后移动量未知。此外，如果两个表面在它们接触之前不完全共面，则表面的不同部分将比其他部分压缩得更多，并且在后退之后，将保持初始的非共面性或由于在间隙归零步骤中引入的可变压缩应力而被改变。最后，该过程在退回到特定目标间隙并开始电镀后继续。为了补充金属离子，周期性地使间隙变得非常大(例如，数毫米)以从阳极阵列周围吸入新的流体。将这种间歇电镀/间隙加宽过程重复数十或数百次以产生期望的电镀高度。

本文描述了一种组件，其包括沉积头和流量分配头(FDH)。FDH可包括硬件，该硬件被配置为形成流向沉积头和工件之间的间隙的电解液流，以及替代该间隙内的流体流动和对流。在各种实施方案中，FDH是任选的或不使用FDH。

具体地，沉积头包括一个或更多个微阳极，其可以是尺寸稳定的阳极和/或虚拟阳极。在一些情况下，沉积头包括阳极像素阵列。在任一情况下，一个或更多个阳极可设置在沉积头的近侧表面上，其中近侧表面面向工件。沉积头还可包括通过布线和控制电子设备(例如，具有用于由外部电源和控制器控制的端子连接的晶体管/开关)对阳极或阳极像素或内部阳极的各种连接件。例如，沉积头可包括具有互连层的衬底、控制装置阵列和阳极像素阵列。在一些示例中，控制装置包括开关诸如一个或更多个晶体管、保险丝和/或其他控制装置。在其他示例中，沉积头衬底被配置一次然后重新使用。在又一些示例中，控制装置包括开关/晶体管，其根据待由阳极产生的期望图案来配置和重新配置。互连层可提供路由和布线连接，其包括来自控制器、电源和/或位于沉积头衬底外部的其他装置的导体、迹线、通孔等。

该组件可包括一个或更多个控制器。例如，控制器可包括通过接线连接件到沉积头、阳极像素、内部阳极和/或控制电子设备的一个或更多个连接件。控制器可用于控制电子开关，向阳极像素或内部阳极施加电流或电压，和/或调制一个或更多个阳极像素的电流和电压。在另一种情况下，控制器可包括到FDH或到与FDH流体连通的流体元件的一个或更多个连接件。此类流体元件可包括流体阀、流体泵、流体计或其他流体传感器。在另一情况下，控制器可包括到本文所述的其他系统，诸如间隙测量系统或对准系统一个或更多个连接件。

该组件可包括间隙测量系统。此类系统可包括能够测量沉积头表面和阳极像素元件之间的相对于工件的间隙距离的硬件(例如，一个或更多个感测元件)。本文描述了此类系统的更多细节。

该组件可包括对准系统。此类系统可包括能够移动和定位组件以与工件表面对准的硬件(例如，一个或更多个致动器)。此类对准不仅可包括沉积头对工件的x定位、y定位和/或z定位，而且还可包括使沉积头或阵列的表面与工件表面共面。本文描述了此类系统的更多细节。

在一些实施方案中，间隙测量系统和对准系统采用感测元件、致动器(例如，机械致动器和/或压电致动器)以及感测元件和控制器到致动器之间的反馈以实现对准和/或共面性。

在具体实施方案中，沉积头与FDH、间隙测量系统和对准系统一起使用可允许在设备的大面积范围内高速电镀半导体级互连件，包括封装铜柱(具有或不具有覆盖层)、重新分布布线、高密度扇出型(HDFO)“管芯周围”高纵横比互连件有时被称为巨型柱(通常为200μm高)、C4焊料凸块等。

任选的FDH可用于补充电解液的流体流动，从而避免金属离子耗尽，并根据需要去除阳极反应产物(包括氧气)以避免气泡形成或其他有害影响。具体地讲，FDH允许流体从沉积头周围的区域引入和移除。如图5A所示，在一些实施方案中，FDH 502附接到沉积头501本身，其可以是a)永久地结合或b)以允许FDH被去除和重新附接的方式附接(例如使用螺钉或其他安装硬件)或c)附接使得FDH可以一定方式并使用其自己独立的定位控制硬件朝向或远离沉积头移动。该组合可被称为沉积头组件(DHA)500。

FDH可具有多个端口，其在使用中可用作入口或出口。在图5A-5B中，FDH包括位于沉积头501外部区域中的一个或更多个入口端口(503)和出口端口(504)。这些端口用于将电解液引入第一间隙506(在工件表面509和FDH 502之间)并进入第二间隙507(在工件表面509和沉积头501之间)中，以及用于形成去除反应产物并补充沉积头间隙中的反应物的流。

一般来讲，FDH间隙506将等于或大于沉积头间隙507，部分因为其可能位于工件上已经进行沉积的区域上方，并且留在此处的沉积特征结构可能大于后续电镀操作的期望的起始间隙。如前所述，通常可能需要以等于或小于待电镀或沉积特征结构的最小平面尺寸的间隙尺寸来开始该过程。例如，该间隙尺寸可能是目标柱特征结构的宽度，在一种情况下，对于宽度为25μm的特征结构，该间隙尺寸可能小于25μm。对于具有多于一个关键尺寸或具有变化尺寸的长线的特征结构，间隙可能小于最小横向长度。例如，长200μm、宽10μm的特征结构可能具有小于或等于10μm的间隙。

在又一示例中，如果在工件表面上电镀结构为100μm高和25μm宽，则沉积头间隙507的起始间隙应为25μm或更小。然而，如果落在FDH间隙506下的区域已通过这个沉积组件或另一个沉积组件镀覆有100μm的特征结构，则FDH间隙506应大于100μm特征结构尺寸以避免损坏已经沉积的特征结构。在两个间隙设置可通过独立的自动致动来独立设置的实施方案中，在相同衬底上对于先前处理的区域与原始(未沉积)区域可使用不同的FDH间隙。流体通过入口503被引入间隙中并冲击下面的衬底。流体然后可遵循三个路径中的一个路径：1)移动到并进入沉积头501下方的沉积头间隙507并且在FDH的相对侧处进入靠近出口504的FDH间隙，2)通常围绕在FDH间隙区域中的沉积头，以及3)穿过FDH间隙506进入FDH周围的开放空间508中并且返回到在沉积头和流量分配头的相对侧处的FDH间隙中。一个或更多个入口和出口可以以任何组合和相对位置同时使用，可用于在沉积头间隙下方形成更均匀的流动，以及随时间推移改变多个入口和出口之间的流的数量、位置和方向(每个入口均可通过改变DHA外部的阀调来用作出口，未示出)。图8中提供了一种此类使用，其在稍后进行描述。

图7A-7D示出了用于在工件上形成沉积结构的硬件和处理变型。工件可具有任何有用的材料和/或几何形状。非限制性工件可包括硅半导体晶片或面板。工件可包括其上的氧化硅层和/或导电晶种层。导电晶种层通常是金属的，并且通常包括铜、钽、镍或其混合物。在一些情况下也可使用其他金属。晶种层可具有介于约

之间的厚度。在沉积之后和蚀刻之前，优先电镀的特征结构可具有约0.25-250μm之间的厚度。在沉积之后，可使用化学蚀刻来蚀刻掉沉积特征结构之间不期望的晶种层。蚀刻之后，沉积的特征结构在空间上彼此隔开。单独的特征结构的高度可在约0.20-200μm之间。

转向图7A，可以使用一个或更多个沉积头组件来镀覆工件701(例如，圆形晶片)，其中每个DHA可在所有三个维度上独立移动。这些移动包括在平行于工件平面(x方向和y方向)的平面内移动，以将区域定位在沉积头下方来执行沉积操作，以及进出工件平面(z方向)的移动，以用于控制多个阳极像素与工件之间的间隙。沉积头组件(DHA)703可在工件上方移动并处理表面区域，然而不同的DHA同时处理不同的区域，从而减少在整个工件上完成沉积的时间。DHA 703或沉积头705中的每一者都可以在三个维度上独立移动。

在其他实施方案中，DHA是具有围绕多个沉积头的单个FDH的沉积杆(例如，印刷杆)。单个FDH可以是具有多个局部流量分配区域和相关联的多个沉积头、微阳极或阳极阵列的单个大框架，每个沉积头、微阳极或阳极阵列均被其相关联的局部流量分配端口的入口和出口包围。在一些实施方案中，沉积头可包括单个电极或电极阵列。在特定实施方案中，沉积杆可用于在工件上沉积，所述工件为圆形晶片或面板。

图7B-7C示出了使用作为沉积头组件的示例的多个沉积头杆704电镀的工件，该工件为晶片701或面板衬底702。沉积头组件704可包括具有多个局部流量分布区域706和相关联的多个微阳极或阳极阵列705的单个大结构，每个微阳极或阳极阵列均被其相关联的局部流量分布端口的入口和出口包围。

在所述实施方案中，沉积头组件704(沉积杆)包括多个沉积头705和提供单个大FDH功能的单个杆。每个沉积头705可以是尺寸稳定的阳极、虚拟阳极或阳极像素阵列。在一个实施方案中，构成杆704的多个沉积头705的相对位置布置在框架的平面内并且与杆固定并且彼此固定。然而，每个沉积头可包括用于在工件表面的平面内外并相对于框架定位的独立机构。一般来讲使用可在平面内一起移动但可独立地控制其沉积头间隙并在工件上并行操作的多个较小沉积头，允许在较大距离范围内更加局部和精确地控制阳极阵列元件和工件表面之间的间隙，同时以相对简单的有组织的线性处理(底部到顶部)方式进行操作。仅在衬底或沉积头上形成和保持小于数微米的非平面度运行是困难的，并且在整个300mm晶片或大得多的面板上实现长范围固定间隙尺寸和共面性可能非常困难。因此，将处理空间分成更小的处理区域组，每个区域组都具有自己的机械控制，以在单个沉积头范围内实现精细的分辨率共面性，这可能是有用的。根据期望的成膜操作模式，可以以连续或逐步的方式从衬底的底部到顶部扫描该杆。

在图7B-7C的杆实施方案中，在杆的每个沉积头705周围，DHA 704可以被一组流体端口(入口和出口)包围以在工件和DHA 704的每个单独沉积头705之间的间隙下方形成流动。参见图7D的详细信息。杆DHA包括重复流体流动结构706，其具有服务并围绕每个沉积头705的入口和出口。在一个实施方案中，对于所有活动沉积头，重复改变入口流动通道和出口流动通道的过程(以便改变穿过间隙的流动方向)。例如，在图7D中位于12点钟位置(相对于沉积头705)的所有入口通道706都可被配置和操作以具有同时的流动。它们可进一步被配置成具有相同的入口流量。一个或更多个入口通道可同时围绕杆的各种阵列操作。类似地，同一位置中的一个或更多个出口通道可同时并以相同的流量运行。在构型对称的情况下(在图7D中，入口/出口具有以90度间隔的双重对称)，具有相同对称位置的元件可以同时操作。

参见图8，进/出端口可被组织成三组等效对称阵列进/出结构801-804。FDH内的每个沉积头可具有第一端口阵列801，作为入口运行“A”秒的时间段，其中流体从第二端口阵列802流出。然后，入口和出口可分别切换到第三端口阵列803和第二端口阵列802并持续另一个时间段A；接着入口和出口分别切换到第四端口阵列804和第一阵列801；最后入口和出口分别切换到第二阵列802和第三阵列803。这样，对于在FDH的单个框架内的整个沉积头阵列可获得系统性流体流动。在这种情况下，时间段A的长度应足够短，以便在循环结束时通过所有使用的入口/出口流量配置(例如，四次A秒)，在该时间段期间特征结构的生长可小于期望的总特征结构大小、尺寸或高度的约10％、5％、3％、1％或更小。

最后，流动入口和出口中的每一者不必在任何时间以相同取向方式来操作，但在整个电镀过程中(例如，A时间段时间的四倍)确实需要在沉积头和工件之间的间隙中经历基本上相同的时间可变流动取向分布。因此，在一些实施方案中，与每个沉积头相关联的流动结构的循环时间段应该相同，但在流量分配头(或杆实施方案中的流量分配区域)之间可以不同。在图8的示例，若干沉积头中的每一个都可在任一个时间处从801-804流动，但是在一个流动方向上可具有相同的持续时间并且在相同的时间段处循环通过整组组合。需要强调的是，理想情况下，在电镀特征结构的高度没有显著变化的时间段内(例如在特征结构的高度改变小于约10％、5％、3％、1％或更小的时间段内)，间隙和沉积头下方的流动将经历来自所有方向的均匀流动并且具有相同的强度。沉积头阵列中用于控制流量并实时形成可变流动方向的多种流动通道入口和出口的源(用于一组多个独立移动头或固定在单个杆上的多个头)，可来自相对较小组的随时间变化的流动源，并对较大量组入口和出口进料。

DHA可包括间隙测量系统900，该间隙测量系统包括传感元件(例如，传感电极或微动开关)。图9A-9C中描绘了一个示例，其中一个或更多个微电极传感元件用于产生一个或更多个信号，该信号可用于确定沉积头和工件之间的局部距离(间隙902a/902b)。沉积头901可包括传感元件903a和载流线906a，其与金属化工件904和工件表面904a一起操作。沉积头901还可以包括供电电路和传感电路。电解质填充传感元件903a和表面904a之间的间隙。在此类实施方案中，测量传感元件903a和工件904的下方部分之间的区域(间隙)的阻抗，这允许基于电解质的电阻率来确定间隙距离902a。在一些实施方案中，存在到传感元件903a的表面的载流引线906a和用于感测传感元件903a附近的电压的第二平行非载流引线906b。用非载流导线906b感测电压响应消除了电流引线中的电压降(这可能是显著的并且等于或大于间隙902a两端的电阻)，否则使得间隙的测量更加困难。例如，它可避免必须包括任何开关晶体管两端的欧姆电压降的贡献(如果存在的话，例如，如果该元件也用于电镀特征结构)，以及电源引线906b电阻制造时的任何线路电阻变化，从而使得间隙信号的确定更加复杂，甚至不可能解卷积。另选地，监测电路使用单根引线906a来承载电流，但是感测引线在开关晶体管之后连接到载流线。

一个或更多个传感元件的输入信号波可用于确定局部间隙。输入可以是电压控制或电流控制的输入，其中相应的电路响应电信号(对于电压输入而言为电流或反之亦然)被监测和分析。在一些实施方案中，使用交变或脉冲电输入波或串并且分析该响应。在另一个实施方案中，输入白噪声，并且分析输入信号和响应的傅里叶变换。

在一些实施方案中，传感电流从一个或更多个传感元件903a流过间隙902a或902b并流过工件表面904a。在其他实施方案中(如图9B所示)，传感电流流过传感元件903a和表面上和通用工件904下方的凸块或突起904b(任选地由先前以特征结构生长模式操作的电极产生/生长)。在其他实施方案中(如图9C所示)，传感电流在两个或更多个传感元件903a/b之间流过电解质，并且在平行于沉积头和工件的大致方向上在较小程度上流入、穿过和流出金属化工件904的表面904a，以在传感元件903a/c和工件904的表面904a之间提供间隙902a/c。在第一种情况下(信号通过衬底的单电极)，电解质在间隙中的电流流动的主要阻力与电解液的比电阻、传感元件的横截面积和到表面间隙902a的传感元件有关(图9A)。该布置的电容与电解液的介电常数、电极的尺寸以及电极与工件之间的间隙和/或电极感应对之间的间隙有关。如果电极还用于单独的操作中以使特征结构生长，则这些方法可能对特征结构904b和间隙902b的存在敏感，并且在较小程度上对工件904的间隙902a敏感。一般来讲，间隙中电电解液的电阻与电解液中溶解的离子物质(离子强度)的浓度大致成正比，但系统间隙和特征配置的电容与溶剂的基本介电常数有关(例如，水)。通过分析对输入电扰动波的响应的同相分量(电阻或电阻的实分量)和异相分量(电容/电阻的虚分量)，通常可获得足够的信息来确定突出特征结构904b和传感元件903a之间的间隙902b以及到工件904的间隙902a两者。

感测波的电压或电流扰动的大小(幅度)可能较小，例如输入电压波为几到几十毫伏，诸如约10mV或更小，或者导致几十毫伏响应的适当大小的电流波。例如，相对小的电流扰动驱动惰性阳极表面和衬底或衬底上的特征结构之间的小电压差。通过使电压相对于驱动阳极阵列电极或衬底上的电镀所需的电势保持较小，仅在每个表面以双电层的形式发生极化电荷的积累。这避免了不期望的电荷转移反应(例如，金属的电镀或腐蚀)以及衬底或传感电极被电镀金属或金属腐蚀改性。因为电极像素和表面之间的间隙，因此电解质电阻，相对于界面电荷转移电阻非常小，所以等效电路的基本时间常数非常小/短，并且需要非常高的频率来超过这个时间常数并测量间隙电阻。因此，通常使用高频输入波，诸如中至高射频范围内的波是常用的。例如优选约100kH至10MHz，或约1Mhz至5MHz，或约2MHz至5MHz的频率。

为了实现自动放置和控制工件和沉积头之间的小尺寸(例如，小于约100μm或50μm)间隙，使其在整个大沉积头上相同(例如，由共面性确定，例如，在50mm x 50mm的面积范围内)，需要精确定位的硬件和工艺与上述间隙传感设备协同工作。对于包含一个或更多个小阳极或惰性阳极阵列的DHA(作为沉积头)，可使用粗定位致动器，诸如基于线性螺杆的致动器或步进驱动器，将DHA远离表面移动足够的距离以允许插入和除去工件，如晶片或面板。此类DHA还可包括一个或更多个精细定位致动器，如压电致动器或基于高精度线性螺杆的致动器。因此，DHA可与包括粗调致动器和精细致动器元件的对准系统结合使用。在一些实施方案中，一个或更多个精细定位致动器具有至少约5μm或至少约1μm的精度。

参见10A-10B和图11A-11B，为简单明了起见，在没有某些内部部件细节的情况下示出具有垂直定位和共面控制能力的DHA 1000的元件。DHA 1000包括设置在沉积头1001的面向工件1007的近侧表面上的阳极像素阵列1001a(例如，惰性阳极阵列)；在沉积头1001的近侧表面上或作为沉积头1001的一部分(到电源控制系统的电连接件未示出)的一个或更多个间隙传感元件(未具体示出)，其中惰性阳极阵列1001a在其表面上；外周FDH1002(到流量控制系统的流体连接件的细节未示出)；具有较长运行距离的竖直位置致动器1003的安装组件1005，包括带有马达和齿轮1006的定位螺钉1004；并且其中，安装组件1005还附接到可上下移动的升降基板1009。升降基板1009继而可附接到FDH 1002和三个或更多个精细(例如，小于约1μm)分辨率致动器元件1010a/b/c。致动器元件继而附接到沉积头1001，从而允许其上下移动并且还通过独立地改变1010a/b/c中的每一个使得阳极阵列1001a的前表面的空间平面相对于工件和DHA的剩余部分而改变。垂直位置致动器1003用于将整个DHA(沉积头1001、FDH 1002和其他部分)朝向或远离工件1007移动，从而允许对沉积头1001和工件1007之间的间隙1008a的尺寸进行相对粗略的调整。同样，沉积头1001仅通过精细致动器1010a/b/c附接到升降底板1009，从而允许沉积头1001的移动独立于DHA的其余部分及其平均平面的法线。在一个优选实施方案中，精细定位致动器可以是压电致动器或致动器的串联组合(以扩展装置的运动范围)。在特定实施方案中，使用粗调和精细调整可提供期望的FDH间隙1008b(在FDH 1002的近侧表面和工件1007的表面之间)和/或期望的沉积头间隙1108a(在沉积头1001的近侧表面和工件1007的表面之间)。在特定实施方案中，FDH间隙大于沉积头间隙。

在典型的操作中(例如，如图10A-10B所示)，在将工件放置在DHA下方之后，DHA移动到表面附近并使用长行程垂直定位致动器1003量工件1007和DHA 1000之间的间隙减小至200μm到2000pm之间的间隙大小。如果在该步骤之前表面上没有电解液来填充间隙，则此时工件和阳极阵列之间的间隙被从FDF流动并递送至间隙的流体淹没。可以使用传感元件(包括如前所述并参考图9A-9C所述的那些)来确定间隙尺寸。在一个实施方案中，最少三个传感器，每个都靠近图1010a/b/c中的压电致动器。如图11A-11B所示，在沉积头上或阳极像素阵列内的不同点处，随着压电体通电测量间隙以减小间隙直至达到目标间隙尺寸。例如，压电元件的运动继续直到每个传感器间隙指示目标间隙1008(例如，10μm至50μm或10μm至25μm)。每对传感器和执行器的动作可以是独立的，并且每个都具有带有算法的控制器，以用于减小尺寸和保持间隙尺寸到目标尺寸。

对于采用惰性阳极或虚拟阳极的实施方案，可配置沉积头，如图12A-12B所示，其具有阳极像素阵列。通过该结构，每个阳极1201可被配置或激活以沉积单个特征结构1204，或者被配置或激活使得多个较小阳极的组被一致地打开1202或关闭1203以沉积单个特征结构1205。图12A中的前一构型允许尺寸在特征尺寸量级的相对较大的阳极，但以此类方式生产的沉积头只能用于单个管芯设计或一小部分非常相似的管芯设计，因为每个特征结构1204的位置由相应阳极的位置来确定。

通过采用具有更大量相对较小阳极像素的沉积头，如图12B所示，特征结构可通过这些阳极的组来沉积，因此特征结构1205的位置仅由沉积工艺的程序确定并且区域1206可简单地通过留下像素而留空。后一种方法具有几个优点：1)特征结构尺寸和位置的灵活性允许单个沉积头设计用于任何管芯设计，以及2)在沉积过程中可改变哪些阳极是有源的以改变特征结构直径、位置等。具体地讲，在优化沉积过程中可能需要改变特征结构尺寸。如本文所讨论的，阳极和工件之间电流分布的扩散可能是一个重要的问题，特别是在工艺开始时。因此，以较小的有源阳极区域开始沉积过程以将电流局限于工件上的较小区域可能是有利的。然后，一旦开始形成特征结构，就可以打开初始位置周围的更多阳极，以将特征结构加宽到期望尺寸，但不会大大增加沉积特征结构周围场中的沉积。在待沉积多种金属的情况下，可以使用类似的方法。第二种金属可用比第一种金属更小的阳极组来沉积，以促进在第一种金属顶部的沉积并使已沉积特征结构侧面上的沉积最小化。

参见图13A-C，在一些实施方案中，使用两步电镀工艺在衬底上形成结构。在这些情况下，该装置包含用于将金属电镀到沉积阵列的像素上的附加二次电极元件。在操作期间，DHA与衬底、二次电极或上述两者电解连接和连通，但在DHA电镀期间与次级电极连通，并且在电镀到衬底上期间与衬底连通。在某些实施方案中，阳极阵列包含二次阳极，其在阳极阵列组件的外周，或在一些情况下附接至阳极阵列组件或为阳极阵列组件的一部分。

图13A中描绘了此类实施方案的示例，其中沉积头1321包含附接的二次电极1325。因此，二次电极1325连同沉积头1321一起移动。在此类实施方案中，沉积头1321在电镀到沉积头的惰性电极上期间比在从沉积头电镀到衬底上期间更远离衬底1325定位。这些位置之间的移动由图13A中的垂直箭头描绘。

在其他实施例中，沉积头与二次阳极分开。图13B中描绘了此类实施方案的示例，其示出了说明衬底1323上方的沉积头1321的顶视图。如图所示，二次电极1327横向偏离衬底1323。在第一步期间，沉积头1321在其作为阴极工作时在二次电极1327上方移动并且将金属电镀到惰性电极上。在第二步期间，沉积头1321在其像素作为阳极工作时在衬底1323上方移动并将惰性电极上的金属电镀到衬底上。

预期其他配置。例如，二次电极可从沉积头分离并设置在沉积头上方。在操作期间，沉积头可在靠近二次电极的位置(用于电镀到惰性电极上)和靠近衬底的位置(用于从惰性电极电镀到衬底上)之间在z方向上移动。在其他示例中，二次电极附接到沉积头，并且沉积头在衬底上方的位置之间横向移动(用于从惰性电极电镀到衬底上)和远离基板横向偏移(用于电镀到惰性电极上)。

在操作中，在设备已经接收到具有晶种层的工件之后，系统在衬底、工件和二次电极之间的区域中可被电解质淹没。二次电极可以是惰性阳极或有源金属电极，其由处于电解质中并被电镀到衬底上的可电镀金属组成。此外，(阳极像素的)惰性电极设置在介电材料的腔或孔中，在该过程中电镀金属被填充到其中或从中移除。参见图13C，其中由绝缘介电材料构成的衬底1331具有多个腔或孔。每个空腔或孔具有设置在一端处的惰性电极1333。每个惰性电极1333可通过单独的电导线1335独立地电寻址。

在第一步中，将金属电镀到阳极像素的一个或更多个惰性电极上至目标厚度，通常等于或小于像素孔的深度。在图13C的实施方案中，此类电镀金属由层1337示出。如所指示的，像素尺寸稳定的金属(即，惰性电极)可被图案化的介电材料包围，其中金属在其底部暴露。在该步骤期间，头组件的位置被设置为不靠近衬底的第一目标位置。在某些实施方案中，该步骤中衬底和DHA之间的这种距离可大于DHA的最小平面尺寸，并允许电流在衬底和DHA之间的间隙空间内以自由且基本上均匀的方式从二次电极传递到DHA像素。例如，如果DHA的宽度为25cm且长度为100cm，则25cm的间隙将是合适的。在电镀到像素中期间，印刷头和工件之间的间隔可大于电流必须行进的最大距离(因此最小是印刷头的最小横向尺寸)以便不在工件中引起电压梯度。

使用跨所有像素的恒定电流密度，将电解质金属从电解液中的离子金属电镀到各种惰性电极上。这在所有惰性电极上产生恒定量的金属镀层。在其他情况下，在该步骤中电镀的金属量在惰性电极上可能是不均匀的，例如以允许校正可随工艺变化的像素之间的电流效率。

在用金属填充像素孔之后，头部移动并定位到靠近工件的第二目标位置。如参考所讨论的，头部和电镀表面之间的距离可小于被电镀特征结构的尺寸。例如，为了电镀50μm的圆形柱，该步骤中的间隙可小于约50μm。这个距离最初是晶种衬底和DHA之间的距离，但结构已经生长的过程后期，该距离是DHA和沉积结构顶部之间的距离。间隙在整个过程的每个周期中不需要相同，而是可被编程为响应于多种可编程的期望需求而改变。然后惰性电极被激活，通过合适的电源使之成为衬底的阳极，并且金属被沉积到每个有源像素表面下方的衬底上，其可由具有孔的绝缘衬底的表面限定。如果在电镀到惰性电极上的金属耗尽之前没有达到结构的目标厚度(或者如果需要的话)，则终止衬底上电镀步骤，并且将头部远离表面移动并移至第一个目标位置，此后重复该过程。从而以循环逐步的方式执行该过程，直到达到目标特征厚度。

系统

本文还公开了采用DHA的系统。图14提供了系统1400，其包括具有阳极像素阵列1401a的沉积头1401、FDH 1402、传感元件1403、致动器元件1404、附接到升降基板1409的安装组件1405、附接到沉积头1401的升降基板1409和控制器1410。另选地，传感元件1403被配置为一个或更多个传感电极的阵列1401a的一个或更多个电极代替。系统1401还可包括通过泵1422和阀1420与FDH 1402流体连通的电解质源1424。控制器1410可电连接到系统1400,的任何部件，如阀1420和/或泵1422以向FDH 1402提供电解液；沉积头1401，其可包括操作一个或更多个阳极像素、传感元件或用作传感元件的阳极像素的电路；用于使沉积头的近侧表面相对于接地的工件1407的金属化表面1407a对准和定位的致动器元件1404；和/或用于操作致动器、螺杆和/或马达以定位DHA的安装组件1405。

该系统可包括用于将电解液从大容量储存容器控制递送到FDH的硬件(例如，泵、管、过滤器等)。该设备可包括支持通向FDH内端口的同时独立流体通道的特征结构。该系统可包括用于控制热量去除或添加的元件，以及用于电解液、工件、沉积头或上述两者的温度控制的元件。该设备可被设计成使得沉积头和工件上方的区域基本上密封(例如，形成室)，使得沉积头周围空间和/或沉积头与晶片之间的间隙中的大气环境在温度和/或存在的气体方面受到控制。例如，环境室可用于去除不需要的气体(例如，氧气)。在这些或其他示例中，可将一种或多种气体(例如，反应性或惰性)添加到室中，例如以与工件反应或产生惰性气氛(例如，氩气)。在这些或其他示例中，该装置可包括调节气氛的硬件，以便包含受控量的蒸发电解质和/或在受控条件下进行沉积。其他常见的设备特征结构可包括流体条件递送控制设备(例如，加热器/冷却器和热交换器、液位控制器等)和反馈控制计量学，例如用于调节流体递送(例如，使用衬底上液体膜的光学分析)。多通道功率和/或功率开关装置也被设想为能够对沉积头阵列进行开-关控制，以在更大的沉积头内进行单独操作。

控制器可用于控制与沉积头、阀、泵、间隙传感元件或对准系统的致动器相关联的控制装置或其他电路的状态。对准系统或另一定位系统可用于定位工件、沉积头和/或阳极像素阵列。在一些示例中，对准或定位系统定位工件、沉积头和/或阳极像素阵列，然后执行金属互连件的沉积。然后，对准或定位系统重新定位工件、沉积头和/或阳极像素阵列，然后在同一工件上执行金属互连件的沉积。该过程可涉及电镀、停止电镀、移动，然后再次电镀。另选地，该过程可能涉及简单地相对于沉积头以恒定的速度连续移动工件，其中阳极通电/开启或以可随时间变化的速度移动时。相对运动的方向也可在电镀过程中发生变化。可对同一工件重复这些工艺步骤一次或多次，以形成金属互连件的图案。

在一些实施方式中，控制器是系统的一部分，其可以是本文所述的任何示例的一部分。此类系统可包括半导体处理设备，其包括一个或更多个处理工具、一个或更多个室、一个或更多个用于处理的平台和/或特定处理部件(晶片基座、气流系统等)。这些系统可与电子设备集成以用于在处理半导体工件、晶片或衬底之前、期间和之后控制它们的操作。电子设备可被称为“控制器”，其可控制一个或更多个系统的各种部件或子部分。根据处理要求和/或系统类型，控制器可被编程以控制本文所公开的过程中的任一者，包括电解液的递送、DHA或其部件的定位、激活一个或更多个阳极像素或阳极像素组、感测DHA和工件之间的一个或更多个间隙、蚀刻晶种层/阻挡层等。

概括地说，控制器可被定义为电子器件，电子器件具有接收指令、发出指令、控制操作、启用清洁操作、启用端点测量等的各种集成电路、逻辑、存储器和/或软件。集成电路可以包括存储程序指令的固件形式的芯片、数字信号处理器(DSP)、定义为专用集成电路(ASIC)的芯片、和/或一个或更多个微处理器、或执行程序指令(例如，软件)的微控制器。程序指令可以是以各种单独设置(或程序文件)的形式发送到控制器的指令，单独设置(或程序文件)定义用于在半导体晶片或系统上或针对半导体晶片或系统执行特定处理的操作参数。在一些实施方案中，操作参数可以是由工艺工程师定义的配方的一部分，以在一或多个(种)沉积特征结构、层、材料、金属、氧化物、硅、二氧化硅、表面、电路和/或晶片的管芯或其他工件的制造期间完成一个或更多个处理步骤。

在一些实现方案中，控制器可以是与系统集成、耦合到系统、以其它方式联网到系统或其组合的计算机的一部分或耦合到该计算机。例如，控制器可以在“云”中或是晶片厂(fab)主机系统的全部或一部分，其可以允许对晶片处理的远程访问。计算机可以实现对系统的远程访问以监视制造操作的当前进展、检查过去制造操作的历史、检查多个制造操作的趋势或性能标准，以改变当前处理的参数、设置处理步骤以跟随当前的处理、或者开始新的处理。在一些示例中，远程计算机(例如服务器)可以通过网络(其可以包括本地网络或因特网)向系统提供处理配方。远程计算机可以包括使得能够输入或编程参数和/或设置的用户界面，然后将该参数和/或设置从远程计算机发送到系统。在一些示例中，控制器接收数据形式的指令，其指定在一个或更多个操作期间要执行的每个处理步骤的参数。应当理解，参数可以特定于要执行的处理的类型和工具的类型，控制器被配置为与该工具接口或控制该工具。因此，如上所述，控制器可以是例如通过包括联网在一起并朝着共同目的(例如本文所述的处理和控制)工作的一个或更多个分立的控制器而呈分布式。用于这种目的的分布式控制器的示例是在与远程(例如在平台级或作为远程计算机的一部分)的一个或更多个集成电路通信的室上的一个或更多个集成电路，其组合以控制在室上的处理。

示例系统可以包括但不限于具有沉积头组件的3DEP室、等离子体蚀刻室或模块、沉积室或模块、旋转漂洗室或模块、金属电镀室或模块、清洁室或模块、倒角边缘蚀刻室或模块、物理气相沉积(PVD)室或模块、化学气相沉积(CVD)室或模块、原子层沉积(ALD)室或模块、原子层蚀刻(ALE)室或模块、离子注入室或模块、轨道室或模块、以及可以与半导体晶片的制造和/或制备相关联或用于半导体晶片的制造和/或制备的任何其它半导体处理系统。

如上所述，根据将由工具执行的一个或更多个处理步骤，控制器可以与一个或更多个其他工具电路或模块、其它工具部件、群集工具、其他工具接口、相邻工具、邻近工具、位于整个工厂中的工具、主计算机、另一控制器、或在将晶片容器往返半导体制造工厂中的工具位置和/或装载口运输的材料运输中使用的工具通信。

方法

本文还公开了可采用所述的任何设备、组件或系统的方法。在一些实施方案中，如图15所示，一种方法通过接收1501工件开始，该工件包括设置在其表面上的晶种层，其中该晶种层是导电的；将沉积头靠近工件的表面定位1502，其中该沉积头任选地包括阳极像素阵列；通过流体分配头(FDH)将电解液递送1503至阳极像素，其中FDH被配置为包围该阵列；通过向阵列提供电流和/或电压或提供工件和阵列之间的电势差来激活1504一个或更多个阳极像素，从而在第一位置提处供沉积特征结构。

该方法可包括确定1505第一沉积特征是否满足目标特征结构尺寸和/或目标形状。如果不满足目标特征结构，则可以重复操作1502-1505任意n次直到满足此类期望条件。如果满足目标特征结构，则可将沉积头重新定位到工件上的另一个位置以延伸第一沉积特征结构(例如，将连接在第一位置之间的导线延伸到其他位置)或提供第二沉积特征结构。为了继续沉积，可以进行操作1503-1504，并且如果不沉积目标特征结构，则可重复操作1502-1504。一旦沉积完成，就可通过蚀刻去除残余的或不希望的晶种层/阻挡层，从而分离沉积的特征结构。

图16示出了通过使用两步电镀-去镀工艺将特征结构电镀到工件上的工艺1601。如图所示，该过程开始于操作1603，其中电镀系统接收具有形成在至少一个表面上的导电晶种层的工件。如所指出的，此类工件可以为含有半导体的晶片或在其上具有一个或更多个电子器件或部分制造的电子器件的其他衬底。在接收工件之后，电镀系统在沉积头(如本文所述)和二次阳极之间输送电解质。参见操作1605。二次阳极可包含消耗性金属，如铜，或者其可包含对后续操作中遇到的电化学环境有效惰性的金属。

如果沉积头尚未靠近二次电极，则在操作1607中将其置于附近。在该位置，沉积头可与二次电极但不与工件发生电化学相互作用，或者其可与二次电极和工件两者发生电化学相互作用。可采用如本文所述的间隙测量系统和/或对准系统以确保沉积头相对于二次电极正确地移动和定位。在该位置，沉积头不靠近工件，以确保在下一个操作1609期间在工件上不形成电压梯度。

在沉积头定位在二次电极的有限近侧之后，电镀系统电激活二次电极和/或沉积头的惰性电极。参见操作1609。这种激活允许金属电镀到沉积头的惰性电极上。换句话说，惰性电极作为二次电极阳极的阴极。如其他地方所述，沉积头可包括凹槽或腔，该凹槽或腔将电镀金属限定在邻近惰性电极的有限空间。在一些情况下，惰性电极、沉积头上介电材料中的相邻凹陷以及相关联的电引线的组合限定了沉积头的阳极像素。

接下来，系统将沉积头远离二次电极并靠近工件移动。参见操作1611。可采用如本文所述的间隙测量系统和/或对准系统以确保沉积头相对于工件正确地移动和定位。

在该位置中，系统可再次电激活惰性电极，但是这次以导致惰性电极作为阳极操作而工件作为阴极操作的方式。参见操作1613。这导致先前沉积在惰性电极上的金属(当它们在二次电极附近被激活时)电镀到工件上。

在部分或全部可消耗金属从惰性电极上的电镀到工件上之后，停止电激活。在电镀到衬底上期间或之后，电镀系统确定电镀特征结构(有时称为印刷特征结构)是否满足尺寸和/或形状的目标规范。参见操作1615。该确定可使用如本文所述的间隙测量系统或方法来进行。

如果确定示出特征满足规格，则终止主过程。如果确定示出特征结构尚未生长到满足规格，则执行附加的循环。换句话说，过程控制返回到操作1607，其中将沉积头重新定位在二次电极附近(远离工件)。从那里，重复操作1607-1615。

在执行一个或更多个此类循环之后的某一时刻，系统确定工件上电镀的特征结构满足适当的尺寸和/或形状规格。在这一点上，该过程可以终止。然而，在一些实施方案中，一个或更多个附加操作由系统(或相关联的下游系统)执行。

在一些实施方案中，沉积头仅足够大(或仅具有足够数量的阳极像素)以电镀必须电镀在工件上的特征结构的子集。在此类实施方案中，该过程任选地包括再次执行操作1607-1615一次或多次但在工件的不同区域处执行以在工件上沉积特征结构的不同子集的附加操作。参见操作1617。根据工件和沉积头的相对尺寸，该过程可重复多次。例如，如果一个过程需要在工件上电镀400,000个特征结构，然而沉积头仅包含120,000个阳极像素，则该过程体现为操作1607-1615可执行四次，每次针对沉积头相对于工件的不同位置。

在一些实施方案中，在本文所述的先前操作完成之后，系统蚀刻位于工件上沉积特征结构的区域之外的晶种层的一些或全部。参见操作1619。

一般来讲，间隙的测量可完全与电镀过程分开，即可测量表面间隙并在不进行电镀的情况下实现对准，然后将头部移动到像素填充步骤，然后可移动头部到开始在衬底上电镀的目标起始间隙。此后可以(或可以不)进行另一次测量。如果该过程足够均匀并且定位硬件准确且可重复，则这是对该过程的最低要求。

在一些实施方案中，系统测量间隙并基于对虚拟晶片或第一晶片的测量进行任何适当的对准，或者如果头部小于晶片，则跨越虚拟/第一晶片上方的各个位置，存储该信息。此后，如果系统的可重复性非常好(例如，其可保持在大约1um内)，则可确定整体机械位置并重新用于后续工件。因此，用于初始对准的工件可以是专用对准衬底或预先处理的生产工件。

结论

本文所述的技术能够以非常小的规模以高精度(例如，<0.5μm)形成细线互连件、焊盘和其他金属特征结构。有利地，这些技术可在没有关于图1所述的常规工艺流程中使用的许多常规工艺、设备和材料的情况下实施。例如，本文的技术不需要使用光致抗蚀剂、光刻工具、光致抗蚀剂烘烤设备、光致抗蚀剂固化设备、光掩模、显影化学品和工具、氧等离子体除渣设备或光致抗蚀剂清洁和剥离设备。因此，与细线互连件、焊盘和其他金属特征结构的形成相关联的拥有和处理成本显著降低。

尽管为了清楚理解的目的已经对前述实施方案进行了一些详细描述，但是显而易见的是可在所附权利要求的范围内实施某些改变和修改。应当注意，存在实现本发明实施方案的过程、系统和设备的许多替代方式。因此，本发明实施方案应被认为是说明性的而非限制性的，并且实施方案不限于本文给出的细节。

Claims (29)

1.一种组件，其包括：

沉积头，所述沉积头包括设置在所述沉积头的近侧表面上的阳极像素阵列，其中所述阳极像素阵列包括多个惰性电极和多个控制装置，所述控制装置被配置为向所述多个惰性电极中选定的一个或更多个电极提供电流；

间隙测量系统，所述间隙测量系统包括一个或更多个传感元件，其中所述间隙测量系统被配置为通过测量一个或更多个传感元件中的至少一个传感元件与工件的下面部分之间的区域的阻抗来测量所述沉积头的所述近侧表面与工件表面之间的距离；以及

控制器，所述控制器连接到所述沉积头并被配置为向所述阵列提供电流和/或电压或在所述工件和所述阵列之间提供电势差，从而形成由一个或更多个阳极像素限定的电场。

2.根据权利要求1所述的组件，其还包括对准系统，所述对准系统包括：

多个精细致动器元件，所述多个精细致动器元件附接至所述沉积头，其中所述精细致动器元件被配置成将所述沉积头的所述近侧表面定位在距所述工件表面第一间隙距离内和/或使所述沉积头的所述近侧表面位于平行于所述工件表面的平面上。

3.根据权利要求2所述的组件，其中所述对准系统被配置成控制沿五个轴的运动，所述五个轴包括三个相互垂直的线性轴和两个旋转轴，所述两个旋转轴被取向成使得所述沉积头平面度可以相对于所述工件调节。

4.根据权利要求3所述的组件，其中所述对准系统被配置成通过一组以三角形布置的三个精细致动器元件或者以三角形布置的两个精细致动器元件与第三固定点来控制沿所述两个旋转轴的运动。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的组件，其中所述一个或更多个传感元件中的至少一个传感元件设置在所述沉积头的所述近侧表面上并且电连接到电路以确定所述传感元件与所述工件表面之间的距离。

6.根据前述权利要求中任一项所述的组件，其中所述一个或更多个传感元件中的至少一个传感元件电耦合到供电电路和传感电路。

7.根据权利要求6所述的组件，其中所述至少一个传感元件包括所述多个惰性电极中的一个惰性电极。

8.根据前述权利要求中任一项所述的组件，其中所述控制器被配置为以提供沉积特征结构的方式供应电流和/或电压或供应电势差，并且其中所述沉积特征结构由单个阳极像素沉积或由多个阳极像素沉积。

9.根据权利要求8所述的组件，其中所述控制器被配置为引起：将电流、电压或电势差提供给一组邻接的阳极像素以限定所述沉积特征结构的形状或尺寸。

10.根据前述权利要求中任一项所述的组件，其还包括电耦合到所述多个惰性电极的供电电路，其中所述供电电路被配置为施加第一电势和/或电流以使所述惰性电极用作相对于所述工件的阳极，并且施加第二电势和/或电流以使所述惰性电极用作相对于二次电极的阴极。

11.根据权利要求10所述的组件，其中所述二次电极包括电镀到所述惰性电极上的金属。

12.根据前述权利要求中任一项所述的组件，其中所述间隙测量系统被配置为通过将输入信号波施加到所述至少一个传感元件来测量介于所述至少一个传感元件与所述工件的下方部分之间的区域的阻抗。

13.根据权利要求12所述的组件，其中所述输入信号波具有大约1毫伏至100毫伏的幅度。

14.根据权利要求12所述的组件，其中所述输入信号波具有约100kHz至10MHz的频率。

15.根据权利要求12所述的组件，其中所述输入信号波具有约1MHz至10MHz的频率。

16.根据前述权利要求中任一项所述的组件，其中所述控制器还被配置为使用从所述间隙测量系统测得的距离来保持所述沉积头的近侧表面与所述工件上的生长沉积特征结构的表面之间的距离。

17.根据权利要求16所述的组件，其中所述控制器还被配置成保持所述沉积头的近侧表面和所述工件上的生长沉积特征结构的表面之间的恒定距离。

18.根据权利要求16所述的组件，所述控制器和/或所述间隙测量系统采用将阻抗信息与所述沉积头的近侧表面和所述工件上的生长沉积特征结构的表面之间的距离相关联的经验模型。

19.根据前述权利要求中任一项所述的组件，其中所述多个惰性电极凹陷在绝缘工件中的孔内，从而允许金属从二次电极电镀到所述多个惰性电极上并从所述多个惰性电极上退镀到工件上。

20.根据权利要求19所述的组件，其中所述绝缘工件中的孔限制了电镀到所述多个惰性电极上的金属的位置。

21.一种将多个横向分离的特征结构电镀到工件上的方法，所述方法包括：

(a)将沉积头定位在第一位置处，并且当处于所述第一位置时，将金属电镀到所述沉积头的多个阳极像素的多个惰性电极上；

(b)在(a)之前或之后，测量所述沉积头与所述工件或定位在所述工件位置处的另一衬底之间的间隙，其中测量所述间隙包括确定所述间隙附近的电解液的阻抗；以及

(c)通过使用从(b)测得的间隙，将所述沉积头定位在靠近所述工件的第二位置，并且当处于第二位置时，将金属从所述多个惰性电极电镀到所述工件上以至少部分地形成横向分离的特征结构。

22.根据权利要求21所述的方法，所述方法还包括：

(d)确定所述多个横向分离的特征结构尚未完全形成；以及

(e)重复操作(a)、(b)和(c)。

23.根据权利要求21或22所述的方法，其还包括在将沉积头定位在所述第一位置之后，并且在将金属电镀到所述多个惰性电极上之前，在所述沉积头和所述工件之间递送电解液。

24.根据权利要求21-23中任一项所述的方法，其还包括将沉积物移动到靠近所述工件的第三位置并且将附加的多个特征结构电镀到所述工件上。

25.根据权利要求21-24中任一项所述的方法，其还包括蚀刻所述工件上的导电晶种层的一部分。

26.根据权利要求21-25中任一项所述的方法，其中测量所述工件和所述沉积头之间的所述间隙包括在三个或更多个不在一条直线上的单独位置处测量间隙。

27.根据权利要求26所述的方法，其中将所述沉积头定位在靠近所述工件的第二位置中包括修改所述沉积头的所述位置，使得所述工件和所述沉积头在平行平面上对准。

28.根据权利要求21-27中任一项所述的方法，其中将所述沉积头定位在靠近所述工件的第二位置中包括致动附接到所述沉积头的多个精细致动器元件中的一个或更多个精细致动器以将所述沉积头的近侧表面定位在距所述工件表面的第一间隙距离内和/或使所述沉积头的近侧表面位于平行于所述工件表面的平面上。

29.根据权利要求21-28中任一项所述的方法，其中将所述沉积头定位在靠近所述工件的第二位置中包括控制沿五个轴中的一个或更多个轴的运动，所述五个轴包括三个相互垂直的线性轴和两个旋转轴。

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