CN117512756A - 一种晶圆电镀阳极装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种晶圆电镀阳极装置，包括紊流结构、阳极液杯体、阴极液杯体及水洗杯体循环过滤机构，所述紊流结构固定在阳极液杯体上方，阴极液杯体设于阳极液杯体外部与其嵌套设置，所述水洗杯体设于阴极液杯体上方或者外侧，所述紊流结构包括渗透膜，均流板及紊流板，其中渗透膜配合骨架固定在阳极液杯体上方，所述均流板为平面结构，覆盖在渗透膜上方，其中心区域设有多个出水孔，实现阴极液的轴向喷流，紊流板为环形圈状结构，安装在均流板上方，其内侧间隔设有多个出水口，实现阴极液的径向喷流。
Description
技术领域：
本发明涉及半导体晶圆电镀领域，具体涉及一种晶圆水平电镀的阳极装置。
背景技术：
目前的晶圆片的表面处理工艺，有分为垂直式和水平式的电镀工艺，或者是化学镀的表面处理工艺。垂直式电镀需要搭配良好的导电治具以及支撑挂具，装配导电挂具的晶圆才能接着进行浸泡式的化学表面处理工艺，现为一般业界在采用。而水平式电镀设备因为技术门坎较高，尤其是高端的先进封装制程，大多数还是采用国外的设备，国产化的资源较少。
为了保障高端晶圆电镀设备的国产化，在此需求下提出了新的水平式电镀的阳极结构，以更佳的流场设计，更好的导电效率，更低的制作成本，以提高生产的效率和质量。
发明内容：
针对现有技术的缺乏和不足，本发明提供了一种晶圆电镀阳极装置，通过紊流结构的径向和轴向喷流加强对流效果，提升电镀液的导电性及电镀层的均匀性。
一种晶圆电镀阳极装置，包括紊流结构、阳极液杯体、阴极液杯体及水洗杯体循环过滤机构，所述紊流结构固定在阳极液杯体上方，阴极液杯体设于阳极液杯体外部与其嵌套设置，所述水洗杯体设于阴极液杯体上方或者外侧，所述紊流结构包括渗透膜，均流板及紊流板，其中渗透膜配合骨架固定在阳极液杯体上方，所述均流板为平面结构，覆盖在渗透膜上方，其中心区域设有多个出水孔，实现阴极液的轴向喷流，紊流板为环形圈状结构，安装在均流板上方，其内侧间隔设有多个出水口，实现阴极液的径向喷流。
优选地，所述紊流板外侧壁上设有多个入水口，底部设有环形沟槽，所述外侧壁的入水口及内侧壁的出水口均与环形沟槽连通。
优选地，所述紊流板的内侧面为倾斜的导流面。
优选地，所述阳极液杯体为双层杯体结构，其底部中心开设有第一入水孔，底部四周开设有一个或多个第二入水孔，所述第一入水孔内插装有主入水管，且主入水管端部穿过阳极液杯体延伸至渗透膜上方，所述第二入水孔连接阳极液入水管，所述阳极液杯体内部安装阳极篮，其侧边与底部开设有多个的网孔，所述阳极篮内部装载有铜球或磷铜球，所述阳极篮底部与阳极液杯体底部之间设有多个限位弹簧柱，所述阳极液杯体的内外层之间形成排液腔室，排液腔室顶部设有盖板，所述阳极液杯体内壁上端靠近盖板位置设有贯通至排液腔室的溢流口，排液腔室的底部配合密封圈连接有多个阳极排液管。
优选地，所述阴极液杯体其底部设有装配阳极液杯体的凹槽，同时阴极液杯体底部还开设有第三入水孔，第三入水孔内装配有阴极液入水管，该阴极液入水管一端连通主入水管，另一端配合分流器分出多组软管连接紊流板外侧壁上的入水口，所述阴极液杯体底部连通有阴极液排水管。
优选地，所述水洗液杯体固定在阴极液杯体顶部，其底部中间为中空区域，四周为具有挡边的排水槽，排水槽对应的水洗液杯体侧壁上设有排水口，所述水洗液杯体的内壁上嵌装有角度可调的晶圆喷嘴及导电环喷嘴，同时水洗液杯体上方还安装有环形杯盖。
优选地，还包括循环过滤机构与阴极液杯体和阳极液杯体相连，所述循环过滤机构包括阳极液循环机构和阴极液循环机构，其中阳极液循环机构具有阳极液水槽，阳极排液管插入阳极液水槽一侧，同时阳极液水槽另一侧底部设有出水管，该出水管连接循环泵、过滤器后连通阳极液入水管，所述阴极液循环机构结构包括阴极液水槽，阴极排液管插入阴极液水槽一侧，同时阴极液水槽另一侧底部设有出水管，该出水管连接循环泵、过滤器后连通主入水管。
优选地，所述阳极液水槽底部为倾斜结构，出水管设置在倾斜结构低的一端，所述阳极液水槽内部还设有消泡子槽位于倾斜结构高的一端，消泡子槽内间隔设有多个挡板，相邻两个挡板呈上下错位设置，阳极排液管端部插入消泡子槽内。
优选地，所述阳极液水槽内设置有液位计及测温计，同时在底部还设有换热盘管。
优选地，所述水洗液杯体嵌套装配在阴极液杯体外部，所述水洗液杯体内设有活动式挡水墙，活动式挡水墙上端固定在升降支撑板上，同时升降支撑板与位于外侧的升降气缸连接，由升降气缸带动活动式挡水墙沿着水洗液杯体内壁上下升降，所述水洗液杯体内壁上设有晶圆喷嘴及导电环喷嘴，且水洗液杯体底部连通有排水管。
有益效果：本发明所揭示的一种晶圆电镀阳极装置，具有如下有益效果:
紊流结构中均流板上的出水孔实现阴极液的轴向喷流，紊流板内侧的环形出水口实现径向喷流，同时径向喷流与轴向喷流交汇，形成乱流流场，使得电镀液内的导电金属离子的对流效果更佳，并大幅降低金属离子质传所需要穿透的静止液边界层，大幅提升电镀液的导电性及电镀层的均匀性。
附图说明
图1为本发明第一实施例的整体结构图；
图2为本发明第一实施例的俯视图；
图3为图3中A-A的剖视图；
图4为图3中B-B的剖视图；
图5为本发明第一实施例中均流板的结构图；
图6为本发明第一实施例中紊板的结构图；
图7为本发明第一实施例中紊流板的放大剖视图；
图8为本发明第一实施例带循环过滤机构示意图；
图9为本发明第一实施例中循环槽的内部剖图；
图10为本发明第二实施例的结构图；
图11为本发明第二实施例挡水墙升起后的结构图；
图12为发明第二实施例的剖视图一；
图13为本发明第二实施例中的剖视图二。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合附图以及实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为了进一步说明本发明的特征和优点，而不是对发明权利要求的限制。
第一实施例
本发明所揭示的一种晶圆电镀阳极装置，其结构如图1～4所示，包括紊流结构1、阳极液杯体2、阴极液杯体3及水洗液杯体4，所述阳极液杯体安装在阴极液杯体内，所述水洗液杯体固定在阴极液杯体的上方，所述紊流结构安装在阳极液杯体上方。
具体说来，所述紊流结构包括渗透膜101，均流板102及紊流板103，其中渗透膜为圆锥形薄膜，配合骨架104倒装在阳极液杯体上方，所述均流板为平面结构，覆盖在渗透膜上方，其中心区域设有多个出水孔105(如图5所示)，实现阴极液的轴向向上喷流，紊流板为环形圈状结构，安装在均流板上方，其内侧设有出水口，实现阴极液的径向喷流，利用轴向和径向的喷流形成乱流流场，提升对流效果。
所述渗透膜为选择性圆锥形薄膜，可允许粒径低于薄膜孔径的材料通过，例如离子或是分子，金属或是非金属，一般为铜、镍、金、锡、银等离子，还可以根据不同电镀需求选择不同孔径的薄膜，通常密封在渗透膜下半部的液体称阳极液，与阳极的铜球或阳极板直接接触，而渗透膜上半部的液体称阴极液，与电镀阴极的晶圆直接接触。
所述均流板上出水孔分布范围为均流板中心区域向外辐射形成的圆形，且分布范围与晶圆尺寸相当，同时出水孔的高度可以略高于均流板，从而在用涌流时更靠近晶圆的水平操作面。
如图6～7所示，所述紊流板外侧壁上设有多个入水口108，紊流板底部设有环形沟槽107，同时紊流板内侧壁圆周等间隔设有多个出水口106，入水口与出水口均与环形沟槽连通，使得入水口送入的阴极液先填充环形沟槽，然后由环形出水口喷出形成径向喷流，径向喷流与匀流板涌出的轴向喷流交汇，形成乱流流场，使得电镀液内的导电金属离子的对流效果更佳，并大幅降低金属离子质传所需要穿透的静止液边界层，大幅提升电镀液的导电性及电镀层的均匀性。
所述紊流板的内侧面为倾斜的导流面109，该导流面的外形与晶圆导电环的外框形状相似，当上方带晶圆的阴极导电环以旋转的方式向下接近匀流板时，原本正常溢出的涌流及紊流的阴极液，受晶圆及导电环的压迫，使阴极液从导电环及导流面之间的缝隙溢出。此外，为了防止溢流，紊流板底部位于环形沟槽外侧嵌装有密封圈110，增强安装后的底部密封性。
所述紊流板可以整体式环形结构，或者由多节紊流板首尾相接组成，若为多节紊流板首尾相接，则每一节紊流板的外壁上均要设一个入水口。此外，多组组合的环形紊流板，也可以选择性的少装几组，来制造堰口，以符合特殊的电镀需求。
所述阳极液杯体为双层环形杯体结构，其底部中心开设有第一入水孔201，底部四周开设有一个或多个第二入水孔202，所述第一入水孔配合密封件连接有主入水管203，所述主入水管端部穿过阳极液杯体延伸至渗透膜上方，所述第二入水孔配合密封件连接阳极液入水管204，所述阳极液杯体内部安装阳极篮205，该阳极篮的材质通常为钛或表面镀铟或镀钛的金属，其侧边与底部开设有多个便于药水通过的网孔206，所述阳极篮内部装载有铜球或磷铜球，所述阳极篮底部与阳极液杯体底部之间设有多个限位弹簧柱207，确保阳极篮随着内部铜球消耗而向上顶升，所述阳极液杯体的内外层之间形成排液腔室208，排液腔室顶部设有盖板209，紊流结构中的骨架、匀流板机紊流板均通过紧固件固定在盖板上，所述阳极液杯体内壁上端靠近盖板位置设有贯通至排液腔室的溢流口210，排液腔室的底部配合密封圈连接有多个阳极排液管211，阳极液从阳极液入水管送入阳极液杯体内，填满阳极液杯体后从溢流口流入排液腔室，再从阳极液排液管排出。
在实际使用时，阳极篮与铜球可以替换成通铜板或磷铜板。
所述阴极液杯体设于阳极液杯体外部，其底部设有装配阳极液杯体的凹槽301，使得阳极液杯体密封嵌装在阴极液杯体内，所述阴极液杯体底部对应阳极液入水管，阳极排液管及主入水管的位置均开设有对应的槽口，同时阴极液杯体底部还开设有第三入水孔302，第三入水孔内配合密封件装配有阴极液入水管303，该阴极液入水管一端连通主入水管203，另一端配合分流器分出多组软管连接紊流板外侧壁上的入水口，通过主入水管注入的阴极液，一部分通过主入水管填满渗透膜和均流板之间的空间，再通过均流板上的出水孔喷出轴向流，另一部分通过阴极液入水管分多路软管流入紊流板入水口，当阴极液填满环型沟槽后，由紊流出水口喷出径向紊流，当轴向流与径向紊流交汇后，由导流面与导电环之间的空间溢流出，溢流出的阴极液最终通过阴极液杯体底部的阴极液排水管304排出。
所述水洗液杯体固定在阴极液杯体顶部，其底部中间为供晶圆导电环升降的中空区域401，四周为具有挡边的排水槽402，排水槽对应的水洗液杯体侧壁上设有排水口403，所述水洗液杯体的内壁上嵌装有角度可调的晶圆喷嘴404及导电环喷嘴405，其中晶圆喷嘴位于下侧，喷射方向倾斜向上，当晶圆提升至冲洗位置时，晶圆喷嘴从下方喷洗晶圆，所述导电环喷嘴呈环形设于内壁上位于晶圆喷嘴上方，喷洗残留在导电环上的阴极液，随着电镀阴极的旋转，大部分清洗水在离心力的作用下甩到水洗液杯体内壁上，并向下汇流至排水槽内，并从排水口流出，此外，水洗液杯体上方还安装有环形杯盖406，以防止水洗液溅出。
为了实现阴极液和阳极液的循环使用，在该装置下方额外设置循环过滤机构，如图8所示，其包括阳极液循环机构5和阴极液循环机构5’，其中阳极液循环机构具有阳极液水槽501，阳极排液管插入阳极液水槽一侧，同时阳极液水槽另一侧底部设有出水管502，该出水管连接循环泵503、过滤器504后连通阳极液入水管，随后阳极液被送入阳极液杯体，产生一个阳极液循环系统，所述阴极液循环机构结构与阳极液循环机构相同，包括阴极液水槽501’，阴极排液管插入阴极液水槽一侧，同时阴极液水槽另一侧底部设有出水管502’，该出水管连接循环泵503’、过滤器504’后连通主入水管，随后阴极液被送入阴极液杯体，产生一个阴极液循环系统。
具体说来阳极液水槽结构如图9所示，其底部为倾斜结构，出水管设置在倾斜结构低的一端，所述阳极液水槽内部还设有消泡子槽505位于倾斜结构高的一端，消泡子槽内间隔设有多个挡板506，相邻两个挡板呈上下错位设置，阳极排液管端部插入消泡子槽内，流入消泡子槽的阳极液在上下错位的挡板之间实现最少一次的上/下回流，这种回流使得槽液内的大部分的气泡释出，消泡子槽内的阳极液外溢至阳极液水槽内，并从出水管流出进入循环，为了实现对阳极液水槽内的检测，额外设置有液位计507及测温计508，同时在底部还设有换热盘管509来侦测和控制水槽内的液位和恒定温度。所述阴极液水槽结构与阳极液水槽相同，在此不做赘述。
第二实施例
本发明所揭示的一种晶圆电镀阳极装置，其与第一实施例的主要区别在于水洗液杯体的安装位置，该实施例中水洗液杯体安装在阴极液杯体外侧，与其为嵌套装配，具体结构如图10～13所示，所述水洗液杯体内设有活动式挡水墙406，活动式挡水墙上端固定在升降支撑板407上，同时升降支撑板与位于外侧的升降气缸408连接，由升降气缸带动活动式挡水墙沿着水洗液杯体内壁上下升降，当活动式挡水墙升起后，水洗液杯体内壁上的晶圆喷嘴404及导电环喷嘴405均露出来，对电镀后的晶圆进行喷洗，而离心甩离的清洗液掉落至水洗液杯体底部，通过底部的排水管409排出。
以上是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质上对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种晶圆电镀阳极装置，其特征在于：包括紊流结构、阳极液杯体、阴极液杯体及水洗杯体循环过滤机构，所述紊流结构固定在阳极液杯体上方，阴极液杯体设于阳极液杯体外部与其嵌套设置，所述水洗杯体设于阴极液杯体上方或者外侧，所述紊流结构包括渗透膜，均流板及紊流板，其中渗透膜配合骨架固定在阳极液杯体上方，所述均流板为平面结构，覆盖在渗透膜上方，其中心区域设有多个出水孔，实现阴极液的轴向喷流，紊流板为环形圈状结构，安装在均流板上方，其内侧间隔设有多个出水口，实现阴极液的径向喷流。
2.根据权利要求1所述的一种晶圆电镀阳极装置，其特征在于：所述紊流板外侧壁上设有多个入水口，底部设有环形沟槽，所述外侧壁的入水口及内侧壁的出水口均与环形沟槽连通。
3.根据权利要求2所述的一种晶圆电镀阳极装置，其特征在于：所述紊流板的内侧面为倾斜的导流面。
4.根据权利要求2所述的一种晶圆电镀阳极装置，其特征在于：所述阳极液杯体为双层杯体结构，其底部中心开设有第一入水孔，底部四周开设有一个或多个第二入水孔，所述第一入水孔内插装有主入水管，且主入水管端部穿过阳极液杯体延伸至渗透膜上方，所述第二入水孔连接阳极液入水管，所述阳极液杯体内部安装阳极篮，其侧边与底部开设有多个的网孔，所述阳极篮内部装载有铜球或磷铜球，所述阳极篮底部与阳极液杯体底部之间设有多个限位弹簧柱，所述阳极液杯体的内外层之间形成排液腔室，排液腔室顶部设有盖板，所述阳极液杯体内壁上端靠近盖板位置设有贯通至排液腔室的溢流口，排液腔室的底部配合密封圈连接有多个阳极排液管。
5.根据权利要求4所述的一种晶圆电镀阳极装置，其特征在于：所述阴极液杯体其底部设有装配阳极液杯体的凹槽，同时阴极液杯体底部还开设有第三入水孔，第三入水孔内装配有阴极液入水管，该阴极液入水管一端连通主入水管，另一端配合分流器分出多组软管连接紊流板外侧壁上的入水口，所述阴极液杯体底部连通有阴极液排水管。
6.根据权利要求1所述的一种晶圆电镀阳极装置，其特征在于：所述水洗液杯体固定在阴极液杯体顶部，其底部中间为中空区域，四周为具有挡边的排水槽，排水槽对应的水洗液杯体侧壁上设有排水口，所述水洗液杯体的内壁上嵌装有角度可调的晶圆喷嘴及导电环喷嘴，同时水洗液杯体上方还安装有环形杯盖。
7.根据权利要求5所述的一种晶圆电镀阳极装置，其特征在于：还包括循环过滤机构与阴极液杯体和阳极液杯体相连，所述循环过滤机构包括阳极液循环机构和阴极液循环机构，其中阳极液循环机构具有阳极液水槽，阳极排液管插入阳极液水槽一侧，同时阳极液水槽另一侧底部设有出水管，该出水管连接循环泵、过滤器后连通阳极液入水管，所述阴极液循环机构结构包括阴极液水槽，阴极排液管插入阴极液水槽一侧，同时阴极液水槽另一侧底部设有出水管，该出水管连接循环泵、过滤器后连通主入水管。
8.根据权利要求7所述的一种晶圆电镀阳极装置，其特征在于：所述阳极液水槽底部为倾斜结构，出水管设置在倾斜结构低的一端，所述阳极液水槽内部还设有消泡子槽位于倾斜结构高的一端，消泡子槽内间隔设有多个挡板，相邻两个挡板呈上下错位设置，阳极排液管端部插入消泡子槽内。
9.根据权利要求8所述的一种晶圆电镀阳极装置，其特征在于：所述阳极液水槽内设置有液位计及测温计，同时在底部还设有换热盘管。
10.根据权利要求1所述的一种晶圆电镀阳极装置，其特征在于：所述水洗液杯体嵌套装配在阴极液杯体外部，所述水洗液杯体内设有活动式挡水墙，活动式挡水墙上端固定在升降支撑板上，同时升降支撑板与位于外侧的升降气缸连接，由升降气缸带动活动式挡水墙沿着水洗液杯体内壁上下升降，所述水洗液杯体内壁上设有晶圆喷嘴及导电环喷嘴，且水洗液杯体底部连通有排水管。
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