CN1965105A - 带有温控卡盘的无电沉积方法和设备 - Google Patents

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CN1965105A CN03821840.2A CN03821840A CN1965105A CN 1965105 A CN1965105 A CN 1965105A CN 03821840 A CN03821840 A CN 03821840A CN 1965105 A CN1965105 A CN 1965105A
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J·W·张
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Abstract

无电沉积金属,半导体或电介体涂覆材料的方法,在较低温度的工作溶液中进行,通过衬底上的升高温度进行补偿,衬底温度由衬底卡盘中的加热器控制。工作溶液温度的降低能够防止溶液发生热分解,并减少高温下常会发生的气泡形成。由于衬底的处理表面朝上,从而进一步避免气泡在衬底表面上的积聚。衬底支架配备有衬底加热器和衬底冷却器,能够对衬底表面进行交替的快速加热或冷却。

Description

带有温控卡盘的无电沉积方法和设备
发明背景
发明领域
本发明涉及半导体制造领域,具体涉及在半导体衬底上无电沉积材料的设备和方法。更具体地说,本发明涉及使用温度控制卡盘的无电沉积,用卡盘固定衬底,从溶液中在衬底上施加沉积物形成金属薄膜。
相关技术说明
制造半导体器件,具体是在半导体衬底上层压有各种金属和非金属层的多层结构的集成电路时,通常要在衬底或其他预沉积层上施加好几层金属层。这些层可能具有复杂的平面形貌,因为这些层会构成成千个独立器件,组成集成电路或所谓的“芯片”。新式芯片中金属层或介电层的厚度为几十埃到几分之一微米。
已知半导体器件中集成电路所用的金属薄膜起到电流导体的作用。而且人们知道用于集成电路的金属互相连接通路中的信号流密度会达到极高值,产生与导体薄膜质量空间转移相关的电迁移等现象。因此,沉积金属薄膜的特点和性质(薄膜厚度均匀性,低电阻等)决定了集成电路以及作为整体的半导体器件的性能和质量。
考虑到上述情况,用于集成电路的金属薄膜应当满足与金属沉积过程相关的非常严格的技术要求,以及上述过程的可重复性与可控制性。
微电子制造业使用各种金属来形成集成电路。这些金属包括铝,镍,钨,铂,铜,钴,以及导电化合物合金,例如硅化物,焊锡等。还知道可以施加例如化学蒸气沉积(CVD),物理蒸气沉积(PVD),电镀和无电镀等各种技术方法,在衬底上施加涂膜。在这些技术中,电镀和无电镀即无电镀沉积是最经济和最有希望提高沉积薄膜特性的方法。因此,电镀和无电镀技术成功地替代了其他技术。
电镀和无电镀可以被用来沉积连续金属层和有图案的金属层。用于微电子制造工业中,在半导体晶片上沉积金属的一种方法被称为“金属镶嵌”方法。在该方法中,是在工件上形成通常被称为“通路”的孔穴,沟槽和/或其它凹陷,然后在其中充填以铜等金属。在金属镶嵌方法中,在介电材料中蚀刻了通路和沟槽的晶片上先提供金属晶种层。用来在随后的金属电镀步骤中传导电流。如果使用铜等金属,则晶种层位于Ti,TiN等阻挡层材料上。晶种层是非常薄的金属层,可以通过一种或多种方法施加。例如,可以采用物理蒸气沉积或化学蒸气沉积方法形成厚度是1000埃左右的金属晶种层。可以优选用铜,金,镍,钯或其它金属形成晶种层。在其上面形成晶种层的表面可以包括通路,沟槽或其它凹陷的器件形貌部位。
然后在晶种层上电镀形成连续的金属层。镀覆形成连续的覆盖层,提供填充沟槽和通路并延伸超出这些形貌部位一定高度的金属层。这种连续层的厚度通常是5000到15000埃左右(0.5-1.5微米)。
在半导体晶片上电镀了连续层之后,除去超出通路,沟槽或其它凹陷范围之外的多余金属材料。除去金属,为的是在半导体集成电路中形成金属层图案。可以采用化学机械平整化方法除去多余的电镀材料。化学机械平整化方法是使用化学清除剂,或者化学清除剂与磨料的组合作用,研磨并抛光暴露的金属表面,除去电镀步骤中所施加不需要部分的金属层。
电镀方法的缺点与半导体晶片电镀中所用反应器设计相关。对晶片周围的晶种层使用有限量的分立电触点(例如8个触点),通常会在触点附近产生比晶片其它部分更高的电流密度。晶片上电流分布的不均匀导致电镀金属材料的不均匀沉积。可以在晶片触点附近,提供其它接触晶种层的导电元件进行的电流采样,可以使这种不均匀性最小。但是这种采样技术会增加电镀设备的复杂性,并提高维护要求。
要电镀上去的特定金属也会使电镀过程复杂化。例如,某些金属的电镀通常要求使用电阻较高的晶种层。结果是,使用通常数目的晶片电触点(例如8个分立触点)可能无法为晶片上的电镀金属层提供足够的均匀性。通路和沟槽等形貌部位尺寸的减小也要求更薄的层,因而具有更高的电阻,这就转而产生从晶片边缘到中央部分的高电势降,就会显著降低中央区域的沉积速率。
除了上述讨论的问题之外,还存在其它涉及电镀反应器的问题。随着器件尺寸的缩小,对加工环境的控制要求有所提高。这包括对影响电镀过程的污染物的控制。容易产生这些污染物的反应器的运动部件,必须受到严格隔离。
另外,现有的电镀反应器通常很难维护和/或重新设计用于不同的电镀过程。要将电镀反应器设计适合于大规模制造,就必须克服这些缺点。
与铜电镀沉积相关的一个缺点是,在微电子工件上小的(小于0.1微米)形貌部位电镀的铜沉积会与高长宽比通路和沟槽侧壁的贴合不起来,会在形成的相互和接部位栓塞(通路)中产生空隙。这通常是因为PVD或CVD沉积的铜晶种层不贴合而造成的。结果是晶种层的厚度不足,难以传送电流到高长宽比形貌部位的底部。
在微电子工件上沉积铜另一种可用的方法称为“无电”镀,是指不使用外部电源,在催化性表面上从溶液中沉积金属。例如可以将该方法作为制备用于传统电镀的塑料制品的预备步骤。清洁和腐蚀完成之后,将塑料表面浸入溶液中,就地反应沉淀钯等催化金属。具体是先将塑料置于酸性氯化亚锡溶液中,然后置于氯化钯溶液中;钯被锡还原到其催化性金属态。制造催化性表面的另一种方法是,将塑料制品浸入钯的胶体溶液中,然后浸入促进剂溶液中。然后可以采用无电方法,对经过以上处理的塑料制品进行镀镍或镀铜,形成传导表面,然后可采用传统电镀方法镀覆其它金属。
与电镀方法一起,无电方法在制造半导体器件中也有广泛施加。
与电镀方法相比,无电镀即无电沉积是一种选择性过程,实施该方法时可以使用非常薄的晶种,也可以根本不使用晶种。由于无电方法中不使用外部电源,从而不存在分立触点的问题,无电沉积就能形成更为均匀的涂层。可以使用简单而不昂贵的设备,进行无电沉积,实现高长宽比沟槽的充填。
以下是现有的几种在半导体器件制造中进行无电沉积的方法和设备。
例如,于1996年公布的J.Calvert等人的美国专利5500315中公开了一种无电金属镀-催化剂系统,克服了以往系统的许多缺点。该发明一方面提供了一种包括以下步骤的方法:提供具有一个或多个能与无电沉积催化剂结合的化学基团的衬底,至少一部分化学基团与衬底发生化学键合;使衬底与无电金属镀催化剂接触;使衬底与无电金属镀溶液接触,在衬底上形成金属沉积物。所述化学基团可以与衬底共价键合。该发明另一方面提出了一种包括以下步骤的选择性无电金属化方法:选择性改性衬底对无电金属化催化剂的活性;使衬底与无电金属化催化剂接触;使衬底与无电金属化溶液接触,在衬底上形成选择性的无电沉积物。对衬底活性进行改性,可以是对衬底上的催化剂结合基团或其前体进行异构化,光裂解或其它转化等的选择性处理。与以往的选择性镀覆技术相比,这种直接改性方法能更直接而方便地实现选择性镀覆。特别是,上述专利提供了不使用光刻胶或吸附型含锡镀覆催化剂的选择性无电沉积方法。
虽然以上方法提供了衬底结合基团的选择性分布,并且有一些使用不同溶液温度的实施方式,但是该发明并没有说明通过控制溶液或衬底支架的温度,来优化无电沉积过程的方法。而且,上述发明仅涉及方法,而没有描述无电沉积的设备。
于2001年授予D.Woodruff等人的美国专利6309524在其一个实施方式中,公开了一种在工件表面上镀覆金属的通用电镀/无电镀反应器。这种用来镀覆工件的组合设备包括:采用无电沉积方法镀覆工件的第一处理腔,采用电镀方法镀覆工件的第二处理腔。使用程序控制的自动传送装置,将工件传送到进行无电沉积的第一处理腔,然后将其传送到进行电镀的第二处理腔。
要注意的是,在使用液槽时,特别是对无电沉积过程而言,存在一个常见问题,即在将晶片从一个液槽传送到另一个液槽时,会有杂质颗粒或污染物沉积在晶片的衬底表面上。另一个常见问题是,(从液槽到液槽的)传送过程中,晶片的衬底表面暴露在空气中,会因为电解液挥发导致表面中深而窄的沟槽或小(接触)孔穴未被润湿。又一个常见问题是,暴露于空气中会导致催化性表面发生氧化,使催化活性变差,因而金属沉积物的质量变差。在使用铜等容易在空气中被氧化的材料时,这个问题就变得更突出。要形成亚微米厚的高质量金属沉积物,最好使用单个液槽或处理腔并使过程每个步骤中需要的不同液体流过该处理腔,而不要在多个处理腔之间传送晶片,从而避免使晶片暴露于空气中。而且,该专利也忽略了溶液和衬底的温度控制等重要问题。
于1998年公布的Y.Shacham-Diamand等人的美国专利5830805中描述的系统解决了以上问题。该专利公开了一种使用封闭式处理腔,用一种以上的液体处理晶片时,晶片仍保留在该处理腔中,进行无电沉积加工的设备和方法。该发明适用于包括沉积,蚀刻,清洁,冲洗,和/或干燥等制造过程。上述专利一个优选设备实施方式中所用的处理腔是一种能容纳一块或多块晶片的封闭式容器。一个分配系统将第一液体引入处理腔,对晶片进行处理,完成之后从处理腔中排出该液体。然后分配系统将另一种液体引入处理腔,对晶片进行处理,完成之后从处理腔中排出该液体。继续进行该过程,直到完成制造过程。该发明中所用的多种液体取决于进行的过程,包括DI水,N2,用于冲吹的以及含有还原剂,络合剂或pH调节剂的电解质溶液。
液体通过一个入口进入密封的处理腔,通过一个出口离开处理腔。液体进入处理腔时,在晶片上分散成均匀液流的形式。一个循环系统使液体流过处理腔,然后通过温度控制系统,化学物质浓度监控系统,泵吸系统和过滤系统,再循环返回到处理腔。
其它部件包括:旋转固定的管状晶片罩壳,晶片被固定在罩壳表面的任一面或两面上;将晶片固定在该罩壳的内表面上时固定于管状罩壳内的内核;使液体在晶片上均匀分散的分散设备。处理腔可以具有加热器和温度控制系统。但是,该处理腔是一种敞开腔,不能用于压力控制的沉积过程。另外,此敞开腔无法为溶液避免沾污提供足够的防护。
上述已知的一些无电方法尽管有其一些优点,但一个主要参数是工作化学溶液的温度。人们知道,无电过程中的沉积速度取决于温度的指数函数。例如,在“无电镍镀”,Finishing Publications Ltd.,1991的一篇文章(第39页)中,W.Riedel指出,温度是影响沉积速率的最重要参数,对于Ni-P无电过程,液槽温度每升高10度,则沉积速率增加一倍。
而且,对晶片表面上金属互连部位的一个主要要求是电阻率低。铜是第二种最符合此要求的选择。但是由于PVD Cu晶种与ECD[电镀铜沉积]Cu之间的界面中存在着各种添加剂,与薄得多的无电沉积Cu层相比,电阻的增加是不成比例的。S.Lopatin在AMC,2001中报告了这种现象。
Y.Lantasov等人在“微电子工程”,50期(2000),第441-407页,图2中也指出,ELD Cu的电阻率在很大程度上取决于沉积条件,温度较高时,就能获得低电阻率的材料。
但是高温时的无电沉积已知会形成非常不均匀的沉积层。这是由于局部温度波动造成的。温度越高,则波动越大。要在大体积液槽中稳定高温,就要使用复杂的温度控制系统和温度保持系统(密封,热绝缘等)。从而增加设备和维护成本。
由于以上原因,半导体设备的制造商优选使用在室温下进行的无电过程。通过使用多站式沉积设备,在一系列处理腔中同时加工一定数量的衬底,以此来补偿沉积的低速度(参见2001年公布的DE.Woodruff等人的美国专利6322677)。这种设备要求的制造空间大,还要求使用大体积的溶液。而且,还需要用于对溶液制备,储存和后处理的额外空间,从而造成环境问题。
现有无电沉积设备的另一个常见缺点是沉积速度低,这主要取决于沉积材料的种类,即使在最佳条件下也不超过100纳米/分,通常低得多。例如CoWP的沉积速度在5到10纳米/分的范围内。
在2002年3月22日提交的早先美国专利申请103015中,本申请人基本上解决了与上述电镀和无电沉积方法与设备有关的问题。更具体地说,以上专利申请中描述的设备中具有一个可被密封的封闭腔,能承受高压和高温。腔中装有一个能绕垂直轴旋转的衬底支架,还有一个位于衬底支架中的边缘钳夹装置。此沉积腔具有若干个供应不同处理液例如沉积溶液来用于冲洗的DI水等的入口,,还具有供应压力气体的入口。该设备中还有处理液体和气体的储槽,以及溶液加热器和控制腔内温度与压力的控制系统。加热器可以位于工作腔外部或者内置于衬底支架中,或者同时使用这两种加热器。在压力和略低于溶液沸点的温度下进行沉积,实现均匀沉积。从上方通过腔盖中的喷头,或者通过腔的底部输入溶液。冲洗用的溶液或其它辅助溶液则通过值于衬底上方且平行于衬底的径向可移动化学物质分配臂输入。
美国专利申请103015的设备,通过位于沉积腔外部加热进入该腔溶液的加热器,或者位于沉积腔腔盖中的加热器,对整个工作溶液进行均匀加热。主要想法是使整个工作溶液保持均匀温度。总的来说,可以调整温度,但是应一直保持恒定,并处于较高水平(例如80到90℃)。不过,虽然工作溶液温度的升高会显著提高沉积过程的产率,但是由于高温会导致溶液迅速热分解,所以该过程要求不断更换工作溶液。溶液的不断更换应当以高流量实现,而这将提高制造成本。
工作溶液长时间保持高温所造成的不利影响可以如下解释:无电沉积是钴,钨等金属离子在催化活性表面上被还原剂(例如次磷酸根阴离子)氧化所释放的电子还原的过程。还原剂的氧化被衬底催化,在最为广泛接受的模型中,可以假设还原剂释放的电荷通过衬底被转移给金属离子,从而在衬底表面上形成金属原子。
以上过程的简化综合化学反应由下式表述:
H2PO2 -+H2O+CO++=CO0+H++H2PO3
还原剂被处理部件上金属的沉积,被高温水解反应(特别是在加热元件的热点部位上),被沉积工具硬件所产生颗粒的催化氧化反应,和被还原剂与工具结构中所用聚合物的活性组分(例如烯键,羧基等)的反应所消耗。
在足够高的污染物颗粒浓度情况下和/或在溶液沸点的温度,组合物会自发而完全地被上述颗粒(和缺陷)表面上的金属还原反应分解。一形成少量金属原子,就会立刻成为溶液进一步连续分解所需要的新成核部位。
在2002年5月2日公开的国际专利申请WO 02/34962(以下称为国际申请)中描述了一种无电设备,通过使用带加热装置的衬底支架,部分解决了工作溶液热分解的问题。该设备中的衬底支架具有一个衬底卡盘,在处理腔中进行沉积时,能在衬底的处理表面面朝下位置钳夹着衬底。
上述国际申请中设备的主要缺点是,衬底的处理表面向下。已知在溶液静态条件下或在溶液低速流动的过程中,上述的衬底取向会导致气泡积聚在处理表面上。气泡会破坏均匀沉积的条件。为了解决这个问题,该国际申请的设备中使用了具有一个弯曲底面的沉积腔,引导工作溶液以特定路径流过衬底的向下表面。但是,即使工作溶液流在衬底的边缘表面上产生一定的动态条件,仍然会有一定量的滞止点保留在衬底中央部分上。该局部区域会积聚气泡。而且,衬底表面上的流速差会导致温度分布的不均匀。换言之,该国际申请的设备无法提供均匀的无电沉积。
为了解决气泡积聚和溶液在卡盘中央滞止的问题,上述一种设备中使用了一个复杂的运动系统,使旋转卡盘作摇摆运动。这种复杂系统使设备和产品更昂贵,而且使过程变得很难控制。
发明概述
本发明的一个目的是提供一种无电沉积高均匀性薄膜的方法和设备,此时衬底要处理沉积的表面朝上。另一个目的是提供在静态条件或工作溶液流速较低情况下,不会形成滞止区域的均匀无电沉积设备和方法。另一个目的是提供因为使用了大体积较低温度的工作溶液和使用了温控衬底支架,而不会使工作溶液热分解的,在衬底上均匀沉积金属的设备和方法。另一个目的是提供不使用复杂的衬底运动装置,进行无气泡沉积的设备和方法。
本发明的另一个目的是提供对衬底和/或整个工作溶液的温度进行优化控制的无电沉积方法。
本发明的方法在于无电沉积金属,半导体或电介体等涂覆材料,是在较低温度的工作溶液中进行,同时通过衬底卡盘中的加热器控制衬底温度的升高,对其进行补偿。工作溶液温度的下降避免了因为温度升高而常会发生的溶液分解,并减少气泡的形成。由于衬底处理表面朝上,所以进一步避免了气泡在衬底表面的积聚。该设备的其它单元,即具有供应各种处理液的入口和供应压力气体的入口的可封闭腔,处理液体和气体的储槽,溶液加热器和控制腔内温度与压力的控制系统等,都与前述的本申请人提出的早先专利申请中所公开的设备中相同。
附图简要说明
图1是按照本发明一个实施方式制造的无电镀设备的示意图。
图2是被固定在边缘钳夹装置中的衬底W的顶视图。
图3是具有电加热器的衬底支架和内置在衬底支架体中的循环液体冷却器的示意图。
图4是该设备温度和压力控制系统的框图。
图5是带有循环液体冷却器的Peltier型衬底温度控制单元的垂直截面图。
本发明优选实施方式
如图1所示,本发明无电镀设备20的罩壳21中包括一个无电镀腔22(以下称为“腔22”),它能用上方腔盖24密封。在封闭状态下,腔22能承受高压,在腔盖,腔,接口,投料器,装配件等连接部件之间具有合适的密封(未示出)。更具体地说,腔22中的压力可以超过常压2个大气压,或低至0.1个大气压。
腔22可以由化学稳定材料制成,或者其内表面涂覆以这种材料,在高温高压下,能承受设备20操作过程中所用侵蚀性溶液的作用。这些材料例如是特氟隆,各种陶瓷,或类似物。
腔22中中有个衬底支架26,能在腔22内绕轴28旋转,轴28与衬底支架26的下面30相连。轴28密封地穿过腔底32,其外端刚性地支撑着齿轮34。马达36通过位于其从输出轴上的另一个齿轮38驱动齿轮34转动。齿轮34和38通过同步皮带40相连。
衬底支架26是盘状的,其上部具有一个边缘钳夹装置44,用来钳夹,固定并支撑位于边缘钳夹装置44上表面上的衬底W。
轴28具有一个中央通孔48。杆50密封并滑动地通过孔48插入腔22。杆50的上端刚性地连接于边缘钳夹装置44的底部,同时,杆50的下端通过轴承(未示出)连接于延伸至设备20外面的横梁或板条52。板条52与线性驱动装置54相连,在图1所示的实施方式中,该驱动装置是一对气缸56和58,它们的活塞杆56a和58a分别与板条52刚性连接。
罩壳21具有个晶片装载口60,通过门机构62能实现装载口的开启或关闭。腔盖24抬起时,装载口60打开,晶片W通过装载口被装入衬底支架26中,例如使用一个自动机械臂(未示出)装入,该自动机械臂装在设备20的外侧,机械臂的位置与装载口60对准。
图1中所示的控制和辅助器件排列在设备20的周围。这些器件只是举例性的,其种类和特征取决于设备的特定目的和功能。
在图1所示的实施方式中,辅助系统包括一组装溶液和气体储槽。数字64代表主要沉积溶液供应槽。数字75b代表向工作腔22供应流体的管道。流体包括液体或气体,用三通阀77c(图1)控制流体供应,该三通阀被切换至第一位置时,用泵91从储槽64,通过温度控制单元88,过滤器92和管道80,向工作腔22供应工作溶液,该三通阀被切换至第二位置时,从水槽80a′通过管道80a供水,或者从气槽80b′通过管道80b供气。在图1中,数字88a代表控制器。
该设备还包括第二压缩空气供应管线78,例如用来供应气态氮至腔22内部或者用来从腔22中迅速排出气体进行干燥。上述沉积溶液管线80与储槽64相连,从衬底W上方,向腔22内供应沉积溶液。数字79代表测量腔22内气体压力的传感器。
数字66a,66b,66c等代表用来储存无电沉积所需的各种化学试剂,以及冲洗溶液,包括用于最终冲洗的去离子水等辅助化学物质供应槽。数字68a,68b,68c等代表使储槽66a,66b,66c与罩壳21内部以及腔22内部的连接开启和关闭的电磁阀。
溶液从腔22的内部,通过溶液回流管线86回到循环储槽64。通过辅助温度控制单元88实现对溶液温度的控制,使用装在溶液回流管线86中的温度传感器90,不断测量溶液的温度。
本发明设备20中的另一个重要部件是图2中所示的化学物质分配臂94,图2是固定在边缘钳夹装置44中的衬底W的顶视图。化学物质分配臂94通常位于腔22的外面,例如位于图2中虚线表示的位置94′处。为此,化学物质分配臂94的外端与使臂94绕轴95作摇摆运动的旋转驱动装置(未示出)相连,以使从虚线所示位置到实线所示位置进行摇摆。
有一些储槽中可以装有可供应至衬底W处理表面S(图2)上的润湿液体,衬底W被固定在卡盘26中,其表面S朝向管道80和化学物质分配臂94。衬底的处理表面朝上能够防止气泡在处理表面上积聚。本发明衬底支架的结构还能防止在静态条件或在工作溶液流速较低情况下形成滞止区域。
润湿液体可以是同样的沉积用的工作溶液,或者是润湿性高的特定液体,相对参与沉积的试剂和物质为中性,可以是水或醇。
腔底32刚性地支撑着向上打开的杯状盖架25。盖架25的上边缘27(图1)也成斜角,与盖的边缘23匹配,形成由腔盖24和杯状盖架25限定的封闭空间。腔盖24向下移动时,边缘23搁在边缘27上。
腔盖24滑动并密封地安装在形成于腔22上部的导向开口74中。可以使用气压缸76以机械方式移动腔盖。考虑到腔盖24的移动性,可以用软管或其它软性管道对腔盖进行水力和气动连接。
腔22还具有另一根沉积溶液供应管线81,从储槽64开始直到腔24的底部32,用来通过泵93从卡盘26下方向腔24供应沉积溶液。在某些情况下必须使用这种供应管线,更方便地在衬底W的表面上施加沉积溶液。
图3是具有电加热器的衬底支架和位于衬底支架体中的循环液体冷却器的垂直截面图。如图3中所示,加热-冷却单元84位于衬底支架体26中,能够进行加热或冷却。通过与旋转轴28上的集电环85a,85b电接触的滑动电触点84a,84b向加热器83供电(图1),通过导体85c和85d与加热器83a相连。
数字87代表冷却单元,也位于卡盘26中,能够在技术过程需要时迅速冷却卡盘。冷却单元87可以是一种螺旋形管道,其中流动着去离子水或类似冷却介质。这时,冷却单元可以与冷却剂储槽(未示出)相连。使用在储槽(未示出)和冷却单元87之间管线中安装的泵(未示出),能够使冷却剂进行循环。用于在储槽和冷却单元87之间收集和分配冷却剂的多支管97包括分别通过密封器件97c和97d与轴28相连的固定部件97a和旋转部件97b。
图4是设备20中温度和压力控制系统96的示意框图。系统96包括将卡盘加热器83,冷却剂泵89a,溶液加热器88,溶液供应泵91等执行单元与卡盘26中的热电偶84′(图3),用来测量储槽中冷却剂温度的热电偶89’(未示出),用来测量工作腔22中工作溶液温度的热电偶90(图1)和压力规99(图1)等各个传感器和测量器件相互连接的控制器98。该控制器通过独立电源84″,88″,89a″和91″(图4)控制各个执行单元(加热器,泵等)的工作。
图5是本发明另一个实施方式中卡盘加热/冷却单元183的示意图。该单元183也位于衬底支撑卡盘126中,起加热或冷却作用。如此图所示,卡盘126具有内置在卡盘126中的Peltier型冷却-加热器127,包括两个半导体盘组成的部件,其工作原理是,电流以一个方向流动时产生热,而以相反方向流动时则吸收热。使用切换器129改变半导体盘上的极性能够改变电流方向。卡盘加热/冷却单元183的其它部件,即旋转部件之间的电流转换器等,与图3中所示器件83的相同。
使用Peltier型加热-冷却器127不仅能加热卡盘126的工作表面,因而能加热衬底W,还能迅速冷却支架表,因而能冷却衬底W,这对于实现本发明基于从低温溶液沉积金属以及使用能迅速冷却的卡盘表面的方法是很关键的。
本发明设备的工作
在位于本发明设备20(图1)中衬底W的表面上无电沉积预定的薄膜涂层时,抬升设备20的腔盖24,手动或利用自动机械臂(未示出)通过装载口60将衬底W置于衬底支架26的边缘钳夹装置44上,该自动机械臂可以位于设备20附近或者是该设备的一部分。利用钳夹装置44将衬底夹紧到位后,通过化学物质分配臂94(图2)供应溶液。完成该步骤之后,放下腔盖24,使腔盖24的边缘23搁在盖架25的边缘27上。利用装置76实现腔盖24的关闭。关闭了门62之后,密封整个腔22。边缘钳夹装置44下降进入到盘状衬底支架26中。使用气压缸56和58实现边缘钳夹装置44的下降。
衬底支架26和位于其中支撑衬底W的边缘钳夹装置44,利用马达36通过同步皮带40和独立齿轮34与38驱动衬底W旋转。同时,通过管道75b,81或70(图1)向腔22选择性地供应一种或多种沉积溶液。先使衬底表面均匀润湿,然后使一种或多种溶液在腔22内均匀分配。
在典型的工作模式中,以16℃到95℃的温度向腔22供应溶液。
用加热器(83,127)加热衬底时,向工作腔22供应的溶液温度较低,能防止溶液发生热分解。可以从主储槽64或辅助储槽66a,66b,66c等,通过化学物质分配臂94,以要求的顺序供应各种溶液。供应室温的溶液能够降低溶液循环的速度,从而提高溶液的使用寿命。结果是降低每个处理晶片的制造成本。
为了从溶液中有效沉积金属,位于衬底支架26上的衬底W的表面温度应当保持在16℃到120℃的范围内。通过试验方法确定溶液和衬底表面的实际最佳温度。例如,沉积钴的溶液温度应当在50℃到120℃的范围内。如果溶液温度超过上述范围,则将硅衬底保持在16℃到140℃的温度范围内能够产生最好的结果。
需要的话,可以利用泵93从主溶液储槽64通过管线81在腔底32向腔24供应沉积溶液。
如上所述,按照本发明的方法,优选以较低温度的溶液进行沉积过程。但是如果需要的话,可以用加热器88对溶液进行加热,通过向腔22供应N2等中性气体,能够提高腔22内的压力。所有操作都是在控制器98(图4)的控制下进行的。
事实上,沉积过程是在由腔盖24和盖架25限定的附加封闭空间29(图1)中进行的。在操作过程中,具有边缘钳夹装置44的衬底支架26和其中的晶片W位于上述封闭空间中。
完成沉积操作之后,切断泵91供应的溶液,溶液回流至储槽64,控制器98(图4)通过其电源84″,88″等向各个执行器件(加热器,泵等)发出指令,使这些器件工作。这时,控制器98发出适当的指令,关闭某些电磁阀,打开其它阀,并驱动其它适当装置,这些都是本领域中已知的。
本发明方法和设备的一个主要优点是,使用配备了图3和5中所示加热器和冷却器的温控衬底支架。这样就能更灵活地控制沉积过程的温度,并拓宽该设备的技术能力。例如,在某些过程中,可能需要对衬底进行非常迅速的冷却,从而立刻终止沉积过程。
在图3中所示具有衬底支架的设备的操作过程中,卡盘26以及衬底W的表面S在图4中所示温度和压力控制单元96的控制下,被电加热器83加热至要求的温度。通过与旋转轴28上的集电环85a,85b电接触的滑动电触点84a,84b,向加热器83供电,旋转轴28通过导体85c和85d与加热器83相连。
需要快速冷却加热器83时,通过卡盘26中的冷却单元87实现,冷却单元87是螺旋形管道形式的,用来输送去离子水等冷却介质。使用位于储槽89和冷却单元87之间管线中的泵89a,实现冷却剂的循环。
在图5中所示的组合式Peltier型冷却/加热器中,能够使用同一器件对衬底支撑卡盘126进行加热或冷却。使用切换器129改变半导体盘上的极性,从而变换电流方向。使用Peltier型加热-冷却器127不仅能够加热卡盘126的工作表面,从而加热衬底W,还能迅速冷却支架表面和衬底W,这对实现基于从低温溶液和能被快速冷却的加热卡盘表面沉积金属的本发明是非常关键的。
因此,本发明的设备和方法基于室温的工作溶液以及加热的衬底卡盘的使用。注意到上述温度控制循环能够与溶液的更换,溶液浓度的变化,溶液温度的变化等组合。该方法和设备能被用于各种要求进行无电沉积的技术过程中。本发明方法中重要且不可缺少的是,调节和保持沉积溶液温度与衬底温度之间的差值为某一预定值。
而且,在本发明提供的无电沉积方法和设备中,衬底要处理的表面朝上,就能进行均匀沉积,而不会在静态条件或工作溶液流速较低的情况下形成滞止区域,使用较低温度的大体积工作溶液以及温控的衬底支架使工作溶液不发生热分解,无需复杂的衬底运动装置就能进行无气泡沉积。本发明方法的特征是对衬底温度和/或整个工作溶液的温度进行优化控制。
已经参考一些具体实施方式对本发明进行了说明,上述内容仅是举例,而不是对本发明实际应用的限制。因此能够对技术过程,构造,材料,形状及其部件进行变化和改进,只要这些变化和改进不超出权利要求的范围即可。例如,可以在升高的压力下进行该过程,利用抑制气体释放的高压过程优点。可以在衬底和溶液温度不同于说明书中给出值的条件下进行该过程。

Claims (23)

1.一种在无电沉积设备的工作腔中,将所述薄膜形式的材料从处于沉积温度的沉积溶液中无电沉积到处于衬底温度下的衬底的至少一面上的方法,包括:
向所述设备提供配备有衬底冷却器和衬底加热器的衬底支架;
将衬底置于衬底支架上,此时衬底的至少一个面朝上;
向所述设备中供应沉积溶液;
至少使用衬底冷却器和衬底加热器,将沉积溶液和衬底之间的温度差调节至预定值;
使沉积溶液和衬底之间的温度差保持在该预定值;
进行无电沉积;
所述薄膜达到预定厚度后,终止无电沉积。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于沉积溶液温度低于衬底温度。
3.如权利要求2所述的方法,其特征在于沉积溶液温度选自16℃到120℃的范围,衬底温度选自16℃到140℃的范围。
4.如权利要求1所述的方法,其特征在于进一步包括向工作腔供应压力受控的气体的步骤。
5.如权利要求4所述的方法,其特征在于沉积溶液温度低于衬底温度。
6.如权利要求5所述的方法,其特征在于沉积溶液温度选自16℃到120℃的范围,衬底温度选自16℃到140℃的范围。
7.如权利要求1所述的方法,其特征在于衬底冷却器和衬底加热器是同一个单元,能选择性地发挥作为加热器或冷却器的功能。
8.如权利要求7所述的方法,其特征在于沉积溶液温度低于衬底温度。
9.如权利要求8所述的方法,其特征在于沉积溶液温度选自16℃到120℃的范围,衬底温度选自16℃到140℃的范围。
10.如权利要求1所述的方法,其特征在于沉积溶液以室温供应至工作腔,衬底支架温度超过室温。
11.如权利要求1所述的方法,其特征在于供应沉积溶液至设备的过程从润湿衬底的至少一个面开始。
12.如权利要求11所述的方法,其特征在于沉积溶液温度低于衬底温度。
13.如权利要求12所述的方法,其特征在于沉积溶液温度选自16℃到120℃的范围,衬底温度选自16℃到140℃的范围。
14.如权利要求11所述的方法,其特征在于进一步包括供应压力受控的气体至工作腔的步骤。
15.如权利要求14所述的方法,其特征在于沉积溶液温度低于衬底温度。
16.如权利要求15所述的方法,其特征在于沉积溶液温度选自16℃到120℃的范围,衬底温度选自16℃到140℃的范围。
17.如权利要求11所述的方法,其特征在于衬底冷却器和衬底加热器是同一个单元,能选择性地发挥加热器或冷却器的功能。
18.如权利要求17所述的方法,其特征在于沉积溶液温度低于衬底温度。
19.一种用来在衬底的至少一个面上,从沉积溶液中无电沉积薄膜形式材料的设备,包括:
具有内室和可移动腔盖的工作腔,所述可移动腔盖具有朝向内室的内面;
位于工作腔中的衬底支架,该衬底支架位于移动腔盖下方,具有衬底钳夹装置,能将衬底钳夹并压紧在衬底支架中,此时衬底的至少一个面朝向可移动腔盖;
至少一个溶液供应装置,能将至少一种沉积溶液供应至工作腔内;
衬底温度控制装置,包括装在衬底支架中的至少一个加热单元和至少一个冷却单元;
至少一个沉积溶液供应装置,能将沉积溶液供应至衬底的至少一个面上。
20.如权利要求19所述的设备,其特征在于设备进一步包括气体供应装置,能将压力气体供应至工作腔中。
21.如权利要求20所述的设备,其特征在于装在衬底支架中的至少一个加热单元和至少一个冷却单元是同一个单元,能选择性地发挥加热器或冷却器的功能。
22.如权利要求21所述的设备,其特征在于该同一个单元是Peltier型加热-冷却器。
23.如权利要求20所述的设备,其特征在于加热单元是电加热单元,冷却单元是其中流动着冷却介质的管道。
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