CN205954137U - 电镀系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种电镀系统，所述电镀系统具有容纳电解液的容器。所述容器中的惰性阳极具有在阳极膜管道中的阳极导线。头部用于固持晶片，所述晶片与所述容器中的电解液接触。晶片连接到阴极。阴极电解液补充器连接到所述容器。所述阴极电解液补充器通过使块状金属的离子移动穿过阴极电解液补充器中的阴极电解液膜而添加金属离子到阴极电解液内。

Description

电镀系统
相关申请
本申请请求于2015年7月17日提交并且现在正在申请中的美国专利申请No.14/802,859的优先权，所述优先权专利通过引用结合在此。
技术领域
本公开内容涉及一种电镀系统，尤其涉及一种惰性阳极电镀系统。
背景技术
半导体集成电路和其它微尺度装置的制造一般需要在晶片或者其它基板上形成多个金属层。通过电镀金属层结合其它步骤来产生图案化金属层以形成微尺度装置。
在电镀处理器中执行电镀，其中晶片的装置侧在液体电解质浴中，并且接触环上的电触点接触晶片表面上的导电层。电流穿过电解质和导电层。电解质中的金属离子析出到晶片上，从而在晶片上产生金属层。
电镀处理器一般具有自耗阳极，所述自耗阳极有益于浴稳定性和拥有成本。例如，当电镀铜时，通常使用铜自耗阳极。从电镀浴液析出的铜离子由从阳极脱离的铜补充，从而维持电镀浴液中的金属浓度。相较于在排补(bleed and feed)流程中替换电解质浴，维持浴液中的金属离子是一种非常经济有效的方式。然而，使用自耗阳极需要相对复杂和昂贵的设计以允许自耗阳极更换。当自耗阳极与膜(例如，阳离子膜)组合以避免在闲置状态操作期间降解电解质或者氧化自耗阳极时，以及出于其它原因，增加了更多的复杂性。
此类系统需要许多机械零件来用于密封和膜支撑。已经建议将使用惰性阳极的电镀处理器作为使用自耗阳极的替代。惰性阳极反应器有希望减少腔室复杂性、成本和维护保养。然而，惰性阳极的使用已经导致了其它缺点，尤其是与以相较于自耗阳极成本有效方式维持金属离子浓度和在惰性阳极处产生气体相有关的缺点，这可导致工件上的缺陷。因此，仍然存在关于提供惰性阳极电镀处理器的工程挑战。
实用新型内容
在一个方面，电镀处理器具有容器，所述容器容纳容器阴极电解液(vessel-catholyte)(电解质液体)。所述容器中的惰性阳极具有在阳极膜管内的阳极导线。头部固持与容器阴极电解液接触的晶片。晶片连接到阴极。容器阴极电解液补充器通过返回和供给管线连接至所述容器，以使容器阴极电解液穿过容器和容器阴极电解液补充器循环。容器阴极电解液补充器通过移动块状金属的离子穿过容器阴极电解液补充器中的阴极电解液膜来添加金属离子到容器阴极电解液内。或者，容器阴极电解液补充器可将金属离子直接添加到容器阴极电解液中，而无需使用阴极电解液膜。
一种电镀系统包含：
至少一个电镀容器，所述至少一个电镀容器具有与处理阳极电解液接触的至少一个惰性阳极；
头部，所述头部用于固持晶片，所述晶片具有传导性的种晶层，所述种晶层与所述容器阴极电解液接触；
接触环，所述接触环具有电触点以进行至所述传导性种晶层的电接触，并且用于密封所述晶片；
第一电压源，所述第一电压源将所述至少一个惰性阳极连接至所述传导性种晶层，其中所述第一电压源使得电流在所述阳极和所述传导性种晶层之间流动，这使得所述惰性阳极处的水转化成氧气和氢离子并且铜离子从所述容器阴极电解液沉积到所述晶片上；
外部三隔室处理器，所述外部三隔室处理器用于补充所述容器阴极电解液，所述外部三隔室处理器包括：
第一隔室，所述第一隔室含有块状铜材料和低酸性电解液；
第二隔室，所述第二隔室含有容器阴极电解液并且通过第一膜与所述第一隔室分隔开；
第三隔室，所述第三隔室含有惰性阴极和处理阳极电解液并且通过第二膜与所述第二隔室分隔开；和
第二电压源，所述第二电压源将所述块状阳极材料连接至所述惰性阴极，其中所述第二电压源使得电流在所述惰性阴极和所述传导性种晶层之间流动，这使得所述块状铜材料被侵蚀成跨所述第一膜输送电流的铜离子，以补充所述容器阴极电解液。
所述的电镀系统进一步包括：在所述容器中的容器膜，所述容器膜使所述处理阳极电解液与所述容器阴极电解液分隔开。
在所述的电镀系统中，所述惰性阳极包括惰性导线，所述惰性导线在含有所述处理阳极电解液的膜管道内部。
在所述的电镀系统中，所述块状铜材料包括铜颗粒。
在所述的电镀系统中，所述惰性阴极材料包括包铂导线网格或者板。
所述的电镀系统进一步包括，氮气喷布出口，所述氮气喷布出口在所述第三隔室中用于搅动和稀释氢气。
所述的电镀系统进一步包括，氮气喷布出口，所述氮气喷布出口在所述第一隔室中用于搅动和减少块状铜材料的氧化。
所述的电镀系统进一步包括，氮气喷布出口，所述氮气喷布出口在所述第二隔室中用于搅动。
所述的电镀系统进一步包括，去离子水来源，所述去离子水来源用于补充水至所述第一隔室，以补偿由于跨所述第一膜运输而造成的水分损失。
所述的电镀系统进一步包括，去离子水来源，所述去离子水来源连接到所述第三隔室。
所述的电镀系统进一步包括，蒸发器，所述蒸发器用于从所述第二隔室去除水。
一种电镀系统包括：
至少一个电镀容器，所述电镀容器具有与处理阳极电解液接触的至少一个惰性阳极并且通过膜与容器阴极电解液分隔开；
头部，所述头部用于固持晶片，所述晶片具有传导性的种晶层，所述种晶层与所述容器阴极电解液接触；
接触环，所述接触环具有电触点以与所述传导性种晶层进行电接触；
第一电压源，所述第一电压源将所述至少一个惰性阳极连接至所述传导性种晶层，其中所述第一电压源使得电流从所述惰性阳极流动至所述传导性种晶层，从而使得所述惰性阳极处的水转化成氧气和氢离子并且使铜离子从所述容器阴极电解液沉积到所述晶片上的所述传导性种晶层上；
外部三隔室处理器，所述外部三隔室处理器用于补充所述容器阴极电解液，所述外部三隔室处理器包括：
第一隔室，所述第一隔室含有块状铜材料和容器阴极电解液；
第二隔室，所述第二隔室含有阳极电解液并且通过第一膜与所述第一隔室分隔开；
第三隔室，所述第三隔室含有惰性阴极和传导性电解液并且通过第二膜与所述第二隔室分隔开；
第二电压源，所述第二电压源将所述块状阳极材料连接至所述惰性阴极，其中所述第二电压源使得电流在所述惰性阴极和所述传导性种晶层之间流动，并且使得所述块状铜材料被侵蚀成铜离子以补充所述容器阴极电解液，其中氢离子跨所述第二膜流动而使铜离子保留在所述第一隔室中并且减少铜离子到所述第二隔室内的输送，并且氢离子跨所述第二膜的流动减少了铜离子到所述第三隔室内的输送，从而减少了到所述惰性阴极上的铜沉积。
所述电镀系统进一步包括，在所述第三隔室中的处理阳极电解液。
在所述电镀系统中，所述容器阴极电解液和阳极电解液通过膜分隔开。
一种电镀系统包括：
至少一个电镀容器，所述电镀容器容纳处理阳极电解液和容器阴极电解液，其中至少一个惰性阳极与所述处理阳极电解液接触并且通过膜与所述容器阴极电解液分隔开；
头部，所述头部用于固持晶片，所述晶片具有传导性的种晶层，所述种晶层与所述容器阴极电解液接触；
接触环，所述接触环在所述头部上，具有电触点以进行至所述传导性种晶层的电接触，并且用于密封所述晶片；
第一电压源，所述第一电压源将所述惰性阳极连接至所述传导性种晶层，其中所述第一电压源使电流在所述惰性阳极和所述传导性种晶层之间流动，这使得所述惰性阳极处的水转化成氧气和氢离子并且使铜离子从所述容器阴极电解液沉积到所述晶片上的所述传导性种晶层上；
外部四隔室补充器，所述外部四隔室补充器用于补充所述容器阴极电解液，所述外部四隔室补充器包括：
第一隔室，所述第一隔室含有块状铜材料和容器阴极电解液；
第二隔室，所述第二隔室含有容器阴极电解液并且通过第一膜与所述第一隔室分隔开；
第三隔室，所述第三隔室含有处理阳极电解液并且通过第二膜与所述第二隔室分隔开；
第四隔室，所述第四隔室含有惰性阴极和高酸性电解液并且通过第三膜与所述第三隔室分隔开；
第二电压源，所述第二电压源将所述块状阳极材料连接至所述惰性阴极，其中所述第二电压源使电流从所述块状阳极材料流动至所述惰性阴极，这使得所述块状铜材料被侵蚀成跨所述第一膜输送电流的铜离子，以补充所述容器阴极电解液，其中氢离子跨所述第二膜流动而使铜离子保留在所述容器阴极电解液中并且减少铜离子到所述第三隔室内的输送，氢离子跨所述第三膜的流动减少了铜离子到所述第四隔室内的输送，从而减少了到所述惰性阴极上的铜沉积。
附图说明
图1是使用惰性阳极的电镀处理系统的示意图。
图2为如图1所示的阳极的截面图。
图3为图1所示的容器阴极电解液补充系统的示意图。
图4是图3所示的阴极电解液补充器的放大图。
图5是可选的容器阴极电解液补充系统的示意图。
图6至图10是额外可选的容器阴极电解液补充系统的示意图。
具体实施方式
在图1中，电镀处理器20具有转子24，所述转子24在用于容纳晶片50的头部22中。转子24具有接触环30，所述接触环30可垂直移动以将接触环30上的接触指35接合至晶片50的面朝下表面上。接触指35在电镀期间连接到负电压源。波纹管32可用来密封头部22的内部部件。头部中的马达28使固持在接触环30中的晶片50在电镀期间旋转。处理器20可可选地具有各种其它类型的头部22。例如，头部22可操作为使晶片50固持在卡盘中而非直接搬运晶片50，或者可省去转子和马达以使晶片在电镀期间保持静止。接触环上的密封件抵靠晶片密封，以将接触指35密封而在处理期间远离阴极电解液。
头部22位于电镀处理器20的电镀容器38上方。在容器38中提供了一个或多个惰性阳极。在所示实例中，电镀处理器20具有内部阳极40和外部阳极42。可在电镀系统内的柱管中提供多个电镀处理器20，其中用一个或多个机器人在所述系统中移动晶片。
在图2中，阳极40和42具有在膜管47内的导线45。膜管47可具有外保护套管或者覆盖物49。膜管47(包括电极线)可为环状的，或者任选地形成为螺旋状的，或者线性阵列状，或者采用适用于形成适合正被处理的工件的电场的另一种形式。导线45可为0.5至2mm直径的铂导线，所述铂导线在2-3mm内径的膜管47内。导线45还可为包铂导线，所述导线具有另一种金属(例如铌、镍或者铜)的内芯。电阻式扩散器可在惰性阳极上方提供于容器中。
围绕膜管47内的导线45提供流动空间51。虽然导线45可表面上位于膜管47内的中心，但是实际上导线在膜管内的位置将改变至所述导线可在一些位置处接触膜管内壁的程度。不需要使用隔离件或者其它技术来使导线置于膜管内的中心处。
参见图3，在三隔室的补充器70中，在电镀期间，将处理阳极电解液泵送穿过处理阳极电解液回路152到达阳极40和42，所述处理阳极电解液回路152包括阳极膜管47和处理阳极电解液室150，所述处理阳极电解液室150为处理阳极电解液来源。形成阳极40和42的膜管可形成为环状或圆形的，包含在容器38的阳极板43的圆槽41内，如图1所示，即膜管安置在容器38的底板上。补充器70在处理器20外部，因为补充器70为独立单元，可在处理系统内远离处理器安置。
各阳极40、42的导线45电连接至正电压源(相对于施加至晶片的电压)，以在容器内形成电场。每个惰性阳极可连接到一个电力电源通道，或者它们可通过容器38上的电连接器60连接到单独的电力电源通道。一般可使用一至四个惰性阳极。阳极电解液穿过膜管流动，将气体带出容器。在使用中，电压源引起电流流动，从而使得惰性阳极处的水转化成氧气和氢离子并且将来自容器阴极电解液的铜离子沉积到晶片上。
阳极40和42中的导线45是惰性的并且不与阳极电解液起化学反应。晶片50，或者晶片50上的导电种晶层，连接到负电压源。在电镀期间，容器38内的电场使容器阴极电解液中的金属离子沉积到晶片50上，从而在晶片50上形成金属层。
图1示出了具有由单一外部阳极42环绕内部阳极40的设计，但是可使用单一阳极或者多个同心外部阳极。由电介质材料制成的电场成型单元44可位于容器38中，以在容器38中使电场成型。也可使用其它设计，如美国专利No.8,496,790；No.7,857,958和No.6,228,232所示。
现又转向图3，电镀到晶片50上的金属层是由容器阴极电解液中的金属离子形成的，所述金属离子由于容器38中的电场而移动穿过容器阴极电解液到达晶片表面。容器阴极电解液补充系统70连接到容器38，以将金属离子供给到容器阴极电解液内。容器阴极电解液补充系统70具有容器阴极电解液返回管线(导管或者管道)和容器阴极电解液供给管线78，所述容器阴极电解液返回管线和容器阴极电解液供给管线78在阴极电解液循环回路中连接补充器74，所述阴极电解液循环回路在图3中一般指示为80。一般说来，容器阴极电解液槽76包括在阴极电解液循环回路80中，其中容器阴极电解液槽76供给容器阴极电解液至处理系统内的多个电镀处理器20。阴极电解液循环回路80包括至少一个泵，并且还可包括其它部件，例如加热器、过滤器、阀等等。补充器74可与阴极电解液返回管线成一直线，或者补充器74可选地以单独的流动回路连接离开和返回阴极电解液槽中。
图4示出了补充器74的示意性放大图。补充器阳极电解液在补充器74内通过补充器阳极电解液回路91循环，补充器阳极电解液回路91包括补充器阳极电解液室98和任选地补充器阳极电解液槽96。补充器阳极电解液可为不含酸的硫酸铜电解液。补充器74内的阳极电解液补充器不需要再循环回路并且可仅由阳极电解液室98组成。气体分布器(例如氮气分布器)可向补充器提供搅动，而不会因为需要管道装置(plumbing)和泵的再循环回路而导致复杂化。如果使用低酸性的电解液或者阳极电解液，那么当电流穿过补充器时，Cu++离子而非质子跨膜运输或移动到阴极电解液中。气体喷布可减少块状铜材料的氧化。
去离子水供给管线124供给补给的去离子水到补充器阳极电解液槽96或者阳极电解液室98中。块状电镀材料92(例如铜颗粒)被提供在补充器阳极电解液室98中并且提供被电镀到晶片50上的材料。泵使补充器阳极电解液通过补充器阳极电解液室98循环。补充器阳极电解液与提供至阳极40和/或42的阳极电解液完全分隔。
在可选的设计中，使用阳极电解液室98，而不使用任何补充器阳极电解液回路91。气体分布器(例如N2分布器)可向阳极电解液室98提供搅动，而无需使用补充器阳极电解液回路。低酸性的阳极电解液确保当电流穿过补充器时那些Cu++离子而非质子跨膜运输到阴极电解液中。
在补充器74内，第一阳离子膜104位于补充器阳极电解液室98中的补充器阳极电解液和阴极电解液室106中的阴极电解液之间，以使补充器阳极电解液与阴极电解液分隔。阴极电解液返回管线72连接到阴极电解液室106的一侧，而容器阴极电解液供给管线78连接到阴极电解液室106的另一侧，以使容器阴极电解液从容器38穿过阴极电解液室循环。或者，穿过补充器74的阴极电解液流动回路可为具有阴极电解液槽的单独低压电路(lowcircuit)。
第一阳离子膜104允许金属离子和水穿过补充器阳极电解液室98进入阴极电解液室中的阴极电解液内，同时另外在补充器阳极电解液和阴极电解液之间提供屏障(barrier)。可将去离子水添加到容器阴极电解液中以补充因为蒸发损失的水，但是更通常地可增强水蒸发以使水蒸发而通过从阳极电解液补充器电渗析进入容器阴极电解液内。可出于此目的而提供蒸发器。进入容器阴极电解液内的金属离子流补充容器阴极电解液内的金属离子浓度。
当容器阴极电解液中的金属离子沉积到晶片50上以在所述晶片50上形成金属层时，用来源于块状电镀材料92、移动穿过补充器阳极电解液和第一膜104进入阴极电解液中的金属离子替代它们，所述阴极电解液流动穿过补充器74的阴极电解液室106。在所示实例中，金属离子为铜离子(Cu++)并且容器阴极电解液为高酸性铜电解液。
惰性阴极114位于补充器室112中，与第二阳离子膜108相背。直流电源130的负极或阴极电连接至惰性阴极114。直流电源130的正极或阳极电连接至块状电镀材料92或者补充器阳极电解液室98中的金属，以施加或者形成跨补充器74的电压差。补充器室112中的补充器电解液可任选地穿过补充器槽118循环，其中去离子水和硫酸通过入口122添加至补充器电解液中。补充器室112内的电解液可包含具有1-10％的硫酸的去离子水。惰性阴极114可为铂或者包铂的导线或板。第二离子膜108帮助将铜离子保留在第一隔室中。
参照图1和图2，处理器20可任选地在容器38中包括电流取样电极(electriccurrent thief electrode)46，但是多数情况下不需要进行电流取样。在这种情况下，电流取样电极46还可具有在电流取样膜管内的电流取样导线，类似于上述阳极40或者42。如果使用取样电极，那么可将重调电解液(reconditioning electrolyte)泵送穿过电流取样膜管。电流取样导线一般连接到负电压源，所述负电压源独立于通过接触环30连接到晶片50的负电压源而受控。
电流取样膜管可通过补充器循环回路(一般指示为82)，通过补充器电解液返回管线84和补充器电解液供给管线86连接到补充器74中的补充器室112。如果使用的话，阴极电解液室106中的高酸性阴极电解液浴确保跨膜108的电流较大部分为质子而非金属离子。以这种方式，补充器74内的电流补充容器阴极电解液内的铜，同时防止所述铜穿过膜而损失。
第二阳离子膜108位于阴极电解液室106中的阴极电解液和补充器室112中的补充器电解液之间。第二阳离子膜108允许质子和少量的来源金属从阴极电解液室106中的阴极电解液穿过进入补充器室112中的补充器电解液内。补充器室112的主要功能是以不会使金属析出沉积到惰性阴极114上的方式完成补充器室的电路。补充器室112可与额外的槽或循环回路一起使用或不与额外的槽或循环回路一起使用。
阴极电解液室106中的高酸性电解液或阴极电解液浴确保跨膜108的电流较大部分为质子而非金属离子，以使得惰性阴极114上的阴极反应大部分放出氢气。以这种方式，补充器74内的电流补充阴极电解液内的铜，同时防止所述铜穿过膜108而损失。这避免了金属积聚和电极维护保养。
在补充器中，室112可提供为不具有额外的槽或再循环回路。在阳极电解液中，氮气喷布可足以保持管道装置和泵送需要更简单。
在操作中，通过将电流从阳极40和42传导到晶片50，使容器内的容器阴极电解液中的金属离子沉积到晶片50上，以在晶片50上形成金属层。容器阴极电解液从容器流动到补充器74中的阴极电解液室106内，其中金属离子被添加回容器阴极电解液内，所述容器阴极电解液然后返回至容器，通常其中阴极电解液连续地流动穿过阴极电解液循环回路80。补充器阳极电解液还一般地在补充器阳极电解液回路91中连续地流动。将去离子水加入补充器阳极电解液内以补偿在水穿过第一阳离子膜104电渗析中的水份损失。质子和少量金属离子穿过第二阳离子膜108进入补充器室112中的补充器电解液内。容器阴极电解液可为高酸性晶片水平封装的电镀电解液，所述电镀电解液具有添加剂，如电镀技术中众所周知的。
在电镀期间，导线表面上发生化学反应，所述化学反应将水转化成氧气和氢离子(H+)。氢离子穿过膜管壁并且进入室阴极电解液(chamber catholyte)内。这些离子随后变成流动至阴极电解液室106的容器阴极电解液的组成部分。这些离子中的大部分携带电流穿过膜108，其中氢离子被从室阴极电解液中去除。
氧气通过真空或者排气，或者通过用氮气喷布而从膜管排出。处理阳极电解液本身在电镀期间不以其它方式发生化学变化。
图5示出了可选的补充器140，所述可选的补充器140具有处理阳极电解液室142，所述处理阳极电解液室142在处理阳极电解液流动回路152中与阳极的阳极膜管相连接。处理阳极电解液室142中的处理阳极电解液通过处理阳极电解液室142的一侧上的第二阳离子膜108与阴极电解液分隔，而在处理阳极电解液室142的另一侧上通过第三阳离子膜154与阴极电解液分隔。在此设计中，质子和少量金属离子穿过第二阳离子膜108，并且质子和更少量的金属离子穿过第三阳离子膜154。
在阴极电解液室106中的高Cu++浓度的阴极电解液浴和惰性阴极114之间的额外补充器阳极电解液进一步减少了可到达惰性阴极114、析出到所述电极上并且需要维持的金属量。所述额外的补充器阳极电解液还允许阳极电解液流动穿过室142内的补充器，以使用比可能穿过膜108进入阳极电解液更少量的铜，然后将此铜通过阳极导管传递回室阴极电解液内。第三阳离子膜154或者膜108可用阴离子膜替代。穿过室142的额外流动阳极电解液还允许实现阴极电解液与阳极电解液之间的质子交换平衡。质子离开阳极电解液，作为电流穿过电镀室内的阳极、膜导管，并且跨补充室(replenishment cell)中的膜108替代所述质子。当电流迫使阳离子(即，H+和Cu++)从阳极电解液进入室阴极电解液中时，铜可穿过膜导管传送回室阴极电解液内。图5的实施方式还可被设计成删去膜104。在这种情况下，在线补充室(inline replenishment cell)没有膜104，并且块状铜暴露于室阴极电解液。
在闲置状态操作期间，系统就绪但是不在实际使用中。在所述闲置状态中，当补充器不在使用中时，系统170停止阴极电解液在形成自耗阳极的块状电镀材料92上方的流动。闲置状态操作避免水跨膜渗析。闲置状态操作还允许易于接取自耗阳极以进行维护保养，例如当铜颗粒被消耗时补充它们。闲置状态可通过停止至补充器中存在的相对较小体积(相较于供应多个处理器20的处理系统的大体积容器阴极电解液槽)的腔室阴极电解液的流动来实现。这保护容器阴极电解液槽中的添加剂在长期闲置时间期间不接触暴露的金属。
在图4的改进设计中，惰性阴极114可放置在阴极电解液或者补充器室内的过滤器、袋或者包壳中，以减少至阳极的质量传递和到惰性阴极114上的金属电镀。任选地，可在惰性阴极114上提供电阻性筛网(resistive screen)以限制到惰性阴极114上的金属电镀。此外，为了防止金属沉积到惰性阴极114上，可按照工艺流程(schedule)去除和替代补充器电解质。还可通过定期反向(通过转变电源130的极性)运行补充器以使惰性阴极退镀，或者通过使用化学蚀刻来从惰性阴极去除金属。
膜108和/或154可用阴离子膜替代，以防止任何铜离子从阴极电解液移动到补充器电解液内。为了在没有过量电加载的情况下操作补充器74，腔室98、106和112可为狭窄的，例如其中腔室106、112和142(如果使用的话)具有3-8或者4-6毫米的宽度，并且其中腔室98具有8-12毫米的宽度。具有这些宽度以及一个长度和一个高度的约266毫升的腔室被计算为具有足够的能力来操作处理器，从而将铜电镀到300毫米直径的晶片上。所述腔室还可为同轴布置的圆柱形。一个或两个补充室(各自具有大约300mm晶片的面积)被计算为具有足够的能力来操作具有4-12个电镀处理器20的处理系统。
狭窄的腔室间隙有助于降低补充器电压并且由此降低电源瓦特数的需要。阳极电解液室98中的金属颗粒可完全填充腔室并且抵靠膜74安置。这通过限制阳极到膜的距离来使电流流动所需的电压保持至最低。阳极电解液浴的导电性是系统中所有浴液中最低的，因此通过最小化电流在阳极电解液中必须行进的距离对电源电压具有最大的益处。
如本文所提及的容器阴极电解液为含铜(或者其它金属离子)的电解液。补充器阳极电解液和补充器电解液可均为相同的电解液，以使得槽、管道装置等等能够以多种方式组合。处理阳极电解液、补充器电解液和取样电解液(如果有的话)可均为相同的电解液。此外，处理阳极电解液、补充器电解液和取样电解液(如果有的话)可均为去离子水和硫酸的混合物，去离子水和硫酸相对较便宜。
在图3至图5的实施方式中，可选的补充器90作为分离装置存在，与电镀室管道系统成一直线。至补充器的管道装置可任选地布置为使得工艺阳极电解液也流经所述管道装置(即，图5上的152)。然而，在其它实施方式中，补充器可整合到容器阴极电解液槽(图3中的76)内。以这种方式构建补充器可简化系统并且允许金属补充物被直接施加至主系统容器阴极电解液槽中的大体积容器阴极电解液中。作为一个特定实施方式，容器阴极电解液槽中的侧壁之一可直接连接至另一较小槽，所述较小槽包含补充器阳极电解液室98。类似地，补充器的其它腔室可为具有共享壁的相邻槽，包括构建成壁的膜。
可操作补充器以将容器阴极电解液中的金属浓度增大至高于自耗阳极处理器可达到的水平。此操作允许更高的电镀速率。此电化学方法可将金属浓度增大至过饱和水平，从而进一步增大电镀速率和特征结构表面形态。通常，补充器应该至少与电镀室以相同安培-分钟数运行，以确保浴液中的金属浓度被维持。然而，有可能补充器安培-分钟数可略高地运行，以穿过补充器中的膜108补偿金属损失，或者用于系统中可能存在的任何其它损失。补充器还允许金属浓度如已经描述的那样增大。
补充器方法的额外优点为自耗阳极补充集中在一个位置(即，补充器)，而非各自地在每一腔室处。
因此，本实用新型允许用具有相同低拥有成本的惰性阳极来简化腔室。铜补充为集中的并且可在无需经常取下工具进行维护保养的情况下完成。此特征导致运行时间延长。
术语阳极导线、电流取样导线、阳极膜管道、电流取样膜管道、阴极电解液膜和补充器电解液膜为在权利要求书中使用的描述词，仅用于使所请求保护的元件彼此区分，并且不是所请求保护的元件的特性或者材料性质。实际上，这些元件可使用相同的导线、膜管道和膜。术语导线是指拉长的金属元件，通常如线一般为圆形的，但是也包括其它形状，例如平带和平板或者编织元件。
补充器74的操作很大程度上维持了容器阴极电解液的稳定性。容器阴极电解液的去除和更换(除了通过阴极电解液循环回路以外)是极少的，因为容器阴极电解液保持稳定，除非潜在地进行添加剂补充和限制添加剂副产物的积聚。
转向图6，可选的系统170类似于图5所示的系统，但不具有阳极电解液膜。补充器阴极电解液的垂直定向有助于释放在操作期间产生的气体。此外，使用其间具有槽隔膜174的槽172和174避免了对如在在线补充器中所需的附加管道装置的需要。补充器膜178将第二槽176中的处理阳极电解液与补充器阴极电解液分隔，所述补充器阴极电解液任选地在第二槽176内的第三槽182中。气体喷布出口180可释放气体(例如氮气)到第三槽182内。
图6的系统可增大容器阴极电解液添加剂的消耗，因为容器阴极电解液中的添加剂能够接触自耗阳极。为了减少添加剂消耗，闲置状态操作可最小化自耗阳极的表面积。在一种操作方法中，使补充器保持闲置状态，直至容器阴极电解液中的铜(或者其它阳极材料)达到铜浓度控制限制的下限。补充器随后以比系统消耗更快的速率运行，以补充容器阴极电解液中的铜。当达到铜的控制上限时，补充器190可被关闭并且返回闲置状态操作。
图7示出了可与图6相同的系统，但是还包括用于阳极的分隔器膜，并且具有常见的阴极电解液。在闲置状态中，当补充器不在操作中时，可关闭从容器阴极电解液槽到阳极区段的再循环。当再循环接通时，膜192两侧上的电解液浴组成保持一致并且可避免水积聚。
图8示出了系统200，系统200具有容器阴极电解液槽202，容器阴极电解液槽202容纳容器阴极电解液以供多个电镀处理器20使用。网状阳极支撑件204安置在铜阳极下方。网状触点206电连接至网状阳极支撑件并且连接至电源130。铜阳极和网状阳极支撑件204被固持在容器阴极电解液槽202中的支持器214内。接触膜208使围绕铜阳极的电解液与室阴极电解液分隔。槽202内的阳极电解液流通过上部膜210和下部膜212而与槽202中的室阴极电解液分隔。膜208、210和212可为水平的，或者在水平方向偏离10度以内。
补充器中的电流流动使自耗阳极材料或者块状铜材料被侵蚀。使用接近水平的定向可减少对自耗阳极材料(例如，铜)的侵蚀。阳极电极液隔室在顶部上，并且重力使得当铜被侵蚀时，铜材料一直与膜保持相同的距离。阳极隔室可向大气完全敞开以便于接取。将补充器安置在系统容器阴极电解液槽202中减少了管道装置连接和部件。图8至图10一般地示出了在内部槽或者第二槽中或者浸没在内部槽或者第二槽中的第一槽。在使用这些设计的情况下，可提供管道以使第一槽和第二槽的内容物混合，并且独立地排放第一隔室以实现闲置状态操作，从而减少添加剂的消耗。自耗阳极的侵蚀与氢离子跨第二膜流动而使铜离子保留在第一隔室中并且减少铜离子进入到第二隔室内的输送有关，并且氢离子跨第二膜的流动减少了铜离子进入到第三隔室内的输送，从而减少了惰性阴极上的铜沉积。
图9示出了系统220，所述系统220类似于图8但是具有支持器222，所述支持器222被改进以产生流动途径224，所述流动途径224允许围绕铜阳极的电解液向上流动并且流出支持器以及流入槽202中的室阴极电解液内。在此系统中，可停止进入含有阳极的补充器内的流，以使补充器进入闲置状态。第一隔室或其它隔室可具有用于闲置状态操作的独立排放口，以减少添加剂的消耗。
图10示出了系统230，所述系统230类似于图8和图9，并且具有向槽202中的室阴极电解液敞开的支持器232，以及使用如图6和图7所示的第三槽182和补充器膜178。三隔室系统可设计为如图5所示，但是不具有膜74(并且不具有任选的补充器阳极电解液槽96)，从而使得铜颗粒与室阴极电解液接触并且避免水渗析。可通过停止室阴极电解液穿过在线补充器的流动来使如图5所示但是不具有膜74的在线系统置于闲置状态中。这将保护大室阴极电解液槽中的添加剂不与块状阳极材料或者块状铜接触。
如上所述的系统可具有仅三个隔室。例如，可删去补充器阳极电解液/室阴极电解液膜。这避免了容器阴极电解液中的积水，积水为高安培-分钟处理中的极具挑战性的问题。还可删去隔离电解液区段(isolyte section)，其中阳极电解液以完全分开的槽/流动途径流动至处理腔室。可通过阴极维护保养和/或排补来减少更多Cu++离子到达补充器阴极的影响。
如所描述的，补充器可放置在用于工具的容器阴极电解液槽中。这避免将容器阴极电解液泵送/管道传送至补充器。在此设计中，补充器可具有包括补充器阳极隔室的第一区段或框架。第二区段或框架容纳阳极电解液和补充器阴极电解液。它们彼此相邻放置，其间具有间隙，以允许容器阴极电解液在补满补充器和补充槽中的铜之间传送。如果在补充器中不存在阳极电解液膜，则可将铜直接放置到系统容器阴极电解液槽内，邻近于由阳极电解液/阴极电解液隔室组成的半补充器。当使用铜颗粒作为阳极时，所述颗粒可完全填充隔室，并且甚至触及膜，以最小化补充器压降并且简化自耗阳极材料的再补充。
所描述的系统还可被设计为具有被垂直而非水平固持的晶片。所述膜为离子型膜。
跨阳离子膜的电流流动由膜上游(相对于离子电流流动)侧上的浴液中的正离子运输。在铜酸浴中，这些正离子为铜离子和氢离子。总电流为由铜离子运输的分流电流和由氢离子运输的分流电流的总和。低酸浴具有非常少的氢离子，因此铜离子分流电流非常高(例如，在第一隔室中)。高酸浴含有高浓度的氢离子。当这些离子比铜离子更易移动时，氢离子分流电流非常高。氢离子分流电流可为大于跨膜总电流的90％。相应地，铜离子分流电流可为小于跨膜总电流的10％。理想地，跨第二膜的电流均为氢离子，以使得铜补充效率为100％。然而，如果情况不是这样，则可能需要增大补充室电流或者可能需要排补，以便补偿较低的铜补充效率。作为使用气体喷布的补充或替代，可使用穿过不同隔室的泵送的或强迫流，如在高电流下，焦耳加热可能需要强迫流穿过隔室，以避免温度升高。

Claims (15)

1.一种电镀系统，其特征在于，所述电镀系统包含：
至少一个电镀容器，所述至少一个电镀容器具有与处理阳极电解液接触的至少一个惰性阳极；
头部，所述头部用于固持晶片，所述晶片具有传导性的种晶层，所述种晶层与所述容器阴极电解液接触；
接触环，所述接触环具有电触点以进行至所述传导性种晶层的电接触，并且用于密封所述晶片；
第一电压源，所述第一电压源将所述至少一个惰性阳极连接至所述传导性种晶层，其中所述第一电压源使得电流在所述阳极和所述传导性种晶层之间流动，这使得所述惰性阳极处的水转化成氧气和氢离子并且铜离子从所述容器阴极电解液沉积到所述晶片上；
外部三隔室处理器，所述外部三隔室处理器用于补充所述容器阴极电解液，所述外部三隔室处理器包括：
第一隔室，所述第一隔室含有块状铜材料和低酸性电解液；
第二隔室，所述第二隔室含有容器阴极电解液并且通过第一膜与所述第一隔室分隔开；
第三隔室，所述第三隔室含有惰性阴极和处理阳极电解液并且通过第二膜与所述第二隔室分隔开；和
第二电压源，所述第二电压源将所述块状阳极材料连接至所述惰性阴极，其中所述第二电压源使得电流在所述惰性阴极和所述传导性种晶层之间流动，这使得所述块状铜材料被侵蚀成跨所述第一膜输送电流的铜离子，以补充所述容器阴极电解液。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括：在所述容器中的容器膜，所述容器膜使所述处理阳极电解液与所述容器阴极电解液分隔开。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步，其中，所述惰性阳极包括惰性导线，所述惰性导线在含有所述处理阳极电解液的膜管道内部。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述块状铜材料包括铜颗粒。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述惰性阴极材料包括包铂导线网格或者板。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括，氮气喷布出口，所述氮气喷布出口在所述第三隔室中用于搅动和稀释氢气。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括，氮气喷布出口，所述氮气喷布出口在所述第一隔室中用于搅动和减少块状铜材料的氧化。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括，氮气喷布出口，所述氮气喷布出口在所述第二隔室中用于搅动。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括，去离子水来源，所述去离子水来源用于补充水至所述第一隔室，以补偿由于跨所述第一膜运输而造成的水分损失。
10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括，去离子水来源，所述去离子水来源连接到所述第三隔室。
11.如权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括，蒸发器，所述蒸发器用于从所述第二隔室去除水。
12.一种电镀系统，其特征在于，所述电镀系统包括：
至少一个电镀容器，所述电镀容器具有与处理阳极电解液接触的至少一个惰性阳极并且通过膜与容器阴极电解液分隔开；
头部，所述头部用于固持晶片，所述晶片具有传导性的种晶层，所述种晶层与所述容器阴极电解液接触；
接触环，所述接触环具有电触点以与所述传导性种晶层进行电接触；
第一电压源，所述第一电压源将所述至少一个惰性阳极连接至所述传导性种晶层，其中所述第一电压源使得电流从所述惰性阳极流动至所述传导性种晶层，从而使得所述惰性阳极处的水转化成氧气和氢离子并且使铜离子从所述容器阴极电解液沉积到所述晶片上的所述传导性种晶层上；
外部三隔室处理器，所述外部三隔室处理器用于补充所述容器阴极电解液，所述外部三隔室处理器包括：
第一隔室，所述第一隔室含有块状铜材料和容器阴极电解液；
第二隔室，所述第二隔室含有阳极电解液并且通过第一膜与所述第一隔室分隔开；
第三隔室，所述第三隔室含有惰性阴极和传导性电解液并且通过第二膜与所述第二隔室分隔开；
第二电压源，所述第二电压源将所述块状阳极材料连接至所述惰性阴极，其中所述第二电压源使得电流在所述惰性阴极和所述传导性种晶层之间流动，并且使得所述块状铜材料被侵蚀成铜离子以补充所述容器阴极电解液，其中氢离子跨所述第二膜流动而使铜离子保留在所述第一隔室中并且减少铜离子到所述第二隔室内的输送，并且氢离子跨所述第二膜的流动减少了铜离子到所述第三隔室内的输送，从而减少了到所述惰性阴极上的铜沉积。
13.如权利要求12所述的系统，其特征在于，进一步包括，在所述第三隔室中的处理阳极电解液。
14.如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述容器阴极电解液和阳极电解液通过膜分隔开。
15.一种电镀系统，其特征在于，所述电镀系统包括：
至少一个电镀容器，所述电镀容器容纳处理阳极电解液和容器阴极电解液，其中至少一个惰性阳极与所述处理阳极电解液接触并且通过膜与所述容器阴极电解液分隔开；
头部，所述头部用于固持晶片，所述晶片具有传导性的种晶层，所述种晶层与所述容器阴极电解液接触；
接触环，所述接触环在所述头部上，具有电触点以进行至所述传导性种晶层的电接触，并且用于密封所述晶片；
第一电压源，所述第一电压源将所述惰性阳极连接至所述传导性种晶层，其中所述第一电压源使电流在所述惰性阳极和所述传导性种晶层之间流动，这使得所述惰性阳极处的水转化成氧气和氢离子并且使铜离子从所述容器阴极电解液沉积到所述晶片上的所述传导性种晶层上；
外部四隔室补充器，所述外部四隔室补充器用于补充所述容器阴极电解液，所述外部四隔室补充器包括：
第一隔室，所述第一隔室含有块状铜材料和容器阴极电解液；
第二隔室，所述第二隔室含有容器阴极电解液并且通过第一膜与所述第一隔室分隔开；
第三隔室，所述第三隔室含有处理阳极电解液并且通过第二膜与所述第二隔室分隔开；
第四隔室，所述第四隔室含有惰性阴极和高酸性电解液并且通过第三膜与所述第三隔室分隔开；
第二电压源，所述第二电压源将所述块状阳极材料连接至所述惰性阴极，其中所述第二电压源使电流从所述块状阳极材料流动至所述惰性阴极，这使得所述块状铜材料被侵蚀成跨所述第一膜输送电流的铜离子，以补充所述容器阴极电解液，其中氢离子跨所述第二膜流动而使铜离子保留在所述容器阴极电解液中并且减少铜离子到所述第三隔室内的输送，氢离子跨所述第三膜的流动减少了铜离子到所述第四隔室内的输送，从而减少了到所述惰性阴极上的铜沉积。
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