DE10228998A1

DE10228998A1 - Vorrichtung und Verfahren zum elektrochemischen behandeln eines Substrats bei reduzierter Metallkorrosion

Info

Publication number: DE10228998A1
Application number: DE10228998A
Authority: DE
Inventors: Axel Preusse
Original assignee: Advanced Micro Devices Inc
Current assignee: GlobalFoundries Inc
Priority date: 2002-06-28
Filing date: 2002-06-28
Publication date: 2004-01-15
Anticipated expiration: 2022-06-29
Also published as: US6841056B2; DE10228998B4; US20040000486A1; CN1697893A; CN100572609C

Abstract

Eine Prozessanlage zur elektrochemischen Behandlung eines Substrats ist so ausgebildet, um die Sauerstoffkonzentration und/oder die Schwefeldioxidkonzentration in der Nähe des Substrats zu reduzieren, so dass eine Korrosion von Kupfer verringert werden kann. In einer Ausführungsform wird eine im Wesentlichen inerte Atmosphäre innerhalb der Prozessanlage, die einen Galvanisierungsreaktor enthält, errichtet, indem ein kontinuierlicher Inertgasstrom und/oder indem eine Abdeckung bereitgestellt wird, die einen Gasaustausch mit der Umgebungsatmosphäre reduziert. Die im Wesentlichen inerte Gasatmosphäre kann ferner während weiterer Prozessschritte, die bei der elektrochemischen Behandlung des Substrats einschließlich erforderlicher Transportschritte zwischen den einzelnen Prozessschritten beteiligt sind, aufrechterhalten werden.

Description

GEBIET DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Herstellung integrierter Schaltungen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung das elektrochemische Behandeln von Substraten während diverser Herstellungsschritte, um ein Metall auf dem Substrat abzuscheiden oder von diesem zu entfernen.
BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
Die bei der Mehrebenen-Verbindungstechnik integrierter Schaltungen (IC) verwendeten Materialien sind dünne Schichten aus Leitern und dünne Schichten aus Isolatoren. Um leitende dünne Schichten herzustellen, werden häufig Aluminium (Al) und Aluminiumverbindungen in Kombination mit Siliciumdioxid (SO₂) als Isolator verwendet. Um die Bauteilleistungsfähigkeit hinsichtlich der Signalausbreitungsverzögerung und der Leistungsaufnahme eines ICs weiter zu verbessern, werden gegenwärtig Aluminium (Al) und Siliciumdioxid (SiO2) zunehmend durch Kupfer (Cu) möglicherweise in Verbindung mit einem dielektrischen Material mit geringem ε ersetzt. Des Weiteren bringt die Verwendung der Kupfertechnologie eine Verringerung der Anzahl notweniger Metallisierungsebenen mit sich. Bei der Herstellung von Mehrschichtverbindungssystemen ist das Galvanisieren, in Form des Elektroplattierens oder des elektrodenlosen Plattierens, und der umgekehrte Vorgang, der auch als Elektropolieren bezeichnet wird, eine häufig verwendete Metallabscheide-/Abtragungstechnik.
Um eine erforderliche Qualität der Metallschichten zu erreichen, werden typischerweise eine Vielzahl von Chemikalien während des elektrochemischen Metallabscheideprozesses verwendet. In vielen Elektrolyten, die zum Galvanisieren eines Metalls auf einem Substrat verwendet werden, wird eine anorganische Säure als der wesentliche Bestandteil für die Galvanisierungslösung verwendet. Schweflige Säure oder Phosphorsäure werden häufig in diversen Konzentrationen verwendet. Bekanntlich ätzen schweflige Säure und Phosphorsäure Kupfer unabhängig davon, welche Konzentration von schwefeliger Säure und Kupfersäure vorgesehen wird. Die Ätzrate erhöht sich ferner, wenn Sauerstoff an den Metallbereichen, die auf den Halbleitersubstraten gebildet sind, großzügig vertügbar ist, wie dies in einem konventionellen Galvanisierungsprozess aufgrund des in der Umgebungsluft enthaltenen Sauerstoffs der Fall ist.
Aufgrund der Anwesenheit von Sauerstoff, Schwefeldioxid, das in der Umgebung in geringen Mengen vorhanden sein kann, und Wasser, das in den wässrigen Säuren enthalten ist, kann ein erhebliches Maß an Oxidation und Verfärbung des auf den Halbleitersubstraten gebildeten Metalls auftreten. Diese Situation verschlimmert sich während des anschließenden Transportes, der Aufbewahrung, der Spülung und der Reinigungsvorgänge, die alle unter nassen Bedingungen durchgeführt werden, d.h., unter Bedingungen, die eine Oxidation und Vertärbung des Kupfers fördern. Das gleiche gilt für Kupfer enthaltende Substrate, die einem Elektropoliervorgang unterzogen werden, der sehr ähnlich dem Elektroplattieren ist, wobei jedoch der Strom der Ionen umgekehrt ist.
Da Kupfer zunehmend in der Halbleiterherstellung angewendet wird und freigelegte Kupferoberflächen dazu neigen, spontan mit Sauerstoff bei Bildung von Korrosion und Vertärbung zu reagieren, wie dies zuvor erläutert ist, kann wiederum diese Korrosion und Verfärbung tendenziell dazu führen, die Qualität der resultierenden Oberfläche zu beeinträchtigen und damit anschließende Prozessschritte nachteilig zu beeinflussen. Angesichts des zuvor Gesagten ist es klar, dass Galvanisieren und Elektropolieren von Kupfer auf Halbleitersubstraten entscheidend für die Zuverlässigkeit der fertiggestellten integrierten Schaltung sind.
Daher besteht ein Bedarf für eine Vorrichtung und ein Verfahren, die es ermöglichen, Metallschichten, insbesondere Kupferschichten, zu bilden und zu behandeln, ohne die Oberflächenqualität übermäßig zu beeinträchtigen.
ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung richtet sich an Verfahren und Vorrichtungen, die das Verringern der Sauerstoffmenge und Schwefeldioxidmenge ermöglichen, die mit freigelegten Metalloberflächen vor, während und nach dem Galvanisieren und/oder Elektropolieren von Metall enthaltenden Oberflächen in Kontakt kommen. Durch deutliches Reduzieren des Partialdruckes von Sauerstoff und/oder Schwefeldioxid, der über einen zu bearbeitenden oder anderweitig zu handhabenden Substrat vorherrscht, kann die Wahrscheinlichkeit einer chemischen Reaktion mit einer freigelegten Metalloberfläche und diesen reaktiven Umgebungsatmosphärenkomponenten reduziert werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine Prozessanlage für das elektrochemische Behandeln eines Substrats einen Galvanisierungsreaktor und eine Abdeckung, die den Galvanisierungsreaktor umschließt, um ein inneres Volumen mit einer internen Gasatmosphäre zu definieren. Dabei ist die Abdeckung so ausgestaltet, um im Wesentlichen einen Gasaustausch mit einer Umgebungsatmosphäre zu vermeiden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine Prozessanlage für das elektrochemische Behandeln des Substrats einen Galvanisierungsreaktor und ein Gaszuführungssystem, das so ausgebildet ist, um einen Strom aus inertem Gas zu dem Galvanisierungsreaktor bereit zu stellen, um eine Sauerstoffkonzentration und/oder eine Schwefeldioxidkonzentration in dem Galvanisierungsreaktor zu verringern.
In einer noch weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum elektrochemischen Behandeln eines Substrats das Bereitstellen einer Prozessanlage, die ausgebildet ist, das Substrat elektrochemisch zu behandeln. Des Weiteren wird eine Gasatmosphäre erzeugt, die das Substrat umgibt, wobei die Gasatmosphäre eine geringere Sauerstoffkonzentration als eine die Prozessanlage umgebende Atmosphäre aufweist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Vorteile, Aufgaben und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den angefügten Patentansprüchen definiert und gehen deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert wird; es zeigen:
1 ein Pourbaix-Diagramm von Kupfer;
2a einen vereinfachten Teil einer schematischen Ansicht einer Prozessanlage zur elektrochemischen Behandlung eines Substrats gemäß einer anschaulichen Ausführungsform der Erfindung;
2b schematisch eine Ansicht der Prozessanlage aus 2a mit weiteren Prozessstationen, die bei der elektrochemischen Behandlung des Substrats beteiligt sind;
2c schematisch eine Ansicht der Prozessanlage mit rezirkuliertem inertem Gas gemäß der vorliegenden Erfindung; und
2d eine schematische Ansicht eines Systems mit der Prozessanlage aus 2a, die eine verbesserte Prozesssteuerung gemäß einer weitern anschaulichen Ausführungsform der Erfindung erlaubt.
DETALLIERTE BESCHREIBUNG
Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug zu den Ausführungsformen beschrieben ist, wie sie in der folgenden detaillierten Beschreibung sowie in den Zeichnungen dargestellt sind, sollte es selbstverständlich sein, dass die folgende detaillierte Beschreibung sowie die Zeichnungen nicht beabsichtigen, die vorliegende Erfindung auf die offenbarten speziellen anschaulichen Ausführungsformen einzuschränken, sondern die beschriebenen anschaulichen Ausführungsformen stellen lediglich beispielhaft die diversen Aspekte der vorliegenden Erfindung dar, deren Schutzbereich durch die angefügten Patentansprüche definiert ist.
Im Folgenden wird die bei der Kupfergalvanisierung und beim Elektropolieren beteiligte Chemie detaillierter mit Bezug zu 1 beschrieben. Die vorliegende Erfindung sollte jedoch nicht auf die Verwendung von Kupfer eingeschränkt betrachtet werden, sofern diese Einschränkungen nicht ausdrücklich in den angefügten Patentansprüchen erwähnt sind.
Bekanntlich wird Kupfer (Cu) in Luft oxidiert, um Kupfer(I)-oxid (Cu₂O) zu bilden. Bei Anwesenheit von Kohlendioxid (CO₂) kann Kupfer den sogenannten Grünspan (Kupfercarbonat) bilden. Bei Anwesenheit von Schwefeldioxid (SO₂), das in Luft vorhanden sein kann, kann Kupfer ein Sulfat bilden. Daher wird eine Kupferschicht auf einem Substrat höchstwahrscheinlich diversen Oxidationsprozessen, die Kupferionen (Cu⁺ oder Cu⁺⁺) als Teil einer Verbindung entsprechend den Beziehungen, die in Gleichung 1a gegeben sind, unterworfen. Diese Reaktionen finden vorzugsweise bei Anwesenheit von Sauerstoff und Wasser statt, die im Allgemeinen auch in der Umgebungsluft vorhanden sind.
O₂ + 2 H₂O + 4e^– → 4 OH^– Gleichung 1 2 Cu → 2 Cu²⁺ + 4e^– Gleichung 1a 2 H⁺ + 2e^– → H₂ . Gleichung 2
Gleichung 1 zeigt die chemische Reaktion, die die sogenannte Sauerstoffkorrosion ergibt. Die Gleichung zeigt, dass Sauerstoff, der in Luft vorhanden ist oder in Wasser gelöst ist, zu einem Oxidationsprozess führt. Die in Gleichung 1 erforderlichen Elektronen werden beispielsweise durch den Prozess aus Gleichung 1a geliefert und Kupfer wird in Cu²⁺ übergeführt.
1 zeigt diese Situation deutlicher, in der das sogenannte Pourbaix-Diagramm von Kupfer dargestellt ist. Das Pourbaix-Diagramm zeigt die elektrochemischen Potentiale von Kupfer, seiner Oxide, Cu₂O und CuO, und des Kupferions (Cu⁺⁺) als eine Funktion des pH-Wertes. Das Diagramm zeigt vier verschiedene Bereiche, die als Cu, Cu₂O, CuO und Cu²⁺ bezeichnet sind. Die Bereiche sind durch Linien getrennt, die den Gleichgewichtszustand der Verbindungen der angrenzenden Bereiche darstellen. Der Gleichgewichtszustand kann zwischen zwei Verbindungen entlang einer Linie in dem Diagramm oder zwischen drei Verbindungen um eine Kreuzung von Linien herum, die unterschiedliche Paare von Verbindungen trennen, existieren. Die Redox-Potentiale der Sauerstoffreduzierung gemäß Gleichung 1 sind ebenfalls in dem Pourbaix-Diagramm aus 1 gezeigt. Die Redox-Potentiale der Sauerstoffreduktion sind über den gesamten pH-Bereich hinweg über dem Kupfer (Cu) Gleichgewicht, wo Cu₂O und CuO als Schutzschicht gebildet werden. Folglich wird bei Anwesenheit von Sauerstoff gemäß Gleichung 1 Kupfer (Cu) oxidiert, um Kupferoxid (CuO) oder Kupferionen (Cu⁺⁺) abhängig von dem pH-Wert zu bilden.
Eine weitere mögliche Situation wird durch Gleichung 2 dargestellt und das entsprechende elektrochemische Potential dieser Gleichung ist ebenfalls in dem Pourbaix-Diagramm aus 1 dargestellt. Der Prozess entsprechend Gleichung 2 wird im Allgemeinen als Wasserstoffkorrosion bezeichnet, die durch Reduzieren von 2H⁺ zu H₂ stattfindet. Wie von den elektrochemischen Potentialen bekannt ist, ist Kupfer (Cu) edler als Wasserstoff. Diese Tatsache wird durch die Redox-Funktion aus Gleichung 2 in dem Pourbaix-Diagramm aus 1 dargestellt. Entlang dem gesamten pH-Bereich liegt die Redox-Potentialkurve gemäß Gleichung 2 innerhalb des Bereichs von elementarem Kupfer (Cu).
Es kann gezeigt werden, dass vorzugsweise bei Anwesenheit von Sauerstoff und Wasser ein Oxidationsprozess von Kupfer (Cu) stattfindet.
4 CuO + SO₂ + 3 H₂O + 0,5 O₂ → CuSO₄⋅3 Cu(OH)₂ Gleichung 3 Gleichung 3 zeigt das Bilden von kaustischem Kupfer bei Vorhandensein von Schwefeldioxid (SO₂), Wasser und Sauerstoff. Kaustisches Kupfer besitzt eine gute Lösbarkeit in Wasser. Daher entfernt die Reaktion nach Gleichung 3 die Kupferoxid-(CuO)-Schutzschicht und kann zu einer weiteren Reaktion der Kupferschicht führen. In ähnlicher Weise kann ein Carbonat des Kupfers bei Anwesenheit von Feuchtigkeit, Sauerstoff und Kohlendioxid (CO₂) erzeugt werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird es daher als wichtig erachtet, den Gehalt an Schwefeldioxid und/oder den Gehalt an Sauerstoff und/oder den Gehalt an Kohlendioxid und den Gehalt an Feuchtigkeit während Prozessabschnitte, die das Handhaben der Substrate mit freigelegten Kupferbereichen enthalten, zu minimieren. Insbesondere die Prozesse, die beim Galvanisieren/Elektropolieren von Substraten beteiligt sind, erzeugen kontinuierlich Umgebungsbedingungen, die eine Oxidation von Kupferoberflächen fördern.
Die vorliegende Erfindung beruht daher auf dem Konzept, eine lokale Umgebung für ein Substrat zu schaffen, das einer Prozesssequenz mit einer elektrochemischen Behandlung unterzogen wird, wobei die Menge an Schwefeldioxid und/oder Sauerstoff und/oder Kohlendioxid deutlich reduziert ist, um das Gleichgewicht in Gleichung 3 in Richtung von Kupferoxid (linke Seite) zu verschieben und um die Kupferoxidation gemäß den Gleichungen 1, 1a und 2 zu verringern. Dies kann erreicht werden, indem eine im wesentlichen inerte Atmosphäre um das zu bearbeitende Substrat herum bereit gestellt wird, indem im Wesentlichen inerte Gase, etwa Stickstoff, Argon und dergleichen zu der in Betacht kommenden Prozessanlage oder mindestens zu relevanten Bereichen der Prozessanlage zugeführt werden. Durch Erzeugen der im Wesentlichen inerten Atmosphäre wird der Partialdruck über dem Substrat an Schwefeldioxid und/oder Sauerstoff und/oder Kohlendioxid deutlich im Vergleich zur Umgebungsatmosphäre herabgesetzt und die Wahrscheinlichkeit für die chemische Reaktion einer freigelegten Metalloberfläche mit diesen reaktiven Komponenten wird verringert. Das Herabsetzen des Partialdrucks kann ferner ermöglichen, ein gewisses Maß dieser Umgebungsgase aus Prozessflüssigkeiten, etwa aus Elektrolyten, Wasser, beispielsweise in Form von ultrareinem Wasser, und dergleichen zu entfernen, in denen diese Umgebungsgase während des Aufbewahrens und des Hantierens der Prozessflüssigkeiten sich gelöst haben können.
Mit Bezug zu den 2a und 2b werden nunmehr anschauliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben.
In 2a umfasst ein Teil einer Prozessanlage 200 für das elektrochemische Behandeln eines Substrats einen Galvanisierungsreaktor 210, der in dem vorliegenden Beispiel ein Elektroplattierungsreaktor einschließlich eines drehbaren Substrathalters 211 sein kann, der ausgebildet ist, ein Substrat 212 aufzunehmen und zu halten, und eine Anode 213 mit einem darin ausgebildeten Einlass 214 für das Einführen von Elektrolyt während der Bearbeitung des Substrats 212. Ferner kann ein Verteilerelement 215 zwischen der Anode 213 und dem Substrathalter 212 vorgesehen sein. In der vorliegenden Ausführungsform stellt der Elektroplattierungsreaktor 210 einen sogenannten Brunnen-Elektroplattierungsreaktor dar, wobei jedoch die spezifische Art des verwendeten Galvanisierungsreaktors für die vorliegende Erfindung nicht wesentlich ist, und daher kann eine beliebige Art eines Galvanisierungsreaktors einschließlich einer Anordnung, die zum Durchführen des Elektropoliervorganges ausgebildet ist, d.h., dem umgekehrten Elektroplattierungsprozess, gemäß der vorliegenden Erfindung angewendet werden. Der Galvanisierungsreaktor 210 kann so ausgestaltet sein, um ein inneres Volumen 216 mit einer inneren Gasatmosphäre während des Betriebs des Elektroplattierungsreaktors 210 zu definieren, die in einer konventionellen Vorrichtung eine Gasmischung enthält, die im Wesentlichen der Umgebungsatmosphäre entspricht. In einer Ausführungsform umfasst im Gegensatz zu einer konventionellen Vorrichtung der Elektroplattierungsreaktor 210 ein Gaszufuhrsystem 217, das ausgebildet ist, ein inertes Gas, etwa Stickstoff, Argon oder ein anderes Edelgas und dergleichen, zu dem inneren Volumen 216 zuzuführen. Das Gaszufuhrsystem 217 umfasst eine erste Zufuhrleitung 218, die mit einem Ende an eine Inertgasquelle 220 und mit dem anderen Ende an das innere Volumen 216 gekoppelt ist. Ferner kann eine zweite Zufuhrleitung 219 vorgesehen sein, wovon ein Ende mit dem inneren Volumen 216 und das andere Ende mit einer Abgasquelle (nicht gezeigt) gekoppelt ist. Die ersten und die zweiten Zufuhrleitungen 218, 219 können, obwohl diese so gezeigt sind, dass sie mit dem Elektroplattierungsreaktor 210 an dessen oberen Seitenbereich und einem unteren Seitenbereich verbunden sind, in einer beliebig geeigneten Weise angeordnet sein, abhängig von der Art des in der Prozessanlage 200 verwendeten Elektroplattierungsreaktors 210, um inertes Gas zu dem inneren Volumen 216 zuzuführen.
Während des Betriebes kann ein inertes Gas, beispielsweise Stickstoff, von der Inertgasquelle 220 mittels der ersten Zufuhrleitung 218 in das innere Volumen 216 zugeführt werden, um eine im Wesentlichen inerte Atmosphäre innerhalb des Elektroplattierungsreaktors 210 zu schaffen, um damit den Schwefeldioxid- und Sauerstoffgehalt deutlich zu reduzieren. Anzumerken ist, dass der hierin verwendete Begriff "im Wesentlichen inerte Gasatmosphäre" eine Gasatmosphäre bezeichnen soll, deren Sauerstoffkonzentration von jener der Umgebungsatmosphäre – für gewöhnlich die Atmosphäre in einem Reinraum – um mindestens 20% abweicht, so dass eine maximale Sauerstoffkonzentration ungefähr 16% und vorzugsweise weniger als 5 % und noch bevorzugter weniger als 1% beträgt. Anschließend kann das Substrat 212 in den Elektroplattierungsreaktor 210 eingeladen werden und wird von dem Substrathalter 211 aufgenommen. Abhängig von der Art der Prozessanlage 200 kann die innere im Wesentlichen inerte Atmosphäre des inneren Volumens 216 in Kontakt mit der Umgebungsatmosphäre geraten, so dass eine gewisse Menge an Gasaustausch stattfinden kann.
Daher wird in einer Ausführungsform ein gewisses Maß an Überdruck durch das Gaszufuhrsystem 217 erzeugt, um damit eine Gasströmung von dem inneren Volumen 216 in Richtung einer Öffnung (nicht gezeigt) zu erzeugen, von der das Substrat 212 auf den Substrathalter 211 aufgelegt wird. Auf diese Weise wird das Eindringen von Sauerstoff und Schwefeldioxid von der Umgebungsatmosphäre in das innere Volumen 216 minimiert. Ein gewisses Maß an Überdruck durch Erzeugen eines kontinuierlichen Fluidstromes kann auch vorteilhafterweise in Elektroplattierungsreaktoren 210 aufrecht erhalten werden, die nicht so ausgebildet sind, um eine ausreichende Dichtigkeit des inneren Volumens 216 gegenüber der Umgebungsatmosphäre während des Betriebs aufrecht zu erhalten. Nach dem Anordnen des Substrats 212 auf dem Substrathalter 211 und möglicherweise nach dem Schließen einer Öffnung für den Substrattransport zu dem Substrathalter 211 wird das Gassystem 218 in Betrieb gesetzt, um das innere Volumen 216, beispielsweise mittels der zweiten Zufuhrleitung 219, zu spülen, um damit den Sauerstoffanteil und den Schwefeldioxidanteil, die während des Einladens des Substrats 212 in den Elektroplattierungsreaktor 210 eingeführt worden sind, zu verringern. Danach wird der Betrieb des Elektroplattierungsreaktors 210 gestartet, wobei im Gegensatz zu herkömmlichen Vorrichtungen der Elektroplattierungsvorgang in einer im Wesentlichen inerten inneren Gasatmosphäre stattfindet, wodurch der Korrosionsprozess an der Kupferoberfläche, die auf dem Substrat 212 abgeschieden wird, deutlich reduziert wird.
2b zeigt schematisch die Prozessanlage 200 mit zusätzlichen Prozessmodulen, die an den Elektroplattierungsreaktor 210 angekoppelt sind. In 2b umfasst die Prozessanlage 200 ferner eine Spülstation 230, in Betriebsrichtung abwärts liegend von dem Elektroplattierungsreaktor 210, und eine Trocknngsstation 250 betriebsablaufmäßig der Spülstation 230 nachgeordnet. Der Elektroplattierungsreaktor 210, die Spülstation 230 und die Trocknungsstation 250 sind mit mehreren Substrattransportmodulen 260 verbunden, die ausgebildet sind, das Transportieren des Substrats zu ermöglichen, wie dies durch die Pfeile 261 angedeutet ist. Die Prozessanlage 200 umfasst ferner eine Abdeckung 201, die ein inneres Volumen 202 definiert. In einer Ausführungsform ist die Abdeckung 201 so ausgestaltet, um im Wesentlichen einen Gasaustausch mit der Umgebungsatmosphäre zu verhindern, wohingegen in anderen Ausfühnmgsformen die Abdeckung 201 so ausgestaltet ist, um zumindest einen Gasaustausch des inneren Volumens 202 mit der Umgebungsatmosphäre deutlich einzuschränken. Die Abdeckung 201 kann mehrere Prallelemente 203 aufweisen, die ein gewisses Maß an Trennung zwischen den einzelnen Prozessmodulen und Stationen zulassen.
In einer Ausführungsform, wie in 2 gezeigt ist, umfasst das Gaszufuhrsystem 217 zusätzlich mehrere Zufuhrleitungen 204, die so angeordnet sind, um ein inertes Gas zumindest zu einigen der Prozessstationen 210, 230, 250 und den Transportmodulen 260 zuzuführen. In anderen Ausführungsformen können eine oder mehrere Auslassleitungen (nicht gezeigt) vorgesehen sein, um einen kontinuierlichen Gasstrom zu erzeugen, insbesondere, wenn die Abdeckung 201 im Wesentlichen das innere Volumen 202 vollständig von der umgebenden Atmosphäre trennt. Anzumerken ist, dass die in 2b dargestellte Ausführungsform lediglich anschaulicher Natur ist und zahlreiche Variationen und Modifikationen ausgeführt werden können, ohne vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Beispielsweise kann das Vorsehen, die Ausgestaltung und die Anordnung der Prallelemente 203 auf viele Weisen verändert werden, abhängig von der Konfiguration der Prozessstationen 210, 230, 250 und der Transportmodule 260. Insbesondere sind die Spülstation 230 und die Trocknungsstation 250 als "offene" Systeme dargestellt, wohingegen in anderen Ausführungsformen diese Stationen Prozesskammern enthalten können, die separate Gehäuse aufweisen können, die das Bereitstellen zusätzlicher Zufuhrleitungen, etwa der Zufuhrleitungen 218, 219 erfordern. Ferner können die Transportmodule 260 eine beliebige Art von Substrathantierungsvorrichtungen aufweisen und folglich können die Prallelemente 203 so ausgestaltet sein, um das Be- und Entladen zu und von den benachbarten Prozessstationen zu ermöglichen, während ein Gasaustausch zwischen benachbarten Stationen und Modulen reduziert ist. In anderen Ausführungsformen können die Prallelemente 203 vollständig weggelassen werden, insbesondere, wenn die Spülstation 230 und die Trocknungsstation 250 jeweils eine Prozesskammer mit einem umgebenden Gehäuse aufweisen.
Während des Betriebs wird das Substrat 212 mit einer Kupferoberfläche, die unter Bedingungen, wie sie mit Bezug zu 2a beschrieben sind, galvanisch aufgebracht wird, zu dem Prozessmodul 260 übergeführt, das ablaufmäßig dem Elektroplattierungsreaktor 210 nachgeordnet ist. Da eine im Wesentlichen inerte Gasatmosphäre in dem inneren Volumen 202 durch die Zufuhrleitungen 204 errichtet ist, kann die nasse und empfindliche Oberfläche des zuvor abgeschiedenen Kupfers im Wesentlichen vor einer Kontaktierung mit Sauerstoff und/oder Schwefeldioxid abgehalten werden. Insbesondere weist das Substrat 212 typischerweise eine dünne Schicht aus Elektrolyt nach Abschluss des Galvanisierungsvorganges auf, und die im Wesentlichen inerte Gasatmosphäre in dem inneren Volumen 202 kann die Wahrscheinlichkeit für die Korrosion der frisch aufgalvanisierten Kupferoberfläche während des Transports zu der Spülstation 230 verringern. Da das Substrat 212 in der Spülstation 230 und der Trocknungsstation 250 einschließlich des Transportes zwischen diesen Prozessstationen in einer im Wesentlichen inerten Gasatmosphäre prozessiert wird, ist die Korrosion von Kupfer während der dem Galvanisieren nachgeschalteten Prozesse ebenso minimiert.
Anzumerken ist, das die Prozessanlage 200 entsprechend den Prozessertordernissen eine größere Anzahl an Prozessmodulen, wie sie in 2b gezeigt sind, aufweisen kann. Beispielsweise kann die Spülstation 230 eine beliebige Reinigungsstation, die für die Bearbeitung von Substraten mit technisch fortschrittlichen Metallisierungsschichten erforderlich ist, repräsentieren. Ferner können in anderen Ausführungsformen, insbesondere jene Prozessstationen, die ein "nasses" Bearbeiten des Substrats 202 beinhalten, eine Auslassleitung aufweisen, etwa die zweite Zufuhrleitung 219 des Elektroplattierungsreaktors 210, um kontinuierlich die Feuchtigkeit in der entsprechenden lokalen Atmosphäre zu verringern.
Ein modularer Aufbau, wie er in 2b gezeigt ist, ermöglich ferner das individuelle Zugreifen auf Prozessstationen und/oder Transportmodule, ohne ungebührlich die Gasatmosphäre benachbarter Prozessstationen und Module zu beeinflussen. Beispielsweise erlaubt es der modulare Aufbau der Prozessanlage 200, Substrate von der Prozessanlage 200 auszuladen und in diese einzuladen, beispielsweise mittels des ersten und des letzten Transportmoduls 260, ohne die inerte Gasatmosphäre in dem verbleibenden inneren Volumen 202 zu beeinträchtigen.
2c zeigt schematisch eine weitere anschauliche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei das Gaszufuhrsystem 217 der Prozessanlage 200 einen Reaktor 221 aufweist, der ausgebildet ist, Sauerstoff und/oder Schwefeldioxid aus einem Inertgas zu entfernen. Der Reaktor 221 kann ein beliebiger Typ eines chemischen und/oder physikalischen Reaktors mit beispielsweise einem Katalysator sein, der das Entfernen von Sauerstoff und/oder Schwefeldioxid ermöglicht, wie dies im Stand der Technik gut bekannt ist. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, wenn die Prozessanlage 200 das Zuführen großer Mengen an inerten Gasen oder das Zuführen von relativ das Zuführen großer Mengen an inerten Gasen oder das Zuführen von relativ teuren inerten Gasen, etwa von Argon oder anderen Edelgasen erfordert, da der Hauptanteil des inerten Gases wieder aufbereitet und wiederverwendet werden kann. Wenn das Gaszufuhrsystem 217 verwendet wird, wie es in 2c dargestellt ist, ist vorzugsweise die Abdeckung 201 so ausgestaltet, um ein Herausdiffundieren des inerten Gases in die Umgebungsatmosphäre zu minimieren.
2d zeigt schematisch eine weiter Variation der Prozessanlage 200. In 2d umfasst die Prozessanlage 200 mehren Sensorelemente 271, die mit einer Steuereinheit 270 verbunden sind, die wiederum funktionsmäßig mit dem Gaszufuhrsystem 217 mit der Inertgasquelle 220 verbunden ist. Die Sensorelemente 271 können einen Drucksensor, einen Sauerstoffkonzentrationssensor, einen Schwefeldioxidkonzentrationssensor und dergleichen umfassen. Die Sensorelemente 271 können in einer oder mehreren der Prozessstationen 210, 230, 250 und den Transportmodulen 260 vorgesehen sein. Die Steuereinheit 270 kann so ausgebildet sein, um Signale zu empfangen, die von den Sensorelementen 271 ausgegeben werden und um eine Prozesssteuerung auf der Grundlage der empfangenen Sensorsignale auszuführen. Beispielsweise kann das Gaszufuhrsystem 217 geeignete Mittel aufweisen, um den Fluidstrom durch die Zufuhrleitung 204 oder die Zufuhrleitungen 218 und 219 einzustellen. Entsprechende Mittel sind im Stand der Technik gut bekannt und es können dazu Ventilelemente, Pumpen, Lüfter und dergleichen gehören.
Die Steuereinheit 270 kann dann entsprechend einen oder mehrerer dieser Strömungsjustiermittel einstellen, um die Fluidströmung in den Zufuhrleitungen 204, 218, 219 zu steuern, um damit ebenso die Atmosphäre in dem inneren Volumen 202 zu kontrollieren. Beispielsweise kann es beim Einladen eines Substrats in eine entsprechende Prozessstation oder beim Einladen eines extern zugeführten Substrats in die Prozessanlage 200 – beispielsweise an dem ersten Transportmodul 260 – vorteilhaft sein, zeitweilig den Fluidstrom zu dem Elektroplattierungsreaktor 210 zu erhöhen, um damit in effizienter Weise die Diffusion von Sauerstoff und/oder Schwefeldioxid in den Elektroplattierungsreaktor 210 zu verringern. In ähnlicher Weise kann die im Wesentlichen inerte Gasatmosphäre in den anderen Prozessstationen 230, 250 und den Transportmodulen 260 gesteuert werden. Ferner kann durch Steuern der im Wesentlichen inerten Gasatmosphäre in Übereinstimmung mit den von den Sensorelementen 271 bereitgestellten Messergebnissen die der Prozessanalge 200 zugeführte Menge an Inertgas auf den tatsächlich erforderlichen Betrag verringert werden, wodurch Betriebsmittel gespart werden können.
Zusammenfassend gilt, die vorliegende Erfindung erlaubt ein effizientes Verringern der Wahrscheinlichkeit für die Bildung von Kupferkorrosion in Prozessen, die bei der elektrochemischen Behandlung eines Substrats, etwa dem Elektroplattieren, dem Elektropolieren und dergleichen, beteiligt sind, wobei eine im Wesentlichen inerte Gasatmosphäre um das Substrat herum mittels einer kontinuierlichen Gasströmung und/oder durch Bereitstellen einer Abdeckung, die ein inneres Volumen mit einer im Wesentlichen inerten Gasatmosphäre innerhalb der Prozessanlage oder zumindest innerhalb eines Teiles der Prozessanlage definiert, bereitgestellt wird. Vorzugsweise werden andere Vorgänge, die mit der elektrochemischen Behandlung des Substrats, etwa das Einladen, der Transport, das Reinigen, das Trocknen und das zeitweilige Aufbewahren des Substrats, ebenso in einer im Wesentlichen inerten Atmosphäre ausgeführt. Es sollte erwähnt werden, dass diese Vorgänge in separaten Prozessanlagen oder in Prozessanlagen, die zur Durchführung zweier oder mehrerer oder selbst vollständiger Prozesssequenzen ausgebildet sind, ausgeführt werden können, und die vorliegende Erfindung ist dazu gedacht, eine beliebige Art dieser Prozessanlagen mit einzuschließen.
Ferner sollte erwähnt werden, dass obwohl die vorliegende Erfindung in Bezug auf das Galvanisieren von Kupfer beschrieben ist, die Prinzipien der vorliegenden Erfindung ebenso in einfacher Weise auf die elektrochemische Behandlung von Substraten mit anderen Metallen als Kupfer anwendbar ist, wobei eine im Wesentlichen inerte Atmosphäre zur Verbesserung der Prozessqualität vorteilhaft ist.
Weitere Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann angesichts dieser Beschreibung offenkundig. Daher ist diese Beschreibung lediglich als anschaulich und für die Zwecke gedacht, dem Fachmann die allgemeine Art und Weise des Ausführens der vorliegenden Erfindung zu vermitteln. Selbstverständlich sind die hierin gezeigten und beschriebenen Formen der Erfindung als die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen zu betrachten.

Claims

Prozessanlage zur elektrochemischen Behandlung eines Substrats, mit: einem Galvanisierungsreaktor; und einer Abdeckung, die den Galvanisierungsreaktor umschließt, um ein inneres Volumen mit einer inneren Gasatmosphäre zu definieren, wobei die Abdeckung so ausgestaltet ist, um einen Gasaustausch mit einer Umgebungsatmosphäre im Wesentlichen zu vermeiden.
Die Prozessanlage nach Anspruch 1, die ferner ein Gaszufuhrsystem aufweist, das ausgebildet ist, ein inertes Gas in das innere Volumen einzuführen, um darin eine im Wesentlichen inerte Gasatmosphäre zu erzeugen.
Die Prozessanlage nach Anspruch 1, die ferner ein Transportmodul und/oder eine Substratreinigungsstation und/oder eine Substrattrocknungsstation und/oder einen Chemikalienaufbewahrungstank umfasst, wobei die Abdeckung ausgestaltet ist, zumindest teilweise das Transportmodul und/oder die Substratreinigungsstation und/oder die Substrattrocknungsstation und/oder den Chemikalienaufbewahrungstank zu umschließen.
Die Prozessanlage nach Anspruch 1, wobei die innere Gasatmosphäre Stickstoff und/oder ein Edelgas aufweist.
Die Prozessanlage nach Anspruch 2, wobei das Gaszufuhrsystem ferner eine Einlassleitung und eine Auslassleitung zum Zuführen eines inerten Gases zu dem inneren Volumen und zum Abgeben von Gas aus dem inneren Volumen umfasst.
Die Prozessanlage nach Anspruch 5, wobei das Gaszufuhrsystem ferner einen Reaktor aufweist, der ausgebildet ist, Sauerstoff und/oder Schwefeldioxid aus einem zugeführten Gas zu entfernen.
Die Prozessanlage nach Anspruch 6, wobei das Gaszufuhrsystem mehrere Einlassleitungen aufweist, um ein inertes Gas zu einem oder mehreren spezifizierten Orten innerhalb des inneren Volumens zuzuführen.
Die Prozessanlage nach Anspruch 1, wobei die Abdeckung so ausgestaltet ist, um das innere Volumen in mehrere Segmente aufzuteilen, wobei der Gasaustausch zwischen benachbarten Volumensegmenten eingeschränkt ist.
Die Prozessanlage nach Anspruch 2, wobei das Gaszufuhrsystem so ausgestaltet ist, um einen kontinuierlichen Inertgasstrom in dem Galvanisierungsreaktor zu erzeugen.
Die Prozessanlage nach Anspruch 1, die ferner ein oder mehrere Sensorelemente, die mit einer Steuereinheit verbunden sind, umfasst.
Die Prozessanlage nach Anspruch 10, wobei die ein oder mehrere Sensorelemente einen Sauerstoffsensor und/oder einen Drucksensor aufweisen.
Die Prozessanlage nach Anspruch 11, wobei die Prozessanlage ferner ein Gaszufuhrsystem und eine Steuereinheit, die funktionsmäßig mit dem Gaszufuhrsystem gekoppelt ist, aufweist, um den Betrieb des Gaszufuhrsystems zu steuern, um eine Sauerstoffkonzentration und/oder einen Druck in dem inneren Volumen und/oder eine Durchflussrate von Gas durch das Gaszufuhrsystem einzustellen.
Prozessanlage zur elektrochemischen Behandlung eines Substrats, mit: einem Galvanisierungsreaktor; und einem Gaszufuhrsystem, das ausgestaltet ist, einen Strom aus inertem Gas zu dem Galvanisierungsreaktor bereit zu stellen, um eine Sauerstoffkonzentration und/oder eine Schwefeldioxidkonzentration in dem Galvanisierungsreaktor zu reduzieren.
Die Prozessanlage nach Anspruch 13, wobei das Gaszufuhrsystem eine Inertgasquelle mit Stickstoff und/oder einem Edelgas aufweist.
Die Prozessanlage nach Anspruch 14, wobei das Gaszufuhrsystem mindestens einen Gasauslass aufweist, der so angeordnet ist, um eine im Wesentlichen inerte Atmosphäre um ein Substrat in dem Galvanisierungsreaktor herum zu erzeugen.
Die Prozessanlage nach Anspruch 13, die ferner ein Transportmodul und/oder eine Reinigungsstation und/oder eine Trocknungsstation aufweist, die in dem Strom aus inertem Gas angeordnet sind.
Die Prozessanlage nach Anspruch 13, die ferner eine Abdeckung umfasst, die ausgestaltet ist, um zumindest teilweise den Galvanisierungsreaktor zu umschließen.
Die Prozessanlage nach Anspruch 17, wobei die Abdeckung so ausgebildet ist, um einen Gasaustausch eines inneren Volumens, das durch die Abdeckung definiert ist, mit einer Umgebungsatmosphäre im Wesentlichen zu verhindern, und wobei die Abdeckung einen Auslass aufweist, um einen Strom aus inertem Gas in dem inneren Volumen zu erzeugen.
Die Prozessanlage nach Anspruch 17, wobei die Abdeckung so ausgebildet ist, um zumindest teilweise ein Transportmodul und/oder eine Reinigungsstation und/oder eine Trocknungsstation zu umschließen.
Verfahren zur elektrochemischen Behandlung eines Substrats, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen einer Prozessanlage, die zur elektrochemischen Behandlung des Substrats ausgebildet ist; und Erzeugen einer das Substrat umgebenden Gasatmosphäre, wobei die Gasatmosphäre eine geringere Sauerstoffkonzentration als eine die Prozessanlage umgebende Umgebungsatmosphäre aufweist.
Das Verfahren nach Ansprach 20, wobei das Erzeugen der Gasatmosphäre das Zuführen eines inerten Gases zu dem Substrat umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 21, wobei das inerte Gas Stickstoff und/oder ein Edelgas aufweist.
Das Verfahren nach Anspruch 20, wobei das Erzeugen der Gasatmosphäre Definieren eines inneren Volumens durch Bereitstellen einer Abdeckung, die einen Gasaustausch der Gasatmosphäre mit der Umgebungsatmosphäre reduziert, umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 20, das ferner Erfassen eines Druckes der Gasatmosphäre und/oder einer Sauerstoffkonzentration und/oder einer Schwefeldioxidkonzentration umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 24, das ferner umfasst: Steuern des Erzeugens der Gasatmosphäre auf der Grundlage der Erfassung eines Drucks der Gasatmosphäre und/oder einer Sauerstoffkonzentration und/oder einer Schwefeldioxidkonzentration.