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GEBIET DER
VORLIEGENDEN ERFINDUNG
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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.
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BESCHREIBUNG
DES STANDES DER TECHNIK
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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
(SiO2) 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.
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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 verfügbar ist, wie dies in einem konventionellen
Galvanisierungsprozess aufgrund des in der Umgebungsluft enthaltenen
Sauerstoffs der Fall ist.
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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 Verfärbung 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.
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Da Kupfer zunehmend in der Halbleiterherstellung
angewendet wird und freigelegte Kupferoberflächen dazu neigen, spontan mit
Sauerstoff bei Bildung von Korrosion und Verfärbung 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.
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VAN DEN BERG, J. F. M.; DAENEN, T.
E. G.; KRIJL, G.; VAN DEN LEEST, R. E.; Galvanische Abscheidung
von Aluminium. In: Philips technische Rundschau, 1980/81, Vol. 39,
Nr. 4, Seite. 112–116 offenbart
Prozessanlagen zur elektrochemischen Behandlung eines Substrates
mit einem Gefäß als Galvanisierungsreaktor
und einem Außengefäß, das den Galvanisierungsreaktor
umschließt
und mit Argongas gefüllt
ist.
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AKSU, S.; Doyle, F. M.; Electrochemistry
of Copper in Aqueous Glycine Solutions. In: Journal of the Electrochemical
Society, ISSN 0013-4651, 2001, Vol. 148, No. 1, Seite B51–B57 offenbart
eine elektrochemische Zelle zur Abscheidung von Kupfer, die mittels eines
Plexiglasdeckels gegen die Umgebung versiegelt ist und mittels Luft
oder hochreinem Sauerstoff gespült
wird.
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WO 02/47139 A2 offenbart ein Verfahren
und eine Vorrichtung, um eine Kupferschicht elektrochemisch abzuscheiden,
die eine besonders gleichmäßige Dicke
aufweist. Die Atmosphäre
in einer elektrochemischen Abscheidezelle für Kupfer, in Reinigungseinheiten
und in Transporteinrichtungen kann von der umgebenden Reinraumatmosphäre getrennt sein
und der Sauerstoffgehalt und der Wassergehalt darin kontrolliert
werden.
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US 6 241 869 B1 offenbart einen Galvanisierungsreaktor,
Vorbehandlungs- und Nachbehandlungseinheiten sowie einen Transportraum.
Zum Verhindern der Oxidation einer Kupferkeimschicht in der umgebenden
Atmosphäre
wird vor dem Galvanisieren eine nicht oxidierende Atmosphäre wie Argon oder
andere Edelgase gewählt.
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US 2001/40098 A1 offenbart eine Prozessanlage
mit einem Galvanisierungsreaktor und mit einem Substratreinigungs-
und einem Substrattrocknungsabschnitt, wobei eine abgegrenzte Atmosphäre aus reiner
Luft eingesetzt wird.
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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.
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ÜBERBLICK ÜBER DIE
ERFINDUNG
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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.
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Gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst eine Prozessanlage für das elektrochemische
Behandeln eines Substrats einen Galvanisierungsreaktor, eine Substratreinigungsstation,
eine Substrattrocknungsstation und ein Transportmodul und eine Abdeckung,
die den Galvanisierungsreaktor, die Substratreinigungsstation, die Substrattrocknungsstation
und das Transportmodul 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 und wobei die innere Gasatmosphäre im Wesentlichen eine inerte
Gasatmosphäre
ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst eine Prozessanlage für das elektrochemische
Behandeln des Substrats einen Galvanisierungsreaktor, eine Substratreinigungsstation,
eine Substrattrocknungsstation und ein Transportmodul und ein Gaszuführungssystem,
das so ausgebildet ist, um einen Strom aus inertem Gas zu dem Galvanisierungsreaktor
und der Substratreinigungsstation, der Substrattrocknungsstation
und dem Transportmodul bereit zu stellen, um eine Sauerstoffkonzentration
und/oder eine Schwefeldioxidkonzentration in dem Galvanisierungsreaktor,
der Substratreinigungsstation, der Substrattrocknungsstation und
dem Transportmodul zu verringern.
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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 und die
einen Galvanisierungsreaktor und eine Reinigungsstation und eine
Trocknungsstation und ein Transportmodul aufweist. Des Weiteren
wird durch Zuführen
eines inerten Gases eine Gasatmosphäre erzeugt, die das Substrat
umgibt, wobei die Gasatmosphäre
beim Bearbeiten des Substrates in dem Galvanisierungsreaktor und
der Reinigungsstation und der Trocknungsstation und dem Transportmodul eine
geringere Sauerstoffkonzentration als eine die Prozessanlage umgebende
Atmosphäre
aufweist.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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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:
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1 ein
Pourbaix-Diagramm von Kupfer;
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2a einen
vereinfachten Teil einer schematischen Ansicht einer Prozessanlage
zur elektrochemischen Behandlung eines Substrats gemäß einer
anschaulichen Ausführungsform
der Erfindung;
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2b schematisch
eine Ansicht der Prozessanlage aus 2a mit
weiteren Prozessstationen, die bei der elektrochemischen Behandlung
des Substrats beteiligt sind;
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2c schematisch
eine Ansicht der Prozessanlage mit rezirkuliertem inertem Gas gemäß der vorliegenden
Erfindung; und
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2d eine
schematische Ansicht eines Systems mit der Prozessanlage aus 2a, die eine verbesserte
Prozesssteuerung gemäß einer
weitern anschaulichen Ausführungsform
der Erfindung erlaubt.
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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.
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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.
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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 2Cu → 2Cu2+ + 4e–
Gleichung 1a 2H+ + 2e– → H2. Gleichung
2
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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.
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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.
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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).
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Es kann gezeigt werden, dass vorzugsweise bei
Anwesenheit von Sauerstoff und Wasser ein Oxidationsprozess von
Kupfer (Cu) stattfindet. 4CuO +
SO2 + 3H2O + 0,5
O2 → CuSO4·3Cu(OH)2
Gleichung
3
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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.
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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.
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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 Betracht 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.
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Mit Bezug zu den 2a und 2b werden nunmehr
anschauliche Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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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.
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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.
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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.
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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 Trocknungsstation 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 Ausführungsformen
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.
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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.
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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.
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Anzumerken ist, das die Prozessanlage 200 entsprechend
den Prozesserfordernissen 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.
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Ein modularer Aufbau, wie er in 2b gezeigt ist, ermöglicht 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.
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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 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.
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2d zeigt
schematisch eine weiter Variation der Prozessanlage 200.
In 2d umfasst die Prozessanlage 200 mehrer
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.
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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.
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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.
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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.
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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.