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Die vorliegende Erfindung betrifft
das Abscheiden eines Metalls auf eine Werkstückoberfläche unter Verwendung eines
Reaktors für
das Elektroplattieren oder das stromlose Plattieren und betrifft insbesondere
die Verteilung einer Elektrolytströmung und/oder eines lonenstroms über die
Werkstückoberfläche.
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Auf vielen technischen Gebieten ist
das Abscheiden von Metallschichten auf eine Werkstückoberfläche ein
häufig
verwendetes Verfahren. Zum effizienten Abscheiden relativ dicker
Metallschichten auf einer Werkstückoberfläche hat
sich das Plattieren bzw. Galvanisieren in Form des Elektroplattierens oder
des stromlosen Plattierens als ein geeignetes und kosteneffizientes
Verfahren erwiesen und somit wurde das Plattieren ein attraktives
Abscheideverfahren in der Halbleiterindustrie.
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Gegenwärtig ist Kupfer ein bevorzugter
Kandidat bei der Bildung von Metallisierungsschichten in technisch
hochentwickelten integrierten Schaltungen aufgrund der überlegenen
Eigenschaften des Kupfers und von Kupferverbindungen im Hinblick
auf Leitfähigkeit
und Widerstandsfähigkeit
gegen Elektromigration im Vergleich zu beispielsweise dem üblicherweise
verwendeten Aluminium. Da Kupfer nicht sehr effizient durch physikalisches
Dampfabscheiden, beispielsweise durch Sputter-Abscheiden, mit einer
Schichtdicke in der Größenordnung
von 1 μm oder
größer aufgebracht
werden kann, ist das Elektroplattieren von Kupfer und Kupferverbindungen
das bevorzugte Abscheideverfahren bei der Herstellung von Metallisierungsschichten.
Obwohl das Elektroplattieren von Kupfer eine gut bekannte Technik
ist, ist das zuverlässige
Aufbringen von Kupfer auf Scheiben mit großen Durchmesser mit einer strukturierten Oberfläche mit
Gräben
und Kontaktlöchern
eine herausfordernde Aufgabe für
Prozessingenieure. Beispielsweise erfordert das Herstellen einer
Metallisierungsschicht eines Bauteils mit äußerst hohem Integrationsgrad
das zuverlässige
Auffüllen
von breiten Gräben
mit einer Breite in der Größenordnung
von Mikrometer und ebenso das Auffüllen von Kontaktlöchern und
Gräben
mit einem Durchmesser oder einer Breite von 0.2 μm oder sogar weniger. Diese
Situation wird noch komplizierter, wenn die Durchmesser der Substrate
größer werden.
Gegenwärtig
werden acht oder sogar zehn Zollscheiben häufig in einer Halbleiterprozesslinie
verwendet. Daher werden auf dem Gebiet der Kupfergalvanisierung
große
Anstrengungen unternommen, um die Kupferschicht so gleichförmig als
möglich über die
gesamte Substratoberfläche
aufzubringen.
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Mit Bezug zu 1 wird
ein typisches konventionelles Elektroplattierungssystem nunmehr
beschrieben, um die bei der Elektroplattierung von Kupfer auftretenden
Probleme detaillierter zu veranschaulichen.
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In 1a ist
ein typisches konventionelles Elektroplattierungssystem 100 mit
einem Reaktorbehälter 101 gezeigt,
in dem eine erste Elektrode 102, in diesem Falle die Anode,
vorgesehen ist. In diesem Beispiel wird ein sogenannter Brunnen-Reaktor
betrachtet, in dem eine Elektrolytlösung direkt von der Unterseite
des Reaktorbehälters 101 zur
Oberseite geführt
wird und anschließend
durch eine Leitung 103, die einen Auslass 104 mit
einem Einlasse 105, der als eine Durchführung durch die Anode 102 vorgesehen
ist, verbindet, wieder zurückgeführt wird. Das
Zirkulieren eines Elektrolyts, wie dies durch die Pfeile 106 gezeigt
ist, kann durch eine entsprechende Pumpe 107 erreicht werden.
Das System 100 umfasst ferner einen Substrathalter 108,
der so ausgebildet ist, ein Werkstück 109, etwa eine
Halbleiterscheibe, in einer Weise zu halten, um eine zu beschichtende
Oberfläche
dem Elektrolyt auszusetzen. Ferner kann der Substrathalter 108 so
gestaltet sein, um als eine zweite Elektrode, in diesem Falle die
Kathode, zu dienen und um eine elektrische Verbindung zu einer Stromversorgungsquelle 110 herzustellen. Ein
Verteilerelement 111 ist zwischen der Anode 102 und
dem Substrathalter 108 vorgesehen, um den Weg der Elektrolytströmung, die
sich in Richtung des Werkstücks 109 bewegt,
zu beeinflussen, wie dies durch die Pfeile 112 gezeigt
ist. Das Verteilerelement 111 umfasst mehrere Öffnungen 113,
um zumindest teilweise die Menge und die Richtung des durch das Verteilerelement 111 in
durchströmende
Elektrolyt zu steuern.
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1b zeigt
schematisch ein typisches Muster der Öffnungen 113 des Verteilerelements 111.
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Vor dem Anbringen des Werkstücks 109 auf dem
Substrathalter 108 wird eine dünne Saatschicht, die typischerweise
durch Sputter-Abscheidung aufgebracht wird, auf der Oberfläche des
Werkstücks 109,
die die Metallschicht erhalten soll, gebildet. Anschließend wird
das Werkstück 109 auf
dem Substrathalter 108 montiert, wobei kleine Kontaktflächen (der
Einfachheit halber nicht gezeigt) einen elektrischen Kontakt zu
der Stromquelle 110 über
den Substrathalter 108 herstellen. Durch Aktivieren der
Pumpe 107 und Anlegen einer geeigneten Spannung zwischen
der Anode 102 und dem Substrathalter 108 wird
eine Elektrolytströmung
in dem Reaktorbehälter 101 erzeugt.
Das in den Reaktorbehälter 101 an
dem Einlass 105 eindringende Elektrolyt wird in Richtung des
Werkstücks 109 gelenkt
und dringt durch die Öffnungen 113 des
Verteilerelements 111. In vielen Elektroplattierungssystemen,
etwa dem System 100, können
die Anode 102 und/oder das Verteilerelement 111 und/oder
der Substrathalter 108 gedreht werden, um die Abscheidegleichförmigkeit über die
gesamte Oberfläche
des Werkstücks 109 hinweg
zu verbessern. Insbesondere bilden die Öffnungen 113 ein Muster,
das zum Erreichen einer gleichförmigen
Metalldicke unterstützend
wirkt, da die lokale Abscheiderate von Metall auf einem speziellen
Bereich der Oberfläche
des Werkstücks 109 von
der Anzahl der an diesem Bereich eintreffenden Ionen abhängt. Somit
kann durch entsprechendes Verteilen des Elektrolytstroms mittels
der Öffnungen 113 und
die Drehung der Anode 102 und/oder des Verteilerelements 111 und/oder
des Substrathalters 108 die lokale Abscheiderate beeinflusst
werden. Obwohl das Elektroplattierungssystem 100 befriedigende
Metallabscheideergebnisse für
Werkstücke
mit kleinem Durchmesser, etwa zwei oder vier Zollscheiben, zulässt, kann eine
deutliche Dickenschwankung bei Werkstücken mit einem Durchmesser
im Bereich von sechs bis zehn oder mehr Zoll auftreten.
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Für
gewöhnlich
werden bei der Herstellung von Metallisierungsschichten nach dem
sogenannten Damaszener-Verfahren Kontaktlöcher und Gräben mit einem Metall gefüllt und
ein gewisses Maß an Überschussmetall
muss vorgesehen werden, um die Kontakt-löcher
und Gräber
zuverlässig
zu füllen.
Anschließend
muss das überschüssige Metall
entfernt werden, um eine elektrische Isolation zwischen benachbarten
Gräben
und Kontaktlöchern
sicherzustellen und um eine ebene Oberfläche für das Herstellen weiterer Metallisierungsschichten
bereit zu stellen. Ein bevorzugtes Verfahren zum Entfernen von überschüssigem Metall
und zum Einebnen der Substratoberfläche ist das chemischmechanische
Polieren (CMP), wobei das abzutragende Oberflächenmaterial einer che mischen
Reaktion unterworfen und gleichzeitig mechanisch entfernt wird.
Es stellt sich jedoch heraus, dass das chemisch-mechanische Polieren
einer strukturierten Oberfläche
eines Substrats mit großem
Durchmesser an sich ein äußerst komplizierter
Vorgang ist. Die in dem CMP-Prozess auftretenden Probleme verschärfen sich
noch, wenn die Dicke der zu entfernenden Metallschicht über die
Oberfläche
des Substrats hinweg variiert. Typischerweise zeigt der CMP-Prozess
eine gewisse diesem innewohnende Nichtgleichförmigkeit, die von der Art der zu
entfernenden Materialien und den spezifischen Prozessbedingungen
und dergleichen abhängt,
und die gesamte Ungleichförmigkeit
des Metallabscheidevorgangs und des CMP-Prozesses können in
unakzeptablen Schwankungen der schließlich erhaltenen Metallgräben und
Kontaktlöcher
resultieren.
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Somit können CMP-prozessspezifische Schwankungen
während
des Plattierungsvorgangs durch geeignetes Modifizieren des Verteilerelements 111 berücksichtigt
werden, um einen modifizierten Elektrolytstrom an dem Werkstück 109 zu
erreichen. Wenn beispielsweise die Prozessbedingungen des nachfolgenden
CMP-Prozesses zu einem sogenannten schnelleren Polieren in der Mitte,
d.h. die Abtragsrate in der Mitte des Werkstücks 109 ist höher als
an dessen Rand, führen,
können
zusätzliche Öffnungen 113 in
der Mitte des Verteilerelements 111 vorgesehen werden und/oder
mehrer Öffnungen 113 am
Rand des Verteilerelements 111 können abgedeckt werden, beispielsweise
durch ein geeignetes Klebeband, um eine modifizierte Verteilerkonfiguration
zu schaffen. Nach Modifizierung des Verteilerelements 111 wird
dieses wieder in den Reaktorbehälter 101 eingefügt, wobei
der Elektrolytstrom in der Mitte des Werkstücks 109 im Vergleich
zum Randgebiet erhöht
ist und zu einer größeren Enddicke
der Metallschicht führt,
wodurch zumindest teilweise die unterschiedliche Abtragsrate in
dem nachfolgenden CMP-Prozess kompensiert ist.
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Obwohl die Anpassung des Verteilerelements 111 an
gegebene Polieranforderungen ein deutliches Verbessern der Gleichförmigkeit
der schließlich
erhaltenen Metallschicht ermöglicht,
ist der oben beschriebene Vorgang mühsam dahingehend, dass ein
Ausbau des Verteilerelements 111 und ein erneutes Einbauen
nach der Modifizierung des Verteilerelements notwendig ist. Dies
ist insbesondere nachteilig, wenn mehrere Testabläufe auszuführen sind,
um die geeignete Musterkonfiguration für das Verteilerelement 111 zu
ermitteln.
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Folglich besteht angesichts der obigen
Probleme ein Bedarf, um die Abscheiderate beim Abscheiden eines
Metalls durch Elektroplattieren oder stromloses Plattieren in effizienterer
Weise zu modifizieren.
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ÜBERBLICK ÜBER DIE
ERFINDUNG
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Im Allgemeinen richtet sich die vorliegende Erfindung
an ein Verfahren, Vorrichtungen und Systeme zum Modifizieren einer
Elektrolytströmung und/oder
eines lonenstroms zu einer Werkstückoberfläche in einem Reaktor, etwa
einem Elektroplattierungsreaktor oder einem Reaktor, der ein stromloses Abscheiden
ermöglicht,
wobei die Wirkung eines Verteilerelements auf die Richtung der Elektrolytströmung und/oder
des lonenstroms mechanisch und/oder elektromagnetisch einstellbar
ist, ohne das Herausnehmen und erneute Installieren des Verteilerelements
zu erfordern.
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Anzumerken ist, dass der Begriff "Plattieren bzw. Galvanisieren", wie er hierin verwendet
ist, den Prozess des Elektroplattierens und den Prozess des stromlosen
Plattierens abdecken soll. Somit soll ein "Plattierung- bzw. Galvanisierungsreaktor" einen Reaktor kennzeichnen,
der zum Elektroplattieren oder zum stromlosen Plattieren von Metallen
verwendet wird, sofern dies in der Beschreibung und den Patentansprüchen nicht
anders spezifiziert ist.
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Gemäß einer anschaulichen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verteilerelement für einen
Galvanisierungsreaktor mehrere Durchführungen zum Führen eines
Elektrolyts. Das Verteilerelement umfasst ferner einen Einstellmechanismus,
der so ausgebildet ist, um eine effektive Größe der Durchführungen
einzustellen.
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In einer weiteren anschaulichen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verteilerelement für einen
Galvanisierungsreaktor ein erstes Muster aus Durchführungen
und ein zweites Muster aus Durchführungen. Das erste und das zweite
Muster aus Durchführungen
sind gegeneinander relativ bewegbar, um ein Maß an Überlappung der Durchführungen
in dem ersten und dem zweiten Muster zur Steuerung einer Fluidströmung durch
das erste und das zweite Muster hindurch zu variieren.
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Gemäß einerweiteren anschaulichen
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verteilerelement für einen
Galvanisierungsreaktor eine Ablenkeinheit, die ausgebildet ist,
die Bahnen von Metallionen, die durch das Verteilerelement hindurchtreten,
elektromagnetisch zu steuern.
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In einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst ein Ablenksystem zur Verwendung
in einem Galvanisierungsreaktor ein Verteilerelement, das die elektromagnetische
Steuerung der Bahnen von Metallionen, die durch das Verteilerelement
hindurchtreten, ermöglichen.
Des Weiteren umfasst das Ablenksystem eine Steuereinheit, die ausgebildet
ist, das Verteilerelement so zu steuern, dass eine erforderliche
Ablenkung der Metallionen erreicht wird.
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In einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird ein Galvanisierungsreaktor bereit
gestellt mit mindestens einem der Verteilerelemente entsprechend
den zuvor beschriebenen anschaulichen Ausführungsformen.
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In einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Galvanisieren
einer Werkstückoberfläche das
Bereitstellen eines Werkstücks
mit einer Oberfläche
zum Empfangen einer Metallschicht. Das Werkstück wird dann auf einem Substrathalter
montiert. Das Verfahren umfasst ferner das Bereitstellen eines Verteilerelements
vor der Werkstückoberfläche, wobei
das Verteilerelement eine Modifizierung einer Elektrolytströmung ermöglicht,
indem ein Einstellmechanismus betätigt wird, der eine effektive
Größe von Durchführungen
in dem Verteilerelement variiert. Schließlich wird das Elektrolyt zu
der Werkstückoberfläche gelenkt,
um darauf Metall abzuscheiden.
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In einer weiteren anschaulichen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Galvanisieren
einer Werkstückoberfläche das
Bereitstellen eines Werkstücks
mit einer Oberfläche
zum Aufnehmen einer Metallschicht und das Montieren des Werkstücks auf
einem Substrathalter eines Galvanisierungsreaktors. Das Verfahren
umfasst ferner das Bereitstellen eines Verteilerelements vor dem
Werkstück,
wobei das Verteilerelement so ausgebildet ist, dass eine Modifizierung
von Bahnen von Ionen durch Ansteuern einer elektromagnetischen Ablenkeinheit
möglich
ist. Schließlich wird das
Elektrolyt zu der Werkstückoberfläche gelenkt,
um eine Metallschicht mit einer Dicke zu bilden, die im Wesentlichen
durch das Verteilerelement bestimmt ist.
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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 aus der folgenden detaillierten Beschreibung deutlicher
hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert
wird; es zeigen:
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1a und 1b schematisch ein konventionelles
Elektroplattierungssystem und eine Draufsicht auf ein Verteilerelement,
das in dem Elektroplattierungssystem verwendet ist;
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2a–2c schematisch diverse Ansichten
eines Verteilerelements gemäß einer
anschaulichen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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3a und 3b schematisch Draufsichten
einer weiteren anschaulichen Ausführungsform eines Verteilerelements,
das zwei Muster mit Durchführungen
aufweist;
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4a und 4b schematisch beispielhafte Ausführungsformen
eines Verteilerelements mit elektromagnetischen Komponenten, um
Bahnen von sich durch das Verteilerelement bewegenden Ionen zu beeinflussen;
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5 schematisch
eine weitere anschauliche Ausführungsform
eines Verteilerelements für
das elektromagnetische Beeinflussen von Ionenbahnen;
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6 schematisch
eine Steuereinheit, die mit einem Teil eines elektromagnetischen
Verteilerelements verbunden ist; und
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7a und 7b entsprechende Messergebnisse
eines Dickenprofils, das durch zwei unterschiedliche Konfigurationen
des in den 2 und 3 gezeigten
Verteilerelements erhalten wird.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG
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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 speziellen
offenbarten 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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Fernerhin ist anzumerken, dass sich
die detaillierte Beschreibung auf das Elektroplattieren von Kupfer
auf Substraten, etwa solche, die bei der Halbleiterherstellung verwendet
werden, bezieht. Es ist aber leicht zu sehen, dass die vorliegende
Erfindung auf einen beliebigen Plattierungsvorgang, stromlos oder
mit einem extern einprägten
Strom (Elektroplattieren), für
beliebige Arten von Substraten anwendbar ist. Obwohl ferner die
Beschreibung auf einen Brunnen-Galvanisierungsreaktor Bezug nimmt,
wie er beispielsweise in 1a schematisch
dargestellt ist, so können
doch andere Arten von Reaktoren, etwa Elektrolytbäder, und
dergleichen verwendet werden. Insbesondere die Ausführungsformen,
die eine elektromagnetische Steuerung einer Ionenbewegung ermöglichen,
können
in effizienter Weise in Elektrolytbadreaktoren verwendet werden.
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2a zeigt
schematisch eine Draufsicht eines Verteilerelements 211 mit
mehreren Durchführungen 213.
Einige oder alle der Durchführungen 213 umfassen
einen Einstellmechanismus 220, der eine Änderung
einer wirksamen Größe der Durchführungen 213 ermöglicht.
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2b zeigt
eine Schnittansicht einer Öffnung 213 mit
dem Einstellmechanismus 220, der vier Abdeckelemente 221 aufweist,
die in schienenähnlichen
Elementen 222 so geführt
sind, dass die vier Abdeckelemente 221 durch Eingreifen
eines Stifts 224 in ein Eingreifelement 223, das
an dem obersten Abdeckelement 221 angebracht ist, betätigbar ist. Die
Abdeckelemente 221 umfassen ferner Blockierelemente 225,
die so gestaltet und angeordnet sind, um mit entsprechenden Blockierelementen 225 der darunterliegenden
und/oder darüberliegenden
Abdeckelemente 221 im Eingriff zu sein, wie dies mit Bezug
zu 2c beschrieben wird.
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2c zeigt
eine Seitenansicht der Öffnung 213 aus 2b. Der Einfachheit halber
ist das schienenartige Element 222 nicht gezeigt. Von unten
nach oben sind vier unterschiedliche Positionen des Einstellmechanismus 213 gezeigt,
und entsprechen einer vollständig
offenen, einer halb geöffneten,
einer dreiviertel geschlossenen und einer vollständig geschlossenen Position. 2c zeigt die Anordnung der
Abdeckelemente 221 und der entsprechenden Blockierelemente 225,
wenn das obere Abdeckelement 221 beispielsweise von einem
Bediener mittels des Stifts 224 betätigt wird, um der Reihe nach
die Öffnung
auf die vollständig
offene Position einzustellen, wenn mit der vollständig geschlossenen
Position begonnen wird. Während
die vollständig
offene Position einen maximalen Strom aus Elektrolyt durch die entsprechende
Durchführung 213 ermöglicht,
verhindert die vollständig
geschlossene Position im Wesentlichen eine Elektrolytströmung durch
die Öffnung 213 hindurch.
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In Betrieb kann das Verteilerelement 211 in einen
Reaktorbehälter,
etwa den Behälter 101 in 1a anstatt oder zusätzlich zu
dem Verteilerelement 111 eingesetzt werden und die wirksamen
Größen der
Durchführungen 213 werden
eingestellt, indem eine der Positionen, wie sie in den 2a und 2b gezeigt sind, gewählt wird. Wenn beispielsweise ein
kuppelartiges Dickenprofil gewünscht
wird, können
die mittleren Durchführungen 213 in
einer Position verbleiben, wie sie in 2a gezeigt
ist, wohingegen mit zunehmenden Abstand von der Mitte des Verteilerelements 211 die
Einstellmechanismen 220 nach und nach auf Positionen eingestellt
werden, wie sie in 2b gezeigt
sind, um allmählich
die Elektrolytströmung
zum Rand des Werkstücks 109 zu
verringern.
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In einer Ausführungsform kann die Konfiguration
des Verteilerelements 211 so eingestellt werden, dass die
Durchführungen 213 am
Rand des Verteilerelements im Wesentlichen vollständig geschlossen
sind, oder die Durchführungen 213 können in
abwechselnder Weise vollständig
geschlossen oder in die Position gebracht werden, in der lediglich
ein Abschnitt geöffnet
ist, wie dies in der Mitte in 2 gezeigt
ist, um die Elekt rolytströmung
zu dem Werkstückrand
zu reduzieren. Typischerweise ist die Abscheiderate am Rand des
Werkstücks 109 erhöht, da die
Größe des Stroms
und damit die Abscheiderate an Positionen höher ist, die in direktem Kontakt
mit der Kathode 108 sind.
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Nach entsprechendem Einstellen der
effektiven Größen der
Durchführungen 213 wird
der Reaktorbehälter 101 in
der mit Bezug zu 1a beschriebenen
Weise betrieben, wobei das Verteilerelement 211 in entsprechender
Weise die Elektrolytströmung zu
dem Werkstück 109 beeinflusst
und damit das gewünschte
Dickenprofil erzeugt.
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Wie man leicht sehen kann, kann die
Größe und die
Form der Durchführungen 213 variieren,
und die rechteckige Form mit vier unterschiedlichen Positionen ist
lediglich beispielhaft. Beispielsweise können die Einstellmechanismen 220 so
gestaltet sein, um eine kontinuierliche Änderung der effektiven Größe der Durchführungen 213 zu
ermöglichen.
Obwohl ferner die Form des Verteilerelements 211 so gewählt ist,
dass dieses im Wesentlichen konform zu dem Werkstück 109 ist,
d.h. in dem vorliegenden Beispiel einer Halbleiterscheibe mit acht
bis zehn Zoll, kann das Verteilerelement 211 eine geeignete
Form oder Größe aufweisen,
wobei beispielsweise die Größe und Form
des Werkstücks 109 durch
entsprechendes Betätigen
der Einstellmechanismen 220 berücksichtigt werden kann um eine
erforderliche Verteilerkonfiguration zu erreichen. Wenn beispielsweise
ein vier Zoll Werkstück 109 zu
galvanisieren ist, können alle
Durchführungen 213 mit
einem Abstand, der den Durchmesser des Werkstücks 109 übersteigt,
vollständig
geschlossen werden und die effektive Größe der verbleibenden mittleren
Durchführen 213 kann
so eingestellt werden, um den Prozesserfordernissen zu genügen. Somit
kann ein einzelnes Verteilerelement, etwa das Element 211 ausreichend
sein, um eine Bearbeitung von Werkstücken 109 mit unterschiedlichen
Größen und
Formen zu ermöglichen.
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3a zeigt
schematisch eine weitere anschauliche Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung. Ein Verteilerelement 311 umfasst eine erste Verteilerplatte 330 und
zweite Verteilerplatte 340. Die erste und die zweite Verteilerplatte 330, 340 beinhalten
Durchführungen 313 mit
geeigneter Größe und Form.
In dem in 3a gezeigten
anschaulichen Beispiel sind die Durchführungen 313 der ersten
und der zweiten Verteilerplatte 330, 340 so angeordnet, dass
keine Symmetrie in Bezug auf die entsprechenden Mittelpunkte der
Verteilerplatten 330, 340 erreicht wird.
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In einer anschaulichen Ausführungsform
umfasst die erste Verteilerplatte 330 einen Randbereich 320 mit
einem im Wesentlichen U-förmigen
Querschnitt, wie dies in 3b gezeigt
ist, so dass dieser mit der zweiten Verteilerplatte 340 in
Eingriff ist. Somit stellt der Randbereich 320 einen einfachen
Einstellmechanismus dar, um die Winkelposition der ersten und der
zweiten Platte 330, 340 relativ zueinander zu
justieren. Durch Variieren eines Drehwinkels in Bezug auf eine Mittelachse
(nicht gezeigt) der ersten und der zweiten Verteilerplatte 330, 340 kann
die effektive Größe und Form
der Durchführungen 313 so eingestellt
werden, um den Prozesserfordernissen zu genügen.
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Wie leicht zu erkennen ist, ist die
Anordnung der 3a und 3b lediglich anschaulicher
Natur und es können
eine Vielfalt von Größen und
Formen für die
Durchführungen 313 einschließlich Außerachsen-Symmetriegestaltungen
und mittelpunktssymmetrischer Gestaltungen verwendet werden. Beispielsweise
kann eine Vielzahl an kreisförmigen Öffnungen
in identischer Weise in den ersten und zweiten Verteilerplatten 330, 340 vorgesehen
werden und durch Auswählen
eines entsprechenden Drehwinkels zueinander kann die wirksame Größe der kreisförmigen Öffnungen
kontinuierlich variiert werden.
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Ferner können eine Vielzahl anderer
Mittel für
den Einstellmechanismus 320 anstatt des U-förmigen Randbereichs
der ersten Verteilerplatte 330 bereit gestellt werden.
Beispielsweise können
mehrere Stifte (nicht gezeigt) an dem Rand der ersten Verteilerplatte 330 und
eine entsprechende Vielzahl von Öffnungen
(nicht gezeigt) an dem Rand der zweiten Verteilerplatte 340 vorgesehen
werden, so dass jeder Stift mit einer entsprechenden Öffnung im
Eingriff ist. Der Abstand der benachbarten Stifte oder Öffnungen
wird so gewählt,
um einer minimalen erforderlichen Drehverschiebung der ersten und
der zweiten Verteilerplatte 330 und 340 zueinander
zu entsprechen.
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Andere Mittel zum einstellbaren Fixieren
der ersten und der zweiten Verteilerplatten 330, 340 sind im
Stand der Technik gut bekannt und dazu können Verschlusselemente gehören, etwa
wie Clips, Klemmen, Schrauben und dergleichen. Vorzugsweise haben
die Einstellmechanismen 220, 320 sowie die restlichen
Teile der Verteilerelemente 211, 311 elektrisch
nicht leitfähige
Oberflächen.
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Vorzugsweise werden Mittel für den Einstellmechanismus 320 gewählt, die
ein einfaches Positionieren der ersten und der zweiten Verteilerplatte 330, 340 relativ
zueinander innerhalb des Reaktorbehälters 101 ermöglichen,
etwa die zuvor genannten Positionierstifte und entsprechende Löcher und/oder Klemmen
und/oder Clips, so dass die erste und die zweite Verteilerplatte 330 und 340 in
einfacher Weise relativ zueinander durch einen Bediener positionierbar
sind, ohne dass das Verteilerelement aus dem Galvanisierungsreaktor
entfernt werden muss.
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Wie bereits mit Bezug zu 2 dargelegt ist, können periphere Bereiche der
ersten und der zweiten Verteilerplatte 330, 340 auch
so gestaltet sein, um die Elektrolytströmung zu dem Randgebiet des Werkstücks 109 zu
reduzieren, um die intrinsische höhere Kupferabscheiderate an
dem Rand zu kompensieren.
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4a zeigt
schematisch eine beispielhafte Ausführungsform eines Verteilerelemente 411,
das so gestaltet ist, um das zwischen der Anode 102 und der
Kathode 108 bestehende elektrische Feld zu beeinflussen.
Das Verteilerelement umfasst mehrere Durchführungen 413, deren
Größe und Form
entsprechend den Prozesserfordernissen wählbar sind. In dem in 4a dargestellten Beispiel
sind die Durchführungen 413 durch
kreisförmige Öffnungen dargestellt.
Die Durchführungen 413 sind
von Elektroden 414 umschlossen, die wiederum mit entsprechenden
Anschlüssen 415 verbunden
sind. Die Elektroden 414 können elektrisch voneinander
isoliert sein oder können
verbunden sein, um spezifizierte Gruppen von Elektroden zu bilden,
die von einer einzelnen von einem entsprechenden Anschluss 415 zugeführten Spannung
angesteuert werden können. In
der in 4a dargestellten
Ausführungsform
sind die Elektroden 414 einzeln mit entsprechenden Anschlüssen 415 verbunden,
die wiederum mit einer Steuereinheit (nicht gezeigt) verbunden sind,
die so gestaltet ist, um selektiv eine entsprechende Spannung zu
den einzelnen Elektroden 414 zuzuführen. Die Elektroden 414 sind
mit einem isolierenden Material beschichtet, so dass im Betrieb
keine Kupferabscheidung an den Oberflächen auftritt.
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Im Betrieb wird eine Spannung zu
entsprechenden Elektroden 414 oder Gruppen von Elektroden 414 zugeführt, um
ein bestehendes elektrisches Feld zu variieren, um so ein spezifisches
Strömungsmuster
für die
Ionen, die durch das Verteilerelement 414 durchströmen, zu
bilden. Wenn beispielsweise ein kuppelartiges Dickenprofil gewünscht ist, kann die
an die zentralen Elektroden 414 angelegte Spannung weniger
positiv in Bezug auf die an die Anode 102 angelegte Spannung
gewählt
werden, als am Rand des Verteilerelements 411, so dass
Ionen vorzugsweise durch die zentralen Durchführungen 413 hindurchgehen.
Durch entsprechendes Wählen
der Spannung, die den Elektroden 414 zugeführt wird, kann
eine geeignete Modifizierung des elektrischen Feldes erhalten werden
und damit können
die Bahnender durch die Durchführungen 413 hindurchströmenden Ionen
entsprechend beeinflusst werden. Ferner müssen die Elektroden 414 nicht
notwendigerweise an dem Verteilerelement 411 vorgesehen sein,
sondern können
statt dessen auf einer separaten Platte oder Rahmen vorgesehen sein,
die in der Strömung
unterhalb oder oberhalb eines mechanischen Verteilerelements, etwa
dem Element 111, angeordnet sind. Alternativ können mehrere
Rahmenelemente mit jeweils Elektroden 414 der Reihe nach
in dem Strömungsweg
der Ionen zur Erhöhung
der Effizienz vorgesehen sein.
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4b zeigt
schematisch eine weitere anschauliche Ausführungsform des Verteilerelements 411,
in der die Durchführungen 413 von
mehreren Elektrodensegmenten 414a,..., 414d umgeben
sind. In dem vorliegenden Beispiel sind vier Elektrodensegmente
vorgesehen, die einzeln mit einer Steuereinheit (nicht gezeigt)
mit einer Spannungsquelle verbunden sind. Wie zuvor erwähnt ist,
können
die Durchführungen 413 und
die entsprechenden Elektrodensegmente 414a,..., 414d so
in Gruppen angeordnet sein, dass mehrere Durchführungen 413 von gemeinsamen
Anschlüssen 415 angesteuert
werden, wodurch die Anzahl der Anschlüsse auf Kosten einer verringerten "Auflösung" des Verteilerelements 411 reduziert
werden kann. Das Vorsehen mehrerer Elektrodensegmente 414a,..., 414d anstelle
einer einzelnen Elektrode ermöglicht
die individuelle Beeinflussung der Bahn eines Ions, das durch eine
entsprechende Durchführung 413 wandert.
Beispielsweise können
die Elektrodensegmente 414a,..., 414d von der
Steuereinheit so angesteuert werden, dass ein durch die Durchführung 413 wanderndes Ion
in einer erforderlichen Richtung abgelenkt wird. Beispielsweise
können
Durchführungen 413,
die dem Randgebiet des Werkstücks 109 entsprechen, so
angesteuert sein, dass die durch die Durchführungen hindurchströmenden Ionen
in Richtung der Mitte des Werkstücks 109 gelenkt
werden, um ein kuppelartiges Dickenprofil zu erhalten. Wenn im Gegensatz dazu
ein schüsselartiges
Dickenprofil gewünscht
ist, können
die Elektrodensegmente der zentralen Durchführungen 413 durch
entsprechende Spannungen so angesteuert sein, um die Ionen zum Rand
abzulenken.
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Ferner kann die an die Elektrodensegmente 414a,..., 414d angelegte
Spannung in einer zeitlich variierenden Weise zugeführt werden,
so dass die Ablenkrichtung der Ionen, die durch die Durchführungen 413 strömen, in
entsprechender Weise zeitabhängig
variiert. Eine Ausführungsform,
die eine zeitlich variierende Ablenkung der Ionen erlaubt, ist insbesondere
nützlich
in Anordnungen, in denen der Reaktorbehälter 101 mit einem
geringen von außen
induziertem Elektrolytstrom oder als ein Elektrolytbad betrieben
wird, wo die Anzahl der Ionen, die an dem Werkstück 109 ankommen, hauptsächlich durch
das von der Anode 102 und der Kathode 108 erzeugte elektrische
Feld anstatt durch das Zirkulieren des Elektrolyts bestimmt ist.
Der zeitlich variierende Ablenkwinkel kann dann eine im Wesentlichen
homogene Verteilung des auf dem Werkstück 109 abgeschiedenen
Kupfers garantieren. Ferner kann eine entsprechende Anordnung das
Drehen der Anode 102 und/oder der Kathode 108 unnötig machen,
wodurch der mechanische Aufbau des Elektroplattierungssystems 100 deutlich
vereinfacht wird.
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5 zeigt
schematisch weitere Ausführungsformen
elektromagnetischer Verteilerelemente. In 5 umfasst ein Verteilerelement 511 eine
Verteilerplatte 530 mit mehreren Durchführungen 513. Obwohl
die Durchführungen 513 als
kreisförmige Öffnungen
dargestellt sind, sollte in Erinnerung behalten werden, dass, wie
bereits mit Bezug zu den 2 und 3 ausgeführt ist, eine beliebig geeignete
Größe und Form
für die
Durchführungen 513 gewählt werden
kann. Auch oder beabstandet von der Verteilerplatte 530 ist
ein elektromagnetischer Verteilungsbereich 540 vorgesehen,
der mehrere zentrale Elektromagnete 541 und mehrere periphere
Elektromagnete 542 aufweist. Die Elektromagnete 541, 542 sind
mit einer Steuereinheit (nicht gezeigt) verbunden, die so gestaltet
ist, um die erforderlichen Ströme
zur geeigneten Ansteuerung der Elektromagnete 541 und 542 zu
liefern.
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Bei Bestromung der Elektromagnete 541 und/oder
der Elektromagnete 542 wird ein magnetisches Feld erzeugt,
das durch das Verteilerelement 511 hindurchgehende Ionen
entsprechend den in den entsprechenden Elektromagneten eingeprägten Strömen ablenkt.
Beispielsweise können
die peripheren Elektromagneten 542 so gesteuert werden,
um Ionen in das zentrale Gebiet des Werkstücks 109 zu "fokussieren", um ein kuppelartiges
Dickenprofil zu erhalten. Andererseits können die peripheren Elektromagnete 542 so
bestromt werden, um Ionen zur Peripherie des Werkstücks 109 zu
ziehen, um damit ein schüsselartiges
Dickenprofil zu erhalten. Alternativ oder zusätzlich können die zentralen Elektromagnete 541 so
betrieben werden, um das benötigte
Dickenprofil zu erhalten. Wie leicht erkennbar ist, ist die Anordnung
aus 5 lediglich beispielhafter
Natur und es kann eine beliebig geeignete Anordnung der Elektromagnete
gewählt
werden. Beispielsweise ist in manchen Ausführungsformen das Bereitstellen
der zentralen Elektromagnete 541 ausreichend, um die gewünschte Ablenkung
der durch das Verteilerelement 511 hindurchströmenden Ionen
zu erreichen. In anderen Ausführungsformen
können
die peripheren Elektromagnete 542 ausreichen, um das geforderte Dickenprofil
zu erzeugen. Ferner kann die Anzahl und die Form der Elektromagnete 542, 541 entsprechend
den Prozesserfordernissen gewählt
werden. In anderen Ausführungsformen
kann der elektromagnetische Verteilerbereich 540 ohne eine
Verteilerplatte 530 vorgesehen sein, wobei die geforderte
Ionenverteilung auf dem Werkstück 109 lediglich
durch den elektromagnetischen Verteilerbereich 540 erzeugt wird.
Eine entsprechende Anordnung ist in Galvanisierungssystemen vorteilhaft,
die keine oder lediglich eine geringe von außen eingeprägte Flussrate des Elektrolyts
aufweisen.
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In anderen Ausführungsformen können die Elektromagnete 541 und/oder 542 mit
Elektrodenanordnungen, wie sie etwa in den 4a und 4b gezeigt
sind, ausgestattet sein, um die erforderliche Ablenkung von Ionen
zu erreichen, die durch das entsprechende Verteilerelement hindurchgehen.
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6 zeigt
schematisch ein System 600 zum Betreiben elektromagnetischer
Verteilerelemente, wie sie mit Bezug zu den 4a, 4b und 5 erläutert sind. Der Einfachheit
halber wird ein entsprechendes Verteilerelement durch Elektromagnete 641 repräsentiert,
die in ähnlicher
Weise wie die zentralen Elektromagnete 541 in 5 angeordnet sind. Es sollte
jedoch bedacht werden, dass das Prinzip der Steuerung der Ablenkung
der Ionen, die durch ein Verteilerelement gehen, ähnlich ist
zu jeder der mit Bezug zu den 4a, 4b und 5 erläuterten
Ausführungsformen
ist. Das System 600 umfasst ferner eine Steuereinheit 601 mit
Stromausgängen 602 und 603, die
so gestaltet sind, um Ströme
bereit zu stellen, deren Größe und Polarität zeitlich
variierbar ist.
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In anderen Ausführungsformen, wenn Elektroden
oder Elektrodensegmente, wie sie in den 4a und 4b gezeigt
sind, zu betreiben sind, kann eine Vielzahl von Ausgängen
602 und 603 vorgesehen
werden, die eine Steuerung der Größe und der Polarität einer
Spannung in einer zeitabhängigen Weise
ermöglichen.
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In Betrieb prägt die Steuereinheit 601 einen Strom
in die entsprechenden Elektromagnete 641 ein, so dass ein
spezifiziertes Magnetfeld, wie durch 604 angedeutet, erzeugt wird.
Abhängig
von dem geforderten Dickenprofil und der tatsächlichen Anordnung der Elektromagnete 641 kann
ein zeitlich konstantes Magnetfeld geeignet sein, um ein gewünschtes
Profil zu erhalten. In dem in 6 gezeigten
Beispiel werden die von den Ausgängen 602 und 603 gelieferten
Ströme
in einer zeitlich variierenden Weise in die Elektromagnete 641 eingeprägt, um ein
zeitabhängiges
Magnetfeld und damit eine zeitabhängige Ablenkung von Ionen,
die durch das Verteilerelement hindurchgehen, zu erzeugen. In 6 ist die wesentliche Richtung
der Ionen senkrecht zur Zeichenebene und die Richtung der Ablenkung
der Ionen ist ebenso senkrecht zu dem momentan vorherrschenden Magnetfeld 604.
Beispielsweise können die
an den. Ausgängen 602 und 603 gelieferten
Ströme
sinusförmig
mit einer Phasendifferenz von 90° variiert
werden, so dass ein rotierendes Magnetfeld mit konstanter Größe erhalten
wird, das zu einer relativ gleichförmigen Ionenverteilung führen kann.
Es kann jedoch eine beliebige Art eines zeitabhängigen Magnetfeldes durch entsprechendes
Bereitstellen von Strömen
an den Ausgängen 602 und 603 erzeugt werden.
In ähnlicher
Weise können
entsprechende Spannungen an die Elektroden oder Elektrodensegmente,
wie sie in 4a und 4b gezeigt sind, angelegt
werden, wenn ein Verteilerelement mit Elektroden verwendet wird.
Insbesondere können
die Ausführungsformen,
die mit Bezug zu 4b beschrieben
sind, in einer ähnlichen
Weise betrieben werden, so dass ein statisches oder ein zeitabhängiges elektrisches
Feld eine entsprechende erforderliche Ablenkung der Ionen, die durch
die Durchführungen 413 hindurchgehen,
liefert.
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Folglich ermöglichen die elektromagnetischen
Verteilerelement, die mit Bezug zu den 4a, 4b, 5 und 6 beschrieben sind, ohne oder in Kombination
mit Verteilerplatten mit darin ausgebildeten Durchführungen,
die Fernsteuerung der Bahnen von auf das Werkstück 109 zuströmenden Ionen. Somit
kann die Verteilerkonfiguration einfach und rasch modifiziert werden,
um den Prozesserfordernissen zu genügen. Des Weiteren kann die
Verteilerkonfiguration während
der Bearbeitung eines einzelnen Substrats variiert werden, um damit
komplexere Dickenprofile zu erhalten. Beispielsweise können Ungleichförmigkeiten
von Musterstrukturen, die auf dem Werkstück 109 vorgesehen
sind, oder Schwankungen der Saatschicht, die vor dem Galvanisieren
des Werkstücks 109 aufgebracht
wird, oder komplexe Prozessschwankungen eines nachfolgenden Prozesses,
beispielsweise eines CMP-Prozesses, berücksichtigt werden, indem die
Konfiguration des elektromagnetisch gesteuerten Verteilerelements
gewählt
wird. Eine entsprechende Auswahl eines erforderlichen Abscheideprofils
kann jedoch auch erreicht werden, indem die Verteilerelemente, wie
sie mit Bezug zu den 2 und 3 beschrieben sind, geeignet eingestellt
wird; in diesem Falle würde
eine Fernsteuerung der Verteilerkonfiguration jedoch ein komplexes
mechanisches Steuersystem erfordem.
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Wie bereits bei den mechanischen
Verteilerelementen in 2 und 3 erläutert
ist, ermöglichen es
die elektromagnetisch gesteuerten Verteilerelemente, die mit Bezug
zu den 4-6 erläutert
sind, eine Anpassung der Verteilerkonfiguration an Werkstücke mit
unterschiedlichen Größen und
Formen, so dass eine Vielzahl an Substraten bearbeitbar ist, ohne
dass der mechanische Aufbau des Elektroplattierungssystems 100 geändert werden
muss, und selbst ohne dass die Verteilerelemente mechanisch betätigt werden
müssen.
In einigen Ausführungsformen
können
die Verteilerelement in einer "digitalen" oder "pixelartigen" Weise betrieben
werden, wobei Durchführungen
scheinbar "blockiert" werden, indem der
Ablenkwinkel durch das elektrische und/oder magnetische Feld in
einer Weise erhöht
wird, so dass die Ionen das Werkstück nicht treffen oder zu einer benachbarten
Durchführung
gelenkt werden, in der die Ionen entsprechend dem an der benachbarten Durchführung vorherrschenden
Feld umgelenkt werden.
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7a zeigt
einen Graphen, der die Dickenvariation einer Kupferschicht darstellt,
die auf eine unstrukturierte Halbleiterschicht aufgebracht ist.
Das Dickenprofil wird mittels des Schichtwiderstands, der an diversen
Stellen entlang des Radius der Halbleiterscheibe gemessen wird,
bestimmt. Wie aus 7a ersichtlich
ist, wird eine gleichförmige
Dickenverteilung erhalten, wobei während des Abscheideprozesses
das Verteilerelement, wie es in 2a gezeigt
ist, verwendet worden ist, wobei die peripheren Durchführungen 213 teilweise
geschlossen sind, um die Abscheiderate an dem Rand der Halbleiterscheibe
zu verringern.
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7b zeigt
schematisch ein Diagramm, das die Dicke einer auf einer unstrukturierten
Halbleiterscheibe gebildeten Kupferschicht in Bezug auf die radiale
Position der Scheibe zeigt. Die Verteilerkonfiguration der Verteilerelemente,
wie dies mit Bezug zu 2 und
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3 beschrieben
ist, ist entsprechend eingestellt worden, um ein kuppelartiges Profil
zu erhalten, um damit die höhere
Abtragsrate in der Mitte der Scheibe in einem nachfolgenden CMP-Prozess
zu kompensieren.
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Weitere Modifikationen und Variationen
der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann offenkundig
angesichts dieser Beschreibung. Die Beschreibung ist daher 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.