KR101769720B1 - 전기화학 증착 장치 및 그 안의 화학작용을 제어하는 방법 - Google Patents

전기화학 증착 장치 및 그 안의 화학작용을 제어하는 방법 Download PDF

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Abstract

전기화학 증착 시스템이 설명된다. 전기화학 증착 시스템은 기판 상에 하나 이상의 금속을 증착하기 위한 공통 플랫폼 상에 배열되는 하나 이상의 전기화학 증착 모듈들, 및 하나 이상의 전기화학 증착 모듈들에 커플링되는 화학 관리 시스템을 포함한다. 화학 관리 시스템은 하나 이상의 금속들을 증착하기 위해 하나 이상의 금속 성분들을 하나 이상의 전기화학 증착 모듈들 중 적어도 하나에 공급하도록 구성된다. 화학 관리 시스템은 적어도 하나의 금속 강화 셀 및 적어도 하나의 금속-농축물 생성기 셀을 포함할 수 있다.

Description

전기화학 증착 장치 및 그 안의 화학작용을 제어하는 방법{ELECTROCHEMICAL DEPOSITION APPARATUS AND METHODS FOR CONTROLLING THE CHEMISTRY THEREIN}
관련 출원에 대한 교차-참조
37 C.F.R §1.78(a)(4)에 따라, 본 출원은 2013년 7월 3일에 출원되고 공동 계류중인 미국 가출원 번호 제61/842,801호의 이익과 우선권을 주장하며, 상기 가출원은 그 전체가 인용에 의해 명시적으로 본원에 포함된다.
발명의 분야
여기에 개시된 실시예들은 일반적으로 전기화학 증착(electrochemical deposition; ECD) 및 금속 도금에 관한 것이다.
신뢰할 수 있는 멀티 레벨 상호연결 형성 및 금속화는 타이트-피치 솔더 범프 및 마이크로-범프 기술 둘 다 그리고 전자 디바이스들의 3-차원 집적화(3DI)를 비롯해서, 차세대 초대규모 집적 회로(ULSI) 디바이스들 및 진보된 패키징의 성공에 매우 중요하다. 예로서, 비아, 콘택들, 및 라인들을 통해 높은 종횡비로 형성된 듀얼 다마신 구리(dual damascene copper)(Cu)는 ULSI 제조에 대한 7nm(nanometer) 기술 노드 및 그 초과에 대한 확장을 위해 구상된다. 부가적으로 예를 들어, 1 내지 30 미크론의 직경 및 10 내지 250 마이크론의 깊이를 갖는 실리콘 관통 비아(through silicon via; TSV) 구조들을 통해 금속화되는 것은 3DI 전자 디바이스를 가능케 하는 반면에, 타이트 피치 범프, 즉, 300 미크론 미만의 피치 또는 마이크로-범핑 시에 무연 솔더의 마스크 패턴 증착은 진보된 패키징을 위해 고려된다.
위의 기술을 가능케 하기 위해, 전기도금 또는 전기화학 증착(ECD)은, 다른 프로세스들 중에서도, 주석(Sn), 은(Ag), Sn-Ag 합금, 니켈(Ni), 구리(Cu), 또는 기타 등과 같은 금속들을 포함하는 다양한 물질들의, 반도체 워크피스 또는 기판들과 같은 다양한 구조들 및 표면들로의 적용을 위한 제조 기술로서 이용된다. 이러한 프로세스에 대해 사용되는 시스템들의 중요한 피처는 균일하고 반복 가능한 물질 특성들, 예를 들어, 두께, 조성물, 기계적 또는 전기적 특성들 등을 생성하는 능력이다.
전기화학 증착 시스템은 도금 동안 고갈시에 보충을 요구하는 성분(들), 예를 들어, 금속 이온을 포함하는 주 전해액을 이용할 수 있다. 예로서, 주석-은 적용 시에, 주석 염 용액의 액체 보충이 고갈 시에 요구될 수 있다. 이러한 보충은 값비쌀 수 있고 실질적으로 적용에 의존할 수 있다. 또한, 보충은 서비스 및 프로세스 재-인정(re-qualification)을 위해 전기화학 증착 툴 또는 서브 모듈의 상당한 가동중단 시간(down time)을 필요할 수 있으며, 이는 증착 장비의 소유 비용에 불리하게 영향을 미칠 수 있다. 이에 따라, 전기화학 증착 툴들의 고갈된 프로세스 전해액의 보충을 위해 새롭고 개선된 방법들 및 장치들에 대한 요구가 있다.
본 발명의 실시예들은 전기화학 증착(ECD) 및 전해액 보충을 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 일 실시예에 따라, 전기화학 증착 시스템이 설명된다. 전기화학 증착 시스템은 기판 상에 하나 이상의 금속을 증착하기 위한 공통 플랫폼 상에 배열되는 하나 이상의 전기화학 증착 모듈들, 및 하나 이상의 전기화학 증착 모듈들에 커플링되는 화학 관리 시스템을 포함한다. 화학 관리 시스템은 하나 이상의 금속들을 증착하기 위해 하나 이상의 금속 성분들을 하나 이상의 전기화학 증착 모듈들 중 적어도 하나에 공급하도록 구성된다. 화학 관리 시스템은 적어도 하나의 금속 강화 셀 및 적어도 하나의 금속-농축물 생성기 셀을 포함할 수 있다.
부가적으로, 본 명세서에서의 상이한 피처들, 기술들, 구성들 등 각각이 본 개시의 상이한 장소에서 논의될 수도 있지만, 이들 개념들 각각은 서로 독립적으로 또는 서로 결합하여 실행될 수 있다는 것이 의도된다. 이에 따라, 본 발명은 다수의 상이한 방식들로 실현되고 고려될 수 있다.
이 요약 섹션은 본 개시 또는 청구된 발명의 모든 실시예들 및/또는 점진적으로 신규한 양상들을 특정하지 않는다는 것을 주의한다. 대신, 이 요약은 단지 상이한 실시예들의 예비 논의 및 종래의 기술보다 나은 신규성의 대응하는 지점들을 제공한다. 본 발명 및 실시예들의 부가적인 세부사항들 및/또는 가능한 요점을 위해, 독자는 본 아래에서 추가로 논의되는 바와 같은 개시의 상세한 설명 섹션 및 대응하는 도면들을 참조한다.
본 발명의 다양한 실시예들의 보다 완전한 이해 및 그의 동반 이점들 대부분은 첨부된 도면들과 함께 고려되는 다음의 상세한 설명을 참조하여 쉽게 자명하게 될 것이다. 도면들은 반드시 제 축적이 아니며, 대신 피처들, 원리들 및 개념들을 예시할 때 강조된다.
도 1은 실시예에 따른 투여 방식을 도시하는 도금 셀의 단순화된 개략도이다.
도 2a 및 도 2b는 다른 실시예들에 따른 투여 방식을 도시하는 도금 셀의 단순화된 개략도들이다.
도 3a 및 도 3b는 또 다른 실시예에 따른 금속 강화 셀과 함께 동작 가능한 도금 셀의 단순화된 개략도들이다.
도 4는 실시예에 따라 전기화학 증착 모듈 및 화학 관리 시스템의 단순화된 개략도이다.
도 5는 실시예에 따라 금속-농축물 생성기 셀의 단순화된 개략적인 흐름도를 도시한다.
도 6a는 실시예에 따라 금속 농축물 생성기를 동작하는 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 6b는 다른 실시예에 따라 금속 농축물 생성기를 동작하는 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 7은 실시예에 따라 금속 강화 셀의 단순화된 개략적인 흐름도를 도시한다.
도 8은 실시예에 따라 금속 강화 셀의 단순화된 개략적인 흐름도를 도시한다.
도 9는 또 다른 실시예에 따라 물 추출 모듈의 단순화된 개략도이다.
전해액의 보충을 포함하는 전기화학 증착을 위한 방법들 및 장치들이 다양한 실시예에서 설명된다. 다양한 실시예들이 특정한 세부사항들 중 하나 이상 없이, 또는 다른 대체물들 및/또는 부가적인 방법들, 물질들, 또는 컴포넌트들로 실시될 수 있다는 것을 당업자는 인지할 것이다. 다른 예들에서, 본 발명의 다양한 실시예들의 양상들을 모호하게 하는 것을 방지하기 위해, 잘-알려진 구조들, 물질들 또는 동작들은 상세히 도시되거나 설명되지 않는다. 유사하게, 설명을 위해, 특정한 번호들, 물질들 및 구성들은 본 발명의 철저한 이해를 제공하기 위해 기술된다. 그럼에도, 본 발명은 특정한 세부사항들 없이 실시될 수 있다. 또한, 도면에서 도시된 다양한 실시예들은 예시적인 표현들이며 반드시 제 축적대로 그려진 것은 아니라는 것이 이해된다.
이 명세서에 걸쳐 "일 실시예" 또는 "실시예"에 대한 참조는 실시예와 관련하여 설명되는 특정한 피처, 구조, 물질 또는 특성이 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되지만, 이들이 모든 실시예에서 존재한다는 것을 나타내는 것은 아니란 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서에 걸쳐 다양한 장소에서 "일 실시예" 또는 "실시예"란 문구의 출현은 반드시 본 발명의 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니다. 또한, 특정한 피처들, 구조들, 물질들, 또는 특성들은 하나 이상의 실시예들에서 임의의 적절한 방식으로 결합될 수 있다. 다양한 부가적인 층들 및/또는 구조들이 포함될 수 있고 그리고/또는 설명된 피처들이 다른 실시예들에서 생략될 수 있다.
여기서 이용된 바와 같은 "기판"은 일반적으로 본 발명에 따라 프로세싱되는 객체를 지칭한다. 기판은 디바이스 특히, 반도체 또는 다른 전자 디바이스의 임의의 물질 부분 또는 구조를 포함할 수 있고, 예를 들어, 반도체 웨이퍼와 같은 베이스 기판 구조 또는 박막과 같이 베이스 기판 구조 상의 또는 그 위에 있는 층일 수 있다. 따라서, 기판은 패터닝되거나 패터닝되지 않는 임의의 특정 베이스 구조, 하부 층 또는 상부 층으로 한정되는 것으로 의도되지 않고, 오히려, 임의의 이러한 층 및/또는 베이스 구조 및 층들 및/또는 베이스 구조들의 임의의 결합을 포함하는 것으로 고려된다. 이 설명은 아래에서 특정한 타입들의 기판들을 참조하지만, 이는 제한이 아니라 예시 목적만을 위한 것이다.
위에서 부분적으로 설명된 바와 같이, 예를 들어, 전기화학 증착(electrochemical deposition; ECD)을 이용하여 금속으로 기판 또는 기판 상의 또는 기판 내의 구조를 도금하기 위한 다양한 실시예들이 개시된다. 전기화학 증착 동안, 주석(Sn), 은(Ag), 니켈(Ni), 구리(Cu), 및 이들의 합금(예를 들어, SnAg 합금)과 같은 금속은, 금속 막을 형성하도록 노출된 표면에 전류를 이용하여 금속 이온(들)을 도입하고 용해된 금속 이온(들)을 환원시킴으로써 도금 셀에서 기판의 노출된 표면들로 도금된다. 위에서 언급된 바와 같이, 견고한 도금 셀의 중요한 피처는 균일하고 반복 가능한 물질 특성들을 생성하는 그의 능력이다. 그러나 전기화학 증착 시스템들은, 도금 동안 금속 이온들을 소비하고, 이에 따라 균일하고 반복 가능한 결과들을 위해 프로세스 전해액에서 고갈된 금속 이온(들)의 보충을 요구한다.
ECD 시스템에서 사용되는 도금 셀들 및 보충 셀들에 대한 다수의 실시예들이 여기에 개시된다. 보충 셀들에 대하여, 몇몇 실시예들은 온-플랫폼 또는 오프-플랫폼 금속 농축물 생성기 셀이 농축된 상태(즉, 프로세싱을 위해 이용되는 통상적인 금속 이온 농도 초과의 금속 이온 농도)로, 저장되고 동작 동안 도금 셀에 투여하는데 사용될 수 있는 금속-함유 전해액을 생성하는데 사용되는 농축 생성기 셀에 관한 것이다. 다른 실시예들은 온-보드 또는 오프-보드 금속 강화 셀이 전해액 저장소와 도금 셀 사이를 통해 순환하는 전해액을 강화하는 강화 셀들에 관한 것이다.
이제 도면들을 참조하면, 도 1은 실시예에 따른 투여 방식을 도시하는 도금 셀의 단순화된 개략도이다. 도금 셀은 다양한 금속 소스들로부터의 금속 투여로 보충되는 금속의 전기화학 증착(ECD)을 수행하는데 사용될 수 있다. 예로서, 도금 셀은 단일 구획 도금 셀을 포함할 수 있는데, 즉, 공통 전해액이 도금 셀 양극과 음극에 접촉한다. 단일 구획 도금 셀의 양극은 가용성 양극 또는 불용성 양극, 바람직하게는 불용성 양극일 수 있다. 투여 컴포넌트들 중 일부는 여기에 개시된 다양한 실시예들에서 설명된 것들과 같은 제어 모듈로 대체될 수 있다.
도 1에서, 도금 용액은 셀(1003) 및 저장소(1020)에 포함되고, 펌프(1011)를 이용하여 도관들(1012 및 1013)을 통해 재순환될 수 있다. 도금 용액은 투여 어레이(1006-1009)에서 도시된 용액을 이용한 투여를 통해 보충하고, 도관(1005)을 통해 전달된다. 단일 구획 ECD 셀은 (음극으로서 기능하는) 웨이퍼(1002)를 포함한다. 비-제한적인 예로서, 웨이퍼(1002)는 SnAg 합금으로 도금될 수 있다. 웨이퍼(1002) 반대의 양극(1001)은 불활성 양극일 수 있다. 투여된 종들은 다음들: Sn-농축물 용액, Ag-농축물 용액, 하나 이상의 유기 첨가제, Ag 착화제 농축물(complexor concentrate), 산 및 물 중 일부 또는 전부를 포함할 수 있다. ECD 도금 셀을 통하는 전류는 파워 서플라이(1004)를 통해 제어될 수 있다.
도 1에서 도시된 금속 농축물 1(1006)이 Sn 농축물인 SnAg의 경우에, 용액(1006)은 도 5의 금속 농축물 생성물로서 도관(5081) 또는 저장소(5080)를 통해 제공될 수 있다. 유사하게, 동일한 예에서, 도 1의 피드(1007)는 도관(1013)을 따라 도 7로부터 Ag 보충 셀을 사용하기 위한 프로비전으로 대체될 수 있다. 도 1은 도 9도에서 개시된 멤브레인 증류 모듈에 기초할 수 있는 선택적 물 추출 모듈(1010)을 도시한다.
도 2a 및 도 2b는 다른 실시예들에 따른 투여 방식을 도시하는 도금 셀의 단순화된 개략도들이다. 도금 셀 금속은 다양한 소스로부터 금속 투여로 보충 금속의 전기화학 증착(ECD)을 수행하는데 사용될 수 있다. 예로서, 도금 셀은 이중-구획 도금 셀을 포함할 수 있는데, 즉 양극액 및 음극액이 멤브레인(양이온 또는 음이온 타입의 이온 교환 멤브레인)에 의해 도금 셀 내에서 분리된다. 단일 구획 도금 셀의 양극은 가용성 양극 또는 불용성 양극, 바람직하게는 가용성 양극일 수 있다. 투여 컴포넌트들 중 일부는 여기에 개시된 다양한 실시예들에서 설명된 것들과 같은 제어 모듈로 대체될 수 있다는 것에 주의한다.
도 2a는 투여 방식을 도시하는 이중-구획 ECD 셀의 단순화된 개략도이다. 투여 컴포넌트들 중 일부는 본 개시에서 설명된 것들과 같은 제어 모듈로 대체될 수 있다는 것에 주의한다. 이 실시예에서, 양극(2001)은 음극으로서 작용하는 금속이 웨이퍼(2009)에 증착될 때 전기-용해를 겪는다. 양극(2001)의 전기-용해는 구획(2002) 내의 양극액에서 발생한다. 일부 실시예들에서, 특정한 도금 애플리케이션(Cu, SnAg, Ni, 또는 다른 금속인지 여부)에 의존하여, 멤브레인(2011)을 걸친 금속 이온의 전달 효율은 100%가 아닐 수 있다. 불완전 전달 효율은 ECD 셀의 양극액 측(도 2a의 구획(2002) 및 저장소(2004)) 상의 금속 이온의 축적을 초래한다. 이 축적은 이따금 저장소(2004)로부터 저장소(2030)의 도금 용액으로의 양극액을 크로스-블리딩(cross-bleeding)함으로써 완화될 수 있다. 이는 도관(2013), 밸브(2012) 및 도관(2014)을 통해 달성될 수 있다. 일부 구성들에서, 크로스-블리딩 조차도 저장소(2030) 및 구획(2010)에서 도금 용액의 주 금속 이온을 목표 레벨들로 유지하기에 불충분할 수 있다. 이러한 경우들에서, 투여 유닛(2018)(금속 농축물 1을 포함함)으로부터 도관(2017) 통한 보조 투여가 실행할 수 있다. 부가적인 투여 유닛들(2019, 2020 및 2021)은 다른 금속 농축물들 및/또는 첨가제들을 공급할 수 있다. 주어진 양극액 용액은, 펌프(2003)를 사용하여 ECD 셀을 통고하여 도관들(2005 및 2006)을 통해 재순환될 수 있다.
도 2b는 이중-구획 ECD 셀이 불용성 양극(2001b)을 구비하는 실시예를 도시한다. 일부 예시들에서, 도 2b의 구성은 도 2a의 구성과 동일한 웨이퍼 도금 애플리케이션들을 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 2a 및 도 2b의 양자의 실시예들은 SnAg 도금을 위해 사용될 수 있다. 양자의 실시예들은 일반적으로 도 1의 구성에 비해 이점들을 갖는다. 양자의 실시예들이 유사하지만, 도 2a와 도 2b 간의 양극의 상이한 선택은 상이한 이익들을 발생시킨다. 특정한 예로서, (저장소(2004) 및 구획(2002)의 또는 저장소(2004b) 및 구획(2002b)의) 양극액들은 일부 구현들(특히, Sn 또는 Sn-함유 합금들)에서, 상이한 조성물들을 갖도록 선택될 수 있다. 특정한 예로서, 저장소(2004)의 양극액은 양극(2001)의 전기-용해 시에 금속 이온들을 수신하고, 모든 용해된 금속 이온들이 저장소(2030)의 도금 용액으로 크로스-오버(cross-over)하는 것을 보장하기 위해 크로스-블리딩을 또한 이용할 수 있다. 투여 유닛(2018)은 그 후 보충 투여를 위해 사용된다. 주어진 도금 용액은 펌프(2008)를 사용하여 ECD 셀 통과하여 도관들(2016 및 2015)을 통해 재순환될 수 있다.
대조적으로, 불활성 양극(2001b)이 장착된 도 2b의 도시된 셀은, 금속 이온 소스로서 구획(2002b)의 양극액에 의존할 필요가 없다. 도 2b의 셀은 전체 주 금속 이온 공급이 투여 유닛(2018)을 통해 전달될 수 있다는 점에서 도 1의 셀과 유사하게 동작할 수 있다. 도 2b의 셀에 대해, 양극액은 몇몇 실시예들에서, 단순한 산-물 용액으로 구성될 수 있다. 특정한 실시예들에서, 이러한 양극액의 제어는 타겟 산 농도를 유지함으로써 달성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 산 제어는 오버플로우 둑(overflow weir) 및 물 투여 메커니즘(도시되지 않음)에 의해 실현될 수 있다. ECD 셀 또는 ECD 로드 통한 전류는 파워 서플라이(2007)를 통해 제어될 수 있다.
일부 실시예들(Sn 또는 SnAg 도금을 포함(그러나 이것으로 제한되지 않음)함)에서, (화학물질 공급자들로부터 미리 만들어져 이용 가능한) 투여 유닛(2018)으로부터 보조(또는 메인) 금속 이온 농도의 주 소스는 도 5에서 설명된 것과 같은 모듈을 이용하여 현장에서 생성되는 농출물로 대체될 수 있다. 유사하게, 도관(2015 또는 2016)은 도 7에서 설명된 것과 같은 직접적인 금속 용해 셀을 포함하도록 변형될 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 물 추출 모듈(2025)의 이용을 또한 도시한다. 선택적으로 도 9에서 설명된 모듈이 이용될 수 있고, 단순한 증발 모듈이 또한 사용될 수 있다. 물 추출 메커니즘의 선택은 (도 9에 대해 설명된 바와 같이) 주어진 전체 프로세스의 사양들에 기초할 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 또 다른 실시예들에 따른 금속 강화 셀과 함께 동작 가능한 도금 셀의 단순화된 개략도이다. 도금 셀은 금속 강화 셀로부터의 금속 투여로 적어도 부분적으로 보충되는 금속의 전기화학 증착(ECD)을 수행하기 위해 사용될 수 있다. 예로서, 도금 셀은 이중-구획 도금 셀을 포함할 수 있는데, 즉 양극액 및 음극액이 멤브레인에 의해 도금 셀 내에서 분리된다. 단일 구획 도금 셀의 양극은 가용성 양극 또는 불용성 양극, 바람직하게는 불용성 양극일 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 도 7에 설명된 바와 같이, 멤브레인-관통 금속 보충(through-membrane metal replenishment)을 포함하는 금속 강화 셀의 상이한 구현들을 도시한다. 예시적인 실시예들은 이들 도면들에 도시된 것들로 제한되는 것이 아니라, 다른 구성들이 이루어질 수 있다는 것이 이해되어야 한다는 것에 주의한다.
도 3a 및 도 3b는 3-구획의 멤브레인-관통 금속 보충 셀과 함께 동작하는 불용성 양극을 구비한 2-구획 ECD 셀의 단순화된 개략도이다. 도 3a 또는 도 3b의 어느 구성도 다수의 애플리케이션들에 대해 사용될 수 있다. 예를 들어, 도금되는 금속이 Sn, 또는 Sn-함유 합금인 실시예에서, 도 3b의 금속 강화 셀(3020)이, (실제 웨이퍼 워크피스(3006)에서 소비되는 총 전류들로 제한되는) 양극(3005b)의 능력을 넘어 양극(3022)의 전기-용해를 통해 저장소(3030)의 양극액을 추가로 강화하기 위한 부스터 모듈로서 사용될 수 있다. 도 3a에서 도시된 실시예는, 한편, 전체 용해된 금속 요건을 충족하도록 금속 강화 셀(3020)에 의존한다. 또한, 도시되지 않았지만, 금속 강화 셀(3020) 또는 금속 강화 셀들의 결합은 다수의 ECD 셀(3001)을 지원하도록 또는 보다 화학적으로 복합적인 도금 용액들을 지원하도록 구성될 수 있다.
도 3a 및 도 3b에서, 컴포넌트들 중 대부분은 관련 도면들에서 이전에 설명된 컴포넌트와 유사하다는 것에 주의한다. 예를 들어, 도관들(3011, 3012, 3029a, 3029b, 3041, 3015, 3013, 3051, 및 3052)은 대응하는 펌프들(3010, 3032, 3042 및 3053)을 통해 다양한 각각의 용액을 순환 또는 재순환할 수 있다. 구획들(3003, 3003b, 3004, 3024, 3025, 및 3026)은 대응하는 저장소들(3009, 3030, 3040, 및 3050)과 각각의 용액들을 공유한다. 이온 교환 멤브레인들(3008, 3028, 및 3027)은 대응하는 구획들을 분리하도록 기능한다. ECD 셀(3001)을 통한 전류는 파워 서플라이(3007) 및 양극(3005/3005b)을 통해 제어될 수 있다. 금속 강화 셀(3020)을 통한 전류는 양극(3022) 및 음극(3023)을 거쳐 파워 서플라이(3021)를 통해 제어될 수 있다. 크로스-블리딩은 펌프(3031)를 사용하여 달성될 수 있다. 물 추출 모듈(3060)은 과잉 물을 제거하는데 사용될 수 있다.
이러한 모듈들의 상이한 구성들은 다양한 실시예들에 대해 사용될 수 있고, 또한 다양한 ECD 모듈과 그리고 서로 결합되어 다수의 시나리오들에 대해 최적의 화학 제어 전략들을 가능케 할 수 있다. 유체 교반, 기판 지지부, 기판 밀봉, 기판 전기적 접촉, 양극 설계, 음극 설계, 등과 같은 도금 셀의 구성품을 포함하는 ECD 모듈 및 크로스-블리딩 접근법의 부가적인 설명은 발명의 명칭이 "Electro Chemical Deposition and Replenishment Apparatus"이고 2012년 11월 29일 공개된 미국 특허 출원 공개 번호 제2012/0298504호에서 발견될 수 있고, 이는 인용에 의해 본원에 포함된다.
다른 실시예는 하나 이상의 ECD 모듈들에서 도금 셀 관리를 위한 통합 시스템을 이용하는 것이다. 도 4는 금속 합금들 및 삼차 금속 합금들(예를 들어, SnCuAg)을 포함하는 금속을 도금하기 위한 ECD 모듈의 도금 셀(들)을 지원하는 화학 관리 시스템 및 전기화학 증착 모듈의 단순화된 블록도이다. 도 4는 다양한 실시예들의 개시에서 약술된 다양한 컴포넌트들 및 방식들이 배스 관리 용액을 제공하기 위해 어떻게 결합될 수 있는지에 관한 예로서 SnCuAg 합금과 같은 금속 합금 도금을 제어하기 위해 화학 관리 시스템을 이용하여 위의 설명 대부분을 포함하는 예시적인 실시예를 예시한다. CuSnAg의 경우는, 그것이 셋(3)의 금속 컴포넌트를 포함하기 때문에 예시적인 케이스로서 선택되지만, 도 4에 도시된 것과 같은 구현이 그 경우로 제한되지 않는다.
도 4는 하나 이상의 ECD 모듈들(4001)이 웨이퍼 제조 시설에서 동작하는 실시예를 나타낸다. 단일 ECD 모듈이 도 4에 도시되었지만, 둘 이상의 ECD 모듈들이 사용될 수 있다는 것에 주의한다. 디바이스 웨이퍼들의 도금에 대해, 하나 이상의 ECD 모듈들(4001)은 통상적으로 웨이퍼-제조 시설(팹(fab))의 청정실에 상주한다. 일부 실시예들에서, 귀중한 청정실 공간은 하나 이상의 ECD 모듈들(4001) 아래의 서브-팹(sub-fab)에 화학 제어 및 지원 기능들 중 대부분을 위치시킴으로써 절감될 수 있다. 도 4는 이러한 예시적인 시스템의 개략도를 도시한다.
도 4에서, 기판 상에 하나 이상의 금속들을 증착하기 위한 공통 플랫폼 상에 배열되는 하나 이상의 전기화학 증착 모듈들(4001)을 포함하는 전기화학 증착 시스템이 도시된다. 전기화학 증착 시스템은 추가로, 하나 이상의 전기화학 증착 모듈들(4001)에 커플링되고 하나 이상의 금속들을 증착하기 위해 하나 이상의 금속 성분들(M1, M2, M3)을 하나 이상의 전기화학 증착 모듈들(4001) 중 적어도 하나에 공급하도록 구성되는 화학 관리 시스템(4070)을 포함한다. 화학 관리 시스템(4070)은 전기화학 증착 모듈들(4001) 부근의 공통 플랫폼 상에 위치될 수 있다. 공통 플랫폼은 팹 플로어 상에 위치되고 화학 관리 시스템(4070)은 서브-팹 플로어에 위치될 수 있다. 공통 플랫폼은 하나 이상의 전기화학 증착 모듈들을 포함하는 습윤 영역 및 습윤 영역에 커플링된 건조 영역을 포함할 수 있다. 이 공통 플랫폼은 팹 환경으로부터 하나 이상의 기판들을 수용하고 습윤 영역 내로 그리고 습윤 영역으로부터 하나 이상의 기판들을 전달하도록 구성될 수 있다.
화학 관리 시스템(4070)은 기판 상에 하나 이상의 금속을 증착하는 것과 동기식 방식으로, 하나 이상의 금속 성분들 중 적어도 하나를 보충하고 하나 이상의 전기화학 증착 모듈들(4001)의 적어도 하나에 보충된 금속 성분을 제공하는 적어도 하나의 금속 강화 셀(4040, 4050)(M2, M3) 및 기판 상에 하나 이상의 금속을 증착하는 것과 비동기식 방식으로 하나 이상의 금속 성분들 중 적어도 하나의 농축된 용액을 생성하고 농축된 금속 성분을 하나 이상의 전기화학 증착 모듈들 중 적어도 하나에 투여하는 적어도 하나 금속 농축물 생성기 셀(4020)(M1)을 포함한다. 다른 실시예들에서, 농축된 금속 성분을 전기화학 증착 모듈에 투여하는 것은 동기식 상태로 실행될 수 있다. 일 실시예에서, 적어도 하나의 금속-농축물 생성기 셀은 약 100g/l을 초과하는 금속 농도로 농축된 용액을 생성한다. 다른 실시예에서, 금속 강화 셀은 약 100g/l 미만인 금속 농도로 하나 이상의 금속 성분들 중 적어도 하나를 보충한다.
도 4의 화학 관리 시스템(4070)은 도관들(4002, 4003, 등)을 통해 서브-팹으로부터 ECD 모듈(4001)에 용액을 공급할 수 있는 다수의 모듈들을 포함한다. 일 예에서, Sn은 (도 5에 개시된 바와 같이) 하나 이상의 병렬 생성기 셀들(4020)에서 생성된 농축액을 도관(4021)을 통해 투여함으로써 공급될 수 있다. 도금 용액 구획(4010) 내로 유지 투여(4090)는 선택적으로 사용될 수 있다. 도금 용액(예를 들어, 멤브레인-관통)은 금속 강화 셀(4040)(도 7의 설명 참조)을 통해 구리로 개선될 수 있다. 모듈(4050)은 Ag를 개선하도록 추가로 포함될 수 있다(도 7을 참조). 물은 선택적으로 도 9에서 설명된 바와 같은 구성을 통해 물 추출 모듈(4080)에서 제거할 수 있다. 첨가제 및 물의 보조 투여(4090)를 위한 프로비전이 또한 제공될 수 있다. 다양한 용액들을 순환 및 전달하기 위한 부가적인 도관들(4011, 4012, 4013, 4081 및 4082)이 추가로 또한 제공될 수 있다.
일 실시예에서, 적어도 하나의 금속-농축물 생성기 셀은 양극 지역, 음극 지역 및 양극 지역과 음극 지역 사이에 배치되는 금속-이온 포착 지역을 정의한다. 금속 농축물 생성기 셀은 양극 지역에 배치되는 가용성 양극, 음극 지역에 배치되는 불활성 음극, 양극 지역과 금속-이온 포착 지역 사이에 배치되는 제 1 이온 교환 멤브레인 및 음극 지역과 금속-이온 포착 지역 사이에 배치되는 제 2 이온 교환 멤브레인을 포함한다. 전력 소스는 가용성 양극 및 불활성 음극에 전기적으로 커플링되고 가용성 양극과 불활성 음극 사이에 전류가 흐를 때, 가용성 양극으로부터 금속-이온들을 생성하도록 구성된다. 금속-농축물 생성기 셀의 양극 지역을 통해 양극액을 순환시키는 제 1 펌프 및 양극액 저장소가 포함될 수 있다. 금속-농축물 분배 시스템은 금속-농축물의 정량을 하나 이상의 전기화학 증착 모듈들 중 적어도 하나에 공급하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 금속-농축물 분배 시스템은 제 1 밸브를 통해 제 1 펌프의 출력에 커플링될 수 있다.
다른 실시예에서, 적어도 하나 금속 강화 셀은 양극 지역 및 음극 지역을 포함한다. 금속 강화 셀은 양극 지역에 배치되는 가용성 양극, 음극 지역에 배치되는 불활성 음극, 및 양극 지역과 음극 지역 사이에 배치되는 적어도 하나의 이온 교환 멤브레인을 포함한다. 전력 소스는 가용성 양극 및 불활성 음극에 전기적으로 커플링되고 가용성 양극과 불활성 음극 사이에 전류가 흐를 때, 가용성 양극으로부터 금속-이온들을 생성하도록 구성된다. 음극액 저장소 및 제 1 펌프는 금속 강화 셀의 음극 지역을 통해 음극액을 순환하도록 구성된다. 금속 강화 순환 라인 및 제 2 펌프는 금속 강화 셀의 양극 지역을 통해 하나 이상의 전기화학 증착 모듈들 중 적어도 하나의 프로세스 지역으로부터 금속 고갈 프로세스 전해액을 순환시키고 하나 이상의 전기화학 증착 모듈들의 적어도 하나의 프로세스 지역에 가용성 양극으로부터의 금속에 의해 강화된 프로세스 전해액을 공급하도록 배열된다.
다른 실시예에서, 적어도 하나의 금속 강화 셀은 양극 지역, 음극 지역 및 양극 지역과 음극 지역 사이에 배치되는 도금 용액 강화 지역을 포함한다. 금속 강화 셀은 양극 지역에 배치되는 가용성 양극, 음극 지역에 배치되는 불활성 음극, 양극 지역과 도금 용액 강화 지역 사이에 배치되는 제 1 이온 교환 멤브레인 및 음극 지역과 금속-이온 포착 지역 사이에 배치되는 제 2 이온 교환 멤브레인을 포함한다. 전력 소스는 가용성 양극 및 불활성 음극에 전기적으로 커플링되고 가용성 양극과 불활성 음극 사이에 전류가 흐를 때, 가용성 양극으로부터 금속-이온들을 생성한다. 양극액 저장소 및 제 1 펌프는 금속 강화 셀의 양극 지역 통해 양극액을 순환하도록 구성된다. 음극액 저장소 및 제 2 펌프는 금속 강화 셀의 음극 지역을 통해 음극액을 순환하도록 구성된다. 금소 강화 순환 라인 및 제 3 펌프는 금속 강화 셀의 금속-이온 포착 지역을 통해 하나 이상의 전기화학 증착 모듈들 중 적어도 하나의 프로세스 지역으로부터 금속-고갈 프로세스 전해액을 순환시키고 하나 이상의 전기화학 증착 모듈들의 적어도 하나의 프로세스 지역에 가용성 양극으로부터의 금속에 의해 강화된 프로세스 전해액을 공급하도록 배열된다. 금속 강화 셀은 몇몇 실시예들에서 4개의 챔버들을 포함할 수 있다. 셀들의 더 상세한 설명이 아래에서 설명될 것이다.
이전에 언급된 바와 같이, 다양한 구성들 및 실시예들이 있을 수 있다. 이는 금속들, 양극들, 이온 교환 멤브레인들 및 금속 소스들의 다양한 선택들을 포함할 수 있다. 양극들, 물질들, 첨가제들 및 멤브레인의 타입의 선택은 주어진 기판에 대해 특정된 특정한 도금 애플리케이션에 의존할 수 있다. 예를 들어, SnAg 도금에 비교하여 Cu 도금을 수행할 때 상이한 재료가 사용될 수 있다.
위에서 설명된 바와 같이, 전기화학 증착에 대한 기술들은 주 ECD 유닛/모듈 및 도금 프로세스들에 있어서, 보조, 보충, 및 강화 등을 하기 위해 금속 이온들과 같이 다양한 화학물질들을 생성할 수 있는 하나 이상의 셀들을 포함할 수 있다. 다른 모듈들 사이에 다양한 구성들이 있을 수 있다. 이러한 모듈들은 도금 배스 제어를 보조하고 특정한 도금 애플리케이션 또는 처리 프로세스의 사양에 의존하여 다양한 방식으로 결합될 수 있는 컴포넌트의 세트를 제공한다.
금속 이온의 소스를 제공하기 위한 보충 컴포넌트는 예를 들어, 금속 농축물-생성기 셀을 포함할 수 있다. 도 5는 실시예에 따라 금속-농축물 생성기 셀 및 연관된 컴포넌트들의 단순화된 개략적인 흐름도를 도시한다.
도 5를 참조하면, 도금 시스템(도시되지 않음)에 대한 전해액 성분을 보충하는데 사용될 수 있는 금속 농축물-생성기 셀(5001)이 예시된다. 금속 농축물-생성기 셀(5001)은 메인 셀 또는 그 이상의 화학물질 프로세싱 시스템의 서브-시스템일 수 있다.
일 구성에서, 금속 농축물-생성기 셀(5001)은 멤브레인들(5007 및 5008)을 통해 3개의 프로세스 구획들(5002, 5003 및 5004)로 분할될 수 있다. 멤브레인들(5007 및 5008)은 양이온 또는 음이온 이온 교환 멤브레인들을 포함할 수 있다. 3개의 프로세스 구획들(5002, 5003 및 5004)은, 양극액 구획(5002) 내의 양극액 지역, 음극액 구획(5004) 내의 음극액 지역, 및 양극액 지역과 음극액 지역 사이에 배치된 금속-이온 포착 구획(5003) 내의 금속-이온 포착 지역을 정의한다. 금속 농축물 생성기 셀(5001)은 양극액 지역에 배치되는 금속 양극(5006), 음극액 지역에 배치되는 불활성 음극(5005), 양극액 지역과 금속-이온 포착 지역 사이에 배치되는 제 1 멤브레인(5007), 및 음극액 지역과 금속-이온 포착 지역 사이에 배치되는 제 2 멤브레인(5008)을 포함한다.
가용성 양극일 수 있는 금속 양극(5006)은 양극액 구획(5002) 내에 위치된다. 금속 양극(5006)은 외부 전력 소스(도시되지 않음, (+)ve 연결)에 의해 제어되는 전류의 인가 하에서 용해된다. 전력 소스는 금속 양극(5006) 및 불활성 음극(5004)에 전기적으로 커플링되고 가용성인 경우, 금속 양극(5006)과 불활성 음극(5004) 사이 전류가 흐를 때, 금속 양극(5006)을 형성하도록 금속-이온들의 생성을 용이하게 한다. 또한, 이러한 전력 인가는 가용성일 때, 금속 이온들이 양극액 구획(5002)의 양극액 용액으로 금속 양극(5006)을 용해하게 한다.
양극액 구획(5002)은 멤브레인(5007) 통해 셀(5001)의 잔여부로부터 분리될 수 있다. 일 실시예에서, 멤브레인(5007)은 양극액 구획(5002)의 양극액 지역으로부터 금속-이온 포착 구획(5003)의 금속-이온 포착 지역으로 금속 이온들의 이동을 감소시키거나 통행을 실질적으로 금지 또는 차단하는 물질로 선택된다. 금속-이온 포착 구획(5003)은 금속-이온 고갈(metal-ion depleting; MID) 용액을 포함할 수 있다. 금속-이온 고갈 용액은 사전-농도 용액, 즉, 멤브레인(5007)을 통과하는 금속 이온을 포착하는데 이용되는 용액이다. 금속-이온 고갈 용액은 또한 구획(5040)에 저장되거나, 또는 구획(5040)에 전달될 수 있으며, 이는 양극액 구획(5002)으로부터의 용해된 금속 이온들의 축적을 가능케 한다. 이것은 또한 양극액 금속 이온 농도가 특정한 지정된 금속 농도로 이동하는 것을 가능케 한다.
부가적으로, 금속 농축물-생성기 셀(5001)은 양극액을, 공급 라인(5022)을 통해 금속 농축물-생성기 셀(5001)의 양극액 지역으로 그리고 리턴 라인(5009)을 통해 양극액 저장소(5020)로 역으로 순환시키는 양극액 저장소(5020) 및 제 1 펌프(5021)에 커플링된다. 더 부가적으로, 금속 농축물-생성기 셀(5001)은 제 1 밸브 통해 제 1 펌프(5021)의 출력에 커플링되고 하나 이상의 전기화학 증착 모듈들에 금속-농축물의 정량을 공급하도록 배열되는 금속-농축물 스토리지 또는 분배 시스템(5080)을 포함한다.
금속-농축물 스토리지 또는 분배 시스템(5080)은 금속-농축물 스토리지 저장소, 및 투여 시스템 금속-농축물 스토리지 저장소로부터 하나 이상의 전기화학 증착 모듈들로 금속-농축물의 도입을 제어 가능하게 계측하는 투여 시스템을 포함한다. 예를 들어, 분배 시스템은 제 1 밸브 개방 및 폐쇄함으로써 양극액 저장소(5020)로부터 하나 이상의 전기화학 증착 모듈들로 금속-농축물의 도입을 제어 가능하게 계측하는 투여 시스템을 포함할 수 있다.
또한, 금속 농축물-생성기 셀(5001)은 공급 라인(5044) 통해 금속-이온 포착 지역으로 그리고 리턴 라인(5010)을 통해 금속-이온 포착 저장소(5040)로 금속-이온 포착 용액을 순환시키는 금속-이온 포착 저장소(5040) 및 제 2 펌프(5041)를 포함한다. 그리고, 또 추가로, 금속 농축물-생성기 셀(5001)은 공급 라인(5062)을 통해 음극액 지역으로 그리고 리턴 라인(5011)을 통해 음극액 저장소(5060)로 음극액을 순환시키는 음극액 저장소(5060) 및 제 3 펌프(5061)를 포함한다.
또 추가로, 금속 농축물 생성기 셀(5001)은 양극액 저장소(5020)에 금속-이온 포착 저장소(5040)를 커플링하는 리사이클 라인(5043) 및 금속-이온 포착 저장소(5040)로부터 양극액 저장소(5020)에 금속-이온 포착 용액의 적어도 일부를 전달하기 위한 제 4 펌프(5021)를 포함한다.
주기적으로, 금속-이온 포착 용액은 예를 들어, 금속-이온 농도가 문턱값을 초과하고 금속-이온 포착 용액이 감소된 금속-이온 농도를 갖거나 실질적 어떠한 금속-이온 농도도 갖지 않는 새로운 용액으로 대체될 때 양극액 저장소(5020)에 전달될 수 있다. 금속 농축물-생성기 셀(5001)은 양극액 저장소에 커플링되고 양극액 용액에서 금속-이온 농도를 측정하도록 배열되는 모니터링 시스템을 포함할 수 있다. 부가적으로, 모니터링 시스템은 금속-이온 포착 저장소에 커플링되고 금속-이온 포착 용액에서 금속-이온 농도를 측정하도록 배열될 수 있다. 그리고, 추가로, 금속 농축물-생성기 셀(5001)은 제 4 펌프(5042)에 커플링되고 금속-이온 포착 용액의 금속-이온 농도가 문턱값 이상일 때 금속-이온 포착 저장소(5040)로부터 금속-농축물 저장소로 금속-이온 포착 용액의 적어도 일부를 전달하도록 프로그래밍되는 화학 제어 시스템을 포함할 수 있다. Sn 농축액을 준비할 때, 문턱값은 약 30 g/l일 수 있다.
금속 농축물-생성기 셀(5001)은 연속 모드 (ECD 도금과 동기식) 또는 일괄(batch) 모드(비동기) 중 어느 하나에서 동작될 수 있다. 어느 하나의 모드에서, 금속 농축물-생성기 셀(5001)은 도관(5081)을 통해 특정 사양의 금속-농축물 생성물을 스토리지 시스템 또는 ECD 시스템과 같은 주어진 타겟에 분배할 수 있다. 금속-농축물 생성물은 ECD 모듈(임의의 종래의 ECD 모듈)에 공급하는 투여 시스템을 통해 필요에 따라 분배될 수 있다. 대안적으로, 금속-농축물 생성물은 ECD 툴에 공급하는 주어진 투여/공급 시스템 상의 추후의 이용을 위해(저장소(5080)에) 저장될 수 있는 전체 배치로서 분배될 수 있다. 투여는 동기식 또는 비동기식일 수 있다는 것에 주의한다.
도 6a 및 도 6b는 도 5의 시스템의 일괄 또는 연속 모드들 중 하나에 대한 단순화된 동작 흐름도들을 도시한다. 연속 모드 동작은 초기 또는 사후-유지보수 시동 동안 배치-유사 위상을 가질 수 있다는 것에 주의한다.
금속 양극(5006)은 다양한 가용성 금속들 또는 합금들으로부터 선택된 조성물을 가질 수 있다. 예를 들어, 금속 양극(5006)은 Sn(주석)(다양한 알파-입자 등급들), Pb(납)(다양한 알파 입자 등급들), SnPb, Cu(구리), Ni(니켈), Ag(은), Bi(비스무트) 등을 포함할 수 있다. 양극액 구획(5002) 및 저장소(5020)에서 용액 화학(solution chemistry)의 선택은 특정 애플리케이션 및 금속에 의존한다. 예를 들어, Sn을 갖는 일 실시예에서, 초기 양극액 용액은 주로, 선택적으로 하나 이상의 항산화 종들을 포함할 수 있는 메탄술폰산(MSA) 및 물을 포함할 수 있다. 산 종들 및 농도들을 지원하는 선택은 셀 거동 및 원하는 또는 특정된 제품 조성물에 의존한다. 다른 호환 가능한 화학물질들은 Cu에 대한 수성 유황산 또는 MSA, 및 Ni에 대한 황산 + 붕산을 포함할 수 있지만, 이것으로 한정되는 것은 아니다.
모든 3 셀 구획들(5002, 5003 및 5004)의 용액들은 독특하며 각각의 특정한 목적을 수행할 수 있다. 셀 내에서 용량, 적절한 믹싱, 효율적인 물질 전달을 제공하기 위해, 셀(5001)의 각각의 용액은 각각의 저장소들(5020, 5040 및 5060)에 대량으로 포함되고 대응하는 펌프들(5021, 5041 및 5061)을 통과하여 셀(5001)을 통해 각각의 대량 저장소로부터 재순환될 수 있다. 도관들(5009, 5010, 5022, 5044, 및 5062)은 각각의 저장소들, 구획들 및 시스템들 간에 다양한 용액들을 이동시키는데 사용될 수 있다. 각각의 저장소가 충전 화학물질(적절한 산, 물, 또는 첨가제들)들을 충전하고, 분석을 위해 샘플들을 회수하고, 선택된 가스들(예를 들어, N2, Ar, 공기 등)을 이용한 세정(purging)을 통해 분위기를 제어하도록 허용하기 위해, 부가적인 프로비전들(도시되지 않음)이 제조될 수 있다.
일부 실시예들에서, (5003 및 5040에 저장된) 금속-이온 고갈 용액은 유익한 결과들을 제공한다. 금속-이온 고갈 용액은 두 개의 관련 목적들을 수행한다. 하나의 목적은 음극 구획(5004) 내에 포지셔닝되는 음극(5005)을 보호하는 것이다. 실제로, 멤브레인(5007)에 대해 사용되는 물질들은, 전기분해 동안, 특히 제품 금속 이온 농도가 증가하고 H+ 농도가 감소할 때, 금속 이온들이 양극액 구획(5002)으로부터 이동하는 것을 100% 차단할 수 없다. 금속-이온 포착 구획(5003)에 금속-이온 고갈 용액이 있게 하는 것은 바람직하지 않은 금속 증착으로부터 음극(5005)을 보호한다. 바람직하지 않은 증착이 발생하는 경우, 음극 증착을 바로잡는 것은 세정 또는 교체를 위해 음극(5005)을 제거하도록 하는 유닛의 동작의 중단을 포함할 수 있다. 금속 이온 포착 구획(5003) 내에 금속-이온 고갈 용액이 있게 하는 것은 금속-이온 고갈 용액이 금속 및 산의 레벨에 도달하는 것을 방지하며, 이러한 도달은 보통은 멤브레인(5008)이 금속 이온 이동을 효과적으로 차단하는 그의 능력을 손실하도록 허용했을 것이다. 예를 들어, Sn 농축물 생성에 있어서, 작업 컨디션들은 금속-이온 고갈 용액의 Sn 농도가 결코 30g/L을 초과하지 않도록, 바람직하게는 결코 20g/L을 초과하지 않도록 선택된다. 금속-이온 고갈 용액의 다른 목적은 양극액 용액의 농도를 증가시키는 것이다. 금속-이온 고갈 용액은 일괄 또는 연속 모드 중 어느 하나에서, (펌프(5042) 및 라인(5043)을 통해) 양극액 용액 내로 재활용할 수 있고, 그에 따라 금속 농축물-생성기 셀(5001)의 최종 생성물인 금속-농축물 생성물으로의 모든 용해된 금속 이온들의 완전한 포착을 허용한다. 금속-이온 포착 구획의 펌핑(pumping)은 선택적일 수 있다는 것에 주의한다.
(음극 구획(5004) 및 저장소(5060)의) 음극액 용액은 물 및 미리 결정된 전해액으로 구성될 수 있다. 금속-이온 고갈 용액 및 양극액에서 사용되는 것과 동일한 산을 이용하는 것이 유리하다. 음극액 용액의 목적은 셀을 통한 전류 경로를 제공하는 것이며, 일부 경우들에서, 전체 시스템의 필요에 따라, 보완 이온들의 소스 또는 싱크로서 역할하는 것이다. 프로세스 세부 사항(금속, 산 결합)에 따라, 음극액 용액의 제어는 적합한 투여 및 메이크-업 포트(make-up port)(도시되지 않음)를 통해 산 농도의 모니터링 및 주기적인 조정을 요구할 수 있다. 이러한 제어는 일괄 모드 또는 연속적인 증분들로 실현될 수 있다. 음극(5005)은 셀(5001) 내에서 전류를 완성하도록 역할을 하는 음극 역-반응(cathodic counter-reaction)을 지원할 수 있어야 한다. 바람직한 실시예에서, 음극 반응은 수소 가스를 생성하기 위한 수소 이온의 환원으로 구성된다. 진화하는 가스 기포(evolving gas bubble)들은 다시 음극액 저장소(5060)에 전달된다. 음극액 저장소의 펌핑이 선택적일 수 있다. 메커니즘(도시되지 않음)은 진화된 수소 가스를 배출하도록 음극 구획(5004) 또는 저장소(5060)에서 사용할 수 있다.
멤브레인들(5007 및 5008)은 다수의 종래에 이용 가능한 멤브레인들로부터 선택될 수 있다. 멤브레인 선택은 금속-농축물 생성물에서 요구되는 금속 타입들 및 농도들에 의존할 수 있다. 비-제한적인 예로서, Sn-MSA 농축물을 사용할 때, 양자의 멤브레인들은 다수의 이용 가능한 음이온 멤브레인들로부터 선택될 수 있다. 이러한 구성에 대한 그리고 관련된 예들에서, 다른 구성들에 대한 음이온 멤브레인 소스들은 Astom Co.로부터의 Neosepta™ 라인들로부터의 것들, FuMA-Tech GmbH로부터의 Fumasep 시리즈들의 것들, 및 Asahi Glass로부터의 Selemion ™ 라인들의 것들을 포함하지만, 이것으로 한정되지 않는다.
결과적인 용액의 순도는 원 물질의 순도에 의해 결정된다. 금속-농축물 생성물(용액)에서 금속의 알파-입자 방출은 용해중인 양극(5006)의 알파 방출 특성들에 의해 결정된다. 알파 입자 방출이 디바이스 저하를 야기할 수 있는 경우들에서, 이른바 "슈퍼-초저 알파(super-ultra-low alpha)"(SULA) 양극들이 이용을 위해 선택될 수 있다. 이러한 타입들의 양극들은 다수의 벤더로부터 그리고 다양한 금속들에 대해 이용 가능하다.
이제 도 6a 및 도 6b를 참조하면, 다양한 실시예에서 금속-농축물을 생성하기 위한 방법이 흐름도들(6101 및 6102)로서 개시된다. 흐름도들(6101 및 6102)은 금속 농축물-생성기 셀(들)을 준비하고 이들이 동작할 준비가 되었다는 것을 검증하는 것으로 단계(6110)에서 시작한다. 단계(6110)는 양극액 지역, 음극액 지역, 및 양극액 지역과 음극액 지역 사이에 배치되는 금속-이온 포착 지역을 정의하는 금속 농축물-생성기 셀을 제공하는 것을 포함할 수 있다. 금속 농축물 생성기 셀은 양극 지역에 배치되는 가용성 양극, 음극 지역에 배치되는 불활성 음극, 양극 지역과 금속-이온 포착 지역 사이에 배치되는 제 1 이온 교환 멤브레인 및 음극 지역과 금속-이온 포착 지역 사이에 배치되는 제 2 이온 교환 멤브레인을 포함할 수 있다. 일 실시예는 양극액 지역과 금속-이온 포착 지역 사이의 제 1 음이온 멤브레인, 및 음극액 지역과 금속-이온 포착 지역 사이에 배치되는 제 2 음이온 멤브레인을 제공하는 것을 포함할 수 있다.
프로세스 용액이 단계(6112)에서 준비되면, 양극액은 제 1 펌프를 사용하여 양극액 저장소 및 금속-농축물 생성기 셀의 양극액 지역 사이에서 순환(재순환)된다. 양극액에 금속-이온들에 대한 타겟 농도가 세팅된 이후, 금속-농축물은, 가용성 양극과 불활성 음극 사이에서 금속 농축물-생성기 셀을 통해 전류를 인가하고 양극액에서 금속 이온들을 생성함으로써 단계(6114)에서 생성된다. 일부 실시예들에서, 양극은 Sn, Pb, Cu, Ag, Ni, 및 Bi로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있다.
금속 농축물-생성기 셀은 양극액에서 금속-이온들에 대한 타겟 농도에 도달하거나 초과될 때까지 단계(6116)에서 실행된다. 타겟 농도가 도달하거나 초과되면(단계(6118)), 금속-농축물 생성기 셀에 대한 전류는 단계(6120)에 종료된다.
그 후, 양극액 저장소로부터의 금속 농축물의 적어도 일부는 금속-농축물 스토리지 저장소에 전달될 수 있으며, 여기서 금속 농축물은 필요한 경우, 물과 같은 희석제를 통해 부분 희석하여 단계(6130)에서 분석되고 조정될 수 있다. 단계(6132)에서, 금속-농축물(또는 금속-농축물 희석된 형태 또는 금속 농축물의 화학적으로 수정된 유도체)은 도금 용액/셀로 또는 하나 이상의 전기화학 증착 모듈들로 도입될 때 분배되거나 또는 제어 가능하게 계측될 수 있다.
부가적으로, 금속-이온 농축 생성기 셀의 동작 동안, 금속-이온 포착 용액은 제 2 펌프를 사용하여 금속 농축물-생성기 셀의 금속-이온 포착 지역과 금속-이온 포착 저장소 사이에서 재순환될 수 있다. 또한, 음극액은 제 3 펌프를 사용하여 금속 농축물-생성기 셀의 음극액 지역과 음극액 저장소 사이에서 재순환될 수 있다.
도 6a에서 도시된 바와 같이, 단계(6120)에서 전류를 종료시키는 것 이후에, 금속-이온 포착 용액의 적어도 일부는 제 4 펌프 및 양극액 저장소에 금속-이온 포착 저장소를 커플링하는 리사이클 라인을 이용하여 금속 이온 포착 저장소로부터 양극액 저장소로 전달될 수 있다(단계 6140). 또한, 금속-이온 포착 용액 전달 이후, 금속 이온 포착 저장소는 재충전될 수 있다(단계 6142).
도 6b에서 도시된 바와 같이, 타겟 농도가 단계(6118)에서 달성되면, 양극액의 고갈된 금속 이온들은 단계(6152)에서 양극액 저장소로부터 하나 이상의 전기화학 증착 모듈들로 금속-농축물의 도입을 제어 가능하게 계측하면서, 타겟값에서 또는 그 근처에서 양극액 농도를 유지하기 위해 금속 농축물 생성기 셀을 통해, 필요에 따라 전류를 계속 인가하거나 또는 재인가함으로써 보충될 수 있다(단계 6150). 또한, 금속-이온 포착 용액의 적어도 일부는 제 4 펌프 및 양극액 저장소에 금속-이온 포착 저장소를 커플링하는 리사이클 라인을 이용하여 금속 이온 포착 저장소로부터 양극액 저장소로 6154에서 전달될 수 있다. 금속-이온 포착 용액 전달 이후, 금속 이온 포착 저장소는 선택적으로 단계(6156)에서 재충전될 수 있다.
도 7은 실시예에 따라 금속 강화 셀의 단순화된 개략적인 흐름도를 도시한다. 전해액 보충 스트림 내로 금속의 직접적인 용해를 사용하여, 도금 용액에서 구성 금속들 중 하나 이상은 도금 용액으로의 직접적인 전기-용해에 의해 강화될 수 있다. 일 예로는 SnAg 또는 SnCuAg 도금 배스들의 은을 들 수 있다. 은이 도금 용액의 대부분의 다른 금속(주석 또는 구리)들보다 다소 더 노블(noble)하기 때문에, 도금 용액에서 양이온 Ag는 어떤 수단에 의해 안정화되지 않으면 금속 Ag로 쉽게 환원될 수 있다. 통상적으로, 이러한 안정화는 Ag 환원 반응속도(reduction kinetics)를 효과적으로 저하시키기 위한 착화종들(complexing species)을 선택함으로써 달성된다. Ag에 대해, 착화종들은 통상적으로 Ag에 대한 선택도를 갖는 유기 리간드(organic ligand)들이다.
또한, 통상적인 합금 도금의 애플리케이션들에서, Ag가 워크피스 상으로의 합금 도금을 통해 도금 배스로부터 고갈될 때, Ag는 미리-제조된 농축물 용액의 부가들을 통해 도금 배스 내로 투여될 수 있다. 투여 농축물에서의 Ag의 상대적으로 높은 레벨로 인해, 착화종들의 상대적으로 높은 레벨들이 또한 농축물에서 요구될 수 있다. Ag의 반복된 투여는 이에 따라 착화종들의 반복된 투여에 의해 달성된다. 그 결과, 도금 용액에서의 Ag 레벨들(농도들)이 상대적으로 일정하게 유지되지만, 착화제 농도(complexor concentration)들은 예를 들어, 주기적(그리고 값비싼) 브리딩들을 완료함으로써 달리 완화되지 않으면, 이용에 있어 지속적으로 증가한다.
도금 용액들에서 유기 종들의 높은 레벨은 이들 종들이 빈틈 형성과 같은 결함들을 야기할 수 있기 때문에, 통상적으로 바람직하지 않다. 복합 종들의 축적을 초래하지 않는 대안적인 Ag 투여 방식을 갖는 것이 따라서 바람직하다. 도 7은 하나의 이러한 대안을 개시한다. 도 7에서 문제의 다양한 용액들을 배수, 투여, 또는 샘플링하기 위한 컴포넌트들은 이들이 종래에 알려져 있기 때문에 도시되지 않는다는 것에 주의한다.
도 7은 직접-용해 금속 강화 셀의 단순화된 개략도이다. 도 7의 예는 강화 금속으로서 Ag를 이용한다. 도 7의 금속-강화 서브시스템은 기존의 도금 시스템 또는 툴에 일렬로 부가될 수 있다. 이 예에서, 은 고갈된(Ag-고갈된) 도금 용액이 강화 셀(7001)을 순환하기 위해, 도관(7013)을 통해 도금 툴로부터 Ag 보충기로 공급되고 그 후 도금 용액은 강화된 도금 용액으로서 도금 툴로 도관(7014)을 통해 리턴된다.
도 7에서, 금속 강화 셀(7001)은 음극 챔버(7008) 내에서 음극 지역 및 양극액 챔버(7006) 내에서 양극 지역을 정의하며, 여기서 금속 강화 셀(7001)은 양극 지역에 배치된 가용성 양극(7005), 음극 지역에 배치된 불활성 음극(7009), 및 양극 지역과 음극 지역 사이에 배치되는 적어도 하나 멤브레인(7002)을 포함한다. 전력 소스(7007)는 가용성 양극 및 불활성 음극에 전기적으로 커플링되고 가용성 양극(7005)과 불활성 음극(7009) 사이에 전류가 흐를 때, 가용성 양극으로부터 금속-이온들을 생성한다.
금속 강화 셀(7001)은 양극액 챔버(7006), 음극액 챔버(7008) 및 음극액 챔버(7008)로부터 양극액 챔버(7006)를 분리하는 멤브레인(7002)을 포함하는 2-구획 셀로 실현된다. 멤브레인(7002)은 양이온 멤브레인 또는 음이온 멤브레인 중 어느 하나인 이온 교환 멤브레인일 수 있다. 그러나 다른 실시예들은 부가적인 챔버를 가질 수 있다. 도금 용액은 양극액으로서 기능하며, 여기서 금속 강화 순환 라인(7013, 7014) 및 제 2 펌프(도시되지 않음)는 금속 강화 셀(7001)의 양극 지역을 통해 적어도 하나의 프로세스 전해액 저장소로부터 금속 고갈된 프로세스 전해액을 순환시키고 금속에 의해 강화된 프로세스 전해액을 가용성 양극(7005)으로부터 적어도 하나의 프로세스 전해액 저장소에 공급하도록 배치된다. 적어도 하나의 프로세스 전해액 저장소는 적어도 하나의 전기화학 증착 모듈의 프로세스 지역을 포함한다.
부가적으로, 펌프(7003) 및 유동 도관들(7012 및 7011)을 이용하여 저장소(7010)로부터 재순환되는 수성 산 용액은 음극으로서 기능할 수 있다. 일 실시예에서, 음극액 및 연관된 저장소(7010)(음극액 저장소)는 이러한 서브-시스템에 전용된다. 대안적인 실시예에서, 음극액은 ECD-툴 도금 셀과 공유된 용액일 수 있다. 일 실시예에서, 음극액은 도금 용액에서 사용되는 것과 동일한 산의 수용액으로 구성된다. SnAg 도금에 대한 다른 실시예에서, 음극액은 10-100g/L MSA의 범위의 메탄술폰산(MSA)의 수용액으로 구성된다.
금속 강화 셀(7001)은 도관(7014)을 통해 하나 이상의 전기화학 증착 모듈들에 강화된 프로세스 전해액의 정량을 공급하도록 배열되는, 프로세스 전해액 저장소에 커플링되는 강화된 프로세스 전해액 분배 시스템을 포함할 수 있다. 또한, 금속 강화 셀(7001)은 전력 소스(7007)에 커플링된 화학 제어 시스템을 포함할 수 있으며, 이는 금속 강화 셀(7001)의 전기적 특성을 조정하고 강화된 프로세스 전해액에 대한 타겟 금속 농도를 제어 가능하게 달성하도록 프로그래밍된다.
강화 셀 양극(7005)은 다수의 형태들(판, 디스크, 펠렛 등) 중 하나로 제공되는 금속(예를 들어, Ag)으로 구성될 수 있다. 양극(7005)은 원하는 도금 사양에 맞도록 선택될 수 있는데, 예를 들어, 초저-알파 방출 금속 양극들은 다수의 제조자들로부터 이용 가능하다. 양극(7005)은 (양극액으로서 역할을 하는) 도금 용액과 접촉할 수 있다. 금속(Ag)이 상대적으로 노블하기 때문에, 어떠한 불리한 치환 도금(displacement plating)도 발생하지 않는다. 양극액 챔버(7006)에서 도금 용액으로 Ag+를 용해하기 위해 파워 서플라이(7007)에 의해 제어되는 전류가 셀을 통과한다. 대체로 과도하게 존재하는, 도금 용액에 존재하는 기존의 착화종들은 Ag가 도금 용액으로 안정적으로 용해되도록 허용한다. 셀을 통해 전기분해(전하)의 총 전류 및 시간의 제어는 도금 용액으로 분배되는 은의 양을 결정한다. 강화 셀(7001)/서브-시스템은 도금 용액에서 Ag의 소정 농도를 유지하고 특정된 [Ag+] 농도로 다시 고갈된 배스에 투여하게 허용하도록 ECD 셀의 도금과 동기식으로 또는 비동기식으로 실행될 수 있다.
멤브레인(7002)은 이전에 특정된 족(family)의 음이온 멤브레인 중 임의의 것으로부터 선택될 수 있다. 더 나은 동작을 위해, 멤브레인(7002)은 금속 이온들의 뛰어난(90-100%) 차단(exclusion), 공정 화학의 안정성 및 착화종들의 뛰어난 차단을 포함한다.
음극(7009)은 불활성의 불용성 음극이며 Ti 또는 Nb와 같은 Pt-코팅된(덮인, 도금된) 금속들을 포함(그러나 이것으로 제한되지 않음)하는 다수의 적합한 물질들 중 임의의 것으로 구성될 수 있다. 대안적으로, 흑연 또는 다른 불활성 물질들이 사용될 수 있다.
다른 실시예는 도금 시스템을 보충하기 위한 프로세스 용액의 금속 강화를 위한 방법을 포함한다. 이 방법은 양극 지역 및 음극 지역을 정의하는 금속 강화 셀을 제공하는 것을 포함한다. 금속 강화 셀은 양극 지역에 배치되는 가용성 양극, 음극 지역에 배치되는 불활성 음극, 및 양극 지역과 음극 지역 사이에 배치되는 적어도 하나의 이온 교환 멤브레인을 포함한다. 금속-이온은 가용성 양극 및 불활성 음극에 전기적으로 커플링되는 전력 소스를 이용하여 전류가 가용성 양극과 불활성 음극 사이에 흐르게 함으로써 가용성 양극으로부터 생성된다. 음극액은 음극액 저장소 및 제 1 펌프를 사용하여 금속 강화 셀의 음극액 지역을 통해 순환된다. 금속-고갈된 프로세스 전해액은 금속 강화 순환 라인 및 제 2 펌프를 사용하여 금속 강화 셀의 양극 지역을 통해 적어도 하나의 프로세스 전해액 저장소로부터 순환된다. 가용성 양극으로부터의 금속에 의해 강화된 프로세스 전해액은 금속 강화 순환 라인 및 제 2 펌프를 사용하여 적어도 하나 프로세스 전해액 저장소에 공급된다. 강화된 프로세스 전해액의 정량들은 프로세스 전해액 저장소에 커플링된 강화된 프로세스 전해액 분배 시스템을 사용하여 하나 이상의 전기화학 증착 모듈들에 공급될 수 있다. 가용성 양극으로부터의 금속에 의해 강화된 프로세스 전해액을 적어도 하나 프로세스 전해액 저장소에 공급하는 것은 적어도 하나의 전기화학 증착 모듈의 프로세스 지역에 프로세스 전해액을 공급하는 것을 포함할 수 있다. 강화된 프로세스 전해액에 대한 타겟 금속 농도는 전력 소스에 커플링된 화학 제어 시스템을 사용하여 금속 강화 셀의 전기적 특성을 조정함으로써 제어 가능하게 달성될 수 있다.
도 8은 실시예에 따라 금속 강화 셀의 단순화된 개략적인 흐름도를 도시한다. 금속 강화 셀(8001)은 금속 이온들의 주 강화(primary enrichment)가 멤브레인을 통해 발생하는 3-구획 유닛이다. 도 8은 3-구획 금속-강화 셀 및 연관된 하드웨어를 포함하는 금속-강화 서브-시스템의 일 실시예의 단순화된 개략도이다. 일반적으로, 금속 강화 셀(8001)은 멤브레인(8002) 및 멤브레인(8004)을 포함한다. 멤브레인들(8002 및 8004)은 동일한 물질일 수 있거나, 또는 이들은 서로 다를 수 있다. 각각의 멤브레인의 주어진 선택은 금속 강화 셀(8001)에 의해 실행되는 특정한 프로세스에 기초할 수 있다.
ECD 도금 용액은 통상적으로 예컨대, 라인(8040)에 의해 ECD 툴로부터 공급된다. ECD 도금 용액은 셀(8001)의 중간 구획(8011)을 통해 순환될 수 있다. ECD 도금 용액은 그 후 중간 구획(8011)을 빠져나오고 라인(8041)을 통해 ECD 툴(도시되지 않음)로 리턴한다. 대안적으로, 라인(8041)은 위해 ECD 도금 툴에 재-공급하기 이전에 저장소에 ECD 도금 용액을 전달할 수 있다.
(통상적으로 가용성인) 양극(8005)은 셀(8001)의 양극액 구획(8010)에 상주한다. 양극(8005)은 주어진 보충 용액에 대응하는 금속(또는 금속들)으로 구성될 수 있다. 금속 선택은 주어진 애플리케이션에 의존할 수 있다. 양극(8005)에 대한 예시적인 금속 선택들은 Sn, Cu, Pb, Ni, PbSn, Bi, 등을 포함한다. 양극(8005)은 디스크, 판, 막대, 펠릿 등과 같은 다양한 물리적 구성들 또는 형상들을 가질 수 있다. 주어진 양극액 용액은 펌프(8021)를 사용하여 양극 구획(8010)을 통해 라인들(8022 및 8023)을 통해 재순환될 수 있다. 저장소(8020)는 구획(8010) 내에 포함되지 않은 양극액 용액 및 재순환 하드웨어를 포함한다. (도 3b에 도시된 것과 같은) 일부 대안적인 실시예들에서, 양극액 용액은 (도관(8023b)을 통해) 양극액 챔버(8010) 및 지원되는 ECD 셀 또는 셀들의 양극액 구획 둘 다를 통과하여 순환할 수 있다. 이러한 구성에서, 양극액은 도관(8024)을 통해 양극액 저장소(8020)로 리턴한다.
블랭킷 가스 메커니즘(도시되지 않음)은 선택적으로, 저장소(8020)에서 블랭킷 가스를 유지하는데 사용될 수 있다. 블랭킷 가스가 요구될 수 있는 예는 Sn 농축물 용액에서 Sn2+ 이온들의 산화를 방지하기 위한 N2 가스이다.
금속 이온들의 전이 개수는 전기분해 동안 그 이온의 플럭스(flux)에 의해 운반되는 총 전류의 비율로서 정의된다. 소정의 원하는 금속의 멤브레인(8002)을 통한 전이 개수가 100% 미만일 때, 저장소(8020)로부터 라인(8040)(또는 8041, 또는 그의 목적 저장소)의 도금 용액으로의 양극액의 주기적인 크로스-블리딩이 실행될 수 있다. 이러한 크로스-블리딩은 도시된 것과 같이 펌프(8045) 및 도관(8044)을 포함하는 투여 루프를 통해 실현될 수 있다. 크로스-블리딩 접근법의 부가적인 설명은 2012년 11월 29일 공개되고 발명의 명칭이 "Electro Chemical Deposition and Replenishment Apparatus"인 미국 특허 출원 공개 번호 제2012/0298502호에서 발견될 수 있으며, 이는 인용에 의해 본원에 포함된다.
음극(8006)은 셀(8001)에서 상대 전극으로서 역할을 하며 음극액 구획(8013)에 위치된다. 음극(8006)은 불활성 및 불용성일 수 있다. 음극(8006)의 조성물에 대한 예시적인 물질들은 Pt(백금), Pt 코팅(덮고, 도금됨), Nb(니오브), Ti(티타늄), 흑연과 같은 탄소의 전도성 형태, 및 이들의 결합을 포함하지만, 이러한 것으로 한정되지 않는다. 음극(8006)의 기능은 수소 가스를 진화시키도록 수소 이온을 환원시키기에 충분한 환원 반응을 유지함으로써 셀을 통한 전기 흐름에 대한 말단(terminus)을 제공하는 것이다. 진화된 가스는 용액 리턴 도관(8033)을 통해 음극액 구획(8013)으로부터 순환한다. 배출 메커니즘(도시되지 않음)은 저장소(8030)로부터 가스를 안전하게 배출하는데 사용될 수 있다. 또한 도시되지 않았지만, 저장소(8030)는 질소 또는 아르곤과 같은 블랭킷 가스를 공급하기 위해 불활성 가스 블랭킷 메커니즘으로 구성될 수 있다.
대부분의 실시예들에서, ECD 도금 용액에서 사용된 것과 동일한 산으로부터(음극액 구획(8013) 및 저장소(8030)에서) 음극액 용액을 구성하는 것이 바람직할 수 있다. 주어진 음극액 용액은 펌프(8031)를 사용하여 음극 구획(8013)을 통과하여 도관들(8032 및 8033)을 통해, 재순환될 수 있다. 예를 들어, SnAg 도금을 위해 MSA-기반 용액에 Sn을 제공하는데 사용되는 Sn 강화 셀에서, 음극액은 MSA 용액일 수 있다. 다른 예로서, 금속-강화 셀(8001)이 황산-기반 도금 용액들과 함께 사용되는 실시예(예를 들어, 일부 Cu 및 Ni 도금 애플리케이션들)에서, 음극액 전해액은 황산일 수 있다.
ECD 도금 용액은 양극액 용액으로부터 멤브레인(8002)을 통과하여 금속 이온들의 전류-구동 이동을 통해 금속 콘텐츠에서 강화될 수 있다. 멤브레인(8004)을 통한 대응하는 이온 흐름이 있다. 멤브레인(8002)은, 멤브레인을 통해 흐르는 총 전류에 대한 금속 이온 플럭스의 기여(즉, 전이 개수)가 최대화될 수 있도록 선택된다. 일부 경우들에서, 대략 전류의 100%가 금속 이온들에 의해 전달되게 하는 것이 가능하다. 높은 금속-이온 플럭스는 양이온-선택적 멤브레인을 사용하여 효율적으로 획득될 수 있다. 양이온 멤브레인이 사용되는 애플리케이션들에서, 충분히 높은 금속 이온 전이 개수를 제공하는 멤브레인들은 DuPont,Inc.(Nafion 라인), Astom Co(Neosepta™ 라인), 또는 다른 공급자들로부터 취득할 수 있다. 멤브레인(8002)을 거친 금속 이온 전이 개수들이 99% 보다 상당히 적을 때, 양극액에서 축적하는 과잉 금속 이온들은, 모든 화학종들이 지정된 범위 내에서 유지되는 것을 보장하도록 하는 방식으로 이따금 크로스-블리딩 도관(8044)을 통해 ECD 도금 용액에 전달될 수 있다. 멤브레인(8002)의 부가적인 기능은 중간 구획(8011)의 ECD 도금 용액으로부터 양극액 구획(8010)으로 원하는 유기 첨가제 및 Ag 이온들과 같은 종들의 손실을 금지하는 것이다.
멤브레인(8004)은 중간 구획(8011)의 ECD 도금 용액과 음극액 구획(8013)의 음극액 용액 간의 물질의 교환을 제한하도록 기능한다. 이상적으로, 멤브레인(8004)은 음이온들 또는 수소 이온들의 이동을 통해 셀에 걸친 전류 흐름을 지원하고 도금 용액으로부터 음극액으로의 금속 이온의 교환(및 이에 따른 손실)을 금지한다. 또한, 멤브레인(8004)은 ECD 도금 용액으로부터 음극액으로 유기 첨가제들의 손실을 방지하도록 기능한다. 멤브레인 배리어(8004)의 구조에 대한 적합한 멤브레인의 물질들은 Astom Co.로부터의 Neosepta 라인에서 이용 가능한 것들과 같은 1가-선택적 양이온 멤브레인, Neosepta 라인에서의 것들과 같은 음이온 멤브레인, FuMA-Tech GmbH로부터의 Fumasep 시리즈의 멤브레인들, 또는 Asahi Glass로부터의 Selemion 라인의 멤브레인들 포함하지만, 이것으로 한정되지 않는다.
금속 강화 셀(8001)을 통한 전류는 파워 서플라이(8007)를 통해 제어될 수 있다. 이러한 제어는 멤브레인들을 거친 이동 및 양극의 금속 전기 용해와 연관된 전류 효율들에 관한 정보에 기초할 수 있으며, 이는 금속 강화 레이트의 타겟팅이 ECD 도금 툴의 고갈 레이트들에 매칭하도록 허용한다.
일부 실시예들에서, 특히, ECD 도금 용액의 금속 이온 농도들이 충분히 높을 때, 멤브레인(8004)에 대한 적합한 멤브레인의 물질들은 예컨대, 도금 용액으로부터 음극액으로의 금속 이온 전달의 100% 차단을 보장하는데 이용 가능하지 않을 수 있다. 그 결과, ECD 도금 용액으로부터의 금속 이온들의 바람직하지 않은 손실 및 음극(8006) 상의 금속의 증착이 발생할 수 있다. 대안적인 실시예들은 이 이슈를 해결하는데 사용될 수 있다. 대안들은 예를 들어, 2012년 11월 29일에 공개된 미국 특허 출원 공개 번호 제2012/0298502호에서 약술된다.
예를 들어, 이들 대안들 중 하나의 피처는 4-챔버 셀을 적응시키는 것인데, 도 5에 개시된 챔버(5003)와 유사한 금속 이온 고갈 용액을 삽입한다. 4개의 챔버들은 음이온 또는 1가-선택적 양이온 멤브레인들일 수 있는 2개의 다른 멤브레인들을 이용하여 그리고 도 8에 대해 위에서 설명된 바와 같이, 이러한 구성에서 양극액과 도금 용액 사이의 양이온 멤브레인(들)을 통해 분리될 수 있다. 미국 특허 출원 공개 번호 제2012/0298502호의 챔버(1540)에서 금속 이온 농도의 제어는 그 후, 미국 특허 출원 공개 번호 제2012/0298502호에 약술된 방법들에 의해, 또는 필요에 따라, 이따금, 저장소(1542)로부터 양극액으로의 크로스-블리딩 용액을 통해 달성할 수 있다. 프로세스 경제학은 최적의 선택뿐만 아니라 특정한 공정 화학의 세부사항들(즉, SnAg 대 Cu 대 Ni 등)을 식별하는데 사용될 수 있다.
대안적인 실시예들은 저장소들(8020 및 8030)의 초기 화학적 충전, 산, 물 및 첨가제와 같은 화학 컴포넌트들의 유지 투여, 및 프로세스 스트림을 샘플링 및 배수하기 위한 컴포넌트들을 위한 메커니즘 및 서브-시스템(도시되지 않음)을 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에 따라, 도 9는 물 추출 모듈의 단순화된 개략도이다. 여기서의 다수의 배스 금속 보충 구성들에 있어서, 도금 용액 부피은 웨이퍼들이 프로세싱될 때 종종 증가한다. 이 부피 증가는 화학물질들(첨가제, 금속 농축물들)을 보충하는 직접적인 정량의 축적을 통해 야기되고 /또는 전기 삼투 또는 드래그-인(dran-in)을 통한 물 주입들에 의해 야기될 수 있다. 투여 농축물들의 활성종들이 고갈되지만, 순수 부피 증가가 유지된다. 이에 따라, 이러한 고갈을 완화하는 것이 유리할 수 있다. 완화를 위한 하나의 루트는 선택된 부피을 누출(bleed off)하는 것이지만, 이러한 누출은 귀중한 화학의 손실을 초래할 수 있다. 증발은 부피 고갈의 대안적인 루트로 남아있지만, 주어진 툴 타입 상에서 주어진 배스 구성에 대한 증발의 자연 레이트는 부피 제어의 최적의 레벨을 달성하기에 충분하지 않을 수 있고, 이에 따라 자연 증발을 보강하는 것이 유리할 수 있다.
증발-레이트 보강을 위한 한 경로는 질소 또는 공기와 같은 캐리어 가스가 원하는 증발 레이트를 달성하도록 가열되어 도금 용액에 접촉되게 하는 억지(brute force) 접근법이다. 증발 레이트는 추가로 효율적인 가스-액체 접촉을 촉진하기 위해 다양한 접촉 방식들을 사용하여 개선될 수 있다. 직접-접촉 접근법이 효과적일 수 있지만, 일부 잠재적인 단점들을 가질 수 있다. 하나의 잠재적인 단점은 배출 도관을 통한 공정 화학의 우발적 배출을 방지할 필요성을 비롯해서, 특정 툴의 지오메트리(geometry)에 의해 부과된 배출 성능들에 관한 제약이 있는 경우, 발생한다. 다른 타입의 단점은 도금 용액들이 산소에 민감하고 불활성 가스(N2) 접촉을 요구(또는 이로부터 유리하게 됨)할 때 발생한다. 이러한 경우들에서, N2의 충분한 흐름을 갖추는 것은 비용이 많이들 수 있다.
도 9는 여기에 개시된 바와 같이 멤브레인 증류 모듈 및 최소의 연관된 컴포넌트들을 포함하는 물 추출 모듈의 단순화된 개략도이다. 도 9는 ECD 도금 용액 저장소일 수 있는 "프로세스 탱크" 상에서 동작하는 멤브레인 증류 모듈을 도시한다. 이 개략도에서, 멤브레인 증류(MD) 모듈(9030)은 도금 용액 저장소(9010)와 일렬로 포지셔닝된다. 또한 접촉기로서 알려진 모듈(9030)은 소-기공 소수성 멤브레인(9001)을 구비할 수 있다. 멤브레인(9001)은 다수의 폼 팩터들로 구성될 수 있는데, 이들의 예들은 투관형(shell-and-tube) 구성의 플랫 시트 또는 관다발(tube bundle)로 구성되는 것을 포함한다. 이동 레이트(물 추출 레이트)는 이용 가능한 영역에 비례하기 때문에, 더 큰 영역 대 부피 비(larger area-to-volume ratio)들이 유리하다.
멤브레인 증류는 증기-투과성이지만 액체-불투과성 멤브레인에 걸쳐 증기압 구동력을 사용함으로써 작동한다. 적합한 멤브레인의 어느 한 측 상에서 저-증기압 페이즈 및 고-증기압 페이즈를 접촉시킴으로써, 증기는 멤브레인의 고-증기압 측으로부터 저-증기압 측으로 이동하며, 여기서 이 증기는 응축한다. 특히, 멤브레인 증류 시에, 증기압 차이는 증류(뜨거운) 및 응축(차가운) 페이즈의 온도들을 제어함으로써 제어된다.
현재 실시예에서, 증류 측은 저장소(9010)에 포함될 수 있는 ECD 도금(또는 다른 프로세스) 용액이다. 응축 측은 별개의 저장소(9020)로부터 액체가 제공된다. 프로세스 용액은 모듈(접촉기)(9030)의 도관(9033)을 통하여 한 측을 통해 공급되고 도관(9034)을 통해 다운스트림 측을 통해 리턴하고, 펌프(9012)를 사용하여 도관(9011)을 통해 재순환될 수 있다. 멤브레인(9001)의 반대 측 상에서, 응축 용액은 저장소(9020)(차가운 탱크)로부터 순환한다. 모듈(9030)을 통한 두 스트림들의 흐름은 바람직하게는 반대-전류이고, 차가운-측이 용액 프로세스 스트림의 반대측 상에서 도관(9031)을 통해 진입하고 도관(9032) 통해 리턴하며, 상기 흐름은 펌프(9022)를 사용하여 도관(9021)을 통해 재순환될 수 있다. 가열 및/또는 냉각 디바이스들(9013 및 9023)은 도금 용액 및 응축 용액을 냉각 또는 가열하는데 사용될 수 있다. 센서들(9014 및 9024)은 멤브레인(9001)에 걸쳐 특정된 온도차이를 유지하기 위해 두 용액(증류 및 응축)의 온도들을 모니터링할 수 있다.
도 9에서 도시된 구성의 일 실시예에서, 응축 용액은 물일 수 있다. 물을 이용하는 것은 단순함의 이득이 있지만, 동결 위의 몇 도(예를 들어 대략적으로 5℃)로 차가운 측 온도에 관한 하위 제한을 세팅한다.
물 추출 레이트들은 증류 측 온도(도금 용액)를 가열함으로써 가장 쉽게 증가된다. 몇몇 실시예들에서, 도금 용액 온도가 증가될 수 있지만, 다른 실시예들에서, 상위 온도 제한은 특정한 ECD 프로세스 및 화학적 안전성의 사양들에 의해 부과되는 제한들에 의해 정해질 수 있다. 실시예들은, 이들 전해액 농도에서 속일성 수증기 억제(colligative water vapor suppression)를 갖더라도, 프로세스 온도가 25℃로 세팅되고 응축 온도가 10℃로 세팅될 때, [Sn] = 80g/L 및 [MSA] = 130g/L와 같은 도금 용액들에 관해서조차, 다수의 멤브레인 선택에 대한 유리한 전달 레이트들을 제공한다.
적절한 멤브레인들은 MA, Billerica 소재의 Millipore 및 DE, Newark 소재의 Gore로부터 이용 가능하다. Membrana에 의해 제공되는 것들과 같은 조립식 모듈들은 또한 공정 화학에 의존하여 사용될 수 있다.
언급된 바와 같이, 도 9에 도시된 구성은 단순화된 개략도이다. 부가적인 메커니즘들 및 기법들(도시되지 않음)이 동작을 용이하게 하기 위해 부가될 수 있다는 것이 이해된다. 이러한 메커니즘들은 배출, 공급 및 응축 저장소에 대한 레벨 제어와 같은 종래의 메커니즘들, 멤브레인 모듈(9030)을 세척(flush out)하기 위한 매커니즘들 등을 포함할 수 있다. 또한, 도 9에서 도시된 실시예는 다중-모듈(접촉자) 구성을 위한 기초로서 역할을 할 수 있다. 병렬 또는 직렬의 두 개 이상의 접촉자들을 갖는 것은, 더 높은 전체 물 추출 레이트 및 리던던시를 허용한다.
이러한 모듈들의 상이한 구성들은 다양한 실시예들에 대해 사용될 수 있고 또한 다양한 ECD 모듈과 그리고 서로 결합되어 다수의 시나리오들에 대해 최적의 화학 제어 전략들을 가능케 할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예들이 위에서 상세히 설명되었지만, 당업자는 다수의 변형들이 본 명세서의 기법들의 신규한 교시들 및 이점들로부터 실질적으로 벗어남 없이 실시예들에서 이용 가능하다는 것을 쉽게 인지할 것이다. 이에 따라, 이러한 모든 변형들은 본 발명의 범위 내에 포함되도록 의도된다.

Claims (14)

  1. 전기화학 증착 시스템에 있어서,
    기판 상에 하나 이상의 금속들을 증착하기 위한 공통 플랫폼 상에 배열되는 하나 이상의 전기화학 증착 모듈들; 및
    상기 하나 이상의 전기화학 증착 모듈들에 커플링되고, 상기 하나 이상의 금속들을 증착하기 위해 하나 이상의 금속 성분들을 상기 하나 이상의 전기화학 증착 모듈들 중 적어도 하나에 공급하도록 구성되는 화학 관리 시스템
    을 포함하고, 상기 화학 관리 시스템은,
    상기 기판 상에 상기 하나 이상의 금속들을 증착하는 것과 동기식 방식으로, 상기 하나 이상의 금속 성분들 중 적어도 하나를 보충하고 상기 보충된 금속 성분을 상기 하나 이상의 전기화학 증착 모듈들 중 적어도 하나에 공급하는 적어도 하나의 금속 강화 셀(metal enrichment cell), 및
    상기 기판 상의 상기 하나 이상의 금속들을 증착하는 것과 비동기식 방식 또는 동기식 방식으로, 상기 하나 이상의 금속 성분들 중 적어도 하나의 농축된 용액을 생성하고 상기 농축된 금속 성분을 상기 하나 이상의 전기화학 증착 모듈들 중 적어도 하나에 투여하는 적어도 하나의 금속-농축물 생성기 셀을 포함하는 것인, 전기화학 증착 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 화학 관리 시스템은 상기 하나 이상의 전기화학 증착 모듈들 부근에서 상기 공통 플랫폼 상에 위치되는(located) 것인, 전기화학 증착 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 공통 플랫폼은 팹 플로어(fab floor) 상에 위치되고
    상기 화학 관리 시스템은 서브-팹 플로어(sub-fab floor) 상에 위치되는 것인, 전기화학 증착 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 공통 플랫폼은,
    상기 하나 이상의 전기화학 증착 모듈들을 포함하는 습윤 영역; 및
    상기 습윤 영역에 커플링되고, 팹 환경으로부터 하나 이상의 기판들을 받으며 상기 습윤 영역 내로 그리고 상기 습윤 영역 밖으로 상기 하나 이상의 기판들을 전달하도록 구성된 건조 영역을 포함하는 것인, 전기화학 증착 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 금속-농축물 생성기 셀은 100g/l을 초과하는 금속 농도로 상기 농축된 용액을 생성하는 것인, 전기화학 증착 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 강화 셀은 100g/l 미만인 금속 농도로 상기 하나 이상의 금속 성분들 중 상기 적어도 하나를 보충하는 것인, 전기화학 증착 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 전기화학 증착 모듈들 중 적어도 하나는 가용성 양극을 포함하는 것인, 전기화학 증착 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 전기화학 증착 모듈들 중 적어도 하나는 불용성 양극을 포함하는 것인, 전기화학 증착 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 전기화학 증착 모듈들 중 적어도 하나는 이온 교환 멤브레인을 포함하는 것인, 전기화학 증착 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 이온 교환 멤브레인은 양이온 멤브레인 또는 음이온 멤브레인을 포함하는 것인, 전기화학 증착 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 금속-농축물 생성기 셀은,
    양극 지역, 음극 지역 및 상기 양극 지역과 상기 음극 지역 사이에 배치되는 금속-이온 포착 지역을 정의하는 금속-농축물 생성기 셀로서, 상기 금속 농축물 생성기 셀은 상기 양극 지역에 배치되는 가용성 양극, 상기 음극 지역에 배치되는 불활성 음극, 상기 양극 지역과 상기 금속-이온 포착 지역 사이에 배치되는 제 1 이온 교환 멤브레인, 및 상기 음극 지역과 상기 금속-이온 포착 지역 사이에 배치되는 제 2 이온 교환 멤브레인을 포함하는, 상기 금속-농축물 생성기 셀;
    전류가 상기 가용성 양극과 상기 불활성 음극 간에 흐를 때, 상기 가용성 양극으로부터 금속-이온들을 생성하는, 상기 가용성 양극 및 상기 불활성 음극에 전기적으로 커플링되는 전력 소스;
    상기 금속-농축물 생성기 셀의 상기 양극 지역을 통해 양극액을 순환시키는 양극액 저장소 및 제 1 펌프; 및
    제 1 밸브를 통해 상기 제 1 펌프의 출력에 커플링되고, 상기 하나 이상의 전기화학 증착 모듈들 중 적어도 하나에 상기 금속-농축물의 정량(doses)을 공급하도록 배열되는 금속-농축물 분배 시스템을 포함하는 것인, 전기화학 증착 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 금속 강화 셀은,
    양극 지역 및 음극 지역으로서, 상기 금속 강화 셀은 상기 양극 지역에 배치되는 가용성 양극, 상기 음극 지역에 배치되는 불활성 음극, 및 상기 양극 지역과 상기 음극 지역 사이에 배치되는 적어도 하나의 이온 교환 멤브레인을 포함하는 것인, 상기 양극 지역 및 상기 음극 지역;
    전류가 상기 가용성 양극과 상기 불활성 음극 간에 흐를 때, 상기 가용성 양극으로부터 금속-이온들을 생성하는, 상기 가용성 양극 및 상기 불활성 음극에 전기적으로 커플링되는 전력 소스;
    상기 금속 강화 셀의 상기 음극 지역을 통해 음극액을 순환시키는 음극액 저장소 및 제 1 펌프; 및
    상기 금속 강화 셀의 상기 양극 지역을 통해 상기 하나 이상의 전기화학 증착 모듈들 중 적어도 하나의 프로세스 지역으로부터 금속 고갈 프로세스 전해액을 순환시키고, 상기 하나 이상의 전기화학 증착 모듈들 중 상기 적어도 하나의 상기 프로세스 지역에 상기 가용성 양극으로부터의 금속에 의해 강화된 프로세스 전해액을 공급하도록 배열된 금속 강화 순환 라인 및 제 2 펌프를 포함하는 것인, 전기화학 증착 시스템.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 금속 강화 셀은,
    양극 지역, 음극 지역 및 상기 양극 지역과 상기 음극 지역 사이에 배치되는 도금 용액 강화 지역으로서, 상기 금속 강화 셀은 상기 양극 지역에 배치되는 가용성 양극, 상기 음극 지역에 배치되는 불활성 음극, 상기 양극 지역과 상기 도금 용액 강화 지역 사이에 배치되는 제 1 이온 교환 멤브레인, 및 상기 음극 지역과 상기 도금 용액 강화 지역 사이에 배치되는 제 2 이온 교환 멤브레인을 포함하는 것인, 상기 양극 지역, 상기 음극 지역 및 상기 도금 용액 강화 지역;
    전류가 상기 가용성 양극과 상기 불활성 음극 간에 흐를 때, 상기 가용성 양극으로부터 금속-이온들을 생성하는, 상기 가용성 양극 및 상기 불활성 음극에 전기적으로 커플링되는 전력 소스;
    상기 금속 강화 셀의 상기 양극 지역을 통해 양극액을 순환시키는 양극액 저장소 및 제 1 펌프;
    상기 금속 강화 셀의 상기 음극 지역을 통해 음극액을 순환시키는 음극액 저장소 및 제 2 펌프; 및
    상기 금속 강화 셀의 상기 금속-이온 포착 지역을 통해 상기 하나 이상의 전기화학 증착 모듈들 중 적어도 하나의 프로세스 지역으로부터 금속 고갈 프로세스 전해액을 순환시키고, 상기 하나 이상의 전기화학 증착 모듈들 중 상기 적어도 하나의 상기 프로세스 지역에 상기 가용성 양극으로부터의 금속에 의해 강화된 프로세스 전해액을 공급하도록 배열된 금속 강화 순환 라인 및 제 3 펌프를 포함하는 것인, 전기화학 증착 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 금속 강화 셀은 4개의 챔버들을 포함하는 것인, 전기화학 증착 시스템.
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