KR20020005480A - 애노드 코팅 장치 및 방법 - Google Patents

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KR20020005480A
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단 메이단
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조셉 제이. 스위니
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Abstract

본 발명의 애노드는 금속막 도금 장치내에서 사용되도록 구성된다. 애노드는 평면형 전계 발생부와 전해질 용액 화학 반응부를 포함한다. 평면형 전계 발생부는 전해질 용액에 대해 불침투성인 불활성 물질로 코팅된다. 일 실시예에서, 애노드는 천공된 애노드로서 형성된다. 일면에서, 전계 발생부는 전해질 용액 화학 반응부와 인접하게 형성된다. 또다른 면에서, 평면형 전계 발생부는 전해질 용액 화학 반응부와 별개의 부재로 형성된다.

Description

애노드 코팅 장치 및 방법{COATED ANODE APPARATUS AND ASSOCIATED METHOD}
본 발명은 금속막 증착에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 금속막 증착에 사용되는 애노드에 관한 것이다.
회로 보드 상에 라인을 제조하기 위해 집적 회로 설계에 앞서 제한되는 전기화학 도금(ECP;Electro-Chemical Plating)은 기판내에 비아 및 콘택과 같은 픽춰(feature)를 채우는데 사용된다. 일반적으로 ECP는 다양한 프로세스로 이용될 수 있다. ECP를 포함하는 프로세스로는 화학적 기상 증착(CVD) 또는 물리적 기상 증착(PVD)과 같은 프로세스에 의해 웨이퍼의 픽춰 표면 위에 배리어 확산층 증착을포함한다. 다음 전도성 금속 시드층이 PVD 또는 CVD와 같은 프로세스에 의해 배리어 확산층 위에 증착된다. 다음 구조물/픽춰를 채우기 위해 ECP에 의해 시드층 상에 전도성 금속막(예를 들어, 구리)이 증착된다. 마지막으로, 증착된 금속막은 전도성 배선 픽춰를 한정하기 위해 화학적 기계적 연마(CMP)와 같은 프로세스에 의해 평탄화 처리된다.
전기도금을 하는 동안 시드층 상에 금속막의 증착은 애노드를 기준으로 기판 상의 시드층에 전압을 바이어스함으로써 달성된다. ECP 프로세싱 동안, 시드층 및 애노드는 전해셀(electrolyte cell)에 있는 전해질 용액에 포함한다. 시드층은 전해질 용액 내에서 시드층 상에 증착되는 금속 이온을 유인하도록 전기적으로 바이어스된다.
전해질 용액에 노출되는 이러한 애노드 표면은 전형적으로 전해질 용액과 화학적으로 반응하여, 결국 손상된다. 또한 손상된 애노드로부터의 입자는 전해질 용액속으로 분산될 수 있다. 입자가 시드층과 접촉되는 경우, 시드층은 물리적으로 변형되고, 화학적으로 변화되어, 요철부를 포함하게 된다. 이러한 요철부는 시드층의 전기적 특성(전류 밀도와 같은)에 영향을 줄 수 있다.
ECP 시스템에서 금속막을 증착하는 동안 기판상의 시드층과 애노드 사이에 전계가 형성된다. 시드층상에 금속막 증착을 강화시키기 위해, 전해질 용액의 유체 흐름은, 예를 들어 애노드 아래로부터, 애노드를 통해 또는 애노드 부근에서 기판을 향하게 설정된다. 애노드와 전해질 용액 사이의 화학 반응은 애노드에 인가된 전력 부가에 의해 강화된다. 이렇게 강화된 화학 반응은 애노드를 형성하는 금속으로부터 전해질 용액속으로 금속 이온을 공급하게 된다. 전해 셀에서의 유체 흐름과 조합하여 애노드로부터 기판상의 시드층으로 설정된 전계의 조합은 금속 이온을 애노드로부터 기판상의 시드층을 향하게 운반하는 역할을 한다. 애노드에 의한 전해질 용액 속으로의 금속 이온 발생은 애노드 슬러지와 같은 입자 부산물의 형성 외에 애노드 표면을 손상시킨다. 일정 기간 후에, 애노드 금속의 금속 표면의 손상은 평탄하지 못한 상부 애노드 표면을 산출하게 된다.
ECP 프로세스 동안, 평면형 구조인 기판을 면하는 애노드 표면을 시드층과 거의 평행하게 배향된 평면과 마주하게 유지하는 것이 바람직하다. 평면형인 임의의 애노드 표면 변화는 시드층에서 가장 가까운 위치로부터 애노드의 상부 표면 상의 상이한 포인트 사이의 간격의 변화로 인한 것이다. 전해질 용액을 경유하는 가장 가까운 시드층 포인트에서 애노드 상에서의 임의의 포인트의 전기적 저항은 전해질 용액을 통하는 간격의 함수로서 변화된다. 전형적으로 전해질 용액을 통하는 시드층 상에서의 가장 가까운 위치에서 애노드의 상부 표면 상의 임의의 특정 위치 사이의 간격이 짧을수록 전해질 용액 저항이 옴 법칙의 함수로서 변화하기 때문에 시드층에서 애노드 표면 위치 사이의 전기적 저항을 감소시키게 된다.
기판 시드층의 표면 양단의 균일한 전류 밀도의 설정은 시드층 양단의 균일한 금속막 증착을 강화시키기 때문에, 다양한 애노드 표면 위치와 시드층 사이의 저항의 변화는 기판 시드층 양단의 전류 밀도 변화를 야기시킨다. 시드층 양단의 전류 밀도의 이러한 변화는 기판 표면 양단의 금속막 증착 변화를 야기시킨다. 금속막 증착 프로세스에서, 금속막 증착에 이어 금속막의 균일한 전기적 특성을 제공하기 위해 시드층의 표면 양단에서의 가능한 균일한 금속막 증착을 유지하는 것이 바람직하다. 따라서, 애노드의 상부 표면이 직사각형, 비 평면형인 경우 기판상의 시드층 도금을 유지하는 것이 어렵게 되며, 애노드의 상부 표면과 전해질 용액 사이의 화학 반응의 결과로서 구성이 연장된 애노드 사용으로 인해 발생할 수 있다.
따라서, 기판을 면하고 전해질 용액에 침지된 애노드의 부분에 의해 시드층 양단의 전류 밀도의 균일성을 강화시키기 위한 구성으로 장시간 사용후에라도 평면형이 유지되는 시스템을 제공하는 것이 바람직하다. 이러한 전류 밀도 강화는 시드층 양단의 금속막 증착 속도의 균일성을 강화시킨다.
일반적으로 본 발명은 금속막 도금 장치에서 사용되도록 구성된 애노드에 관한 것이다. 애노드는 평면형 전계 발생부와 전해질 용액 화학 반응부를 포함한다. 평면형 전계 발생부는 전해질 용액에 대해 불침투성인 불활성 물질로 코팅된다. 일 실시예에서, 애노드는 천공된 애노드로서 형성된다. 일면에서, 평면형 전계 발생부는 전해질 용액 화학 반응부와 인접하게 형성된다. 또다른 면에서, 평면형 전계 발생부는 전해질 용액 화학 반응부와 개별 부재로서 형성된다.
도 1은 전기화학 도금(ECP;electro chemical plating) 시스템의 일 실시예의 단면도;
도 2는 ECP 시스템의 또다른 실시예의 투시도;
도 3은 도 2의 ECP 시스템의 상부 개략도;
도 4는 ECP 프로세싱에서 사용되는 프로세스 셀의 일 실시예의 단면도;
도 5는 도 4의 캐소드 콘택 링의 일 실시예의 부분 단면도;
도 6은 각각의 콘택을 통한 전기도금 시스템을 나타내는 전기 회로의 간단한 회로도;
도 7은 전해질을 공급하는 시스템의 일 실시예의 단면도;
도 8은 급속 열 어닐 챔버의 일 실시예의 단면도;
도 9는 캐소드 콘택 링의 또다른 실시예의 투시도;
도 10은 캡슐화된 애노드의 일 실시예의 단면도;
도 11은 캡슐화된 애노드의 또다른 실시예의 단면도;
도 12는 캡슐화된 애노드의 또다른 실시예의 단면도;
도 13은 캡슐화된 애노드의 또다른 실시예의 단면도;
도 14는 본 명세서에서 사용되는 플리퍼(flipper) 로봇을 갖는 메인프레임의상부 개략도;
도 15는 회전식 헤드 어셈블리를 갖는 기판 홀더 시스템의 실시예도;
도 16은 디개서(degasser) 모듈의 일 실시예의 단면도;
도 17은 디개서 모듈의 또다른 실시예의 측단면도;
도 18은 애노드의 일 실시예를 포함하는 ECP 시스템을 나타내는 도면;
도 19는 애노드의 또다른 실시예를 포함하는 ECP 시스템을 나타내는 도면.
* 도면의 주요부호에 대한 부호의 설명*
12 : 전해 셀 14 : 기판 홀더 시스템
16 : 애노드 20 : 콘택 링
222 : 제어기
본 발명의 설명은 이하 도면과 관련한 상세한 설명에 따라 이해 될 것이다.
이해를 돕기 위해, 도면에서 공통되는 동일한 부재를 나타내도록 가능한 동일한 참조 부호를 사용한다.
이하 상세한 설명을 참조로 하면, 당업자는 금속막 증착 분야에서 본 발명을쉽게 사용할 수 있음을 알 것이다.
이하 상세한 설명에서, 전기화학 도금(ECP)를 수행할 수 있는 시스템의 다양한 실시예의 구조 및 동작을 설명한다. 도 1, 2, 3은 ECP 시스템의 다양한 실시예를 나타낸다.
도 18 및 도 19에 도시된 실시예와 같은 ECP 시스템의 일 실시예에서, 기판을 면하는 애노드 표면은 불활성 금속으로 코팅된다. 불활성 금속은 애노드의 표면과 전해질 용액 사이에서 발생하는 화학 반응을 제한한다. 코팅된 애노드를 포함하는 다수의 전기도금 시스템을 개시한다.
ECP 시스템
ECP 시스템의 다양한 실시예의 구조 및 동작을 설명한다. 도 1은 기판 상에 형성된 시드층 위에 금속막을 증착시키는데 사용되는 ECP 시스템(200)의 일 실시예를 나타낸다. ECP 시스템(200)은 전해 셀(12), 기판 홀더 시스템(14), 애노드(16), 및 콘택 링(20)을 포함한다. 전해 셀(12)은 전해질 용액을 포함하며, 콘택 링(20)에 의해 주변이 한정된 상부 개구부(21)를 포함한다. 기판 홀더 시스템(14)은 전해 셀 위에 배치되며, 상부 개구부를 통해 전해질 용액 속으로 기판을 침지시킬 수 있고 전해질 용액으로부터 기판을 제거할 수 있다. 기판 홀더 시스템(14)은 프로세싱 동안 전해질 용액에 침지된 기판 상의 시드층을 소정 위치에 고정하고 위치시킬 수 있다. 콘택 링(20)은 기판 시드층과 물리적으로 전기적으로 접촉하는 다수의 금속 또는 금속 합금의 전기적 콘택 부재를 포함한다. 전기적 콘택 부재는 예를 들면, 콘택 핀, 콘택 로드, 콘택 표면, 콘택 패드 등 일 수있다.
도 2는 ECP 시스템(200)의 또다른 실시예의 투시도이다. 도 3은 도 2의 ECP 시스템(200)의 상부 개략도이다. 도 2와 도 3을 참조하면, ECP 시스템(200)은 일반적으로 로딩 스테이션(210), 급속 열 어닐링(RTA) 챔버(211), 스핀-린스-드라이(SRD) 스테이션(212), 메인프레임(214), 및 전해질 용액 교체 시스템(220)을 포함한다. 바람직하게, ECP 시스템(200)은 PLEXIGLAS??(펜실베니아, 웨스트 필라델피아의 Rohm & Haas Company의 등록 상표명)로 구성된 패널을 사용하는 세정 환경으로 밀폐된다. 일반적으로 메인프레임(214)은 메인프레임 전송 스테이션(216) 및 다수의 프로세싱 스테이션(218)을 포함한다. 각각의 프로세싱 스테이션(218)은 1 개 이상의 프로세스 셀(240)을 포함한다. 전해질 용액 교체 시스템(220)은 ECP 시스템(200) 부근에 위치되며 전기도금 프로세스를 위해 사용되는 전해질 용액을 순환시키기 위해 개별적으로 프로세스 셀(240)과 연결된다. 또한 ECP 시스템(200)은 전형적으로 프로그램가능한 마이크로프로세서를 포함하며 고체 상태 전원장치와 상호작용하는 제어기(222)를 포함한다.
제어기(222)는 전기적 콘택 및 애노드로 공급되는 전류/전압을 제어한다. 전형적으로, 제어기(222)는 전기적 콘택 및 애노드로 전류를 공급하는 반도체 전원과 같은 제어가능한 전원장치와 관련된다. 제어기는 기판상의 시드층이 도금될 때 시드층에 공급되는 전류를 제어한다. 따라서 제어기(222)는 애노드로부터 기판상의 시드층으로 흐르는 전류/전압을 제어한다.
도 3에 부품이 도시된 제어기(222)는 중앙 처리 장치(CPU)(260), 메모리(262), 회로(265), 입력 출력 인터페이스(I/O)(279), 및 도시되지 않은 버스를 포함한다. 제어기(222)는 범용 컴퓨터, 마이크로프로세서, 마이크로제어기, 또는 컴퓨터 또는 제어기에 적절한 다른 공지된 형태의 것일 수 있다. CPU(260)는 제어기(222)를 위한 프로세싱 및 연산 작업을 수행한다. 제어기(222)는 ECP 시스템(200)과 관련된 도금 프로세스, 로봇 동작, 타이밍 등을 제어한다. 제어기는 제어가능한 전원(도시되지 않음)에 의해 애노드(16) 및 기판(22) 상의 도금 표면(15)으로 인가된 전압/전류를 제어한다. 또한 제어기는 도 4에 도시된 것처럼, 전해질 용액에 있는 기판상의 시드층을 침지시키는데 사용되는 기판 홀더 시스템의 변위를 제어한다.
메모리(262)는 컴퓨터 프로그램, 오퍼랜드, 오퍼레이터, 디멘션 값, 시스템 프로세싱 온도 및 형태, 및 전기도금 작업을 제어하는 다른 파라미터를 함께 저장하는 랜덤 액서스 메모리(RAM) 및 판독 전용 메모리(ROM)를 포함한다. CPU(260), 회로(265), 메모리(262), 및 I/O(279) 사이의 디지털 정보 전송을 위해 버스가 제공된다. 또한 버스는 제어기(222)로부터 디지털 정보를 수신하거나, 또는 제어기(222)로 디지털 정보를 전송하는 ECP 시스템(200) 부분과 I/O(279)를 연결한다.
I/O(279)는 제어기(222)내의 각각의 부품들 간의 디지털 정보 전송을 제어하는 인터페이스를 제공한다. 또한 I/O(279)는 제어기(222)의 부품과 ECP 시스템(200)의 상이한 부분 사이에 인터페이스를 제공한다. 회로(265)는 디스플레이 및 키보드와 같은 다른 모든 사용자 인터페이스 장치를 포함한다.
본 명세서에서 "기판"이란 용어는 기판, 반도체 기판, 액정 다이오드(LCD) 디스플레이, 또는 ECP 시스템(200) 내에서 처리될 수 있는 다른 대상물을 나타내기 위한 것이다. 일반적으로 기판은 원형 또는 직사각형이며, 임의의 크기를 갖을 수 있지만, 공통적으로 다수의 기판은 200nm 또는 300nm 직경을 갖는다. 바람직하게 로딩 스테이션(210)은 1개 이상의 기판 카세트 수용 영역(224), 1개 이상의 로딩 스테이션 전송 로봇(228) 및 1개 이상의 기판 오리엔터(230)를 포함한다. 로딩 스테이션(210)에 포함된 기판 카세트 수용 영역, 로딩 스테이션 로봇(228) 및 기판 오리엔터의 수는 시스템의 원하는 생산량에 따라 구성될 수 있다. 도 2 및 도 3에 일 실시예로 도시된 것처럼, 로딩 스테이션(210)은 2개의 기판 카세트 수용 영역(224), 2개의 로딩 스테이션 전송 로봇(228), 1개의 기판 오리엔터(230), 및 기판 카세트(232)를 포함한다. 기판 카세트(232)는 기판이 ECP 시스템과 관련하여 저장, 제거될 수 있거나 또는 삽입될 수 있는 장소를 제공하는 수직 형상의 카세트 선반내에 1개 이상의 기판(234)을 포함한다. 로딩 스테이션 전송 로봇(228)은 기판 카세트(232)와 기판 오리엔터(230) 사이로 기판(234)을 전송한다. 로딩 스테이션 전송 로봇(228)은 기술상 공지된 전형적인 전송 로봇을 포함한다. 기판 오리엔터(230)는 기판이 적절하게 처리되도록 원하는 배향 위치에 각각의 기판(234)을 위치시킨다. 또한 로딩 스테이션 전송 로봇(228)은 로딩 스테이션(210)과 SRD 스테이션(212) 사이 및 로딩 스테이션(210)과 열 어닐 챔버(211) 사이로 기판(234)을 전송한다.
SRD 스테이션은 처리되는 기판 표면으로부터의 원치않는 증착물 또는 건조된 화학제(예를 들어, 화학 결정 형태)를 린스 및/또는 에칭하기 위해 기판 표면으로 린스처리 및/또는 용해 유체를 도포한다. 다음 SRD 시스템은 린스/에칭 유체를 도포하는 동안 기판을 회전시킨다. 또한 SRD 시스템은 기판에 가해진 원심력 작용을 통해 기판 표면으로부터 유체를 제거하기 위해 린스/에칭 유체를 도포한 후에 기판을 회전시킨다(일 실시예에서 약 2800 RPM으로). SRD 모듈의 동작은 상세하게 설명하지 않으며, 이는 "Electrochemical Deposition System"이란 명칭으로 1999년 4월 8일자로 출원된 미국 특허 출원 번호 09/289,074호에 개시되어 있다(본 명세서에서 참조로 함). 또한 ECP 시스템의 또다른 면은 본 명세서에서 참조되는 특허 출원에서도 제공된다.
바람직하게, 메인프레임 전송 스테이션(216)은 기판의 페이스-다운(face-down) 프로세싱이 요구되는 프로세스 셀(240)을 위해 로봇 블레이드(246)(메인프레임 전송 로봇(242)의) 상의 페이스-업 위치로부터 페이스 다운 위치로 기판 전송을 용이하게 하는 플리퍼(flipper) 로봇(248)을 포함한다. 플리퍼 로봇(248)은 메인 바디(250)의 수직축을 중심으로 수직 및 회전 운동을 제공하는 메인 바디(250) 및 수평축을 따른 회전 운동을 제공하는 플리퍼 로봇 암(252)을 포함한다. 바람직하게, 플리퍼 로봇 암(252)의 말단부에 배치된 진공 석션 그리퍼(254)는 기판이 플리퍼 로봇(248)에 의해 움직이고 전송됨에 따라 기판을 보유한다. 플리퍼 로봇(248)은 페이스-다운 프로세싱을 위해 프로세스 셀(240)속으로 기판을 위치시킨다. 이하 전해 셀의 상세한 설명을 한다.
도 14는 내부에 플리퍼 로봇이 포함된 메인프레임 전송 로봇의 개략도이다. 도 3과 도 14에 도시된 것처럼 메인프레임 전송 로봇(216)은 프로세싱 스테이션과 SRD 스테이션을 포함하는 메인프레임 스테이션에 부착된 상이한 스테이션 사이로 기판을 전송하는 역할을 한다. 메인프레임 전송 로봇(216)은 다수의 로봇 암(2402)(2개가 도시됨)과 플리퍼 로봇(2404)을 포함한다. 플리퍼 로봇(2404)은 말단 위치에서 로봇 암(2402) 각각의 엔드 이펙터에 부착된다. 일반적으로 플리퍼 로봇은 공지되어 있고 캘리포니아 밀피타스에 위치한 RORZE AUTOMATION, INC.에서 시판되는 RR701 모델과 같은 기판 처리 로봇을 위한 엔드 이펙터로서 부착될 수 있다. 엔드 이펙터를 갖춘 플리퍼 로봇(2404)을 포함하는 메인 전송 로봇(216)은 메인프레임에 부착된 상이한 스테이션 사이로 기판을 전송할 뿐만 아니라 원하는 기판 배향 위치로 기판을 이동시킬 수 있다, 즉 기판 프로세싱 표면은 전기도금을 위해 페이스다운될 수 있다. 바람직하게, 메인프레임 전송 로봇(216)은 로봇 암(2402)에 의해 거의 수평한 평면 내에서의 동작의 조합을 사용하여 X-Y-Z축 각각에 따른 독립적인 로봇 동작 및 플리퍼 로봇 엔드 이펙터(2404)를 사용하여 독립적인 기판 이동 회전을 제공한다. 메인프레임 전송 로봇의 엔드 이펙터와 일체화된 플리퍼 로봇(2404)을 갖춤으로써, 메인프레임 전송 로봇으로부터 플리퍼 로봇으로 기판을 통과시키는 단계가 소거되기 때문에 기판 전송 프로세스가 간략화된다.
도 4는 도 2 및 도 3의 ECP 시스템의 전기도금 프로세스 셀(400)의 일 실시예의 단면도이다. 일반적으로 전기도금 프로세스 셀(400)은 헤드 어셈블리(410), 전해 셀(420) 및 전해질 용액 수집기(440)를 포함한다. 바람직하게, 전해질 용액수집기(440)는 전해질 셀(420)의 배치를 위한 위치를 결정하는 개구부(443) 위로 메인프레임(214)의 바디(442) 상에 고정된다. 전해질 용액 수집기(440)는 내벽(446), 외벽(448) 및 벽들을 연결하는 바닥부(447)를 포함한다. 전해질 용액 출구(449)는 전해질 용액 수집기(440)의 바닥부(447)와 통하게 배치되며 튜브, 호스, 파이프 또는 다른 유체 전송 연결기를 통해 도 2에 도시된 전해질 용액 교체 시스템(220)과 연결된다.
헤드 어셈블리(410)가 헤드 어셈블리 프레임(452) 상에 장착된다. 헤드 어셈블리 프레임(452)는 마운팅 포스트(mounting post)(454) 및 캔티레버(cantilever) 암(456)을 포함한다. 마운팅 포스트(454)는 메인프레임(214)의 바디(442) 상에 장착되며, 캔티레버 암(456)은 마운팅 포스트(454)의 상부 부분으로부터 측방으로 연장된다. 바람직하게, 마운팅 포스트(454)는 헤드 어셈블리(410)가 회전하도록 마운팅 포스트를 따라 수직축을 기준으로 회전 운동을 제공한다. 헤드 어셈블리(410)는 캔티레버 암(456)의 말단부에 배치된 마운팅 플레이트(460)에 부착된다. 캔티레버 암(456)의 하단부는 마운팅 포스트(454) 상에 장착된 압축공기식(pneumatic) 실린더와 같은 캔티레버 암 액츄에이터(457)에 연결된다. 캔티레버 암 액츄에이터(457)는 캔티레버 암(456)과 마운팅 포스트(454) 사이의 연결부를 기준으로 캔티레버 암(456)의 피봇 운동을 제공한다. 캔티레버 암 액츄에이터(457)가 수축되는 경우, 캔티레버 암(456)은 전해 셀(420)과 떨어여 있는 헤드 어셈블리(410)을 이동시켜 전기도금 프로세스 셀(400)로부터 전해 셀(420)을 제거 및/또는 교체시키기 위해 요구되는 공간을 제공한다.캔티레버 암 액츄에이터(457)가 연장되는 경우, 캔티레버 암(456)은 프로세싱 위치에 있는 헤드 어셈블리(410)내에 기판을 위치시키기 위해 헤드 어셈블리(410)가 전해 셀(420)을 향하도록 이동시킨다.
일반적으로 헤드 어셈블리(410)는 기판 홀더 시스템(450)과 기판 어셈블리 액츄에이터(458)를 포함한다. 기판 어셈블리 액츄에이터(458)는 마운팅 플레이트(460) 상에 장착되며, 마운팅 플레이트(460)를 지나 하향 연장되는 헤드 어셈블리 샤프트(462)를 포함한다. 헤드 어셈블리 샤프트(462)의 하단부는 프로세싱 위치와 기판 로딩 위치에 기판 홀더 어셈블리(450)를 위치시키도록 기판 홀더 어셈블리(450)와 연결된다.
일반적으로 기판 홀더 어셈블리(450)는 기판 홀더 플레이트(464) 및 전기적 콘택 부재(466)를 포함한다. 도 5는 전기적 콘택 부재(466)의 일 실시예의 단면도이다. 일반적으로, 전기적 콘택 부재(466)는 자체상에 다수의 전도성 부재가 배치된 환형 바디를 포함한다. 환형 바디는 다수의 전도성 부재를 전기적으로 절연시키도록 절연 물질로 구성된다. 바디와 함께 전도성 부재는 프로세싱 동안, 기판을 지지하고 전류가 공급되는 직경방향으로 내부에 기판 배치(seating) 표면을 형성한다.
도 5를 참조로, 일반적으로 전기적 콘택 부재(466)는 환형의 절연체(770) 내에 거의 부분적으로 배치된 다수의 전도성 부재(765)를 포함한다. 절연체(770)는 플랜지(762) 및 플랜지(762) 아래에 위치된 기판 배치 표면(768)에 이르는 하향 경사진 숄더부(762)를 포함하는 것으로 도시된다. 플랜지(762) 및 기판 배치표면(768)은 오프셋되는 거의 평행한 평면에 놓인다. 따라서, 플랜지(762)는 제 1 평면을 한정하는 것으로 생각할 수 있고 기판 배치 표면(768)은 제 1 평면과 평행한 제 2 평면을 한정하는 것으로 생각할 수 있으며, 숄더부(764)는 2개 평면 사이에 배치된다. 그러나, 도 5에 도시된 전기적 콘택 부재 디자인은 단지 도시를 위한 것이다. 또다른 실시예에서, 숄더부(764)는 플랜지(762)와 기판 배치 표면(768)과 거의 수직을 이루도록 거의 직각으로 경사지는 스텝퍼 각도에 있을 수 있다. 선택적으로, 전기적 콘택 부재(466)는 대체로 평면형이어서 숄더부(764)가 소거된다. 그러나, 이하 설명되는 이유로, 바람직한 실시예는 도 4에 도시된 숄더부(764) 또는 다른 변형물을 포함한다.
전도성 부재(765)는 플랜지(762) 상에 환형으로 배치된 다수의 외부 전기적 콘택 패드(780), 기판 배치 표면(768) 부분에 배치된 다수의 내부 전기적 콘택 패드(772), 및 서로 패드(772, 780)에 연결되는 다수의 전도성 연결기(776)에 의해 한정된다. 전도성 부재(765)는 절연체(770)에 의해 서로 절연된다. 절연체는 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF; polyvinylidenefluoride), 페르플로르알콕시(PFA; perfluoroalkoxy) 수지와 같은 플라스틱, TEFLON??(E.I. duPont de Nemours and Company 등록 상표) 및 TEFZEL??(E.I. duPont de Nemours and Company 등록 상표) 또는 알루미나(Al2O3) 또는 다른 세라믹과 같은 임의의 다른 절연 물질로 구성될 수 있다. 외부 콘택 패드(780)는 도시되지 않은 전원장치에 연결되어, 프로세싱 동안 연결기(776)를 경유하여 내부 콘택 패드(772)로 전류 및 전압을 유도한다. 결국,내부 콘택 패드(772)는 기판의 주변부 부근에서 콘택을 유지함으로써 기판에 전류 및 전압을 공급한다. 따라서, 전도성 부재(765)의 동작시에 기판과 전기적으로 연결된 개별 전류 경로로서의 역할을 한다.
낮은 저항률, 및 반대로 높은 전도성은 양호한 도금과 직접적으로 관련된다. 낮은 저항률을 위해, 전도성 부재(765)는 구리(Cu), 백금(Pt), 탄탈(Ta), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 금(Au), 은(Ag), 스테인레스 스틸 또는 다른 전도성 물질로 바람직하게 구성된다. 또한 낮은 저항률 및 낮은 콘택 저항은 전도성 물질로 전도성 부재(765)를 코팅함으로써 달성될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 구리로 이루어진, 약 2 ×10-8Ω·m의 저항률을 갖는 전도성 부재(765)는 백금으로 코팅되어 약 10.6×10-8Ω·m의 저항률을 갖을 수 있다. 또한 스테인레스 스틸, 몰리브덴(Mo), Cu, 및 Ti와 같은 전도성 베이스 물질 상에 탄탈 질화물(TaN), 티탄 질화물(TiN), 로듐(Rh), Au, Cu 또는 Ag의 코팅이 가능하다. 또한, 콘택 패드(772, 780)는 전도성 연결기(776)와 결합된 전형적인 개별 유니트이기 때문에, 콘택 패드(772, 780)는 Cu와 같은 물질을 포함할 수 있고, 및 전도성 부재(765)는 스테인 레스와 같은 다른 물질을 포함할 수 있다. 각각의 또는 양쪽 패드(772, 780) 및 전도성 연결기(776)는 전도성 물질로 코팅될 수 있다. 부가적으로, 도금 반복성은 절연체로서의 역할을 하는 산화 작용에 의해 악영향을 미칠 수 있기 때문에, 바람직하게 내부 콘택 패드(772)는 Pt, Ag, 또는 Au와 같이 산화 작용에 대해 내성이 있는 물질을 포함한다.
콘택 물질의 작용 외에, 각각의 회로의 전체 저항은 내부 콘택의 내부 콘택 패드(772)의 기하학 구조, 또는 형상 및 콘택 링(466)에 의해 공급되는 힘에 따라 좌우된다. 이러한 요인은 2개 표면 사이에서의 울퉁불퉁함으로 인해 내부 콘택 패드(772) 및 기판 배치 표면(768)사이의 인터페이스에서 수축(constricion) 저항(RCR)을 한정한다. 일반적으로, 가해지는 힘이 증가함에 따라, 피상 영역(apparent area) 또한 증가한다. 결국, 피상 영역은 RCR와 반비례 관계에 있어 피상 영역의 증가는 RCR를 감소시킨다. 따라서, 전체 저항을 최소화시키기 위해서, 힘을 최대화시키는 것이 바람직하다. 동작시에 가해진 최대 힘은 과도한 힘 및 압력 상태에서 손상될 수 있는 기판의 항복 강도에 의해 제한된다. 그러나, 압력은 힘과 영역에 관련되기 때문에, 최대 허용가능한 힘은 내부 콘택 패드(772)의 기하학적 구조를 따른다. 따라서, 콘택 패드(772)는 도 5에 도시된 것처럼 평평한 상부 표면을 갖을 수 있으며, 일반적으로 공지되어 있는 나이프 에지 콘택 패드 또는 반구상 콘택 패드와 같은 공지된 바람직한 다른 형상의 것을 사용할 수 있다. 본 분야의 당업자는 바람직한 다른 형상을 사용할 수 있음을 알 것이다. 콘택 구조, 힘 및 저항 사이의 관계에 대한 복잡한 결과는 본 명세서에서 참조로 하는, Kenneth E. Pitney의 Ney Contact Manual, The J.M. NEY COMPANY(1973)에 개시되어 있다.
연결기(776)의 수는 도 5에 도시된 원하는 콘택 패드(772)의 특정한 수에 따라 변형가능한다. 200nm 기판에 대해, 바람직하게 적어도 24개의 연결기(776)가360°에 걸쳐 균일하게 간격을 두고 있다. 그러나, 연결기의 수가 임계(critical) 레벨에 도달함에 따라, 콘택 링(466)에 대한 기판의 컴플라이언스(compliance)는 악영향을 미치게된다. 따라서 24개 이상의 연결기(776)가 사용될 수 있는 반면에, 콘택 균일성은 콘택 패드(772)의 구조와 기판 강성도에 따라 결국 감소될 것이다. 유사하게, 24개 이하의 연결기(776)가 사용될 수 있는 반면에, 전류는 점점 한정되고 제한되어, 불량 도금 결과를 일으킨다. 균일한 공간을 제공하도록 인접한 연결기들 사이의 각도에 따라 간단한 계산을 위해 제공되는 연결기 수를 선택하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 21개의 연결기가 사용된다면, 30도 마다 한 개의 연결기가 균일하게 공간에 제공된다. 24개의 연결기가 사용되는 경우, 인접한 연결기 사이의 균일한 공간은 15도가 된다. 임의의 수 21개는 인접한 연결기 사이의 간단한 각도 계산을 제공한다. 프로세스 셀의 치수는 특정한 용도에 맞게 구성될 수 있다. 예를 들어, 치수는 200 및 300mm 기판 사이의 보정하도록 변화된다.
도 6은 콘택 링(466)을 위한 전기 회로의 가능한 구성을 나타내는 간략한 회로도이다. 전도성 부재(765) 사이에 균일한 전류 분포를 제공하기 위해, 외부 저항기(700)가 각각의 전도성 부재(765)와 직렬로 연결된다. 바람직하게, REXT로 표시되는 외부 저항(700)의 저항값은 회로의 임의의 다른 부품의 저항보다 크다. 도 6에 도시된 것처럼, 각각의 전도성 부재(765)와 통하는 전기 회로는 전원 장치(702)와 직렬로 연결된 부품의 각각의 저항으로 표시된다. RE는 전해질 용액의 저항을 나타내며, 애노드와 캐소드 콘택 링 사이의 간격과 전해질 용액의 화학적 조성에따라 좌우된다. 따라서, RA는 기판 도금 표면(754)에 인접한 전해질 용액의 저항을 나타낸다. RS는 기판 도금 표면(754)의 저항을 나타내며, RC는 내부 콘택 패드(772)와 기판 도금층(754) 사이의 인터페이스에서 야기되는 수축 저항과 합해진 캐소드 전도성 부재(765)의 저항을 나타낸다. 일반적으로, 외부 저항기의 저항값(REXT)은 적어도R이며,R는 RE, RA, RS및 RC의 합과 같다. 바람직하게, 외부 저항기의 저항값(REXT)은R 보다 크며R는 무시해도되며 각각의 직렬 회로의 저항은 대략 REXT이다.
전형적으로, 1개의 전원장치는 전기적 콘택 부재(466)의 외부 콘택 패드(780) 모두와 연결되어, 내부 콘택 패드(772)와 병렬 회로가 된다. 그러나, 내부 콘택 패드 대 기판 인터페이스 저항이 각각의 내부 콘택 패드(772)로 변화됨에 따라, 전류가 보다 많이 흐르고, 따라서 가장 낮은 저항 위치에서 도금이 더 이루어진다. 그러나, 각각의 전도성 부재(765)와 직렬로 외부 저항기를 위치시킴으로써, 각각의 전도성 부재(765)를 통과하는 전류의 값 또는 양은 외부 저항기의 값에 의해 주로 제어된다. 다른 전도체를 능가하는 이들 전도성 부재를 지나는 전류는 전도성 부재와 직렬로 외부 저항기를 부가시킴으로써 상대적으로 감소될 수 있다. 결과적으로, 각각의 내부 콘택 패드(772) 사이의 전기적 특성의 변화는 기판 상에 전류 분포에 영향을 미치지 않게 변형될 수 있다. 도금 표면에 인가되는 균일한 전류 밀도는 기판 상의 시드층에 증착된 금속막의 균일한 도금 두께에 기여한다. 또한 외부 저항기는 상이한 기판 사이의 프로세스-시퀀스에 균일한 전류 분포를 제공한다.
콘택 링(466)은 내부 콘택 패드(772) 상에 증착되는 레지스트 증착을 위해 설계되었지만, 다수의 기판 도금 주기에 걸쳐 기판-패드 인터페이스 저항은 결국 허용불가능한 값에 이르게 증가할 수 있다. 이러한 문제를 처리하기 위해 외부 저항기의 전압/전류를 모니터하도록 외부 저항기(700)에 전자 센서/알람(704)이 연결될 수 있다. 외부 저항기(700)의 전압/전류가 높은 기판-패드 저항을 나타내는 미리조절된 작동 범위 밖으로 떨어지는 경우, 센서/알람(704)은 작업자에 의해 문제점이 정정될 때까지 도금 공정을 중지시키는 정확한 방식으로 제어한다. 선택적으로, 개별 전원 장치는 각각의 전도성 부재(765)에 연결될 수 있고 기판의 균일한 전류 분포를 제공하도록 개별적으로 제어되고 모니터될 수 있다. 베리 스마트 시스템(VSS; Very Smart System)이 전류 흐름을 조절하기 위해 사용될 수 있다. 전형적으로 VSS는 프로세싱 유니트 및 가변 저항기, 개별 전원 장치 등과 같이 전류를 공급 및/또는 제어하기 위해 사용되는 산업상 공지된 장치의 조합을 포함한다. 물리화학적으로, 그리고 내부 콘택 패드(772)의 전기적 특성이 과도하게 변화됨에 따라, VSS는 데이터 피드백을 처리하고 분석한다. 데이터가 예정된 셋트포인트와 비교되어 VSS는 균일한 증착을 위해 전류 및 전압 교체를 적절히 이용한다.
도 9는 캐소드 콘택 링(1800)의 또다른 실시예의 개략도이다. 캐소드 콘택 링(1800)은 스테인레스 스틸, 구리, 은, 금, 백금, 티탄, 탄탈 및 다른 전도성 물질과 같은 전도성 금속 또는 금속 합금, 또는 백금으로 코팅된 스테인레스 스틸과같은 전도성 물질의 조합을 포함한다. 캐소드 콘택 링(1800)은 기판 홀더 어셈블리 상에 캐소드 콘택 링을 장착하기 위한 상부 장착부(1810)와 그안에 기판을 수용하기 위한 하부 기판 수용부(1820)를 포함한다. 기판 수용부(1820)는 그 위에 다수의 콘택 패트 또는 범프(1824)가 배치되고 바람직하게 균일하게 공간을 두고 있는 환형 기판 배치 표면(1822)을 포함한다. 기판이 기판 배치 표면(1822) 상에 위치되는 경우, 콘택 패드(1824)는 기판 증착 표면 상의 전기도금 시드층에 전기적 콘택을 제공하기 위해 기판의 주변 영역과 물리적으로 접촉된다. 바람직하게, 콘택 패드(1824)는 산화작용에 대한 내성이 있는 백금 또는 금과 귀금속으로 코팅된다.
기판과 접촉되는 콘택 패드의 표면을 제외하고 캐소드 콘택 링의 노출된 표면은 친수성을 나타내는 물질로 코팅되거나 또는 친수성 표면을 제공하도록 바람직하게 처리된다. 친수성 물질 및 친수성 표면 처리는 공지되어 있다. 메사추세츠, 베드포드에 위치한 Millipore Corporation은 친수성 표면 처리법을 개시했다. 친수성 표면은 캐소드 콘택 링의 표면 상의 전해질 용액의 비딩(beading)을 감소시키고 전기도금 배쓰 또는 전해질 용액으로부터 캐소드 콘택 링을 제거한 후에 캐소드 콘택 링으로부터 전해질 용액의 원활한 적하(dipping)를 촉진시킨다. 전해질 용액의 유출을 용이하게 하기 위해 캐소드 콘택 링에 친수성 표면을 제공함으로써, 캐소드 콘택 링 상의 나머지 전해질 용액에 의해 발생되는 도금 결함을 크게 감소시킨다. 또한, 발명자는 차후 처리되는 기판 상에서 있을 수 있는 캐소드 콘택 링 상의 나머지 전해질 용액 비딩 및 도금 결함을 감소시키기 위해 캐소드 콘택 링의또다른 실시예로 이러한 친수성 처리 또는 코팅의 응용을 고려했다.
도 15는 도 4에 도시된 헤드 어셈블리(410)의 위치에서 활용될 수 있는 회전식 헤드 어셈블리(2410)를 갖는 프로세스 헤드 어셈블리의 또다른 실시예이다. 바람직하게, 회전식 액츄에이터가 캔티레버 암 상에 배치되며 기판을 처리하는 동안 헤드 어셈블리를 회전시키기 위해 헤드 어셈블리에 부착된다. 회전식 헤드 어셈블리(2410)는 헤드 어셈블리 프레임(2452)상에 장착된다. 선택적인 헤드 어셈블리 프레임(2452)와 회전식 헤드 어셈블리(2410)는 도 4에 도시되고 상기 설명된 것처럼 헤드 어셈블리 프레임(452)과 헤드 어셈블리(410)와 유사한 메인프레임상에장착된다. 헤드 어셈블리 프레임(2452)는 마운팅 포스트(2454), 포스트 커버(2455), 및 캔티레버 암(2456)을 포함한다. 마운팅 포스트(2454)는 메인프레임(214)의 바디에 장착되며, 포스트 커버(2455)는 마운팅 포스트(2454)의 상부를 덮는다. 바람직하게, 마운팅 포스트(454)는 헤드 어셈블리 프레임(2452)의 회전을 위해 마운팅 포스트를 따라 수직축을 기준으로, 화살표(A1)로 표시된 것처럼, 회전 운동을 제공한다. 캔티레베 암(2456)은 마운팅 포스트(2454)의 상부 부분으로부터 측방으로 연장되며 피봇 연결부(2459)에서 포스트 커버(2455)와 피봇식으로 연결된다. 회전식 헤드 어셈블리(2410)는 캔티레버 암(2456)의 말단부에 배치된 마운팅 슬라이드(2460)에 부착된다. 마운팅 슬라이드(2460)는 헤드 어셈블리(2410)의 수직 운동을 유도한다. 헤드 리프트 액츄에이터(2458)는 헤드 어셈블리(2410)의 수직적 변위를 제공하기 위해 마운팅 슬라이드(2460)의 상부에 배치된다.
캔티레버 암(2456)의 하단부는 마운팅 포스트(2454)상에 장착된엄지나사(lead screw) 액츄에이터 또는 압축 공기식 실린더와 같은 캔티레베 암 액츄에이터(2457)의 샤프트(2453)에 연결된다. 캔티레버 암 액츄에이터(2457)는 화살표(A2)로 표시된 것처럼 캔티레버 암(2456)과 포스트 커버(2454) 사이에 연결부(2459)를 기준으로 캔티레버 암(2456)의 피봇 동작을 제공한다. 캔티레버 암 액츄에이터(2457)가 수축되는 경우, 캔티레버 암(2456)은 전해 셀(420)로부터 멀리 헤드 어셈블리(2410)를 이동시킨다. 헤드 어셈블리의 이동은 전해 셀(420)로부터 전해 셀(420)을 제거 및/또는 교체시키기 위해 필요한 공간을 제공한다. 캔티레버 암 액츄에이터(2457)가 연장되는 경우, 캔티레버 암(2456)은 전해 셀(420)이 프로세싱 위치에 있는 헤드 어셈블리(2410)의 기판 위치를 향하게 헤드 어셈블리(2410)를 이동시킨다.
회전식 헤드 어셈블리(2410)는 마운팅 슬라이드(2460)에 슬라이드 가능하게 연결된 회전 액츄에이터(2464)를 포함한다. 헤드 리프트 액츄에이터(2458)의 샤프트(2468)는 회전 액츄에이터(2464)의 바디에 부착된 리프트 가이드(2466)를 통해 삽입된다. 바람직하게, 샤프트(2468)는 다양한 수직 위치 사이에서 화살표(A3)로 표시된 것처럼, 리프트 가이드를 이동시키는 엄지나사형 샤프트이다. 회전 액츄에이터(2464)는 샤프트(2470)를 통해 기판 홀더 어셈블리(2450)에 연결되며 화살표(A4)로 표시된 것처럼, 기판 홀더 어셈블리(2450)를 회전시킨다. 기판 홀더 어셈블리(2450)는 블래더(bladder) 어셈블리를 포함할 수 있다. 전해 셀에 포함된 전해질 용액에 대해 기판 뒷면 부분(기판 홀더 어셈블리에서 위를 향함)을 밀폐하기 위해, 도 4를 기준으로 상기 설명된 실시예에 도시된 것처럼 캐소드 콘택 링이제공된다.
일반적으로 전기도금 프로세스 동안 기판의 회전은 증착 결과를 강화시킨다. 바람직하게, 헤드 어셈블리는 약 2rpm 및 약 200rpm 사이, 바람직하게는 약 20 및 40 rpm 사이로, 전기도금 프로세스 동안 회전한다. 기판 홀더 어셈블리(2472)는 기판 홀더 시스템(14)이 프로세스 셀에 있는 전해질 용액과 접촉되는 기판 상에 시드층을 하강시킴으로써 침지됨에 따라 기판에 회전력을 부가하여 회전될 수 있다. 헤드 어셈블리는 프로세스 셀에 있는 전해질 용액으로부터 기판상에 있는 시드층을 제거하도록 상승된다. 바람직하게 헤드 어셈블리는 헤드 어셈블리가 원심력에 의해 헤드 어셈블리로부터 잔류하는 전해질 용액 제거를 강화시키기 위해 프로세스 셀로부터 상승된 후, 약 100 및 약 2500rpm 사의의 고속으로 회전한다.
일 실시예에서, 증착된 막의 균일성은 약 2% 이내로 개선된다, 즉, 증착된 막 두께의 최대 편차는 평균 막 두께의 약 2%인 반면, 일반적으로 표준 전기도금 프로세스의 균일성은 잘해야 약 5.5% 이내이다. 그러나, 헤드 어셈블리의 회전은 어떤 경우에 있어 특히, 전기도금 증착의 균일성이 전해질 용액의 화학제, 전해질 용액 흐름 및 다른 파라미터와 같은 프로세싱 파라미터를 조절하여 달성되는 경우 균일한 전기도금 증착을 달성하는데 요구되지 않는다.
도 4는 전해 셀(420) 위에 위치되는 기판 홀더 어셈블리(450)를 포함하는 전기도금 프로세스 셀(400)의 단면도이다. 일반적으로 전해 셀(420)은 보울(430), 콘테이너 바디(472), 애노드 어셈블리(474), 및 필터(476)를 포함한다. 바람직하게, 애노드 어셈블리(474)는 콘테이너 바디(472) 아래에 배치되며 콘테이너바디(472)의 하부에 부착되며, 필터(476)는 애노드 어셈블리(474)와 콘테이너 바디(472) 사이에 배치된다. 바람직하게 콘테이너 바디(472)는 세라믹, 플라스틱, PLEXIGLAS??(아크릴), 렉산(lexane), PVC, CPVC, 및 PVDF와 같은 전기적으로 절연성이 있는 물질을 포함하는 실린더형 바디이다. 선택적으로, 콘테이너 바디(472)는 스테인레스 스틸, 니켈 및 티탄과 같은 코팅 금속으로 구성될 수 있다. 코팅 금속은 TEFLON??(독일 윌밍톤의 E.I. duPont de Nemoirs Company 상표), PVDF, 플라스틱, 고무와 같은 절연층 및 전해질 용액에 분해되지 않는 물질의 다른 조합으로 코팅된다. 절연층은 전극, 즉 ECP 시스템의 애노드 및 캐소드로와 전기적으로 절연될 수 있다. 콘테이너 바디(472)는 전형적으로 원형 또는 직사각형 형상인 시스템을 통해 처리되는 기판 도금 표면 및 기판 형상을 따라 크기가 조절된다. 콘테이너 바디(472)의 바람직한 실시예는 기판 직경과 거의 같은 치수 또는 약간 큰 내부 직경을 갖는 실린더형 세라믹 튜브를 포함한다. 전형적인 ECP 시스템에서 전형적으로 요구되는 회전 운동은, 콘테이너 바디의 크기가 대략 기판 도금 표면의 크기를 따르는 경우 균일한 도금 달성을 위해서 요구되지 않는다.
콘테이너 바디(472)의 상부 부분은 환형 위어(weir)(478)를 형성하도록 방사상 바깥쪽으로 연장된다. 위어(478)는 전해질 용액 수집기(440)의 내벽(446) 너머로 연장되며 전해질 용액 수집기(440) 속으로 전해질 용액이 흐르게 한다. 바람직하게 위어(478)의 상부 표면은 전기적 콘택 부재(466)의 하부 표면과 매치된다. 바람직하게, 위어(478)의 상부 표면은 내부 환형 평탄부(480), 중간 경사부(482)및 외부 하향부(484)를 포함한다. 기판이 프로세싱 위치에 위치될 때, 기판 도금 표면은 콘테이너 바디(472)의 실린더형 개구부 위에 위치된다. 전해질 용액 흐름을 위한 갭이 전기적 콘택 부재(466)의 하부 표면과 위어(478)의 상부 표면 사이에 형성된다. 전기적 콘택 부재(466)의 하부 표면은 내부 평탄부(480)와 위어(478)의 중간 경사부(482) 상에 배치된다. 외부 하향부(484)는 전해질 용액 수집기(440)속으로 전해질 용액의 흐름이 용이해지도록 하향 경사져있다.
콘테이너 바디(472)의 하부는 보울(bowl)(430)에 콘테이너 바디(472)를 고정하기 위해 하부 환형 플랜지(486)를 형성하도록 방사상 바깥쪽으로 연장된다. 환현 플랜지(486)의 외부 치수, 즉 원주는 전해질 용액 수집기(440)의 내부 원주 및 개구부(444)의 치수보다 작다. 환형 플랜지의 작은 치수는 전기도금 프로세스 셀(400)로부터 전해 셀(420)의 제거 및 교체를 허용한다. 바람직하게 다수의 볼트(488)가 환형 플랜지(486) 상에 고정되게 배치되며 보울(430) 상의 매칭 볼트 홀을 통해 하향 연장된다. 다수의 제거식 파스너 너트(490)는 보울(430) 상에 전해 셀(420)을 고정시킨다. 엘라스토머 O-링과 같은 시일(487)이 볼트(488)로부터 방사상 안쪽 방향으로 콘테이너 바디(472)와 보울(430) 사이에 배치되어 전해 셀(420)로부터의 누설을 방지한다. 너트/볼트 조합은 보수 관리동안 전해 셀(420) 부품의 제거 및 교체를 빠르고 쉽게 한다.
바람직하게, 필터(476)는 콘테이너 바디(472)의 하부 개구부에 부착되어 완전히 커버되며, 애노드 어셈블리(474)는 필터(476) 하부에 배치된다. 스페이서(492)가 필터(476)와 애노드 어셈블리(474) 사이에 배치된다. 바람직하게, 필터(476), 스페이서(492), 및 애노드 어셈블리(474)는 나사 및/또는 볼트와 같은 제거식 파스너를 사용하여 콘테이너 바디(472)의 하부 표면에 고정된다. 선택적으로, 필터(476), 스페이서(492), 및 애노드 어셈블리(474)는 보울(430)에 제거가능하게 고정된다.
바람직하게 애노드 어셈블리(474)는 전해질 용액에서의 금속 이온 소스로서 작용하는 소모식(consumable) 애노드를 포함한다. 선택적으로, 애노드 어셈블리(474)는 비소모식 애노드를 포함하며, 전기도금되는 금속 이온이 전해질 용액 교체 시스템(220)으로부터 전해질 용액내에 공급된다. 도 4에 도시된 것처럼, 애노드 어셈블리(474)는 구리와 같이 전기도금되는 금속 이온과 동일한 금속으로 바람직하게 구성된 다수의 애노드 엔클로저(494)를 포함하는 자체-밀폐된 모듈이다. 선택적으로, 애노드 엔클로저(494)는 세라믹 또는 폴리머 막과 같은 다공성 물질로 구성된다. 구리의 전기-화학적 도금을 위한 고순도 구리와 같은 용해성 금속(496)이 애노드 엔클로저(494) 내에 배치된다. 바람직하게 용해성 금속은 금속 입자, 와이어 또는 천공 시트를 포함한다. 또한 다공성 애노드 엔클로저(494)는 애노드 엔클로저(494) 내의 금속을 분해시킴으로써 발생된 입자를 유지하는 필터로서의 역할을 한다. 비소모식 애노드와 비교할 때, 소모식, 즉 용해성 애노드는 가스-발생이 없는 전해질 용액을 제공하며 전해질 용액내에 포함된 금속 이온을 연속적으로 교체시키는 필요성을 감소시킨다.
애노드 전극 콘택(498)은 전원장치로부터 용해성 금속(496)에 전기적 연결부를 제공하기 위해 애노드 엔클로저(494)를 통해 삽입된다. 바람직하게, 애노드 전극 콘택(498)은 티탄, 백금 및 백금이 코팅된 스테인레스 스틸과 같이 전해질 용액 내에서 불용해성인 전도성 금속으로 구성된다. 애노드 전극 콘택(498)은 보울(430)을 지나 연장되어 전기적 전원장치와 연결된다. 바람직하게, 애노드 전기적 콘택(498)은 보울(430)에 애노드 전기적 콘택(498)을 고정하기 위해 파스너 너트(499)에 대한 나사형 부분(497)과, 엘라스토머 와셔와 같은 시일(495)을 포함한다. 와셔(washer)는 전해 셀(420)로부터의 누설을 방지하기 위해 파스너 너트(499)와 보울(430) 사이에 배치된다.
일반적으로 보울(430)은 실린더형 부분(502)과 하부 부분(504)을 포함한다. 상부 환형 플랜지(506)는 실린더형 부분(502)의 상부로부터 방사상 바깥쪽으로 연장된다. 상부 환형 플랜지(506)는 콘테이너 바디(472)의 하부 환형 플랜지(486)로부터의 볼트(488) 수에 매치되는 다수의 홀을 포함한다. 볼트(488)는 홀(508)을 통해 삽입되며, 파스너 너트(490)가 콘테이너 바디(472)의 하부 환형 플랜지(486)에 보울(430)의 상부 환형 플랜지(506)를 고정하는 볼트(488) 상에 고정된다. 바람직하게, 상부 환형 플랜지(506)의 외부 치수, 즉 원주는 하부 환형 플랜지(486)의 외부 치수, 즉 원주와 거의 동일한다. 바람직하게, 보울(430)의 상부 환형 플랜지(506)의 하부 표면은 전해 셀(420)이 메인프레임(214) 상에 위치되는 경우 메인프레임(214)의 지지 플랜지 상에 위치된다.
실린더 부분(502)의 내부 원주는 애노드 어셈블리(474) 및 필터(476)를 수용한다. 바람직하게, 필터(476)와 애노드 어셈블리(474)의 외부 치수는 실린더 부분(502)의 내부 치수보다 약간 작다. 이러한 치수 관계는 전해질 용액의 상당부가 필터(476)를 흐르기 전에 먼저 애노드 어셈블리(474)를 흐르게 한다. 보울(430)의 하부(504)는 전해질 용액 교체 시스템(220)으로부터 전해질 용액 공급 라인을 연결하는 전해질 용액 입구(510)를 포함한다. 바람직하게, 애노드 어셈블리(474)는 보울(430)의 실린더 부분(502)의 중심부 부근에 배치된다. 애노드 어셈블리(474)는 애노드 어셈블리(474)와 하부(504)에 있는 전해질 용액 입구(510) 사이에 전해질 용액 흐름을 위한 갭이 제공되도록 구성된다.
전해질 용액 입구(510) 및 전해질 용액 공급 라인은 전해질 셀(420)의 제거 및 교체가 용이한 착탈식(releasable) 연결기에 의해 바람직하게 연결된다. 전해 셀(420)이 보수관리를 필요로하는 경우, 전해질 용액이 전해 셀(420)로부터 배출되며, 전해질 용액 공급 라인으로 흐르는 전해질 용액 흐름은 중단되고 배출된다. 전해질 용액 공급 라인을 위한 연결기는 전해질 용액 입구(510)로부터 해체되어, 애노드 어셈블리(474)와의 전기적 연결이 중단된다. 헤드 어셈블리(410)는 전해 셀(420)의 제거를 위한 클리어런스를 제공하기 위해 상승 또는 회전한다. 다음 전해 셀(420)이 메인프레임(214)으로부터 제거되고, 새로운 또는 재조정된 프로세스 셀이 메인프레임(214)과 교체된다.
선택적으로, 보울(430)은 메인프레임(214)의 지지 플랜지 상에 고정될 수 있고, 애노드 및 필터와 함께 콘테이너 바디(472)는 보수유지를 위해 교체된다. 이러한 경우, 보울(430)에 애노드 어셈블리(474) 및 콘테이너 바디(472)를 고정하는 너트는 애노드 어셈블리(474)와 콘테이너 바디(472)의 제거가 용이하도록 제거된다. 새로운 또는 재조정된 애노드 어셈블리(474) 및 콘테이너 바디(472)가 메인프레임(214)으로 교체되고 보울(430)에 고정된다.
도 10은 캡슐화된 애노드의 일 실시예 단면도이다. 캡슐화된 애노드(2000)는 폐기물로서 애노드에 의해 발생된 "애노드 슬러지" 또는 입자를 여과 또는 트랩하는 삼투성 애노드 엔클로저를 포함한다. 도 10에 도시된 것처럼, 애노드 플레이트(2004)는 구리의 고체 부품을 포함한다. 바람직하게, 애노드 플레이트(2004)는 친수성 애노드 캡슐 막(2002)에 밀폐된 고순도, 산소가 없는 구리이다. 애노드 플레이트(2004)는 보울(430)의 하부로 연장되는 다수의 전기적 콘택 또는 피드-쓰로우(2006)에 의해 고정되고 지지된다. 전기적 콘택 또는 피드-쓰로우(2006)는 애노드 캡슐막(2002)을 통해 애노드 플레이트(2004)의 하부 표면 속으로 연장된다. 화살표(A)로 표시된 것처럼, 보울(430)의 하부에 배치된 전해질 용액 입구(510)로부터의 전해질 용액의 흐름은 애노드와 보울 측벽 사이의 갭을 통과한다. 또한, 전해질 용액은 화살표(B)로 표시된 것처럼, 애노드 캡슐막과 애노드 플레이트 사이의 갭 안팎으로의 침투에 의해 애노드 캡슐막(2002)을 지나 흐른다. 바람직하게, 애노드 캡슐막(2002)은 약 60% 내지 80% 사이, 보다 바람직하게는 약 70%의 다공성을 갖고, 약 0.025㎛ 내지 약 1㎛, 보다 바람직하게는 약 0.1㎛ 내지 약 0.2㎛ 사이의 크기 구멍을 갖는, 변조된 폴리비닐리덴 플로라이드(fluoride) 막과 같은 친수성 다공 막을 포함한다. 친수성의 다공 막의 일례로 매사추세츠, 베드포드에 위치한 Millipore Corporation에서 시판하는 Durapore 친수성 막이 있다. 전해질 용액이 캡슐막을 흐름에 따라, 애노드 슬러지 및 불용해 애노드에서 발생된 입자는 캡슐막에 의해 여과되거나 또는 트랩된다. 따라서, 캡슐막은 전해도금 프로세스 동안 전해질 용액의 순도를 개선시키며, 전기도금 프로세스 동안에 애노드 슬러지 및 오염 입자에 의해 야기되는 기판상의 결함 형성이 크게 감소된다.
도 11은 캡슐화된 애노드의 또다른 실시예의 단면도이다. 애노드 플레이트(2004)는 전기적 피드-쓰로우(2006) 상에 고정되고 지지된다. 각각 애노드 플레이트(2004) 상부와 하부에 배치된 상부 캡슐막(2008) 및 하부 캡슐막(2010)이 애노드 플레이트(2004) 주변에 배치된 막 지지 링(2012)에 부착된다. 상부 및 하부 캡슐막(2008, 2010)은 상부 리스트에 있는 물질을 포함한다. 바람직하게 막 지지 링(2012)은 플라스틱 또는 그밖의 폴리머처럼, 캡슐막과 비교해서 상대적으로 강성인물질을 포함한다. 바이패스 유체 입구(2014)는 캡슐막과 애노드 플레이트 사이의 갭 속으로 전해질 용액을 주입하기 위해 보울(430)의 하부 및 하부 캡슐막(2010)을 통해 배열된다. 바이패스 출구(2016)는 막 지지 링(2012)에 연결되며 도시되지 않은, 캡슐화된 애노드로부터 발생된 입자 또는 애노드 슬러지를 갖는 과잉 전해질 용액이 폐기물 배출부 속으로 쉽게 흐르도록 보울(430)을 지나 연장된다.
바람직하게, 전해질 용액은 바이패스 유체 입구(2014) 안쪽으로 흐르고 메인 전해질 용액 입구(510)는 각각 흐름 제어 밸브(2020, 2022)에 의해 제어된다. 각각의 흐름 제어 밸브(2020, 2022)는 입구에 연결된 유체 라인을 따라 개별적으로 위치된다. 바이패스 유체 입구(2014)에서의 유체 압력은 메인 전해질 용액 입구(510)에서의 압력보다 높은 압력으로 유지되는 것이 바람직하다. 메인 전해질 용액 입구(510)로부터 보울(430) 안쪽에 있는 전해질 용액의 흐름은 화살표(A)로도시되어 있으며, 캡슐화된 애노드(2000) 안쪽의 전해질 용액의 흐름은 화살표(B)로 도시되어 있다. 캡슐화된 애노드 속으로 유도되는 전해질 용액의 일부는 바이패스 출구(2016)를 통하는 캡슐화된 애노드로부터 흐른다. 캡슐화된 애노드 속으로 예정된 바이패스 전해질 용액을 제공함으로써, 불용해성 애노드로부터 발생된 애노드 슬러지 또는 입자가 애노드로부터 연속적으로 제거되어, 전기도금 프로세스 동안 전해질 용액의 순도가 개선된다.
도 12는 캡슐화된 애노드의 또다른 실시예의 단면도이다. 캡슐화된 애노드(2000)의 본 실시예는 애노드 플레이트(2004), 다수의 전기적 피드-쓰로우(2006), 상부 캡슐막(2008), 하부 캡슐막(2010), 막 지지 링(2012), 및 바이패스 출구(2016)를 포함한다. 애노드 플레이트(2004)는 다수의 전기적 피드-쓰로우(2006) 상에 고정되고 지지된다. 상부 및 하부 캡슐막(2008, 2010)은 막 지지 링(2012)에 부착된다. 바이패스 출구(2016)는 막 지지 링(2012)에 연결되고 보울(430)을 지나 연장된다. 바람직하게 캡슐화된 애노드의 본 실시예는 캡슐화된 애노드의 앞서 설명된 실시예에 대해 상기 설명된 물질을 포함한다. 하부 캡슐막(2010)은 메인 전해질 용액 입구(510) 위에 배치된 1개 이상의 개구부(2024)를 포함한다. 각각의 개구부(2024)는 메인 전해질 용액 입구(510)로부터 전해질 용액의 흐름을 수용하도록 조절되며 바람직하게 메인 전해질 용액 입구(510)의 내부 원주와 크기가 동일하다. 메인 전해질 용액 입구(510)로부터의 전해질 용액의 흐름은 화살표(A)로 표시되며, 캡슐화된 애노드 안쪽의 전해질 용액의 흐름은 화살표(B)로 표시된다. 전해질 용액의 일부는 캡슐화된 애노드로부터 바이패스출구(2016)를 지나 흐르며, 애노드 용해로 인해 발생된 입자 및 애노드 슬러지의 일부를 보유한다.
도 13은 캡슐화된 애노드의 또다른 실시예의 단면도이다. 캡슐화된 애노드(2000)의 본 실시예는 애노드 플레이트(2002), 다수의 전기적 피드-쓰로우(2006), 상부 캡슐막(2008), 하부 캡슐막(2010), 막 지지 링(2012), 및 바이패스 유체 입구(2014)를 포함한다. 애노드 플레이트(2002)는 다수의 전기적 피드-쓰로우(2006)상에 고정되고 지지된다. 상부 및 하부 캡슐막(2008, 2010)은 막 지지 링(2012)에 부착된다. 바이패스 유체 입구(2014)는 보울(430)의 하부 및 하부 캡슐막(2010)을 지나 배치되어 캡슐막과 애노드 플레이트 사이의 갭으로 전해질 용액을 주입한다. 바람직하게 캡슐화된 애노드의 본 실시예는 캡슐화된 애노드의 상기 설명된 실시예에 대해 상기 설명된 물질을 포함한다. 바람직하게, 전해질 용액은 바이패스 유체 입구(2014)를 흐르며 메인 전해질 용액 입구(510)는 각각 제어 밸브(2020, 2022)에 의해 제어된다. 메인 전해질 용액 입구(510)로부터의 전해질 용액의 흐름은 화살표(A)로 도시된다. 캡슐화된 애노드를 지나는 전해질 용액의 흐름은 화살표(B)로 도시된다. 본 실시예에 대해, 불용해성 애노드 플레이트에 의해 발생된 애노드 슬러지 및 입자는 전해질 용액이 막을 통과함에 따라 캡슐막에 의해 여과되고 트랩된다.
도 7은 전해질 용액 교체 시스템(220)의 일 실시예의 개략도이다. 전해질 용액 교체 시스템(220)은 전해도금 프로세스를 위해 전해도금 프로세스 셀에 전해질 용액을 제공한다. 일반적으로, 전해질 용액 교체 시스템(220)은 메인 전해질용액 탱크(602), 첨가(dosing) 모듈(603), 여과 모듈(605), 화학 분석 모듈(616), 및 전해질 용액 폐기 처리 시스템(622)을 포함한다. 전해질 용액 폐기 처리 시스템(622)은 전해질 용액 폐기 배출구(620)에 의해 분석 모듈(616)에 연결된다. 1개 이상의 제어기는 메인 탱크(602)에서의 전해질 용액의 조성 및 전해질 용액 교체 시스템(220)의 동작을 제어한다. 바람직하게, 제어기는 ECP 시스템(200)의 제어기(222)와 일체화되나 개별적으로 동작가능하다.
메인 전해질 용액 탱크(602)는 전해질 용액을 위한 저장기가 제공되며 1개 이상의 유체 펌프(608) 및 밸브(607)를 통해 전기도금 프로세스 셀 각각에 연결된 전해질 용액 공급 라인(612)을 포함한다. 메인 탱크(602)와의 열 연결부에 배치된 열 교환기(624) 또는 히터/칠러(chiller)는 메인 탱크(602)에 저장된 전해질 용액의 온도를 제어한다. 열 교환기(624)는 제어기(610)에 연결되어 동작한다.
첨가 모듈(603)은 공급 라인에 의해 메인 탱크(602)에 연결되며 다수의 소스 탱크(606), 또는 공급 용기, 다수의 밸브(609), 및 제어기(611)를 포함한다. 소스 탱크(606)는 전해질 용액을 구성하는데 요구되는 화학제를 포함하며 전형적으로 탈이온수 소스 탱크 및 전해질 용액을 구성하기 위한 황산동(CuSO4) 소스를 포함한다. 다른 소스 탱크(606)는 황산(H2SO4), 염산(HCl) 및 글리콜과 같은 다양한 첨가제를 포함할 수 있다. 각각의 소스 탱크는 바람직하게 색이 구분되며 첨가 모듈에서의 매칭 입구 연결기와 연결하도록 조절된 유일한(unique) 매칭 출구 연결기로 고정된다. 소스 탱크의 색을 표시하고 유일한 연결기로 소스 탱크를 고정함으로써, 소스탱크의 교환 또는 교체되는 경우 사람 작업자에 의해 발생되는 에러가 크게 감소된다.
바람직하게 탈이온수 탱크가 유지보수 동안 시스템을 세척하기 위한 시스템에 탈이온수를 제공한다. 각각의 소스 탱크(606)와 관련된 밸브(609)는 메인 탱크(602)로의 화학제 흐름을 조절하며 버터플라이 밸브, 트로틀 밸브 등과 같이 임의의 다양한 상업적으로 이용가능한 것일 수 있다. 밸브(609)의 활성화는 바람직하게 신호를 수신하도록 제어기(222)에 연결되는 제어기(611)에 의해 달성된다.
전해질 용액 여과 모듈(605)은 다수의 필터 탱크(604)를 포함한다. 전해질 용액 리턴 라인(614)은 프로세스 셀 각각과 1개 이상의 필터 탱크(604) 사이에 연결된다. 필터 탱크(604)는 재사용을 위해 메인 탱크(602)로 전해질 용액을 복귀시키기 이전에 사용되는 전해질 용액에 있는 원치않는 내용물을 제거한다. 또한 메인 탱크(602)는 메인 탱크(602)의 전해질 용액의 재순환 및 여과가 용이하도록 필터 탱크(604)와 연결된다. 필터 탱크(604)를 통해 메인 탱크(602)로부터 전해질 용액을 재순환시킴으로써, 일관된 레벨의 순도를 유지하기 위해 필터 탱크(604)에 의해 전해질 용액의 원치않는 내용물이 연속적으로 제거된다. 부가적으로, 메인 탱크(602)와 여과 모듈(605) 사이의 전해질 용액의 재순환은 전해질 용액에서의 다양한 화학제가 완전히 혼합되게 한다.
또한 전해질 용액 교체 시스템(220)은 전해질 용액의 화학 조성의 실시간 화학적 분석을 제공하는 화학 분석 모듈(616)을 포함한다. 분석 모듈(616)은 샘플 라인(613)에 의해 메인 탱크(602) 및 출구 라인(621)에 의해 폐기물 처리시스템(622)과 유체적으로 결합된다. 일반적으로 분석 모듈(616)은 적어도 하나의 분석기 및 분석기를 작동시키기 위한 제어기를 포함한다. 특정 프로세싱 장치를 위해 요구되는 분석기 수는 전해질 용액의 조성에 따라 좌우된다. 예를 들어, 제 1 분석기는 유기 물질의 농도를 모니터하는데 사용될 수 있으며, 제 2 분석기는 무기 화학제를 위해 요구된다. 도 7에 도시된 특정 실시예에서, 화학 분석 모듈(616)은 자동 적정(titration) 분석기(615) 및 주기적 전해 전량계 스트립퍼(CVS)(617)를 포함한다. 이러한 분석기들은 다양한 제조사로부터 상업적으로 시판되고 있다. 바람직하게 사용될 수 있는 자동 적정 분석기는 Parker Systems에서 시판되며 주기적 전해 전량계 스트립퍼는 ECI에서 시판하고 있다. 자동 적정 분석기는 염화 구리 및 산과 같은 무기 물질의 농도를 결정한다. CVS(617)는 전해질 용액에서 사용될 수 있는 다양한 첨가제와 같은 유기 물질 및 프로세스 셀로부터 메인 탱크(602)로 복귀되는 프로세싱에서 야기되는 부산물의 농도를 결정한다.
도 7에 도시된 분석 모듈은 단지 일례이다. 또다른 실시예에서 각각의 분석기는 개별 공급 라인에 의해 메인 전해질 용액에 연결되고 개별 제어기에 의해 동작할 수 있다. 당업자는 또다른 실시예를 인식할 것이다.
동작시에, 전해질 용액의 샘플은 샘플 라인(613)을 경유하여 분석 모듈(616)로 흐른다. 샘플은 주기적으로 사용될 수 있으나, 바람직하게 전해질 용액의 연속적 흐름이 분석 모듈(616)에서 유지된다. 샘플의 일부는 자동 적정 분석기(615)로 유도되고 일부는 적절한 분석을 위해 CVS(617)로 유도된다. 제어기(619)는 데이터를 발생시키기 위해 분석기(615, 617)를 동작시키도록 명령 신호를 초기화시킨다. 화학 분석기(615, 617)로부터의 정보가 제어기(222)로 전송된다. 제어기(222)는 첨가 제어기(611)에 사용자가 지정한 화학적 적량 파라미터를 포함하는 정보 및 전송 신호를 처리한다. 수신된 정보는 1개 이상의 밸브(609)를 동작시킴으로써 소스 화학제 교체 비율을 실시간 조절하도록 사용된다. 따라서 수신된 정보는 원하는대로, 바람직하게는, 전기도금 프로세스 동안 전해질 용액의 화학적 조성이 일정하게유지된다. 분석 모듈로부터의 폐기물 전해질 용액은 출구 라인(621)을 경유하여 폐기물 처리 시스템(622)으로 흐른다.
바람직한 실시예는 전해질 용액의 조절 및 실시간 모니터링을 이용하지만, 다양한 첨가제가 사용될 수 있다. 예를 들어, 첨가 모듈(603)은 화학적 분석 모듈(616)에 의해 제공된 출력값을 작업자 관찰에 의해 수동으로 제어할 수 있다. 바람직하게, 시스템 소프트웨어는 자동적 실시간 조절 모드 뿐만 아니라, 작업자, 수동 모듈을 허용한다. 또한, 다양한 제어기를 도 7에 도시했으나, 화학적 분석 모듈(616), 첨가 모듈(603), 및 열 교환기(624)와 같은 시스템의 다양한 부품을 작동시키는데 단일 제어기가 사용될 수 있다. 다른 실시예를 당업자는 알 것이다.
또한 전해질 용액 교체 시스템(220)은 사용된 전해질 용액, 화학제 및 ECP 시스템에서 사용되는 다른 유체의 안전한 처리를 위해 전해질 용액 폐기 처리 시스템(622)에 연결되는 전해질 용액 폐기물 배출부(620)를 포함한다. 바람직하게, 전기도금 셀은 전해질 용액 폐기물 배출부(620)와의 직접적 라인 연결부, 또는 전해질 용액 폐기 처리 시스템(622)을 포함한다. 전해질 용액 폐기 배출부(620)는 전해질 용액을 복귀되지 않게 전해질 용액 교체 시스템(220)을 지나 전기도금 셀로부터 배출시킨다. 전해질 용액 교체 시스템(220)은 바람직하게 전해질 용액 폐기 배출부(620)로 과잉 전해질 용액을 유출시키는 블리드 오프(bleed off) 연결부를 포함한다.
바람직하게, 전해질 용액 교체 시스템(220)은 전해질 용액으로부터 원치않는 가스를 제거하기 위해 1개 이상의 디개서 모듈(630)을 포함한다. 일반적으로 디개서 모듈은 디개서 모듈을 통과하는 유체로부터 가스를 분리시키는 막 및 방출된 가스를 제거하기 위한 진공 시스템을 포함한다. 디개서 모듈(630)은 바람직하게 프로세스 셀(240)에 인접한 전해질 용액 공급 라인(612) 상에 있는 라인에 위치된다. 바람직하게 디개서 모듈(630)은 가능한 프로세스 셀(240)에 가깝게 위치되어 전해질 용액 교체 시스템으로부터의 대부분의 가스는 프로세스 셀로 전해질 용액이 들어가기 전에 디개서 모듈에 의해 제거된다. 바람직하게, 각각의 디개서 모듈(630)은 각각의 프로세싱 스테이션(218)의 2개 프로세스 셀(240)에 가스가 제거된 전해질 용액을 공급하기 위한 2개의 출구를 포함한다. 선택적으로, 디개서 모듈(630)이 각각의 프로세스 셀에 제공된다. 디개서 모듈은 많은 다른 선택적 위치에 위치될 수 있다. 예를 들어, 디개서 모듈은 메인 탱크 또는 프로세스 셀을 갖는 폐쇄-루프 시스템에 또는 필터 섹션과 함께, 전해질 용액 교체 시스템에서의 또다른 위치에 위치될 수 있다. 또다른 예로서, 1개의 디개서 모듈은 전기화학적 도금 시스템의 프로세스 셀(240)의 모두에 가스가 제거된 전해질 용액을 제공하기 위해 전해질 용액 공급 라인(612)과 함께 라인내에 위치된다. 선택적으로, 개별 디개서 모듈은 직렬로(in-line) 또는 탈이온수 공급 라인을 갖는 폐쇄 루프에 위치되며 탈이온수 소스로부터 산소를 제거하도록 제공된다. 탈이온수는 처리되는 기판을 린스처리(rinsing)하는데 사용되기 때문에, 산소가 없는 가스가 SRD 모듈에 이르기 이전에 탈이온수로부터 바람직하게 제거되어 전기도금된 구리는 린스 프로세스에 의해 산화되지 않는다. 디개서 모듈은 공지되어 있고 상업적인 구현은 일반적으로 다양한 응용에 사용하기에 바람직하고 적합하다. 상업적으로 시판되는 디개서 모듈은 메사추세츠, 베드포드에 위치한 Millipore Corporation으로부터 시판되고 있다.
도 16에 도시된 것처럼, 디개서 모듈(630)의 일 실시예는 유체, 즉 전해질 용액을 갖는 친수성 막(632), 막(632)의 한쪽 측면상에 있는 통로(634)를 포함한다. 진공 시스템(636)은 막의 맞은편 측면에 배치된다. 디개서 모듈의 엔클로저(638)는 입구(640) 및 1개 이상의 출구(642)를 포함한다. 전해질 용액이 디개서 모듈(630)을 통과함에 따라, 가스 및 전해질 용액속의 다른 마이크로-버블은 친수성 막을 통해 전해질 용액으로부터 분리되며 진공 시스템에 의해 제거된다. 도 17에 도시된 것처럼, 또다른 실시예의 디개서 모듈(630')은 친수성 막(632'), 및 친수성 막(632')의 튜브 부근에 배치된 진공 시스템(636)을 포함한다. 전해질 용액이 친수성 막의 튜브 안쪽으로 주입되고, 전해질 용액은 튜브 내의 유체 통로를 통과한다. 친수성 막은 가스 및 전해질 용액 속의 다른 마이크로-버블을 분리시키고, 진공 시스템(636)에 연결된 튜브는 분리된 가스를 제거한다. 구불구불한 막의 전해질 용액 통로를 갖는 디자인 및 다른 다수의 섹션을 갖는 디개서 모듈 디자인을 포함하는 보다 복잡한 디자인의 디개서 모듈이 고려된다.
도 7에 도시되지 않았지만, 전해질 용액 교체 시스템(220)은 다수의 다른 부품을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전해질 용액 교체 시스템(220)은 SRD 스테이션과 같은, 기판 세척 시스템을 위한 화학제의 저장을 위해 바람직하게 1개 이상의 부가적 탱크를 포함한다. 또한 위험한(hazardous) 물질의 연결을 위해 이중 연결된 배관이 시스템 도처에 화학제의 안전한 전송을 위해 사용될 수 있다. 선택적으로, 전해질 용액 교체 시스템(220)은 ECP 시스템으로 부가의 전해질 용액을 공급하기 위해 부가의 또는 외부 전해질 용액 프로세싱 시스템에 연결부를 포함한다.
도 8은 급속 열 어닐링(RTA) 챔버 일시시예의 단면도이다. RTA 챔버(211)는 바람직하게 로딩 스테이션(210)에 연결되어, 로딩 스테인션 전송 로봇(228)에 의해기판이 RTA 챔버(211)의 안팎으로 전송된다. 도 2 및 도 3에 도시된 것처럼, ECP 시스템은 로딩 스테이션(210)의 대칭 디자인에 따라 바람직하게 로딩 스테이션(210)의 마주하는 측면에 배치된 2개의 RTA 챔버(211)를 포함한다. 일반적으로 RTA 챔버는 공지되어 있고, RTA 챔버는 증착되는 물질의 특성을 강화시키기 위해 기판 프로세싱 시스템에서 이용된다. 핫 플레이트 디자인 및 열 램프 디자인을 포함하는 다양한 RTA 챔버 디자인이 전기도금 결과를 강화시키기 위해 사용될 수 있다. RTA 챔버로는 캘리포니아 산타 클라라에 위치한 Applied Materials, Inc.에서 시판하는 WxZ 챔버가 있다. 본 명세서에서는 핫 플레이트 RTA 챔버의 사용을 설명했지만, 다른 형태의 RTA 챔버 또한 사용가능하다.
다시 도 2를 참조로, ECP 시스템(200)은 플랫폼 각각의 부품의 기능을 제어하는 제어기(222)를 포함한다. 바람직하게, 제어기(222)는 메인프레임(214) 위에 장착되며, 제어기는 프로그램가능한 마이크로프로세서를 포함한다. 프로그램가능한 마이크로프로세서는 일반적으로 ECP 시스템(200)의 모든 부품을 제어하도록 특별히 설계된 소프트웨어를 사용하여 프로그램된다. 또한 제어기(222)는 시스템의 부품에 전력을 제공하며 작업자가 ECP 시스템(200)을 모니터하고 작동시키도록 하는 제어 패널(223)을 포함한다. 도 2에 도시된 것처럼, 제어 패널(223)은 케이블을 통해 제어기(222)에 연결되는 독립형 모듈이며 작업자의 용이한 액서스를 제공한다. 일반적으로, 제어기(222)는 로딩 스테이션(210), RTA 챔버(211), SRD 스테이션(212), 메인프레임(214) 및 프로세싱 스테이션(218)의 동작을 제어한다. 부가적으로, 제어기(222)는 전기도금 프로세스를 위해 전해질 용액 교체 시스템(220)의 제어기를 사용하여 전해질 용액을 제공하도록 제어한다.
전형적인 일 실시예의 전기도금 시스템 플랫폼(200)을 통한 기판 전기도금 프로세스 시퀀스는 도 2를 참조로 설명한다. 다수의 기판을 포함하는 기판 카세트는 전기도금 시스템 플랫폼(200)의 로딩 스테이션(210)에 있는 기판 카세트 수용 영역(224)에 적재된다. 로딩 스테이션 전송 로봇(228)은 기판 카세트에 있는 기판 슬롯으로부터 기판을 들어올려 기판 오리엔터(230)에 기판을 위치시킨다. 기판 오리엔터(230)는 시스템을 통한 프로세싱을 위해 원하는 방향을 결정하고 기판을 배향시킨다. 다음 로딩 스테이션 전송 로봇(228)은 기판 오리엔터(230)로부터 기판을 배향시키고 SRD 스테이션(212)에 있는 기판 패스-쓰로우(pass-through) 카세트(238)내의 기판 슬롯중 하나에 기판을 위치시킨다. 메인프레임 전송로봇(242)은 기판 패스-쓰로우 카세트(238)로부터 기판을 들어올려 플리퍼 로봇(248)에 의한 전송을 위해 기판을 위치시킨다. 플리퍼 로봇(248)은 기판 아래의 로봇 블레이드를 회전시키고 메인프레임 전송 로봇 블레이트로부터 기판을 들어올린다. 플리퍼 로봇 블레이드 상의 진공 석션 글리퍼(gripper)는 글리퍼 로봇 블레이드 상에 기판을 고정시키고, 글리퍼 로봇은 페이스 업 위치로부터 페이스 다운 위치로 기판을 옮긴다. 플리퍼 로봇(248)은 회전하고 기판 홀더 어셈블리(450)에서의 페이스 다운으로 기판을 위치시킨다. 기판은 기판 홀더 플레이트(464) 아래에 캐소드 콘택 링(466) 위에 위치된다. 다음 플리퍼 로봇(248)은 캐소드 콘택 링(466)으로 기판을 위치시키기 위해 기판을 방출한다. 기판 홀더 플레이트(464)는 기판을 향해 이동되고 진공 척은 기판 홀더 플레이트(464) 상에 기판을 고정한다. 기판 홀더 어셈블리(450) 상의 블래더 어셈블리(470)는 기판 도금 표면과 캐소드 콘택 링(466) 사이의 전기적 콘택을 위해 기판 후방으로 압력을 가한다.
헤드 어셈블리(452)는 전해 셀(420) 위의 프로세싱 위치로 하강한다. 이 위치에서 기판은 위어(478)의 상부 평면 아래에 있어 전해 셀(420)내에 포함된 전해질 용액과 접촉한다. 전원 장치는 전기도금 프로세스를 위해 캐소드 및 애노드에 전력, 즉 전압 및 전류를 공급하도록 활성화된다. 전형적으로 전해질 용액은 전기도금 프로세스 동안 프로세스 셀로 연속적으로 펌프된다. 캐소드 및 애노드에 전력이 공급되며 전해질 용액의 흐름은 원하는 전기도금 결과를 달성하기 위해 제어기(222)에 의해 제어된다. 바람직하게, 헤드 어셈블리는 헤드 어셈블리가 하강함에 따라 그리고 전기도금 프로세스 동안 회전한다.
전기도금 프로세스가 완성된 후에, 헤드 어셈블리(410)는 기판 홀더 어셈블리를 상승시키고 전해질 용액으로부터 기판을 제거한다. 바람직하게, 헤드 어셈블리는 기판 홀더 어셈블리로부터 잔류하는 전해질 용액의 제거를 강화시키기 위해 시간 주기동안 회전한다. 다음 진공척 및 기판 홀더 어셈블리의 블래더 어셈블리는 기판 홀더 플레이트로부터 기판을 방출한다. 기판 홀더 어셈블리는 플리퍼 로봇 블레이드가 처리된 기판을 캐소드 콘택 링으로부터 들어올리도록 상승된다. 플리퍼 로봇은 캐소드 콘택 링에 있는 처리된 기판의 뒤쪽면 위에서 플리퍼 로봇 블레이드를 회전시키고 플리퍼 로봇 블레이드 상에서 진공 석션 글리퍼를 사용하여 기판을 들어올린다. 플리퍼 로봇은 기판 홀더 어셈블리로부터 기판과 함께 플리퍼 로봇 블레이드를 회전시키고, 페이스 다운 위치로부터 페이스 업 위치로 기판을 옮기고, 메인프레임 전송 로봇 블레이드 상에 기판을 위치시킨다. 다음 메인프레임 전송 로봇은 SRD 모듈(236) 위로 처리된 기판을 전송하고 위치시킨다. SRD 기판 지지체는 기판을 들어올려, 메인프레임 전송 로봇 블레이트는 SRD 모듈(236)로부터 멀리 철회된다. 기판은 탈이온수 또는 탈이온수 및 상기 설명된 세척 유체 조합을 이용하여 SRD 모듈에서 세척된다. 다음 기판은 SRD 모듈로부터의 전송을 위해 위치된다. 로딩 스테이션 전송 로봇(228)은 SRD 모듈(236)로부터 기판을 들어올려 증착된 물질의 특성을 강화시키기 위해 어닐 처리 프로세스 동안 RTA 챔버(211) 속으로 처리된 기판을 전송한다. 어닐처리된 기판은 로딩 스테이션 로봇(228)에 의해 RTA 챔버(211)로부터 전송되어 ECP 시스템으로부터의 제거를 위해 기판 카세트 속으로 다시 위치된다. 상기 설명된 시퀀스는 ECP 시스템(200)에서 거의 동시에다수의 기판을 처리할 수 있다. 또한, ECP 시스템은 다층의 적층 기판 프로세싱을 제공할 수 있다.
코팅 애노드 구성
ECP 시스템을 위한 코팅 애노드의 2개 실시예를 도 18 및 도 19에 도시한다. 이들 코팅 애노드는 화학적으로 불활성인 물질로 코팅된 기판 시드층을 정면으로 향하는 평면형 애노드 표면을 제공하도록 구성된다. 평면형 표면의 불활성 특성은 평면형 표면 구성을 유지한다. 도 18 및 도 19에 도시된 실시예에서 코팅 평면형 표면은 기판 시드층 표면과 거의 평행하게 위치된다. 평면형 애노드 전계를 발생시키는 표면은 시드층과 평행하기 때문에, 시드층 상의 각각의 포인트는 전해질 용액을 통하는 평면형 애노드 전계 발생 표면 상에 가장가까운 포인트로부터 일정 간격의 공간을 두고 있다. 시드층으로부터 전계 발생 표면과의 일정한 간격은 시드층의 전류 밀도의 균일성을 강화시킨다. 시드층의 이러한 전계 밀도의 균일성은 도금 동안 시드층의 금속막 증착 비율의 균일성을 강화시켜 도금 프로세스를 수행하는 시드층에 대한 금속막 도금 깊이의 균일성이 강화된다.
도 18에 부분적으로 도시된 ECP 시스템의 일실시예에서, 애노드 어셈블리(2606)는 애노드 바디(2608) 및 애노드 코팅(2610)을 포함한다. 애노드 바디(2608)는 바람직하게, 구리, 바람직하게는 고순도이고 산소가 없는 고체부이다. 애노드 코팅(2610)으로 전해질 용액이 애노드 바디의 상부 표면과의 물리적 접촉(따라서 화학적으로 반응하는)을 제한하도록, 도금 목적을 위해 전해질 용액에 애노드를 삽입하기 이전에, 애노드 바디(2608)의 상부 표면이 코팅된다. 이처럼,애노드 코팅은 애노드의 연장된 동작 동안 애노드 바디(2608)의 구조 및 형상을 유지한다. 애노드 코팅(2610)을 형성하기 위해, 기판 상의 시드층을 향하는 애노드 바디의 표면(또는 애노드 바디의 일부)는 전해질 용액에서 화학적으로 불황성인 탄탈과 같은 물질로 코팅된다. 애노드 코팅(2610)은 애노드 바디(2608)의 코팅된 상부 표면(2619)이 애노드의 유효 수명 동안 화학적 열화를 방지하고 평면형을 유지하게 한다.
애노드를 코팅하는 화학적으로 불활성인 물질은 애노드와 전해질 용액 사이에 전기-화학적 작용으로 야기되는 코팅된 상부 표면(2619)의 물리적 변화를 제한하도록 선택된다. 도 18에 도시된 ECP 시스템의 실시예는 전해질 용액을 포함하는 전해 셀(2602) 및 기판 홀더 어셈블리(2604), 및 애노드 어셈블리(2606)를 포함하는 기판 홀더 시스템(14)을 포함한다. 기판 홀더 어셈블리(2604)는 전해 셀에 포함된 전해질 용액으로 기판을 삽입하거나 또는 전해질 용액으로부터 기판(22)을 제거하도록 구성된다. 애노드 어셈블리(2606)는 도금 작업 동안 전해 셀(2602)에 포함된 전해질 용액에 위치된다.
애노드 어셈블리(2606)는 금속 이온을 발생시키기 위해 구리 또른 다른 금속으로 구성된 애노드 바디(2608), 및 기판(22)을 면하는 애노드 바디(2608)의 표면상에 코팅된 애노드 코팅(2610), 애노드를 지지하는 역할을 하는 1개 이상의 피드-쓰로우(294)를 포함하며, 애노드 바디(2608)에 전류/전압을 제공하고, 바람직하게 천공부(perforation)(2612)는 애노드 바디(2608) 및 애노드 코팅(2610)을 지나 연장된다. 애노드 어셈블리(2606)는 전해질 용액 속으로, 금속 이온, 예를 들어 구리 이온을 방출시키기 위해 전해 셀(2602) 내에 포함된 전해질 용액과 화학적으로 반응하도록 구성된다. 전해질 용액내에 있는 금속 이온은 기판의 하부 표면에 인접한 위치에서 애노드 어셈블리(2606)와 기판(22) 사이에 설정된 전계 및/또는 전해질 용액 흐름의 조합에 의해 전송된다.
도 18에 도시된 실시예에서의 애노드 바디(2608)는 애노드를 통해 전해질 용액이 흐르도록 수직 흐름 천공부(2612)로 구성된다. 천공부는 전해 셀의 폭에 걸쳐 시드층으로 애노드 바디(2608)를 통하는 전해질 용액의 보다 균일한 유체 흐르을 허용한다. ECP 시스템의 또다른 실시예에서는 애노드 바디(2608) 및 애노드 코팅(2610)에 어떠한 천공부(2612)도 제공되지 않는다. 천공부를 제외하고 ECP 시스템의 실시예에서, 애노드 바디(2608)의 상부 표면(2619)과 기판(22) 상의 시드층(15) 사이의 간격(Z)은 기판 상의 시드층(15)에서 애노드의 측면(2622) 부근에서의 전해질 용액 내에서 흐르는 금속 이온은 금속 이온이 시드층으로 흐름에 따라 시드층이 균일해져 전해질 용액 내로 확산되기에 충분한다. 기판 홀더(2604)는 도 15를 기준으로 설명된 것처럼, 임의의 실시예에서 기판을 회전시킬 수 있다. 이러한 회전은 기판 상의 시드층상에서 금속막 증착 프로세스의 균일성을 강화시키며 이는 시드층의 어느 부분도 임의의 특정 전해질 용액과 연속적으로 접촉되지 않기 때문이다. 기판 홀더 어셈블리(2604)의 어떤 실시예에서는 상기 기판 회전을 제공하지 않는다.
도 18에 도시된 실시예에서, 애노드 바디(2608)의 전계 발생 표면(2619) 또는 상부 표면은 전해질 용액과 화학적으로 반응하지 않으며 이는 불활성 코팅이 전해질 용액과 애노드 베이스의 물리적 접촉을 제한하기 때문이다. 애노드 바디(2608)의 상부 표면(2619)과 전해질 용액 사이의 화학적 반응은 무시할 수 있다. 금속 이온의 또다른 소스가 전해질 용액에 공급될 수 있다. 일 실시예에서, 보다 높은 레벨의 구리 이온은 애노드 바디(2608)의 상부 표면(2619)과 전해질 용액 사이의 반응에 의해 발생되며 재순환/리프레쉬 부재(287)를 사용하여 금속 이온을 증가시킴으로써 제공된다. 또다른 실시예에서, 애노드 바디(2608)는 영역을 증가시키거나 또는 전해질 용액과 반응하는 애노드의 하부 또는 측면의 일부 다른 반응 속도 요인을 증가시킴으로써 부가적 구리 이온 발생을 제공하도록 구성된다. 선택적으로, 별개의 금속 이온 발생 애노드는 하부에 위치되는 개별 유니트로서 제공될 수 있어, 전계 발생 애노드보다 시드층 보다 더 아래에 위치된다. 제어기(222)는 도금 작용이 전압의 함수이기 때문에 기판의 시드층 상에서의 도금 작용을 강화시키기 위해 애노드 바디(2608)와 시드층 사이에 증가된 전계/전압 바이어스를 제공할 수 있다.
애노드 바디(2608)의 다른 부분은 도금 프로세스 동안 전해질 용액 속으로 금속 이온을 방출시키기 위해 전해질 용액과의 콘택 또는 화학 작용으로부터 악화되지만, 애노드 바디(2608)의 상부 표면(2619)은 애노드 코팅(2610)에 의해 이러한 악화(degradation)에 대해 보호된다. 애노드 코팅(2610)은 애노드 바디의 상부 표면과 전해질 용액의 물리적 콘택 및 화학 반응을 제한하기 때문에, 애노드 바디의 상부 표면의 악화는 감소 또는 소거된다. 애노드 바디가 악화되지 않기 때문에, 애노드 바디(2608)의 상부 표면(2619)과 기판 시드층 사이의 모든 위치의 수직 간격은 화살표(Z)로 표시된 것처럼 일정하게 유지된다. 애노드 바디(2608)의 상부 표면(2619)을 따른 모든 포인트는 상부 표면이 평면형인 경우, 간격(Z)에 의해 기판 시드층(15)상에서 가장 가까운 위치로부터 거의 균일하게 간격을 두고 있기 때문에, 시드층(15)의 모든 포인트와 애노드 바디(2608)의 상부 표면(2619) 사이의 전해질 용액의 저항은 거의 일정하게 된다(이는 전해질 용액의 전기적 특성이 거의 균일한 것으로 간주되며, 전해질 용액의 전기적 저항은 옴의 법칙에 따라 변화된다). 시드층과 애노드 사이의 전해질 용액의 저항은 시드층 표면 부근에서 거의 균일하기 때문에, 시드층상의 전류 밀도 또한 시드층에서 거의 균일하다. 이러한 균일한 전류 밀도는 기판 상의 금속막 증착의 균일성을 강화시키게 된다.
도 4, 도 18 및 도 19에서의 실시예에서 도시된 ECP 시스템의 일 실시예에서 이루어지는 화학 반응은 각각 기판상에서 금속막의 도금, 또는 비도금(deplating)을 초래하도록 애노드와 시드층 사이에 양전압 바이어스, 또는 음전압 바이어스가 인가되는지에 따라 특징화될 수 있다. 충분한 양전압 바이어스가 시드층의 전압이 애노드의 전압 레벨보다 낮게(즉, 보다 음전압으로) 인가되는 경우, 금속 이온은 기판 상의 시드층상에 도금된다. 충분한 음전압 바이어스가 시드층의 전압이 충분한 레벨에 의해 애노드의 전압을 초과(즉, 보다 양전압으로)하는 경우, 구리가 시드층으로부터 비도금된다.
애노드 어셈블리(2606)는 친수성막(289)에 밀폐될 수 있다. 전해질이 친수성막(289)을 흐름에 따라, 애노드와 전해질 용액 사이의 화학작용에 의해 발생되는 입자 및 다른 문제들은 캡슐막에 의해 여과되고 트랩된다. 도 18에 도시된 애노드바디(2608)의 실시예에서, 전해질 용액은 먼저 애노드 바디(2608)의 천공부의 후면, 에지 및 내벽과 화학적으로 반응한다. 친수성막(289)은 전해질 용액 및 금속 이온이 애노드 어셈블리(2606)를 둘러싸는 막을 통과하도록 위치된다. 친수성막(289)은 전해질 용액으로부터의 입자 문제를 여과시키기 위해 막 바스켓(basket)의 형태의 필터를 형성할 수 있다. 또다른 실시예에서, 친수성막(289)은 애노드(약 직경의 1/2이상으로) 상부에 가깝게 공간을 두고 있고 애노드와 평행한 전해 셀에 걸쳐 연장되도록 바스켓에 고정된다.
바람직하게, 친수성막(289)은 약 60% 내지 80% 사이, 보다 바람직하게는 약 70%의 다공성을 갖고 약 0.025㎛ 내지 약 1㎛, 보다 바람직하게는 약 0.1㎛ 내지 약 0.2㎛ 사이의 구멍 크기를 갖는 변형된 폴리비닐리덴 플로라이드 막과 같은 친수성 다공막을 포함한다. 친수성막(289)의 일례로는 메사추세츠, 베드포드에 위치한 Millipore Corporation으로부터 시판되는 Durapore Hydrophilic Membrane이 있다.
흐름 확산기(71)가 전해 셀의 내표면에 제공될 수 있다. 전해질 용액은 매우 어렵게 흐름 확산기의 구멍을 통과하여 흐름 확산기의 폭을 통해 전해질 용액내에 약간의 압력차가 제공될 수 있다. 흐름 확산기는 파스너 또는 접착제에 의해 조여지고, 클립처리되고, 고정되거나, 또는 전해 셀(2602)의 내표면에 다른 공지된 적절한 방식으로 부착될 수 있다. 흐름 확산기(71)는 흐름 확산기의 상부에 있는 전해 셀의 폭에 걸쳐 전해질 용액의 거의 균일한 수직 흐름 속도를 제공하기 위한 것이다. 흐름 확산기의 구멍의 치수 및 수 및 물질은 화학적 조성 및 전해질 용액의 입자 크기 및 금속 이온에 따라 선택된다. 애노드 어셈블리(2606)는 애노드 코팅(2610)에 의해 코팅되는 애노드 바디(2608)의 정면에서 거의 평면형인 전계 발생 표면(2619)를 유지하는 역할을 한다. 평면형 전계 발생 표면(2619)는 기판(22)을 면하도록 제공된다.
도금 프로세스 동안 전계 발생 표면(2619)을 유지하기 위한 목적은 표면 전계 발생 표면 상에 있는 각각의 포인트로부터 기판(22) 상의 시드층과 가장 가까운 포인트로의 간격이 애노드 바디(2608)의 표면에 대해 거의 균일하게 하기 위한 것이다. 애노드 바디(2608)의 전계 발생 표면(2619)와 기판 시드층(22) 상의 가장가까운 포인트 사이의 임의의 간격차는 전계 발생 표면 상의 상이한 포인트와 이들과 대응하는 기판 시드층 상에서 가장 가까운 포인트 사이의 저항 편차를 반영한다. 전해질 용액을 통한 이러한 저항 편차는 전해질 용액, 뿐만 아니라 다른 액체의 저항이 옴의 법칙에 의해 반영되는 것처럼 전류가 매체를 흐르는 간격에 따라 변화된기 때문에 발생된다.
애노드 바디의 일부에 화학적으로 불활성인 애노드 코팅(2610)을 인가함으로써, 전해질 용액은 전계 발생 표면(2619)에 해당하도록 구성된 코팅 위치에서 애노드 바디(2608)과 접촉하지 않는다. 전해질 용액과 전계 발생 표면(2619) 사이의 이러한 접촉 제한은 전계 발생 표면에서 전해질 용액 속으로 전기-화학 반응에 의한 금속 이온 발생을 제한한다. 애노드 코팅(2610)은 전해질 용액과 전계 발생 표면(2619) 사이에 화학 반응을 제한하기 때문에, 전계 발생 표면으로부터 어떠한 금속 이온도 발생하지 않는다. 추가로, 전계 발생 표면은 전해질 용액과의 콘택 제한으로 인해 거의 레벨 윤곽을 유지한다.
도 18에 도시된 실시예에서의 애노드 어셈블리(2606)에 있는 애노드 코팅(2610)의 응용은 연장된 도금 사용 후에 전계 발생 표면을 거의 평면형으로 유지시켜, 애노드 어셈블리(2606)와 기판(22) 사이에 발생된 전계의 균일성을 강화하고 기판(22) 상의 시드층의 표면의 전계 밀도의 균일성을 강화시킨다. 도금 표면에서의 이러한 전계 밀도의 균일성은 전해 셀(2602) 폭의 기판 시드층 상에 있는 전해질 용액으로부터 금속 이온의 보다 균일한 분포를 야기시킨다.
천공부(2612)의 치수는 바람직하게 기판의 하부 표면에 인가되는 전계의 균일성의 임의의 변형을 제한하도록 최소화된다. 특정 실시예에서, 천공부의 내부 표면은 전해질 용액과의 화학적 반응을 제한하도록 코팅된다. 다른 실시예에서, 천공부는 코팅되지 않는다. 천공부가 코팅되지 않는 이러한 실시예에서, 천공부의 폭 치수는 정상 사용 동안 애노드로부터 어떠한 전계 변화도 기판의 하부 표면에 인가되지 않는 레벨 치수 내로 유지되게 하는 것이 중요하다.
예를 들어, 애노드 어셈블리(2606)의 한쪽 측면 위에 있는 금속 이온의 농도 증가는 전해 셀의 측면 상의 기판 시드층 상의 금속막 증착을 증가시킨다. 이처럼, 천공부(2612)는 전해질 용액이 천공부의 일부를 통해 상향으로 흐르도록 애노드 바디(2608)와 애노드 코팅(2610)을 통해 거의 수직으로 연장된다. 종래의 천공된 애노드 구성은 Dordi에 의해 "PERFORATED ANODE FOR UNIFORM DEPOSITION OF A METAL LAYER"란 명칭으로 2000년 3월 24일 출원된 미국 출원 번호 09/534,951호에 개시되어 있다(본 명세서에서 참조로 함). 천공부(2612)는 애노드 바디(2608)의표면 영역에 평탄하게 분포되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 이들 천공부는 애노드 바디를 통해 전해질 용액이 상향 수직적으로 흐르도록 그리드 형으로 천공된 애노드 구성으로 각각의 인치당 16인치의 간격을 두고 있을 수 있다.
천공부(2612)는 애노드 어셈블리(2606) 위의 전해 셀(2602)에 포함된 전해질 용액의 화학 반응을 균일성을 강화시키기 위한 것이다. 소수의 금속 이온이 애노드의 상부 표면이 코팅될 때 발생되는 것으로 발견되는 경우 전해질 용액과 애노드 사이의 화학 반응을 강화시키기 위한 방법으로 천공부를 변형시키는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 소수의 금속 이온이 주변부와 비교해서 애노드 바디(2608)의 중심부 위에서 발생된다는 가정하여 천공부(2612)의 수 및 크기는 감소된 금속 이온 발생이 이루어지는 위치에 해당하는 애노드 바디(2608)의 중심부에서 증가될 수 있다.
ECP 시스템의 일실시예에서, 애노드 바디(2608)를 관통하는 천공부는 임의의 애노드 코팅을 포함하지 않고, 전해질 용액이 천공부에서 수직 상향으로 이동됨에 따라, 천공부의 표면을 형성하는 애노드 바디의 표면 영역의 일부는 천공부를 통해 상향 흐르는 전해질 용액과 화학적으로 반응한다. 도 18의 실시예에서는 천공된 애노드가 이용되지만, 고체 구리 애노드 또한 이용가능한다. 고체 애노드가 제공되는 경우, 일부 메카니즘은 전해 셀에 있는 전해질 용액에서의 금속 이온의 균일성을 강화시킨다. 이러한 메카니즘은 제한되는 것은 아니지만 금속 이온이 흐르는 전해질을 포함하는 애노드와 시드층 사이에 간격 증가를 포함할 수 있다. 이러한 증가된 간격은 시드층의 금속 이온의 농도가 확산에 의해 전해 셀의 폭이 보다 균일해지게 한다. 베인, 배플, 또는 다른 유사한 유체 흐름 변류기(도시되지 않음)는 전해질 용액이 상향 흐름에 따라 전해 셀의 폭으로 전해질 용액에 있는 금속이온이 혼합되게 전해 셀에 제공된다.
전해 셀은 애노드와 시드 층 사이의 간격을 충분히 크게 구성할 수 있어, 금속 이온 혼합은 확산에 의해 전해 셀의 폭을 통해 균일하게 이루어진다. 전해 셀의 금속 이온의 균일성을 강화시키기 위한 이러한 혼합 기술의 조합은 코팅된 애노드와 조합하여 사용는 부재의 범주내에서 이루어진다. 애노드와 전해질 용액 사이의 화학 작용으로 금속 이온, 예를 들어 구리 이온이 전해질 용액 속으로 방출된다. 유사한 화학 작용이 애노드 바디(2608)와 전해질 용액 사이에서 하부 표면(2621), 및 애노드 바디(2608)의 측표면(2622)을 따라 이루어진다.
도 18을 참조로, 애노드 어셈블리(2606)는 균일한 전해질 용액 유체 흐름, 거의 평면 레벨인 전계 발생 표면(2619), 시드층 상의 균일한 금속막 증착 프로세스, 및 애노드로부터 금속 이온의 적절한 방출, 및 전해 셀(2602) 에서의 모든 반응을 제공하도록 구성된다. 또한 애노드 코팅은 전해 셀(2602)과 전계 발생 표면(2619)의 화학 반응을 제한한다. 보다 평면형인 전계 발생 표면(2619)을 유지하는 이러한 제한된 화학 반응의 효과는 기판 시드층 상의 전류 밀도의 균일성을 강화시켜 기판 시드층 표면의 금속막 증착의 균일성을 강화시킨다.
도 19는 2개의 개별 애노드 부품으로 분할된 애노드가 있는 ECP 시스템(2700)의 또다른 실시예를 나타낸다. 한 개의 애노드 부품은 "금속 이온 발생 애노드"라 칭하고, 금속 이온을 발생시키는 것과 관련되며, 일 실시예에서는 전해질 용액에 전계를 발생시킨다. 다른 애노드 부품은 기판의 하부 표면의 시드층에 인가됨에 따라 전해질 용액내에서 전계의 균일성을 강화시키는 것과 관련된다. ECP 시스템(2700)은 기판 홀더(2604), 기판(22)(시드층을 하향 면하고 있음), 안에 전해질 용액을 포함하도록 구성된 전해 셀(2602), 코팅된 전계 균일성 강화 애노드(2706), 및 금속 이온 발생 애노드(2710)를 포함한다. 금속 이온 발생 애노드(2710)는 전해질 용액과의 화학적 반응에 의해 금속 이온을 발생시키는 역할을 한다. 바람직하게, 금속 이온은 전해 셀(2602)의 폭에 거의 균일하게 분포된다. 금속 이온 발생 애노드(2710)는 애노드 바디(2710) 및 다수의 전계 피드 쓰로우(2712)를 포함한다. 전류/전압은 전계 발생 애노드(2710)가 전해 셀(2602)에 포함된 전해질 용액 속에 금속 이온을 발생시키는 방식으로 전계 피드 쓰로우(2712)에 인가된다.
이러한 선택적 실시예를 위해, 금속 이온 발생 애노드(2710)의 애노드 바디(2710)는 고체 구리 애노드, 천공부를 갖춘 고체 구리 애노드, 1개 이상의 코팅된 표면을 갖는 애노드 또는 다른 애노드 바디 구성으로 구성될 수 있다. 전계 균일성 강화 애노드(2706)는 전해질 용액 속에 전해 셀(2602)의 폭에 균일한 전계를 제공하는 역할을 한다. 전해 셀(2602) 폭의 균일한 전계는 도금 작업 동안 기판(22) 상의 시드층에 인가되는 전류 밀도의 균일성을 강화시키는 역할을 한다. 시드층, 즉 시드층의 중심으로부터 시드층 주변으로의 전류 밀도의 균일성 강화는 시드층의 금속막 증착 속도의 균일성을 강화시킨다.
코팅된 전계 균일성 강화 애노드(2706)는 금속 이온 발생 애노드(2710) 위의중심에 있는 위치에 전계 균일성 강화 애노드(2706)를 유지하기 위해 적절한 지지 부재를 갖도록 구성됨으로써 전기적 전도성 코어(2720), 화학적 불활성 코팅(2722), 및 상부 전계 피드 쓰로우(2724)를 포함한다. 전기적 전도성 코어(2720)는 알루미늄, 구리 또는 다른 전기적으로 전도성있는 물질과 같은 물질로 형성될 수 있다. 전기적 전도성 코어(2720)는 불활성 코팅(2722)에 의해 전해질 용액에 대해 밀폐되고 둘러싸인다. 불활성 코팅(2722)은 불활성 혼합물 또는 Ta, TaN과 같은 합금으로 형성되거나 또는 전계 균일성 강화 애노드(2706)의 전계 발생 능력을 거의 감소시키지 않고, 전해질 용액에 대해 전기적 전도성 코어(2720)에 대한 밀폐 능력을 제공하는 일부 불활성 플라스틱 물질에 의해 형성될 수 있다.
상부 전계 피드쓰로우(2724)는 전해 셀(2602)의 측면을 통해 연장될 수 있고 원하는 대로, 전기적 전도성 코어(2720)에 전류/전압을 공급하기 위해 전기적 전도성 코어(2720)와 전기적으로 연결되게 배치된다. 상부 전기적 피드쓰로우(2724)는 전해 셀에 포함된 전해질 용액과 전기적 전도성 부재의 화학 반응을 제한하도록 밀폐된다. 흐름 쓰로우 개구부(flow through aperture)(2726)는 전해질 용액 및/또는 전해질 용액에 포함된 금속 이온이 전계 균일성 강화 애노드(2706) 하부로부터 전계 균일성 강화 애노드(2706) 상부로 상향 흐르도록 전계 균일성 강화 애노드(2706)를 통해 연장된다.
흐름 쓰로우 개구부(2726)는 기판의 하부 표면에 인가되는 전계 균일성의 변화를 제한하도록 최소화되는 것이 바람직하다. 특정 실시예에서, 흐름 쓰로우 개구부(2726)의 내부 표면은 전해질 용액과의 화학 반응을 제한하도록 코팅된다. 다른 실시예에서, 천공부는 코팅되지 않는다. 흐름 쓰로우 개구부(2726)가 코팅되지 않는 실시예에서는, 흐름 쓰로우 개구부의 폭 치수가 정상 사용동안, 애노드로부터의 어떠한 전계 변화도 흐름 쓰로우 개구부의 결과로서 기판의 하부 표면으로 인가도지 않는 레벨 치수로 유지되는 것이 중요하다.
금속 이온 발생 애노드(2710)는 전계 균일성 강화 애노드(2706) 보다 시드층으로부터 멀리 위치되기 때문에, 시드층(15)에 발생된 전류 밀도 레벨에서의 전계 효과는 금속 이온 발생 애노드(2710) 보다느 전계 균일성 강화 애노드(2706)에 의해 조절된다. 이처럼, 전기적 전도성 코어(2720)의 평면형 상부 표면(2723)은 시드층의 전류 밀도의 균일성이 강화된 애노드(2706, 2710) 사이의 우세한 애노드로 간주된다. 따라서, 도금 작업 동안에 중요한 것은 금속 이온 발생 애노드(2710)에서 전기적 피드 쓰로우(2712)를 경유하여 인가된 전류/전압 레벨이 전계 발생 애노드(2706)에서 전기적 피드 쓰로우(2724)를 경유하여 인가된 전류/전압 레벨을 양적으로 초과하지 않게 하여 시드층에서 발생된 전류 밀도의 효과가 금속 이온 발생 애노드(2710) 보다 전계 균일성 강화 애노드(2706)에 의해 보다 명확해지게 하는 것이다. 애노드(2706, 2710) 사이의 수직 간격은 금속 이온 발생 애노드(2710)의 전류/전압 레벨로부터 야기되는 애노드 상의 전류 밀도 효과를 제한하도록 증가할 수 있다.
전계 균일성 강화 애노드(2706)에서의 개구부(2726)는 그리드형 패턴으로 구성될 수 있으며, 여기서 각각의 흐름 쓰로우 개구부(2726)는 여기를 통하는 금속 이온을 포함하는 전해질 용액의 상향 흐름을 제한하지 않는 크기이다. 이처럼, 개구부(2726)의 직경은 약 16인치 이상으로 변형될 수 있다. 불활성 금속 코팅(2720)은 임의의 상부 애노드 표면, 하부 애노드 표면, 및/또는 이들을 흐르는 전해질 용액에 대해 전기적 전도성 코어(2720)의 물질을 밀폐하는 효과로 흐름 쓰로우 개구부(2726)의 표면상에 코팅될 수 있다.
전기적 전도성 코어(2720)의 상부 표면은 평면형이고 기판 상의 시드층과 평행하게 선택되어 기판(22)의 시드층 상의 각각의 포인트로부터의 전기적 전도성 코어(2720)의 상부 표면 상에서 그와 가장 가까운 위치로의 간격은 거의 일정하다. 이러한 간격의 균일성은 중심으로부터 주변으로 기판 시드층 양쪽에서 발생된 전류 밀도의 균일성을 강화시킨다. 부가적으로, 상부 표면과 전해질 용액 사이의 화학 반응을 제한함으로써 전기적 전도성 코어(2720)의 상부 표면 레벨을 유지하는 것은 금속막 증착 속도가 시드층에서 전류 밀도의 함수이기 때문에 기판 시드층 양단의 금속막의 증착 속도의 균일성을 강화시킨다. 전기적 전도성 코어(2720)는 불활성 코팅(2722)에 의해 전해질 용액과의 접촉에 대해 밀폐되기 때문에, 상부 표면 레벨은 전계 균일성 강화 애노드(2706)의 유효 수명 동안 유지된다.
금속 이온 발생 애노드(2710)의 애노드 바디(2710)는 전해 셀(2602)의 폭 양단에 균일하게 금속 이온을 발생시킨다. 이러한 금속 이온은 금속 이온 발생 애노드(2710)와 기판(22) 상의 시드층 사이에 설정된 전계, 뿐만 아니라 전해 셀(2602) 내에 있는 전해질 용액의 상향 흐름을 포함하는 메카니즘 조합을 사용하여 기판(22)을 향하는 금속 이온 발생 애노드(2710)로부터 전해 셀로 상향 전송된다. 금속 이온 및 전해질 용액은 전계 균일성 강화 애노드(2706)에서 흐름 쓰로우 개구부(2726)를 통해 상향으로 흐른다. 전계 균일성 강화 애노드(2706)에 의해 발생된 전계 라인은 전계 균일성 강화 애노드로부터 기판 시드층으로 상향 연장된다. 이상적으로, 전해 셀(2602)의 전계 균일성 강화 애노드(2706), 및 기판(22) 상의 시드층은 전계 균일성 강화 애노드(2706)로부터 기판 시드층으로 연장되는 전계 라인의 전기적 라인이 평행하도록 구성된다. 전계 균일성 강화 애노드(2706)로부터 기판(22) 시드층으로의 이러한 평행한 전계 라인은 기판(22) 시드층 양단에 이용가능한 금속 이온의 균일성을 강화시킨다. 이처럼, 금속 이온 발생 애노드(2706)는 전해 셀(2602)의 폭 양단에 균일하게 전해 셀에 있는 전해질 용액 속으로 금속 이온을 발생시키고, 전계 균일성 강화 애노드(2706)는 전해질 용액 속의 금속 이온이 기판 상의 시드층상에 증착될 때까지 전해 셀에 포함된 전해질 용액의 폭 양단에 금속 이온의 균일한 분포를 유지하는 역할을 한다.
본 명세서에서는 본 발명을 포함하는 다양한 실시예를 도시하고 설명했지만, 당업자는 이러한 내용을 포함하는 다양한 변형예를 고안해 낼 수 있을 것이다.
본 발명에 따라 기판을 면하고 전해질 용액에 침지된 애노드의 부분에 의해 시드층 양단의 전류 밀도의 균일성을 강화시키기 위한 구성으로 장시간 사용후에라도 평면형이 유지되는 시스템을 제공되며, 이러한 전류 밀도 강화로 시드층 양단의 금속막 증착 속도의 균일성이 강화된다.

Claims (27)

  1. 불활성 물질을 포함하는 전계 발생부 및 전해질 용액 화학 반응부를 갖춘 애노드를 포함하는 것을 특징으로 하는 도금 장치용 애노드 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전계 발생부는 도금되는 기판 양단에 균일한 전계를 발생시키는 역할을 하는 것을 특징으로 하는 애노드 어셈블리.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 불활성 물질은 탄탈, 티타늄, 및 텅스텐 그룹에서의 1개 이상의 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 애노드 어셈블리.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 애노드의 상기 전계 발생부는 불활성 물질로 코팅된 평면형 표면을 포함하며, 상기 평면형 표면은 기판 상에 있는 시드층과 평행하게 배향되며, 상기 시드층 및 상기 애노드는 전해질 용액에 침지되는 것을 특징으로 하는 애노드 어셈블리.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 전해질 용액 화학 반응부는 상기 전해질 내에 금속 이온을 발생시키기도록 전해질 용액과 화학적으로 반응하는 것을 특징으로 하는 애노드 어셈블리.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 전계 발생부 및 상기 전해질 용액 화학 반응부는 개별 소자 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 애노드 어셈블리.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 애노드 부근에 위치되는 필터를 더 포함하며, 상기 필터는 막(membrane) 필터인 것을 특징으로 하는 애노드 어셈블리.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 필터는 전해질 용액속에서 상기 애노드에 의한 입자 발생을 제한하는 것을 특징으로 하는 애노드 어셈블리.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 애노드는 상기 애노드 어셈블리를 지나 연장되는 천공부를 포함하는 것을 특징으로 하는 애노드 어셈블리.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 천공부는 상기 천공부를 통해 흐르는 전해질 용액과 반응하는 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 애노드 어셈블리.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 전계 발생부 및 상기 전해질 용액 화학 반응부는 연인접한 부재에 형성되는 것을 특징으로 하는 애노드 어셈블리.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 전계 발생부는 전해질 용액 화학 반응부로부터 구조적으로 구별되는 것을 특징으로 하는 애노드 어셈블리.
  13. 기판을 수용하고 상기 기판 시드층상에 금속막을 증착시키도록 구성된 전기화학 도금 시스템으로서,
    불활성 물질을 포함하는 평면형 전계 발생부와 전해질 용액 화학 반응부를 갖춘 애노드;
    전해 셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 도금 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 전계 발생부는 평면형이며 상기 기판 시드층과 평행하게 배향되는 것을 특징으로 하는 전기화학 도금 시스템.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 불활성 물질은 불활성 금속인 것을 특징으로 하는 전기화학 도금 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 불활성 물질은 탄탈, 티타늄, 및 텅스텐 그룹으로부터의 1개 이상의 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 도금 시스템.
  17. 제 13 항에 있어서, 상기 애노드의 평면형 전계 발생부는 불활성 물질로 코팅된 평면형 표면을 포함하며, 상기 평면형 표면은 기판 시드층과 평행하게 배향되며, 상기 시드층과 애노드는 전해질 용액에 침지되는 것을 특징으로 하는 전기화학 도금 시스템.
  18. 제 13 항에 있어서, 상기 전해질 용액 화학 반응부는 상기 전해질 용액에 금속 이온을 발생시키도록 전해질 용액과 화학적으로 반응하는 것을 특징으로 하는 전기화학 도금 시스템.
  19. 제 13 항에 있어서, 상기 평면형 전계 발생부 및 전해질 용액 화학 반응부는 개별 부재 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 전기화학 도금 시스템.
  20. 제 13 항에 있어서, 상기 애노드 부근에 위치되는 필터를 더 포함하며, 상기 필터는 막 필터인 것을 특징으로 하는 전기화학 도금 시스템.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 필터는 상기 전해질 용액 속에 상기 애노드에 의한 입자 발생을 제한하는 것을 특징으로 하는 전기화학 도금 시스템.
  22. 제 13 항에 있어서, 상기 애노드는 상기 애노드 어셈블리를 지나 연장되는 천공부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 도금 시스템.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 천공부는 상기 천공부를 통해 흐르는 전해질 용액과 반응하는 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 도금 시스템.
  24. 제 22 항에 있어서, 상기 평면형 전계 발생부 및 상기 전해질 용액 화학 반응부는 인접한 부재 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 전기화학 도금 시스템.
  25. 제 13 항에 있어서, 상기 평면형 전계 발생부는 상기 전해질 용액 화학 반응부와 구조적으로 구별되는 것을 특징으로 하는 전기화학 도금 시스템.
  26. 애노를 사용하여 기판 시드층 상에 금속막을 증착시키는 방법으로서,
    전해질 용액에 코팅된 애노드를 침지시키는 단계를 포함하는데, 상기 코팅된 애노드는 불활성 물질을 포함하는 평면형 전계 발생부와 전해질 용액 화학 반응부를 포함하며;
    상기 전해질 용액에 상기 시드층을 침지시키는 단계와;
    상기 애노드와 상기 시드층 사이에 전압을 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속막 증착 방법.
  27. 제 26 항에 있어서, 상기 시드층은 평면형 전계 발생부와 평행한 위치에서 전해질 용액에 침지되는 것을 특징으로 하는 금속막 증착 방법.
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