KR20100096127A

KR20100096127A - 반도체 워크피스 상의 메탈리제이션을 위한 도금 장치

Info

Publication number: KR20100096127A
Application number: KR1020107012158A
Authority: KR
Inventors: 유에 마; 시 왕; 윤웬 후앙; 쩐슈 팡; 보하 누치; 데이비드 왕
Original assignee: 에이씨엠 리서치 (상하이) 인코포레이티드
Priority date: 2007-11-02
Filing date: 2007-11-02
Publication date: 2010-09-01
Also published as: KR101424623B1; WO2009055992A1; US20100307913A1; US8518224B2

Abstract

본 발명은 다수의 애노드 존 및 캐소드 존을 가진 도금 장치를 제공한다. 각각의 존에서의 전해질 유동장은 유동 제어 장치에 의해 개별적으로 제어된다. 표면이 주름 채널로 만들어진 기포 수집기는 작은 거품을 수집하고 이들을 합치고 잔여 가스를 배출함으로써 가스 제거한다. 기포 수집기 내에 설치된 완충 존은 불안정한 미세 기포를 용해하기 위해 추가적으로 허용된다.

Description

반도체 워크피스 상의 메탈리제이션을 위한 도금 장치{PLATING APPARATUS FOR METALLIZATION ON SEMICONDUCTOR WORKPIECE}

본 발명은 일반적으로 도금 장치에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 웨이퍼 상에 ULSI(최대규모 집접) 회로 제조에서의 인터커넥트 형성의 일부로서 박막 저항 기판 상에 금속층을 전기화학적으로 제조하기 위한 도금 장치에 관한 것이다.

ULSI 내의 인터커넥션 형성 동안, 박막 저항 기판 - 시드 레이어(seed layer) 상에서의 금속층의 전기화학적 증착, 보통은 구리의 전기화학적 증착은 하기의 구성요소들: 애노드, 전원 장치, 장치를 보유하고 있는 전도성 웨이퍼, 및 산, 금속염 및 다른 첨가제들의 혼합물 용액을 포함하는 전해질 셀(cell)로 이루어진 도금 장치에서 구현된다.

종래 도금에서, 시드 레이어 전체에 걸쳐 전류 밀도는 균일하지 않고, "터미널 효과(terminal effect)"라 불리는 현상 때문에 기판 주변에서 더 높다. 이러한 전류 불균일성은 웨이퍼 가장자리에서 더 높은 도금 비율을 유발하고, 웨이퍼 중앙에서 더 낮은 도금 비율을 유발한다.

도금 필름의 불균일성은 웨이퍼 가장자리와 중앙 사이의 도금 비율 차이로 인해 장치 공정 흐름 내에서 다음의 평탄화 단계에 대한 어려움을 야기한다. 독립 전력 제어부를 가진 애노드 장치가 도금 장치에 적용되어, 불균일한 도금 비율을 극복하며, 이는 미국 특허 제6,391,166호를 참조한다.

기포는 불활성 애노드와 함께 도금 과정 동안에 생성된다. 이들은 또한 전해질 공급 장치에서 개시될 수도 있고, 조정(intervention) 및 정기 유지 보수 동안에 장치에 행해진다. 이러한 기포는 웨이퍼의 도금 표면과 접촉할 때, 보이드들(voids)이 도금 필름 내에 형성되어, 장치는 방울(drop)을 생성한다. 대부분의 심각한 경우에, 전해질 내에 존재하는 기포의 양이 많을 때, 전기장이 가변될 수 있고, 도금 장치 내의 전해질 유동은 유동 경로의 장애물로 인해 상당히 감소된다.

부력 및 자연 대류의 이념에 기초한 탈포(de-bubble) 장치는 보통 현대 도금 장치에서 나타난다. 이러한 장치들은 보통 작은 기포와 함께 잘 작동되지 않는다. 일단 기포가 표면에 부착되면, 작은 기포는 이러한 도금 장치 내에서 나타나는 일반적인 유동 비율 하에서의 부력, 점착력 및 항력의 균형을 맞춘 합력에 의해 어렵게 이동될 수 있다. 이러한 장치들은 평평한 표면을 가진 역원뿔형 형상인 다공성 레이어로 이루어진다. 유동장 또는 전기장을 변경하지 않으면서 많은 양의 작은 기포를 제거하기 위하여, 그리고, 작은 기포를 크게 만들기 위하여 기포 합체 메커니즘 및 탈포장치의 더 많은 멤브레인 표면적이 요구된다.

구조체 크기가 작아짐에 따라, 도금 용액 내의 더 많은 양의 유기 첨가제들이 보이드-프리 갭필을 달성하기 위해 요구된다. 이러한 유기 성분들은 전기도금 공정 동안에 파괴된다. 최종 파괴 생성물(resultant breakdown product)은 도금조 내에서 축적되어, 갭필 성능을 저하시킨다. 만약 불순물 같은 것이 도금 필름에 결합된다면, 이들은 보이드 형성(void formation)을 위한 핵으로서 작용할 것이며, 장치 신뢰도 결함을 야기한다.

더 높은 도금조 배출비율 및 공급비율은 보통 고비용으로 더욱 향상된 도금 공정 기술에 수행되어, 화학적 신선도(chemical freshness)를 보증한다.

도금 동안에, 웨이퍼 표면 근처의 전해질 내의 신선하고 화학적 효과가 있는 유기종(organic species) 및 파괴 부산물(breakdown byproduct) 교환 비율은 질량수송 제어되고, 도금 장치 내의 유동장이 특별하게 설계되지 않았다면 불균일하다. 그러나, 이러한 문제점은 도금조의 배출비율 및 공급비율의 단순한 증가로 설명될 수 없다.

본 발명의 실시예는 도금 장치이며, 도금 장치는 적어도 두 개의 애노드를 수용하는 애노드 챔버, 적어도 두 개의 유체 존을 수용하는 캐소드 챔버, 적어도 두 개의 애노드 순환, 적어도 두 개의 캐소드 순환, 완충 존, (강제 기포 합체에 의한) 기포 수집기, 전력 공급 서브-시스템, 도금 부산물을 효율적으로 제거하기 위해 설계된 전해질 유동장 제어 서브시스템, 전해질 분배 서브시스템, 및 웨이퍼 홀더 장치를 포함한다.

기포 수집기 어셈블리는 적어도 하나의 다공성 멤브레인으로 이루어지며, 다공성 멤브레인의 표면은 주름 채널로 형성되어, 기포를 수집하여 강제로 합친다. 주름 채널은 V형 또는 역 V형 단면을 가진다. 합쳐진 기포는 채널 또는 홈을 따라 출구로 상향 이동되도록 안내된다. 주름 채널은 기포 수집기의 큰 표면적을 더 증가시켜, 총 전해질 유동 면적을 증가시키고, 작은 크기의 기포가 기포 수집기의 구멍을 부분적으로 막을 때조차 전해질 유동을 허용한다.

본 발명의 실시예들은 멤브레인들 사이의 추가 완충 존을 추가적으로 제공하고, 전해질 순환 비율은 캐소드 챔버의 것보다 상당히 더 낮다. 완충 존은 하부 멤브레인은 통과하여 상부 멤브레인에 도달되기 전에 용해되는 미세 기포에 시간을 준다.

본 발명은 유기 첨가제들을 부산물에 효율적으로 공급하고 웨이퍼 표면 근처의 전해질 유동장을 제어함으로써 도금 기판 표면에서 부산물을 제거하는 방법을 포함한다. 전해질 유동장 운송 제어는 캐소드 챔버 내의 유체 존에서 시작-멈춤 시간 및 유동비의 조합을 적용함에 의한다. 전해질 유동장 제어 서브시스템은 각각의 유체 존 내에서 유동비 및 시작-멈춤 시간을 독립적으로 제어한다. 유기 첨가제들의 효율적 공급은 기판 상에서의 비아, 트렌치, 및 듀얼 물결무늬(damascene) 구조체들 안에서 금속 갭필을 향상시키고, 도금 부산물의 효율적인 제거는 도금 금속 필름 내의 불순물 정도(impurity level)를 감소시킨다.

도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 도금 장치의 단면도이다.
도 1b는 도 1a에서 도시된 것과 같은 도금 장치의 확대도이며, 도 1b에 도시된 도금 장치는 도 1a의 도금 장치에서 기판 및 기판 홀더가 생략된 것이다.
도 1c는 유동 분산 장치, 기판 및 기판 홀더가 없는 동일한 도금 장치의 평면도를 도시한 것이다.
도 2는 도금 장치의 전해질 순환의 개략도를 도시한 것이다.
도 3a는 본 발명의 제 1 실시예의 기포 수집기의 등각 투상도를 도시한 것이다.
도 3b는 도 2a의 기포 수집기의 단면도를 도시한 것이다
도 3c는 절연 차폐물에 연결된 기포 수집기의 일부의 상세도를 도시한 것이다.
도 4a는 본 발명의 제 2 실시예의 기포 수집기의 등각 투상도를 도시한 것이다.
도 4b는 도 4a의 기포 수집기의 부분 단면도를 도시한 것이다.
도 4c는 절연 차폐물에 연결된 기포 수집기의 일부의 상세도를 도시한 것이다.
도 5a는 본 발명의 제 3 실시예의 기포 수집기의 등각 투상도를 도시한 것이다.
도 5b는 도 5a의 기포 수집기의 부분 단면도를 도시한 것이다.
도 5c는 절연 차폐물에 연결된 기포 수집기의 일부의 상세도를 도시한 것이다.
도 6a는 본 발명의 제 4 실시예의 기포 수집기의 등각 투상도를 도시한 것이다.
도 6b는 도 6a의 기포 수집기의 부분 단면도를 도시한 것이다.
도 6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 차폐물에 연결된 기포 수집기의 일부의 상세도를 도시한 것이다.
도 6d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 절연 차폐물에 연결된 기포 수집기의 일부의 상세도이다.
도 7은 상이한 최대 채널 높이에서 방사형으로 배열된 주름 채널의 개수에 대한 함수로서 영역비를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 제 5 실시예의 기포 수집기의 단면도를 도시한 것이다.

도 1a, 도 1b 및 도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른 도금 장치를 도시한 것이다. 도금 장치는 애노드를 수용하고 다수의 애노드 존(110)으로 구성된 하부 챔버(11), 및 분리된 캐소드 전해질 입구(111)를 가진 다수의 캐소드 존(120)으로 구성된 상부 챔버(12)를 포함한다. 애노드 존(110)과 캐소드 존(120) 모두는 수직으로 배열된 복수 개의 절연 차폐물(102)에 의해 구분된다. 하부 챔버(11) 및 상부 챔버(12)는 수평으로 배열된 기포 수집기(105)에 의해 연결된다.

하부 챔버(11)의 각각의 애노드 존(110)에서, 고리형 애노드(101)는 챔버 베이스(107)에 의해 지지되고, 독립-제어 전력 공급 채널(117)에 연결된다. 챔버 베이스(107)는 비전도성 물질로 코팅된 복수 개의 키가 있는 전도성 버팀대(keyed conductive strut)를 가져, 애노드를 위치시킨다. 도금 장치의 하부는 애노드 교체를 위해 분해될 수 있다. 애노드 위의 견고한 프레임(116)은 기계적 지지력을 도금 장치 내의 기포 수집기 및 상부 어셈블리에 제공한다. 각각의 고리형 애노드(101)는 일 부품 또는 연결된 복수 개의 부품이다. 도금 장치의 전력 공급원은 복수 개의 전력 공급 채널(117)을 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 하부 챔버는 적어도 두 개의 애노드 존(110)을 포함한다. 절연 차폐물(102)은 각각의 고리형 애노드(101)를 둘러싸고, 전기장을 분리하고, 전해질 유동장을 억제한다. 절연 차폐물(102)의 물질은 비전도성, 화학적 저항 플라스틱으로부터 선택된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 절연 차폐물(102)은 기포 수집기(105) 근처에서 기포에 대한 통로로서 역할을 하는 복수 개의 소형 개구를 포함한다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 절연 차폐물(102)은 작지 않은 개구를 가져, 인접한 애노드 존에서 전해질을 완전히 분리한다.

도금 전류 또는 도금 전위는 전력 공급 채널(117)에 의해 각각의 고리형 애노드에 독립적으로 공급된다. 각각의 고리형 애노드에 적용된 전위 및 파형은 전력 공급원의 독립된 전력 공급 채널에서 프로그래밍된 시간에 나온다. 전력 공급원은 직류 전력 공급원 또는 펄스 전력 공급원일 수 있다.

각각의 애노드 존 내에서, 전해질 유동 제어 장치에 연결된 독립 애노드 전해질 입구(103) 및 독립 애노드 전해질 출구(119)로 이루어진 애노드 유동 분배 서브-시스템은 각각의 애노드 존에 전해질을 공급하고, 성장한 전해질(aged electrolyte), 빌드-업, 및 입자를 각각의 애노드 존에서 배출하기 위해 사용된다. 각각의 애노드 존 내의 독립 애노드 전해질 순환은 상이한 애노드 존으로부터의 애노드 전해질 유동의 혼합을 최소화시킨다.

기포 수집기(105)는 단단한 천공 프레임 또는 단단한 메쉬 프레임에 부착된 하나 이상의 투과성 멤브레인으로 이루어지며, 프레임은 원뿔형 또는 역원뿔형 형상을 가진다. 기포 수집기 프레임의 주변에서의 홈(115)은 기포를 수집하여, 가스 출구(106)로 안내한다. 홈(115)은 수평면에 대해 각도를 형성하도록 기울어질 수 있다. 가스 출구(106)는 홈에 연결되어, 수집된 가스를 배출한다.

하나 이상의 부착 투과성 멤브레인(302, 도 3a)은 상이한 기능들을 수행하도록 설계된다. 하부 멤브레인은 몇 미크론 내지 몇십 미크론보다 큰 지름을 가진 기포에 베리어(barrier)로서 기능을 한다. 또한 이것은 하부 챔버 내의 빌드업 물질이 빌드업 물질 위의 전해질로 유입되는 것을 방지하고, 기계적 지지력을 상부 멤브레인에 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 기포 수집기 멤브레인은 다공성 플루오린 플라스틱 그룹, 예컨대 폴리비닐 플루오라이드(PVF), 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 퍼플루오로알콕시 알칸(PFA)으로 이루어지며, 이들의 평균 구멍 크기는 2㎛ 내지 50㎛ 범위 내이다. 본 발명의 다른 실시예에서, 상부 멤브레인은 2 미크론 이하의 지름을 가지는 미세 기포에 베리어로서 기능을 한다. 이러한 멤브레인은 특정 이온을 허용하는 반면, 큰 분자가 통과되는 것을 방지한다. 일 실시예에 따르면, 상부 멤브레인은 특정 기능 그룹과 함께, 상기 플루오린 플라스틱 그룹 중 하나의 그룹으로 이루어지며, 평균 구멍 크기는 2nm 내지 150nm 사이이다.

투과성 멤브레인의 표면은 주름 채널을 가져, 기포 수집 효율을 향상시키고, 투과성 멤브레인의 총표면적을 증가시킨다. 주름 채널은 V형 또는 역V형 단면을 가진다. 이러한 구성은 채널을 따라 출구까지 위로 움직이도록 잔류 가스를 안내하기 전에 최초로 채널 안에서 기포를 강제로 합친다. 일 실시예에 따르면, 주름 채널은 방사형으로 배열될 수 있고, 나선형으로 배열될 수도 있으며, 또는 고리형으로 배열될 수 있다. 그리고, 주름 채널의 인접한 두 개의 측벽 사이의 각도는 10도 내지 120도 사이일 수 있다. 각각의 주름 채널의 최대 높이는 2mm 내지 30mm 사이이다.

중력이 무시되었을 때 고여 있는 전해질 용액 내의 기포에 작용하는 총 체적력은 식 (1)에서 주어지며, 이것은 기포 반경에 밀접하게 연관된다.

[식 1]

식(1)에서, F는 총체적력이고, r은 기포 반경이며, v는 기포 속도, η은 전해질 용액의 점성도이다.

작은 반경을 가진 기포는 총체적력이 작기 때문에 전해질 용액에서 움직이는 것이 어렵다. 기포가 전해질에서 효율적으로 제거되기 위해, 기포는 합체되어 더 큰 기포를 형성하여야 한다. 주름 채널은 기포 이동 경로가 채널 하부에 수렴되도록 하며, 주름 채널에서 기포는 합쳐져서 커진다. 기포의 크기가 커질 때, 더 커진 체적력은 채널을 따라 출구를 향해 위로 이들을 움직이게 한다.

더구나, 주름 채널의 인접한 두 개의 측벽 사이의 각도를 감소시키는 것은 측벽에 접촉하는 기포 상의 부력 효과에 대한 저항을 감소시키는 것이며, 이들을 더 쉽게 주름 채널의 하부로 이동하도록 한다.

다른 관점에 따르면, 주름 채널은 멤브레인의 표면적을 더 증가시켜, 멤브레인의 총전해질 유동 면적을 증가시키는 것이다. 더 커진 표면적은 멤브레인에 부착될 수도 있고 구멍을 부분적으로 막을 수도 있는 작은 기포가 있을 때에 조차 전해질이 충분히 유동되도록 한다. 또한, 더 커진 표면적은 특정 이온 여과에 대한 효율성을 증가시킨다.

도 1a 및 도 1b에서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상부 챔버(12)는 원형인 중앙 캐소드 존을 제외하고는 고리형의 단면을 가지는 복수 개의 캐소드 존(120)으로 이루어진다. 상부 챔버(12) 내의 각각의 캐소드 존(120)은 전해질 유동 제어 장치에 연결된 적어도 하나의 독립-공급 전해질 입구(111)로 이루어진다. 초과 전해질은 상부 챔버 본체 주변에서 상부 챔버를 나가 출구(118)로부터 밖으로 드레인된다. 전해질 입구(111)의 파이프라인은 기포 수집기 프레임 및 절연 차폐물(102)을 통과하여, 각각의 개별적인 캐소드 존(120)에 도달된다. 캐소드 존의 전해질 유동 제어 장치는 유동비율 및 온-오프(on-off) 시간이 가변되도록 프로그래밍될 수 있어, 유동장의 스트림라인(streamline)이 특정 공정 단계에서 전반적으로 또는 국부적으로 조정될 수 있도록 한다.

국부 유동장 제어는 도금 표면 근처의 영역에서 전해질 혼합물의 신선도(freshness)를 유지하기 위해 요구되며, 특히 혼합물 내의 유기 첨가제(organic additive) 분자를 위해 요구된다. 유기 첨가제의 농도는 도금비율, 갭필 능력, 및 제조된 필름(resultant film)의 결함에 영향을 미친다. 국부 유동장 제어는 또한 도금 반응 영역에서 부산물을 효과적으로 제거하기 위해 필요하고, 이것들이 성장하는 금속 필름 안에서 결합되는 것을 방지한다. 반응면 근처의 반응 영역에서 부산물을 제거함으로써, 비아 구조체(via feature) 및 트렌치 구조체(trench feature) 내의 도금 갭필 결함들이 최소화되고, 최종 금속 라인 및 접촉에 대한 신뢰도가 향상된다. 전해질 유동 제어 장치는 도금 기판 전체에 걸쳐 균일한 유동장을 유발하도록 조절될 수 있고, 이것은 중심 근처 및 도금 기판의 가장자리 근처의 영역에서 새로운 유기 첨가제와 반응 부산물 사이에서 동일한 교환비율을 보장한다. 도금 기판 전체에 걸쳐 새로운 유기 첨가제와 반응 부산물 사이의 동일한 교환비율은 최종 도금 필름 내에서 성분 균일성을 보장하고, 차례로, 이것은 기판 상의 상이한 위치에서 제조된 장치들 중에서 최종 전기 비저항 균일성 및 전자이동 성능 균일성을 향상시킨다.

결론적으로, 유동장을 국부적으로 제어함으로써, 하기의 효과, 즉, 기판 전체에 걸쳐 도금 필름의 두께의 균일성을 제어하는 효과; 기판 전체에 걸쳐 도금 필름의 성분 균일성을 제어하는 효과, 기판 전체에 걸쳐 도금 필름의 전기 비저항 균일성을 제어하는 효과; 기판 전체에 걸쳐 도금 필름 내의 전자이동 저장의 균일성을 제어하는 효과가 얻어질 수 있다.

상부 챔버(12)의 상부는 기판에 매우 근접한 유체 분산 장치(112)로 이루어져, 각각의 캐소드 존의 상부에서 미세하게 균일한 유동장을 생성하도록 한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 유동 분산 장치(112)는 다공성 세라믹 및 화학적-저항 플라스틱 물질 중 하나의 물질로 이루어진다.

상부 챔버(12) 위에 위치된 기판 홀더(121)는 기판(122)을 보유하고 있고, 기판으로 전류를 전도한다. 기판 홀더의 상세한 설명을 위해 미국 특허 제6,248,222호, 미국특허 제6,726,823호, 및 미국 특허 제6,749,728호를 참조하고, 이것의 전반적인 내용은 여기에서 참조로서 결합된다.

애노드 전해질 탱크(240)로부터의 전해질 용액은 일련의 유동비율로 각각의 애노드 존에 공급된다. 각각의 애노드 전에 도달하기 전에, 전해질 용액은 펌프(233), 필터(232), 및 유동 제어 장치(204)를 통과한다. 각각의 애노드 존으로부터의 전해질은 하부 챔버의 하부에 위치된 출구(219)를 통해 애노드 전해질 탱크(240)로 되돌아 간다. 되돌아간 전해질 용액은 액체 질량 유동 컨트롤러(238)에 의해 조절된다. 하부 챔버 내의 수집된 가스는 하부 챔버 밖으로 가스 출구(206)에서 애노드 전해질 탱크(240)로 나가며, 애노드 전해질 탱크(240)에서 가스는 배출구(241)로 나간다. 압력 누설 밸브(234)는 필터(232)와 애노드 전해질 탱크(240) 사이에 위치된다. 캐소드 전해질 탱크(250)으로부터 분리된 전해질 용액은 일련의 유동비율로 각각의 캐소드 존에 공급된다. 캐소드 존에 도달하기 전에, 전해질 용액은 펌프(236), 필터(235), 및 유동 제어 장치(208)를 통과한다. 각각의 캐소드 존으로부터의 전해질은 상부 챔버의 측벽에 위치된 출구(218)를 통해 캐소드 전해질 탱크(250)로 되돌아 간다. 압력 누설 밸브(237)는 필터(235)와 캐소드 전해질 탱크(250) 사이에 위치된다. 압력 누설 밸브(234, 237)는 유동 컨트롤러(204, 208)가 닫힐 때 열린다.

도 3a, 도 3b 및 도 3c는 기포 수집기의 일 실시예를 도시한 것이고, 여기서, 도 3a는 기포 수집기의 등각투상도를 도시한 것이고, 도 3b는 기포 수집기의 단면도를 도시한 것이며, 도 3c는 절연 차폐물과 함께 조립된 기포 수집기의 상세도이다.

도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 복수 개의 방사형 주름 채널(301)은 원뿔형 또는 역원뿔형 프레임(300) 상에 위치된다. 방사형 주름 채널(301)은 미리 언급된 바와 같이 V형 단면을 가진다. 전해질 용액은 프레임(300)에 위치된 복수 개의 개구(305)를 통해 상부 챔버 안으로 유입된다.

합쳐진 기포는 방사형 주름 채널을 따라 위로 올라가, 도 3c에 도시된 바와 같이 절연 차폐물(307) 상의 소형 개구(308)를 통과한다. 역원뿔형 프레임을 가진 실시예에 따르면, 상향 유동하는 합쳐진 기포는 기포 수집기의 주변에서 홈(315)에 의해 최종적으로 수집된다. 홈(315)은 수집된 가스를 배출하는 가스 출구(306)에 연결된다. 홈 및 가스 출구가 다음 도면에서 간결함을 위해 실시예에서 생략된다. 원뿔형 프레임을 가진 실시예에 따라, 기포는 원뿔형 기포 수집기의 정점에서 수집되고, 가스 출구 튜브는 정점의 최고점 약간 아래에서 위치되어, 애노드 전해질 탱크에서 밖으로 가스를 유도한다.

도 4a 및 도 4b는 기포 수집기의 제 2 실시예를 도시한 것이고, 도 4a는 기포 수집기의 등각투상도를 도시한 것이고, 도 4b는 기포 수집기의 부분단면도를 도시한 것이며, 도 4c는 절연 차폐물과 함께 조립된 기포 수집기의 부분상세도이다.

도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 하나의 나선형 주름 채널(401)은 원뿔형 또는 역원뿔형 프레임(400) 상에 위치되고, 도 4a 및 도 4b의 나선형 주름 채널은 연속적이고, 프레임의 전체 표면을 통과한다. 나선형 주름 채널(401)은 상술한 방사형 주름 채널과 동일한 단면을 가질 수 있다. 복수 개의 개구(405)는 전해질 용액을 통과시키는 것이다.

합쳐진 기포는 나선형 주름 채널을 따라 위로 이동하고, 도 4c에 도시된 바와 같이 절연 차폐물(407) 상의 소형 개구(408)를 통과한다. 상향 유동하는 가스가 수집되고 상기 제 1 실시예와 유사한 방식으로 밖으로 유도된다.

도 5a 및 도 5b는 기포 수집기의 제 3 실시예이고, 도 5a는 기포 수집기의 등각투상도이고, 도 5b는 기포 수집기의 부분 단면도이며, 도 5c는 절연 차폐물에 연결된 기포 수집기의 일부에 대한 상세도이다.

도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 복수 개의 고리형 주름 채널(501)은 원뿔형 또는 역원뿔형 프레임(500) 상에 위치되고, 도 5a 및 도 5b의 고리형 주름 채널은 상이한 수직 위치에서 배열된다. 일 실시예에 따르면, 각각의 고리형 주름 채널은 인접한 측벽 사이에서 동일한 각도를 가진다. 다른 실시예에 따르면, 상이한 고리형 채널은 측벽 사이에서 상이한 각도를 가진다.

각각의 고리형 주름 채널에 대해, 이것은 상술한 방사형 주름 채널과 동일한 단면을 가진다. 복수 개의 개구(505)는 전해질 용액을 통과시키기 위함이다.

하부 채널 내의 합쳐진 기포는 도 5c에 도시된 바와 같이, 절연 차폐물(507) 상의 소형 개구(508)에 인접한 채널을 연결하는 경로(509)를 통해 더 높은 채널로 이동된다. 상향 유동하는 가스는 수집되어 상기 제 1 실시예의 방식과 유사한 방식으로 밖으로 유도된다.

도 6a 및 도 6b는 기포 수집기의 제 4 실시예이고, 도 6a는 기포 수집기의 등각투상도이고, 도 6b는 기포 수집기의 부분 단면도이며, 도 6c 및 도 6d는 채널 밖으로 수집된 가스를 유도하는 두가지 방법을 가진, 절연 차폐물에 연결된 기포 수집기의 일부에 대한 상세도이다.

제 4 실시예는 고리형 주름 채널(601)이 평평한 프레임(600) 상에 동일 수직 위치에서 배열된 것을 제외하고는 제 3 실시예와 유사하다.

일 실시예에 따르면, 각각의 애노드 존은 가스를 통과시키도록 작지 않은 개구를 가진 절연 차폐물에 의해 완전히 분리되어, 인접한 애노드 존 사이에서 애노드 전해질이 서로 교차되는 것을 방지한다. 각각의 애노드 존은 수집된 가스를 도금 장치 밖으로 배출시키기 위한 독립된 가스 출구로 이루어진다. 일 실시예에서, 수평하게 배열된 주름 채널 내에 수집되어 합쳐진 기포는 분리된 존 내에서의 V형 단면을 가진 채널의 가장 높은 부분에 연결된 경로(609)를 통해 유도된다. 도 6c에 도시된 바와 같이, 수집된 가스는 경로(609)에 연결되고 절연 벽(607)을 통과하는 가스 출구 튜브(606)로부터 밖으로 배출되어 애노드 전해질 탱크로 되돌아 간다. 다른 실시예에서, 주름 채널 내에서 수집되어 합쳐진 기포는 전해질 유동의 동적 수압(hydrodynamic pressure)에 의해 V형 단면을 가진 채널의 가장 높은 부분에 매우 근접한 아래에서 가스 출구 튜브(610)에 가압되고, 도 6d에 도시된 바와 같이 애노드 전해질 탱크로 되돌아 간다. 다른 실시예에서, 두 개의 절연 차폐물 사이에 1/2-V형 단면을 가진 채널만 존재한다. 일 절연 차폐물은 V형 단면을 가진 채널의 가장 낮은 부분을 가로지르고, 다음 절연 차폐물은 V형 단면을 가진 인접한 채널의 가장 높은 부분을 가로지른다. 두 개의 인접한 절연 차폐물 사이의 기포 수집기 표면은 이 특정 구성에서 주름잡혀 있지 않고, 기포 수집기는 미세기포의 완전한 제거를 요구하지 않는 적용들에 적합하다.

도 7은 방사형 주름 채널을 구비하지 않은 멤브레인의 면적에 대한 방사형 주름 채널을 가진 멤브레인의 총면적의 비율을 도시한 것이다. 계산에 사용된 변수 및 치수는 표 1에서 주어진다. 방사형 주름 채널에 대한 총 면적은 제 1 실시예에 기초하여 유도된 식 (2)에서 계산될 수 있다. 이 비율은 채널의 개수 및 최대 채널 높이가 증가함에 따라 증가한다. 이 비율이 더 높아질수록, 전해질이 유동하는 면적도 더 커진다. 도시된 바와 같이, 면적은 10mm의 최대 채널 높이에서 200개의 방사형 주름 채널에서 3배였다.

원뿔의 베이스 반경	R
원뿔의 높이	H
원뿔의 요소	L
주름 채널의 최대 높이	h
주름 채널의 개수	n

[식 2]

도 8은 방사형 주름 채널 및 멤브레인 사이의 완충 영역을 가진 기포 수집기의 제 5 실시예의 단면도를 도시한 것이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 기포 수집기는 적어도 두 개의 투과성 멤브레인(802, 803), 투과성 멤브레인들 사이의 완충 영역(804), 및 투과성 멤브레인을 지지하는 프레임(800)을 가진다. 전해질 입구로서의 복수 개의 개구는 제 1 실시예에서 설명된 것과 동일 방법으로 제공되며, 합쳐진 기포는 위로 움직여 제 1 실시예의 방식과 유사한 방식으로 배출된다.

도 8의 실시예에 따르면, 갭은 하부 멤브레인(802)와 상부 멤브레인(803) 사이에 존재하여 완충 영역을 형성한다. 전해질은 완충 영역에서 충분히 느리게 유동하여, 하부 멤브레인을 통해 침투되는 대부분의 미세기포가 시간을 가지고, 영역 내에서 이들의 불안정한 특성들로 인해 용해된다. 본 출원에서, "미세기포(microbubble)"는 하부 멤브레인의 구멍 크기보다 더 작은 크기를 가진 기포로서 언급된다. 완충 영역 내의 전해질은 추가 전해질 순환에 의해 독립적으로 제어되어, 상부 챔버의 동적 수압에 대해 더 낮은 동적 수압을 제공한다. 압력 차이는 멤브레인으로의 미세기포의 일시적 부가를 방지하는 하향 전해질 유동을 보증하고, 이것은 상부 멤브레인을 통한 이온 확산에 대한 장애물(blockage)로서 작용할 수 있다.

완충 영역은 위에서 개시된 기포 수집기의 모든 실시예들에 적용될 수 있다.

Claims

복수 개의 절연 차폐물에 의해 구분된 복수 개의 애노드 존(anode zone)을 포함하되, 각각의 애노드 존이 애노드 전해질 순환(anode electrolyte circulation)을 형성하는 하부 챔버;
상기 복수 개의 절연 차폐물에 의해 구분된 복수 개의 캐소드 존(cathode zone)을 포함하되, 각각의 캐소드 존 내의 상기 캐소드 전해질 순환은 독립적으로 제어되는 상부 챔버;
상기 하부 챔버와 상기 상부 챔버 사이에 위치되고, 기포를 수집하고 상기 기포를 합쳐, 도금 장치 밖으로 배출되도록 합쳐진 기포를 안내하는 기포 수집기;
상기 상부 챔버의 상부에 위치된 유동 분산 장치;
상기 유동 분산 장치 상에 위치되고, 기판을 보유하고 있으며, 상기 기판으로 전류를 전도하는 기판 홀더;
복수 개의 독립 제어 채널을 가진 전력 공급원(power supply);
상기 챔버의 상기 존 내의 전해질 유동을 제어하는 전해질 유동 제어 장치; 및
상기 챔버 안으로 전해질 유동을 분배하는 복수 개의 유동 분배 서브-시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 도금 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 기포 수집기는,
하나 이상의 투과성 멤브레인을 지지하는 하나 이상의 프레임; 및
합쳐진 기포가 가스 출구까지 상향으로 움직이도록 하는 경로를 포함하되,
상기 하부 챔버에 가장 가까운 상기 투과성 멤브레인은 상기 기포가 수집되어 합쳐지도록, V자형 또는 역 V자형 단면을 가진 주름 채널(pleated channel)을 가지며,
상기 상부 챔버에 가장 가까운 상기 투과성 멤브레인은 상기 하부 챔버에 가장 가까운 상기 멤브레인을 통과한 미세기포를 수집하는 것을 특징으로 하는 도금 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 하부 챔버에 가장 가까운 상기 투과성 멤브레인은 폴리비닐 플루오라이드(PVF), 폴리비닐리덴 디플루오라이드(polyvylidene difluoride, PVDF), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 퍼플루오로알콕시 알칸(PFA) 중 하나의 물질로 이루어지며,
상기 하부 챔버에 가장 가까운 상기 투과성 멤브레인의 구멍 크기는 2㎛ 내지 50㎛ 사이이고,
상기 하부 챔버에 가장 가까운 상기 투과성 멤브레인은 상기 하부 챔버 내의 빌드업 물질(build-up material)과 그 위의 상기 전해질을 분리하는 것을 특징으로 하는 도금 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 상부 챔버에 가장 가까운 상기 투과성 멤브레인은 폴리비닐 플루오라이드(PVF), 폴리비닐리덴 디플루오라이드(polyvylidene difluoride, PVDF), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 퍼플루오로알콕시 알칸(PFA) 중 하나의 물질로 이루어지며,
상기 상부 챔버에 가장 가까운 상기 투과성 멤브레인의 구멍 크기는 2nm 내지 150nm 사이이고,
상기 상부 챔버에 가장 가까운 상기 투과성 멤브레인은 상기 전해질 내의 특정 이온을 여과시키는 것을 특징으로 하는 도금 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 주름 채널의 인접한 두 개의 측벽 사이의 각도는 10도 내지 120도 사이인 것을 특징으로 하는 도금 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 주름 채널의 인접한 두 개의 측벽 사이의 각도를 감소시키는 것은,
상기 측벽에 접촉하는 기포에 대한 부력 효과에 대한 저항력을 감소시켜, 기포를 상기 주름 채널 안으로 이동시켜 합쳐지도록 하는 것인 것을 특징으로 하는 도금 장치.
제 2 항에 있어서,
주어진 최대 채널 높이에서 상기 주름 채널의 개수를 증가시키는 것은,
상기 기포 수집기의 유효 표면적(effective surface area)을 증가시키는 것인 것을 특징으로 하는 도금 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 주름 채널은 원뿔형 프레임 또는 역원뿔형 프레임 상에 방사형으로 배열된 것을 특징으로 하는 도금 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 주름 채널은 원뿔형 프레임 또는 역원뿔형 프레임 상에 나선형으로 배열되는 것을 특징으로 하는 도금 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 주름 채널은 원뿔형 프레임 또는 역원뿔형 프레임 상에 고리형으로 배열되는 것을 특징으로 하는 도금 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 주름 채널은 동일한 수직 위치에서 평평한 프레임 상에 고리형으로 배열되는 것을 특징으로 하는 도금 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 주름 채널은 상이한 수직 위치에서 평평한 프레임 상에 고리형으로 배열되는 것을 특징으로 하는 도금 장치.
제 1 항에 있어서,
각각의 애노드 존에서, 애노드는 상기 절연 차폐물 중 하나의 절연 차폐물로 둘러싸이고, 전력 공급 시스템(power supply system)의 독립 제어 채널에 연결되는 것을 특징으로 하는 도금 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 기포 수집기는 하나 이상의 투과성 멤브레인을 포함하되,
완충 영역을 형성하도록 상기 멤브레인들 사이에 갭이 제공되고,
상기 완충 영역 내의 전해질은 독립적으로 제어되는 것을 특징으로 하는 도금 장치.
제 1 항에 있어서,
각각의 캐소드 존에서, 국부 유동장(local flow field)을 제어하기 위해 하나 이상의 독립 제어 전해질 입구가 제공되는 것을 특징으로 하는 도금 장치.
제 15 항에 있어서,
상기 복수 개의 캐소드 존 내의 상기 국부 유동장은,
상기 기판의 반응면 근처에서 반응물 및 부산물의 질량 수송 및 물질 교환을 제어하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 도금 장치.
제 15 항에 있어서,
상기 복수 개의 캐소드 존 내의 상기 국부 유동장은,
상기 기판 전체에 걸쳐 도금 필름의 성분의 균일성을 제어하기 위하여 사용되는 것을 특징으로 하는 도금 장치.
제 15 항에 있어서,
상기 복수 개의 캐소드 존 내의 상기 국부 유동장은,
상기 기판 전체에 걸쳐 상기 갭필 성능(gapfill performance)을 제어하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 도금 장치.
제 15 항에 있어서,
상기 복수 개의 캐소드 존 내의 상기 국부 유동장은,
상기 기판 전체에 걸쳐 도금 필름의 비저항 균일성(resistivity uniformity)을 제어하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 도금 장치.
제 15 항에 있어서,
상기 복수 개의 캐소드 존 내의 상기 국부 유동장은,
상기 기판 전체에 걸쳐 도금 필름 내에서 전자이동 저항 균일성(electromigration resistance uniformity)을 제어하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 도금 장치.
복수 개의 절연 차폐물에 의해 완전히 구분된 복수 개의 애노드 존을 포함하되, 각각의 애노드 존이 독립 애노드 전해질 순환 및 적어도 하나의 독립된 가스 출구로 이루어진 하부 챔버;
상기 복수 개의 절연 차폐물에 의해 구분된 복수 개의 캐소드 존을 포함하되, 각각의 캐소드 존 내의 상기 캐소드 전해질 순환이 독립적으로 제어되는 상부 챔버;
상기 하부 챔버와 상기 상부 챔버 사이에 위치된 기포 수집기;
상기 상부 챔버의 상부에 위치된 유동 분산 장치;
상기 유동 분산 장치 상에 위치되고, 기판을 보유하고 있으며 상기 기판으로 전류를 전도하는 기판 홀더;
복수 개의 독립 제어 채널을 가진 전력 공급원;
상기 챔버의 상기 존 내의 전해질 유동을 제어하는 전해질 유동 제어 장치; 및
상기 챔버 안으로 전해질 유동을 분배하는 복수 개의 유동 분배 서브-시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 도금 장치.
제 21 항에 있어서,
상기 기포 수집기는 하나 이상의 투과성 멤브레인을 지지하는 하나 이상의 프레임을 포함하되,
각각의 애노드 존 내의 상기 기포 수집기의 표면은 수평면에 대해 10도 내지 60도 사이의 각도로 경사진 것을 특징으로 하는 도금 장치.
제 22 항에 있어서,
상기 하부 챔버에 가장 가까운 상기 투과성 멤브레인은 폴리비닐 플루오라이드(PVF), 폴리비닐리덴 디플루오라이드(polyvylidene difluoride, PVDF), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 퍼플루오로알콕시 알칸(PFA) 중 하나의 물질로 이루어지며,
상기 하부 챔버에 가장 가까운 상기 투과성 멤브레인의 구멍은 2㎛ 내지 50㎛ 크기를 가지고,
상기 하부 챔버에 가장 가까운 상기 투과성 멤브레인은 상기 하부 챔버 내의 빌드업 물질(build-up material)과 그 위의 상기 전해질을 분리하는 것을 특징으로 하는 도금 장치.
제 22 항에 있어서,
상기 상부 챔버에 가장 가까운 상기 투과성 멤브레인은 폴리비닐 플루오라이드(PVF), 폴리비닐리덴 디플루오라이드(polyvylidene difluoride, PVDF), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 퍼플루오로알콕시 알칸(PFA) 중 하나의 물질로 이루어지며,
상기 상부 챔버에 가장 가까운 상기 투과성 멤브레인의 구멍은 2nm 내지 150nm 사이의 크기를 가지며,
상기 상부 챔버에 가장 가까운 상기 투과성 멤브레인은 상기 전해질 내의 특정 이온을 여과시키는 것을 특징으로 하는 도금 장치.
제 22 항에 있어서,
각각의 애노드 존 내의 가스는 상기 기포 수집기의 가장 높은 위치에서 최초로 수집된 다음, 상기 도금 장치 밖으로 개별적으로 유도되는 것을 특징으로 하는 도금 장치.
제 22 항에 있어서,
상기 기포 수집기는 하나 이상의 투과성 멤브레인을 포함하고,
완충 영역을 형성하도록 상기 멤브레인들 사이에 갭이 제공되고,
상기 완충 영역 내의 전해질은 독립적으로 제어되는 것을 특징으로 하는 도금 장치.
제 21 항에 있어서,
각각의 애노드 존에서, 애노드는 상기 절연 차폐물 중 하나의 절연 차폐물에 의해 완전히 분리되고, 전력 공급 시스템의 독립 제어 채널에 연결되는 것을 특징으로 하는 도금 장치.
제 21 항에 있어서,
각각의 캐소드 존에서, 국부 유동장을 제어하기 위해 적어도 하나의 독립적으로 제어되는 전해질 입구가 제공되는 것을 특징으로 하는 도금 장치.
제 28 항에 있어서,
상기 복수 개의 캐소드 존 내의 상기 국부 유동장은
상기 기판의 반응면 근처에서 반응물 및 부산물의 질량 수송 및 물질 교환을 제어하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 도금 장치.
제 28 항에 있어서,
상기 복수 개의 캐소드 존 내의 상기 국부 유동장은
상기 기판 전체에 걸쳐 도금 필름의 성분 균일성을 제어하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 도금 장치.
제 28 항에 있어서,
상기 복수 개의 캐소드 존 내의 상기 국부 유동장은
상기 기판 전체에 걸쳐 상기 갭필 성능을 제어하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 도금 장치.
제 28 항에 있어서,
상기 복수 개의 캐소드 존 내의 상기 국부 유동장은
상기 기판 전체에 걸쳐 도금 필름의 비저항 균일성을 제어하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 도금 장치.
제 28 항에 있어서,
상기 복수 개의 캐소드 존 내의 상기 국부 유동장은
상기 기판 전체에 걸쳐 상기 도금 필름 내에서 전자이동 저항 균일성을 제어하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 도금 장치.