TW201634762A - 電化學反應設備 - Google Patents

Abstract

本發明係提供一種電化學反應器，其具有可調整電鍍時之電場形狀的能力。電化學反應器包括儲存槽、陰極、陽極以及遮罩。儲存槽用以容納一電解質溶液；陰極與陽極，設置於儲存槽中，以形成通過電解質溶液的電力線，陰極或陽極包含一工件支架。遮罩附接於不具工件支架的陰極或陽極。遮罩包括一表面，用以阻擋部分的電力線；以及一導管，位於表面上，並用以將電力線集中於導管內。導管包括一突出部，具有由表面量測至導管的頂面的一高度；以及一開孔，貫通突出部，並且穿過表面，用以使電力線通過導管。

Description

電化學反應設備

本發明係關於電化學反應器。

電鍍金屬層厚度的均勻性是衡量電鍍品質的重要指標之一。在電鍍過程中，由於電鍍的“邊緣效應”會造成電鍍金屬層中間薄、邊緣厚的問題，厚度不均勻之金屬鍍層極可能影響後續製程或產品效能，進而降低整體製程良率。

如圖1所示，在沉積金屬凸塊的製程中，當電鍍液中的自由空間比晶圓2大時，電力線8會向外繞射並在晶圓2之邊緣處221有集中的效應，稱之為邊緣效應。電力線8於晶圓2的邊緣處221較為密集，即局部電流密度較大，使得電鍍時生成較高的凸塊。晶圓2之邊緣處221的電鍍凸塊高度較位於中間之凸塊高，使得整片晶圓2上之凸塊的均勻性不佳。

為解決邊緣效應，本申請案揭示內容的一實施例係提供一種具有厚度的導管之遮罩，其具有可調整電鍍時之電場形狀的能力。遮罩的導管可縮短陰極與陽極之間的距離，使得電力線散射路徑受阻，因而變更電場分佈曲線，藉此可改善電場於邊緣處集中的問題而提升晶圓電鍍的均勻性。

本申請案揭示內容的一實施例係提供一種電化學反應器，其具 有可調整電鍍時之電場形狀的能力。電化學反應器包括一儲存槽、一陰極與一陽極以及一遮罩。儲存槽用以容納一電解質溶液；陰極與陽極，設置於儲存槽中，以形成通過電解質溶液的電力線，其中陰極或陽極包含一工件支架；遮罩附接於不具工件支架的陰極或陽極。遮罩包括一表面，用以阻擋部分的電力線；以及一導管，位於表面上，並用以將電力線集中於導管內。導管包括一突出部，具有由表面量測至導管的頂面的一高度；以及一開孔，貫通突出部，並且穿過表面，用以使電力線通過導管。

本申請案揭示內容的一實施例係提供一種電化學反應器，其具有可調整電鍍時之電力線分布的能力，電化學反應器包括一儲存槽、一陰極與一陽極以及一遮罩。儲存槽用以容納一電解質溶液；陰極與陽極，設置於儲存槽中，以形成通過電解質溶液的電力線，其中陰極或陽極包括一工件支架；遮罩接觸不具工件支架的陰極或陽極，遮罩係用以調整到達工件支架上的一工件的電力線之均勻性，其中遮罩包括一表面，用以阻擋部分的電力線；以及一導管，耦接至表面，並用以聚集電力線通過一開孔，導管具有由表面量測至導管的頂面的一高度。

本申請案揭示內容的一實施例係提供一種電化學反應器，其具有可調整電鍍時之電力線分布的能力，電化學反應器包括一儲存槽、一陰極與一陽極以及一遮罩。儲存槽用以容納一電解質溶液；陰極與陽極，設置於儲存槽中，以形成通過電解質溶液的電力線，其中陰極包括一工件支架；遮罩位於陽極，用以調整到達工件支架上的一工件的電力線之均勻性；遮罩包括一表面，用以阻擋部分的電力線；以及一導管，連接至表面並用於將電力線導引通過一開孔；其中導管具有由表面量測至導管的頂面的一高度。

2‧‧‧晶圓

3‧‧‧陰極

4‧‧‧陽極

5‧‧‧電解質溶液

7‧‧‧中心線

8‧‧‧電力線

9‧‧‧晶圓支架

10‧‧‧擋板

11‧‧‧導管

12‧‧‧頂面

13‧‧‧開孔

14‧‧‧表面

15‧‧‧外表面

16‧‧‧內表面

17‧‧‧背表面

20‧‧‧儲存槽

22‧‧‧表面

23‧‧‧電源

100‧‧‧遮罩

102‧‧‧電極支架

112‧‧‧固定件

114‧‧‧部分

200‧‧‧電化學反應器

221‧‧‧邊緣處

H1‧‧‧高度

D、D1‧‧‧距離

TH1、TH2、TH3‧‧‧厚度

T1、T2‧‧‧角度

由以下詳細說明與附隨圖式得以最佳了解本申請案揭示內容之各方面。注意，根據產業之標準實施方式，各種特徵並非依比例繪示。實際上，為了清楚討論，可任意增大或縮小各種特徵的尺寸。

圖1係揭示一前案說明電化學反應器的橫切面之圖式。

圖2係根據本發明揭示內容之一實施例說明電化學反應器的橫切面之圖式。

圖3係根據本發明揭示內容之一實施例說明遮罩(shield)之固定機制之立體圖式。

圖4、6與9係根據本發明揭示內容之一些實施例說明遮罩之立體圖式。

圖5、7與8係根據本發明揭示內容之一些實施例說明遮罩之橫切面圖式。

以下揭示內容提供許多不同的實施方式或範例，用於實施本申請案之不同特徵。元件與配置的特定範例之描述如下，以簡化本申請案之揭示內容。當然，這些僅為範例，並非用於限制本申請案。例如，以下描述在第二特徵上或上方形成第一特徵可包含形成直接接觸的第一與第二特徵之實施方式，亦可包含在該第一與第二特徵之間形成其他特徵的實施方式，因而該第一與第二特徵可並非直接接觸。此外，本申請案可在不同範例中重複元件符號與/或字母。此重複係為了簡化與清楚之目的，而非支配不同實施方式與/或所討論架構之間的關係。

再者，本申請案可使用空間對應語詞，例如「之下」、「低於」、「較低」、「高於」、「較高」等類似語詞之簡單說明，以描述圖式中一元件或特徵與另一元件或特徵的關係。空間對應語詞係用以包括除了 圖式中描述的位向之外，裝置於使用或操作中之不同位向。裝置或可被定位(旋轉90度或是其他位向)，並且可相應解釋本申請案使用的空間對應描述。

請參考圖2，圖2為電化學反應器200的橫切面示意圖。電化學反應器200具有可調整電鍍時之電場形狀的能力(adjustable field shaping capability)，電化學反應器200包含儲存槽20、陽極4、陰極3以及遮罩100。儲存槽20係用以容納電解質溶液(即電鍍液)5。陽極4與陰極3設置於儲存槽20中，並至少局部浸泡於電解質溶液5中。電源23分別供應陽極4與陰極3正電與負電，以形成通過電解質溶液5的電力線8。

陽極4或陰極3的其中之一包含一工件支架，用以放置一欲被電鍍之工件。如圖2所示，於本實施例中，工件支架係位於陰極3，且工件支架為一晶圓支架9，用於在電鍍製程中置放晶圓2並電連接負電而成為陰極3。在一些實施例中，在電鍍過程中，晶圓支架9可藉由機械驅動旋轉而成為轉盤。相對於工件支架，一電極支架102則用以支承陰極3或陽極4中的另一個，於本實施例中，電極支架102係用於固定陽極4並電連接正電，且陽極4的至少一部分114係被電極支架102暴露出，以通過電解質溶液5而與陰極3形成電力線8。陽極4係由金屬所形成，且可包含溶解性陽極及不溶解性陽極。在本實施例中，陽極4為不溶解性陽極，其用來傳導電流，而電解質溶液5中之金屬離子則是以金屬鹽來補充。不溶解性陽極通常為良好的導電體，且不會與電解質溶液5產生化學作用而污染溶液也不會受到侵蝕。

遮罩100係設置於儲存槽20中，且位於陽極4與陰極3之間並附接於不具工件支架的陽極4或陰極3。於本實施例中，遮罩100係附接於陽極4，且遮罩100係固定於電極支架102上。請同時參考圖3，電極支架102可包含固定件112，用以使遮罩100可替換性地固定在電極支架102上，也就是說，遮罩100可依據需求輕易地從電極支架102上移除 並置換。遮罩100係由可抵抗電解質溶液5之侵蝕及不產生電鍍反應的材料所製成。這些材料具有介電特性或是為包含有介電性塗覆的複合材料，以防止儲存槽20中誘發的電位變化造成金屬電鍍在遮罩100上或是遮罩100產生化學反應而污染電解質溶液5。遮罩100的材料包含塑膠，例如聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、氟聚物、聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene，PTFE)或是聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride)。該材料阻擋電力線8通過，使電力線8被限制僅能通過開孔13而穿過遮罩100。

遮罩100包含具有表面14的擋板10以及導管11。擋板10係藉由表面14阻擋部分的電力線8形成。表面14大體上與晶圓2的表面22以及晶圓支架9的平面平行。擋板10包含由表面14量測至背表面17厚度TH1。導管11係位於表面14上。如圖3所示，遮罩100可用插置的方式使擋板10的邊緣固定於固定件112中，並使導管11對應陽極4被電極支架102暴露出的部分114的局部區域，而陽極4暴露出的部分114的其餘區域則完全被擋板10的表面14所覆蓋。

如圖2所示，導管11包含開孔13並具有一高度H1。高度H1係沿X的方向由表面14量測至導管11的頂面12，高度H1使導管11形成一突出部。導管11係耦合至表面14，並且用於聚集電力線8以通過開孔13。開孔13係穿過表面14與擋板10並貫通突出部，使得電力線8穿過遮罩100。如圖2所示，於本實施例中，電力線8始於陽極4，經由開孔13穿過遮罩100，並通過電解質溶液5而到達陰極3上的晶圓2。開孔13係用以塑形通過導管11內的電力線8。遮罩100係用於調整到達晶圓2之表面22上的電力線8分佈之均勻性(uniformity)。電力線8之分佈決定流經晶圓2之表面22的電流密度，並進一步影響表面22上所沉積的鍍層之均勻性。

遮罩100限制電流沿著電力線8之傳送僅能經由開孔13散射出。 遮罩100係一種立體遮板，其功能為縮小陽極4暴露出來的面積及縮短陰極3與陽極4之間的距離。請繼續參考圖2，遮罩100附接於陽極4上的位置是使導管11之開孔13的中心對準或接近晶圓2的中心線7，且陽極4暴露出的面積藉由擋板10的覆蓋而縮小，因此遮罩100可使得電力線8較為集中接近中心線7，即電力線8之分佈較圖1中的分佈為緊密。由於遮罩100直接附接於陽極4上，電力線8由陽極4產生後即被侷限於導管11的開孔13中移動，直至導管11的頂面12才開始不受侷限而向外擴展直至晶圓2的表面22。遮罩100藉由導管11而縮短了陰極3及陽極4之間的距離，使得電力線8散射路徑受阻，因而變更了電場分佈曲線。

具體而言，導管11的頂面12係與晶圓2的表面22相隔一距離D1。依照晶圓2之表面22的尺寸與狀態，可調整高度H1與距離D1之相對關係，例如，將導管11之高度H1增加及距離D1減少，使得開孔13更靠近晶圓2，電力線8從開孔13至晶圓2的散射路徑較圖1中的散射路徑短。也就是說，圖2中的電力線8才向外擴散一小段距離即到達晶圓2，不像圖1中的電力線8有足夠距離向外擴散繞射才折回集中至晶圓2的邊緣處221。因此，增加高度H1及降低距離D1會減少到達晶圓2邊緣處221上的電力線8的密度，使該處的鍍層沉積厚度不會較其他區域厚。散射路徑變短使電力線8的分佈形狀變更，因而減少了外圍的電力線8密度，使得整體的電力線8分佈均勻化，以降低邊緣效應。降低邊緣效應可縮小晶圓2之邊緣處221的凸塊高度與其他區域的凸塊高度之差異，使晶圓2上之凸塊高度的整體均勻性提高。

遮罩100的導管11及開孔13的形狀及形式係可依據需求作變化，以調整到達晶圓2之表面22上的電力線8之均勻性。遮罩100之第一實施例係如圖4所示。遮罩100的第二實施例係如圖5所示。遮罩100之第三實施例係如圖6所示。遮罩100之第四實施例係如圖7所示。遮罩100 之第五實施例係如圖8所示。遮罩100之第六實施例係如圖9所示。可理解地，本發明可用上述實施例的不同組合提供其他實施方式。圖4係說明遮罩100的立體圖式。說明中具有指示三方向X、Y與Z之箭號的座標系統。方向X、方向Y與方向Z係彼此垂直。方向Z與方向Y係與表面14平行。

在圖4中，遮罩100係包含圓筒形式的導管11。導管11具有由擋板10的表面14量測至導管11的頂面12的高度H1。高度H1的量測方向係垂直於表面14，亦為方向X。頂面12的形狀為圓環。導管11具有由導管11之外表面15沿平行表面14之方向量測至內表面16的一厚度TH2。開孔13係為圓形並貫通導管11使其形成圓筒形式。在一些實施例中，開孔13的尺寸與導管11的高度H1之間的比例係預先決定的。外表面15與內表面16係彼此平行。外表面15與內表面16平行於方向X，並且垂直於表面14。導管11的頂面12係與擋板10的表面14平行。

在圖5中，遮罩100包含圓錐形式的導管11。開孔13於導管11內亦呈圓錐形，即開孔13於靠近表面14處的孔徑較於頂面12處的孔徑小。外表面15與內表面16係彼此平行。外表面15與內表面16相對於表面14的傾斜角度為T1，其中T1小於90°。在一些實施例，外表面15與內表面16相對於表面14的傾斜角度可不相同，也就是外表面15與內表面16並非彼此平行。導管11及開孔13係以中心線7為對稱。

在圖6中，遮罩100包含矩形或稜形柱狀形式的導管11。頂面12係矩形環狀。開孔13於導管11內亦呈矩形或稜形柱狀。導管11及開孔13係以中心線7為對稱。

在圖7中，導管11由擋板10的表面14量測至頂面12的高度H1為漸變的，即導管11的頂面12相對於擋板10的表面14具有一傾斜角度T2。此時，開孔13與導管11相對於中心線7皆為非對稱。電力線8從背表面17通過開孔13並且在頂面12的開孔13向外離開，而改變角度T2會改變 從開孔13散出的電力線8之密度分布。例如，於導管11高度H1較小之處的開孔13(圖7中的左側)散出的電力線8會較導管11高度H1較大處的開孔13(圖7中的右側)散出的電力線8更向外擴散而較遠離中心線7。也就是，於本實施例中，電力線8相對於中心線7為非對稱的。在其他實施例中，頂面12可包含複數個角度T2，例如，沿著中心線7對導管11形成一垂直表面14的剖面來看，頂面12可為兩側對稱或不對稱的V字型。

在圖8中，遮罩100包含複數個導管11。導管11可包含相似或是不同的特徵，例如不同導管11的形狀、高度H1、厚度TH2、傾斜角度或頂面12之形式可為相同或是不同。導管11係彼此相隔距離D。距離D的量測方向係與表面14平行。距離D係從一外表面15至另一外表面15的最短距離。相對於中心線7，電力線8可為對稱或是不對稱，取決於每一導管11的結構。在本實施例中，兩個導管11從開口13向外擴展之部分的電力線8在靠近中心線7的區域R重合而增加區域R附近的電流密度。

在圖9中，遮罩100包含導管11。導管11包含複數個開口13。開口13可為不同形狀，例如正方形、長方形、多邊形、橢圓或是圓形。導管11具有從導管11的外表面15量測至內表面16的厚度TH2。對於不同的開口13，厚度TH2可為不同。例如，在一些實施例中，一些開口13比其他開口13較靠近外表面15。較靠近外表面15的開口13具有較小的厚度TH2。頂面12包含複數個開口13。厚度TH3係從內表面16至另一內表面16的最短距離。在不同的實施例中，不同開口13的內表面16可平行、傾斜分離或是向彼此傾斜。相對於中心線7，開孔13可為對稱或是不對稱。

在其他實施例中，外表面15與內表面16可為不規則形。根據預定要被電鍍覆蓋的面積，外表面15與內表面16的形狀可為相同或是不 同。頂面12也可為不規則環形。導管11可為筒狀、矩形稜柱、三角稜柱、或是不規則稜柱。開孔13可為正方形、圓形、多邊形、或是其他不規則形。可依照預先決定要被電鍍覆蓋的面積而調整開孔13的形狀和尺寸。

上述不同實施例的不同特徵可用於不同組合，以形成調整電力線8的散射路徑及密度之其他實施例。調整電力線8的散射路徑可藉由不同方法來達到，例如調整內表面16的傾斜度以控制散射路徑擴散的程度，如圖5所示。內表面16的傾斜度越大，擴散的程度越廣。而調整頂面12的傾斜度以控制散射路徑擴散的對稱程度，如圖7所示。頂面12的傾斜度越大，散射路徑越不對稱。

以上說明描述數個實施方式的特徵，因而熟知此技藝之人士可更加瞭解本申請案的揭示內容。熟知此技藝之人士應理解可輕易使用本申請案之揭示內容作為設計或修飾其他程序與結構的基礎，用以實現相同目的與/或達到此處所介紹之相同優點。熟知此技藝之人士亦應理解此均等架構並不脫離本申請案揭示內容的精神與範圍，並且可進行不同的變化、取代與替換而不脫離本申請案揭示內容的精神與範圍。

2‧‧‧晶圓

3‧‧‧陰極

4‧‧‧陽極

5‧‧‧電解質溶液

7‧‧‧中心線

8‧‧‧電力線

9‧‧‧晶圓支架

10‧‧‧擋板

11‧‧‧導管

12‧‧‧頂面

13‧‧‧開孔

14‧‧‧表面

15‧‧‧外表面

17‧‧‧背表面

20‧‧‧儲存槽

22‧‧‧表面

23‧‧‧電源

100‧‧‧遮罩

200‧‧‧電化學反應器

221‧‧‧邊緣處

Claims (17)

1. 一種電化學反應器，其具有可調整電鍍時之電場形狀的能力，該電化學反應器包括：一儲存槽，用以容納一電解質溶液；一陰極與一陽極，設置於該儲存槽中，以形成通過該電解質溶液的電力線，其中該陰極或該陽極包含一工件支架；以及一遮罩，附接於不具該工件支架的該陰極或該陽極；該遮罩包括：一表面，用以阻擋部分的該些電力線；以及一導管，位於該表面上，並用以將該些電力線集中於該導管內，其中該導管包括：一突出部，具有由該表面量測至該導管的頂面的一高度；以及一開孔，貫通該突出部，並且穿過該表面，用以使該些電力線通過該導管。
2. 如請求項1所述之電化學反應器，進一步包括一電極支架，用以固定附接有該遮罩的該陰極或該陽極。
3. 如請求項2所述之電化學反應器，其中該電極支架包括一固定件，用以使該遮罩可替換地固定在該電極支架上。
4. 如請求項2所述之電化學反應器，其中附接有該遮罩的該陰極或該陽極的至少一部分係被該電極支架暴露出並且對應該開孔之外的區域係完全被該表面所覆蓋。
5. 如請求項1所述之電化學反應器，其中該遮罩係由介電材料製成。
6. 如請求項1所述之電化學反應器，其中該表面係與該工件支架的一平面平行。
7. 如請求項1所述之電化學反應器，其中該開孔包括正方形、圓形、橢圓形、多邊形或是不規則形。
8. 如請求項1所述之電化學反應器，其中該遮罩包括複數個該導管。
9. 一種電化學反應器，其具有可調整電鍍時之電力線分布的能力，該電化學反應器包括：一儲存槽，用以容納一電解質溶液；一陰極與一陽極，設置於該儲存槽中，以形成通過該電解質溶液的電力線，其中該陰極或該陽極包括一工件支架；以及一遮罩，接觸不具該工件支架的該陰極或該陽極，該遮罩係用以調整到達該工件支架上的一工件的該些電力線之均勻性，其中該遮罩包括：一表面，用以阻擋部分的該些電力線；以及一導管，耦接至該表面，並用以聚集該些電力線通過一開孔，該導管具有由該表面量測至該導管的頂面的一高度。
10. 如請求項9所述之電化學反應器，其中該導管具有由該導管的外表面量測至內表面的一厚度。
11. 如請求項9所述之電化學反應器，其中該導管具有與該表面垂直的一內表面。
12. 如請求項9所述之電化學反應器，其中該導管具有與該表面傾斜一角度的一內表面。
13. 如請求項9所述之電化學反應器，其中該開孔包括正方形、圓 形、橢圓形、多邊形或是不規則形。
14. 一種電化學反應器，其具有可調整電鍍時之電力線分布的能力，該電化學反應器包括：一儲存槽，用以容納一電解質溶液；一陰極與一陽極，設置於該儲存槽中，以形成通過該電解質溶液的電力線，其中該陰極包括一工件支架；以及一遮罩，位於該陽極，用以調整到達該工件支架上的一工件的該些電力線之均勻性；該遮罩包括：一表面，用以阻擋部分的該些電力線；以及一導管，連接至該表面並用於將該些電力線導引通過一開孔；其中該導管具有由該表面量測至該導管的頂面的一高度。
15. 如請求項14所述之電化學反應器，其中該遮罩係可替換地放置於該陽極。
16. 如請求項14所述之電化學反應器，其中該陽極中形成該些電力線的一部分於該開孔之外的區域係完全被該表面所覆蓋。
17. 如請求項14所述之電化學反應器，其中該導管包括複數個該開孔。