TW202136593A - 電鍍裝置和電鍍方法 - Google Patents

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王堅
楊宏超
賈照偉
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Abstract

本發明揭示了在具有圖形結構的基板上金屬沉積的電鍍裝置和電鍍方法。在一個實施例中，電鍍裝置包括用於容納電鍍液的電鍍槽、用於夾持基板的基板保持模組，以及至少一個驅動裝置，用於在基板浸入電鍍液中以被電鍍的過程中，驅動基板保持模組與基板一起水平振動和/或豎直振動。本發明通過振動基板保持模組，能夠加強基板電鍍過程中的品質傳遞，從而提高圖形結構上的電鍍速率和電鍍均勻性。

Description

電鍍裝置和電鍍方法
本發明關於半導體器件製造領域，具體關於具有電鍍液攪動的電鍍裝置及電鍍方法以提高電鍍速率。
為了製造半導體器件，在雙大馬士革工藝中，電鍍技術通常被用於在互連結構（例如溝槽、孔洞、矽通孔等）中形成金屬膜，或被用於在先進封裝工藝中形成諸如凸塊等結構。隨著技術的快速發展，不僅對鍍層品質提出了更高要求，對電鍍速率同樣提出了更高要求。由於更高的電鍍速率意味著更高的產量，電鍍速率在雙大馬士革工藝和先進封裝工藝中都變得越來越重要。
通常，電鍍速率與以下幾個因素相關，例如電鍍液組分、電鍍液溫度和電鍍液攪動，其中，電鍍液攪動進一步與以下物理量相關，例如電鍍液流速、待電鍍基板的轉速和對電鍍液施加的振動。目前，有幾種提高電鍍液攪動程度從而加強電鍍過程中的品質傳遞來提高電鍍速率的方式。一種方式是使用流成形板並結合流轉向器，流埠橫向流增強。儘管這種方式可以控制電鍍液流體動力學，從而在電鍍過程中獲得有效的品質傳遞，進而獲得較高的鍍層均勻性。然而，如果電鍍液在基板上從一側到另一側的流動太強，電鍍液流動會影響電鍍液中的添加劑分佈。具體地，電鍍液在流埠附近一側的流速很快，在遠離流埠的另一側流速很慢。因此，越過基板中心往邊緣區域的電鍍液的流速是不均勻的。更具體地，電鍍液的流速在基板邊緣的流埠處很強，而電鍍液在經過基板中心向遠離流埠的另一側流動時，電鍍液的流速變得越來越弱。許多添加劑尤其是電鍍平整劑對電鍍液的流速敏感。如果電鍍液的流速太強且整個基板上的電鍍液流速分佈不均勻，平整劑會更容易附著在基板表面上對應電鍍液流速更強處，因此造成電鍍均勻性不佳。同時，對於半導體器件上的微結構，例如凸塊結構，其形貌也會受到影響。由於平整劑對電鍍液的流速敏感，凸塊形貌將變得傾斜。雖然通過旋轉基板能夠補償不均勻性，然而，基板的轉速在電鍍過程中會變化（在本行業很常見），這仍將導致電鍍的不均勻。
另一種加強電鍍液攪動的方法是使用槳葉，利用槳葉的振動來加強電鍍液攪動。該方式的缺點是，由於槳葉設置在擴散盤與待電鍍基板之間，槳葉的高速運動會導致電鍍液中產生氣泡，氣泡會附著在基板表面，使得該處沒有被電鍍，從而引起電鍍品質問題。由槳葉引起的另外一個問題是：由於槳葉具有很多開口，開口的形狀和大小會影響電場分佈，這將引起基板的電鍍不均勻問題。此外，當槳葉被用於攪動基板表面附近的流體時，它會產生電鍍液內電場的陰影“（shadow）”，引起待電鍍基板上的鍍層不均勻問題。
另外，為了獲得更高的電鍍速率，與低電鍍速率的電鍍液相比，高電鍍速率的電鍍液有不同的配方。以電鍍銅為例，傳統的電鍍速率是2-5 ASD，對於超過8 ASD的電鍍速率，尤其是8-30 ASD的電鍍速率，電鍍液中的銅離子濃度更高且添加劑更加複雜。電鍍速率越高，越難控制薄膜或凸塊的形貌。而且隨著器件結構越來越複雜，例如一片晶粒上同時具有溝槽和大襯墊結構，因此平整劑需要更高的濃度。同樣，通過高速電鍍也很難控制晶圓級均勻性。為了在晶圓級上和晶粒內獲得良好的電鍍結果，電鍍液中的添加劑，例如加速劑、平整劑和抑制劑，需要互相協同工作。
因此，目前的電鍍液攪動方法存在著各種不足。有必要提出一種提高電鍍速率和電鍍均勻性的電鍍液攪動方法。
本發明的一個目的是提供一種在具有圖形結構的基板上進行金屬沉積的電鍍裝置。電鍍裝置包括用於容納電鍍液的電鍍槽、用於保持基板的基板保持模組以及至少一個驅動裝置被配置為在基板浸入電鍍液中以被電鍍的過程中，驅動基板保持模組和基板一起水平和/或豎直振動。
本發明的另一個目的是提供一種在具有圖形結構的基板上進行金屬沉積的電鍍方法。該方法包括以下步驟：將基板裝載在基板保持模組以被其保持；將基板浸入在電鍍槽內的電鍍液中；在基板浸入電鍍液中以被電鍍的過程中，驅動基板保持模組和基板一起水平和/或豎直振動。
本發明的又一個目的是提供一種在具有圖形結構的基板上進行金屬沉積的電鍍裝置。電鍍裝置包括用於容納電鍍液的電鍍槽、用於保持基板的基板保持模組、用於驅動基板保持模組和基板一起旋轉的旋轉執行器，以及控制器被配置為控制旋轉執行器旋轉N圈然後再反向旋轉N圈，該過程被交替執行數個循環，N小於或等於3.0。
本發明還有一個目的是提供一種在具有圖形結構的基板上進行金屬沉積的電鍍方法。該方法包括以下步驟：將基板裝載在基板保持模組以被其保持；使基板浸入在電鍍槽內的電鍍液中；在基板浸入電鍍液中以被電鍍的過程中，通過旋轉執行器驅動基板保持模組和基板一起旋轉，控制旋轉執行器旋轉N圈然後再反向旋轉N圈，該過程被交替執行數個循環，N小於或等於3.0。
綜上所述，本發明揭露了一種獨特的基板電鍍過程中的電鍍液攪動方式，即讓基板保持模組與基板一起振動，這樣可以加強品質傳遞從而提高電鍍速率和電鍍均勻性。此外，由於基板保持模組的振動是往復的，振動頻率很快，足以使添加劑在圖形結構內部均勻分佈。電鍍液的品質傳遞邊界層會變得更薄，電鍍液中被吸收進圖形結構中的添加劑交換非常迅速和均勻，因此圖形結構中電鍍金屬的一致性得到了改善，克服了所鍍的柱狀物或凸塊傾斜的缺陷，同時電鍍速率可以更高。
請參照圖1，示意了一種傳統的用於金屬沉積的電鍍裝置100。電鍍裝置100具有用於容納電鍍液的電鍍槽110、用於夾持基板130並與基板130的導電面電連接的基板保持模組120、與基板保持模組120連接並使基板保持模組120沿其軸旋轉的旋轉執行器140、設置在電鍍槽110中並朝向基板130的導電面的陽極150，以及與基板保持模組120和陽極150電連接的電源160。電鍍裝置100還包括設置在電鍍槽110周圍的凹槽170，用於接收從電鍍槽110中溢出的電鍍液。電鍍裝置100還包括儲液槽190，管道180連接凹槽170和儲液槽190，儲液槽190通過另一根管道180連接至電鍍槽110。
當電鍍裝置100被用於在具有圖形結構131的基板130上沉積金屬時，旋轉執行器140驅動基板保持模組120繞其軸旋轉，電鍍液從電鍍槽110的中心流出並經由基板130的中心流向基板130的邊沿。通常，為了在基板130上沉積金屬，各種添加劑，例如平整劑、加速劑、抑制劑等，被添加至電鍍液中。其中，某些添加劑對電鍍液的流速敏感。例如，在電鍍銅的電鍍液中，平整劑更容易附著在基板表面電鍍液流速更快處，因此當平整劑在電鍍中起主要作用時，由於電鍍液是從基板130的中心流向邊沿，平整劑有更多的機會停留在圖形結構131的一側，這會導致平整劑在圖形結構131中分佈不均勻，引起圖形結構131中的金屬沉積不均勻，最終導致金屬柱狀物或凸塊傾斜，如圖2A-2C所示。又例如，在電鍍銅的電鍍液中，加速劑對電鍍液的流速更加敏感。加速劑更容易附著在基板表面電鍍液流速更快處。在另一個實施例中，當加速劑在電鍍中起主要作用時，由於電鍍液是從基板130’的中心流向邊沿，加速劑有更多的機會停留在基板130’上的圖形結構131’的一側，這會導致加速劑在圖形結構131’中分佈不均勻，引起圖形結構131’中的金屬沉積不均勻，最終導致金屬柱狀物或凸塊傾斜，如圖3A-3C所示。當電鍍速度更快時，傾斜會更大。為了在高速電鍍下獲得更好的凸塊形貌，需要一種新技術。
為了解決該問題並在具有圖形結構的基板上獲得均勻的金屬沉積，本發明揭示的電鍍裝置和電鍍方法通過在基板浸沒電鍍液中被電鍍的過程中，驅動基板保持模組與基板一起振動，可以使添加劑如平整劑、加速劑和抑制劑在圖形結構中均勻分佈，不再聚集在一處，從而降低所鍍的金屬柱狀物或凸塊的傾斜，並獲得圖形結構中金屬沉積的均勻性。高頻振動同樣可以降低電鍍液邊界層厚度。邊界層厚度越薄，越能獲得更高的品質傳遞速率和更高的金屬沉積速率。
參照圖4，示意了根據本發明一個可選實施例的用於在具有圖形結構的基板上金屬沉積的電鍍裝置。電鍍裝置400具有用於容納電鍍液的電鍍槽401、用於夾持基板403並與基板403的導電面電連接的基板保持模組402、驅動基板保持模組402繞基板保持模組402的軸旋轉的旋轉執行器404和至少一個用於驅動基板保持模組402水平和/或豎直振動的驅動裝置405。驅動裝置405可以為馬達、氣缸或振動器。電鍍裝置400還包括至少一個設置在電鍍槽401中並朝向基板403的導電面的陽極406，以及與基板保持模組402和陽極406電連接的電源407。電鍍槽401周圍設置有凹槽408，用於接收從電鍍槽401中溢出的電鍍液。電鍍裝置400還包括儲液槽410，管道409連接凹槽408和儲液槽410，儲液槽410通過另一根管道409連接至電鍍槽401。
結合圖5A和圖5B，基板403具有圖形結構4031。當使用電鍍裝置400在圖形結構4031中沉積金屬時，基板403被基板保持模組402水平夾持，然後基板403被浸入電鍍液中以進行電鍍，同時，驅動裝置405驅動基板保持模組402和基板403執行往復運動來攪動電鍍液，往復運動包括水平振動和/或豎直振動，可以加強品質傳遞，因此，在基板403浸沒電鍍液中進行電鍍的過程中，金屬離子、添加劑（例如平整劑、加速劑、抑制劑）就可以在圖形結構4031中均勻分佈，不再聚集在一個地方，從而可以降低電鍍金屬柱狀物或凸塊的傾斜，在圖形結構4031中獲得均勻的金屬沉積。特別的，在基板403被浸入電鍍液以進行電鍍的過程中，旋轉執行器404驅動基板保持模組402繞基板保持模組402的軸旋轉，電鍍液以流速V2 的速度從電鍍槽401中心流出並經由基板130的中心流向基板130的邊沿。驅動裝置405驅動基板保持模組402和基板403以V1 的振動速度水平振動。V1 不低於0.2 V2 。較佳者，V1 大於V2 。更佳者，V1 比V2 大2倍。如圖5A所示，當振動方向與電鍍液流動方向相反時，相對速度V等於V1 +V2 。如圖5B所示，當振動方向與電鍍液流動方向相同時，相對速度V等於V1 －V2 。由於基板保持模組402的水平振動，相對速度V迅速變化，實現了電鍍液的攪動，從而提高品質傳遞，改善了添加劑在圖形結構4031中的分佈均勻度，且進一步改善了電鍍速率和電鍍均勻性。
參照圖6，示意了根據本發明另一個可選實施例的用於在具有圖形結構的基板上金屬沉積的電鍍裝置。電鍍裝置600具有用於容納電鍍液的電鍍槽601、用於夾持基板603的基板保持模組602和至少一個用於驅動基板保持模組602水平振動和/或豎直振動的驅動裝置605。驅動裝置605可以為馬達、氣缸或振動器。電鍍裝置600還包括至少一個設置在電鍍槽601中並朝向基板603導電面的陽極606，以及與基板603導電面和陽極606電連接的電源607。電鍍槽601周圍設置有凹槽608，用於接收從電鍍槽601中溢出的電鍍液。電鍍裝置600還包括儲液槽610，管道609連接至凹槽608和儲液槽610，儲液槽610通過另一根管道609連接至電鍍槽601。
在本實施例中，具有圖形結構的基板603被基板保持模組602豎直夾持。基板保持模組602和基板603被豎直浸入電鍍液中以在圖形結構中進行金屬沉積。在電鍍過程中，驅動裝置605驅動基板保持模組602和基板603執行往復運動來攪動電鍍液，往復運動包括水平振動和/或豎直振動，可以加強品質傳遞，因此，在基板603浸沒電鍍液中進行電鍍的過程中，金屬離子、添加劑（例如平整劑、加速劑、抑制劑）就可以在圖形結構中均勻分佈，不再聚集在一個地方，因此可以降低電鍍金屬柱狀物或凸塊的傾斜，在圖形結構中獲得均勻的金屬沉積。
參照圖7A-9B，示意了根據本發明又一個可選實施例的用於在具有圖形結構的基板上金屬沉積的電鍍裝置。電鍍裝置700具有電鍍槽701、基板保持模組、振動板715、安裝板716、支撐座717和驅動裝置705。基板保持模組進一步包括基板夾具702、支撐柱712、固定件713、支架714和旋轉執行器704。
電鍍槽701用於容納電鍍液。電鍍槽701可包含用於電鍍的陽極室和陰極室。陽極室和陰極室由設置在離子膜骨架上的離子膜分隔開。陽極室可被分隔成多個陽極區，每個陽極區容納一個陽極，每個陽極各自連接一個獨立控制的電源。陽極可以採用材料例如銅、Ti或者被Pt塗層的Ti板製成。至少一個具有數個小孔的擴散盤711設置在陰極室中用以控制電場均勻度和電鍍液均勻度。陰極室周圍設置有凹槽708，用於接收從陰極室中溢出的電鍍液。
基板夾具702用於夾持基板。支撐柱712連接基板夾具702和固定件713。支架714固定於固定件713的一側。振動板715支撐基板保持模組。振動板715的一端連接支架714，振動板715的另一端連接安裝板716。安裝板716設置在支撐座717上。安裝板716可以在豎直執行器的驅動下沿著支撐座717上下移動，從而帶動振動板715上下移動。振動板715具有一個固有頻率。旋轉執行器704設置在固定件713上，用於驅動基板夾具702旋轉。驅動裝置705設置在支架714上，用於驅動基板保持模組水平振動或以振動板715的固有頻率共振。驅動裝置705可以是振動器，例如慣性振動器。
如圖8A-8B和圖9A-9B所示，當基板被浸沒電鍍液中以被電鍍時，驅動裝置705可以驅動基板夾具702水平振動。基板夾具702可以受驅動裝置705的驅動而執行往復運動。一對限位部件718被用於限制基板保持模組的振幅從而防止支架714碰撞到安裝板716。這對限位部件718可以採用軟橡膠製成。在一個實施例中，該對限位部件718被設置在支架714上，並分設在振動板715的兩側。在另一個實施例中，該對限位部件718被設置在安裝板716上，並分設在振動板715的兩側。
基板保持模組的振幅與圖形結構的尺寸相關。較佳者，基板保持模組的振幅比圖形結構的尺寸大，這樣可以提高圖形結構中金屬沉積上方的振動效果。基板保持模組的振幅可以設置在25 um-2000 um，較佳者為100 um-500 um。
基板保持模組的振動頻率與基板保持模組的振幅和振動速度相關。進一步的，基板保持模組的振動速度與電鍍液的流速相關。較佳者，基板保持模組的振動速度比電鍍液從中間向邊沿流動的速度要大。電鍍液的流速通常設置在0.01 m/s到0.2 m/s之間，取決於電鍍液供給的初始流量。基板保持模組的振動頻率可以按以下計算公式進行計算：f=V1/4A，其中，f為基板保持模組的振動頻率，V1為基板保持模組的振動速度，A為基板保持模組的振幅。例如，設置V1為0.02 m/s，A為0.5 mm，則f的計算結果為10 Hz。該頻率為基板保持模組和振動板715的共振頻率，也是振動板715的固有頻率和驅動裝置705的初始頻率，振動板715具體為一個懸臂結構。慣性振動器的工作頻率可以設置成0.1 Hz到500 Hz之間，較佳者，設置成振動板715的共振頻率，這樣驅動它的能量需求最小。
參照圖21，示出了一個振動模型。結合振動模型和以下計算公式，可以得到振動板715的尺寸。
Figure 02_image001
(1)
Figure 02_image003
(2)
Figure 02_image005
(3)
Figure 02_image007
(4) 在計算公式(1)-(4)中，f為基板保持模組的振動頻率，m為基板保持模組的重量，k為振動板的剛度係數，E為振動板材料的彈性模量，H為振動板的橫截面寬度，B為振動板的橫截面高度，L為振動板的長度。
根據計算公式(1)-(4)，可以得到振動板715的尺寸。下表給出了一些實例。
Figure 02_image009
參照圖10A-11B，示意了根據本發明另一個可選實施例的用於在具有圖形結構的基板上金屬沉積的電鍍裝置。與圖7A-9B中的電鍍裝置相比，本實施例中的驅動裝置705’可以為一對馬達或氣缸，用於驅動基板保持模組水平振動且與振動板715共振。該對馬達或氣缸可以設置在支架714上，並分設在振動板715的兩側。或者，該對馬達或氣缸可以設置在安裝板716上，並分設在振動板715的兩側。
參照圖12A至圖14B，示意了根據本發明又一個可選實施例的用於在具有圖形結構的基板上金屬沉積的電鍍裝置。電鍍裝置1200包括電鍍槽1201、基板保持模組、一對振動板1215、安裝板1216、支撐座1217和驅動裝置1205。基板保持模組進一步包括基板夾具1202、支撐柱1212、固定件1213、支架1214、旋轉執行器1204、豎直連接部件1219、水平連接部件1220、彈性連接部件1221和框架1222。
電鍍槽1201用於容納電鍍液。電鍍槽1201可以包括用於電鍍的陰極室和陽極室。陽極室和陰極室由設置在離子膜骨架上的離子膜分隔開。陽極室可被分隔成多個陽極區，每個陽極區容納一個陽極，每個陽極各自連接一個獨立控制的電源。陽極可以採用材料例如銅、Ti或者Pt塗層的Ti板製成。至少一個具有數個小孔的擴散盤1211設置在陰極室中用以控制電場均勻度和電鍍液均勻度。陰極室周圍設置有凹槽1208，用於接收從陰極室中溢出的電鍍液。
基板夾具1202用於夾持基板。支撐柱1212連接基板夾具1202和固定件1213。支架1214大體為U形，具有兩臂和一個基部。支架1214的兩臂分設在固定件1213的兩側並各自連接至對應的振動板1215。所述的一對振動板1215連接至固定件1213的兩側。支架1214的基部連接至安裝板1216。安裝板1216設置在支撐座1217上。安裝板1216可以受豎直執行器的驅動，沿著支撐座1217上下運動，從而帶動基板保持模組上下運動。為了防止基板保持模組下垂，豎直連接部件1219連接至支架1214的基部和水平連接部件1220，且水平連接部件1220連接至彈性連接部件1221，彈性連接部件1221連接至固定在固定件1213上的框架1222。旋轉執行器1204設置在固定件1213上，用於驅動基板夾具1202旋轉。
驅動裝置1205設置在固定件1213上，用於在基板電鍍過程中驅動基板保持模組豎直振動或者以振動板1215的固有頻率共振，如圖13A-13B和圖14A-14B所示。驅動裝置1205可以為振動器。
基板夾具1202高頻率的上下運動可以在基板與擴散板1211之間的空間內產生很強的攪動效果。當基板夾具1202高速向下運動時，上述空間內的液壓急劇增加，電鍍液被壓力驅使進入圖形結構內部。因此圖形結構中的微流體流動速度非常快，添加劑將均勻地滲透到圖形結構中，從而有助於克服凸塊傾斜問題。另一方面，當基板夾具1202向上運動時，所述空間會變得越來越大，其中的液壓會迅速降低，微小圖形結構中的液體會被牽引出來。在高速上下運動中，液壓迅速變化，圖形結構中的品質傳遞速率得到加強。
參照圖15A-16B，示意了根據本發明另一個可選實施例的用於在具有圖形結構的基板上金屬沉積的電鍍裝置。與圖12A-14B中的電鍍裝置相比，本實施例中的驅動裝置1205’可以為一個馬達或氣缸，用於驅動基板保持模組豎直振動且與振動板1215共振。馬達或氣缸可以設置在水平連接部件1220上。
參照圖17A-17B，示意了根據本發明又一個可選實施例的用於在具有圖形結構的基板上金屬沉積的電鍍裝置。電鍍裝置1700包括電鍍槽1701、基板保持模組、振動板1715、安裝板1716、支撐座1717和豎直執行器。基板保持模組進一步包括基板夾具1702、支撐柱1712、固定件1713和旋轉執行器1704。
電鍍槽1701用於容納電鍍液。電鍍槽1701可包含用於電鍍的陽極室和陰極室。陽極室和陰極室由設置在離子膜骨架上的離子膜分隔開。陽極室可被分隔成多個陽極區，每個陽極區容納一個陽極，每個陽極各自連接一個獨立控制的電源。陽極可以採用材料例如銅、Ti或者Pt塗層的Ti板製成。至少一個具有數個小孔的擴散盤1711設置在陰極室中用以控制電場均勻度和電鍍液均勻度。陰極室周圍設置有凹槽1708，用於接收從陰極室中溢出的電鍍液。
基板夾具1702用於夾持基板。支撐柱1712連接基板夾具1702和固定件1713。振動板1715連接至固定件1713的一側和安裝板1716。安裝板1716設置在支撐座1717上。安裝板1716可以受豎直執行器的驅動，沿著支撐座1717上下運動，從而帶動基板保持模組上下運動。旋轉執行器1704設置在固定件1713上，用於驅動基板夾具1702旋轉。
本實施例中，豎直執行器作為驅動裝置，用於在基板電鍍過程中驅動基板保持模組豎直振動或以振動板1715的固有頻率共振。
參照圖18A-20C，示意了根據本發明又一個可選實施例的用於在具有圖形結構的基板上金屬沉積的電鍍裝置。電鍍裝置1800包括電鍍槽1801、基板保持模組、第一振動板18151、一對第二振動板18152、安裝板1816、支撐座1817和第一驅動裝置1805。基板保持模組進一步包括基板夾具1802、支撐柱1812、固定件1813、支架1814和旋轉執行器1804。
電鍍槽1801用於容納電鍍液。電鍍槽1801可包含用於電鍍的陽極室和陰極室。陽極室和陰極室由設置在離子膜骨架上的離子膜分隔開。陽極室可被分隔成多個陽極區，每個陽極區容納一個陽極，每個陽極各自連接一個獨立控制的電源。陽極可以採用材料例如銅、Ti或者Pt塗層的Ti板製成。至少一個具有數個小孔的擴散盤1811設置在陰極室中用以控制電場均勻度和電鍍液均勻度。陰極室周圍設置有凹槽1808，用於接收從陰極室中溢出的電鍍液。
基板夾具1802用於夾持基板。支撐柱1812連接基板夾具1802和固定件1813。支架1814大體為U形，具有兩臂和一個基部。支架1814的兩臂分設在固定件1813的兩側並各自連接至對應的第二振動板18152。該對第二振動板18152連接至固定件1813的兩側。支架1814的基部連接至第一振動板18151的一端。第一振動板18151的另一端連接至安裝板1816。安裝板1816設置在支撐座1817上。安裝板1816可以受豎直執行器的驅動，沿著支撐座1817上下運動，從而帶動基板保持模組上下運動。旋轉執行器1804設置在固定件1813上，用於驅動基板夾具1802旋轉。一對限位部件1818被用於限制基板保持模組的振幅從而防止支架1814碰撞到安裝板1816。這對限位部件1818可以採用軟橡膠製成。在一個實施例中，該對限位部件1818被設置在支架1814上，並分設在第一振動板18151的兩側。在另一個實施例中，該對限位部件1818被設置在安裝板1816上，並分設在第一振動板18151的兩側。
第一驅動裝置1805設置在支架1814的基部，用於驅動基板保持模組水平振動或以第一振動板18151的固有頻率共振。豎直執行器作為第二個驅動裝置，用於驅動基板保持模組豎直振動或以兩個第二振動板18152的固有頻率共振。在本實施例中，基板保持模組可以在基板電鍍過程中受第一驅動裝置1805和豎直執行器驅動而同時水平振動和豎直振動。
參照圖22，示意了根據本發明又一個可選實施例的用於在具有圖形結構的基板上金屬沉積的電鍍裝置。電鍍裝置2200包括電鍍槽2201、基板保持模組、安裝板2216、支撐座2217和驅動裝置2205。基板保持模組進一步包括基板夾具2202、支撐柱2212、連接板2225、固定件2213、支架2214、旋轉執行器2204、軸2223、軸承2224和一對彈性部件2226。
電鍍槽2201用於容納電鍍液。電鍍槽2201可以包括用於電鍍的陰極室和陽極室。陽極室和陰極室由設置在離子膜骨架上的離子膜分隔開。陽極室可被分隔成多個陽極區，每個陽極區容納一個陽極，每個陽極各自連接一個獨立控制的電源。陽極可以採用材料例如銅、Ti或者Pt塗層的Ti板製成。至少一個具有數個小孔的擴散盤2211設置在陰極室中用以控制電場均勻度和電鍍液均勻度。陰極室周圍設置有凹槽2208，用於接收從陰極室中溢出的電鍍液。
基板夾具2202用於夾持基板。支撐柱2212連接基板夾具2202和連接板2225。旋轉執行器2204設置在固定件2213上。軸2223穿過固定件2213。軸2223的一端連接旋轉執行器2204，軸2223的另一端通過軸承2224連接至連接板2225。一對彈性部件2226連接軸2223和連接板2225。支架2214固定在固定件2213的一側並連接至安裝板2216。安裝板2216設置在支撐座2217上。安裝板2216可以在豎直執行器的驅動下，沿著支撐座2217上下運動，從而帶動基板保持模組上下運動。驅動裝置2205設置在連接板2225上。
電鍍時，旋轉執行器2204驅動軸2223以w1的速度旋轉。由於一對彈性部件2226連接軸2223和連接板2225，基板夾具2202、支撐柱2212和連接板2225同樣以w1的旋轉速度隨軸2223一起旋轉。當基板夾具2202旋轉以進行電鍍時，驅動裝置2205驅動基板夾具2202、支撐柱2212和連接板2225以w2的旋轉速度順時針和逆時針旋轉，較佳者，w2大於w1，因此，基板夾具2202的旋轉速度可以快速改變來實現電鍍液的攪動。因此，電鍍的均勻性和電鍍速率得到改善。
如上所述，本發明在基板浸沒電鍍液中以進行電鍍的過程中，採用至少一個驅動裝置來驅動基板振動，使細微結構中的添加劑均勻分佈，從而令細微結構中電鍍金屬的均勻性得到改善。此外，與現有技術中採用槳葉進行電鍍液攪動相比，由於本發明不在基板與擴散盤之間設置槳葉等類似的遮擋物，因此電場分佈更均勻，且沒有陰影“（shadow）”問題。
本發明還提供了一種用於在具有圖形結構的基板上金屬沉積的電鍍方法，包括以下步驟： 將基板裝載於基板保持模組中以被基板保持模組夾持； 將基板浸入電鍍槽中的電鍍液； 在基板浸入電鍍液中以被電鍍的過程中，驅動基板保持模組與基板一起水平振動和/或豎直振動。
在一個實施例中，基板被基板保持模組水平夾持。
在一個實施例中，基板被基板保持模組豎直夾持，基板保持模組和基板被豎直浸入電鍍液中。
在一個實施例中，電鍍液的流速為V2 ，基板保持模組和基板受驅動以V1 的速度振動，V1 不小於0.2V2 。
在一個實施例中，基板保持模組的振動頻率設置在0.1 Hz到500 Hz之間。
在一個實施例中，基板保持模組的振幅大於圖形結構的尺寸。
在一個實施例中，基板保持模組的振幅設置在25 um到2000 um之間。
在一個實施例中，還包括以下步驟：在基板被浸入電鍍液中以被電鍍的過程中，驅動基板保持模組和基板旋轉。
參照圖23，示意了根據本發明一個可選實施例的用於在具有圖形結構的基板上金屬沉積的電鍍裝置。電鍍裝置2300包括用於容納電鍍液的電鍍槽2301、用於夾持基板2303並與基板2303的導電面電連接的基板保持模組2302以及用於驅動基板保持模組2302沿其軸線旋轉的旋轉執行器2304。電鍍裝置2300還包括控制器2330，該控制器2330連接旋轉執行器2304，用於控制旋轉執行器2304旋轉N圈然後再反向旋轉N圈，該旋轉過程被交替執行數個循環。N小於或等於3.0。較佳者，N為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5和3.0。控制器2330控制旋轉執行器2304的旋轉速度在120 rpm以下。電鍍裝置2300還包括至少一個設置在電鍍槽2301中並朝向基板2303導電面的陽極2306，以及與基板保持模組2302和陽極2306電連接的電源2307。電鍍槽2301周圍設置有凹槽2308，用於接收從電鍍槽2301中溢出的電鍍液。電鍍裝置2300還包括儲液槽2310，管道2309連接凹槽2308和儲液槽2310，儲液槽2310還通過另一根管道2309連接至電鍍槽2301。
在本實施例的電鍍過程中，本發明採用控制器2330控制旋轉執行器2304旋轉N圈然後再反向旋轉N圈，該旋轉過程被交替執行數個循環，其中N小於或等於3.0，改善了圖形結構中電鍍金屬的均勻性。基板的高頻振盪運動，在旋轉方向改變的過程中，基板表面的電鍍液會發生劇烈的變化。旋轉執行器由順時針到逆時針的劇烈變化可以產生湍流狀的液體運動，像一股強勁的水流，加強基板表面的電鍍液的攪動。旋轉執行器採用點對點的位置控制模式。
本發明還提供了一種用於在具有圖形結構的基板上金屬沉積的電鍍方法，包括以下步驟： 將基板裝載於基板保持模組中並由基板保持模組夾持； 使基板浸入電鍍槽中的電鍍液； 在基板浸入電鍍液中以被電鍍的過程中，通過旋轉執行器驅動基板保持模組與基板一起旋轉； 控制旋轉執行器旋轉N圈然後再反向旋轉N圈，該旋轉過程被交替執行數個循環，其中，N小於或等於3.0。
在一個實施例中，N為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5和3.0。當N等於0.5時，基板保持模組將從0°旋轉至180°，然後再轉回來。旋轉速度保持不變，頻率非常高。如果基板保持模組旋轉小於180°，則基板表面會有不對稱的電鍍速率。因此旋轉圈數需要為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5和3.0。如果N大於3.0，以60 rpm的旋轉速度為例，需要花3s的時間來順時針旋轉然後花3s的時間進行逆時針旋轉，則一個週期為6s。如果N更大，則週期時長會增加，因此所述的劇烈的變化引起的攪動會變弱。
在一個實施例中，控制旋轉執行器的轉速在120 rpm以下。
以上所有本發明的實施例均適用於非電鍍，例如化學鍍，以在具有圖形結構的基板上均勻沉積金屬。
以上所有本發明的實施例還適用於電化學去除基板上的金屬以獲得均勻的形貌。
以上呈現了對本發明的描述，目的在於對技術方案進行解釋說明。本發明的技術方案不局限於本實施方式中所披露的具體形式。顯然，根據以上內容給出的啟示，可以進行多種修改和變化。這些對於本領域技術人員來說顯而易見的修改和變化，均在本發明所要求的申請專利範圍的保護範圍內。
100:電鍍裝置 110:電鍍槽 120:基板保持模組 130:基板 130’:基板 131:圖形結構 131’:圖形結構 140:旋轉執行器 150:陽極 160:電源 170:凹槽 180:管道 190:儲液槽 400:電鍍裝置 401:電鍍槽 402:基板保持模組 403:基板 4031:圖形結構 404:旋轉執行器 405:驅動裝置 406:陽極 407:電源 408:凹槽 409:管道 410:儲液槽 600:電鍍裝置 601:電鍍槽 602:基板保持模組 603:基板 605:驅動裝置 606:陽極 607:電源 608:凹槽 609:管道 610:儲液槽 700:電鍍裝置 701:電鍍槽 702:基板夾具 704:旋轉執行器 705:驅動裝置 705’:驅動裝置 708:凹槽 711:擴散盤 712:支撐柱 713:固定件 714:支架 715:振動板 716:安裝板 717:支撐座 718:限位部件 1200:電鍍裝置 1201:電鍍槽 1202:基板夾具 1204:旋轉執行器 1205:驅動裝置 1205’:驅動裝置 1208:凹槽 1211:擴散盤 1212:支撐柱 1213:固定件 1214:支架 1215:振動板 1216:安裝板 1217:支撐座 1219:豎直連接部件 1220:水平連接部件 1221:彈性連接部件 1222:框架 1700: 電鍍裝置 1701:電鍍槽 1702:基板夾具 1704:旋轉執行器 1708:凹槽 1711:擴散盤 1712:支撐柱 1713:固定件 1715:振動板 1716:安裝板 1717:支撐座 1800:電鍍裝置 1801:電鍍槽 1802:基板夾具 1804:旋轉執行器 1805:第一驅動裝置 1808:凹槽 1811:擴散盤 1812:支撐柱 1813:固定件 1814:支架 1816:安裝板 1817:支撐座 18151:第一振動板 18152:第二振動板 2200:電鍍裝置 2201:電鍍槽 2202:基板夾具 2204:旋轉執行器 2205:驅動裝置 2208:凹槽 2211:擴散盤 2212:支撐柱 2213:固定件 2214:支架 2216:安裝板 2217:支撐座 2223:軸 2224:軸承 2225:連接板 2226:彈性部件 2300:電鍍裝置 2301:電鍍槽 2302:基板保持模組 2303:基板 2304:旋轉執行器 2306:陽極 2307:電源 2308:凹槽 2309:管道 2310:儲液槽 2330:控制器
圖1為傳統電鍍裝置的示意圖； 圖2A-2C為採用傳統電鍍裝置進行金屬沉積時，鍍的金屬柱狀物或凸塊傾斜的示意圖； 圖3A-3C為採用傳統電鍍裝置進行金屬沉積時，鍍的金屬柱狀物或凸塊傾斜的示意圖； 圖4為依據本發明一個可選實施例的電鍍裝置的示意圖； 圖5A和圖5B示意了相對速度快速改變以實現電鍍液攪動的示意圖； 圖6為依據本發明另一個可選實施例的電鍍裝置的示意圖； 圖7A-7B為依據本發明又一個可選實施例的電鍍裝置的示意圖； 圖8A-8B和圖9A-9B為電鍍裝置的基板保持模組水平振動的示意圖； 圖10A-10B和圖11A-11B為依據本發明又一個可選實施例的電鍍裝置的示意圖； 圖12A-12B為依據本發明一個可選實施例的電鍍裝置的示意圖； 圖13A-13B和圖14A-14B為電鍍裝置的基板保持模組豎直振動的示意圖； 圖15A-15B和圖16A-16B為依據本發明又一個可選實施例的電鍍裝置的示意圖； 圖17A-17B為依據本發明又一個可選實施例的電鍍裝置的示意圖； 圖18A-18C為依據本發明又一個可選實施例的電鍍裝置的示意圖； 圖19A-19C和圖20A-20C為電鍍裝置的基板保持模組在水平方向和豎直方向同時振動的示意圖； 圖21為振動模型圖； 圖22為依據本發明又一個可選實施例的電鍍裝置的示意圖；以及 圖23為依據本發明又一個可選實施例的電鍍裝置的示意圖。
400:電鍍裝置
401:電鍍槽
402:基板保持模組
403:基板
404:旋轉執行器
405:驅動裝置
406:陽極
407:電源
408:凹槽
409:管道
410:儲液槽

Claims (40)

  1. 一種在具有圖形結構的基板上進行金屬沉積的電鍍裝置，包括： 電鍍槽，用於容納電鍍液； 基板保持模組，用於夾持基板；以及 至少一個驅動裝置，用於在基板浸入電鍍液中以被電鍍的過程中，驅動所述基板保持模組與基板一起水平振動和/或豎直振動。
  2. 根據請求項1所述的電鍍裝置，其中，所述的至少一個驅動裝置為馬達、氣缸或振動器。
  3. 根據請求項1所述的電鍍裝置，其中，所述基板保持模組水平夾持基板。
  4. 根據請求項1所述的電鍍裝置，其中，所述基板保持模組豎直夾持基板，所述基板保持模組和基板豎直浸入電鍍液中。
  5. 根據請求項1所述的電鍍裝置，其中，所述電鍍液的流速為V2 ，所述至少一個驅動裝置驅動基板保持模組和基板以V1 的速度振動，V1 不小於0.2V2 。
  6. 根據請求項1所述的電鍍裝置，還包括至少一個振動板，所述至少一個驅動裝置驅動所述基板保持模組振動或以所述至少一個振動板的固有頻率共振。
  7. 根據請求項6所述的電鍍裝置，還包括安裝板和支撐座，所述基板保持模組包括支架，所述振動板的一端連接所述支架，所述振動板的另一端連接至所述安裝板，所述安裝板設置在所述支撐座上。
  8. 根據請求項7所述的電鍍裝置，其中，所述安裝板可以沿著所述支撐座上下運動。
  9. 根據請求項7所述的電鍍裝置，其中，所述驅動裝置設置在支架上，所述驅動裝置為振動器。
  10. 根據請求項7所述的電鍍裝置，還包括一對限位部件，用於限制所述基板保持模組受驅動而振動的振幅。
  11. 根據請求項10所述的電鍍裝置，其中，所述一對限位部件設置在支架上，且分別位於所述振動板的兩側，或者所述一對限位部件設置在安裝板上，且分別位於所述振動板的兩側。
  12. 根據請求項7所述的電鍍裝置，其中，所述驅動裝置為一對馬達或一對氣缸，所述的一對馬達或一對氣缸設置在支架上，並分別位於所述振動板的兩側，或者所述的一對馬達或一對氣缸設置在安裝板上，且分別位於所述振動板的兩側。
  13. 根據請求項6所述的電鍍裝置，還包括安裝板和支撐座，所述基板保持模組包括固定件和支架，所述的至少一個振動板包括一對振動板，所述支架具有兩臂和基部，所述支架的兩臂設置在所述固定件的兩側，並連接至所述的一對振動板，所述的一對振動板連接至所述固定件的兩側，所述支架的基部連接至所述安裝板，所述安裝板設置在所述支撐座上。
  14. 根據請求項13所述的電鍍裝置，其中，所述安裝板可以沿著所述支撐座上下運動。
  15. 根據請求項13所述的電鍍裝置，其中，所述基板保持模組還包括豎直連接部件、水平連接部件、彈性連接部件和框架，豎直連接部件連接至所述支架的基部和水平連接部件，水平連接部件連接至彈性連接部件，彈性連接部件連接至框架，框架固定在所述固定件上。
  16. 根據請求項13所述的電鍍裝置，其中，所述驅動裝置設置在所述固定件上，所述驅動裝置為振動器。
  17. 根據請求項15所述的電鍍裝置，其中，所述驅動裝置設置在所述水平連接部件上，所述驅動裝置為馬達或氣缸。
  18. 根據請求項6所述的電鍍裝置，還包括安裝板和支撐座，所述基板保持模組還包括固定件，所述振動板連接至所述固定件的一側和所述安裝板，所述安裝板設置在所述支撐座上，其中，所述驅動裝置為豎直執行器，用於驅動所述安裝板沿著所述支撐座上下運動，以使所述基板保持模組豎直振動。
  19. 根據請求項6所述的電鍍裝置，其中，所述至少一個振動板包括第一振動板和一對第二振動板，所述至少一個驅動裝置包括第一驅動裝置和第二驅動裝置，第一驅動裝置用於驅動所述基板保持模組水平振動或以第一振動板的固有頻率共振，第二驅動裝置用於驅動所述基板保持模組豎直振動或以所述的一對第二振動板的固有頻率共振。
  20. 根據請求項19所述的電鍍裝置，其中，所述第二驅動裝置為豎直執行器。
  21. 根據請求項6所述的電鍍裝置，還包括用於驅動基板旋轉的旋轉執行器。
  22. 根據請求項1所述的電鍍裝置，其中，所述基板保持模組包括固定在連接板上的基板夾具、旋轉執行器、軸、軸承和一對彈性部件，其中，基板夾具用於夾持基板，軸的一端連接至旋轉執行器，軸的另一端通過軸承連接至連接板，所述的一對彈性部件連接至軸和連接板，旋轉執行器驅動軸轉動並帶動基板夾具以w1的速度旋轉，當基板夾具旋轉以進行電鍍時，所述驅動裝置驅動基板夾具以w2的速度順時針和逆時針旋轉。
  23. 根據請求項22所述的電鍍裝置，其中，所述w2＞w1。
  24. 根據請求項1所述的電鍍裝置，其中，所述基板保持模組的振動頻率設置為0.1Hz到500Hz。
  25. 根據請求項1所述的電鍍裝置，其中，所述基板保持模組的振幅大於基板上圖形結構的尺寸。
  26. 根據請求項1所述的電鍍裝置，其中，所述基板保持模組的振幅設置為25 um到2000 um。
  27. 一種在具有圖形結構的基板上進行金屬沉積的電鍍方法，包括： 將基板裝載於基板保持模組中以被基板保持模組夾持； 將基板浸入電鍍槽中的電鍍液； 在基板浸入電鍍液中以被電鍍的過程中，驅動基板保持模組與基板一起水平振動和/或豎直振動。
  28. 根據請求項27所述的電鍍方法，其中，基板被基板保持模組水平夾持。
  29. 根據請求項27所述的電鍍方法，其中，基板被基板保持模組豎直夾持，所述基板保持模組和基板被豎直的浸入電鍍液中。
  30. 根據請求項27所述的電鍍方法，其中，所述電鍍液的流速為V2，基板保持模組和基板受驅動而以V1的振動速度振動，V1不小於0.2V2。
  31. 根據請求項27所述的電鍍方法，其中，所述基板保持模組的振動頻率設置為0.1 Hz至500 Hz。
  32. 根據請求項27所述的電鍍方法，其中，所述基板保持模組的振幅大於基板上的圖形結構的尺寸。
  33. 根據請求項27所述的電鍍方法，其中，所述基板保持模組的振幅設置為25 um至2000 um。
  34. 根據請求項27所述的電鍍方法，還包括：在基板浸入電鍍液中以被電鍍的過程中，驅動基板旋轉。
  35. 一種在具有圖形結構的基板上進行金屬沉積的電鍍裝置，包括： 電鍍槽，用於容納電鍍液； 基板保持模組，用於夾持基板； 旋轉執行器，用於驅動所述基板保持模組與基板一起旋轉；以及 控制器，用於控制旋轉執行器旋轉N圈然後再反方向旋轉N圈，該旋轉過程被交替執行數個循環，其中，N小於或等於3.0。
  36. 根據請求項35所述的電鍍裝置，其中，所述N為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5和3.0。
  37. 根據請求項35所述的電鍍裝置，其中，所述旋轉執行器的轉速在120 rpm以下。
  38. 一種在具有圖形結構的基板上進行金屬沉積的電鍍方法，包括： 將基板裝載於基板保持模組中以被基板保持模組夾持； 將基板浸入電鍍槽中的電鍍液； 在基板浸入電鍍液中以被電鍍的過程中，通過旋轉執行器驅動基板保持模組與基板一起旋轉； 控制旋轉執行器旋轉N圈然後再反向旋轉N圈，該旋轉過程被交替執行數個循環，其中，N小於或等於3.0。
  39. 根據請求項38所述的電鍍方法，其中，所述N為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5和3.0。
  40. 根據請求項38所述的電鍍方法，其中，所述旋轉執行器的轉速在120 rpm以下。
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