TW202229657A

TW202229657A - 電鍍系統及操作其的方法

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Publication number: TW202229657A
Application number: TW110138381A
Authority: TW
Inventors: 諾蘭Ｌ齊默爾曼; 查爾斯沙博諾; 格雷戈里Ｊ威爾遜; 保羅Ｒ麥克修; 保羅范法肯堡; 迪帕克薩加爾卡拉卡達爾; 凱爾Ｍ漢森
Original assignee: 美商應用材料股份有限公司
Priority date: 2020-10-23
Filing date: 2021-10-15
Publication date: 2022-08-01
Also published as: US11697887B2; JP2023540837A; WO2022086881A1; CN114481270A; KR20230028461A; TWI805029B; EP4232620A1; CN217948322U; US20220127747A1

Abstract

電鍍系統可以包括電鍍腔室。系統還可以包括與電鍍腔室流體耦接的補充組件。補充組件可以包括容納陽極材料的第一隔室。第一隔室可以包括其中容納陽極材料的第一隔室部分和透過分隔件與第一隔室部分隔開的第二隔室部分。補充組件可以包括與電鍍腔室流體耦接並與第一隔室電性耦接的第二隔室。補充組件還可以包括與第二隔室電性耦接的第三隔室，第三隔室包括惰性陰極。

Description

電鍍系統及操作其的方法

本技術是有關於一種半導體處理中的電鍍操作。更特別地，本技術是有關於一種用於電鍍系統進行離子補充的系統和方法。

積體電路可透過在基板表面上產生複雜圖案化材料層的製程所形成。在基板上形成、蝕刻和其他處理之後，通常沉積或形成金屬或其他導電材料以提供部件之間的電性連接。因為這種金屬化(metallization)可以在許多製造操作之後進行，所以在金屬化過程中出現的問題可能會產生昂貴的廢棄基板或晶圓。

電鍍在電鍍腔室中進行，晶圓的裝置側在液體電解液浴中，並且與接觸晶圓表面上的導電層的接觸環電性接觸。電流通過電解液和導電層。電解液中的金屬離子流出到晶圓上，在晶圓上形成金屬層。電鍍腔室通常具有消耗性陽極，這有利於電解液穩定性和持有成本。例如，當電鍍銅時通常使用銅耗材陽極。從電鍍液中取出的銅離子被從陽極去除的銅補充，從而保持電鍍液中的金屬濃度。雖然在替換電鍍金屬離子方面很有效，但使用消耗性陽極需要相對複雜和昂貴的設計，以允許消耗性陽極被更換。當消耗性陽極與膜結合以避免降解電解液或在空閒狀態操作期間氧化消耗性陽極時，甚至會增加更多複雜性。

因此，需要改進的系統和方法，這些系統和方法可用於生產高品質的裝置和結構，同時保護基板和電鍍浴。本技術解決了這些和其他需求。

電鍍系統可以包括電鍍腔室。系統還可以包括與電鍍腔室流體耦接的補充組件。補充組件可以包括容納陽極材料的第一隔室。第一隔室可以包括其中容納陽極材料的第一隔室部分和透過分隔件與第一隔室部分隔開的第二隔室部分。補充組件可以包括與電鍍腔室流體耦接並與第一隔室電性耦接的第二隔室。補充組件還可以包括與第二隔室電性耦接的第三隔室，並且第三隔室可以包括惰性陰極。

在一些實施例中，系統可以包括將陽極材料與惰性陰極耦接的電壓源。第一隔室可以包括陽極電解液，第二隔室可以包括陰極電解液，第三隔室可以包括取樣電解液。第三隔室可以與電鍍腔室流體耦接，以在第三隔室和電鍍腔室之間輸送取樣電解液。第二隔室可以與電鍍腔室流體耦接。系統可以包括位於第一隔室的第二隔室部分與第二隔室之間的第一離子膜。系統可以包括位於第二隔室與第三隔室之間的第二離子膜。第二離子膜可以是單價膜。系統可以包括在第一隔室的第一隔室部分與第一隔室的第二隔室部分之間流體耦接的泵。泵可在第一設定中操作以使陽極電解液從第一隔室的第一隔室部分流至第一隔室的第二隔室部分。可在分隔件的周圍定義流體路徑，使得當泵在第一設定下操作時陽極電解液從第一隔室的第二隔室部分流至第一隔室的第一隔室部分。泵可以在第二設定中操作以將陽極電解液從第一隔室的第二隔室部分完全排出。系統可以包括位於第二隔室中的插入件。插入件可以沿著插入件定義至少一流體通道。系統可以包括設置在第一隔室的第一隔室部分內的隔室。隔室可以容納陽極材料。分隔件可以是將第一隔室的第一隔室部分與第一隔室的第二隔室部分之間的流動路徑流體隔離的離子膜。

本技術的一些實施例可以包括操作電鍍系統的方法。方法可以包括透過補充組件驅動電壓。補充組件可以包括容納陽極材料的第一隔室。第一隔室可以具有其中容納陽極材料的第一隔室部分和透過分隔件與第一隔室部分隔開的第二隔室部分。補充組件可以包括與電鍍腔室流體耦接並與第一隔室電性耦接的第二隔室。補充組件可以包括與第二隔室電性耦接的第三隔室。第三隔室可以包括惰性陰極。可以透過第一隔室的第一隔室部分、第一隔室的第二隔室部分、第二隔室和第三隔室將電壓從陽極材料驅動至惰性陰極。方法可以包括將陽極材料的離子提供給流過第二隔室的陰極電解液。

在一些實施例中，方法可以包括反轉陽極材料和惰性陰極之間的電壓。方法可以包括從惰性陰極去除電鍍的陽極材料。方法可以包括將陽極電解液從第一隔室的第二隔室部分泵送到第一隔室的第一隔室部分以排空(drain)第一隔室的第二隔室部分。補充組件可以包括位於第一隔室的第二隔室部分與第二隔室之間的第一離子膜。補充組件可以包括位於第二隔室與第三隔室之間的第二離子膜。泵送可保持第一離子膜僅與陰極電解液流體接觸。

本技術的一些實施例可以包括電鍍系統。系統可以包括電鍍腔室。系統可以包括與電鍍腔室流體耦接的補充組件。補充組件可以包括容納陽極材料和陽極電解液的第一隔室。第一隔室可以具有其中容納陽極材料的第一隔室部分和透過分隔件與第一隔室部分隔開的第二隔室部分。流體迴路可以定義在第一隔室部分與第二隔室部分之間。補充組件可以包括與電鍍腔室流體耦接並與第一隔室電性耦接的第二隔室。第二隔室可包含陰極電解液。補充組件可以包括位於第一隔室的第二隔室部分與第二隔室之間的第一離子膜。補充組件可以包括與第二隔室電性耦接的第三隔室。第三隔室可以包括惰性陰極。第三隔室可以包括酸性取樣電解液。補充系統可以包括位於第二隔室與第三隔室之間的第二離子膜。在一些實施例中，分隔件可以是第三離子膜。

這種技術可以提供優於傳統技術的許多好處。例如，本技術可以限制系統空閒狀態期間的附加損失。此外，此系統還可以限制由於陰極電解液中的空氣夾帶造成的電鍍缺陷。結合以下描述和附圖更詳細地描述這些和其他實施例以及它們的許多優點和特徵。

通過參照說明書的其餘部分和附圖，可以實現對所揭露的實施例的性質和優點的進一步理解。

一些附圖作為示意圖被包括在內。應當理解，這些圖是為了說明的目的，並且不被認為是按比例繪製的，除非有特別說明是按比例繪製。此外，作為示意圖，提供這些圖是為了幫助理解，並且可能不包括與現實表示相比的所有方面或資訊，並且可能包括用於說明目的的誇大材料。

在附圖中，相似的組件和/或特徵可以具有相同的數字參考標記。又，相同類型的各種部件(component)可以通過在參考標記後面加上區分相似部件和/或特徵的字母來區分。如果說明書中僅使用了第一個數字參考標記，則該描述適用於具有相同的第一個數字參考標記的任何類似部件和/或特徵，而與字尾的字母無關。

執行半導體製造和處理中的各種操作以在基板上產生大量特徵。隨著半導體層的形成，在結構內產生通孔、溝槽和其他通路。然後可以用導電或金屬材料填充這些特徵，以允許電能透過裝置從層到層傳導。

可以執行電鍍操作以將導電材料提供到基板上的通孔和其他特徵中。電鍍利用含有導電材料離子的電解液將導電材料電化學沉積到基板上並沉積到基板上限定的特徵中。其上鍍有金屬的基板用作陰極。電觸點(electrical contact)(例如環或引腳)可以允許電流流過系統。在電鍍期間，可以將基板夾在頭部上並浸沒在電鍍浴中以形成金屬化(metallization)。金屬離子可以從電鍍浴中沉積在基板上。

在利用惰性陽極的電鍍系統中，可以使用額外的金屬離子源來補充陰極電解液溶液(catholyte solution)。本技術利用單獨的(separate)補充組件(replenish assembly)，該組件可以利用陽極材料將鍍覆的金屬離子置換到陰極電解液溶液中。該組件可以與多個電鍍腔室流體耦接，這可能有助於限制停機時間(downtime)以補充材料。然而，當系統不運行時，可能會出現新的挑戰。

補充模組可具有包括在補充組件的獨立隔室中陽極電解液、陰極電解液和取樣電解液(thiefolyte)，隔室之間由兩個膜隔開。在空閒狀態(idle state)期間，雖然離子傳輸可能受到限制，但添加劑可能會流失。電鍍浴可以包括有機化合物和其他協助電鍍操作的添加劑。例如，某些離子的加速劑(accelerator)、平整劑(leveler)和抑製劑可以包含在陰極電解液溶液中。這些添加劑可能沉積在膜上或可能從陰極電解液中傳遞出來，如果不更換，可能會對隨後的電鍍產生不利影響。這種損失可以通過在空閒狀態期間排空流體隔室來減少，但這可能會帶來額外的挑戰。排空陽極電解液隔室可能會使陽極材料暴露於空氣中，這可能導致發生氧化並限制功能。排空陰極電解液隔室然後在啟動時重新填充可能會將氣泡引入陰極電解液流體迴路，這可能會透過在晶圓上產生孔隙(void)來影響沉積。

根據本技術的補充組件可以透過在三隔室模組的陽極電解液隔室中包括分隔件(divider)來克服這些問題。透過允許陽極電解液隔室的一部分排出至陽極電解液隔室的主要部分中，陽極材料可以保持浸沒在陽極電解液中，同時可以在陰極電解液隔室附近形成空間(airspace)。有利地，這還可以在系統空閒狀態期間保持所有流體膜與單側上的流體接觸。這可能會限制膜的乾燥，否則膜在乾燥時會收縮和破裂。儘管排放和重新填充陽極電解液隔室可能會在該迴路中夾帶一定量的空氣，但這可能對處理過程沒有壞處，因為陽極電解液可能不會與工件接觸。另一方面，陰極電解液隔室的排出和填充可能會夾帶接觸正在處理的基板的空氣，這可能會導致基板上可能不會發生電鍍之處的電鍍缺陷。在描述了可以結合本技術的實施例的示例性系統之後，剩餘的揭露內容將討論本技術的系統和製程的方面。

第1圖繪示根據本技術的一些實施例的電鍍處理系統的示意圖。如第1圖所示，電鍍腔室20可包括位於頭部22中的轉子24，轉子24用於保持晶圓50。轉子24可包括接觸環30，接觸環30可垂直移動以將接觸環30上的接觸指35接合至晶圓50 的朝下表面上。接觸指35可以在電鍍期間連接到負電壓源。波紋管32可用於密封頭部22的內部部件。頭部22中的馬達28可在電鍍期間旋轉R保持在接觸環30中的晶圓50。電鍍腔室20可以替代地具有各種其他類型的頭部22。例如，頭部22可以在晶圓50 保持在卡盤中的情況下操作，而不是在直接處理晶圓50 的情況下操作，或者轉子24和馬達28可以省略而晶圓50在電鍍過程中保持靜止。接觸環30上的密封件可對著晶圓50密封以在處理期間將接觸指35密封遠離陰極電解液。頭部22可位於電鍍腔室20的電鍍的容器38上方。可在容器38中提供一個或多個惰性陽極。在所示範例中，電鍍腔室20可包括內陽極40和外陽極42。多個電鍍腔室20可以在電鍍系統內以列(column)的形式提供，其中一個或多個機器人在系統中移動晶圓。

第2圖繪示根據本技術的一些實施例的惰性陽極的剖面圖。在第2圖中，陽極40和42可以包括在膜管47內的絲線(wire)45。膜管47可以具有外部保護套管或覆蓋物49。包括電極絲線的膜管47可以是圓形的，或者可選地形成為螺旋或線性陣列，或採用另一種形式，以產生用於被處理的工件的電場。在一些實施例中，絲線45可以是內徑為2~3 mm的膜管47內的至多2 mm直徑的鉑絲線(platinum wire)。絲線45也可以是具有另一種金屬（例如鈮(niobium)、鎳(nickel)或銅(copper)）的內芯的鉑包覆絲線(platinum clad wire)。可以在惰性陽極上方的容器中提供電阻擴散器。流動空間51可以圍繞膜管47內的絲線45提供。雖然絲線45可以名義上地位於膜管47內的中心，但實際上絲線45在膜管47內的位置可以變化，且在某些位置，達到絲線45可能會接觸到膜管47的內壁的程度。間隔墊可用於將絲線45維持在膜管47內，儘管可能不需要間隔墊或其他技術將絲線45在膜管47內居中。

另外在第1圖中繪示三隔室補充組件74，下文將更詳細地描述。在電鍍期間，製程陽極電解液可以透過製程陽極電解液迴路泵送，製程陽極電解液迴路包括陽極的膜管47和製程陽極電解液腔室150，製程陽極電解液腔室150是陽極40和42的製程陽極電解液來源。形成陽極40和42的膜管47可以是形成環狀或圓形，包含在容器38的陽極板43中的圓形狹槽41內，如圖所示，膜管47擱置在容器38的底部(floor)上。補充系統70可以在電鍍腔室20的外部，其中補充系統70是一個單獨的單元，可以在處理系統內位於遠離處理器之處。這可以使得補充組件與多個電鍍腔室流體耦接，其中補充組件透過任何數量的腔室用的補充陰極電解液與電鍍腔室流體耦接。

每個陽極40、42的絲線45可以電性連接到相對於施加到晶圓的電壓的正電壓源以在容器內產生電場。每個惰性陽極可以透過容器38上的電連接器60連接到一電源供應通道，或者可以連接到單獨的多個電源通道。通常可以使用1至4個惰性陽極。流過膜管的陽極電解液可將氣體帶出容器。在使用中，電壓源可以引起電流流動，從而導致惰性陽極處的水轉化為氧氣和氫離子以及銅離子從陰極電解液沉積到晶圓上。

陽極40和42中的絲線45可以是惰性的並且可以不與陽極電解液發生化學反應。晶圓50或晶圓50上的導電種子層可以連接到負電壓源。在電鍍期間，容器38內的電場可導致陰極電解液中的金屬離子沉積到晶圓50上，在晶圓50上形成金屬層。

電鍍到晶圓50上的金屬層可以由腔室陰極電解液中的金屬離子形成，金屬離子由於腔室陰極電解液流動和容器38中的離子擴散而移動至晶圓表面。陰極電解液補充系統70可以與電鍍腔室流體耦接，將金屬離子供應回系統陰極電解液。補充系統70可以包括腔室陰極電解液回流管線（可以是或包括管(tube)或導管(pipe)），以及連接陰極電解液循環迴路中的補充組件74的腔室陰極電解液供應管線78。在一些實施例中，附加的陰極電解液槽可以包括在陰極電解液循環迴路中，其中腔室陰極電解液槽將陰極電解液供應至處理系統內的多個電鍍腔室20。陰極電解液循環迴路可以包括至少一個泵，並且還可以包括其他部件，例如加熱器、過濾器、閥門和任何其他流體迴路或循環部件。補充組件74可以符合(in line with)陰極電解液回流，或者它可以替代地連接在離開和返回陰極電解液槽的單獨流動迴路中。

第3圖繪示根據本技術的一些實施例的補充組件的示意圖，並且可以提供下文進一步描述的補充組件的細節。第3圖顯示了作為操作部件的補充組件74的放大示意圖，可適用於任何數量的特定補充組件配置，包括下文進一步描述的那些配置。補給組件陽極電解液可透過補充組件陽極電解液迴路90在補充組件74內循環，補充組件陽極電解液迴路90包括補充組件陽極電解液隔室98(可以是補充組件的第一隔室)，以及可選擇地包括補充組件陽極電解液槽96。在一些實施例中，例如對於鍍銅，補充組件陽極電解液可以是不含酸的硫酸銅電解液，儘管應該理解該系統可以用於任何數量的電鍍操作，使用適合於這些操作的化學物質和材料。補充組件74內的陽極電解液補充組件可以不需要再循環迴路並且可以僅包括陽極電解液隔室98。氣體噴佈器(gas sparger)(例如氮氣噴佈器)可以為補充組件提供攪拌，而不需要複雜的再循環迴路配管系統(plumbing)和泵。再次提及鍍銅系統，作為非限制性範例，如果使用低酸電解液或陽極電解液，當電流通過補充組件時，Cu ²⁺離子可能會傳輸或移動穿過膜進入陰極電解液，而不是質子。氣體噴佈器還可以減少塊狀(bulk)銅材料的氧化。

去離子水供應管線124可以將補償(make-up)去離子水供應到補充組件陽極電解液槽96或隔室98中。例如銅丸(copper pellet)的塊狀電鍍材料92可以提供於補充組件陽極電解液隔室98中並提供可以鍍到晶圓50上的材料。泵可以循環補充組件陽極電解液通過補充組件陽極電解液隔室98。補充組件陽極電解液可以與提供給陽極40和/或42的陽極電解液完全分開。另外，在一些實施例中，可以使用陽極電解液隔室98而不使用任何補充組件陽極電解液迴路90。例如，氣體噴佈器或一些其他泵送系統可以在不使用補充組件陽極電解液迴路的情況下為陽極電解液隔室98提供攪動。例如，陽極電解液隔室或第一隔室的一些實施例可包括陽極電解液補充槽，或可簡單地在隔室內或在隔室的2個部分(section)內循環陽極電解液，如下文將進一步描述的。

在補充組件74內，第一陽離子膜104可以設置在補充組件陽極電解液隔室98中的補充組件陽極電解液和陰極電解液隔室106中的陰極電解液之間，以將補充組件陽極電解液與陰極電解液分開。陰極電解液返回管線(catholyte return line)72可以連接於陰極電解液隔室106的一側，並且陰極電解液供應管線78可以連接於陰極電解液隔室106的另一側，這可以允許陰極電解液從容器38循環通過陰極電解液腔室。或者，通過補充組件74的陰極電解液流動迴路可以是與陰極電解液槽分開的流動迴路。第一陽離子膜104可以允許金屬離子和水通過補充組件陽極電解液隔室98進入陰極電解液腔室中的陰極電解液，而同時在補充組件陽極電解液和陰極電解液之間提供屏障。可以將去離子水添加到陰極電解液中以補充蒸發損失的水，但更常見的是可以增強水蒸發以蒸發通過電滲透(electro-osmosis)從陽極電解液補充組件進入陰極電解液的水。還可以包括蒸發器以協助去除多餘的水。

金屬離子流入陰極電解液可補充陰極電解液中金屬離子的濃度。當陰極電解液中的金屬離子沉積到晶圓50上以在晶圓50上形成金屬層時，陰極電解液中的金屬離子可以被源自塊狀電鍍材料92的金屬離子代替，源自塊狀電鍍材料92的金屬離子移動通過補充組件陽極電解液和第一陽離子膜104進入陰極電解液，流過補充組件74的陰極電解液隔室106。

惰性陰極114可以位於與第二陽離子膜108相對的取樣電解液隔室112中。電源供應130(例如DC電源供應)的負極或陰極可以電性連接到惰性陰極114。電源供應130的正極或陽極可以電性連接至補充組件陽極電解液隔室98中的塊狀電鍍材料92或金屬，在補充組件74上施加或產生電壓差。在取樣電解液隔室112中的補充組件電解液可選擇性地循環通過補充組件槽118，去離子水和硫酸(sulfuric acid)經由入口122添加到補充組件電解液中。取樣電解液隔室112的電解液可以包括例如具有1~10%硫酸的去離子水。惰性陰極114可以是鉑或鉑包覆的線或板。第二陽離子膜108可以幫助將銅離子保留在第二隔室中。另外，第二陽離子膜108可以被配置為特別將Cu ²⁺維持在陰極電解液中。例如，在一些實施例中，第二陽離子膜108可以是單價膜(monovalent membrane)，可進一步限制銅通過膜。

請回頭參照第1和2圖，電鍍腔室20可以可選地包括容器38中的電流取樣電極(electric current thief electrode)46，儘管在一些實施例中可以不包括電流取樣。在一些實施例中，電流取樣電極46還可以在電流取樣膜管內具有電流取樣絲線(electric current thief wire)，類似於上述陽極40或42。如果使用取樣電極，則可以通過電流取樣膜管泵送再處理的電解液(reconditioning electrolyte)。電流取樣絲線通常可以連接到負電壓源，經由接觸環30連接到晶圓50的負電壓源而被獨立地控制。電流取樣膜管可以經由補充組件循環迴路(通常以82表示)、經由補充組件電解液返回管線84和補充組件電解液供應管線86連接於補充組件74中的取樣電解液隔室112。如果有使用，陰極電解液隔室106中的高酸性陰極電解液浴可以確保穿過第二陽離子膜108的大部分電流可以是質子而不是金屬離子。以這種方式，補充組件74內的電流可以補充陰極電解液內的銅，同時防止銅透過膜流失。

第二陽離子膜108可以定位在陰極電解液隔室106中的陰極電解液和取樣電解液隔室112中的補充組件電解液之間。第二陽離子膜108可以允許質子從陰極電解液隔室106中的陰極電解液穿過進入在取樣電解液隔室112中的補充組件電解液，同時限制穿過膜的金屬離子的量，然後其可能在惰性陰極上鍍出。取樣電解液隔室112的主要功能是以不將金屬鍍到惰性陰極114上的方式來完成補充組裝腔室的電路。取樣電解液隔室112可以在有或沒有額外的槽或循環迴路的情況下使用。陰極電解液隔室106中的高酸性電解液或陰極電解液浴可確保穿過第二陽離子膜108的大部分電流是質子而不是金屬離子，從而惰性陰極114上的陰極反應主要為釋出氫(hydrogen evolution)。如此，補充組件74內的電流補充陰極電解液內的銅，同時防止銅通過第二陽離子膜108損失。

在空閒狀態操作期間，當補充組件不使用時，補充系統70停止陰極電解液在形成消耗陽極的塊狀電鍍材料92上的流動。在一些實施例中，可在空閒狀態期間將取樣電解液從取樣電解液隔室排出，以限制由於Cu ²⁺穿過第二陽離子膜108的擴散或其他傳輸機製而導致的銅、添加劑或其他電解液浴成分從陰極電解液中的額外損失。然而，如上所述，挑戰可能存在於將陰極電解液和陽極電解液留在各自的隔室中，以及排出這兩種材料。排放陰極電解液可能會在啟動時協助空氣夾帶，這可能會對電鍍產生不利影響。排出陽極電解液可能會暴露導致氧化的陽極材料。然而，將兩種電解液留在各自的腔室中可能使得跨膜的材料之間出現梯度，從而導致添加劑從陰極電解液中損失。因此，本技術的一些實施例可結合額外的分隔件(divider)，分隔件可用於在空閒狀態操作期間分隔它們各自隔室中的陽極電解液和陰極電解液。

請轉而參照第4圖，第4圖繪示根據本技術的一些實施例的補充組件400的示意性剖面圖。補充組件400可以包括補充組件74的任何特徵、部件或特性，並且可以結合在上述補充系統70中。補充系統400可以說明根據本技術的一些實施例的補充組件74的附加特徵。

補充組件400可包括三隔室單元(three-compartment cell)，三隔室單元包括陽極電解液隔室405或第一隔室、陰極電解液隔室410或第二隔室、以及取樣電解液隔室415或第三隔室。補充組件400還可以包括在陽極電解液隔室405和陰極電解液隔室410之間的第一離子膜420，並且可以包括在陰極電解液隔室410和取樣電解液隔室415之間的第二離子膜425。此外，為了克服如前所述之空閒狀態期間的問題，附加的分隔件430可以包括在陽極電解液隔室405內，分隔件430可以在陽極電解液隔室內的第一隔室部分407和第二隔室部分409之間提供流體分離。儘管附加的分隔件430可以協助操作，陽極電解液隔室的每個隔室部分只能由陽極電解液隔室405內的連續迴路中的陽極電解液進入，如下文將進一步描述的。

陽極電解液隔室405可包括電極406，其可與如前所述之電源供應耦接。陽極材料(例如銅丸或電鍍中使用的其他金屬材料)可以沉積在與電極406接觸的單元(cell)中。例如，可以包括維持器(retainer)408或篩網，以維持陽極材料靠在電極上而沒有與離子膜接觸。如將在下文描述的，也可以使用可移除容器來確保陽極材料被容納在陽極電解液隔室內並與電極接觸。

分隔件430也可以是離子膜，分隔件430可以確保當陽極電解液在陽極電解液隔室405的每個部分中流動時，第一隔室部分407可以與第二隔室部分409電耦接，同時讓流體分離，流體分離可用於流體隔離在空閒狀態期間進行排空操作的隔室。在一些實施例中，泵435或泵送系統可以連接到陽極電解液隔室405的第一隔室部分和第二隔室部分中的每一個，並且可以用於將流體泵送入和/或出陽極電解液隔室的第二隔室部分。陽極電解液可從第一隔室部分407泵送入第二隔室部分409，陽極電解液可在第二隔室部分409內上升並填充第二隔室部分409，第二隔室部分409可在分隔件430和第一離子膜420之間。可連續泵送流體以確保隔室部分內陽極電解液的一致性。當流體填充陽極電解液隔室405的第二隔室部分409時，流體可以進入溢流道438，這可以讓陽極電解液倒回第一隔室部分407中，從而在陽極電解液隔室405內在兩個部分之間形成連續的流體迴路，如下文進一步解釋。

陰極電解液隔室410可以如前所述與電鍍腔室流體連接並且可以填充在空閒狀態期間可以保持在陰極電解液隔室410內的陰極電解液，這將在下文進一步描述。陰極電解液隔室410可以藉由第二離子膜425與取樣電解液隔室415分開，在一些實施例中，第二離子膜425可以是單價膜。取樣電解液隔室415可以使取樣電解液在空間內流動，該空間還可以包括與電源供應電耦接的惰性陰極440，如前所述。因此，電源供應可以作為電壓源操作，透過腔室的3個隔室將陽極材料與惰性陰極440耦接，每個隔室可以透過個別的電解液和離子膜電耦接在一起。

第5圖繪示根據本技術的一些實施例的補充組件500的示意性剖面圖，並且可以說明操作期間的補充組件400。補充組件500可以包括先前描述的系統或組件的任何部件或特徵，並且可以結合在如上所述之電鍍系統內。

如圖所示，補充組件500可以包括在陽極電解液隔室405中的陽極電解液，在將離子補充到陰極電解液中的第一操作期間，陽極電解液可以流過陽極電解液隔室405的第一隔室部分407和第二隔室部分409中的每一個。換句話說，在用於補充的第一操作期間，泵435可以在第一設定中操作以使陽極電解液從陽極電解液隔室405的第一隔室407部分流到第二隔室部分409。如圖所示，然後陽極電解液可以接觸鄰近陰極電解液隔室410的第一離子膜420，可使陰極電解液流向膜的另一側。陽極電解液可以繼續向上流過陽極電解液隔室405的第二隔室部分409，並且可以流過溢流道438回到陽極電解液隔室405的第一隔室部分407。溢流道438可以作為在分隔件430上延伸的流體路徑操作，以產生在操作過程中可能連續流動的流體迴路。

第6圖繪示根據本技術的一些實施例的補充組件600的示意性剖面圖，並且可以說明操作期間的補充組件400。補充組件600可以包括先前描述的系統或組件的任何部件或特徵，並且可以結合在如上所述之電鍍系統中。

如圖所示，補充組件600可以包括在陽極電解液隔室405中的陽極電解液，在空閒狀態中系統的第二操作期間，陽極電解液可以保持在第一隔室部分407內，而從陽極電解液隔室405的第二隔室部分409排出。換句話說，在系統處於空閒或待機狀態的第二操作期間，泵435可以在與第一設定相反的第二設定下操作，以從第二隔室部分409排出陽極電解液，並將其泵送回陽極電解液隔室405的第一隔室部分407。如圖所示，第一隔室部分407可包括隔室部分內的額外頭部空間體積，這可讓第二隔室部分409的整個體積泵送回進入陽極電解液隔室405的第一隔室部分407。

取樣電解液隔室415可類似地在空閒狀態期間排出取樣電解液，這可防止額外的銅遷移通過第二離子膜並鍍在惰性陰極上。陰極電解液可以保留在陰極電解液隔室內，這可以使得到電鍍腔室的整個陰極電解液流體迴路保持充滿，這可以防止迴路內的空氣夾帶。這種配置可以提供多種益處，包括在空閒狀態期間保持補充組件內的所有流體分離。此外，可以包括作為第三離子膜的分隔物430的每個離子膜可以沿著膜的表面保持與電解液接觸。例如，如圖所示，第一離子膜420可以在空閒狀態期間保持僅與陰極電解液接觸，並且可以保持實質上不含或本質上不含陽極電解液，較少量的殘餘陽極電解液可保留在膜上。這可以確保膜在空閒時間段內不會變乾，這可以防止膜破裂和失效。此外，保留在第一隔室部分407中的陽極材料可以保持完全浸沒在陽極電解液中，這可以防止氧化。因此，透過在陽極電解液隔室405中包括額外的分隔件430來結合陽極電解液隔室405的第二隔室部分409，可以產生限製或防止在停滯流體之間跨膜遷移的空閒狀態配置。

請轉而參照第7圖，第7圖顯示根據本技術的一些實施例的陽極材料器皿700的示意性透視圖。如前所述，陽極材料(例如銅丸或補充金屬離子的材料)可以包括在陽極電解液隔室中，例如在陽極電解液隔室的第一隔室部分中，其中可以在操作和空閒狀態期間保持陽極電解液。在一些實施例中，可以包括器皿700，器皿700包括隔室705，隔室705可以保留陽極材料以防止與離子膜接觸(這可能導致膜撕裂或其他穿孔)。隔室705可以包括前篩710，前篩710可以讓陽極電解液在操作期間流過隔室705。另外，電極715可以如圖所示延伸到隔室705中，這可以進一步確保與陽極材料的電性連通。例如，隔室705可以是導電的，這可以確保陽極材料與電源電供應接觸。應當理解，器皿700可以結合在先前描述的任何組件或配置中。

第8圖繪示根據本技術的一些實施例的單元插入件800的示意性透視圖。在一些實施例中，單元插入件800可以包括在陰極電解液隔室中，以在任何時候限制流過隔室的流體的量。在空閒狀態期間，一定體積的陰極電解液可以保留在陰極電解液隔室內，並且可以與第一離子膜和第二離子膜接觸。添加劑仍可能從陰極電解液表達於膜上，並且在重新啟動時可能不會全部重新吸收到陰極電解液中。因此，在一些實施例中，透過減少陰極電解液隔室中的陰極電解液體積，可以限製或防止添加劑的額外損失。

單元插入件800可以限定一個或多個，包括穿過插入件的多個流體通道805。孔810可以在形成的流體通道805的方向上穿過單元插入件800的兩端形成。第9圖繪示根據本技術的一些實施例的補充組件中的單元插入件800的示意性剖面局部視圖，例如在如前所述之陰極電解液隔室內。應當理解，單元插入件800可以包括在先前描述的任何組件或配置中。如圖所示，單元插入件800可以在陰極電解液隔室內橫向延伸以限制陰極電解液流動的可用體積。在一些實施例中，儘管可以在部件之間保持少量的流體空間以確保膜的充分潤濕，單元插入件800可以接觸第一離子膜或第二離子膜中的一個或兩個。凹陷通道905可以形成在單元插入件800的頂部和底部內，其可以提供通向孔810的流體通路。孔810可以將流體從凹陷通道905提供到垂直限定通過單元插入件800的流體通道805。根據本技術的單元插入件800可以將陰極電解液隔室或任何其他隔室內的體積限制為大於或約10%，並且可以將隔室內的體積限制為大於或約20%、大於或約30%，大於或約40%、大於或約50%、大於或約60%、大於或約70%、大於或約80%、大於或約90%或更多。

第10圖繪示根據本技術的一些實施例的操作電鍍系統的方法1000中的示例性操作。該方法可以在各種處理系統中執行，處理系統包括上述電鍍系統，電鍍系統可以包括根據本技術的實施例的補充組件(例如補充組件400)，補充組件可以包括本揭露通篇討論的任何附加組件或特徵。方法1000可以包括多個可選操作，這些可選操作可以或可以不與根據本技術的方法的一些實施例具體相關聯。

方法1000可以包括一種處理方法，處理方法可以包括用於操作電鍍系統的操作，電鍍系統可以包括如前所述之補充組件。方法可以包括在方法1000開始之前的可選操作，或者方法可以包括附加操作。例如，方法1000可以包括與所示不同的順序執行的操作。在一些實施例中，方法1000可包括在操作1010透過補充組件的驅動電壓，補充組件可包括三隔室組件，三隔室組件包括先前描述的組件或裝置的任何部件、特徵或特性。該組件可包括位於陽極電解液隔室內的分隔件，分隔件可用於協助如前所述之空閒操作。方法可以包括在操作1020提供陽極材料的離子。離子可以是提供給或補充流過組件的陰極電解液隔室的陰極電解液的金屬離子。

在一些實施例中，在電鍍操作之後，在可選的操作1030中，可以在陽極材料和可以是惰性陰極的陰極之間反轉(reverse)電壓。這可以讓可能已經通過陰極電解液的任何材料進入取樣電解液，並且鍍在惰性陰極上，以提供回電鍍液中並從惰性陰極中除去。在一些實施例中，可以定期執行電壓反轉操作。雖然系統可以運行延長的時間段，然後是延長的電壓反轉，但在一些實施例中，反轉可以以更規則的間隔執行更短的時間段。這可以有助於將金屬保持在陰極電解液中並且可以限制陽極材料的枝晶(dendrite)或其他缺陷的形成。例如，在一些實施例中，反轉可以在規則間隔執行，可以在標準操作週期之間的小於或約60分鐘的時段內執行反轉，並且可以在小於或約50分鐘、小於或約40分鐘、小於或約30分鐘、小於或約20分鐘、小於或約10分鐘或更少的時段執行反轉。

在一些實施例中，方法可以包括在系統的空閒狀態之前要執行的操作。例如，在可選的操作1040中，可以操作泵以將陽極電解液從陽極電解液隔室的第二隔室部分泵送回陽極電解液隔室的第一隔室部分，陽極電解液隔室可以容納陽極材料。泵送可以從第二隔室部分排出陽極電解液，並且可以去除與位於陽極電解液隔室和陰極電解液隔室之間的離子膜流體接觸的陽極電解液。在一些實施例中，離子膜可以保持不含陽極電解液，除了在排放或泵送操作期間保留在膜內的殘餘量。透過利用根據本技術實施例的補充模組，可以幫助金屬離子補充，同時限制添加劑損失並克服與系統空閒期相關的挑戰。

在前面的描述中，為了解釋的目的，已經闡述了許多細節以便提供對本技術的各種實施例的理解。然而，對於本領域技術人員來說顯而易見的是，某些實施例可以在沒有這些細節中的一些的情況下或具有附加細節的情況下實施。例如，可以受益於所描述的潤濕技術的其他基板也可以與本技術一起使用。

已經揭露了幾個實施例，本領域技術人員將認識到，在不脫離實施例的精神的情況下，可以使用各種修改、替代構造和等效物。此外，為了避免不必要地混淆本技術，沒有描述許多眾所周知的製程和元件。因此，以上描述不應被視為限製本技術的範圍。

在提供數值範圍的情況下，應當理解，在範圍的上限和下限之間的每個中間值也具體地揭露至下限單位的最小部分，除非上下文另有明確規定。包括在規定範圍內的任何規定值或未規定的中間值與規定範圍內的任何其他規定或中間值之間的任何較窄範圍。這些較小範圍的上限和下限可以獨立地包括或排除在該範圍內，並且包含在較小範圍內的其中一者、皆無或皆有的限制的每個範圍也包括在本技術內，受制於規定的範圍中任何明確排除的限制。當所述範圍包括一個或兩個限制時，排除其中一個或兩個限制的範圍也包括在內。在列表中提供多個值的情況下，包含或基於任何這些值的任何範圍都類似地具體揭露。

如本文和所附請求項中使用的，單數形式「一」和「該」包括複數引用，除非上下文另有明確規定。因此，例如，「一種材料」表示包括多種這樣的材料，「通道」表示包括對本領域技術人員已知的一個或多個通道及其均等物的表示，以此類推。

此外，當在本說明書和以下申請專利範圍中使用時，「包含」和「包括」的用語旨在指定所陳述的特徵、整數、組件或操作的存在，但它們不排除一個或多個其他特徵、整數、組件、操作、動作或群組的存在或添加。

綜上所述，雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

20:電鍍腔室 22:頭部 24:轉子 28:馬達 30:接觸環 32:波紋管 38:容器 40,42:陽極 41:狹槽 43:陽極板 45:絲線 46:取樣電極 47:膜管 49:覆蓋物 50:晶圓 51:流動空間 60:電連接器 70:補充系統 72:陰極電解液返回管線 74:補充組件 78:陰極電解液供應管線 82:補充組件循環迴路 84:補充組件電解液返回管線 86:補充組件電解液供應管線 90:補充組件陽極電解液迴路 92:塊狀電鍍材料 96:補充組件陽極電解液槽 98:補充組件陽極電解液隔室 104:第一陽離子膜 106:陰極電解液隔室 108:第二陽離子膜 112:取樣電解液隔室 114:惰性陰極 118:補充組件槽 122:入口 124:去離子水供應管線 130:電源供應 150:製程陽極電解液腔室 400,500,600:補充組件 405:陽極電解液隔室 406,715:電極 407:第一隔室部分 408:維持器 409:第二隔室部分 410:陰極電解液隔室 415:取樣電解液隔室 420:第一離子膜 425:第二離子膜 430:分隔件 435:泵 438:溢流道 440:惰性陰極 700:器皿 705:隔室 710:前篩 800:單元插入件 805:流體通道 810:孔 905:凹陷通道 1000:方法 1010,1020,1030,1040:操作 R:旋轉

第1圖繪示根據本技術的一些實施例的電鍍處理系統的示意圖；第2圖繪示根據本技術的一些實施例的惰性陽極的截面圖；第3圖繪示根據本技術的一些實施例的補充組件的示意圖；第4圖繪示根據本技術的一些實施例的補充組件的示意性剖面圖；第5圖繪示根據本技術的一些實施例的補充組件的示意性剖視圖；第6圖繪示根據本技術的一些實施例的補充組件的示意性剖面圖；第7圖繪示根據本技術的一些實施方式的陽極材料器皿的示意性透視圖；第8圖繪示根據本技術的一些實施例的單元插入件的示意性透視圖；第9圖繪示根據本技術的一些實施例的補充組件中的單元插入件的示意性剖面局部視圖；第10圖繪示根據本技術的一些實施例的操作電鍍系統的方法中的示例性操作。

400:補充組件

405:陽極電解液隔室

406:電極

407:第一隔室部分

408:維持器

409:第二隔室部分

410:陰極電解液隔室

415:取樣電解液隔室

420:第一離子膜

425:第二離子膜

430:分隔件

435:泵

438:溢流道

440:惰性陰極

Claims

一種電鍍系統，包括：一電鍍腔室；以及一補充組件，與該電鍍腔室流體耦接，該補充組件包括：一第一隔室，容納一陽極材料，該第一隔室具有其中容納該陽極材料的一第一隔室部分和透過一分隔件與該第一隔室部分隔開的一第二隔室部分，一第二隔室，與該電鍍腔室流體耦接並與該第一隔室電性耦接，以及一第三隔室，與該第二隔室電性耦接，該第三隔室包括一惰性陰極。
如請求項1所述之電鍍系統，更包括：將該陽極材料與該惰性陰極耦接的電壓源。
如請求項1所述之電鍍系統，其中該第一隔室包括一陽極電解液，其中該第二隔室包括一陰極電解液，並且其中該第三隔室包括一取樣電解液。
如請求項3所述之電鍍系統，其中該第三隔室與該電鍍腔室流體耦接，以在該第三隔室和該電鍍腔室之間輸送該取樣電解液，並且其中該第二隔室與該電鍍腔室流體耦接。
如請求項1所述之電鍍系統，更包括：一第一離子膜，位於該第一隔室的該第二隔室部分與該第二隔室之間；以及一第二離子膜，位於該第二隔室與該第三隔室之間。
如請求項5所述之電鍍系統，其該第二離子膜是單價膜。
如請求項1所述之電鍍系統，更包括：一泵，流體耦接於該第一隔室的該第一隔室部分和該第一隔室的該第二隔室部分之間。
如請求項7所述之電鍍系統，其中該泵在一第一設定中可操作以使該陽極電解液從該第一隔室的該第一隔室部分流到該第一隔室的該第二隔室部分。
如請求項8所述之電鍍系統，其中在該分隔件的周圍定義一流體路徑，使得當該泵在該第一設定下操作時，該陽極電解液從該第一隔室的該第二隔室部分流到該第一隔室的該第一隔室部分。
如請求項8所述之電鍍系統，其中該泵在一第二設定中可操作以使該陽極電解液從該第一隔室的該第二隔室部分完全排出。
如請求項1所述之電鍍系統，更包括：一插入件，位於該第二隔室中，該插入件定義沿著該插入件的至少一流體通道。
如請求項1所述之電鍍系統，更包括：一隔室，設置在該第一隔室的該第一隔室部分內，該隔室容納該陽極材料。
如請求項1所述之電鍍系統，其中該分隔件是一離子膜，該離子膜將該第一隔室的該第一隔室部分與該第一隔室的該第二隔室部分之間的流動路徑流體隔離。
一種操作電鍍系統的方法，該方法包括：透過一補充組件驅動一電壓，該補充組件包括：一第一隔室，容納一陽極材料，該第一隔室具有其中容納該陽極材料的一第一隔室部分和透過一分隔件與該第一隔室部分隔開的一第二隔室部分，一第二隔室，與一電鍍腔室流體耦接，並與該第一隔室電性耦接，以及一第三隔室，與該第二隔室電性耦接，該第三隔室包括一惰性陰極，其中該電壓透過該第一隔室的該第一隔室部分、該第一隔室的該第二隔室部分、該第二隔室和該第三隔室從該陽極材料驅動到該惰性陰極；以及將該陽極材料的離子提供給流過該第二隔室的一陰極電解液。
如請求項14所述之操作電鍍系統的方法，更包括：反轉該陽極材料與該惰性陰極之間的該電壓；以及從該惰性陰極中去除電鍍的陽極材料。
如請求項14所述之操作電鍍系統的方法，更包括：將一陽極電解液從該第一隔室的該第二隔室部分泵送到該第一隔室的該第一隔室部分以排空該第一隔室的該第二隔室部分。
如請求項16所述之操作電鍍系統的方法，其中該補充組件更包括：一第一離子膜，位於該第一隔室的該第二隔室部分與該第二隔室之間；以及一第二離子膜，位於該第二隔室與該第三隔室之間。
如請求項17所述之操作電鍍系統的方法，其中該泵送保持該第一離子膜僅與該陰極電解液流體接觸。
一種電鍍系統，包括：一電鍍腔室；以及與該電鍍腔室流體耦接的一補充組件，該補充組件包括：一第一隔室，容納一陽極材料和一陽極電解液，該第一隔室具有其中容納該陽極材料的一第一隔室部分及透過一分隔件與該第一隔室部分隔開的一第二隔室部分，其中一流體迴路定義於該第一隔室部分與該第二隔間部分之間，一第二隔室，與該電鍍腔室流體耦接，並與該第一隔室電性耦接，其中該第二隔室包含一陰極電解液，一第一離子膜，位於該第一隔室的該第二隔室部分與該第二隔室之間，一第三隔室，與該第二隔室電性耦接，該第三隔室包括一惰性陰極，其中該第三隔室包括酸性取樣電解液，以及一第二離子膜，位於該第二隔室與該第三隔室之間。
如請求項19所述之電鍍系統，其中該分隔件是一第三離子膜。