TWI493081B - 電鍍系統之分離陽極室中具壓力調節之電解液迴路 - Google Patents

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Description

電鍍系統之分離陽極室中具壓力調節之電解液迴路
本發明係關於電鍍系統，且更特定言之係關於電鍍系統之分離陽極室中之壓力調節。
本申請案根據35 U.S.C.§119(e)規定主張2010年3月19日名為Richard Abraham之發明者申請之美國臨時專利申請案第61/315,679號之權利。為了所有目的，美國臨時專利申請案第61/315,679號之全文以引用之方式併入本文中。
本文提供之[先前技術]描述係出於大體呈現本發明之背景之目的。發明者之著作，就在此[先前技術]部分中描述之著作以及在歸檔時未能以其他方式取得先前技術資格之描述的態樣而言，既不以明示方式亦不以暗示方式承認為反對本發明之先前技術。
半導體器件之製造涉及導電材料在諸如半導體晶圓之基板上的沈積。可藉由電鍍將導電材料沈積至位於介層孔或溝槽中之諸如銅之金屬晶種層上。
亦可將電鍍用於矽穿孔(TSV)，TSV為完全穿過半導體晶圓之連接。因為TSV通常大小較大且具有高縱橫比，所以沈積銅可具有挑戰性。用於TSV之銅之CVD沈積通常要求複雜及相對昂貴之前驅物。PVD沈積易於產生空隙且具有有限的步階覆蓋。電鍍為用於沈積TSV之銅的較佳方法。然而，電鍍亦由於TSV之大的大小及高縱橫比而面臨挑戰。
TSV技術可用於3維(3D)封裝及3D積體電路中。僅舉例而言，3D封裝可包括垂直堆疊之兩個或兩個以上之積體電路(IC)。與相應2D佈局相比，3D封裝易於佔據較小空間且具有較短通信距離。
晶圓級封裝(WLP)為類似於TSV之電連接技術，該技術使用通常處於微米尺度上之大特徵。WLP結構之實例包括再分配佈線、凸塊及導柱。電鍍隨時作好傳送下一代WLP技術之準備。
鑲嵌處理可用以形成用於積體電路(IC)之互連。在典型鑲嵌製程中，溝槽及介層孔之圖案經蝕刻於基板之介電層中。接著將擴散障壁膜之薄層沈積至介電層上。擴散障壁膜可包括諸如鉭(Ta)、氮化鉭(TaN)、TaN/Ta雙層之材料，或其他適當材料。使用PVD、CVD或另一製程將銅晶種層沈積於擴散障壁層上。之後，使用電鍍以銅填充溝槽及介層孔。最後，可平坦化晶圓之表面以移除過量銅。
電鍍系統可包括電鍍池，其具有浸入於電解液中之陰極及陽極。電源供應器之一個引線連接至包括銅晶種層之陰極。電源供應器之另一引線連接至陽極。
用於銅之沈積的電解液之組合物可改變，但通常包括硫酸、硫化銅(例如，CuSO4 )、氯離子及/或有機添加劑之混合物。用於其他金屬之沈積的電解液具有其自身之特性化組合物。諸如加速劑、抑制劑及/或調平劑之有機添加劑可用以增強或抑制銅或其他金屬之電鍍速率。
由所施加電壓產生之電場以電化學方式減少陰極處之金屬離子。結果，將金屬電鍍至晶種層上。選擇電鍍液之化學組合物以最優化電鍍之速率及均一性。
在陽極及陰極處發生之處理並不始終相容。因此，陽極及陰極電解液可具有相同或不同之化學組合物。陽極與陰極可由隔膜分離成不同區域。僅舉例而言，不溶性粒子可歸因於陽極之剝落或無機鹽之析出而形成於陽極處。隔膜可用以阻擋不溶性粒子，此情況減少了對金屬沈積之干擾及對晶圓之污染。隔膜亦可用以將有機添加劑侷限於電鍍池之陰極部分。
隔膜可在阻擋較大粒子及一些非離子分子(諸如，有機添加劑)之移動的同時允許離子(電流)在電鍍池之陽極區域與陰極區域之間流動。結果，隔膜在電鍍池之陰極區域與陽極區域中產生不同環境。
泵可用以將電解液抽汲至陽極室。可將新鮮電解液及/或去離子水週期性地引入至陽極液流，此引入可在陽極室中之電解液與電鍍池之剩餘部分中之電解液之間引入瞬時壓力差。此情況可造成隔膜向上偏轉，此偏轉有時將空氣陷於緊鄰隔膜。具體言之，壓力差可允許氣泡截留於隔膜與支撐結構之間。除了其他問題之外，所截留空氣將阻擋電流流經隔膜之由空氣佔據之區域，且因此增加經過隔膜之其他區域的電流從而引起電鍍非均一性且顯著縮短隔膜壽命。此外，陰極區域與陽極區域之分離產生電滲透效應，其中自陽極室至裝置之陰極部分穿越隔膜之質子在相同方向上「拖拽」水分子，從而使陽極液體積減少及增加陰極室中之體積。此效應稱作電滲透拖拽，且由於其在兩室之間產生可能導致隔膜損壞及故障之壓力梯度而為非吾人所要的。
用以防止損壞之一種方法為在陽極室中提供壓力感測器以監視壓力。所感測壓力值可於封閉迴路控制系統中回饋以控制泵之壓力。不幸地，此方法可要求需以每一陽極室中之壓力感測器精確控制的較昂貴之泵，此情形增加了成本。
在本文所描述之各種實施例中，電解液，且特定言之陽極液，經由具有一壓力調節器之一開放迴路進行循環，以使得電鍍室中之壓力相對於大氣壓維持於某一恆定(或實質上恆定)之值。在此等實施例中，一壓力調節器與該陽極室流體連通。
一所揭示態樣係關於用於電鍍至以下列特徵表徵之基板上的裝置：(a)一分離陽極室，其用於容納電解液及一陽極；(b)一陰極室，其用於接收基板且使該等基板與陰極液接觸；(c)一分離結構，其定位於陽極室與陰極室之間；及(d)一開放迴路再循環系統，其用於在電鍍期間將電解液提供至該分離陽極室及自該分離陽極室移除電解液。該開放迴路系統將包括一壓力調節器件，該壓力調節器件經配置以將該陽極室中之該電解液維持於一實質上恆定之壓力。此外，該開放迴路再循環系統可經組態以將該電解液暴露於大氣壓。通常，該開放迴路再循環系統經配置以使電解液以自該分離陽極室而出，經過該壓力調節器件且返回至該分離陽極室中之方式循環。為此目的，該再循環系統可包括一泵，該泵位於該陽極室外部且經組態以將電解液汲取出該壓力調節器件及將該電解液壓迫至該分離陽極室中。
該等室之間的分離結構通常提供一傳輸障壁，該傳輸障壁能夠在維持該陽極室及該陰極室中之不同電解液組合物的同時使離子物質跨越該傳輸障壁通過。作為一實例，該傳輸障壁可為一陽離子傳輸膜。在一些實施例中，該陽極室包括可固持該分離結構之一倒錐形頂板。
在某些實施例中，該壓力調節器件包括一垂直柱，該垂直柱經配置以充當一管道，該電解液在溢出該垂直柱之頂部前經由該管道向上流動。在操作中，此垂直柱提供一壓力頭，該壓力頭維持該分離陽極室中之一恆定壓力。在一具體實施例中，該分離陽極室中之電解液在操作期間維持於大約0.5psig至1psig之壓力下。除該垂直柱之外，該壓力調節器件可包括(i)一外殼，其用於保存已溢出該垂直柱之頂部之電解液，及(ii)一出口，其用於遞送再循環電解液。
在一些實例中，該壓力調節器件可包括用於感測該垂直柱與該外殼之間所含電解液之液位的一或多個液位感測器。在某些具體實施例中，可結合一控制器而提供此等感測器，該控制器經組態以將電解液之液位維持於該垂直柱與該外殼之間的一經界定高度內。為了額外保護，該壓力調節器件可包括用於在必要時令電解液通風之一室外排氣口。
在各種實施例中，該壓力調節器件包括用於自該電解液移除氣泡之一氣泡分離器件(諸如，過濾器)。在一具體實施例中，該壓力調節器包括裝配於上文所提及之垂直柱外部周圍之過濾器。
轉至該裝置之其他特徵，一儲集庫可連接至該陰極室以將陰極液提供至該陰極室。該儲集庫可經組態以經由該壓力調節器件中之一電解液溢流出口自該器件接收過量電解液。另外，該電解液溢流出口可連接至一凹槽，該凹槽暴露於大氣壓。
該開放迴路再循環系統可進一步包括用於將額外流體引入該電解液中之一入口。舉例而言，該裝置可包括用於用一補充液直接配料給該再循環系統中之電解液的補充液進入口。或者或另外，該裝置可包括用於用一稀釋劑直接配料給該再循環系統中之該電解液的稀釋劑進入口。該裝置可包括用於控制該稀釋劑及該補充液至該再循環陽極液之遞送的一控制器。
兩個或兩個以上分離陽極室如上文所描述共用該開放迴路再循環系統可為需要的。在此類實施例中，該兩個或兩個以上陽極室可(例如)共用單一壓力調節器件。
另一所揭示態樣係關於以下列特徵表徵之裝置：(a)分離陽極室及陰極室，該陽極室及該陰極室以離子方式連接至彼此；(b)一陽極液流動迴路，其使陽極液以流入、流出及經過該陽極室之方式循環；(c)一多孔傳輸障壁，其使該陽極室與該陰極室分離；及(d)一壓力調節器件，其耦接至該陽極液流動迴路且包含一垂直柱，該垂直柱經配置以提供將該陽極室中之該陽極液維持於一實質上恆定壓力的壓力頭。在此態樣中，該傳輸障壁能夠在實質上防止非離子有機鍍槽添加劑跨越該傳輸障壁經過的同時使離子物質跨越該傳輸障壁遷移。
可呈現之另一特徵為陽極液補充子系統，其將陽極液週期性地遞送至該陽極液流動迴路。此外，如上述，該裝置可包括連接至該陰極室以將陰極液提供至該陰極室之一陰極液儲集庫。更進一步，該陰極室可包括一擴散器，該擴散器使該陰極液在接觸該基板時以一實質上均一之方式向上流動。
下文將參看相關聯之圖式詳細描此等及其他特徵及優點。
以下描述在性質上僅為例示性的，且決不意欲限制本發明、本發明之應用或用途。為了清晰起見，在諸圖中使用相同參考數字以識別相似元件。如本文所使用，片語A、B及C中之至少一者應被解釋為意謂使用非排他性邏輯或(OR)之邏輯(A或B或C)。應理解，方法內之步驟可在不更改本發明之原理的情況下以不同次序加以執行。
本發明係關於用於在電鍍系統中調節至分離陽極室之壓力的系統及方法。在進一步描述用於調節壓力之系統及方法之前，將出於說明之目的描述例示性電鍍系統(圖1)及電鍍池(圖2)。
現參看圖1，電鍍系統10包括配料系統11，配料系統11更改電鍍槽12之化學組合物。陽極電解液遞送系統13-1及陰極電解液遞送系統13-2分別將陽極電解液及陰極電解液(有時分別稱為「陽極液」及「陰極液」)遞送至電鍍池14。亦可分別藉由陽極電解液遞送系統13-1及陰極電解液遞送系統13-2將電鍍液自電鍍池14返回至電鍍槽儲集器12。
僅舉例而言，陽極電解液遞送系統13-1可為使陽極電解液循環之封閉迴路系統。過量陽極電解液可在需要時返回至電鍍槽。陰極電解液遞送系統可使電鍍液循環且使其自電鍍槽儲集器12返回。如本文所描述，陽極液遞送系統亦可為開放迴路系統。
現參看圖2，展示例示性電鍍池14。儘管將電鍍池14展示為分離陽極室(SAC)電鍍池，但熟習此項技術者將瞭解，可使用其他類型之電鍍池。電鍍池14包括由隔膜24分離之陰極室18及陽極室22。儘管展示了隔膜，但可使用其他邊界結構，包括燒結玻璃、多孔聚烯烴，等等。此外，在一些實施中可省略隔膜。在各種實施例中，SAC中之電解液為具有介於大約10 gm/l與50 gm/l之間的銅及0 gm/l與大約200 gm/l之間的H2 SO4 的含水溶液。
隔膜24可由隔膜框架(未圖示)支撐。僅舉例而言，隔膜24可為電介電質，且可包括抗直接流體傳輸之微孔介質。僅舉例而言，隔膜24可為陽離子膜。僅舉例而言，陽離子膜可包括以商標名銷售之隔膜，該等隔膜可購自Dupont Corporation of Wilmington Delaware。在頒予Mayer等人之美國專利第6,527,920號及頒予Reid等人之美國專利第6,126,798號及第6,569,299號中描述了具有用於形成分離陽極室之隔膜的電鍍裝置，該等專利之全部內容以引用之方式併入本文中。
陰極室18及陽極室22可分別包括陰極電解液流動迴路及陽極電解液流動迴路。陰極電解液與陽極電解液可具有相同或不同之化學組合物及特性。僅舉例而言，陽極電解液可實質上不含有機電解質(organic bath)添加劑，而陰極電解液可包括有機電解質添加劑。
陽極28經配置於陽極室22中，且可包括金屬或金屬合金。僅舉例而言，金屬或金屬合金可包括銅、銅/磷、鉛、銀/錫，或其他適當金屬。在某些實施例中，陽極28為惰性陽極(有時稱為「尺寸穩定」陽極)。陽極28電連接至電源供應器(未圖示)之正極端子。該電源供應器之負極端子可連接至基板70上之晶種層。
陽極電解液之流動如箭頭38所示經由中心口且穿過陽極28而饋入陽極室22中。視需要，使用一或多個流量分配管(未圖示)來遞送陽極液。在使用時，流量分配管可在朝向陽極28之表面的方向上供應陽極電解液以增加來自陽極28之表面的溶解離子之對流。
陽極電解液之流動經由歧管32在30處退出陽極室22，且返回至陽極電解液槽(未圖示)以用於再循環。在一些實施中，隔膜24可為圓錐形以減少在隔膜24之中心部分處之氣泡收集。換言之，陽極室頂板具有倒錐形狀。用於電鍍液之返回管線可經配置而鄰近隔膜之徑外部部分。
儘管將陽極28展示為固體，但陽極28亦可包括成堆配置(未圖示)之複數個金屬件，諸如，球體或另一形狀(未圖示)。當使用此方法時，可將入口流量歧管配置於陽極室22之底部處。電解液之流動可經由多孔陽極端子板引導向上。
陽極電解液可由流量分配管中之一或多者視情況引導至陽極28之表面上，以減少與溶解活性物質之積累或耗盡相關聯之電壓增加。此方法亦有助於減少陽極鈍化。
陽極室22與陰極室18由隔膜24分離。陽離子在所施加電場之影響下自陽極室22經由隔膜24及陰極室18行進至基板70。隔膜24實質上阻擋非帶正電荷電解液組份之擴散或對流橫穿陽極室22。舉例而言，隔膜24可阻擋陰離子及不帶電有機電鍍添加劑。
供應至陰極室18之陰極電解液可具有與陽極電解液不同之化學物。舉例而言，陰極電解液可包括添加劑，諸如，加速劑、抑制劑、調平劑，及其類似者。僅舉例而言，陰極電解液可包括氯離子、電鍍槽有機化合物(諸如硫脲、苯并三唑、巰基丙烷磺酸(MPS)、二巰基丙烷磺酸(SPS)、聚氧化乙烯、聚氧化丙烯)，及/或其他適當添加劑。
陰極電解液在50處進入陰極室18且經由歧管54行進至一或多個流量分配管58。儘管展示了流量分配管58，但在一些實施中可省略流量分配管58。僅舉例而言，流量分配管58可包括非導電管狀材料，諸如，聚合物或陶瓷。僅舉例而言，流量分配管58可包括具有由小燒結粒子構成之壁的中空管。僅舉例而言，流量分配管58可包括其中鑽有孔之固體壁管。
流量分配管58中之一或多者可經定向使得開口經配置以引導隔膜24處之流體流動。流量分配管58亦可經定向以引導流體流動至陰極室18中除了隔膜24之外的區域。對具有有槽流量分配管之電鍍裝置之論述含於Mayer等人於2009年12月17日申請之美國專利申請案第12/640,992號中，且該案之全部內容以引用之方式併入本文中。
電解液最終行進穿過流量擴散器60且在基板70之下部表面附近經過。電解液如箭頭72所示在堰牆74上退出陰極室18，且返回至電鍍槽。
僅舉例而言，流量擴散器60可包括一般大於大約20%多孔之微孔擴散器。或者，流量擴散器可包括高電阻虛陽極(HRVA)板，諸如在2009年11月24日頒佈之美國專利第7,622,024號中所展示之HRVA板，該專利之全部內容以引用之方式併入本文中。HRVA板通常小於大約5%多孔且賦予較高電阻。在其他實施中，可省略流量擴散器60。
各種專利描述含有分離陽極室之電鍍裝置，該等電鍍裝置可適合於供本文所揭示之實施例實踐。此等專利包括(例如)美國專利第6,126,798號、第6,527,920號及第6,569,29號(每一專利在前文中以引用之方式得以併入)，以及2004年11月23日頒佈之美國專利第6,821,407號及2005年5月10日頒佈之美國專利第6,890,416號(該兩案之全部內容以引用之方式併入本文中)。所揭示實施例亦可用經設計以同時沈積兩個或兩個以上元素(例如，錫及銀)之裝置及方法實踐，諸如，在2010年12月1日申請之美國臨時專利申請案第61/418,781號中所描述之此等裝置及方法，為了所有目的將該案以引用之方式併入本文中。
在各種實施例中，供本文所描述系統使用之電鍍裝置具有「蛤殼式」設計。在2000年12月5日頒予Patton等人之美國專利第6,156,167號及2004年10月5日頒予Reid等人之美國專利第6,800,187號中詳細描述了具有適於供本發明使用之態樣的蛤殼型電鍍裝置之概述，為了所有目的將該等專利以引用之方式併入本文中。
現參看圖3，展示用於在一或多個陽極室中調節壓力之例示性系統90。第一及第二陽極室22-1及22-2分別包括配置於陽極室與相應陰極室之間的隔膜24-1及24-2。根據本發明之系統90顯著降低氣泡移除之困難，以及在不要求精確泵及/或壓力回饋之情況下調節陽極室22-1及22-2中之壓力，此情況降低了成本及複雜性。
去離子(DI)水源100經由閥112將去離子水提供至管道114。電鍍液源104經由閥108將電鍍液或電解液提供至管道114。電鍍液可為未用補充液(VMS)。對於用於以VMS及DI水進行配料之一個實施之論述，參見(例如)以Buckalew等人為發明者且於2006年10月30日申請之美國專利申請案第11/590,413號，該案之全部內容以引用之方式併入本文中。泵120與管道114流體連通之輸入。泵120之輸出經由管道121與過濾器(未圖示)之輸入連通。在許多實施例中，此過濾器可為不必要的，此係因為所有過濾皆由過濾器164處置。
管道124連接至管道128及130，管道128及130分別連接至陽極室22-1及22-2。排洩閥126可用以自管道124排洩流體。如可瞭解，可將排洩閥126定位於電鍍系統中之其他位置處。舉例而言，排洩閥可併入閥108之變體中，其變體為三通閥。管道132及134分別自陽極室22-1及22-2接收電解液。管道136將管道132及134連接至壓力調節器件138。
壓力調節器件138包括外殼140，外殼140包括配置於其底部表面141上或附近之入口142。入口142與垂直管狀部件144連通，垂直管狀部件144包括入口145及出口146。外殼140進一步包括在外殼140之底部表面141上或附近與入口142隔開之第一出口147。外殼140進一步包括在外殼140之上部部分153附近之第二出口152。
在各種實施例中，壓力調節器件暴露於大氣壓。換言之，壓力調節器件為「開放的」，且藉此產生用於陽極液再循環之開放迴路。可藉由(例如)在外殼140中提供排氣孔或其他開口來實現暴露於大氣壓。在其他情況下，電解液出口管(例如，管道154)可具有開口以允許大氣接觸電解液。在一具體實施例中，出口管道將電解液遞送至凹槽(trough)，該凹槽當然暴露於大氣壓。
在所描繪實施例中，壓力調節器件138進一步包括過濾介質164。過濾介質164可包括自電解液過濾氣泡之多孔材料。可將過濾介質164定位於如所示之水平位置或定位於任何其他適當位置，以在陽極電解液返回至陽極室22-1及22-2之前自陽極電解液過濾氣泡及/或粒子。更一般地，可使用其他形式之氣泡分離器件。此等氣泡分離器件包括多孔材料之薄片，諸如，「Porex」TM 商標之過濾產品(Porex Technologies,Fairburn,GA)、篩網、活性碳等。
在一些實施中，過濾介質164可經配置於外殼140外部與管道121或另一管道成一直線。在其他實施中，過濾介質164可經配置於水平與垂直之間的一個角度。在又一實施中，過濾介質164可經配置於垂直位置，且出口可經配置於外殼140之側壁上。下文在圖5之情形下考慮及論述其他變化。
在一具體實施例中，過濾器164具有套筒形狀且裝配於管狀部件144上。過濾器164可自上而下地裝配於套管上或至少裝配於高度之實質部分上。在一些情況下，過濾器包括密封部件，諸如，安置於過濾器之內圓周上之一位置且與管狀部件144配合之O形環。過濾器經組態以在將電解液遞送至出口147之前自該電解液移除粒子及/或氣泡。對於氣泡管理而言，過濾器具有經大小設計為大致40微米或更小之孔隙可足夠，或在一些情況下具有經大小設計為大致10微米或更小之孔隙可足夠。在一具體實施例中，平均孔隙大小在大約5微米與10微米之間。此等過濾器對移除非常大的粒子有額外益處。作為一實例，適當過濾器可自Parker Hannifin Corp.,filtration division,Haverhill,MA獲得(例如，5微米孔隙大小褶疊式聚丙烯過濾器料號PMG050-9FV-PR)。在一些設計中，過濾器之外徑將在大約2吋與3吋之間。此外，可選擇過濾器大小以便在該過濾器與壓力調節器之外部外殼之間餘留一些空間。此類間隙可允許壓力調節器中之液位感測器之更容易且更可靠的調諧(見下文對圖5之論述)。在一些實施例中，設計調節器外殼及過濾器之大小以便在其間餘留大約0.2吋至0.5吋的間隙。
第一出口147與管道148連通，管道148返回陽極電解液且完成陽極電解液流動迴路。管道154將第二出口152連接至電鍍槽儲集器12以在需要時處置陽極電解液之溢流。在一些情況下，如上文所指示，管道154在到達用於保持電鍍槽12之貯槽之前排空至凹槽中(未圖示)。
在一些實施中，垂直管狀部件144之入口145垂直地位於隔膜24-1及24-2之至少一部分下方。垂直管狀部件144之出口146位於隔膜24-1及24-2之上方。
在某些實施例中，電鍍槽儲集器12將陰極液提供至陰極室。因為自壓力調節器138提供至電鍍槽之電解液為陽極液，其可能不具有電鍍添加劑，所以在遞送至陰極室之前電鍍槽中電解液之組合物可要求調整。舉例而言，可在電鍍槽保持於儲集器12中時將一些電鍍添加劑配料至該電鍍槽中。
在使用中，最初可用電鍍液及/或去離子水填充陽極室22-1及22-2。泵120可開啟以提供流動。在一些實施中，泵120可提供大約每分鐘2-4公升。泵120引起陽極室22中之電解液之壓力變化。另外，來自源104之新鮮電鍍液之遞送可引入室22內之陽極液壓力之瞬時增加。隨著陽極室22中之壓力增加，電解液流出垂直管狀部件144且流下垂直管狀部件144之外表面。電解液流經過濾介質164(若存在)且流出出口147。
壓力調節器件138調節陽極室22中之壓力且有助於防止對隔膜24之損壞。系統可使用開放迴路方法且在無高成本壓力感測器及泵之情況下運作。
在某些實施例中，系統90經設計及操作以使得陽極室內之陽極液壓力維持於大約0磅每平方吋(psig)與1 psig之間。在更具體實施例中，將陽極液壓力維持於大約0.5 psig與1.0 psig之間的一壓力(例如，大約0.8 psig)。通常，陽極室中之壓力為壓力調節器件138中之壓力頭與由泵120引入之壓力的總和。在某些設計中，器件138中之壓力頭大約為0.1 psig至0.5 psig(例如，大約0.3 psig)。
圖4提供使用經配置成兩個群組(402及404)之四個獨立電鍍池(408、408'、410及410')之另一實施例，每一群組具有其自身之壓力調節器件(406及406')，壓力調節器件406及406'以本文所描述之方式操作。用於群組402及404之陽極液再循環迴路分別由泵412及414驅動。將來自壓力調節器406及406'之溢流分別提供至電鍍槽儲集器416及418。在所揭示實施例中，經由源420及422提供補充液，且可如所示在閥群組430、432、434及436之控制下將補充液提供至陽極液再循環迴路或電鍍槽儲集器。類似地，經由源424提供且在點426處移除之DI水由相同閥群組控制。請注意，在點424與點426之間流動之水一般經提供為安裝有電鍍室之設施處之獨立DI水子系統(未圖示)之一部分。流量計440及442允許精確計量至陽極液再循環迴路及/或電鍍槽儲集器之補充液及/或DI水。控制器(未圖示)控制閥之操作以允許以補充液及DI水對電解液適當配料。控制器自流量計440及442接收回饋。控制器亦可控制將電鍍添加劑配料至電鍍槽。
可在各位置處提供額外流量控制及監視以將流量平衡提供給陽極室對中之每一者。舉例而言，可如所示在各位置處提供流量計及/或壓力開關。舉例而言，可將流量計直接置放於泵412及414之下游。對於熟習此項技術者將顯而易見其他位置。另外，可在各位置處提供手動閥以調整流量。
圖5為適用於本文所描述之開放迴路系統之一些實施的壓力調節器件之橫截面圖。在圖5中，壓力調節器經描繪為具有外殼503及罩蓋520之物品502，外殼503及罩蓋520一起界定調節器之外部結構。罩蓋與外殼可藉由諸如螺紋、接合等之各種機構進行附接。
在操作中，經由中心柱504之基底處的一或多個入口506將來自分離陽極室(諸如，圖3中所示之室22-1或室22-2)之陽極液推入器件502中。在各種實施例中，存在用於由壓力調節器502所服務之各種陽極室中之每一者的獨立進入口(類似於口506)。在圖5中，僅描繪一個此類進入口。在所描繪實施例中，柱504經由嵌入於外殼503之內部中之固體結構件中之桿522而安裝至調節器502。
被推入中心柱504之電解液向上流動至柱504之頂部505，在頂部505處該電解液溢出至環形間隙528中且接觸到過濾器510。在各種實施例中，間隙528相對較小以促進有效過濾。作為一實例，間隙528可為大約0.1吋至0.3吋寬。請注意，在(例如)過濾器510之基底處，過濾器510對於柱504係密封的。出於此目的可使用O形環。亦請注意，所描繪設計包括直接在柱504之頂部505上方的填隙空間508。此情況為容納湧出柱504之瞬時電解液湧浪提供空間。
柱504中之電解液的壓力頭負責維持由壓力調節器502服務之電鍍池之分離陽極室內的恆定壓力。有效地，指示分離陽極室中之電解液所經歷之壓力的是中心柱504之高度(至少為高於電鍍池中之電解液的高度)。當然，此等陽極室內之壓力亦受驅動電解液自壓力調節器502且至分離陽極室中再循環之泵的影響。
如所提及，流出柱504之頂部的電解液遭遇過濾器510。過濾器較佳經組態以自向上流經且流出柱504之電解液移除特定大小之任何氣泡或粒子。過濾器可包括各種褶或經設計以提供用於與電解液之更大接觸之高表面面積及更有效過濾的其他結構。褶或其他高表面面積結構可佔據外殼503內之空隙區域。穿過過濾器510之電解液將進入外殼503與過濾器510之外部之間的空隙區域523中。在此區域中之流體將向下流動至蓄液器524中，在蓄液器524中該流體在被汲取出調節器502時可暫時駐留。
具體言之，在所描繪實施例中，經由退出口516將穿過過濾器510之電解液汲取出壓力調節器502。如先前描述之各種實施例中所說明，退出口(諸如，口516)連接至泵，泵汲取出電解液且迫使經由分離陽極室進行再循環。
可需要經過濾之電解液暫時地積聚於壓力調節器件502內以維持區域523中之特定高度。為此目的，所描繪器件包括液位感測器512及514。在某些實施例中，系統在控制器之影響下操作使得區域523中之液體保持於液位感測器512與514之間的一液位。若電解液下降至液位512下方，則系統處於使泵乾轉之危險中，此係可對泵造成嚴重損壞之情況。因此，若控制器感測到電解液下降至液位512下方，則可採取適當步驟以對抗此危險情況。舉例而言，控制器可指導將額外補充液或DI水提供至陽極液再循環迴路中。
另一方面，若電解液上升至高於由感測器514所感測液位之液位，則控制器可設法藉由視情況自再循環迴路汲取一特定量之電解液來減少再循環陽極液之量。此情況可藉由(例如)指導相關聯之抽氣器452或454(圖4)自開放流動迴路移除電解液來實現。請注意，壓力調節器502配備有獨立溢流出口518，該溢流出口518將允許過量電解液排洩出壓力調節器且進入固持電鍍槽之儲集器中。如所提及，此儲集器可將電解液直接提供至電鍍池之陰極室。又，如所提及，連接至退出口518之管道可(諸如)經由至凹槽之連接將開口提供至大氣壓，該凹槽在電解液流入至電鍍槽儲集器之前接收該電解液。或者或另外，壓力調節器可包括排氣機構。在所描繪實施例中，可選排氣孔526包括於罩蓋520之一指狀物下。該指狀物經設計以防止噴射電解液直接穿出調節器502。
壓力調節器件之尺寸及構造可經選擇以符合其所服務之電鍍池之約束、再循環迴路中產生之流體動力條件等。在某些實施例中，陽極液在進入壓力調節器時流入之中心管狀部件的頂部在其所服務之池中的頂部表面電解液上方(例如，在圖2所示堰牆74之頂部表面上方)大約5厘米至20厘米之間處。在一具體實施例中，此高度差為大約8吋。
如所注意，諸如本文所描述之開放迴路設計維持陽極室中之實質上恆定壓力。因此，在一些實施例中，不必以壓力傳感器或其他機構監視陽極室之壓力。當然，可存在監視系統中之壓力的其他原因，例如，為了確認泵持續地循環電解液。
上文描述之裝置及製程可結合微影圖案化工具或用於(例如)製造或生產半導體器件、顯示器、LED、光伏面板及其類似者之製程而使用。通常，儘管非必要，但將在一共同製造設施中一起使用或進行此等工具/製程。薄膜之微影圖案化通常包含以下步驟中之一些或全部，以許多可能工具實現每一步驟：(1)使用旋塗或噴塗工具在工件(亦即，基板)上塗覆光阻；(2)使用熱板或爐子或UV固化工具使光阻固化；(3)使用諸如晶圓步進器之工具將光阻經由光罩暴露於可見光或UV光或x射線光；(4)使用諸如濕式清洗台之工具使抗蝕劑顯影以便選擇性地移除抗蝕劑且藉此將其圖案化；(5)藉由使用乾式或電漿輔助蝕刻工具將該抗蝕劑圖案轉移至底層薄膜或工件中；及(6)使用諸如RF或微波電漿抗蝕劑剝離器之工具移除抗蝕劑。此製程可提供諸如鑲嵌、TSV或WLP特徵之特徵的圖案，可使用上文所描述之裝置用銅或其他金屬來電鍍填充(electrofill)該等特徵。
如上文所指出，各種實施例包括系統控制器，該系統控制器具有用於根據本發明控制製程操作之指令。舉例而言，可利用來自壓力調節器件中之液位感測器之信號藉由演算法指導泵控制。舉例而言，若來自圖5所示下部液位感測器之信號指示在相關聯之液位不存在流體，則控制器可指導將額外補充液或DI水提供至陽極液再循環迴路中以確保在管線中有足夠流體，使得泵不會在乾涸(可損壞泵之情況)情況下操作。類似地，若上部液位感測器信號指示在相關聯液位中存在流體，則控制器可指導可設法減少再循環陽極液之量，如上文所解釋，藉此確保壓力調節器件中之經過濾之流體保持於感測器之上部液位與下部液位之間。視情況，控制器可在管線中使用(例如)壓力傳感器或流量計來判定陽極液是否在開放再循環迴路中流動。相同或不同控制器將在電鍍期間控制至基板之電流遞送。相同或不同控制器將控制將補充液及/或去離子水及/或添加劑配料至電鍍槽及陽極液。
系統控制器將通常包括一或多個記憶體器件及一或多個處理器，該一或多個處理器經組態以執行指令使得該裝置將執行根據本發明之方法。含有根據本發明用於控制製程操作之指令的機器可讀媒體可耦接至系統控制器。
如可瞭解，諸圖中展示之閥中之任一者可包括手動閥、氣控閥、針形閥、電子控制閥、排放閥，及/或任何其他適當類型之閥。
可以多種形式實施本發明之廣泛教示。因此，儘管本發明包括特定實例，但本發明之真實範疇不應限於此，此係因為在學習諸圖、說明書及以下申請專利範圍後各種修改將顯而易見。
10．．．電鍍系統
11．．．配料系統
12．．．電鍍槽/電鍍槽儲集器
13-1．．．陽極電解液遞送系統
13-2．．．陰極電解液遞送系統
14．．．電鍍池
18．．．陰極室
22．．．陽極室
24．．．隔膜
22-1．．．第一陽極室
22-2．．．第二陽極室
24-1．．．隔膜
24-2．．．隔膜
28．．．陽極
32．．．歧管
38．．．箭頭
54．．．歧管
58．．．流量分配管
60．．．流量擴散器
70．．．基板
72．．．箭頭
74．．．堰牆
90．．．系統
100．．．去離子(DI)水源
104．．．電鍍液源
108．．．閥
112．．．閥
114．．．管道
120．．．泵
121．．．管道
124．．．管道
126．．．排洩閥
128．．．管道
130．．．管道
132．．．管道
134．．．管道
136．．．管道
138．．．壓力調節器件
140．．．外殼
141．．．底部表面
142．．．入口
144．．．垂直管狀部件
145．．．入口
146．．．出口
147．．．第一出口
148．．．管道
152．．．第二出口
153．．．外殼之上部部分
154．．．管道
164．．．過濾介質
402．．．群組
404．．．群組
406．．．壓力調節器件
406'．．．壓力調節器件
408．．．獨立電鍍池
408'．．．獨立電鍍池
410．．．獨立電鍍池
410'．．．獨立電鍍池
412．．．泵
414．．．泵
416．．．電鍍槽儲集器
418．．．電鍍槽儲集器
420．．．源
422．．．源
424．．．源/點
426．．．點
430．．．閥群組
432．．．閥群組
434．．．閥群組
436．．．閥群組
440．．．流量計
442．．．流量計
452．．．抽氣器
454．．．抽氣器
502．．．物品/壓力調節器件
503．．．外殼
504．．．中心柱
505．．．中心柱之頂部
506．．．入口
508．．．填隙空間
510．．．過濾器
512．．．液位感測器
514．．．液位感測器
516．．．退出口
518．．．溢流出口
520．．．罩蓋
522．．．桿
523．．．空隙區域
524．．．蓄液器
526．．．排氣孔
528．．．間隙
圖1為展示根據本發明之電鍍系統的功能方塊圖。
圖2為例示性電鍍池之功能方塊圖。
圖3為根據本發明用於調節至電鍍池之分離陽極室之壓力的例示性系統的功能方塊圖。
圖4為根據本發明用於調節至電鍍池之分離陽極室之壓力的另一例示性系統的功能方塊圖。
圖5為根據某些實施例之壓力調節器件之說明。
12．．．電鍍槽/電鍍槽儲集器
22-1．．．第一陽極室
22-2．．．第二陽極室
24-1．．．隔膜
24-2．．．隔膜
90．．．系統
100．．．去離子(DI)水源
104．．．電鍍液源
108．．．閥
112．．．閥
114．．．管道
120．．．泵
121．．．管道
124．．．管道
126．．．排洩閥
128．．．管道
130．．．管道
132．．．管道
134．．．管道
136．．．管道
138．．．壓力調節器件
140．．．外殼
141．．．底部表面
142．．．入口
144．．．垂直管狀部件
145．．．入口
146．．．出口
147．．．第一出口
148．．．管道
152．．．第二出口
153．．．外殼之上部部分
154．．．管道
164．．．過濾介質

Claims (34)

  1. 一種用於在多個基板上電鍍之裝置，包含：(a)一分離陽極室，其用於容納電解液及一陽極；(b)一陰極室，其用於接收該等基板及使該等基板與一陰極液接觸；(c)一分離結構，其定位於該陽極室與該陰極室之間，該分離結構包含一傳輸障壁，該傳輸障壁能夠在維持該陽極室及該陰極室中之不同電解液組合物時使離子物質(ionic species)跨越通過該傳輸障壁；及(d)一開放迴路再循環系統，其用於在電鍍期間將電解液提供至該分離陽極室及自該分離陽極室移除電解液，其中該開放迴路再循環系統經組態以將該電解液暴露於大氣壓且該開放迴路再循環系統包含一壓力調節器件，該壓力調節器件，其經配置以將該陽極室中之該電解液維持於一實質上恆定壓力，且其中該壓力調節器件經設計或經組態以補償該分離陽極室內之該電解液因電滲透效應(electroosmotic effect)所導致之消耗。
  2. 如請求項1之裝置，其中該壓力調節器件包括用於自該電解液移除氣泡之一氣泡分離器件。
  3. 如請求項1之裝置，其中該開放迴路再循環系統經配置以使電解液以自該分離陽極室而出，經過該壓力調節器件且返回至該分離陽極室中之方式循環。
  4. 如請求項3之裝置，其中該再循環系統進一步包含一泵，該泵位於該陽極室外部且經組態以將電解液汲取出 該壓力調節器件及將該電解液壓迫至該分離陽極室中。
  5. 如請求項1之裝置，其中該壓力調節器件包含一垂直柱，該垂直柱經配置以充當一管道，該電解液在溢出該垂直柱之一頂部之前經由該管道向上流動，且其中，該垂直柱在操作中提供維持該分離陽極室中之一恆定壓力之一壓力頭。
  6. 如請求項5之裝置，其進一步包含裝配於該垂直柱之外部周圍之一過濾器。
  7. 如請求項5之裝置，其中該壓力調節器件進一步包含(i)一外殼，其用於保存已溢出該垂直柱之該頂部的電解液，及(ii)一出口，其用於遞送再循環電解液。
  8. 如請求項7之裝置，其進一步包含用於感測該垂直柱與該外殼之間所含電解液之液位的一或多個液位感測器。
  9. 如請求項8之裝置，其進一步包含經組態以將電解液之該液位維持於該垂直柱與該外殼之間的一經界定高度的一控制器。
  10. 如請求項1之裝置，其中，在操作期間，該分離陽極室中之該電解液維持於大約0.5psig至1psig之一壓力下。
  11. 如請求項1之裝置，其進一步包含連接至該陰極室以將陰極液提供至該陰極室之一儲集庫。
  12. 如請求項11之裝置，其中該壓力調節器件包含用於將過量電解液提供至該儲集庫之一電解液溢流出口。
  13. 如請求項12之裝置，其中該電解液溢流出口連接至一凹槽。
  14. 如請求項1之裝置，其中該壓力調節器件包含一室外排氣口。
  15. 如請求項1之裝置，其中該開放迴路再循環系統進一步包含用於將額外流體引入至該電解液中之一入口。
  16. 如請求項1之裝置，其進一步包含用於用一補充液直接配料給該再循環系統中之電解液的一補充液進入口。
  17. 如請求項1之裝置，其進一步包含用於用一稀釋劑直接配料給該再循環系統中之該電解液的一稀釋劑進入口。
  18. 如請求項1之裝置，其進一步包含用於控制該稀釋劑及該補充液至該再循環陽極液之遞送的一控制器。
  19. 如請求項1之裝置，其中該傳輸障壁包含一陽離子傳輸膜。
  20. 如請求項1之裝置，其中該陽極室包括一倒錐形頂板。
  21. 如請求項1之裝置，其進一步包含一第二分離陽極室，該第二分離陽極室與請求項1中所敍述之該分離陽極室共用該開放迴路再循環系統。
  22. 一種用於將一金屬電鍍至一基板上之裝置，該裝置包含：分離陽極室及陰極室，該陽極室及該陰極室以離子(ionically)方式連接至彼此；一陽極液流動迴路，其使陽極液以流入、流出及經過該陽極室之方式循環；一多孔傳輸障壁(porous transport barrier)，其使該陽極室與該陰極室分離，該傳輸障壁能夠在實質上防止非離 子有機鍍槽添加劑(non-ionic organic bath additives)跨越通過該傳輸障壁時使離子物質跨越該傳輸障壁遷移；及一壓力調節器件，其耦接至該陽極液流動迴路且包含一垂直柱，該垂直柱經配置以提供將該陽極室中之該陽極液維持於一實質上恆定壓力的壓力頭，其中該壓力調節器件係與該分離陽極室分離。
  23. 如請求項22之裝置，其進一步包含一陽極液補充子系統，該陽極液補充子系統將陽極液週期性地遞送至該陽極液流動迴路。
  24. 如請求項22之裝置，其進一步包含連接至該陰極室以將陰極液提供至該陰極室之一陰極液儲集庫。
  25. 如請求項22之裝置，其中該陽極室包括一倒錐形頂板。
  26. 如請求項22之裝置，其中該陰極室包括一擴散器，該擴散器使該陰極液在接觸該基板時以一實質上均一之方式向上流動。
  27. 如請求項22之裝置，其進一步包含一步進器。
  28. 一種用於在多個基板上電鍍之裝置，包含：(a)一分離陽極室，其用於容納電解液及一陽極；(b)一陰極室，其用於接收該等基板及使該等基板與一陰極液接觸；(c)一分離結構，其定位於該陽極室與該陰極室之間，該分離結構包含一傳輸障壁，該傳輸障壁能夠在維持該陽極室及該陰極室中之不同電解液組合物時使離子物質跨越通過該傳輸障壁；及 (d)一開放迴路再循環系統，其用於在電鍍期間將電解液提供至該分離陽極室及自該分離陽極室移除電解液，其中該開放迴路再循環系統經組態以將該電解液暴露於大氣壓且該開放迴路再循環系統包含一壓力調節器件，該壓力調節器件，其經配置以將該陽極室中之該電解液維持於一實質上恆定壓力，且其中該壓力調節器件包含一溢流堰(overflow weir)，其定位於電解液可填滿該陽極室及該陰極室之最高高度上方約5至20釐米處。
  29. 如請求項28之裝置，其中該壓力調節器件包含一垂直柱，該垂直柱經配置以充當一管道，該電解液在溢出該溢流堰之前經由該管道向上流動，且其中，該垂直柱在操作中提供維持該分離陽極室中之一實質上恆定壓力之一壓力頭。
  30. 如請求項28之裝置，其進一步包含一第二分離陽極室，該第二分離陽極室與請求項28中所敍述之該分離陽極室共用該開放迴路再循環系統。
  31. 一種用於在多個基板上電鍍之裝置，包含：(a)一分離陽極室，其用於容納電解液及一陽極；(b)一陰極室，其用於接收水平定位之基板並使該等基板與一陰極液接觸；(c)一分離結構，其定位於該陽極室與該陰極室之間，該分離結構包含一傳輸障壁，該傳輸障壁能夠在維持該陽極室及該陰極室中之不同電解液組合物時使離子物質跨越通過該傳輸障壁；及 (d)一開放迴路再循環系統，其用於在電鍍期間將電解液提供至該分離陽極室及自該分離陽極室移除電解液，其中該開放迴路再循環系統經組態以將該電解液暴露於大氣壓且該開放迴路再循環系統包含一壓力調節器件，該壓力調節器件，其經配置以將該陽極室中之該電解液維持於一實質上恆定壓力。
  32. 如請求項31之裝置，其中該傳輸障壁包含一陽離子傳輸膜。
  33. 如請求項31之裝置，其中該陽極室包括一倒錐形頂板。
  34. 一種用於在多個基板上電鍍之裝置，包含：(a)一第一分離陽極室，其用於容納電解液及一陽極；(b)一陰極室，其用於接收該等基板並使該等基板與一陰極液接觸；(c)一分離結構，其定位於該陽極室與該陰極室之間，該分離結構包含一傳輸障壁，該傳輸障壁能夠在維持該陽極室及該陰極室中之不同電解液組合物時使離子物質跨越通過該傳輸障壁；(d)一開放迴路再循環系統，其用於在電鍍期間將電解液提供至該分離陽極室及自該分離陽極室移除電解液，其中該開放迴路再循環系統經組態以將該電解液暴露於大氣壓且該開放迴路再循環系統包含一壓力調節器件，該壓力調節器件，其經配置以將該陽極室中之該電解液維持於一實質上恆定壓力；及(e)一第二分離陽極室，該第二分離陽極室與該第一分離陽極室共用該開放迴路再循環系統。
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