TWI565842B - 電化學處理器中的密封環 - Google Patents

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Description

電化學處理器中的密封環
本發明係關於電化學處理器中的密封環。
半導體積體電路和其它微尺度裝置的生產通常需要在晶片或其它基板上形成多個金屬層。通過與諸如平坦化、蝕刻和光刻的其它步驟結合電鍍金屬層，產生形成微尺度裝置的圖案化金屬層。
電鍍是在液體電解質浴中對基板或基板的一側進行，並且電鍍是對接觸基板表面上的導電層的電接觸進行。使電流通過電解質和導電層。電解質中的金屬離子沉積或者析出至基板上，從而在基板上產生金屬層。金屬離子也傾向於析出至電接觸上。這種稱為“集中電鍍(plate-up)”的影響改變電接觸周圍的電場，從而產生不均勻的電鍍。因此，電鍍至電接觸上的金屬必須被移除，增加了製造製程的時間要求和複雜性。
已經發展所謂的乾燥或封閉接觸環以避免接觸的集中電鍍。在這些設計中，密封環將電解質遠離電接觸密封。電接觸在基板的周邊接觸基板上的導電層。密封環沿電接觸 徑向向內地接觸基板表面，以便接觸保持與電解質隔離。
儘管在乾燥接觸環中使用密封件解決集中電鍍問題，但是乾燥接觸環具有該等乾燥接觸環自身的缺點。最初，乾燥接觸環的密封件必要地接觸或覆蓋基板表面上的環形區域，該區域不可用來形成裝置。因此，如果使用密封件，那麼必須犧牲一小部分可用的基板表面。密封件也絕不可過度幹擾圍繞晶片邊緣的電場，否則將降低電鍍品質。在一些處理器中，密封件也可以在連續的晶片電鍍週期期間集中電鍍(即，金屬變得電鍍至密封件上)。避免密封件集中電鍍在提供均勻的高品質金屬電鍍晶片中也是重要的。密封件也必須在大量電鍍週期期間可靠地且一致地執行，沒有洩漏並且在電鍍週期之後最少地粘附至晶片。
設計密封環以使密封環在抵靠晶片表面密封時不會滑移。該密封環可在處理器的轉子上，其中該密封環具有外壁，該外壁接合至尖端圓弧。該外壁可為直壁。相對剛性的支撐環可附接至該密封環，以提供更精確的密封尺寸。密封件可選擇性地模製在例如金屬支撐環上。也可使用在晶片表面上橫向地滑移或偏轉的刀口密封環。在該等設計中，滑移是大體上均勻且一致的，從而產生改進的性能。本密封環也具有與晶片接觸的最小區域，如此提高了產量。
JJ‧‧‧角
KK‧‧‧角
T‧‧‧方向
WD,HH,II‧‧‧尺寸
20‧‧‧電化學處理器
22‧‧‧頭部
24‧‧‧轉子
26‧‧‧背板
28‧‧‧電動機
30‧‧‧接觸環
32‧‧‧波紋管
34‧‧‧接觸環致動器
36‧‧‧底座
38‧‧‧容器
40‧‧‧中心電極
42‧‧‧外電極
44‧‧‧電場整形單元
50‧‧‧晶圓或基板
60‧‧‧隔膜
62‧‧‧提升/旋轉機構
72‧‧‧升降機
74‧‧‧臂
76‧‧‧旋轉器
80‧‧‧密封件
100‧‧‧密封組件
102‧‧‧密封環
103‧‧‧表面
104‧‧‧支撐環/環板
105‧‧‧環孔
106‧‧‧凹槽
108‧‧‧內徑
110‧‧‧圓弧段
112‧‧‧直分段
116‧‧‧尖端圓弧
118‧‧‧末端
120‧‧‧外壁
122‧‧‧內徑
124‧‧‧底表面
130‧‧‧密封環
134‧‧‧直分段
136‧‧‧刀口
138‧‧‧外角表面
140‧‧‧外徑
150‧‧‧反向刀口密封件/密封環
152‧‧‧末端或梯形分段
154‧‧‧內壁
156‧‧‧外壁
158‧‧‧頂表面
162‧‧‧保護區域/懸垂部分
164‧‧‧內徑
166‧‧‧外徑
在圖中，相同元件符號指示每一圖中的相同元件。
圖1是電化學處理器的剖視圖。
圖2是支撐在提升/旋轉機構上的圖1中所示的頭部的剖視圖。
圖3至圖5是現有技術密封組件的視圖。
圖6是第一密封組件的放大剖視圖。
圖7是圖6中所示的密封組件的進一步放大詳細視圖。
圖8和圖9是第二密封元件的放大剖視圖。
圖10是圖示圖8和圖9中所示的密封組件的變形的剖視圖。
圖11是圖示與基板接觸的第三密封元件的剖視圖。
如圖1中所示，電化學處理器20在頭部22中具有轉子24。轉子24包括背板26和接觸環30，接觸環30具有密封件80。接觸環致動器34垂直地(沿圖1中的方向T)移動接觸環30，以將接觸環30和密封件80嚙合至晶圓或基板50的面向下的表面上。波紋管32可用來密封頭部的內部部件。接觸環通常具有金屬指狀物，該等金屬指狀物接觸晶圓50上的導電層。頭部22被定位以將基板50放置到容納在底座36的容器38中的液體電解質浴中。一或多個電極與液體電解質接觸。圖1圖示具有由單個外電極42圍繞的中心電極40的設計，然而也可使用多個同心外電極。可將由介電材料製成的電場整形單元44定位在電極與晶圓之間的容器中。
可選擇性地包括隔膜60，其中陽極電解液在隔膜之下的下腔室中，並且陰極電解液在隔膜60之上的上腔室中。 電流自電極穿過電解質傳遞至晶圓上的導電表面，如所屬領域中眾所周知。頭部中的電動機28可用來在電鍍期間旋轉晶圓。如圖2中所示，頭部22可支撐在提升/旋轉機構62的臂74上，提升/旋轉機構62具有升降機72和旋轉器76。提升/旋轉機構62可用來將頭部22旋轉或翻轉至頭部朝上位置中，以將晶圓裝載至頭部22中並且卸載晶圓。然後，旋轉器將頭部旋轉至頭部朝下位置中，並且升降機將頭部22下降至底座上的處理位置中。替代地，頭部22可支撐在不具有任何旋轉器的升降機上。在這種設計中，在頭部22保持在圖2中所示的頭部朝下位置中的情況下裝載並卸載晶圓。
在電化學處理器中已使用各種密封件設計。圖3至圖5圖示一個實例。覆蓋較寬表面區域的密封件可較好地跨越晶圓上的通孔或類似特徵。然而，該等密封件在電鍍週期之後易於粘附至晶圓表面上，並且該等密封件也不具有如較窄設計一樣高的順應性。較寬密封件可因此也無法密封在具有高度變化的特徵上。
如果典型的o形環夾緊在兩個密封表面之間，那麼該o形環可自然地不具有滑移。然而，電鍍處理器中的夾緊的o形環密封件設計將需要非常高的結構，該結構將在晶圓的邊緣幹擾電場和品質轉移，並且該結構易於捕獲氣泡。因此，在電鍍處理器中，密封件通常是橫樑狀或懸臂式結構的尖端/邊沿處的合成橡膠，諸如圖4中所示。當裝載並且偏轉該結構時，存在易於使密封件徑向向內滑動的徑向尖端移動。密封件是否滑動和滑動多少是密封件與晶圓表面之間的摩擦力的 函數。與晶圓上的光掩模層相比，晶圓表面上的銅覆蓋的覆蓋層可對密封件具有非常不同的摩擦力。
密封件行為的分析和數學建模顯示出，密封件尖端在如圖10中所示嚙合晶圓時可徑向向內或向外地滑移或偏轉。密封件可替代地粘附在一些表面上並且不滑動。如果密封件在晶圓的一些部分上滑動並且在其他部分上不滑動，那麼可在滑移區域與粘附區域之間發生洩漏。並且，暴露的電鍍區域和電鍍均勻性可不利地受滑動影響。
然而，已知的密封件或變化的設計在與不同電解質和晶圓表面一起使用時可能或可能不滑動。例如，密封件可能在銅種晶晶圓上不滑移，但是在光刻膠塗布的晶圓上滑移，從而對於各種製程給出不一致的結果。因為用於300mm(12英寸)晶圓的標稱晶圓嚙合力為約14kgf至23kgf(30lbs至50lbs)，所以如果密封件在一些晶圓上滑移且在其他晶圓上不滑移，那麼可存在密封件順應性和邊緣排除的顯著變化。或許，如果密封件在相同晶圓上滑移至不同程度(即如果密封件僅在晶圓的一側上滑移)，那麼甚至可產生更不一致的結果。
可通過設計在各種晶圓表面上一致且均勻滑動的密封件來實現改進的密封性能。可通過設計完全成功抗滑的密封件來實現改進的密封性能，其中密封件尖端在嚙合至晶圓上期間無滑動的情況下壓縮或變形。
圖6和圖7圖示抵抗滑動的密封組件100。在這種無滑動設計中，密封材料(如Viton®氟橡膠)的模製密封環102附 接至由例如金屬製成的支撐環104上。支撐環104可為0.25mm至0.75mm(0.01英寸至0.03英寸)厚的不銹鋼。可將支撐環104的內邊緣插入或定位在密封環102中的凹槽106中。在圖6至圖7中，為了說明的目的，將密封組件100面向下倒置地圖示。當安裝在電化學處理器20中時，密封組件面向上，在與圖3至圖5中所示的密封組件80相同的定向上。因此，雖然圖6中的表面103被稱為頂表面，但是在使用中，表面103在密封組件100的底部。作為圖6中所示設計的替代，密封件可全模製(over-molded)在支撐環上，而非使用嵌件或其它機械元件附件。
仍參考圖6和圖7，在密封環102的內徑108處的圓弧段110自密封環102的平坦頂表面103轉變至直分段112。直分段112轉變或接合至尖端圓弧116中，該直分段可為大體上垂直的。末端半徑118在尖端圓弧116與外壁120之間延伸，該外壁可為直的，並且該外壁還可平行於直分段112。
末端半徑118可在0.025mm至0.125mm(0.001英寸至0.005英寸)的範圍之間或在0.025mm至0.075mm(0.001英寸至0.003英寸)的範圍之間。尖端圓弧116的半徑可在0.25mm至0.75mm(0.010英寸至0.30英寸)的範圍之間或在0.40mm至0.60mm(0.015英寸至0.025英寸)的範圍之間。圖6中的尺寸HH(密封環102的高度)可在1.25mm至5mm(0.05英寸至0.20英寸)的範圍之間或在2mm至4mm(0.08英寸至0.15英寸)的範圍之間。尺寸II可在0.7mm至1.7mm(0.03英寸至0.07英寸)的範圍之間或在1mm至1.5mm(0.04英寸至0.06 英寸)的範圍之間。為直分段112的內徑的尺寸WD可通常為294.6mm至296mm(11.600英寸至11.640英寸)，以用於300mm(12英寸)的晶圓。WD當然將隨要處理的晶圓的直徑而變化。對於450mm(18英寸)直徑的晶圓，WD可為447mm至448mm(17.60英寸至17.64英寸)。內徑122的半徑可為0.15mm至0.25mm(0.006英寸至0.010英寸)，該內徑122將外壁120接合至密封環102的底表面124。
圖6和圖7中所示的密封環102為無滑移設計，因為將該密封環102按壓至與晶圓接觸時幾乎沒有滑移。密封環102的末端118接觸晶圓上的窄環形表面，該窄環形表面通常為0.12mm至0.37mm或0.62mm(0.005英寸至0.015英寸或0.025英寸)寬。末端118並不向內或向外滑移或偏轉。接觸環30是由致動器34拉升以將密封環102和位於接觸環上的電接觸移動至與晶圓接觸。
可選擇密封件的不同分段的尺寸以實現低滑移或零滑移設計。在使用中，密封件結構的一個分段或區域(即環104和超過圓弧段110周圍的結構的合成橡膠)稍微向上偏轉並且使尖端徑向向內移動，同時另一分段(即尖端圓弧116和壁120)徑向向外偏轉。可設計密封件，以便密封件結構的一個部分上的徑向向內運動是由該結構的另一部分的徑向向外運動來匹配。隨後的結果是在末端118處的淨滑動運動最小，例如，小於0.5mm、0.25mm、0.2mm、0.1mm、0.05mm，或甚至為零。
對於11.62 ID的密封環，施加至密封環102的接觸力 可自約40磅變化至約120磅。接觸力使末端118和尖端圓弧116幾乎沒有滑動地變形。這種無滑移設計(使用相對剛性的金屬支撐環104耦接)給予更精確的密封尺寸，此舉當使圖案移動得更接近於晶圓的邊緣時提高了產量。當密封件嚙合晶圓時，無滑移密封環102在給定力下具有順應性和少量偏轉，並且密封件末端118並不傾向於沿橫向方向移動。如此避免末端118根據自身滾動和影響密封性能的可能性。
圖8和圖9圖示替代性密封元件，該替代性密封元件具有含刀口設計的密封環130。如圖9中所示，密封環130具有圓弧段110和直分段134，直分段134形成具有外角表面138的刀口136。外徑140自密封環130的水平表面延伸至外角表面138。可在環板104中提供環孔105。密封環130可在其它方面類似於密封環100。
在使用中，密封環130的刀口在內徑處嚙合晶圓。對於指定施加的接觸力，密封環130將偏轉更多。然而，滑移的偏轉是均勻的。參考圖8，CC可為0.25mm至1.5mm或0.5mm至1mm(0.01英寸至0.06英寸或0.02英寸至0.04英寸)。角度DD可為10度至30度或15度至25度。角度FF可為25度至55度、30度至40度或35度至45度。半徑EE可為0.5mm至0.75mm(0.02英寸至0.03英寸)。
圖11圖示以面向上位置圖示的反向刀口密封件150。反向刀口密封件150可具有含內壁154和外壁156的末端或梯形分段152，和與內壁156形成鈍角KK的頂表面158。角KK可在90度至130度的範圍之間或在100度至120度的範圍之間。壁 154和壁156以及頂表面158可為直的。內壁154與頂表面158形成刀口160。在頂表面158與晶圓表面之間形成保護區域162。末端分段152經由內徑164和外徑166轉變至密封環150的水平頂表面和底表面。如圖11中所示，在密封環150嚙合至晶圓50上的情況下，表面158與晶圓表面形成銳角JJ，其中銳角JJ在10度至45度之間。
密封環150具有類似刀口密封環130的相對高的局部順應性。密封環150也可在密封件-晶圓介面處直接幫助保護電鍍速率。這樣可幫助減少由於密封材料對於一些化學過程的集中電鍍導致的密封失效。密封環130和密封環150兩者使用比傳統設計少的表面區域來密封。密封環130恰好在密封件的內徑處密封。密封環150將內側密封唇拉至密封件(更接近於晶圓的邊緣)。產生密封唇的點的下表面現處於密封件的前部。這樣產生保護密封唇免于高電流密度的懸垂部分。懸垂部分162可減少晶圓接觸密封件的局部電鍍速率，並且懸垂部分162可減少密封件集中電鍍的傾向。
WD,HH,II‧‧‧尺寸
100‧‧‧密封組件
102‧‧‧密封環
103‧‧‧表面
104‧‧‧支撐環/環板
106‧‧‧凹槽
108‧‧‧內徑
110‧‧‧圓弧段
112‧‧‧直分段
116‧‧‧尖端圓弧
118‧‧‧末端

Claims (19)

  1. 一種用於在一電化學處理器中使用的密封件，該密封件包含：一密封環，該密封環具有一內徑與一外徑以及一頂表面；一圓弧段，該圓弧段在該密封環的該內徑處從該密封環的該頂表面延伸並導入一尖端圓弧中；一支撐環，該支撐環支撐該密封環並從鄰接該尖端圓弧處徑向向外朝向該密封環的該外徑延伸；該密封環具有一外壁，該外壁依附該尖端圓弧以形成一邊緣，該邊緣的半徑小於0.005吋，且該外壁面朝徑向向外並正交於該支撐環。
  2. 如請求項1所述之密封件，其中該密封環的該頂表面為平面。
  3. 如請求項1所述之密封件，其中該圓弧段與該尖端圓弧兩者皆具有凹面曲度。
  4. 如請求項1所述之密封件，其中該尖端圓弧在嚙合至一晶圓上的期間內壓縮而不會在該晶圓上滑動。
  5. 如請求項1所述之密封件，其中該外壁為直的並為垂直的，且該圓弧段與該尖端圓弧之間的該密封環的一內壁為平的 、平行的並與該外壁共軸(coaxial)。
  6. 如請求項1所述之密封件，該密封件的高度為0.05至0.20吋。
  7. 如請求項1所述之密封件，其中該內側直徑為11.6至11.640吋。
  8. 如請求項1所述之密封件，其中該尖端圓弧具有一凹面曲度。
  9. 如請求項1所述之密封件，該密封件進一步包含在該外壁與該密封環的一底表面之間的一內側半徑，且該內側半徑具有一凸面曲度。
  10. 如請求項1所述之密封件，其中該支撐環為平的並平行於該密封環的該頂表面。
  11. 一種用於在一電化學處理器中使用的密封件，該密封件包含：一密封環，該密封環具有一內徑與一外徑以及在該內徑與該外徑之間的一頂表面；一支撐環，該支撐環支撐該密封環，且該支撐環平行於該密封環的該頂表面； 一圓弧段，該圓弧段在該密封環的該內徑處從該密封環的該頂表面延伸至一尖端圓弧，且該圓弧段與該尖端圓弧兩者皆具有凹面曲度；一內側半徑，該內側半徑從一面朝外的外壁延伸至該密封環的一底表面，且該內側半徑具有一凸面曲度；該外壁與該尖端圓弧形成一邊緣，該邊緣的半徑小於0.005吋；以及該圓弧段具有平行於該外壁的一直分段。
  12. 如請求項11所述之密封件，其中該直分段為平的、垂直的並與該外壁共軸(coaxial)。
  13. 如請求項12所述之密封件，該密封件的高度為0.05至0.20吋。
  14. 如請求項11所述之密封件，其中該支撐環為平的。
  15. 如請求項14所述之密封件，其中該密封環的該頂表面為平的。
  16. 一種用於在一電化學處理器中使用的密封件，該密封件包含：一密封環，該密封環具有一內徑與一外徑以及在該內徑與該外徑之間的一懸臂分段； 一尖端，該尖端鄰接該內徑，且該尖端具有一圓弧，該圓弧從該密封環的一頂表面延伸並導入一尖端圓弧中；一支撐環，該支撐環從該尖端圓弧徑向向外；該尖端具有一外壁，該外壁依附該尖端圓弧以形成一邊緣，該邊緣的半徑小於0.005吋，且該外壁面朝徑向向外。
  17. 如請求項16所述之密封件，其中該懸臂分段具有一平頂表面。
  18. 如請求項16所述之密封件，其中該外壁正交於該支撐環。
  19. 如請求項18所述之密封件，其中該支撐環是平的。
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