TWI588900B - Device and method for wafer metallization - Google Patents

Description

晶圓金屬化之裝置及方法

本發明係關於一種晶圓金屬化之裝置，具有申請專利範圍第1項引文部分之特徵。本發明另外係關於晶圓金屬化之方法。

在先前技術中，晶圓之電解金屬化，特別是微晶片晶圓(例如以銅)，屬於習知。習知之金屬化以個別晶圓模式實施，其意味，每一方法及處理室中只處理單一晶圓，亦即金屬化。通常需金屬化之晶圓(例如一微晶片晶圓)以其前側向下浸入電解液。在處理(金屬化)當中持續將電解液以層流方式對晶圓表面平行沖流。為調整及保持此沖流狀態，必須提高警覺，且需昂貴之裝置。

先前方法之一缺點在於，由於金屬化處理時間冗長(幾分鐘至小時)，十分昂貴，這是由於每一程序及處理室僅能處理一晶圓。微晶片晶圓需要填充金屬之表面結構愈大，則處理時間愈長。

考慮到微晶片可預期愈來愈垂直集成(多個微晶片層上下相疊，互相必須接觸)，以導電之金屬，例如銅，填充寬且深之通道(所謂之直通矽晶穿孔)成為必須，這些通道在成品微晶片中係作為垂直導線。此通道之寬度及深度由數微米至100微米，或更多。

本發明之目的在於，提出一種前述類型之裝置，能在批量作業中，在具有優良結果情況下進行晶圓金屬化，特別是微晶片晶圓金屬化。

此目的藉由一種具有申請專利範圍第1項特徵之裝置而達成。

本發明之較佳及有利實施例見於申請專利範圍之附屬項。

本發明之裝置之一優點在於對每片需金屬化之晶圓，特別是微晶片晶圓，空間需求較小。因而每晶圓僅需少量電解液，這特別在以本發明之裝置對各晶圓提供一封閉之電解液容量時成立。

本發明之裝置至少具有一保持裝置，以多個為佳，供同時對多個晶圓(微晶片晶圓)金屬化，可作為「開放批次」，亦即以「開放電解液空間」，以朝向上方之晶圓前側浸入一電解浴中，且之後其至少局部共同作業(俾便節省空間)，或保持裝置完全關閉(「關閉批次」)。

在本發明之裝置上，個別晶圓之保持裝置可從頭開始關閉，且在保持裝置中提供之各電解液空間經由進流導管及排流導管補充電解液。

當本發明之裝置作為「關閉批次」使用時，對各晶圓所提供之電解液空間由晶圓、框體及上方封板定義，該上方封板必要時可為另一保持裝置之底板。

在本發明之範疇內，本發明之裝置可由一離心器觸發振動，產生一振動電解體。頻率可固定或選擇變化，或隨機變化調整。

當本發明之裝置以朝上之晶圓前側浸入電解液浴時，最好各個保持裝置尚未聚攏，因而來自浴中之電解液在保持裝置之間流動，且使氣體可溢出。當使用「關閉批次」時，一旦本發明之裝置定位於電解液中，晶圓保持裝置可部分或全部聚攏。

當本發明之裝置以「關閉批次」工作時，由於電解液體封閉，在金屬化過程中產生一種金屬離子之減少。此可經由一適當之程序控制予以補償。

本發明之裝置容許一種實踐方法，能以最小空間需求在批次作業中對大型微晶片結構進行電解液金屬化。因而可節省成本。

本發明之裝置1具有一或多個，在圖式之實施例中有四個保持裝置3。

各保持裝置3具有以下部分，特別如圖一及圖二所示：一電絕緣材料之底板5，在其上側7設有一圓形容納區9(凹空)，其中可置入一需處理之晶圓11，特別是一微晶片晶圓，晶圓前端側13朝上，亦即在一電解液中經由電解液金屬化，用金屬，例如銅，填充通道之側朝上。

在晶圓11之邊緣區置放一導電材料之環15，作為陰極，該環可經由一端子17連接一電壓源，俾便使晶圓11之極性為陰極。

為使晶圓11成為陰極，與一電壓源之負極連接，在作為陰極之環15內部，置入一環形密封19，特別是一O形環。

在所述由底板5、晶圓11、環15(陰極)及密封19構成之組合上方置入一電絕緣之框體21，其中置入一凹空23，側邊限制電解液空間27。框體21之高度例如不超過20mm。

在具有其凹空23之絕緣材料之框體21上環繞凹空23放置一環形密封25，例如一O形環。密封25亦可在框體21中被容納於一環形槽中(見圖二)。

為完成保持裝置3，在框體21之密封25上放置一上方封板，該封板必要時可為另一保持裝置3之一底板5。

如圖二所示，經由框體21，經由晶圓11，以及經由上方封板，其特別可為另一保持裝置3之底板5，定義空間27，其中填充電解液，提供晶圓11之電解液金屬化。

保持裝置3(未圖示)可配備一加熱/冷卻裝置，俾便將保持裝置3保持在所需之溫度上(保溫)。

在所示之實施例中(見圖二)，上方封板，其可為另一保持 裝置3之底板5，在其底側承載一陽極網29(見圖四)，其具有一端子31，俾便陽極網29在封板(底板5)底側能與一電壓源之正極連接。

為補償由晶圓11外緣至晶圓11中心之電壓減小，具有陽極網29之底板5之底側可外凸。額外或替代作法是，構成陽極網29之導線密度向陽極網29中心遞增。亦即陽極網29向中心編織更密。

在所示之實施例中，考慮到在本發明之裝置1中提供多個疊置之保持裝置3。因而較佳者是，保持裝置3之上方封板由下一保持裝置3之底板5(具有陽極網29)構成，如在圖式(圖六與圖七)中所示之實施例即屬如此。

為使皆由絕緣材料構成之底板5(「陽極板」)與框體21(「陰極框體」)相壓，俾便兩者液密連接，在底板5及框體21側緣設置朝外之凸起33(舌部)，向兩側楔形漸縮，並與夾緊體35配合。 夾緊體35在其面向底板5與框體21之側有一槽37，Y形分岔成兩分枝39(見圖五)。

在打開位置時，底板5及框體21之凸起33在槽37之分枝39中，使得底板5與框體21保持距離。經由夾緊體35在一平行於底板5及框體21平面之平面上滑動，本發明之保持裝置3所述之組成部分(底板5與框體21)彼此相壓。保持裝置3之底板5與框體21之此使用位置顯示於圖二及圖三中。將夾緊體35沿導引桿41調整，亦即使之互相接近，俾便將各個保持裝置3集攏，之裝置並未顯示。

圖五以放大尺寸顯示一夾緊體35及槽37，該槽Y形分岔成兩分枝39。

在圖六中顯示一本發明之裝置1具有多個保持裝置3在打開 狀態(「打開批次」)，然而在最上方之保持裝置3上並無「上方」封板。夾緊體35在對保持裝置3平面垂直之導引桿41上以可調整之方式被導引，其中導引桿41經由未圖示之調整裝置可橫向對其縱向延伸調整，亦即可在平行於保持裝置3平面之方向調整，俾便透過夾緊體35打開或關閉各保持裝置3。

在各保持裝置3中，在底板5與框體21之間置入一需處理(金屬化)之晶圓11(微晶片晶圓)，例如藉助於一在晶圓11上常用之搬運裝置(夾爪)，使其在容納區9中在最下方底板5(陽極板)以其前側朝上放置。基本上，當裝置1採取依圖六之位置(「打開批次」)，可執行金屬化，其間一共同之電解液用於處理所有在個別保持裝置3中之晶圓11。

圖六及圖七亦顯示，前後相隨(相鄰)之保持裝置3之凸起33以及夾緊體35互相錯開，因而可由圖六中所示之保持裝置3互相保持距離之位置(打開批次)調整成在圖七中所示之接著位置(關閉批次)，而夾緊體35不影響或妨礙此運動。

在本發明之範疇內有利者是，本發明之裝置1之保持裝置3，如圖七所示，經由沿導引桿41調整夾緊體35而互相接近，使各保持裝置3之框體21與下一高度之保持裝置3之底板5接觸(被環形密封25密封)。因而各上方保持裝置3之底板5同時構成緊鄰之下方保持裝置3之封板(「關閉批次」)。在此情況，在各保持裝置3中，圖二所示之充滿電解液之空間27關閉，提供預定容積之電解液，供微晶片晶圓11經由電解作用金屬化。保持裝置3為容納電解液所設之空間27可互相獨立經由進流導管與排流導管供應/排除電解液。此設計產生在本說明開始處所描述之優點。將多個上下疊置之保持裝置3經由夾緊體35沿導引桿41調整而互相壓緊(圖七所示之位置)之裝置並未圖示。

為支持電解作用及支持晶圓金屬化，特別是當本發明之裝置1依圖七(「關閉批次」)以密集互相疊置之保持裝置3使用時，裝置1可整體被置於振動狀態，而同時進行電解作用。為此在所示之實施例中(圖六及圖七)一作為振動產生器43之馬達與導引桿41中至少一根以偏心器連接，產生一振動電解體。頻率可固定，選擇變化或隨機變化調整。

在圖八所示之實施例中對各晶圓設一專用模組，由蓋板與底部構成。在圖八所示之實施例中蓋板並不同時成為上方晶圓保持器之底板。因而在圖八所示之實施例中代表各個反應模組，其依序上下設置，產生一種批次作業程序。

圖八所示之實施例係依以下細節構建：一晶圓11接著在一基部50上，其前側向上。在基部50與框體部51之間設一接觸52，與晶圓11邊緣導電接觸。在框體部51面向晶圓11之側(朝向下方之基部)在一環槽53中容納一密封件54，特別是以一O形環形式。

另外在框體部51中設有至少一導管55，電解液56可由此進入容納晶圓11之空間中，及由空間排出。

在框體部51坐設上方遮蓋57(蓋板)，其間在蓋板57與框體部51之間設一格子狀陽極59，特別是一孔板或格子形式之陽極59，被環形密封件58(O形環)保持。

在圖八所示之實施例中在晶圓11上方空間填充充分電解液，使陽極59可沈入電解液56中，亦即電解液水面61在陽極59上方。在電解液水面61上方在空間中介於底部與遮蓋之間設有一氣室60，其中充滿鈍氣，例如氮氣或氬氣或一種其他在製程條件下之鈍氣。

本發明之裝置，特別是圖八所示之裝置，容許電解液在處理 中被泵換。

基本存在之可能性為，在反應器填充之前，及在程序中泵換電解液時，以一鈍氣將電解液在反應器外除氣，即使在處理過程當中亦然。

根據圖八所說明者，在電解液上方氣室以一種鈍氣填充，使得在程序中存在鈍氣。

在晶圓11處理結束後使用之沖洗水可在其使用之前以一鈍氣排氣。

在處理程序結束後，尚需應用下列處理序列：-經由提高氣室中之鈍氣壓力，以抽吸或外壓將電解液由處理室排出，-以鈍氣乾燥處理室及其中所含之晶圓，-乾燥後卸除晶圓，-在處理室外以水沖洗晶圓，-在處理室外繼續(重新)乾燥晶圓。

總結而言，本發明之一實施例可說明如下：一裝置1用於晶圓11金屬化，特別是微晶片晶圓金屬化，在一電解液中由多個保持裝置3構成，各保持裝置3具有一電解液空間27，該空間與其他保持裝置3之電解液容納空間27分隔，且各晶圓11配備一作為陰極之環15及一作為陽極之陽極網29。

1‧‧‧裝置

3‧‧‧保持裝置

5‧‧‧底板

7‧‧‧上側

9‧‧‧容納區

11‧‧‧晶圓

13‧‧‧前端側

15‧‧‧環

17‧‧‧端子

19‧‧‧密封

21‧‧‧框體

23‧‧‧凹空

25‧‧‧密封

27‧‧‧空間

29‧‧‧陽極網

31‧‧‧端子

33‧‧‧凸起

35‧‧‧夾緊體

37‧‧‧槽

39‧‧‧分枝

41‧‧‧導引桿

43‧‧‧振動產生器

50‧‧‧基部

51‧‧‧框體部

52‧‧‧接觸

53‧‧‧環槽

54‧‧‧密封件

55‧‧‧導管

56‧‧‧電解液

57‧‧‧遮蓋

58‧‧‧環形密封件

59‧‧‧陽極

60‧‧‧氣室

61‧‧‧電解液水面

本發明之其他細節與特徵由以下根據一較佳實施例所做之說明中可得知。

圖一 本發明之裝置一保持裝置之分解圖，圖二 保持裝置一部份之截面圖， 圖三 一保持裝置(無上封板)之斜視圖，圖四 由下方所見之一底板，具有陽極網，圖五 一夾緊體之斜視圖，圖六 本發明之一裝置，具有多個「打開」之保持裝置，圖七 圖六中之裝置具有關閉之保持裝置，及圖八 本發明之保持裝置之另一實施例。

5‧‧‧底板

7‧‧‧上側

11‧‧‧晶圓

15‧‧‧環

19‧‧‧密封

21‧‧‧框體

25‧‧‧密封

27‧‧‧空間

Claims (34)

1. 一種晶圓金屬化之裝置(1)，特別是微晶片晶圓(11)金屬化之裝置，在一電解液中，特別是以金屬，特別是銅，填充微晶片晶圓中之通道，具有一容納電解液之空間(27)，具有一陽極，具有一接觸，將需要金屬化之晶圓(11)極化為陰極，其特徵為，至少設有一需金屬化之晶圓(11)之保持裝置(3)，該保持裝置(3)具有一底板(5)，由電絕緣材料製成，底板具有一晶圓(11)容納區(9)，一框體(21)，由絕緣材料製成，具有一凹空(23)，凹空構成電解液空間(27)，一作為陰極之環(15)，由導電材料製成，一設於框體(21)上遠離底板(5)側之封板，封閉電解液空間(27)，及一陽極網(29)，設於封板面向晶圓(11)側，及設有裝置，使底板(5)與框體(21)互相保持接觸。
2. 根據申請專利範圍第1項所述之裝置，其特徵為，在底板(5)與框體(21)之間設有一密封(19)。
3. 根據申請專利範圍第2項所述之裝置，其特徵為，密封(19)設於作為陰極之環(15)之內部。
4. 根據申請專利範圍第2項或第3項所述之裝置，其特徵為，密封(19)為一環形密封。
5. 根據申請專利範圍第2項所述之裝置，其特徵為，密封(19)被夾緊於框體(21)與著落於底板(5)上之晶圓(11)之間。
6. 根據申請專利範圍第1項所述之裝置，其特徵為，需金屬化之 晶圓(11)之容納區為在底板(5)中之一容納區(9)。
7. 根據申請專利範圍第1項所述之裝置，其特徵為，設有多個上下疊置之保持裝置(3)，且底板(5)構成正下方保持裝置(3)之封板。
8. 根據申請專利範圍第1項所述之裝置，其特徵為，在底板(5)上及在框體(21)上設有向外、以楔形為佳之凸起(33)，裝置接觸於其上，用以壓迫底板(5)及框體(21)。
9. 根據申請專利範圍第8項所述之裝置，其特徵為，該裝置為夾緊體(35)，具有槽(37、39)，在底板(5)及框體(21)上之凸起(33)齧入其中。
10. 根據申請專利範圍第9項所述之裝置，其特徵為，槽(37)Y-形分岔成二分枝(39)。
11. 根據申請專利範圍第8項或第9項所述之裝置，其特徵為，夾緊體(35)在導引桿(41)上垂直於底板(5)及框體(21)之平面以可滑動之方式被導引。
12. 根據申請專利範圍第9項所述之裝置，其特徵為，夾緊體(35)可調整，用以運動底板(5)及框體(21)，使之平行於框體(21)及底板(5)之平面互相靠近或遠離。
13. 根據申請專利範圍第1項所述之裝置，其特徵為，由一底板(5)及一框體(21)之組合可由一互相保持距離之位置調整進入一互相接著之位置。
14. 根據申請專利範圍第13項所述之裝置，其特徵為，在組合中設置密封，尤指環形密封(25)，該密封設於一框體(21)及一作為封板之上方組合之底板(5)之間。
15. 根據申請專利範圍第1項所述之裝置，其特徵為，保持裝置(3)及多個保持裝置(3)至少配備一振動產生器(43)。
16. 根據申請專利範圍第15項所述之裝置，其特徵為，振動產生器(43)為一用以產生固定頻率、選擇變化頻率或隨機變化頻率之振動產生器。
17. 根據申請專利範圍第1項所述之裝置，其特徵為，保持裝置(3)可維持溫度。
18. 根據申請專利範圍第7項所述之裝置，其特徵為，在多個保持裝置(3)上，關閉之電解液空間(27)各自獨立接受電解液之填充與排流。
19. 根據申請專利範圍第1項所述之裝置，其特徵為，陽極網之編織向中心遞增漸密。
20. 根據申請專利範圍第1項所述之裝置，其特徵為，底板(5)遠離晶圓(11)之面外凸隆起。
21. 根據申請專利範圍第1項所述之裝置，其特徵為，在容納電解液(56)之空間中在電解液(56)上方設一氣室(60)。
22. 根據申請專利範圍第21項所述之裝置，其特徵為，氣室(60)以一鈍氣填充，特別是以氮氣或氬氣填充。
23. 根據申請專利範圍第1項所述之裝置，其特徵為，設有導管，在裝置作業中導引電解液(56)進入循環。
24. 根據申請專利範圍第23項所述之裝置，其特徵為，導管至少配備一泵，用以在裝置作業中泵換電解液(56)。
25. 根據申請專利範圍第1項所述之裝置，其特徵為，該裝置配備一裝置，用以在該裝置作業中對電解液(56)除氣。
26. 一種晶圓之電解液金屬化方法，特別是微晶片晶圓，在一電解液中，以使用一根據申請專利範圍第1項至第25項中任一項所述之裝置為佳，其特徵為，電解液在進行金屬化前先以一鈍氣除氣。
27. 根據申請專利範圍第26項所述之方法，其特徵為，電解液在裝置外被除氣。
28. 根據申請專利範圍第26項或第27項所述之方法，其特徵為，電解液在金屬化當中被泵換，且在裝置外被除氣。
29. 一種晶圓之電解液金屬化方法，特別是微晶片晶圓，在一電解液中，以使用一根據申請專利範圍第1項至第25項中任一項所述之裝置為佳，其特徵為，在沖洗晶圓前，及在金屬化結束後，沖洗水先行除氣。
30. 一種晶圓之電解液金屬化方法，特別是微晶片晶圓，在一電解液中，以使用一根據申請專利範圍第1項至第25項中任一項所述之裝置為佳，其特徵為，電解液被移除，且裝置，特別是其容納電解液及晶圓之空間，在晶圓卸除前乾燥，特別是在使用鈍氣情況下乾燥。
31. 根據申請專利範圍第30項所述之方法，其特徵為，裝置不經沖洗即乾燥。
32. 根據申請專利範圍第30項或第31項所述之方法，其特徵為，晶圓在裝置外沖洗及乾燥。
33. 根據申請專利範圍第32項所述之方法，其特徵為，晶圓在裝置乾燥後由裝置卸除，晶圓以沖洗水沖洗，且晶圓接著，特別是在使用鈍氣情況下乾燥。
34. 根據申請專利範圍第33項所述之方法，其特徵為，沖洗水在晶圓沖洗前先除氣。