TWI649457B - 具有幾何電解液流動路徑的電鍍處理器 - Google Patents

Abstract

一種電鍍處理器包括電極板，該電極板具有在通道內形成的連續流動路徑。流動路徑可視情況為盤繞形流動路徑。一或更多個電極定位於通道內。薄膜板附接於電極板，兩者之間具有薄膜。電解液高速穿過流動路徑，防止氣泡黏住薄膜之底表面。流動路徑內的任何氣泡均挾帶在快速移動的電解液中，且從薄膜處帶走。或者，電鍍處理器可具有延伸穿過管狀薄膜的電極線，該管狀薄膜形成盤繞或其他形狀，視情況包括具有直線段的形狀。

Description

具有幾何電解液流動路徑的電鍍處理器

本發明所屬之技術領域係關於用於電化學處理半導體材料晶圓及類似基板之腔室、系統及方法，該等晶圓及類似基板具有整合於工作件內及/或工作件上之微觀尺度裝置。

微電子裝置大體上係製造於晶圓或類似基板上及/或晶圓或類似基板內。在典型的製造製程中，電鍍處理器於基板上應用一或多層導電材料，該導電材料通常為金屬。之後，基板通常經受蝕刻及/或拋光程序(例如，平坦化)以移除一部分沉積的導電層，形成觸點及/或導電線路。封裝應用中之電鍍可經由光阻劑或類似形式的遮罩執行。在電鍍之後，可移除遮罩，隨後金屬回流以生產凸塊、再分佈層、支柱或其他互連特徵。

許多電鍍處理器具有薄膜，該薄膜在碗或容器內將陽極電解液電鍍液體與陰極電解液電鍍液體分離。在此等處理器中，電鍍液體中的氣泡可聚集及黏住底表面薄膜。氣泡充當了絕緣體，在處理器中干擾電場，以及導致 工作件上不一致的電鍍結果。因此，在設計電鍍處理器來提供一致的電鍍結果中存在工程挑戰。

現已發明一種新的電鍍處理器，該電鍍處理器很大程度上克服了電鍍中氣泡相關的變化。此種新電鍍處理器包括電極托盤或電極板，該電極托盤或電極板具有在通道內形成的連續流動路徑。可視情況盤繞流動路徑。一或更多個電極定位於通道內，或者多個獨立流動通道可在各個通道內具有獨立電極。薄膜板附接於電極板，兩者之間具有薄膜。電解液高速穿過流動路徑，防止氣泡黏住薄膜之底表面。流動路徑內的任何氣泡均挾帶於快速移動的電解液中，且從薄膜處帶走。在替代設計中，諸如鉑絲之金屬電極可定位於管狀薄膜內部，具有電解液流過管狀薄膜。流動通道可能係曲線形或具有直線段。

1~9‧‧‧環

10‧‧‧處理器

12‧‧‧基座

14‧‧‧頭部

16‧‧‧頭部升降器

18‧‧‧容器

24‧‧‧攪拌器板

30‧‧‧通道板

32‧‧‧薄膜

35‧‧‧排洩口

36‧‧‧入口

40‧‧‧流動路徑

42‧‧‧通道

44‧‧‧通道壁/格子隔板壁/盤繞形壁

46‧‧‧直線段

50‧‧‧第一陽極/內部陽極

52‧‧‧第二陽極/外部陽極

54‧‧‧第一電觸點

56‧‧‧第二電觸點

60‧‧‧薄膜板

62‧‧‧盤繞形薄膜支座/盤繞形板支座

64‧‧‧翼肋外環

66‧‧‧翼肋內環

68‧‧‧中心環

70‧‧‧陰極電解液入口

72‧‧‧陰極電解液入口

80‧‧‧薄膜管

82‧‧‧線

84‧‧‧直線

在圖式中，相同元件符號在每一視圖中指代相同元件。

第1圖係新的電鍍處理器之透視圖。

第2圖係第1圖之處理器移除頭部後之透視圖，目的在於圖示。

第3圖係第1圖及第2圖所示處理器之容器的剖視圖。

第4圖係第1圖及第2圖所示處理器之容器的另一剖視圖。

第5圖係第3圖及第4圖所示通道板之頂部透視圖。

第6圖係第3圖及第4圖所示薄膜板之頂部透視圖。

第7圖係使用薄膜管的替代設計之頂部透視圖。

第8圖係替代設計之頂部透視圖，該替代設計具有形成為線性陣列之電解液流動通道。

現轉至圖式：如第1圖及第2圖所示，電鍍處理器包括頭部14及基座12。頭部升降器16提升及降低頭部，以將頭部中容納的工作件移動至基座內的容器或碗18中。容器容納電鍍液。可視情況在接近容器18之頂部處提供攪拌器板24，以攪拌鄰近於工作件之電鍍液。

現亦參閱第3圖及第4圖，容器18可經由薄膜32分隔成上腔室及下腔室。通道板30提供於容器18之底部處。通道板通常為絕緣體，諸如塑膠。通道42可提供於通道板30內，通道42內具有陽極材料52。或者，通道板30可能係金屬，諸如鍍鉑鈦，在金屬板內機械加工流動通道。薄膜32夾緊於底部通道板30與頂部薄膜板60之間。如第4圖及第5圖所示，圓形或盤繞形流動路徑40在通道板30之頂表面內形成。特定而言，盤繞形流動路徑40經由通道板內盤繞的通道、槽或縫隙42以及藉由相應 的盤繞形壁44而形成，該盤繞形壁分離流動路徑40之相鄰環。

如第5圖所示，流動路徑40可能係連續且不間斷地從鄰近於通道板30外緣之入口36延伸至在通道板中心或接近通道板中心之排洩口35。大體而言，薄膜32上的夾持力在鄰近於通道板30之外側更接近於扣件或螺栓處最高，該等扣件或螺栓將通道板及薄膜板60夾緊抵靠薄膜32。因為流動路徑40中的流體壓力在入口處最高，在一些設計中定位該入口面向通道板30之外側更接近於扣件，可提供對薄膜更好的密封。在其他設計中，可視情況變換入口及出口位置，入口鄰近於通道板30之外緣。如第4圖所示，面對面密封件之替代將安裝長圓形彈性體，該彈性體將薄膜密封至陽極表面。

薄膜板60設計為相對的剛性結構，使得該薄膜板不會因薄膜下的流體壓力而偏斜或變形，該流體壓力係泵送陽極電解液穿過螺旋流動路徑之所需。薄膜板60之向上偏斜將在螺旋壁上方及薄膜下方產生滲漏路徑，該等滲漏路徑將造成螺旋流動路徑短路。儘管壁上一些流體滲漏係可容許的(即並未要求完全密封)，但壁上的過量流動減少了螺旋路徑內的流動速度及降低了挾帶及帶走氣泡的能力。

在第5圖所示之設計中，通道42具有矩形截面，通道高度大於通道寬度。例如，通道高度可能係通道42寬度的兩倍。亦可使用其他通道形狀，諸如正方形及 曲線截面通道。通道42之截面亦可在入口與出口之間變化。通道壁44之壁厚度亦可在環之間變化。

仍參閱第5圖，盤繞形流動路徑40可在數學上為真螺旋或螺旋之其他變化。在第5圖中，流動路徑之環係圓形，其中直線段46提供偏移量，使得流動路徑的各個環過渡至相鄰環。類似地，流動路徑亦可具有其他形狀，諸如扁圓形、橢圓形等等。流動路徑40亦可由同心圓簡單形成，或者更適當的圓形或曲線環形通道，藉由任何形狀之區段連接。因此，本文使用之術語盤繞或盤繞形共同包括螺旋及任何其他具有漸進膨脹環的路徑，與路徑形狀無關。

在第5圖中，環標記為1至9。對於設計用來電鍍直徑300mm之工作件的處理器，流動路徑可具有5至15個環或7至12個環。設計用來電鍍直徑450mm之工作件的處理器可按比例具有更多環，即7至22個環或10至18個環。第5圖所示之具有9個環的流動路徑40可具有總長度約3至6米或4至5米。在選擇環的數目及流動路徑40之總長度以及通道42之截面時，移動陽極電解液穿過流動路徑所需之壓力可能係限制因素。

所示實例中之通道壁44具有大體上平坦的頂部。如第6圖所示，薄膜板60之底表面上相應的盤繞形板支座62可與通道壁44之形狀及位置相匹配。當薄膜板60夾緊到通道板30時(薄膜32在薄膜板與通道板之間)，通道壁44之頂表面與盤繞形板支 座之底表面對準，該薄膜夾緊於通道壁頂表面與盤繞形板支座底表面之間。盤繞形板支座62可係通道壁44之鏡像，但是通道壁44與盤繞形板支座62不必具有相同的高度。

如第3圖及第4圖所示，內部或第一陽極50定位於流動路徑40之內環中通道42之底面上。第二或外部陽極52定位於流動路徑40之外環中通道42之底面上。如第5圖所示，第一電觸點54連接至第一陽極50且第二電觸點56單獨地連接至第二陽極52。第一陽極與第二陽極彼此並不連接。然而，第一陽極與第二陽極經由電解液電氣連接，以便彼此不會完全地電氣隔離。第一陽極與第二陽極之間可能存在小縫隙。另一方面，第一陽極及第二陽極兩者均位於單一的連續流動路徑40中。雖然圖示了兩個陽極，但在一些設計中，可使用單個陽極，或者可使用三個或更多個陽極。

各個陽極之電觸點可大致以長度為中心，以幫助確保沿著該陽極之均勻電流。對於在一端螺旋連接的細長陽極，沿著該陽極之電流密度可能因陽極電阻而下降，自身從觸點移開。對於非常細及/或非常長的電極，可多次連接至各個陽極，以幫助均勻地分散電流。

可提供陽極50及52作為金屬平面條帶。在惰性陽極設計中，不在電鍍期間消耗陽極的情況下，陽極可係鍍鉑鈦。或者，在活性陽極設計中，消耗陽極的情況下，陽極可係銅或其他金屬。

參閱第6圖，薄膜板60可具有翼肋之外環64、翼肋之內環66及中心環68。薄膜板60之底表面上的盤繞形薄膜支座62可附接於翼肋。或者，盤繞形薄膜支座62可與薄膜板60之翼肋及其他特徵一起作為薄膜板的一部分整體形成。翼肋環提供具有大開放截面之薄膜板60，使得對容器內電場的影響最小化，同時亦提供剛性結構以夾緊及相對於薄膜密封。薄膜板及通道板大體而言係介電材料，諸如聚丙烯或其他塑膠。薄膜板60可在內部及外部環形側壁中具有陰極電解液入口70及72，以在薄膜32直接上方位置引導陰極電解液進入容器。

翼肋環66可具有特定特徵，有助於將電場干擾最小化，該等干擾可能對電鍍均勻不利。例如，可減小中間柱及最內部翼肋之垂直高度，以便在結構與工作件之間產生較大縫隙。中心區域會尤其受到結構的影響，因為晶圓旋轉不會幫助平均化此區域內的干擾。在另一實例中，圓形翼肋可儘量製細或在結構頂部製造更細，以便幫助將圓形翼肋對電場之干擾最小化，因為圓形翼肋對晶圓的影響亦不能藉由晶圓旋轉平均化。

在習用之電鍍薄膜處理器中，陽極電解液或其他電解液沿著薄膜緩慢移動。此移動允許氣泡黏住薄膜及降低電鍍效能，尤其是實質上水平定向之薄膜。使用惰性陽極趨向於產生大量氣泡，因為電解反應發生於惰性陽極之表面上，並釋放氧氣。

氣體自陽極逸出可尤其對需要具有高鍍覆速率(以及因此高陽極電流及巨大氣體產生量)之製程造成問題，使得該製程可迅速結束且可最大化產量。

在具有圓形流動路徑40之處理器10中，以充分的壓力泵送陽極電解液至入口，以便陽極電解液以高速度穿過流動路徑。陽極電解液流過通道之速度足以防止氣泡黏住薄膜32之底表面。確切而言，氣泡挾帶在快速移動的液體中，且不能在薄膜上黏住或聚集。因此，製程中產生的氣泡被迅速帶出腔室，防止該等氣泡部分地或完全地阻塞介於陽極與陰極之間的電氣流動路徑，有助於提供可靠的製程。

如第7圖所示，替代設計將使用薄膜管80，該薄膜管內部具有線82作為陽極材料，且線82經由薄膜管80延伸。可視情況使用多個薄膜管80。薄膜管80可為盤繞狀或其他形狀。此方法避免需要薄膜板60，因為不必夾緊平面薄膜。隨後，腔室可為電流流動開放更多。此方法亦避免相鄰通道之間流動滲漏之風險。確切而言，流動限於薄膜管內部且被迫遵循管道之路徑。第7圖之設計亦可使陰極電解液腔室能夠具有更有效的排出，因為在陽極電解液與陰極電解液之間存在平面隔板。管道可存在於陰極電解液內部，因此陰極電解液可從薄膜管高度之下的低點排出。

對於恆定面積通道的情況，藉由夾緊薄膜至隔板壁44產生的螺旋流動路徑可認為類似於螺旋管內部之 流動。對於恆定面積通道，通道內及陽極與薄膜上之流動速度在整個通道長度上係恆定及高產量。相反，使用現有習用處理器，陽極電解液流動可能在接近流動入口處係高速，但是隨著流動分散在大量陽極格子上，陽極電解液流動速度耗散，使得流動難以幫助沖走氣泡。

第1至6圖之盤繞形電解液路徑可用於除了第1圖及第2圖所示之處理器以外的各種類型之電鍍處理器。特定而言，該盤繞形電解液路徑可用於任何具有容器及薄膜之電鍍處理器。在使用第7圖之薄膜管的情況下，不需要其他單獨薄膜。

電解液流動通道不必為螺旋的，不必具有同心環，或者甚至不必包括大量曲線形狀。確切而言，如第8圖所示，通道42可具有陣列或直線段84之其他排列。作為一個實例，通道可形成逐漸增大的四邊形陣列或其他幾何形狀，大體而言與基板之、形狀相匹配。若需要，曲率過渡部分可使用於直線段84之末端，以減少穿過通道的壓力損失。使用直線段之類似設計亦可用於如上所述之薄膜管。

一種電鍍工作件之方法可包括泵送電解液穿過連續流動路徑，該流動路徑形成於通道內，在入口與出口之間延伸。通道可形成於電極板內，電極板上具有薄膜。若使用薄膜，則薄膜板可附接於電極板，薄膜在電極板與薄膜板中間。

Claims (13)

1. 一種電鍍處理器，包含：一容器；在該容器內的一管狀薄膜，該管狀薄膜具有一盤繞外形，包括一第一端與一第二端，其中該管狀薄膜的該第一端鄰近於該容器的一中心；以及一電極線，經由該管狀薄膜延伸。
2. 如請求項1所述之電鍍處理器，其中該管狀薄膜具有在該管狀薄膜的相鄰環之間的一通道壁。
3. 如請求項1所述之電鍍處理器，其中該管狀薄膜包含一螺旋。
4. 如請求項1所述之電鍍處理器，其中該管狀薄膜具有5-15個漸進增加尺寸的環。
5. 如請求項1所述之電鍍處理器，其中該電極線連接至一陽極功率源，且其中該電極線包含在該容器中的唯一陽極。
6. 如請求項5所述之電鍍處理器，其中該通道具有一矩形截面及該管狀薄膜具有一圓形截面。
7. 如請求項1所述之電鍍處理器，其中該管狀薄膜是藉由流動段連接的一螺旋或同心圓。
8. 如請求項1所述之電鍍處理器，其中鄰近於該第二端的該管狀薄膜之截面大於在該第一端的該管狀薄膜之截面。
9. 如請求項5所述之電鍍處理器，其中該薄膜板具有一或更多個翼肋環。
10. 一種電鍍處理器，包含：一容器；可與該容器接合的一頭部；在該頭部上的一陰極；在該容器內的一管狀薄膜，該管狀薄膜在一入口與一出口之間延伸，其中該管狀薄膜具有一盤繞外形，包括鄰近於該容器的一中心的一第一端；以及在該容器內的一單一陽極，該單一陽極包含在該管狀薄膜內的一線，該線電氣連接至一陽極功率源。
11. 如請求項10所述之電鍍處理器，其中該管狀薄膜包含一螺旋。
12. 如請求項10所述之電鍍處理器，其中該管狀薄膜具有5-15個漸進增加尺寸的環。
13. 如請求項10所述之電鍍處理器，進一步包含：具有一通道的一薄膜板，且該管狀薄膜在該通道中。