TWM547559U - 具有陰離子薄膜的惰性陽極電鍍處理器和補充器 - Google Patents

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保羅Ｒ 麥克修
葛瑞格里Ｊ 威爾森
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Description

具有陰離子薄膜的惰性陽極電鍍處理器和補充器
本新型的領域是用於使用惰性電極和離子補充器進行電鍍的裝置和方法。
製造半導體積體電路和其它微型裝置通常需要在晶圓或其它基材上形成多個金屬層。藉由結合其它步驟電鍍金屬層，產生形成微型裝置的圖案化金屬層。
在電鍍處理器中執行電鍍，其中晶圓的裝置側在容器中的液體電解液浴中，並且接觸環上的電接觸件接觸晶圓表面上的導電種晶層。使電流穿過電解液和導電層。電解液中的金屬離子析出（plate out）到晶圓上，從而在晶圓上產生金屬層。
電鍍處理器通常具有自耗陽極，這對於浴穩定性和擁有成本是有益的。舉例而言，在電鍍銅時通常使用銅自耗陽極。離開電鍍浴以在晶圓上形成鍍銅層的銅離子由離開陽極的銅離子補充，以此維持電鍍浴中的銅離子濃度。與更換電解液浴相比，維持浴中的金屬離子濃度是成本有效的方法。然而，使用自耗陽極需要相對複雜和成本高昂的設計以允許週期性地更換自耗陽極。若通過腔室的頂部更換陽極，則電場成形硬體被擾亂（disturb），從而需要重新檢驗腔室的效能。若從腔室的底部更換陽極，為了容易地移除腔室的下部區段並添加可靠的密封件，則給腔室主體增加額外的複雜性。
當為了避免電解液降解或自耗陽極在閒置狀態操作期間氧化以及出於其它原因，而將自耗陽極與薄膜（例如陽離子薄膜）組合時，甚至增加了更多/聚複雜性。陽離子薄膜允許一些金屬離子通過，這降低補充系統的效率並且可能需要額外的隔室和電解液以補償通過陽離子薄膜的金屬離子的損失。
已經提議使用惰性陽極的電鍍處理器作為使用自耗陽極的替代方案。惰性陽極處理器可以減少複雜性、成本和維護。然而，使用惰性陽極已經導致其它缺點，尤其涉及以與自耗陽極相比成本有效的方式維持金屬離子濃度，和在惰性陽極處產生可能導致晶圓上的缺陷的氣體。因此，仍然存在提供惰性陽極電鍍處理器的工程學挑戰。
在一個態樣中，電鍍處理器具有容器，該容器含有第一或上部處理器隔室和第二或下部處理器隔室，在該等隔室之間存在處理器陰離子薄膜。在處理器陰離子薄膜上方的上隔室中提供陰極電解液（第一電解液液體）。在處理器陰離子薄膜下方且與處理器陰離子薄膜接觸的下隔室中提供陽極電解液（不同於陰極電解液的第二電解液液體）。在與陽極電解液接觸的第二隔室中安置至少一個惰性陽極。頭部固持與陰極電解液接觸的晶圓。晶圓與電源的陰極連接，並且惰性陽極與陽極連接。
補充器經由陰極電解液返回線和供應線以及陽極電解液返回線和供應線與容器連接，從而使陰極電解液和陽極電解液流通經過由陰離子薄膜分離的補充器中的第一和第二補充器隔室。補充器藉由將離子從塊體金屬源（諸如銅丸）移動到第一補充器隔室中的陰極電解液中來向陰極電解液中添加金屬離子。同時，陰離子（諸如在電鍍銅情況下的硫酸鹽離子）通過陰離子薄膜從第二補充器隔室中的陽極電解液移動到第一補充器隔室中的陰極電解液中。在處理器中的陰極電解液中的離子濃度和陽極電解液中的離子濃度保持平衡。
在圖1中，電鍍處理器20具有在頭部22中用於固持晶圓50的轉子24。晶圓50處於水平或接近水平，晶圓50的裝置側面朝下。轉子24具有可以垂直移動的接觸環30，用以將接觸環30上的接觸指狀物35接合(engage)到晶圓50的面朝下的表面上。在電鍍期間，接觸指狀物35與負電壓源連接。波紋管32可以用於密封頭部22的內部部件。在電鍍期間，頭部中的電機28使固持在接觸環30中的晶圓50旋轉。
電鍍處理器20可以替代地具有各種其它類型的頭部22。舉例而言，頭部22可以在晶圓50被固持在夾頭中的情況下操作而非直接操作晶圓50，或可以在電鍍期間在固持晶圓靜止的情況下省略轉子和電機。在一些應用中，接觸環上的密封件擠壓晶圓50的邊緣，從而在處理期間使接觸指狀物35密封而不接觸陰極電解液。
在處理期間，將頭部22放置在電鍍處理器20的電鍍容器38上。電鍍容器38由處理器陰離子薄膜54分為在第二或下部處理器隔室52上方的第一或上部處理器隔室36。可以在處理器陰離子薄膜54下方，或者在其上方和下方提供介電材料薄膜支撐件56以更好地將處理器陰離子薄膜54固持在適當位置。
第一處理器隔室36填充有稱為陰極電解液的第一電解液，陰極電解液與處理器陰離子薄膜54的頂表面接觸。第二或下部處理器隔室52填充有稱為陽極電解液的第二電解液，第二或下部處理器隔室52與處理器陰離子薄膜54的底表面接觸。在第二或下部處理器隔室52中的電鍍容器38中提供一或多個惰性陽極40。在上 隔室36中提供介電材料場成形元件44以在處理期間使陰極電解液中的電場成形。靠近上隔室36的頂部的竊流(current thief)電極46與經選擇以影響圍繞晶圓50的周邊的電場的第二陰極電流源連接。
現在參考圖1和圖2，補充器60具有經由補充器陰離子薄膜64從第二補充器隔室66分離的第一補充器隔室62。補充器陰離子薄膜64可以是與處理器陰離子薄膜54相同的薄膜材料，儘管補充器陰離子薄膜64實質上是垂直的，而處理器陰離子薄膜54是水平或實質上水平的，即分別在垂直和水平方向的20度內。補充器陰離子薄膜64可以附接到介電材料流篩網(flow screen)90或由介電材料流篩網90支撐。
第一處理器隔室36中的陰極電解液經由供應線和返回線80和82流通經過第一補充器隔室62。第二或下部處理器隔室52中的陽極電解液經由供應線和返回線84和86流通經過第二補充器隔室66。供應線和返回線可以與一或多個中間泵/幫浦、篩檢程式、槽或加熱器連接。可以提供槽92以容納補充的陽極電解液和陰極電解液，從槽92而非直接從補充器60供應多個電鍍處理器20。
在第一補充器隔室62中提供諸如銅丸的塊體金屬68的來源。塊體金屬68可以容納在具有穿孔/鑽孔壁或經製造為開口模型(matrix)或篩網的介電材料固持件74內，以使得塊體金屬68被固持在適當位置同時 亦暴露於第一補充器隔室62中的陰極電解液。固持件74大體上將塊體金屬68固持在相對較薄的層中，以增加暴露於陰極電解液的塊體金屬的表面積。固持件74可以附接到第一補充器隔室62的垂直側壁，並且與補充器陰離子薄膜64相對。
在第二補充器隔室66中提供惰性陰極70。通常，惰性陰極70是金屬面板材或絲網，例如包鉑絲網或面板材。惰性陰極可以附接到第二補充器隔室66的垂直側壁，並且與補充器陰離子薄膜64相對。塊體金屬68與電源72的陽極電流源電連接。惰性陰極70與電源72的陰極電流源電連接。
可以在電鍍系統內成列提供多個電鍍處理器20，一或多個機器人在系統中移動晶圓。單個補充器60可以用於補充多個電鍍處理器20中的陰極電解液。與補充器60連接的電源72與連接至處理器20的電源分離，或者與連接至處理器20的電源單獨地控制。
舉例而言，在用於電鍍銅時，陰極電解液包括硫酸銅和水，並且塊體金屬68是銅丸。移動頭部22以使晶圓50或晶圓50的裝置側與電鍍容器38的上隔室36中的陰極電解液接觸。電流從惰性陽極40流動到晶圓50，從而導致陰極電解液中的銅離子析出到晶圓50上。惰性陽極處的水被轉化成氧氣和氫離子。
硫酸根離子從第一處理器隔室36中的陰極電解液移動穿過處理器陰離子薄膜54到第二或下部處 理器隔室52中的陽極電解液中。為維持陰極電解液中的銅離子濃度，使陰極電解液流通經過第一補充器隔室62。為避免硫酸根離子在陽極電解液中積聚(buildup)，使陽極電解液流通經過第二補充器隔室66。在補充器60內，電流經由電源72從塊體金屬流經陰極電解液、補充器陰離子薄膜64和陽極電解液到惰性陰極。來自銅丸的銅離子和來自陽極電解液的硫酸根離子被置換到陰極電解液中。因此，陰極電解液和陽極電解液中的銅離子和硫酸根離子在處理期間保持平衡。
由於惰性陰極70是垂直的，在惰性陰極70處產生的氣泡傾向於上升到第二補充器隔室66的頂部並且被去除。若有必要，則可以暫時將補充器60從處理器20斷開，或將補充器60關閉，例如出於維護目的關閉；同時隨著金屬離子和陰離子濃度逐漸變化，處理器繼續操作。
在單個補充器60與例如10個處理器連接的情況下，補充器60的電力/功率需求可以是至關重要的。補充器60可以經設計以最小化塊體金屬68與惰性陰極70之間的間隔，以減小在塊體金屬68與惰性陰極70之間的壓降，如此又降低補充器60的電力/功率消耗。舉例而言，對於用於300mm直徑晶圓的處理器20，處理器陰離子薄膜54具有標稱大於300mm的直徑。補充器陰離子薄膜64可以具有比處理器陰離子薄膜54的表面積大100%到300%的表面積。塊體金屬68與惰性陰 極70之間的尺寸DD可以是例如10cm到25cm，塊體金屬68和/或惰性陰極70具有DD的150%到300%的高度。
在圖3中所示的替代性設計中，補充器100可以具備夾(sandwich)在塊體金屬68與惰性陰極70之間的介電材料流篩網102，補充器陰離子薄膜64裝入或嵌入在介電材料流篩網102中。在此設計中，介電材料流篩網102佔據塊體金屬68與惰性陰極70之間的全部體積，使得在補充器60中不存在開放的陰極電解液或陽極電解液體積。介電材料流篩網102可以與塊體金屬68或固持件74或惰性陰極70接觸，或與固持件74或惰性陰極70稍微隔開最多5mm的小間隙。介電材料流篩網102可以具有70%到95%的開放區域。可以將塊體金屬68、介電材料流篩網102、補充器陰離子薄膜64和惰性陰極70組合到單個整體單元中，這樣可以單元的形式被快速並且容易地更換。
與其它補充技術相比，本系統和方法在處理器和在補充器中僅使用單個薄膜、單個陰極電解液和單個陽極電解液，不需要額外的中間電解液或隔室。因此，補充器僅需要兩個隔室。由於陰離子薄膜防止金屬離子通過，因此系統維持高水準的效率。儘管上文在關於電鍍銅的實施例中進行解釋，但本系統和方法亦可以用於電鍍其它金屬。
20‧‧‧電鍍處理器
22‧‧‧頭部
24‧‧‧轉子
28‧‧‧電機
30‧‧‧接觸環
32‧‧‧波紋管
35‧‧‧接觸指狀物
38‧‧‧電鍍容器
40‧‧‧惰性陽極
44‧‧‧介電材料場成形元件
46‧‧‧竊流電極
50‧‧‧晶圓
52‧‧‧第二或下部處理器隔室
54‧‧‧處理器陰離子薄膜
56‧‧‧薄膜支撐件
60‧‧‧補充器
62‧‧‧第一補充器隔室
64‧‧‧補充器陰離子薄膜
66‧‧‧第二補充器隔室
68‧‧‧塊體金屬
70‧‧‧惰性陰極
72‧‧‧電源
74‧‧‧固持件
80‧‧‧供應線
82‧‧‧返回線
84‧‧‧供應線
86‧‧‧返回線
90‧‧‧介電材料流篩網
92‧‧‧槽
100‧‧‧補充器
102‧‧‧介電材料流篩網
圖1是使用惰性陽極的電鍍處理系統的示意圖。
圖2是在圖1中所示的系統的操作期間發生的離子類傳輸的圖。
圖3是用於在圖1中所示的系統中使用的替代補充器的示意圖。
20‧‧‧電鍍處理器
22‧‧‧頭部
24‧‧‧轉子
28‧‧‧電機
30‧‧‧接觸環
32‧‧‧波紋管
35‧‧‧接觸指狀物
38‧‧‧電鍍容器
40‧‧‧惰性陽極
44‧‧‧介電材料場成形元件
46‧‧‧竊流電極
50‧‧‧晶圓
52‧‧‧第二或下部處理器隔室
54‧‧‧處理器陰離子薄膜
56‧‧‧薄膜支撐件
60‧‧‧補充器
62‧‧‧第一補充器隔室
64‧‧‧補充器陰離子薄膜
66‧‧‧第二補充器隔室
68‧‧‧塊體金屬
70‧‧‧惰性陰極
72‧‧‧電源
80‧‧‧供應線
82‧‧‧返回線
90‧‧‧介電材料流篩網

Claims (15)

  1. 一種電鍍系統，該電鍍系統包含： 一處理器，該處理器具有電鍍容器，該電鍍容器含有第一處理器隔室和第二處理器隔室，該第二處理器隔室含有陽極電解液，並且該第一處理器隔室含有陰極電解液，該陽極電解液由處理器陰離子薄膜與該陰極電解液分離，並且該陰極電解液包括金屬離子； 至少一個惰性陽極，該惰性陽極與該第二處理器隔室中的陽極電解液接觸； 一頭部，該頭部用於固持晶圓，該晶圓具有與該陰極電解液接觸的一導電種晶層； 一接觸環，該接觸環具有用於與該導電種晶層進行電接觸的電接觸件，並且該接觸環在該頭部上；和 一補充器，該補充器包括： 一第一補充器隔室，經由第一供應線和返回線與該第一處理器隔室連接，該第一補充器隔室含有該陰極電解液和塊體金屬； 一第二補充器隔室，經由第二供應線和返回線與該第二處理器隔室連接，該第二補充器隔室含有該陽極電解液和惰性陰極； 一補充器陰離子薄膜，該補充器陰離子薄膜將該第一補充器隔室中的該陰極電解液與該第二補充器隔室中的該陽極電解液分離。
  2. 如請求項1所述之系統，該惰性陰極包含一包鉑絲網或面板材。
  3. 如請求項1所述之系統，該處理器陰離子薄膜水平且該補充器陰離子薄膜垂直。
  4. 如請求項1所述之系統，其中該塊體金屬包含銅且該陰離子包含硫酸根。
  5. 如請求項1所述之系統，其中該補充器僅具有該第一補充器隔室和該第二補充器隔室。
  6. 如請求項1所述之系統，其中該補充器僅容納該陰極電解液和該陽極電解液，並且不容納其它電解液。
  7. 如請求項1所述之系統，進一步包括在該補充器中的支援該補充器陰離子薄膜的一流篩網。
  8. 如請求項7所述之系統，該補充器陰離子薄膜嵌入在該流篩網中。
  9. 如請求項8所述之系統，該塊體金屬在該第一補充器隔室的一側壁上的一固持件中。
  10. 如請求項9所述之系統，該流篩網接觸該固持件和該惰性陰極。
  11. 如請求項1所述之系統，該處理器陰離子薄膜和該補充器陰離子薄膜包含相同的薄膜材料。
  12. 一種電鍍系統，該電鍍系統包含： 一處理器，該處理器具有至少一個電鍍容器，該電鍍容器具有含有陰極電解液的一第一處理器隔室和含有陽極電解液的一第二處理器隔室，該陽極電解液由實質上水平的處理器陰離子薄膜與該陰極電解液分離，該陰極電解液包括金屬離子； 至少一個惰性陽極，該惰性陽極與該第二處理器隔室中的陽極電解液接觸； 一頭部，該頭部用於固持實質上水準的一晶圓，該晶圓具有與該陰極電解液接觸的一導電種晶層； 一接觸環，該接觸環具有用於與該導電種晶層進行電接觸的電接觸件，並且該接觸環在該頭部上； 一第一電源，該第一電源與該至少一個惰性陽極連接，並且與該導電種晶層連接；和 一補充器，該補充器包括： 一第一補充器隔室，經由第一供應線和返回線與該第一處理器隔室連接，該第一補充器隔室含有該陰極電解液和固持暴露於該陰極電解液的塊體金屬的一固持件； 一第二補充器隔室，經由第二供應線和返回線與該第二處理器隔室連接，該第二補充器隔室含有該陽極電解液和在該第二補充器隔室的一垂直側壁上的一惰性陰極； 一補充器陰離子薄膜，該補充器陰離子薄膜將該第一補充器隔室中的該陰極電解液與該第二補充器隔室中的該陽極電解液分離，並且該補充器陰離子薄膜實質上垂直；和 一第二電源，該第二電源與該塊體金屬連接，並且與該惰性陰極連接。
  13. 如請求項12所述之系統，其中該補充器僅具有容納該陰極電解液的該第一補充器隔室和容納該陽極電解液的該第二補充器隔室，並且該補充器不含有任何其它電解液。
  14. 如請求項12所述之系統，該系統進一步包括在該補充器中的流篩網，該補充器陰離子薄膜附接到該流篩網。
  15. 一種用於與一電鍍處理器一起使用的補充器，該補充器包含： 一第一補充器隔室，該第一補充器隔室含有一第一電解液和固持暴露於該陰極電解液的塊體金屬的一固持件； 第一供應線和返回線，該第一供應線和返回線連接到該第一補充器隔室中； 一第二補充器隔室，該第二補充器隔室含有不同於該第一電解液的一第二電解液和在該第二補充器隔室的一垂直側壁上的一惰性陰極； 第二供應線和返回線，該第二供應線和返回線連接到該第二補充器隔室中； 一補充器陰離子薄膜，該補充器陰離子薄膜將該第一補充器隔室中的該第一電解液與該第二補充器隔室中的該第二電解液分離，並且該補充器陰離子薄膜實質上垂直；和 一第二電源，該第二電源與該塊體金屬連接，並且與該惰性陰極連接。
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