本發(fā)明的領(lǐng)域是用于使用惰性電極和離子補充器進行電鍍的裝置和方法。

背景技術(shù)：

制造半導(dǎo)體集成電路和其它微型裝置通常需要在晶片或其它基板上形成多個金屬層。通過結(jié)合其它步驟電鍍金屬層，產(chǎn)生形成微型裝置的圖案化金屬層。

在電鍍處理器中執(zhí)行電鍍，其中晶片的裝置側(cè)在容器中的液體電解液浴中，并且接觸環(huán)上的電接觸件接觸晶片表面上的導(dǎo)電種晶層。使電流穿過電解液和導(dǎo)電層。電解液中的金屬離子析出(plateout)到晶片上，從而在晶片上產(chǎn)生金屬層。

電鍍處理器通常具有自耗陽極，這對于浴穩(wěn)定性和擁有成本是有益的。舉例來說，在電鍍銅時通常使用銅自耗陽極。離開電鍍浴以在晶片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復(fù)雜和成本高昂的設(shè)計以允許周期性地更換自耗陽極。如果通過腔室的頂部更換陽極，那么電場成形硬件被擾亂(disturb)，從而需要重新檢驗腔室的性能。如果從腔室的底部更換陽極，為了容易地移除腔室的下部區(qū)段并添加可靠的密封件，那么給腔室主體增加額外的復(fù)雜性。

當為了避免電解液降解或自耗陽極在閑置狀態(tài)操作期間氧化以及出于其它原因，而將自耗陽極與隔膜(例如陽離子隔膜)組合時，甚至增加了更多的復(fù)雜性。陽離子隔膜允許一些金屬離子通過，這降低補充系統(tǒng)的效率并且可能需要額外的隔室和電解液以補償通過陽離子隔膜的金屬離子的損失。

已經(jīng)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復(fù)雜性、成本和維護。然而，使用惰性陽極已經(jīng)導(dǎo)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(chǎn)生可能導(dǎo)致晶片上的缺陷的氣體。因此，仍然存在提供惰性陽極電鍍處理器的工程學(xué)挑戰(zhàn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

在一個方面中，電鍍處理器具有容器，所述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，在所述隔室之間存在處理器陰離子隔膜。在處理器陰離子隔膜上方的上隔室中提供陰極電解液(第一電解液液體)。在處理器陰離子隔膜下方且與處理器陰離子隔膜接觸的下隔室中提供陽極電解液(不同于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片。晶片與電源的陰極連接，并且惰性陽極與陽極連接。

補充器經(jīng)由陰極電解液返回線和供應(yīng)線以及陽極電解液返回線和供應(yīng)線與容器連接，從而使陰極電解液和陽極電解液流通經(jīng)過由陰離子隔膜分離的補充器中的第一和第二補充器隔室。補充器通過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)通過陰離子隔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。

附圖說明

圖1是使用惰性陽極的電鍍處理系統(tǒng)的示意圖。

圖2是在圖1中所示的系統(tǒng)的操作期間發(fā)生的離子類傳輸?shù)膱D。

圖3是用于在圖1中所示的系統(tǒng)中使用的替代補充器的示意圖。

具體實施方式

在圖1中，電鍍處理器20具有在頭部22中用于固持晶片50的轉(zhuǎn)子24。晶片50處于水平或接近水平，晶片50的裝置側(cè)面朝下。轉(zhuǎn)子24具有可以垂直移動的接觸環(huán)30，用以將接觸環(huán)30上的接觸指狀物35接合(engage)到晶片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可以用于密封頭部22的內(nèi)部部件。在電鍍期間，頭部中的電機28使固持在接觸環(huán)30中的晶片50旋轉(zhuǎn)。

電鍍處理器20可以替代地具有各種其它類型的頭部22。舉例來說，頭部22可以在晶片50被固持在夾頭中的情況下操作而非直接操作晶片50，或可以在電鍍期間在固持晶片靜止的情況下省略轉(zhuǎn)子和電機。在一些應(yīng)用中，接觸環(huán)上的密封件擠壓晶片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?nèi)萜?8上。容器38由處理器陰離子隔膜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隔膜54下方，或者在其上方和下方提供介電材料隔膜支撐件56以更好地將處理器陰離子隔膜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隔膜54的頂表面接觸。第二處理器隔室52填充有稱為陽極電解液的第二電解液，第二處理器隔室52與處理器陰離子隔膜54的底表面接觸。在下隔室52中的容器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?？拷细羰?6的頂部的竊流(currentthief)電極46與經(jīng)選擇以影響圍繞晶片50的周邊的電場的第二陰極電流源連接。

現(xiàn)在參考圖1和圖2，補充器60具有經(jīng)由補充器陰離子隔膜64從第二補充器隔室66分離的第一補充器隔室62。補充器陰離子隔膜64可以是與處理器陰離子隔膜54相同的隔膜材料，盡管補充器陰離子隔膜64實質(zhì)上是垂直的，而處理器陰離子隔膜54是水平或?qū)嵸|(zhì)上水平的，即分別在垂直和水平方向的20度內(nèi)。補充器陰離子隔膜64可以附接到介電材料流篩網(wǎng)(flowscreen)90或由介電材料流篩網(wǎng)90支撐。

第一處理器隔室36中的陰極電解液經(jīng)由供應(yīng)線和返回線80和82流通經(jīng)過第一補充器隔室62。第二處理器隔室52中的陽極電解液經(jīng)由供應(yīng)線和返回線84和86流通經(jīng)過第二補充器隔室66。供應(yīng)線和返回線可以與一或多個中間泵、過濾器、槽或加熱器連接?？梢蕴峁┎?2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(yīng)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壁或經(jīng)制造為開口模型(matrix)或篩網(wǎng)的介電材料固持件74內(nèi)，以使得塊體金屬68被固持在適當位置同時也暴露于第一補充器隔室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，以增加暴露于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(cè)壁，并且與補充器陰離子隔膜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是金屬面板或絲網(wǎng)，例如包鉑絲網(wǎng)或面板。惰性陰極可以附接到第二補充器隔室66的垂直側(cè)壁，并且與補充器陰離子隔膜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(tǒng)內(nèi)成列提供多個電鍍處理器20，一或多個機器人在系統(tǒng)中移動晶片。單個補充器60可以用于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。

舉例來說，在用于電鍍銅時，陰極電解液包括硫酸銅和水，并且塊體金屬68是銅丸。移動頭部22以使晶片50或晶片50的裝置側(cè)與容器38的上隔室36中的陰極電解液接觸。電流從惰性陽極40流動到晶片50，從而導(dǎo)致陰極電解液中的銅離子析出到晶片50上。惰性陽極處的水被轉(zhuǎn)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隔膜54到第二處理器隔室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(jīng)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(jīng)過第二補充器隔室66。在補充器60內(nèi)，電流經(jīng)由電源72從塊體金屬流經(jīng)陰極電解液、補充器陰離子隔膜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。

由于惰性陰極70是垂直的，在惰性陰極70處產(chǎn)生的氣泡傾向于上升到第二補充器隔室66的頂部并且被去除。如果有必要，那么可以暫時將補充器60從處理器20斷開，或?qū)⒀a充器60關(guān)閉，例如出于維護目的關(guān)閉；同時隨著金屬離子和陰離子濃度逐漸變化，處理器繼續(xù)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的功率需求可以是至關(guān)重要的。補充器60可以經(jīng)設(shè)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的功率消耗。舉例來說，對于用于300mm直徑晶片的處理器20，處理器陰離子隔膜54具有標稱大于300mm的直徑。補充器陰離子隔膜64可以具有比處理器陰離子隔膜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(shè)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(wǎng)102，補充器陰離子隔膜64裝入或嵌入在流篩網(wǎng)102中。在此設(shè)計中，流篩網(wǎng)102占據(jù)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。流篩網(wǎng)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。流篩網(wǎng)102可以具有70％到95％的開放區(qū)域?？梢詫K體金屬68、流篩網(wǎng)102、補充器陰離子隔膜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并且容易地更換。

與其它補充技術(shù)相比，本系統(tǒng)和方法在處理器和在補充器中僅使用單個隔膜、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。由于陰離子隔膜防止金屬離子通過，因此系統(tǒng)維持高水平的效率。盡管上文在關(guān)于電鍍銅的實施例中進行解釋，但本系統(tǒng)和方法也可以用于電鍍其它金屬。