CN1285419C - 内热分离器的电镀方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

一种改进的方法和电镀***(100)，该电镀***包括：多个不导电挡板(130)，它构成了细长的上部通道(122)和细长的下部通道(121)；电镀液分布器，它包括一系列入口，这些入口被定位成能引导所有电镀液流过这些入口进入下部通道，并朝上部通道流动；多个阳极，它位于上部和下部通道外部，并沿这些通道的长度方向设置。所述方法包括：将工件(900)浸到电镀液中；让工件至少部分地位于通道内，让电流在阳极和工件之间流动，工件沿通道的长度方向移动。

Description

内热分离器的电镀方法及其装置
本申请要求美国临时申请60/272805的权益，将其整个结合进来作为参考。
技术领域
本发明的领域是电镀为半导体装置的热管理而设计的热分离器以及其它部件的方法。
背景技术
一般的连续电镀***包括细长的电镀腔/槽和被设计成在电镀部件的同时沿电镀槽的长度方向移动这些部件的移动机构。电镀腔要足够长，以便能让从电镀腔一端进入腔室又从另一端离开腔室的部件在横穿腔室长度时完成对部件的电镀。
参照图1A，以前知道的电镀***例如可从Technic有限公司获得的MP300，它利用竖直的溶液分布器11将电镀液80引入电镀舱12，然后向正被电镀的部件90导引进入的溶液80。已知的***还利用电绝缘挡板13操纵阴极/部件90与一个或多个阳极筐14之间的电流流动。如图1所示，挡板13与被电镀的部件90之间的距离D1要足够大，以便让部件90在置于部件90与挡板13之间的竖直分布器11之间移动。一般利用与图1***类似的***来电镀印刷电路板90的单个边缘91，被电镀的边缘91要浸在电镀液80中，与之相对的边缘92要置于电镀液80之外。与图1***类似的***一般包括用于电镀的内槽15、用于溶液回流的外槽16、一个或多个流体入口15A以及一个或多个流体出口16A。流体一般经流体入口15A进入内槽15，从内槽15流出并进入外槽16，然后从外槽16经流体出口16A流出。
遗憾的是，不管以前认识到与否，与图1***类似的***总是不能在工件上实现最佳的金属分布。基于此，就需要能够改善金属分布的电镀***。
发明内容
本发明涉及改进的电镀***和方法，例如一种改进的电镀***包括细长的上部通道、细长的下部通道和电镀液分布器，该电镀液分布器包括一系列入口，这些入口被定位成能引导所有电镀液流过这些入口进入下部通道并朝上部通道流动。该***的优选实施例包括：多个电绝缘挡板，它们构成了细长的上部通道和细长的下部通道，上部通道和下部通道每一个的宽度都小于或等于1英寸；多个部件固定夹，它们与电源电连接，并位于上部通道或下部通道内；电镀液分布器，它包括一系列入口，这些入口被定位成能引导所有电镀液流过这些入口进入下部通道，并朝上部通道流动；以及多个阳极，它们沿上部和下部通道的长度方向设置，并位于这些通道外部。
改进的工件电镀方法包括：将要电镀的工件浸在大量电镀液中；让要电镀的工件至少部分地位于上部电镀通道和下部电镀通道内，上部和下部电镀通道包括不导电侧面，通道彼此相对且互相分隔设置，通道之间的这种间隔构成了一对溶液流出狭缝，该狭缝大致位于要电镀工件中心的上方；让电流在工件与一个或多个阳极之间流动；电流通过溶液流出狭缝；以及让要电镀的工件沿电镀通道的长度方向移动，从而在基本上平行于挡板的工件表面上形成一个或多个内热分离器。
可以设想到，借助此处所述***中的更多溶液紊流和更少的阴极-阳极限制能大大提高淀积速率。
可以设想到，利用此处所述的电镀***来电镀工件可使得工件间的电镀更加均匀，过电镀更少，这是因为每个部件都以相同深度位于电镀槽内，它们得到相同的遮挡分配。
还可以设想到，此处所述的方法和装置特别适合于电镀离散部件的整个表面，尤其适合电镀为半导体装置的热管理而设计的内热分离器(IHS)或其它部件。
通过以下对本发明优选实施例的详细描述，同时参照附图，能让本发明的各个目的、特征、方面和优点变得更加明显，附图中类似数字表示类似部件。
附图说明
图1是现有技术中电镀***的透视图。
图2是体现本发明的电镀***的透视图。
图2A是图2***中正被电镀的部件的细节视图；
图3A是适用于图1***的夹具的俯视图；
图3B是适用于图2***的夹具的俯视图。
图4是体现本发明的方法的原理图。
具体实施方式
图2示出了一种改进的电镀***100，它能改善工件900上的金属分布。在改进的***100中，取消了现有技术电镀***中使用的竖直分布器(图1中的分布器11)，流体800通过腔室120的底部进入腔室120，腔室底部作为水平分布器110。由于取消了竖直分布器，可以缩短电镀部件900与挡板130之间的距离D2(相应地缩短了构成通道侧面的区域之间的距离D4)。优选的是，电镀部件900与挡板130之间的距离D2小于或等于25.4毫米，或者更优选小于或等于12.7毫米。
可通过按照以下方式改进图1的***(Technic有限公司的MP300)来获得图2***：(1)取消管状竖直溶液分布器，取而代之的是在下部压力通气***中形成的孔111，这样溶液作为紊流在电镀部件周围从部件底部而不是从部件侧面流到部件顶部；(2)增大溶液速度；(3)移动挡板，使其离要电镀的部件(阴极)更近；(4)组合部件固定夹到足够窄，以便能完全固定住部件，同时又能让夹子和部件在挡板之间移动；以及(5)结合两次清洗和干燥工艺，其中首先清洗并干燥电镀/部件固定夹具，接着清洗并干燥电镀后的部件和夹具的下半部。
可以设想到，如图2和2A所示，利用带有孔/入口111、位于至少部分由上部通道122和下部通道121形成的腔室120一端的一个或多个水平分布器110将流体流导过第一通道并朝第二通道流动，从而让流体朝相对通道之间的间隙131设置的部件900流动，由此获得了更多的流体紊流和相应较高的淀积速率。为了获得理想紊流，优选的是让上部和下部通道之间的距离D5(间隙131的宽度)低至工件900的高度D6的20％。
大体上，图2的挡板130构成了狭窄的上部和下部电镀通道(121和122)，被电镀的部件通过这些通道移动，同时每个部件900的一边902位于上部电镀通道122内，而与之相对的一边901位于下部电镀通道121内。因为挡板130是电绝缘的，因此能迫使工件900与阳极筐140之间的电流流过上部和下部挡板之间的间隙131。部件900在通道120内的定位和移动可通过将部件900夹到夹具170上、然后移动夹具170来完成。
图3A表示图1***所使用的部件固定夹/夹具170A的原始设计，而图3B表示图2***中使用的改进夹具170。应注意到已对夹子结构作了改进，它通过减少夹具170的厚度D5，让挡板和由夹子固定的工件之间的距离D2缩短到12.7毫米或者更少。
可以设想到，通过让工件在挡板形成的狭窄通道内移动来遮挡电镀***的工件/阴极，而不是通过将挡板移动到比被电镀的工件更靠近阳极的位置来用挡板遮挡阳极，这将导致淀积金属在工件上的更好地分布。同样地，可以设想到，挡板130与阳极140之间的距离D3大于被电镀的工件900与挡板130之间的距离D2。
利用图2***的方法1000包括(见图4)以下步骤：步骤1010，将要电镀的工件900浸到大量电镀液800中；步骤1020，将要电镀的工件900至少部分地设置在上部电镀通道122和下部电镀通道121内，上部和下部电镀通道包括不导电的侧面(挡板130)，通道121和122彼此相对设置，且彼此相隔，通道间的这种分隔构成了一对溶液流出狭缝131，该狭缝大致位于电镀工件900的中心的上方；步骤1030，让电流在工件900与一个或多个阳极140之间流动，电流流过溶液流出狭缝131；以及步骤1040，沿电镀通道121和122的长度方向移动要电镀的工件900，从而在一个或多个内热分离器(911，921)上形成电沉积层。在该操作过程中，工件900的表面(910，920)基本上与挡板130平行。
前述方法还包括一个或多个以下步骤：步骤1005，将工件连接到适用于在电镀过程中固定并移动工件的机架上；步骤1050，电镀完成后，进行第一次清洗和干燥循环，其中在保持工件潮湿的同时清洗并干燥至少一部分机架；以及步骤1060，第一次清洗和干燥循环完成后，进行第二次清洗和干燥循环，其中从内槽150中取出工件并进行清洗和干燥。可以设想到，利用其中首先干燥机架的这种两步骤的方法，能让工件的干燥免受污染，这是因为避免了来自夹具的潜在被污染清洗水再附着和/或污染工件。
将以下步骤用于前述方法时也证明是有利的：a)用洁净水冲洗工件/部件和夹具；b)只让夹具干燥而不考虑污染；c)仅用超纯水冲洗部件，同时保持夹具干燥；d)干燥部件。该干燥方法避免了干燥过程中来自夹具的被污染冲洗水泼溅到部件上从而污染热分离器的可能性。
该方法的变化包括利用宽度为1英寸或更低的通道，和/或包括调整通道之间狭缝131的宽度以获得工件900上最佳或至少更均匀的镀层分布的步骤。
在优选实施例中，将水平分布器110的尺寸设计成使其足以提供通道内的紊流。必需注意让排水通畅，这样电镀槽不会溢流。在夹具的浸入部分上获得紊流同时又不让电镀流体泼溅到电镀槽上方的夹具部分也很困难。泼溅到夹具上的任何溶液都产生了先前提到的冲洗-干燥问题。
优选让腔室120产生贯穿工件的紊流，同时又最大限度地减少表面泼溅。这一般通过设计带有一系列给定直径孔的压力排放口(水平分布器110)来实现。这些孔按以下方式钻孔：它能朝夹具内容纳的部件引导流体。通过阀式限流器将电镀液泵送过此压力排放口，调节此阀以获得最大流量同时又不能让电镀液表面产生泼溅。压力排放口和部件之间的距离、压力排放口的孔径以及通过排放口的流速都被设置成能让工件上的紊流最大化、同时又能最大限度地减少溶液表面上的泼溅。
挡板130优选包括电绝缘材料的板材，其中要将狭缝加工成能让电流流动，狭缝位于要电镀部件的中心。狭缝长度与阳极长度一致，由此就能限制电流，选择狭缝高度，以实现电镀部件上最佳的金属分布。经验上，约为6.35毫米的狭缝能在一侧产生电镀31.75毫米的正方形热分离器所需的足够电流。在该例子中，将挡板移至离容纳电镀部件的夹具的12.7毫米范围内。
在优选实施例中，溶液速率要让该区域产生清晰的紊流。为了补充工件表面的电镀电解液，必需增大金属淀积速率，这是很重要的。在利用基于氨基磺酸盐的电解液淀积镍时，利用上述电解槽已实现了超过2微米/分钟的淀积速率。
可以设想到，***100特别适合采用被设计成淀积以下一种或多种金属的金属电解质，这些金属为：Ni；Au；Ag；Sn；Cu；Pb；In；Bi或者它们的合金。
还可设想到，***100可有利地用于工件900的组成是一个或多个铜质热分离器的情况，该铜质热分离器被特别设计成能去除或消散半导体装置中的热量。可以选择的是，可用铝、铝-硅合金、柯瓦合金42或者它们的合金代替铜。
可预料到，利用优选***和/或方法能导致至少2微米/分钟的淀积速率，同时又能维持均匀的金属分布，由此在电镀工件表面上淀积金属的厚度变化小于1微米。对于电镀了约4微米镍的样品--31mm的正方形热分离器，其整个部件的薄膜均匀度为3.5微米到4.5微米。不用优化遮挡方法电镀得到的类似部件一般从最低点3微米到最高点6微米以上。
这样就公开了改进电镀***的特定实施例和应用。但是，应当理解的是，对本领域普通技术人员而言，在不脱离本发明原理的情况下可以作出这些已公开实施例之外的更多改进。因此，除非在所附权利要求书的精神范围内，否则发明主题都不受限制。另外，在解释说明书和权利要求书时，所有术语都应当按照与其内容相符的尽可能宽的方式进行解释。尤其是，术语“包括”和“包含”应当以非专有的方式解释为指代各种元件、部件或步骤，这意味着所提及的各种元件、部件或者步骤可以是现有的，或者是已使用的，或者可与未明确提及的其它元件、部件或步骤结合使用。

Claims (18)

1.一种电镀***，它包括：
至少两个阳极；
细长的上部通道和细长的下部通道，上部和下部通道的每一个都位于至少两个阳极之间，每个通道至少包括两个绝缘侧面；以及
电镀液分布器，它包括一系列入口，所述入口被定位成能引导所有电镀液通过这些入口，进入上部和下部通道中的一个通道并朝另一通道流动。
2.一种电镀***，它包括：
细长的上部通道和细长的下部通道；
电镀液分布器，它包括一系列入口，所述入口被定位成能引导所有电镀液通过这些入口，进入上部和下部通道中的一个通道并朝另一通道流动；
阳极；以及
基本上为平面形的阴极，它包括第一导电表面、第二导电表面以及周界边，第一导电表面和第二导电表面基本上彼此平行，且位于阴极的相对两侧；其中
分布器至少象靠近阴极的周界边那样靠近第一或第二导电表面的任意一侧设置。
3.根据权利要求2所述的***，其中分布器引导所有电镀液流过入口，在基本上与阴极共面的平面内朝阴极流动。
4.根据权利要求3所述的***，其中
上部和下部通道中每一个都包括两个基本上呈平面状且平行的不导电侧面，这些侧面基本上与阴极平行；以及
阴极至少部分地位于不导电侧面之间的上部和下部通道的每一个内。
5.根据权利要求4所述的***，其中
上部和下部通道彼此相对设置且彼此分离，通道之间的分隔构成了一对溶液流出狭缝；以及
通道适用于防止电流在流出狭缝之外的阳极和阴极之间流动。
6.根据权利要求5所述的***，其中流出狭缝被设置成大致平行于阴极的中心线。
7.根据权利要求6所述的***，其中阴极包括绝缘基板，导电表面适用于促进在绝缘基板上形成热分离器。
8.根据权利要求1所述的***，其中上部通道和下部通道中每一个的宽度都小于或等于25.4毫米。
9.根据权利要求1所述的***，其中分布器水平设置，其引导所有电镀液流过入口，进入下部通道，然后流向上部通道。
10.根据权利要求1所述的***，其中上部通道和下部通道中每一个的宽度都小于或等于12.7毫米。
11.根据权利要求1所述的***，其中上部和下部通道中每一个的宽度都小于或等于12.7毫米，它还包括多个部件固定夹，所述固定夹与电源电连接，并位于上部或下部通道内。
12.根据权利要求1所述的***，它还包括多个阳极，这些阳极位于上部和下部通道之外，并沿这些通道的长度方向设置。
13.根据权利要求1所述的***，其中上部通道和下部通道隔开一定距离，上部通道和下部通道中的至少一个适合被移动，以改变上述距离。
14.根据权利要求1所述的***，其中从电镀部件到通道壁的最短距离小于通道壁与阳极之间的最短距离。
15.一种电镀***，它包括：
阳极，平面状的阴极，分布器，以及多个电绝缘挡板；其中
多个挡板中的每一个都位于阳极与阴极之间，但不在分布器与阴极之间，多块挡板中的每一块都大致与基本上平行于阴极的两个参考平面之一共面；以及
分布器适用于引导电镀流体沿基本上与阴极共面的平面朝阴极边缘流动。
16.一种工件的电镀方法，它包括：
将要电镀的工件浸到大量电镀液中；
让要电镀的工件至少部分地位于上部电镀通道和下部电镀通道内，上部和下部电镀通道包括不导电侧面，这些通道彼此相对设置且彼此分隔，这些通道之间的间隔构成了一对溶液流出狭缝，该狭缝大致位于要电镀工件的中心上方；
让电流在工件与一个或多个阳极之间流动，电流仅在通过溶液流出狭缝后流入上部和下部通道；以及
沿电镀通道的长度方向移动要电镀的工件，在基本上平行于挡板的工件表面上形成一个或多个内热分离器。
17.根据权利要求16所述的方法，它还包括
将工件连接到适用于在电镀过程中固定并移动工件的机架上；
电镀完成后，进行第一次冲洗和干燥循环，其中在保持工件潮湿的同时冲洗并干燥至少一部分机架；
第一次冲洗和干燥循环后，进行第二次冲洗和干燥循环，其中工件被冲洗和干燥。
18.根据权利要求17所述的方法，其中在第一和第二次冲洗循环中使用水，在第二次冲洗循环中要使用比第一次冲洗循环中使用的水含杂质更少的水。
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