CN1353779A - 对工件进行电化学处理的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于对微电子工件的至少一个表面进行电化学处理的反应器。该反应器包括一个反应器头部,该头部包括工件支承装置,所述工件支承装置具有一个或多个与微电子工件电接触的电触点。所述反应器还包括一个处理容器,该处理容器具有多个倾斜地设置在主流体流动腔侧壁上的喷口,且所述喷口位于所述主流体流动腔在电化学处理过程中所正常包含的处理流体液面下方的所述主流体流动腔内的一个水平面处。在主流体流动腔中的不同高度处设有多个阳极,这些阳极距所处理的微电子工件的距离不同,在多个阳极和所处理的微电子工件之间没有中间扩散器。所述多个阳极中的一个或多个靠近所处理的工件。另外,所述多个阳极中的一个或多个可以是虚拟阳极。本发明还涉及主流体流动腔内的处于多个水平面位置上的阳极装置和使用该装置的方法。
Description
【相关的申请】
本申请要求以下美国申请的优先权:
1999年4月13日申请的题为“WORKPIECE PROCESSOR HAVING IMPROVEDPROCESSING CHAMBER”的美国专利申请60/129055(代理号:SEM4492P0830US);
1999年7月12日申请的题为“WORKPIECE PROCESSOR HAVING IMPROVEDPROCESSING CHAMBER”的美国专利申请60/143769(代理号:SEM4492P0831US);
2000年2月14日申请的题为“WORKPIECE PROCESSOR HAVING IMPROVEDPROCESSING CHAMBER”的美国专利申请60/182160(代理号:SEM4492P0832US);
【背景技术】
由微电子工件例如半导体晶片、聚合物基片等来制造微电子元件是一种多工艺步骤的制造过程。就本申请的目的而言,微电子工件包括由基片形成的工件,微电子电路或元件、数据存储元件或层和/或微观机构元件形成于该基片上。对微电子工件要进行多种不同的加工处理才能制造出微电子元件。这种处理包括材料镀覆、图案成型、掺杂、化学机械抛光、电抛光和热处理。
材料镀覆处理是在微电子工件(这里是指但并不限于是半导体晶片)表面上镀覆或形成薄的材料层。图案成型是将这些添加的层中的选定部分除去。半导体晶片或类似的微电子工件的掺杂是将杂质作为“掺杂物”掺入到晶片的选定部分中从而来改变基片材料的电性能。半导体晶片的热处理是加热和/或冷却晶片从而获得特定的处理效果。化学机械抛光是一种通过化学/机械处理的联合来去除材料的过程,而电抛光是利用电化学反应来将材料从工件表面上去除掉。
人们利用多种处理装置作为加工“设备”来进行前述的加工过程。这些设备根据加工的工件种类和设备所执行的工艺步骤的不同而具有不同的结构。可从Semitool,Inc.,of Kalispell,Montana购买的LT-210CTM加工设备的一种设备结构包括多个微电子工件处理装置,该处理装置利用工件夹持装置和处理槽或容器来实现湿法加工。这种湿法加工包括电镀、浸蚀加工、清洗、化学镀层和电抛光等。与本发明有关的、值得注意的是用于LT-210CTM的电化学处理装置。这种电化学处理装置可对微电子工件进行前述的电镀、电抛光和阳极化电镀处理等加工。可以理解,这里所提及的电化学处理装置非常适合于进行每一种前述的电化学处理。
根据LT-210CTM设备的一种结构,电镀装置包括相互靠近的工件夹持装置和处理容器。工件夹持装置和处理容器可操纵地通过工件夹持装置夹持住微电子工件使其与构成处理腔的处理容器中的电镀液相接触。但是将电镀液限制到工件的适当部分是一个难题。另外,保证电镀液和工件表面之间进行适当的物质传递条件也是非常困难的。由于缺少这种物质传递的控制,因此,工件表面的电化学处理通常是不均匀的。电镀金属时尤为如此。而且,对电场分布和强度的控制也是非常重要的。
普通的电化学反应器采用各种不同的技术以可控的方式使电镀液与工件表面接触。例如,通过部分或全部浸入来使电镀液与工件表面相接触,也就是,将电镀液保留在处理容器中,并使工件的至少一个表面与电镀液表面接触或置于电镀液表面下方。
电镀和其它的电化学处理在由微电子工件生产半导体集成电路和其它微电子装置中是非常重要的。例如,电镀通常用于在工件上形成一个或多个金属层。这些金属层通常用于与集成电路的各种装置进行电连接。另外,由金属层构成的结构可形成微电子装置,如读/写头等。
电镀金属通常包括铜、镍、金、铂、钎料、镍-铁等。通常通过在微电子工件上以很薄金属层的方式初步形成晶粒层来进行电镀,从而使微电子工件表面可导电。这种导电性使得通过电镀可连续地形成所需的金属覆层或图案层。后续的处理例如化学机械平面处理可用来将电镀过程中形成的图案层或金属覆层中的不需要的部分去除掉,从而形成所需的金属结构。
在工件表面进行金属的电抛光是利用电化学处理将至少一部分金属去除掉。电化学处理是电镀反应的逆过程,通常,其可利用与电镀过程相同或类似的反应器来进行。
现有的电镀处理容器通常将电镀液连续流通过设置在电镀腔底部的一个入口引入到电镀腔中。图1A就示出了这样的一种处理容器。如图所示,电镀反应器1包括电镀处理容器2,电镀处理容器2用于容纳通过设置在容器2下部的流体入口3而流入的电镀液流。在这种反应器中,电镀液在阳极4和作为阴极的工件5的表面之间形成电路。
微电子工件表面发生的电镀反应与通过微电子工件表面附近形成的扩散层(a.k.a,物质传递层)而传递给微电子工件表面的物质种类(例如:铜离子、铂离子、金离子等)有关。如果均匀的电镀膜在合理的时间内得以镀覆,就需要在微电子工件表面上形成既薄又均匀的扩散层。
在图1A所示的处理容器中,通过在单个入口和工件表面之间设置一个扩散器6或类似的装置,就可方便地使电镀液在工件表面上均匀分布从而控制扩散层的厚度和均匀度。扩散器包括多个孔7,孔7将从处理流体入口3流入的电镀液流尽可能地均匀分配到工件5的表面。
尽管通过采用扩散器可提高对扩散层的控制,但这种提高是有限的。如图1A所示,垂直于微电子工件表面的提高了流速的局部区域8通常由扩散器6形成。这些局部区域通常与扩散器6的孔7的位置相对应。当扩散器6运动靠近工件时,这种效果就得以加强。
本发明人已经发现工件表面上提高了流速的这些局部区域会影响扩散层的状态,并会使电镀材料不均匀地镀覆在工件表面上。由于扩散器设置在阳极和工件之间,因此,扩散器孔型结构也会影响电场的分布,并导致电镀材料镀覆得不均匀。在图1A所示的反应器中,电场在与扩散器孔相对应的局部区域8处趋于集中。局部区域8的这种影响决定于扩散器到工件的距离和扩散器孔的尺寸和形状。
通常所遇到的另一个问题是在电镀过程中夹带和放出的气体使扩散层受到破坏。例如,在处理装置的管路和泵送***中会形成气泡。因而气泡在工件表面移动的那些位置处所进行的电镀会受到妨碍。由于在阳极表面会发生阳极反应,不活泼的阳极由此而放出气泡,因此,当使用不活泼阳极时,气泡的产生就特别令人关注。
通常利用可消耗的阳极来减少在电镀液中产生气泡并保持电镀液的稳定性。但是,可消耗的阳极通常具有必须保持的钝化膜表面。它们也在电镀液中受到侵蚀从而改变了其尺寸公差。最后,必须对它们进行更换,因此,与使用不活泼的阳极的设备相比,保持设备的可操作性所需的维护成本提高了。
另一个与电镀膜均匀性有关的问题是改变了电镀膜的电阻。初始的晶粒层具有较高的电阻,当电镀膜变厚时,电阻就降低。电阻的变化使得对于一个给定的处理腔硬件在各种不同的晶粒层上难于产生最佳的均匀度和电镀膜厚度。
综上所述,本发明人就是要提供一种可广泛地适合于各种电化学处理要求(例如:晶粒层厚度、晶粒层类型、电镀材料、电解液性能等)的用于对微电子工件进行电化学处理的装置。该装置可满足这种电化学处理的要求,同时可在工件表面形成可控的、大致均匀的扩散层,从而对工件表面进行大致均匀的处理(例如,均匀地镀覆电镀材料)。
【发明内容】
本发明提供一种用于对微电子工件的至少一个表面进行电化学处理的反应器。该反应器包括一个反应器头部,该头部包括工件支承装置,所述工件支承装置具有一个或多个与微电子工件电接触的电触点。所述反应器还包括一个处理容器,该处理容器具有多个倾斜地设置在主流体流动腔侧壁上的喷口,且所述喷口位于在电化学处理过程中所正常包含的处理流体液面下方的所述主流体流动腔内的一个水平面处。在主流体流动腔中的不同高度处设有多个阳极,这些阳极距所处理的微电子工件的距离不同,在多个阳极和所处理的微电子工件之间没有中间扩散器。所述多个阳极中的一个或多个靠近所处理的工件。另外,所述多个阳极中的一个或多个可以是虚拟阳极。本发明还涉及主流体流动腔内的处于多级水平面位置上的阳极装置和使用该装置的方法。
【附图说明】
图1A是电镀反应器组件的示意简图,该反应器组件装有扩散器对处理流体流进行分配使其流过工件表面,并有助于形成电场。
图1B是装有本发明的电镀反应器组件的一个实施例的横截面图。
图2是用于图1B所示反应器组件的反应器腔的一个实施例的示意图,其包括与流经反应器腔的处理流体流有关的速度流型图。
图3-5示出了整个处理腔组件的特殊结构,其特别适合于对半导体晶片进行电化学处理,并可实现图2所示的速度流型图。
图6和7示出了按照本发明另一个实施例构建的整个处理腔组件。
图8和9是图6和7所示处理腔组件的速度流型的横截面图。
图10和11是表示用于实现均匀电镀的处理腔阳极排布方式图。
图12和13示出了图6和7所示处理腔的改进型式。
图14和15示出了处理设备的两个实施例,该处理设备可装有一个或多个本发明的处理装置。
【具体实施方式】
〖基本的反应器部件〗
图1B示出了用于对微电子工件25如半导体晶片进行电镀的反应器组件。通常,反应器组件20由反应器头部30和对应的反应器基部37构成,电镀液装在反应器基部37中。除了电镀以外,图1B所示的反应器也可用于进行电化学处理(例如:电抛光、阳极氧化处理等)。
电镀反应器组件的反应器头部30由固定组件70和转子组件75构成。转子组件75成形为可接受和承载有关的微电子工件25,将微电子工件定位于反应器基部37容器内的处理侧的下方,并使工件转动或旋转,同时将其导电表面连接到反应器组件20的电镀电路上。转子组件75包括一个或多个可向微电子工件表面提供电镀电能的阴极触点。在图示实施例中,阴极触点组件用标号85表示,下面将进一步详细进行描述。当基片导电或者当微电子工件的后侧与其前侧之间形成另外的导电通路时,后侧触点就可代替前侧触点。
反应器头部30通常安装在提升/旋转装置上,该装置成形为可使反应器头部30从面向上布置旋转到向下布置,向上布置时反应器头部可接受待电镀的微电子工件,向下布置时待电镀的微电子工件的表面以平面的方式或以成一个给定角度的方式放置以便与反应器基部37内的电镀液接触。机械手最好包括一个端部操纵装置,机械手通常用于将微电子工件25放置在转子组件75上就位,并将电镀的微电子工件从转子组件中取出。触点组件85可在打开状态和闭合状态下工作,在打开状态,可允许将微电子工件放置到转子组件75上,而在闭合状态,可将微电子工件固定在转子组件上,并使触点组件85的导电部件与待电镀的微电子工件表面电接触。
显然,上述的结构仅仅是一种示例,本发明已公开的反应器腔也可与其它的反应器组件结构一起使用。
〖电化学处理容器〗
图2示出了处理基部37的基本结构以及由处理容器结构得出的相应的计算机模拟流速图式。如图所示,处理基部37通常包括主流体流腔505、前腔510、流体入口515、流入腔520、将流入腔520与前腔510隔离开的散流器525和将流入腔520与主腔505隔离开的喷口/孔口组件530。这些部件相互配合以便在微电子工件25上形成电化学处理流体流(这里是电镀液),该流体流具有大致为径向的独立法向分量。在图示实施例中,碰撞液流以中心线537为中心,并具有一个垂直于微电子工件25表面的大致均匀的分量。这使得微电子工件表面形成大致均匀的物质流量,进而可对微电子工件进行大致均匀的处理。
特别是,从下面的描述中可以知道,这种所需的液流特性是未在阳极和要进行电化学处理(如:电镀)的微电子工件表面之间设置扩散器的情况下获得的。因此,可将电镀反应器的阳极设置在微电子工件表面附近,以便于对电镀过程中局部范围的电场/电流密度参数进行控制。对电参数进行控制的优点是可在不改变反应器硬件的情况下便于使反应器满足较大范围电镀参数的要求(例如:晶粒层厚度、晶粒层的形式、电镀材料、电解液性能等)。更确切地说,通过对供向阳极的电能进行软件控制来改变电镀过程的电参数,就可获得较强的适应性。
反应器的这种结构可有效地使流体流与对电场的调节相分离。其优点是:可设计一个在电镀或其它电化学处理过程中具有近乎理想流动形式的腔(也就是,可在微电子工件上提供大致均匀的扩散层的结构),这种腔在电镀或其它电化学处理过程需要显著地改变电场时不会降低其性能。
前述的优点可通过与图1A所示的现有技术反应器结构所作的比较中更清楚地得出。在那个结构中,如果阳极和工件表面的距离减小,就必须将扩散器移到靠近工件表面的地方。但是,将扩散器移得靠近工件就会显著地改变工件表面电镀液的流动特性。特别是,扩散器与工件表面靠得很近会导致局部区域8处流速法向分量的值相应地增大。这样,不可能移动阳极以靠近所要电镀的微电子工件表面,而不产生扩散层的控制问题和所不希望有的与扩散器孔型相对应的电场的局部增大。由于阳极不能移得靠近微电子工件表面,因此,就不能获得与对电化学处理过程的电参数提高控制有关的诸多优点。另外,扩散器移动到靠近微电子工件的地方可有效地形成多个由扩散器孔型确定的虚拟阳极。如果这些虚拟阳极靠近微电子工件的表面,那么它就会造成较大的局部影响。如果通过改变向单个实际阳极的供电而仅仅是可实现这种控制,那么,这种较大的局部影响通常不能以任意的给定精度进行控制。因而在这种多个不能严格控制的虚拟阳极的情况下,就很难获得大致均匀的电镀膜。
再如图2所示,电镀液通过设置在基部37底部的入口515供入。从入口515流入的流体以较大的流速由此通过前腔510。在图示实施例中,前腔510包括加速通道540,电镀液通过加速通道540从流体入口515径向流向前腔510的流体流动区545。流体流动区545的大致呈倒U形的截面在靠近流量扩散器525的出口区域处宽于其位于通道540附近的入口区域处。这种截面的变化有助于在电镀液进入主腔505之前将电镀液中的气泡除去。可使以其它方式进入主腔505的气泡通过设置在前腔510上部的气体出口(在图2中未示出,但在图3-5所示的实施例中予以示出)流出处理基部37。
前腔510内的电镀液最终供应给主腔505。为此,电镀液首先从前腔510的相对高压区550通过流量扩散器525流向低压流入腔520。喷口组件530包括相对于水平方向略微倾斜地设置的多个喷口或孔口535。电镀液以具有竖直和径向流体速度分量的方式经喷口535流出流入腔520。
主腔505在其上部区域由轮廓侧壁560和倾斜侧壁565限定。在电镀液流出喷口535(具体的是最上部的喷口)而向上流向微电子工件25的表面时,轮廓侧壁560有助于避免流体流分离开。在超过转折点570后,流体流的分离基本上就不会影响法向流的均匀性。因此,侧壁565通常可以是包括轮廓侧壁560的连续形状在内的任何形状。在此描述的实施例中,侧壁565是倾斜的,并用于支承一个或多个阳极,下面将进一步详细进行描述。
电镀液从主腔505经基本上环形的出口572流出。从出口572流出的流体可提供给另一个外腔进行处理,或者通过电镀液供应***进行循环补充。
处理基部37还设有一个或多个阳极。在图示实施例中,主阳极580设置在主腔505的下部。如果微电子工件25的表面周缘沿径向延伸到轮廓侧壁560的范围以外,周缘就与主阳极580电屏蔽,并在那些区域减弱了电镀。因此,在倾斜侧壁565上以大致同心的方式设置多个环形阳极585,以便向周边区域提供电镀电流。
图示实施例的阳极580和585距离正在电镀的微电子工件25的表面的距离不同。特别是,阳极580和585同心地设置在不同的水平面上。这种竖直高度不同的同心布置结构使得阳极580和585可有效地靠近微电子工件25的表面,而不会对喷口535尾部所形成的流型产生不利的影响。
阳极对微电子工件25电镀的影响和控制程度取决于阳极和正在电镀的微电子工件表面之间的有效距离。具体地说,在其它所有条件相同的情况下,与微电子工件表面间隔给定距离的阳极比距微电子工件25表面距离较小的阳极对微电子工件表面影响的区域要大。因而距离微电子工件25表面距离较大的阳极比距离较小距离的阳极对电镀过程的局部控制要小。因此,需要将阳极设置在靠近微电子工件表面的地方,而这可对电镀过程进行更多方面的局部控制。增强控制可使所获得的电镀膜更加均匀。可在程序控制器或类似装置的控制下通过向各个阳极提供电镀电能来实现这种控制。因而可通过人工或自动输入软件控制来调整电镀电能。
在图示实施例中,当阳极580被放置在距微电子工件25表面的距离大约为A1时,微电子工件25就可有效地“看到”阳极580。这是由于阳极580和侧壁560之间形成虚拟阳极,该虚拟阳极的影响区域由侧壁560最内的尺寸限定。相反,阳极585从最内侧阳极到最外侧阳极的有效距离分别为A2、A3和A4,最外侧阳极最靠近微电子工件25。所有的阳极585都靠近正在电镀的微电子工件25表面(也就是,约25.4mm或更小,最外侧阳极距离微电子工件的距离大约为10mm)。由于阳极585靠近微电子工件25的表面,因此,可对微电子工件周边部分生成的径向膜提供有效的局部控制。由于那些周边部分更可能具有较大的均匀度梯度(通常由于在最外侧的周边区域与微电子工件的晶粒层电接触,从而导致在微电子工件的周边区域比其中部区域具有更高的电镀速率),因此,这种局部控制对微电子工件的周边部分是特别需要的。
提供给前述阳极结构的电镀电能可方便地进行控制,从而在不必修改相应的硬件的情况下,适应大范围的电镀要求。在以下几方面变化的情况下就需要相应地调整电镀电能:
●晶粒层厚度;
●电镀表面的开放区域(除了边缘以外的规则晶片);
●最终的电镀厚度;
●电镀膜形式(铜、铂、晶粒层增强结构);
●电镀液的导电性、金属浓度;以及
●电镀速度。
前述的阳极结构特别适合于电镀具有高电阻晶粒层的微电子工件和在微电子工件上电镀高电阻材料。通常,晶粒层或所要电镀的材料的电阻越高,中央阳极580(或多个中央阳极)的电流值就应当增大得越大,以便于获得均匀的镀膜。这可从实施例和图10和11所示的相应的图中得到更好的理解。
图10是反映电镀膜的增长量变化与微电子工件表面径向位置关系的四条不同的计算机模拟图线。该图表明:在四个阳极580、585中给定的一个的电流发生变化而其余的阳极电流不变时,增长量就会发生变化。在该图中,阳极1代表阳极580,其余的阳极2-4代表从最内侧阳极到最外侧阳极依次排列的阳极585。每个阳极的最大峰值电镀点出现在不同的径向位置上。另外,正如从该图中可以看到的,到工件表面具有最大距离的阳极580影响工件的径向部分并对工件表面区域具有较广泛的影响。相反,其余的阳极在对应于图10所示图线峰值的径向位置处具有更多的局部影响。
可利用阳极580、585的不同的径向功效来在微电子工件表面有效地提供均匀的电镀膜。为此,每个阳极580、585可具有与其它阳极电流不同的固定电流。这些电镀电流的不同可用来补偿在靠近阴极触点组件85的触点的工件表面径向位置处(图1B)产生的增强电镀。
图11示出了在整个时间范围内作为微电子工件径向位置函数的电镀膜标准厚度上的预定电镀电流的不同的计算机模拟效果图。在此模拟图中,假定晶粒层在t0处是均匀的。如图所示,在电镀过程的初始阶段,微电子工件径向位置上的厚度是不同的。这通常是具有高电阻晶粒层的工件的特性,例如由高电阻材料制成的或者很薄的那些工件。但是,如图11所示,阳极580、585的不同电流所形成的不同的电镀在电镀过程结束时形成大致均匀的电镀膜。可以认识到提供给阳极580、585的特定电流取决于很多的因素,其包括电镀膜所需的厚度和材料,初始晶粒层的厚度和材料,阳极580、585与微电子工件表面之间的距离,电解液性能等因素,但并不局限于此。
阳极580、585是可消耗的,但最好是不活泼的,并由镀铂的钛或某些其它不活泼的导电材料制成。但是,如上所述,不活泼的阳极会发出损坏电镀膜均匀度的气体。为解决这一问题,还为了降低气泡进入主处理腔505的可能性,处理基部37包括多个独特的结构。对于阳极580,小的流体流动通道在阳极580的下侧和低压通道540之间形成Venturi出口590(见图2)。这就形成Venturi效应使得靠近阳极580表面的电镀液被抽出,并进而在微电子工件表面中部形成影响碰撞液流均匀性的吸流(或回流)。
屏蔽Venturi流动通道590可避免任何来自腔外的大气泡经区域590浮起。取而代之的是,这种气泡进入前腔510的气泡收集区。
类似地,电镀液沿径向冲过阳极585表面流向流体出口572,从而将其表面形成的气泡清除掉。另外,微电子工件表面上的流体流的径向分量有助于清除掉气泡。
图示经过反应器腔的流体流还具有很多的优点。如图所示,流经喷口535的流体流离开微电子工件表面,因而不会产生射流来扰乱扩散层的均匀度。尽管扩散层不是严格均匀的,但其基本上是均匀的,任何的不均匀都是较为平缓的。另外,在处理过程中转动微电子工件可显著地降低任何小的不均匀所产生的影响。另一个优点是由Venturi出口产生的主腔505底部的流体流会影响其中心线处的流体流。中心线处的流速难于获得和控制。但是,Venturi流的强度提供了一种可用于影响流体流这一方面的不干涉结构变化。
由前述反应器结构可知,垂直于微电子工件的流体流在靠近微电子工件中心处的量值较大,且微电子工件不存在时(也就是,在微电子工件没入流体之前),就形成一个圆顶形弯液面。圆顶形的弯液面有助于使微电子工件或其它工件没入处理液(这里是电镀液)时所夹带的气泡最少。
前述反应器结构的另一个优点是可避免那些进入腔口的气泡到达微电子工件。为此,流动的型式是这样的电镀液恰好在进入主腔之前向下运动。因此,气泡就保留在前腔并经顶部的孔逸出。另外,向上倾斜到前腔的入口通道(见图5和有关的说明书)可避免气泡经Venturi流动通道而进入主腔。
图3-5示出了特别适合于对半导体微电子工件进行电化学处理的整个处理腔组件610的结构。具体的说,图示实施例特别适合于利用电镀技术在工件表面镀上一层均匀的材料层。
如图所示,图1B所示的处理基部37由处理腔组件610和相应的外部杯形件605构成。处理腔组件610设置在外部杯形件605内,从而使外部杯形件605可接收从处理腔组件610溢流出的用过的处理液。法兰615围绕组件610延伸以便于与相应的加工设备支架相固定。
特别参见图4和5,外部杯形件605的法兰可制成接触或接纳反应器头部30的转子组件75(如图1B所示),并使微电子工具25和处理液如电镀液在主流体腔505中相接触。外部杯形件605还包括一个主圆筒形壳体625,排放杯形件627设置在主圆筒形壳体625中。排放杯形件627包括一个具有槽道629的外表面,槽道629与主圆筒形壳体625的内壁面一起构成一个或多个可用作处理液出口的螺旋流动腔640。从处理杯形件35顶部的溢流件739溢流出的处理液经螺旋流动腔640排出,并从出口(未示出)流出,在此对处理液进行处理或进行补充和回流。这种结构特别适合于包括回流流体的***,这是因为它有助于减少气体与处理液的混合,并进而降低气泡对工具表面扩散层均匀性影响的可能性。
在图示实施例中,前腔510由多个分离部件的壁面限定。更具体的说,前腔510由排放杯形件627、阳极支承件697的内壁、中腔构件690的内壁和外壁以及流量扩散器525的外壁限定。
图3B和4示出了前述部件组合在一起构成反应器的方式。为此,中腔构件690设置在排放杯形件627的内部,并包括多个支承在其底壁上的支腿692。阳极支承件697包括一个与围绕排放杯形件627内部设置的法兰相接触的外壁。阳极支承件697还包括一个支承在流量扩散器525的上部并与其相接触的槽705和另一个支承在喷口组件530的上缘并与其相接触的槽710。中腔构件690还包括一个设置在中部的储槽715,储槽的尺寸设计成可容纳喷口组件530的底部。同样,在环形储槽715的径向外部设有环形槽725,以便于与流量扩散器525的下部相接触。
在图示实施例中,流量扩散器525形成一个单独的部件并包括多个竖直槽670。类似地,喷口组件530也形成一个单独的部件并包括多个构成喷口535的水平槽。
阳极支承件697包括多个环形槽,其尺寸设计成可容纳相应的环形阳极组件785。每个阳极组件785包括一个阳极585(最好由镀铂的钛或其它不活泼金属制成)和一个从阳极585中部伸出的导管730,穿过导管730设置一金属导体并使每个组件785的阳极585与外部电源电接触。导管730整个穿过处理腔组件610,并通过相应的配件733固定在处理腔组件610的底部。在此结构中,阳极组件785可有效地向下推阳极支承件697,以便将流量扩散器525、喷口组件530、中腔构件690和排放杯形件627夹紧外部杯形件605的底部737。这使得处理腔610便于组装和拆卸。但也可利用其它装置来将腔的部件固定在一起并使阳极与所需的电源相导通。
图示实施例还包括一个溢流件739,溢流件739可拆卸地卡接或用其它方式方便地固定到阳极支承件697的上侧外部。如图所示,溢流件739包括构成溢流装置的凸缘742,处理液从溢流装置上方流入螺旋流动腔640。溢流件739还包括一个横向延伸的法兰744,法兰744径向向内延伸并构成一个位于一个或多个阳极585中全部或部分阳极上方的电场屏罩。由于溢流件739可便于拆卸和更换,处理腔组件610可很方便地重新配置并适于形成不同的电场构型。这种不同的电场构型特别适合于必须要将反应器构造成可处理超过一种尺寸和形状的工件。另外,这使得构造的反应器可适合于处理具有相同尺寸但具有不同电镀面积要求的工件。
在相应位置上具有阳极585的阳极支承件697构成图2所示的轮廓侧壁560和倾斜侧壁565。如上所述阳极支承件697的下部区域轮廓确定了前腔510的上侧内壁,并最好包括一个或多个穿过其设置的气体出口665,以便将气泡从前腔510排到外部环境中。
尤其参见图5,流体入口515由一个流入流体导引装置810限定,流入流体导引装置810通过一个或多个紧固件815固定在中腔构件690的底部。流入流体导引装置810包括多个开槽817,开槽817可将流体入口515接纳的流体引导到中腔构件690下部的区域中。图示实施例的槽817由向上倾斜的壁819限定。流出槽817的处理流体从此流向由向上倾斜的壁所限定的一个或多个另外的槽821。
中心阳极580包括一个电连接杆581,电连接杆581穿过在喷口组件530、中腔构件690和流入流体导引装置810上所形成的中心孔延伸到处理腔组件610的外部。图2所示的小Venturi流动通道区域590在图5中由穿过排放杯形件690和喷口组件530的底壁的竖直槽823构成。如图所示,流入流体导引装置810和向上倾斜的壁819径向延伸到屏蔽的竖直槽823以外,从而使进入入口的任何气泡通过向上的槽821而不是竖直槽823流出。
图6-9示出了改进的反应器腔的另一个实施例。这些图示的实施例仍然保持了前述反应器结构的优良的电场和流动特性,同时对于阳极/电极需要分离的情况是非常有效的。这些情况包括,但并不局限于此:
●电化学电镀液必须以较高的流速最为有效地流过电极例如阳极的情况;
●为保证进行均匀的电化学处理,必须将从阳极表面的电化学反应中逸出的一种或多种气体除去的情况;
●使用可消耗电极的情况。
如图6和7所示,反应器包括通到处理腔的最内部的电化学电镀液流动通道,该通道与图2所示实施例的流动通道非常类似,并形成图3A-5所示实施例的反应器腔。因此,为简明起见,功能类似的部件这里就不再进行区分了。而仅对那些与前述实施例明显不同的反应器部件进行区分和描述。
这两个实施例之间的显著的区别是阳极电极及其结构和流体流动通道。具体地说,反应器基部37包括多个环形阳极1015、1020、1025和1030,这些阳极相互同心设置在各自的阳极腔壳体1017、1022、1027和1032中。如图所示,每个阳极1015、1020、1025和1030具有比前述实施例的相应阳极的表面面积要大的竖直表面面积。这四个阳极都用于所述的实施例中,但根据所需的电化学处理参数和结果可使用更多或更少数目的阳极。每个阳极1015、1020、1025和1030通过至少一个相应的支承/导电元件1050支承在相应的阳极腔壳体1017、1022、1027和1032中,支承/导电元件穿过处理基部37的底部并终止于与电源相联的电连接器1055。
根据所述实施例,流入并流过三个最外腔壳体1022、1027和1032的流体流从与入口515分开的入口1060流入,而入口515提供流过最内腔壳体1017的流体流。如图所示,流体入口1060将电镀液提供给在内壁上设有多个槽1070的导管1065。槽1070与腔1075流体连通,腔1075包括多个开孔1080,电镀液分别通过这些开孔流入三个阳极腔壳体1022、1027和1032中。流入阳极腔壳体1017、1022、1027和1032中的流体流过各阳极1015、1020、1025和1030的至少一个竖直表面且最好是两个竖直表面。
每个阳极腔壳体1017、1022、1027和1032包括一个通向相应的杯形件1085的上出口区。如图所示,杯形件1085相互同心地设置在反应器腔中。每个杯形件包括一个上缘1090,上缘1090相对于其它的边缘终止于预定的高度,每个杯形件的边缘终止于与其紧密相邻的外部同心杯形件竖直下方的高度位置处。三个最内侧的杯形件还包括一个大致竖直的外壁1095和一个倾斜的内壁1200。这种壁结构在同心设置的杯形件(除了具有确定流体流动区1205的轮廓内壁的最内侧杯形件以及与最外侧阳极相关联的最外侧流动区1205以外)之间的空隙区域形成流动区1205,这就增大了流体向上流向正在处理的微电子工件表面的面积。这种面积的增大有效地减小了沿竖直流体流动通道的流体流速,流动区1205下部的流速大于该特定流动区上部的流体流的流速。
同心设置的相邻杯形件边缘之间的空隙区域有效地确定了每个虚拟阳极的尺寸和形状,每个虚拟阳极分别与设置在其各自的阳极腔壳体中的相应的阳极相关联。在处理中由微电子工件所看到(seen)的每个虚拟阳极的尺寸和形状通常与相应的实际阳极的尺寸和形状无关。因此,在使用一段时间后尺寸和形状都在变化的可消耗阳极可作为阳极1015、1020、1025和1030使用,而不会使处理中由微电子工件所看到的整个阳极结构发生相应的变化。另外,如果流体流竖直流过流动区1205时流体流的流速降低,那么在阳极腔壳体1022、1027和1032中的阳极1015、1020、1025和1030的竖直表面上形成较高的流体流速,同时在处理中的微电子工件表面上沿径向形成非常均匀的流体流型。如上所述,在使用某种电化学电镀液如从Atotech购买的电镀液时,就需要这种流经阳极1015、1020、1025和1030竖直表面的高流体流速。另外,这种高流体流速有助于去除掉阳极特别是不活泼阳极的表面所形成的气泡。为此,每个阳极腔壳体1017、1022、1027和1032可在其上部设有一个或多个排出气体的气体出口(未示出)。
另外,与前述实施例不同的是,元件1210是由绝缘材料制成的固定件。固定件1210用于将多个构成反应器基部37的构件夹紧在一起。尽管固定件1210可由导电材料制成而可起到一个阳极的作用,但处理中的微电子工件所看到的最内侧阳极最好是与最内侧阳极1015相对应的虚拟阳极。
图8和9示出了图10-12所示实施例中构成的反应器的计算机模拟流体流速图。在该实施例中,反应器基部的所有阳极与流经阳极腔壳体的流体流相隔离。为此,图8示出了电镀液流流经每个阳极腔壳体时所形成的流体流速图,而图9示出了没有电镀液经阳极腔壳体流过阳极时的流体流速图。后者可通过切断从第二流体入口(下面将进行描述)流入的流体流来在反应器中实现,并可类似地通过切断流经入口1060的流体流来在图6和7所示的反应器中实现。在流过阳极表面的电镀液流显著地减小了电镀液的有机添加剂浓度的情况下,这种状态就是所希望的。
图12示出了图7所示实施例反应器的一种变型。为简明起见,仅对与下面的描述有关的部件给出标号。
该实施例使用了不同的结构向阳极1015、1020、1025和1030提供流体流。具体的说,该实施例采用一个入口元件2010,入口元件2010作为入口将处理流体供应和分配给阳极腔壳体1017、1022、1027和1032。
如图12和13所示,入口元件2010包括一个可用于提供电镀液流的中空杆2015。中空杆2015终止于一个阶梯形的毂盘2020。阶梯形毂盘2020包括多个台阶2025,每个台阶包括一个尺寸可容纳和支承阳极腔壳体相应的壁的槽。处理流体经多个由流通区域通向各个阳极腔壳体的槽道2030而流入阳极腔壳体。
后者这种入口结构有助于阳极1015、1020、1025和1030相互之间电绝缘。由于阳极之间电流通道的电阻增大而形成这种电绝缘。增大的电阻是由于阳极腔壳体之间的流体流动通道的长度增大而导致的。
给微电子工件的周边供应电镀电能的方式影响了电镀金属的整体膜的质量。提供这种电镀电能的触点组件所需的特性包括:
●电镀电能在微电子工件周围均匀分布,从而使电镀膜的均匀度最大;
●始终如一的接触特性以保证晶片与晶片的均匀性;
●触点组件对微电子工件周边的干涉最小,从而使设备生产可用的区域最大;
●在微电子工件周边周围的阻隔层上电镀得最少,从而避免了剥落和/或散裂。
为实现上述特性中的一个或多个特性,反应器组件20最好采用可与微电子工件25连续电接触或具有多个不连续电接触点的触点组件85。通过与微电子工件25的外周边连续接触,在半导体晶片的外周,将均匀的电流提供给微电子工件25,从而进一步形成了更加均匀的电流密度。这种更加均匀的电流密度提高了电镀材料厚度的均匀性。
根据一个优选的实施例,触点组件85包括触点元件,该触点元件对微电子工件周边的干涉最小,同时又与晶粒层始终如一地接触。当微电子工件与触点组件相接触时,通过触点元件结构与晶粒层摩擦接触,从而增强了与晶粒层的接触。这种摩擦接触有助于将晶粒层表面上的任何氧化物除去,从而增强了触点结构与晶粒层之间的电接触。因此,微电子工件周边周围的电流密度的均匀性也得以提高,且形成的膜更加均匀。另外,这种始终如一的电接触便于使电镀过程中晶片与晶片更为均匀一致,从而提高了晶片与晶片的均匀性。
触点组件85在下面将详细描述,最好还包括一个或多个结构,该结构单独地或与其它结构相互配合而形成一个可将触点、微电子工件25的周边部分和后侧与电镀液隔离开的隔离层。这就避免了金属镀覆到单个的触点上,并有助于避免微电子工件25边缘附近的隔离层暴露部分暴露在电镀环境中。因此,隔离层的电镀及由其松散镀覆的电镀材料剥落而引起的潜在污染都受到了限制。1998年7月10日申请的题为“PLATINGAPPARATUS WITH PLATING CONTACT WITH PERIPHERAL SEAL MEMBER”的美国专利申请09/113723就给出了特别适合于该***使用的典型触点组件,这里作为参考对其进行引用。
可方便地将一个或多个前述反应器组件组合成一个可对工件例如半导体微电子工件进行多种处理的处理设备。这样的一种处理设备是可从Semitool,Inc.,of Kalispell,Montana购买到的LT-210TM电镀装置。图14和15示出了这种组合装置。
图14所示的装置包括多个处理装置1610。这些处理装置最好包括一个或多个清洗/干燥装置和一个或多个电镀装置(包括一个或多个上述的电镀反应器),尽管也可使用本发明的浸入化学处理装置。该装置最好还包括一个热处理装置1615,该热处理装置包括至少一个适合于进行快速热处理(RTP)的热反应器。
利用一个或多个可沿中央轨道1625直线运动的机械传送机构1620来在处理装置1610和RTP装置1615之间传送工件。一个或多个处理装置1610还装有适合于进行就地清洗的装置。最好,所有的处理装置以及机械传送机构都设置在一个装有处于正压状态的过滤空气的机壳中,从而可限制可能会降低微电子工件处理有效性的空气中的悬浮杂质。
图15示出了处理设备的另一个实施例,其中,RTP装置1635设置在部分1630内,其包括至少一个热反应器,并可组合成一个成套工具装置。与图14所示实施例不同的是,在该实施例中,至少一个热反应器由专用机械手机构1640进行操纵。专用机械手机构1640接受由机械传送机构1620传送来的工件。可通过一个中间集结待运门/区域1645来进行传送。因此,就可卫生地将加工设备的RTP部分1630与加工设备的其它部分分离开。另外,利用这种结构,图示的退火热处理装置可形成一个单独的模件来固定并加强现有的成套工具装置。除了RTP装置1635以外或者替代RTP装置1635,其它类型的处理装置也可设置在部分1630处。
在不脱离上述基本设计思想的基础上,可对前述***进行多种改进。尽管上面结合一个或多个具体实施例对本发明进行了详细的描述,但显然,在不脱离本发明范围和宗旨的情况下,本领域技术人员可作出多种的变型。
Claims (26)
1.一种用于对微电子工件进行电化学处理的处理容器,其包括:
一个主流体流动腔;
多个同心设置在主流体流动腔的不同高度位置上的阳极,所述同心阳极距所处理的微电子工件的距离不同。
2.根据权利要求1所述的处理容器,其中,所述多个同心阳极中的一个或多个设置得靠近所处理的微电子工件。
3.根据权利要求1所述的处理容器,其中,所述多个同心阳极从其最外侧的一个到最内侧的一个距微电子工件的距离是增大的。
4.根据权利要求1所述的处理容器,其中,所述多个同心阳极中的一个或多个是虚拟阳极。
5.根据权利要求4所述的处理容器,其中,虚拟阳极包括:
一个具有处理流体入口和处理流体出口的阳极腔壳体,处理流体出口设置得靠近所处理的微电子工件;
设置在阳极腔壳体中的至少一个导电阳极元件。
6.根据权利要求4所述的处理容器,其中,至少一个导电阳极元件由惰性材料制成。
7.根据权利要求3所述的处理容器,其中,所述多个同心阳极中的一个或多个是虚拟阳极。
8.根据权利要求7所述的处理容器,其中,虚拟阳极包括:
一个具有处理流体入口和处理流体出口的阳极腔壳体,处理流体出口设置得靠近所处理的微电子工件;
设置在阳极腔壳体中的至少一个导电阳极元件。
9.根据权利要求8所述的处理容器,其中,至少一个导电阳极元件由惰性材料制成。
10.根据权利要求1所述的处理容器,其还包括多个喷口,所述喷口设置为向主流体流动腔提供电化学处理流体流,多个喷口布置成可提供竖直和径向的流体流分量,上述分量联合形成径向流过工件的至少一个表面的大致均匀的法向流动分量。
11.根据权利要求1所述的处理容器,其中,主流体流动腔在其上部由一个倾斜的壁限定,该倾斜的壁支承着上述多个同心阳极中的一个或多个。
12.根据权利要求3所述的处理容器,其中,主流体流动腔在其上部由一个倾斜的壁限定,该倾斜的壁支承着上述多个同心阳极中的一个或多个。
13.根据权利要求3所述的处理容器,其中,主流体流动腔还包括一个设置在其下部的入口,该入口成形为可形成文氏管效应,以便于处理流体流在主流体流动腔的下部循环回流。
14.一种用于对微电子工件的至少一个表面进行电化学处理的反应器,该反应器包括:
一个反应器头部,该头部包括工件支承装置;
设置在所述工件支承装置并定位在其上与微电子工件电接触的一个或多个电触点;
一个处理容器,该处理容器包括多个倾斜地设置在主流体流动腔侧壁上的喷口,且所述喷口位于在电化学处理过程中所正常包含的处理流体液面下方的所述主流体流动腔内的一个水平面位置处;
设置在主流体流动腔中不同高度位置处的多个阳极,这些阳极同心地设置在距所处理的微电子工件不同距离的位置处,在多个阳极和所处理的微电子工件之间没有中间扩散器。
15.根据权利要求14所述的反应器,其中,多个喷口布置成可提供竖直和径向的流体流分量,上述分量联合形成径向流过工件的至少一个表面的大致均匀的法向流动分量。
16.根据权利要求14所述的反应器,其中,所述多个阳极中的一个或多个靠近所处理的工件。
17.根据权利要求14所述的反应器,其中,所述多个同心阳极中的一个或多个是虚拟阳极。
18.根据权利要求17所述的反应器,其中,虚拟阳极包括:
一个具有处理流体入口和处理流体出口的阳极腔壳体,处理流体出口设置得靠近所处理的微电子工件;
设置在阳极腔壳体中的至少一个导电阳极元件。
19.根据权利要求18所述的反应器,其中,至少一个导电阳极元件由惰性材料制成。
20.根据权利要求14所述的反应器,其中,处理容器在其上部由一个倾斜的壁限定,该倾斜的壁支承着上述多个阳极中的至少一个。
21.根据权利要求14所述的反应器,其还包括一个转子,至少在微电子工件处理过程中,连接的该转子使工件支承装置和相联的微电子工件转动。
22.根据权利要求14所述的反应器,其还包括多个倾斜地设置在主流体流动腔的一个或多个侧壁上的喷口,且所述喷口位于所述主流体流动腔在浸入过程中所包含的处理流体液面下方的所述主流体流动腔内的一个水平面位置处。
23.一种用于在微电子工件上电镀材料的方法,其包括以下步骤:
将微电子工件的至少一个表面浸入电镀液中;
在电镀液中设置多个阳极,上述多个阳极到所要电镀的微电子工件的所述至少一个表面的距离不同;
在每个阳极和微电子工件的所述至少一个表面之间引发出电流。
24.根据权利要求23所述的方法,其中,每个阳极在电镀过程的实际的主要阶段具有固定的电流。
25.根据权利要求23所述的方法,其还包括向微电子工件的所述至少一个表面提供大致均匀的法向电镀液流的步骤。
26.根据权利要求23所述的方法,其还包括以下的步骤:向微电子工件的所述至少一个表面提供大致均匀的法向电镀液流,而不在所述多个阳极和微电子工件的所述至少一个表面之间设置中间扩散器。
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