JP2014118634A - 電気メッキ中の効率的な物質輸送のための電解質流体力学の強化 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】基材近傍に位置決めされたチャネル付きプレートを利用し、底部をチャネル付きプレート150によって、頂部を基材によって、そして側部を直交流制限リングによって画定される、直交流マニフォールドを形成する。メッキ中、流体は、チャネル付きプレートのチャネルを通って上方向、及び直交流制限リングの片側に位置決めされた直交流の側部流入口を通って横方向、これら両方の方向で直交流マニフォールドに入る。流路は直交流マニフォールドで結合され、直交流流入口と対向するよう位置決めされた直交流出口から出る。このような結合された流路によって、メッキの均一性が改善される。
【選択図】図1A
Description
電気メッキセル内に2つの主経路のうちの1つを通って流れてよい。第1の経路では、カソード液はマニフォールド領域に供給され、この領域をこれ以降、CIRPの下側かつ通常は(必ずしもそうである必要はないが)セル膜及び/又は膜フレームホルダの上側に配置された「CIRPマニフォールド領域」と呼ぶ。CIRPマニフォールド領域から、カソード液はCIRPの様々な孔を上方向へCIRP内へと通過して基材の空隙(直交流又は直交流マニフォールド領域と呼ぶ場合もある)へと移動し、ウエハ表面へ向かう方向へ移動する。第2の直交流電解質供給経路では、カソード液は直交流注入マニフォールド領域の片側から、直交流注入マニフォールド領域内へと供給される。直交流注入マニフォールドから、カソード液はCIRPを通過して基材の空隙(即ち直交流マニフォールド)へと移動し、基材の表面全体にわたって基材の表面に概ね平行な方向に流れる。
[電気的機能]
特定の実施形態では、チャネル付きイオン抵抗性要素は基材(カソード)の近傍にあるほぼ一定及び均一な電流源に近づき、これ自体、場合によっては高抵抗性仮想アノード(HRVA)と呼んでもよい。通常、CIRPはウエハに対して極めて近接して設置される。対照的に、基材に対して同様に近位にあるアノードは、ウエハに、及びウエハにわたって、ほぼ一定の電流密度を供給する可能性はなく、アノード金属表面において定電位面を単に支持するものであり、これによって電流を最大とすることができ、その一方でアノード平面から端子へ(例えばウエハ上の周縁接触点へ)の正味抵抗は小さくなる。よって、チャネル付きイオン抵抗性要素は高抵抗性仮想アノード(HRVA)と呼ばれ得る場合があったが、これは電気化学的にこれら2つが相互交換可能であることを含意するものではない。最適な動作条件下において、CIRPは仮想均一電流源により近づき、場合によっては仮想均一電流源としてよりよく説明され、ほぼ一定の電流がCIRPの上側平面をわたって供給される。CIRPを「仮想電流源」としてみなすことは確かにでき、即ちこれは電流が発生する平面であり、従って、アノード電流が発生する位置又は源であるとみなすことができるため、「仮想アノード」と考えることができるが、その面にわたるほぼ均一な電流、及び更に有利な、同一の物理的位置に配置された金属製アノードを有する場合と比較して概ね優れたウエハ均一性をもたらすのは、CIRPの(電解質に対して及びCIRPの外側領域に対して)比較的高いイオン抵抗性である。イオン電流に対するメッキの抵抗性は、メッキ内の様々なチャネル内に含まれる電解質の固有抵抗(カソード液の抵抗と同一又はほぼ同様の抵抗性を有する場合が多いが必ずしもそうではない)の増大、メッキ厚さの増大、及び多孔性の低下(例えばより少ない数の同一直径の孔又はより小さい直径の同一数の孔を有すること等によって、電流が通過する部分断面積は小さくなる)に伴って増大する。
CIRPは約2〜25mm、例えば12mmの厚さの材料のディスクである。CIRPは、CIRPの体積の約5%未満を占める極めて多数の微小サイズ(典型的には0.04インチ未満)の貫通孔を有し、上記貫通孔は互いから空間的及びイオン的に分離され、これにより、全てではないが多くの実装形態において、これら貫通孔はCIRP本体内で相互接続チャネルを形成しない。このような貫通孔は、「非連通貫通孔」と呼ばれることがある。これらは典型的には一方向に延在し、この方向は、必ずしもそうではないが通常はウエハのメッキ表面に対して垂直な方向である(いくつかの実施形態では、非連通孔はCIRPの前部表面に対してほぼ平行なウエハに対してある角度を有する)。通常、全ての貫通孔は互いに対して実質的に平行である。いくつかの実施形態では、CIRPプレートの厚さは不均一である。CIRPプレートは中央より縁部が厚くなっていてよく、又はその逆であってよい。ウエハから最も遠いCIRPの表面は、メッキの局所的な流体及びイオンの流れ抵抗性を適合するよう成形してよい。孔は通常正方形アレイに配設されるが、空間的に平均的に均一な密度又は孔をもたらす他の配置も可能である。当然、例えばCIRPの中心から縁部までの間隔を増加して(又は減少させて)、これによってCIRPの中心からの距離に応じて抵抗性を上昇(又は低下)させることにより、孔の密度も変更できる。他の場合においては、配置はずれた渦巻きパターンである。貫通孔はイオン電流及び流体流の両方を表面に対して平行に再構成し、電流及び流体流の両方のウエハ表面への経路を直線とするため、これらの貫通孔は、チャネルが3次元に延在し、相互接続された孔構造を形成するような細孔の3次元網目構造とは異なっている。しかしながら特定の実施形態では、このような細孔の相互接続網目構造を有する細孔プレートをCIRPの代わりに用いてよい。プレート上側表面からウエハまでの距離が小さい(例えば、例えば約5mm以下であるウエハ半径のサイズの約1/10の空隙)場合、電流及び流体流両方の分岐は局所的に制限され、CIRPチャネルに伝達されて整列される。
ウエハシード層の電流の抵抗性がセルのカソード液より大きい場合等、末端効果が有効である/関係する場合、イオン抵抗性であるがイオン透過性である要素(CIRP)206がウエハの近傍に存在することにより、末端効果が実質的に低下し、径方向メッキ均一性が改善される。CIRPは同時に、流れ拡散マニフォールドプレートとして作用することによって、電解質の実質的に空間的に均一な衝突流をウエハ表面において上向きに配向する能力も提供する。重要なこととして、同じ要素をウエハから遠く離れた位置に配置した場合、イオン流の均一性及び流れの改善は大いに低下するか、又は発生しない。
特定の実施形態では、ウエハホルダ及び関連する位置決め機構は、回転するウエハを、チャネル付きイオン抵抗性要素の平行な上側表面の極めて近傍に保持する。メッキ中、基材は一般に、イオン抵抗性要素に対して平行又は実質的に平行(例えば約10°以内)となるように位置決めされる。基材はその上に特定の特徴部分を有し得るが、基材及びイオン抵抗性要素が実質的に平行であるかどうかを決定する際には、基材のおおよそ平坦な形状のみを考慮する。
様々な実施形態では、チャネル付きイオン抵抗性プレートは十分に低い多孔性及び細孔サイズを有し、これにより、通常の動作体積流量において粘性流れ抵抗性背圧及び高い垂直衝突流量を提供する。いくつかの場合においては、チャネル付きイオン抵抗性プレートの約1〜10%が、ウエハ表面に流体を到達させることができる開口領域である。特定の実施形態では、プレートの約2〜5%が開口領域である。具体的な実施例では、プレート206の開口領域は約3.2%であり、有効な総開口断面積は約23cm2である。
チャネル付きイオン抵抗性プレートの多孔性は、多くの異なる方法で実装できる。様々な実施形態において、直径が小さい多数の垂直孔を用いてこれを実装してよい。いくつかの場合においては、プレートは独立した「穿孔された」孔を有さず、連続的な多孔性材料の焼結プレートによって生成される。このような焼結プレートの例は、米国特許第6964792号(代理人整理番号NOVLP023)に記載されており、これは参照によりその全体が本明細書に援用される。いくつかの実施形態では、先行された非連通孔の直径は約0.01〜0.05インチである。いくつかの場合においては、孔の直径は約0.02〜0.03インチである。上述のように、様々な実施形態では、孔は、チャネル付きイオン抵抗性プレートとウエハとの間の空隙距離の最大約0.2倍の直径を有する。孔は一般に円形の断面を有するが、必ずしもそうではない。更に、構成を簡単にするために、プレート内の全ての孔は同一の直径を有してよい。しかしながらそうである必要はなく、孔の個別のサイズ及び局所的密度の両方は、特定の要件によって必要とされ得るようにプレート表面全体にわたって変化してよい。
モデリング結果及びウエハ上での実験結果は、本明細書で開示した実施形態がメッキプロセスの均一性を有意に向上させることができることを示唆するものである。図20は、銅電気メッキに関するいくつかの実験結果の概要を示す。2つの異なるCIRP設計(***部を有するものと有さないもの)を、2つの異なる蒸着速度それぞれについて試験した。
以上が具体的実施形態の全説明であるが、様々な改変、代替構造及び均等物を使用してよい。従って、以上の説明及び例示は、添付の請求項で定義される本発明の範囲を制限するものと解釈されるべきではない。
Claims (33)
- 電気メッキ装置であって、
(a)実質的に平坦な基材上に金属を電気メッキする間、電解質及びアノードを含むよう構成された、電気メッキ用チャンバと、
(b)電気メッキ中、前記基材のメッキ面が前記アノードと分離されるように、前記実質的に平坦な基材を保持するよう構成された、基材ホルダと、
(c)イオン抵抗性要素であって、
(i)前記イオン抵抗性要素を貫通して延在する、電気メッキ中に前記イオン抵抗性要素を通してイオンを輸送するよう適合された、複数のチャネルと、
(ii)前記基材の前記メッキ面と実質的に平行であり、前記基材の前記メッキ面と空隙で分離されている、基材対面側部と、
(iii)前記イオン抵抗性要素の前記基材対面側部上に位置決めされた複数の***部と、を含む、イオン抵抗性要素と、
(d)前記空隙に前記電解質の直交流を導入するための、前記空隙への流入口と、
(e)前記空隙内を流れる前記電解質の前記直交流を受承するための、前記空隙の流出口と、を備え、
前記流入口及び前記流出口は、電気メッキ中、前記基材の前記メッキ面上の方位的にほぼ対向する周上の位置に位置決めされる、電気メッキ装置。 - 請求項1に記載の電気メッキ装置であって、
前記イオン抵抗性要素の前記基材対面側部と、前記基材の前記メッキ面との間の前記空隙は、前記基材の前記メッキ面と前記イオン抵抗性要素の平面との間を測定した場合に約15mm未満である、電気メッキ装置。 - 請求項1に記載の電気メッキ装置であって、
前記基材の前記メッキ面と前記***部の最高部との間の空隙は約0.5〜4mmである、電気メッキ装置。 - 請求項1に記載の電気メッキ装置であって、
前記***部の高さは約2〜10mmである、電気メッキ装置。 - 請求項1に記載の電気メッキ装置であって、
前記***部は平均して、前記電解質の前記直交流の方向に対して実質的に垂直に配向される、電気メッキ装置。 - 請求項1に記載の電気メッキ装置であって、
前記***部のうちの少なくともいくつかは、少なくとも約3:1の長さ:幅アスペクト比を有する、電気メッキ装置。 - 請求項1に記載の電気メッキ装置であって、
前記イオン抵抗性要素上に、少なくとも2つの異なる形状及び/又はサイズの前記***部が存在する、電気メッキ装置。 - 請求項1に記載の電気メッキ装置であって、
前記***部のうちの少なくともいくつかの上に、電気メッキ中に電解質がそれを通って流れることができる1つ又は複数の切り欠き部を含む、電気メッキ装置。 - 請求項1に記載の電気メッキ装置であって、
前記***部のうちの少なくともいくつかは、前記イオン抵抗性要素の前記平面に対して実質的に垂直な面を備える、電気メッキ装置。 - 請求項1に記載の電気メッキ装置であって、
前記***部のうちの少なくともいくつかは、前記イオン抵抗性要素の前記平面から直角でない角度だけずれた面を備える、電気メッキ装置。 - 請求項1に記載の電気メッキ装置であって、
前記***部のうちの少なくともいくつかの上に、三角形の上部を更に備える、電気メッキ装置。 - 請求項1に記載の電気メッキ装置であって、
前記***部は、少なくとも第1の***部セグメント及び第2の***部セグメントを含み、
前記第1及び第2の***部セグメントはそれぞれ、前記電解質の前記直交流の方向から、実質的に等しいが符号が逆である角度だけずれている、電気メッキ装置。 - 請求項1に記載の電気メッキ装置であって、
前記イオン抵抗性要素は、電場を成形し、電気メッキ中に前記基材付近の前記電解質流の性質を制御するよう構成される、電気メッキ装置。 - 請求項1に記載の電気メッキ装置であって、
前記イオン抵抗性要素の下面の下に位置決めされた下側マニフォールド領域を更に備え、
前記下面は前記基材ホルダと反対側を向いている、電気メッキ装置。 - 請求項14に記載の電気メッキ装置であって、
中央電解質チャンバと
前記中央電解質チャンバから前記流入口及び前記下側マニフォールド領域の両方に前記電解質を送達するよう構成された1つ又は複数の供給チャネルと、を更に備える、電気メッキ装置。 - 請求項1に記載の電気メッキ装置であって、
前記流入口と流体連通された直交流注入マニフォールドを更に備える、電気メッキ装置。 - 請求項10に記載の電気メッキ装置であって、
前記直交流注入マニフォールドは、前記イオン抵抗性要素のキャビティによって少なくとも部分的に画定される、電気メッキ装置。 - 請求項1に記載の電気メッキ装置であって、
前記イオン抵抗性要素の周縁部全体にわたって位置決めされた流れ制限リングを更に備える、電気メッキ装置。 - 請求項1に記載の電気メッキ装置であって、
メッキ中に前記基材ホルダを回転させるための機構を更に備える、電気メッキ装置。 - 請求項1に記載の電気メッキ装置であって、
前記流入口は、前記基材の前記メッキ面の周付近に、約90〜180°の弧にわたって広がっている、電気メッキ装置。 - 請求項1に記載の電気メッキ装置であって、
前記流入口内の方位的に別個の複数の流入口セグメントと、
前記方位的に別個の複数の流入口セグメントに前記電解質を送達するよう構成された、複数の電解質供給流入口と、
電気メッキ中に複数の前記電解質供給流入口内の前記電解質の複数の体積流量を独立して制御するよう構成された、1つ又は複数の流れ制御要素と、を更に備える、電気メッキ装置。 - 請求項1に記載の電気メッキ装置であって、
前記***部は、前記基材の前記メッキ面と実質的に同延である、電気メッキ装置。 - 請求項1に記載の電気メッキ装置であって、
前記流入口及び前記流出口は、電気メッキ中に前記基材の前記メッキ面上に剪断力を生成又は維持するために、前記空隙内で前記電解質の前記直交流を生成するよう適合される、電気メッキ装置。 - 請求項1に記載の電気メッキ装置であって、
前記***部は、複数の平行な列に配向され、
前記列は、非***空隙で分離された2つ以上の不連続な前記***部を含み、
隣接する前記列の前記非***空隙は実質的に、前記電解質の前記直交流の方向に互いに整列されていない、電気メッキ装置。 - 電気メッキ装置であって、
(a)実質的に平坦な基材上に金属を電気メッキする間、電解質及びアノードを含むよう構成された、電気メッキ用チャンバと、
(b)電気メッキ中、前記基材のメッキ面が前記アノードと分離されるように、前記実質的に平坦な基材を保持するよう構成された、基材ホルダと、
(c)イオン抵抗性要素であって、
(i)前記イオン抵抗性要素を貫通して延在する、電気メッキ中に前記イオン抵抗性要素を通してイオンを輸送するよう適合された、複数のチャネルと、
(ii)前記基材の前記メッキ面と実質的に平行であり、前記基材の前記メッキ面と空隙で分離されている、基材対面側部と、
(iii)前記イオン抵抗性要素の前記基材対面側部上に位置決めされた段差であって、前記段差は高さ及び直径を有し、前記段差の前記直径は前記ウエハの前記メッキ面と実質的に同延であり、前記段差の前記高さ及び前記直径はメッキ中に前記電解質が前記基材ホルダの下、前記段差の上を通って前記空隙内へと流れることができる程度に十分に小さい、段差と、を含む、イオン抵抗性要素と、
(d)前記空隙に前記電解質を導入するための、前記空隙への流入口と、
(e)前記空隙内を流れる前記電解質の流れを受承するための、前記空隙の流出口と、を備え、
前記流入口及び前記流出口は、電気メッキ中に前記基材の前記メッキ面上に剪断力を生成又は維持するために、前記空隙内で前記電解質の前記直交流を生成するよう適合される、電気メッキ装置。 - 標準的な直径の半導体ウエハ上に材料をメッキするための電気メッキ装置で使用するための、チャネル付きイオン抵抗性プレートであって、
前記半導体ウエハのメッキ面とほぼ同延である、約2〜25mmの厚さを有するプレートと、
前記プレートの厚さを貫通して延在する、少なくとも約1000個の非連通貫通孔であって、電気メッキ中に前記プレートを通してイオンを輸送するよう適合された、貫通孔と、
前記プレートの片側上に位置決めされた複数の***部と、を備える、チャネル付きイオン抵抗性プレート。 - 標準的な直径の半導体ウエハ上に材料をメッキするための電気メッキ装置で使用するための、チャネル付きイオン抵抗性プレートであって、
前記半導体ウエハのメッキ面とほぼ同延である、約2〜25mmの厚さを有するプレートと、
前記プレートの厚さを貫通して延在する、少なくとも約1000個の非連通貫通孔であって、電気メッキ中に前記プレートを通してイオンを輸送するよう適合された、貫通孔と、
前記プレートの中央領域のプレートの膨隆部、及び前記プレートの周縁部に位置決めされた前記プレートの非膨隆部を備える、段差と、を備える、チャネル付きイオン抵抗性プレート。 - 基材を電気メッキするための方法であって、
(a)基材ホルダ内に実質的に平坦な基材を受承することであって、前記基材のメッキ面は露出しており、前記基材ホルダは電気メッキ中、前記基材の前記メッキ面がアノードと分離されるように前記基材を保持するよう構成されている、受承することと、
(b)前記基材を電解質に浸漬することであって、
前記基材の前記メッキ面とイオン抵抗性要素の平面との間に空隙を形成し、
前記イオン抵抗性要素は前記基材の前記メッキ面と少なくともほぼ同延であり、
前記イオン抵抗性要素は電気メッキ中に前記イオン抵抗性要素を通してイオンを輸送するよう適合されており、
前記イオン抵抗性要素は前記イオン抵抗性要素の基材対面側部上に複数の***部を備え、前記***部は前記基材の前記メッキ面と実質的に同延である、浸漬することと、
(c)(i)側部流入口から前記空隙内へ入り、側部流出口から出るように;及び(ii)前記イオン抵抗性要素の下から前記イオン抵抗性要素を通過して前記空隙内へ入り、前記側部流出口から出るように、前記基材ホルダ内の前記基材と接触するように前記電解質を流すことであって、前記流入口及び前記流出口は、電気メッキ中に前記空隙内の前記電解質の直交流を生成するよう設計又は構成されている、前記電解質を流すことと、
(d)前記基材ホルダを回転させることと、
(e)前記(c)と同様に前記電解質を流しながら、前記基材の前記メッキ面上に材料を電気メッキすることと、を備える、方法。 - 請求項28に記載の方法であって、
前記空隙は、前記基材の前記メッキ面と前記イオン抵抗性要素の平面との間を測定した場合に約15mm未満である、方法。 - 請求項28に記載の方法であって、
前記基材の前記メッキ面と前記***部の最高部表面との間の空隙は約0.5〜4mmである、方法。 - 請求項28に記載の方法であって、
前記側部流入口は、方位的に別個であり流体連通していない2つ以上のセクションに分離され、
前記流入口の前記方位的に別個のセクションへの前記電解質の流れは独立して制御される、方法。 - 請求項28に記載の方法であって、
前記空隙内に流れ配向要素が位置決めされ、
前記流れ配向要素によって、前記側部流入口から前記側部流出口への実質的に直線の流路に前記電解質を流すことができる、方法。 - 基材を電気メッキするための方法であって、
(a)基材ホルダ内に実質的に平坦な基材を受承することであって、前記基材のメッキ面は露出しており、前記基材ホルダは電気メッキ中、前記基材の前記メッキ面がアノードと分離されるように前記基材を保持するよう構成されている、受承することと、
(b)前記基材を電解質に浸漬することであって、
前記基材の前記メッキ面とイオン抵抗性要素の平面との間に空隙を形成し、
前記イオン抵抗性要素は前記基材の前記メッキ面と少なくともほぼ同延であり、
前記イオン抵抗性要素は電気メッキ中に前記イオン抵抗性要素を通してイオンを輸送するよう適合されており、
前記イオン抵抗性要素は前記イオン抵抗性要素の基材対面側部上に段差を備え、前記段差は前記イオン抵抗性要素の中心領域に位置決めされ、前記イオン抵抗性要素の非膨隆部で囲まれている、浸漬することと、
(c)(i)側部流入口から前記段差を越えて空隙内へ入り、再び前記段差を越えて側部流出口から出るように;及び(ii)前記イオン抵抗性要素の下から前記イオン抵抗性要素を通過して前記空隙内へ入り、前記段差を越えて前記側部流出口から出るように、前記基材ホルダ内の前記基材と接触するように前記電解質を流すことであって、前記流入口及び前記流出口は、電気メッキ中に前記空隙内の前記電解質の直交流を生成するよう設計又は構成されている、前記電解質を流すことと、
(d)前記基材ホルダを回転させることと、
(e)前記(c)と同様に前記電解質を流しながら、前記基材の前記メッキ面上に材料を電気メッキすることと、を備える、方法。
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