JP5036950B2 - 金属堆積のため挿入する際に基板を傾斜させる方法及び関連する装置 - Google Patents
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Description
(関連出願の相互参照)
この開示内容は、西暦2000年7月7日に出願した「挿入する際に基板を傾斜させるための方法及び装置(METHOD AND APPARATUS FOR TILTING A SUBSTRATEUPON ENTRY)」と題する同一出願人の米国仮特許出願番号第60/216,896号の優先権を主張しており、参照によりこの明細書に組み込まれる。
【0002】
この開示内容は、西暦1999年4月8日に出願された「電気化学的堆積システム(ELECTRO-CHEMICAL DEPOSITION SYSTEM)」と題する先行出願の米国特許出願番号第09/289,074号の一部継続であり、その全てが参照によりこの明細書に組み込まれる。
【0003】
【発明の属する技術分野】
本発明は、総括的には、基板上への金属層の堆積に関係している。具体的には、本発明は、基板上に金属膜を堆積させる電気化学的メッキ(ECP)システムにおいて使用するための基板ホルダシステムに関するものである。
【0004】
【発明の背景】
電気メッキは、例えば半導体デバイスにおいて、バイア、トレンチ、及び電気接点要素のようなフィーチャ(feature)を埋めるためだけでなく、回路基板上の配線を組み立てるためにも使用されている。電気メッキを含む典型的なフィーチャ埋込みプロセスは、物理気相堆積(PVD)又は化学気相堆積(CVD)のような方法によりフィーチャ表面を覆ってバリア層を堆積させること、次いでPVD又はCVDのような方法によりバリア層上に例えば銅である導電金属のシード層を堆積させること、その後、フィーチャを埋めると共にフィールド(field)上にブランケット層を形成して所望の導電構造を形成するためシード層を覆って導電金属膜を電気メッキすることを含んでいる。堆積した金属膜は、その後、化学機械研磨(CMP)のような方法により平坦化されて、導電性の相互接続フィーチャを画成する。電気接点リングは、電気をシード層に供給するため、電気メッキ中、基板上のシード層との接触状態に配置されるのが普通である。
【0005】
多数の障害物により、ミクロンサイズの高アスペクト比を有する基板上への電気メッキの信頼性が損なわれる。これらの障害物の一つは、基板ホルダアセンブリにより保持された基板が水平姿勢で電解質溶液中に浸漬されることと関係している。基板ホルダアセンブリは、一般的に、基板の周辺を囲んで延びる電気接点リング、即ち支持リングを含んでいる。この電気接点リングもしくは支持リングは、電気メッキ中、基板を物理的に支持するのが一般的である。電気接点リング又は支持リングのような基板ホルダアセンブリの部分は、基板と一緒に、下向きの凹形表面を画成する。基板ホルダアセンブリは基板と共に浸漬されるので、基板及び基板ホルダアセンブリにより画成された凹形表面はエアを捕捉することができ、これにより電解質溶液内にエアポケットが形成される。
【0006】
基板ホルダアセンブリ及び基板により画成された凹形表面によって電解質溶液中で捕捉されたエアバブルもしくはエアブリッジ(air bridges)は、メッキ中、基板の表面と接触することができる。電解質溶液は、エアバブルもしくはエアブリッジが接触する基板上のシード層の諸部分とは物理的に接触しない。従って、エアバブルもしくはエアブリッジが覆っているシード層の前記部分上には、金属膜は堆積することができない。このような状況であるため、金属膜堆積中にシード層に隣接してエアバブルもしくはエアブリッジが存在することにより、シード層全域での堆積金属膜厚の均一性が影響を受け得る。処理中にシード層と接触するエアバブルもしくはエアブリッジの量を制限すること、及びメッキ中に基板上のシード層の全域で均一な電流密度を可能とすることである。
【0007】
金属膜の堆積中にフィーチャ内にエアバブルが存在することは基板上のフィーチャの埋め込みも制限し、そのため堆積金属膜内に形成されたフィーチャ内にボイドもしくはスペースが発生することになる。フィーチャにおけるボイドの存在は、フィーチャを含む電気回路の電子デバイスを信頼できない、予測できない、使用に適さないものにする。
【0008】
従って、電気化学的(ECP)システムには、電解質溶液中への基板の浸漬中に基板及び/又は基板ホルダアセンブリ間におけるエアバブルの形成を制限する必要性が残っている。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は、概略的述べると、ECPシステムを提供している。具体的に述べると、電気化学的メッキシステムにより行われる方法において、基板上に形成されたシード層は電解質溶液中に浸漬される。一形態において、基板及び基板ホルダアセンブリ間に、電解質溶液にあるエアバブルが捕捉又は形成されるのを制限するため、基板は、電解質溶液に入るときに前記基板を傾斜させることにより、電気メッキシステムにおいて浸漬される。別の形態において、セルと、基板ホルダシステムとを備える電気メッキのための装置が提供されている。この基板ホルダシステムは、基板ホルダアセンブリをX方向及びZ方向に変位させることができ、また、基板を傾斜させることもできる。別の形態において、基板の表面に交差して電解質溶液により形成されるメニスカスを移動させる方法が提供されている。この方法は、基板が電解質溶液中に浸漬されるときに電解質溶液のメニスカスと基板との間の相互作用を強めることを含んでいる。
【0010】
本発明の上述したフィーチャ、利点及び目的を実現する方法が詳細に理解され得るように、添付図面に例示したその実施の形態を参照して、上に概略的に述べた本発明の具体的な説明を行う。
【0011】
なお、この明細書で使用されている用語「下方」、「上方」、「底部」、「頂部」、「上部」、「下部」、「上側」及び「下側」、並びにその他の位置的用語は、図面において実施の形態に関し使用されているものであり、処理装置の相対的な向きに応じて変わり得る。
【0012】
【発明の実施の形態】
この開示内容は、電気化学的メッキ(ECP)システムの構造及び作動について説明している。ECPシステムの基板ホルダシステムについても詳細に説明されている。基板ホルダシステムの作動は電解質溶液内への基板の浸漬の際に基板を傾斜させることを可能にしている。
【0013】
ECPシステム
図1は、電気メッキに関連した液溜め式メッキ装置10の一実施の形態の断面図である。一般に、液溜め式メッキ装置10は、電解槽12と、電気接点リング20と、コントローラ23と、基板ホルダシステム14と、陽極16とを含んでいる。電解槽12は、頂部に開口を有しており、基板ホルダシステム14は、この開口を通して、基板を電解槽に収容された電解質溶液中に浸漬させたり、基板を前記電解質溶液から取り出したりすることができる。陽極16は、電解槽12に収容された電解質溶液中に浸漬されている。基板ホルダシステム14の下面には複数の溝24が形成されている。真空ポンプ33は、基板ホルダシステム14に接続されると共に前記溝24と連通していて、処理中、基板22の裏側を基板ホルダシステム14に固定することができる真空状態を生成している。電気接点リング20は、中央に基板メッキ表面を画成するため、基板22の周辺部を囲んで分散配置された複数の金属製又はセミメタリックの接点ピン26を備えている。複数の接点ピン26の各々の頂部は基板22上のシード層に接触する。コントローラ23は、基板22のシード層と陽極との間に電気バイアスを印加するためピン26及び陽極16に供給される電気を制御している。基板22は、円筒形の電解槽12内でその頂上近くに位置決めされており、電解質溶液の流れは、セル10の作動中、基板メッキ表面上に垂直に衝突する。
【0014】
図2は、ECPシステム200の一実施の形態の斜視図である。図3は、図2のECPシステム200の平面図である。図2及び図3の双方を参照すると、ECPシステム200は、総括的に述べると、装荷ステーション210と、急速焼なまし(RTA)チャンバ211と、回転・すすぎ・乾燥(SRD)ステーション212と、主フレーム214と、電解質溶液システム220とを備えている。ECPシステム200は、PLEXIGLAS(ペンシルベニア州ウエスト・フィラデルフィア所在のローム・アンド・ハース社(Roam and Haas Company)の登録商標)パネルのようなパネルを使用するクリーン環境内に収容されていることが好ましい。主フレーム214は、総括的に述べると、主フレーム搬送ステーション216と複数の処理ステーション218とを備えている。各処理ステーション218は1つ以上のプロセスセル240を含んでいる。電解質溶液システム220は、ECPシステム200の近傍に位置決めされると共にプロセスセル240に個々に接続され、電気メッキプロセスに使用のため電解質溶液を循環させている。また、ECPシステム200は、プログラム可能のマイクロプロセッサで構成されるのが典型的なコントローラ222も含んでいる。
【0015】
装荷ステーション210は、1つ以上の基板カセット受領領域224と、1つ以上の装荷ステーション搬送ロボット228と、少なくとも1つの基板方向付け装置230とを含むのが好ましい。装荷ステーション210に含まれた基板カセット受領領域、装荷ステーション搬送ロボット228及び基板方向付け装置の数は、システムの所望スループットに従って設定することができる。図2及び図3における一実施の形態について示すように、装荷ステーション210は、2つの基板カセット受領領域224と、2つの装荷ステーション搬送ロボット228と、1つの基板方向付け装置230とを含んでいる。基板234を収容する基板カセット232は、基板234をECPシステムに導入するため、基板カセット受領領域224上に装荷される。装荷ステーション搬送ロボット228は、基板234を基板カセット232及び基板方向付け装置230間に搬送する。この装荷ステーション搬送ロボット228は、当該技術において一般に知られている典型的な搬送ロボットから構成されている。基板方向付け装置230は、各基板234を所望の向きに位置付けて、基板が適正に処理されることを確実にする。また、装荷ステーション搬送ロボット228は、基板234を、装荷ステーション210及びSRDステーション212の間、並びに装荷ステーション210及びRTAチャンバ211の間にも搬送する。
【0016】
図4は、すすぎ及び溶解流体入口を組み込んだ回転・すすぎ・乾燥(SRD)モジュール236の一実施の形態の概略斜視図である。図5は、図4のSRDモジュールの側断面図であり、流体入口間に垂直に配置された処理位置にある基板を示している。SRDステーション212は、好ましくは、1つ以上のSRDモジュール236と、基板通過カセット238とを含んでいる。SRDステーション212は、装荷ステーション搬送ロボット228の数に対応する2つのSRDモジュール236を含むことが好ましく、基板通過カセット238は、各SRDモジュール236の上方に位置決めされる。基板通過カセット238は、装荷ステーション210及び主フレーム214間の基板搬送を容易にする。この基板通過カセット238は、装荷ステーション搬送ロボット228と主フレーム搬送ステーション216にあるロボットの双方への及び双方からの接近を容易にする。
【0017】
図4及び図5を参照すると、SRDモジュール236は、底部336aと、側壁330bと、上部遮蔽体330cとを備えている。底部336a、側壁330b及び上部遮蔽体330cは、共同してSRDモジュール椀状容器330dを画成し、そこで遮蔽体が側壁に取り付けられて、SRDモジュール236内に流体を保持するのを助成している。代替手段として、取外し可能のカバーを使用することもできる。SRDモジュール236内に配置されたペデスタル336は、ペデスタル用支持体332と、ペデスタル用アクチュエータ334とを含んでいる。ペデスタル336は、処理中、ペデスタル上側表面上に基板338(図5に示されている)を支持する。ペデスタル用アクチュエータ334は、基板を回すためペデスタルを回転させると共に、後述するようにペデスタルを昇降させる。基板は、複数のクランプ337によりペデスタル上の所定位置に保持することができる。クランプは、遠心力で枢回して、好ましくは基板の縁部除外区域において基板に係合する。一実施の形態において、クランプは、基板が処理中にペデスタルから離昇したときに限って基板に係合する。真空通路又はその他の保持要素も使用し得る。ペデスタルは複数のペデスタルアーム336a及び336bを有しているので、第2ノズルは、基板の下面に対し、実際と同じほどの大きさの表面積に影響を及ぼし得る。出口339は、流体がSRDモジュール236から排出されるのを可能にする。
【0018】
第1流体が通って流れる第1導管346は、弁347aに接続されている。この導管は、ホース、パイプ、管又はその他の流体収容導管でよい。弁347aは第1流体の流れを制御する。弁347aは、ニードル、グローブ、バタフライ又はその他のバルブ形式を含む種々の弁から選ぶことができると共に、ソレノイドのようなバルブアクチュエータを含み得る。弁347aは、コントローラ222で制御される。導管346は、基板の上方に配置された第1流体入口340と接続しており、第1流体入口340は、SRDモジュール236に取り付けるための装着部342と、導管346に取り付けるための接続部344とを含んでいる。第1流体入口は、圧力下の第1流体を基板上面に供給するために単一の第1ノズル348を備えて図示されている。しかし、複数のノズルを使用し得ると共に、複数の流体入口をSRDモジュールの内周を囲んで位置決めすることができる。基板の上方に配置される複数のノズルは、ノズルが基板上に流体を滴下させる危険を小さくするため基板の直径の外側に好ましくはあるべきである。第1流体入口は、基板の上方に位置決めされたカバーを介することも含め、種々の個所に装着することができる。また、ノズルは、球面接手のような連接部材343を使用して種々の位置に関節式につないでもよい。
【0019】
上述した第1導管及び関連の諸要素と同様に、第2導管352が制御弁349aと、第2ノズル351を有する第2流体入口350とに接続されている。第2流体入口350は、基板の下方において角度をつけて示されており、圧力下の第2流体を第2ノズル351から上方に指向させる。第1流体入口と同様に、第2流体入口は、複数のノズルと、複数の流体入口及び装着個所と、連接部材353を使用することを含め複数の向きとを含み得る。各流体入口は、種々の位置でSRDモジュール236に延入することができる。例えば、流れが基板の縁部に沿ってSRDモジュール周辺に向かい引き返すようにある角度をなしていることが望まれる場合には、複数のノズルを半径方向内方に延長させると共に、前記ノズルからの放出流をSRDモジュール周辺に向かい引き返すように指向させることができる。
【0020】
コントローラ222は、2つの流体とそれらの流量、圧力、及びタイミング並びに関連の弁操作はもちろんのこと、回転サイクルを個々に制御することができる。コントローラは、例えば制御盤又は制御室内に遠隔配置することができ、配管系統(plumbing)が遠隔アクチュエータで制御される。点線で示された代替実施の形態は、導管346bで第1導管346に接続されると共に制御弁346cを有する補助流体入口346aを提示している。この代替実施の形態は、基板の向きを変えることなく或いは第2流体入口を通る流れをすすぎ流体に切り換えることなく、溶解流体を供給した後に、基板の裏側上にすすぎ流体を流すのに使用できる。
【0021】
コントローラ222は、陽極16及び基板22のシード層に供給される電圧又は電流を制御する。図3にその諸要素が示されているコントローラ222は、中央処理ユニット(CPU)260と、メモリ262と、回路部265と、入出力インターフェース(I/O)264と、図示しないバスとを備えている。コントローラ222は、多目的コンピュータ、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、或いはその他の適当な既知形式のコンピュータ又はコントローラとすることができる。CPU260は、コントローラ222の処理及び算術演算を実行すると共に、陽極16、基板22上のシード層に供給される電気の動作並びに基板ホルダシステム14の動作を制御する。
【0022】
メモリ262は、ランダムアクセスメモリ(RAM)及び読出し専用メモリ(ROM)を含み、これらは共同して、コンピュータプログラム、オペランド、演算子、次元値、システム処理温度及び構成、並びに電気メッキ工程を制御するその他の諸パラメータを保存する。バスは、CPU260、回路部265、メモリ262及びI/O264間のディジタル情報の伝達を可能にする。また、バスは、コントローラ222からディジタル情報を受信するか或いはコントローラ222にディジタル情報を送信するECPシステム200の諸部分にもI/O264を接続する。
【0023】
I/O264は、コントローラ222における諸要素の各々との間のディジタル情報の伝達を制御するためのインターフェースを提供している。また、I/O264は、コントローラ222の諸要素及びECPシステム200の異なる諸部分間のインターフェースも提供している。回路部265は、ディスプレー及びキーボード、システムデバイス、並びにコントローラ222と関連したその他のアクセサリのような他のユーザインターフェース機器の全てを備えている。この明細書にはディジタルコントローラ222の一実施の形態が記載されているが、アナログコントローラはもちろんのこと他のディジタルコントローラもこの適用例において良好に役目を果すことができる。
【0024】
一実施の形態において、基板は、SRDモジュール椀状容器においてその堆積表面を上に向けて配置し装着されている。第1流体入口は、典型的には脱イオン水又はアルコールであるすすぎ流体を流す。そのため、基板の裏側は下に向けて装着されている。第2流体入口を通り流れる流体は、溶解すべき材料に左右されるが、塩酸、硫酸、リン酸、フッ化水素酸、或いはその他の溶解液体又は流体を含む酸のようなエッチング流体であるのが普通である。或いは、所望のプロセスが処理済みの基板をすすぐことであれば、第1流体及び第2流体は共に、脱イオン水又はアルコールのようなすすぎ流体である。
【0025】
作動中、ペデスタルは図4に示す上昇位置にあり、図示しないロボットが基板を、その表側を上にして、ペデスタル336上に置く。ペデスタルは基板を処理位置へと下降させ、その位置で、基板は第1及び第2流体入口間に垂直に配置される。ペデスタル用アクチュエータは、通常、200mmの基板について、約0〜約2500rpmで基板を回転させる。この回転は、遠心力により、クランプの下端を枢軸337bを中心としてSRDモジュール側壁の周辺に向かい外側に回転させる。クランプの回転はクランプの上端337cを内方かつ下方に強制して、好ましくは基板縁部に沿い、基板を芯出ししてペデスタル336上の所定位置に保持する。基板が処理中にペデスタルから実質的に離昇(lift off)する場合に限り、クランプは回転して、基板に触れることなく所定位置に入り、基板をペデスタル上の所定位置に保持する。ペデスタルが基板を回転させている状態で、すすぎ流体が第1流体入口340から基板の表側上に供給される。酸のような第2流体は、第2流体入口から裏側表面に供給されてどんな不必要な付着物も除去する。溶解流体は、堆積材料と化学的に反応し、この材料を溶解してから、基板裏側や、不必要な付着物があるその他の領域から洗い流す。一実施の形態において、すすぎ流体は、基板の表側を溶解流体から容易に保護するために、溶解流体よりも大きな割合で流れるように調整されている。第1及び第2流体入口は、種々のファクターの中でも、基板22のサイズ、それぞれの流量、噴射パターン、並びに除去すべき付着物の量及びタイプ等に依存する最適特性をもたらすように配置されている。ある場合に、すすぎ流体は、基板の裏側をすすぐために、溶解流体が不必要な付着物を溶解した後、第2流体入口経由で流すことができる。他の場合には、基板の裏側上にすすぎ流体を流すため接続された補助流体入口を使用して、どんな溶解流体残滓も裏側からすすぎ去ることができる。基板の表側及び/又は裏側をすすいだ後、流体の流れは停止され、ペデスタルは回転し続けて、基板を回転させ、それにより表面を効果的に乾燥させる。
【0026】
流体が供給される噴射パターンは、所望される特定のノズルの噴射パターン次第で変わるのが普通であり、噴射パターンには、扇形、ジェット、円錐形及びその他のパターンが含まれる。第1流体がすすぎ流体である場合、それぞれの流体入口からの第1及び第2流体の噴射パターンは、約10〜約15ポンド/in2(psi)の圧力及び200mmの基板について約1〜約3ガロン/分(gpm)の流量をもつ扇形パターンである。
【0027】
ECPシステム200は、不必要な付着物を基板の縁部に沿って除去し、縁部除外区域を形成するのにも使用することができる。ノズルの向き及び配列、流体の流量、基板の回転速度、並びに流体の化学組成を調整することによっても、不必要な付着物を基板の縁部及び/又は縁部除外区域から同様に除去することができる。従って、表側表面上の堆積材料の溶解を実質的に防止することには、基板の縁部又は縁部除外区域は必ずしも含まれない。表側表面上の堆積材料の溶解を制限することは、堆積材料をもつ表側が商品価値がなくなるほど損なわれないように溶解を少なくとも防止することを含むと考えられる。
【0028】
縁部除外区域の溶解プロセスを行う一つの方法は、基板の裏側上の溶解流体をエッチングしながら、基板を例えば約100〜約1000rpmの低速で回転させることである。遠心力が溶解流体を基板の縁部へと移動させ縁部の周りに流体の表面張力による流体層を形成するので、溶解流体は、基板の縁部領域において裏側から表側にかけてオーバーラップする。基板の回転速度及び溶解流体の流量は、表側上へのオーバーラップの程度を判断するのに用いることができる。例えば、回転速度の減少又は流量の増加は、反対側、例えば表側への流体のオーバーラップを少なくすることになる。また、表側に供給されるすすぎ流体の流量及び流れの角度を調整して、基板の縁部及び/又は表側上の溶解流体の層をずらすことができる。ある場合に、溶解流体は、縁部及び/又は縁部除外区域の除去を達成するため、すすぎ流体なしに最初使用することができ、その後にSRDモジュール236によるすすぎ/溶解プロセスが続く。
【0029】
SRDモジュール236は、装荷ステーション210及び主フレーム214間に接続されている。主フレーム214は、通常、主フレーム搬送ステーション216と複数の処理ステーション218とを備えている。図2及び図3を参照すると、主フレーム214は図示のように2つの処理ステーション218を含んでおり、各処理ステーション218が2つのプロセスセル(cell)240を有している。主フレーム搬送ステーション216は主フレーム搬送ロボット242を含んでいる。この主フレーム搬送ロボット242は、処理ステーション218及びSRDステーション212における基板の独立した出入を可能とするため複数の個別のロボットアーム244を備えていることが好ましい。図3に示すように、主フレーム搬送ロボット242は、1処理ステーション218当りのプロセスセル240の数に対応する2つのロボットアーム244を備えている。各ロボットアーム244は、基板搬送中に基板を保持するためのロボットブレード246を含んでいる。各ロボットアーム244は、システムにおける基板の独立した搬送を容易にするため、他のロボットアームとは別個に作動可能であることが好ましい。或いは、これらのロボットアーム244は、1つのロボットが伸張しているときに他のロボットが退縮するように、協調関係で作動してよい。
【0030】
主フレーム搬送ステーション216は、主フレーム搬送ロボット242のロボットブレード246上での表側を上とする位置から、基板の表側を下にした処理を必要とするプロセスセル240のための表側を下にした位置への基板の搬送を容易にする反転もしくはフリッパ(flipper)ロボット248を含むのが好ましい。反転ロボット248は、本体250及び反転ロボットアーム252を含んでいる。本体250は、同本体250の垂直軸線に関する垂直運動及び回転運動の双方が可能である。反転ロボットアーム252は、同反転ロボットアーム252に沿う水平面に沿って回転運動が可能である。反転ロボットアーム252の先端部に配置された真空吸引グリッパ254は、基板が反転ロボット248により反転され搬送されるときに、基板を保持することが好ましい。反転ロボット248は、基板234を、その表側を下にした処理を行うためプロセスセル240中に位置決めする。電気メッキ用プロセスセルの詳細については以下に述べる。
【0031】
図24は、反転ロボットを内部に組み込んだ主フレーム搬送ロボットの概略平面図である。図24に示す主フレーム搬送ロボット242は、処理ステーション及びSRDステーションを含め、主フレームステーションに取り付けられた異なるステーション間に基板を搬送する役目を果す。主フレーム搬送ロボット242は、複数のロボットアーム2402を含み(2つを図示)、反転式ロボットブレード2404は、ロボットアーム2402の各々についてエンドエフェクタとして取り付けられている。反転ロボットは、技術的に普通に知られており、カリフォルニア州ミルピタス所在のローツェ・オートメイション・インコーポレイテッド(Rorze Automation, Inc.)から入手し得る型式RR701のような基板取扱ロボットのエンドエフェクタとして取り付けることができる。エンドエフェクタとして反転ロボットを有する主フレーム搬送ロボット242は、基板を主フレームに取り付けられた異なるステーション間に搬送可能であり、またもちろんのこと、搬送されつつある基板の表面を所望の向きに反転させる、即ち、電気メッキプロセスについては基板処理面を下向きにさせることができる。主フレーム搬送ロボット242は、ロボットアーム2402によるX−Y−Z軸に沿った個々のロボット運動が可能であると共に、反転式ロボットブレード2404による個々の基板反転回転が可能であることが好ましい。主フレーム搬送ロボットのエンドエフェクタとして反転式ロボットブレード2404を組み入れることにより、基板を主フレーム搬送ロボット242から反転ロボットに通す工程が省略されるので、基板搬送プロセスが簡略化される。
【0032】
図6は、電気メッキ用プロセスセル400の断面図である。図6に示す電気メッキ用プロセスセル400は、図2及び図3に示した電気メッキ用プロセスセル240の一実施の形態である。プロセスセル400は、総括的に述べると、ヘッドアセンブリ410、プロセスセル420及び電解質溶液収集装置440を含んでいる。電解質溶液収集装置440は、プロセスセル420の配置場所を画成する開口443の上方で主フレーム214の本体442上に取り付けられるのが好ましい。電解質溶液収集装置440は、内壁446と、外壁448と、前記内外壁を接続する底部447とを含んでいる。電解質溶液出口449は、電解質溶液収集装置440の底部447を貫いて配置されると共に、管、ホース、パイプ、又はその他の流体搬送コネクタを介して図2に示す電解質溶液システム220に接続されている。
【0033】
ヘッドアセンブリ410は、ヘッドアセンブリ用フレーム452上に装着される。ヘッドアセンブリ用フレーム452は、装着ポスト454と片持ち式アーム456とを含んでいる。装着ポスト454は、主フレーム214の本体442上に装着され、片持ち式アーム456は、装着ポスト454の上方部から横方向に延びている。装着ポスト454は、同装着ポスト454を中心とするヘッドアセンブリ410の回転を許容するため装着ポストに沿った垂直軸線に関して回転運動可能であることが好ましい。ヘッドアセンブリ410は、片持ち式アーム456の先端部に配置された装着プレート460に取り付けられている。片持ち式アーム456の下端は、装着ポスト454に装着された、例えば、空圧シリンダのような片持ち式アーム用アクチュエータ457に接続される。この片持ち式アーム用アクチュエータ457は、片持ち式アーム456及び装着ポスト454間の接手に関する片持ち式アーム456の枢回運動を可能にする。片持ち式アーム用アクチュエータ457が引っ込められると、片持ち式アーム456によりヘッドアセンブリ410が移動されてプロセスセル420から離れ、プロセスセル420を電気メッキ用プロセスセル400から取り出す及び/又は交換するのに必要なスペースがもたらされる。片持ち式アーム用アクチュエータ457が伸ばされると、片持ち式アーム456によりヘッドアセンブリ410が移動されてプロセスセル420に向かい、ヘッドアセンブリ410中の基板を処理位置に位置付ける。
【0034】
ヘッドアセンブリ410は、総括的に述べると、基板ホルダアセンブリ450と基板アセンブリ用アクチュエータ458とを備えている。基板アセンブリ用アクチュエータ458は、装着プレート460上に装着されると共に、この装着プレート460を貫いて下方に延びるヘッドアセンブリ軸462を含んでいる。ヘッドアセンブリ軸462の下端は、基板ホルダアセンブリ450を処理位置及び基板装荷位置に位置付けるために、基板ホルダアセンブリ450に接続されている。
【0035】
基板ホルダアセンブリ450は、総括的に述べると、基板ホルダ要素464及び電気接点要素466を備えている。図7は、電気接点要素466の一実施の形態の断面図である。通常、接点リング466は、複数の導電部材が配置された環状体から構成される。前記環状体は、複数の導電部材を電気的に絶縁するために絶縁材料から構成される。環状体及び導電部材は一緒になって、処理中に基板を支持すると共にそこに電流を供給する内側の基板着座面を対称に形成している。
【0036】
図7を詳しく参照すると、接点リング466は、通常、少なくとも部分的に環状絶縁体770内に配置される複数の導電部材765を備えている。絶縁体770は、フランジ部762と、基板着座面768に続く下向き傾斜の肩部764とを有して図示されている。基板着座面768は、フランジ部762及び基板着座面768が実質的に平行かつ位置ずれした平面にあるように、フランジ部762の下方に位置している。従って、フランジ部762は第1平面を画成し、一方、基板着座面768は第1平面に平行な第2平面を画成し、2つの平面間に肩部764が配置されることが分かる。しかし、図7に示した接点リングの設計は単なる例示を目的としている。別の実施の形態において、肩部764は、フランジ部762及び基板着座面768の双方に実質的に直角であるように、実質的に垂直な角度を含め、もっと急な角度のものとし得る。或いは、接点リング466は、実質的に平坦としてもよく、それにより肩部764が排除される。しかし、後述する理由により、一実施の形態は、図6に示した肩部764又はその若干の変形例を含んでいる。
【0037】
導電部材765は、フランジ部762上に環状に配置された複数の外側電気接点パッド780と、基板着座面768の一部分上に配置された複数の内側電気接点パッド772とにより特徴付けられている。複数の埋込み導電コネクタ776はこれらのパッド772,780を互いに連結している。導電部材765は、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、過フルオロアルコキシ樹脂(PFA)、TEFLON(デラウェア州ウィルミントン所在のイー・アイ・デュポン・ド・ヌムール・アンド・カンパニーの登録商標)、及びTEFZEL(デラウェア州ウィルミントン所在のイー・アイ・デュポン・ド・ヌムール・アンド・カンパニーの登録商標)のようなプラスチック、或いはアルミナ(Al2O3)又はその他のセラミックのような任意のその他の絶縁材料から形成し得る絶縁体770により互いに絶縁されている。外側接点パッド780は、図示しない電源に接続されていて、処理中、導電コネクタ776を介して内側接点パッド772に電圧及び電流を供給する。次いで、内側接点パッド772は、基板の周辺部を囲んで接触を維持することにより基板に電流及び電圧を供給する。従って、作動中、これらの導電部材765は基板に電気的に接続された個別の電流路として機能する。
【0038】
低抵抗率及び逆に言えば高導電率は、良好なメッキに直接に関係している。低抵抗率を確保するために、導電部材765は、銅(Cu)、プラチナ(Pt)、タンタル(Ta)、チタン(Ti)、金(Au)、銀(Ag)、ステンレス鋼又はその他の導電材料から形成されるのが好ましい。低抵抗率及び低接触抵抗は、導電部材765を導電材料で被覆することによっても実現し得る。従って、導電部材765は、例えば、約10.6×10-8Ω・mの抵抗率を有するプラチナで被覆された約2×10-8Ω・mの抵抗率の銅で形成し得る。ステンレス鋼、モリブデン(Mo)、Cu及びTiのような導電材料をベースとして、それに窒化タンタル(TaN)、窒化チタン(TiN)、ロジウム(Rh)、Au、Cu、又はAgのような被覆を施すことも可能である。更に、接点パッド772,780は導電コネクタ776に接着される別個のユニットであるのが普通であるから、接点パッド772,780はCuのような一材料から構成し、導電部材765はステンレス鋼のような別の材料から構成することができる。パッド772,780及び導電コネクタ776の一方又は双方は導電材料で被覆されていてよい。更に、メッキの再現性は絶縁体として作用する酸化により悪影響を受け得るので、内側電気接点パッド772はPt,Ag又はAuのように耐酸化性の材料で形成するのが好ましい。
【0039】
各回路の総抵抗は、接点部材の関数であることに加え、内方で接触する内側電気接点パッド772の幾何学的形態、即ち、形状や、接点リング466により加えられる力に左右される。これらのファクターは、2表面間の粗さ(asperaties)の差に由来する内側電気接点パッド772及び基板着座面768の界面における集中(constriction)抵抗RCRを定義している。一般に、加えられる力が増すにつれて、見掛けの面積もまた増大する。見掛けの面積はRCRに逆比例しているので、見掛けの面積の増加はRCRの減少になる。従って、総抵抗を最小にするには、力を最大にすることが好ましい。作動中に加えられる最大の力は、過剰の力及びそれにより生じる圧力の下で損傷を受ける基板の降伏力により制限されている。しかし、圧力は力及び面積の双方に関係しているので、最大耐久力もまた内側電気接点パッド772の幾何学的形態に左右される。従って、接点パッド772は、図7に示す平らな上面を有していてよいが、その他の形状も有利に使用し得る。例えば、2つの好ましい形状が図8及び図9に示されている。図8はナイフエッジ形の接点パッドを示し、図9は半球形の接点パッドを示している。当業者は、その他の形状も有利に使用し得ることを容易に認識し得るであろう。接点の幾何学的形態、力及び抵抗間の関係についてのより完全な解説は、1973年に「ザ・ジェイ・エム・ネー・カンパニー(The J. M. Ney Company)」により刊行されたケニス・イー・ピットニー(Kenneth E. Pitney)著の「ネー接点マニュアル(Ney Contact Manual)」においてなされており、その全内容は参照によりこの明細書に組み込まれる。
【0040】
導電コネクタ776の数は、図7に示すように、所望される接点パッド772の特定の数に対応して変えることができる。200mmの基板ついては、好ましくは少なくとも24個の導電コネクタ776が360度にわたり等間隔で配置されている。しかし、導電コネクタの数が限界レベルに達するときに、接点リング466に関する基板のコンプライアンスが悪影響を受ける。従って、24個を超える導電コネクタ776が使用可能であるが、接触の均一性が、接点パッド772のトポグラフィー及び基板の剛性に応じて、最終的に低下する。同様に、24個未満の導電コネクタ776が使用可能であるが、電流の流れが次第に制限され且つ局所化され、メッキ結果が不良になる。数値は特定の適用例に合うよう容易に変えられる。例えば、コンバータの数、隣接するコネクタ間の間隔、及びコネクタが装着される円の周囲長は、200mmの基板に使用されるプロセスセルと、300mmの基板に使用されるプロセスセルとでは変えることができる。
【0041】
図10に示すように、基板着座面768は、絶縁体770上に配置された絶縁ガスケット782を備えている。この基板着座面は、接点リング466の内径を画成するため電気接点パッド772に対して内側に対称的に延びている。絶縁ガスケット782は、内側電気接点パッド722の若干上方に、例えば、2,3ミル延びると共に、VITON(デラウェア州ウィルミントン所在のイー・アイ・デュポン・ド・ヌムール・アンド・カンパニーの登録商標)、登録商標・TEFLON、ブナゴム(buna rubber)等のようなエラストマから形成されるのが好ましい。絶縁体770もエラストマから構成されている場合、絶縁ガスケット782は同じ材料のものでよい。後者の実施の形態において、絶縁ガスケット782及び絶縁体770はモノリシック、即ち、単一体として形成し得る。しかし、絶縁ガスケット782は、交換又は洗浄のため容易に取外しできるように、絶縁体770とは別個であることが好ましい。
【0042】
図10は、絶縁ガスケット782が絶縁体770上に完全に着座した絶縁ガスケットの一実施の形態を示しているが、図8及び図9は代替実施の形態を示している。後者の実施の形態において、絶縁体770は、部分的に機械加工され部分的に取り去られて、導電コネクタ776の上面を露出させており、絶縁ガスケット782はその上に配置されている。従って、絶縁ガスケット782は導電コネクタ776の一部分に接触する。この設計は、内側電気接点パッド772に使用すべき材料の量が多い必要がなく、これは、内側電気接点パッド772が金から構成されている場合のように材料コストが著しいときに有利である。当業者は他の実施の形態も思い付くであろう。
【0043】
処理中、絶縁ガスケット782は、基板着座面の周辺部との接触を維持すると共に圧縮されて、残りの電気接点要素466及び基板間にシールを提供する。このシールは、電解質溶液が基板の縁部及び裏側と接触するのを防止する。上述したように、高いメッキ再現性を実現するには、クリーンな接触表面を維持しておくことが必要である。これまでの接点リングの設計は、接触表面のトポグラフィーが時間の経過と共に変化するので、一貫性のあるメッキ結果を提供していなかった。接点リングは、さもなければ内側電気接点パッド772上に集まってその特性を変化させ得る付着物を制限するか、或いは実質的に最小にするため、基板着座面の全域に、非常に再現性があり、一貫性があり、且つ均一なメッキを形成する。
【0044】
図11は、接点リング466の電気回路の可能な構成を表わす簡略化した概略図である。導電部材765間に均一な電流分布をもたらすため、外部抵抗体700が導電部材765の各々と直列に接続されている。REXTで表わされる外部抵抗体700の抵抗値は、回路の他のどの要素の抵抗よりも大きいことが好ましい。図11に示すように、各導電部材765を通る電気回路は、電源702と直列に接続された諸要素の各抵抗により表わされている。REは電解質溶液の抵抗を表わしており、これは、陽極及び電気接点要素間の距離や電解質溶液の化学的組成に依存するのが典型的である。RAは、基板着座面754近くの電解質溶液の抵抗を表わしている。RSは、基板着座面754の抵抗を表わし、RCは、導電部材765の抵抗と内側電気接点パッド772及び基板着座面754間の界面で生ずる集中抵抗との和を表わしている。外部抵抗体の抵抗値(REXT)は、一般に、RE,RA,RS及びRCの和をΣRとすると、少なくともΣRと同じ程度に大きい。外部抵抗体の抵抗値(REXT)は、ΣRよりも大きいことが好ましく、そうすればΣRは無視することができ、そして各直列回路の抵抗はREXTに近づく。
【0045】
通常、一つの電源が電気接点要素466の外側接点パッド780の全てに接続され、結果として内側電気接点パッド772を通る複数の平行回路ができる。しかし、内側電気接点パッド対基板の界面抵抗は各内側電気接点パッド772により異なるので、最も抵抗の少ないところでは、もっと電流が流れ、従って、もっとメッキが施されることになろう。しかし、外部抵抗体を各導電部材765と直列に配置することにより、各導電部材765を通る電流の値もしくは量は、主に外部抵抗体の値により制御されるようになる。内側電気接点パッド772の各々ごとの電気特性の変化が基板上の電流分布に影響することはない。均一な電流密度が基板全域に結果的に生じ、これは均一なメッキ厚さの形成に寄与する。また、外部抵抗体は、プロセスシーケンス(process-sequence)の異なる基板ごとに均一な電流分布をもたらす。
【0046】
接点リング466は内側電気接点パッド772に成長した付着物に対して耐久性があるように設計されているが、基板メッキサイクルを繰り返すにつれて、基板対パッドの界面抵抗が増してきて、最終的に認容不可の値に達する。この問題に対処するため、電子センサ/アラーム704を外部抵抗体700の両端に接続して、外部抵抗体の両端の電圧/電流を監視することができる。外部抵抗体700の両端の電圧/電流が設定作動範囲から出て、基板対パッドの界面抵抗が高いことを指示すれば、電子センサ/アラーム704は、オペレータにより問題が正されるまで、メッキプロセスを停止させるというような是正措置を開始させる。その代わりに、別の電源を各導電部材765に接続すると共に、前記電源を別個に制御し監視することにより、基板全域に均一な電流分布をもたらすことができる。また、極スマートシステム(VSS=very smart system)を使用して電流の流れを調整してもよい。このVSSは、処理ユニットと、電流を供給及び/又は制御するのに使用される工業界で既知の諸装置、例えば可変抵抗器、別個の電源等の任意の組合せとを備えている。内側電気接点パッド772の物理化学的、従って、電気的特性は時間と共に変化するので、VSSはデータフィードバックを処理すると共に解析する。データは、予め決められた設定値と比較され、その後、VSSは電流及び電圧の適切な変更を行って、均一な堆積を確実にする。
【0047】
図18は、電気接点要素の代替実施の形態の斜視図である。図18に示すような電気接点要素1800は、ステンレス鋼、銅、銀、金、プラチナ、チタン、タンタル及びその他の導電材料のような導電金属又は金属合金から、或いはプラチナで被覆されたステンレス鋼のような導電材料の組合せから構成されている。電気接点要素1800は、前記電気接点要素を基板ホルダアセンブリ上に装着するのに適応した上側装着部1810と、基板を受け入れるのに適応した下側基板受部1820とを備えている。基板受部1820は、複数の接点パッドもしくは突起部1824が好ましくは均等に間隔をあけて配置された環状の基板着座面1822を含んでいる。基板が基板着座面1822上に位置付けられると、接点パッド1824が基板の周辺領域に物理的に接触して、基板堆積表面上の電気メッキシード層に対する電気接触を提供する。接点パッド1824は、プラチナ又は金のような耐酸化性の貴金属で被覆されていることが好ましい。
【0048】
電気接点要素の露出表面は、基板と接触する接点パッドの表面を除いて、親水性表面となるように処理されるか、或いは親水特性を示す材料で被覆されていることが好ましい。親水性表面処理を提供する会社の一つは、マサチューセッツ州ベッドフォード所在のミリポア・コーポレイション(Millipore Corporation)である。親水性表面は、電気接点要素の表面上における電解質溶液のビーディング(beading)を著しく軽減すると共に、電気接点要素を電解槽又は電解質溶液から取り出した後の電気接点要素からの電解質溶液の円滑な滴下を促進する。電解質溶液の流去を促進する親水性表面を電気接点要素上に提供することにより、電気接点要素上の残留電解質溶液により生ずるメッキ欠陥が著しく減少する。また、本発明者らは、親水性処理もしくは被覆を電気接点要素のその他の実施の形態にも適用して、電気接点要素上の残留電解質溶液のビーディングを減少させると共に、ビーディングに由来する、後から処理される基板のメッキ欠陥を減少させることも企図している。
【0049】
図12及び図12Aを参照すると、電気接点要素466の上方に好ましくは位置決めされると共にブラダーアセンブリ470を備えた基板ホルダ要素要素464の一実施の形態が提示されており、ブラダーアセンブリ、基板の裏側に圧力を加えて基板メッキ表面と電気接点要素466との間の電気接触を確実にしている。膨出可能のブラダーアセンブリ470は、基板ホルダプレート832に配置されている。基板ホルダプレート832の下面に配置されたブラダー836は、従って、電気接点要素466上の接点に対峙してその近くに、基板821を間挿して配置される。流体源838は、ブラダー836に例えばガス又は液体である流体を供給して、ブラダー836を種々の程度まで膨張させることができる。基板を基板ホルダプレート838に取り付けた基板ホルダの実施の形態が提示されている。基板ホルダシステムにおいてスラストプレートを使用して、このスラストプレートが基板の裏側に偏倚力を働かせ、従って、表側上のシード層を電気接点要素との接触状態に偏倚させるのが典型的である。
【0050】
図12、図12A及び図13を参照すると、ブラダーアセンブリ470の一実施の形態の細部が記載されている。基板ホルダプレート832は、下面に形成された環状凹部840と中央に配置された真空ポート841とを有する実質的に円板形状として示されている。1つ以上の入口842が基板ホルダプレート832に形成されていて、相対的に拡張された環状装着溝843及び環状凹部840に入っている。急速着脱のホース844は、流体源838を入口842に接続していて、そこに流体を供給する。真空ポート841は、選択的に、基板821の裏側に圧力を供給するか或いは真空を生じさせるように適応した真空/圧力ポンプ装置859に取り付けられるのが好ましい。図12に示すポンプ装置859は、ポンプ845と、交差(cross-over)バルブ847と、ベンチュリとして知られている真空エジェクタ849とを備えている。有利に使用し得る真空エジェクタの一つは、インディアナ州インディアナポリス所在のエスエムシー・ニューマチックス・インコーポレイテッド(SMC Pneumatics, Inc.)から入手し得る。ポンプ845は、市販の圧縮ガス源でよく、ホース851の一端に接続される。なお、ホース851の他端は真空ポート841に接続されている。ホース851は、圧力ライン853と、内部に真空エジェクタ849を配置せしめた真空ライン855とに分かれている。流体の流れは、ポンプ845との連通を圧力ライン853及び真空ライン855間に選択的に切り換える交差バルブ847により制御される。交差バルブは、流体がホース851を通りどの方向に流れるのも制限するオフ設定を有することが好ましい。ホース851に設けられた遮断弁861は、流体が真空エジェクタ849を通り圧力ライン855から上流に流れるのを防止している。流体の所望の流れ方向は矢印で指示されている。
【0051】
流体源838は、ガス源である場合、ホース851に接続してよく、それにより別の圧縮ガス源、即ちポンプ845の必要性が排除される。更に、別のガス源及び真空ポンプは、裏側の圧力及び真空条件を与え得る。裏側の真空だけでなく裏側の圧力も考慮に入れておくことが好ましいが、簡略化した実施の形態では裏側の真空のみを供給することができるポンプを備えていてよい。しかし、後述するように、処理中に裏側圧力を供給した場合に、堆積の均一性が改善され得る。従って、真空エジェクタ及び交差バルブを含む上述のような配列が好ましい。
【0052】
次に図12A及び図14を参照すると、実質的に円形のリング状マニホルド846が環状の凹部840内に配置されている。このマニホルド846は、内側肩部848及び外側肩部850の間に配置された装着レール部852を備えている。装着レール部852は、環状装着溝843に少なくとも部分的に挿入するのに適応している。マニホルド846に形成された複数の流体出口854は、入口842及びブラダー836間の連通を可能にしている。O−リングのようなシール837は、入口842及び出口854に整列して環状マニホルド溝843内に配置されると共に、基板ホルダプレート832により固定されていて、気密な封止を確実にしている。例えばねじのような図示しない慣用の締結具を使用して、マニホルド846及び基板ホルダプレート832に形成された図示しないねじ穴と協働し、マニホルド846を基板ホルダプレート832に固定することができる。
【0053】
図15を参照すると、ブラダー836は、縁部に環状のリップシール856、即ち突起部を有する細長い実質的に半管状体の材料として断面で示されている。図12Aにおいて、リップシール856は、内側肩部848及び外側肩部850上に配置されて示されている。ブラダー836の一部は、環状凹部840よりも若干、例えば2,3mm小さい幅を有するマニホルド846により環状凹部840の壁に押圧されている。従って、マニホルド846、ブラダー836及び環状凹部840は協働して流体に対し密のシールを形成している。流体の損失を防ぐため、電解質溶液に対して化学的に不活性であり且つ信頼に足る弾性を示すシリコンゴム又は任意の類似エラストマのような流体に対し不透過性の材料から構成されるのが好ましい。必要な場合には、柔順な被覆857を図15に示すようにブラダー836を覆って配置し、接着剤又は熱接着により固定することができる。カバー857は、VITON(デラウェア州ウィルミントン所在のイー・アイ・デュポン・ド・ヌムール・アンド・カンパニーの登録商標)、ブナゴム(buna rubber)等のようなエラストマから構成されるのが好ましい。このカバーは、例えば、KEVLAR(デラウェア州ウィルミントン所在のイー・アイ・デュポン・ド・ヌムール・アンド・カンパニーの登録商標)により補強してもよい。一実施の形態において、カバー857及びブラダー836は同じ材料から構成されている。カバー857は、ブラダー836が破れ易い場合に特に適用される。代案として、ブラダー836の厚さは、穴開きの可能性を減らすために単純に厚くすることができる。もし被覆されていなければブラダー836の露出表面と、被覆857の露出表面とは、電気接点要素の表面について前に述べたように、親水性表面をもたらすように被覆又は処理することができる。親水性表面は、ヘッドアセンブリがプロセスセルの上方に持ち上げられた後の残留電解質溶液の滴下及び除去を促進する。
【0054】
入口842及び出口854の正確な数は、特定の適用例に応じて変更し得る。例えば、図12では、2つの入口と共に対応する出口を示しているが、代替実施の形態では、流体をブラダー836に供給する単一の流体入口を採用することができる。
【0055】
作動中、基板821は、それを基板ホルダプレート832の下側に取り付けることにより、容器本体802内に持ち込まれる。これは、ポンプ装置159を採用して基板821及び基板ホルダプレート832間のスペースをポート841経由で排気し、もって真空状態を生成することにより行われる。その後、ブラダー836は、流体源838からの空気又は水のような流体を入口842に供給することにより、膨張させられる。流体はマニホルド出口854を経由してブラダー836内に供給され、それにより基板821は電気接点要素466の接点に対して均一に押圧される。しかる後、電気メッキプロセスが行われる。次いで電解質溶液は、基板821に向かいプロセスセル420中にポンプ送りされ、露出した基板メッキ表面820に接触する。電源は、電気接点要素466を介して基板メッキ表面820に負バイアスを印加する。電解質溶液が基板メッキ表面820の全域に流されるので、電解質溶液中のイオンは表面820に吸引されて前記表面820上に堆積し、所望の成膜を形成する。
【0056】
ブラダー836は、可撓性であるため、基板裏側の粗さ(asperaties)及び電気接点要素466の接点に適応して変形し、それにより導電性の電気接点要素466の位置関係の狂いを緩和する。柔順なブラダー836は、基板821の裏側の周辺部に流体密のシールを確立することにより、電解質溶液が基板821の裏側を汚染するのを防止する。一旦膨張されると、均一な圧力が電気接点要素466に向かって下向きに伝達され、基板821及び電気接点要素466がインターフェースする全ての個所で実質的に均等な力を実現する。この力は、流体源838により供給される圧力の関数として変えることができる。更に、ブラダーアセンブリ470の有効性は、電気接点要素466の構造により左右されない。例えば、図12は複数の個々の接点を有するピン構造を示しているが、電気接点要素466は、連続表面であってもよい。
【0057】
ブラダー836により基板821に伝達される力は可変であるから、電気接点要素466により供給される電流の流れを調節することができる。上述したように、酸化層は、電気接点要素466上に形成して電流の流れを制限するように作用する。しかし、ブラダー836の圧力を増すことは、酸化による電流の流れの制限という効果を打ち消す。圧力が増すにつれて、柔順な酸化層が傷付けられ、電気接点要素466及び基板821の間に優れた接触が生じることになる。この役割でのブラダー836の有効性は、電気接点要素466の幾何学的形態を変更することによって更に改善することができる。例えば、ナイフエッジ状の幾何学的形態は、同様に、輪郭の丸いエッジや平らなエッジよりも容易に酸化層を貫通する。
【0058】
また、膨張したブラダー836により提供される流体密のシールは、処理前も、処理中も、処理後もポンプ845が選択的に又は連続的に裏側の真空又は圧力を維持することを可能にする。しかし、連続的なポンピングなしに処理中にブラダー836により裏側の真空状態を維持することができることが分かっていたので、ポンプ845は、通常、電気メッキ用プロセスセル400への基板の搬送中及び電気メッキ用プロセスセル400からの基板の搬送中だけ真空を維持するために運転する。従って、ブラダー836を膨張させている間、上述したように、裏側の真空状態は、ポンプ装置859を解放することにより、例えば、交差バルブ847についてオフ位置を選択することにより、同時に解除される。ポンプ装置859の解放は、急激であってよく、或いは真空状態がランピングもしくは低下してゆく緩やかなプロセスであってよい。ランピングは、膨張しつつあるブラダー836及び同時に低下しつつある裏側真空状態の間の制御された切り換えを可能にする。この切換えは手動により或いはコンピュータにより制御することができる。
【0059】
前述したように、ブラダー836を膨張させながら裏側を連続的に真空排気することは、必要ではなく、また、実際に基板820を歪ませるか又は撓ませるかも知れず、望ましくない堆積結果になる。しかしながら、処理すべき基板の“反り(bowing)”効果を生じさせるためには、基板820に裏側圧力を与えることが望ましい。基板を反らすこと(即ち、表面を湾曲させること)は、基板の半径方向の端から端まで所望の堆積プロフィールになる。従って、ポンプ装置859は、基板裏側に真空又は圧力状態を選択的にもたらすことができる。200mmの基板については、基板を反らすために5psi以下の裏側圧力が好ましい。基板は一般的にある程度の柔軟性を示すので、裏側圧力もしくは加圧により、基板は、電解質溶液の上向き流れに対して反る、即ち、凸形状となる。反りの度合いはポンプ装置859により供給される圧力に応じて可変である。
【0060】
図12Aは、電気接点要素466と実質的に等しい直径で基板裏側の比較的に小さな周辺部をカバーするに足る表面積を有するブラダー836の一実施の形態を示しているが、ブラダーアセンブリ470の幾何学的形態は変更し得る。従って、ブラダーアセンブリは、流体に対してもっと不透過性の材料を使用して構成し、基板821の広い表面積をカバーし得る。
【0061】
図19は、基板ホルダアセンブリの代替実施の形態の部分断面図である。この代わりの基板ホルダアセンブリ1900は、中間基板ホルダプレート1910の裏面に取着された膨張可能のブラダー836を有する、上述したようなブラダーアセンブリ470を備えている。膨張可能のブラダー836の一部は、接着剤又はその他の接着材料を用いて中間基板ホルダプレート1910の裏面1912に封止関係で取着されるのが好ましい。中間基板ホルダプレート1910の表面1914は、処理すべき基板821を受けるのに適応しており、そして弾性O−リング1916は、中間基板ホルダプレート1910の表面1914にある環状溝1918内に配置されて、基板裏側表面の周辺部に接触している。この弾性O−リング1916は、基板裏側表面と中間基板ホルダプレートの表面との間にシールを提供する。中間基板ホルダプレートは、前記プレートを貫通して延び真空ポート841と流体連通する複数の穴もしくは孔1920を含むのが好ましく、前記孔は、基板の裏側に加えられる真空の力を使用して基板ホルダ上に基板を固定することを容易にする。基板ホルダアセンブリのこの代替実施の形態によると、膨張可能のブラダーは処理中の基板に直接に接触することはなく、従って、基板搬送中に膨張可能のブラダーを切断又は損傷させるという危険は大幅に減少する。弾性O−リング1916は、基板と接触するため、電気接点要素の表面について前に述べたような親水性表面をもつよう、被覆又は処理しておくことが好ましく、そしてO−リング1916は、基板に対する適切な接触と封止とを確実にするため、必要に応じて交換される。
【0062】
一実施の形態において、堆積膜の均一性、従って、堆積膜厚の最大偏差は平均膜厚の約2%であるが、標準の電気メッキプロセスにより達成される均一性は、一般的に、よくても約5.5%以内である。しかし、ある場合、特に、電解質溶液の化学組成等、電解質溶液の流れ及びその他のパラメータのような処理パラメータを調節することによって電気メッキ堆積の均一性が達成されるような場合には、電気メッキ堆積の均一性を実現するためにヘッドアセンブリの回転は必要ではない。
【0063】
図6に戻って参照すると、電気メッキ用プロセスセル400の断面図において、基板ホルダアセンブリ450は、プロセスセル420の上方に配置されている。プロセスセル420は、概略的に述べると、椀状容器430と、容器本体472と、陽極アセンブリ474と、フィルタ476とを備えている。陽極アセンブリ474は、容器本体472の下方に配置されると共に容器本体472の下方部分に取着されるのが好ましく、フィルタ476は、陽極アセンブリ474及び容器本体472の間になるべく配置される。容器本体472は、セラミック、プラスチック、登録商標・PLEXIGLAS(アクリル樹脂)、レキサン(lexane)、PVC、CPVC及びPVDFのような電気絶縁材料から構成された円筒体であるのが望ましい。代案として、容器本体472は、ステンレス鋼、ニッケル及びチタンのような金属から形成することができ、これに、登録商標・TEFLON、PVDF、プラスチック、及び電解質溶液に溶解せず且つ電極、即ちECPシステムの陽極及び陰極から電気的に絶縁可能のその他の材料の化合物のような絶縁層を被覆する。容器本体472は、システムにより処理されつつある典型的には円形又は矩形の基板の形状や基板メッキ表面に適応する大きさに作られているのが望ましい。容器本体472の好適な一実施の形態は、基板直径とほぼ同じか若干大きい寸法を有する円筒形のセラミックチューブを備えている。本発明者によると、一般的なECPシステムにおいて必要であるのが典型的な回転運動は、容器本体のサイズが基板メッキ表面のサイズにほぼ適応していれば、均一なメッキ結果を達成するために必要ではないことが発見された。
【0064】
容器本体472の上方部分は、半径方向の外方に延びて環状堰478を形成している。堰478は、電解質溶液収集装置440の内壁446を覆って延びると共に、電解質溶液が電解質溶液収集装置440に流入するのを許容している。堰478の上側面は、電気接点要素466の下面と対応しているのが望ましい。堰478の上側面は、内側環状平坦部480と、中間傾斜部482と、外側下り傾斜部484とを含むのが好ましい。基板が処理位置に位置決めされるときに、基板メッキ表面は容器本体472の円筒形開口の上方に位置しており、そして電解質溶液の流れのためのギャップが電気接点要素466の下面及び堰478の上側面の間に形成される。電気接点要素466の下面は、堰478の内側環状平坦部480及び中間傾斜部の上方に配置されている。外側下り傾斜部484は、電解質溶液収集装置440内への電解質溶液の流入を容易にするため下向きに傾斜している。
【0065】
容器本体472の下方部分は、半径方向外方に延びて、容器本体472を椀状容器430に固定するための下側環状フランジ部486を形成する。環状フランジ部486の外側寸法、即ち、周囲長は開口444の寸法及び電解質溶液収集装置440の内周長よりも小さい。これらの相対的寸法は、電解質溶液プロセスセル400からのプロセスセル420の取出し及び交換を可能にする。望ましくは複数のボルト488が環状フランジ部486に固定的に配置されていて、椀状容器430にある対応のボルト孔を通り下方に延びている。複数の取外し自在の締結ナット490は、プロセスセル420を椀状容器430上に固定する。弾性O−リングのようなシール487は、容器本体472及び椀状容器430の間でボルト488から半径方向の内側に配置されていて、プロセスセル420からの漏れを防止する。ナット/ボルトの組合せは、メンテナンス中にプロセスセル420の諸要素の迅速且つ簡易な除去及び交換を容易にする。
【0066】
望ましいのは、フィルタ476が容器本体472に取り付けられてその下方開口を完全に覆い、そして陽極アセンブリ474がフィルタ476の下方に配置されることである。フィルタ476と陽極アセンブリ474との間にはスペーサ492が配置されている。フィルタ476、スペーサ492及び陽極アセンブリ474は、ネジ及び/又はボルトのような取外し自在の締結具を用いて容器本体472の下方部分に締結されるのが望ましい。代案として、フィルタ476、スペーサ492及び陽極アセンブリ474は、椀状容器430に取外し自在に取り付けられる。
【0067】
陽極アッセンブリ474は、電解質溶液における金属源として役目を果す消耗陽極を備えるのが好ましい。代案では、陽極アセンブリ474は非消耗陽極を備え、電気メッキすべき金属は電解質溶液システム220から電解質溶液内に供給される。図6に示すように、陽極アセンブリ474は、銅のような、電気メッキすべき金属と同じ金属から形成するのが好ましい多孔陽極囲い体494を有する自己封入式モジュールである。代案として、陽極囲い体494は、セラミック又は高分子膜のような多孔材料から形成される。銅の電気化学メッキのための高純度銅のような可溶性金属496は陽極囲い体494内に配置される。可溶性金属496は、金属粒子、ワイヤ又は穿孔板から構成するのが好ましい。また、多孔陽極囲い体494は、溶解金属により発生された粒子を陽極囲い体494内に保持するフィルタとしても作用する。非消耗陽極と比較すると、消耗陽極、即ち可溶性電極は、ガス発生の無い電解質溶液をもたらすと共に、電解質溶液中の金属を絶えず補充する必要性を最小にする。
【0068】
陽極電極接点498は、陽極囲い体494に挿通されて、電源から可溶性金属496への電気接続を可能としている。この陽極電極接点498は、チタン、プラチナ、及びプラチナ被覆のステンレス鋼のように電解質溶液内で不溶性の導電材料から形成されるのが好ましい。陽極電極接点498は、椀状容器430を貫いて延び電源に接続されている。陽極電極接点498を椀状容器430に固定するため、陽極電極接点498は、締結ナット499のためのねじ部497を含むのが望ましく、そしてエラストマワッシャのようなシール495が締結ナット499と椀状容器430との間に配置され、プロセスセル420からの漏れを防止している。
【0069】
椀状容器430は、概略的に述べると、円筒形部502及び底部504を備えている。円筒形部502の頂部からは、上側環状フランジ部506が半径方向の外方に延びている。この上側環状フランジ部506は、容器本体472の下側環状フランジ部486からのボルト488の数に適応する複数の孔508を含んでいる。椀状容器430の上側環状フランジ部506及び容器本体472の下側環状フランジ部486を固定するために、ボルト488が孔508に挿通されると共に、締結ナット499がボルト488に締め付けられる。上側環状フランジ部506の外側寸法、即ち、周辺長は、下側環状フランジ部486の外側寸法、即ち、周辺長とほぼ同じであることが望ましい。また、椀状容器430の上側環状フランジ部506の下面は、プロセスセル420が主フレーム214上に位置決めされているときに、主フレーム214の支持フランジ部上に載置されているのが望ましい。
【0070】
円筒形部502の内周辺は、陽極アセンブリ474及びフィルタ476に適応している。電解質溶液のかなりの部分がフィルタ476を通って流れる前に先ず陽極アセンブリ474を通流するように強いるため、フィルタ476及び陽極アセンブリ474の外側寸法は円筒形部502の内側寸法よりも若干小さいことが好ましい。椀状容器430の底部504は、電解質溶液システム220からの電解質溶液供給ラインに結合する電解質溶液入口510を含んでいる。陽極アセンブリ474と底部504の電解質溶液入口510との間に電解質溶液の流れるギャップを形成するため、陽極アセンブリ474は、椀状容器430の円筒形部502の中間部辺に配置されているのが望ましい。
【0071】
電解質溶液入口510及び電解質溶液供給ラインは、プロセスセル420の簡単な取外し及び交換を容易にする取外し自在の接手により接続されているのが有利である。プロセスセル420もメンテナンスを必要とする場合、電解質溶液はプロセスセル420から排出され、また、電解質溶液供給ラインにおける電解質溶液の流れは中断され排出される。電解質溶液供給ラインのコネクタは電解質溶液入口510から外され、また、陽極アセンブリ474への電気接続も断たれる。ヘッドアセンブリ410は上昇するか回転して、プロセスセル420の取出しのための余裕をもたらす。プロセスセル420は、その後主フレーム214から取り出され、新しいプロセスセル又は使用可能な状態に修正されたプロセスセルが主フレーム214に入れられる。
【0072】
代案として、椀状容器430を主フレーム214の支持フランジ部上に固定することができ、そして容器本体472が陽極及びフィルタと共にメンテナンスのため取り出される。この場合、陽極アセンブリ474及び容器本体472を椀状容器430に固定するナットは、陽極アセンブリ474及び容器本体472の取出しを容易にするため除去される。その後、新しい又は使用可能な状態に修正された陽極アセンブリ474及び容器本体472が主フレーム214内に入れられて、椀状容器430に固定される。
【0073】
図20は、封入型陽極の一実施の形態の断面図である。封入型陽極2000は、金属が陽極板2004から溶出するときに発生した“陽極スラッジ”又は粒子をろ過もしくは捕捉する透過性陽極囲い体を含んでいる。図20に示すように、消耗陽極板2004は、親水性の陽極封入膜2002内に収容される中実銅片から構成されている。銅は、高純度の無酸素銅であることが望ましい。陽極板2004は、椀状容器430の底部を貫通する複数の電気接点もしくは電気供給貫通接続体2006に固定され支持されている。これらの電気接点もしくは電気供給貫通接続体2006は、陽極封入膜2002を貫いて延び、陽極板2004の底面の中に入っている。電解質溶液の流れは、椀状容器430の底部に配置された電解質溶液入口510から始まり陽極及び椀状容器側壁間のギャップを通る矢印Aにより示されている。また、電解質溶液は、矢印Bにより示されているように、陽極封入膜及び陽極板間のギャップの内外に透過することにより陽極封入膜2002もまた通って流れる。陽極封入膜2002として望ましいのは、改質ポリフッ化ビニリデン製膜のような親水性多孔膜から構成され、これが、約60%〜80%の間、より好ましくは約70%を超える多孔率と、約0.025μm〜約1μmの間、より好ましくは約0.1μm〜0.2μmの間の孔隙径とを有することである。親水性多孔膜の一例は、マサチューセッツ州ベッドフォード所在のミリポア・コーポレイション(Millipore Corporation)から得られるデュラポア親水性膜(Durapore HydrophilicMembrane)である。電解質溶液は封入膜を通って流れるので、溶解する陽極により発生された陽極スラッジ及び微粒子は、封入膜によりろ過もしくは捕捉される。従って、封入膜は電気メッキプロセス中に電解質溶液の純度を改善し、陽極スラッジ及び汚染微粒子により電気メッキプロセス中に生じる基板上の欠陥発生は著しく低減される。
【0074】
図21は、封入型陽極の別の実施の形態の断面図である。陽極板2004は、電気供給貫通接続体2006に固定され支持されている。陽極板2004の上方及び下方にそれぞれ配置された上側封入膜2008及び下側封入膜2010は、陽極板2004の周りに配置された膜支持リング2012に取り付けられている。上側封入膜2008及び下側封入膜2010は、封入型陽極の封入膜について上掲した材料から構成される。膜支持リング2012は、封入膜と比較して相対的に剛な例えばプラスチック又はその他のポリマー材料から構成されるのが望ましい。電解質溶液を下側及び上側封入膜並びに陽極板間のギャップに導入するために、バイパス流体入口2014が椀状容器430の底部及び下側封入膜2010を貫通して配置されている。バイパス出口2016は、膜支持リング2012に接続されると共に、椀状容器430を貫通して延びていて、過剰の電解質溶液の流れが陽極スラッジ又は発生微粒子と共に封入型陽極外に出て図示しない廃棄ドレーンに流入するのを容易にする。
【0075】
バイパス流体入口2014及び主電解質溶液入口510内の電解質溶液の流れは、各入口に接続された流体ラインに沿ってそれぞれは位置された流量制御弁2020,2022により個々に制御するのが望ましく、また、バイパス流体入口2014における流体圧力は、主電解質溶液入口510における圧力よりも高く維持するのが望ましい。主電解質溶液入口510からの椀状容器430内側の電解質溶液の流れは矢印Aにより示されており、封入型陽極2000内側の電解質溶液の流れは矢印Bにより示されている。封入型陽極に導入された電解質溶液の一部は、バイパス出口2016を通り封入型陽極から流出する。封入型陽極内への専用バイパス電解質溶液供給源を設けることにより、溶解消耗陽極から発生した陽極スラッジ又は微粒子は、陽極から連続的に除去され、その結果、電気メッキプロセス中に電解質溶液の純度を向上させることができる。
【0076】
図22は、封入型陽極の更に別の実施の形態の断面図である。この実施の形態の封入型陽極2000は、陽極板2004と、複数の電気供給貫通接続体2006と、上側封入膜2008と、下側封入膜2010と、膜支持リング2012とを備えている。陽極板2004は、複数の電気供給貫通接続体2006に固定して支持されており、上側封入膜2008及び下側封入膜2010は膜支持リング2012に取り付けられている。バイパス出口2016は、膜支持リング2012に接続されると共に、椀状容器430を貫いて延びている。この実施の形態の封入型陽極は、最初の封入型陽極について記載したような材料から構成されるのが望ましい。下側封入膜2010は、主電解質溶液入口510の実質的に上方に配置された1つ以上の開口2024を含んでいる。この開口2024は、主電解質溶液入口510からの電解質溶液の流れを受け入れるのに適応すると共に、好ましくは、主電解質溶液入口510の内周囲とほぼ同じ大きさを有している。主電解質溶液入口510からの電解質溶液の流れは矢印Aにより示されており、封入型陽極内の電解質溶液の流れは、矢印Bにより示されている。電解質溶液の一部は、バイパス出口2016を通り封入型陽極から流出して、陽極の溶解により発生した陽極スラッジ及び微粒子を運ぶ。
【0077】
図23は、封入型陽極の更に別の実施の形態の断面図である。この実施の形態の封入型陽極2000は、陽極板2004と、複数の電気供給貫通接続体2006と、上側封入膜2008と、下側封入膜2010と、膜支持リング2012とを備えている。陽極板2004は、複数の電気供給貫通接続体2006に固定して支持されており、上側封入膜2008及び下側封入膜2010は膜支持リング2012に取り付けられている。電解質溶液を下側及び上側封入膜並びに陽極板間のギャップに導入するために、バイパス流体入口2014が椀状容器430の底部及び下側封入膜2010を貫通して配置されている。この実施の形態の封入型陽極は、封入型陽極について記載したような材料から構成されるのが望ましい。バイパス流体入口2014及び主電解質溶液入口510を通る電解質溶液の流れは、流量制御弁2020,2022により個々に制御するのが望ましい。主電解質溶液入口510からの電解質溶液の流れは矢印Aにより示されており、封入型陽極を通る電解質溶液の流れは矢印Bにより示されている。この実施の形態について、溶解する陽極板により発生された陽極スラッジ及び微粒子は、電解質溶液が膜を通過するときに下側及び上側封入膜によりろ過され捕捉される。
【0078】
図16は、電解質溶液系統もしくはシステム220の概略図である。この電解質溶液システム220は、電気メッキプロセスのため電気メッキ用プロセスセルの電解質溶液を供給する。電解質溶液システム220は、概略的述べると、主電解質溶液タンク602と、適量供給モジュール603と、ろ過モジュール605と、化学分析器モジュール616と、電解質溶液廃棄ドレーン620により化学分析器モジュール616に接続された電解質溶液廃棄物処理システム622とを備えている。一基以上のコントローラが、主電解質溶液タンク602における電解質溶液の組成と、電解質溶液システム220の作動とを制御する。前記コントローラは、個々に作動可能であるが、ECPシステム200のコントローラ220と統合されているのが望ましい。
【0079】
主電解質溶液タンク602は、電解質溶液の液溜めを提供すると共に、1つ以上の流体ポンプ608及び弁607を介して電気メッキ用プロセスセルの各々に接続された電解質溶液供給ライン612を含んでいる。主電解質溶液タンク602と熱的接続関係で配置された熱交換器624もしくは加熱/冷却器は、主電解質溶液タンク602に貯留された電解質溶液の温度を制御する。熱交換器624はコントローラ610に接続されてこれにより作動される。
【0080】
適量供給モジュール603は、供給ラインにより主電解質溶液タンク602に接続されると共に、複数の供給源タンク606もしくは供給容器と、複数の弁609と、コントローラ611とを含んでいる。供給源タンク606は、電解質溶液を構成するのに必要な薬液を収容し、通常、電解質溶液を構成するめの脱イオン水源タンク及び硫酸銅(CuSO4)タンクを含んでいる。他の供給源タンク606は、硫酸水素塩(H2SO4)、塩化水素(HCl)、及びグリコールのような種々の添加物を収容し得る。各供給源タンクは、色識別されていると共に、適量供給モジュールにある対応の入口コネクタに接続するのに適応した独特の嵌合出口コネクタを備えていることが好ましい。供給源タンクを色識別すると共に、前記供給源タンクに独特の嵌合出口コネクタを備えさせることにより、供給源タンクを交換もしくは取換えするときにオペレータにより招来される間違いが大幅に軽減される。
【0081】
脱イオン水供給源タンクは、メンテナンス中にシステムを洗浄するための洗浄システムにも脱イオン水を供給する。各供給源タンク606に関連した弁609は、主電解質溶液タンク602への流量を調節するもので、バタフライ弁、絞り弁等のような多数の市販バルブのうちの任意のバルブとすることができる。弁609の作動は、コントローラ611により行われが、コントローラ611は、コントローラ222から信号を受けるためそこに接続されるのが好ましい。
【0082】
電解質溶液ろ過モジュール605は複数のろ過タンク605を含んでいる。電解質溶液戻しライン614は、プロセスセルの各々と1つ以上のろ過タンク604との間に接続されている。ろ過タンク604は、電解質溶液を主電解質溶液タンク602に戻す前に、使用済みの電解質溶液における不必要な内容物を除去する。主電解質溶液タンク602における電解質溶液の再循環及びろ過を容易にするため、主電解質溶液タンク602はろ過タンク604にも接続されている。主電解質溶液タンク602からの電解質溶液をろ過タンク604に通し再循環させることにより、電解質溶液中の不必要な内容物はろ過タンク604によって連続的に除去され、一定レベルの純度を維持する。また、主電解質溶液タンク602及びろ過モジュール605間に電解質溶液を再循環することは、電解質溶液中の種々の化学薬品を完全に混合することを可能にする。
【0083】
電解質溶液システム220は、電解質溶液の化学組成の化学分析を実時間で行う化学分析器モジュール616も含んでいる。前記分析器モジュール616は、サンプルライン613により主電解質溶液タンク602に流体接続され、出口ライン621により廃棄物処理システム622に流体接続されている。前記分析器モジュール616は、概略的述べると、少なくとも1つの分析器と、前記分析器を作動するためのコントローラとを備えている。特定の処理手段に必要な分析器の数は、電解質溶液の組成に左右される。例えば、第1の分析器を使用して有機物質の濃度を監視する一方で、第2の分析器が無機化学薬品のために必要である。図16に示す特定実施の形態において、化学分析器モジュール616は自動滴定分析器615とサイクリックボルタメトリックストリッパ(CVS=cyclic voltametricstripper)617とを備えている。双方の分析器は種々の供給業者から商業的に入手し得る。有利に使用し得る自動滴定分析器はパーカー・システムス(Parker Systems)から入手可能であり、サイクリックボルタメトリックストリッパはECIから入手可能である。自動滴定分析器615は、塩化銅及び酸のような無機物質の濃度を測定する。CVS617は、電解質溶液中において使用できる種々の添加物のような有機物質の濃度と、処理によって生じ、プロセスセルから主電解質溶液タンク602に戻し得る副生成物の濃度とを測定する。
【0084】
図16に示した分析器モジュールは単なる例示に過ぎない。別の実施の形態において、各分析器は、別の供給ラインにより主電解質溶液タンクに接続し得ると共に、別個のコントローラにより作動し得る。当業者はその他の実施の形態も考え得るであろう。
【0085】
作動中、電解質溶液のサンプルは。サンプルライン613を経由して分析器モジュール616に流される。サンプルは定期的に採ることができるが、分析器モジュール616への電解質溶液の連続的な流れを維持しておくことが望ましい。適切な分析のため、サンプルは、一部が自動滴定分析器615に供給され、一部がCVS617に供給される。コントローラ619は、データを発生するため、指令信号を起動して分析器615,617を作動させる。化学分析器615,617からの情報は次いでコントローラ222に伝えられる。コントローラ222は、この情報を処理して、ユーザ定義の化学滴定パラメータを含む信号を滴定コントローラ611に伝達する。受け取られた信号は、弁609のうちの1つ以上を操作することにより供給源化学薬品の補給率を実時間で調整するのに用いられ、それにより電気メッキプロセス全体を通して電解質溶液の所望化学組成を好ましくは一定に維持する。分析器モジュールからの廃棄電解質溶液は次いで出口ライン621を経由して廃棄物処理システム622に流される。
【0086】
一実施の形態では電解質溶液の実時間監視及び調整を採用しているが、種々の代案が採用可能である。例えば、滴定モジュール603の制御は、化学分析器モジュール616から供給される出力値を監視しているオペレータにより手動で行うことができる。望ましいのは、システムのソフトウエアがオペレータ(手動)モード及び自動実時間調整モードの双方を可能にしていることである。更に、複数のコントローラが図16に示されているが、単一のコントローラを使用して、化学分析器モジュール616、滴定モジュール603及び熱交換器624のようなシステムの諸要素を作動してもよい。当業者には、その他の実施の形態も明らかであろう。
【0087】
電解質溶液システム220は、使用済み電解質溶液、化学薬品、及びECPシステムにおいて使用済みとなったその他の流体を安全に廃棄するため電解質溶液廃棄物処理システム622に接続された電解質溶液廃棄ドレーン620も含んでいる。電解質溶液を電解質溶液システム220に通し戻すことなく電気メッキ用セルのドレーン排出を行うため、電気メッキ用セルは、電解質溶液廃棄ドレーン620又は電解質溶液廃棄物処理システム622への直接ライン接続をもっているのが望ましい。また、電解質溶液システム220は、過剰の電解質溶液を電解質溶液廃棄ドレーン620に抜き出すため、抜出しもしくはブリードオフライン接続をもっているのが望ましい。
【0088】
また、電解質溶液システム220は、望ましくないガスを電解質溶液から除去するため、1つ以上の脱ガス器モジュール630も含むことが望ましい。この脱ガス器モジュールは、概略的述べると、同脱ガス器モジュールを通過する流体からガスを分離する膜と、放出ガスを除去するための真空システムとを備えている。脱ガス器モジュール630は、プロセスセル240の近くで電解質溶液供給ライン612に整列して配置されるのが好ましい。脱ガス器モジュール630は、電解質溶液がプロセスセルに入る前に電解質溶液システムからのガスの大部分が脱ガス器モジュールにより除去されるように、可能な限りプロセスセル240の近傍に配置されるのが好ましい。各脱ガス器モジュール630は好ましくは2つの出口を含んでいて、脱ガスされた電解質溶液を各処理ステーション218の2つのプロセスセル240に供給する。代案として、脱ガス器モジュールはプロセスセル毎に設けられる。脱ガス器モジュールは、その他種々の代替位置に配置することができる。例えば、脱ガス器モジュールは、フィルタ部と一緒に配置したり、或いは主電解質溶液タンクと共に又はプロセスセルと共に閉ループシステムに配置したりというように、電解質溶液システムにおけるその他の位置に配置することができる。別の例として、脱ガスされた電解質溶液を電気メッキシステムの全てのプロセスセル240に供給するために、1つの脱ガス器モジュールが電解質溶液供給ライン612と整列して配置される。加えて、別の脱ガス器モジュールは、脱イオン水供給ラインと共にインラインで或いは閉ループで配置され、脱イオン水供給源からの酸素の除去のために確保されている。脱イオン水は処理済み基板をすすぐために使用されるので、遊離酸素ガスは、電気メッキ銅がすすぎプロセスによりあまり酸化されないようにSRDモジュールに達する前に、脱イオン水から除去されているのが望ましい。脱ガス器モジュールは、技術的に良く知られており、また、商業的な具体例は、種々の適用例において使用するために一般的に利用可能且つ適用可能である。市販の脱ガス器モジュールは、マサチューセッツ州ベッドフォード所在のミリポア・コーポレイションから入手し得る。
【0089】
図26aに示すように、一実施の形態の脱ガス器モジュール630は親水性膜632を含んでおり、同親水性膜632の一方の側に流体即ち電解質溶液の通路634を配置せしめ、同膜の反対側に真空システム636を配置せしめている。脱ガス器モジュールの囲い体638は、入口640と1つ以上の出口642とを含んでいる。電解質溶液が脱ガス器モジュール630を通過するときに、電解質溶液中のガス及びその他の微小気泡は、親水性膜を通って電解質溶液から分離され、真空システムにより除去される。別の実施の形態の脱ガス器モジュール630’は、図26bに示すように、親水性膜632’のチューブと、前記親水性膜632’のチューブの近くに配置された真空システム636とを含んでいる。電解質溶液は親水性膜632’のチューブ内に導入され、そして電解質溶液がチューブ内の流体通路634を通過するときに、電解質溶液中のガス及びその他の微小気泡は、親水性膜632’のチューブを通って電解質溶液から分離され、前記チューブの周りの真空システム636により除去される。膜全域にわたり電解質溶液の蛇行通路を有する設計や、その他多数に区分された脱ガス器モジュール設計も含め、もっと複雑な設計も考えられる。
【0090】
図16には示していないが、電解質溶液システム220は、多数のその他の要素を含んでいてよい。例えば、電解質溶液システム220は、SRDステーションのような基板洗浄システムのための化学薬品の付加的な貯蔵タンクを1つ以上含むのが好ましい。また、システム全体にわたる化学薬品の安全な搬送を可能にするため、危険材料の接合部について二重構成(double-contained)配管を採用し得る。随意であるが、電解質溶液システム220は、ECPシステムに追加の電解質溶液供給を行う追加の又は外部の電解質溶液処理システムに対する接合部を含む。
【0091】
図17は、RTAチャンバの断面図である。RTAチャンバ211は、装荷ステーション210に接続されるのが好ましく、基板は、装荷ステーション搬送ロボット228によりRTAチャンバ211に対し搬入搬出される。ECP処理システムは、図2及び図3に示すように、装荷ステーション210の対称設計に対応して、同装荷ステーション210の両側に配置される2つのRTAチャンバ211から構成されるのが望ましい。RTAプロセスチャンバは、一般に技術的に良く知られており、そしてRTAチャンバは、一般的に、堆積材料の特性を向上させるために基板処理システムにおいて使用される。電気メッキの結果を向上させるため、ECPシステム200は、加熱プレート設計及び加熱ランプ設計を含め、種々のRTAチャンバ設計を利用することを企図している。特に適するRTAチャンバの1つは、カリフォルニア州サンタクララ所在のアプライド・マテリアルズ・インコーポレイテッド(Applied Materials, Inc.)から入手し得るWxZチャンバである。加熱プレート式RTAチャンバが説明されているが、その他のRTAチャンバも同様に使用し得る。
【0092】
RTAチャンバ211は、概略的述べると、囲い体902と、加熱プレート904と、ヒータ907と、複数の基板ホルダピン906とを備えている。囲い体902は、底部908、側壁910及び頂部912を含んでいる。囲い体の頂部912の下方に冷却プレート913が配置されるのが望ましい。代案として、冷却プレートは、囲い体の頂部912の一部として一体に形成される。断熱放物面反射器(reflector insulator dish)914が囲い体902内で底部908上に配置されているのが望ましい。この断熱放物面反射器914は、通常、水晶、アルミナ、又は高温即ち、約500℃を超える温度に耐え得るその他の材料から形成されると共に、ヒータ907及び囲い体902の間の断熱体として役目を果している。また、断熱放物面反射器914は、熱をはね返して加熱プレート906に向けるため、例えば金のような反射材料で被覆されていてもよい。
【0093】
加熱プレート904は、システムにおいて処理されている基板と比較して大きな質量を有しているのが好ましく、また、炭化ケイ素、水晶、或いはRTAチャンバ211中のどの雰囲気ガスとも又は基板材料とも反応しないその他の材料から形成するのが好ましい。ヒータ907は、抵抗加熱要素又は導電/放射熱源から構成されるのが代表的であり、加熱されたプレート906及び断熱放物面反射器914の間に配置されている。ヒータ907は電源916に接続されていて、この電源がヒータ907を加熱するのに必要なエネルギを供給する。熱電対920は、底部908及び断熱放物面反射器914を貫いて設けられた導管922内に配置されて、加熱プレート904の中に延びているのが望ましい。熱電対920は、コントローラ222に接続されていて、温度測定値をこのコントローラに供給する。その後、コントローラは、温度測定値及び所望の焼鈍し温度に従って、ヒータ907に供給される熱を増減する。
【0094】
囲い体902は、同囲い体902を冷却するため側壁910と熱接触して囲い体902の外側に配置された冷却部材918を含むのが望ましい。代案として、囲い体902の温度を制御するため、図示しない1つ以上の冷却チャンネルが側壁910内に形成されている。囲い体902の内側面に配置された冷却プレート913は、前記冷却プレート913の直近に位置決めされた基板を冷却する。
【0095】
RTAチャンバ211は、同RTAチャンバ211への基板の搬入搬出を容易にするため囲い体902の側壁911に配置されたスリットバルブ(slit valve)922を含んでいる。このスリットバルブ922は、装荷ステーション210と連通する囲い体の側壁910にある開口924を選択的に封止する。装荷ステーション搬送ロボット228(図2参照)は、基板をこの開口924を介してRTAチャンバの内外に搬送する。
【0096】
基板ホルダピン906は、水晶、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、又はその他の耐高熱材料から構成される先端に向かい先細の部材であることが望ましい。各基板ホルダピン906は、加熱プレート904を貫いて延び好ましくは耐熱及び酸化材料から形成される管状部材926内に配置されている。前記基板ホルダピン906を均等な仕方で移動させるため、基板ホルダピン906はリフトプレート928に結合されている。前記リフトプレート928は、リフトシャフト932を介してステップモータのようなアクチュエータ930に接続されており、このアクチュエータ930がリフトプレート928を移動させて、RTAチャンバ内の種々の垂直位置への基板の位置決めを容易にする。リフトシャフト932は、囲い体902の底部908を貫いて延びると共に、同シャフトを囲んで配置されたシールフランジ934により封止されている。
【0097】
基板をRTAチャンバ211内に搬入するため、スリットバルブ922が開かれ、そして装荷ステーション搬送ロボット228は、基板が配置せしめられたそのロボットブレードを延長して、開口924からRTAチャンバ内に入れる。装荷ステーション搬送ロボット228のロボットブレードは、RTAチャンバ内の基板を加熱プレート904の上方に位置決めし、そして基板ホルダピン906が上方に延びて、基板をロボットブレードの上方に持ち上げる。その後、ロボットブレードはRTAチャンバ外に退出し、スリットバルブ922は開口を閉じる。次いで、基板ホルダピン906が引っ込められて基板を加熱プレート904から所望の距離まで降下させる。随意であるが、基板ホルダピン906を完全に引っ込めて、基板を加熱プレートに直接接触させて置いてもよい。
【0098】
焼鈍し処理のプロセス中、選択されたガスをRTAチャンバ211に流入させるために、ガス入口936を囲い体902の側壁910に通して配置するのが好ましい。RTAチャンバ211内へのガスの流れを制御するために、ガス入口936は、弁940を介してガス源938に接続されている。ガス出口942は、RTAチャンバにあるガスを排出するため、囲い体902の下方部に配置されるのが好ましく、また、RTAチャンバ外からの雰囲気の逆流を防止するため、逃し/逆止弁944に接続されるのが望ましい。随意であるが、ガス出口942は、図示しない真空ポンプに接続して、焼鈍し処理中、RTAチャンバを所望の真空レベルまで排気し得る。
【0099】
基板は、電気メッキセルで電気メッキされ、そしてSRDステーションで洗浄された後、RTAチャンバ211内で焼鈍しされる。RTAチャンバ211は、ほぼ大気圧に保たれているのが好ましく、また、RTAチャンバ211内部の酸素含有量は、焼鈍し処理のプロセス中、約100ppm未満に制御されるのが好ましい。RTAチャンバ211内部の雰囲気は、窒素(N2)か、窒素(N2)及び約4%未満の水素(H2)の化合物であるのが好ましく、また、RTAチャンバ211内への周囲ガスの流れは、酸素含有量を100ppm未満に制御するために、毎分20リットルよりも多い量に維持するのが好ましい。電気メッキされた基板は、約200℃〜約450℃の温度で約30秒〜約30分間にわたり、好ましくは約250℃〜約400℃の温度で約1分〜約5分間にわたり焼鈍しされるのが望ましい。RTA処理は、一般的に、毎秒少なくとも50℃の温度上昇を必要とする。焼鈍し処理中の基板について所望の温度上昇率をもたらすため、加熱プレートは、約350℃〜約450℃の温度に維持されるのが好ましく、また、基板は、焼鈍し処理の期間中、加熱プレートから約0mm(即ち加熱プレートに接触する)〜約20mmのところに位置決めされるのが望ましい。コントローラ222は、RTAチャンバ内の所望雰囲気及び加熱プレートの温度を維持することを含め、RTAチャンバの作動を制御する。
【0100】
焼鈍し処理のプロセスが終了した後、基板ホルダピン906は、基板をRTAチャンバ211外への搬送位置まで上昇させる。スリットバルブ922が開き、装荷ステーション搬送ロボット228のロボットブレードが延びてRTAチャンバ内に入り、基板の下方に位置付けられる。基板ホルダピン906は引っ込んで基板をロボットブレード上に下降させ、次いでロボットブレードがRTAチャンバから退出する。その後、装荷ステーション搬送ロボット228は、図2及び図3の実施の形態に示すように、処理済み基板を電気メッキ処理システム外へ取り出すためカセット232の中に搬送する。
【0101】
図2に戻り参照すると、ECPシステム200は、プラットフォームの各要素の機能を制御するコントローラ222を含んでいる。コントローラ222は、主フレーム214の上方に装着されると共に、プログラム可能なマイクロプロセッサを備えることが望ましい。このプログラム可能なマイクロプロセッサは、通常、ECPシステム200の全要素を特に制御するように設計されたソフトウエアを使用するようにプログラムされている。また、コントローラ222は、システムの諸要素に電力を供給すると共に、オペレータがECPシステム200を監視して作動するのを可能にする制御盤223を含んでいる。この制御盤223は、図2に示すように、独立型モジュールであり、ケーブルを介してコントローラ222に接続されると共に、オペレータに簡易なアクセスを与えている。概略的に述べると、コントローラ222は、装荷ステーション210、RTAチャンバ211、SRDチャンバ212、主フレーム214及び処理ステーション218の諸動作を協調させている。その上、コントローラ222は、電気メッキプロセスのための電解質溶液を供給するため電解質溶液システム220のコントローラと連係している。
【0102】
以下は、図2に示すようなECPシステム200による典型的な基板電気メッキプロセスのシーケンスについての記載である。複数の基板を収容した基板カセットは、ECPシステム200の装荷ステーション210にある基板カセット受領領域224内に装入される。装荷ステーション搬送ロボット228は、基板カセットにある基板スロットから基板をピックアップして、その基板を基板方向付け装置230内に置く。基板方向付け装置230は、システムに通して処理するための所望の向きを判断してこの向きに基板を方向付ける。その後、装荷ステーション搬送ロボット228は、方向付けられた基板を基板方向付け装置230から搬送して、SRDステーション212にある基板通過カセット238の基板スロットの1つの中に基板を配置する。主フレーム搬送ロボット242は、基板通過カセット238から基板をピックアップして、反転ロボット248による搬送のために基板を位置決めする。反転ロボット248は、そのロボットブレードを基板の下方に回し、基板を主フレーム搬送ロボットブレードからピックアップする。反転ロボットブレードに設けられた真空吸引式グリッパは、基板を反転ロボットブレード上に固定し、そして反転ロボットにより、基板は、表を上にした位置から表を下にした位置に反転される。反転ロボット248は回転し、基板を基板ホルダアセンブリ450において表を下に位置付ける。基板は、基板ホルダアセンブリ450より下方であるが、電気接点要素466よりは上方に位置付けられる。次に、反転ロボット238は基板を解放して、電気接点要素466中に基板を位置付ける。電気接点要素466は基板に向かって移動し、真空チャックが基板を基板ホルダ要素464上に固定する。基板ホルダアセンブリ450に設けられたブラダーアセンブリ470は、基板裏側に圧力を加えて、基板メッキ表面及び電気接点要素466間の電気接触を確実にする。
【0103】
ヘッドアセンブリフレーム452は、プロセスセル420の上方の処理位置へ下降される。この位置において、基板は、堰478の上側面よりも下方にあり、プロセスセル420内に収容された電解質溶液と接触する。電源が作動されて、電力、即ち電圧及び電流を陰極及び陽極に供給し、電気メッキプロセスが可能になる。電解質溶液は、通常連続的に、電気メッキプロセス中、電解槽内にポンプ送りされる。陰極及び陽極に供給される電流並びに電解質溶液の流れは、所望の電気メッキ結果を達成するため、コントローラ222により制御される。ヘッドアセンブリが下降するとき及び電気メッキプロセス中、ヘッドアセンブリは回転されるのが望ましい。
【0104】
電気メッキプロセスが終了した後、ヘッドアセンブリ410は、基板ホルダアセンブリ450を上昇させると共に、電解質溶液から基板を取り出す。ヘッドアセンブリは、基板ホルダアセンブリからの残留電解質溶液の除去を向上させるためある期間にわたり回転されるのが望ましい。基板ホルダアセンブリのブラダーアセンブリ及び真空チャックは、次いで基板を基板ホルダ要素464から解放し、基板ホルダ要素464は上昇されて、反転ロボットブレードが電気接点要素から処理済み基板をピックアップすることを可能にする。反転ロボットは、電気接点要素中の処理済み基板の裏側上方に反転ロボットブレードを回転させて、反転ロボットブレードに設けられた真空吸引グリッパを用いて基板をピックアップする。反転ロボットは、基板をもった反転ロボットブレードを回して基板ホルダアセンブリ外に出し、基板を表を下にした位置から表を上にした位置に反転させると共に、基板を主フレーム搬送ロボットブレード上に位置付ける。その後、主フレーム搬送ロボットは、処理済み基板をSRDモジュール236の上方に搬送しそこに位置付ける。SRD基板支持体は基板を上昇させ、主フレーム搬送ロボットブレードは引っ込んでSRDモジュールから離れる。基板は、脱イオン水もしくは脱イオン水の化合物を使用して、或いは上に詳述したような洗浄流体を使用してSRDモジュールにおいて洗浄される。次いで、基板はSRDモジュール外への搬送のため位置決めされる。装荷ステーション搬送ロボット228は、SRDモジュール236から基板をピックアップして、この処理済み基板を、堆積材料の特性を向上させる焼鈍し処理のプロセスのため、RTAチャンバ211に搬入する。焼鈍しされた基板は、その後、装荷ステーション搬送ロボット228によりRTAチャンバ211外に搬送され、ECPシステムからの除去のため基板カセット内に戻される。上述したシーケンスは、ECPシステム200において実質的に同時に複数の基板について行うことができる。ECPシステムは、多重積重ね基板の処理を行うのに適応することができる。
【0105】
基板ホルダシステム
基板を電解槽内の電解質溶液に浸漬させることができる基板ホルダシステム14が記載されている。この基板ホルダシステム14は、実質的に水平である電解質溶液の液面ラインに関して、基板を収納した基板ホルダアセンブリを傾斜させることができる。ある実施の形態の基板ホルダシステムは、電解質溶液中へ基板を浸漬している間、基板を回転することができる。浸漬中の基板の傾斜は、基板ホルダ及び/又は基板下の電解質溶液内にエアバブルもしくはエアブリッジが発生するのを制限する。この項は、基板ホルダシステムの一実施の形態の構造及び作動について説明している。
【0106】
前述したように、図6は、ヘッドアセンブリ410が基板ホルダアセンブリ450をx及びz方向に並進させることができる一実施の形態について記載している。図25は、基板ホルダアセンブリ2450を水平方向及び垂直方向に並進させることができる基板ホルダシステム14の別の実施の形態の部分断面図である。図25に示されたこの実施の形態の基板ホルダシステム14は、X−方向及びZ−方向への基板ホルダアセンブリの並進に加えて、基板ホルダアセンブリを水平から角度αで傾斜させることを可能としている。この実施の形態は、基板ホルダアセンブリにより保持された基板を電解質溶液中に浸漬させている間、基板の回転を可能としている。基板ホルダシステム14は、回転可能のヘッドアセンブリ2410と、ヘッドアセンブリフレーム2452とを含んでいる。ヘッドアセンブリフレーム2452は、装着ポスト2454と、シャフト2453と、ポストカバー2455と、片持ち式アーム2456と、片持ち式アーム用アクチュエータ2457と、ピボット接手2459とを含んでいる。装着ポスト2454は主フレーム214の本体上に装着されており、ポストカバー2455は装着ポスト2454の頂部を覆っている。
【0107】
装着ポスト2454は、同装着ポストを通って延びる実質的に垂直の軸線回りにヘッドアセンブリフレーム2452が回転するのを許容するため、矢印A1で示した方向への装着ポストの回転運動が可能であるのが望ましい。このような運動は、通常、ヘッドアセンブリ2410を電解槽と整列させるために行われる。
【0108】
片持ち式アーム2456の一端は、片持ち式アーム用アクチュエータ2457のシャフト2453に枢着されている。片持ち式アーム用アクチュエータ2457は、例えば、空力シリンダ、親ねじ式アクチュエータ、サーボモータ又はその他の形式のアクチュエータである。片持ち式アーム2456は、ピボット接手2459で装着スライド2460に枢着される。片持ち式アーム用アクチュエータ2457は装着ポスト2454に装着されている。ピボット接手2459はポストカバー2455に回転自在に装着されているので、片持ち式アーム2456はピボット接手のところでポストカバーの周りに旋回することができる。片持ち式アーム用アクチュエータ2457の作動により、ピボット接手2459を中心とする矢印A2の方向への片持ち式アーム2456の旋回運動が行われる。代案として、片持ち式アーム用アクチュエータ2457として回転モータを設けてもよく、その場合、回転モータの出力は、ポストカバー2455及びピボット接手2459の間に直結される。回転モータの出力は、ピボット接手周りの片持ち式アーム2456及びヘッドアセンブリ2410の回転を行う。
【0109】
回転自在のヘッドアセンブリ2410は、ヘッドアセンブリフレーム2452の装着スライド2460に取着されており、装着スライド2460は、片持ち式アーム2456の先端部に配置されている。ピボット接手2459を中心とする回転自在のヘッドアセンブリ2410の回転により、回転自在のヘッドアセンブリ2410の基板ホルダアセンブリ2450内に保持された基板が水平に関してピボット接手2459回りに傾斜される。片持ち式アーム用アクチュエータ2457が引っ込められるときに、片持ち式アーム2456は、図6に示すように、ヘッドアセンブリ2410を持ち上げてプロセスセル420から離す。回転自在のヘッドアセンブリ2410のこの傾斜により、水平に関する基板の傾斜が行われる。このような基板の傾斜は、電気メッキ用プロセスセル240からの又は電気メッキ用プロセスセル240への基板ホルダアセンブリの取出し及び/又は差替え中に使用される。片持ち式アーム用アクチュエータ2457が伸張されるときに、片持ち式アーム2456は、ヘッドアセンブリ2410をプロセスセル420に向かって移動させ、基板を水平に近い角度に移動させる。基板は、ECPの間、実質的に水平な姿勢であることが望ましい。
【0110】
回転自在のヘッドアセンブリ2410は、装着スライド2460に滑動自在に接続された回転アクチュエータ2464を含んでいる。装着スライド2460は、回転自在のヘッドアセンブリ2410の垂直運動を案内する。ヘッドアセンブリ2410を垂直方向に変位させる起動力を発生するために、ヘッドリフトアクチュエータ2458が装着スライド2460上に配置されている。ヘッドリフトアクチュエータ2458のシャフト2468は、回転アクチュエータ2464の本体に取着されたリフトガイド2466に挿通されている。シャフト2468は、このリフトガイドを種々の垂直方向に位置間で矢印A3により指示された方向に移動させる親ねじ式シャフトであることが好ましい。回転自在のヘッドアセンブリ2410のこの上昇は、基板ホルダアセンブリを電気メッキ用プロセスセル240から取り出すか及び/又は差し替えるために使用することができる。プロセスセルからの基板の取出しは、ロボットが基板を回転自在のヘッドアセンブリ2410から除去し得るように基板を位置付けるために必要である。
【0111】
回転アクチュエータ2464は、シャフト2470を介して基板ホルダアセンブリ2450に接続されると共に、同基板ホルダアセンブリ2450を矢印A4で指示する方向に回転させる。電気メッキプロセス中の基板の回転は、通常、堆積結果を向上させる。ヘッドアセンブリは、約0RPM〜約200RPMで、好ましくは約10〜約40RPMで基板の垂直軸線回りに基板を回転させるのが望ましい。もっと大きな角速度での基板の回転は電解質溶液内に乱流を生じさせる結果になる。また、ヘッドアセンブリは、プロセスセル中の電解質溶液から基板を取り出すため同ヘッドアセンブリを上昇させるときはもちろんのこと、プロセスセル中の電解質溶液との接触状態に基板を位置付けるため同ヘッドアセンブリを下降させるときも、回転することができる。ヘッドアセンブリは、同ヘッドアセンブリがプロセスセルから上昇した後、例えば約2500RPMまでの高速で回転されるのが好ましい。電解質溶液からの基板の取出し後に基板を回転させることは、基板上の液体に加えられる遠心力により基板上の残留電解質溶液の除去を向上させる。
【0112】
図27は、基板の回転を可能にするため図25に示した実施の形態の基板ホルダシステム14を構成することができる回転自在のヘッドアセンブリ2410の一実施の形態の断面図である。回転自在のヘッドアセンブリ2410は、基板を電気接点要素67との接触状態に位置決めするためにスラストプレート66の下降を可能としている。このスラストプレートは、同スラストプレート66と電気接点要素67との間にスペースをもたらして回転自在のヘッドアセンブリ2410からの基板の除去又は回転自在のヘッドアセンブリ2410への基板の挿入を可能とするため、下降させることができる。回転自在のヘッドアセンブリ2410は、基板ホルダアセンブリ2450と、回転アクチュエータ2464と、シャフト遮蔽体2763と、シャフト2470と、電気貫通接続体2767と、電気導体2771と、空気貫通接続体2773とを備えている。回転アクチュエータ2464は、ヘッド回転ハウジング2760と、ヘッド回転モータ2706とを備えている。ヘッド回転モータ2706は、コイル部2775及び磁気回転要素2776を備えている。中空のコイル部2775は、磁界を発生し、磁気回転要素2776を垂直軸線を中心として回転させる。基板ホルダアセンブリ2450は、流体遮蔽体2720と、接点ハウジング2765と、スラストプレート66と、電気接点要素67と、ばねアセンブリ2732とを備えている。
【0113】
接点ハウジング2765及びばねアセンブリ2732は、概して環状であって、これらの2要素は相互に取り付けられていて、連合回転が可能であり、この連合回転はスラストプレート66及び電気接点要素67に伝達される。ばねアセンブリ2732は、上側ばね面2728と、ばねベローコネクタ2729と、下側ばね面2738とを備えている。シール要素2751は、上側ばね面2728及びスラストプレート66間の流体通路を封止する。シール要素2753は、下側ばね面2738及び接点ハウジング2765間の流体通路を封止する。
【0114】
電気メッキを行うため、電気は、基板上のシード層に接触する電気接点要素67に供給されて、陽極16と基板上のシード層との間に所望の電圧を印加する。電気は、コントローラ222から電気接点要素67に、電気貫通接続体2767、導体2733及び接点ハウジング2765を介して供給される。電気接点要素67は、基板上のシード層と物理的且つ電気的に接触している。シャフト2470と、接点ハウジング2765と、ばねアセンブリ2732と、スラストプレート66と、電気接点要素67と、回転装着部2799と、スラストプレート66及び電気接点要素67間に取り付けられた基板22とは、ヘッドアセンブリ2410の長手方向軸線を中心として、全て一体に回転する。ヘッド回転モータ2706は、上述した諸要素を垂直軸線回りに回転させる原動力を提供する。
【0115】
スラストプレート66の位置を電気接点要素67に関して制御するために、空気貫通接続体2773により真空が回転自在のヘッドアセンブリ2410の諸部分に制御可能に提供される。真空を供給する空気貫通接続体2773は、制御可能な真空源2790と、スリーブ部材2792と、流体導管2794と、円周溝2795と、流体開口2796と、流体通路2798とを備えている。スリーブ部材2792は、別個の部材でよく、或いは図27に示すようなシャフトの一部分でもよい。円周溝2795は、シャフト2470の円周を囲んでスリーブ部材2792内で延びている。空気貫通接続体は、圧力溜め2740に真空を供給する。この圧力溜めは、ヘッドアセンブリ2410の構成に応じて、正の空気圧力又は真空のどちらかを維持するように構成されている。流体開口2796は、円周溝と流体連通している。流体開口2796は、円周溝2795からシャフト2470の底部までシャフト2470に沿って軸方向に延びている。流体通路2798は、接点ハウジング2765を通って延びている。流体開口2796は、シャフトの底部で流体通路2798と流体連通している。スリーブ部材2792の内表面は、シャフト2470の外表面に対して小さな、例えば、約.0002インチの隙間を有していて、これら2部材間の相対回転を許容している。
【0116】
真空は、真空源2790から流体導管2794を経由してスリーブ部材2792の内表面及び円周溝2795に供給される。真空は、流体開口2796から流体通路2798に供給され、そして圧力溜め2740に供給される。スリーブ部材2792及びシャフト2470間の隙間が狭いため、スリーブ部材2792の内表面に供給された真空は、円周溝2795を経由して流体開口2796に流れる。狭い隙間は、スリーブ部材2792及びシャフト2470の外表面間に空気が入るのを制限する。従って、制御可能な真空源2790から供給された真空は圧力溜めに達する。シャフト2470内の真空は、流体通路2798を通り、ばねアセンブリ2732及び接点ハウジング2765間に形成された圧力溜め2740へと進む。制御可能な真空源2790により供給された真空は、従って、圧力溜め2740における真空を制御する。
【0117】
ばねベローコネクタ2729は、ばね及びベローの側面を兼ね備えている。このばね偏向コネクタ2729は、スラストプレート66及び接点ハウジング2765の間に取り付けられている。ばねベローコネクタ2729は、スラストプレート66と電気接点要素67との間の流体の流れを制限する。また、ばねベローコネクタ2729は、その弛緩形状から軸方向に変位、即ち、圧縮又は伸張するときにばね力を出す。ばねベローコネクタ2729のこの偏向力は、電気接点要素67に対してスラストプレート66を位置決めするために使用される。ばねベローコネクタ2729として、任意の形式のベローもしくはあるばね常数を有するバッフル部材を使用し得る。或いは、ばねベローコネクタ2729として、別個のばね及びベロー部材を使用してもよい。上側ばね面2728は、環状に形成されると共に、スラストプレート66に封止結合される。下側ばね面2738は、接点ハウジング2765に封止結合される。圧力溜め2740は、接点ハウジング2765及びばねアセンブリ2732の間の環状スペースに画成されている。一実施の形態において、スラストプレートは、ばねベローコネクタ2729のばね張力により基板の裏側に常軌的に押し付けられている。圧力チャンバ2740内への真空の適用によりばねベローコネクタ2729が上昇し、そのためスラストプレート66も上昇する。
【0118】
スラストプレート66は、図示しないロボットが基板22を電気接点要素67上に装荷しているとき又は電気接点要素67上の基板22を降ろしているときに、上昇位置に変位される。ロボットによる挿入に続いて、基板22のメッキ表面の周囲が接点要素に乗るように、基板22を接点要素上に載置する。スラストプレート66は、次いで、下降して基板22の上側表面にしっかり当接し、基板22のメッキ表面及び電気接点要素67間のぴったり合った接触を確実にする。電気は、コントローラ222から基板22上のシード層に供給することができる。
【0119】
基板ホルダアセンブリ2450は、固定位置に基板22を保持して基板を交換、乾燥及び処理位置間に移動できるように、形成されている。また、スラストプレート66は、基板22を電気接点要素67に対して固定するよう下向きにも付勢することができる。スラストプレート66は、ロボットが基板を挿通させることができるスペースを同スラストプレート66と電気接点要素67との間にもたらすように上向きに付勢することができる。図27に示す実施の形態において、スラストプレートに対する上向きの付勢は、制御可能な真空源2790によって圧力溜め2740内に生じる真空によりもたらされる。圧力溜め2740内の真空は、上側ばね面2728、ばねアセンブリ2732の残余、及び取り付けられたスラストプレート66を上向きに変位させる。
【0120】
制御可能な真空源2790からの真空度を減じることにより、ばねベローコネクタ2729は張力をかけたその通常の位置に戻り、それにより上側ばね面2728は、取着されたスラストプレート66を、電気接点要素67上に位置決めされた基板22との確実な接触状態に付勢する。電気接点要素67に対する基板のこような物理的な付勢により、電気接点要素67と基板22上のシード層との間の電気的接触は十分に向上する。電気接点要素67は、基板ホルダアセンブリに挿入された基板上のシード層の周辺を囲んで延びると共に、シード層上への金属堆積を行うために図6の実施の形態に示した陽極アセンブリ474に対して電気的にバイアスされる。スラストプレート66、電気接点要素67、ばねベローコネクタ2729、及び電気接点要素上に装着された基板の全ては流体遮蔽体2720に対して回転する。流体遮蔽体2720は、シャフト遮蔽体2763に固定されたままであり、回転しない。
【0121】
ヘッド回転モータ2706は、中空のヘッド回転ハウジング2760の内周内に装着されていて、少なくとも部分的にそれに沿って延びると共に、シャフト2470に結合されている。中空のコイル部2775は、中空のヘッド回転ハウジング2760の内部に装着されていて、中空のヘッド回転ハウジング2760に対して実質的に静止状態に留まっている。シャフト2470は、垂直軸線回りに回転できる磁石部2777を含んでいる。この磁石部2777は、中空のコイル部2775の中空部内に物理的に配置されている。中空のコイル部2775は磁石部2777及び接続されたシャフト2470に回転を生じさせる。シャフト遮蔽体2763及びシャフト2470の間には軸受2785が設けられていて、垂直軸線回りの回転中、シャフト2470の横方向の動きを制限している。シャフトの下端部におけるシャフト2470の出力は、後述するように、スラストプレート及び電気接点要素67の間に保持された基板22とスラストプレート66とを含む基板ホルダアセンブリ2450のある部分に対して回転運動を与える。ヘッド回転モータ2706は、コントローラ222の作用下に例えば0RPM〜2500RPMの範囲内の出力回転を生ずる形式のものでよい。
【0122】
流体遮蔽体2720は、必須ではなく、また、使用された場合には、基板ホルダアセンブリ2450の周辺周りに且つ好ましくは基板ホルダアセンブリ2450から離間して、配置し得る。流体遮蔽体は、他の隣接機器に関する基板ホルダアセンブリ2450の遠心回転により基板又は基板ホルダアセンブリから除去し得る電解質溶液又はその他の物質を収容する。
【0123】
浸漬時の基板傾斜の流体効果
メッキの均一性を改善する技術の一つは、基板上のシード層に接触し得るエアバブル又はポケットの形成を制限することを含んでいる。本システムは、電解質溶液内への基板の浸漬中に電解質溶液と基板との間にエアバブル又はエアブリッジが捕捉されるのを制限する。電解質溶液中のエアバブル又はエアブリッジは、堆積層のピッチング(点食)、変色、変形及び不均一性を生じさせることになる。十分な時間があると、エアバブル又はエアブリッジは、電解質溶液中の金属イオンが基板上に堆積するのを制限し、従って、基板上にボイドを生成させる。
【0124】
基板及び/又は基板ホルダアセンブリによりエアバブルが捕捉される機会を最小にする技術の一つは、基板を電解質溶液中に浸漬させているときに、基板/基板ホルダアセンブリを水平から傾斜させることである。電解質溶液の非常に薄い境界層が基板とそこに形成されたシード層とを被覆する。基板近くにあるエアバブルは、基板が水平からある角度で傾斜して電解質溶液中に配置されているので、境界層に沿って上向きに流れる。エアバブルが基板のどの部分とも接触することなく境界層に沿って流れる傾向は、傾斜角度が大きくなると増大する。
【0125】
図34及び図35は、基板ホルダアセンブリにより保持された基板が水平に対してある角度αで電解質溶液中に浸漬されているときの諸工程の進行を示している。これらの図は、どのようにしてフィーチャが電解質溶液でより完全に埋められるのか、また、どのようにしてフィーチャ内のエアバブルがフィーチャからより完全に除去されるのかを図解している。基板22は、装着スライド2460に沿ったリフトガイド2466の下向き変位によって、図25に示すように電解質溶液中に降下される。基板22が電解質溶液中に浸漬されるメカニズムを説明するために、電解質溶液の液面レベルは、図34に示したレベル3402から図35に示したレベル3402’へと、矢印3406で示すような方向に基板に関して上向きに動きつつあると考えることにする。バイア、トレンチ、電気接点等のようなフィーチャ3410の例が基板の表面に形成されている。通常、最近の半導体処理におけるかかるフィーチャの幅は、ミクロン単位で測定される。
【0126】
基板の傾斜角αが0度より大きいとき、基板22を横切る電解質溶液の“流れ”は、基板22上のシード層に交差するメニスカス3004の移動により促進される。メニスカス3004は、隣接する固体材料の表面に接する液体の上向き凸面である。このメニスカスは表面張力により生ずる。例えば、メニスカスは、水の入ったグラスにおいて、水面が水の入ったグラスに触れるときに形成される。メニスカス3004は、基板が電解質溶液に浸漬されるときに、フィーチャ内からのエアバブルの移動を向上させる。傾斜角αが増すと、表面張力により形成されるメニスカスは、その押しのけ作用により、基板上のフィーチャ3410内からエアバブル及びエアポケットをより効果的に移動させることができる。メニスカスに関連した表面張力は、電解質溶液をそのフィールド(field)に沿って引っ張るように働き、従って、電解質溶液が矢印34で示したようにレベル3402から上昇するときに基板の傾斜角αが水平からある角度を付けられている場合、基板のフィールド表面3410に含まれたエアバブル又はエアポケットを移動させる。
【0127】
電解質溶液のレベルが図34におけるレベル3402から図35に示したレベル3402’へと上昇するにつれて、メニスカス3404は、フィーチャの下方レベル3412よりも上に上昇する。表面張力は、フィーチャ3410を電解質溶液で埋めるのに用いられる重要なメカニズムである。表面張力がなければ、電解質溶液のレベルがフィーチャ3410の最高開口点3416まで上がったときに、電解質溶液のレベルは、点線3418で示すように水平に延びるであろう。また、表面張力がなければ、エアバブルは点線3418の上方にあるスペースに形成されるであろう。実際には、メニスカスがフィーチャの開口を通り上方に移動するときに、表面張力により電解質溶液がフィーチャの中に引き込まれる。表面張力に関係した流体分子引力により電解質溶液が“引っ張られ”て、3402”で示した上方限界までフィーチャを完全に埋める。その際、電解質溶液のメニスカスはエアを移動させ、エアがフィーチャ内に捕捉されることはない。電解質溶液は、傾斜角αが0〜90度の範囲内で増すにつれて、より迅速にフィーチャ内に引き込まれる。エアが電解質溶液によって迅速に押しのけられる理由は、傾斜角αが増すと、特に傾斜角αが45度を超えると、捕捉されるエア、即ちライン3418よりも上方のエアの体積が減少することにある。
【0128】
基板の浸漬される傾斜角αが大きな傾斜角よりも小さければ小さいほど、例えば、45度よりも大きい角度と比較して水平から45度よりも小さければ小さいほど、電解質溶液がフィーチャに含まれたエアバブルを押しのけるのに必要な時間が長くなる。例えば、基板ホルダアセンブリの電気接点要素と基板とは協働して逆凹形の領域を形成している。この逆凹形の領域における捕捉エアの部分は、基板の角度が増すにつれて減少する。基板ホルダアセンブリに保持された基板が水平そのものではないが水平に近づくにつれて、基板ホルダアセンブリは、エアブリッジ及びエアバブルを効果的に除去するため、もっと遅い角速度で基板ホルダシステム14により傾斜されねばならない。この遅い傾斜角速度は、フィーチャを電解質溶液で適切に埋めるために必要である。基板ホルダシステムの実際の傾斜角速度は、電解質溶液の化学組成、基板の表面、並びに基板及び基板ホルダアセンブリの形状と表面のような考慮すべき諸事項の関数である。
【0129】
基板ホルダアセンブリ2450は、基板の起動、処理及び取出し中、基板シード層を電解質溶液に対して位置決めするよう機能する。スラストプレート66を伸張又は後退させるために圧力溜め2740に真空を作用させることを含む基板ホルダシステム14の作動、モータ2706の作動及び角速度、基板の傾斜を制御す得るピボット接手2459の位置、並びにその他の機械的変位等は、コントローラ222により制御される。金属堆積プロセス中における基板ホルダシステム14の動作過程についての一実施の形態は、図28A〜図28Hに示されている。図29に示した方法2900の一実施の形態は、図28A〜図28Hに示した動作過程を実行するコントローラ222により行われる。
【0130】
図28A〜図28Hに示した動作過程は、図29に示した方法2900と関連して考えるべきである。図28A〜図28Hの動作過程の間、概略的述べると、基板が基板ホルダアセンブリに挿入され、基板が電解質溶液中に浸漬され、基板が処理され、基板が電解質溶液から取り出され、基板が基板ホルダアセンブリから取り外される。
【0131】
図28Aと図29におけるブロック2902とは、基板ホルダシステム14が交換位置に位置決めされることを示しており、この交換位置において、基板ホルダアセンブリのスラストプレート66は、図27に示した圧力溜め2740における真空の生成により上昇位置に引っ込められている。基板ホルダシステム14は、基板22を保持している図示しないロボットブレードが基板を電気接点要素67及びスラストプレート66間に挿入するのを可能にするため、その交換位置に位置決めされている。
【0132】
図28Bと図29のブロック2904とに示すように、基板22が接点要素上に装荷されると、ロボットは、スラストプレート66及び電気接点要素67間の基板22を変位させる。次いで、スラストプレート66は、基板22を固定すべく裏側に対して付勢力を働かすために下降され、そしてメッキ表面及び接点要素の間に十分な電気接触を提供する。スラストプレートはこのような力で下降され基板を固定するが、基板を損傷させることはない。スラストプレートの下降は、圧力溜め2470内に供給される真空を減じてばねベローコネクタ2729をその設定位置へと下方に戻すことにより行われる。残りの基板22を処理している間、基板ホルダアセンブリ中のスラストプレートが図28Gに示された交換位置へ移動されるまで、スラストプレートは付勢され下降された位置に留まっている。基板を回転させることができる基板ホルダシステム14のこれらの実施の形態において、基板ホルダシステムは、基板を通る垂直軸線回りの、図28Bにある基板の角回転を開始し、図28Gまで継続する。角回転の速度は、基板が電解質溶液中に浸漬されつつあるかどうか、基板が処理を受けつつあるかどうか、又は基板が電解質溶液から取り出されつつあるかどうか、又は基板が遠心力による基板の乾燥のため回転されつつあるかに応じて、動作過程を通じて変更し得る。
【0133】
図28Cと図29のブロック2906とは、基板ホルダアセンブリ2450がヘッドリフト部2708の作動の結果として乾燥位置に移動されることを示しており、乾燥位置において、リフトガイド2466は装着スライド2460に関して下向きに並進される。乾燥位置において、基板ホルダアセンブリは基板22を電解槽12に収容された電解質溶液よりも上方に支持している。基板22は、電解質溶液中へのその浸漬に先立って、また、基板を電解質溶液から取り出してしまった後、乾燥位置に位置決めされる。基板22を乾燥位置に位置決めすることは、決まりきった作業の一部であるから、基板22は迅速に電解質溶液内に浸漬することができる。
【0134】
図28Dと図29のブロック2908とは、基板ホルダアセンブリ2450、回転アクチュエータ2464及びヘッドリフト部2708がヘッドアセンブリフレームによりピボット接手2459を中心として一体として傾斜されることを示している。片持ち式アーム用アクチュエータ2457は、基板を保持するヘッドアセンブリフレーム2410をピボット接手2459の回りに傾斜させるためにシャフト2453及び接続された片持ち式アーム2456を制御可能に作動する。図28Eに示すように、電解質溶液中へのシード層の浸漬を良くするために、基板に設けられたシード層の傾斜が行われる。
【0135】
図28Eと図29のブロック2910とは、ヘッド部に収容された基板22を乾燥位置から電解質溶液中に浸漬させることを示している。シャフト2470は、基板の浸漬中、回転されている。このシャフト回転中、リフトガイド2466は、ヘッドアセンブリ2410の下動を生じさせるために装着スライド2460に沿って下方へ並進する。同時に、ヘッドアセンブリ2410は、ピボット接手2459の回りに下向きに回転され、基板の傾斜を生ぜしめる。基板が水平から角度が付くようにする基板22の傾斜は、電解質溶液内の基板/基板ホルダの直下に捕捉されるエアバブル及びエアブリッジの発生を最小にする。このエアバブルの制限は、基板22を電解質溶液内に降下させるときに捕捉されるエアバブルの数を制限するというメニスカス3004の作用の向上から結果的に生じており、また、傾斜した基板面を横切ってエアバブルが逃げるのをより容易にする。その上、浸漬中に基板を旋回させることは、エアバブルがシード層上のある個所に付着されるようになる機会を最小にする。
【0136】
図30は、基板が基板ホルダシステム14により電解質溶液中に浸漬されつつあるときにどのようにして傾斜角αを2位置22’,22”間で変化させるかを示している。図30,31及び32における電気接点要素は、実際に基板に接触する電気接点要素の一部分を表わしている。電気接点要素のその他の部分は、図27と同様であり、表示を簡略にするため図示されていない。基板22’は角度α1で傾斜しているが、基板22”は水平から角度α2で傾斜している。基板は、より完全に電解質溶液に浸漬されるように、図28E及び図28Fにも反映されている通り図31の実施の形態において22’及び22”で示されている位置間で左側に移動する。この横方向運動は、図25の実施の形態に示された回転自在のヘッドアセンブリ2410がピボット接手2459を中心としてヒンジ状に動くときの基板ホルダアセンブリ2450の横方向変位から生じている。角度α1は角度α2よりも大きく、これは、基板が電解質溶液中により深く浸漬されるときに基板ホルダシステムが基板をより水平に近い角度に回転させることを示している。基板が電解質溶液中に下降するにつれて、電解質溶液と基板との間に形成されるメニスカス3004は、基板シード層に沿って流動する。
【0137】
図31は、電気接点要素22の垂直方向高さHを示している。基板が水平又は傾斜姿勢で浸漬されていれば、基板、電気接点要素及び電解質溶液の所定の組合せについてこの高さHが大きくなればなるほど、一般に、所定の基板の下に捕捉されているエアの体積はますます大きくなる。従って、浸漬中に基板の下にある電解質溶液に捕捉されるエアバブルの量及び体積を減じるために、高さHを制限することが望ましい。
【0138】
電解質溶液中への浸漬の際に基板及び電気接点要素67の間にエアバブル及びエアブリッジを形成することが可能である。図31にあるエアバブル3002は、基板22が電解質溶液内にあまりにも速く浸漬されるときに生じる。一方、基板22が電解質溶液内にあまりにも遅く浸漬されると、図32に示すように、エアブリッジ3102が基板22及び電気接点要素67の間に形成する。基板22が適当な速度で電解質溶液中に浸漬される場合には、エアバブル3002もエアブリッジ3102も電解質溶液内の基板22及び電気接点要素67間に形成されない。
【0139】
グラフ33に表わされた縦軸3302のdα/dtは、基板の傾斜角αが横軸3304上における基板の初期浸漬後の時間の関数として変化することを表わしている。基板が浸漬を始めるときに、基板の傾斜角αは典型的には45度であり、或いは他の実施の形態では、90度に近い。基板の傾斜角αは、片持ち式アームアクチュエータ2457がヘッドアセンブリ2410をピボット接手2459の回りに旋回させる量によって制御される。3306により表わされたdα/dtの値は、基板の周辺が最初に電解質溶液中に浸漬されてから基板の傾斜角αが水平に向かって変化する速度が速いことを示している。浸漬が継続するにつれて、傾斜角αの変化の速度は値3308で表わされるように減少される。基板は、より水平に近くなるので、電解質溶液がエアをフィーチャから押しのけることができるように、基板をより遅い速度dα/dtで電解質溶液に浸漬しなければならない。この遅い速度の期間中、メニスカス3004、即ち、電解質溶液が基板に接触する個所は、基板面上のシード層をゆっくり掃き進み、基板面内のフィーチャからエアを押しのける。メニスカスによるこの掃出し作用は、基板22及び電気接点要素67間におけるエアバブル3002又はエアブリッジ3102の形成を最小にすると共に、基板シード層上のフィーチャ内へのエアバブルの形成を制限する。好ましい速度dα/dtは、傾斜角α、電解質溶液の組成、並びに基板22及び電気接点要素67の表面のような種々のファクターの関数である。基板面の完全な浸漬後、基板は、完全に浸漬されて平行であり、電気メッキすべき位置にあるので、傾斜角αの変化率は、3310で表わされているようにゼロになる。金属膜の大部分は、この部分3310の間に基板シード層上に堆積される。重要なのは、この部分3310中のエアバブル3002又はエアブリッジ3102の効果及び形成を制限することである。
【0140】
図28Fと図29のブロック2912とに示すように、回転アクチュエータ2464及びヘッドリフト部2708は、ヘッドアセンブリフレームによりピボット接手2459の回りに一体となって全て傾けられて、処理位置に入る。ヘッド部が処理位置にある場合、基板22は、電解質溶液内で実質的に水平な位置に保持される。ヘッド部2450が基板を水平に傾けて処理位置にするときに、基板22のメッキ表面全体が電解質溶液中に浸漬されている。
【0141】
ヘッド部2450が図29のブロック2914で示すように処理位置において処理されるときに、ヘッド部2450は、メッキ表面が電解槽内に収容された電解質溶液中に浸漬される位置に基板22を支持している。接点ハウジング2765、スラストプレート66、電気接点要素67を含むヘッド部2450の諸部分は約0〜約200RPMの間、好ましくは約20〜約40RPMの間で回転される。基板22の回転は、メッキ表面全域にわたる金属イオンの均一な付着を可能にする。基板22とヘッド部2450の回転する部分とを上述のように回転させても、電解質溶液内での過大な角回転により生ずるような電解質溶液に過剰な乱れは生じない。電解質溶液及び陽極16間の反応により発生した金属イオンは、基板ホルダシステム14が処理位置にあるときに基板22のメッキ表面上に堆積する。
【0142】
図28Gと図29のブロック2916とに示すように、ヘッド部2450は次いで、基板22に対する処理が完了した後、基板ホルダシステム14により移動もしくは変位されて乾燥位置に入る。図28Fに示された処理位置と図28Gに示された乾燥位置との間の移動を可能とするため、リフトガイド2466は、装着スライド2460に関して並進移動される。加えて、ヘッドアセンブリ2410は、ピボット接手2459の回りに上向きに回転される。ヘッドアセンブリ2450が乾燥位置にあるとき、基板は約600〜約2500RPM、好適には約2000RPMで回転される。この回転は遠心力により基板22を乾燥させる効果がある。代わりに、基板22は、図4の実施の形態に示したような別の回転・すすぎ・乾燥ユニットに搬送することができる。
【0143】
図28Hと図29のブロック2918とに示すように、ヘッド部2450は次いで、リフトガイド2466が装着スライド2460に関して並進移動することによって、上昇されて交換位置に入る。ヘッド部が交換位置にあるとき、スラストプレート66は、ロボットが基板22を基板ホルダアセンブリから取り出すのに十分な量だけ上昇されている。スラストパッドの上昇に続いて、図示しない第1のロボットブレードが第1の処理済み基板を取り出すため基板22及びスラストプレート間に挿入されるのが典型的である。別のロボットブレードは、処理すべき新しい基板を電気接点要素上に入れる。その後、スラストパッドが下降されて、基板を基板ホルダアセンブリ内の所定位置に固定する。しかる後、図28A〜図28Hに記載の金属堆積プロセスが新しい基板上に対して行われる。
【0144】
上述のように、基板をその浸漬中に水平から傾斜させて電解質溶液に入れるのに使用することができる基板ホルダシステム14の一実施の形態を提供したが、浸漬の際に基板を傾斜位置に固定できる任意の装置を使用することができる。例えば、図36は、支持装着部3609、支持体3610、ピボット接手3611、回転自在のヘッドアクチュエータ2410、及び制御可能の可調節部材3602を備える基板ホルダシステム14の別の実施の形態を示している。一実施の形態において、回転自在のヘッドアクチュエータ2410は図27に記載されたように構成されている。
【0145】
支持装着部3609は、横方向軌道3650、横方向従動子3652、垂直方向軌道3654、及び垂直方向従動子3656を備えている。横方向軌道3650は、一端又は両端で、物理的に研削された表面3658に固定されている。横方向従動子3652は、締り嵌め結合、複数の従動輪、エアクッション、又は同様の滑動結合により横方向軌道3650に追随するように拘束されている。図3に示したコントローラ222により制御されるアクチュエータ3660は、横方向従動子3652を横方向軌道3650に沿って制御可能に変位させる。
【0146】
垂直方向軌道3654は、溶接、ボルト、リベット、又はその他の既知結合具により横方向従動子3652に剛性に取着されているので、垂直方向軌道3654は、横方向従動子3652の横方向運動に倣うようになっている。垂直方向従動子3656は、締り嵌め結合、複数の従動輪、エアクッション、又は同様の滑動結合により垂直方向軌道3654に追随するように拘束されている。コントローラ222により制御されるアクチュエータ3666は、垂直方向従動子3656を垂直方向軌道3650に沿って制御可能に変位させる。
【0147】
ヘッドアセンブリ2410は、ピボット接手3611により垂直方向従動子3656に枢着されている。ピボット接手3611は、ピボット接手従動輪3672と、ピボット接手駆動輪3674と、カップリングベルト3676とを含むピボットアクチュエータ3670により作動される。カップリングベルト3676は、ピボット接手駆動輪3674からの回転駆動力をピボット接手従動輪3672に伝達して、ヘッドアセンブリを図27において実線で示された傾斜位置と点線3678で示された直立位置との間に回転させる。ピボット接手駆動輪3674は、回転ステップモータ、駆動モータ、又は任意の既知形式の回転モータのようなアクチュエータにより駆動される。
【0148】
支持装着部3609はかくしてヘッドアセンブリ2410を3方向に変位させることができる。第1に、横方向軌道3650に関して横方向従動子3652を移動させることは、座標軸3620に示されたX方向にヘッドアセンブリ2410を変位させる。第2に、垂直方向軌道3654に関して垂直方向従動子3656を移動させることは、座標軸3620に示されたZ方向にヘッドアセンブリ2410を変位させる。第3に、ピボット接手従動輪3672を旋回させることは、矢印3680で指示した方向にヘッドアセンブリを傾斜させる。
【0149】
別の実施の形態において、ピボットアクチュエータ3670は、ピボット接手3611に接続された図示しないオフセットリンクと支持体3610との間に延びるピストン又は線形駆動部材により提供することができる。この構成によれば、ピストン又は線形駆動部材の線形動作は、オフセットリンクのオフセットによりピボット接手3611を中心とするヘッドアセンブリ2410の回転運動に変換される。
【0150】
支持装着部3609は、水平の向きに維持されながら、ヘッドアセンブリ2410を上昇、下降又は横方向に変位させることができる。座標軸3620により示されたX方向及びZ方向への運動を支持体3610にもたらすために、図示しないロボット装置も使用することができる。
【0151】
プロセスセル内の電解質溶液にヘッドアセンブリ2410を浸漬するため、基板は、ピボットアクチュエータ3670により傾斜角αで傾けられる。支持体3610を並進させるロボット装置の並進によってヘッドアセンブリをプロセスセルと整列するために、支持体はX方向に横に並進され得る。次いで支持体3610は、支持装着部3609の垂直方向従動子3656に設けられたアクチュエータ3666の作動により下向きに移動され、基板をプロセスセルに収容された電解質溶液に浸漬させる。ピボットアクチュエータ3670及びアクチュエータ3666の協調した動きは、ヘッドアセンブリ2410のどの部分もプロセスセルのどの部分に接触するのも制限するような方法でコントローラ222により制御される。しかる後、ヘッドアセンブリ2410は、コントローラ222の制御下に、ピボットアクチュエータ3670の変位によって水平レベル位置(α=0)に移動される。ヘッドアセンブリの水平化中、ヘッドアセンブリは、同時に、同ヘッドアセンブリ2410をX方向に変位させるアクチュエータ3666によりプロセスセルと整列される。ヘッドアセンブリは、その後、アクチュエータ3666の変位によりプロセスセルから取り出される。
【0152】
以上の記載は本発明の好適な実施の形態に向けられているが、本発明のその他の実施の形態及び更なる実施の形態も本発明の基本範囲から逸脱することなく創出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 簡略化した典型的な液溜め式メッキ装置の断面図である。
【図2】 電気化学的メッキ(ECP)システムの一実施の形態の斜視図である。
【図3】 図2のECPシステムの概略平面図である。
【図4】 すすぎ及び溶解流体入口を組み入れた回転・すすぎ・乾燥(SRD)モジュールの一実施の形態の概略斜視図である。
【図5】 図4の回転・すすぎ・乾燥(SRD)モジュールの側断面図であり、処理位置にある基板を示している。
【図6】 基板ホルダシステムを有する電気メッキ用プロセスセルの断面図である。
【図7】 電気接点要素の実施の形態の部分断面斜視図である。
【図8】 接点パッドの代替実施の形態を示す、電気接点要素の断面斜視図である。
【図9】 接点パッド及び絶縁ガスケットの代替実施の形態を示す、電気接点要素の断面斜視図である。
【図10】 絶縁ガスケットを示す、電気接点要素の断面斜視図である。
【図11】 各接点ピンを通るECPシステムを表わす電気回路の簡略化した概略図である。
【図12】 基板ホルダシステムの実施の形態の断面図である。
【図12A】 図12のブラダー領域の拡大断面図である。
【図13】 基板ホルダプレートの部分断面図である。
【図14】 マニホルドの部分断面図である。
【図15】 ブラダーの部分断面図である。
【図16】 電解質溶液システムの一実施の形態の概略図である。
【図17】 急速焼鈍し(RTA)チャンバ断面図である。
【図18】 電気接点要素の別の実施の形態の斜視図である。
【図19】 基板ホルダアセンブリの別の実施の形態の部分断面図である。
【図20】 封入型陽極の実施の形態の断面図である。
【図21】 封入型陽極の別の実施の形態の断面図である。
【図22】 封入型陽極の別の実施の形態の断面図である。
【図23】 封入型陽極の更に別の実施の形態の断面図である。
【図24】 反転ロボットが組み込まれた主フレーム搬送ロボットの概略平面図である。
【図25】 回転自在のヘッドアセンブリを有する基板ホルダシステムの代替実施の形態である。
【図26a】 脱ガス器モジュールの実施の形態の断面図である。
【図26b】 脱ガス器モジュールの実施の形態の断面図である。
【図27】 図25に示した回転自在のヘッドアセンブリの一実施の形態の断面図である。
【図28A】 基板上のシード層を電解槽内に収容された電解質溶液中に浸漬している間の基板ホルダシステムの側面図を示す一動作過程である。
【図28B】 基板上のシード層を電解槽内に収容された電解質溶液中に浸漬している間の基板ホルダシステムの側面図を示す一動作過程である。
【図28C】 基板上のシード層を電解槽内に収容された電解質溶液中に浸漬している間の基板ホルダシステムの側面図を示す一動作過程である。
【図28D】 基板上のシード層を電解槽内に収容された電解質溶液中に浸漬している間の基板ホルダシステムの側面図を示す一動作過程である。
【図28E】 基板上のシード層を電解槽内に収容された電解質溶液中に浸漬している間の基板ホルダシステムの側面図を示す一動作過程である。
【図28F】 基板上のシード層を電解槽内に収容された電解質溶液中に浸漬している間の基板ホルダシステムの側面図を示す一動作過程である。
【図28G】 基板上のシード層を電解槽内に収容された電解質溶液中に浸漬している間の基板ホルダシステムの側面図を示す一動作過程である。
【図28H】 基板上のシード層を電解槽内に収容された電解質溶液中に浸漬している間の基板ホルダシステムの側面図を示す一動作過程である。
【図29】 図28A〜図28Hに示した動作過程を遂行する際にコントローラにより実行される方法の一実施の形態である。
【図30】 基板を電解質溶液中に挿入する動作過程の側面図である。
【図31】 基板及び基板ホルダアセンブリ間にエアバブルを捕捉した浸漬基板の側面図である。
【図32】 基板及び基板ホルダアセンブリ間にエアブリッジを捕捉した浸漬基板の側面図である。
【図33】 縦軸としての基板の角度変化率対横軸としての時間の関係を表わした基板浸漬について説明する線図である。
【図34】 電解質溶液の液面が基板の持っているフィーチャのレベルよりも下方にある、電解質溶液中へ下降されつつある基板の一実施の形態を示す。
【図35】 電解質溶液の液面が基板の持っているフィーチャのレベルよりも上方まである、図34に示すような電解質溶液中への基板の下降を示す。
【図36】 基板ホルダシステムの別の実施の形態を示す。
【符号の説明】
12…電解槽、14…基板ホルダシステム、22,234,334,821…基板、222…コントローラ(多目的コンピュータ)、240,400…電気メッキ用プロセスセル、450,1900,2450…基板ホルダアセンブリ、458、2457,2458,2464,3660,3666,3670…アクチュエータ、3002…エアバブル、3004…メニスカス、3102…エアブリッジ、3410…フィーチャ。
Claims (13)
- 基板表面を電解質溶液中に浸漬するための方法であって
前記電解質溶液の上方に水平からある角度で前記基板を位置決めするステップと、及び
前記基板を前記電解質溶液中に浸漬するため前記基板を鉛直方向に変位させるステップと、を含み、
前記基板を鉛直方向に変位させるステップは、
水平からの前記角度を、減少させるステップと、
前記水平からの前記角度の減少の速度を、減少させるステップと、を含む、方法。 - 前記基板上のどの1個所ともエアバブルが接触するのを制限するために、前記基板は、浸漬中、回転され、当該回転の回転軸は、前記基板表面と垂直である、請求項1に記載の方法。
- 前記水平からの前記角度の減少の速度を減少させるステップは、前記角度が所定の角度になったときに、前記水平からの前記角度の減少の速度を減少させるステップを含む、請求項1または2に記載の方法。
- 基板の電解質溶液中への浸漬を制御する方法であって、
前記電解質溶液の上方に水平からある角度で前記基板を位置決めするステップと、及び
前記基板を前記電解質溶液中に鉛直方向に変位させるステップと、を含み、
前記基板を鉛直方向に変位させるステップは、
水平からの前記角度を、減少させるステップと、
前記水平からの前記角度の減少の速度を、減少させるステップと、を含む、方法。 - 前記基板上のどの1個所ともエアバブルが接触するのを制限するために前記基板は回転され、当該回転の回転軸は、前記基板表面に対して垂直である、請求項4に記載の方法。
- 前記水平からの前記角度の減少の速度を減少させるステップは、前記角度が所定の角度になったときに、前記水平からの前記角度の減少の速度を減少させるステップを含む、請求項4または5に記載の方法。
- ソフトウエアルーチンを格納したコンピュータ読取り可能媒体であって、前記ソフトウエアルーチンは、実行されたときに、請求項4から6のいずれか1項に記載の方法を多目的コンピュータに実行させる、コンピュータ読取り可能媒体。
- 基板を電解質溶液中に浸漬するための方法であって、
前記電解質溶液の上方に水平からある角度で前記基板を位置決めすること、
電解槽内に前記電解質溶液を維持するステップと、及び
前記基板を前記電解質溶液中に浸漬するため前記基板を鉛直方向に変位させるステップと、を含み、
前記浸漬中、前記基板上のシード層の少なくとも一部が前記電解質溶液と接触しており、
前記基板を鉛直方向に変位させるステップは、
水平からの前記角度を、減少させるステップと、
前記水平からの前記角度の減少の速度を、減少させるステップと、を含む、方法。 - 前記水平からの前記角度の減少の速度を減少させるステップは、前記角度が所定の角度になったときに、前記水平からの前記角度の減少の速度を減少させるステップを含む、請求項8に記載の方法。
- 電気メッキのための装置であって、
電解質溶液を収容した電解槽と、
実質的に水平な位置又は傾斜位置のどちらかに基板を保持するように構成された基板ホルダアセンブリと、
前記基板ホルダアセンブリをX方向、Z方向に変位させると共に、前記基板ホルダを傾斜させるように構成されたアクチュエータと、を含み、
前記アクチュエータは、前記基板を鉛直方向に変位させ、前記基板を傾斜位置に傾斜させて前記電解槽中に浸漬させるように構成されており、かつ、前記基板が前記電解質溶液中へ浸漬されるときに、前記基板の傾斜角度が減少するように構成されており、
前記傾斜角度の減少の速度は、前記基板が前記電解質溶液中に浸漬される間に、減少する、装置。 - 前記アクチュエータは、前記基板が前記電解槽中に浸漬された後、前記基板をその傾斜位置から実質的に水平な位置に傾斜させるように構成されている請求項10に記載の装置。
- 前記傾斜角度の減少の速度は、前記傾斜角度が所定の角度になったときに、減少する、請求項10または11に記載の装置。
- 前記電解質溶液にはエアバブルが含まれており、前記エアバブルは、前記基板が前記電解槽中に鉛直方向に浸漬されるときに、前記基板上のどの1個所とも接触を維持することを制限されている請求項10に記載の装置。
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