电镀系统及与电镀处理器一起使用的补充器的制作方法

本实用新型的领域是用于使用惰性电极和离子补充器进行电镀的装置和方法。

背景技术：

制造半导体集成电路和其它微型装置通常需要在晶片或其它基板上形成多个金属层。通过结合其它步骤电镀金属层，产生形成微型装置的图案化金属层。

在电镀处理器中执行电镀，其中晶片的装置侧在容器中的液体电解液浴中，并且接触环上的电接触件接触晶片表面上的导电种晶层。使电流穿过电解液和导电层。电解液中的金属离子析出(plate out)到晶片上，从而在晶片上产生金属层。

电镀处理器通常具有自耗阳极，这对于浴稳定性和拥有成本是有益的。举例来说，在电镀铜时通常使用铜自耗阳极。离开电镀浴以在晶片上形成镀铜层的铜离子由离开阳极的铜离子补充，以此维持电镀浴中的铜离子浓度。与更换电解液浴相比，维持浴中的金属离子浓度是成本有效的方法。然而，使用自耗阳极需要相对复杂和成本高昂的设计以允许周期性地更换自耗阳极。如果通过腔室的顶部更换阳极，那么电场成形硬件被扰乱(disturb)，从而需要重新检验腔室的性能。如果从腔室的底部更换阳极，为了容易地移除腔室的下部区段并添加可靠的密封件，那么给腔室主体增加额外的复杂性。

当为了避免电解液降解或自耗阳极在闲置状态操作期间氧化以及出于其它原因，而将自耗阳极与隔膜(例如阳离子隔膜)组合时，甚至增加了更多的复杂性。阳离子隔膜允许一些金属离子通过，这降低补充系统的效率并且可能需要额外的隔室和电解液以补偿通过阳离子隔膜的金属离子的损失。

已经提议使用惰性阳极的电镀处理器作为使用自耗阳极的替代方案。惰性阳极处理器可以减少复杂性、成本和维护。然而，使用惰性阳极已经导致其它 缺点，尤其涉及以与自耗阳极相比成本有效的方式维持金属离子浓度，和在惰性阳极处产生可能导致晶片上的缺陷的气体。因此，仍然存在提供惰性阳极电镀处理器的工程学挑战。

技术实现要素：

一种电镀系统包含：处理器，所述处理器具有电镀容器，所述电镀容器含有第一处理器隔室和第二处理器隔室，所述第二处理器隔室含有阳极电解液，并且所述第一处理器隔室含有阴极电解液，所述阳极电解液由处理器阴离子隔膜与所述阴极电解液分离，并且所述阴极电解液包括金属离子；至少一个惰性阳极，所述惰性阳极与所述第二处理器隔室中的阳极电解液接触；头部，所述头部用于固持晶片，所述晶片具有与所述阴极电解液接触的导电种晶层；接触环，所述接触环具有用于与所述导电种晶层进行电接触的电接触件，并且所述接触环在所述头部上；和补充器，所述补充器包括：第一补充器隔室，经由第一供应线和返回线与所述第一处理器隔室连接，所述第一补充器隔室含有所述阴极电解液和块体金属；第二补充器隔室，经由第二供应线和返回线与所述第二处理器隔室连接，所述第二补充器隔室含有所述阳极电解液和惰性阴极；补充器阴离子隔膜，所述补充器阴离子隔膜将所述第一补充器隔室中的所述阴极电解液与所述第二补充器隔室中的所述阳极电解液分离。

在所述系统中，所述惰性阴极包含包铂丝网或面板。

在所述系统中，所述处理器阴离子隔膜水平且所述补充器阴离子隔膜垂直。

在所述系统中，所述块体金属包含铜且所述阴离子包含硫酸根。

在所述系统中，所述补充器仅具有所述第一补充器隔室和所述第二补充器隔室。

在所述系统中，所述补充器仅容纳所述阴极电解液和所述阳极电解液，并且不容纳其它电解液。

所述系统进一步包括在所述补充器中的支持所述补充器阴离子隔膜的流筛网。其中，所述补充器阴离子隔膜嵌入在所述流筛网中。

在所述系统中，所述块体金属在所述第一补充器隔室的侧壁上的固持件中。

在所述系统中，所述流筛网接触所述固持件和所述惰性阴极。

在所述系统中，所述处理器阴离子隔膜和所述补充器阴离子隔膜包含相同 的隔膜材料。

一种电镀系统包含：处理器，所述处理器具有至少一个电镀容器，所述电镀容器具有含有阴极电解液的第一处理器隔室和含有阳极电解液的第二处理器隔室，所述阳极电解液由实质上水平的处理器阴离子隔膜与所述阴极电解液分离，所述阴极电解液包括金属离子；至少一个惰性阳极，所述惰性阳极与所述第二处理器隔室中的阳极电解液接触；头部，所述头部用于固持实质上水平的晶片，所述晶片具有与所述阴极电解液接触的导电种晶层；接触环，所述接触环具有用于与所述导电种晶层进行电接触的电接触件，并且所述接触环在所述头部上；第一电源，所述第一电源与所述至少一个惰性阳极连接，并且与所述导电种晶层连接；和补充器，所述补充器包括：第一补充器隔室，经由第一供应线和返回线与所述第一处理器隔室连接，所述第一补充器隔室含有所述阴极电解液和固持暴露于所述阴极电解液的块体金属的固持件；第二补充器隔室，经由第二供应线和返回线与所述第二处理器隔室连接，所述第二补充器隔室含有所述阳极电解液和在所述第二补充器隔室的垂直侧壁上的惰性阴极；补充器阴离子隔膜，所述补充器阴离子隔膜将所述第一补充器隔室中的所述阴极电解液与所述第二补充器隔室中的所述阳极电解液分离，并且所述补充器阴离子隔膜实质上垂直；和第二电源，所述第二电源与所述块体金属连接，并且与所述惰性阴极连接。

在所述系统中，所述补充器仅具有容纳所述阴极电解液的所述第一补充器隔室和容纳所述阳极电解液的所述第二补充器隔室，并且所述补充器不含有任何其它电解液。

所述系统进一步包括在所述补充器中的流筛网，所述补充器阴离子隔膜附接到所述流筛网。

一种用于与电镀处理器一起使用的补充器包含：第一补充器隔室，所述第一补充器隔室含有第一电解液和固持暴露于所述阴极电解液的块体金属的固持件；第一供应线和返回线，所述第一供应线和返回线连接到所述第一补充器隔室中；第二补充器隔室，所述第二补充器隔室含有不同于所述第一电解液的第二电解液和在所述第二补充器隔室的垂直侧壁上的惰性阴极；第二供应线和返回线，所述第二供应线和返回线连接到所述第二补充器隔室中；补充器阴离子隔膜，所述补充器阴离子隔膜将所述第一补充器隔室中的所述第一电解液与 所述第二补充器隔室中的所述第二电解液分离，并且所述补充器阴离子隔膜实质上垂直；和第二电源，所述第二电源与所述块体金属连接，并且与所述惰性阴极连接。

在一个方面中，电镀处理器具有容器，所述容器含有第一或上部处理器隔室和第二或下部处理器隔室，在所述隔室之间存在处理器阴离子隔膜。在处理器阴离子隔膜上方的上隔室中提供阴极电解液(第一电解液液体)。在处理器阴离子隔膜下方且与处理器阴离子隔膜接触的下隔室中提供阳极电解液(不同于阴极电解液的第二电解液液体)。在与阳极电解液接触的第二隔室中安置至少一个惰性阳极。头部固持与阴极电解液接触的晶片。晶片与电源的阴极连接，并且惰性阳极与阳极连接。

补充器经由阴极电解液返回线和供应线以及阳极电解液返回线和供应线与容器连接，从而使阴极电解液和阳极电解液流通经过由阴离子隔膜分离的补充器中的第一和第二补充器隔室。补充器通过将离子从块体金属源(诸如铜丸)移动到第一补充器隔室中的阴极电解液中来向阴极电解液中添加金属离子。同时，阴离子(诸如在电镀铜情况下的硫酸盐离子)通过阴离子隔膜从第二补充器隔室中的阳极电解液移动到第一补充器隔室中的阴极电解液中。在处理器中的阴极电解液中的离子浓度和阳极电解液中的离子浓度保持平衡。

附图说明

图1是使用惰性阳极的电镀处理系统的示意图。

图2是在图1中所示的系统的操作期间发生的离子类传输的图。

图3是用于在图1中所示的系统中使用的替代补充器的示意图。

具体实施方式

在图1中，电镀处理器20具有在头部22中用于固持晶片50的转子24。晶片50处于水平或接近水平，晶片50的装置侧面朝下。转子24具有可以垂直移动的接触环30，用以将接触环30上的接触指状物35接合(engage)到晶片50的面朝下的表面上。在电镀期间，接触指状物35与负电压源连接。波纹管32可以用于密封头部22的内部部件。在电镀期间，头部中的电机28使固持在接触环30中的晶片50旋转。

电镀处理器20可以替代地具有各种其它类型的头部22。举例来说，头部22可以在晶片50被固持在夹头中的情况下操作而非直接操作晶片50，或可以在电镀期间在固持晶片静止的情况下省略转子和电机。在一些应用中，接触环上的密封件挤压晶片50的边缘，从而在处理期间使接触指状物35密封而不接触阴极电解液。

在处理期间，将头部22放置在电镀处理器20的电镀容器38上。容器38由处理器阴离子隔膜54分为在第二或下部处理器隔室52上方的第一或上部处理器隔室36。可以在处理器阴离子隔膜54下方，或者在其上方和下方提供介电材料隔膜支撑件56以更好地将处理器阴离子隔膜54固持在适当位置。

第一处理器隔室36填充有称为阴极电解液的第一电解液，阴极电解液与处理器阴离子隔膜54的顶表面接触。第二处理器隔室52填充有称为阳极电解液的第二电解液，第二处理器隔室52与处理器阴离子隔膜54的底表面接触。在下隔室52中的容器38中提供一或多个惰性阳极40。在上隔室36中提供介电材料场成形元件44以在处理期间使阴极电解液中的电场成形。靠近上隔室36的顶部的窃流(current thief)电极46与经选择以影响围绕晶片50的周边的电场的第二阴极电流源连接。

现在参考图1和图2，补充器60具有经由补充器阴离子隔膜64从第二补充器隔室66分离的第一补充器隔室62。补充器阴离子隔膜64可以是与处理器阴离子隔膜54相同的隔膜材料，尽管补充器阴离子隔膜64实质上是垂直的，而处理器阴离子隔膜54是水平或实质上水平的，即分别在垂直和水平方向的20度内。补充器阴离子隔膜64可以附接到介电材料流筛网(flow screen)90或由介电材料流筛网90支撑。

第一处理器隔室36中的阴极电解液经由供应线和返回线80和82流通经过第一补充器隔室62。第二处理器隔室52中的阳极电解液经由供应线和返回线84和86流通经过第二补充器隔室66。供应线和返回线可以与一或多个中间泵、过滤器、槽或加热器连接。可以提供槽92以容纳补充的阳极电解液和阴极电解液，从槽92而非直接从补充器60供应多个电镀处理器20。

在第一补充器隔室62中提供诸如铜丸的块体金属68的来源。块体金属68可以容纳在具有穿孔壁或经制造为开口模型(matrix)或筛网的介电材料固持件74内，以使得块体金属68被固持在适当位置同时也暴露于第一补充器隔 室62中的阴极电解液。固持件74大体上将块体金属68固持在相对较薄的层中，以增加暴露于阴极电解液的块体金属的表面积。固持件74可以附接到第一补充器隔室62的垂直侧壁，并且与补充器阴离子隔膜64相对。

在第二补充器隔室66中提供惰性阴极70。通常，惰性阴极70是金属面板或丝网，例如包铂丝网或面板。惰性阴极可以附接到第二补充器隔室66的垂直侧壁，并且与补充器阴离子隔膜64相对。块体金属68与电源72的阳极电流源电连接。惰性阴极70与电源72的阴极电流源电连接。

可以在电镀系统内成列提供多个电镀处理器20，一或多个机器人在系统中移动晶片。单个补充器60可以用于补充多个电镀处理器20中的阴极电解液。与补充器60连接的电源72与连接至处理器20的电源分离，或者与连接至处理器20的电源单独地控制。

举例来说，在用于电镀铜时，阴极电解液包括硫酸铜和水，并且块体金属68是铜丸。移动头部22以使晶片50或晶片50的装置侧与容器38的上隔室36中的阴极电解液接触。电流从惰性阳极40流动到晶片50，从而导致阴极电解液中的铜离子析出到晶片50上。惰性阳极处的水被转化成氧气和氢离子。

硫酸根离子从第一处理器隔室36中的阴极电解液移动穿过处理器阴离子隔膜54到第二处理器隔室52中的阳极电解液中。为维持阴极电解液中的铜离子浓度，使阴极电解液流通经过第一补充器隔室62。为避免硫酸根离子在阳极电解液中积聚(buildup)，使阳极电解液流通经过第二补充器隔室66。在补充器60内，电流经由电源72从块体金属流经阴极电解液、补充器阴离子隔膜64和阳极电解液到惰性阴极。来自铜丸的铜离子和来自阳极电解液的硫酸根离子被置换到阴极电解液中。因此，阴极电解液和阳极电解液中的铜离子和硫酸根离子在处理期间保持平衡。

由于惰性阴极70是垂直的，在惰性阴极70处产生的气泡倾向于上升到第二补充器隔室66的顶部并且被去除。如果有必要，那么可以暂时将补充器60从处理器20断开，或将补充器60关闭，例如出于维护目的关闭；同时随着金属离子和阴离子浓度逐渐变化，处理器继续操作。

在单个补充器60与例如10个处理器连接的情况下，补充器60的功率需求可以是至关重要的。补充器60可以经设计以最小化块体金属68与惰性阴极70之间的间隔，以减小在块体金属68与惰性阴极70之间的压降，如此又降 低补充器60的功率消耗。举例来说，对于用于300mm直径晶片的处理器20，处理器阴离子隔膜54具有标称大于300mm的直径。补充器阴离子隔膜64可以具有比处理器阴离子隔膜54的表面积大100％到300％的表面积。块体金属68与惰性阴极70之间的尺寸DD可以是例如10cm到25cm，块体金属68和/或惰性阴极70具有DD的150％到300％的高度。

在图3中所示的替代性设计中，补充器100可以具备夹(sandwich)在块体金属68与惰性阴极70之间的介电材料流筛网102，补充器阴离子隔膜64装入或嵌入在流筛网102中。在此设计中，流筛网102占据块体金属68与惰性阴极70之间的全部体积，使得在补充器60中不存在开放的阴极电解液或阳极电解液体积。流筛网102可以与块体金属68或固持件74或惰性阴极70接触，或与固持件74或惰性阴极70稍微隔开最多5mm的小间隙。流筛网102可以具有70％到95％的开放区域。可以将块体金属68、流筛网102、补充器阴离子隔膜64和惰性阴极70组合到单个整体单元中，这样可以单元的形式被快速并且容易地更换。

与其它补充技术相比，本系统和方法在处理器和在补充器中仅使用单个隔膜、单个阴极电解液和单个阳极电解液，不需要额外的中间电解液或隔室。因此，补充器仅需要两个隔室。由于阴离子隔膜防止金属离子通过，因此系统维持高水平的效率。尽管上文在关于电镀铜的实施例中进行解释，但本系统和方法也可以用于电镀其它金属。