在电镀期间横流歧管的动态调节的制作方法
本发明涉及电镀装置和电镀方法。具体地说，本发明涉及在半导体衬底上电镀金属层期间改善电解液的流体动力学。
本发明的实施方式涉及用于在电镀期间控制电解液流体动力学的方法和装置。更具体地，在本发明中描述的方法和装置对于在半导体晶片衬底上镀敷金属特别有用，例如，具有小于例如约50μm的宽度的小的微凸起特征(例如，铜、镍、锡和锡合金焊料)以及铜穿硅通孔(tsv)特征的贯穿抗蚀剂镀敷(throughresistplating)。
背景技术：
在现代集成电路制造中电化学沉积工艺是完善的。在二十一世纪早期从铝到铜金属线互连的转变驱动对于日益复杂的电镀工艺和电镀工具的需求。大多复杂工艺响应于在设备金属化层中更小的载流线的需要而演变。这些铜线以通常称为“镶嵌”的处理的方法(预钝化金属化)通过电镀金属到非常窄的、高深宽比的沟槽和通孔中形成。
电化学沉积现在正准备满足对复杂的封装和多芯片互连技术的商业需求，公知的复杂的封装和多芯片互连技术通常并通俗地称为晶片级封装(wlp)以及穿硅通孔(tsv)电气连接技术。部分由于通常较大的特征尺寸(相比于前端制程(feol)互连)和高深宽比，这些技术提出对它们自身的非常显著的挑战。
相比于镶嵌应用，这些技术涉及以显著更大的尺寸规模电镀。根据封装特征的类型和应用(例如，通过芯片连接tsv，互连再分配布线，或芯片到板或芯片焊接，例如倒装芯片柱)，在目前的技术中的电镀特征通常大于约2μm，并且典型地为约5-300μm(例如，铜柱可以是约50μm)。对于诸如电源总线之类的一些芯片上结构，待镀特征可以大于300μm。wlp特征的深宽比通常为约1：1(高度比宽度)或更低，而tsv结构可具有非常高的深宽比(例如，在约20：1附近)。
假定待沉积的材料的量相对较大，则不仅特征的大小，而且镀敷速度使wlp和tsv应用区别于镶嵌应用。对于许多wlp应用，电镀必须以至少约2微米/分钟的速率，且典型地以至少约4微米/分钟的速率来填充，并且对于一些应用，以至少约7微米/分钟的速率来填充。在这些相对较高的电镀速率方案中，在电解液中金属离子到电镀面的有效质量传输是重要的。
相对于电沉积层的均匀性而言，较高的电镀速率存在挑战，即，电镀必须以高度均匀的方式进行。
技术实现要素：
本文提供了用于改善电镀期间电解液流体动力学和用于改善电镀均匀性的方法、装置和系统。使用半导体衬底上的电镀作为示例来描述实施方式，但是本发明不受限于此。在一些实施方式中，电解液的改善的流体动力学和改善的质量传递通过增加紧邻衬底表面的电解液的横流的速度来实现。在一些实施方式中，电解液在平行于衬底的电镀面的方向上的速度跨过衬底的中心至少为约50cm/秒。这可以通过同时产生横流(例如，通过从装置的选定方位角位置进行侧向电解液注入)以及通过密封靠近衬底的横流经由阻挡可能导致横流速度减小的电解液出口来实现。在以下文献中描述了用于创建跨越衬底中心的横流的装置和方法：于2014年8月5日公布的，名称为“controlofelectrolytehydrodynamicsforefficientelectrolytetransferduringelectroplating”，作为发明人署名的mayer等人的共同拥有的美国专利no.8,795,480；于2013年11月28日公开的，名称为“crossflowmanifoldforelectroplatingapparatus”的，作为发明人署名的abraham等人的美国专利申请公开no.2013/0313123，以及于2016年5月20日提交的，名称为“dynamicmodulationofcrossflowmanifoldduringelectroplating,”的，作为发明人署名的graham等人的美国专利申请no.15/161,081，这些文件的全部内容通过引用并入本文。应当理解，这些参考文献中描述的装置可以被修改以密封如本文所述的横流。
本文中的各种实施方式利用定位在衬底附近的有沟道的板，创建在底部通过有沟道的板限定，在顶部通过衬底和衬底保持器限定，并且在侧面通过横流限制环限定的横流歧管。在电镀期间，流体穿过有沟道的板中的沟道向上进入横流歧管以及穿过位于横流限制环的一侧上的横流侧入口横向进入横流歧管。流动路径在横流歧管中组合并且在与横流入口相对的横流出口处出来。通过将可压缩的密封构件定位在衬底保持器和横流限制环之间来将横流歧管(至少部分地)密封，从而防止电解液通过与横流入口相对定位的专用出口以外的路径排出横流歧管。歧管内的横流的密封导致横流中电解液的速度增大。
在本发明的实施方式的一个方面，提供了一种电镀装置，该装置包括：(a)电镀室，其被配置成在将金属电镀到基本上平坦的衬底上时容纳电解液和阳极；(b)衬底保持器，其配置成保持基本上平坦的衬底，使得在电镀期间所述衬底的电镀面与所述阳极分隔开；(c)离子阻性元件，其包括与所述衬底的所述电镀面分隔开约10毫米或约10毫米以下的间隙的朝向衬底的表面，所述间隙形成在所述离子阻性元件和所述衬底之间的横流歧管；其中在电镀期间所述离子阻性元件与所述衬底的所述电镀面是至少共同延伸的，并且其中所述离子阻性元件适于在电镀期间提供通过所述离子阻性元件的离子运输；(d)通向所述横流歧管的侧入口，其用于将电解液引入所述横流歧管；(e)通向所述横流歧管的侧出口，其用于接收在所述横流歧管中流动的电解液，其中所述侧入口和所述侧出口在电镀期间被定位成接近于所述衬底的所述电镀面上的方位角相对的周边位置，并且其中所述侧入口和所述侧出口适于在所述横流歧管中产生横向流动的电解液；和(f)密封构件，其用于将与所述侧出口不同的通向所述横流歧管的一个或多个出口完全或部分地密封。
在一些实施方式中，所述装置还可以包括流限制元件，其周向地定位在所述横流歧管内在所述离子阻性元件和所述衬底保持器之间。所述装置还可以包括在所述衬底保持器的表面和所述流限制元件的表面之间的泄漏间隙，其中所述密封构件构造成当所述衬底保持器足够靠近所述流限制元件时密封所述泄漏间隙。例如，所述密封构件可以密封所述泄漏间隙的至少约75％。在另一实施方式中，所述密封构件密封所述泄漏间隙的约100％。
在某些实施方案中，所述侧出口可以在所述流限制元件内形成。在一些这样的情况下，所述侧出口可以包括在所述流限制元件内的排放区域，所述排放区域跨越靠近所述衬底周边的介于约20度和120度之间的范围。
所述密封构件可以具有具体的特性，或者由特定的材料制成。在一些情况下，所述密封构件包括可压缩材料。在一些这样的情况下，所述密封构件可以包括含氟聚合物弹性体。所述含氟聚合物可以包含介于约65％和约70％之间的氟。所述密封构件可以固定地或可松脱地附接到所述衬底保持器。在一些其他的情况下，所述密封构件可以固定地或可松脱地附接到所述流限制元件。在还有的其他的情况下，所述密封构件可以固定地或可松脱地附接到不同于所述衬底保持器和所述流限制元件的支架上。
当所述密封件接合时，所述装置可以被视为处于密封状态。当所述密封件未接合时，所述装置可以被视为处于未密封状态。所述装置还可以包括控制器，所述控制器包括用于在电镀期间在所述密封状态和所述未密封状态之间间歇地切换的可执行指令。所述控制器还可以包括用于在所述装置处于所述未密封状态时旋转所述衬底的可执行指令。在一些情况下，所述控制器可以包括用于相比于在所述装置处于所述密封状态时，在所述装置处于所述未密封状态时向所述衬底施加减小的电流的可执行指令。在其他情况下，所述控制器可以包括用于相比于在所述装置处于所述密封状态时，在所述装置处于所述未密封状态时向所述衬底施加增大的电流的可执行指令。在还有的其他情况下，所述控制器可以包括用于在所述装置处于所述密封状态时向所述衬底施加电流以及在所述装置处于所述未密封状态时不向所述衬底施加电流的可执行指令。
在所公开的实施方式的进一步的方面，提供了一种用于在衬底上进行电镀的方法，所述方法包括：(a)将基本平坦的衬底接收在衬底保持器内，其中使所述衬底的电镀面暴露，并且其中所述衬底保持器构造成在电镀期间保持所述衬底，使得所述衬底的所述电镀面与阳极分隔开；(b)将所述衬底浸渍在电解液中，其中，在所述衬底的所述电镀面和离子阻性元件的上表面之间形成约10毫米或10毫米以下的间隙，所述间隙形成横流歧管，其中所述离子阻性元件与所述衬底的所述电镀面是至少共同延伸的，并且其中所述离子阻性元件适于在电镀期间提供通过所述离子阻性元件的离子运输；(c)使电解液按以下路径流动与在所述衬底保持器内的所述衬底接触：(i)从侧入口流入所述横流歧管，并流出侧出口，并且任选地(ii)从所述离子阻性元件下方，流动通过所述离子阻性元件，到达所述横流歧管内，并流出所述侧出口，其中，所述侧入口和所述侧出口被定位成接近于在所述衬底的所述电镀面上的方位角相对的周边位置，其中所述侧入口和所述侧出口被设计或构造成在电镀期间在所述横流歧管中产生横向流动的电解液，并且其中在电镀的至少一部分期间，密封构件将与所述侧出口不同的通向所述横流歧管的一个或多个出口完全或部分地密封；以及(d)如(c)一样在使所述电解液流动时将材料电镀到所述衬底的所述电镀面上。
在多种实施方式中，当所述密封构件接合时，所述横流歧管处于密封状态，并且当所述密封构件未接合时，所述横流歧管处于未密封状态。在某些实施方案中，在(d)中的电镀材料可以包括：(i)当所述横流歧管处于所述未密封状态时，在旋转所述衬底的同时，电镀材料，(ii)在使所述密封构件接合以密封所述横流歧管的同时，电镀材料，(iii)当所述横流歧管处于所述密封状态时，在保持所述衬底不旋转(rotationallystationary)的同时，电镀材料，以及(iv)在使所述密封构件脱开以不密封所述横流歧管的同时，电镀材料。所述电镀可以在(i)-(iv)期间连续地进行三次。在一些这样的情况下，操作(i)-(iv)在所述衬底上的电镀期间至少执行三次。在某些实施方式中，所述横流歧管处于密封状态持续超过总电镀时间的一半。在一些情况下，在(d)中的电镀材料可以包括：(i)当所述横流歧管处于所述密封状态时，在保持所述衬底不旋转的同时，向所述衬底施加第一电流，以及(ii)(a)不向衬底施加电流，或(b)当所述横流歧管处于所述未密封状态时，在旋转所述衬底的同时，施加不同于第一电流的电流。
根据另一方面，一种用于电镀的装置包括电镀槽和控制器。该控制器包括用于进行本发明提供的任何电镀方法的程序指令。
根据另一方面，本发明提供了一种包括电镀装置和步进器的系统。
根据另一方面，提供了一种非暂时性计算机机器可读介质，其包括用于控制所述装置的可执行程序指令。所述指令包括用于处理本发明提供的方法的代码。
具体而言，本发明的一些方面可以阐述如下：
1.一种电镀装置，其包括：
(a)电镀室，其被配置成在将金属电镀到基本上平坦的衬底上时容纳电解液和阳极；
(b)衬底保持器，其配置成保持基本上平坦的衬底，使得在电镀期间所述衬底的电镀面与所述阳极分隔开；
(c)离子阻性元件，其包括与所述衬底的所述电镀面分隔开约10毫米或约10毫米以下的间隙的朝向衬底的表面，所述间隙形成在所述离子阻性元件和所述衬底之间的横流歧管，
其中在电镀期间所述离子阻性元件与所述衬底的所述电镀面是至少共同延伸的，并且其中所述离子阻性元件适于在电镀期间提供通过所述离子阻性元件的离子运输；
(d)通向所述横流歧管的侧入口，其用于将电解液引入所述横流歧管；
(e)通向所述横流歧管的侧出口，其用于接收在所述横流歧管中流动的电解液，
其中所述侧入口和所述侧出口在电镀期间被定位成接近于所述衬底的所述电镀面上的方位角相对的周边位置，并且其中所述侧入口和所述侧出口适于在所述横流歧管中产生横向流动的电解液；和
(f)密封构件，其用于将与所述侧出口不同的通向所述横流歧管的一个或多个出口完全或部分地密封。
2.根据条款1所述的装置，其还包括流限制元件，其周向地定位在所述横流歧管内在所述离子阻性元件和所述衬底保持器之间。
3.根据条款2所述的装置，其还包括在所述衬底保持器的表面和所述流限制元件的表面之间的泄漏间隙，其中所述密封构件构造成当所述衬底保持器足够靠近所述流限制元件时密封所述泄漏间隙。
4.根据条款3所述的装置，其中所述密封构件密封所述泄漏间隙的至少约75％。
5.根据条款4所述的装置，其中所述密封构件密封所述泄漏间隙的约100％。
6.根据条款2所述的装置，其中所述侧出口在所述流限制元件内形成。
7.根据条款6所述的装置，其中所述侧出口包括在所述流限制元件内的排放区域，所述排放区域跨越靠近所述衬底周边的介于约20度和120度之间的范围。
8.根据条款1-7中任一项所述的装置，其中所述密封构件包括可压缩材料。
9.根据条款8所述的装置，其中所述密封构件包括含氟聚合物弹性体。
10.根据条款9所述的装置，其中所述含氟聚合物弹性体包含介于约65％和约70％之间的氟。
11.根据条款1-7中任一项所述的装置，其中所述密封构件固定地或可松脱地附接到所述衬底保持器。
12.根据条款2-7中任一项所述的装置，其中所述密封构件固定地或可松脱地附接到所述流限制元件。
13.根据条款2-7中任一项所述的装置，其中所述密封构件固定地或可松脱地附接到不同于所述衬底保持器和所述流限制元件的支架上。
14.根据条款1-7中任一项所述的装置，其中当所述密封件接合时，所述装置处于密封状态，并且当所述密封件未接合时，所述装置处于未密封状态，所述装置还包括控制器，所述控制器包括用于在电镀期间在所述密封状态和所述未密封状态之间间歇地切换的可执行指令。
15.根据条款14所述的装置，其中所述控制器还包括用于在所述装置处于所述未密封状态时旋转所述衬底的可执行指令。
16.根据条款15所述的装置，其中，所述控制器还包括用于在所述装置处于所述密封状态时不旋转所述衬底的可执行指令。
17.一种用于在衬底上进行电镀的方法，所述方法包括：
(a)将基本平坦的衬底接收在衬底保持器内，其中使所述衬底的电镀面暴露，并且其中所述衬底保持器构造成在电镀期间保持所述衬底，使得所述衬底的所述电镀面与阳极分隔开；
(b)将所述衬底浸渍在电解液中，其中，在所述衬底的所述电镀面和离子阻性元件的上表面之间形成约10毫米或10毫米以下的间隙，所述间隙形成横流歧管，其中所述离子阻性元件与所述衬底的所述电镀面是至少共同延伸的，并且其中所述离子阻性元件适于在电镀期间提供通过所述离子阻性元件的离子运输；
(c)使电解液按以下路径流动与在所述衬底保持器内的所述衬底接触
(i)从侧入口流入所述横流歧管，并流出侧出口，并且任选地(ii)从所述离子阻性元件下方，流动通过所述离子阻性元件，到达所述横流歧管内，并流出所述侧出口，其中，所述侧入口和所述侧出口被定位成接近于在所述衬底的所述电镀面上的方位角相对的周边位置，其中所述侧入口和所述侧出口被设计或构造成在电镀期间在所述横流歧管中产生横向流动的电解液，并且其中在电镀的至少一部分期间，密封构件将与所述侧出口不同的通向所述横流歧管的一个或多个出口完全或部分地密封；以及
(d)如(c)一样在使所述电解液流动时将材料电镀到所述衬底的所述电镀面上。
18.根据条款17所述的方法，其中当所述密封构件接合时，所述横流歧管处于密封状态，并且当所述密封构件未接合时，所述横流歧管处于未密封状态，其中，在(d)中的电镀材料包括：
(i)当所述横流歧管处于所述未密封状态时，在旋转所述衬底的同时，电镀材料，
(ii)在使所述密封构件接合以密封所述横流歧管的同时，电镀材料，
(iii)当所述横流歧管处于所述密封状态时，在保持所述衬底不旋转的同时，电镀材料，以及
(iv)在使所述密封构件脱开以不密封所述横流歧管的同时，电镀材料。
19.根据条款18所述的方法，其中在(d)中的电镀材料的操作(i)-(iv)在所述衬底上的电镀期间至少执行三次。
20.根据条款18或19所述的方法，其中所述横流歧管处于密封状态，持续超过总电镀时间的一半。
21.根据条款17所述的方法，其中当所述密封构件接合时，所述横流歧管处于密封状态，并且当所述密封构件未接合时，所述横流歧管处于未密封状态，其中，在(d)中的电镀材料包括
(i)当所述横流歧管处于所述密封状态时，在保持所述衬底不旋转的同时，向所述衬底施加第一电流，以及
(ii)(a)不向所述衬底施加电流，或(b)当所述横流歧管处于所述未密封状态时，在旋转所述衬底的同时，施加不同于所述第一电流的电流。
这些和其它特征将在下面参照相关附图描述。
附图说明
图1a示出了用于电化学处理半导体晶片衬底的保持和定位装置的透视图。
图1b示出了包括锥和杯体的衬底保持组件的一部分的横截面图。
图1c示出了可以在实施本发明的实施方式中使用的电镀槽的简化视图。
图1d-1g示出了可用于增强跨越衬底的面的横流的多种电镀装置的实施方式，以及当实施本发明的实施方式时实现的流动力学的俯视图。
图2根据本发明所公开的某些实施方式示出了电镀装置典型地存在于阴极室中的各部分的分解图。
图3a根据本发明的某些实施方式示出了横流侧入口和周围的硬件的特写图。
图3b根据本发明公开的某些实施方式示出了横流侧出口、cirp歧管入口和周围的硬件的特写图。
图4示出了在图3a-3b中所示的电镀装置的各个部分的横截面图。
图5根据某些实施方式示出了分成6个单独的部分的横流喷射歧管和喷头。
图6根据本发明的某些实施方式示出了特别聚焦于横流的入口侧上的cirp和相关的硬件的俯视图。
图7根据所公开的多种实施方式示出了cirp和相关的硬件的简化俯视图，示出了横流歧管的进口侧和出口侧。
图8a-8b根据某些实施方式示出了横流入口区域的初始(8a)的和修改后(8b)的设计。
图9示出了部分地通过流限制环覆盖并由框架支撑的cirp的一种实施方式。
图10a示出了其中不使用侧入口的cirp和流限制环的简化俯视图。
图10b根据本发明所公开的多种实施方式示出了cirp、流限制环，以及横流侧入口的简化俯视图。
图11a-11b分别示出了通过图10a-10b所示的装置的横流歧管的横流。
图12a-12b分别是针对图10a-10b中所示的装置的示出电镀期间水平横流速率与晶片位置的关系的示意图。
图13a和13b呈现了显示凸起高度与衬底上的径向位置的关系的实验结果，示出了在有关衬底的外周附近低镀敷速率的问题。
图14a描绘了电镀装置的一部分的横截面图。
图14b示出了有关流通过图14a所描绘的装置的建模结果。
图15描绘了有关剪切流速与衬底上的径向位置的关系的建模结果以及有关凸起高度与衬底上的径向位置的关系的实验结果，其显示出在衬底的外周附近的具有较低程度的电镀。
图16a和16b示出了有关裸芯片内厚度的非均匀性(图16a)以及在衬底的不同径向位置的光致抗蚀剂的厚度(图16b)的实验结果。
图17a和17b描绘了根据其中使用边缘流元件的一种实施方式的电镀装置的横截面图。
图18a-18c根据多种实施方式说明了三种类型的用于安装边缘流元件在电镀装置上的连接件配置。
图18d呈现描述在图18a-18c中所示的边缘流元件的某些特征的图表。
图19a-19e示出了用于调节在电镀装置中的边缘流元件的方法。
图20a-20c根据多种实施方式示出了可以使用的若干类型的边缘流元件，其中一些是方位角不对称的。
图21示出了根据其中使用边缘流元件和顶部流插入件的某些实施方式的电镀装置的横截面图。
图22a和22b示出了其中具有凹槽的有通道的离子阻性板(cirp)，边缘流元件被安装到所述凹槽中。
图22c和22d描绘了描述针对各种垫片厚度的邻近衬底的边缘的流速的建模结果。
图23a和23b呈现了根据某些实施方式所述的涉及具有边缘流元件的电镀装置的建模结果，所述边缘流元件具有斜坡形状。
图24a、24b和25呈现了根据某些实施方式所述的涉及具有边缘流元件的电镀装置的建模结果，所述边缘流元件包括不同类型的流旁通通路。
图26a-26d示出了边缘流元件的几个例子，每一个在其中都具有流旁通通路。
图27a-27c描绘了用于产生在图28-30中所示的结果的实验装置。
图28-30呈现了针对有关图27a-27c所描述的实验装置的有关镀敷凸起高度(图28和30)或裸芯片内厚度非均匀性(图29)与在衬底上的径向位置的关系的实验结果。
图31a-31d涉及与其中在电镀过程中横流歧管的高度被调节的实施方式有关的建模结果。
图31e呈现了比较在电镀期间使用静态或经调节的横流歧管高度时获得的凸起形状的实验结果。
32a-32c涉及到电镀过程中横流歧管高度是均匀的或经调节的情况的实验结果。
图33a示出了上面具有一系列直线型突起的通道离子阻性元件。
图33b描绘了上面具有直线型突起的通道离子阻性元件的一部分的特写视图。
图33c示出了根据某些实施方式的可用于沟道离子阻性元件上的突起的多种横截面形状。
图33d示出了在某些实施方案中可以存在于突起上的多个切口。
图33e示出了具有类似于图33a的上面具有一系列直线型突起的通道离子阻性元件，其图示出了在电镀期间当横流歧管的高度被调节时突起会如何优先地引导电解液。
图34a描绘了上面具有凸起的衬底，其示出凸起高度的裸芯片内(withindie，wid)不均匀性的构思。
图34b示出了在光致抗蚀剂中形成的具有分布不均匀的特征的衬底，其导致通向特征的电流分布不均匀。
图34c示出了衬底保持器和流限制元件之间的泄漏间隙。
图34d-f示出了其中在泄漏间隙中设置密封构件的实施方式。
图35提供了描述将材料电镀到衬底上的方法的流程图，其涉及间歇地密封和未密封横流歧管以及间歇地旋转衬底。
图36a和36b示出了比较在不旋转时密封横流歧管中电镀衬底的情况(图36a)与在旋转时使用间歇密封的横流歧管电镀衬底的情况的实验结果。
图36c提供了示出与在电镀期间间歇地密封和未密封的横流歧管的实施方式相关的计算建模结果的图表，其中当横流歧管未密封时衬底旋转。
图36d是描述用于创建图36c所示的建模结果的参数的表格。
图36e是示出与在电镀期间间歇地密封和未密封的横流歧管的实施方式相关的计算建模结果的图表，其中当横流歧管未密封时衬底旋转。
图36f提供了与不同示例性电镀工艺的wid不均匀性相关的实验结果。
具体实施方式
在本申请中，术语验结果。封和密封和的流程图，衬底”、“晶片衬底”和“部分制造的集成电路”可互换使用。本领域的普通技术人员将理解，术语“部分制造的集成电路”可以指的是在其上集成电路制造的许多阶段中的任何阶段过程中的硅晶片。下面的详细描述假设本发明是在晶片上实现的。通常情况下，半导体晶片的直径为200、300或450毫米。然而，本发明并不受此限制。工件可以具有各种形状、尺寸和材料。除了半导体晶片以外，可利用本发明的优点的其他工件包括各种物品，如印刷电路板和类似物。
在以下的描述中，阐述了许多具体细节，以便提供对所呈现的实施方式的透彻理解。所公开的实施方式可以在没有这些具体细节中的某些或所有的情况下实施。在其它实施例中，公知的处理操作未被详细描述，以避免不必要地使本方明的实施方式不清楚。虽然本发明的实施方式将结合特定实施方式进行描述，但应理解它并不意在限制本发明的实施方式。
本文提供的方法和装置可以用于在各种衬底上的电镀，包括在wlp、tsv和镶嵌衬底上的电镀。可以对各种金属和金属合金进行电镀，包括但不限于对铜、锡、银、锡-银合金、镍、金、铟和钴进行电镀。在典型的电镀工艺中，含有暴露的导电籽晶层的晶片衬底被阴极偏置，并与含有正被镀敷的金属的离子的电镀液接触。离子在籽晶层的表面电化学还原以形成金属层。作为实施例，将使用贯穿抗蚀剂电镀来说明本发明的各种实施方式，但是本发明不受限于此。
本发明的实施方式包括配置成在电镀期间控制电解液流体力学以便获得高度均匀的镀层的电镀装置以及包括在电镀期间控制电解液流体力学以便获得高度均匀的镀层的方法。在具体的实施方案中，所公开的实施方式采用产生冲击流(朝向或垂直于工件表面的流)与剪切流(有时称为直横流”或具有平行于工件表面的速度的流)的组合的方法和装置。
一种实施方式是包括以下特征的电镀装置：(a)电镀室，其配置为在电镀金属到衬底上时容纳电解液和阳极，该衬底基本上是平坦的；(b)衬底保持器，其配置成保持该衬底以便使在电镀期间衬底的电镀面与阳极分隔开；(c)有沟道的离子阻性元件，其包括基本上平行于衬底的电镀面并且在电镀期间与衬底的电镀面分隔开的面向衬底的表面，有沟道的离子阻性元件包含多个非连通通道，其中非连通通道使得在电镀期间电解液能运输通过元件；(d)限定在衬底的电镀面和有沟道的离子阻性元件的面向衬底的表面之间的横流歧管，所述横流歧管具有可在电镀过程中被动态控制的高度；(e)用于产生和/或施加剪切力(横流)至在衬底的电镀面处在横流歧管内流动的电解液的机构；及(f)用于促进在邻近衬底/衬底保持器界面处、在衬底的外周附近的剪切流的可选机构。虽然晶片基本上是平坦的，但它典型地也具有一个或多个微型沟槽，并且其表面可以具有被掩蔽而不受电解液暴露影响的一个或多个部分。在各种实施方式中，该装置还包括在使电镀槽中的电解液沿衬底的电镀面的方向流动时用于旋转所述衬底和/或有沟道的离子阻性元件的机构。在某些实施方案中，该装置可以包括密封件，该密封件被配置为防止电解液在位于横流歧管的指定出口以外的其他位置离开横流歧管，该指定出口定位成在方位角上与位于横流歧管的入口相对。
在这里描述的许多情况下，横流歧管具有可在电镀期间被动态控制的高度。由于横流歧管限定在衬底和cirp之间，所以可以通过改变衬底和cirp的相对位置来控制横流歧管的高度。在某些情况下，在cirp相对固定的同时，直接控制衬底的位置。在其他情况下，当衬底相对固定时，直接控制cirp(或者自身或与电镀装置的其它部分一起)的位置。在其他情况下，可以直接控制衬底和cirp两者的位置。通过使用可以在电镀过程中改变高度的横流歧管，可以使某些电镀非均匀性最小化，如本文进一步讨论的那样。
在一些这样的实施方式中，当衬底保持器处于最低点时，可以在衬底保持器的底表面和位于衬底保持器下方的元件(例如，流限制元件、cirp等)的上表面之间设置密封件。例如，密封件可以防止电解液从位于衬底保持器的底部和流限制元件的顶部之间的装置泄漏出来。在多个实施方式中，该装置可以在密封位置(当衬底保持器的位置处于其最低处，并且横流歧管的高度处于最小值时)和未密封位置(当衬底保持器升高时，并且横流歧管的高度相对较大时)之间循环。当该装置处于未密封位置时，可以旋转衬底。在这些或其他情况下，当衬底处于密封位置时，也可以旋转衬底。横流的周期性密封可以增大通过衬底表面的横向流动的电解液的体积和速度，从而提供改善的镀敷均匀性。
在某些实现方式中，用于施加横流的机构是具有在有沟道的离子阻性元件的外周上或邻近有沟道的离子阻性元件的外周处的例如适当的流引导和分配装置的入口。入口沿着有沟道的离子阻性元件的朝向衬底的表面引导横流的阴极电解液。入口是方位角不对称的，部分沿着(following)有沟道的离子阻性元件的外周，并具有一个或多个间隙，且在电镀期间限定在有沟道的离子阻性元件与基本上平坦的衬底之间的横流喷射歧管。可选地提供其他元件以用于与横流喷射歧管协调地工作。这些可以包括横流喷射流分配喷头和横流限制环，结合附图在下面进一步描述它们。
在某些实施方式中，用于促进在衬底的外周附近的剪切流的可选机构是边缘流元件。在一些情况下，边缘流元件可以是有沟道的离子阻性板或衬底保持器的组成部分。在其他情况下，边缘流元件可以是与有沟道的离子阻性板或衬底保持器的接口的单独的部件。在其中边缘流元件是单独的部件的一些情况下，可单独地提供各种不同形状的边缘流元件，以允许衬底的边缘附近的流分布针对给定的应用被调节。在各种情况下，边缘流元件可以是方位角不对称的。下面描述有关可选的边缘流元件的另外的详细信息。边缘流动元件当与具有在电镀过程中可以主动控制的动态高度的横流歧管结合使用时，可能特别有助于消除某些电镀不均匀性。
在一些实施方式中，该装置被配置为在电镀期间使在朝向或垂直于衬底电镀面的方向上的电解液的流能产生离开有沟道的离子阻性元件的孔的至少约3厘米/秒的平均流率(例如，至少约5厘米/秒或至少约10厘米/秒)。在一些实施方式中，该装置被配置成在产生约3厘米/秒或更大(如约5厘米/秒或更大，约10厘米/秒或更大，约15厘米/秒或更大，或约20厘米/秒或更大)的跨越衬底的电镀面的中心点的平均横向电解液速率的条件下操作。在某些实施方式中，这些流率(例如，离开离子阻性元件的孔的流率和跨越衬底的电镀面的流率)适合于采用约20l/min的整体电解液流率和约12英寸直径的衬底的电镀槽。本文的实施方式可以用多种衬底尺寸来实施。在一些情况下，衬底的直径为约200毫米、约300毫米、或约450毫米。另外，本文的实施方式可以以各种各样的总体流率来实施。在某些实现方式中，总体电解液流率为介于约1-60升/分钟之间，介于约6-60升/分钟之间，介于约5-25升/分钟之间，或介于约15-25升/分钟之间。电镀期间获得的流率可受到某些硬件约束(诸如使用的泵的尺寸和容量)的限制。本领域的技术人员会理解，当公开的技术用较大的泵来实施时，本发明引用的流率可以是较高的。
在一些实施方式中，电镀装置包含分隔开的阳极和阴极室，其中在两个室中的每个室存在不同的电解液组合物、电解液循环，和/或流体力学。离子渗透膜可用于抑制在这些室之间的一种或多种组分的直接对流运输(通过流的质量运动)，并保持这些室之间的期望的分隔。膜可以阻挡大部分电解液流，并在允许离子(如阳离子)的运输时阻止某些物质(如有机添加剂)的运输。在一些实施方式中，膜包含杜邦公司的nafiontm或相关的离子选择性聚合物。在其他情况下，膜不包括离子交换材料，而是包括微多孔材料。通常，在阴极室中的电解液被称为“阴极电解液”，而在阳极室中的电解液被称为“阳极电解液”。通常，阳极电解液和阴极电解液具有不同的组合物，阳极电解液含有很少的电镀添加剂(例如，促进剂、抑制剂和/或均衡剂)或不含有电镀添加剂，阴极电解液含有显著浓度的这样的添加剂。在两个室之间金属离子和酸的浓度也经常不同。含有分隔的阳极室的电镀装置的例子在2000年11月3日提交的美国专利no.6527920[代理人案卷novlp007]；2002年8月27日提交的美国专利no.6821407[代理人案卷novlp048]，以及，2009年12月17日提交的美国专利no.8262871[代理人案卷novlp308]中被描述，其每一个全部内容通过引用并入本文。
在一些实施方式中，阳极膜不必包括离子交换材料。在一些实施方式中，所述膜由微孔材料制成，诸如通过马萨诸塞州威尔明顿的kochmembrane制造的聚醚砜。这种膜类型最显著地适用于惰性阳极应用，诸如锡-银电镀和金电镀，也可以因此被用于可溶性阳极应用，如镍电镀。
在某些实施方式中，并且如在本发明的其它地方更全面地描述的，阴极电解液被注入歧管区域，以下称为“cirp歧管区域”，其中电解液被馈送、累积，然后被基本上均匀分配并穿过cirp的各非连通通道直接朝向晶片表面。
在以下的讨论中，当涉及所公开的实施方式的“顶部”和“底部”特征(或类似术语，如“上部”特征和“下部”特征等)或元件时，术语“顶部”和“底部”为方便起见被简单地使用，并且所述术语仅代表本发明的参照或实施方式的单个结构。其它配置是可能的，如在其中顶部部件和底部部件相对于重力反转和/或顶部部件和底部部件成为左侧部件和右侧部件或右侧部件和左侧部件的那些配置。
尽管本发明描述的一些方面可以在各种类型的电镀装置中使用，但为简单和清楚起见，大多数的实施例将涉及晶片面朝下，“喷泉式(fountain)”电镀装置。在这样的装置中，要电镀的工件(在本发明的实施方式中典型地为半导体晶片)通常具有大致水平的定向(可能在某些情况下，针对整个电镀过程的一部分或在整个电镀过程期间从真水平改变某些度数)并且可以被供电以在电镀期间旋转，从而产生通常垂直向上的电解液对流模式。从晶片的中心到边缘的冲击流质量的整合，以及旋转的晶片在它的边缘相对于它的中心的固有较高角速率，产生径向增大的剪切(晶片平行)流速率。喷泉式电镀类槽/装置的部件的一个实例是由加利福尼亚州圣何塞市的novellussystem公司生产并可从该公司获得的
待镀衬底通常是平坦或基本上平坦的。如所使用的，具有如沟槽、通孔、光致抗蚀剂图案等特征的衬底被认为是基本上平坦的。通常，这些特征在微观尺度上，但是不一定总是如此。在许多实施方式中，衬底的表面的一个或多个部分可以被掩蔽而不暴露于电解液。
图1a和1b的以下描述提供了总体上非限制性背景以有助于理解所描述的装置和方法。图1a提供了用于电化学处理半导体晶片的晶片保持和定位装置100的透视图。装置100包括晶片啮合部件(在本文中有时称为“翻盖”部件)。实际的翻盖包括杯体102和锥体103，使压强能施加到晶片和密封件之间，从而保证晶片在所述杯体中。
杯体102由支杆104支承，支杆104被连接到顶板105。组件(102-105)，统称为组件101，经由主轴106由电动机107驱动。电动机107连接到安装托架109。主轴106传递扭矩到晶片(在该图中未示出)，以允许在电镀期间转动。主轴106内的气缸(未示出)还提供杯体和锥体103之间的垂直力以产生杯体内容纳的晶片和密封部件(唇形密封件)之间的密封。为了讨论的目的，包括部件102-109的组件统称为晶片保持器111。然而，注意“晶片保持器”的概念通常延伸到啮合晶片并允许其移动和定位的部件的各种组合和子组合。
倾斜组件包括第一板115，第一板115可滑动地连接到第二板117，倾斜组件被连接到安装托架109。驱动缸113分别在枢轴接头119和121连接到板115和板117。因而，驱动缸113提供用于使板115(并因此晶片保持器111)滑动穿过板117的力。晶片保持器111的远端(例如安装托架109)沿着弧形路径(未示出)移动，弧形路径限定板115和117之间的接触区域，并且因此晶片保持器111(即杯体和锥体组件)的近端朝虚拟枢轴倾斜。这使得晶片能成角度进入镀浴。
经由另一个致动器(未示出)将整个装置100竖直向上抬升或向下下降以将晶片保持器111的近端浸入镀液。该致动器(和相关的升降运动)提供了一种可能的机构，以控制衬底和cirp之间的横流歧管的高度。针对此目的，可以使用能将晶片保持器111(或其支撑实际晶片的任何部分)朝向/远离cirp移动的任何类似的机构。图1a所示的装置100提供了一种双部件定位机构，该双部件定位机构使得晶片能沿垂直于电解液的轨迹垂直运动且能偏离水平方向(平行于电解液表面)倾斜运动(成角度的晶片浸没能力)。装置100的运动能力和相关联的硬件的更详细描述在2001年5月31日提交的，2003年4月22日授权的，美国专利6551487[代理人案卷novlp022]中被描述，其全部内容通过引用并入本文。
注意，装置100典型地与具有容纳阳极(例如，铜阳极或非金属惰性阳极)和电解液的电镀室的特定电镀槽一起使用。电镀槽还可以包括用于循环电解液通过电镀槽-并抵靠被电镀的工件的管道或管道连接件。它还可以包括设计成在阳极隔室和阴极隔室中保持不同的电解液化学物质的膜或其他分隔器。在一种实施方式中，一个膜被用来定义阳极室，所述阳极室容纳基本上不含抑制剂、促进剂或其它有机电镀添加剂的电解液，或者在另一种实施方式中，其中阳极电解液和阴极电解液的无机电镀组合物是实质上不同的。也可以任选地提供通过物理手段(例如，直接泵送，其包括阀，或溢出槽)将阳极电解液输送到阴极电解液或传输到主镀液的装置。
以下描述提供翻盖的杯体和锥体组件的更多细节。图1b示出了横截面形式的组件100的部分101，其包括锥体103和杯体102。注意该图并不意味着是杯体和锥体组件的真实描绘，而是为了讨论的目的的程式化描绘。杯体102经由支柱104由顶板105支撑，支柱104经由螺钉108连接。通常，杯体102提供上面搁置晶片145的支撑件。杯体102包括开口，来自电镀槽的电解液可以通过所述开口接触晶片。注意晶片145具有正面142，在所述正面142进行电镀。晶片145的外周搁置在杯体102上。锥体103向下压在晶片的背面以在电镀期间将晶片保持在适当位置。
为了装载晶片到101，锥体103经由主轴106从其描绘的位置抬升直到锥体103接触顶板105为止。从这个位置，在杯体和锥体之间产生间隙，晶片145可插入所述间隙，从而装入杯体中。然后如所描绘的，锥体103被降低以抵靠杯体102的外周啮合晶片，并配合沿晶片的外周在径向方向上超出唇形密封件143的成组的电触点(在图1b中未示出)。
主轴106传输用于使锥体103啮合晶片145的垂直力和用于旋转组件101的转矩两者。这些传输的力由图1b中的箭头所示。注意通常在晶片旋转(如由图1b的顶部的虚线箭头表示)时进行晶片电镀。
杯体102具有可压缩唇形密封件143，从而当锥体103啮合晶片145时形成流体密封。来自锥体和晶片的垂直力压缩唇形密封件143，以形成流体密封。唇形密封件防止电解液接触晶片145的背面(其中它可以引入诸如铜或锡离子之类的污染物质直接进入硅)并防止电解液接触装置101的灵敏元件。还可以存在位于杯体和晶片的界面之间的密封件，所述密封件形成流体密封的密封件，以进一步保护晶片145(未示出)的背面。
锥体103还包括密封件149。如图所示，当锥体103的边缘和杯体的上部区域啮合时，密封件149位于锥体103的边缘和杯体的上部区域附近。这还保护晶片145的背面避免可能从杯体上方进入翻盖的任何电解液。密封件149可被固定到锥体或杯体，并可以是单个密封件或多部件密封件。
当电镀开始时，锥体103被抬升到杯体102上方，并将晶片145引入到组件102。当晶片最初被引入杯体102时-通常通过机械臂-晶片145的正面142轻轻靠在唇形密封件143上。为了有助于实现均匀的电镀，在电镀期间旋转组件101。在随后的附图中，组件101以较简单并与用于控制在电镀期间在晶片电镀面142上的电解液的流体力学的部件相关联的方式描绘。因而，随后是对在工件上质量传输和流体剪切力的概述。
如在图1c中所描绘的，电镀装置150包括容纳阳极160的电镀槽155。在这个例子中，电解液175通过在阳极160的开口在中央流入槽155，并且电解液穿过具有垂直定向(非交叉)的通孔的有沟道的离子阻性元件170，电解液通过所述通孔流动，然后冲击在晶片145上，晶片145在晶片保持器101中保持、通过晶片保持器101定位并移动。有沟道的离子阻性元件，如170，在晶片电镀面提供均匀的冲击流。根据本发明所描述的某些实施方式，利用该有沟道的离子阻性元件的装置被构造成促进在整个晶片的表面的高速率和高均匀性的电镀和/或以促进在整个晶片的表面的高速率和高均匀性的电镀的方式操作，包括在诸如用于wlp和tsv应用的高沉积速率方案下电镀。所描述的多种实施方式中的任何一种或全部可在镶嵌以及tsv和wlp应用的背景中实施。
图1d-1g涉及可用于激励跨越待镀衬底的表面的横流的某些技术。相对于这些附图所描述的多种技术呈现激励横流的替代方案。因此，在本文附图中描述的某些元件是可选的，并且不是存在于所有实施方式中。
在一些实施方式中，电解液流端口被配置成单独地或与如本文描述的流成形板和分流器组合地促进横流。下面描述关于流成形板和分流器的组合的多种实施方式，但本发明并不受限于此。注意，在某些实施方式中，认为跨越晶片表面的电解液流矢量的大小在排气孔或间隙的附近较大，并且跨越晶片表面逐渐变小，在伪室的离排气孔或间隙最远的内部最小。如图1d所描绘的，通过使用适当配置的电解液流端口，这些横流矢量的大小跨越晶片表面更均匀。
一些实施方式包括构造成用于结合流成形板和分流器组件增强横流的电解液入口流端口。图1e描绘了用于电镀铜到晶片145上的电镀装置725的部件的横截面，所述晶片145通过晶片保持器101被保持、定位和旋转。装置725包括电镀槽155，电镀槽155是双室槽，具有阳极室，所述阳极室具有铜阳极160和阳极电解液。阳极室和阴极室通过阳离子膜740分隔开，阳离子膜740由支撑构件735支撑。电镀装置725包括如本发明中所描述的流成形板410。如本发明中描绘的，分流器325在流成形板410的顶部上，并有助于产生横向剪切流。阴极电解液经由流端口710被引入阴极室(在膜740上方)。阴极电解液从流端口710穿过本发明所述的流板410并产生冲击流到晶片145的电镀面上。除了阴极流端口710，额外的流端口710a在其出口引入阴极电解液，所述出口在分流器325的排气口或间隙的远端的位置。在该实施例中，流端口710a的出口形成为流成形板410中的通道。功能性结果是阴极电解液流被直接导入在流板和晶片电镀面之间形成的伪室以增强跨越晶片表面的横流，由此使跨越晶片(和流板410)的流向量标准化。
图1f示出了描述流端口710a(由图1e)的流示意图。如在图1f看出，流端口710a的出口跨越分流器750的内周的90度。本领域的普通技术人员应理解，端口710a的尺寸、配置和位置可在不脱离本发明的范围的情况下变化。本领域的技术人员还应理解等效配置将包括使阴极电解液从分流器325中的端口或通道和/或组合(在流板410中的)如在图1e描绘的通道离开。其他实施方式包括在分流器的(下部)侧壁中的一个或多个端口，所述侧壁例如最靠近流成形板顶部表面的侧壁，其中该一个或多个端口位于分流器的与排放口或间隙相对的部分上。图1g示出了组装有流成形板410的分流器750，其中分流器750具有在与分流器的间隙相对处从分流器供应电解液的阴极电解液流端口710b。诸如710a和710b之类的流端口可以相对于晶片电镀面或流成形板顶表面的任何角度供应电解液。一个或多个流端口可输送冲击流到晶片表面和/或横向(剪切)流。
在一种实施方式中，例如相对于图1e-1g所描述的，如本发明中描述的流成形板结合分流器使用，其中，配置成增强横向流(如上所述)的流端口也与流成形板/分流器组件一起使用。在一种实施方式中，流成形板具有不均匀分布的孔，在一种实施方式中，具有螺旋形孔图案。
术语和流动路径
提供许多附图来进一步说明和解释本发明的实施方式。除了其他方面，附图尤其包括与公开的电镀装置相关联的结构元件和流动路径的多个附图。这些元件被给定一定的名称/标号，它们在描述图2至22a-22b中一致地使用。
下面的实施方式假定在大多数情况下电镀装置包括单独的阳极室。所描述的特征被包含在阴极室中，阴极室包括将阳极室与阴极室分隔开的膜框架274和膜202。可以采用任何数量的可行的阳极和阳极室配置。在以下实施方式中，包含在阴极室中的阴极电解液很大程度上位于横流歧管226或在有沟道的离子阻性板歧管208或在用于输送阴极电解液至两个单独的歧管的通道258和通道262中。
以下描述的重点大部分在于控制横流歧管226中的阴极电解液。阴极电解液通过两个单独的入口点进入横流歧管226：(1)有沟道的离子阻性板206的通道和(2)横流起始结构250。经由cirp206中的通道到达横流歧管226的阴极电解液被引导朝向工件的表面，典型地，沿基本上垂直的方向被引导。这种通道输送的阴极电解液可以形成冲击在工件的表面上的小射流，所述工件相对于有沟道的板通常旋转缓慢(例如，约1至30rmp)。相反，经由横流起始结构250到达横流歧管226的阴极电解液被基本上平行于工件的表面引导。
如上述讨论所指出的，为了使电场成形和控制电解液的流动特性，在电镀期间“有沟道的离子阻性板”206(或“有沟道的离子阻性元件”或“cirp”)被定位在工作电极(晶片或衬底)和对电极(阳极)之间。本发明中的各附图显示了有沟道的离子阻性板206相对于所公开的装置的其它结构特征的相对位置。这样的离子阻性元件206的一个例子在2008年11月7日提交的美国专利no.8308931[代理人案卷novlp299]中被描述，其全部内容之前通过引用并入本文。本发明所描述的有沟道的离子阻性板适合于改善晶片表面上的径向电镀均匀性，晶片表面如那些含有相对低的导电率或那些含有非常薄的阻性籽晶层的晶片表面。有沟道的元件的某些实施方式的其它方面描述如下。
“膜框架”274(在其他文件中有时被称为阳极膜)是在一些实施方式中采用的结构元件，以支撑将阴极室与阳极室分隔的膜202。它可具有有关本发明公开的某些实施方式的其他特征。具体地，参照附图的实施方式，它可以包括用于输送阴极电解液朝向横流歧管226的流通道258和262，以及配置成输送横流阴极电解液至横流歧管226的喷头242。膜框架274也可含有槽堰壁282，槽堰壁282用于确定和调节阴极电解液的最上部的水平。本发明的各个附图描绘了在与所公开的横流装置相关联的其他结构特征的背景下的膜框架274。
参照图2，膜框架274是用于保持膜202的刚性结构，膜202通常是负责将阳极室从阴极室分隔的离子交换膜。如所解释的，阳极室可包含第一组合物的电解液，而阴极室含有第二组合物的电解液。膜框架274也可以包括多个流体调节杆270(有时被称为流限制元件)，流体调节杆270可以用于帮助控制输送到有沟道的离子阻性元件206的流体。膜框架274定义阴极室的最底部分和阳极室的最上部分。所描述的部件全部都位于阳极室和阳极室膜202上方的电化学电镀槽的工件侧。它们都可以被看作是阴极室的一部分。然而，应该理解的是，横流注入装置的某些实施方式不采用分隔的阳极室，因此膜框架274不是必需的。
通常位于工件和膜框架274之间的是有沟道的离子阻性板206、以及横流环垫圈238和晶片横流限制环210，其每一个可以固定到有沟道的离子阻性板206。更具体地，横流环垫圈238可以直接定位在cirp206顶上，晶片横流限制环210可以被定位在横流环垫圈238上方，并固定到有沟道的离子阻性板206的顶表面，有效地夹在垫圈238之间。本发明的各附图显示相对于有沟道的离子阻性板206布置的横流限制环210。
如图2所示，本发明的最上部的相关结构特征是工件或晶片保持器。在一些实施方式中，工件保持器可以是杯体254，杯体254在锥体和杯体翻盖式设计中是通常使用的，例如在上面提到的novellussystem的
在多种实施方式中，可以设置边缘流元件(未示于图2)。可以在基本上位于有沟道的离子阻性板206的上方和/或内部并在杯体254下方的位置设置边缘流元件。在下面进一步描述边缘流元件。
图3a示出了根据本发明公开的实施方式的横流入口侧的特写横截面图。图3b示出了根据本发明的实施方式所述的横流出口侧的特写横截面图。图4示出了根据本发明的一些实施方式的显示入口侧和出口侧两者的电镀装置的横截图。在电镀处理期间，阴极电解液填充并占据膜框架274上的膜202的顶部与膜框架堰壁282之间的区域。该阴极区域可以分成三个子区域：1)在cirp206下方和(用于采用阳极室阳离子膜的设计)在分隔的阳极室阳离子膜202上方的有沟道的离子阻性板歧管区域208(该元件有时被称为下歧管区域208)，2)横流歧管区域226，其在晶片和cirp206的上表面之间，以及3)上部槽区域或“电解液容纳区域”，其在翻盖/杯体254的外部和槽堰壁282内部(槽堰壁282是膜框架274的物理部件)。当晶片不被浸渍和翻盖/杯体254不处于向下位置时，第二区域和第三区域合并成一个区域。
当工件安装在工件保持器254中时，上面的区域(2)在有沟道的离子阻性板206的顶部与工件的底部之间包含阴极电解液，并称为“横流歧管”226。在一些实施方式中，阴极电解液通过单个进入端口进入阴极室。在其他实施方式中，阴极电解液通过位于电镀槽其他位置的一个或多个端口进入阴极室。在某些情况下，存在用于槽的浴的单个入口，其在阳极室的外周并从阳极室槽壁分割出来。该入口连接到在槽和阳极室的底部的中央阴极电解液入口歧管。在本发明的某些实施方式中，主阴极电解液歧管室供料到多个阴极电解液室入口孔(例如，12个阴极电解液室入口孔)。在各种情况下，这些阴极电解液室入口孔被分成两组：馈送阴极电解液至横流喷射歧管222的第一组，以及馈送阴极电解液至cirp歧管208的第二组。图3b示出了通过通道262馈送cirp歧管208的单个入口孔的横截面。虚线表示流体流的路径。
在中央阴极入口歧管(未示出)在槽的基部处阴极电解液被分离到两个不同的流动路径或流中。该歧管通过连接到该槽的基部的单一管供料。从主阴极电解液歧管，阴极电解液的流分成两股流：12个馈送孔中的6个馈送孔，其位于该槽的一侧，导致向cirp歧管区域208供给并最终供应冲击阴极电解液流通过cirp的各个微通道。其他6个孔也从中央阴极电解液入口歧管供料，但随后通到横流喷射歧管222，该横流喷射歧管222然后供料给横流喷头的242的分配孔246(其数量可超过100)。在离开横流喷头孔246后，阴极电解液的流动方向从(a)晶片的法向方向改变成(b)平行于晶片的方向。当流冲击在入口腔250的横流限制环210中的表面并由该表面限制时，发生流的这种变化。最后，在进入横流歧管区域226时，在中央阴极电解液入口歧管中的槽的基部最初分隔的两个阴极电解液流再合在一起。
在附图中所示的实施方式中，进入阴极室的阴极电解液的一部分被直接提供给有沟道的离子阻性板歧管208并且一部分直接提供给横流喷射歧管222。阴极电解液中的至少一些并且通常但不总是全部被输送到有沟道的离子阻性板歧管208并且然后被输送到cirp下表面的全部的阴极电解液被输送穿过板206中的多个微通道并到达横流歧管226。通过有沟道的离子阻性板206中的通道进入横流歧管226的阴极电解液作为基本上垂直定向的射流进入横流歧管(在一些实施方式中，通道制造成有角度，因此它们不是完全垂直于晶片的表面，例如，射流相对于晶片表面法线的角度可高达约45度)。阴极电解液进入横流喷射歧管222的部分被直接输送到横流歧管226，其中它在晶片下方作为水平定向的横流进入。在横流阴极电解液到横流歧管226的途中，它穿过横流喷射歧管222和横流喷头板242(例如，其包含约139个具有直径为约0.048”的分配孔246)，并且然后通过横流限制环210的入口腔250的操作/几何尺寸从垂直向上的流重定向到平行于晶片表面的流。
横流和射流的绝对角度不必是水平或正好完全垂直或甚至彼此正好成90°定向。然而，在一般情况下，横流歧管226中的阴极电解液的横流基本上沿着工件表面的方向，并且从有微通道的离子阻性板206的顶表面释放出的阴极电解液的射流方向基本上流至工件的表面/垂直于工件的表面。
如所提到的，进入阴极室中的阴极电解液被分成(i)从有沟道的离子阻性板歧管208流动，通过cirp206中的通道，然后进入横流歧管226的阴极电解液，以及(ii)流入横流喷射歧管222，通过喷头242中的孔246，然后进入横流歧管226的阴极电解液。从横流喷射歧管区域222直接进入的流可以经由横流限制环进入端口(有时称为横流侧入口250)进入，平行于晶片并从槽的一侧释放出。相比之下，经由cirp206的微通道进入横流歧管区域226的流体射流从晶片下方和横流歧管226下方进入，并且喷射流体在横流歧管226内被转向(重定向)以平行于晶片并朝向横流限制环排出端口234(有时也称为横流出口或出口)流动。
在一些实施方式中，进入阴极室的流体被引导到围绕电镀槽室(通常是外周壁)的阴极室部分的外周分布的多个通道258和262。在一个具体的实施方式中，在阴极室的壁中包含12个这样的通道。
在阴极室壁上的通道可连接到膜框架中的相应的“横流馈送通道”。馈送通道262中的一些直接输送阴极电解液到有沟道的离子阻性板歧管208。如上所述，提供给该歧管的阴极电解液随后穿过有沟道的离子阻性板206的小的垂直定向的通道，并作为阴极电解液的射流进入横流歧管226。
如所提到的，在附图中所描绘的实施方式中，阴极电解液通过12个阴极电解液馈送线/管中的6个供料到“cirp歧管室”208。这些供料到cirp歧管208的6个主要的管或线262位于横流限制环的出口腔234(其中流体流出晶片下方的横流歧管区域226)下方，并与所有的横流歧管组件相对(横流喷射歧管222、喷头242和限制环入口腔250)。
如在多个附图中所示，在膜框架中的一些横流馈送通道258直接通向横流喷射歧管222(例如，12个中的6个)。这些横流馈送通道258在槽的阳极室的底部开始，然后通过膜框架274的匹配通道，然后与在有沟道的离子阻性板206的下部的相应的横流馈送通道258连接。例如，参见图3a。
在一个特定的实施方式中，存在用于直接输送阴极电解液到横流喷射歧管222然后到横流歧管226的6个单独的馈送通道258。为了在横流歧管226中产生横流，这些通道258以方位角非均匀的方式出口转入横流歧管226。具体地，它们在横流歧管226的特定侧或方位角区域进入横流歧管226。在图3a所示的特定实施方式中，用于直接输送阴极电解液至横流喷射歧管222的流体路径258在到达横流喷射歧管222之前穿过四个单独的元件：(1)在槽内的阳极室壁的专用通道，(2)膜框架274中的专用通道，(3)有沟道的离子阻性元件206(即，不是用于将阴极电解液从cirp歧管208输送到横流歧管226的1-d通道)中的专用通道，以及最后，(4)在晶片横流限制环210中的流动路径。
如所提到的，在膜框架中，流动路径的通过膜框架274并馈送横流喷射歧管222的部分被称为横流馈送通道258。流动路径的通过微沟道的离子阻性板206并馈送cirp歧管的部分被称为馈送有沟道的离子阻性板歧管208的横流馈送通道262，或cirp歧管馈送通道262。换言之，术语“横流馈送通道”包括馈送横流喷射歧管222的阴极电解液馈送通道258和馈送cirp歧管208的阴极电解液馈送通道262两者。这些流258和262之间的一个不同之处如上指出：通过cirp206的流方向最初指向晶片，然后由于晶片和横流限制环210的存在转向成平行于晶片，而来自横流喷射歧管222并离开通过横流限制环进入端口250的横流部开始基本上平行于晶片。尽管不希望受限于任何特定的模型或理论，但冲击流和平行流的这样的组合和混合被认为促进凹陷/嵌入特征内实质上改进的流渗透，从而提高质量传输。通过在晶片下方产生空间均匀的对流场并旋转晶片，每个特征以及每个裸芯片在旋转和电镀工艺期间显示出几乎相同的流模式。
有沟道的离子阻性板206内的不通过板的微通道(而是当流平行于晶片的面时进入横流歧管226)的流动路径当它穿过板206中的横流馈送通道258时在垂直向上的方向开始，然后进入在有沟道的离子阻性板206的主体内形成的横流喷射歧管222。横流喷射歧管222是方位角腔，其可以是能够从各个单独馈送通道258(例如，从单独的6个横流馈送通道中的每一个)分配流体至横流喷头板242的各种多个流分配孔246的在板206内挖出的通道。这种横流喷射歧管222沿着有沟道的离子阻性板206的外周或边缘区域的角部分定位。参见例如图3a和4-6。在一些实施方式中，横流喷射歧管222形成在板的外周区域的约90°至180°的角度上的c形结构。在一些实施方式中，横流喷射歧管222的角度范围为约120°至约170°，并且在一个更具体的实施方式中为介于约140°和150°之间。在这些或其它实施方式中，横流喷射歧管222的角度范围为至少约90°。在许多实现方式中，喷头242与横流喷射歧管222跨越大致相同的角度范围。此外，整体的入口结构250(在许多情况下其包括横流喷射歧管222、喷头242、喷头孔246和在横流限制环中的开口中的一者或多者)可跨越这些相同的角度范围。
在一些实施方式中，喷射歧管222中的横流形成有沟道的离子阻性板206内的连续流体耦合的腔。在这种情况下，供料给横流喷射歧管(例如，所有6个)的所有的横流馈送通道258进入一个连续的和连接的横流喷射歧管室。在其他实施方式中，横流喷射歧管222和/或横流喷头242被分成两个或更多个角度不同的和完全或部分分隔的部分，如图5(其显示6个分隔的部分)所示。在一些实施方式中，成角度分隔的部分的数量介于约1-12之间，或介于约4-6之间。在一个具体的实施方式中，这些角度不同的部分中的每个被流体连接到设置在有沟道的离子阻性板206中的分隔的横流馈送通道258。因此，例如，在横流喷射歧管222内可以存在六个角度不同并分隔的子区域。在某些实施方式中，横流喷射歧管222的这些不同的子区域中的每个具有相同的体积和/或相同的角度范围。
在许多情况下，阴极电解液流出横流喷射歧管222，并通过具有多个成角度的分隔的阴极电解液排出端口(孔)246的横流喷头板242。参见例如图2、图3a-3b和图6。例如，在某些实施方式中，横流喷头板242被集成到有沟道的离子阻性板206，如图6所示。在一些实施方式中，喷头板242被粘合、通过螺栓连接，或以其它方式固定到有沟道的离子阻性板206的横流喷射歧管222的顶部。在某些实施方式中，横流喷头242的顶部表面齐平或稍微高于有沟道的离子阻性板206的平面或顶部表面。以这种方式，流动通过横流喷射歧管222的阴极电解液可最初垂直向上行进通过喷头孔246，然后在横流限制环210下方横向行进，并进入横流歧管226，使得阴极电解液以基本上平行于有沟道的离子阻性板的顶面的方向进入横流歧管226。在其他实施方式中，喷头242可被定向使得流出喷头孔246的阴极电解液已经以平行于晶片的方向行进。
在一个具体实施方式中，横流喷头242具有139个成角度的分隔的阴极电解液出口孔246。更通常地，也可以采用合理地创建在横流歧管226内的均匀横流的任何数量的孔内。在一些实施方式中，在横流喷头242中存在介于约50至约300个之间的这样的阴极电解液出口孔246。在某些实施方式中，存在介于约100个与200个之间的孔。在一些实施方式中，存在约120和160个这样的孔。通常，各个端口或孔246的尺寸的直径可以为约0.020”至0.10”，更具体地从约0.03”至0.06”。
在一些实施方式中，这些孔246以角度均匀的方式(例如孔246之间的间隔由槽中心与两个相邻孔之间的固定角度来确定)沿着横流喷头242的整个角度范围布置。例如参见图3a和7。在其他实施方式中，孔246以角度非均匀的方式沿着角度范围分布。然而，在进一步的实施方式中，角度非均匀的孔分布仍然是直线型(“x”方向)均匀分布的。换句话说，在后一种情况下，孔分布使得孔如果投射到垂直于横流的方向的轴(“x”方向)上是等距地间隔开的。每个孔246定位在离槽中心相同的径向距离处，并与相邻的孔在“x”方向上间隔开相同距离。具有这些角度不均匀的孔246的有效效应在于总体横流模式是较均匀的。
在一些实施方式中，阴极电解液流出横流喷头242的方向进一步由晶片横流限制环210控制。在某些实施方式中，该环210在有沟道的离子阻性板206的全周上延伸。在一些实施方式中，横流限制环210的横截面具有l形，如图3a和4所示。在一些实施方式中，晶片横流限制环210包含一系列流引导元件，如与横流喷头242的出口孔246流体连通的定向翅片266。更具体地，定向翅片266很大程度上限定在晶片横流限制环210的上表面下方并在相邻的定向翅片266之间的隔离的流体通道。在某些情况下，定向翅片266的目的是为了将从横流喷头孔246离开的流从另外的径向向内的方向重新导向和限制成“从左到右”的流轨迹(左是横流的入口侧250，右是出口侧234)。这有助于建立基本上直线型的横流模式。离开横流喷头242的孔246的阴极电解液由定向翅片266沿通过定向翼片266的取向产生的流的流线定向。在一些实施方式中，晶片横流限制环210的所有的定向翅片266是相互平行的。此平行配置有助于建立在横流歧管226内的均匀横流方向。在各种实施方式中，晶片横流限制环210的定向翅片226沿横流歧管226的入口250和出口侧234两者布置。例如这在图7的俯视图中所示。
如所指出的，如图3b和4所示，在横流歧管226中流动的阴极电解液通常从晶片横流限制环210的入口区域250流到环210的出口侧234。一定量的阴极电解液也可能在衬底的整个周边周围泄漏。与在出口侧234离开横流歧管的阴极电解液的量相比，这种泄漏可能是最小的。在一些实施方式中，在出口侧234，存在可以平行于入口侧的定向翅片266的以及可以与在入口侧的定向翅片266对齐的多个定向翅片266。横流穿过由在出口侧234的定向翅片266产生的通道，然后最终和直接流出横流歧管226。然后流通常径向向外地进入阴极室的另一区域并越过晶片保持架254和横流限制环210，其中流体在流过堰282用于收集和再循环之前通过膜框架的上堰壁282收集并暂时保留。因此应当理解，附图(例如，图3a、3b和4)只显示进入和离开横流歧管的阴极电解液的整个通路的局部路径。需要注意的是，在图3b和4所示的实施方式中，例如，从横流歧管226流出的流体当它在上述积聚区域中积聚时不穿过小孔或类似于在入口侧的馈送通道258的背部通道，而是以通常平行于晶片的方向向外流动。
图6示出了描绘有沟道的离子阻性板206内的嵌入式横流喷射歧管222，连同喷头242和139个出口孔246的横流歧管226的俯视图。还示出了用于横流喷射歧管流的所有六个流体调节杆270。在该绘图中，没安装横流限制环210，但示出了密封在横流限制环210和cirp206的上表面之间的横流限制环密封垫238的轮廓。在图6中示出的其它元件包括横流限制环紧固件218、膜框架274、以及在cirp206的阳极侧上的螺孔278(例如，其可以用于阴极屏蔽插入件)。
在一些实施方式中，横流限制环出口234的几何形状可以调节以进一步优化横流模式。例如，其中横流模式分叉到限制环210的边缘的情况可以通过减小横流限制环出口234的外部区域的开口面积进行修正。在某些实施方式中，出口歧管234可以包括分隔的部分或端口，很像横流喷射歧管222。在一些实施方式中，出口部分的数量介于约1-12之间，或介于约4-6之间。端口沿方位角分隔，沿着出口歧管234占据不同(通常相邻)的位置。在某些情况下，通过每个端口的相对流速可以单独受控。该控制可以例如通过使用类似于相对于入口流描述的控制杆的控制杆270来实现。在另一种实施方式中，通过出口的不同部分的流可通过出口歧管的几何形状来控制。例如，在各侧边缘附近有较小开口面积以及在中心附近有较大开口面积的出口歧管将导致其中在所述出口的中央附近有较多的流流出而在出口的边缘附近有较少的流流出的溶液流模式。也可使用控制通过出口歧管234中的端口的相对流率的其他方法(例如，泵等)。
如所提到的，进入阴极室的大多数电解液通过多个通道258和262，(例如，12个单独的通道)被单独引导到横流喷射歧管222和有沟道的离子阻性板歧管208。在一些实施方式中，通过这些单独的通道258和262的流通过适当的机构彼此独立地受控。在一些实施方式中，该机构涉及用于输送流体进入单独通道的单独泵。在其他实施方式中，单个泵被用于供给主阴极歧管，可调节的各种流限制元件可以设置在馈送流动路径的一个或多个通道中，设置所述流动路径以调节各通道258和262之间的和横向流喷射歧222和cirp歧管208区域之间的和/或沿着槽的角度外围的相对流。在图中所描绘的各种实施方式中，在其中提供独立控制的通道中布置一个或多个流体调节杆270(有时也称为流控制元件)。在所描绘的实施方式中，流体调节杆270提供环形空间，其中阴极电解液在其朝向横流喷射歧管222或有沟道的离子阻性板歧管208流动时是受约束的。在完全缩回状态下，流体调节杆270对流基本上不提供阻力。在完全啮合状态下，流体调节杆270对流提供最大阻力，并且在一些实现方式中，使通过通道的所有流停止。在中间状态或位置中，杆270允许当流体流过通道的内径与流体调节杆的外径之间的受约束的环形空间时流的中间约束水平。
在一些实施方式中，流体调节杆270的调节允许电镀槽的操作者或控制者促进流到横流喷射歧管222或到有沟道的离子阻性板歧管208。在某些实施方式中，在直接输送电解液至横流喷射歧管222的通道258中流体调节杆270的独立调节允许操作者或控制者能控制流入横流歧管226的流体流的方位角分量。这些调节的效果在下面的实验部分被进一步讨论。
图8a-8b示出了横流喷射歧管222和相应的横流入口250相对于电镀杯体254的横截面图。横流入口250的位置至少部分地由横流限制环210的位置定义。具体地，入口250可以被认为是开始，在此处横流限制环210终止。注意，在初始设计的情况下，如图8a所示，限制环210终止点(和入口250开始点)在晶片的边缘下方，而在修改的设计中，如图8b所示，终止/开始点在电镀杯体下方并相比于初始设计离晶片边缘径向向外更远。另外，在早期设计的横流喷射歧管222具有在横流环腔中的台阶(其中通常向左箭头开始向上升起)，其潜在地在流体进入横流歧管区域226的地点附近形成一些不需要的湍流。在某些情况下，边缘流元件(未示出)可以存在于衬底的外周和/或有沟道的离子阻性板的外周的附近。在靠近入口250和/或靠近出口(在图8a和8b中未示出)可以存在边缘流元件。边缘流元件可被用来引导电解液到在衬底的电镀面和杯体254的边缘之间形成的拐角中，从而抵消(counteracting)否则在该区域中的相对较低的横流。
在一些实施方式中，该装置包括用于完成工艺操作的硬件和具有根据所公开的实施方案来控制工艺操作的指令的系统控制器。系统控制器通常会包括被配置为执行指令的一个或多个存储器装置和一个或多个处理器，使得该装置将执行根据所公开的实施方案所述的技术。包含用于根据所公开的实施方案控制工艺操作的指令的机器可读介质可以耦合到系统控制器。具体而言，在一些实施方式中，控制器将指定停留时间、衬底保持器的竖直移动距离、衬底保持器的最大竖直加速和减速、衬底保持器的旋转速度、旋转步进角、衬底保持器的最大加速和减速、任何组合。在一些实施方式中，用户向控制器提供期望的停留时间和最大旋转加速度，并且控制器被编程为基于存储这些值和在存储器中的其它参数的值执行整个方法序列。
在一些实施方式中，控制器是系统的一部分，该系统可以是上述实施例的一部分。这样的系统可以包括半导体处理设备，半导体处理设备包括一个或多个处理工具、一个或多个室、用于处理的一个或多个平台、和/或特定的处理部件(晶片基座、气体流系统等)。这些系统可与电子器件集成，以便在半导体晶片或衬底的处理之前、期间或之后控制这些系统的操作。电子器件可以被称为“控制器”，其可以控制一个或多个系统的各种组件或子部分。根据处理要求和/或系统的类型的不同，控制器可以被编程，以控制本发明所公开的工艺中的任何一些，包括控制电镀流体的输送、功率设置、晶片旋转、位置和操作设置、晶片的进出工具和其他转移工具和/或连接到特定系统的或与特定系统接口的负载锁的传送。
从广义上讲，控制器可以被定义为接收指令、发出指令、控制操作、使能清洁操作、使能终点测量等的具有各种集成电路、逻辑、存储器、和/或软件的电子器件。该集成电路可以包括固件形式的存储程序指令的芯片、数字信号处理器(dsp)、定义为专用集成电路(asic)的芯片和/或执行程序指令(例如，软件)的一个或多个微处理器、或微控制器。程序指令可以是以各种不同的设置(或程序文件)形式输送到控制器或系统的指令，不同的设置(或程序文件)定义用于在半导体晶片上或针对半导体晶片或向系统进行特定处理的操作参数。在一些实施方式中，所述操作参数可以是由工艺工程师定义的以完成晶片的一或多个(种)层、材料、金属、氧化物、硅、二氧化硅、表面、电路和/或裸芯片的制造过程中的一个或多个处理步骤的配方的一部分。
在一些实施方式中，控制器可以是与系统集成、耦接或者说是通过网络连接系统或它们的组合的计算机的一部分或者与该计算机耦接。例如，控制器可以在“云端”或者是晶片厂(fab)主机系统的全部或一部分，它们可以允许远程访问晶片处理。计算机可以启用对系统的远程访问以监测制造操作的当前进程，检查过去的制造操作的历史，检查多个制造操作的趋势或性能标准，以改变当前处理的参数，设置处理步骤以跟随当前的处理或者开始新的工艺。在一些示例中，远程计算机(例如，服务器)可以通过网络给系统提供工艺配方，网络可以包括本地网络或互联网。远程计算机可以包括允许输入或编程参数和/或设置的用户界面，这些参数和/或设置然后从远程计算机传输到系统。在一些示例中，控制器接收数据形式的指令，这些指令指明在一个或多个操作期间将要执行的每个处理步骤的参数。应当理解，这些参数可以针对将要执行的工艺类型以及工具类型，控制器被配置成连接或控制该工具类型。因此，如上所述，控制器可以例如通过包括一个或多个分立的控制器而分布，这些分立的控制器通过网络连接在一起并且朝着共同的目标(例如，本文所述的工艺和控制)工作。用于这些目的的分布式控制器的实例可以是与一个或多个远程集成电路(例如，在平台水平或作为远程计算机的一部分)通信的在室内的一个或多个集成电路，它们结合以控制室内的工艺。
示例性系统可以包括但不限于：等离子体蚀刻室或模块、沉积室或模块、旋转冲洗室或模块、金属电镀室或模块、清洁室或模块、倒角边缘蚀刻室或模块、物理气相沉积(pvd)室或模块、化学气相沉积(cvd)室或模块、原子层沉积(ald)室或模块、原子层蚀刻(ale)室或模块、离子注入室或模块、轨道室或模块、以及在半导体晶片的制备和/或制造中可以关联上或使用的任何其他的半导体处理系统。
如上所述，根据工具将要执行的一个或多个工艺步骤，控制器可以与一个或多个其他的工具电路或模块、其他工具组件、组合工具、其他工具界面、相邻的工具、邻接工具、位于整个工厂中的工具、主机、另一个控制器、或者将晶片的容器往来于半导体制造工厂中的工具位置和/或装载口搬运的材料搬运中使用的工具通信。
上述的装置/工艺可以结合光刻图案化工具或工艺使用，例如，用于制备或制造半导体器件、显示器、发光二极管、光伏电池板等。典型地，但不是必然地，此类工具/工艺将与普通的制造设施一起使用或执行。膜的光刻图案化通常包括以下步骤中的一些或全部，每个步骤可以使用许多可能的工具使来实施：(1)用旋涂或喷涂式工具施加光致抗蚀剂到工件上，即，衬底上；(2)使用热板或加热炉或uv固化工具固化光致抗蚀剂；(3)利用诸如晶片曝光机之类的工具将光致抗蚀剂暴露于可见光或紫外线或x射线光；(4)将抗蚀剂显影以便选择性地除去抗蚀剂，并使用诸如湿式工作台之类的工具使抗蚀剂图案化；(5)通过使用干式或等离子体辅助蚀刻工具转印抗蚀剂图案到下伏膜或工件中；以及(6)使用例如rf或微波等离子体抗蚀剂剥离器之类的工具除去抗蚀剂。
横流歧管高度的动态调节
尽管某些电镀装置已被设计成在衬底和cirp之间包括横流歧管，但是在电镀工艺期间，这种装置以前没有被实现以实施横流歧管的动态调节。当横流歧管的高度被调节时，横流歧管基本上充当泵以使流体能流入和流出该区域。
在各种实施方式中，横流歧管的高度可在电镀期间被调节。这种调节可能对横流歧管内的流体动力学条件具有显著影响。例如，增加横流歧管的高度就增加了横流歧管的体积，并且当电解液被吸入横流歧管时，可导致阴极电解液跨过衬底(通常)径向向内流动。当发生这种情况时，进入横流歧管的流体可能从衬底的整个周边的周围泄漏(即，流体不仅仅是从横流入口被抽出)。相比之下，降低横流歧管的高度就减小了该区域的体积，并且可能导致阴极电解液跨过衬底(通常)径向向外流动。当发生这种情况时，离开横流歧管的流体可以经由横流出口排出和/或其可能在衬底的整个周边的周围泄漏。通过调节横流歧管的高度，使得高度周期性地增加和减少，阴极电解液可以以导致在特征内的较大对流的方式径向向内和向外流动，并且改善特征的均匀性，特别是靠近衬底边缘的均匀性。
径向横流速度与z轴速度(横流歧管的高度变化的速度)成正比，这意味着较高的z轴速度产生较高的径向速度效应。此外，径向横流速度与衬底上的径向位置成正比，这意味着调节效应在衬底周边附近是最强的。这是特别有利的，因为调节有效地抵抗由于例如边缘厚的光致抗蚀剂而引起的边缘效应。如本文所述，通过在配备有边缘流动元件的电镀装置中实施横流歧管高度调节，可以进一步减轻这种边缘效应。边缘流动元件可以用于将电解液引导到需要更大对流的区域，由于高度调节，促进/提供相当大的程度的对流。这两个功能一起工作，以提供特别高质量、均匀的电镀结果。
此外，径向横流速度与横流歧管的高度成反比。这意味着当横流歧管具有小的高度时，调节技术是特别合适的。类似地，这意味着在没有提供横流歧管/cirp的情况下或者在这种歧管存在但是高得多的情况下，调节技术将明显地不太有用。
应注意确保衬底充分浸入电解液中，使得当横流歧管的高度增加(或达到最大值)时，在衬底的电镀面下面不会吸入气泡。在某些实施方案中，衬底可以浸入到介于约10-20mm之间的最小深度。最小浸入深度通常对应于横流歧管的最大高度。调节的距离通常介于约0.1mm至约10mm之间，例如介于约0.5mm至约5mm之间或介于约1mm至约3mm之间。该调节距离表示电镀期间横流歧管的最大高度和最小高度之间的差。调节距离在电镀过程中可以介于横流歧管的最大高度的约20％至约80％之间，在一些情况下介于约40％至约60％之间。例如，如果在电镀期间，横流歧管的最大高度为5mm，并且在电镀期间，横流歧管的最小高度为3mm，则调节距离为2mm(5mm-3mm＝2mm)，该2mm是电镀期间横流歧管的最大高度的40％(100*2mm/5mm＝40％)。
为了改变横流歧管的高度，有几个选项可用。横流歧管限定在衬底和cirp之间。因此，可以通过改变衬底、cirp或两者的位置来改变横流歧管的高度。在多个实施方式中，当cirp保持在固定平面(可选地在平面内旋转)时，主动地控制衬底的位置。可以通过衬底保持器或其一部分来控制衬底的位置。在一些其他的实施方式中，在衬底保持在固定平面(可选地在平面内旋转)的同时，可以主动地控制cirp的位置。cirp的位置可以通过使得cirp的位置能相对于衬底被控制的一个或多个致动器或其它机构来控制。在一个示例中，cirp朝向/远离衬底移动，而不移动电镀装置的其它部分，例如阳极、阴极电解液/阳极电解液分离膜等。在另一示例中，cirp通过移动电镀装置的主要部分(包括例如阳极、电镀室，阴极电解液/阳极电解液分离膜等)而朝向/远离衬底移动。
在某些实施方式中，横流歧管的高度仅在电镀过程的初始部分期间调节，例如在特征平均50％填充之前调节。当要填充的特征最深时，在电镀的初始部分期间的调节可能是最有效的。在各种其他实施方式中，在一些情况下，在整个电镀过程中，横流歧管的高度可以在更长的时间段内调节。在一些情况下，调节可以在初始衬底定位/浸没过程之后开始，其可能涉及如本文别处所述的使衬底倾斜。调节可以具有介于约1hz至约10hz之间的频率，例如介于约3hz至约8hz之间的频率。
调节可以是对称的或不对称的。通过对称调节，横流歧管的高度增大的速率与横流歧管的高度减小的速率相同。此外，增大横流歧管的高度的运动与减小横流歧管的高度的运动成镜像关系(例如，在每个方向上的运动过程中的速率变化是相同的)。使用不对称调节，这些速率和速率变化可能不同。例如，在多个实施方式中，横流歧管的高度减小的速度可以比其增大的速度快。假设通过升高/降低衬底来控制横流歧管的高度，则这意味着衬底向下移动(减小横流歧管高度)可以比衬底向上移动(增加横流歧管高度)得快。这种技术可以有助于防止气泡在衬底下被吸入，并且还可以帮助在衬底的表面上建立所需的流动图案。在其他一些情况下，横流歧管的高度增大的速度可以比其减小的速度快。这种不对称可以存在于整个调节的初始部分、调节的最后部分或整个调节中。
图31a和31b涉及一种建模模拟，其中横流歧管的高度在2mm和3mm之间被调节。换句话说，衬底的电镀面与cirp的面向衬底的表面之间的距离变化1mm，最小高度约2mm，最大高度约3mm。边缘效应不包括在建模结果中。横流歧管的高度以5hz的速率循环，并且示于图31a的上部图片。横流歧管的高度变化率(dh/dt)被建模在图31a的中间图片中。跨越衬底的平均横流速度显示在图31a的底部图片。在该模拟中，在横流歧管中不分开提供横流，平均横流速度始终为零。图31b示出了当横流歧管的高度如图31a所述被调节时，在不同的时间点，横流歧管中的模型化流动路径的俯视图。在时间t＝0时，横流歧管的高度增大，结果是当电解液被吸入到横流歧管中时电解液径向向内流动。接下来，在时间t＝0.05时，横流歧管达到3mm的最大高度，dh/dt＝0。此时，电解液既不在衬底上向内也不在衬底上向外行进。在时间t＝0.1时，横流歧管的高度减小，结果是当电解液从横流歧管推出时，电解液径向向外流动。在时间t＝0.15时，横流歧管达到2mm的最小高度，dh/dt＝0。而且，此时电解液既不向内也不向外行进。虽然在图31a和图31b中的建模结果被简化(例如，通过排除边缘效应并且假设没有提供单独的横流)，但这些结果说明了增大和减小横流歧管的高度的基本效应。
图31c和31d提供与图31a和31b所示的建模结果类似的附加建模结果。与图31c和31d相关的模拟不同于与图31a和31b相关的模拟，因为在横流歧管中单独设置一个22.5lpm的横流。因此，图31c的下部图片所示的平均横流速度随着横流歧管的高度的变化而变化。在该示例中，横流歧管的高度以约5hz的频率在2mm和3mm之间变化。在时间t＝0时，横流歧管的高度增大，电解液向内吸入。由于横流被单独提供，因此所得到的电解液流动路径不是被精确地引导径向向内。在电镀装置的入口侧附近的横流流速较大，由此引起单独提供的横流电解液。在图31b中，入口侧靠近衬底的顶部(y轴＝150)，而出口侧接近衬底的底部(y轴＝-150)。在电镀装置的出口侧附近的横流速度要小得多，其中(例如，由于横流歧管的高度/体积增大而导致)进入横流歧管的电解液在一定程度上(例如，由于单独提供的横流而导致)被排出横流歧管的电解液抵消。在时间t＝0.05时，横流歧管的高度达到最大值3mm，dh/dt＝0。此时，由于单独提供的横流，整个衬底上存在均匀的横流。在时间t＝0.1时，横流歧管的高度正在减小，电解液从该区域被推出。此时，横流的速度在出口附近比在入口附近大。在时间t＝0.15时，横流歧管的高度达到最小值2mm，dh/dt＝0。此时再次建立均匀的横流。总之，图31a-31d示出了增大和减小横流歧管的高度可以显著地影响横流歧管内的流体动力学。
图31e示出了两种不同情况下的电镀凸起的横截面形状的实验数据。在一种情况下，横流歧管是具有约2mm的高度的常规静态横流歧管。静态横流歧管高度结果以实线灰线显示，并且示出了凸起高度在一侧显著较低并且在另一侧较高。在另一种情况下，横流歧管以约5hz的频率在2mm的高度和3mm的高度之间调节。调节的横流歧管高度结果以虚线黑线示出，并且示出了凸起高度在整个凸起上相对均匀。如图31e所示，当考虑单个电镀凸起时，调节横流歧管的高度导致远远更均匀的凸起高度。相比之下，如果在电镀期间横流歧管的高度是固定的，则凸起的高度在整个凸起上变化较大。例如，在横流歧管的高度固定的各种情况下，凸起可以在靠近衬底的边缘的一侧较高，并且在靠近衬底的中心的一侧较低。在其他情况下，可能会发生其他凸起内高度不均匀性，具体取决于所用的化学性质和其他电镀参数。由于横流的电解液通过横流歧管的方向性的中心到边缘的偏置，和/或由于通常相比于朝向衬底的中心，朝向衬底的边缘的流速增大的偏心底物朝着衬底的边缘而导致可能出现这种不均匀性。
图32a-32c涉及评估在电镀过程中调节横流歧管高度的影响的实验结果。图32a涉及基准实验，其中在电镀过程中横流歧管的高度是均匀的。图32b涉及在电镀过程中调节横流歧管的高度的类似实验。相对于图32a和32b电镀的衬底包括边缘厚的光致抗蚀剂层。特别地，大部分衬底上的光致抗蚀剂的厚度约为55μm，而靠近衬底边缘的光致抗蚀剂的厚度约为73μm，这表明差异约为18μm。在没有调节横流歧管高度的常规情况下，衬底边缘附近的最小凸起高度相当低。该问题区域在图32a中以虚线圆圈示出。相比之下，如图32b所示，当在电镀期间调节横流歧管的高度时，最小凸起高度的减小显较小。这意味着在电镀期间横流歧管的高度被调节的情况下，凸起高度显著更均匀，特别是在衬底的边缘周围。
图32c提供了比较两个电镀工艺的实验结果。在一个工艺中，横流歧管的高度在电镀期间是均匀的(无高度调节)，而在第二工艺中，如本文所述调节横流歧管的高度。对于衬底上的周边区域示出了平均凸起高度。在电镀过程中调节横流歧管的高度的情况下，凸起高度明显更均匀。
密封横流歧管
在多个实施方式中，在衬底保持器的底表面和衬底保持器下面的元件的顶表面之间存在小的泄漏间隙(例如，大约0.5mm或更大)。通常在电镀期间保持该漏电间隙，以允许衬底能自由旋转。这种配置的一个缺点是在电镀期间，电解液的一部分通过泄漏间隙逸出。不幸的是，跨越衬底的电镀面的横流电解液的体积和速度低于没有这种泄漏时其将具有的体积和速度，从而导致电镀结果的一定程度的不均匀性。为了防止这种泄漏并因此增加横流电解液的体积和速度，可以在衬底保持器的底部和衬底保持器下方的元件的顶表面之间提供密封(通常但不总是流限制元件)。这种技术可以显著提高电镀特征的均匀性。
例如，在晶片衬底被电镀时流过晶片衬底(例如，在平行于衬底的电镀面的方向上流过衬底)的电镀液的速度影响以高电镀速率镀敷的wlp柱的裸芯片内不均匀性(wid不均匀性)。wid不均匀性在图34a中示出，其示出了在衬底3400上的两个裸芯片的示意性横截面图，其中在每个所示的裸芯片中存在三个不同高度的电镀凸起3401。wid不均匀性是通过求出衬底3400上的每个裸芯片中的凸起3401的高度范围(裸芯片中最高和最低的凸起3401的高度差)而得到的，并且对在衬底上的所有裸芯片取这些范围的值的一半的平均值为。
裸芯片中的凸起高度可以因在穿过抗蚀剂电镀中由不均匀的光致抗蚀剂图案驱动的不均匀的电流分布而变化。图34b示出了具有形成在光致抗蚀剂层3404中的多个凹陷特征3403的阴极偏置衬底3400的示意性横截面图，其中导电籽晶层在凹陷特征3403的底部暴露。示意图以箭头3406示出了离子电流(由电镀液中的离子驱动的电流)，箭头3406从阳极3405(在此描绘在衬底3400下方)指向阴极偏置的衬底3400。阳极3405提供恒定电流分布，而阴极(衬底3400)经历电流不均匀分布。显示出，由于光致抗蚀剂层3404内的光致抗蚀剂分布不均匀，因此不同的凹陷特征3403遇到不同量的离子电流。例如，与具有较小的光致抗蚀剂沉积物的区域(例如具有增加的光致抗蚀剂图案化/凹陷特征3403的区域)相比，在较大的光致抗蚀剂沉积物附近发生电流拥挤。例如，与特征3403b相比，凹陷特征3403a经历电流拥挤，凹陷特征3403a设置在具有相对较大的光致抗蚀剂沉积物的区域中，特征3403b设置在具有相对较小的光致抗蚀剂沉积/较大密度的凹陷特征3403的区域中。
可以通过在晶片衬底附近提供更高流速的电镀液来减轻电流的不均匀分布。在衬底保持器和流限制元件之间没有设置密封的情况下，流过横流歧管的电镀液的大部分不通过专用的出口(在与横流歧管的入口方位角相对的位置)排出。相反，电镀液的一部分通过流限制元件和衬底保持器的下部(也称为杯体)之间的环形泄漏间隙排出。电镀液的通过这种泄漏间隙的损失导致电镀液流速的降低
该问题由图34c示出，其示出了在流限制环和衬底保持器之间缺少密封的电镀装置的一部分的横截面视图。换言之，图34c示出了一种其中横向流未被密封的实施方式。图34c示出了由衬底保持器3411保持的衬底3400的一侧以及停留在离子阻性元件3409的周边区域上的流限制环3410(有时称为位于衬底3400的径向外侧的插入件)的一部分。两个箭头示出了电镀液的流动方向。指向装置中心的箭头(指向左边)表示通过入口横向注入到横流歧管3412中的电镀液的流动(未示出该流的位于该装置的方位角相对位置处的出口)。第二箭头3420(指向向上/向外)描绘了电解液流过流限制环3410的顶部与衬底保持器3411(杯体)的底部之间的泄漏间隙的逸出路线。应当理解，在所描绘的实施方式中，该泄漏间隙基本上是环形的，并且其基本上沿着衬底3400的圆周位于流限制环3410的顶部之上在衬底3400的周边附近。多达30％的总电流溶液会通过电镀期间的这种泄漏间隙而损失，从而减少流过衬底3400的电镀液的量和速度。
在本文提供的各种实施方式中，通过密封(至少部分地)除了专用电镀液出口(有时称为侧出口或交叉流出口)之外的晶片附近的任何溶液出口，减少了电镀液流动的损失)，该专用电镀液出口设置在与电镀液入口(有时称为侧入口或横流入口)的方位角相对的位置。在具体的实施方式中，衬底保持器和离子阻性元件(或位于离子阻性元件上方的任何流动成形元件)之间的泄漏间隙在电镀的至少一部分期间被密封。具体而言，在一些实施方式中，流限制环和衬底保持器的下部之间的泄漏间隙用密封构件(也称为密封件)密封，密封构件(也称为密封件)可与流限制环、衬底保持器的底部或两者附接(或成一整体)。
图34d根据本文提供的实施方式示出了具有密封的横流的装置。示出了装置的一部分的横截面图(如图34c所示)。流限制环3410和衬底保持器3411之间的泄漏间隙被密封构件3425(有时称为密封构件)阻挡，从而防止电镀液流过该泄漏间隙。在某些实施方式中，密封构件3425是可压缩密封件，其附接到衬底保持器3411或流限制环3410。
密封构件可由可压缩材料制成，该可压缩材料当被按压在两个元件(例如，衬底保持器和流限制元件的面向衬底的表面)之间时，能够紧密地密封任何间隙。密封构件材料应与电镀液的化学性质相容。例如，在一些实施方式中，该材料对酸性电解液具有化学耐受性。在一些实施方式中，优选耐酸橡胶状材料，特别优选含氟聚合物弹性体。在一些实施方案中，密封构件包括六氟丙烯(hfp)和偏二氟乙烯(vdf或vf2)的共聚物，或四氟乙烯(tfe)、偏二氟乙烯(vdf)和六氟丙烯(hfp)的三元共聚物。在一些实施方式中，含氟聚合物弹性体中的氟含量为介于约65％和70％之间。适用于密封构件的耐酸含氟聚合物弹性体材料的一个示例是可从dupontperformanceelastomers，llc.获得的
在一些实施方式中，密封构件(固定地或可松脱地)附接到衬底保持器，并且被构造成可以与衬底保持器作为整体移动。在其他实施方式中，密封构件(固定地或可松脱地)附接到流限制元件的面向衬底的表面。在其它实施方式中，密封构件可以通过不同于衬底保持器和流限制元件的支架来保持在合适位置。
用于密封衬底保持器3411和流限制环3410之间的泄漏间隙的两种不同实施方案在图34e和34f中示出，其示出了装置的相关部分的横截面图。如图34e所示，衬底保持器3411的底部已经用附着于其上的擦拭器型密封构件3425e进行了改进。密封构件3425e类似于可用于衬底保持器3411的锥形部分(未示出)中的密封件。衬底保持器3411的底部(杯体)已经被修改以容纳密封构件3425e。在另一实施方案中，密封件附接到流限制环3410的顶部。该实施方式在图34f中示出，图34f示出了附接到流限制环3410的顶部的菱形(横截面)密封构件3425f。应当理解，在所描绘的实施方式中，密封构件在它们围绕晶片衬底周边的环形间隙密封时通常具有环形结构。在多种实施方式中，可以至少密封间隙的周长的75％。在所描绘的实施方式中，密封间隙的周长的100％。
在替代的实施方式中，构造和选择衬底保持器的底部部分的材料和/或流限制元件的材料，以便在这两个元件之间形成有效的密封。在多种实施例中，密封可以是液密的。例如，可以使用可压缩橡胶状材料来制造这些元件的相关部分。在这些实施方式中，“密封构件”是衬底保持器和/或流限制结构本身。应注意，在缺少所述密封的电镀装置中，衬底保持器和流限制环由硬的不可压缩材料制成，并且当彼此挤压时将不能形成非常有效的密封。
由于衬底保持器和固定流限制结构之间的泄漏间隙的密封可以排除电镀期间晶片的旋转，因此提供了新的电镀方法。在各种实施方式中，使衬底不旋转，同时密封衬底保持器和流限制结构之间的泄漏间隙，因为这种密封旋转会导致可能不期望地沉积在衬底上的颗粒的产生。为了避免这个问题，本文描述的各种电镀方法涉及间歇性地拆封装置并且在未密封状态下旋转晶片。可以通过沿z方向抬起衬底保持器组件以使得能够旋转晶片衬底来执行该拆封。在拆封期间电镀可以停止或可以不停止。在某些实施方式中，与装置在密封位置进行电镀相比，当装置在未密封位置进行电镀时，施加到衬底的电流会减小。在另一个实施方式中，与设备在密封位置电镀时相比，当装置在未密封位置进行电镀时，施加到衬底的电流会增大。晶片的电镀面在密封位置和未密封位置都保持浸入电镀液中。晶片的旋转对于最佳均匀性是重要的，因为在提供电镀液的单向横流的同时在固定晶片上电镀将导致不均匀性增大。
这些方法在图35中提供的工艺流程图中示出。该工艺从操作3501开始，其中衬底被提供到电镀装置中，该电镀装置被配置成用于产生密封的横流环境，如本文所述。在一些实施方式中，衬底是具有暴露的光致抗蚀剂层和在该光致抗蚀剂层中的多个凹陷特征的半导体衬底，其中导电籽晶层暴露在凹陷特征的底部。将衬底固定在衬底保持器中，将衬底的电镀面浸入含有待被镀敷的金属离子的电镀液中。将衬底浸入到使得在衬底保持器和下面的结构(例如，流限制环)之间的泄漏间隙被密封的深度处。换句话说，操作3501涉及密封横流，使得横流的电解液仅能够在方位角上与入口相对的专用出口处排出横流歧管。在衬底周边的籽晶层上制造电触点，并在电镀期间衬底被阴极偏置。电镀液通过在选定的方位角位置处的入口平行于衬底的电镀面流入离子阻性元件和衬底之间的横流歧管，并通过在方位角相对的位置的专用出口排出。此外，电解液流的一部分可以通过离子阻性元件的通道进入横流歧管。
该方法继续，执行操作3503，其中衬底上的电镀金属继续，同时等待停留时间t。在各种实施方式中，衬底在操作3503期间不旋转。接下来，在操作3505，通过使衬底保持器与衬底在z方向上向上移动距离δz来破坏衬底保持器和下面的结构(例如，流限制环)之间的密封而使横流不被密封，从而使得衬底保持器中的衬底能相对于电镀槽旋转。
接下来，在操作3507，将衬底旋转θ度(旋转步进角)。操作3507中的旋转改变横流相对于衬底表面的方向，从而减少由于横流的单向性而产生的电镀不均匀性。接下来，在操作3509，通过使衬底保持器与衬底在z方向上降低距离δz来重新密封横流。
在操作3511中确定电镀工艺是否完成。如果电镀尚未完成，则该方法返回操作3503继续，其中电镀继续，同时等待另外的停留时间t。当电镀工艺完成时，该方法继续，执行操作3513，其中通过将衬底保持器升高离开电解液而将衬底从电解液中移除。
电镀在操作3501开始，并且继续通过操作3503、3505、3507、3509和3511。注意，当设备处于未密封位置时，电镀液流的一部分通过在衬底保持器和衬底保持器下面的元件(例如，流限制元件)之间的未密封的泄漏间隙而损失。然而，这种损失通过装置在密封状态下花费的时间的量来平衡，其中没有发生这种不想要的泄漏。较长的停留时间与通过未密封的泄漏间隙而损失的较小量的电镀流量和较高的平均横流速度相关联。然而，通常使用衬底的间歇旋转以在利用单向电解液横流的系统中实现最佳的均匀性。
操作3503-3511可以根据需要重复多次以完成电镀。在多个实施方式中，可以在任何步骤中的任何时间终止电镀工艺，此时衬底将从镀液中升高并继续进行电镀后处理，或者可以保留在溶液中并以常规方法执行随后的电镀步骤(密封或未密封)。换言之，当在图35中示出了操作3509之后出现的操作3511中的确定时，应理解，该确定可以在任何步骤期间进行。
在一些实施方式中，停留时间可以为10秒或更长(例如，可以使用约10秒至约20秒的时间，例如15秒的时间)，因为这些相对长的停留时间与电解液流的最佳保留(例如，超过75％的流量不会丢失)相关联。在一些实施方式中，衬底保持器通过向上移动约0.25和2mm之间的距离而移动到未密封位置。在一具体实施方式中，衬底保持器向上移动1mm，这导致约为0.5mm的在密封构件和流限制结构之间的间隙(或在密封构件和衬底保持器之间的间隙，具体取决于密封构件的位置)。0.5mm或0.5mm以上的间隙足以进行衬底的旋转。衬底移动的距离可能大于由于密封构件的可压缩性而产生的间隙。在某些情况下，旋转步进角度可以不超过180度(例如，可以使用介于30度和180度之间的角度，例如可以使用约115度的角度)。在其他实施方式中，使用较小的角度(例如，介于约5度和约45度之间的角度)。旋转步进角是指衬底在衬底旋转的单次循环(例如，在图35的操作3507期间)期间处于未密封位置时旋转的角度(θ)。在一些实施例中，旋转以每秒约1度至约90度之间的平均角速度进行(允许加速和减速两者)。在密封位置(不旋转)和未密封位置(旋转)的电镀通常重复介于约30个和约330个之间的循环，其中每个循环包括在未密封位置中的一个电镀步骤和在密封位置中的一个电镀步骤。
应注意，虽然在许多情况下使用间歇拆封和旋转的方法，但在密封位置的连续电镀(没有拆封，也没有旋转)也在本文提供的实施方式的范围内。
间歇密封在提高横流速度和提供不同方向(相对于衬底上选定的方位角位置)的横流之间提供适当的平衡。在一些实施方式中，衬底在密封状态下所花费的时间大于在未密封状态下所花费的时间。在一些实施方式中，短时间的未密封(相对于密封时间)使得密封的益处(减少的流动损失和增加的横流速度)与衬底的旋转的益处(由于以相对于特征的多个角度流动而导致的改善的均匀性)能组合。
在一些实施方式中，衬底保持器被配置为至少在电镀的一部分期间旋转衬底。在一些实施方式中，该装置被配置为在电镀期间在“密封”和“未密封”位置之间交替，其中晶片衬底在电镀期间在“密封”位置保持静止，并且在电镀期间在“未密封”位置中旋转。在一些实施方式中，该装置被配置为竖直移动衬底保持器，从而从“密封”位置移动到“未密封”的位置并返回。
在某些实施方式中，一种在衬底上电镀的方法可以包括：(a)在衬底保持器中接收基本平坦的衬底，其中使所述衬底的电镀面暴露，并且其中所述衬底保持器构造成在电镀期间保持所述衬底，使得所述衬底的所述电镀面与阳极分隔开；(b)将所述衬底浸渍在电解液中，其中，在所述衬底的所述电镀面和离子阻性元件的上表面之间形成约10毫米或10毫米以下的间隙，所述间隙形成横流歧管，其中所述离子阻性元件与所述衬底的电镀面是至少共同延伸的，并且其中所述离子阻性元件适于提供在电镀期间通过所述离子阻性元件的离子运输；(c)使电解液按以下路径流动与在所述衬底保持器中的所述衬底接触(i)从侧入口流入所述横流歧管，并流出侧出口，并且任选地(ii)从所述离子阻性元件下方，流动通过所述离子阻性元件，到达所述横流歧管内，并流出所述侧出口，其中，所述侧入口和所述侧出口被定位在所述衬底的所述电镀面的方位角相对的外周位置附近，并且其中所述侧入口和所述侧出口被设计或构造成在电镀期间在所述横流歧管中产生横向流动的电解液，其中至少在电镀的一部分期间，密封所述横流歧管；以及(d)如(c)一样在使所述电解液流动时将材料电镀到所述衬底的所述电镀面上。当所述横流歧管被密封时，密封构件可以将与侧出口不同的通向横流歧管的一个或多个出口完全或部分地密封。
在一些实施方式中，该方法还包括：给横流歧管拆封以使得衬底能在未密封状态下旋转；在未密封状态下旋转衬底；过渡到密封状态，并在密封状态下继续电镀。在一些实施方式中，该方法包括在密封状态下重复电镀，并且在电镀过程中在未密封状态下将衬底旋转若干次。
“密封状态”是指密封构件接合的状态。当衬底保持器足够靠近衬底保持器下方的元件(通常但不总是流限制元件)时，密封构件接合以阻挡泄漏间隙中的电解液流动。在密封构件密封泄漏间隙的100％并且装置处于密封状态的情况下，电解液可以仅通过位于与横流入口在方位角上相对的位置处的专用的出口离开该横流歧管。在密封构件密封小于泄漏间隙的100％并且装置处于密封状态的情况下，电解液可以通过与横流入口相对的专用出口以及泄漏间隙的密封构件没有密封的任何区域排出横流歧管。“未密封状态”是指密封部件未接合时的状态。在这种状态下，衬底保持器与衬底保持器下方的元件相隔太远，使得密封构件不接触这两个元件，并且在泄漏间隙中没有形成有效的密封。在未密封状态下，存在其它出口(例如，衬底保持器和流限制元件之间的整个环形泄漏间隙)。或者通常电镀装置或者具体而言横流歧管可以被称为处于密封状态或未密封状态。类似地，横流可以被称为处于密封状态或未密封状态。应当理解，这些指的是相同的事情(即，当横流歧管处于密封状态时，横流处于密封状态并且装置处于密封状态)。在一些实施方式中，从密封状态移动到未密封状态包括移动衬底保持器使其远离流限制元件，从而破坏密封。当使用具有面朝下方的晶片的装置时，衬底保持器在z方向上向上移动以破坏密封。在一些实施例中，在超过总电镀时间的一半以上，在“密封状态”中进行电镀。
本文提供的电镀方法可以在美国专利no.8,795,480和美国专利申请公开no.2013/0313123中描述的任何装置以及上文相对于各种附图所描述的装置中在这些装置如本文所述被配置为密封晶片附近的横流后实现。具体地说，密封构件可以用在这些参考文献中描述的任何装置中。例如，sabre3d装置可以用密封构件修改。
在一种实施方式中，该装置包括：(a)电镀室，其被配置成在将金属电镀到基本上平坦的衬底上时容纳电解液和阳极；(b)衬底保持器，其配置成保持基本上平坦的衬底使得在电镀期间所述衬底的电镀面与所述阳极分隔开；(c)离子阻性元件，其包括通过(通常约10毫米或约10毫米以下)的间隙与所述衬底的电镀面分隔开的朝向衬底的表面，所述间隙在所述离子阻性元件和所述衬底之间形成横流歧管；并且其中在电镀期间所述离子阻性元件与所述衬底的所述电镀面是至少共同延伸的，并且其中所述离子阻性元件适于在电镀期间提供通过所述元件的离子运输；(d)通向所述间隙的侧入口，其用于将电解液引入所述横流歧管；(e)通向所述横流歧管的侧出口，其用于接收在所述横流歧管中流动的电解液，其中所述侧入口和侧出口在电镀期间被定位成接近于所述衬底的电镀面上的方位角相对的周边位置，并且其中所述侧入口和所述侧出口适于在所述横流歧管中产生横向流动的电解液，其中在所述横流歧管中的横流是密封的。在某些情况下，当横流被密封时，不允许电镀液通过与专用出口(e)不同的任何其它出口逸出横流歧管。在一些实施方案中，该装置包括：(f)密封构件，其用于完全或部分地密封通向横流歧管的与侧出口(e)不同的一个或多个出口。
在一些实施例中，该装置还包括流限制元件，该流限制元件沿外周定位在离子阻性元件和衬底保持器之间的间隙中，并且沿着离子阻性元件的外周延伸。在这些实施例中，流限制元件可以形成横流歧管的壁。在一些实施方式中，流限制元件的面向衬底的表面是圆形的，并且该元件被称为流限制环。当使用流限制环时，密封构件被构造成密封衬底保持器和流限制环的面向衬底的表面之间的出口。优选地，密封构件密封环的外周的至少75％。在通过附图和通过实验数据所示的实施方式中，密封构件密封该环的外周的100％。注意，当使用流限制环时，用于电解液横流歧管的入口和出口比靠近限流环的面向衬底的表面更靠近离子阻性元件定位。在一些实施方式中，面向离子阻性元件的流限制环的表面成形为提供用于电解液的横流的出口(出口(e))。合适的流限制环在图7中示出。横流方向的示例在图1f中示出。
在其他实施方式中，流限制元件具有仅部分地沿着离子阻性元件的周边延伸的面向对象的表面。这种流限制元件可以具有部分地沿着离子阻性元件的周边延伸的壁和包括一个或多个间隙的排放区域，其中由排放区域对着的角度在约20至120度之间。排气区的间隙可以用作横流的出口(出口(e))。这种元件也称为分流器，并且在本文描述。在这些实施例中，密封构件被定位成密封衬底保持器和流限制元件的面向衬底的表面之间的出口。
与密封横流流相关的实验实施例和计算建模
实施例a。图36a示出了电镀特征的sem图像，其在电镀装置中用密封横流的电镀液沉积，但是衬底不旋转。横流的方向用箭头示出。该横流平行于衬底并且相对于电镀槽和衬底在一个方向上。通过将铜电沉积在具有包含在光致抗蚀剂层中制成的凹陷特征的表面的衬底上来获得所描绘的柱，其中在凹槽的底部暴露铜籽晶层。电镀后，除去光致抗蚀剂，得到所得柱的sem图像。所述柱宽度为200μm，高约200μm。可以看出，在不存在旋转的情况下，观察到柱的与横流方向相关的顶部部分的不均匀性。
实施例b。图36b示出了电镀特征的sem图像，其在电镀装置中用密封横流的电镀液沉积，同时实施衬底的间歇旋转，如本文提供的方法中所述。具体地，使用15秒的停留时间，113°的旋转角度，4rpm(24°/s)的最大旋转速度，2000°/s2的最大旋转加速度和10,000°/s3的急动度。在电镀过程期间，衬底沿一个方向旋转。图36b中的箭头示意性地示出了相对于衬底上的选定方位角位置的所有方向的平均横流。虽然实际的横流仍然相对于电镀单元在单一方向上，但是由于衬底的旋转，衬底上的选定的方位位置本身将会经历不同方向的横流。这使得不均匀流动方向引起的不均匀性变得均匀。使用以下参数计算装置在密封状态下花费的时间与总时间的比率rsealed：旋转步进角θ，停留时间t，和衬底保持器运动的急动度、加速度和速度参数。给定描述急动度、加速度和速度的参数，通过确定衬底保持器移动到新位置所需的时间量(tunsealed)，然后将该时间与停留时间(tsealed)进行比较，来进行该计算。
公式1：
运动曲线的数值计算使用matlab进行，并且测试了三种情况：一种是其中运动是急动度受限的，一种是其中运动是加速度受限的，一种是其中运动是速度受限的。检查这些轮廓以查看它们是否违反衬底保持器的运动参数(例如，最大加速度可能已经超过急动度受限曲线)，并且选择没有违反任何运动参数的具有最短移动时间的曲线。
图36c示出了图中这些计算的结果，其中x轴是旋转步进角度θ，y轴是装置在密封状态下花费的时间相比于总时间的比值。示出了七条曲线，其中对于每个曲线，停留时间保持恒定。从顶部曲线到底部曲线，七条曲线中的每条曲线的停留时间分别为20秒、15秒、10秒、5秒、2秒、1秒和0.5秒。其他参数的值(为了该计算的目的，推定是恒定的)在图36d所示的表中列出。可以看出，对于10秒和更长的停留时间，在宽范围的旋转步进角度下，在密封状态下花费的时间相比于总时间的比值超过0.5。
在先前计算中获得的值可以用于计算总电解液流量的在每个旋转序列期间通过泄漏间隙损失的百分比。假设当装置总是未密封时，总电解液流量的损失是30％，则可以使用公式2计算损失的电解液的百分比：
公式2：ftotal＝funsealed×(1-rsealed)
其中ftotal是损失的总的百分比，
funsealed是当装置总是未密封时损失的百分比，
rsealed是按如上所计算的密封时间与总时间的比率。
该计算也是使用matlab完成的。图36e示出了图解该计算的结果的曲线，其中在x轴上列出旋转步进角，并且在y轴上列出了损失的总流量的百分比。示出了七条曲线，其中对于每个曲线，停留时间保持恒定。从底部曲线到顶部曲线，七条曲线中的每条曲线的停留时间分别为20秒、15秒、10秒、5秒、2秒、1秒和0.5秒。显示大于15秒的停留时间保持超过90％的流量不逃逸。
实施例c、d、e、f、g和h相对于图36f进行描述。
对于多个衬底，测量wid不均匀性(如相对于图34a所解释的)，其中，在间断旋转和不间断旋转两种情况下，在能够在衬底保持器和流限制元件之间进行密封的装置中进行电镀。结果示于图34a所示的条形图中。在所有实施例c、d、e、f、g和h中，将铜电沉积在具有包含在光致抗蚀剂层中制成的凹陷特征的表面的衬底上，其中在凹槽的底部暴露铜籽晶层。所得到的柱宽度为200μm，高约200μm。
在实施例c中，在衬底保持器和流限制环之间无密封的情况下，在以4rpm恒定旋转的装置中进行电镀。在实施例d中，除了实施例d是在密封和间歇旋转的情况下外，以与实施例c中的条件相同的条件进行电镀，其中使用以下旋转参数：停留时间为15秒，旋转角度为113°，最大旋转速度为4rpm，最大旋转加速度为2000°/s2，急动度为10,000°/s3。与实施例c相比，实施例d中的wid不均匀性实现了13％的改进。
在实施例e中，在无密封的情况下，在以4rpm恒定旋转的装置中进行电镀。在实施例f中，除了实施例f是在密封和间歇旋转的情况下外，以与实施例e中的条件相同的条件进行电镀，其中使用以下旋转参数：停留时间为15秒，旋转角度为113°，最大旋转速度为4rpm，最大旋转加速度为2000°/s2，急动度为10,000°/s3。实施例e和f镀敷的条件与实施例c和d相同，不同的是在电镀槽中使用不同的离子阻性元件。与实施例e相比，实施例f中的wid不均匀性实现了12％的改进。
在实施例h中，在不进行密封并以4rpm恒定旋转的装置中进行电镀。在实施例g中，除了实施例g是在密封和间歇旋转的情况下外，以与实施例h中的条件相同的条件进行电镀，其中使用以下旋转参数：停留时间为15秒，旋转角度为113°，最大旋转速度为4rpm，最大旋转加速度为2000°/s2，急动度为10,000°/s3。实施例g和h中使用的光致抗蚀剂层中的特征比实施例c-f中使用的光致抗蚀剂层的特征更均匀地分布，从而减少了电流分布的不均匀性，并导致相对较低的wid不均匀性。与实施例g相比，在实施例h中wid不均匀性实现了15％的改进。
在所有情况下，根据本文提供的方法引入密封和间歇旋转导致wid内不均匀性的降低。实现了12-15％的减少。
离子阻性元件的特征
电气功能
在一些实施方式中，有沟道的离子阻性元件206近似于在衬底(阴极)的附近的几乎恒定和均匀的电流源，并且，因此，在一些情况下，可以被称为高电阻虚拟阳极(hrva)。如上所述，当以板形式提供时，该元件还可被称为有沟道的离子阻性板(cirp)。通常，cirp206紧邻晶片放置。比较而言，同样紧邻衬底的阳极将显著不易于提供几乎恒定的电流到晶片，但将仅仅支持在阳极金属表面上的恒定电位面，从而允许在从阳极面到终点(例如，在晶片上的外周接触点)的净电阻较小之处电流是最大的。因此，尽管有沟道的离子阻性元件206已经被称为高电阻虚拟阳极(hrva)，但这并不意味着两者在电化学上是可以互换的。在最佳操作条件下，cirp206将更紧密近似于虚拟均匀电流源并且或许可以更好地描述为虚拟均匀电流源，其中从整个cirp206的上平面供应几乎恒定的电流。虽然cirp当然可看作为“虚拟电流源”，即它是电流从其发出的平面，并且由于它可以被认为是阳极电流从其发出的地方或源，因此它可以被认为是“虚拟阳极”，cirp206(相对于电解液)的相对高的离子阻性导致几乎均匀的电流跨越其整个面，并且相比于在相同的物理位置上具有金属阳极的情况导致进一步有利的总体优越的晶片均匀性。该板的对离子电流的流的电阻随着包含在板206的各沟道内的电解液的比电阻(经常但不总是具有与阴极电解液的阻性相同或几乎相似的阻性)的增大、板厚度的增大、孔隙率的减小(用于电流通路的较少部分横截面积，例如，具有相同的直径的较少的孔，或具有较小直径的相同数量的的孔，等等)而增大。
结构
在许多但不是所有的实施方式中，cirp206包含在空间上和离子性上彼此隔离并且不形成cirp的主体内的互连沟道的微尺寸(通常小于0.04”英寸)的通孔。这些通孔通常称作非连通的通孔。它们典型地在一维方向上，通常但不必定，垂直于晶片的电镀面延伸(在一些实施方式中，非连通孔是相对于通常平行于cirp前表面的晶片成角度的)。通常，通孔是相互平行的。通常，这些孔被布置成正方形阵列。其他情况下布局是偏移螺旋图案。这些通孔不同于三维多孔网络，其中由于通孔调节离子电流的流和平行于其中的表面的流体流两者，并且使电流和流体的流两者的路径朝向晶片表面变直，因此沟道在三维方向上延伸并形成互连孔结构。然而，在某些实施方式中，这样的具有互连网络孔的多孔板可以代替一维有沟道的元件(cirp)使用。当从板的顶部表面到晶片的距离是小的(如，晶片半径的大小的约1/10的间隙，例如小于约5毫米)时，电流的流和流体的流的发散都被局部限制、传递并与cirp通道对齐。
一个示例性cirp206是由离子阻性和电阻性的固体的非多孔电介质材料制成的盘。该材料在使用的电镀液中是化学性质稳定的。在某些情况下，cirp206由陶瓷材料(例如，氧化铝、氧化锡、氧化钛、或金属氧化物混合物)或塑料材料(例如，聚乙烯、聚丙烯、聚偏二氟乙烯(pvdf)，聚四氟乙烯、聚砜、聚氯乙烯(pvc)，聚碳酸酯，等)制成，具有介于约6000个至12000个之间的不相通的通孔。在许多实施方式中，盘206与晶片基本上共同延伸(例如，当使用300毫米晶片时，cirp盘206的直径为约300毫米)，并紧邻晶片放置，例如在晶片面朝下的电镀装置中的晶片正下方。优选地，晶片的电镀面距离最接近的cirp表面在约10毫米内，更优选在约5毫米内。为此，有沟道的离子阻性板206的顶表面可以是平坦的或基本上平坦的。通常情况下，有沟道的离子阻性板206的顶表面和底表面两者都是平坦的或基本平坦的。
cirp206的另一个特征是通孔的直径或主要尺寸以及它与cirp206和衬底之间的距离的关系。在一些实施方式中，每个通孔的直径(或大多数的通孔的直径，或通孔的平均直径)不大于从经电镀的晶片表面到cirp206的最近表面的距离。因此，在这些实施方式中，当cirp206放置在离经电镀的晶片表面约5毫米内时，通孔的直径或主要尺寸应该不超过约5毫米。
如上所述，板206的总离子阻性和流阻取决于板的厚度以及总体孔隙率(可用于流通过板的面积的比值)和孔的尺寸/直径两者。低孔隙率的板将具有更高的冲击流速和离子阻性。比较相同孔隙率的板，具有较小直径的1维孔(并因此有较大数量的一维孔)的板将有在晶片上的更微观均匀分布的电流，这是因为有更多单独的电流源，其更多表现为能在相同间隙分布的点源，并具有较高的总压降(高粘性流阻)。
然而，如上所述，在某些情况下，离子阻性板206是多孔的。在板206中的孔可以不形成独立的一维沟道，而是可以形成可以互连或可以不互连的通孔网格。应该理解的是，如本发明中使用的术语，有沟道的离子阻性板和有沟道的离子阻性元件(cirp)旨在包括本实施方式，除非另有说明。
在一些实施方式中，cirp206可以被修改以包括(或容纳)边缘流元件。边缘流元件可以是cirp206的组成部分(例如，cirp和边缘流元件一起形成整体结构)，或者它可以是安装在cirp206上或接近cirp206的可更换的部件。边缘流元件促进更高程度的横流，并且因此促进靠近衬底的边缘(例如，在衬底和衬底保持器之间的接口附近)在衬底表面上的剪切力。在没有边缘流元件的情况下，例如由于衬底和衬底保持器的几何形状和电解液的流动方向，可以在衬底和衬底保持器的界面附近产生相对低的横流的区域。边缘流元件可起到增强在这个区域中的横流的作用，从而促进整个衬底上的更均匀的电镀结果。涉及边缘流元件的进一步细节如下所述。
在一些情况下，cirp206其上包括一系列突起，如图33a-33e所示。这些突起可以以各种形状提供。
通过通孔的竖直流
在其中终端效应是可操作/相关(如当在晶片籽晶层中电流的阻力相对于在槽中的电解液的阻力更大时)的某些应用中，在晶片附近离子阻性但离子可渗透的元件(cirp)206的存在大幅度减小终端效应并提高径向电镀的均匀性。cirp206通过作用为流扩散歧管板还同时提供将电解液的基本上空间均匀的冲击流引导向上到晶片表面的能力。重要的是，如果相同的元件206被放置成离晶片较远，那么离子电流和流的均匀性的改善变得显著较不明显或根本没改进。
此外，由于不连通的通孔不允许在cirp内离子电流或流体运动的横向运动，因此在cirp206内中心到边缘的电流和流运动被阻断，从而导致径向电镀均匀性的进一步改善。在图9中所示的实施方式中，cirp206是具有在板的表面上(例如在电镀300毫米的晶片的情况下直径为约300毫米的基本上圆形的区域上)的用作微通道的约9000个均匀间隔并布置成正方形阵列(即，孔以列和行排列)的一维孔的多孔板，有效平均孔隙率为约4.5％，单独的微孔尺寸的直径为约0.67毫米(0.026英寸)。图9还示出了流量分配调节杆270，其可以被用于优先引导流或者通过cirp歧管208并向上穿过cirp206中的孔，或者通过横流喷射歧管222以及横流喷头242，以进入横流歧管226。横流限制环210装配在由膜框架274支撑的cirp的顶部上。
应当注意，在一些实施方式中，cirp板206可以主要或专门用作槽内的电解液流阻性、流控制元件，从而是流成形元件，有时称为涡轮板。该设计可以使用而不管板206是否通过例如平衡终端效果和/或调节与槽内的流结合的电镀添加剂的电场或运动阻力来修改径向沉积的均匀性。因此，例如，在tsv和wlp电镀中，其中所述种晶金属厚度通常是大的(如>1000埃
晶片和有沟道的板之间的距离
在一些实施方式中，晶片保持器254和相关的定位机构保持旋转的晶片非常靠近有沟道的离子阻性元件206的平行上表面。在电镀时，衬底通常定位成使得它平行于或大致平行于离子阻性元件(例如，约10°的范围内)。虽然衬底可以在其上具有某些特征，但是在判定衬底和离子阻性板是否是基本上平行的时候仅考虑衬底的通常平坦的形状。
在典型的情况下，分隔距离是约0.5-15毫米，约0.5-10毫米，或约2-8毫米。在一些情况下，分隔距离是约2毫米或更小，例如约1毫米或更小。晶片和cirp206之间的间隔距离对应于横流歧管的高度。如上所述，可以在电镀工艺期间调节该距离/高度以促进在衬底表面上更高程度的质量传递。
这种板到晶片的小的距离可以产生在晶片上的与图案的单个的孔的接近“成像”相关联的电镀图案，尤其是在晶片旋转中心的附近。在这种情况下，电镀环的图案(厚度或电镀纹理)可在晶片中心附近产生。为了避免这种现象，在一些实施方式中，cirp206(特别是在晶片中心与晶片中心附近)中的单个的孔可以构造为具有特别小的尺寸，例如小于板到晶片间隙的约1/5。当与晶片旋转耦合时，小孔径允许向上流动作为来自板206的射流的冲击流体的流速的时间平均并减少或避免小范围的不均匀性(例如，量级为μm的那些)。尽管有上述的预防措施，并取决于所使用的镀浴的性质(例如，沉积的特定金属、电导率和使用的浴添加剂)，但在某些情况下，由于不同厚度(例如，在围绕晶片中心的“牛眼(bullseye)”形状)的时间平均曝光和接近成像的图案以及对应于所使用的单个孔图案，沉积可能易于在微观不均匀的图案(例如，成形中心环)中进行。如果有限孔图案产生不均匀的冲击流图案，可能发生这种情况并影响沉积。在这种情况下，已发现引入横向流跨越晶片中心，和/或修改正好在中心和/或靠近中心的孔的规则图案，这两者均在很大程度上消除否则在那里发现的微观不均匀性的迹象。
有沟道的板的孔隙率
在多种实施方式中，有沟道的离子阻性板206具有足够小的孔隙率和孔尺寸以在正常操作的体积流率下提供粘性流阻背压和高的垂直冲击流率。在一些情况下，有沟道的离子阻性板206的约1-25％是允许流体到达晶片表面的开口区。在特定的实施方式中，板206的约2-5％是开口区域。在另一实施方式中，板206的约5-25％、或约10-25％、或约15-25％、或约15-20％是开口区域。在特定的实施例中，板206的开口区域为约3.2％，有效总开口截面积为约23平方厘米。
在横流歧管的高度被调节的情况下，cirp应当具有足够低的孔隙率，以允许调节达到期望的电解液泵送效果。如果cirp孔隙太多，则高度调节可能不具有期望的效果。相关地，在电镀期间，横流歧管被间歇地密封的情况下，cirp应当足以抵制流通过cirp，以确保当横流歧管被密封(和/或未密封)时，源自侧入口的绝大部分电解液流保持在横流歧管内。否则，源自侧入口的不可接受的大部分电解液流可以向下流过cirp206中的孔进入cirp歧管208中。在一段时间之后，这种电解液可以向上通过cirp206中的孔，通常在靠近侧出口的较下游的位置处进入横流歧管226。可以在一定程度上允许该电解液流离开衬底，但是不应该太大，以至于不能接受地减少衬底的镀面上的横流。在一些情况下，cirp中的孔可以被配置(例如，以适当的尺寸和密度)，以确保源自侧入口的最大约20％的电解液流能够通过cirp中的孔并进入cirp歧管。一般来说，与没有发生这种密封的更常规的情况相比，cirp可以在横流歧管间歇密封的情况下是更加多孔的。在常规情况下，cirp孔隙率有时限制在约5％或约5％以下。在本文中横流歧管间歇(或连续地)密封的各种实施方式中，cirp孔隙率可以更大，例如最大孔隙率为约10％、或约15％、或约20％、或约25％。在一些这样的实施方式中，cirp可以具有约3％、或约5％、或约10％、或约15％的最小孔隙率。
有沟道的板的孔尺寸
有沟道的离子阻性板206的孔隙率可以以许多不同的方式实施。在多种实施方式中，它是用小直径的许多垂直孔来实现的。在某些情况下，板206不包含单个“钻”的孔，而是由连续多孔材料的烧结板制成。该烧结板的实施例在美国专利no.6964792[代理人案卷novlp023]中描述，该专利其全部内容通过引用并入本发明。在一些实施方式中，钻的非连通孔具有约0.01至0.05英寸的直径。在一些情况下，孔的直径为约0.02至0.03英寸。如上所述，在多种实施方式中，孔的直径是有沟道的离子阻性板206与晶片之间的间隙距离的最多约0.2倍。孔的横截面通常但不必须是圆形的。另外，为了使结构简单，在板206中的所有孔可具有相同的直径。然而，也不必须是这种情况，并且由于特定需要可能要求整个板表面上孔的单独尺寸和局部密度两者可以变化。
作为示例，由合适的陶瓷或塑料材料(通常为介电绝缘和机械坚固的材料)制成的固体板206具有设置在其中的大量的小孔，例如，至少约1000个或至少约3000个或至少约5000个或至少约6000个(直径为0.026英寸的9465个孔已经发现是有用的)。如所提到的，一些设计具有约9000个孔。板206的孔隙率有时小于约25％、或者小于约20％、或者小于约5％以便产生高冲击速度需要的总流率并不太大。使用较小的孔相比于较大的孔有助于产生大的跨越板的压降，从而有助于产生更均匀的通过板的向上的速度。
一般地，在整个有沟道的离子阻性板206的孔的分布具有均匀的密度和非随机性。然而，在一些情况下，孔的密度可不同，尤其是在径向方向上。在一个具体实施方式中，如下面更充分描述的，在该板的引导流朝向旋转衬底中心的区域存在较大的密度和/或孔的直径。此外，在一些实施方式中，在旋转晶片的中心或在旋转晶片的中心附近引导电解液的孔可相对于该晶片表面以非直角引导流。此外，在该区域中的孔图案可以具有不均匀的电镀“环”的随机或部分随机分布，以解决数量有限的孔和旋转晶片之间可能的相互作用。在一些实施方式中，在分流器或限制环210的开口部分邻近处的孔密度低于有沟道的离子阻性板206的离所连接的分流器或限制环210的开口部分较远处的区域的孔密度。
突起
在某些实施方式中，可以修改cirp的顶面以增加最大沉积速率并且在晶片的表面上以及在单独的电镀特征内改善电镀均匀性。cirp顶面的修改可能采取突起集合的形式。
突起被定义为被放置/附着在cirp的延伸到cirp平面和晶片之间的横流歧管中的面向衬底侧上的结构。cirp平面(也称为离子阻性元件平面)被定义为cirp的顶表面，不包括任何突起。cirp平面处于突起连接到cirp的位置，也处于流体从cirp流入横流歧管的位置。图33a示出了具有垂直于横流方向定向的直线型突起3301的cirp3300的等距视图。直线型突起也可以称为肋，并且具有一系列肋(例如，如图33a所示)的cirp可以被称为肋状cirp。cirp3300可以包括不存在突起的周边区域，以便允许阴极电解液向上行进并进入横流歧管。在许多情况下，突起3301与正被镀覆的衬底的电镀面基本上共同延伸(例如，cirp上的突起区域的直径可以在衬底的直径的约5％内或约1％内)。
突起可以以各种方式定向，但是在许多实施方案中，突起是位于cirp中的孔的列之间的长而薄的肋的形式，并且定向成使得突起的长度(即，其主要/最长尺寸)垂直于通过横流歧管的横流。图33b示出了在cirp孔3302的列之间具有长而薄的直线型突起3301的cirp3300的特写自上而下的视图。突起3301修改与晶片相邻的流场，以改善对晶片的质量传递，并提高在晶片的整个表面上的质量传递的均匀性。突起可以加工成现有的cirp板，在某些情况下，或者它们可以在制造cirp的同时形成。如图33b所示，突起3301可以被布置成使得它们不阻挡现有的1-dcirp通孔3302。换言之，突起3301的宽度可以小于cirp中的每列孔3302之间的距离。如果突起被定向为使得其长度垂直于横向流动的电解液的方向，则可以沿横向流动的电解液的方向测量每个突起3301的宽度。图33b表示可以相对于横向流动的电解液的方向测量突起的长度和宽度的方向。图中的突起的高度33b延伸出页面。
在一个示例中，cirp孔3302定位成中心与中心间隔开2.69mm，并且孔的直径为0.66mm。因此，突起的宽度可以小于约2mm(2.69-2*(0.66/2)mm＝2.03mm)。在某些情况下，突起的宽度可以小于约1mm。在某些情况下，突起的长宽比为至少约3:1，或至少约4:1，或至少约5:1。
在许多实施方式中，突起被定向成使得它们的长度垂直于或基本上垂直于跨过晶片表面的横流方向(本文中有时称为“z”方向))，例如如图33b所示。在某些情况下，突起以不同的角度或成组的角度定向。
可以使用各种各样的突起形状、尺寸和布局。在一些实施方式中，突起具有基本上垂直于cirp的表面的面，而在其他实施方案中，突起具有相对于cirp的面定位成有一定角度的面。在另外的实施方案中，突起可以被成形为使得它们不具有任何平坦面。一些实施方式可以采用各种突起形状和/或尺寸和/或取向。
图33c提供了作为cirp3300上的突起3301的横截面的突起形状的示例。在一些实施方式中，突起通常是矩形的。在其他实施方案中，突起具有三角形、圆柱形或其某种组合的横截面。突起也可以是具有加工的三角形尖端的大致的矩形。在某些实施方式中，突起可以包括贯穿的或在其上的孔，其基本上平行于穿过晶片的横流方向取向。
图33d提供了具有不同类型切口的突起的几个示例。这些结构也可以称为流动释放结构、通孔、孔或切口部分。通孔(或孔)是电解液可以流过的切口类型(参见实施例(b)-(e)，和实施例(f)的下切口)。相比之下，电解液可以流过或超过切口(参见不是通孔的切口的实施例(a)和实施例(f)的上切口)。这些结构可能有助于破坏流动模式，使得流在所有方向(x方向、y方向和z方向)上蜗旋。
关于图33d，实施例(a)示出了在突起的顶部具有矩形切口的突起，实施例(b)示出了具有在突起的底部附近由切口形成的通孔的突起，实施例(c)示出了具有在突起的中部由矩形切口形成的通孔的突起，实施例(d)示出了具有以圆形/椭圆形图案切出的一系列通孔的突起，实施例(e)示出了以菱形图案切出的一系列通孔的突起，实施例(f)示出了以梯形图案交替切出的顶部和底部的突起，其中底部切口形成通孔。孔可以水平地彼此对齐，或者如实施例(d)和(f)所示，它们可以彼此偏移。
上面具有突起的cirp当与其调节横流歧管的高度的电镀技术组合时，可能是特别有利的。例如，突起与横流的小规模相互作用和横流歧管的高度的调节会在特征内产生更强的扰动和湍流。与其他方向相比，肋/突起可以优先使某些方向的流速增大。
图33e示出了在其上具有一系列直线型突起3301的cirp3300。在cirp3300包括一系列突起3301的情况下，调节横流歧管的高度可以优先增大在突起的长度/主尺寸的方向上的流速。实际上，如图33e中的箭头3304所示，突起可以充当优先将电解液垂直于横向流动的电解液的方向引导的通道。如箭头3305所示，调节横流歧管的高度也增大了在平行于横向流动的电解液的方向的方向上的流速。然而，流速在垂直于横流并且平行于突起3301的长度/主尺寸的方向上增大得更加显著。因此，箭头3304被示出为大于箭头3305。流速的这种方向上的优先增大可以促进改善的电镀结果。
上面具有突起的cirp在美国专利申请no.14/103,395中进一步讨论，其全部内容通过引用并入本文。
离子阻性元件的替代实施方式
在各种实施方式中，离子阻性元件可具有与上述的特性不同的特性。例如，尽管前面的许多描述将有沟道的离子阻性元件称为板，但也可以将离子阻性元件设置为膜、过滤器或其它多孔结构。可用作离子阻性元件的多孔结构的实例包括但不限于离子电阻膜和过滤器、纳米多孔阳离子膜以及具有适当离子电阻率的其它多孔板和膜。广义地说，这样的离子阻性元件可以成形、定尺寸、定位，并且具有与上文向对于有沟道的离子阻性板所述的特性相同或相似的特性。因此，本文相对于有沟道的离子阻性板提供的任何描述(例如，关于尺寸、孔隙率、离子电阻率、材料等)也可应用于代替cirp使用的不同离子阻性元件。
这样的结构也可以具有与本文相对于cirp描述的那些特性不同的某些特性。例如，代替cirp使用的离子阻性膜可以比典型的cirp薄。在某些实施方案中，代替cirp使用的多孔结构可以设置在用于结构稳定的支架或其它结构上。在一些实施方式中，离子阻性元件可以具有彼此连通的通孔，而在其它情况下，通孔可以是非连通的。
在横流歧管限定在衬底和被支撑的膜或烧结元件结构(例如，被支撑的过滤介质、熔结的玻璃或多孔陶瓷元件)之间的情况下，每个孔的孔径可以小于约0.01英寸。对于这种类型的未钻孔的连续多孔材料，开口区域可以比通过在固体材料片中钻出单独的孔而制成的有沟道的板的开口区域大(例如，大于约30％的开口区域，在一些实施例中的最大开口区域为约50％或40％)。由非钻孔的连续多孔材料制成的离子阻性结构可以利用更小的孔径(例如，与钻孔的cirp相比)以赋予粘性流动阻力以避免使电解液短路通过膜/元件表面。在孔径、开口区域和净流阻之间存在平衡，以避免流动短路。较高孔隙率的材料/结构通常利用较小的孔和/或较大的元件厚度来实现这种平衡。
这种类型的合适材料的一个示例是机械强力的过滤介质片材，其张紧跨越开放框架网络，并由开放框架网络支撑从下方支撑，具有小于约5μm的平均孔径，孔隙率约35％或35％以下且厚度为0.001英寸或0.001英寸以上。合适的片材膜的几个具体示例包括由kochmembrane系统(willington，ma)提供的selro纳米过滤mpf-34膜、hkf-328聚砜超滤膜和mfk-6180.1μm孔径聚砜膜。也可以使用阳离子和阴离子膜(例如，nafiontm)，因为它们提供高流动阻力和跨过膜传导离子电的能力。在离子阻性元件是烧结(熔结)的多孔玻璃或陶瓷元件的情况下，元件的厚度以及平均和最大孔径确定了对通过离子阻性元件的流的阻力。通常，对通过离子阻性元件的流的阻力(无论是以膜、过滤器、烧结/熔结玻璃元件、多孔陶瓷元件、cirp等实现)应允许小于每英寸每平方厘米表面积的约100毫升/分钟(ml/min)的静态水压，更通常小于约20ml/min/cm2/in的水，例如小于约5ml/min/cm2/in的水。
边缘流元件
在许多实现方式中，电镀结果可以通过使用边缘流元件和/或流插入件来改善。一般来说，边缘流元件影响衬底的外周附近、衬底和衬底保持器之间的界面邻近处的流分布。在一些实施方式中，边缘流元件可以与cirp集成。在一些实施方式中，边缘流元件可以与衬底保持器集成。在其它实施方式中，边缘流元件可以是能安装在cirp或衬底保持器上的单独的部件。边缘流元件可被用于如针对特定应用所期望的调节衬底的边缘附近的流分布。有利地，流元件促进在衬底的外周附近的高度的横流，从而促进更均匀的(从衬底的中心到边缘)、高质量的电镀结果。边缘流元件通常沿径向至少部分地位于衬底保持器的内边缘/衬底的外周的内部。在一些情况下，边缘流元件可以至少部分地位于在其它位置，例如在衬底保持器下方和/或衬底保持器的沿径向外部，如下面进一步描述的。在本发明的一些附图中，边缘流元件称为“流元件”。
边缘流元件可以由各种材料制成。在一些情况下，边缘流元件可以由与cirp和/或衬底保持器相同的材料制成。一般来说，合乎期望的边缘流元件的材料是电绝缘的。
改善衬底的外周附近的横流的另一种方法是使用快速的衬底旋转。然而，快速的衬底旋转呈现其自身一组缺点，并且在各种实施方式可被避免。例如，如果衬底被旋转得太快，则它可以防止形成足够的跨越衬底表面的横流。因此，在一些实施方式中，衬底可以以介于约50-300rpm之间的速率旋转，例如以介于约100-200rpm之间的速率旋转。同样地，在衬底的外周附近的横流可以通过使用cirp和衬底之间的相对较小的间隙来促进。然而，较小的cirp-衬底间隙导致较敏感的并对工艺变量有较严格的公差范围的电镀工艺。
图13a呈现了显示针对在没有边缘流元件的情况下电镀的图案化衬底的凸起高度与在衬底上径向位置的关系的实验结果。图13b呈现出显示针对相对于图13a所描述的图案化衬底的裸芯片内不均匀性与衬底上径向位置的关系的实验结果。值得注意的是，凸起高度朝向衬底的边缘减小。不希望受到理论或作用机制的束缚，相信该减小的凸起高度是衬底的外周附近的相对较低的电解液流的结果。在衬底-衬底保持器界面附近的差的对流条件导致较低的局部金属浓度，从而导致减小的镀敷速率。此外，光致抗蚀剂在衬底的边缘附近通常较厚，该增大的光致抗蚀剂厚度导致更深的特征，针对较深的特征比较难以实现充分的对流，从而导致在衬底的边缘较小的电镀速率。如图13b所示，在衬底的边缘附近的减小的电镀速率/减小的凸起高度对应于裸芯片内不均匀性的增大。裸芯片内不均匀性计算为((裸芯片中最大凸起高度)-(裸芯片中最小凸起高度))/(2*裸芯片中平均凸起高度)。
图14a描绘了在装置的出口侧在衬底1400的外周附近的电镀装置的结构。如箭头所示，电解液通过在cirp1404上方和衬底1400下方流动并在衬底保持器1406下方流出而离开横流歧管1402。在这个例子中，cirp1404具有位于衬底1400下方的基本上平坦的部分。在衬底1400和衬底保持器1406之间的界面附近的区域的边缘，cirp1404成角度向下，然后再次变平。图14b描绘了示出有关在图14a中所示的区域中的衬底1400和cirp1404之间的流分布的建模结果的图。
建模结果表明在离衬底的表面0.25毫米的位置的预测的剪切速度。值得注意的是，在衬底的边缘附近剪切流大幅减小。
图15描绘了有关凸起高度与衬底上的径向位置的关系的实验结果以及显示剪切流与衬底上的径向位置(在电解液出口侧)的建模结果。在这个例子中，在镀敷期间衬底不旋转。实验的凸起高度结果遵循与预测的剪切速度相同的趋势，这表明较低的剪切速度可能在低边缘凸起高度方面起作用。
图16a描绘了显示裸芯片内不均匀性与衬底上的径向位置的关系的实验结果。图16b描述了显示光致抗蚀剂的厚度与衬底上的径向位置的关系的实验结果。图16a和16b一起表明在光致抗蚀剂厚度和裸芯片内不均匀性之间有很强的相关性，在衬底的边缘附近发现较大的抗蚀剂的厚度和不均匀性。
图17a示出了具有边缘流元件1710安装在其中的电镀槽的横截面图。边缘流元件1710位于衬底1700的边缘下方，靠近衬底1700和衬底保持器1706之间的界面。在本实施方式中，cirp1704成形为包括与衬底1700几乎共同延伸的凸起平台区域。在一些实施方式中，边缘流元件1710全部或部分沿径向定位在cirp1704的凸起部的外部。边缘流元件1710也全部或部分被定位在cirp1704的凸起部上。如箭头所示，电解液流经横流歧管1702。分流器1708有助于使电解液所经过的路径成形。分流器1708在入口侧(横流起源于该处)与出口侧有不同的形状，以促进跨越衬底的表面的横流。
如在图17a中所示，电解液进入在电镀槽的入口侧的横流歧管1702。电解液围绕边缘流元件1710流动，通过横流歧管1702，第二次围绕边缘流元件1710，并通过出口流出。如上所述，电解液还通过向上行进通过cirp1704中的通孔进入横流歧管1702。边缘流元件1710的一个目的是增大在衬底1700和衬底保持器1706之间的界面的对流。该界面在图17b中更详细地示出。在不使用边缘流元件1710的情况下，以虚线圆示出的区域中的对流是不合期望的低。边缘流元件1710影响衬底1700的边缘的附近的电解液的流动路径，从而促进在以虚线圆示出的区域中的较大的对流。这有助于克服在衬底边缘附近的低对流和低电镀速率。因此，这可能有助于对抗由于不同的光致抗蚀剂/特征的高度而产生的差异，如相对于图16a和16b所说明的。
在一些实施方式中，边缘流元件1710被成形为使得在横流歧管1702中的横流将被引导更优选地到由衬底1700和衬底保持器1706形成的拐角内。可以使用各种形状来实现这一目的。
图18a-18c描绘了在电镀槽中安装边缘流元件1810的三种可用的配置。也可以使用各种其它配置。不管确切的配置如何，在许多情况下边缘流元件1810可以成形为类似于环形或弧形，但图18a-18c仅示出了边缘流元件1810的一侧的横截面图。在第一配置(类型1，图18a)中，边缘流元件1810连接到cirp1804。在本实施例中的边缘流元件1810不包括用于电解液在边缘流元件1810和cirp1804之间流动的任何流旁路。因此，所有的电解液流经边缘流元件1810。在第二配置(类型2，图18b)，边缘流元件1810连接到cirp1804并包括在边缘流元件和cirp之间的流旁路。流旁路通过边缘流元件1810中的通道形成。这些通道允许一定量的电解液流动通过边缘流元件1810(在边缘流元件1810的上拐角和cirp1804之间)。在第三配置(类型3，图18c)，边缘流元件1810连接到衬底保持器1806。在本实施例中，电解液可以在边缘流元件1810和cirp1804之间流动。另外，边缘流元件1810中的通道允许电解液的流通过边缘流元件1810，非常靠近衬底1800和衬底保持器1806之间的界面。图18d呈现了概括在图18a-18c中所示的边缘流元件的一些特性的表格。
图19a-19e呈现了用于实现在边缘流元件1910中的可调节性的不同方法的实施例。在一些实施方式中，边缘流元件1910可以被安装在固定的位置，例如，在cirp1904上，并有固定的几何形状，如图19a所示。然而，在许多其他情况下，安装/使用边缘流元件的方式会存在额外的灵活性。例如，在一些情况下，在电镀工艺中间可(手动或自动)调节边缘流元件的位置/形状(例如，以相对于其他电镀工艺调整特定电镀工艺，如所期望的)，或在电镀工艺内可(手动或自动)调节边缘流元件的位置/形状(例如，以调整单个电镀工艺内随时间推移的电镀参数)。
在一个实施例中，垫片可被用于调节边缘流元件的位置(并且在一定程度上调整形状)。例如，可设置一系列垫片，其具有针对不同的应用的各种不同高度的垫片和期望的流模式/特性。垫片可以在cirp和边缘流元件之间安装以抬高边缘流元件的高度，从而减小边缘流元件和衬底/衬底保持器之间的距离。在某些情况下，垫片可以以方位角不对称的方式使用，从而在不同的方位角位置实现不同的边缘流元件的高度。相同的结果可使用螺钉(如图19b和19c中的元件1912所示)或其它机械特征以定位流成形元件来实现。图19b和19c示出了其中螺钉1912可以被用来控制边缘流元件1910的位置的两种实施方式。如同垫片一样，螺钉1912(沿着边缘流元件1910位于不同位置)可以以导致边缘流元件1910的方位角不对称定位的方式(例如，通过定位螺钉1912在不同的高度)定位。在图19b和19c中的每一个中，边缘流元件1910被示出在两个不同的位置。在19b中，边缘流元件通过围绕枢轴点旋转在两个(或更多个)位置之间变化。在图19c中，通过以直线型的方式移动边缘流元件，边缘流元件在两个(或更多个)位置之间变化。可提供额外的螺钉或其他定位机构用于额外的支持。
在一些实现方式中，在电镀工艺期间边缘流元件1910的位置和/或形状可被动态地调节，例如，使用电动或气动致动器调节。图19d和19e呈现了其中即使在电镀工艺期间通过使用旋转致动器1913(图19d)或直线型致动器1915(图19e)使边缘流元件1910可以动态地移动的实施方式。该调节允许随着时间的推移对电解液流进行精确控制，从而允许高程度可调性并促进高质量的电镀结果。
返回到图18d，由于边缘流元件1810连接到cirp1804(在电镀过程中它通常不旋转)，在图18a和18b中所示的第一和第二配置分别允许在边缘流元件1810是方位角不对称的。不对称性可涉及边缘流元件1810的位于电镀槽的入口侧附近的部分与边缘流元件的位于其他位置(例如电镀槽的出口侧附近)的部分之间的形状差异。该方位角不对称性可用于对抗由于在电镀过程中电解液横流跨越衬底表面的方式而产生的不均匀性。该不对称性可涉及在边缘流元件1810的形状中的多个特征的差异，例如高度、宽度、边缘的圆度/锐利度、流旁路通路的存在、垂直位置、水平/径向位置等。在图18c中所示的第三配置，其被安装在衬底保持器1806上，也可以是方位角不对称的。然而，由于在许多实施方式中，在电镀期间衬底1800和衬底保持器1806旋转，因此边缘流元件1810中的任何不对称性将可能达到平衡(average-out)，这是由于在电镀期间边缘流元件1810与衬底1800一起旋转(至少在其中边缘流元件被连接到衬底保持器1806的情况中，如在图18c的实施方式中)。因此，当边缘流元件被连接到衬底保持器并与衬底保持器一起旋转时，具有方位角不对称的边缘流元件通常不是有益的。出于这个原因，图18d列出“无*”涉及第三配置的方位角不对称性。描述的所有的配置被认为是在本发明的实施方式的范围之内。
图20a-20c示出了其中边缘流元件2010可以是方位角不对称的多种方式。图20a-20c描绘了位于电镀槽中(例如在cirp2004上)的边缘流元件2010的俯视图。也可以使用其它连接方法，如以上所讨论的。在每个实施例中，示出了边缘流元件2010的横截面形状。在图20a中，边缘流元件2010是方位角对称的并围绕衬底的整个外周延伸。这里，边缘流元件2010具有三角形的横截面，具有朝向边缘流元件2010的内边缘定位的最高部。在图20b中，边缘流元件是方位角不对称的并围绕边缘流元件2010的整个外周延伸。这里，因为边缘流元件在电解液入口附近具有第一横截面形状(例如，三角形)，而在电解液出口(相对于入口定位)附近具有第二横截面形状(例如，圆形柱形)，所以导致方位角不对称。
在类似的实施方式中，可以使用横截面形状的任意组合。一般而言，横截面形状可以是任何形状，包括但不限于，三角形、正方形、长方形、圆形、椭圆形、圆角的、弯曲的、尖的、梯形的、波状、沙漏形等。可以或可以不通过边缘流元件2010本身来提供流通道。在另一个类似的实施方式中，横截面形状可以是相似的，但具有围绕外周的不同的尺寸，因而引入方位角不对称性。同样地，横截面形状可以是相同的或相似的，但定位在相对于衬底/衬底保持器和/或cirp2004的不同的垂直和/或水平的位置。向不同的横截面形状的过渡可以是突然的或循序渐进的。在图20c中，边缘流元件2010只存在于某些方位角位置。这里，边缘流元件2010只存在于电镀槽的下游(出口)侧。在一个类似的实施方式中，边缘流元件可以只存在于电镀槽的上游(入口)侧。方位角不对称的边缘流元件可以特别有利于调谐电镀结果以克服由于横向流动的电解液而造成的任何的不对称性。这有助于促进均匀、高质量的电镀结果。显而易见，方位角不对称性可能源于边缘流元件的形状、尺寸(例如，高度和/或宽度)、相对于衬底边缘的位置，旁路区域存在或配置等的方位角变化。
对于图20c，在某些实施方式中，圆弧形的边缘流元件2010可靠近衬底的外周延伸至少约60°、至少约90°、至少约120°、至少约150°、至少约180°、至少约210°、至少约240°、至少约270°、或至少约300°。在这些或其它实施方式中，弧形边缘流元件可延伸不大于约90°、不大于约120°、不大于约150°、不大于约180度、不大于约210°、不大于约240°、不大于约270°、不大于约300°、或不大于约330°。弧形的中心可以定位在邻近入口区，出口区(与入口区相对)，或偏离入口/出口区的一些其他位置。在其中使用方位角不对称的某些其他实施方式中，在本段描述的弧形可以对应于显示这样的不对称性的区域的大小。例如，由于在沿着边缘流元件的不同位置安装不同的垫片高度，因而环形边缘流元件可以具有方位角不对称性，例如如参照图22说明的(下面进一步描述)。在一些这样的实施方式中，具有相对较厚或较薄的垫片的区域(从而在安装后分别导致相对较高或较矮的边缘流元件)可以跨越具有上述任何最小和/或最大尺寸的弧形。在一个例子中，具有相对较大垫片的区域跨越至少约60°，并且不超过约150°。可以使用列出的弧的尺寸的任何组合，并且存在的方位角不对称性可以是本发明所描述的任何类型的不对称性。
图21描绘了具有边缘流元件2110安装在其中的电镀槽的横截面图。在这个例子中，边缘流元件2110沿径向被定位在cirp2104的凸起的平台部的外部。边缘流元件2110的形状允许入口附近的电解液以一定角度向上行进到达横流歧管2102，并且类似地，允许出口附近的电解液以一定角度向下行进流出横流歧管2102。如图19a-19e所示，边缘流元件的最上部可在cirp的凸起部的平面之上延伸。在其他情况下，边缘流元件的最上部可以与cirp2104的凸部齐平。在一些情况下，边缘流元件的位置是可调节的，如在本文别处所述。边缘流元件2110的形状和位置可促进在衬底2100和衬底保持器2100之间的拐角附近的较大程度的横流。
图22a示出了cirp2204和边缘流元件2210的横截面图。在该例子中，边缘流元件2210是装配入cirp2204中的槽2216的可移动的部件。图22b提供了在图22a中所示的边缘流元件2210和cirp2204的额外的示意图。在本实施方式中，使用高达12个螺钉将边缘流元件2210放置在cirp2204的适当位置，该12个螺钉提供了用于调节边缘流元件2210的高度/位置的12个单独的位置。在相似的实施方式中，可使用任意数量的螺钉/调节件/连接点。cirp2204可以包括第二槽2217，其可提供用于电解液流出横流歧管的出口，从而促进横向流动的电解液。使用一系列螺钉(在图22a和22b未示出)将边缘流元件2210固定到cirp2204中的槽2216。
图22c提供了当电解液流出横流歧管时横流的x方向上的速率的建模结果。也如图22c所示，可以使用一系列垫片2218(在这个例子中，围绕螺钉2212装配的垫片垫圈，螺钉2212将边缘流元件2210固定到cirp2204中的槽2216)来调节在围绕边缘流元件2210的各个位置上边缘流元件2210的高度。垫片的高度被标记为h。这些高度可以被独立地调节，以获得在边缘流元件2210的顶部和衬底之间的方位角不对称的距离(未示出)。在这个例子中，边缘流元件2210被定位成使得边缘流元件2210的内边缘延伸到在cirp2204的凸起部上方的高度/位置，如图中黑色圆圈所示。
在一些实施方式中，边缘流元件的最上部与cirp的最上部之间的垂直距离可以是介于约0-5毫米之间，例如介于约0-1毫米之间。在这些或其他情况下，在边缘流元件上的一个或多个位置，该距离可以是至少约0.1毫米，或至少约0.25毫米。边缘流元件的最上部和衬底之间的垂直距离可以是介于约0.5-5毫米之间，在某些情况下，介于约1-2毫米之间。在多种实施方式中，边缘流元件的最上部和cirp的最上部之间的距离为cirp的凸起部和衬底表面之间的距离的约10-90％之间，在某些情况下约25-50％之间。在本段中引用的“cirp的最上部”不包括边缘流元件本身(例如，在其中边缘流元件与cirp集成的情况下)。典型地，cirp的最上部是cirp的上表面，cirp的上表面在横流歧管中定位成与衬底相对。在各种实施方式中，如图21所示，cirp包括凸起的平台部分。在这样的实施方式中，“cirp的最上部”是cirp的凸起的平台部分。在其中cirp包括一系列在其上的凸起的实施方式中，凸起的顶部对应于“cirp的最上部”。当判定什么是cirp的最上部时，只考虑cirp的位于衬底正下方的区域。
返回到图22c的实施方式，在不使用垫片2218(或使用适当地薄的垫片2218)的情况下，边缘流元件2210的顶部可以大致与cirp2204的凸起部共面。在一种具体实施方式中，边缘流元件2210是如图22c所示的，并且垫片2218以方位角不对称的方式设置，使得在电镀槽的入口侧附近，边缘流元件2210的顶部与cirp2204的凸起部大致共面，边缘流元件2210的顶部在cirp2204的凸起部下方(例如在入口附近不设置垫片，在入口附近设置较少垫片和/或较薄的垫片)，并且在电镀槽的出口侧附近，边缘流元件2210的顶部在cirp2204的凸起部上方但沿径向在cirp2204的凸起部的外部(例如在出口附近相比于入口设置较多垫片和/或较厚的垫片)。
值得注意的是，在衬底2200和衬底保持保持器2206之间形成的拐角中的流率有点低，但相比于其中不设置边缘流元件2210的情况有改善。
图22d描绘了示出使用图22c所示的设置针对几种不同的垫片厚度在衬底附近与在衬底上的径向位置的横流(即，在水平方向上的流)的x方向速率的建模结果。垫片的高度对衬底的边缘附近的横流的速率有强烈影响。一般来说，垫片越厚，衬底的边缘附近的横流的速率越大。这种在衬底的外周附近的横流增大可补偿在衬底边缘附近典型地获得的低电镀速率(例如，如上所述，作为装置的几何形状和/或光致抗蚀剂厚度的结果)。这些差异允许边缘流轮廓能通过简单地改变在相关位置上的垫片的高度来调节/调整。
在某些实施方式中，边缘流元件具有介于约0.1-50毫米之间的宽度(作为外径和内径之间的差测量)。在某些这样的情况下，该宽度为至少约0.01毫米或至少约0.25毫米。通常情况下，该宽度的至少一部分沿径向定位在衬底保持器的内边缘的内部。边缘流元件的高度在很大程度上取决于电镀装置的其余部分的几何形状，例如横流歧管的高度。另外，边缘流元件的高度取决于该元件是如何安装在电镀装置，以及在设备的其他部件中获得的容纳空间(例如，加工成cirp的槽)内。在某些实现方式中，边缘流元件可以具有介于约0.1-5毫米之间，或约1-2毫米之间的高度。在垫片被使用的情况下，它们可以设置为各种厚度。这些厚度也取决于电镀装置的几何形状和在cirp或装置的用于固定边缘流元件在其中的其他部件中获得的容纳空间。例如，如果边缘流元件装配到cirp中的槽中，如图22a和22b所示，如果在cirp中的槽是相对较深的，那么可能需要相对较厚的垫片。在一些实施方式中，垫片可具有介于约0.25-4毫米之间或介于约0.5-1.5毫米之间的厚度。
在位置方面，边缘流元件通常定位成使得边缘流元件的至少一部分是衬底支撑件的内边缘的沿径向的内部。在许多情况下，这意味着边缘流元件定位成使得边缘流元件的至少一部分是衬底本身的边缘的沿径向的内部。在某些实施方式中，边缘流元件从衬底支撑件的内边缘向内延伸的水平距离可为至少约1毫米，或至少约5毫米，或至少约10毫米或至少约20毫米。在一些实施方式中，该距离为约30毫米或更小，例如约20毫米或更小，约10毫米或更小，或约2毫米或更小。在这些或其他实施方式中，边缘流元件从衬底支撑件的内边缘径向向外延伸的水平距离可以是至少约1毫米，或至少约10毫米。一般地，边缘流元件从衬底支撑件的内边缘径向向外延伸的距离没有上限，只要边缘流元件可以装配在电镀装置内即可。
图23a描绘了其中使用具有斜坡形的边缘流元件的电解液流的建模结果。在图23a中，颜色渐变区涉及电解液流动通过的区域。不同的色彩表示电解液流动的速率。颜色渐变区上面的白色空间对应于衬底和衬底保持器(例如图22c中标记的)。颜色渐变区下面的白色空间对应于cirp和边缘流元件。对于这个例子，边缘流元件可以是任何形状，边缘流元件与cirp一起产生具有图23a中所示的形状的流路。在一些情况下，边缘流元件可以简单地是cirp的边缘。在图23a中，cirp/边缘流元件一起导致在衬底和衬底保持器之间的界面附近的斜坡形状。如图中所示，斜坡具有斜坡高度，其在cirp的凸起部上方延伸。斜坡具有沿径向位于衬底的边缘和衬底保持器之间的界面的内部的最大高度。在一些实施方式中，斜坡高度可介于约0.25-5毫米之间，例如介于约0.5-1.5毫米之间。斜坡的最大高度和衬底保持器的内边缘之间的水平距离(在图23a中标示为“距离杯体的斜坡插入量”)可以是介于约1-10毫米之间，例如介于约2-5毫米之间，衬底保持器的内边缘和斜坡的开始之间的水平距离(标示在图23a的“内部斜坡宽度”)可以是大约1-30毫米之间，例如约5-10毫米之间。水平斜坡的开始和斜坡的端部之间的距离(在图23a标记为“总斜坡宽度”)可以是介于约5-50毫米之间，例如约10-20毫米之间。斜坡在斜坡的内边缘倾斜的平均角度可以是介于约10-80度之间。斜坡在斜坡的外边缘上倾斜的平均角度可以是介于约10-80度之间，例如介于约40-50度之间。斜坡的顶部可以是锐角，也可以是平滑的，如图所示。
图23b描绘了示出针对不同的斜坡高度的流率与衬底的径向位置的关系的建模结果。较高的斜坡高度导致较高的速率的流。较高的斜坡高度与较显著的压降相关。
图24a描述了涉及另一种类型的边缘流元件的建模结果。在这个例子中，边缘流元件(其如同在图23a中的边缘流元件一样可以是连接到cirp的单独的部件，或者可以与cirp集成)，并且其包括允许电解液流过边缘流元件中的通道的流旁路。流旁路通路的长度被标记为“长度”，并且流旁路通路的高度标为“旁路高度”。“斜坡高度”指的是流旁路通路的顶部和斜坡的顶部之间的垂直距离。在某些实施方式中，流旁路通路可以具有至少约1毫米，或至少约5毫米的最小长度，和/或约2毫米，或约20毫米的最大长度。流旁路通路的高度可以是至少约0.1毫米，或至少约4毫米。在这些或其他情况下，流旁路通路的高度可为约1毫米或更小，或约8毫米或更小。在一些实施方式中，流旁路通路的高度可以是在cirp(例如，cirp的凸起部，如果存在的话)与衬底之间的距离(该距离也是横流歧管的高度)的约10-50％之间。同样地，斜坡的高度可以是在cirp和衬底之间的距离的约10-90％之间。这可对应于至少约0.2毫米，或者在某些情况下，至少约4.5毫米的斜坡高度。在这些或其他情况下，斜坡的高度可以是约6毫米或更小，例如约1毫米或更小。
图24b描绘了使用图24a中标记的参数的不同的值运行的建模结果。值得注意的是，结果显示这些几何形状参数可被改变以调节衬底的边缘的流，从而实现针对任何给定的应用的合乎期望的流模式。在曲线图所示的不同的情况之间进行区分是没有必要的。相反，对于显示不同的流模式可以通过改变边缘流元件的几何形状来实现，结果是相关的。
图25呈现与位于衬底2500和衬底保持器2506之间形成的拐角中的边缘流元件2510相关的流建模结果。在本实施例中，边缘流元件2510包括流旁路通路以允许电解液流动，如图所示。值得注意的是，电解液可以在cirp2504和边缘流元件2510之间流动，并且也在边缘流元件2510和衬底2500/衬底保持器2506之间流动。在一个实施例中，边缘流元件可以直接连接到衬底保持器，如相对于图18c所述。在另一实施例中，边缘流元件可以直接连接到cirp，如相对于图18b所述。
图26a-26d描绘了根据多种实施方式所述的边缘流插入件的若干实施例。在每种情况下仅示出边缘流元件的一部分。通过将这些边缘流元件连接到cirp，它们可安装在电镀槽中，例如相对于图22a所述。在图26a-26d中所示的边缘流元件被制造成具有不同的高度，不同的流旁路通路的高度，不同的角度，不同程度的方位角对称性/不对称性，等等。在图26a和26b中的边缘流元件容易可见的一种类型的不对称性是在某些方位角位置，不存在流旁路通路，并且电解液必须自始至终在这些位置上的边缘流元件的最上部上方行进，以流出电镀槽。在边缘流元件的最上部上的其它位置，存在流旁路通路，允许电解液能在边缘流元件的最上部上方和下方流动。在某些实施方式中，边缘流元件包括具有流旁路通路的(多个)部分和没有流旁路通路的(多个)部分，不同的部分被定位在不同的方位角位置，如图26a和26b所示。边缘流元件可以被安装在电镀装置中使得具有流旁路通路的(多个)部分与电镀槽的入口/出口区中的一者或两者对准。在一些实施方式中，边缘流元件可以被安装在电镀装置中使得缺乏流旁路通路的(多个)部分与电镀槽的入口/出口区中的一者或两者对准。
使边缘流元件可以是方位角不对称的另一种方法是通过在边缘流元件上的不同位置设置不同尺寸的流旁路通路。例如，入口和/或出口附近的流旁路通路比离入口和/或出口较远处的流旁路通路可以较宽或较窄，或较高或较矮。同样，入口附近的流旁路通路比出口附近的流旁路通路可以较宽或较窄，或较高或较矮。在这些或其他情况下，相邻流旁路通路之间的空间可以是不均匀的。在一些实施方式中，流旁路通路在入口和/或出口区域附近相比于在离入口和/或出口较远的区域可更靠近在一起(或更远离)。同样地，流旁路通路在入口区附近相比于在出口区更靠近在一起(或更远离)。因此流旁路通路的形状也可以是方位角不对称的，例如，以促进横流。实现此目的的一种方式可以使用在一定程度上与横流的方向对准的流旁路通路。在一些实施方式中，边缘流元件的高度是方位角不对称的。在一些实施方式中，相对较高的部分可以与电镀装置的入口和/或出口侧对齐。同样的结果可以使用利用不同高度的垫片安装到cirp上的具有方位角对称高度的边缘流元件来实现。
虽然理解电解液可在许多位置流出电镀槽，但电镀槽的“出口区”被理解为与入口相对的区(横向流动的电解液发起的地方，不考虑进入cirp中的横流歧管通孔的电解液)。换言之，入口对应于上游区，其中横流基本上发起，以及出口对应于下游区，下游区与上游区相对。
图27a-27c呈现了用于图28-30描述的一些实验的实验设置。在这一系列的测试中，边缘流元件2710在不同位置在不同高度安装在cirp2704中。使用四种不同的设置，在图27a中标记为a、b、c和d。不同高度的垫片被用于定位边缘流元件2710在不同的高度。如图27a所示，边缘流元件2710在概念上分为上游部分2710a(介于约9点钟位置和3点钟位置之间)和下游部分2710b(介于约4点钟位置和8点钟位置之间)。边缘流元件2710的上游部分2710a与横流歧管的入口对准(例如，入口的中心位于约12点钟位置)。在图27b的表中描述被测试的不同设置。在图27a中，应当理解，cirp2710通常比在图中的底部所示的长得多/宽得多。
图27b中的表描绘了与实验设置相关的3种间隙高度。第一间隙高度(晶片与cirp的间隙)对应于衬底表面与cirp的凸起部之间的距离。这是横流歧管的高度。第二间隙的高度(上游间隙)对应于衬底与边缘流元件的针对边缘流元件的上游部分的最顶端之间的距离。类似地，第三间隙高度(下游间隙)对应于衬底和边缘流元件的针对边缘流元件的下游部分的最顶端之间的距离。在设置a，上游间隙和下游间隙的大小都与衬底与cirp的间隙的大小相同。在此，边缘流元件的顶部与cirp的凸起部齐平。在设置b，上游间隙和下游间隙是相等的，并且都小于衬底与cirp的间隙。在这个例子中，边缘流元件以方位角对称的方式延伸至高于cirp的凸起部的位置。在设置c，上游间隙的与衬底与cirp的间隙的大小相同，而下游间隙较小。在这个例子中，边缘流元件与在边缘流元件的上游位置处的cirp的凸起部齐平，并且比在边缘流元件下游的位置的cirp的凸起部高。设置d类似于设置c，具有甚至更小的下游间隙。边缘流元件和衬底之间较小的间隙是利用边缘流元件和cirp之间较大的垫片的结果。图27c描绘了有关在不同位置的电解液的横流速率的建模结果。该图显示相对于图27a和27b的基本实验设置的几何形状。
图28呈现与相对于图27a-27c所述的设置a和b相关的实验结果。对于这个实验，在电镀期间衬底不旋转。图28中的图示出了电镀凸起高度与在衬底上的径向位置的关系。结果表明设置b相比于设置a导致在衬底的边缘附近有显著更均匀的凸起高度。这表明抬高边缘流元件至cirp的凸起部的平面之上会对电镀均匀性有实质益处。
图29呈现了与相对于图27a-27c描述的设置a-d相关的实验数据。图表示裸芯片(die)不均匀性与衬底上的径向位置的关系。较低程度的不均匀性是期望的。在各种实施方式中，可以有<5％的裸芯片内不均匀性的目标。d设置表现最佳(最低的不均匀性)。而b和c设置也比a设置表现更好。因此，相信抬高边缘流元件至凸起cirp的平面上方有特别益处，特别是(但不一定限于)在边缘流元件下游的位置。
图30呈现了描绘针对相对于图27a-27c所描述的设置a-d的电镀凸起高度与衬底的径向位置的关系的实验结果。设置d导致最均匀的边缘轮廓，以及最低的裸芯片内不均匀性。在图30中所示的“wid”值涉及在电镀后的衬底上观察到的裸芯片内厚度不均匀性。
应当理解，本发明中描述的配置和/或方法在本质上是示例性的，并且这些具体实施方式或实施例不以限制性意义来考虑，因为许多变化方案是可行的。本发明描述的特定例程或方法可以代表任意数量的处理方案中的一个或多个。因此，所示的各种操作可以以示出的序列执行，以其它序列执行，并行地执行或在某些情况下省略。同样，上述方法的顺序可以改变。
本公开内容的主题包括本发明以上所述的各种方法、系统和配置的所有新颖的和非显而易见的组合和子组合，以及其它特征、功能、操作、和/或特性，以及它们的任何和所有等同方案。
其他实施例
在本节中呈现了表明通过横流歧管226改善的横流是合乎期望的一些观察数据。在本节中，测试了两种基本的电镀槽设计。两种设计包含限制环210，有时被称为分流器，限定横流歧管226在有沟道的离子阻性板206的顶部。两种设计都不包括边缘流元件，但如所期望的这样的元件可被添加到任一设置中。第一个设计，有时称为控制设计和/或tc1设计，不包括通向该横流歧管226的侧入口。相反，在控制设计中，所有进入横流歧管226的流在cirp206下方始发并向上行进穿过cirp206中的孔，然后冲击在晶片上并跨越衬底的面流动。第二个设计，有时称为第二设计和/或tc2设计，包括用于直接喷射流体到横流歧管226中而不穿过cirp206中的通道或孔的横向流喷射歧管222和所有相关联的硬件(然而，注意在某些情况下，输送到横流喷射歧管的流通过cirp206的外周附近的专用通道，这些通道与用于引导流体从cirp歧管208到横流歧管226的通道是不同的/或分开的)。
图10a和10b至图12a和12b比较了使用不具有侧入口(10a，11a，和12a)的控制电镀槽实现的流模式与具有通向横流歧管的侧入口的第二电镀槽(10b，11b，和12b)获得的流模式。
图10a示出了控制设计电镀装置的一部分的俯视图。具体地，附图示出了具有分流器210的cirp206。图10b示出了第二电镀装置的一部分的俯视图，特别示出了cirp206、分流器210和横流喷射歧管222/横流歧管入口250/横流喷头242。图10a-10b中的流的方向通常是从左到右，朝向分流器210上的出口234。在图10a-10b中所示的设计对应于图11a-11b至图12a-12b中建模的设计。
图11a示出了用于控制设计的通过横流歧管226的流。在这种情况下，在横流歧管226中的所有流从cirp206下方发起。在特定点的流的量由箭头的大小指示。在图11a的控制设计中，由于额外的流体通过cirp206，冲击在晶片上，并加入横流，因此在整个横流歧管226的流的量显著增大。然而，在图11b的当前的设计中，流的这种增大没那么显著。由于一定量的流体是通过横流喷射歧管222和相关的硬件直接输送到横流歧管226，因此增大并不那么大。
图12a描绘了跨越在图10a中所示的控制设计装置中电镀的衬底的面的水平速度。值得注意的是，流率以零开始(在分流器出口相对的位置)，并增大，直至到达出口234为止。不幸的是，在控制实施方式中，在晶片的中心处的平均流率相对较低。结果，从有沟道的离子阻性板206的通道发出的阴极电解液射流在中央区域在流体动力学上占优势。由于晶片的旋转产生方位角平均的横流经历，朝向工件的边缘区域的问题不那么显著。
图12b描绘了跨越在图10b中所示的当前设计中电镀的衬底的面的水平速率。在这种情况下，由于从横流喷射歧管222中喷射的流体通过侧入口250并进入横流歧管226，因此水平速率在入口250以非零值开始。另外，与控制设计相比，在当前设计中在晶片的中央的流率增大，从而减小或消除晶片的中央附近的低横流的区域，否则在晶片的中央冲击射流会占主导。因此，侧入口显著改善沿入口至出口方向的横流率的均匀性，并且会导致更均匀的电镀厚度。
其他实施方式
尽管上面完整描述了具体实施方式，但也可以使用各种修改的方案，替代结构和等同结构。因此，上面的描述和说明不应视为限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求限定。
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