专利名称：用于精确镀铜系统的补铜技术的制作方法
技术领域：
本发明涉及镀铜系统。确切地说，本发明涉及补充镀覆溶液中的铜的技术。
在传统的镀铜方式中，阳电极通常是由铜制成的，它随着铜离子消耗而溶解到镀覆溶液中以补充铜离子。但是，为精确镀覆而如此使用惰性阳极，即阳极在镀覆过程中不改变形状。代替从阳极材料中氧化出来的铜离子地，需要一些其它的铜料来源。在这种情况下，含铜材料被加入镀覆溶液中。就是说，当溶液因镀覆作用而损失了铜离子时，使用一些外界来源来补充溶液中的铜离子。
在现有技术中知道了许多种补铜技术。例如参见美国专利US4324623、US5516414、US5609747。但是，已知的补铜技术通常依靠把铜料来源如硫酸铜和氢氧化铜加入液槽中。在某些情况下使用了一个中间容器(或槽)，因而没有简单地把铜料来源倒入溶液中。
尽管对于大多数普通镀覆场合来说这种技术足够用并且是可以接受的，但要求非常洁净的环境不一定就是称心的。例如，在半导体晶片(如硅晶片)上制造集成电路时，在制造器件的洁净室中不希望有污染物颗粒。由于来源铜料在许多应用场合下成粉末状或颗粒状，所以，当这些材料处于净室中时，污染系数很高。相似地，因把固体材料加入溶液而产生的任何不溶解的颗粒可能对镀覆晶片产生有害影响。因此，我们认识到，需要一种把来源铜料输入镀铜溶液中的改进方式。
所述筒是具有一个空心芯的多孔过滤组件。用于补充镀覆材料的化学物质状在过滤件中。过滤筒在筒的运输、搬运和存放过程中把所述化学物质盛放在一个包装组件中。只有当该化学物质与镀覆溶液反应时，镀覆材料才得以释放。独特的包装和简单性允许通过简单地把筒装入系统中而把补充化学物质输入镀覆系统。此外，当过滤件中的化学物质耗尽时，可以简单地更换筒。
在优选实施例中，本发明被用于补充镀铜系统中的铜。该系统被用于把铜镀覆到半导体晶片上。尽管可以使用各种各样的补铜化学物质，但优选实施例的过滤筒采用了氧化铜和氢氧化铜，以便把铜离子补充到镀覆溶液中。
在优选实施例中，使用一个传感器来监视溶液中的铜浓度，并且当铜浓度降低到预定水平以下时，阀把过滤筒加入循环环路中。传感器可以是镀覆工艺所用的监视安培-分钟(或库仑)的器件，或者，它可以是用于监视镀覆参数的各式各样的其它传感器。在一个替换实施例中，使用一个处理器来根据需要地自动监视并调节镀覆溶液中的铜浓度水平。
图2是一个容器外壳和一个用于把镀覆材料补回到镀覆溶液中的过滤筒的绘图。
图3是图2所示的过滤筒的局部图。
图4是
图1的镀覆补充系统，但它现在处于处理器的控制下。
实施例的说明现在，描述一项用于镀铜系统的补铜技术。在以下说明中，描述了许多具体细节如具体化学物质、结构、材料、工艺等，以便让人们彻底地理解本发明。但是，本领域普通技术人员显然会认识到，可以没有这些具体细节地实施本发明。在其它情况下，为了不使本发明晦涩难懂，没有描述众所周知的技术、结构及其组成和化学性质。
应该注意的是，现在是参照用于镀铜系统的补铜来说明本发明，在补铜中，氧化铜或氢氧化铜被用于补充溶液中的铜离子。但是，人们也意识到，可以利用其它补充铜的化学物质来实现本发明，而不是局限于氧化铜或氢氧化铜。此外，本发明可以容易地适用于镀覆其它金属，而不局限于镀铜。
参见图1，示出了本发明的补铜系统10。系统10由一个容器11、循环环路12、补铜来源13和许多用于使镀覆溶液15循环的泵、阀及过滤器构成。容器11可以是槽、箱或其它任何常被用于盛放镀覆液的壳体。在这个例子中，容器11盛放镀铜溶液15。镀铜溶液15的特殊组成和化学性能依赖于正进行的镀覆工艺。
容器11本身可以被用于镀覆工艺，在这种情况下，镀覆物体被安放在容器11中。尽管没有画出来，用于电镀铜的电极也可以壁插入容器11中。或者，可以在容器11外进行镀覆工艺。在这种情况下，容器1将起到镀覆溶液15的来源容器的作用并且使用一些形式的连接管路把溶液15送往正进行镀覆工艺的地方。
在图1的例子中，给料管路16把溶液15从容器11中送往镀覆地点。例如，当镀覆溶液15正被用于把铜镀到半导体晶片上时，给料管路16把溶液15送往把铜镀覆或沉积到晶片上的镀覆室中。如果要循环使用来自晶片镀覆室的镀覆溶液，则使用一条回流管路(标为管路17)以使液体回流到容器11中。人们将认识到，有许多种应用场合，其中容器可以被用于盛放镀覆液15或提供镀覆液。本发明不在于利用溶液进行的工艺，而在于铜的补充，这些铜在溶液15被用于镀铜时从溶液15中损失了。
循环环路12被用于从容器11中抽出溶液15样品并且使溶液15循环回流到容器11中。在循环环路12中，溶液可以按照两条流动路径之一流动。一个泵20从容器11中把溶液15泵往阀22。液体流道在这一点上分开并跟随补充流道18或跟随旁路流道19。这两条流道18、19在阀23处又会合。在补充流道18中设置第二泵21，以使液体结流过补铜来源13。但是，我们意识到，如果流道19完全关闭，则第二泵21是不一定有的，因为泵20将使液体流经流道18。因而，可以通过相应地操作阀22、23使来自容器11的液体流经补充流道18或绕过它。
在图中还示出了过滤器和传感器，它们一般和系统10一起使用。在这个例子中，两个过滤器25、26(一个是预过滤段，另一个是最终过滤段)被用于过滤液体。所用过滤器的实际数目是任选的。传感器被用于在不同阶段内监视液体，因而，这样的传感器的使用、位置和数目也是根据特定用途的需要而任选的。在这个例子中，传感器S1被设置用于在补铜阶段前监视溶液。传感器S2被设置用于在补充阶段后监视溶液。因此，可以监视流经补铜来源13前后的液体的铜浓度。
还画出了第三传感器S3。传感器S3被设置用于监视容器11中的溶液。人们将认识到，传感器S3可以起到于传感器S2一样的作用。此外，如果需要的话，为简单起见，可以更简单地通过只使用传感器S3来监视铜离子浓度。一些类型的传感器被用于探测并监视溶液15中的铜离子浓度水平是很重要的，从而如果需要的话，可以把附加的铜加入溶液15中。显然，一个传感器可以是一个镀覆工艺所用的监视安培-分钟(库仑)的器件。库仑值(电荷量)可以直接被转换成镀覆工艺所消耗的铜量(格令或重量)。所用传感器的类型也是一项依赖于所实施的镀覆工艺的设计选择。
在正常流动方式中，旁路流道19被用于液体流动。液体由传感器监视以便掌握溶液中的铜离子量。当铜浓度水平降低到某个预定值时，使液体流经补充流道18，从而附加铜离子被注入系统中。
我们也意识到，在某些情况下，工作的流动环路(管路16、17)可以与循环环路12融为一体。在这种情况下，镀覆溶液15在流经阀23以后被分配给镀覆设备并且回流管路与过滤器25的入口相连。就是说，在图1的草图中，镀覆设备在过滤器25、26和容器11之间被装入环路12中。因此，在正常处理工作中，旁路流道19被用于把镀覆溶液从容器11中送往镀覆设备。当容器中的铜浓度水平降低到预定值以下时，把筒30装入环路中以便补充铜。主要依照镀覆设备要求和所进行的工艺的要求来选择使用一条或两条环路。
由补铜来源13提供注入附加铜离子的装置。本发明采用了补充筒30，它被装入容器外壳(或罐)29中。罐29的流入口在上，其流出口在下(最好在中央)，从而镀覆液沿外周面流入罐29中并横穿筒30地经过空心中央芯(出口所在位置)流出。在图2、3中示出了筒30和罐29的更具体说明。
如图2、3所示，优选实施例的筒30成圆筒形。可以理解的是，筒30的形状是随意设计的。筒30由一个外过滤件31和一个内过滤件32构成。过滤件31填充有把镀覆化学物质(在本文中是铜)注入流经罐29的液体中所需的化学物质。内芯32是空心(空的)的，从而改善了流经筒30的液流。内芯32与罐29的流出口相连，从而确保了流经过滤件的液体流动。
可以按照几种方式来设计过滤件31。通常，它是由多孔材料构成以允许流体流经过滤件。过滤件可以被设计成双壁过滤件结构(具有内、外壳或内外结构)，其中化学物质留在这两道壁之间，或者过滤材料可以横跨横截面，在这种情况下，化学物质在过滤材料中分散开。圆筒的顶面和底面通常是密封的(如通过过滤材料)，在这种情况下，补充化学物质一般是粉末状的。我们也意识到，过滤件31的实际形状是随意设计的。一些类型过滤器件的被用于液体流动并且补充化学物质分散在筒30中是很重要的，从而当液体流经过滤件31时，化学物质被注入溶液中。
此外，根据本发明，筒30被制成包装器件形式以便搬运。由于其独特的包装方式，可以输送和存放筒30，直到要使用它为止。当准备用于系统10中时，去掉包装并将筒30插入罐29中。一旦处于罐29中并被密封起来，镀覆溶液15流入罐中地与筒30中的化学物质反应。通常，最好使筒30具有固足够的高度，从而筒30的两端与罐29的上下盖子密封隔绝。
过滤件31中的化学物质可以由许多种已知的且把铜离子补充到镀覆溶液中的化学物质构成。例如，补充化学物质可以是氢氧化铜(Cu(OH)2)或氧化铜(CuO)。在优选的实施例中，滤芯31由CuO构成。因此，CuO粉末被装入来填充过滤件31的开口区。筒30的上下端被密封起来，以便密封过滤件31中的CuO。
一旦筒30被装入罐29中，则在需要补充铜时使镀覆溶液15流入罐中。当镀覆溶液由硫酸铜(CuSO4)和硫酸(H2SO4)的混合物构成时，氧化铜在溶液中按照以下化学反应式反应，从而使铜离子返回溶液中，以补充损耗的铜。
通过使用本发明的筒30获得了显著优点。可以轻松地运输、搬运结构紧凑的包装组件并作为包装组件地进行存放，这与目前使用的散装化学物质不同。筒30可以被轻松地装入系统10并在过滤件31中的补充化学物质耗尽时容易被取出来。当被用在洁净环境中(如净室)或其附近时，筒中化学物质的隔绝明显降低了化学物质作为污染物地流入环境的潜在危险。筒中的铜只在它与罐29中的镀覆溶液15反应时才溶析出筒外。因此，与已知的把含铜化学物质泵入镀覆溶液中的技术相比，优选实施例的补铜筒(也被称为过滤筒)是显著的进步。
参见图4，示出了一个替换型补铜系统40。系统40是附加有处理器(如计算机)的系统10，所述处理器被标为CPU41。在系统40中，循环环路12的监视和控制功能受到处理器控制。因此，传感器、泵和阀于CPU41相连。CPU41监视镀覆溶液15中的铜浓度水平，当需要补充铜时，所述CPU将补充流道18加入系统40中。一旦已恢复了适当的铜含量水平，则补充流道18被关闭并且溶液流经旁路流道19。显然，无论镀覆是正在容器11中进行，还是在一些其它地点进行，CPU41都可以是被用于控制镀覆过程的相同的处理装置。
因此，已描述了补铜系统。人们会认识到，本发明可以容易地被实施用于镀覆除铜外的其它金属。
权利要求
1.一种补充镀覆用溶液所损失的镀覆材料的装置，它包括一个盛放溶液的容器；一个与该溶液盛放容器相连的且使溶液循环回流到该盛放容器中的补充容器；一个被插入该补充容器中以便把镀覆材料回输入溶液内的筒，该筒具有一个用于在其中盛放化学物质的外支承结构，该化学物质在与溶液反应时补充溶液所损失的镀覆材料。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述筒的外支承结构是由这样一种多孔材料制成的，即它允许溶液轻易地流经其中，但一直滞留筒中的化学物质，直到所述化学物质与溶液反应为止。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，它还包括一个阀和一个传感器，所述传感器用于监视溶液中的镀覆材料浓度，所述阀用于控制溶液流向该补充容器。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，它还包括一个用于监视所述传感器并响应于该传感器地启动所述阀或使所述阀失效以便自动调节溶液中的镀覆材料浓度的处理器。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该镀覆材料由铜构成。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述化学物质是氧化铜CuO。
7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述化学物质是氢氧化铜Cu(OH)2。
8.一种补充用于把铜镀覆到半导体晶片上的镀铜溶液所损失的铜的装置，它包括一个盛放镀覆溶液的容器；一个与该溶液盛放容器相连的并使镀覆溶液循环回流到该盛放容器中的补充容器；一个被装入该补充容器中以便把铜回输入镀覆溶液内的过滤筒，所述过滤筒具有一个用于在其中盛放补铜化学物质的外支承结构，所述补铜化学物质在其与镀覆溶液反应时补充溶液所损失的铜。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述该筒的外支承结构是由这样的多孔材料制成的，即它允许镀覆溶液轻易地流经其中，但一直滞留筒中的粉末状补铜化学物质，直到所述化学物质与镀覆溶液反应为止。
10.如权利要求8所述的装置，其特征在于，它还包括一个阀和一个传感器，所述传感器用于监视镀覆溶液中的铜浓度，所述阀用于控制镀覆溶液流向该补充容器。
11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，它还包括一个用于监视所述传感器并响应于该传感器地启动所述阀或使所述阀失效以便自动调节镀覆溶液中的铜浓度的处理器。
12.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述化学物质是氧化铜CuO。
13.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述化学物质是氢氧化铜Cu(OH)2。
14.一种补充镀覆用溶液所损失的镀覆材料的方法，它包括以下步骤从一个盛放镀覆溶液的容器中把镀覆溶液泵送往一个与该盛放容器相连的补充容器；使镀覆溶液流经一个被装入该补充容器的过滤筒，所述过滤筒具有一个用于在其中存放化学物质的外支承结构；当镀覆溶液流经过滤筒时，使镀覆材料回输到镀覆溶液中，所述化学物质在与溶液反应时补充溶液所损失的镀覆材料；使经过补充的镀覆溶液循环回流到该盛放容器中。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，使镀覆溶液流经过滤筒的步骤使溶液流经一个多孔的过滤筒，所述过滤筒允许镀覆溶液轻松地流过，但一直滞留筒中的化学物质，直到所述化学物质与镀覆溶液反应为止。
16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，它还包括一个监视镀覆溶液中的镀覆材料浓度的步骤和另一个控制镀覆溶液流向过滤筒以便调节正被补充到镀覆溶液中的镀覆材料量的步骤。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，它还包括使用一个处理器来监视镀覆溶液中的镀覆材料浓度并控制镀覆溶液流向过滤筒的步骤。
18.如权利要求14所述的方法，其特征在于，镀覆材料的补充是要补充镀覆溶液中的铜，所述溶液被用于镀铜。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，用于补充铜的化学物质是氧化铜CuO。
20.如权利要求18所述的方法，其特征在于，用于补充铜的化学物质是氢氧化铜Cu(OH)2。
21.一种用于补充镀覆用溶液所损失的镀覆材料的筒，它包括一个由允许镀覆液流经其中的过滤材料制成的外支承结构；一种留在其中的补充化学物质，所述补充化学物质在与流经过滤材料的溶液反应时把镀覆材料输入溶液中。
22.如权利要求21所述的筒，其特征在于，所述外支承结构由多孔过滤材料构成，它具有一个允许溶液轻易地流经其中的空心芯，所述补充化学物质容放在该多孔过滤材料中。
23.如权利要求22所述的筒，其特征在于，所述补充化学物质是氧化铜CuO。
24.如权利要求22所述的筒，其特征在于，所述补充化学物质是氢氧化铜Cu(OH)2。
全文摘要
一种补铜系统(10)被设计用于补充镀铜溶液(15)所损失的铜。补充是通过使用一个结构紧凑的过滤筒(30)而实现的,所述筒被装入一条溶液循环环路(12)中。过滤筒(30)装有这样的化学物质,即当与溶液反应时,它把铜补充到溶液中。过滤筒(30)是一个结构紧凑的组件,它可以轻松地搬运并减少了可能因存在补充材料而造成的污染物量。
文档编号C25D3/38GK1371432SQ9981678
公开日2002年9月25日 申请日期1999年5月10日 优先权日1999年5月10日
发明者C·H·廷, P·曹, F·林, T·安德里乌施陈科 申请人:施蒂格卡特克公司