专利名称：用于测量电镀溶液的化学浓度的系统和方法
技术领域：
本发明的实施例一般地涉及电化学电镀系统，更具体地，涉及分析在电化学电镀系统中所使用的电镀溶液。
背景技术：
亚1/4微米尺寸的特征的金属化是用于当代和下一代集成电路制造工艺的基础技术。更具体地，在诸如超大规模集成型器件(即，具有拥有超过百万个逻辑门的集成电路的器件)之类的器件中，处于这些器件的核心的多级互连例如一般通过用诸如铜或铝之类的导电材料填充大高宽比的互连特征来形成。常规地，诸如化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)之类的沉积技术已经被用于填充互连特征。但是，随着互连尺寸减小并且高宽比增大，通过常规沉积技术的高效无空洞互连特征填充变得日益困难。因此，例如，电镀技术(诸如电化学电镀(ECP)和无电镀)已经作为可行的工艺出现，用于在集成电路制造工艺中填充亚1/4微米尺寸的大高宽比的互连特征。
例如，在ECP工艺中，可以例如用诸如铜的导电材料高效地填充形成在衬底的表面中的亚1/4微米尺寸的大高宽比的特征。ECP电镀工艺一般是两阶段工艺，其中，首先将晶种层形成在衬底的表面和特征上，然后将衬底的表面和特征暴露于电镀溶液，同时在置于电镀溶液的衬底和阳极之间施加电偏压。电镀溶液一般富含将被电镀到衬底的表面上的离子，因此，电偏压的施加使得这些离子被驱动离开电镀溶液并且被电镀到晶种层上。
感兴趣的一个特定电镀参数是在电镀衬底中所使用的电镀溶液的化学组成。典型的电镀溶液包括包含去离子(DI)水的多种不同化学溶液的混合物。为了在衬底的整个表面上获得所期望的电镀特性，电镀溶液应该包括适当浓度的所述化学溶液。如果电镀液不具有这些化学溶液的适当浓度，则不可能在整个衬底表面上获得所期望的电镀特性。因此，理想的是，在衬底的电镀之前和期间，适当地设定和维持电镀溶液中的化学溶液的期望浓度。
一种对于在电镀操作过程中维持电镀溶液中的化学溶液的期望浓度的阻碍是，这些浓度不断变化。对此的一个原因是在电镀操作过程中化学溶液不断消耗、分解、和/或与其它化学物质结合。因此，如果不对电镀溶液进行处置，电镀溶液中各种化学物质的浓度将随时间变化。因此，典型的ECP电镀池包括专用装置来在电镀操作过程中控制电镀液中的化学物质的浓度。
一种这样的专用装置是化学分析器，该化学分析器是探测电镀溶液并且周期性地确定电镀溶液中的化学物质的浓度的装置。利用电镀溶液中化学物质的当前浓度的信息，化学分析器随后确定需要被添加到电镀溶液中的化学物质量。化学分析器还可以确定在添加化学物质之前需要排出的电镀溶液量，以便实现对于电镀溶液中的该化学物质的期望浓度。
包括多个电镀池的电镀系统可以包括多个化学分析器，即对于每一个电镀池包括一个化学分析器。用于特定电镀系统的每一个化学分析器可能需要一同标定。由于每一个化学分析器的和化学分析器周围的温度的可变性，可能难以将所有化学分析器标定成相同的。此外，在电镀系统中对于每一个电镀池使用一个化学分析器可能在成本上是不允许的。
因此，在本领域中存在对于用于测量电镀溶液的化学浓度的改进的系统和方法的需要。
发明内容
本发明的实施例涉及一种电化学电镀系统，其包括一个或多个用于储存电镀溶液的电镀池液池；以及与所述一个或多个电镀池液池流体连通的化学分析器。所述化学分析器配置来测量所述电镀溶液的化学浓度。所述电镀系统还包括管道系统，所述管道系统配置来提供所述一个或多个电镀池液池和所述化学分析器之间的所述流体连通，并且将所述化学分析器与由所述一个或多个电镀池液池中的一个或多个电镀池产生的电噪音基本隔离。
本发明的实施例还涉及一种用于测量电镀溶液的化学浓度的方法。该方法包括将部分电镀溶液从一个或多个电镀池液池输送到取样液池；将所述部分电镀溶液循环通过化学分析器；以及隔离所述一个或多个电镀池液池和所述化学分析器之间的流体连通。
作为可以详细理解本发明的上述特征的方式，通过参考实施例可以对在上面简要说明的本发明进行更具体的描述，其中的一些实施例被示于附图中。但是，应该注意，附图仅仅图示了本方面的典型实施例，因此不因认为是限制其范围，因为本发明可以包括其它等效的实施例。
图1示出了根据本发明的一个或者多个实施例的电化学电镀系统的顶视图。
图2示出了根据本发明的一个或者多个实施例的用于从电镀池向化学分析器(反之亦然)输送例如电镀溶液的液体的管道系统的示意图。
图3示出了根据本发明的一个或者多个实施例在再循环步骤中可以输送例如电镀溶液的液体的方式的示意图。
图4示出了根据本发明的一个或者多个实施例从取样液池到各个电镀池液池的电镀溶液流。
图5示出了根据本发明的一个或者多个实施例流出管道系统的例如去离子水或者标准溶液的液体流。
具体实施例方式
图1示出了根据本发明的一个或者多个实施例的电化学电镀(ECP)系统100的顶视图。系统100包括制造厂接口(FI)130，其一般也被称为衬底加载站。制造厂接口130可以包括多个衬底加载站，衬底加载站被配置来与衬底容纳盒134对接。机械手132可以被布置在制造厂接口130中，并且可以被配置来存取容纳在盒134中的衬底。此外，机械手132还可以延伸到连接通道115中，所述连接通道115将制造厂接口130连接到处理主机或者平台113。机械手132的位置允许机械手访问衬底盒134，以从其取得衬底并随后将衬底输送到位于主机113上的处理池114，116中的一个，或者将衬底输送到退火站135。类似地，机械手132可以被用于在衬底处理工序完成之后从处理池114，116或者退火站135取回衬底。机械手132可以随后将衬底输送回盒134中的一个，用于从系统100取出。
系统100还可以包括退火站135，退火站135可以包括冷却板/位置136、加热板/位置137和位于两个板136和137之间的衬底转移机械手140。转移机械手140可以被配置来在各个加热板137和冷却板136之间移动衬底。
如上所述，系统100还可以包括处理主机113，该处理主机113具有被中心地布置在其上的衬底转移机械手120。转移机械手120一般包括一个或者更多个臂/叶片122，124，其被配置来支撑和转移其上的衬底。此外，转移机械手120和附带的叶片122，124一般被配置来延伸、旋转和垂直移动，使得转移机械手120可以向多个位于主机113上的处理位置102、104、106、108、110、112、114、116插入衬底和从其取出衬底。处理位置102、104、106、108、110、112、114、116可以是任何数量的用于电化学电镀平台的处理池。更具体地，处理位置可以被配置成电化学电镀池、清洗池、倾斜清洁池、旋转清洗干燥池、衬底表面清洁池(其集中包括清洁、清洗和刻蚀池)、无电镀池、测量检验站、和/或其它可以被有利地用于电镀平台中的处理池。各个处理池和机械手中的每一个一般与系统控制器111通信，所述系统控制器111可以是基于微处理器的控制系统，其被配置来接收来自用户和/或布置在系统100上的各种传感器的输入，并且根据输入适当地控制系统100的操作。
处理位置114和116可以被配置成主机113上的湿法处理站和连接通道115、退火站135和制造厂接口130中的干法处理区域之间的接口。位于接口位置上的处理池可以是旋转清洗干燥池和/或衬底清洁池。更具体地，位置114和116中的每一个可以包括堆叠配置的旋转清洗干燥池和衬底清洁池两者。位置102、104、110和112可以被配置成电镀池，例如是电化学电镀池或者无电镀池。因此，电镀池102、104、110和112可以分别与电镀池液池142、144、146、和148流体连通。每一个电镀池液池被配置来保持大量的电镀溶液，例如约20升。位置106和108可以被配置成衬底倾斜清洁池。ECP系统100的各种部件的更多细节在共同转让的2003年7月8日递交的标题为“MULTI-CHEMISTRY PLATING SYSTEM”的美国专利申请No.10/616,284中有描述，该美国专利申请通过引用被全文包括在本文中。在一个实施例中，ECP系统100可以是可从加利福尼亚Santa Clara的应用材料公司得到的SlimCell电镀系统。
系统100还可以包括化学分析器150。在一个实施例中，化学分析器150是可从Rhode Island的Cranston的Technic公司得到的实时分析器(RTA)。化学分析器150被配置来探测电镀溶液的取样并且测量电镀溶液的取样中的化学浓度。测量技术可以是基于AC和DC伏安法的。可以将电压施加到浸没在电镀浴溶液中的金属电极上。就像在电镀过程中那样，所施加的电压导致电流流动。电流响应可以被定量地与各种化学物质的浓度相关。化学分析器150可以包括用于控制化学分析器150的操作的控制器，并且用于化学分析器150的控制器可以与系统控制器111通信，系统控制器111可以确定将被测量的特定电镀池液池。
化学分析器150可以耦合到取样液池160，取样液池160被配置来保持来自主机113上的处理池中的一个的电镀溶液取样。在一个实施例中，取样液池160被配置来保持约300mL到约600mL的液体。取样液池160可以耦合到温度控制器170，温度控制器170被配置来维持或控制取样液池160内的例如电镀溶液的液体的温度。温度控制器170可以包括热交换器或冷却器。在一个实施例中，温度控制器170被配置来将取样液池160内的液体的温度维持在预定范围中，诸如从约18℃到约22℃。在另一个实施例中，温度控制器170被配置来将取样液池160内的液体维持在约20℃。此外，温度控制器170可以与系统控制器111通信，以控制温度控制器170的操作。
系统100还可以包括泵180，泵180被配置来将例如电镀溶液的液体从处理池液池移到取样液池160(反之亦然)。泵180可以与系统控制器111通信，以控制泵180的操作。下面将参考图2-5提供处理池和化学分析器之间的液体输送方式的细节。
图2示出了根据本发明的一个或者多个实施例的用于从电镀池向化学分析器150(反之亦然)输送例如电镀溶液的液体的管道系统200的示意图。管道系统200包括用于允许液体从各个电镀池液池流到取样液池160(反之亦然)的阀门210、220、230和240。虽然仅仅示出了4个用于电镀池液池的阀门，但是管道系统200可以包括任何数量的用于其相应电镀池液池的阀门。每一个阀门可以是气动两通阀门。但是，本领域普通技术人员公知的其它类型的阀门也可以用于本发明的实施例。阀门205被配置来在打开位置下允许液体排出管道系统200。阀门250被配置来在打开位置下允许标定或者标准溶液在标定期间流入到取样液池160中。阀门260被配置来在打开位置下允许去离子水(DIW)流入到取样液池160中。处于打开位置下的阀门270被配置来在返回步骤期间允许液体流回到电镀池液池，这将在下面进行更详细描述。处于打开位置下的阀门280被配置来在填充步骤期间允许来自电镀池液池的电镀溶液、去离子水或者标准溶液流到泵180，这将在下面进行更详细描述。阀门285被配置来在打开位置下允许液体从泵180流到化学分析器150。阀门290被配置来在打开位置下允许液体从取样液池160流到泵180。
图2示出了在填充步骤期间从电镀池液池到取样液池160的例如电镀溶液的液体流，所述填充步骤一般是在测量电镀溶液中的化学浓度之前执行的一个或者第一步骤。作为示例，填充步骤开始于使电镀溶液从处理池液池通过打开的阀门240流动。电镀溶液然后通过打开的阀门280流到泵180。电镀溶液继续流出泵180，通过打开的阀门285和化学分析器150，流到取样液池160。阀门205、210、220、230、250、260、270和290关闭。
在一个实施例中，一旦取样液池160被填充电镀溶液并且准备好了由化学分析器150测量，则阀门240和阀门280可以被关闭。这样，化学分析器150可以与由施加到周围电镀池(包括电镀溶液来自的电镀池)的电压产生的任何电噪音基本隔离。
当将电镀溶液从电镀池液池输送到取样液池160时，电镀溶液的温度可以由泵180的温度和/或外部温度来升高。因此，一旦取样液池160被填充电镀溶液，取样液池160内的电镀溶液的温度可以由温度控制器170冷却。在一个实施例中，一旦电镀溶液的温度达到预定范围，例如约18℃到22℃之间，则电镀溶液被再循环通过化学分析器150，化学分析器150测量取样液池160内的电镀溶液的化学浓度。在另一个实施例中，取样液池160内的电镀溶液的温度可以被冷却到约20℃。这样，可以以更一致和更精确的方式执行对来自各个电镀池液池的电镀溶液的化学浓度的测量。
图3示出了根据本发明的一个或者多个实施例在再循环步骤中可以输送例如电镀溶液的液体的方式的示意图。在再循环步骤，例如电镀溶液的液体从取样液池160通过打开的阀门290流到泵180。电镀溶液然后流过打开的阀门285到达化学分析器150，并且流回取样液池160。阀门205、210、220、230、240、250、260、270和280被关闭。在该再循环步骤中，化学分析器150可以测量电镀溶液的化学浓度，再循环步骤可以被重复任意次数。
一旦化学分析器150完成对取样液池160中的电镀溶液的化学浓度的测量，可以将电镀溶液返回到该电镀溶液来自于的各个电镀池液池。图4示出了根据本发明的一个或者多个实施例从取样液池到各个电镀池液池的电镀溶液流。电镀溶液从取样液池160通过打开的阀门290流到泵180。电镀溶液然后流出泵180通过打开的阀门270和打开的阀门240到达该电镀溶液来自于的各个电镀液池。阀门205、210、220、230、250、260、280和285被关闭。当由化学分析器150完成化学浓度测量时，也可以将电镀溶液排出管道系统200。参考图5来详细描述可以从管道系统排出液体的方式。
在其中去离子水可以通过管道系统200循环或者化学分析器150可以由标准溶液标定的情形中，在去离子水或者标准溶液的循环完成时，可以将液体排出管道系统200。图5示出了根据本发明的一个或者多个实施例流出管道系统的例如去离子水或者标准溶液的液体流。液体从取样液池160通过打开的阀门290流到泵180。液体然后流出泵180，通过打开的阀门270和打开的阀门205流出管道系统200。阀门210、220、230、240、250、260、280和285被关闭。
虽然上面所述的涉及本发明的实施例，但是可以设计本发明的其它和更多的实施例，而不偏离本发明的基本范围，本发明的基本范围由所附权利要求确定。
权利要求
1.一种电化学电镀系统，包括一个或多个用于储存电镀溶液的电镀池液池；与所述一个或多个电镀池液池流体连通的化学分析器，其中所述化学分析器配置来测量所述电镀溶液的化学浓度；和管道系统，所述管道系统配置来提供所述一个或多个电镀池液池和所述化学分析器之间的所述流体连通，并且将所述化学分析器与由所述一个或多个电镀池液池中的一个或多个电镀池产生的电噪音基本隔离。
2.如权利要求1所述的系统，还包括耦合到所述化学分析器的取样液池，其中所述取样液池配置来保持一部分电镀溶液。
3.如权利要求2所述的系统，其中，所述管道系统包括第一流动通路，所述第一流动通路用于将所述一部分电镀溶液从所述一个或多个电镀池液池输送到所述取样液池。
4.如权利要求2所述的系统，其中，所述管道系统包括第二流动通路，所述第二流动通路用于将所述部分电镀溶液循环通过所述化学分析器。
5.如权利要求2所述的系统，其中，所述管道系统包括至少一个阀门，当所述至少一个阀门处于打开位置时，所述至少一个阀门允许所述部分电镀溶液从所述一个或多个电镀池液池流到所述取样液池。
6.如权利要求5所述的系统，其中，一旦所述取样液池被填充以所述部分电镀溶液，所述至少一个阀门就被切换到关闭位置，以将所述化学分析器与所述电噪音基本隔离。
7.如权利要求2所述的系统，其中，所述管道系统包括第三流动通路，所述第三流动通路用于将所述部分电镀溶液返回到所述一个或多个电镀池液池。
8.如权利要求7所述的系统，其中，所述第三流动通路在完成所述部分电镀溶液中的化学浓度的测量之后被使用。
9.如权利要求2所述的系统，其中，所述管道系统包括第四流动通路，所述第四流动通路用于将液体从所述取样液池排出所述管道系统。
10.如权利要求9所述的系统，其中，所述第四通路用于排放去离子水和标准溶液中的一种。
11.如权利要求2所述的系统，还包括温度控制器，该温度控制器用于将所述取样液池内的液体的温度维持在预定范围内。
12.如权利要求11所述的系统，其中，所述预定范围是从约18℃到约22℃。
13.如权利要求2所述的系统，还包括温度控制器，该温度控制器用于将所述取样液池内的液体的温度维持在约20℃。
14.如权利要求1所述的系统，其中，所述电噪音由在所述一个或者多个电镀池中施加电压而产生。
15.一种用于测量电镀溶液的化学浓度的方法，包括将部分电镀溶液从一个或多个电镀池液池输送到取样液池；将所述部分电镀溶液循环通过化学分析器；以及隔离所述一个或多个电镀池液池和所述化学分析器之间的流体连通。
16.如权利要求15所述的方法，其中，隔离所述流体连通包括关闭至少一个阀门，所述至少一个阀门允许所述部分电镀溶液从所述一个或多个电镀池液池流到所述取样液池。
17.如权利要求16所述的方法，其中，在所述取样液池被填充以所述部分电镀溶液之后，所述至少一个阀门被关闭。
18.如权利要求16所述的方法，还包括测量所述部分电镀溶液的化学浓度。
19.如权利要求18所述的方法，还包括在测量所述化学浓度之后，将所述部分电镀溶液返回到所述一个或多个电镀池液池。
20.如权利要求18所述的方法，还包括将所述取样液池内的所述部分电镀溶液的温度维持在预定的温度范围。
21.如权利要求18所述的方法，其中，所述预定范围是从约18℃到约22℃。
全文摘要
本发明提供一种电化学电镀系统，包括一个或多个用于储存电镀溶液的电镀池液池和与所述一个或多个电镀池液池流体连通的化学分析器。所述化学分析器配置来测量所述电镀溶液的化学浓度。该电镀系统还包括管道系统，所述管道系统配置来提供所述一个或多个电镀池液池和所述化学分析器之间的所述流体连通，并且将所述化学分析器与由所述一个或多个电镀池液池中的一个或多个电镀池产生的电噪音基本隔离。
文档编号G01N31/00GK1904608SQ20061009953
公开日2007年1月31日 申请日期2006年7月26日 优先权日2005年7月26日
发明者亚历山大·F·霍尔曼恩, 耶夫吉尼·拉宾诺维赤, 凯瑟琳·P·塔 申请人:应用材料公司