用于调节在电镀中的方位角均匀性的装置和方法与流程

本公开总体上涉及用于在半导体晶片上电镀金属层的方法和装置。更具体地，本文所描述的方法和装置对于控制方位角镀覆均匀性是有用的。

背景技术：

在半导体器件的制造中，导电材料(如铜)通常通过电镀到金属的籽晶层上来沉积，以填充在半导体晶片衬底上的一个或多个凹陷特征。电镀是用于在镶嵌处理期间沉积金属到晶片的通孔和沟槽的选择的方法，并且也用于晶片级封装(WLP)应用中，以形成在晶片衬底上的金属柱和金属线。电镀的另一种应用是填充穿透硅通孔(TSV)，其是在3D集成电路和3D封装中使用的相对较大的垂直电连接。

在一些电镀衬底中，在电镀(通常在镶嵌和TSV处理中)之前，籽晶层暴露在衬底的整个表面上，并在衬底的整体上进行金属的电沉积。在其它电镀衬底的过程中，籽晶层的一部分由非导电材料覆盖，例如由光致抗蚀剂覆盖，而籽晶层的另一部分被暴露。在具有部分被掩蔽的籽晶层的这样的衬底中，电镀仅在籽晶层的暴露部分进行，而籽晶层的被覆盖部分被保护以避免上面被电镀。在具有涂覆有图案化的光致抗蚀剂的籽晶层的衬底上电镀被称为穿过抗蚀剂电镀，并且通常在WLP应用中使用。

在电镀期间，电触点在晶片的周边的籽晶层(例如，铜籽晶层)上形成，并且晶片被电偏置以用作阴极。使晶片与电解液接触，电解液包含待镀的金属离子。电解液通常还包含向电解液提供足够的导电性的酸，并且也可以含有在衬底的不同表面上调节电沉积速率的添加剂，其被称为促进剂、抑制剂、以及均化剂(leveler)。

在电镀过程中所遇到的一个问题是沿圆形半导体晶片的半径不均匀分布的电沉积的金属的厚度。这种类型的非均匀性被称为径向非均匀性。径向非均匀性会由于多种因素而出现，例如因终端效应(terminal effect)而出现，以及由于在衬底的表面的电解液流量的变化而出现。终端效应本身表现为边缘厚的电镀，因为在晶片的边缘的电触点附近的电位比在晶片的中心会是显著较高的，尤其是当使用薄电阻籽晶层时。

在电镀期间可能遇到的另一种类型的非均匀性是方位角非均匀性。为清楚起见，我们使用极坐标将方位角非均匀性定义为在相对于晶片中心的固定径向位置处在晶片上的不同角度位置显示的厚度变化，即，沿着晶片的周界内的给定的圆或圆的部分的非均匀性。这种类型的非均匀性可独立于径向的非均匀性存在于电镀应用中，并且在一些应用中可能是需要加以控制的主要类型的非均匀性。其经常出现在穿过抗蚀剂电镀中，其中，晶片的主要部分被用光致抗蚀剂涂层或类似的防镀覆层掩蔽，并且特征的掩蔽图案或特征密度在晶片边缘附近在方位角上并不是均匀的。例如，在一些情况下，在靠近晶片的凹口处会存在缺失图案特征的、技术上所需要的弦形(chord)区域，以使得能对晶片进行编号或处理。

过度的径向和方位角非均匀性可导致非功能性的芯片。因此需要改善镀覆均匀性的方法和装置。

技术实现要素：

描述了用于在衬底上以改善的方位角镀覆均匀性电镀金属的方法和装置。本文描述的装置和方法可以用于在各种衬底上电镀，并且对于在方位角不均匀的衬底上电镀是特别有用的，例如在具有方位角不均匀的缺少管芯区的衬底上电镀是特别有用的。该装置和方法结合方位不对称屏蔽件利用离子阻性离子可穿透元件(下称“元件”)，其中，所述元件和所述屏蔽件在提高电镀的均匀性的配置中使用。

在一个方面，提供了一种电镀装置。该电镀装置包括：(a)电镀室，其被配置成在电镀金属到半导体衬底上时容纳电解液和阳极；(b)衬底支架，其配置成在电镀期间保持和旋转所述半导体衬底；(c)离子阻性离子可穿透元件，其包括面对衬底的表面和相反的表面，其中所述元件在电镀期间使得离子流能穿过所述元件朝向所述衬底流动，其中所述离子阻性离子可穿透元件包括多个非连通通道，并且其中所述离子阻性离子可穿透元件被定位成使得所述元件的面对衬底的表面和所述衬底的工作表面之间的最近距离为约10mm或小于10mm；和(d)屏蔽件，其被配置用于提供方位角不对称屏蔽，其中该屏蔽件具有面对衬底的表面和相反的表面，其中，所述屏蔽件被定位成使得所述屏蔽件的面对衬底的表面和所述衬底的工作表面之间的最近距离为小于约2mm。优选地，所述屏蔽件的面对衬底的表面和所述衬底的工作表面之间的最近距离为约0.5mm-1.5mm。

在一些实施方式中，所述屏蔽件的面对衬底的表面被设置轮廓使得从所述屏蔽件的面对衬底的表面到所述衬底的工作表面的距离是变化的(或者逐渐地或者以离散的步骤)。在一些实施方式中，所述屏蔽件的面对衬底的表面被设置轮廓使得从所述屏蔽件的面对衬底的表面到所述衬底的工作表面的距离对于选定的方位角位置是径向变化的。例如，在一实施方案中，所述屏蔽件的面对衬底的表面被设置轮廓使得从所述屏蔽件的面对衬底的表面到所述衬底的工作表面的距离在第一径向位置比在第二径向位置大，其中所述第二径向位置比所述第一径向位置大。径向位置从对应于所述衬底的中心(零径向位置)测量，使得它沿向外的方向朝衬底的边缘的径向位置增大。在一些实现方案中，所述屏蔽件的面对衬底的表面被设置轮廓使得至少对于屏蔽件的一部分，随着径向位置增大，从所述屏蔽件的面对衬底的表面到所述衬底的工作表面的距离在径向方向上逐渐减小。

在一些实施方式中，所述屏蔽件的相反的表面接触所述离子阻性离子可穿透元件并阻塞所述元件的所述面对衬底的表面上的通道的一部分。

所述屏蔽件通常可以是实心的(没有任何开口)，或者，在一些实施方式中，所述屏蔽件可以具有一个或多个电解液可穿过的开口，从而使得离子流能穿过这些开口。

在一些实施方案中，所述屏蔽件总体上是楔状的。合适的屏蔽件的一个实施例是具有位于离所述衬底的边缘的径向位置介于约10mm-40mm的径向距离处的介于约100°-180°之间的中心楔状角的屏蔽件。

在许多实施方式中，所述离子阻性离子可穿透元件被定位成使得在电镀期间所述元件的面对衬底的表面和所述衬底之间的所述距离介于约2mm-10mm之间，并且所述屏蔽件被定位成使得在电镀期间所述屏蔽件的面对衬底的表面和所述衬底的工作表面之间的最小距离为约1.5mm或小于约1.5mm。

在许多实施方案中，所述屏蔽件被定位成使得在电镀期间所述离子阻性离子可穿透元件的面对衬底的表面和所述屏蔽件之间存在填充电解液的间隙。当使用这样的配置时，优选地配置该装置，使得所述非连通通道落入屏蔽件的投影的至少一部分相对于离子流的流动是被阻塞的。这可以例如通过提供与所述离子阻性离子可穿透元件的所述相反的表面接触的第二屏蔽件来实现，其中所述第二屏蔽件用于阻塞非连通通道的落入所述屏蔽件的投影的至少一部分。在另一配置中，提供了特别设计的元件，其中，该元件的落入屏蔽件的投影的至少一部分没有通道。此外，当该元件和所述顶部屏蔽件之间具有间隙时，在一些实施方式中，所述装置还包括入口和出口，所述入口通向位于所述衬底和所述离子阻性离子可穿透元件之间的微室以用于引导电解液流入至所述微室，所述出口通向所述微室以用于接收流动通过所述微室的电解液，其中所述入口和所述出口被定位成邻近方位角相反的所述衬底的所述工作面的周边位置，并且其中，所述入口和出口适于在所述微室产生电解液的交叉流(cross-flow)。例如，所述装置可以被配置成用于产生穿过在所述离子阻性离子可穿透元件和屏蔽件之间的间隙的电解液交叉流。在一些实施方式中，通向所述微室的出口位于顶部屏蔽件的周边。在一些实施方式中，在所述离子阻性离子可穿透元件和屏蔽件之间的所述间隙介于约0.5mm–5mm之间。

在另一个方面，提供了一种用于在衬底上电镀金属同时控制方位角的均匀性的方法，在一实施方式中，该方法包括：(a)提供所述半导体衬底到配置为用于在电镀期间旋转所述半导体衬底的电镀装置内，其中所述电镀装置包括：(i)离子阻性离子可穿透元件，其包括面对衬底的表面和相反的表面，其中所述元件在电镀期间使得离子流能穿过所述元件朝向所述衬底流动，其中所述离子阻性离子可穿透元件包括多个非连通通道，并且其中所述离子阻性离子可穿透元件被定位成使得所述元件的面对衬底的表面和所述衬底的工作表面之间的最近距离为约10mm或小于10mm；以及(ii)屏蔽件，其被配置用于提供方位角不对称屏蔽，其中该屏蔽件具有面对衬底的表面和相反的表面，其中，所述屏蔽件被定位成使得所述屏蔽件的面对衬底的表面和所述衬底的工作表面之间的最近距离为小于约2mm；以及(b)在相对于所述屏蔽件旋转所述半导体衬底的同时在所述衬底上电镀金属，使得所述半导体衬底的在选定的方位角位置的选定部分停留在屏蔽区相比于所述衬底的具有相同的平均弧长和相同的平均径向位置并且存在于不同角度的方位角位置的第二部分持续不同的时间量。在一些实施方式中，电镀包括：当所述衬底的选定部分被较少地屏蔽时，以第一速度旋转所述半导体衬底，并且当所述衬底的选定部分被较多地屏蔽时，以第二速度旋转所述半导体衬底，其中，所述衬底的一个完整的旋转包括以第一速度旋转的第一时间段和以第二速度旋转的第二时间段。在一些实施方式中，可以对于所述衬底的每一个完整的旋转，在较多地屏蔽的区上，减慢所述半导体衬底两次或更多次，使得在所述晶片上的两个分离的方位角部分相比于类似的方位角部分(具有相同的平均弧长和相同的平均径向位置并且存在于不同角度的方位角位置的部分)在所述屏蔽的区停留较长久。在一些实施方式中，可以使用两个或更多个顶部方位角不对称的屏蔽件。

在一些实施方式中，可以使用两种以上的速度。例如，所述衬底的一个完整的旋转可以包括：以第一速度旋转，接着减慢到第二速度；以第二速度旋转，接着加速到第三速度；以所述第三速度旋转，接着减慢到第四速度；以第四速度旋转，接着加速到第一速度，其中，第一和第三速度可以相同或不同，且其中第二和第四速度可以相同或不同。加速和减速的时间段可能非常短，或者在一些实施方式中，比较长。停留期间以及加速和减速期间可以调制以实现改进的均匀性。例如，指定一个或多个加速度、减速度、和停留期间的不同波形可以以程序指令的形式在与所述装置电连接的控制器中使用。在一个实施例中，所述控制器可以包括用于下述操作的程序指令：(a)以第一速率旋转衬底持续第一角度跨度；(b)将所述衬底从所述第一速率减速到第二速率持续第二角度跨度；(c)以第二速率旋转所述半导体衬底持续第三角度跨度；(d)将所述衬底加速回到所述第一速率持续第四角度跨度，其中(a)-(d)是在所述衬底的一个完整的旋转期间(对应于360度的角度跨度)执行的。

本发明提供的方法可以集成到使用光刻图案化的工艺中。在一方面，这些方法包括上述方法中的任意一些，并且进一步包括：将光致抗蚀剂施加到所述晶片衬底上；使所述光致抗蚀剂暴露于光；图案化所述光致抗蚀剂并将所述图案转印到所述晶片衬底上；以及从所述晶片衬底选择性地去除所述光致抗蚀剂。在本发明的另一方面，提供了一种系统，其包括以上描述的装置中的任何一种和步进式光刻机(stepper)。

在一些实施方式中，提供了一种装置，其中该装置还包括包含用于执行本文描述的任何方法的程序指令和/或逻辑的控制器。在一个方面，提供了一种包含程序指令的非暂时性计算机机器可读介质。用于控制电镀装置的程序指令包括用于执行上述的任何方法的代码。

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，其被配置成在电镀金属到半导体衬底上时容纳电解液和阳极；

(b)衬底支架，其被配置成在电镀期间保持所述半导体衬底；

(c)离子阻性离子可穿透元件，其包括面对衬底的表面和相反的表面，其中所述元件在电镀期间使得离子流能穿过所述元件朝向所述衬底流动，其中所述离子阻性离子可穿透元件包括多个非连通通道，并且其中所述离子阻性离子可穿透元件被定位成使得所述元件的面对衬底的表面和所述衬底的工作表面之间的最近距离为约10mm或小于10mm；以及

(d)屏蔽件，其被配置成用于提供方位角不对称屏蔽，其中该屏蔽件具有面对衬底的表面和相反的表面，其中，所述屏蔽件被定位成使得所述屏蔽件的面对衬底的表面和所述衬底的工作表面之间的最近距离为小于约2mm。

2.根据条款1所述的电镀装置，其中所述屏蔽件的面对衬底的表面和所述衬底的工作表面之间的最近距离为约0.5mm-1.5mm。

3.根据条款1所述的电镀装置，其中所述屏蔽件的面对衬底的表面被设置轮廓使得从所述屏蔽件的面对衬底的表面到所述衬底的工作表面的距离是变化的。

4.根据条款1所述的电镀装置，其中所述屏蔽件的面对衬底的表面被设置轮廓使得从所述屏蔽件的面对衬底的表面到所述衬底的工作表面的距离对于选定的方位角位置是径向变化的。

5.根据条款1所述的电镀装置，其中所述屏蔽件的面对衬底的表面被设置轮廓使得从所述屏蔽件的面对衬底的表面到所述衬底的工作表面的距离在第一径向位置比在第二径向位置大，其中所述第二径向位置比所述第一径向位置大。

6.根据条款1所述的电镀装置，其中所述屏蔽件的面对衬底的表面被设置轮廓使得至少对于屏蔽件的一部分，随着径向位置增大，从所述屏蔽件的面对衬底的表面到所述衬底的工作表面的距离在径向方向上逐渐减小。

7.根据条款1所述的电镀装置，所述屏蔽件的相反的表面接触所述离子阻性离子可穿透元件并阻塞所述元件的所述面对衬底的表面上的通道的一部分。

8.根据条款1所述的电镀装置，其中所述屏蔽件具有一个或多个电解液可穿过的开口。

9.根据条款1所述的电镀装置，其中所述屏蔽件总体上是楔状的。

10.根据条款1所述的电镀装置，其中所述屏蔽件总体上是楔状的，并且具有位于离所述衬底的边缘的径向位置介于约10mm-40mm的径向距离处的介于约100°-180°之间的中心楔角。

11.根据条款1所述的电镀装置，其中所述离子阻性离子可穿透元件被定位成使得在电镀期间所述元件的面对衬底的表面和所述衬底之间的所述距离介于约2mm-10mm之间，并且其中所述屏蔽件被定位成使得在电镀期间所述屏蔽件的面对衬底的表面和所述衬底的工作表面之间的最小距离为约1.5mm或小于约1.5mm。

12.根据条款1所述的电镀装置，其中所述屏蔽件被定位成使得在电镀期间所述离子阻性离子可穿透元件的面对衬底的表面和所述屏蔽件之间存在填充电解液的间隙。

13.根据条款12所述的电镀装置，所述非连通通道落入所述屏蔽件的投影的至少一部分阻挡离子流的流动。

14.根据条款12所述的电镀装置，其中所述非连通通道落入所述屏蔽件的投影的至少一部分被与所述离子阻性离子可穿透元件的所述相反的表面接触的第二屏蔽件阻塞。

15.根据条款12所述的电镀装置，所述离子阻性离子可穿透元件落入所述屏蔽件的投影的至少一部分没有通道。

16.根据条款12所述的电镀装置，其还包括入口和出口，所述入口通向位于所述衬底和所述离子阻性离子可穿透元件之间的微室以用于引导电解液流入至所述微室，所述出口通向所述微室以用于接收流动通过所述微室的电解液，其中所述入口和所述出口被定位成邻近方位角相反的所述衬底的所述工作面的周边位置，并且其中，所述入口和出口适于在所述微室产生电解液的交叉流。

17.根据条款12所述的电镀装置，其中，所述装置被配置成用于产生穿过在所述离子阻性离子可穿透元件和所述屏蔽件之间的间隙的电解液交叉流。

18.根据条款12所述的电镀装置，其中，在所述离子阻性离子可穿透元件和所述屏蔽件之间的所述间隙介于约0.5mm–5mm之间。

19.根据条款1所述的电镀装置，其还包括包含程序指令和/或逻辑的控制器，所述指令和/或逻辑用于在相对于所述屏蔽件旋转所述半导体衬底的同时在所述半导体衬底上电镀金属，使得所述半导体衬底的在选定的方位角位置的选定部分停留在屏蔽区相比于所述半导体衬底的具有相同的平均弧长和相同的平均径向位置并且存在于不同角度的方位角位置的第二部分持续不同的时间量。

20.一种包括根据条款1所述的电镀装置和步进式光刻机的系统。

21.一种用于在半导体衬底上电镀金属同时控制方位角的均匀性的方法，该方法包括：

(a)提供所述半导体衬底到配置为用于在电镀期间旋转所述半导体衬底的电镀装置，其中所述电镀装置包括：(i)离子阻性离子可穿透元件，其包括面对衬底的表面和相反的表面，其中所述元件在电镀期间使得离子流能穿过所述元件朝向所述衬底流动，其中所述离子阻性离子可穿透元件包括多个非连通通道，并且其中所述离子阻性离子可穿透元件被定位成使得所述元件的面对衬底的表面和所述衬底的工作表面之间的最近距离为约10mm或小于10mm；以及(ii)屏蔽件，其被配置用于提供方位角不对称屏蔽，其中该屏蔽件具有面对衬底的表面和相反的表面，其中，所述屏蔽件被定位成使得所述屏蔽件的面对衬底的表面和所述衬底的工作表面之间的最近距离为小于约2mm；以及

(b)在相对于所述屏蔽件旋转所述半导体衬底的同时在所述半导体衬底上电镀金属，使得所述半导体衬底的在选定的方位角位置的选定部分停留在屏蔽区相比于所述半导体衬底的具有相同的平均弧长和相同的平均径向位置并且存在于不同角度的方位角位置的第二部分持续不同的时间量。

22.根据条款21所述的方法，其中(b)包括当所选定的所述方位角位置停留在所述屏蔽区时使所述半导体衬底的旋转减慢。

23.根据条款21所述的方法，其中(b)包括所述半导体衬底的每一个完整的旋转减慢所述半导体衬底两次或更多次，使得在所述半导体衬底上的两个分离的方位角部分相比于所述半导体衬底的类似方位角部分在所述屏蔽区停留较长久。

24.根据条款21所述的方法，其中所述半导体衬底的一个完整的旋转包括以第一速度旋转所述半导体衬底，接着将所述半导体衬底减速到第二速度；以所述第二速度旋转所述半导体衬底，接着将所述半导体衬底加速到第三速度；以所述第三速度旋转所述半导体衬底，接着将所述半导体衬底减速到第四速度；以及以所述第四速度旋转所述半导体衬底，接着将所述半导体衬底加速到第一速度。

25.根据条款21所述的方法，其中所述屏蔽件的面对衬底的表面被设置轮廓使得从所述屏蔽件的面对衬底的表面到所述衬底的工作表面的距离对于选定的方位角位置是径向变化的。

26.根据条款21所述的方法，其中所述屏蔽件的面对衬底的表面被设置轮廓，使得至少对于所述屏蔽件的一部分，随着径向位置增大，从所述屏蔽件的面对衬底的表面到所述衬底的工作表面的距离在径向方向上逐渐减小。

27.根据条款21所述的方法，其进一步包括：

将光致抗蚀剂施加到所述半导体衬底上；

使所述光致抗蚀剂暴露于光；

图案化所述光致抗蚀剂并将所述图案转印到所述半导体衬底上；以及

从所述半导体衬底选择性地去除所述光致抗蚀剂。

28.一种包含用于控制电镀装置的程序指令的非临时性计算机机器可读介质，所述电镀装置在控制方位角的均匀性的情况下处理半导体衬底，其中，所述指令包括用于下述操作的代码：

(a)在电镀过程中，以第一速率旋转半导体衬底持续第一角度跨度；

(b)将所述半导体衬底从所述第一速率减速到第二速率持续第二角度跨度；

(c)以第二速率旋转所述半导体衬底持续第三角度跨度；

(d)将所述半导体衬底加速回到所述第一速率持续第四角度跨度，其中

(a)-(d)是在所述衬底的一个完整的旋转期间执行的。

下面将参照相关附图更加详细地描述本发明的这些和其它的特征和优点。

附图说明

图1是具有缺少管芯区域的方位角不对称衬底的示意俯视图。

图2是根据本文中所呈现的实施方式的方位角不对称屏蔽件的示意性俯视图。

图3是电镀装置的示意性剖面图，其说明通过使用定位在离子阻性离子可穿透元件下方的方位角不对称屏蔽件所遇到的问题。

图4是对于需要改善的若干装置结构图解镀覆的厚度分布与在选定的方位角位置的径向位置的函数关系的试验曲线图。

图5A-5D是一种装置的一部分的示意性横截面图，其示出了根据本文中所呈现的各种实施方式定位方位角不对称屏蔽件。

图6A-6D根据本文中所呈现的各种实施方式提供了各种方位不对称屏蔽件和包括该屏蔽件的组件的透视图。

图7A-7C提供了本文所提供的顶部和底部屏蔽件的不同的相对布置的示意俯视图。

图7D是一种装置的一部分的透视图，其根据本文提供的实施方式示出了顶部和底部屏蔽件的相对位置。

图7E和7F为顶部屏蔽件的示范性定位的示意性俯视图。

图8是根据本文提供的实施方式的电镀装置的示意性剖面图。

图9是用于根据本文所提供的实施方式中的一种的电镀方法的工艺流程图。

图10A-10D是示出了在试验实施例使用的配置中的顶部屏蔽件、元件和底部屏蔽件的相对位置的横截面示意图。

图11A是显示用于试验A和B的在选定的方位角位置的归一化镀覆厚度的径向分布的试验曲线图。

11B是显示用于试验A和B的归一化镀覆厚度的三维分布的试验曲线图。

图11C是显示用于试验A和C的在选定的方位角位置的归一化镀覆厚度的径向分布的试验曲线图。

图11D是显示用于试验A和C的归一化镀覆厚度的三维分布的试验曲线图。

图11E是显示用于试验A和D的在选定的方位角位置的归一化镀覆厚度的径向分布的试验曲线图。

图11F是显示用于试验A和D的归一化镀覆厚度的三维分布的试验曲线图。

图12是显示用于试验E、F和G的在选定的方位角位置的在具有缺少管芯区的晶片上的归一化镀覆厚度的径向分布的试验曲线图。

具体实施方式

提供了用于以改进的方位角均匀性在衬底上电镀金属的方法和装置。总体上描述了一些实施方式，其中衬底是半导体晶片，但本发明并不受此限制。术语“半导体晶片”和“半导体衬底”在本文中可互换使用，并且是指工件，在该工件内的任何地方包含半导体材料，例如硅。典型地，在半导体衬底内的半导体材料覆盖有一个或多个其它材料层(例如，介电层和导电层)。用于电镀的衬底包括至少在衬底的表面上的一些位置暴露的导电性籽晶层。籽晶层通常是金属层，并且可以是，例如，铜层(包括纯铜及其合金)、镍层(包括NiB层和NiP层)、钌层等。衬底在其表面上通常具有在电镀过程中被填充的若干凹陷特征。可以使用所提供的方法进行电镀的金属的实例包括，但不限于，铜、银、锡、铟、铬、锡-铅组合物、锡-银组合物、镍、钴、镍和/或钴彼此之间的合金以及镍和/或钴与钨的合金、锡-铜组合物、锡-银-铜组合物、金、钯、以及包括这些金属和组合物的各种合金。

这些方法对于在方位角不对称的衬底上进行电镀是特别有用的，即，对于在选定的固定的径向位置在不同的角度(方位角)位置具有不同性质的衬底上是特别有用的。方位角不对称衬底的实施例包括具有方位角不对称几何结构的晶片(例如，在边缘具有一个或多个凹口的晶片，或具有沿着晶片的弦切出的平坦区域的晶片)，以及在表面上具有方位角不对称图案化的圆形晶片。在衬底上的特征内的这种不对称性在镀覆过程中会导致不希望有的离子流拥挤，并且会导致在晶片的某些方位角区域增加镀覆。例如，在一些实施方式中，电镀在具有缺少管芯的衬底上进行。在这种衬底上的电镀导致在邻近于方位角可变图案化的区域中的电流拥挤，如在邻近缺少凹陷特征和缺少管芯的区域的区中的电流拥挤，并因此导致在该区域中的电镀的不均匀性。具有方位角不对称缺少管芯区域的晶片的具体实施例在图1中示意性示出。圆形晶片101包含图案化区域103和未图案化区域105，其中未图案化区域是方位角不对称的(它并不是沿给定的径向位置的所有角度位置都存在)。当提到贯穿抗蚀剂电镀工艺时，未图案化区域通常覆盖有光致抗蚀剂，使得下伏籽晶层不暴露，而图案化的区域包含在凹陷特征底部的暴露的导电籽晶层，和在其他地方的暴露的光致抗蚀剂。在这样的衬底中在直接邻近无图案化的光致抗蚀剂的区域中的暴露的籽晶层将经历离子流拥挤和比所需的更厚的电镀。

由于方位角不对称性而产生的离子流拥挤可以在一定程度上使用被配置为提供方位角不对称屏蔽的屏蔽件校正。例如，介电楔状屏蔽件可置于离子流的路径上，并且衬底可以在电镀期间旋转，使得需要校正的选定的方位角区域停留在屏蔽区相比于在不同的方位角(角度)位置的类似区域持续较长的时间。例如，当缺少管芯区域通过屏蔽区时，旋转的晶片会减慢，然后缺少管芯区域退出屏蔽区域之后，会加速到较高的旋转速度。这种可变速率旋转将导致缺少管芯区域在屏蔽区中停留相比于在晶片上的位于不同方位角位置的类似的区域(具有相同的平均径向位置和弧长的区域)持续较长的时间。因而，在选定的方位角位置中的电流拥挤的减缓可以得以实现。方位角不对称屏蔽件的一个实施例示于图2，它示出了楔状屏蔽件201的俯视图。

发现屏蔽件在电镀装置内的位置和屏蔽件的面对衬底的表面的形状是可以成功地调制以改善电镀均匀性的显著的参数。

电镀过程中所遇到的问题之一是在选定方位角位置的不足或过度的屏蔽，从而分别导致在屏蔽区的电沉积金属的过厚的或不足的厚度。当需要对方位角的均匀性进行控制以与对径向均匀性的控制和/或在衬底的表面处的电解液流的优化平衡时，会出现这一问题。用于减轻终端效应并改善径向均匀性的电镀装置的一个特征是被定位在阳极和衬底之间的离子阻性离子可穿透元件(简称为“元件”)。该元件是由电阻材料制成，并且包含多个通道，从而使得离子流能通过元件朝向晶片阴极流动。元件引入了电阻到离子流的路径上，并减少由于在该导电籽晶层的边缘到中心的大的电压降而发生的终端效应。在某些情况下，元件也用来在电解液流通过元件的通道朝向晶片阴极流动时给电解液流整形。在一些情况下，电解液流的整形是元件的主要功能。该元件的一个实例是包含约6000个-12000个之间的非连通通道的介电聚合物板，其中该元件是与衬底基本上共同延伸的，并且与衬底的电镀表面隔开约2mm-10mm。当该元件被定位成这样紧邻衬底(这是成功减轻终端效应所需要的)时，为了减轻方位角不均匀性而放置方位角不对称的屏蔽件提出了具有挑战性的问题。

已发现，如果方位角不对称的屏蔽件直接定位在元件的底部或元件的顶部离衬底的表面的距离大于2mm，同时接触元件并阻塞元件的通道，则方位角不均匀性的校正会是不充分的。同样，如果代替分离的方位角不对称的屏蔽件，将屏蔽件内置入元件中，则通过阻塞在选定方位角位置的通道(或通过在选定的方位角位置设置无通道的区域)，该方位角非均匀性的校正也可能是不充分的。如果在衬底的镀覆表面和元件的面对衬底的表面之间的距离为衬底直径的1％或1％以上，则这种效果是特别显著的。因此，例如，当元件定位于离具有300mm直径的晶片的表面3mm或3mm以上时，观察到这种效果。这种效果参考图3以及参照图4示出，图3示出了具有直接设置在元件下方的方位角不对称的屏蔽件的装置的示意性剖视图，图4示出了在选定的方位角位置的径向电沉积的厚度分布曲线，该分布曲线在如图3所示设置的装置中使用以及没有使用方位角不均匀性校正的情况下得到。参照图3，电镀装置包括构造成保持电解液303和阳极305的电镀室301。该装置进一步包括被构造成保持并旋转半导体衬底309的衬底支架307。半导体衬底309电连接到电源(未示出)并且在电镀过程中被阴极偏置。离子阻性离子可穿透元件311停留在衬底309的附近，并使得离子流能如箭头所示穿过其通道。通道的一部分被直接位于元件311下方的方位角不对称的楔状屏蔽件313堵塞。衬底在电镀期间旋转，并且在选定的晶片的方位角位置通过方位角不对称的屏蔽件313上方时减慢到较低速度。已发现，当方位角不对称的屏蔽件例如如图3所示被定位时，它并不总是提供足够的屏蔽，因为离子流仍然可以非常有效地重新分配到在元件上方的电解液中的衬底的屏蔽的方位角位置，如箭头315所示。

在如图3所示设置的电镀装置中，在具有缺少管芯的300mm的晶片衬底上进行三个电镀试验。在所有的三个试验中，楔状屏蔽件直接放置元件下方、在对应于所述晶片中心的径向位置120mm的径向位置(指楔状件的最内点的位置)，其中，所述屏蔽件有114度的楔角。径向分布的金属厚度在接近缺少管芯区域的方位角位置进行测量。在第一个试验中，没有方位角不对称的屏蔽(晶片以4rpm的恒定速度旋转)。在选定的方位角位置所得厚度分布曲线由曲线(a)显示。可以看出，如所预期的，在晶片的对应于缺少管芯的区域附近的电流拥挤的周边部分上有厚度的大的增加。在第二个试验中，晶片旋转，使得缺少管芯区域在屏蔽区停留较长时间。具体而言，晶片以24rpm旋转，但在缺少管芯区通过屏蔽件上方时，减慢到1rpm持续10度的跨度。将所得的厚度分布曲线通过曲线(b)示出。均匀性得到了改善，但在晶片边缘的分布曲线仍然是不足够平坦的，并且电流拥挤持续存在。在第三个试验中，使用较大的方位角校正，而所有电镀条件与第二个试验相同。通过在屏蔽区的较大的跨度上减慢晶片而获得较大的方位角校正。具体而言，晶片以24rpm旋转，但在缺少管芯区域正通过屏蔽件上方时，减慢到2rpm持续30度的跨度。将在第三个试验中获得的厚度分布曲线通过曲线(c)示出。可以看出，曲线(c)显示出在衬底的周边在过度屏蔽区域的比所需要的较低的厚度的部分。该元件的位置在所有三个试验中是相同的，并且从元件的面对衬底的表面到衬底(300mm的晶片)的镀覆表面的距离为4.5mm。该元件的厚度为12.7mm。这些试验表明，当屏蔽件如此远离晶片衬底定位时，很难找到过度屏蔽和欠屏蔽之间的平衡，因为离子流有足够的机会在紧邻衬底处再分配。如果薄的方位角不对称的屏蔽件直接定位在相对远程地定位的元件(在3mm-10mm处)的顶部上，同时阻塞元件的孔，则预期有类似效果。

已发现，方位角的均匀性可以通过使用定位在极端靠近衬底的元件上方并且在一些实施方式中(但不必然)与元件通过间隙分离开的方位角不对称的屏蔽件得到改善。优选在衬底的可镀覆表面和屏蔽件的面对衬底的表面之间的最近距离是衬底的直径的0.7％或0.7％以下，例如是衬底的直径的0.4％或0.4％以下。具体地，屏蔽件的面对衬底的表面和衬底的工作表面之间的最近距离应为2mm或2mm以下，优选介于约0.5mm-1.5mm之间。例如方位角不对称的屏蔽件可定位成使得其在处理300mm的晶片时与衬底的表面分开约0.5mm-1.5mm的距离(如果由于屏蔽件的面对衬底的表面的轮廓而导致该距离变化，则指的是最近的距离)。使用晶片到屏蔽件的这样小的间距使离子流难以重新分配到屏蔽区，并导致对不需要的电流的更完整的屏蔽。一些实施方式中，元件的面对衬底的表面通过间隙与方位角不对称的屏蔽件分离，这对于使电解液流在元件和衬底之间无阻碍地横向流动是有用的。在一些实施方式中，该间隙介于衬底的直径的约0.1％-1.7％之间。例如，当对300mm的晶片进行处理时，可使用介于约0.5mm-5mm之间的间隙。此外，优选地，当元件和方位角不对称的屏蔽件之间的间隙存在时，元件的非连通通道的至少落入屏蔽件的投影内的一部分将阻挡离子流的流动。例如第二屏蔽件可以被放置成与元件直接接触，从而将阻塞元件的通道以阻止离子流动，或者元件可以制造成使得通道在元件的选定区域不存在。当配置包含两个方位角不对称的屏蔽件时，停留在元件上并靠近在晶片面朝下配置中的衬底的屏蔽件被称为“顶部屏蔽件”，而停留在元件下方的屏蔽件被称为“底部屏蔽件”。

正如先前提到的，离子阻性离子可穿透元件(也称为“元件”)是电镀装置的部件，其在离子流朝向阴极偏置的晶片衬底的路径上提供附加的电阻，并在电镀期间使得离子能穿过元件朝衬底移动。

在一些实施方式中，元件是具有多个非连通通道的板，其中该板的主体由电阻材料制成，并且在电阻材料中的通道使得离子能穿过板朝阴极偏置的衬底运动。该元件具有：面对衬底的表面，其优选是(但不一定是)平坦的，并且平行于衬底；和相反的表面，其可以是平坦的或弯曲的。该元件被定位成紧邻衬底，但不接触衬底。优选所述元件在电镀期间被定位在衬底的约10mm内，更优选在衬底的约5mm内，其中的数字是指衬底的镀覆面和元件的面对衬底的表面之间的最近距离。

在一些实施方式中，该元件的最大厚度其范围在介于约10mm至约50mm之间，并且最小的孔隙率典型地在介于约1-5％之间的范围内。孔隙率被确定为元件的面对衬底的表面上的通道开口的面积与元件的面对衬底的表面的总面积的比值。

有非连通通孔的元件的一个实例是由离子阻性材料制成的盘状物，离子阻性材料如聚乙烯、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、以及类似物，具有数目介于约6000个-12000个之间的一维(1-D)通孔。在一些实施方案中，元件可以进一步具有将电解液流整形的功能，并且可以使大量的电解液能穿过其主体的通道，并提供在晶片表面的电解液冲击流。通道的直径不应大于在衬底和元件的面对衬底的表面之间的距离，并且通常直径不应超过5mm。典型地，通道的直径在介于约0.5-1mm之间的范围内。例如，通道可以具有0.508mm或0.66mm的直径。通道可以被以90度角或以不同的倾斜角引导到元件的面对衬底的表面。

本文所提供的方位角不对称的屏蔽件通常由能与正在使用的电解液(通常是酸性电解液)兼容的介电材料制成。例如屏蔽件可以由耐酸聚合物材料制成。屏蔽件的几何形状可以针对正在被校正的特定的非均匀性来调整。在一些实施方式中，顶部屏蔽件的面对衬底的表面是有轮廓的。如本文所用的术语“有轮廓的”是指提供从屏蔽件的面对衬底的表面到衬底的工作表面的至少两种不同的距离的表面的形状。在一些实施方式中，屏蔽件的面对衬底的表面在径向方向上是有轮廓的，使得在两个不同的径向位置和相同方位角位置从屏蔽件到衬底的距离是不同的。在一些实施方式中，优选提供可被定位使得在较大的径向位置(其更靠近衬底的周边)比在较小的径向位置(靠近中心)离衬底有较小的距离的屏蔽件。例如可以使用边缘厚的楔状屏蔽件。在一些实施方式中，顶部屏蔽件的面对衬底的表面是有轮廓的，使得朝向衬底的距离在径向方向上逐渐变化(例如，随着径向位置朝向周边推进而变得越来越小)。在一些实施方式中，顶部方位角不对称屏蔽件具有一个或多个开口，这样的开口使得电解液能穿过它们并且调制在屏蔽区中的离子流的环境。在一些实施方式中，方位角不对称的屏蔽件具有可拆卸地或固定地连接到内部楔状部分的环形部分，该内部楔状部分可用于将屏蔽件安装在电镀室中和/或在衬底的周边提供一定量的对称屏蔽。在一优选的实施方式中，顶部方位角不对称的屏蔽件是固定的，而衬底相对于固定屏蔽件旋转。

图5A-5D图解了屏蔽件的可用于改进方位角均匀性的可能的配置的不同的实施方式。为清楚起见，仅仅装置的含有元件、屏蔽件和衬底的部分被示出。

图5A图解了所提供的装置的一个实施方式，其示出了电镀室的在晶片衬底附近的一部分的示意性横截面图。晶片衬底501由衬底支架503保持在合适位置，衬底支架503被配置在电镀期间旋转衬底。衬底支架还包含多个在衬底的周边与晶片衬底501电连接的电触点。在电镀期间，衬底其可镀覆表面浸入到电解液中和被负偏置。衬底支架的被称为杯505的部分突出超过衬底的朝向元件507的可镀覆表面一段短的距离。元件507定位于离衬底的可镀覆表面距离D1(小于10mm)处，使得形成微室509。楔状屏蔽件511被定位紧邻衬底处，使得屏蔽件的面对衬底的表面与衬底的可镀覆表面分隔开距离D2(小于2mm，优选约0.5mm-1.5mm)。屏蔽件511的底表面与元件507的顶表面分隔开距离D3。在所描绘的实施方式中，电解液是通过在侧面的开口提供到微室509中，并通过在方位角相对的位置的另一开口离开所述微室，如箭头所示。在所描绘的实施方式中，在屏蔽件511和元件507之间的间隙的周边设置用于电解液的出口。同时，电解液的第二部分向上流动通过元件507的通道。楔状方位角不对称的屏蔽件513位于元件507的底表面，使得它阻塞元件的通道以阻止离子流的流动。在所描绘的实施方式中，该底部屏蔽件与顶部屏蔽件511是共同延伸，但是，通常底部屏蔽件的量可以变化，并且可以用于调节通过顶部屏蔽件511下的元件的电流的量。可选的环形对称屏蔽件515停留在元件507的底部，阻塞在元件的外周的通道。

具有共同延伸的底部楔状屏蔽件和顶部楔状屏蔽件的组件的立体图表示在图6A中。在此视图中，顶部屏蔽件611停留在元件609上，并通过小间隙与元件分隔开。屏蔽件611的在元件上的整个投影区通过底部楔状屏蔽件613阻挡离子流的流动，底部楔状屏蔽件613接触元件的底表面并阻挡在该区域内的离子流。

在图5A和6A中所描绘的实施方式中，顶部屏蔽件具有平坦的面对衬底的表面和离衬底表面的恒定的距离。在其他实施方式中，从衬底的可镀覆表面到屏蔽件的面对衬底的表面的距离是变化的。例如，屏蔽件的顶表面可被设置有轮廓，使得在屏蔽件的周边与衬底的距离比在屏蔽件的中心部分与衬底的距离小。该距离的变化提供了附加的方式以调节离子流在衬底的表面上的分布。已发现，如果屏蔽件被定位在极端接近衬底处(小于2mm，例如1.5mm或更小，指的是屏蔽件的面对衬底的表面与衬底的工作表面之间的最近距离)，屏蔽件的顶表面的轮廓设计(使得该屏蔽件的面对衬底的表面和衬底的工作表面之间的距离是变化的)是用于调节离子流分布的特别有效的方法，并且如果屏蔽件被定位成远离衬底，则该轮廓设计就失去了它的有效性。在图5B中示出了图解本实施方式的装置的一部分的剖视图，其中装置的所有元件如在图5A的装置中那样布置，但顶部屏蔽件521具有可变的厚度，并被定位成其以其平坦表面面对元件。在本实施例中，从屏蔽件的顶表面到衬底的距离在径向方向朝向所述衬底的边缘逐渐减小。这种厚度可变的顶部屏蔽件的透视图显示于图6B和6C。

在一些实施方式中，顶部屏蔽件可以有一个或多个开口，这样的开口将使得离子流能穿过屏蔽件。开口的存在对于调节屏蔽区中的电流会是有利的，因为屏蔽件将使得一些电流能穿过，并且可以防止过度屏蔽。图5C显示了一种具有顶部屏蔽件531的装置的剖面图，该顶部屏蔽件531具有有轮廓的顶表面且同时具有在屏蔽件中的一个开口(显示为虚线)。图6D示出了另一实施例的立体图，其中屏蔽件是没有轮廓的，但具有用于离子流穿过的在离子阻性离子可穿透元件上的大的开口。

尽管在元件和顶部屏蔽件之间的间隙的存在对于横向流动是有利的，但在一些实施方式中，顶部屏蔽件521可以保持与元件507直接接触，如图5D所示。距离屏蔽件的面对衬底的表面的最近距离D2小于约2mm，优选介于约0.5-1.5mm之间。在所描绘的实施方式中，屏蔽件的面对衬底的表面和衬底的工作表面之间的最大距离与从衬底到元件的距离D1是相同的，并且可以是例如约2.5mm-9mm之间。应注意当顶部屏蔽件直接停留在元件的顶部并阻止元件的孔流通时，不需要存在底部屏蔽件，因为顶部屏蔽件已经实现了阻塞孔的功能。

尽管附图中未示出，但应理解的是，假定屏蔽件的面对衬底的表面与衬底的工作表面之间的最近距离是小于2mm，则在图5A-5C中所示的所有类型的顶部屏蔽件(具有平坦的面对衬底的表面、具有有轮廓的面对衬底的表面、以及具有一个或多个开口)可以在配置中使用，其中，顶部屏蔽件放置成与元件直接接触，如图5D所示。

为了在晶片获得所需的电流分布而可以调节的另一个参数是当使用顶部方位角不对称的屏蔽件和底部方位角不对称的屏蔽件这两者时，由这两个屏蔽件所占据的相对面积。优选地，至少由顶部屏蔽件投影到元件上的区域的部分阻挡离子流。在一些实施方案中，阻挡区域比顶部屏蔽件的投影的总面积小。例如，离子流可被接触元件并占据投影的总面积的约60-99％(如70-95％)的底部屏蔽件阻挡。图7A示出了顶部屏蔽件701和停留在顶部屏蔽件下方并比顶部屏蔽件占据较小区域的底部屏蔽件703的示意性俯视图。停留在屏蔽件之间的元件未示出以保持清晰。在图7D中示出了装置的具有这种类型的配置的部分的立体图，其中底部屏蔽件703仅从由顶部屏蔽件701投影到元件705上的区域的一部分阻挡离子流。

在一些实施方式中，顶部屏蔽件在所述元件上的整个投影阻挡离子流而投影周围的其他区域不阻挡。这可以通过使用与顶部屏蔽件共同延伸的底部屏蔽件来实现。这种构造由图7B示意地示出，其示出了在底部屏蔽件703上的顶部屏蔽件701的俯视图。在一些实施方式中，由顶部屏蔽件投影到元件上的区域阻挡离子流，并且邻近投影区的另外的区也阻挡。例如，在一些实施方式中，可以使用相比于顶部屏蔽件具有较大面积(例如，在径向方向具有较大的长度)的底部屏蔽件。这如图7C所示，其显示出顶部屏蔽件701具有比下面的屏蔽件703的投影面积小的投影面积。

方位角不对称的屏蔽件的形状和径向放置一般取决于需要加以校正的方位角不均匀性的类型和大小。典型地，为了校正在晶片的边缘具有未图案化的区域的晶片上的离子流，楔状屏蔽件被放置在等于或接近未图案化的区域的径向距离的径向距离处。在一些实施方式中，优选使用具有比缺少管芯区域(或引起方位角不均匀性的其他区域)的面积大的面积的方位角不对称的屏蔽件。这是因为在旋转周期的缓慢旋转部分期间，整个缺少管芯区应优选在屏蔽区保持大部分时间。例如，在一些实施方式中，晶片被以较慢的速度旋转介于约8-30度之间的角跨度，而方位角不对称的屏蔽件具有比与缺少管芯区域(或引起方位角不均匀性的另一区域)对应的的弧长大的弧长。图7E和7F示出了顶部方位角不对称的屏蔽件位置的两个实施方式。图7E示出了方位角不对称的屏蔽件701的相对于晶片衬底711在水平平面上的投影的示意性俯视图。因此，晶片中心的径向位置对应于屏蔽件的平面上的点A。屏蔽件的位置和尺寸可以通过高度AB以及通过屏蔽件的中心角α来表征。在一些实施方式中，中心角为约100-180度之间，并且所述屏蔽件被放置在介于约110-140mm(当处理300mm的晶片时)的高度。在一些实施方式中，中心角为介于约100度-180度之间，并且所述屏蔽件(参照点B)被放置在离对应于所述晶片的边缘(对于任何直径的晶片)的径向位置介于约10mm-40mm之间的径向距离。在一些实施方式中，屏蔽件(参照点B)被放置在对应于正被处理的晶片的直径的介于60％-95％之间的径向位置处。

本发明所提供的方位角不对称的屏蔽件可以用于各种电镀装置中，包括用于晶片面朝上和晶片面朝下的装置中。可以结合所描述的屏蔽件和离子阻性离子可穿透元件的晶片面朝下的装置的配置的一个实施例是可购自Lam Research Corporation(Fremont,California)的Sabre 3D^TM电镀系统。一般地，电镀装置包括构造成在电镀金属到半导体衬底时容纳电解液和阳极的电镀室；配置成保持所述半导体衬底使得衬底的镀覆面在电镀期间与阳极分隔开的衬底支架；具有多个非连通通道使得离子流能穿过元件的离子阻性离子可穿透元件；和屏蔽件，其被构造成提供方位角不对称的屏蔽，其中，所述屏蔽件被定位在元件和衬底之间，使得衬底的工作表面和屏蔽件的面对衬底的表面之间的最近距离小于约2mm。屏蔽件的面对衬底的表面可以是平行于衬底的可镀覆表面，或者可以被设置轮廓，使得该表面与所述衬底的可镀覆表面之间的距离是可变的。该装置还可以包括具有用于执行本文所提供的方法中的任何方法的程序指令的控制器。

在图8中呈现了装置的一个示例，其中，所述顶部方位角不对称的屏蔽件位于紧邻衬底处，并且与离子阻性离子可穿透元件由填充电解液的间隙分隔开。示出了电镀装置的示意性剖视图。电镀容器801包含电镀溶液(电解液)803，其通常包括金属离子源和酸。晶片809在面朝下的方位浸入电镀液，并通过“翻盖式”保持夹具807保持，该保持夹具807安装在可旋转轴上，可旋转轴使得翻盖807能与晶片809一起单向或双向旋转。具有适用于本发明的方面的翻盖式电镀装置的一般说明在授权给Patton等人的美国专利6,156,167，以及授权给Reid等人的美国专利6,800,187中被详细描述，这些专利通过引用并入本文。阳极805(其可以是惰性或可消耗阳极)设置在电镀浴801内的晶片下方，并可以通过离子选择性膜(未示出)与晶片区域分隔开，该膜将装置分割成阳极电解液区和阴极电解液区。离子阻性离子可穿透元件811紧邻晶片809停留，与该晶片是共同延伸的，并且与该晶片通过10mm或小于10mm的填充电解液的间隙分离开。顶端方位角不对称屏蔽件813紧邻晶片，位于元件811和晶片809之间，以使得在屏蔽层的面对衬底的表面和衬底的加工表面之间的最近距离小于2mm。顶部屏蔽813与元件811通过间隙分隔开。所描绘的设备还包括底部方位角不对称的屏蔽件815，屏蔽件815与元件的底表面接触，并阻挡离子流穿过在落入顶部屏蔽件813在元件811上的投影中的区域内的元件。

在所描绘的实施例中，电镀溶液由泵(未示出)通过在电镀室的在元件811上的侧面上的入口端口817被提供给电镀浴801。镀敷溶液以不同的横向速度分量(平行于晶片的电镀面)流经室，并且在其通过元件811和顶部屏蔽813之间的间隙之后通过出口端口819退出电镀室，如箭头所示。在所描绘的实施方案中，出口位于靠近顶部屏蔽813的周边部分并且在与入口端口817相对的方位角位置处。可以使用下述专利文件中详细描述的交叉流歧管来实现这种流动模式：于2014年8月5日授权的、名称为“Control of Electrolyte Hydrodynamics for Efficient Mass Transfer Control during Electroplating”的、Mayer等人的美国专利No.8,795,480中，以及在于2013年11月28日公开的、名称为“Cross Flow Manifold for Electroplating Apparatus”的、Abraham等人的美国专利公开No.2013/0313123，这些专利的全部内容通过引用并入本文。在这些实施方式中，装置可以包括位于所述元件和晶片之间的流整形设备，其中该流整形设备提供了基本上平行于晶片衬底的表面的交叉流。例如流整形设备可以是Ω形板，其引导交叉流朝向所述Ω形板中的开口。同时，离子流从室的底部部分在具有垂直于晶片的电镀表面的显著的撞击分量的方向上行进通过元件811的通道。电镀溶液也可在单独的电解液输送回路中在阳极附近同时提供给室的底部以及从该底部除去。

直流电源(未示出)与晶片809和阳极805电连接，并且被配置为使晶片809负偏置以及使阳极805正偏置。该装置还包括控制器821，其包括用于执行电镀的程序指令，并且允许调制提供给电镀槽的元件的电流和/或电势。控制器可包括指定晶片的旋转速率和晶片的加速和减速的定时使得所述晶片的所选择的方位角区域停留在屏蔽件区域持续的时间量与停留在具有相同径向位置但不同方位的位置的类似区域不同的程序指令。该控制器还可以包括指定电解液输送的速率和电解液组分的程序指令。通常，控制器是与电镀装置的部件电连接，并且可以包括指定所提供的电镀方法的任何参数的程序指令或逻辑。

电镀装置还可以包括可以帮助调整电沉积的均匀性的一个或多个附加组件。例如，在一些实施例中，装置还包括位于所述衬底的外周附近的并被配置成从衬底的边缘附近部分转移电镀电流的抢电阴极(thieving cathode)。在一些实施方式中，装置可进一步包括在电镀电流的路径上的一个或多个方位角对称的介电屏蔽件以限制在屏蔽区中的电流。这些任选的组件未在装置的示图中示出以保持清晰。

方位角不均匀性的校正与使用本文所提供的方位角不对称屏蔽件的使用可使用于2014年10月14日授权的、名称为“Electroplating Apparatus for Tailored Uniformity Profile”的Mayer等人的美国专利No.8858774来详细描述，该专利其整体在此通过引用并入本文。所述方法包括提供晶片衬底到本文描述的任何电镀装置并在相对于屏蔽件旋转衬底的同时在衬底上电镀金属，使得所述衬底的在选定的方位角位置的选定部分在屏蔽区域停留的时间量与在衬底的具有相同的平均弧长和相同的平均径向位置且停留在不同角度的方位角位置的第二部分停留的时间不同。在一些实施方式中，这是通过使用可变旋转法来完成的。在该方法中，晶片的所选定的方位角区域在给定区域(例如元件的有孔区域)上以一定的角速度R1旋转，然后在另一区域(例如，屏蔽区域)以不同的角速度R2旋转。即，在晶片的任何个别的完全旋转过程中改变旋转速度是一种调节和获得方位角不同量的时均屏蔽(晶片被暴露于该屏蔽)的方式。一个实施方式是在任何上述装置中电镀，其中晶片速度在每次旋转过程中改变，或可替代地，速度可以在单个旋转过程中或在一些旋转过程中变化，而在其他旋转过程中不变化。另外，晶片速度可以仅在沿一个旋转方向(例如，顺时针方向)旋转时变化，而在其他方向(例如逆时针方向)不变化(如果双向旋转时)，或者可以在两个旋转方向都变化。

该工艺通过在图9中所示的工艺流程图说明。工艺开始于操作901，在操作901，在晶片上对准所选定的方位角位置。例如，凹口的或缺少管芯区域的方位角位置可以通过光学矫正器对准，并记录在存储器中。在操作903中，衬底被提供到衬底保持器中，并浸入电解液内。在操作905中，当衬底的选定部分不在屏蔽区时，衬底在以第一速度旋转时被镀覆。在操作907中，当衬底的选定部分通过屏蔽区(即在顶部屏蔽件上)时，衬底被以不同的速度旋转。然后可以根据需要重复变速旋转。例如，一个完整的旋转可以包括以20rpm或20rpm以上旋转的时间段，接着以10rpm或10rmp以下旋转，其中，镀覆包括至少5个完整的可变速度旋转。在一个实施例中，当晶片的选定部分没有被屏蔽时，晶片的一个完整的旋转包括以约40rmp旋转的时间段，随后是在晶片的选定部分穿过屏蔽区时以约1rmp旋转的时间段。电镀可以包括至少约10个，如至少约20个变速的旋转。应理解，在电镀中不一定所有的旋转是变速的。例如，电镀工艺可以包括完全恒速旋转和完全变速旋转。此外，在电镀工艺中的单向和双向旋转期间，变速旋转可以实施两者。

在一些实施方式中，对于衬底的每一个完整的旋转，在屏蔽较多的区上，衬底可以减速两次或更多次，使得在晶片上的两个分开的方位角部分可以在屏蔽区比在类似方位角部分(具有相同的平均弧长和相同的平均径向位置并停留在不同角度的方位角位置的部分)停留较长久。在一些实施方式中，可以使用两种或更多种顶部方位角不对称的屏蔽件。

在一些实施方式中，可以采用超过两种的速度。例如，衬底的一个完整的旋转可以包括以第一速度旋转，接着减慢至第二速度；以第二速度旋转，随后加速到第三速度；以第三速度旋转，随后减速到第四速度；以第四速度旋转，随后加速到第一速度，其中第一和第三速度可以是相同的或不同的，且其中第二和第四速度可以是相同的或不同的。加速和减速的时间段可能是非常短的，或者在一些实施方式中，比较长。停留时间段以及加速和减速时间段可以调节以实现改进的均匀性。例如，指定一个或多个加速度、减速度和停留时间的不同波形可以以程序指令的形式在与装置电连接的控制器中使用。在一个实施例中，控制器可以包括用于下述操作的程序指令：(a)对于第一角度跨度以第一速率旋转衬底；(b)对于第二角度跨度将所述衬底从第一速率减速至第二速率；(c)对于第三角度跨度以第二速率旋转衬底；(d)加速衬底返回到针对第一角度跨度的第一速率，其中(a)-(d)在衬底的一个完整的旋转(对应于360度的角度范围)期间执行。角度跨度是指起始于晶片中心的角度。

在另一实施方案中，可以使用双向旋转来实现对在屏蔽区域上的停留时间类似的影响。可以使用双向旋转，以调整衬底的在屏蔽区的选定方位角位置的选定部分的停留时间，使得该停留时间与衬底的在不同方位角位置的类似部分(具有相同的平均弧长和相同的平均径向位置)的停留时间不同。例如，如果将晶片以顺时针和逆时针方向旋转到不同的程度，其将在一定的方位角位置相对于其他位置花费更多的时间。这些位置可被选择，以对应于被屏蔽的方位角位置。例如，如果晶片顺时针旋转360度和逆时针旋转90度，它会在介于270-360度之间的扇区花费较多的时间。因此，在一些实施方式中，晶片被双向旋转，使得衬底的选定方位角区域在由方位角不对称的顶部屏蔽件屏蔽的区域停留较多的时间。

试验实施例

试验A-D。电镀电流和电镀厚度的分布是针对四种不同的屏蔽件配置进行试验研究的。在所有情况下，在不具有方位角不对称区域的坯料300mm半导体晶片上进行铜的电镀。因此屏蔽件和屏蔽的几何形状的效率通过在屏蔽区的镀覆厚度的减小来评估。在所有情况下，电镀装置包括具有非连通通道的离子阻性离子可穿透元件，其中所述元件有平坦的面向晶片的表面，该表面与晶片的可镀覆表面隔开4.5mm。在试验B、C和D中，电镀装置包括定位在元件上面的方位角不对称的楔状屏蔽件，使得在元件的顶部表面和屏蔽件的底部表面之间存在1.5mm的填充电解液的间隙。该间隙使得电解液能沿平行于衬底的电镀表面的方向流动。在所提供的实施例中，电解液中在间隙中沿向外方向流动并在间隙的边缘离开电镀槽。将晶片以24rpm的旋转速度旋转，并且在晶片的所选定的方位角位置通过方位角不对称的屏蔽件时对于10度的角度跨度降低到1rmp。

试验A(对比)。在对比试验A中，电镀装置在元件上面没有任何方位角不对称的屏蔽件，并且只含有阻挡元件的通道的楔状底部屏蔽件。底部屏蔽件的中心角为114度，且其位于120mm的高度。这种配置由图10A示意地图解，其显示了装置(右边缘)的一部分的横截面侧视图。底部屏蔽件1001直接位于元件1003下方并与该元件1003接触。

试验B。在试验B中，电镀装置包含与在试验A中的楔状底部屏蔽件相同的楔状底部屏蔽件，但另外包括与该底部屏蔽件共同延伸的顶部楔状屏蔽件，其中，顶部屏蔽件被定位成使得从屏蔽件的其平坦的面对晶片的表面到晶片的距离为0.5mm。顶部屏蔽件的中心角为114度，并且其位于120mm的高度。这种配置示意地由图10B图解，其示出了装置(右边缘)的一部分的横截面侧视图。底部屏蔽件1001直接位于元件1003下方，并与元件1003接触，而顶部屏蔽件1005位于元件上方并与底部屏蔽件共同延伸。

试验C。在试验C中，电镀装置包含与在试验A中的楔状底部屏蔽件相同的楔状底部屏蔽件，但另外包括比该底部屏蔽件小的顶部楔状屏蔽件。该顶部屏蔽件还比在试验B中的顶部屏蔽件薄，并且被定位成使得从屏蔽件的面向晶片的表面到晶片的距离为1.5mm。顶部屏蔽件的中心角为114度，并且其位于130mm的高度。因此，在这种配置中，底部屏蔽件不仅占用顶部屏蔽件的整个投影，而且占用附加的区域。这种配置示意地由图10C图解，其示出了装置(右边缘)的一部分的横截面侧视图。底部屏蔽件1001直接位于元件1003下方，并与元件1003接触，而薄的顶部屏蔽件1005位于元件上方。

试验D。在试验D中，电镀装置只包含顶部屏蔽件，并没有底部屏蔽件。顶部屏蔽件与在试验B中的相同，并被定位成使得从屏蔽件的面向晶片的表面到晶片的距离为0.5mm。顶部屏蔽件的中心角为114度，并且其位于120mm的高度。这种配置示意地由图10D图解，其显示装置(右边缘)的一部分的横截面侧视图。顶部屏蔽1005停留在元件1003的右边缘的上方。

图11A示出了在试验A(曲线a)和在试验B(曲线b)中得到的电镀厚度分布进行比较的曲线图。该图显示了归一化的厚度与在发生屏蔽的方位角位置的晶片半径的函数关系。由此可以看出，该镀覆厚度在配置B中比在配置A中在晶片的周边降低得更显著的。还可以看出，在配置B中比在配置A中屏蔽件较急剧地并在离晶片中心的较远距离处开始“工作”。

图11B示出了试验A(曲线a)和试验B(曲线b)的在晶片上的镀覆厚度的三维图。可以看出，在试验B中使用的具有顶部和底部屏蔽件的配置比在试验A中使用的具有仅仅底部屏蔽件的配置提供了较好的屏蔽。

图11C显示了比较在试验A(曲线a)和试验C(曲线c)中获得的电镀厚度分布的曲线图。可以看出，这两种配置刚好在晶片的边缘具有相同的屏蔽，但在试验C中使用的配置比在试验A中所使用的配置在周边区域提供了减小的屏蔽(在约110mm-140mm的径向距离处)。图11D显示了试验A(曲线a)和试验C(曲线c)的在晶片上的镀覆厚度的三维图。

图11E显示了比较在试验A(曲线a)和试验D(曲线d)中获得的电镀厚度分布的曲线图。可以看出，在配置D比配置A在晶片的边缘提供了较好的屏蔽，而且还具有在约120mm的径向位置处的厚度的峰值。这个厚度的峰值是由于在不存在底部屏蔽件的情况下电流可以穿过元件和被引导到顶部屏蔽件的周边从而使电流聚集在这个区域这样的事实导致的。图11F显示了试验A(曲线a)和试验D(曲线d)的在晶片上的镀覆厚度的三维图。

试验E、F和G。在这些试验中，镀覆的铜的厚度的分布是针对三种不同的屏蔽件配置在具有位于边缘(从142mm径向位置至150mm径向位置)上的缺少管芯区域的图案化的300mm晶片(并且通常如图1所示地成形)上进行的试验研究。在所有情况下，电镀装置包括具有非连通通道的离子阻性离子可穿透元件，其中所述元件具有平坦的面对晶片的表面，与晶片的可镀覆表面分隔开4.5mm。在对比试验E和F中，电镀装置仅仅具有位于元件下面的底部方位不对称的屏蔽件，如图10A所示，并且没有顶部屏蔽件。在试验G中，电镀装置既有顶部屏蔽件又有底部屏蔽件，如图10B的配置所示，其中两种屏蔽件都是具有160度的中心角的楔状并位于在130mm的径向位置(参照相对于晶片的中心的径向位置的楔状物的中心角的顶点)。元件的顶表面和顶部屏蔽件的底表面之间的间隙为0.5mm。

在试验E中，晶片以4rpm的恒定速度旋转，并没有进行方位角均匀性的校正。在试验F和G中，晶片以24rpm的速度旋转，并在缺少管芯的区域通过屏蔽区时减慢到1rpm持续10度的角度跨度。

图12是说明在缺少管芯区域的附近的归一化的镀覆厚度与径向距离的函数关系的曲线图。在试验E、F和G中得到的镀覆厚度分别由曲线e、f和g说明。可以看出，如果没有方位角不均匀性的任何校正的情况下而获得的曲线(e)如所预期的，由于电流拥挤，具有在缺少管芯的区域附近的厚度增大最明显。仅对底部屏蔽件进行校正的曲线(f)示出了在均匀性方面的改善，但由于在115mm-135mm区域中的过度屏蔽，它也有比所需要的低的厚度的区域。曲线(g)示出了使用本文中所提供的实施方式的优点。当顶部屏蔽件和底部屏蔽件两者都使用时，如本文所提供，在115mm-135mm的区域的过度屏蔽被减轻，并且均匀性得到改善。

控制器

在一些实现方式中，控制器是系统的一部分，该系统可以是上述实例的一部分。这种系统可以包括半导体处理设备，其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/或具体的处理组件(晶片基座、气流系统等)。这些系统可以与用于控制它们在处理半导体晶片或衬底之前、期间和之后的操作的电子器件一体化。电子器件可以称为“控制器”，该控制器可以控制一个或多个系统的各种元件或子部件。根据处理要求和/或系统的类型，控制器可以被编程以控制本文公开的任何工艺，包括控制输送功率到初级阳极、次级电极、和衬底的参数。具体而言，控制器可以提供用于功率施加的时序，所施加的功率的电平等的指令。

宽泛地讲，控制器可以被定义为接收指令、发布指令、控制操作、启用清洁操作、启用端点测量等等的具有各种集成电路、逻辑、存储器和/或软件的电子器件。集成电路可以包括存储程序指令的固件形式的芯片、数字信号处理器(DSP)、定义为专用集成电路(ASIC)的芯片和/或一个或多个微处理器或执行程序指令(例如，软件)的微控制器。程序指令可以是以各种单独设置(或程序文件)的形式通信到控制器的指令，该设置定义用于在半导体晶片或系统上或针对半导体晶片或系统执行特定过程的操作参数。在一些实施方式中，操作参数可以是由工艺工程师定义的用于在制备晶片的一个或多个层、电路和/或管芯期间完成一个或多个处理步骤的配方的一部分。

在一些实现方式中，控制器可以是与系统集成、耦合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合。例如，控制器可以在“云”中或者是fab主机系统的全部或一部分，其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，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。在一些实例中，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能够输入或编程参数和/或设置的用户界面，该参数和/或设置然后从远程计算机通信到系统。在一些实例中，控制器接收数据形式的指令，该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，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结合以控制室上的工艺的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)通信的室上的一个或多个集成电路。

在非限制性的条件下，示例的系统可以包括等离子体蚀刻室或模块、沉积室或模块、旋转清洗室或模块、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它的半导体处理系统。

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它的工具电路或模块、其它工具组件、群集工具、其它工具界面、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、或者在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。

本文所述的装置/工艺可以与光刻图案化工具或工艺结合使用，例如，用于制备或制造半导体器件、显示器、LED、光伏电池板等。通常，虽然不是必要地，这些工具/工艺将在共同的制造设施中一起使用或操作。膜的光刻图案化通常包括以下步骤中的一些或所有，每个步骤启用多个可行的工具：(1)使用旋涂或喷涂工具在工件，即衬底上涂覆光致抗蚀剂；(2)使用热板或加热炉或UV固化工具固化光致抗蚀剂；(3)使用例如晶片步进曝光机之类的工具使光致抗蚀剂暴露于可见光或紫外线或x-射线；(4)使用例如湿式工作台之类的工具使该抗蚀剂显影以便选择性地去除抗蚀剂并且从而将其图案化；(5)通过使用干法或等离子体辅助蚀刻工具将抗蚀剂图案转印到下伏的膜或工件上；并且(6)使用例如射频或微波等离子体抗蚀剂剥离器之类的工具去除抗蚀剂。