用于电镀期间的有效质量传递的电解液流体动力学的控制的制作方法

本发明专利申请是申请日为2011年7月1日、申请号为201110192296.8、发明名称为“用于电镀期间的有效质量传递的电解液流体动力学的控制”的发明专利申请的分案申请。

相关申请案的交叉参考

本申请案依据35U.S.C.§119(e)主张2010年7月2日申请的第61/361,333号美国临时专利申请案、2010年8月18日申请的第61/374,911号美国临时专利申请案和2010年10月21日申请的第61/405,608号美国临时专利申请案的优先权，以上美国临时专利申请案中的每一者以全文引用方式并入本文。

技术领域

本发明涉及用于在电镀期间控制电解液液体动力学的方法和设备。更特定来说，本文描述的方法和设备尤其有用于将金属镀敷到半导体晶片衬底上。

背景技术：

在现代集成电路制造中，电化学沉积工艺已被广泛接受。在二十一世纪的早些年中从铝金属线向铜金属线的转变推动了对越来越复杂的电沉积工艺和镀敷工具的需要。大部分复杂性由于对装置金属化层中的越来越小的电流载运线的需要而进一步发展。这些铜线是通过在通常称为“镶嵌”处理的方法中将金属电镀到非常薄的高纵横比的沟槽和通孔中来形成。

目前，电化学沉积随时准备用于满足对复杂的封装和多芯片互连技术的商业需要，所述技术一般称为晶片级封装(WLP)和穿硅通孔(TSV)电连接技术。这些技术存在其自身的非常大的挑战。

所述技术需要比镶嵌应用显著更大的尺寸规模的电镀。取决于封装特征的类型和应用(例如，通过芯片连接的TSV、互连再分配布线、或芯片到板或芯片结合，例如倒装芯片柱)，在当前技术中，镀敷特征通常大于约2微米且通常为5到100微米(例如，柱可为约50微米)。对于例如电力母线等一些芯片上结构，待镀敷的特征可大于100微米。WLP特征的纵横比通常为约1:1(高度比宽度)或更小，而TSV结构可具有非常高的纵横比(例如，在约20:1的邻域中)。

在待沉积的材料量相对大的情况下，不仅特征大小，而且镀敷速度也在WLP和TSV应用与镶嵌应用之间不同。对于许多WLP应用，镀敷必须以至少约2微米/分钟的速率填充特征，且通常以至少约4微米/分钟的速率填充特征，且对于一些应用以至少约7微米/分钟的速率来填充。在这些较高镀敷速率体系下，电解液中的金属离子向镀敷表面的有效质量传递是重要的。

较高的镀敷速率相对于电沉积层的均匀性带来了挑战，即，必须以高度均匀方式来进行镀敷。对于各种WLP应用，镀敷必须径向沿着晶片表面展现最多约5％的半范围变化(称为晶片内均匀性，在裸片中在晶片直径上的多个位置处作为单个特征类型来测量)。类似同样的挑战性要求是具有不同大小(例如，特征直径)或特征密度(例如，阵列中部的隔离式或嵌入式特征)的各种特征的均匀沉积(厚度和形状)。此性能规范大体上称为裸片内不均匀性。裸片内不均匀性是作为如下指标来测量：如上所述的各种特征类型的局部可变性(例如，<5％半范围)对给定晶片裸片内在晶片上所述特定裸片位置处(例如，半径中点、中心或边缘处)的平均特征高度或形状。

最终的挑战性要求是对特征内形状的大体控制。线或柱可以凸出、平坦或凹入方式倾斜，其中平坦轮廓通常是(但并不总是)优选的。在满足这些挑战的同时，WLP应用必须与常规的成本较低的抓取与放置例行操作相竞争。再者，用于WLP应用的电化学沉积可能涉及镀敷各种非铜金属，例如铅、锡、银、镍、金及其各种合金，其中一些包含铜。

技术实现要素：

本文描述用于将一种或一种以上金属电镀到衬底上的设备和方法。大体上描述其中衬底是半导体晶片的实施例；然而本发明不受此限制。实施例包含经配置以用于控制电解液流体动力学以用于镀敷期间的有效质量传递以获得高度均匀的镀敷层的电镀设备，和包含控制电解液流体动力学以用于在镀敷期间的有效质量传递以获得高度均匀的镀敷层的方法。在特定实施例中，使用晶片表面处的撞击流与剪切流的组合来实现所述质量传递。

一个实施例是一种电镀设备，其包含：(a)镀敷腔室，其经配置以容纳电解液和阳极，同时将金属电镀到大体平面的衬底上；(b)衬底固持器，其经配置以固持所述大体平面的衬底以使得在电镀期间所述衬底的镀敷面与所述阳极分离；(c)流成形元件，其包括面对衬底的表面，所述面对衬底的表面在电镀期间大体上平行于所述衬底的镀敷面且与所述镀敷面分离，所述流成形元件包括具有穿过所述流成形元件制成的多个非连通通道的离子电阻性材料，其中所述非连通通道允许在电镀期间输送所述电解液通过所述流成形元件；以及(d)流转向器，其在所述流成形元件的所述面对衬底的表面上，所述流转向器包括部分沿着所述流成形元件的圆周且具有一个或一个以上间隙的壁结构，且在电镀期间界定所述流成形元件与所述大体平面的衬底之间的部分或“假”腔室。

在一个实施例中，所述流成形元件是圆盘形的，且所述流转向器包含附接到或集成到所述流成形元件上的带槽环形间隔件。在一个实施例中，所述流转向器的所述壁结构具有单个间隙，且所述单个间隙占据约40度到约90度之间的弧。所述流转向器的所述壁结构的高度约在1mm到约5mm之间。在某些实施例中，所述流转向器经配置以使得在电镀期间所述壁结构的顶部表面距所述衬底固持器的底部表面在约0.1mm到0.5mm之间，且在电镀期间所述流成形元件的顶部表面距所述衬底固持器的所述底部表面在约1mm到5mm之间。下文更详细论述流成形元件中的通孔的数目和配置。所述孔在流成形元件上可成均匀和/或不均匀的图案。在某些实施例中，流成形元件称为“流成形板”。

在某些实施例中，所述设备经配置以在所述衬底镀敷面的方向上且于在电镀期间产生退出所述流成形元件的孔的至少约10cm/s的平均流速的条件下使电解液流动。在某些实施例中，所述设备经配置以在产生越过所述衬底的所述镀敷面的中心点的至少3cm/s或更大的横向电解液速率的条件下操作。

在某些实施例中，所述壁结构具有高于内部部分的外部部分。除了形成假腔室中的通风区的一个或一个以上间隙外，实施例还包含限制退出假腔室的电解液的流的特征。

一个实施例是一种用于将金属电镀到衬底上的设备，所述设备包含：(a)镀敷腔室，其经配置以容纳电解液和阳极，同时将金属电镀到所述衬底上；(b)衬底固持器，其经配置以固持所述衬底以使得在电镀期间所述衬底的镀敷面与所述阳极分离，所述衬底固持器具有一个或一个以上电力触点，所述电力触点经布置以在电镀期间接触所述衬底的边缘且将电流提供到所述衬底；(c)流成形元件，其经成形且配置以在电镀期间定位于所述衬底与所述阳极之间，所述流成形元件具有在电镀期间大体上平行于所述衬底的所述镀敷面且与所述镀敷面分离约10毫米或更小距离的平坦表面，且所述流成形元件还具有多个孔以准许所述电解液朝向所述衬底的所述镀敷面流动；以及(d)用于使所述衬底和/或流成形元件旋转且同时在所述衬底镀敷面的方向上使电解液在电镀单元中流动的机构；以及(e)用于将剪切力施加于在所述衬底的所述镀敷面处流动的所述电解液的机构，其中所述设备经配置以用于在所述衬底镀敷面的方向上于在电镀期间产生退出所述流成形元件的所述孔的至少约10cm/s的平均流速的条件下使电解液流动，且用于在平行于所述衬底的所述镀敷面的方向上在产生越过所述衬底的所述镀敷面的中心点的至少约3cm/s的电解液速率下使电解液流动。下文更详细描述各种剪切力机构。

一个实施例是一种在包括具有至少约2微米的宽度和/或深度的特征的衬底上电镀的方法，所述方法包含：(a)将所述衬底提供到镀敷腔室，所述镀敷腔室经配置以容纳电解液和阳极，同时将金属电镀到所述衬底上，其中所述镀敷腔室包含：(i)衬底固持器，其固持所述衬底以使得在电镀期间所述衬底的镀敷面与所述阳极分离，以及(ii)流成形元件，其经成形且配置以在电镀期间定位于所述衬底与所述阳极之间，所述流成形元件具有在电镀期间大体上平行于所述衬底的所述镀敷面且与所述镀敷面分离约10毫米或更小的间隙的平坦表面，其中所述流成形元件具有多个孔；(b)在使所述衬底和/或流成形元件旋转的同时且在所述衬底镀敷面的方向上且在产生退出所述流成形元件的所述孔的至少约10cm/s的平均流速的条件下使电解液在电解单元中流动的同时，将金属电镀到所述衬底镀敷表面上。

在一个实施例中，电解液以约3cm/s或更大的速率在衬底的中心点处流过衬底的镀敷面，且将剪切力施加于在所述衬底的所述镀敷面处流动的电解液。在一个实施例中，以至少约5微米/分的速率在特征中电镀金属。在一个实施例中，当镀敷到至少1微米的厚度时，电镀在衬底的镀敷表面上的金属的厚度具有约10％或更好的均匀性。

本文描述的方法尤其有用于电镀镶嵌特征、TSV特征和晶片级封装(WLP)特征，例如再分配层、用于连接到外部线的凸块和凸块下金属化特征。

下文包含本文描述的实施例的特定方面。

附图说明

图1A是用于在晶片上电镀的半导体晶片固持器和定位机构的透视图。

图1B是关于图1A描述的晶片固持器的横截面。

图1C是展示具有用于电解液流的多个通孔的流成形板的方面的晶片镀敷设备的横截面。

图1D是展示当在高沉积速率镀敷体系下使用如关于图1C描述的流成形板时与外部区相比晶片中心附近减小的沉积速率的曲线图。

图2A是示范性流转向器和流成形板组合件的透视图。

图2B是如关于图2A描述的流转向器相对于晶片固持器的横截面。

图2C到图2D是当使用如关于图2A描述的流转向器时流成形板之上的流动力学的俯视图。

图2E到图2I描绘如关于图2A描述的组合件以及晶片固持器和电解液腔室硬件的各种方面。

图3A展示流转向器/流成形板组合件的俯视图和横截面，其中流转向器具有垂直表面元件以用于在镀敷期间辅助越过晶片的横向流体流。

图3B是展示如关于图3A描述的流转向器与晶片固持器组合件之间的关系的横截面。

图3C是展示使用如关于图3A和图3B描述的流转向器/流成形板组合件获得的镀敷均匀性结果的曲线图。

图3D展示若干具有垂直表面元件的流转向器的横截面。

图3E展示从使用如本文描述的具有流成形板的流转向器得到的流图案，所述流成形板具有正方形图案通孔安置。

图4A到图4B展示具有螺旋形通孔图案的流成形板的俯视图，其中所述螺旋形图案的原点在流成形板上的不同位置。

图4C展示具有螺旋形通孔图案的流成形板的俯视图和透视图，其中所述螺旋形图案偏离流成形板的中心以使得螺旋形图案的原点不包含在通孔图案中。

图5A展示从在镀敷期间结合关于图4C描述的流成形板使用关于图3A描述的流转向器得到的流图案。

图5B展示当使用关于图5A描述的流转向器/流成形板组合时的镀敷均匀性结果。

图6是具有可变流通过性质以便补偿当使用常规流成形板通孔时观察到的晶片中心附近的较低镀敷速率的流成形板的横截面。

图7A是当使用流端口横向流增强时流成形板的顶部上的流动力学的俯视图。

图7B到图7G描绘用于增强越过工件镀敷表面的横向流的各种设备。

图8A是具有成角度通孔以便补偿当使用常规流成形板通孔时观察到的晶片中心附近的较低镀敷速率的流成形板的横截面。

图8B到图8C是当使用成角度流成形板时获得的镀敷均匀性的曲线图。

图9A到图9B分别是用于在电镀期间产生越过晶片表面的横向湍流的桨轮型组合件的横截面和透视图。

图10是展示用于晶片固持器的轨道运动的方向向量和旋转的晶片固持器的透视图。

图11A到图11B是具有嵌入式旋转元件以用于在镀敷期间在晶片中心处产生横向流的流成形板的透视图和透视横截面。

图12是概述本文描述的方法的流程图。

图13是展示当在镀敷期间使用横向流时获得的镀敷均匀性的曲线图。

具体实施方式

A.一般设备上下文

图1A和图1B的以下描述提供本文中所描述的设备和方法的一些一般非限制性上下文。以下论述中所呈现的各个特征也呈现在上述诸图中的一个或一个以上者中。下文中对此类特征的论述仅意欲为对本文中所包括的实施例的增补描述。后几个图式中的特定焦点是朝向与各种流成形板和流转向器有关的晶片固持器组合件，且因此描述示范性定位机构、旋转机构和晶片固持器。

图1A提供用于用电化学方法处理半导体晶片的晶片固持和定位的设备100的透视图。设备100具有后续图式中展示并描述的各种特征。举例来说，设备100包括晶片啮合组件(在本文中有时被称作“蛤壳”组件)。实际蛤壳包括杯状物102和将晶片稳固地夹在杯状物中的锥形物103。

杯状物102由支柱104支撑，支柱104连接到顶板105。此组合件(102-105)(统称作组合件101)通过轴106由马达107驱动。马达107附接到安装托架109。轴106将扭矩传输给晶片(此图中未展示)以允许在镀敷期间旋转。轴106内的气缸(未图示)也提供垂直力以将晶片夹在杯状物与锥形物103之间。为实现此论述的目的，包括组件102-109的组合件统称作晶片固持器111。然而，请注意，“晶片固持器”的概念一般扩展到啮合晶片且允许其移动和定位的组件的各种组合和子组合。

包括可滑动式连接到第二板117的第一板115的倾斜组合件连接到安装托架109。传动缸113在枢轴节119和121处分别连接到第一板115和第二板117。因此，传动缸113提供用于使第一板115(且因此使晶片固持器111)滑过第二板117的力。晶片固持器111的远端(也就是，安装托架109)沿界定板115与117之间的接触区域的弓形路径(未图示)移动，且因此晶片固持器111的近端(也就是，杯状物和锥形物组合件)基于虚拟枢轴倾斜。此允许晶片成角度地进入镀敷槽。

通过另一个致动器(未图示)将整个设备100上下垂直地提升以将晶片固持器111的近端浸入到镀敷液中。因此，两组件式定位机构提供沿垂直于电解液的轨迹的垂直移动和允许晶片偏离水平定向(平行于电解液表面)的倾斜移动(成角晶片浸入能力)。设备100的移动能力和关联硬件的更详细描述描述于在2001年5月31日申请且在2003年4月22日发布的美国专利6,551,487中，所述美国专利以引用方式全文并入本文中。

请注意，设备100通常与具有镀敷腔室的特定镀敷单元一起使用，所述镀敷腔室容纳阳极(例如，铜阳极)和电解液。镀敷单元还可包括用于使电解液循环通过镀敷单元--且抵着正被镀敷的工件的管路或管路连接件。镀敷单元还可包括设计成在阳极隔室和阴极隔室中维持不同电解液化学性质的隔膜或其它隔板。在一个实施例中，一个隔膜用以界定阳极腔室，所述阳极腔室含有实质上无抑制剂、加速剂或其它有机镀敷添加剂的电解液。

以下描述提供对蛤壳的杯状物与锥形物组合件的更多细节。图1B以横截面格式描绘组合件101，其为设备100的一部分，其包括锥形物103和杯状物102。请注意，此图并非意在为杯状物与锥形物组合件的精确描述，而是为实现论述目的所作的程式化描述。杯状物102通过支柱104由顶板105支撑，支柱104通过螺杆108附接。大体上，杯状物102提供上面搁置着晶片145的支撑件。杯状物102包括使来自镀敷单元的电解液可与晶片接触的开口。请注意，晶片145具有正面142，镀敷发生在正面上。因此，晶片145的外围搁置在杯状物上。锥形物103压迫晶片的背面以在镀敷期间将其固持在适当位置中。

为将晶片载入到组合件101中，通过轴106将锥形物103从其所描绘位置提升，直到锥形物103触碰到顶板105为止。从此位置，在杯状物与锥形物之间形成间隙，晶片145可插入到所述间隙中，且因此载入到杯状物中。接着，锥形物103降低以抵着杯状物102外围来啮合晶片，如所描绘。

轴106传输用于使锥形物103啮合晶片145的垂直力和用于旋转组合件101的扭矩。这些所传输的力在图1B中由箭头指示。请注意，晶片镀敷通常发生在晶片旋转时(如由图1B顶部处的虚箭头所指示)。

杯状物102具有可压缩的唇形密封143，其在锥形物103啮合晶片145时形成不透流体的密封。来自锥形物和晶片的垂直力压缩唇形密封143以形成不透流体的密封。唇形密封防止电解液与晶片145的背面接触(其中所述接触可将例如铜的杂质原子直接引入到硅中)且与组合件101的敏感组件接触。还可存在位于杯状物的界面与晶片之间的密封，其形成不透流体的密封以进一步保护晶片145的背面(未图示)。

锥形物103还包括密封149。如所展示，密封149在啮合时位于锥形物103的边缘和杯状物的上部区域附近。此也保护晶片145的背面使之免遭可能从杯状物上方进入蛤壳的任何电解液。密封149可黏附到锥形物或杯状物，且可为单一密封或多组件式密封。

在镀敷起始之后，当锥形物103升高到杯状物102上方时，即将晶片145引入到杯状物102。当晶片最初引入到杯状物102中(通常通过机械手)时，其正面142轻轻地搁置在唇形密封143上。在镀敷期间，组合件101旋转以便辅助实现均匀镀敷。在后续诸图中，以更简单的格式且关于用于在镀敷期间控制电解液在晶片镀敷表面142处的流体力学的组件来描绘组合件101。因此，接下来描述工件处的质量传递和流体剪切的概况。

B.工件镀敷表面处的质量传递和流体剪切

如所指示，各种WLP和TSV结构相对较大且因此需要在晶片表面上进行快速而又高度均匀的镀敷。尽管下文中所描述的各种方法和设备适合于实现这些目的，但本发明不以此方式而受限。

本文中所描述的某些实施例使用旋转工件，所述旋转工件在某些操作方式中近似经典旋转圆盘电极。电极的旋转导致电解液向上流向晶片。在晶片表面处的流动可为层状的(如经典旋转圆盘电极中所使用)或湍流的。如所提及，使用水平定向的旋转晶片的电镀槽惯例上用于例如购自加利福尼亚州圣何塞市的诺发系统公司(Novellus Systems,Inc.)的系镀敷系统的电镀设备。

在各种实施例中，在大体垂直定向上具有多个通孔的平坦流成形板部署在电镀设备内距镀敷表面有较短距离处，例如，流成形板的平坦表面与镀敷表面相距约1-10mm。含有流成形元件的电镀设备的实例描述于美国专利申请案第12/291,356号中，所述美国专利申请案于2008年11月7日申请，以引用方式全文并入本文中。如图1C中所描绘，镀敷设备150包括镀敷单元155，其容纳阳极160。在此实例中，电解液175通过阳极160流动到槽155中且电解液穿过具有垂直定向(非相交)通孔的流成形元件170，电解液流经所述通孔且接着撞击在固持、定位在组合件101中并由组合件101移动的晶片145上。例如170的流成形元件提供在晶片镀敷表面上的均匀撞击流；然而，已发现(且如下文更详细描述)，当以WLP和TSV镀敷速率方式来镀敷时，在较大特征以较高镀敷速率(例如，相对于某些金属镶嵌处理的镀敷速率而言)来填充的情况下，与外部区域相比，在晶片的中央区域中观测到较低的镀敷速率。此结果在图1D中典型化，图1D展示随沉积速率对300mm晶片上的辐射位置而变的镀敷均匀性。根据本文中所描述的某些实施例，利用此类流成形元件的设备是按某方式来配置和/或操作，所述方式促进在晶片的面上的高速率且极均匀的镀敷，包括在高速率沉积方式下的镀敷(例如，对于WLP和TSV应用)。所描述的各种实施例中的任一者或所有可在金属镶嵌以及TSV和WLP应用的上下文中实施。

假设旋转工件是水平定向的，在晶片表面下方某距离的平面处，大块电解液主要在垂直方向上流动。当其接近并接触晶片表面时，晶片的存在(和其旋转)重定向流体并逼迫流体向外朝晶片外围流动。此流动通常为层状的。在理想情况下，电极表面处的电流密度由列维奇公式描述，所述公式指示极限电流密度与电极的角速度的平方根成比例。此极限电流密度在旋转电极的径向范围内均匀，主要是因为边界层厚度为恒定厚度且独立于径向或方位角位置。

在各种实施例中，所述设备提供通过流成形板中的小孔的极高速率垂直流动速率。在各种实施例中，彼等小孔为流成形板中的以下一类孔，其全部独立(也就是，非互连--个别孔之间不存在流体连通)且以主要垂直定向来定向以在晶片表面处在小孔出口上方的较短距离处向上导流。通常，在流成形板中可存在许多此类小孔，通常至少约1000个此类小孔或至少约5000个此类小孔。流出这些孔外的电解液可产生直接撞击在晶片表面上的高速流体的一组个别“微射流”。在一些情况下，工件镀敷表面处的流并非层状的，也就是，局部流为湍流的或在湍流与层状之间转变。在一些情况下，在晶片表面的水力边界层处的局部流由在晶片表面处约10⁵或10⁵以上的雷诺数来定义。在其它情况下，工件镀敷表面处的流为层状的和/或由约2300或2300以下的雷诺数来表征。根据本文中所描述的特定实施例，在垂直方向上发源自流板中的个别孔或小孔的流体流动至晶片表面的流动速率(且通过流成形板中的通孔)为约10cm/秒或10cm/秒以上的数量级，更通常为约15cm/秒或15cm/秒以上。在一些情况下，其为约20cm/秒或20cm/秒以上。

另外，电镀设备可以使得流成形板与电极之间的电解液的局部剪切发生的方式来操作。对于大小为典型边界层厚度的长度尺度的特征而言，流体的剪切(尤其撞击与剪切流的组合)可最大化反应器内的对流。在许多实施例中，此长度尺度在几微米或甚至几十微米的数量级上。流剪切可以至少两种方式来建立。在第一种情况下，其是通过大体上固定的流成形板与位于几毫米远的高速相对移动的晶片表面的相对接近来完成。此布置建立了相对运动，且因此由线性、旋转和/或轨道运动而建立剪切流。将非移动流成形板取作参照点，流体局部剪切将由晶片上的局部点的速度除以板距晶片的间隙(单位为(cm/sec)/(cm)＝sec^-1)给出，而保持晶片移动所需的剪切应力简单地为此值乘以流体的速度。大体上(对于牛顿流体)，在此第一剪切模式下，速度剖面大体上增加两个平面表面之间的线性。用以建立局部剪切的第二种方法涉及在流板/晶片间隙内引入在所述两个平坦表面之间的间隙中(在板的任何相对运动的缺少或存在的情况下)造成或诱发侧向流体运动的条件。使流体进出间隙的压力差和或进口和出口使流体实质上平行于所述两个表面移动，包括跨越晶片的旋转中心。假设固定晶片，在流板/晶片间隙的中间观测到与所强加流相关联的最大速度，且局部剪切与局部流体流密度或平均速度(cm³/sec/cm或cm/sec)除以晶片距流板间隙成比例，其中最大速度在间隙的中心处。虽然经典旋转圆盘/晶片的第一种剪切模式在晶片中心处不造成任何流体剪切，但第二种模式(其可在各种实施例中实施)确实在晶片中心处造成流体剪切。因此，在某些实施例中，电镀设备是在以下条件下操作的：在距晶片表面几毫米的范围内跨越衬底的镀敷面的中心点产生约3cm/sec或3cm/sec以上(或约5cm/sec或5cm/sec以上)的横向相对电解液速度。

当在通过流成形板的此较高垂直流动速率下操作时，可获得高镀敷速率，通常在约5微米/分钟或5微米/分钟以上的数量级上，在以1:1纵横比在50μm深度处形成于光阻的阻穿层中的特征中尤为如此。此外，虽然不希望遵循任何特定原理或理论，但当在如本文中所描述的剪切条件下操作时，在正被镀敷的结构的凹入含流体部分内材料的有利对流型样和关联的增强输送增强了沉积速率和均匀性，此导致在个别裸片内和在镀敷工件的整个面上的极均匀的成形特征，通常在镀敷表面内变化不大于约5％。不管作用机制如何，所述操作都导致显著均匀且快速的镀敷。

如上文所提及，有趣的是注意到，在缺少由本文中的设备所形成的流撞击和剪切条件的适当组合(例如，在工件表面上的较高垂直撞击流动速率或仅流剪切)的情况下，将不会容易地在较大、WLP大小的特征的晶片表面内和所述表面上产生高度均匀的镀敷。

首先考虑镀敷实质上平坦表面的情形。此处，术语实质上平坦意味着特征或粗糙度小于所计算或所测量的质量传递边界层厚度(通常为几十微米)的表面。具有小于约5微米(例如，1微米或1微米以下)凹入特征的任何表面(例如，通常用在铜镶嵌镀敷中)因此实质上平坦以实现此目的。当使用经典对流时，为旋转圆盘或喷镀系统的实例，镀敷在理论和实践上在工件面上极均匀。因为特征的深度与质量传递边界厚度相比为较小的，所以内部特征质量传递阻力(与特征内部的扩散相关联)较小。重要地，(例如)通过使用流剪切板剪切流体在理论上将不会更改到平坦表面的质量传递，因为剪切速度和关联对流全部都在与表面正交的方向上。为辅助到表面的质量传递，对流必须具有朝向表面的速度分量。相比之下，在表面的方向上流动的高速流体(例如，由穿过各向异性多孔板(例如，本文中所描述的流成形板)的流体导致)可产生具有朝表面的速度分量的较大撞击流，且因此实质上减小质量传递边界层。因此，再次对于实质上平坦表面，撞击流将改进输送，但剪切(只要不形成湍流)将不会改进输送。在(例如)在晶片与离旋转工件很近的剪切板之间的间隙中形成的湍流(流体的混乱运动)存在的情况下，可显著地减少质量传递阻力且增强均匀对流条件，形成针对极薄边界层厚度的条件，因为混乱运动中的一些将流体导引到表面。到实质上平坦表面的流在工件的整个径向范围内可能为湍流或可能并非湍流，但在特征内和在晶片沉积内导致极均匀的结果。

重要的是要理解边界层厚度概念的限制，为将质量传递阻力集中到等效表面膜的空间的高度简化、概念性区域。其在功能上限于表示反应物浓度随其到大体上平坦表面的扩散而改变的距离，当应用于“较粗糙”表面时重要性在一定程度上降低。薄边界层大体上与高输送速率相关联为成立的。但不导致到平坦表面的改进对流的一些条件可改进到粗糙表面的对流也是成立的。咸信，对于WLP尺度“粗糙”表面而言，存在流体剪切的添加、迄今未得到欣赏的特性，其可与撞击流组合使用以增强到此类较粗糙表面(例如，具有比质量传递边界层厚度大的特征的经图案化表面)的对流。在实质上平坦表面与实质上粗糙表面行为之间的此差异的所感知到的原因与增强的材料补充相关联，所述材料补充可经形成以在其越过特征的口时搅动固持在空腔中的物质，将流体混合且将流体输送到相对较大的凹入特征并使之远离所述凹入特征。特征内循环条件的形成在WLP型结构中在达成极高速率、全局和显微均匀沉积方面用作手段。

就较大且相对较深(1:0.5宽度对深度或更大的纵横比)特征而言，单独使用撞击流可仅部分有效，因为撞击流体在接近开口小孔之前必须从特征空腔开口向外径向地分叉。含于空腔内的流体未得到有效搅拌或移动且可维持基本上停滞，使特征的输送主要由扩散单独进行。因此，咸信，当在主要是单独撞击流或单独剪切流的操作条件下镀敷WLP尺度特征时，对流次于使用撞击流与剪切流的组合时的对流。且与到平坦表面(与边界层在同一数量级上平坦)的等效对流条件相关联的质量传递边界层将自然地大体上均匀，但在WLP尺度特征镀敷中遇到的情形中，为实现均匀镀敷，边界层厚度(大体上相当于正被镀敷的特征的大小且在几十微米的数量级上)需要相当不同的条件。

最后，层状撞击流与层状剪切流的组合和交叉咸信能够形成微流旋涡。这些微旋涡(其单独实质上可为层状的)可潜在地变成实质上湍流的，且与上文的论述一致，可用于增强到平坦表面镀敷和粗糙表面镀敷的对流。应了解，提出上述解释仅是为了辅助理解在具有WLP或类WLP特征的晶片中的质量传递和对流的物理基础。其并非本文中所描述的有益方法和设备的作用机制或必需镀敷条件的限制性解释。

发明者已观测到，当旋转经图案化衬底--尤其是具有大小与质量传递边界层类似的特征(例如，在几微米或几十微米数量级上的凹座或突起，例如常在TSV和WLP衬底上遇到的)的经图案化衬底--可在旋转衬底的中心处产生“异常”或镀敷失常。此镀敷非均匀性发生在平坦镀敷表面的旋转轴处，此处角速度为零或接近零。在使用如上文所描述的流成形板的设备中的一些中，在缺少一些其它中心失常调停机制的情况下，也观测到此情形。在此类情况下，在无这些机制的情况下，就大体上平坦特征而言，除了工件的中心之外，在经图案化工件表面任一处上，镀敷速率显著均匀且快速，在工件中心处速率显著降低且特征形状大体上非均匀(例如，中心附近的凹处)。此情形特别令人感兴趣，假定在未经图案化衬底上在类似条件下的镀敷产生完全均匀的镀敷剖面或有时甚至相反的镀敷剖面(也就是，除了在中心处之外，镀敷速率在工件表面任一处上显著均匀，在中心处镀敷速率显著较高，此导致圆顶形中心区域)。在其它测试中，在总体撞击流容积和/或速度在中心处增加的情况下，发现沉积速率在此处可增加，但特征的大体形状在中心处很大程度上维持未改变(圆顶形和不规则的，而非平坦)。

此中心非均匀性可通过提供侧向移动流体来加以减轻或消除，所述侧向移动流体将在衬底中心产生剪切力使电解液流过衬底的镀敷面。此剪切力可由许多机构中的任一者来施加，将在本文中描述所述机构中的一些。简短地，所述机构包括(1)在旋转衬底的中心处或附近孔的数目、定向和分布的均匀性有变化的流成形板，例如以下一种流成形板，在其中所述孔中的离旋转工件的中心最近的至少一些具有相对于垂直线偏离的角度(更通常地，不垂直于旋转衬底的镀敷面的角度)；(2)工件表面与流成形板之间的相对运动的侧向分量(例如，相对线性或轨道运动，例如有时在化学机械抛光设备中应用)；(3)镀敷单元中所设置的一个或一个以上往复或旋转桨叶(例如，桨轮或叶轮)；(4)附接到流成形板或离流成形板最近且偏离工件的旋转轴的旋转组合件；(5)附接到流成形板或离流成形板的圆周最近且朝旋转工件延伸的方位角非均匀限流器(有时被称作“流转向器”)；以及(6)引入跨越整体晶片表面(包括中心)的侧向流的其它机构。

将在下文更详细地描述并例示这些机构中的每一者。关于第一种列出的机构，板孔分布的非均匀性可为(1)板的中心区域中孔密度增加和/或(b)中心区域中孔分布的随机性。关于所列出机构中的第五种，流转向器有效地提供在旋转衬底与流成形板之间的几乎闭合的腔室。在一些情况下，如下文更充分地描述，流转向器和关联硬件提供或实现在衬底固持器外围与边缘元件的顶部之间的区域的大部分上极小间隙(例如，约0.1mm到0.5mm)的形成。在剩余的外围区域中，在边缘元件中存在间隙，所述间隙提供具有相对较低阻力路径以使电解液流向几乎闭合的腔室之外的较大间隙。参见(例如)图2A到图2C。

C.设计和操作参数

此部分将论述各种有关参数。这些参数常常是相关的。然而，将单独描述这些参数以提供通用操作空间和通用装置设计空间的实例。所属领域的技术人员将完全了解，当考虑到本发明的教示时，可选择这些参数的适当组合以实现特定结果，例如所要镀敷速率或均匀沉积轮廓。另外，本文提供的一些参数可根据被镀敷的衬底和特征及/或其应用的电镀单元的大小来按比例调整。除非另有说明，否则所引述的参数适合使用流成形板下的电解液腔室体积大于1升的电镀单元来镀敷300mm晶片。

流出流成形板孔并撞击晶片的电解液流动速率

如所指出，穿过流成形板孔的流动速率可能与镀敷单元的操作有关。通常，需要使通过流成形板的撞击流具有高速率。在某些实施例中，从板中的个别孔流出的此流动速率至少为约10厘米/秒，且常常大于约15厘米/秒或甚至为约20厘米/秒或更大。从板孔到晶片表面的距离一般小于5mm，由此使上述流体速度在冲击晶片表面之前的任何电势耗散最小化。实质上，每个通孔的每个孔隙都提供撞击流的微射流。

在具有相对较小开口(例如，直径约0.03英寸或更小)的流成形板中，粘性壁力通常在开口内的惯性流体动力中占主导。在此种情况下，雷诺数(Reynolds number)将远低于在管子中流动的涡流阈值(>2000)。因此，在孔中的流本身通常将是层状的。然而，所述流在以约10-20cm/sec行进后强烈且直接地(例如，以直角)碰撞镀敷表面。相信此撞击流至少部分促成所观察到的有益结果。例如，可以在使用与不使用高速撞击流体微射流的情况下使用对铜到扁平晶片的极限电流镀敷速率的测量来确定边界层厚度。流成形板为1/2英寸厚的板，其中钻有6500个0.026英寸的孔均匀布置在约300mm直径的区域上。尽管这些孔的面积只占晶片镀敷表面下的总面积的约3％，且旋转晶片在一个孔正上方持续相等的一小段时间，但仍发现当将孔流速从3cm/sec改变到18.2cm/sec，而晶片的旋转保持在30RPM时，极限电流增加多达100％。

穿过流成形板的体积流动速率

通过流成形板的总体积流量与从板个别孔的线性流动速率成正比。对于本文中描述的典型流成形板(例如，直径约300mm的流成形板，具有大量相等直径)，穿过板孔的体积流量可能大于约5升/分钟，或大于约10升/分钟，或有时可达到40升/分钟或更大。举例来说，为24升/分钟的体积流动速率在典型板的每个孔出口处产生为约18.2cm/sec的线性流速。

侧向流过衬底工作表面中心旋转轴的流动速率

直接平行于旋转衬底表面的流在衬底旋转轴处一般应为非零值。此平行流是恰好在衬底表面上的流体动力边界层外侧处测量。在一些实施例中，流过衬底中心的流大于约3cm/sec，或更特定而言，大于约5cm/sec。相信这些流会减轻或消除在经图案化晶片的旋转轴处所观察到的镀敷速率的减小。

流过流成形板的电解液压降

在某些实施例中，流过流成形元件孔的电解液的压降不大，例如，约0.5托到3托(在特定实施例中为0.03psi或1.5托)。在例如使用关于图2A到图2I所描述的流转向器结构的一些设计中，越过板的压降应显著大于在遮板或边缘元件中的开放间隙的压降，以确保衬底表面上的撞击流越过衬底表面至少相对均匀。

晶片与流成形板之间的距离

在某些实施例中，晶片固持器与相关联的定位机构将旋转晶片固持地非常接近于流成形元件的平行上表面。典型情况下，所述分离距离为约1-10毫米，或约2-8毫米。此较小的板到晶片距离可能在晶片上造成与“接近性”相关联的镀敷图案，从而“成像”图案的个别孔，尤其是在靠近晶片旋转中心处。要避免此现象，在一些实施例中，应将个别孔(尤其是在晶片中心处和靠近晶片中心处)建构成具有小尺寸，例如小于板到晶片间隙的约1/5。当与晶片旋转耦合时，小孔尺寸允许在时间上平均作为射流而来自板的撞击流体的流速，且减小或避免小规模不均匀性(例如，约数微米的不均匀性)。尽管有以上预防措施，且取决于所使用的镀槽的性质(例如，所沉积的特定金属、导电性，及所使用的槽添加加)，在一些情况下，沉积可能易于发生于因时间平均暴露而引起的微型不均匀图案和具有各种厚度且对应于所使用的个别孔图案的接近性成像图案(例如，在晶片中心周围呈“牛眼”形状)中。如果有限的孔图案造成不均匀且影响沉积的撞击流图案，则可能发生此现象。在此情况下，已发现越过晶片中心引入侧向流大大消除原本于此处发现的任何微型不均匀性。

流成形板的孔隙率

在各种实施例中，流成形板具有足够低的孔隙率及小孔尺寸以在正常操作体积流动速率下提供粘性背压和高垂直撞击流动速率。在一些情况下，流成形板的约1％到10％是开放区域，从而允许流体到达晶片表面。在特定实施例中，所述板的约2％到5％是开放区域。在特定实例中，所述板的开放区域为约3.2％，且有效总开放横截面积为约23cm²。

流成形板的孔尺寸

可以许多不同方式实施流成形板的孔隙率。在各种实施例中，流成形板实施有许多小直径的垂直孔。在一些情况下，所述板并非由个别“钻”孔组成，而是由连续多孔材料的烧结板形成。此种烧结板的实例描述于美国专利6,964,792中，该美国专利的全文以引用方式并入本文中。在一些实施例中，钻出的非连通孔的直径为约0.01到0.05英寸。在一些情况下，所述孔的直径或为约0.02到0.03英寸。如上所述，在各种实施例中，所述孔的直径至多为流成形板与晶片之间的间隙距离的约0.2倍。所述孔的横截面一般是圆形的，但无需如此。另外，为易于建构，板中的所有孔可具有相同直径。然而，情况无需如此，且因此如特定需要可能规定的，孔的个别尺寸以及局部密度可在板表面上变化。

举例来说，已发现由适当陶瓷或塑料(一般为介电绝缘且机械上稳固的材料)制成、其中设有大量小孔(例如，直径为0.026英寸的6465个孔)的固态板是有用的。板的孔隙率通常小于约5％，以使得形成高撞击速度所需的总流动速率不会过大。使用较小孔比较大孔有助于形成越过板的大的压降，从而辅助形成穿过板的更均匀的向上速度。

一般来说，孔在流成形板上的分布具有均匀密度且非随机的。然而，在一些情况下，孔的密度可改变，尤其在径向方向上。在如下文更完全描述的特定实施例中，在将流朝着旋转衬底中心指引的板区域中存在较大孔密度及/或孔直径。另外，在一些实施例中，指引旋转晶片中心处或靠近所述中心处的电解液的孔可能诱使相对于晶片表面以非直角流动。另外，此区域中的孔由于有限数目的孔与晶片旋转之间的任何交互作用而可能具有随机或部分随机的分布不均匀的镀敷“环”。在一些实施例中，接近流转向器开放段处的孔密度小于离所附接的流转向器的开放段较远的流成形板区域上的孔密度。

衬底旋转速率

晶片旋转速率可大大改变。在不存在撞击流和流成形板的情况下，在晶片下小距离处，应避免高于90rpm的旋转速率，这是因为在晶片外边缘处一般会形成涡流(且层状流进一步保持)，从而导致径向非均匀对流条件。然而，在本文所揭示的大多数实施例(例如具有外加涡流及/或具有撞击流成形板的实施例)中，可使用范围大得多的旋转速率，例如从20rpm到200rpm或更大。较高旋转速率会大大增加晶片表面大部分的剪切作用，晶片中心除外。然而，高旋转速率往往也会放大、聚焦或以其它方式修改中心异常/失常的相对规模，因此相信越过中心引入侧向流有时对于消除此问题是有必要的，尤其是当在较高旋转速率下操作时。

衬底旋转方向

在一些实施例中，在电镀过程期间周期性地改变晶片方向。此方法的一个益处在于，先前在流体流前边缘(在有角方向上)处的特征阵列或个别特征的一部分在旋转方向反转时可成为所述流的后边缘。当然，相反情况也如此。有角流体流的此反转往往会使在工件面上的各特征上的沉积速率相等。在某些实施例中，旋转反转在整个镀敷过程中以大致相等的持续时间发生多次，以使得对流与特征深度回旋最小化。在一些情况下，旋转在镀敷晶片的过程期间至少反转约4次。例如，可使用一系列振荡的5个顺时针和5个逆时针镀敷旋转步骤。一般而言，改变旋转方向可缓和方位角方向上的上游/下游非均匀性，但对径向非均匀性具有有限影响，除非与其它随机化影响，例如撞击流和晶片横流、叠加。

衬底表面上(表面到边缘)的电沉积均匀性

如所指示，一般需要镀敷晶片镀敷面上的所有特征到均匀厚度。在某些实施例中，镀敷速率且因此被镀敷特征的厚度具有在晶片一半范围(WIW R/2％)内为10％或更小的非均匀性。WIW-R/2定义为在越过晶片半径的多个裸片处收集的特定特征类型(即，具有既定大小且与晶片上的每个裸片具有相同相对位置的选定特征)的总厚度范围除以所述特征在整个晶片上的平均厚度的两倍。在一些情况下，镀敷过程具有为约5％或更佳的WIW-R/2均匀性。本发明中描述的设备和方法能够在高沉积速率(例如，5微米/分钟或更高)下实现或超过此均匀性水平。

电沉积速率

许多WLP、TSV及其它应用要求极高的电填充速率。在一些情况下，如本文中所描述的电镀过程以至少约1微米/分钟的速率填充微米规模的特征。在一些情况下，其以至少约5微米/分钟(有时至少约10微米/分钟)的速率填充此种特征。本文中描述之实施例形成有效的质量传递，以使得可使用此种较高镀敷速率，同时维持高镀敷均匀性。

流成形板的额外特性

如所指示，流成形板可具有许多不同配置。在一些实施例中，其提供以下通用(定性)特性。1)无滑动边界，其靠近旋转工具以使电解液在工件表面处产生局部剪切力，2)显著的离子阻力，当电镀到相对薄的金属化或因其它原因具有高阻力的表面上时，其可提供在工件半径上更均匀的电势和电流分布，及3)大量流体微射流，其将极高速流体直接递送到晶片表面上。显著离子阻力是重要的，因为在WLP和TSV镀敷中，可能在整个晶片上具有极少金属沉积，跨晶片阻力和从晶片周边到期中心的阻力可能在整个过程中保持为高。在整个镀敷过程中具有显著离子阻力允许维持均匀的镀敷过程，且使得能够使用比原本可能的情况更薄的晶种层。这就解决了如先前以引用方式并入的美国专利申请案第12/291,356号中所描述的“终点效应”。

在许多实施例中，流成形元件的小孔或孔不相连，而是非连通的，即，它们彼此隔离，且不与流成形元件的主体形成互连通道。此种孔可优选作为1维通孔，因为其在一个维度上延伸，在一个实施例中，正交于晶片的镀敷表面。也就是说，通道相对于流成形元件的面向衬底的表面定向成约90°角。在一个实施例中，流成形元件的通道相对于流成形元件的面向衬底的表面定向成约20°到约60°角，在另一实施例中，相对于流成形元件的面向衬底的表面定向成约30°到约50°角。在一个实施例中，流成形元件包括定向于不同角度的通孔。流成形元件上的孔图案可包括均匀、非均匀、对称及不对称的元件，即，孔的密度和图案可越过流成形元件而改变。在某些实施例中，通道经布置以避免平行于面向衬底的表面的长范围的线性路径不会遇到通道中的一个。在一个实施例中，通道经布置以避免平行于面向衬底的表面的约10mm或更长的长范围的线性路径不会遇到通道中的一个。

所述流成形元件可由离子阻力材料建构而成，离子阻力材料包括至少一种以下材料：聚乙烯、聚丙烯、聚偏二氯乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯、聚砜及聚碳酸酯。在一个实施例中，流成形元件的厚度介于约5mm与约10mm之间。

在某些实施例中，多个通道实质上彼此平行，在另一实施例中，所述多个通道中之至少一些通道不彼此平行。在某些实施例中，流成形元件为具有约6,000到12,000个孔的圆盘。在一个实施例中，流成形元件具有非均匀的孔密度，较大孔密度存在于面向衬底镀敷面的旋转轴的流成形元件区域中。在一个实施例中，流成形元件中的多个孔并不在流成形元件内形成连通通道，且实质上所有所述多个孔在面向衬底表面的元件表面上具有不大于约5毫米的主要尺寸或开口直径。

应注意，本发明所使用的流成形板可具有某些偏离先前以引用方式并入的美国专利申请案第12/291,356号中所引述的特性的特性。这些特性包括(1)较低离子阻力(例如显著小于接种晶片的阻力的阻力)，(2)大量孔，及(3)较薄构造(例如，板厚度可能为约四分之一英寸或更小)。

鉴于上述参数，下文结合诸图更详细地描述设备和方法。

D.用于解决中心镀敷不均匀性的设备

尽管本文中所描述的本发明的一些方面可用于各种类型的镀敷设备，但为简单及清晰起见，大多数实例将关于晶片面向下的“喷泉式”镀敷设备。在此种设备中，待镀敷的工件(在本文所提供的实例中通常为半导体晶片)一般具有实质上水平定向(在一些情况下可能从真正水平改变几度)且在以大体垂直向上的电解液对流镀敷期间旋转。喷泉式镀敷类型的单元/设备的部件的一个实例是由Novellus Systems,Inc.(San Jose,CA)生产且可购自Novellus Systems,Inc.的电镀系统。另外，喷泉式电镀系统描述于例如美国专利第6,800,187号和2010年2月11日申请的美国专利申请公开案US2010-0032310A1中，该两案的全文以引用方式并入本文中。

如所提及，已观测到，在经图案化晶片上，与晶片剩余部分相比，在晶片中心处和在其附近的小径向区域上的电镀速率相对较慢且镀敷特征形状较次，在所述剩余部分中速率实质上均匀。图1D描绘当使用常规喷流式镀敷配置时来自到300mm晶片上的铜电镀循环的结果。这些结果是针对镀敷有铜且具有50微米宽特征的晶片而获得，所述50微米宽特征在以3.5微米/分钟镀敷的50微米厚光阻中界定。镀敷是在晶片以90rpm旋转时进行，使用如上文所描述的流板和20lpm的总系统流动速率，但不使用用于特定地引入跨中心晶片流剪切的校正构件。当以高沉积速率(例如，以几乎超过现有WLP镀敷能力方式的上限的速率)来镀敷时，常规扩散器和晶片旋转条件不足以防止在晶片中心处的区域中的非均匀沉积。认为此情形是归因于在晶片中心区域处的较缓慢旋转、最小撞击流和不足够的流体剪切所致。在晶片表面上的实际旋转中心轴处，存在与零角速度相关联的“异常”。

具有有效的质量传递能力，可补偿所述异常且因此实现高速率均匀镀敷；因此本文中所描述的设备经配置以电镀(例如)晶片级封装特征、TSV和其类似者。可使用本文中所描述的设备来镀敷各种金属，包括传统上归因于质量传递问题而难以镀敷的金属。在一个实施例中，本文中所描述的设备经配置以电镀选自由以下金属组成的群组的一种或一种以上金属：铜、锡、锡铅组合物、锡银组合物、镍、锡铜组合物、锡银铜组合物、金，及其合金。

在上文识别了用于解决所观测到的非均匀性的各种机构。在某些实施例中，这些机构在旋转工件的表面处引入流体剪切。在下文更充分地描述所述实施例中的每一者。

一个实施例是一种电镀设备，其包含：(a)镀敷腔室，其经配置以容纳电解液和阳极，同时将金属电镀到大体平面的衬底上；(b)衬底固持器，其经配置以固持所述大体平面的衬底以使得在电镀期间所述衬底的镀敷面与所述阳极分离；(c)流成形元件，其包含面对衬底的表面，所述面对衬底的表面在电镀期间大体上平行于所述衬底的镀敷面且与所述镀敷面分离，所述流成形元件包括具有穿过所述流成形元件制成的多个非连通通道的离子电阻性材料，其中所述非连通通道允许在电镀期间输送所述电解液通过所述流成形元件；以及(d)流转向器，其在所述流成形元件的所述面对衬底的表面上，所述流转向器包含部分沿着所述流成形元件的圆周且具有一个或一个以上间隙的壁结构，且在电镀期间界定所述流成形元件与所述大体平面的衬底之间的部分或“假”腔室。

在一个实施例中，所述流成形元件是圆盘形的，且所述流转向器包含附接到或集成到所述流成形元件上的带槽环形间隔件。在一个实施例中，所述流转向器的所述壁结构具有单个间隙，且所述单个间隙占据约40度到约90度之间的弧。所述流转向器的所述壁结构的高度可在约1mm到约5mm之间。在某些实施例中，所述流转向器经配置以使得在电镀期间所述壁结构的顶部表面距所述衬底固持器的底部表面在约0.1mm到0.5mm之间，且在电镀期间所述流成形元件的顶部表面距所述衬底固持器的所述底部表面在约1mm到5mm之间。

在某些实施例中，所述设备经配置以在所述衬底镀敷面的方向上且于在电镀期间产生退出所述流成形元件的孔的至少约10cm/s的平均流速的条件下使电解液流动。在某些实施例中，所述设备经配置以在产生越过所述衬底的所述镀敷面的中心点的至少3cm/s或更大的横向电解液速率的条件下操作。

在某些实施例中，所述壁结构具有高于内部部分的外部部分。除了形成假腔室中的通风区的一个或一个以上间隙外，实施例还包含限制退出假腔室的电解液的流的特征。

一个实施例是一种用于将金属电镀到衬底上的设备，所述设备包含：(a)镀敷腔室，其经配置以容纳电解液和阳极，同时将金属电镀到所述衬底上；(b)衬底固持器，其经配置以固持所述衬底以使得在电镀期间所述衬底的镀敷面与所述阳极分离，所述衬底固持器具有一个或一个以上电力触点，所述电力触点经布置以在电镀期间接触所述衬底的边缘且将电流提供到所述衬底；(c)流成形元件，其经成形且配置以在电镀期间定位于所述衬底与所述阳极之间，所述流成形元件具有在电镀期间大体上平行于所述衬底的所述镀敷面且与所述镀敷面分离约10毫米或更小间隙的平坦表面，且所述流成形元件还具有多个孔以准许所述电解液朝向所述衬底的所述镀敷面流动；以及(d)用于使所述衬底和/或流成形元件旋转且同时在所述衬底镀敷面的方向上使电解液在电镀单元中流动的机构；以及(e)用于将剪切力施加于在所述衬底的所述镀敷面处流动的所述电解液的机构，其中所述设备经配置以用于在所述衬底镀敷面的方向上于在电镀期间产生退出所述流成形元件的所述孔的至少约10cm/s的平均流速的条件下使电解液流动，且用于在平行于所述衬底的所述镀敷面的方向上在产生越过所述衬底的所述镀敷面的中心点的至少约3cm/s的电解液速率下使电解液流动。下文更详细描述各种剪切力机构。

流转向器

某些实施例在晶片的镀敷面，尤其是在关于所述镀敷面旋转的中心轴赋予侧向剪切作用。相信这一剪切作用可减少或消除在晶片中心所观察到的沉积速率的不均匀性。在本节中，通过使用附接到或邻近流成形板圆周且朝向旋转工件延伸的方位角不均匀的流转向器来赋予所述剪切作用。一般说来，流转向器将具有至少部分限制假腔室(假腔室的通风孔部分除外)中电解液流的壁结构。所述壁结构将具有顶部表面，所述顶部表面在一些实施例中是平坦的，而在其它实施例中具有垂直元件、斜面和/或弯曲部分。在本文中所述的一些实施例中，流转向器边缘部分的顶部表面在晶片固持器底部与流转向器之间在衬底固持器外围与所述边缘部分顶部之间的大部分区域上提供极小的间隙(例如约0.1mm到0.5mm)。在这一区域(介于约30度到120度之间的弧)外，在流转向器主体中存在一个间隙(例如从环形主体去除的片段)，其为电解液流出在晶片镀敷面、晶片固持器某些表面、流成形板与流转向器内表面之间形成的几乎封闭的腔室提供阻力相对较低的路径。

在一个实施例中，电镀设备用于施加剪切力的机构包括带槽间隔件，其位于流成形元件圆周上或邻近流成形元件的圆周并朝向衬底固持器突出，以界定流成形元件与衬底固持器之间的部分腔室，其中所述带槽间隔件包括位于角形区段上的槽，用以为排出部分腔室的电解液流提供低阻力路径。图2A到2D和相关CAD图2E到2I描述使用带槽间隔件200与流成形板202的组合来产生转向器组合件204的实施方案，当转向器组合件204定位成紧密邻近可旋转驱动组合件101时且当经由流成形板202的通孔提供足够流动时，转向器组合件204将按高速率沉积方案提供实质上均匀的镀敷。图2A描述带槽间隔件200(也称为方位角不对称的流转向器)如何与流成形板202组合以形成转向器组合件204。带槽间隔件200可例如使用螺杆等(未图示)附接。所属领域技术人员应理解，尽管各实施例被描述为个别流成形板和流转向器组合成组合件(例如带槽间隔件200与流成形板202一起为转向器组合件204)，而不是由例如一块材料研磨而成的单件式主体的组合件，但此类组合件也可用于相同目的。因此，一个实施例是具有单件式主体的流成形元件，其经配置以用于本文中所述的流转向器/流成形板组合件的目的。

转向器组合件204定位成紧密邻近待镀敷的衬底。举例来说，组合件101最靠近衬底的部分(如关于图1A和1B所述的杯状物102的基底)与带方位角的带槽间隔件200顶部的距离在小于约1毫米的范围内。以此方式，在晶片与流成形板之间形成有限空间或假腔室，其中撞击晶片表面的大部分电解液通过200的槽形部分排出。尺寸A可定义为指定半径的环的角度或线性尺寸，其可发生变化以容许较多或较少的流通过槽，且尺寸B可发生变化以使上文提到的假腔室具有较大或较小的体积。图2B是定位成紧密邻近组合件101的转向器组合件204的横截面图。在某些实施例中，作为间隔件200顶部与组合件101底部之间的间隙的尺寸C为约0.1mm到0.5mm，在另一实施例中为约0.2mm到0.4mm。

图2C描述当晶片不旋转时电解液在晶片与流成形板202之间的假腔室内的流动模式。更具体点说，本图描述直接邻近晶片镀敷面的流动模式的代表性向量。电解液撞击垂直于镀敷表面的晶片，但接着发生偏转，并平行于镀敷表面流动且从200的槽流出。这一流动模式的产生是由相对于流转向器200去除片段的区域(其中存在假腔室中的“通风孔”或较大开口)，通过狭窄间隙C(参看图2B)的流受到阻力所致。应注意，流向量的幅值在整个流成形板上从假腔室中距通风区最远的区域且朝向通风区增加。这可通过考虑例如距间隙最远的区域(较高压力)与邻近间隙的区域(较低压力)的压差来合理地说明。另外，在假腔室中距通风孔最远的区域流动的电解液不会像通风孔附近的区域一样出现来自成形板中额外微射流的组合流的速度和动量增加。在下文更详细地描述的某些实施例中，这些流向量幅值变得更均匀，以便进一步增加镀敷均匀性。

图2D描述当晶片在一个方向上旋转时在晶片面的流动模式的代表性向量。应注意，电解液侧向流过旋转晶片的旋转中心(用粗体“X”标记)或旋转轴。因此，越过晶片中心建立剪切流，由此减少或消除当存在不足剪切流时所观察到的中心减慢的镀敷(例如，如关于图1D所述)。

在一些实施例中，将实质上流动受阻但传导离子的薄膜，例如一层流动受阻的微孔过滤材料或阳离子传导膜(例如Nafion^TM-从杜邦公司(E.I.du Pont de Nemours and Company)得到的基于磺酸化四氟乙烯的含氟聚合物-共聚物)，放置到流板正下方所述板邻近流转向器敞开的流槽的区域中。在一个实施例中，所述部分占所述板面积的约一半。在另一实施例中，所述部分占所述板面积的约1/3，在另一实施例中占约1/4，且在又一实施例中，所述部分占所述板面积不到1/4。这一构造容许离子电流基本上不受抑制地通过此处的孔，但阻止流向上浸入所述区域中，由此增加以相同总流动速率越过晶片中心的横流，同时使越过晶片镀敷表面的流向量标准化。举例来说，当所述部分占所述板面积的一半时，这将使位于槽相对侧的孔中的流速加倍，并消除通过邻近槽的所述板的一半上的孔的流。所属领域技术人员应理解，视特定镀敷设备的配置(包括流转向器/流成形板配置)而定，膜的形状和放置可经优化以使横向流向量标准化。可调整流成形板的通孔图案以使邻近流转向器中间隙的孔的密度减小，来代替此类膜；类似地，邻近间隙的孔的图案将视特定系统的配置和操作参数而定。更灵活的方法是使用具有某种固定孔图案的流成形板和使用上文提到的膜和/或阻塞孔来产生越过晶片镀敷表面的所需横向流特性。随后图式的论述中将包括有关改善横向流特性的进一步论述。举例来说，用于使越过晶片镀敷表面的横向流向量标准化的方法和设备将关于图7A到7C进一步描述。

在由实际镀敷设备组件的CAD图得到的图2E到2I中，绘示了所述设备，尤其是转向器组合件的其它特征。可能时，图2E到2I中某些组件的编号与先前图式中的编号相配，例如晶片145、流转向器200和流成形板202。图2E到2I中的其它特征是通过以下参考数字标识。图2E以透视图绘示附接到镀敷单元组合件的转向器组合件204且以横截面绘示组合件101。参考数字206标识“顶板”，其用于连接到“杯状物”212且使所述杯状物上下移动以抵靠“锥形体”210将晶片固持在适当的位置。支柱208将杯状物212连接到顶板206。外壳205安装于锥形体210，用以固持各种连接，例如气动连接和电连接。锥形体还包括用以在锥形体中产生柔性悬臂结构的断开切口(cut out)207，以及O形密封圈230。杯状物212包括杯状物主体或结构222、用于与晶片145连接的电触点224、用于将电力传送到触点224的汇流条板226，和杯状物底部228，其界定组合件101的下表面(图2A到2D，同时应注意，图1A和1B以及相关描述提供有关示范性晶片固持和定位的设备100的上下文，以及组合件101的横截面)。

带槽间隔件200(也参看图2A到2D)接触流成形板202(也参看图2A到2D)。断开切口或槽201存在于带槽间隔件中，且如所解释的，提供低阻力路径以使电解液在电镀期间漏出。在本实例中，安装螺杆将带槽间隔件200连接到流成形板202。固定部件220将流成形板202连接到单元主体216。圆形壁214界定固持阴极电解液的阴极腔室的外部区域，使其与固持阳极电解液的阳极腔室分开。

间隙232(也参看图2B的尺寸C)在晶片145的镀敷表面与流成形板202的上表面之间。在流转向器内部区域中，这一间隙可为约2到4毫米。然而，在一些实施例中，在带槽间隔件所处圆周点处，间隙234仅为约0.1毫米到0.5毫米。这一较小间隙234的特征在于带槽间隔件200的上表面与杯状物底部228的底部表面之间的距离。当然，这一小间隙234不存在于间隔件200中的开口201处。在此开口处，杯状物底部与流成形板202之间的间隙与间隙232相同。在某些实施例中，间隙232与234之间的间隙大小相差约10倍。

在一组替代性实施例中，使用液流作为屏障来产生如本文中所述的剪切流。在这些实施例中，边缘间隙未必完全如上文所述一般小，例如为2mm，但仍引起产生横流的效果。在单元大体上如关于图2A到2I中所述的一个实例中，在带槽间隔件200通常占据的区域中，存在一种用于产生朝向晶片固持器实质上向上导向的向上流动的流体流，由此在流体尝试以其它方式通过间隙“泄漏”的区域中产生液体“壁”的机构(例如一个或一个以上流体喷嘴)。在另一实施例中，间隔件向外延伸超过晶片固持器的外围且接着在晶片自身的方向上侧向向上约1cm到10cm的距离，由此产生装配晶片和其固持器的“泄漏的”杯状物。与流转向器一样，泄漏的杯状物具有壁缺失的区段，通过这一部分，进入流板的液体经所述流板与晶片之间的间隙排出。尽管上述实施例可减少对于晶片与插入物之间极小间隙的需求，但越过晶片中心的总横流部分由流成形板到晶片的距离决定，且这一参数通常基本上与上述相同。

图2H绘示电镀单元的更完整的描述(以横截面绘示)。如所示，电镀单元包括部分由圆形壁214界定的上部或阴极腔室215。单元的上部阴极电解液腔室与下部阳极腔室通过离子传递膜240(例如Nafion^TM)和倒圆锥形支撑结构238分开。数字248指示向上且通过流成形板202的电解液的流动路径线。阳极腔室包括铜阳极242和用于将电力传送到阳极的充电板243。其还包括入口歧管247和按冲洗阳极顶部表面的方式将电解液传送到阳极表面的一系列凹槽246。阴极电解液流入口244穿过铜阳极242和阳极腔室的中心。这一结构可将阴极电解液沿图2H中径向/垂直箭头所示的流线248传送到上部腔室215。图2I描述有关电解液流过成形板202中的孔并流入间隙232中(接近晶片的镀敷表面)的流动流线248。

图2E到2I中所示的单元特征中有一些也绘示于图1A、1B以及下文所述的图3B中。所述设备将包括一个或一个以上用于控制(尤其)杯状物和锥形体中晶片的定位、晶片关于流成形板的定位、晶片的旋转和电流向阳极和晶片的传送的控制器。

流转向器实施例的一些常见但非限制性的特征将于下文以下述罗马数字I-XII陈述。

I.用于在流成形板“腔室”产生小间隙区和几乎封闭的晶片的结构。

II.在更特定的实施例中，流成形板腔室的几乎封闭的晶片是通过在晶片固持器外围与位于流成形板上或作为流成形板一部分的外围边缘元件(带槽间隔件)之间的大部分间隔之间形成极小间隙(例如约0.1mm到0.5mm)来产生。

III.这一设备在流成形板上以相对较高的角速度(例如至少约30rpm)旋转晶片，由此产生高度的流体剪切作用。这一流体剪切作用是由移动的晶片与紧密邻近晶片的成形板(固定的)上表面之间较大的速度差所引起。

IV.充当流体出口“通风孔”的单元区域。这一通风孔是一种开口，或在一些情况下是出口间隙(例如上述带槽间隔件中的间隙)。其在成形板与旋转晶片之间的“腔室”中产生开口。通风孔导向向上移动通过流成形板的流体以使其方向改变90度，并使其以较高速度平行于晶片表面朝向通风孔位置呈一定角度移动。这一出口通风孔或间隙涵盖“腔室”外圆周的角形部分(晶片/杯状物和/或流成形板的外缘)以在腔室中引入方位角不对称。在一些情况下，通风孔或间隙所对着的角度为约20度到120度，或为约40度到90度。通过这一间隙，进入单元腔室且随后通过成形板中各孔的绝大部分流体最终都排出单元(且被重新捕获以供在镀槽中再循环)。

V.(流体)流成形板通常具有较小孔隙率和孔大小，由此在操作流动速率下引入相当大的粘滞反压力。举例来说，提供大量极小孔(例如6465×0.026英寸直径)的固体板经显示是有用的。这种板的孔隙率通常小于约5％。

VII.在采用直径为约300mm(且具有大量孔)的流成形板的某些实施例中，采用约5升/分钟或更高的体积流量。在一些情况下，体积流量为至少约10升/分钟，且有时多达40升/分钟。

VIII.在各种实施例中，越过流成形板的压降的幅值约等于或大于出口间隙与处于“腔室”内与出口间隙相对且在晶片下方的位置之间的压降，且因此充当流动歧管。

IX.流成形板将实质上均匀的流直接传送到晶片且基本上向上朝向晶片。此举避免了大部分流可能以其它方式由流成形板进入腔室的情形，而是使所述流优先按主要向外靠近且通过出口间隙的路径行进(短路的)。

X.与在晶片边缘与成形板之间具有较大间隙(大于1毫米)且无流转向器的情形不同，当流在晶片下方的区域中积聚时，阻力最小的路径将由径向向外轨迹的路径变为现在必须主要与晶片平行且在出口间隙方向上通过的路径。因此，导向流体在平行于晶片表面的侧向方向上横越，且特别需要注意的是，横越和横穿晶片的中心(或晶片旋转轴)。流体不再在关于中心的所有方向上径向向外导向。

XI.在中心和其它位置处横向流的速度视多种设计和操作参数而定，包括各种间隙(流成形板到晶片的间隙、出口间隙、带槽间隔件到晶片固持器外围底部的间隙)的大小、总流量、晶片旋转速率。然而，在各种实施例中，越过晶片中心的流为至少约3cm/sec，或至少约5cm/sec。

XII.可使用使晶片和固持器倾斜以容许“成角度进入”的机构。所述倾斜可朝向上部腔室中的间隙或通风孔。

其它实施例包括流转向器，其包括进一步抑制流从假腔室(通风孔或间隙除外)流出的垂直表面。垂直表面可如图3A所述，图3A描述了流转向器/流成形板组合件304，其包括流成形板202(如先前所述)和流转向器300。流转向器300与关于图2A所述的流转向器200极其类似，因为其也具有去除一个片段的大体上环形的形状；然而，流转向器300经成形且配置成具有垂直元件。图3A的下部部分绘示流转向器300的横截面。与如在流转向器200中，晶片固持器最底层表面下为平坦的顶部表面不同，流转向器300的顶部表面经成形为具有从内圆周开始且径向向外移动的向上倾斜的表面，这一表面最终变为垂直表面，并在晶片固持器最底层表面上的顶(在本实例中为平坦的)表面处终止。因此，在本实例中，壁结构的外部部分高于内部部分。在某些实施例中，外部部分的高度介于约5mm与约20mm之间，且内部部分的高度介于约1mm与约5mm之间。

在图3A的实例中，流转向器具有垂直内表面301。这一表面无需完全垂直，如例如，倾斜的表面将足以。本实施例中的重要特征在于，流转向器的顶部表面与晶片固持器底部表面之间的狭窄间隙，即图2B中的距离C，经延伸以包括晶片固持器表面的某一倾斜和/或垂直组件。理论上，这一“狭窄间隙延伸”无需包括任何倾斜或垂直表面，但其可包括使流转向器的上表面和晶片固持器的下表面经对准的区域扩张以便产生狭窄间隙，和/或使狭窄间隙进一步变窄以抑制流体从假腔室漏出。然而，归因于减少设备总体印迹(footprint)的重要性，常常更需要将狭窄间隙简单地延伸到倾斜和/或垂直表面，以获得减少通过狭窄间隙的流体损失的相同结果。

参看图3B，其描述了用组合件101、垂直表面301、在本实例中连同组合件101的垂直部分对准得到的组合件304的部分横截面，组合件304延伸在流转向器顶部表面与晶片固持器之间的上述狭窄间隙(例如图2B中提到的“C”)。通常(但非必需)，如图3B中所述，这些垂直和/或倾斜表面之间的距离(如302所指示)小于流转向器的水平表面与晶片固持器之间的距离C。在此图中，描述了流成形板202中不具有通孔的部分202a以及具有通孔的部分202b。在一个实施例中，流转向器经配置以使得电镀期间壁结构内表面与衬底固持器外表面的距离介于约0.1mm与约2mm之间。在本实例中，间隙302表示这一距离。使所述间隙进一步变窄将在假腔室中产生更高的流体压力，并增加越过晶片镀敷表面且离开通风孔的剪切流(其中流转向器300的分段部分与组合件101相对。图3C是绘示在300mm晶片上镀铜的均匀性随所述垂直间隙变化而变化的图表。如所示，在各种间隙距离处，可以实现高度均匀的镀敷。

图3D描述具有垂直元件的流转向器横截面的多种变化305-330。如所述，垂直表面无需精确地垂直于镀敷表面，且流转向器的顶部表面无需具有倾斜部分(例如参看横截面315)。如横截面320中所述，流转向器的内表面可完全为弯曲表面。横截面310绘示，可以只存在倾斜表面来延伸间隙。所属领域技术人员应理解，流转向器的形状可视其对准以产生间隙延伸的晶片固持器而定。在一个实施例中，偏离水平面(与例如流成形板的顶部表面相比较)的表面具有偏离水平面介于约30度到约90度(垂直于水平面)之间的至少一部分。

如关于图3A到3D中所述的流转向器有助于在晶片镀敷表面与流成形板之间产生更均匀的横向流。图3E绘示当使用如关于图2A到2I所述的流转向器产生的横向流图案的俯视图萨夫图像模糊图(Surf Image Haze Map)(图3E的左侧部分)与当使用如关于图3A到3D所述的流转向器时产生的模糊图(图3E的右侧部分)的比较。这些模糊图是在不施加镀敷电流的情况下，镀敷溶液在具有种子层的晶片上/越过所述晶片流动的结果。当用基于激光的粒子/缺损检测器分析时，镀敷溶液中的硫酸蚀刻接种的晶片表面，并由此产生反映流图案的图案。在每一测试中，使用流成形板，例如202，其中在流转向器内周(且其中转向器去除的片段将处于其未被去除时的位置)内的板的整个区域，孔图案都是规则且均匀的正方形孔图案。图3E上部中间的图式指示流转向器的方位以及流方向为从左上侧流向右下侧且流出间隙外。模糊图的较深部分指示垂直撞击流，而较浅的区域指示横向流。如在左手边的图中看出，深色区域具有许多分支，表明越过晶片的垂直流汇合。也就是说，可能由于流成形板表面上通孔的规则分布，使得流体具有长距离路径，其中流的横向分量小于流的撞击分量。这些长距离路径会不利地影响越过晶片镀敷表面的镀敷均匀性，且需要使长距离路径减到最少。如图3E右侧的模糊图所指示，当使用如关于图3A到3D所述的流转向器(具有间隙延伸元件)，例如垂直内表面时，存在越过晶片的较多量且更均匀的横向流。

流成形板上的非均匀孔分布

在某些实施例中，流成形板具有非均匀通孔分布以在镀敷期间单独或与流转向器组合越过晶片表面产生增加和/或更高度均匀的横向流。

在一些实施例中，非均匀孔分布为螺旋形图案。图4A展示一种此流成形板400的俯视图。注意到通孔的螺旋形图案的中心距孔的圆形区域中心偏移量为距离D。图4B展示类似流成形板405，其中偏移量更大，为距离E。图4C描述另一类似流成形板410(分别为俯视图和透视图)，其中孔的螺旋形图案中心不包括在由孔所占据的圆形区域中，而是偏移量使得孔的螺旋形图案中心不包括在包括通孔的圆形区域中。使用这些偏移螺旋形图案在镀敷期间越过晶片表面提供改良的横向流。这些流成形板更详细地描述于上文以引用的方式并入的美国临时专利申请案第61/405,608号中。

图5A描述展示由使用如关于图3A所述的流转向器产生的流动模式与如关于图4C所述的流成形板(无晶片旋转)结合使用的模糊图。所述模糊图指示，由于非均匀通孔图案(在这个实例中为螺旋形图案)，存在几乎完全的横向流，其中在流的撞击组件占主导地位的流体流中若存在任何长度范围路径，则横向流最小。图5B展示当使用如关于图5A所述的流转向器/流成形板组合时在转向器与晶片固持器之间的指定间隙(3mm)下的镀敷均匀性结果。300mm晶片上的镀敷均匀性相当高。

非均匀通孔图案可包括除螺旋形以外的形式。并且在某些实施例中，流转向器不与具有孔非均匀性的流成形板组合使用。举例来说，图6描述组合件600，其说明解决中心缓慢镀敷问题的一种配置。镀敷设备600具有镀敷槽155，其具有阳极160和电解液入口165。在这个实例中，流成形板605越过晶片产生非均匀撞击流。特定如所示，由于孔在流成形板中的非均匀分布(例如，孔尺寸和密度的径向分布差异)，晶片中心比外部区域的流更大。如由重点线箭头所示，在这个实例中，在接近晶片中心处产生更大流以补偿不足的质量传递并且在晶片中心处可见所得较低镀敷速率(例如参看图1D)。

尽管不希望受理论约束，但相信以如上所述的常规镀敷方案存在不足的流体剪切并且因此越过晶片表面存在非均匀质量传递。通过相对于晶片其它区域增加晶片中心的流速(如由接近阴极腔室中心处相对于外部区域的虚线箭头密度更高所描述)，可以避免更接近晶片中心处的镀敷速率较低。可例如通过增加例如流成形板中的孔数目和/或相对于晶片的定向角度以增加撞击流喷射数目和中心区域中所得剪切量来实现此结果。

一般来说，接近流成形板中心处的孔密度、尺寸和/或分布(例如，均匀或随机)改变。在一些实施例中，接近中心处孔密度增加。或者或另外，假定孔在接近中心处以其图案在一定程度上随机分布，在流成形时所述孔分布在别处可以规则或周期性排列提供。在一些实施例中，可提供部分覆盖物以覆盖流成形板某些区域中的一些孔。在某些实施例中，这些覆盖物包括离子传导性流动抑制元件。这将允许最终使用者定制孔密度和/或分布以满足特定电镀要求。

流端口横向流增强

在一些实施例中，电解液流端口经配置以单独或与如本文所述的流成形板和流转向器组合辅助横向流。下文关于与流成形板和流转向器的组合来描述各种实施例，但本发明并不受限于此。注意到，如关于图2C所述，在某些实施例中，认为越过晶片表面的电解液流向量的量值在最接近通风孔或间隙处较大并且越过晶片表面逐渐变小，在距通风孔或间隙最远的假腔室内部最小。如图7A中所述，通过使用适当配置的电解液流端口，这些横向流向量的量值越过晶片表面更均匀。

图7B描述镀敷单元700的简化横截面，所述镀敷单元700具有组合件101，其部分浸在镀敷槽155中的电解液175中。镀敷单元700包括流成形板705，例如本文所述的那些流成形板。阳极160位于板705下方。板705之上为流转向器315，例如关于图3A和图3D所述。在这个图中，流转向器中的通风孔或间隙在图式的右侧上并且因此如最大点线箭头所示赋予从左到右的横向流。一系列较小的垂直箭头指示穿过板705中垂直定向通孔的流。在板705下方也有一系列电解液入口流端口710，其将电解液引入板705下方的腔室中。在这个图中，不存在隔离阳极电解液腔室与阴极电解液腔室的膜，但其也可包括在这些镀敷单元中而不背离本发明的范围。

在这个实例中，流端口710围绕单元155的内壁径向分布。在某些实施例中，为了增强越过晶片镀敷表面的横向流，一个或一个以上这些流端口经阻塞，例如，最接近晶片、板705和流转向器315之间所形成的假腔室中的通风孔或间隙的右手侧上的流端口(如所示)。以此方式，尽管允许撞击流穿过板705中的所有通孔，但距假腔室中的间隙或通风孔最远的左侧的压力较高并且因此越过晶片表面的横向流(在这个实例中以从左到右流动展示)得以增强。在某些实施例中，经阻塞流端口围绕与流转向器的分段部分的方位角至少相等的方位角定位。在一个特定实施例中，流成形板下方的电解液腔室的圆周的90°方位角区段上的电解液流端口经阻塞。在一个实施例中，这个90°方位角区段与流转向器环面的开放片段对准。

在其它实施例中，一个或一个以上电解液入口流端口经配置以促使距通风孔或间隙最远的流转向器部分下方区域(在图7B中由Y指示)中的压力较高。在一些情况下，简单地用物理方式阻塞(例如，经由一个或一个以上切断阀)所选入口端口比设计具有特定配置电解液入口端口的单元更便利且灵活。这种情况真实存在，因为流成形板和相结合的流转向器的配置可随不同所需镀敷结果而变化并且因此能够更灵活地改变单个镀敷单元上的电解液入口配置。

在其它实施例中，在阻塞或不阻塞一个或一个以上电解液入口端口的情况下，挡板、隔板或其它物理结构经配置以促使距通风孔或间隙最远的流转向器部分下方区域中的压力较高。举例来说，参看图7C，隔板720经配置以促使距通风孔或间隙最远的流转向器部分下方区域(在图7C中以Y指示)中的压力较高。图7D为不具有组合件101、流转向器315或流成形板705的镀敷单元155的俯视图，其展示隔板720促使源自端口710的电解液流汇合在区域Y处并且因此增加所述区域(同上)中的压力。所属领域的一般技术人员应了解，物理结构可以多种不同方式定向，例如具有水平、垂直、倾斜或其它元件以引导电解液流以产生如所述的较高压力区域并且因此在剪切流向量大体上均匀的假腔室中促成越过晶片表面的横向流。

一些实施例包括与流成形板和流转向器组合件结合的电解液入口流端口，其经配置以增强横向流。图7E描述镀敷设备725的组件的横截面，其用于将铜镀敷在晶片145上，所述晶片145由组合件101固持、定位并旋转。设备725包括镀敷单元155，其为双腔室单元，具有含铜阳极160和阳极电解液的阳极腔室。阳极腔室与阴极腔室由阳离子膜740分隔，所述阳离子膜740由支撑膜735支撑。镀敷设备725包括如本文所述的流成形板410。流转向器325位于流成形板410之上，并且帮助产生如本文所述的横向剪切流。经由流端口710将阴极电解液引入阴极腔室(在膜740上方)中。从流端口710，阴极电解液通过如本文所述的流板410并且在晶片145的镀敷表面上产生撞击流。除了阴极电解液流端口710之外，另一流端口710a在其距流转向器325的通风孔或间隙最远的位置处的出口处引入阴极电解液。在这个实例中，流端口710a的出口以流成形板410中的通道形式形成。功能性结果在于将阴极电解液流直接引入流板与晶片镀敷表面之间所形成的假腔室中以增强越过晶片表面的横向流并且从而标准化晶片(和流板410)的流向量。

图7F描述与图2C中类似的流动图，但在这个图中描述流端口710a(根据图7E)。如图7F中所见，流端口710a的出口跨越流转向器325的内圆周的90度。所属领域的一般技术人员应了解，端口710a的尺寸、配置和位置可在不脱离本发明范围的情况下变化。所属领域的技术人员也应了解，等效配置应包括在流转向器325中具有自端口或通道的阴极电解液出口和/或与例如图7E中所述的通道(在流板410中)组合。其它实施例包括在流转向器的(下部)侧壁(亦即最接近流成形板顶面的侧壁)中的一个或一个以上端口，其中一个或一个以上端口位于流转向器中与通风孔或间隙相对的一部分中。图7G描述与流成形板410组装的流转向器750，其中流转向器750具有阴极电解液流端口710b，其与流转向器之间隙相对自流转向器供应电解液。例如710a和710b等流端口可以相对于晶片镀敷表面或流成形板顶面的任何角度供应电解液。一个或一个以上流端口可传递撞击流到晶片表面和/或横向(剪切)流。

在一个实施例中，例如如关于图7E-G中所述，如本文所述的流成形板与例如关于图3A-3D所述的流转向器结合使用，其中经配置以增强横向流(如本文所述)的流端口也与流板/流转向器组合件一起使用。在一个实施例中，流成形板具有非均匀孔分布，在一个实施例中，流成形板具有螺旋形孔图案。

流成形板中的成角度孔

增加横向流并且从而在高速率镀敷方案中实现更均匀镀敷的另一种方式在于在流成形板中使用成角度孔定向。也就是说，流成形板具有非连通通孔(如上所述)并且其中孔维度相对于所述孔延伸穿过的顶部和底部平行表面成角度。这说明于图8A中，其描述组合件800。流成形板805中的通孔成角度并且因此撞击于晶片145表面上的电解液流以非法线角度冲击并且因此赋予旋转晶片中心处以剪切。关于具有这种成角度定向的流成形板的其它细节提供于2010年7月2日申请的美国临时专利申请案第61/361,333号中，所述申请案以引用的方式并入本文中。

图8B是展示当使用具有6000或9000个成角度通孔的流成形板，优化流速并且各自具有90rpm晶片旋转时，镀敷厚度关于用铜镀敷的300mm晶片上的径向位置而变化的图。如根据数据可见，当使用具有6000个孔的流板时在24lpm下，镀敷不如以下情况均匀：例如当板具有9000个孔并且通过板的流速为6lpm时。因此，当使用具有成角度通孔的流成形板时，可优化孔数目、流速等以获得足够剪切流从而获得越过晶片表面的均匀镀敷。图8C是展示当使用具有成角度通孔的流成形板用铜镀敷时，沉积速率相对于200mm晶片上的径向位置的图。在6lpm下的均匀性大于12lpm下的均匀性。这证明通过使用具有成角度通孔的流成形板，可调节越过晶片的质量传递以补偿晶片中心处的低镀敷速率。成角度通孔流成形板在广泛多种边界层条件下产生显著均匀的镀敷条件。

桨式剪切单元实施例

图9A描述另一种实施例，其中使用旋转桨900来增加对流并且在紧邻旋转晶片下方的晶片表面处的电解液中产生剪切，因此在高速率镀敷条件下提供改良的质量传递。在这个实施例中，提供桨轮900作为具有交织桨的轴(参看图9B)。在这个实施例中，桨轮900安装在底座905上，底座905集成到镀敷腔室中，其中在镀敷期间桨轮与晶片145的镀敷表面最接近。这使得对流增加，并且在一些情况下在晶片表面处存在大量剪切与湍流，并且因此在高速率镀敷方案中存在充分质量传递。底座905具有多个孔910，以允许电解液流过。在底座905的右下方是驱动具有桨轮900的轴的驱动机构。桨组合件包括以组合件形式安装在底座上的反向旋转叶轮。具有桨组合件的底座是在例如晶片与用于隔离阴极腔室与阳极腔室的阳离子膜之间配合的模块单元。因此桨组合件在阴极电解液中紧邻晶片镀敷表面定位，以在晶片表面处在电解液中产生剪切流。

衬底相对于流成形板的轨道或平移运动

图10描述使用轨道运动来影响晶片表面中心轴处的改良剪切流的实施例。在这个实例中，使用镀敷腔室，其中所述镀敷腔室具有足够直径以当组合件101在电解液中沿轨道运行时容纳组合件101。也就是说，在镀敷期间固持晶片的组合件101不仅沿Z轴(如所述)顺时针及逆时针旋转，而且沿X轴和/或Y轴具有平移运动。以这种方式，晶片中心相对于晶片表面的其余部分不经历流板上较小剪切区域或湍流。在一个实施例中，电镀设备的用于施加剪切力的机构包括以将衬底镀敷面的旋转轴移动到关于流成形元件的新位置的方向移动流成形元件和/或衬底的机构。

如所属领域的技术人员将了解，可以众多方式实施轨道运动。化学机械抛光设备提供良好类似物并且许多用于CMP的轨道系统可在良好作用下用于本发明。

作为流成形板的零件的离轴旋转元件

在一个实施例中，电镀设备的用于施加剪切力的机构包括用于旋转衬底和/或流成形元件的机构，其经配置以相对于所述流成形元件逆转衬底的旋转方向。然而，在某些实施例中，电镀设备的用于施加剪切力的机构包括用于旋转位于流成形元件与衬底镀敷面之间的离轴剪切板以越过衬底镀敷面的旋转轴产生电解液流的机构。图11A描述组合件1100包括例如流成形板1105与嵌埋于流成形板1105中或与流成形板1105连接的可旋转圆盘1110的实施例。圆盘1110可在中心轴上自由旋转，并且在这个实例中由在流板与在流板1105和可旋转圆盘1110上旋转数毫米的晶片(未图示)之间的间隙中产生的成角度旋转并移动的流体驱动。在一些实施例中，可旋转圆盘通过与间隙中及可旋转圆盘平坦表面上的流体剪切耦合而简单移动(旋转)。在其它实施例中存在一组电解液流耦合肋，其在这个实例中位于圆盘1110中的凹陷1115中(但也可在流板的板上方)并且辅助诱导旋转运动。因此，在这个实施例中，除了来自板上晶片和圆盘本身的旋转之外，无需驱动圆盘旋转的外部机构。这个实施例可与流转向器实施例组合，以在晶片中心与其它位置处产生较大流剪切条件，以及使例如仅由晶片旋转造成的任何上游-下游流诱导的镀敷非均匀性降到最小。

在所述实施例中，圆盘1110经配置以使得其表面积的至少一部分位于晶片145的中心区域下方。因为圆盘1110在镀敷期间旋转，所以在接近晶片中心处的区域中产生侧向流并且因此在高速率镀敷方案中实现均匀镀敷的改良质量传递。尽管在不存在可旋转圆盘1110的情况下，通过流板1105上方旋转晶片的运动通常在晶片表面(除晶片中心以外)处产生剪切，但在使用圆盘的实施例中，通过可旋转圆盘或类似元件相对于大体上位置非移动性晶片的相对运动在晶片中心处产生流体剪切。在关于可旋转圆盘1110的这个实例中，流板与可旋转圆盘中的通孔与晶片的镀敷表面呈法线方向(或大体上法线方向)并且具有相同尺寸和密度，但并不限于此。在某些实施例中，在旋转圆盘的区域中，板中和旋转圆盘中的个别流孔的总和在长度上等于板中旋转圆盘所处区域外部的孔总和。这种构造确保在流板/旋转圆盘元件的这两个区域中对电流的离子电阻性大体上相等。在可旋转圆盘的底面与流板之间典型地存在较小的垂直间隔或间隙以容纳小支架的存在和/或确保旋转圆盘自由移动并且不在流板表面上摩擦。此外，在一些实施例中，最接近晶片的这两个元件的顶面经布置以大体上距晶片相同的总体高度或距离。为满足这两种条件，在流板下表面下方突出的流成形板中可能存在其它材料区段。

在另一个实施例中，使用例如关于图4所述的成角度通孔，其单独存在或与法线定向的通孔组合。

在一个实施例中，圆盘1110是以例如与关于图9A-B所述的桨类似的方式以机械方式驱动。所述圆盘也可通过对圆盘内或圆盘上所含的磁体施加随时间变化的磁场或电场来驱动，或可通过旋转晶片固持器和旋转圆盘中所含的内部元件以磁性方式耦合。在所述后者情况下，作为具体实例，晶片外围中固持并旋转蛤壳的一组相等间隔的磁体与旋转圆盘1110中所嵌埋的一组相应磁体产生耦合。随着晶片固持器中的磁体围绕晶片和单元的中心运动/旋转，其驱动圆盘以与晶片/固持器相同的方向运动。个别磁体最终与圆盘中的个别磁体进一步远离，因此其经最强耦合，但圆盘与晶片固持器中的另一对磁体彼此接近，因为其与晶片固持器/圆盘旋转一起旋转。此外，旋转圆盘的运动可通过将其运动与进入单元内的流体流耦合来实现，从而消除对于腐蚀性电解液中的独立发动机或电组件或额外运动零件的需求。图11B是组合件1100的横截面。

已预期产生中心剪切的其它类似设备和驱动机构并且视为在本发明的范围内，因为其容易采用对本文所呈现原理的微小修改。作为另一个实例，不采用旋转圆盘，而是可采用仍由运动晶片的诱导流、穿过流板孔的流体流或其它耦合外部构件驱动并且经布置以在晶片和单元的旋转轴的往复偏心中旋转的旋转叶轮或运动螺旋桨。

E.处理镀敷非均匀性的镀敷方法

图12描述根据本文所述的电镀方法的工艺流程1200。晶片定位于晶片固持器中，参看1205。晶片和固持器任选地倾斜以成角度地浸在镀敷单元电解液中，参看1210。接着使晶片浸在电解液中，参看1215。接着在剪切流体动力学条件下并且在电解液微射流撞击在晶片镀敷表面上的情况下开始电镀，参看1220。接着方法完成。

如上所述，在一个实施例中，使用本文中已描述的流转向器并且晶片和固持器倾斜以使得晶片和固持器的导向边缘(倾斜组合件的下侧)与流转向器中的间隙(例如具有带槽环形结构，所述槽构成通风孔或间隙的一部分)对准。以这种方式，在本文所述的所需间隙距离下，晶片固持器、晶片在浸渍期间可尽可能接近最终所需间隙距离并且因此无需以距流转向器较大的距离浸渍并且随后更紧密定位。

图13展示使用本文所述的方法和设备镀敷的结果，其中在镀敷期间使用横向剪切流来进行有效质量传递。两条曲线展示在存在和不存在如本文所述的剪切流的情况下的结果。在晶片中心处不存在剪切流的情况下，异常或失常以及缺乏足够剪切流产生如关于图1所述的概况。但在存在如本文所述的剪切流的情况下，在使用如例如关于图2A中所述的带槽间隔型流转向器的这个实例中，镀敷沉积速率在晶片的镀敷表面上大体上均匀。

一个实施例是一种在包括具有至少约2微米的宽度和/或深度的特征的衬底上电镀的方法，所述方法包含：(a)将所述衬底提供到镀敷腔室，所述镀敷腔室经配置以容纳电解液和阳极，同时将金属电镀到所述衬底上，其中所述镀敷腔室包含：(i)衬底固持器，其固持所述衬底以使得在电镀期间所述衬底的镀敷面与所述阳极分离，以及(ii)流成形元件，其经成形且配置以在电镀期间定位于所述衬底与所述阳极之间，所述流成形元件具有在电镀期间大体上平行于所述衬底的所述镀敷面且与所述镀敷面分离约10毫米或更小的间隙的平坦表面，其中所述流成形元件具有多个孔；(b)在使所述衬底和/或流成形元件旋转的同时且在所述衬底镀敷面的方向上且在产生退出所述流成形元件的所述孔的至少约10cm/s的平均流速的条件下使电解液在电解单元中流动的同时，将金属电镀到所述衬底镀敷表面上。在一个实施例中，电解液以约3cm/s或更大的速率在衬底的中心点处流过衬底的镀敷面，且将剪切力施加于在所述衬底的所述镀敷面处流动的电解液。在一个实施例中，以至少约5微米/分的速率在特征中电镀金属。在一个实施例中，当镀敷到至少1微米的厚度时，电镀在衬底的镀敷表面上的金属的厚度具有约10％或更好的均匀性。在一个实施例中，施加剪切力包含在致使衬底镀敷面的旋转轴移动到相对于流成形元件的新位置的方向上移动流成形元件和/或衬底。在一个实施例中，施加剪切力包含使位于流成形元件与衬底的镀敷面之间的离轴剪切板旋转以产生越过衬底镀敷面的旋转轴的电解液流。在另一实施例中，施加剪切力包含致使电解液朝向围绕流成形元件的外围提供的环结构中的间隙横向流过衬底的面。在一个实施例中，衬底相对于流成形元件的旋转方向在镀敷期间交替。

在一个实施例中，流成形元件中的孔不在主体内形成连通通道，且其中大体上所有孔使得所述元件的面对所述衬底的所述表面的表面上的开口的主要尺寸或直径不大于约5毫米。在一个实施例中，所述流成形元件是具有约6,000到12,000个孔的圆盘。在一个实施例中，所述流成形元件具有不均匀密度的孔，其中较大密度的孔存在于所述流成形元件的面对所述衬底镀敷面的旋转轴的区中。

本文描述的方法可用于电镀镶嵌特征、TSV特征和晶片级封装(WLP)特征，例如再分配层、用于连接到外部线的凸块和凸块下金属化特征。下文包含涉及本文描述的实施例的WLP镀敷的进一步论述。

F.WLP镀敷

本文描述的实施例可用于WLP应用。在WLP体系中待沉积的材料量相对大的情况下，镀敷速度在WLP和TSV应用与镶嵌应用之间不同，且因此镀敷离子向镀敷表面的有效质量传递是重要的。再者，WLP特征的电化学沉积可涉及镀敷各种金属组合，例如如上所述的铅、锡、银、镍、金和铜的组合或合金。用于WLP应用的相关设备和方法在2010年12月1日申请的第61/418,781号美国临时申请案中描述，所述美国临时申请案以全文引用方式并入本文。

可在集成电路制造和封装工艺中在各个点处采用电化学沉积程序。在IC芯片级下，通过在通孔和沟槽内电沉积铜以形成多个互连金属化层来产生镶嵌特征。如所指示，为此目的的电沉积工艺广泛用于当前的集成制造工艺中。

在多个互连金属化层上，开始芯片的“封装”。可采用各种WLP方案和结构，且本文描述其中几种。在一些设计中，第一种是再分配层(也称为“RDL”)，其将上部层级触点从结合垫再分配到各种凸块下金属化或焊料凸块或球位置。在一些情况下，RDL线有助于使常规裸片触点匹配于标准封装的引脚阵列。此些阵列可与一个或一个以上界定的标准格式相关联。RDL也可用以平衡封装中的不同线上的信号递送时间，所述线可能具有不同的电阻/电容/电感(RCL)延迟。应注意，RDL可直接提供在镶嵌金属化层之上或提供在形成于顶部金属化层上的钝化层上。可采用本发明的各种实施例来电镀RDL特征。

在RDL上，封装可采用“凸块下金属化”(或UBM)结构或特征。UBM是形成用于焊料凸块的基底的金属层特征。UBM可包含以下一者或一者以上：粘合层、扩散势垒层和氧化势垒层。铝经常用作粘合层，因为其提供良好的玻璃-金属结合。在一些情况下，层间扩散势垒提供于RDL与UBM之间以阻挡例如铜扩散。举例来说，可根据本文揭示的原理来电镀的一种层间材料是镍。

凸块用于将外部线焊接或以其它方式附接到封装。凸块在倒装芯片设计中用以产生比线结合技术中采用的芯片组合件小的芯片组合件。凸块可能需要下伏的层间材料来防止例如来自凸块的锡扩散到达下伏垫中的铜。可根据本发明的原理来镀敷层间材料。

另外且最近，可根据本文的方法和设备来电镀铜柱以产生倒装芯片结构和/或形成另一芯片或装置的UBM和/或凸块之间的接触。在一些情况下，使用铜柱来减少焊料材料的量(例如减少芯片中的铅焊料总量)，且实现当使用焊料凸块时可实现的更严格的间距控制。

另外，在具有或不具有首先形成的铜柱的情况下，均可电镀凸块本身的各种金属。凸块可由高熔点铅锡组合物(包含较低熔点的铅锡共晶物)形成，和由例如锡银合金等不含铅的组合物形成。凸块下金属化的组件可包含金或镍金合金、镍和钯的膜。

因此，应明了，可使用本文描述的发明来镀敷的WLP特征或层在几何形状和材料方面都是异质群组。下文列出可根据本文描述的方法和设备来电镀以形成WLP特征的一些材料实例。

1.铜：如所阐释，可采用铜来形成柱，其可在焊料接合处下方使用。铜还用作RDL材料。

2.锡焊料材料：铅锡－当前此元素组合的各种组合物包含IC应用中约90％的焊料市场。共晶材料通常包含约60％原子铅和约40％原子锡。其相对容易镀敷，因为两个元素的沉积电位E₀s近似相等(相差约10mV)。锡银－通常此材料含有少于约3％原子银。挑战是一起镀敷锡和银且维持适当浓度。锡和银具有极为不同的E₀s(相差几乎1V)，其中银较贵重且先于锡而镀敷。因此，即使在具有极低银浓度的溶液中，银也会优先镀敷且可从溶液快速耗尽。此挑战表明镀敷100％锡将是合意的。然而，元素锡具有六边形密集晶格，这导致在不同结晶方向上形成具有不同CTE的晶粒。这可能在正常使用期间带来机械故障。锡还已知形成“锡须”，这是已知会在邻近特征之间产生短接的现象。

3.镍：如所提到，此元素在UBM应用中主要用作铜扩散势垒。

4.金

在一个实施例中，上文提到的电镀特征是晶片级封装特征。在一个实施例中，晶片级封装特征是再分配层、用于连接到外部线的凸块，或凸块下金属化特征。在一个实施例中，电镀金属是选自由以下各项组成的群组：铜、锡、锡铅组合物、锡银组合物、镍、锡铜组合物、锡银铜组合物、金，及其合金。

虽然已出于清楚理解的目的详细描述了上述发明，但将明了，在所附权利要求书的范围内可实践特定的改变和修改。因此，本发明实施例应视为说明性而不是限制性的，且本发明不限于本文给出的细节，而是可在权利要求书的范围和均等物内进行修改。