电镀头单元、电镀设备及电镀方法与流程

本发明涉及硅片电镀领域，特别涉及电镀头单元、电镀设备及电镀方法。

背景技术：

1、晶圆是指硅半导体集成电路制作所用的硅晶片，由于其形状为圆形，故称为晶圆；在硅晶片上可加工制作成各种电路元件结构，而成为有特定电性功能的集成电路产品。晶圆电镀是晶圆加工过程中一个重要的工艺步骤。在晶圆电镀的工艺结果中，其中一个关键指标就是晶圆表面的均匀性，晶圆表面越均匀，晶圆电镀工艺越好。晶圆表面的均匀性受多种因素影响，其中之一的影响因素为tsv(硅通孔技术)深孔的填充技术，通过铜电镀的方式对晶圆上的盲孔进行填充，实现硅通孔的垂直电气互连，电镀填充工艺成本低且淀积速度快。电镀过程中，电镀液中的铜等物质会逐渐沉积在深孔内，电镀液自身的铜含量会减少，为了保证用于填充深孔的电镀液中的铜含量充足，需要不断更换深孔内的电镀液，即对电镀液进行搅拌，使电镀液之间相互交换，或更新晶圆表面接触的电镀液。

2、现有单片晶圆电镀技术的电镀过程中，镀头夹持晶圆旋转，带动药液旋转，但是晶圆圆心始终在晶圆的旋转中心位置，而这个位置恰恰又是电镀液流场的死区，影响电镀金属离子的扩散，使晶圆片内均匀性变差，增加电镀难度。另外，现有的电镀生产过程通常都是一个镀头一片晶圆的生产工艺，针对三代半导体的大功率例如sic器件，晶圆的最大尺寸为6吋，一个镀头一片晶圆的电镀生产，不仅生产效率低，晶圆片间的电镀均匀性也难保证。

3、因此，如何在一次按次序多种金属的电镀工艺里，提高晶圆片内、片间的电镀均匀性和增加每次电镀的晶圆片数，提高电镀设备的生产效率，解决晶圆圆心区域电镀不均匀或者难镀上等问题，成为电镀特别是三代半导体大功率器件工艺设备需解决的重要问题。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种电镀头单元，可解决晶圆圆心区域电镀不均匀或者难镀的问题，提高晶圆电镀的片内、片间均匀性，降低因电镀头圆心位置的电镀差导致电镀产品缺陷的概率。

2、本发明是通过下述技术方案实现：一种电镀头单元，所述电镀头单元包括母镀头、子镀头、旋转组件，所述子镀头位于旋转组件上随旋转组件旋转；子镀头的轴线与母镀头的轴线不重合，所述子镀头的数量为至少一个。

3、在本发明中，子镀头的轴线是指子镀头自转的旋转轴；母镀头的轴线是指子镀头公转的旋转轴，进一步的，在本发明中，子镀头的轴线与后文提及的动子组件的轴线重合，也与后文提及的夹持机构夹持晶圆的圆心重合；母镀头轴线与后文提及的第二转动件的轴线重合，也与后文提及的从动齿轮的轴线重合。进一步的，子镀头的轴线与后文提到的子镀头的动子组件的旋转轴重合；母镀头的轴线与后文提到的旋转组件中从动齿轮的旋转轴重合。

4、在本技术方案中，子镀头位于旋转组件上随旋转组件旋转，子镀头的轴线与母镀头的轴线不重合，电镀晶圆时，可有效避免子镀头上夹持晶圆圆心始终在母镀头的旋转中心位置，消除了流场死区，进而提高电镀金属离子的扩散，提高晶圆电镀的片内均匀性。

5、进一步的，所述子镀头的数量为至少两个，所述旋转组件根据子镀头数量调整相应适配结构，所述各个子镀头位于旋转组件上且互不干涉

6、在本技术方案中，设置至少两个子镀头，单次电镀可以完成至少两个晶圆的电镀，提高电镀工艺特别是三代半导体大功率器件电镀晶圆的生产率。

7、进一步的，当子镀头数量为至少两个时，所述子镀头均分位于旋转组件一定半径的圆周位置上。

8、在本技术方案中，至少两个子镀头均分位于旋转组件一定半径的圆周位置上，每片晶圆在电镀时的旋转路径相同，可提高单次晶圆电镀至少两片晶圆片间的均匀性；此外，通过子镀头绕旋转组件的旋转中心的法线旋转，使得子镀头夹持的晶圆电镀区域避开电镀槽体圆心的药液主进口，消除了流场死区的影响，提高了电镀的均匀性，特别是三代半导体大功率器件小尺寸晶圆的电镀，片内、片间均匀性。

9、进一步的，所述子镀头包括定子组件和动子组件，所述定子组件位于旋转组件上随旋转组件旋转。

10、在本技术方案中，子镀头分为定子组件和动子组件，定子组件随旋转组件旋转，不会干涉动子组件的其他运动方式，如后文提及的动子组件夹持晶圆自转，可实现电镀头的复合运动，即子镀头夹持晶圆在电镀槽内复合运动，电镀槽内电镀液流场受此影响，使得晶圆电镀工艺避开了了流场死区，增加了电镀液流场各个位置流速的均匀性，提高晶圆电镀的片内(每片晶圆内部)和片间(不同晶圆之间)均匀性，晶圆片间的电镀非均匀度可小于1％(每次电镀，子镀头上不同晶圆的电镀差异小于1％)。此外，电镀时，子镀头夹持晶圆在电镀槽内公转及自转，电镀槽最外面一环由于靠近电镀槽溢流边缘，可能导致晶圆电镀不均匀，但通过本技术方案，即使最外面一环也可以较好地调节电流密度和子镀头的自转转速的匹配以提高每片晶圆内部的均匀度。

11、进一步的，所述动子组件沿动子组件轴线自转。

12、在本技术方案中，子镀头的动子组件自身可做旋转运动形成自转，子镀头的定子组件位于旋转组件上随旋转组中心的法线旋转形成公转，这样造成了公转和自转叠加的复合子镀头运动，子镀头夹持晶圆在电镀槽内复合运动，电镀槽内电镀液流场受此影响，使得晶圆电镀工艺避开了了流场死区，增加了电镀液流场各个位置流速的均匀性，提高电镀的均匀性。

13、进一步的，所述每个动子组件的转速可以独立控制。

14、在本技术方案中，动子组件的转速可独立控制，可以根据需要设置转速，满足不同的工艺要求。

15、进一步的，所述旋转组件包括支撑件、第一转动件、第二转动件；所述第一转动件和第二转动件位于支撑件上；所述第一转动件带动第二转动件转动，所述第一转动件与驱动装置连接，所述子镀头位于所述第二转动件上。

16、在本技术方案中，通过驱动装置驱动第一转动件旋转，第一转动件带动第二转动件转动，子镀头位于第二转动件上，从而实现子镀头的公转，旋转组件结构简单，通过调整驱动装置的转速即可调节子镀头的公转速度。

17、进一步的，当子镀头数量为至少两个时，所述子镀头均分位于第二转动件一定半径的圆周位置上。

18、在本技术方案中，至少两个子镀头均分位于第二转动件一定半径的圆周位置上，每片晶圆在电镀时的旋转路径相同，可提高单次晶圆电镀至少两片晶圆片间的均匀性；此外，通过子镀头绕第二转动件的旋转中心的法线旋转，使得子镀头夹持的晶圆电镀区域避开电镀槽体圆心的药液主进口，消除了流场死区的影响，提高了电镀的均匀性，特别是三代半导体大功率器件小尺寸晶圆的电镀，片内、片间均匀性。

19、进一步的，电镀头单元还包括夹持机构，所述夹持机构位于子镀头上，所述夹持机构夹持晶圆。

20、在本技术方案中，电镀时，夹持机构夹持晶圆，晶圆中心与子镀头旋转中心重合，子镀头在电镀液中运动，带动晶圆在电镀槽中运动，晶圆可随旋转组件公转，进一步的，晶圆还可自转，晶圆的复合运动模式让晶圆充分与电镀槽内电镀液接触，提升电镀的均匀性。

21、进一步的，所述夹持机构夹持晶圆后，晶圆的圆心与所述母镀头轴线不重合，晶圆的圆心与子镀头的轴线重合。

22、在本技术方案中，夹持机构夹持晶圆定位后，让晶圆的圆心与母镀头轴线不重合，子镀头公转时，子镀头夹持的晶圆可围绕母镀头轴线公转，可以避免晶圆圆心部分始终位于母镀头的旋转中心位置，消除了流场死区，进而提高电镀金属离子的扩散，提高晶圆电镀的片内均匀性。在本技术方案中，母镀头轴线与第二转动件轴线重合，即子镀头公转时，子镀头夹持的晶圆可围绕第二转动件轴线公转，子镀头的轴线与母镀头不重合，即子镀头自旋转轴线与第二转动件轴线不重合，晶圆可实现自转加公转的复合运动。

23、本发明还公布了一种电镀设备，包括如前所述的电镀头单元。

24、进一步的，电镀设备还包括电镀槽，所述子镀头在电镀时放入电镀槽。

25、进一步，电镀设备还包括机械手，机械手用于移动电镀头单元。

26、机械手可移动电镀头单元到电镀工艺位置，在该位置，电镀头单元的中心对准电镀槽中心。

27、在本技术方案中，电镀时，子镀头可随旋转组件公转，进一步的，子镀头还可以自转，放入电镀槽后，子镀头的复合运动模式可以对电镀槽内的电镀液进行充分的扰动，消除了电镀液流场死区，增加了电镀液流场各个位置流速的均匀性，提升电镀的均匀性。

28、本发明还公布了一种电镀方法，所述电镀方法使用如前所述的电镀设备进行电镀。

29、进一步的，电镀设备包括电镀头单元、机械手和电镀槽，电镀头单元还包括夹持机构；

30、电镀方法包括如下步骤：

31、夹持机构分别夹持晶圆；

32、机械手移动电镀头单元至电镀工艺位置；

33、将子镀头放入电镀槽内；

34、旋转组件带动子镀头转动。

35、在本发明中，电镀工艺位置是指晶圆进行电镀时的位置，具体是指：电镀头单元中的子镀头上的夹持机构夹持晶圆，子镀头放入电镀槽后，晶圆浸没在电镀槽内的电镀液内，电镀头单元的中心对准电镀槽的中心。

36、并且，夹持机构夹持晶圆并将晶圆圆心定位于子镀头的轴线位置，即子镀头的自转中心。

37、在本技术方案中，子镀头位于旋转组件上可随旋转组件旋转，即子镀头的位置可相对电镀槽转动，且电镀头单元中的子镀头的轴线与母镀头的轴线不重合，可有效避免子镀头上夹持机构夹持的晶圆圆心始终在母镀头的旋转中心位置(即旋转组件的旋转中心位置)，消除了流场死区，进而提高电镀金属离子的扩散，提高晶圆电镀的片内均匀性；进一步的，当使用至少两个子镀头的电镀设备进行电镀时，单次电镀可以完成至少两个晶圆的电镀，提高电镀工艺特别是三代半导体大功率器件电镀晶圆的生产率，节省批量电镀的总时间。

38、进一步的，还包括步骤：子镀头的动子组件沿动子组件轴线自转。

39、在本技术方案中，子镀头的动子组件自身可做旋转运动形成自转，子镀头的定子组件位于旋转组件上随旋转组中心的法线旋转形成公转，旋转组件转动和子镀头自转形成子镀头公转自转叠加复合运动，即子镀头上的夹持机构夹持晶圆在电镀槽内复合运动，电镀槽内电镀液流场受此影响，使得晶圆电镀工艺避开了流场死区，增加了电镀液流场各个位置流速的均匀性，提高电镀的均匀性。

40、进一步的，还包括步骤：独立调整每个子镀头的动子组件的转速。

41、在本技术方案中，动子组件的转速可独立控制，配合母镀头上旋转组件的转速调整，可以根据需要分别设置子镀头公转转速和自转转速，满足不同的工艺要求。

42、进一步的，旋转组件包括支撑件、第一转动件、第二转动件；第一转动件与驱动装置连接；电镀方法还包括步骤：驱动装置驱动第一转动件旋转，第一转动件带动第二转动件转动，第二转动件带动子镀头转动。

43、在本技术方案中，通过驱动装置驱动第一转动件旋转，第一转动件带动第二转动件转动，从而实现子镀头的公转，结构简单，通过调整驱动装置的转速即可调节子镀头的公转速度。

44、当子镀头数量为至少两个时，子镀头均分位于第二转动件一定半径的圆周位置上，如此设置，每片晶圆在电镀时的旋转路径相同，可提高单次晶圆电镀至少两片晶圆片间的均匀性；此外，通过子镀头绕第二转动件的旋转中心的法线旋转，使得子镀头夹持的晶圆电镀区域避开电镀槽体圆心的药液主进口，消除了流场死区的影响，提高了电镀的均匀性，特别是三代半导体大功率器件小尺寸晶圆的电镀，片内、片间均匀性。

45、本发明的技术效果：

46、1、避免单片晶圆电镀时因晶圆自转圆心区域始终位于母镀头的旋转中心位置，或者说是旋转组件的旋转中心位置，从而导致晶圆圆心位置电镀难度高甚至无法电镀的问题，提高电镀液的交换，以及晶圆表面包括晶圆圆心区域表面的电镀液质量更新，有效提高晶圆片内电镀的均匀性；

47、2、子镀头通过动子组件的旋转实现晶圆的自转，子镀头通过旋转组件的旋转实现晶圆的公转，借助子镀头公转及自转实现晶圆的公转及自转的复合运动模式，增强电镀液彼此的交换，加快晶圆表面电镀液的更新，提高电镀的片内均匀性；

48、3、进一步的，当设置多个子镀头时，一次可对多片晶圆进行电镀，提高电镀效率，节省批量电镀的总时间，至少可以节省一倍以上的批量电镀总时间；

49、4、进一步的，当设置多个子镀头时，可根据工艺需求，调整子镀头动子组件转速，或者调整旋转组件转速，可满足不同的电镀工艺；

50、5、进一步的，当设置多个子镀头均分位于旋转组件一定半径的圆周位置上时，每片晶圆在电镀时的旋转路径相同，可提高单次晶圆电镀至少两片晶圆片间的均匀性；

51、6、当子镀头位于旋转组件一定半径的圆周位置上时，通过子镀头绕旋转组件的旋转中心的法线旋转，使得子镀头夹持的晶圆电镀区域避开电镀槽体圆心的药液主进口，消除了流场死区的影响，提高了电镀的均匀性，特别是三代半导体大功率器件小尺寸晶圆的电镀，片内、片间均匀性。

52、7、子镀头夹持晶圆在电镀槽内公转及自转，即使在电镀槽最外面一环的区域，也可以较好地调节电流密度和子镀头的自转转速的匹配，以提高每片晶圆内部的均匀度。