用于半导体电镀装置的唇状密封件和触头元件的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于集成电路的镶嵌互连的形成，以及在集成电路制造过程中使用的电镀装置。
【背景技术】
[0002]电镀是集成电路(IC)制造时使用以沉积一或多个导电金属层的常见技术。在一些制造工艺中，它被用于在不同衬底特征之间沉积单层或多层铜互连。用于电镀的装置通常包括具有电解质池/浴的电镀槽和被设计来在电镀过程中保持半导体衬底的抓斗(clamshell)。
[0003]在电镀装置的操作过程中，半导体衬底被浸入电解质池中使得衬底的一个表面暴露于电解质。与该衬底表面一起建立的一或多个电触头被用于驱动电流通过电镀槽并将金属从电解质中可获得的金属离子沉积到该衬底表面上。通常，电触头元件被用于形成衬底和担当电源的汇流条(bus bar)之间的电连接。但是，在一些配置中，与电连接接触的衬底上的导电种子层越往衬底的边缘会变得越薄，使得更加难以与衬底建立优化的电连接。
[0004]电镀时出现的另一个问题是电镀液的潜在的腐蚀性。因此，在许多电镀装置中，出于防止电解质的泄漏以及防止其与电镀装置的除电镀槽的内部和指定用于电镀的衬底侧外的部件的接触的目的，唇状密封件被用在抓斗和衬底的交界处。
【发明内容】
[0005]本文公开了用在用于在电镀过程中啮合半导体衬底以及供应电流给半导体衬底的电镀抓斗中的唇状密封组件。在一些实施方式中，唇状密封组件可包括用于啮合半导体衬底和一或多个触头元件以在电镀过程中供应电流给半导体衬底的弹性体唇状密封件。在一些实施方式中，在啮合时，弹性体唇状密封件从半导体衬底的外围区域基本上排除了电镀液。
[0006]在一些实施方式中，一或多个触头元件在结构上与弹性体唇状密封件集成且包括第一暴露部分，第一暴露部分在唇状密封件与衬底啮合时接触衬底的外围区域。在一些实施方式中，一或多个触头元件可进一步包括第二暴露部分，第二暴露部分用于制造与电流源的电连接。在某些这样的实施方式中，电流源可以是电镀抓斗的汇流条。在一些实施方式中，一或多个触头元件可进一步包括连接第一和第二暴露部分的第三暴露部分。在某些这样的实施方式中，第三暴露部分可在结构上被集成在弹性体唇状密封件的表面上。
[0007]在一些实施方式中，一或多个触头元件可包括连接第一和第二暴露部分的不暴露部分，且该不暴露部分可在结构上被集成在弹性体唇状密封件的表面底下。在某些这样的实施方式中，弹性体唇状密封件被模制在该不暴露部分上。
[0008]在一些实施方式中，弹性体唇状密封件可包括第一内径，第一内径限定用于从外围区域排除电镀液的大体上圆形的周界，且一或多个触头元件的第一暴露部分可限定第二内径，第二内径大于第一内径。在某些这样的实施方式中，第一内径和第二内径之间的差的大小是约0.5mm或小于0.5mm。在某些这样的实施方式中，第一内径和第二内径之间的差的大小是约0.3mm或小于0.3mm。
[0009]在一些实施方式中，唇状密封组件可包括一或多个柔性触头元件，该柔性触头元件用于在电镀过程中供应电流给半导体衬底。在某些这样的实施方式中，一或多个柔性触头元件的至少一部分可被共形地设置在弹性体唇状密封件的上表面上，且在与半导体衬底啮合时，柔性触头元件可被配置为屈曲并形成与半导体衬底交界的共形接触表面。在某些这样的实施方式中，共形接触表面与半导体衬底的斜角边缘交界。
[0010]在一些实施方式中，一或多个柔性触头元件可具有在衬底被唇状密封组件啮合时不被配置为接触衬底的部分。在某些这样的实施方式中，不接触部分包括非共形材料。在一些实施方式中，共形接触表面与半导体衬底形成连续交界面，而在一些实施方式中，共形接触表面与半导体衬底形成具有间隙的不连续交界面。在某些这样的后者实施方式中，一或多个柔性触头元件可包括设置在弹性体唇状密封件的表面上的多线端头或线网。在一些实施方式中，共形地设置在弹性体唇状密封件的上表面上的一或多个柔性触头元件包括使用一或多种技术形成的导电沉积物，该一或多种技术选自化学气相沉积、物理气相沉积和电镀。在一些实施方式中，共形地设置在弹性体唇状密封件的上表面上的一或多个柔性触头元件可包括导电弹性体材料。
[0011]本文还公开了用在用于在电镀抓斗中支撑、对齐并密封半导体衬底的电镀抓斗中的弹性体唇状密封件。在一些实施方式中，唇状密封件包括柔性弹性体支撑边缘和位于柔性弹性体支撑边缘上方的柔性弹性体上部。在一些实施方式中，柔性弹性体支撑边缘具有被配置为支撑并密封半导体衬底的密封突出部。在某些这样的实施方式中，在密封衬底时，密封突出部限定用于排除电镀液的周界。在一些实施方式中，柔性弹性体上部包括被配置来受压的顶面以及相对于密封突出部位于外侧的内侧面。在某些这样的实施方式中，内侧面可被配置为在顶面受压时向内移动并对齐半导体衬底，并在一些实施方式中被配置为在顶面受压时向内移动约0.2mm或至少0.2mm。在一些实施方式中，当顶面不受压时，内侧面位置足够向外以允许半导体衬底下降穿过柔性弹性体上部并被置于密封突出部上却不接触该上部，但其中在将半导体衬底置于密封突出部上以及顶面受压时，内侧面接触并推在半导体衬底上，从而在电镀抓斗中对齐半导体衬底。
[0012]本文还公开了在具有弹性体唇状密封件的电镀抓斗中对齐并密封半导体衬底的方法。在一些实施方式中，所述方法包括打开抓斗、将衬底提供给抓斗、使衬底下降穿过唇状密封件的上部并到达唇状密封件的密封突出部上、使唇状密封件的上部的顶面受压以对齐衬底以及压在衬底上以形成密封突出部和衬底之间的密封。在一些实施方式中，使唇状密封件的上部的顶面受压导致唇状密封件的上部的内侧面推在衬底上，使其在抓斗中对齐。在一些实施方式中，使顶面受压以对齐衬底包括用抓斗的锥体的第一表面压在该顶面上，而压在衬底上以形成密封包括用抓斗的锥体的第二表面压在衬底上。
[0013]在一些实施方式中，使顶面受压以对齐衬底包括用抓斗的第一施压部件推在该顶面上，而压在衬底上以形成密封包括用抓斗的第二施压部件压在衬底上。在某些这样的实施方式中，第二施压部件相对于第一施压部件可独立地移动。在某些这样的实施方式中，使顶面受压包括基于半导体衬底的直径调整由第一施压部件施加的压力。
[0014]本文还公开了用于在电镀过程中保持、密封并提供电力给半导体衬底的杯状组件，其包括包含主体部分和力矩臂的杯底元件、设置在力矩臂上的弹性体密封元件以及设置在弹性体密封元件上的电触头元件。弹性体密封元件在被半导体衬底压靠时可抵靠衬底密封以便限定衬底的外围区域，电镀液在电镀过程中被从该外围区域大体上排除，且电触头元件可在密封元件抵靠衬底密封时在所述外围区域中接触衬底使得触头元件可在电镀过程中提供电力给衬底。在一些实施方式中，主体部分在半导体衬底对着力矩臂压靠时没有明显屈曲。
[0015]在一些实施方式中，主体部分被刚性地固定到杯件结构的另一特征，且主体部分的平均垂直厚度与力矩臂的平均垂直厚度之比大于约5使得主体部分在半导体衬底对着力矩臂压靠时没有明显屈曲。在一些实施方式中，电触头元件具有设置在弹性体密封元件的大体水平的部分上的大体平坦但柔性的接触部分。在一些实施方式中，弹性体密封元件在制造过程中与杯底元件集成。
【附图说明】
[0016]图1是用于电化学处理半导体晶片的晶片保持和定位装置的透视图。
[0017]图2是具有用多个柔性手指制成的接触环的抓斗组件的横截面示意图。
[0018]图3A是具有有集成触头元件的唇状密封组件的抓斗组件的横截面示意图。
[0019]图3B是具有有集成触头元件的不同的唇状密封组件的另一抓斗组件的横截面示意图。
[0020]图4A是具有柔性触头元件的唇状密封组件的横截面示意图。
[0021]图4B是图4A的唇状密封组件的横截面示意图，示出了形成与半导体衬底交界的共形接触表面。
[0022]图5A是被构造为在抓斗组件内对齐半导体衬底的唇状密封组件的横截面示意图。
[0023]图5B是图5A的唇状密封组件的横截面示意图，其中抓斗组件的锥体的表面压在唇状密封组件的上表面上。
[0024]图5C是图5A和图5B的唇状密封组件的横截面示意图，其中抓斗组件的锥体的表面推在唇状密封件的上表面上和半导体衬底上。
[0025]图6是示出电镀半导体衬底的方法的流程图。
[0026]图7A是具有杯底元件、弹性体环和接触环的杯状组件的横截面示意图。
[0027]图7B示出了图7A中所示的横截面示意图的放大视图。
[0028]图7C示出了图7A中所示的横截面的透视图。
[0029]图7D示出了图7A-7C中所示的杯状组件的大体上环形的部分的扩展透视图。
[0030]图7E示出了示出环形部分的横截面的图7D中所示的杯状组件的放大透视图。
[0031]图7F示出了图7D-7E中所示的杯状组件的进一步放大透视图。
[0032]图7G-7I示出了与图7D-7F中所示的透视图类似的分解图，但示出了与杯状组件的其余部分分开(竖直地)的接触环部件。
【具体实施方式】
[0033]在接下来的描述中，许多具体细节被阐述以提供对所呈现的构思的透彻理解。所呈现的构思可在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下被实施。另一方面，公知的工艺操作没有被详细描述以免不必要地模糊所描述的构思。虽然一些构思会结合特定实施方式进行描述，但应当理解，这些实施方式无意于限制。
[0034]—种示例电镀装置被呈现在图1中以便为本文所公开的各种唇状密封件和触头元件的实施方式提供一些背景。具体而言，图1示出了用于电化学处理半导体晶片的晶片保持和定位装置100的透视图。装置100包括晶片啮合部件，晶片啮合部件有时是指“抓斗部件”或“抓斗组件”或仅仅是“抓斗”。抓斗组件包括杯件101和锥体103。如后续附图所示，杯件101保持晶片，而锥体103将晶片牢牢地夹持在杯件中。也可使用与此处所具体描绘的杯件和锥体不同的其他杯件和锥体设计。共同特征在于，杯件具有内部区域，晶片存驻在该内部区域中，锥体对着杯件压住晶片以将它保持在适当的位置。
[0035]在所述实施方式中，抓斗组件(其包括杯件101和锥体103)由撑杆104支撑，撑杆104被连接到顶板105。该组件(101、103、104和105)经由连接到顶板105的主轴106由马达107驱动。马达107被附着到安装支架(未图示)。主轴106将扭矩(从马达107)传递到抓斗组件，导致在电镀过程中被保持在其中的晶片的旋转(该图中未示出)。主轴106内的气缸(未图示)还提供了用于啮合杯件101和锥体103的垂直力。当抓斗松开时(未图示)，具有末端执行器臂的机械手可将晶片插在杯件101和锥体103之间。在晶片被插入之后，锥体103与杯件101啮合，这使装置100内的晶片不能移动，将工作表面留在晶片的被暴露以与电解质溶液接触的一侧(而不是另一侧)上。
[0036]在某些实施方式中，抓斗组件包括喷涂裙部109，喷涂裙部109保护锥体103以免溅到电解质。在所述实施方式中，喷涂裙部109包括竖直环形套管和圆形盖部。间隔构件110维持喷涂裙部109和锥体103之间的分隔。
[0037]出于本讨论的目的，包括部件101-110的组件统称为“晶片保持器”(或“衬底保持器”)111。但是，要注意，“晶片保持器”/ “衬底保持器”的概念一般延伸到啮合晶片/衬底且允许其移动和定位的部件的各种组合和子组合。
[0038]倾斜组件(未图示)可被连接到晶片保持器以使晶片能成角度地浸入(与平面水平浸入相对而言)到电镀液中。驱动机构和板装置以及枢转接头被用在一些实施方式中以沿弧形路径(未图示)移动晶片保持器111，从而使晶片保持器111的近端(即，杯件和锥体组件)倾斜。
[0039]此外，整个晶片保持器111被垂直抬升或降低以通过致动器(未图示)将晶片保持器的近端浸入到电镀液中。因此，双部件定位机构提供沿与电解质表