用于电镀装置的边缘流元件制造方法及图纸

本发明专利技术涉及用于电镀装置的边缘流元件，具体涉及用于将一种或多种材料电镀到衬底上的方法和装置。在许多情况下，材料是金属并且衬底是半导体晶片，但不限于此。通常情况下，本发明专利技术的实施方式利用定位在衬底附近的有沟道的板，产生在底部由有沟道的板限定、在顶部由衬底限定并在侧面由横流约束环限定的横流歧管。通常还提供配置为引导电解液到衬底和衬底夹持器之间形成的拐角中的边缘流元件。电镀期间，流体向上穿过有沟道的板中的通道并横向通过位于横流约束环的一侧上的横流侧入口，进入横流歧管。流动路径组合在横流歧管中并且出口在位于横流入口相对处的横流出口处。这些组合的流动路径和边缘流元件导致改善的电镀均匀性，尤其在衬底的外周。

Edge flow element for an electroplating device

The present invention relates to an edge flow element for an electroplating device, in particular to a method and apparatus for electroplating one or more materials onto a substrate. In many cases, the material is metal and the substrate is a semiconductor wafer, but not limited to this. Usually, the embodiment of the invention by located in the vicinity of the substrate with a channel plate produced at the bottom by a channel plate limit, at the top and side of the substrate by defining constraints defined by cross flow loop flow manifold. An edge flow element configured to guide the electrolyte to a corner formed between the substrate and the substrate holder is also provided. During plating, the fluid passes upward through a channel in the channel plate and passes laterally through the crossflow side entrance located on one side of the cross flow restraint ring into the cross flow manifold. The flow path is incorporated in the cross flow manifold and the outlet is at the cross flow exit at the opposite side of the cross flow inlet. These combinations of flow paths and edge flow components lead to improved plating uniformity, especially at the periphery of the substrate.

【技术实现步骤摘要】
用于电镀装置的边缘流元件
本专利技术的实施方式涉及用于在电镀期间控制电解液流体力学的方法和装置。更具体地，在本专利技术中描述的方法和装置对于在半导体晶片衬底上镀覆金属特别有用，例如，具有小于例如约50μm的宽度的小的微凸起特征(例如，铜、镍、锡和锡合金焊料)以及铜穿硅通孔(TSV)特征的贯穿抗蚀剂镀覆(throughresistplating)。
技术介绍
在现代集成电路制造中电化学沉积工艺是完善的。在二十一世纪早期从铝到铜金属线互连的转变驱动对于日益复杂的电镀工艺和电镀工具的需求。大多复杂工艺响应于在设备金属化层中更小的载流线的需要演变。这些铜线以通常称为“镶嵌”的处理的方法(预钝化金属化)通过电镀金属到非常窄的、高深宽比的沟槽和通孔中形成。电化学沉积现在正准备满足对复杂的封装和多芯片互连技术的商业需求，公知的复杂的封装和多芯片互连技术通常并通俗地称为晶片级封装(WLP)以及穿硅通孔(TSV)电气连接技术。部分由于通常较大的特征尺寸(相比于线前端(FEOL)互连)和高深宽比，这些技术提出对它们自身的非常显著的挑战。根据包装特征的类型和应用(例如，通过芯片连接TSV，互连再分配布线，或芯片到板或芯片焊接，例如倒装芯片柱)，在目前的技术中的镀敷特征通常大于约2μm，并且它们的主要尺寸典型地为约5-100μm(例如，铜柱可以是约50μm)。对于诸如电源总线之类的一些芯片上结构，待镀特征可以大于100μm。WLP特征的深宽比通常为约1：1(高度比宽度)或更低，但它们的范围可高达约2:1左右，而TSV结构可具有非常高的深宽比(例如，在约20：1附近)。随着WLP结构的尺寸从100-200μm缩小到小于50μm，产生独特的一组问题，这是由于在该数值范围上流体动力学和质量传输边界层是几乎相等的。对于具有较大特征的前几代，到特征中的流体和质量的运输是通过流场到特征中的基本穿透来运载的，但对于具有较小的特征的前几代，涡流以及停滞流的形成能抑制增长的特征内的质量运输的速率和均匀性两者。因此，需要在较小的“微凸起”和TSV特征内产生均匀的质量传输的新方法。此外，用于纯扩散工艺的时间常数(一维扩散平衡时间常数)利用特征深度L和扩散常数D标度为(秒)。采用金属离子的扩散系数的平均合理值(例如，5×10-6平方厘米/秒)，相对大的FEOL0.3μm深的镶嵌特征将有仅约0.1毫秒的时间常数，但WLP凸块的50μm深的TSV将具有若干秒的时间常数。不仅特征的大小，而且镀敷速度使WLP和TSV应用区别于镶嵌应用。对于许多WLP应用，根据被镀覆的金属(例如，铜、镍、金、银焊料等)的不同，在一方面在制造要求和成本要求之间存在平衡，并且在另一方面在技术要求和技术难度之间存在平衡(例如，具有晶片图案可变性的资本生产率的目标和对诸如裸芯片(die)内和特征内的晶片要求的目标)。对于铜，这种平衡通常以至少约2μm/分钟的速度，并且典型地以至少约3-4μm/分钟或更高来实现。对于锡电镀，可能需要大于约3μm/分钟的沉积速率，并且对于一些应用，可能需要至少约7μm/分钟的沉积速率。镍和击金(例如，低浓度金闪蒸膜层)，镀覆速率可介于约0.1至1μm/分钟之间。在这些金属的相对较高的电镀速率方案中，在电解液中金属离子到电镀表面的有效质量传输是重要的。在一些实施方式中，电镀必须以高度均匀的方式在晶片的整个面上执行以实现晶片内(WIW)，在特定裸芯片的所有特征内以及特定裸芯片的所有特征之间(WID)，以及个别特征本身内(WIF)的良好的镀覆均匀性。WLP和TSV应用的高电镀速率提出了关于电沉积层的均匀性的挑战。对于各种WLP应用，电镀必须显示出沿晶片表面的径向至多约5％的半范围变化(称为WIW非均匀性，在跨越晶片的直径的多个位置的裸芯片中的单一特征类型上测量的)。类似的同样具有挑战性的要求是具有不同大小(例如，特征的直径)或特征密度(例如，在芯片裸芯片的阵列的中间的分隔的或嵌入的特征)的各种特征的均匀沉积(厚度和形状)。这种性能规范通常被称为WID非均匀性。WID非均匀性测量为相对于在晶片上特定的裸芯片位置(例如，在半径中点、中心或边缘)的给定的晶片裸芯片内的平均特征高度或其它维度的如上所描述的各种特征类型的局部变化性(例如，<5％的半范围)。最后具有挑战性的要求是特征内形状的总体控制。如果没有适当的流和质量传输对流控制，在电镀之后，线或柱可以最终成为在两维或三维以凸的、平的或凹的方式(例如，鞍形或穹形)倾斜，通常优选具有平坦的轮廓，但并非总是如此。在面临这些挑战时，WLP应用必须与传统的、潜在更便宜的取放连续工艺路线操作竞争。更进一步，WLP应用的电化学沉积可涉及电镀各种非铜金属，诸如焊料，如铅、锡、锡-银，和其他凸起下(underbump)金属化材料，诸如镍、金、钯、和这些金属的各种合金，其中一些包括铜。锡-银近共晶合金的电镀是针对电镀为替代铅-锡共晶焊料的无铅焊料的合金的电镀技术的一个例子。具体而言，本专利技术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，其被配置成在将金属电镀到基本上平坦的衬底上时容纳电解液和阳极；(b)衬底夹持器，其配置成保持基本上平坦的衬底使得在电镀期间所述衬底的电镀表面与所述阳极分隔开，其中，当所述衬底被定位在所述衬底夹持器中时，在所述衬底和衬底夹持器之间的界面处形成拐角，所述拐角在顶部通过所述衬底的电镀表面限定并在侧面通过所述衬底夹持器限定；(c)离子阻性元件，其包括通过约10毫米或约10毫米以下的间隙与所述衬底的电镀表面分隔开的朝向衬底的表面，其中，在电镀期间所述离子阻性元件与所述衬底的电镀表面是至少共同延伸的，所述离子阻性元件适于在电镀期间提供通过所述元件的离子运输；(d)通向所述间隙的入口，其用于引入电解液至所述间隙；(e)通向所述间隙的出口，其用于接收在所述间隙中流动的电解液；以及(f)边缘流元件，其被配置为引导电解液到在所述衬底和所述衬底夹持器之间的界面处的所述拐角，所述边缘流元件是圆弧形或环形的并定位在所述衬底的外周的附近并且至少部分沿径向定位在所述衬底和所述衬底夹持器之间的界面处的拐角的内部，其中，在电镀期间所述入口和所述出口被定位在所述衬底的电镀表面上的方位角相对的外周位置附近，以及其中，所述入口和所述出口适于产生在所述间隙中的横流电解液以在电镀期间产生或维持在所述衬底的电镀表面上的剪切力。2.如条款1所述的装置，其中，所述边缘流元件被配置为连接到所述离子阻性元件和/或所述衬底夹持器。3.如条款1所述的装置，其中，所述边缘流元件与所述离子阻性元件集成，并且包括在所述离子阻性元件的外周附近的凸起部，所述凸起部相对于所述离子阻性元件的朝向衬底的表面的剩余部分的高度被抬升，所述朝向衬底的表面的剩余部分被沿径向定位在所述凸起部的内部。4.如条款2所述的装置，其中，所述离子阻性元件包括其中安装所述边缘流元件的槽。5.如条款4所述的装置，其还包括定位在所述离子阻性元件和所述边缘流元件之间的一个或多个垫片。6.如条款5所述的装置，其中，所述一个或多个垫片导致所述边缘流元件以方位角不对称的方式定位。7.如条款1-6中任一项所述的装置，其中，所述边缘流元件相对于流旁路通路的(a)位置(b)形状，和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电镀装置，其包括：(a)电镀室，其被配置成在将金属电镀到基本上平坦的衬底上时容纳电解液和阳极；(b)衬底夹持器，其配置成保持基本上平坦的衬底使得在电镀期间所述衬底的电镀表面与所述阳极分隔开，其中，当所述衬底被定位在所述衬底夹持器中时，在所述衬底和衬底夹持器之间的界面处形成拐角，所述拐角在顶部通过所述衬底的电镀表面限定并在侧面通过所述衬底夹持器限定；(c)离子阻性元件，其包括通过约10毫米或约10毫米以下的间隙与所述衬底的电镀表面分隔开的朝向衬底的表面，其中，在电镀期间所述离子阻性元件与所述衬底的电镀表面是至少共同延伸的，所述离子阻性元件适于在电镀期间提供通过所述元件的离子运输；(d)通向所述间隙的入口，其用于引入电解液至所述间隙；(e)通向所述间隙的出口，其用于接收在所述间隙中流动的电解液；以及(f)边缘流元件，其被配置为引导电解液到在所述衬底和所述衬底夹持器之间的界面处的所述拐角，所述边缘流元件是圆弧形或环形的并定位在所述衬底的外周的附近并且至少部分沿径向定位在所述衬底和所述衬底夹持器之间的界面处的拐角的内部，其中，在电镀期间所述入口和所述出口被定位在所述衬底的电镀表面上的方位角相对的外周位置附近，以及其中，所述入口和所述出口适于产生在所述间隙中的横流电解液以在电镀期间产生或维持在所述衬底的电镀表面上的剪切力。...

【技术特征摘要】
2015.08.28 US 62/211,633;2015.10.27 US 14/924,1241.一种电镀装置，其包括：(a)电镀室，其被配置成在将金属电镀到基本上平坦的衬底上时容纳电解液和阳极；(b)衬底夹持器，其配置成保持基本上平坦的衬底使得在电镀期间所述衬底的电镀表面与所述阳极分隔开，其中，当所述衬底被定位在所述衬底夹持器中时，在所述衬底和衬底夹持器之间的界面处形成拐角，所述拐角在顶部通过所述衬底的电镀表面限定并在侧面通过所述衬底夹持器限定；(c)离子阻性元件，其包括通过约10毫米或约10毫米以下的间隙与所述衬底的电镀表面分隔开的朝向衬底的表面，其中，在电镀期间所述离子阻性元件与所述衬底的电镀表面是至少共同延伸的，所述离子阻性元件适于在电镀期间提供通过所述元件的离子运输；(d)通向所述间隙的入口，其用于引入电解液至所述间隙；(e)通向所述间隙的出口，其用于接收在所述间隙中流动的电解液；以及(f)边缘流元件，其被配置为引导电解液到在所述衬底和所述衬底夹持器之间的界面处的所述拐角，所述边缘流元件是圆弧形或环形的并定位在所述衬底的外周的附近并且至少部分沿径向定位在所述衬底和所述衬底夹持器之间的界面处的拐角的内部，其中，在电镀期间所述入口和所述出口被定位在所述衬底的电镀表面上的方位角相对的外周位置附近，以及其中，所述入口和所述出口适于产生在所述间隙中的横流电解液以在电镀期间产生或维持在所述衬底的电镀表面上的剪切力。2.如权利要求1所述的装置，其中，所述边缘流元件被配置为连接到所述离子阻性元件和/或所述衬底夹持器。3.如权利要求1所述的装置，其中，所述边缘流元件与所述离子阻性元件集成，并且包括在所述离子阻性元件的外周附近的凸起部，所述凸起部相对于所述离子阻性元件的朝向衬底的表面的剩余部分的高度被抬升，所述朝向衬底的表面的剩余部分被沿径向定位在所述凸起部的内部。4.如权利要求2所述的装置，其中，所述离子阻性元件包括其中安装所述边缘流元件的槽。5.如权利要求4所述的装置，其还包括定位在所述离子阻性元件和所述边缘流元件之间的一个或多个垫片。6.如权利要求5所述的装置，其中，所述一个或多个垫片导致所述边...

【专利技术属性】
技术研发人员：加布里埃尔·海·格拉哈姆，布莱恩·L·巴卡柳，史蒂文·T·迈耶，罗伯特·拉什，詹姆斯·艾萨克·福特纳，蔡李鹏，
申请(专利权)人：朗姆研究公司，
类型：发明
国别省市：美国,US