用于防止在高对流电镀槽中起泡的横流导管的制作方法

用于防止在高对流电镀槽中起泡的横流导管
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1.pct申请表作为本申请的一部分与本说明书同时提交。如在同时提交的pct申请表中所标识的本申请要求享有其权益或优先权的每个申请均通过引用全文并入本文且用于所有目的。


背景技术：

2.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处理和电镀工具的需求。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而演变。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。
3.电化学沉积现在用于复杂的封装和多芯片互连技术，所述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(相比于前端制程(feol)互连)和高深宽比，这些技术表现出它们自身的非常显著的挑战。
4.相比于镶嵌应用，这些技术涉及以显著更大的尺寸规模电镀。根据封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)，在目前的技术中的电镀特征通常大于约2微米，并且典型地为5
‑
300微米(例如，铜柱可以是约50微米)。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300微米。wlp特征的深宽比通常为约1：1(高度比宽度)或更低，而tsv结构可具有非常高的深宽比(例如，在约20：1附近)。


技术实现要素：

5.提供了在电镀期间控制电解液流体动力学的装置。一方面涉及一种电镀装置，其包含：电镀槽，其被配置成在将金属电镀至衬底上时容纳电解液与阳极，所述电镀槽具有流体容纳单元的室壁，所述流体容纳单元在电镀期间具有流体水平；衬底保持器，其被配置成保持所述衬底，使得所述衬底的电镀面在电镀期间与所述阳极分离；有通道的离子阻性板，其包含通过横流区域与所述衬底的所述电镀面分离的朝向衬底的表面；所述横流区域的横流入口，其用于接收在所述横流区域中流动的所述电解液；以及横流导管，其包含通道，所述通道用于使来自所述横流区域的所述电解液转向至通向所述电镀槽的所述流体容纳单元的出口，所述出口低于所述流体水平且所述横流区域介于所述横流入口与所述横流导管之间。
6.在多种实施方案中，所述横流区域至少部分地由下列项所限定：所述有通道的离子阻性板的上表面、当处于操作时所述衬底保持器中的所述衬底的下表面、以及插入件。
7.在多种实施方案中，所述横流导管被设置成接收流出所述横流区域的电解液并引导所述电解液向下流出而远离所述衬底的表面。
8.在多种实施方案中，所述装置还包含用于限制在所述横流导管中的所述电解液的
流动的流动限制器。在一些实施方案中，所述流动限制器是插入在所述有通道的离子阻性板下方的板。在一些实施方案中，所述流动限制器是马达驱动的可变孔口板，所述可变孔口板能够使所述横流导管的开口尺寸变化。在一些实施方案中，所述流动限制器是释压阀，所述释压阀根据所述电解液的压力而密封所述电解液流以响应衬底是否存在于所述电镀槽中。
9.在多种实施方案中，所述横流导管为能够附接至所述电镀槽的可附接的转向设备。
10.在多种实施方案中，所述装置还包含所述有通道的离子阻性板下方的膜框架，其中所述横流导管还包含所述膜框架中的第二通道，所述第二通道用于使来自所述横流区域的所述电解液流至通向所述电镀槽的所述流体容纳单元的出口。
11.在多种实施方案中，所述装置还包含堰壁。所述装置还可以包含与所述衬底保持器相邻的插入件，所述插入件包含所述堰壁，其用于在电镀期间容纳所述电解液至高于所述插入件的流体水平以确保在所述衬底进入时所述衬底的完全湿润。在某些实施方案中，所述堰壁包含设置于所述插入件上方的基底。
12.在一些实施方案中，所述堰壁并非所述有通道的离子阻性板的一部分。
13.在一些实施方案中，在操作期间，所述横流导管避免所述电解液流过堰壁上方。
14.在多种实施方案中，所述横流导管被设置于所述有通道的离子阻性板邻近所述横流区域出口的一部分上。
15.在多种实施方案中，其中所述装置还包含膜框架，所述横流导管被额外地设置于所述膜框架的一部分上。
16.在多种实施方案中，所述横流导管被额外地设置于所述室壁的一部分上。
17.在多种实施方案中，所述横流导管系设置于可拆卸的构件中。
18.在一些实施方案中，所述装置还可以包含具有可执行指令的控制器，所述可执行指令用于通过下列操作而将材料电镀至所述衬底上：通过横流使所述电解液流从所述衬底的一侧跨越所述衬底的表面而达所述衬底的相对侧；当所述电解液流至所述衬底的所述相对侧时，使所述电解液流转向至低于所述流体水平以收集在所述流体容纳单元中；以及利用所述马达驱动的可变孔口板使所述横流导管的开口放宽及缩小以响应所述电解液的流率。
19.另一方面可以涉及一种在衬底上的电镀方法，所述方法包含：将衬底接收在衬底保持器中，其中所述衬底保持器被配置成支撑所述衬底，使得所述衬底的电镀面在电镀期间与阳极分离；将所述衬底浸没在电解液中，其中横流区域被形成在所述衬底的所述电镀面与有通道的离子阻性板的上表面之间；使与所述衬底保持器中的所述衬底接触的所述电解液从所述有通道的离子阻性板下方流动、通过所述横流区域而跨越所述有通道的离子阻性板、进入所述横流区域中、以及离开横流导管；利用流动限制器调节所述横流导管的开口；以及在使所述电解液流动以及调节所述横流导管的所述开口时，将材料电镀至所述衬底的所述电镀面上。
20.在多种实施方案中，所述横流区域至少部分地由下列项限定：所述有通道的离子阻性板的上表面、当在操作时所述衬底保持器中的所述衬底的下表面、以及插入件。
21.在多种实施方案中，所述横流导管被设置用于接收流出所述横流区域的所述电解
液并引导所述电解液向下流出而远离所述衬底的表面。
22.在多种实施方案中，所述流动限制器限制在所述横流导管中的所述电解液的流动。在一些实施方案中，所述流动限制器为插在所述有通道的离子阻性板下方的板。在一些实施方案中，所述流动限制器为马达驱动的可变孔口板，所述可变孔口板能够改变所述横流导管的开口尺寸。在一些实施方案中，所述流动限制器为释压阀，所述释压阀根据所述电解液的压力而密封所述电解液流以响应衬底是否存在于所述电镀槽中。
23.在多种实施方案中，所述横流导管为能够附接至所述电镀槽的可附接的转向设备。
24.在多种实施方案中，所述方法还包含利用设置在所述有通道的离子阻性板下方的膜框架中的第二通道使来自所述横流区域的所述电解液流至通向所述电镀槽的所述流体容纳单元的出口。
25.在多种实施方案中，所述衬底在进入时被完全湿润。利用具有堰壁的电镀槽进行所述方法。所述电镀槽还可以包含与所述衬底保持器相邻的插入件，所述插入件包含所述堰壁，其被用于在电镀期间容纳所述电解液至高于所述插入件的流体水平以确保在所述衬底在进入时的完全湿润。在一些实施方案中，所述堰壁包含设置于所述插入件上方的基底。在一些实施方案中，所述堰壁并非所述有通道的离子阻性板的一部分。
26.在一些实施方案中，在操作期间，所述横流导管避免所述电解液流过堰壁上方。
27.在多种实施方案中，所述横流导管被设置在所述有通道的离子阻性板的邻近所述横流区域出口的一部分上。
28.在多种实施方案中，所述横流导管被额外地设置于所述室壁的一部分上。
29.在多种实施方案中，所述横流导管被设置在可拆卸的构件中。
30.这些和其它方面将在下面参照相关附图进一步描述。
附图说明
31.图1a描绘了包括锥体和杯体的衬底保持组件的一部分的横截面图。
32.图1b示出了可用于促进横跨衬底表面的横流的电镀装置实施方案以及当实施某些实施方案时可实现的流体动力学的俯视图。
33.图1c示出了电镀槽的横截面图，其中在出口处的液流越过堰的上方。
34.图1d显示了包含有通道的离子阻性板(cirp)堰的横流出口的横截面特写图，其中流体在cirp堰的上部上方流动。
35.图1e显示了具有堰壁的cirp。
36.图2根据本文所公开的某些实施方案示出了电镀装置典型地存在于阴极室中的各部分的分解图。
37.图3根据本文所公开的某些实施方案显示了横流侧入口和周围的硬件的特写图。
38.图4根据本文所公开的某些实施方案描绘了电镀装置的各个部分的横截面图。
39.图5显示了分成6个单独的部分的横流喷射歧管和喷头。
40.图6显示了特别聚焦于横流的入口侧上的cirp和相关的硬件的俯视图。
41.图7示出了cirp和相关的硬件的简化俯视图，其显示了横流区域的进口侧和出口侧。
42.图8a
‑
8b根据某些实施方案示出了横流入口区域的示例性设计。
43.图9根据所公开的各种实施方案显示了横流出口、cirp、膜框架、横流导管、以及周围硬件的特写图。
44.图10根据所公开的某些实施方案显示了一实施方案的分解图，该实施方案具有四个经修改的组件：镀敷槽、膜框架、cirp、以及用于使用横流导管的前侧插入件。
45.图11a根据所公开的某些实施方案显示了具有固定流动限制器板的横流导管的横截面特写图。
46.图11b显示了可与所公开的某些实施方案一起使用的流动限制器板的各种设计。
47.图12根据所公开的某些实施方案显示了具有马达驱动的可变孔口流动限制器板的横流导管的横截面特写图。
48.图13根据所公开的某些实施方案显示了具有释压阀流动限制器的横流导管的横截面特写图。
49.图14显示了在工具中使用使流体流向下转向的可附接的转向设备而不使用内置的横流导管的替代性实施方案的图解。
具体实施方式
50.所公开的实施方案涉及用于在电镀期间控制电解液流体动力学的方法和装置。更具体地，在本文中描述的方法和装置对于在半导体晶片衬底上镀敷金属特别有用，例如，对于贯穿抗蚀剂镀敷(例如，铜、镍、锡和锡合金焊料)以及铜穿硅通孔(tsv)特征特别有用。
51.在本申请中，术语“半导体晶片”、“晶片”、“衬底”、“晶片衬底”和“部分制造的集成电路”可互换使用。本领域的普通技术人员应理解，术语“部分制造的集成电路”可以指的是在其上的集成电路制造的许多阶段中的任何阶段过程中的硅晶片。下面的详细描述假设所公开的实施方案是在晶片上实现的。通常情况下，半导体晶片的直径为200mm、300mm或450mm。然而，所公开的实施方案并不受此限制。工件可以具有各种形状、尺寸和材料。除了半导体晶片以外，可利用所公开的实施方案的优点的其他工件包括各种物品，如印刷电路板和类似物。
52.在以下的描述中，阐述了许多具体细节，以便提供对所呈现的实施方案的透彻理解。所公开的实施方案可以在没有这些具体细节中的某些或所有的情况下实施。在其它情况下，公知的处理操作未被详细描述，以避免不必要地使本方明的实施方案不清楚。虽然本发明的实施方案将结合特定实施方案进行描述，但应理解它并不意在限制所公开的实施方案。
53.本文提供的方法和装置可以用于在各种衬底上的电镀，包括在wlp、tsv和镶嵌衬底上的电镀。可以对各种金属和金属合金进行电镀，包括但不限于对铜、锡、银、锡
‑
银合金、镍、金、铟和钴进行电镀。在典型的电镀处理中，含有暴露的导电籽晶层的晶片衬底被阴极偏置，并与含有正被镀敷的金属的离子的电镀液接触。离子在籽晶层的表面电化学还原以形成金属层。作为示例，将使用贯穿抗蚀剂电镀来说明本发明的所公开的各种实施方案，但是所公开的实施方案不受限于此。
54.所公开的实施方案涉及电镀装置及电镀方法。尤其是，所公开的实施方案涉及改善在将金属层电镀至半导体衬底上的期间的电解液流体动力学以及在电镀期间将电流和/
或电压施加至衬底的方式。
55.所公开的实施方案包括配置成在电镀期间控制电解液流体力学以便获得高度均匀的镀层的电镀装置以及包括在电镀期间控制电解液流体力学以便获得高度均匀的镀层的方法。在具体的实现方案中，所公开的实施方案采用产生剪切流(有时称为“横流”或具有平行于工件表面的速度的流)的方法和装置。
56.所公开的实施方案适合用于填充广泛类型的特征。在多种实施方案中，所公开的某些实施方案适合用于填充具有介于约2μm至约240μm、或约20μm至约240μm的深度的特征。特征可具有约10μm至约240μm、或约30μm至约200μm的宽度或直径。特征可具有介于约0.1:1至约4:1、或约1:1的深宽比。电镀室
57.一个实施方案是包括以下特征的电镀装置：(a)电镀室，其配置为在电镀金属到衬底上时容纳电解液和阳极，该衬底基本上是平坦的；(b)衬底保持器，其配置成保持该衬底以便使在电镀期间衬底的电镀面与阳极分隔开；(c)有通道的离子阻性板(cirp)，其包括基本上平行于衬底的电镀面并且在电镀期间与衬底的电镀面分隔开的面向衬底的表面，cirp包含多个非连通通道，其中非连通通道使得在电镀期间电解液能运输通过元件；(d)机构，其用于产生和/或施加剪切力(横流)至在该衬底的电镀面处的横流区域中流动的电解液；(e)限定在衬底的电镀面和有通道的离子阻性元件的面向衬底的表面之间的任选的横流区域，所述横流区域具有可在电镀过程中被动态控制的高度；以及(f)用于促进在衬底的外周附近、邻近衬底/衬底保持器界面的剪切流的可选机构。虽然晶片基本上是平坦的，但它典型地也具有一个或多个微型沟槽，并且其表面可以具有被掩蔽而不受电解液暴露影响的一个或多个部分。在多种实施方案中，该装置还包括在使电镀槽中的电解液沿衬底的电镀面的方向流动时用于旋转所述衬底和/或cirp的机构。在某些实施方案中，该装置可以包括密封件或流动环，该密封件或流动环被配置为防止电解液在位于横流区域的指定出口以外的其他位置离开横流区域，该指定出口定位成在方位角上与位于横流区域的入口相对。
58.在一些这样的实施方案中，当衬底保持器处于最低位置时，可以在衬底保持器的底表面和位于衬底保持器下方的元件的上表面之间设置密封件或流动环(例如，流限制元件或插入件、cirp等)。例如，密封件可以防止电解液从位于衬底保持器的底部和流限制元件的顶部之间的装置泄漏出来。在多个实施方案中，该装置可以在密封位置(当衬底保持器的位置处于其最低处，并且横流区域的高度处于最小值时)和未密封位置(当衬底保持器升高时，并且横流区域的高度相对较大时)之间循环。当该装置处于未密封位置时，可以旋转衬底。在这些或其他情况下，当衬底处于密封位置时，也可以旋转衬底。横流的周期性密封可以增大通过衬底表面的横向流动的电解液的体积和速度，从而提供改善的镀敷均匀性。
59.在某些实现方式中，用于施加横流的机构是具有在cirp的外周上或邻近cirp的外周处的例如适当的流引导和分配装置的入口。入口沿着cirp的朝向衬底的表面引导横流的阴极电解液。入口是方位角不对称的，部分沿着(following)cirp的外周，并且具有一个或多个间隙，且在电镀期间限定在cirp与基本上平坦的衬底之间的横流喷射歧管。可选地提供其他元件以用于与横流喷射歧管协调地工作。这些可以包括横流喷射流分配喷头和横流限制环或者前侧插入件，结合附图在下面对其进一步描述。横流限制环或前侧插入件可以是半圆形的(180
°
)，但在各种实施方案中可以是全圆形的(360
°
)。
60.本文的实施方案可以用多种衬底尺寸来实施。在一些情况下，衬底的直径为约200mm、约300mm、或约450mm。另外，本文的实施方案可以以各种各样的总体流率来实施。在某些实现方案中，电解液的总流率为介于约l
‑
60l/min之间、大于20l/min、大于25l/min、介于约6
‑
60l/min之间、介于约20
‑
55l/min之间、介于约5
‑
25l/min之间、或介于约15
‑
25l/min之间。电镀期间实现的流率可受到某些硬件约束(诸如使用的泵的尺寸和容量)的限制。本领域的技术人员应理解，当公开的技术用较大的泵来实施时，本发明引用的流率会是较高的。
61.在一些实施方案中，电镀装置包含分隔开的阳极和阴极室，其中在两个室中的每个室存在不同的电解液组合物、电解液循环、和/或流体力学。离子渗透膜可用于抑制在这些室之间的一种或多种组分的直接对流运输(通过流的质量运动)，并保持这些室之间的期望的分隔。膜可以阻挡大部分电解液流，并在允许离子(如阳离子)的运输时阻止某些物质(如有机添加剂)的运输。在一些实施方案中，膜包含杜邦公司的nafion
tm
或相关的离子选择性聚合物。在其他情况下，膜不包括离子交换材料，而是包括微多孔材料。通常，在阴极室中的电解液被称为“阴极电解液”，而在阳极室中的电解液被称为“阳极电解液”。通常，阳极电解液和阴极电解液具有不同的组合物，阳极电解液含有很少的电镀添加剂(例如，促进剂、抑制剂和/或均衡剂)或不含有电镀添加剂，阴极电解液含有显著浓度的这样的添加剂。在两个室之间金属离子和酸的浓度也经常不同。含有分隔的阳极室的电镀装置的例子在2000年11月3日提交的美国专利no.6527920；2002年8月27日提交的美国专利no.6821407，以及，2009年12月17日提交的美国专利no.8262871中被描述，其每一个全部内容通过引用并入本文。
62.在一些实施方案中，阳极膜不必包括离子交换材料。在一些实施方案中，所述膜由微孔材料制成，诸如通过马萨诸塞州威尔明顿的koch membrane制造的聚醚砜。这种膜类型最显著地适用于惰性阳极应用，诸如锡
‑
银电镀和金电镀，也可以因此被用于可溶性阳极应用，如镍电镀。
63.在以下的讨论中，当涉及所公开的实施方案的“顶部”和“底部”特征(或类似术语，如“上部”特征和“下部”特征等)或元件时，术语“顶部”和“底部”为方便起见被简单地使用，并且所述术语仅代表所公开的实施方案的参照或实现方案的单个框架。其它配置是可能的，如在其中顶部部件和底部部件相对于重力反转和/或顶部部件和底部部件成为左侧部件和右侧部件或右侧部件和左侧部件的那些配置。
64.尽管本发明描述的一些方面可以在各种类型的电镀装置中使用，但为简单和清楚起见，大多数的示例将涉及晶片面朝下，“喷泉式(fountain)”电镀装置。在这样的装置中，要电镀的工件(在本文所述的实施例中典型地为半导体晶片)通常具有大致水平的定向(可能在某些情况下，针对整个电镀过程的一部分或在整个电镀过程期间从真水平改变某些度数)并且可以被供电以在电镀期间旋转，从而产生通常垂直向上的电解液对流模式。从晶片的中心到边缘的冲击流质量的整合，以及旋转的晶片在它的边缘相对于它的中心的固有较高角速率，产生径向增大的剪切(晶片平行)流速率。喷泉式电镀类槽/装置的部件的一个实例是由加利福尼亚州圣何塞市的novellus system公司生产并可从该公司获得的电镀系统。另外，喷泉式电镀系统在例如，2001年8月10日提交的美国专利no.6800187和2008年11月7日提交的美国专利no.8308931中被描述，其全部内容通过引用并入本文。
65.待镀衬底通常是平坦或基本上平坦的。如本文所使用的，具有如沟槽、通孔、光致抗蚀剂图案等特征的衬底被认为是基本上平坦的。通常，这些特征是在微观尺度上，但是不一定总是如此。在许多实施方案中，衬底的表面的一个或多个部分可以被掩蔽而不暴露于电解液。
66.图1a的以下描述提供了总体上非限制性背景以有助于理解所描述的装置和方法。用于电化学处理半导体晶片的晶片保持和定位装置可以包括晶片啮合部件(在本文中有时称为“翻盖”部件)。实际的翻盖包括杯体102和锥体103(参见图1a)，使压强能施加到晶片和密封件之间，从而保证晶片在所述杯体中。
67.杯体102由支杆104支承，支杆104被连接到顶板105。该组件(102
‑
105)，统称为组件101，经由主轴106由马达(未图示)驱动。马达(未图示)连接到安装托架(未图示)。主轴106传递扭矩到晶片145，以允许其在电镀期间转动。主轴106内的气缸(未图示)还提供杯体102和锥体103之间的竖直力以产生杯体102内容纳的晶片145和密封部件(唇形密封件)143之间的密封。为了讨论的目的，包括部件102
‑
109的组件统称为晶片保持器。然而，注意“晶片保持器”的概念通常延伸到啮合晶片并允许其移动和定位的部件的各种组合和子组合。
68.倾斜组件包括第一板，第一板可滑动地连接到第二板(第一板与第二板都连接至驱动缸)，该倾斜组件被连接到安装托架。驱动缸提供用于使第一板(并且因此使晶片保持器)滑移越过第二板的力。晶片保持器的远端沿着限定两板之间的接触区域的弧形路径(未显示)移动，并且因此晶片保持器(如杯体与锥体组件)的近端朝虚拟枢轴倾斜。这使得晶片能成角度进入镀浴。
69.经由另一个致动器(未图示)将整个装置101竖直向上抬升或向下下降以将晶片保持器的近端浸入镀液。该致动器(和相关的升降运动)提供了一种可能的机构，以控制衬底和cirp之间的横流区域的高度。针对此目的，可以使用能将晶片保持器(或其支撑实际晶片的任何部分)朝向/远离cirp移动的任何类似的机构。该装置提供了一种双部件定位机构，该双部件定位机构使得晶片能沿垂直于电解液的轨迹竖直运动且能偏离水平方向(平行于电解液表面)倾斜运动(成角度的晶片浸没能力)。装置100的运动能力和相关联的硬件的更详细描述在2018年8月10日申请的美国专利申请序列no.16/101,291、2017年1月23日申请的美国专利申请公开no.2017/0342590、以及2001年5月31日提交的并且于2003年4月22日授权的美国专利6551487中被描述，其全部内容通过引用并入本文。
70.注意，装置典型地与具有容纳阳极(例如，铜阳极或非金属惰性阳极)和电解液的电镀室的特定电镀槽一起使用。电镀槽还可以包括用于使电解液循环通过电镀槽
‑
并抵靠被电镀的工件的管道或管道连接件。它还可以包括设计成在阳极隔室和阴极隔室中保持不同的电解液化学物质的膜或其他分隔器。在一种实施方案中，一个膜被用来定义阳极室，所述阳极室容纳基本上不含抑制剂、促进剂或其它有机电镀添加剂的电解液，或者在另一种实施方案中，其中阳极电解液和阴极电解液的无机电镀组合物是实质上不同的。也可以任选地提供通过物理手段(例如，直接泵送，其包括阀(values)，或溢出槽)将阳极电解液输送到阴极电解液或传输到主镀浴的装置。
71.以下描述提供翻盖的杯体和锥体组件的更多细节。图1a示出了横截面形式的组件100的部分101，其包括锥体103和杯体102。注意该图并不意味着是杯体和锥体组件的真实描绘，而是为了讨论的目的的程式化描绘。杯体102经由支柱104由顶板105支撑，支柱104经
由螺钉108连接。通常，杯体102提供上面搁置晶片145的支撑件。杯体102包括开口，来自电镀槽的电解液可以通过所述开口接触晶片。注意晶片145具有正面142，在所述正面142进行电镀。晶片145的外周搁置在杯体102上。锥体103向下压在晶片的背面以在电镀期间将晶片保持在适当位置。
72.为了装载晶片145到部分101，锥体103经由主轴106从其描绘的位置抬升直到锥体103接触顶板105为止。从这个位置，在杯体102和锥体103之间产生间隙，晶片145可插入所述间隙，从而装入杯体102中。然后如所描绘的，锥体103被降低以抵靠杯体102的外周啮合晶片145，并配合沿晶片的外周在径向方向上超出唇形密封件143的成组的电触点(在图1a中未示出)。
73.主轴106传输用于使锥体103啮合晶片145的竖直力和用于旋转组件101的转矩两者。这些被传输的力由图1a中的箭头所示。注意通常在晶片145旋转(如由图1a的顶部的虚线箭头表示)时进行晶片电镀。
74.杯体102具有可压缩唇形密封件143，从而当锥体103啮合晶片145时形成流体密封。来自锥体132和晶片145的竖直力压缩唇形密封件143，以形成流体密封。唇形密封件143防止电解液接触晶片145的背面(其中它可以直接引入诸如铜或锡离子之类的污染物质进入硅)并防止电解液接触装置101的灵敏元件。还可以存在位于杯体102和晶片145的界面之间的密封件，所述密封件形成流体密封的密封件，以进一步保护晶片145的背面。
75.锥体103还包括密封件149。如图所示，当锥体103的边缘和杯体102的上部区域啮合时，密封件149位于锥体103的边缘和杯体102的上部区域附近。这还保护晶片145的背面避免可能从杯体102上方进入翻盖的任何电解液。密封件149可被固定到锥体103或杯体102，并可以是单个密封件或多部件密封件。
76.当电镀开始时，锥体103被抬升到杯体102上方，并将晶片145引入到组件102。当晶片145最初被引入杯体102时
‑
通常通过机械臂
‑
晶片145的正面142轻轻靠在唇形密封件143上。为了有助于实现均匀的电镀，在电镀期间旋转组件101。在随后的附图中，组件101以较简单并与用于控制在电镀期间在晶片电镀面142上的电解液的流体力学的部件相关联的方式描绘。因而，随后是对在工件上质量传输和流体剪切力的概述。
77.图1b涉及可用于激励跨越待镀衬底的表面的横流的某些技术。相对于这些附图所描述的多种技术呈现激励横流的替代方案。因此，在本文附图中描述的某些元件是可选的，并且不是存在于所有实施方案中。
78.在一些实施方案中，电解液流端口被配置成单独地或与如本文描述的流成形板和分流器组合地促进横流。下面描述关于流成形板和分流器的组合的多种实施方案，但所公开的实施方案并不受限于此。注意，在某些实施方案中，认为跨越晶片表面的电解液流矢量的大小在排气孔或间隙的附近较大，并且跨越晶片表面逐渐变小，在伪室的离排气孔或间隙最远的内部最小。如图1b中所示，在某些情况中，在204所描绘的一示例中，使用适当配置的电解液流端口200，使得这些横流矢量150的大小跨越晶片表面更均匀。
79.图1c描绘了具有边缘流元件151安装于其中的电镀槽的横截面图。在此示例中，边缘流元件151定位于cirp 154的升高平台部的径向外部。边缘流元件151的形状使靠近入口的电解液以一定角度向上移动而到达横流区域152，并类似地使靠近出口的电解液以一定角度向下移动而离开横流区域152；然而，在图的右侧上的堰上方的液流可能会造成喷溅。
边缘流元件151的最上部可在cirp 154的升高平台部的平面上方延伸。在其他情况中，边缘流元件151的最上部可与cirp 154的升高部分齐平。在某些情况中，如本文中别处所述，可调整边缘流元件151的位置。边缘流元件151的形状与位置可促进在衬底与衬底保持器156之间所形成的角落附近的较高程度的横流。
80.图1d显示了移动向上超过cirp堰壁186的流体180的效应，其造成容纳槽流体容纳区域183的流体限制单元中夹带形成的空气与泡沫182。某些电镀设备在cirp 184与晶片185之间输送高横流，目标是将新鲜的电解液深入提供至晶片的特征中。当横流离开cirp 184与晶片185之间的区域时，例如如图1d中所示，其向上流动越过cirp 184上的cirp堰壁186，接着向下落入槽流体容纳区域183中，槽流体容纳区域183为用于在电镀溶液被汲取回较大电镀浴贮存器之前收集电镀溶液的区域。在低流率处，在cirp堰壁186上方落下的流体瀑布并非充分湍急的而足以产生泡沫。然而在高流率处，溶液不仅仅以较湍急的方式往下流，其更在cirp堰壁186上方向外喷射，冲击槽容纳外堰壁181。该相互作用夹带空气并产生泡沫。为了在不使用如文中所述的转向设备的情况下避免装置产生泡沫，根据硬件的配置，将电镀二重流体供给流率限制至介于20l/min至约55l/min之间。在某些情况中，硬件可将流率限制至约70
‑
90l/min。然而高于约20l/min至约55l/min会产生显著的泡沫，造成电镀硬件故障或错误。将流率限制至约20l/min至约55l/min能限制贯穿光致抗蚀剂的特征内的金属离子供应深度，由此减少电镀产量，同时还使晶片上的效能(如银含量及均匀度)退化。
81.图1e显示了具有cirp堰壁170的cirp 171的透视图，其使流体向上移动并越过cirp堰壁170，导致在流体容纳单元中形成泡沫，箭头172描绘了横流方向。电镀装置的部件
82.提供许多附图来进一步说明和解释本文所公开的实施方案。附图尤其包括与公开的电镀装置相关联的结构元件和流动路径的多个附图。这些元件被给定一定的名称/附图标记，它们在描述本文中的某些图中一致地使用。
83.下文的实施方案假设电镀装置大多包含分离的阳极室。图2显示了电镀装置的某些部件的分解图。所述的特征被容纳在阴极室中，阴极室包含使阳极室与阴极室分离的膜框架274与膜206。可使用任何可能数目的阳极与阳极室配置。图3与4为装置的横截面的示例，其显示了阴极电解液流进入装置中。在下文的实施方案中，阴极室中所包含的阴极电解液大部分位于cirp 206与晶片(未显示)之间的处理区域中、或位于用于将阴极电解液输送至歧管的通道258中。图3显示了根据本文所公开的实施方案的横流入口侧的横截面特写图。
84.下面描述的大部分重点在于控制通向流体容纳单元的出口处的阴极电解液。阴极电解液开始经由包含cirp 206中的开口的通道以及横流初始结构250的分散孔246而进入横流区域226。通过横流初始结构250到达横流区域226中的阴极电解液被基本上平行于工件的表面引导。
85.如上述讨论所指出的，为了使电场成形和控制电解液的流动特性，在电镀期间“有通道的离子阻性板”206(或“cirp”)被定位在工作电极(晶片或衬底)和对电极(阳极)之间。本文中的各附图显示了cirp 206相对于所公开的装置的其它结构特征的相对位置。这样的cirp 206的一个示例在2008年11月7日提交的美国专利no.8308931中被描述，其全部内容之前通过引用并入本文。其中所描述的cirp适合于改善晶片表面上的径向电镀均匀性，晶
片表面如那些含有相对低的导电率或那些含有非常薄的阻性籽晶层的晶片表面。另一示例描述于2017年1月23日所申请的美国专利公开申请no.2017/0342590中，将其所有内容通过引用包含于此。本文中所述的方面适合于通过使用边缘流元件控制晶片边缘附近的流体流而改善横流。有通道的元件的某些实施方案的其它方面描述如下。
[0086]“膜框架”274(在其他文件中有时被称为阳极膜框架)是在一些实施方案中采用的结构元件，以支撑将阴极室与阳极室分隔的膜202。它可具有有关本文所公开的某些实施方案的其他特征。具体地，参照附图的实施方案，它可以包括用于朝向横流区域226输送阴极电解液的流通道258。电镀槽也可含有槽堰壁282，槽堰壁282用于确定和调节阴极电解液的最上部的水平。本文的各个附图描绘了在与所公开的横流装置相关联的其他结构特征的背景下的膜框架274。
[0087]
膜框架274是用于保持膜202的刚性结构，膜202通常是负责将阳极室与阴极室分隔开的离子交换膜。如所解释的，阳极室可包含第一组合物的电解液，而阴极室含有第二组合物的电解液。膜框架274也可以包括多个流体控制杆270，流体控制杆270可以用于帮助控制输送到有cirp 206的流体。在某些实施方案中，控制杆270是任选的。膜框架274定义阴极室的最底部部分和阳极室的最上部部分。所描述的部件全部都位于阳极室和膜202上方的电化学电镀槽的工件侧。它们都可以被看作是阴极室的一部分。然而，应该理解的是，横流注入装置的某些实施方案不采用分隔开的阳极室，因此膜框架274不是必需的。
[0088]
通常位于工件和膜框架274之间的是cirp 206以及针对某些实施方案的横流环垫圈，或者针对替代性的实施方案的流动环(图4中所示)和横流限制环210，其每一者可被固定至cirp 206。更具体地，横流环垫圈可以直接定位在cirp 206顶上，晶片横流限制环210可以被定位在横流环垫圈上方，并固定到cirp 206的顶表面，从而有效地将垫圈夹在其间。本文的各附图显示相对于cirp 206布置的晶片横流限制环210。在一些实施方案中，晶片横流限制环210被称为单件前侧插入件组件，其包含前侧插入件、流动环(薄的聚合物件)、以及将流动环附接至前侧插入件的夹持环。
[0089]
如图2所示，本公开内容的最上部的相关结构特征是工件或晶片保持器。在一些实施方案中，如图2所示，工件保持器可以是杯体254，杯体254在锥体和杯体翻盖式设计中是通常使用的，例如在上面提到的novellus system以及lam research的电镀工具中包含的设计。例如，图2和8a
‑
8b示出了杯体254相对于装置的其它元件的相对方位。在本文的许多实施方案中，杯体254和cirp 206之间的距离可以在电镀过程中动态地控制，如下面进一步讨论的。
[0090]
在多种实施方案中，可以设置边缘流元件(图2未示出)。可以在基本上位于cirp 206的上方和/或内部并在杯体254下方的位置设置边缘流元件。在下面进一步描述边缘流元件。通过具有横流导管的装置的流动路径
[0091]
图4示出了根据本文的一些实施方案的显示入口侧和出口侧两者的电镀装置的横截面图。图4根据所公开的某些实施方案显示了电镀槽装置的横截面。电镀槽装置包含电镀槽200、膜框架274、前侧插入件210、流动环208(具有流动环堰208a)、cirp 206、作为出口的横流导管280、杯体或汇流杆250、以及晶片245。电镀槽200与电镀槽壁282之间的区域为用于收集在电镀期间溢流的阴极电解液的流体容纳单元。横流导管280包含形成在电镀槽200
中的通道、膜框架274、以及cirp 206，使得来自于cirp 206与晶片245之间的流体流在前侧插入件210下方流动(和上方流动以确保连续湿润)、向下流经横流导管280、然后如箭头所指示的经由出口流出而流至流体容纳单元中。横流导管280是以方位角方式定位且可位于(a)横流入口的相对侧、或(b)在cirp圆周被横流导管占据的角度范围的范围处(例如约10至180度)。横流导管280的宽度或径向上的开口尺寸可介于约0.1cm至约1cm之间。一般而言，横流导管280为“微笑”形。下面将参考图9
‑
13描述其它示例。
[0092]
流体容纳单元282中的黑色水平线代表在使用期间容器单元中的流体水平。箭头显示在电镀期间的流向，即，流体从向上流经横流入口开始、向上沿着大箭头所示的横流方向通过cirp 206与晶片245之间的cirp 206、接着向下流至插入件210下方、通过横流导管280、然后离开到达流体容纳单元282。
[0093]
在电镀处理期间，阴极电解液充满并占据膜框架274上的膜202的上部与横流区域226之间的区域，其中流体容器中的流体水平受槽堰壁282限制。该阴极电解液区域可被分拆为三个子区域：1)在cirp 206下方和(用于采用阳极室阳离子膜的设计)在分隔的阳极室阳离子膜202上方的cirp歧管区域208(该元件有时也被称为下歧管区域208)，2)横流区域226，其在晶片和cirp206的上表面之间，以及3)上部槽区域或“电解液容纳区域”，其在翻盖/杯体254的外部以及槽堰壁282内的流体容纳单元内，其中流体水平高于插入件。当晶片不被浸渍和翻盖/杯体254不处于向下位置时，第二区域和第三区域合并成一个区域。
[0094]
介于cirp 206上部与被安置至工件保持器254中的工件的底部之间的上述区域(2)包含阴极电解液且被称为“横流区域”226。从工件表面至cirp 206上表面测量的形成在该区域中的间隙可能非常小，例如介于约0.5mm至约15mm之间、或在一示例中为约2mm。横流区域226的直径大致上由晶片的直径所定义，但尺寸可从约150mm(针对较小直径的晶片)直至约500mm(针对较大直径的晶片)而变化。一般而言，横流区域226的形状是平坦的且是圆的。
[0095]
流经横流区域226的流体的流率可以根据不同配置而改变。针对300mm晶片及2mm高的横流区域226，单一槽的流率可至少约20l/min、或至少约25l/min、或介于约6l/min至约60l/min之间、或介于约20l/min至约50l/min之间。
[0096]
在一些实施方案中，阴极电解液通过单个进入端口进入阴极室。在其他实施方案中，阴极电解液通过位于电镀槽其他位置的一个或多个端口进入阴极室。在某些情况下，存在用于槽的浴的单个入口，其在阳极室的外周并从阳极室槽壁分割出来。该入口连接到在槽和阳极室的底部的中央阴极电解液入口歧管。在所公开的某些实施方案中，主阴极电解液歧管室供料到多个阴极电解液室入口孔(例如，12个阴极电解液室入口孔)。在各种情况下，这些阴极电解液室入口孔被分成两组：馈送阴极电解液至横流喷射歧管222的第一组，以及馈送阴极电解液至cirp歧管208的第二组。在多种实施方案中，阴极电解液仅通过横流流动而不经由膜或通过cirp歧管208垂直向上流动；然而，在某些实施方案中，cirp歧管208包含阴极电解液但电镀主要是通过横流区域226中的横流来执行。
[0097]
如所提到的，进入阴极室中的阴极电解液流入横流喷射歧管222，通过喷头242中的孔246，然后进入横流区域226。从横流喷射歧管区域222直接进入的流可以经由横流限制环进入端口(有时称为横流侧入口250)进入，平行于晶片并从槽的一侧释放出。
[0098]
在一些实施方案中，进入阴极室的流体被引导到围绕电镀槽室(通常是外周壁)的
阴极室部分的外周分布的多个通道。在一个具体的实施方案中，在阴极室的壁中包含12个这样的通道。
[0099]
在阴极室壁中的通道可连接到膜框架中的相应的“横流馈送通道”。馈送通道中的一些直接输送阴极电解液到cirp歧管208。在一些实施方案中，cirp206可包含用于使流体直接流至横流区域226的多个微通道。虽然未描述，但本文中的所有实施方案可以以下列方式实现：不仅仅包含横流电解液，还包含经由cirp中的通道以撞击于晶片表面上的向上流动的电解液。当使用微通道时，提供至该歧管的阴极电解液接着会通过cirp 206的竖直定向的小通道，然后作为阴极电解液的射流进入横流区域226。
[0100]
如所提到的，在附图中所描绘的实施方案中，阴极电解液通过12个阴极电解液馈送线/管中的6个供料到“cirp歧管室”208。这些供料到cirp歧管208的6个主要的管或线262位于横流限制环的出口腔234(其中流体流出晶片下方的横流区域226)下方，并与所有的横流区域部件(横流喷射歧管222、喷头242和限制环入口腔250)相对。
[0101]
如在多个附图中所描绘的，在膜框架中的一些横流馈送通道258直接通向横流喷射歧管222(例如，12个中的6个)。这些横流馈送通道258在槽的阳极室的底部开始，然后通过膜框架274的匹配通道，然后与在cirp 206的下部上的相应的横流馈送通道258连接。例如，参见图3。
[0102]
在一个特定的实施方案中，参见图3，存在用于直接输送阴极电解液到横流喷射歧管222然后到横流区域226的6个单独的馈送通道258。为了在横流区域226中产生横流，这些通道258以方位角非均匀的方式离开进入横流区域226。具体地，它们在横流区域226的特定侧或方位角区域进入横流区域226。在图3所示的特定实施方案中，用于直接输送阴极电解液至横流喷射歧管222的流体路径258在到达横流喷射歧管222之前穿过四个单独的元件：(1)在槽内的阳极室壁中的专用通道，(2)膜框架274中的专用通道，(3)cirp 206中的专用通道(即，不是用于将阴极电解液从cirp歧管208输送到横流区域226的1
‑
d通道)，以及最后，(4)在晶片横流限制环210中的流动路径。
[0103]
如所提到的，在膜框架中，流动路径的通过膜框架274并馈送横流喷射歧管222的部分被称为横流馈送通道258。在多种实施方案中，cirp中不存在微通道且不使用微通道将阴极电解液输送至横流区域226。然而，如果cirp中存在微通道，则“横流馈送通道”包含对横流注射歧管222馈送的阴极电解液馈送通道258以及对cirp歧管208馈送的阴极电解液馈送通道两者。在不使用微通道的情况中，横流馈送通道包含对横流注射歧管222馈送的阴极电解液馈送通道258。
[0104]
参考图3，当阴极电解液通过板206中的横流馈送通道258时阴极电解液的流动路径沿着向上的垂直方向移动，然后其进入形成在cirp 206的主体内的横流注射歧管222。横流喷射歧管222是方位角腔，其可以是能够从各个单独馈送通道258(例如，从单独的6个横流馈送通道中的每一个)分配流体至横流喷头板242的各种多个流分配孔246的在cirp 206内挖出的通道。这种横流喷射歧管222沿着cirp 206的外周或边缘区域的角部分定位。参见例如图3。在一些实施方案中，横流喷射歧管222形成在板的外周区域的约90
°
至180
°
的角度上的c形结构。在一些实施方案中，横流喷射歧管222的角度范围为约120
°
至约170
°
，并且在一个更具体的实施方案中为介于约140
°
和150
°
之间。在这些或其它实施方案中，横流喷射歧管222的角度范围为至少约90
°
。在许多实现方式中，喷头242与横流喷射歧管222跨越大
致相同的角度范围。此外，整体的入口结构250(在许多情况下其包括横流喷射歧管222、喷头242、喷头孔246和在横流限制环中的开口中的一者或多者)可跨越这些相同的角度范围。
[0105]
在一些实施方案中，喷射歧管222中的横流形成cirp 206内的连续流体耦合的腔。在这种情况下，供料给横流喷射歧管(例如，所有6个)的所有的横流馈送通道258进入一个连续的和连接的横流喷射歧管室。在其他实施方案中，横流喷射歧管222和/或横流喷头242被分成两个或更多个角度不同的和完全或部分分隔的部分，如图5(其显示6个分隔的部分)所示。在一些实施方案中，成角度分隔的部分的数量介于约1
‑
12之间，或介于约4
‑
6之间。在一个具体的实施方案中，这些角度不同的部分中的每个被流体连接到设置在cirp 206中的分隔的横流馈送通道258。因此，例如，在横流喷射歧管222内可以存在六个角度不同并分隔的子区域。在某些实施方案中，横流喷射歧管222的这些不同的子区域中的每个具有相同的体积和/或相同的角度范围。
[0106]
在许多情况下，阴极电解液流出横流喷射歧管222，并通过具有多个成角度的分隔开的阴极电解液排出端口(孔)246的横流喷头板242。参见例如图3和图6。横流导管的流动路径
[0107]
图6显示了描绘cirp 206内的嵌入式横流喷射歧管222，连同喷头242和139个出口孔246的横流区域226的俯视图。还显示了用于横流喷射歧管流的所有六个流体调节杆270。在该绘图中，没安装横流限制环210，但示出了密封在横流限制环210和cirp 206的上表面之间的横流限制环密封垫238的轮廓。在图6中显示的其它元件包括横流限制环紧固件218、膜框架274、以及在cirp 206的阳极侧上的螺孔278(例如，其可以用于阴极屏蔽插入件)。
[0108]
在一些实施方案中，横流限制环出口234的几何形状可以调节以进一步优化横流模式。例如，其中横流模式分叉到限制环210的边缘的情况可以通过减小横流限制环出口234的外部区域的开口面积进行修正。在某些实施方案中，出口歧管234可以包括分隔开的部分或端口，很像横流喷射歧管222。在一些实施方案中，出口部分的数量介于约1
‑
12之间，或介于约4
‑
6之间。端口沿方位角分隔开，沿着出口歧管234占据不同(通常相邻)的位置。在某些情况下，通过每个端口的相对流速可以单独受控制。该控制可以例如通过使用类似于相对于入口流描述的控制杆的控制杆270来实现。在另一种实施方案中，通过出口的不同部分的流可通过出口歧管的几何形状来控制。例如，在各侧边缘附近有较小开口面积以及在中心附近有较大开口面积的出口歧管将导致其中在所述出口的中央附近有较多的流流出而在出口的边缘附近有较少的流流出的溶液流模式。也可使用控制通过出口歧管234中的端口的相对流率的其他方法(例如，泵等)。
[0109]
如所提到的，进入阴极室的大多数电解液通过多个通道258和262，(例如，12个单独的通道)被单独引导到横流喷射歧管222和cirp歧管208。在一些实施方案中，通过这些单独的通道258和262的流通过适当的机构彼此独立地受控。在一些实施方案中，该机构涉及用于输送流体进入单独通道的单独泵。在其他实施方案中，单个泵被用于供给主阴极歧管，可调节的各种流限制元件可以设置在馈送流动路径的一个或多个通道中，设置所述流动路径以调节各通道258和262之间的和横向流喷射歧管222和cirp歧管208区域之间的和/或沿着槽的角度外围的相对流。在图中所描绘的各种实施方案中，在其中提供独立控制的通道中布置一个或多个流体调节杆270(有时也称为流控制元件)。在所描绘的实施方案中，流体调节杆270提供环形空间，其中阴极电解液在其朝向横流喷射歧管222或cirp歧管208流动
时是受约束的。在完全缩回状态下，流体调节杆270对流基本上不提供阻力。在完全啮合状态下，流体调节杆270对流提供最大阻力，并且在一些实现方式中，使通过通道的所有流停止。在中间状态或位置中，杆270使得在流体流过通道的内径与流体调节杆的外径之间的受约束的环形空间时对流进行中间水平的约束。
[0110]
在一些实施方案中，流体调节杆270的调节使得电镀槽的操作者或控制者能促进流到达横流喷射歧管222或到达cirp歧管208。在某些实施方案中，在直接输送电解液至横流喷射歧管222的通道258中流体调节杆270的独立调节使得操作者或控制者能控制流入横流区域226的流体流的方位角分量。
[0111]
例如，在某些实施方案中，横流喷头板242被集成到cirp 206，如图6所示。在一些实施方案中，喷头板242被粘合、通过螺栓连接，或以其它方式固定到cirp 206的横流喷射歧管222的顶部。在某些实施方案中，横流喷头242的顶部表面齐平或稍微高于cirp 206的平面或顶部表面。以这种方式，流动通过横流喷射歧管222的阴极电解液可最初垂直向上行进通过喷头孔246，然后在横流限制环210下方横向行进，并且进入横流区域226，使得阴极电解液以基本上平行于有通道的离子阻性板的顶面的方向进入横流区域226。在其他实施方案中，喷头242可被定向成使得流出喷头孔246的阴极电解液已经以平行于晶片的方向行进。
[0112]
在一个具体实施方案中，横流喷头242具有139个成角度的分隔的阴极电解液出口孔246。更通常地，也可以采用在横流区域226内合理地构建均匀横流的任何数量的孔。在一些实施方案中，在横流喷头242中存在介于约50至约300个之间的这样的阴极电解液出口孔246。在某些实施方案中，存在介于约100个与200个之间的这样的孔。在一些实施方案中，存在约120和160个之间的这样的孔。通常，各个端口或孔246的尺寸的直径的范围可以从约0.020”到0.10”，更具体地从约0.03”到0.06”。
[0113]
在一些实施方案中，这些孔246以角度均匀的方式(例如孔246之间的间隔由槽中心与两个相邻孔之间的固定角度来确定)沿着横流喷头242的整个角度范围布置。例如参见图3和7。在其他实施方案中，孔246以角度非均匀的方式沿着角度范围分布。然而，在其它实施方案中，角度非均匀的孔分布仍然是直线型(“x”方向)均匀分布的。换句话说，在后一种情况下，孔分布使得孔如果投射到垂直于横流的方向的轴(“x”方向)上是等距地间隔开的。每个孔246定位在离槽中心相同的径向距离处，并与相邻的孔在“x”方向上间隔开相同距离。具有这些角度不均匀的孔246的有效效应在于总体横流模式是较均匀的。
[0114]
在一些实施方案中，阴极电解液流出横流喷头242的方向进一步由晶片横流限制环210控制。在某些实施方案中，该环210在cirp 206的全周上延伸。在一些实施方案中，横流限制环或前侧插入件210的横截面具有l形，如图3和4所示。在一些实施方案中，晶片横流限制环210包含一系列流引导元件，如与横流喷头242的出口孔246流体连通的定向翅片266。更具体地，定向翅片266很大程度上限定在晶片横流限制环210的上表面下方并在相邻的定向翅片266之间的隔离的流体通道。在某些情况下，定向翅片266的目的是为了将从横流喷头孔246离开的流从另外的径向向内的方向重新导向和限制成“从左到右”的流轨迹(左是横流的入口侧250，右是出口侧234)。这有助于建立基本上直线型的横流模式。离开横流喷头242的孔246的阴极电解液由定向翅片266沿通过定向翅片266的方位产生的流的流线定向。在一些实施方案中，晶片横流限制环210的所有的定向翅片266是相互平行的。该平
行配置有助于建立在横流区域226内的均匀横流方向。在各种实施方案中，晶片横流限制环210的定向翅片226沿横流区域226的入口250和出口侧234两者布置。例如这在图7的俯视图中所示。
[0115]
如所指出的，在横流区域226中流动的阴极电解液通常从晶片横流限制环210的入口区域250流到环210的出口侧234，出口侧234使用下面将参考图9
‑
13更进一步说明的横流导管。一定量的阴极电解液也可能在衬底的整个周边周围泄漏。与在出口侧234离开横流区域的阴极电解液的量相比，这种泄漏可能是最小的。在一些实施方案中，在出口侧234，存在可以平行于入口侧的定向翅片266的以及可以与在入口侧的定向翅片266对齐的多个定向翅片266。横流穿过由在出口侧234的定向翅片266产生的通道，然后最终和直接流出横流区域226。然后流通常径向向外地进入阴极室的另一区域并且越过晶片保持器254和横流限制环210，然后通过横流导管280到达用于收集和再循环的由电镀槽堰壁282所限制的流体容纳单元。因此应当理解，附图(例如，图3和4)只显示进入和离开横流区域的阴极电解液的整个通路的局部路径。需要注意的是，在图3和4所示的实施方案中，例如，从横流区域226流出的流体当它在上述积聚区域中积聚时不穿过小孔或流回类似于在入口侧的馈送通道258的通道，而是以通常平行于晶片的方向向外流动。横流注射模块与流动路径入口
[0116]
图8a
‑
8b示出了横流喷射歧管222和相应的横流入口250相对于电镀杯体254的横截面图。横流入口250的位置至少部分地由横流限制环210的位置定义。具体地，入口250可以被认为是开始，在此处横流限制环210终止。注意，在初始设计的情况下，如图8a所示，限制环210终止点(和入口250开始点)在晶片的边缘下方，而在修改的设计中，如图8b所示，终止/开始点在电镀杯体下方并相比于初始设计离晶片边缘径向向外更远。另外，在早期设计的横流喷射歧管222具有在横流环腔中的台阶(其中通常向左箭头开始向上升起)，其潜在地在流体进入横流区域226的地点附近形成一些不需要的湍流。在某些情况下，边缘流元件(未图示)可以存在于衬底的外周和/或有通道的离子阻性板的外周的附近。在靠近入口250和/或靠近出口(在图8a和8b中未示出)可以存在边缘流元件。边缘流元件可被用来引导电解液到在衬底的电镀面和杯体254的边缘之间形成的拐角中，从而抵消(counteracting)否则在该区域中的相对较低的横流。横流导管部件
[0117]
如上面针对图4所述，本文中所提供的是能使电镀槽中的横流转向以在电镀期间减少泡沫产生并改善电解液流的装置和方法。本文中所公开的各种实施方案涉及流转向设备，其被称为横流导管(cfc)，能在横流离开晶片下方的区域时使横流转向以最少化喷溅、空气夹带以及后续的起泡。某些电镀化学品包含在高对流下容易产生泡沫的添加物。明显的泡沫生成可造成电镀槽以及电镀浴贮存器中的水平传感器的错误，且在泡沫成长并且迁移至电镀硬件的其他区域时可污染以及腐蚀部件。
[0118]
相对于通过使流体流过cirp堰的上部或任何其他堰(显示于图1c与1d中)的上方而离开具有通道的离子阻抗板(cirp)，使横流溶液转向进入包含cirp中的切口、膜框中的切口以及电镀槽中的切口的横流导管中，然后流出并进入外部槽流体容纳单元中，外部槽流体容纳单元收集溶液，然后将溶液排回到浴中。液流离开cfc并遇见电镀槽容器中所收集的溶液的点低于溶液水平。即，液流在液体表面下方流动而非落入贮存器中，更类似于退波
流(under
‑
tow)而非瀑布。
[0119]
在多种实施方案中，横流导管还可包含各种限流板以维持cirp上方的充分溶液水平，这对于晶片进入时的适当晶片湿润是必要的。限流板可以是固定的、具有可变的孔口设计、或通过释压阀调整。横流导管可建立于各种硬件组件(前侧插入件、cirp、膜框架、电镀槽)中、或可以是安装至且使用现有硬件的可附接件。下面参考图9
‑
14说明这些不同的实施方案。
[0120]
一实施方案涉及被称为横流导管(cfc)的流动转向设备，其能在横流离开晶片下方的区域时使横流转向以最少化喷溅、空气夹带以及后续的起泡。图9中提供了一示例。图9显示了根据所公开的某些实施方案的电镀槽装置的阴极电解液离开的部分的横截面的简化图。横截面包含具有槽堰壁982的电镀槽900，其中当流体在横流的离开侧上离开时，流体容纳单元940保留来自电镀槽900的流体。电镀槽900包含cirp 906以及膜框架974。cirp中(在最靠近横流离开的边缘处)被切割出通道。在膜框架974与电镀槽900中也被切割出相同的通道。这些通道共同产生横流导管980，其中前侧插入件910具有cfc的屋顶/天花板的功能，其使横流溶液转向至流体容器940的底部(溶液水平下方)而不与空气混合。由于与流体和空气的最少相互作用且由于流体离开横流时不再撞击于槽壁982上，故能避免产生泡沫。电镀槽900还包含流体容纳单元940的出口。cirp 906和插入件910被窄通道999所分隔开，使得插入件910被用于将杯体902保持在合适位置，以支撑晶片945。插入件910包含堰壁910w以包含超过插入件910的上部的流体的溢流区域，以确保晶片945上方的流体的连续流动。来自横流的流体流在晶片945下方流动、在杯体与cirp之间的窄间隙中于杯体902下方流动、通过插入件910与cirp906之间的窄通道999、向下经过横流导管980而到达流体容纳单元940，接着在流体容纳单元940处，流体重新循环并且被重新抽回电镀槽的另一侧上的入口。
[0121]
图10显示了电镀槽的不同部件的分解图，自左到右包含电镀槽1010、膜框架1012、cirp 1014、以及前侧插入件1016。cirp 1014、膜框架1012、以及电镀槽1010每一者在环形出口侧上包含开口1020，使得当这些开口对准时便形成横流导管，以允许流体流向下流经cirp开口、膜框架开口、以及电镀槽开口(每一者皆被称为横流导管的部件)而到达出口。槽的图例显示了开口的上部为横流导管入口1020a且开口的底部为横流导管出口1020b。横流导管1020还被显示于膜框架与cirp两者中。如上参考图9所述，前侧插入件1016的底部用作横流导管的“屋顶”。横流导管1020(也被称为电镀槽、膜框架、cirp的开口所形成且被插入件的底表面所限制的通道)为一通道，在该通道中横流从cirp上方被转向至流体水平以下进入容纳区域而不与空气湍流混合。横流导管可以跨越整个电镀槽装置的四个部件。
[0122]
无论任何化学品的固有的起泡倾向如何，所公开的某些实施方案适合于使用用于所有电镀化学品的超高横流。这将导致改进的电镀效能，包含：较高的ag掺入量％、改善的wif均匀度、边缘减少、针对包含具有不同关键尺寸的特征的管芯类型的较低的wid、以及其他效能。wif为特征内的非均匀度，为独立特征(凸块/柱)的上部轮廓形状的度量值。其是通过取每一特征的最大高度减去最小高度，再取所有特征的平均值来决定。一般而言，优选具有小wif的平均特征上部，而非具有较高wif的圆顶特征顶部。wid为管芯内的非均匀度，为管芯内的所有特征的高度变异的度量值。其是通常通过下列方式计算：取每一管芯内的凸块高度的半幅，即最大值减去最小值然后除以2((max
‑
min)/2)，取整个晶片上的平均值，然
后再除以平均凸块高度，最后换算为百分比。优选较低的wid值，因为其能确保在组装最后的封装件时所有凸块能有适当的焊料接触。改进的对流能造成特征底部的较好的离子传输，从而增加电镀率，因而造成整体较高的晶片产量。流动限制器
[0123]
本文中所述的某些实施方案还包含任选的流动限制器，流动限制器可为流动限制器板或阀件。流动限制器板可以与横流导管一起使用以调制流体的流动，通过确保在插入件上方维持充分的流体水平，使得流体能经由出口离开但仍在晶片上维持流体的连续流。一般而言，流动限制器可阻挡横流导管中的开口的约15％至约85％。在某些实施方案中，流动限制器板为其中切割出各种孔的“微笑”形的板，各种孔能改变横流导管的不同区域处的流动限制。例如，可以具有介于约25个孔至约75个孔、或一连续的孔、或多达500个小孔。每一孔可具有相同的尺寸或可具有不同的尺寸，具体取决于期望的流动。流动限制器板的厚度可介于约1mm至约75mm之间且可跨越多达100％的横流导管长度，横流导管长度从横流导管的一端径向延伸至另一端。在多种实施方案中，流动限制器板的位置介于膜框架与槽之间但也可以设置于横流导管的其他区域中。在各种实施方案中，流动限制器阀设置在横流导管中。
[0124]
图11a显示了介于膜框架1174与电镀槽1100之间的流动限制器板1170的一示例，电镀槽1100具有杯体1102、晶片1145、具有堰1110w的插入件1110、cirp 1106、膜框架1174、电镀槽堰壁1140、以及流体容纳单元1140。该示例涉及固定的板，该固定的板利用流动限制器板1170以固定孔口调制横流导管1180中的流动。应小心地减少对电镀溶液泵的不必要压力，同时通过下述方式确保晶片进入时受到适当的湿润：针对插入件1110的上部维持足够的限制以利用充分流体水平进行连续的湿润。在该实施方案中，如在插入件堰1110w处所显示的，堰已从cirp移动至流动插入件1110。流动箭头1199显示流动方向。流动限制器板1170被附接至电镀槽1100与膜框架1174之间的cfc 1180。可以选择适当的限制器以在cirp/插入件上方维持充分的流体水平(其为晶片进入时适当晶片湿润所必须)并且同时不过度限制离开(添加不必要的压力头至电镀溶液泵)。限制器板可被形成在各种出口开口区域中、具有各种几何特征、并由各种材料(例如不锈钢、钛、聚对苯二甲酸乙二酯(pet)、聚碳酸酯、聚四氟乙烯(ptfe))所制成。图11b中提供了各种几何特征的示例。11
‑
a、11
‑
b、以及11
‑
c显示流动限制器板中的单一连续孔的各种选择，每一孔为不同尺寸的开口，但最终皆跨越整个板。11
‑
d包含某些开口的三个分离空腔(虽然开口被显示为具有类似的尺寸，但应理解，可使用各种尺寸与形状的空腔)。此外，11
‑
e、11
‑
f、11
‑
g、及11
‑
h显示使用圆形孔的选项，其具有根据期望的流动可使用的不同类型的孔。每个限流器板为单一、固定尺寸的，且如果期望使用不同的限制器板，则必须手动置换。
[0125]
虽然图11a使用单一尺寸、固定的限制器板，但图12提供了使用马达驱动的可变孔口的限制器板1270的另一替代性实施方案。在该实施方案中，可通过外部控制的步进马达1270m或气动线自动调整限制器出口尺寸。出口尺寸的自动控制能实时调整流体容纳液体水平，适应在晶片/杯体进入或大流率变化期间的液体涌动。可变的孔口也能通过以下方式调整在电镀泵上所引发的背压：调整出口尺寸使得其充分小，以维持cirp上方的溶液但又不会过度限制。如同图11a，图12包含电镀槽1200的电镀槽堰壁1282、膜框架1274、cirp 1206、具有堰1210w的插入件1210、杯体1202、以及晶片1245。cfc 1280的开口受到可变孔口
流动限制器板1270的调节，以调节最终离开而到达流体容纳单元1240的液流。
[0126]
图13显示了涉及释压阀的另一实施方案。如同图11a与12，图13包含具有电镀槽堰壁1382的电镀槽1300、膜框架1374、cirp 1306、具有堰1310w的插入件1310、杯体1302、以及晶片1345。cfc 1380的开口受到释压阀1370的调节，以调节最终离开而到达流体容纳单元1340的液流，释压阀1370包含弹簧1370a与o型环1370b。应理解，虽然在图13中显示了弹簧实施方案，但可使用各种释压阀。在该实施方案中，并非限制cfc 1380以确保堰1310w维持满状态，而是在杯体1302未在适当位置时使用释压“阀”1370密封液流。实施方案包含杆、弹簧1370a、o型环1370b、以及膜框架1374中的一系列孔。当杯体1302未在适当位置时，在阀1370上并无动态压力且弹簧1370a克服静态压力，关闭阀1370。当杯体1302在适当位置时，流体的动态压力克服弹簧力而开启阀1370。该实施方案的优点在于当杯体1302在适当位置时为低限制，而当杯体1302未在适当位置时为高限制。在各种实施方案中可使用各种释压阀。例如，对于某些释压阀而言可使用隔膜取代弹簧。
[0127]
在一替代性的实施方案中，可使用可附接的转向设备作为用于调节具有cirp、插入件、以及槽结构(槽结构不具有用于形成横流导管的预先切割的通道)的改装套件。该设备可以由任何化学匹配的聚合物(聚碳酸酯、pet、pps、pe、pp、pvc、abs)所制成。开口尺寸约与上述的整合版本中所使用的相同且可如整合版本具有类似的限制器板。图14包含如14
‑
a与14
‑
b中所示的可附接的转向设备1400的示例，其可在横流流体离开的区域处(以可移除的方式)附接至电镀槽装置1430的尾端上。此设备为可附接的部件，其可安装至现行的电镀处理套件(为了执行而需要最小的硬件修改)。14
‑
b仅显示可附接的转向设备1400。如图14中所示，如14
‑
b中的箭头1410以及14
‑
d中的箭头1420所示，该设备使电镀流体向下转向，消除在堰的上部上喷溅并形成泡沫的风险。应用
[0128]
所公开的某些实施方案适合与各种应用一起使用。例如，某些实施方案可能适合在让特定电解液化学品流动时使用。在适合用于所公开的具有横流导管的实施方案的电解液化学品中可用的示例性表面活性剂包括：聚(乙二醇)、聚(丙二醇)、吡啶鎓、或聚乙烯亚胺。此外，横流导管装置尤其适合使具有特定金属络合剂或配体如银络合剂的溶液流动。乙二胺四乙酸(edta)为一种络合剂，但许多化学品的厂商针对包含银的化学浴使用专有的络合剂。所公开的实施方案还适合与晶粒细化剂(grain refiners)如糖精、双
‑3‑
磺丙基二硫化物或3
‑
巯基丙基磺酸盐一起使用。
[0129]
本文中所述的所公开的装置还适合用于用于在贯穿硅通孔特征中电镀、在许多wlp工艺中常用的贯穿抗蚀剂电镀应用如形成柱、重分布层、微柱、巨柱、通孔及镶嵌工艺(用于填充纳米等级的互联件与沟槽)中电镀的电镀装置。装置控制器
[0130]
在一些实施方案中，该装置包括用于完成工艺操作的硬件和具有根据所公开的实施方案来控制工艺操作的指令的系统控制器。系统控制器通常会包括被配置为执行指令的一个或多个存储器装置和一个或多个处理器，使得该装置将执行根据所公开的实施方案所述的方法。包含用于根据所公开的实施方案控制工艺操作的指令的机器可读介质可以耦合到系统控制器。具体而言，在一些实施方案中，控制器将指定停留时间、衬底保持器的竖直移动距离、衬底保持器的最大竖直加速和减速、衬底保持器的旋转速度、旋转步进角、衬底
保持器的最大加速和减速、施加至衬底的电流和/或电压(其可以以或可以不以本文中所述的方式调制或以其他方式控制)、用于移动衬底保持器的相对与绝对时序、改变施加至衬底的电流或电压、调节孔口可变化的流动限制器板和/或调节流率、以及它们的任何组合。在一些实施方案中，用户向控制器提供期望的停留时间和最大旋转加速度，并且控制器被编程为基于这些值和存储在存储器中的其它参数的值执行整个方法序列。在一些其他的实施方案中，用户可额外指定所施加的电流和/或所施加的电压的期望水平。在特定实施例中，其中当横流区域处于密封与未密封状态时，所施加的电流或所施加的电压分别在较高值与较低值之间调制，可将控制器编程以确保只有在横流区域处于密封状态时才将较高电流或较高电压施加至衬底。例如，在判断出衬底保持器已到达其较低位置因而密封衬底保持器之后，控制器可将所施加的电流或所施加的电压自较低值增加至较高值。类似地，在衬底保持器开始向上移动而解封横流区域之前，控制器可将所施加的电流或所施加的电压自较高值减少至较低值。这种谨慎的时序可确保，除非适当地密封横流区域，否则不会将较高电流或较高电压施加至衬底，由此确保当横流区域处于未密封的状态(当限制性电流相对较低)时不会超过限制性电流。
[0131]
在一些实现方案中，控制器是系统的一部分，该系统可以是上述实施例的一部分。这样的系统可以包括半导体处理设备，半导体处理设备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/或特定的处理部件(晶片基座、气体流系统等)。这些系统可与电子器件集成，以便在半导体晶片或衬底的处理之前、期间或之后控制这些系统的操作。电子器件可以被称为“控制器”，其可以控制一个或多个系统的各种组件或子部分。根据处理要求和/或系统的类型的不同，控制器可以被编程，以控制本文所公开的工艺中的任何一些，包括控制电镀流体的输送、功率设置、晶片旋转、位置和操作设置、晶片的进出工具和其他转移工具和/或连接到特定系统的或与特定系统接口的负载锁的传送。
[0132]
从广义上讲，控制器可以被定义为接收指令、发出指令、控制操作、使能清洁操作、使能终点测量等的具有各种集成电路、逻辑、存储器、和/或软件的电子器件。该集成电路可以包括固件形式的存储程序指令的芯片、数字信号处理器(dsp)、定义为专用集成电路(asic)的芯片和/或执行程序指令(例如，软件)的一个或多个微处理器、或微控制器。程序指令可以是以各种不同的设置(或程序文件)形式输送到控制器或系统的指令，不同的设置(或程序文件)定义用于在半导体晶片上或针对半导体晶片或向系统进行特定处理的操作参数。在一些实施方案中，所述操作参数可以是由工艺工程师定义的以完成晶片的一或多个(种)层、材料、金属、氧化物、硅、二氧化硅、表面、电路和/或裸芯片的制造过程中的一个或多个处理步骤的配方的一部分。
[0133]
在一些实施方案中，控制器可以是与系统集成、耦接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接。例如，控制器可以在“云端”或者是晶片厂(fab)主机系统的全部或一部分，它们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，以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。在一些示例中，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允许输入或编程参数和/或设置的用户界面，这些参数和/或设置然后从远程计算机传输到系统。在一些示例中，控制器接
收数据形式的指令，这些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，这些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)通信的在室内的一个或多个集成电路，它们结合以控制室内的工艺。
[0134]
在多种实施方案中，可利用系统控制软件来实现对相关处理变量/条件的控制。这样的软件可控制相关反应器操作中的一或多者。在一特定的示例中，软件控制程序操控衬底保持器的位置(例如由此控制横流区域是否受到密封)、施加至衬底的电流和/或电压(如文中所述，其可在较高值与较低值之间调制)、以及改变衬底保持器位置与施加至衬底的电流或电压的相对时序。在一些实施方案中，可通过使一个反应器操作取决于另一反应器操作而实现这些反应器操作中的一或多者。有时这被称为一个反应器操作或部件“从属于”另一反应器操作或部件。例如，可以该方式共同控制(a)控制衬底保持器位置的固件(有时被称为升降固件)与(b)控制电源的固件。在一示例中，控制衬底保持器位置的固件可取决于控制电源的固件，使得衬底保持器仅随着电源固件的指示而升高或下降。例如，在控制电源的固件指示电源已到达较低的施加电流或施加电压时，可升高衬底保持器以解封横流区域。在另一示例中，控制电源的固件可取决于控制衬底保持器位置的固件，使得电源随着衬底保持器移动而逐步加大/减少电流。例如，在控制衬底保持器位置的固件指示衬底保持器已到达其较低位置因而密封横流区域时，电源可开始增加施加至衬底的电流或电压。
[0135]
示例性的系统可以包括但不限于：等离子体蚀刻室或模块、沉积室或模块、旋转冲洗室或模块、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他的半导体处理系统。
[0136]
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他的工具电路或模块、其他工具组件、组合工具、其他工具界面、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。
[0137]
上述的装置/工艺可以结合光刻图案化工具或工艺使用，例如，用于制备或制造半导体器件、显示器、发光二极管、光伏板等。典型地，但不是必然地，此类工具/工艺将与普通的制造设施一起使用或执行。膜的光刻图案化通常包括以下步骤中的一些或全部，每个步骤可以使用许多可能的工具使来实施：(1)用旋涂或喷涂式工具施加光致抗蚀剂到工件上，即，衬底上；(2)使用热板或加热炉或uv固化工具固化光致抗蚀剂；(3)利用诸如晶片曝光机之类的工具将光致抗蚀剂暴露于可见光或紫外线或x射线光；(4)将抗蚀剂显影以便选择性地除去抗蚀剂，并使用诸如湿式工作台之类的工具使抗蚀剂图案化；(5)通过使用干式或等离子体辅助蚀刻工具转印抗蚀剂图案到下伏膜或工件中；以及(6)使用例如rf或微波等离子体抗蚀剂剥离器之类的工具除去抗蚀剂。
[0138]
在一些实施例中，该装置还包括流限制元件，该流限制元件沿外周定位在cirp和
衬底保持器之间的间隙中，并且沿着cirp的外周延伸。在这些实施方案中，流限制元件可以形成横流区域的壁。在一些实施方案中，流限制元件的面向衬底的表面是圆形的，并且该元件被称为流限制环。当使用流限制环时，密封构件被构造成密封衬底保持器和流限制环的面向衬底的表面之间的出口。优选地，密封构件密封环的外周的至少75％。在通过附图和通过实验数据所示的实施方案中，密封构件密封该环的外周的100％。注意，当使用流限制环时，用于电解液横流区域的入口和出口比靠近流限制环的面向衬底的表面更靠近离子阻性元件定位。在一些实施方案中，面向离子阻性元件的流限制环的表面成形为提供用于电解液的横流的出口(出口(e))。合适的流限制环在图7中示出。横流方向的示例在图1e中示出。
[0139]
在其他实施方案中，流限制元件具有仅部分地沿着离子阻性元件的周边延伸的面向衬底的表面。这种流限制元件可以具有部分地沿着离子阻性元件的周边延伸的壁和包括一个或多个间隙的排放区域，其中由排放区域对着的角度在约20度至120度之间。排放区域的间隙可以用作横流的出口(出口(e))。这种元件也称为分流器，并且在本文描述。在这些实施方案中，密封构件被定位成密封衬底保持器和流限制元件的面向衬底的表面之间的出口。调制所施加的电流或电压
[0140]
在电镀期间，以一定方式将电流和/或电压供给至电镀装置，使得材料沉积至作为阴极的衬底上。在利用经控制的电流控制电镀处理时，相关的电流被称为是所施加的电流。在利用经控制的电流控制电镀处理时，相关的电位被称为是所施加的电位或所施加的电压。在本文中的各种实施方案中，在电镀期间例如在密封与未密封状态之间调节横流区域时，可调制所施加的电流或所施加的电位。
[0141]
密封及不密封横流区域影响会对电镀处理造成影响的流体动力学条件。例如，当横流区域未密封时，一定量的电解液会经由衬底保持器与横流限制环之间的渗漏间隙而漏出。由于该渗漏，通过衬底的电镀面上方的电解液的线性速度相对较低。相比之下，当横流区域被密封时，没有任何的电解液(或在密封不完全的情况下，较少的电解液)经由渗漏间隙离开，因此通过衬底的电镀面上方的电解液的线性速度相对较高。于是，当横流区域未密封时衬底的电镀面的质量传输相对较低，当横流区域被密封时衬底的电镀面的质量传输相对较高。
[0142]
衬底的电镀面的质量传输程度对施加至衬底的电流或电压有强的影响。例如，通常期望在最高的可支持的电流或电压处电镀以快速沉积膜，由此最大化产量。最高的可支持的电流/电压分别被称为限制性电流或限制性电压。这些数值会受到许多因素的影响，这些因素包含例如电解液的组成及沉积装置中的流体动力学条件。当电镀发生在超过限制性电流或电压的施加电流或电压处时，在电解液中没有充分的金属支撑施加电流或电压。因此会发生不期望的副反应(如氢析出)且电镀结果不佳。例如，在超过限制性电流的电流下所形成的膜通常为多孔性的、包含树突状生长物、且具有不良的电特性(如低导电率)及机械特性(如剪切强度)。
[0143]
由于当横流区域为密封时的流体动力学条件不同于当横流区域为未密封时的流体动力学条件，因此这两种状态的限制性电流与限制性电压也不同。例如，当横流区域被密封且对衬底的电镀面存在着相对较大的质量传输时，限制性电流与限制性电压相对较高。这是因为下列原因所造成：相比于横流区域未密封且衬底的电镀面的质量传输相对较低
时，当横流区域被密封时在衬底的电镀面处有相对较多的金属离子。
[0144]
选择所施加的电流或电压，确保在电镀处理的任何部分期间不会超过限制性电流/限制性电压。例如，在横流区域是在密封与未密封状态之间调节，且在整个电镀期间仅施加单一电流的情况中，应选择所施加的电流，使得横流区域处于未密封状态时所施加的电流不会超过限制性电流。由于当横流区域处于密封状态时限制性电流较高，因此这也确保了所施加的电流永远不会或极少超过限制性电流。该方案(例如使用单一施加电流)的一缺点为，与当横流区域处于密封状态时可支持的电流相比，沉积发生于较低的施加电流下。
[0145]
为了克服该限制，由此最大化产量，可随着横流区域调制所施加的电流或电压。以此方式，电镀装置可在整个沉积处理期间在接近限制性电流或电压的条件下操作，由此最大化产量并且同时实现高质量的膜沉积。在各种示例中，在横流区域未被密封时对衬底施加相对较低的电流且在横流区域被密封时对衬底施加相对较高的电流。类似地，在某些示例中，在横流区域未被密封时对衬底施加相对较低的电压且在横流区域被密封时对衬底施加相对较高的电压。
[0146]
在某些实施方案中，在施加电流或施加电压的较高与较低两种水平下电镀材料。当未密封横流区域且将较低电流或电压施加至衬底时，在这些或其他情况中少量材料或在某些情况中不多于可忽略量的材料电镀至衬底上。在一些实施方案中，这意味着，在密封横流区域时，可将至少约70重量％(在某些情况中至少约99重量％)的电沉积材料沉积至衬底上。离子阻性元件的特征电气功能
[0147]
在一些实施方案中，cirp 206近似于在衬底(阴极)的附近的几乎恒定和均匀的电流源，并且，因此，在一些情况下，可以被称为高电阻虚拟阳极(hrva)。如上所述，当以板形式提供时，该元件还可被称为有通道的离子阻性板(cirp)。通常，cirp 206紧邻晶片放置。比较而言，同样紧邻衬底的阳极将显著不易于提供几乎恒定的电流到晶片，但将仅仅支持在阳极金属表面上的恒定电位面，从而允许在从阳极面到终点(例如，在晶片上的外周接触点)的净电阻较小之处电流是最大的。因此，尽管cirp 206已经被称为高电阻虚拟阳极(hrva)，但这并不意味着两者在电化学上是可以互换的。在最佳操作条件下，cirp 206将更紧密近似于虚拟均匀电流源并且或许可以更好地描述为虚拟均匀电流源，其中从整个cirp 206的上平面供应几乎恒定的电流。虽然cirp当然可看作为“虚拟电流源”，即它是电流从其发出的平面，并且由于它可以被认为是阳极电流从其发出的地方或源，因此它可以被认为是“虚拟阳极”，但cirp 206(相对于电解液)的相对高的离子阻性导致几乎均匀的电流跨越其整个面，并且相比于在相同的物理位置上具有金属阳极的情况导致进一步有利的总体优越的晶片均匀性。该板的对离子电流的流的电阻随着包含在板206的各通道内的电解液的比电阻(经常但不总是具有与阴极电解液的阻性相同或几乎相似的阻性)的增大、板厚度的增大、孔隙率的减小(用于电流通路的较少部分横截面积，例如，具有相同的直径的较少的孔，或具有较小直径的相同数量的的孔，等等)而增大。结构
[0148]
在许多但不是所有的实施方案中，cirp 206包含在空间上和离子性上彼此隔离并且不形成cirp的主体内的互连通道的微尺寸(通常小于0.04”)的通孔。这些通孔通常称作
非连通的通孔。它们典型地在一维方向上，通常但不必定，垂直于晶片的电镀面延伸(在一些实施方案中，非连通孔是相对于通常平行于cirp前表面的晶片成角度的)。通常，通孔是相互平行的。通常，这些孔被布置成正方形阵列。其他情况下布局是偏移螺旋图案。这些通孔不同于三维多孔网络，其中由于通孔调节离子电流的流和平行于其中的表面的流体流两者，并且使电流和流体的流两者的路径朝向晶片表面变直，因此通道在三维方向上延伸并形成互连孔结构。然而，在某些实施方案中，这样的具有互连网络孔的多孔板可以代替一维有通道的元件(cirp)使用。当从板的顶部表面到晶片的距离是小的(如，晶片半径的大小的约1/10的间隙，例如小于约5mm)时，电流的流和流体的流的发散都被局部限制、传递并与cirp通道对齐。
[0149]
一个示例性cirp 206是由离子阻性和电阻性的固体的非多孔电介质材料制成的盘。该材料在使用的电镀液中是化学性质稳定的。在某些情况下，cirp 206由陶瓷材料(例如，氧化铝、氧化锡、氧化钛、或金属氧化物混合物)或塑料材料(例如，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)，聚碳酸酯等)制成，具有介于约6000个至12000个之间的不相通的通孔。在许多实施方案中，盘206与晶片基本上共同延伸(例如，当使用300mm晶片时，cirp盘206的直径为约300mm)，并紧邻晶片放置，例如在晶片面朝下的电镀装置中的晶片正下方。优选地，晶片的电镀面距离最接近的cirp表面在约10mm内，更优选在约5mm内。为此，cirp 206的顶表面可以是平坦的或基本上平坦的。通常情况下，cirp 206的顶表面和底表面两者都是平坦的或基本平坦的。
[0150]
cirp 206的另一个特征是通孔的直径或主要尺寸以及它与cirp 206和衬底之间的距离的关系。在一些实施方案中，每个通孔的直径(或大多数的通孔的直径，或通孔的平均直径)不大于从经电镀的晶片表面到cirp 206的最近表面的距离。因此，在这些实施方案中，当cirp 206放置在离经电镀的晶片表面约5mm内时，通孔的直径或主要尺寸应该不超过约5mm。
[0151]
如上所述，板206的总离子阻性和流阻取决于板的厚度以及总体孔隙率(可用于流通过板的面积的比值)和孔的尺寸/直径两者。低孔隙率的板将具有更高的冲击流速和离子阻性。比较相同孔隙率的板，具有较小直径的1维孔(并因此有较大数量的一维孔)的板将有在晶片上的更微观均匀分布的电流，这是因为有更多单独的电流源，其更多表现为能在相同间隙分布的点源，并具有较高的总压降(高粘性流阻)。
[0152]
然而，如上所述，在某些情况下，离子阻性板206是多孔的。在板206中的孔可以不形成独立的一维通道，而是可以形成可以互连或可以不互连的通孔网格。应该理解的是，如本文中所用，术语有通道的离子阻性板和有通道的离子阻性元件(cirp)旨在包括本实施方案，除非另有说明。
[0153]
在一些实施方案中，cirp 206可以被修改以包括(或容纳)边缘流元件。边缘流元件可以是cirp 206的组成部分(例如，cirp和边缘流元件一起形成整体结构)，或者它可以是安装在cirp 206上或接近cirp 206的可更换的部件。边缘流元件促进更高程度的横流，并且因此促进衬底表面上、靠近衬底的边缘(例如，在衬底和衬底保持器之间的接口附近)的剪切力。在没有边缘流元件的情况下，例如由于衬底和衬底保持器的几何形状和电解液的流动方向，可以在衬底和衬底保持器的界面附近产生相对低的横流的区域。边缘流元件可起到增强在这个区域中的横流的作用，从而促进整个衬底上的更均匀的电镀结果。涉及
边缘流元件的进一步细节如下所述。晶片和cirp之间的距离
[0154]
在一些实施方案中，晶片保持器254和相关的定位机构保持旋转的晶片非常靠近cirp 206的平行上表面。在电镀时，衬底通常定位成使得它平行于或大致平行于离子阻性元件(例如，约10
°
的范围内)。虽然衬底可以在其上具有某些特征，但是在判定衬底和离子阻性板是否是基本上平行的时候仅考虑衬底的通常平坦的形状。
[0155]
在典型的情况下，分隔距离是约0.5
‑
15毫米，或约0.5
‑
10毫米，或约2
‑
8毫米。在一些情况下，分隔距离是约2mm或更小，例如约1mm或更小。晶片和cirp 206之间的间隔距离对应于横流区域的高度。如上所述，可以在电镀处理期间调节该距离/高度以促进在衬底表面上更高程度的质量传递。
[0156]
这种板到晶片的小的距离可以产生在晶片上的与图案的单个的孔的接近“成像”相关联的电镀图案，尤其是在晶片旋转中心的附近。在这种情况下，电镀环的图案(厚度或电镀纹理)可在晶片中心附近产生。为了避免这种现象，在一些实施方案中，cirp 206(特别是在晶片中心与晶片中心附近)中的单个的孔可以构造为具有特别小的尺寸，例如小于板到晶片间隙的约1/5。当与晶片旋转耦合时，小孔径允许向上流动作为来自板206的射流的冲击流体的流速的时间平均并减少或避免小范围的不均匀性(例如，量级为微米的那些)。尽管有上述的预防措施，并取决于所使用的镀浴的性质(例如，沉积的特定金属、电导率和使用的浴添加剂)，但在某些情况下，由于不同厚度(例如，在围绕晶片中心的“牛眼(bulls eye)”形状)的时间平均曝光和接近成像的图案以及对应于所使用的单个孔图案，沉积可能易于以微观不均匀的图案(例如，成形中心环)进行。如果有限孔图案产生不均匀的冲击流图案，可能发生这种情况并影响沉积。在这种情况下，已发现引入横向流跨越晶片中心，和/或修改正好在中心和/或靠近中心的孔的规则图案，这两者均在很大程度上消除否则在那里发现的微观不均匀性的迹象。cirp的孔隙率
[0157]
在多种实施方案中，cirp 206具有足够小的孔隙率和孔尺寸以在正常操作的体积流率下提供粘性流阻背压和高的垂直冲击流率。在一些情况下，cirp 206的约1
‑
25％是允许流体到达晶片表面的开口区。在特定的实施方案中，板206的约2
‑
5％是开口区域。在另一实施方案中，板206的约5
‑
25％、或约10
‑
25％、或约15
‑
25％、或约15
‑
20％是开口区域。在特定的实施例中，板206的开口区域为约3.2％，有效总开口截面积为约23cm2。
[0158]
一般来说，与没有发生这种密封的更常规的情况相比，cirp可以在横流区域间歇密封的情况下是更加多孔的。在常规情况下，cirp孔隙率有时限制在约5％或约5％以下。在本文中横流区域间歇(或连续地)密封的各种实施方案中，cirp孔隙率可以更大，例如最大孔隙率为约10％、或约15％、或约20％、或约25％。在一些这样的实施方案中，cirp可以具有约3％、或约5％、或约10％、或约15％的最小孔隙率。有通道的板的孔尺寸
[0159]
cirp 206的孔隙率可以以许多不同的方式实施。在多种实施方案中，它是用小直径的许多垂直孔来实现的。在某些情况下，板206不由单个“钻”的孔组成，而是由连续多孔材料的烧结板制成。该烧结板的实施例在美国专利no.6964792中描述，该专利其全部内容通过引用并入本发明。在一些实施方案中，钻的非连通孔具有约0.01至0.05英寸的直径。在
一些情况下，孔的直径为约0.02至0.03英寸。如上所述，在多种实施方案中，孔的直径是cirp 206与晶片之间的间隙距离的最多约0.2倍。孔的横截面通常但不必须是圆形的。另外，为了使结构简单，在板206中的所有孔可具有相同的直径。然而，也不必须是这种情况，并且由于特定需要可能要求整个板表面上孔的单独尺寸和局部密度两者可以变化。
[0160]
作为示例，由合适的陶瓷或塑料材料(通常为介电绝缘和机械坚固的材料)制成的固体板206具有设置在其中的大量的小孔，例如，至少约1000个或至少约3000个或至少约5000个或至少约6000个(直径为0.026英寸的9465个孔已经发现是有用的)。如所提到的，一些设计具有约9000个孔。板206的孔隙率有时小于约25％、或者小于约20％、或者小于约5％以便产生高冲击速度需要的总流率并不太大。使用较小的孔相比于较大的孔有助于产生大的跨越板的压降，从而有助于产生更均匀的通过板的向上的速度。
[0161]
一般地，在整个cirp 206的孔的分布具有均匀的密度和非随机性。然而，在一些情况下，孔的密度可不同，尤其是在径向方向上。在一个具体实施方案中，如下面更充分描述的，在该板的引导流朝向旋转衬底中心的区域存在较大的密度和/或孔的直径。此外，在一些实施方案中，在旋转晶片的中心或在旋转晶片的中心附近引导电解液的孔可相对于该晶片表面以非直角引导流。此外，在该区域中的孔图案可以具有不均匀的电镀“环”的随机或部分随机分布，以解决数量有限的孔和旋转晶片之间可能的相互作用。在一些实施方案中，在分流器或限制环210的开口部分邻近处的孔密度低于cirp 206的离所连接的分流器或限制环210的开口部分较远处的区域的孔密度。突起
[0162]
在某些实施方案中，可以修改cirp的顶面以增加最大沉积速率并且在晶片的表面上以及在单独的电镀特征内改善电镀均匀性。cirp顶面的修改可能采取突起集合的形式。
[0163]
突起被定义为被放置/附着在cirp的延伸到cirp平面和晶片之间的横流区域中的面向衬底侧上的结构。cirp平面(也称为离子阻性元件平面)被定义为cirp的顶表面，不包括任何突起。cirp平面处于突起连接到cirp的位置，也处于流体从cirp流入横流区域的位置。
[0164]
突起可以以各种方式定向，但是在许多实施方案中，突起是位于cirp中的孔的列之间的长而薄的肋的形式，并且定向成使得突起的长度(即，其主要/最长尺寸)垂直于通过横流区域的横流。在某些情况下，突起的宽度可以小于约1mm。在某些情况下，突起的长宽比为至少约3:1，或至少约4:1，或至少约5:1。
[0165]
在许多实现方案中，突起被定向成使得它们的长度垂直于或基本上垂直于跨过晶片表面的横流方向(本文中有时称为“z”方向)。在某些情况下，突起以不同的角度或成组的角度定向。
[0166]
可以使用各种各样的突起形状、尺寸和布局。在一些实施方案中，突起具有基本上垂直于cirp的表面的面，而在其他实施方案中，突起具有相对于cirp的面定位成有一定角度的面。在另外的实施方案中，突起可以被成形为使得它们不具有任何平坦面。一些实施方案可以采用各种突起形状和/或尺寸和/或取向。离子阻性元件的替代实施方案
[0167]
在各种实施方案中，离子阻性元件可具有与上述的特性不同的特性。例如，尽管前面的许多描述将cirp称为板，但也可以将离子阻性元件设置为膜、过滤器或其它多孔结构。
可用作离子阻性元件的多孔结构的实例包括但不限于离子电阻膜和过滤器、纳米多孔阳离子膜以及具有适当离子电阻率的其它多孔板和膜。广义地说，这样的离子阻性元件可以成形、定尺寸、定位，并且具有与上文向对于有通道的离子阻性板所述的特性相同或相似的特性。因此，本文相对于cirp提供的任何描述(例如，关于尺寸、孔隙率、离子电阻率、材料等)也可应用于代替cirp使用的不同离子阻性元件。
[0168]
这样的结构也可以具有与本文相对于cirp描述的那些特性不同的某些特性。例如，代替cirp使用的离子阻性膜可以比典型的cirp薄。在某些实施方案中，代替cirp使用的多孔结构可以设置在用于结构稳定的支架或其它结构上。在一些实施方案中，离子阻性元件可以具有彼此连通的通孔，而在其它情况下，通孔可以是非连通的。
[0169]
在横流区域限定在衬底和被支撑的膜或烧结元件结构(例如，被支撑的过滤介质、熔结的玻璃或多孔陶瓷元件)之间的情况下，每个孔的孔径可以小于约0.01英寸。对于这种类型的未钻孔的连续多孔材料，开口区域可以比通过在固体材料片中钻出单独的孔而制成的有通道的板的开口区域大(例如，大于约30％的开口区域，在一些实施方案中的最大开口区域为约50％或40％)。由非钻孔的连续多孔材料制成的离子阻性结构可以利用更小的孔径(例如，与钻孔的cirp相比)以赋予粘性流动阻力以避免使电解液短路通过膜/元件表面。在孔径、开口区域和净流阻之间存在平衡，以避免流动短路。较高孔隙率的材料/结构通常利用较小的孔和/或较大的元件厚度来实现这种平衡。
[0170]
这种类型的合适材料的一个示例是机械强力的过滤介质片材，其张紧跨越开放框架网络，并由开放框架网络支撑从下方支撑，具有小于约5μm的平均孔径，孔隙率约35％或35％以下且厚度为0.001英寸或0.001英寸以上。合适的片材膜的几个具体示例包括由koch membrane system公司(willington，ma)提供的selro纳米过滤mpf
‑
34膜、hkf
‑
328聚砜超滤膜和mfk
‑
6180.1μm孔径聚砜膜。也可以使用阳离子和阴离子膜(例如，nafion
tm
)，因为它们提供高流动阻力和跨过膜传导离子电的能力。在离子阻性元件是烧结(熔结)的多孔玻璃或陶瓷元件的情况下，元件的厚度以及平均和最大孔径确定了对通过离子阻性元件的流的阻力。通常，对通过离子阻性元件的流的阻力(无论是以膜、过滤器、烧结/熔结玻璃元件、多孔陶瓷元件、cirp等实现)应允许小于每英寸每平方厘米表面积的约100毫升/分钟(ml/min)的静态水压，更通常小于约20ml/min/cm2/in的水，例如小于约5ml/min/cm2/in的水。边缘流元件
[0171]
在许多实现方式中，电镀结果可以通过使用边缘流元件和/或流插入件来改善。一般来说，边缘流元件影响衬底的外周附近、衬底和衬底保持器之间的界面邻近处的流分布。在一些实施方案中，边缘流元件可以与cirp集成。在一些实施方案中，边缘流元件可以与衬底保持器集成。在其它实施方案中，边缘流元件可以是能安装在cirp或衬底保持器上的单独的部件。边缘流元件可被用于如根据特定应用所需要的调节衬底的边缘附近的流分布。有利地，流元件促进在衬底的外周附近的高度的横流，从而促进更均匀的(从衬底的中心到边缘)、高质量的电镀结果。边缘流元件通常沿径向至少部分地位于衬底保持器的内边缘/衬底的外周的内部。在一些情况下，边缘流元件可以至少部分地位于在其它位置，例如在衬底保持器下方和/或衬底保持器的沿径向外部，如下面进一步描述的。在本文的一些附图中，边缘流元件称为“流元件”。
[0172]
边缘流元件可以由各种材料制成。在一些情况下，边缘流元件可以由与cirp和/或
衬底保持器相同的材料制成。一般来说，合乎期望的边缘流元件的材料是电绝缘的。
[0173]
改善衬底的外周附近的横流的另一种方法是使用快速的衬底旋转。然而，快速的衬底旋转呈现其自身一组缺点，并且在各种实施方案可被避免。例如，如果衬底被旋转得太快，则它可以防止形成足够的跨越衬底表面的横流。因此，在一些实施方案中，衬底可以以介于约50
‑
300rpm之间的速率旋转，例如以介于约100
‑
200rpm之间的速率旋转。同样地，在衬底的外周附近的横流可以通过使用cirp和衬底之间的相对较小的间隙来促进。然而，较小的cirp
‑
衬底间隙导致较敏感的并对工艺变量有较严格的公差范围的电镀处理。
[0174]
可安装边缘流元件以帮助克服靠近晶片边缘的低对流及低电镀率。这也可以有助于克服因不同光致抗蚀剂/特征高度所产生的差异。
[0175]
在某些实施方案中，可使边缘流元件成形，使得横流区域中的横流被更有利地导向由衬底和衬底保持器所形成的拐角中。可使用各种形状来实现该目的。
[0176]
应当理解，本文中描述的配置和/或方法在本质上是示例性的，并且这些具体实施方案或实施例不以限制性意义来考虑，因为许多变化方案是可行的。本发明描述的特定例程或方法可以代表任意数量的处理策略中的一个或多个。因此，所示的各种操作可以以示出的序列执行，以其它序列执行，并行地执行或在某些情况下省略。同样，上述方法的顺序可以改变。
[0177]
本公开内容的主题包括本文所公开的各种方法、系统和配置的所有新颖的和非显而易见的组合和子组合，以及其它特征、功能、操作、和/或特性，以及它们的任何和所有等同方案。附加实施例
[0178]
在本节中呈现了表明通过横流区域226改善的横流是合乎期望的一些观察数据。在本节中，测试了两种基本的电镀槽设计。两种设计包含限制环210，有时被称为分流器，限定在cirp 206顶部上的横流区域226。两种设计都不包括边缘流元件，但根据需要这样的元件可被添加到任一设置中。第一个设计，有时称为控制设计和/或tc1设计，不包括通向该横流区域226的侧入口。相反，在控制设计中，所有进入横流区域226的流在cirp 206下方始发并向上行进穿过cirp 206中的孔，然后冲击在晶片上并跨越衬底的面流动。第二个设计，有时称为第二设计和/或tc2设计，包括用于直接喷射流体到横流区域226中而不穿过cirp 206中的通道或孔的横流喷射歧管222和所有相关联的硬件(然而，注意在某些情况下，输送到横流喷射歧管的流通过cirp 206的外周附近的专用通道，这些通道与用于引导流体从cirp歧管208到横流区域226的通道是不同的/或分开的)。其他实施方案
[0179]
虽然为了清楚理解的目的已说明了前述实施方案的部分细节，但将显而易见的是，可在随附权利要求的范围内进行某些变化及修改。应注意，可以许多替代方式实施本发明的实施方案的工艺、系统、以及装置。因此，本发明实施方案应被视为是说明性而非限制性的，实施方案并不限于本文中所提供的特定细节。