电镀过程中用于高效传质的电解液流体动力的增强装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及电镀过程中用于高效传质的电解液流体动力的增强装置，本发明专利技术的实施方式涉及用于将一或多种材料电镀到衬底上的方法和装置。在许多情况下，所述材料是金属而所述衬底是半导体晶片，但这些实施方式并不受此限制。通常，本文的实施方式使用靠近衬底的带槽的板构造横流歧管，该横流歧管由所述带槽的板的底部、衬底的顶部以及横流约束环的侧面来限定。在镀覆过程中，流体向上穿过所述带槽的板中的通道以及侧向穿过设置在所述横流约束环的一面上的横流侧入口而进入横流歧管。流路径在横流歧管中合并并在横流出口退出，横流出口设置在横流入口的对面。这些合并的流路径导致镀覆均匀性提高。

【技术实现步骤摘要】
电镀过程中用于高效传质的电解液流体动力的增强装置相关申请交叉参考本申请要求2012年12月12日提交的、名称为“ENHANCEMENTOFELECTROLYTEHYDRODYNAMICSFOREFFICIENTMASSTRANSFERDURINGELECTROPLATING”的美国临时申请No.61/736,499[代理机构案卷号LAMRP015P]的优先权的权益，通过参考出于全部目的将该临时申请全文并入此处。此外，本申请是2013年5月13日提交的、名称为“CROSSFLOWMANIFOLDFORELECTROPLATINGAPPARATUS”的美国专利申请No.13/893,242[代理机构案卷号NOVLP367X1]的后续部分，美国专利申请No.13/893,242是2011年6月29日提交的、名称为“CONTROLOFELECTROLYTEHYDRODYNAMICSFOREFFICIENTMASSTRANSFERDURINGELECTROPLATING”的美国专利申请No.13/172,642[代理机构案卷号NOVLP367]的后续部分，美国专利申请No.13/172,642要求了2010年10月21日提交的、名称为“FLOWDIVERTERSANDFLOWSHAPINGPLATESFORELECTROPLATINGCELLS”的美国临时申请No.61/405,608[代理机构案卷号NOVLP396P]，2010年8月18日提交的、名称为“HIGHFLOWRATEPROCESSINGFORWAFERLEVELPACKAGING”的美国临时申请No.61/374,911[代理机构案卷号NOVLP367P]，以及2010年7月2日提交的、名称为“ANGLEDHRVA”的美国临时申请No.61/361,333[代理机构案卷号NOVLP366P]的优先权的权益，这些申请或临时申请中的每一个出于全部目的通过参考全文并入此处。另外，美国专利申请No.13/893,242要求了2012年5月14日提交的、名称为“CROSSFLOWMANIFOLDFORELECTROPLATINGAPPARATUS”的美国临时申请No.61/646,598[代理机构案卷号NOVLP367X1P]的优先权的权益，该临时申请出于全部目的全文并入此处。
所公开的实施方式涉及用于在电镀过程中控制电解液流体动力（electrolytehydrodynamics）的方法和装置。更具体地，本文所描述的方法和装置对于将金属镀覆到半导体晶片衬底（尤其是具有多个凹陷特征的衬底）上特别有用。示例性的工艺和特征可包括具有小于例如约50μm的宽度的小型微凸特征（例如，铜、镍、锡和锡合金焊点）和铜的硅通孔（TSV）特征的穿抗蚀剂镀覆。
技术介绍
在现代集成电路制造中很好地建立了电化学沉积工艺。在21世纪早期，从铝金属线连接到铜金属线连接的转变带动了对越来越精细的电沉积工艺和镀覆工具的需求。许多精细性工艺响应于对器件金属化层中的越来越小的载流线的需求而逐步形成。这些铜线按照通常称为“镶嵌（damascene）”处理（预钝化金属化）的方法通过将金属电镀到非常薄的、高深宽比的沟槽和通孔中而形成。电化学沉积现在正准备满足对一般通俗称为晶片级封装（WLP）和硅通孔（TSV）电气连接技术的精细的封装和多芯片互连技术的商业需求。这些技术给它们自己提出了非常大的挑战，这部分是由于通常较大的特征尺寸（相较于前段制程（FEOL）互连）以及高深宽比。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、或者芯片到板或芯片键合，比如倒装芯片支柱），镀覆特征在当前技术中通常大于约2微米且它们的主要尺寸典型地为约5-100微米（例如，铜柱可以是约50微米）。就一些片上结构（比如电源总线）而言，要镀的特征可以大于100微米。WLP特征的深宽比通常为约1:1（高比宽）或者更低，但它们的范围可高达约2:1左右，同时TSV结构可具有非常高的深宽比（例如，在大约20:1附近）。随着WLP结构的尺寸从100-200μm收缩至小于50μm（例如20μm）出现了一系列独特的问题，因为在这个大小，特征的尺寸和典型的传质边界层厚度（发生对流传输到平面的距离）几乎等同。对于具有较大特征的前代而言，流体和质量（mass）至特征中的对流传输由流场至所述特征中的一般渗透承担，但对于较小的特征来说，流涡和停滞的形成可抑制不断增长的特征内的传质的速率和均匀性二者。因此，需要在较小的“微凸”和TSV特征内创建强壮、均匀的传质的新方法。不仅特征尺寸，而且镀覆速度使WLP和TSV应用区别于镶嵌应用。就许多WLP应用而言，根据镀覆的金属（例如，铜、镍、金、银的焊料，等等），一方面，在制造和成本的要求之间要有平衡，另一方面，在技术需要和技术难度之间要有平衡（例如，类似于在裸片内和在特征目标内的伴随晶片的图案变化和晶片上的要求的资本生产率的目标）。对铜而言，这种平衡通常在至少约2微米/分钟（典型地至少约3-4微米/分钟或更快）的速率下达到。就锡和锡合金镀覆而言，大于约3微米/分钟（对于一些应用而言至少约7微米/分钟）的镀覆速率可被需要。就镍和触击电镀金（例如低浓度金闪光膜层）而言，镀覆速率可在约0.1至1.5微米/分钟之间。在这些金属的相对较高的镀覆速率状态下，金属离子在电解液中高效地传质到镀覆表面是重要的。在某些实施方式中，镀覆必须以高度均匀的方式在晶片的整个表面上进行以在晶片内（WIW均匀性）、在具体裸片的所有特征内以及在所有这些特征之间（WID均匀性）、还有在独立特征本身内（WIF均匀性）达到良好的镀覆均匀性。WLP和TSV应用的高镀覆速率对电镀层的均匀性提出了挑战。对各种WLP应用而言，镀覆径向地沿着晶片表面必须表现出至多约5%的半程变化（被称为WIW非均匀性，在裸片中在跨越晶片直径的多个位置处在单个特征类型上测得）。类似的同样具有挑战性的要求是不同尺寸（例如，特征的直径）或不同特征密度（例如，在芯片裸片阵列中间的孤立特征或嵌入特征）的各种特征的均匀沉积（厚度和形状）。这种性能规格通常被称为WID非均匀性。WID非均匀性作为上述各种特征类型的局部变化（例如，<5%的半程）对比平均特征高度或给定晶片裸片内在晶片上的特定裸片位置（例如，在中间半径、中心或边缘）处的其它尺寸而进行测量。另一具有挑战性的要求是特征内形状的一般控制。没有适当的流动和传质对流控制，在镀覆之后，线或柱可能在二维或三维上以凸面、平面或凹面（例如，鞍状或半球形）形式存在倾斜而结束，而通常具有平面轮廓，但不总是平面轮廓，是优选平面轮廓。在满足这些挑战的同时，WLP应用必须与传统的、潜在较便宜的取和放串行路由操作竞争。更进一步，用于WLP应用的电化学沉积可涉及镀覆各种非铜金属，比如像铅、锡、锡-银之类的焊料、以及其它凸起下方金属化（UBM）材料，比如镍、钴、金、钯、以及这些物质的各种合金，其中一些包括铜。锡-银近共晶合金的镀覆是作为代替铅-锡共晶焊料的无铅焊料进行镀覆的合金的镀覆技术的一个例子。
技术实现思路
本文的实施方式涉及用于将金属电镀到衬底上的方法和装置。总体上，所公开的技术涉及改进的带槽的离子阻性元件的使用，所述离子本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电镀装置，其包括：(a)电镀室，其被配置为含有电解液和阳极，同时将金属电镀到平坦的衬底上；(b)衬底架，其被配置来保持所述平坦的衬底使得所述衬底的镀覆面在电镀过程中与所述阳极隔开；(c)离子阻性元件，其包括：(i)多个通道，其延伸穿过所述离子阻性元件且适于在电镀过程中提供穿过所述离子阻性元件的离子迁移；(ii)面朝衬底的面，其与所述衬底的所述镀覆面平行且通过间隙与所述衬底的所述镀覆面隔开；以及(iii)多个突出部，其设置在所述离子阻性元件的所述面朝衬底的面上；(d)所述间隙的入口，其用于将横流电解液引入所述间隙；以及(e)所述间隙的出口，其用于接收在所述间隙中流动的横流电解液，其中在电镀过程中，所述入口和出口被设置在所述衬底的所述镀覆面上的接近方位角相对的周界位置。

【技术特征摘要】
2012.12.12 US 61/736,499;2013.05.13 US 13/893,2421.一种电镀装置，其包括：(a)电镀室，其被配置为含有电解液和阳极，同时将金属电镀到平坦的衬底上；(b)衬底架，其被配置来保持所述平坦的衬底使得所述衬底的镀覆面在电镀过程中与所述阳极隔开；(c)离子阻性元件，其包括：(i)多个通道，其延伸穿过所述离子阻性元件且适于在电镀过程中提供穿过所述离子阻性元件的离子迁移；(ii)面朝衬底的面，其与所述衬底的所述镀覆面平行且通过间隙与所述衬底的所述镀覆面隔开；以及(iii)多个突出部，其设置在所述离子阻性元件的所述面朝衬底的面上；(d)所述间隙的入口，其用于将横流电解液引入所述间隙；以及(e)所述间隙的出口，其用于接收在所述间隙中流动的横流电解液，其中在电镀过程中，所述入口和出口被设置在所述衬底的所述镀覆面上的接近方位角相对的周界位置。2.如权利要求1所述的电镀装置，其中在所述衬底的所述镀覆面和离子阻性元件平面之间测定的、在所述离子阻性元件的所述面朝衬底的面和所述衬底的所述镀覆面之间的所述间隙小于15mm。3.如权利要求1所述的电镀装置，其中在所述衬底的所述镀覆面和所述突出部的最高高度之间的间隙在0.5-4mm之间。4.如权利要求1所述的电镀装置，其中所述突出部具有在2-10mm之间的高度。5.如权利要求1至4中的任意一项所述的电镀装置，其中所述突出部平均地定向为与横流电解液的方向垂直。6.如权利要求1至4中的任意一项所述的电镀装置，其中至少一些所述突出部具有至少3:1的长宽比，其中所述突出部长度沿与所述间隙的入口和所述间隙的出口之间的横流电解液的方向垂直的方向定向，并且其中所述突出部宽度沿与所述横流电解液的方向平行的方向定向。7.如权利要求1至4中的任意一项所述的电镀装置，其中至少两个不同形状和/或尺寸的突出部存在于所述离子阻性元件上。8.如权利要求1至4中的任意一项所述的电镀装置，其进一步在至少一些所述突出部上包括一或多个切口部，在电镀过程中，电解液能够流动穿过所述一或多个切口部。9.如权利要求1至4中的任意一项所述的电镀装置，其中至少一些所述突出部包括与离子阻性元件平面正交的面。10.如权利要求1至4中的任意一项所述的电镀装置，其中至少一些所述突出部包括从离子阻性元件平面偏移非直角角度的面。11.如权利要求1至4中的任意一项所述的电镀装置，其进一步在至少一些所述突出部上包括三角形上部。12.如权利要求1至4中的任意一项所述的电镀装置，其中所述突出部包括至少第一突出部部分和第二突出部部分，且其中所述第一和第二突出部部分从横流电解液的方向偏移相似只是方向相反的角度。13.如权利要求1至4中的任意一项所述的电镀装置，其中所述离子阻性元件被配置来在电镀过程中使电场成形且控制靠近所述衬底的电解液流的特征。14.如权利要求1至4中的任意一项所述的电镀装置，其进一步包括设置在所述离子阻性元件的下表面下面的下歧管区域，其中所述下表面背对所述衬底架。15.如权利要求14所述的电镀装置，其进一步包括中央电解液室以及一或多个进给通道，配置来将电解液从所述中央电解液室传送至所述入口以及至所述下歧管区域二者。16.如权利要求1至4中的任意一项所述的电镀装置，其进一步包括流体连接到所述入口的横流注入歧管。17.如...

【专利技术属性】
技术研发人员：史蒂文·T·迈耶，布莱恩·L·巴卡柳，傅海英，托马斯·波努司瓦米，希尔顿·迪艾斯·卡米罗，罗伯特·拉什，大卫·W·波特，
申请(专利权)人：诺发系统公司，
类型：发明
国别省市：美国,US