细密晶粒的电镀阳极的制造制造技术

通过一程序制成一连续浇铸的铜锭子，在此浇铸操作过程中，对金属／固体界面进行扰动。然后热加工该锭子以形成一坯锭，它具有一较小平均晶粒尺寸和一比现有技术可能的直径大的直径。该坯锭特别适用于制造用于波形花纹工艺的电镀阳极，所述工艺用于制作硅晶片中的铜质互联。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及制作有细密晶粒的电镀阳极，尤其是用来生产硅半导体芯片的铜质互联。
技术介绍
在多层硅晶片和半导体芯片内的铜质互联通常由波形花纹工艺(damasceneprocess)制成。美国专利4,789,648和5,539,255对该过程作出描述，本文援引其公开内容以供参考。在此过程中，铜从一由铜或铜合金制成的电镀阳极有选择地电沉积在硅晶片上。在电沉积之前，一错综复杂的线路图形的沟壕蚀刻在晶片上，以限定待形成的互联。然后，阳极的安装靠近晶片但不接触晶片。两者均浸没在电解槽内，其中，阳极上的铜电沉积在晶片上。用于波形花纹工艺的典型的电镀阳极采用矮而粗的圆柱形铜盘形式，其直径为200至300mm，厚度为2至6cm。在某些实例中，阳极形成有一中空的内部，这样，其结构呈环形而不是圆柱形。在任一种情形中，阳极的表面加工得非常平，以在整个硅晶片上提供均匀的沉积。均匀的沉积是重要的，因为晶片将被截取制成若干个芯片，而每个芯片要求与其它的芯片相同。用于波形花纹工艺的电镀阳极是商品化产品，将铜棒和铜管截段，然后，对截段进行金加工，在一表面上达到要求的平整度，在另一相对表面上形成安装结构。该安装结构取决于所使用阳极的特定的电沉积系统。而这些铜棒和铜管通常由多步骤工艺过程制成，其中包括浇铸，热加工、冷加工以及退火。为了在波形花纹工艺中达到最佳的性能，在这些阳极(因此在用来制成这些阳极的棒和管材)中的铜晶粒的平均尺寸应不大于约150μm。此外，晶粒尺寸的分布在棒或管和阳极的整个横截面上应相当均匀。一细密、均匀的晶粒结构对于保持阳极表面的光滑性(或，更精确地说，“局部平整度”)是重要的。而且，越细密的晶粒结构可经金加工和抛光而得到越光滑的初始表面光洁度，并且在沉积过程中阳极将更均匀地消蚀，并在一更长的时间内保持光滑。一粗糙的阳极表面对于均匀的铜沉积是有害的。遗憾的是，传统的制造工艺只能生产平均晶粒尺寸小至200μm的直径为200mm或以上的棒和管。平均晶粒尺寸通常较大。此外，在这样的棒和管中的晶粒尺寸分布特别不均匀。而且，由于需要包括至少一个冷加工步骤的多道加工步骤，所以，传统的坯锭制造工艺固有地显得昂贵。就此而论，对于减小通过传统连续浇铸工艺生产的铜棒和铜管的晶粒尺寸，实用上有两种基本上不同的方式。第一种是多次地热加工，包括在热加工步骤之间的反复加热坯锭。第二种通常是用于商业的技术，即，先进行热加工，然后退火后冷加工该坯锭。两种技术要求相当量的机械加工，使横截面积的减小达10比1的量级或更大。因此，这些技术会是非常昂贵的。此外，在约3英寸或以上的段厚度上，传统的冷加工设备不能均匀地实现晶粒尺寸的减小。此外，在冷加工过程中常发生裂缝和其它的缺陷，导致产生大量的废料和/或不能接受的产品。因此，实用上，传统的制造工艺不能一致地和可靠地在直径为200mm或以上的铜棒和铜管内达到小至200μm的平均晶粒大小。因此，需要有一种新的制造工艺，它能一致地和可靠地生产这样的铜棒和铜管，其在直径为200至300mm或甚至以上的铜棒和铜管内具有显著小于200μm的平均晶粒大小，通常约为150μm或更小。此外，如果这样的工艺可提供具有相当均匀晶粒尺寸分布的棒和管，则也是所要求的。而且，如果实施这样的工艺使用比传统工艺所要求的步骤少的加工步骤，从而可降低制造成本，则其尤其是所要求的。专利技术概要根据本专利技术，业已发现，如果铜锭由连续铸造程序制成，其中，在浇铸操作过程中对金属/固体的界面给予扰动，则通过简单的热加工铜锭即可直接地形成为具有直径为200mm或以上且平均晶粒尺寸为150μm或不到的棒材和管材。因此，本专利技术提供一生产铜或铜合金坯锭的新颖的工艺，它包括由连续浇铸程序形成一锭子，在此过程中对浇铸模中的金属/固体界面给予扰动，其后热加工如此形成的锭子，从而生产出坯锭。此外，本专利技术还提供一种由此工艺制成的新颖的铜或铜合金坯锭，它具有至少约为200mm的直径和约为180μm或不到的平均晶粒尺寸，较佳地为150μm或不到。同样地，本专利技术还提供由这样的棒和管材制成的新颖的电镀阳极。详细说明根据本专利技术，通过连续浇铸程序形成一锭子，在此浇铸操作过程中对金属/固体交界面给予扰动，其后热加工如此形成的锭子，从而生产出具有直径至少为200mm和平均晶粒尺寸为150μm或不到的铜和铜合金棒材和管材。成分可使用采用波形花纹工艺和其它电镀工艺制造传统的电镀阳极用的相同的铜和铜合金，来制造本专利技术的棒和管材以及阳极。这样的铜和铜合金的实例是还原的高磷铜合金(C12200，C12210和C12220)、磷还原碲轴承合金(C14500，C14510和C14520)以及磷还原硫—轴承合金(C14700，C14710和C14729)。一般来说，可采用任何不含有对由本专利技术的阳极形成的硅晶片和芯片产生不利影响的成分的铜或铜合金，铜或铜合金也应与用于连续浇铸工艺的设备相容，其含义在于两者之间不发生不利的互相作用。例如，如果使用石墨模具，则应避免粘住石墨的铜或铜合金。紊流浇铸(turbocasting)传统的连续浇铸是众所周知的技术，其中，熔化的金属流过一垂直布置的模具，熔化的金属连续地送入模具入口，同时，凝固的固体金属从模具底部抽出。设置一冷却器来冷却模具，由此金属通过该模具。设置了夹送辊子或其它的抽取机构，以控制速度，固化的坯锭以该速度通过模具，而同时在模具的范围内保持住正在浇铸金属的液态/固态的界面。当铜和铜合金遵循此一般的程序进行连续浇铸时，在金属从液态到固态的转变过程中发生粗的方向性固化(directional solidification)。这导致形成由在固化过程中形成的树枝状结晶组成的大而粗糙细长的晶体。该粗的晶体结构给产品锭带来差的机械性能，于是，习惯的做法是加工锭子以将这些大晶体和树枝状结晶分解为小得多的晶体。为了克服这个问题，美国专利4,315,538和5,279,353描述了一种修改的连续浇铸工艺，其中，对就在浇铸模具内的液体/固体界面上的熔化金属给予扰动(下文中称之为“紊流浇铸”)，本文援引该公开以供参考。要做到这一点，例如可通过在一模具帽(die cap)或模具的诸侧壁上的槽，将熔化的金属馈送到浇铸模内，诸槽设置得可对模具内的熔化金属赋予一气旋的运动。或者，可使用机械的或磁性的混合器来赋予这种紊流。此外，可使用任何能在连续浇铸模具中达到同样的紊流的其它技术。与传统的做法相比，以这种方式赋予熔化金属的紊流可在冷却中导致较大的均匀性。此外，还导致由高速熔化金属造成对树枝状结晶的初步的剪切，否则树枝状结晶在固化时将会形成在模具侧壁的附近。其结果，可获得一远好得多的晶体结构，其中，与由传统做法制成的锭子相比，晶体的构形基本上等大，尺寸更细，且分布“更加均匀”。因为该改进的晶粒结构，所以，这样获得的棒和管材可服从于热和冷加工，由此消除了产生大量废料和不可接受的产品的现象。根据本专利技术，业已发现，通过紊流浇铸制造的连续浇铸铜和铜合金锭子，可以直接形成为大直径的棒和管材，通过简单的热加工使棒和管材具有的晶粒尺寸约为150μm或不到，以便横截面积的减小达到6比1或更小。尤其是，业已发现，由紊流浇铸生产的铜锭的晶粒结构足够细密和足够均匀，从而，简单的热加工可致横截面积的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用来生产用于制造电镀阳极的坯锭的工艺包括：通过紊流浇铸形成一铜或铜合金锭子，以及热加工这样形成的锭子，以形成一坯锭。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：WJ比肖普，
申请(专利权)人：勃拉希威尔曼股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]