TWI700396B - 惰性陽極電鍍處理器和補充器 - Google Patents

Abstract

本發明公開了一種電鍍處理器，該電鍍處理器具有容納電解液的容器。該容器中的惰性陽極具有在陽極膜管道中的陽極導線。頭部用於固持晶圓，該晶圓與該容器中的電解液接觸。晶圓連接到陰極。陰極電解液補充器連接到該容器。該陰極電解液補充器通過使塊狀金屬的離子移動穿過陰極電解液補充器中的陰極電解液膜而添加金屬離子到陰極電解液內。

Description

惰性陽極電鍍處理器和補充器 [相關申請]

本申請請求於2015年7月17日提交並且現在正在申請中的美國專利申請No.14/802,859的優先權，該優先權專利通過引用結合在此。

本公開內容涉及一種電鍍系統，尤其涉及一種惰性陽極電鍍系統。

半導體積體電路和其它微尺度裝置的製造一般需要在晶圓或者其它基板材上形成多個金屬層。通過電鍍金屬層結合其它步驟來產生圖案化金屬層以形成微尺度裝置。

在電鍍處理器中執行電鍍，其中晶圓的裝置側在液體電解質浴中，並且接觸環上的電觸點接觸晶圓表面上的導電層。電流穿過電解質和導電層。電解質中的金屬離子析出到晶圓上，從而在晶圓上產生金屬層。

電鍍處理器一般具有自耗陽極，該自耗陽極有益於浴穩定性和擁有成本。例如，當電鍍銅時，通常使用銅自耗陽極。從電鍍浴液析出的銅離子由從陽極脫離的銅補充，從而維持電鍍浴液中的金屬濃度。相較於在排補 (bleed and feed)流程中替換電解質浴，維持浴液中的金屬離子是一種非常經濟有效的方式。然而，使用自耗陽極需要相對複雜和昂貴的設計以允許自耗陽極更換。當自耗陽極與膜(例如，陽離子膜)組合以避免在閒置狀態操作期間降解電解質或者氧化自耗陽極時，以及出於其它原因，增加了更多聚複雜性。

此類系統需要許多機械零件來用於密封和膜支撐。已經建議將使用惰性陽極的電鍍處理器作為使用自耗陽極的替代。惰性陽極反應器有希望減少腔室複雜性、成本和維護保養。然而，惰性陽極的使用已經導致了其它缺點，尤其是與以相較於自耗陽極成本有效方式維持金屬離子濃度和在惰性陽極處產生氣體相有關的缺點，這可導致工件上的缺陷。因此，仍然存在關於提供惰性陽極電鍍處理器的工程挑戰。

在一個方面，電鍍處理器具有容器，該容器容納容器陰極電解液(vessel-catholyte)(電解質液體)。該容器中的惰性陽極具有在陽極膜管內的陽極導線。頭部固持與容器陰極電解液接觸的晶圓。晶圓連接到陰極。容器陰極電解液補充器通過返回和供給管線連接至該容器，以使容器陰極電解液穿過容器和容器陰極電解液補充器迴圈。容器陰極電解液補充器通過移動塊狀金屬的離子穿過容器陰極電解液補充器中的陰極電解液膜來添加金屬離子到容器陰極電解液內。或者，容器陰極電解液 補充器可將金屬離子直接添加到容器陰極電解液中，而無需使用陰極電解液膜。

20:電鍍處理器

22:頭部

24:轉子

28:馬達

30:接觸環

32:波紋管

35:接觸指

38:電鍍容器

40:內部陽極

42:外部陽極

41:圓槽

42:單一外部陽極

43:陽極板材

44:電場成型單元

45:導線

46:電流取樣電極

47:膜管

49:外保護套管或者覆蓋物

50:晶圓

51:流動空間

60:電連接器

70:補充器

72:陰極電解液返回管線

74:補充器

76:容器陰極電解液槽

78:容器陰極電解液供給管線

80:陰極電解液迴圈迴路

82:補充器迴圈迴路

84:補充器電解液返回管線

86:補充器電解液供給管線

90:補充器

92:塊狀電鍍材料

96:補充器陽極電解液槽

98:腔室

104:第一陽離子膜

106:陰極電解液室

108:第二陽離子膜

112:補充器室

114:惰性陰極

118:補充器

122:入口

124:去離子水供給管線

130:電源

140:補充器

142:處理陽極電解液室

150:處理陽極電解液室

152:處理陽極電解液迴路

154:第三陽離子膜

170:系統

172:槽

174:槽隔膜

176:第二槽

178:補充器膜

180:氣體噴佈出口

182:第三槽

190:補充器

192:膜

200:系統

202:容器陰極電解液槽

204:網狀陽極支撐件

206:網狀觸點

208:接觸膜

210:上部膜

212:下部膜

214:支持器

220:系統

222:支持器

224:流動途徑

230:系統

232:支援器

圖1是使用惰性陽極的電鍍處理系統的示意圖。

圖2為如圖1所示的陽極的截面圖。

圖3為圖1所示的容器陰極電解液補充系統的示意圖。

圖4是圖3所示的陰極電解液補充器的放大圖。

圖5是可選的容器陰極電解液補充系統的示意圖。

圖6至圖10是額外可選的容器陰極電解液補充系統的示意圖。

在圖1中，電鍍處理器20具有轉子24，該轉子24在用於容納晶圓50的頭部22中。轉子24具有接觸環30，該接觸環30可垂直移動以將接觸環30上的接觸指35接合至晶圓50的面朝下表面上。接觸指35在電鍍期間連接到負電壓源。波紋管32可用來密封頭部22的內部部件。頭部中的馬達28使固持在接觸環30中的晶圓50在電鍍期間旋轉。處理器20可任選地具有各種其它類型的頭部22。例如，頭部22可操作為使晶圓50固持在卡盤中而非直接搬運晶圓50，或者可省去轉子和馬達以使晶圓在 電鍍期間保持靜止。接觸環上的密封件抵靠晶圓密封，以將接觸指35密封而在處理期間遠離陰極電解液。

頭部22位於電鍍處理器20的電鍍容器38上方。在容器38中提供了一個或多個惰性陽極。在所示實例中，電鍍處理器20具有內部陽極40和外部陽極42。可在電鍍系統內的柱管中提供多個電鍍處理器20，其中用一個或多個機器人在該系統中移動晶圓。

在圖2中，陽極40和42具有在膜管47內的導線45。膜管47可具有外保護套管或者覆蓋物49。膜管47(包括電極線)可為環狀的，或者任選地形成為螺旋狀的，或者線性陣列狀，或者採用適用於形成適合正被處理的工件的電場的另一種形式。導線45可為0.5至2mm直徑的鉑導線，該鉑導線在2-3mm內徑的膜管47內。導線45還可為包鉑導線，該導線具有另一種金屬(例如鈮、鎳或者銅)的內芯。電阻式擴散器可在惰性陽極上方提供於容器中。

圍繞膜管47內的導線45提供流動空間51。雖然導線45可表面上位於膜管47內的中心，但是實際上導線在膜管內的位置將改變至該導線可在一些位置處接觸膜管內壁的程度。不需要使用隔離件或者其它技術來使導線置於膜管內的中心處。

參見圖3，在三隔室的補充器70中，在電鍍期間，將處理陽極電解液泵送穿過處理陽極電解液迴路152到達陽極40和42，該處理陽極電解液迴路152包括陽極 膜管47和處理陽極電解液室150，該處理陽極電解液室150為處理陽極電解液來源。形成陽極40和42的膜管可形成為環狀或圓形的，包含在容器38的陽極板材43的圓槽41內，如圖1所示，即膜管安置在容器38的底板材上。補充器70在處理器20外部，因為補充器70為獨立單元，可在處理系統內遠離處理器安置。

各陽極40、42的導線45電連接至正電壓源(相對於施加至晶圓的電壓)，以在容器內形成電場。每個惰性陽極可連接到一個電力電源通道，或者它們可通過容器38上的電連接器60連接到單獨的電力電源通道。一般可使用一至四個惰性陽極。陽極電解液穿過膜管流動，將氣體帶出容器。在使用中，電壓源引起電流流動，從而使得惰性陽極處的水轉化成氧氣和氫離子並且將來自容器陰極電解液的銅離子沉積到晶圓上。

陽極40和42中的導線45是惰性的並且不與陽極電解液起化學反應。晶圓50，或者晶圓50上的導電種晶層，連接到負電壓源。在電鍍期間，容器38內的電場使容器陰極電解液中的金屬離子沉積到晶圓50上，從而在晶圓50上形成金屬層。

圖1示出了具有由單一外部陽極42環繞內部陽極40的設計，但是可使用單一陽極或者多個同心外部陽極。由電介質材料製成的電場成型單元44可位於容器38中，以在容器38中使電場成型。也可使用其它設計， 如美國專利No.8,496,790；No.7,857,958和No.6,228,232所示。

現又轉向圖3，電鍍到晶圓50上的金屬層是由容器陰極電解液中的金屬離子形成的，該金屬離子由於容器38中的電場而移動穿過容器陰極電解液到達晶圓表面。容器陰極電解液補充系統70連接到容器38，以將金屬離子供給到容器陰極電解液內。容器陰極電解液補充系統70具有容器陰極電解液返回管線(導管或者管道)和容器陰極電解液供給管線78，該容器陰極電解液返回管線和容器陰極電解液供給管線78在陰極電解液迴圈迴路中連接補充器74，該陰極電解液迴圈迴路在圖3中一般指示為80。一般說來，容器陰極電解液槽76包括在陰極電解液迴圈迴路80中，其中容器陰極電解液槽76供給容器陰極電解液至處理系統內的多個電鍍處理器20。陰極電解液迴圈迴路80包括至少一個泵，並且還可包括其它部件，例如加熱器、篩檢程式、閥等等。補充器74可與陰極電解液返回管線成一直線，或者補充器74可選地以單獨的流動迴路連接離開和返回陰極電解液槽中。

圖4示出了補充器74的示意性放大圖。補充器陽極電解液在補充器74內通過補充器陽極電解液迴路91迴圈，補充器陽極電解液迴路91包括補充器陽極電解液室98和任選地補充器陽極電解液槽96。補充器陽極電解液可為不含酸的硫酸銅電解液。補充器74內的陽極電解液補充器不需要再迴圈迴路並且可僅由陽極電解液室98 組成。氣體分佈器(例如氮氣分佈器)可向補充器提供攪動，而不會因為需要管道裝置(plumbing)和泵的再迴圈迴路而導致複雜化。如果使用低酸性的電解液或者陽極電解液，那麼當電流穿過補充器時，Cu++離子而非質子跨膜運輸或移動到陰極電解液中。氣體噴佈可減少塊狀銅材料的氧化。

去離子水供給管線124供給補給的去離子水到補充器陽極電解液槽96或者陽極電解液室98中。塊狀電鍍材料92(例如銅顆粒)被提供在補充器陽極電解液室98中並且提供被電鍍到晶圓50上的材料。泵使補充器陽極電解液通過補充器陽極電解液室98迴圈。補充器陽極電解液與提供至陽極40和/或42的陽極電解液完全分隔。

在可選的設計中，使用陽極電解液室98，而不使用任何補充器陽極電解液迴路91。氣體分佈器(例如N2分佈器)可向陽極電解液室98提供攪動，而無需使用補充器陽極電解液迴路。低酸性的陽極電解液確保當電流穿過補充器時那些Cu++離子而非質子跨膜運輸到陰極電解液中。

在補充器74內，第一陽離子膜104位於補充器陽極電解液室98中的補充器陽極電解液和陰極電解液室106中的陰極電解液之間，以使補充器陽極電解液與陰極電解液分隔。陰極電解液返回管線72連接到陰極電解液室106的一側，而容器陰極電解液供給管線78連接到 陰極電解液室106的另一側，以使容器陰極電解液從容器38穿過陰極電解液室迴圈。或者，穿過補充器74的陰極電解液流動迴路可為具有陰極電解液槽的單獨低壓電路(low circuit)。

第一陽離子膜104允許金屬離子和水穿過補充器陽極電解液室98進入陰極電解液室中的陰極電解液內，同時另外在補充器陽極電解液和陰極電解液之間提供屏障(barrier)。可將去離子水添加到容器陰極電解液中以補充因為蒸發損失的水，但是更通常地可增強水蒸發以使水蒸發而通過從陽極電解液補充器電滲析進入容器陰極電解液內。可出於此目的而提供蒸發器。進入容器陰極電解液內的金屬離子流補充容器陰極電解液內的金屬離子濃度。

當容器陰極電解液中的金屬離子沉積到晶圓50上以在該晶圓50上形成金屬層時，用來源於塊狀電鍍材料92、移動穿過補充器陽極電解液和第一膜104進入陰極電解液中的金屬離子替代它們，該陰極電解液流動穿過補充器74的陰極電解液室106。在所示實例中，金屬離子為銅離子(Cu++)並且容器陰極電解液為高酸性銅電解液。

惰性陰極114位於補充器室112中，與第二陽離子膜108相背。直流電源130的負極或陰極電連接至惰性陰極114。直流電源130的正極或陽極電連接至塊狀電鍍材料92或者補充器陽極電解液室98中的金屬，以施加 或者形成跨補充器74的電壓差。補充器室112中的補充器電解液可任選地穿過補充器槽118迴圈，其中去離子水和硫酸通過入口122添加至補充器電解液中。補充器室112內的電解液可包含具有1-10%的硫酸的去離子水。惰性陰極114可為鉑或者包鉑的導線或板材。第二離子膜108幫助將銅離子保留在第一隔室中。

參照圖1和圖2，處理器20可任選地在容器38中包括電流取樣電極(electric current thief electrode)46，但是多數情況下不需要進行電流取樣。在這種情況下，電流取樣電極46還可具有在電流取樣膜管內的電流取樣導線，類似於上述陽極40或者42。如果使用取樣電極，那麼可將重調電解液(reconditioning electrolyte)泵送穿過電流取樣膜管。電流取樣導線一般連接到負電壓源，該負電壓源獨立於通過接觸環30連接到晶圓50的負電壓源而受控。

電流取樣膜管可通過補充器迴圈迴路(一般指示為82)，通過補充器電解液返回管線84和補充器電解液供給管線86連接到補充器74中的補充器室112。如果使用的話，陰極電解液室106中的高酸性陰極電解液浴確保跨膜108的電流較大部分為質子而非金屬離子。以這種方式，補充器74內的電流補充容器陰極電解液內的銅，同時防止該銅穿過膜而損失。

第二陽離子膜108位於陰極電解液室106中的陰極電解液和補充器室112中的補充器電解液之間。第 二陽離子膜108允許質子和少量的來源金屬從陰極電解液室106中的陰極電解液穿過進入補充器室112中的補充器電解液內。補充器室112的主要功能是以不會使金屬析出沉積到惰性陰極114上的方式完成補充器室的電路。補充器室112可與額外的槽或迴圈迴路一起使用或不與額外的槽或迴圈迴路一起使用。

陰極電解液室106中的高酸性電解液或陰極電解液浴確保跨膜108的電流較大部分為質子而非金屬離子，以使得惰性陰極114上的陰極反應大部分放出氫氣。以這種方式，補充器74內的電流補充陰極電解液內的銅，同時防止該銅穿過膜108而損失。這避免了金屬積聚和電極維護保養。

在補充器中，室112可提供為不具有額外的槽或再迴圈迴路。在陽極電解液中，氮氣噴佈可足以保持管道裝置和泵送需要更簡單。

在操作中，通過將電流從陽極40和42傳導到晶圓50，使容器內的容器陰極電解液中的金屬離子沉積到晶圓50上，以在晶圓50上形成金屬層。容器陰極電解液從容器流動到補充器74中的陰極電解液室106內，其中金屬離子被添加回容器陰極電解液內，該容器陰極電解液然後返回至容器，通常其中陰極電解液連續地流動穿過陰極電解液迴圈迴路80。補充器陽極電解液還一般地在補充器陽極電解液迴路91中連續地流動。將去離子水加入補充器陽極電解液內以補償在水穿過第一陽離子膜 104電滲析中的水份損失。質子和少量金屬離子穿過第二陽離子膜108進入補充器室112中的補充器電解液內。容器陰極電解液可為高酸性晶圓水平封裝的電鍍電解液，該電鍍電解液具有添加劑，如電鍍技術中眾所周知的。

在電鍍期間，導線表面上發生化學反應，該化學反應將水轉化成氧氣和氫離子(H+)。氫離子穿過膜管壁並且進入室陰極電解液(chamber catholyte)內。這些離子隨後變成流動至陰極電解液室106的容器陰極電解液的組成部分。這些離子中的大部分攜帶電流穿過膜108，其中氫離子被從室陰極電解液中去除。

氧氣通過真空或者排氣，或者通過用氮氣噴佈而從膜管排出。處理陽極電解液本身在電鍍期間不以其它方式發生化學變化。

圖5示出了可選的補充器140，該可選的補充器140具有處理陽極電解液室142，該處理陽極電解液室142在處理陽極電解液流動迴路152中與陽極的陽極膜管相連接。處理陽極電解液室142中的處理陽極電解液通過處理陽極電解液室142的一側上的第二陽離子膜108與陰極電解液分隔，而在處理陽極電解液室142的另一側上通過第三陽離子膜154與陰極電解液分隔。在此設計中，質子和少量金屬離子穿過第二陽離子膜108，並且質子和更少量的金屬離子穿過第三陽離子膜154。

在陰極電解液室106中的高Cu++濃度的陰極電解液浴和惰性陰極114之間的額外補充器陽極電解 液進一步減少了可到達惰性陰極114、析出到該電極上並且需要維持的金屬量。該額外的補充器陽極電解液還允許陽極電解液流動穿過室142內的補充器，以使用比可能穿過膜108進入陽極電解液更少量的銅，然後將此銅通過陽極導管傳遞回室陰極電解液內。第三陽離子膜154或者膜108可用陰離子膜替代。穿過室142的額外流動陽極電解液還允許實現陰極電解液與陽極電解液之間的質子交換平衡。質子離開陽極電解液，作為電流穿過電鍍室內的陽極、膜導管，並且跨補充室(replenishment cell)中的膜108替代該質子。當電流迫使陽離子(即，H+和Cu++)從陽極電解液進入室陰極電解液中時，銅可穿過膜導管傳送回室陰極電解液內。圖5的實施方式還可被設計成刪去膜104。在這種情況下，線上補充室(inline replenishment cell)沒有膜104，並且塊狀銅暴露於室陰極電解液。

在閒置狀態操作期間，系統就緒但是不在實際使用中。在該閒置狀態中，當補充器不在使用中時，系統170停止陰極電解液在形成自耗陽極的塊狀電鍍材料92上方的流動。閒置狀態操作避免水跨膜滲析。閒置狀態操作還允許易於接取自耗陽極以進行維護保養，例如當銅顆粒被消耗時補充它們。閒置狀態可通過停止至補充器中存在的相對較小體積(相較於供應多個處理器20的處理系統的大體積容器陰極電解液槽)的腔室陰極電解液的流動 來實現。這保護容器陰極電解液槽中的添加劑在長期閒置時間期間不接觸暴露的金屬。

在圖4的改進設計中，惰性陰極114可放置在陰極電解液或者補充器室內的篩檢程式、袋或者包殼中，以減少至陽極的品質傳遞和到惰性陰極114上的金屬電鍍。任選地，可在惰性陰極114上提供電阻性篩網(resistive screen)以限制到惰性陰極114上的金屬電鍍。此外，為了防止金屬沉積到惰性陰極114上，可按照工藝流程(schedule)去除和替代補充器電解質。還可通過定期反向(通過轉變電源130的極性)運行補充器以使惰性陰極退鍍，或者通過使用化學蝕刻來從惰性陰極去除金屬。

膜108和/或154可用陰離子膜替代，以防止任何銅離子從陰極電解液移動到補充器電解液內。為了在沒有過量電載入的情況下操作補充器74，腔室98、106和112可為狹窄的，例如其中腔室106、112和142(如果使用的話)具有3-8或者4-6毫米的寬度，並且其中腔室98具有8-12毫米的寬度。具有這些寬度以及一個長度和一個高度的約266毫升的腔室被計算為具有足夠的能力來操作處理器，從而將銅電鍍到300毫米直徑的晶圓上。該腔室還可為同軸佈置的圓柱形。一個或兩個補充室(各自具有大約300mm晶圓的面積)被計算為具有足夠的能力來操作具有4-12個電鍍處理器20的處理系統。

狹窄的腔室間隙有助於降低補充器電壓並且由此降低電源瓦特數的需要。陽極電解液室98中的金屬顆粒可完全填充腔室並且抵靠膜74安置。這通過限制陽極到膜的距離來使電流流動所需的電壓保持至最低。陽極電解液浴的導電性是系統中所有浴液中最低的，因此通過最小化電流在陽極電解液中必須行進的距離對電源電壓具有最大的益處。

如本文所提及的容器陰極電解液為含銅(或者其它金屬離子)的電解液。補充器陽極電解液和補充器電解液可均為相同的電解液，以使得槽、管道裝置等等能夠以多種方式組合。處理陽極電解液、補充器電解液和取樣電解液(如果有的話)可均為相同的電解液。此外，處理陽極電解液、補充器電解液和取樣電解液(如果有的話)可均為去離子水和硫酸的混合物，去離子水和硫酸相對較便宜。

在圖3至圖5的實施方式中，可選的補充器90作為分離裝置存在，與電鍍室管道系統成一直線。至補充器的管道裝置可任選地佈置為使得工藝陽極電解液也流經該管道裝置(即，圖5上的152)。然而，在其它實施方式中，補充器可整合到容器陰極電解液槽(圖3中的76)內。以這種方式構建補充器可簡化系統並且允許金屬補充物被直接施加至主系統容器陰極電解液槽中的大體積容器陰極電解液中。作為一個特定實施方式，容器陰極電解液槽中的側壁之一可直接連接至另一較小槽，該較小槽包 含補充器陽極電解液室98。類似地，補充器的其它腔室可為具有共用壁的相鄰槽，包括構建成壁的膜。

可操作補充器以將容器陰極電解液中的金屬濃度增大至高於自耗陽極處理器可達到的水平。此操作允許更高的電鍍速率。此電化學方法可將金屬濃度增大至過飽和水平，從而進一步增大電鍍速率和特徵結構表面形態。通常，補充器應該至少與電鍍室以相同安培-分鐘數運行，以確保浴液中的金屬濃度被維持。然而，有可能補充器安培-分鐘數可略高地運行，以穿過補充器中的膜108補償金屬損失，或者用於系統中可能存在的任何其它損失。補充器還允許金屬濃度如已經描述的那樣增大。

補充器方法的額外優點為自耗陽極補充集中在一個位置(即，補充器)，而非各自地在每一腔室處。

因此，本發明允許用具有相同低擁有成本的惰性陽極來簡化腔室。銅補充為集中的並且可在無需經常取下工具進行維護保養的情況下完成。此特徵導致執行時間延長。

術語陽極導線、電流取樣導線、陽極膜管道、電流取樣膜管道、陰極電解液膜和補充器電解液膜為在權利要求書中使用的描述詞，僅用於使所請求保護的元件彼此區分，並且不是所請求保護的元件的特性或者材料性質。實際上，這些元件可使用相同的導線、膜管道和膜。術語導線是指拉長的金屬元件，通常如線一般為圓形的， 但是也包括其它形狀，例如平帶和平板材或者編織元件。

補充器74的操作很大程度上維持了容器陰極電解液的穩定性。容器陰極電解液的去除和更換(除了通過陰極電解液迴圈迴路以外)是極少的，因為容器陰極電解液保持穩定，除非潛在地進行添加劑補充和限制添加劑副產物的積聚。

轉向圖6，可選的系統170類似於圖5所示的系統，但不具有陽極電解液膜。補充器陰極電解液的垂直定向有助於釋放在操作期間產生的氣體。此外，使用其間具有槽隔膜174的槽172和174避免了對如在線上補充器中所需的附加管道裝置的需要。補充器膜178將第二槽176中的處理陽極電解液與補充器陰極電解液分隔，該補充器陰極電解液任選地在第二槽176內的第三槽182中。氣體噴佈出口180可釋放氣體(例如氮氣)到第三槽182內。

圖6的系統可增大容器陰極電解液添加劑的消耗，因為容器陰極電解液中的添加劑能夠接觸自耗陽極。為了減少添加劑消耗，閒置狀態操作可最小化自耗陽極的表面積。在一種操作方法中，使補充器保持閒置狀態，直至容器陰極電解液中的銅(或者其它陽極材料)達到銅濃度控制限制的下限。補充器隨後以比系統消耗更快的速率運行，以補充容器陰極電解液中的銅。當達到銅的 控制上限時，補充器190可被關閉並且返回閒置狀態操作。

圖7示出了可與圖6相同的系統，但是還包括用於陽極的分隔器膜，並且具有常見的陰極電解液。在閒置狀態中，當補充器不在操作中時，可關閉從容器陰極電解液槽到陽極區段的再迴圈。當再迴圈接通時，膜192兩側上的電解液浴組成保持一致並且可避免水積聚。

圖8示出了系統200，系統200具有容器陰極電解液槽202，容器陰極電解液槽202容納容器陰極電解液以供多個電鍍處理器20使用。網狀陽極支撐件204安置在銅陽極下方。網狀觸點206電連接至網狀陽極支撐件並且連接至電源130。銅陽極和網狀陽極支撐件204被固持在容器陰極電解液槽202中的支持器214內。接觸膜208使圍繞銅陽極的電解液與室陰極電解液分隔。槽202內的陽極電解液流通過上部膜210和下部膜212而與槽202中的室陰極電解液分隔。膜208、210和212可為水平的，或者在水平方向偏離10度以內。

補充器中的電流流動使自耗陽極材料或者塊狀銅材料被侵蝕。使用接近水平的定向可減少對自耗陽極材料(例如，銅)的侵蝕。陽極電極液隔室在頂部上，並且重力使得當銅被侵蝕時，銅材料一直與膜保持相同的距離。陽極隔室可向大氣完全敞開以便於接取。將補充器安置在系統容器陰極電解液槽202中減少了管道裝置連接和部件。圖8至圖10一般地示出了在內部槽或者第二槽中 或者浸沒在內部槽或者第二槽中的第一槽。在使用這些設計的情況下，可提供管道以使第一槽和第二槽的內容物混合，並且獨立地排放第一隔室以實現閒置狀態操作，從而減少添加劑的消耗。自耗陽極的侵蝕與氫離子跨第二膜流動而使銅離子保留在第一隔室中並且減少銅離子進入到第二隔室內的輸送有關，並且氫離子跨第二膜的流動減少了銅離子進入到第三隔室內的輸送，從而減少了惰性陰極上的銅沉積。

圖9示出了系統220，該系統220類似於圖8但是具有支援器222，該支持器222被改進以產生流動途徑224，該流動途徑224允許圍繞銅陽極的電解液向上流動並且流出支持器以及流入槽202中的室陰極電解液內。在此系統中，可停止進入含有陽極的補充器內的流，以使補充器進入閒置狀態。第一隔室或其它隔室可具有用於閒置狀態操作的獨立排放口，以減少添加劑的消耗。

圖10示出了系統230，該系統230類似於圖8和圖9，並且具有向槽202中的室陰極電解液敞開的支援器232，以及使用如圖6和圖7所示的第三槽182和補充器膜178。三隔室系統可設計為如圖5所示，但是不具有膜74(並且不具有任選的補充器陽極電解液槽96)，從而使得銅顆粒與室陰極電解液接觸並且避免水滲析。可通過停止室陰極電解液穿過線上補充器的流動來使如圖5所示但是不具有膜74的線上系統置於閒置狀態中。這將保 護大室陰極電解液槽中的添加劑不與塊狀陽極材料或者塊狀銅接觸。

如上所述的系統可具有僅三個隔室。例如，可刪去補充器陽極電解液/室陰極電解液膜。這避免了容器陰極電解液中的積水，積水為高安培-分鐘處理中的極具挑戰性的問題。還可刪去隔離電解液區段(isolyte section)，其中陽極電解液以完全分開的槽/流動途徑流動至處理腔室。可通過陰極維護保養和/或排補來減少更多Cu++離子到達補充器陰極的影響。

如所描述的，補充器可放置在用於工具的容器陰極電解液槽中。這避免將容器陰極電解液泵送/管道傳送至補充器。在此設計中，補充器可具有包括補充器陽極隔室的第一區段或框。第二區段或框容納陽極電解液和補充器陰極電解液。它們彼此相鄰放置，其間具有間隙，以允許容器陰極電解液在補滿補充器和補充槽中的銅之間傳送。如果在補充器中不存在陽極電解液膜，則可將銅直接放置到系統容器陰極電解液槽內，鄰近於由陽極電解液/陰極電解液隔室組成的半補充器。當使用銅顆粒作為陽極時，該顆粒可完全填充隔室，並且甚至觸及膜，以最小化補充器壓降並且簡化自耗陽極材料的再補充。

所描述的系統還可被設計為具有被垂直而非水平固持的晶圓。該膜為離子型膜。

跨陽離子膜的電流流動由膜上游(相對於離子電流流動)側上的浴液中的正離子運輸。在銅酸浴中，這 些正離子為銅離子和氫離子。總電流為由銅離子運輸的分流電流和由氫離子運輸的分流電流的總和。低酸浴具有非常少的氫離子，因此銅離子分流電流非常高(例如，在第一隔室中)。高酸浴含有高濃度的氫離子。當這些離子比銅離子更易移動時，氫離子分流電流非常高。氫離子分流電流可為大於跨膜總電流的90%。相應地，銅離子分流電流可為小於跨膜總電流的10%。理想地，跨第二膜的電流均為氫離子，以使得銅補充效率為100%。然而，如果情況不是這樣，則可能需要增大補充室電流或者可能需要排補，以便補償較低的銅補充效率。作為使用氣體噴佈的補充或替代，可使用穿過不同隔室的泵送的或強迫流，如在高電流下，焦耳加熱可能需要強迫流穿過隔室，以避免溫度升高。

20:電鍍處理器

22:頭部

24:轉子

28:馬達

30:接觸環

32:波紋管

35:接觸指

38:電鍍容器

40:內部陽極

42:外部陽極

41:圓槽

42:單一外部陽極

43:陽極板材

44:電場成型單元

46:電流取樣電極

50:晶圓

60:電連接器

70:補充器

72:陰極電解液返回管線

74:補充器

78:容器陰極電解液供給管線

84:補充器電解液返回管線

86:補充器電解液供給管線

98:腔室

106:陰極電解液室

112:補充器室

Claims (15)

1. 一種電鍍系統，該電鍍系統包含：至少一個電鍍容器，該至少一個電鍍容器具有與一處理陽極電解液接觸的至少一個惰性陽極；一頭部，該頭部用於固持一晶圓，該晶圓具有一傳導性的種晶層，該傳導性的種晶層與一容器陰極電解液接觸；一電流取樣膜管，位於該電鍍容器的該處理陽極電解液中並包含一取樣電解液，該取樣電解液連接一負電壓源以減少該晶圓的邊緣處的電流密度；一接觸環，該接觸環具有電觸點以進行至該傳導性的種晶層的電接觸，並且用於密封該晶圓；一第一電壓源，該第一電壓源將該至少一個惰性陽極連接至該傳導性的種晶層，其中該第一電壓源使得電流在該陽極和該傳導性的種晶層之間流動，這使得該惰性陽極處的水轉化成氧氣和氫離子並且銅離子從該容器陰極電解液沉積到該晶圓上；一外部三隔室處理器，該外部三隔室處理器用於補充該容器陰極電解液，該外部三隔室處理器包括：一第一隔室，該第一隔室含有塊狀銅材料和一低酸性電解液；一第二隔室，該第二隔室含有該容器陰極電解液 並且通過一第一膜與該第一隔室分隔開；一第三隔室，連接該電流取樣膜管，該第三隔室含有一惰性陰極和該取樣電解液並且通過一第二膜與該第二隔室分隔開；和一第二電壓源，該第二電壓源將該塊狀銅材料連接至該惰性陰極，其中該第二電壓源使得電流在該惰性陰極和該傳導性的種晶層之間流動，這使得該塊狀銅材料被侵蝕成跨該第一膜輸送電流的銅離子，以補充該容器陰極電解液。
2. 如請求項1所述的系統，進一步包括：在該容器中的一容器膜，該容器膜使該處理陽極電解液與該容器陰極電解液分隔開。
3. 如請求項1所述的系統，進一步，其中，該惰性陽極包括一惰性導線，該惰性導線在含有該處理陽極電解液的一膜管道內部。
4. 如請求項1所述的系統，其中，該塊狀銅材料包括銅顆粒。
5. 如請求項1所述的系統，其中，該惰性陰極材料包括一包鉑導線網格或者板材。
6. 如請求項1所述的系統，進一步包括，一氮氣噴佈出口，該氮氣噴佈出口在該第三隔室中用於攪動和稀釋氫氣。
7. 如請求項1所述的系統，進一步包括，一氮氣噴佈出口，該氮氣噴佈出口在該第一隔室中用於攪動和減少塊狀銅材料的氧化。
8. 如請求項1所述的系統，進一步包括，一氮氣噴佈出口，該氮氣噴佈出口在該第二隔室中用於攪動。
9. 如請求項1所述的系統，進一步包括，一去離子水來源，該去離子水來源用於補充水至該第一隔室，以補償由於跨該第一膜運輸而造成的水分損失。
10. 如請求項1所述的系統，進一步包括，一去離子水來源，該去離子水來源連接到該第三隔室。
11. 如請求項1所述的系統，進一步包括，一蒸發器，該蒸發器用於從該第二隔室去除水。
12. 一種電鍍系統，該電鍍系統包括：至少一個電鍍容器，該電鍍容器具有與一處理陽極電解液接觸的至少一個惰性陽極並且通過一膜與一容器陰極電解液分隔開；一頭部，該頭部用於固持一晶圓，該晶圓具有一傳導性的種晶層，該種晶層與該容器陰極電解液接觸；一接觸環，該接觸環具有電觸點以與該傳導性的種晶層進行電接觸；一第一電壓源，該第一電壓源將該至少一個惰性陽 極連接至該傳導性的種晶層，其中該第一電壓源使得一電流從該惰性陽極流動至該傳導性的種晶層，從而使得該惰性陽極處的水轉化成氧氣和氫離子並且使銅離子從該容器陰極電解液沉積到該晶圓上的該傳導性的種晶層上；一外部三隔室處理器，該外部三隔室處理器用於補充該容器陰極電解液，該外部三隔室處理器包括：一第一隔室，該第一隔室含有塊狀銅材料和該容器陰極電解液；一第二隔室，該第二隔室含有陽極電解液並且通過一第一膜與該第一隔室分隔開；一第三隔室，該第三隔室含有一惰性陰極和一傳導性電解液並且通過一第二膜與該第二隔室分隔開；一第二電壓源，該第二電壓源將該塊狀銅材料連接至該惰性陰極，其中該第二電壓源使得電流在該惰性陰極和該傳導性的種晶層之間流動，並且使得該塊狀銅材料被侵蝕成銅離子以補充該容器陰極電解液，其中氫離子跨該第二膜流動而使銅離子保留在該第一隔室中並且減少銅離子到該第二隔室內的輸送，並且氫離子跨該第二膜的流動減少了銅離子到該第三隔室內的輸送，從而減少了到該惰性陰極 上的銅沉積。
13. 如請求項12所述的系統，進一步包括，在該第三隔室中的一處理陽極電解液。
14. 如請求項12所述的系統，其中，該容器陰極電解液和陽極電解液通過一膜分隔開。
15. 一種電鍍系統，該電鍍系統包括：至少一個電鍍容器，該電鍍容器容納一處理陽極電解液和一容器陰極電解液，其中至少一個惰性陽極與該處理陽極電解液接觸並且通過一膜與該容器陰極電解液分隔開；一頭部，該頭部用於固持一晶圓，該晶圓具有一傳導性的種晶層，該傳導性的種晶層與該容器陰極電解液接觸；一接觸環，該接觸環在該頭部上，具有電觸點以進行至該傳導性的種晶層的電接觸，並且用於密封該晶圓；一第一電壓源，該第一電壓源將該惰性陽極連接至該傳導性的種晶層，其中該第一電壓源使電流在該惰性陽極和該傳導性的種晶層之間流動，這使得該惰性陽極處的水轉化成氧氣和氫離子並且使銅離子從該容器陰極電解液沉積到該晶圓上的該傳導性的種晶層上； 一外部四隔室補充器，該外部四隔室補充器用於補充該容器陰極電解液，該外部四隔室補充器包括：一第一隔室，該第一隔室含有塊狀銅材料和該容器陰極電解液；一第二隔室，該第二隔室含有該容器陰極電解液並且通過一第一膜與該第一隔室分隔開；一第三隔室，該第三隔室含有處理陽極電解液並且通過一第二膜與該第二隔室分隔開；一第四隔室，該第四隔室含有一惰性陰極和一高酸性電解液並且通過一第三膜與該第三隔室分隔開；一第二電壓源，該第二電壓源將該塊狀銅材料連接至該惰性陰極，其中該第二電壓源使電流從該塊狀銅材料流動至該惰性陰極，這使得該塊狀銅材料被侵蝕成跨該第一膜輸送電流的銅離子，以補充該容器陰極電解液，其中氫離子跨該第二膜流動而使銅離子保留在該容器陰極電解液中並且減少銅離子到該第三隔室內的輸送，氫離子跨該第三膜的流動減少了銅離子到該第四隔室內的輸送，從而減少了到該惰性陰極上的銅沉積。

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