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CN107275292B - 电化学处理器中的密封环 - Google Patents

电化学处理器中的密封环 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于电化学处理器的密封环，所述密封环在按压抵靠晶片表面时不横向滑移或偏转。所述密封环可在处理器的转子上，其中密封环具有外壁，所述外壁通过末端接合至尖端圆弧。所述外壁可为直壁。相对刚性的支撑环可附接至密封环，以提供更精确的密封尺寸。也可使用在晶片表面上横向地滑移或偏转的刀口密封环。在这些设计中，滑移是大体上均匀且一致的，从而产生改进的性能。

Description

电化学处理器中的密封环
本申请是申请日为2013年5月17日、申请号为201310183105.0、发明名称为“电化学处理器中的密封环”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及电化学处理器中的密封环。
背景技术
半导体集成电路和其它微尺度装置的生产通常需要在晶片或其它基板上形成多个金属层。通过与诸如平坦化、蚀刻和光刻的其它步骤结合电镀金属层，产生形成微尺度装置的图案化金属层。
电镀是在液体电解质浴中对基板或基板的一侧进行，并且电镀是对接触基板表面上的导电层的电接触进行。使电流通过电解质和导电层。电解质中的金属离子沉积或者析出至基板上，从而在基板上产生金属层。金属离子也倾向于析出至电接触上。这种称为“集中电镀(plate-up)”的影响改变电接触周围的电场，从而产生不均匀的电镀。因此，电镀至电接触上的金属必须被移除，增加了制造工艺的时间要求和复杂性。
已经发展所谓的干燥或封闭接触环以避免接触的集中电镀。在这些设计中，密封环将电解质远离电接触密封。电接触在基板的周边接触基板上的导电层。密封环沿电接触径向向内地接触基板表面，以便接触保持与电解质隔离。
尽管在干燥接触环中使用密封件解决集中电镀问题，但是干燥接触环具有所述干燥接触环自身的缺点。最初，干燥接触环的密封件必要地接触或覆盖基板表面上的环形区域，所述区域不可用来形成装置。因此，如果使用密封件，那么必须牺牲一小部分可用的基板表面。密封件也绝不可过度干扰围绕晶片边缘的电场，否则将降低电镀品质。在一些处理器中，密封件也可以在连续的晶片电镀周期期间集中电镀(即，金属变得电镀至密封件上)。避免密封件集中电镀在提供均匀的高品质金属电镀晶片中也是重要的。密封件也必须在大量电镀周期期间可靠地且一致地执行，没有泄漏并且在电镀周期之后最少地粘附至晶片。
发明内容
设计密封环以使密封环在抵靠晶片表面密封时不会滑移。所述密封环可在处理器的转子上，其中所述密封环具有外壁，所述外壁接合至尖端圆弧。所述外壁可为直壁。相对刚性的支撑环可附接至所述密封环，以提供更精确的密封尺寸。密封件可选择性地模制在例如金属支撑环上。也可使用在晶片表面上横向地滑移或偏转的刀口密封环。在所述设计中，滑移是大体上均匀且一致的，从而产生改进的性能。本密封环也具有与晶片接触的最小区域，如此提高了产量。
附图说明
在图中，相同元件符号指示每一图中的相同元件。
图1是电化学处理器的剖视图。
图2是支撑在提升/旋转机构上的图1中所示的头部的剖视图。
图3至图5是现有技术密封组件的视图。
图6是第一密封组件的放大剖视图。
图7是图6中所示的密封组件的进一步放大详细视图。
图8和图9是第二密封组件的放大剖视图。
图10是示出图8和图9中所示的密封组件的变形的剖视图。
图11是示出与基板接触的第三密封组件的剖视图。
具体实施方式
如图1中所示，电化学处理器20在头部22中具有转子24。转子24包括背板26和接触环30，接触环30具有密封件80。接触环致动器34垂直地(沿图1中的方向T)移动接触环30，以将接触环30和密封件80啮合至晶片或基板50的面向下的表面上。波纹管32可用来密封头部的内部部件。接触环通常具有金属指状物，所述金属指状物接触晶片50上的导电层。头部22被定位以将基板50放置到容纳在底座36的容器38中的液体电解质浴中。一或多个电极与液体电解质接触。图1示出具有由单个外电极42围绕的中心电极40的设计，然而也可使用多个同心外电极。可将由介电材料制成的电场整形单元44定位在电极与晶片之间的容器中。
可选择性地包括隔膜60，其中阳极电解液在隔膜之下的下腔室中，并且阴极电解液在隔膜60之上的上腔室中。电流自电极穿过电解质传递至晶片上的导电表面，如所属领域中众所周知。头部中的电动机28可用来在电镀期间旋转晶片。如图2中所示，头部22可支撑在提升/旋转机构62的臂74上，提升/旋转机构62具有升降机72和旋转器76。提升/旋转机构62可用来将头部22旋转或翻转至头部朝上位置中，以将晶片装载至头部22中并且卸载晶片。然后，旋转器将头部旋转至头部朝下位置中，并且升降机将头部22下降至底座上的处理位置中。替代地，头部22可支撑在不具有任何旋转器的升降机上。在这种设计中，在头部22保持在图2中所示的头部朝下位置中的情况下装载并卸载晶片。
在电化学处理器中已使用各种密封件设计。图3至图5示出一个实例。覆盖较宽表面区域的密封件可较好地跨越晶片上的通孔或类似特征。然而，所述密封件在电镀周期之后易于粘附至晶片表面上，并且所述密封件也不具有如较窄设计一样高的顺应性。较宽密封件可因此也无法密封在具有高度变化的特征上。
如果典型的o形环夹紧在两个密封表面之间，那么所述o形环可自然地不具有滑移。然而，电镀处理器中的夹紧的o形环密封件设计将需要非常高的结构，所述结构将在晶片的边缘干扰电场和质量转移，并且所述结构易于捕获气泡。因此，在电镀处理器中，密封件通常是横梁状或悬臂式结构的尖端/边沿处的合成橡胶，诸如图4中所示。当装载并且偏转所述结构时，存在易于使密封件径向向内滑动的径向尖端移动。密封件是否滑动和滑动多少是密封件与晶片表面之间的摩擦力的函数。与晶片上的光掩模层相比，晶片表面上的铜覆盖的覆盖层可对密封件具有非常不同的摩擦力。
密封件行为的分析和数学建模显示出，密封件尖端在如图10中所示啮合晶片时可径向向内或向外地滑移或偏转。密封件可替代地粘附在一些表面上并且不滑动。如果密封件在晶片的一些部分上滑动并且在其他部分上不滑动，那么可在滑移区域与粘附区域之间发生泄漏。并且，暴露的电镀区域和电镀均匀性可不利地受滑动影响。
然而，已知的密封件或变化的设计在与不同电解质和晶片表面一起使用时可能或可能不滑动。例如，密封件可能在铜种晶晶片上不滑移，但是在光刻胶涂布的晶片上滑移，从而对于各种工艺给出不一致的结果。因为用于300mm(12英寸)晶片的标称晶片啮合力为约14kgf至23kgf(30lbs至50lbs)，所以如果密封件在一些晶片上滑移且在其他晶片上不滑移，那么可存在密封件顺应性和边缘排除的显著变化。或许，如果密封件在相同晶片上滑移至不同程度(即如果密封件仅在晶片的一侧上滑移)，那么甚至可产生更不一致的结果。
可通过设计在各种晶片表面上一致且均匀滑动的密封件来实现改进的密封性能。可通过设计完全成功抗滑的密封件来实现改进的密封性能，其中密封件尖端在啮合至晶片上期间无滑动的情况下压缩或变形。
图6和图7示出抵抗滑动的密封组件100。在这种无滑动设计中，密封材料(如氟橡胶)的模制密封环102附接至由例如金属制成的支撑环104上。支撑环104可为0.25mm至0.75mm(0.01英寸至0.03英寸)厚的不锈钢。可将支撑环104的内边缘插入或定位在密封环102中的凹槽106中。在图6至图7中，为了说明的目的，将密封组件100面向下倒置地示出。当安装在电化学处理器20中时，密封组件面向上，在与图3至图5中所示的密封组件80相同的定向上。因此，虽然图6中的表面103被称为顶表面，但是在使用中，表面103在密封组件100的底部。作为图6中所示设计的替代，密封件可全模制(over-molded)在支撑环上，而非使用嵌件或其它机械元件附件。
仍参考图6和图7，在密封环102的内径108处的圆弧段110自密封环102的平坦顶表面103过渡至直分段112。直分段112过渡或接合至尖端圆弧116中，所述直分段可为大体上垂直的。末端半径118在尖端圆弧116与外壁120之间延伸，所述外壁可为直的，并且所述外壁还可平行于直分段112。
末端半径118可在0.025mm至0.125mm(0.001英寸至0.005英寸)的范围之间或在0.025mm至0.075mm(0.001英寸至0.003英寸)的范围之间。尖端圆弧116的半径可在0.25mm至0.75mm(0.010英寸至0.30英寸)的范围之间或在0.40mm至0.60mm(0.015英寸至0.025英寸)的范围之间。图6中的尺寸HH(密封环102的高度)可在1.25mm至5mm(0.05英寸至0.20英寸)的范围之间或在2mm至4mm(0.08英寸至0.15英寸)的范围之间。尺寸II可在0.7mm至1.7mm(0.03英寸至0.07英寸)的范围之间或在1mm至1.5mm(0.04英寸至0.06英寸)的范围之间。为直分段112的内径的尺寸WD可通常为294.6mm至296mm(11.600英寸至11.640英寸)，以用于300mm(12英寸)的晶片。WD当然将随要处理的晶片的直径而变化。对于450mm(18英寸)直径的晶片，WD可为447mm至448mm(17.60英寸至17.64英寸)。内径122的半径可为0.15mm至0.25mm(0.006英寸至0.010英寸)，所述内径122将外壁120接合至密封环102的底表面124。
图6和图7中所示的密封环102为无滑移设计，因为将所述密封环102按压至与晶片接触时几乎没有滑移。密封环102的末端118接触晶片上的窄环形表面，所述窄环形表面通常为0.12mm至0.37mm或0.62mm(0.005英寸至0.015英寸或0.025英寸)宽。末端118并不向内或向外滑移或偏转。接触环30是由致动器34拉升以将密封环102和位于接触环上的电接触移动至与晶片接触。
可选择密封件的不同分段的尺寸以实现低滑移或零滑移设计。在使用中，密封件结构的一个分段或区域(即环104和超过圆弧段110周围的结构的合成橡胶)稍微向上偏转并且使尖端径向向内移动，同时另一分段(即尖端圆弧116和壁120)径向向外偏转。可设计密封件，以便密封件结构的一个部分上的径向向内运动是由所述结构的另一部分的径向向外运动来匹配。随后的结果是在末端118处的净滑动运动最小，例如，小于0.5mm、0.25mm、0.2mm、0.1mm、0.05mm，或甚至为零。
对于11.62ID的密封环，施加至密封环102的接触力可自约40磅变化至约120磅。接触力使末端118和尖端圆弧116几乎没有滑动地变形。这种无滑移设计(使用相对刚性的金属支撑环104耦接)给予更精确的密封尺寸，此举当使图案移动得更接近于晶片的边缘时提高了产量。当密封件啮合晶片时，无滑移密封环102在给定力下具有顺应性和少量偏转，并且密封件末端118并不倾向于沿横向方向移动。如此避免末端118根据自身滚动和影响密封性能的可能性。
图8和图9示出替代性密封组件，所述替代性密封组件具有含刀口设计的密封环130。如图9中所示，密封环130具有圆弧段110和直分段134，直分段134形成具有外角表面138的刀口136。外径140自密封环130的水平表面延伸至外角表面138。可在环板104中提供环孔105。密封环130可在其它方面类似于密封环100。
在使用中，密封环130的刀口在内径处啮合晶片。对于指定施加的接触力，密封环130将偏转更多。然而，滑移的偏转是均匀的。参考图8，CC可为0.25mm至1.5mm或0.5mm至1mm(0.01英寸至0.06英寸或0.02英寸至0.04英寸)。角度DD可为10度至30度或15度至25度。角度FF可为25度至55度、30度至40度或35度至45度。半径EE可为0.5mm至0.75mm(0.02英寸至0.03英寸)。
图11示出以面向上位置图示的反向刀口密封件150。反向刀口密封件150可具有含内壁154和外壁156的末端或梯形分段152，和与内壁156形成钝角KK的顶表面158。角KK可在90度至130度的范围之间或在100度至120度的范围之间。壁154和壁156以及顶表面158可为直的。内壁154与顶表面158形成刀口160。在顶表面158与晶片表面之间形成保护区域162。末端分段152经由内径164和外径166过渡至密封环150的水平顶表面和底表面。如图11中所示，在密封环150啮合至晶片50上的情况下，表面158与晶片表面形成锐角JJ，其中锐角JJ在10度至45度之间。
密封环150具有类似刀口密封环130的相对高的局部顺应性。密封环150也可在密封件-晶片界面处直接帮助保护电镀速率。这样可帮助减少由于密封材料对于一些化学过程的集中电镀导致的密封失效。密封环130和密封环150两者使用比传统设计少的表面区域来密封。密封环130恰好在密封件的内径处密封。密封环150将内侧密封唇拉至密封件(更接近于晶片的边缘)。产生密封唇的点的下表面现处于密封件的前部。这样产生保护密封唇免于高电流密度的悬垂部分。悬垂部分162可减少晶片接触密封件的局部电镀速率，并且悬垂部分162可减少密封件集中电镀的倾向。

Claims (8)

1.一种用于电化学处理器(20)中使用的密封件，包括：
密封环(100)，所述密封环(100)具有平坦、水平顶表面(103)；
圆弧段(110)，所述圆弧段(110)在所述密封环的内径处从所述密封环的所述平坦水平顶表面延伸至所述密封环的垂直直分段(112)；
尖端圆弧(116)，所述尖端圆弧(116)位在所述密封环上，具有在外壁(120)底端处的末端半径(118)，以用于接触在所述电化学处理器中被处理的基板(50)，所述外壁平行于所述垂直直分段；
支撑环(104)，所述支撑环(104)支撑所述密封环，所述支撑环的内边缘插入在所述密封环中的面向外的水平凹槽(106)。
2.如权利要求1所述的密封件，所述尖端圆弧在与基板啮合期间在所述基板无滑移的情况下压缩。
3.如权利要求1所述的密封件，其中所述外壁为直的且垂直的，并且所述外壁平行于所述垂直直分段(112)。
4.如权利要求1所述的密封件，所述密封环的高度为1.25mm至5mm。
5.如权利要求1所述的密封件，其中所述密封环的内径为294.6mm至295.7mm。
6.如权利要求1所述的密封件，所述尖端圆弧具有曲度以在所述末端半径(118)处接触晶片上的窄环形表面。
7.如权利要求1所述的密封件，所述末端半径具有0.025mm至0.125mm的曲率半径。
8.如权利要求1所述的密封件，其中所述支撑环包含金属，并且所述密封环包含氟橡胶。
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