專利名稱：多化學劑電鍍系統的制作方法
發明
背景技術：
領域本發明的實施例一般涉及一種電化學電鍍系統。
背景技術：
亞1/4微米大小的器件(features)的金屬化是現在和未來幾代集成電路制造工藝的基本技術。更具體地說，在像超大規模集成類型器件這樣的器件中，即在具有超過百萬邏輯門的集成電路的器件中，位于這些器件中心處的多層互連一般是通過用導電材料如銅來填充高縱橫比，即大于約4∶1的互連器件而形成的。傳統上，是使用沉積技術如化學氣相沉積(CVD)和物理氣相沉積(PVD)來填充這些互連器件。但是，隨著互連件尺寸的減小和縱橫比的提高，通過傳統金屬化技術來進行無空隙互連器件填充變得越加困難。因此，出現了(電)鍍技術，即電化學鍍(ECP)和化學鍍技術，作為有前途的工藝，用于集成電路制造工藝中的亞1/4微米大小的高縱橫比互連器件的無空隙填充。
借助ECP工藝，舉例來說，形成于襯底的表面(或沉積在該表面上的層)中的亞1/4微米大小的高縱橫比器件可用導電材料來有效地填充。ECP電鍍工藝一般是兩階段工藝，其中首先(一般通過單獨設備中的PVD、CVD或其它沉積工藝)在襯底的表面器件上形成一晶種層(seed layer)，然后將襯底的表面器件暴露于電解液溶液(在ECP設備中)，同時在晶種層與處于電解液內的銅陽極之間施加電偏壓。電解液一般包含要鍍到襯底表面上的離子，因而電偏壓的應用便使得這些離子被鍍到被偏壓晶種層上，由此將一層能夠填充器件的離子沉積在襯底表面上。
一旦電鍍工藝完成，一般就將襯底傳送到至少一個襯底沖洗槽或斜邊清洗槽(bevel clean cell)。斜邊清洗槽一般被設置成，可將蝕刻劑分布在襯底的周邊或斜邊(bevel)上，以除去鍍在該處的多余金屬。襯底沖洗槽，經常被稱作旋轉沖洗干燥槽，一般工作是用沖洗溶液沖洗襯底表面(前面和后面)，以除去其上的任何污染物。而且，沖洗槽通常被設置成以高速來旋轉襯底，從而甩掉附著在襯底表面的任何殘余流體液滴。一旦殘余流體液滴被甩掉，襯底一般就既清潔又干燥，且因此準備好從ECP設備中移走。斜邊清洗槽一般工作是通過將蝕刻劑溶液分布到斜邊，同時使襯底在流體分配噴嘴下轉動，來清洗襯底的斜邊。蝕刻劑溶液用于清洗斜邊上在電鍍過程期間產生的任何多余物質。
然后，一般將經過清洗/沖洗的襯底傳送到熱處理室，在該熱處理室中將襯底加熱到足夠的溫度，從而對沉積的膜進行熱處理。然而，傳統電鍍系統的生產能力可能會受到熱處理室的效率限制，這是因為電鍍后半導體襯底的熱處理工藝可能需要數分鐘的時間。而且，一旦熱處理工藝完成，受到熱處理的襯底一般要用數分鐘的時間冷卻到允許將其傳送到另一個處理室或設備的溫度。
本發明的實施例概括地說提供了一種電化學電鍍系統，該系統具有能夠使用多種化學劑的多個電鍍槽、一個襯底沖洗槽、一個襯底清洗槽以及一個雙位置熱處理室，所有這些均與所述電化學電鍍系統相連通。

發明內容
本發明的實施例概括地說提供一種電化學電鍍系統。該電鍍系統包括一襯底裝載站，其與一主框架處理平臺相連；至少一個襯底電鍍槽，其位于主框架上；至少一個襯底斜邊清洗槽，其位于主框架上；以及一疊層襯底熱處理站，其與所述主框架和裝載站至少其中之一相連，疊層襯底熱處理站中的各個室具有位于該室之內的加熱板、冷卻板和襯底傳送機械手。
本發明的實施例概括地說提供一種電化學電鍍系統，該電鍍系統包括一個襯底裝載站，其與一主框架處理平臺相連；至少一個襯底電鍍槽，其位于主框架上；至少一個襯底斜邊清洗槽，其位于主框架上；以及一個疊層襯底熱處理站，其與主框架和裝載站至少其中之一相連，疊層襯底熱處理站中的各個室具有位于該室之內的加熱板和冷卻板。
本發明的實施例進一步提供一種多化學劑電鍍系統。該電鍍系統包括多個電鍍槽，其位于一共用平臺上；一個清洗槽，其位于上述平臺上；一個熱處理室，其與平臺相連；以及一個多化學劑流體傳輸系統，其與平臺相連，并與多個電鍍槽流體連通，該流體傳輸系統被設置成可混合并分配多種流體溶液到多個電鍍槽中的每個電鍍槽。
本發明的實施例進一步提供一種電化學電鍍系統，其具有一中央主框架，中央主框架上設置有一襯底傳送機械手。該主框架包括混合裝置，其用于混合多種電鍍化學劑，與主框架相連；多個電化學電鍍槽，其位于主框架上；用于傳輸多種化學溶液到多個電化學電鍍槽中的每一電鍍槽的裝置；傳輸裝置，其與混合裝置流體連通；從襯底斜邊除去多余沉積物的裝置；沖洗和干燥襯底的裝置；以及熱處理襯底的裝置。
本發明的實施例進一步提供一種多化學劑電化學電鍍系統。該系統包括位于處理平臺上的電化學電鍍槽。該電化學電鍍槽包括一槽體，其設置成可容納電鍍溶液，且其上有一個溢流堰；一個陽極，其位于槽體中；一個離子隔膜，其在陽極上方和溢流堰下方的位置跨過槽體，該隔膜將其下方的陽極液室與其上方的陰極液室分開；以及一個多孔擴散部件，其在槽體中位于隔膜的上方和溢流堰的下方。該系統進一步包括一個位于處理平臺上的襯底清洗槽，以及一個與處理平臺相連的疊層襯底熱處理站。


為了使得本發明的上述特征能夠得到更詳細的理解，可引用實施例，對上面簡要概述的本發明進行更具體的描述，其中一些實施例圖示于附圖中。但應注意，附圖僅說明本發明的典型實施例，因此并不能被認為是對其范圍的限制，這是因為本發明能夠有其它等效的實施例。
圖1是本發明的電化學電鍍系統的一個實施例的俯視圖。
圖2說明在本發明的電化學電鍍槽中使用的電鍍槽的一個示例性實施例。
圖3展示本發明的一示例性熱處理系統的透視圖。
圖4展示本發明的一示例性熱處理室的頂部透視圖。
圖5展示本發明的一示例性機械手葉片(blade)的底部透視圖。
圖6展示所述熱處理室的加熱板的部分剖開的透視圖。
圖7展示所述加熱板的底部的透視圖。
圖8展示本發明的一示例性襯底旋轉沖洗干燥槽的部分透視和剖視圖。
圖9展示本發明的另一示例性襯底旋轉沖洗干燥槽的部分透視和剖視圖。
圖10A展示本發明的旋轉沖洗干燥槽的一示例性襯底接合銷(engaging finger)的頂部透視圖，其中所述銷處于閉合位置。
圖10B展示本發明的旋轉沖洗干燥槽的一示例性襯底接合銷的頂部透視圖，其中所述銷處于開啟位置。
圖10C展示本發明的旋轉沖洗干燥槽的一示例性襯底接合銷的側向透視圖，其中所述銷處于閉合位置。
圖10D展示本發明的旋轉沖洗干燥槽的一示例性襯底接合銷的側向透視圖，其中所述銷處于開啟位置。
圖11展示本發明的一示例性轂盤(hub)組件的剖視圖。
圖12展示所述轂盤組件底部的頂部透視圖。
圖13展示本發明的一示例性斜邊清洗槽的頂部透視圖。
圖14展示本發明的斜邊清洗槽的一示例性背面流體分配集合管的頂部透視圖。
圖15展示本發明的一示例性襯底定心機構的透視圖。
圖16展示本發明的一示例性襯底定心機構的剖視圖。
圖17展示本發明的一示例性襯底定心部件的俯視圖。
圖18展示本發明的一示例性流體傳輸系統。
圖19展示本發明的一種示例性容器和管道的設置。
圖20展示本發明的一流體容器內部組件的透視圖。
圖21展示本發明的一示例性流體容器的俯視圖。
圖22展示本發明的流體容器的示例性內壁組件的透視圖。
圖23展示本發明的一示例性容器的部分透視和剖視圖。
圖24展示電鍍槽和上端組件在傾斜過程中的剖視圖。
圖25展示電鍍槽和上端組件在浸入過程即在垂直動作過程中的剖視圖。
圖26展示電鍍槽和上端組件在浸入之后的傾斜過程中的剖視圖。
圖27展示電鍍槽和上端組件在浸入過程中的剖視圖，其中上端組件正將襯底置于電鍍溶液中的更深處。
圖28展示位于處理位置處的電鍍槽和上端組件的剖視圖。
圖29展示襯底區域在浸入過程中的示意圖。
具體實施例方式
本發明的實施例概括地說提供了一種多化學劑電化學電鍍系統，其被設置成用于在半導體襯底上鍍上導電材料。該電鍍系統一般包括與襯底處理平臺相連的襯底裝載區域。該裝載區域一般被設置成用于接收襯底容納盒，并將自該盒接收到的襯底傳送到處理平臺進行處理。所述裝載區域一般包括一機械手，其被設置成用于將襯底傳進和傳出盒，并將襯底傳送到處理平臺，或傳送到與裝載區域、處理平臺相連的襯底熱處理室，或傳送到位于裝載站和處理平臺之間的連接通道(link tunnel)。所述處理平臺一般包括至少一個襯底傳送機械手和多個襯底處理槽，即ECP槽、斜邊清洗槽、旋轉沖洗干燥槽、襯底清潔槽和/或化學鍍槽。本發明的系統能夠將干燥襯底引入濕法處理平臺，其中可在一整體系統平臺上完成電鍍、清潔(表面和斜邊)、干燥和熱處理過程。電鍍過程可使用多種電鍍化學劑，且所述系統輸出的是干燥、清潔(表面和斜邊均清潔)并經熱處理的襯底。
圖1說明本發明的ECP系統100的俯視圖。ECP系統100包括裝置接口(factory interface)(FI)130，一般也被稱為襯底裝載站。裝置接口130包括多個襯底裝載站，其被設置成為與襯底容納盒134相接。機械手132被放置在裝置接口130中，被設置成拾取容納在盒134中的襯底。而且，機械手132也伸入連接通道115中，該通道將裝置接口130連接到處理主框架或平臺113。機械手132的位置讓機械手能夠進入襯底盒134，從而將襯底從該襯底盒取出，并隨后將襯底輸送到位于主框架113上的處理槽114、116其中之一，或者可選地輸送到熱處理站135。類似地，在襯底處理程序完成之后，可用機械手132將襯底從處理槽114、116或熱處理室135中取出。此時，機械手132可將襯底傳送回其中一個盒134，以將其從系統100取出。
熱處理站135(在這里將對其做進一步論述)，一般包括一個雙位置處理室，其中冷卻板/位136和加熱板/位137與襯底傳送機械手140相鄰，該機械手靠近這兩個站，例如位于這兩個站之間。機械手140一般被設置成在相應的加熱板137和冷卻板136之間移動襯底。而且，雖然熱處理室135被描述為其位置接近連接通道115，但本發明的實施例并不限于任何具體的設置或布置。因此，熱處理站135可被設置成與主框架113直接相連，即被主框架機械手120進入，或任選地，熱處理站135可被設置成與主框架113相連，即熱處理站被設置在與主框架113相同的系統中，但不與主框架113直接接觸或者說主框架機械手120不可進入。例如，如圖1所示，熱處理站135可被設置成與連接通道115直接相連，該連接通道允許進入主框架113，而在此情況下，熱處理室135就被描述為與主框架113相連。
如上所述，ECP系統100還包括處理主框架113，該主框架有一個定位于其中心處的襯底傳送機械手120。機械手120一般包括一個或多個臂/葉片122、124，上述臂/葉片其被設置成在其上支撐和傳送襯底。而且，機械手120及其葉片122、124一般被設置成可伸長、轉動和垂直移動，從而使機械手120能針對位于主框架113上的多個處理位置102、104、106、108、110、112、114、116插入和取出襯底。同樣地，裝置接口機械手132也具有這樣的能力轉動、伸長和垂直移動其襯底支撐葉片，同時還能夠沿機械手軌道做直線運動，該機械手軌道從裝置接口130延伸到主框架113。一般地說，處理位置102、104、106、108、110、112、114、116可以是電化學電鍍平臺所使用的任何數量的處理槽。更具體地說，所述處理位置可被設置成電化學電鍍槽、沖洗槽、斜邊清洗槽、旋轉沖洗干燥槽、襯底表面清潔槽(集中包括清洗、沖洗和蝕刻槽)、化學鍍槽、計量檢測站，和/或其它能夠有利地與電鍍平臺結合使用的處理槽。各個處理槽和機械手一般都與處理控制器111相連，其可為一基于微處理器的控制系統，被設置成從使用者和/或位于系統100上的各種傳感器接收輸入信息，并根據輸入信息適當地控制系統100的操作。
在如圖1所示的示例性電鍍系統中，處理位置被設置如下處理位置114和116可被設置成處于主框架113上的濕法處理站與干法處理區域之間的一個接口(interface)，上述干法處理區域位于連接通道115、熱處理室135和裝置接口130中。位于所述接口位置處的處理槽可以是旋轉沖洗干燥槽和/或襯底清潔槽。更具體地說，位置114和116可各自在一種疊層結構中既包括旋轉沖洗干燥槽，又包括襯底清潔槽。位置102、104、110和112可被設置成電鍍槽，例如電化學電鍍槽或化學鍍槽。位置106、108可被設置成襯底斜邊清洗槽。電化學處理系統的其它結構和應用在2002年12月19日提交的共同被轉讓的美國專利申請10/435121中有描述，其名稱是“Multi-Chemistry ElectrochemicalProcessing System”，在此引入其全部作為參考。
圖2展示一示例性電鍍槽200的部分透視圖和剖視圖，該電鍍槽可被應用于處理位置102、104、110和112上。電化學電鍍槽200一般包括外池201和位于外池201內的內池202。內池202一般被構造成用于容納電鍍液，電鍍液被用來在電化學電鍍過程中往襯底上電鍍金屬如銅。在電鍍過程中，電鍍液一般是被連續地提供給內池202的(例如對10升電鍍槽來說每分鐘約1加侖)，且因此電鍍液會連續地溢過內池202的頂點(一般稱為“堰”)，而被外池201收集，并由該外池排出從而進行化學處理和循環。電鍍槽200一般是以一定傾斜角放置的，即電鍍槽200的框架部分203一般是在一側升高，使得電鍍槽200的組件被傾斜約3°到約30°，或者一般被傾斜約4°到約10°，從而得到最佳結果。電鍍槽200的框架部件203在其上部支撐著一環形的底座部件。由于框架部件203在一側被升高，因此底座部件204的上表面一般從水平面以一定角度傾斜，該角度對應于框架部件203相對水平位置的角度。底座部件204包括在其中央部分形成的環狀或盤狀凹槽，該環形凹槽被構造成容納盤狀的陽極部件205。底座部件204還包括多個從其下表面伸出的流體入口/出口209。每個流體入口/出口209一般被設置成單獨地提供流體給電鍍槽200的陽極室或陰極室或從中排出流體。陽極部件205一般包括多個貫穿其中的溝槽207，其中溝槽207一般是以彼此平行的取向放置的，跨過陽極205的表面。平行的取向使得陽極表面產生的稠密流體能夠向下流過陽極表面，進入其中一個溝槽207。電鍍槽200還包括隔膜支撐組件206。隔膜支撐組件206一般在其外部邊緣處被固定在底座部件204上，并包括內部區域，此內部區域被構造成能夠讓流體從其中通過。隔膜208被伸展跨過支撐206，且起到將電鍍槽的陰極液室部分和陽極液室部分流動地分開(fluidly separate)的作用。隔膜支撐組件可包括放置在隔膜周邊附近的O形密封件，其中該密封件用于阻止流體從固定在隔膜支撐206上的隔膜一側流到隔膜另一側。擴散板210一般為多孔陶瓷盤狀部件，其被設置成在襯底被電鍍的方向上產生流體的基本層流(laminar flow)或平穩流(even flow)，此擴散板在槽中被置于隔膜208與被電鍍的襯底之間。所述示例性電鍍槽在共同被轉讓的美國專利申請10/268284中有進一步描述，該申請是于2002年10月9日提交的，名稱是“Electrochemical Processing Cell”，它要求2002年7月24日提交的美國專利申請60/398345的優先權，在此引入二者的全部內容作為參考。
圖3展示本發明的一示例性疊層熱處理系統300的透視圖。該疊層熱處理系統300可被放置于圖1所示的熱處理站135處，或放置于處理平臺上其它期望的位置。熱處理系統300一般包括框架301，該框架被設置用于支撐熱處理系統300的各種組件。至少一個熱處理室302被放置在框架部件301上，其放置高度要有利于處理系統中的機械手即主框架機械手120或裝置接口機械手132進入該室。在所示實施例中，熱處理系統300包括三(3)個相互垂直層疊的熱處理室302。但是，本發明的實施例并非要局限于任何具體數量的熱處理室或各室相對于彼此的任何具體間隔或取向，這是因為各種間隔、數量和取向都可在不偏離本發明范圍的情況下實現。熱處理系統300包括一電子系統控制器306，其位于框架部件301的上部。電子系統控制器306一般工作是控制提供給熱處理系統300的相應部件的電功率，且電子系統控制器306的工作尤其是控制傳輸到熱處理室302的加熱元件的電功率，從而使熱處理室的溫度能夠得到控制。熱處理系統還包括流體和氣體供給組件304，組件304被置于框架部件301上，一般位于熱處理室302的下方。流體和氣體供給組件304一般被設置成向各相應的熱處理室302提供熱處理氣體，如氮氣、氬氣、氦氣、氫氣或其它適于半導體工藝熱處理的惰性氣體。流體和氣體供給組件304一般也被設置成提供和調節輸送到熱處理室302的流體，例如在熱處理過程的加熱階段完成之后，用于冷卻室體302和/或被熱處理襯底的冷卻流體。冷卻流體，舉例來說，可以是冷凍或冷卻的水源。供給組件304可進一步包括一真空系統(未圖示)，其與各相應熱處理室302單獨相連。該真空系統用于在開始進行熱處理工藝之前，除去熱處理室302中的環境氣體，且可用于支持減壓熱處理工藝。因此，所述真空系統允許在各相應熱處理室302中執行減壓熱處理工藝，而且在各相應熱處理室302中可同時使用不同的減壓而不會干擾疊層中相鄰的室302。
圖4展示本發明的示例性熱處理室302的頂部透視圖，其中該室的蓋子或頂蓋部分被除去，為的是能看見內部組件。熱處理室302一般包括室體401，該室體限定了一個封閉的處理區域400。封閉的處理區域400包括在此區域中被設置成彼此靠近的加熱板402和冷卻板404。襯底傳送機構406被置于加熱板和冷卻板附近，被設置成用于接收來自處理區域400之外的襯底，并在熱處理工藝期間，在相應的加熱板和冷卻板之間傳送襯底。該襯底傳送機構406一般包括樞軸式安裝的機械手組件，該機械手組件具有位于機械手的樞軸臂末端的襯底支撐部件/葉片408。該葉片408包括多個襯底支撐鍵形物(tabs)410，這些鍵形物被與葉片408間隔開，且用于配合支撐其上的襯底。每個支撐鍵形物410一般在垂直方向(一般是向下)與葉片主體部分408間隔開，從而在葉片408與鍵形物410之間產生一個垂直空間。該空間使襯底得以在襯底裝載過程中被放置到鍵形物410上，這將做進一步描述。而且，加熱板和冷卻板402、404各自包括對應數目的在其外側周邊形成的凹口416，其中各凹口416是間隔開的，且被設置成用于當葉片部件408朝向各相應加熱和冷卻板402、404降低時，配合地將鍵形物410容納于凹口中。
在本發明的另一實施例中，傳送機構406包括被加強的葉片部件500，如圖5所示。葉片部件500包括整體型框架部件501，該部件被設置成保持其結構形狀，即整體型框架部件501被加工和設計得使其自身結構方面的變動(擺動、彎曲、下彎等等)最小。整體型框架部件501包括襯底支撐環或稱部件502，部件502與框架部件501的底部相連。襯底支撐部件502包括襯底支撐鍵形物503(類似于圖4所示鍵形物410)，其被設置成相對于框架部件501在徑向上朝向內側。該鍵形物以類似于鍵形物410的方式被間隔開，且被構造成支撐其上的襯底，并且被相應的加熱和冷卻板的凹口416所容納。
熱處理室的室體401可用鋁制造，室體401舉例來說一般限定一內部處理區域400。外側室體401一般包括多個貫穿其中的流體管道(未圖示)，其中這些流體管道被設置成使冷卻流體循環，以降低外側室體401的溫度。冷卻流體可被提供給形成于外側室體401之內的流體管道，并借助于冷卻流體接頭420而循環通過外側室體401。
冷卻板404一般包括大致平坦的上表面，該上表面被設置用于支撐其上的襯底。所述上表面包括多個真空孔422，其選擇性地與真空源(未圖示)流體連通。一般可用這些真空孔422在冷卻板404的上表面處產生減壓，以便將襯底固定或真空吸附在上表面上。冷卻板的內部可包括多個形成于其中的流體管道，其中這些流體管道與用于冷卻室體401的冷卻流體源流體連通。當在冷卻板內形成流體管道時，可用冷卻板來快速冷卻其上的襯底。可選地，冷卻板可被制造成其中不形成冷卻通道，且在此實施例中，與其中形成有冷卻板的冷卻管道被基本冷凍的實施例比較，冷卻板可被用來以較慢速率冷卻襯底。而且，如上所述，冷卻板404包括多個在板404周邊形成的凹口416，其中各凹口416被間隔開，以便在葉片下降到處理位置時，容納襯底支撐葉片408的鍵形物410。
加熱板402以類似于冷卻板404的方式，同樣包括大致平坦的襯底支撐上表面。該襯底支撐表面包括多個形成于其中的真空孔422，每個真空孔422選擇性地與一真空源(未圖示)流體連通。因此，可用真空孔422將襯底真空吸附或固定在加熱板402上以進行處理。加熱板402的內部包括加熱元件(未圖示)，其中該加熱元件被設置成將加熱板402的表面加熱到約100℃至約500℃之間的溫度。所述加熱元件例如可包括一電驅動電阻部件，或一形成于加熱板402內部的熱流體管道，其中該熱流體也被配置用于加熱加熱板402的表面。可選地，本發明的熱處理室可以利用外部加熱器件，例如燈、感應加熱器或電阻部件，其位于加熱板402的上方或下方。而且，如上所述，加熱板402包括多個在板402的周邊形成的凹口416，其中各凹口416被間隔開，以便在葉片下降到處理位置時，容納襯底支撐葉片408的鍵形物410。
圖6展示加熱板402的帶有部分剖視圖的透視圖。板402的剖視圖展示出加熱板基底部件608，其上具有電阻加熱元件600。該電阻加熱元件被包圍在加熱板402的內部部分610內，如圖7所示。更具體地說，內部部分610包括貫穿其中形成的溝槽，其中該溝槽的大小和間隔用于容納加熱元件600。頂板612位于內部部分610的上方。頂部、內部和基底部件608一般都用具有所需導熱性的金屬制造，例如像鋁這樣的金屬。而且，板402的這三部分可被釬焊在一起，從而形成整體型傳熱板402。板402的下部，即基底部件608的底部，包括用于支撐板402的支座606。該支座一般具有比板部件402顯著更小的直徑，這樣使傳到室底或室壁的熱最小。更具體地說，此支座部件的直徑一般比加熱板402直徑小約20％。另外，支座606的底部包括用于測量加熱板402溫度的熱電偶604和將電源引到加熱元件600的電源接頭602。
所述熱處理室可包括抽吸孔424，此抽吸孔被設置成與處理區域400流體連通。抽吸孔424選擇性地與真空源(未圖示)流體連通，且一般被設置成從處理區域400中抽出氣體。而且，熱處理室一般包括至少一個氣體分配口426或氣體分配噴頭，其位置鄰近加熱板402。所述氣體分配口與處理氣體源即供給源304流體連通，并因此而被設置用于將處理氣體分配到處理區域400之內。氣體分配口426例如也可以是一個位于熱處理室內部的氣體噴頭組件。真空抽吸孔424和氣體分配噴嘴可被結合使用或單獨地使用，即可使用該兩種組件或其中一種組件，為的是使熱處理室中的環境氣體含量最小。
熱處理室302包括襯底傳送機構起動器組件418，其與機械手406連接。起動器418一般被設置用于控制葉片408的樞軸運動，以及該葉片相對于加熱或冷卻部件的高度或者說Z位置。通道門414，例如可以是狹縫閥式(slit valve-type)門，一般被置于室體部分401的外壁。通道門414一般被設置成打開，并允許進入熱處理室302的處理區域400。因此，通道門414可被打開，且機械手412(該機械手例如在圖1所示的示例性FI中為機械手132或示例性主框架襯底傳送機械手120)能夠進入處理區域400，從而將襯底從其中一個熱處理室302撤出或者說取回。
更具體地說，將襯底插入熱處理室的過程例如包括將冷卻板404上方的葉片408放置到裝載位置，即鍵形物410被垂直地放在冷卻板404的上表面上方的位置。正如上面簡單說明的，葉片408和鍵形物410是彼此相對地放置的，以使得鍵形物410的上表面和葉片408的下表面之間存在一個垂直空間。設置該垂直空間，為的是使其上載有襯底的機械手葉片412能夠插入該垂直空間，且然后下降，從而使襯底從葉片412傳送到襯底支撐鍵形物410上。一旦襯底被鍵形物410支撐，外部機械手葉片412就從處理區域400中收回，且通道門414可被關閉，從而使處理區域400與環境大氣隔絕。在此實施例中，一旦門414被關閉，與抽吸孔424相通的真空源就可起動，并導致一部分氣體從處理區域400中抽出。在抽氣期間或其后不久，處理氣體噴嘴426打開，使處理氣體充滿處理區域400。處理氣體一般為已知其在熱處理條件下不發生反應的惰性氣體。這種配置，即抽氣和惰性氣體充滿工藝，一般被設計用于盡可能多地從熱處理室/處理區域中除去氧，這是因為已知氧氣在熱處理過程中會引起襯底表面的氧化。當處理室達到預定的壓力和氣體濃度時，真空源可被停止而使氣流停止，或者可選地，真空源在熱處理過程中仍然起動，而氣體供給噴嘴可繼續使處理氣體流入所述處理區域。
在本發明的另一實施例中，不用真空源來從處理區域清除不希望有的氣體即氧氣。而是使用正處理氣體壓力，來使處理區域400中的氧含量為最小。更具體地說，在門414打開時，處理區域400的氣體供給源426可隨時起動，以便在該處理區域內建立起正壓。這種正壓使得處理室的氣體在門414被打開時向外流動，這使得進入處理區域400的氧含量達到最小。該工藝可以與真空抽氣工藝結合使用，從而增大從處理區域除去氧氣的可能性。
一旦襯底被放在葉片部件408上，襯底就可被降低而處于冷卻板404或加熱板402上。將襯底降低到加熱板402或冷卻板404上的過程一般包括將葉片部件408放置在各對應板的上方，以使得襯底支持鍵形物410被放在形成于各板周邊中的凹口416的上方。然后可使葉片部件408下降，從而使鍵形物410被容納于凹口416中。當襯底支撐鍵形物410被容納于凹口416中時，支撐在鍵形物410上的襯底被傳送到相應的加熱板或冷卻板的上表面。該傳送過程一般包括啟用形成于該板的上表面的真空孔422，從而使襯底在放置于其上時被固定在此表面上而不會移動。加熱板一般被加熱到一預定的熱處理溫度，例如約150℃到約400℃之間，然后將襯底放置在加熱板上。加熱板的可選的溫度范圍例如包括約150℃到約250℃之間，約150℃到約325℃之間，以及約200℃到約350℃之間。將襯底在加熱板402上放置一預定時間段并進行熱處理，該預定時間段舉例來說一般介于約15秒到約120秒之間，這取決于所需的熱處理溫度以及在沉積于襯底上的層中形成期望結構所需要的時間。
一旦熱處理過程的加熱階段結束，襯底就被傳送到冷卻板404。傳送過程包括結束真空吸附操作，并將葉片部件408向上抬起、直到鍵形物部件410接合并支撐其上的襯底為止，即此時鍵形物410將襯底抬離加熱板表面。然后葉片部件408繞樞軸從加熱板402轉到冷卻板404。一旦達到冷卻板404的上方，就可使葉片408下降，從而將襯底放在冷卻板404上。通過與下述相似的下降過程，可將襯底下降到冷卻板上，同時使真空孔422運轉，從而將襯底固定在冷卻板404的上表面。
一般將冷卻板維持在較低的溫度，例如介于約15℃到約40℃之間，且因此使得冷卻板能從位于其上或其附近的襯底接受或者說吸收熱量。可用該過程將襯底從熱處理溫度冷卻到低于約70℃，或更具體地說，在小于1分鐘之內冷卻到約50℃到約100℃之間，或更具體地說，在小于約15秒之內冷卻到約50℃到約100℃之間。更具體地說，可用冷卻板在小于約12秒之內，將襯底快速冷卻到約50℃到約70℃之間。一旦襯底被冷卻到所需溫度，就可用葉片408將襯底抬離冷卻板404。隨著襯底被抬起，門414可被打開，且外部機械手葉片412可被送進處理區域并被用于將襯底從葉片部件408上取走。一旦襯底被取走，可將另一襯底放入熱處理室內，并且重復上述的熱處理過程。
在本發明的另一實施例中，可將襯底溫度緩慢地提高到熱處理溫度或降低到被冷卻襯底溫度。更具體地說，可將機械手臂406下降到正好位于加熱板402上方，即與板402以氣隙或空間間隔開。襯底和加熱板402之間的氣隙起著熱緩沖作用，以減緩襯底溫度的上升。例如，加熱板402可被加熱到約210℃，且然后襯底可被放置在距離加熱板402約1mm到約5mm的位置。來自板402的熱通過襯底與加熱板402之間的氣隙或間隙，緩慢傳遞到襯底上(緩慢是相對于襯底被直接放在加熱板402上的傳熱速率而言)。通過調節襯底的距離，還可調節到達熱處理溫度的時間，即如果需要較快升溫時間，則可使襯底被放置得離加熱板較近。類似地，可利用將襯底放在離加熱板較遠的位置，即使得氣隙增大，來使得升溫時間縮短。例如，升溫時間可能介于約10秒到約45秒之間。一旦襯底溫度上升到熱處理溫度，則襯底可被降低到加熱板402上，以完成其余的熱處理過程。類似地，如果需要，可將機械手放在與冷卻板間隔開的位置，以便使冷卻溫度緩慢到達。
圖8展示本發明的一示例性襯底旋轉沖洗干燥槽800的部分透視和剖視圖。旋轉沖洗干燥槽(SRD)800包括支撐在一框架上的流體盤/槽體(fluid bowl/body)801，該框架可附屬于一電鍍系統，如圖1所示的主框架113。SRD 800還包括可旋轉的轂盤802，其位于流體盤801的中央。轂盤802包括一大致平坦的上表面，該上表面上形成有多個背面流體分配噴嘴808，以及至少一個氣體分配噴嘴810(在圖5中也表示為噴嘴503)。多個直立的襯底支撐銷803的位置從徑向上處于轂盤802的周圍。在圖示的本發明實施例中，顯示了四個銷803(參見圖12)，但是，本發明并不限于任何具體數目的銷。銷803被設置成可旋轉地在襯底的斜邊處支撐襯底804，以在SRD 800中進行處理。SRD 800的上部包括頂蓋部件805，此部件一般為圓頂形，用于封閉圓頂805下方與轂盤802上方的處理空間。而且，圓頂805包括至少一個位于其內的氣體噴嘴807，該氣體噴嘴被設置成將處理氣體分配到處理空間之內；以及一個流體集合管806，該流體集合管被設置成將處理流體分配到固定在銷803處的襯底804上。SRD 800的至少一面包括一個門或開口(未圖示)，此門或開口選擇性地打開和關閉，從而提供進出SRD 800處理區域的通道。SRD 800的下部包括環形護罩部件812，此部件位于池的周圍。護罩812被置于襯底支撐部件802的下方，并且在徑向上向外伸出，因此該護罩被設置成使流體向外分布在池的周圍。此外，護罩812被設置成可垂直移動，這將在本說明書中做進一步描述。
在本發明的另一實施例中，所述處理空間并未被頂蓋或頂部部件限制在上部。在該實施例中，處理槽800會包括下部的排液池(drainbasin)和直立側壁，而處理空間的上部則一般會是敞開的。進一步的是，在該實施例中，流體分配噴嘴或集合管一般被放置或安裝在槽的直立側壁部分。例如，流體分配臂可被樞軸安裝在側壁上，從而使該臂的其上裝有流體分配噴嘴的末端可繞樞軸旋轉到在槽中被處理的襯底上方的位置。該臂的繞樞軸運動一般是在一平面上進行，該平面平行于并處于正在被處理的襯底的上方，因而所述臂的繞樞軸運動便使得位于該臂末端的噴嘴被置于襯底上的特定徑向位置的上方，舉例來說就是位于襯底中心的上方，或距襯底中心有一定距離的位置上方。除了流體分配噴嘴的位置變動外，本發明的這一實施例與前述實施例在結構上相似，且執行類似方式的功能。例如，圖9展示本發明的另一示例性襯底旋轉沖洗干燥槽的部分透視和剖視圖。在本發明的這一實施例中，SRD槽基本類似于圖8所示的槽，只是圖9所示的SRD槽不包括頂蓋805。因此，圖9所示的SRD槽在沖洗期間是不封閉的。圖8所示SRD槽與圖9所示實施例之間的另一個區別是，圖9所示SRD包括樞軸安裝的流體分配噴嘴850，其作用是代替在頂蓋805中形成的流體分配集合管806。噴嘴850被設計裝在樞軸上，伸出于襯底表面的上方，并用于將處理流體(一般為去離子水)分配到襯底中心附近的襯底表面上。另外，槽壁809，以及與之相連接的護罩814和彎曲表面816，可被提高或降低，以利于襯底的裝載和卸載。例如，當裝載襯底時，壁809可被降低，從而能夠接近襯底支撐銷803。當處理開始時，則壁809可被提高，從而使得收集杯(catch cup)814和彎曲壁816的位置靠近襯底，以便收集可能從襯底上旋轉甩出的流體和控制襯底四周上方的氣流，這將在本說明書中做進一步描述。
圖10A-10D展示上述示例性SRD 800的部件銷803的更詳細的視圖。更具體地說，圖10A展示處于閉合位置的示例性襯底接合銷803的頂部透視圖。襯底接合銷組件一般包括基座1007，該基座具有直立的樞軸安裝的螺旋槳(airfoil)/夾具型部件1000，該部件從基座伸出。所述銷組件還包括底部的起動部件1008(示于圖10C)，其向內被設置于直立的螺旋槳部分1000上，且圍繞樞軸點1002而被樞軸安裝。從上面俯視看，螺旋槳1000一般為機翼型部件，此部件被設置用于在處理空間內轉動，同時產生最小量的氣流干擾。螺旋槳1000的前緣，即當銷803被轉動時首先接觸空氣的螺旋槳邊緣，一般為圓弧形的，以便使接觸到銷803的空氣的阻力和湍流最小，從而空氣經過銷803時不會在處理空間內產生湍流或有害的氣流。螺旋槳1000的后緣，即與上述圓弧形邊緣或者說前緣相對的螺旋槳邊緣，一般具有比所述圓弧形邊緣小的橫截面，如圖10A所示。所述前緣和后緣通過一個大體光滑且有時為弧形或曲面形的表面1005連接。這樣，當螺旋槳800旋轉時，其上方的氣流就是平滑的，且在處理空間中產生的湍流效應最小。光滑表面1005包括水平方向的凹口或稱溝槽1006，其中該凹口的大小和結構可在處理時容納和接合襯底804的斜邊。溝槽1006一般在水平方向，即沿與螺旋槳1000的垂直軸大體正交的方向，延伸越過表面1005。
銷803進一步包括內部固定柱1001，此柱與基底部件1007剛性連接。柱1001向上延伸，穿過一個暴露的溝槽，該溝槽形成于樞軸安裝的螺旋槳部件1000的內表面1005中。因此，盡管螺旋槳1000是通過樞軸部件1002而被樞軸安裝的，柱1001仍然固定，如圖10C所示。而且，柱1001的上部末端包括形成于其上的襯底支撐表面1004。襯底支撐表面1004包括一個大體水平部分，用于支撐其上的襯底；一個垂直或有角度的部分，其在徑向方向上位于上述水平部分的外側，用以使襯底保持在一個在徑向上處于柱1001的內側的位置，并引導襯底到支撐表面1004上；以及一個水平凹口或溝槽1006，該凹口或溝槽接合由柱1001和螺旋槳1000所支撐的襯底804的斜邊。
圖10B展示處于開啟或裝載位置的銷803的頂部透視圖。更具體地說，當所述銷部件處于開啟位置時，螺旋槳1000繞樞軸向外轉動，從而使得固定柱1001的上表面暴露。螺旋槳1000可通過起動部件1008的向上運動而被轉動到這個位置。由于設置了樞軸點1002，這種運動引起螺旋槳1000的上部末端繞樞軸向外轉動。螺旋槳1000的樞軸運動的結果是柱1001部件的襯底支撐上表面處于其上能夠放置襯底的位置。
圖10D以側視圖來展示處于開啟位置的所述銷組件，此圖表明柱1001的上表面1004如何從螺旋槳1000上伸出，從而使襯底支撐表面1004處于可支撐襯底邊緣的位置。圖10D展示一個側向透視圖，而圖10A展示一個處于閉合或處理位置的所述銷組件的俯視圖。所述閉合位置一般對應于柱1001相對于螺旋槳1000的位置，在該位置，襯底804(通過銷803)而被固定在轂盤802上，以進行處理。類似地，所述開啟位置一般對應于柱1001相對于螺旋槳1000的位置，在該位置，柱1001的上部襯底支撐部分1004處于可容納襯底的位置。因此，所述開啟位置基本是襯底裝載位置，而所述閉合位置基本是襯底處理位置。在閉合位置(見圖10A和圖10C)，襯底在其斜邊處被螺旋槳1000的水平溝槽1006所支撐，在此位置螺旋槳繞樞軸點1002旋轉，從而接合襯底以進行處理。
起動所述銷部件的過程一般包括機械接合和垂直移動底部起動部件1008。例如，底部起動部件1008的垂直或向上運動使得螺旋槳部件803繞樞軸向外轉動，從而暴露出襯底支撐柱1001。底部起動部件通過護罩部件812的垂直動作而被垂直起動，該護罩部件812被放置在能機械地接合底部起動部件的位置。因此，當襯底被裝載到所述銷上時，護罩812即被提高，從而使所述銷打開到襯底容納/裝載位置。一旦襯底被裝載，則護罩812即被降低，且襯底即被溝槽1006接合，以便進行沖洗處理。卸載過程可通過基本相同的方式進行。
圖11展示圖2中所示轂盤802的部分剖視圖。轂盤802一般是通過位于轂盤802底部的一個中央支撐部件而可旋轉地安裝的。該中央支撐部件的內部包括管道1101，該管道被設置成通過流體分配集合管1102，而將沖洗流體連通到形成于轂盤802的上表面1104上的多個流體分配孔1103。另外，中央支撐部件一般包括在其內部形成的第二管道(未圖示)，該管道被設置用于使干燥氣體連通到多個氣體分配吹洗孔1104。而且，本發明的實施例考慮所述的流體和氣體管道可被結合成為一個管道，其中使用閥組件以便在提供給管道的流體和氣體之間進行切換。
圖12展示轂盤組件802底部的頂部透視圖。更具體地說，雖然轂盤組件802是整體部件，但本發明的實施例也考慮，轂盤組件802可包括獨立地旋轉的單個部件。例如，圖12說明轂盤組件802的一示例性底部。該示例性底部一般為盤狀部件，其上形成有中心孔1200。該底部盤狀部件的外部包括平坦的上表面1201和多個在徑向上圍繞周邊設置的襯底接合銷803。在這種設置中，如圖11所示，形成于表面1104中的氣體和流體輸送孔可被置于中心孔1200之內，位于與圖12所示盤狀部件分立的部件上。在這種設置中，轂盤802的中央部分(可被置于孔1200之內的用表面1104來表示的部分)可以被固定，而轂盤802的外部部分(由圖12所示盤狀部件來表示的部分)可相對于上述被固定的內部部分旋轉。這樣就隨著各個部件相對于彼此旋轉，讓流體和氣體分配噴嘴能夠將其各自的流體分配到襯底的整個面積上。
操作時，旋轉沖洗干燥槽800一般操作是將襯底容納于其內部，用沖洗流體來沖洗襯底，以及通過旋轉襯底、使襯底表面的流體離心脫離來干燥襯底，同時也將干燥氣體分配到內含襯底的槽中，從而進一步加速干燥過程。襯底可通過門而被放入槽800內，此門可被設置于槽800的一壁上，或者可選地，槽800可包括位于其上(例如位于槽的對面壁上)的多個門，從而使襯底能夠通過一個壁被帶入槽800之內，而通過另一壁被取出槽800。襯底一般是通過襯底傳送機械手而被放入槽800內的，此機械手一般從底部支撐襯底，因此當襯底被傳送進槽800時，它一般是以面朝上的形式被放在銷803上方的。銷803被起動到達開啟位置，即使得固定柱1001的上表面1004被暴露的位置。隨著上表面1004露出，機械手可將襯底降低而落到多個銷803上，從而使襯底被各個銷803的上表面1004所支撐。固定柱的上部可包括向內傾斜的表面1010，該表面被設置用于向內引導襯底或基于各柱1001為襯底確定中心。一旦將襯底放置在水平的表面1004上，則機械手葉片即從槽800撤出，且門被關閉，從而使得槽800的內部處理區域與環境大氣隔絕。
一旦襯底被置于襯底支撐銷803的上表面1004上，就可起動襯底支撐銷803從而接合襯底的斜邊。更具體地說，銷803的底部1008可被向下移動，從而使上部末端朝著被支撐在表面1004上的襯底而向內轉動。因為螺旋槳1000的上部末端向內轉動，水平凹口或溝槽1006(示于圖10C和圖10D)就接合襯底的斜邊，這樣就將襯底固定在各相應的銷803之間。襯底的斜邊與螺旋槳的溝槽1006接合，使得襯底脫離固定柱部件1001的上表面1004的支撐，而讓襯底只通過其斜邊與水平凹口或溝槽1006的接合來支撐以進行處理，這樣構造從而最少地接觸襯底表面。
一旦襯底被固定在襯底支撐銷803上，便可開始進行處理。一般地說，槽800中的處理可包括沖洗和干燥被置于槽內的襯底。沖洗和干燥過程一般包括轉動襯底，且因此銷803通常被固定在可旋轉的轂盤802上，如圖8所示。一旦襯底轉動，流體分配噴嘴就可將沖洗流體分配到旋轉著的襯底的前面、后面或前后兩面。分配到襯底前面的流體可通過位于頂部部件805的集合管806來分配，而分配到襯底后面的流體可通過形成于轂盤802中的的流體孔1103來分配。雖然各種適于半導體處理的沖洗溶液都被認為處于本發明的范圍之內，但DI為一種可分配到襯底上以便沖洗其表面的示例性沖洗溶液。進一步地說，由于襯底在沖洗流體被分配于其上的過程中是旋轉的，因此流體通常在徑向上是向外流向襯底的周邊。按此方式，流體流出襯底的斜邊，且被收集于槽800的底部。轂盤802的較高旋轉速度將導致流體以接近水平的方式向外流而脫離襯底表面，而較低的旋轉速度可用于使沖洗流體向外游過襯底的表面，且在被離心力旋轉離開之前，略微覆蓋襯底的斜邊。
一旦襯底被沖洗一段預定時間，便可中斷沖洗過程。這通常對應于中斷流向襯底的沖洗流體，然而，一般地說，沖洗流體分配過程被終止之后，襯底仍維持旋轉。這種繼續旋轉有助于使任何可能粘附或附著在襯底表面的沖洗流體殘留液滴在徑向上向外移動并脫離襯底表面。進一步的是，將干燥氣體分配到處理區域之內，并導向襯底表面，從而進一步促使任何殘留流體被從襯底表面除去。例如，可通過上部吹洗噴嘴807和下部吹洗噴嘴1104，來將氮氣分配到處理區域內，且同時旋轉襯底以進行干燥。
一旦干燥過程完成，便可將襯底從槽800中移出。此處理一般包括與襯底進入過程相反的過程，而更具體地說，一般包括打開其中一個門，從而使機械手能接近襯底。一旦門被打開，機械手葉片機，即可進入襯底下方的處理區域，并被帶到接近襯底的位置。然后可起動襯底支撐銷803到達開啟位置，亦即可使起動器1008向上移動，使得螺旋槳1000的上部末端向外旋轉，從而使襯底與水平凹槽或溝槽1006脫離接合。然后可將襯底放在內部固定柱1001的上表面1004上。隨后可向上起動機械手葉片，從而將襯底抬離表面1004，并通過上述的門將襯底從處理區域中取出。
示例性的旋轉沖洗干燥處理一般包括多步驟的過程。該過程的第一步(預沖洗頂部)包括以約900rpm到約1700rpm、一般約1300rpm的速度，旋轉襯底約2到約6秒；同時將約1000ml到約1500ml的沖洗溶液分配到襯底的生產表面(production surface)或頂面(topside)。第二步(預沖洗頂部和背部)包括以約100rpm到約140rpm的速度來旋轉襯底；同時在約6秒內，將約1000ml到約1500ml的沖洗溶液分配到襯底的生產表面，并將約600ml到約1000ml的沖洗溶液分配到襯底的背面。第三步(背面清洗)包括以約40rpm到約90rpm的速度旋轉；并將約200ml到約500ml的化學物質，一般為H2O2和H2SO4，分配到襯底的背面；同時將約1000ml到約1500ml的沖洗溶液分配到襯底的生產表面約15秒，本步驟通常起清洗襯底背面的作用。第四步(后續沖洗)包括將約1000ml到約1500ml的沖洗溶液分配到襯底的生產表面，同時將約600ml到約1000ml的沖洗溶液分配到襯底的背面，并同時以約40rpm到約90rpm的速度旋轉約10秒到約16秒。第五步(旋轉掉大量流體)包括終止流向兩面的流體，并以約400rpm到約600rpm的速度旋轉襯底約3秒到約6秒；同時以約2到約4cfm的流速，進行背面氣體吹洗(氮氣)。第六步(旋轉掉大量流體)包括以約600rpm到約900rpm的速度來旋轉襯底；同時以約2到約4cfm的流速，對襯底背面進行氣體吹洗(氮氣)約4秒。第七步(干燥)包括以約2000rpm到約3000rpm的速度來旋轉襯底約10秒到約20秒，而沒有氣體和流體的流動。
此外，本發明的SRD槽被設置成產生這樣的氣流形態其阻止沖洗流體回流或回濺到襯底上，這是因為已知這種回流或回濺妨礙襯底的有效干燥。SRD槽被設置成通過如圖8所示的槽的收集杯護罩814和成形外表面(contoured outer surface)816，使得空氣的回流即空氣朝襯底中央的流動最小化。具體地說，收集杯護罩在徑向上從槽壁809向內延伸，并設置成使得護罩814的末端環形面處于這樣的位置此位置在徑向上處于襯底外側，并正好在襯底下表面的下方。壁816的成形部分的形狀使得該形狀的上部終止于襯底上方，而該形狀的下部終止于襯底的下表面的下方，通常進入與收集杯814的環形端部相對的背面或末端。這種設置使得旋轉脫離襯底的流體能夠被收集杯814所收集，并且能夠通過該收集杯上的多個孔而向下流過收集杯814。而且，由于襯底的旋轉而產生的徑向向外噴射(盤旋)的氣流也被引導到收集杯的上方，并被成形表面816引導向下。該氣流經過孔，通過減壓區818而從槽的底部排出。因此，本發明所述的SRD槽的結構會產生徑向向外的氣流，該氣流不會倒轉方向流向襯底中心，這阻止了流體霧(mist)回到襯底表面而延長干燥時間。
圖13展示本發明的一示例性斜邊清洗槽或室1300的頂部透視圖。如上所述，斜邊清洗槽1300可被放置在系統100上所示的處理位置102、104、106、108、110、112、114和116其中任一位置處。然而，在本發明的這一示例性實施例中，斜邊清洗槽1300一般被置于處理位置106和108處。圖13是示例性斜邊清洗槽1300的頂部透視圖，而且圖13一般地說明示例性斜邊清洗槽1300的上部組件。這些組件一般包括一個槽盤(cell bowl)或室，其具有直立壁1301部分和與壁1301的底部相連的排出池1302。槽盤一般是用塑料材料、尼龍型材料或覆蓋有非金屬的金屬材料制成的。這類材料一般選擇為不與半導體處理蝕刻溶液反應。排出池1302一般被設置成可容納處理流體，且可引導處理流體到流體排出口(未圖示)。池1302的中心部分包括襯底卡盤1303。襯底卡盤1303可以是在半導體工藝中使用的任何類型的襯底卡盤，該襯底卡盤被設置成能夠旋轉和/或能夠垂直起動。更具體地說，襯底卡盤1303可以是真空卡盤，其上表面至少形成有一個真空孔，其中該真空孔選擇性地與一真空源流體連通，從而使所述真空源和真空孔能夠配合工作，通過將負壓施加到襯底卡盤1303之間的空間，而將襯底固定在襯底卡盤1303上。襯底卡盤1303一般是由一個位于排出池1302下方的機械機構支撐的，其中該機械機構被設置成既能夠使卡盤1303做旋轉運動，又能夠使卡盤1303做可選的垂直運動——即該機械機構被設置成能夠可選地抬高和降低卡盤1303，從而與位于襯底定心栓1304上的襯底接合和脫離，這將做進一步描述。進一步地說，排出池包括一個位于該池表面上方的罩或蓋，其中該罩或蓋包括在其內部形成的孔，用于讓組件能穿過孔而向上伸出。
壁1301的上部一般包括彎曲部件(類似于在圖8的示例性SRD中所示的彎曲部分809)。該彎曲部件的作用是當襯底旋轉時在其周圍產生向外和向下的氣流，這有助于防止處理流體回濺或由于處理流體而使襯底模糊，所述處理流體一般為酸性的，并且已知其會導致電鍍層中的缺陷。更具體地說，當旋轉時，襯底基本上如同一個泵，將空氣沿壁的方向向外推動而流過襯底表面。在傳統的槽中，在槽的周邊處形成高壓區，這造成氣流回轉而向上和向后流過襯底表面。所述彎曲壁例如將氣流引導到真空泵所產生的低壓區內，且因此而消除了高壓區及與高壓區相關的回濺。在壁不存在向下彎曲的表面的條件下，當向外的氣流朝襯底中心相反的方向碰到該壁時就會向上流動。這種反向流動帶著懸浮在氣流中的流體回到襯底表面的上方。因此，所述彎曲壁的構造會引導向外移動的氣流向下進入減壓區從而被俘獲，而不會有反向流動或流回襯底表面。
排出池1302還包括多個從排出池向上伸出的襯底定心栓1304。這些定心栓1304舉例來說一般是在徑向上以相等的間隔被設置在排出池/護罩1302的周邊。但是，栓1304可按任何需要的間隔安排來設置。例如，在圖13所示的實施例中，是以120°的間隔，圍繞排出池1302的周邊設置三個襯底定心栓1304，不過舉例來說，栓1304也可按20°、180°和340°的間隔來設置。襯底定心栓1304一般是由一個位于池1302下方的襯底定心機構支撐的，這將做進一步描述，該襯底定心機構是這樣設置的其既能垂直移動栓104，又能圍繞栓1304的縱軸(這通常對應于栓1304的轉動中心)來旋轉移動栓1304。斜邊清洗槽1300進一步包括至少一個沖洗溶液分配臂1305，以及至少一個蝕刻溶液分配臂1306。一般地，臂1305和1306均被可繞樞軸旋轉地安裝在斜邊清洗槽1300的周邊部分，且都包括一個縱向延伸的臂，該臂在其末端有至少一個流體分配噴嘴。所述噴嘴被設置用于將相應的處理流體分配到被置于支撐部件1303上的襯底的第一面或者說上面。更具體地說，當處理槽1300被設置成一個面朝上的處理槽時，也就是當襯底是以其生產表面背對著池1302的方式被放入槽中的時候，此時流體分配噴嘴被設置成能將其各自的流體分配到襯底的生產表面上。臂1305和臂1306的操作通常是由一個系統控制器控制的，該控制器被設置成能夠精確地(通過各個臂的繞軸移動和/或垂直移動)將各個臂的末端放在被處理襯底的規定徑向位置的上方，這樣就能夠從位于各臂的相應末端的噴嘴，分配要被分配到正在斜邊清洗槽1300中進行處理的襯底的精確徑向位置處的流體。另外，雖然在本示例性實施例中只圖示兩個臂，分別用于分配沖洗溶液和蝕刻溶液——其中前者可以是去離子水而后者可以是酸，但本發明的實施例并非要局限于任何具體數目的流體分配臂。更具體地說，本發明的其它實施例可實現單個的樞軸安裝的臂，該臂上既設置有沖洗溶液分配噴嘴，又設置有蝕刻溶液分配噴嘴。然而，在此設置中，各個沖洗溶液噴嘴和蝕刻溶液噴嘴的布置就變得更為重要，因為斜邊清洗過程一般要求精確地將蝕刻溶液分配到被處理襯底的禁止區(exclusion zone)，也就是分配到襯底外側周邊的2-5mm。而且，臂1305和1306各自可包括一個這樣設置的機構當噴嘴不被起動接觸襯底時，其可防止流體從噴嘴滴下。例如，噴嘴可包括一個真空孔或抽吸閥(未圖示)，其被設置用于吸收關閉期間的多余液滴。可選擇地，噴嘴可包括氣孔，該氣孔被設置用于從襯底表面吹除多余流體液滴。
圖14展示本發明的示例性背面流體分配集合管1400的頂部透視圖。背面流體分配集合管1400一般被放置在流體排出池1302上，位于各襯底定心栓1304之間。集合管1400一般包括V形結構，具有2個末端。各相應末端包括一個位于該末端上的流體分配噴嘴1401。集合管1400可被垂直起動和繞樞軸旋轉起動，以相對于在槽1300中正在被處理的襯底，特定地設置相應的流體分配噴嘴1401。這種設置使得樞軸安裝的流體分配臂1305和1306能夠將處理流體分配到襯底的生產面或者說前面，而集合管1400可同時將處理流體分配到襯底的非生產面或者說后面。
圖15展示本發明的示例性襯底定心機構1500的透視圖。定心機構1500一般被放置在池1302的下方，并包括一框架部件1505，該框架部件具有多個插座1506，插座1506被設置用于容納和固定插座中的襯底定心栓1304。框架1505可與一起動機構連接，該起動機構被設置用于移動框架部件1505及相關部件，亦即抬高和降低框架部件1505。在所述示例性實施例中，框架1505包括三個插座1506，用于容納襯底定心栓1304。每個插座1506的底部延伸穿過框架部件1505而伸出到其另一面，如圖15所示。而且，各個插座1506被可轉動地安裝在框架1505里面，從而插座1506可被旋轉(旋轉方向由圖中插座上方的箭頭“A”來表示)，并由此引起固定在插座內的襯底定心栓1304也旋轉。其中伸到框架1505下方的各個插座1506的底部一般包括與該插座相連的起動臂或偏心凸輪部件1503、1504。起動臂1503、1504各自還通過連接部件或連接桿1502而與另一起動臂1503相連，該連接部件或連接桿可以是固體連接桿、傳動帶、液壓部件等。進一步，選擇性起動的起動裝置1501與初級臂部件1504機械連接，且被設置用于選擇性地向該初級臂部件傳遞樞軸運動。
由于各個插座1506是可旋轉地安裝在框架部件1505的相應部分之內的，而且由于各個插座1506的下部延伸部分包括起動器1503和與之相連的連接桿1502，因此，因起動器1501的動作引起起動器臂1504的樞軸運動，從而初級臂部件1504的動作直接帶動其它的臂1503和相應的插座1506，使它們與初級臂1504一起做相應的樞軸運動。更具體地說，各個插座1506容納襯底定心栓1304，且當起動器1501通過初級臂1504做樞軸運動時，臂1504上方的對應的插座1506也做樞軸運動。而且，由于連接桿1502能夠要求次級樞軸臂1503與初級樞軸臂1504，因此初級樞軸臂1504的樞軸運動轉化成為次級樞軸臂1503的相應的樞軸運動，這直接導致被置于次級臂1503上的插座1506的樞軸運動或者說旋轉運動。這種設置使得各個襯底定心栓能夠被同時以旋轉方式起動，而且這種起動/旋轉在三個襯底定心栓之間是同步的。此外，各個插座1506可做垂直動作，例如通過整個定心機構1500進行的垂直運動，或者可選地，通過插座1506在框架1505內進行的垂直滑動。
起動器1501一般被設置用于轉動襯底定心柱1304，從而接合各個柱之間的襯底并給其定心，而不在襯底上施加過多壓力。例如，各柱1304包括定心栓，該定心栓的作用是接合和滑動襯底到中心位置，這將在本說明書中做進一步描述。當襯底被滑動放置在中心位置后，定心栓繼續機械接合襯底，從而將襯底保持在中心位置。但是，在傳統的定心機構中，起動器的力量和設置會導致襯底彎曲，這是因為襯底被置于中心后，定心柱一直將力施加到襯底的周邊處。而且，一旦襯底變彎，即使起動器松開，由于起動器沒有對襯底施加偏壓，也引起襯底從中央偏移。因此，為解決這個問題，本發明人用無摩擦起動器代替傳統起動器1501。該無摩擦起動器1501在定心過程中作用與傳統起動器相同，但是，在襯底被置于中心后，該無摩擦起動器克服了與傳統起動器相關的變彎和偏離中心的問題。例如，襯底被置于中心后，便可松開所述無摩擦起動器，而沒有移動或起動器的驅動壓力沒有基本改變。此外，無摩擦起動器能夠將襯底定位于中心而不會將襯底擠到變彎點。例如美國康涅狄格州Norwalk的Airpot Corporation公司制造的儀器質量氣動起動器和Airpel Anti-Stiction Air Cylinders即可被方便地用作起動器1501。這些裝置通常是用石墨活塞和硼硅酸鹽玻璃汽缸組合制造的，其中每個活塞選擇性地與汽缸匹配，具有非常接近的公差。這種配置使得汽缸和活塞間具有低摩擦系數，且因此起動器可響應低到只有幾克的力和低于0.2psi的起動壓力。進一步地說，起動和運轉摩擦幾乎完全相同，這防止了不均勻或不受控的起動，且在裝置的整個動作過程提供了均勻穩定性。因此，使用所述無摩擦型起動器，在襯底被置于中心后，便可松開無摩擦起動器，而襯底不會做相反移動或滑動。對所述無摩擦起動器的替代裝置包括電動機、音圈、電工陶瓷等。
圖16展示本發明的示例性襯底定心部件或柱1304的剖視圖。定心柱1304一般是伸長的，即圓柱形的，且被設計成容納于襯底定心機構1500的插座1506之內。柱1304一般包括芯1604，芯1604有一頂蓋部件1601，此頂蓋部件覆蓋芯1604的上部。舉例來說，芯1604一般是用剛性材料如陶瓷制造的。頂蓋部件1601包括凸起的中央部分1602，其終止于一頂點或中心點。中央部分1602的頂點或中心點是這樣設置的其與柱1304的縱軸重合，從而在柱1304被轉動時，中央部分1602的中心或頂點保持在一個固定位置。頂蓋部件1601一般是用剛性材料制造的，其能夠暴露在電化學電鍍溶液中仍具備良好性能。可用于制造頂蓋部件1601的一種示例性材料是PEEK。頂蓋部件1601還包括一個從頂蓋1604的上表面向上伸出的襯底定心柱1603。襯底定心柱1603被設置成從徑向上看處于頂蓋1601的中央部分1602或頂點的外側。按此方式，當襯底定心部件1304被轉動時，襯底定心柱1603便圍繞芯1604的縱軸而旋轉或者說轉動，且柱1603因此而圍繞中央部分1602轉動或者說旋轉。襯底定心部件1304也包括套管部件1605，此套管部件在徑向上被置于芯1604的外側。套管1605協調配合頂蓋1601和芯1604，從而形成流體密封，此流體密封阻止了處理流體流過包含芯部件1604的孔并進而損壞位于下方的襯底定心機構1500。
圖17展示本發明的示例性襯底定心部件1304的俯視圖，更具體地說，圖17展示圖16所示頂蓋部件1601的俯視圖。圖17說明中央部分1602或者說中央部分1602的頂點與襯底定心銷1603的位置關系。進一步地說，當定心部件1394借助于定心機構1500而繞定心部件的中心軸旋轉時，即繞著伸過頂點1602的軸線旋轉時，則導致襯底定心銷1603按箭頭A指示的方向運動。該運動(將在本說明書中做進一步描述)可被用來將襯底放置在部件1304上的中央或中心位置。
在操作時，本發明的斜邊清洗槽可用于沖洗和清洗襯底。清洗操作可同時在襯底的生產表面和非生產表面上進行，或單獨在任一個表面上進行。本發明的清洗槽也可用于從襯底斜邊部分清洗掉過量物質，即沉積在生產表面周邊附近、斜邊上以及襯底的部分背面上的部分晶種層。在半導體技術中這一過程通常被稱為斜邊清洗或邊緣液珠清除(edge bead removal)。
如上所述，一般地講，襯底處理系統100包括設置在位置102、104、110和112處的電鍍槽；疊加在位置114和116處的旋轉沖洗干燥和清洗槽；以及設置于位置106和108處的斜邊清洗槽。機械手起到在各個處理槽之間傳遞襯底的作用。一般地，傳遞到斜邊清洗槽位置106和108的襯底來自電鍍槽位置102、104、110和112其中之一，這是因為斜邊清洗槽一般被設置用于清除沉積在襯底兩部分上的物質以及沉積在襯底背面的物質，然后襯底被傳送出系統100。
將襯底放置到本發明的斜邊清洗槽1300之中的過程包括插入、定心和固定。插入過程是由襯底傳遞機械手執行的，且包括將襯底帶入斜邊清洗槽1300內和將襯底下降到定心栓1304上。當襯底被降到定心栓1304上時，襯底是由各定心栓1304的中央頂點或頂部部分1602支撐的。當襯底被放置于各個定心栓1304上后，機械手就從斜邊清洗槽1300撤出。
當襯底被插入斜邊清洗槽1300后，就進行定心處理。襯底在斜邊清洗槽1300中定心對于斜邊清洗過程是關鍵的，因為從襯底清除邊緣液珠物質的容許誤差一般小于約1mm。例如，當銅被以電化學方式電鍍到半導體襯底上時，一般而言，襯底的外側周邊的3到5mm不被認為是生產表面的一部分，即器件通常是不會在該外側周邊或帶形區上形成的，這通常被稱為禁止區。該禁止區包括晶種層的暴露部分，此部分在電鍍過程中通常放置電接頭的。沉積在禁止區上的晶種層一般延伸到襯底的斜邊上，而且有時延伸到襯底的背面或非生產表面。由于隨后的半導體工藝步驟一般會包括與襯底的兩部分或襯底的背面接觸，因此，希望清除或清洗襯底的兩部分和背面，從而使得隨后與這些區域的接觸將會不太可能產生污染顆粒。將材料從禁止區、斜邊和襯底背面上清除一般被稱為斜邊清洗過程，且包括將蝕刻溶液分配到襯底生產表面與禁止區之間的界面上，同時還要將清洗溶液分配到襯底背面。因此，由于分配到襯底前面的蝕刻溶液被分配于生產表面與禁止區之間的界面處，所以襯底被合適地定心、從而不使蝕刻劑被分配到生產表面而損壞器件是非常重要的。
通過起動無摩擦起動器1501來開始定心過程，該無摩擦起動器柔和地轉動各個插座1506。被容納于插座1506中的襯底定心柱1304是協調轉動的，因此，位于頂蓋部件1601上的襯底定心栓1602向里旋轉，并且協同接合襯底的邊緣。栓1603的這種協調旋轉運動使得襯底被定心于各個柱1304之間。在襯底被定心于各個柱1304之間后，可通過連續地向無摩擦汽缸1501施加起動壓力，來借助柱1304在襯底上維持輕微的張力。然而，所述張力是經過計算的，其力量足以將襯底維持在中心位置，同時又不足以導致襯底表面變彎或偏斜。
襯底被定心之后，就可將其固定在襯底支撐部件1303上。固定過程一般包括抬高卡盤1303，從而接合固定在定心柱1304上的襯底的下表面；或者降低定心柱1304，從而將襯底置于卡盤1303上；或者將抬高卡盤1303與降低柱1304相結合。卡盤1303可以是真空型卡盤，因此，當襯底和卡盤1303相互物理接觸時，在卡盤1303的表面處就產生減壓，從而將襯底固定在該表面處。一旦襯底被固定在卡盤1303上，便可降低栓1304或抬高卡盤1303，從而使襯底單獨由卡盤1303來支撐。
隨著襯底被卡住和被固定，便可開始進行流體處理。流體處理一般包括將沖洗溶液臂1305繞軸轉動到大約處于襯底中心上方的位置。然后即可分配沖洗溶液，同時在卡盤1303上轉動襯底。這種轉動引起沖洗溶液(沖洗溶液例如可以是去離子水)在徑向上向外流向襯底的周邊。沖洗溶液流過襯底的斜邊，并落入排出池1302中，在此處可由排液口(未圖示)所收集。化學分配臂1306也可被置于襯底上方，更具體地說，化學分配臂1306可具體地放置得能夠使蝕刻溶液由該臂被分配到襯底的生產表面和禁止區之間的界面處。將蝕刻溶液分配到界面處的過程一般包括停止由臂1305分配沖洗溶液，并開始由臂1306分配蝕刻溶液。這種方法使得前述被分配到生產表面上的沖洗溶液能夠在生產表面上保持一個隔離層或護罩層，此隔離層或護罩層能稀釋濺回到生產表面的任何蝕刻劑。而且，在分配蝕刻劑之前停止沖洗溶液分配過程也起到阻止蝕刻溶液被不利稀釋的作用。
類似地，背面流體分配噴嘴1400也可被用于將沖洗溶液和蝕刻溶液分配到襯底的背面。背面流體分配噴嘴或稱集合管1400一般包括多個噴嘴，這使得背面流體分配噴嘴1400能夠既分配沖洗溶液又分配蝕刻溶液。因此，當清洗和沖洗處理在襯底的前面進行的同時，可同步地使用背面噴嘴1400沖洗和清洗襯底背面。
一示例性的斜邊沖洗過程可包括首先預沖洗襯底的前表面和后表面。預沖洗過程包括以介于約1L/min到約2L/min之間的流速，將DI分配到襯底的前表面；且以介于約50cc/min到100cc/min之間的流速，將DI分配到襯底的背面。在這一過程中，襯底可以以介于約150 rpm到約250 rpm之間的速率轉動，且流體分配過程的持續時間可為約8秒到約20秒之間。一般地，預沖洗過程被設置成沖洗掉前面電化學電鍍過程引起的可能附著在襯底表面上的任何殘余電解質。一旦襯底經過預沖洗，即可將轉速提高到約2000rpm到約3500rpm之間達大約5秒時間，以便清除襯底邊緣附近聚集的任何DI。然后，舉例來說當襯底仍然以約2000rpm到約3500rpm之間的轉速旋轉時，可通過臂1306來將蝕刻溶液施加到生產表面與禁止區之間的界面。蝕刻溶液被輸送到所述界面的流速例如可以介于約20cc/min到約40cc/min之間，且時間可以是約10秒到約25秒。蝕刻溶液的流動一般是通過一個相對細的噴嘴，該噴嘴例如具有一個內徑介于0.25到0.5英寸之間的孔。旋速被維持在高速上，為的是使得因蝕刻溶液向內濺回生產表面導致的生產表面的污染最小化。一般地，將蝕刻溶液分配到襯底上的噴嘴被放置得距離襯底表面介于約1mm到約3mm之間，從而使蝕刻溶液能夠被精確地分配到界面處。而且，該噴嘴一般傾斜約30°到約50°的角度，即朝襯底周邊傾斜，以減小向生產表面的回濺。
蝕刻溶液的化學成分一般是基于H2SO4，因此，當H2SO4的濃度足夠時，固定H2O2的濃度，蝕刻速率不會改變。類似地，當H2SO4的濃度不足時，蝕刻(速率)會隨H2SO4而非線性增大。而且，當H2SO4的濃度足夠時，蝕刻(速率)隨著H2O2的濃度而線性變化，而當H2SO4的濃度不足時，由于擴散有限的氧化反應，蝕刻速率為恒定。因此，蝕刻溶液中的一種示例性組成比例舉例來說為約15到25份H2SO4，約350到450份H2O2，以及1400份以上H2O；或約20份H2SO4，400份H2O2和1580份H2O。這些濃度顯示，提高酸濃度，則蝕刻速率提高，而過氧化氫的濃度被提高時對蝕刻速率的影響最小。進一步地說，當H2O2的濃度低于6％時，顯示銅的氧化慢，因此，在這種濃度時，蝕刻速率一般不受H2SO4濃度的影響。但是，當H2O2的濃度高于6％時，銅氧化增加，因此，高濃度H2SO4時的蝕刻速率隨H2O2濃度而上升。
當蝕刻溶液分配過程完成，可在介于約1L/min到約2.5L/min的流速上，以大約3秒到約10秒的時間，再次將沖洗溶液分配到生產表面，同時可將旋轉速率下降到約100rpm到約300rpm之間。將沖洗溶液分配到襯底生產表面的步驟可服務于兩個目的第一，在蝕刻溶液之后分配沖洗溶液，有助于稀釋和沖洗掉生產表面的任何濺上的蝕刻溶液；第二，沖洗溶液也形成用于防護的第二保護層，以免在隨后的背面化學分配步驟可能濺上蝕刻溶液。當前面沖洗溶液的分配過程完成，即可起動背面化學噴嘴，以將蝕刻溶液分配到襯底的背面，其流速為約30cc/min到約70cc/min，時間約4秒到約10秒，同時襯底的旋轉速率維持在約150rpm到約250rpm之間。更具體地說，蝕刻劑的流速可以在約35cc/min到45cc/min之間。已表明較高的流速產生較好的邊緣外形(edge profile)和斜邊清洗效果，但是，這些優點因邊緣污染升高而打了折扣。當背面化學分配步驟進行完畢時，即可進行另一個前面沖洗步驟，以從前面表面上沖洗掉任何濺上的蝕刻劑。前面沖洗過程可仍然包括以前述的流速和轉速來分配DI，時間為約2秒到約6秒。當最后的沖洗過程完成，可關閉所有流體分配噴嘴，并且可將襯底的旋轉速率提高到約400rpm到約4000rpm之間，一般為約2000rpm到3000rpm之間，以部分或徹底干燥襯底。
圖18為電鍍溶液傳輸系統1811的一個實施例的示意圖。電鍍溶液傳輸系統1811一般被設置用于向系統100上的各個需要溶液的處理位置提供電鍍溶液。更具體地說，電鍍溶液傳輸系統還被設置成向各個處理位置提供不同的電鍍溶液或化學劑。例如，所述傳輸系統可提供第一電鍍溶液或化學劑給處理位置110、112，而向處理位置102、104提供一種不同的電鍍溶液或化學劑。各個電鍍溶液一般是用單個電鍍槽分開使用的，因此，不存在不同化學劑間的交叉污染問題。然而，本發明的實施例考慮，一個以上的槽可共用同一種化學劑，此同一種化學劑不同于提供給系統上其它電鍍槽的其它化學劑。這些特征是有優點的，因為能夠向單個處理平臺提供多種化學劑，從而能夠在單個平臺上進行多化學劑電鍍處理。
在本發明的另一實施例中，第一電鍍溶液和分開而且不同的第二電鍍溶液可按順序提供給單個電鍍槽。通常將兩種分開的化學劑提供給單個電鍍槽，要求在各化學劑之間對電鍍槽進行排出和/清洗，但是，第一電鍍溶液與第二電鍍溶液之間小于大約10％的混合比例不應對膜的特性有害。
電鍍溶液傳輸系統1811通常包括多個添加劑源1802和至少一個電解質源1804，它們通過集合管1832而與系統100的各個處理槽流體連通。典型地，添加劑源1802包括促進劑源(accelerator source)1806、勻平劑源(1eveler source)1808和抑制劑源(suppressor source)1810。促進劑源1806適用于提供促進劑物質，其通常吸附在襯底的表面，且在給定電壓下在其吸附之處局部加速電流。促進劑的例子包括硫化物基分子。勻平劑源1808適用于提供勻平劑物質，其用于方便平面電鍍。勻平劑的例子是含氮的長鏈聚合物。抑制劑源1810適用于提供抑制劑物質，此物質在其吸附之處(典型地在具有高縱橫比特征的上邊緣/角落)降低電流。因此，抑制劑在這些位置減慢電鍍過程，從而在器件(feature)被完全填充之前減少器件的過早封閉，并減少有害空隙的形成。抑制劑的例子包括聚乙二醇的聚合物、環氧乙烷和環氧丙烷的混合物或環氧乙烷和環氧丙烷的共聚物。
為了防止添加劑源用盡的情形，以及為了減少大容器替換時添加劑的浪費，每個添加劑源1802一般包括一個大體積或較大體積的儲存容器，該儲存容器與較小的緩沖容器1816相連。緩沖容器1816一般是由大儲存容器1814填充的，因此，大容器可被移走替換而不會影響流體傳輸系統的運轉，因為當大容器正被更換時，相關的緩沖容器可向系統提供特定的添加劑。緩沖容器1816的體積典型比大容器1814的體積小得多。它的大小能包含足夠的添加劑，以供10到12小時不間斷運轉。這為操作者提供了在大容器用盡時更換大容器的足夠時間。如果不存在緩沖容器而仍然需要不間斷運轉，則大容器就必須在用盡之前更換，從而導致大量添加劑浪費。
在圖18所示實施例中，計量泵1812連在多個添加劑源1802與多個處理槽之間。計量泵1812一般包括至少第一到第四個入口端1822、1824、1826、1828。例如，第一入口端1822一般與促進劑源 806相連，第二入口端1824一般與勻平劑源1808相連，第三入口端1826一般與抑制劑源1810相連，而第四入口端1828一般與電解液源1804相連。計量泵1812的輸出1830一般經輸出管線1840，通過集合管1832，而與各處理槽相連，其中順序提供的添加劑混合物(即至少一種或多種促進劑、勻平劑和/或抑制劑)可與提供給集合管1832的電解質通過來自電解質源1804的第一輸出管線1850結合在一起，從而按需要形成第一或第二電鍍溶液。計量泵1812可以是任何適于向處理槽102、104提供定量的選擇性添加劑的一個或多個計量裝置。該計量泵1812可以是旋轉計量閥、電磁計量泵、隔膜泵、注射器、蠕動泵或其它不常用的或與流量傳感器相連的正排量泵。另外，利用測力傳感器(1oadcell)來測量加壓分配容器，或者通過其它用于使電化學電鍍溶液流進電鍍槽的可接受的流體計量裝置，添加劑可被加壓，并且被連接到流量傳感器、被連接到液體質量流量控制器，或是按重量被計量。在一個實施例中，計量泵包括旋轉且往復運動的陶瓷活塞，其在每一循環中泵送預定量的添加劑0.32ml。
在本發明的另一實施例中，流體傳輸系統可被設置用于提供第二種完全不同的電鍍溶液和相關的添加劑。例如，在該實施例中，可以使用不同基質(base)的電解質溶液(與包含在容器1804中的溶液相似)，從而使處理系統100具有例如使用來自兩個不同制造商的電鍍溶液的能力。進一步地說，可以使用對應于第二種基質電鍍溶液的另一套添加劑容器。因此，本發明的這一實施例允許將第一種化學劑(由第一個制造商提供的化學劑)提供給系統100的一個或多個電鍍槽，同時將第二種化學劑(由第二個制造商提供的化學劑)提供給系統100的一個或多個電鍍槽。每種化學劑都會有其各自的一個或多個添加劑源，但是，來源于各自的一個或多個添加劑源的多種化學劑的交叉計量并不超出本發明的范圍。
為了使流體傳輸系統能夠由分開的基質電解質提供兩種不同的化學劑，可將圖18所示流體傳輸系統的復制品與處理系統連接。更具體地說，一般將圖18所示的流體傳輸系統進行改進，從而包括第二套添加劑容器1802、第二個泵組件1830以及第二套集合管1832(有可能是共用的集合管)。另外，還設置了初始組成溶液/基質電解質1804的獨立源。建立了與圖18所示硬件具有相同配置的附加硬件，但是，第二個流體傳輸系統基本是與所述或第一個流體傳輸系統平行的。因此，借助于這種配置的實施，任一基質化學劑與有效添加劑的任何組合都能夠被提供給系統100的任何一個或多個處理槽。
集合管1832典型地被設置成與閥門組1834連接。閥門組1834中的各個閥可選擇性地打開或關閉，以將流體從集合管1832引向電鍍系統100的其中一個處理槽。集合管1832和閥門組1834任選地被設置成可選擇性地將流體輸送到另一些處理槽。在圖18所示實施例中，集合管1832和閥門組1834包括取樣口1836，此取樣口使系統100中所使用的化學劑或其組分的不同組合能夠被取樣而不中斷處理過程。
在一些實施例中，可能希望沖洗計量泵1812、輸出管線1840和/或集合管1832。為利于這種沖洗，電鍍溶液傳輸系統1811被設置成提供至少一種清洗和/或沖洗流體。在圖18所示實施例中，電鍍溶液傳輸系統1811包括去離子水源1842以及非反應性氣源1844，去離子水源1842和非反應性氣源1844與第一輸送管線1850相連。非反應性氣源1844可通過第一輸送管線1850提供非反應性氣體，例如惰性氣體、空氣或氮氣，用于吹洗集合管1832。去離子水可由去離子水源1842來提供，用于作為非反應性氣體的補充或取代非反應性氣體，對集合管1832進行吹洗。來自電解質源1804的電解質可被用作沖洗介質。
第二輸送管線1852位于第一氣體輸送管線1850和計量泵1812之間。沖洗流體包括電解質、去離子水或非反應性氣體至少其中之一，它們來自各自的源1804、1842、1844，沖洗流體可以從第一輸送管線1850、經過第二氣體輸送管線1852、被傳輸到計量泵1812。沖洗流體被驅動通過計量泵1812，并從輸出管線1840流出，到達集合管1832。閥門組1834典型地將沖洗流體引出排出口1838，進入回收系統1832。為簡明起見，本說明書對其它各種閥、調節器和流量控制裝置不做描述和/或圖示。
在本發明的另一實施例中，第一化學劑可被提供給集合管1832，其促進銅在半導體襯底上的器件填充(feature filling)。該第一化學劑可包括約180到約65g/l的銅、約55到約85ppm的氯、約20到約40g/l的酸、約4到約7.5ml/L的促進劑、約1到約5ml/L的抑制劑，且不含勻平劑。將第一化學劑從集合管1832輸送到第一電鍍槽102，以使得沉積在襯底上的器件能夠基本填滿金屬。由于第一化學劑一般不完全填充器件，且有較慢的固有沉積速率，因此可對第一化學劑進行優化，以改善空隙填充性能及沉積層的缺陷比例。第二化學劑(具有與第一化學劑不同的化學成分)可通過集合管1832被提供給系統100的另一電鍍槽，其中第二化學劑被配置用于促進銅在襯底上平面大量沉積。第二化學劑例如可包括約185到約60g/l的銅、約60到約80ppm的氯、約20到約40g/l的酸，約4到約7.5ml/L的促進劑、約1到約4ml/L的抑制劑，以及約6到約10ml/L的勻平劑。第二化學劑被從集合管1832輸送到第二處理槽，從而能夠在器件填充和平面化沉積步驟期間所沉積的金屬上進行有效的大量金屬沉積處理，以填充器件的剩余部分。由于第二化學劑一般填充器件的上部，因此可將第二化學劑優化，以增強已沉積金屬的平面化，而基本不影響襯底的產量。因此，兩步驟、不同化學劑的沉積過程既能實現快速沉積，又能實現已沉積膜的較好平面化。
電鍍溶液傳輸系統1811與多個流體管道連接，這些管道將電鍍溶液傳輸系統1811與置于電鍍系統100中的流體儲存容器相連。更具體地說，流體分配集合管1832一般與多個管道1901、1902、1903連接，如圖19所示。管道1901、1902、1903各自與特定的流體儲存容器1904-1911連接，這將在本說明書中做進一步描述。因此，可控制流體傳輸系統1811，以混合并且向容器1904-1911中的任一容器提供特定的陰極電解液或陽極電解液。該特定陽極電解液/陰極電解液被提供給集合管1832，該集合管選擇性地打開可起動的閥門，從而使具體的溶液流入管道1901、1902、1903之一。例如假定，管道1901被配置用于將一種特定陰極電解液提供給平臺100上的一特定電鍍槽，則提供至管道1901的陰極電解液便被該管道運送到特定的電鍍槽容納容器，如容器1904，該容器被配置成將陰極電解液提供給具體的電鍍槽。陰極電解液被送到容器1904，且隨后被置于管道1901上的閥門關閉，并終止溶液流向容器1904。此時容器1904即可用于將陰極電解液提供給平臺100上的一特定電鍍槽，以進行電化學電鍍處理。殘留在管道1901中的溶液可被沖洗或排出管道，然后再通過該特定管道將另一種溶液提供給一個或多個槽，從而可使交叉污染最小化。
圖19所示各個容器，即容器1904-1911，一般是成對布置的。更具體地說，容器1904和1905作為一對來工作，而容器1906和1907、容器1908和1909以及容器1910和1911同樣作為容器對工作。所述容器對一般來說包括第一容器和第二容器，其中第一容器被設置用于容納第一溶液，而第二容器被設置用于容納不同于第一溶液的第二溶液。在圖1所示的示例性電鍍系統中，電鍍位置112可配備有一電鍍槽，例如圖2所示的電鍍槽200，因此，第一容器1900可被配置成向槽200供給陰極電解溶液，而第二容器1905可被配置成向電鍍槽200供給陽極電解溶液。如上所述，陰極電解液可由流體輸送系統1811來配備，并通過管道1901輸送到容器1904。類似地，陽極電解液可由流體輸送系統1811配備，并通過管道1903提供給陽極電解液容器1905。
按照與容器1904和1905的布置相似的方式，可將容器1906和1907設置用于提供電鍍溶液給位于平臺100上的處理位置110處的電鍍槽。進一步地說，容器1910和1911以及容器1908和1909可用于分別提供電鍍溶液給位于處理位置104和102處的電鍍槽。每對容器1906-1911可被設置用于向其各自的電鍍槽既提供陰極電解溶液，又提供陽極電解液。可選地，這些容器可被設置成僅向其相關電鍍槽提供陰極電解液，也就是說這些容器可以被結合成為單個容器，用于向處理平臺100上的一個或多個槽供給單一一種電鍍溶液。
圖20展示一示例性容器2000的透視圖，圖中容器的兩個壁被移去，為的是能夠觀看容器2000的內部組件。容器2000一般包括一封閉區域，該區域具有直立側壁2001，其限定了用于容納其中流體溶液的內部體積。流體返回組件2002向下伸入容器之內，且止于容器2000的下部附近。容器2000的內部體積內也包括多個交叉的壁2008，其被設置用于緩沖在容器2000的內部體積之內的流體流動。容器2000的下部包括熱交換器2006，該熱交換器一般用于對容器2000內的處理流體進行溫度控制。泵頭(pump head)2004組件伸入容器2000的內部體積之內，且止于容器2000的底部近處，并且一般被設置用于從容器2000的內部體積抽出流體，其在處理步驟中使用。
圖21展示本發明的一示例性流體容器的俯視圖。如圖20所示，上述流體容器包括多個直立的流體導流壁(diversion wall)2008，其位于容器2000的內部體積之內。設置導流壁2008，一般作用是形成多個流體室2101、2102、2103、2104和2108。每個流體室通過流體通道2113與一個相鄰的流體室相連，如圖22所示。而且，除了內部壁2008外，選定的流體室尚可在室內包括帶角度的流體導流壁2105、2106和2107，如圖21所示。更具體地說，流體容器可包括傾斜的或者說帶角度的流體接收壁2300。帶角度的或傾斜的壁2300可以是一個外部壁或內部壁。無論如何，所述傾斜的壁被設置用于通過使被垂直倒入容器的液體溶液所產生的泡沫最少化，來減少容器所含溶液中泡沫的形成。在此實施例中，輸送到容器的流體通過流體返回管線2002而被分配到帶角度的壁2300上，因此流體在位置2301處流到壁2300上，并向下按箭頭“A”所示方向，沿壁2300的表面流動，進入容器中所容納的溶液中。溶液沿傾斜或者說偏斜的壁流進溶液，使得在容器中的溶液與正返回容器的溶液之間的界面上形成的泡沫最少化。
因此在操作時，一般流體是通過流體供給管線2110返回容器2000的，該管線的終端在第一流體室2101中(任選地，該流體供給管線的終端可位于一個帶角度的壁上，如上所示)。提供給室2101的流體穿過第一流體通道2111而進入第二流體室2102。一旦流體進入第二流體室2102，則流體即被導向帶角度的流體導流壁2105。流體圍繞帶角度的流體導流壁2105流動，并通過第二流體通道2112而進入第二流體室2108。按照與第一流體室相似的方式，流體貼近一個帶角度壁，且通過另一個流體通道而進入第三流體室2103，在此重復相同的過程，直到流體通過最后的流體通道2114進入最后的流體室2104為止。每個帶角度的壁都是這樣設置的按照使得容器中的泡沫最少化的方式，而與流體的流動相互作用，這將在本說明書中做進一步說明。而且，通道2111-2114的設置也起到使容器中泡沫最少化的作用，這是因為泡沫的浮力一般會妨礙泡沫穿過位于各個壁底部的通道。泵頭2000一般終止于最后的流體室2104中，因此，流體是通過泵頭2004，離開最后的室2104，而被從容器2000中抽出的。
如上所述，多個直立壁2008和帶角度的流體導流壁2105、2106、2107的設置起到使從容器2000抽出的流體溶液中的泡沫最少化的作用。更具體地說，容器2000的結構是這樣設計的使得輸送到容器2000的流體需要貼靠著幾個壁、圍繞幾個壁、并通過幾個流體通道來流動，然后再通過泵頭2004而從容器2000中被抽出。操作中，當流體被引導貼靠著一個固定表面流動時，溶液中的泡沫便傾向于附著在該固定表面上，且因此而使泡沫被從流動的流體中清除掉。類似地，流動穿過多個流體饋送通道2101的流體已顯示，可使懸浮在流體溶液中的泡沫從流體除去。因此，本發明的容器的結構使得從容器2000中抽出的流體溶液中的泡沫最少化。這對電化學電鍍系統具有特別的重要性，這是因為在流體溶液中，即提供給電鍍槽的電解液中的泡沫已表明會導致被電鍍襯底中大量的缺陷。
在本發明的另一個實施例中，容器2000被改進從而進一步使輸送到容器2000的流體所形成的泡沫最少化。更具體地說，電化學電鍍系統的傳統流體儲存容器一般是通過位于該容器上部的孔，將流體輸送到儲存容器。照此方式，被輸送到容器的流體因重力而下落，并且基本是被傾倒到容器內的溶液中。這種傾倒動作已表明會在電鍍溶液中產生泡沫。因此，本發明的實施例提供了一種改進的方法，用于在形成最少泡沫的情況下，將流體輸送到電化學電鍍系統儲存容器。該方法一般包括將帶角度壁設置在容器2000的第一室2101之內，如上面一般描述及圖23所展示的。帶角度壁可連接到容器2101周圍的其中一個直立壁，而輸送到容器2000的流體被直接分配到帶角度壁上。流體向下流到帶角度壁上，進而進入容器底部的流體中。在此設置中，流體不是落入、傾入或濺入容器中，反之，流體是被分配到帶角度壁上，且使其均勻地以片狀方式流入大量溶液中，從而在大量溶液中形成的泡沫最少。
本發明的各個容器也被構造成具有高縱橫比，縱橫比即容器的高度與容器的側面或橫截面積之比。因此，所述容器一般具有小的橫截面積，即長度和寬度，而具有較大高度尺寸。這樣即使在使用較小體積溶液的情況下，也提供了最佳的泵頭深度。例如，本發明的實施例使用具有大約17升內部體積的容器，其中寬度約9英寸，長度約7.75英寸且高度約19英寸。因此，其縱橫比便大于1∶1(19∶(9+7.75))。使泵頭深度最大化的本發明的另一特征是將熱交換器放置在容器下部。這占據了容器下部較大的空間，并因此而提高了泵頭深度。
在操作中，本發明的實施例一般為電鍍系統提供了一種管道系統(plumbing system)，其中該管道系統被設置用于將多種化學劑提供給一整體電化學電鍍平臺上的多個電鍍槽。更具體地說，本發明的管道系統例如被設置用于將第一電鍍溶液提供給一個電化學電鍍平臺上的第一電鍍槽，而將不同于第一化學劑的第二電鍍溶液提供給該電化學電鍍系統上的第二電鍍槽。本發明的管道系統可以被擴展，從而舉例來說可將四種不同的電鍍化學劑提供給一整體系統平臺上的四個不同的電鍍槽。進一步地說，在采用了被設置成同時使用陽極電解液和陰極電解液的電鍍槽(例如圖2所示的電鍍槽200)的電鍍系統中，本發明的管道系統一般被設置成將分開的陰極電解液提供給被置于處理平臺上的各電鍍槽，同時將陽極電解液提供給被置于處理平臺上的各電鍍槽。按照類似于前述實施例的方式，陰極電解液可以是完全不同的，而且進一步的說，陽極電解液也可以是彼此不同的。
當操作電化學電鍍平臺，如圖1所示平臺100時，傳輸系統1811可被起動，從而為被放置在處理位置112和110處的電鍍槽產生陰極電解液溶液。該陰極電解液溶液可包含合適量的酸、鹵素、支持電解質、添加劑和/或其它在電化學電鍍溶液中通常使用的組分。該溶液可在流體傳輸系統1811中被混合，通過集合管1832被泵送，并被提供給管道1901，從而輸送到容器1904和1906。在這種設置中，容器1904和1906與放置在處理位置110和112處的電鍍槽200的陰極電解液室是流體連通的。因為，電鍍槽200是這種類型的電鍍槽其既需要陰極電解液又需要陽極電解液，因此流體傳輸系統1811也可被起動，從而產生電解槽中使用的陽極電解液。此陽極電解液可在流體傳輸系統1811中產生，傳輸到集合管1832，并通過流體管道1903而被輸送到容器1905和1907。容器1905和1907一般與放置在處理位置110和112處的電鍍槽200的陰極室或陰極電解液室是流體連通的。
可配置提供給容器1904-1907的陽極液和陰極液的特定組合，以使得半導體襯底的自底向上填充特征(bottom up fill characteristics)最佳化。更具體地說，例如提供給容器1904和1906的陰極液溶液中的添加劑，即勻平劑、抑制劑和促進劑的濃度可被用于起動電鍍的起始階段，此時半導體襯底上的高縱橫比器件幾乎是不存在電鍍材料的。在半導體襯底上開始器件填充的過程對整個電鍍工藝是至關重要的，這是因為自底向上填充高縱橫比器件，而在被電鍍金屬上不出現器件封閉且不產生空隙，通常是困難的。因此，本發明的管道系統允許器件填充過程借助特定化學劑在特定處理位置上進行，該特定化學劑被配置成有利于自底向上的填充。
類似地，一旦自底向上的器件填充過程完成，襯底通常進入第二電鍍過程，在此過程中器件被大量填充(bulk filled)或過量填充。大量填充處理一般是以比器件填充過程更大的電鍍速率進行的，且因此而通常使用較大電流密度。因此，用于促進器件填充的化學劑對于促進大量填充處理可能不是最佳的。所以本發明的管道系統提供了額外的化學能力，從而即使需要用不同的化學劑來使各個過程最佳化，器件填充處理和大量填充處理仍可在同一平臺上進行。更具體地說，處理位置102和104可包括位于這些位置上的電鍍槽200，其中電鍍槽被設置用于促進漿(pulp)填充電鍍過程。雖然用于器件填充的電鍍槽可與用于大量填充的電鍍槽基本相同，但提供給相應的槽的化學劑一般是不同的。因此，本發明的管道系統可被設置用于將分開的陰極液和/或陽極液提供給容器1918-1911，容器1918-1911一般用于將這些相應的溶液提供到處理位置102、104。具體地說，可起動流體傳輸系統1811并使其產生用于促進將填充電鍍過程的陰極液溶液。該陰極液溶液可被輸送到集合管1832，該集合管將陰極液溶液提供給流體管道1902。流體管道1902可將大量填充陰極液溶液輸送到容器1909和1911。類似地，流體傳輸系統1811可用于為大量填充過程產生陽極液溶液，且該陽極液溶液可通過管道1903而被輸送到容器1908和1910。
一旦將電鍍溶液輸送到各個容器，就可將襯底放入處理平臺100，并放置在處理位置110或112上。可用器件填充電鍍處理來填充形成于襯底上的器件，該器件填充電鍍處理是在處理位置110或112處進行的。然后，可將襯底傳送到處理位置102或104，以進行大量填充處理。在處理位置110、112處進行的處理，可使用與在位置102、104處的槽所進行的處理分開的或不同的化學劑。再進一步地說，在任何一個處理位置即處理位置112處所使用的化學溶液，與在任何其它處理位置即處理位置110處相比，可以是不同的，這是因為本發明的流體傳輸系統1811和管道系統能夠將分開的化學劑提供給處理平臺100上的各個單獨的電鍍槽。
在本發明的另一實施例中，可將一脫氣裝置(degasser)放置在本發明的其中一個流體管道中，用于從流過該管道的流體中清除泡沫。例如，可將脫氣裝置放置在連接容器與電鍍槽的其中一個管道中，用于從提供給電鍍槽的流體(電鍍溶液)中清除任何泡沫。另外，由于可能需要多個泵，從而在本發明的電鍍系統中產生流體流動，因此，可將過濾器設置在一個或多個流體管道中。這些過濾器可被設置用于在流體到達電鍍槽之前，從流動的流體中除去泵的機械組件所產生的任何顆粒。
為了減少電鍍膜中的缺陷，在將襯底浸入電鍍槽內所含電鍍溶液的過程中，附著在襯底表面的泡沫應當被最少化。因此，本發明的實施例提供了一種用于將襯底浸入處理流體中的方法，該方法產生最少的泡沫。本發明的浸入方法開始于將襯底裝入一上端組件(headassembly)的過程，該組件被設置用于支撐襯底并電接觸襯底。該上端組件一般包括接觸環和插入板組件(thrust plate assembly)，它們由裝載空間分隔開。接觸環和插入板組件的更詳細描述可見于共同被轉讓的美國專利申請序列號10/278,527，其于2002年10月22日提交，名稱是“Plating Uniformity Control By Contact Ring Shaping”，在此引入其全部內容作為參考。通過通道區域(access space)，使用機械手將襯底放在接觸環上。更具體地說，該機械手可以是真空型機械手，其被構造成用減壓接合裝置來接合襯底的背面。隨后可用附著于襯底的背面或非生產表面的真空接合裝置，以面朝下的方向(生產面向下)，來支撐襯底。然后，機械手可通過通道區域伸入接觸環，并降低從而將襯底放置在接觸環的接觸栓/襯底支撐面上，使真空接合裝置脫離接合，抬高到撤出高度，且隨后從接觸環中撤出。
一旦將襯底放置在接觸環2402上，就可將插入板2404組件降低到處理位置。更具體地說，圖24說明處于襯底裝載位置的插入板2404，即插入板2404被垂直地置于接觸環2402的下表面的上方，從而使通道區域2406最大化。在此位置，機械手120具有最大量的有效空間，用以將襯底裝載在接觸環2402上。但是，一旦襯底被裝上，就可將插入板2404垂直起動，即按圖24中箭頭2410所示的方向起動，以接合被置于接觸環2402上的襯底的背面。插入板2404與被置于接觸環2402上的襯底的背面接合，從而緊貼被置于接觸環2402上的電接觸栓，以機械方式偏置襯底，同時也將襯底固定在接觸環2402上，以進行處理。
一旦襯底被插入板2404固定在接觸環2402上，上端組件2400的下部，即接觸環2402和插入板2404的結合部即被繞軸旋轉到一傾斜角。通過上端組件圍繞樞軸點2408的旋轉運動，將上端組件的下部繞軸旋轉到一傾斜角。上端組件2400的下部圍繞樞軸點2408被起動，這導致上端組件2400的下部按圖24中箭頭2409所示的方向進行旋轉運動。上端組件2400的下部和放置在接觸環2402上的襯底的電鍍表面由于上端組件2400的運動而傾斜，形成一傾斜角，其中該傾斜角被定義為水平面與固定在接觸環2402上的襯底的電鍍表面/生產表面之間的夾角。該傾斜角一般為約3°到約30°，更具體地說，介于約3°到約10°之間。
一旦上端組件2400被傾斜，就可將其在Z方向上起動，從而開始浸入過程。更具體地說，上端組件2400可按箭頭2501所示方向被起動，如圖25所示，從而將放置在接觸環2402上的襯底帶向電鍍溶液，該電鍍溶液被包含于處在上端組件2400下方的電鍍槽2504中。電鍍槽2504通常類似于圖2所示電鍍槽200，其被設置成其中可容納電鍍溶液。電鍍溶液一般被包含在電鍍槽2504的內堰之內并超過內堰的最高點2502。因此，當上端組件2400朝向電鍍槽2504移動時，接觸環2402的底邊，即接觸環2402的因傾斜角而位置最靠近電鍍槽2504的那一邊，就隨著上端組件2400朝向槽2502被起動而接觸電鍍溶液。朝向槽2502起動上端組件2400的過程可進一步包括，使接觸環2402進行旋轉運動。因此，在浸入過程的起始階段，接觸環2402在垂直或者說Z方向上被起動，同時也圍繞向上穿過上端組件2400的垂直軸而轉動。一般地說，接觸環2402繞其轉動的上述垂直軸通常與襯底表面正交。將襯底浸入電鍍溶液、同時使襯底偏置的過程在共同被轉讓的美國專利申請序列號09/766,060中做了描述，該專利申請于2001年1月18日提交，名稱是“Reverse Voltage Bias for Use in ElectrochemicalPlating System”，并要求1999年4月8日提交的美國專利6,258,220的權益，在此引入二者的全部內容作為參考。
隨著襯底被浸入電鍍槽2504所含電鍍溶液中，上端組件2400的Z方向運動終止，且接觸環2402的位置從傾斜回到水平，如圖26所示。垂直或者說Z方向運動的終止是經過計算的，為的是當傾斜角消除時，仍保持襯底處于槽2504所含的電鍍溶液中。進一步的是，本發明的實施例考慮，消除所述傾斜角，即接觸環2402返回到水平位置，可以與接觸環2402垂直進入電鍍溶液的運動同時進行。因此，本發明的實施例考慮，襯底可首先與電鍍溶液接觸，此時襯底處于帶有傾斜角的位置，且隨后該傾斜角即可返回到水平，同時襯底則繼續被浸入電鍍溶液。這一過程構成了一種獨特的運動，既包括垂直起動又包括傾斜角起動，此運動已顯示能在浸入過程中減少泡沫的形成并減少泡沫附著在襯底表面上。進一步地說，在浸入過程中，襯底的垂直和繞軸旋轉起動也可包括接觸環2402的轉動，此運動已顯示能進一步使浸入過程中形成及附著在襯底表面上的泡沫最少化。
一旦襯底被完全浸入槽2504所含電鍍溶液中，上端組件2400即可被進一步在垂直方向(向下)起動，從而進一步將襯底浸入電鍍溶液，即將襯底進一步放入或者說更深地放入電鍍溶液，如圖27所示。該過程也可包括旋轉襯底，其作用是將在浸入過程中形成的任何泡沫從襯底表面排除。一旦襯底被更深地放入電鍍溶液中，上端組件2400即可再次繞樞軸點2408轉動，從而使襯底表面能夠被以傾斜角放置，如圖8所示。進一步的是，由于上端組件2400在前述步驟中只向下起動而使襯底進入電鍍溶液內，因此，圖8所示的傾斜運動通常不會將處于傾斜接觸環的高邊上的襯底的表面抬出電鍍溶液。更具體地說，由于樞軸點2408是位于上端組件2400的中央的，因此，當上端組件使接觸環2402繞樞軸點2408轉動時，接觸環2402的一邊就被進一步浸入電鍍溶液，而接觸環2402的另一邊則由于這種轉動而朝向電鍍溶液的表面被向上抬起。因此，由于一旦浸入其中，就要將襯底保持在電鍍溶液內，就必須進一步起動上端組件2400，使其進入電鍍溶液，從而使接觸環2402從圖27所示的水平位置移動到圖28所示的傾斜位置，而不會將襯底的至少一部分抬出電鍍溶液。上端組件2400的這一最后的傾斜運動一般對應于將接觸環2402放置到處理位置，即這樣的位置其中由接觸環2402所支撐的襯底大致平行于陽極，此陽極位于電鍍槽2502的下部。進一步的是，將接觸環2402放置到處理位置可包括朝向電鍍槽下部的陽極，進一步起動上端組件2400，從而使襯底的電鍍表面能夠被放置得與陽極離開一特定距離，以進行電鍍處理。
另外，本發明的浸入過程可包括振動運動，設置該振動運動，為的是進一步改善泡沫消除過程。更具體地說，上端組件可通過振動方式，在第一傾斜角和第二傾斜角之間來回傾斜，上述振動方式即這樣的方式一旦襯底被浸入電鍍溶液，襯底就在第一傾斜角和第二傾斜角之間傾斜數次。這種傾斜運動可通過較快的方式進行，即從約每秒2次傾斜到約每秒20次傾斜。該傾斜方式可伴隨著轉動，這進一步有利于排除附著在襯底表面上的泡沫。
本發明的浸入過程也可包括襯底在電鍍溶液中的垂直振動。更具體地說，一旦襯底被浸入電鍍溶液，即可使襯底上下運動。當襯底在電鍍溶液中被向上抬起時，襯底下方溶液的體積增大，且因此產生溶液向襯底下方區域的快速流動。類似地，當襯底被降低時，該體積減小，且產生溶液向外的流動。因此，襯底的垂直起動，即重復的上下運動，引起襯底表面處發生逆向的或振蕩的流體流動。這種旋轉加振動進一步增強了襯底表面上的振動流體流動。這些振動流體流動已顯示能改善泡沫消除，并因此而減少缺陷。
本發明的浸入過程可進一步包括一旦襯底被浸入電鍍溶液，便使得襯底的轉動振動。更具體地說，襯底在浸入和電鍍過程中通常是轉動的。這種轉動通過一般在襯底表面處產生的稀電鍍溶液(depletedplating solution)的循環而通常提高了襯底表面處的流體流動。這種轉動和流體流動的特征也可被用在浸入過程中，以利于泡沫的消除。更具體地說，本發明的實施例考慮，在襯底被浸入期間和/或之后，襯底可在不同旋轉速率和不同方向上轉動。例如，一旦襯底被浸入溶液中，即可首先使襯底按順時針方向轉動一段預定時間，然后逆時針方向轉動一段預定時間。旋轉方向可被切換數次，或只切換一次，這取決于具體應用。
另外，本發明的實施例可結合使用上述的振動方法。例如，本發明的一種浸入過程可包括傾斜起動、旋轉起動及垂直起動，或是它們的任一種結合。
圖29展示襯底表面被浸入電解液溶液時的襯底表面圖，其中襯底未被轉動，且襯底從水平面傾斜到一定傾斜角。在該實施例中，襯底2907開始浸入時，首先在襯底2907的第一邊2908處，襯底的邊接觸到電解液溶液。隨著襯底支撐部件或上端組件的垂直運動的繼續，襯底浸入電解液溶液中的面積按比例增加，如圖29中陰影面積2909所示。然而，應當注意，陰影面積2909并不代表總的浸入面積。更合適地，面積2909一般代表最新浸入的面積，因此，從襯底的邊到標有j+1的直線的這部分面積代表在j+1時刻襯底的總浸入面積。因此，為了在浸入過程中，電源能在襯底表面形成穩定的電流密度，可以對被浸入襯底的隨時間變化的面積進行計算或進行估計或測定，并以此來確定隨時間變化的所需電流，從而為浸入電解液溶液中的襯底面積提供穩定電流密度。因此，本發明的實施例將提供給襯底的電流作為襯底的浸入速度的函數，這是因為襯底的浸入速度，即襯底被浸入電鍍溶液的垂直速率直接對應于襯底在浸入過程中浸入面積的變化量。另外，雖然襯底在浸入過程中通常是轉動的，但是面積計算可以與不轉動的實施例相同，因為襯底的旋轉并不會增加或減小單位時間內襯底浸入電鍍溶液中的面積。
襯底浸入電解液溶液中的隨時間變化的面積的計算一般包括累積計算襯底浸入部分的細微部分(minute sections)的面積，并將這些部分加在一起，從而得到特定時間浸入的總面積。在浸入過程中襯底上電流的計算和應用在共同未決和共同被轉讓的美國專利申請序列號10/135,546中做了說明，該專利申請的名稱為“Apparatus and Method forRegulationg the Electrical Power Applied to a Substrate DuringImmersion”，于2002年4月29日提交，在此引入其全部內容作為參考。而且，雖然所引用的該申請是一般性地涉及控制浸入偏置，但本申請人考慮，可利用該方法控制移出偏置(removal bias)，如本說明書將進一步說明的。
在本發明的一個實施例中，根據時間計算，提供給襯底的電流隨著浸入表面積的增大而增大。例如，通過實驗，可以確定浸入過程的總時間。然后，通過計算，就能夠確定浸入過程所用時間與浸入的表面積之間的關系。因此，利用已確定的所用時間與浸入面積之間的關系，根據浸入時間的增加，即可確定供給襯底的電流，因為時間與浸入面積成比例。所以，知道了浸入時間與浸入表面積之間的關系，便可對處理方案進行改進，包括按比例改變浸入過程中供給襯底的電流，從而在整個浸入過程中能夠保持浸入表面積上的均勻電流密度。
在本發明的另一實施例中，可使用傳感器來確定襯底在浸入過程中的精確的徑向或傾斜位置。照此方案，所述位置被傳送到控制器，該控制器可隨即以實時方式計算浸入面積。然后可利用計算出的浸入面積來確定要供給襯底的電流，以便保持浸入襯底面積上均勻的電流密度。可以通過簡單地在每個單位時間內進行較多次測量，來增加測量處理的粒度/累積部分取樣，且因此而在每單位時間內更細地調節供給浸入表面積的電流。雖然本發明的最終目的是在襯底的浸入表面積上提供均勻的電流密度，但本實施例也為非均勻浸入過程中的襯底浸入面積提供均勻的電流密度。例如，如果襯底的浸入速度不是恒定的，或者在各個浸入過程之間是不可重復的，則不管其浸入速度，可利用本發明來保持襯底浸入面積上均勻的電流密度，這是因為電流計算與所用浸入時間無關。因此，本發明的實施例的反饋回路型系統可能在特定的設置中比本發明的其它實施例具有優勢，其中浸入過程的所用時間在數次襯底浸入中不是恒定的。
在本發明的另一個實施例中，在從電鍍槽中移出襯底的過程中，使用了保持襯底表面上的均勻電流密度的方法。例如，一旦襯底的電鍍過程完成，就將襯底從電鍍室中移出，這與浸入過程的步驟相反。在這種反向的浸入過程中，可能希望采取與浸入過程中保持恒定電流密度相似的方式，來保持襯底浸入表面上恒定的電流密度，從而避免均勻性改變。因此，在反向浸入過程中，供給襯底的電流可隨襯底浸入面積的減小而減小，從而保持襯底浸入面積上均勻的電流密度。在反向浸入過程中，控制襯底電流的方法例如可使用反饋回路型系統或時變電流控制型系統來執行，如前面的實施例所述。不管采用何種電流控制系統，在反向浸入過程中供給襯底的電流一般與仍浸在電鍍溶液中的襯底表面積成比例。
電鍍過程包括通過接觸環2402將電偏壓施加在襯底上。電鍍偏壓為正向偏壓，即電鍍偏壓是這樣設置的給襯底充電，使得襯底與電鍍槽中陽極205相比，是帶負電的，從而使得電鍍溶液中帶正電荷的金屬離子可以鍍在帶負電的襯底上。在傳統的電鍍系統中，一旦電鍍過程完成，電偏壓就終止，且襯底即被移出電鍍槽。然而，如上所述，傳統的電鍍系統和方法在電鍍偏壓的終止與襯底從電鍍溶液中移出之間，一般至少包括一個短時間延遲。在此延遲時間中，襯底與電鍍溶液接觸，而由于電鍍溶液本質上通常為酸性，因此在延遲時間內，電鍍溶液能夠蝕刻電鍍層表面。這種蝕刻導致電鍍層的光滑表面變得粗糙，這對隨后的處理步驟，例如CMP處理是不利的。
因此，本發明的方法和設備是這樣設計的在延遲時間中，對襯底施加一個正向襯底移出偏壓(襯底相對于陽極為負電性)。該移出偏壓被設置用于阻止電鍍層表面的蝕刻，因而該移出偏壓的設置可保持電鍍層的光滑表面。該移出偏壓一般在電鍍偏壓被終止之后立即施加到襯底上，即從電鍍偏壓過渡到移出偏壓可以是無縫的，從而使襯底在沒有被施加正向偏壓時不會暴露于電鍍溶液中。移出偏壓被設計成其強度足以阻止或阻礙蝕刻電鍍層，但是，移出偏壓也被設置用于減小在電鍍層表面的沉積。因此，移出偏壓可以這樣設置其正好高于系統的電鍍電壓，而移出偏壓的驅動電流則可被最小化，也就是說，此電流正好足以阻止蝕刻，同時又不會引起電鍍層光滑的上表面上的大量沉積。
通過與上述本發明的浸入偏壓控制特征類似的方式，本發明的實施例也被設置成在取消或撤消偏壓期間，控制所施加的電流。例如，可使用控制器111控制在撤消過程中施加到襯底上的電流和/或電壓。能夠控制撤消期間施加到襯底上的電流或電壓，為的是阻止仍浸在電鍍溶液中的襯底面積上的額外沉積(該襯底面積浸入電鍍溶液的時間比襯底上其它面積長)，這是因為在電化學電鍍過程中，沉積厚度一般是暴露于電鍍溶液的時間的函數。進一步地說，在襯底撤出過程中可以控制電壓或電流，以便阻止襯底的浸入部分上電流密度的提高，電流密度的提高也通常導致襯底仍浸在電鍍溶液中的那部分的電鍍速率提高。
本發明的實施例考慮，使用電壓控制系統(為控制所施加的電流或電源而對電源進行監控和調節的控制系統)、或電流控制系統(對電流本身進行監控和控制的控制系統)來控制移出偏壓。在整個襯底移出過程中，可使用電流控制系統，通過使電流密度在襯底表面上保持恒定，來控制移出偏壓。更具體地說，如上面在浸入過程中保持襯底表面的電流密度恒定的那部分所描述的，隨著襯底被從電鍍溶液中移出，提供移出偏壓的電路的電阻也發生變化。這種電阻變化是襯底的浸入導電表面積下降的結果，這造成電路的電阻增大。因此，當電路的電阻增大而浸入表面積減少時，本發明的電流控制系統可以對這些變化產生反應，降低提供給襯底的電流，從而使襯底表面上的電流密度在撤出過程中保持恒定。控制系統可通過閉合回路方式控制電流，即該電流控制系統可被設置成測定移出偏壓電路的電阻或其它電參數，從而相應地控制所供給的電流。可選地，該電流控制系統可被設置成通過對機械條件，例如襯底的位置或其它可測量的機械參數作出響應，來控制移出偏壓。例如，襯底的位置，即在撤出過程中襯底相對于電鍍溶液的垂直位置能夠與襯底的浸入表面積相關聯，且因此也可用襯底的位置來控制施加到襯底上的電移出偏壓。更進一步的是，電偏壓可以用時變方式來控制，即，可在襯底連續移出過程的每單位時間，對電移出偏壓進行調節，該移出過程的時間或者說期間基本等同于襯底的浸入表面積。
在襯底移出過程中，襯底可被轉動、傾斜、繞軸旋轉、垂直起動、水平起動、和/或用聲波或超聲波能量振動。例如，在本發明的移出過程中，襯底可在電鍍溶液中轉動，同時啟動移出偏壓。然后將襯底垂直地上舉到溶液之外，從而使襯底脫離溶液。在上舉過程中，襯底的表面區域是逐漸從電鍍溶液中被移出的，且施加到該表面區域上的電偏壓可根據從溶液中移出的表面積(或仍在溶液中的表面積)的比例來控制，如上所述。襯底可被維持在一個水平位置，即襯底表面通常平行于堰型電鍍裝置(weir-type plater)所含電鍍溶液的上表面的位置。可選地，襯底的表面可從水平面傾斜，即襯底的表面可處于這樣的位置在襯底表面與堰型電鍍裝置中電鍍溶液的上表面之間形成一定的傾斜角。在此結構中，當襯底被垂直移動或被舉出溶液時，襯底表面與電鍍溶液上表面之間的傾斜角保持不變。然而，本發明的實施例也考慮到，在移出過程中，該傾斜角可以是變化的。例如，在襯底移出過程中，該傾斜角可增大或減小，從而使襯底脫離溶液的垂直運動不會讓傾斜角保持恒定，反之，該傾斜角隨著襯底被移出而增大或減小。
在襯底移出過程中，舉例來說，襯底可在約5rpm到約100rpm的速度轉動，或更具體地說，以約20rpm到約60rpm的速度轉動。襯底的傾斜角可以為約3°到約30°，或更具體地說，為約5°到約20°。該傾斜角在移出過程中可增大或減小，且可繞軸轉動或振動。在移出過程中，施加于襯底上的電偏壓可被設置成在襯底表面產生的電流密度為約0.5mA/cm3到約5mA/cm3，或更具體地說，約0.5mA/cm3到約1mA/cm3，或更具體地說，約1.0mA/cm3到約3mA/cm3。在移出過程中，施加于襯底上的電壓可為約0.3伏到約10伏，例如更具體地說，為約0.8伏到約5伏。
雖然以上描述涉及本發明的實施例，但是尚可設計本發明其它的及進一步的實施例，而不偏離其基本范圍，且該范圍是由所附權利要求書決定的。
權利要求
1.一種電化學電鍍系統，包括一襯底電鍍槽，其位于一主框架上，所述電鍍槽包含分開的陰極電解液區域和陽極電解液區域；一襯底斜邊清洗槽，其位于所述主框架上；一襯底旋轉沖洗干燥槽，其位于所述主框架上；一疊置襯底熱處理站，其被設置成與所述主框架相連，在所述疊置襯底熱處理站中的各室有一襯底加熱板和一襯底冷卻板，該襯底加熱板和該襯底冷卻板是相鄰地放置在該室中的；至少一個襯底傳送機械手，其被設置用于在各所述槽與所述熱處理站之間傳送襯底。
2.如權利要求1所述的系統，其中所述至少一個旋轉沖洗干燥槽包括一槽盤，其具有直立的圓柱形壁；一環形且向內彎曲的降壓表面，其位于所述直立的圓柱形壁的頂部；一流體接收護罩，其從所述直立的圓柱形壁的頂部徑向向內延伸；一可轉動襯底支撐部件，其位于所述槽盤的中央；以及1.一流體分配噴嘴，其被設置用于將沖洗溶液分配到放置于所述支撐部件上的襯底的上表面。
3.如權利要求1所述的系統，其中至少一個電鍍槽包括一電鍍槽盤，其具有一溢流堰；一陽極，其位于所述槽盤中；一離子隔膜，其位于所述槽盤上、介于所述陽極與所述溢流堰之間；以及一擴散部件，其位于所述槽盤上、介于所述隔膜與所述溢流堰之間。
4.如權利要求3所述的系統，其中所述擴散部件包括流體可滲透的多孔陶瓷部件。
5.如權利要求3所述的系統，其中所述隔膜包括陽離子隔膜。
6.如權利要求5所述的系統，其中所述電鍍槽包括一陰極電解液流體入口，其被設置用于將陰極電解液溶液分配進所述隔膜與所述溢流堰之間的陰極液區域內；以及一陽極電解液流體入口，其被設置用于將陽極電解液溶液分配進所述槽盤中在所述隔膜下方的區域。
7.如權利要求1所述的系統，其中所述疊置的襯底熱處理站包括一襯底傳送機械手，其位置鄰近所述加熱板和所述冷卻板，所述襯底傳送機械手被設置用于在所述加熱板與所述冷卻板之間傳送襯底。
8.如權利要求1所述的系統，其中所述襯底斜邊清洗槽包括一襯底定心組件；一可轉動襯底支撐部件；以及一流體分配噴嘴，其被設置用于將蝕刻溶液分配到正在所述斜邊清洗槽中被處理的襯底的禁止區上。
9.如權利要求8所述的系統，其中所述襯底定心組件包括多個可協調轉動的襯底支撐定心栓，每個所述襯底支撐定心栓具有一較高的襯底支撐部以及一位置偏離圓心的襯底定心柱，該較高的襯底支撐部位于所述定心栓的垂直軸上。
10.如權利要求1所述的系統，包括一流體輸送系統，所述流體輸送系統被設置用于向各單獨的所述電鍍槽提供至少兩種不同的電鍍化學劑。
11.一種多化學劑電鍍系統，包括多個電化學電鍍槽，其位于一共用平臺上；一清洗槽，其位于所述平臺上；熱處理室，其被設置成與所述平臺相連；以及一多化學劑流體輸送系統，其被設置成與所述平臺相連，并與所述多個電鍍槽流體連通，所述流體輸送系統被設置用于將多種流體溶液混合并分配給所述多個電鍍槽中的每個電鍍槽。
12.如權利要求11所述的電鍍系統，其中所述電化學電鍍槽包括一溢流堰，其位于一槽盤的頂部；一陽極，其位于所述槽盤中；一離子隔膜，其位于所述槽盤上、介于所述陽極與所述溢流堰之間；以及一擴散部件，其位于所述槽盤上、介于所述隔膜與所述溢流堰之間。
13.如權利要求12所述的電鍍系統，其中所述離子隔膜進一步包括陽離子隔膜，其被設置用于將所述電鍍槽分為處于該隔膜下方的陽極液室和處于該隔膜上方的陰極液室。
14.如權利要求13所述的電鍍系統，其中所述多化學劑流體輸送系統被設置用于向所述陰極液室提供陰極液電鍍溶液，且向所述陽極液室提供陽極液溶液。
15.如權利要求11所述的電鍍系統，其中所述清洗槽包括襯底旋轉沖洗干燥槽。
16.如權利要求11所述的電鍍系統，其中所述清洗槽包括襯底斜邊清洗槽。
17.如權利要求11所述的電鍍系統，其中所述斜邊清洗槽包括一可轉動真空卡盤；多個襯底定心柱，其位于所述真空卡盤的徑向外側；以及一可移動流體分配噴嘴，其被設置用于將蝕刻溶液分配到位于所述真空卡盤上的襯底的斜邊上。
18.如權利要求17所述的電鍍系統，其中所述多個襯底定心柱包括一較高的襯底支撐部以及一位置偏離圓心的襯底定心柱，該較高的襯底支撐部位于所述定心柱的縱軸上。
19.如權利要求11所述的電鍍系統，其中所述熱處理室包括疊置熱處理系統，疊置中的每個熱處理室包括一加熱板、一冷卻板和一氣體分配噴嘴。
20.一種電化學電鍍系統，包括一電化學電鍍槽，其位于一處理平臺上，所述電化學電鍍槽包括一槽體，其被設置用于容納電鍍溶液，且其上設置有一溢流堰；一陽極，其位于所述槽體中；一離子隔膜，其位于所述槽體上，處在所述陽極上方和在所述溢流堰下方的位置處，所述離子隔膜將該隔膜下方的陽極液室與該隔膜上方的陰極液室分開；以及一多孔擴散部件，其被位于所述槽體上、處于所述陰極液室之內；一襯底清洗槽，其位于所述處理平臺上；以及一疊置襯底熱處理站，其被設置成與所述處理平臺相連。
21.如權利要求20所述的電鍍系統，其中所述襯底清洗槽包括襯底旋轉沖洗干燥槽和襯底斜邊清洗槽至少其中之一。
22.如權利要求20所述的電鍍系統，其中所述疊置襯底熱處理站包括多個疊置的熱處理室，每個所述疊置的熱處理室包括一加熱板，其位于該室中；一冷卻板，其位于該室中；一襯底傳送機械手，其被設置用于在所述加熱板與所述冷卻板之間傳送襯底；以及一氣體分配噴嘴，其與所述室的內部流體連通。
全文摘要
本發明的實施例一般提供電化學電鍍系統。所述電鍍系統包括襯底裝載站，其被放置與主框架處理平臺相連；至少一個襯底電鍍槽，其被放置在主框架上；至少一個襯底斜邊清洗槽，其被放置在主框架上；以及疊層的襯底熱處理站，其被放置與主框架和裝載站至少其中之一相連，所述疊層的襯底熱處理站中各個室具有加熱板、冷卻板和襯底傳送機械手。
文檔編號H01L21/687GK1985026SQ200480016732
公開日2007年6月20日 申請日期2004年4月16日 優先權日2003年4月18日
發明者M·X·楊, M·席, R·C·艾爾萬杰爾, E·B·布萊徹爾, B·多諾索, L·L·龐, S·謝爾曼, H·胡, A·N·阮, A·N·勒納爾, A·L·達布勒, A·山姆伽桑德拉姆, T·石川, Y·拉賓諾維奇, D·魯波密爾斯基, Y－F·E·莫, S·T·阮 申請人:應用材料有限公司