CN1244722C - 采用无电镀和电镀进行镀铜的装置 - Google Patents

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Abstract

提出了一种用于将一种金属镀覆到一个工件(25)的一个表面上的反应器(20)。该反应器(20)包括一个其中配置有一种电镀液的反应器碗(35)和一个配置在反应器碗中与电镀液接触的阳极(55)。一个触头组件(85)位于反应器碗(35)中与阳极(55)间隔一距离。该触头组件包括多个配置用来接触工件表面的一个外围边缘来将电镀能量提供给工件的触头(图中未示出)。这种可以具有一种贝氏环或离散挠曲件形式的多个触头在当工件被带入与其接触时对工件表面实施擦抹动作。触头组件还包括一个配置在多个触头内部的屏障(图中未示出)。

Description

采用无电镀和电镀进行镀铜的装置
从诸如半导体晶片那样的工件来生产半导体集成电路和其它微电子装置典型地要求在晶片上形成一个或多个金属层。这些金属层被用来比如使集成电路的不同装置相互电连接。另外，由这些金属层所形成的结构可组成诸如读/写头等这样的微电子装置。
微电子制造业已应用了很大范围的一批金属来形成这种结构。这些金属包括比如镍、钨、焊锡、铂、和铜。另外，也采用了众多的处理技术来沉积这些金属。这些技术包括比如化学汽相沉积(CVD)、物理汽相沉积(PVD)、电镀、以及无电镀。在这些技术中，电镀和无电镀倾向于是最经济的，且因此也是为人们最愿采用的。电镀和无电镀可被用于沉积覆盖金属层，也用于沉积图案金属层。
微电子制造业中用来将一种金属沉积到半导体晶片上的最最流行的工艺程序之一是所谓的“金属镶嵌(damascene)”处理。在这种通常被称为“通路”的处理孔中，沟道和/或凹槽被形成在一个工件上并被填充有如铜那样的金属。在金属镶嵌过程中，大圆片先被提供有一个金属的源层(Seed layer)，该金属的源层被用来在一其后的金属电镀步骤中导电。若采用如铜那样的一种金属，源层便被沉积到诸如钛、氮化钛等这样的一种阻挡层上面。源层是一种非常薄的金属层，可采用多道工艺中的一道或数道来镀覆它。例如，可采用物理汽相沉积或化学汽相沉积工艺来敷设金属源层以便制造一种厚为1000埃的量级的薄层。源层优选地可由铜、金、镍、钯、或其它种金属来形成。源层被形成在一个完全为通路、沟道、或其它凹槽型装置特征所盘旋环绕的一个面上。
一个金属层然后则以覆盖层的形式被电镀到该源层上。该覆盖层被镀覆形成一个重叠层，其目的是提供一个能填充沟道和通路的、且能高出这些特征之外一定量的金属层。这样一种覆盖层典型地具有10000-15000埃(1～1.5μm)量级的厚度。
在覆盖层被电镀到半导体晶片上之后，存在于通路、沟道、或其它凹槽之外的多余金属材料被除去。除去金属则用来提供一个在被形成的半导体集成电路中的金属层结果图案。这些多余的被镀上材料可以比如采用化学机械整平法来加以去除。化学机械整平法是这样一种处理步骤，它采用一种化学去除剂和一种磨料相结合的行为，用于磨削和抛光被暴露的金属表面来去除在电镀步骤中所敷设的金属层中不需要部分。
对半导体晶片的电镀发生在一个反应器组件中。在这样一种组件中，一个阳电极被配置在一电镀槽中，而表面镀有源层的晶片则用作为阴极。仅仅允许晶片的下表面接触电镀槽的表面。晶片被一支承系统所支承，该系统也将所需的电镀能量(例如阴极电流)导至晶片。支承系统可以包括导电爪，这些导电爪能确保晶片位于恰当位置并也将接触晶片源层来为电镀操作通导电流。一个反应器组件的一实施例公开于1997年9月30日申请的U.S.S.N.08/988,333中，题为“具有带末端接触部和电介质覆盖层的工件啮合电极的半导体电镀系统工件支承装置”。
在设计用在对半导体晶片作电镀的反应器时必须克服几个技术问题。在围绕晶片圆周之上采用少量与源层接触的分散的电接触头(例如6个接触头)通常在靠近触头处具有比在晶片其它部分更高的电流密度。这种在整个晶片上非均匀的电流分布反过来又引起被镀金属材料非均匀的沉积状况。通过提供电导元件而不是提供那些接触源层(Seed layer)的元件所实施的电流偷取作用能被用在靠近晶片触头处以减小这种非均匀性。但这种电流偷取技术增加了电镀设备的复杂性，并增加了对维护的要求。
另一个晶片电镀中产生的问题是有关防止电触头本身在电镀过程中被电镀。任何被镀到电触头上的材料都必须被去除以防止改变触头性能。尽管可以为离散的电触头提供密封机构，但这些配置典型地会覆盖一大部分晶片表面面积，且能增加对电触头设计方面的复杂性。
再提出另外一个问题方面，有时候则要求在靠近半导体晶片边缘的地方防止在曝露的阻挡层上电镀。被镀的材料会不能很好地固结到被暴露的阻接层材料上，且因此易于在其后的晶片处理步骤中剥落掉。此外，在反应器中被镀到阻挡层上的金属会在电镀过程中剥落掉，这样会给电镀槽增加颗粒状污染物。这种污染物会对整个电镀过程产生有害影响。
被电镀的专门的金属也会使电镀过程复杂化。例如，对某些金属的电镀典型地要求使用一种具有较高电阻值的源层，其结果是，使用典型的多个电晶片触点(比如6个分散触点)不会给晶片上被镀的金属层提供足够的均匀性。
除了上述讨论的有关触头的问题之外，还有其它与电镀反应器相关的问题。当装置尺寸减小时，在对处理环境更加严格控制方面的要求却增加了。这方面包括对影响到电镀过程的污染物的控制。反应器中倾向于产生这些污染物的移动成分应该因此承受严格的隔离要求。
再者，现有的电镀反应器经常难于保持和/或重构而用于不同的电镀过程。如果一个电镀反应器设计必须被接受用于大规模生产的话，这些困难必须被克服掉。
本发明的一个方面是提出一种改进的电镀装置，它具有下述特征中的一个或多个：一个改进的工件触点组件，一个具有一种快速脱开触头组件结构的处理头，和/或一个能将移动成分同处理环境有效隔离开的处理头。
通过电镀来沉积铜方面的一个缺点是：对微电子工件上很小的特征(亚0.1微米特征)，通过电镀来沉积铜会使具有高纵横比的通路和沟道的侧壁缺乏共形性，且能在所形成的互连通道和插头(通路)中产生空隙。这经常是由通过PVD或CVD所沉积的铜源层的非共形性所造成的，该源层可能没有足够的厚度来将电流运载到高纵横比特征的底部。
另外一种将铜沉积到一个微电子工件上的工艺过程是“无电”镀。一种在微电子工件上进行铜金属化的无电镀方法被描述于V.M.Dubin等的文章“亚半微米无电铜金属化”(Sub-Half Micron Electroless CuMetallization)，该文刊载于“材料研究协会讨论会会议录”第427期，未来超大规模集成电路的金属化技术进展，1996年(Materials ResearchSociety Symposium Proceedings，Volume 427，Advances MetalizationFor Future ULSI，1996)，结合在本文中作为参考。该文描述了无电镀金属化的潜在优点，如低的工具成本、低的处理温度、高质量的沉积层、优秀的镀覆均匀性、以及较好的通路/沟道填充能力。
根据所公开的程序，在一具有一个铜源层的工件上进行用于通路和沟道填充的覆盖层无电铜沉积。该铜源层先通过溅射或接触位移(湿法活化过程)来沉积。一个铝牺牲层被溅射到该铜源层上。准直的钛/氮、非准直的钛、以及非准直的钽被周作为扩散阻挡/粘接促进剂层。在无电沉积铜层之后，则实施对铜层的化学/机械抛光，用于获取镶嵌的铜金属化。一种选择性的无电钨化钴(CoW)钝化层被沉积到镶嵌铜金属化层上。
根据上述文章所公开的方法，在同样的无电铜镀槽中无需转移晶片便实施对铝牺牲层的腐蚀其结果则使得催化的铜表面不被暴露给空气。这一点意味着在实现无电铜沉积之前可避免被氧化。在对铝牺牲层进行腐蚀之后，催化的源层便起着一种无电铜沉积的催化材料的作用。另外，根据所公知的方法，在一个真空中在300℃时对籽阻挡层系统实施的退火过程改善了源层的粘附性。
此外，少量的表面活化剂和稳定剂被加到镀铜溶液中来控制表面张力并减缓氢在沉积物中的夹附作用，同时也来增加溶液的稳定性。表面活化剂方面的例子有：RE610、聚乙烯乙二醇、NCW-601A、以及TritonX-100。稳定剂的例子有：新试铜灵、Q·2’联吡啶、CN-、绕丹宁。
其它描述和教导无电金属化技术的专利包括美国专利5,500,315；美国专利5,310,580；美国专利5,389,496；以及美国专利5,139,818，所有上述专利均结合在本文中加以参考。
尽管铜在微电子工件上的无电镀能提供比如良好的共形性这样的优点，但铜的非电沉积速率却普遍低于电镀法的沉积速率。因此，本发明的另一方面认识到需要在小的和/或高纵横比的特征中所沉积的铜方面取得优越的共形性，同时还要有一个增加的整体沉积速率来提高微电子生产产量。本发明的这一方面还认识到需要提供一种能被结合进一种自动化微电子处理工具中的无电镀反应器。
本发明提出一种将一种金属镀覆到一个工件的一个表面上的反应器。该反应器包括一个反应器碗和一个配置在反应器碗中的阳极，该反应器碗包括一配置在其中的电镀液，该阳极则与该电镀液相接触。一个触点组件被配置在反应器碗中与阳极有一间距。该触头组件包括多个触头，这些触头被配置用来接触工件表面的一外围边缘以将电镀能量提供给工件表面。当工件被带入与触头接触时，触头则执行对工件表面的一种擦抹动作。触头组件还包括一个配置在多个触头内部的屏障。该屏障包括一个部件，该部件的配置用于接触工作表面来帮助将多个触头与电镀液隔离开。在一个实施例中，该多个触头具有分散挠性件的形式，而在另一实施例中，该多个触头则具有贝氏(Belleville)环触点的形式。在触头组件中可提供一条气流路径，用于将一种净化气体提供给多个触头及工件的外围边缘。该净化气体可被用来帮助形成触头组件的壁垒。
根据本发明的另一方面，触头组件被一个或多个锁紧机构连接在反应器内部。锁紧机构可以方便地用具有相同或不同种类的另一个触头组件来替换该触头组件。如果是公知的触头组件的结构，那么采用相同类型的触头组件作替换则减少或消除了要求对电镀系统的重新标定，因此也减少了反应器的工作时间。
根据本发明反应器的再一方面，反应器可包括一种具有触头组件的处理头。尤其是，该处理头可包括一个静子部和一个转子部，该转子部包括触头组件。该触头组件可通过至少一个锁紧机构被可拆地连接到转子部。
反应器本身也可在一个组件中包括有一个背衬件和一个驱动机构，在该组件中该背衬件和触头组件被该驱动机构所驱动在一工件装载状态和一工件处理状态间相互相对移动。在工件处理状态中，工件被背衬件所驱使抵向触头组件的多个触头。为减少驱动机构所释放出的颗粒的污染危险，该驱动机构可完全被一膜盒所包围住。
本发明还提出了一种用于镀覆工件的集成工具。该集成工具包括一个第一处理室和一个第二处理室，该第一处理室采用一种无电镀过程来镀覆工件，而该第二处理室采用一种电镀过程来镀覆工件。使用了一种机械手传送机构，该机构通过计算机程序控制来将一工件传送到第一处理室用于对其实施无电镀，且在后一操作中将工件传送到第二处理室用于对工件作电镀。本发明还提出了一种可在上述工具上被执行的镀覆过程，但该披露的过程是独立于该处理工具的。
图1为根据本发明的各教导所建造的一种电镀反应器的剖视图。
图2示出一种适用于图1所示组件的反应器碗的一实施例的一个专门结构。
图3示出一种适用于图1所示组件的反应器头的一个实施例，该反应器头包括有一静止组件和一转子组件。
图4～10示出一种适用于图1所示反应器组件的、采用挠性触头的触头组件的一个实施例。
图11～15示出一种适用于图1所示反应器组件的、采用挠性触头的触头组件的另一实施例。
图16～17示出一种“贝氏环”触头结构的两种不同的实施例。
图18～20示出一种适用于图1所示反应器组件的、采用一种诸如图15～17中所示的那些“贝氏环”触头结构之一那样的触头结构的触头组件的一个实施例。
图21～23示出一种适用于图1所示反应器组件的、采用一种诸如图15～17中所示的那些“贝氏环”触头结构之一那样的触头结构的触头组件的另一个实施例。
图24示出一种适用于图1所示反应器组件的、采用一种诸如图15～17中所示的那些“贝氏环”触头结构之一那样的触头结构的触头组件的又一个实施例。
图25示出一种适用于图1所示反应器组件的、采用一种诸如图15～17中所示的那些“贝氏环”触头结构之一那样的触头结构的触头组件的再一个实施例。
图26～27示出一种适用于图1所示反应器组件的触头组件的另一实施例。
图28～32示出一种快速连接机构的一个实施例的不同方面。
图33示出反应器头的一个剖视图，图中示出该反应器头被配置在一种它可接受一个工件的条件下。
图34示出反应器头的一剖视图，图中示出该反应器头被配置在一种它准备将工件递给反应器碗的条件下。
图35示出转子组件的一个实施例的一分解图。
图36为一种适用于与本发明结合使用的无电镀反应器的一个实施例的剖视图。
图37～42示出适用于图36的非电镀反应器的工件保持器的各不同实施例。
图44～46示出一种能将诸如氮气这样的一种净化气体提供给一个工件保持器或者一个根据所披露的实施例所建造的触头组件的方式。
图47～49为可将无电镀反应器同电镀反应器结合一起的集成处理工具的顶视图。
图50为一流程图，示出一种组合无电镀和电镀步骤的工件镀覆过程。
基本反应器部件说明如下：
参照图1～3，图中示出一个反应器组件20，它用来电镀诸如一个半导体晶片25那样的微电子工件。总体来说，该反应器组件20包括有一个处理头30和一个相应的反应器碗35。该类型的反应器组件尤其适用于实施对半导体晶片或类似工件的电镀，在其中晶片的一个导电薄膜层被电镀有一个表面的或图案化的金属层。
图2示出适用于反应器组件20的一种反应器碗35的一个实施例的专门构造。电镀反应器碗35是反应器组件20的一个部分，它包含有电镀液且将该电镀液导向一个待镀相关工件25的一通常为朝下面向的表面。为此，电镀液被循环通过反应器碗35。伴随着该电镀液的循环，电镀液还从反应器碗35流出，经过碗的类似堰的周边从而进入反应器组件20的一个下溢流室40。电镀液被从该溢流室抽出，典型地用于经过反应器的再循环。
反应器碗35包括一个外液管45，在其中放置有一根进液管50，用于将电镀液引导进入反应器碗35中。进液管50优选地是导电的且能形成与一电镀阳极55成电气接触并支承该电镀阳极55。阳极55可被提供有一阳极屏蔽60。电镀液从进液管50流经其上部的围绕阳极55的众多孔，并经过一配置成与阳极合作的附加扩散板65。阳极55可以是消耗性的，因此阳极的金属离子被电镀液传递到相关工件的导电表面上，该工件则起着阴极的作用。另一种方式是，阳极55可以是惰性的，由此则可去除对阳极屏蔽60的需要。
如图1和图3所示，电镀反应器20的处理头30优选地包括有一个静止组件70和一个转子组件75。转子组件75被构造成能接收并承载一相关的晶片25或类似工件、将该晶片定位在反应器碗35中一过程侧下端的方向上、并转动和旋转工件，在此同时将其导电表面加入到反应器组件20的电镀电路中去。处理头30被典型地安装在一个提升/旋转装置80上，该装置80被构造来将处理头30从一个面朝上的配置形式转动到一个面朝下的配置形式，其中在面朝上的配置形式时该处理头30接收被镀覆的晶片，而在面朝下的配置形式时被镀覆的晶片的表面则朝下位于反应器碗35中，通常与扩散板65成对面的关系。一个机器人臂415(有时也被看作包括一个末端操纵器)被典型地用来将晶片25在转子组件75上安放就位，且用来将镀好的晶片从转子组件中移走。
可以认识到，其它的反应器组件构造形式也可被用在所披露的反应器头的发明方面，以上所介绍的种类仅仅是示例性的。另一种适用于前述结构形式的反应器组件被示例于1998年7月9日申请的U.S.S.N.09/112,300中，并结合在本文中加以参考。还有一种适用于前述结构形式的反应器组件被示例于1999年4月13日申请的U.S.S.N.60/120,955中，也结合在本文中加以参考。
改进的触头组件说明如下：
如上所述，将电镀能量提供给位于晶片外围边缘上的部分的方式对于被沉积金属的整体薄膜质量十分重要。用于提供这种电镀能量的触头组件的非常所希望的特性中的一些包括比如如下这些：
·将电镀能量均匀分布于晶片外围周围来最大限度地获取被沉积膜的均匀性；
·一致的接触特性来确保晶片到晶片的均匀性；
·触头组件在晶片外围上最小的侵入来最大限度地获取装置生产的可用面积；
·晶片外围四周的阻挡层上最少量的镀覆来阻止镀层脱落和/或剥落。
为满足上述特征的一个或多个，反应器20优选地采用一种环形触头组件85，它可提供同晶片25的一种连续的电接触或者很大数量的分散电触点。通过提供一种与半导体晶片25的外围边缘的更加连续的接触，在这种情况下是围绕半导体晶片的外圆周，则将一个更为均匀的电流提供给了半导体晶片25，晶片25则促进了更均匀的电流密度。该更为均匀的电流密度则提高了被沉积材料深度方面的均匀性。
根据本发明的一优选实施例，触头组件85包括提供有晶片外围四周上最小侵入且同时提供有与源层始终一致接触的接触件。与源层的接触通过采用这样一种接触件结构来加以提高，该结构在当晶片被带入与触头组件接触时能提供一种对源层的擦抹动作。这一擦抹动作有助于去除位于源层表面上的任何氧化物，由此则提高了该接触件结构和源层之间的电接触性。结果，晶片外围四周的电流密度的均匀性得到提高，而最终的镀膜则更均匀。另外，这种在电接触方面的一致性有助于在晶片到晶片的电镀过程中获取更大的一致性，且由此增加了晶片到晶片的均匀性。
如在下面将要更详细介绍的，触头组件85优选地也包括一个或多个能单独地、或与其它结构一起提供一种屏障的结构，该屏障将一个触点/多个触点、半导体晶片25的外围边缘部和背侧与电镀液隔开。这样便阻挡了将金属镀到单个的触点上，且也有助于防止靠近半导体晶片25边缘的阻挡层的任何被暴露部分被暴露给电镀环境。结果，对阻挡层的电镀以及因任何被松散结合住的电镀材料的剥落而造成的污染方面的潜在性都被得到实质性的限制。
采用挠性触点的环形触点组件说明如下：
一种适用于组件20的触点组件的一个实施例示出于图4～10的附图标记85处。该触点组件85组成转子组件75的一部分并在半导体晶片25和一个电镀能量源之间提供电接触。在图示的实施例中，半导体晶片25和触点组件85之间的电接触发生在大量的离散挠性触点90之上，它们在当半导体晶片25为转子组件75所保持和支承着时有效地与反应器碗35内部的电镀环境相分隔开。
触点组件85可以包括有数个分散的部件。参照图4，当待镀覆的工件是一圆形半导体晶体时，触点组件85的分散部件组合在一起形成一个总体环形部件，该部件具有一个有界的中央开口区域95。正是在该有界中央开口区域95中，待镀覆的半导体晶片的表面被暴露出来。专门来参照图6，触点组件85包括一个外部体件100、一个环形楔件105、多个挠性触点90、一个触点支架件110、以及一个内晶片导向件115。环形楔件105、挠性触点90、以及触头支架件110优选地由镀铂的钛材料做成，而晶片导向件115和外部体件100则由一种与电镀环境相协调的电介质材料做成。环形楔件105、挠性触头90、支架件110、以及晶片导向件115组合在一起形成单个组件，该单个组件为外部体件100所固定。
如图6所示，触头支架件110包括一个配置在其外围部上的第一环形槽120和一个该第一环形槽120向内径向配置的第二环形槽125。该第二环形槽125开向多个挠性通道130，它们的数目与挠性触头90的数目相等。由图4可看到，共使用了36个挠性触头90，每两个触点相互间隔开一个约10°的角度。
再次参照图6，每个挠性触点90包括一个直立部135，一个横向部140、一个垂直过渡部145、以及一个晶片接触部150。与此类似，楔件105包括一个直立部155和一个横向部160。楔件105的直立部155和每个挠性触头90的直立部135被固定在每个挠性通道130处的触头支架件110的第一环形槽120之中。挠性触头90的自我调节至它们在整个触头组件85之中的合适位置的行为是通过首先将每个单独的挠性触头90放置于其各自的挠性通道130中来加以推进的，这样直立部135则被配置在触头支架件110的第一环形槽120中，而过渡部145和接触部150则穿过各自的挠性通道130。楔件105的直立部155然后被压进第一环形槽120中。为帮助这一啮合，直立部155的上端被做成锥形。挠性触头90的直立部135和楔件105的直立部155两者结合的宽度能使得这些部件被紧紧地与触头支架件110固定。
楔件105的横向部160沿着每个挠性触头90的横向部140的部分长度伸展。在图示的实施例中，楔件部105的横向部160终止于触头支架件110的第二环形槽125的边缘上，正如从以下对挠性触头的操作的描述中将会更清楚地看到的那样，楔件105的横向部160的长可选择为能提供所需的挠性触头90的刚度。
晶片导向件115具有一种环状的形式，它具有多个槽孔165，挠性触头90的接触部150则伸穿过这些槽孔165。一个环形延伸件170从晶片导向件115的外壁伸展开并与一配置在触头支架件110的内壁中的相应环形槽175相啮合，从而将晶片导向件115与触头支架件110相固定。如图所示，晶片导向件115具有一个内径，该内径从导向件115的上部到位于接触部150附近的导向件115的下部逐渐减小。一个被插进触头组件85中的晶片因此便被形成在晶片导向件115内部的一锥形导向壁引导进与接触部接触的位置。晶片导向件115的伸展在环形延伸件170之下的部分180优选地形成为一个薄的柔性壁，该壁弹性地变形以容纳具有在一给定的晶片尺寸公差范围之内不同直径的晶片。此外，这种弹性变形也能适应那些用来将晶片带入与挠性触头90的接触部150相接触的部件中所发生的一系列晶片插入允差。
参照图6，外部体件100包括一个直立部185、一个横向部190、一个垂直过渡部195和另一个终止于一个上翘的凸缘205中的横向部200。直立部185包括一个环形延伸件210，该延伸件210径向向内伸展以啮合一配置在触头支架件110的一外壁中的相应环形楔215。一个V形楔220被形成在该直接部185的一个下部并环绕直立部185的外围。该V形楔220能使直立部185在装配过程中弹性变形。为此，在当环形延伸件210在触头支架件110外部滑动以啮合环形楔215时，直立部185则弹性变形。一经这样地啮合之后，触头支架件110便被夹住在环形延伸件210和外部体件100的横向部190的内壁之间。
另外，横向部200伸出在挠性触头90的接触部150的长度之外并且其尺寸被做成当比如位于附图标记25处的一块晶片被驱使压向它们时能够弹性地变形。V形楔220可作合适的尺寸设计和定位来帮助横向部200发生弹性变形。当晶片25与接触部150正确接触时，上翘凸缘205啮合晶片25并帮助在电镀液和晶片25的外围边缘及背侧、包括挠性触头90之间提供一个屏障。
如图6所示，当晶片25被驱使压向挠性触头90时，挠性触头90弹性地变形。接触部150优选地以图示方式起始向上弯曲。这样，当晶片25被驱使压向接触部150时，挠性触头90弹性变形，从而接触部150有效地抵擦晶片25的表面230。在图示的实施例中，接触部150有效地抵擦晶片25的表面230有一个水平的距离，图中以数字235表示该距离。这种擦抹行为有助于将任何的氧化物从晶片25的表面230去除和/或渗透，从而能在挠性触头90和晶片25的表面230处的源层之间提供更为有效的电气接触。
参照图7和图8，触头支架件110被提供有一个或多个口240，这些口240可被连接至一个净化气体源，例如一个氮气源。如图8所示，净化口240通向第二环形槽125，第二环形槽125反过来起一个集流管的作用，将净化气体分配给图6所示的所有挠性通道130。净化气体然后流经通过挠性通道130的每一个以及槽孔165来完全包围住挠性触头90的整个接触部150。除了净化接触部150周围的面积外，净化气体还与外部体件100的上翘凸缘205合作来形成一个对电镀液的屏障。对净化气体进一步的循环是通过一个形成在晶片导向件115的外壁的一部分和触头支架件110的内壁的一部分之间的环形通道250来加以促进的。
如图4、5和10所示，触头支架件110被提供有一个或多个螺纹孔255，它们的尺寸设计成容纳一个相应的连接插头260。参照图5和10，连接插头260将电镀能量提供给触头组件85，且每个插头260优选地由镀铂的钛材料制成。在插头260的一个优选形式中，每个插头260包括一个插头体265，该插头体265具有一个中央配置的钻孔270。一个第一法兰275被配置在该插头体265的一个上部上，而一个第二法兰280则被配置在插头体265的一个下部上。一个螺纹延伸件285从法兰280的一个中央部向下进入并与螺纹钻孔270相固定。法兰280的下部直接靠在触头支架件110的一上表面上来增加两者之间电连接的整体性。
尽管挠性触头90被形成为离散的部件，它们可被相互结合在一起作为一个整体组件。为此，挠性触头90的直立部135比如可被一个诸如镀铂钛这样的材料网相互结合在一起，该材料网既可被形成为一分开件，或者要么从一块单个材料上来与挠性触头一起被形成。该材料网可被形成在所有的挠性触头之间或被选的挠性触头组之间。例如，一个第一材料网可被周来结合半数的挠性触头(例如在所示实施例中的18个挠性触头)，而一个第二材料网则被用来结合另一半数的挠性触头(例如在所示实施例中的其余18个挠性触头)。也可以有不同的分组方法。
图11～15示出一种采用诸如上述的那些挠性触头的触头组件的另一实施例。如图11所示，触头组件85b再次用来容纳一半导体晶片且在许多方面类似于图4～10所示的触头组件85。因此，触头组件85b的部件被采用与触头组件85有关的相同附图标记来参考，不同的仅仅是触头组件85b的部件包括一个后缀“b”。
参照图15，在该实施例中，一个外部体件100b被用一种塑料材料或类似的材料制成，该塑料材料或类似材料是不导电的且其化学性质与电解环境相兼容。外部体件100b被提供有一个环形槽290b，在槽290b中提供有一个O型环295b。如在下文中将更详细介绍的那样，该O型环295b密封住半导体晶片25的面230b来帮助防止在反应器碗35中发生挠性触头90b和电镀环境之间的接触。
触头组件85b也包括一个环形加强环300b一个触头支架件110b、以及多个挠性触头90b。触头支架件110b具有一种带多个槽孔165b的环形圈的形式，挠性触头90b的接触部150b伸穿过这些槽孔165b。如图所示，触头支架件具有一个内径远端接触部150b，它大于内径近端接触部150b。插入触头组件85b中的一个晶片便这样被形成在触头支架件110b内部的一锥形导向壁引导进入与接触部150b相接触的位置上。
如上所述，所示实施例的挠性触头90b被形成为离散的部件，每个部件具有一个直立部135b、一个横向部140b、一个垂直过渡部145b、以及一个接触部150b。接触部15b从多个槽孔165b的各自对应的槽孔中突出。
通过再次参照图15可以最清楚地理解如何将前述部件组合来形成触头组件85b，以及该触头组件的操作情形。在所示实施例中，各个部件被外部体件100b夹紧在一起。如图所示，触头支架件110b和外部体件100b限定了多个挠性室，它们在图中表示为附图标记130b。每个挠性室包括一个向上伸展部120b，该向上伸展部120b在每一侧均被从触头支架件110b径向向外延伸的环形加强肋300b所限定。该环形加强肋300b被设计成通过一种凸轮驱动动作来被外部体件100b的鼻锥部210b所啮合，由此鼻锥部则对抗外部体件100b的一个侧向伸展部190b夹住触头支架件110b、挠性触头90b的横向部140b、以及环形加强圈300b。根据外部体件100b所制成的材料，希望能在外部体件100b上包括一个楔220b，用以促进鼻锥部210b在一个或多个斜切件160上的凸轮驱动动作，且如需要在当晶片25被推入与整个触头组件85b成运作关系时也促进外部体件100b的弹性变形。
选择性地，也可采用一种非活性气体、比如氮气来净化挠性触头90b和晶片25的背侧。为此，晶片导向件可被提供有一个或多个净化口240b，它们用来将一种净化气体的流体交通提供给一个环形集流管125b，且从该集流管125b再通过挠性室130b，从而来实质性地包围住接触部150b。净化气体然后流过孔165b到半导体晶片25的外围边缘并到达半导体晶片25的背侧。这些措施提高了挠性触头90b和半导体晶片25的背侧与处理环境的隔绝程度。
工作时，半导体晶片25被驱动压向挠性触头90b，这样半导体晶片25的一个面230b被密封住0型环和外部体件100b的相应部分。当挠性触头被以这种方式驱动时，每个挠性触头90b被驱动经过一个垂直距离和一个水平距离235b。该运动促使挠性触头90b抵擦半导体晶片25的背侧230b，由此则帮助去除或渗透比如源层氧化物或类似物质并提高在挠性触头90b和半导体晶片25间的电接触。偏转和偏移的量可作为环形加强圈300b径向宽度的一个函数来加以改变。一个大的偏转量可被用来容纳大的制造公差变化量，而却仍能为触头组件85b对半导体晶片25提供合适的电接触和密封性。
在触头组件85b的实施例中，施加于半导体晶片25的轴向力被分为用来偏转挠性触头90b的力和用来增加密封的力。这样便提供了一种与包含有密封的结构相独立的负载途径，由此则将触头的偏转与对形成密封的O型环的偏转的依赖性隔离开来。
下面说明贝氏环触头组件。
图16～25示出替代性的触头组件。在这些触头组件中的每一个中，接触件被与一个相应的公共环结合在一起，且当被安装在它们的相应组件中时被沿着晶片或其它基片被接收到接触件上的方向朝上偏移。图16A示出这样一种结构的一个实施例的一项视图。而图16B则示出它的一个透视图。如图所示，图中总体在附图标记610处所表示出的一个环形触头包括有一个公共环部630，该公共环部组合多个接触件655。当公共环部630和接触件655被安装在相应组件中时，其外形类似于半个常规的贝氏弹簧。因此，环形触头610在以下被称为一种“贝氏环触头”且它被放置在其中的整个触头组件也将被称作一种“贝氏环触头组件”。
图16A和16B中所示的贝氏环触头610的实施例包括72个接触件655且是优选地由镀铂钛材料制成的。接触件655可通过将弧形部657切削到一个镀铂钛环的内径来形成。一个预定数量的接触件658具有比其余接触件655更大的长度来比如容纳某些平边的晶片。
图17示出一个贝氏环触头610的另一实施例。如上所述，该实施例是优选地由镀铂钛材料制成。在图16A和16B中所有的接触件655径向向内朝结构的中央伸展，与图16A和16B不同的是，该实施例则包括接触件659，它们是斜向配置的。该实施例构成一个单件式设计，这种设计易于制造且比图16A和16B的实施例能提供更为柔性的接触但却仍具有相同的接触轨迹。这种触头实施例可被安装成“贝氏环”的形式固定在触头组件中且不需要永久的成形。如果该实施例的贝氏环触头610被安装就位，则不再需要一个完整的圆周结构。相反，这种触头可被制成和安装成分段形式，从而可实现对这些区段的电气性质进行独立的控制/传感。
图18～20中在附图标记600处示出一个贝氏环触头组件的一个第一实施例。如图所示，触头组件600包括一个导电触头支架件605、一个贝氏环触头610、一个电介质晶片导向触头支架件615、以及一个外部体件625。贝氏环触头610的外部的公共部630包括一个被啮合进导电触头支架件605的一个楔675中的第一端。在许多方面，该实施例的贝氏环触头组件在构造上类似于上述挠性触头组件85。因此，触头组件600的许多结构的功能性也将是明了的，因此在这里不再重复叙述。
晶片导向环615优选地由一种电介质材料做成，而触头支架件605则用一单个整件的导电材料制成，或者用一种外表镀覆有一种导电材料的一种电介质材料或其它材料制成。导电触头支架件605和贝氏环触头610甚至更加优选地用一种镀铂钛材料制成或者要么则被镀覆有一层铂金属。
晶片导向触头支架件615的尺寸被做成配合进触头支架件605的内径之中。晶片导向环615与上述的各自与触头组件85和85b相连接的晶片导向件115和115b完全具有相同的结构。晶片导向触头支架件615优选地包括一个在其外围上的环形延伸件645，它啮合住触头支架件605的一相应的环形槽孔650来使晶片环615和触头支架件605扣合在一起。
外部体件625包括一个直立部627、一个横向部629、一个垂直过渡部632以及另一个径向伸展且终止于一上翘凸缘730处的横向部725。上翘凸缘730当它啮合正在被处理的工件25背侧面时帮助形成一个对电解环境的屏障。在图示实施例中，凸缘730和工件25的表面之间的啮合是唯一的机械式密封，它被形成用来保护贝氏环触头610。
接近贝氏环触头610的接触件655的面积优选地被用一种惰性气体、比如氮气来净化，该惰性气体与凸缘730合作来在贝氏环触头610、晶片25的外围部和背侧、和电镀环境间形成一个屏障。从图19和20中尤其可看到，外部体件625和触头支架件605相互被间隔开来形成一个环形腔765。该环形腔765被提供有一种惰性流体、比如氮气，该流体流经配置通过触头支架件605的一个或多个净化口770。净化口770开向环形腔765，环形腔765起着一个集流管的功能来将惰性气体分配到触头组件的外围。对应于接触件655数量的一给定数量的比如在图中780处所表示的槽孔被提供，它们形成将惰性流体从环形腔765导通至接触件655附近区域的通道。
图19和20还示出一种净化流体在该贝氏环触头组件实施例中的流动情况。如图中箭头所示，净化气体进入净化口770并被分配到环形腔765中的组件600的圆周上。净化气体然后流经槽孔780并经触头支架件605之下到达贝氏环触头610附近区域。在该点处，该气体流动来实质性地包围住接触件655且进一步前进超出晶片外围直至晶片背侧。该净化气体也可流经过一个由触头支架件605和形成在晶片导向触头支架件615的下部上的柔性壁的内部所限定的环形通道712。此外，在接触件655周围的气流与上翘凸缘730一起在凸缘730处形成一个屏障，该屏障阻止电镀液从中通过。
当一个晶片或其它工件25被迫使与触头组件600相啮合时，工件25首先与接触件655相接触。当工件被进一步推进就位时，接触件655偏转并有效地擦抹工件25的表面直到工件25被压在上翘凸缘730上为止。该机械式啮合与净化气体的气流一起有效地将工件25的外围和背侧以及贝氏环触头610隔离开来使之不能与电镀液相接触。
一个贝氏环触头组件的另一实施例示出于图21～23中以附图标记600b表示。在该实施例中，采用了一个分开的阻挡件620b。在绝大多数的其它方面，贝氏环触头组件600b完全相似于上述的贝氏环触头组件600。因此，组件600b的类似部件则标以与上述组件600相同的附图标记，但组件600b的类似部件还包括一个后缀“b”。
尤其如图22所示，阻挡件620b包括一个横向部632b、一个弯曲部637b、以及一个上翘凸缘642b。阻挡件620b的横向部632b被配置在一个环形槽720b中，而环形槽720b又配置在外部体件625b中。环形槽720b其下端为一横向伸展法兰710b所限定，该横向伸展法兰710b则具有一个弯曲壁685b，该弯曲壁685b在横向部632b碰上弯曲部637b的端部处接触阻挡件620b。这样便有助于加强阻挡件620b来保证与晶片25的下表面正确啮合。
如同组件600那样，组件600b优选地用于将一种净化气体分配通过其中。图23示出一个净化气体气流可被提供通过贝氏环触头组件600b的一种方式。如图所示，外部体件625b和触头支架件605b结合一起确定了所需的气流通道。
尤其来参照图22，贝氏环触头610b的接触件655b伸出于阻挡件620b之上。当一个晶片或其它工件25被推向与触头组件600b相啮合时，工件25先与接触件655b接触。当工件25被进一步压下时，接触件655b偏转并有效地擦抹工件25的表面直至工件25被压在阻挡件620b上为止。这种机械式啮合与净化空气流一起有效地将工件25的外围和背侧以及贝氏环触头610b隔离开来使之不与电镀液相接触。
贝氏环触头组件的另一实施例被示出在图24中以附图标记600c总体表示。该实施例完全相似于触头组件600b，且因此也采用了类似的附图标记来表示类似部件，所不同的仅仅是触头组件600c的部件包括一个后缀“c”。
通过对图22和图24作一比较则可最好地理解触头组件600c和600b之间的主要差别。如图所示，这种主要的差别有关到法兰710c和弹性体密封件620c的形状。在触头组件600c的实施例中，法兰710c和弹性体密封件620c是相互共同延伸的。因此，针对晶片25的底表面的密封是不太柔性的。尽管如此，这种结构支撑晶片底部来有效地形成电镀液的一个屏障，尤其是在它被与一种净化气体结合使用时。
图25中在600d处总体示出一个贝氏环触头组件的再一实施例的一剖视图。在该实施例中，一个O型环740d被配置在外部体件625d的一相应楔745d中，从而当工件被压在贝氏环触头610d的接触件655d时来形成对工件25表面的一种密封配置。O型环740d的尺寸做成伸出于外部体件625d的上翘凸缘730d之上。外部体件625d的凸缘730d因此有助于支持O型环密封。
贝氏环触头组件600d不同于上述的其它触头组件，它并不需要包括一个晶片导向环。相反，组件600d示出它采用一个或多个固定件750d，它们被用来将不同部件相互紧固且触头支架件605d的内壁被做成倾斜来提供晶片导向表面。
其它触头组件说明如下：
图26和27示出电镀触头和外围密封件的其它实施例。参照图26，图中配置包括电镀触头，它被提供为一种环形接触件或圈834的形式，用于安装在电镀装置的转子组件上。尽管环形接触圈在图中被示出为是圆形的结构形式，但可以理解的是，环形接触圈也可以是非圆形的结构形式。一个环形密封件836被提供为与环形接触圈成工作相连，且在下面将会进一步描述的那样，它与该接触圈合作来提供对处于与环形接触圈成导电接触的工件的一外围区域的连续密封。
环形接触圈834包括一个安装部838，接触圈通过该安装部838被安装成用于能在电镀装置的转子组件上转动。接触圈也与提供在转子组件中的合适电路电气连接，由此接触圈则被电气结合在电镀装置的电路中用于为实施电镀而在晶片25(阴极)表面创造必要的电势。该环形接触圈还包括一个从属的支承部以及一个从安装部838朝内伸展的环形接触部842。该环形接触部842限定了一个总体面朝上的接触面844，该接触面844被晶片25所啮合来在接触圈和晶片的源层之间建立电气接触。可以预料，接触圈的环形接触部842提供与关联晶片或其它工件的一个外围区域的实质性连续的导电接触。
环形接触圈834优选地被构造成能促进工件25在接触圈及其相关密封件上的对中。接触圈优选地包括一个面朝内的锥形导向面835用于将工件引导成与接触圈和有关密封件成对中(即同心)关系。锥形导向面835在接触圈内径上起一种斜角导入作用(优选地做成斜角为偏离垂线约2°～15°之间)来精确地将工件外径定位到接触圈直径上(亦即确保使工件在接触圈上尽可能同心)。这一点对减少接触圈及其关联的密封带到工件表面上的交叠现象是很重要的，如果工件是由一个半导体晶片组成的话，那么上述效果将是十分有价值的。
本构造的环形密封件836被放置成与环形接触圈834成工作关联，由此晶片25的一个外围区域被同电镀装置中的电镀液密封隔离开来。晶片25可被一相关的背衬件846保持在位，采用这种方式来配置晶片可用来将晶片放置成与外围密封件836成弹性密封连接。
外围密封件836优选地由高分子材料或弹性体材料制成，优选地由3M公司出品的一种诸如AFLAS这样的氟橡胶制成。密封件836优选地包括一个具有一种实质性地为J形截面结构的部分。尤其是，密封件836包括有一总体为柱形的安装部848，该安装部848总体装配在环形接触圈834的支承部840周围，且可包括一个侧缘部849，该侧缘部849总体装配在接触圈的安装部838周围。密封部还包括一个总体向内伸展的、弹性变形的密封凸缘850，该凸缘850与安装部838一起提供了密封件的具有一个J形截面结构的部分。如图26所示，环形密封凸缘850起始在一个朝向晶片25或其它工件的方向上突出在环形接触圈的接触部842之上。结果，当晶片被置于与接触圈的接触部成导电接触时，变形的密封凸缘弹性偏移成与晶片外围区域连续密封性啮合。
在如图26所示的本发明的实施例中，环形密封凸缘850具有一个小于环形接触圈834的接触部842的一个内尺寸(即内径)的内尺寸(即内径)。通过这种啮合，密封凸缘850朝着接触部842向内与晶片径向啮合，由此将接触部与电镀装置中的电镀液隔离开来。当不仅希望将晶片或其它的工件的一个外围区域同电镀液隔离开来，而且也希望将环形接触圈同电镀液隔离开来时，这种配置方式是优选的，由此则减少了在电镀过程中金属在环形接触圈上的沉积。
密封件836优选地被可释放地保持在环形接触圈834上的位置上。为此，至少一个保持突起被提供在密封件和接触圈中的一个上，而密封件和接触圈的另一个则限定了至少一个能可释放地保持住保持突起的凹槽。在所示实施例中，密封件836被提供有一个连续的、环形保持突起852，该环形保持突起852被配合在一个由环形接触圈834能限定的环形凹槽854中。密封件836优选地被形成的那种高分子或弹性体材料有助于能方便地通过将突起852配置到凹槽854中将密封件装配到接触圈上。
图27示出一种实施本发明原理的环形接触圈934，它包括一个安装部938、一个从属的支承部、以及一个向内伸展的环形接触部942，它具有一个其结构做成用来与一有关晶片25或其它工件的一个外围区域成导电接触的接触表面944。该实施例不同于先前所述的实施例的地方在于：相关的外围密封件936包括一个从相关环形接触圈朝外(而不是朝内)来啮合工件的密封凸缘。
环形密封件934具有一个总体J形截面的结构，且包括一个总体柱形的安装部948、以及一个弹性变形的环形密封凸缘950，它径向地从安装部朝外伸展。在先前的实施例中，变形密封凸缘950起初在朝着晶片25的一个方向上伸出于接触部942之外，这样在当晶片被放置成与接触圈934的接触部942成导电接触时密封凸缘950被弹性偏移进与晶片的外围区域成连续啮合。在该实施例中，密封圈950具有一个大于环形接触部942的内尺寸(即内径)的内尺寸(即内径)。在该配置形式中，环形接触部从密封凸缘径向向内啮合工件。伴随着将晶片25放置成与环形接触部942成导电接触，外围密封件的变形密封凸缘950总体上在外围密封件的柱形安装部948的轴向产生变形。该密封件因此被保持成与晶片的外围部成密封接触，由此使晶片的边缘和后表面与电镀装置中的电镀液相隔离。
如在前述实施例中所示，外围密封件936的结构做成用于总体上可释放地保持在环形接触圈934之中。为此，环形密封件936包括一个连续的环形保持突起952，它被可释放地保持在一个由环形接触圈934所限定的连续环形凹槽954中。这种配置促进了对密封件和接触圈的有效装配。
转子触头连接组件说明如下。
在许多例子中常需要具有一种给定的反应器组件20的功能来执行众多的电镀处方。然而，如果工艺过程的设计都被限制在仅采用一种单个触头组件结构的话，执行这些众多的电镀和非电镀处方将是困难的。此外，用在一个给定的触头组件结构中的电镀触头必须经常加以检查且有时要加以更换。这一点在现有的电镀反应器工具中常常难于实现，因为经常涉及到许多的操作来移动和/或检查触头组件。本发明已经认识到这一问题且已经通过提供一种如下的机构来解决这一问题，在这种机构中触头组件85能容易地安装到转子组件75的其它部件上和从它们之上拆下。此外，一个给定的触头组件类型也可用相同的触头组件类型来加以替换而无需对系统重新标定或调整。
为适合于在一种制造环境中运作，这样一种机构应满足几种功能，包括：
1.为触头组件到转子组件的其它部分提供牢固、故障保险的机械连接；
2.在触头组件的触头和一个电镀功率源之间提供电气互连。
3.在该电气互连接口上提供一种密封来隔离开处理环境(比如湿法化学环境)；
4.为净化所要求的部件提供一条到达触头组件的密封通道；
5.减少使用那些能被丢失、误放置、或能以一种破坏电镀设备的方式所使用的工具或紧固件。
图28和29示出一种满足前述要求的快速连接机构的一个实施例。为简化起见，这些图中仅示出转子组件75的那些需要来理解该快速连接机构的不同方面的部分。
如图所示，转子组件75可包括有一个转子基础件1205和一个可拆卸触头组件1210。该可拆触头组件1210优选地被构造成前述多种方式中的一种。然而，图示的实施例采用了一种如图26所示的连续环形触头。
转子基础件1205优选地为环形来与半导体晶片25的形状相匹配。一对锁定机构1215被配置在转子基础件1205的相对两侧上。该锁定机构1215的每个包括一个配置为通过它的一个上部的孔1220，孔1220的尺寸能接收一个相应的导电轴1225，该导电轴1225从可拆触头组件1210向下伸展。
图28示出该可拆触头组件1210的详细状况。为将可拆触头组件1210固定到转子基础件1205上，操作者将导电轴1225与锁定机构1215与相应的孔1220对齐。当轴1225以这种方式被对齐后，操作者将可拆触头1210朝着转子基础部1205推下，这样轴1225便啮合住相应的孔1220。一经该可拆触头组件1210被放到转子基础件1205上之后，锁定臂1230则绕着一锁定臂轴1235旋转，这样锁定臂1230的锁定臂通道1240啮合导电轴1225的轴部1245，而在同时则施加一个对法兰部1247的向下压力。该向下压力将可拆触头组件1210与转子基础件1205固定在一起。此外，如在下文将更详细解释的那样，这种啮合的结果是在转子基础组件1205的导电部和触头组件1210的电镀触头之间制造出一条导电路径。正是通过该路径使得触头组件1210的电镀触头被连接来从一个电镀电源接收能量。
图30A和30B进一步示出锁定机构1215和导电轴1225的细节。如图所示，每个锁定机构组成有一个具有孔1220的锁定体1250、一个配置用来绕一个锁定臂支框柱1255实施转动运动的锁定臂1230、以及一个被用来确保绕着一个安全锁定臂支框柱1255作较小转动的安全锁1260。锁定体1250也可具有一个配置于其中的净化口1270用来导引一个净化流体流通过可拆触头组件1210的相应孔。一个O型环被配置在导电轴1225的法兰部的底部。
图31A～31C为剖视图，示出锁定装置1215的工作情形。如图所示，锁定臂通道1240的尺寸做成可啮合导电轴1225的轴部1245。当锁定臂1230被转动来啮合轴部1245时，锁定臂1230的一个鼻锥部1280以凸轮方式驱动安全锁1260的表面，直至该表面与通道1290相配合。当该鼻锥部1280和相对应通道1290成配合关系后，锁定臂1230被确保不产生无意中产生的转动运动，这种运动否则的话则会将可拆触头组件1210从它与转子基础部1205可靠的啮合中释放开来。
图32A～32D为转子基础件1205和可拆触头组件1210处于一种啮合状态时的剖视图。从这些剖视图中可看到，导电轴1225包括一个接收一个相应的导电快连销1300的中心配置孔1295。正是通过这一啮合从而在转子基础件1205和可拆触头组件1210之间建立起一条导电路径。
从这些剖视图中同样还可看到，每个锁定臂1230的下方内部包括一个相应通道1305，它的形状被做成可啮合轴1225的法兰部1247。通道1305凸轮式顶住法兰部1247的相应表面来驱动轴1225顶住背衬件1310，该背衬件1310反过来则与O型环1275形成一密封。
转子触头驱动描述如下。
如图33和34所示，转子组件75包括一个驱动配置，由此使晶片或其它工件25通过在一个第一方向上的运动被接收进转子组件中，且在其后通过一个背衬件1310在一个垂直于第一方向的方向上朝向触头组件运动被迫使与触头组件电气接触。图35为处理头30的转子组件75和静止组件70的不同部件的分解图。
如图所示，处理头30的静止组件70包括一个电动机组件1315，它与转子组件75的轴1360相配合。转子组件75包括一个总体环形壳体组件，该环形壳体组件包括转子基础件1205和一个内壳体1320。如上所述，触头组件被固定到转子基础件1205上。通过这种配置形式，壳体组件和触头组件1210一起规定了一个开口1325，工件25在一个第一方向上横向移动通过该开口1325用于将工件定位在转子组件75中。转子基础件1205优选地规定了一个用于机械手臂的间隙开口以及多个工件支承，在当工件被机械手臂通过开口1325的运动被横向移动到转子组件中之后，工件则被机械手臂放置到这些支承上。该支承这样便在背衬件1310啮合工件并将其推向接触圈之前将工件支承在触头组件1210和背衬件1310之间。
背衬件1310相对于触头组件1210的相反的运动则是由至少一个将背衬件朝触头组件偏移的弹簧和至少一个将背衬件反抗弹簧而移动的驱动件来进行的。在图示的实施例中，驱动配置包括一个驱动环1335，它与背衬件1310工件相连，且被多根弹簧所偏移，并被多个驱动器对抗弹簧移动。
尤其来参照图33，驱动环1335被多个(3个)轴1340与背衬件1310成工作相连。驱动环反过来又被三根压缩盘簧1345朝壳体组件偏移，盘簧1345的每一个均被保持在驱动环和各一个保持帽1350之间。每个保持帽1350被各一根保持轴保持成相对于壳体组件固定。通过这种配置形式，偏置弹簧1345的动作则将驱动环1335在一个朝壳体的方向上推进，由于偏置弹簧的这种作用，由此则通过轴1340的作用将背衬件1310在朝向触头组件1210的一个方向上推进。
驱动环1335包括一个内部的、中断的连接法兰1365。驱动环1335的驱动是由静止组件70的一个驱动离合器1370(图34)来实行的，该离合器1370可有选择地被与驱动环1335连接和脱开。驱动离合器1370包括一对法兰部1375，它们可通过它们之间的有限的相对运动而与驱动环1335的连接法兰1365相互啮合。通过这种配置方式，转子组件75的驱动环1335可与处理头30静止组件70的驱动离合器1370连接和脱开。
重新参照图33和34，驱动环1335经由多个被安装在静止组件70的一个静止的上板(见图1)上的气动驱动器1380(图中示意性画出)可在一反抗偏置弹簧1345的方向上运动。每个驱动器1380经各自一个线性驱动件1385形成与驱动离合器1370成工作连接，每个线性驱动件1385则总体上伸穿过静止组件70的上板。需要将前述的机械部件与反应器组件20的其它部分相隔离。如果达不到这样则会造成对处理环境(这里指一种湿法化学电镀环境)的污染。此外，根据反应器20中所执行的特殊过程，前述部件也会受到处理环境不利的影响。
为实施这种隔离，配置了一种膜盒组件1390来包围住前述部件。膜盒组件1390包括一膜盒件1395，它优选地用聚四氟乙烯制成，具有一个固定在1400处的第一端和一个固定在1405处的第二端。这种固定方式优选地采用图示防液的、舌槽密封型配置。膜盒件1395的盘旋面1410的背衬板1310驱动时挠曲。
图34示出处理头30被配置在它可接收一个工件的条件下，而图33则示出处理头30被配置在它准备处理反应器碗35中的工件的一种条件下。
从上面的描述中可以理解处理头30的工件情况。将工件25装载到转子组件75中则是在转子组件置于一个总体面向朝上方向情况下来进行的，比如图2示出的那样处理头则处于图34所示的一种条件下。工件25则被横向移动通过由转子组件75所规定的开口1325到达工件被放置成总体高于支承1330的一个空间位置上。一个机械手臂415然后被降下(而间隙开口1325则提供这样一个运动)，由此工件则被放置于支承1330之上。机械手臂415然后则可从转子组件75内部撤出。
工件25现在则被垂直地移动到工件过去被移动进转子组件中的一个第一方向上。这一运动由背衬件1310总体朝触头组件1210的运动来实现。目前优选的做法则是让气动驱动器1380反抗插入在内壳体1320和背衬件1310的弹簧板之间的偏置弹簧1345而动作。这样，驱动器1380则被操作来允许驱动器离合器1370和驱动器环1335联合运动，从而使弹簧1345偏移并将背衬件1310压向触头1210。
在该优选形式中，由轴1340形成的驱动环1335和背衬件1310之间的连接允许有某些“浮动”。亦即，驱动环和背衬件并不是相互刚性结合在一起的。这种优选的配置形式造成通常倾向于采用气动驱动器1380来以稍稍不同的多种速度移动，这样可确保工件被推入与触头组件1210的电镀触头成实质性的均匀接触，同时也消除了工件承受过多的应力或者对驱动机构的约束作用。
在工件25被牢牢地保持在背衬件1310和触头组件1210之间后，图2所示的抬起和旋转装置80则转动处理头30并将处理头30降下至与反应器碗35成工作关系，这样工件的表面被放置成与反应器容器中的电镀液表面(亦即电镀液的弯月形表面)接触。
根据所执行的专门电镀过程，确保能让积聚在工件表面上的任何气体流出和逸出。因此，工件表面可被配置成相对于反应器容器中的液体表面成一锐角，比如偏离水平面约2°的量级。在当工件以相关背衬件和接触件在处理过程中被旋转时，上述配置方式有利于在电镀过程中将气体从工件表面排出。当电流通过工件和电镀液时，镀液在反应器碗35之中的循环则实施将一层金属按照要求电镀到工件的表面。
对背衬件1310的驱动是按照需要由一种简单的线性运动来实行的，这样有利于对工件的精密定位以及与触头组件1210的触头均匀接触。采用一个膜盒密封配置来隔离开运动部件的做法进一步增加了无电镀过程的整体性。
本反应器的众多的特征有助于实现对诸如半导体晶片这样的工件进行高效和价格合理的电镀。通过使用具有以大量被密封的、柔性的离散接触区域的形式所形成的实质为连续接触的一种触头组件，则提供了一大批镀覆触头，而在同时却将所需的部件数降至最少。对背衬件1310的驱动按照需要是由一种简单的线性运动来实行的，这样便利了对工件的精密定位以及与接触圈的均匀接触。采用一种膜盒密封配置来隔离运动部件的方式进一步增加了电镀过程的整体性。
对维和构造方面的改变通过采用一个可拆式触头组件1210能够容易地得到实现。另外，维护也可以通过转子组件75从反应器头的静止组件上可拆式结构得到方便。触头组件将电镀能量十分出色地分配给工件整个表面，而优选提供外围密封的做法则保护触头免遭电镀环境影响(比如与电镀液接触)，由此则可按需防止被镀金属沉积在电触头之上。周边的密封也如希望的那样防止了在工件外围部上产生镀覆。
无电镀反应器说明如下。
参照图36，图中示出一个用于在诸如一个半导体晶片25这样的一个微电子工件或工件上作无电镀的反应器组件20b。一般说来，反应器组件20b组成有一个反应器头或处理头30b和一个相应的反应器碗35b。这种类型的反应器组件尤其适合实施对半导体晶片或类似工件的无电镀，在其中一个预加的薄膜籽晶片层被镀有一个表面金属层。
无电镀反应器碗35b是反应器组件20b的这样一个部分：它包括有无电镀溶液，且它将溶液导向被镀工件25b的一个总体朝下面向的表面。为此，无电镀溶液S被加入到反应器碗35b中。溶液S从反应器碗35b流出，经过碗的一堰状的内壁36b进入反应器组件20b的一个溢流通道40b。溶液S经一个出口喷嘴流出通道40b。该出口喷嘴被一管道连接至一个能将溶液S导流通过出口通路的一根或两根的出口阀块。一个排泄通路将气体导到一个排泄喷嘴用于收集、处理和/或再循环。溶液可被从溢流通道抽取出并收集起来，典型地用于回送通过反应器。
无电镀溶液从一个或多个入口管道50b流出经过一个阀块54b并然后经过反应器碗35b的一底孔55b。溶液S则接触晶片25的朝下面向的反应过程一侧。
反应器20b的处理头30b优选地被以与图1所示的电镀反应器20相同的方式建造，且组成有一个静止组件70b和一个转子组件75b。转子组件75b被构造来接收和承载晶片25或类似工件、将晶片放置在反应器碗35b之中位于一个过程侧朝下的方向上、并在处理过程中转动或旋转工件。处理头30b典型地被安装在一个抬起/旋转装置80b上，该装置80b被构造成将处理头30b从一个朝上面向的配置(见图2)旋转至一个如图36所示的朝下面向的配置，在朝上面向的配置中装置80b接收被镀的晶片，而在朝下面向的配置中被镀晶片表面则被朝下放置于反应器碗35b中。一个包括有一个端部执行器的机械手臂415被典型地用来将晶片25放置在转子组件75b上的恰当位置且用来将已镀的晶片从转子组件上移开。
无电镀反应器20b不同于电镀反应器20，它并不将电能传导给晶片25的表面。因此，采用了一个工件支承来替代一个电气触头组件85。为此，该工件支承可被以相同于上述触头组件中任何一种的方式建造，所不同的仅仅是导电结构(亦即由镀铂钛材料或和其它的导电金属材料所建造的那些结构)是由一种与电镀环境相适合的电介质材料制成的。如上所述，这种工件保持器优选地包括用于将诸如氮气这样的一种惰性气体流提供给晶片外围区域和背侧的设备。
尤其如图37～41中所示的那样，工件保持器组件2085总体可组成有数个离散部件。一个外环2095被用一种不导电的塑料或类似的材料所制成，且被用一种化学上与无电镀环境相适合的材料制成。外环2095比如可由聚偏二氟乙烯组成。当待镀工件为一圆形半导体晶片时，外环2095以及工件保持器组件2085的其它部分被形成为环形部件，它们在当被结合在一起时则组成一个有界的中央开口区93，该中央开口区93暴露出待镀半导体晶片的表面。
外环2095被提供有一个径向伸展的端壁2095a，它形成一个环形内表面2096，在该内表面2096上则提供有一环形密封元件2098。密封元件被以粘接剂粘接到或者模制到或者以其它方式连接到内表面上。如在下面将要更详细介绍的，密封元件2098密封住半导体晶片25的面25a来帮助防止反应器碗35中的镀覆环境渗透到待镀晶片表面25a的背后。环形密封元件优选地由AFLAS合成橡胶制成。
外环2095包围一个基础环2100，它具有一个能提供一个内槽2100b和一个外槽2100c的大环体部2100a。该基础环优选地由不锈钢制成。该大环体部被连接至一个朝向内表面2096伸展的轴环部2100d。轴环部2100d向内弯曲至一凸缘2100e。一个保持器环2102优选地由聚丙烯组成，它被放置在基础环2100之内。保持器环2102包括一个定中法兰2102a、一个锥形伸展壁2102b、以及一个互相配合进基础环2100的内槽2100b中的外肋2102c。
位于定中法兰2102a之上、密封元件2098之下的是一个“贝氏”弹簧2104。该贝氏弹簧整个形状是环形的且其横截面总体为矩形，且被形成为具有一个浅的截锥体形状。贝氏弹簧2104被保持器环2102保持在位且可被保持器环2102对着密封元件2098稍稍预加载(稍稍压扁)。弹簧2104包括一个外环形楔2104a和一个内环形楔2104b弹簧2104优选地由塑料组成。
两个连接器轴2225被螺纹拧入工件保持组件2085上两端径向相对的螺纹孔中，且被形成基础环2100之中。轴2225包括用于将轴2225紧固进基础环2100之中的工具啮合凸肩2227。
工件支承2085优选地包括多个用于将一种净化气体提供给位于密封元件2098径向外部的晶片25的外围区域和晶片25背侧的通路。为此，如图40和41所示，工件支承2085包括一个环形通道2137，它与一个净化口(图中未示出)流体相通且有效地起着一根集流管的作用。多个槽孔2139被形成在外环2095和基础环2100之间的间隙区域中来为环形通道2137和靠近晶片25的外围边缘区域的区域2141间提供流体通路。密封件2098与净化气体流一起帮助在电镀环境和晶片25的外围区域和背侧间形成一个屏障。净化气体的进一步分配是通过一个形成在保持器环2102外部和基础环2100间的环形通道2143来实行的。
在将晶片25装载到工件保持器组件2085之中的过程中，晶片25在Y1方向朝上行进至图40所示的位置。晶片被锥形壁2102b径向引导或定中到其在图40所示的位置上。在图40所示位置，晶片25啮合住弹簧2104的内环形楔2104b。通过如上所述的一个背衬件1310的动作，晶片被朝上压，其作用使弹簧2104弯曲进入图41所示的位置。
如图41所示，弹簧2104的弯曲或压扁引起晶片25被部分接收进楔2104b中，且使凸缘2100e被接收进外楔2104e中。晶片面25a被压向密封元件2098，该密封元件2098反过来又被外环2095的环形内表面2096保持在位。当背衬件1310被释放时，弹簧2104在其自身的弹性性能影响下将回复到其如图40所示的构造形式并部分地将晶片25在Y2方向上推进。由于图40所示的位置缺少由背衬件1310所施加的力，晶片25受被支承在回程背衬件1310上的重力作用将沿Y2方向继续前进。
在图42和43的附图标记2085b示出一个工作保持器的另一实施例。如图所示，工件支承2085b完全类似于图37～41的工件支承2085。然而有三点主要的不同。第一，在本实施例中没有使用一个分开的密封元件2098。却是外环2095b包括一个环形延伸2146，它终止在啮合晶片25的表面25a的一个上翘凸缘2149处。第二，当背衬件1310被与晶片25脱开时，上翘凸缘2149通过在箭头X方向上提供一个偏移力而来帮助将晶片25从晶片保持器2085b移开。结果，在本实施例中没有采用贝氏弹簧件2104。最后，一个环形凸缘2151按提供在保持器环2102b上用作为一个限定件，它设定了将晶片25移动进入与晶片保持器2085b啮合的限度。
与晶片保持器2085相同，图42和43中所示的实施例也包括多个用于提供一种净化气体的多个气流通道。由于晶片保持器2085和晶片保持器2085b之间有着实质性的相似，因此在晶片保持器2085b的实施例中对相似结构标以相似的附图标记。
供给触头组件和保持器组件的净化气源介绍如下。
当上述的触头组件或工件保持器中的任一个包括一个提供诸如象氮气那样的一种净化气体的流体交通网络时，它必须被从一个触头组件或工件保持器之外的一个气源所提供。图45～46示出这样一种气体交通网络可被提供有一种净化气体的方式。
参照图44和45，转子组件75可被提供有一个流体交通通道或管道710，它具有一个接收净化气体并将其导至一个或多个净化口725的入口720，净化口725被配置在靠近工件保持器或触头组件外围区域的地方，图中组件表示为85。在所示实施例中，一根管道710被用于这种流体交通。管道710穿过驱动轴360的中空的中心并然后从接近工件保持器或触头组件的驱动轴360的区域前进至至少一个净化口725(图示实施例中使用了两个净化口)。在替代方案中，图中用管道710所代表的流体交通路径可包括一个或多个作为空心区域形成在转子组件75的刚体部中的通道。例如，如上所述，净化气体可直接通过驱动轴360的一个中空区域来加以提供，而不是经一根中间管道来提供。根据转子组件75的专门执行方式，净化气体的交通然后可经一根相应管道或经一根形成在一个跨越在之间的实质性刚体件中的中空通道行进至净化口。
图46示出净化气体从净化口725流通至相应工件保持器或触头组件的被隔离区域的交通情况。如图示，净化口725开向一根被配置通过转子组件75的一个外壳体的净化通路735。净化通路735开向工件保持器或触头组件的一个入口740(这些入口也被示出于上述工件保持器或触头组件的各实施例中)。净化气体以上述的方式流经各别的保持器或触头组件。
组成镀覆工具说明如下。
图47～49为集成处理工具的顶视图，图中以数字1450、1455和1460总体表示，它们可组合无电镀反应器和电镀反应器作为用于诸如一种半导体晶片那样的一种微电子工件镀覆的组合形式。处理工具1450和1455每个均基于美国Montana州Kalispell市的Semitool公司所研制的工具平台。工具1450的处理工具平台是以商标LT-210TM被出售的，工具1455的处理工具平台是以商标LT-210CTM被出售的，而处理工具1500则是以商标EQUINOXTM被出售的。工具1450、1455的主要区别是在它们每个所要求的脚印上。工具1450所基于的平台则具有比工具1455所基于的平台更小的脚印。此外，工具1450所基于的平台被做成模块化且可被容易地扩展。处理工具1450、1455和1500的每一个均是计算机可编程的用来执行用户输入的处理处方。
处理工具1450、1455和1500的每一个均包括一个输入/输出部1460、一个处理部1465、以及一个或多个机械手1470。用于工具1450、1455的机械手1470沿一根线性轨道移动。用于工具1500的机械手1470则被装于中央且转动来接近输入/输出部1460和处理部1465。每个输入/输出部1460用于将多个如半导体晶体那样的工件保持在一个或多个工件夹中。处理部1465包括多个用于执行在半导体晶片上进行的一个或多个制造过程的处理站1475。机械手1470被用来将单个的晶片从位于输入/输出部1460的工件夹中传递至处理站1475，也将它们在处理站1475间传递。
处理站1475的一个或多个可被构造成本文前述的无电镀反应器1475a，而处理站1475的一个或多个则可被构造成如前述电镀反应器那样的电镀组件1475b。例如，处理工具1450和1455的每一个可包括三个无电镀反应器、三个电镀反应器以及一个或多个预湿/漂洗站或其它处理容器。预湿/漂洗站优选地为Semitool公司的一种类型的产品。现在我们将认识到，可以有很多不同的处理站结构形式被用于各处理工具1450、1455和1500的每一个中来执行无电镀的和电镀的过程。因此，前述的结构形式仅仅是示例性地介绍了可被使用的一些变化形式。
下面说明采用无电镀和电镀的镀覆方法。
根据本发明的一种方法，诸如半导体晶片这样的首先已被处理来在其上面施加有一个源层的工件是被进行无电镀之后再进行电镀的。这一方法示意性地在图50中加以描述。
一个阻挡层首先被镀覆到(步骤1)一个工件的一个表面上的特征上。阻挡层可采用物理汽相沉积或化学汽相沉积法来镀覆。一个源层然后被镀覆到(步骤2)该阻挡层上。该源层优选地为用一种物理汽相沉积或化学汽相沉积过程所镀覆的一种铜源层。在该源层被镀覆之后，工件可被放入一个如下所述的无电镀反应器中。一个无电镀槽被提供在该反应器中且工件被暴露给镀槽来在工件上镀上一个导电层、优选地为铜层(步骤3)。该导电层被作为覆盖层被施加到使得小的以及高纵横比的通路和沟道被填满的程度，但并不施加到使大的通路和沟道完全被填满的程度。通过将无电镀过程终止于这一点上的做法，则可在总体过程中获得一个较短的时间周期。面上具有无电镀生成的导电层的工件然后被从无电镀反应器中移出并被传递到一个电镀反应器中，在其中另一个导电层、优选地为铜层则被镀覆到该无电镀形成的导电层上(步骤4)。电镀过程具有一较高的沉积率且具有合适的填充保形性来充填那些较大的通路和沟道。
无电镀处方可以是一种已有的处方，比如象披露于V.M.Dubin等人文章中的本申请的发明背景部分的处方，或者如在美国专利5,500,315；5,310,580；5,389,496；或5,139,818中所述的处方，所有这些均结合在本文中加以参考。另外，前述的处理程序也可在图47～49中所示工具的任一种中加以执行。
在不偏离本发明的基本教义条件下对上述系统可做出许多修改。尽管已参照一个或多个专门实施例对本发明作了十分详细的叙述，熟知本技术的人们仍将认识到，在不偏离如所附权利要求中所提出的本发明的范围和精神的条件下仍可对本发明作出修改。

Claims (17)

1.一种用于将金属镀覆到工件的表面上的反应器，包括：
一个反应器碗，其结构做成包含有一种电镀液；
一个配置在该反应器碗中处于一个与该电镀液相接触的位置的阳极；
一个位于反应器碗中与阳极相隔一间距的触头组件，该触头组件包括：
一个初级支承结构，它具有一个内壁，该内壁限定了一个其尺寸大于工件的开口区，以及
一个触头系统，它具有多个悬臂梁式弹簧触头，这些触头相对于内壁至少总体上径向向内地延伸至位于开口区中的一个位置，其特征在于：当工件啮合住所述触头时，悬臂梁式弹簧触头弯曲。
2.如权利要求1所述的反应器，其特征在于：多个悬臂梁式弹簧触头具有离散挠曲件的形式。
3.如权利要求1所述的反应器，其特征在于：多个悬臂梁式弹簧触头具有一种贝氏环触头的形式。
4.如权利要求1所述的反应器，其特征在于：所述多个悬臂梁式弹簧触头中的至少一个具有一个至少靠近初级支承结构的基础端和一个位于开口区中的接触端。
5.如权利要求4所述的反应器，其特征在于：所述工件具有与所述悬臂梁式弹簧触头啮合的表面，该啮合使接触端横向移动过工件的该表面。
6.如权利要求1所述的反应器，其特征在于：所述触头系统包括一个连接至初级支承结构上的弧形区段，所述悬臂梁式弹簧触头包括从该弧形区段伸出的钩爪。
7.如权利要求1-6中任一项所述的反应器，其特征在于：所述悬臂梁式弹簧触头沿由初级支承结构限定的开口区的半径向内径向伸出。
8.如权利要求1-6中任一项所述的反应器，其特征在于：所述悬臂梁式弹簧触头相对于初级支承结构限定的开口区的半径向内伸出一个角度。
9.如权利要求1所述的反应器，其特征在于：它还包括有一个配置在触头组件中用于将一种净化气体提供给所述多个触头和工件外围边缘的气流通路。
10.如权利要求1所述的反应器，其特征在于：触头组件包括：
一个由一种电介质材料制成的外部体件；
初级支承结构径向设置在外部体件的内部且由一种导电材料形成。
11.如权利要求1-6、9-10中任一项所述的反应器，其特征在于：所述多个触头为一种贝氏环触头的形式，该贝氏环触头具有设置在初级支承结构的内面上的槽口中的公共部分。
12.如权利要求1-6、9-10中任一项所述的反应器，其特征在于：该反应器还包括一个具有一个从初级支承结构向内突出并进入开口区的径向横向部的屏障，该屏障包括一个在悬臂梁式弹簧触头的径向内部的弹性密封件，该弹性密封件设置成与工件的表面接合。
13.如权利要求1所述的反应器，其特征在于：触头组件使用至少一个锁定机构与反应器连接。
14.如权利要求1所述的反应器，其特征在于：还包括有一个包括触头组件的处理头，该处理头包括一个转子部和一个定子部，该转子部承载触头组件。
15.如权利要求14所述的反应器，其特征在于：触头组件通过至少一个锁定机构与转子部可拆卸地连接。
16.如权利要求14所述的反应器，其特征在于：还包括一个背衬件和一个驱动机构，该背衬件和/或触头组件被驱动机构在工件装载状态和工件处理状态之间相互相对地移动，工件在工件处理状态被背衬件推向触头组件的多个触头。
17.如权利要求1所述的反应器，其特征在于：还包括头组件和锁定机构，该锁定机构将触头组件连接到头组件上，该锁定机构具有一个锁定臂，该锁定臂被构造成能够在一个它啮合住触头组件的第一位置和一个它脱开触头组件的第二位置之间移动。
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