一种适用于垂直挂镀和水平旋转镀的电镀装置及电镀方法

本发明属于半导体设备电镀，具体涉及一种适用于垂直挂镀电镀和水平旋转镀的电镀装置及电镀方法。

背景技术：

1、电镀技术是在微纳米尺度下实现电子互连的一种重要技术方法，广泛应用于半导体领域，电化学沉积主要应用于面板级封装(wlp)及硅通孔(tsv)电连接技术。在芯片制造、集成封装、印刷电路板等高端电子制造中具有重要作用。在基板上沉积金属薄膜常用电镀方法，在基板表面或高深宽比的微孔中形成铜柱、焊料凸点等实现芯片基板互联。对于许多wlp应用，镀敷速率要求在2-7微米/分钟之间，对于tsv填孔，要求镀敷的铜柱形状正常、表面较为平整，这些指标均要求电解液在基板表面具有良好的质量运输，即电解液中的金属离子向镀敷表面的有效质量传递是至关重要的。一般来说，有多种方法用于增强质量传输，例如优化电解液的配方、提高电解液的温度、提高电解液的流速、增强电解液的搅动等。本专利提出了一种射流与搅拌混合作用的方式来增强质量传输的方法，即通过镀槽内的射流孔提高电解液在基板表面上的流速、并通过搅拌桨叶在基板表面往复直线运动的方式增强电解液的流动。

2、较高的镀敷速率对电沉积层的均匀性带来了挑战，即必须以高度均匀的方式进行电镀。对于wlp应用，镀敷厚度必须满足沿着径向方向最多约5％的范围内变化。对于tsv填孔，同样要求具有不同直径或特征密度的孔要均匀沉积，体现在沉积厚度和填孔形状上。电镀以单面镀居多，阴极待镀面与镀槽中的电解液直接接触，阴极夹具通过密封圈等零件将阴极非待镀面与电解液隔离，若阴极两个表面均需要进行电镀，则需要先对阴极一面完成电镀后再将阴极反装再进行一次电镀，这增加了电镀时间，降低了电镀效率。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，提供一种适用于垂直挂镀电镀和水平旋转镀的电镀装置及电镀方法，通过结合射流与搅拌复合作用加快电解液流动方式，增强待镀表面质量传输，确保高电镀效率的同时获得更好的镀层厚度均匀性，并实现单面电镀和双面电镀。

2、为了实现以上目的，本发明的技术方案之一为：一种适用于垂直挂镀和水平旋转镀的电镀装置包括射流结构、搅拌结构、阴极夹具和镀槽结构；所述射流结构包括射流执行机构和射流安装机构；所述射流执行机构包括阳极、阳极夹紧板、射流板、回流孔容纳板、回流板；所述射流安装机构由射流板安装座与多个紧定螺丝组成，所述射流板安装座上部的凹陷区域可对射流板与回流板进行固定与夹紧，射流板安装座与镀槽底板通过紧定螺丝固定；所述搅拌执行机构包括多根搅拌桨叶、搅拌桨叶支架、直线电机、水平移动导轨、导轨安装架、搅拌桨叶支架安装架。

3、在本发明一优选实施方式中，所述阴极夹具内设置支撑板与密封件，阴极夹具用于夹持阴极晶圆；所述支撑板沿其厚度方向开设有空腔，基板放置于支撑板上，并将空腔的一侧边沿遮挡；所述支撑板上安装有用于与基板接触导电的导电组件；所述密封件包括用于遮挡基板的密封板以及驱动密封板靠近或远离支撑板的驱动件；所述支撑板与所述密封件之间设置有第一密封圈和第二密封圈，可解决目前电镀夹具密封性差，造成电电解液泄露，污染阴极触点和不需要电镀的基板区域的问题。

4、在本发明一优选实施方式中，所述镀槽结构包括内槽和外槽，用于容纳电解液。

5、在本发明一优选实施方式中，所述射流板设有多个射流孔与多个回流孔，允许电解液沿着射流孔喷射到阴极表面以及沿着回流孔流出，所述回流孔容纳板的内部作为电解液的流动空间，将多个射流孔与多个回流孔容纳在其中；所述阳极位于阴极与射流板之间，所述阳极内含多个射流孔与多个回流孔且与射流板上的射流孔和回流孔位置相对应；所述射流孔与回流孔的直径为2-10mm。

6、进一步优选的，所述射流孔和回流孔的分布方式可为矩形阵列分布、环形阵列分布、螺旋形分布、发散形分布等；所述射流孔与回流孔的形状不限于圆形，可以是菱形、三角形、梯形、腰型等不同的形状。

7、进一步优选的，所述多个射流孔与多个回流孔连接射流板与回流板，回流孔容纳板中的电解液先经过射流板的射流孔喷射到阴极表面后，再通过多个回流孔流入回流板的表面，再经过溢流流入到外镀槽中。

8、在本发明一优选实施方式中，所述阳极为多孔阳极，所述阳极材料包括但不限于铂、钛、陶瓷、钛镀铱钽，其上的多个射流孔与回流孔的尺寸、密度均可以按照均匀分布或非均匀分布的方式设计。

9、在本发明一优选实施方式中，所述搅拌桨叶支架内部含有多个孔，可使用紧定螺丝将多根搅拌桨叶与搅拌桨叶支架进行紧固连接。直线电机作为多根搅拌桨叶的驱动装置，可根据实际情况为多根搅拌桨叶设计不同的直线水平往复运动形式；水平移动导轨作为多根搅拌桨叶运动时的支撑，可根据实际情况对水平移动导轨的长度进行选择以确定多根搅拌桨叶水平往复直线运动的行程；所述导轨安装架与水平移动导轨通过螺钉进行连接，搅拌桨叶支架安装架与搅拌桨叶支架通过螺钉进行连接，导轨安装架与搅拌桨叶支架安装架通过螺钉进行连接，完成多根搅拌桨叶的安装。

10、进一步优选的，所述直线水平往复运动形式包括匀速运动、脉动运动等。

11、在本发明一优选实施方式中，所述搅拌桨叶的形状设为菱形、三角形、梯形、水滴形、腰型结构；所述搅拌桨叶的边长尺寸范围在10-20mm，直径尺寸范围在5-10mm，搅拌桨叶数量范围在3-18个，搅拌桨叶间距范围在16-50mm，阴极表面与搅拌桨叶之间的搅拌间距范围在10-40mm。搅拌桨叶在沿着与阴极表面平行的方向上可由电机驱动进行循环往复运动，直线运动的速度范围在0.1m/s-1m/s，在左、右极限运动位置的停顿时间范围在1-5s之间。

12、为了实现以上目的，本发明的技术方案之二为一种基于适用于垂直挂镀和水平旋转镀的电镀装置的电镀方法，包括如下步骤：

13、(1)由进液泵驱动电解液从进液口进入镀槽底部后流入进液板中的槽道，电解液沿着槽道垂直向上流入分流板中的槽道，并沿着槽道流入均流板的槽道中，此时电解液开始流入由内槽壁围成的内镀槽中；

14、(2)镀液经过射流板并朝着阴极待镀表面的方向产生射流，在射流板与阴极待镀表面之间存在往复直线运动的搅拌桨叶，用来提高电镀过程中阴极表面的传质；

15、(3)当电解液充满内镀槽后，电解液沿着内镀槽顶部溢流到外镀槽，外镀槽壁面位置设置有多个出口，并通过出液泵进行回收，通过进液泵与出液泵实现电解液在内镀槽与外镀槽中的循环流动。

16、对于垂直挂镀和水平旋转镀的电镀方法，两种方法的流程基本一致，但由于镀槽结构及所使用的阴极夹具不同，导致镀液流动有所不同，不同之处在于电解液在镀槽内部流向阴极待镀面的方式不同。

17、在本发明一优选实施方式中，所述步骤(2)中垂直挂镀与水平旋转镀在镀槽内部流向阴极待镀面的方式不同：垂直挂镀的电解液从底部流入由内槽壁围成的内镀槽后按照流动区域不同可分为两部分，分别是内镀槽中间区域和内镀槽边缘区域；内镀槽中间区域的电解液垂直向上流入阴极与射流板中间的区域，此区域的多根搅拌桨叶可通过电机控制实现在水平方向上的往复直线运动；内镀槽边缘区域的电解液垂直向上流入回流孔容纳板内部；垂直放置的射流板含有多个与阳极相等直径和相同分布的射流孔与回流孔，多个回流孔连接射流板与回流板，回流孔容纳板中的电解液先经过射流板的射流孔流入到阴极表面后，再通过多个回流孔流入回流板的表面，电解液逐渐充满整个内镀槽；水平旋转镀的电解液从底部流入由内壁围成的内镀槽中，电解液沿着分流板的槽道垂直向上流入水平放置的射流板中，通过射流板中的射流孔形成多个射流，在射流板与阴极待镀面之间存在多根搅拌桨叶，多根搅拌桨叶可通过电机控制实现在水平方向上的往复直线运动，电解液逐渐充满整个内镀槽；电镀过程中垂直挂镀或水平旋转镀的电解液均是通过射流板与搅拌桨叶的混合作用下加速流动，提高电解液在阴极表面的传质。

18、进一步优选的，所述水平旋转镀的阴极夹具可以带动阴极顺时针旋转或逆时针旋转，旋转速度范围8-12r/min。

19、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

20、本发明中电镀装置的创新性在于采用射流与搅拌两种加快电解液流动的措施，提高了电解液在镀槽内运动的剧烈程度，能够提高电电解液在高深宽比的微结构(如tsv)中的传质，能够在保证高电镀效率的同时获得更好的镀层厚度均匀性。