控制局部电流以获得均匀电镀厚度的方法和设备 【技术领域】
本发明涉及一种用于在衬底上电镀金属的方法和设备，其中的衬底例如为电子行业中所用的精密器件，具体来讲，本发明涉及在具有不同器件密度的区域中提高电镀器件厚度的均匀性。
背景技术
多芯片模块(MCM)的电学性能受互连金属厚度分布的影响很大，其中，互连金属厚度即为形成特定互连器件的淀积金属地厚度。在载体表面上，电路图形密度并不是始终均匀分布的。在某些区域，图形的密度非常大，例如连线或其它器件相对较为紧密的区域，而在其它的区域，图形是非常孤散的，在这样的区域中，连线或器件相互离得较远。采用现有技术中的电镀工具和工艺，镀层金属的厚度会有很显著的变化。所形成的厚度不等的薄膜互连结构会严重地影响电学性能，且由于对参数测量偏移的标准要求很高，这还将影响生产率。例如在印刷电路板和记录磁头等其它电子应用场合中也会出现这样的情况。
人们已经使用了桨轮式单元(Paddle cell)的设计，该单元采用独立的电源，以在阳极与由待电镀衬底(工件)构成的阴极之间施加一电流，并在阳极与一第二阴极或环绕着衬底的取样环(thief ring)之间施加一电流。通常，仅通过调节衬底电流和取样电流来对桨轮式单元中的电镀工作进行控制。而对衬底上局部电流的控制则很少。实现均匀电镀的另一种方法包括在隔离区域中形成虚设焊盘。但是，这样做会给电学性能带来更多的问题。在由Kaja等人于2000年10月30日提交的第09/699,909号美国专利申请中采用了另一种措施，该申请公开了这样的方案：将均匀间隔的编织金属网设置在衬底的上方并与取样板保持电连接。尽管Kaja等人提出的方法在其所针对的应用中(即只在衬底上电镀很少的连线)具有良好的效果，但其不能解决具有不同器件密度区域的厚度不均匀问题。
【发明内容】
因而，基于现有技术中的这些问题和不足，本发明的一个目的是提供一种方法和设备，用于改善在待电镀器件密度不同的衬底上执行的电镀工作。
本发明的另一个目的是提供一种方法和设备，用于提高在器件密度不同的各个区域之间的电镀厚度均匀性。
本发明的又一个目的是提供一种方法，以局部地影响对于广范围的电镀图案的电镀电流，以便于根据设计而获得均匀的厚度或特意的非均匀厚度。
本领域技术人员将很容易地领会到：上述的、以及其它的目的和优点都在本发明中得以实现，本发明在第一方面致力于提出一种在衬底表面上电镀出密度不同的金属器件的工艺方法，其包括步骤：设置一种电镀浴，电镀浴中具有一阳极；将衬底浸入到电镀浴中，并使其与阳极分离开；衬底构成了一阴极；以及在电镀浴中设置一第二阴极，其位于衬底与阳极之间，并靠近衬底的表面，但与衬底表面分离开。第二阴极包括一筛子部分，该筛子部分具有不同尺寸的开孔，这些开孔的尺寸是按照要被电镀的金属器件而设计的。在需电镀制出器件的密度较高的区域附近，第二阴极筛子部分上具有尺寸较大的开孔，而在需电镀出器件的密度较低的区域附近，开孔的尺寸则较小。本发明的工艺还包括步骤：在衬底与阳极之间、以及在第二阴极与阳极之间，通过电镀浴施加电流，从而在衬底表面上电镀出密度不同的金属器件。
优选地是，该工艺还包括步骤：通过获得需电镀器件的布图，并在器件的布图上限定不同的区域，且计算出器件布图上不同区域中需被电镀的面积百分率，由此确定出要被电镀出的器件的密度。
在另一方面，本发明致力于提出一种制造第二阴极筛子的方法，该筛子用于在衬底表面上电镀出不同密度金属器件的工艺中，该方法包括步骤：提供一个要被电镀到表面上的、不同密度的金属器件的布图或图形；找出图形上预定尺寸的不同区域；在各个已找出区域中确定要被电镀的面积百分率。然后，该方法包括步骤：确定区域附近要被电镀的面积百分率之间的差值；以及基于区域附近之间需电镀面积百分率之间的差值而定出要被电镀出的金属器件的不同密度。随后，该方法包括形成一第二阴极筛子的步骤，在要被电镀出的器件密度较高的区域附近，第二筛子上开孔的尺寸较大，而在要被电镀出的器件密度较低区域的附近，开孔的尺寸则较小。
在又一方面，本发明致力于提供一种用于在衬底表面上电镀出不同密度金属器件的设备，该设备包括：一电镀浴，其中带有一阳极；一要被电镀的衬底，其构成了一阴极，并被浸入到电镀浴中且与阳极相分离；以及一第二阴极。第二阴极包括一筛子部分(screening portion)，该筛子部分具有不同尺寸的开孔，这些开孔的尺寸是按照要被电镀出的金属器件而设计的，第二阴极被设置在电镀浴中，位于衬底与阳极之间，并靠近衬底表面，但与衬底表面分离开。在要被电镀出的器件密度较高区域的附近，第二阴极筛子部分上具有尺寸较大的开孔，而在要被电镀出的器件密度较低区域的附近，筛子部分上开孔的尺寸则较小。设备还包括一第一电压源，用于通过电镀浴在衬底与阳极之间施加一电流，并包括一第二电压源，用于通过电镀浴在第二阴极与阳极之间施加一电流。
优选地是，第二阴极包括一丝网，且第二阴极筛子上的开孔构成了丝网中丝线之间的间隔，因而，在待电镀器件密度较高的区域附近，丝网上位于丝线之间的开孔的尺寸较大，而在待电镀器件密度较低区域的附近，丝线间开孔的尺寸则较小。更为优选地是，丝网是用直径约为0.001到0.05英寸的丝线制成。
要被电镀的金属器件包括具有不同间隔的金属线，待电镀器件密度较高的区域包括排列得较为紧密的金属线，待电镀器件密度较低的区域包括间隔距离较大的金属线。优选地是，相比于要电镀出器件密度较高的相邻区域，第二阴极筛子部分上大尺寸的开孔的尺寸是缩小的。
【附图说明】
本发明的特征被认为是新颖的，且在附带的权利要求书中具体列出了本发明的基本特征。附图的作用仅是为了例示，并不按照比例绘制。但通过参照下文结合附图的详细描述，可对本发明自身，无论是结构组织、还是工作方法，都有清楚的理解，在附图中：
图1是一电镀浴的侧视剖面图，该电镀浴采用了本发明第二阴极中的优选筛子部分，其包括一丝网，该丝网带有根据衬底器件密度而制出的切口；
图2中的正视图表示了图1中的衬底和第二阴极丝网；
图3中的正视图表示了根据本发明的、另一种带有切口的第二阴极丝网；
图4中的俯视图是一将要被电镀到衬底上的SCM器件的电路布图，和根据本发明用于确定器件密度的标定区域，图中还表示出了不采用本发明第二阴极时的镀层厚度；以及
图5中的俯视图是一将要被电镀到衬底上的SCM器件的电路布图，表示了在采用本发明的第二阴极后的镀层厚度。
【具体实施方式】
下面将参照附图中的图1～5对本发明的优选实施例进行描述，在附图中，用相同的数字标号来指代本发明中相同的部件。附图中没有必要按照比例来表示本发明的各个部件。
为了提高在具有多种电镀器件密度的镀后衬底上的电气测试产量，本发明提供了一种方法和设备，用于在对宽广范围的图形密度进行电镀的过程中减小厚度的不均匀性。本发明涉及这样的方案：采用一带有筛子部分的第二阴极，其中的筛子部分优选地是用金属筛制成的，在电镀过程中，筛子部分叠置在衬底的顶面上。筛只遮盖着那些连线稀疏的区域，而对于连线密集的区域则留出开孔。在电镀过程中，在连线稀疏区域处，由于在与一第二电源相电连接的丝网上进行电镀而产生了过电势，所以该区域处的局部电流密度会降低。在另一方面，由于通入到衬底中的总电镀电流是固定的，所以密集区域的电流强度就会增大。通过对筛子部分上切口的形状、以及流入到丝网中的电流进行调控，就可以提高金属连线的厚度均匀性。
图1表示了用于实施本发明方法的电镀设备。一电镀槽34(如不是采用了本发明，其将是很普通的)中包括电镀溶液或电镀浴22，其具有用于要被电镀到衬底上的器件类型的传统组成成分。在电镀浴中浸入了一阳极28、一作为阴极的衬底或工件30、以及一作为第二阴极的取样极板32。在阳极28与衬底30之间连接了一个电源24，用于形成电压差，从而通过电镀浴在阳极与衬底之间通入一电流。取样极板32环绕着衬底30，并通过一个独立的电源26与阳极相连接。利用连接在取样极板32与阳极28之间的电源26而形成一电势，从而施加一不同的电流值。随着电流流过阳极和衬底、以及流过阳极和取样极板之间，就可在衬底上电镀出金属器件。
根据本发明的方法，在衬底与阳极之间的电镀浴中设置了第二阴极的一筛子部分40。可用多种导电材料来制造第二阴极的筛子部分。更为优选地是：如果采用的是丝网，则丝线是用不锈钢、铜等制成的。如图2所示，筛子部分40靠近衬底30的表面，但与衬底表面分离开，筛子部分优选地是由一丝网构成的，丝网具有一系列开孔42a、42b、42c、42d和42e，这些开孔的尺寸大于丝网41上周围网眼图案的尺寸。如下文将要解释的那样，这些开孔42a～42e被制在电镀器件密度较高的衬底区域的上方，并靠近这些区域，其中，器件密度较高是相对于密度较低的其它区域而言的。开孔的尺寸在不同密度的区域之间是变动的。优选地是，特定开孔的尺寸是利用一数学算法而确定出的，该数学算法利用区域附近之间密度差的梯度来判断是否应当在丝网41上制出一个开孔、以及开孔应当被制在何处。
图3表示了根据本发明制作的第二阴极筛子部分40的另一种实施例。在丝线间距相对较小的丝网41中制有尺寸较大的开孔42a-g。当用在图1所示的电镀浴中时，这些开孔42a-g设置在衬底上待电镀的高密度区域上方，网线的直径范围在0.001″到0.05″之间，且网线的面积一般为开孔面积的35％到68％。根据执行电镀的器件，也可以采用其它丝线尺寸和开孔。除了采用编织网之外，还可用其它类型的掩模，例如穿孔金属板，用作制造第二阴极或网格取样的材料。
第二阴极的筛子部分对局部电镀电流提供了额外的控制。在下面的实施例中，介绍确定丝网上开孔尺寸以及数目的方法。根据应用条件的要求将对局部电流进行调整，以实现均匀度或“非均匀度”。用于确定特定第二阴极切口的算法考虑到了衬底上要被电镀出器件的不同密度。在一布图或初始规划图上表示出了诸如连线或导线等要被电镀的器件，工作人员将首先通过以根据电镀图形的预定尺寸叠置重复的同心图案，例如正方形，而在规划图上定义出区域或网格。对于由重复图案确定出的各个区域，可计算出要被电镀的面积百分率或百分比，该百分率或百分比被定义为电镀面积与总面积的比值。通过在布图上反复进行测量，工作人员就可以定出密度相对较高的区域和较为稀疏或低密度的区域。然后，在区域附近之间，再计算出待电镀面积变化的百分比或差值，从而建立一个有关图形密度改变的梯度，该梯度例如是剧变的、缓变的、或者是非常平缓的，或者也可以是其它任何的相关表述。然后，由于建立了表明区域附近之间图案密度较为剧烈差异的梯度指标，所以通过在相对较为密集的电镀区域上形成网开孔而制出第二阴极。
在一第一实施例中，在表1和图4中列出了用于一待电镀单片模块(SCM)50的第二阴极的制备情形。SCM50的侧边为27mm，图中还表示出了要被实际电镀到SCM上的器件。事先已在待电镀器件的布图上设置了一个正方形格栅，并确定出各个方格内要被电镀的面积百分率或百分比。例如，在图中所示的、侧边总尺寸为27mm的SCM中，方格的尺寸可以为0.5mm。在更大的衬底，例如侧边总尺寸为110mm或更大尺寸的多芯片模块(MCM)或大面板(LP)上，网格的尺寸可以为1mm。在对图4所示SCM上相邻方格之间的电镀密度变化进行比较之后，确定出一个同心方块区域52，其侧边尺寸为13mm，找出一个具有待电镀面积的41％的密度的区域，并将其指定为布图上最为密集的区域。还确定出一个同心方块区域54，其侧边尺寸为17mm，并在方块区域52与54之间找出一个具有待电镀面积的35％的密度的区域，该密度略小于方块区域52的密度。最后，方块区域54与方块区域56(即侧边为27mm的区域)之间的密度最低，8％的待电镀面积，其被指定为稀疏区。下面的表1列出了这些测量结果、以及被方块52和54界定的区域附近之间密度变化的百分比。
表1
L(方格的边长) 电镀面积的百分比 邻近区域之间变化的百分比
13mm 41％
6％
17mm 35％(密集区)
27％
27mm 8％(稀疏区)
下面的表2表示了对于图4所示SCM50、待电镀区域密度相对差值的特性。电镀密度的变化在0-10％，则就被定性为非常缓和，密度改变在10-25％之间则被定性为缓和，密度变化大于25％则被定性为剧烈。
表2
邻近区域之间变化的百分 梯度 方格的边长L(mm)
比
0-10％ 非常缓和 13
10-25％ 缓和
26％或更高 剧烈 17
由于沿方格54(边长为17mm)边界的、图案密度差值为27％的剧变梯度，所以可确定出应当在该区域的附近形成一个网孔。通过相比于具有剧变梯度的区域的尺寸将开孔的尺寸减小，就可计算出实际网孔大小，从而使丝网覆盖着沿密集区边缘的部分，以平衡在电镀过程中电镀溶液在器件上的对流。例如，可将尺寸减小到50％或更小，例如约为10％到20％，或者也可以低于20％到50％，本领域技术人员无需进行过多的实践就能容易地确定出这些数值。在图4所示的实例中，网孔被减小了约15％，或从边长为17mm的方格54减小2.5mm，从而形成一个边长为14.5mm的网孔。
在图4所示SCM50的不同区域上，标出了在不采用本发明的第二阴极进行电镀的情况下，SCM50上最终的电镀厚度，以微米(μm)为单位。作为对比，在图5所示SCM50的不同区域上，标出了采用本发明的第二阴极进行电镀时所形成的最终电镀厚度。在图5所示的SCM上，电镀厚度的均匀性得以提高。
如下面的表3所示，其它的一些试验也验证了本发明提高了具有不同电镀密度的衬底上的电镀厚度均匀性，表3列出了在三种情况下对衬底进行电镀时的镀铜厚度均匀性的对比，其中一种情况采用了不带丝网的取样环；另一种情况则采用了Kaja等人所提申请中的固态丝网；第三种情况是采用了根据本发明的、带有切口的丝网。
表3
铜层的平均厚 不带有丝网 不具切口的丝网 带有切口的丝网
度(μm) (Kaja等人申请) (本发明)
密集区(中心) 5.06 5.02 5.60
密集区(边缘) 6.17 6.21 5.83
稀疏区 6.63 6.49 5.65
拐角/周边 6.13 6.32 5.77
最大值-最小值 1.57 1.47 0.23
对铜层平均厚度的测量结果表明：相比于现有技术中的方法，本发明方法的偏差更小。其它的数据表明：在MCM上，密集区与松散区之间平均厚度的分布被从28％改善到了4％，而在SCM上，则从25％改善到了12％。
由本发明实现的、对厚度控制的显著改善还导致SCM和MCM模块在最终参数性能方面具有更加集中的分布，并提高了生产率。在表4中列出了按照现有技术中利用不带有丝网的取样环的方法、以及本发明的方法进行电镀时，对MCM模块进行电学测量的结果总结。
表4
平均参量 标准差
MCM(不带有丝网) 2.135 0.1153
MCM(本发明) 2.193 0.0753
由于标准差降低了35％，所以可提高电学性能。在其它的MCM和SCM产品上也验证了本发明方法的功效。
本发明的工艺可适用于多种工业电镀应用，例如，可用于电镀印刷电路板/叠层板、超球形栅格阵列(BGAs)电镀、表面叠层电路(SLCs)、电化成型掩模、以及薄膜磁感应纪录头。
尽管上文结合特定的优选实施例对本发明作了具体的描述，但对于本领域技术人员，在上述描述的启发下，显然可提出多种替换、改型和变动形式。因而，可以理解：只要这些替换、改动和变型落入到本发明设计思想和保护范围内，则所附的权利要求书就将包含所有这些实施形式。