电镀工艺中的现场形貌测量.pdf

一种用于测量电化学镀槽的电解液中的差分电压的方法和装置。从所测的差分电压计算电流密度，然后与镀上的材料厚度值相关联。可以从厚度值中产生实时厚度形貌。

1.  一种用于在电解液中进行的电化学镀工艺期间产生实时厚度形貌的方法，包括：
使用布置在所述电解液中的传感器阵列测量一组电流；
对所述组电流相对于一段时间进行积分以获得一组电量数据；
使所述组电量数据与镀上厚度的值关联；
从所述镀上厚度的值中产生所述实时厚度形貌。

2.  如权利要求1所述的方法，其中，所述衬底具有原始的厚度形貌，并且所述产生实时厚度形貌进一步包括将所述镀上厚度的值加到所述原始厚度形貌。

3.  如权利要求1所述的方法，其中，所述测量一组电流包括：
使用所述传感器阵列测量一组差分电压；
从所述组差分电压计算所述组电流。

4.  如权利要求3所述的方法，其中，所述组的差分电压中每一个包括第一坐标的第一分量和第二坐标的第二分量。

5.  如权利要求4所述的方法，其中，所述第一坐标是水平的，所述第二坐标是垂直的。

6.  如权利要求4所述的方法，其中，所述计算所述组电流包括：
对于所述组的差分电压中每一个，将所述第一分量与第一系数相乘；
对于所述组的差分电压中每一个，将所述第二分量与第二系数相乘。

7.  如权利要求6所述的方法，其中，所述衬底具有原始的厚度形貌，所述产生实时厚度形貌进一步包括将所述原始厚度形貌加到所述镀上厚度的值。

8.  一种用于在电化学镀工艺期间测量电解液中被镀材料的实时局部厚度的方法，包括：
使用布置在所述电解液中的第一传感器和第二传感器测量局部电流；
对所述局部电流相对于一段时间求积分以获得电量；
使所述电量与在所述段时间期间的镀上厚度关联；
在所述段时间期间从所述镀上厚度中产生所述实时局部厚度。

9.  如权利要求8所述的方法，其中，所述产生实时局部厚度包括将原始厚度加到在所述段时间期间的所述镀上厚度。

10.  如权利要求8所述的方法，其中，所述测量局部电流包括：
测量所述第一传感器和所述第二传感器之间的第一差分电压；
从所述第一差分电压计算所述局部电流。

11.  如权利要求8所述的方法，其中，所述测量局部电流包括：
测量所述第一传感器和所述第二传感器之间的第一差分电压；
测量所述第一传感器和布置在所述电解液中的第三传感器之间的第二差分电压；
将所述第一差分电压与第一预定系数相乘；
将所述第二差分电压与第二预定系数相乘。

12.  如权利要求11所述的方法，其中，所述产生实时局部厚度包括将原始厚度加到在所述段时间期间的所述镀上厚度。

13.  一种通过电化学镀在衬底上产生均匀形貌的方法，包括：
在所述衬底上开始电化学工艺，其中，所述衬底与电解液接触；
产生实时厚度形貌；
根据所述实时厚度形貌调整一个或一个以上的工艺参数。

14.  如权利要求13所述的方法，其中，所述产生实时厚度形貌进一步包括：
使用布置在电解液中的传感器阵列测量所述电解液中的一组电流；
对所述组电流相对于一段时间进行积分以获得一组电量数据；
使所述组电量数据与镀上厚度的值关联。

15.  如权利要求14所述的方法，其中，所述测量一组电流包括：使用布置在所述电解液中的所述传感器阵列测量差分电压。

16.  如权利要求13所述的方法，其中，所述一个或一个以上工艺参数包括电流设定点、阳极定时、取样电流和顶端间距中至少一个。

17.  如权利要求13所述的方法，其中，所述调整一个或一个以上的工艺参数包括调整对应于在所述实时厚度形貌中反映的局部厚度的局部电流设定点。

18.  如权利要求13所述的方法，其中，所述调整一个或一个以上的工艺参数包括使用预测算法以确定一个或一个以上的工艺参数的调整。

19.  一种通过电化学镀在衬底上产生希望厚度形貌的方法，包括：
在所述衬底上开始电化学工艺，其中，所述衬底与电解液接触；
产生实时厚度形貌；
将所述实时厚度形貌与所述希望厚度形貌比较以获得误差形貌；
根据所述误差形貌调整一个或一个以上的工艺参数；
当所述误差形貌在预定的公差形貌内时，结束所述镀附工艺。

20.  如权利要求19所述的方法，其中，所述产生实时厚度形貌进一步包括：
使用布置在所述电解液中的传感器阵列测量一组电流；
相对于一段时间对所述组电流进行积分以获得一组电量数据；
使所述组电量数据与镀上厚度的值关联。

21.  如权利要求20所述的方法，其中，所述测量一组电流包括：使用布置在所述电解液中的所述传感器阵列测量差分电压。

22.  如权利要求19所述的方法，其中，所述一个或一个以上工艺参数包括电流设定点、阳极定时、取样电流和顶端间距中至少一个。

23.  如权利要求19所述的方法，其中，所述调整一个或一个以上的工艺参数包括调整对应于在所述实时厚度形貌中反映的局部厚度的局部电流设定点。

24.  如权利要求19所述的方法，其中，所述调整一个或一个以上的工艺参数包括使用预测算法以确定一个或一个以上的工艺参数的调整。

25.  一种将衬底浸入用于电化学镀的电解液中的方法，包括：
在所述衬底和布置在所述电解液中的阳极组件之间施加偏置电压；
将所述衬底浸入所述电解液中，同时使用布置在所述电解液中的传感器阵列监测所述电解液的电流；
从所述电流判断浸入状况；
调整对应于所述浸入状况的偏置电压。

26.  如权利要求25所述的方法，其中，所述阳极组件被分段，所述调整偏置电压包括独立调整所述分段组件的每一个分段的阳极。

27.  一种表征在电化学镀槽中的电流分布的方法，包括：
镀图案化衬底，其中，所述图案化衬底包括多个导电区域和多个接触点，所述多个导电区域互相隔离并且沿所述图案化衬底的整个半径分布，所述多个接触点互相隔离并且沿所述图案化衬底的边缘分布，使得所述多个接触点的每一个能够与构造成在电化学镀工艺期间连接电源的电化学镀槽的接触销对准，其中，所述多个导电区域中的每一个与所述多个接触点中对应的接触点通过被保护的迹线电连通；
从所述接触销下游测量电流。

28.  一种校准用于测量电化学镀槽中电流的方法，包括：
在所述镀槽布置所述传感器；
镀图案化衬底，其中，所述图案化衬底包括：
导电区域，其定位成使得所述传感器和所述导电区域相对于穿过所述图案化衬底中心的中心轴线具有相同的距离；
接触点，在所述图案化衬底边缘上，并且与构造成在电化学镀工艺期间连接电源的电化学镀槽的接触销对准，
其中，所述导电区域通过被保护的迹线与所述接触点电连通；
从所述接触销下游测量槽电流；
使用所述传感器测量传感器电流；
通过将所述传感器电流和所述槽电流比较来校准所述传感器电流。

29.  一种电化学镀系统，包括：
构造成接触衬底的接触销，其中，所述衬底与对电解液接触；
布置在所述电解液中的阳极；
构造成在所述接触销和所述阳极之间施加偏压的电源；
布置在所述电解液中的传感器组件，其中，所述传感器组件包括至少第一传感器和第二传感器；
连接至所述传感器的控制单元，其中，所述控制单元构造成确定在所述第一传感器和所述第二传感器之间的第一差分电压。

30.  如权利要求29所述的系统，其中，所述传感器组件进一步包括第三传感器，所述控制单元构造成确定在所述第一传感器和所述第三传感器之间的第二差分电压。

31.  如权利要求30所述的系统，其中，所述第一传感器和所述第二传感器定位在垂直于所述衬底的线上，所述第一传感器和所述第三传感器定位在平行于所述衬底的线上。

32.  如权利要求29所述的系统，其中，所述传感器组件包括传感器阵列，所述传感器阵列从所述衬底的中心位置附近分布到所述衬底的边缘位置附近。

33.  如权利要求32所述的系统，其中，所述传感器阵列布置在印刷电路板上。

34.  如权利要求32所述的系统，其中，所述传感器阵列布置在从所述衬底的中心位置径向分布的多个印刷电路板上。

35.  如权利要求32所述的系统，其中，所述传感器阵列以螺旋图案布置。

36.  如权利要求29所述的系统，进一步包括布置在所述电解液中的扩散板，其中，所述传感器组件集成在所述扩散板中。

37.  如权利要求29所述的系统，其中，所述控制单元包括：
连接至所述传感器组件的电路；
连接至所述电路的计算机，
其中，所述电路构造成采样和处理所述传感器的输入，所述计算机包括从所述传感器组件的所述输入计算镀上厚度的软件。

38.  一种电化学处理系统，包括：
包括多个传感器的电化学镀槽；
构造成接收来自所述多个传感器的输入的控制单元，其中，所述控制单元进一步包括：
构造成处理来自所述多个传感器的输入的电子装置；
具有多个输入变量和多个输出变量的工艺优化模块。

39.  如权利要求38所述的系统，其中，所述多个传感器包括布置在容纳在所述电化学镀槽中的电解液中的传感器阵列，所述传感器阵列构造成测量在所述电解液中的差分电压，所述控制单元进一步包括构造成从所述差分电压中产生实时镀上厚度形貌的形貌产生器。

40.  一种用于表征电化学镀槽的图案化衬底，包括：
第一导电区域；
第一接触点，位于所述图案化衬底的边缘并且构造成连接所述镀槽的接触销，
其中，所述第一导电区域通过被保护的迹线与所述第一接触点电连通。

41.  如权利要求40所述的图案化衬底，包括：
多个互相隔离的导电区域；
多个互相隔离并且位于所述图案化衬底边缘的接触点，
其中，所述多个接触点中的每一个能够与所述镀槽中的单个接触销对准，所述多个导电区域中的每一个与所述多个接触点中对应的接触点电连通。

42.  如权利要求41所述的图案化衬底，其中，所述多个导电区域沿所述图案化衬底的整个半径分布。

43.  如权利要求41所述的图案化衬底，其中，所述多个导电区域沿所述图案化衬底的整个半径分布在一条直线上。

44.  如权利要求29所述的电化学镀系统，其中，所述控制单元连接至所述接触销，并且构造成确定在所述接触销和至少所述第一传感器之间的电压差。

电镀工艺中的现场形貌测量
技术领域
本发明实施例一般而言涉及通过现场测量在电化学镀槽内部的差分电压表示的测量空间镀槽电流分布。
背景技术
在半导体工艺中，电化学镀(ECP)一般而言是用导电材料填充在衬底上形成的构件的优选技术。典型的ECP工艺一般而言包括将衬底浸入富含导电材料(通常为铜)离子的电解质溶液中，然后在衬底表面上形成的导电籽晶层和位于电解质溶液内的阳极之间施加电偏压。在晶种层和阳极之间施加电偏压便于发生使导电材料的离子镀附在籽晶层上的电化学反应。
然而，对于传统的ECP工艺和系统，在衬底上形成的导电籽晶层一般而言非常薄，这样具有很高的电阻。籽晶层的电阻特性造成在镀附工艺中阳极和籽晶层之间传播的电场在通常与籽晶层的电接触的衬底的周边附近更加密集。在衬底的周边附近这种增加的电场密度造成该衬底周边附近的镀附速率成比例增加。这种现象一般而言称为“端子效应”(terminaleffect)，是与传统镀附系统联系在一起的所不希望的特性。
端子效应对于半导体工艺来说尤其是问题，这是因为随着构件尺寸的不断减小，并且纵横比不断增加，籽晶层的厚度将必然不断减少。由于籽晶层减少的厚度进一步增加的该层的电阻，籽晶层的厚度的减少将进一步增加端子效应。
在电化学工艺中另一个问题是当将衬底浸入镀槽时，在衬底一些部分上的构件会不希望地被填充或甚至被填满。在浸没工艺期间，通常施加正向或镀附偏压以抵消由镀液(通常是酸溶液)对衬底上的籽晶层的蚀刻。在这时间段(可以如0.25秒之短)，衬底上的某个区域中的一些构件会被填充，这会导致均匀性变差和器件成品率性能变化。
因而，需要一种将导电材料镀到半导体衬底上的电化学镀槽和方法，其中镀附厚度形貌被实时监测和控制。
发明内容
本发明的若干实施例总的来说提供了一种电化学镀系统，其具有布置在电解液中的传感器组件和连接至该传感器的控制单元。
本发明的若干实施例可以进一步提供在电化学镀工艺期间用于现场测量镀附厚度形貌的方法。通过布置在镀液中的传感器阵列测量镀液中的空间差分电压。然后，接着通过对与差分电压值关联的电流值进行积分而得到实时镀附形貌。
本发明的若干实施例可以进一步提供用于在电化学镀工艺期间现场产生镀附厚度形貌的方法和装置。该方法包括测量由该电解液中差分电压表示的镀槽电流分布，然后，由于铜厚度直接与该电流值在时间上积分值成正比，通过对该电流值在时间上求积分而产生实时厚度形貌。
本发明的若干实施例可以进一步提供用于在衬底上通过电化学镀产生均匀形貌的方法。该方法大体上包括：在衬底与电解液接触的位置处开始镀附；测量电解液中一组槽电流分布；从该组槽电流分布中产生实时厚度形貌；根据实时厚度形貌调整一个或一个以上的工艺参数。
本发明的若干实施例可以进一步提供用于通过电镀在衬底上生成所希望形貌的方法。该方法大体上包括：在衬底与电解液接触的位置上开始电镀；测量电解液中一组槽电流分布；从该组镀槽电流分布中产生实时厚度形貌；比较实时厚度形貌和所希望的厚度形貌以获得误差形貌；根据实时厚度形貌调整一个或一个以上的工艺参数；当误差形貌在预定的公差形貌内时，结束该电镀工艺。
本发明的若干实施例进一步提供监测将衬底浸入用于电化学镀的电解液中的方法。该方法大体上包括：在该衬底和布置在电解液中的阳极组件之间施加偏置电压；将衬底浸入电解液中；在浸入期间，监测电解液的槽电流分布；从该槽电流分布判断浸入状况；根据浸入状况调整偏置电压。
在以下附图和描述中阐述一个或一个以上的实施例的细节。本发明的其它特征和优点将从该描述和附图中显而易见。
附图说明
通过引用实施例对以上简要概述的本发明进行更具体的描述，能够详细地了解本发明的上述特征。其中的一些实施例在所附的附图中示出。然而，应当注意所附的附图仅仅示出本发明典型的实施例，因而不能认为对本发明范围的限制，因为本发明可以容许其它同等效果的实施例。
图1示出示例性镀槽的示意图；
图2示出示例性镀槽和在其中产生的电场电力线地示意剖视图；
图3示出本发明示例性镀槽的示意剖视图；
图3A示出图3所示的镀槽的示例性传感器组件；
图3B示出图3所示的镀槽的示例性传感器组件；
图3C示出本发明传感器组件的示例性布置的俯视图；
图3D示出本发明的传感器组件示例性布置的俯视图；
图3E示出本发明的传感器组件示例性布置的俯视图；
图4A示出具有均匀电场的示例性镀槽的剖视图；
图4B示出具有不均匀电场的示例性镀槽的剖视图；
图4C示出一组示例性几何因素；
图4D示出从槽电流分布中产生厚度形貌的示例性实施例；
图5示出用于本发明中传感器阵列的数据采样和处理电路的示例性实施例；
图6示出确定几何因素的示例性实施例；
图7示出产生实时厚度形貌的示例性实施例；
图8示出在电化学镀工艺期间获得均匀厚度的示例性实施例；
图9示出在电化学镀期间获得所希望的厚度形貌的示例性实施例；
图10示出监测将衬底浸入镀液中的示例性实施例；
图11示出本发明的电化学镀系统的示例性实施例；
图11A示出图11所示电化学镀系统工艺优化软件的示例性实施例；
图12示出本发明的特征化工具的示例性实施例。
具体实施方式
本发明一般而言提供一种构造成将金属镀在半导体衬底上的电化学镀槽。本发明的镀槽一般而言包括流体容积槽、接触环、阳极和布置在流体容积中的传感器阵列。位于流体容积中的传感器阵列构造成在镀附期间测量槽电流分布。镀上金属的厚度形貌能够使用本发明提供的方法从槽电流分布中产生。
图1示出示例性镀槽100的示意图。镀槽100一般包括外池101和位于外池101内的内池102。内池102通常构造成容纳用于在电化学镀工艺期间将金属(例如，铜)镀附在衬底上的镀液。在镀附工艺期间，镀液通常不断地供应至内池102(例如，每分钟1加仑)，因而镀液不断地溢出内池102的最高点(通常称为“堰”)，并且被外池101收集。被外池101所收集的溶液接着从外池排出供再次循环和/或化学管理。
如图1所示，镀槽100通常以倾斜的角度定位，即镀槽100的框架部分103通常一侧抬高，使得镀槽100的组件在约3°和约30°之间倾斜。因此，为了在镀附操作期间在内池102内容纳足够深度的镀液，内池102的最高部分可以在镀槽100的一侧向上延伸，使得内池102的最高点大致水平，允许供应至其内的镀液沿着内池102的周边不断溢出。然而，由于在本发明的范围内可以想到将镀槽100以相对于水平的任何角度(例如，包括0°)定位，所以，本发明的实施例不限制于倾斜的镀槽。
镀槽100的框架部件103通常包括固定至框架部件103的环形底部部件104。由于框架部件103在一侧被抬高，底部部件104的上表面通常相对于水平位置倾斜，倾斜的角度对应于框架部件103相对于水平位置的角度。底部部件104包括在其内形成的环形或盘状凹部，该环形凹部构造成接收盘状阳极部件105。底部部件104进一步包括多个位于其下表面的流体入口/排放口109。每一个流体入口/排放口109通常构造成单个地向镀槽100的阳极室或阴极室的任一室供应流体或从其任一室排放流体。阳极部件105通常包括多个贯穿其形成的槽107，其中这些槽107以大致互相平行的方位定位，并分布在阳极105的整个表面上。平行取向允许在阳极表面产生的稠密流体向下流过阳极表面进入其中一个槽107。
镀槽100还包括隔膜支撑组件106。隔膜支撑组件106的外周边通常固定在底部部件104，隔膜支撑组件106包括构造成允许流体从中流过的内部区域。隔膜108在支撑件106上伸展，通常能够将阴极室(位于被镀衬底附近)和阳极室(位于槽中阳极附近)流体分开。隔膜支撑组件106可以包括位于隔膜108周边附近的O形环密封，其中该密封构造成防止流体从固定在隔膜支撑组件106上的隔膜108的一侧流至隔膜108的另一侧。这样，隔膜108通常提供镀槽100的阳极部分和阴极部分之间的流体隔离。可以用来将阳极电解液与阴极电解液流体隔离开的示例性隔膜，在于2003年7月24日提交的名称为“Electrochemical Processing Cell”(“电化学处理槽”)的共同转让的美国专利申请案序号No.10/627,336中示出，该内容在此处通过引用而全部包含于此。或者，隔膜108可以是允许流体从其中流过的可透过流体的滤式隔膜。就一方面来说，为了降低镀槽的成本和复杂性，可以在镀槽中不使用隔膜或过滤式隔膜。
扩散板110通常是多孔的陶瓷盘部件或其他可透过流体的电阻性部件。扩散板110位于隔膜108的上方。一旦将镀液引入阴极室中，镀液向上流过扩散板110。通常为陶瓷或其它多孔盘状部件的扩散板110通常用作流体限流器工作，以使在衬底表面上的流线谱平坦。进一步地，扩散板110用来电阻性地阻尼在阳极105或隔膜108的表面的电化学工作区域的电变化，这种电变化公知为可降低镀附均匀性。
图1所示示例性镀槽的其他实施方式，在于2002年10月9日提交的、名称为“Electrochemical Processing Cell”(“电化学处理槽”)的共同转让的美国专利申请案序号No.10/268,284中示出，该专利申请案主张于2002年7月24日提交的美国临时专利申请案序号No.60/398,345的优先权，这两个文献的内容在此处通过引用的方式而全部包含于此。镀槽的其他实施例还在于2003年7月24日提交的名称为“ElectrochemicalProcessing Cell”(“电化学处理槽”)的共同转让的美国专利申请案序号No.10/627,336中示出，该内容在此处通过引用的方式而全部包含于此。
图2示出与图1中的电化学镀槽100类似的电化学镀槽200和在衬底215上进行镀附工艺时在其中产生的电力线的示意图。镀槽200一般而言包括构造成容纳流体容积216(通常为电解质镀液)的流体池组件210。阳极205位于流体池组件201的下部，并且待镀的衬底215通常横跨槽200的上开口部分而定位。衬底215被接触环214支撑。接触环214构造成经由一个或一个以上电接触元件213电接触在衬底215的周边附近的衬底215的镀附表面215A。衬底镀附表面215A具有沉积在其上的导电籽晶层。电接触元件213与电源221的第一端子221A电连通，而电源221的第二端子221B与阳极205电连通。呈环状的准直件212大致布置在扩散板210的上方和接触环214的下方。准直件212通常具有比衬底直径小的直径，并且构造成引导在流体容积216中的电场。
图2还示出在镀槽200中在镀附工艺期间产生的电力线220。如以上提及，镀附表面215A具有沉积在其上的导电层。在镀附表面215A上形成的导电层在一些情况下可以是籽晶层。该籽晶层通常非常薄，并且因此具有很高的电阻。籽晶层的电阻特性造成在镀附工艺期间在阳极205和镀附表面215A之间形成的电力线，在通常与镀附表面215A电接触的镀附表面215A的周边附近更加密集。由于在导电层形成的电压降的结果，电力线220固有地向电接触元件213聚集，靠近接触元件213有更高电压(阴极偏压)。在接触元件213附近的这种更高的电压接着形成最小的阻力路径。镀槽的若干制造商已经通过显著地增加电解液的电阻来试图解决聚集问题，然而结果表明了这样做导致镀附速率无法接受的减少，并且不能足够地减少电场聚集效应。
图3示出本发明的示例性镀槽的示意剖视图。镀槽300通常包括构造成容纳流体容积316(通常为电解质镀液)的流体池组件300。阳极305位于流体池组件201的下部，并且待镀的衬底315通常横跨池200的上开口部而定位。衬底315被接触环314支撑。接触环314构造成经由一个或一个以上电接触元件313接触在衬底315的周边附近的衬底315的镀附表面315A。电接触元件313与电源321的第一端子321A电连通，同时电源321的第二端子321B与阳极305电连通。扩散板310通常位于衬底315和阳极305之间。呈环状的准直件312通常布置在扩散板310的上方和接触环314的下方。准直件312通常具有比衬底直径小的直径，并且构造成引导在流体容积316中的电场。一方面，扩散板310可以靠近衬底315(例如，在2-3毫米内)放置，并且准直件不是必须的。
参照图3，具有传感器331阵列的传感器组件330通常布置在镀槽300中。由于传感器331没有连接至参考电极，传感器331浮置在镀槽300中。传感器331可以由铜或贵金属(例如，铂、金、钯、铱、钌或镀在贵金属上的铜)组成的导线。两个或两个以上传感器331可以构造成检测位于镀附容积316中的传感器331之间的局部电压大小。传感器组件330适于构造成获得传感器组件330所在的流体容积316中的局部槽电流分布的信号采样和处理电路332。图3示出包括多个高输入阻抗的差分放大器333、一个或一个以上多路选择器334和A/D转换器335的处理电路的332的一个实施例的示意构造。多个高输入阻抗差分放大器通常连接至该阵列传感器331，使得每一个高输入阻抗差分放大器333的两个输入管脚与两个不同的传感器331电连通。因而，高输入阻抗差分放大器333的每一个输出两个传感器331之间的差分电压。高输入阻抗差分放大器333可以连接至一个或一个以上多路选择器334，多路选择器334执行选择多个输入线中的任何一个并且将所选定的输入馈至输出线334A的功能。多路选择器334的输出线334A可以连接至将模拟信号转换成数字信号的A/D转换器335。A/D转换器335可以连接至具有处理差分电压数据并且提供流体容积316中的电场信息的程序的计算机336。一方面，通过对与差分电压关联的电流值进行积分能够产生实时的厚度形貌。计算机336可以构造成根据所测的差分电压数据和有关镀液性能的了解来计算电流值，对电流值相对于镀附时间进行积分以获得厚度形貌，接着绘制和/或显示厚度形貌。在接收和处理流体容积316中的差分电压时，计算机336可以进一步向电源321和/或在镀槽300中其它可以控制的组件输出控制信号以调整电场的局部的强度，因而执行镀附工艺的闭环控制。
参照图3，在一个实施例中，传感器组件330大致是矩形印刷电路板，具有沿其长度分布的阵列传感器331。传感器组件330可以垂直于镀附表面315A而定位。传感器组件330的一端位于镀附表面315A中心附近，传感器组件330的另一端位于镀附表面315A的周边附近。一方面，传感器331沿镀附表面315A的半径分布，使得能够监测沿衬底315的半径对应于镀附厚度的电场。在一个实施例中，如图3所示，传感器组件330可以位于扩散板310的上方和镀附表面315A的下方。一方面，传感器组件331可以布置在使传感器331距镀附表面315A约1毫米至约15毫米之间的位置处。
在一个实施例中，未示出，传感器组件330可以集成在扩散板310中而不是在印刷电路板中形成。在另一个实施例中，传感器以已知的距离隔开定位，但不连至镀槽的刚性元件。在一个实施例中，传感器可以布置在镀槽的包括阴极室和阳极室的任何位置。一方面，传感器可以包括镀槽中的阳极或阴极(即，接触销)。在一个实施例中，传感器包括接触销，并且可以测量接触销和在电解液中其他传感器之间的电压差。
图3A示出图3所示的镀槽300的示例性传感器组件330A的前视图。传感器组件330A通常是具有不同高度的细长部分的印刷电路板。传感器组件330A的较高部分具有两排传感器331A。一方面，每一排的传感器331A沿传感器组件330A的较高部分的长度均匀分布，并且互相之间具有距离D1。在这种构造中，第一排传感器331A以靠近传感器组件的较高部分的上边缘而定位，以使传感器331A能够测量非常靠近镀附表面的区域。第二排的每一个传感器331A直接定位在第一排各个传感器331A下面，并且具有距第一排的各个传感器331A的距离D2。一方面，距离D1可以是约7.5毫米，并且距离D2可以是约7.5毫米。在另一个实施例中，未示出，每一排传感器331A可以沿传感器组件330A的长度不均匀的分布。一方面，多个接触点341A可以布置在传感器组件330A较短部分。每一个触点314A与一个传感器331A电连通，并且构造成将对应的传感器和其它电路(诸如图3中的信号采样和处理电路332)连接起来。
一方面，传感器331A和331B可以以其它布局方式定位，诸如相互之间成角度(不是垂直或水平)，或者垂直、水平和角度布置的任何结合，这取决于传感器331A和331B相对于衬底或镀槽的其它元件的位置。一方面，传感器组件可以在能描述镀槽中电场的坐标系统(诸如，3D坐标系统、极坐标系统、椭圆坐标系统)中形成。
图3B示出图3所示的镀槽300的示例性传感器组件330B的前视图。传感器组件330B通常是具有不同高度的细长部分的印刷电路板。传感器组件330B的较高部分具有三排传感器331B。一方面，每一排的传感器331B沿传感器组件330B的较高部分的长度均匀分布，并且互相之间具有距离D3。一方面，第一排传感器331B以靠近传感器组件的较高部分的上边缘而定位，以使传感器331B能够测量非常靠近镀附表面的区域。第二排和第三排的每一个传感器331B直接定位在第一排各个传感器331B下面，并且具有距上排的各个传感器331B的距离D4。一方面，距离D3可以是约3.75毫米，并且距离D4可以是约3.75毫米。在另一个实施例中，未示出，每一排传感器331B可以沿传感器组件330B的长度不均匀的分布。一方面，多个触点341B可以布置在传感器组件330B较短部分。每一个触点314B与一个传感器331B电连通，并且构造成将对应的传感器和其它电路(诸如，图3中的信号采样和处理电路332)连接起来。
针对独立传感器和/或成组传感器位置的其它布置也能够使用。
图3C示出传感器组件330C相对于正被镀附的衬底315C的示例性布置的俯视图。在一个实施例中，传感器组件330C的一端位于衬底315C的中心附近，传感器组件330C的另一端位于衬底315C周边附近。传感器组件331C中的传感器沿衬底315C的整个半径分布成一直线，使得能够测量对应于衬底315C上的镀附厚度的电场。在另一个实施例中，如图3D所示，多个传感器组件330D在衬底315D上以螺旋图案分布。这种布置能够监测沿衬底315D半径的电场和镀附流体不同区段的电场。与图3C中示出的布置相比较，这种布置还能具有较高的传感器密度，尤其是在衬底315D的周边附近。图3E示出本发明的传感器组件330E另一个示例性布置的俯视图。多个(如图3E所示的五个)传感器组件330E从衬底315E的中心径向地分布。这种布置使能够监测沿衬底315E的半径的电场和镀液不同区段的电场。
图4A示出具有均匀电场的镀槽400A的示意图。镀槽400A总的包括阳极405、具有导电籽晶层425的衬底、电解液容积416、电源421和构造成测量电解液容积416中的局部电压大小的传感器阵列431_1-4。电源421耦合至导电籽晶层425和阳极405。阳极405和导电籽晶层425都与保持在电解液容积416中的镀液接触。当电源421在导电层425和阳极405之间提供电压时，在电解液容积416中产生均匀电场。电场强度由等电压线V1、V2、V3和电力线420表示。等电压线V1、V2和V3表示电解液容积416中的电压大小，并且平行于籽晶层425。电力线垂直于电压线延伸，表示电解液容积416中的离子流量或电流。如图4A所示，传感器431₁和431₃位于同样的等电压线V2中，因而由于差分电压值ΔV是V2-V2，通常在431₁和431₃之间测得的电压等于零。另一方面，传感器431₁和431₂分别位于等电压线V2和V3中，因而通常输出反映V2减去V3的电压值。由于传感器431₁和431₂位于相同的电力线420₁，在431₁和431₂的电压值之间的差分电压以下列形式与电力线420A的电流值相关联，
局部电流密度＝传感器之间的差分电压/(几何系数×电解液电阻值×传
              感器之间的距离)(公式1)在这种情况下，当镀槽400A具有均匀的电场时，通过将两个传感器定位在电解液容积416中测量传感器之间的电压降，能够估算局部电流密度。然后局部电流密度能够与总电量和局部镀附厚度相关联。
如结合图2所述，在镀槽中的电场可以是非均匀电场，尤其在镀附表面的周边附近。图4B示出具有非均匀电场的镀槽400B的示意图。镀槽400B通常包括阳极405B、具有导电籽晶层425B的衬底415B、电解液容积416B、电源421B和构造成测量电解液容积416中的局部电压大小的传感器阵列431_1-4。电源421B耦合至导电籽晶层425B和阳极405B。阳极405B和导电籽晶层425B都与保持在电解液容积416中的镀液接触。当电源421B在导电层425B和阳极405B之间提供电压时，在电解液容积416中产生在一些情况下是非均匀的电场。电场由等电压线V1B-V6B和电力线420B表示。在这个示例中，电力线420B距衬底的表面一距离，并且不垂直于导电层425B。因此，局部电流密度不容易从垂直于导电层425B的传感器的电压测量中预计。可以测量差分电压的另一个水平分量以计算电流密度。如图4B所示，传感器431₅、431₇、431₉和431₁₁位于平行于镀附表面425B的一个水平线中，在这些位置之间所测的电压大小由于电场的非均匀性而不同。因而，差分电压的水平分量能够通过测量两个传感器之间的电压差而获得。例如，在传感器431₅和431₇之间、在传感器431₈和431₇之间所测的电压大小能够用来计算在这个区域的电流密度的大小和方向。能够从dVh＝在431₅处的电压大小-在431₇处的电压大小中计算水平分量dVh。能够从dVn＝在431₈处的电压大小-在431₇处的电压大小中计算垂直分量dVn。接着如图4C所示，在431₇处的差分电压dV能够通过dVn和dVh的矢量加计算。接着局部电流密度能够使用公式1计算。
然而，如图4C所示，在非均匀性电场中，从dVn和dVh计算的差分电压dV相比于实际的差分电压∑dV会有变化，这是部分地因为传感器之间有限的距离。一方面，这种偏差能够通过引入一组几何系数而补偿，例如，水平几何系数C₁和垂直几何系数C₂。水平分量dVh和垂直分量dVn首先乘以C₁和C₂，然后相加获得实际差分电压∑dV。公式2提供这种计算的标量形式：
ΣdV = ( C 1 dVh ) 2 + ( C 2 dVn ) 2 ]]>(公式2)
应用几何系数以获得非均匀电场的差分电压已经被证明是有效的，确定系数的方法将描述如下。
参照图4B，在电解液容积416B中间的局部电流密度会显著不同于导电层425B附近的局部电流密度。因而，希望将传感器431靠近导电层425B定位以从由传感器431所测的差分电压计算镀附厚度。
图4D示出从所测的差分电压中产生厚度形貌测量的方法的示例性实施例。厚度形貌测量能够借助2D曲线描绘，其中，X-轴表示距衬底中心或边缘的距离，Y-轴表示所镀材料的厚度。在步骤454中，X-轴上的电流从所测的差分电压计算。该步骤分成为两部分进行。首先，对于每一个采样点，从所测的两个或者更多传感器之间的水平和垂直电压计算实际的差分电压，并通过使用诸如公式2的数学模型计算一组几何系数。接着，使用公式1计算局部电流密度。在每一个采样点的电压大小可以在镀附工艺的过程中周期性地采样。因而，可以针对每一个采样点获得一组局部电流密度值。
在图4D的步骤456中，对于每一个采样点，总电量通过对局部电流在镀附时间上求积分获得。积分可以通过累加而逼近，
总电量(t)＝∑(i(t)·Δt)ΔA  (公式3)
其中ΔA表示针对每一个采样点衬底上对应的面积或沿半径的距离，i是在每一个采样点的局部电流密度。
在步骤458中，在每一个采样点的总电量通过计算或通过经验查找表格而与所镀材料的厚度相关联。例如，在Cu²⁺离子被镀在衬底上的工艺中。已知对于铜晶体：a＝b＝c＝361.49pm＝3.6149。因而，单位晶胞的容积是47.23³。由于在单位晶胞中有四个原子，并且每个原子有两个电量，所以，需要沉积单位晶胞的总电荷是：4个原子×两个电量×1.6e^-19库仑。需要在采样区域沉积3.6149的厚度(即，一层单位晶胞)的总电量是：4个原子×两个电量×1.6e^-19×采样面积/3.6149/3.6149库仑。
在步骤460中，厚度形貌从步骤458所计算的镀上材料的厚度产生。一方面，厚度形貌可以通过对初始的厚度增加镀上厚度而计算，如公式4所示。
厚度＝初始厚度+镀上的材料的厚度(公式4)
厚度形貌可以通过对电解液中的电流在镀附时间上求积分产生。电流值可以从电解液中的差分电压计算。差分电压能够通过利用差分电压装置测量在传感器之间的电压差而获得。差分电压测量装置的一个实施例如图5所示检测和放大传感器之间的电压差，接着将放大的差分电压转换至数字信号。在这个实施例中，使用多个高输入阻抗差分放大器503来测量和放大传感器之间的电压差。对于每一个高输入阻抗差分放大器503，两个输入管脚的每一个连接至电阻501，电阻501连接至传感器331；电阻502₁将差分放大器503的负极输入管脚连接至差分放大器503的输出管脚；差分放大器503的正极输入管脚通过电阻502₂接地。对应于输入管脚的传感器331之间的电压差被放大R₅₀₂/R₅₀₁倍。例如，电阻502可以具有100k欧姆的阻值，并且电阻501具有1k欧姆的电阻值。输入管脚之间的电压差可以被放大100倍。如图5所示，高输入阻抗差分放大器503可以用来检测和放大差分电压的水平分量和垂直分量。高输入阻抗的差分放大器503的输出接着连接一个或一个以上的多路选择器504的输入管脚，被排序并且输入至A/D转换器505。一方面，A/D转换器505可以是12比特A/D转换器。A/D转换器505的输出接着通过数据总线连接至计算机506。计算机506可以具有能够使用所测差分电压产生实时的厚度形貌、确定一组几何系数、控制镀附工艺、优化镀附工艺等等的程序。在电化学工艺中利用差分电压的方法和装置的实施例在图6-图11中给出。
图6示出确定一组几何系数的示例性实施例。在这个实施例中，(籽晶层)的原始厚度可以利用厚度测量装置(例如，通过表面电阻或X-射线反射率测量)测量。然后，开始在具有布置在电解液中的传感器阵列的镀槽中开始镀附工艺。利用以上结合图3-图5论述的传感器和数据收集装置周期性地测量差分电压直到镀附工艺结束。最终的厚度形貌接着能够利用厚度测量装置测量。接着可以选定初始值用于一组几何系数。下一步，在步骤620中，如图4D所描述，能够从所测的差分电压、几何系数和原始厚度形貌中获得所产生的厚度形貌。在步骤622中，所产生的厚度形貌与在步骤616中获得的所测的厚度形貌相比较。在步骤624中可以计算误差形貌或表示所产生的厚度形貌和所测的厚度形貌之间的差的参数。如果误差或差超出预定公差的限度(例如，最大误差)，执行步骤626并且给出新的几何系数。步骤620、622、624和626将迭代运算直到误差或差在预定公差的限度内。然后，工艺停止，并确定出几何系数。经验结果已经表明几何系数主要取决于电解液导电性。衬底的初始电阻也会对几何系数有小的影响。因而，一组几何系数一旦被确定，就能够被应用来产生用于具有相同电解液导电性和类似衬底初始电阻的镀附工艺的厚度形貌。
图7示出在镀附工艺期间产生实时厚度形貌的本发明的实施例。如步骤710中所描述，原始厚度形貌可以在镀附工艺之前通过探测器测量。一方面，对于即将获得的层厚度变化不那样大的一批衬底，步骤710可以进行一次。在步骤720中，电化学镀工艺在具有布置在电解液中的传感器阵列的镀槽中开始。在镀附工艺已经开始之后，步骤730-780依工艺参数可以周期性地执行或者以可变化的频率执行。步骤730包括采样差分电压数据，例如，水平差分电压(dVh)和垂直差分电压(dVn)。步骤740可以包括利用一组几何系数从差分电压数据中计算实际的差分电压，并且从实际差分电压计算电流密度。步骤750通常包括对电流密度在采样时间上求积分以获得总电量值。步骤760通常包括将总电量与镀附厚度值关联。步骤770大体上包括通过加上镀上厚度值来更新厚度形貌。在步骤780中，更新过的厚度形貌可以绘出或以其它方式表示出，因而使得能够自动或互动地调整镀附工艺。
图8示出在电化学镀工艺期间获得均匀厚度的本发明的实施例。在步骤810中，电化学镀工艺里面布置有传感器阵列的镀槽中执行。在镀附工艺已经开始之后，步骤820-850依工艺参数可以周期性地执行或以可变化的频率执行。步骤820包括采样差分电压数据，例如，水平差分电压和垂直差分电压。在步骤830中，产生实时厚度形貌。一方面，该步骤能够按在图7中的步骤740至770所描述的那样实施。步骤840通常包括分析实时厚度形貌，并且确定镀附表面的均匀性。在确定均匀性中，可以计算厚度形貌的诸如平面度的几何特征，并且可以标记形貌的高点和低点。在步骤850中，可以根据表面的均匀性调整一个或一个以上的工艺参数。应当注意，如果均匀性是符合要求的，则不必调整工艺参数。可被调整的工艺参数包括而不限定于一个或一个以上电流设定点(set point)、阳极定时(timing)、取样电流、顶端间距(head spacing)、阳极元件的电流和定时。阳极元件的详细的信息在于2005年5月25日提交的、名称为“Electroplating apparatus based on an array of annodes”(“基于阳极阵列的电镀装置”)的美国专利申请案，其内容通过引用的方式全部包含于此。
图9示出用于在电化学镀工艺期间实现所希望的厚度形貌的本发明的实施例。在步骤910中，在其中布置有传感器阵列的镀槽中执行电化学镀工艺。在镀附工艺已经开始之后，步骤920-960依工艺参数可以周期性地执行或以可变化的频率执行。步骤920包括采样差分电压数据，例如，水平差分电压和垂直差分电压。在步骤930中，产生实时厚度形貌。一方面，该步骤能够按在图7中的步骤740至770所描述的那样实施。在步骤940中，实时厚度形貌与所希望获得的厚度形貌相比较，获得误差形貌或表示实时厚度形貌和所希望的厚度形貌之间的差的参数。如果误差或差超出预定公差的限度(例如，临界误差)，执行步骤960。当误差或差在预定公差的限度内，镀附工艺将停止。步骤960判断是否需要调整工艺参数。一方面，判断工艺可以包括分析误差形貌。在步骤970中，可以根据误差形貌调整一个或一个以上工艺参数。调整的工艺参数可以是一个或一个以上的电流设定点、阳极定时、取样电流、顶端间距、阳极元件的电流和定时。
图10示出用于监测将衬底浸入镀槽的镀液的工艺的本发明实施例。在步骤1010期间，通常在衬底和阳极地偏压的电极(阳极)之间施加阴极电压偏压。在步骤1020期间，衬底被浸入在其中布置有传感器阵列的镀槽中。在步骤1030中，通过采样和处理来自传感器的信号来监测镀液的差分电压。步骤1040通常包括确定衬底的浸入状况和/或产生厚度形貌。由于衬底浸没在镀液中，因而建立电连通。记录传感器阵列中的一个或一个以上的传感器，使得能够补偿工艺期间衬底不同区域的差异。实时厚度形貌还能够例如通过在步骤740-770中所描述的工艺产生。在步骤1050中，可以根据浸入状况调整偏压。当阳极被分段时，可以独立地调整阳极的每一区段的偏压。在图10中所描述的工艺可以加入在图7-9中所描述的工艺中。
图11示出本发明的电化学镀系统1100的示例性实施例。系统1100通常包括电化学镀槽1110和控制单元1120。控制单元1120耦合至镀槽1110，使得各种工艺变量被控制单元1120监测，并且控制单元1120能够向镀槽1110发送控制信号以调整工艺变量来控制镀附结果。控制单元1120通常包括数据采样和处理装置1130、实时厚度形貌产生器1122和工艺优化模块1124。镀槽1110可以具有多个传感器，用于控制单元1120的数据采样和处理装置1130。多个传感器可以包括布置在电解液中并且构造成测量电解液中差分电压的传感器阵列。数据采样和处理装置1130构造成采样和处理来自多个传感器的信号，并且向工艺优化模块1124输出经处理的工艺变量。工艺变量可以包括例如但不限于差分电压、槽温度、晶片高度、酸度、顶端旋度、倾斜角度和阳极状态。一方面，数据采样和处理装置1130可以向实时厚度形貌产生器1122输出差分电压测量结果。实时厚度形貌产生器1122构造成产生实时厚度形貌，并且向工艺优化模块1124输出。实时厚度形貌产生器1122可以包括执行在图7至图10中所描述的工艺的软件和/或硬件。工艺优化模块1124包括通过发送多个控制信号优化在镀槽1110中进行的镀附工艺的软件和/或硬件，该控制信号可以包括例如，电流设定点、阳极定时、阳极分段控制信号、取样电流、顶端间距。图11A示出图11所示电化学镀系统的工艺优化模块的示例性实施例。工艺优化模块1124A可以具有多个输入变量和多个输出变量。输入变量可以包括例如实时厚度形貌、槽温度、晶片高度、酸度、顶端旋度、倾斜角度和阳极状态。输出变量可以包括例如电流设定点、阳极定时、阳极分段控制信号、取样电流、顶端间距。在一个实施例中，工艺优化模块1124可以是使用预测算法的多个输入多个输出软件模型，该预测算法可根据多个输入变量确定需收敛所希望的镀附结果的多个输出变量。
图12示出本发明的特征化工具的示例性实施例。特征化工具是在一种特殊晶片1200，在该晶片1200的不同半径处具有金属区域(patch)1201的。每一个区域1201通过晶片上的金属迹线连接至晶片1200的周边上的连接点1203。金属迹线1202被电介质材料覆盖，使得当晶片1200与电解液接触时，金属迹线1202不接触电解液。一方面，晶片1200可以布置成在镀槽中被镀附且连接点1203与镀槽的接触环上的接触销对准。在每一个金属区域1201上的电流可以从对应的接触环的下游测量。一方面，从接触环测得的电流值可以与通过沿相同半径的对应的传感器所测的电流值比较。一方面，传感器的精度可以表征。在另一方面，比较结果可以用来校准和“矫正”传感器读数。晶片1200还可以用来表征镀槽或阳极组件。在一个实施例中，区域1201、迹线1202和连接点1203由铜制成。一方面，区域1201可以具有2平方毫米的尺寸。区域1201和连接点1203可以以不同的方式布置。
尽管前面论述了本发明的实施例，但是，还可以设计出本发明的其它和进一步的实施例，而不脱离本发明的基本范围。本发明的范围由权利要求确定。