(57)【要約】      （修正有）【課題】処理流体が処理セルから貯留槽に戻る際に、処理流体へのガスの取り込みが大幅に減少する、基板上に材料を電気メッキするための装置を提供する。【解決手段】電解液を保持するための容器と、容器の周囲に位置する堰壁と、堰壁を略取り囲む流体回収トラフとを備える電気メッキセルであって、電気メッキ中に電解液が容器内に流れ込み堰壁を越えて流体回収トラフに流れ込む電気メッキセルと、電解液貯留槽と、流体回収トラフからの電解液を電解液貯留槽に供給するための戻し管と、戻し管内の流れ抵抗を可変的に増減するための流量制御機構であって、電気メッキ中に戻し管を介するガスの通過を実質的に防ぐ流量制御機構とを備える。【選択図】図１
2014132115.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に材料を電気メッキするための装置であって、
電気メッキセルであって、
電解液を保持するための容器と、
前記容器の周囲に位置する堰壁と、
前記堰壁を実質的に取り囲む流体回収トラフと、を備え、電気メッキ中、電解液は前記容器内に流れ込み、前記堰壁を越えて前記流体回収トラフに流れ込む、電気メッキセルと、
電解液貯留槽と、
前記流体回収トラフからの電解液を前記電解液貯留槽に供給するための戻し管と、
前記戻し管内の流れ抵抗を可変的に増減するための流量制御機構であって、電気メッキ中に前記戻し管を介するガスの通過を実質的に防ぐ流量制御機構と、を備える、装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置において、前記流量制御機構は、前記流体回収トラフ内の電解液のレベルが、指定された最小レベルを下回らないようにすることにより、前記戻し管を介するガスの通過を実質的に防ぐ、装置。
【請求項３】
請求項２に記載の装置において、前記流量制御機構は、フロートと流量制限器とを含み、前記フロートは、前記流体回収トラフ内の電解液のレベルとともに上昇するように構成されており、これにより、前記流量制限器を持ち上げて、前記戻し管を通る流量を増加させる、装置。
【請求項４】
請求項３に記載の装置において、前記フロートと前記流量制限器は、コネクタによって接続されている別個の要素である、装置。
【請求項５】
請求項４に記載の装置において、前記流量制限器は、略球状である、装置。
【請求項６】
請求項４に記載の装置において、前記流量制限器は、円錐状または円錐台状である、装置。
【請求項７】
請求項４に記載の装置において、前記流量制限器は、前記戻し管への入口を塞ぐフラップであり、前記フラップは、接続点の周りで揺動することで、前記戻し管を介する流れ抵抗を可変的に制御する、装置。
【請求項８】
請求項３に記載の装置において、前記フロートと前記流量制限器は、単一のユニットに統合されている、装置。
【請求項９】
請求項３に記載の装置において、前記流体回収トラフまたは前記戻し管内に、流量制限領域をさらに備え、前記流量制限器と前記流量制限領域とは、互いに嵌合するように構成されている、装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の装置において、前記流量制限器と前記流量制限領域とは、互いに嵌合することで、流体密シールを形成する装置。
【請求項１１】
請求項９に記載の装置において、さらに、ドレイン路を備え、前記流量制限器と前記流量制限領域とが閉位置で互いに嵌合しているときであっても、電解液は前記ドレイン路を介して前記流体回収トラフから前記戻し管内に排出され得る、装置。
【請求項１２】
請求項３に記載の装置において、さらに、前記フロートおよび／または前記流量制限器に近接して配置されるバッフルを備え、前記バッフルは、電解液における渦の形成を防止するように作用する、装置。
【請求項１３】
請求項３に記載の装置において、さらに、前記流体回収トラフ内における前記フロートの位置を制限する１または複数のフロート位置制限要素を備える、装置。
【請求項１４】
請求項１に記載の装置において、さらに、前記流体回収トラフからの電解液を前記電解液貯留槽に供給するためのオーバフロー管を備え、前記オーバフロー管への入口は、前記流体回収トラフにおける目標流体レベルよりも上方に配置されている、装置。
【請求項１５】
請求項１４に記載の装置において、さらに、前記オーバフロー管内の流れの有無を検出するための流量センサを備える、装置。
【請求項１６】
請求項１に記載の装置において、さらに、追加の電気メッキセルを備え、前記戻し管は、前記電気メッキセルから電解液を受けるための第１の入口と、前記追加の電気メッキセルから電解液を受けるための第２の入口とを有する、装置。
【請求項１７】
請求項１に記載の装置において、前記戻し管の出口は、前記電解液貯留槽における電解液のレベルよりも下方に配置されている、装置。
【請求項１８】
請求項１に記載の装置において、さらに、前記流体回収トラフを出た後、前記電解液貯留槽に入る前の電解液を保持するために、前記戻し管内に配置される二次流体回収トラフを備え、前記流量制御機構は、前記二次流体回収トラフ内に配置されている、装置。
【請求項１９】
基板上に材料を電気メッキするための装置であって、
電気メッキセルであって、
電解液を保持するための容器と、
前記容器の周囲に位置する堰壁と、
前記堰壁を実質的に取り囲む流体回収トラフと、を備え、電気メッキ中、電解液は前記容器内に流れ込み、前記堰壁を越えて前記流体回収トラフに流れ込む、電気メッキセルと、
電解液貯留槽と、
前記流体回収トラフからの電解液を前記電解液貯留槽に供給するための戻し管と、
前記電解液貯留槽と、第１のポンプと、前記電気メッキセルと、前記戻し管と、を含むメッキ用再循環ループと、
バイパス管と、を備え、前記バイパス管は、電解液が前記電気メッキセルに到達する前の位置で前記メッキ用再循環ループから分岐し、前記バイパス管は、電解液が前記電気メッキセルの前記堰壁を越えて溢れた後の位置で前記メッキ用再循環ループに合流し、
前記装置は、前記電解液貯留槽を出る電解液および前記戻し管を通る電解液の総流量を略一定とする一方で、同時に、前記電気メッキセルに供給される電解液の可変流量を可能にするように構成されている、装置。
【請求項２０】
請求項１９に記載の装置において、さらに、前記戻し管内に配置されている気泡センサを備える、装置。
【請求項２１】
請求項１９に記載の装置において、前記メッキ用再循環ループまたは前記バイパス管のいずれかに配置されている第２のポンプを備える、装置。
【請求項２２】
基板上に材料を電気メッキするための装置であって、
電気メッキセルであって、
電解液を保持するための容器と、
前記容器の周囲に位置する堰壁と、
前記堰壁を実質的に取り囲む流体回収トラフと、を備え、電気メッキ中、電解液は前記容器内に流れ込み、前記堰壁を越えて前記流体回収トラフに流れ込む、電気メッキセルと、
電解液貯留槽と、
前記流体回収トラフからの電解液を前記電解液貯留槽に供給するための戻し管と、
前記電解液貯留槽と、ポンプと、前記電気メッキセルと、前記戻し管と、を含むメッキ用再循環ループと、
前記流体回収トラフ内の流体のレベルを検出するためのレベルセンサと、
前記戻し管内に配置されるドレイン弁と、
前記レベルセンサからの入力に基づいて前記ドレイン弁の位置を制御するドレインコントローラと、を備え、前記ドレインコントローラは、前記流体回収トラフ内の電解液のレベルが目標電解液レベルを下回らないように動作し、これにより、前記戻し管内に実質的にガスが入らないようにする、装置。
【請求項２３】
基板上に材料を電気メッキするための装置であって、
電気メッキセルであって、
電解液を保持するための容器と、
前記容器の周囲に位置する堰壁と、
前記堰壁を略取り囲む流体回収トラフと、を備え、電気メッキ中、電解液は前記容器内に流れ込み、前記堰壁を越えて前記流体回収トラフに流れ込む、電気メッキセルと、
電解液貯留槽と、
前記流体回収トラフからの電解液を前記電解液貯留槽に供給するための戻し管と、
前記電解液貯留槽と、ポンプと、前記電気メッキセルと、前記戻し管と、を含むメッキ用再循環ループと、
前記装置における電解液の流量を検出するための流量計と、
前記戻し管内に配置されるドレイン弁と、
前記流量計からの入力に基づいて前記ドレイン弁の位置を制御するドレインコントローラと、を備え、前記ドレインコントローラは、前記流体回収トラフ内の電解液のレベルが目標電解液レベルを下回らないように動作し、これにより、前記戻し管内に実質的にガスが入らないようにする、装置。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
本出願は、その全体がすべての目的のために参照により組み込まれる、発明の名称を「ＰＬＡＴＩＮＧ ＣＥＬＬ ＦＬＵＩＤ ＲＥＴＵＲＮ ＢＵＢＢＬＥＰＲＥＶＥＮＴＩＯＮ ＰＲＯＣＥＳＳ ＡＮＤ ＨＡＲＤＷＡＲＥ（メッキセルの流体帰還気泡防止プロセスおよびハードウェア）」とする２０１２年１２月１１日出願の米国仮特許出願第６１／７３５，９４３号に基づく優先権を主張する。
【０００２】
クリーンルーム半導体製造施設のフロアスペースは、設置面積（エリア）の観点から非常に高価となり得る。製造コストを最小限に抑えるために、いくつかの処理ツールでは、よりコンパクトな、垂直積層モジュール・アーキテクチャを有する設計を採用することが多くなっている。そのような電気化学メッキセルの積層手法によって、単位面積当たりの有効なツール出力が増加し得るとともに、ツールの寿命にわたって償却される有効実施コストが低減し得る。カリフォルニア州フリーモント市のラムリサーチ社（Ｌａｍ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）によるＳａｂｒｅ３Ｄ（登録商標）メッキシステムは、２層の積層メッキモジュール・アーキテクチャの一例である。混相環境（例えば、液体にさらされた空気／ガス）で凝縮流体を使用するウェハ処理システムは、多くの場合、作動流体をリサイクルおよび再利用するために循環を用いる。この循環によって、ツールのある部分または領域から別の部分に流体が循環する間に、液中に気泡および発泡が取り込みおよび生成されることがある。このような気泡の影響を最小限に抑えるための技術がいくつか開発されてはいるものの（例えば、流体供給ラインに脱気装置を設ける）、それらの技術は、一般に実施にかかるコストが高い。このため、処理流体へのガスの導入を防ぐための方法および装置が望まれている。
【発明の概要】
【０００３】
本明細書に記載のいくつかの実現形態は、ウェハ基板上のフィーチャに金属メッキする際に電解液の流れを制御し、メッキセルとメッキ浴槽との間の流体の流れを制御および監視し、メッキセルおよびメッキ浴槽内の化学組成および条件を制御するための方法、装置、およびシステムに関する。開示する実施形態が有効となり得るいくつかの応用例には、比較的大きな開口（例えば、少なくとも約５ミクロンの直径）を持つ高アスペクト比の配線およびビア（例えば、約１０：１よりも高いアスペクト比のビア）における銅メッキを伴うダマシンメッキによるシリコン貫通ビア（ＴＳＶ：Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｖｉａ）への応用を含むウェハ処理、およびレジスト貫通メッキ（例えば、ウェハレベルパッケージングで採用される析出）に共通の分野が含まれる。
【０００４】
装置において流体の循環に取り込まれた空気、気泡、発泡による有害な影響を回避するため、より低い高さの別の部分に対して高い位置にある装置のある部分からの電解液の戻りを、空気と液の混合量を最小限として制御するための方法および装置について記載する。本明細書で開示する実現形態では、重力駆動による戻り流が、レベル感応式の帰還流量制限弁によって機械的または自動的に調整／制御される。一般に僅かな量（例えば、約１インチ未満）しか変化しない上部格納容器、セル、またはトラフにおける流体のレベルに基づいて、弁の状態を制御することができる。混相（空気と水）の流体の垂直落差が最小限であり、弁が常に液に完全浸漬されることが確実となるように、システムを設計し、作動させることができる。
【０００５】
開示する実施形態の一態様において、基板上に材料を電気メッキするための装置を提供し、この装置は、電解液を保持するための容器と、容器の周囲に位置する堰壁と、堰壁を略取り囲む流体回収トラフとを備える電気メッキセルであって、電気メッキ中に、電解液が容器内に流れ込み、堰壁を越えて流体回収トラフに流れ込む、電気メッキセルと、電解液貯留槽と、流体回収トラフからの電解液を電解液貯留槽に供給するための戻し管と、戻し管内の流れ抵抗を可変的に増減するための流量制御機構であって、電気メッキ中に戻し管を介するガスの通過を実質的に防ぐ流量制御機構と、備える。
【０００６】
いくつかの実施形態において、流量制御機構は、フロートと流量制限器とを含み、フロートは、流体回収トラフ内の電解液のレベルとともに上昇するように構成されており、これにより、流量制限器を持ち上げて、戻し管内を通る流量を増加させる。場合によっては、フロートと流量制限器は、別個の要素である。流量制限器は、場合によっては、略球状とすることができる。別の場合には、流量制限器は、円錐状または円錐台状とされる。また、流量制限器は、戻し管への入口を塞ぐフラップとすることもでき、この場合、フラップは、接続点の周りで揺動することで、戻し管における流れ抵抗を可変的に制御する。一部の実施形態において、フロートと流量制限器は、単一のユニットに統合することができる。
【０００７】
装置は、さらに、流体回収トラフまたは戻し管内に流量制限領域を含むことができ、この場合、流量制限器と流量制限領域とは、互いに嵌合するように構成される。一部の実施形態では、流量制限器と流量制限領域とは、互いに嵌合することで、流体密シールを形成する。別の場合には、装置は、ドレイン路を備えることができ、これを通して、流量制限器と流量制限領域とが閉位置で互いに嵌合しているときであっても、電解液を流体回収トラフから戻し管内に排出させることができる。
【０００８】
一部の実施形態において、装置は、さらに、フロートおよび／または流量制限器に近接して配置されているバッフルを備えることができ、この場合、バッフルは、電解液における渦の形成を防止するように作用する。これらまたは他の実施形態において、装置は、流体回収トラフ内におけるフロートの位置を制限し得る、１または複数のフロート制限要素を備えることができる。場合によっては、流体回収トラフからの電解液を電解液貯留槽に供給するために、オーバフロー管を用いることができ、この場合、オーバフロー管への入口は、流体回収トラフにおける目標流体レベルよりも上方に配置されている。オーバフロー管内の流れの有無を検出するために、流量センサを用いることができる。いくつかの実現形態において、戻し管の出口は、電解液貯留槽における電解液のレベルよりも下方に配置される。
【０００９】
いくつかの実現形態において、装置は、さらに、流体回収トラフを出て電解液貯留槽に入る前の電解液を保持するために、戻し管内に配置されている二次流体回収トラフを備えることができ、この場合、流量制御機構は、二次流体回収トラフ内に配置されている。装置は、さらに、追加の電気メッキセルを備えることができ、この場合、戻し管は、電気メッキセルからの電解液を受けるための第１の入口と、追加の電気メッキセルからの電解液を受けるための第２の入口とを有する。
【００１０】
開示する実施形態の別の態様において、基板上に材料を電気メッキするための装置を提供し、この装置は、電解液を保持するための容器と、容器の周囲に位置する堰壁と、堰壁を略取り囲む流体回収トラフとを備える電気メッキセルであって、電気メッキ中に電解液が容器内に流れ込み、堰壁を越えて流体回収トラフに流れ込む、電気メッキセルと、電解液貯留槽と、流体回収トラフからの電解液を電解液貯留槽に供給するための戻し管と、を備え、さらに、電解液貯留槽と、第１のポンプと、電気メッキセルと、戻し管と、を含むメッキ用再循環ループと、バイパス管と、を備え、バイパス管は、電解液が電気メッキセルに達する前の位置でメッキ用再循環ループから分岐し、バイパス管は、電解液が電気メッキセルの堰壁を越えて溢れた後の位置でメッキ用再循環ループに合流しており、また、本装置は、電解液貯留槽を出る電解液および戻し管を通る電解液の総流量を略一定とする一方で、同時に、電気メッキセルに供給される電解液の可変流量を可能にするように構成されている。
【００１１】
一部の実施形態において、戻し管内に気泡センサを配置することができる。これらまたは他の場合において、本装置は、さらに、メッキ用再循環ループまたはバイパス管のいずれかに配置される第２のポンプを備えることができる。
【００１２】
本明細書における実施形態のさらなる態様において、基板上に材料を電気メッキするための装置を提供し、この装置は、電解液を保持するための容器と、容器の周囲に位置する堰壁と、堰壁を略取り囲む流体回収トラフとを有する電気メッキセルであって、電気メッキ中に電解液が容器内に流れ込み、堰壁を越えて流体回収トラフに流れ込む、電気メッキセルと、電解液貯留槽と、流体回収トラフからの電解液を電解液貯留槽に送るための戻し管と、を備え、さらに、電解液貯留槽と、ポンプと、電気メッキセルと、戻し管と、を含むメッキ用再循環ループと、流体回収トラフ内の流体のレベルを検出するためのレベルセンサと、戻し管内に配置されるドレイン弁と、レベルセンサからの入力に基づいてドレイン弁の位置を制御するドレインコントローラと、を備え、ドレインコントローラは、流体回収トラフ内の電解液のレベルが目標電解液レベルを下回らないように動作し、これにより、戻し管内に実質的にガスが入らないようにする。
【００１３】
開示する実施形態の別の態様において、基板上に材料を電気メッキするための装置を提供し、この装置は、電解液を保持するための容器と、容器の周囲に位置する堰壁と、堰壁を略取り囲む流体回収トラフとを有する電気メッキセルであって、電気メッキ中には電解液が容器内に流れ込み、堰壁を越えて流体回収トラフに流れ込む、電気メッキセルと、電解液貯留槽と、流体回収トラフからの電解液を電解液貯留槽に供給するための戻し管と、を備え、さらに、電解液貯留槽と、ポンプと、電気メッキセルと、戻し管と、を含むメッキ用再循環ループと、本装置における電解液の流量を検出するための流量計と、戻し管内に配置されるドレイン弁と、流量計からの入力に基づいてドレイン弁の位置を制御するドレインコントローラと、を備え、ドレインコントローラは、流体回収トラフ内の電解液のレベルが目標電解液レベルを下回らないように動作し、これにより、戻し管内に実質的にガスが入らないようにする。
【００１４】
開示する実施形態のこれらおよび他の特徴について、関連する図面を参照して以下でより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】電解液中の気泡、発泡、溶解空気によるセル関連の障害につながることが知られている従来技術による処理順序を示すフローチャートである。
【００１６】
【図２Ａ】電解液貯留槽と流体連通した複数のメッキセルを備える従来の電気メッキ装置の一例を示す図である。
【００１７】
【図２Ｂ】アルキメデス・スクリューを備える従来の電気メッキ装置の追加例を示す図である。
【００１８】
【図３】フロートと弁アセンブリとを用いて電解液戻し管内へのガスの導入を抑えるための、開示される具体的な実施形態の全体図および概観図である。
【００１９】
【図４】トラフ内の液体レベルの上昇に従いドレイン管の開口を制御するための弁フラップとフロートとを用いて、高いトラフ領域から低い貯留槽への液体の流れを制御するためのトラフの一実施形態を示す図である。
【００２０】
【図５】一部の実施形態によるトラフを示す図である・出口弁のピンチ点はトラフから奥まった所にあり、制御弁は中実ボールであり、フロートは球体である。
【００２１】
【図６】さらに、渦防止フロート制限アセンブリを備えている、図５に示す実施形態と同様の実施形態を示す図である。
【００２２】
【図７】トラフならびに、別個に装着可能かつ交換可能な弁機構およびアセンブリを有する弁の他の実施形態を示しており、さらに、弁および通流機構にかかる力を抑えるとともに、渦の形成を抑えるために用いられるバッフル板をトラフ内に示している。
【００２３】
【図８】図７のトラフおよび弁を、より高い無空気ドレイン流量を可能にする、より開いた位置で示す図である。
【００２４】
【図９】複合単体のフロートと弁機構を備える、トラフおよび弁の別の実施形態を示す図である。
【００２５】
【図１０】図９に示すものと同様のトラフおよび弁の実施形態を、より小さい高度落差で作動する例に適した、より低背かつ小寸法で示す図である。回収トラフまたはモジュールの下のスペースが重要な制限因子となり得る。
【００２６】
【図１１】弁位置制御用フロートに取り付けられているヒンジ／レバーアセンブリによって機械的弁制御機構が組み込まれている、別のコンパクトなトラフおよび弁アセンブリを示す図である。
【００２７】
【図１２】図９および１０に示すフロート／弁アセンブリの代替的実現形態を示す図である。
【図１３】図９および１０に示すフロート／弁アセンブリの代替的実現形態を示す図である。
【図１４】図９および１０に示すフロート／弁アセンブリの代替的実現形態を示す図である。
【００２８】
【図１５】再循環システムおよび貯留槽を共有する複数の処理セルを備える処理システムの概略図を示す図である。無気泡流を実現するために戻し管内において可変抵抗が用いられる。
【図１６】再循環システムおよび貯留槽を共有する複数の処理セルを備える処理システムの概略図を示す図である。無気泡流を実現するために戻し管内において可変抵抗が用いられる。
【００２９】
【図１７】循環システムおよび貯留槽を共有する複数の処理セルを備える処理システムの概略図である。無気泡流を実現するために可変分流が用いられる。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
［序論］
本出願において、「半導体ウェハ」、「ウェハ」、「基板」、「ウェハ基板」、および「半製品の集積回路」という用語は、区別なく用いられる。「半製品の集積回路」という用語が、集積回路がその上に製造される多くの段階のいずれかにおけるシリコンウェハを指し得ることは、当業者であれば理解できるであろう。以下の詳細な説明では、本発明がウェハ上で実施されることを想定している。半導体デバイス産業で用いられるウェハまたは基板は、一般に、直径が２００ｍｍまたは３００ｍｍまたは４５０ｍｍのものである。ただし、本発明はこれに限定されない。ワークピースは、様々な形状、サイズ、材質であり得る。半導体ウェハに加えて、本発明を利用することができる他のワークピースとして、プリント回路基板などの各種物品が含まれる。
【００３１】
本明細書で開示する実施形態は、特定のウェット処理法（例えば、電気メッキ、ウェットエッチング、ウェット洗浄など）、または特定の化学物質もしくは化学族に限定されるものではなく、同様の解決を要する同様の問題を呈するものと当業者が認識するであろう方法に広く関連するものである。本開示における説明は、シリコンウェハ上でメッキする電気メッキ法の文脈で記載されるが、本発明はこれに限定されない。
【００３２】
一般に、電気メッキを施す際には、流体がメッキ液貯留槽からメッキセルまたはモジュールに圧送される。これは、流体の循環、対流、温度均一性などを提供するために有効である。多くの場合、処理室への流量は、ポンプの毎分回転数（ＲＰＭ）または動力を調節することにより、また、流体送出管内の流量測定装置（例えば、流量計または圧力センサ）による制御設定点への応答を調節することにより、制御される。
【００３３】
無欠陥製品の製造を図るためには、電解液中での気泡の形成を回避するか、または最小限に抑えなければならない。処理モジュールに送られる電解液中に気泡が存在すると、それらが基板の表面に付着することがあり、これにより基板を覆って、それらの領域でメッキが生じることを阻む。また、多くのメッキセルは、ワークピース周囲の電解液の流れおよび電界を制御することにより、特定の析出速度を維持するように設計されている。セル内の気泡もしくは発泡の形成および／または取り込みは、セルに求められる機能に有害な影響を及ぼし得る。
【００３４】
液体が用いられて、気泡もしくは発泡が形成され得る一般的な処理用途の例として、限定するものではないが、電気メッキ、無電解メッキ、化学機械研磨、電解研磨、化学および電気化学エッチング、スピンオンコーティング、ウェハのリンスおよび洗浄が含まれる。これらの用途の多くでは、貯留槽に蓄えられた液体がポンプに移されて、例えば、そこからウェハの液処理エリア／モジュールへ向かう途中で、フィルタ、ガス接触器、脱気装置、弁、および／またはヒータなどの様々な要素を通過することがある。
【００３５】
処理モジュールは、完全または部分的に空気または気相の制御雰囲気（例えば、窒素、アンモニア、ヘリウム、ネオン、アルゴン、水素、またはこれらの物質の混合物の雰囲気）にさらされている場合がある。従って、所与の時点で処理モジュールまたはセルに蓄えられている流体の量は、流れループ全体の流体の一部にすぎない。この流体は、時間がたつにつれて、貯留槽のものと混合および交換される。貯留槽内の流体の量は、循環ループの全流体の大部分（例えば８０％）であることも、またはごく僅かな部分（例えば１０％）であることもある。反応物質の物理的および化学的特性を目標範囲内に維持するように制御するための一部に用いられるブリード・アンド・フィード動作の一環として、時々、新たに流体を加えること、ならびに貯留槽および循環ループから取り出すことができる。
【００３６】
このような貯留槽／モジュール・アーキテクチャを用いることには、いくつかの考えられる利点があり、いくつか例を挙げると、流体のマルチパスでの使用が可能になること、帯電または温度またはウェハ暴露に関連した流体の劣化の時定数が低減されること（これにより、プロセスがより容易に制御可能となる）、より正確な温度制御などである。
【００３７】
いくつかの実施形態では、流体貯留槽内と処理モジュール内の両方に空気／ガス界面が存在する。いくつかのケースでは、１つのサブエレメント容器（例えば、メッキモジュール）から別の容器（例えば、メッキ浴槽）への流体の移動は、開放もしくは混相接続を介して、またはその中に分岐を含む一連の接続を介して実施される。例えば、２つの容器を接続する導管は、不完全に液で満たされているか、または容器間での移送において１つ以上の場所に流体の途切れがあるか、いずれかであり得る。
【００３８】
半導体産業では、流体は、制御された流れ動作で（例えば、流量計からの圧送速度または動力の帰還制御を持つ調整ポンプを用いて）貯留槽から処理モジュールに移送されることがある。ところが、処理モジュールから貯留槽への戻り流は、一般にオープンであって、「自然に」調整されており、これは、プロセスが、何らかの条件で調整された処理モジュールのドレインからの流れを主として重力駆動により戻すものであることを意味する。それらの条件として、処理セル内の流体レベル、ドレイン管使用率、速度、および通流する空気／液体混相の戻り流体の組成を含むことができる。これらの条件によって、処理モジュールからの流量を、処理モジュールへの流体の流量と迅速に一致させることが可能となり得る。このような単純かつ自然な戻し調整手法によって、より複雑な流量適合手法の複雑さおよびコストが回避される。
【００３９】
図１は、従来用いられている、液体再循環ループを利用した処理システムにおいて流体を循環させる方法のフローチャートを提示している。図１の方法は、詳細は後述する図２Ａおよび２Ｂに示すシステムと同様のシステムにおいて実施することができる。方法１００は、１つまたは複数の液処理モジュールに循環および移動させるための処理流体が貯留槽に蓄えられるブロック１０１から開始する。次に、ブロック１０３において、ポンプにより貯留槽から流体を汲み出し、流体圧力を増加させて、処理流体の循環を可能にする。ブロック１０５において、処理流体は、貯留槽と処理モジュールとの間の流体ラインに含まれ得る様々なオプションの要素を通過する。これらのオプションの要素として、例えば、フィルタ、流量計、接触器／脱気装置、ラインのエルボ管およびＴ字管、および／または処理モジュールの逆流遮断弁を含むことができる。次に、ブロック１０７において、処理流体は、処理モジュールに入り、そこでウェハを処理するために使用される。この工程では、処理モジュールの機能に応じて（例えば、析出、エッチングなど）多くの異なるタイプの処理が実施され得る。ブロック１０９において、処理流体は、処理モジュールを出て、プロセス流体貯留槽よりも上の高さで大気圧にさらされる。大気圧にさらされた後に、ブロック１１１において、処理流体はドレイン管に入って、これに制限され、処理流体は、調整されることなく重力によって流れて、貯留槽に向かって戻るように誘導される。次に、ブロック１１３において、処理流体は、ドレインを出て貯留槽に入る。
【００４０】
上述のように、非調整の自然戻し手法は、より複雑な手法を回避するために用いられている。そのような、より複雑な方法では、メッキモジュールからの戻り流量が、メッキモジュールに入る流量に厳密に一致するように調整することができる。このような適合は、例えば、電子式または空気式制御による可変流量弁を、流量計および／またはレベル制御センサなどのセンサと共に用いて実現することができる。しかしながら、処理モジュールに入る流れの流量と、処理モジュールを出て貯留槽に送り込まれる流れの流量との間の不均衡がわずかであっても、これによって、液体は徐々に、貯留槽から処理モジュールへ、または処理モジュールから貯留槽へ移動することになり得る（こうして、流体は処理モジュールから排出されて、場合によっては空になる）。
【００４１】
一方、このような望ましくない流体の蓄積は、図２Ａに示すように、戻り流体の流れ抵抗が「自然に」決定および調整されることを可能にすることにより回避されている。図１に関連して上述したように、処理流体は、貯留槽２０２に保持される。図１に示すプロセスとは異なり、図２Ａは、２つの別々の処理モジュールを示している。しかしながら、どちらの場合も、同じ基本的プロセスが用いられる。処理流体は、ポンプ２０４により貯留槽２０２から移送され、流体は、Ｔ字管２０８で分岐される前にフィルタ２０６を通される。Ｔ字管２０８からのそれぞれの流出は、個々の処理モジュール２１０に送られる。図２Ａの実施形態では、処理モジュール２１０は、噴水型のメッキセルである。しかし、液処理流体を利用する他の様々なタイプの処理モジュールを用いることもできる。処理流体は、メッキを実施する場所である一次流体格納容器エリア２１２に送られる。そして、流体は、一次流体格納容器エリア２１２の堰壁２１４から越流して、セルレベル・トラフ（溝部、谷部）２１６に入る。セルレベル・トラフ２１６は、環状であって、一次流体格納容器エリア２１２を取り囲んでいる。処理流体は、セルレベル・トラフ２１６から、第１のドレイン管２１８の中を流れ落ちて、共通トラフ２２０に入る。それぞれの処理モジュール２１０からの流れは、共通トラフ２２０に送り出される。処理流体は、共通トラフ２２０から戻し管２２２に入り、これによって、流体は貯留槽２０２に戻される。図２Ａにおいて注目すべきその他の特徴は、混合点２２４ａおよび２２４ｂであり、そこで処理流体が液気界面を通過する。これらの混合点２２４ａおよび２２４ｂでは、望ましくないガスが液処理流体に導入／混合されやすく、これが、気泡、微細気泡、発泡の形成、および流体の急速な酸素化を引き起こす。混合点２２４ｂでは、この点で貯留槽２０２に入る流体が、混合点２２４ａで共通トラフ２２０に入る流体よりも下向きの速度が高いことが多いので、ガスの導入がより大きな問題となる可能性がある。次に、落差距離２２６が注目され、これは、処理モジュール２１０における一次流体格納容器エリア２１２の流体レベルと、貯留槽２０２の流体レベルとの間の距離２２６を表している。本明細書における一部の説明において、一例として約５フィートの落差距離２２６が用いられる。
【００４２】
図２Ａで用いられる流体制御は、垂直流体の圧力水頭と、流体の流れ加速、流路狭窄、エルボ、制約、および管内の様々な粘性消散に関連する圧力損失との間の自然平衡を得ることにより、達成することができる。その場合、処理モジュールを出て貯留槽に入る流れは、モジュールに入る流量と迅速に等しくなる。また、モジュールを出る流れは、動作条件の変化に迅速に適応することが可能である。一般に、「自然戻し」手法は、システムの最大目標流量よりも大きい流量に適合する大きさの戻し管を使用することと、戻し管入口でバックアップ（滞留）される流体の比較的小さな増加を可能にすることと、を伴う。
【００４３】
ところが、この自然戻しによるオーバサイズ手法によれば、幅広い流量にわたって問題なく貯留槽へ戻る流れが保証されるものの、これは基本的に戻し管内に空気と液体の混合物が流れをもたらす。空気は、多くの場合、気泡の形態で存在し、戻し管の少なくとも一部において液流と共に下方へ流れる。処理モジュールから出る流れが、オーバサイズの戻し管で許容される最大流量よりも少ない場合には、いずれにしても気泡が現れる。戻し管は、典型的に見られるよりも大きな流量を許容するように設計されているので、戻し管内で気泡が形成されるのは、ごく普通のことである。
【００４４】
モジュールと貯留槽との間の垂直落差が、処理モジュールで適応可能な流体レベル（すなわち、メッキセル自体に収容することができる流体レベル）の範囲と比べて大きい状況では、完全に適合した無気泡の自然戻し流は、モジュールのドレイン口がバックアップされる極めて限られた範囲の流量／流れ条件下で生じる。ドレインより上に十分な液体があることで、通流する液体と共にドレインを通過するガスが略ない場合に、出口／ドレイン口はバックアップされると考えることができる。一般に、この条件を達成するための最小バックアップ高さは、ドレイン管の直径に略等しい（例えば、ドレイン管の直径の少なくとも約７５％の流体高さ）。このような極めて限られたバックアップ条件は、完全に満たされるとともに空気／気泡がない状態の戻し路における流れ抵抗が、ドレイン流に利用できる駆動圧力水頭と完全に一致する場合に相当する。
【００４５】
例えば、可変戻し制御用帰還弁がない場合のように、流れ抵抗が固定である場合には、ドレインにおける流量は、つぎの２つの要因によってのみ増加し得る。１）流体高さおよび関連する圧力水頭の増加、２）ラインに保持されたガスの相対量の減少。管内で固定垂直落差ドレインにおける液体の流量が増加するにつれて、管内の流体の割合としてのガスの量が減少し、最終的には管全体が液体で満たされて、ガスはなくなる。その点での流量をさらに増加させるために、落差距離を大きくすることができる。セルから貯留槽までの垂直落差が大きく、セル内の流体高さの増加に起因し得る圧力水頭の変化の小さなばらつきに対して固定である場合には、無空気の平衡流の範囲が小さい。液処理用のウェハ処理装置では、貯留槽までの垂直落差に対して処理モジュールのサイズが小さく、垂直（積層）モジュール・ツールの場合には、ますます小さくなるので、大きい落差と小さい圧力水頭ばらつきの条件に関連するこの小さな処理ウィンドウは、このような装置に共通している。
【００４６】
具体例として、噴水型メッキセルは、貯留槽からセルの内部空洞に注入される流れを受ける。そこから、流体は、（「噴水」が溢れて周囲の池に流れるように）内部空洞の外径に位置する堰を越えて緩やかに流れて、外側の環状回収室に流れ込む。越流は、低速層流条件下で生じ、一般に、内部空洞の直径が大きい（例えば、直径３００ｍｍの基板を処理するためのモジュールの内部空洞は、約３８０ｍｍの直径を有し得る）などの理由から、気泡または乱流は生じない。堰壁から環状回収室／トラフまでの典型的な落差は、一部のケースでは約４〜６インチの間であり得る。流体は、外側の回収室内に回収されて、セルの下方に位置するメッキ槽または「メッキ浴」に処理流体を戻すドレインに誘導される。この流体移送は、セルの外側の回収室と貯留槽との間のドレイン管を介して実施することができる。ドレイン（戻し管とも呼ばれる）は、環状回収室／トラフから移行した後であって貯留槽に移行する前の電解液を蓄積する中間トラフを含むことがある。この中間トラフは、複数のメッキセルからの電解液を蓄積するために用いることができる。この場合、ドレイン／戻し管は、１つより多くの個別の導管を含むことができ、例えば、ドレイン／戻し管は、各電気メッキセルの環状回収室／トラフと中間トラフとの間の導管と、さらに中間トラフと貯留槽との間の導管を含むことができる。電気メッキセルの環状回収トラフと中間トラフとの間の導管は、一部の実施形態では約７．６２〜１２．７０ｃｍ（３〜５インチ）の間とすることができる。中間トラフと電解液貯留槽との間の導管は、約９１．４４〜１５２．４０ｃｍ（３〜５フィート）の間とすることができる。
【００４７】
外側回収室およびドレインは、システムで供給可能な最大流量よりも少ない流量で流体が外側回収室から溢れることがないような大きさとすることができる。ドレインを通る最大流量は、戻し路が完全に液体で満たされてガスを含まない条件下における、管内の戻しについての全体的な流れ抵抗および他の制限（弁、オリフィス、エルボ管、Ｔ字管など）ならびに戻し路で利用できる最大圧力駆動力によって決まる。戻し流れに利用できる自然の圧力駆動力は、位置圧力または圧力水頭であって、流体の密度と、重力加速度と、下の貯留槽に入る点より上方の処理モジュールの高さとを掛けた積に等しい。
【００４８】
より低い流量では、気泡が存在することにより流れが気相と液相の混合物であるため、処理モジュール内の流体レベルを予測することはより複雑である。総流量がより少ないときでも利用できる圧力駆動力は同じなので、正味の戻り流れ抵抗は、最大の単相（液体）流の場合より大きくなる。低流量で追加される抵抗は、主に、ドレイン管が完全に液体で満たされている場合に生じ得る速度よりも流体の局所速度が高いことに起因する。空気／液体の流体混合によって、混合相の膨張媒体が生成され、これにより、乱流が増加し、管内を移動する液体の速度は、管が完全に液体で満たされている場合に生じ得る速度よりも大きくなる。
【００４９】
大きな垂直落差による自然の流れを用いる場合、自然戻しの圧力損失が極めて大きくなり得ることにより、また、流れ要件の最高限度に適合するように設計された比較的大きな管内において、制御されない混相流は極めて大きな速度まで急速に加速し得ることにより、１つの問題が生じる。例えば、水が入った戻し管内での圧力損失は、垂直落差の３０．４８ｃｍ（１フィート）あたり、約２．９６ｋＰａ（０．４３ｐｓｉ）である。従って、１５２．４０ｃｍ（５フィート）の落差による駆動圧力は、約１４．８２ｋＰａ（２．１５ｐｓｉ）を超える。この設定で、毎分５０リットルが入って（２．４１ｋＰａ（０．３５ｐｓｉ）の損失）、直径１．８４ｃｍ（０．７２５”）の管を５フィート通過し（８．２０ｋＰａ（１．１９ｐｓｉ））、このおおよその利用できる高さと圧力（１５．４４ｋＰａ（２．２４ｐｓｉ））によって浴内に広がる／出る（４．８２ｋＰａ（０．７ｐｓｉ））ことができる。一方、同じ構成で、毎分２５リットルが流れると、約４．５５ｋＰａ（０．６６ｐｓｉ）の（約３．３倍低い）圧力損失を要し、毎分約５リットルの流量では、０．３４ｋＰａ（０．０５ｐｓｉ）未満の（約４３倍低い）圧力損失を要する。
【００５０】
約５〜５０リットル／分からの流量の全範囲にわたる戻し流を持つ戻し管を、ガスを含むことなく機械的に規制することによりレベル調整および駆動することを可能にする難しさについて考察する。あらゆる状況において、全圧力損失は、利用できる圧力水頭、すなわち本例では２．１５ｐｓｉに等しくなければならない。また、導管は十分に大きくなければならず、抵抗（例えば、管、入口、ベンド、狭窄、出口）の和は、同じ２．１５ｐｓｉで最大流量（５０リットル／分）に適応するために十分に小さくなければならない。内径０．８７５”で外径１インチの管を用いることで、「ワイドオープン」である流量制御装置または機構において、すなわちその全開状態で与えられる追加抵抗が無視できる程度である機構において、溢れを安全に防ぎ得る。
【００５１】
これに対し、５リットル／分の最低流量では、戻し管および制限における圧力損失は無視できる程度であり、従って、２．１５ｐｓｉの略すべての圧力損失は、略閉じて非常に制限された制御弁機構の中になければならない。制御弁が、直径２．２２ｃｍ（０．８７５”）の（３．８７ｃｍ2（０．６平方インチ）の断面積を有する）管の全域を単に閉じるものである場合、流体レベル帰還用の機械的調整弁に作用する力は、かなりの大きさで、約（１４．８２ｋＰａ（２．１５ポンド／平方インチ））＊（０．６平方インチ）≒５．７８Ｎ（１．３ポンド）の力である。より大きな流量まで流量が増加し、レベルが上昇し始めた場合に、弁を開くためには、少なくともそのレベルの機械的な力を用いる必要がある。１つの目標は、あらゆる流れ条件において、弁および戻し管入口の上方で生成され得る渦または同様の現象によってガスが制御弁に引き込まれることを防ぐことである。そうでなければ、ガスは、高速で、戻し管を通って下方の貯留槽に移動する。
【００５２】
非調整のドレインがガスを含まない状態に維持され得る可能性のある流量の範囲が小さいことを示す他の例では、古典的な固定の集中系流量係数Ｃvが用いられる。この例では、毎分３７．８５リットル（１０ガロン（ｇｐｍ））の液体のドレイン戻り流という特性を、古典的な固定の集中系流量係数Ｃvで近似できると仮定する。この場合、流量係数は、弁の抵抗の寄与と、さらに、ライン、入口および出口の抵抗を説明するものである。このとき、ドレインを通る流量は、以下のようになる。
【数１】
2014132115.tif 000003
【００５３】
セルから浴槽までの垂直落差が公称で約５フィート（６０インチ）である場合、水頭圧は約２．１５ｐｓｉとなり、水の場合、ＳＧ＝１．０である。従って、この系のＣvは６．８２ｇｐｍ ｐｓｉ-1/2となる。セルの外側回収室を溢れさせることなくドレインに対処するように、セルにおける約７．６２（３インチ）の水頭変化の範囲に適応できると仮定すると、約１０．００＋／−０．１２ｇｐｍ（３８．８０＋／−０．４６リットル／分）の流量範囲、すなわち、わずか約＋／−１．２％の可変流量範囲に、圧力駆動力の変化によって適応することができる。よって、セル内の液体レベルを上昇させる以外の、抵抗を調整する手段が必要とされる。
【００５４】
上述の問題を要約すると、従来の手段は、処理中によく生じる流量の変化に適応するには不十分であるため、戻し管における抵抗を調整するための、よりロバストな方法が必要とされる。例えば、処理モジュールを通る流量が高すぎる場合に、処理モジュールは、溢れることがある。逆に、処理モジュールを通る流量が低すぎる場合は、ガスが、戻る電解液と共に戻し管内に引き込まれることがあり、これにより、戻し管を通って貯留槽に戻る電解液の中に、望ましくない気泡／発泡が導入される。そこで、形状係数の小さい受動または能動デバイス、デバイス要素の組み合わせであって、信頼性が高く、ロバストで、低コストであり、自動調整するようなものを可能にすることが求められ、これにより、処理モジュールの戻し管内の流体への空気混入を回避することが幅広い流量にわたって可能となり、流量の変化に迅速に対応することが可能となり、また、ユーザは柔軟に複数の流れ処理条件を採用することが可能となる。受動デバイスは、例えば、機械的デバイスとすることができる一方、能動デバイスは、レベルセンサと併用される電子制御弁を含むことができる。デバイスは、戻し管への空気の導入を回避するための自己調整式のものとすることができる。また、場合によっては、単一の基板上に膜を析出する過程で、または複数の基板に順にメッキする過程で、流れ処理条件が変化し得るので、処理条件の柔軟性も重要である。そのようなデバイスの効果として、何らかの処理不良、電解液貯留槽の過剰酸素化、ならびにガス／気泡／発泡が電解液中に存在することに関連した不安定性を含む、戻し管へのガスの導入に関連した様々な処理上の問題が排除されることが含まれる。
【００５５】
電解液中に気泡が存在することに起因して生じ得るある種の問題の一例は、電気メッキセル内でチャネルド・イオン抵抗板を使用することに関するものである。このようなタイプの板によって、最近の集積回路の最も難しいダマシン配線寸法に関連した状況である非常に薄いシード層を有するウェハ上に極めて均一な膜を析出させることが可能となる。チャネルド・イオン抵抗板は、チャネルド・イオン抵抗体、高抵抗仮想陽極、および他の同様の用語で呼ばれることもある。このような板については、以下の米国特許および米国特許出願において、さらに説明および記載されており、これらの各々は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる：２００５年１月２０日に出願された発明の名称を「ＨＩＧＨ ＲＥＳＩＳＴＡＮＣＥ ＩＯＮＩＣ ＣＵＲＲＥＮＴ ＳＯＵＲＣＥ（高抵抗イオン電流源）」とする米国特許第７６２２０２４号、２００９年１０月１３日に出願された発明の名称を「ＭＥＴＨＯＤ ＯＦ ＥＬＥＣＴＲＯＰＬＡＴＩＮＧ ＵＳＩＮＧ ＨＩＧＨ ＲＥＳＩＳＴＡＮＣＥ ＩＯＮＩＣ ＣＵＲＲＥＮＴ ＳＯＵＲＣＥ（高抵抗イオン電流源を用いた電気メッキの方法）」とする米国特許第７９６７９６９号、２００８年１１月７日に出願された発明の名称を「ＭＥＴＨＯＤ ＡＮＤ ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＦＯＲ ＥＬＥＣＴＲＯＰＬＡＴＩＮＧ（電気メッキのための方法および装置）」とする米国特許第８３０８９３１号、２００９年６月９日に出願された発明の名称を「ＭＥＴＨＯＤ ＡＮＤ ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＦＯＲ ＥＬＥＣＴＲＯＰＬＡＴＩＮＧ（電気メッキのための方法および装置）」とする米国特許第８４７５６３６号、２００９年１０月２６日に出願された発明の名称を「ＭＥＴＨＯＤ ＡＮＤ ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＦＯＲ ＥＬＥＣＴＲＯＰＬＡＴＩＮＧ（電気メッキのための方法および装置）」とする米国特許第８４７５６４４号、２０１３年５月３１日に出願された発明の名称を「ＭＥＴＨＯＤ ＡＮＤ ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＦＯＲ ＥＬＥＣＴＲＯＰＬＡＴＩＮＧ（電気メッキのための方法および装置）」とする米国特許出願第１３／９０７２６５号、２０１１年５月１６日に出願された発明の名称を「ＭＥＴＨＯＤ ＡＮＤ ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＦＯＲ ＦＩＬＬＩＮＧ ＩＮＴＥＲＣＯＮＮＥＣＴ ＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ（配線構造に充填するための方法および装置）」とする米国特許出願第１３／１０８８８１号。
【００５６】
高抵抗板の大きい異方性イオン抵抗は、板の設計によって生じ、それは、約０．１〜１インチの厚さの誘電体板における非常に多くの（例えば、一部の実施形態では数千個）極めて小さい（例えば、一部の実施形態では直径０．０３インチ未満）個別かつ非連通の貫通孔で構成される。液体は、容易にイオン抵抗板の孔を流れ抜けるが、電解液中にガスが存在する場合は、ガスは、板の孔よりも大きい気泡に合体し得る。これが生じた場合、気泡は板の下に閉じ込められた状態となる可能性があり、これによって、板を通り抜ける液体の流れ、ひいてはイオン電流を閉塞する。そのような気泡を機械的に除去するためには、かなりの量のエネルギーと労力が必要となり得る。従って、このような気泡の形成を最初の段階で防ぐことが非常に有効である。このような孔の閉塞によって、板の平均抵抗が増加するだけではなく、閉塞された孔の不均一な分布によって、基板にメッキされる膜の厚さ分布が変わる可能性がある。従って、板の下での気泡の形成は回避されなければならない。このような貫通孔の閉塞は、気泡または発泡がワークピースへのメッキ処理の性能にどのように悪影響を及ぼし得るかを示す多くの例のうちの１つにすぎない。
【００５７】
上述のように、安全性、重量、スペース、人間工学などに関連した実用的な理由から、メッキモジュールは、メッキ浴流体の主な部分／貯留槽よりも数フィート上方にある場合がある。メッキ工程中には、メッキ用流体が、メッキモジュール（複数の場合もある）と貯留槽との間で循環されることがある。当産業の進歩に伴い、マルチレベル処理装置を用いることが、より一般的になりつつあり、それは例えば、積層する向きに配列された２つの「フロア」を有するマルチステーション・メッキ装置である。このような変化は、半導体製造施設内の空間を効率的に使用する必要性によって推進される。
【００５８】
しかしながら、積層型処理装置を用いることによって、装置の異なる部分間での流体の移送に関連した、特に垂直方向の高さが異なる位置にある容器間または他の要素間での流体の移送に関連した、さらなる問題が取り込まれる。そのような流体移送の問題には、限定するものではないが、より大きな圧送圧が必要であることと、それに関連してより高いレベルの処理モジュールに圧送される電解液にガスが溶解する可能性があることと、その後、より高いレベルの処理モジュールに達したときに、過飽和溶解ガス状態の流れからのガス放出および気泡核形成が生じることと、より低いレベルの処理モジュールおよび／または貯留槽に電解液が戻ったところで無制御または不十分な制御により空気と電解液が混合されることと、流体のサイクルを繰り返すためにポンプに注入されたときに溶解し得る発泡および微細気泡が貯留槽内で形成されることと、が含まれる。
【００５９】
地上レベルからセルレベルに流体を圧送するための別のアプローチは、各レベルにある流体をそこで蓄積したリザーブ（貯留槽）を持つことであろう。しかしながら、このアプローチには、少なくとも３つの問題がある。第１の問題は、強酸性、高温、腐食性の流体を身体の上方に垂直に配置される場合の操作者の操作上の危険レベルが極めて高いことである。危険性の高い大量の化学薬品が、このようにしてかなりの量の蓄積ポテンシャルエネルギーで保持されることで、はるかに大量であることに関連した格納および安全対策の必要性が高くなる。第２の問題は、処理モジュールと貯留槽が同じ高さ／エネルギーレベルにある場合、圧送制御ハードウェアの供給と戻しの両方のセットを備える必要があることである。第３の問題は、処理ツールの機械的安定性および構造的完全性に関するものである。貯留槽内の１００リットル（約２５ガロン）のメッキ液は、約１１５ｋｇ（２５０ポンド）の重量となり得る。この量の電解液を、高いメッキモジュールと同じ高さに維持するには、処理ツールがかなりの構造強度を有する必要がある。さらに他の重い補助装置も、同様に高いレベルにあることが必要となる（例えば、ポンプ、フィルタ、熱交換器、接触器）。このような重量要素のすべてを、床から６フィートまたはそれより高い位置に備えるには、ツールのフレーム設計が、曲がり、傾斜、倒壊を回避するように構造を支持できるものであることが必要となり、これにより、ツール設計に重量とコストの両方が追加される。最後に、高い貯留槽（複数の場合もある）への流体の手動注入またはそこからの除去と、さらに貯留槽の全体的な保守は、極めて困難かつ危険であり、これにより、そうでなければ必ずしも必要とされない操作上の煩雑さレベルが高くなる。これらの実用的な理由から、貯留槽およびポンプのような流体処理要素を地上レベルに保持することが、極めて有益である。
【００６０】
液体が処理モジュールへ、およびそこから移送されるようなメッキおよび他のプロセスは、必ずしも単一の静的流量で実行されるとは限らない。個々の基板をメッキする処理中に、または、例えば異なるタイプの基板が異なる流体条件で処理される場合に順に処理される基板間の合間で、セルへの流量を調整することが望ましい場合がよくある。拡散／対流への依存がかなり大きいプロセスでは、個々の基板の処理中に流量を変更および制御することが必要となることが多い。そのようなプロセスの一例は、合金電解メッキ（例えば、ＳｎＡｇはんだバンプの合金メッキ）であり、この場合、物質移動が能動制御される条件下で１つまたは複数のコンポーネントがメッキされる。（本発明の実施形態の恩恵を受けることなく）流量を急激に変化させると、無気泡状態を復元するために、少なくとも、ある程度の時間を要し、多くの場合、流量の変化が生じてから長い時間が経過した後であっても、無気泡状態を復元することができない。よって、どのような条件でも、気泡の取り込みまたは発泡の形成なく、流量を急激に変化させることを可能にする方法および装置が望まれる。
【００６１】
処理流体を循環させる従来のいくつかの方法では、貯留槽に戻る流体は、十分に制御されることなく通流する。開示する実施形態のいくつかにおける１つの目的は、非調整の戻り流によく見られる戻し管内の流体の局所流速、および気泡を生成する乱流を低減することである。
【００６２】
非圧縮性流体の体積流量が所与の場合、局所速度は、体積流量を、流れの局所断面積で除算したものに等しい。従って、流れの面積が増加すると、流体の速度ひいては運動量とエネルギーが減少する。重力の下で、流体加速度は、粘性および／または形状係数に由来する因子により制限される。大きなサイズの管で、自然な重力駆動条件下で流体を戻す場合、流体速度は、粘性表面抗力によってわずかに制限されるのみである。
【００６３】
移送管内の流体に作用する抗力は、管の界面面積の大きさを増加させることにより（非常に大きな管に非常に薄い膜を設けることが必要である）、または管内に充填材（例えば、充填層）を設けることにより、増加させることができ、その場合、流体は、いくつかの小さな段階で充填材の塔を滝のように下りる。流体の速度を制御し、粘性抵抗を増加させることにおける、このアプローチの制限は、幅広い無空気移送条件でプロセスを実施することが不可能であることである。あまりにも高い流速では、気相が流体内に封入されるようになり、塔内で気泡は液体と共に引き下ろされるようになり始める。図２Ｂに示す別のアプローチでは、アルキメデス・スクリュー２５０と一連の導管を採用しており、これは、より低いレベルへと循環螺旋スライドを下りる長い流路を形成することを試みるものである。図２Ｂは、同一の実施形態の２つの異なる視点からの２つの図を示している。アルキメデス・スクリューは、電解液が１つより多くのレベルから（例えば、積層「デュエット」電気メッキセル・アーキテクチャにおける２つのレベルのそれぞれから）スクリューに入ることを可能とするため、１つより多くの入口を備えていることがある。この場合、１つより多くの中間流体回収トラフが用いられ、上側のトラフ２５１は、上側の電気メッキセル２５２からの流体を回収するためのものであり、下側のトラフ２５３は、下側の電気メッキセル２５４からの流体を回収するためのものである。移送管２５５を用いて、流体を電気メッキセル２５２および２５４からトラフ２５１および２５３へ移送することができる。図２Ｂに示すように、分割電解液貯留槽２０２Ｂを用いることができ、この場合、貯留槽は、貯留槽壁２５６によって２つの部分に分割されている。流体は、アルキメデス・スクリューの出口２５７から出る。場合によっては、下側トラフ２５３からの流体は、アルキメデス・スクリューに入ることなく、代わりに、下側トラフ２５３と貯留槽２０２Ｂとの間のエルボ管２５８などの単純な接続を通して、電解液貯留槽２０２Ｂに直接移送することができる。
【００６４】
このアプローチの１つの問題は、可能性のある幅広い流量にわたる有用性および機能性が限られていることである。実際に、スクリューへの流体の進入は、慎重に制御されなければならず、そうでなければ、大きな乱流が生じ得る。そのような場合、スクリュー内の流体は、かなりの角運動量で、高速乱流条件下で移動していることが多く、その後、動きのない媒体中にその表面で出なければならず、これにより、かなりのシアリングを引き起こす。流量が増加すると、スライドにおける膜厚と流体の平均速度の両方が増加する一方、粘性抗力は減少する。アルキメデス・スクリューの出口でも、未だ空気／液体界面が存在し、流体は高速でスクリューを出て貯留槽液に滑り込み、気泡または発泡を形成する。よって、この古典的方法は、一般的に、本発明の実施形態の目標を達成するためには不適切であり、気泡の形成を回避し、幅広い流量にわたって流体の重力による戻しを調整するより良い方法が望まれる。
【００６５】
戻し管内の流体が完全に液体で満たされていて、ガス／空気を含まない場合には、特定の流量条件で、気泡の形成を略回避できることが観測された。この条件は、液体層を、常に戻し管の入口および出口の上および下にすることにより達成可能である。
【００６６】
一部の実施形態では、特定のレベルの１つ以上の処理モジュールから貯留槽への流体の戻しは、複数の段階で実施される。中間空中ブレイクは、例えば、レベルごとのドレイン流体回収トラフで形成することができ、これにより、特定のレベルのすべての流体ドレインを、地上フロアの貯留槽へ向かって単一のドレイン管を下に移動する前に合流させる。このレベルごとの回収トラフは、中間トラフとみなすことができる。例えば、２つのレベル（上下に積層されたレベル）のそれぞれに４つのメッキモジュールを備えるマルチツールメッキ装置では、上側の戻り流体回収トラフ（すなわち、第１の中間トラフ）を用いて、上のレベルの４つのメッキモジュールから出る流体をすべて合流させることができ、下側の戻り流体回収トラフ（すなわち、第２の中間トラフ）を用いて、下のレベルの４つのメッキモジュールから出る流体をすべて合流させることができる。第１の中間トラフは、第２の中間トラフに流出させるものであってもよく、あるいは、それらは独立に、別々の管で電解液貯留槽に流出させるものであってもよい。
【００６７】
メッキセル（例えば、堰壁の上縁）から環状流体回収トラフまたは中間トラフまでの垂直落差距離は、小さくなければならず（例えば、約１５ｃｍ未満）、また、堰越流／環状回収トラフの面積は、大きくなければならない（例えば、乱流および気泡／発泡の形成を略回避するためには、堰の直径は約２０ｃｍ以上であるべきである）。一部のケースでは、メッキモジュールの流体越流堰の上縁と環状流体回収トラフまたは中間トラフとの間の垂直距離は、約３〜２０ｃｍの間であり、例えば、約６〜１０ｃｍの間である。いくつかのケースでは、その距離は約７ｃｍ未満とすることができる。環状回収トラフの直径は、電気メッキセルの規模に応じて、約１５〜５０ｃｍの間とすることができる。一部のケースでは、環状回収トラフの直径は、約２２〜４２ｃｍの間である。
【００６８】
この設計によると、結果として低速層流が得られ、セルの底での気泡形成が最小限となる。一部の実施形態では、セルから中間トラフへのドレイン内に、本明細書で記載するような流量制限装置を用いることができる。別の実施形態では、セルから中間トラフへのドレインは、ドレイン制限装置を追加することにより制限される。いくつかの実施形態では、トラフ内にドレイン制限器を有するセルは、処理モジュール流体レベルセンサを備え、また、処理モジュールから下りてセルのドレイン制限器を通る流体に対して正の水頭圧を生成するため、トラフに入口ポートを介してガス（特に窒素またはアルゴンのような不活性ガス）が供給される。トラフ内の圧力は、トラフ制御放出弁を用いて調整することができ、これを、セル内の流体のレベルが目標セル流体高さに対して維持されるように設定することができる（目標流体高さは、ドレインをバックアップされた状態に維持し、制限されたドレインラインを流体が無空気で下に流れるように維持するのに十分な高さである）。
【００６９】
一般に、戻りセルまたはトラフから送られて、完全に満たされた管を通る戻り流のための駆動力（圧力）の変化は、スペースの制約、およびセルまたはトラフ内の蓄積流体における気泡の形成を回避する必要性から、非常に制限される。これは、完全に満たされた管内での駆動力の変化、ひいては戻り流量を調整する能力が、トラフ内の管の基部（すなわち、戻し管入口）から貯留槽内の流体の高さまでの距離に対するトラフの高さの比によって制限されることを意味する。この比は、一般的には極めて小さい。例えば、トラフまたはセルが、約３インチ（０．２５フィート）の流体を収容することができ、トラフから貯留槽内の流体レベルまでの垂直落差が約５フィートである場合、液体で完全に満たされた管で流体に作用する圧力の範囲は、呼び圧力のわずか（０．２５フィート）／（５フィート）×１００＝５％である。上述のように、そのような状況で結果的に得られる流量の範囲は、この値よりもさらに小さい（わずか１．２％）。溢れることなく無空気で流れる公称流量は、管の入口、エルボ、オリフィス、弁、出口における圧力損失のバランスによって決まる。手動調整可能な弁を用いて流れ抵抗を正確に変化させることにより、ラインがちょうどバックアップされるとともに、空気が管を通って移動しない値に、流れ抵抗を手動で調整することが可能である。これによって、戻り系における全圧力損失が、垂直落差（本例では５フィート）によって利用できるものに等しくなるように、流れ抵抗を調整することが可能となる。しかしながら、制御される圧力の範囲は依然として小さく（例えば、その設定値のわずか５％）、制御される流量の範囲は、極めて小さい（例えば、わずか約１．２％）。流量がこれを超えて増えると、流体はトラフをバックアップして、最終的にはトラフから溢れ、空気を含む流体オーバフロー路に流れ込む。一方、流量があまりにも低くなると、空気が戻り流体に取り込まれて、結果として発泡が生じる。
【００７０】
一般に、ガス界面付近を移動する液体の速度が高い場合、その結果、流体に取り込まれた多数の小さな気泡および／または発泡が形成され得る。高い速度は、多くの場合、配管および格納容器が限られている場合の運用において生じ得る。このような小さな気泡を分離することは、処理および再循環システムの小さなスペースおよび容量では、非常に困難となり得る。このように、一般的に、一方で、流体処理の占有面積および体積を最小化することと、他方で、気泡の取り込みを回避することとは、特に高い槽回転率ならびに高い流量および速度の使用と組み合わせたときには、工学的に競合する。例えば、メッキ浴槽の容量が５０リットルであり、流速が２５リットル／分である場合、浴槽は、略２分ごとに循環する。一般的な貯留槽の高さの場合（例えば、約１〜２フィートであり、ポンプにおいて空気／液体界面からの空気の取り込みを回避するために、流体レベルのレベル制御が必要である）、貯留槽内の平均下降速度は、非常に大きくなり得る。これは、中程度の大きさの気泡であっても、それらの上昇速度をタンク内の下降速度が超えるので、それらが表面に上昇するのを待つことにより、簡単には分離されない可能性があることを意味する。そして、貯留槽を出た後にポンプに達する気泡は、ポンプの上流側で圧力下に置かれ、これにより、電解液中で（大気圧での溶解度に関して）ガス過飽和溶液を生成し得る。流れが処理モジュール（例えば、メッキセル）に進入したときなど、圧力が減少したときに、溶解ガスは、放出される。
【００７１】
機械的（受動的）な帰還流体レベル・ドレイン流量調整設計
図３は、本発明の一実施形態の概観である。空気移送防止の機械的制御用フロートと弁のアセンブリ３０２が、戻り回収トラフ３０４の下にある。戻し管３０６内の流体は、常に液体で満たされており、気泡および発泡がない（例えば、約１ｐｐｍ未満のガス）。戻し管３０６の出口３０８は、貯留槽３１０内の流体３０９のレベルよりも下に位置している。トラフ３０４には、非常用オーバフローライン３１２があり、これにより、少なくともポンプ最大出力までの流量に適応することができ、弁３０２が詰まる極めてまれな事態の際に有用である。図４および他の実施形態に示すように、オーバフローラインにオーバフローセンサ（図３には示していない）を設けることができ、これを用いて異常な戻り流事象を検出する。これを用いることで、弁が閉塞されたかどうか、および、いつ閉塞されたかを確認することができる。また、同じく図３には示していない処理モジュールが、セル二次格納容器エリア３１４に収容されている。セル二次格納容器エリア３１４の底部のみを図示している。処理流体は、二次格納容器エリア３１４から下方に流れ出ることができ、１つまたは複数のトラフ入口（図示せず）を通ってトラフ３０４内に入る。また、処理流体は、二次格納容器エリア３１４から二次格納容器ドレイン３１６を介して流れ出ることもできる。流体の落下距離３１８は、トラフ内の流体レベルと貯留槽内の流体との間の距離である。
【００７２】
通常動作においては、オーバフローラインに流体がほとんどまたは全く流入しないように、オーバフローラインの入口をトラフの最上部に配置することができる。１つまたは複数のセンサ（図示せず）を、制御弁より下方の戻し管に取り付けることができる。この１つまたは複数のセンサを用いて、弁が詰まっていないこと、および通流する流体が空気を含まないこと、を確認することができる。センサは、例えば、空気検出・容量式センサまたはスルービーム・レーザ式センサとすることができる。他のタイプのセンサも同様に用いることができる。センサを用いることで、ライン内の空気の有無を検出し、流量制御弁の不具合の場合には警報を送ることができる。低酸素レベルであることが要求される他の実施形態では、酸素センサを用いて、貯留槽、戻りラインもしくは供給ライン、または流体が存在する装置の他の部分における酸素濃度を検出することができる。これらのセンサは、帰還制御と併せて用いられると、特に有用である場合があり、例えば、酸素調節装置（例えば、脱気装置、液接触器、または窒素バブリング装置）を用いて、１つ以上の濃度センサからの測定値に少なくとも部分的に基づき、酸素濃度が所望のレベルに維持される。
【００７３】
上述のように、電解液中への気泡／発泡の導入が望ましくない理由の一つは、電解液中に酸素が存在することが、メッキに悪影響を及ぼし得るということである。一部の実施形態では、電気メッキセル、いずれかの流体回収トラフ、および／または電解液貯留槽から、例えば、略無酸素のガス流（例えば窒素）を装置のこれらの領域に流すことで、酸素をパージすることにより、電解液中の酸素濃度をさらに最小化および制御する。このようなガスパージは、電解液への酸素の混入を防ぐ助けとなるものであり、開示する実施形態のいずれかと組み合わせて用いることができる。
【００７４】
図４は、ヒンジフラップ制御弁を用いた１つの可能な制御方式を提供する単純な設計を示している。接続部４０９によってフロート４０３に接続された平坦な制限用弁フラップ４０２を、戻し管４０４に近接させて配置することができる。この設計の背景にある基本的な考え方は、平坦な制限用弁フラップ４０２とフロート４０３とによって、可変の流れ抵抗を生成することであり、これにより、処理モジュールを通る流量が増加するにつれて、トラフ内の流体レベル４１０が上昇して、フロート４０３を上昇させ、これによって、平坦な制限用弁フラップ４０２が開いて、液体を流出させることができる開口４０５が生じる。制限用弁フラップ４０２が開くと、流れ抵抗が減少し、戻し管４０４を通る流量が増加する。このことは、処理モジュールへの流量（ひいては、トラフ４１０内の流体レベル）が比較的高いときに、戻し管４０４を通る流量が十分に高いことを保証する一方で、さらに、処理モジュールを通る流量（ひいては、トラフ４１０内の流体レベル）が比較的低いときには、戻し管４０４に入るガスが略ないように、戻し管４０４を通る流量が十分に低いことを保証することにより、トラフ４１０内での流体の蓄積を防ぐ助けとなる。
【００７５】
平坦な制限用弁フラップ４０２は、第１のヒンジ４０６を有することができ、これによって、弁フラップ４０２は、一端のピボット点に関して回転することにより開くことが可能となる。ヒンジ４０６は、トラフの底へのゴム製アタッチメント、機械的ヒンジ、または主としてフラップの単軸回転を可能にする他の機構とすることができる。弁フラップ４０２には、フロート４０３への接続部４０９と交わる位置に第２のヒンジ４０７を設けることもできる。接続部４０９がフロート４０３と交わる位置には、別のヒンジがあってもなくてもよい。フロート４０３と制限用弁フラップ４０２との間の接続部４０９は、フロートが上昇すると弁／流量制限器が開き、フロートが下降すると弁／流量制限器が閉じるように、予測可能な形で作動するものでなければならない。場合によっては、接続部４０９は、かなりの剛性および／または非可撓性である。他の場合では、接続部４０９は可撓性である。接続部４０９は、いくつかの場合において、約５〜２０ｃｍの間の長さすることができる。フラップ４０２には、オプションで小さなドレイン孔４０８を含むことができ、これにより、セル（図示せず）に流体が供給され、トラフ４１０がオフにされたときに（例えば、循環ポンプをオフにされたときに）、最終的にトラフ４１０を完全に空にすることが可能である。図４に示す例では、戻し管４０４は、約１インチ以上の内径を有し、これは、約３フィートを超える垂直落差での重力駆動による約５０リットル／分の戻り流に対して、流量を制限する弁フラップがない場合に適している。
【００７６】
フロート４０３は、圧力による閉弁力を調整し、これに打ち勝つように設計されなければならない。この場合、フロート４０３に伝達される弁４０２にかかる力は、弁のオリフィス領域４１１の面積に比例する。この単純な設計では、オリフィスは、管の入口４１１である。弁表面４０２にかかる力およびフロート４０３に要求されるサイズを、より小さくすることが可能となるように、管の入口４１１に狭窄（すなわち、削減された断面積を通って流体が流れる領域）が用いることができる。ところが、管の入口４１１に狭窄があると、ドレイン（オリフィス、ライン、エルボなどの組み合わせ）が処理可能な最大流量も低減する。図４に示す一般的な設計の特定の実施形態では、戻し管４０４の直径の約４５〜７０％の間または約５０〜６０％の間の直径を有する狭窄、例えば戻し管４０４の直径の約５０％の直径を有する狭窄を、管の入口４１１に用いることができる。特定の例として、約４フィートの落差で、電解液の約１２〜５０リットル／分の間の可変制御流量を可能にする設計では、公称内径が約１インチの管を有することができ、さらに、約１．４３ｃｍ（０．５６５インチ）のニードル制御弁および直径が約１４．６０ｃｍ（５．７５インチ）以上のフロートと共に約０．５７５インチの制御オリフィス／狭窄を有することができる。
【００７７】
この場合、狭窄要素の直径は、フラップ式の弁４０２のサイズ／設計における制御因子であり、これら２つの要素は直接的に相互作用し得る。いくつかの実現形態では、制御用フロート４０３は、比較的平坦で、ずんぐりした形状（例えば、円筒状）である。また、球体、楕円体、ブロック／角柱など、他の形状を用いることもできる。いくつかの実施形態では、トラフ４１０は、さらにオーバフロー管４１３を備えることができ、これはオーバフローセンサ４１４を含み得る。オーバフローセンサは、オーバフローが発生する時を検出するために用いることができる。これは、例えば、制限用弁フラップ４０２がブロックされるか、または動けない状態になった場合に、トラフ４１０の溢れを防ぐ助けとなり得る。オーバフロー管４１３と戻し管４０４は、どちらも下方の貯留槽（図示せず）の中に延出させることができ、その場合、それぞれの管４０４および４１３の出口は、貯留槽内の流体レベルよりも下にある。このことは、処理液が管４０４および４１３を出る際に、貯留槽内に保持された液体にガスが混合することを防ぐのに有効である。
【００７８】
図５は、図４に示す方式の変形例である。この実施形態では、ボールフロート５０３が、接続部５０９によってボール弁５０２に接続されている。フロート５０３は、大部分は中空であり（または、例えば、約１ｇ／ｃｍ3未満もしくは約０．８ｇ／ｃｍ3未満の低密度材料で構成されており）、トラフ５１０内の流体レベルが増加するにつれて、狭窄領域５１５内で略中実のボール弁５０２を、管の入口５１１から離すように引っ張り上げる。これによって、トラフ５１０内の気相は、戻し管の入口５１１から垂直方向に分離され、空気は管５０４内に移送されない。流体の流量が増加するにつれて、トラフ５１０内のレベルはわずかに増加する。これによって、フロート５０３が上昇して、制御ボール弁５０２を持ち上げることで、戻し管５０４の入口５１１での狭窄の程度を減少させて、戻し管の入口５１１を開放する。トラフ５１０内にバッフル５１７を配置することができ、これにより、そうでなければ弁の位置の変動を引き起こし得るフロート５０３に作用する横方向の流れ力を減少させる。トラフ５１０内の流体の全体的な流れ方向を、矢印５１８で示している。
【００７９】
図４の実施形態と同様に、トラフ５１０にはオーバフロー管５１３を設けることができ、オーバフロー管５１３には、オーバフローが発生している時を検出するためのオーバフローセンサ５１４を配置することができる。オーバフロー管５１３と戻し管５０４は、どちらもその出口を、貯留槽（図示せず）内の流体レベルよりも下で終端させることができる。
【００８０】
回避されるべき１つの条件は、瞬間流量（ドレイン流量）における大きな振動である。トラフ５１０から出る流量が、あまりにも長い間、トラフ５１０に入る流量を超えると、流体レベルが一時的に低下することがあり、これによって、制御弁のピンチ点５１１より上の液体レベルが下がることとなって、ボール弁５０２を通り越して空気を引き込み、これが戻し管５０４を降下して、下方の貯留槽に入ることになり得る。流体が循環していないときのトラフ５１０の排水を可能とするために、小さなリッジ、間隙、スタンドオフ、または同様の装置５２０を、フロート５０３およびボール弁５０２（または、他の実施形態では他の弁）の設計に組み入れることができ、これにより、フロート５０３／弁４０２が、それらの下降／閉位置にあるときに、ボール弁４０２が完全に閉じたり戻し管の入口５１１に嵌合したりしないようにしているか、あるいは、ユニット５０２と５１１が一緒になって着座した状態でも漏出路を可能にしているか、いずれかである。要素５２０は、図５では凸状のスタンドオフ型構造として示しているが、理解されるように、他の実施形態では、これらの要素５２０を凹状の溝／ディボット／切り欠き型構造とすることができる。一部の実施形態では、これらの要素５２０を含まず、システムが完全に空にならないようにすることができる。その場合、システムに流体が流れていないときであっても、システムは、戻し管５０４内に処理流体を保持することができる。このことは、流体が再び循環を開始するときに、過渡的な始動段階において、処理流体にガスが導入されることを防ぐ助けとなり得る。
【００８１】
図６は、図５に示すものと同様の実施形態を示しているが、さらに、ボールフロート６０３の周りに渦防止バッフル６２１を備えており、これは、ボールフロート６０３の位置を制限するクレードルとしても機能する。渦防止バッフルは、そうでなければ狭窄領域６１５および戻し管６０４の中に空気を引き込むように作用し得る渦巻き効果を防ぐのに有効である。本実施形態におけるその他の要素は、図５に関連して図示および記載したようなものとすることができる。スタンドオフ／リッジ／溝要素は図示していないが、理解されるように、それらをボール弁６０２および／またはボールフロート６０３に設けることができ、これにより、システムに流体が循環していないときでも排水が促される。
【００８２】
図７は、トラフ７１０内に取り付けられた別個に装着可能かつ交換可能な弁機構７０１を、閉鎖状態または低流量状態の流れと共に示している。点線で囲んだ領域７０１内に示す装置を、必要に応じて容易に交換を可能とする単一の取り外し可能なユニットとして提供することができる。交換可能な弁機構７０１は、任意の適切な形態をとることができる制御弁アセンブリ・マウント７２６によって、トラフ７１０に取り付けることができる。また、交換可能な弁機構７０１は、バッフル７１７に近接させて設置することができる。図７に示すフロート７０３は、円筒形状であり（ただし、他の形状を同様に用いることもできる）、装置の円錐状の流量制限部７１５に収容された制御弁７０２に接続されている。図７の実施形態では、流量制限部７１５は円錐台状に形成されている。弁７０２が持ち上げられると、流れ抵抗が減少して、戻し管７０４を通る流量が増加し、その間ずっと、戻し管７０４への空気流の導入が回避される。フロート７０３は、該フロート７０３の動きを制限するための、開いた「ケージ」７２５に収容することができ、ケージの要素７２５は、さらに、渦の形成を防止するバッフルとして機能する。図７の右下部分には、バッフル７２７と共にケージ７２５の上視図を示しており、バッフルは、そうでなければ流量制限領域７１５および戻し管７０４に空気が進入することを可能とし得る渦巻き効果を防ぐ助けとなるように、内向きに延出している。溢れを防ぐ助けとするため、オーバフローセンサ７１４が装着されたオーバフロー管７１３を設けることができる。オーバフロー管７１３と戻し管７０４の出口は、貯留槽（図示せず）内の流体レベルよりも下で終端させることができる。
【００８３】
図８は、図７の実施形態を示しているが、ただし、より開いた／より高流量の位置で示している。弁アセンブリ７０１は、制御弁アセンブリ・マウント７２６によって、トラフの底に取り付けられている。弁７０２は、トラフ７１０の他の部分よりも下方の降下流量制限部７１５に収容されている。制御弁アセンブリ・マウント７２６は、ガスケット、Ｏリング、または他の同様の機構を、トラフ７１０の底に備えることができ、これにより、容易に交換することを可能にしながら、良好な封止を提供する。
【００８４】
図９は、トラフ９１０および制御弁９３０の別の設計を示しており、この場合、フロートと弁体とは一緒に単一要素／単体９３０に含まれている。制御弁／フロート９３０は、前述の実施形態の場合と同様の原理で作動する。処理セルを通ってトラフ９１０に入る流量が増加すると、トラフ９１０内の流体レベルが上昇する。これによって、弁／フロート９３０が上昇することで、流量制限領域９１５における流れ抵抗が減少し、戻し管９０４を通る流量が増加する。システムは、任意の適切な流量および流体に合わせてスケーリングすることができるが、一部の実施形態では、（流量制御アセンブリ９０１の両側間の距離９３１で測定される）流量制御アセンブリ９０１の直径は、約２〜６インチの間または約３〜５インチの間であり、例えば、約４インチである。これは、戻し管９０４の内径の約２００〜６００％の間、例えば約３００〜５００％であり得る。流量制御アセンブリ９０１内の弁／フロート９３０の本体の直径は、戻し管９０４の内径の約１２５〜６００％の間または約２００〜４００％の間とすることができる。
【００８５】
図１０の実施形態は、図９に示す実施形態と同様であるが、ただし、トラフから貯留槽までの垂直落差がより小さいシステムで使用するのに適した、より低背で、より小型のフロート９３０を有するものである。
【００８６】
図９および１０に示す開示の設計によれば、その押しのけ容量が比較的大きいことと、軽量であること（すなわち、大型形状と低平均密度）から、非常に軽量のフロート／弁体９３０で、かなりの浮力を持つものが可能となる。円筒状フロート９３０の内部空洞９３２内に、特に底に、高密度材料を挿入することによって、弁９３０の動作を調整することができ、これにより、ユニットにさらなる機械的安定性を与えることができるとともに、トラフにおける適切な流体レベル（例えば、平均流量のときに半分満たされる）での運用のための調整が可能である。同様に、フロート／弁９３０は、その底部近くに、より高密度の材料を含み、頂部に、より低密度の材料を含むことで、同じ効果を得ることができる。
【００８７】
制御弁／フロート９３０は、トラフ９１０に接続された弁収容部９３３内に配置することができる。弁収容部９３３は、図示のように、トラフ９１０の他の部分よりも下方に延出させることができ、また、ガスケット、Ｏリング、または他のタイプのシールで封止することができる。一部の実施形態において、弁収容部９３３の内底面９３４は、制御弁／フロート９３０と（厳密に、または大体で）嵌合するように設計することができる。弁収容部９３３の内底面９３４は、弁嵌合面９３３と呼ばれることもある。弁嵌合面９３３は、典型的には、その中央または中央付近に「チョーク点」オリフィス９１１を有する。チョーク点９１１の直径は、戻し管９０４の内径よりも小さいものとすることができ、例えば、戻し管９０４の直径の約２５〜７５％の間である。特定の実現形態では、チョーク点９１１は、約０．５インチの直径を有する。トラフ９１０内の液体レベルが十分に高いときには、制御弁／フロート９３０は上昇し、液体がチョーク点オリフィス９１１を通過する。液体レベルが十分に低いときには、制御弁／フロート９３０は下に沈んで、チョーク点オリフィス９１１を（完全に、または部分的に）閉塞する。これは、流量制限領域９１５における流れ抵抗を増加させるのに有効であり、また、気泡が戻し管９０４に入らないことを保証するのに有効である。
【００８８】
図７および８に示す装置の場合と同様に、フロート／弁９３０は、ケージアセンブリ９２５の中に設けることができ、ケージアセンブリは、チョーク点９１１より上方での渦の形成を防ぐのに有効なバッフル９２７を含むことができる。さらに、オプションのオーバフローセンサ９１４を備えたオーバフロー管９１３を含むことができ、これにより、トラフ９１０からの溢れを防ぐのを助ける。
【００８９】
様々な実施形態において、弁嵌合面９３４は、制御弁／フロート９３０の円錐状底面と、大体で、または厳密に、嵌合するように、円錐状とすることができる。一部の実施形態において、２つの面（制御弁／フロート９３０の円錐面、および弁嵌合面９３４）は、略平行とすることができる。他の実施形態では、制御弁／フロート９３０の円錐面は、弁嵌合面９３４よりも急峻なテーパを有することができる。すなわち、制御弁／フロート９３０は、それが収められる収容部９３３よりも尖ったものとすることができる。この設計は、弁より下の小さな領域に圧力損失を集中させることで、力学的平衡のために必要なフロート持ち上げ力を低減するのに有効となり得る。
【００９０】
配管内の他の圧力損失成分を無視すると、弁９３０での圧力損失は、流体の水頭／高さに関連する圧力損失に略等しくなければならない。フロート９３０にかかる力は、１）弁９３０より上の圧力と、２）弁／フロート９３０より下の、より低圧の領域の面積で積分した圧力差と、の間の圧力差に比例する。低圧領域の断面積をできる限り低減するとともに、ピンチ点９１１の比較的小さな領域に圧力損失を集中させることによって、押しのけられた液体体積により与えられる持ち上げ力を減少させて、これにより、フロート／弁９３０に必要なサイズを低減する。これは、装置または施設内のスペースが最小限であるようないくつかの用途において、設計の重要な特徴となり得る。はるかにコンパクトでありながら、有効性は同等である制御装置が実現される。
【００９１】
図１１は、トラフ１１１０、制御弁１１０２、および戻し管１１０４の別の実施形態を示している。本実施形態は、制御弁１１０２が、戻り流体回収トラフ１１０４の側面にあるという点で、上記実施形態のいくつかと異なる。よって、本実施形態は、トラフ１１１０の下方で浴槽／貯留槽までのスペース量が非常に限られている状況に特に適し得る。フラップ式の制御弁１１０２を、戻り流の管の入口１１１１の前に配置し、ヒンジ１１０６によって保持することができる。弁１１０２は、ヒンジ点１１０６を中心に揺動および回転して、戻し管入口１１１１の周りの領域を開放し、入口１１１１付近での流量制限／流れ抵抗を低減させる。例えば、流体が流れていないときに、弁１１０２が完全に閉じることを回避して、トラフ１１１０の排水を可能にするために、スタンドオフ、リッジ、溝、または他のタイプの機構１１３６をオプションとして用いることができる。
【００９２】
弁の位置は、フロート１１０３への接続部１１０９を介して調整することができる。例えば、接続部１１０９は、メカニカルアドバンテージが増加するレバーアームとすることができる。メカニカルアドバンテージの増加の値は、ヒンジ点１１０６から弁での接続点１１０７までの平均距離に対する、弁１１０２からフロート１１０３までの接続部１１０９の長さの比に略相当する。トラフに入る流量が増加するにつれて、トラフ内の液体レベルが増加して、フロートが上昇し、弁の狭窄が減少する（すなわち、弁がさらに開く）。他の設計の場合と同様に、戻し管および浴槽／貯留槽内への不用意な気泡の取り込みを防ぐため、バッフルおよび同様の渦防止構成、ならびにレベルセンサを備えることができる。使用することができる追加要素には、トラフ１１１０における横方向の流れを抑えるための入口バッフル１１１７と、渦形成の可能性を最小にするための渦防止バッフルを備えたケージ１１２５と、が含まれる。さらに、オプションのオーバフロー管（図示せず）を用いることができる。
【００９３】
図１２〜１４は、図１０に示すものと同様の設計の詳細断面図を提示している。これらの図において注目すべき特徴には、弁１２１２および弁嵌合面１２３４の形状と関連した制御流量チョーク点１２１１の詳細が含まれる。弁表面１２３０および弁嵌合面１２３４の傾斜特性によって、流体が径方向内向きに移動するときに流速が増加する。このため、圧力損失は、チョーク点１２１１の近くに集中し、フロートの底に作用する力は、弁１２３０のチョーク点１２１１の近くに集中する。これによって、フロート／弁１２３０が必要とする全反力が低減する。狭窄１２１１は、フロート／弁１２３０がチョーク点１２１１から離れてトラフ１２１０内である距離上昇したときに、フロート／弁１２３０の存在により追加される抵抗を最小限として、圧力損失が最大目標流量に適した値まで減少するような、サイズとすることができる。フロート／弁がその（比較的）閉じた位置にあるときでも、流体がチョーク点１２１１を通って流出することを可能にするため、フロート／弁１２３０および／または弁嵌合面１２３４は、スタンドオフ／リッジ／切り欠き／ディボットなど１２２０を含むことができる。他の実施形態では、これらを省いて、流体密シールを得ることができる。これによって、処理流体がシステムを循環していないときであっても、戻し管１２０４は液体で満たされたままとすることが可能となり得る。さらに、高さｈの入口バッフル板１２１７を図示している。バッフル１２１７の下方に、通流間隙１２３８がある。フロート／弁１２３０の周囲のスペースに、渦の形成を防ぐのに有効な一連のバッフル板１２３７を設けることもできる。
【００９４】
図１２〜１４に示すように、戻し管入口１２０４の最初の部分１２３９（これは、一部のケースでは、制御弁収容部におけるオリフィス／チョーク点１２１１の出口と考えることができる）は、管１２０４の断面積が上部１２３９で小さく、下部で大きいような、テーパ状とすることができる。このようなテーパリングは、追加の圧力損失を最小限に抑えるのに有効となり得る。
【００９５】
一部の実施形態では、制御弁アセンブリは、フロート位置止めスペーサ１２２０を備えており、これにより、オリフィス開口１２１１が弁の狭窄により完全に封止されることを防ぐことで、詰まりの可能性を回避するとともに、セルおよびトラフへの流体の供給が停止されたときのトラフからの排出を可能にしている。他の設計では、メッキセルおよびトラフへの流体の流れが停止したときにトラフが完全に空になることがないように、弁１２３０は、オリフィス１２１１を完全に閉じるように設計することができる。
【００９６】
オリフィスが完全に閉じたままである場合には、液体は非通流状態で戻し管内にとどまることができる。つまり、戻し管は、満たされたままとすることができ、再始動の際に（すなわち、処理セルおよびトラフへの流体の循環を再び開始するときに）、気泡が、ほとんどまたは全く戻し管および貯留槽に導入されないようにすることができる。そうでなければ、戻し管および貯留槽にガス／気泡が導入され得る過渡的期間が、流体循環の開始時にみられることがある。図１４は、図１２および１３に示すものと同様の設計を示しているが、ただし、円錐弁部分１２３０のサイズが（流量に対して）減少している。
【００９７】
上記の説明の大部分、および例の多くは、流体を回収して単一の戻し管に誘導するドレイン回収「トラフ」またはガターを備えた流体戻り系の文脈で、提示している。しかしながら、理解されるように、この要素は必須ではなく、あらゆる状況で望ましいとは言えない（例えば、このような実施形態は、処理モジュールの水平面内で利用できるスペースが限られている場合に最も有効となり得るものであり、その場合、セルレベルのトラフは望ましくない）。上述の重力により調整されるフロートおよび制御弁ならびに他の特徴は、処理モジュール自体に（例えば、処理モジュールの主要メッキ部分／噴水の周囲の堰を取り囲む環状のセルレベル・トラフ内に）直接組み込むことも可能である。場合によっては、セルレベル・トラフを用いることで、平面または作業空間を広げることが可能となる。また、セルレベル・トラフを用いることにより、単一の水平レベル上の複数のセルが、合流された戻り流量の調整機能を持つことも可能となる。
【００９８】
能動的な電子式または空気式流体レベル・ドレイン流量帰還調整設計
機械的かつ主に受動的な自己調整式設計により、気泡および乱流を含まないように流量を調整すること以外に、弁、流量計、レベルセンサ、圧力センサ、分流器などの自動プロセス制御デバイスの組み合わせを用いて、同じ目的を達成することができる。能動制御設計のいくつかにおける１つの潜在的利点は、システムが、受動制御システムよりもコンパクトであり得ることである。また、能動制御システムでは、大きな共通回収トラフなど、いくつかの要素を排除することが、より容易に可能である。流体再循環・制御方式を実施する際には、能動（例えば、電気式または空気式制御）ドレイン設計とするか、受動（例えば、機械的自己調整）ドレイン設計とするか、利用可能なスペース、相対的コスト、想定される故障モードおよび防止策、ならびに両者間の他のトレードオフについて検討すべきである。
【００９９】
能動制御による無気泡ドレイン設計のプロセス装置において注目すべき１つの要素は、自動設定可能な能動制御弁である。これらは、自動プロセス制御弁または自動比例制御弁と呼ばれることがある。自動制御弁を通る流量は、後述する実施形態の多くにおいて、必ずしも弁の入力（例えば、圧力または電圧入力）に対して直線的である必要はない。むしろ、自動制御システムで必要なのは、弁の自動入力に対して既知の／予測可能な形で応答するための機構のみである。制御弁の種類の具体例として、限定するものではないが、ボール弁、ニードル弁、およびゲート弁が含まれ、これらの各々は、非手動の位置調整デバイスを使用して、弁流量オリフィスの位置、サイズ、および／または形状を変化させることによって、自動化することが可能である。弁タイプの的確な選択は、特に制限されることなく、多くの様々なタイプ／形状／サイズの弁を使用することができる。ただし、弁の抵抗係数（上記の式１に関連して説明したようなＣv）で測定される弁の抵抗は、弁が完全に開いているときには、最大目標ドレイン流量に適応するように十分に大きくなければならない。適切な弁の選択における他の制限として、弁の要する応答時間（すなわち、どれほど迅速に弁が位置を変更できるか）を含むことができ、これについてのさらなる詳細は後述する。適切な弁の例には、ＡｕｔｏＶａｌｖｅ（登録商標）（ミネソタ州ＣｈａｎｈａｓｓｅｎのＦｕｔｕｒｅＳｔａｒ社製）、ＮＴ比例制御弁６４００型シリーズ（マサチューセッツ州ＢｉｌｌｅｒｉｃａのＥｎｔｅｇｒｉｓ社製）、および自動制御ボール弁（例えば、ニュージャージー州Ｃｅｄａｒ ＧｒｏｖｅのＰｌａｓｔ‐Ｏ‐Ｍａｔｉｃ社製）が含まれる。
【０１００】
自動化された無気泡ドレイン流量制御の実施形態の少なくとも２つのクラスを提示するが、それらは、大きくは以下のように説明することができる。第１のクラスでは、自動化された可変抵抗戻し（または可変抵抗戻し）を用いることができ、この場合、戻し管内の流量は、処理セル（複数の場合もある）に入る設定流量の変化に適合するように設定または能動制御される。第２のクラスでは、自動化された可変分流（または可変分流）を用いることができ、この場合、ドレインにおける戻り流の抵抗は、１つ（例えば、最大目標）の固定流量で無気泡のドレイン流を生成するように、予め調整されて変化せず、戻し管内の流量は、その固定流量に常に等しく、また、ポンプは、常にその固定流量で処理セルに流体を送り出し、総固定流量の一部は、分流されて処理室に入ることでウェハに接触し、総流量の残りの部分は、セル回収トラフまたは満たされた共通戻し管に誘導される。
【０１０１】
図１５は、上記第１のクラスの可変抵抗戻し設計の例を示している。ポンプ１５５０は、流体貯留槽または浴槽１５５１から流体を取り出し、必要な圧力を生成することで、管を通して流体をより高いところに押しやり、処理フィルタ１５５２、流量計１５５３、脱気装置１５５４、エルボ管などの各種要素を通過させる。脱気装置１５５４は、電解液から酸素および他のガスを除去するために用いることができる。これは、処理モジュール１５５５に送られる流体中に存在するガスが、その流体で飽和未満であることを保証するのに有効であり得る。これにより、そうでなければ対向電極とウェハ（図示せず）との間の電流の流れを遮断し得る処理モジュール１５５５における気泡形成の可能性が、減少する。すなわち、脱気装置１５５４は、（そうでなければかなりのメッキ不良を引き起こすことになる）気泡がウェハ表面に形成されないこと、および（そうでなければ板を通り抜ける電流を閉塞してメッキ不良を引き起こすことになる）気泡がチャネルド・イオン抵抗板の表面に形成されないことを保証するのに役立つ。
【０１０２】
これらまたは他の実施形態において、供給ラインにセル供給遮断弁（ＣＦＩＶ：Ｃｅｌｌ‐Ｆｅｅd‐Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ‐Ｖａｌｖｅ）１５５６を含むことができ、これは、ポンプ１５５０がオフにされたときに閉じることで、セル１５５５から供給ラインを通って逆に流出されることを防いで、いずれポンプ１５５０が再始動されるときに、セル１５５５およびツールを無気泡の状態に維持する。このように、過渡状態であっても、気泡の形成を回避することができる。ＣＦＩＶ １５５６は、システムコントローラ（例えば、ウェハおよび処理プロセスコントローラ１５５７）の指示によって自動的に閉じることができ、または緊急遮断（ＥＭＯ：ＥＭｅｒｇｅｎｃｙ Ｏｆｆ）状態またはスイッチトリガに応じて閉じることができる。緊急遮断トリガとして、例えば、二次格納容器漏れが検出されたときの致命的な漏れを回避するためのものを含むことができる。
【０１０３】
図１５は、噴水型メッキセル１５５５に入って、噴水の堰１５５８を越流し、セル流体回収トラフ１５５９に回収される流体を示している。この実施形態は、噴水型メッキ装置に限定されない。例えば、パドルセル、スプレー式エッチャーまたはスプレー式無電解メッキセル反応器、マイクロ流体セルなどが、開示される技術および装置からのあらゆる恩恵を受けることができる。一般に、流体は、処理セル１５５５を通って、通常はウェハに向かって誘導され、一次流体格納容器エリア１５６０内に入った後に、堰壁１５５８を越流して、セルレベル流体回収領域／トラフ１５５９（例えば、処理セル１５５５の一次流体格納容器エリア１５６０の周囲に配置された環状トラフ１５５９）に入る。流体は、トラフ１５５９から処理モジュールのドレイン１５６１に移動し、そしてこれを、液体で満たされた状態に維持されている共通戻り領域１５６２に送ることができる。その後、流体は、共通戻り領域１５６２から共通ドレイン１５６３を通って貯留槽１５５１に移動し、そこから再び汲み出されて、処理セル１５５５に再循環させることが可能である。
【０１０４】
流体レベルセンサ１５６４からの信号を用いて、処理セル（複数の場合もある）１５５５の一次流体格納容器エリア１５６０における流体レベルを測定することができ、これにより、回収トラフ１５５９内の流体レベルを感知して、トラフ１５５９内の流体レベルが、処理モジュールのドレイン１５６１への入口のレベルよりも十分に上であることを確保する。流体レベルセンサ１５６４からの信号は、ドレイン処理コントローラ１５６５に供給することができる。ドレイン処理コントローラ１５６５は、例えば電圧を調節することにより、自動ドレイン弁位置コントローラ１５６６に供給される空気圧を自動ドレイン弁位置コントローラ１５６６に伝達することができ、自動ドレイン弁位置コントローラは、ドレイン処理コントローラ１５６５から受け取った信号に応えて、自動ドレイン弁１５６７を開閉する。これによって、セル回収トラフ１５５９内の流体が目標レベルに維持されるように、ドレイン弁１５６７を制御することが可能となる。
【０１０５】
多くの異なるタイプのレベルセンサを採用することができるが、具体的なシステムの設計は、使用されるセンサのタイプによる影響を受ける。適切な流体レベルセンサ１５６４の例として、音響式センサ、容量式ストリップセンサ、高感度圧力変換器センサが含まれる。音響式センサは、セル回収トラフ領域１５５９における流体レベルを、直接、またはトラフに平行に接続された目視管によって感知することができる。圧力変換器は、戻し管１５６１または満たされた共通戻り領域１５６２の流体レベルの数インチ（例えば、約３インチ）下で流体の圧力水頭を測定することができる。例えば、セル１５５５の約２〜７インチ下の領域で、また、目標液体制御レベルラインの下に位置する満たされた共通ドレイン戻り領域１５６１の内部で、流体の水頭を測定するように、例えば、１０インチ水柱のフルスケールの圧力変換器を配置することができる。
【０１０６】
開弁エラーなどの障害を検出するため、オプションのオーバフローセンサスイッチ１５６８を、１つ以上のセル１５５５に配置することができる。オーバフローセンサ１５６８からのエラーセンサ信号に応えて、コントローラ（例えば、流量コントローラ１５６９）は、ポンプ１５５０を遮断することができ、さらに、任意選択的に、セル遮断弁１５５６（複数の場合もある）および／またはドレイン遮断弁（ＤＩＶ：Ｄｒａｉｎ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ Ｖａｌｖｅ）１５７０（複数の場合もある）を閉じることができる。自動ドレイン制御弁１５６７は、完全に閉じることが可能なものとすることができ、従って、ストップフローまたはＥＭＯ状態において、ドレインを切り離して、セルレベル流体回収トラフ１５５９に十分に高いレベルで流体を保持するために用いることができるが、一方、２状態（開または閉）のドレイン遮断弁（ＤＩＶ）１５７０は、より迅速に反応することができ、また、自動ドレイン弁１５６７が故障した場合の漏れに対して、さらなる保護を提供することができる。図１５では、さらに、セルレベル・トラフ１５５９における流体レベルと、貯留槽１５５１内の流体レベルとの間の距離である落差距離１５７１を示している。いくつかの例において、この距離は約５フィートとされる。
【０１０７】
この自動化された電子式オーバフロー制御保護の代替案として、貯留槽１５５１への流体の戻しを可能とするために、オーバサイズのオーバフロー・ドレインラインの個別のセットを用いることができる。オーバフロー・ドレインラインは、オプションとして、オーバフローが発生しているかどうか感知するためのセンサ（例えば、容量式またはスルービーム光学式センサ）を備えることができる。様々な実施形態において、オーバフローセンサは、種々の望ましい矯正的および／または予防的システム応答をトリガするために用いることができる。
【０１０８】
別の可変ドレイン抵抗設計を図１６に示しており、この場合、レベルセンサは、流体レベル制御の一部として使用されない。本実施形態では、（目標流量を推進するための）ポンプ速度と、自動ドレイン弁１５６７の位置と、その両方の制御に流量コントローラ１５６９からの信号が用いられる。上述のように、オーバフローセンサ１５７３を備えたオーバフロー・ドレインライン１５７２を用いることができる。ドレインラインがバックアップされるとともに無気泡に維持される制御弁抵抗を実現するための弁位置の適切な設定のための両者間の関係を確立することを目的として、所定の弁位置と流量との関係を理論的または実験的に決定することができる。
【０１０９】
例えば、それぞれの流量で、回収トラフ１５５９内の流体のレベルを所望のレベル（例えば、ドレイン入口よりも１インチ上）に維持するために用いることができる条件を特定するため、操作者は、様々なセル流量で一連の実験を実施して、弁設定（例えば、入力電圧、圧力、または％開度設定など）に関連するデータのセットを収集することができる。そして、そのようなデータが得られたら、任意の可能性のある流量計検出流量に対して、自動ドレイン弁１５６７への適切な入力信号（例えば、電圧または圧力）を得るための両者間の数学的関係を、補間または曲線適合を用いて生成することができる。この数学的関係は、流量計１５５３の瞬間測定値に基づいて弁位置を設定するために、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）１５６６または他のプロセスコントローラにプログラムすることができる。
【０１１０】
この方法は、図１５を参照して上記パラグラフで記載した方法と比べて、より優れた信頼性および、より低コスト（システムの要素うち、購入するもの、または故障するものがより少ない）など、いくつかの利点を持ち得るものの、流量に対する抵抗設定の非常に高精度のキャリブレーションが必要であるなど、いくつかの欠点も持ち得る。この高精度のキャリブレーションが必要となり得るのは、システムにおいてレベル／流量誤差制御のためのフィードバックを提供するものが、セル１５５５の流体レベルにおけるわずかな増加しかないためであり、これは、一般に、流体レベルの低下／全水頭に対して相対的に、極めて限られたものである。上述のように、弁１５６７およびそのキャリブレーションの精度は、良好（例えば、約２％よりも良好）でなければならない。また、弁位置の再現性（すなわち、自動ドレイン弁１５６７に与えられた入力に基づいて、特定の弁位置を実現する場合の再現性）は、図１５の実施形態と比較して、図１６の実施形態では、より重要である。キャリブレーションがオフの場合（例えば、弁挙動が変わった場合、または何らかの理由で、弁１５６７の位置がキャリブレーション処理で予測されるものに対応しない場合）、セル１５５５は、（シャットダウンを引き起こす）オーバフローまたは（処理ドレイン１５６１および共通戻りライン１５６３への気泡の導入を引き起こす）アンダフローとなることがある。よって、一部の実施形態において、オプションの光学式スルービーム屈折センサ１５７４、または気泡を感知するための他の機構を、共通戻し管１５６３内に設けることができる。この要素１５７４は、セル１５５５内の流体レベルが、システム・フィードバックに基づいて制御されない図１６の設計において、特に有用である。このように、特定の用途の要件および制限によって、どちらか一方のタイプのシステムが望ましい場合がある。
【０１１１】
図１７は、いくつかの実施形態による可変分流設計の一例である。明確にするため、本例および他の例のいくつかにおいては、含まれる可能性のある特徴のすべての置換を各実施形態で記載しているわけではないが、それらの特徴は、要求または運用上の必要性に応じて、任意の実施形態に組み込むことができると認められる。可変分流アプローチの基本的な目標は、可変流量を処理モジュール（複数の場合もある）１７５５に送ることを可能としながら、同時にドレイン／戻し管１７６３を常にバックアップされ、かつ無気泡の状態に維持することである。これは、共通戻り領域１７６２を出る流量が変化しない条件を作り出すことによって達成することができ、これにより、トラフ１７５９から共通戻り領域１７６２までの処理モジュール・ドレイン１５６１が、常にバックアップされ、かつ無気泡の状態にされるように十分に高く設定された（共通戻り領域１７６２と貯留槽１７５１との間の）固定ドレイン抵抗を有するドレイン系が可能となる。このアプローチでは、２つの流体供給流路１７８０および１７８１があり、これらは、ドレイン路のある点で合流する。１つの流路（主供給流１７８０）は、流体を貯留槽１７５から処理セル１７５５の一次流体格納容器エリア１７６０に誘導する。そこから、主供給流１７８０は、トラフ１７５９に流入し、処理モジュール・ドレイン１７６１を下りて、共通戻り領域１７６２に入り、そして戻し管１７６３に入る。第２の流路（迂回流１７８１）は、分流Ｔ（ティー）１７８３において流体を主供給流１７８０から分流させて、そしてドレイン「迂回」路１７８１を流れ、その後、共通戻り領域１７６２において主供給流１７８０に合流する。
【０１１２】
具体例として、流体は、貯留槽１７５１から、オプションのフィルタ１７５０および第１の流量計１７５３（総流量計１７５３とも呼ばれる）を通して圧送することができ、第１の流量計の機能は、貯留槽１７５１と分流Ｔ １７８３との間で略一定の総流量を維持することを助けることである。この流量は、略一定とされるものの、この場合は第１の流量コントローラ１７８７であるコントローラによって、適切なレベルに制御／設定されることができる。システム全体の目標の非分流総流量（または、対応するアナログ信号）は、適切なドレイン流抵抗設定により、流体がバックアップされるとともに、回収トラフ１７５９において適切な流体レベルとなるように設定される。第１の流量計１７５３からの信号は、第１の流量コントローラ１７８７（非分流流量コントローラ１７８７とも呼ばれる）に送られ、そこで、第１の流量計１７５３からの測定流量と、総（非分流）流量の目標値とが比較される。第１の流量コントローラ１７８７は、目標の非分流総流量が得られ、維持されるように、ポンプ速度を変更する。
【０１１３】
第１の流量計と連通したプロセス流量弁を用いて、第１の流量コントローラ１７８７が総流量プロセス制御弁（図示せず）の弁位置を調節するなど、一定の非分流総流量を維持する他の方法も可能である。貯留槽１７５１への戻し管１７８３において一定の総流量を達成する別の方法は、分流Ｔを使用することなく、迂回路の代わりに第２の専用ポンプ（図示せず）を用いて、第２のポンプにおける流量を、目標総流量との差に等しくなるように設定し、流体を回収トラフ１７５９／ドレイン路１７６１に直接誘導し、また、第１のポンプを用いて処理モジュール目標流量を設定および制御し、このとき、第１のポンプは、処理モジュールに入る目標のセル処理流量を制御する。
【０１１４】
これらまたは他の実施形態において、迂回流１７８１は、流体回収トラフ１７５９内または（図１７に示すように）処理モジュール・ドレイン１７６１に近い場所で（例えば、共通戻り領域１７６２内で、またはＴを介してセルレベル・トラフ１７５９からの出口の数インチの範囲内のドレイン路１７６１内の点へ）、主供給流１７８０に合流することができる。迂回流体１７８１が、流体回収トラフ１７５９以外の場所で主供給流１７８０に合流する場合、その場所は、ドレイン回収トラフ１７５９内の流体を略一定の流体レベルでバックアップされた状態のままとするのに必要な総ドレイン圧を維持するためには、主供給流路１７８０に対して迂回流路１７８１を通る流体の相対量の変化が、圧力損失に明らかな変化を引き起こすことがないように、選択されなければならない。
【０１１５】
迂回流路１７８１を移動することなく、主供給流路１７８０を通って流れる流体は、この場合、処理モジュール１７５５に送られる。図示のように、主供給流路１７８０内に、第２の流量計１７８４を配置することができる。目標のプロセス流量を、第２の流量コントローラ１７８８に送ることができ、そして、主供給流１７８０の非分岐部分で測定されたプロセス流量を、目標プロセス流量（すなわち、１つ以上の処理モジュール１７５５に流体を送るための目標流量）と比較することができる。第２の流量コントローラ１７８８は、主供給流１７８０の非分岐部分での流量が目標プロセス流量と等しくなるように、自動セル流量制御弁１７８９（これは、必要に応じて、処理モジュール１７５５への流れを制限する）の位置を調節することができる。この制御は、直接実行するか、または中間の自動セル流量コントローラ１７９０を介して実行することできる。また、第１と第２の流量コントローラ１７８７と１７８８は、システムおよびウェハハンドリング・プロセスコントローラ１７５７によって制御することができ、これは、さらに、システムの他の側面を制御することもできる。２つの分岐流（迂回流１７８１と、主供給流１７８０の非分岐部分）は、共通戻り領域１７６２で合流する。
【０１１６】
オプションのオーバフロー・ドレインライン１７７４およびオーバフローセンサ１７７３を用いて、オーバフローに適応し、オーバフローが発生したかどうかと、発生する時を、検出することができる。オプションのドレイン気泡センサ１７８５（例えば、光学式スルービーム気泡センサ）を用いることで、システムが設計に従って作動していることを確認することができる。最後に、手動調整可能なセル・ドレイン制御弁１７８６を、戻し管１７６３内で用いることで、セルレベル・トラフ１７５９内にバックアップされた流体の所望のレベルを達成することができる。トラフ１７５９におけるバックアップの最適なレベルは、システムの目標総流量によって特定され、これが設定されれば、システムの目標総流量において、流体がバックアップされた状態で無気泡の排出が可能となる。図１５〜１７に示す実施形態は、２つの処理モジュールで単一の貯留槽／再循環システムを共有するシステムを示しているが、理解されるように、任意の数の処理モジュールを用いることができる。いくつかの例では、例えば、処理モジュールが１つのみ使用される。他の場合には、３つ以上の処理モジュールで貯留槽および再循環システムを共有することができる。また、図１６および１７では、オーバフロー戻し管を単一のもののみ示しているが、理解されるように、個々の処理モジュールがそれぞれ独自のオーバフロー管を備えることもある。いくつかの実施形態では、これらの個々のオーバフロー管は、流体を貯留槽に戻すよりも手前で合流することができる。
【０１１７】
［さらなる実現形態］
【０１１８】
上記の装置／方法は、例えば、半導体デバイス、ディスプレイ、ＬＥＤ、太陽電池パネルなどの作製または製造のために、リソグラフィパターニング・ツールまたプロセスとともに用いることができる。一般に、そのようなツール／プロセスは、必ずしもそうではないが、共通の製造設備で一緒に使用または実施される。膜のリソグラフィパターニングは、通常、以下の工程の一部またはすべてを含み、各工程は、いくつかの考え得るツールを用いて実現される。（１）スピン式またはスプレー式のツールを用いて、ワークピースすなわち基板の上にフォトレジストを塗布する、（２）ホットプレートまたは炉またはＵＶ硬化ツールを用いて、フォトレジストを硬化させる、（３）ウェハステッパなどのツールによって、可視光線または紫外線またはＸ線でフォトレジストを露光する、（４）ウェットベンチなどのツールを用いて、選択的にレジストを除去するようにレジストを現像し、これによりパターンを形成する、（５）ドライまたはプラズマアシスト・エッチングツールを用いて、レジストパターンを下の膜またはワークピースに転写する、（６）ＲＦまたはマイクロ波プラズマ・レジストストリッパなどのツールを用いて、レジストを剥離する。
【０１１９】
なお、開示した方法および装置を実現する数多くの代替的方法があることにも、留意すべきである。よって、本開示は、開示した実現形態の真の趣旨および範囲から逸脱しないあらゆる変更、変形、置換、および代替均等物を含むものと解釈されるべきである。
【図１】
2014132115.tif 000004
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2014132115.tif 000019
【図１６】
2014132115.tif 000020
【図１７】
2014132115.tif 000021
【手続補正書】
【提出日】平成26年2月27日(2014.2.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５２】
非調整のドレインがガスを含まない状態に維持され得る可能性のある流量の範囲が小さいことを示す他の例では、古典的な固定の集中系流量係数Ｃvが用いられる。この例では、毎分３７．８５リットル（１０ガロン（ｇｐｍ））の液体のドレイン戻り流という特性を、古典的な固定の集中系流量係数Ｃvで近似できると仮定する。この場合、流量係数は、弁の抵抗の寄与と、さらに、ライン、入口および出口の抵抗を説明するものである。このとき、ドレインを通る流量は、以下のようになる。
【数１】
2014132115.tif 000022
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１１９】
なお、開示した方法および装置を実現する数多くの代替的方法があることにも、留意すべきである。よって、本開示は、開示した実現形態の真の趣旨および範囲から逸脱しないあらゆる変更、変形、置換、および代替均等物を含むものと解釈されるべきである。
適用例１：基板上に材料を電気メッキするための装置であって、電気メッキセルであって、電解液を保持するための容器と、前記容器の周囲に位置する堰壁と、前記堰壁を実質的に取り囲む流体回収トラフと、を備え、電気メッキ中、電解液は前記容器内に流れ込み、前記堰壁を越えて前記流体回収トラフに流れ込む、電気メッキセルと、電解液貯留槽と、前記流体回収トラフからの電解液を前記電解液貯留槽に供給するための戻し管と、前記戻し管内の流れ抵抗を可変的に増減するための流量制御機構であって、電気メッキ中に前記戻し管を介するガスの通過を実質的に防ぐ流量制御機構と、を備える、装置。
適用例２：適用例１に記載の装置において、前記流量制御機構は、前記流体回収トラフ内の電解液のレベルが、指定された最小レベルを下回らないようにすることにより、前記戻し管を介するガスの通過を実質的に防ぐ、装置。
適用例３：適用例２に記載の装置において、前記流量制御機構は、フロートと流量制限器とを含み、前記フロートは、前記流体回収トラフ内の電解液のレベルとともに上昇するように構成されており、これにより、前記流量制限器を持ち上げて、前記戻し管を通る流量を増加させる、装置。
適用例４：適用例３に記載の装置において、前記フロートと前記流量制限器は、コネクタによって接続されている別個の要素である、装置。
適用例５：適用例４に記載の装置において、前記流量制限器は、略球状である、装置。
適用例６：適用例４に記載の装置において、前記流量制限器は、円錐状または円錐台状である、装置。
適用例７：適用例４に記載の装置において、前記流量制限器は、前記戻し管への入口を塞ぐフラップであり、前記フラップは、接続点の周りで揺動することで、前記戻し管を介する流れ抵抗を可変的に制御する、装置。
適用例８：適用例３に記載の装置において、前記フロートと前記流量制限器は、単一のユニットに統合されている、装置。
適用例９：適用例３に記載の装置において、前記流体回収トラフまたは前記戻し管内に、流量制限領域をさらに備え、前記流量制限器と前記流量制限領域とは、互いに嵌合するように構成されている、装置。
適用例１０：適用例９に記載の装置において、前記流量制限器と前記流量制限領域とは、互いに嵌合することで、流体密シールを形成する装置。
適用例１１：適用例９に記載の装置において、さらに、ドレイン路を備え、前記流量制限器と前記流量制限領域とが閉位置で互いに嵌合しているときであっても、電解液は前記ドレイン路を介して前記流体回収トラフから前記戻し管内に排出され得る、装置。
適用例１２：適用例３に記載の装置において、さらに、前記フロートおよび／または前記流量制限器に近接して配置されるバッフルを備え、前記バッフルは、電解液における渦の形成を防止するように作用する、装置。
適用例１３：適用例３に記載の装置において、さらに、前記流体回収トラフ内における前記フロートの位置を制限する１または複数のフロート位置制限要素を備える、装置。
適用例１４：適用例１に記載の装置において、さらに、前記流体回収トラフからの電解液を前記電解液貯留槽に供給するためのオーバフロー管を備え、前記オーバフロー管への入口は、前記流体回収トラフにおける目標流体レベルよりも上方に配置されている、装置。
適用例１５：適用例１４に記載の装置において、さらに、前記オーバフロー管内の流れの有無を検出するための流量センサを備える、装置。
適用例１６：適用例１に記載の装置において、さらに、追加の電気メッキセルを備え、前記戻し管は、前記電気メッキセルから電解液を受けるための第１の入口と、前記追加の電気メッキセルから電解液を受けるための第２の入口とを有する、装置。
適用例１７：適用例１に記載の装置において、前記戻し管の出口は、前記電解液貯留槽における電解液のレベルよりも下方に配置されている、装置。
適用例１８：適用例１に記載の装置において、さらに、前記流体回収トラフを出た後、前記電解液貯留槽に入る前の電解液を保持するために、前記戻し管内に配置される二次流体回収トラフを備え、前記流量制御機構は、前記二次流体回収トラフ内に配置されている、装置。
適用例１９：基板上に材料を電気メッキするための装置であって、電気メッキセルであって、電解液を保持するための容器と、前記容器の周囲に位置する堰壁と、前記堰壁を実質的に取り囲む流体回収トラフと、を備え、電気メッキ中、電解液は前記容器内に流れ込み、前記堰壁を越えて前記流体回収トラフに流れ込む、電気メッキセルと、電解液貯留槽と、前記流体回収トラフからの電解液を前記電解液貯留槽に供給するための戻し管と、前記電解液貯留槽と、第１のポンプと、前記電気メッキセルと、前記戻し管と、を含むメッキ用再循環ループと、バイパス管と、を備え、前記バイパス管は、電解液が前記電気メッキセルに到達する前の位置で前記メッキ用再循環ループから分岐し、前記バイパス管は、電解液が前記電気メッキセルの前記堰壁を越えて溢れた後の位置で前記メッキ用再循環ループに合流し、前記装置は、前記電解液貯留槽を出る電解液および前記戻し管を通る電解液の総流量を略一定とする一方で、同時に、前記電気メッキセルに供給される電解液の可変流量を可能にするように構成されている、装置。
適用例２０：適用例１９に記載の装置において、さらに、前記戻し管内に配置されている気泡センサを備える、装置。
適用例２１：適用例１９に記載の装置において、前記メッキ用再循環ループまたは前記バイパス管のいずれかに配置されている第２のポンプを備える、装置。
適用例２２：基板上に材料を電気メッキするための装置であって、電気メッキセルであって、電解液を保持するための容器と、前記容器の周囲に位置する堰壁と、前記堰壁を実質的に取り囲む流体回収トラフと、を備え、電気メッキ中、電解液は前記容器内に流れ込み、前記堰壁を越えて前記流体回収トラフに流れ込む、電気メッキセルと、電解液貯留槽と、前記流体回収トラフからの電解液を前記電解液貯留槽に供給するための戻し管と、前記電解液貯留槽と、ポンプと、前記電気メッキセルと、前記戻し管と、を含むメッキ用再循環ループと、前記流体回収トラフ内の流体のレベルを検出するためのレベルセンサと、前記戻し管内に配置されるドレイン弁と、前記レベルセンサからの入力に基づいて前記ドレイン弁の位置を制御するドレインコントローラと、を備え、前記ドレインコントローラは、前記流体回収トラフ内の電解液のレベルが目標電解液レベルを下回らないように動作し、これにより、前記戻し管内に実質的にガスが入らないようにする、装置。
適用例２３：基板上に材料を電気メッキするための装置であって、電気メッキセルであって、電解液を保持するための容器と、前記容器の周囲に位置する堰壁と、前記堰壁を略取り囲む流体回収トラフと、を備え、電気メッキ中、電解液は前記容器内に流れ込み、前記堰壁を越えて前記流体回収トラフに流れ込む、電気メッキセルと、電解液貯留槽と、前記流体回収トラフからの電解液を前記電解液貯留槽に供給するための戻し管と、前記電解液貯留槽と、ポンプと、前記電気メッキセルと、前記戻し管と、を含むメッキ用再循環ループと、前記装置における電解液の流量を検出するための流量計と、前記戻し管内に配置されるドレイン弁と、前記流量計からの入力に基づいて前記ドレイン弁の位置を制御するドレインコントローラと、を備え、前記ドレインコントローラは、前記流体回収トラフ内の電解液のレベルが目標電解液レベルを下回らないように動作し、これにより、前記戻し管内に実質的にガスが入らないようにする、装置。
【外国語明細書】
2014132115000001.pdf