CN101275267B - 改良厚度均匀性的电镀装置与电镀方法 - Google Patents

Abstract

一种电镀装置，可产生厚度均匀性大于95％的镀层，该装置包含：电镀槽，内含电镀液；阳极，浸没于该电镀液内；阴极夹具，用以固定待镀工件及传递电力；导流板，呈中空圆盘状且设置于该阴极夹具与该阳极之间，其上设有多个孔洞，该导流板用以导引该电镀液的方向；以及辅助阴极，设置于待镀工件的左右侧，且与待镀工件保持大于1μm的适当距离。本发明的电镀装置尤其适用于期望镀层厚度在50～200μm的范围内的制程。同时公开了利用上述电镀装置的电镀方法。

Description

改良厚度均匀性的电镀装置与电镀方法

技术领域

本发明一般关于电镀制程技术，尤其关于能够产生均匀厚层沉积膜的电镀装置及电镀方法。

背景技术

电镀制程已广泛地运用于各种领域中，除了传统上作为表面处理的方法外，也应用于制作电路板、半导体芯片、LED导电基板、及半导体封装等方面。电镀乃是将待镀工件浸没于含有电镀金属的离子溶液中，使电源与电镀槽内的阴极及阳极(消耗性或非消耗性)电性连接，同时将电镀金属置放于阳极、而待镀工件置放于阴极，通以直流电后便会在待镀工件的表面沉积一金属薄膜层。

由于集成电路制造技术的进步，制造0.25微米以下尺寸的线路为目前金属化制程的主流。随着线路尺寸日益缩小(意谓深宽比逐渐增加)，传统上用来填充组件中的内联机路的化学气相沉积CVD或物理气相沉积PVD法已不适用于此系统，但电镀技术却可有效率地完成将导电物质填充于具有微小尺寸线路的基板的任务。因此，目前就半导体制程而言，电镀技术实为一项重要应用技术，与电镀相关的文献或专利文件也大多针对半导体制程。

镀层的厚度均匀性(U)向来为评估电镀效能的重要指标。影响厚度均匀性的因子大致上可分为物理性及化学性两类，前者包含待镀工件的表面形状及表面积、电镀液温度、电镀液混合性、电极间的距离、是否使用遮蔽件(shield)、电极材料等；后者包含电镀液组成及浓度、添加剂种类等。特别地是，由于电镀是以阴阳离子(电荷)移动为媒介的电化学反应，电镀液的流场分布(电流密度)尤为重要。实际上，待镀工件在凸部区域电流密集而在凹部区域电流松散，如此极易形成厚度不均匀的镀层。

近年来，因考虑半导体产业的制程经济效益，增大晶圆尺寸实为一无法避免的趋势，然而对于更大尺寸的晶圆或基板，沉积膜层的厚度均匀性更加难以控制。为解决较大尺寸基板的镀层均匀性不佳的问题，1998年12月4日提出申请的美国专利US 6,103,085即揭露了一种改良喷流型(fountain-type)电镀设备，其是通过在阴极与阳极之间置放具有整流作用的扩散器构件(diffusermember)，其上包含特殊排列设计的开口，用以防止电解质的通道效应(channeling effect)，因而获得均匀的镀层。

此外，2002年11月26日提出申请的美国专利US 6,802,950揭露了一种可控制电镀均匀性的方法与设备，其中是通过在阴极、阳极之间设置上述的绝缘遮蔽件来改变电镀时的电流分布。因为电沉积速率与电场的特性有关，故金属镀层的厚度均匀性可由遮蔽件的尺寸及其开口尺寸两方面进行调整。

半导体制程所用的电镀设备通常价格昂贵，此状况有部分是由于半导体制程中的电镀膜层一般为厚度在50μm以下的薄层镀膜，故需要在电镀期间对整体基板进行更精确的镀层厚度均匀性的控制，因而无可避免地增加了设备所包含的硬件数量、复杂性及成本。对于某些要求较大镀层厚度的制程而言，若使用如上述等专为半导体制程所开发设计的电镀设备，耗费成本势必更大。

有鉴于此，亟需提供容易扩充及安装、具有成本效益、镀层均匀性佳、且尤其适合所需镀层厚度在约50μm～200μm的范围(例如微机电系统或LED基板的镀层)的电镀装置及方法，以满足制程的经济效益。本发明通过同时利用辅助阴极及遮蔽件(即下文所称的导流板)，以满足上述制程需求。

发明内容

本发明的一目的在于提供一种能够产生厚度均匀性达95％以上的镀层的电镀装置，该装置包含：电镀槽，具有底座，该底座内部具有输送电镀液的通道，在该底座的上表面设有开口，以使该电镀液流入该电镀槽内；阳极，浸没于该电镀液内，该阳极是具有网状或多孔状的篮筐，该阳极的截面形状是对应于待镀工件的形状；导流板，呈中空圆盘状，且设置于该阴极与该阳极之间，其上设有复数个孔洞，该导流板是用以导引该电镀液的方向；阴极夹具，用以固定待镀工件及传递电力，并且能够旋转，该阴极夹具是以导电材料为主体，外围则包覆具稳定化学性质的非导电材料；以及辅助阴极，位于待镀工件的左右侧并嵌埋于阴极夹具内，该辅助阴极的形状为圆形，且与该待镀工件保持大于1μm的距离。

根据本发明的一实施例，该导流板上的复数个直径大于1μm的孔洞具有相同尺寸，且等间隔式地环绕着该中空部分的外围。

根据本发明的另一实施例，该导流板上的复数个直径大于1μm的孔洞具有两不同尺寸，各自以不同半径、等间隔式地环绕着该中空部分的外围。本发明的另一目的在于提供一种能够产生厚度均匀性达95％以上的镀层的电镀方法，该方法包含下列步骤：提供一待镀工件；提供包含下列组件的电镀装置：电镀槽，具有底座，该底座内部具有输送电镀液的通道，在该底座的上表面设有开口，以使该电镀液流入该电镀槽内；电极，包含阴极与阳极，其中该阳极浸没于该电镀液内，该阳极是具有网状或多孔状的篮筐，在该篮筐内放置电镀制程所需的金属；导流板，呈中空圆盘状且设置于该阴极与该阳极之间，其上设有复数个孔洞；辅助阴极，设置于待镀工件的左右侧并嵌埋于阴极夹具内，且与待镀工件保持一适当距离，该阴极夹具是以导电材料为主体，外围则包覆具稳定化学性质的非导电材料；将待镀工件固定于该电镀装置的该阴极夹具上；适当地调整待镀工件与该辅助阴极之间的距离、该阴极夹具与该导流板之间的距离、及该导流板与该阳极之间的距离，从而使前述三个距离均大于1μm；连接电源开始进行电镀，并且旋转该阴极夹具，以在待镀工件上形成一层实质上均匀的镀层。

本发明的其余特征及优点将由下列说明、较佳实施例及图式而变得更清楚明显。

附图说明

图1为本发明中具有导流板及辅助阴极的电镀装置；

图2为图1所示的电镀装置的电镀液流动情形；

图3为导流板的轮廓及沿直径部份的截面图；

图4为本发明实施例中的圆盘形导流板样式；

图5为本发明实施例中的阳极钛篮(titanium basket)的截面形状范例；

图6A、6B、6C、6D为本发明实施例中，利用具不同孔洞分布样式的导流板的电镀厚度结果及根据该结果所计算出的均匀性；

图7为本发明实施例中阴极夹具的形状及其与辅助阴极、芯片之间的位置关系；

图8A、8B分别为无辅助阴极及加装辅助阴极时的电力线分布示意图。

图中，

1001    电镀槽    1002    阳极

1003          阴极夹具        1004          导流板

1004a         简易型导流板    1004b，1004c  圆盘型导流板

1005          辅助阴极        1006          基板(芯片)

1007a至1007c  阳极截面形状    1008          底座

具体实施方式

以下将参照相关图式，说明根据本发明较佳实施例的电镀装置及电镀方法，其中相同的组件以相同的参照符号加以表示。

参照图1，本发明的电镀装置包含电镀槽1001、阴极夹具1003、辅助阴极1005、阳极1002、导流板1004(也称为遮蔽件)、使阴极夹具旋转的电源(未图示)以及使电镀槽通电的电路(未图标)。电镀槽1001主要是用于盛装电镀液，其可具有一底座1008；该底座内部除了具有输送电镀液的通道外，上表面并设有开口(孔径为d2)，以使电镀液流入槽内。电镀液经泵浦自槽外抽取后，经由底座1008的通道而自其上表面的开口进入槽内，往阴极方向流动。须注意：底座上的开口的分布情形、尺寸、及数量均可影响电镀液的流场，间接影响电镀的厚度均匀性，然此部分并非本发明的重点。

阴极夹具1003的主体结构是由导电材料所制成，例如钛、不锈钢、铜、镍等金属；外围则以耐酸碱的非导电材料进行包覆，例如聚丙烯、聚氯乙烯、铁氟龙等，其功用在于固定并传递电力至待镀工件1006(通常是芯片或基板)。在电镀期间，阴极夹具1003可依需要而旋转，以便得到更均匀的镀层。图7为阴极夹具1003与辅助阴极1005、芯片1006的局部示意图。

若使用现有的电镀设备，通常会因为芯片边缘部分的电力线较密集(见图8A)，而使得镀层在边缘处隆起，导致其厚度的均匀性不佳。本发明的辅助阴极1005的功用即在于分散芯片边缘部分的电力线(如图8B所示)，藉此减轻边缘隆起的效应。辅助阴极1005是位于待镀工件(芯片)1006的周围，其可嵌埋于阴极夹具1003内(如图1所示)或者可独立外接电源，至于其形状则可依提升芯片的镀层均匀性为目的加以设计，例如为圆形、矩形薄板或其它对称形状。

构成阳极1002的材料较佳为纯钛或镀铂的钛金属，然而并不限于此，可考虑整体电镀系统的需要加以选择。阳极的截面形状可对应于阴极的形状，例如为三角形、矩形、五边形(分别如图5所示的1007a～1007c)，也可为其它规则或不规则形状。通常阳极是以网状或多孔状篮筐方式呈现，以便于在篮筐内放置电镀制程所需的金属。

图3显示简易型导流板1004a(即仅具有中空部份)的截面示意图。导流板为中空状的功用在于导引电镀液的喷流方向至阴极处，进而影响镀层均匀性，故其位置在阳极1002与阴极夹具1003之间。图4为其它形式的导流板的范例。如图4所示，圆盘形导流板1004b及1004c上设有复数个孔洞，孔洞的尺寸、分布位置、及数目均为影响镀液喷流方向的重要因子。中空部份的直径并无特殊限制，一般而言须配合芯片的尺寸，在本发明中，中空部份的直径d为35～55mm。在本发明的一实施例中，是将导流板设计成如图4的1004b所示，即孔洞皆具有相同尺寸，但是排列成锯齿状而环绕于中空部份周围；在本发明的另一实施例中，是将导流板设计成如1004c所示，即两不同直径的孔洞以锯齿状交错排列而环绕在中空部份周围。

较佳的状况为导流板以螺栓等零件固定于电镀槽的侧壁。通以1～1.5安培的电镀电流后，开始在阴极的芯片外层形成镀膜。达到电镀终点后，测量芯片上沿直径的任两正交方向的镀层厚度，并依下式计算厚度均匀性U(％)：

在本实施例中，芯片尺寸D为2”，测量厚度时的量测点即位于图6A中编号1～9处，且结果如图6B、6C、6D所示，其中图6B是显示在使用简易型导流板1004a时的厚度分布情形，而图6C、6D则分别为使用其它两导流板1004b及1004c时的情形。为显示电镀结果的再现性并确认厚度均匀性的计算方式的可靠性，此处预先以如1004a的简易型导流板安装于本发明的电镀装置内，进行四次相同操作条件的电镀实验，接着测量并记录在指定点处的镀层厚度，之后依上式计算各次实验的厚度均匀性，结果分别为97.92％，98.23％，98.22％，97.96％(见图6B)。由上述实施例可知：本发明的导流板及辅助阴极两者的组合设计，确实能够轻易地达成将较厚镀层的厚度均匀性控制在95％以上的目的；且此装置的安装方式极为简单，并不需要额外加装昂贵的硬件，原有的电镀装置仍可继续使用，实为一具有经济效益的设计方式。

当然，本发明也可依照上述的实施例所教示的概念，提供简易且高效率的厚层镀膜的电镀方法。换言之，主要通过导流板及辅助阴极的组合，另外再适当地调整阴极夹具与导流板之间的距离(h)、导流板与阳极之间的距离(H)、及芯片与辅助阴极之间的距离(d1)，即可达成镀层均匀性大于95％的目的。导流板上的孔洞数目、分布、直径均可依需要而设计或调整，以期更提升电镀的效能。

以上是以本发明的较佳实施例对本发明的技术特征进行的具体说明，唯其仅作为示例而非限制；换言之，熟悉此项技术的技术人员在不脱离本发明的真实精神与新颖启示的情况下，可对本发明进行各种修改及变化，而这些修改及变化皆应涵盖于权利要求所包护的范围中。

Claims (12)

1.一种电镀装置，其特征在于，包含：

电镀槽，具有底座，该底座内部具有输送电镀液的通道，在该底座的上表面设有开口，以使该电镀液流入该电镀槽内；

阳极，浸没于该电镀液内，该阳极是具有网状或多孔状的篮筐，该阳极的截面形状是对应于待镀工件的形状；

阴极夹具，用以固定待镀工件及传递电力，并且能够旋转，该阴极夹具是以导电材料为主体，外围则包覆具稳定化学性质的非导电材料；

导流板，呈中空圆盘状且设置于该阴极夹具与该阳极之间，其上设有复数个孔洞，该导流板是用以导引该电镀液的方向；以及

辅助阴极，设置于该待镀工件的左右侧并嵌埋于该阴极夹具内，该辅助阴极的形状为圆形，且与该待镀工件保持大于1μm的距离。

2.根据权利要求1所述的电镀装置，其特征在于，该阳极为由网状或多孔型纯钛或镀铂的钛金属所制成的钛篮。

3.根据权利要求2所述的电镀装置，其特征在于，该钛篮是供放置电镀所需的金属。

4.根据权利要求1所述的电镀装置，其特征在于，该辅助阴极是由导电材料所制成。

5.根据权利要求1所述的电镀装置，其特征在于，该导电材料包含钛、铜、镍、不锈钢，而该非导电材料包含聚丙烯、聚氯乙烯、铁氟龙。

6.根据权利要求1所述的电镀装置，其特征在于，该阴极夹具与该导流板之间保持大于1μm的距离。

7.根据权利要求1所述的电镀装置，其特征在于，该导流板与该阳极之间保持大于1μm的距离。

8.根据权利要求1所述的电镀装置，其特征在于，该导流板上的中空圆盘的直径介于35～55mm，且该复数个孔洞可具有相同或不同孔径，其孔径皆大于1μm。

9.一种电镀方法，能够改良镀层的厚度均匀性，其特征在于，该方法包含下列步骤：

提供一待镀工件；

提供包含下列组件的电镀装置：电镀槽，具有底座，该底座内部具有输送电镀液的通道，在该底座的上表面设有开口，以使该电镀液流入该电镀槽内；电极，包含阴极与阳极，其中该阳极浸没于该电镀液内，该阳极是具有网状或多孔状的篮筐，在该篮筐内放置电镀制程所需的金属；导流板，呈中空圆盘状且设置于该阴极与该阳极之间，其上设有复数个孔洞；辅助阴极，设置于该待镀工件的左右侧并嵌埋于阴极夹具内，且与该待镀工件保持一距离，该阴极夹具是以导电材料为主体，外围则包覆具稳定化学性质的非导电材料；

将该待镀工件固定于该电镀装置的该阴极夹具上；

调整该阴极夹具与该导流板之间的距离及该导流板与该阳极之间的距离，从而使其均大于1μm；

连接电源开始进行电镀，并且旋转该阴极夹具，以在该待镀工件上形成一实质上均匀的镀层。

10.根据权利要求9所述的电镀方法，其特征在于，该辅助阴极与该待镀工件之间所保持的该距离大于1μm。

11.根据权利要求9所述的电镀方法，其特征在于，该阳极的截面形状是对应于待镀工件的形状。

12.根据权利要求9所述的电镀方法，其特征在于，该方法包含调整该导流板的孔径尺寸、孔洞分布、及孔洞数目至少其中一者。

Images