JP2005248277A - メッキ装置の電極構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体ウエハのような被メッキ基板の全表面にわたって膜厚が均一なメッキ膜を形成できるメッキ装置の電極構造を提供する。
【解決手段】 被メッキ基板と、基板を把持し基板とで形成する平皿状空間内部に電解メッキ液が供給される基板把持具と、前記空間内において被メッキ基板と所定の間隔をもって対向配置される保持具に保持されて電解メッキ液中へ浸漬される電解メッキ液量節減用の液中浸漬体と、液中浸漬体の上に前記基板と所定の間隔をもって対向配置される対向電極と、基板の周面に対して配置される通電電極とを有するメッキ装置の電極構造において、液中浸漬体及び対向電極の直径が液中基板の有効直径と同一か又は大きく、被メッキ基板への通電電極の給電接点が電解メッキ液中の基板把持具の端部に設置され、被メッキ基板の内側の周囲端部に接続しているメッキ装置の電極構造。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体ウエハ等の被メッキ基板にメッキを施すメッキ装置に関し、詳細には被メッキ基板の表面全体に均一な膜厚のメッキ膜を形成できるメッキ装置の電極構造に関する。

近年、半導体デバイスの高集積化が進むにつれて回路の配線が微細化し、配線間距離もより狭くなりつつある。特に線幅が０．５μｍ以下の光リソグラフィの場合、許容される焦点深度が浅くなるためステッパーの結像面の平坦度を必要とする。そこで、半導体ウエハの表面を平坦化することが必要となるが、この平坦化法の一手段として化学機械研磨（ＣＭＰ）装置により研磨することが広く行われている。

しかしながら、ＣＭＰに先立って、半導体ウエハ等の表面に配線用の微細な溝や穴等が形成された被メッキ基板の該溝や穴等を埋めるのに、銅メッキ等の金属メッキによって埋める手法が採用されているが、この際にメッキ膜厚を均一に形成することが重要である。
このような微細化、多層構造化が行われるＬＳＩ用半導体素子向けの均一メッキ膜圧を得られる半導体ウエハのメッキ装置として、図４に示すメッキ装置が提案されている。

このメッキ装置は、ウエハ基板１上に電解メッキ法によってＣｕ膜をメッキする装置である。メッキ装置２１は、図４に示すように、半導体ウエハ１を上向きにチャックするウエハチャック１１と、半導体ウエハ１に被せられて開放面が閉塞されるメッキカップ１２と、半導体ウエハ１とメッキカップ１２とをシーリングするシール部材７と、メッキカップ１２内に半導体ウエハ１と所定間隔で対向配置される対向電極１０とからなる。また、メッキ装置２１は、電源１３が配設され、この電源１３によって半導体ウエハ１を陰極として、対向電極１０を陽極として電流が供給される。そして、半導体ウエハ１で閉塞されたメッキカップ１２内に電解メッキ液８が供給され、このメッキカップ１２内の電解メッキ液８を介して通電することによってウエハ表面上にＣｕ膜が成膜される。
このようなメッキ装置２１においては、半導体ウエハ１の導電部（図示省略）に対する機械的接触によって半導体ウエハ１に通電する。

しかしながら、図４に示すような従来のメッキ装置においては、半導体ウエハのような被メッキ基板に対して多量の電解メッキ液を必要とし、たとえ均一な膜厚のメッキ膜が形成されたとしても不経済であるという問題点があった。

そこで、このような不経済性を解消するメッキ装置として、図３に示すメッキ装置が提案される。このメッキ装置２１は、図３に示すように、上向きに置かれた半導体ウエハ１の周縁上に環状の、金属製の芯材９にフッ素ゴムのような弾性と耐薬品性を有する合成ゴムや合材樹脂材料からなるゴム様のシーリング材７で被覆形成されたパッキング性を有する枠体２２と、該枠体２２と半導体ウエハ１で形成される平皿形空間状メッキ容器に入れられた電解メッキ液８中へ浸漬され、電解メッキ液８の液面を上昇させて必要な電解メッキ液量を節減させる液中浸漬体４と、この液中浸漬体４を電解メッキ液８中へ強制的に浸漬させるためにシールドゴム環５を介して液中浸漬体４を保持する保持具３と、前記半導体ウエハ１と所定間隔で対向配置される液中浸漬体４の上に、半導体ウエハ１の表面と平行に、好ましくは液中浸漬体４に付着されて対向配置される対向電極１０とからなる。

液中浸漬体４は、例えば連続気泡型の多孔質セラミックからつくられ、それは非導電性であるため抵抗体の作用をし、各所に連続気泡中のメッキ液の長い液路を形成し、電気抵抗を平均的に高めることにより、ウエハのメッキ膜厚分布を均一化することができる。もし、対向電極であるアノードとウエハにつながる給電接点との間の電気抵抗が低いと、電流は給電接点側（ウエハ外周）に集中する。これはウエハ表面についているシード膜の抵抗が高いためで、均一にするためには、シード膜の抵抗より高い抵抗体をアノードとウエハの間に入れる必要があり、この作用をしているのが液中浸漬体（含浸体）４ということになる。

このメッキ装置２１においては、電源（図示省略）から半導体ウエハ１の導電部（図示省略）へ電流を供給する給電接点６は、枠体２２のパッキン部２３の外側で、このパッキング部２３より外側へ突出している半導体ウエハ１の外周部に、パッキング部２３の弾性力により接触させられ、半導体ウエハ１の導電部と給電接点６は電気的に接続される。また、パッキング部２３の先端は被メッキ基板である半導体ウエハ１の表面に押圧されて密着し、電解メッキ液８がパッキング部２３、ひいては枠体２２の外側へ漏出するのを防ぎ、給電接点６が電解メッキ液８に曝されない構造となっている。

図３のメッキ装置では、液中浸漬体４を保持具３を用いて強制的に電解メッキ液中に浸漬することにより、電解メッキ液８の液面を上昇させることにより、電解メッキ液量を図４に示す従来のメッキ装置に比べて大幅に節減することができる。
しかしながら、図３より明らかなように、半導体ウエハ１の周縁部は枠体２２のパッキング部２３の外部へ突出しており、このため周縁部は電解メッキ液８に触れることがないため、半導体ウエハ１のメッキ面積が小さくなる。それにより半導体ウエハ１の利用効率が低いものとなる。

その上、液中浸漬体４の直径は半導体ウエハ１の直径より可成り小さい。そのため半導体ウエハ１の枠体２２のパッキング部２３内の電解メッキ液８が存在する領域においても、図３に見られるように、対向電極１０が存在しない領域の下の半導体ウエハ１の周縁付近の部分は、メッキがほとんど行われないか、行われても液中浸漬体４、すなわち対向電極１０からはみ出した半導体ウエハ１の表面上には、上記電極等の下の部分に比べてメッキは不十分にしか行われないものとなるため、その部分は製品には利用されないことになり、すなわちメッキ有効面積が狭くなるという欠点があった。

さらに、枠体２２を半導体ウエハ１に密着させるために、半導体ウエハ１の枠体２２に対応する下面側にはウエハチャック及び環状体が存在し、これを前記枠体２２とクランプさせて枠体２２のパッキング部２３を半導体ウエハ１に密着させるようにしている（図示は省略する）。このため、半導体ウエハ１の外周部には無理な力がかかり、その結果クランプ時に半導体ウエハ１にそりが生じ、均一膜厚のメッキ膜の形成を妨害するという欠点があった。

本発明は、このような従来の欠点を解消して、被メッキ基板にメッキをする際に、無駄な部分が生じることかなく、しかも均一膜厚のメッキ膜が形成できるようにすることを課題とするものであり、電解メッキ液の大幅な節減ができるとともに、半導体ウエハのような被メッキ基板の全表面にわたって膜厚が均一なメッキ膜を形成できるメッキ装置の電極構造を提供することを目的とする。

本発明者等は上記の目的を達成するために鋭意研究を行い、被メッキ基板と同一直径の液中浸漬体を用いれば、被メッキ基板の中心から外縁に至る全表面上に膜厚が均一なメッキ膜を形成できることを見出し、かかる知見に基づいて本発明に到達した。

すなわち、本発明は、下記の手段により上記の課題を解決した。
（１）被メッキ基板と、前記基板を把持し前記基板とで形成する平皿状空間内部に電解メッキ液が供給される基板把持具と、前記空間内において被メッキ基板と所定の間隔をもって対向配置される保持具に保持されて電解メッキ液中へ浸漬される電解メッキ液量節減用の液中浸漬体と、液中浸漬体の上に前記基板と所定の間隔をもって対向配置される対向電極と、前記基板の周面に対して配置される通電電極とを有するメッキ装置の電極構造において、液中浸漬体及び対向電極の直径が液中基板の有効直径と同一か又は大きく、被メッキ基板への通電電極の給電接点が電解メッキ液中の基板把持具の端部に設置され、被メッキ基板の内側の周囲端部に接続していることを特徴とするメッキ装置の電極構造。

（２）通電電極の給電接点が、基板把持具の端部に固定ピンとして設置されていることを特徴とする前記（１）記載の電極構造。
（３）通電電極の給電接点が、基板把持具の端部で被メッキ基板のベベル面に向かい合う斜面に設置されていることを特徴とする前記（１）記載の電極構造。
（４）被メッキ基板と基板把持具とが、被メッキ基板の裏面でシール材によりシールされていることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれか１項に記載の電極構造。
（５）液中浸漬体が、連続気泡型の非導電性発泡体であることを特徴とする前記（１）〜（４）のいずれか１項に記載の電極構造。

本発明によれば、メッキ装置として従来は被メッキ基板の把持装置として考えられていたウエハチャックもしくはメッキ治具と称せられるものを、多少リングの高さを高くした程度のものを電解メッキ装置のメッキ液収容部として採用したもので、もともと電解メッキ液の必要量を被メッキ基板に対して大幅に低減できるものである。
その上、液中浸漬体を電解メッキ液中に浸漬してメッキ操作を行うように形成されているので、この液中浸漬体により排除される分、電解メッキ液量を更に節減できるという効果を奏する。メッキ液量の使用量が少ないので、循環使用もよいが、使いきりとすることも可能である。

また、メッキ容器を形成する基板把持具が被メッキ基板をその外周から把持するものであるから、被メッキ基板の全表面が電解メッキ液と接触することになる。
さらに、液中浸漬体の上にはアノードとなる対向電極が設けられ、液中浸漬体を間にして被メッキ基板をカソードとして通電することにより被メッキ基板にメッキを形成する。液中浸漬体及び対向電極の直径を被メッキ基板の有効直径と同一か又は大きく形成しているので、被メッキ基板のメッキ有効面積を広くすることができる。この液中浸漬体４は、例えば連続気泡型の多孔質セラミックからつくられ、それは非導電性であるため抵抗体の作用をし、各所に連続気泡中のメッキ液の長い液路を形成し、電気抵抗を平均的に高めることにより、被メッキ基板の全表面上に膜厚が均一なメッキ膜を形成することができる。メッキとして銅メッキをする場合には、対向電極は銅板である。なお、前記した「被メッキ基板の有効直径」とは、メッキ液と基板が接触する基板の外周部端の直径である。

さらに、この場合従来メッキ液中に設けると腐食などの問題があると考えられた給電接点を電気メッキ液中に設置しているが、被メッキ基板の外周に接して設ける給電接点については、電気メッキ液に触れる周囲の部分に非導電性で耐食性の皮膜を設けて保護することにより、通電電極となる導電性の基板把持具との間に簡単に電流が流せ、電極構造を単純化させることができる。ウエハと直接接触する給電接点の部分は保護皮膜を施せないので、その箇所にメッキが徐々に成長するが、それは例えばメッキ液中で逆電解をするなどの手段で除くことができる。
しかも、このような電極構造では、被メッキ基板が上下方向からクランプされ、その応力により撓んでそりを生じることがないので、通電状態が安定し、均一膜厚のメッキ膜を安定的に生成することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明は、これらの実施の形態により何等制限されるものではない。
なお、図３及び図４で示した構成要素と同一部分は同一符号を用いて示す。

図１は、本発明のメッキ装置の電極構造の第１の実施形態を説明するための主要部の部分断面図である。
このメッキ装置は、高速化、低消費電力化に応えるために、微細化、多層構造化が行われるＬＳＩ用半導体素子向け半導体ウエハ基板に、電解メッキ法によってＣｕ膜をメッキする装置である。メッキ装置２１は、図１に示すように、半導体ウエハ１を上向きに把持する基板把持具２と、該基板把持具２と半導体ウエハ１で形成されるメッキ液容器となる平皿状空間と、該空間中に収容される電解メッキ液８を排除するために、かつ半導体ウエハ１と所定間隔で対向配置されるように浸漬される液中浸漬体４と、この液中浸漬体４を電解メッキ液８中へ強制的に浸漬するためにシールドゴム環５を介して液中浸漬体４を保持する保持具３と、前記平皿状空間内に好ましくは液中浸漬体４の上面に付着された対向電極１０と、半導体ウエハ１の裏面で半導体ウエハ１と基板把持具２との間隙をシーリングするシール部材７とからなる。

このように構成されたメッキ装置２１においては、電源から半導体ウエハ１の導電部へ通電するための給電接点６が、基板把持具２の電解メッキ液８中へ突出した突出部２４に固定ピン状に設置される。そして、給電接点６は半導体ウエハ１の表面の周縁端部に接触して、半導体ウエハ１に対して給電を行う。この構造により、半導体ウエハ１の表面の周縁端部を除いた広い面積にメッキがなされることが可能となる。給電接点６は、電解メッキ液８中で半導体ウエハ１の表面の周縁端部に接触することになるが、耐食性皮膜を設けるか、耐食性材料を使用すればよい。給電接点６は、図３の場合に比して非常に短い部材ですむ。給電接点６はピン状ではなく、基板把持具２の内周全部に連続したリング状に形成してもよい。
こうして、このメッキ装置２１においては、前記の電源（図示省略）によって半導体ウエハ１をカソードとして、対向電極１０をアノードとして電流が供給される。そして、半導体ウエハ１と基板把持具２で閉塞されて形成された平皿型空間内に電極メッキ液８が供給され、この平皿型空間内の電解メッキ液８を介して通電することによって半導体ウエハ１表面上にＣｕ膜が形成される。

このようなメッキ装置２１において、液中浸漬体４は、被メッキ基板である半導体ウエハ１と基板把持具２とで形成される平皿状空間を構成するメッキ液容器中に収容される電解メッキ液８の量を節減する目的を達成できるものであることが必要である。また、液中浸漬体４は、例えば連続気泡型の多孔質セラミックからつくられ、それは非導電性であるため抵抗体の作用をし、各所に連続気泡中のメッキ液の長い液路を形成し、電気抵抗を平均的に高めることにより、ウエハのメッキ膜厚分布を均一化することができる。これはウエハ表面についているシード膜の抵抗が高いためで、均一にするためには、シード膜の抵抗より高い抵抗体をアノードとウエハの間に入れる必要があり、液中浸漬体（含浸体）４がこの作用をしている。その材質はセラミックス、合成樹脂、ゴム等が好適である。ある程度の軽量化が求められている場合には、発泡体とすることができるが、メッキ液に耐えるものでなければならない。

また、被メッキ基板である半導体ウエハ１と基板把持具２とで形成される平皿状空間を構成するメッキ容器内の電解メッキ液８の漏出を防止すめために、上記半導体ウエハと基板把持具２との対向する間隙に当接、充填するシール部材７としては、合成ゴム、合成樹脂などの弾性材料が好適に使用される。特に優れた弾性反発力、耐熱性及び耐薬品性を有するフッ素ゴムが最も好ましく使用される。
フッ素ゴムとしては、六フッ化プロピレン、三フッ化塩化エチレンとフッ化ビニリデンとの共重合体系、テトラフルオロエチレン・プロピレン共重合体系、フッ化アクリート系、フッ化ポリエステル系、フォスファゼン系が例示される。

次に、メッキ装置２１における半導体ウエハ１への通電手段について説明する。
メッキ装置２１においては、上記したように基板把持具２によって半導体ウエハ１がその外周を保持される。そして、メッキ装置２１では、この電極である基板把持具２の突出部２４に設置された複数の固定ピン形の給電接点６、６…が半導体ウエハ１の間にあって、接触によって半導体ウエハ１に通電する。給電接点６は、半導体ウエハ１の外周を囲んで設けられ、半導体ウエハ１の全周にわたる接触エリアにおいて、半導体ウエハ１の外周部表面に形成された導電部（図示省略）と点接触、あるいは線接触で接触する複数の接点が等間隔で配設されている。

上記したように、半導体ウエハ１の外周を把持する基板把持具２と、この基板把持具２の突出部２４と半導体ウエハ１の外周部表面の導電部との間に配設された給電接点６とによって通電部が構成されるので、当然のことながら基板把持具２は導電性材料、好ましくは金属で製造されたものでなければならない。基板把持具２は、半導体ウエハ１の表面上に十分の突き出し高さで、電解メッキ液８が液中浸漬体４で排除されて液面が上昇した際も、電解メッキ液８を十分な余裕を持って収容できる高さを有しており、内側の側壁がテーパー状に形成されている。このテーパー面の下端に固定ピン形の給電接点６を配設するための突出部２４が形成されている。給電接点６は、金、銀、白金等のＣｕよりも貴な金属材料、または銅などにより形成される。

メッキ装置２１は、半導体ウエハ１を基板把持具２が保持したときに、半導体ウエハ１の外周部表面の導電部と給電接点とが接触することによって、半導体ウエハ１の外周側から導電部を介して半導体ウエハ１の表面に通電する。

メッキ装置２１においては、半導体ウエハ１の表面（被メッキ面）への通電を、半導体ウエハ１の外周側から、かつ等間隔で複数配設された接点６により行うことで、安定して均等な電流密度分布で通電が可能となる。したがって、メッキ装置２１では、電解メッキにて均一な膜厚のＣｕ膜を被メッキ基板（ウエハ）１上に形成することができる。

しかも、図３に示すメッキ装置のように、枠体のパッキングを半導体ウエハに密着させるために、ウエハチャックや環状体を半導体ウエハの反対側に配設して、これらをクランプさせることにより密着させる必要がないので、半導体ウエハ１が歪んだりそったりするおそれがなく、従って半導体ウエハ１の全表面にわたって均一な膜厚のメッキ膜を形成させることができる。
さらに、液中浸漬体４及び対向電極１０の直径と半導体ウエハ１の有効直径が同一か又は大きいこと、及び半導体ウエハ１の全表面上に電解メッキ液８が存在することにより、メッキ有効面積が図３の従来のメッキ装置に比べて広くなるとともに、半導体ウエハ１の全表面にわたって均一な膜厚のメッキ膜を形成することができる。

続いて図２に、本発明のメッキ装置の電極構造の第２の実施形態を説明するために、主要部の部分断面図を示す。
このメッキ装置２１は、半導体ウエハ１と基板把持具２との電気的接続部が、図１に示すメッキ装置と違うだけで、外の構成要素は同一であるので、この部分の説明は省略して電気的接続を行う部分についてだけ説明を行う。

図２において、通電部は、半導体ウエハ１の外周を把持する基板把持具２と、この基板把持具２に配設された給電接点６とからなる。この給電接点６は半導体ウエハ１のベベル部（外周側面上部）１６と接触させるためのものである。そして、図２から明らかなように、基板把持具２は、内側の側壁が単純にテーパー状に構成されているだけで、図１の場合に比べて構造が単純化されている。給電接点６は基板把持具２の前記テーパー状部の表面に設置させるのが好ましいが、独立した部片のリング状体として半導体ウエハ１のベベル部１６の上に載置して、組み立てたときに両者の間に電気的接続が形成するようにすることもできる。

しかも、給電接点６も、環状の基板把持具２のテーパー面に等間隔に複数配設されているだけでよい。そして、半導体ウエハ１の導電部も半導体素子において平坦化が要求される表面でなく、半導体ウエハ１の外周側面上部に形成すれば良いので、平坦化に全く悪影響を及ぼすことがない。
その上、給電接点６も平板状切片に形成し、半導体ウエハ１のベベル部と基板把持具２の下部傾斜面との間に挟持するだけでよく、電気的接続が図１の場合に比べていっそう確実であるという利点もある。

本発明のメッキ装置の電極構造は、被メッキ基板の表面上に均一な膜厚のメッキ膜を形成でき、かつ広いメッキ面積を取れるので、半導体ウエハや石英基板、ガラス基板等のメッキ対象物に均一な金属膜を成膜する必要とする鏡面体製造工業分野のメッキ装置として有用なものである。
しかも、本発明のメッキ装置の電極構造は、被メッキ基板の全表面に均一膜厚のメッキ膜を形成でき、かつ広いメッキ面積を取れるので、小型高性能化、多機能化を要求される電子機器に使用されるＬＳＩ半導体素子の低コストでの製造に特に有用である。

本発明の第１実施態様によるメッキ装置の電極構造の要部概略断面図である。 本発明の第２実施態様によるメッキ装置の電極構造の要部概略断面図である。 電解メッキ液量を節減する従来のメッキ装置の電極構造の要部概略断面図である。 従来のメッキ装置の構成を示す概略図である。

符号の説明

１ 半導体ウエハ
２ 基板把持具
３ 液中浸漬体の保持具
４ 液中浸漬体
５ シールドゴム環
６ 給電接点
７ シーリング材
８ メッキ液
９ 芯材
１０ 対向電極
１１ ウエハチャック
１２ メッキカップ
１３ 電源
１６ ベベル部
２１ メッキ装置
２２ 枠体
２３ パッキング部
２４ 突出部

Claims (5)

1. 被メッキ基板と、前記基板を把持し前記基板とで形成する平皿状空間内部に電解メッキ液が供給される基板把持具と、前記空間内において被メッキ基板と所定の間隔をもって対向配置される保持具に保持されて電解メッキ液中へ浸漬される電解メッキ液量節減用の液中浸漬体と、液中浸漬体の上に前記基板と所定の間隔をもって対向配置される対向電極と、前記基板の周面に対して配置される通電電極とを有するメッキ装置の電極構造において、液中浸漬体及び対向電極の直径が液中基板の有効直径と同一か又は大きく、被メッキ基板への通電電極の給電接点が電解メッキ液中の基板把持具の端部に設置され、被メッキ基板の内側の周囲端部に接続していることを特徴とするメッキ装置の電極構造。
2. 通電電極の給電接点が、基板把持具の端部に固定ピンとして設置されていることを特徴とする請求項１記載の電極構造。
3. 通電電極の給電接点が、基板把持具の端部で被メッキ基板のベベル面に向かい合う斜面に設置されていることを特徴とする請求項１記載の電極構造。
4. 被メッキ基板と基板把持具とが、被メッキ基板の裏面でシール材によりシールされていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電極構造。
5. 液中浸漬体が、連続気泡型の非導電性発泡体であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電極構造。

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