JP2005281753A - 電解加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 被加工物を加工しながら連続的にイオン交換体などの接触部材に取り込まれたイオン等を除去し、電極および接触部材の内部における加工生成物の堆積や析出を抑制して連続的に電解加工を行うことができる電解加工装置を提供する。
【解決手段】 電解加工装置５０は、給電電極７４、イオン交換体７６、加工電極７２、加工用液体供給源８０、再生用液体室９０ａ，９０ｂ、再生用液体供給源９４、再生電極８４を備える。さらに、電解加工装置５０は、給電電極７４と加工電極７２との間に電圧を印加する加工用電源５８と、加工電極７２と再生電極８４との間に電圧を印加する再生用電源９６とを備える。給電電極７４、加工電極７２、再生電極８４の順に電位が構成され、かつ、給電電極７４と加工電極７２の極性が同一になるように加工用電源５８による電圧と再生用電源９６による電圧とを制御する。
【選択図】図４

Description

本発明は、電解加工装置に係り、特に半導体ウェハ等の基板の表面に形成された導電性材料を加工したり、基板の表面に付着した不純物を除去したりするために使用される電解加工装置に関するものである。

近年、半導体ウェハ等の基板上に回路を形成するための配線材料として、アルミニウムまたはアルミニウム合金に代えて、電気抵抗率が低くエレクトロマイグレーション耐性が高い銅（Ｃｕ）を用いる動きが顕著になっている。この種の銅配線は、基板の表面に設けた微細凹みの内部に銅を埋め込むことによって一般に形成される。この銅配線を形成する方法としては、化学気相成長法（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）、スパッタリング、およびめっきといった手法があるが、いずれにしても、基板のほぼ全表面に銅を成膜して、化学機械的研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）により不要の銅を除去するようにしている。

図１（ａ）から図１（ｃ）は、この種の銅配線基板Ｗの一製造例を工程順に示すものである。図１（ａ）に示すように、半導体素子が形成された半導体基材１上の導電層１ａの上にＳｉＯ_２からなる酸化膜やｌｏｗ−ｋ材膜などの絶縁膜２が堆積され、リソグラフィ・エッチング技術によりコンタクトホール３と配線用の溝４が形成されている。これらの上にＴａＮ等からなるバリア膜５、さらにその上に電解めっきの給電層としてスパッタリングやＣＶＤ等によりシード層７が形成されている。

そして、基板Ｗの表面に銅めっきを施すことで、図１（ｂ）に示すように、半導体基材１のコンタクトホール３および溝４内に銅を充填するとともに、絶縁膜２上に銅膜６を堆積する。その後、化学機械的研磨（ＣＭＰ）により、絶縁膜２上の銅膜６を除去して、コンタクトホール３および配線用の溝４に充填させた銅膜６の表面と絶縁膜２の表面とをほぼ同一平面にする。これにより、図１（ｃ）に示すように銅膜６からなる配線が形成される。

最近ではあらゆる機器の構成要素において微細化かつ高精度化が進み、サブミクロン領域での物作りが一般的となるにつれて、加工法自体が材料の特性に与える影響は益々大きくなっている。このような状況下においては、従来の機械加工のように、工具が被加工物を物理的に破壊しながら除去していく加工方法では、加工によって被加工物に多くの欠陥を生み出してしまうため、被加工物の特性が劣化してしまう。したがって、いかに材料の特性を損なうことなく加工を行うことができるかが問題となってくる。

例えば、図１（ｃ）に示すような銅配線については、配線間の容量の増加による信号遅延を抑えるため、絶縁膜の材料として従来から使用されているシリコン酸化膜よりも誘電率の低い材料（ｌｏｗ−ｋ材膜）が使用されつつある。しかしながら、ｌｏｗ−ｋ材膜は密度が低く機械的強度も弱いため、機械的な作用を利用して加工する従来のＣＭＰなどの加工方法では剥離や機械的破壊が発生するなどの問題が生じる。

この問題を解決する手段として開発された特殊加工法に、化学研磨や電解加工、電解研磨がある。これらの加工方法は、従来の物理的な加工とは対照的に、化学的溶解反応を起こすことによって、除去加工等を行うものである。したがって、塑性変形による加工変質層や転位等の欠陥は発生せず、上述の材料の特性を損なわずに加工を行うといった課題が達成される。

最近では、電解加工においてイオン交換体を使用する方法が開発されている。この方法は、図２に示すように、被加工物１０の表面に、加工電極１４に取付けたイオン交換体１２ａと、給電電極１６に取付けたイオン交換体１２ｂとを接触または近接させ、加工電極１４と給電電極１６との間に電源１７を介して電圧を印加しつつ、加工電極１４および給電電極１６と被加工物１０との間に液体供給部１９から超純水等の加工用液体１８を供給して、被加工物１０の表面層の除去加工を行うようにしたものである。

この電解加工方法によれば、超純水等の加工用液体１８中の水分子２０をイオン交換体１２ａ，１２ｂで水酸化物イオン２２と水素イオン２４に解離し、例えば生成された水酸化物イオン２２を、被加工物１０と加工電極１４との間の電界と超純水等の加工用液体１８の流れによって、被加工物１０の加工電極１４と対面する表面に供給して、ここでの被加工物１０近傍の水酸化物イオン２２の密度を高め、被加工物１０の原子１０ａと水酸化物イオン２２を反応させる。反応によって生成された反応物質２６は、超純水等の加工用液体１８中に溶解し、被加工物１０の表面に沿った超純水等の加工用液体１８の流れによって被加工物１０から除去される。

ここで、例えばイオン交換体としてカチオン交換基（陽イオン交換基）を付与したカチオン交換体を使用して銅の電解加工を行うと、銅がカチオン交換基に捕らえられ、カチオン交換基が消費される。このように、銅によるカチオン交換基の消費が進むと、加工電極１４上に加工生成物が析出することにより被加工物１０と加工電極１４との間で短絡が生じて継続的な加工ができなくなる。また、イオン交換体としてアニオン交換基（陰イオン交換基）を付与したアニオン交換体を使用して銅の電解加工を行うと、イオン交換体（アニオン交換体）の表面に銅の酸化物の微粒子が生成されて付着し、加工速度の均一性が損なわれ、また、次の処理基板の表面を汚染するおそれがある。

したがって、イオン交換体を用いた電解加工方法においては、連続的に加工できる加工量は少なく、ある程度加工を行った後、加工を一旦中断し、イオン交換体を交換または再生する必要がある。イオン交換体の再生とは、イオン交換体に捕らえられたイオンを、例えばカチオン交換体の場合は水素イオンに、アニオン交換体の場合は水酸化物イオンにそれぞれ交換することをいう。

このようなイオン交換体の再生方法としては、イオン交換体を薬液に浸漬する方法や電解加工とは反対の電圧をイオン交換体に印加する方法などが知られている（例えば特許文献１参照）。

イオン交換体を薬液に浸漬する方法では、カチオン交換体の場合は酸を、アニオン交換体の場合はアルカリの薬液を用い、これらの薬液にイオン交換体を浸漬することで一般に行われる。例えば、ナトリウムイオンのように、水素イオンとイオン選択係数が近いイオンを捕らえたカチオン交換体においては、酸に浸漬することによって非常に短時間でイオン交換体を再生することができる。一方、イオン選択係数の大きいイオンを捕らえたイオン交換体を酸やアルカリを使用して再生した場合には、イオン交換体の再生速度が非常に遅い。

また、再生後のイオン交換体には、薬液が高い濃度で残留し、このためイオン交換体の洗浄が必要となる。さらに、再生に用いた薬液の処理も必要となる。また、再生用の薬液を溜める再生槽が別途必要になるため、かなり広い設置面積が必要となる。さらに、イオン交換体を再生するために加工を中断する必要があるため、スループットの低下につながってしまう。

電解加工とは反対の電圧をイオン交換体に印加してイオン交換体を再生する方法では、ある程度加工を行った後に、被加工物の代わりに再生電極を加工電極に対向させて、加工時とは逆極性の電圧を印加することによってイオン交換体内に取り込まれた物質を除去する。この方法においてもイオン交換体を再生するために加工を中断する必要があるため、スループットの低下につながってしまう。
特開２００３−１６４７６８号公報

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、被加工物を加工しながら連続的にイオン交換体などの接触部材に取り込まれたイオン等を除去し、電極および接触部材の内部における加工生成物の堆積や析出を抑制して連続的に電解加工を行うことができる電解加工装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の態様によれば、被加工物上の導電性材料を電解加工する電解加工装置が提供される。この電解加工装置は、被加工物に給電する給電電極と、被加工物に接触または近接して配置されるイオン交換体などの接触部材と、被加工物上の導電性材料を電解加工する加工電極と、被加工物と上記接触部材との間に加工用液体を供給する加工用液体供給源とを備える。また、電解加工装置は、上記加工電極を再生用液体に浸漬する再生用液体室と、上記再生用液体室に再生用液体を供給する再生用液体供給源と、上記加工電極から離間して配置された再生電極とを備える。さらに、電解加工装置は、上記給電電極と上記加工電極と上記再生電極とに電圧を印加する電源と、上記電源により上記給電電極と上記加工電極と上記再生電極とに印加される電圧を制御する制御部とを備える。上記制御部は、上記給電電極、上記加工電極、上記再生電極の順に電位が構成され、かつ、上記給電電極と上記加工電極の極性が同一になるように上記電圧を制御する。この場合において、通液性を有する加工電極を用いることもできる。

このように、被加工物に給電電極から給電を行いながら、イオン交換体を被加工物に接触または近接させる。そして、被加工物と加工電極との間に加工用液体を供給しつつ、例えば、加工電極と給電電極との間に第１の電圧を印加し、かつ加工電極と再生電極との間に第２の電圧を印加する。これにより、加工電極による電解加工と再生電極によるイオン交換体の再生を同時に行うことができる。ここで、給電電極と再生電極との間に第１の電圧を印加し、かつ加工電極と再生電極との間に第２の電圧を印加してもよい。あるいは、給電電極と加工電極との間に第１の電圧を印加し、かつ給電電極と再生電極との間に第２の電圧を印加してもよい。

ここで、上記接触部材（イオン交換体）と上記加工電極との間に通液性を有する絶縁部材を配置してもよい。このような構成により、加工に伴ってイオン交換体内に取り込まれたイオン状の加工生成物や不純物イオン等を、通液性を有する絶縁部材を経由して加工電極に向けて電気泳動により移動させ、再生用液体中に溶解させることができる。さらに、再生用液体の流れで系外に排出するか、あるいは電源による電気泳動で再生電極に向けて移動させ、再生電極上で析出させる。このように、通液性を有する絶縁部材を接触部材（イオン交換体）と加工電極との間に配置することによって、加工電極で析出が起こった場合でも、この析出がイオン交換体に伝わることがなくなるので、加工電極と被加工物との短絡が生じなくなる。

加工用液体としては、超純水、純水、電気伝導度が５００μＳ／ｃｍ以下の液体、または電解液であることが好ましい。ここで、超純水は、例えば電気伝導度（１ａｔｍ，２５℃換算値、以下同じ）が０．１μＳ／ｃｍ以下の水で、純水は、例えば電気伝導度が１０μＳ／ｃｍ以下の水である。このように、加工用液体として、純水、より好ましくは超純水を使用して電解加工を行うことで、被加工物の表面に不純物を残さない清浄な加工を行うことができる。このため、加工後の被加工物の表面の洗浄や廃液の処理を簡素化することができる。

また、例えば、純水または超純水に界面活性剤等の添加剤を添加して、電気伝導度が５００μＳ／ｃｍ以下、好ましくは５０μＳ／ｃｍ以下、より好ましくは０．１μＳ／ｃｍ以下にした液体を使用し、液体中にイオンの局所的な集中を防ぐ役割を果たす添加剤を存在させることで、イオンの局所的な集中を抑えることができる。電解液としては、例えば、ＮａＣｌやＮａ_２ＳＯ_４等の中性塩、ＨＣｌやＨ_２ＳＯ_４等の酸、さらにはアンモニア等のアルカリが使用でき、被加工物の特性によって適宜選択して使用することができる。

また、上記接触部材と上記絶縁部材との間に隔壁を配置して加工用液体と再生用液体とを隔離してもよい。このような隔壁はイオン交換膜により構成することができる。このような構成により、加工用液体と再生用液体とを異なる液体とすることができ、再生用液体として、より加工生成物や不純物が析出あるいは堆積しにくいような液体を用いることができる。

また、上記隔壁は、接触部材としてのイオン交換体が陽イオン（カチオン）交換体であるときは、カチオン交換体とし、接触部材としてのイオン交換体が陰イオン（アニオン）交換体であるときは、アニオン交換体とすることが好ましい。このとき、例えば、接触部材としてのカチオン交換体中の陽イオンは、隔壁であるカチオン交換体を通過することが可能で、再生側の再生用液体まで到達し、この再生用液体に溶解し、除去される。同様に、接触部材としてのアニオン交換体中の陰イオンは、隔壁であるアニオン交換体を通過することが可能で、再生側の再生用液体まで到達し、この再生用液体に溶解し、除去される。

また、上記制御部により、上記給電電極、上記加工電極、および上記再生電極の電位、または上記給電電極、上記加工電極、および上記再生電極を流れる電流をさらに制御してもよい。給電電極を流れる電流は加工速度に大きな影響を与え、また加工電極を流れる電流は加工生成物や不純物の析出や堆積のしにくさに大きな影響を与える。したがって、これらの電流を制御することによって、加工速度や、加工生成物や加工生成物や不純物の析出や堆積のしにくさを制御することが可能となる。

例えば、加工生成物や不純物の析出や堆積のしにくさについて説明すると、給電電極を陽極として銅を加工した場合、加工電極が陰極となるように電流を流すと数分の加工で加工電極上に析出物が堆積し、加工電極と給電電極との間で短絡が生じて加工の継続が不可能となる。これに対して、加工電極が陽極（給電電極と同一の極性）となるように電流を流した場合は、加工電極と給電電極との間に短絡を生じさせずに数時間以上電解加工を継続することができる。ここでいう陽極とは、加工用液体に向かって正電荷が流れる電極であり、陰極とは加工用液体から正電荷が流れ込む電極をいう。したがって、加工電極を流れる電流は、加工中は常に同じ方向であること、すなわち加工電極の極性を一定に保つ（給電電極と同一の極性にする）ことが重要であり、そのために電流または電圧を一定に制御することが好ましい。

この場合において、上記加工電極に流れる電流が上記給電電極または上記再生電極に流れる電流の１〜３０％となるように上記加工電極に流れる電流を制御することが好ましい。加工電極に流れる電流が大きいほど、不純物の析出を抑制する効果が大きいが、通常は給電電極または再生電極に流れる電流の１〜３０％で十分である。エネルギーの消費や加工コストも考慮すると、加工電極に流れる電流が、給電電極または再生電極に流れる電流の１％〜１０％であることが好ましく、１〜３％であることがさらに好ましい。

本発明によれば、電解加工を行いながら、イオン交換体などの接触部材からの加工生成物の除去を容易かつ迅速に行い、かつ電極および接触部材の内部における加工生成物の堆積や析出を抑制することができる。したがって、再生を行うために必要とされていた電解加工の停止時間を短縮あるいはなくすことができ、装置の処理効率を向上することができる。

以下、本発明に係る電解加工装置の実施形態について図３および図４を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明では、被加工物として基板を使用し、電解加工装置で基板を加工するようにした例を示しているが、本発明を基板以外にも適用できることは言うまでもない。

図３は、本発明の一実施形態における電解加工装置５０を模式的に示す縦断面図である。図３に示すように、電解加工装置５０は、上下動可能かつ水平方向に揺動自在なアーム５２と、アーム５２の自由端に垂設されて基板Ｗを下向き（フェイスダウン）に吸着保持する基板保持部５４と、基板保持部５４の下方に配置される円板状の電極部５６とを備えている。

アーム５２は、揺動用モータ６０に連結された揺動軸６２の上端に取付けられており、揺動用モータ６０の駆動に伴って水平方向に揺動するようになっている。また、この揺動軸６２は、上下方向に延びるボールねじ６４に連結されており、ボールねじ６４に連結された上下動用モータ６６の駆動に伴ってアーム５２とともに上下動するようになっている。

基板保持部５４は、基板保持部５４で保持した基板Ｗと電極部５６とを相対移動させる第１の駆動部としての自転用モータ６８に接続されており、この自転用モータ６８の駆動に伴って回転（自転）するようになっている。また、上述したように、アーム５２は上下動および水平方向に揺動可能となっており、基板保持部５４はアーム５２と一体となって上下動および水平方向に揺動可能となっている。

電極部５６の下方には、基板Ｗと電極部５６とを相対移動させる第２の駆動部としての中空モータ７０が設置されており、この中空モータ７０の駆動に伴って、基板Ｗと電極部５６とがスクロール運転（並進回転運動）するようになっている。

電極部５６は、例えば扇状の加工電極７２および給電電極７４とこれらの周囲の絶縁体とから構成されている。これらの加工電極７２と給電電極７４とは表面（上面）を露出させて交互に埋設され、これらの加工電極７２と給電電極７４の表面は、イオン交換体７６で一体に覆われている。このように、加工電極７２と給電電極７４とを電極部５６の円周方向に沿って分割して交互に設けることで、基板Ｗの導電体膜（被加工物）等への固定給電部をなくすことができ、基板の全面の加工が可能となる。なお、本実施形態においては、加工電極７２と給電電極７４とを有する電極部５６として、基板保持部５４で保持する基板Ｗの直径よりやや大きな直径を有するものを使用し、電極部５６をスクロール運転させて、基板Ｗの表面全域を同時に電解加工するようにしている。

また、電極部５６のイオン交換体７６は、例えば、アニオン交換能またはカチオン交換能を付与した不織布で構成することができる。カチオン交換体は、好ましくは強酸性カチオン交換基（スルホン酸基）を担持したものであるが、弱酸性カチオン交換基（カルボキシル基）を担持したものでもよい。また、アニオン交換体は、好ましくは強塩基性アニオン交換基（第４級アンモニウム基）を担持したものであるが、弱塩基性アニオン交換基（第３級以下のアミノ基）を担持したものでもよい。

ここで、例えば強塩基アニオン交換能を付与した不織布は、繊維径２０〜５０μｍで空隙率が約９０％のポリオレフィン製の不織布に、γ線を照射した後グラフト重合を行ういわゆる放射線グラフト重合法により、グラフト鎖を導入し、次に導入したグラフト鎖をアミノ化して第４級アンモニウム基を導入して作製される。導入されるイオン交換基の容量は、導入するグラフト鎖の量により決定される。グラフト重合を行うためには、例えばアクリル酸、スチレン、メタクリル酸グリシジル、さらにはスチレンスルホン酸ナトリウム、クロロメチルスチレン等のモノマーを用い、これらのモノマー濃度、反応温度および反応時間を制御することで、重合するグラフト量を制御することができる。したがって、グラフト重合前の素材の重量に対し、グラフト重合後の重量の比をグラフト率と呼ぶが、このグラフト率を最大で５００％とすることが可能であり、グラフト重合後に導入されるイオン交換基の交換容量を最大で５ｍｅｑ／ｇとすることが可能である。

強酸性カチオン交換能を付与した不織布は、例えば、上記強塩基アニオン交換能を付与する方法と同様に、繊維径２０〜５０μｍで空隙率が約９０％のポリオレフィン製の不織布に、γ線を照射した後グラフト重合を行ういわゆる放射線グラフト重合法により、グラフト鎖を導入し、次に導入したグラフト鎖を、例えば加熱した硫酸で処理してスルホン酸基を導入して作製される。また、加熱したリン酸で処理すればリン酸基を導入することができる。ここで、グラフト率は最大で５００％とすることが可能であり、グラフト重合後に導入されるイオン交換基の交換容量を最大で５ｍｅｑ／ｇとすることが可能である。

なお、イオン交換体７６の素材の材質としては、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系高分子、またはその他有機高分子が挙げられる。また、素材形態としては、不織布の他に、織布、シート、多孔質材、短繊維、ネット等が挙げられる。ここで、ポリエチレンやポリプロピレンは、放射線（γ線と電子線）を先に素材に照射する（前照射）ことで、素材にラジカルを発生させ、次にモノマーと反応させてグラフト重合することができる。これにより、均一性が高く、不純物が少ないグラフト鎖ができる。一方、その他の有機高分子は、モノマーを含浸させ、そこに放射線（γ線、電子線、紫外線）を照射（同時照射）することで、ラジカル重合することができる。この場合、均一性に欠けるが、ほとんどの素材に適用できる。

このように、イオン交換体７６をアニオン交換能またはカチオン交換能を付与した不織布で構成することで、通水性を付与できるために、純水または超純水や電解液等の液体が不織布の内部を自由に移動して、液相中のイオンとイオン交換体７６のイオン交換基の間で容易にイオン交換反応が行われる。

ここで、イオン交換体７６をアニオン交換能またはカチオン交換能の一方を付与したもののみで構成すると、電解加工できる被加工材料が制限されるばかりでなく、極性により不純物が生成しやすくなる。そこで、イオン交換体７６を、アニオン交換能を有するアニオン交換体とカチオン交換能を有するカチオン交換体とを同心状に配置して一体構成としてもよい。また、アニオン交換能を有するアニオン交換体とカチオン交換能を有するカチオン交換体とを重ね合わせたり、扇状に形成して、交互に配置したりしてもよい。さらに、イオン交換体７６自体にアニオン交換能とカチオン交換能の双方の交換基を付与するようにしてもよい。このようなイオン交換体としては、アニオン交換基とカチオン交換基を任意に分布させて存在させた両性イオン交換体、カチオン交換基とアニオン交換基を層状に存在させたバイポーライオン交換体、さらにはカチオン交換基が存在する部分とアニオン交換基が存在する部分とを厚さ方向に並列に存在させたモザイクイオン交換体が挙げられる。なお、アニオン交換能またはカチオン交換能の一方を付与したイオン交換体を、被加工材料に合わせて使い分けてもよいことは言うまでもない。

図４は、図３の電解加工装置５０の部分拡大図である。図４に示すように、電極部５６の中央部には貫通孔５６ａが設けられ、この貫通孔５６ａは、中空モータ７０の中空部内を延びる加工用液体供給管７８を介して、純水、より好ましくは超純水等の電解加工用の液体を供給する加工用液体供給源８０に接続されている。純水または超純水等の加工用液体は、この貫通孔５６ａを通して電極部５６の上面に供給された後、吸水性を有するイオン交換体７６を通じて加工面全域に供給されるようになっている。

ここで、供給する純水は、例えば電気伝導度が１０μＳ／ｃｍ以下の水であり、超純水は、例えば電気伝導度が０．１μＳ／ｃｍ以下の水である。なお、純水の代わりに電気伝導度５００μＳ／ｃｍ以下の液体や、任意の電解液を使用してもよい。このような液体を加工中に供給することにより、加工生成物や気体溶解などによる加工の不安定性を除去でき、均一で再現性のよい加工を行うことができる。

また、純水または超純水の代わりに電気伝導度５００μＳ／ｃｍ以下の液体、例えば純水または超純水に電解質を添加した電解液を使用してもよい。電解液を使用することで、電気抵抗を低減して消費電力を削減することができる。この電解液としては、例えば、ＮａＣｌやＮａ_２ＳＯ_４等の中性塩、ＨＣｌやＨ_２ＳＯ_４等の酸、さらにはアンモニア等のアルカリなどの溶液を使用することができ、被加工物の特性によって適宜選択して使用することができる。このように電解液を用いる場合は、基板Ｗとイオン交換体７６との間にわずかな隙間を設けて非接触とすることが好ましい。

さらに、純水または超純水の代わりに、純水または超純水に界面活性剤等を添加して、電気伝導度が５００μＳ／ｃｍ以下、好ましくは５０μＳ／ｃｍ以下、さらに好ましくは０．１μＳ／ｃｍ以下（比抵抗で１０ＭΩ・ｃｍ以上）にした液体を使用してもよい。このように、純水または超純水に界面活性剤を添加することで、基板Ｗとイオン交換体７６の界面にイオンの移動を防ぐ一様な抑制作用を有する層を形成し、これによって、イオン交換（金属の溶解）の集中を緩和して加工面の平坦性を向上させることができる。ここで、界面活性剤濃度は１００ｐｐｍ以下が好ましい。なお、電気伝導度の値が高すぎると電流効率が下がり、加工速度が遅くなるが、５００μＳ／ｃｍ以下、好ましくは５０μＳ／ｃｍ以下、さらに好ましくは０．１μＳ／ｃｍ以下の電気伝導度を有する液体を使用することで、所望の加工速度を得ることができる。

本実施形態では、電極部５６の上面に複数の扇状の電極７２，７４を円周方向に沿って埋設し、この電極７２，７４には、図３に示すように、コントロールボックス（制御部）８２を介して、加工用電源５８の陰極と陽極とがそれぞれ接続されている。これにより、加工用電源５８の陰極と接続した電極が加工電極となり、陽極と接続した電極が給電電極となる。これは、例えば銅においては、陰極側に電解加工作用が生じるからであり、被加工材料によっては、陰極側が給電電極となり、陽極側が加工電極となるようにしてもよい。すなわち、被加工材料が例えば銅やモリブデン、鉄である場合には、陰極側に電解加工作用が生じるため、加工用電源５８の陰極と接続した電極が加工電極となり、陽極と接続した電極が給電電極となる。一方、被加工材料が例えばアルミニウムやシリコンである場合には、陽極側で電解加工作用が生じるため、加工用電源５８の陽極に接続した電極が加工電極となり、陰極に接続した電極が給電電極となる。

ここで、加工電極７２および給電電極７４は、電解反応により電極の酸化または溶出が一般に問題となる。このため、電極の素材として、電極に広く使用されている金属や金属化合物よりも、炭素、比較的不活性な貴金属、導電性酸化物または導電性セラミックスを使用することが好ましい。貴金属を素材とした電極としては、例えば、下地の電極素材にチタンを用い、その表面にめっきやコーティングで白金またはイリジウムを付着させ、高温で焼結して安定化と強度を保つ処理を行ったものが挙げられる。セラミックス製品は、一般に無機物質を原料として熱処理によって得られ、各種の非金属・金属の酸化物・炭化物・窒化物などを原料として、様々な特性を持つ製品が作られている。この中に導電性を持つセラミックスもある。電極が酸化すると電極の電気抵抗値が増加し、印加電圧の上昇を招くが、白金などの酸化しにくい材料や酸化イリジウムなどの導電性酸化物で電極表面を保護すれば、電極素材の酸化による電極抵抗の増大を防止することができる。

ここで、例えばイオン交換体７６としてカチオン交換基を付与したものを使用して銅の電解加工を行うと、加工終了後に銅がイオン交換体（カチオン交換体）７６のイオン交換基の多くを占有するため、次の加工を行うときの加工効率が悪くなる。あるいは、加工電極７２上の加工生成物析出をきっかけとして、被加工物と加工電極７２との間に短絡が生じて継続的な加工が困難になる。また、イオン交換体７６としてアニオン交換基を付与したものを使用して銅の電解加工を行うと、イオン交換体（アニオン交換体）７６の表面に銅の酸化物の微粒子が生成されて付着し、次の処理基板の表面を汚染するおそれがある。そこで、本実施形態では、イオン交換体７６としてカチオン交換体を使用し、加工電極７２と被加工物との間に位置するイオン交換体（カチオン交換体）７６を以下に述べるように再生している。

図４に示すように、加工電極７２は電極部５６に形成された凹部５６ｂ内に収容され、給電電極７４は電極部５６に形成された凹部５６ｃ内に収容されている。加工電極７２を収容する凹部５６ｂは、給電電極７４を埋込む凹部５６ｃより深く形成されており、この凹部５６ｂの底部には、イオン交換体７６を再生するための再生電極８４が配置されている。

凹部５６ｂの上部開口端は隔壁８６で閉塞されている。また、加工電極７２の上面には、通液性を有する絶縁部材８８が配置されている。加工電極７２自体も通液性を有し、本実施形態の加工電極７２は、内部に多数の連通孔としての網目を有するメッシュ状の電極で構成されている。図４に示すように、隔壁８６と絶縁部材８８とは離間して配置され、加工電極７２と再生電極８４とは離間して配置され、加工電極７２と隔壁８６との間には再生用液体室９０ａが、加工電極７２と再生電極８４との間には再生用液体室９０ｂとがそれぞれ形成されている。

再生用液体室９０ａ，９０ｂは、電極部５６の内部を水平方向に延びる再生用液体供給流路５６ｄに連通しており、さらに中空モータ７０の中空部内を延びる再生用液体供給管９２を介して再生用液体供給源９４に接続されている。また、再生用液体室９０ａ，９０ｂの外周端部には、水平方向に延びて電極部５６の外周端面で開口する再生用液体排出流路５６ｅが設けられている。

このような構成によって、再生用液体は、再生用液体供給流路５６ｄを通って再生用液体室９０ａ，９０ｂに供給され、この再生用液体室９０ａ，９０ｂに供給された再生用液体は、再生用液体室９０ａ，９０ｂの内部を満たして該液体内に加工電極７２および絶縁部材８８を浸漬させながら、再生用液体室９０ａ，９０ｂを一方向に流れて再生用液体排出流路５６ｅから順次外部に排出されるようになっている。

上述したように、加工電極７２は、内部に多数の連通孔としての網目を有するメッシュ状の電極で構成されており、これによってイオン交換体７６から出たイオン状の加工生成物（不純物イオン）は加工電極７２内の多数の網目（連通孔）を通過して再生用液体室９０ｂに達するようになっている。

再生用液体室９０ａ，９０ｂ内に供給する再生用液体は、電気伝導度（誘電率）が例えば５０μＳ／ｃｍ以上と高く、かつイオン交換体７６から除去されるイオンとの反応により不溶性の化合物を生成しない液体であることが好ましい。すなわち、この再生用液体は、後述するように、イオン交換体７６から移動し隔壁８６や加工電極７２を通過したイオンを該液体の流れで系外に排出するためのものである。このように、電気伝導度（誘電率）が高く、かつイオン交換体７６から除去されるイオンとの反応により不溶性の化合物を生じない液体を再生用液体として供給することで、この液体の電気抵抗を下げて再生用液体室９０ａ，９０ｂでの消費電力を少なく抑え、しかも、イオン交換体７６から除去されるイオンとの反応で難溶性もしくは不溶性の化合物（２次生成物）が生成されて隔壁８６に付着することを防止することができる。この再生用液体は、除去する不純物イオンの種類によって選択されるが、例えば、銅の電解研磨に使用したイオン交換体を再生するときに使用するものとして、濃度が１ｗｔ％以上の硫酸を挙げることができる。

イオン交換体７６の下方に配置された隔壁８６は、イオン交換体７６から除去される不純物イオンの移動の妨げとなることなく、しかも隔壁８６と絶縁部材８８との間の再生用液体室９０ａを流れる再生用液体（液体中のイオンも含む）がイオン交換体７６側へ透過することを防止できることが好ましい。これらの要求を満たすことができる材質としては、ナフィオン（デュポン社の商標）のような膜状イオン交換体が挙げられる。このようなイオン交換体は、カチオンまたはアニオンの一方を選択的に透過することができ、しかも、膜状のイオン交換体であるので、再生用液体室９０ａ内を流れる再生用液体がイオン交換体７６側に進入することが防止される。

本実施形態では、隔壁８６として、イオン交換体７６と同じイオン交換基を有するイオン交換体、すなわちカチオン交換体を使用している。これにより、イオン交換体（カチオン交換体）７６から出たイオンのみを隔壁（イオン交換体）８６を透過させ、再生用液体室９０ａ内を流れる再生用液体中のイオンが隔壁（イオン交換体）８６を透過してイオン交換体７６側に移動することを防止することができる。なお、イオン交換体７６として、アニオン交換基を有するアニオン交換体を使用している場合には、隔壁（イオン交換体）８６としてアニオン交換体を使用することが好ましい。

通液性を有する絶縁部材８８は、再生用液体に対して不溶性を有するものであればよい。本実施形態では、厚さ０．１ｍｍのフッ素樹脂シートに直径２ｍｍの孔を多数あけたものを絶縁部材８８として使用している。加工電極７２と基板Ｗとの短絡は、まず加工電極７２への加工生成物の析出がきっかけとなり、その後イオン交換体７６への析出と続き、イオン交換体７６内部を貫通して基板Ｗに到達することによって起こる。したがって、通液性を有する絶縁部材８８を加工電極７２とイオン交換体７６との間に配置することによって、加工電極７２で析出が起こった場合でも、この析出がイオン交換体７６に伝わることがなくなるので、加工電極７２と基板Ｗとの短絡が生じなくなる。

ここで、本実施形態では、加工用電源５８の陽極には給電電極７４が、陰極には加工電極７２がそれぞれ接続されており、加工用電源５８により給電電極７４と加工電極７２との間に加工用電圧が印加される。また、加工電極７２および再生電極８４には、コントロールボックス（図示せず）を介して、再生用電源９６の陽極と陰極とがそれぞれ接続されており、再生用電源９６により加工電極７２と再生電極８４との間に再生用電圧が印加される。

加工用電源５８に接続されたコントロールボックス８２（図３参照）および再生用電源９６に接続されたコントロールボックス（図示せず）は、給電電極７４、加工電極７２、再生電極８４の順に電位が構成されるように、加工用電圧と再生用電圧とをそれぞれ調整する。また、これらのコントロールボックスは、給電電極７４と加工電極７２の極性が同じになるように、加工用電圧と再生用電圧とをそれぞれ調整する。本実施形態では、給電電極７４と加工電極７２の極性を陰極とし、すなわち加工用液体から正電荷が流れ込む電極とすることによって、イオン交換体７６に蓄積された加工生成物イオンを連続的に排出することが可能となるので、長時間にわたって加工を継続することが可能となる。

また、本実施形態においては、給電電極７４、加工電極７２、再生電極８４が電気的に直列になるように配置されており、上記コントロールボックスは、給電電極７４に流れる電流、加工電極７２に流れる電流、再生電極８４に流れる電流や、給電電極７４の電位、加工電極７２の電位、再生電極８４の電位を独立に制御することができるようになっている。このため、加工中にイオン交換体７６中の不純物イオンを排出して、連続的に加工を行うことが可能となる。特に、加工電極７２に流れる電流が給電電極７４または再生電極８４に流れる電流の１〜３０％となるように制御することが好ましい。

ここで、本実施形態では、図５（ａ）に示すように、給電電極７４と加工電極７２と再生電極９６とが加工用電源５８と再生用電源９６とを介して電気的に直列になるように配置したが、電源の接続方法はこれに限定されるものではない。例えば、図５（ｂ）に示すように、給電電極７４を第１の電源９７ａの陽極に、再生電極８４を第１の電源９７ａの陰極に接続し、加工電極７２を第２の電源９７ｂの陽極に、再生電極８４を第２の電源９７ｂの陰極に接続してもよい。あるいは、図５（ｃ）に示すように、給電電極７４を第１の電源９８ａの陽極に、再生電極８４を第１の電源９８ａの陰極に接続し、給電電極７４を第２の電源９８ｂの陽極に、加工電極７２を第２の電源９８ｂの陰極に接続してもよい。図５（ｂ）または図５（ｃ）に示す接続においては、第２の電源９７ｂまたは９８ｂの電圧を正確に制御することで、加工電極７２の電位を精密に設定および制御することができる。

また、イオン交換体７６に近接した位置に加工電極７２を配置して、イオン交換体７６の近傍で同電位になるようにすることで、電界のばらつきを抑制することができ、堆積物や気泡の影響を少なくすることができる。なお、均一な加工および再生プロセスを行うために、基板Ｗの表面、加工電極７２、および再生電極８４は各々平行に配置することが好ましい。また、イオン交換体７６の厚さも全体にわたって均一であることが好ましい。

次に、この電解加工装置５０による基板処理（電解加工および再生処理）について説明する。まず、電解加工装置５０の基板保持部５４で基板Ｗを吸着保持し、アーム５２を揺動させ基板Ｗを保持したて基板保持部５４を電極部５６の直上方の加工位置まで移動させる。次に、上下動用モータ６６を駆動して基板保持部５４を下降させ、この基板保持部５４で保持した基板Ｗを電極部５６の上面に取付けたイオン交換体７６の表面に接触または近接させる。

この状態で、自転用モータ６８を駆動して基板Ｗを回転させ、同時に中空モータ７０を駆動して電極部５６をスクロール運動させる。このとき、電極部５６内の貫通孔５６ａから電極部５６の上面に純水または超純水等の加工用液体を供給し、加工電極７２および給電電極７４と基板Ｗとの間に純水、超純水、５００μＳ／ｃｍ以下の液体または電解液を満たす。そして、加工用電源５８により加工電極７２と給電電極７４との間に加工用電圧を印加し、イオン交換体７６により生成された水素イオンまたは水酸化物イオンによって、加工電極（陰極）において基板Ｗの表面の導電体膜（例えば図１（ｂ）に示す銅膜６）の電解加工を行う。ここで、純水または超純水等の加工用液体がイオン交換体７６の内部を流れるようにすることで、効率のよい電解加工を行うことができる。

このとき、電極部５６内の再生用液体供給流路５６ｄを通して再生用液体室９０ａ，９０ｂ内にイオン交換体再生用の液体を供給する。これによって、再生用液体室９０ａ，９０ｂ内に再生用液体を満たして該液体中に加工電極７２および絶縁部材８８を浸漬させ、この再生用液体が再生用液体室９０ａ，９０ｂ内を直径方向外方に向けて一方向に流れて再生用液体排出流路５６ｅから外部に流出するようにする。

これによって、イオン交換体７６を固体電解質としたイオン交換反応により、イオン交換体７６のイオンを加工電極７２に向けて移動させ、隔壁８６を通過させて再生用液体室９０ａに導き、この再生用液体室９０ａに移動したイオンをこの再生用液体室９０ａ内に供給される再生用液体の流れで系外に排出して、イオン交換体７６の再生を行う。このとき、イオン交換体７６として、カチオン交換体を使用した場合には、イオン交換体７６に取り込まれたカチオンが隔壁８６を通過して再生用液体室９０ａの内部に移動し、アニオン交換体を使用した場合には、イオン交換体７６に取り込まれたアニオンが隔壁８６を通過して再生用液体室９０ａの内部に移動して、イオン交換体７６が再生される。

また、加工中に再生用電源９６により加工電極７２と再生電極８４との間に再生用電圧を印加し、加工電極７２と再生電極８４との間に強制的に電流を流す。これにより、イオン交換体７６の内部に蓄積したイオン性の加工生成物（不純物イオン）を、さらに加工電極７２を通過させて、再生用液体室９０ｂ内に移動させることができる。そして、この再生用液体室９０ｂに移動したイオンを再生用液体室９０ｂ内に供給される再生用液体の流れで系外に排出するか、再生電極８４上に析出させて、イオン交換体７６の再生を行うことができる。

ここで、上述のように、隔壁８６として、イオン交換体７６と同じイオン交換基を有しているイオン交換体を使用することで、イオン交換体７６中の不純物イオンの隔壁（イオン交換体）８６の内部の移動が隔壁（イオン交換体）８６によって妨げられることを防止して、消費電力が増加することを防止し、しかも隔壁８６と加工電極７２との間を流れる再生用液体（液体中のイオンも含む）のイオン交換体７６側への透過を阻止して、再生後のイオン交換体７６の再汚染を防止することができる。さらに、隔壁８６と加工電極７２との間に、電気伝導度（導電率）が高く、かつイオン交換体７６から除去されるイオンとの反応により不溶性の化合物を生成しない再生用液体を供給することで、この再生用液体の電気抵抗を下げて再生部の消費電力を少なく抑え、しかも不純物イオンとの反応で生成された不溶性の化合物（２次生成物）が隔壁８６に付着して加工電極７２と給電電極７４との間の電気抵抗が変化し、制御が困難となることを防止することができる。

電解加工完了後、加工用電源５８と加工電極７２および給電電極７４との電気的接続および再生用電源９６と加工電極７２および再生電極８４との電気的接続を切り、基板保持部５４の回転および電極部５６のスクロール運動を停止させる。しかる後、基板保持部５４を上昇させ、アーム５２を移動させて電解加工後の基板Ｗを次工程に搬送する。

上述したように、本実施形態では、電極部５６と基板Ｗとの間に純水、好ましくは超純水を供給するようにした例を説明した。このように電解質を含まない純水または超純水を使用して電解加工を行うことで、基板Ｗの表面に電解質等の余分な不純物が付着したり、残留したりすることをなくすことができる。さらに、電解によって溶解した銅イオン等が、イオン交換体７６にイオン交換反応で即座に捕捉されるため、溶解した銅イオン等が基板Ｗの他の部分に再度析出したり、酸化されて微粒子となり基板Ｗの表面を汚染したりすることがない。

超純水は、比抵抗が大きく電流が流れにくいため、電極と被加工物との間の距離を極力短くしたり、電極と被加工物との間にイオン交換体を挟むことで電気抵抗を低減したりしているが、さらに電解液を組み合わせることで、さらに電気抵抗を低減して消費電力を削減することができる。なお、電解液による加工では、被加工物の加工される部分が加工電極よりやや広い範囲に及ぶが、超純水とイオン交換体の組合せでは、超純水にほとんど電流が流れないため、被加工物の加工電極とイオン交換体が投影された範囲内のみが加工されることになる。

また、加工速度を上げるために加工用電圧を上げて電流密度を大きくすると、電極と基板（被加工物）との間の抵抗が大きい場合では、放電が生じる場合がある。放電が生じると、被加工物表面にピッチングが起こり、加工面の均一性や平坦化の確保が困難となる。これに対して、イオン交換体７６を基板Ｗに接触させると、電気抵抗が極めて小さいことから、このような放電が生じることを防止することができる。

本実施形態では、給電電極を陽極とし、銅を加工する場合を例示したが、給電電極を陰極とすることによってアルミニウムやシリコンの除去加工が可能である。この場合においても、給電電極と加工電極の極性が同じになるように、すなわち、加工電極も陰極（加工用液体から正電荷が流れ込む電極）にすることによって、イオン交換体７６に蓄積された加工生成物イオンの連続的に排出することが可能となるので、長時間にわたって加工を継続することが可能となる。

また、上述の実施形態では、電極部５６をスクロール運動させ、基板Ｗを回転させた例を説明したが、加工電極７２と基板Ｗとを相対運動させることができれば、どのようなものであってもよい。例えば、電極部５６と基板Ｗの一方または双方を回転させることとしてもよい。また、上述の実施形態では基板保持部５４が基板Ｗを下向き（フェイスダウン）に吸着保持する例を説明したが、これに限られるものではなく、例えば基板Ｗを上向き（フェイスアップ）に保持してもよい。

これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

銅配線基板の一製造例を工程順に示す図である。 イオン交換体を用いた電解加工の原理を説明する模式図である。 本発明の一実施形態における電解加工装置を模式的に示す縦断面図である。 図３の電解加工装置の部分拡大図である。 図４の電解加工装置の電源の変形例を説明する回路図である。

符号の説明

５０ 電解加工装置
５２ アーム
５４ 基板保持部
５６ 電極部
５６ａ 貫通孔
５６ｂ，５６ｃ 凹部
５６ｄ 再生用液体供給流路
５６ｅ 再生用液体排出流路
５８ 加工用電源
６０ 揺動用モータ
６２ 揺動軸
６４ ボールねじ
６６ 上下動用モータ
６８ 自転用モータ
７０ 中空モータ
７２ 加工電極
７４ 給電電極
７６ イオン交換体
７８ 加工用液体供給管
８０ 加工用液体供給源
８２ コントロールボックス
８４ 再生電極
８６ 隔壁
８８ 絶縁部材
９０ａ，９０ｂ 再生用液体室
９２ 再生用液体供給管
９４ 再生用液体供給源
９６ 再生用電源
９７ａ，９８ａ 第１の電源
９７ｂ，９８ｂ 第２の電源

Claims (8)

1. 被加工物上の導電性材料を電解加工する電解加工装置であって、
   被加工物に給電する給電電極と、
   被加工物に接触または近接して配置される接触部材と、
   被加工物上の導電性材料を電解加工する加工電極と、
   被加工物と前記接触部材との間に加工用液体を供給する加工用液体供給源と、
   前記加工電極を再生用液体に浸漬する再生用液体室と、
   前記再生用液体室に再生用液体を供給する再生用液体供給源と、
   前記加工電極から離間して配置された再生電極と、
   前記給電電極と前記加工電極と前記再生電極とに電圧を印加する電源と、
   前記給電電極、前記加工電極、前記再生電極の順に電位が構成され、かつ、前記給電電極と前記加工電極の極性が同一になるように、前記電源により前記給電電極と前記加工電極と前記再生電極とに印加される電圧を制御する制御部と、
   を備えたことを特徴とする電解加工装置。
2. 前記接触部材と前記加工電極との間に配置された通液性を有する絶縁部材をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の電解加工装置。
3. 加工用液体と再生用液体とを隔離するように前記接触部材と前記絶縁部材との間に配置された隔壁をさらに備えたことを特徴とする請求項２に記載の電解加工装置。
4. 前記隔壁はイオン交換膜であることを特徴とする請求項３に記載の電解加工装置。
5. 前記接触部材はイオン交換体であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の電解加工装置。
6. 前記加工電極は通液性を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の電解加工装置。
7. 前記制御部は、前記給電電極、前記加工電極、および前記再生電極の電位、または前記給電電極、前記加工電極、および前記再生電極を流れる電流をさらに制御することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の電解加工装置。
8. 前記制御部は、前記加工電極に流れる電流が前記給電電極または前記再生電極に流れる電流の１〜３０％となるように前記加工電極に流れる電流を制御することを特徴とする請求項７に記載の電解加工装置。

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