JP2005298886A - 電解処理装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ディッシングやマウンディングといった電解処理後の表面段差（凹凸）を最小化することができる電解処理装置および方法を提供する。
【解決手段】 電解処理装置は、表面に凹凸が形成された基板１０に対向する電極３２と、基板１０と電極３２との間に電圧を印加する電源とを備える。また、電解処理装置は、基板１０と電極３２との間に配置され、基板１０の表面の凹凸に対応して電解処理の促進と抑制を行う電流制御部材３４をさらに備える。電流制御部材３４は、基板の表面の凹凸に対応した開口比で孔が形成されたマスク１３４、凹凸に対応した気孔率を有する多孔質部材２３４、または凹凸に対応した表面段差を有する凹凸部材３３４であることが好ましい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、基板に対して電解処理を行う電解処理装置および方法に係り、特に半導体ウェハ、ガラス基板、インターポーザなどの電子用基板の表面にＬＳＩ配線や貫通プラグなどの配線をめっきにより形成する電解処理装置および方法に関するものである。

基板の表面に配線を形成する技術として、凹凸が形成された基板の表面に、銅系、ニッケル系、コバルト系、タングステン系などのメタルを充填する技術が広まりつつある。これらの配線形成技術の中でも、めっき技術や電解エッチング技術、電解プラナリゼーション技術が関心を集めている。

めっき技術の進展に伴い、凹凸が形成された基板に対する成膜後の表面を平坦に形成する技術が開発されつつある。例えば、めっき液に添加する有機系添加剤、特に析出粒子の微細化を促進するアクセレレータの成分が局所的に濃縮されて不均一になることにより、基板の微細凹部上での膜が過剰に成長してしまう（マウンディング）ことがあるが、このようなマウンディングを抑制する手段として、凸部の析出を遅らせることにより平坦なめっきを可能とするレベラなどの窒素系有機添加剤の進歩が著しい。また、サイズの大きな凹部に対しても、成膜面を他の部分と同様に平坦に仕上げる手段として、パッドなどの外的手段を使用するめっき方法も開発されている。このような添加剤やパッドを使う平坦化技術は、電解エッチング分野でも採用されつつあり、電解研磨や電解プラナリゼーション技術として注目を集めている。

成膜後の基板表面の凹凸を最小化することが必要になる理由は、基板の積層数が増えることにより、各層での仕上がりがナノレベルでの平坦性を求められるからにほかならない。例えば、めっきの後工程であるＣＭＰ工程の性能を安定化させるためには、めっき後の表面段差を最小化することが求められる。さらに、ＣＭＰの後工程として上層のリソグラフィー工程などがあるので、高い平坦性を達成できなければ、基板の多層化を実現することができない。

上述した技術のうち、レベラなどの有機系添加剤を使用する方法は、添加剤が作用しにくい大きなサイズの構造（例えば幅１０μｍ以上の凹部）では必ずしも有効ではない。この理由は、添加剤の効果を強く発現するためには、成膜された表面で局所的に添加剤の濃度に差を形成することが必要になるが、幅広な凹部では他の部分に比べて表面積が小さくなるので、幅広な凹部では添加剤の効果が低下してしまうからである。

また、添加剤による平坦化は高速めっきに対しては有効でない。この理由は、高速めっき、すなわち高電流密度でのめっきにおいては、添加剤のような化学的コントロール手段に対して電気による物理的な成膜作用が大きく働いてしまうため、添加剤による効果が実質的に喪失されてしまうからである。

一方、パッドなどの外部作用を基板の表面に働かせる方法では、被めっき面または被研磨面へのダメージが入りやすくなり、結果としてメタル膜の内部または表面に、めっき欠け、結晶異常、スクラッチ、異物混入などの欠陥が発生しやすくなってしまう。
特開２００２−９７５９４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、ディッシングやマウンディングといった電解処理後の表面段差（凹凸）を最小化することができる電解処理装置および方法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、基板に対して電解処理を行う電解処理装置が提供される。この電解処理装置は、表面に凹凸が形成された基板に対向する電極と、基板と上記電極との間に電圧を印加する電源とを備える。また、電解処理装置は、基板と上記電極との間に配置され、基板の表面の凹凸に対応して電解処理の促進と抑制を行う電流制御部材をさらに備えている。

また、本発明の第２の態様によれば、基板に対して電解処理を行う電解処理方法が提供される。この方法によれば、表面に凹凸が形成された基板を電極に対向させる。そして、基板の表面の凹凸に対応して電解処理の促進と抑制を行う電流制御部材を基板と上記電極との間に配置しつつ、基板と上記電極との間に電圧を印加して電解処理を行う。

上述した電流制御部材を用いることにより、基板の表面の凹凸に対応して電解処理の促進と抑制を行うことができるので、ディッシングやマウンディングといった電解処理後の表面段差を低減することができ、平坦なめっきやエッチングを行うことが可能となる。本発明は、特に、形成された凹凸の最大幅が最小幅の３倍以上であるような基板に効果的である。

上記電流制御部材は、基板の表面の凹凸に対応した開口比で孔が形成されたマスク、基板の表面の凹凸に対応した気孔率を有する多孔質部材、または基板の表面の凹凸に対応した表面段差を有する凹凸部材であることが好ましい。また、電流制御部材の加工精度は、基板に形成された凹凸の幅とほぼ同じオーダーであることが好ましい。

電解処理装置は、上記電流制御部材と基板との間の相対位置を位置決めする位置決め機構を備えていてもよい。この場合において、上記相対位置を、基板に平行な方向の相対位置または基板に垂直な方向の相対位置とすることができる。また、上記位置決め機構が、電解処理中に上記電流制御部材と基板との間の相対位置を一定に維持することが好ましい。

また、電解処理装置は、上記電流制御部材を装填可能であり、上記電極と基板との間に出し入れ自在な電流制御部材ホルダを備えていてもよい。さらに、電解処理装置は、上記電極と基板との間に配置される高抵抗構造体を備えていてもよい。

本発明によれば、基板の表面の凹凸に対応して電解処理の促進と抑制を行うことができるので、ディッシングやマウンディングといった電解処理後の表面段差（凹凸）を最小化することができ、平坦なめっきやエッチングを実現することができる。この結果、後段の平坦化工程の負荷が大幅に軽減され、製品の歩留まりを高く維持することができる。さらには、平坦化工程のコストを大幅に削減することも可能となる。

以下、本発明に係る電解処理装置の実施形態について図１から図８を参照して詳細に説明する。なお、図１から図８において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図１は、本発明の第１の実施形態における電解処理装置を示す概略図である。図１に示すように、この電解処理装置は、いわゆるフェイスアップ式のめっき装置であり、基板１０をその表面（被めっき面）を上向きにして保持する基板保持部２０と、この基板保持部２０の上方に配置された電極ヘッド３０と、電極ヘッド３０を取り付けたアーム４０と、このアーム４０を支持する支持軸４２とを備えている。基板保持部２０は、矢印５０に示すように上下動自在、かつ矢印５２に示すように回転自在に構成されている。また、電極ヘッド３０は、アーム４０の上部に設置されたモータ４４に連結されており、矢印５４に示すように回転自在に構成されている。支持軸４２は矢印５６に示すように上下動自在、かつ矢印５８に示すように回転自在に構成されており、これにより電極ヘッド３０が上下動自在かつ水平面内で移動自在となっている。

図１に示すように、電極ヘッド３０は、内部に収容された板状の陽極電極３２と、電極ヘッド３０の下面に取り付けられた電流制御部材３４とを備えている。また、基板保持部２０に保持された基板１０の上方には、電極ヘッド３０の下部外周部を囲繞する略円筒状のシール材２２が配置されている。このシール材２２は下方に行くにつれて径が小さくなっている。基板保持部２０が基板１０を保持した状態で上昇すると、基板１０の周縁部がシール材２２に当接して、このシール材２２と基板１０によってシール材２２の内方にめっき室２４が区画形成される。

また、このシール材２２の外方には、基板１０の周縁部に当接する電気接点２６が配置されており、基板保持部２０が基板１０を保持した状態で上昇すると、基板１０の周縁部がシール材２２の外方で電気接点２６に接触して基板１０が陰極となるようになっている。

本実施形態における電解処理装置によれば、基板保持部２０で基板１０を保持して基板保持部２０を上昇させ、基板１０の上面の周縁部をシール材２２に当接させることで、めっき室２４を区画形成すると同時に基板１０を陰極にする。そして、めっき液をめっき室２４の内部に供給し、このめっき室２４内のめっき液に陽極電極３２と基板１０の表面とを浸漬させる。この状態で、電源（図示せず）により陽極電極３２と基板１０との間に所定の電圧を印加することで、基板１０の表面にめっきを施すことができる。

本実施形態においては、図１に示すように、基板保持部２０、支持軸４２、モータ４４により、基板１０と陽極電極３２および電流制御部材３４との間の相対位置を位置決めする位置決め機構が構成されている。この位置決め機構は、電解加工中、基板１０と陽極電極３２および電流制御部材３４との間の相対位置を一定に維持する。

上述した電流制御部材３４について詳細に説明する。図２は、電流制御部材の第１の例を示す概略図である。図２は、電流制御部材としてマスク１３４を用いた例を示している。このマスク１３４は、例えばプラスチックのような絶縁物で作られた円板に、電気力線が通過可能なように微細な孔をあけたものである。これらの孔は、基板１０の表面に形成された凹凸に対応して配置されている。すなわち、基板１０の表面に形成された凹凸に対応して開口比（開口面積比）が設定されている。

例えば、電解処理を促進したい幅広な凹部１０ａの上方に位置する部分１３４ａは孔の開口比を大きく設定し、電解処理を抑制したい幅狭な凹部１０ｂの上方に位置する部分１３４ｂは孔の開口比を小さく設定する。マスク１３４のその他の部分１３４ｃは、部分１３４ａの開口比と部分１３４ｂの開口比との間の中程度の開口比となるように調整する。孔の開口面積の調整は、孔の大きさ、数、ピッチなどを調整することで調整できる。また、このマスク１３４と基板１０との間のクリアランスは任意に調整可能である。マスク１３４の孔から基板１０までの間における電気力線の過剰な広がりを抑制するため、このクリアランスは、孔の相当径１に対して０〜１００の範囲で設定するのが好ましい。

図３は、電流制御部材の第２の例を示す概略図である。図３は、電流制御部材として多孔質部材２３４を用いた例を示している。この多孔質部材２３４は、基板１０の表面に形成された凹凸に対応した気孔率を有しており、気孔率を適切に調整することで電場を制御するものである。多孔質部材２３４としては、例えばプラスチック製の焼結体やフィルター、セラミックス多孔質部材を用いることができるが、これらに限定されるものではない。

この多孔質部材２３４の電場制御の原理は、上述したマスク１０の原理と同様である。すなわち、電解処理を促進したい凹部１０ａの上方に位置する部分２３４ａは気孔率を高く設定し、電解処理を抑制したい凹部１０ｂの上方に位置する部分２３４ｂは気孔率を小さく設定する。多孔質部材２３４のその他の部分２３４ｃは、部分２３４ａの気孔率と部分２３４ｂの気孔率との間の中程度の気孔率となるように調整する。

図４は、電流制御部材の第３の例を示す概略図である。図４は、電流制御部材として凹凸部材３３４を用いた例を示している。この凹凸部材３３４は、基板１０の表面に形成された凹凸に対応した表面段差を有しており、その厚さを適切に調整することで電場を制御するものである。

この凹凸部材３３４の電場制御の原理は、凹凸部材３３４と基板１０との間に存在する電解質の量を制御することで、電場を制御するものである。すなわち、基板１０と凹凸部材３３４との間の距離が短い場合（凹凸部材３３４の厚さが厚い場合）は、通電を担う電解質の濃度（金属イオンや促進剤、抑制剤）が相対的に減少するので、この部分における電解処理の成長を抑制することができる。例えば、電解処理を促進したい幅広な凹部１０ａの上方に位置する部分３３４ａは基板１０との距離を大きく（厚さを薄く）設定し、電解処理を抑制したい幅狭な凹部１０ｂの上方に位置する部分３３４ｂは基板１０との距離を小さく（厚さを厚く）設定する。凹凸部材３３４のその他の部分３３４ｃは、部分３３４ａの厚さと部分３３４ｂの厚さとの間の中程度の厚さとなるように調整する。なお、通常は、凹凸部材３０と基板１０とを非接触の状態で使用するが、これらを接触させた状態で用いてもよい。

なお、上述したマスク１３４、多孔質部材２３４、凹凸部材３３４などの電流制御部材の加工精度は、基板に形成された凹凸の幅とほぼ同じオーダーであることが好ましい。

ところで、基板１０に形成される凹凸のサイズは、通常、ミクロンからサブミクロンの範囲であり、非常に微細なものである。したがって、基板１０と上述した電流制御部材３４との間の平面的な位置合わせの精度が高いことが必要となる。また、基板１０と電流制御部材３４との平面上の相対位置が加工中一定に維持されることが必要である。そのために、レーザーその他の光学的機構を用いた位置決め機構や基板と電流制御部材３４とが常に一定の位置関係に維持されるような同軸回転機構などを設けてもよい。このとき、陽極電極３２は電流制御部材３４とともに移動するのが一般的であると考えられるが、必ずしも陽極電極３２を移動する必要はない。

図５は、本発明の第２の実施形態における電解処理装置の要部を示す概略図である。図５に示すように、この電解処理装置の電極ヘッド１３０は、陽極電極３２と電流制御部材３４との間に配置された高抵抗構造体（電解質含浸体）３６を備えている。この高抵抗構造体３６は、アルミナ、ＳｉＣ、ムライト、ジルコニア、チタニア、コージライト等の多孔質セラミックスまたはポリプロピレンやポリエチレンの焼結体等の硬質多孔質体、あるいはこれらの複合体、さらには織布や不織布で構成される。例えば、アルミナ系セラミックスの場合には、ポア径３０〜２００μｍのものが使用され、ＳｉＣの場合には、ポア径３０μｍ以下、気孔率２０〜９５％、厚み１〜２０ｍｍ、好ましくは５〜２０ｍｍ、さらに好ましくは８〜１５ｍｍ程度のものが使用される。例えば、気孔率３０％、平均ポア径１００μｍのアルミナ製多孔質セラミックス板から構成される。

このような高抵抗構造体３６の内部にめっき液を含有させることで、この内部にめっき液を複雑に入り込ませ、厚さ方向にかなり長い経路を辿らせることができる。したがって、多孔質セラミックス板自体は絶縁体であるが、高抵抗構造体３６がめっき液の電気伝導率より小さい電気伝導率を有するように構成されている。この高抵抗構造体３６によって大きな抵抗を発生させることで、陽極電極３２と電流制御部材３４との間の電場を均一化することができ、これにより基板１０上のめっき膜の面内均一性を向上させることができる。

なお、電流制御部材３４としては、上述の第１の実施形態と同様に、基板の凹凸に対応した開口比で孔が形成されたマスク、凹凸に対応した気孔率を有する多孔質部材、あるいは凹凸に対応した表面段差を有する凹凸部材を用いることができる。

図６は、本発明の第３の実施形態における電解処理装置の要部を示す概略図である。図６に示すように、この電解処理装置は、いわゆるフェイスダウン式のめっき装置であり、基板１０をその表面（被めっき面）を下向きにして保持する基板保持部１２０と、この基板保持部１２０の下方に板状の陽極電極１３２と、基板１０と陽極電極１３２を囲繞する略円筒状のめっき槽１２２とを備えている。基板１０と陽極電極１３２との間には、上述した電流制御部材３４が配置されている。

本発明は、図７および図８に示すような電解処理装置４００にも適用することができる。この電解処理装置４００は、図７に示すように、基板搬送容器４０２との間で基板を受け渡しする搬送装置４０４と、基板の基板ホルダ４５２（図８参照）への着脱を行う基板着脱部４０６と、基板ホルダ４５０の保管および一時仮置きを行うストッカ４０８と、基板の洗浄を行う洗浄ユニット４１０と、基板に対して電解処理を行う電解処理ユニット４１２と、基板を装填した基板ホルダ４５０を基板着脱部４０６、ストッカ４０８、洗浄ユニット４１０、電解処理ユニット４１２の間で搬送する搬送装置４１４とを備えている。

図８に示すように、電解処理ユニット４１２は、内部にめっき液を保持するめっき槽４５０と、めっき槽４５０内に配置された陽極電極４３２とを備えている。めっき槽４５０のめっき液には、基板１０が装填された基板ホルダ４５２が浸漬されている。また、この電解処理ユニット４１２には、上述した電流制御部材３４を装填した電流制御部材ホルダ４５４が浸漬されており、この電流制御部材ホルダ４５４は陽極電極４３２と基板１０との間に出し入れ自在となっている。

基板の表面に形成される凹凸構造は基板によって異なるので、基板に対して適切な電流制御部材を選択して使用する必要がある。図８に示す例では、電流制御部材３４を装填した電流制御部材ホルダ４５４が差し替え可能となっているので、処理する基板に応じて適切な電流制御部材３４を用いて電解処理を行うことができる。なお、ストッカ４０８には、電流制御部材ホルダ４５４に装填された複数の種類の電流制御部材３４が保管されている。

従来の方法を用いてＬＳＩ配線形成用のめっき工程を行った場合、１μｍの膜厚のめっき膜を形成したとき、ディッシング量は１μｍ、マウンディング量は０．５μｍであり、成膜後の表面段差は１．５μｍ（＝１μｍ＋０．５μｍ）であった。これに対して、本発明の電解処理装置によれば、ディッシング量は０．２μｍ、マウンディング量は０．１μｍに減少し、この結果、成膜後の表面段差を０．３μｍ（＝０．２μｍ＋０．１μｍ）まで低減することができた。これにより、後段のＣＭＰ工程における平坦化性能を大幅に改善することができた。

また、従来の方法を用いてチップ実装におけるメタル貫通プラグめっきを行った場合において、直径１００μｍのビアを埋めるために５０μｍのめっきを行うと、その結果、めっき表面には３０μｍの段差が生じた。これに対して、本発明によれば、めっき表面の段差は１０μｍに低減された。また、めっき膜の膜厚自体も５０μｍから３０μｍに減らすことができた。これは、本発明によれば、凹部への選択的な電解処理を行うことができ、凹部以外への電解処理が不要になったためである。

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。

本発明の第１の実施形態における電解処理装置を示す概略図である。 本発明に係る電流制御部材の第１の例を示す概略図である。 本発明に係る電流制御部材の第２の例を示す概略図である。 本発明に係る電流制御部材の第３の例を示す概略図である。 本発明の第２の実施形態における電解処理装置の要部を示す概略図である。 本発明の第３の実施形態における電解処理装置の要部を示す概略図である。 本発明の第４の実施形態における電解処理装置の構成を示す平面図である。 図７の電解処理装置の電解処理ユニットを示す概略図である。

符号の説明

１０ 基板
２０，１２０ 基板保持部
２２ シール材
２４ めっき室
２６ 電気接点
３０，１３０ 電極ヘッド
３２，１３２，４３２ 陽極電極
３４，１３４，２３４，３３４ 電流制御部材
３６ 高抵抗構造体
４０ アーム
４２ 支持軸
４４ モータ
１２２，４５０ めっき槽
４００ 電解処理装置
４０２ 基板搬送容器
４０４，４１４ 搬送装置
４０６ 基板着脱部
４０８ ストッカ
４１０ 洗浄ユニット
４１２ 電解処理ユニット
４５２ 基板ホルダ
４５４ 電流制御部材ホルダ

Claims (15)

1. 表面に凹凸が形成された基板に対向する電極と、
   基板と前記電極との間に電圧を印加する電源と、
   基板と前記電極との間に配置され、基板の表面の凹凸に対応して電解処理の促進と抑制を行う電流制御部材と、
   を備えたことを特徴とする電解処理装置。
2. 前記電流制御部材は、基板の表面の凹凸に対応した開口比で孔が形成されたマスク、基板の表面の凹凸に対応した気孔率を有する多孔質部材、または基板の表面の凹凸に対応した表面段差を有する凹凸部材であることを特徴とする請求項１に記載の電解処理装置。
3. 前記電流制御部材の加工精度は、基板に形成された凹凸の幅とほぼ同じオーダーであることを特徴とする請求項１または２に記載の電解処理装置。
4. 前記電流制御部材と基板との間の相対位置を位置決めする位置決め機構をさらに備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の電解処理装置。
5. 前記相対位置は、基板に平行な方向の相対位置または基板に垂直な方向の相対位置であることを特徴とする請求項４に記載の電解処理装置。
6. 前記位置決め機構は、電解処理中に前記電流制御部材と基板との間の相対位置を一定に維持することを特徴とする請求項４または５に記載の電解処理装置。
7. 前記電流制御部材を装填可能であり、前記電極と基板との間に出し入れ自在な電流制御部材ホルダをさらに備えた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処理装置。
8. 基板に形成された凹凸の最大幅が最小幅の３倍以上であることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の電解処理装置。
9. 前記電極と基板との間に配置される高抵抗構造体をさらに備えたことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の電解処理装置。
10. 表面に凹凸が形成された基板に電極を対向させ、
    基板の表面の凹凸に対応して電解処理の促進と抑制を行う電流制御部材を基板と前記電極との間に配置しつつ、基板と前記電極との間に電圧を印加して電解処理を行うことを特徴とする電解処理方法。
11. 前記電流制御部材は、基板の表面の凹凸に対応した開口比で孔が形成されたマスク、基板の表面の凹凸に対応した気孔率を有する多孔質部材、または基板の表面の凹凸に対応した表面段差を有する凹凸部材であることを特徴とする請求項１０に記載の電解処理方法。
12. 前記電流制御部材の加工精度は、基板に形成された凹凸の幅とほぼ同じオーダーであることを特徴とする請求項１０または１１に記載の電解処理方法。
13. 電解処理中に前記電流制御部材と基板との間の相対位置を一定に維持することを特徴とする請求項１０から１２のいずれか一項に記載の電解処理方法。
14. 基板に形成された凹凸の最大幅が最小幅の３倍以上であることを特徴とする請求項１０から１３のいずれか一項に記載の電解処理方法。
15. 前記電極と基板との間に高抵抗構造体を配置したことを特徴とする請求項１０から１４のいずれか一項に記載の電解処理方法。

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