JP2006028629A - めっき方法及びめっき装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来の噴射供給タイプのめっき装置におけるエアーの滞留や、流速ムラにより生じるバンプ形状およびめっき厚の不均一性を解消するめっき処理技術を提供するものである。
【解決手段】 めっき槽と、めっき槽上部開口に形成されたウェハー支持部と、ウェハー支持部の下側位置に形成された液流出路と、ウェハー支持部に載置されたウェハーの被めっき面中央に向けてめっき液を噴射供給する液供給管とを備えためっき装置において、液供給管は、めっき槽内に突出した状態で設置されている液吐出管部と液流入管部とからなるとともに、液吐出管部下方に液吸入口が形成されており、当該液流入管部内壁に液流調整機構が形成されているものとした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体用ウェハーのめっき方法及びめっき装置に関するものである。

従来より、半導体用のウェハーにめっきを施す装置としてカップ式めっき装置が知られている。装置の概略を図４に示す。このめっき装置は、めっき槽１０１と、めっき槽１０１上部開口に形成されたウェハー支持部１０２と、ウェハー支持部１０２の下側位置に形成された液流出路１０３と、ウェハーＷの被めっき面Ｗｓ中央に向けてめっき液を噴射供給する液供給管１０４Ａとを備えている。そして、このめっき装置では、液供給管１０４Ａから噴射流で供給されるめっき液をウェハー支持部１０２に載置されたウェハーＷの被めっき面Ｗｓを接触させ、ウェハーＷの被めっき面Ｗｓ中央から外周方向へ流れを形成させてめっき処理を行うようになっている。

このめっき装置は、めっき液を被めっき面に向けて噴射流で供給する結果、被めっき面Ｗｓには、その中央付近から周辺方向に広がるような流動状態でめっき液が接触することとなり、被めっき面全面に迅速かつ均一なめっき処理が行えるという特長を有するものである。

装置構造上の特徴から、めっき性状に対して次のような点において不十分なものであった。まず、第一にめっき処理中に不可避的に発生するエアーに起因して、例えばウェハーのバンプ形成を行う場合、形成されるバンプの形状がエアーの影響により不均一となるのである。

ウェハーＷにはフォトフォトレジストのバンプ形成面パターンが形成されている。フォトフォトレジストパタ−ンが形成されたウェハーＷは、被めっき面Ｗｓを下に向けた状態で上記めっき装置にセットされる。フォトフォトレジストの間隙にめっき液を付着させて、通電すると、間隙内に金属が析出する。その金属が析出成長することで、被めっき面Ｗｓ上にバンプが形成される。

一方、上記めっき装置では、めっき処理中、めっき液供給時に液中に混入するエアーや、アノード等より発生するエアーが液中に混在し、さらに、このエアーは、めっき液の流動とともに移動している。そして、めっき液は、ウェハーの被めっき面において、被めっき面中央から外周へ向かって放射状に流動している。この放射状の流動はほぼ定常的に発生している結果、例えばめっき槽内の特定位置から常時エアーが発生した場合、液中のエアーは、定常発生している放射状の流動が特定流動部分に沿って移動しやすくなる。そのため、被めっき面全面でみると、エアーが常時移動する部分とそれ以外の部分とが生じる場合がある。

このような液中のエアーが被めっき面を移動すると、エアーの一部は、フォトレジストパターンの間隙に入り込む可能性が高い。その場合、フォトレジストの間隙にはエアーの存在によってその部分にめっきは行われなくなる。特に、フォトレジスト厚が大きく、間隙が深い場合、間隙部分に入り込んだエアーは容易に抜けない傾向にある。つまりウェハーバンプ形成を行うためのめっき処理を行う場合、エアーの影響により形成するバンプ高さにばらつきが生じることとなる。

さらに、上記被めっき面におけるエアーの流動において、エアーの常時移動する部分では電流密度が若干小さくなり、均一なめっき厚みのめっき処理ができなくなる傾向も生じる場合がある。

次に第二点目としては、ウェハーの被めっき面の近傍におけるめっき液の流速にムラがあることである。図４には、めっき槽断面方向から見ためっき液の流動状態を示す。またこの流速ムラの概略は図４中の矢印線で示している。具体的には、供給管１０４Ａからの噴射流Ｌが直接影響する被めっき面近傍中心部の流速が他の部分より速くなる。そのために、その周囲にドーナツ状に淀み部分Ｓのような流速ムラが生じる。そのためこのドーナツ状の淀み部分に対応する被めっき面において、めっき厚が若干薄くなる傾向を示すのである。

このような従来のめっき装置における構造上の特徴から生じるめっき性状の均一性への不十分な点に対し、発明者は上記液供給管１０４ａに改良を加えためっき装置を提案した。（例えば特許文献１）

特開２００４−０９９９８８

特許文献１のめっき装置の概略断面を図５に示す。この装置は、液供給管１０４ｂが、めっき槽１０１内に突出した状態で形成されるとともに、液供給管開口部１０５の下側位置に液吸入口１０６が設けられたことを特徴とする。この液供給管１０４ｂを備えためっき装置において、めっき槽１０１内のめっき液は液吸入口１０６より吸引され、液供給管で噴射流と合流、その後めっき槽内に再噴射という一連の挙動を示すこととなる。
これにより、めっき槽１０１中のめっき液に強制対流による図中の矢印線のような循環流動が発生し、めっき槽内のめっき液が均一に攪拌される。この攪拌によってめっき液中に混在するエアーの影響を極力抑制し、めっき液供給時のめっき液流速に起因するめっき厚みの不均一を低減することが可能となった。

しかしながら、本発明者が提案した特許文献１のめっき装置では、ウェハーの被めっき面に対し、めっき液が放射状の流動状態を定常的に生じることに依然変わりが無い。被めっき面の特定部分にエアーが移動する現象により生じると考えられる、バンプ形成やめっき厚みの不均一性は十分に解決されたものとはいえない。また、特許文献１のめっき装置では、めっき槽の液流出路は槽壁の全周にわたり等間隔で複数設けられるが、各液流出路間にはエアーが滞留しやすい傾向があり、このようなエアーの滞留についても更なる改善を要求されている。さらに、ウェハーの被めっき面の近傍におけるめっき液の流速ムラによるめっき厚の不均一も同様に改善が要求されている。

近年、半導体用のウェハーは大量に加工され、その加工精度は、日増しに高くなっており、このような高い加工精度が可能であるような製造技術が要求されている。つまり、ウェハーに行うめっき処理においても、従来よりもさらに均一な厚みのめっきが行えるめっき処理技術が切望されている。そして、最近のウェハーは、高い製造効率の要請からウェハーの大面積化が進行しており、大面積のウェハーであっても、その被めっき面全面で均一な厚みのめっき処理を可能とするめっき処理技術が要求されている。

上記課題を解決するために、本発明は、めっき槽上部開口に載置されたウェハーの被めっき面中央に向けて、めっき液を噴射供給することにより、被めっき面中央から外周方向へめっき液を流動させてめっき処理を行うめっき方法において、被めっき面を中心として旋回流動するようにめっき液を噴射供給するものとした。被めっき面中央から外周方向へ流動しているめっき槽中のめっき液に、被めっき面中央を中心として旋回流動するようにめっき液を噴射供給すると、被めっき面では、被めっき面中央を中心とし外周方向へ渦巻状に流動する。この結果、めっき槽内の特定位置から常時エアーが発生する場合、液中のエアーは渦巻状に流動しているめっき液全体に移動する。つまり被めっき面で見るとエアーの移動が被めっき面全面で均一に生じる。さらに上記旋回流動に加え、被めっき面中央から外周方向へと流動しているので、被めっき面中心部から液流出路に繋がる経路は、被めっき面を中心とする渦巻き状となる。よって、めっき液全面に均一に存在しているエアーは、渦巻状の流動とともに移動することとなるので、めっき液とともに液排出路から効率的に排出される。このため、被めっき面を移動したエアーの一部が、フォトレジストパターンの間隙に入り込む可能性はかなり低減し、めっき性状が良好となった。

また、上記渦巻状の流動により、被めっき面でのエアーの移動が被めっき面全面で均一に生じ、液流出路管に滞留しやすいエアーは、近くに存在する液流出路に導かれて外部に流出した。よってエアーよる電流密度の不均一性が解消され、均一なめっき処理の実現が可能となる。

さらに、本発明のめっき方法では、めっき槽内のめっき液が旋回流動しているので、ウェハーの被めっき面近傍に生じる流速ムラが小さくなり、被めっき面においてドーナツ状にめっき厚が若干薄くなる現象が抑制される。

本発明に係るめっき装置は、めっき槽と、めっき槽上部開口に形成されたウェハー支持部と、ウェハー支持部の下側位置に形成された液流出路と、ウェハー支持部に載置されたウェハーの被めっき面中央に向けてめっき液を噴射供給する液供給管とを備え、液供給管は、めっき液を旋回上昇させる液流調整機構を備えている事を特徴とする。本発明のめっき装置であれば、液供給管から供給されるめっき液はウェハーの被めっき面を旋回流動することになり、より均一な厚みのめっき処理が可能となる。

そして、本発明に係るめっき装置において、液流調整機構は、液供給管内壁に形成された螺旋状の溝または羽根であることが望ましい。めっき液が、当該形状を有する液供給管を通過することで、めっき液に旋回流動を生じさせることができる。このような液流調整機構は、例えば液供給管内壁にねじ加工を行うか、螺旋状のバッフルなどを設ければよい。このような構造であれば、従来におけるめっき装置におけるめっき液供給管に容易に適用できる。つまり、構造が簡単で、製造コストが安価になり、そしてメンテナンスフリーであるという利点がある。

さらに、本発明のめっき装置において、液供給管はめっき槽内に突出した状態で設置されている液吐出管部と液流入管部とからなるとともに、液吐出管部下方に液吸入口が形成されており、当該液流入管部内壁に液流調整機構が形成されたものであることが好ましい。

当該液供給管を備えためっき装置は、めっき槽内のめっき液に循環流動が生じることで、めっき槽内のめっき液を均一に攪拌することができ（特許文献１参照）、あわせて液流入管部に形成された液流調整機構により、めっき槽内のめっき液に旋回流動を生じさせることができる。そのために、より均一な厚みのめっき処理が可能となる。本めっき装置において、めっき槽内のめっき液はめっき槽水平方向における旋回流動と、垂直方向の循環流動とが同時に生じることにより、めっき槽内のめっき液の流動状態は、多方向に渡る複雑なものとなる。そのため、被めっき面における特定の流動部分に従ったエアーの移動が解消され、また液流出路間に滞留しやすいめっき液が効率的に排出される。さらに被めっき面近傍におけるめっき液の流速のムラがより確実に解消される。

本発明によれば、めっきの不均一性を招く要因を有効に解消でき、均一性の高いめっき処理を行うことができる。また、本発明のめっき装置では、従来のめっき装置と比べ、さらに高精度な均一性を持ったなめっき処理を被めっき面全面に行うことが可能である。さらに大面積のウェハーであっても、厚み均一性の非常に高いめっき処理が可能となる。

以下、本発明に係るめっき装置の好ましい実施形態について説明する。

図１は本実施形態におけるめっき装置のめっき槽断面概略を表したものである。図１で示すように、本実施形態におけるめっき装置１は、めっき槽１０の上部開口に沿ってウェハー支持部２０が設けられており、このウェハー支持部２０にウェハーＷを載置して、ウェハーＷの被めっき面Ｗｓに対してめっき処理が行われるものである。このウェハー支持部２０は、図示を省略するカソード電極とその下にあるめっき液漏洩防止用のシールパッキン２１及び環状の支持台２２とからなり、これらをトップリング２３によりめっき槽１０の開口に固定されて形成されている。そして、ウェハーＷがウェハー支持部２０に載置されると、図示を省略したカソード電極とウェハーＷの被めっき面Ｗｓの周辺部分とが接触するようになっている。

また、めっき槽１０の底部中央には、液供給管１１が設けられており、ウェハー支持部２０の下側位置には、被めっき面Ｗｓの中心付近に到達するめっき液がウェハーＷの外周方向に広がる流れを形成するように外部にめっき液を流出させるための液流出路１２が設けられている。そして、液供給管１１の周囲には、被めっき面Ｗｓに対向するようにリング状のアノード電極２４が配置されている。このアノード電極２４、ウェハー支持部２０に配置されたカソード電極（不図示）とはめっき電流供給電源（不図示）に接続されている。

続いて、液供給管１１の構造について、図２を参照しながら説明する。図２は、図１で示す液供給管を概略的に斜視図で示したものである。この液供給管１１は、液流入管部１１ａ、固定用鍔部１１ｂ、液吐出管部１１ｃ、からなり、液流入管部１１ａと液吐出管部１１ｃとの間には、液吸入口形成用の柱状連結部１１ｄが３本設けられている。この３本の柱状連結部１１ｄにより、液流入管部１１ａと液吐出管部１１ｃとの間に３個所の液吸入口１２（図１参照）が形成されることになる。さらに、液流入管部１１ａ内壁に螺旋状の溝である液流調整機構が形成されている。

図３には図２に示す液供給管の一部である流入管部の断面図を示している。本発明の実施形態における液流入管部の液流調整機構は、螺旋状の溝が形成されているものとした。

なお、液流調整機構は、流入管部における内部管壁に螺旋の羽根を設けてもよい。

次に、本実施形態のめっき装置を用いて行うめっき処理について順を追って説明する。

まず、ウェハーＷをウェハー支持部２０の上に載置する。ウェハーＷをウェハー支持部２０上に載置し固定すると、ウェハーＷの被めっき面Ｗｓがめっき槽１０内に満たされためっき液に接触する。この状態で、カソード（不図示）とアノード２４との間に通電させることにより、ウェハーＷの被めっき面Ｗｓにめっき処理を施しめっき膜を形成する。

めっき装置１では、通常、めっき槽１０内にめっき液を供給しながら、被めっき面Ｗｓにめっき処理を施している。以下、めっき処理中のめっき液の流れを説明する。

まず、めっき液は、めっき槽１０の底面中央に設けられた液供給管１１からめっき槽内１０内に供給される。液供給管１１に流入しためっき液は、螺旋状の溝が形成されている液供給管の流入管部１１ａ内部管壁を通過することで、旋回流動が発生する。旋回流動を伴っためっき液は、ウェハーＷの被めっき面Ｗｓに向かって、液供給管の上部開口からめっき槽１０内に噴射供給される。めっき槽１０には、旋回流動が生じた状態で、めっき液が連続的に供給され、めっき槽１０内のめっき液が被めっき面中央から外周に向けて旋回流動するようになる。

めっき液が充満しているめっき槽１０内に、液供給管１１よりめっき液が噴射供給されると、めっき液の一部は、めっき槽から溢れて液流出路１２からめっき槽外に排出される。一方、液流出路から流出せず、めっき槽１０に滞留しているめっき液は、液供給管１１に設けられた液吸入口１４より吸引される。その後めっき液噴射流と合流して、液供給管上部開口部より再度噴射する。一連のめっき液の挙動により、めっき槽１０内のめっき液にめっき槽１０底部側に向う流動が生じることで、強制対流による循環流動が生じ、めっき液を均一に攪拌することができる。

次に本実施形態のめっき装置に関して、ウェハーの表面にバンプ形成のめっき処理を行った結果（以下バンプ形成テストということもある）について説明する。めっき装置（φ２００ｍｍウェハー処理タイプ）は、図１に示す構造のもので、めっき槽容量（３Ｌ）、液供給管は、液吸入口を有するタイプを使用した。なお液流入管部の形状は、液管長５０ｍｍに対し、流入管部の山部の内径は１５ｍｍ、谷部の内径は１９ｍｍ、螺旋ピッチは２５ｍｍである。比較として、従来の噴流式めっき装置（φ２００ｍｍウェハー処理タイプ）用いた。この従来タイプのものは、図４で示しためっき装置であって、めっき槽内には撹拌手段を配置していないものを用いた。めっき槽容量（３Ｌ）、使用ポンプ（マグネットポンプ）は本実施形態のめっき装置と同様であるが、液供給管１０４は３０ｍｍの円筒状内径となっているものとした。尚、ウェハー支持部や液流出口等の形状、構造は両めっき装置とも同等のものである。

ウェハーは、シード金属として金が被覆された被めっき面を有する８インチウェハー（直径２００ｍｍ）を用い、その被めっき面に７０μｍ×１００μｍのバンプを形成するめっき処理を行った。めっき液は、ノンシアン系で弱アルカリ性の高純度金メッキ液（製品名：Ｍｉｃｒｏｆａｂ Ａｕ１００ＨＭ 日本エレクトロプレイティング・エンジニヤース製）を用いた。被めっき面は予めフォトフォトレジストを形成後、めっき液流量は流量１２Ｌ／ｍｉｎ、めっき時間５（分）としてめっき処理を行った。評価は、めっき処理したウェハーの被めっき面の全体でバンプ形状不良の数をカウントし、総バンプ数に対する不良バンプ数の割合を算出して行った。以下に結果を示す

表１において、不良バンプ数とは被めっき面Ｗにおける不良バンプの数を、総バンプ数とは、被めっき面Ｗにおける総バンプ数を、不良バンプ発生率と不良バンプ数を総バンプ数で除した値を言う。表１によれば、円筒状の液供給管を用いためっき装置でバンプ形成を行った比較例の場合、総バンプ数に対する不良バンプ発生率は５．４％であるのに対して、液供給管に液供給口と液流調整機構を有する液供給管を使用しためっき装置でバンプ形成を行った本実施形態においては、不良バンプ発生率は２．４％と、従来のものに比べ不良バンプが約５０％半減することが判明した。

続いて、本実施形態の噴流式めっき装置に関して、めっき液中のエアー除去能テストを行った結果について説明する。使用した本実施形態のめっき装置及び従来のめっき装置は、バンプ形成テストに用いた物と同様なものを使用した。

エアー除去能テストは、表２に示す各液流量となるように液供給ポンプを制御して、各流量に設定されてから６０秒経過後めっき槽内に残留するエアーの状態を確認することによって行った。エアーの残留状態は、ガラスで形成したウェハーサンプルをウェハー支持部に載置することで、目視により確認した。

従来タイプのめっき装置では、どの流量によってもめっき対象面周辺付近にはエアーの滞留が確認された。一方、本実施形態のめっき装置であると、１２〜３０Ｌ／ｍｉｎの流量であればエアーの残留は全くなく、めっき液中のエアーが効率的に排出されたことが判明した。

最後に、被めっき面のめっき厚の均一性についてテストした。（以下めっき均一性テストという）使用した本実施形態のめっき装置は、従来のめっき装置バンプ形成テストに用いた物と同様なものを使用した。

ウェハーおよびめっき液については、バンプ形成テストの際に用いたものと同様のものを用いた。被めっき面については、予めフォトフォトレジストを形成後、めっき液流量１２Ｌ／ｍｉｎ、めっき時間６２（分）としてめっき処理を行った。評価は、図６（ａ）に示すウェハー表面の９ポイントの部分に位置する各々のバンプ図６（ｂ）における四隅Ａ〜Ｄ点における、合計３６箇所について、バンプ高さを測定後、その値に基づき均一性を算出することで行った。バンプ高さの測定方法は、触針式バンプ高さ測定器（ｔｅｎｃｏｒ社製Ｐ−１１）を用いて、バンプのトップ表面における高さ（シード金属表面からバンプトップまでの距離）を連続的に測定することで行った。

表３において、均一性の値は
均一性（％）＝（最大高さ−最小高さ）／平均高さ×１００
で算出したものである。均一性の値が大きければ、バンプ高さのばらつきが多いことを意味し、その値が小さければ、そのばらつきが少ないことを意味する。表３によれば、円筒状の液供給管を用いためっき装置でバンプ形成を行った比較例の場合、均一性は１４．５％であるのに対して、液供給管に液供給口と液流調整機構を有する液供給管を使用しためっき装置でバンプ形成を行った本実施形態においては、均一性は１１．５％と、従来のものに比べ均一性が向上していることが確認された。なお、表３に示すデータは、比較的簡易な試験条件により得られたものであるため、製品レベルのものと比較してバンプ高さの精度が数値的に悪い結果となってしまっている。

本実施形態におけるめっき装置の概略断面図 液供給管の斜視図 液供給管吸込部の断面図 従来のカップ式めっき装置の概略断面図およびめっき液の流動状態を示す図 液供給管に改良を加えためっき装置の概略断面図 バンプ高さの測定個所を示す平面図

符号の説明

１ めっき装置
１０ めっき槽
１１ 液供給管
１２ 液流出路
１３ 液吸入口
２０ ウェハー支持部
２１ トップリング
２２ 載置台
２３ トップリング
２４ カソード電極
Ｗ ウェハー
Ｗｓ 被めっき面
１１ａ 流入管部
１１ｂ 固定用顎部
１１ｃ 流出管部
１１ｄ 柱状連結部

Claims (4)

1. めっき槽上部開口に載置されたウェハーの被めっき面中央に向けて、めっき液を噴射供給することにより、被めっき面中央から外周方向へめっき液を流動させてめっき処理を行うめっき方法において、
   被めっき面中央を中心として旋回流動するようにめっき液を噴射供給することを特徴とするめっき方法。
2. めっき槽と、めっき槽上部開口に形成されたウェハー支持部と、ウェハー支持部の下側位置に形成された液流出路と、ウェハー支持部に載置されたウェハーの被めっき面中央に向けてめっき液を噴射供給する液供給管とを備えためっき装置において
   液供給管は、めっき液を旋回させる液流調整機構が設けられたことを特徴とするめっき装置。
3. 液流調整機構は、液供給管内壁に形成された螺旋状の溝または羽根である請求項２に記載のめっき装置。
4. 液供給管は、めっき槽内に突出した状態で設置されている液吐出管部と液流入管部とからなるとともに、液吐出管部下方に液吸入口が形成されており、
   当該液流入管部内壁に液流調整機構が形成されたものである請求項３に記載のめっき装置。
   
   

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