JP2007525595A - メッキ装置及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は金属メッキ装置と金属メッキ方法とを提供する。特に自己触媒（すなわち無電解）メッキに適しており、メッキ対象基板を収容し、メッキ液を循環させる加圧密閉容器を利用する。密閉容器内の温度と圧力は厳密に制御される。

Description

本願は２００４年２月４日出願の米国仮特許願第６０/５１４６８７号「圧縮自己触媒容器及び真空チャック」の優先権を主張する。本願はまた２００４年２月１２日出願の米国特許願第１０/７７８６４７号「精密制御式電着装置及び方法」にも関する。その出願は２００３年２月１２日出願の米国仮特許願第６０/４４７１７５号「電気化学装置及び方法」の優先権を主張している。その出願は２００３年１２月５日出願の米国特許願第１０/７２８６３６号「被膜磁気粒子とその利用法」の一部継続出願である。その出願は、２００２年１２月５日出願の米国仮特許願第６０/４３１３１５号「印刷可能ハンダペースト用固体核ハンダ粒子」の優先権を主張する。
発明の分野（技術分野）
本発明は金属着層（デポジション）による基板のメッキ処理に関する。そのようなメッキには普通は自己触媒メッキと称される電解メッキまたは無電解メッキが関与する。

典型的な自己触媒メッキプロセス中に、触媒で誘導された化学反応によって固体表面に金属の連続的着層が提供される。自己触媒メッキ反応は主として反応温度によって触発され、二次的にはメッキ溶液

のｐＨ及び金属複合体の相対濃度並びにそれらに対応する還元剤によって促される。典型的には基板面は、レドックス（酸化還元）反応のための開始部位の連続面層を提供するために、着層させる金属種に対して陰極とすることで無電解メッキのために下準備される。

以下の説明はいくつかの文献に言及する。それらは本発明に科学的根拠を与えるためであって、本発明に対する先行技術を構成すると出願人が認めているわけではない。

無電解メッキは電子構造物コンポーネントのために利用されてきた。現在、その技術をシリコンウェハー並びに他のウェハーや半導体装置のメッキに利用することに強い関心が寄せられている。しかし、金属が不都合な表面領域への偶然で異質な金属着層をコントロールすることは困難である。自己触媒メッキはメッキ溶液に曝露される表面の化学活性とメッキ溶液の化学活性とによって支配されるので、好適に活性化された表面と充分な化学活性を有したメッキ溶液とが接触するときは金属の着層が発生する。

着層（被膜：デポジット）部エッジの鮮明性は大きな着層領域ではさほど問題にならないが、半導体ウェハーや基板をミクロン単位の線幅でメッキする場合には大きな問題となる。ミクロンやサブミクロンでは、メッキ鮮明度と誤差は作用分離距離に接近し、あるいはそれを超えることもある。これはウェハーや基板の導電性ブリッジ現象や電気短絡を引き起こすことがある。

一般的には、金属を無差別的に着層させる無電解メッキ化学溶液の特質は化学反応速度抑制剤の利用で規制される。抑制剤は溶液から排出される金属イオン減少のために化学活性閾値を引き上げ、高度に活性化が促された表面にのみ着層させる。しかし、抑制剤の添加は続く接合/結合加工のためのメッキの利用性を損なう。例えば、メッキ被膜物に使用された有機物の残留物はハンダのウエッティングや、その金属面へのワイヤーボンディングを妨害する。この現象はウェハースケールの電子接合処理への従来式無電解メッキ技術の幅広い利用を妨害している。

無電解メッキは普通、開放容器またはタンクで実行される。容器は典型的にはプラスチック製あるいはプラスチックで裏打ちされた金属製であり、メッキ溶液が金属面と接触したときに溶液からの無電解化学物質の不本意な着層を防止している。

プラスチック、ガラスまたはポリテトラフルオロエチレン（ＰＥＦＥ）コーティングされた投入電熱器は、典型的には、例えば３５℃から８５℃である最良の処理温度にバス（液体）を維持すべく使用される。バスは典型的にはタンク内の溶液を撹拌あるいはポンプ処理することで混合される。

基板は典型的にはまずそれを化学洗浄溶液に浸し、続いてリンスし、触媒活性溶液に浸すことで下準備される。活性化された基板は望む厚みのメッキ層が得られるまでメッキバス内に浸される。その基板は取り出され、リンスされて乾燥される。

以下の例は、無電解ニッケル浸沈金（ＥＮＩＧ）処理法のための複数タンクで従来式に実行されている無電解メッキの典型的なプロセスである。

１．アルミニウム洗浄液に浸漬
２．亜鉛酸塩活性液に浸漬
３．デスマットあるいは剥離液に浸漬
４．第２亜鉛酸塩溶液に浸漬
５．脱イオン水でリンス
６．加熱されたニッケル無電解メッキバス溶液に浸漬
７．脱イオン水で複数回リンス（１回から３回）
８．浸漬金バス溶液に浸漬
９．脱イオン水でリンス
このプロセスは、プラスチックまたはプラスチックコーティングしたラックまたはウェハーキャリヤーに固定されたウェハーまたは基板を対象に、一連の開放タンクアレンジで実施される。ウェハーまたは基板はタンクからタンクへキャリヤーと共に手または搬送機で運搬される。ウェハーまたは基板をタンクからタンクへと物理的に運搬する必要性はウェハーにダメージを与える可能性を大きくしている。ダメージのリスクは半導体産業が化学的または機械的手段でウェハーをさらに薄くする傾向によって増大しており、既にデリケートな構造のウェハーをさらに脆くしている。

良好に機能するために、従来の無電解メッキ被膜プロセスは最良のバス容積対メッキ対象着層面積の比を必要とする。従って、一連のバスの開放タンク無電解メッキラインは一度構築されるとバス容積と対象面積の狭い比範囲でのみ良好に機能する。

従って、半導体産業において最良の適用のために自己触媒メッキ技術とプロセスを最良条件で利用することが望ましい。

半導体産業で利用されるもののごとき薄ウェハーの電解メッキにおいて、現存の電解メッキ技術には限界がある。ウェハーをメッキするには、典型的にはウェハーを頑丈な基板に固定してメッキし、金属コンタクトの配列をワイヤーラインを介して直流電源と反対電極（すなわち、陽極）とに電気的に接続する。コンタクトの金属面を完全隔離することが必須であり、コンタクト周囲に電着による着層をさせないようにする。そのような着層はウェハーの表面にコンタクトポイントを溶着し、プロセス完了時にそのコンタクトポイントで被膜層を破壊または除去する結果を招く。

電解メッキのさらなる限界は、露出したコンタクト表面が引加電流強度とウェハーの陰極効率に大きな影響力を及ぼすため、厳密な制御を必要とすることである。これで着層された被膜の平均厚に不正確で信頼できない結果を招く。さらにコンタクトはウェハーに導入される不純物源でもある。

電解メッキは放射状コンタクトアレイがメッキ対象ウェハーの周囲に配置されることを必要とする。電流はアレイが提供されるウェハーのエッジを通してバス処理される。ウェハー周囲のコンタクトポイントの数が多ければ多いほど、電流の分配は良くなる。電解メッキの現行デザインは化学コンタクトポイントを必要とし、よって、メッキウェハーの表面積に対する悪影響を防止するために周囲に供給可能で効果的にシール処理されるコンタクトポイント数を制限する。

シリコンウェハーの銅電着の限界は、銅電解質及び得られた銅被膜がシリコンを汚染することである。これで半導体材料を導電材料にし、表面を絶縁性から導電性とすることでウェハー全体をだめにする。

現在、半導体産業は銅メッキするのに“ダマシン”プロセスを好む。銅パターンの着層技術はその金属の電解メッキの人気をますます高めている。ウェハーのエッジや裏側を絶縁し、円形あるいは他の形状の窓を介してメッキ対象表面を露出させるようにいくつかのクランプ機構あるいはシール機構が考案された。そのような装置はかなり複雑であり、典型的にはバックプレートを含んだサンドイッチ構造とＯリングシールとを含み、上フレームはウェハーにクランプされてボルト止めされ、固定されなければならない。

その結果、そのような装置の複雑な特徴はコンタクトポイントに接続するバス要素の断面積を制限する。得られるバス断面積は機械デザイン向きに減少され、電流運搬能力に悪影響を及ぼす。これで構造物を介して電流を完成させるために高電圧を必要とする。

メッキ中に基板を保持し、基板の部分と電気コンタクトを絶縁するさらに優れて効果的な方法または装置が求められている。

本発明はメッキ装置の提供を含んでいる。そのメッキ装置は加圧密閉容器を含んでおり、基板メッキ中にその内部に基板を収容し、容器にリンクされた制御可能なメッキ液ソースと、基板のメッキ作業が完了するまで容器内で基板を固定させる保持装置とを含んでいる。また、少なくとも１つの開口部を有しており、メッキ液を容器との間で排出入させる。この好適実施例では、その装置は自己触媒メッキに特に向いている。

本発明は半導体ウェハーのメッキに特に適している。

装置は好適には制御可能なメッキ液ソースと容器との間で閉鎖ループ系を含んでいる。本発明は好適には容器内の平衡圧を制御する圧力制御システムを含んでいる。制御可能なメッキ液ソースは好適には容器内あるいは容器外にメッキ液を別々で連続的に導入及び排出させるシステムを含み、好適には複数のノズルと導管を含んでいる。容器内のその少なくとも１つの開口部は好適にはポートを含んでいる。

装置は好適には温度制御システムを含んでいる。その温度制御システムは好適には約±１℃以内で温度を制御する。温度制御システムは好適には秒速約０．５℃以上、さらに好適には約１．０℃以上、さらに好適には約２．５℃以上でメッキ液を加熱冷却する。温度制御システムは容器に入る前の溶液の温度を制御するように容器の外側に設置する。及び/又は容器上及び/又は容器内に設置する。温度制御システムは容器の少なくとも１壁内に設置することもできる。

好適には容器は約５リットル以下の容積であり、さらに好適には３リットル以下の容積であり、さらに好適には２リットル以下の容積であり、さらに好適には１リットル以下の容積であり、最良には０．５リットル以下の容積である。

装置は好適には容器内に配置されたバッフルシステムを含んでいる。装置は好適には電流を容器内に受領するように容器内に配置された陰極を含んでいる。

容器は好適にはベースプレートとベースプレート上に搭載されるカバーとを含んでいる。保持装置は好適には真空チャックを含んでいる。真空チャックは好適にはベースと、そのベース内の少なくとも１つの真空キャビティとを有している。装置は好適には少なくとも１つの被膜をキャビティ上に含んでいる。被膜は好適には真空に対応して変形する被膜を含んでおり、好適には弾性膜を含んでいる。

真空チャックは好適にはベース内に中央シャトルを含んでいる。真空チャックは好適にはベース上にエッジシールブーツをも含んでいる。エッジシールブーツは好適にはエッジスカートを含んでおり、基板と接触して基板の一部をシールする。装置はエッジスカート内に設置された電気ブリッジコンタクトを有することもでき、コンタクトは好適にはコンタクトのアレイを含む。

本発明は、基板上に金属を着層する方法も含む。この方法は、加圧シール容器を提供し、加圧シール容器内に基板を固定し、少なくとも１種のメッキ液を容器内に導入し、容器からメッキ液を取り出し、金属が基板上に着層された後に基板を容器から取り出すステップを含んでいる。

方法は好適には液体を別々で連続的に導入し、別々で連続的に取り出すステップも含んでいる。

方法は好適には容器内の平衡圧を制御する。方法はまた容器内に陰極を配置し、その陰極に電流を送るステップを含むことができる。

好適には方法は液体の温度の制御を含み、好適には約±１℃以内の制御を含む。方法はまた好適にはメッキ液を、好適には毎秒約０．５℃以上、さらに好適には毎秒１．０℃以上、さらに好適には毎秒２．５℃以上で加熱冷却することを含む。液体温度は容器へ導入する前に制御するか、あるいは容器の内部で制御する。

方法はまた好適にはバッフルシステムを提供し、そのバッフルシステムを利用して容器内で液体の流れを制御することも含んでいる。

方法は好適には保持装置を提供し、その保持装置を容器内に設置し、保持装置に容器内にて基板を安定維持させることを含んでいる。保持装置は好適には少なくとも１つの真空キャビティを含んだ真空チャックを含んでいる。方法は好適には変形可能な被膜をキャビティ上に配置し、基板を被膜上に搭載させることを含んでいる。真空は好適には真空チャックに基板を固定させるのに適用される。

好適にはエッジスカートを含んだブーツが提供され、ブーツは真空チャック上に搭載される。電気ブリッジコンタクトをブーツ内に設置し、ブリッジコンタクトを通して電流を送ることができる。

本発明の主要な目的は、全メッキプロセスを通じて基板を移動せずにその場に保持しつつ基板のメッキを提供することである。

本発明の別目的は、自己触媒メッキプロセスの改良制御を提供し、特に小型基板に対するメッキプロセスの改良制御を提供することである。

本発明の主要な目的は、開始速度、被膜速度、温度調整及び圧力調整等に関してメッキプロセスを正確に制御することである。

本発明の別の利点はメッキに要する溶液容積を減少させることである。

本発明の別の利点は小型で高価な基板の損傷リスクを最少とし、そのような損傷に伴うコスト高を抑えることである。

本発明の他の目的、利点及び新規な特徴並びにその利用性は図面を利用して以下で詳細に説明されている。

本発明の好適実施例は金属メッキ（すなわち、金属着層）装置及び方法を含む。装置はメッキプロセス中の基板及び/又は材料並びに液体を収容する容器または他の収容体を含む。そのようなプロセスは金属の電解及び無電解（すなわち自己触媒）着層または着膜を含む。ここで使用する用語“基板”とは金属メッキが実行される表面を含むあらゆる物体を対象とし、半導体に限らない。本発明は別のメッキ液あるいはメッキステップのために他の容器に基板を移動させる必要がなく、１つの容器で基板のメッキを提供する。本明細書で使用する“メッキ液”とは、化学溶液、リンス溶液及び金属溶液に限らずメッキプロセス中に基板が露出されるいかなる液体をも意味する。本好適実施例では装置は制御可能なメッキ液ソースをも含む。このような制御可能なメッキ液ソースは、好適にはメッキ産業で知られるいかなるメッキ液ソース並びに搬送システムでもよく、液体の移動のために導管にリンクされたタンクや他の容器のごとき収容器である。搬送はいくつかのシステムで提供でき、例えば、温度制御システム、圧力制御システム、ポンプ、バルブ等、あるいは手動で制御できる。

本好適実施例では装置はさらにチャック、好適には真空チャックを含み、プロセス中に基板を望むポジションで保持する。本好適実施例ではこれら装置及び方法は半導体産業での使用に特に向いているが、表面への金属の無差別な着層を回避したい場合や、セラミック基板や他のタイプの電子基板の自己触媒のごとき金属被膜処理の制御を望む場合に好適に使用できる。本発明の装置や方法は電解メッキ及び自己触媒メッキの両方に使用できるが、以下の説明は特に自己触媒を対象とする。

図１で図示するように、本発明の好適実施例は基板１００（本例ではウェハー）のごとき物体または基板をメッキするシールされた（密閉）メッキ容器２０を提供する。容器２０は好適には静水圧シール可能なものである。基板１００用は曝露されるメッキ液は好適には別々にセル内に導入され（液体の不都合な汚染の伝染を抑止する）、適当なプロセスで液体の連続的に導入させる。従って、本発明は、好適には閉鎖ループ系をメッキ液ソースと容器２０との間で提供する。

基板１００のメッキが本好適実施例の代表として説明されているが、容器２０の他の実施例でも複数基板のメッキを提供する。複数基板は好適には生産量を高めるために狭い間隔で並べられる。

容器２０は好適にはドーム２０のごときカバーを含んでいる。それはベースプレート２４のごとき底部上方に設置される。容器２０の形状はどのようなものでもよいが、円形ベースを有したドーム構造が望ましい。積層流形成は好適には溶液インレット２６に隣接した非方形セル３０を利用して促進される。ベースプレート２４は好適には機械加工され、好適にはステンレススチール、プラスチックあるいは他の頑丈な材料で提供される。ドーム２２は好適には供給ポート２６を含んでいる。供給ポートは好適実施例では環状であり、容器２０へ液体を導入する。ドーム２２は好適には容器２０から排出される液体の戻流のリターンポート２８を含んでいる。ドーム、ベースプレート及びポートが説明されているが、密閉容器を提供し、液体を排出入させるアクセス部を提供するどのような構造や手段でもよい。

好適実施例においては、以下で説明する加熱冷却制御が提供される。そのような温度制御は容器２０の容積が減少すればさらに効率的になる。従って、本好適実施例では壁厚を含んだ諸寸法は最低化され、さらに高い温度制御が提供される。

図２は容器２０の好適実施例の断面図である。ドーム２２はベースプレート２４上方にフィットし、閉鎖セル３０が容器２０内に形成される。好適にはカップリングノズル３６が供給ポート２６とリターンポート２８上に設置され、液体供給導管５０を供給ポート２６に接続し、ポート２８に液体リターン導管５２を接続する。液体供給導管５０は溶液２００（化学メッキ溶液等の溶液を容器２０内に導入させる溶液を含む）を溶液タンク５４からセル３０に、好適にはポンプ５６を使用して移す。液体リターン導管５２は溶液２００をタンク５４に戻す。好適には、流量と圧力制御システムは、好適にはバルブ６０、圧力レギュレータ６２、フィルター６４を含み、液体リターン導管５２に沿って配置されている。

図２aで示すバッフルシステム８８は好適にはセル３０（固定手段は図示せず）内に収容され、セル３０内の液体の流体品質を改善させる。メッキ液２００がバッフルシステム８８を介して移動するとき、セル３０内の液体の圧力が分配され、積層流を改善する。液流を制御するどのようなバッフルシステム８８のデザインでもよい。

好適にはシール（密閉手段）３４が提供される。セル３０内の液体や気体を封じ込めるどのような知られた手段でも利用できる。好適には排水桶３８がプレート２４の下側に提供され、ドーム２２をベースプレート２４から分離したときに液体を回収する。放出液を好適には排水リターンカップ６８を解して回収し、排水導管７０で保管体（図示せず）あるいはタンク７２へ送る。フィルター７４は排水導管７０に搭載される。

容器２０は好適にはメッキ対象物（例：基板１００）をメッキ処理中に固定位置あるいは他の望むポジションで保持する装置を含む。装置は好適にはチャック４０を含み、好適実施例では真空チャックを含む。チャック４０の全体的デザインは好適には円形であるが、どのような形状でも構わない。本好適実施例ではチャック４０は好適実施例ではベースプレート２４を含むベースを含んでいる（チャック４０は別々な専用ベースを含むこともできる）。これは好適には真空チャンバー４４と真空孔部４６、４６’を含む。真空孔部４６、４６’は１つ、または２つであるが、本例では２つが図示されている。

チャック４０は好適には真空孔部４６、４６’上に置かれて真空孔部をシールするダイアフラム（隔壁）４２を含んでいる。図面で示す真空孔部の数には関係なく、１以上のそのような孔部が利用できる。ダイアフラム（膜体）４２は好適には変形可能なシール材、例えばフレキシブルあるいは弾性的な膜体であり、真空に対応して変形し、好適には化学的に反応せず、温度に耐久性がある材料、例えば薄いゴムシリコンである。本発明の方法においては基板１００はダイアフラム４２上に配置される。

真空ポート４８は真空ソースシステム（図示せず）に接続されている。図３はこの好適実施例において、真空が真空チャンバー４４に真空ポート４８、真空チャンバー４４及び真空孔部４６、４６’を介して適用されるとき、ダイアフラム４２が変形して真空空隙部４７がダイアフラム４２と基板１００との間でどのように形成されるかを示す。真空空隙部４７内の真空によって基板１００はベースプレート２４に対して保持され、基板１００とダイアフラム４２との間の接触表面をシール状態にする。真空孔部４６、４６’は好適には基板１００の主径よりも小さいフットプリントパターンを提供するようにサイズ化された一連の同心リングまたは同心溝を含んでいる。よって、基板１００の裏側は触媒または他の化学薬品への曝露から保護されている。

図４は無電解化学溶液２００の導入を示す。これは好適にはポート２６を通ってセル３０に、好適にはセル３０が望むレベルに満たされるまで流れ込む。リターンポート２８は好適には溶液２００のタンク５４のごときメッキ液ソースへ溶液が戻るように提供されている。図５はセル３０を通る溶液２００の連続的循環を提供する本発明の１実施例を示す。セル３０を通る溶液２００の時間とセル３０内での所定量の溶液２００の滞在時間はプロセスフローと各溶液に対する望む曝露時間で決定される。

本発明の好適実施例では、溶液２００をソースに戻すリターン導管５２は圧力システムにリンクされている。圧力システムは好適にはバルブ６０や圧力レギュレータ６２のような要素を含んでいる。バルブ６０でバック圧を調整することで、静水圧がセル３０内に導入され、及び/又は維持され、反応インターフェースで基板１００の表面に対して作用できる。メッキ中のセル３０内の圧力は好適には大気圧以上に維持される。

上述したように、典型的な無電解メッキプロセスは被膜が望まれない部位の金属着膜で悪影響を受けるため、容認できるプロセス制御を維持するためにそのような被膜の防止が必要である。メッキ対象基板を囲むメッキ溶液の静水圧の調整で、無電解メッキ着層速度を制御することができる。特に、メッキ液とメッキ対象基板の両方を保持する閉鎖空間の静水圧を増加させると、メッキ速度が低下し、過圧に対する直接的割合でメッキ開始の閾値が高くなる。この方法には、金属面とメッキ液との境界層での水素ガス発生の抑制が関与する。メッキ速度は、数バールの過圧以下でシステムに静水圧の直接的な適用を増加させることで遅くできる。大気圧よりも大きい圧力でメッキ反応は中断され、基板への実質的な金属着膜はない。

従って、本発明の静水圧バックプレッシャーのこの好適な適用は、有機抑制剤の追加を必要としない改良されたプロセスを提供すべく追加の速度特性あるいは追加の速度制御を提供する。本発明で提供された速度制御は、典型的には不都合な冶金構造/材料を提供することになる高レベルの有機抑制剤を必要とするので、過去においては反応過剰で制御が困難であると考えられてきた自己触媒金及び他の自己触媒圧化学組成物の利用を可能にする。

静水圧の適用を通じて、本発明はメッキ対象物の物理的環境を直接的に制御することで開始とメッキ速度の両方を正確に制御できる。本発明が提供する改善された制御の他の例は以下でさらに詳細に解説されているが、それらは温度の制御と種々な表面の電気活性の制御であり、着層プロセスのさらに正確な制御を提供する。そのような制御は半導体産業で特に価値がある。なぜなら、半導体パターンを提供するライン特性は細すぎて高確率な有機材料の共着膜を許さないからである。そのような共着膜は得られる金属パターンの冶金密度を減少させる。本発明のように環境を制御することで、錯化剤、安定剤、抑制剤等の導入は大きく緩和される。本発明は、通常の無電解メッキによる金属被膜では一般的に見られる共着膜され、採用される有機種を含まない金属被膜を提供する。

セル３０内の溶液の圧力は圧力バルブ３８または他のタイプの圧力レギュレータで調整される。それは好適には開放セル上で１気圧または２気圧あるいは常圧でセルに圧力を加える。しかし、どのような圧力でも利用できる。例えば、バルブ３８はバック圧をセル３０に導入する。それはオプションで圧力計６２や他の制御装置によってモニターされる。セル３０に圧力を加える能力は、例えば、改良された性能及び改良された被膜を提供する被膜運動学であるメッキプロセスの圧力依存特性に対する制御を提供する。

セル３０内の圧力制御は、深く充填されたバイア及び平坦な表面を含んだ基板の全面に対する溶液交換とイオン供給を改善させる。よってサブミクロン構造物は成功裏にメッキでき、ナノスケールのバイアは均等に充填される。

電解メッキに関して、セル３０の加圧は被膜インターフェース（すなわち、陰極または基板や表面）での水素等の気体の形成も抑制する。これら気体は不都合な孔部や空隙部を発生させ、陰極の表面の被膜に典型的に発生するミクロピットを発生させる。水素等の気体は被膜の冶金強度を低減させる。水素が境界に残れば脆い着膜または非常に応力がかかった着膜が形成される。その結果、張力不足となり、基板１００から剥がれ落ちる。金属インターコネクトのような基板に対する被膜の接着強度は電子コンポーネントに必要な高信頼性を保証するのに不可欠である。

サブミクロン範囲での適用では、従来のメッキでは許容された微粒子、孔部及び微小ピットは許容されない。なぜならメッキされる特徴部の小型化と被膜の薄さのためである。よって、微小ピットの制御は半導体ウェハーがメッキされる場合には非常に重要である。気体発生を抑えるために圧力を利用することで、基板１００とメッキ金属との間で第１境界層を創出する基板１００表面の当初被膜の強度（電圧あるいは電位がその最高であるとき）が改善全される。これでサブミクロン構造体のメッキに充分な品質が得られる。

また、セル３０内の圧力を上昇させる能力は、例えば、典型的な８５℃以上の温度である従来温度よりも高い温度を利用可能にする。

図６で示すように、望むプロセスの完了後に、ドーム２２は持ち上げられて減圧ポート８０が提供される。減圧ポート８０は好適には別々になったベースプレート２４とドーム２２を囲む開放領域を含む。よって、完全な溶液２００の追出しが提供される。溶液２００を含む全追出し液は好適には桶３８で回収される。図６はリターンカップ６８（図８の６８、６８’、６８’’、６８’’’、６８’’’’等）上方に配置された桶３８を示す。

図７で示すように、溶液２００の追出し後に、導管１５６を介してリンスソース１５４（脱イオン水等のリンス液１５８を収容）に接続された別のカップリングノズル３６’が、好適にはポート２６及び/又はポート２８に接続され、リンス液１５８をセル３０内に噴入し、溶液２００を完全にリンスして排出させ、リンス水１５８を追出す。容器２０はこのステップ中は開放あるいは閉鎖ポジションでよい。

この水の噴入及び追出しは何度も反復できる。その後の溶液は好適には図８で示すカップリングノズルのごときいくつかのカップリングノズルを取り付けることで適用される。全ステップはそれぞれの続く溶液への曝露のために反復できる。従って、溶液は混合して他者を汚染することなく適用でき、時間が制御された方法により基板に望む金属被膜が正確に提供させる。

液体をその後に適用するには、ノズルタレットシステム１３６または他の同様な（同目的を達成させる）システムが図８で示すように好適には１実施例で利用される。それによって、例えば容器２０上で回転させて、その後に別々なノズルを配置することができる。タンク数、ノズル数及びリターンカップ数を増加させることで、無制限な数のプロセスステップが容器に対して適用でき、基板１００または他の基板を容器から容器に移動させることなく複雑なプロセス制御能力を提供することができる。本発明は窒素等の不活性ガスで作業領域を加圧させ、プロセスステップ間で金属に対する酸化を制御または排除する（例えば、酸素への曝露の排除）。

本明細書の「発明の背景」で解説した従来の無電解メッキプロセスステップと比較したＥＮＩＧメッキ着膜に適用される本発明の方法の１例は次の通りである。

１．アルミニウムクリーナーでセルを充填
２．脱イオン水でセルをリンス
３．亜鉛酸塩溶液でセルを充填
４．脱イオン水でセルをリンス
５．ニッケル無電解メッキバス溶液をセルに導入し、作用温度にまでセルを加熱
６．脱イオン水でセルをリンス
７．浸漬金バス溶液をセルに導入し、作用温度にまでセルを加熱
８．脱イオン水でセルをリンス
本発明ではメッキ溶液２００は最低メッキ温度の直下温度にて容器２０の外部で維持できる。温度はメッキ溶液２００がセル３０に導入されるとき急速に最良メッキ温度に上昇される。メッキ溶液２００は加熱タンク５４で加熱することも、熱制御された加熱コイル５８（図２）を通すことでも、あるいは容器２０の壁に加熱システムを直接的に埋め込むことでもできる。例えば、加熱/冷却ジャケット５９を図２aのようにドーム２２の壁３２に隣接させて組み入れても良い。加熱システムは水及び/又はグリコール等が循環できる熱制御液を通す加熱/冷却ジャケットを含むことができる。そのような加熱システムで利用できる他の熱伝導材料は気体である。電気抵抗式加熱及び気体冷却の組み合わせ、電熱加熱及び冷却、及びそれらの組み合わせが利用できる。実際には、知られたいかなる加熱/冷却システムでも温度管理に利用できる。また、温度制御システムをそのような加熱システム、熱カップルまたは他のシステムと組み合わせ、約±１℃以内で望む温度内にメッキ溶液２００を温度制御するようにフィードバックさせることもできる。

一定温度を維持することに加えて、本発明はメッキ液を急速に加熱及び/又は冷却する能力を提供する。そのような冷却と加熱の速度は好適には秒速約２℃以上であり、さらに好適には秒速約１℃以上であり、さらに好適には秒速約０．５℃以上である。

本発明の温度制御性能は、無電解メッキプロセスが溶液温度に非常に影響を受ける理由で有益である。たいていの自己触媒メッキ用化学溶液は、それらの触媒効果を達成し、その場で加熱するために非常に狭い範囲の温度で作用するように設計されている。

本発明は従来のものより優れ、さらに効率が高いプロセス管理を提供する。なぜなら、セルの容量が１リットルから５リットル（０．５リットル以下でも可能）のように小さくすることができる。これは従来のメッキプロセスで利用されるタンクと比較してずっと小さい。比較的に少ないメッキ液２００の量は、開放タンクによる無電解メッキ技術で提供されものよりも優れた熱管理とメッキ速度とを提供する。以下で解説する、被膜着層時に容器２０内で液体が循環しない“静”メッキ実施例を使用するときに小型サイズは特に好適である。

減少した容積の別な利点は、溶液内の有機化学剤量が減少するので、得られる着膜の冶金品質が良くなることである。例えば、自己触媒金の使用は７ミクロンを超える厚手の被膜を提供し、金やプラチナのごとき貴金属で柱体を形成させる無電解型後形成工具の利用を可能にする。

ここで解説する図面と好適実施例はメッキ液を容器２０内外に移動させる装置と方法を解説するが、別実施例ではメッキ液を容器２０に導入させ、静止状態で維持する（すなわち、容器２０内を循環しない）。この“静液”の非循環実施例では、メッキ反応は静止化学溶液と基板１００の表面との間で提供される。メッキの開始と速度は温度制御及び/又は静水過圧制御で制御される。この静液モードでのメッキプロセスはメッキ液２００の体積の厳密な制御を提供する。言い換えると、基板１００ごとに使用される化学剤量は使用時に滴定でき、作用温度で全部のメッキ液２００を維持する必要はない。メッキ液２００は使用時に加熱しても（容器２０内）、容器２０にメッキ液２００を導入する直前に加熱してもよい。従って、メッキ液の活性と性能はメッキプロセス中に基板あたりに消費される化学剤量が保たれても維持される。容器２０の寸法が容積及び/又は壁厚等の寸法の観点で大きく減少したとき、この実施例は特に好適である。

本好適実施例では、容器２０は電極７６を含む。これは好適にはリング形状の陰極を含んでいる。電極７６は容器２０内に設置されており（接続は図示せず）、壁３２または基板１００に電気的にバイアスされる。電極７６はメッキプロセスを開始させるべく、メッキ対象基板を電気的に活性化するように利用できる。電極７６はメッキ剤が溶液から出て行き、容器２０上に移動することをも防止する。

電極７６は直流電圧電源７８に接続される。ベースプレート２４とドーム２２は好適にはステンレスやチタンのような電極として利用できる金属で製造されるが、反対電極（すなわち陽極）を含む。これでベースプレート２４とドーム２２の表面に電圧を提供し、それらを金属被膜から保護する。ベースプレート２４とドーム２２の陽極としての利用は無電解メッキプロセスの開始を促進する制御も提供する。それは通常はバスローディングによって制御されるものである。この制御はメッキプロセスの精密な制御を可能にする。メッキ開始はセル３０への電圧を増加あるいは減少させることで制御できる。

本発明によれば、リング電極のバイアス電圧の極性と大きさは、メッキプロセス中にメッキ溶液に曝露されるセル要素の陽極保護を提供するように変更可能である（従来の無電解メッキプロセスはメッキ開始をメッキバス添加物量とバス温度の調整によってのみ制御できる）。セルデザインはメッキ対象のウェハー表面の変動を力学的に補償するのに使用が可能なレジデント陰極電極を有している（従来の無電解メッキプロセスは、従来の無電解メッキラインハードウェアのフレキシビリティに限界を課す、いつでもメッキできるメッキ表面負荷に関して基本的な限界を有している）。

真空チャックの好適実施例は図９から図１６で図示されている。真空チャック１４０は好適には基板１００を自動エンドエフェクター（例：Ｙ形状エフェクター２２０）にインターフェースさせる中央多関節シャトル１８０及びウェハー取り扱い並びにウェハー自動化のためのロボットを含んでいる。真空チャック１４０は好適には回転でき、被膜の均一性において利点を提供する。中央多関節シャトル１０８は好適にはベースプレート１２４内に提供される。図１１で示すように、基板１００がチャック１４０上に配置されると、中央多関節シャトル１８０は基板１００をベースプレート１２４上方で保持し、基板１００の裏側の外側周囲を露出する。基板１００は図１０で示すように、例えばエフェクター２２０で裏側から運ばれる。固定具１１８はダイアフラム１４２をベースプレート１２４に対して保持し、中央多関節シャトル１８０上に配置されたダイアフラム１４２のその部分のみをベースプレート１２４の上方に持ち上げる。従って、取り扱いを従来のロボットとインターフェースさせることができる。

図１１は真空がポート１８６を介して真空チャンバー１８２と真空孔部１８４、１８４’（数は自由）に適用されるときに中央多関節シャトル１８０に保持された基板１００を図示する。真空によりダイアフラム１４２は変形し、対応する空隙部１８８、１８８’を提供する。図１２は真空チャンバー１４４と真空孔部１４６、１４６’、１４６”（数は自由）内に適用された真空の適用を図示する。これでダイアフラム１４２は変形し、対応する空隙部１４７、１４７’、１４７”を提供し、基板１００をバッキングプレート１２４に対して密着状態で保持する。図１４はチャンバー１８２で真空を開放させたときにさらに引込むシャトル１８０を示す。よって、それは基板１００の回転を妨害することはない。

本好適実施例で、エッジシールブーツ１９０はダイアフラム１４２の周囲に配置される。エッジシールブーツ１９０はシールを提供するいかなるフレキシブルな材料でもよい。エッジシールブーツ１９０はここではチャック１４０との関係で図示されているが、図１から図７で解説する真空チャック４０等のいかなるタイプの真空チャックに対してでも利用できる。図１５で示すように、好適には、中央シャトル１８０が基板１００をベースプレート１２４と全面接触させる前にその場に接地されるとき、エッジシールブーツ１９０は真空チャンバー１４４が基板１００情報で周囲を延びるように提供される。エッジシールブーツ１９０は好適にはエッジスカート１９２を含んでいる。エッジスカート１９２は真空チャンバー１４４内で真空が適用されると崩壊する。図１６で示すように、好適にはポート１４８を通る真空の適用でエッジシールブーツ１９０は崩壊する。エッジブラダー１９０の壁厚は好適にはエッジシールブーツ１９０の制御された崩壊がエッジスカート１９２を吸引して基板１００の表面と接触し、基板１００の表面上に効果的な空気とガスのシールを提供するように段階的に提供される。静水シールが提供され、基板１００のエッジと裏側をメッキ化学物質から保護するため、ウェハーの裏側をマスキングしたりコーティングする必要はない。

電解メッキに関して、基板１００との電解質コンタクトは不要だが、好適には電気ブリッジコンタクトと電気バスリング１９４を図１５のように提供することで組み入れられる。実際には、基板１００は基板１００の主径よりも大きな直径を有する電気バスリング１９４に同心的に配置され、基板１００を電気バスリング１９４内に収容させる。バスリング１９４の表面は上側に露出され、基板１００の表面とほぼ同一面となる。

電気ブリッジコンタクト１９６は好適にはエッジシールブーツ１９０内に埋め込まれ、好適には均等に分布されたコンタクトのアレイを含み、好適には電気ブリッジコンタクト１９６はエッジシールブーツ１９０が真空状態ではないときに隔離される。真空が適用され、エッジスカート１９２が基板１００と接触するように吸引されると、電気ブリッジコンタクト１９６はリング１９４と接触し、基板１００の表面に電気的に接触する。これで、好適には直流電源からの連続性が得られ、基板１００の周囲に沿って３６０°の複数ポイントコンタクトで電流をバス処理する。

エッジスカート１９２は基板１００の裏側と周辺を銅電解溶液による汚染から保護し、同時に電気コンタクト１９６を電解質に対する曝露から保護し、電気ブリッジコンタクト１９６に被膜が着層するのを防止する。これで電解メッキの完了時に基板１００のダメージを減少させる容易な方法が提供される。さらにこれで典型的には着層物の蓄積により被害を受ける電気ブリッジコンタクト１９６に必要な維持管理が減少する。

上記のバス回路はパルス及び周期的な逆処理に利用できる。電解メッキプロセスは電気ブリッジコンタクト１９６の前記アレイの使用で利益を受ける。結果はバスリング１９４から基板１００の表面への電流の低抵抗バスが得られ、低電圧を必要とするのみであり、メッキプロセスのための好適条件が提供される。

チャック１４０は開放及び閉鎖電気メッキセル内で、垂直または水平ポジションにて利用でき、保持装置（図示せず）に固定可能であり、回転式に起動され、メッキプロセスを通して、移動する電解質のメッキによる先端エッジ現象を回転する基板１００で継続的に緩和し、ウェハー上に均等な厚みの被膜を提供する。

メッキプロセスは典型的にはウェハープロセスの最終段階で実行されるため、メッキ処理以前に既に相当な材料と手間がかけられている。よって、メッキ処理時のダメージは大きな損害を招く。本発明の方法は従来のメッキ法と較べて信頼性が高く、リスクが小さいメッキ処理法を提供する。本発明は１度で１枚のウェハーのメッキを実行させるので、間違いによるコスト上昇は限定される（例えば、従来の無電解メッキプロセスは、メッキタンク単位で複数のウェハーに対して実行された結果、プロセスパラメータの偏差や欠陥は複数のウェハーに及んだ）。しかし、本発明により複数の基板は同時にメッキ処理できる。よって、本発明は最終基板に改良された被膜品質、改良されたサイズ特性並びに大きなリスク減少を提供する。

前述の実施例は、それらで使用された一般的または特別に解説した本発明の反応物及び/又は操作条件を別のものと置換しても同様な結果が得られよう。

本発明をいくつかの好適実施例に基づいて解説した。他の実施例でも同様な結果が得られよう。それら実施例の変更は本発明の範囲内である。

図１は本発明の１好適実施例による容器の斜視図である。 図２は図１の容器実施例の断面図である。 図３はその容器に真空を適用したその好適実施例の断面図である。 図４はメッキ溶液の導入を示すその好適実施例の断面図である。 図５はメッキ溶液の循環を示すその好適実施例の断面図である。 図６はメッキ溶液の浄化を示すその好適実施例の断面図である。 図７はリンスプロセスを示すその好適実施例の断面図である。 図８は複数の溶液ノズルを示すその好適実施例の斜視図である。 図９はその真空チャックの好適実施例の断面図である。 図１０はその真空チャックの好適実施例の斜視図である。 図１１は真空の初期適用を示すその真空チャックの好適実施例の断面図である。 図１２は引き続く真空の適用を示すその真空チャックの好適実施例の断面図である。 図１３は中央シャトルを介した真空の開放を示すその真空チャックの好適実施例の断面図である。 図１４は中央シャトルを介した真空の開放を示すその真空チャックの好適実施例の断面図である。 図１５は好適実施例のエッジスカートの断面図である。 図１６は本発明のエッジスカートで提供されるシール状態の断面図である。

Claims (53)

1. メッキ装置であって、
   加圧密閉容器と、
   該密閉容器にリンクされた制御式メッキ液ソースと、
   基板のメッキ処理が完了するまで該密閉容器内で基板を固定させる基板保持装置と、
   該密閉容器内外に１以上のメッキ液を通入出させる少なくとも１つの開口部と、
   を含んでいることを特徴とするメッキ装置。
2. 基板のメッキ処理は自己触媒メッキ処理であることを特徴とする請求項１記載のメッキ装置。
3. 基板は半導体ウェハーであることを特徴とする請求項１記載のメッキ装置。
4. 相互リンクされた制御式メッキ液ソースと密閉容器とは閉鎖ループ系を構成していることを特徴とする請求項１記載のメッキ装置。
5. 静水圧を制御するために密閉容器内でメッキ液の圧力を制御する圧力制御システムを含んでいることを特徴とする請求項１記載のメッキ装置。
6. 制御式メッキ液ソースは密閉容器内外のメッキ液の別々で連続的な導入と排出のためのシステムを含んでいることを特徴とする請求項１記載のメッキ装置。
7. 導入排出システムは複数のノズルと導管とを含んでいることを特徴とする請求項６記載のメッキ装置。
8. 導入排出システムは連続回転式ノズルシステムを含んでいることを特徴とする請求項７記載のメッキ装置。
9. 温度制御システムを含んでいることを特徴とする請求項１記載のメッキ装置。
10. 温度制御システムは±１℃以内で温度を制御することを特徴とする請求項９記載のメッキ装置。
11. 温度制御システムは毎秒０．５℃以上の速度でメッキ液を加熱または冷却することを特徴とする請求項９記載のメッキ装置。
12. 温度制御システムは毎秒１．０℃以上の速度でメッキ液を加熱または冷却することを特徴とする請求項１１記載のメッキ装置。
13. 温度制御システムは毎秒２．５℃以上の速度でメッキ液を加熱または冷却することを特徴とする請求項１２記載のメッキ装置。
14. 温度制御システムはメッキ液を密閉容器に導入する前に温度を制御するように該密閉容器の外部に設置されることを特徴とする請求項９記載のメッキ装置。
15. 温度制御システムは密閉容器の上方に設置されることを特徴とする請求項９記載のメッキ装置。
16. 温度制御システムは密閉容器内に設置されることを特徴とする請求項９記載のメッキ装置。
17. 温度制御システムは密閉容器の少なくとも１壁部内に設置されることを特徴とする請求項１６記載のメッキ装置。
18. 密閉容器は５リットル以下の容積であることを特徴とする請求項１記載のメッキ装置。
19. 密閉容器は３リットル以下の容積であることを特徴とする請求項１８記載のメッキ装置。
20. 密閉容器は２リットル以下の容積であることを特徴とする請求項１９記載のメッキ装置。
21. 密閉容器は１リットル以下の容積であることを特徴とする請求項２０記載のメッキ装置。
22. 密閉容器は０．５リットル以下の容積であることを特徴とする請求項２１記載のメッキ装置。
23. 密閉容器内に設置されたバッフルシステムをさらに含んでいることを特徴とする請求項１記載のメッキ装置。
24. 密閉容器内に設置された陰極をさらに含んでいることを特徴とする請求項１記載のメッキ装置。
25. 密閉容器はベースプレートと、該ベースプレート上に着脱式に設置されたカバーとを含んでいることを特徴とする請求項１記載のメッキ装置。
26. 基板保持装置は真空チャックを含んでいることを特徴とする請求項１記載のメッキ装置。
27. 真空チャックはベースと、該ベース内の少なくとも１つの真空孔部とを含んでいることを特徴とする請求項２６記載のメッキ装置。
28. 少なくとも１つの孔部上方に少なくとも１つの膜体をさらに含んでいることを特徴とする請求項２７記載のメッキ装置。
29. 膜体は真空状態に対応して変形することを特徴とする請求項２８記載のメッキ装置。
30. 膜体は弾性材料であることを特徴とする請求項２９記載のメッキ装置。
31. 真空チャックはベース内に設置された中央シャトルをさらに含んでいることを特徴とする請求項２７記載のメッキ装置。
32. ベース上に設置されたエッジシールブーツをさらに含んでいることを特徴とする請求項２７記載のメッキ装置。
33. エッジシールブーツは基板と接触して基板の一部をシールするようにエッジスカートを含んでいることを特徴とする請求項３２記載のメッキ装置。
34. エッジスカート内に提供された電気ブリッジコンタクトをさらに含んでいることを特徴とする請求項３３記載のメッキ装置。
35. 電気ブリッジコンタクトはコンタクトのアレイを含んでいることを特徴とする請求項３４記載のメッキ装置。
36. 基板上に金属を被膜させる方法であって、
    加圧密閉容器を提供するステップと、
    該密閉容器内で基板を固定するステップと、
    該密閉容器に１以上のメッキ液を導入するステップと、
    該密閉容器からそのメッキ液を排出させるステップと、
    金属が前記基板に着膜した後に該密閉容器から該基板を取り出すステップと、
    を含んでいることを特徴とする被膜方法。
37. メッキ液を別々で連続的に導入するステップと、
    該メッキ液を別々で連続的に排出させるステップと、
    をさらに含んでいることを特徴とする請求項３６記載の被膜方法。
38. 密閉容器内の静水圧を制御するステップをさらに含んでいることを特徴とする請求項３６記載の被膜方法。
39. 密閉容器内に陰極を設置するステップと、
    該陰極に電流を流すステップと、
    をさらに含んでいることを特徴とする請求項３６記載の被膜方法。
40. 少なくとも１つのメッキ液の温度を制御するステップをさらに含んでいることを特徴とする請求項３６記載の被膜方法。
41. ±１℃以内で温度を制御することを特徴とする請求項４０記載の被膜方法。
42. 毎秒０．５℃以上の速度で少なくとも１つのメッキ液を加熱または冷却することを特徴とする請求項４０記載の被膜方法。
43. 毎秒１．０℃以上の速度で少なくとも１つのメッキ液を加熱または冷却することを特徴とする請求項４２記載の被膜方法。
44. 毎秒２．５℃以上の速度で少なくとも１つのメッキ液を加熱または冷却することを特徴とする請求項４３記載の被膜方法。
45. メッキ液を密閉容器に導入する前に少なくとも１つのメッキ液の温度を制御するステップをさらに含んでいることを特徴とする請求項４０記載の被膜方法。
46. 密閉容器の内部で少なくとも１つのメッキ液の温度を制御するステップをさらに含んでいることを特徴とする請求項４０記載の被膜方法。
47. バッフルシステムを提供するステップと、該バッフルシステムを活用して密閉容器内で少なくとも１つのメッキ液の流れを制御するステップとをさらに含んでいることを特徴とする請求項３６記載の被膜方法。
48. 基板保持装置を提供するステップと、該基板保持装置を密閉容器内に設置するステップとをさらに含んでおり、該基板保持装置は密閉容器内で基板を固定させることを特徴とする請求項３６記載の被膜方法。
49. 基板保持装置は少なくとも１つの真空孔部を含んだ真空チャックを含んでいることを特徴とする請求項４８記載の被膜方法。
50. 少なくとも１つの真空孔部上に変形膜体を設置するステップと、該膜体上に基板を配置するステップとをさらに含んでいることを特徴とする請求項４９記載の被膜方法。
51. 真空チャックに基板を固定させるように真空を適用するステップをさらに含んでいることを特徴とする請求項５０記載の被膜方法。
52. エッジスカートを含んだブーツを提供するステップと、真空チャック上に該ブーツを設置するステップとをさらに含んでいることを特徴とする請求項４９記載の被膜方法。
53. ブーツ内に電気ブリッジコンタクトを提供するステップと、該電気ブリッジコンタクトに電流を流すステップとをさらに含んでいることを特徴とする請求項５２記載の被膜方法。

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