JP2012126966A

JP2012126966A - カップ型めっき装置及びめっき方法

Info

Publication number: JP2012126966A
Application number: JP2010280245A
Authority: JP
Inventors: Atsuyuki Ito; 敦行伊藤
Original assignee: MITOMO SEMICON ENGINEERING KK
Current assignee: MITOMO SEMICON ENGINEERING KK
Priority date: 2010-12-16
Filing date: 2010-12-16
Publication date: 2012-07-05

Abstract

【課題】高い電流密度下でも半導体ウエハにめっき焼けやめっき形状の凹凸を呈することなく、めっき面内均一性が得られ生産性を向上できるカップ型めっき装置を提供する。
【解決手段】めっき槽の下部からめっき液を噴出する液流入部と、めっき槽内に設置されるアノード２と、めっき槽の上部で半導体ウエハ４と電気的に接続されるカソード３とを備えた、半導体ウエハ４の表面にバンプ電極を形成するカップ型めっき装置であって、前記アノード２を十分な電極面積を有するプロペラ形状とし、回転可能にめっき槽底部のシャフト７に連結したカップ型めっき装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、カップ型めっき装置及びめっき方法に関し、より詳しくは、高い電流密度下でも半導体ウエハにめっき焼けやめっき形状の凹凸を呈することなく、めっき面内均一性が得られ生産性を向上できるカップ型めっき装置及びめっき方法に関する。

半導体装置は、一般に単結晶シリコンなどの円板状ウエハに多数一括して形成し、これを一つ一つの素子に切り離してから、半導体上に形成された電極が外部の配線基板上の電極に接続される。この電極接合の方法としては、金ワイヤを用いるワイヤボンディング法、ＴＡＢ（ＴａｐｅＡｕｔｏｍａｔｅｄＢｏｎｄｉｎｇ）基板やフレキシブル配線板に形成したリードを用いるリード接合法、半導体上の電極と素子を基板上に直接載せて金バンプと基板電極とを接着するフリップチップ法があるが、電子機器の小型・薄型化に適したリード接合法とフリップチップ法の利用が増加している。リード接合法とフリップチップ法においては、半導体上の電極としてバンプ電極と称される肉厚の電極が必要となる。そのため、金等の良導電体を厚くめっきして電極が形成される。

こうした電極形成では、通常、めっき液中のアノードと陽電荷を帯びた金属イオン及びめっき領域による閉電流回路を形成し、めっきが途切れることなく連続的に成長するように、カップ型のめっき槽でめっき液が噴流となってウエハに接触するようにしためっき装置（カップ型めっき装置ともいう）が用いられている。
カップめっき装置は通常、めっき槽の上部開口に沿って設けられたウエハ支持部と、このウエハ支持部の下側位置に設けられためっき槽の内部から外部に貫通する液流出路と、めっき槽中央底部に設けられた液供給管とを備え、液供給管から上昇流で供給されるめっき液に液流出路からめっき槽の外部へ流出する流れを形成させ、このめっき液に支持部に載置されたウエハのめっき対象面を接触させることで、めっき処理を行うようになっている。

昨今の微細配線加工技術の発達に伴い、ウエハ表面に施される回路パターンも、非常に微細なものが加工されるようになっており、そのような微細配線加工がなされたウエハ表面をめっき対象面にしても、より均一なめっき処理を行える技術が要求されてきている。
このために、カップ型めっき装置において、載置されたウエハのめっき対象面の下方に、上昇流で供給されるめっき液を強制的に撹拌できる撹拌手段を設けることが提案されている（特許文献１参照）。

この撹拌手段は、めっき対象面の下方位置へ、複数のインペラが立設されたドーナツ形円板をウエハ側隔離室に配置するものである。これにより、ある程度均一なめっき処理を行えるようになったが、アノードとウエハの中間位置に撹拌手段が位置しているので、電界が遮蔽されてしまい、めっき析出効率が低下するという問題がある。また、このような従来装置ではメッシュ形状のアノードが、槽内で固定されており、めっき液は槽底部の吐出孔からメッシュの開口部を通ってウエハ方向に流動するが、ウエハ表面に均等にめっき液が接触するわけではなく、めっき皮膜の均一性が不十分であった。

一般にめっき処理においては、高い電流密度でめっきを行えば必要な厚さのめっき皮膜を得るのに要する時間を短くでき生産性が向上するが、電流密度が高すぎるとめっき皮膜の焼けや凹凸が生じあるいは厚さのばらつきが大きくなるという問題点がある。めっき液中の金属イオン濃度を高めることにより高い電流密度でも良好なめっき皮膜を得ることができるが、被めっき物に付着して装置外に持ち出されて廃棄される金属量が増えるため、金（Ａｕ）のような高価な貴金属めっきの場合には適当でない。
このため、バンプ形成用ノンシアン金めっき液においては、Ａｕ濃度を８〜１５ｇ／ｌに設定して０．３〜０．８Ａ／ｄｍ^２の電流密度範囲内でめっきを行うことが一般的である（例えば特許文献２参照）。

このような状況下、微細配線加工がなされたウエハ表面をめっき対象面にしても、高い電流密度で、より均一なめっき処理を行えるカップ型めっき装置が求められていた。

特開２００１−６４７９５号公報特開２００８−１１５４４９号公報

本発明の目的は、上記従来の課題に鑑み、カップ内で半導体ウエハに金属皮膜（めっき）を形成するにあたって、高い電流密度においてもめっき皮膜の厚さが均一で焼けや表面凹凸を呈することのない、カップ型めっき装置及びめっき方法を提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ね、アノードを十分な電極面積を有するプロペラ形状とし、回転可能にめっき槽底部のシャフトに連結することにより液攪拌機能をもたせ、アノードを回転させてめっき液を攪拌し強制的に流動させるようにした。これにより高い電流密度下でも半導体ウエハにめっき焼けやめっき形状の凹凸を呈することなく、めっき面内均一性が得られることを見出して、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の第１の発明によれば、めっき槽の下部からめっき液を噴出する液流入部と、めっき槽内に設置されるアノードと、めっき槽の上部で半導体ウエハと電気的に接続されるカソードとを備えた、半導体ウエハの表面にバンプ電極を形成するカップ型めっき装置であって、前記アノードを十分な電極面積を有するプロペラ形状とし、回転可能にめっき槽底部のシャフトに連結したことを特徴とするカップ型めっき装置が提供される。

また、本発明の第２の発明によれば、第１の発明において、前記アノードが、３〜５枚の攪拌羽根を有するプロペラ形状であることを特徴とするカップ型めっき装置が提供される。
また、本発明の第３の発明によれば、第１の発明において、前記アノードの回転速度、回転方向が切換可能であることを特徴とするカップ型めっき装置が提供される。

一方、本発明の第４の発明によれば、第１〜３のいずれかの発明のカップ型めっき装置を用いて、半導体ウエハのめっき面を下にしてカソード部分に載置した後、めっき槽内にめっき液を流入し、引き続き、アノードを回転させてめっき液を攪拌しながら、半導体ウエハに対して液流が垂直方向に均一に生じるようにして、アノードとカソード間に供給される電界により半導体ウエハをめっきすることを特徴とするめっき方法が提供される。
また、本発明の第５の発明によれば、第４の発明において、めっき液がノンシアン金めっき液であり、Ａｕ濃度が１５ｇ／ｌのとき、半導体ウエハが、０．８Ａ／ｄｍ^２を超える電流密度でめっきされることを特徴とするめっき方法が提供される。
本発明の第６の発明によれば、第４の発明において、半導体ウエハを所定時間めっきした後、アノードの回転方向を変えて、さらに、めっきを続けることを特徴とするめっき方法が提供される。

本発明によれば、カップ型めっき装置がアノードをプロペラ状として回転式液攪拌機構を装備しており、回転力が強く回転方向を調節可能なので、めっき液を十分に攪拌できる。これにより半導体ウエハ表面の被めっき部分で析出によって減少する金属イオンを常に補給して適切な濃度に維持することができるので、めっき焼けやめっき形状の凹凸を抑制できる。
例えば、これまでのノンシアン金めっきにおいては、ウエハに対しての面内均一性を保つために、電流密度は一般に０．４Ａ／ｄｍ^２以下が推奨されており、仮に０．８Ａ／ｄｍ^２を超える電流密度でめっきを行うとめっき焼けやめっき形状の凹凸を呈してしまうため良品を得ることができず生産性を高めることができなかったが、本発明では、より高い電流密度、例えば１．５Ａ／ｄｍ^２程度の電流密度であっても、めっき外観及び面内均一性を悪化させることがない。本発明のめっき方法によれば、高い電流密度でめっきが可能なので、短時間で必要な厚さのめっきを行うことができ、生産性が大幅に向上する。
さらに、アノードの上下方向の取り付け位置、回転速度や回転方向を変えることで、めっき条件を自在に制御できるから、異なるウエハやめっき液を採用する場合でも、一台のめっき装置で処理を行うことができる。

本発明のカップ型めっき装置の断面図である。図１のカップ型めっき装置の平面図である。本発明のカップ型めっき装置を用いためっき方法の模式的な説明図である。従来のカップ型めっき装置を用いためっき方法の模式的な説明図である。ウエハのめっき評価箇所（Ａ）、本発明の方法でめっきされたウエハの縦断面および平面状態を観察した顕微鏡写真（Ｂ）、及び従来方法でめっきされたウエハの縦断面および平面状態を観察した顕微鏡写真（Ｃ）である。

以下、本発明のカップ型めっき装置及びめっき方法について図１〜４を用いて詳細に説明する。

１．カップ型めっき装置
本発明のカップ型めっき装置は、めっき槽の下部からめっき液を噴出する液流入部と、めっき槽内に設置されるアノードと、めっき槽の上部で半導体ウエハと電気的に接続されるカソードとを備えた、半導体ウエハの表面にバンプ電極を形成するカップ型めっき装置であって、前記アノードを十分な電極面積を有するプロペラ形状とし、回転可能にめっき槽底部のシャフトに連結したことを特徴とする。

すなわち、本発明のカップ型めっき装置は、めっき成長面であるウエハの表面側に高流速でめっき液の噴流を当て、ウエハ表面上で高速にめっき液の流れを作ることによりウエハ表面上のめっき液を常に新しいものと交換し、金属陽イオンを供給してめっきの成長が途切れることなく均一なめっき膜の成長を図ろうとするものである。

本発明において、めっき槽は、図１、図２に示すような有底の円筒形状・構造をしている。カップ本体１の上部に、めっきを行うための半導体ウエハ４を搭載するカソード３、底部に液流入経路８及び外周部に液排出経路１２を有する。カソード３は、半導体ウエハ４を保持するため、同心円状に均等に配置される。

本発明のカップ型めっき装置は、カップの内部にアノード電極２が設けられており、液流入経路８から流入しためっき液を、攪拌しながら半導体ウエハ４に接触させるために、アノード２をプロペラ形状とし、回転可能にめっき槽底部のシャフト７に連結している。アノード２の上下位置は、シャフト自体を上下することにより調節可能とする。

アノード２は、従来はメッシュ状の円板が槽内に固定されており、めっき液は槽底部の吐出孔からメッシュの開口部を通ってウエハ方向に流動する。しかし、これでは、めっき液の攪拌効果を十分には期待することができない。本発明では、プロペラ形状としたアノードを回転させてめっき液を攪拌し、強制的に流動させる。アノードの回転により生じる液流は、ウエハ表面に勢い良く当たる程度の強さが必要で、これにより単にウエハ表面に生じる気泡を除去するだけでなく被めっき部分に十分な量の金属イオンを供給できるようになる。
図２では、アノードである二本の板を十字に組み合わせ、４枚のプロペラ形状として、底部円板の一部を小さな扇形に切り欠いて、下からのめっき液の上昇を妨げずに、電極としての面積を確保し、めっきの面内均一性を確保できるようにしている。

アノードのプロペラの枚数は、図１，２では４枚としたが、めっき液の攪拌効果を期待することができ、かつ十分な電極面積を有し、めっきの面内均一性を確保することができれば特に制限されない。製造コストなどを勘案すれば、３〜５枚が好ましい。

アノード２は、シャフト７に固定され、モーター１０から得た動力により回転し、カップ１に満たされた液を攪拌しながら、半導体ウエハ４に通電するための電極機能６を有する。また、モータ−１０には制御装置を付属しており、アノード２の回転速度や回転方向の切換が可能である。

２．めっき方法
本発明のめっき方法は、上記のカップ型めっき装置を用いて、半導体ウエハのめっき面を下にしてカソード部分に載置した後、めっき槽内にめっき液を流入し、引き続き、アノードを回転させてめっき液を攪拌しながら、半導体ウエハに対して液流が垂直方向に均一に生じるようにして、アノードとカソード間に供給される電界により半導体ウエハをめっきすることを特徴とする。

まず、図１のように、めっき面が下になるように半導体ウエハ４を、カソード３部分にセットし、上方から押さえ部品で押さえる。
次に、液流入経路８からめっき液を流入し、プロペラ形状のアノード２により攪拌して垂直上向きに半導体ウエハ４に接触させる。

従来のカップ型めっき装置では、図４に示すように、液流入経路８からめっき液が流入するが、固定されたメッシュ状のアノード２を通過して、攪拌されずに垂直上向きに半導体ウエハ４に接触していた。この時、噴流の強さは通常、中央部よりも周辺部のほうが弱くなるため、めっき液が半導体ウエハ４に対して均一に接触させられなかった。
これに対して、本発明では、液流入経路８から流入しためっき液は、モーター１０から供給される動力によりシャフト７を通じて連結されたアノード２の回転により攪拌され、ウエハ４に対しては垂直方向に均一に液流が生じるようにする。ウエハ表面に勢いよく当たる程度の強い液流により、ウエハ表面に生じる気泡を除去するとともに被めっき部分に十分な量の金属イオンを供給する。

この状態で、アノード２及びカソード３間に電界を印加することにより、めっき液中のアノードと陽電荷を帯びた金属イオン及び半導体ウエハ４のめっき領域とによる閉電流回路が形成され、半導体ウエハ４がめっきされる。

アノード２は、単に回転するだけでなく、モーター１０による回転速度や回転方向を可能としているから、めっきの条件が簡単に変更できる。液流の当たり方に応じて、めっきの厚さにむらが生じてしまう場合には、半導体ウエハを所定時間めっきした後、アノード２の回転方向を変えて、さらに、めっきを続けることにより、めっきの厚さを均等にすることができる。

ところで、高い電流密度で金めっきを行えば必要な厚さのめっき皮膜を得るのに要する時間を短くでき生産性が向上するが、電流密度が高すぎるとめっき皮膜の焼けや凹凸が生じあるいは厚さのばらつきが大きくなるという問題点がある。
ノンシアン金めっきにおいては、めっき液中のＡｕ濃度を高めることにより高い電流密度で良好なめっき皮膜を得ることができるが、被めっき物に付着して装置外に持ち出されて廃棄される金属量が増えるため、Ａｕのような高価な貴金属めっきの場合には適当でない。このため、バンプ形成用ノンシアン金めっき液においては、Ａｕ濃度を８〜１５ｇ／ｌに設定してめっきを行うことが好ましい。

従来、半導体ウエハは、面内均一性を保つために０．８Ａ／ｄｍ^２以下の電流密度でめっきすることが推奨されており、それを超える電流密度でめっきを行うと、めっき焼けやめっき形状の凹凸を呈してしまうとされていた。しかし、本発明であれば、より大きな電流密度、例えば１．５Ａ／ｄｍ^２程度の電流密度であっても、０．８Ａ／ｄｍ^２の時と同様のめっき外観及び面内均一性が得られる。２．０Ａ／ｄｍ^２程度の電流密度でも、他のめっき条件を最適化すれば、めっき焼けやめっき形状の凹凸を回避できる場合がある。
半導体ウエハ４に接触しているめっき液は、このような高い電流密度下でも、回転するアノード２により強く攪拌されることにより激しく入れ替わることから、常にめっきの析出に要するイオンの供給が安定して行われるのである。これにより本発明によれば、Ａｕ濃度によって概ね限定される一般的な電流密度を超えた領域でめっきを行っても、めっきの焼けや形状の凹凸を呈することがなく、めっき厚さのばらつきを良好な範囲に抑えることができる。

さらに、アノード２は回転しながら電界を印加できることから、特許文献１とは異なり、攪拌子そのものによる電界の遮蔽が生じず、半導体ウエハ４に対して均一なめっきがなされるという利点がある。

以上、半導体ウエハをめっきするための装置として、単一のめっき槽を有するカップ型めっき装置を用いた場合で説明したが、本発明の装置は、めっき槽を環状列あるいは横長のライン状に設置し、ロボットが中央でアームを動かすか、直線的に移動してウエハを搬送しながら処理する装置にも好ましく適用できる。また、金めっきだけでなく、銅めっき、錫めっきなどにも同様にして適用できる。

以下、本発明の実施例、比較例を示すが、本発明は、この実施例に限定して解釈されるものではない。なお、めっき後のウエハは、次の方法で評価した。

（１）高さバラツキ
めっきされた直径８インチのバンプパターン付きシリコンウエハのウエハ面内１３点（図５（Ａ）中、１〜１３の○数字）のバンプ高さを触針式表面形状測定装置（ＫＬＡ−ＴｅｎｃｏｒＰ−１５ｓｔｙｌｕｓｐｒｏｆｉｌｏｍｅｔｅｒ）により測定し、その結果から最大値と最小値の差を高さバラツキとした。高さバラツキが狙い高さ１５μｍの１０％以内（すなわち１．５μｍ）以内なら良好（○）、１０％を超えれば不良（×）とした。
（２）断面形状、表面状態
断面形状はレーザー顕微鏡により、また表面状態は金属顕微鏡により観察した。

一般的に、高さバラツキは、狙いめっき厚さ１０％以内であること、断面形状については一つのバンプ内のめっき上面が平坦であること、表面状態はめっき皮膜の異常な成長や偏りが見られないことが要求される。

［実施例１］
図１，２に示すカップ型めっき装置のめっき槽（容量２０Ｌ）において、アノードをプロペラ形状とし、回転可能となるようにウエハ表面から７０ｍｍの位置でシャフトに連結した。アノード２を図２のように二本の板を十字に組み合わせ、高さ２０ｍｍの４枚のプロペラ形状とし、十分な電極面積（２００ｍｍ^２）を確保するようにした。
直径８インチのシリコンウエハをめっき槽に載置し、ノンシアン金めっき液（Ａｕ濃度１５ｇ／ｌ、ｐＨ７．６）を供給した。めっき液温は、６０℃とした。その後、アノードを３０ｒｐｍで３分間回転させた後、電流密度０．８Ａ／ｄｍ^２で厚さ１５μｍまでめっきした。めっき終了後、ウエハ面内位置ごとにバンプ高さを測定し、結果を表１に示した。

次に、新たなシリコンウエハをめっき槽に載置し、電流密度を１．５Ａ／ｄｍ^２とした以外は、上記と同様に実験し、ウエハ面内位置ごとにバンプ高さを測定し、結果を表１に示した。また、図５（Ｂ）のようなレーザー顕微鏡による断面形状（左側の写真）、及び金属顕微鏡による表面状態（右側の写真）が得られた。

［比較例１］
従来のめっき装置を用いた以外は、実施例１と同様に実験した。この装置は、メッシュ状のアノードをめっき槽内に固定した状態であるために、アノードを回転させることはできない。電流密度を０．８Ａ／ｄｍ^２とし、めっき処理を行った後、ウエハ面内位置ごとにバンプ高さを測定した。結果を表１に示した。
次に、新たなシリコンウエハをめっき槽に載置し、電流密度を１．５Ａ／ｄｍ^２とした以外は、同様に実験し、ウエハ面内位置ごとにバンプ高さを測定し、結果を表１に示した。また、図５（Ｃ）のようなレーザー顕微鏡による断面形状（左側の写真）、及び金属顕微鏡による表面状態（右側の写真）が得られた。

「評価」
従来技術である比較例１では、良好なバンプ高さバラツキが得られる電流密度が、最高でも０．８Ａ／ｄｍ^２であるのに対して、本発明では、実施例１のように１．５Ａ／ｄｍ^２という高い電流密度でも良好な（許容範囲内の小さな）バラツキであった。また、比較例１では、１．５Ａ／ｄｍ^２という高い電流密度で行うと、表面がめっき焼けするのに対して、実施例１では、めっき焼けのない表面状態を得ることができている。
すなわち、本発明によれば、上限の電流密度を約２倍に高めても良好なめっきができるから、従来に比べて約２倍の生産性向上（めっき時間短縮）が達成できることになる。

１カップ本体
２アノード
３カソード
４半導体ウエハ
５排出口
６電源コネクター
７シャフト
８噴流スリーブ
９モーター

Claims

めっき槽の下部からめっき液を噴出する液流入部と、めっき槽内に設置されるアノードと、めっき槽の上部で半導体ウエハと電気的に接続されるカソードとを備えた、半導体ウエハの表面にバンプ電極を形成するカップ型めっき装置であって、
前記アノードを十分な電極面積を有するプロペラ形状とし、回転可能にめっき槽底部のシャフトに連結したことを特徴とするカップ型めっき装置。
前記アノードが、３〜５枚の攪拌羽根を有するプロペラ形状であることを特徴とする請求項１に記載のカップ型めっき装置。
前記アノードの回転速度、回転方向が切換可能であることを特徴とする請求項１に記載のカップ型めっき装置。
請求項１〜３のいずれかに記載のカップ型めっき装置を用いて、半導体ウエハのめっき面を下にしてカソード部分に載置した後、めっき槽内にめっき液を流入せしめ、引き続き、アノードを回転させてめっき液を攪拌しながら、半導体ウエハに対して液流が垂直方向に均一に生じるようにして、アノードとカソード間に供給される電界により半導体ウエハをめっきすることを特徴とするめっき方法。
めっき液がノンシアン金めっき液であり、Ａｕ濃度が１５ｇ／ｌのとき、半導体ウエハが、０．８Ａ／ｄｍ^２を超える電流密度でめっきされることを特徴とする請求項４に記載のめっき方法。
半導体ウエハを所定時間めっきした後、アノードの回転方向を変えて、さらに、めっきを続けることを特徴とする請求項４に記載のめっき方法。