JP2018145513A - 金属皮膜の成膜装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 酸素の気泡によって金属皮膜の形成が阻害されることを抑制する。【解決手段】 成膜装置は、基板の上方に配置されるとともに、陰極が設けられた上部ユニットと、基板の下方に配置されるとともに、陰極に対向する陽極が設けられた下部ユニットと、陰極と陽極との間に電圧を印加する電源装置とを備える。下部ユニットは、陰極と陽極との間で、基板の表面に接触する固体電解質膜と、陽極と固体電解質膜との間に、皮膜材料の金属イオンを含む金属イオン溶液を保持する溶液収容部と、溶液収容部内の金属イオン溶液に、溶液収容部の外周部又は底部へ向かう磁界を印加する磁石とを有する。【選択図】図２

Description

本明細書で開示する技術は、金属皮膜の成膜装置に関する。

特許文献１に、基板の表面に金属皮膜を形成する成膜装置が開示されている。この成膜装置は、基板の上方に配置される上部ユニットと、基板の下方に配置される下部ユニットとを備える。上部ユニットは陽極を有し、下部ユニットは陰極を有し、陽極と陰極は基板を挟んで互いに対向する。上部ユニットはさらに、陰極と陽極との間において基板の表面に接触する固体電解質膜と、陽極と固体電解質膜との間において金属イオン溶液を保持する溶液収容部を有する。この構成により、陰極と陽極との間に電圧が印加されると、金属イオン溶液中の金属イオンが固体電解質膜に向けて移動し、さらに固体電解質膜を通過して、基板の表面に析出する。これにより、基板の表面に金属の皮膜が形成される。

特開２０１４−５１７０１号公報

特許文献１に記載の技術では、固体電解質膜において皮膜材料が針状に析出することで、固体電解質膜と基板とが皮膜材料を介して互いに固着することがある。この場合、成膜後の基板を成膜装置から取り出すときに、固体電解質膜を破損させるおそれがあり、この場合、その破損箇所を通じて溶液収容部から金属イオン溶液が漏れ出してしまう。

上記した金属イオン溶液の漏出を防止するためには、上部ユニットと下部ユニットとの配置を上下反転させることが考えられる。即ち、上部ユニットに陰極を配置し、下部ユニットに陽極、固体電解質膜及び溶液収容部を配置することが考えられる。このような構成によると、固体電解質膜が溶液収容部の上部に配置されることから、固体電解質膜を仮に破損させたとしても、金属イオン溶液の漏出を避けることができる。その一方で、固体電解質膜が溶液収容部の上部に配置されていると、陽極での化学反応によって発生した酸素の気泡が固体電解質膜の内面に付着、滞留しやすくなり、それによって金属皮膜の形成が阻害されるという新たな問題が想定される。

以上を鑑み、本発明では、固体電解質膜が溶液収容部の上部に配置された場合でも、酸素の気泡によって金属皮膜の形成が阻害されることを抑制し得る技術を提供する。

上記の課題を解決するために、本明細書は、基板の表面に金属の皮膜を形成する成膜装置を開示する。この成膜装置は、基板の上方に配置されるとともに、陰極が設けられた上部ユニットと、基板の下方に配置されるとともに、陰極に対向する陽極が設けられた下部ユニットと、陰極と陽極との間に電圧を印加する電源装置とを備える。下部ユニットは、陰極と陽極との間で、基板の表面に接触する固体電解質膜と、陽極と固体電解質膜との間に、皮膜材料の金属イオンを含む金属イオン溶液を保持する溶液収容部と、溶液収容部内の金属イオン溶液に、溶液収容部の外周部又は底部へ向かう磁界を印加する磁石とを有する。

上記した成膜装置では、半導体基板の下方に配置される下部ユニットに、固体電解質膜及び溶液収容部が配置されている。これにより、固体電解質膜が溶液収容部の上部に位置することから、固体電解質膜を仮に破損させたとしても、金属イオン溶液の漏出を避けることができる。加えて、上記した成膜装置では、溶液収容部内の金属イオン溶液に、溶液収容部の外周部又は底部へ向かう磁界が印加される。陽極での化学反応によって発生する酸素は常磁性体である。従って、金属イオン溶液中に発生した酸素の気泡には、磁界によって溶液収容部の外周部又は底部に向かう力が作用する。これにより、酸素（あるいはその他の常磁性体の気体）の気泡が固体電解質膜の内面に付着、滞留することが抑制され、もって金属皮膜の形成が阻害されることが抑制される。

実施例の成膜装置１０の構成を模式的に示す。 実施例の成膜装置１０が金属皮膜１０２を形成する様子を示す図。 図１中のＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図であって、磁石３２の配置とそれに磁界ＭＦを示す。 一変形例における磁石３２の配置とそれによる磁界ＭＦを示す。 他の一変形例における磁石３２の配置とそれによる磁界ＭＦを示す。 成膜装置１０の動作の流れを示すフローチャート。 図６における金属イオン溶液３０の充填（Ｓ１６）の流れを示すフローチャート。

図面を参照して、実施例の成膜装置１０について説明する。図１、図２に示すように、成膜装置１０は、基板１００の表面１００ａに金属皮膜１０２を形成する装置である。基板１００は、特に限定されないが、シリコン（Ｓｉ）や炭化シリコン（ＳｉＣ）といった半導体材料の基板（例えば半導体ウエハ）である。なお、本実施例で説明する技術は、半導体材料に限られず、各種の材料で構成された基板１００に金属皮膜１０２を形成する装置に適用することができる。また、金属皮膜１０２を構成する金属材料（本明細書では皮膜材料ともいう）は、ここではニッケル（Ｎｉ）であるが、これに限定されず、例えば金（Ａｕ）や銀（Ａｇ）といった他の金属材料であってもよい。

成膜装置１０は、主に、上部ユニット１２と下部ユニット１４と電源装置１６とを備える。上部ユニット１２は、基板１００の上方に配置され、下部ユニット１４は、基板１００の下方に配置される。上部ユニット１２と下部ユニット１４の少なくとも一方は、その他方に対して進退可能に設けられている。図１に示すように、上部ユニット１２と下部ユニット１４とが互いに離間した状態で、上部ユニット１２と下部ユニット１４との間に基板１００がセットされる。その後、図２に示すように、上部ユニット１２と下部ユニット１４とが互いに接近することで、上部ユニット１２と下部ユニット１４との間に基板１００が挟持される。この状態で、基板１００の下側に位置する表面１００ａに、金属皮膜１０２が形成される。一例ではあるが、基板１００は上部ユニット１２に固定される。基板１００を固定する手段は特に限定されず、例えば、基板１００は吸着によって着脱可能に固定されてもよい。

上部ユニット１２には、陰極２２が設けられており、下部ユニット１４には、陽極２４が設けられている。陰極２２と陽極２４は互いに対向する位置関係にあり、陰極２２と陽極２４との間に基板１００は保持される。詳しくは、陰極２２と陽極２４とのそれぞれは、例えば金属といった導電性材料で構成された板状の電極体であり、互いに平行に配置されている。基板１００は、上部ユニット１２の陰極２２上に固定され、陰極２２と電気的に接続される。陽極２４は、後述する溶液収容部２８内に配置されている。なお、陰極２２と陽極２４の形状、大きさ、材質については特に限定されず、適宜変更することができる。

電源装置１６は、陰極２２と陽極２４とのそれぞれに電気的に接続されており、陰極２２と陽極２４との間に電圧を印加する。電源装置１６が陰極２２と陽極２４との間に印加する電圧は直流電圧であって、陽極２４が陰極２２に対して高電位となる電圧である。これにより、陽極２４と陰極２２との間には、下部ユニット１４から上部ユニット１２に向かう電界が形成される。電源装置１６の具体的な構成については特に限定されず、成膜装置１０の他の構成や形成すべき金属皮膜１０２に応じて適宜設計することができる。

下部ユニット１４はさらに、固体電解質膜２６と、溶液収容部２８と、磁石３２を備える。固体電解質膜２６は、皮膜材料の金属イオンを通過させる固体電解質で形成された膜状の部材である。固体電解質膜２６は、下部ユニット１４に対して着脱可能となっており、一又は複数の皮膜形成が行われるたびに取り替えられる。固体電解質膜２６は、陰極２２と陽極２４の間に位置しており、即ち、陰極２２と陽極２４とが形成する電界内に配置される。図２に示すように、上部ユニット１２と下部ユニット１４とが互いに接近すると、固体電解質膜２６は基板１００の表面１００ａに下方から接触し、この状態で金属皮膜１０２の形成が行われる。

溶液収容部２８は、密閉型の容器であり、皮膜材料の金属イオンを含む溶液３０（ここでは金属イオン溶液３０ともいう）を収容する。溶液収容部２８は、周壁部分２８ａと底部分２８ｂとを有し、その上壁部分は固体電解質膜２６によって画定されている。即ち、固体電解質膜２６には、溶液収容部２８内の金属イオン溶液３０が下方から接触している。前述したように、溶液収容部２８内には、陽極２４が配置されている。陽極２４は、溶液収容部２８の底部分２８ｂ上に位置しており、陽極２４と固体電解質膜２６との間に金属イオン溶液３０が保持される。

溶液収容部２８には、溶液供給口３４と溶液排出口３６が設けられている。溶液供給口３４は、溶液収容部２８に金属イオン溶液３０を供給するポートであり、溶液排出口３６は、溶液収容部２８から金属イオン溶液３０を排出するポートである。溶液供給口３４には、開閉弁４０及び流量計４２を有する溶液供給路３８が接続されている。溶液排出口３６には、開閉弁４６及び流量計４８を有する溶液排出路４４が接続されている。溶液供給路３８及び溶液排出路４４は、図示されない供給タンク及び回収タンクにそれぞれ接続されている。

磁石３２は、溶液収容部２８の近傍に設けられており、溶液収容部２８内の金属イオン溶液３０に磁界ＭＦを印加する。図１−３に示すように、本実施例では、磁石３２が溶液収容部２８の周壁部分２８ａに沿って配置されており、周壁部分２８ａに向けて一方向（図中の右側）に進む磁界ＭＦが形成される。本実施例の磁石３２は複数の永久磁石を用いて構成されているが、他の実施形態として、磁石３２は例えばコアとコイルを有する電磁石であってもよい。

以上の構成により、成膜装置１０では、図２に示すように、上部ユニット１２と下部ユニット１４との間に基板１００を挟持した状態で、陰極２２と陽極２４との間に電圧が印加される。それにより、基板１００の表面１００ａに金属皮膜１０２が形成される。即ち、陰極２２と陽極２４との間に電圧が印加されると、陰極２２と陽極２４との間に電界が形成される。この電界は、下部ユニット１４の陽極２４から、上部ユニット１２の陰極２２に向かう電界であり、陰極２２と陽極２４との間に位置する固体電解質膜２６及び金属イオン溶液３０に印加される。これにより、金属イオン溶液３０内に含まれる皮膜材料の金属イオンは、陽イオンであることから、固体電解質膜２６に向けて移動し、さらに固体電解質膜２６を通過していく。固体電解質膜２６には基板１００の表面１００ａが接触しているので、基板１００の表面１００ａに皮膜材料が析出していく。その結果、基板１００の表面１００ａに金属皮膜１０２が形成される。

金属皮膜１０２が形成される過程では、固体電解質膜２６において皮膜材料が針状に析出することで、固体電解質膜２６と基板１００とが皮膜材料を介して互いに固着することがある。この場合、成膜後の基板１００を成膜装置１０から取り出すときに、固体電解質膜２６を破損させるおそれが生じる。この点に関して、例えば特許文献１に記載された装置のように、固体電解質膜２６及び溶液収容部２８が、基板１００の上方に位置する上部ユニット１２に設けられていると、その破損箇所を通じて溶液収容部２８から金属イオン溶液３０が漏れ出してしまう。しかしながら、本実施例の成膜装置１０では、固体電解質膜２６及び溶液収容部２８が、基板１００の下方に位置する下部ユニット１４に設けられているので、固体電解質膜２６を仮に破損させたとしても、金属イオン溶液３０の漏出を避けることができる。

加えて、金属皮膜１０２が形成される過程では、図２に示すように、陽極２４での化学反応によって酸素が発生することがある。陽極２４で発生した酸素は、気泡ＢＢとなって陽極２４から離間し、その浮力により固体電解質膜２６に向けて浮上する。このような酸素の気泡ＢＢが固体電解質膜２６の内面（ここでは下面）に付着、滞留すると、金属皮膜１０２の形成が局所的に阻害されて、不均質な金属皮膜１０２が形成されてしまう。この点に関して、本実施例の成膜装置１０では、溶液収容部２８内の金属イオン溶液３０に、溶液収容部２８の周壁部分２８ａへ向かう磁界ＭＦが印加されている。陽極２４での化学反応によって発生する酸素は常磁性体である。従って、金属イオン溶液３０中に発生した酸素の気泡ＢＢには、磁界ＭＦによって溶液収容部２８の周壁部分２８ａに向かう力ＦＣが作用する。これにより、酸素（あるいはその他の常磁性体の気体）の気泡ＢＢは、固体電解質膜２６（特に、金属皮膜１０２の形成範囲）から離れるように移動し、固体電解質膜２６の内面に付着、滞留することが抑制される。

前述したように、本実施例における磁石３２は、溶液収容部２８の周壁部分２８ａに向けて一方向（図中の右側）に進む磁界ＭＦを形成するように構成されている。しかしながら、磁石３２の数、位置、形状、磁力といった具体的な構成は、様々に変更可能である。例えば、図４に示すように、磁石３２は、溶液収容部２８の中間部分から周壁部分２８ａに向けて二以上の方向に進む磁界ＭＦを形成するものであってもよい。あるいは、図５に示すように、磁石３２は、溶液収容部２８の底部分２８ｂに沿って配置され、底部分２８ｂに向けて進む磁界ＭＦを形成するものであってもよい。この場合、酸素等の気泡ＢＢに作用する力ＦＣが、当該気泡ＢＢに作用する浮力よりも大きくなるように、磁石３２の磁力等を設計するとよい。このように、磁石３２の具体的な構成は特に限定されず、溶液収容部２８内の金属イオン溶液３０に、溶液収容部２８の外周部又は下部へ向かう磁界ＭＦを印加し得るものであればよい。

次に、図６、図７を参照して、一例ではあるが、成膜装置１０の具体的な動作の流れを説明する。先ず、図６のステップＳ１２では、成膜装置１０の下部ユニット１４に、固体電解質膜２６を取り付ける（あるいは、交換する）。前述したように、固体電解質膜２６は、溶液収容部２８の上壁部分でもあり、固体電解質膜２６が溶液収容部２８の周壁部分２８ａに固定されることで、溶液収容部２８が密閉される。なお、この段階では、図１に示すように、上部ユニット１２と下部ユニット１４は互いに離間している。

次に、ステップＳ１４では、上部ユニット１２に基板１００を取り付ける。前述したように、基板１００は、上部ユニット１２の陰極２２に例えば吸着によって固定される。次に、ステップＳ１６では、溶液収容部２８に金属イオン溶液３０を充電する動作が実施される。この動作は、図７のフローチャートに示す流れで行われる。先ず、図７のステップＳ２２において、溶液供給路３８の開閉弁４０及び溶液排出路４４の開閉弁４６が開放される。これにより、溶液収容部２８へ金属イオン溶液３０の充填が開始される。溶液収容部２８へ金属イオン溶液３０が充填されている間、ステップＳ２４に示すように、溶液供給路３８の流量計４２及び溶液排出路４４の流量計４８がモニタされる。

溶液収容部２８が金属イオン溶液３０で満たされると、溶液供給路３８の流量計４２によって測定される供給流量と、溶液排出路４４の流量計４８によって測定される排出流量とが互いに等しくなる（ステップＳ２４でＹＥＳ）。この場合、溶液供給路３８の開閉弁４０及び溶液排出路４４の開閉弁４６を閉鎖することで、金属イオン溶液３０の充填が完了する。なお、溶液収容部２８内の圧力を高めるために、先ずは溶液排出路４４の開閉弁４６を閉鎖し、次いで溶液供給路３８の開閉弁４０を閉鎖してもよい。

図６に戻り、ステップＳ１８では、金属皮膜１０２の形成が実施される。上部ユニット１２と下部ユニット１４とを互いに接近させ、上部ユニット１２と下部ユニット１４との間に基板１００を挟持する。これにより、基板１００の表面１００ａは固体電解質膜２６に押し付けられ、溶液収容部２８内の金属イオン溶液３０の圧力も上昇する。言い換えると、固体電解質膜２６が、金属イオン溶液３０の圧力によって、基板１００の表面１００ａに押し付けられる。この状態で、電源装置１６により、陰極２２と陽極２４との間に直流電圧が印加される。これにより、前述したように、金属イオン溶液３０内の金属イオンが、固体電解質膜２６を通過して基板１００の表面１００ａ上に析出する。このとき、陽極２４で発生する酸素の気泡ＢＢは、磁石３２による磁界ＭＦによって溶液収容部２８内の外周部へ排除される。これにより、基板１００の表面１００ａに均質な金属皮膜１０２が形成される。その後、上部ユニット１２と下部ユニット１４とが互い離間することで、成膜装置１０から成膜後の基板１００が取り出される。

以上のように、本実施例の成膜装置１０では、陽極２４での化学反応によって発生した酸素の気泡ＢＢを、磁石３２による磁界ＭＦを利用することによって、金属皮膜１０２の形成範囲から排除することができる。ここで、酸素の気泡ＢＢを排除する他の手段としては、成膜装置１０を鉛直方向に対して傾けて、気泡ＢＢの浮力によって移動させることも考えられる。しかしながら、このような手段によると、固体電解質膜２６が破損したときに、金属イオン溶液３０が漏出するといった問題が起こり得る。あるいは、成膜時のみ成膜装置１０を傾けることも考えられるが、この場合、成膜装置１０を傾動させる機構やアクチュエータが必要となり、成膜装置１０の構成が複雑化する。

その他、発生した酸素の気泡ＢＢが、排除しやすい箇所へ自ら集まるように、陽極２４の位置を変更することも考えられる。しかしながら、このような手段によると、陽極２４（及び陰極２２）と基板１００との位置関係が非対称となり、金属皮膜１０２の形成速度も位置によって変化するという問題が起こり得る。即ち、金属皮膜１０２を均質に形成することが難しくなる。

あるいは、金属皮膜１０２の形成中に金属イオン溶液３０を溶液収容部２８の外部へ循環させ、溶液収容部２８の外部において酸素の気泡ＢＢを除去することも考えられる。しかしながら、このような手段によると、加圧された状態の金属イオン溶液３０を循環させる必要があり、耐圧性の高い循環経路を用意する必要が生じる。また、金属イオン溶液３０が希硫酸を含む場合、循環経路には希硫酸に対して耐性の高い材質を用いる必要がある。希硫酸に対して耐性の高い材質としては、例えばカーペンタやハステロイといったニッケル合金が挙げられる。しかしながら、循環経路にニッケル合金を採用した場合、金属イオン溶液３０内の金属イオンが反応するという理由によって、ニッケルの金属皮膜１０２を形成することが難しくなる。さらに、開閉弁４０、４６といった機械要素や流量計４２、４８といったセンサ類が腐食するという問題も想定される。

あるいは、溶液収容部２８内に、陽極２４上を覆うようにカバーを設け、発生した酸素の気泡ＢＢを捕集することも考えられる。しかしながら、このような手段によると、金属皮膜１０２の形成後に、カバーによって捕集された酸素の気泡ＢＢを排出する必要があり、そのための機構やアクチュエータが必要となる。さらに、金属皮膜１０２の形成前にも、カバーによって捕捉されている空気等を事前に排除する必要があり、そのための機構やアクチュエータも必要となる。これらのいくつかの手段に対して、本実施例の構成によると、磁石３２を設けるだけでよいので、成膜装置１０を簡素に構成することができる。特に、磁石３２に永久磁石を採用すれば、電力やその他の動力が必要とされず、その動作を制御する必要もない。

以上、本技術の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。本明細書又は図面に記載された技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載された組合せに限定されるものではない。また、本明細書又は図面に例示された技術は複数の目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０：成膜装置
１２：上部ユニット
１４：下部ユニット
１６：電源装置
２２：陰極
２４：陽極
２６：固体電解質膜
２８：溶液収容部
２８ａ：溶液収容部の周壁部分
２８ｂ：溶液収容部の底部分
３０：金属イオン溶液
３２：磁石
１００：基板
１００ａ：基板の表面
１０２：金属皮膜
ＢＢ：気泡
ＦＣ：力
ＭＦ：磁界

Claims (1)

1. 基板の表面に金属皮膜を形成する成膜装置であって、
   前記基板の上方に配置されるとともに、陰極が設けられた上部ユニットと、
   前記基板の下方に配置されるとともに、前記陰極に対向する陽極が設けられた下部ユニットと、
   前記陰極と前記陽極との間に電圧を印加する電源装置とを備え、
   前記下部ユニットは、
   前記陰極と前記陽極との間で、前記基板の前記表面に接触する固体電解質膜と、
   前記陽極と前記固体電解質膜との間に、皮膜材料の金属イオンを含む金属イオン溶液を保持する溶液収容部と、
   前記溶液収容部内の前記金属イオン溶液に、前記溶液収容部の外周部又は下部へ向かう磁界を印加する磁石とを有する、
   成膜装置。

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