JP3245017B2 - Ｄｌｍ構造平坦化のための高速電気化学式電解槽 - Google Patents

Ｄｌｍ構造平坦化のための高速電気化学式電解槽

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、金属表面の電気化
学的平坦化に関するものである。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】２層メタラジ（ＤＬＭ
−Double layer metallurgy）は、金属条片からなる２
層構造を回路内に作製するための超小型電子回路製造法
である。この条片または「線」は、回路の様々な構成要
素を接続する配線の働きをする。金属の下部層を、非導
電性基板内にあるトレンチ中に付着させる。線の第２の
層である上部層を下部層金属の上面に付着させる。上部
層と下部層の線は交差および相互接続が可能であり、金
属層１層のみを用いる場合よりも柔軟性の高い構成要素
間配線が可能となる。
【０００３】ＤＬＭによる回路製造は、シリコン製ウェ
ーハやアルミナ、ガラス、またはポリマの板などの平面
基板から開始する。この基板は、トランジスタ、抵抗、
およびコンデンサから成る超小型電子回路構造を、従来
の素子製造技術または素子実装技術（拡散、リソグラフ
ィ、エッチングなど）により基板上に組み込み、その表
面を平坦化したものである。
【０００４】一般に、基板の平面には、銅またはその他
の導電性金属の第１層、すなわち下部層をめっきする前
に、ポリイミド（ポリマ・プラスチック材料）のパター
ン化層を設ける。ポリイミド層の厚さは、約１０〜１５
０ミクロンである。（１ミクロン、すなわち１μｍ、１
マイクロメートルは、１メートルの１００万分の１であ
る。１００ミクロンは、１ミリの１０分の１、すなわち
０．００４インチとなる。）ポリイミド層に、母基板を
露出させる間隙のパターンを形成する。通常、この間隙
を延ばして金属線を形成することから、この間隙をトレ
ンチと呼ぶ。
【０００５】図１〜図５は平坦化に関する従来技術を示
す図である。図１は、ポリイミドＰの層を有する基板Ｓ
の断面を示している。図にはトレンチが２つあって、左
側の狭いトレンチは、ポリイミドＰの層の２つの区間を
境界としている。幅の広いトレンチの左側の縁部は、右
側に示されている。
【０００６】パターン付きの基板ＳとポリイミドＰの層
の上に銅をダマシン（damascene）めっきし、基板Ｓと
ポリイミドＰの層を銅で被覆する。これを図２に示す。
図２では、銅はＣｕで表してある。銅の層は、均一な厚
さになる傾向があるが、ポリイミドＰのパターンにある
小さな開口部を埋める。この開口部はめっきが堆積する
につれて充填されていく。商用の電気めっき法であるＰ
ＯＲ（Plan of Record）は、このような挙動を示す。
【０００７】図２に示すように、トレンチの幅が狭い場
合、銅めっき層の上面に、しわまたは割目Ｒが残る。ポ
リイミドの間隙が狭いと、割目の深さが比較的浅いトレ
ンチができる。銅の厚さが増加するにつれて表面が平坦
になっていくので、この現象を銅の充填による「平坦
化」という。
【０００８】一方、ポリイミド層にある幅の広いトレン
チは、図２の右側に示すようにめっき後も平坦化されな
いまま残る。銅の層は一般に厚さが均一なため、鋭角の
隅が丸みを帯びるほかは、ポリイミドＰの層の本来の表
面に従う。
【０００９】ＤＬＭを行うには、第１の金属層を平坦化
する必要がある。図３に、図２の銅層の平坦化後の様子
を示す。
【００１０】平坦化を行うことが望ましい理由は２つあ
る。
【００１１】第１に、トレンチ外の領域から銅を除去し
て線を形成することが望ましい。こうすると、次の線層
を交差配線のパターンにして平面上に配置することがで
きる。図３において、第２レベルの線は、紙面と平行に
なる。
【００１２】第２に、光学的リソグラフィを利用する場
合、フォトレジストという感光材料で被覆された基板上
にレンズを介して投影された像に、層のパターンが含ま
れる。光によってフォトレジストが硬化しトレンチを形
成するが、露光されないフォトレジストは硬化しないた
め洗い流すことが可能である。レンズには固有の制約が
あるため、完全に平坦ではない表面に像を合焦させるこ
とはできない。
【００１３】平坦化には様々な方法がある。
【００１４】マイクロミリングは、従来からある平坦化
法であり、通常のフライス加工を単に小型化したもので
ある。モータによって回転するフライスを使用し、工作
物（ここでは基板）全体を機械的に走査して表面の平坦
化を行う。
【００１５】マイクロミリングによる平坦化には、フラ
イス面と部品との位置合せ、亀裂や分界の原因となる研
削応力、フライスから発生する汚れた銅によるポリイミ
ドの汚損など、いくつかの問題点がある。またマイクロ
ミリングは、費用が高くつき、多大な設備投資と労力が
必要となる。さらに、歩留り（得られる合格部品の割
合）も低い。
【００１６】ローレンス・リバモア国立研究所が実施し
た研究に基づくロバート・Ｊ．コントリーニ（Robert
J. Contolini）らの論文、"Electrochemical Planariza
tionfor Multi-Level Metallization", Proceedings of
the Second InternationalSymposium of "Electrochem
ical Technology Applications in Electronics", Vol.
No.93-20では、電気めっきに続いて電解研磨を行う電気
化学式平坦化技術が記述されている。この論文で開示さ
れている技術を利用すると、埋め込み抵抗を備えた非常
に平坦な表面が形成される。１００ｍｍのウェーハ全体
で、厚さの均一性は±２％よりも高くなるが、前記の技
術では、極端に複雑なツールを利用し、非常に危険かつ
腐食性の高い電解質であるリン酸を使用している。
【００１７】電気化学式研磨（ＥＣＭ）は、機械的平坦
化に代わる方法である。ＥＣＭの基本は、電気化学式エ
ッチング、すなわち塩水と電気の組合せにより腐食の速
度を上げ、制御しながら金属を溶解することであり、安
全で汚染を引き起こさず、機械的研磨よりもコストが低
くなる場合が多い。ＥＣＭを利用して、高硬度の金属を
研磨したり、金属箔をきれいに切り抜くことができる。
ＥＣＭでは、加工した材料に応力や付着物が残ることが
ない。
【００１８】図４は、電気化学式エッチングの背景技術
を図示したものである。図示した装置は、基本的な電解
エッチング用電解槽である。タンクＴには、液体電解質
Ｅ、すなわち塩の水溶液が入っている。２つの電極、す
なわち陽極Ａと陰極Ｃは、バッテリＢなどの電圧源に接
続されている。装置に通電すると、陽極Ａの金属原子が
電気でイオン化されて溶液中に溶け出し、金属陽極Ａが
水に溶解する。溶解速度は、ファラデーの法則により、
電流に比例する。金属電極と塩の化学反応に応じて、陰
極から発生する金属イオンは、陰極をめっきするか、析
出物として析出するか、または溶液中にそのまま残る。
【００１９】従来のＥＣＭにおいては、陰極は成形した
ツールであり、陽極の近くに保持してゆっくりと陽極に
近づけてゆき、それと同時に電解質を電極間の間隙を通
してポンプで供給する。陽極は、工作物であって、陰極
は工作機械の切刃に対応し、工作物に向かってゆっくり
と移動していく。加工が進むにつれて、工作物は陰極の
形状になっていく。電極が接触することはないので、陰
極は摩耗しない。ＥＣＭを利用して、ギアなど、複雑な
部片を加工することができる。
【００２０】ＥＣＭにおいては、陰極を徐々に工作物に
接近させていくだけで、金属が除去される。陽極表面の
溶解速度は、陰極が陽極表面に接近した場合に最大とな
り、電極間の距離が増大するとともに低下する。こうな
るのは、電場の影響を受けるためである。このような効
果があるため、陽極が取る形状は、完全には陰極の形状
と同じにはならず、ＥＣＭのツールを設計する場合は、
適切な陰極形状を得るために、ラプラスの方程式を解く
か、または電気抵抗を有する紙を使用した実験的方法を
利用するかしなければならない。Ａ．Ｅ．デ・バル（De
Barr）およびＤ．Ａ．オリヴァー（Oliver）編、Elect
rochemical Machining（American Elsevier, New York,
1986年）の１５５〜１５６ページを参照されたい。
【００２１】エッチング速度を加速し、熱を除去するた
めに、従来のＥＣＭでは、陰極と工作物の間の電解質の
流れを速くする。陰極と工作物の間隔が狭く、電解質の
流れが速いため、ポンプの作動に問題が生じる場合があ
る。粘性の高い流体は、ポンプの作動状態が悪くなるた
め、ＥＣＭの電解質としては望ましくない。
【００２２】従来のＥＣＭの変形として、フォトレジス
ト・マスクを備えた薄膜やフォトレジスト・マスクを備
えていない薄膜を加工する方法があり、電気化学式微小
加工（ＥＭＭ）と呼ばれる。
【００２３】適切な電解質と電気的条件を選択すると、
ＥＣＭおよびＥＭＭで電解研磨表面が得られる。その名
が意味するように、電解研磨によれば、「鏡面状の」と
か「光輝な」とかいわれる、粗面度が光の波長よりも小
さい、非常に滑らかで鏡のような表面が得られる。機械
的に研磨した表面とは異なり、電解研磨した表面では、
加工や機械的研磨の際の高圧によって応力が蓄積され残
留するようなことはない。
【００２４】図２に示す高さ１０〜１５０ミクロンの銅
表面の隆起など、大きな凹凸は、電解エッチングや電解
研磨では平坦化できない。しかし、割目Ｒのような小さ
な凹凸は電解研磨または電解エッチング、あるいはその
両方により除去することができる。
【００２５】陽極が溶解している間、陽極表面における
金属イオンの濃度は、バルク濃度とは大きく異なる。こ
れらの濃度は主に質量移動速度によって決まるため、移
動機構や拡散層の厚さが、高速の陽極溶解では重要な役
割を果たす（Ｍ．ダッタ（Datta）, IBM Journal of Re
search and Development, no.37, p.207, 1993年）。ネ
ルンストの拡散層の概念を利用して、金属の高速陽極溶
解における質量移動効果について簡単に説明する。この
概念によると、不活発な拡散層が陽極に存在すると考え
られる。陽極で発生する溶解金属イオンは、対流拡散に
よりバルク電解質に移動する。この移動により、拡散層
内に濃度勾配が生じる。拡散層外では、対流により移動
が起こる。拡散層の厚さは、流体力学的条件、すなわ
ち、電解質の撹拌の程度や、粘度などの電解質の物性に
よって決まる。ＥＣＭの条件では、拡散層の厚さは、１
０〜５０ミクロンの範囲で変化する。したがって、拡散
層は、狭小な間隙なら埋めるが、大きなフィーチャでは
その輪郭に従う傾向にある。
【００２６】図５は、拡散層Ｄが割目Ｒを埋め、図２の
右側の大きなトレンチの輪郭に従う様子を示している。
質量移動／電解研磨では、大きなフィーチャの平坦化は
起こらない。
【００２７】電解質の粘度は、ブラウン運動の程度を決
定する要因であり、したがって、電解質の粘度を高める
物質を電解質に添加することにより、拡散速度は減少す
る。電解質の粘度を上げると、拡散層の厚さが増し、表
面研磨が促進される。（Ａ．Ｅ．デ・バルおよびＤ．
Ａ．オリバーの編書の１０２ページを参照のこと）
【００２８】大きなフィーチャを埋める程度まで、拡散
層の厚さを増加させることができるが、これを行うに
は、電解質の粘度を極端に大きくする必要がある。粘度
が極端に高いと、金属除去速度が低下し、また電解質を
十分な速度で電解槽からポンプで供給できなくなる。
【００２９】電解質を粘度の高い液体と混合すると、予
想されるように、粘度のより高い電解質が得られる。常
温での粘度が水の約１５００倍あるグリセリンを電解エ
ッチングで使用すると、電解質の粘度が高まり、研磨が
促進される。２液からなる混合物の粘度は、一般にそれ
ら２液の粘度の平均とはならない。
【００３０】水溶液電解質の固有抵抗も、ある種の物質
を添加することにより、増加させることができる。（固
有抵抗は、電解質の特性であって、電解槽の形状の特性
ではない。固有抵抗と電解槽の電気抵抗との関係は、密
度と質量の関係に類似している。）抵抗性添加剤は、粘
性添加剤と同じではなく、粘度を上げる物質により、抵
抗がまったく増加しないこともあれば、非常に増加する
こともある。科学者達は、電解質の粘度とその固有抵抗
との関係を明らかにしようとしてきたが、その試みは未
だ成功していない。粘度と固有抵抗は互いに独立してい
るものと思われる。したがって、添加剤により、電解質
の粘度が増加して抵抗は増加しないこともあれば、逆に
抵抗が増加して粘度は増加しない場合もある。
【００３１】電解質の固有抵抗は電解エッチングに影響
を及ぼすが、この影響は、粘性による影響とは異なる種
類のものである。
【００３２】以上説明したように、粘性は金属表面にき
わめて近接した領域における拡散に影響を与え、電解槽
内のいわゆる三次電流分布を変化させる。
【００３３】電気抵抗は、一次電流分布にのみ影響を与
える。一次電流分布は、オームの法則に関係し、電解質
の固有抵抗、電極の内部抵抗、および電解槽の形状の関
数となる。
【００３４】何人かの発明者は、水溶液電解質に溶解さ
せた有機物質を使用して電解研磨を行うことを提案して
いる。
【００３５】米国特許第２５１６１０５号において、
Ｅ．デル・マトジアン（Der Matosian）は金属の電解研
磨を教示している。マトジアンは電解質の一部として有
機溶剤を使用する方法を開示し（第２欄、２６行目）、
エチレングリコールを含めて様々な物質について触れて
いる（第２欄の末尾）。グリコールの作用は、陽極にお
ける濃度分極であると述べられている。
【００３６】チャールズ・ファウスト（Charles Faus
t）に付与された米国特許第２３１５６９５号でも、電
解研磨用のアルコール、グリセロール、グリセリン、エ
チレングリコールその他の有機物について触れている。
【００３７】米国特許第３３３４２１０号において、ミ
ルトン・Ｊ．リドルズ（Milton J. Riddles）およびジ
ョゼフィーヌ・ウィリアムズ（Josephine Williams）
は、水溶液にしたポリエチレングリコールを主成分とす
る電解質処方を開示している。ポリエチレングリコール
の水溶液は、高周波放電によるアーク加工に使用され
る。
【００３８】
【課題を解決するための手段】したがって、本発明は、
第１の電極表面の電気化学的平坦化に関するものであ
り、電気化学的電解槽は、一般に第１の電極表面に平行
な第２の電極と、第２の電極と第１の電極表面との間に
満たした電解質水溶液と、抵抗性電解混合物を形成する
ために電解質と混合した電気抵抗性添加物と、電圧源と
を備えている。電圧源により、電解槽の両端間に電位差
がかかったとき、第１の電極表面が電気化学的に平坦化
される。
【００３９】
【発明の実施の形態】本発明は、不均一な金属表面を平
坦化するための電気化学的微小加工（ＥＭＭ）法および
装置に関するものであり、小型電子回路のＤＬＭ構造製
作に特に有用である。
【００４０】本発明では、エチレングリコールなどの非
導電性有機物（抵抗性有機物）を添加することにより電
気抵抗を持たせた電解質を使用する。電解質の固有抵抗
を増加させると、高部領域と低部領域のエッチング速度
の差が広がり、その結果、金属表面が平坦化される。
【００４１】また、本発明では、エッチングを施した表
面と陰極との間の電極間距離を短くしている。
【００４２】エッチングには、電解質の流れと電流をサ
ンプルの狭い領域に沿った部分に局在化させる線形複ノ
ズル電極アセンブリを使用することが好ましい。複ノズ
ル電極は、基板上で前後にゆっくりと走査される。エッ
チングを狭い領域に集中させると、総電流を大きくしな
くても、電解研磨の電流密度を高くすることができ、漂
遊電流が低下し、電解質の流れが改善され、機械的製造
工程の単純化とコスト削減が可能になる。
【００４３】本明細書全体を通して、以下の定義を適用
するものとする。
【００４４】電解質（水溶液に適用する場合）−水と溶
質の両方を含む溶液であって、溶質のみではない。
【００４５】浸漬−表面の少なくとも一部をぬらすこ
と。
【００４６】線形−滑らかな曲線または直線に沿った部
分があること。
【００４７】平行（物体、表面および線の間の空間的関
係を指す場合）−隔たりが一定であり、この隔たりが当
該の物体、表面、線の凹凸よりも大きい。
【００４８】平坦化−平面化または平滑化すること。
【００４９】平滑−局部的に平坦なこと。
【００５０】基板−一体構造または複合構造の平坦なま
たは平滑な表面
【００５１】電圧手段−電源、バッテリ、そのほか従来
の電圧源あるいは電流源、またはこのような従来の電圧
源または電流源への接続
【００５２】図６に電解槽を示してある。図６におい
て、銅Ｃｕの層には陽極を表す文字Ａを付してある。層
Ａには、割目Ｒ、幅の広いトレンチの上にある下部表面
Ｌ、およびポリイミドＰ層の上の上部表面Ｕがある。陽
極Ａの上部には、陰極Ｃが配置してあり、陰極Ｃは、平
坦な基板Ｓと平行に配設した平面を有する。電解質Ｅ
が、陽極Ａと陰極Ｃの間の空間を満たしている。
【００５３】陰極Ｃおよび陽極Ａは、それぞれ電源の陰
極棒および陽極棒に、または陰極棒と陽極棒の間に電圧
を印加する従来の装置に接続されている（陰極棒および
陽極棒は図示せず）。陽極Ａおよび陰極Ｃは金属製であ
り、それぞれほぼ一定な電圧がかかっている。したがっ
て、対向する平行な表面は、それぞれ等電位になってい
る。
【００５４】電圧源から印加される電圧により、陽極Ａ
と陰極Ｃの間の電解質Ｅ中に電流が流れる。電流の大き
さは、オームの法則により以下のようになる。
【数１】Ｉ＝Ｅ／Ｒ
【００５５】上式中、Ｉはアンペア単位で表した電流、
Ｅはボルト単位で表した電極間の電位差、Ｒはオーム単
位で表した電解質の抵抗である。
【００５６】陽極Ａと陰極Ｃとの間に存在する電解質の
抵抗Ｒは、電解槽の形状と電解質の固有抵抗の関数であ
る。図６において、陽極Ａと陰極Ｃ間の距離をそのまま
にして、当該電解質を排出し、その代わりに固有抵抗が
より高い電解質を満たした場合、電解槽の抵抗がその固
有抵抗と同じ割合で増加する。電解質の固有抵抗が増加
すると同時に電極間の距離が減少する場合は、抵抗が一
定になる可能性がある。
【００５７】銅製の陽極Ａを高速でエッチングするに
は、電解槽を流れる総電流Ｉを一定に保つ必要がある。
これは、電気化学に関するファラデーの法則の帰結であ
る。ファラデーの法則では、電解エッチングで除去され
る金属の量は、電流およびエッチング時間に比例すると
している。表面の研磨、平滑化を行うには、電流密度
（電流／陽極の表面積）が高くなければならない。
【００５８】陽極と陰極の間の電圧降下は、１次近似で
は、電解質の幅全体に均等に分布している。再度、図６
を参照すると、電極面はそれぞれ等電位線（等電圧線）
になっている。電解質内では、一般に等電圧線が水平か
つ電極表面に対して平行になる。
【００５９】電解質の固有抵抗が高くなるほど、電極間
の電圧降下が大きくなり、したがって、電極間にある等
電位線の数が増える。等電位線の間隔が密になるほど、
電圧勾配が大きくなることになり、そうすると、陽極Ａ
の表面から出ている突起近くで等電位線が屈曲すること
によって生じる平坦化作用が促進される。
【００６０】したがって、本発明の第１の態様は、固有
抵抗の高い電解質を使用することと関連する。
【００６１】塩と水からなる電解質の固有抵抗は、電解
質１立方センチ当たり数オーム程度である。固有抵抗
は、塩および温度の変化とともに変化するが、溶液の濃
度が主な決定要因となる。塩の濃度を低くすると固有抵
抗を上げることができる。しかし、エッチングを速く進
めるために十分なイオンを供給するには、塩の濃度を高
くしなければならない。本発明においては、イオン数を
減少させずに電解質の固有抵抗を高めることが望まし
い。
【００６２】塩の濃度を高く保ちながら固有抵抗を増大
させるために、本発明では、電解槽の水溶液電解質に非
導電性（抵抗性）の添加剤を加える。１Ｍ（Ｍはモル濃
度）以上の抵抗性有機物が添加剤として使用できる。
【００６３】好ましい添加剤は、１〜３Ｍまたは２〜４
Ｍのエチレングリコール（Ｍはモル濃度）である。従来
の技術では、突起の除去にエチレングリコールなどの添
加剤を使用している。これについては、Ｗ．Ｊ．Ｍｃ
Ｇ．テガート（Tegart）著、The Electrolytic and Che
mical Polishing of Metals（Pergamon Press, London,
1956年）を参照されたい。しかし、その機構は分析され
ていない。グリセリンと異なり、エチレングリコール
は、粘性が極端に大きくはない。水の１．０センチポア
ズおよびグリセリンの１５００センチポアズに対して、
エチレングリコールの粘度は、室温で約２０センチポア
ズである。
【００６４】粘性は温度の影響を大きく受けるため、本
発明では、電解質を指定の温度範囲内に維持することを
企図している。電解質の固有抵抗は、好ましくは５．０
オーム−センチメートル以上である。
【００６５】好ましい電解質は、２〜４ＭのＮａＮＯ3
（硝酸ナトリウム）水溶液である。硝酸塩電解質中で
は、金属の溶解は酸素の発生を伴わない。したがって、
酸素の発生により銅製陽極Ａの表面Ａに孔食を生じる場
合は、硝酸ナトリウムの方がリン酸よりも好ましい。同
一モル濃度の塩化ナトリウムも本発明には有用である。
【００６６】電解研磨は制限電流より高い電流で行う。
電流は最初、電圧とともに上昇するが、その後一定の値
で推移する。この一定状態の電流を「制限」電流という
が、十分な電圧を印加すると制限電流がさらに上昇する
ことがある。硝酸塩中の銅の陽極分極は、定性的には、
（ＬＬＮＬ装置で使用する）リン酸中での陽極分極と同
じであるが、リン酸中では、酸素の発生が制限電流より
低い電流で起こるため、リン酸中の制限電流は、硝酸ナ
トリウム中よりもはるかに低くなる。極端な条件下で酸
素が発生すると、孔や間隙を生じる。一方、一定状態の
制限電流よりも電流密度が高い場合、硝酸塩中では、銅
の溶解原子価は２よりも小さい。酸素が発生しないた
め、硝酸塩水溶液では、孔食やキャビテーションが存在
しない。
【００６７】電解質の流量を高くすることにより、硝酸
ナトリウムとグリコールを含む電解質中で、金属の除去
速度を非常に高くすることが可能である。電解槽の電圧
に影響がある点を除くと、グリコールの使用は、金属の
溶解速度に大きな影響を与えない。
【００６８】本発明の１つの態様である、非導電性（抵
抗性）添加剤の使用による電解質の固有抵抗の上昇は、
一部には電解槽の形状によって左右される。銅製電極Ａ
の表面の凹凸を、電極Ａの表面全体にわたって同じ速度
で平滑化するには、陰極Ｃの表面を陽極Ａの表面と平行
にして、電極間の平均距離が基板Ｓ全体にわたって一定
になるようにすることが望ましい。陽極Ａの表面が粗
く、平坦化する必要があるため、電極間の距離は局所的
に変化する。陰極Ｃを上向きにすると、陽極Ａの抵抗が
変化し、したがって電流密度、エッチング速度、および
平坦化の度合も変化する。したがって、陰極Ｃの表面
は、陽極Ａの表面の平均平面と平行にする必要がある。
【００６９】本発明の別の態様として、電極間の距離が
数ミリメートル程度と、短くなっている点があげられ
る。
【００７０】再び図６を参照すると、上部表面Ｕと陰極
Ｃの間の電極間距離が、下部表面Ｌと陰極Ｃの間の距離
に匹敵する。表面ＵとＬの間の絶対高低差は、陰極Ｃを
遠ざけていくと変化し、電極間距離Ｃ−ＵとＣ−Ｌの相
対差は減少する。
【００７１】電極間距離がそれぞれ異なる２つの独立し
た電解槽となるように、図６の電解槽を中間で分割する
と、電流が電解質中を横断する距離が短くなるため、電
極間距離が小さい方の電解槽の抵抗が低くなる。双方の
電解槽の電極間距離を同じだけ増加させると、両方の抵
抗の絶対値が増加するので、電解槽の抵抗の相対差は減
少する。したがって、両方の電解槽に同一の電圧を印加
すると、エッチング速度の差も減少する。言いかえれ
ば、電極間距離が減少するにつれて、エッチング速度の
差が増大する。
【００７２】図６の合成電解槽にもどると、両側が幾分
２つの独立した電解槽のように動作する。これは、電流
が陽極から陰極へと真直ぐに進む傾向があるからであ
る。高低にかかわらず、広い平坦な領域では、等電位線
が一般に平坦になる。電流は等電位線を真直ぐに横切っ
て流れ、電極表面に平行な電流は最小となる。陽極Ａの
隅および辺では、等電位線が屈曲し、電流が水平方向成
分を持つ。粗い陽極表面を平滑化する場合、電極間距離
が減少するにしたがって、エッチング速度の差がやはり
増加する。
【００７３】陽極Ａの高部領域と低部領域の間で相対エ
ッチング速度差があると、平坦化が起こる。絶対エッチ
ング速度は、平坦化とは無関係であるが、生産を迅速に
行うには絶対速度が高いことが望ましい。
【００７４】本発明の第２の態様は、第１の態様を増補
するものである。電解質の固有抵抗が高い場合は、電極
間間隔の減少により電流の相対差が増加することはない
が、固有抵抗を有する電解質では、全電流が増加し、し
たがって、所与の相対差に対する絶対電流差が増大す
る。さらに、電極間の間隔が狭くなるほど、所与の電流
を維持するために電解槽に印加しなければならない電圧
が低下する。
【００７５】本発明の第１の態様と同様に、第２の態様
においても形状が重要となる。陰極Ｃおよび陽極Ａは、
平行になっていることが望ましい。加えて、陰極Ｃの表
面は、陽極Ａの表面に比較して相対的に平滑であること
が望ましい。陰極Ｃの表面が粗い場合、平坦化が起こら
ない場合があり、その代わり、従来の大規模なＥＣＭと
同様に、陽極の表面が平滑にならずに陰極の外形と同じ
になることがある。
【００７６】速度差および陽極Ａのめっき銅の層の厚さ
を調整して、図３に示すように、表面を平坦化すること
ができる。
【００７７】本発明の第３の態様は、基板表面に平行な
陽極上で前後にゆっくり走査される線形電極を使用する
ことである。
【００７８】図７は、線形電極の好適な実施例を示して
いる。この電極は、１９９４年８月、ダッタ（Datta）
らに対して付与され、インターナショナル・ビジネス・
マシーンズ・コーポレイションに譲渡された米国特許第
５２８４５５４号に開示されているものとほぼ同じであ
る。これを参照することにより本明細書の一部とする。
本明細書の図７において、対応する部品の参照番号は、
前記米国特許第５２８４５５４号の参照番号に１００を
加えたものになっている。
【００７９】図７において、ノズル・アセンブリ１２６
は、基板ホルダ１２４の下に示してある。基板ホルダ１
２４は、可動ステージ１１２に固定してあり、この可動
ステージが、従来の機構（図示せず）によって軸方向に
移動すると、図７に矢印で示したように、キャリア・ス
テージ１１２がノズル・アセンブリ１２６上をゆっくり
と走査する。走査速度は調整可能である。
【００８０】ノズル・プレート１２８が、中空の細長い
ノズル・アセンブリ１２６の上部に取り付けられてい
る。ノズル・アセンブリはプレキシグラスなどで作製さ
れている。ノズル・プレート１２８には、貫通穴１２９
が多数設けてある。ノズル・アセンブリ１２６の壁部お
よびノズル・プレート１２８によって囲まれた内部空間
に、加圧した電解質を継手１３０を介して充填する。電
解質は、複数の穴１２９を通って噴出し、幅約２ｃｍ、
長さ約１５ｃｍのノズル・プレート１２８の上部で長い
ジェット噴流となる。前記の穴は、中心が３ｍｍ間隔に
きちんと配置され、直径は２ｍｍになっている。
【００８１】基板Ｓは、基板ホルダ１２４の下側に転倒
した状態で着脱可能に取り付けてあり、図７では見えな
い。ステージ１１２が、ノズル・アセンブリ１２６上の
ホルダ１２４を走査するとき、ノズル・プレート１２８
の上面と陽極Ａの層の間の間隙は、３ｍｍになる。
【００８２】ステージ１１２が、ノズル・プレート１２
８上の基板Ｓを走査していくにしたがって、電解質が、
３ｍｍある電極間間隙を完全に満たし、続いてノズル・
アセンブリ１２６の上を流れ落ちる。エッチングは、ノ
ズル・プレート１２８上の電解質が当たる所だけで行わ
れる。
【００８３】３Ｍの硝酸ナトリウムと２Ｍのエチレング
リコールを電解質とした場合、流量は５．６８ｌ／分
（１．５ガロン／分）、走査速度は２ｃｍ／分が好まし
い。
【００８４】ノズル・プレート１２８は、ステンレスで
構成することが望ましい。ノズル・プレートは、電源
（図示せず）への接続用の突起部１２７を有する。ノズ
ル・プレート１２８は陰極となる。極性が逆の電源端子
は、めっきした銅の層に接続する。（図６のＡ。図７に
は見えない。）
【００８５】電圧は、定常な直流電流または脈動電流と
して印加する。１０ボルトの電圧を持続時間が１０ミリ
秒のパルスの形で加えることが望ましい。デューティ・
サイクル（電気が印加される時間の割合）は３０％であ
る。金属の除去速度は、１．４ミクロン／分である。
【００８６】本発明の例示的実施例の試験では、厚さ
８．３ミクロンの金属層を除去し、表面を検査したとこ
ろ、表面の最高点と最低点の差（ピーク間変動）が１ミ
クロン、すなわち全体の厚さ８．３ミクロンの１２％で
あることがわかった。表面全体での平均変動は、３．５
％であった。
【００８７】これらの測定値は、ＬＬＮＬ装置で得られ
た値に匹敵するものである。しかし、本発明の装置の方
が、ＬＬＮＬ装置に比較して、単純であり、金属の除去
速度が速く、より安全で、危険な廃棄物の発生量も少な
い。
【００８８】平面電極ではなく線形電極を使用すると、
いくつかの利点がある。
【００８９】薄い線形電極は、陽極の銅の層よりも表面
積が小さい場合がほとんどである。このため、線形電極
を使用すると、局所的な電流密度が高く維持されると同
時に、電解エッチングに必要な総電流が減少する。電解
研磨には、大きな電流密度が必要であるが、総電流が大
きいと、配線、変圧器、ダイオード、パルス電流に使用
する開閉回路などの電気部品がより大型になり、コスト
も高くなる。
【００９０】第２に、薄い線形電極を使用すると、不均
一なエッチングの原因となる、いわゆる「漂遊」電流が
減少する。漂遊電流は、線形電極に沿って２方向ではな
く１方向にのみ流れる。
【００９１】第３に、平坦な表面と電極の間で狭い公差
を維持しようとするには、線形電極と線形トラックを使
用する方がコストが低くなる。複数の直線状の辺よりも
平面の方が加工のコストがかかる。
【００９２】第４に、線形電極の方が、流体力学的考察
を行うのが簡単である。１ミリの間隔を置いて配置した
２枚のプレート間で均一な流れを生じるには、３つの辺
に沿って漏洩防止シールが必要になる。この場合、電解
質は２つの側辺にそって電極間間隙にポンプで注入され
る。陰極板表面の穴を介して電解質を導入するとすれ
ば、陽極表面上で一定な流速を得るのは困難である。電
解質が流れながら失われていくとすれば、問題であり、
流量とエッチング速度の兼ね合いをはかる必要がある。
最後に、流域面積が大きいほど乱流が起こりやすくな
る。持続性の渦流によりエッチングが不均一になること
が、当技術分野において知られている。
【００９３】電圧の極性を逆転させ、電解質を変えれ
ば、この複ノズル電解槽はエッチングだけでなく、めっ
きにも使用できる。したがって、基板Ｓを、めっき後、
ホルダ１２４から取り外さずにエッチングすることがで
きる。エッチングに関する本発明の多くの利点および態
様は、エッチングの逆工程であるめっきにも当てはま
る。
【００９４】本発明は、薄膜パッケージの製造に適用す
ることができる。この方法は、欠陥を発生させることな
く余分な導電性材料層を除去する必要がある、他の多数
の電子パッケージや電子部品にも適用できる。本発明の
技法は、化学機械式研磨（たとえば、ＢＥＯＬにおける
余分な銅の除去）の代わりに使用できる。
【００９５】本発明は、平坦な陽極表面と同様に、湾曲
した陽極表面、たとえば直線状の線形電極が走査する円
筒面や円錐面にも適用することができる。半球体など二
重に湾曲した陽極表面は、湾曲した線形電極で走査する
ことができる。このような陽極表面も本発明の範囲に含
まれる。このような場合、「平坦化」という用語は、平
滑化、すなわち局所的に平面を作成することと解釈す
る。
【００９６】上に述べた特徴により、様々な利点が得ら
れる。たとえば、金属を高速（たとえば、１．４ミクロ
ン／分）で除去することができる。また、中性の塩溶液
（たとえば、硝酸ナトリウム水溶液）を電解質として使
用できるので、安全上の問題や廃棄物処理の問題を最低
限に抑えることができる。さらに、ツールが簡略になる
ので容易に製造、維持することができる。
【００９７】一般に、本発明は、頭記の特許請求の範囲
に含まれるすべての内容を含むものと理解されたい。
【００９８】まとめとして、本発明の構成に関して以下
の事項を開示する。
【００９９】（１）第１の電極表面の電気化学的平坦化
のための電気化学式電解槽において、前記第１の電極表
面に全般的に平行な第２の電極表面と、前記第２の電極
と第１の電極表面の間に満たした水性電解質と、前記電
解質と混合して抵抗性電解混合物を形成させた電気抵抗
性添加剤と、電圧手段とを備え、前記電圧手段により前
記電解槽に電位差を印加すると、前記第１の電極表面が
電気化学的に平坦化されることを特徴とする電気化学式
電解槽。 （２）前記添加剤が、モル濃度が１Ｍより高い抵抗性有
機物であることを特徴とする、上記（１）に記載の電気
化学式電解槽。 （３）前記添加剤が、モル濃度が２Ｍより高い抵抗性有
機物であることを特徴とする、上記（１）に記載の電気
化学式電解槽。 （４）前記添加剤が、モル濃度が４Ｍより高い抵抗性有
機物であることを特徴とする、上記（１）に記載の電気
化学式電解槽。 （５）前記添加剤が、モル濃度１〜３Ｍのエチレングリ
コールであることを特徴とする、上記（１）に記載の電
気化学式電解槽。 （６）前記第１の電極表面が銅であり、前記電解質がモ
ル濃度２〜４Ｍの硝酸ナトリウムとモル濃度２〜４Ｍの
エチレングリコールのうちから選択したものであること
を特徴とする、上記（１）に記載の電気化学式電解槽。 （７）前記添加剤が、モル濃度１〜３Ｍのエチレングリ
コールであることを特徴とする、上記（６）に記載の電
気化学式電解槽。 （８）前記第１の電極表面と前記第２の電極の間の電極
間距離が、３ミリメートル以下であることを特徴とす
る、上記（１）に記載の電気化学式電解槽。 （９）前記第２の電極が線形であり、前記第１の電極表
面が平坦であって、さらに前記第１の電極表面と平行に
前記第２の電極を横方向に相対移動させるための走査手
段と、前記第１の電極表面と前記第２の電極の間に混合
物を流すための混合物流動手段とを含むことを特徴とす
る、上記（１）に記載の電気化学式電解槽。 （１０）前記第１の電極表面と前記第２の電極の間の電
極間距離が３ミリメートル以下であることを特徴とす
る、上記（９）に記載の電気化学式電解槽。 （１１）第１の電極表面の電気化学的平坦化のための電
気化学式電解槽であって、前記第１の電極表面に全般的
に平行な第２の電極と、前記第２の電極と前記第１の電
極表面の間に満たした、粘度が２０センチポアズ未満で
固有抵抗が５．０オーム−センチメートルを上回る電解
質と、電圧手段とを備え、前記電解槽に電位差を与える
と、前記第１の電極表面が電気化学的に平坦化されるこ
とを特徴とする電気化学式電解槽。 （１２）基板上の金属膜を平坦化する方法であって、陰
極を設ける段階と、前記膜と前記陰極の間に水性電解質
を満たす段階と、前記電解質に電気抵抗性添加剤を添加
する段階と、前記電解質と前記添加剤とを混合して抵抗
性電解混合物を形成する段階と、電圧手段を設ける段階
と、前記膜が電気化学的に平坦化されるように、前記膜
と前記陰極の間に前記電圧手段により電位差を与える段
階とを含む方法。 （１３）前記添加剤が、モル濃度が１．５Ｍより高い抵
抗性有機物であることを特徴とする、上記（１２）に記
載の方法。 （１４）前記添加剤が、モル濃度が４Ｍより高い抵抗性
有機物であることを特徴とする、上記（１２）に記載の
方法。 （１５）前記添加剤が、モル濃度１〜３Ｍのエチレング
リコールであることを特徴とする、上記（１２）に記載
の方法。 （１６）前記第１の電極表面が銅であり、前記電解質が
モル濃度２〜４Ｍの硝酸ナトリウムとモル濃度２〜４Ｍ
のエチレングリコールのうちから選択したものであるこ
とを特徴とする、上記（１２）に記載の方法。 （１７）前記添加剤が、モル濃度１〜３Ｍのエチレング
リコールであることを特徴とする、上記（１６）に記載
の方法。 （１８）前記膜と前記陰極の間の電極間距離が、３ミリ
メートル以下であることを特徴とする、上記（１２）に
記載の方法。 （１９）前記陰極が線形であり、前記膜が平坦であっ
て、さらに前記陰極を前記膜と平行に横方向に相対移動
させるための走査手段と、前記膜と前記陰極の間に混合
物を流すための混合物流動手段とを含むことを特徴とす
る、上記（１２）に記載の方法。 （２０）前記膜と前記陰極の間の電極間距離が３ミリメ
ートル以下であることを特徴とする、上記（１９）に記
載の方法。
【図面の簡単な説明】
【図１】「従来技術」による、基板およびポリイミド層
の断面図である。
【図２】「従来技術」による、ポリイミド層中に、ダマ
シンめっきした銅で充填した幅の狭いトレンチと幅の広
いトレンチを備えている図１の基板の断面図である。
【図３】「従来技術」による、平坦化後の図２の銅層を
示す図である。
【図４】「従来技術」による、電解研磨装置の略図であ
る。
【図５】「従来技術」による、電解エッチング中に図２
の銅層の上に形成した拡散層を示す図である。
【図６】本発明を図２の銅層に適用した場合の略図であ
る。
【図７】線形ジェット・エッチング用の複ノズル・アセ
ンブリの透視図である。
【符号の説明】
Ｃ 陰極 Ｅ 電解質 Ｕ 上部表面 Ｌ 下部表面 Ａ 陽極 １１２ 可動ステージ １２８ ノズルプレート １２９ 貫通穴
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 テレンス・ロバート・オトゥール アメリカ合衆国14580 ニューヨーク州 ウェブスター オールド・ミル・レーン 526 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C25F 7/00 H01L 21/28

Claims (20)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】第１の電極表面の電気化学的平坦化のため
    の電気化学式電解槽において、 前記第１の電極表面に全般的に平行な第２の電極表面
    と、 前記第２の電極と第１の電極表面の間に満たした水性電
    解質と、 前記電解質と混合して抵抗性電解混合物を形成させた電
    気抵抗性添加剤と、 電圧手段とを備え、 前記電圧手段により前記第１の電極と前記第２の電極の
    間に電位差を印加することにより、前記第１の電極表面
    を電気化学的に平坦化することを特徴とする電気化学式
    電解槽。
  2. 【請求項２】前記添加剤が、モル濃度が１Ｍより高い抵
    抗性有機物であることを特徴とする、請求項１に記載の
    電気化学式電解槽。
  3. 【請求項３】前記添加剤が、モル濃度が２Ｍより高い抵
    抗性有機物であることを特徴とする、請求項１に記載の
    電気化学式電解槽。
  4. 【請求項４】前記添加剤が、モル濃度が４Ｍより高い抵
    抗性有機物であることを特徴とする、請求項１に記載の
    電気化学式電解槽。
  5. 【請求項５】前記添加剤が、モル濃度１〜３Ｍのエチレ
    ングリコールであることを特徴とする、請求項１に記載
    の電気化学式電解槽。
  6. 【請求項６】前記第１の電極表面が銅であり、前記電解
    質がモル濃度２〜４Ｍの硝酸ナトリウムとモル濃度２〜
    ４Ｍのエチレングリコールのうちから選択したものであ
    ることを特徴とする、請求項１に記載の電気化学式電解
    槽。
  7. 【請求項７】前記添加剤が、モル濃度１〜３Ｍのエチレ
    ングリコールであることを特徴とする、請求項６に記載
    の電気化学式電解槽。
  8. 【請求項８】前記第１の電極表面と前記第２の電極の間
    の電極間距離が、３ミリメートル以下であることを特徴
    とする、請求項１に記載の電気化学式電解槽。
  9. 【請求項９】前記第２の電極が線形であり、前記第１の
    電極表面が平坦であって、さらに前記第１の電極表面と
    平行に前記第２の電極を横方向に相対移動させるための
    走査手段と、 前記第１の電極表面と前記第２の電極の間に混合物を流
    すための混合物流動手段とを含むことを特徴とする、請
    求項１に記載の電気化学式電解槽。
  10. 【請求項１０】前記第１の電極表面と前記第２の電極の
    間の電極間距離が３ミリメートル以下であることを特徴
    とする、請求項９に記載の電気化学式電解槽。
  11. 【請求項１１】第１の電極表面の電気化学的平坦化のた
    めの電気化学式電解槽であって、 前記第１の電極表面に全般的に平行な第２の電極と、 前記第２の電極と前記第１の電極表面の間に満たした、
    粘度が２０センチポアズ未満で固有抵抗が５．０オーム
    −センチメートルを上回る電解質と、 電圧手段とを備え、 前記電圧手段により前記第１の電極と前記第２の電極の
    間に電位差を与えることにより、前記第１の電極表面を
    電気化学的に平坦化することを特徴とする電気化学式電
    解槽。
  12. 【請求項１２】基板上の金属膜を平坦化する方法であっ
    て、 陰極を設ける段階と、 前記膜と前記陰極の間に水性電解質を満たす段階と、 前記電解質に電気抵抗性添加剤を添加する段階と、 前記電解質と前記添加剤とを混合して抵抗性電解混合物
    を形成する段階と、 電圧手段を設ける段階と、 前記膜が電気化学的に平坦化されるように、前記膜と前
    記陰極の間に前記電圧手段により電位差を与える段階と
    を含む方法。
  13. 【請求項１３】前記添加剤が、モル濃度が１．５Ｍより
    高い抵抗性有機物であることを特徴とする、請求項１２
    に記載の方法。
  14. 【請求項１４】前記添加剤が、モル濃度が４Ｍより高い
    抵抗性有機物であることを特徴とする、請求項１２に記
    載の方法。
  15. 【請求項１５】前記添加剤が、モル濃度１〜３Ｍのエチ
    レングリコールであることを特徴とする、請求項１２に
    記載の方法。
  16. 【請求項１６】前記第１の電極表面が銅であり、前記電
    解質がモル濃度２〜４Ｍの硝酸ナトリウムとモル濃度２
    〜４Ｍのエチレングリコールのうちから選択したもので
    あることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
  17. 【請求項１７】前記添加剤が、モル濃度１〜３Ｍのエチ
    レングリコールであることを特徴とする、請求項１６に
    記載の方法。
  18. 【請求項１８】前記膜と前記陰極の間の電極間距離が、
    ３ミリメートル以下であることを特徴とする、請求項１
    ２に記載の方法。
  19. 【請求項１９】前記陰極が線形であり、前記膜が平坦で
    あって、さらに 前記陰極を前記膜と平行に横方向に相対移動させるため
    の走査手段と、 前記膜と前記陰極の間に混合物を流すための混合物流動
    手段とを含むことを特徴とする、請求項１２に記載の方
    法。
  20. 【請求項２０】前記膜と前記陰極の間の電極間距離が３
    ミリメートル以下であることを特徴とする、請求項１９
    に記載の方法。
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