JP4127361B2

JP4127361B2 - 電解加工装置

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Publication number: JP4127361B2
Application number: JP2002112487A
Authority: JP
Inventors: 穂積安田; 厳貴小畠; 正行粂川; 治鍋谷
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2002-04-15
Filing date: 2002-04-15
Publication date: 2008-07-30
Anticipated expiration: 2022-04-15
Also published as: JP2003305615A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解加工装置に係り、特に半導体ウェハ等の基板の表面に形成された導電性材料を加工したり、基板の表面に付着した不純物を除去したりするために使用される電解加工装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体ウェハ等の基板上に回路を形成するための配線材料として、アルミニウム又はアルミニウム合金に代えて、電気抵抗率が低くエレクトロマイグレーション耐性が高い銅（Ｃｕ）を用いる動きが顕著になっている。この種の銅配線は、基板の表面に設けた微細凹みの内部に銅を埋め込むことによって一般に形成される。この銅配線を形成する方法としては、化学気相成長法（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）、スパッタリング及びめっきといった手法があるが、いずれにしても、基板のほぼ全表面に銅を成膜して、化学機械的研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）により不要の銅を除去するようにしている。
【０００３】
図１（ａ）乃至図１（ｃ）は、この種の銅配線基板Ｗの一製造例を工程順に示すものである。図１（ａ）に示すように、半導体素子が形成された半導体基材１上の導電層１ａの上にＳｉＯ_２からなる酸化膜やＬｏｗ−ｋ材膜などの絶縁膜２が堆積され、リソグラフィ・エッチング技術によりコンタクトホール３と配線用の溝４が形成されている。これらの上にＴａＮ等からなるバリア膜５、更にその上に電解めっきの給電層としてスパッタリングやＣＶＤ等によりシード層７が形成されている。
【０００４】
そして、基板Ｗの表面に銅めっきを施すことで、図１（ｂ）に示すように、半導体基材１のコンタクトホール３及び溝４内に銅を充填するとともに、絶縁膜２上に銅膜６を堆積する。その後、化学機械的研磨（ＣＭＰ）により、絶縁膜２上の銅膜６を除去して、コンタクトホール３及び配線用の溝４に充填させた銅膜６の表面と絶縁膜２の表面とをほぼ同一平面にする。これにより、図１（ｃ）に示すように銅膜６からなる配線が形成される。
【０００５】
また、最近ではあらゆる機器の構成要素において微細化かつ高精度化が進み、サブミクロン領域での物作りが一般的となるにつれて、加工法自体が材料の特性に与える影響は益々大きくなっている。このような状況下においては、従来の機械加工のように、工具が被加工物を物理的に破壊しながら除去していく加工方法では、加工によって被加工物に多くの欠陥を生み出してしまうため、被加工物の特性が劣化してしまう。したがって、いかに材料の特性を損なうことなく加工を行うことができるかが問題となってくる。
【０００６】
この問題を解決する手段として開発された特殊加工法に、化学研磨や電解加工、電解研磨がある。これらの加工方法は、従来の物理的な加工とは対照的に、化学的溶解反応を起こすことによって、除去加工等を行うものである。したがって、塑性変形による加工変質層や転位等の欠陥は発生せず、上述の材料の特性を損なわずに加工を行うといった課題が達成される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
例えば、ＣＭＰ工程は、一般にかなり複雑な操作が必要で、制御も複雑となり、加工時間もかなり長い。更に、研磨後の基板の後洗浄を十分に行う必要があるばかりでなく、スラリーや洗浄液の廃液処理のための負荷が大きい等の課題がある。このため、ＣＭＰ自体を省略する、あるいはこの負荷を軽減することが強く求められている。また、今後、絶縁膜も誘電率の小さいＬｏｗ−ｋ材に変わると予想され、このＬｏｗ−ｋ材は強度が弱くＣＭＰによるストレスに耐えられなくなる。したがって、基板にストレスを与えることなく、平坦化できるようにしたプロセスが望まれている。
【０００８】
なお、化学機械的電解研磨のように、めっきをしながらＣＭＰで削るというプロセスも発表されているが、めっき成長面に機械加工が付加されることで、めっきの異常成長を促すことにもなり、膜質に問題を起こしている。
【０００９】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、例えばＣＭＰ処理そのものを省略したり、ＣＭＰ処理の負荷を極力低減しつつ、基板表面に設けられた導電性材料を平坦に加工したり、更には基板等の被加工物の表面に付着した付着物を除去（洗浄）できるようにした電解加工装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
このような従来技術における問題点を解決するために、本発明の一態様は、加工電極と、被加工物に給電する給電電極と、上記被加工物を保持して上記加工電極に接触又は近接させる保持部と、上記被加工物と上記加工電極又は上記給電電極の少なくとも一方との間に配置されるイオン交換体と、上記加工電極と上記給電電極との間に電圧を印加する電源と、上記イオン交換体が配置された被加工物と加工電極又は給電電極の少なくとも一方との間に流体を供給する流体供給部と、上記保持部で保持した被加工物と上記加工電極とを相対移動させる駆動部とを備え、上記保持部には、少なくとも表面が導電性のダミー部材を上記被加工物の外周側に配置したことを特徴とする電解加工装置である。上記ダミー部材は、上記駆動部による上記被加工物と上記加工電極との相対移動中における該ダミー部材及び上記被加工物と上記加工電極との対面面積を一定にすることが好ましい。
【００１１】
図２及び図３は、本発明の加工原理を示すものである。図２は、被加工物１０の表面に、加工電極１４に取り付けたイオン交換体１２ａと、給電電極１６に取り付けたイオン交換体１２ｂとを接触又は近接させ、加工電極１４と給電電極１６との間に電源１７を介して電圧を印加しつつ、加工電極１４及び給電電極１６と被加工物１０との間に流体供給部１９から超純水等の流体１８を供給した状態を示している。図３は、被加工物１０の表面に、加工電極１４に取り付けたイオン交換体１２ａを接触又は近接させ、給電電極１６を被加工物１０に直接接触させて、加工電極１４と給電電極１６との間に電源１７を介して電圧を印加しつつ、加工電極１４と被加工物１０との間に流体供給部１９から超純水等の流体１８を供給した状態を示している。
【００１２】
超純水のような流体自身の抵抗値が大きい液体を使用する場合には、イオン交換体１２ａを被加工物１０の表面に「接触させる」ことが好ましく、このようにイオン交換体１２ａを被加工物１０の表面に接触させることにより、電気抵抗を低減させることができ、印加電圧も小さくて済み、消費電力も低減できる。したがって、本発明に係る加工における「接触」は、例えばＣＭＰのように物理的なエネルギー（応力）を被加工物に与えるために「押し付ける」ものではない。
【００１３】
これにより、超純水等の流体１８中の水分子２０をイオン交換体１２ａ，１２ｂで水酸化物イオン２２と水素イオン２４に解離し、例えば生成された水酸化物イオン２２を、被加工物１０と加工電極１４との間の電界と超純水等の流体１８の流れによって、被加工物１０の加工電極１４と対面する表面に供給して、ここでの被加工物１０近傍の水酸化物イオン２２の密度を高め、被加工物１０の原子１０ａと水酸化物イオン２２を反応させる。反応によって生成された反応物質２６は、超純水１８中に溶解し、被加工物１０の表面に沿った超純水等の流体１８の流れによって被加工物１０から除去される。これにより、被加工物１０の表面層の除去加工が行われる。
【００１４】
このように、本加工法は純粋に被加工物との電気化学的相互作用のみにより被加工物の除去加工を行うものであり、ＣＭＰのような研磨部材と被加工物との物理的な相互作用及び研磨液中の化学種との化学的相互作用の混合による加工とは加工原理が異なるものである。この方法では、被加工物１０の加工電極１４と対面する部分が加工されるので、加工電極１４を移動させることで、被加工物１０の表面を所望の表面形状に加工することができる。
【００１５】
なお、本発明に係る電解加工装置は、電気化学的相互作用による溶解反応のみにより被加工物の除去加工を行うため、ＣＭＰのような研磨部材と被加工物との物理的な相互作用及び研磨液中の化学種との化学的相互作用の混合による加工とは加工原理が異なるものである。したがって、材料の特性を損なわずに除去加工を行うことが可能であり、例えば上述したＬｏｗ−ｋ材に挙げられる機械的強度の小さい材料に対しても、物理的な相互作用を及ぼすことなく除去加工が可能である。また、通常の電解液を用いる電解加工装置と比較しても、加工液に５００μＳ／ｃｍ以下の流体、好ましくは純水、更に好ましくは超純水を用いるため、被加工物表面への汚染も大幅に低減させることが可能であり、また加工後の廃液の処理も容易となる。
【００１６】
上述したように、本発明では、被加工物１０と加工電極１４とを相対移動させて被加工物１０が加工電極１４と対面する部分を移動させることで、被加工物１０の全面の加工が行われる。しかしながら、被加工物１０及び加工電極１４の形状によっては、被加工物１０と加工電極１４との相対移動に伴い、被加工物１０が加工電極１４と対面する部分の面積、すなわち対面面積が変化する場合がある。例えば、図４（ａ）に示す例では、加工電極１４が被加工物１０に対して相対移動すると、被加工物１０の加工電極１４と対面する部分の面積がＳ_１からＳ_２に変化する。加工速度は電流密度（＝電流値／対面面積）に比例するが、電流値を一定にして加工を行う場合には、対面面積の小さい部分では加工速度が速くなり、大きい部分では加工速度が遅くなる。この結果、被加工物１０の全面で加工速度を一定にすることができず、被加工物１０に対して均一な加工をすることができない。この場合に、対面面積に応じて電流値を適切に制御して被加工物１０の全面で加工速度を均一にすることも考えられるが、加工中に変化する対面面積に応じて電流値を適切に制御することは困難である。
【００１７】
本発明では、被加工物の外周側に設けられたダミー部材によって対面面積を一定にすることで均一な加工を実現している。すなわち、図４（ｂ）に示すように、被加工物１０の外周側にダミー部材２８を設けることによって、加工電極１４が被加工物１０及びダミー部材２８に対面する面積、すなわち対面面積は、被加工物１０と加工電極１４との相対移動にかかわらず常に一定（Ｓ_３）となる。したがって、電流値を一定にした場合においても常に電流密度を一定にすることができ、被加工物１０の全面において加工速度を一定にして、均一な加工を安定して行うことが可能となる。
【００１８】
また、電気化学的な加工においては、反応種であるイオンは、加工電極１４と被加工物１０（給電電極１６）との間に生じる電界によって被加工物１０の表面に移動し、このイオンによって被加工物１０の表面が加工される。したがって、被加工物１０に対して均一な加工を行うためには、加工電極１４と被加工物１０（給電電極１６）との間に生じる電界の強度を被加工物１０の全面において均一にすることが必要となる。しかしながら、この電界強度の均一性は、電極や被加工物１０の形状によって失われることがある。例えば、図５（ａ）に示す例では、加工電極１４（陰極）と被加工物１０（陽極）との間で加工が進行するが、被加工物１０の端部においては、端部以外の部分と比べて電気力線（矢印線）及び等電位線（実線）が密になり、電界集中が生じる。このため、被加工物１０の端部では反応種であるイオンの量が増加し、加工速度が他の部分と比べて著しく大きくなる。この結果、図５（ｂ）に示すように、被加工物１０の端部Ａにおいて局所的に加工量が増加し、被加工物１０を均一に加工することができない。
【００１９】
本発明では、図５（ｃ）に示すように、被加工物１０の外周側にダミー部材２８を設けているので、上述した電界強度の集中はダミー部材２８において生じることとなる。このため、被加工物１０の端部における電界強度を他の部分と同じにすることができ、被加工物１０の全面において電界強度を一定にすることができる。このように、本発明によれば、被加工物１０の全面において加工速度を均一にして、均一な加工を安定して行うことが可能となる。
【００２０】
本発明の好ましい一態様は、上記ダミー部材の導電性の部分は、電気化学的に不活性な材質から形成されることを特徴としている。このように、ダミー部材の少なくとも表面を電気化学的に不活性な材質から形成すれば、電解加工中に被加工物とともにダミー部材が加工されてしまうことを防止することができる。
【００２１】
本発明の好ましい一態様は、上記ダミー部材の導電性の部分は、上記被加工物と同一の材質から形成されることを特徴としている。このように、ダミー部材の少なくとも表面を被加工物と同一の材質により形成した場合には、ダミー部材における反応を被加工物と同一にすることができるので、加工の均一性をより高めることができる。
【００２２】
本発明の好ましい一態様は、上記保持部には、緩衝部材を上記被加工物と上記ダミー部材との間に配置したことを特徴としている。このような緩衝部材により被加工物に対する衝撃を吸収することができる。上記緩衝部材はダミー部材よりも低硬度の材質から形成されていることが好ましい。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る電解加工装置及びこれを組み込んだ基板処理装置の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明では、被加工物として基板を使用し、電解加工装置で基板を加工するようにした例を示しているが、本発明を基板以外にも適用できることは言うまでもない。
【００２４】
図６は、本発明の第１の実施形態における基板処理装置の構成を示す平面図である。図６に示すように、この基板処理装置は、例えば、図１（ｂ）に示すように、表面に導電体膜（被加工物）としての銅膜６を有する基板Ｗを収納したカセットを搬出入する搬出入部としての一対のロード・アンロード部３０と、基板Ｗを反転させる反転機３２と、電解加工装置３４とを備えている。これらの機器は直列に配置されており、これらの機器の間で基板Ｗを搬送して授受する搬送装置としての搬送ロボット３６がこれらの機器と平行に配置されている。また、電解加工装置３４による電解加工の際に、後述する加工電極と給電電極との間に印加する電圧又はこれらの間を流れる電流をモニタするモニタ部３８がロード・アンロード部３０に隣接して配置されている。
【００２５】
図７は、基板処理装置内の電解加工装置３４を模式的に示す縦断面図である。図７に示すように、電解加工装置３４は、上下動可能かつ水平方向に揺動自在なアーム４０と、アーム４０の自由端に垂設されて基板Ｗを下向き（フェイスダウン）に吸着保持する基板保持部４２と、基板保持部４２の下方に配置される円板状の電極部４４と、電極部４４に接続される電源４６とを備えている。本実施形態では、電極部４４の大きさは基板保持部４２で保持する基板Ｗの外径よりも一回り大きな大きさに設定されている。
【００２６】
アーム４０は、揺動用モータ４８に連結された揺動軸５０の上端に取り付けられており、揺動用モータ４８の駆動に伴って水平方向に揺動するようになっている。また、この揺動軸５０は、上下方向に延びるボールねじ５２に連結されており、ボールねじ５２に連結された上下動用モータ５４の駆動に伴ってアーム４０とともに上下動するようになっている。
【００２７】
基板保持部４２は、基板保持部４２で保持した基板Ｗと電極部４４とを相対移動させる第１駆動部としての自転用モータ５６に接続されており、この自転用モータ５６の駆動に伴って回転（自転）するようになっている。また、上述したように、アーム４０は上下動及び水平方向に揺動可能となっており、基板保持部４２はアーム４０と一体となって上下動及び水平方向に揺動可能となっている。
【００２８】
電極部４４の下方には、基板Ｗと電極部４４とを相対移動させる第２駆動部としての中空モータ６０が設置されており、この中空モータ６０の主軸６２には、この主軸６２の中心から偏心した位置に駆動端６４が設けられている。電極部４４は、その中央において上記駆動端６４に軸受（図示せず）を介して回転自在に連結されている。また、電極部４４と中空モータ６０との間には、周方向に３つ以上の自転防止機構が設けられている。
【００２９】
図８（ａ）は本実施形態における自転防止機構を示す平面図、図８（ｂ）は図８（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。図８（ａ）及び図８（ｂ）に示すように、電極部４４と中空モータ６０との間には、周方向に３つ以上（図８（ａ）においては４つ）の自転防止機構６６が設けられている。図８（ｂ）に示すように、中空モータ６０の上面と電極部４４の下面の対応する位置には、周方向に等間隔に複数の凹所６８，７０が形成されており、これらの凹所６８，７０にはそれぞれ軸受７２，７４が装着されている。軸受７２，７４には、距離ｅだけずれた２つの軸体７６，７８の一端部がそれぞれ挿入されており、軸体７６，７８の他端部は連結部材８０により互いに連結される。ここで、中空モータ６０の主軸６２の中心に対する駆動端６４の偏心量も上述した距離ｅと同じになっている。したがって、電極部４４は、中空モータ６０の駆動に伴って、主軸６２の中心と駆動端６４との間の距離ｅを半径とした、自転を行わない公転運動、いわゆるスクロール運動（並進回転運動）を行うようになっている。
【００３０】
電極部４４の中央部には、図７に示すように、純水、より好ましくは超純水を供給する純水供給部としての貫通孔４４ａが設けられている。この貫通孔４４ａは、主軸６２に形成された貫通孔６２ａを介して中空モータ６０の中空部の内部を延びる純水供給管８２に接続されている。このような構成により、電極部４４の上面に純水又は超純水が供給されるようになっている。
【００３１】
図９は基板保持部４２及び電極部４４を模式的に示す縦断面図、図１０は基板保持部４２と電極部４４との関係を示す平面図である。図１０においては、基板保持部４２は点線で示されている。図９及び図１０に示すように、電極部４４は、円板状の加工電極８４と、この加工電極８４の周囲を囲繞するリング状の給電電極８６と、加工電極８４と給電電極８６とを分離するリング状の絶縁体８８とを備えている。加工電極８４の上面はイオン交換体９０により、また給電電極８６の上面はイオン交換体９２によりそれぞれ覆われており、これらのイオン交換体９０，９２は上記絶縁体８８を介して互いに分離されている。
【００３２】
本実施形態では、加工電極８４を電源４６の陰極に接続し、給電電極８６を電源４６の陽極に接続しているが、加工材料によっては、電源４６の陰極に接続される電極を給電電極とし、陽極に接続される電極を加工電極としてもよい。すなわち、被加工材料が例えば銅やモリブデン、鉄である場合には、陰極側に電解加工作用が生じるため、電源４６の陰極に接続した電極が加工電極となり、陽極に接続した電極が給電電極となる。一方、被加工材料が例えばアルミニウムやシリコンである場合には、陽極側で電解加工作用が生じるため、電源４６の陽極に接続した電極が加工電極となり、陰極に接続した電極が給電電極となる。
【００３３】
基板保持部４２は、図９に示すように、自転用モータ５６に接続されるシャフト９４と、シャフト９４に連結されるボディ９６と、基板Ｗの外周側に配置される環状のダミー部材９８と、ダミー部材９８と基板Ｗとの間に配置される環状の緩衝部材（クッション材）９９とを備えている。ダミー部材９８の少なくとも表面は、導電性の材質から形成されている。また、基板Ｗをイオン交換体９０，９２に接触又は近接させた状態で、基板Ｗを回転させ、同時に電極部４４をスクロール運動させたときに、ダミー部材９８の一部が給電電極８６及び加工電極８４の上方に常に位置するようになっている。
【００３４】
ここで、ダミー部材９８の導電性の部分の材質としては、一般的な金属や金属化合物の他に、炭素、比較的不活性な貴金属、導電性酸化物又は導電性セラミックスを使用することができ、電気化学的に不活性なものを用いることが好ましい。ダミー部材９８に電気化学的に不活性なものを用いた場合には、ダミー部材９８は加工されないので、ダミー部材９８の長寿命化を図ることができる。また、樹脂などの絶縁物に導電体をコーティングしたもの、例えば、白金などの酸化しにくい材料やイリジウムなどの導電性酸化物で基材の表面を保護したものをダミー部材として用いることもできる。このようなダミー部材は、例えば、チタンの基材の表面にめっきやコーティングで白金又はイリジウムを付着させ、高温で焼結して安定化と強度を保つ処理を行うことにより作製できる。また、セラミックス製品は、一般に無機物質を原料として熱処理によって得られ、各種の非金属・金属の酸化物・炭化物・窒化物などを原料として、様々な特性を持つ製品が作られているが、この中には導電性を有するセラミックスもある。
【００３５】
また、ダミー部材９８と基板Ｗとの間に配置された緩衝部材９９は、ダミー部材よりも低硬度の材質から形成されており、基板Ｗに対する衝撃を吸収することができる。この緩衝部材９９は、絶縁体であってもよいが、導電体であることが好ましい。
【００３６】
次に、本実施形態における基板処理装置を用いた基板処理（電解加工）について説明する。まず、例えば、図１（ｂ）に示すように、表面に導電体膜（被加工部）として銅膜６を形成した基板Ｗを収納したカセットをロード・アンロード部３０にセットし、このカセットから１枚の基板Ｗを搬送ロボット３６で取り出す。搬送ロボット３６は、取り出した基板Ｗを必要に応じて反転機３２に搬送し、基板Ｗの導電体膜（銅膜６）を形成した表面が下を向くように反転させる。
【００３７】
搬送ロボット３６は反転させた基板Ｗを受け取り、これを電解加工装置３４に搬送し、基板保持部４２に吸着保持させる。そして、アーム４０を揺動させて基板Ｗを保持した基板保持部４２を電極部４４の直上方の加工位置まで移動させる。次に、上下動用モータ５４を駆動して基板保持部４２を下降させ、この基板保持部４２で保持した基板Ｗ及びダミー部材９８を電極部４４のイオン交換体９０，９２の表面に接触又は近接させる。この状態で、自転用モータ（第１駆動部）５６を駆動して基板Ｗを回転させ、同時に中空モータ６０（第２駆動部）を駆動して電極部４４をスクロール運動させる。このとき、電極部４４の貫通孔４４ａから基板Ｗとイオン交換体９０，９２との間に純水又は超純水を供給する。
【００３８】
そして、電源４６により加工電極８４と給電電極８６との間に所定の電圧を印加し、イオン交換体９０，９２により生成された水素イオン又は水酸化物イオンによって、加工電極（陰極）において基板Ｗの表面の導電体膜（銅膜６）の電解加工を行う。このとき、加工電極８４と対面する部分において加工が進行するが、上述したように、基板Ｗと加工電極８４とを相対移動させることにより基板Ｗの全面の加工を行っている。本実施形態では、図１０に示すように、基板Ｗの外周側に導電性のダミー部材９８を設けているので、加工電極８４が基板Ｗ及びダミー部材９８に対面する面積、すなわち対面面積は、基板Ｗと加工電極８４との相対移動にかかわらず常に一定（斜線部Ｓ_４）になる。したがって、電流値を一定にした場合においても電流密度を常に一定にすることができ、基板Ｗの全面において加工速度を一定にして、均一な加工を安定して行うことが可能となる。また、電界強度の集中はダミー部材９８において生じることとなるため、基板Ｗの端部における電界強度を他の部分と同じにすることができる。したがって、被加工物１０の全面において電界強度を一定にすることができ、被加工物１０の全面において加工速度を均一にして、均一な加工を安定して行うことが可能となる。なお、ダミー部材９８を電気化学的に不活性な材質から形成すれば、電解加工中に基板Ｗとともにダミー部材９８が加工されてしまうことを防止することができる。
【００３９】
電解加工中には、加工電極と給電電極との間に印加する電圧、又はこの間を流れる電流をモニタ部３８でモニタして、エンドポイント（加工終点）を検知する。すなわち、同じ電圧（電流）を印加した状態で電解加工を行うと、材料によって流れる電流（印加される電圧）に違いが生じる。例えば、図１１（ａ）に示すように、表面に材料Ｂと材料Ａとを順次成膜した基板Ｗの該表面に電解加工を施したときに流れる電流をモニタすると、材料Ａを電解加工している間は一定の電流が流れるが、異なる材料Ｂの加工に移行する時点で流れる電流が変化する。同様に、加工電極と給電電極との間に印加される電圧にあっても、図１１（ｂ）に示すように、材料Ａを電解加工している間は一定の電圧が印加されるが、異なる材料Ｂの加工に移行する時点で印加される電圧が変化する。なお、図１１（ａ）は、材料Ｂを電解加工するときの方が、材料Ａを電解加工するときよりも電流が流れにくくなる場合を、図１１（ｂ）は、材料Ｂを電解加工するときの方が、材料Ａを電解加工するときよりも電圧が高くなる場合の例を示している。これにより、この電流又は電圧の変化をモニタすることでエンドポイントを確実に検知することができる。
【００４０】
なお、モニタ部３８で加工電極と給電電極との間に印加する電圧、又はこの間を流れる電流をモニタして加工終点を検知するようにした例を説明したが、このモニタ部３８で、加工中の基板の状態の変化をモニタして、任意に設定した加工終点を検知するようにしてもよい。この場合、加工終点は、被加工面の指定した部位について、所望の加工量に達した時点、又は加工量と相関関係を有するパラメータが所望の加工量に相当する量に達した時点を指す。このように、加工の途中においても、加工終点を任意に設定して検知できるようにすることで、多段プロセスでの電解加工が可能となる。
【００４１】
電解加工完了後、電源４６の接続を切り、基板保持部４２の回転と電極部４４のスクロール運動を停止させ、しかる後、基板保持部４２を上昇させ、アーム４０を移動させて基板Ｗを搬送ロボット３６に受け渡す。基板Ｗを受け取った搬送ロボット３６は、必要に応じて反転機３２に搬送して反転させた後、基板Ｗをロード・アンロード部３０のカセットに戻す。
【００４２】
ここで、電解加工中に基板Ｗとイオン交換体９０，９２との間に供給する純水は、例えば電気伝導度が１０μＳ／ｃｍ以下の水であり、超純水は、例えば電気伝導度が０．１μＳ／ｃｍ以下の水である。このように電解質を含まない純水又は超純水を使用して電解加工を行うことで、基板Ｗの表面に電解質等の余分な不純物が付着したり、残留したりすることをなくすことができる。更に、電解によって溶解した銅イオン等が、イオン交換体９０，９２にイオン交換反応で即座に捕捉されるため、溶解した銅イオン等が基板Ｗの他の部分に再度析出したり、酸化されて微粒子となり基板Ｗの表面を汚染したりすることがない。
【００４３】
また、純水又は超純水の代わりに電気伝導度５００μＳ／ｃｍ以下の液体、例えば純水又は超純水に電解質を添加した電解液を使用してもよい。電解液を使用することで、電気抵抗を低減して消費電力を削減することができる。この電解液としては、例えば、ＮａＣｌやＮａ_２ＳＯ_４等の中性塩、ＨＣｌやＨ_２ＳＯ_４等の酸、更には、アンモニア等のアルカリなどの溶液を使用することができ、被加工物の特性によって適宜選択して使用することができる。
【００４４】
更に、純水又は超純水の代わりに、純水又は超純水に界面活性剤等を添加して、電気伝導度が５００μＳ／ｃｍ以下、好ましくは、５０μＳ／ｃｍ以下、更に好ましくは、０．１μＳ／ｃｍ以下（比抵抗で１０ＭΩ・ｃｍ以上）にした液体を使用してもよい。このように、純水又は超純水に界面活性剤を添加することで、基板Ｗとイオン交換体９０，９２の界面にイオンの移動を防ぐ一様な抑制作用を有する層を形成し、これによって、イオン交換（金属の溶解）の集中を緩和して被加工面の平坦性を向上させることができる。ここで、界面活性剤濃度は、１００ｐｐｍ以下が好ましい。なお、電気伝導度の値が高すぎると電流効率が下がり、加工速度が遅くなるが、５００μＳ／ｃｍ以下、好ましくは、５０μＳ／ｃｍ以下、更に好ましくは、０．１μＳ／ｃｍ以下の電気伝導度を有する液体を使用することで、所望の加工速度を得ることができる。
【００４５】
また、電極部４４のイオン交換体９０，９２は、例えば、アニオン交換能又はカチオン交換能を付与した不織布で構成することができる。カチオン交換体は、好ましくは強酸性カチオン交換基（スルホン酸基）を担持したものであるが、弱酸性カチオン交換基（カルボキシル基）を担持したものでもよい。また、アニオン交換体は、好ましくは強塩基性アニオン交換基（４級アンモニウム基）を担持したものであるが、弱塩基性アニオン交換基（３級以下のアミノ基）を担持したものでもよい。
【００４６】
ここで、例えば強塩基アニオン交換能を付与した不織布は、繊維径２０〜５０μｍで空隙率が約９０％のポリオレフィン製の不織布に、γ線を照射した後グラフト重合を行う所謂放射線グラフト重合法により、グラフト鎖を導入し、次に導入したグラフト鎖をアミノ化して第４級アンモニウム基を導入して作製される。導入されるイオン交換基の容量は、導入するグラフト鎖の量により決定される。グラフト重合を行うためには、例えばアクリル酸、スチレン、メタクリル酸グリシジル、更にはスチレンスルホン酸ナトリウム、クロロメチルスチレン等のモノマーを用い、これらのモノマー濃度、反応温度及び反応時間を制御することで、重合するグラフト量を制御することができる。したがって、グラフト重合前の素材の重量に対し、グラフト重合後の重量の比をグラフト率と呼ぶが、このグラフト率は、最大で５００％が可能であり、グラフト重合後に導入されるイオン交換基は、最大で５ｍｅｑ／ｇが可能である。
【００４７】
強酸性カチオン交換能を付与した不織布は、上記強塩基性アニオン交換能を付与する方法と同様に、繊維径２０〜５０μｍで空隙率が約９０％のポリオレフィン製の不織布に、γ線を照射した後グラフト重合を行う所謂放射線グラフト重合法により、グラフト鎖を導入し、次に導入したグラフト鎖を、例えば加熱した硫酸で処理してスルホン酸基を導入して作製される。また、加熱したリン酸で処理すればリン酸基が導入できる。ここでグラフト率は、最大で５００％が可能であり、グラフト重合後に導入されるイオン交換基は、最大で５ｍｅｑ／ｇが可能である。
【００４８】
なお、イオン交換体９０，９２の素材の材質としては、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系高分子、又はその他有機高分子が挙げられる。また素材形態としては、不織布の他に、織布、シート、多孔質材、短繊維等が挙げられる。ここで、ポリエチレンやポリプロピレンは、放射線（γ線と電子線）を先に素材に照射する（前照射）ことで、素材にラジカルを発生させ、次にモノマーと反応させてグラフト重合することができる。これにより、均一性が高く、不純物が少ないグラフト鎖ができる。一方、その他の有機高分子は、モノマーを含浸させ、そこに放射線（γ線、電子線、紫外線）を照射（同時照射）することで、ラジカル重合することができる。この場合、均一性に欠けるが、ほとんどの素材に適用できる。
【００４９】
このように、イオン交換体９０，９２をアニオン交換能又はカチオン交換能を付与した不織布で構成することで、純水又は超純水や電解液等の液体が不織布の内部を自由に移動して、不織布内部の水分解触媒作用を有する活性点に容易に到達することが可能となって、多くの水分子が水素イオンと水酸化物イオンに解離される。更に、解離によって生成した水酸化物イオンが純水又は超純水や電解液等の液体の移動に伴って効率良く加工電極８４の表面に運ばれるため、低い印加電圧でも高電流が得られる。
【００５０】
ここで、イオン交換体９０，９２をアニオン交換能又はカチオン交換能の一方を付与したもののみで構成すると、電解加工できる被加工材料が制限されるばかりでなく、極性により不純物が生成しやすくなる。そこで、アニオン交換能を有するアニオン交換体とカチオン交換能を有するカチオン交換体とを重ね合わせたり、イオン交換体９０，９２自体にアニオン交換能とカチオン交換能の双方の交換基を付与するようにしたりしてもよく、これにより、被加工材料の範囲を拡げるとともに、不純物を生成しにくくすることができる。
【００５１】
また、電極は、電解反応により酸化又は溶出が一般に問題となる。このため、電極の素材として、ダミー部材９８と同様に、炭素、比較的不活性な貴金属、導電性酸化物又は導電性セラミックスを使用することが好ましい。電極が酸化すると電極の電気抵抗値が増加し、印加電圧の上昇を招くが、白金などの酸化しにくい材料やイリジウムなどの導電性酸化物で電極表面を保護すれば、電極素材の酸化による導電性の低下を防止することができる。
【００５２】
上述の実施形態では、ダミー部材９８を電気化学的に不活性な材質により形成した例を説明したが、ダミー部材９８を基板Ｗと同一の材質により形成してもよい。ダミー部材９８を電気化学的に不活性な材質で形成した場合には、ダミー部材９８の材質によっては、ダミー部材９８に基板Ｗとは別の反応が生じて均一性が損なわれる場合も考えられる。これに対して、ダミー部材９８を基板Ｗと同一の材質により形成した場合には、ダミー部材９８における反応を基板Ｗと同一にすることができるので、加工の均一性をより高めることができる。
【００５３】
図１２は本発明の第２の実施形態における電解加工装置を模式的に示す斜視図、図１３は図１２の平面図である。本実施形態における電解加工装置１３４は、基板Ｗを上向き（フェイスアップ）に保持する基板保持部１４２と、基板保持部１４２の上方に配置された円筒状の加工電極１８４と、基板保持部１４２の上方に配置された２つの給電電極１８６（図１３においては図示せず）とを備えている。また、基板保持部１４２は、基板Ｗを収容する凹部１９８ａが形成された矩形状のダミー部材１９８と、ダミー部材１９８と基板Ｗとの間に配置された緩衝部材１９９とを備えている。
【００５４】
各給電電極１８６は、基板Ｗとダミー部材１９８とに跨って配置されており、基板Ｗとダミー部材１９８の双方に接触している。加工電極１８４の表面にはイオン交換体が貼付されており、図示しない駆動部により軸１８４ａを中心に回転するようになっている。この加工電極１８４は、基板Ｗに接触又は近接した状態で基板Ｗ上をスキャンできるようになっている。
【００５５】
このような構成において、図示しない純水供給部から基板Ｗと加工電極１８４のイオン交換体との間に純水又は超純水を供給しつつ、駆動部により加工電極１８４を基板Ｗに接触又は近接させた状態で一方向に移動させる。これによって、基板Ｗの表面の電解加工が行われるようになっている。
【００５６】
本実施形態においても、図１３に示すように、加工電極１８４が基板Ｗ及びダミー部材１９８に対面する面積（対面面積）は、基板Ｗと加工電極１８４との相対移動にかかわらず一定になる。したがって、電流値を一定にした場合においても電流密度を常に一定にすることができ、基板Ｗの全面において加工速度を一定にして、均一な加工を安定して行うことが可能となる。
【００５７】
これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。
【００５８】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、基板等の被加工物に物理的な欠陥を与えて被加工物の特性を損なうことを防止しつつ、電気化学的作用によって、例えばＣＭＰに代わる電解加工等を施すことができ、これによって、ＣＭＰ処理そのものを省略したり、ＣＭＰ処理の負荷を低減したり、更には基板等の被加工物の表面に付着した付着物を除去（洗浄）することができる。しかも、純水又は超純水のみを使用しても基板を加工することができ、これによって、基板の表面に電解質等の余分な不純物の付着したり、残留したりすることをなくして、加工除去加工後の洗浄工程を簡略化できるばかりでなく、廃液処理の負荷を極めて小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】銅配線基板の一製造例を工程順に示す図である。
【図２】加工電極及び給電電極を基板（被加工物）に近接させ、加工電極及び給電電極と基板（被加工物）との間に純水又は電気伝導度が５００μＳ／ｃｍ以下の液体を供給するようにしたときの本発明による電解加工の原理の説明に付する図である。
【図３】加工電極のみにイオン交換体を取り付けて、加工電極と基板（被加工物）との間に液体を供給するようにしたときの本発明による電解加工の原理の説明に付する図である。
【図４】図４（ａ）はダミー部材を設けない場合の対面面積の説明に付する図、図４（ｂ）はダミー部材を設けた場合の対面面積の説明に付する図である。
【図５】図５（ａ）はダミー部材を設けない場合の電界強度の説明に付する図、図５（ｂ）は図５（ａ）の場合の加工後の被加工物を示す図、図５（ｃ）はダミー部材を設けた場合の電界強度の説明に付する図である。
【図６】本発明の第１の実施形態における基板処理装置の構成を示す平面図である。
【図７】図６に示す基板処理装置の電解加工装置を模式的に示す縦断面図である。
【図８】図８（ａ）は図７の電解加工装置における自転防止機構を示す平面図、図８（ｂ）は図８（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図９】図７の電解加工装置における基板保持部及び電極部を模式的に示す縦断面図である。
【図１０】図９の基板保持部と電極部との関係を示す平面図である。
【図１１】図１１（ａ）は、異なる材料を成膜した基板の表面に電解加工を施したときに流れる電流と時間の関係を、図１１（ｂ）は、同じく印加される電圧と時間の関係をそれぞれ示すグラフである。
【図１２】本発明の第２の実施形態における電解加工装置を模式的に示す斜視図である。
【図１３】図１２の平面図である。
【符号の説明】
６銅膜（導電体膜）
７シード層
１０被加工物
１２ａ，１２ｂイオン交換体
１４加工電極
１６給電電極
１７電源
１８超純水
１９流体供給部
２０水分子
２２水酸化物イオン
２４水素イオン
２６反応物質
２８ダミー部材
３０ロード・アンロード部
３２反転機
３４，１３４電解加工装置
３６搬送ロボット
３８モニタ部
４０アーム
４２，１４２基板保持部
４４電極部
４４ａ貫通孔
４６電源
４８揺動用モータ
５０揺動軸
５２ボールねじ
５４上下動用モータ
５６自転用モータ
６０中空モータ
６２主軸
６４駆動端
６６自転防止機構
６８，７０凹所
７２，７４軸受
７６，７８軸体
８０連結部材
８２純水供給管
８４，１８４加工電極
８６，１８６給電電極
８８絶縁体
９０，９２イオン交換体
９４シャフト
９６ボディ
９８，１９８ダミー部材
９９，１９９緩衝部材

Claims

加工電極と、
被加工物に給電する給電電極と、
前記被加工物を保持して前記加工電極に接触又は近接させる保持部と、
前記被加工物と前記加工電極又は前記給電電極の少なくとも一方との間に配置されるイオン交換体と、
前記加工電極と前記給電電極との間に電圧を印加する電源と、
前記イオン交換体が配置された被加工物と加工電極又は給電電極の少なくとも一方との間に流体を供給する流体供給部と、
前記保持部で保持した被加工物と前記加工電極とを相対移動させる駆動部とを備え、
前記保持部には、少なくとも表面が導電性のダミー部材を前記被加工物の外周側に配置したことを特徴とする電解加工装置。
前記ダミー部材は、前記駆動部による前記被加工物と前記加工電極との相対移動中における該ダミー部材及び前記被加工物と前記加工電極との対面面積を一定にすることを特徴とする請求項１に記載の電解加工装置。
前記ダミー部材の導電性の部分は、電気化学的に不活性な材質から形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の電解加工装置。
前記ダミー部材の導電性の部分は、前記被加工物と同一の材質から形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の電解加工装置。
前記保持部には、緩衝部材を前記被加工物と前記ダミー部材との間に配置したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電解加工装置。