JP4213728B2 - メッキ装置に用いるカートリッジ - Google Patents
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Description
さらに、アノード電極の交換時にはメッキ装置の内部がクリーンルーム内雰囲気に露されているので、メッキ装置の内部を汚すことにもなる。特に、メッキ装置内のクリーン度がクリーンルームのクリーン度より高く設定されている場合、メッキ装置内を汚すことは、製品の品質を大きく低下させることとなる。
また、ブラックフィルムは、アノード電極に同じサイクルで通電するようにしなければ状態が安定しない。しかし、メッキ装置が必ず一定のサイクルで稼働されることはあり得ず、メッキ装置には休止状態のときがある。ブラックフィルムはメッキ装置が休止状態のときに変質してしまうので、その後メッキ装置を稼働させると、良好にメッキ処理を行うことができず、製品の歩留まりが低下する。
この発明の他の目的は、メッキ装置で用いられる銅供給源を、周囲を汚さずに交換するためのカートリッジを提供することである。
この発明のさらに他の目的は、メッキ装置で良好にメッキするためのカートリッジを提供することである。
このカートリッジはメッキ装置に着脱自在なので、銅供給源の交換が容易である。すなわち、消耗した銅供給源が収容されたカートリッジと新しい銅供給源が収容されたカートリッジとを交換することにより銅供給源を交換でき、銅供給源を直接取り扱う必要がない。このため、銅供給源(カートリッジ)を交換する際、周囲を汚すことがない。
請求項3記載の発明は、上記銅供給源(146)が、銅の線材からなることを特徴とする請求項1または2に記載のカートリッジである。
請求項4記載の発明は、上記銅供給源が、上記カートリッジ内のメッキ液の流路を横切るように配されていることを特徴とする請求項3記載のカートリッジである。
この発明によれば、メッキ液は銅供給源を回避して流れることはできず、銅供給源内の空隙を通って流れるので、銅供給源は効率的にメッキ液に溶解される。
請求項5記載の発明は、上記銅供給源が、銅の線材を織った複数枚のメッシュ部材(146)を含み、この複数枚のメッシュ部材が、上記カートリッジ内のメッキ液の流路に沿う方向に積層されていることを特徴とする請求項3または4記載のカートリッジである。
カートリッジ内を流れるメッキ液の圧力損失を十分小さくするため、銅供給源の空隙率は、請求項6記載のように、30%以上とすることが好ましい。
上記メッキ装置は、酸化還元剤および銅イオンを含むメッキ液を用いて基板に銅メッキを施すためのメッキ処理部(12)を含んでもよく、この場合、当該カートリッジは、上記メッキ処理部に接続可能であってもよく、この場合、上記銅供給源(203,219,220a〜220e)は、上記メッキ処理部で使用されるメッキ液に銅イオンを供給可能であるとともに、メッキ液に対する溶解が開始されてから、上記銅供給源の表面の各部でほぼ一様な溶解速度で溶解が進んで初期形状とほぼ相似である形状が失われるまでの表面積の変化率が25%以下である形状を有していてもよい。
初期形状と相似である形状が失われるとは、たとえば、銅供給源の溶解が極端に進んで、銅供給源の一部に貫通孔があくような場合をいうものとすることができる。
ここで、メッキ液について流路とは、カートリッジ内部に銅供給源が収容されていなかった場合のメッキ液の流路を意味し、カートリッジ内のメッキ液流通空間の内壁に沿うものとなる。すなわち、銅供給源の存在によりメッキ液の流れの方向が変更される場合を含まないものとする。
また、肉厚が充分薄い場合、管状銅供給源において、全表面積に対する端面の面積が占める割合は小さい。以上のことから、管状銅供給源は、メッキ液に対する溶解が開始されてから、表面の各部でほぼ一様に溶解が進んで初期形状とほぼ相似である形状が失われるまでの表面積の変化は小さい。
さらに、管状銅供給源を流路にほぼ平行に配置することにより、管状銅供給源によるメッキ液の圧力損失を小さくできる。したがって、たとえば、ポンプによりメッキ処理部と銅溶解タンク(カートリッジ)との間でメッキ液を循環させる場合、ポンプの負担を少なくすることができる。
管状銅供給源を複数本用いることにより、一定の容積を有するカートリッジ内における銅供給源の表面積を大きくし、銅イオン供給能力を大きくすることができる。また、複数本の管状銅供給源を、上記流路と交差する断面において、単位面積あたりの接液周長がほぼ一定となるように配置することにより、メッキ液に対して複数の管状銅供給源がほぼ均等に溶解するようにできる。
この構成によれば、メッキ液はほぼ等間隔にされた平行板部の間を均等に流れることができるので、メッキ液に対して平行板部の各部でほぼ一様な溶解速度で溶解する。したがって、銅供給源はほぼ相似である形状が維持されやすい。
上記板状銅供給源(220a)は、複数枚備えられていてもよく、この場合、この複数枚の板状銅供給源が、当該板状銅供給源の厚さ方向にほぼ等間隔に配置されていてもよい。
上記板状銅供給源は、互いにほぼ平行に配置された複数の平板状の銅供給源(220a)と、この平板状の銅供給源の間に配置され、上記流路に交差する断面が波形である波板状銅供給源(220d)とを含んでもよく、この場合、上記波板状銅供給源の稜線部は上記流路に沿って延びていてもよい。
上記銅供給源のメッキ液に対する溶解が開始される前の1kgあたりの表面積は、2000cm2ないし20000cm2であってもよく。
上記カートリッジは、銅溶解タンクに備えられていてもよい。
上記の銅溶解タンクは、不溶性アノード(76)を有し、メッキ液を用いて基板(W)に銅メッキを施すためのメッキ処理部(12)と、このメッキ処理部との間でメッキ液を通液可能に接続され、内部に銅の線材からなる銅供給源(146)が収容された銅溶解タンク(110a〜110c)と、上記メッキ処理部と上記銅溶解タンクとの間でメッキ液を循環させる第1循環手段(P5)とを備えたことを特徴とするメッキ装置(10)に用いられてもよい。
したがって、ブラックフィルムを形成するための時間は不要であり、メッキ装置の稼働率を高くすることができる。また、ブラックフィルムやスライムによりメッキ液が汚染されることもないので、良好にメッキできる。メッキ装置が、休止状態を経て稼働される際も、ブラックフィルムに起因した不具合は生じ得ない。
銅供給源を銅の線材とすることにより、銅供給源を軽量化でき、かつ、その表面積(メッキ液との接触面積)を大きくすることができる。銅供給源の表面積を大きくすることにより、銅供給源からメッキ液への銅イオンの供給速度を大きくすることができる。また、銅供給源は銅の線材が三次元的な構造を形成していることが好ましい。この場合、銅供給源が粒子状の銅の集合物である場合と比べて、空隙率を大きくすることができ、銅溶解タンク内を流れるメッキ液の圧力損失を小さくすることができる。
このメッキ装置は、基板の周縁部のエッチングや基板表面の洗浄を行う後処理部などを備えた基板処理装置として構成されていてもよい。
また、上記の銅溶解タンクは、不溶性アノード(76)を有し、メッキ液を用いて基板(W)に銅メッキを施すためのメッキ処理部(12)と、このメッキ処理部との間でメッキ液を通液可能に接続され、内部に銅供給源(146)が収容された銅溶解タンク(110a〜110c)と、上記メッキ処理部と上記銅溶解タンクとの間でメッキ液を循環させる循環手段(P5)と、上記銅供給源の表面の変質を防止するための置換液を、上記銅溶解タンクに供給する置換液供給手段(111,112,124,135,137,P5)と、上記メッキ処理部でメッキ処理がされているときは、上記メッキ処理部と上記銅溶解タンクとの間でメッキ液を循環させ、上記メッキ処理部でのメッキ処理が終了した後に、上記メッキ液の循環を停止し、上記銅溶解タンク内のメッキ液を上記置換液供給手段からの置換液で置換するように制御する制御部(155)とを備えたことを特徴とするメッキ装置(10)に用いられてもよい。
このメッキ装置は、銅溶解タンク中の置換液をメッキ液に混合されないように排出する手段を備えたものとすることができる。この場合、メッキ処理を再開するときには、銅溶解タンク内の置換液を排出した後、銅溶解タンク内にメッキ液を導入し、銅溶解タンクとメッキ処理部との間でメッキ液を循環させることができる。
上記メッキ装置は、上記銅溶解タンクに純水を供給する純水供給手段(111,135,P5)をさらに備えていてもよく、この場合、上記制御部は、上記メッキ処理部でのメッキ処理が終了した後に、上記銅溶解タンク内のメッキ液を純水で置換した後に置換液で置換するように制御するものであってもよい。
また、上記銅溶解タンクは、不溶性アノード(76)を有し、メッキ液を用いて基板(W)に銅メッキを施すためのメッキ処理部(12)と、このメッキ処理部との間でメッキ液を通液可能に接続され、内部に銅供給源(146)が収容された複数の銅溶解タンク(110a〜110c)と、上記メッキ処理部と上記銅溶解タンクとの間でメッキ液を循環させる循環手段(P5)と、上記複数の銅溶解タンクの重量を個別に計測する重量計測手段(154a〜154c)と、上記重量計測手段の計測結果に基づいて使用する銅溶解タンクを決定し、その銅溶解タンクと上記メッキ処理部との間でメッキ液を循環させるように制御する制御部(155)とを備えたことを特徴とするメッキ装置(10)に用いられてもよい。
上記制御部は、上記重量計測手段の計測結果に基づいて、上記複数の銅溶解タンク内の銅供給源の重量をそれぞれ算出し、最も重量が小さい上記銅供給源が収容された銅溶解タンクを上記使用する銅溶解タンクに決定するものであってもよい。
制御部は、使用する銅溶解タンクとして、内部に収容された銅供給源の重量が小さい順に2つ以上を選ぶものであってもよい。これらの2つ以上の銅溶解タンクは、同時に使用することとすることができる。
また、上記銅溶解タンクは、不溶性アノード(76)を備えたメッキ処理部(12)で、基板(W)の表面をメッキ液に接触させてメッキするメッキ工程と、内部に銅供給源(146)が収容された複数の銅溶解タンク(110a〜110c)の重量を個別に測定する重量測定工程と、この重量測定工程の測定結果に基づいて、使用する銅溶解タンクを決定する使用タンク決定工程と、この使用タンク決定工程により決定されたタンクと上記メッキ処理部との間でメッキ液を循環させるメッキ液循環工程とを含むことを特徴とするメッキ方法で用いてもよい。
図1は、本発明のカートリッジを備えた銅溶解タンクが用いられる第1の実施形態に係る基板処理装置10の構成を示すブロック図である。
この基板処理装置10は、メッキ液を用いて半導体ウエハ(以下、単に「ウエハ」という。)の表面にメッキ処理を施したり、メッキ後のウエハの周縁部をエッチング(いわゆる、ベベルエッチング)するためのウエハ処理部1、メッキ液に銅イオンを供給するための銅供給源を備えてメッキ液の主成分を管理する主成分管理部2、メッキ液の微量成分を管理するための微量成分管理部3、およびメッキ後の後処理に用いる後処理薬液をウエハ処理部1に供給するための後処理薬液供給部4を備えている。この基板処理装置10は、クリーンルーム内に設置されて使用される。
ウエハ処理部1と主成分管理部2との間には、これらの間でメッキ液を双方向に移送するための2本のメッキ液移送管P12a,P12bが配設されている。同様に、ウエハ処理部1と微量成分管理部3との間には、これらの間でメッキ液を双方向に移送するための2本のメッキ液移送管P13a,P13bが配設されている。また、ウエハ処理部1と後処理薬液供給部4との間には、後処理薬液供給部4からウエハ処理部1へ後処理薬液を送るための後処理薬液配管P14が配設されている。
図2は、ウエハ処理部1の図解的な平面図である。
ウエハ処理部1は、ウエハWの表面にメッキにより銅薄膜を形成し、その後このウエハWの周縁部をエッチングし、ウエハW表面全体を洗浄処理するための装置である。
一方、第1搬送路14に直交する水平方向に沿って、直線状の第2搬送路15が設けられている。この第2搬送路15は、この実施形態では、第1搬送路14のほぼ中間位置から延びている。第2搬送路15の一方側には、第2搬送路15に沿って配列された4つのメッキ処理ユニット20a〜20dを備えたメッキ処理部12が配されている。各メッキ処理ユニット20a〜20dは、ウエハW表面に銅メッキを施すことができる。
さらに、ロボット本体18は、メッキ処理ユニット20a〜20dから搬出したウエハWを、ベベルエッチングユニット21a,21bのいずれかに搬入する。この搬入に先立って、ロボット本体18は、当該ベベルエッチングユニット21a,21bから、ベベルエッチング処理済のウエハWを搬出する。ロボット本体18は、この搬出したウエハWを保持して第2搬送路15を走行し、洗浄ユニット22a,22bのいずれかに当該ウエハWを搬入する。このウエハWの搬入に先立ち、ロボット本体18は、当該洗浄ユニット22a,22bから洗浄処理済のウエハWを搬出する。
図3は、ウエハ処理部1のエンクロージャ30の構造を示す図解的な斜視図である。
エンクロージャ30は、複数の壁により、外形がほぼ直方体に形成されている。エンクロージャ30内で、第2搬送路15とメッキ処理部12との間、および第2搬送路15と後処理部13との間は、それぞれ隔壁が設けられており、ウエハWの受け渡しを行うとき以外は、この隔壁により第2搬送路15が配された空間とメッキ処理部12内の空間および後処理部13内の空間との間は遮られている。
エンクロージャ30のカセットステージ16側とは反対側の側面において、メッキ処理部12を囲んでいる壁の下部、および後処理部13を囲んでいる壁の下部には、それぞれ排気口32,33が形成されている。排気口32,33には、それぞれ排気ダクト34,35の一端が接続されており、排気ダクト34,35の他端は、工場内の排気設備配管に接続されている。こうして、メッキ処理部12内および後処理部13内でメッキ液や後処理薬液に曝された可能性のある空気を、クリーンルーム外に強制排気することができる。
図4は、ロボット本体18の構造を説明するための図であり、図4(a)はその図解的な平面図であり、図4(b)はその図解的な側面図であり、図4(c)はその図解的な正面図である。
基板保持部26は、上部に平坦部を有する本体部40と、この本体部40の平坦部上に設けられた一対の進退アーム41,42とを備えている。この一対の進退アーム41,42を水平方向に進退させるための進退駆動機構(図示せず)は、本体部40に内蔵されている。
第1アーム24aは、基台部23に対して、水平方向に沿う回転軸線H1まわりの回動が可能であるように取り付けられている。そして、第1アーム24aの他端に、第2アーム24bの一端が水平な回転軸線H2まわりの回動が可能であるように取り付けられている。さらに、第2アーム24bの他端には、回転駆動機構25が、水平な回転軸線H3まわりに回動が可能であるように取り付けられている。回転軸線H1,H2,H3は互いに平行である。
このような構成によって、搬送ロボットTRは、基板保持ハンド41c,42cを、図4(c)において斜線を付して示す範囲で水平方向および鉛直方向に移動させることができる。
図5(a)は、カセットCが取り付けられたカセットステージ16の図解的な平面図であり、図5(b)は、その図解的な側面図である。
カセットベース50の一方表面には、平面視においてカセットCの4つの角部にほぼ対応する位置に、それぞれカセットガイド51が設けられており、カセットガイド51にカセットCの角部が接するように配することにより、カセットCをカセットベース50上の所定の位置に取り付けることができるようになっている。
このメッキ処理部12は、ウエハWにメッキ処理を施すための複数(この実施形態では4つ)のメッキ処理ユニット20a〜20dと、メッキ液を収容することができるメッキ液収容槽55とを含んでいる。メッキ処理ユニット20a〜20dは、それぞれ、メッキ液を収容するメッキカップ56a〜56dと、メッキカップ56a〜56dの上方にそれぞれ配されたウエハ保持回転機構74a〜74dを備えている。
送液分岐配管58a〜58dには下方から上方に向かう順に、それぞれ、ポンプP1〜P4、フィルタ59a〜59d、および流量計60a〜60dが介装されている。ポンプP1〜P4は、メッキ液収容槽55からそれぞれメッキカップ56a〜56dへとメッキ液を送液できる。ポンプP1〜P4の動作は、システムコントローラ155によって制御される。フィルタ59a〜59dは、メッキ液中のパーティクル(異物)および泡を除去することができる。流量計60a〜60dからは流量を示す信号が出力され、この信号はシステムコントローラ155に入力されるようになっている。
吸光度計66A,66Bは、透明な材質でできたセル67A,67B、ならびにセル67A,67Bを挟んで対向配置された発光部68A,68Bおよび受光部69A,69Bを含んでいる。発光部68A,68Bは、それぞれ銅および鉄の吸収スペクトルに対応した特定の波長(たとえば、銅の場合780nm)の光を発することができ、受光部69A,69Bは発光部68A,68Bから発せられセル67A,67B内のメッキ液を透過した光の強度を測定できる。この光の強度からメッキ液の吸光度が求められる。吸光度計66A,66Bからは吸光度を示す信号が出力され、これらの信号はシステムコントローラ155に入力される。
メッキ液の銅濃度を求めるために、予め、銅濃度と吸光度との関係を調べておく。先ず、銅濃度の異なる複数のサンプルメッキ液をそれぞれ調整して用意する。サンプルメッキ液を調整する際、銅は硫酸銅として添加する。各サンプルメッキ液の銅以外の成分については、実際にメッキ時に用いられる所定の組成のメッキ液と同等とする。このようなサンプルメッキ液の吸光度を吸光度計66Aにより測定する。これにより、図7に示すようにサンプルメッキ液の銅濃度と測定された吸光度との関係(銅検量線)が得られる。
同様の方法により、サンプルメッキ液の鉄濃度と測定された吸光度との関係(鉄検量線)、および吸光度計66Bにより測定された吸光度から鉄濃度を求めることができる。
システムコントローラ155は、銅検量線および鉄検量線のデータが記憶された記憶装置を備えている。システムコントローラ155は、吸光度計66Aの出力信号と銅検量線のデータから銅濃度を求めることができ、吸光度計66Bの出力信号と鉄検量線のデータから鉄濃度を求めることができる。
メッキ液収容槽55、送液配管57、送液分岐配管58a〜58d、リターン分岐配管63a〜63d、リターン配管64などは、エンクロージャ30や隔壁で囲まれた配管室73内に配されている。排気口32(図3参照)は、この配管室73に形成されており、配管室73内は負圧にされている。
メッキ槽61a〜61dの底面中央部には、メッキ液供給口54が形成されており、このメッキ液供給口54を介して、送液分岐配管58a〜58dがメッキ槽61a〜61dに連通接続されている。メッキ液供給口54には、半球状で多数の穴が形成されたシャワーヘッド75が取り付けられている。シャワーヘッド75により、メッキ液はメッキ槽61a〜61d内に分散されて導入される。
回収槽62a〜62dの底部には、メッキ液排出口53が形成されており、リターン分岐配管63a〜63dは、このメッキ液排出口53を介して回収槽62a〜62dに連通接続されている。
メッキ電源82、反転機構43、昇降機構44、回転駆動機構45、およびサセプタ移動機構46の動作は、システムコントローラ155により制御される。
その後、システムコントローラ155により昇降機構44が制御されて、ウエハW下面がメッキ槽61aに満たされたメッキ液の液面から数mm離れた状態とされ、さらに、システムコントローラ155により回転駆動機構45が制御されて、ウエハWが、たとえば、500rpmで数十秒間回転される。これにより、ウエハW下面のメッキ液は側方へと振り切られる。
その後、システムコントローラ155により、サセプタ移動機構46が制御されて載置台81aが回転管77側に移動し、ウエハWの挟持が解除される。そして、搬送ロボットTRの進退アーム42または進退アーム41により処理済みのウエハWが搬出されて、1枚のウエハWの周縁部のメッキ処理が終了する。
図9は、ベベルエッチングユニット21a,21bの共通の構成を示す図解的な断面図である。
カップ85の上方には、ノズル90が配置されている。ノズル90にはリンス液配管91が連通接続されており、リンス液配管91にはリンス液供給源92が接続されている。リンス液配管91にはバルブ91Vが介装されており、バルブ91Vを開くことによりノズル90からリンス液を吐出して、スピンチャック86に保持されたウエハWの上面にリンス液を供給できるようになっている。リンス液は、たとえば、純水であってもよい。
ベベルエッチングユニット21a,21bによりウエハWの周縁部をエッチングするときは、先ず、システムコントローラ155により移動機構95が制御されて、エッチング処理管93が退避位置に退避される。
次に、システムコントローラ155により移動機構95が制御されて、エッチング処理管93が処理位置に移動される。これにより、ウエハWの周縁部が溝94に挿入された状態となる。このときのウエハWの回転数は、たとえば、500rpmとすることができる。そして、システムコントローラ155の制御により、バルブ93Vが開かれる。エッチング液の流量は、たとえば、20ml/minとすることができる。これにより、エッチング液供給源96から溝94内にエッチング液が供給される。エッチング液は、溝94から溢れて流れるので、溝94内はエッチング液でほぼ満たされた状態となる。
このように一定時間(たとえば、数十秒間)エッチング液を流して、ウエハW周縁部の銅薄膜のエッチングを継続した後、システムコントローラ155はバルブ93Vを閉じるように制御して、溝94内へのエッチング液の供給を停止する。これにより、溝94内にはエッチング液が存在しない状態となり、ウエハW周縁部のエッチング処理は終了する。
ほぼ円筒状のカップ101内に、ウエハWをほぼ水平に保持して回転するスピンチャック102が備えられている。スピンチャック102は、鉛直方向に沿って配された回転軸102aおよびその上端に垂直に取り付けられた円板状のスピンベース102bを有しており、スピンベース102bの上面周縁部近傍には、複数のチャックピン102eが立設されている。チャックピン102eによりウエハWの下面周縁部を支持し、また複数のチャックピン102eが協働してウエハW側面を把持できるようになっている。
カップ101の上方には、ノズル107が配置されている。ノズル107は、バルブ107Vを介してリンス液供給源に連通接続されており、バルブ107Vを開くことにより、ノズル107からスピンチャック102に保持されたウエハWに向けて、リンス液を吐出することができるようになっている。
洗浄ユニット22a,22bによりウエハWを洗浄するときは、先ず、システムコントローラ155により昇降機構104が制御されてスピンチャック102が上昇されて、スピンチャック102の上部がカップ101の上端より高くされる。そして、搬送ロボットTRの進退アーム41または進退アーム42(図4参照)により、ベベルエッチングユニット21aまたは21bでベベルエッチング処理が施されたウエハWが搬入されて、ウエハWの中心が回転軸102aの中心軸上にのるように、ウエハWがチャックピン102eによりメカニカルに保持される。
そして、搬送ロボットTRの進退アーム42または進退アーム41により処理済みのウエハWが搬出されて、1枚のウエハWの洗浄処理が終了する。
システムコントローラ155のハードウェアは、10MIPS(Million Instructions per second)以上の処理能力を有するCPU(Central Processing Unit)と、10Mbyte以上の容量を有する半導体メモリと、磁性体メモリと、RS−232C規格のシリアルポートと、RS−485規格のシリアルポートと、複数のプリント基板とを備えている。磁性体メモリは、たとえば、ハードディスクドライブ(HDD)に備えられたハードディスク(HD)や、フレキシブルディスクドライブ(FDD)に着脱されるフレキシブルディスク(FD)とすることができる。
システムコントローラ155は、ディスプレイ156、キーボード157、およびポインティングデバイス(たとえば、マウス)156pに接続されており、作業者(オペレータ)との間で情報の入出力をできるようになっている。また、システムコントローラ155には、警報音発生装置158が接続されており、所定の場合(たとえば、後述のようにメッキ液に銅イオンを供給する銅供給源の残量が所定量以下になったとき)には、警報音が発せられるとともに、警報に関連した情報がディスプレイ156に表示されるようになっている。
各シリアル/パラレル変換器161a,161bには、パラレルケーブルを介して、電磁弁162a,162bやセンサ163a,163b(たとえば、温度センサ70、電磁導電率計71、超音波式レベル計72)などが接続されている。電磁弁162a,162bは、たとえば、エア弁からなるバルブ(たとえば、バルブ91V,100V,107V)を制御することができる。
主成分管理部2は、メッキ液中に銅イオンを供給するための複数(この実施形態では3つ)の銅溶解タンク110a〜110c、これらのうち使用されていない銅溶解タンク110a〜110cに置換液を供給するためのバッファ槽111、およびバッファ槽111に置換液の元となる置換原液を供給する置換原液供給部112を含んでいる。
銅溶解タンク110a〜110cは、いずれも、銅溶解タンク110a〜110cの側壁を構成する外管116a〜116c、および外管116a〜116c内に配された内管117a〜117cを備えており、内管117a〜117cの内部空間は、外管116a〜116cと内管117a〜117cとの間の空間と銅溶解タンク110a〜110cの下部で連通している。
バッファ槽111とバイパス管125との間で、液体(たとえば、置換液)は自由に行き来できるようになっており、これにより、バッファ槽111内の液面とバイパス管125内の液面とは、ほぼ同じ高さ位置になる。したがって、定量確認センサ126により、所定の高さ位置におけるバッファ槽111内の液体の有無を知ることができる。
循環分岐配管121a〜121cは、それぞれ、銅溶解タンク110a〜110cの上方から内管117a〜117cに接続されている。循環分岐配管122a〜122cは、それぞれ、銅溶解タンク110a〜110c内に配された排液管149a〜149cに連通接続されている。循環分岐配管121a〜121cには、それぞれ、バルブAV3−2,AV4−2,AV5−2が介装されている。循環分岐配管122a〜122cには、それぞれ、バルブAV3−3,AV4−3,AV5−3が介装されている。
循環分岐配管119dは、蓋120を貫通して(蓋120に形成された配管口を挿通されて)バッファ槽111内に延設されている。循環分岐配管119dには、バルブAV2−2が介装されている。
循環分岐配管119eは、分岐点B4においてメッキ液移送管P12bの途中に連通接続されている。循環分岐配管119eにはバルブAV2−1が介装されている。バルブAV2−1,AV2−2は、出口側主流路切り換え部114に集約されている。
計量カップ129側方の所定の高さ位置には、その高さ位置における計量カップ129内部の液体の有無を検知する定量確認センサ133が取り付けられている。また、置換原液移送管131の計量カップ129に近接した部分の側方には、空確認センサ134が取り付けられている。空確認センサ134は、その高さ位置における置換原液移送管131内の液体の有無を検知できる。これにより、計量カップ129内が空であるか否かを知ることができるようになっている。
バッファ槽111には、さらに、蓋120を貫通して給排気管136が導入されている。給排気管136のバッファ槽111外の端部には、エアポンプ137が接続されている。給排気管136には、三方バルブAV8−3が介装されている。三方バルブAV8−3により、バッファ槽111とエアポンプ137とが流通するようにしたり、バッファ槽111と大気とが流通するようにしたりすることができる。
銅溶解タンク110a〜110cは、外管116a〜116cと内管117a〜117cとを備えたカートリッジ140、およびカートリッジ140に配管を接続するための接続部材141を含んでいる。
外管116a〜116cと内管117a〜117cとの間の環状空間145には、銅の線材を織ってメッシュ状に形成され、平面視においてドーナツ形状を有する複数枚の銅メッシュ146が、カートリッジ140の長さ方向に沿って積層され(積み重ねられ)ている。メッキ液は、環状空間145内をカートリッジ140の長さ方向に沿って下方から上方へと流れる。つまり、銅メッシュ146の積層方向は、メッキ液の流路に沿っている。銅メッシュ146は、メッキ液に溶解してメッキ液に銅イオンを供給する銅イオン供給源として機能する。
接続部材141には、循環分岐配管121a〜121c、循環分岐配管119a〜119c、および循環分岐配管122a〜122cが接続されている。接続部材141の内部には、連通孔150,151,152が形成されている。循環分岐配管121a〜121cは、連通孔150およびメッキ液導入口117Eを介して内管117a〜117cに連通接続されている。循環分岐配管119a〜119cは、連通孔151およびメッキ液排出口116Eを介して環状空間145に連通接続されている。循環分岐配管122a〜122cは、連通孔152を介して排液管149a〜149cに連通接続されている。
一例であるが、銅メッシュ146の外径doはおよそ120mmであり、その内径diはおよそ30mmである。したがって、銅メッシュ146をシートとみなした場合の1枚の銅メッシュ146の面積は、およそ100cm2である。たとえば、メッシュ数は5、すなわち、1インチあたりの銅の線材の数は5本である。また、たとえば、使用前(メッキ液に溶解され始める前)において、1枚の銅メッシュ146の銅の線材の全表面積はおよそ120cm2であり、1枚の銅メッシュ146の重量はおよそ27gである。
以下、銅メッシュ146の特徴を、銅イオン供給源として球状の銅の集合物を用いた場合との比較において説明する。
次に、単位体積あたりの粒子の数を計算する。粒子が直交座標系において各座標軸に沿って密に整列しているとする。粒子の半径がr1のとき、各座標軸の単位長さあたりの粒子の数n1は1/r1であり、単位体積あたりの粒子数N1はn1 3である。また、単位体積あたりの粒子の表面積S1はn1 3×s1であり、単位体積あたりの粒子の正味体積V1はn1 3×v1である。
すなわち、銅供給源として球状の銅を用いた場合、銅イオンの供給性能を維持しつつ軽量化を図ろうとして、粒子の半径を2分の1にし全重量を2分の1にした場合、圧力損失は2倍になる。このように、銅の重量に反比例して圧力損失は大きくなるので、銅供給源として球状の銅を用いた場合、軽量化と低い圧力損失とは両立し得ない。
このような銅メッシュ146は、大きな長方形または正方形のメッシュを一定形状の型により打ち抜いて得ることができる。
主成分管理部2は、シリアル/パラレル変換器165および操作パネル166を備えている。ウエハ処理部1に備えられたシステムコントローラ155は、RS−485規格のケーブルを介してシリアル/パラレル変換器165と接続されており、RS−232C規格のケーブルを介して操作パネル166と接続されている。
微量成分管理コントローラ169には、ディスプレイ170、キーボード171、ポテンショスタット(電源)172、シリンジポンプ173、シリアル/パラレル変換器174などが接続されている。ディスプレイ170およびキーボード171により、微量成分管理コントローラ169と作業者との間で、情報の入出力をできるようになっている。
シリアル/パラレル変換器174には、パラレルケーブルを介して電磁弁175やセンサ176(たとえば、液面センサ)が接続されている。電磁弁175は、たとえば、エア弁からなるバルブを制御することができる。
メッキ処理に先立って、システムコントローラ155により、いずれの銅溶解タンク110a〜110cを使用するかが決定される。銅溶解タンク110a〜110cは、内部の銅メッシュ146の重量が最も小さいものが使用され、他のものは予備(リザーブ)とされ使用されない。
その結果、たとえば、銅溶解タンク110a内の銅メッシュ146が、最も重量が小さく、かつ、その重量が一定時間メッキ液に銅イオンを供給するのに充分な重量であると判断されたとする。この場合、システムコントローラ155は、メッキ処理部12と銅溶解タンク110aとの間でメッキ液を循環させる流路を形成するように制御する。具体的には、バルブAV1−3,AV1−5,AV3−2,AV3−1,AV2−1が開かれ、他のバルブは閉じられる。
銅溶解タンク110a内では、メッキ液中の3価の鉄イオンが銅メッシュ146から電子を奪い取って2価の鉄イオンに還元される。電子を奪われた銅メッシュ146からは銅イオンがメッキ液中に溶出する。このような反応は、銅からなる溶解性のアノードを用いた場合のように、ブラックフィルムが形成されていなくても生じる。
メッキ液中の銅イオンならびに2価および3価の鉄イオンの濃度が、所定の濃度からずれると、ウエハW表面に形成された微細な孔や溝の埋め込み性が悪くなり良好なメッキができなくなる。したがって、メッキ液中の銅イオンならびに2価および3価の鉄イオンの濃度を所定の値(所定の濃度範囲内)に保つ必要がある。すなわち、ウエハW下面で失われる銅イオンの量と、銅メッシュ146から溶出する銅イオンの量がほぼ同じになるようにし、アノード電極76近傍で生じる2価の鉄イオンの量と、銅メッシュ146近傍で生じる3価の鉄イオンの量とがほぼ同じになるようにしなければならない。
このため、システムコントローラ155は、ポンプP5の送液量を、メッキ処理ユニット20a〜20dの稼働状態、重量計154a〜154cの出力信号に基づいて求められた銅メッシュ146の表面積、および吸光度計66Bの出力信号に基づいて決定する。ポンプP5の送液量は、流量計123の出力信号がシステムコントローラ155にフィードバックされることにより、所定の流量になるように調整される。このような制御により、メッキ液中の銅イオンの濃度をほぼ一定に保つことができる。
次に、メッキ処理部12でメッキ処理がされていないときの主成分管理部2の動作について説明する。メッキ処理ユニット20a〜20dでメッキ処理が行われていないとき、メッキ液収容槽55と銅溶解タンク110a〜110cとの間でメッキ液を循環させると、メッキ液中の銅イオンの濃度は適正な濃度範囲を超えて上昇する。これは、メッキ液中の銅イオンが消費されないにもかかわらず、銅メッシュ146からメッキ液に銅イオンが供給されるからである。
そこで、メッキ処理部12でメッキ処理がされていないときは、銅溶解タンク110a〜110c内のメッキ液を置換液に置換し、メッキ液の銅イオン濃度の上昇および銅メッシュ146表面の変質を防ぐようにされる。以下、置換する対象を銅溶解タンク110aとする。
先ず、システムコントローラ155の制御により、ポンプP5が停止され、主成分管理部2のすべてのバルブが閉じられる。続いて、システムコントローラ155の制御により、加圧/減圧部164がバッファ槽111内に給気するようにされる。これによりバッファ槽111内は加圧される。次に、システムコントローラ155の制御により、バルブAV2−2,AV3−1,AV3−2,AV1−5,AV1−2が開かれる。これにより、銅溶解タンク110a内のメッキ液が、メッキ処理部12のメッキ液収容槽55内に送られる。
そして、システムコントローラ155の制御により、バルブAV6−2,AV6−4が開かれる。これにより、計量カップ129内は大気圧にされるので、計量カップ129内の置換原液は、置換原液移送管131および置換原液供給配管124を介して、より圧力の低いバッファ槽111内へと移送され、バッファ槽111内の純水と混合される。空確認センサ134に出力信号に基づいて、計量カップ129内が空であると判断されると、システムコントローラ155は、バルブAV6−2,AV6−4を閉じるように制御する。
続いて、システムコントローラ155によりバルブAV8−3が制御され、バッファ槽111と大気とが流通するようにされる。これにより、バッファ槽111内は大気圧になる。その後、システムコントローラ155の制御により、バルブAV1−1,AV1−5,AV3−2,AV3−1,AV2−2が開かれ、ポンプP5が作動される。この際、ポンプP5は、所定の時間のみ作動されるか、または、重量計154aの出力信号により、銅溶解タンク110a内が置換液で満たされたと判断されるまで作動される。その後、システムコントローラ155の制御により、ポンプP5が停止され、主成分管理部2内のすべてのバルブが閉じられる。
銅メッシュ146の溶解が進み、銅溶解タンク110a〜110c内の銅メッシュ146の残量が一定量以下(たとえば、ほぼゼロとみなせる量)になると、その銅溶解タンク110a〜110cのカートリッジ140を、所期の量の銅メッシュ146が収容されたカートリッジ140に交換する必要がある。
以上の操作において、メッキ液の循環が停止されてから再び循環が開始されるまでの間は、メッキ液に銅イオンが供給されない。しかし、メッキ液収容槽55(図6参照)は大量のメッキ液を収容できるので、この間にウエハWに対するメッキ処理を続行しても、メッキ液中の銅イオン濃度や2価の鉄イオンと3価の鉄イオンとの割合は急激には変わらない。したがって、この間にウエハWに対するメッキ処理を続行しても、メッキによる銅膜の特性はほとんど変わらない。ただし、メッキ液収容槽55とメッキカップ56a〜56dとの間のメッキ液の循環は、継続されるものとする。
予備の銅溶解タンク110b,110cは、銅溶解タンク110aが使用されているときでも主成分管理部2に接続された状態にされているので、銅溶解タンク110aを交換しなければならなくなったときには、すぐに銅溶解タンク110b(110c)に切り換えて使用することができる。予備の銅溶解タンク110b,110c内の銅メッシュ146は十分重量が大きいので、銅溶解タンク110aのカートリッジ140を交換するための時間的余裕がある。
図16は、本発明のカートリッジを備えた銅溶解タンクが用いられる第2の実施形態に係る基板処理装置に備えられた主成分管理部202の図解図である。第2の実施形態に係る基板処理装置の構成は、主成分管理部202以外は第1の実施形態に係る基板処理装置10と同様である。主成分管理部202は、図1の構成の基板処理装置10において、主成分管理部2に代えて使用することができる。図16において、図12に示す主成分管理部2の構成要素等に対応する構成要素等は、同一符号を付して説明を省略する。
また、主成分管理部2と同様、主成分管理部202は、メッキ処理部12でメッキ処理が行われていないときには、置換原液供給部112およびバッファ槽111等により、銅溶解タンク210a,210b内を置換液で置換された状態とすることができる。これにより、内部に収容された銅供給源の表面が変質することを防止できる。
銅溶解タンク210a,210bは、銅溶解タンク110a〜110cと同様、カートリッジ140と接続部材141とを含んでいる。カートリッジ140の内部には、銅溶解タンク110a〜110cの銅メッシュ146の代わりに、内壁および外壁を有する直管状の銅管203が銅供給源として収容されている。銅管203は、カートリッジ140の長さの半分強の長さを有しており、長さ方向がカートリッジ140の長さ方向に沿うように収容されている。したがって、銅管203の内壁および外壁は、メッキ液の流路にほぼ沿っている。
一例であるが、銅管203は、JIS 8A Lタイプのものを使用することができる。この場合、使用前(メッキ液に溶解され始める前)の銅管203の外径はおよそ9.52mmであり、その肉厚はおよそ0.76mmでほぼ一定であり、その長さは、およそ300mmである。したがって、1本の銅管203の表面積は、およそ165cm2である。1本の銅管203の使用前の重量は、56.4g程度である。
銅管203は、たとえば、純度が99.9%ないし99.9999%の高純度銅からなるものとすることができる。
上記の寸法を有する1本の銅管203は、直径が8mmの球状の銅(以下、「粒子」という。)とほぼ同じ重量を有するが、この粒子の3倍以上の表面積を有している。したがって、全表面積を同等にするために必要な銅管203の重量は、粒子を用いた場合の3分の1以下である。すなわち、銅管203を用いることにより軽量化を図ることができ、カートリッジ140の交換が容易になる。
また、銅管203がほぼ密に配置された環状空間145では、メッキ液は、銅管203の内部空間および隣接した複数の銅管203の間の空間を流れるが、これらの空間は、カートリッジ140(銅溶解タンク210a,210b)の長さ方向、すなわち、銅管203が存在しない場合のメッキ液の流路に沿って延びている。したがって、メッキ液は流れの方向を変えられることはなく、直線的に流れることができる。これに対して、直径8mmの粒子が密に配置された環状空間145では、メッキ液は、直線的に流れることはできず、頻繁に流れの方向が変えられる。
次に、銅管203の溶解に伴う表面積の変化について説明する。上記の寸法の銅管203は、全表面積に対する端面の面積が占める割合は、0.3%程度と極めて小さい。また、銅管203は肉厚に比べて長さが充分長く、溶解に伴う長さの変化率は充分小さい。このため、長さの変化による内壁および外壁の面積の変化は無視できるほど小さい。そして、溶解に伴って肉厚が薄くなると、外壁の面積は小さくなる一方、内壁の面積は大きくなり、結局、内壁および外壁の面積の総和はほとんど変化しない。
先ず、システムコントローラ155の制御により、内部の銅管203の重量が最も小さいと判断された銅溶解タンク(以下、銅溶解タンク210aとする)と、メッキ処理部12との間でメッキ液が循環するようにされる。具体的には、バルブAV1−2,AV1−5,AV3−2,AV3−1,AV2−1が開かれ、他のバルブが閉じられて、ポンプP5が作動される。
上述のように、銅管203は完全に溶解する直前までその表面積はほぼ一定とみなすことができ、メッキ液への銅イオンの供給能力はほぼ一定である。したがって、銅溶解タンク210a内の銅管203がほとんどなくなるまで、銅溶解タンク210aとメッキ処理部12との間でメッキ液を循環させることができる。
メッキ処理部12でのメッキ処理がされていないときは、主成分管理部2による場合と同様の方法により、銅溶解タンク210a,210b内のメッキ液が置換液で置換される。これにより、メッキ液の銅イオン濃度が適性範囲を超えて上昇することを回避できるとともに、銅管203表面が不可逆的に変質することを防止し、メッキが再開されたときに銅管203からメッキ液に銅イオンを良好に供給できるようにすることができる。
図16に示す主成分管理部において、複数の銅管203は同じ大きさ(管径、厚さ、および長さ)のものであるが、銅管は異なる大きさを有するものであってもよい。
図20は、銅板が収容されたカートリッジ140の長さ方向に垂直な切断面を示す図解的な断面図である。
銅板220a同士の間は、メッキ液の流れを阻害しない程度の小さな間隔保持部材で、上述の配置が維持されるように保持されていてもよい。
銅板220bが屈曲部を有することにより、一定の容積を有する銅溶解タンク210a,210b内における銅板220bの表面積が大きくされ、銅イオン供給能力の増大が図られている。この実施形態においても、メッキ液は各銅板220bの間を均等に流れるので、銅板220bはメッキ液に対して均等に溶解する。したがって、銅板220bはメッキ液に完全に溶解する直前まで所期形状と相似とみなせる形状が維持され、全表面積はほぼ一定に保たれるので、メッキ液に一定の割合で銅イオンを供給できる。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の変更を施すことが可能である。
12 メッキ処理部
20a,20b,20c,20d メッキ処理ユニット
55 メッキ液収容槽
56a,56b,56c,56d メッキカップ
57 送液配管
58a,58b,58c,58d 送液分岐配管
61a,61b,61c,61d メッキ槽
63a,63b,63c,63d リターン分岐配管
64 リターン配管
76 アノード電極
110a,110b,110c,210a,210b 銅溶解タンク
111 バッファ槽
112 置換原液供給部
116E メッキ液排出口
117E メッキ液導入口
124 置換原液供給配管
135 純水供給配管
137 エアポンプ
140 カートリッジ
146 銅メッシュ
154a,154b,154c 重量計
155 システムコントローラ
203,219 銅管
220a〜220e 銅板
220f,220g 平行板部
220h 屈曲部
P1,P2,P3,P4,P5 ポンプ
P12a,P12b メッキ液移送管
W ウエハ
Claims (6)
- 不溶性アノードを有する銅メッキをするためのメッキ装置に着脱自在で、このメッキ装置で用いられるメッキ液に銅イオンを供給するためのカートリッジであって、
メッキ液を導入するためのメッキ液導入口およびメッキ液を排出するためのメッキ液排出口を有し、銅供給源が内部に収容されており、
当該カートリッジは、外管と、この外管の内部に配置された内管とを備えており、
上記外管および上記内管の一端には、当該カートリッジに配管を接続するための接続部材を取り付けられるようになっており、
上記内管において、上記接続部材を取り付ける側の端部が、上記メッキ液導入口となっており、
上記内管と上記外管との間で、上記接続部材を取り付ける側の端部には、上記メッキ液排出口が形成されていることを特徴とするカートリッジ。 - 不溶性アノードを有する銅メッキをするためのメッキ装置に着脱自在で、このメッキ装置で用いられるメッキ液に銅イオンを供給するためのカートリッジであって、
メッキ液を導入するためのメッキ液導入口およびメッキ液を排出するためのメッキ液排出口を有し、銅供給源が内部に収容されており、
当該カートリッジは、上記銅供給源を内部に収容する外管を備えており、
この外管の一端には、当該カートリッジに配管を接続するための接続部材であって、フランジを備えた接続部材を取り付けられるようになっており、
上記外管において、上記接続部材を取り付ける側の端部に、上記接続部材のフランジと着脱自在に固定するためのフランジが備えられていることを特徴とするカートリッジ。 - 上記銅供給源が、銅の線材からなることを特徴とする請求項1または2に記載のカートリッジ。
- 上記銅供給源が、上記カートリッジ内のメッキ液の流路を横切るように配されていることを特徴とする請求項3記載のカートリッジ。
- 上記銅供給源が、銅の線材を織った複数枚のメッシュ部材を含み、この複数枚のメッシュ部材が、上記カートリッジ内のメッキ液の流路に沿う方向に積層されていることを特徴とする請求項3または4に記載のカートリッジ。
- 上記銅供給源の空隙率が、30%以上であることを特徴とする請求項3ないし5のいずれかに記載のカートリッジ。
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