JP4582409B2 - 電解加工装置及び加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、ワーク表面に形成された導電性膜を電解加工により平坦化する電界加工装置及び加工方法に関するものである。

近年、半導体技術の発展により、デザインルールの微細化、多層配線化が進み、信号の伝搬遅延を抑制する為、従来から配線材料として用いられていたアルミニウム（Ａｌ）よりも電気抵抗が低く、エレクトロマイグレーション耐性の良い銅（Ｃｕ）を用いた配線プロセスの開発が盛んに行なわれている。

Ｃｕを用いた配線プロセスでは、プラズマエッチングによる揮発除去が出来ない為、あらかじめ層間絶縁膜に形成した溝状の配線パターンへ、スパッタ工程、メッキ工程などによりＣｕを埋め込みながら導電性膜を形成し、その後、化学的機械研磨(ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ)により不要なＣｕ部分を除去して配線を形成するダマシン(ｄａｍａｓｃｅｎｅ)法が広く用いられる。

しかし、このＣＭＰで使用されるスラリ内にはワーク表面を改質させる化学液の他に、機械的に除去を行なう研磨粒子が含まれている。研磨粒子内には場合により粗大粒子が存在する為、ワーク表面に形成されたＣｕ配線にスクラッチなどのダメージが生じる問題が発生していた。また、配線間容量の増大を防ぐ為に低誘電率のＬｏｗ−Ｋ材料によって形成された絶縁膜が、研磨粒子の機械的なせん断力により剥離するダメージが発生するなど、歩留まり向上の大きな問題となっていた。

このような問題に対応する為、例えば、先に金属膜表面に不導体膜を形成し、研磨の機械的な作用により不動態膜の除去を行い金属膜の凸部を表面に露出させ、電解溶出により金属膜の凸部を選択的に除去するダメージの少ない半導体装置の製造方法、研磨装置及び研磨方法が提案されている(例えば、特許文献１参照。)。
特開２００１−７７１１７号公報

しかし、特許文献１に記載された方法では研磨の機械的な作用を利用する為、研磨粒子内に粗大粒子が混入していた場合、スクラッチ等のダメージが発生する可能性が多大に残る。また、電解溶出による研磨量の安定性を確保する為には電極とワーク間の抵抗が常に安定していることが重要である。しかし、面内均一性を保った不動態膜の形成や、凸部における不動態膜の除去過程における電流のコントロールが困難である為、均一な研磨量を保つことは困難となる。

本発明では、このような問題に鑑みてなされたもので、電極とワーク表面との微小な間隔を維持することにより、ワーク表面に形成された導電性膜の凸部を選択的に非接触で加工し、スクラッチ等のダメージを発生させずにワーク全体を平坦化する電解加工装置及び加工方法を提供することを目的としている。

本発明は前記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、表面に微小な凹凸が形成された導電性材料からなるワークを載置する定盤と、弾性部材を介して支持された電極と、前記定盤に載置されたワーク上に電解物質を供給する供給手段と、前記定盤を回転させる回転手段と、前記電極と前記ワークとの間に電圧を印加することによりワーク表面を電解加工する加工手段と、を有し、前記定盤に載置されたワークが前記回転手段により回転されると、前記電解物質が前記ワークに連れ回って移動され、前記電解物質の動圧状態下の応力により前記電極が前記ワーク面上から浮上し、前記加工手段は、前記電極が前記ワーク面上から浮上した状態で前記ワークを加工することを特徴としている。

請求項１の発明によれば、ワークの回転によりワークと連れ回って移動する電解物質の動圧状態下の応力により、電極はワーク表面から僅かに浮上する。このため、電極とワーク表面とを微小な間隔で維持しながら電解加工することが出来る。これにより、凸部に電界集中を発生させて凸部を選択的に非接触で加工し、ワーク全体を平坦化することが可能となる。

ここで、前記電解物質の応力について概説する。本発明における電解物質（流体）の応力の一つは一般的な潤滑理論から得られる。例えば、ワークによる平面と、これに対向した電極による滑動面との間の流体膜による、動圧状態下の流体の応力を取り上げる。

図７に示すように、電極６０による滑動面６１が、ワークＷによる平面６２に対して傾いている場合、潤滑理論から滑動面６１に働く圧力は次式（１）によって表される。

ただし、ｋ＝ｈ₁ ／ｈ₂ である。この圧力Ｐが電極６０にかかる研磨荷重と釣り合うことになる。一定の粘性を持つ流体下で、平面６２が滑動面６１に対して一定速度Ｕで運動している場合には、圧力Ｐに対して各部の間隔ｈ₁ 、ｈ₂ は一意に形成される。

この潤滑理論に基づく原理により、ワークＷと電極６０との間の間隔は、非常に微小な距離でありながら、常に一定に保つことが可能となる。ワークＷと電極６０との間の間隔が保たれることで、ワークＷと電極６０との間の抵抗の変動が極めて小さくなり、絶えず一定の電流が流れる。これにより、ワークＷ表面では、厳密に制御された電流により、安定して電解溶出される。

次に、静圧状態下の流体の応力について説明する。図８に示すように供給口７３からワークＷの平面７２へ供給された電解物質（流体）は矢印Ｆ４のように流れる。この時、流体の流量Ｑは電極７１と平面７２との間隔ｈ₃ を用いて次式（２）によって表される。ｃは流量係数、ｄは供給口７３の直径、ｐ_c は供給口内圧力、ｐ₀ は大気の圧力、γは流体の単位体積重量を表す。

この式より、電解物質(流体)を一定の圧力で円筒形の供給口７３よりワークＷに当てることにより、電極７１と平面７２との間隔ｈ₃ は絶えず一定の値になることが示される。よって、電極７１とワークＷの間には一定の電流が流れ、安定した電解溶出が行なわれる。以上が電解物質の応力についての説明である。

次に、請求項２に記載の発明は、表面に微小な凹凸が形成された導電性材料からなるワークを載置する定盤と、前記ワークの径より小さいリング状であり、前記定盤に載置されたワーク上に電解物質を供給する供給口がリング中央部に形成された電極であって、弾性部材により鉛直方向に微小移動可能に支持された電極と、前記電極と前記ワークとの間に電圧を印加することによりワーク表面を電解加工する加工手段と、を有し、前記電極から前記電解物質が供給されると、前記電解物質の静圧状態下の応力により前記電極が前記ワーク面上から浮上し、前記加工手段は、前記電極が前記ワーク面上から浮上した状態で前記ワークを加工することを特徴としている。

請求項２の発明によれば、リング中央部から電解物質が供給されることにより、電極とワーク表面との間へ均一に電解物質が流入し、静圧状態下の応力により電極はワーク表面から僅かに浮上する。このため、電極とワーク表面との間隔を微小に保ちながらワーク全面を加工することが可能となる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２の発明において、前記電極の表面はカーボン、もしくは導電性の金属で形成され、前記ワークの表面に形成された凹凸よりも平滑であることを特徴としている。

請求項３の発明によれば、ワーク表面の導電性膜の凸部を電解加工することが可能になり、電極の表面がワーク表面よりも平滑であるためワーク表面の凸部を選択的に非接触で加工してワーク全体を平坦化することが可能となる。

以上説明したように、本発明の電解加工装置及び加工方法によれば、電極とワーク面上との微小ギャップを維持して電解加工が行なわれるので、ワーク表面に形成された導電性膜の凸部を選択的に非接触で加工して、スクラッチ等のダメージを発生させずにワーク全体を平坦化することが可能となる。

以下添付図面に従って本発明に係る電解加工装置及び加工方法の好ましい実施の形態について詳説する。図１は、 本発明に係る電解加工装置の全体構成を示す斜視図。図２は加工ヘッド部の構成を表した平面及び側面図。図３は電極のワークと対面する面の形状を表した図である。

先ず初めに本発明に係る電解加工装置の構成を説明する。図１に示すように、電解加工装置１０は、表面にＣｕ等の導電性膜が形成されたウェーハ（ワーク）Ｗを載置する定盤１２と加工ヘッド部３０とを備えている。定盤１２は円盤状に形成されており、その上面にウェーハＷを載置して固定する。定盤１２の下部には、スピンドル１８が連結されており、スピンドル１８はモータ２０の図示しない出力軸に連結されている。定盤１２は、モータ２０を駆動することにより矢印Ａ方向に回転する。加工ヘッド部３０は図示しない駆動装置により矢印Ｘ、Ｙ、及びＺ方向へ移動し、ウェーハＷの着脱や定盤１２の清掃を容易にする。

次に、加工ヘッド部３０の構成を説明する。図２に示すように加工ヘッド部３０には、電極３１、電解物質３３の供給手段としての供給ノズル３２、及び電極３１の微小移動量を測定する測定器３６が設けられている。加工ヘッド部３０は、図示しない駆動装置により矢印Ｂ方向に回転される。更に、加工中はＸ方向又はＹ方向へ往復運動する。

電極３１と定盤１２との間には直流電源３４が備わっており、これにより定盤１２上に載置されたウェーハＷと電極３１の間へ電圧を印加する。ウェーハＷと電極３１の間に流れる電流値が、電解加工装置１０の図示されない制御部に設定されている電流値の範囲を超えた場合、加工ヘッド部３０を上昇退避させ加工を停止する、又は図示されない警報装置により警報を発する。

電極３１上部中央には錘３４が載置され、電極３１は錘３４と共に、錘３４上部に設けられた蛇腹バネ３５によりＺ方向に微小移動可能に支持されている。加工中の電極３１の微小移動量は、レーザー干渉を用いた測定器３６により計測される。

電極３１は、表面がカーボン、タングステン又はその他の導電性の金属で形成されるとともに、電解加工を行なう前のウェーハＷの表面に形成された導電性膜の微小な凹凸よりも平滑に形成されており、ウェーハＷと対向する面には図３のａ、又はｂに示すように中心より放射状に溝が形成されている。

電極３１、錘３４、及び蛇腹バネ３５の中央部には液体、又はガス状の電解物質３３（例えばＫＯＨ、ＮａＯＨ、ＣａＯＨ、又はＨＣｌ等の水溶液、もしくはミストガス）が供給される供給口３１Ａが設けられている。供給ノズル３２より供給口３１Ａへ一定の圧力を加えて供給された電解物質３３は供給口３１Ａを通り矢印Ｆ１のように流れ、ウェーハＷと電極３１の間へ流入する。

電極３１は、ウェーハＷとの間に流入した電解物質３３の静圧状態下の応力によりウェーハＷの面上から僅かに浮上し、ウェーハＷと電極３１の間には一定の微小ギャップＧが発生し維持される。この微小ギャップＧはウェーハＷ表面に形成される凹凸に対して同等か、もしくは一桁大きい程度である。

ギャップＧの値は、ウェーハＷの位置が固定されているので、測定器３６により測定される電極３１の微小移動量より測定可能である。ギャップＧの値が、電解加工装置１０の図示されない制御部に設定されているギャップＧの許容範囲を超えた場合、加工ヘッド部３０を上昇退避させ加工を停止する、又は図示されない警報装置により警報を発する。

次に、本発明に係る電解加工装置の２つ目の構成を説明する。図４は弾性体を利用した加工ヘッド部の構成を表した側面図と平面図である。

加工ヘッド部４０には、電極４１、電極４１を支持する弾性体４２、弾性体４２を取り付けるベース４３、及び電解物質３３をウェーハＷの表面へ供給する供給ノズル４４が設けられている。

電極４１と定盤１２との間にはウェーハＷと電極４１との間に電圧を印加する直流電源３４が備わっている。ウェーハＷと電極４１の間に流れる電流値が、設定されている電流値の範囲を超えた場合、加工ヘッド部３０を上昇退避させ加工を停止する、又は図示されない警報装置により警報を発する。

電極４１は、ウェーハＷと対向する面の形状が平面又は曲面であり、平面の場合はウェーハＷの回転方向に対向するように面取り部が設けてある。電極４１の表面はカーボン、タングステン又はその他の導電性の金属で形成され、電解加工を行なう前のウェーハＷの表面に形成された導電性膜の凹凸よりも平滑に形成されている。

ベース４３に取り付けられた弾性体４２はＪＩＳ−Ｋ６２５３で規定する硬度９０以下のゴム等の弾性体、又はバネ機構を有した金属等で構成され、電極４１をウェーハＷ表面から接離可能に支持している。ベース４３は、加工中Ｙ方向に往復運動し、電極４１もそれに伴ってウェーハＷ上を往復運動する。

供給ノズル４４からウェーハＷ上に供給された電解物質３３は、ウェーハＷの回転に連れ回ってウェーハＷの表面へ矢印Ｆ２のように均一に移動していく。そのため、電極４１は電解物質３３の動圧状態下の応力によりウェーハＷの面上から僅かに浮上し、ウェーハＷと電極４１の間には一定の微小ギャップＧが発生する。

次に、本発明に係る電解加工装置の３つ目の構成を説明する。図５は多数のノズルを利用した加工ヘッド部の構成を表した側面図。図６は図５に示すノズルの一つを拡大した側面図である。

図５に示すように、加工ヘッド部５０は、複数のノズル５１、５１・・・が、それぞれ個別にＺ方向へ微小移動可能に設けられ、加工中はウェーハＷ上のＸ方向又はＹ方向へ往復運動する。個々のノズル５１の直径は２〜１０ｍｍ程度を好適とする。

ノズル５１は図６に示すように、ノズル本体部５４の先端に電極５２が設けられ、電極５２のＺ方向の微小移動量をレーザー干渉により測定する測定器５３が備えられている。

電極５２と定盤１２との間にはウェーハＷと電極５２との間に電圧を印加する直流電源３４が備わっている。ウェーハＷと電極５２の間に流れる電流値が、設定されている電流値の範囲を超えた場合、加工ヘッド部５０を上昇退避させ加工を停止する、又は図示されない警報装置により警報を発する。

ノズル本体５４と電極５２との中央部には電解物質３３を供給する供給口５５が設けられている。供給口５５へ一定の圧力を加えて供給された電解物質３３は、供給口５５を通り矢印Ｆ３のように流れ、ウェーハＷと電極５２の間へ流入する。

各ノズル５１は、電極５２とウェーハＷとの間に流入した電解物質３３の静圧状態下の応力によりウェーハＷの面上から僅かに浮上する。これにより、各ノズル５１の電極５２とウェーハＷとの間には、各ノズル５１で同等な一定の微小ギャップＧが発生し維持される。

ギャップＧの値は測定器５３により測定される。測定されたギャップＧの値が、設定されているギャップＧの許容範囲を超えた場合、加工ヘッド部５０を上昇退避させ加工を停止する、又は図示されない警報装置により警報を発する。

これらの構成により、本発明に係る電解加工装置は、電解物質３３の応力により、電極３１、電極４１、又は電極５２とウェーハＷの間に流体潤滑状態が形成される。これにより、電極３１、電極４１、又は電極５２とウェーハＷ表面とが一定の微少ギャップＧの間隔に保たれる。この状態で電極３１、電極４１、又は電極５２とウェーハＷとの間へ電圧を印加することにより、ウェーハＷ表面の凹凸の凸部に電界集中が発生し、凸部が選択的に非接触で電解加工されるので、スクラッチ等のダメージを発生させずにウェーハ表面全体を平坦化することが可能となる。

次に、本発明に係る電解加工装置の作用及び加工方法について説明する。図２に示すように本発明に係る電解加工装置では、定盤１２上に載置され回転するウェーハＷ（例えば５０〜１５０ｒｐｍ程度）と、図示しない駆動装置により回転する加工ヘッド部３０の電極３１（例えば５０〜１５０ｒｐｍ程度）との間へ、電解物質３３を供給口３１Ａから一定の圧力を加えて供給する。

供給された電解物質３３は、ウェーハＷと電極３１の間に流入し、ウェーハＷの表面上に広がる。このとき、電極３１は電解物質３３の静圧状態下の応力によりウェーハＷ上から浮上し、ウェーハＷとの間に微小なギャップＧが作られる。

ギャップＧは、電解物質３３の応力により、電極３１とウェーハＷとの間に流体潤滑状態が形成されている為、電解物質３３の種類、状態、及び供給する圧力や温度等の条件、又は電極３１にかける荷重や電極３１の種類等によって決まる所定の値で保たれる。

この状態でウェーハＷと電極３１の間へ電圧を印加することにより、ウェーハＷ表面の凹凸の凸部には電界集中が発生する。電界集中が発生した凸部は溶出するため、凸部を選択的に電解加工される。

電極３１は加工ヘッド３０と共にＸ方向、又はＹ方向へ往復移動するため、ウェーハＷの表面全体に形成されている凸部が、すべて選択的に加工されることとなる。

加工中に直流電源３４より流れた電流量は、解加工装置１０の図示されてない制御部で積算される。積算された電流量と、測定器３６により測定された電極３１の微小移動量より算出されるウェーハＷの加工量から単位電流量あたりの加工量を算出する。これにより、加工量が希望する加工量まで達する予定時間が算出可能となり、加工量に達した時点で加工を終了する。

次に、本発明に係る２つ目の電解加工装置の作用及び加工方法について説明する。図４に示すように本発明に係る２つ目の電解加工装置では、定盤１２上に載置され回転するウェーハＷ（例えば５００ｒｐｍ程度）へ電解物質３３を供給する。

電解物質３３はウェーハＷの回転によりウェーハＷに連れ回って移動し均一に広がる。この時、前述した通り、電極４１は電解物質３３の動圧状態下の応力によりウェーハＷ上から浮上し、ウェーハＷとの間には所定の微小なギャップＧが作られる。ギャップＧはウェーハＷの回転数、電解物質３３の種類、状態、及び圧力や温度等の条件、又は弾性体４２の弾性力等によって決まる所定の値で保たれる。

この状態でウェーハＷと電極４１の間へ電圧を印加することにより、凸部が選択的に電解加工される。電極４１は加工中Ｙ方向へ往復運動しているので、ウェーハＷの表面全体に形成されている凸部が、すべて選択的に加工されることとなる。

加工中に直流電源３４より流れた電流量は積算され、積算された電流量とウェーハＷの加工量から単位電流量あたりの加工量を算出する。これにより、加工量が希望する加工量まで達する予定時間を算出可能となり、加工量に達した時点で加工を終了する。

次に、本発明に係る３つ目の電解加工装置の作用及び加工方法について説明する。図５に示すように本発明に係る３つ目の電解加工装置では、先端に電極５２が設けられた複数のノズル５１、５１・・・が、それぞれ個別にＺ方向へ微小移動可能に設けられている。

各ノズル５１の供給口５５に供給された電解物質３３は電極５２とウェーハＷの間へ流入する。各ノズル５１は、電解物質３３の静圧状態下の応力によりウェーハＷ上から僅かに浮上し、ウェーハＷとの間に微小なギャップＧが作られる。この状態でウェーハＷと電極５２の間へ電圧を印加することにより、凸部が選択的に電解加工される。

ギャップＧはウェーハＷの回転数、電解物質３３の種類、状態、及び圧力や温度等の条件によって決まる所定の値で保たれ、各ノズル５１で同等となる。これにより、ウェーハＷに大きな反り等が発生していても、各ノズル５１はそれに合わせて上下し、ウェーハＷ表面に形成された微小な凹凸を選択的に電解加工する。

加工中に各ノズル５１の電極５２とウェーハＷとの間に流れた電流量は積算され、積算された電流量とウェーハＷの加工量から単位電流量あたりの加工量を算出する。これにより、加工量が希望する加工量まで達する予定時間を算出可能となり、加工量に達した時点で加工を終了する。

これらの作用により、本発明に係る加工方法では、流体状の電解物質３３の応力により電極３１、電極４１、又はノズル５１と、ワークＷ表面とが非接触となり、安定した微小なギャップＧが加工中に常時保たれる。これにより、ウェーハＷ表面の凹凸の凸部に電界集中が発生し、凸部が選択的に非接触で電解加工されるので、スクラッチ等のダメージを発生させずにウェーハ表面全体を平坦化することが可能となる。

本発明に係る電解加工装置の全体構成図。 加工ヘッド部の構成を表した平面図及び側面図。 電極のワークと対面する面の形状を表した平面図。 弾性体を利用した加工ヘッド部の構成を表した側面図と平面図。 多数のノズルを利用した加工ヘッド部の構成を表した側面図。 図５に示すノズルの一つを拡大した側面図 動圧状態下の流体の応力を説明する図。 静圧状態下の流体の応力を説明する図。

符号の説明

１０…電解加工装置，１２…定盤，１８…スピンドル，２０…モータ，３０、４０、５０…加工ヘッド部，３１、４１、５２、６０、７１…電極，３１Ａ、５５、７３…供給口，３２、４４…供給ノズル，３３…電解物質，３４…直流電源，３６、５３…測定器，４２…弾性体，４３…ベース，５１…ノズル，Ｇ…ギャップ，Ｗ…ウェーハ（ワーク）

Claims (5)

1. 表面に微小な凹凸が形成された導電性材料からなるワークを載置する定盤と、
   弾性部材を介して支持された電極と、
   前記定盤に載置されたワーク上に電解物質を供給する供給手段と、
   前記定盤を回転させる回転手段と、
   前記電極と前記ワークとの間に電圧を印加することによりワーク表面を電解加工する加工手段と、
   を有し、
   前記定盤に載置されたワークが前記回転手段により回転されると、前記電解物質が前記ワークに連れ回って移動され、前記電解物質の動圧状態下の応力により前記電極が前記ワーク面上から浮上し、
   前記加工手段は、前記電極が前記ワーク面上から浮上した状態で前記ワークを加工することを特徴とする電解加工装置。
2. 表面に微小な凹凸が形成された導電性材料からなるワークを載置する定盤と、
   前記ワークの径より小さいリング状であり、前記定盤に載置されたワーク上に電解物質を供給する供給口がリング中央部に形成された電極であって、弾性部材により鉛直方向に微小移動可能に支持された電極と、
   前記電極と前記ワークとの間に電圧を印加することによりワーク表面を電解加工する加工手段と、
   を有し、
   前記電極から前記電解物質が供給されると、前記電解物質の静圧状態下の応力により前記電極が前記ワーク面上から浮上し、
   前記加工手段は、前記電極が前記ワーク面上から浮上した状態で前記ワークを加工することを特徴とする電解加工装置。
3. 前記電極の表面はカーボン、もしくは導電性の金属で形成され、前記ワークの表面に形成された凹凸よりも平滑であ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。
4. 表面に微小な凹凸が形成された導電性材料からなるワークを定盤に載置するステップと、
   前記定盤を回転させるステップと、
   前記定盤に載置されたワーク上に電解物質を供給するステップであって、前記供給された電解物質が前記ワークに連れ回って移動され、電極の動圧状態下の応力により前記電極を前記ワーク面上から浮上させるステップと、
   前記ワーク面上から浮上された電極と前記ワークとの間に電圧を印加することによりワーク表面を電解加工するステップと、
   を有することを特徴とする電解加工方法。
5. 表面に微小な凹凸が形成された導電性材料からなるワークを定盤に載置するステップと、
   前記定盤を回転させるステップと、
   弾性部材により鉛直方向に微小移動可能に支持された前記ワークの径より小さいリング状の電極のリング中央部に形成された供給口から前記ワーク上に電解物質を供給するステップであって、前記電解物質の静圧状態下の応力により前記電極を前記ワーク面上から浮上させるステップと、
   前記ワーク面上から浮上された電極と前記ワークとの間に電圧を印加することによりワーク表面を電解加工するステップと、
   を有することを特徴とする電解加工方法。

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