JP5504147B2 - 電気めっき方法 - Google Patents

Description

本発明は電気めっき方法に関し、特に、半導体基板若しくは他の基板の内部に上下に貫通する多数の貫通電極（スルービア）を有し、半導体チップ等のいわゆる３次元実装に使用される基板を製造する際に、基板に予め設けられたビア内に銅等の金属を埋込むのに使用される電気めっき方法に関する。

半導体基板を多層に積層させる際に各層間を導通させるための手段として、基板の内部に上下に貫通する複数の銅等の金属からなる貫通電極（スルービア）を形成する技術が知られている。内部に銅からなる貫通電極を有する基板の製造例を図１を参照して説明する。先ず、図１（ａ）に示すように、シリコンウェーハ等からなる基材１０の内部に、例えばリソグラフィ・エッチング技術により、上方に開口する複数のビア１２を形成し、ビア１２の表面を含む全表面にＴｉ（チタン）等からなるバリア層１４を、バリア層１４の表面に銅シード層１６をＰＶＤ等により順次形成した基板Ｗを用意する。ビア１２の直径ｄは、例えば２〜５０μｍ、特に１０〜２０μｍで、深さｈは、例えば２０〜１５０μｍである。

なお、バリア層１４としては、Ｔｉの他に、Ｔａ（タンタル）またはＷ（タングステン）、またはこれらの窒化物などが用いられる。

次に、基板Ｗの表面に、銅シード層１６をカソードとした電気銅めっきを施すことで、図１（ｂ）に示すように、基板Ｗのビア１２の内部にめっき金属（銅）１８を埋込むとともに、銅シード層１６の表面にめっき金属１８を堆積させる。

その後、図１（ｃ）に示すように、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）等により、基材１０上の余剰な銅シード層１６及びめっき金属１８を除去し、更に、例えば２点鎖線で示す位置まで基材１０の裏面側を研磨除去することにより、ビア１２内に充填しためっき金属１８の底面が外部に露出する。これによって、上下に貫通する銅（めっき金属１８）からなる複数の貫通電極を内部に有する基板Ｗを完成させる。

ビア１２は、直径に対する深さの比、即ちアスペクト比が、例えば８〜１０と一般に大きく、寸法自体も大きい。通常、このようなアスペクト比が大きく、寸法の大きいビア１２内に電気めっきによって成膜される銅（めっき金属）を、内部にボイド等の欠陥を生じさせることなく完全に埋込むためには、ビア１２の底部から優先的にめっき金属を成長させる、いわゆるボトムアップ成長が必要となる。このため、めっき液として、例えばＳＰＳ（ビス（３−スルホプロピル）ジスルファイドからなるめっき促進剤、ＰＥＧ（ポリエチレングリコール）からなる抑制剤、及びＰＥＩ（ポリエチレンイミン）からなるレベラ（平滑化剤）といった各種添加剤を含むめっき液が一般に使用される。これらの添加剤は、基板の表面に吸着することでそれぞれの効果を示す。

下記の特許文献の出願人は、シード層とアノードとの間に、電流密度が４〜２０Ａ／ｄｍ²の直流電流を０．１〜５ｓ通電して初期めっき膜を形成した後、シード層とアノードとの間に、電流密度０．５〜５Ａ／ｄｍ²の直流電流を通電して二次めっき膜を形成することや（特許文献１参照）、陰極電流密度５〜１０Ａ／ｄｍ^２で１０秒〜５分間の電気めっきを行った後、陰極電流密度０．５〜３Ａ／ｄｍ^２で１５〜１８０分間の電気めっきを行うことを提案している（引用文献２参照）。また、電流密度を段階的に増加させて電気めっきを行うことも提案されている（特許文献３参照）。更に、出願人は、基板とアノードとの間にステップ状に変化させたステップ電圧またはパルス電圧を印加することを提案している（特許文献４参照）。

特許第３６４１３７２号 特許第３７８０３０２号 特開２００３−３１８５４４号公報 特開２００５−９７７３２号公報

基板に設けたビアの内部に、電気めっきで銅等のめっき金属を埋込む時、ビアの底部もしくはその近辺では、めっきのための金属イオンが基板の表面に比べて不足しがちである。そのため、めっき膜厚が薄くなる傾向がある。めっき液の金属イオン濃度は、めっき金属が析出している基板の表面近傍で低下するが、ビア内部のめっき液の金属イオン濃度はさらに低下する。特に、アスペクト比が大きく、深いビアの底部では、イオン拡散現象による金属イオン供給が不足するため、大きく低下する。このため、めっき膜厚が更に薄くなる傾向がある。また、前述のように、めっき液に添加剤を添加して、ボトムアップ成長を促進させるためには、ビアの内部に十分な金属イオンを供給することが必要となる。

電気めっきによる溶解性アノードからの金属の溶解（金属イオンの溶出）が行なわれる時、アノードでの電流密度は、適正な範囲に保たれることが好ましい。アノードでの電流密度を適正な範囲に保つことで、めっき液中の添加剤成分の変質を抑制し、カソードとなる基板の表面に良好な膜質のめっき金属（めっき膜）を安定して形成することができる。

しかしながら、基板のビアの埋込みめっきでは、ビア内に埋込まれるめっき金属の内部にボイドが発生することを防止するため、電流密度を低く抑える必要があり、その結果、アノードでの適正な電流密度を保つことが難しい場合がある。

本発明は上記事情に鑑みて為されたもので、アスペクト比が高く、埋込み深さの深いビアの内部に、ボトムアップ成長を促進させながら、内部にボイド等の欠陥を生じさせることなく、銅等のめっき金属を確実に効率よく埋込むことができるようにした電気めっき方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の電気めっき方法は、ビアが形成された基板の表面とアノードとを互いに対向させつつ、めっき槽内のめっき液中に基板とアノードとを浸漬させて配置し、前記基板と前記アノードとの間に、電流値を一定としためっき電流を、供給と停止とを断続的に繰返しながら、めっき電流が流れる時間の占める割合がめっきの進行に伴って大きくなるように変化させて、前記ビア内にめっき金属を埋込む。

このように、基板とアノードとの間に、供給と停止とを断続的に繰返しながらめっき電流を流すことで、めっき電流の供給を停止する期間に、イオン濃度勾配を利用した、めっき液の沖合からのイオン拡散現象により、基板近傍におけるめっき液の金属イオン濃度の低下を回復させ、ビア底部でのイオン拡散現象による金属イオンの供給不足も解消させて、ボトムアップ成長を促進させることができる。しかも、基板とアノードとの間に、電流値を一定としためっき電流を、めっき電流が流れる時間の占める割合がめっきの進行に伴って大きくなるように変化させて流すことで、平均電流密度を低く抑えてめっき金属の内部にボイドが発生することを防止しながら、めっき電流供給時におけるアノード電流密度を適正な範囲に維持して、良好な埋込みめっきを行うことが容易となる。

本発明の好ましい一態様は、めっき電流の供給を断続的に停止する停止時間をめっきの進行に伴って短くさせながら、前記基板と前記アノードとの間にめっき電流を流す。

めっきの進行に伴って、ビアの内部にめっき金属が徐々に埋込まれると、めっき金属が埋込まれていないビアの未充填部の深さが徐々に浅くアスペクト比が徐々に小さくなくなる。そこで、金属イオンをビアの内部等に供給するためのめっき電流の停止時間を、めっきの進行に伴って短くすることで、ビア内へのめっき金属の埋込みを効率的に行うことができる。

本発明の好ましい一態様は、めっき電流を供給する供給時間を一定にして、前記基板と前記アノードとの間にめっき電流を流す。

本発明の好ましい一態様は、めっき電流を連続して供給する供給時間をめっきの進行に伴って長くさせながら、前記基板と前記アノードとの間にめっき電流を流す。

このように、めっき電流を連続して供給する供給時間をめっきの進行に伴って長くすることによっても、ビア内へのめっき金属の埋込みを効率的に行うことができる。

本発明の好ましい一態様は、めっき電流の供給を断続的に停止する停止時間を一定にして、前記基板と前記アノードとの間にめっき電流を流す。

本発明の好ましい一態様は、めっき電流の供給と停止とを断続的に繰返すめっき電流供給ピッチを一定にして、前記基板と前記アノードとの間にめっき電流を流す。
なお、めっき電流の停止時間中は、めっき膜の溶解を防ぐために、めっき膜の電位が自然電位よりも卑に保たれるような微弱な電流を流しても良い。

本発明によれば、アスペスト比が高く、埋込み深さの深いビアの内部に、ボトムアップ成長を促進させながら、内部にボイド等の欠陥を生じさせることなく、銅等のめっき金属を確実に効率よく埋込むことができる。

内部に上下に貫通する複数の銅からなる貫通電極を有する基板の製造例を工程順に示す図である。 本発明の電気めっき方法に使用されるめっき処理設備の全体配置図である。 図２に示すめっき処理設備に備えられている搬送ロボットの概要図である。 基板ホルダの平面図である。 基板を基板ホルダの内部に装着してシールした状態を示す拡大断面図である。 同じく、基板に給電する状態を示す拡大断面図である。 図２に示すめっき処理設備に備えられているめっき装置の概略断面図である。 図２に示すめっき装置の攪拌パドル（攪拌具）を示す平面図である。 図８のＡ−Ａ線断面図である。 本発明の実施形態における、アノードと基板との間を流れるめっき電流と時間との関係を示すグラフである。 本発明の他の実施形態における、アノードと基板との間を流れるめっき電流と時間との関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、以下の例では、図１（ａ）に示す、シリコンウェーハ等の基材１０に形成したビア１２の表面を含む全表面にバリア層１４を、該バリア層１４の表面に銅シード層１６を順次形成した基板Ｗを用意し、図１（ｂ）に示すように、この基板Ｗの表面に電気銅めっきを行って、ビア１２の内部に銅からなるめっき金属１８を埋込むようにした例を示す。

図２は、本発明のめっき方法に使用されるめっき処理設備の全体配置図を示す。このめっき処理設備は、基板の前処理、めっき処理及びめっきの後処理のめっき全工程を連続して自動的に行うようにしたもので、外装パネルを取付けた装置フレーム１１０の内部は、仕切板１１２によって、基板のめっき処理及びめっき液が付着した基板の処理を行うめっき空間１１６と、それ以外の処理、すなわちめっき液に直接には関わらない処理を行う清浄空間１１４に区分されている。そして、めっき空間１１６と清浄空間１１４とを仕切る仕切板１１２で仕切られた仕切り部には、基板ホルダ１６０（図３参照）を２枚並列に配置して、この各基板ホルダ１６０との間で基板の脱着を行う、基板受渡し部としての基板脱着台１６２が備えられている。清浄空間１１４には、基板を収納した基板カセットを載置搭載するロード・アンロードポート１２０が接続され、更に、装置フレーム１１０には、操作パネル１２１が備えられている。

清浄空間１１４の内部には、基板のオリフラやノッチなどの位置を所定方向に合わせるアライナ１２２と、めっき処理後の基板を洗浄し高速回転させてスピン乾燥させる２台の洗浄・乾燥装置１２４が配置されている。更に、これらの各処理装置、つまりアライナ１２２及び洗浄・乾燥装置１２４のほぼ中心に位置して、これらの各処理装置１２２，１２４、基板脱着台１６２及びロード・アンロードポート１２０に搭載した基板カセットとの間で基板の搬送と受渡しを行う第１搬送ロボット１２８が配置されている。

清浄空間１１４内に配置されたアライナ１２２、洗浄・乾燥装置１２４は、表面を上向きにした水平姿勢で基板を保持して処理する。搬送ロボット１２８は、表面を上向きにした水平姿勢で基板を保持して基板の搬送及び受渡しを行う。

めっき空間１１６内には、仕切板１１２側から順に、基板ホルダ１６０の保管及び一時仮置きを行うストッカ１６４、基板の表面を、例えば純水（ＤＩＷ）等の前処理液で洗浄するとともに、前処理液で濡らして親水性を良くする前処理（プリウェット処理）を行う前処理装置１２６、例えば基板の表面に形成したシード層表面の電気抵抗の大きい酸化膜を硫酸や塩酸などの無機酸またはクエン酸やシュウ酸などの有機酸溶液でエッチング除去する活性化処理装置１６６、基板の表面を純水で水洗する第１水洗装置１６８ａ、めっき処理を行うめっき装置１７０、第２水洗装置１６８ｂ及びめっき処理後の基板の水切りを行うブロー装置１７２が順に配置されている。そして、これらの装置の側方に位置して、２台の第２搬送ロボット１７４ａ，１７４ｂがレール１７６に沿って走行自在に配置されている。この一方の第２搬送ロボット１７４ａは、基板脱着台１６２とストッカ１６４との間で基板ホルダ１６０の搬送を行う。他方の第２搬送ロボット１７４ｂは、ストッカ１６４、前処理装置１２６、活性化処理装置１６６、第１水洗装置１６８ａ、めっき装置１７０、第２水洗装置１６８ｂ及びブロー装置１７２の間で基板ホルダ１６０の搬送を行う。

第２搬送ロボット１７４ａ，１７４ｂは、図３に示すように、鉛直方向に延びるボディ１７８と、このボディ１７８に沿って上下動自在でかつ軸心を中心に回転自在なアーム１８０を備えており、このアーム１８０に、基板ホルダ１６０を着脱自在に保持する基板ホルダ保持部１８２が２個並列に備えられている。基板ホルダ１６０は、表面を露出させ周縁部をシールした状態で基板Ｗを着脱自在に保持するように構成されている。

基板ホルダ１６０は、図４乃至図６に示すように、矩形平板状の固定保持部材５４と、この固定保持部材５４にヒンジ５６を介して開閉自在に取付けたリング状の可動保持部材５８とを有している。そして、この可動保持部材５８の固定保持部材５４側の表面に、例えば塩ビ製で補強材として役割を果たすとともに、締付けリング６２との滑りを良くしたパッキンベース５９を介して、リング状で一方の足を長くした略コ字状のシールパッキン６０が固定保持部材５４側に開口して取付けられ、固定保持部材５４と反対側に、締付けリング６２が円周方向に沿った長穴６２ａとボルト６４介して回転自在で脱出不能に保持されている。

固定保持部材５４には、可動保持部材５８の周辺部に位置するように、逆Ｌ字状の爪６６が円周方向に沿って等間隔で立設されている。一方、締付けリング６２の外周面には、複数の突起部６８が等間隔で一体に成形されているとともに、これを回転させるためのやや長穴とした通孔６２ｂが図示では３カ所に設けられている。ここで、前記突起部６８の上面及び爪６６の下面は、回転方向に沿って互いに逆方向に傾斜するテーパ面となっている。

これにより、可動保持部材５８を開いた状態で、固定保持部材５４の中央部に基板Ｗを位置決めして挿入し、ヒンジ５６を介して可動保持部材５８を閉じた後、締付けリング６２を時計回りに回転させ、締付けリング６２の突起部６８を逆Ｌ字状の爪６６の内部に滑り込ませることで、固定保持部材５４と可動保持部材５８とを互いに締め付けてロックし、反時計回りに回転させて逆Ｌ字状の爪６６から締付けリング６２の突起部６８を引き抜くことで、このロックを解くようになっている。

そして、このようにして可動保持部材５８をロックした時、図８に示すように、シールパッキン６０の内周面側の短い足が基板Ｗの表面に、外周面側の長い足が固定保持部材５４の表面にそれぞれ圧接して、ここを確実にシールするようになっている。

また、図８に示すように、固定保持部材５４には、外部電極（図示せず）に接続した導電体（電気接点）７０が配置されて、この導電体７０の端部が基板Ｗの側方で固定保持部材５４の表面に露出するようになっている。一方、可動保持部材５８の該導電体７０の露出部に対向する位置には、シールパッキン６０の内部に位置して収納用凹部７１が設けられ、この収納用凹部７１内に横断面コ字状で下方に開口した金属接片７２がばね７４を介して固定保持部材５４側に付勢させて収納されている。

これにより、前述のようにして、可動保持部材５８をロックすると、シールパッキン６０でシールされた位置で、導電体７０の露出部が金属接片７２の外周側の一方の足と、この金属接片７２の内周側の他方の足と基板Ｗとがばね７４の弾性力を介して電気的に接続し、これによって、シールされた状態で基板Ｗに給電が行えるようになっている。

なお、導電体７０の表面の、少なくとも前記金属接片７２との当接面、及び該金属接片７２の導電体７０及び基板Ｗの当接面の少なくとも一方は、例えば金または白金めっきを施して、これらの各部を金属で被覆することが好ましい。また、これらを耐食性に優れたステンレス製としてもよい。

可動保持部材５８の開閉は、図示しないシリンダと可動保持部材５８の自重によって行われる。つまり、固定保持部材５４には通孔５４ａが設けられ、載置プレート５２のこの上に基板ホルダ１６０を載置した時に該通孔５４ａに対向する位置にシリンダが設けられている。これにより、シリンダロッドを伸展させ通孔５４ａを通じて可動保持部材５８を上方に押上げることで可動保持部材５８を開き、シリンダロッドを収縮させることで、可動保持部材５８をその自重で閉じるようになっている。

この例にあっては、締付けリング６２を回転させることにより、可動保持部材５８のロック・アンロックを行うようになっているが、このロック・アンロック機構は、天井側に設けられている。つまり、このロック・アンロック機構は、載置プレート５２の上に基板ホルダ１６０を載置した時、この中央側に位置する基板ホルダ１６０の締付けリング６２の各通孔６２ｂに対応する位置に位置させたピンを有し、載置プレート５２を上昇させ、通孔６２ｂ内にピンを挿入した状態でピンを締付けリング６２の軸芯周りに回転させることで、締付けリング６２を回転させるように構成されている。このロック・アンロック機構は、１個備えられ、載置プレート５２の上に載置した２個の基板ホルダ１６０の一方をロック（またはアンロック）した後、載置プレート５２を横方向にスライドさせて、他方の基板ホルダ１６０をロック（またはアンロック）するようになっている。

また、基板ホルダ１６０には、基板Ｗを装着した時の該基板Ｗと接点との接触状態を確認するセンサが備えられ、このセンサからの信号がコントローラ（図示せず）に入力されるようになっている。

ストッカ１６４、前処理装置１２６、活性化処理装置１６６、水洗装置１６８ａ，１６８ｂ及びめっき装置１７０は、基板ホルダ１６０の両端部に設けた外方に突出する突出部１６０ａを上端部に引っ掛けて、基板ホルダ１６０を鉛直方向に吊り下げた状態で支持する。前処理装置１２６には、例えば溶在酸素が２ｍｇ／Ｌ以下に脱気された純水（脱気ＤＩＷ）等の前処理液を内部に保持する２個の前処理槽１２７が備えられ、図３に示すように、基板Ｗを装着した基板ホルダ１６０を鉛直状態で保持した第２搬送ロボット１７４ｂのアーム１８０を下降させ、基板ホルダ１６０を前処理槽１２７の上端部に引っ掛けて吊下げ支持することで、基板ホルダ１６０を基板Ｗごと前処理槽１２７内の前処理液に浸漬させて前処理（プリウェット処理）を行うように構成されている。活性化処理装置１６６には、内部に薬液を保持する２個の活性化処理槽１８３が備えられ、図３に示すように、基板Ｗを装着した基板ホルダ１６０を鉛直状態で保持した第２搬送ロボット１７４ｂのアーム１８０を下降させ、基板ホルダ１６０を活性化処理槽１８３の上端部に引っ掛けて吊下げ支持することで、基板ホルダ１６０を基板Ｗごと活性化処理槽１８３内の薬液に浸漬させて活性化処理を行うように構成されている。

同様に、水洗装置１６８ａ，１６８ｂには、内部に純水を保持した各２個の水洗槽１８４ａ，１８４ｂが、めっき装置１７０には、内部にめっき液を保持した複数のめっき槽１８６がそれぞれ備えられ、前述と同様に、基板ホルダ１６０を基板Ｗごとこれらの水洗槽１８４ａ，１８４ｂ内の純水またはめっき槽１８６内のめっき液に浸漬させることで、水洗処理やめっき処理が行われるように構成されている。またブロー装置１７２は、基板Ｗを装着した基板ホルダ１６０を鉛直状態で保持した第２搬送ロボット１７４ｂのアーム１８０を下降させ、この基板ホルダ１６０に装着した基板Ｗにエアーや不活性ガスを吹きかけることで、基板のブロー処理を行うように構成されている。

めっき装置１７０には、図７に示すように、内部に一定量のめっき液Ｑを保持するめっき槽１８６が備えられており、このめっき槽１８６のめっき液Ｑ中に、基板ホルダ１６０で周縁部を水密的にシールし表面（被めっき面）を露出させて保持した基板Ｗを浸漬させて、基板ホルダ１６０を垂直に配置するようになっている。めっき液Ｑとして、この例では、銅イオン、支持電解質及びハロゲンイオンの他に、例えばＳＰＳ（ビス（３−スルホプロピル）ジスルファイドからなるめっき促進剤、ＰＥＧ（ポリエチレングリコール）からなる抑制剤、及びＰＥＩ（ポリエチレンイミン）からなるレベラ（平滑化剤）の有機添加物を含んだめっき液が使用される。支持電解質としては硫酸が、ハロゲンイオンとしては塩素が好ましく用いられる。

めっき槽１８６の上方外周には、めっき槽１８６の縁から溢れ出ためっき液Ｑを受け止めるオーバーフロー槽２００が備えられている。オーバーフロー槽２００の底部には、ポンプ２０２を備えた循環配管２０４の一端が接続され、循環配管２０４の他端は、めっき槽１８６の底部に設けられためっき液供給口１８６ａに接続されている。これにより、オーバーフロー槽２００内に溜まっためっき液Ｑは、ポンプ２０２の駆動に伴ってめっき槽１８６内に還流される。循環配管２０４には、ポンプ２０２の下流側に位置して、めっき液Ｑの温度を調節する恒温ユニット２０６と、めっき液内の異物をフィルタリング（除去）するフィルタ２０８が介装されている。

更に、めっき槽１８６の底部には、内部に多数のめっき液流通口を有する底板２１０が配置されている。これによって、めっき槽１８６の内部は、上方の基板処理室２１４と下方のめっき液分散室２１２に区画されている。更に、底板２１０には、下方に垂下する遮蔽板２１６が取付けられている。

これによって、この例のめっき装置１７０では、めっき液Ｑは、ポンプ２０２の駆動に伴ってめっき槽１８６のめっき液分散室２１２に導入され、底板２１０に設けられた多数のめっき液流通口を通過して基板処理室２１４内に流入し、基板ホルダ１６０で保持された基板Ｗの表面に対して略平行に上方に向けて流れてオーバーフロー槽２００内に流出する。

めっき槽１８６の内部には、基板Ｗの形状に沿った円板状のアノード２２０がアノードホルダ２２２に保持されて垂直に設置されている。このアノードホルダ２２２で保持されたアノード２２０は、めっき槽１８６内にめっき液Ｑを満たした時にめっき槽１８６内のめっき液Ｑ中に浸漬され、基板ホルダ１６０で保持してめっき槽１８６内に配置される基板Ｗと対面する。アノード２２０は、この例では、スライムの生成を抑制するため、含有量が０．０３〜０．０５％のリンを含む銅（含リン銅）で構成されている。

更に、めっき槽１８６の内部には、アノード２２０とめっき槽１８６内に配置される基板ホルダ１６０との間に位置して、めっき槽１８６内の電位分布を調整する調整板（レギュレーションプレート）２２４が配置されている。調整板２２４は、この例では、筒状部２２６と矩形状のフランジ部２２８からなり、材質として、誘電体である塩化ビニールを用いている。筒状部２２６は、電場の拡がりを十分制限できるような開口の大きさ、及び軸心に沿った長さを有している。調整板２２４のフランジ部２２８の下端は、底板２１０に達している。

めっき槽１８６の内部には、めっき槽１８６内に配置される基板ホルダ１６０と調整板２２４との間に位置して、鉛直方向に延び、基板Ｗと平行に往復運動して、基板ホルダ１６０と調整板２２４との間のめっき液Ｑを攪拌する攪拌具としての攪拌パドル２３２が配置されている。めっき中にめっき液Ｑを攪拌パドル（攪拌具）２３２で攪拌することで、十分な銅イオンを基板Ｗの表面に均一に供給することができる。

攪拌パドル２３２は、図８及び図９に示すように、板厚ｔが３〜５ｍｍの一定の厚みを有する矩形板状部材で構成され、内部に複数の長穴２３２ａを平行に設けることで、鉛直方向に延びる複数の格子部２３２ｂを有するように構成されている。攪拌パドル２３２の材質は、例えばＰＶＣ、ＰＰまたはＰＴＦＥなどの樹脂、またはＳＵＳやチタンをフッ素樹脂などで被覆したものであり、少なくともめっき液と接触する部分を電気的絶縁状態にすることが望ましい。攪拌パドル２３２の垂直方向の長さＬ_１及び長孔２３２ａの長さ方向の寸法Ｌ_２は、基板Ｗの垂直方向の寸法よりも十分に大きくなるように設定されている。また、攪拌パドル２３２の横方向の長さＨは、攪拌パドル２３２の往復運動の振幅（ストローク）と合わせた長さが基板Ｗの横方向の寸法よりも十分に大きくなるように設定されている。

長穴２３２ａの幅及び数は、長穴２３２ａと長孔２３２ａの間の格子部２３２ｂが効率良くめっき液を攪拌し、長穴２３２ａをめっき液が効率良く通り抜けるように、格子部２３２ｂが必要な剛性を有する範囲で格子部２３２ｂが可能な限り細くなるように決めることが好ましい。

めっき装置１７０には、めっき時に陽極が導線を介してアノード２２０に、陰極が導線を介して基板Ｗの表面にそれぞれ接続されるめっき電源２５０が備えられている。このめっき電源２５０は、制御部２５２に接続され、この制御部２５０からの信号に基づいて制御される。

次に、図２に示すめっき処理設備を使用し、基板Ｗの表面に電気銅めっきを行って、図１（ｂ）に示すように、基材１０の表面に設けたビア１２の内部に銅からなるめっき金属１８を埋込むようにした一連に処理について説明する。

先ず、基板Ｗをその表面（被めっき面）を上にした状態で基板カセットに収容し、この基板カセットをロード・アンロードポート１２０に搭載する。このロード・アンロードポート１２０に搭載した基板カセットから、第１搬送ロボット１２８で基板Ｗを１枚取出し、アライナ１２２に載せて基板Ｗのオリフラやノッチなどの位置を所定の方向に合わせる。一方、基板脱着台１６２にあっては、ストッカ１６４内に鉛直姿勢で保管されていた基板ホルダ１６０を第２搬送ロボット１７４ａで取出し、これを９０゜回転させた水平状態にして基板脱着台１６２に２個並列に載置する。

そして、アライナ１２２に載せてオリフラやノッチなどの位置を所定の方向に合わせた基板Ｗを第１搬送ロボット１２８で搬送し、基板脱着台１６２に載置された基板ホルダ１６０に周縁部をシールして装着する。そして、この基板Ｗを装着した基板ホルダ１６０を第２搬送ロボット１７４ａで２基同時に把持し、上昇させた後、ストッカ１６４まで搬送し、９０゜回転させて基板ホルダ１６０を垂直な状態となし、しかる後、下降させ、これによって、２基の基板ホルダ１６０をストッカ１６４に吊下げ保持（仮置き）する。これを順次繰返して、ストッカ１６４内に収容された基板ホルダ１６０に順次基板を装着し、ストッカ１６４の所定の位置に順次吊り下げ保持（仮置き）する。

一方、第２搬送ロボット１７４ｂにあっては、基板を装着しストッカ１６４に仮置きした基板ホルダ１６０を２基同時に把持し、上昇させた後、前処理装置１２６に搬送する。そして、この前処理装置１２６で、前処理槽１２７内に入れた純水（ＤＩＷ）等の前処理液に基板Ｗを浸漬させて前処理（プリウェット処理）を施す。このとき使用する前処理液としての純水は、純水中の溶存酸素濃度を真空脱気装置や不活性ガスの導入により制御し、好ましくは２ｍｇ／Ｌ以下とする。

なお、硫酸銅めっき液を使用しためっきにおいては、添加剤の安定化のためにめっき中にエアレーション処理を行うが、ここに掲げた前処理を行わずにめっき液に基板を浸漬させると、めっき液中の溶存酸素濃度が高いため、ビア内部の気泡が抜け切れずめっき欠けを生じることがある。このような問題は、本願で対象とするようなアスペクトの非常に高いビアの埋め込みの場合に特に問題となるが、ここで述べたように脱気純水で前処理を行うと、アスペクトの高いビアの内部に残った気泡までもが純水に溶解してビア内部全体が水にぬれた状態になり、めっき液に浸漬してもビア内部にめっき液が容易に進入し欠けを生じることなく埋め込みを完了することが出来る。

次に、この基板を装着した基板ホルダ１６０を、前記と同様にして、活性化処理装置１６６に搬送し、活性化処理槽１８３に入れた硫酸や塩酸などの無機酸またはクエン酸やシュウ酸などの有機酸溶液に基板を浸漬させてシード層表面の電気抵抗の大きい酸化膜をエッチングし、清浄な金属面を露出させる。このときに使用する酸溶液は前記前処理用の純水と同様に酸溶液中の溶存酸素濃度を制御することができる。更に、この基板を装着した基板ホルダ１６０を、前記と同様にして、第１水洗装置１６８ａに搬送し、この水洗槽１８４ａに入れた純水で基板の表面を水洗する。

水洗が終了した基板Ｗを装着した基板ホルダ１６０を、前記と同様にしてめっき装置１７０のめっき槽１８６の上方に搬送する。めっき槽１８６にあっては、この内部に所定の組成を有する所定量のめっき液Ｑを満たし循環させておく。高いアスペクトのビアの埋込みに使用されるめっき液は、ビア内部への金属イオンの供給を考慮して、金属イオン濃度を出来るだけ高くする必要がある。硫酸銅めっき液の場合であれば、硫酸濃度として約５０ｇ／ｌ、硫酸銅（水和物）として約２５０ｇ／ｌ、ｐＨ１程度のものが適切である。また、めっき中のめっき液温度としては、２０〜４０℃でよい。

そして、基板ホルダ１６０を下降させ、基板ホルダ１６０で保持した基板Ｗをめっき槽１８６内のめっき液Ｑに浸漬させてアノードホルダ２２２で保持したアノード２２０に対面させる。

次に、めっき電源２５０の陽極をアノード２２０に、陰極を基板Ｗの銅シード層１６（図１（ｂ）参照）にそれぞれ接続し、アノード２２０と銅シード層１６との間に図１０に示すめっき電流が流れるように、制御部２５２によってめっき電源２５０を制御することで、銅シード層１６の表面にめっき金属（銅）１８を析出させ、これによって、ビア１２の内部にめっき金属１８を埋込む。

図１０は、本発明の実施形態における、アノード２２０と基板Ｗの銅シード層１６との間を流れるめっき電流と時間との関係を示すグラフである。この図１０に示す例では、アノード２２０と基板Ｗの銅シード層１６との間をそれぞれ異なるパターンのめっき電流が流れるようにした、時間Ｔ_１に亘る初期めっき、時間Ｔ_２に亘る中期めっき、及び時間Ｔ_３に亘る後期めっきを連続して行うようにしている。

つまり、時間Ｔ_１に亘る初期めっきでは、電流値Ａ_１のめっき電流を連続して供給する供給時間Ｓ_１とめっき電流の供給を停止する停止時間Ｃ_１の合計をめっき電流供給ピッチＰ_１として、このめっき電流供給ピッチＰ_１を複数回Ｌ_１に亘って断続的に繰返す（Ｔ_１＝Ｐ_１×Ｌ_１）ようにしている。時間Ｔ_２に亘る中期めっきでは、電流値Ａ_１のめっき電流を連続して供給する供給時間Ｓ_２とめっき電流の供給を停止する停止時間Ｃ_２の合計をめっき電流供給ピッチＰ_２として、このめっき電流供給ピッチＰ_２を複数回Ｍ_１に亘って断続的に繰返す（Ｔ_２＝Ｐ_２×Ｍ_１）ようにしている。時間Ｔ_３に亘る後期めっきでは、電流値Ａ_１のめっき電流を連続して供給する供給時間Ｓ_３とめっき電流の供給を停止する停止時間Ｃ_３の合計をめっき電流供給ピッチＰ_３として、このめっき電流供給ピッチＰ_３を複数回Ｎ_１に亘って断続的に繰返す（Ｔ_３＝Ｐ_３×Ｎ_１）ようにしている。

ここで、初期めっきにおけるめっき電流供給時間Ｓ_１、中期めっきにおけるめっき電流供給時間Ｓ_２及び後期めっきにおけるめっき電流供給時間Ｓ_３は、全て等しく（Ｓ_１＝Ｓ_２＝Ｓ_３）設定され、初期めっきにおけるめっき電流供給停止時間Ｃ_１、中期めっきにおけるめっき電流供給停止時間Ｃ_２及び後期めっきにおけるめっき電流供給停止時間Ｃ_３は、段階的に小さくなる（Ｃ_１＞Ｃ_２＞Ｃ_３）ように設定されている。これによって、初期めっきにおけるめっき電流供給ピッチＰ_１、中期めっきにおけるめっき電流供給ピッチＰ_２及び後期めっきにおけるめっき電流供給ピッチＰ_３は、段階的に小さくなる（Ｐ_１＞Ｐ_２＞Ｐ_３）。

このように、アノード２２０と基板Ｗの銅シード層１６との間にめっき電流を断続的に供給しながら電気めっきを行うと、めっき電流の供給を停止する停止時間に、イオン濃度勾配を利用した、めっき液の沖合からのイオン拡散現象により、基板Ｗ近傍の金属イオン濃度の低下は回復し、ビア１２の底部でのイオン拡散による金属イオン供給不足も解消される。このため、ビア１２の内部に十分な金属イオンを供給して、めっき液に含まれる添加剤によるボトムアップ成長を促進させながら、均一な膜厚のめっき金属（めっき膜）１８を形成することができる。

また、初期めっき、中期めっき及び後期めっきを通じて、一定の電流値Ａ_１のめっき電流がアノード２２０と銅シード層１６との間を流れる。めっき液に含まれる添加剤の消耗は、アノード電流密度によって影響を受けるが、この例では、アノード２２０での電流密度を添加剤の消耗を考慮した適正な範囲に維持しながら、めっき電流の供給と停止時間の割合を調節することにより、銅シード層（カソード）１６の平均電流密度を低く抑えるようにすることで、めっき金属１８の内部にボイドが発生することを防止しながら、良好な埋込みを行うことが容易となる。

特開２００３−３１８５４４公報に開示されているような電流密度を段階的に増加させていく方法では、初期めっきにおいて特に電流密度を低く設定することが必要であり、このような場合、アノード２２０での電流密度が適正な範囲を外れ、添加剤の消耗が進む場合がある。

同様に、アノードとして０．０３〜０．０５重量％のリンを含む含リン銅を用いる場合には、電流密度が極端に低くなると表面皮膜が剥離してスライムが発生し、それが基板に付着することでめっきの異常成長を起こすなど様々な問題を生じる。この点からも電流を印加する場合には、ある程度の電流値で供給する必要があり、段階的に電流を上昇させる方法ではこのような課題に対応することが困難である。

電気めっきの進行に伴って、ビア１２内にめっき金属１８が徐々に埋込まれると、めっき金属１８が埋込まれていないビア１２の未充填部の深さが徐々に浅くアスペクト比も徐々に小さくなる。ここに、アスペクト比が小さい程、安定したボトムアップ成長を伴う埋込みめっきが可能となる。そこで、めっき金属の埋込み状態の変化、すなわちビアの未充填部におけるアスペクト比の変化に合わせて、金属イオンをビア底部等に供給するためのめっき電流の停止時間を、めっきの進行に伴って段階的に短くすることで、ビア１２内へのめっき金属１８の埋込みを効率的に行うことができる。

この電気めっき時に、必要に応じて、攪拌パドル２３２を基板Ｗと平行に往復運動させて、調整板２２４と基板Ｗとの間のめっき液Ｑを攪拌パドル２３２で攪拌する。ここで用いる攪拌パドルは、基板面に対して平行に往復運動して、基板面に対して平行なめっき液流を発生させるものであり、ビア内部での流速に比較して基板表面での流速を極めて高くすることが出来る（"Copper Electroplating Process for Via Filling in 3D packaging," Advanced Mettallization Conference 2009, 19th Asian Session, P96-97, 2009.あるいは"Erectroplating Copper Filling for 3D Packaging," 59th Electronic Components & Technology Conference, P648-653, 2009.を参照）。このため電流休止中のめっき液によるエッチング作用が基板表面にのみ働き、基板表面の不要なめっき膜を溶解するとともに、めっき液−基板界面でのめっき金属濃度を高めることが出来るので、休止時間を短縮することも出来る。

なお、十分な攪拌効果をもたらすためには、パドルの攪拌移動速度の平均値は、７０〜１００ｃｍ／ｓｅｃにすることが望ましい。例えば、パドルを２５０ｒｐｍで動かすことにより、移動速度の平均を約８３ｃｍ／ｓｅｃとするのが良い。さらにここで提案している攪拌パドルによる攪拌は、パドルの往復運動が基板の外側にまで及ぶよう設計されているため、基板表面で均一な溶解を生じ、めっき液−基板界面でのめっき金属濃度を均一化させることができる。

また、調整板によって電位分布を調整し、基板表面でのめっき膜厚を均一化しているが、これを用いないと、電気接点に近い基板外周部のめっき膜厚が相対的に厚くなり、基板中央部分のめっき膜厚が相対的に薄くなる。そのような状態では、初期の電流休止中のエッチング作用により中央部分に析出しためっきがシードとともに溶解してしまう恐れがある。従って、めっき中に供給する電流をＯｎ−Ｏｆｆするような場合には、調整板による電位分布の均一化は必須である。

そして、めっき終了後、アノード２２０と基板Ｗの銅シード層１６との間の電圧の印加を解き、基板を装着した基板ホルダ１６０を第２搬送ロボット１７４ｂで再度保持してめっき槽１８６から引き上げる。

そして、前述と同様にして、基板ホルダ１６０を第２水洗装置１６８ｂまで搬送し、この水洗槽１８４ｂに入れた純水に浸漬させて基板の表面を純水洗浄する。しかる後、この基板を装着した基板ホルダ１６０を、前記と同様にして、ブロー装置１７２に搬送し、ここで、不活性ガスやエアーを基板に向けて吹き付けて、基板ホルダ１６０に付着しためっき液や水滴を除去する。しかる後、この基板を装着した基板ホルダ１６０を、前記と同様にして、ストッカ１６４の所定の位置に戻して吊下げ保持する。

第２搬送ロボット１７４ｂは、上記作業を順次繰り返し、めっきが終了した基板を装着した基板ホルダ１６０を順次ストッカ１６４の所定の位置に戻して吊下げ保持する。一方、第２搬送ロボット１７４ａにあっては、めっき処理後の基板を装着しストッカ１６４に戻した基板ホルダ１６０を２基同時に把持し、前記と同様にして、基板脱着台１６２上に載置する。

そして、清浄空間１１４内に配置された第１搬送ロボット１２８は、この基板脱着台１６２上に載置された基板ホルダ１６０から基板を取出し、いずれかの洗浄・乾燥装置１２４に搬送する。そして、この洗浄・乾燥装置１２４で、表面を上向きにして水平に保持した基板を、純水等で洗浄し、高速回転させてスピン乾燥させた後、この基板を第１搬送ロボット１２８でロード・アンロードポート１２０に搭載した基板カセットに戻して、一連のめっき処理を完了する。

図１１は、本発明の他の実施形態における、アノード２２０と基板Ｗの銅シード層１６との間を流れるめっき電流と時間との関係を示すグラフである。この図１１に示す例では、アノード２２０と基板Ｗの銅シード層１６との間をそれぞれ異なるパターンのめっき電流が流れるようにした、時間Ｔ_４に亘る初期めっき、時間Ｔ_５に亘る中期めっき、及び時間Ｔ_６に亘る後期めっきを連続して行うようにしている。

つまり、時間Ｔ_４に亘る初期めっきでは、電流値Ａ_２のめっき電流を連続して供給する供給時間Ｓ_４とめっき電流の供給を停止する停止時間Ｃ_４の合計をめっき電流供給ピッチＰ_４として、このめっき電流供給ピッチＰ_４を複数回Ｌ_２に亘って断続的に繰返す（Ｔ_４＝Ｐ_４×Ｌ_２）ようにしている。時間Ｔ_５に亘る中期めっきでは、電流値Ａ_２のめっき電流を連続して供給する供給時間Ｓ_５とめっき電流の供給を停止する停止時間Ｃ_５の合計をめっき電流供給ピッチＰ_５として、このめっき電流供給ピッチＰ_５を複数回Ｍ_２に亘って断続的に繰返す（Ｔ_５＝Ｐ_５×Ｍ_２）ようにしている。時間Ｔ_６に亘る後期めっきでは、電流値Ａ_２のめっき電流を連続して供給する供給時間Ｓ_６とめっき電流の供給を停止する停止時間Ｃ_６の合計をめっき電流供給ピッチＰ_６として、このめっき電流供給ピッチＰ_６を複数回Ｎ_２に亘って断続的に繰返す（Ｔ_６＝Ｐ_６×Ｎ_２）ようにしている。

ここで、初期めっきにおけるめっき電流供給ピッチＰ_４、中期めっきにおけるめっき電流供給ピッチＰ_５及び後期めっきにおけるめっき電流供給ピッチＰ_６は、全て等しく（Ｐ_４＝Ｐ_５＝Ｐ_６）設定され、初期めっきにおけるめっき電流供給時間Ｓ_４、中期めっきにおけるめっき電流供給時間Ｓ_５及び後期めっきにおけるめっき電流供給時間Ｓ_６は、段階的に大きくなる（Ｓ_４＜Ｓ_５＜Ｓ_６）ように設定されている。これによって、初期めっきにおけるめっき電流供給停止時間Ｃ_４、中期めっきにおけるめっき電流供給停止時間Ｃ_５及び後期めっきにおけるめっき電流供給停止時間Ｃ_６は、段階的に小さくなる（Ｃ_４＞Ｃ_５＞Ｃ_６）。

このように、めっきの進行に伴って、めっき電流供給時間が段階的に大きくなり、めっき電流供給停止時間が段階的に小さくなるようにしても、アスペスト比が高く、埋込み深さの深いビアの内部に、ボトムアップ成長を促進させながら、内部にボイド等の欠陥を生じさせることなく、銅等のめっき金属を確実に効率よく埋込むことができる。

上記の各例では、めっき電流供給パターンのそれぞれ異なる、初期めっき、中期めっき及び後期めっきの３段階のめっきを連続して行うようにしているが、めっき電流供給パターンの異なる２段階のめっきを連続して行うようにしても良く、まためっき電流供給パターンのそれぞれ異なる４段階以上のめっきを連続して行うようにしても良い。

電流密度を１ＡＳＤとし、電流供給時間を２０ｍｓｅｃ、電流供給停止時間を４８ｍｓｅｃとした第１のめっきを２０ｍｉｎ、電流密度を１ＡＳＤとし、電流供給時間を４０ｍｓｅｃ、電流供給停止時間を２８ｍｓｅｃとした第２のめっきを２０ｍｉｎ行って、径５μｍ、深さ５０μｍのビアを合計４０ｍｉｎでボイドなく埋めることができたことが確かめられている。

図１０に示す例においては、めっき電流供給時間を一定にしたまま、めっき電流供給停止時間を段階的に減少させるようにしており、図１１に示す例においては、めっき電流供給ピッチを一定にしたまま、めっき電流供給時間を段階的に増加させるようにしているが、例えば図１０に示す例において、めっき電流供給停止時間を徐々に減少させるようにしても良く、また図１１に示す例において、めっき電流供給時間を段階的に増加させるようにしてもよい。

なお、めっき面積に占めるビア面積の総計でみたビア密度は多くても１０％以下、通常は５％以下であるが、密度が増えるほどビア内部に供給すべき金属イオンの量が増えるので、本発明の効果が顕著となる。

また、アスペクト比が高くなるほどビア側壁でのシード層が不完全になるなどめっき成膜にとって不十分な状態になりがちであるが、ビア密度が高くなるとそれによるめっき欠陥の発生確率が高まり、段階的に電流を上げていくやり方では初期の電流をより低くしてシードが不完全な部分も含めてめっき膜が成長するようにする必要がある。そのことによって、先に記したような様々な問題がより発生しやすくなるが、本発明のめっき方法によれば、添加剤が所定の効果を発揮するようにめっき中の電流密度を一定としているので、そのような問題が発生することも無い。なお、一定の電流密度とは変動範囲±１０％程度の範囲を含むものである。

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いうまでもない。例えば、上記例では、電流値を一定としためっき電流を、供給と停止とを断続的に繰返しながら、めっき電流が流れる時間の占める割合がめっきの進行に伴って段階的に変化させるようにしているが、たとえ電流値が一定でない場合であっても、上述したような添加剤の消耗やアノードからのスライム発生の問題が生じない範囲であれば、本願の技術的思想の範囲内において実施されてよい。

１２ ビア
１４ バリア層
１６ 銅シード層
１８ めっき金属
２０ 補助金属層
１２４ 洗浄・乾燥装置
１２６ 前処理装置
１６０ 基板ホルダ
１６４ ストッカ
１６６ 活性化処理装置
１６８ａ，１６８ｂ 水洗装置
１７０ めっき装置
１７２ ブロー装置
１８６ めっき槽
２２０ アノード
２２４ 調整板
２３２ 攪拌パドル（攪拌具）
２５０ めっき電源
２５２ 制御部

Claims (6)

1. ビアが形成された基板の表面とアノードとを互いに対向させつつ、めっき槽内のめっき液中に基板とアノードとを浸漬させて配置し、
   前記基板と前記アノードとの間に、電流値を一定としためっき電流を、供給と停止とを断続的に繰返しながら、めっき電流が流れる時間の占める割合がめっきの進行に伴って大きくなるように変化させて、前記ビア内にめっき金属を埋込むことを特徴とする電気めっき方法。
2. めっき電流の供給を断続的に停止する停止時間をめっきの進行に伴って短くさせながら、前記基板と前記アノードとの間にめっき電流を流すことを特徴とする請求項１記載の電気めっき方法。
3. めっき電流を供給する供給時間を一定にして、前記基板と前記アノードとの間にめっき電流を流すことを特徴とする請求項１記載の電気めっき方法。
4. めっき電流を連続して供給する供給時間をめっきの進行に伴って長くさせながら、前記基板と前記アノードとの間にめっき電流を流すことを特徴とする請求項１記載の電気めっき方法。
5. めっき電流の供給を断続的に停止する停止時間を一定にして、前記基板と前記アノードとの間にめっき電流を流すことを特徴とする請求項４記載の電気めっき方法。
6. めっき電流の供給と停止とを断続的に繰返すめっき電流供給ピッチを一定にして、前記基板と前記アノードとの間にめっき電流を流すことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の電気めっき方法。

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