JP6067793B2 - めっき方法およびめっき装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体デバイスの配線形成技術に関し、特にウェハ等の基板の表面に形成されたビアホールの内部に、銅等の金属を充填するめっき方法およびめっき装置に関する。
半導体デバイスの配線形成技術において、銅めっきプロセスが広く採用されている。半導体デバイスの高集積化が進むにつれて回路の配線が微細化し、二次元方向における微細化レベルは限界に近づきつつある。そこで、デバイス性能をさらに向上させる技術として、ＴＳＶ（through silicon via）技術が期待されている。このＴＳＶ技術は、ビアホール内に銅等の導電材料を埋め込んで貫通電極を形成し、この貫通電極を介して半導体チップ同士を接続する三次元積層技術である。
ビアホールの内部に空隙（いわゆるボイド）を形成することなく金属を埋め込むための重要なポイントは、基板のフィールド部表面における金属の析出を抑制しつつ、ビアホールの底部における金属の析出を促進させることである。そこで、めっき液には、金属の析出を促進する促進剤、および金属の析出を抑制するサプレッサ（例えばＰＥＧ（ポリエチレングリコール））やレベラ（平滑化剤）などの抑制成分含有剤が一般に添加されている。特に、５０μｍ〜２００μｍの深さを有するビアホールの内部に銅を埋め込むためには、抑制作用の非常に強い抑制成分含有剤を使用しなければならない。これら促進剤および抑制成分含有剤は総称して添加剤と呼ばれる。
ボイドを形成することなくビアホール内を金属で充填させるためには、めっき中における添加剤の濃度管理が重要である。添加剤の濃度分析には、ＣＶＳ（Cyclic Voltammetric Stripping）技術が従来から使用されている。しかしながら、めっき液中の添加剤はめっきの進行に伴って副生成物を生じ、この副生成物は濃度分析結果に悪影響を及ぼすことがある。その結果、添加剤の濃度が正しく管理されず、金属内にボイドが形成されてしまうことがある。さらに、添加剤の作用によって、めっきされた銅の結晶粒径や配向性などの膜質が変化するため、添加剤の適正な濃度管理が行われないと基板ごとに膜質がばらついてしまうおそれがある。特に、抑制作用の非常に強い抑制成分含有剤を使用した場合には、ＣＶＳ技術で抑制成分含有剤の濃度を適切に測定することは副生成物が分析に影響を与えるために困難である。
ビアホール内に金属を早く充填することを目的として、基板のめっき中に基板上での電流密度を上昇させることが従来から行われている。ボイドを防ぎつつビアホール内に金属を早く充填するためには、ビアホールの大部分に金属が埋め込まれたときに、電流密度を上昇させることが必要である。しかしながら、従来ではめっきの進捗はめっき時間によって判断されているために、ビアホール内での金属の充填率を正確に決定することが難しい。結果として、適切なタイミングで電流密度を上昇させることができないことがあった。電流密度を上昇させるタイミングが早すぎると、ビアホール内にボイドが形成されてしまい、逆に電流密度を上昇させるタイミングが遅すぎると、めっきに要する時間を短縮することができない。
通常、めっきの終点はめっき時間のみによって管理されている。しかしながら、めっきの進捗の仕方はめっきプロセスごとに異なるため、めっきの終点をめっき時間のみによって管理すると、めっき不足またはめっき過剰となることがあった。
特開２００６−３１７１９７号公報
本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたもので、基板のめっきの進捗を正確に決定し、めっき時間を短縮することができるめっき方法およびめっき装置を提供することを第１の目的とする。
さらに本発明は、めっきの終点を正確に決定することができるめっき方法およびめっき装置を提供することを第２の目的とする。
第１の態様は、アノードと、表面にビアホールが形成された基板とを、金属の析出を抑制する抑制成分含有剤を含むめっき液中に互いに対向させて配置し、前記アノードと前記基板との間に電圧を印加して前記ビアホール内に金属を充填し、前記基板に印加される電圧を測定し、所定時間当たりの電圧の変化量を計算し、前記電圧の変化量が所定の変動幅を越えて増加したときに前記基板上での電流密度を増加させることを特徴とするめっき方法である。
第１の参考例は、アノードと、表面にビアホールが形成された基板とを、金属の析出を抑制する抑制成分含有剤を含むめっき液中に互いに対向させて配置し、前記アノードと前記基板との間に電圧を印加して前記ビアホール内に金属を充填し、前記基板に印加される電圧を測定し、所定時間当たりの電圧の変化量を計算し、前記電圧の変化量が所定の変動幅を越えて減少したときに前記電圧の印加を停止させることを特徴とするめっき方法である。
第２の参考例は、アノードと、表面にビアホールが形成された基板とを、金属の析出を抑制する抑制成分含有剤を含むめっき液中に互いに対向させて配置し、前記アノードと前記基板との間に電圧を印加して前記ビアホール内に金属を充填し、前記基板に印加される電圧を測定し、所定時間当たりの電圧の変化量を計算し、前記電圧の変化量が所定の第１のしきい値を上回った時点を決定し、その後、前記電圧の変化量が所定の第２のしきい値を下回った時点から、予め設定された時間が経過したときに前記電圧の印加を停止させることを特徴とするめっき方法である。
第２の態様は、アノードと、表面にビアホールが形成された基板とを、金属の析出を抑制する抑制成分含有剤を含むめっき液中に互いに対向させて配置し、前記アノードと前記基板との間に電圧を印加して、第１の電流密度で前記ビアホールの底部から上方に向かって金属を析出させる第１のめっき工程を行い、前記基板に印加される電圧を測定し、所定時間当たりの電圧の変化量を計算し、前記電圧の変化量が所定の変動幅を越えて増加した時点で、前記アノードと前記基板との間に印加される電圧を増加させて、前記第１の電流密度よりも高い第２の電流密度で前記ビアホール内に金属を充填する第２のめっき工程を行うことを特徴とするめっき方法である。
第３の態様は、金属の析出を抑制する抑制成分含有剤を含むめっき液を保持するためのめっき槽と、表面にビアホールが形成された基板を保持する基板ホルダと、前記基板ホルダに保持された前記基板に対向するように配置されたアノードと、前記基板と前記アノードとの間に電圧を印加する電源と、前記基板に印加される電圧を測定する電圧測定器と、所定時間当たりの電圧の変化量を計算し、前記電圧の変化量が所定の変動幅を越えて増加したときに前記電源に指令を出して前記電圧を増加させて前記基板上での電流密度を上昇させるめっき制御部とを備えたことを特徴とするめっき装置である。
第３の参考例は、金属の析出を抑制する抑制成分含有剤を含むめっき液を保持するためのめっき槽と、表面にビアホールが形成された基板を保持する基板ホルダと、前記基板ホルダに保持された前記基板に対向するように配置されたアノードと、前記基板と前記アノードとの間に電圧を印加する電源と、前記基板に印加される電圧を測定する電圧測定器と、所定時間当たりの電圧の変化量を計算し、前記電圧の変化量が所定の変動幅を越えて減少したときに前記電源に指令を出して前記電圧の印加を停止させるめっき制御部とを備えたことを特徴とするめっき装置である。
第４の参考例は、金属の析出を抑制する抑制成分含有剤を含むめっき液を保持するためのめっき槽と、表面にビアホールが形成された基板を保持する基板ホルダと、前記基板ホルダに保持された前記基板に対向するように配置されたアノードと、前記基板と前記アノードとの間に電圧を印加する電源と、前記基板に印加される電圧を測定する電圧測定器と、前記電圧の測定値に基づいて、所定時間当たりの電圧の変化量を計算するめっき制御部とを備え、前記めっき制御部は、前記電圧の変化量が所定の第１のしきい値を上回った時点を決定し、その後、前記電圧の変化量が所定の第２のしきい値を下回った時点から、予め設定された時間が経過したときに前記電源に指令を出して前記電圧の印加を停止させることを特徴とするめっき装置である。
第４の態様は、金属の析出を抑制する抑制成分含有剤を含むめっき液を保持するためのめっき槽と、表面にビアホールが形成された基板を保持する基板ホルダと、前記基板ホルダに保持された前記基板に対向するように配置されたアノードと、前記基板と前記アノードとの間に電圧を印加する電源と、前記基板に印加される電圧を測定する電圧測定器と、前記電圧の測定値に基づいて、所定時間当たりの電圧の変化量を計算するめっき制御部とを備え、前記めっき制御部は、前記電源に指令を出して前記基板と前記アノードとの間に電圧を印加させ、第１の電流密度で前記ビアホールの底部から上方に向かって金属を析出させ、前記電圧の変化量が所定の変動幅を越えて増加した時点で、前記電源に指令を出して前記基板と前記アノードとの間に印加される電圧を増加させて、前記第１の電流密度よりも高い第２の電流密度で前記ビアホール内に金属を充填することを特徴とするめっき装置である。
第５の参考例は、アノードと、表面にビアホールが形成された基板とを、添加剤を含むめっき液中に互いに対向させて配置し、前記アノードと前記基板との間に電圧を印加して前記ビアホール内に金属を充填し、前記基板に印加される電圧を測定し、所定時間当たりの電圧の変化量を計算し、前記電圧の変化量が所定の管理範囲内に維持されるように、前記めっき液の前記添加剤の濃度を調整することを特徴とするめっき方法である。
なお、電圧の測定は、基板とアノードとの間の電圧を測定することに限られず、めっき液に浸漬された参照電極と基板との間の電圧を測定するなど、基板上の電位の変化を検出できる他の手段を用いてもよい。
第６の参考例は、基板をめっきするためのめっき槽から添加剤を含むめっき液を抜き出し、前記抜き出しためっき液中に第１の電極および第２の電極を浸漬させ、前記第１の電極および前記第２の電極の間に電圧を印加し、金属が析出している前記第２の電極に印加される電圧を測定し、所定時間当たりの電圧の変化量を計算し、前記電圧の変化量が所定の管理範囲内に維持されるように、前記めっき液の前記添加剤の濃度を調整することを特徴とするめっき方法である。
第７の参考例は、添加剤を含むめっき液を保持するためのめっき槽と、表面にビアホールが形成された基板を保持する基板ホルダと、前記基板ホルダに保持された前記基板に対向するように配置されたアノードと、前記基板と前記アノードとの間に電圧を印加する電源と、前記基板に印加される電圧を測定する電圧測定器と、前記電圧の測定値に基づいて、前記めっき液中の添加剤の濃度を制御するめっき制御部と、前記めっき制御部からの指令に従って、前記めっき液中の前記添加剤の濃度を調整する濃度調整部とを備え、前記めっき制御部は、所定時間当たりの電圧の変化量を計算し、前記電圧の変化量が所定の管理範囲内に維持されるように、前記濃度調整部に指令を出して該濃度調整部に前記めっき液の前記添加剤の濃度を調整させることを特徴とするめっき装置である。
第８の参考例は、添加剤を含むめっき液を保持するためのめっき槽と、表面にビアホールが形成された基板を保持する基板ホルダと、前記基板ホルダに保持された前記基板に対向するように配置されたアノードと、前記基板と前記アノードとの間に電圧を印加する第１の電源と、前記めっき液を分析するめっき液分析部と、前記めっき液中の前記添加剤の濃度を調整する濃度調整部とを備え、前記めっき液分析部は、前記めっき槽から抜き出しためっき液を貯留する分析槽と、前記分析槽内の前記めっき液に浸漬される第１の電極および第２の電極と、前記第１の電極および前記第２の電極の間に電圧を印加する第２の電源と、金属が析出される前記第２の電極に印加される電圧を測定する電圧測定器と、前記電圧の測定値に基づいて、前記めっき槽内の前記めっき液中の添加剤の濃度を制御するめっき制御部とを備え、前記めっき制御部は、所定時間当たりの電圧の変化量を計算し、前記電圧の変化量が所定の管理範囲内に維持されるように、前記濃度調整部に指令を出して該濃度調整部に前記めっき液の前記添加剤の濃度を調整させることを特徴とするめっき装置である。
基板とアノードとの間の電気抵抗は、金属膜の成長に従って変化する。これは、金属膜の厚さの変化および添加剤の金属膜への付着の仕方の変化によるものである。したがって、第１、第４、第５、第８の態様によれば、電圧の変化に基づいてめっきの進捗を正確に把握し、適正なタイミングで電流密度を上げることによってめっき時間を短縮することができる。
上述したように、基板とアノードとの間の電気抵抗は、金属膜の成長に従って変化する。第２、第３、第６、第７の態様によれば、電圧の変化に基づいてめっきの終点を正確に決定することができる。
所定時間あたりの電圧の変化量は、めっき液中の添加剤の濃度に依存して変わる。したがって、第１、第２、第３、第４の参考例によれば、電圧の変化量に基づいて添加剤の濃度を適正な範囲内に制御することができる。その結果、ボイドなどの欠陥を生じることなく、また、膜質が均一な基板を得ることができる。
図１は、めっき装置の一実施形態を示す概略図である。 図２は、基板ホルダを示す斜視図である。 図３は、図２に示す基板ホルダの平面図である。 図４は、図２に示す基板ホルダの右側面図である。 図５は、図４に示す記号Ａで囲まれた部分を示す拡大図である。 図６Ａは、基板のビアホール内に銅が充填される工程を示す図である。 図６Ｂは、基板のビアホール内に銅が充填される工程を示す図である。 図６Ｃは、基板のビアホール内に銅が充填される工程を示す図である。 図６Ｄは、基板のビアホール内に銅が充填される工程を示す図である。 図７は、図１に示すめっき装置の変形例を示す図である。 図８は、図１に示すめっき装置の他の変形例を示す図である。 図９は、電圧測定器によって測定された電圧の時間変化の一例を模式的に示すグラフである。 図１０は、電圧測定器によって測定された電圧の時間変化の他の例を模式的に示すグラフである。 図１１は、電圧測定器によって測定された電圧の時間変化のさらに他の例を模式的に示すグラフである。 図１２は、抑制成分含有剤の濃度によって異なる電圧の時間変化を示すグラフである。 図１３Ａは抑制成分含有剤の濃度によって変わる銅の析出状態を示す図である。 図１３Ｂは抑制成分含有剤の濃度によって変わる銅の析出状態を示す図である。 図１３Ｃは抑制成分含有剤の濃度によって変わる銅の析出状態を示す図である。 図１３Ｄは抑制成分含有剤の濃度によって変わる銅の析出状態を示す図である。 図１４は、基板をめっき処理した際の電圧の時間変化の一例を示すグラフである。 図１５は、めっき制御部の制御シーケンスの一例を示す図である。 図１６は、めっき装置の他の実施形態を示す概略図である。 図１７は、図１６に示すめっき装置の変形例を示す図である。 図１８は、図１６に示すめっき装置の他の変形例を示す図である。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１乃至図１８において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。なお、以下の実施形態では、基板の表面に形成されたビアホールの内部に銅を充填する例が示される。
図１は、めっき装置の一実施形態を示す概略図である。図１に示すように、めっき装置は、めっき槽１を備えており、めっき槽１は、めっき液を貯留する内槽７と、内槽７に隣接して配置されたオーバーフロー槽８とを備えている。内槽７の上端をオーバーフローしためっき液は、オーバーフロー槽８内に流入するようになっている。オーバーフロー槽８の底部には、めっき液を循環させるめっき液循環ライン１２の一端が接続され、他端は内槽７の底部に接続されている。オーバーフロー槽８内に流入しためっき液は、めっき液循環ライン１２を通って内槽７内に戻される。
さらに、めっき装置は、銅などの金属から構成されるアノード２を保持し、かつアノード２を内槽７内のめっき液に浸漬させるアノードホルダ３と、ウェハなどの基板Ｗを着脱自在に保持し、かつ基板Ｗを内槽７内のめっき液に浸漬させる基板ホルダ６とを備えている。アノード２および基板Ｗはめっき液中で互いに対向するように配置される。アノード２は、アノードホルダ３を介して電源１０の正極に接続され、基板Ｗの表面に形成されたシード層などの導電層は、基板ホルダ６を介して電源１０の負極に接続されている。
さらに、めっき装置は、内槽７内の基板ホルダ６に保持された基板Ｗの表面に近接してめっき液を攪拌する攪拌パドル１４と、基板Ｗ上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）１５とを備えている。調整板１５はめっき液中の電場を制限するための開口１５ａを有しており、攪拌パドル１４は、基板ホルダ６に保持された基板Ｗの表面近傍に配置されている。換言すれば、攪拌パドル１４は基板ホルダ６とアノードホルダ３との間に配置されている。攪拌パドル１４は、鉛直に配置されており、基板Ｗと平行に往復運動することでめっき液を攪拌し、基板Ｗのめっき中に、十分な金属イオンを基板Ｗの表面に均一に供給することができる。調整板１５は、攪拌パドル１４とアノードホルダ３との間に配置されている。
基板Ｗを保持する基板ホルダ６について説明する。基板ホルダ６は、図２乃至図５に示すように、矩形平板状の第１保持部材４０と、この第１保持部材４０にヒンジ４２を介して開閉自在に取付けられた第２保持部材４４とを有している。他の構成例として、第２保持部材４４を第１保持部材４０に対峙した位置に配置し、この第２保持部材４４を第１保持部材４０に向けて前進させ、また第１保持部材４０から離間させることによって第２保持部材４４を開閉するようにしてもよい。
第１保持部材４０は例えば塩化ビニル製である。第２保持部材４４は、基部４６と、リング状のシールホルダ４８とを有している。シールホルダ４８は例えば塩化ビニル製であり、下記の押えリング５０との滑りを良くしている。シールホルダ４８の上部には環状の基板側シール部材５２（図４および図５参照）が内方に突出して取付けられている。この基板側シール部材５２は、基板ホルダ６が基板Ｗを保持した時、基板Ｗの表面外周部に圧接して第２保持部材４４と基板Ｗとの隙間をシールするように構成されている。シールホルダ４８の第１保持部材４０と対向する面には、環状のホルダ側シール部材５８（図４および図５参照）が取付けられている。このホルダ側シール部材５８は、基板ホルダ６が基板Ｗを保持した時、第１保持部材４０に圧接して第１保持部材４０と第２保持部材４４との隙間をシールするように構成されている。ホルダ側シール部材５８は、基板側シール部材５２の外側に位置している。
図５に示すように、基板側シール部材５２は、シールホルダ４８と第１固定リング５４ａとの間に挟持されてシールホルダ４８に取付けられている。第１固定リング５４ａは、シールホルダ４８にねじ等の締結具５６ａを介して取付けられる。ホルダ側シール部材５８は、シールホルダ４８と第２固定リング５４ｂとの間に挟持されてシールホルダ４８に取付けられている。第２固定リング５４ｂは、シールホルダ４８にねじ等の締結具５６ｂを介して取付けられる。
シールホルダ４８の外周部には段部が設けられており、この段部には押えリング５０がスペーサ６０を介して回転自在に装着されている。押えリング５０は、第１固定リング５４ａの外周部によって脱出不能に装着されている。この押えリング５０は、酸やアルカリに対して耐食性に優れ、十分な剛性を有する材料から構成される。例えば、押えリング５０はチタンから構成される。スペーサ６０は、押えリング５０がスムーズに回転できるように、摩擦係数の低い材料、例えばＰＴＦＥから構成されている。
押えリング５０の外側には、複数のクランパ６２が押えリング５０の円周方向に沿って等間隔で配置されている。これらクランパ６２は第１保持部材４０に固定されている。各クランパ６２は、内方に突出する突出部を有する逆Ｌ字状の形状を有している。押えリング５０の外周面には、外方に突出する複数の突起部５０ｂが設けられている。これら突起部５０ｂは、クランパ６２の位置に対応する位置に配置されている。クランパ６２の内方突出部の下面および押えリング５０の突起部５０ｂの上面は、押えリング５０の回転方向に沿って互いに逆方向に傾斜する傾斜面となっている。押えリング５０の円周方向に沿った複数箇所（例えば３箇所）には、上方に突出する凸部５０ａが設けられている。回転ピン（図示せず）を回転させて凸部５０ａを横から押し回すことにより、押えリング５０を回転させることができる。
第２保持部材４４を開いた状態で、第１保持部材４０の中央部に基板Ｗが挿入され、ヒンジ４２を介して第２保持部材４４が閉じられる。押えリング５０を時計回りに回転させて、押えリング５０の突起部５０ｂをクランパ６２の内方突出部の内部に滑り込ませる。押えリング５０およびクランパ６２にそれぞれ設けられた傾斜面を介して、第１保持部材４０と第２保持部材４４とが互いに締め付けられると、第２保持部材４４は第１保持部材４０に固定される。押えリング５０を反時計回りに回転させて押えリング５０の突起部５０ｂをクランパ６２から外すことで、第２保持部材４４は第１保持部材４０から解放される。
第２保持部材４４が第１保持部材４０に固定された時、基板側シール部材５２の下方突出部は基板Ｗの表面外周部に圧接される。基板側シール部材５２は均一に基板Ｗに押圧され、これによって基板Ｗの表面外周部と第２保持部材４４との隙間をシールする。同様に、第２保持部材４４が第１保持部材４０に固定された時、ホルダ側シール部材５８の下方突出部は第１保持部材４０の表面に圧接される。ホルダ側シール部材５８は均一に第１保持部材４０に押圧され、これによって第１保持部材４０と第２保持部材４４との間の隙間をシールする。
図３に示すように、第１保持部材４０の端部には、一対の略Ｔ字型のホルダハンガ６４が設けられている。第１保持部材４０の上面には、基板Ｗの大きさにほぼ等しいリング状の突条部６６が形成されている。この突条部６６は、基板Ｗの周縁部に当接して該基板Ｗを支持する環状の支持面６８を有している。この突条部６６の円周方向に沿った所定位置に配置部７０が設けられている。
配置部７０内には複数（図示では１２個）の導電体（電気接点）７２がそれぞれ配置されている。これら導電体７２は、ホルダハンガ６４に設けられた接続端子７６から延びる複数の配線にそれぞれ接続されている。第１保持部材４０の支持面６８上に基板Ｗを載置した際、この導電体７２の端部が図５に示す電気接点７４の下部に弾性的に接触する。
導電体７２に電気的に接続される電気接点７４は、ねじ等の締結具７８によって第２保持部材４４のシールホルダ４８に固着されている。この電気接点７４は、板ばね形状に形成されている。電気接点７４は、基板側シール部材５２の外方に位置した、内方に板ばね状に突出する接点部を有している。電気接点７４はこの接点部において、容易に屈曲するようになっている。第１保持部材４０と第２保持部材４４で基板Ｗを保持した時に、電気接点７４の接点部が、第１保持部材４０の支持面６８上に支持された基板Ｗの外周面に弾性的に接触するように構成されている。
第２保持部材４４の開閉は、図示しないエアシリンダと第２保持部材４４の自重によって行われる。つまり、第１保持部材４０には通孔４０ａが設けられ、エアシリンダ（図示しない）のピストンロッドにより、通孔４０ａを通じて第２保持部材４４のシールホルダ４８を上方に押上げることで第２保持部材４４を開き、ピストンロッドを収縮させることで、第２保持部材４４をその自重で閉じるようになっている。
図６Ａ乃至図６Ｄは、基板Ｗに形成されたビアホール２０内に銅２２が充填される工程を示す図である。図６Ａに示すように、基板Ｗには、例えばビア径が１μｍから２０μｍで、深さが５０μｍから２００μｍのビアホール２０が形成されており、このビアホール２０の内面を含む基板Ｗの表面には電解めっきの給電層としての導電層２１が形成されている。攪拌パドル１４は基板Ｗの表面と平行に往復運動し、アノード２と基板Ｗとの間に存在するめっき液を攪拌している。この状態で、アノード２と導電層２１との間に電圧が印加され、基板Ｗのめっきが開始される。銅２２は一例であり、他の金属をビアホール２０に埋め込んでもよい。
めっき液に含まれる添加剤は銅２２の析出に影響を及ぼす。この添加剤は、銅２２の析出を促進する促進剤、および銅２２の析出を抑制するサプレッサやレベラ（すなわち平滑化剤）などの抑制成分含有剤を含んでいる。促進剤としては、例えば、ビス（３−スルホプロピル）ジスルフィド（ＳＰＳ）またはメルカプトプロパンスルホン酸ナトリウム（ＭＰＳ）などの硫黄系化合物が使用される。サプレッサとしては、例えばポリエチレングリコールなどの高分子界面活性剤が使用され、レベラとしては、例えばポリエチレンイミン（ＰＥＩ）、またはヤーヌスグリーンＢ（ＪＧＢ）などの窒素系化合物が使用される。めっき液は、硫酸銅液などのベース液に添加剤を添加することで生成される。
めっき液を攪拌しながら基板Ｗのめっきを行うと、めっき液の流れの速い基板Ｗのフィールド部２３およびビアホール２０の開口部付近では、抑制成分含有剤が作用して銅２２の析出が抑制される。これに対し、めっき液の流れの遅いビアホール２０の底部では、抑制成分含有剤の供給が少なく、促進剤が効果的に作用する。このように、めっき液の流れの速い領域で銅２２の析出が抑制され、めっき液の流れの遅い領域で銅２２の析出が促進されるのは、促進剤よりも分子量が大きい抑制成分含有剤が拡散によってビアホール２０の底部に到達しにくいためである。このため、図６Ｂに示すように、ビアホール２０の底部から上方に銅２２が優先的に析出する。その結果、図６Ｃに示すように、銅２２によるビアホール２０の入口の閉塞を防止しつつ、ビアホール２０に銅２２を埋め込むことが可能となる。
そして、図６Ｄに示すように、ビアホール２０内が完全に銅２２で埋まり、さらにフィールド部２３内の導電層２１上に所定膜厚の銅２２が析出すると、アノード２と基板Ｗとの間への電圧の印加を停止し、攪拌パドル１４の往復運動を停止してめっきを終了する。
添加剤を含んだめっき液を使用すると、主に、めっき処理量（めっきした基板の枚数）に伴って添加剤の濃度が変化する。図１に示すように、めっき装置は、基板Ｗとアノード２との間の電圧を測定する電圧測定器２４と、電圧の測定値に基づいてめっき液中の添加剤の濃度を制御するめっき制御部２５と、めっき制御部２５からの指令に従ってめっき液中の添加剤の濃度を調整する濃度調整部２８とを備える。電圧測定器２４は電源１０およびめっき制御部２５に接続されており、基板Ｗに印加される電圧の測定値、より具体的には基板Ｗとアノード２との間の電圧の測定値をめっき制御部２５に送るように構成されている。電圧測定器２４は、ｍＶまたはそれ以下のオーダーの細かい分解能を有しており、一枚の基板をめっきする間の電圧の微小な変化を検出することができる。
図７は図１に示すめっき装置の変形例を示す図である。図７に示すように、基板Ｗとアノード２との間の電圧を測定する代わりに、電圧を測定する際の電位の基準となる参照電極（基準電極）３０を内槽７内のめっき液に浸漬させ、この参照電極３０と基板Ｗとの間の電圧を測定してもよい。参照電極３０は、めっき液の攪拌やめっき液中の電場の制御の妨げにならないように基板Ｗの近傍に配置することが望ましい。図７の一点鎖線で示すように、参照電極３０および基板Ｗは電圧測定器２４に電気的に接続されている。このような構成により、参照電極３０と基板Ｗとの間の電圧を測定することができる。なお、電圧の測定方法は、基板Ｗとアノード２との間の電圧を測定する方法または基板Ｗと参照電極３０との間の電圧を測定する方法に限られず、基板Ｗの表面電位の変化を検出できる方法であれば他の手段を用いてもよい。
図８は図１に示すめっき装置の他の変形例を示す図である。図８において、図面を見やすくするために、めっき制御部２５および濃度調整部２８は省略されている。図８に示すように、めっき装置は、参照電極槽３１と、参照電極槽３１内の電解液および内槽７内のめっき液に浸漬される塩橋３２とをさらに備えている。電解液として、例えば、参照電極３０の内部液として使用される塩化カリウム（ＫＣｌ）水溶液または硫酸カリウム（Ｋ２ＳＯ４）水溶液等が使用される。参照電極３０は参照電極槽３１内の電解液中に浸漬される。図８の一点鎖線で示すように、参照電極３０および基板Ｗは電圧測定器２４に電気的に接続されている。
塩橋３２は、内槽７内のめっき液と参照電極槽３１内の電解液とを電気的に接続しつつ、電解液がめっき液に混入するのを防止する接続管である。塩橋３２は、参照電極槽３１内の電解液に浸漬される鉛直管３３と、内槽７内のめっき液に浸漬されるルギン細管３４と、これら鉛直管３３およびルギン細管３４を連結する連結管３５とから構成される。ルギン細管３４は、めっき液の攪拌やめっき液中の電場の制御の妨げにならないように基板Ｗの近傍に配置することが望ましい。ルギン細管３４の先端は細く、基板Ｗに向かって湾曲しているため、基板Ｗ近傍の電位を測定することができる。
めっき制御部２５は、電圧測定器２４から送られた電圧の測定値に基づいて、所定時間当たりの電圧の変化量を計算するように構成されている。濃度調整部２８は、めっき制御部２５に接続されており、めっき制御部２５からの指令に従ってめっき槽１内のめっき液の添加剤の濃度を調整するように構成されている。より具体的には、添加剤の濃度を高めるときは、濃度調整部２８は、オーバーフロー槽８からめっき液の一部を抜き出し、抜き出しためっき液または添加剤を含まない新たなめっき液に添加剤を追加して、添加剤を追加しためっき液をオーバーフロー槽８に戻す。または、内槽７に隣接するオーバーフロー槽８内に添加剤を追加してもよい。添加剤の濃度を低めるときは、濃度調整部２８は、オーバーフロー槽８からめっき液の一部を抜き出し、添加剤を含まない新たなめっき液をオーバーフロー槽８に追加する。このようなめっき液の濃度調整方法は、ブリード・アンド・フィード法としてよく知られている。添加剤の濃度を低めるために、ダミー電解を行ってもよい。
図９は電圧測定器２４によって測定された電圧の時間変化の一例を模式的に示すグラフ（電圧曲線）である。横軸は時間を示しており、縦軸は電圧を示している。基板Ｗはめっき液に浸漬される前に前処理され（プリウェット工程と呼ばれる）、ビアホール２０内が純水で満たされる。その後、基板Ｗはめっき液に浸漬される。アノード２と基板Ｗとの間に電圧を印加する前に、攪拌パドル１４によってアノード２と基板Ｗとの間のめっき液が攪拌される。この攪拌により、ビアホール２０内の純水がめっき液に置換される。電圧を印加する前にめっき液を攪拌する時間は無通電時間と呼ばれる。所定の無通電時間が経過した後、アノード２と基板Ｗとの間に電圧が印加され、基板Ｗのめっきが開始される（図９の時刻Ｔ１）。図９の時刻Ｔ１時における基板Ｗの状態は、図６Ａに示される。
本実施形態においては、めっきを開始してから終了するまでの間、基板Ｗに流れる電流は一定に制御される。めっきを開始した直後では、ビアホール２０の底部に抑制成分含有剤はほとんど存在せず、その代わりに多くの促進剤が存在している。このため、めっきの進行に伴って、銅２２はビアホール２０の底部から上方に向かって優先的に析出する。すなわち、銅２２はビアホール２０の底部から上方に向かって析出するが、ビアホール２０の開口部付近ではほとんど析出しない。このような金属析出速度の違いによって、いわゆるボトムアップ成長が実現される。
銅２２の析出量が増加するに従い、基板Ｗとアノード２と間の電気抵抗はめっき時間とともに減少する。基板Ｗに流れる電流は一定になるように電源１０で制御されているため、電気抵抗の減少に伴い、電圧も時間経過とともに減少する（図９の時刻Ｔ２）。図９の時刻Ｔ２時における基板Ｗの状態は、図６Ｂに示される。
銅２２の析出がさらに進行し、ビアホール２０内の銅２２の充填率が３０％〜９０％に達すると、本実施形態においては、電圧は下降傾向から上昇傾向に転じる（図９の時刻Ｔ３）。これは、ビアホール２０に析出した銅２２の析出量が増加するに従い、ビアホール２０内に供給される抑制成分含有剤が増加し、ビアホール２０内の電気抵抗が上昇するためである。電気抵抗の上昇に伴い、電圧も上昇する。図９の時刻Ｔ３時における基板Ｗの状態は図６Ｃに示される。
図９の時刻Ｔ３時における電圧波形の変化に示されるように、所定時間当たりの電圧の変化量（以下、電圧レートという）がマイナスからプラスに転じたとき、すなわち、電圧が下降傾向から上昇傾向に転じたときは、図６Ｃに示すように、ビアホール２０内の３０％〜９０％が銅２２で充填されている。つまり、ビアホール２０の未充填部分のアスペクト比は、ビアホール２０の初期のアスペクト比よりも小さくなっている。そこで、銅２２の充填速度を上げるために、電圧レートが上昇する時刻Ｔ３で電圧を上げて基板Ｗでの電流密度を上げてもよい。一例として、電流密度は１．５倍〜５倍に上昇される。このように電流密度を上げることにより、めっき開始からめっき終了まで一定の電流密度でめっきする場合に比べて、効果的にめっき時間を短縮することができる。通常、電流密度をめっき中に上げるタイミングは数多くの実験により決める必要があるが、本実施形態では電流密度を上げるタイミングを、実際のめっきの進捗を反映した電圧波形によって決めることができる。このため、めっき条件を決定する負担を減らし、また種々のばらつき要因の影響を排除することができる。
さらに、電圧レートがマイナスからプラスに転じたときに、抑制成分含有剤の作用を低下させるために、攪拌パドル１４によるめっき液の攪拌強度を電圧レートがマイナスに変化しているときよりも弱める。その結果、ボイドと呼ばれる空隙を形成することなく、基板Ｗのめっきに要する時間をより短縮することができる。
銅２２の析出がさらに進行してビアホール２０内が完全に銅２２で埋まると、電圧は上昇傾向から再び下降傾向に転じる（図９の時刻Ｔ４）。これは、銅２２の膜厚が厚くなるに従って、電気抵抗が減少するためである。図９の時刻Ｔ４時における基板Ｗの状態は、図６Ｄに示される。したがって、電圧が上昇傾向から下降傾向に転じたとき（すなわち、電圧レートがプラスからマイナスに転じたとき）にめっきを終了することが望ましい。このように、本実施形態によれば、電圧の変化に基づいてめっきの終点を正確に決定することができる。電圧が上昇傾向から下降傾向に転じた時点から、予め設定された時間が経過した後にめっきを終了してもよい。基板Ｗのめっきを終了するときは、電圧の印加を停止し、攪拌パドル１４の往復運動を停止する。電圧の監視、および電圧の変化に基づくめっき終点の決定は、めっき制御部２５によって実行される。
これまで図９を参照してめっきの進行と電圧波形の変化について説明したが、めっき中の電圧は様々な条件によって変化しうる。すなわち、めっき中は基板Ｗの表面の銅２２の膜厚が増加することによって電気抵抗が減少する。また、銅２２の埋め込みが完了するまでは、ビアホール２０内の銅２２の埋め込みの進行に伴ってビアホール２０のアスペクト比が小さくなることで抑制成分含有剤が拡散しやすくなり、電気抵抗は上昇する。
めっき中の電圧変化は、銅２２の膜厚の増加または抑制成分含有剤の拡散量の増加のうち、どちらが優勢であるかによって決まる。すなわち、銅２２の膜厚の増加による電気抵抗の減少が優勢であれば電圧は低下し、抑制成分含有剤の拡散量の増加による電気抵抗の上昇が優勢であれば電圧は上昇する。膜厚の増加および抑制成分含有剤の拡散はどちらも様々な条件によって変化しうる。例えば、抑制成分含有剤の拡散量は抑制成分含有剤の種類や濃度によって異なる。その種類や濃度は、ビアホール２０のサイズや開口率に基づいて最適化される。さらに、抑制成分含有剤の拡散量は、温度、撹拌強度、電流密度などのめっき条件によっても変化するため、電圧は、めっき条件によって上昇する場合もあれば下降する場合もある。
さらに、銅２２の埋め込みが完了した時刻Ｔ４以降においても、ビアホール２０の上部に残っている促進剤が抑制成分含有剤に置き換わることで電気抵抗は上昇する。しかしながら、抑制成分含有剤の拡散量は先に挙げためっき条件によって変化しうるため、電圧は上昇、または下降しうる。
このような状況において、時刻Ｔ３から時刻Ｔ４までの時間帯は、ビアホール２０内への銅２２の埋め込みが完了する直前の期間であり、この時間帯ではビアホール２０内への抑制成分含有剤の拡散量が急増する。このため、時刻Ｔ３から時刻Ｔ４までの電圧レートは、めっき時間における他の時間帯での電圧レートと比較して大きくなる。つまり、時刻Ｔ１から時刻Ｔ３までの電圧レートをｇ１、時刻Ｔ３から時刻Ｔ４までの電圧レートをｇ３、時刻Ｔ４からめっき終了までの電圧レートをｇ４とすると、電圧レートの増減は、ｇ１＜ｇ３、ｇ３＞ｇ４と表現できる。そのため、後述する図１０及び図１１に示すような電圧の変化も起こりうるし、電圧レートがｇ１＜ｇ３の条件を満たしつつ、電圧レートｇ３が負の値になる場合もありうる。
これまで図９を参照してめっきの進行と電圧波形の変化について説明したが、めっき中の電圧の変化の仕方は、添加剤の種類、ビアホールのサイズ、ビアホールの開口率など、様々な条件によって変わりうる。例えば、図１０に示すように、めっき開始から電圧が上昇する場合もあり得る。図１０においては、時刻Ｔ１’から時刻Ｔ３’までの期間で電圧が上昇している。めっきの進行に伴い、抑制成分含有剤がビアホール２０内に作用すると、さらに電気抵抗が上がるため、時刻Ｔ３’以降、電圧はさらに上昇する。
また、図９は、ビアホール２０内が完全に銅２２で埋まった後、電圧が減少傾向に転じる例を示しているが、添加剤の種類、添加剤の分布状態によっては、図１１に示すように、時刻Ｔ４”以降も電圧が上昇し続ける場合もある。
図９から図１１の場合を総合すると、ビアホール２０内での抑制成分含有剤の作用によりボトムアップ成長が弱まる時点（図９の時刻Ｔ３、図１０の時刻Ｔ３’、図１１の時刻Ｔ３”）は、電圧レート（電圧曲線の傾き）が所定の変動幅を越えて増加する時点と表現することができる。また、ビアホール２０内が完全に銅２２で埋まる時点（図９の時刻Ｔ４、図１０の時刻Ｔ４’、図１１の時刻Ｔ４”）は、電圧レート（電圧曲線の傾き）が所定の変動幅を越えて減少する時点と表現することができる。上記変動幅とは、電圧レートの変化点を決定するための電圧レートの変化の程度を示す所定の基準幅であり、電圧レートが変動幅を越えた時点は、電圧レートの変化点として決定される。
電圧レートが所定の変動幅を越えたか否かを判断することに代えて、めっき制御部２５は、電圧レートを所定のしきい値と比較してもよい。具体的には、ボトムアップ成長が弱まる時点（図９の時刻Ｔ３、図１０の時刻Ｔ３’、図１１の時刻Ｔ３”）を決定するための第１のしきい値と、ビアホール２０内が完全に銅２２で埋まる時点（図９の時刻Ｔ４、図１０の時刻Ｔ４’、図１１の時刻Ｔ４”）を決定するための第２のしきい値を予め設けてもよい。ボトムアップ成長が弱まる時点（図９の時刻Ｔ３、図１０の時刻Ｔ３’、図１１の時刻Ｔ３”）は、電圧レートが増加して第１のしきい値を上回った時点である。また、ビアホール２０内が完全に銅２２で埋まる時点（図９の時刻Ｔ４、図１０の時刻Ｔ４’、図１１の時刻Ｔ４”）は、電圧レートが上記第１のしきい値を上回った後に減少して、第２のしきい値を下回った時点である。図９に示すような電圧波形の場合、第１のしきい値および第２のしきい値は、例えば０（ゼロ）に設定される。めっき制御部２５は、電圧レートが増加して第１のしきい値を上回ったときに電源１０に指令を出して電流密度を増加させ、電圧レートが減少して第２のしきい値を下回ったときに電源１０に指令を出して電圧の印加を停止してめっきを終了させる。
ビアホール２０内に金属の埋め込みが適切に行われているかを判断するために、電圧レートが第１のしきい値に到達すべき時間（時間幅または時間帯でもよい）を予め定めておいてもよい。つまり、電圧レートが所定の時間よりも早く第１のしきい値に到達した場合、または、所定の時間が経過しても電圧レートが第１のしきい値に達しない場合は、ビアホール２０内の金属の埋め込みに何らかの異常が発生していると考えられる。この場合、めっき制御部２５は、電源１０に指令を出して電圧の印加を停止させてめっきを終了させ、異常警報を発してもよい。さらに、電圧レートが第２のしきい値に到達すべき時間（時間幅または時間帯でもよい）を予め定めておき、この所定の時間を、ビアホール２０内の金属の埋め込みに何らかの異常が生じたことを検知する指標として用いてもよい。
本発明者らは、めっき中の電圧レート（所定時間当たりの電圧の変化量）に基づいて、めっき液中の添加剤の濃度の変化を判断することができることを実験により確かめた。さらに直接的に言えば、本発明者らは、ビアホール内の望ましい金属埋め込みを実現するために、添加剤が効果的に機能しているかどうかを電圧レートから判断することができることを実験により確かめた。
めっき制御部２５には、電圧レートの所定の管理範囲が記憶（格納）されている。めっき制御部２５によって計算された電圧レートが管理範囲外である場合、めっき制御部２５は、電圧レートが管理範囲内になるように濃度調整部２８に指令を発する。この指令を受けて、濃度調整部２８は、上述したように、めっき槽１内のめっき液の添加剤の濃度を調整する。
電圧レートは、めっき液中の添加剤の濃度によって変わりうる。この一例を図１２および図１３Ａ乃至図１３Ｄを参照して説明する。図１２は添加剤の一つである抑制成分含有剤の濃度によって変わる電圧の時間変化を示すグラフである。図１３Ａ乃至図１３Ｄは抑制成分含有剤の濃度によって変わる銅２２の析出状態を示す図である。
図１２のグラフ（１）に示すように、電圧レート（電圧曲線の傾き）が所定の管理範囲（図１２ではαで表される）内であるとき、図１３Ａに示すように、銅２２は、ボイドが形成されることなくビアホール２０の全体に充填される。図１２のグラフ（２）は、管理範囲を越えた電圧レートを示している。このグラフ（２）は、めっき液中の抑制成分含有剤の濃度が何らかの理由で望ましい濃度範囲を越えて増加した時に、電圧レートが大きくなる場合を示している。このような場合、図１３Ｂに示すように、ビアホール２０内にボイドが形成される。これは、濃度の高い抑制成分含有剤がビアホール２０の底部に供給されることによって、銅２２がビアホール２０内の底部から上方に向かって析出されにくくなり、結果として、ビアホール２０の開口付近が銅２２によって閉塞するためである。
図１２のグラフ（３）は、所定の管理範囲αを下回る場合の電圧レートを示している。このグラフ（３）は、めっき液中の抑制成分含有剤の濃度が何らかの理由で望ましい濃度範囲を越えて減少した時に、時間経過とともに電圧が大きく減少する場合を示している。このような場合、図１３Ｃに示すように、基板Ｗのフィールド部２３では銅２２が過剰に析出し、所定時間以内にビアホール２０内に銅２２が充填されない。
めっき液中の抑制成分含有剤の濃度がさらに低下すると、図１２のグラフ（４）に示すように、電圧レートがさらに低下する。この場合、図１３Ｄに示すように、基板Ｗのフィールド部２３では銅２２が過剰に析出し、ビアホール２０内にボイドが形成される。これは、ビアホール２０の側壁での銅２２の析出抑制作用が弱くなり、銅２２がビアホール２０内に充填される前にビアホール２０の入口が銅２２によって閉塞されるためである。
図１２のグラフ（２）、グラフ（３）、およびグラフ（４）から分かるように、抑制成分含有剤の濃度の増減によって電圧レートが変化する。このような電圧レートの変化の理由の一つとして、次のことが考えられる。前述の通り、電圧レートは、基板Ｗの表面の銅２２の膜厚の増加による電気抵抗の低下と、抑制成分含有剤の拡散量の増加による電気抵抗の上昇との２つの要因に依存して決定される。抑制成分含有剤の濃度が増加すると基板Ｗの表面で銅２２が析出しにくくなり、銅２２の膜厚増加が抑制される。したがって、抑制成分含有材の濃度が高い場合は電圧レートが大きくなる。
抑制成分含有剤の濃度が高い場合では、電圧レートは、めっき初期よりもめっき後半でより増加する傾向にある。この理由として次のことが考えられる。めっき初期ではビアホール２０のアスペクト比が大きく、分子量が大きい抑制成分含有剤は拡散によってビアホール２０の底部に到達しにくい。めっき液全体の抑制成分含有剤の濃度が高くても、ビアホール２０内の抑制成分含有剤の拡散量は大きく変わらない。したがって、フィールド部２３でのめっき反応の抑制効果が増加したことによる電圧の上昇のみが生じる。このため、抑制成分含有剤のわずかな濃度変化は電圧レートの変化に影響を与えにくい。
これに対して、めっき後半ではビアホール２０のアスペクト比が小さくなっているので、抑制成分含有剤が拡散によりビアホール２０の底部に到達しやすくなる。そして、めっき液中の抑制成分含有剤の濃度が高いほど抑制成分含有剤の拡散量は増加する。したがって、抑制成分含有剤の濃度が適正な場合に比べて電気抵抗の上昇が顕著になり、電圧レートは大きく上昇する。
抑制成分含有剤の濃度が低い場合、フィールド部２３でのめっき反応を抑制する能力が不足するので基板Ｗのフィールド部２３での銅２２の膜厚は厚くなりやすく、さらにビアホール２０内への抑制成分含有剤の拡散量は少ない。このため、電圧レートは低下する。
なお、図１２のグラフ（１）は時間の経過とともに電圧が低下する例を示したが、上述したように添加剤の種類やビアホールのサイズなどの条件によっては電圧が時間の経過とともに上昇する場合もある。
めっき制御部２５は、基板Ｗのめっき中に、電圧測定器２４から送られてくる電圧の測定値から電圧レートを算出し、その電圧レートが所定の管理範囲を外れたときに、濃度調整部２８に指令を発する。濃度調整部２８は、めっき制御部２５からの指令に従ってめっき槽１内のめっき液の抑制成分含有剤の濃度を調整する。より具体的には、電圧レートが所定の管理範囲よりも小さい（すなわち、管理範囲の下限値よりも小さい）ときは、めっき制御部２５は、めっき液中の抑制成分含有剤の濃度を高めるための指令を発する。濃度調整部２８は、この指令を受けて、めっき槽１（内槽７に隣接するオーバーフロー槽８内）に抑制成分含有剤を追加することで、めっき液中の抑制成分含有剤の濃度を高める。または、濃度調整部２８は、めっき槽１（オーバーフロー槽８）からめっき液の一部を抜き出し、抜き出しためっき液または添加剤を含まない新たなめっき液に添加剤を追加し、添加剤を追加しためっき液をめっき槽１（オーバーフロー槽８）に戻して、めっき液中の抑制成分含有剤の濃度を高めてもよい。
添加剤をめっき液に添加するさらに別の方法としては、電圧レートの管理範囲からのずれと添加剤の添加量との関係を予め定めておき、この関係から決定された量の添加剤をめっき槽１（オーバーフロー槽８）のめっき液に添加するようにしてもよい。
電圧レートが所定の管理範囲よりも大きい（すなわち、管理範囲の上限値よりも大きい）ときは、めっき制御部２５は、めっき液中の抑制成分含有剤の濃度を低めるための指令を発する。濃度調整部２８は、この指令を受けて、オーバーフロー槽８からめっき液の一部を抜き出し、抑制成分含有剤を含まない新たなめっき液をオーバーフロー槽８に追加することで、めっき液中の抑制成分含有剤の濃度を低める。このように、基板Ｗのめっき中に得られる電圧レートに基づいて添加剤の濃度を調整することができる。結果として、ボイドのない金属をビアホールに充填することができる。
ＣＶＳ技術による添加剤の濃度管理方法では、抑制成分含有剤の副生成物が測定結果に影響を与えるため、抑制成分含有剤の濃度を管理することは困難である。これに対して、本実施形態によれば、めっき中におけるビアホール２０内の金属埋め込みの進行状況を把握することができるとともに、添加剤の濃度が高いか低いかをリアルタイムでモニタリングすることができ、その結果に基づいて添加剤の濃度を調整することができる。
図１４は、基板Ｗをめっきした際の電圧の時間変化の一例を示すグラフである。横軸は時間を示し、縦軸は電圧を示す。図１４では、時間の経過とともに電圧は減少し、６０分付近で上昇傾向に変わっている。この初期のめっき工程は、ビアホール２０の底部から上方に向かって金属を析出させる第１のめっき工程である。この第１のめっき工程では、ビアホール２０内の銅２２の充填率は８０％〜９０％に達する。この例においては、電圧が下降傾向から上昇傾向に転じたときに（すなわち、電圧レートが所定の変動幅を越えて増加したとき）、基板Ｗとアノード２との間に印加される電圧を上昇させて基板Ｗでの電流密度を上昇させることが好ましい。その理由は２つある。第１の理由は、電圧が上昇傾向に転じた後は抑制成分含有剤がビアホール２０の底部にも拡散して該底部に付着しており、ボトムアップ効果が弱まっているため、ビアホール２０内の銅２２の未充填部分を埋めるのに時間がかかるからである。第２の理由は、ビアホール２０内の銅２２の充填率が上がっているため、電流密度を上昇させてもいわゆるピンチオフが生じにくいためである。結果として、図１４の太線で示すように、基板Ｗをめっきする時間を短縮することができる。この例では、めっきに要する時間は約２０分間短縮される。
このように電圧を上昇させた状態で行われるめっき工程は、ビアホール２０内に金属を充填させる第２のめっき工程である。この第２のめっき工程では、上述したように、第１のめっき工程での電流密度（第１の電流密度）よりも高い電流密度（第２の電流密度）で行われる。本実施形態によれば、電圧の変化に基づいてめっきの進捗を正確に把握して、適正なタイミングで電流密度を上げることによってめっき時間を短縮することができる。このような電圧のコントロールは、めっき制御部２５によって実行される。すなわち、電圧レートが所定の変動幅を越えて増加したとき、めっき制御部２５は電源１０に指令を出して基板Ｗとアノード２との間に印加される電圧を上昇させる。
銅２２の析出がさらに進行し、ビアホール２０内が完全に銅２２で埋まると、電圧は上昇傾向から再び下降傾向に変わる。図１４では、電圧は時間ｔ４付近で下降傾向に転じている。この段階で、めっきは概ね終了している。したがって、この例においては、電圧が上昇傾向から下降傾向に転じたとき（すなわち、電圧レートが所定の変動幅を越えて増加した後、この変動幅を越えて減少したとき）にめっきを停止してもよい。具体的には、電圧レートが所定の変動幅を越えて増加した後、この変動幅を越えて減少したときに、めっき制御部２５は電源１０に指令を出して基板Ｗとアノード２との間に印加される電圧を停止させる。このように、本実施形態によれば、めっき制御部２５は、電圧の変化に基づいてめっきの終点を正確に決定することができる。電圧レートが変動幅を越えて減少した時点から、予め設定された時間が経過した後にめっきを終了してもよい。
図１４を参照して、めっき制御部２５によって行われる電圧測定器２４からの電圧信号（電圧値）の処理について説明する。めっき開始後、めっき制御部２５は、所定の時刻ｔ１での電圧値Ｖ１と、所定の時刻ｔ２での電圧値Ｖ２とから、電圧レート（＝（Ｖ２−Ｖ１）／（ｔ２−ｔ１））を計算する。めっき浴を建浴した後、めっきされた基板の枚数が増えるに従って、抑制成分含有剤が消耗、変質するので、電圧レートは徐々に低下する。この電圧レートが所定の設定値を下回った場合、めっき制御部２５は、濃度調整部２８に、めっき液中の抑制成分含有剤の濃度を高めるための指令を発する。濃度調整部２８は、この指令を受けて、オーバーフロー槽８からめっき液の一部を抜き出し、抜き出しためっき液または添加剤を含まない新たなめっき液に添加剤を追加して、添加剤を追加しためっき液をオーバーフロー槽８に戻して、めっき液中の抑制成分含有剤の濃度を高める。
上記では所定の時刻ｔ１，ｔ２における電圧変化に基づいて電圧レートを計算する例を説明したが、本発明はこの例に限られない。例えば、めっき制御部２５は、電圧測定器２４から送られる電圧の測定値から、微小時間当たりの電圧の変化量、すなわち時々刻々と変わりうる第１の電圧レートを算出し、さらに第１の電圧レートから、めっき開始直後に電圧値が極大となる時刻ｔｍと、電圧が下降傾向から上昇傾向に転じる時刻ｔ３を決定し、そして、時刻ｔｍでの電圧値Ｖｍと時刻ｔ３での電圧値Ｖ３から第２の電圧レート（＝（Ｖ３−Ｖｍ）／（ｔ３−ｔｍ））を計算してもよい。時刻ｔ３で電流密度を上昇させるようにめっき条件を設定してもよい。
時刻ｔ３が決定された後、めっき制御部２５は、第１の電圧レートに基づいて電圧が上昇傾向から下降傾向に転じた時刻ｔ４を決定してもよい。時刻ｔ４は、ビアホール２０の上方の銅２２の高さとフィールド部２３上の銅２２の高さがほぼ同じになったことを示しているため、時刻ｔ４から予め設定された時間が経過した後にめっきを終了してもよい。この予め設定された時間は０（ゼロ）秒を含むため、時刻ｔ４で電圧の印加を止めてめっきを終了してもよい。
図１５はめっき制御部２５の処理シーケンスの一例を示す図である。図１５に示すように、めっき開始後、めっき制御部２５は、電圧測定器２４から送られた電圧の測定値を用いて、時々刻々と変わりうる第１の電圧レートを算出する（ステップ１）。めっき制御部２５は、所定の第１の時刻ｔ１での第１の電圧値Ｖ１を記憶し（ステップ２）、その後、所定の第２の時刻ｔ２での第２の電圧値Ｖ２を記憶する（ステップ３）。そして、めっき制御部２５は、これらの値から第２の電圧レート（＝（Ｖ２−Ｖ１）／（ｔ２−ｔ１））を算出する（ステップ４）。
第２の電圧レートが所定の管理範囲よりも小さいときは、めっき制御部２５は、めっき液中の抑制成分含有剤の濃度を高めるための指令を発する。濃度調整部２８は、この指令を受けて、めっき液中の抑制成分含有剤の濃度を高める。第２の電圧レートが所定の管理範囲よりも大きいときは、めっき制御部２５は、めっき液中の抑制成分含有剤の濃度を低めるための指令を発する。濃度調整部２８は、この指令を受けて、めっき液中の抑制成分含有剤の濃度を低める。
めっき制御部２５は、第１の電圧レートが所定の変動幅を越えて増加した第３の時刻ｔ３を決定し（ステップ５）、電源１０に指令を出して第３の時刻ｔ３で基板Ｗの電流密度を上げる（ステップ６）。さらに、めっき制御部２５は、第１の電圧レートが変動幅を越えて増加した後に、第１の電圧レートが変動幅を越えて減少した第４の時刻ｔ４を決定する（ステップ７）。第４の時刻ｔ４は、ビアホール２０上方の銅２２の高さとフィールド部２３上の銅２２の高さがほぼ同じになった時点であり、第４の時刻ｔ４から予め設定された時間が経過した後にめっきを終了する（ステップ８）。この予め設定された時間は０（ゼロ）秒を含んでもよい。したがって、第４の時刻ｔ４で電圧の印加を止めてめっきを終了してもよい。
本実施形態について図１４に示す電圧波形を参照して説明したが、図１０や図１１に示すような電圧波形でも、同様にして添加剤の濃度管理、めっき電流上昇のタイミング、およびめっき終了のタイミングを決定することができる。つまり、電圧の測定値に基づいて電圧レートを算出し、適切な管理範囲を予め決めておくことで、添加剤の濃度管理などを決定することができる。
図１６はめっき装置の他の実施形態を示す概略図である。上述した実施形態において、アノード２と基板Ｗとの間の電圧を測定するめっき装置について説明したが、図１６に示すように、めっき槽１からめっき液を抜き出して、めっき液分析部８０にめっき槽１内のめっき液を移送してもよい。具体的なめっき装置の構成について、図１６を参照して説明する。
図１６に示すように、めっき装置は、めっき液中の添加剤の濃度を測定するめっき液分析部８０を備えている。めっき液分析部８０は、めっき槽１から抜き出しためっき液を貯留する分析槽８２と、電源８４の正極に接続される第１の電極（アノード）８６と、電源８４の負極に接続される第２の電極（カソード）８８とを備えている。これら第１の電極８６および第２の電極８８は分析槽８２内のめっき液中に浸漬される。これら電極８６，８８は例えば、Ｐｔ（白金）、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｃ（カーボン）、またはＳＵＳ（ステンレス鋼）等から構成されている。
さらに、めっき液分析部８０は、第１の電極８６と第２の電極８８との間の電圧を測定する電圧測定器９０と、電圧測定器９０によって取得された電圧の測定値に基づいてめっき槽１内のめっき液中の添加剤の濃度を制御するめっき制御部９２とを備えている。電圧測定器９０はめっき制御部９２に接続されており、第１の電極８６と第２の電極８８との間に印加される電圧の測定値をめっき制御部９２に送るように構成されている。
めっき液循環ライン１２にはめっき液流入ライン９４の一端が接続され、めっき液流入ライン９４の他端は分析槽８２の底部に接続されている。めっき液循環ライン１２内のめっき液の一部はめっき液流入ライン９４を通じて分析槽８２に移送される。分析槽８２へのめっき液の移送が完了すると、第１の電極８６と第２の電極８８との間に電圧が印加される。
第１の電極８６と第２の電極８８との間に電圧を印加すると、第２の電極８８に金属（銅）が析出する。電圧測定器９０は、第２の電極８８に印加される電圧を測定するように構成される。例えば、電圧測定器９０は、第１の電極８６と第２の電極８８との間に印加される電圧を測定する。めっき制御部９２は電圧の測定値に基づいて、所定時間当たりの電圧の変化量、すなわち電圧レートを計算するように構成されている。濃度調整部２８は、めっき制御部９２に接続されており、めっき制御部９２からの指令に従ってめっき槽１内のめっき液の添加剤の濃度を調整するように構成されている。
分析槽８２の底部にはめっき液をめっき槽１の内槽７に戻すためのめっき液流出ライン９６の一端が接続されており、めっき液流出ライン９６の他端はめっき液循環ライン１２に接続されている。さらに、分析槽８２の底部には、めっき液を排出するための排液管９８が接続されている。分析槽８２内のめっき液を、めっき液流出ライン９６およびめっき液循環ライン１２を通じて内槽７内に戻してもよく、また、排液管９８を通じて外部に排出してもよい。
第２の電極８８にビアホールは存在しないため、電圧レートは、ビアホールを有する基板にめっきを行う場合と異なる。しかしながら、添加剤の量に依存した電圧レートの変化の傾向は同じである。したがって、予め適正な電圧レートの管理範囲を定めておけば、上記の場合と同様に添加剤濃度の管理を行うことができる。添加剤をめっき液に添加する方法としては、電圧レートの管理範囲からのずれと添加剤の添加量の関係を予め定めておき、この関係から決定された量の添加剤をめっき槽１内のめっき液に添加するようにしてもよい。これに代えて、添加剤をめっき液に添加する方法として、めっき槽１からめっき液を抜き出して分析槽８２に移送し、分析槽８２のめっき液に所定量の添加剤を加えた後に電圧レートを算出して添加剤の適正な添加量を決定し、決定された量の添加剤をめっき槽１内のめっき液に添加するようにしてもよい。このように、めっき液分析部８０を用いて添加剤の濃度が判定されるので、基板Ｗをめっきしていないときでも電圧レートの変化から添加剤の量が多いか少ないかを判断することができる。
図１７は図１６に示すめっき装置の変形例を示す図である。図１７に示すように、めっき液分析部８０は、第１の電極８６と第２の電極８８との間の電圧を測定する代わりに、参照電極３０と第２の電極８８との間の電圧を測定してもよい。参照電極３０は、分析槽８２内のめっき液に浸漬され、さらに第２の電極８８の近傍に配置されている。図１７の一点鎖線で示すように、参照電極３０および第２の電極８８は電圧測定器９０に電気的に接続されているため、電圧測定器９０は参照電極３０と第２の電極８８との間の電圧を測定することができる。めっき制御部９２は電圧の測定値に基づいて、電圧レートを計算する。
図１８は図１６に示すめっき装置の他の変形例を示す図である。図１８に示すように、めっき液分析部８０は、参照電極槽３１と、参照電極槽３１内の電解液に浸漬される参照電極３０と、参照電極槽３１内の電解液および分析槽８２内のめっき液に浸漬される塩橋３２とをさらに備えている。塩橋３２は図８において説明した塩橋３２と同一の構成を有しているため、その詳細な説明を省略する。図１８の一点鎖線で示すように、参照電極３０および第２の電極８８は電圧測定器９０に電気的に接続されているため、電圧測定器９０は参照電極３０と第２の電極８８との間の電圧を測定することができる。めっき制御部９２は電圧の測定値に基づいて、電圧レートを計算する。
めっき液中で管理すべき抑制成分含有剤以外の添加剤成分の濃度、すなわち促進剤の濃度は、ＣＶＳ技術により測定、管理することができる。しかしながら、本発明は、電圧レートの変化に基づいて抑制成分含有剤の濃度を管理する上記実施形態に限定されず、電圧レートの変化に基づいて促進剤の濃度を管理する技術にも適用することができる。
これまで本発明の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、その技術思想の範囲内において、種々の異なる形態で実施されてよいことは勿論である。
１ めっき槽
２ アノード
３ アノードホルダ
６ 基板ホルダ
７ 内槽
８ オーバーフロー槽
１０ 電源
１２ めっき液循環ライン
１４ 攪拌パドル
１５ 調整板（レギュレーションプレート）
１５ａ 開口
２０ ビアホール
２１ 導電層
２２ 銅
２３ フィールド部
２４ 電圧測定器
２５ めっき制御部
２８ 濃度調整部
３０ 参照電極（基準電極）
３１ 参照電極槽
３２ 塩橋
３３ 鉛直管
３４ ルギン細管
３５ 連結管
４０ 第１保持部材
４０ａ 通孔
４４ 第２保持部材
４６ 基部
４８ シールホルダ
５０ 押えリング
５０ａ 凸部
５０ｂ 突起部
５２ 基板側シール部材
５４ａ 第１固定リング
５４ｂ 第２固定リング
５６ａ 締結具
５６ｂ 締結具
５８ ホルダ側シール部材
６０ スペーサ
６２ クランパ
６４ ホルダハンガ
６６ 突条部
６８ 支持面
７０ 配置部
７２ 導電体
７４ 電気接点
７８ 締結具
８０ めっき液分析部
８２ 分析槽
８４ 電源
８６ 第１の電極
８８ 第２の電極
９０ 電圧測定器
９２ めっき制御部
９４ めっき液流入ライン
９６ めっき液流出ライン
９８ 排液管
Ｗ 基板

Claims (7)

  1. アノードと、表面にビアホールが形成された基板とを、金属の析出を抑制する抑制成分含有剤を含むめっき液中に互いに対向させて配置し、
    前記アノードと前記基板との間に電圧を印加して前記ビアホール内に金属を充填し、
    前記基板に印加される電圧を測定し、
    所定時間当たりの電圧の変化量を計算し、
    前記電圧の変化量が所定の変動幅を越えて増加したときに前記基板上での電流密度を増加させることを特徴とするめっき方法。
  2. 前記電流密度を増加させた後、前記電圧の変化量が前記所定の変動幅を越えて減少したときに前記電圧の印加を停止することを特徴とする請求項１に記載のめっき方法。
  3. 前記電流密度を増加させた後、前記電圧の変化量が前記所定の変動幅を越えて減少した時点から予め設定された時間が経過した後に前記電圧の印加を停止することを特徴とする請求項１に記載のめっき方法。
  4. 前記電流密度は、前記電圧の変化量が前記所定の変動幅を越えて増加する直前の電流密度よりも１．５倍から５倍に上昇されることを特徴とする請求項１に記載のめっき方法。
  5. アノードと、表面にビアホールが形成された基板とを、金属の析出を抑制する抑制成分含有剤を含むめっき液中に互いに対向させて配置し、
    前記アノードと前記基板との間に電圧を印加して、第１の電流密度で前記ビアホールの底部から上方に向かって金属を析出させる第１のめっき工程を行い、
    前記基板に印加される電圧を測定し、所定時間当たりの電圧の変化量を計算し、
    前記電圧の変化量が所定の変動幅を越えて増加した時点で、前記アノードと前記基板との間に印加される電圧を増加させて、前記第１の電流密度よりも高い第２の電流密度で前記ビアホール内に金属を充填する第２のめっき工程を行うことを特徴とするめっき方法。
  6. 金属の析出を抑制する抑制成分含有剤を含むめっき液を保持するためのめっき槽と、
    表面にビアホールが形成された基板を保持する基板ホルダと、
    前記基板ホルダに保持された前記基板に対向するように配置されたアノードと、
    前記基板と前記アノードとの間に電圧を印加する電源と、
    前記基板に印加される電圧を測定する電圧測定器と、
    所定時間当たりの電圧の変化量を計算し、前記電圧の変化量が所定の変動幅を越えて増加したときに前記電源に指令を出して前記電圧を増加させて前記基板上での電流密度を上昇させるめっき制御部とを備えたことを特徴とするめっき装置。
  7. 金属の析出を抑制する抑制成分含有剤を含むめっき液を保持するためのめっき槽と、
    表面にビアホールが形成された基板を保持する基板ホルダと、
    前記基板ホルダに保持された前記基板に対向するように配置されたアノードと、
    前記基板と前記アノードとの間に電圧を印加する電源と、
    前記基板に印加される電圧を測定する電圧測定器と、
    前記電圧の測定値に基づいて、所定時間当たりの電圧の変化量を計算するめっき制御部とを備え、
    前記めっき制御部は、
    前記電源に指令を出して前記基板と前記アノードとの間に電圧を印加させ、第１の電流密度で前記ビアホールの底部から上方に向かって金属を析出させ、
    前記電圧の変化量が所定の変動幅を越えて増加した時点で、前記電源に指令を出して前記基板と前記アノードとの間に印加される電圧を増加させて、前記第１の電流密度よりも高い第２の電流密度で前記ビアホール内に金属を充填することを特徴とするめっき装置。
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