JP6603473B2 - 電気めっき浴分析 - Google Patents

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Description

本発明は概して、金属電気めっき浴の分野に関し、より具体的には、金属電気めっき浴中の有機添加剤の制御に関する。
電気めっきは電気めっき浴中に複数の成分を含む複雑なプロセスである。高品質の金属析出物を得るために、特定の成分の濃度が狭い許容範囲内に維持されることが重要である。添加剤含有量が範囲の外に行きすぎる場合には、金属析出物の品質は劣ることとなり、かつこの析出物は光沢なしの外観になる場合があり、および/またはもろいもしくは粉になりやすい構造になる場合がある。他の可能な結果には、低い均一電着性および/または悪いレベリングを伴っためっき折り畳み(plating folds)が挙げられる。集積回路の製造に使用されるウェハのような小さなフィーチャを有する電子デバイスの銅めっきにおいては、スーパーフィリングまたはボトムアップフィリングを得るために、銅めっき浴中の有機添加剤の濃度は特定の制限内に維持されなければならない。
ある場合には、個々の浴構成成分の化学分析は規則的に(例えば、酸含有量についてはpH測定)および必要に応じて追加のものがなされることができる。しかし、他の構成成分、例えば、有機添加剤はそのように容易に分析されることができない場合がある。有機添加剤、例えば、光沢剤、抑制剤およびレベラーの作用濃度は低く、その定量的分析は複雑であり、かつ誤りが生じやすい。
金属電気めっき浴中の有機添加剤の量を制御するのに様々な方法が使用されてきた。1つの方法は単純に、実験によって確立された経験則に基づいて所望の有機添加剤の規則的な添加を行うことである。しかし、個別の添加剤の枯渇は、時間によってまたは浴使用によって常に一定であるわけではない。めっき浴制御のための別の既知の方法は、物品をめっきし、そしてめっき品質を視覚的に評価して、浴が満足いくように機能しているかどうかを決定する。これは、せいぜい、浴の構成成分の濃度の概算を与える時間のかかる試験である。従来の銅電気めっき浴分析は、サイクリックボルタンメトリックストリッピング(cyclic voltammetric stripping;CVS)またはサイクリックパルスボルタンメトリックストリッピング(CPVS)を使用して、有機添加剤含有量を決定する。CVS法は、全ての浴構成成分について実施するのに比較的長時間、例えば、2〜4時間かかる。CPVS法はCVS法よりもミスがより生じやすい。米国特許第7,427,344号は、一定の電圧下での電流減衰を用いた、電気めっき液中に浸漬された作用電極の二重層キャパシタンスに基づいて、金属電気めっき浴中の有機添加剤濃度を測定する方法を提案した。前記特許における前記方法は、有機添加剤の吸着/脱着の時間依存性を1つづつ調べるが、1つの添加剤を別のものと区別する能力を示さなかった。この二重層キャパシタンスアプローチは幅広い支持を得ていなかった。金属電気めっき浴中の有機構成成分の比較的素早い分析の必要性が存在したままである。
米国特許第7,427,344号明細書
本発明は、a)回転可能な作用電極、対電極、参照電極、ポテンシオスタットおよび周波数応答分析器を有し、前記対電極が前記作用電極および前記参照電極に動作可能に連絡している装置を提供する工程、b)未知の量の有機添加剤を含む金属電気めっき浴溶液を得る工程、c)前記作用電極、参照電極および対電極のそれぞれを前記金属電気めっき溶液と接触させ、そして前記作用電極を第一の回転速度で回転させつつ陽電位を印加することによって前記作用電極表面を清浄化する工程、d)開放回路電位で前記作用電極を第二の回転速度で回転させることにより、前記電気めっき溶液中の対流を平衡化する工程、e)前記作用電極に金属アンダーポテンシャル析出ピークの50〜500mV卑である電位を印加し、かつ1〜100mVの交番電位変動をオーバーレイする工程、f)10kHz〜1mHzの周波数範囲にわたる前記有機添加剤溶液のインピーダンス応答を測定する工程、g)前記インピーダンス応答から周波数を選択する工程、並びにh)前記選択された周波数において、前記インピーダンス応答をキャリブレーション曲線と比較することにより前記有機添加剤の濃度を決定する工程を含む、金属電気めっき浴中の1種以上の有機成分の濃度を決定する方法を提供する。
本発明によって、a)上述のように有機添加剤の量を決定する工程、並びにb)前記有機添加剤の量をあらかじめ設定された値と比較し、ただし、前記有機添加剤の濃度が前記あらかじめ設定された値を下回る場合には、前記有機添加剤の濃度を前記あらかじめ設定された値まで増加させるコントロールプロセスが活性化される工程を含む、電気めっき浴中の有機添加剤の濃度を制御する方法も提供される。
図1は、本発明に従った、促進剤およびレベラー量についてのキャリブレーション曲線である。
本明細書において使用される場合、以下の略語は以下の意味を有する:Hz=ヘルツ;mHz=ミリヘルツ;kHz=キロヘルツ;V=ボルト;mV=ミリボルト;mL=ミリリットル;L=リットル;cm=センチメートル;rpm=回転数/分;sec.=秒;およびmin.=分。全ての数値範囲は包括的であり、このような数値範囲が合計で100%になることに制約されることが明らかである場合以外は任意に組み合わせ可能である。冠詞「a」、「an」および「the」は単数および複数を意味する。
本発明は、金属電気めっき浴(または溶液)中の1種以上の有機添加剤(成分)の濃度を決定するために、電気化学インピーダンス分光法を使用し、当該方法は、a)回転可能な作用電極、対電極、参照電極、ポテンシオスタットおよび周波数応答分析器を有し、前記対電極が前記作用電極および前記参照電極に動作可能に連絡している装置を提供する工程、b)未知の量の有機添加剤を含む金属電気めっき浴溶液を得る工程、c)前記作用電極、参照電極および対電極のそれぞれを前記金属電気めっき溶液と接触させ、そして前記作用電極を第一の回転速度で回転させつつ陽電位を印加することによって前記作用電極表面を清浄化する工程、d)開放回路電位で前記作用電極を第二の回転速度で回転させることにより、前記電気めっき溶液中の対流を平衡化する工程、e)前記作用電極に金属アンダーポテンシャル析出ピークの50〜500mV卑である電位を印加し、かつ1〜100mVの交番電位変動をオーバーレイする工程、f)10kHz〜1mHzの周波数範囲にわたる前記有機添加剤溶液のインピーダンス応答を測定する工程、g)前記インピーダンス応答から周波数を選択する工程、並びにh)前記選択された周波数において、前記インピーダンス応答をキャリブレーション曲線と比較することにより前記有機添加剤の濃度を決定する工程を含む。この方法は異なったサイズの有機添加剤が異なる周波数に異なって応答するであろうという事実に依拠している。相対的により大きな有機添加剤は、相対的により小さな有機添加剤ほどは、周波数の小さな変化に対して素早く応答しないであろう。よって、異なる有機添加剤の相対的な効果が互いに分けられることができ、そしてこれら添加剤の濃度が決定される。
本発明において様々な装置が使用されうるが、ただし、このような装置は回転可能な作用電極、対電極、参照電極、ポテンシオスタットおよび周波数応答分析器を有し、この対電極は作用電極および参照電極に動作可能に連絡して(in operable communication)いる。適する装置は、25℃で分析される溶液の温度を制御するためのサーモスタットを有し、前記3つの電極を備えた100mLの水ジャケット付きビーカーである。
作用電極は適切な回転する金属ディスクであり、これは白金、銅、ニッケル、クロム、亜鉛、スズ、金、銀、鉛、カドミウム、はんだ、ガラス状炭素、水銀もしくはステンレス鋼から選択される金属からなることができ、および好ましくは白金ディスクである。より好ましくは、作用電極は回転する0.2cmの白金ディスクである。作用電極は典型的には、平坦で研磨された表面、小さな直径を有し、Kel−Fシリンダーの末端にぴったり重なってマウントされうる。より大きな直径はこの直径を横切る不均一な電流密度のせいで劣った感度をもたらすであろうから、小さな直径のディスクが好ましい。典型的には、作用電極は回転装置、例えば、Pine Instruments MSRX回転装置に接続される。参照電極は、通常は、飽和カロメル参照電極(SCE)または銀/塩化銀電極であり、そして好ましくは、銀/塩化銀電極である。対電極は、好ましくは、白金を含み、より好ましくは白金ワイヤである。
参照電極に対する作用電極へのエネルギー入力を制御するエレクトロニックポテンシオスタットを制御するために、任意の適するコンピュータが使用される。Metrohm Autolab PGSTAT302Nポテンシオスタットのような、任意の適するポテンシオスタットが使用されうる。適するプログラムを使用して、本発明のエネルギー入力(電位)シークエンスが作用電極に適用されうる。様々な周波数応答分析器が使用されうる。適する周波数応答分析器はFRA2およびFRA32Mモジュール(両方ともMetrohm Autolab B.V.から入手可能)であり、または代替的には、Gamry Instrumentsから入手可能であるもののような、周波数分析ソフトウェアを備えたコンピュータである。
典型的には、これら電極はそれぞれの使用の前に清浄化される。適する清浄化工程は、この作用電極、参照電極および対電極を10%(v/v)硫酸溶液に浸漬し、そして1.6〜−0.2V、100mV/sec.でサイクリックボルタンメトリーを実施することを含む。白金作用電極および対電極が使用される場合には、この清浄化は、硫酸ボルタモグラム(voltammogram)における再現性のある清浄な白金が得られるまで続けられる。次いで、この清浄化された電極は脱イオン(DI)水で完全にすすがれ、その後、分析される溶液中に配置される。
金属電気めっき浴(または溶液)はめっきされる金属(通常は、浴可溶性金属塩の形態)、電解質、1種以上の有機成分(添加剤)、場合によっては、ハロゲン化物のソース、および場合によっては、1種以上の他の成分を含む。様々な金属電気めっき浴、例えば、銅、ニッケル、スズ、銀、金、インジウムもしくはこれらの合金を析出させるために使用される電気めっき浴が本発明に従って分析されうる。本発明の方法が、銅電気めっき浴中の有機添加剤の濃度を決定するために使用されるのが好ましい。使用される具体的な金属電気めっき浴に応じて、電解質はアルカリ性または酸性であることができ、そして好ましくは酸性である。例えば、銅電気めっき浴は典型的には酸性であり、2未満のpHを有する。金属電気めっき浴中に多くの有機添加剤、例えば、これに限定されないが促進剤、抑制剤、レベラー、導電性増強剤などが使用される。促進剤は、ブライトナー、光沢剤または光沢調節剤とも称され、金属めっき速度を増大させる様に機能する。抑制剤は金属めっき速度を低下させるように機能する。レベラーはレベリング剤とも称され、抑制的な特性を有し、かつ平坦な金属析出物を基体表面上に提供する様に機能する。好ましくは、本発明の方法は促進剤、抑制剤またはレベラーから選択される1種以上の有機添加剤の濃度を決定する。本発明の方法に従って、より好ましくは、銅電気めっき浴中の促進剤、抑制剤およびレベラーの1種以上の濃度が決定される。
分析されるべき有機添加剤を含む電気めっき溶液の一部分(分析対象)がこの装置に入れられ、そして作用電極、参照電極および対電極がこの溶液と接触させられる。この装置は典型的には、この分析されるべき溶液を設定温度に、例えば、25℃に維持する。次いで、作用電極を第一の回転速度で回転させつつ、一定期間にわたって陽電位を印加することにより、分析されるべき溶液を用いて作用電極表面が清浄化される。任意の適する陽電位が使用されることができ、そしてこの電位の選択は充分に当業者の能力の範囲内にある。電位の適する範囲は1.2V〜2.0Vである。例えば、銅電気めっき溶液が分析される場合には、適する電位は1.6Vである。この電位は電極表面を清浄化するのに適する期間にわたって印加される。適する期間は0.01〜120秒、好ましくは1〜60秒、およびより好ましくは1〜45秒である。第一の回転速度は重要ではないが、電極を充分に回転させることは電極表面から泡を除去するのに有効である。典型的には、第一の回転速度は100〜2500rpm、および好ましくは500〜1500rpmであるが、より遅いまたはより速い回転速度が使用されてもよい。
次いで、作用電極が開放開路電位にセットされ、そして溶液対流を平衡化するのに充分な期間にわたって第二の回転速度で回転させられる。開放開路電位は、この系に電位が印加されない場合の参照電極に対する作用電極の電位である。この第二の回転速度として、任意の適する回転速度が選択されうる。典型的な第二の回転速度は1〜4000rpm、好ましくは1〜3500rpm、およびより好ましくは1〜3000rpmである。この第二の回転速度は第一の回転速度と同じであっても、または異なっていてもよい。好ましくは、第二の回転速度は第一の回転速度よりも遅い。より遅い第二の回転速度は電極に対するより少ない対流をもたらし、かつ相対的により大きな拡散係数で相対的により小さい分子量の物質の選択をもたらす。より高い第二の回転速度はより多くの対流をもたらし、かつ相対的により大きな拡散係数で相対的により大きな分子量の物質の選択をもたらす。この平衡化工程の期間は重要ではなく、0.01〜120秒、好ましくは1〜60秒、およびより好ましくは1〜45秒で変化しうる。
この平衡化工程の後で、設定電位が作用電極に印加され、それは金属アンダーポテンシャル析出(metal underpotential deposition)ピークの50〜500mV卑であり、かつこの印加電位に1〜100mVの交番変動電位(alternating perturbation potential)がオーバーレイされる。アンダーポテンシャル析出は金属が、そのネルンスト平衡電位(Nernst equilibrium potential)よりも貴な(less negative)電位で析出する電気めっきにおける現象である。金属アンダーポテンシャル析出ピークの決定は充分に当業者の能力の範囲内のことである。本発明の方法を用いて銅電気めっき溶液が分析される場合には、参照電極に対して0.0Vの電位が印加される。交番電位変動は典型的には、サイン波または矩形波から選択され、そして好ましくはサイン波である。好ましくは、交番電位変動は1〜50mV、より好ましくは1〜25mV、およびさらにより好ましくは1〜10mVの範囲である。この工程において印加される電位は一定にされており、すなわち変動しない。
有機添加剤のインピーダンス応答は10kHz〜1mHzの周波数範囲にわたって測定される。この周波数範囲の上限はバルク溶液特性(溶液導電性)に有利に働き、一方、下限は電極二重層への添加剤吸着である。各周波数における測定時間は周波数の逆数なので、下限周波数はデータ収集により多くの時間を必要とする。同時交番(coincident alternating)変動電位を適用することにより、すなわち、高周波数(例えば、1kHz)シグナルをより低い周波数(例えば、1Hz)シグナルの上に適用し、そしてフーリエ変換によるデコンボリューション(deconvolution)によって、実験時間は短くされうる。3つまでの交番変動電位が同時に適用されうる。スキャンされる周波数はナイキスト(Nyquist)プロットを構築するために使用される。インピーダンスは複素数であり、レジスタンスは実数成分であり、かつキャパシタンスおよびインダクタンスを一緒にしたものが虚数成分である。様々な電位振幅におけるインピーダンスの実数および虚数成分はMATLAB(商標)ver.7.9.0.529(マサチューセッツ州、ナティックのThe Math Works,Inc.)ソフトウェアを用いて二次若しくは三次多項式にあてはめられる。光沢剤、抑制剤およびレベリング剤を含む銅電気めっき浴においては、インピーダンスの実数成分が主として促進剤濃度に依存し、およびインピーダンスの虚数成分が主としてレベラーおよび抑制剤濃度に依存する。
周波数は、インピーダンス応答を添加剤濃度に相関させるために使用される範囲から選択される。代替的には、2つまたは3つまたはより多い周波数のような複数の周波数が選択されうる。銅電気めっき浴中の有機添加剤については、適する周波数は1Hzである。選択された周波数(または、複数の周波数)におけるインピーダンス応答は、キャリブレーション曲線(または、相関データセット)と比較されて、有機添加剤の濃度を決定する。
キャリブレーション曲線は、まず、各溶液が既知で同じ量の電解質および金属塩を有するが、既知で異なる量の有機添加剤(分析対象)、例えば、促進剤を有する複数のキャリブレーション溶液を提供することにより得られうる。次いで、これらキャリブレーション溶液のそれぞれは、上述の装置の作用電極、参照電極および対電極と接触させられ、そして上述のプロセス工程にかけられる。MATLAB(商標)ソフトウェアを用いて、様々な電位振幅で、各キャリブレーション溶液のインピーダンスの実数および虚数成分が、二次若しくは三次の多項式にあてはめられる。必要とされるキャリブレーション点の数は溶液の複雑さに依存し、より複雑な溶液はより多くのデータ点を必要とする。第二の有機添加剤(分析対象)、例えば、レベラーも分析されるべきである場合には、上記キャリブレーション溶液のそれぞれに既知のしかし異なる量の第二の有機添加剤が添加されて、複数の第二のキャリブレーション溶液を提供する。次いで、それぞれの第二のキャリブレーション溶液は、上述の装置の作用電極、参照電極および対電極と接触させられ、そして上述のプロセス工程にかけられる。第三の有機添加剤(分析対象)、例えば、抑制剤も分析されるべきである場合には、上記第二のキャリブレーション溶液のそれぞれに既知のしかし異なる量の第三の有機添加剤が添加されて、複数の第三のキャリブレーション溶液を提供する。次いで、それぞれの第三のキャリブレーション溶液は、上述の装置の作用電極、参照電極および対電極と接触させられ、そして上述のプロセス工程にかけられる。
実施例1:
60g/LのCu2+(CuSOから)、50g/Lの18N HSO、80mg/LのCl(1NのHClから)を含む電解質、並びに8.0mL/Lの抑制剤を一緒にすることによりキャリブレーション溶液が調製された。それぞれが異なる量の促進剤を有する4種類のキャリブレーションサンプルが調製された。それぞれのキャリブレーション溶液は表1に示される促進剤の量および1.5mL/Lのレベラーの量で調製された。各キャリブレーション溶液についてのインピーダンス応答が測定された後で、追加の1mL/Lのレベラーが各キャリブレーション溶液に添加され(合計2.5mL/Lのレベラー)、そしてインピーダンスが再び測定された。このプロセスがさらに2回繰り返され、3.5および4.5mL/Lのレベラーを有するキャリブレーション溶液についてのインピーダンス測定を行った。各キャリブレーション溶液についての促進剤および合計のレベラー濃度が表1に示される。
Figure 0006603473
インピーダンス試験のためのFRA2モジュールを備えたAUTOLAB PGSTAT302Nを用いて電気化学試験が行われた。それぞれのキャリブレーション溶液は、25℃の温度を維持するように設定された100mL水ジャケット付きビーカーに入れられた。作用電極は回転する0.196cmPtディスクであって、Ptワイヤ対電極および飽和Ag/AgCl電極を有していた。HSOボルタモグラムにおいて再現性のある清浄なPtが得られるまで、−0.2〜1.6Vの電位をサイクルさせることにより、これら電極は10%HSO中で完全に清浄化された。次いで、これら電極はDI水で完全にすすがれ、その後各キャリブレーション溶液に浸漬された。各キャリブレーション溶液は2.0mLのDOSINO(商標)サーボモーター制御ビュレット溶液滴定装置(Metrohmから入手可能)を用いて滴定された。
それぞれのキャリブレーション溶液について、電極表面を清浄化するために作用電極を1600rpmで回転させつつ、1.6Vが30秒間にわたって印加された。次いで、開放開路電位で30秒間にわたって作用電極は25rpmで回転させられた。次いで、0.0Vの電位が印加され、そしてこの制御された電位の上に5mVサイン波がオーバーレイされた。次いで、レベラーのインピーダンス応答が10kHz〜10mHzの周波数範囲にわたって測定された。このプロセスは各キャリブレーション溶液について、さらに2回繰り返された。次いで、それぞれのキャリブレーション溶液に追加の1.0mL/Lのレベラーが添加、滴定され、このプロセス工程が繰り返された。図1は生じたキャリブレーション曲線を示す。
データが得られた後で、MATLAB(商標)サーフェスフィッティング(surface fitting)プログラムを用いて、1Hzで促進剤およびレベラーについてのインピーダンスの実数成分および虚数成分についての値が二次多項式にあてはめられた。このキャリブレーションは以下の式を生じさせた。
Figure 0006603473
Figure 0006603473
式中、Z’はインピーダンスの実数成分を表し、−Z”はインピーダンスの虚数成分を表し、[A]は促進剤濃度であり、および[L]はレベラー濃度である。その結果、これら式は、キャリブレーション溶液と同じ濃度を用いて調製された試験溶液の促進剤濃度およびレベラー濃度の値を求めるために使用される。

Claims (9)

  1. a)回転可能な作用電極、対電極、参照電極、ポテンシオスタットおよび周波数応答分析器を有し、前記対電極が前記作用電極および前記参照電極に動作可能に連絡している装置を提供する工程、
    b)未知の量の有機添加剤を含む金属電気めっき浴溶液を得る工程、
    c)前記作用電極、参照電極および対電極のそれぞれを前記金属電気めっき溶液と接触させ、そして前記作用電極を第一の回転速度で回転させつつ陽電位を印加することによって前記作用電極表面を清浄化する工程、
    d)開放回路電位で、前記工程c)において清浄化された前記作用電極を第二の回転速度で回転させることにより、前記電気めっき溶液中の対流を平衡化する工程、ここでかかる工程d)は、前記行程c)の後に、前記工程c)において用いられた前記金属電気めっき溶液中に前記作用電極を維持しながら開始され、及び前記第二の回転速度は、前記第一の回転速度とは異なる、
    e)前記作用電極に金属アンダーポテンシャル析出ピークの50〜500mV卑である電位を印加し、かつ1〜100mVの交番電位変動をオーバーレイする工程、
    f)10kHz〜1mHzの周波数範囲にわたる前記有機添加剤溶液のインピーダンス応答を測定する工程、
    g)前記インピーダンス応答から周波数を選択する工程、並びに
    h)前記選択された周波数において、前記インピーダンス応答をキャリブレーション曲線と比較することにより前記有機添加剤の濃度を決定する工程を含む、金属電気めっき浴中の1種以上の有機成分の濃度を決定する方法。
  2. 前記金属が銅である請求項1に記載の方法。
  3. 前記交番電位変動がサイン波および矩形波から選択される請求項1に記載の方法。
  4. 前記第一の回転速度が前記第二の回転速度よりも速い請求項1に記載の方法。
  5. 前記作用電極が白金ディスクである請求項1に記載の方法。
  6. 前記対電極が白金を含む請求項1に記載の方法。
  7. 前記有機添加剤が促進剤、抑制剤、レベラーおよびこれらの混合物から選択される請求項1に記載の方法。
  8. 前記インピーダンスが1Hzの周波数で選択される請求項1に記載の方法。
  9. 複数の周波数が工程g)において選択される請求項1に記載の方法。
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