KR100390890B1 - 도전층형성방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 도전층 형성방법 및 도전층 형성장치에 관한 것으로서, 특히 전기도금장치에 초음파 발생장치를 부가하여 피도금체에 접착력이 우수하고 균질한 도전층을 형성하도록한 도전층 형성방법 및 초음파를 이용한 전기도금장치에 관한 것이다.

본 발명의 도전층 형성방법은 액체내에 피도금체를 넣은 다음 피도금체의 표면을 초음파로 처리하는 단계와, 피도금체의 표면산화를 방지하는 챔버내에 전원공급장치, 도금욕조, 전해액 등을 포함하는 전기도금장치를 설치하는 단계와, 초음파 처리된 피도금체를 전기도금장치 내에 넣어 피도금체의 표면에 도금층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다. 본 발명의 도전층 형성장치는 전해액이 담긴 도금욕조와, 전해액에 초음파를 전달할 수 있는 음파발생장치와, 전원공급장치와, 전원공급장치의 제 1 극에 전기적으로 연결된 피도금체와, 전원공급장치의 제 2 극에 전기적으로 연결되고 전해액에 포함된 이온과 동일한 물질로 이루어진 도금체를 포함하여 이루어진다.

Description

도전층 형성방법 {A method for forming a conductive layer and an apparatus thereof}

본 발명은 도전층 형성방법 및 도전층 형성장치에 관한 것으로서, 특히 전기 도금장치에 초음파 발생장치를 부가하여 피도금체에 접착력이 우수하고 균질한 도전층을 형성하도록한 도전층 형성방법 및 초음파를 이용한 전기도금장치에 관한 것이다.

일반적으로 내산화성, 내마모성, 장식성을 위하여, 또는 반도체소자의 배선용으로금속 도전층을 형성하는 방법으로 플라즈마 기상증착법(plasma vapor deposition), 레이저 리플로잉법(laser-induced reflow), 화학기상증착법(chemical vapor deposition), 일렉트로리스증착법(electroless deposition), 그리고 전기도금법(ellectroplating) 등이 있다. 도전층을 형성하는 방법으로 대표적인 방법으로 일렉트로리스 증착법과 전기도금법이 있는데, 이들은 상대적으로 장비가격이 저렴하고 저온의 공정온도를 요구함에도 불구하고 고품질의 도전층을 형성하고 또한 증착 특성이 우수한 장점을 가지고 있다.

그러나, 전기도금법은 도전층을 피도금체에 형성하기 위하여 연속적이고 두꺼운 씨드층(seed layer)을 피도금체 표면에 형성하여야만 하고, 또한 씨드층에 대한 저저항 콘택을 형성하여야 한다. 씨드층이 형성되어야 도전층이 형성되기 때문인데, 예를 들어 스테인레스에 니켈을 전기도금하기 위하여는 씨드층으로 크롬층을 피도금체인 스테인레스층에 증착하여 형성하여야 한다.

종래 기술에 따른 전기도금공정은, 피도금체인 고체 표면에 씨드층을 형성하거나 고체의 표면을 식각하여 표면의 이물질을 제거한 다음 자연산화막 형성이 방지된 챔버내에서 전해액이 담겨있는 도금욕조(plating bath)에 피도금체를 담가 전기도금을 진행한다. 이때, 씨드층의 형성은 화학기상증착법 또는 스퍼터링 등의 물리적 증착법을 사용한다.

전기도금법은 전해액에 녹아있는 물질과 동종의 금속을 전원의 양극에 연결하고 피도금체를 전원의 음극에 연결하여 피도금체와 금속을 전해액에 담가 전기도금을 실시한다. 이때, 전해액에 녹아있는 금속 양이온이 음극과 연결된 피도금체에 증착되며 전해액에 녹아있는 금속 양이온의 농도를 감소시키게 된다. 따라서, 감소된 양만큼 금속이 전해액으로 녹아들어 전체의 이온농도를 일정하게 유지한다.

전기도금법으로 형성되는 도전층은 금속이나 금속합금으로 형성되는데, 종래의 기술에 따라 형성되는 도전층 형성방법은 피도금체에 밀착성이 좋고 균질한 도금막을 형성하기 위하여 도금공정 시작 전단계에서 피도금체의 표면에 대하여 물리적 또는 화학적 표면처리를 필요로 한다. 이러한 표면처리는 고체인 피도금체의 표면에 존재하거나 형성된 유기 또는 무기 오염물질의 제거, 피도금체 표면의 결함 제거 또는 주로 금속인 피도금체의 표면에 형성된 자연산화막의 제거를 목적으로 한다.

이러한 표면처리가 필요한 이유는 도금공정시, 오염물질 등이 도금물질의 핵화(nucleation)를 원천적으로 방해하거나 불완전한 핵화를 초래하여 증착되는 도전층의 균질도나 도전층과 피도금체와의 결합력(adhesion)을 저하시켜 도금막의 특성을 열화시키기 때문이다. 이때, 피도금체와 도전층의 결합력이 저하되는 이유는 도금공정시 씨드층에서 형성되는 그레인(grain) 형태의 성장 씨드의 분포가 조밀하지 않기 때문에 그레인(grain) 사이의 간격이 넓어져서 씨드층과 도금층의 결합력이 감소하게 된다. 따라서, 피도금체와 도금층의 결합력을 증가시키기 위해서는 도금층이 되는 그레인들의 간격이 작을 수록 유리하다.

도 1은 종래 기술에 따라 전기도금법으로 형성된 금속층의 단면도이다.

도 1을 참조하면, 도금층이 형성될 피도금체(10)의 표면에 내산화성이 크고 오염특성이 작은 씨드층(11)으로 금속층(11)을 건식방법으로 PVD 또는 CVD를 사용하여 형성한다. 이때, 씨드층(11)은 도금하고자 하는 물질과 동일할 수도 있고 상이한 물질로 형성할 수도 있다.

도금욕조에 도금층을 형성할 물질의 이온이 포함되어 있는 전해액을 넣은 후, 전원의 양극에 도금층과 동종의 금속을 연결하고 씨드층이 표면에 형성된 피도금체는 전원의 음극에 연결한 다음 금속과 피도금체를 도금욕조에 넣어 전기도금을 실시한다.

이와 같이 씨드층(11) 위에 형성된 도금층(12)의 표면에 대한 전자주사현미경 사진의 개략도가 도 4에 나타나 있다.

도 4는 종래 기술에 따라 형성된 전기도금층의 표면에 대한 전자주사현미경 이미지에 대한 개략도이다.

도 4를 참조하면, 전기도금법으로 씨드층(42) 위에 형성된 도금층의 형성과정중 도금층을 형성하는 다수개의 그레인(40,41) 들이 나타나 있다. 이러한 그레인들(40)의 대부분은 그 크기가 크며 또한 단위면적당 그 형성 갯수가 본 발명에 의해 형성된 그레인 보다 작다.

따라서, 전자주사현미경으로 관찰한 단계 이후의 도금공정을 계속 진행하여 도금층을 완성하게 되면 그레인들이 계속 성장하여 그레인 사이의 간격이 메꾸어지게 되어 하나의 연결된 도금층을 형성하게 된다. 이와 같이 형성된 도금층과 씨드층의 접촉 부위는 그레인과 그레인 사이의 간격이 조밀하지 못하므로 접촉 부위 하부에 빈 공간이 형성되어 씨드층과 도금층의 접착특성이 불량하고 균질한 막을 형성하는데 불리하다.

상술한 바와 같이 종래 기술에서 전기도금법으로 피도금체와 밀착성이 양호하고 균질한 도금층을 형성하기 위하여 피도금체의 표면에 화학적 표면처리 또는 오염이 잘 되지 않는 귀금속류의 물질로 씨드층을 별도의 공정으로 형성하므로 공정이 복잡하고, 또한 도금층이 형성되는 그레인들의 간격이 조밀하지 못하므로 피도금체 내지는 씨드층과의 접착력이 양호하지 못한 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 특히 전기도금장치에 초음파 발생장치를 부가하여 피도금체에 접착력이 우수하고 균질한 도전층을 형성하도록한 도전층 형성방법 및 초음파를 이용한 전기도금장치를 제공하는데 있다.

상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 도전층 형성방법은 전해액이 담긴 도금욕조내에 음파발생장치를 설치하는 단계와, 전해액에 스위치를 갖춘 전원공급장치의 음극과 연결된 피도금체와 전원공급장치의 양극과 연결된 도금체를 담그는 단계와, 음파발생장치를 작동시켜 초음파를 발생시키는 단계와,

전원공급장치의 스위치를 턴온 시키는 단계와, 소정시간 경과 후 스위치를 턴오프 시킨 다음 피도금체를 전해액에서 꺼내는 단계를 포함하여 이루어진다.

상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 다른 도전층 형성방법은 액체내에 피도금체를 넣은 다음 피도금체의 표면을 초음파로 처리하는 단계와, 피도금체의 표면산화를 방지하는 챔버내에 전원공급장치, 도금욕조, 전해액 등을 포함하는 전기도금장치를 설치하는 단계와, 초음파 처리된 피도금체를 전기도금장치 내에 넣어 피도금체의 표면에 도금층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.

상기 목적들을 달성하기 위하여 본 발명의 도전층 형성장치는 전해액이 담긴 도금욕조와, 전해액에 초음파를 전달할 수 있는 음파발생장치와, 전원공급장치와, 전원공급장치의 제 1 극에 전기적으로 연결된 피도금체와, 전원공급장치의 제 2 극에 전기적으로 연결되고 전해액에 포함된 이온과 동일한 물질로 이루어진 도금체를 포함하여 이루어진다.

도 1은 종래 기술에 따라 형성된 도전층의 단면도

도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 도전층 형성장치 개략도

도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 도전층 형성장치 개략도

도 4는 종래 기술에 따라 전기도금공정중 씨드층에 형성되는 도금층의 표면에 대한 전자주사현미경 이미지에 대한 개략도

도 5는 본 발명에 따라 형성되는 전기도금공정중의 도금층 표면에 대한 전자 주사현미경 이미지에 대한 개략도

본 발명에서는 전기도금법을 이용하여 피도금체에 도금층을 형성하기 위하여 종래의 도금장치에 음파 발생장치를 설치하여 별도의 씨드층 형성없이 직접 피도금체의 표면에 도금층을 형성한다. 즉, 피도금체의 표면에 씨드층을 형성하지 아니하고 음파 발생기가 부착된 도금욕조내에서 피도금체의 표면에 존재하는 오염물질이나 자연산화막 등을 음파를 사용하여 제거한 다음 피도금체의 표면에 직접 도금층을 형성한다. 이때, 피도금체의 표면처리 공정으로 별도의 욕조에서 자연산화막 등을 제거한 다음 도금욕조에서 전기도금을 실시할 수도 있다.

음파가 피도금체의 표면에 잔류하거나 형성된 오염물질 또는 자연산화막 등을 제거하는 메카니즘은 액체와 고체의 계면에서 일어나는 세정작용 등의 현상에서 추론 될 수 있다. 즉, 음파의 진동에 의하여 계면에서 미세한 기포들이 발생된다. 이러한 기포들은 액체에 녹아 있는 기체때문에 생성되는 것으로 생각되며 그 기포의 크기가 매우 작다. 이러한 기포들이 음파의 진동으로 수축과 팽창이 반복적으로 일어나 기포 내부에 매우 큰 에너지가 축적된다. 이러한 기포의 내부압력은 100 Kpa 정도이고 내부온도는 1000-3000 K이므로 액체와 고체의 계면 사이에 존재하는 잔류 물질 등에 물리화학적 영향을 충분히 줄 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명의 제 1 실시예에 따른 전기도금법에 의한 도금층 형성방법을 본 발명에 의한 전기도금장치에 따라 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 전기도금법을 이용한 도금층 형성장치 개략도로서, 도금물질로 구리를 이용한다.

도 2를 참조하면, 도금욕조(20)내에 구리이온(Cu₂ ⁺)이 용해된 전해액(23), 음파발생장치(21), 피도금체(25) 및 구리이온 보충을 위한 구리조각(24)이 담겨 있고, 피도금체(25)는 도금욕조(20) 외부에 설치된 스위치를 갖춘 전원공급장치(22)의 음극 단자에 연결되고 구리조각(24)은 전원공급장치(22)의 양극단자에 연결된다. 이때, 피도금체(25)는 금속을 이용하고, 전해액(23)은 CuSO₄5H₂O 용액 100 g/l 과 H₂SO₄50 g/l을 사용하고, 도금욕조(20)의 온도는 30 ℃를 유지하고 음파발생장치(21)는 45 KHz의 음파를 발생시키도록 설정한다.

이와 같은 도금층 형성장치를 이용하여 다음과 같은 단계로 도금작업을 수행한다.

먼저, 도금욕조(20)내에 전해액(23)을 유입시킨 다음 전원공급장치(22)와 연결된 피도금체(25)를 도금욕조(20)에 넣은 후, 음파발생장치(21)를 작동시켜 피도금체(25)의 표면에 형성된 오염물질과 자연산화막 등을 완전히 제거하여 피도금체(25)의 표면처리를 수행한다. 이때, 표면처리에 대한 메카니즘은 앞서 설명한 원리에 따른다고 본다.

피도금체(25)에 대한 표면처리가 끝난 다음, 전원공급장치(22)의 양극에 연결된 구리조각(24)을 전해액(23)에 담근 후 전원공급장치(22)의 스위치를 닫아서 전기도금반응이 일어난다. 이때, 전해액(23)에 녹아있는 구리이온은 극성에 따라 음극에 연결된 피도금체(25)의 표면에 증착되게 되고, 구리조각(24)의 일부가 전해액(23) 내로 용해되기 시작하여 전체적인 농도 평형을 유지하게 된다. 또한, 음파 발생장치(21)의 초음파 발생을 적절한 크기로 조절하여 도금층의 형성속도를 증가시킨다.

필요한 만큼의 구리 도금층이 피도금체(25)의 표면에 형성되면 전원공급장치(22)의 스위치를 열어 전기도금반응을 중단하고 도금이 끝난 피도금체(25)를 도금욕조(20)에서 꺼내어 세척한다.

도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 전기도금법을 이용한 도금층 형성장치 개략도로서, 도금물질로 구리를 이용한다.

도 3을 참조하면, 초음파욕조(30)내에 음파발생장치(31)가 위치하고 음파전달 매질 역할을 하는 액체(33)가 초음파욕조(30) 내에 유입되어 있다. 초음파욕조(30)내에는 도금욕조(37)가 넣어져 있다. 도금욕조(37)내에 구리이온(Cu₂ ⁺)이 용해된 전해액(34), 피도금체(36) 및 구리이온 보충을 위한 구리조각(35)이 담겨 있고, 피도금체(36)는 도금욕조(37) 외부에 설치된 스위치를 갖춘 전원공급장치(32)의 음극 단자에 연결되고 구리조각(35)은 전원공급장치(32)의 양극단자에 연결된다. 이때, 피도금체(36)는 금속을 이용하고, 전해액(34)은 CuSO₄5H₂O 용액 100 g/l 과 H₂SO₄50 g/l을 사용하고, 도금욕조(37)내의 온도는 30 ℃를 유지하고 음파발생장치(31)는45 KHz의 음파를 발생시키도록 설정한다.

이와 같은 도금층 형성장치를 이용하여 다음과 같은 단계로 도금작업을 수행한다.

도면에서와 같이 전기도금장치를 설정한 다음 전원공급장치(32)의 전원을 오프시킨 상태에서 음파발생장치(31)를 동작시켜 초음파를 발생시킨다. 초음파는 매질(33)을 통하여 도금욕조(37)에 도달하게 되며 다시 전해액(34)을 통하여 피도금체(36)의 표면에 도달하여 그곳에 형성된 자연산화막이나 오염물질을 제거하는 표면처리 작용을 일으키게 된다.

그리고, 음파발생장치(31)의 음파 크기를 적절한 상태로 조절한 다음, 전원 공급장치(32)의 스위치를 온(on) 상태로 하여 피도금체(36)와 구리조각(35)에 각각 음극과 양극 전원을 공급한다. 이때, 전해액(34)의 구리이온은 음극에 이끌리어 피도금체(36)의 표면에 증착되고, 구리조각의 구리원자는 이온 형태로 전해액(34)에 용해되어 전체적으로 농도 평형을 이루게 된다.

따라서, 음파발생장치에서 발생하는 초음파는 별도의 씨드층 형성없이도 피도금체의 표면에 금속 도금층을 형성하게 하며 그 증착 속도 역시 빠르게 해준다.

도시되지는 않았지만, 본 발명의 다른 실시예로, 씨드층 없이 피도금체에 도금공정을 수행하기 위하여 별도의 욕조에서 피도금체에 대한 표면처리를 실시하고 난 다음, 피도금체의 표면에 자연산화막이 형성되지 않게 하여 별도의 도금욕조에서 도금공정을 수행할 수 있다.

도 5는 본 발명에 따라 형성되는 전기도금공정중의 도금층 표면에 대한 전자 주사현미경 이미지에 대한 개략도이다.

도 5를 참조하면, 전기도금법으로 씨드층 없이 피도금체(52) 위에 형성된 도금층의 형성과정중 도금층을 형성하는 다수개의 그레인(50) 들이 나타나 있다. 이러한 그레인들(50)의 대부분은 그 크기가 작으며 또한 단위면적당 그 형성 갯수가 종래 기술에 의해 형성된 씨드용 그레인 보다 훨씬 많으므로 그레인간의 간격 또한 서로 매우 근접하게 된다.

따라서, 전자주사현미경으로 관찰한 단계 이후의 도금공정을 계속 진행하여 도금층을 완성하게 되면 그레인들이 계속 성장하여 그레인 사이의 간격이 메꾸어지게 되어 하나의 연결된 도금층을 형성하게 된다. 이와 같이 형성된 도금층과 피도금층의 접촉 부위는 그레인과 그레인 사이의 간격이 조밀하므로 접촉 부위 하부에 빈 공간이 거의 제거되어 씨드층과 도금층의 접착특성이 개선되고 균질한 막을 형성하는데 유리하다.

본 발명의 모든 실시예에서 도금물질로 구리를 이용하였으나 본 발명의 범위는 전기도금될 수 있는 모든 물질을 포함한다. 즉, 전기도금될 수 있는 모든 금속을 사용하여 본 발명을 실시할 수 있음은 물론이다.

따라서, 본 발명은 전기화학적 도금공정에서 도전성 피도금체의 표면에 씨드층 형성공정 등 별도의 전처리공정 없이 초음파를 이용한 표면처리를 실시하여 피도금체의 표면에 밀착성이 우수하고 균질한(uniform and homogeneous) 도금층을 형성하는 장점이 있다.

Claims (2)

1. 전해액이 담긴 도금욕조내에 음파발생장치를 설치하는 단계와, 상기 전해액에 스위치를 갖춘 전원공급장치의 음극과 연결된 피도금체와 상기 전원공급장치의 양극과 연결된 도금체를 담그는 단계와, 상기 음파발생장치를 작동시켜 초음파를 발생시키는 단계와, 상기 전원공급장치의 스위치를 턴온 시키는 단계와, 소정시간 경과 후 상기 스위치를 턴오프 시킨 다음 상기 피도금체를 상기 전해액에서 꺼내는 단계로 이루어진 도전층 형성방법에 있어서,

   상기 도금욕조를 음파 매질 역할을 하는 액체가 담긴 음파발생장치용 욕조에 넣고 상기 음파발생장치를 상기 음파발생장치용 욕조내에 설치하는 단계를 더 포함하는 것이 특징인 도전층 형성방법.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 도전층 형성방법의 조건은,

   상기 전해액은 CuSO₄5H₂O 용액 100 g/l과 H₂SO₄50 g/l을 사용하고, 상기 도금욕조내의 온도는 30 ℃를 유지하고, 상기 음파발생장치는 20-60 KHz의 음파를 발생시키도록 설정하는 것이 특징인 도전층 형성방법.