KR100419576B1 - 링 접촉 캐소드 전극을 구비한 전기도금 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기도금법의 도금 균일성을 향상시키기 위한 캐소드(cathode) 전극 및 그를 구비한 전기도금장치를 제공하기 위한 것으로, 웨이퍼를 플로잉방식으로 도금하기 위한 도금컵, 상기 도금컵을 밀봉시키는 헤드 및 상기 웨이퍼에 플러스전원을 인가하기 위한 애노드전극판을 구비하는 전기도금 장치에 있어서, 상기 도금컵의 바닥면에서 소정 거리를 두고 상기 도금컵에 수용되며 상기 도금컵의 상면보다 낮은 위치에서 상기 웨이퍼가 접촉되는 링을 구비하는 캐소드전극판을 포함하여 이루어지며, 도금될 웨이퍼를 캐소드전극판에 링접촉시키므로써 웨이퍼 전체에 균일한 전장을 인가할 수 있고, 캐소드전극판에 전류를 공급하기 위한 전극접점을 전극판 상면에 형성함과 동시에 접촉링 및 전극접점을 제외한 모든 캐소드전극판에 FEP-테프론 코팅하므로서 캐소드전극판과 도금액과의 접촉을 방지하여 전극접점 및 캐소드전극판으로 인한 누설전류를 최소화할 수 있다.

Description

링 접촉 캐소드 전극을 구비한 전기도금 장치{ELECTROPLATING APPARATUS WITH RING CATHODE ELECTRODE}

본 발명은 도금(Plating) 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 캐소드 전극 및 도금컵 구조를 개선함으로서 고균일성 및 고효율을 달성할 수 있는 캐소드 전극판을 구비한 전기도금 장치에 관한 것이다.

일반적으로 전기도금(Electroplating) 기술은 인쇄회로기판(PCB) 제조 및 범프 제조와 같은 반도체 산업에서 매우 중요하다. 특히, 전기 도금은 플립-칩 상호연결(flip-chip interconnection) 기술을 이용한 시스템의 소형화, 경량화 및 고속화를 달성하기 위한 범프(bump)제작에 많이 활용되고 있다.

그러나, 플립-칩 기술을 산업에 활용하기 위해서는 높은 신뢰성과 비용절감과 같은 요인이 중요하며, 균일한 범프 형성은 이러한 요건들을 만족하기 위한 필수조건이라 하겠다.

균일한 범프를 얻기 위해서는 웨이퍼 전면에 같은 도금속도로 도금되어야 하는데, 기판 전면에 균일한 도금속도를 확보하기 위해서는 기판전면에 균일한 전장이 걸리도록 해야함은 물론, 도금액이 와류가 생기지 않도록 해야하고, 도금액이일정한 속도로 기판표면에서 흐를 수 있도록 도금장치가 설계되어야 한다.

종래의 도금방법에서는 웨이퍼에 닿는 마이너스 전극접점을 3개 내지 6개의 점으로 전극접점을 확보하여 도금을 해왔다[KM. Takahashi, Proceedings of 1999 international interconnect technology conference, IEEE. 1999, pp281∼281].

그러나, 수개의 점 접점으로 3∼4A/cm²나 되는 높은 전류밀도를 기판에 흘려주면, 점 접점으로 인한 접촉저항이 너무 커서 웨이퍼 전면에 균일한 전장(field)을 확보할 수 없었을 뿐만 아니라, 전류손실로 인한 도금속도 감소라는 피할 수 없는 문제점이 있었다.

도 1은 종래기술에 따른 점접점 방식의 전기도금 장치를 도시한 도면으로서, 도금컵(2)과 헤드(컵 상부)(1)를 도시 하고 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 헤드(1)는 마이너스 전원(-)의 연결접점(3), 플러스전원(+)의 연결점점(4)이 부착되어 있는데, 여기서, 마이너스 전원의 연결접점(3) 및 플러스전원의 연결접점(4)은 하부 도금컵(2)과의 연결접점으로도 이용된다.

그리고, 도금컵(2)은 중심부분에 애노드전극판(2a)이 삽입되는데, 도금컵(2)은 도금액이 흐를수 있도록 중심부분이 오픈되어 있으며, 도금컵(2) 상부에는 헤드(1)의 마이너스 전원의 연결접점(3)에 접촉되는 제 1 캐소드전극 접점봉(5), 헤드(1)의 플러스전원의 연결접점(4)에 접촉되는 애노드전극 접점봉(6), 웨이퍼(도시 생략)에 접촉되는 제 2 캐소드전극 접점봉(7)을 구비한다.

그리고, 도금될 웨이퍼는 웨이퍼 가이드(8)에 지지되면서 제 2 캐소드전극 접점봉(7)을 통해 도금컵(2)에 점 접촉된다.

도 1에 도시된 제 1, 2 캐소드전극 접점봉(5, 7)과 애노드전극 접점봉(6)을 구비하는 도금컵(2)은 제 1 캐소드전극 접점봉(5)을 통해 점접점 방식으로 헤드(1)에 접촉되고, 웨이퍼는 제 2 캐소드전극 접점봉(7)에 놓여지므로, 도금컵(2) 상면보다 5㎜ 높은 위치에 있다.

도 2는 도 1의 도금컵의 상면도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 점 접점형 도금컵(2)은 중심축을 기준으로 120°각도로 서로 이격되며 헤드와 접촉되는 3개의 제 1 캐소드전극 접점봉(5)이 구비되며, 제 1 캐소드전극 접점봉(5)과 쌍을 이루며 웨이퍼와 점접촉되는 제2캐소드전극 접점봉(7)이 구비된다.

그리고, 애노드전극판(도 1의 2a)에 플러스 전압을 인가해주기 위한 하나의 애노드전극 접점봉(6)이 구비된다.

상술한 종래기술에서 도금컵(2)의 재질은 테프론이며, 접점봉의 금속재질은 서스 316(sus316)이다. 도금방식은 펌프를 사용하여 용액이 밑에서 위로 흐르는 플로잉(flowing) 방식이며, 도금되는 웨이퍼 위치는 웨이퍼에 닿는 용액이 컵 밖으로 흐르게 하기 위해 도금액이 넘쳐흐르는 용액면(컵 높이)보다 약 3∼5mm 높다.

그러나, 흐르는 도금액이 웨이퍼 표면에 닿게 하기 위해서는 어느 정도 용액을 강하게 플로잉해주어야 하고, 이로 인해 도금액 순환의 불균일을 초래하였다.

그리고, 상술한 종래기술은 점 접점을 통해 캐소드전극 접점봉과 웨이퍼가접촉되기 때문에, 웨이퍼에 균일한 전장을 인가하기 힘들며, 이에 따라 전체적으로 도금 균일도가 저하되는 문제점이 있다.

또한, 캐소드전극 접점봉에 도금액이 직접 닿기 때문에, 도금액과 캐소드전극 접점봉이 반응하여 전류손실로 인한 도금속도 저하를 피할 수 없다.

본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 불균일한 도금 문제를 해결하고, 캐소드전극과 도금액의 반응으로 인한 도금속도 저하를 억제하는데 적합한 캐소드전극을 구비한 전기도금 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래기술에 따른 전기도금장치의 구성도,

도 2는 종래기술에 따른 점접점 캐소드전극판을 도시한 도면,

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 링접촉 캐소드전극판의 단면도,

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 링접촉 캐소드전극판의 평면도,

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 테프론코팅된 캐소드전극판을 구비하는 도금컵을 도시한 도면,

도 6은 점 접점방식과 링 접점 방식에 대한 도금속도를 비교한 도면,

도 7은 점 접점방식과 링 접점 방식에 대한 도금 균일도를 비교한 도면,

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

20 : 도금컵 20a : 도금액 순환 통로

21 : 캐소드 전극판 21a : 원통부

21b : 플랜지부 21c : 바닥부

21d : 돌출부 21e : 접촉링

21f : 함몰접점 21g : 격자

22 : 웨이퍼 23a : 접점구멍

23b : 고정핀 구멍 24 : FEP-테프론

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전기도금장치는 웨이퍼를 플로잉방식으로 도금하기 위한 도금컵, 상기 도금컵을 밀봉시키는 헤드 및 상기 웨이퍼에 플러스전원을 인가하기 위한 애노드전극판을 구비하는 전기도금 장치에 있어서, 상기 도금컵의 바닥면에서 소정 거리를 두고 상기 도금컵에 수용되며 상기 도금컵의 상면보다 낮은 위치에서 상기 웨이퍼가 접촉되는 링을 구비하는 캐소드전극판을 포함함을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 캐소드전극판은 원통부, 상기 원통부의 상면로부터 외측방향으로 연장된 플랜지부, 상기 원통부의 저면으로부터 내측방향으로 연장된 바닥부, 및 상기 바닥부로부터 상기 원통부의 내주면과 소정 거리를 두고 상기 원통부의 상면방향으로 연장된 돌출부를 더 구비하되, 상기 돌출부에 상기 링이 연장되어 형성된 것을 특징으로 하며, 상기 플랜지부는 그 상면에 마이너스전극접점을 위한 함몰접점이 구비되고, 플러스전극접점을 위한 접점구멍이 구비된 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 캐소드전극판의 평면도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 캐소드전극판(21)은 원통부(21a), 원통부(21a)의 상면로부터 외측방향으로 연장된 플랜지부(21b), 원통부(21a)의 저면으로부터 내측방향으로 연장된 바닥부(21c), 바닥부(21c)로부터 원통부(21a)의 내주면과 소정 거리를 두고 원통부(21a)의 상면방향으로 연장된 돌출부(21d), 돌출부(21d)상에 연장된 접촉링(21e)으로 이루어진다.

이러한, 캐소드전극판(21)의 접촉링(21e)은 도금될 웨이퍼보다 작은 직경을 가지며, 도금될 웨이퍼는 접촉링(21e)에 접촉된다. 그리고, 캐소드전극판(21)의 상면에는 헤드와의 마이너스전극 접점을 위한 함몰접점(21f)이 형성된다.

그리고, 웨이퍼에 닿은 도금액이 쉽게 옆으로 흐르지 못하면 도금에 나쁜 영향을 미칠 수 있기 때문에, 웨이퍼 표면에 맞은 도금액이 옆으로 쉽게 빠져 나갈수있도록 캐소드전극판(21)의 바닥부(21c)의 저면에 격자(21g)가 형성된다.

도 4는 도 3의 캐소드전극판의 상면도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 원통부(21a), 플랜지부(21b), 바닥부(21c), 돌출부(도시 안됨)로 이루어진 캐소드전극판(21)은 헤드와의 마이너스전극 접점을 위한 함몰접점(21f)이 형성되고, 헤드와 애노드전극판과의 접점을 위한 접점구멍(23a)과 캐소드전극판(21)을 도금컵(20)에 고정시키기 위한 고정핀 구멍(23b)이 형성된다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 캐소드전극판이 구비된 도금컵을 나타낸 도면이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전기도금 장치의 도금컵은, 도 1에 도시된 종래기술과 동일한 구성을 갖는데, 도금컵(20)과 도금컵(20)을 밀봉시키는 헤드(도시 생략)를 구비하고, 도금컵(20)의 중심부분에 애노드전극판(도시 생략)이 삽입되며, 도 3에 따른 캐소드전극판(21)이 도금컵(20)의 바닥면과 측면에서 소정 거리를 두고 도금컵(20)에 수용된다.

다시 말하면, 원통부(21a), 플랜지부(21b), 바닥부(21c), 돌출부(21d)로 이루어진 캐소드전극판(21)이 도금컵(20)에 수용되며, 캐소드전극판(21)의 접촉링(21e)에 도금될 웨이퍼(22)가 놓이되, 웨이퍼(22)는 도금컵(20)의 상면보다 낮은 위치에 놓인다.

그리고, 캐소드전극판(21)의 상면에 형성된 함몰접점(21f)과 도금될 웨이퍼(22)가 접촉되는 접촉링(21e)을 제외한 캐소드전극판(21)의 전면에 FET(Fluorinated ethylene propylene copolymer)-테프론(24)이 코팅되어 있다.

여기서, FEP-테프론(24)은 내화학적 특성, 내부식성이 우수하고, 낮은 마찰계수를 갖고, FEP-테프론(24) 코팅으로 인해 발생할 수 있는 핀홀(pin hole) 형성을 방지하기 위하여 정전방식으로 수회 코팅한다. 이와 같이, 수회 코팅하면, 1000V에서도 스파크가 발생되지 않는다.

상술한 FEP-테프론(24) 코팅을 통해 캐소드전극판(21)을 완전히 피복하여 도금액과 캐소드전극판(21)간의 전류 흐름을 차폐하며, 캐소드전극판(21)에 전류를 공급하기 위한 함몰점점(21f)은 도금액과 닿지 않게 캐소드전극판(21)상에 형성하여 전극접점으로 인한 전류의 손실을 최소화시킨다.

한편, 도금컵(20)은 웨이퍼(22)에 닿은 도금액이 외부로 흐를수 있도록 도금액 순환로(20a)가 도금컵(20)의 외측에 형성되며, 이러한 도금액의 흐름을 원활히 하기 위해, 도 3에 도시된 것처럼 캐소드전극판(21)의 바닥부(21c)에는 격자(21g)가 형성된다.

이처럼, 격자(21g)를 형성하는 이유는, 웨이퍼(22)에 닿은 도금액이 쉽게 옆으로 흐르지 못하면 도금에 나쁜 영향을 미칠 수 있기 때문에, 웨이퍼(22) 표면에 맞은 도금액이 옆으로 쉽게 빠져나갈 수 있도록 하기 위함이다.

상술한 바와 같이, 캐소드 전극판(21)은 링형태의 컵 구조이며, 접촉링(21e)에 놓이는 도금될 웨이퍼(22)를 캐소드전극판(21)의 상측면보다 낮게 위치시켜 캐소드전극판(21)내에 웨이퍼(22)를 담그는 도금 장치를 구성한다.

다시 말하면, 도금되는 웨이퍼(22)의 위치를 도금컵(20)보다 1cm정도 낮게 설계해줌으로서 도금액을 강하게 플로잉하지 않아도 용액이 쉽게 웨이퍼(22) 표면과 닿게 해줌으로서 담금(dip) 방식의 도금효과를 얻도록 한다.

또한, 도금되는 웨이퍼(22)의 직경보다 도금컵(21)의 직경을 크게 해줌으로서 펌핑되는 도금액의 와류 발생을 억제하여 도금액이 흐르는 틈을 확보한다.

한편, 캐소드전극판(21)은 산에서 내구성이 강한 서스316(sus316)이고, 서스316은 값이 싸고, 산에서 강하며 구리 및 솔더가 도금되지 않기 때문에 도금용 전극으로 유용하다.

그리고, 애노드 전극은 도금되는 웨이퍼(22) 면적의 1.8배가 되도록 하여 웨이퍼 끝 부분에서 전장이 가려 도금이 방해받는 것을 방지하도록 설계한다.

상술한 캐소드전극판이 쉽게 탈착가능하도록 설계함과 동시에, 도금컵의 직경을 크게 하여 도금 웨이퍼(22)에 맞는 접촉링을 갖는 캐소드 전극판 교체만으로 웨이퍼 직경에 관계없이 자유롭게 도금할 수 있도록 한다.

도 6은 4인치 실리콘 웨이퍼위에 Ti(1000Å)/Cu(3000Å)의 시드메탈(seed metal)을 스퍼터링한 후, 점접점방식과 링접점방식으로 도금한 구리도금 속도를 비교한 도면이다. 도금속도 측정시, 점 접점방식에서의 도금컵은 4인치 웨이퍼가 맞도록 설계된 특수한 컵을 사용하고, 애노드 전극판의 직경도 4인치가 되도록 했다.

도 6을 참조하여 점 접점방식과 링 접점방식으로 도금한 구리의 도금속도를 비교해보면, 링 접점방식으로 도금한 경우가 점 접점방식으로 한 경우보다 약 23%큼을 알 수 있다. 이는 점 접점방식의 경우, 점 접점으로 인한 접촉저항 증가와 접촉 봉이 도금액과 닿아 전류손실을 발생시켰기 때문이다.

도 7은 4인치 실리콘 웨이퍼위에 Ti(1000Å)/Cu(3000Å)의 시드메탈을 스퍼터링한 후, 점 접점방식과 링 접점방식으로 구리 도금한 시료에 대한 균일성의 차이를 비교한 도면이다.

도 7을 참조하면, 점 접점방식과 링 접점방식으로 도금한 구리의 균일도를 비교해 보면, 점 접점방식으로 한 경우가 ±14%이고, 링 접점방식으로 도금한 경우가 ±1.2%로 나타나기 때문에, 링 접점방식으로 도금한 경우 균일도를 개선시킬 수 있음을 알 수 있다.

링 접점 방식으로 얻은 균일도 ±1.2%는 일반적으로 보고되는 ±5% 보다도 더 우수한 특성을 보여 주고 있어, 링 접촉전극이 우수한 도금특성을 나타내는 것을 입증해 주고 있다.

상술한 바와 같은 본 발명은 도금될 웨이퍼를 캐소드전극판에 링 접점시키므로써 웨이퍼 전체에 균일한 전장을 인가할 수 있으며, 캐소드전극에 전류를 공급하기 위한 전극접점을 캐소드전극판상에 형성하고, 더욱이 접촉링과 전극접점을 제외한 모든 부분에 FEP-테프론으로 피복시켜 캐소드전극판과 도금액과의 접촉을 차폐하여 전류의 손실을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

또한, 도금될 웨이퍼를 도금컵보다 낮게 설계하므로써 담금방식의 도금 효과를 구현할 수 있고, 캐소드전극판의 바닥면에 격자를 형성하므로써 도금액의 와류를 최소화하면서 도금액을 용이하게 외부로 유출시킬 수 있는 효과가 있다.

그리고, 링형 캐소드전극판이 쉽게 탈착가능하도록 설계함과 동시에 도금컵 직경을 크게하여 웨이퍼 직경에 맞는 링전극을 용이하게 교체할 수 있도록 하여 여러 직경의 웨이퍼 도금이 가능한 효과가 있다.

Claims (10)

1. 웨이퍼를 플로잉방식으로 도금하기 위한 도금컵, 상기 도금컵을 밀봉시키는 헤드 및 상기 웨이퍼에 플러스전원을 인가하기 위한 애노드전극판을 구비하는 전기도금 장치에 있어서,

   상기 도금컵의 바닥면에서 소정 거리를 두고 상기 도금컵에 수용되며, 상기 도금컵의 상면보다 낮은 위치에서 상기 웨이퍼가 접촉되는 링과 자신의 바닥 저면에 도금액을 외부로 유출시키기 위한 격자를 구비하는 캐소드전극판

   을 포함하는 전기도금장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 캐소드전극판은

   원통부;

   상기 원통부의 상면로부터 외측방향으로 연장되며, 자신의 상면에 마이너스전극 접점을 위한 함몰접점이 구비된 플랜지부;

   상기 원통부의 저면으로부터 내측방향으로 연장된 바닥부; 및

   상기 바닥부로부터 상기 원통부의 내주면과 소정 거리를 두고 상기 원통부의 상면방향으로 연장된 돌출부를 더 구비하되, 상기 돌출부에 상기 링이 연장되어 형성된 것을 특징으로 하는 전기도금장치.
5. 삭제
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 플랜지부는 플러스전극 접점이 통과되는 접점구멍이 구비된 것을 특징으로 하는 전기도금장치.
7. 삭제
8. 제 4 항에 있어서,

   상기 링과 상기 함몰접점을 제외한 전표면에 걸쳐 FEP-테프론이 코팅된 것을 특징으로 하는 전기도금장치.
9. 삭제
10. 제 4 항에 있어서,

    상기 플랜지부는 상기 플랜지부를 고정시키는 고정핀이 통과하는 구멍이 구비됨을 특징으로 하는 전기도금장치.