KR20000033589A - 도전층 형성방법 및 도전층 형성장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 도전층 형성방법 및 도전층 형성장치에 관한 것으로서, 특히 무전극도금(electroless plating)장치에 초음파 발생장치를 부가하여 씨드층(seed layer) 없이 피도금체에 접착력이 우수하고 균질한 도전층을 형성하도록한 도전층 형성방법 및 그에 관련된 무전극도금장치에 관한 것이다.

본 발명의 도전층 형성방법은 액체내에 피도금체를 넣은 다음 피도금체의 표면을 초음파로 처리하는 단계와, 피도금체의 표면산화를 방지하는 챔버내에 도금욕조, 전해액 등을 포함하는 무전극도금장치를 설치하는 단계와, 초음파 처리된 피도금체를 무전극도금장치 내에 넣어 피도금체의 표면에 도금층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다. 본 발명의 도전층 형성장치는 전해액이 담긴 도금욕조와, 전해액에 초음파를 전달할 수 있는 음파발생장치와, 피도금체를 포함하여 이루어진다.

Description

도전층 형성방법 및 도전층 형성장치

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

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

그러나, 무전극도금법은 양질의 도전층을 피도금체에 형성하기 위하여 연속적이고 두꺼운 씨드층(seed layer)을 피도금체 표면에 형성하여야만 하는데 씨드층이 형성되어야 화학반응이 균질하게 일어나 양질의 도전층이 형성되기 때문이다. 예를 들어 반도체 확산방지막인 티타늄나이트라이드(TiN)에 구리를 무전극도금하기 위하여는 씨드층으로 팔라디윰(Pd) 이나 백금(Pt)층을 피도금체인 확산방지막층에 증착하여 형성하여야 한다.

종래 기술에 따른 무전극도금공정은, 피도금체인 고체 표면에 씨드층을 형성한후 전해액이 담겨있는 도금욕조(plating bath)에 피도금체를 담가 무전극도금을 진행한다. 이때, 씨드층의 형성은 화학기상증착법 또는 스퍼터링 등의 물리적 증착법을 사용한다.

무전극도금법은 금속의 이온화 경향의 차이에 의한 치환이나 환원제에 의한 화학반응을 이용하여 도전체를 도금하는 방법으로 전기도금법과 달리 도금을 위한 전기공급이 필요하지 않은 장점이 있다.

무전극도금법으로 형성되는 도전층은 금속이나 금속합금으로 형성되는데, 종래의 기술에 따라 형성되는 도전층 형성방법은 피도금체에 밀착성이 좋고 균질한 도금막을 형성하기 위하여 도금공정 시작 전단계에서 피도금체의 표면에 내산화가 잘 되지않고, 오염이 잘 되지않거나 또는 오염이 쉽게 제거가 될 수 있는 금속류로 씨드층을 형성한후 씨드층위에 도금하고자 하는 물질을 도금한다. 씨드층이 없는 경우는 피도금체 표면에 존재하는 산화막이나 오염물질 등이 도금물질의 핵화(nucleation)를 원천적으로 방해하거나 불완전한 핵화를 초래하여 증착되는 도전층의 균질도나 도전층과 피도금체와의 결합력(adhesion)을 저하시켜 도금막의 특성을열화시킨다. 이때, 피도금체와 도전층의 결합력이 저하되는 이유는 도금공정시씨드층에서 형성되는 그레인(grain) 형태의 성장 씨드의 분포가 조밀하지 않기 때문에 그레인(grain) 사이의 간격이 넓어져서 씨드층과 도금층의 결합력이 감소하게된다. 따라서, 피도금체와 도금층의 결합력을 증가시키기 위해서는 도금층이 되는그레인들이 균질하고 간격이 작을 수록 유리하다.

도 1은 종래 기술에 따라 무전극도금법으로 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 도금액을 넣은 후, 씨드층이 표면에 형성된 피도금체를 도금욕조에 넣어 무전극도금을 실시한다. 이때 씨드층이 없을 경우는 도금 물질의 그레인 형성이 불균질하고 또 잘 되지 않는다.

씨드층 없이 피도금체(10) 위에 형성된 도금층(12)의 표면에 대한 이미지의 개략도가 도 4에 나타나 있다.

도 4를 참조하면, 무전극도금법으로 씨드층 없이 피도금체(40) 위에 형성된 도금층의 형성 과정중 도금층을 형성하는 다수개의 그레인(42) 들이 나타난다.

이러한 그레인들(42)의 대부분은 그 크기가 불균일하고 또한 단위 면적당 그 형성 갯수가 작기 때문에 무전극도금 공정 이전에 씨드층의 증착은 필수적이다.

따라서, 도 4이후의 도금공정을 계속 진행하여 도금층을 완성하게 되면 도금층과 피도금층의 접촉 부위는 그레인과 그레인 사이의 간격이 조밀하지 못하므로 접촉부위 하부에 빈 공간이 형성되어 피도금층과 도금층의 접착특성이 불량하고 균질한 막을 형성하는데 불리하다.

도 5는 본 기술에 따라 형성된 무전극 도금층의 표면에 대한 이미지에 대한 개략도이다.

도 5를 참조하면, 무전극도금법으로 씨드층 없이도 피도금층(50) 위에 형성된 도금층에 크기가 비슷한 다수개의 그레인(52) 들이 나타나 있다. 이러한 그레인들(52)의 대부분은 그 크기가 작으며 또한 단위면적당 그 형성 갯수가 씨드층 없이 형성되었음에도 그레인 수가 많다. 이는 종전 기술의 씨드층 위에서 자라는 그레인들의 성장과 매우 유사하며, 도 5이후의 도금공정을 계속 진행하여 도금층을 완성하게되면 도금층과 피도금층의 접촉 부위는 그레인과 그레인 사이의 간격이 조밀하여 쉽게 막으로 형성되고 접착특성이 우수하고 균질한 막 형성하게 된다.

상술한 바와 같이 종래 기술에서는 무전극도금법으로 피도금체와 밀착성이 양호하고 균질한 도금층을 형성하기 위해 피도금체의 표면에 자연 산화막의 형성이 어렵거나 또는 오염이 잘 되지 않는 귀금속류의 물질로 씨드층을 별도의 공정으로 형성하므로 공정이 복잡한 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 특히 무전극도금장치에 초음파 발생장치를 부가하여 씨드층 없이 피도금체에 접착력이 우수하고 균질한 도전층을 형성하도록한 도전층 형성방법 및 초음파를 이용한 무전극도금장치를 제공하는데 있다.

상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 도전층 형성방법은 전해액이 담긴 도금욕조내에 음파발생장치를 설치하는 단계와, 전해액에 피도금체를 담그는 단계와, 음파발생장치를 작동시켜 초음파를 발생시키는 단계와, 소정시간 경과 후 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 도금욕조, 전해액 등을 포함하는 무전극도금장치를 설치하는 단계와, 초음파 처리된 피도금체를 무전극도금장치 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, 피도금체를 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 무전극 도금공정중 씨드층(seed layer) 없는 피도금체에 형성되는 도금층의 표면 이미지에 대한 개략도

도 5는 본 발명에 따라 형성되는 무전극도금 공정중 피도금체에 형성되는 도금층 표면 이미지에 대한 개략도

본 발명에서는 무전극도금법을 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 도금장치내에서 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 무전극도금을 실시할 수도 있다.

음파가 피도금체의 표면에 잔류하거나 형성된 오염물질 또는 자연산화막 등을 제거하는 메카니즘은 액체와 고체의 계면에서 일어나는 시각이나 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 무전극도금법에 의한 도금층 형성방법을 본 발명에 의한 무전극도금장치에 따라 설명하기로 한다.

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

도 2를 참조하면, 도금욕조(20)내에 구리이온(Cu²⁺)이 용해된 전해액(22), 음파발생장치(21), 피도금체(23)가 담겨 있다. 이때, 피도금체(23)는 질화타이타늄막이 덮인 실리콘 기판을 이용하고, 전해액(22)은 CuSO₄5H₂O 용액 7 g과 HCHO 5ml, EDTA 5 g, 초순수 300 ml를 사용하고, 도금욕조(20)의 온도는 35 ℃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(22)을 유입시킨 다음 피도금체(23)를 도금욕조(20)에 넣은 후, 음파발생장치(21)를 작동시켜 피도금체(23)표면에 형성된 오염물질과 자연산화막 등을 완전히 제거하여 피도금체(23)의 표면처리를 수행한다.

이때, 표면처리에 대한 메카니즘은 앞서 설명한 원리에 따른다고 본다. 피도금체(23)에 대한 표면처리가 끝난 다음, 음파발생장치(21)의 초음파 발생의 크기나 작동시간을 적절하게 조절하여 도금층의 형성속도를 증가시킨다.

필요한 만큼의 구리 도금층이 피도금체(23)의 표면에 형성되면 도금이 끝난 피도금체(23)를 도금욕조(20)에서 꺼내어 세척한다.

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

도 3을 참조하면, 초음파욕조(30)내에 음파발생장치(31)가 위치하고 음파전달 매질역할을 하는 액체(32)가 초음파욕조(30) 내에 유입되어 있다. 초음파욕조(30)내에는 도금욕조(35)가 넣어져 있다. 도금욕조(35)내에 구리이온(Cu²⁺)이 용해된 전해액(33), 피도금체(34)가 담겨 있고, 이때, 피도금체(34)는 질화타이타늄막이 덮인 실리콘 기판을 이용하고, 전해액(34)은 CuSO₄5H₂O 용액 7 g과 HCHO 5ml, EDTA 5 g, 초순수 300 ml를 사용하고, 도금욕조(35)내의 온도는 온도는 35。C를 유지하고 음파발생장치(31)는 45 KHz의 음파를 발생시키도록 설정한다.

이와 같은 도금층 형성장치를 이용하여 다음과 같은 단계로 도금작업을 수행한다.

도면에서와 같이 무전극도금장치를 설정한 다음 음파발생장치(31)를 동작시켜 초음파를 발생시킨다. 초음파는 매질(32)을 통하여 도금욕조(35)에 도달하게 되며 다시 전해액(33)을 통하여 피도금체(34)의 표면에 도달하여 그곳에 형성된 자연산화막이나 오염물질을 제거하는 표면처리 작용을 일으키게 된다.

그리고, 음파발생장치(31)의 음파 크기와 작동시간을 적절히 조절한 다음, 필요한 만큼의 구리 도금층이 피도금체(34)의 표면에 형성되면, 피도금체(34)를 도금욕조(35)에서 꺼내어 세척한다.

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 초음파 욕조에서 피도금체에 대한 표면처리를 실시하고난 다음, 피도금체의 표면에 자연산화막이 형성되지 않게 하여 별도의 도금욕조에서 도금공정을 수행할 수 있다.

도 5는 본 발명에 따라 형성되는 무전극 도금공정중의 도금층 표면이미지에 대한 개략도이다.

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

따라서, 핵생성을 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 피도금층과 도금층의 접착특성이 개선되고 균질한 막을 형성하는데 유리하다.

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

따라서, 본 발명은 무전극 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 (6)

1. 액체내에 피도금체를 넣은다음 상기 피도금체의 표면을 초음파로 처리하는 단계와,

   상기 피도금체의 표면산화를 방지하는 챔버내에 도금욕조, 전해액 등을 포함하는 무전극도금장치를 설치하는 단계와,

   초음파 처리된 상기 피도금체를 상기 무전극도금장치 내에 넣어 상기 피도금체의 표면에 도금층을 형성하는 단계로 이루어진 도전층 형성방법.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 도전층 형성방법의 조건은,

   상기 전해액은 CuSO4 용액을 사용하고, 상기 도금욕조내의 온도는 25-100 ℃를 유지하고, 상기 음파발생장치는 20KHz-300KHz 의 음파를 발생시키도록 설정하는 것이 특징인 도전층 형성방법.
3. 전해액이 담긴 도금욕조내에 음파발생장치를 설치하는 단계와,

   상기 전해액에 피도금체를 담그는 시키는 단계와,

   상기 음파발생장치를 작동시켜 초음파를 발생시키는 단계와,

   소정시간 경과 후 상기 피도금체를 상기 전해액에서 꺼내는 단계로 이루어진 도전층 형성방법.
4. 청구항 3에 있어서, 상기 전해액에 피도금체를 담그어 소정시간이 경과될 때 상기 음파발생장치의 작동이 연속적이지 않은 상태에서 실시하는 것이 특징인 도전층 형성방법.
5. 청구항 3에 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.
6. 청구항 3에 있어서, 상기 도전층 형성방법의 조건은,

   상기 전해액은 CuSO4 용액을 사용하고, 상기 도금욕조내의 온도는 25-100 ℃를 유지하고, 상기 음파발생장치는 20KHz-300KHz 의 음파를 발생시키도록 설정하는 것이 특징인 도전층 형성방법.