KR20020093584A - 전해 구리 도금법 - Google Patents

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KR20020093584A
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Abstract

구리가 기판상에 전해적으로 침착되며, 전해 구리 도금에 공급된 전해 구리 도금액이 불용성 양극을 사용하여 더미(dummy) 전기분해되는 전해 구리 도금법이 제공된다. 이 방법은 도금 구리의 외관, 침착된 구리 필름의 미세성(fineness) 및 비어-충전성(via-filling)이 만족할만한 수준으로 유지되도록 전해 구리 도금액을 유지 및 복원할 수 있다.

Description

전해 구리 도금법{Electrolytic copper plating method}
본 발명은 전해 구리 도금법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 도금 외관을 손상시키지 않으면서 충전된 비어-홀을 형성하기 위해 적용되는 전해구리 도금법에 관한 것이다.
퍼스널 컴퓨터의 사용을 시작으로, 소형화된 고성능 전자 디바이스를 제공하기 위해 인쇄 회로판을 더 얇고 고밀도로 만드는 것이 산업계에 강력히 요망되고 있다. 이와 같은 요구를 충족시키기 위한 일환으로 각 층상에 패턴을 형성시키고 층을 연속해서 라미네이트화시키는 적층(build-up) 기술을 사용하여 제조된 다층 인쇄 회로판(적층 인쇄 회로판)을 사용하게 되었다.
최근, 전도체를 가지며 인접한 적층 인쇄 회로판과 전기적으로 접속되는 상기 유형의 적층 인쇄 회로판에서 비어-홀(또는 "비어)을 완전히 충전시키기 위해 "비어-충전"이라 불리는 방법이 개발되었다. 이 방법은 인쇄 회로판의 유효 표면적을 증가시키고, 선행 기술법에 의해 비어 내벽만이 도금되는 것에 비해 소직경의 비어에 대해서도 적절한 전기 접속이 이루어지도록 함으로써 인쇄 회로판의 밀도를 축소하여 이를 증가시키는데 효과적이다.
공지된 비어-충전법에는 인쇄법에 의해 비어에 전도성 페이스트를 충전하는 방법, 비어 플로어(floor)상의 전도층만을 활성화시키고 무전해 구리 도금층을 축적시키는 방법 및 전해 구리 도금을 사용하는 방법이 포함된다.
그러나, 전도성 페이스트는 구리와 유기 물질의 혼합물이기 때문에, 금속 구리보다 전도도가 낮아, 소직경 비어에서 적절한 전기 접속을 제공하는 것이 어렵고, 인쇄 회로판의 밀도를 축소하여 이를 증가시키는데 효과적인 방법으로 고려될 수 없다. 또한, 인쇄법에 의한 충전은 소직경의 비연결 홀을 점성 페이스트로 충전하는 것을 필요로 하는데, 페이스트의 점도 때문에 공기 보이드(air void)의 형성없이 완전히 충전하는 것이 곤란하다. 비어-충전 물질이 고전도성 금속 구리 침착물이라는 점에서 무전해 구리 도금을 이용한 방법이 전도성 페이스트 방법보다 뛰어나긴 하지만, 침착물의 도금 속도가 느려 생산성에 문제가 있다. 일반적인 고속 무전해 구리 도금조를 사용한 침착물의 도금 속도는 약 3 ㎛/시이지만, 구리 도금으로 직경이 100:m이고 깊이가 100:m인 전형적인 블라인드 비어(blind via)를 충전하기 위해서는 30 시간 이상이 걸리며 생산성이 지극히 저조하다.
이와 대조적으로, 전해 구리 도금은 10 내지 50:m/시의 빠른 도금 속도를 가지며, 무전해 구리 도금에 비해 시간을 상당히 단축시킬 수 있다. 그 결과, 비어에 무전해 구리 도금을 적용하는 것이 기대된다. 그러나, 비어의 내벽 전반에 걸쳐 구리를 도금하는 경우, 공기 보이드를 제공하지 않도록 비어를 적절히 충전시키기 위해서는, 비어내 플로어 근처의 도금 속도가 개방부에서의 도금 속도보다 빨라야 한다. 플로어 근처의 도금 속도가 개방부에서의 도금 속도와 같거나 이보다 느리게 되면, 비어는 충분히 충전되지 않거나, 개방부는 비어가 도금 구리로 충전이 다 되기도 전에 막혀버려 내부에 공기가 남게 된다. 두 케이스 모두 실행 불가능하다. 따라서, 비어를 충분히 충전시키기 위해서는, 금속이 적절히 도금될 수 있도록 도금 조건을 주의해서 조절하여야 한다.
보통, 증백제(brightener)와 함께, 특정의 황산화 화합물을 함유하는 전해 구리 도금액이 인쇄 회로판을 제조하는데 사용되며, 일반적으로 전기분해 조건은 인산화 구리 양극과 같은 가용성 양극을 사용한 직류 전기분해이다. 그러나, 가용성 양극에 의한 도금은 전해 구리 도금조가 전기분해동안 및 전기분해 중단후 불안정하고, 그후 사용되는 경우, 전해 구리 도금액이 전해 구리 침착물의 형성동안 클럼프(clump)를 제공하고, 도금의 외관을 손상시키며, 비어-충전을 불안정화시키는 문제가 있다.
비어-충전성을 개선시키기 위한 한 방법으로서, 아직 심사전인 일본 특허 출원 제 2000-68651호에 의해 현재 공개된 특정의 황산화 화합물을 함유하는 전해 구리 도금액 및 PPR(펄스 주기적 역전: pulse periodic reverse) 전류를 사용한 전해 구리 도금법은 PPR 전류를 이용하여 기판에 특정의 황산화 화합물의 흡탈착을 조절하였으나, 가용성 양극을 사용하는 경우 야기되는 상술한 문제점들을 해결하지는 못했다.
비어-충전성을 개선시키기 위한 다른 방법은 불용성 양극을 사용한 전해 구리 도금법이다. 그러나, 이 방법은 사용한 모든 양극이 불용성 양극이어서 값이 비싸기 때문에 시스템 총 비용을 가중시키는 문제를 갖는다. 불용성 양극을 사용하는 경우에는 또한 도금조가 사용될 때 소비된 염기성 탄산구리 및 산화구리를 보충해야 하는 것을 필요로 하며, 이것은 보충된 구리염에 함유된 염소, 철 또는 니켈과 같은 불순물이 도금조로 혼합되는 문제를 야기한다.
상기와 같은 상황에 비추어 볼 때, 본 발명의 목적은 전해 구리 도금액, 특히 특정의 황산화 화합물을 함유하는 전해 구리 도금액을 사용하고, 불용성 양극을 사용하여 상기 전해 구리 도금액을 더미 전기분해시켜 기판상에 구리를 전해 침착시키는 방법을 제공함에 있으며, 이와 같은 방법에 의해 상기 전해 구리 도금액을 사용하여 연속 전해 구리 도금에 의해 침착된 전해 구리는 미소 침착 필름을 제공하고, 도금은 만족할만한 외관 및 만족할만한 비어-충전성을 제공한다.
도 1은 직류를 사용한 더미(dummy) 전기분해로 비어-홀 충전성이 복원됨을 나타내는, 전해 구리 도금후 비어-홀(via-hole)의 현미경 단면 사진이다.
도 2는 MPS로 인한 비어-충전의 감소를 나타내는, PPR 전류에 의한 전해 구리 도금후 비어-홀의 현미경 단면 사진이다.
도 3은 PPR 전류를 사용한 더미 전기분해로 비어-홀 충전성이 복원됨을 나타내는, 전해 구리 도금후 비어-홀의 현미경 단면 사진이다.
도 4는 다중조 전해 구리 도금 장치를 사용하는 경우 더미 전기분해로 비어-홀 충전성이 유지됨을 나타내는, 전해 구리 도금후 비어-홀의 현미경 단면 사진이다.
본 발명은 전해 구리 도금이 기판에 적용되며, 전해 구리 도금에 공급된 전해 구리 도금액이 불용성 양극을 사용하여 더미 전기분해되는 전해 구리 도금법에 관한 것이다.
본 발명은 또한 전해 구리 도금이 전해 구리 도금액을 함유하며, 가용성 양극, 또는 가용성 양극 및 불용성 양극을 포함하는 전해 구리 도금조에서 가용성 양극을 사용하여 기판에 적용되며, 도금후, 상기 언급된 전해 구리 도금에 사용된 전해 구리 도금액이 상기 불용성 양극을 사용하여 더미 전기분해되는 전해 구리 도금법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 가용성 양극을 갖는 주 조, 불용성 양극을 갖는 더미 전기분해조, 및 상기 주 조와 더미 전기분해조를 전해 구리 도금액이 순환되도록 연결하는 순환 파이프로 구성된 다중조 전해 구리 도금 장치에서, 상기 언급된 전해 구리 도금액이 상기 주 조 및 더미 전기분해조에 보관되고, 전해 구리 도금이 상기 가용성 양극을 사용하여 주 조에서 기판에 적용되며, 전해 구리 도금액이 순환 파이프를 통해 주 조와 더미 전기분해조 사이를 순환함과 동시에 상기 불용성 양극을 사용하여 더미 전기분해조내에서 더미 전기분해되거나, 도금후 불용성 양극을 사용하여 더미 전기분해조에서 더미 전기분해되는 전해 구리 도금법에 관한 것이다.
또한, 본 발명에 의해, 도금될 기판을 구리 전기도금액과 접촉시키고; 구리 전기도금액에 전류 밀도를 적용하여 기판상에 구리를 침착시킨 후; 불용성 양극을 사용하여 구리 전기도금액을 더미 전기분해시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하여 구리를 도금하는 방법이 제공된다.
다른 측면으로, 본 발명은 구리 전기도금액 및 가용성 양극을 포함하는 구리 전기도금조를 사용하여 기판상에 구리를 전해적으로 침착시키고; 구리 침착후 가용성 양극을 불용성 양극으로 대체시킨 후; 불용성 양극을 사용하여 구리 전기도금액을 더미 전기분해시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하여 구리를 도금하는 방법을 제공한다.
또 다른 측면으로, 본 발명은 구리 전기도금액, 가용성 양극 및 불용성 양극을 포함하는 구리 전기도금조를 사용하여 가용성 양극에 전류 밀도를 적용함으로써 기판상에 구리를 전해적으로 침착시킨 후; 불용성 양극을 사용하여 구리 전기도금액을 더미 전기분해시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하여 구리를 도금하는 방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 구체예는 가용성 양극을 갖는 주 조, 불용성 양극을 갖는 더미 전기분해조, 및 주 조와 더미 전기분해조 사이로 유체가 전달되도록 주 조와 더미 전기분해조를 연결하는 순환 파이프를 포함하는 다중조 구리 전기도금 장치를 제공하고; 주 조 및 더미 전기분해조에 구리 전기도금액을 제공하며; 도금될 기판을 주 조에서 구리 전기도금액과 접촉시킨 후; 주 조와 더미 전기분해조 사이의 구리 전기도금액을 순환 파이프를 통해 순환시키면서 가용성 양극 및 불용성 양극에 전류 밀도를 적용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하여 구리를 도금하는 방법이다.
본 발명은 또한 가용성 양극을 갖는 주 조, 불용성 양극을 갖는 더미 전기분해조, 및 주 조와 더미 전기분해조 사이로 유체가 전달되도록 주 조와 더미 전기분해조를 연결하는 순환 파이프를 포함하는 다중조 구리 전기도금 장치를 제공하고; 구리 전기도금액을 주 조에 제공하며; 도금될 기판을 주 조에서 구리 전기도금액과 접촉시킨 후; 가용성 양극에 전류 밀도를 적용하여 기판상에 구리를 침착시키며; 주 조로부터의 구리 전기도금액을 순환 파이프를 사용하여 더미 전기분해조에 공급하며; 구리 전기도금액을 더미 전기분해시킨 다음; 더미 전기분해조로부터의 구리 전기도금액을 순환 파이프를 사용하여 주 조에 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하여 구리를 도금하는 방법이다.
본 발명의 한 일면은 전해 구리 도금이 기판에 적용되며, 전해 구리 도금에 공급된 전해 구리 도금액이 불용성 양극을 사용하여 더미 전기분해되는 전해 구리 도금법이다.
상기 방법에서, 제일 먼저, 전해 구리 도금이 기판에 적용된다. "전해 구리 도금"이라는 것은 전해 구리 도금되는 기판이 전해 구리 도금조에서 양극의 존재하에 전기분해되어 구리가 기판상에 침착되는 도금을 의미한다. 본 발명에 이용되는 전해 구리 도금은 특별한 제한은 없으며 목적하는 표준 방법의 어느 것일 수 있다.
전해 구리 도금에 사용된 양극은 불용성 양극 또는 가용성 양극일 수 있다. 일반적으로, 가용성 양극을 사용하여 구리를 기판상에 전해적으로 침착시키는 경우, 도금조는 종종 후술하는 이유로 불안정해진다. 본 발명의 전해 구리 도금법은 도금조를 더미 전기분해시킴으로써 도금조를 안정하게 유지시키는 효과를 제공하며, 이 효과는 전해 구리 도금의 경우 가용성 양극을 사용함으로써 보다 용이하게 성취된다. 따라서, 가용성 양극을 사용하여 기판을 전해 구리 도금하는 것이 본 발명에서 바람직하다.
본 발명의 방법에서, 전해 구리 도금에 공급된 전해 구리도금액은 불용성 양극을 사용하여 더미 전기분해된다. "전해 구리 도금에 공급된 전해 구리도금액"이란 더미 전기분해되는 전해 구리 도금액이 전해 구리 도금하는데 이미 사용되었음을 의미한다. 이것은 전해 구리 도금을 완전히 마친후의 도금액인지 전해 구리 도금중 중간 단계의 도금액인지를 개의치 않는다. 바람직하게, "전해 구리 도금에 공급된 전해 구리도금액"이란 더미 전기분해되는 전해 구리 도금액이 불용성 양극을 사용하여 전해 구리 도금하는데 이미 사용되었음을 의미한다.
본 발명에서, "더미 전기분해"란 도금조가 음극 및 양극을 사용하여 전기분해되나, 기판, 즉 인쇄 배선판이 전해 구리 도금조내에서 양극 상태로는 존재하지 않음을 의미한다. 상기의 경우, "더미" 또는 치환 기판이 음극으로 사용된다. "치환 기판"은 도금되는 인쇄 배선판 이외의 기판을 의미한다.
본 발명의 다른 일면은 구리가, 구리 도금액을 보유하며 가용성 양극을 갖는 전해 구리 도금조에서 가용성 양극을 사용하여 기판상에 전해적으로 침착되는 전기전해 구리 도금법으로서, 상기 가용성 양극은 침착후 불용성 양극으로 치환되며 구리 도금액은 불용성 양극을 사용하여 더미 전기분해된다.
상기 일면에서, 가용성 양극을 갖는 전해 구리 도금조가 사용된다. 이러한 전해 구리 도금조는 가용성 양극이고 전해 구리 도금액을 보유할 수 있기만 하면 목적하는 어떤 형태로도 가능할 수 있으며, 본 발명의 효과를 제공하는 것이라면 크기 또는 형태에 특별한 제한은 없다. 상기 일면에서, 가용성 양극은 전해 구리 도금후 불용성 양극으로 치환된다. 여기에서 "치환"이란 불용성 양극이 더미 전기분해에서 양극으로 작용하도록 설정됨을 의미한다. 가용성 양극은 더미 전기분해에서 음극으로 작용하지 않거나, 전해 구리 도금액으로부터 제거될 수 있다면 전해 구리 도금액에 잔류할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일면은 구리가, 전해 구리 도금액을 보유하며 가용성 양극 및 불용성 양극을 갖는 전해 구리 도금조에서 가용성 양극을 사용하여 기판상에 전해적으로 침착되는 전기전해 구리 도금법으로서, 침착후 전해 구리 도금액은 불용성 양극을 사용하여 더미 전기분해된다.
상기 일면에서, 가용성 양극 및 불용성 양극을 갖는 전해 구리 도금조가 사용된다. 이러한 전해 구리 도금조는 가용성 양극 및 불용성 양극을 가지며 전해 구리 도금액을 보유할 수 있기만 하면 목적하는 어떤 형태로든 가능할 수 있으며, 본 발명의 효과를 제공하는 것이라면 크기 또는 형태에 특별한 제한은 없다. 도금조는 가용성 양극 및 불용성 양극을 갖기 때문에, 상기 일면은 전기분해가 전해 구리 도금으로부터 스위칭(switching)되더라도 둘 중 어떤 양극이 하전되도록 스위칭함으로써 간단히 스위칭시킬 수 있는 잇점을 갖는다.
본 발명의 그밖의 또 다른 일면은 가용성 양극을 갖는 주 조, 불용성 양극을 갖는 더미 전기분해조, 및 전해 구리 도금액이 순환되도록 상기 주 조와 더미 전기분해조를 연결하는 순환 파이프로 구성된 다중조 전해 구리 도금 장치에서, 전해 구리 도금액이 상기 주 조 및 더미 전기분해조에 보관되고, 구리가 주 조내에서 가용성 양극을 사용하여 기판상에 전해적으로 침착되며, 더미 전기분해가 상기 더미 전기분해조에서 불용성 양극을 사용하여 수행되고, 이때 전해 구리 도금액이 순환 파이프를 통해 주 조와 더미 전기분해조 사이를 순환하는 전해 구리 도금법이다.
상기 일면은 다중조 전해 구리 도금 장치를 사용하는 것을 특징으로 한다. 상기 다중조 전해 구리 도금 장치는 가용성 양극을 갖는 주 조, 불용성 양극을 갖는 더미 전기분해조, 및 전해 구리 도금액이 순환되도록 상기 주 조와 더미 전기분해조를 연결하는 순환 파이프로 구성된다. 주 조 및 더미 전기분해조는 전해 구리 도금액을 보유하고 먼저 구리를 전해적으로 침착시킨 후, 나중에 더미 전기분해시킬 수 있는 것이라면 크기나 형태에는 특별한 제한이 없다. 또한, 순환 파이프는 주 조와 더미 전기분해조 사이에 전해 구리 도금액을 순환시킬 수 있는 것이라면 목적하는 어떤 형태나 가능하다. 예를 들어, 상기 파이프는 용액을 공급할 수 있도록 마운팅된 펌프를 갖는 타입일 수 있다.
주 조 및 더미 전기분해조는 순환 파이프에 의해 연결되지만, 완전히 또는 실질적으로 전기적으로 절연된다. 따라서, 주 조 및 더미 전기분해조는 먼저 구리를 전해적으로 침착시키고 나중에 더미 전기분해되도록 별도의 양극으로 고정될수 있다.
또한, 본 발명의 다중조 전해 구리 도금 장치는 적어도 하나의 각 주 조 및 더미 전기분해조를 가져야 하지만, 조의 수는 특별히 제한되지 않으며, 장치는 이들 각각을 하나를 초과하여 가질 수 있다.
전해 구리 도금액은 주 조와 더미 전기분해조 사이를 상기 방식으로 순환하기 때문에, 전해 도금 및 더미 전기분해가 동시에 실시될 수 있다. 예를 들어, 전해 구리 도금을 중단하거나 중단함이 없이 더미 전기분해가 적용될 수 있으며, 더미 전기분해는, 필요에 따라 전해 구리 도금의 중단동안 간헐적으로만 적용될 수 있다. 순환 파이프내 전해 구리 도금액의 유량은 일정하거나, 경우에 따라 변할 수 있으며, 전해 구리 도금액은 간헐적으로 순환될 수 있다.
본 발명의 그외의 다른 일면은 가용성 양극을 갖는 주 조, 불용성 양극을 갖는 더미 전기분해조, 및 전해 구리 도금액이 상기 주 조 및 더미 전기분해조를 순환하도록 이들을 연결하는 순환 파이프로 구성된 다중조 전해 구리 도금 장치에서, 전해 구리 도금액이 상기 주 조에 보관되고, 구리가 주 조에서 상기 가용성 양극을 사용하여 기판상에 전해적으로 침착된 후, 침착에 사용된 전해 구리 도금액이 순환 파이프를 통해 더미 전기분해조에 공급되며, 침착에 사용된 전해 구리 도금액이 불용성 양극을 사용하여 상기 더미 전기분해조에서 더미 전기분해되고, 상기 더미 전기분해후, 전해 구리 도금액이 순환 파이프를 통해 주 조로 공급되는 전해 구리 도금법이다.
상기 일면은 상기 언급된 바와 같은 다중조 전해 구리 도금 장치를 사용하지만, 주 조에서 전해 구리 도금후 더미 전기분해되는 것을 특징으로 한다. 상기 일면에서, 더미 전기분해는 주 조와 더미 전기분해조 사이에 용액이 순환됨과 동시에 수행될 수 있거나, 주 조로부터 설정된 양의 전해 구리 도금액이 더미 전기분해조로 공급된 후 공급 용액이 중단되고 더미 전기분해가 더미 전기분해조에서 수행된 다음, 전해 구리 도금액이 주 조로 회송되는 배치 시스템이 사용될 수 있다. 공정의 용이함으로 볼 때, 용액을 순환시키면서 더미 전기분해를 수행하는 것이 바람직하다.
본 발명에 사용된 전해 구리 도금액은 구리를 전해적으로 도금할 수 있는 것이라면 어떤 용액도 가능할 수 있다. 이러한 예로 황산구리, 시안화구리, 구리 알칸 설포네이트 및 구리 피로포스페이트의 하나 이상을 함유하는 용액이 포함되지만, 이들로만 한정되지 않는다. 바람직하게, 전해 구리 도금액은 황산구리를 함유한다. 황산구리 도금액의 대표적인 예는 이하 전해 구리 도금을 설명하면서 제시된다. 또한, 다른 도금액의 조성 및 성분과 같은 것은 이하 황산구리 도금액에 대한 설명 및 공개 문헌으로부터 당업자들이 용이하게 결정할 수 있다.
바람직하게, 본 발명에 사용된 전해 구리 도금액은 -X-S-Y- 구조의 화합물을 함유한다. 바람직하기로, 상기 언급된 화합물의 구조에서 X 및 Y는 수소, 탄소, 질소, 황 및 산소로 구성된 그룹중에서 독립적으로 선택된 원자이다. 편의상, 상기 언급된 화합물은 본 명세서를 통해 "황산화 화합물"로 언급된다. 더욱 바람직하게, X 및 Y는 수소, 탄소, 질소 및 황으로 구성된 그룹중에서 독립적으로 선택된 원자이다. 더욱 더 바람직하게, X 및 Y는 수소, 탄소 및 황으로 구성된 그룹중에서 독립적으로 선택된 원자이며, X 및 Y는 둘 다 탄소인 경우에만 동일할 수 있다.
또한, 구조 -X-S-Y-는 S가 2의 원자가를 가지는 것으로 상기 제시되었지만, Y 및 X 원자가 2의 원자가를 가지는 것을 의미하는 것은 아니다. X 및 Y 원자는 이들의 원자가에 따라 어떤 다른 목적하는 원자와 결합할 수 있다. 예를 들어 X가 수소인 경우, 이는 H-S-Y- 구조를 제공한다.
더욱 바람직하게, 황산화 화합물은 분자내 설폰산 그룹 또는 설폰산의 알칼리 금속염인 그룹을 갖는 화합물이다. 이들 분자는 하나를 초과하는 설폰산 그룹 또는 이들의 알칼리 금속염을 가질 수 있다.
더욱 더 바람직하게, 황산화 화합물은 분자내 구조 -S-CH20-R-SO3-M을 갖는 화합물, 또는 분자내 구조 -S-R-SO3-M(여기에서, M은 수소 또는 알칼리 금속이며, R은 탄소수 3 내지 8의 알킬 그룹이다)을 갖는 화합물이다. 보다 더 바람직하게, 황산화 화합물은 하기 구조 (1) 내지 (8)중 하나를 갖는 화합물이다:
(1) M-SO3-(CH2)a-S-(CH2)b-SO3-M;
(2) M-SO3-O-CH2-S-CH2-O-(CH2)b-SO3-M;
(3) M-SO3-(CH2)a-S-S-(CH2)b-SO3-M;
(4) M-SO3-(CH2)a-O-CH2-S-S-CH2-O-(CH2)b-SO3-M;
(5) M-SO3-(CH2)a-S-C(=S)-S-(CH2)b-SO3-M;
(6) M-SO3-(CH2)a-O-CH2-S-C(=S)-CH2-O-(CH2)b-SO3-M;
(7) A-S-(CH2)a-SO3-M; 및
(8) A-S-CH2-O-(CH2)b-SO3-M.
상기 구조식 (1) 내지 (8)에서,
a 및 b는 3 내지 8의 정수이고;
M은 수소 또는 알칼리 금속이며;
A는 수소, 탄소수 1 내지 10의 알킬 그룹, 아릴 그룹, 1 내지 6개의 질소 및 1 내지 20개의 탄소로 구성된 직쇄 또는 사이클릭 아민 화합물, 또는 1 내지 2개의 황, 1 내지 6개의 질소 및 1 내지 20개의 탄소로 구성된 헤테로사이클릭 화합물이다.
황산화 화합물은 일반적으로 증백제로 사용되지만, 다른 목적으로 사용되는 경우에도 본 발명의 범주내에 포함된다. 황산화 화합물을 사용하는 경우, 한가지 형태 또는 두가지 이상 형태의 배합물이 사용될 수 있다.
황산화 화합물이 증백제로 사용되는 경우, 증백제의 농도는 예를 들어, 0.1 내지 100 ㎎/ℓ, 및 바람직하게는 0.5 내지 10 ㎎/ℓ 범위일 수 있다. 도금액중에 농도가 0.1 ㎎/ℓ 미만인 경우에는 구리 침착물의 성장에 도움을 주지 못하며, 100 ㎎/ℓ를 초과하게 되면 개선 효과를 기대하기가 거의 어려워 경제적인 견지에서 바람직하지 않다. 증백제 이외의 목적으로 사용되는 경우, 황산화 화합물의 이상적인 농도 범위는 당업자들에 의해 적절히 결정될 수 있다.
본 발명자들은 상기 언급된 황산화 화합물 -X-S-Y-의 단일결합을 절단하여형성된 분해 생성물 -X-S-또는 -Y-S-이 증가되면 전해 구리 도금동안 비어-홀의 충전력을 억제시키고 도금 외관을 손상시킴을 발견하였다. 따라서, 상기 언급된 황산화 화합물에서 X 및 Y는 치환될 수 있다. 예를 들어, 상기 언급된 증백제 (1) M-SO3-(CH2)aS-(CH2)b-SO3-M은 분해 생성물로서 M-SO3-(CH2)a-S-- 또는-S-(CH2)b-SO3-M을 제공하는 것으로 여겨지지만, -X-S-또는 -Y-S-일 수도 있다. 따라서, 편의상, 황산화 화합물의 분해 생성물은 본 명세서에서 "-X-S-"로 나타내어진다.
또한, 전해 구리 도금액에 함유된 화합물 -X-S-는 절단된 황산화 화합물 -X-S-Y-에서 단일결합 X-S 또는 S-Y 만을 가지며 분해된 다른 분자내 부위는 갖지 않는 구조의 화합물일 수 있거나, 상기 분해 생성물은 "-X-S-" 구조는 유지하면서 X에 추가의 분해 부위가 결합된 화합물, 또는 수개의 이들 화합물 형태의 혼합물일 수 있다.
황산화 화합물의 분해 생성물인 "-X-S-" 구조를 갖는 화합물의 농도를 측정하기 위하여 어떤 목적하는 표준 방법이 사용될 수 있다. 이러한 예로는 고속 액체 크로마토그래피와 같은 방법이 있으나, 이로만 제한되지 않는다. 고속 액체 크로마토그래피를 이용하는 경우, 도금액상에서 직접 수행할 수 있거나, 측정을 방해하는 외부 물질이 존재하는 경우, 외부 물질을 제거하는 것과 같은 처리후 상기 방법이 적용될 수 있다.
단일 -X-S-화합물만이 존재하는 경우, 이러한 단일 화합물의 농도는 "-X-S-" 구조를 갖는 화합물의 농도에 상응하며, 수개의 -X-S-화합물 형태의 혼합물인 경우에는 각 화합물의 농도의 합이 "-X-S-" 구조를 갖는 화합물의 농도에 상응한다.
보통, 전해 구리 도금액은 "-X-S-" 화합물에 대해 금속 이온 또는 하이드로늄 이온과 같은 카운터 이온(counter ion)을 함유한다. 따라서, 본 발명은 "-X-S-" 화합물의 활성 메카니즘인 것으로 여겨지는 특정의 경우를 제외하고, "-X-S-H" 구조를 갖는 화합물을 포함한다.
본 발명에서, 더미 전기분해동안 농도에 따른 전기분해의 양을 조정하기 위하여 "-X-S-" 화합물의 농도 검색이 사용되거나, 다중조 전해 구리 도금 장치에서 순환되는 전해 구리 도금액의 양을 조정하기 위하여 "-X-S-" 화합물의 농도 검색이 또한 사용될 수 있다.
이론적인 결부없이, 전해 구리 도금액에서 "-X-S-" 구조의 화합물을 제공하는 기본 메카니즘은 인산화된 구리와 같은 가용성 양극을 사용하는 경우, 예를 들어 전기분해가 중단되는 동안 가용성 양극이 황산화 화합물과 반응하게 되고, 황산화 화합물중의 S-X 또는 S-Y의 단일결합이 절단되어 "-X-S-" 구조를 갖는 화합물이 제공되는 것으로 판단된다. 상기 언급된 황산화 화합물은 전해 구리 도금동안 음극으로부터 전자를 받아들여 황산화 화합물중의 단일결합 S-X 또는 S-Y를 절단함으로써 "-X-S-" 구조를 갖는 화합물을 제공하는 것으로도 또한 판단된다. 가용성 양극으로부터의 Cu0가 Cu2+로 될 때 방출된 전자는 또한 양극으로부터 수용되어 황산화 화합물이 "-X-S-" 구조를 가질 것으로 판단된다.
이론적인 결부없이, "-X-S-" 구조를 갖는 화합물이 전해 구리 도금액에 부정적인 효과를 제공하도록 야기하는 활성 메카니즘은 상기 화합물이 Cu+또는 Cu2+와 같은 금속 이온과 이온 결합하여 도금(또는 침착)된 금속이 이와 같이 결합된 화합물의 존재로 인해 클럼프를 형성하고, 이들 클럼프가 불량한 광택과 같은 부정적인 효과를 제공하고 침착물의 외관을 손상시키게 되는 것으로 판단된다. 충전된 비어-홀을 형성하는 경우, 분해 생성물과 금속 이온 간의 상기 언급된 결합 화합물은 비어-홀 바닥 근처에서의 금속 도금 속도를 비어-홀 개방부의 금속 도금 속도와 동일한 수준 또는 이보다 낮은 수준으로 감소시켜 비어가 충분히 충전되지 못하게 하거나, 보이드를 형성하고, 비어-홀의 형태때문에 비어-홀의 충전에 문제를 일으키는 것으로 판단된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 전해 구리 도금법은 클럼프 형성 및 도금 외관의 손상을 방지하며, 비어-홀 충전이 억제되는 것을 저지하고, 외관 및 비어 충전성을 복원시킨다. 또한, 클럼프 형성을 방지함으로써 미소 도금된 구리 필름이 제공된다. 또 다시 이론적인 결부없이, 본 발명에서는 불용성 양극을 사용하여,전해 구리 도금에 공급된 전해 구리 도금액을 더미 전기분해시킴으로써, 전해 구리 도금으로 인해 전해 구리 도금액에 형성된 "-X-S-" 구조의 화합물이 불용성 양극쪽에서 유도되고 가용성 양극 근처에서 형성된 산소에 의해 "-X-S-" 구조를 취할 수 없는 화합물로 분해되거나, "-X-S-" 구조를 갖는 화합물이 산화되어 "-X'-S-S-Y'(여기에서, X' 및 Y'는 탄소, 질소, 황 및 산소로 구성된 그룹중에서 독립적으로 선택된 원자이다)" 구조를 갖는 화합물로 전환되어 "-X-S-" 구조를 갖는 화합물의 함량이 감소되는 것으로 판단된다.
그 결과, 본 발명에서 불용성 양극을 사용하여, 전해 구리 도금에 공급된 전해 구리 도금액을 더미 전기분해시킴으로써, 황산화 화합물에서 S-X 또는 S-Y 결합의 절단으로 형성되는 분해 생성물이 생성되지 않거나, 상기 생성물들의 농도가 고정된 범위내에서 유지될 수 있고, 도금조가 목적하는 전해 구리 도금을 제공할 수 있도록 안정한 상태로 유지될 수 있다.
그러나, 본 발명의 효과가 상술된 메카니즘에 의해 유도될 필요는 없다. 본 발명의 효과를 구성하고 제공하기만 한다면, 상술된 이외의 메카니즘 또는 불명확한 메카니즘으로 유도되는 경우도 모두 본 발명의 범주내에 포함된다. 따라서, 예를 들어 본 발명의 효과를 제공하는 케이스는 이들이 상기 언급된 황산화 화합물 -X-S-Y-를 포함하지 않는다 하더라도 본 발명의 범주내에 포함된다.
본 발명의 전해 구리 도금법에서, -X-S-구조를 갖는 화합물의 농도는 바람직하게는 도금의 광택성 외관을 손실시키지 않아야 한다는 점에서 2.0 μmol/ℓ이하, 및 1.0 μmol/ℓ이하, 및 더욱 바람직하게는 도금에 광택성 외관을 제공하기 위해 0.5 μmo/ℓ이하이다.
또한, -X-S-구조를 갖는 화합물의 농도는 바람직하게는 만족할만한 비어-충전성을 제공하기 위해 0.15 μmol/ℓ이하, 및 더욱 바람직하게는 0.1 μmo/ℓ이하이다.
본 발명에 사용된 불용성 양극으로는 전해 구리 도금액에 금속을 용해시키지 않는 것이라면 목적하는 어떤 물질로도 구성된 양극이 사용될 수 있다. 이러한 물질의 예로 산화이리듐, 백금-도포된(clad) 티탄, 백금, 흑연, 페라이트, 이산화납-코팅된 티탄 및 백금 원소의 산화물로 코팅된 티탄, 스테인레스강, 및 납 합금이 포함되지만, 이들로만 한정되지 않는다. 바람직하게, 불용성 양극은 산화이리듐, 백금-도포된 티탄, 이산화납-코팅된 티탄, 납 합금, 페라이트 또는 스테인레스강이다.
본 발명에서 가용성 양극의 예로 인산화구리 및 산소를 함유하지 않는 구리가 포함되지만, 이들로만 한정되지 않는다.
전해 구리 도금조, 및 다중조 전해 구리 도금 장치내 주 조 및 더미 전기분해조는 본 발명의 목적을 위반하지 않는한 목적하는 어떠한 수로 설치된 가용성 양극 및/또는 불용성 양극을 가질 수 있다.
다중조 전해 구리 도금 장치를 사용하는 경우, 가용성 양극 대 불용성 양극의 표면적비는 일반적으로 1:0.01 내지 1:100, 바람직하게는 1:0.02 내지 1:20, 더욱 바람직하게는 1:0.02 내지 1:1, 더욱 더 바람직하게는 1:0.02 내지 1:0.1 및 가장 바람직하게는 1:0.02 내지 1:0.05 이다. 단일조 전해 구리 도금 장치를 사용하는 경우, 상기 비는 일반적으로 1:0.01 내지 1:100, 바람직하게는 1:0.02 내지 1:20, 더욱 바람직하게는 1:0.02 내지 1:1, 더욱 더 바람직하게는 1:0.02 내지 1:0.1 및 가장 바람직하게는 1:0.02 내지 1:0.05 이다. 따라서, 본 발명의 전해 구리 도금법은 불용성 양극을 사용하여 비어-충전성을 개선시키고, 도금 외관을 개선시키며, 클럼프 형성을 방지하고, 값비싼 불용성 양극의 표면적을 최소화함과 동시에 미소한 침착 필름을 형성시킬 수 있다는 점에서 유리하다.
양극은 바람직하게는 본 발명의 방법에서 더미 전기분해동안 전기분해 막 또는 세라믹 막으로 코팅된다. 더미 전기분해동안 양극상에 구리 침착을 최소화시키기 때문에, 더미 전기분해동안 구리 소비를 최소화시킬 수 있다. 양극상에 구리 침착을 최소화시킬 수만 있다면, 목적하는 어떠한 형태의 막도 사용될 수 있다.
직류, PPR 전류 또는 교류 타입이 본 발명의 방법에서 전해 구리 도금 및 더미 전기분해에 바람직한 것으로 사용될 수 있다. 동일한 형태의 전류 또는 상이한 형태의 전류가 전해 구리 도금 및 더미 전기분해를 위해 사용될 수 있다. 마찬가지로, 양극 전류 밀도는 동일하거나 상이할 수 있다. 적용된 양극 전류 밀도는 전해 구리 도금조 유형에 따라 적절히 설정되지만, 직류의 경우 보통 0.1 내지 10 A/dm2, 및 바람직하게는 1 내지 3 A/dm2이다. 0.1 A/dm2미만에서는 양극 표면이 증가되어 비경제적이고, 10 A/dm2을 초과시에는 전기분해동안 양극으로부터 산소를 형성하여 전해 구리 도금액중에 성분들의 산화 분해양이 증가하기 때문에 바람직하지 않다.
본 발명에서, "PPR 전류"는 전류 방향이, 예를 들어 순방향 전기분해(전해 도금) 및 역방향 전기분해의 짧은 사이클과 같이, 주기적으로 변하는 펄스 웨이브 형태를 갖는 전류를 의미한다. 전류 사이클은 목적하는 바대로 설정할 수 있으나, 바람직하게는, 순방향 전기분해 시간이 역방향 전기분해 시간보다 길다. 예를 들어, 순방향 전기분해 시간은 1 내지 50 msec 및 바람직하게는 10 내지 20 msec이며, 역방향 전기분해 시간은 0.2 내지 5 msec 및 바람직하게는 0.5 내지 1 msec이다. 순방향 전기분해 시간이 1 msec 미만이면 정상적인 구리 도금 침착이 시작되기도 전에 전기분해가 중단되고, 50 msec를 초과하게 되면 블라인드 비어-홀의 밀폐된 단면 근처의 구리 침착의 도금 속도가 개방부 근처의 도금 속도보다 더 느려지기 때문에 바람직하지 않다. 역방향 전기분해 시간이 0.2 msec 미만이면 블라인드 비어-홀의 밀폐된 단면 근처의 구리 침착의 도금 속도가 개방부 근처의 도금 속도보다 더 느려지고, 5 msec를 초과하게 되면 침착된 구리 필름이 용해되어 블라인드 비어-홀을 충전하는데 필요한 시간이 증가되어 역효과가 일어난다. 또한, 상술된 PPR 전류는 또한 전류가 흐르지 않는 동안 순방향 전기분해와 역방향 전기분해 사이에 정지 시간을 가질 수 있다.
PPR 전류가 사용되는 경우, 순방향 전기분해 전류 밀도는 보통 0.1 내지 10A/dm2, 및 바람직하게는 0.5 내지 5 A/dm2이다. 역방향 전기분해 전류 밀도는 보통 0.1 내지 200 A/dm2, 및 바람직하게는 1 내지 25 A/dm2이다. 전기분해동안 전류 밀도비는 보통 순방향 전기분해 1에 대해 역방향 전기분해 1 내지 10 및 바람직하게는 2 내지 5이다. 전기분해동안 전류 밀도비가 순방향 전기분해 1에 대해 역방향 전기분해가 1 미만이면 블라인드 비어-홀의 개방부 근처에 흡착된 황산화 화합물이 적절히 탈착될 수 없기 때문에 블라인드 비어-홀의 밀폐된 단면 근처의 구리 침착물의 도금 속도가 개방부 근처의 도금 속도보다 느려지고, 전기분해동안 전류 밀도비가 순방향 전기분해 1에 대해 역방향 전기분해가 10을 초과하면 이미 침착된 구리 필름이 용해되어 블라인드 비어-홀을 충전하는데 필요한 시간이 증가하게 된다.
본 발명에서, "교류 타입"은 직류 및 교류를 둘 다 사용하는 것을 의미하는 것으로, 교류는 상기 언급된 PPR 전류에서 역방향 전기분해에 상응한다. 교류동안, 상기 언급된 PPR 전류에서 역방향 전기분해 시간은 일반적으로 1 내지 100 사이클, 바람직하게는 50 내지 60 사이클로 설정된다. 교류 타입의 다른 조건은 상술된 PPR 전류에 대한 것과 동일하다.
전해 구리 도금액에 사용되는 표준 조성물이면서 본 발명의 목적을 이룰 수 있는 것이라면, 어떤 조성물도 특별한 제한없이 본 발명의 전해 구리 도금액의 기본 조성물로 사용될 수 있다. 기본 조성물은 필요에 따라, 농도를 변화시키거나, 첨가제를 첨가함으로써 변경될 수 있다. 예를 들어 황산구리 도금액의 경우, 용액은 기본 성분으로 황산, 황산구리 및 수용성 염소 화합물을 함유하는 수용액이며, 이러한 도금액 기본 조성물은 표준 황산구리 도금에 사용되는 기본 조성물이라면 특별한 제한없이 사용될 수 있다.
황산구리 도금액중의 황산 농도는 일반적으로 30 내지 400 g/ℓ, 및 바람직하게는 170 내지 210 g/ℓ이다. 예를 들어, 황산의 농도가 30 g/ℓ미만이면, 도금조의 전도도가 떨어져 도금조를 하전시키는 것이 어렵고, 농도가 400 g/ℓ를 초과하게 되면 황산구리가 도금조중에 용해되는 것을 방해하여 황산구리가 침전된다.
황산구리 도금액중의 황산구리 농도는 일반적으로 20 내지 250 g/ℓ, 및 바람직하게는 60 내지 180 g/ℓ이다. 예를 들어, 황산구리의 농도가 20 g/ℓ미만이면, 도금될 기판에 구리 이온이 충분히 공급되지 않아 침착물을 정상적으로 도금하는 것이 불가능하고, 농도가 250 g/ℓ를 초과하면 용해가 어렵다.
표준 황산구리 도금액에 사용되는 것이기만 하면, 목적하는 어떠한 화합물도 황산구리 도금액에 함유된 수용성 염소 화합물로 사용될 수 있다. 이러한 수용성 염소 화합물의 예로 염산, 염화나트륨, 염화칼륨 및 염화암모늄이 포함되지만, 이들로만 한정되지 않는다. 한가지 유형의 수용성 염소 화합물이 사용될 수 있거나, 두가지 이상 유형의 혼합물이 사용될 수 있다.
본 발명에서 황산구리 도금액에 함유된 수용성 염소 화합물의 농도는 일반적으로 클로라이드 이온의 농도로서 10 내지 200 ㎎/ℓ 및 바람직하게는 30 내지 80 ㎎/ℓ이다. 예를 들어, 클로라이드 이온의 농도가 10 ㎎/ℓ 미만이면 증백제 및 표면활성제와 같은 첨가제로 정상적인 작용이 방해를 받고, 농도가 200 ㎎/ℓ를 초과하면 양극으로부터 상당량의 염소 가스가 발생하기 때문에 바람직하지 않다.
본 발명에 사용된 도금액은 경우에 따라 표면활성제를 함유할 수 있다. 전해 구리 도금액에 첨가제로서 통상 사용되는 목적하는 어떠한 표준 표면활성제도 사용될 수 있다. 표면활성제의 바람직한 예는 하기 구조 (9) 내지 (13)의 화합물이지만, 이들로만 한정되지 않는다:
(9) HO-(CH2-CH2-O)a-H(여기에서, a는 5 내지 500의 정수이다);
(10) HO-(CH2-CH(CH3)-O)a-H(여기에서, a는 5 내지 200의 정수이다);
(11) HO-(CH2-CH2-O)a-(CH2-CH(CH3)-O)b-(CH2-CH2-O)c-H(여기에서, a 및 c는 정수로서, a+c는 5 내지 250의 정수이고, b는 1 내지 100의 정수다);
(12) -(NH2CH2CH)n-(여기에서, n은 5 내지 500의 정수이다);
(13)
(여기에서, a, b 및 c는 5 내지 200의 정수이다).
본 발명에 사용된 표면활성제는 한가지 유형 또는 두가지 이상 유형의 혼합물일 수 있다. 본 발명에 사용된 표면활성제의 함량은 예를 들어 0.05 내지 10 g/ℓ 및 바람직하게는 0.1 내지 5 g/ℓ일 수 있다. 도금액중에 농도가 0.05 g/ℓ미만이면 불충분한 습윤 효과로 인해 도금 필름에 많은 핀-홀(pin-hole)이 형성되어 정상적인 도금 필름을 침착시키는 것이 곤란하고, 농도가 10 g/ℓ를 초과하면 뚜렷한 개선 효과를 기대하는 것이 거의 어려워 경제적인 관점에서 바람직하지 않다.
본 발명의 방법 조건을 견딜 수 있고 도금에 의해 금속층을 형성할 수 있기만 하다면 목적하는 어떤 물질도 본 발명의 방법에 의해 전해 구리 도금되는 기판으로 사용될 수 있다. 이러한 물질의 예로 수지, 세라믹 및 금속이 포함되지만, 이들로만 한정되지 않는다. 수지로 구성된 기판의 예는 인쇄 회로판이고, 세라믹으로 구성된 기판의 예는 반도체 웨이퍼이지만, 이들로만 한정되지 않는다. 금속의 예로는 실리콘이 포함되만, 이로만 한정되지 않는다. 금속으로 구성된 기판의 예는 실리콘 웨이퍼이지만, 이로만 한정되지 않는다. 본 발명의 방법은 비어-홀을 충전하는데 특히 뛰어나기 때문에 본 발명에 공급되는 기판은 바람직하게는 관통홀(through-hole) 또는 비어-홀과 같은 홀을 갖는 기판이며, 더욱 바람직하게는 관통홀 및/또는 비어-홀을 갖는 인쇄 회로판 또는 웨이퍼이다.
기판에 사용되는 수지의 예로는 고밀도 폴리에틸렌, 중간 밀도 폴리에틸렌, 측쇄 저밀도 폴리에틸렌, 직쇄 저밀도 폴리에틸렌 또는 초고분자 폴리에틸렌과 같은 폴리에틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리부타디엔, 폴리부텐 수지, 폴리부틸렌 수지 및 폴리스티렌 수지를 포함한 폴리올레핀 수지; 폴리비닐 클로라이드 수지, 폴리비닐리덴 클로라이드 수지, 폴리비닐리덴 클로라이드-비닐 클로라이드 코폴리머 수지, 염소화 폴리에틸렌, 염소화 폴리프로필렌 또는 테트라플루오로에틸렌과 같은 할로겐화 수지; AS 수지; ABS 수지; MBS 수지; 폴리비닐 알콜 수지; 폴리(메틸 아크릴레이트)와 같은 폴리아크릴 에스테르 수지; 폴리(메틸 메타크릴레이트)와 같은 폴리메타크릴 에스테르 수지; 메틸 메타크릴레이트-스티렌 코폴리머 수지; 무수 말레산-스티렌 코폴리머 수지; 비닐 폴리아세테이트 수지; 셀룰로즈 프로피오네이트 수지 또는 셀룰로즈 아세테이트 수지와 같은 셀룰로즈 수지; 에폭시 수지; 나일론과 같은 폴리아미드 수지; 폴리아미드 이미드 수지; 폴리알릴레이트 수지; 폴리에테르 이미드 수지; 폴리에테르 에테르 케톤 수지; 폴리에틸렌 옥사이드 수지; PET 수지와 같은 각종 형태의 폴리에스테르 수지; 폴리카보네이트 수지; 폴리설폰 수지; 폴리비닐 에테르 수지; 폴리비닐 부티랄 수지; 폴리페닐렌 옥사이드와 같은 폴리페닐렌 에테르 수지; 폴리페닐렌 설파이드 수지; 폴리부틸렌 테레프탈레이트 수지; 폴리메틸펜텐 수지; 폴리아세탈 수지; 비닐 클로라이드-비닐 아세테이트 코폴리머; 에틸렌-비닐 클로라이드 코폴리머; 에틸렌-비닐 클로라이드 코폴리머; 및 이들 코폴리머와의 혼합물을 포함하지만 이들로만 한정되지 않는 열가소성 수지 및 에폭시 수지; 및 자일렌 수지; 구아나민 수지; 디알릴 프탈레이트 수지; 비닐 에스테르 수지; 페놀 수지; 불포화 폴리에스테르 수지; 퓨란 수지; 폴리이미드 수지; 폴리우레탄 수지; 말레산 수지; 멜라민 수지; 우레아 수지; 및 이들의 혼합물을 포함하지만 이들로만 한정되지 않는 열경화성 수지가 포함된다. 바람직한 수지는 에폭시 수지, 폴리이미드 수지, 비닐 수지, 페놀 수지, 나일론 수지, 폴리페닐렌 에테르 수지, 폴리프로필렌 수지, 불소화 수지 및 ABS 수지이다. 더욱 바람직한 수지는 에폭시 수지, 폴리이미드 수지, 폴리페닐렌 에테르 수지, 불소화 수지 및 ABS 수지이다. 더욱 더 바람직한 수지는 에폭시 수지 및 폴리이미드 수지이다. 수지 기판은 단일 수지 또는 수개의 수지로 구성될 수 있다. 수지는 또한 다른 기판상부에 코팅되거나 라미네이팅되어 조합체를 형성할 수 있다. 또한, 본 발명에 사용될 수 있는 수지 기판은 수지-성형된 제품으로만 제한되지 않지만, 중간에 유리섬유가 보강된 재료와 같은 보강재를 갖는 수지의 조합체, 또는 세라믹, 유리, 또는 실리콘과 같은 금속을 포함한 각종 형태의 원료로 구성된 베이스상에 코팅된 수지 필름일 수 있다.
기판 물질로 사용될 수 있는 세라믹의 예로 알루미나(Al2O3), 스테아타이트 (MgO·SiO2), 포르스테라이트(2MgO·SiO2), 말라이트((3Al2O3·2SiO2), 마그네시아 (MgO), 스피넬((MgO·Al2O3) 및 베릴리아(BeO)와 같은 옥사이드 세라믹; 질화알루미늄 또는 실리콘 카바이드와 같은 비옥사이드 세라믹; 및 유리 세라믹과 같은 저온 소결된 세라믹이 포함되지만, 이들로만 한정되지 않는다.
본 발명의 방법에 의해 도금될 기판 부분을 전해 구리 도금전에 전도성 처리한다. 예를 들어, 비어를 본 발명의 방법에 따라 전해 구리 도금에 의해 금속 구리로 충전하는 경우, 먼저 비어의 내벽을 전도성으로 만든다. 이러한 전도성 처리를 위해 목적하는 어떠한 표준 전도법도 사용될 수 있다. 전도법의 예로 무전해 구리 도금, 직접 도금, 전도성 그레인 접착 또는 가스상 도금과 같은 각종 방법이 포함되지만, 이들로만 한정되지 않는다.
본 발명의 방법의 전해 구리 도금조의 도금 온도는 도금조 유형에 따라 적절히 설정되나, 일반적으로 10 내지 40 ℃, 바람직하게는 20 내지 30 ℃이다. 도금 온도가 10 ℃ 미만이면 도금액의 전도도를 떨어뜨려 전기분해동안 전류 밀도를 상승시키지 못하고, 침착물의 성장 속도를 지연시키며, 생산성을 감소시키고, 도금 온도가 40 ℃를 초과하면 증백제가 분해될 위험이 있기 때문에 바람직하지 않다.
본 발명의 방법에 의한 전해 구리 도금동안 교반하는 데는 이의가 없으며, 교반은 도금될 표면에 첨가제 및 구리 이온을 동등하게 공급하기 위해 바람직하다. 공기 교반 또는 제트 스프레이(jet spray)가 교반법으로 이용될 수 있다. 도금액중에 용해된 산소의 양을 증가시키는 면에서 공기를 사용한 교반이 바람직하다. 제트 스프레이에 의해 교반하는 경우에도, 공기를 사용한 교반이 또한 사용될 수 있다. 또한, 오픈 스위칭(open switching) 여과 또는 순환 여과가 수행될 수 있으며, 도금액을 필터 장치에 의해 순환 여과하는 것이 바람직하다. 이는 도금액의 온도를 균등하게 할 수 있으며, 또한 도금액중의 오염 또는 침강물과 같은 불순물을 제거한다.
기판을 본 발명의 방법에 따라 도금하게 되면 기판 상부에 구리층을 갖는 조합 물질이 제조된다. 본 발명의 방법에 의한 전해 구리 도금은 나중에 전해 구리 도금액을 사용하여 전해 구리 도금을 적용한 경우 수득된 합성 물질의 구리층중에 클럼프를 야기하지 않으며, 비어-홀을 충전하기 위해 사용하는 경우에는 보이드 없이 비어-홀을 충전할 수 있다.
또한, 본 발명의 방법은 수직 또는 수평 도금 장치에 적용될 수 있다.
본 발명이 이후 실시예로 상세히 설명되나, 이들 실시예가 본 발명의 범주를제한하지 않는다. 실시예에 언급된 각 도면에서, (1)은 전도성 회로이고, (2)는 유전체이며, (3)은 구리 침착물이다.
실시예 1
단일조 및 직류를 사용한 더미 전기분해
황산구리 오수화물 200 g/ℓ, 황산 100 g/ℓ, 클로라이드 500 ㎎/ℓ, 비스(3-설포프로필)디설파이드 디소듐(SPS) 1.5 ㎎/ℓ, 양이온성 표면활성제 1,500 ㎎/ℓ, 비이온성 표면활성제 375 ㎎/ℓ 및 3-머캅토-1-프로판설폰산 소듐염(MPS, Tokyo Kasei 제품) 1,000 ㎍/ℓ(5.6 μmol/ℓ)를 증류수에 용해시켜 전해 구리 도금액을 제조하였다. MPS는 전해 구리 도금에 의한 SPS의 분해 생성물인 것으로 판단된다. MPS를 첨가하여 전해 구리 도금액을 열화시켰다.
상기 언급된 전해 구리 도금액 1.5 ℓ를 Haring 셀에 위치시키고, 이 전해 구리 도금액을 가용성 양극 또는 불용성 양극을 사용하여 더미 전기분해시켰다. 더미 전기분해 조건은 도금조 온도 23 ℃, 전류 2 A/dm2(2A) 및 용액 ℓ당 양극 면적 1.33 dm2이었다. 가용성 양극의 경우, 인산화 구리 양극을 사용하고, 더미 전기분해를 60 분동안 수행하였다. 불용성 양극의 경우, Pt/Ti 메쉬를 사용하고 더미 전기분해를 5 내지 20 분동안 수행하였다. 대조군으로, 용액을 더미 전기분해없이 제조하였다.
더미 전기분해후, 상기 언급된 바와 같이 처리된 전해 구리 도금액을 사용하여 구리를 기판상에 축적 두께 25 ㎛가 되도록 전해적으로 침착시켰다. 직경 120 ㎛, 깊이 50 ㎛인 마이크로 비어-홀을 갖는 평가 기판을 기판으로 사용하고, 인산화 구리 가용성 양극을 양극으로 사용하였다. 전해 구리 도금 조건은 Haring 셀, 전해 구리 도금조 1.5 ℓ, 도금조 온도 23 ℃, 전류 밀도 2 A/dm2(2 A) 및 용액 ℓ당 양극 면적 1.33 dm2이다.
전해 구리 도금후, 평가 기판을 비어-충전에 대해 평가하였다. 도 1은 더미 전기분해 처리된 전해 구리 도금액을 사용하여 전해 구리 도금한 후 비어-홀의 단면 사진을 나타낸다. 그 결과, 더미 전기분해되지 않은 경우(더미 전기분해 0 분), 비어-충전은 충분치 않았다. 가용성 양극으로 60 분동안 더미 전기분해한 후, 침착된 구리 필름의 두께는 약간 증가하였으나, 비어-홀을 완전히 충전하기에는 충분치 않았다.
불용성 양극으로 더미 전기분해하는 경우, 5 분동안 더미 전기분해하였을 때에는 비어-충전에 개선점을 보이지 않았으나, 10 분간 처리하게 되면 구리 필름의 두께가 약간 증가하였고, 15 및 20 분 처리하였을 때에는 비어-홀이 완전히 충전되었다.
상기와 같은 점으로 미루어 볼 때, 더미 전기분해는 비어-홀 충전의 감소를 보정함이 명백하다.
실시예 2
단일조 및 PPR 전류를 사용한 더미 전기분해
PPR 전류 조건하에 비어-홀 충전에 대한 MPS의 효과
황산구리 오수화물 130 g/ℓ, 황산 190 g/ℓ, 클로라이드 60 ㎎/ℓ, SPS 4 ㎎/ℓ 및 비이온성 표면활성제 500 ㎎/ℓ를 증류수에 용해시켜 전해 구리 도금액을 제조하였다. 이 전해 구리 도금액에 3-머캅토-1-프로판설폰산 소듐염(MPS, Tokyo Kasei 제품)을 10 내지 1,000 ㎍/ℓ의 농도(0.056 내지 5.6 μmol/ℓ)로 첨가하였다. 대조군으로 MPS를 첨가하지 않은 용액을 제조하였다.
상기 언급된 전해 구리 도금액 1.5 ℓ를 Haring 셀에 위치시키고, 이 전해 구리 도금액을 기판에 적용하였다. 직경 155 ㎛, 깊이 55 ㎛인 마이크로 비어-홀을 갖는 평가 기판을 기판으로 사용하고, 인산화 구리 가용성 양극을 양극으로 사용하였다. 전해 구리 도금 조건은 Haring 셀, 전해 구리 도금조 1.5 ℓ, 도금조 온도 20 ℃, 전류 밀도 2 A/dm2, 순방향/역방향("F/R") 전류 밀도비 1/1, F/R 시간비 10/0.5 msec, 및 도금 시간 60 분이다.
전해 구리 도금후, 평가 기판을 비어-충전에 대해 평가하였다. 도 2는 MPS 농도가 상이한 전해 구리 도금액을 사용하여 전해 구리 도금한 후 비어-홀의 단면 사진을 나타낸다. 그 결과, 용액이 MPS를 함유하지 않는 경우(0 ㎍/ℓ), 비어-홀이 완전히 충전되었다. 용액이 MPS를 10 내지 1,000 ㎍/ℓ의 농도로 함유하는 경우, 비어-충전은 농도가 증가함에 따라 감소되었다. 전해 구리 도금후, 구리 필름의 외관을 육안 관찰한 결과, 도금 외관은 MPS 농도가 10 ㎍/ℓ이하인 경우에는광택이 있었으나, 500 내지 1,000 ㎍/ℓ의 농도에서는 반-광택성을 나타내었다. 또한, 외관은 1,000 ㎍/ℓ보다 500 ㎍/ℓ에서 더 광택성을 나타내었다.
더미 전기분해
상기 언급된 MPS 1,000 ㎍/ℓ를 함유하는 전해 구리 도금액을 사용하여 상기 언급된 조건하에서 전해 구리 도금을 적용하기 전에, MPS를 함유하는 전해 구리 도금액을 불용성 양극 또는 가용성 양극을 사용하여 더미 전기분해시켰다. 인산화 구리 양극을 가용성 양극으로 사용하고, Pt/Ti 메쉬를 불용성 양극으로 사용하였다. 더미 전기분해 조건은 사용한 양극 형태 및 전기분해 양을 제외하고 상기 언급된 전해 구리 도금의 조건과 동일하였다. 대조군으로, 도금조 설치후 즉시 MPS를 함유하지 않는 전해 구리 도금액을 사용하여 전해 구리 도금을 실시하고, 더미 전기분해없이 상기 언급된 MPS 1,000 ㎍/ℓ를 함유하는 전해 구리 도금액을 사용하여 전해 구리 도금을 실시하였다. 또한, 모든 전해 구리 도금은 가용성 양극으로 수행되었다.
전해 구리 도금후, 평가 기판을 비어-충전에 대해 평가하였다. 도 3은 다양한 조건하에서 전해 구리 도금한 후 비어-홀의 단면 사진을 나타낸다. 그 결과, MPS를 함유하지 않는 전해 구리 도금액(No. 1)을 도금조 설치후 즉시 사용한 경우, 비어-홀은 더미 전기분해없이 충전되었으며, 도금 외관은 광택성을 나타내었다. MPS를 1,000 ㎍/ℓ함유하는 전해 구리 도금액(No. 2)으로 도금한 경우, 비어-충전은 불충분하였으며, 도금 외관도 반-광택성이었다.
가용성 양극을 사용하여 MPS를 1,000 ㎍/ℓ함유하는 전해 구리 도금액으로더미 전기분해한 경우, 전기분해 양이 1.33 Ahr/ℓ(No. 3)일 때 비어-충전은 불충분하였고, 도금 외관은 반-광택성이었으나, 전기분해 양이 2.7 Ahr/ℓ(No. 4)로 되면 비어-홀이 충전되고, 도금 외관도 광택성으로 되었다.
불용성 양극을 사용하여 MPS를 1,000 ㎍/ℓ함유하는 전해 구리 도금액으로 더미 전기분해한 경우(No. 5), 전기분해 양이 0.22 Ahr/ℓ일 때 비어-홀이 충전되고, 도금 외관도 광택성으로 되었다.
상기와 같은 점으로 미루어 볼 때, 충전성 및 도금 외관이 감소된 전해 구리 도금액을 전해 구리 도금하기전에 더미 전기분해시키게 되면, 상기 더미 전기분해에 가용성 양극이 사용되는지 불용성 양극이 사용되는지에 관계없이 비어-충전성 및 도금 외관이 복원됨을 알 수 있다. 더미 전기분해동안 비어-충전 및 도금 외관을 복원하는데 필요한 전기분해 양은 가용성 양극을 사용하는 경우 2.7 Ahr/ℓ이고, 불용성 양극을 사용하는 경우에는 0.22 Ahr/ℓ이다. 이로부터, 감소된 비어-충전성 및 도금 외관을 보정하는데 불용성 양극에 의한 더미 전기분해가 가용성 양극에 의한 더미 전기분해보다 훨씬 더 효과적임이 명백하다.
실시예 3
다중조 전해 구리 도금 장치 사용
황산구리 오수화물 200 g/ℓ, 황산 100 g/ℓ, 클로라이드 50 ㎎/ℓ, 비스(3-설포프로필)디설파이드 디소듐(SPS) 50 ㎎/ℓ, 양이온성 표면활성제 1,500 ㎎/ℓ 및 비이온성 표면활성제 375 ㎎/ℓ를 증류수에 용해시켜 전해 구리 도금액을 제조하였다. 또한, 직류를 사용하였다.
먼저, 하나의 주 조 및 하나의 더미 전기분해조로 구성된 전해 구리 도금 장치를 사용하여 전해 구리 도금액을 분해 처리하였다. 이때 "분해 처리"란 표준 다중조 전해 구리 도금 장치를 통상적으로 작동시켜, 다중조 전해 구리 도금 장치내 주 조와 더미 전기분해조 간에 전해 구리 도금액을 순환시키면서 주 조에서 전해 구리 도금 및 더미 전기분해조에서 더미 전기분해를 수행하는 것을 의미한다. 주 조의 용적은 4 ℓ이고, 더미 전기분해조의 용적은 0.5 ℓ로서, 총 4.5 ℓ의 전해 구리 도금액이 사용되었다. 주 조와 더미 전기분해조 간의 전해 구리 도금액의 순환 속도는 0.7 내지 0.9 ℓ/분이다. 양 조에서 공기 교반이 실시되었다. 도금조 온도 23 ℃, 전류 밀도 2 A/dm2(6A), 용액 ℓ당 양극 면적 1.33 dm2에서 인산화 구리 양극을 양극으로 사용하여 전해 구리 도금을 수행하였다. 도금조 온도 23 ℃, 전류 밀도 2 A/dm2(0.3A), 양극 면적 0.07 dm2에서 IrO2를 양극으로 사용하여 더미 전기분해를 수행하였다. 전해 구리 도금동안 전기분해 양이 0.30, 50 또는 100 Ahr/ℓ로 되면 전해 구리 도금 및 더미 전기분해를 중단하였다. 또한, 대조군으로, 상기 분해 처리를 더미 전기분해조에서의 더미 전기분해없이 수행하였다.
상술된 분해 처리동안 전해 구리 도금액의 분해 정도를 조사하기 위하여, 상기 언급된 분해 처리후, 전해 구리 도금액을 사용하여 새로운 평가 기판에 대해 전해 구리 도금을 수행하였다. 평가 기판은 실시예 1에 사용된 것과 동일하다. 전해 구리 도금은 더미 전기분해조에서 더미 전기분해시키지 않는 것을 제외하고상기 언급된 것과 동일한 분해 처리 조건하에서 50 Ahr/ℓ의 전기분해 양으로 수행되었다. 전해 구리 도금을 완료한 후, 평가 기판을 비어-충전성 및 도금 외관에 대해 평가하였다.
도 4는 도금후 비어-홀의 단면 사진을 나타낸다. 이로부터 분해 처리동안 전기분해의 양이 50 Ahr/ℓ 이상이고 더미 전기분해가 수행되지 않으면 비어-충전이 감소되는 것으로 나타났다. 이와 대조적으로, 분해 처리동안 전해 구리 도금과 동시에 더미 전기분해를 수행하게 되면 전기분해의 양에 상관없이 충전이 감소되지 않는 것으로 나타났다.
상기의 결과로부터, 다중조 전해 구리 도금 장치에서 전해 구리 도금과 동시에 더미 전기분해를 수행하게 되면, 전해 구리 도금액의 분해를 방지할 수 있음을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 불용성 양극을 사용하여 전해 구리 도금액을 더미 전기분해함으로써, 본 발명은 전해 구리 도금액의 비어-충전성, 침착된 구리 필름의 미소성 및 도금 외관이 붕괴된 경우 이를 유지 및 복원할 수 있다. 또한, 전해 구리 도금액이 황산화 화합물을 함유하는 경우, 이를 불용성 양극을 사용하여 더미 전기분해함으로써 본 발명은 상기 언급된 황산화 화합물의 분해 생성물인 "-X-S-Y-" 구조를 갖는 화합물의 농도를 감소시킬 수 있고, 비어-충전성, 구리 필름의 미소성 및 도금 외관을 유지 및 복원할 수 있다.
또한, 다중조 전해 구리 도금 장치를 사용하여 전해 구리 도금과 동시에 더미 전기분해를 적용함으로써, 본 발명은 전해 구리 도금조를 복원시키는데 별도의 처리를 필요로 하지 않아 시간 및 노력을 절감할 수 있는 잇점을 갖는다.
그 외에도, 가용성 양극이 전해 구리 도금을 위해 사용될 수 있기 때문에, 본 발명의 전해 구리 도금법은 전해 구리 도금에 불용성 양극만을 사용한 경우보다 불용성 양극의 표면적을 감소시킬 수 있다. 그 결과, 본 발명은 사용되는 값비싼 불용성 양극의 양을 감소시킬 수 있고, 그 결과 총 시스템 경비를 절감할 수 있다. 가용성 양극이 전해 구리 도금에 사용될 수 있기 때문에, 본 발명은 또한 도금동안 보충되는 구리염의 양을 감소시킬 수 있어, 이러한 보충으로 첨가되는 구리염중에 함유된 불순물을 방지할 수 있다.

Claims (14)

  1. 도금될 기판을 구리 전기도금액과 접촉시키고; 구리 전기도금액에 전류 밀도를 적용하여 기판상에 구리를 침착시킨 후; 불용성 양극을 사용하여 구리 전기도금액을 더미 전기분해(dummy electrolysis)시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하여 구리를 도금하는 방법.
  2. 구리 전기도금액 및 가용성 양극을 포함하는 구리 전기도금조를 사용하여 기판상에 구리를 전해적으로 침착시키고; 구리 침착후 가용성 양극을 불용성 양극으로 대체시킨 후; 불용성 양극을 사용하여 구리 전기도금액을 더미 전기분해시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하여 구리를 도금하는 방법.
  3. 구리 전기도금액, 가용성 양극 및 불용성 양극을 포함하는 구리 도금조를 사용하여 가용성 양극에 전류 밀도를 적용함으로써 기판상에 구리를 전해적으로 침착시킨 후; 불용성 양극을 사용하여 구리 전기도금액을 더미 전기분해시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하여 구리를 도금하는 방법.
  4. 가용성 양극을 갖는 주 조(main bath), 불용성 양극을 갖는 더미 전기분해조, 및 주 조와 더미 전기분해조 사이로 유체가 전달되도록 주 조와 더미 전기분해조를 연결하는 순환 파이프를 포함하는 다중조 구리 전기도금 장치를 제공하고; 주조 및 더미 전기분해조에 구리 전기도금액을 제공하며; 도금될 기판을 주 조에서 구리 전기도금액과 접촉시킨 후; 주 조와 더미 전기분해조 사이의 구리 전기도금액을 순환 파이프를 통해 순환시키면서 가용성 양극 및 불용성 양극에 전류 밀도를 적용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하여 구리를 도금하는 방법.
  5. 가용성 양극을 갖는 주 조, 불용성 양극을 갖는 더미 전기분해조, 및 주 조와 더미 전기분해조 사이로 유체가 전달되도록 주 조와 더미 전기분해조를 연결하는 순환 파이프를 포함하는 다중조 구리 전기도금 장치를 제공하고; 주 조에 구리 전기도금액을 제공하며; 도금될 기판을 주 조에서 구리 전기도금액과 접촉시킨 후; 가용성 양극에 전류 밀도를 적용하여 기판상에 구리를 침착시키며; 주 조로부터의 구리 전기도금액을 순환 파이프를 사용하여 더미 전기분해조에 공급하며; 구리 전기도금액을 더미 전기분해시킨 다음; 더미 전기분해조로부터의 구리 전기도금액을 순환 파이프를 사용하여 주 조에 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하여 구리를 도금하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 구리 전기도금액이 -X-S-Y-(여기에서, X 및 Y는 수소, 탄소, 황 및 질소로 구성된 그룹중에서 독립적으로 선택된 원자이며, 이들 X 및 Y는 둘 다 탄소인 경우에만 동일할 수 있다) 구조를 가진 화합물을 포함하는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, -X-S-Y- 구조를 가진 화합물이 하기 (1) 내지 (8)로 구성된 그룹중에서 선택된 화합물인 방법:
    (1) M-SO3-(CH2)a-S-(CH2)b-SO3-M;
    (2) M-SO3-O-CH2-S-CH2-O-(CH2)b-SO3-M;
    (3) M-SO3-(CH2)a-S-S-(CH2)b-SO3-M;
    (4) M-SO3-(CH2)a-O-CH2-S-S-CH2-O-(CH2)b-SO3-M;
    (5) M-SO3-(CH2)a-S-C(=S)-S-(CH2)b-SO3-M;
    (6) M-SO3-(CH2)a-O-CH2-S-C(=S)-CH2-O-(CH2)b-SO3-M;
    (7) A-S-(CH2)a-SO3-M; 및
    (8) A-S-CH2-O-(CH2)b-SO3-M.
    상기 식 (1) 내지 (8)에서,
    a 및 b는 3 내지 8의 정수이고;
    M은 수소 또는 알칼리 금속이며;
    A는 수소, 탄소수 1 내지 10의 알킬 그룹, 아릴 그룹, 1 내지 6개의 질소 및 1 내지 20개의 탄소로 구성된 직쇄 또는 사이클릭 아민 화합물, 또는 1 내지 2개의 황, 1 내지 6개의 질소 및 1 내지 20개의 탄소로 구성된 헤테로사이클릭 화합물이다.
  8. 제 6 항에 있어서, 구리 전기도금액중 -X-S-Y- 구조를 가진 화합물의 양이0.1 내지 100 mg/ℓ인 방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 가용성 양극 및 불용성 양극의 표면적비가 1:100 내지 100:1인 방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 불용성 양극이 산화이리듐, 백금-도포된(clad) 티탄, 이산화납-코팅된 티탄, 납 합금, 페라이트 및 스테인레스강으로 구성된 그룹중에서 선택되는 방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 기판이 관통홀(through-hole) 또는 비어-홀(via-hole)을 포함하는 방법.
  12. 제 1 항에 있어서, 전류 밀도가 직류, PPR 전류 또는 교류 타입을 사용하여 적용되는 방법.
  13. 가용성 양극 및 불용성 양극을 갖는 전해 구리 도금조.
  14. 가용성 양극을 갖는 주 조, 불용성 양극을 갖는 더미 전기분해조, 및 주 조와 더미 전기분해조 사이의 유체 전달로 전해 구리 도금액이 순환되는 순환 파이프로 구성된 다중조 전해 구리 도금 장치.
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