TW201610239A - 電鍍浴分析 - Google Patents

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Abstract

電化學阻抗譜法係用於測定於金屬電鍍浴中之有機添加劑之含量。

Description

電鍍浴分析
本發明大致上係有關於金屬電鍍浴領域，及更明確言之，係有關於金屬電鍍浴中之有機添加劑之控制。
電鍍乃涉及電鍍浴中之多個成分的複雜製程。要緊地，某些成分之濃度維持於狹窄之容許偏差內以獲得高品質的金屬沉積物。若添加劑之含量超出範圍過多，則金屬沉積物之品質受損，沉積物之外觀可能無光澤，及/或結構具脆性或粉末狀。其它可能的結果包括低均鍍力及/或具整平性不佳之鍍覆摺疊。於具有小型特徵之電子裝置(諸如用於製造積體電路之晶圓)之銅鍍覆中，於銅鍍覆浴中之有機添加劑之濃度須維持在某些極限範圍內，以便獲得超填充(superfilling)，或由底向上之填充(bottom-up filling)。
於某些情況下，可常規地進行個別浴組分之化學分析(諸如用於分析酸含量之pH度量)及視需要進行添加個別浴成分之化學分析。然而，其它成分(諸如有機添加劑)不容易分析。有機添加劑(諸如，增亮劑、抑制劑、及整平劑)之操作濃度低，而其定量分析複雜且容易出錯。
曾經使用各種方法以控制金屬電鍍浴中之有機添加劑之含量。一種方法係單純基於憑藉經驗所建立的實驗規則而常規地添加所欲的有機添加劑。然而，隨著時間之推移或隨著浴之使用，特定添加劑之耗竭並非經常性恆定。另一種已知之鍍覆浴控制方法係鍍覆物件及視覺評估鍍覆品質，以決定浴之表現滿意度。此乃耗時的測試，至多只能給予浴組分濃度之粗略估計。傳統銅電鍍浴分析係使用循環伏安剝離法(CVS)或循環脈衝伏安剝離法(CPVS)以測定有機添加劑之含量。CVS法耗時相當長(諸如2小時至4小時)，以針對全部浴成分執行。CPVS法比CVS法更容易出錯。美國專利第7,427,344號提示一種使用於恆定電位下之電流衰減，基於浸漬於電鍍溶液中之工作電極的雙層電容而測量金屬電鍍浴中之有機添加劑濃度之方法。此專利中之方法關注於有機添加劑之吸附/脫附之時間相依性，每次關注一個有機添加劑，且未曾驗證區別不同添加劑的能力。此種雙層電容辦法尚未獲得廣泛之接受。仍然需要相對快速分析金屬電鍍浴中有機添加劑之方法。
本發明提供一種測定於金屬電鍍浴中一種或多種有機成分之濃度之方法，包含下列步驟：a)提供具有可旋轉工作電極、反電極、參考電極、恆電位器、及頻率應答分析器之裝置，其中該反電極係與該工作電極及該參考電極呈可操作式通訊；b)獲得包含未知量之有機添加劑的金屬電鍍浴溶液；c)讓各該工作電極、參考電極及反 電極與該金屬電鍍溶液接觸，及在以第一轉速旋轉該工作電極時藉施加正電位而清潔該工作電極表面；d)藉於斷路電位以第二轉速旋轉該工作電極而平衡該電鍍溶液中之對流；e)施加為該金屬低電位沉積峰值之負50至500毫伏特(mV)之電位至該工作電極及覆蓋1至100毫伏特之交替電位擾動；f)於10千赫茲(kHz)至1毫赫茲(mHz)之頻率範圍測量該有機添加劑溶液之阻抗應答；g)自該阻抗應答選擇頻率；及h)藉比較於擇定之該頻率之阻抗應答與校正曲線而測定該有機添加劑之濃度。
本發明也提供一種控制於電鍍浴中之有機添加劑之濃度之方法，包含下列步驟：a)如前文描述測定有機添加劑之量；及b)比較該有機添加劑之量與預設值；但限制條件為當該有機添加劑之濃度降至低於該預設值時，控制程序被啟動而升高該有機添加劑之濃度至該預設值。
第1圖顯示本發明用於決定加速劑及整平劑劑量之校正曲線。
如本文中所使用，下列縮寫具有下述定義：Hz=赫茲；mHz=毫赫茲；kHz=千赫茲；V=伏特；mV=毫伏特；mL=毫升；L=升；cm=厘米；rpm=每分鐘轉數；sec.=秒；及min.=分鐘。全部數值範圍皆包含上、下限值且可以任何順序組合使用，除了此等全部數值範圍顯然受限於 加總至100%者。冠詞「一(a)」、「一(an)」、及「該(the)」係指單數及複數。
本發明使用電化學阻抗譜法以測定於金屬電鍍浴(或金屬電鍍溶液)中之一種或多種有機添加劑(有機成分)之濃度，包含下列步驟：a)提供具有可旋轉工作電極、反電極、參考電極、恆電位器、及頻率應答分析器之裝置，其中該反電極係與該工作電極及該參考電極呈可操作式通訊；b)獲得包含未知量之有機添加劑的金屬電鍍浴溶液；c)讓該工作電極、參考電極及反電極中之各者與該金屬電鍍溶液接觸，及在以第一轉速旋轉該工作電極時藉施加正電位而清潔該工作電極表面；d)藉於斷路電位以第二轉速旋轉該工作電極而平衡該電鍍溶液中之對流；e)施加為該金屬低電位沉積峰值之負50至500毫伏特(mV)之電位至該工作電極及覆蓋1至100毫伏特之交替電位擾動；f)於10千赫茲(kHz)至1毫赫茲(mHz)之頻率範圍測量該有機添加劑溶液之阻抗應答；g)自該阻抗應答選擇頻率；及h)藉比較於擇定之該頻率之阻抗應答與校正曲線測定該有機添加劑之濃度。本方法仰賴下述事實，不同尺寸之有機添加劑將對不同頻率產生不同應答。相對較大的有機添加劑對頻率之微小變化將不會產生如同相對較小的有機添加劑般快速地應答。據此，可分開不同有機添加劑之相對效應，及測定此等添加劑之濃度。
寬廣之不同裝置可用於本發明，但限制條件為此種裝置具有可旋轉工作電極、反電極、參考電極、 恆電位器、及頻率應答分析器，其中該反電極係與該工作電極及該參考電極呈可操作式通訊。合宜裝置為100毫升水套式(water-jacketed)燒杯，且具有恆溫器以控制該被分析溶液之溫度於25℃，並配備有三個電極。
該工作電極為合宜之旋轉金屬圓盤，該金屬圓盤可選自於鉑、銅、鎳、鉻、鋅、錫、金、銀、鉛、鎘、焊料、玻璃石墨、汞、或不鏽鋼所組成之金屬，且較佳為鉑圓盤。更佳地，該工作電極為旋轉式0.2平方厘米鉑圓盤。該工作電極典型地具有平坦的經研磨的表面和小直徑，且可與凱爾芙(Kel-F)圓柱末端齊平(flush)安裝。小直徑圓盤為較佳，原因在於因橫過該直徑的電流密度不均，故較大直徑將導致敏感度不佳。典型地，該工作電極係連結至旋轉器，諸如派恩儀器(Pine Instruments)MSRX旋轉器。習知地，該參考電極為飽和甘汞(Calomel)參考電極(SCE)或銀/氯化銀電極，且較佳地為銀/氯化銀電極。該反電極較佳地包含鉑，及更佳地為鉑導線。
任何適當電腦皆可用以控制電子恆電位器，其控制該工作電極相對於該參考電極間之能量輸入。任何合宜的恆電位器皆可使用，諸如麥特歐自動化實驗室(Metrohm Autolab)PGSTAT302N恆電位器。使用合宜之程式，本發明之能量輸入(電位)順序可施加至該工作電極。可使用多種頻率應答分析器。適當頻率應答分析器為FRA2模組及FRA32M模組，兩者皆可得自麥特歐自動化實驗室公司，或另外裝配有頻率分析軟體之電腦，諸如可得自岡 力儀器公司(Gamry Instruments)。
典型地，電極於各次使用前經清潔。適當清潔步驟包含將工作電極、參考電極及反電極浸漬於10%(v/v)硫酸溶液內，及以100毫伏特/秒在1.6伏特至-0.2伏特間進行週期性伏安法。當使用鉑工作電極及反電極時，此種清潔動作係持續直到於硫酸伏安圖中獲得之可重複再現的乾淨鉑為止。然後，在置於欲分析溶液內之前，以去離子(DI)水徹底清洗已潔淨的電極。
金屬電鍍浴(或金屬電鍍溶液)含有欲鍍覆之金屬，該欲鍍覆之金屬通常係呈浴可溶性金屬鹽形式、電解質、一種或多種有機成分(有機添加劑)、視需要地鹵化物來源、及視需要地，一種或多種其它成分。各種金屬電鍍浴可依據本發明分析，諸如用以沉積銅、鎳、錫、銀、金、銦、或其合金之電鍍浴。較佳地，本方法係用以測定有機添加劑於銅電鍍浴中之濃度。該電解質可為鹼性或酸性，取決於使用的特定金屬電鍍浴，較佳地為酸性。舉例言之，銅電鍍浴典型地為酸性，具有pH<2。許多有機添加劑用於金屬電鍍浴，諸如，但不限於，加速劑、抑制劑、整平劑、傳導性提升劑等。加速劑又稱光亮劑、增亮劑或光澤控制劑，發揮提高金屬鍍覆速率之功能。抑制劑之功能係減低金屬鍍覆速率。整平劑又稱調平劑，具有抑制性質，其功能係在基材表面上方提供整平的金屬沉積物。較佳地，本發明之方法測定選自於加速劑、抑制劑、或整平劑中之一種或多種有機添加劑之濃度。加速劑、抑制劑、 或整平劑中之一或多者於銅電鍍浴中之濃度係更佳地根據本發明之方法測定。
將含有欲分析之有機添加劑(被分析物)之電鍍溶液之一部分添加至該裝置，將工作電極、參考電極及反電極接觸該溶液。該裝置典型地維持該欲分析溶液於設定溫度，諸如25℃。然後，藉施加正電位一段時間，同時以第一轉速旋轉該工作電極，讓該工作電極表面使用該欲分析溶液清潔。任何合宜之正電位皆可使用，該電位之選擇係所屬技術領域之通常知識。電位之合宜範圍為1.2伏特至2.0伏特。舉例言之，當分析銅電鍍溶液時，適當電位為1.6伏特。施加此種電位於合宜之一段時間以清潔電極表面。該段時間並無特殊限制。合宜之一段時間為0.01秒至120秒，較佳地為1秒至60秒，及更佳地為1秒至45秒。該第一轉速並無特殊限制，但充分地旋轉電極可有效自該電極表面去除氣泡。典型地，該第一轉速為100rpm至2500rpm，及較佳地為500rpm至1500rpm，但可使用更慢的轉速或更快的轉速。
其次，該工作電極係設定為斷路電位，及於足夠允許溶液對流平衡之一段時間中以第二轉速旋轉。斷路電位為當未施加任何電位至該系統時，工作電極相對於參考電極之電位。任何合宜的轉速皆可選作第二轉速。典型的第二轉速為1rpm至4000rpm，較佳地為1rpm至3500rpm，及更佳地為1rpm至3000rpm。第二轉速可相同於或不同於第一轉速。較佳地，第二轉速係比第一轉速 慢。較慢的第二轉速導致較少對流至該電極，且選擇具有相對較高擴散係數之相對較低分子量種類。較高的第二轉速導致較多對流，且選擇具有相對較高擴散係數之相對較高分子量種類。此種平衡步驟之時間間隔並無特殊限制，而可自0.01秒變化至120秒，較佳地為1秒至60秒，及更佳地為1秒至45秒。
於該平衡步驟之後，施加一固定電位至該工作電極，該電位為該金屬低電位沉積峰值之負50至500毫伏特(mV)及覆蓋1至100毫伏特之交替電位擾動至該施加電位上。低電位沉積為電鍍中之現象，其中該金屬於比該金屬之忍斯特(Nernst)平衡電位的負值更小之電位時沉積。該金屬低電位沉積峰值之測定係所屬技術領域中之通常知識。當銅電鍍溶液係使用本發明之方法分析時，施加0.0伏特相對於參考電極之電位。該交替電位擾動典型地係選自於正弦波及方波，且較佳地為正弦波。較佳地，該交替電位擾動係於1至50毫伏特之範圍，更佳地為1至25毫伏特之範圍，及又更佳地為1至10毫伏特之範圍。本步驟施加之電壓為固定之設定，亦即不會改變。
有機添加劑之阻抗應答係於10kHz至1mHz之頻率範圍測量。該頻率範圍之高端有利於主體溶液(bulk solution)性質(溶液傳導率)，而低端為添加劑吸附至電極雙層上。因於各個頻率之測量時間為頻率之倒數，故低端頻率需要更多時間來作資料收集。藉施加符合交替擾動電位，亦即，施加高頻率(諸如1kHz)信號至低頻率(諸如1Hz) 信號頂上，且透過富利葉轉換進行反摺積(deconvolution)，可縮短實驗次數。同時可施加多達三個交替擾動電位。掃描頻率用以組構成奈奎斯特(Nyquist)圖。阻抗為複數(complex number)，其中電阻為實(real)成分，而電容與電感之組合為虛(imaginary)成分。於各種電位振幅，該阻抗之實成分及虛成分使用麥特實驗室TM(MATLABTM)版本7.9.0.529(麥斯工作坊公司(Math Works,Inc.)，麻薩諸塞州拿堤克)軟體套入第二或第三次冪多項式方程。於含有增亮劑、抑制劑及整平劑之銅電鍍浴中，該阻抗之實成分主要係取決於該加速劑濃度，而該阻抗之虛成分主要係取決於該整平劑及抑制劑濃度。
頻率係選自於用以將阻抗應答與添加劑濃度相關聯之該範圍。另外，可選用複數個頻率，諸如二個或三個或以上之頻率。針對於銅電鍍浴中之有機添加劑，合宜之頻率為1Hz。在該擇定頻率(或多個頻率)之阻抗應答，係與校正曲線(或相關聯資料集)作比較，以測定該有機添加劑之濃度。
校正曲線可藉由提供複數個校正溶液獲得，其中各個溶液具有已知且等量之電解質及金屬鹽，及其中各個溶液具有已知且不等量之有機添加劑(被分析物)，諸如加速劑。然後，該等校正溶液各自接觸如前文描述之該裝置之工作電極、參考電極及反電極，及進行如前文描述之該等方法步驟。於各種電位振幅，各個校正溶液之該阻抗之實成分及虛成分係使用麥特實驗室TM軟體套入 第二或第三次冪多項式方程。需要的校正點數目取決於溶液之複雜度，較為複雜的溶液需要更多個數據點。若第二有機添加劑(被分析物)諸如整平劑也被分析，則添加已知但不等量之第二有機添加劑至前述各校正溶液而提供複數個第二校正溶液。各個第二校正溶液接著接觸如前文描述之該裝置之工作電極、參考電極及反電極，及進行如前文描述之該等方法步驟。若第三有機添加劑(被分析物)諸如抑制劑也被分析，則添加已知但不等量之第三有機添加劑至前述各第二校正溶液而提供複數個第三校正溶液。各個第三校正溶液接著接觸如前文描述之該裝置之工作電極、參考電極及反電極，及進行如前文描述之該等方法步驟。
實施例1：校正溶液之製備方式係使用藉由組合含有60克/升Cu2+(得自硫酸銅)、50克/升(18N硫酸)、80毫克/升Cl-(得自1N鹽酸)、及8.0毫升/升抑制劑之電解質。製備四個校正樣本，各自具有不等量之加速劑。各個校正溶液係使用表1中所示之加速劑之量及1.5毫升/升整平劑而製備。針對各個校正溶液測量阻抗應答之後，添加額外之1毫升/升整平劑至各個校正溶液(針對共計2.5毫升/升之整平劑)，及再度測量阻抗應答。此製程再重複兩次，導致針對含有3.5毫升/升及4.5毫升/升整平劑之校正溶液之阻抗應答。針對各個校正溶液之加速劑濃度及全部整平劑濃度係顯示於表1。
電化學實驗係使用裝配有FRA2模組之用於阻抗實驗之自動化實驗室(AUTOLAB)PGSTAT302N進行。各個校正溶液係添加至設定為維持25℃溫度之100毫升水套式燒杯。工作電極為旋轉式0.196平方厘米鉑圓盤，具有鉑線反電極及飽和銀/氯化銀反電極。藉由在-0.2V至1.6V間之電位循環，以10% H2SO4徹底清潔電極，直到於硫酸伏安圖中獲得可重複再現的乾淨鉑為止。然後，該等電極在浸漬於各校正溶液之前，以去離子(DI)水徹底清洗。各個校正溶液使用2.0毫升鐸喜諾TM(DOSINOTM)伺服馬達控制的滴定管溶液滴定器(得自麥特歐公司)滴定。
針對各個校正溶液，施加1.6V歷時30秒，同時以1600rpm旋轉該工作電極以清潔電極表面。其次，該工作電極於斷路電位下以25rpm旋轉30秒。然後，施加0.0V電位，及5mV正弦波覆蓋至該受控制電位頂上。然後於10kHz至10mHz之頻率範圍測量整平劑之阻抗應答。針對各個校正溶液再重複兩次此製程。然後，添加以額外1.0mL/L整平劑滴定之各個校正溶液，及重複該等處 理步驟。第1圖顯示所生成的校正曲線。
一旦取得該數據，針對該加速劑及整平劑於1Hz之阻抗的實成分及虛成分之數值，係使用麥特實驗室TM(MATLABTM)表面匹配程式帶至第二次冪多項式。該等校正獲得下列方程式：Z’(1Hz)=1410-105.7[A]+202.8[L]+4.611[A]2-4[A][L]-11.11[L]2
-Z”(1Hz)=105-14.63[A]+82.15[L]+0.9949[A]2-5.28[A][L]-2.204[L]2其中Z’表示該阻抗之實成分，-Z”表示該阻抗之虛成分，[A]為加速劑濃度，及[L]為整平劑濃度。然後，使用此等方程式以針對所製備之測試溶液之加速劑濃度及整平劑濃度求解，使用相同濃度作為校正溶液。

Claims (9)

  1. 一種測定於金屬電鍍浴中一種或多種有機成分之濃度之方法，該方法包含下列步驟：a)提供具有可旋轉工作電極、反電極、參考電極、恆電位器、及頻率應答分析器之裝置，其中該反電極係與該工作電極及該參考電極呈可操作式通訊；b)獲得包含未知量之有機添加劑的金屬電鍍浴溶液；c)讓各該工作電極、該參考電極及該反電極與該金屬電鍍溶液接觸，及在以第一轉速旋轉該工作電極時，藉施加正電位而清潔該工作電極表面；d)藉於斷路電位以第二轉速旋轉該工作電極而平衡該電鍍溶液中之對流；e)施加為金屬低電位沉積峰值之負50至500毫伏特(mV)之電位至該工作電極及覆蓋1至100毫伏特之交替電位擾動；f)於10千赫茲(kHz)至1毫赫茲(mHz)之頻率範圍測量該有機添加劑溶液之阻抗應答；g)自該阻抗應答選擇頻率；及h)藉比較於擇定之該頻率之該阻抗應答與校正曲線而測定該有機添加劑之濃度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該金屬為銅。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該交替電位擾動係選自於正弦波及方波。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該第一轉速係比該第二轉速更快。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該工作電極為鉑圓盤。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該反電極包含鉑。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該有機添加劑係選自於加速劑、抑制劑、整平劑、及其混合物。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該阻抗係於1赫茲(Hz)頻率擇定。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中於步驟g)選擇複數個頻率。
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