TWI228781B - Method and apparatus for controlling local current to achieve uniform plating thickness - Google Patents

Description

1228781 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種用於將金屬（例如被用於電子領域中 之精細零件）電鍍至一基板上之方法及裝置，且具體;之， 係關於改良在不同零件密度之區域上電鐘零件厚度的—致 性。 【先.前技術】 -多晶片模組(MCM)之電效能受互連金屬之厚度分佈， 意即，形成該特殊互連零件之所沈積金屬的厚度的強烈影 響。電路圖案密度並非總是一致妯八 善 ^ 致地刀佈在一載體表面 (Camer SUrfaCe)上。在某些區域中’該等圖案可非常密集 ，例如在料金屬線或其他零件間隔相對較小的地方= 在其他區域中’該等圖案可非f疏散，此處該等金屬線或 令件間隔相對較大。使用先前技術電鑛工具及製程，所電 鍍金屬厚度會顯著變化。所得之厚度不一致的薄膜互連結 構，由於參數量測之高標準偏差，可嚴重影響電效能及產° 品良率。該等問題可在其他電子應用中被發現，例如，印 刷電路板與磁性記錄頭。 閘板單元（paddle CeU)已被使用，該等閘板單元採用獨立 電源，以在一陽極與包含待電鍍之基板（工件）的陰極之間施 加一電流，且在該陽極與一第二陰極（或包圍該基板之辅助 U fe % (thief ring))之間施加一電流。通常，僅由調節基板 與輔助陰極環之電流來控制閘板單元中之電鍍。對基板上 的局部電流幾乎無控制。另一種獲得一致性的方法包括在 89047 1228781 該等疏散區域中建立假焊墊（dummy pads)。但是，這可產 生更多·的電效能問題。另一種方法被採用在。^等人在 2000年1 0月30日申請之序號第〇9/699,9〇9號美國專利中，該 申請案揭示在基板上一致地間隔安置、且電連接至辅助陰 極板（thief plate)之編織金屬網的使用。儘管等人之方 法在意欲用來在一基板上電鍍僅僅少數幾條線時工作良妤 ，但，是，該方法無法解決具有不同零件厚度之區域之厚度 一致性的問題。 【發明内容】 由於先前技術之該等問題及缺陷，因此本發明之一目標 係提供一種用於改良在具有不同密度之待電鍍零件的基板 上電鍍的方法及裝置。 本發明之另一目標係提供一種用於改良在具有不同零件 密度之區域之間的電鍍厚度的一致性的方法及裝置。 本發明之又一目標係提供一種方法，來局部地影響較寬 範圍之電鍍圖案的電鍍電流，以按設計獲得一致或特意的 不一致厚度。 热習此項技術者易明白之以上及其他目標與優點，可在 本t明中被貫現，在第一態樣中，本發明係指一種用於在 一基板表面上電鍍不同密度之金屬零件的製程，其包含： 提供一其中具有一陽極之電鍍浴液；將該基板浸入該電鍍 ’合’夜中且與該陽極隔開，該基板包含一陰極；且將一第二 1¾極安置在位於該基板與該陽極之間的電鍍浴液中，並與 該基板表面鄰近且分離。該第二陰極包括具有與待電鍍之 89047 1228781 金屬零件相符合之不同尺寸開孔的篩網部分。該第二陰極 篩網邵·分具有鄰近於待電鍍零件之較高密度區域的較大尺 寸開孔，及鄰近於待電鍍零件之較低密度區域的較小尺寸 開孔。孩製程進一步包括：施加一電流穿過位於該基板與 該陽極之間，以及該第二陰極與該陽極之間的電鍍浴液； 且將不同密度之金屬零件電鍍至該基板表面上。 該.製程較佳進一步包括：藉由獲得待電鍍零件的平面圖 ，來確定待電鍍零件的密度；在零件平面圖上界定不同區 域；且在零件平面圖上的不同區域中，計算待電鍍之區域 的比例（fraction)。該製程接著進一步包括：藉由對應於在 零件平面圖上的不同區域中之待電鍍1區域比例的計算建立 一具有不同尺寸之開孔的網，來構建該第二陰極。 在另·一態樣中，本發明係指一種製造用於在一基板表面 上電鍍不同密度之金屬零件的製程中的第二陰極篩網的方 法，孩万法包含：提供具有不同密度之待電鍍至一表面上 之金屬零件的圖案或平面圖；在該圖案上識別具有預定尺 寸的不同區域；且為所識別之區域中的每—個，確定待電 鍍之區域比例。該方法接著包括：為鄰近區域確定待電鐘 之區域比㈣差別（若存在的話）；&基於_近區域間在待 電鍍區域之比例上㈣# ’來識別待電鍍之金屬零件的不 同密度。It方法隨後包括：形成—第二陰極篩網，該第二 陰極篩網具有鄰近於待電鍍零件之較高密度區域的較大尺 寸開孔，並具有鄰近於待電錢零件之較低密度區域的較小 尺寸開孔。 89047 1228781 在又一態樣中，本發明係指一種用於在一基板表面上電 鍍不同么、度义金屬零件的裝置，該裝置包含：其中具有— 陽極之電鍍浴液；包含一被浸入該電鍍浴液中之陰極的待 電鍍基板，該基板與該陽極隔開；及一第二陰極。該第二 陰極包括一具有與待電鍍之金屬零件相符合之不同尺寸開 孔的篩網部分，該篩網部分被安置在位於該基板與該陽極 之間的電鍍浴液中，並與該基板表面鄰近且分離。該第二 陰極篩網部分具有鄰近於待電鍍零件之較高密度區域的較 大尺寸開孔，並具有鄰近於待電鍍零件之較低密度區域白^ 較小尺寸開孔。該裝置進一步包括：—第一電壓電源… 用於施加-電流穿過位於該基板與該陽極之間的電_ :及-第二電壓電源，以用於施加一電流穿過位於該第二 陰極與.該陽極之間的電鍍浴液。 口亥弟一陰極較佳向各一 1^ ^ - 至屬絲網，且第二陰極篩網上 開孔包含在金屬絲網中之 抑、、 '，屬、、糸間的間隔，使得該網具 W、万；待電|度零件之齡舌 同·山度區域的較大尺寸全屬 開孔，並具有鄰近於待電鍍更… 寸至屬4間 寸金屬辞pE) >牛I幸乂低岔度區域的較小 0.05英寸之^ …屬相更佳係由直徑為約0.00 失寸 < 金屬絲製成。 待電鍍之金屬零 鍍零件之幹*六、/具有不同間隔之金屬絲線，待 且待電鍍二：ώ ”含具有較鄰近間隔之金屬絲轉 線。在第二卜Γ:低在度區域包含具有較大間隔之金屬 7 — fe極篩網部分中 ' 件之較高密产較大尺寸開孔，與待電韻 度的㈣區域㈣，難具有較小尺寸。 89047 1228781 【實施方式】 在描.述本發明之較佳實施例中，此處將參考該等圖式之 圖1 -5，在該等圖式中，類似的數字代表本發明之類似零件 。本發明之零件不必在該等圖式中按比例展示。 為改良在具有多種電鍍零件密度之所電鍍基板上的電測 試良率，本發明提供一種方法及裝置，以在為較大範圍之 圖案.密度的電鍍過程中，最小化該厚度不一致性。本發明 涉及具有較佳由金屬篩網製成之篩網部分的第二陰極的使 用，該篩網部分在電鍍過程中，覆蓋在基板頂部上。該篩 網僅覆蓋具有稀疏線之該等區域，且為具有密集線之區域 留下開孔。在電鍍過程中，在稀疏線上之局部電流密度， 歸因於藉由在電連接至一第二電源之網上電鍍所生成的過 電位而減少。另一方面，由於流向該基板之總電鍍電流固 定，所以在該等密集區域上之電流密度增加。藉由操縱該 等篩網部分切口之形狀與流入該網之電流，金屬線之厚度 一致性可被改良。 圖1描繪可與本發明之方法之實施聯合使用的電鍍裝置 。另一習知電鍍槽34包含一種電鍍溶液或電鍍浴液22，該 電鍍浴液具有用於待電鍍至該基板上之零件類型的習知組 合物。一陽極28、一基板或充當陰極之工件30，及一充當 第二陰極之輔助陰極板32，被浸入至該電鍍浴液中。< 電 源24連接在陽極28與基板30之間，以建立一電壓差，並施 加一電流穿過位於該陽極與基板間的電鍍浴液。辅助陰極 板32包圍基板30，且藉由一單獨電源26而連接至陽極28。 89047 -10 - 1228781 輔助陰極板32與陽極28間之電源26建立一電壓電位，以施 力 不同的寬/瓦值。隨著該電说在该陽極與該基板間，以 及該陽極與該輔助陰極板間流動，金屬零件被電鍍在該基 板上。 根據本發明之方法，第二陰極之篩網部分4〇被安置在位 於基板與陽極間之電鍍浴液中。該第二陰極之篩網部分可 由多種傳導材料製成。當金屬絲網被採用時，該金屬絲更 佳包含不銹鋼、銅或其類似物。該篩網部分4〇與基板3〇之 表面岫近且分離，且如圖2所示，其較佳包含一金屬絲網， 孩金屬絲網具有一系列比周圍網圖案4丨尺寸更大之開孔 42a 42b 42c、42d及42e。如以下將要進一步解釋，該等 開孔4 2 a - e在該基板之（與具有較低密度之其他區域相比）具 有較咼遂、度電鍍零件的區域上及鄰近該等區域而被形成。 、等13之尺寸可在不同密度區域間變化。該等特定開孔 之尺:較佳由—演算法來確定，該演算法使用鄰近區域之 間的笟度爰異的梯纟，來確定網41中之開孔是否應被形成 ，及在何處被形成。 在圖3中展7F根據本發明所製成之第二陰極之筛網部分 40的另-實例。具有相對較小金屬絲間隔的金屬絲網々I具 有在其中所形成的較大尺寸之開孔42a-g。該等開孔42a-g 田被用^ ® 1〈電鍍浴液中時，被佈置在待電鍍之基板岭較 问山度區域上。该金屬絲網尺寸可在直徑為〇⑼1 ”至〇 〇5，， 之範圍内變化，且聞方；# _ $人 且開孔面積迥常為35至68%。根據電鍍零 件’其他金屬絲尺寸與開孔也可適用。除了編織網外，其 89047 1228781 他種類之遮罩（例如穿孔金屬薄片），也可被用作該第二陰 π 極或網·輔助陰極之材料。 第二陰極之篩網部分提供對局部電鍍電流之額外控制。 確疋網開孔之尺寸及數目的方法，在以下實例中被描述。 該等局部電流將被修改以獲得應用中所需要之一致性或 ’’不一致性，，。用來確定該等特定第二陰極切口之演算法， 考慮了在該基板上待電鍍零件之τ' μ度。在展示該等待 電鍵零件（例如線或金屬絲）之平面圖或離形小冊（chickiet) 上，吾人將首先藉由以一根據電鍍圖案之預定尺寸覆蓋一 重稷同心圖案（例如正方形）’來界定在該離形小冊上的區域 或柵格。_由該重複圖案所界定之每一區域而言，吾人將 首先計算待電鍍面積之比例或百分比，該比例或百分比被 :定為.待電鍍面積除以總面積。由該平面圖上之該等重複 :吾人：接著識別相對密集區域，及相對疏散或非密 集區域。接著’在每―鄰近區域間，吾人將計算待電鍍面 積之差異或變化的百分比’並建立圖案密度變化之梯度， 例如’變化劇烈、平和成#堂 —、甘八 卞和次非*千和，或其他任何相關描述 。孩第二陰極將接著藉由在相對密集之電鍍區域上 開孔而被製成，該相對密集 々丁山术又弘鍍區域猎由一指示鄰近區 域間：圖㈣度中的相對明顯差異的梯度而被建立。 、在第-實例中’在幻及圖4中’描繪了待電鍍之 模組(SCM) 5 0之第二陰極的製備。SCM 5 π H ^ ^ ^ 、瓦疋 27 mm， 展不了貫際上被電鍍在該SCM上之零件。正 前已被安置於該等待士鲈欠杜、n @ H口先 /守佇兒鍍零件之平面圖上，且為每一正方 89047 -12 - 1228781 形確定待電鍍面積之比例或百分比。舉例而言，在此處所 描繪之邊長為27 mm的整體SCM中，該等正方形之邊長可為 〇. 5 mm。在一較大基板中，例如一邊長為1 1 〇 mm或更大之 整體多晶片模組（MCM)或較大面板（LP)，該柵格邊長可為} mm。在比較圖4中之SCM之鄰近正方形之間的電鍍密度變 化後，確定了邊長為13 mm之同心正方形區域52識別一具有 一密.度為4 1 %之待電鍍區域的區域，且被指定為該平面圖 之最密集區域。亦確定了一邊長為丨7 mm的同心正方形區域 54識別一在正方形52與54之間的、具有密度為35%之待電 鍍區域的區域，該正方形54稍比正方形52疏散。最終，位 於正方形54與正方形56(邊長為27之間的區域具有最 低密度(8〇/〇之區域待電鍍），且被指定為一疏散區域。下面 的表1知7F炫等T測，以及正方形52與54所限定之鄰近區域 之間的密度變化的百分比。 L(正方形 邊長） 表1 待電鐘區域％ 鄰近區域之 間的變化％ 13 mm 41% 6% 1 7 mm 35% (密集區域） 27% 27 mm 8% (疏散區域） 下表2展示圖4中之SCM 5〇之待電鍍區域在密度上的相 對差/、的特欲。甩鍍密度在〇 · i 〇 %間之變化被特徵化為非常 89047 -13 - 1228781 平和，，密度在10-25%間之變化被特徵化為平和，密度大於 2 5 %《變化被特徵化為劇烈。 近區上見乏變化％ 表2 梯度 0-10 #常平和 10-25 平和 26或更高 劇烈 邊長 L (mm) 13 17 由於在沿正方形54(邊長為1 7 mm)邊界之圖案密度中之 差異為27%的劇烈梯度，所以確定一網開孔應鄰近於該區 域而被建立。該實際網開孔藉由與展示劇烈梯度之區域的 尺寸相比，減小該開孔之尺寸而被計算，使得該網將覆蓋 一沿該在、集區域邊緣之部分，以在電鍍過程中平衡該等爱 件上之電鍍溶液的對流流動。例如，一高達5〇%或更多之 尺寸減小（例如約10至20%，或20至50%或更少）可被採用， 热€此項技術者不使用不適當的實驗，即可輕易確定該等 尺寸減小。在圖4之實例中，該網開孔被減小約1 5%或自正 方形54之邊長17 mm被減小2.5 mm，以使網開孔達到145 mm 〇 不使用本發明之第二陰極來電鍍之SCM5〇上的最終電鍍 厚度（以微米（μπι)計），被展示於圖4中之SCM的不同區域上 。為了比較，使用本發明之第二陰極來電鍍之最終電鍍厚 度，被展不於圖5中之SCM5 0的不同區域上。在圖5iSCM 中，電鍍厚度之一致性改良頗多。 其他測試亦已展π在具有不同電鍍密度之基板中之電鍍 咖47 -14 - 1228781 厚度一致性的改良，如下面的表3所扣 . j衣3所犏述，其展示以下情況 中銅電.鍍厚度一致性的比較：使用 n斤』典網之輔助陰極環的基

板私鍍，使用具有根據^等人之申請案的固態網（SOM mesh)之辅助陰極環的基板電鍍；使用具有根據本發明所製 成的切口之網之輔助陰極環的基板電鍍。 表3 平.均銅厚度 無網 無切口之網 有切 口之網（本 (μπι) (Kaja等人） 發明） 密集區域（中心） 5.06 5.02 5.60 密集區域（邊緣） 6.17 6.21 5.83 疏散區域 6.63 6.49 5.65 角落/周邊 6.13 6.32 5.77 Max - Min 1.57 1.47 0.23 平均Cu厚度之量測顯示 :與先前方法相比， 本發明之: 法中的偏差更少。其他資料已展示，密集區域與疏散區域 間之平均厚度分佈，在一MCM上已自28%改良至4%，在一 SCM上已自25%改良至12%。 本發明所實現之驚人的厚度改良控制，導致在SCM及 MCM模組之最終參數效能中的非常顯著的更緊密的分佈， 以及增長的良率。根據使用無網之輔助陰極環的先前技術 方法，及根據本發明之方法而被電鍍之MCM模組上的電量 測的概述，被展示在下面的表4中： 表4 .參皇平J1 標準偏差 89047 - 15 - 1228781 MCM (無網） IS. M C M (本發明） 2.135 2.193 0. I 153 0.0753 由万；在;+偏差上存在35%之減小，所以該電效能可被 改良。孩万法亦已在其他MCM及SCM產品上被證明。 本發明《万法可被用於電鍍多種工業電鍍應用，例如， P刷弘路板/薄片$層（laminate)，超球柵陣列（BGA)電鍍， 表面薄片疊層電路（SLC)，電鑄遮罩，及薄膜感應磁性記錄 頭。 雖然本發明已結合—特定較佳實施例而被特定描述，但 是顯然根據上述描$，熟習此項技術者將易明白許多替代 物修改或改交。因此考慮，該等附加之申請專利範圍將 包含位於本發明之真實範圍及精神内之任何該等替代物、 修改及.改變。 【圖式簡單說明】 咸信本發明之特點新穎，及本發明之元件特徵，在附加 心申清專利範圍巾被特定陳述。該等_ ^僅料展示，且 未按比例描繪。但是，結合該等隨附圖式來參考以下詳細 描述，可對既關於構造又關於操作方法之本發明本身獲得 最佳瞭解，其中： 圖1係採用本發明之第二陰極之較佳篩網部分之電鍍浴 液的剖面、側面圖’㈣網部分包含—具有根據基㈣件 密度而製得之切口（cutout)的金屬絲網。 網的正視圖。 二陰極金屬絲網 圖2係展示圖1之基板與第二陰極金屬絲 圖3係具有根據本發明之切口的另一第 89047 -16 - I22878l 的正視圖。 圖4係待電鍍至一基板之SCM零件平面圖及用於確定根 據本發明之零件密度的所識別區域的俯視圖，該俯視圖亦 展不不使用本發明之第二陰極時的電鍍厚度。 圖5係待電鍍至一基板上之SCM零件平面圖的俯視圖，該 俯視圖展示使用本發明之第二陰極後的電鍍厚度。 【圖.式代表符號說明】 22 電鍍浴液 24 ^ 26 電源 28 陽極 30 基板 32 輔助陰極板 34 電鍍槽 40 篩網部分 41 網 42 開孔 50 單晶片模組（SCM) 52 、 54 、 56正方形 89047 -17-

Claims (1)

1228781 拾、申請專利範圍： —種用於在一基板之一表面上電鍍不同密度之金屬零 件的製程，其包含： 提供一其中具有一陽極之電鍍浴液； 將該基板浸入該電鍍浴液中且與該陽極隔開，該基板 包含一陰極； 將一第二陰極安置在位於該基板與該陽極之間的電 鍍 >谷液中，並與該基板表面鄰近且分離，該第二陰極包 括一具有與待電鍍之該等金屬零件相符合之不同尺寸 開孔的篩網部分，該第二陰極篩網部分具有鄰近於待電 鍍零件之較高密度區域的較大尺寸開孔，及鄰近於待電 鍍零件之較低密度區域的較小尺寸開孔；及 旅加一電流穿過位於該基板與該陽極之間，以及位於 該第二陰極與該陽極之間的該電鍍浴液，且將不同密度 之該等金屬零件電鍍至該基板之該表面上。 ’其中該第二陰極包含一 2.如申請專利範圍第1項之製程 金屬絲網。 3.如申請專利範圍第1項之製程 其中該第二陰極篩網部

1228781 較高密度區域包含具有較鄰近間隔之金屬絲，且待電鍍 零件之該等較低密度區域包含具有較大間隔之金屬絲: 5. 如申請專利範圍第丨項之製程’進—步包括：藉由獲得 一待電鍵的零件平面圖，來較待電鍍零件的密度^在 該零件平面圖上界定不同區域；且在該零件平面圖又上的 該等不同區域中，計算待電鏡之區域的比例。 6. 如申請專利範圍第5項之製程，進—步包括：藉由對應 於在該零件平面圖上的該等不同區域中之待電鍍區域 比例的计异建互一具有不同尺寸之開孔的網，來構建該 第二陰極。 Μ 7·=申請專利範圍第2項之製程，其中該金屬絲網係由直 &為約〇·001至0 05英寸之金屬絲製成。 8.如申請專利範圍第丨項之製程，其中在該第二陰極篩網 F刀中之垓等較大尺寸開孔，與待電鍍零件之較高密度 的鄰近區域相比，具有較小尺寸。 種製造用於在一基板之一表面上電鍍不同密度之金 屬V、件的製程中的第二陰極篩網的方法，其包含： k供具有不同密度之待電鍍至一表面上之金屬零件 的圖案； ' 在該圖案上識別具有預定尺寸的不同區域； 為所識別區域中的每一個，確定待電鍍區域之比例； 為鄰近區域確定待電鍍區域的該比例是否存在任何 差異； 基於鄰近區域間在待電鍍區域之該比例上的差異，來 89047 1228781 識別恃電錢之令Μ +从A ^ 心至屬零件的不同密度；及 七成第一陰極篩網’該第二陰極篩網具有鄰近於待 t鍍孓件 < 較高密度區域的較大尺寸開孔，並具有鄰近 於待€鍍零件之較低密度區域的較小尺寸開孔。 1 〇.如申明專利範圍第9項之方法，其中該第二陰極包含一 金屬、、、糸網’且其中在該第二陰極上之該等開孔包含位於 該金屬絲網中之金屬絲之間的間隔。 如申請專利範圍第9項之方法，其中該第二陰極篩網部 分包含-金屬絲網，且包括在該網中形成的鄰近於待電_ 鐘零件之較高密度區域之位於較大尺寸金屬絲間的開 孔’及鄰近於待電鍍零件之較低密度區域之位於較小尺 寸金屬絲間的開孔。 12.如申請專利範圍第9項之方法，其中在該待電鍍圖案上 之該等金屬零件包含具有不同間隔之金屬絲，且待電鍍 零件之較高密度區域包含具有較鄭近間隔之金屬絲，且 待電鍍零件之較低密度區域包含具有較大間隔之金屬籲 絲。 1 3 ·如申請專利範圍第丨〇項之方法，其中該金屬絲網係由直 徑為約0 ·00 1至〇 · 〇5英寸之金屬絲製成。 14·如申請專利範圍第9項之方法，其中在該第二陰極篩網 中之該等較大尺寸開孔，與待電鍍零件之較高密度於鄰 近區域相比，具有較小尺寸。 丨5. —種用於在一基板表面上電鍍不同密度之金屬零件的 裝置，其包含： 89047 1228781 其中具有一陽極之電鍍浴液； /包含一被浸入該電鍍浴液中之陰極的待電鍍基板 ，該基板與該陽極隔開； /第二陰極，其包括一具有與待電鍍之金屬零件相符 合之不同尺寸開孔的篩網邵分，並被安置在位於該基板 與該陽極之間的該電鍍浴液中，並與該基板表面鄭近且 分離，該第二陰極篩網部分具有鄰近於待電鍍零件之較 高密度區域的較大尺寸開孔，並具有鄰近於待電鍍零件 之較低密度區域的較小尺寸開孔； 一第一電壓源，以用於施加一電流穿過位於該基板與 該陽極之間的該電鍍浴液；及 一第二電壓源，以用於施加一電流穿過位於該第二陰 極與該陽極之間的該電鍍浴液。 16.如申請專利範圍第15項之裝置，其中該第二陰極篩網部 分包含一金屬絲網。 1 7 _如申請專利範圍第1 5項之裝置，其中該第二陰極篩網部 分包含一金屬絲網，該網具有鄰近於待電鍍零件之該等 較高密度區域之位於該等較大尺寸金屬絲之間的開孔 ，並具有鄰近於待電鍍零件之該等較低密度區域之位於 該等較小尺寸金屬絲之間的開孔。 18.如申請專利範圍第15項之裝置，其中待電鍍之該等全屬 零件包含具有不同間隔之金屬絲，且待電鍍零件之較高 密度區域包含具有較鄰近間隔之金屬絲，真待電鍍零件 之較低密度區域包含具有較大間隔之金屬絲。 89047 1228781 1 9.如申請專利範圍第1 6項之裝置，其中該金屬絲網係由直 徑為約0.001至0.05英寸之金屬絲製成。 20.如申請專利範圍第1 5項之裝置，其中在該第二陰極篩網 部分中的該等較大尺寸開孔，與待電鍍零件之較高密度 的鄰近區域相比，具有較小尺寸。 89047