(57)【要約】高度に制御された電着工程中に基板への電流配分を最良化させるよう、その形状が可変である動的形状アノードが開示されている。工程の改善された制御は基板全体にさらに均一な厚みの堆積物を提供し、サブミクロン特徴部のメッキ加工を改善する。そのようなアノードはサブミクロン構造部のメッキに特に有用である。アノードは金属イオン源を利用でき、カソードの近くに設置されて基板の汚染を最低限に抑える。アノード形状は堆積処理中に変更可能である。アノードは複数の同心領域を有することができ、それぞれは独立した電圧と電流で利用できる。
2008510889.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学処理工程で使用するアノードであって、複数の領域内にアレンジされた複数の並列導電要素と、前記領域を分離する少なくとも１体のセパレータとを含んでいることを特徴とするアノード。
【請求項２】
複数の領域は同心状であることを特徴とする請求項１記載のアノード。
【請求項３】
各領域は円形、多角形及び正多角形で成る群から選択される形状を含んでいることを特徴とする請求項２記載のアノード。
【請求項４】
アノードの表面形状は電気化学処理工程中に可変であることを特徴とする請求項１記載のアノード。
【請求項５】
セパレータは電気絶縁性であるこことを特徴とする請求項１記載のアノード。
【請求項６】
各領域の電気特性は個別に設定できることを特徴とする請求項５記載のアノード。
【請求項７】
電気特性は電圧と電流とで成る群から選択されることを特徴とする請求項６記載のアノード。
【請求項８】
複チャンネル整流器をさらに含んでいることを特徴とする請求項５記載のアノード。
【請求項９】
領域は同一の電圧と電流の設定値を含んでいることを特徴とする請求項１記載のアノード。
【請求項１０】
基板上に材料を電気的に堆積させる方法であって、
電解液のメッキ槽を提供するステップと、
複数の分離領域内にアレンジされた複数の並列導電要素を含んだアノードを提供するステップと、
各領域の電気特性値を個別に設定するステップと、
を含んでいることを特徴とする方法。
【請求項１１】
電気特性は電圧と電流とで成る群から選択されることを特徴とする請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
設定ステップは材料が基板に堆積されている間に実行されることを特徴とする請求項１０記載の方法。
【請求項１３】
設定ステップは材料が基板に堆積される前に実行されることを特徴とする請求項１０記載の方法。
【請求項１４】
複数の分離領域は同心状であることを特徴とする請求項１０記載の方法。
【請求項１５】
平坦性、均一性及びミクロ構造性で成る群から選択される堆積物特性をモニターするステップをさらに含んでいることを特徴とする請求項１２記載の方法。
【請求項１６】
設定ステップは堆積物特性を向上させるために実行されることを特徴とする請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
アノードの表面形状を変更させるステップをさらに含んでいることを特徴とする請求項１０記載の方法。
【請求項１８】
変更ステップは材料が基板上に堆積されている間に実行されることを特徴とする請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
堆積物厚み、堆積物均等性、電解液濃度、運用電流及び運用電圧で成る群から選択されるパラメータ値を測定するステップをさらに含んでいることを特徴とする請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
変更ステップは測定されたパラメータ値に対応して実行されることを特徴とする請求項１９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は２００４年８月２６日出願の米国仮特許願６０/６０４９１７「動的形状アノード」の優先権を主張する。本願は、２００２年１２月５日出願の米国仮特許願６０/４３１３１５「印刷可能なハンダペーストの固形コアハンダ粒子」、２００３年２月１２日出願の米国仮特許願６０/４４７１７５「電気化学デバイスとプロセス」及び２００３年１１月１２日出願の米国仮特許願６０/５１９８１３「粒子共電着」の優先権を主張する２００４年２月１２日出願の米国特許願１０/７７８６４７「精密調整電着装置並びに方法」及び２００３年１２月５日出願の米国特許願１０/７２８６３６「被覆磁気粒子並びにその利用法」の一部継続出願でもある。
【０００２】
本発明は基板その他、特に半導体ウェハの電気メッキ装置及び方法に関する。本発明は薄膜あるいは厚膜パッケージで使用されるセラミックパネルの電気メッキ並びにレンズや他のガラス基板の反射防止コーティングにも利用できる。この装置はミクロバイア（微小バイア）堆積、ウェハバンピング及びフリップチップバンピングにも利用できる。この装置は堆積パラメータの非常に優れた精密制御を提供し、サブミクロン（超微小）プロフィール（形状部）のメッキを可能にする。本発明は形状部が所望形状に変動可能な電気化学プロセス用のアノードにも関する。このアノードは基板を汚染することなく金属イオン源と共に使用できる。
【背景技術】
【０００３】
以下の説明は科学原理のさらに詳しい背景技術を解説するものであり、本発明特許性の判断に関わる従来技術を構成するものではない。
【０００４】
伝統的な電気メッキ槽は、化学物質の溶液を収容するタンクと、堆積（メッキ）する金属の溶解性の組成物であるアノードあるいは不溶性の白金メッキのアノードである１または２のアノードを含んでいる。メッキされる物体はアノードから約４インチの間隔を開けてカソード上に水平に載置される。定出力、切替出力あるいはパルス出力で作動し、オプションで定期的に極性が逆転するＤＣ電源は現行メッキ槽に最も多用されている。このタイプの形態は基板上のサブミクロン形状部の均一メッキを提供にするようには堆積プロセスを充分に制御しない。また、異なるタイプのメッキ基板またはパターンに合わせるように、あるいは堆積（メッキ）の均一性並びに品質を確実なものとすべくメッキ条件を調整するようにメッキ槽の運用形態及び他のパラメータも簡単には変化させられない。
【０００５】
基板のエッジを選択的にマスク処理すべくアパーチャを設けて堆積均一性を高めることは知られている。しかし、サブミクロン構造物をメッキするには、プロセス前であろうがプロセス中であろうと、さらに精密な堆積厚の均一性を提供するにはアパーチャのサイズを調整式とすることが重要である。加えて、調整式アパーチャはメッキ槽を様々なタイプの堆積物に使用させ、よってユーザの設備投資を低減させ、１メッキ槽から別メッキ槽への基板の移動を回避させて汚染を最小限に抑えることができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
堆積均一性と効率を改善するように形状化したアノードの使用は知られている。しかし、最良形状は特定の電気化学プロセスと基板のパターンの特徴その他によって決定されるものである。従って、可変形状機能を備えたアノードが求められている。
【０００７】
現在技術のさらに別な欠点は、カソードに接近させてアノードを配置するためには不溶性アノードを金属塩溶液と共に使用せねばならないことである。これは金属イオン源に劣る。あるいは、溶解性金属アノードを使用することもできようが、汚染の可能性があるためにカソードに接近させることはできない。加えて、アノードは溶解するにつれてその形状が変化し、アノードの当初形状を選択することで提供された堆積パラメータの制御性能が劣化する。従って、金属イオン源を使用でき、カソード近辺に配置できる不溶性アノードが求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明はウェハのごとき基板上に電気化学堆積させる装置を提供する。この装置は、アノード、垂直装着面を有したカソード、電解液を収容する加圧メッキ槽及びアノードとカソードとの間に提供されたアパーチャを含んでいる。電解液の垂直流はカソード近辺で実質的に層状流である。この装置はオプションで貯蔵部を含んでいる。この貯蔵部は好適にはメッキ槽を備えた閉鎖濾過済みシステムを形成する。
【０００９】
ウェハ上のサブミクロン形状部のごとき形状部のみを堆積処理するようにオプションでウェハを被膜処理することができる。
【００１０】
メッキ槽は好適には周囲圧より少なくとも１気圧高く加圧される。あるいは周囲圧より少なくとも２気圧高く加圧される。好適にはカソードはその装着面に垂直な水平軸周囲で回転する。好適にはメッキ槽は、例えば、電解液注入ポート近辺で逆三角形または逆錐形である層状流を提供する形状を有している。さらに、メッキ槽は好適にはカソード近辺で層状流が確実に提供されるように充分な高さを有している。
【００１１】
アパーチャは好適には絶縁性であり、好適にはオプションでメッキ槽の利用時にサイズが可変である円形開口部を含んでいる。アパーチャは好適には少なくとも３枚の絞翼を備えた絞部を含んでいる。開口部サイズは好適には基板よりも大きなサイズから完全閉鎖状態にまで連続的に可変である。
【００１２】
アノードは好適にはカソードから５ｃｍ以下、さらに好適には１ｃｍ以下、さらに好適には０．５ｃｍ以下離れて提供される。金属イオン源は好適にはアノードの背後に提供され、アノードが一定の表面形状を維持するときに汚染物が基板に到達するのを効果的に妨害する。アノードの表面形状は好適には制御状態にて可変であり、メッキ槽の利用時に変動できるものである。好適にはアノードは平行な中空導電管を含んでいる。
【００１３】
装置はオプションで電磁石または少なくとも１個の永久磁石のごとき磁石を含む。好適にはこの磁石は基板上に電気化学堆積物に加えて磁性粒子の共堆積物を提供する。この共堆積物は電気化学堆積前、堆積中及び/又は堆積後に発生する。この磁石の強度は好適には基板上に磁性粒子の所望する密度を提供するように調整式である。
【００１４】
本発明は基板上で複数の電気化学堆積処理を実施する装置にも関する。この装置は可変表面形状を有したアノードと、垂直装着面を備えたカソードと、電解液を収容する加圧メッキ槽と、閉鎖状であって、オプションで濾過式の電解液循環システムと、アノードとカソードとの間に提供された可変サイズ開口部とを含んでいる。電解液の垂直流はカソード近辺で実質的に層状となる。アノードの表面形状及び/又は開口部サイズが好適にはそれぞれの堆積処理にて制御下で可変であっても、複数の堆積処理が好適にはそれぞれの堆積処理間でメッキ槽を開くことなく実施される。
【００１５】
本発明は基板上に物質を電解堆積させる方法にも関する。この方法は、メッキ槽を提供し、アノードを提供し、基板面が垂直状態となるようにカソード上に基板を装着し、アノードとカソードとの間にアパーチャを提供し、メッキ槽を通して電解液の層状流を提供し、所望圧力を電解液に付加し、カソードとアノードとの間に電位差を提供するステップを含んでいる。電解液は好適には濾過される。オプションで、基板上のサブミクロン形状部は均一にメッキされる。基板は好適には基板表面に垂直な水平軸周囲で回転し、アパーチャは好適には可変サイズの開口部を有する。
【００１６】
好適にはこの方法はアノードを約５ｃｍ以下、さらに好適には約１ｃｍ以下、さらに好適には約０．５ｃｍ以下カソードから離して設置する。アノードは好適には金属イオン源とカソードとの間に提供され、好適には一定の表面形状を維持しながら汚染物のカソード到達を最小化する。アノードの表面形状は好適には所望するように制御される。オプションで磁界が提供され、基板上に物質と共に磁性粒子を共堆積させる。この磁界は好適には基板上での磁性粒子の組成調整のために変動される。
【００１７】
本発明は基板上に複数の電解堆積処理を提供する方法をも提供する。この方法は、加圧メッキ槽を提供し、アパーチャに可変サイズ開口部を提供し、所望の堆積を達成するためにメッキ槽の圧力と開口部のサイズとを含むメッキ槽の電解堆積パラメータを最良化し、基板上に物質を堆積し、メッキ槽を開くことなく上記ステップを反復するステップを含んでいる。
【００１８】
本発明は電気化学処理で使用するアノードにも関する。このアノードは側部が互いにスライド式に接触する複数の平行中空導電管と、それら導電管の周囲に配置されて導電間の移動を防止するクランプとを含んでいる。
【００１９】
それら導電管は好適には筒状であり、正多角形の断面を有している。好適にはアノードの表面形状部はカソードに面する管のそれぞれの端部の位置を含んでいる。好適にはアノードの表面形状部は互いに導電管をスライドさせる調整式であり、好適には平坦形状、凸状、半球状、錐形、ドーム型、湾曲形状またはピラミッド型を含んでいる。
【００２０】
好適にはアノードは導電材料を含んでいる。この導電材料は溶解性でもよいが、好適には白金化された不溶性である。アノードは好適には、表面形状部の反対側のアノードの側部に、好適には金属イオン源である電気化学イオン源媒体を配置するための受領部を含んでいる。アノードは一定表面形状部を維持しつつ、汚染物がカソードに到達するのを効果的に妨害する。アノードは好適には次のような処理に利用される。すなわち、メッキ、電気メッキ、電着、化学機械研磨（ＣＭＰ）、電気研磨、エッチング及び電気分解に利用される。
【００２１】
本発明は電気化学処理に使用するアノードも提供する。このアノードは複数の領域にアレンジされた複数の並列導電要素と、それら領域を分離するためのセパレータとを含んでいる。それら領域は好適には同心形態である。各領域は好適には、円、多角形及び正多角形から選択される形状である。アノードの表面形状部は好適には電気化学処理中に可変である。セパレータは好適には絶縁性である。各領域の電気特性は好適には独立的にセットでき、好適には電圧と電流から選択されるものである。好適にはアノードは多チャンネル整流器を含んでいる。それら領域はオプションで同一の電圧と電流のセッティングを含む。
【００２２】
本発明は基板上に物質を電着させる方法にも関する。この方法は、メッキ槽を提供し、複数の分離した領域にアレンジされた複数の並列導電要素を含むアノードを提供し、それぞれの領域の電気特性値を独立的にセットするステップを含む。その電気特性は好適には電圧と電流から選択される。そのセッティングステップは好適には材料が基板上に堆積されている際に実施される。分離された領域は好適には同心形態である。好適にはその方法は、平坦、均一及びミクロ構造から選択される堆積特性のモニターステップをさらに含む。この場合、セッティングステップは好適には特性を改良するように実施される。好適にはこの方法は、アノードの表面形状部を変更するステップをさらに含む。この変更ステップは材料が基板上に堆積されている最中に実施される。方法はオプションで、堆積物厚、堆積物均一性、電解液濃度、運用電流、及び運用電圧から選択されるパラメータ値を測定するステップをさらに含んでいる。この場合、変動ステップは好適には測定パラメータ値に対応して実施される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明の目的、利点及び新規な特徴並びにさらなる利用性を以下において添付図面を利用して詳細に説明する。
【００２４】
本発明は高度に制御された電気堆積、特にサブミクロン構造物の電気メッキに有用な装置と方法とに関する。工程の向上した制御はさらに均一な堆積物厚を基板全体に提供し、正確なサブミクロン形状部を、例えば、半導体ウェハ上に提供する。本発明の主たる利点は、メッキ槽の形状に基づいたメッキ槽の動特性が、非常に厚い膜の堆積物と薄い膜の堆積物を含んだ全堆積物を提供すべく基板表面に最良のメッキ物を提供するように迅速に変更できることである。
【００２５】
ここで「基板」とは、全ての基板、ウェハ、レンズ、パネル等を言う。あるいは、メッキ対象の電極に装着される全部材を言う。そのような基板はシリコン、砒化ガリウム、サファイヤ、ガラス、セラミック、金属合金、ポリマー、フォトレジスト等の半導体を含む。
【００２６】
図１は本発明の１好適実施例によるメッキ槽１０の分解図であり、バルクヘッド２４とバルクヘッドドア２６を含んでいる。基板チャック１２は回動構造体１４とガイドロック上のスライド１６を使用して回転でき、バルクヘッド２６の開口部を封止する。アパーチャ１８はバルクヘッド２４とバルクヘッドドア２６との間に位置し、ベルト２２を駆動するステッパモータ２０を使用して作動される。
【００２７】
図２で示す貯蔵部３０は好適にはフィルタ３４とポンプ３２とを備えており、ＷＡＶＥ槽に導入される電気メッキ液または電解液の特徴（温度、ｐＨ、金属種の密度及び他の電解液成分）を制御する機器類も提供されている。これで全電解液特性が最適レベルで維持される。どのような種類のブライテナシステム(brightener system)も同様にチェックできる。全化学剤の維持は好適には貯蔵部３０内で提供される。オプションでは、独立ユニットであるよりも貯蔵部はメッキ槽と一体化させることができる。電解液は電解液入口３６からメッキ槽１０内に送り込まれる。圧力バルブ３８は以下で詳述するようにメッキ槽内の圧力を規制し、電解液の貯蔵部３０への循環を制御する。
【００２８】
伝統的な電気メッキ装置とは異なり、好適には電解液の全循環通路並びにウェハを設置する工程環境は密閉される。さらに好適には少なくとも１つのフィルタを含み、好適にはサブミクロンフィルタを含む。従って、電気メッキ環境はクリーンルームと同等であるが、クリーンルームの設置費用は必要とせず、高精度で非汚染環境の堆積工程を提供する。
【００２９】
図３で図示するように、メッキ槽のカソードには好適にはＤＣ電源の負端子４０が接続されている。これは一定式、切替式またはパルス式の出力で作動し、あるいはオプションで周期的極性反転式に作動し、好適にはアノード１００に電源の正端子４２で接続される。
【００３０】
好適にはチャック１２は、開くことができ、基板の着装と取り外しの技術で知られている自動化とインターフェースが可能であり、基板の自動ローディングとアンローディングを実行させる接合ドア４４を含む。図５と図６で示すように、基板５０はチャック１２上に好適には水平状態で載置される。チャック１２は平坦面で基板５０を保持し、カソード電流を少なくとも１つのコンタクト５２を介して基板５０の表面に供給する。従って、チャック１２及び特に基板５０は本システムではカソードとして作用し、それら用語は本明細書では互換的に使用されている。本発明のメッキ槽１０は、７５ｍｍから３００ｍｍ径のものを含む半導体産業で使用されるウェハのごとき大型基板を扱える。オプションで、基板のエッジを好適には金属材料と絶縁材料の両方を含んだグリップリングでマスク処理することができ、不要な堆積物がコンタクト上に形成されないように電流コンタクト自体のエッジをマスク処理すると同時に基板のエッジに電流を供給する。図７は回動構造体１４周囲で垂直状態にまで回転し、ガイドロッド１６に沿ってスライドし、バルクヘッドドア２６の開口部を封止するドア４４を図示する。
【００３１】
チャック１２は好適には回転式であり、下記で詳述するように堆積物の均一性の達成に有利である。回転機構の様々な図が図８から図１０にかけて提供されている。オプションでモータマウント６６上に載置されたモータ５８がそのような回転を提供するのに利用され、接合ドア４４のＯリングシール部６０を介して突出する回転シャフト６２にギヤ６４またはベルトのごとき他の回転伝達手段を介して接続される。好適にはＤＣ電流が負端子４０を介し、シャフト６２を通過して供給され、プロセス運用時にカソード電流を継続的に供給する。接合ドア４４が閉鎖されると、ドアはオプションでドア周囲のボルトで固定でき、圧縮タイプのガスケット４６で封止できる。
【００３２】
その後、電解液またはメッキ液はメッキ槽内に循環させることができ、好適には溶液入口３６を介してメッキ槽の基部から電着層内に循環させる。プロセスコントローラは好適には所望する厚みの堆積物が得られるまで電解液のシステム内循環を継続させる。本発明のメッキ槽を運用する典型的な工程ステップは、まずリンスし、活性酸素またはクリーナで予備処理し、さらにリンスし、電気メッキし、最後にリンスする。オプションで、封止またはマスキング処理あるいはフォトレジスト除去のための後処理を行う。
【００３３】
メッキ槽１０の溶液圧は圧力バルブ３８または他のタイプの圧力調整装置で調整される。圧力バルブは好適には開放メッキ槽の圧力すなわち周囲圧よりも１気圧または２気圧上に加圧される。しかし、どのような圧力でも利用できる。例えば、バルブはメッキ槽に後方圧を提供する。この圧力はオプションで圧力計または他のコントローラでモニターされ、制御される。メッキ槽に圧力をかける能力はメッキ工程の圧力依存特性、例えば堆積動特性に制御を提供することができ、改善された性能と改善された堆積物を提供する。
【００３４】
メッキ槽の圧力制御は深充填バイア及び平面部を含むウェハ表面全体の溶液交換やイオン供給をも改善する。さらにメッキ槽の加圧は低電流密度での高効率堆積を提供する。現存の電気メッキシステムはサブミクロン構造物を電気メッキすることができない。なぜなら、アノードからカソードへのイオンの大量移動はウェハ表面に構築されたパターンのスケールとは両立しないからである。本発明によれば、オプションで電流をオンとオフを切り替えることと組み合わせ、低電流密度を使用すれば堆積パラメータの精密制御ができる。よって、サブミクロン構造物は成功裏に電気メッキでき、ナノスケールのバイアを均一に充填することができ、スパッタリング並びに蒸着のごときオングストロムスケールプロセスで実行可能な電気メッキのごとき電解プロセスが可能となる。
【００３５】
メッキ槽の加圧は堆積物インターフェース（すなわちカソード面または基板面）で水素のごとき気体の形成も抑制するであろう。これら気体は不都合な孔部または腔部を形成し、典型的にはカソード表面の堆積物内で形成されるミクロピッティングを発生させる。さらに水素のような気体は堆積物の物理的強度を減少させるであろう。もし水素が境界領域に残っていれば、もろい堆積物または高応力堆積物が形成され、引張破壊や基板からの堆積物剥離が起こるであろう。金属インターコネクト等の基板またはウェハへの堆積物の接着力は電子コンポーネントに必要な高精度の提供ために非常に重要である。
【００３６】
サブミクロン範囲での利用のために、過去のメッキ作業では許容された粒子、孔部及びミクロピットは、メッキ対象特徴部の小型化や堆積物の必要な薄さのために許容されなくなった。よって、ミクロピットの全体的な制御は半導体ウェハを電気メッキする際に非常に重要になった。ガスの形成を抑制するために加圧することで、基板と堆積される金属との間で第１境界層を創出するウェハの表面の当初堆積物の一体性（電圧または電位が最高値であるとき）は大きく改善されるであろう。これでサブミクロン構造物を成功裏にメッキするための充分に高品質な表面形態が提供される。
【００３７】
メッキ槽１０の好適実施例の垂直形状は、表面上を通る層状電解液流によって基板５０の表面で不都合な気体やバブルの存在を減少させる。この層状液流は重力の作用を利用して気体を基板のインターフェース領域から上方に除去する。オプションで電解液は電解液内に圧力を付与し、層状流を創出するバッフルを通過する。層状流形成は好適には、図１で示すような三角形状または錐形状の溶液入口３６に隣接した非長方形形状のメッキ槽１０を利用することでも促進される。メッキ槽１０の長さは、ウェハの表面を通過するとき、メッキ槽の基部でメッキ槽に導入されたときには乱流である電解液を層状流に変形させる充分な長さである。メッキ槽の加圧は層状流を提供するために必要な全長を短縮させるのに有効である。
【００３８】
層状流は最適温度、最適ｐＨ及び最適イオンを継続的及び均等に基板に供給することでもメッキ溶液を改善する。気体を除去し、連続的で信頼性が高い電解液を基板に供給することで、さらに堅牢で均一な堆積物が提供され、利用される高スローバス(high-throw bath)または低スローバスの化学組成の範囲を広げ、化学プロセス技術者にゆとりを提供する。層状流が存在しなければ、堆積物の厚みや物理特性の欠陥または非均一性が発生するであろう。
【００３９】
本発明はさらに基板５０上の堆積物の厚み均一性を大幅に向上させる複数の手段を含んでいる。厚みは前述のように基板５０の回転並びにアノード１００に対する基板の曝露の選択的なマスキング処理によって基板全面で動的に制御できる。この技術は基板５０の全体で均一性が大幅に向上した電流密度を提供する。
【００４０】
本発明において、基板５０は好適にはカソードを含む回転チャック１２上に載置される。よって、普通は基板の残り部分よりも厚い堆積物を形成させる基板５０の先端部はメッキ溶液の方向性流に関して連続的に変化し、基板エッジに物理力を提供し、エッジでのメッキの厚みを平均化し、基板の中央部のものと一致させる。
【００４１】
従来の電気メッキ槽での厚み不均一であるドッグボーン現象の別原因は電流密度がカソードまたは基板の縁部で高いからである。すなわち堆積物は縁部で厚くなる。絶縁アパーチャまたはマスキング装置を利用することで、電流密度が最低である基板中央部は電流に対して優先的に高い露出度を享受し、電流密度が最高である基板縁部は電流からマスキング処理される。よって堆積物の厚みは基板全体でさらに均一になる。マスキング自体は業界で知られているが、固定アパーチャのみが利用されていた。
【００４２】
本発明は調整式アパーチャ１８、好適には絞り機構を含んだアパーチャを含んでおり、絞りのサイズは全開状態（全ウェハを露出：図１１）から部分的にマスキング処理した基板５０の状態（図１２）を通って完全閉鎖状態（図１３）にまで変動できる。絞り機構は好適にはコンピュータ制御される。たとえ堆積処理の進行時であっても絞り特性は微調整でき、堆積速度、堆積物厚、並びに堆積物厚の分散度等の堆積特性の正確な制御が提供される。他の可変アパーチャ手段も利用できる。
【００４３】
本発明の絞り機構アパーチャ１８の１好適実施例は少なくとも３枚のパドル（絞翼）５４(a)から５４(c)を含んでいる。好適にはそれらはステッパモータ２０で駆動されるベルト２２にＯリング封止ポートを介してメッキ槽中を延びる柱体を介して連結されている。ステッパモータ２０は、パドルを揃えて接合し、パドルが所望するアパーチャサイズにとなるように閉じ、カソードに載置された基板５０の開放領域を減少させる。どのようなモータまたはアクチュエータであってもステッパモータ２０の代わりに利用できる。オプションで、さらに多くのパドル５４が使用でき、アパーチャ１８の開口部をさらに丸くすることができる。
【００４４】
可変アパーチャはウェハインターコネクトのようなサブミクロン構造物をメッキする本発明の性能も向上させる。これら構造物は非常に不均等な電流密度を発生させるので、メッキを成功させるには非常に精密なメッキパラメータの制御が必要である。メッキ槽の加圧に加え、アパーチャサイズの変更はこの精密制御を提供し、ライン幅、ピッチ、またはパターン密度に拘わらず構造物は均一にメッキされる。
【００４５】
さらに、異なるウェハデザインは、全金属化領域の相違及びメッキ対象の特徴部の分布と密度の相違によるアパーチャサイズの異なる最良セッティングを必要とする。可変サイズのアパーチャはユーザに対して各ウェハデザインのために最良システムを提供する。調整式アパーチャは別々のウェハデザインのためにアパーチャを交換する必要性を排除する。
【００４６】
本発明はメッキ、電気メッキ、電着、化学機械研磨（ＣＭＰ）、電子研磨、エッチング、電解または他の電気化学プロセスに使用できる動的形状アノード１００をも提供する。形状化されたアノードは業界で知られているが、本発明は、アノード形状を処理前及び処理中でさえも変更させる。形状の例には平坦状、凸状、ドーム状、湾曲状、半球状、錐形状、ピラミッド状、あるいはそれらの組み合わせが含まれる。使用される形状は実験的に決定され、多様なウェハパタンに合わせて最良化される。例えば、錐形形状は基板またはカソードの中心部にイオン流を集中させ、基板での堆積物厚の均一性を最大化する追加方法を提供する。
【００４７】
図１４はアノード構造体の１実施例を示す斜視図である。図１５はその分解図であり、図１６はその断面図である。この構造体はアノード１００を含み、アノードダイヤフラグム１１０に設置されている。好適には布あるいはポリプロピレンであるフィルタ１２０はイオンを通過させるが、バスケット１３０の溶解性金属メッキ媒体からの汚染物がアノード１００、そして結果的にカソードに到達するのを防止する。バスケット１３０は好適にはチタンまたは別な非溶解性金属であるが、コンタクトロッド１４０を介してベース１５０に接続される。
【００４８】
図１７と図１８はアノード１００の構造を詳細に図示する。アノード１００は管体１０２を含んでいる。管体１０２は集合体であり、アノード１００の表面形状部の形態を提供する。アノードはさらにクランプリング１０４を含み、管体１０２を適正位置にて固定し、所望の表面形状部が提供されると寸法的に安定する。コンタクトバスプレート１６０はアノード１００へ電流を流す。管体１０２は好適には筒状であるが、どのような断面形状であってもよい。
【００４９】
動的形状のアノード１００の別実施例は図１９から図２２にかけて図示されている。図１９は平坦表面形状を示す断面図である。電流は正端子４２からＯリング封止体１７０を通過してバスケット１３０、クランプリング１０４及び管体１０２に流れる。図２０は凸面形状のアノード１００を図示しており、図２１と図２２はそれぞれ錐面形状のアノード１００の断面図と斜視図である。表面形状はクランプリング１０４を外し、管体１０２を所望する形状が達成されるまで調整し、クランプリング１０４を係合させて管体１０２を設置箇所で保持することで変動させることができる。
【００５０】
オプションで、遠隔操作アクチュエータを使用してアノード１００の表面形状をその場で、すなわち処理中に変動させることができる。これでメッキ槽を開放する必要なく表面形状を最良化させ、処理時間と汚染とを削減することができる。このアクチュエータはオプションでフィードバックループの一部を含むことができ、堆積物厚、堆積物均一性、電解液濃度、作動電流及び作動電圧等のモニター対象処理パラメータに対応して表面形状を継続的に変更することで堆積プロセスの自動制御を可能にする。
【００５１】
アノード１００は好適には着脱式であり、ウェハの表面に堆積させる溶解性または非溶解性の材料を利用可能にする。アノード１００はオプションで処理中に溶解する溶解性材料を含むことができる。好適にはアノード１００は白金化が可能であり、または別方法で不溶性とすることができる。従来技術とは異なり、中空管体１０２の使用は、例えば、金属塩溶液に対して好適である所望するアノード金属またはアノード合金の成形物、チャンク、リング、プレートまたはバーである金属ンイオン源をアノード背後のバスケット１３０内に配置する。しかし、アノード１００自体が不溶性であるため、堆積プロセス中に望む形状を正確に維持する。この組み合わせはアノード１００を基板５０に非常に接近させて設置させる。典型的な従来システムはアノードとカソードとの間の距離が少なくとも１０ｃｍであることを必要とする。いかなる距離をも許容することで、本発明のアノードデザインはアノード１００を基板から５ｃｍ以下、好適には１ｃｍ以下、さらに好適には０．５ｃｍ以下に設置させる。そのような短距離の利用性能は堆積の制御を大きく改善させ、基板５０上の堆積物の均一性を向上させる。さらに、イオンがカソードに短距離で到達することは、溶液内のイオンまたはバスの金属成分からのイオンによる基板の汚染が大きく減少することを意味する。
【００５２】
本発明のアノード１００は溶解性金属アノード材料の利用を可能にするが、従来のアノードとは異なり堆積処理中にアノード材料の溶食による表面形状の変化を発生させない。しかし、望めばユーザは堆積プロセスを最良化させる形状を得るためにアノード１００の表面形状を制御下で変化させることができる。そのような溶解性金属材料の使用中に同時的に所望の形状を維持しながら（すなわち溶食を防止しながら）このアノード表面を所望の形状に改変する性能は新規である。
【００５３】
本発明のシステムは、アノードからメッキ槽の処理領域内へのイオン物質を運搬する電子流の対流を促すために、好適には電気メッキ液を直接的にアノードバスケット１３０に注入する。さらに、アノード１００の圧力を基板５０またはカソードの圧力より低くし、基板５０に隣接する電解液の層状流を妨害する逆流を発生させないことが望ましい。
【００５４】
管体１０２はオプションで複数の同心領域２１０、２１０’、２１０”、２１０’”の形態に設計できる。この同心領域アノードの１好適実施例は図２５から図２９にかけて図示されている。４つの同心領域が図示されているが、数はいくつであってもよい。これら同心領域は六角形状で図示されているが、円形や多角形等のどのような形状であってもよい。オプションでは、これら領域は同心ではなく、どのような形状でも、どのようなサイズでも、アノードのどこにでも提供される。それら領域はセパレータ２２０で分離されている。セパレータ２２０は好適には絶縁性である。各領域は好適には選択的、個別及び/又は電気的に異なってアドレス可能なものである。これは好適には、アノード中心部から共通固定距離に位置する、すなわち同一領域内の個別のアノード要素を電気的に接続することで達成される。すなわち、それらは全て共通制御電圧と電流で作動する。複数の同心で電気的に可変であるアノード領域は多チャンネルの電気メッキ整流器の利用で創出可能である。各可変アノード領域は好適には異なる整流器チャンネルに接続される。電気メッキ対象のウェハまたは基板の金属化面は好適には全整流器チャンネルの共通カソードとして作動する。この形態で、アノードは１また２の一般モードで作動できる。第１モードでは、全整流器チャンネルが共通電圧/電流セッティングにセットされた状態で、アノードは従来式、例えば、単一集合アノード電極として機能する。第２モードでは、各領域は異なる電圧/電流セッティングにセットできる。
【００５５】
ミクロ電子基板及び半導体ウェハ金属メッキの分野で、アノードとメッキ対象基板面との間の電界、電圧及び電流密度の変動はメッキ堆積物の厚みとミクロ構造に変動を与えることは知られている。第２モードでアノードを使用することで複領域可変アノード形状は電界条件の特性と強度を、メッキ対象基板の異なる領域に対応するアノード面の異なる領域に対応するように調整する。メッキ処理前またはメッキ処理最中にこのように各同心アノード領域の電気特性を調整して変更することはメッキ堆積物の平坦性、均質性及びミクロ構造の改善に大きく貢献する。
【００５６】
単メッキ槽または特定の化学利用に供する特化メッキ槽としての利用に加えて、本発明は複数のプロセス用メッキ槽としても使用できる。第１メッキ液がメッキ槽内に導入され、第１操作が実行される。その第１メッキ液が急速に排水され、好適にはリンス剤がメッキ槽全体に循環される。このリンスステップは数回反復され、望むウェハ面の清浄度が達成される。続いて追加の電気メッキ膜または複数の物質を堆積するために化学処理が実施される。例えば、基板の銅膜上にニッケル膜をメッキし、続いてスズ膜をメッキすることができる。あるいは複数の層膜形成を必要とする厚膜タイプのパッケージで使用されるセラミックパネルを製造できる。好適にはシステムは密閉されており、濾過されているので、汚染物がほとんど存在しないクリーンルームが複操作プロセス全体で維持できる。この特徴も調整式アパーチャと動的形状アノードで提供され、メッキ槽を開けることなく特定プロセスのために最良の絞りサイズとアノード形状が選択される。
【００５７】
オプションではチャックは磁石であり、磁性粒子の共堆積物を提供する。このプロセスは米国仮特許願６０/５１９８１３「粒子共電着」並びに米国特許願１０/７２８６３６「コーティングされた磁性粒子とその利用法」で解説されている。そのようなチャックの１例は２００４年２月４日出願の米国仮特許願管理番号３１２４８−５「加圧式自己触媒容器と真空チャック」で開示されている。これらの明細書と請求項の内容を本文に引用する。そのようなチャックの１例は図２３で示されている。これは図８のものと実質的に同一であるが、電磁石７０を含んでいる。図示のごとく磁界は電磁石で提供され、あるいは永久磁石、磁石アレイ等で提供できる。磁界の存在は、電気メッキ中または電気メッキ後に磁性粒子を基板５０上に高精度の制御下で共堆積し、多数の化学的、物質的並びに物理的利点を堆積構造物に提供することができる。
【００５８】
図２４は１好適実施例による堆積ツールとプロセスの概略図である。ポンプ２９０はタンク２６４内の電解液をミキサー３２０に送り、そこでスラリポンプ３１０でスラリタンク３００から送られる縣濁液内の磁性粒子のスラリと混合される。縣濁電解混合液はメッキ槽１０に入り、層状流の形態で、アノード１００と基板５０を含んだ上方の共堆積物領域に進む。好適には基板５０はモータ５８で回転する。電磁石７０は縣濁電解液から磁性粒子を引き寄せ、電気化学堆積物と共に基板５０上に共堆積させる。コントローラ２３０は、ＤＣ電源２００を介して電極電圧のごとき堆積パラメータを制御し、スラリポンプ３１０を介して縣濁電解混合液内の磁性粒子密度のごとき堆積パラメータを制御する。
【００５９】
廃棄する縣濁電解混合液は圧力バルブ３８を通過してメッキ槽１０から排出される。磁性セパレータ２４０はＤＣセパレータ電源２４２によって提供された調整式磁界を介して縣濁電解混合液から余剰粒子を剥ぎ取る。非磁性粒子と沈殿物はロータリフィルタ２５０とカートリッジフィルタ２６０等で濾過される。濾過された電解液はタンク２６４に戻され、温度コントロール２８０で制御される熱交換器２７０を介して冷却される。その電解液はリサイクルでき、大幅なコストダウンが実現できる。
【００６０】
本発明をいくつかの実施例を利用して解説したが、これら以外の実施例でも本発明の目的を達成できよう。よってそれら実施例の変形及び改良は可能であり、本発明の範囲内である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】図１は本発明の電気堆積装置の１好適実施例の分解図である。
【図２】図２はメッキ槽と貯蔵部の斜視図である。
【図３】図３はメッキ槽の断面図である。
【図４】図４はメッキ槽のメッキ領域の断面図の拡大図である。
【図５】図５はウェハ装着または取り外しのために設置されたチャックを図示する。
【図６】図６は装着状態のウェハを示す。
【図７】図７は垂直状態に回転されたチャックを示す。
【図８】図８はウェハチャックの断面図を示す。
【図９】図９は回転ウェハマウントの詳細図である。
【図１０】図１０はチャック背部の斜視図であり、その回転機構を示す。
【図１１】図１１は全開の絞部を図示するメッキ槽の切欠き図である。
【図１２】図１２は基板を部分的にマスクする絞部を図示したメッキ槽の切欠き図である。
【図１３】図１３は絞部が完全閉鎖されているメッキ槽の切欠き図である。
【図１４】図１４は１実施例による動的形状のアノード構造体の斜視図である。
【図１５】図１５は動的形状のアノード構造体の分解図である。
【図１６】図１６は凸状面形状部を図示する動的形状のアノード構造体の平面図と断面図である。
【図１７】図１７は凸状形状部を図示す動的形状のアノードとクランプを示す。
【図１８】図１８は図１７の分解図である。
【図１９】図１９は第２実施例による平坦形状部を備えた動的形状のアノードの断面図である。
【図２０】図２０は凸状形状部を備えた動的形状のアノードの断面図である。
【図２１】図２１は錐状形状部を備えた動的形状のアノードの断面図である。
【図２２】図２２は錐状形状部を備えた動的形状のアノードとアノードダイアフラグムの斜視図である。
【図２３】図２３は電磁石を含んだウェハチャックの断面図である。
【図２４】図２４は磁性粒子を共堆積するように設計された本発明のメッキ槽の概略図である。
【図２５】図２５は本発明の１好適実施例による同心領域アノード構造体の詳細図である。
【図２６】図２６は本発明の１好適実施例による同心領域アノード構造体の斜視図である。
【図２７】図２７は本発明の１好適実施例による同心領域アノード構造体の１面を示す。
【図２８】図２８は本発明の１好適実施例による同心領域アノードの背面を示す。
【図２９】図２９は本発明の１好適実施例による同心領域アノード構造体の背面コンタクト領域を示す斜視図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【国際調査報告】
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