(57)【要約】【課題】小径でアスペクト比の大きいビアホールであっても、ボイドの発生しない緻密な導電体を形成可能な電気めっき装置を提供する。【解決手段】めっき液７を蓄えためっき槽８と、このめっき槽８中に浸漬され、主表面に被めっき体１を固定するとともに前記被めっき体１に形成した配線２と電気的に接続する給電リング１８を備えたカソード電極９と、このカソード電極９と対向して設けられ、めっき液７に通電するためのアノード電極１２と、貫通孔１７を有し前記アノード電極１２およびカソード電極９間に設けられた電流遮蔽板１１と、めっき槽８からの余剰なめっき液７を蓄えるためのリザーブ槽１５と、このリザーブ槽１５のめっき液７を底部から供給することで、めっき槽８中のめっき液７を対流させる対流ノズル１３を備えた電気めっき装置６であって、電流遮蔽板１１とカソード電極９間に、対流させためっき液７をさらに撹拌させる撹拌手段１０を設けた。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
めっき液を蓄えためっき槽と、このめっき槽中に浸漬され、主表面に被めっき体を固定するとともに前記被めっき体に形成した配線と電気的に接続する給電リングを備えたカソード電極と、このカソード電極と対向して設けられ、前記めっき液に通電するためのアノード電極と、貫通孔を有し前記アノード電極およびカソード電極間に設けられた電流遮蔽板と、前記めっき槽からの余剰なめっき液を蓄えるためのリザーブ槽と、このリザーブ槽のめっき液を底部から供給することで、前記めっき槽中のめっき液を対流させる対流ノズルを備えた電気めっき装置であって、前記電流遮蔽板とカソード電極間に、対流させためっき液をさらに撹拌させる撹拌手段を設けた電気めっき装置。
【請求項２】
被めっき体と電流遮蔽板との間隔を２０〜３０ｍｍとするとともに、貫通孔の外形を前記被めっき体よりも小さくした請求項１に記載の電気めっき装置。
【請求項３】
撹拌手段は、等間隔で略垂直に設けられた複数の第一の桟からなる撹拌パドルと、この撹拌パドルを水平、垂直に一定長さで往復運動させるモータとからなる請求項２に記載の電気めっき装置。
【請求項４】
撹拌パドルは、第一の桟に直交して等間隔に複数の第二の桟を設けた請求項３に記載の電気めっき装置。
【請求項５】
第二の桟の断面形状は四角形とした請求項４に記載の電気めっき装置。
【請求項６】
カソード電極の両主面に給電手段を設けるとともに、前記カソード電極を略中心として二枚のアノード電極を設けた請求項１に記載の電気めっき装置。
【請求項７】
めっき液は、硫酸銅濃度が２２０〜２６０ｇ／Ｌと、硫酸濃度が２５〜１００ｇ／Ｌと、塩素イオン２５ｍｇ／Ｌと、促進剤と、抑制剤と、平滑剤を含む銅めっき液である請求項１に記載の電気めっき装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はプリント配線板や半導体ウエハに形成した配線やビアホールなどの開口部をめっきにより充填するための電気めっき装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、半導体用ウエハやプリント配線板などの電子材料において、良好な電気的特性を有し、多様な処理方法が可能な金属として銅が様々な部位に利用されている。そして、このような電子材料に銅を形成する方法としてめっき法が多用されている。中でも、近年は、電子材料表面に形成された配線等間の間隙を、めっきで埋め込み処理を行うことが盛んに行われている。
【０００３】
例えば、半導体用ウエハでは表面に形成された微小なビアホールやトレンチなどの溝構造内に、プリント配線板では配線間の間隙やビアホールなどを銅めっきにより埋め込むことが行われる。一般に、配線およびビアホールをめっき処理により埋め込む技術はビアフィルめっき技術と呼ばれ、その難しさはアスペクト比（深さ／ビアホールの径）で規定されており、アスペクト比１以上になるとビアホール内にボイドが発生しやすいとされている。
【０００４】
そこで、このボイドを発生させない方法としてビアホール内部と外部のめっき速度を制御可能なめっき液の開発や、ポンプなどを用いて強制的に循環させることにより、常に新しいめっき液をビアホール内部へ供給することでボイドの発生を抑制していた。
【０００５】
なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば特許文献１〜３が知られている。
【特許文献１】特開２００５−３０７２５９号公報
【特許文献２】特開２００６−２４９４７８号公報
【特許文献３】特開平８−１００２９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のめっき装置では、めっき槽内でめっき液を強制的に循環させるわけであるが、ビアホールの径が小径となりかつアスペクト比が大きくなるに連れてめっき液はウエハ表面に沿って流れるため、外部からめっき液が浸入せずビアホール内で滞留することで金属イオンの供給が停止し、その結果、ボイドが発生しやすくなるという課題があった。
【０００７】
そこで、小径のビアホールであってもその中に確実にめっき液を浸入、撹拌させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
そして上記目的を達成するために、本発明は、めっき液を蓄えためっき槽と、このめっき槽中に浸漬され、主表面に被めっき体を固定するとともに前記被めっき体に形成した配線と電気的に接続する給電手段を備えたカソード電極と、このカソード電極と対向して設けられ、前記めっき液に通電するためのアノード電極と、貫通孔を有し前記アノード電極およびカソード電極間に設けられた電流遮蔽板と、前記めっき槽からの余剰なめっき液を蓄えるためのリザーブ槽と、このリザーブ槽のめっき液を底部から供給することで、前記めっき槽中のめっき液を対流させる対流ノズルを備えた電気めっき装置であって、前記電流遮蔽板とカソード電極間に、対流させためっき液をさらに撹拌させる撹拌手段を設けた。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る電気めっき装置は、めっき液を蓄えためっき槽中にカソード電極とアノード電極を対向して略垂直に浸漬し、前記カソード電極の主表面に、このカソード電極と電気的に接続した被めっき体を固定した後、これらカソード電極とアノード電極間に通電することで前記被めっき体に形成した配線やビアホールにめっき膜を形成して充填する電気めっき装置である。上記めっき槽は、その底部にリザーブ槽に蓄えた余剰なめっき液を上方に噴射することでめっき槽内のめっき液を対流させる対流ノズルを備えるとともに、カソード電極の主表面、すなわち被めっき体から一定距離離れて垂直、水平に揺動や往復運動可能な撹拌手段を設けたので、底面より被めっき体の表面に沿って対流するめっき液を、この撹拌手段で流れを乱して撹拌することができる。そのため、小径でかつアスペクト比の大きいビアホールであっても、新たなめっき液を浸入させ随時供給することができるので、その結果、ボイドが発生することのない緻密なめっきで配線やビアホールなどの開口部内に導電体を充填することができる作用効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図を用いて本発明の一実施の形態を説明する。
【００１１】
図１は、本実施の形態における電気めっき装置を用いて、被めっき体上に形成した開口部に導体層を充填した一例である。図１（ａ）は開口部の形状を説明するための正面図を、図１（ｂ）は、図１（ａ）におけるＡ−ＡＡ断面図をそれぞれ示している。
【００１２】
半導体ウエハやプリント基板などからなる被めっき体１に設けた配線２上に、スピンコータなどを用いてレジスト３を塗布し、このレジスト３を露光、現像して開口部４を有するパターンを形成した。そして、本実施の形態の電気めっき装置で開口部４の底面４ａから導電体層を形成、成長させることで、開口部４内を充填する柱状の導電体５を形成するものである。
【００１３】
上記の導電体５は、例えば層間の配線間を電気的に接続するためのビアホールや、基板２上に形成した配線として用いられるものである。本実施の形態ではレジスト３に設けた開口部４として、長辺４ｂと短辺４ｃからなる矩形形状とし、その短辺４ｃを２０〜４０μｍ、長辺４ｂはこの短辺４ｃの１．５倍以上、さらにレジスト３の厚み３ａを３０〜７９μｍとしている。アスペクト比はレジスト３の厚み３ａ（深さ）に対する短辺４ｃの比率と定義し、最大で約４となる。
【００１４】
図２は本発明の一実施の形態における電気めっき装置６を説明するための断面図である。
【００１５】
めっき液７を蓄えためっき槽８の中央部には、被めっき体１を固定するとともに、めっきを行なう配線２（図１）などへ給電するためのカソード電極９が浸漬されており、このカソード電極９を挟んで両側に、撹拌手段１０、電流遮蔽板１１、アノード電極１２が順に配置されている。
【００１６】
まためっき槽８には、その底部に対流ノズル１３が配置されており、この対流ノズル１３からポンプ１４を介してリザーブ槽１５のめっき液７を上方に噴射することで、めっき槽８中のめっき液７を強制的に矢印Ｂの方向に対流させる。そして、めっき槽８から溢れる余剰なめっき液７は、ドレイン１６を介して再度リザーブ槽１５へ回収される。めっき液７の管理は、リザーブ槽１５に回収しためっき液７で行うものであり、成分やｐＨなどが一定範囲となるように維持管理する。
【００１７】
上述したカソード電極９、電流遮蔽板１１、アノード電極１２は、それぞれ平板状であり、互いに一定の間隔で平行にめっき液７中に浸漬されている。
【００１８】
電流遮蔽板１１には、カソード電極９上に固定した被めっき体１の外形より小さい貫通孔１７が設けられており、カソード電極９とアノード電極１２間に流れる電流は、この貫通孔１７により被めっき体１の所定箇所に集中するように遮蔽または整流されるものである。
【００１９】
図３（ａ）は、図２のＣ−ＣＣ方向より見たカソード電極９の正面図である。本実施の形態では、カソード電極９の両主面にそれぞれ四枚の被めっき体１を、給電リング１８を介して固定している。図３（ｂ）は、図３（ａ）のＤ−ＤＤ断面図であり、カソード電極９の両主面には、被めっき体１の厚みと外形に略等しい凹部９ａが設けられており、この凹部９ａに被めっき体１を載置した後、給電リング１８を介してカソード電極９の主面と、被めっき体１に設けた配線２とを電気的に接続する。尚、被めっき体１の側面や裏面がめっきされるのを防止するため、少なくとも凹部９ａの底面および側面には絶縁層を形成しておく。
【００２０】
図４は、カソード電極９と電流遮蔽板１１との間に設けた撹拌手段１０の一例であり、図２のＥ−ＥＥ方向よりみた正面図である。
【００２１】
本実施の形態の撹拌手段１０は、一定の間隔で略垂直に複数設けた第一の桟１９からなる撹拌パドル２０と、この撹拌パドル２０を水平、垂直に駆動するモータ２１とから構成されている。このように、撹拌パドル２０を略垂直に設ける場合、駆動モータ２１により水平方向、すなわち図２に向かって手前から奥へ一定の距離を往復運動させるものである。こうすることにより、対流ノズル１３から噴射されて、被めっき体１の表面に沿って対流するめっき液７の流れを乱して撹拌させることができる。その結果、小径かつアスペクト比の大きい開口部４（図１）であっても、その内部にめっき液７を浸入させて供給、撹拌することができるので、常に開口部４内に新たなめっき液７が循環してボイドの無い緻密な導電体５（図１）を充填、形成することができる。
【００２２】
尚、モータ２１は偏芯カムなどを介して撹拌パドル２０と接続されており、例えばモータ２１の一回転で撹拌パドル２０を一往復、あるいは揺動するものである。
【００２３】
図５は、撹拌手段１０の別の一例を説明するための正面図である。
【００２４】
図４との違いは、撹拌パドル２０を第一の桟１９と直交するように、第二の桟２２を複数等間隔に設けた点である。このように、互いに直交する第一、第二の桟１９、２２で撹拌パドル２０を構成する場合、水平方向に加えて垂直方向（図２に向かって上下方向）にも一定の距離で往復運動あるいは揺動させる。こうすることにより、対流ノズル１３から噴射されるめっき液７の流れを乱してさらに撹拌することが可能となり、その結果、さらに緻密な導電体５を開口部４内に充填することができる。尚、第二の桟２２の断面形状は三角形や四角形などであるが、四角形を選択することにより、被めっき体１のどこに開口部４を設けても最も均一に導電体５を形成することができた。
【００２５】
（実施例１）
図６は、上述した電気めっき装置６を用いて電気めっきを行い、めっき液７中の硫酸銅濃度とボイド発生率を検討した結果である。まず初めにビーカ実験により、被めっき体１である４インチウエハ上に形成した開口部４の短辺４ｃ側の径を１５μｍ、深さ３０μｍ、アスペクト比２に電気めっきを行い、形成した導電体５中にボイドが発生しないめっき液組成の最適化を試みた。めっき後は、レジスト３の上部を一部研磨で除去し、Ｘ線透視装置（島津製作所製）を用いて、ウエハ面内９０箇所に形成した導電体５中のボイドを個々に観察した。
【００２６】
まず、硫酸銅濃度においては少なくとも２２０ｇ／Ｌ以上でボイドの発生率が０となった。硫酸銅は、２６０ｇ／Ｌ以上溶解しないため、ボイドが発生しない最適濃度を２２５ｇ／Ｌとした。硫酸および塩素イオン濃度は通常の硫酸銅めっき浴組成の硫酸５０ｇ／Ｌ、塩素イオン濃度５０ｍｇ／Ｌにおいてもボイドが発生しない。しかし、添加剤の抑制剤、促進剤および平滑剤の濃度はボイド発生率に大きく影響する。添加剤は奥野製薬製のトップルチナＦＡを用いた。同様に配合組合せを検討した結果、ＦＡ−１（抑制剤）６ｍｌ／Ｌ、ＦＡ−２（促進剤）１．５ｍｌ／Ｌ、ＦＡ−３（平滑剤）１３ｍｌ／Ｌの時を最適条件とした。この添加剤配合はメーカ推奨濃度ＦＡ−１（抑制剤）５ｍｌ／Ｌ、ＦＡ−２（促進剤）０．４ｍｌ／Ｌ、ＦＡ−３（平滑剤）６ｍｌ／Ｌに対して、ＦＡ−２、ＦＡ−３を若干高くしている。以下に最適めっき条件を示す。
【００２７】
[めっき液組成]
硫酸銅５水塩：２２５ｇ／Ｌ
硫酸 ：５０ｇ／Ｌ
塩素 ：５０ｍｇ／Ｌ
添加剤 トップルチナＦＡ−1（奥野製薬製）：６ｍｌ／Ｌ
添加剤 トップルチナＦＡ−2（奥野製薬製）：１．５ｍｌ／Ｌ
添加剤 トップルチナＦＡ−3（奥野製薬製）：１３ｍｌ／Ｌ
電流密度：２Ａ／ｄｍ2
液温 ：２５℃
（実施例２）
次に、撹拌パドル２０の揺動条件とボイド発生率の関係を検討した。図７は本実施の形態の電気めっき装置６を用いて、撹拌手段１０のモータ２１の回転数とボイド発生率を検討した結果である。めっき液７の組成およびめっき条件は実施例１に示したとおりであり、モータ２１の回転数を２０ｒｐｍ以上にすることでボイド発生率は０となった。
【００２８】
今回検討した開口部４の形状は、開口部４の短辺４ｃを２０μｍ、深さ３ａを３０μｍ、アスペクト比１．５とし、上記結果より、モータ２１の回転数を２０ｒｐｍ以上とすることで、開口部４内部で導電体層の形成により消耗する銅イオンを充分に補うように、新たなめっき液７が浸入、供給されているものと考える。
【００２９】
また、対流ノズル１３をＯＦＦにした場合、３０ｒｐｍで撹拌パドル２０を揺動させてもボイドが若干発生することから、めっき液７を対流させることは必須であると考えられる。ただし、この対流ノズル１３の流速が早すぎると、開口部４の内部で導電体５をコンフォーマルに成長させてしまうので、随時少量のめっき液７が入れ替わるように調整するものである。
【００３０】
上記の液組成において、モータ２１の回転数を３０ｒｐｍとして径、深さ、アスペクト比のそれぞれ異なる開口部４を形成して電気めっきを行い、充填した導電体５中のボイドの発生率を評価した。（表１）に実験条件を、（表２）に実験の結果をそれぞれ示す。
【００３１】
【表１】
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【００３２】
【表２】
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【００３３】
全般的にはアスペクト比が高くなると、ボイドが発生しているが、電流密度２Ａ／ｄｍ2において、開口部４の短辺４ｃを２０μｍ、深さ３ａを４９μｍ、アスペクト比２．４５として、従来ボイドが発生していた条件においてもボイドなく導電体５を形成して充填することが可能となり、ビアフィルめっきの適用範囲を広げることが可能となった。
【００３４】
上述した電気めっき装置６を用いることにより、電流密度を下げずに開口部４の短辺４ｃを２０〜４０μｍ、深さ３ａを０〜６７μｍ、アスペクト比（深さ／開口部の外形）が２．４５以下のビアホールおよび配線２を形成するための開口部４を、ボイドを発生させることなく導電体５を充填することができ、また同時に両面８枚めっき可能であり生産能力が非常に高い電気めっき装置６を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明に係る電気めっき装置は、めっき液を蓄えためっき槽中にカソード電極とアノード電極を対向して略垂直に浸漬し、前記カソード電極の主表面に、このカソード電極と電気的に接続した被めっき体を固定した後、これらカソード電極とアノード電極間に通電することで前記被めっき体に形成した配線やビアホールにめっき膜を形成して充填する電気めっき装置である。上記めっき槽は、その底部にリザーブ槽に蓄えた余剰なめっき液を上方に噴射することでめっき槽内のめっき液を対流させる対流ノズルを備えるとともに、カソード電極の主表面、すなわち被めっき体から一定距離離れて垂直、水平に揺動や往復運動可能な撹拌手段を設けたので、底面より被めっき体の表面に沿って対流するめっき液を、この撹拌手段で流れを乱して撹拌することができる。そのため、小径でかつアスペクト比の大きいビアホールであっても、新たなめっき液を浸入させ随時供給することができるので、その結果、ボイドが発生することのない緻密なめっきで配線やビアホールなどの開口部内に導電体を充填することができる作用効果を奏するので、プリント配線板や半導体ウエハに形成した配線やビアホールなどの開口部内をめっきにより充填するための電気めっき装置に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】（ａ）本実施の形態における電気めっき装置を用いて、被めっき体上に形成した開口部に導体層を充填した一例を説明する正面図、（ｂ）図１（ａ）のＡ−ＡＡ断面図
【図２】本発明の一実施の形態における電気めっき装置を説明するための断面図
【図３】（ａ）図２のＣ−ＣＣ方向より見たカソード電極の正面図、（ｂ）図２（ａ）のＤ−ＤＤ断面図
【図４】撹拌手段の一例であり、図２のＥ−ＥＥ方向よりみた正面図
【図５】撹拌手段の別の一例を説明する正面図
【図６】めっき液組成とボイド発生率の検討結果を説明する図
【図７】撹拌手段のモータ回転数とボイド発生率の検討結果を説明する図
【符号の説明】
【００３７】
１  被めっき体
２  配線
６  電気めっき装置
７  めっき液
８  めっき槽
９  カソード電極
１０  撹拌手段
１１  電流遮蔽板
１２  アノード電極
１３  対流ノズル
１５  リザーブ槽
１７  貫通孔
１８  給電リング
１９  第一の桟
２０  撹拌パドル
２１  モータ
２２  第二の桟
【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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