專利名稱：電鍍方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電鍍方法，更具體地，涉及在諸如半導體襯底等的、內(nèi)部具有沿豎向貫通的多個通孔且能夠用在半導體芯片等的所謂的三維封裝中的襯底的制造中，用于將諸如銅的金屬填充到導孔(via)中的電鍍方法。
背景技術：
作為將半導體襯底的多層堆疊的層電連接的方法，已知有形成沿豎向貫通半導體襯底的由諸如銅的金屬構成的通孔的技術。圖IA至IC示出了用于生產(chǎn)內(nèi)部具有由銅構成的通孔的襯底的示例性處理。首先，如圖IA所示，例如通過光刻/蝕刻技術在諸如硅晶片的基底10中形成多個向上開口的導孔12，之后例如通過PVD在包括導孔12的內(nèi)表面在內(nèi)的基底10的整個表面上形成由諸如Ti (鈦)的金屬構成的阻擋層14，并且隨后在阻擋層 14的表面上形成銅種籽層16，由此來制備襯底W。導孔12的直徑“d”例如是2至50 μ m， 特別是10至20 μ m,導孔12的深度“h”例如是20至150 μ m。作為阻擋層14，除了 Ti，諸如Ta(鉭)和W(鎢)的其它金屬或其氮化物也能夠使用。接下來，在襯底W的表面上實施將銅種籽層16用作陰極的銅電鍍，由此將電鍍金屬(銅)18填充到導孔12中，并且如圖IB所示，使電鍍金屬18沉積在銅種籽層16的表面上。之后，如圖IC所示，例如通過化學機械拋光(CMP)去除基底10上多余的銅種籽層 16和多余的電鍍金屬18。此外，將基底10的背表面?zhèn)葤伖馊コ晾鐖DIC中雙點劃線所示的位置，由此暴露出填充在導孔12中的電鍍金屬18的底面。由此能夠生產(chǎn)出內(nèi)部具有沿豎向貫通的、由銅(電鍍金屬18)構成的通孔的襯底W。導孔12的縱橫比、即深度直徑比通常大，諸如8至10。另外，導孔12通常具有大尺寸。為了通過電鍍將銅(電鍍金屬)完全填充到具有大縱橫比和大尺寸的導孔12 中而不在所填充的金屬中產(chǎn)生諸如空穴的缺陷，通常需要以允許電鍍金屬優(yōu)先從導孔12 的底部生長的自下而上的方式進行電鍍。這種自下而上的電鍍通常通過使用包含各種添加劑的電鍍液來實施，所述添加劑諸如是作為電鍍促進劑的SPS ( 二硫二丙烷磺酸鹽； bis (3-sulfopropyl) disulfide)、作為抑制劑的 PEG(聚乙二醇；polyethylene glycol)和作為整平劑的PEI (聚乙烯亞胺；polyethylene imine)。日本專利No. 3641372提出了一種電鍍方法，該方法包括在4至20A/dm2的電流密度下使直流電流在種籽層和陽極之間通電0. 1至5秒來形成初始電鍍膜，并且隨后在0. 5 至5A/dm2的電流密度下使直流電流在種籽層和陽極之間通電來形成二次電鍍膜。日本專利No. 3780302提出了一種電鍍方法，該方法包括在5至ΙΟΑ/dm2的陰極電流密度下首次實施電鍍10秒至5分鐘，并且隨后在0. 5至3A/dm2的陰極電流密度下實施電鍍15至180分鐘。日本專利特開No. 2003-318544提出了在階梯式增大的電流密度下實施電鍍。此外，日本專利特開No. 2005-97732提出了在襯底的電鍍過程中在襯底和陽極之間施加脈沖電壓或步進式改變的步進電壓。當通過電鍍將諸如銅的電鍍金屬填充到設置在襯底中的導孔內(nèi)時，與襯底的外側(cè)表面相比，電鍍金屬離子在導孔的底部或其附近可能不足。因此，電鍍膜在導孔的底部趨于變薄。電鍍液的金屬離子濃度在沉積有電鍍金屬的襯底的表面附近降低。電鍍液的金屬離子濃度在導孔中降低得更多。特別是當導孔為具有大縱橫比的深導孔時，在導孔底部，由于金屬離子通過離子擴散供給不足而導致電鍍液的金屬離子濃度顯著降低。因此，電鍍膜在導孔的底部趨于變得相當薄。此外，為了通過在電鍍液中使用添加劑來促使電鍍金屬自下而上的生長，如上所述，需要向?qū)Э字泄┙o足夠量的金屬離子。當在電鍍過程中發(fā)生來自可溶性陽極的金屬(金屬離子)溶解在電鍍液中時，陽極處的電流密度優(yōu)選被保持在合適的范圍內(nèi)。這能夠防止電鍍液的添加劑成分的變質(zhì)，并且能夠在作為陰極的襯底的表面上穩(wěn)定地形成膜質(zhì)好的電鍍金屬(電鍍膜)。另一方面，陽極處的電流密度需要被保持在低水平，以便防止在待填充到導孔中的電鍍金屬中形成空穴。因此，有時在陽極處不容易保持合適的電流密度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于上述情況而做出的。本發(fā)明的目的是提供一種電鍍方法，該電鍍方法能夠使諸如銅的電鍍金屬牢固且有效地以自下而上的方式填充到深的高縱橫比的導孔中，而不會在待填充的電鍍金屬中產(chǎn)生諸如空穴的缺陷。為了達到上述目的，本發(fā)明提供一種電鍍方法，該電鍍方法包括將具有陽極且在表面上形成有導孔的襯底浸沒在電鍍槽中的電鍍液內(nèi)，所述陽極被配置成與所述襯底的表面相對；并且使具有恒定電流值的電鍍電流在所述襯底和所述陽極之間以反復進行所述電鍍電流的供給和停止的方式間歇地流動，并且使得供給所述電鍍電流的電流供給時間的比例隨著電鍍的推進而增大，由此將電鍍金屬填充到所述導孔中。根據(jù)該電鍍方法，在襯底和陽極之間間歇地供給電鍍電流，同時反復地進行電鍍電流的供給和停止。在當電鍍電流的供給停止時的電流停止時間中，利用由離子的濃度梯度引起的電鍍液中的離子向襯底的擴散能夠消除襯底附近電鍍液的金屬離子濃度的減小的情況、特別是導孔的底部金屬離子的缺失情況。這能夠促使電鍍的自下而上的生長。此夕卜，根據(jù)該電鍍方法，使具有恒定電流值的電鍍電流以供給電鍍電流的電流供給時間的比例隨著電鍍的推進而增大的方式在襯底和陽極之間間歇地流動。這使得在供給電鍍電流的過程中陽極電流密度能夠被保持在適當范圍內(nèi)，同時能夠?qū)⑵骄娏髅芏瓤刂圃诘退揭苑乐乖诖畛涞綄Э字械碾婂兘饘賰?nèi)形成空穴，由此形成良好的埋孔電鍍。在本發(fā)明的優(yōu)選方面，使所述電鍍電流的供給停止的電流停止時間隨著電鍍的推進而減小。隨著電鍍的推進而電鍍金屬逐漸填充到導孔中，每個導孔的未填充部分的深度逐漸減小，即，未填充部分的縱橫比逐漸減小。相應地，通過隨著電鍍的推進，使將金屬離子供給到例如導孔中的電流停止時間減小能夠有效地進行電鍍金屬向?qū)Э字械奶畛洹Ｔ诒景l(fā)明的優(yōu)選方面是，所述電流供給時間在整個電鍍處理中是恒定的。在本發(fā)明的優(yōu)選方面是，所述電流供給時間隨著電鍍的推進而增大。通過隨著電鍍的推進而增大電流供給時間也能夠有效地進行電鍍金屬向?qū)Э字械奶畛洹Ｔ诒景l(fā)明的優(yōu)選方面，使所述電鍍電流的供給停止的電流停止時間在整個電鍍處理中是恒定的。在本發(fā)明的優(yōu)選方面，所述電流供給時間和使所述電鍍電流的供給停止的電流停止時間的總和為電流供給節(jié)距，所述電流供給節(jié)距在整個電鍍處理中是恒定的。為了防止電鍍膜在電流停止時間過程中溶解，可以在電流停止時間中在襯底和陽極之間通過弱電流，以便將電鍍膜的電位保持為低于其自然電位。本發(fā)明能夠以自下而上的方式將諸如銅的電鍍金屬牢固且有效地填充到深的高縱橫比的導孔中，而不會在待嵌入的電鍍金屬中產(chǎn)生諸如空穴的缺陷。


圖IA至IC是以一系列處理步驟示出用于生產(chǎn)襯底的處理的圖，所述襯底在內(nèi)部具有豎向貫通襯底的由銅構成的通孔。圖2是用于實施本發(fā)明的電鍍方法的電鍍設備的整體布置平面圖。圖3是設置在圖2所示的電鍍設備中的搬運機器人的示意圖。圖4是襯底架的俯視圖。圖5是圖4所示的襯底架的剖視圖，示出襯底通過襯底架保持和密封的狀態(tài)。圖6是圖4所示的襯底架的局部放大剖視圖，示出向由襯底架保持的襯底供電的狀態(tài)。圖7是設置在圖2所示的電鍍設備中的電鍍裝置的剖視示意圖。圖8是設置在圖7所示的電鍍設備中的攪拌槳(攪拌工具)的俯視圖。
圖9是沿著圖8的A-A線的剖視圖。圖10是示出根據(jù)本發(fā)明的實施方式電鍍電流在陽極和襯底之間流動的方式的圖表。圖11是示出根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式電鍍電流在陽極和襯底之間通過的方式的圖表。
具體實施例方式下面將參照

本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。下面舉例說明一種示例性的情況， 在該例中，如圖IA所示，通過在諸如硅晶片的基底10的表面形成導孔12、在基底10的包括導孔12的表面在內(nèi)的整個表面上形成阻擋層14、并隨后在阻擋層14的表面上形成銅種籽層16而制備出襯底W，并且如圖2B所示，在襯底W的表面實施電鍍銅，以便將電鍍金屬 (銅)18填充到導孔12中。圖2是用于實施本發(fā)明的電鍍方法的電鍍設備的整體布置平面圖。該電鍍設備被設計成以連續(xù)方式自動進行所有的電鍍處理，包括襯底的預處理、電鍍和電鍍的后處理。安裝有防護板的裝置框架110的內(nèi)部被隔板112分成電鍍空間116和清潔空間114，電鍍空間 116用于實施襯底的電鍍處理和附著了電鍍液的襯底的處理，清潔空間114用于實施其它處理，即，不直接涉及電鍍液的處理。兩個襯底架160(參照圖幻平行布置，并且設置有用于將襯底附裝到每個襯底架160上和將襯底從每個襯底架160上拆下的襯底附裝/拆卸臺162，該襯底附裝/拆卸臺162作為襯底傳遞區(qū)被設置在由將電鍍空間116與清潔空間114 分開的隔板112隔開的隔板部上。在清潔空間114連接有安裝了收納襯底的襯底盒的裝載 /卸載口 120。此外，裝置框架110上設置有控制板121。在清潔空間114中，布置有用于使襯底的定向平面或凹口與預定方向?qū)实膶势?22和對電鍍后的襯底進行清洗并使該襯底高速旋轉(zhuǎn)以使該襯底離心脫水的兩個清洗/ 干燥裝置124。此外，第一搬運機器人1 配置在這些處理裝置、即對準器122和清洗/干燥裝置124的大致中心處，由此在處理裝置122、124、襯底附裝/拆卸臺162和安裝在裝載 /卸載口 120上的襯底盒之間搬運和傳遞襯底。配置在清潔空間114中的對準器122和清洗/干燥裝置IM被設計成對處于水平狀態(tài)的襯底進行保持和處理，在該水平狀態(tài)下，襯底的前表面朝上。第一搬運機器人1 被設計成對處于水平狀態(tài)的襯底進行搬運和傳遞，在該水平狀態(tài)下，襯底的前表面朝上。在電鍍空間116中，從隔板112開始依次配置有儲料器164，用于存放或暫時存放襯底架160 ；預處理裝置126，實施利用諸如純水(DIW)等預處理液來清洗襯底的表面并利用預處理液潤濕襯底表面來加強襯底表面的親水性的預處理(預濕處理)；活化處理裝置166，利用諸如硫酸或鹽酸的無機酸溶液或諸如檸檬酸或草酸的有機酸溶液對例如形成在襯底表面上的種籽層上的具有高電阻的氧化膜進行蝕刻以去除氧化膜；第一水洗裝置 168a，利用純水對襯底表面進行清洗；電鍍裝置170，用于實施電鍍；第二水洗裝置168b ；以及吹干裝置172，用于使電鍍后的襯底脫水。兩個第二搬運機器人17 和174b配置在這些裝置的旁邊，以便能夠沿著軌道176運動。第二搬運機器人中的一個17 將襯底架160 在襯底附裝/拆卸臺162與儲料器164之間搬運。第二搬運機器人中的另一個174b將襯底架160在儲料器164、預處理裝置126、活化處理裝置166、第一水洗裝置168a、電鍍裝置 170、第二水洗裝置168b和吹干裝置172之間搬運。如圖3所示，第二搬運機器人17 和174b中的每一個具有沿豎直方向延伸的主體178和能夠沿著主體178豎向運動并能夠圍繞其軸線旋轉(zhuǎn)的臂180。臂180具有平行設置的兩個襯底架保持部182，該襯底架保持部182對襯底架160可裝拆地進行保持。襯底架160被設計成以使襯底的前表面暴露而襯底的周緣部密封的狀態(tài)保持襯底W，并且能夠?qū)⒁r底W附裝到襯底架160上和將襯底W從襯底架160上拆下。如圖4至6所示，襯底架160包括平的呈矩形的固定支承構件M和環(huán)形的可動支承構件58，該環(huán)形可動支承構件58安裝在固定支承構件M上并且能夠通過鉸接部56在固定支承構件討上打開和關閉。環(huán)狀密封填料60通過填料底座59安裝在可動支承構件58 的固定支承構件M側(cè)，其中，環(huán)狀密封填料60具有底部開口的矩形截面且平行側(cè)中的一側(cè)長于另一側(cè)，填料底座59例如由氯乙烯制成，用作加強構件且與緊固環(huán)62具有良好潤滑。 緊固環(huán)62經(jīng)由穿過沿著緊固環(huán)62的周向形成的多個長孔62a的螺栓64而被保持在固定支承構件M上，以便能夠轉(zhuǎn)動且不會從固定支承構件M上脫出。形狀大致像倒置的字母L的爪66圍繞可動支承構件58的外周以等間隔設置，并且安裝在固定支承構件M上。多個凸起68以與這些爪66相等的間隔一體地形成在緊固環(huán)62的外表面上。稍長孔62b形成在緊固環(huán)62上的例如三個位置處，如圖4所示，用于轉(zhuǎn)動緊固環(huán)62。每個凸起68的頂面和每個爪66的底面沿轉(zhuǎn)動方向在彼此相反的方向上成錐面。
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當可動支承構件58處于打開狀態(tài)時，襯底W被插入并正確地定位在固定支承構件討的中心。可動支承構件58通過鉸接部56而關閉。隨后，緊固環(huán)62沿順時針方向轉(zhuǎn)動， 直到凸起68滑動到形狀大致像倒置的字母L的爪66下方，由此將可動支承構件58鎖定于固定支承構件M上。通過沿逆時針方向轉(zhuǎn)動緊固環(huán)62，凸起68從形狀大致像倒置的字母 L的爪66下方滑出，由此將可動支承構件58從固定支承構件M上解鎖。如圖6所示，當可動支承構件58鎖定在固定支承構件M上時，密封填料60的內(nèi)側(cè)的短腿與襯底W的表面壓接觸，而外側(cè)的長腿與固定支承構件M的表面壓接觸，由此形成可靠密封。如圖6所示，連接到外部電極(未示出)上的導體(電接觸點)70配置在固定支承構件M上。導體70的邊緣在襯底W的外側(cè)暴露在固定支承構件M的表面上。凹陷部 71通過密封填料60形成在可動支承構件58內(nèi)的面向?qū)w70的暴露部分的位置處。金屬電樞72容納在每個凹陷部71中。每個金屬電樞72具有底部開口的矩形截面。彈簧74將每個金屬電樞72壓抵在上固定支承構件M。通過這種結(jié)構，當可動支承構件58處于如上所述的鎖定位置時，在彈簧74的壓力下，導體70的暴露部分和金屬電樞72的外側(cè)腿之間電接觸，而且金屬電樞72的內(nèi)側(cè)腿和通過密封填料60而處于密封位置的襯底W之間電接觸。這樣，在襯底W處于密封狀態(tài)時， 能夠?qū)σr底W進行供電。導體70的與金屬電樞72接觸的接觸表面、金屬電樞72的與導體70接觸的接觸表面以及金屬電樞72的與襯底W接觸的接觸表面中的至少一個優(yōu)選通過電鍍而被諸如金或鉬等金屬覆蓋。取而代之，導體70和金屬電樞72可以由具有極好抗腐蝕性的不銹鋼制成。可動支承構件58通過動作缸(未示出)和可動支承構件58本身的重量而打開和關閉。通孔5 形成在固定支承構件M中。當襯底架160安裝在襯底附裝/拆卸臺162之一上時，動作缸設置在面向通孔Ma的位置處。通過這種結(jié)構，動作缸桿(未示出)伸展， 穿過通孔5 而向上推動可動支承構件58，由此可動支承構件58打開。通過縮回動作缸桿，可動支承構件58通過其本身重量而關閉。在該實施方式中，可動支承構件58通過轉(zhuǎn)動緊固環(huán)62而鎖定和解鎖。鎖定/解鎖機構設置在頂棚側(cè)。鎖定/解鎖機構具有配置在與襯底架160的孔62b對應的位置處的銷，所述襯底架160設置在襯底附裝/拆卸臺162中的一個上且被定位在該襯底附裝/拆卸臺162的中央側(cè)。在該狀態(tài)中，當襯底附裝/拆卸臺162中的一個升起，銷進入孔62b。 通過使銷圍繞緊固環(huán)62的軸向中心旋轉(zhuǎn)而使緊固環(huán)62旋轉(zhuǎn)。由于只設置一個鎖定/解鎖機構，所以在對設置在襯底附裝/拆卸臺162中的一個上的襯底架160中的一個進行鎖定 (或解鎖)之后，襯底附裝/拆卸臺162中的另一個水平滑動以對另一個襯底架160進行鎖定(或解鎖)。襯底架160設置有傳感器，該傳感器用于檢查當襯底W裝載到襯底架160上時襯底W與觸點的電連接狀態(tài)。來自傳感器的信號輸入到控制器單元(未示出)。儲料器164、預處理裝置126、活化處理裝置166、水洗裝置168a、168b和電鍍裝置 170被設計成與設置在每個襯底架160的兩端處的向外伸出的部分160a對合，由此以襯底架160沿豎直方向懸置的狀態(tài)支承襯底架160。預處理裝置1 具有兩個用于在內(nèi)部保持預處理液的預處理槽127，所述預處理液諸如是具有ang/L以下的溶解氧濃度的純水(去氣 DIff)等。如圖3所示，第二搬運機器人174b的保持著裝載有豎直狀態(tài)的襯底W的襯底架 160的臂180降低，以便與預處理槽127的上端對合，從而以懸置方式支承襯底架160。因此，預處理裝置1 被設計成使得襯底架160與襯底W —起浸沒在預處理槽127中的預處理液中，以實施預處理(預潤濕處理)。活化處理裝置166具有兩個用于在內(nèi)部保持化學液體的活化處理槽183。如圖3所示，第二搬運機器人174b的保持著裝載有豎直狀態(tài)的襯底 W的襯底架160的臂180降低，以便與活化處理槽183的上端對合，從而以懸置方式支承襯底架160。因此，活化處理裝置166被設計成使得襯底架160與襯底W—起浸沒在活化處理槽183的化學液體中，以實施活化處理。類似地，水洗裝置168a和168b具有分別在內(nèi)部保持純水的兩個水洗槽18 和兩個水洗槽184b，并且電鍍裝置170具有用于在內(nèi)部保持電鍍液的多個電鍍槽186。水洗裝置168a、168b和電鍍裝置170被設計成使得襯底架160與襯底W —起浸沒在水洗槽18如、 184b的純水中或者電鍍槽186的電鍍液中，以與如上所述相同的方式實施水洗或電鍍。第二搬運機器人174b的保持著裝載有豎直狀態(tài)的襯底W的襯底架160的臂180降低，并且朝向安裝在襯底架160上的襯底W噴射空氣或惰性氣體，以吹走附在襯底架160和襯底W上的液體而對襯底W進行脫水。因此，吹干裝置172被設計成實施吹干處理。如圖7所示，設置在電鍍裝置170中的每個電鍍槽186被設計成在內(nèi)部保持預定量的電鍍液Q。襯底W被保持成前表面(待電鍍表面)暴露而襯底的周緣部通過襯底架 160液密性密封的狀態(tài)，且被以該狀態(tài)沿豎直方向浸沒在電鍍液Q中。在本實施方式中，使用除銅離子、支持電解質(zhì)和鹵素離子之外還包含例如各種添加劑、諸如作為電鍍促進劑的 SPS (二硫二丙烷磺酸鹽(bis (3-sulfopropyl) disulfide))、作為抑制劑的PEG (聚乙二醇) 和作為整平劑的PEI (聚乙烯亞胺)的電鍍液來作為電鍍液Q。作為支持電解質(zhì)，優(yōu)選使用硫酸，作為鹵素離子，優(yōu)選使用氟離子。用于接收從電鍍槽186的邊緣溢出的電鍍液Q的溢流槽200圍繞著電鍍槽186的上端而設置。設置有泵202的循環(huán)管路204的一端連接到溢流槽200的底部，并且該循環(huán)管路204的另一端連接到設置在電鍍槽186的底部的電鍍液供給入口 186a處。因此，溢流槽200中的電鍍液Q通過泵202的驅(qū)動而返回到電鍍槽186中。在循環(huán)管路204中，在泵 202的下游插裝有用于控制電鍍液Q的溫度的恒溫單元206和用于過濾出電鍍液中含有的異物的過濾器208。內(nèi)部具有大量電鍍液流通孔的底板210安裝在電鍍槽186的底部。電鍍槽186的內(nèi)部由此被底板210分成上部襯底處理室214和下部電鍍液分散室212。此外，向下豎直延伸的遮擋板216安裝在底板210的下表面。根據(jù)該電鍍裝置170，電鍍液Q通過泵202的驅(qū)動而被引入到電鍍槽186的電鍍液分散室212中，并穿過設置在底板210中的電鍍液流通孔而流入到襯底處理室214中，與由襯底架160保持的襯底W的表面大致平行地豎向流動，并隨后流入到溢流槽200中。具有與襯底W的形狀對應的圓形形狀的陽極220通過陽極架222保持，并且豎向設置在電鍍槽186中。當電鍍槽186中充滿電鍍液Q時，通過陽極架222保持的陽極220浸沒在電鍍槽186中的電鍍液Q中，并且面向著通過襯底架160保持且配置在電鍍槽186中的襯底W。在本實施方式中，陽極220由含有0.03至0.05% (重量百分比)的磷的銅(含磷銅)形成，以便抑制陽極泥的產(chǎn)生。另外，在電鍍槽186中，用于調(diào)節(jié)電鍍槽186中的電位分布的調(diào)節(jié)板2 配置在陽極220和襯底W之間且位于電鍍槽186中的預定位置處。在本實施方式中，調(diào)節(jié)板2 包括筒形部分2 和矩形凸緣部分228，并且由作為介質(zhì)材料的聚氯乙烯制成。筒形部分226 具有能夠充分限制電場的擴展的開口尺寸和軸向長度。調(diào)節(jié)板224的凸緣部分228的下端到達底板210。在調(diào)節(jié)板2 和襯底W之間且位于電鍍槽186中的預定位置處配置有作為攪拌工具的豎向延伸的攪拌槳232，該攪拌漿232平行于襯底W的表面往復運動，以攪拌襯底W和調(diào)節(jié)板2M之間的電鍍液Q。通過在電鍍過程中利用攪拌槳(攪拌工具)232攪拌電鍍液 Q，足夠量的銅離子能夠被均勻地供給到襯底W的表面。如圖8和9所示，攪拌槳232由具有3至5mm均勻厚度“t”的矩形板狀構件構成，并且具有限定出豎向延伸的條狀部232b的多個平行狹縫23加。攪拌槳232例如由諸如PVC、 PP和PTFE的樹脂和具有特氟隆涂層的SUS或鈦形成。優(yōu)選地，至少攪拌槳232的接觸電鍍液的部分是電絕緣的。攪拌槳232的豎向長度L1和狹縫23 的豎向長度L2比襯底W的豎向尺寸大足夠多。此外，攪拌槳232被設計成使得其橫向長度H和其往復距離(行程)的總和比襯底W的橫向尺寸大足夠多。優(yōu)選地，狹縫23 的寬度和數(shù)量被確定為使得每個條形部232b在具有必要剛度的范圍內(nèi)足夠窄，以便狹縫23 之間的條形部232b能夠有效地攪拌電鍍液，而且電鍍液能夠有效地通過狹縫23加。電鍍裝置170設置有電鍍電源250，在電鍍過程中，該電鍍電源250的正極經(jīng)由導線連接到陽極220上且負極經(jīng)由導線連接到襯底W的表面上。電鍍電源250連接到控制部 252上，并且電鍍裝置170基于來自控制部252的信號而被控制。下面，對通過使用如圖2所示的電鍍設備進行襯底W的表面的電鍍來將銅的電鍍金屬18填充到如圖IB所示形成在基底10的表面中的導孔12內(nèi)的一系列處理進行說明。首先，將襯底W以其前表面(待電鍍表面)朝上的方式放置在襯底盒中，并且將襯底盒安裝在裝載/卸載口 120上。通過第一搬運機器人1 從安裝在裝載/卸載口 120上的襯底盒中取出一個襯底W，并且將該襯底W放置在對準器122上以將襯底W的定向平面或凹口與預定方向?qū)省Ａ硪环矫妫ㄟ^第二搬運機器人17 將已經(jīng)存放在儲料器164中的豎向狀態(tài)的兩個襯底架160取出并轉(zhuǎn)動90°以使襯底架160變成水平狀態(tài)，并且隨后將所述兩個襯底架160平行地放置在襯底附裝/拆卸臺162上。將定向平面或凹口與預定方向?qū)实囊r底W搬運并裝載到放置于襯底附裝/拆卸臺162上的襯底架160中，使得該襯底W的周緣部處于密封狀態(tài)。通過第二搬運機器人 174b將已經(jīng)裝載有襯底W的兩個襯底架160同時保持、提升并隨后搬運到儲料器164。使襯底架160轉(zhuǎn)動90°而成為豎向狀態(tài)并且降低，使得兩個襯底架160以懸置方式保持(暫時存放)在儲料器164中。上述操作以連續(xù)方式反復實施，以便襯底被順序地裝載到存放于儲料器164中的襯底架160內(nèi)，并且以懸置方式被順序地保持(暫時存放)在儲料器164 中的預定位置處。另一方面，通過第二搬運機器人174b將已經(jīng)裝載有襯底并被暫時存放在儲料器 164中的兩個襯底架160同時保持、提升并隨后搬運至預處理裝置126。將每個襯底浸沒到預處理槽127中所保持的諸如純水(DIW)的預處理液中，從而實施預處理(預潤濕處理)。 通過使用真空除氧器或引入惰性氣體將作為預處理液使用的純水的溶解氧濃度優(yōu)選地控制為ang/L以下。在使用硫酸銅電鍍液的電鍍中，通常實施電鍍液的充氣以穩(wěn)定添加劑。如果不實施襯底的上述預處理，由于電鍍液中溶解氧濃度高，所以在襯底浸沒到電鍍液中時無法將氣泡從導孔完全排出，這會導致電鍍的局部缺失。這個問題在本發(fā)明涉及對具有非常高的縱橫比的導孔進行埋孔電鍍時尤其嚴重。當利用上述去氣純水對襯底進行預處理時，殘留在高縱橫比的導孔中的氣泡在純水中溶解從而導孔變成由水完全潤濕的狀態(tài)。因此，當襯底浸沒在電鍍液中時，電鍍液將容易地進入導孔，從而能夠完成埋孔電鍍而不存在電鍍的局部缺失。接下來，將分別裝載有襯底W的兩個襯底架160以與上述相同的方式搬運到活化處理裝置166，在該活化處理裝置166中，將襯底W浸沒到活化處理槽183中所保持的諸如硫酸或鹽酸的無機酸溶液或者諸如檸檬酸或草酸的有機酸溶液中，以從種籽層的表面將具有高電阻的氧化膜蝕刻去除，由此暴露出清潔的金屬表面。如上述預處理那樣，可以使用純水來控制在活化處理中所使用的酸溶液中的溶解氧溶度。在活化處理之后，將分別裝載有襯底W的襯底架160以與上述相同的方式搬運到第一水洗裝置168a，在該第一水洗裝置 168a中，利用第一水洗槽18 中所保持的純水來清洗襯底W的表面。在水洗之后，將分別裝載有襯底W的兩個襯底架160以與上述相同的方式搬運到電鍍裝置170的電鍍槽186的上方。電鍍槽186已經(jīng)填充有預定量的具有預定成分的電鍍液Q，電鍍液通過循環(huán)系統(tǒng)而循環(huán)。關于待用于填充具有高縱橫比的導孔的電鍍液，電鍍液的金屬離子濃度應當盡可能低高，以便向?qū)Э字谐浞值毓┙o金屬離子。在使用硫酸銅電鍍液的情況下，其硫酸濃度可以是例如大約50g/L，硫酸銅(水合物)濃度為大約250g/L且 PH大約為1。在電鍍過程中電鍍液的溫度通常可以為20至40°C。隨后，將襯底架160降低，以使通過襯底架160保持的襯底W浸沒在電鍍槽186中的電鍍液Q內(nèi)。將每個襯底W配置在電鍍液Q中的、面向由陽極架222保持的陽極220的位置處。接下來，將電鍍電源250的正極連接到陽極220，并且將電鍍電源250的負極連接到襯底W的銅種籽層16 (參照圖1A)。通過控制部252控制電鍍電源250，使得圖10中所示的電鍍電流在陽極220和銅種籽層16之間流動，由此將電鍍金屬(銅)18沉積在種籽層 16的表面上并且將電鍍金屬18填充到導孔12中。圖10是示出根據(jù)本發(fā)明的實施方式使電鍍電流在陽極220和銅種籽層16之間流動的方式的圖表。在圖10示出的實施方式中，連續(xù)地實施時間T1上的早期電鍍、時間T2上的中期電鍍和時間T3上的后期電鍍，其中，電鍍電流在陽極220和襯底W的銅種籽層16之間以不同的圖形流動。具體地，在時間T1上的早期電鍍中，電流供給節(jié)距(時間間隔)P1是電流供給時間 S1和電流停止時間C1的總和，該電流供給節(jié)距(時間間隔)Pi重復L1次(T1 = P1XL1)，其中，在電流供給時間S1中，持續(xù)供給電流值A1的電鍍電流，在電流停止時間C1中，電鍍電流的供給停止。在時間T2上的中期電鍍中，電流供給節(jié)距(時間間隔)P2是電流供給時間& 和電流停止時間C2的總和，該電流供給節(jié)距(時間間隔)P2重復M1次(T2 = P2XM1)，其中，在電流供給時間S2中，持續(xù)供給電流值A1的電鍍電流，在電流停止時間C2中，電鍍電流的供給停止。在時間T3上的后期電鍍中，電流供給節(jié)距(時間間隔)P3是電流供給時間&和電流停止時間C3的總和，該電流供給節(jié)距(時間間隔)P3重復N1次(T3 = P3XN1)，其中，在電流供給時間&中，持續(xù)供給電流值A1的電鍍電流，在電流停止時間C3中，電鍍電流的供
給停止。早期電鍍中的電流供給時間S1、中期電鍍中的電流供給時間&和后期電鍍中的電流供給時間&被設置成相等(S1 = S2 = S3)。早期電鍍中的電流停止時間C1、中期電鍍中的電流停止時間C2和后期電鍍中的電流停止時間C3被設置成使得電流停止時間C以這樣的順序(C1 > C2 > C3)階梯式減小。相應地，電流供給節(jié)距P以下面的順序階梯式減小早期電鍍中的電流供給節(jié)距P1、中期電鍍中的電流供給節(jié)距P2和后期電鍍中的電流供給節(jié)距 P3 (P1 > P2 > P3) O因此，通過在陽極220和襯底W的銅種籽層16之間間歇地供給電鍍電流來實施電鍍。在電鍍電流供給停止時的電流停止時間中，能夠利用由離子濃度梯度引起的電鍍液中的離子向襯底W的擴散來消除襯底W附近的電鍍液金屬離子濃度的減小、特別是導孔12 的底部的金屬離子的缺失。因此，足夠量的金屬離子能夠供給到導孔12中。由此能夠利用電鍍液中的添加劑促使電鍍的自下而上的生長并形成具有均勻膜厚的電鍍金屬(電鍍膜)18。另外，根據(jù)本實施方式的電鍍方法，在整個早期電鍍、中期電鍍和后期電鍍中，在陽極220和銅種籽層16之間通過恒定電流值Al的電鍍電流。包含在電鍍液中的添加劑的消耗受到陽極電流密度的影響。在本實施方式中，在考慮添加劑的消耗將陽極220處的電流密度保持在適當范圍內(nèi)的同時，調(diào)節(jié)電流供給時間和電流停止時間之間的比例，由此將銅種籽層(陰極)16處的平均電流密度控制在低水平。由此能夠防止在待填充到導孔12 中的電鍍金屬18中形成空穴，而且還能夠進行良好的埋孔電鍍。另一方面，在如日本專利特開No. 2003-318544中公開的以階梯式增大電流密度的方法中，有必要將早期電鍍中的電流密度設置在非常低的水平。這會導致陽極電流密度合適的范圍偏離，引起電鍍液中的添加劑的大量消耗。當將含有0.03至0.05% (重量百分比)磷的含磷銅用于陽極時，表面膜會在非常低的電流密度下從陽極剝離，導致產(chǎn)生陽極泥。陽極泥若附著到襯底上將導致諸如電鍍異常增長的問題。因此，從這一點來說，也必須至少以特定水平的電流值供給電鍍電流。但是，通過以階梯式增大電流的方法很難滿足這種要求。隨著電鍍的進展，電鍍金屬18被逐漸填充到導孔12中，每個導孔12的未填充部分的深度逐漸減小，即，未填充部分的縱橫比逐漸減小。縱橫比越低，埋孔電鍍的、穩(wěn)定的自下而上的生長越容易。因此，通過隨著電鍍的推進，并且響應于電鍍金屬填充到導孔12中的程度改變、即，每個導孔的未填充部分的縱橫比的改變來減小用于將金屬離子供給到導孔12中的電流停止時間，由此能夠有效地進行電鍍金屬18向?qū)Э?2中的填充。在電鍍過程中，攪拌槳232根據(jù)需要而平行于襯底W往復運動，以攪拌調(diào)節(jié)板224 和襯底W之間的電鍍液Q。攪拌槳232平行于襯底表面往復運動，由此形成平行于襯底表面的電鍍液的流動。電鍍液在襯底表面上的流動速度能夠明顯大于電鍍液在導孔中的流動速度(參照2009年第19屆亞洲高級鍍金屬法會議第96-97頁“Copper ElectroplatingProcess for Via Filling in 3D Packaging”和2009年第59屆電子元件與技術會議第 648-653 頁“Electroplating Copper Filling for 3D Packaging”)。因此,在電流停止時間中電鍍液的蝕刻作用僅施加在襯底表面上，由此使得不必要的表面電鍍膜能夠溶解在電鍍液中。另外，電鍍液的金屬濃度在襯底和電鍍液之間的交接面處能夠增大。這能夠縮短電流停止時間。為了獲得充分的攪拌效果，優(yōu)選的是，使攪拌槳232以70至lOOcm/sec的平均運動速度往復運動。在特定例子中，攪拌槳232以250rpm的速度往復運動，以獲得83cm/sec 的平均運動速度。攪拌槳232被設計成往復運動經(jīng)過襯底。因此，通過利用攪拌槳232攪拌電鍍液，能夠使得在襯底表面上均勻地進行溶解和能夠使得襯底和電鍍液之間的交接面處的電鍍液的金屬離子濃度均勻。調(diào)節(jié)板2M調(diào)節(jié)電位分布，以使襯底表面上的電鍍膜的厚度均勻。如果不使用調(diào)節(jié)板224，那么襯底的更靠近電接觸點的外周部的電鍍膜相對厚，而襯底的中心部的電鍍膜相對薄。因此，恐怕在早期電鍍階段中的電流停止時間中，沉積在襯底的中心部的電鍍連同下面的種籽層一起通過電鍍液的蝕刻作用溶解在電鍍液中。因此，在涉及電鍍電流的重復供給和停止的電鍍中，使用調(diào)節(jié)板來獲得均勻的電位分布是重要的。在完成電鍍之后，停止對陽極220和襯底W的銅種籽層16之間施加電壓。之后， 通過第二搬運機器人174b再次保持分別裝載有襯底W的兩個襯底架160，并且將其從電鍍槽186撤回。隨后，將兩個襯底架160搬運到第二水洗裝置168b，在該第二水洗裝置168b中，通過將襯底浸沒到水洗槽184b中所保持的純水內(nèi)來清潔襯底的表面。之后，將分別裝載有襯底的襯底架160以與上述相同的方式搬運到吹干裝置172，在該吹干裝置172，通過將空氣或惰性氣體吹到襯底架160上以去除襯底架160上的電鍍液和水滴。之后，將分別裝載有襯底的襯底架160返回到儲料器164，并且將每個襯底架160以與上述相同的方式懸置并保持在儲料器164中的預定位置處。第二搬運機器人174b順序地重復上述操作以將分別裝載有經(jīng)過電鍍的襯底的襯底架160順序地返回到儲料器164中的預定位置并且將襯底架160懸置在儲料器164中。 另一方面，通過第二搬運機器人17 同時夾持已經(jīng)返回到儲料器164中的、裝載有經(jīng)過電鍍的襯底的兩個襯底架160，并且將以與上述相同的方式放置在襯底附裝/拆卸臺162上。配置在清潔空間114中的第一搬運機器人1 將放置在襯底附裝/拆卸臺162中的一個上的襯底架160中的襯底取出并且將該襯底搬運到清洗/干燥裝置124中的一個。 在清洗/干燥裝置1 中，對保持在前表面朝上的水平位置的襯底例如用純水進行清潔，并隨后通過高速轉(zhuǎn)動來脫水干燥。之后，通過第一搬運機器人1 將襯底返回到安裝在裝載 /卸載口 120上的襯底盒，由此完成電鍍操作過程。圖11是示出根據(jù)本發(fā)明的另一種實施方式使電鍍電流在陽極220和襯底W的銅種籽層16之間流動的方式的圖表。在圖11示出的實施方式中，連續(xù)地實施時間T4上的早期電鍍、時間T5上的中期電鍍和時間T6上的后期電鍍，其中，電鍍電流在陽極220和襯底W 的銅種籽層16之間以不同的圖形流動。具體地，在時間T4上的早期電鍍中，電流供給節(jié)距(時間間隔)&是電流供給時間 S4和電流停止時間C4的總和，該電流供給節(jié)距(時間間隔)P4重復L2次(T4 = P4XL2)，其中，在電流供給時間、中，持續(xù)供給電流值A2的電鍍電流，在電流停止時間C4中，電鍍電流的供給停止。在時間T5上的中期電鍍中，電流供給節(jié)距(時間間隔)P5是電流供給時間& 和電流停止時間C5的總和，該電流供給節(jié)距(時間間隔)P5重復M2次(T5 = P5XM2)，其中， 在電流供給時間&中，持續(xù)供給電流值A2的電鍍電流，在電流停止時間C5中，電鍍電流的供給停止。在時間T6上的后期電鍍中，電流供給節(jié)距(時間間隔)P6是電流供給時間&和電流停止時間C6的總和，該電流供給節(jié)距(時間間隔)P6重復N2次(T6 = P6XN2)，其中，在電流供給時間&中，持續(xù)供給電流值A2的電鍍電流，在電流停止時間C6中，電鍍電流的供給停止。早期電鍍中的電流供給節(jié)距P4、中期電鍍中的電流供給節(jié)距P5和后期電鍍中的電流供給節(jié)距P6被設置成相等(P4 = P5 = P6)。早期電鍍中的電流供給時間S4、中期電鍍中的電流供給時間&和后期電鍍中的電流供給時間&被設置成使得電流供給時間S以這樣的順序( <S5< S6)階梯式增大。相應地，電流停止時間C以下面的順序階梯式減小早期電鍍中的電流停止時間c4、中期電鍍中的電流停止時間C5和后期電鍍中的電流停止時間 Cg 〉C5〉C6) ο因此，根據(jù)本實施方式，襯底的電鍍以隨著電鍍的進展、電流供給時間階梯式增大且電流停止時間階梯式減小的方式實施。這種電鍍方式也能夠以自下而上的方式將諸如銅的電鍍金屬牢固且有效地填充到深的高縱橫比的導孔中，而不會在待填充的電鍍金屬中產(chǎn)生諸如空穴的缺陷。在上述實施方式中，連續(xù)地實施具有不同圖形的電鍍電流供給的三個電鍍步驟， 艮口，早期電鍍、中期電鍍和后期電鍍。但是，也可以連續(xù)地實施具有不同圖形的電鍍電流供給的兩個電鍍步驟，或者連續(xù)地實施具有不同圖形的電鍍電流供給的四個或更多個電鍍步
馬聚ο已經(jīng)在實驗上確認，在IASD的電流密度下將具有20msec的電流供給時間和 48msec的電流停止時間的第一電鍍步驟實施20分鐘，并且隨后在IASD的電流密度下將具有40msec的電流供給時間和^msec的電流停止時間的第二電鍍步驟實施20分鐘，由此能夠在40分鐘內(nèi)將電鍍金屬完全填充到直徑為5 μ m且深度為50 μ m的導孔中。在圖10示出的實施方式中，電流停止時間階梯式減小，而電流供給時間恒定。在圖11示出的實施方式中，電流供給時間階梯式增大，而電流供給節(jié)距恒定。例如，可以替代圖10示出的實施方式中的階梯式減小，而是使電流停止時間逐漸減小。此外，可以替代圖 11示出的實施方式中的階梯式增大，而是逐漸增大電流供給時間。襯底的導孔密度、S卩，襯底的電鍍面積中導孔總面積的比例至多為10%，并且通常不大于5%。襯底的導孔密度越高，供給到導孔中的金屬離子的量越大，并且因此本發(fā)明獲得的效率越高。在具有高縱橫比的導孔中，側(cè)壁的表面種籽層可能不完全或有缺陷，這對電鍍是不利的，而且會導致缺陷電鍍。對于以高密度具有高縱橫比導孔的襯底來說，出現(xiàn)缺陷電鍍的可能性高。當使用在初始電鍍階段用非常低的電流并且以階梯式增大電流使得電鍍膜包括缺陷種籽層部分增長的電鍍方法在這種襯底上實施電鍍以將電鍍金屬填充到具有缺陷種籽層部分的導孔中時，各種問題會如前所述地出現(xiàn)。與此相反，通過本發(fā)明的在電鍍過程中使用恒定電流密度以使電鍍液中的添加劑發(fā)揮目標效果的電鍍方法能夠避免這些問題。這里的表述“恒定電流密度”包括在大約士 10%范圍內(nèi)的變化。 雖然參照優(yōu)選實施方式描述了本發(fā)明，但應當理解為，本發(fā)明并不限于上述實施方式，而是能夠在如這里表達的本發(fā)明構思的范圍內(nèi)進行各種改變和變型。例如，在上述實施方式中，以使得電鍍電流的供給和停止重復的方式使具有恒定電流值的電鍍電流在襯底和陽極之間流動，并且使得供給電鍍電流的電流供給時間的比例隨著電鍍的進展階梯式增大，當然，可以在不會導致諸如添加劑的消耗和來自陽極的陽極泥產(chǎn)生的上述問題的范圍內(nèi)改變電鍍過程中的電鍍電流。
權利要求
1.一種電鍍方法，包括將具有陽極且在表面上形成有導孔的襯底浸沒在電鍍槽中的電鍍液內(nèi)，所述陽極被配置成與所述襯底的表面相對；并且使具有恒定電流值的電鍍電流在所述襯底和所述陽極之間以反復進行所述電鍍電流的供給和停止的方式間歇地流動，并且使得供給所述電鍍電流的電流供給時間的比例隨著電鍍的推進而增大，由此將電鍍金屬填充到所述導孔中。
2.根據(jù)權利要求1所述的電鍍方法，其中，使所述電鍍電流的供給停止的電流停止時間隨著電鍍的推進而減小。
3.根據(jù)權利要求1所述的電鍍方法，其中，所述電流供給時間在整個電鍍處理中是恒定的。
4.根據(jù)權利要求2所述的電鍍方法，其中，所述電流供給時間在整個電鍍處理中是恒定的。
5.根據(jù)權利要求1所述的電鍍方法，其中，所述電流供給時間隨著電鍍的推進而增大。
6.根據(jù)權利要求5所述的電鍍方法，其中，使所述電鍍電流的供給停止的電流停止時間在整個電鍍處理中是恒定的。
7.根據(jù)權利要求5所述的電鍍方法，其中，所述電流供給時間和使所述電鍍電流的供給停止的電流停止時間的總和為電流供給節(jié)距，所述電流供給節(jié)距在整個電鍍處理中是恒定的。
全文摘要
本發(fā)明公開一種電鍍方法，其能夠以自下而上的方式將電鍍金屬牢固且有效地填充到深的高縱橫比的導孔中，而不會在電鍍金屬中產(chǎn)生缺陷。該電鍍方法包括將具有陽極且在表面上形成有導孔的襯底浸沒在電鍍槽中的電鍍液內(nèi)，所述陽極被配置成與所述襯底的表面相對；并且使具有恒定電流值的電鍍電流在所述襯底和所述陽極之間以反復進行所述電鍍電流的供給和停止的方式間歇地流動，并且使得供給所述電鍍電流的電流供給時間的比例隨著電鍍的推進而增大，由此將電鍍金屬填充到所述導孔中。
文檔編號C25D5/18GK102534714SQ20111044352
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月20日 優(yōu)先權日2010年12月21日
發(fā)明者下山正, 安田慎吾, 栗山文夫, 玉理裕介, 長井瑞樹 申請人:株式會社荏原制作所