JP2015229775A - 電気めっき用コンタクト治具、半導体製造装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被めっき金属電極が種々のパターン形状を有する場合でも、同一の治具を用いて電気めっきを実施できる電気めっき用コンタクト治具を提供する。また該電気めっき用コンタクト治具を用いた半導体製造装置および半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】電気めっき用コンタクト治具２０は、導電性材料からなる平板状のベース部材２１と、ベース部材２１の表面に２次元状に配列された複数のコンタクト電極２４などを備える。ベース部材２１は、電気絶縁材料で被覆されている。コンタクト電極２１は、先端部を除いて電気絶縁材料で被覆されている。半導体製造装置は、上記電気めっき用コンタクト治具２０と、半導体基板を保持する保持ステージ７と、保持ステージ７とコンタクト治具２０との相対位置を変化させるステージ移動機構８などを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気めっきを施すためのコンタクト治具に関する。また本発明は、該コンタクト治具を用いて半導体ウエハに電気めっきを施すための半導体製造装置および半導体装置の製造方法に関する。

電力変換等に用いられるパワートランジスタなどの半導体チップでは、電流を流すための金属電極が半導体基板の裏面および表面の一方または両方に形成されている。これらの金属電極は、Ａｌ，Ｃｕ，Ａｕ等の金属材料からなるワイヤまたは板材を用いて超音波接合、はんだ付け等によって外部回路の端子と接続される。こうした接続工程の際、半導体基板へのダメージを低減するため、金属電極の厚膜化が求められている。

金属電極を厚膜化する場合、スパッタ法、真空蒸着法などは成膜レートが遅く、装置自体も高価であることから、より成膜レートが早く、コストも安価であるめっき法が一般的に使用されている。

例えば、特許文献１では、フォトレジストの代わりに反復使用可能なゴム製マスクを使用してパターニングを行い、パターニングされた各被めっき金属電極の近傍に、絶縁被膜された配線の端部を接触させてめっきすることにより、金属電極を形成している。

また、特許文献２では、被めっき金属電極に複数の給電電極を接触させて、各給電電極に流れる電流値を個別に制御することにより、金属電極を形成している。

特開平０７−０２２４２５号公報 特開平０２−１０１１８９号公報 特開２０１０−０１３６８０号公報 特開平０７−３２１１１号公報 特開２００２−０６９６９８号公報 特開２００１−３２３３９７号公報 特開２００２−３３２５９８号公報 特開２０００−０１７４９７号公報

特許文献１、２のように、パターニングされた被めっき金属電極それぞれに合わせて電極ピンを配置して電気めっきする場合、パターニングの種類に応じて電極ピンの配置を変更する必要が生じる。そのため少量多品種生産の場合、変更の手続きが煩雑となる。

また、あらかじめ電極ピンをパターニングに合わせて配置した治具を用いると、半導体チップの品種ごとに治具を用意する必要があり、その結果、コストの増大を招くことになる。

さらに、電極ピンが当接している箇所にはめっき液が接触しないことから、被めっき金属電極中にめっきによる金属電極の形成ができない箇所が生じてしまう。

また、半導体基板全面にシード電極を形成し、フォトレジスト等の絶縁膜をパターニングした後、電気めっきによりシード電極を通して被めっき金属電極上に金属電極を形成し、不要なシード電極を除去する場合、シード電極のパターニングの工程が新たに必要となるため製造コストが増加してしまう。

本発明の目的は、被めっき金属電極が種々のパターン形状を有する場合でも、同一の治具を用いて電気めっきを実施できる電気めっき用コンタクト治具を提供することである。

また本発明の目的は、該電気めっき用コンタクト治具を用いて半導体基板に電気めっきを施すための半導体製造装置および半導体装置の製造方法を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明に係る電気めっき用コンタクト治具は、導電性材料からなる平板状のベース部材と、
該ベース部材の表面に２次元状に配列された複数のコンタクト電極とを備え、
前記ベース部材は、電気絶縁材料で被覆されており、
前記コンタクト電極は、先端部を除いて電気絶縁材料で被覆されていることを特徴とする。

また本発明は、半導体基板に電気めっきを施す半導体製造装置であって、
上記の電気めっき用コンタクト治具と、
半導体基板を保持する保持機構と、
前記保持機構と前記電気めっき用コンタクト治具との相対位置を変化させる移動機構とを備えることを特徴とする。

また本発明に係る半導体装置の製造方法は、めっき下地となる金属パターンが区分的に形成された半導体基板を用意する工程と、
前記半導体基板を、上記の電気めっき用コンタクト治具と接触させた状態でめっき液に浸漬する工程と、
前記電気めっき用コンタクト治具と対向電極との間に電流を流して、前記金属パターンに金属めっきを施す電気めっき工程と、
前記電気めっき工程の途中で、前記半導体基板と前記電気めっき用コンタクト治具との相対位置を変化させる工程と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、ベース部材の表面に複数のコンタクト電極を２次元状に配列させることによって、被めっき金属電極が種々のパターン形状を有する場合でも、個々の被めっき金属電極とコンタクト電極との電気接触を確保できる。その結果、半導体チップの品種が変更された場合でも、同一の治具を用いて電気めっきを実施できる。
また、電気めっき工程の途中で、半導体基板と電気めっき用コンタクト治具との相対位置を変化させることによって、コンタクト電極との接触に起因しためっき量の変動を抑制できる。

本発明の実施の形態１の構成を示す断面図である。 半導体製造装置を陽極側から見たときの平面図である。 半導体基板に被めっき金属電極のパターンを形成する工程を示す断面図である。 図１に示した半導体製造装置を用いてめっき処理を行う工程を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態３の構成を示す断面図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１の構成を示す断面図であり、電気めっき開始直後を示している。浴槽１内にはめっき液２が満たされ、陽極３がめっき液２の下方に位置するように浴槽１に対して固定される。めっき液２および陽極３は、電気めっきを施す金属電極の種類により、任意に選択可能である。例えば、電気めっきにより金属電極として銅を形成する場合、めっき液２として硫酸銅、シアン化銅、ピロリン酸銅などの溶液が用いられる。この溶液中には、光沢性、硬度、レベリング性を変化させるために様々な添加材が添加され、さらにｐＨ、温度および抵抗率が調整されている。また、陽極３には、含リン銅、電気銅、高酸素高純度銅などの金属が用いられ、めっき液２に対して最適な銅を選択することが望ましい。

なお、上記では銅めっきについて説明したが、ニッケルめっき、クロムめっきなど他の電気めっきについても、従来から知られている溶液および陽極材料が使用可能であり、この場合でも本発明は適用できる。

コンタクト治具２０は、導電性材料からなる平板状のベース部材２１と、ベース部材２１の表面に２次元状に配列され、該表面の法線方向と略平行にめっき対象物に向けて突出した棒状の複数のコンタクト電極２４などを備え、浴槽１に対して固定される。ベース部材２１は、めっき材が析出しないように電気絶縁材料で被覆されている。コンタクト電極２４も同様に、先端部を除いて電気絶縁材料で被覆されており、この先端部は、めっき対象物との電気接触を確保するための電気供給陰極２６として機能する。

ベース部材２１は、陽極３に対して平行に配置されており、さらにめっき液２の流通を促進するために複数の貫通穴２５が形成されている。

コンタクト治具２０は、電気供給陰極２６がめっき対象物に接触したとき、めっき対象物の凹凸形状に追従する追従機構を備えることが好ましい。本実施形態では、こうした追従機構として、コンタクト電極２４は、コイルバネなどの弾性部材を用いてベース部材２１の法線方向に沿って伸縮自在に構成されている。

また、コンタクト電極２４は、ベース部材２１に対して着脱自在に装着されていることが好ましく、これによりメンテナンス性が向上する。例えば、１本のコンタクト電極２４に不具合があった場合においても、不具合箇所を取り換えることで性能を維持することができる。こうした着脱自在機構として、ねじ止め、嵌合などが利用できる。

ベース部材２１、コンタクト電極２４および電気供給陰極２６は、同じ電位に維持されており、外部の電源ＰＳを通して陽極３と接続されている。

次に、半導体基板１１に電気めっきを施すための半導体製造装置について説明する。半導体製造装置は、上述したようなコンタクト治具２０と、半導体基板１１を保持する保持ステージ７と、保持ステージ７とコンタクト治具２０との相対位置を変化させるステージ移動機構８などを備える。

半導体基板１１の表面には、電気めっきの下地となる多数の被めっき金属電極１２が区分的に配列されており、その周囲には各被めっき金属電極１２を電気的に分離するための絶縁膜１３が設けられる。

保持ステージ７は、半導体基板１１の裏面と密着可能な平坦面を有する円板部材と、円板部材の中心軸に沿って延びる軸部材とを備える。円板部材には、半導体基板１１を保持するために、真空吸着機構、静電チャック機構、外周クランプ機構などが搭載される。

ステージ移動機構８は、例えば、保持ステージ７の軸部材が装着されたロボットアームなどで構成され、保持ステージ７をめっき液２の液面に対して水平なＸ方向およびＹ方向ならびに垂直なＺ方向に移動し、さらにＺ方向の周りに回転させる機能を有する。

ステージ移動機構８、電源ＰＳは、外部のコンピュータ（不図示）と接続されており、電気めっき処理が制御される。

図２は、上述した半導体製造装置を陽極側から見たときの平面図である。コンタクト治具２０のベース部材２１には、多数の貫通穴２５が形成されている。貫通穴２５の形状は、ここではハニカム構造を形成する六角形を例示したが、その他に三角形、四角形などの多角形、円形などでも構わない。図１に示したコンタクト電極２４は、例えば、六角形の頂点に配置される。

コンタクト電極２４は、任意の密度および分布パターンで配置できるが、半導体基板１１には、被めっき金属電極１２が区分的に配列されている。そのためコンタクト治具２０が半導体基板１１に当接した場合、各被めっき金属電極１２には少なくとも１つのコンタクト電極２４、好ましくは２つ以上のコンタクト電極２４が電気接触するような配置が望ましい。また、電気めっき工程の途中で半導体基板１１の位置を移動したり回転させることも好ましく、これにより電気めっき量の変動を抑制できる。このため電気めっきの対象となる全ての半導体素子の品種について事前にシミュレーション等を行って、コンタクト電極２４の配置およびステージ移動機構８の移動パターンを決定することが好ましい。

このように本発明に係るコンタクト治具２０を使用した場合、被めっき金属電極１２のパターンが様々に異なる各製品に対して個別に専用治具を用意する必要がない。さらに、めっき液２の撹拌条件、コンタクト治具２０の電流分布なども考慮に入れて、コンタクト電極２４の配置を決定することによって、めっき膜厚分布の平準化が図られる。

図３は、半導体基板１１に被めっき金属電極１２のパターンを形成する工程を示す断面図である。まず、図３（ａ）に示すように、予め内部にＰＮ接合等が作り込まれた半導体基板１１を用意し、この表面全体に被めっき金属電極１２を形成する。半導体基板１１は、例えば、シリコン、シリコンカーバイド、ガリウムナイトライド等で形成される。また、被めっき金属電極１２は、アルミニウム、チタン、銅、ニッケル、パラジウム等の金属もしくはこれらの合金、またはこれらの積層膜で形成され、スパッタ法、真空蒸着法、ＣＶＤ法等を用いて形成される。続いて、被めっき金属電極１２のパターニングを行うため、フォトレジスト１４ａの塗布、露光および現像を行って、フォトレジスト１４ａのパターンを形成する。

次に、図３（ｂ）に示すように、ドライエッチング法またはウェットエッチング法を用いて被めっき金属電極１２のパターニングを行う。このとき、各被めっき金属電極１２は電気的に分断される。その後、フォトレジスト１４ａを除去する。なお、ここではフォトレジストマスクを用いて被めっき金属電極１２のパターニングを行う方法を説明したが、フォトレジストの代替として、所望の金属を含有したペーストまたはインクを、例えばインクジェット法、オフセット印刷法、スクリーン印刷法などを用いて塗布することによってパターニングを行ってもよい。このような方法はフォトレジストマスクを用いた方法よりも一般的に低コストでパターニングをすることができる。また、もちろんこれらの方法を組み合わせても問題ない。

次に、図３（ｃ）に示すように、半導体基板１１および被めっき金属電極１２を覆うように、絶縁膜１３をＣＶＤ法または溶液の塗布・加熱等で形成する。絶縁膜１３として、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、ポリイミド等が一般的に用いられる。

次に、図３（ｄ）に示すように、既存の技術を用いて、フォトレジスト１４ｂの塗布、露光および現像を行って、被めっき金属電極１２が存在しない領域にある絶縁膜１３を覆うようにフォトレジスト１４ｂのパターンを形成する。

次に、図３（ｅ）に示すように、ドライエッチング法またはウェットエッチング法を用いて絶縁膜１３のパターニングを行う。その後、フォトレジスト１４ｂを除去する。

その後、半導体基板１１の裏面を研削する薄仕上げ工程、半導体基板１１の裏面に金属電極を形成する工程などを行ってもよい。なお、これらの工程は、本発明に係る電気めっき処理を実施した後に行うことも可能である。

図４は、図１に示した半導体製造装置を用いてめっき処理を行う工程を示すフローチャートである。電気めっき処理を行う前に、脱脂洗浄、クリーニングを行って、被めっき金属電極１２の表面を清浄化する工程を行ってもよい。また、被めっき金属電極１２に直接良好に電気めっき処理できない材質で被めっき金属電極１２の表面が構成されている場合は、ジンケート処理、無電解めっき処理、ストライクめっき処理等を行い、良好に電気めっき処理ができるように被めっき金属電極１２に表面処理を施す工程を行ってもよい。

まず、図３に示したように、めっき下地となる被めっき金属電極１２が区分的に形成された半導体基板１１を用意し、続いて浴槽１から退避している保持ステージ７にセットする（ステップＳ１）。

次に、ステージ移動機構８を動作させて、保持ステージ７を浴槽１内に移動してめっき液２に浸漬するとともに、被めっき金属電極１２をコンタクト電極２４の電気供給陰極２６と接触させる（ステップＳ２）。このとき、絶縁膜１３と接触したコンタクト電極２４は、被めっき金属電極１２の厚さと絶縁膜１３との厚さの差に応じて縮むことができるため、電気供給陰極２６によって被めっき金属電極１２および絶縁膜１３に印加されるストレスを低減でき、半導体基板１１に加わるダメージを抑制できる。

次に、電源ＰＳによる通電を開始して、陽極３に正の電位を、電気供給陰極２６に負の電位をそれぞれ印加し、被めっき金属電極１２に定電流を流して一定時間の電気めっき処理を行い（ステップＳ３）、その後、電流を遮断する（ステップＳ４）。このとき電気めっき処理時間は、必要な金属電極膜厚に達する処理時間の数分の１から数百分の１に設定すること、即ち、電流の通電・遮断のサイクルを数回から数百回に分けて行うことが好ましい。

次に、電気めっき処理時間の累計時間が必要な金属電極膜厚に達する処理時間に到達したかを判定する（ステップＳ５）。処理時間に到達していない場合、ステージ移動機構８を動作させて保持ステージ７を回転したり、上下左右に移動することによって、一旦、被めっき金属電極１２から電気供給陰極２６を離して両者の相対位置を変化させて、過去に電気供給陰極２６を接触させた以外の箇所に電気供給陰極２６を接触させる（ステップＳ６）。続いて、ステップＳ２〜Ｓ５を繰り返す。

一方、ステップＳ５において必要な処理時間に到達した場合、ステージ移動機構８を動作させて、保持ステージ７を浴槽１から取り出して、水洗、乾燥を行った後（ステップＳ７）、半導体基板１１を保持ステージ７から取り外す（ステップＳ８）。取り外した半導体基板１１は、適宜熱処理等を行い、膜中の水分を除去する。

こうした構成を持つ半導体製造装置を用いて電気めっき処理を行えば、電気めっき処理の途中に、電気供給電極２６が被めっき金属電極１２と接触する箇所を何度も変えることができる。また、分断された被めっき金属電極１２のパターンの各々に対して複数の電気供給電極６が接触するようにできる。

このように分断された被めっき金属電極１２のパターンに対して電気供給電極６を移動させながら電気めっき処理をすることにより、電気供給電極６の接触によって充分なめっき量が析出しなかった箇所にも、めっき処理を施すことができる。このとき、電気供給電極６が接触した箇所では電気めっき処理時間が少なくなっているが、電気供給電極６の断面積が被めっき金属電極１２に対して十分小さく、電気めっき処理ルーチンが短い場合、電気供給電極６が接触した箇所の金属電極膜厚はばらつき誤差の範囲に収まる程度となる。

また、分断された各被めっき金属電極１２のパターンに接触する電気供給電極６の個数が異なり、電流値に差異が現れることが予想されるが、接触する電気供給電極６の数が電気めっき処理ルーチン（ステップＳ３）ごとに変わっていくため、パターンごとの総電流値は均一化される。また、めっき液２の導電率を最適化することでも、均一化が促進できる。

また、被めっき金属電極１２のパターンに合わせた専用治具を用意する必要がなく、被めっき金属電極１２のパターンが異なる製品群に対して、同一のコンタクト治具２０を用いて電気めっき処理が可能になる。従って、治具作成コストの低減が可能となり、専用治具の管理の手間を省くことができる。

さらに、分断された被めっき金属電極１２のパターンそれぞれに電気供給電極６を通して電気を供給できることから、電気供給のためのシード層の形成およびパターニングを省略できるため、製造コストを低減できる。

なお、本実施形態では、陽極３および保持ステージ７を水平に配置した場合について説明したが、陽極３および保持ステージ７を垂直に配置した場合も本発明は適用できる。

実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２の構成を示す断面図であり、電気めっき開始直後を示している。本実施形態に係るコンタクト治具２０は、実施の形態１のものと同様な構成を有するが、追従機構として、コンタクト電極２４が板バネなどの弾性部材を用いて横方向に屈曲自在に構成されている点で相違する。

ステージ移動機構８を動作させて、電気供給電極２６が被めっき金属電極１２と接触する際、コンタクト電極２４が棒状または板状である場合、横方向に屈曲することが可能になる。このため、電気供給電極２６と被めっき金属電極１２の間の位置合わせを精密に行わなくても、安定した接触強度を確保することが可能となる。また、絶縁膜１３に過大なストレスが加わることがなくなり、絶縁膜１３の破損による不良を低減できる。

この構成によれば、電気供給陰極２６にめっき金属電極が付着し、伸縮機能が損なわれた場合においても、半導体基板１１の凹凸形状に応じて電気供給陰極２６との電気接触を確保できる。また、過大なストレスに起因して半導体基板１１が破損する確率を低減できる。

実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３の構成を示す断面図であり、電気めっき開始直後を示している。本実施形態に係るコンタクト治具２０は、実施の形態１のものと同様な構成を有するが、追従機構として、ベース部材２１が板バネなどの弾性部材を用いて垂直方向に屈曲自在に構成されている点で相違する。

ステージ移動機構８を動作させて、電気供給電極２６が被めっき金属電極１２と接触する際、ベース部材２１が板状である場合、垂直方向に屈曲することが可能になる。このため、電気供給電極２６と被めっき金属電極１２の間の位置合わせを精密に行わなくても、安定した接触強度を確保することが可能となる。また、絶縁膜１３に過大なストレスが加わることがなくなり、絶縁膜１３の破損による不良を低減できる。

この構成によれば、電気供給陰極２６にめっき金属電極が付着し、伸縮機能が損なわれた場合においても、半導体基板１１の凹凸形状に応じて電気供給陰極２６との電気接触を確保できる。また、過大なストレスに起因して半導体基板１１が破損する確率を低減できる。

１ 浴槽、 ２ めっき液、 ３ 陽極、 ７ 保持ステージ、
８ ステージ移動機構、 １１ 半導体基板、 １２ 被めっき金属電極、
１３ 絶縁膜、 １４ａ，１４ｂ フォトレジスト、
２０ コンタクト治具、 ２１ ベース部材、 ２４ コンタクト電極、
２５ 貫通穴、 ２６ 電気供給陰極。

Claims (8)

1. 導電性材料からなる平板状のベース部材と、
   該ベース部材の表面に２次元状に配列された複数のコンタクト電極とを備え、
   前記ベース部材は、電気絶縁材料で被覆されており、
   前記コンタクト電極は、先端部を除いて電気絶縁材料で被覆されていることを特徴とする電気めっき用コンタクト治具。
2. 前記ベース部材には、複数の貫通穴が形成されていることを特徴とする請求項１記載の電気めっき用コンタクト治具。
3. 前記コンタクト電極の先端部がめっき対象物に接触したとき、めっき対象物の凹凸形状に追従する追従機構をさらに備えることを特徴とする請求項１または２記載の電気めっき用コンタクト治具。
4. 前記追従機構として、前記コンタクト電極は、弾性部材を用いて前記ベース部材の法線方向に沿って伸縮自在に構成されていることを特徴とする請求項３記載の電気めっき用コンタクト治具。
5. 前記追従機構として、前記コンタクト電極は、弾性部材を用いて屈曲自在に構成されていることを特徴とする請求項３記載の電気めっき用コンタクト治具。
6. 前記追従機構として、前記ベース部材は、弾性部材を用いて屈曲自在に構成されていることを特徴とする請求項３記載の電気めっき用コンタクト治具。
7. 半導体基板に電気めっきを施す半導体製造装置であって、
   請求項１〜６のいずれかに記載の電気めっき用コンタクト治具と、
   半導体基板を保持する保持機構と、
   前記保持機構と前記電気めっき用コンタクト治具との相対位置を変化させる移動機構とを備えることを特徴とする半導体製造装置。
8. めっき下地となる金属パターンが区分的に形成された半導体基板を用意する工程と、
   前記半導体基板を、請求項１〜６のいずれかに記載の電気めっき用コンタクト治具と接触させた状態でめっき液に浸漬する工程と、
   前記電気めっき用コンタクト治具と対向電極との間に電流を流して、前記金属パターンに金属めっきを施す電気めっき工程と、
   前記電気めっき工程の途中で、前記半導体基板と前記電気めっき用コンタクト治具との相対位置を変化させる工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。

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