KR100755661B1 - 도금 처리 장치 및 이를 이용한 도금 처리 방법 - Google Patents
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Abstract
도금 처리 공정에서 사용되는 도금 처리 장치가 제공된다. 도금 처리 장치는 도금액이 공급되며 도금액 입구 및 도금액 출구가 형성되어 있는 도금조, 도금조 내에 설치되어 있는 애노드, 애노드와 소정 간격 이격되어 대향하며 피도금물이 설치되는 캐소드 및 애노드와 캐소드 사이에 설치되는 플로팅 전극을 포함한다.
도금 처리 장치, 플로팅 전극, 애노드, 캐소드, 피도금물, 도금층
Description
도 1은 종래의 도금 처리 장치의 개략적인 단면도이다.
도 2는 도 1의 도금 처리 장치를 사용하여 도금 처리된 피도금물의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 도금 처리 장치의 개략적인 단면도이다.
도 4는 자화 물질에 의한 자기장의 변화를 나타내는 개념도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 도금 처리 장치에서 플로팅 전극에 의한 전기장의 변화를 나타내는 개념도이다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 도금 처리 장치에 포함되는 플로팅 전극의 평면도이다.
도 6b는 도 6a의 B - B’선을 따라 절단한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 도금 처리 장치의 변형례에 대한 개략적인 단면도이다.
도 8a는 본 발명의 일 실시예에 따른 도금 처리 장치에 포함되는 플로팅 전극의 변형례에 대한 평면도이다.
도 8b는 도 8a의 B - B’선을 따라 절단한 단면도이다.
도 9a는 본 발명의 일 실시예에 따른 도금 처리 장치에 포함되는 플로팅 전극의 다른 변형례에 대한 저면 사시도이다.
도 9b는 도 9a의 플로팅 전극을 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 도금 처리 장치의 개략적인 단면도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 도금 처리 장치의 개략적인 단면도이다.
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<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100, 101: 도금 처리 장치 110: 도금조
120: 도금액 입구 130: 애노드
140: 피연마물 150: 캐소드
160: 도금액 출구 170: 플로팅 전극
180: 홀 190: 절연막
195: 절연 물질 200: 필터
300: 도금층
본 발명은 도금 처리 장치 및 이를 이용한 도금 처리 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 피도금물의 표면에 금속층을 형성하는 도금 처리 장치 및 이를 이용한 도금 처리 방법에 관한 것이다.
반도체 제조 공정에서 기존의 알루미늄 배선 물질보다 낮은 전기 저항 및 보다 좋은 전자 이주(electro-migration) 특성을 갖는 구리를 이용한 금속 배선 기술이 도입되고 있다.
구리는 알루미늄에 비해 전기 전도도 및 신호 특성이 좋고 생산 비용이 낮으며 전해 도금이 우수하다. 그러나 알루미늄과는 달리 건식 식각에 어려움이 따르므로 다마신 공정이라는 새로운 형태의 패턴 형성 방법을 사용한다. 다마신 공정이라 함은 절연막 내부로 배선 라인 트렌치 및 비어(via) 등을 먼저 식각한 후, 배선 물질인 구리를 채우는 방식이다. 구리층은 전세정 단계, 확산 방지막 형성 단계, 구리 씨드층(seed layer) 형성 단계 및 구리 도금 단계를 거쳐 형성된다.
여기서 구리 도금 단계는 구리가 반도체 기판과 같은 피도금물 상에 도금액이 도금되는 단계로 통상 도금 처리 장치가 사용된다.
도 1은 종래의 도금 처리 장치의 개략적인 단면도를 나타낸다.
도 1에 도시된 바와 같이 도금 처리 장치(10)는 도금조(11), 도금액을 외부로부터 도금조(11) 내로 공급하는 통로인 도금액 입구(12), 도금조(11) 내에 설치되는 애노드(anode, 13), 애노드(13)와 소정 간격 이격되어 대향하며 피도금물(14)이 설치되는 캐소드(cathode, 15), 오버플로우(overflow)된 도금액을 도금조(11) 외부로 배출하는 도금액 출구(16)를 포함한다.
도금액을 도금액 입구(12)를 통하여 예를 들어 분수 장치 등을 사용하여 도금조(11)에 공급하면 도금액은 캐소드(15) 방향으로 진행하면서 애노드(13)와 캐소드(15) 사이에 형성된 전기장의 영향을 받게 된다. 캐소드(15)의 애노드(13)와 대향하는 면에는 피도금물(14)이 장착되어 있어 애노드(13)에 의해 진행한 도금액 중의 도금 이온이 피도금물(14)에 증착한다. 이때 피도금물(14)에 증착되지 않은 도금액은 도금액 출구(16)를 통해 외부로 배출되고 소정의 세정 과정을 거쳐 도금조(11)로 재공급된다.
그러나, 이러한 종래 기술에 의한 도금 처리 장치(10)의 경우 도 2에 도시된 바와 같이 도금액의 도금 이온이 피도금물(14)의 표면에 균일한 두께의 도금층(30)이 형성되지 못하고 일부분, 특히 피도금물(14) 중심부보다 주변부에 더 두껍게 증착된다. 또한 다마신 공정을 이용하여 구리 배선을 형성하기 위해서는 도금 작업 후 화학 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing; CMP) 공정을 수행하는 경우가 많은데, 화학 기계적 연마에 있어 연마 속도는 통상적으로 반도체 기판의 중심부가 가장자리부보다 더 빠르다. 따라서 주변부가 더 두껍게 도금된 반도체 기판에 대해 화학 기계적 연마를 수행할 경우 도금층(30) 두께의 불균일성이 심화된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 피도금물에 균일한 두께의 도금층을 형성시킬 수 있는 도금 처리 장치를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 피도금물에 균일한 두께의 도 금층을 형성시킬 수 있는 도금 처리 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 도금 처리 장치는 도금액이 공급되는 도금조, 도금조 내에 설치되어 있는 애노드, 애노드와 소정 간격 이격되어 대향하며 피도금물이 설치되는 캐소드 및 애노드와 캐소드 사이에 설치되는 플로팅 전극을 포함하는 도금 처리 장치를 포함한다.
상기 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 도금 처리 방법은 본 발명의 실시예들에 따른 도금 처리 장치를 사용하여 피도금물을 도금하는 방법을 포함한다.
기타 실시예의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 첨부 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전 체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 도금 처리 장치를 설명한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 도금 처리 장치의 단면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 도금 처리 장치(100)는 도금조(110), 도금액 입구(120), 애노드(130), 피도금물(140)이 설치되는 캐소드(150), 도금액 출구(160) 애노드(130)와 캐소드(150) 사이에 설치되는 플로팅 전극(170)을 포함한다.
도금조(110)는 도금액으로 채워지고 도금 작업이 수행되는 곳으로서 그 내부에 애노드(130), 캐소드(150) 및 플로팅 전극(170)을 포함한다.
도금조(110)에는 도금액 입구(120)와 도금액 출구(160)가 형성되어 있어 도금액 입구(120)를 통해 도금액이 공급되고 도금액 출구(160)를 통해 도금액이 배출될 수 있다.
애노드(130)는 캐소드(150)와 함께 도금조(110) 내에 전기장을 형성하는 역할을 한다. 애노드(130)는 도금조(110) 내부에 설치되는데, 예를 들어 도금액 입구(120)와 인접한 구역에 설치될 수 있다. 예를 들어 도금액 입구(120)가 도금조(110)의 바닥부에 위치하는 분수형(fountain type) 도금 처리 장치(100)에서는 애노드(130)가 도금조(110)의 아래쪽에 설치될 수 있다.
애노드(130)의 재료로 사용되는 물질은 도금 작업시 도금액을 오염시키지 않는 어떠한 물질도 가능하다. 예를 들어 불용성 물질일 수도 있고 가용성 물질일 수도 있다. 불용성 물질의 경우 애노드(130) 반응 전압이 상승하여 유기 첨가제의 분해 반응이 증가되고, 분해 반응 후의 부산물에 의해 도금액이 오염될 수 있으므로 반응 전압을 제어하거나, 분해 반응이 도금액에 영향을 주지 않도록 제어할 수 있는 장치와 더불어 사용할 수 있다. 가용성 물질로는 애노드(130) 성분이 도금액에 용해되어 도금액을 오염시킬 수 있기 때문에 이러한 문제를 발생시키지 않는 도금액에 함유된 도금 물질과 동일한 물질을 사용할 수 있다. 또한 애노드(130) 성분이 도금액에 용해되면 애노드(130) 표면이 불균일하게 되어 각 지점에서 피도금물(140)까지의 거리가 다르게 될 수 있다. 이러한 거리의 차이에 의해 피도금물(140) 인접 지역의 각 지점에서의 전하 밀도의 차이가 발생할 수 있다. 따라서 가용성 물질의 애노드(130)를 사용하는 경우 캐소드(150)와 소정 거리 이격시킴으로써 거리의 차이에 의한 전하 밀도의 차이를 최소화할 수 있도록 조절할 수 있다.
캐소드(150)는 도금조(110) 내에서 애노드(130)와 소정 간격 이격되어 대향하도록 설치된다. 예를 들어 애노드(130)가 도금조(110)의 아래쪽에 형성되어 있을 경우 캐소드(150)는 그에 대향하여 도금조(110)의 위쪽에 설치될 수 있다.
애노드(130)와 대향하는 캐소드(150)의 일면에는 피도금물(140)이 설치될 수 있다. 이 때 피도금물(140)이 캐소드(150)와 전기적으로 연결되도록 설치될 수 있다. 예를 들어 캐소드(150)가 외부 전원과 연결된 지그(jig) 형태로 설치되어 있는 경우 피도금물(140)의 주변부를 지그에 걸쳐 피도금물(140)과 캐소드(150)를 전기적으로 연결할 수 있다.
플로팅 전극(170)은 도금조(110) 내에서 애노드(130)와 캐소드(150) 사이에 삽입되어 애노드(130)와 캐소드(150)에 의해 형성되는 전기장을 변형시킴으로써 피도금물(140)에 도금 이온이 균일하게 증착할 수 있게 하는 역할을 한다.
도금조(110)에서의 전기장을 변화시키는 플로팅 전극(170)의 역할에 대한 이해를 돕기 위해 도 4, 도 5a 및 도 5b를 참조하여 플로팅 전극(170)에 의한 도금조(110) 내 전기장의 변화를 설명한다.
먼저 전기장과 유사한 현상을 나타내는 자화물질에 의한 자기장의 변화를 설명한다. 도 4의 (a)에서 도시한 바와 같이 N극과 S극을 서로 대향하도록 배치하면 S극으로부터 N극 방향으로 자기장이 형성된다. 이때 S극의 중심부에서 출발한 자기력선은 N극 방향으로 수직하게 진행하여 N극에 이르지만, S극의 주변부에서는 수직방향으로 진행하지 않고 외곽으로 우회하여 N극의 주변부에 도달하는 자기력선이 추가로 형성된다. 따라서 N극의 주변부에서는 수직방향으로 진행한 자기력선과 외곽으로 우회하여 들어오는 자기력선에 의해 자속 밀도가 높아지게 된다.
그런데 도 4의 (b)에서 도시한 바와 같이 N극과 S극의 거리가 짧아지면 S극의 주변부에서 출발하여 외곽으로 우회하는 자기력선 곡선의 곡률이 완만해진다. 따라서 주변부에서 우회할 수 있는 자기력선의 숫자가 줄어들어 N극의 주변부에서의 자속 밀도가 도 4의 (a)에서보다 상대적으로 작아지게 된다.
도 4의 (c)에서 도시한 바와 같이 N극과 S극 사이에 자화 물질(20)을 삽입하면 S극과 대향하는 자화 물질(20)의 일면은 N극으로서 작용하여 S극으로부터 출발한 자기력선을 수용하고, N극과 대향하는 자화 물질(20)의 일면은 S극으로서 작용하여 자기력선을 방출한다. 이때 자화 물질(20)로부터 방출되는 자기력선의 진행 경로는 S극으로부터 수용되는 자기력선의 경로와는 상관없이 자화 물질(20)과 N극과의 거리에 의해 결정된다. 따라서 자화 물질(20)과 N극 사이에 형성되는 자기장 은 도 4의 (b)에서와 같이 N극과 S극의 거리가 짧아진 경우와 마찬가지가 되어 결국 N극 주변부에 인접한 지역에서의 자속 밀도가 도 4의 (a)의 경우에 비해 상대적으로 작아지게 된다.
도 4의 (d)는 자화 물질(20)이 N극에 더욱 접근하였을 때의 자기력선의 경로를 보여준다. 자화 물질(20)이 N극에 더욱 접근함에 따라 자화 물질(20)의 주변부에서 방출하는 자기력선은 거의 수직 방향에 가깝게 되고 외곽으로 우회하는 자기력선의 숫자는 더욱 줄어든다. 따라서 N극 주변부에 인접한 지역에서의 자속 밀도는 N극 중심부의 자속 밀도와 동일 또는 거의 유사하게 된다.
플로팅 전극(170)의 삽입에 의한 전기장의 변화도 자화 물질(20)에 의한 자기장의 변화와 유사하게 이해할 수 있다. 도 5a 및 도 5b는 도금조(110) 내에 플로팅 전극(170)을 삽입하였을 때의 전기장의 변화를 나타낸다.
먼저 도 1을 참조하여 종래의 도금 처리 장치(10)에서 애노드(13)와 캐소드(15)가 대향하는 공간의 전기장의 분포를 설명한다. 도 1에서 도금액에 포함되어 있는 도금 이온이 애노드(13)로부터 캐소드(15) 방향으로 이동하면서 전압 강하가 일어난다. 이때 애노드(13)의 주변부에서 출발하고 외곽으로 우회하여 캐소드(15)에 설치된 피도금물(14)에 도달하는 이온 경로가 추가로 형성되어 피도금물(14)의 주변부에 인접한 지역에서의 전하 밀도가 상승하게 된다. 따라서 추가된 이온 경로를 따라 이동한 도금 이온이 피도금물(14)의 주변부에 추가로 증착함으로써 피도금물(14)의 주변부가 중심부에 비해 두껍게 도금된다.
전압 강하와 관련하여, 상기한 바와 같은 피도금물의 도금 패턴을 설명하기 로 한다. 애노드(13)에서 캐소드(15) 방향의 전압 강하는 5 단계로 나누어볼 수 있다. 제 1 단계는 애노드(13)에서 애노드(13)에 포함된 물질, 예를 들어 구리가 도금액에 용해되는데 필요한 반응 과전압(activation overpotential) 단계이다. 제 2 단계는 해리된 이온, 예를 들어 구리 이온에 의한 농도 과전압(concentration overpotential) 단계이다. 제 3 단계는 애노드(13)와 캐소드(15)의 전기적 중성 상태를 유지하기 위한 용액 내의 양이온과 음이온의 이동에 의해 나타나는 전압 강하(iR drop; 단, 여기서 i는 전류 밀도를 나타내고, R은 이온 이동에 의한 저항을 나타냄) 단계이다. 또한 제 4 단계는 캐소드(15)에서의 농도 과전압 단계, 제 5 단계는 캐소드(15)에서 도금 이온이 캐소드(15)의 피도금물(14) 표면에 부착되는데 필요한 반응 과전압 단계이다.
그런데 캐소드(15)에 전기적으로 연결 설치된 피도금물(14)의 주변부에서는 애노드(13)로부터 외곽으로 우회하여 들어오는 이온 경로(ion path)가 추가로 형성되기 때문에 부분적으로 이온 이동에 의한 저항 R이 감소하게 된다. 따라서 부분적으로 양이온과 음이온의 이동에 의해 나타나는 전압 강하(iR drop)가 감소하기 때문에 피도금물(14)의 주변부에서의 반응 과전압이 상대적으로 상승한다. 여기서 피도금물(14)에서의 도금 이온의 증착량은 반응 과전압에 비례하므로 피도금물(14)의 주변부가 중심부에 비해 두껍게 도금된다.
도 5a는 애노드(130)와 캐소드(150) 사이에 플로팅 전극(170)을 삽입하였을 때의 전기장의 변화를 보여준다. 애노드(130)와 캐소드(150) 사이에 플로팅 전극(170)이 삽입되면 애노드(130)로부터 출발한 이온이 플로팅 전극(170)에 도달하는 이온 경로가 형성되는데, 이때 도체 내에서의 모든 전위차는 0V가 되어야 하므로 플로팅 전극(170)에 접촉한 부분의 용액에서의 전위가 모두 동일하게 된다. 즉, 애노드(130)로부터 시작되는 이온 경로의 분포와 상관없이 플로팅 전극(170) 및 이에 접촉한 부분의 용액에서의 전위가 동일하며, 플로팅 전극(170)은 캐소드(150)에 대해 다시 애노드로서 작용할 수 있다. 이때 플로팅 전극(170)으로부터 시작하는 이온 경로의 분포는 도 4b의 자기력선의 경우에서와 같이 애노드(130)로부터 수용되는 이온 경로 분포와는 상관없이 플로팅 전극(170)과 캐소드(150)와의 거리에 의해 결정된다. 따라서 플로팅 전극(170)과 캐소드(150)에 전기적으로 연결 설치된 피도금물(140) 사이에 형성되는 전기장은 애노드(130)와 캐소드(150)의 거리가 짧아진 경우와 마찬가지가 되어 피도금물(140) 주변부에 인접한 지역에서의 전하 밀도가 도 1의 경우에 비해 상대적으로 작아지게 된다. 바꾸어 말하면 추가 형성되는 이온 경로가 도 1의 경우에 비해 감소되어 추가된 이온 경로를 따라 이동하는 도금 이온 또한 감소하게 된다. 따라서 피도금물(140)의 주변부에서 도금 이온의 과도한 증착에 의해 발생하였던 도금층(300) 두께의 불균일성이 감소된다.
도 5b는 플로팅 전극(170)을 캐소드(150) 방향으로 더욱 접근시켰을 때의 전기장의 변화를 보여준다. 플로팅 전극(170)과 캐소드(150)에 전기적으로 연결 설치된 피도금물(140) 사이의 거리가 가까워짐에 따라 플로팅 전극(170)의 주변부로부터 외곽으로 우회하는 추가적인 이온 경로가 더욱 감소하게 되어 피도금물(140)의 중앙부에 인접한 지역과 주변부에 인접한 지역에서의 전하 밀도가 동일 또는 거의 유사하게 된다.
피도금물(140)에 인접한 지역의 전하 밀도를 균일하게 하기 위해 플로팅 전극(170)은 피도금물(140)과 실질적으로 평행하도록 설치할 수 있다. 예를 들어 플로팅 전극(170)이 평판일 경우 피도금물(140)에 평행하게 설치할 수 있고, 플로팅 전극(170)이 곡면을 갖는 입체일 경우 플로팅 전극(170)의 각 지점으로부터 피도금물(140)에 이르는 거리의 분산값이 최소가 되도록 실질적으로 평행하게 설치할 수 있다.
플로팅 전극(170)은 애노드(130)와 캐소드(150)에 전기적으로 연결 설치되어 있는 피도금물(140) 사이의 어느 위치에 설치되어도 무방하나 추가적인 이온 경로를 감소시키기 위해 예를 들어 플로팅 전극(170)으로부터 피도금물(140)까지의 거리가 캐소드(150)까지의 거리보다 작거나 동일하게 설치될 수 있다.
도 6a 및 6b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 도금 처리 장치에 포함되는 플로팅 전극의 평면도 및 단면도를 나타낸다. 도 6a 및 도 6b에 도시한 바와 같이 플로팅 전극(171)은 도금액이 이동할 수 있는 하나 이상의 홀(hole, 180)을 포함할 수 있다. 홀(180)의 모양은 예를 들어 원형 또는 다각형일 수 있으며 이에 제한되지 않는다. 홀(180)의 수 및 크기는 도금액 입구(120)로부터 공급된 도금액의 유속, 도금 이온의 이동 속도 및 첨가제의 조성 등 도금 공정의 가능한 변수를 고려하여 적절하게 조절할 수 있다. 각 홀(180)은 예를 들어 플로팅 전극(171)의 중앙부를 중심으로 대칭하도록 배치할 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 또한 플로팅 전극(171)이 동시에 디퓨저(diffuser)로서 작용할 수 있도록 홀(180)의 배치를 조절할 수 있다.
플로팅 전극(171)의 외주는 도금조(110)의 내면에 접할 수 있으며, 예를 들어 도 7에서 도시한 바와 같이 플로팅 전극(171)의 외주가 전부 도금조(110)의 내면에 접하게 되면 애노드(130)로부터 외곽으로 우회하는 추가적인 이온 경로를 차단할 수 있다. 이때 도금액 및 도금 이온의 이동이 제한될 수 있으므로 플로팅 전극(171)이 하나 이상의 홀(180)을 포함할 수 있다.
도 8a는 본 발명의 일 실시예에 따른 도금 처리 장치에 포함되는 플로팅 전극의 변형례에 대한 평면도이고, 도 8b는 도 8a의 B - B’선을 따라 절단한 단면도이다. 도 8a 및 도 8b에 도시한 바와 같이 플로팅 전극(172)의 표면은 부분적으로 또는 전체적으로 절연막(190)이 형성될 수 있다. 피도금물(140)에 대향하는 플로팅 전극(172)의 표면에 절연막(190)이 형성될 경우 절연막(190) 형성 부위에서는 전기장 및 이온 경로가 형성되지 않아 절연막(190)에 대응하는 피도금물(140) 표면에 인접한 지역의 이온 경로 및 전하 밀도가 감소할 수 있다. 따라서 전하 밀도가 높은 피도금물(140)의 표면의 인접부, 예를 들어 외곽으로 우회하는 추가적인 이온 경로에 의해 전하 밀도가 증가하는 피도금물(140)의 주변부에 인접한 지역에 대응하여 플로팅 전극(172)의 주변부에 절연막(190)을 형성하면 절연막(190)에 의해 감소된 전하 밀도와 추가적인 이온 경로에 의해 증가된 전하 밀도가 상쇄될 수 있으며 이를 위해 절연막(190)의 두께, 폭 및 넓이를 적절히 조절할 수 있다. 또한 실험적으로 피도금물(140) 인접 부분의 전하 밀도가 높은 부분을 검사하여 그에 대응하는 부분에 선택적으로 절연막(190)을 형성함으로써 피도금물(140) 표면에 인접한 지역의 전하 밀도를 보다 균일하게 조절할 수 있다.
절연막(190)은 플로팅 전극(172)의 전기적 통전성을 억제하거나 감소시킬 수 있는 어떠한 물질로도 형성할 수 있다. 예를 들어 플라스틱과 같은 폴리머를 플로팅 전극(172)의 표면에 도포하는 방법으로 형성할 수 있으며, 인위적으로 형성시킨 산화막 또는 플로팅 전극(172)의 자연 산화막을 사용할 수 있다.
이상 본 발명에서 언급한 플로팅 전극는 원형 또는 다각형의 플레이트일 수 있고, 균일한 전기장의 형성을 위해 플로팅 전극의 중심부를 기준으로 대칭형일 수 있으며, 이에 제한되지 않는다. 또한 도 9a 및 도 9b에 도시한 바와 같이 도금물의 주변부에 인접한 지역에 증가되는 전하 밀도를 상쇄하기 위해 플로팅 전극(173)의 주변부보다 중심부에서의 상기 피도금물(140)까지의 거리가 더 가까운 형상을 갖도록 할 수 있다. 즉, 플로팅 전극(173)으로부터 피도금물(140)까지의 거리가 멀게 되면 이온의 이동에 의한 전압 강하가 증가하기 때문에 상대적으로 피도금물(140) 표면에 인접한 지역에서의 전하 밀도가 감소할 수 있다. 따라서 이를 추가적인 이온 경로에 의해 증가된 전하 밀도와 적절히 조절함으로써 전하 밀도의 불균일성을 감소시킬 수 있다. 예를 들어 플로팅 전극(173)은 도 9a 및 도 9b에 도시한 바와 같이 속이 빈 원뿔형일 수 있으며 다른 변형된 형상일 수 있다.
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본 발명에서 언급된 플로팅 전극은 통전성을 갖는 도전성 물질을 포함한다. 플로팅 전극의 재질, 특히 표면의 재질은 도금액 내의 도금 이온과 동일한 물질이거나 도금 이온에 의해 플로팅 전극이 치환도금되지 않도록 플로팅 전극의 환원 전위가 도금액 내의 도금 이온의 환원 전위 이하인 물질일 수 있다. 예를 들어 구리 도금액을 사용하는 경우 플로팅 전극은 구리(Cu), 은(Ag), 백금(Pt), 금(Au), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 알루미늄(Al) 또는 이들의 합금일 수 있으며 표면에만 도금처리된 것일 수 있다. 한편 애노드(130)는 그 재질이 가용성인지 또는 불용성인지에 따라 도금 공정에 영향을 줄 수 있으나, 플로팅 전극의 경우에는 외부 전압이 인가되지 않으므로, 불용성 재질로 이루어진 경우에도 첨가제 분해 반응 등이 거의 발생하지 않는다.
이하, 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예들에 따른 도금 처리 장치(100)의 작용 및 이를 사용하여 피도금물(140)을 도금하는 도금 처리 방법의 일 실시예에 대해 설명한다.
먼저 도금액, 예를 들어 구리 도금액을 도금액 입구(120)를 통하여 예를 들어 분수 장치 등을 사용하여 도금조(110)에 공급하여 도금조(110)를 도금액으로 채운다. 그 다음 피도금물(140), 예를 들어 시드층이 형성된 반도체 기판을 캐소드(150)에 부착하고 도금조(110) 내에서 도금액과 접촉시킨다. 외부 전원(미도시)을 애노드(130)와 캐소드(150)에 연결하여 전압을 인가하면 애노드(130)로부터 캐소드(150) 방향으로 전기장이 형성된다. 형성된 전기장에 의해 도금 이온, 예를 들어 구리 이온이 캐소드(150) 방향으로 진행하는데 플로팅 전극에 도달하게 되면 플로팅 전극 표면에서 동일한 전위를 나타내기 위해 도금 이온의 재배치가 일어난다. 이때 플로팅 전극와 캐소드(150) 사이에 전기장이 형성되며 이렇게 형성된 전기장에 의해 도금 이온이 캐소드(150) 방향으로 다시 진행한다. 캐소드(150) 부분에 도달한 도금 이온은 캐소드(150)에 전기적으로 연결 설치되어 있는 피도금물(140)에 흡착함으로써 피도금물(140)의 표면에 도금층(300)이 형성된다.
한편 분수 장치 등에 의해 도금액 입구(120)로부터 공급된 도금액은 캐소드(150) 방향으로 진행하다가 캐소드(150) 옆에 설치되어 있는 도금액 출구(160), 예를 들어 오버플로우관 등을 통해 도금조(110) 외부로 배출된다. 외부로 배출된 도금액은 세정 공정 등을 거쳐 도금조(110)에 재공급될 수 있다.
이하, 도 10을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 도금 처리 장치를 설명한다. 설명의 편의상 도 3의 실시예의 도면에 나타난 각 부재와 동일 기능을 갖는 부재는 동일 부호로 나타내고, 따라서 그 설명은 생략한다. 본 실시예의 도금 처리 장치(101)는 도 10에 도시된 바와 같이 필터(200)를 제외하고는 도 3의 실시예의 도금 처리 장치(100)과 실질적으로 동일한 구조 및 작용을 갖는다.
도 10에서 필터(200)는 애노드(130)에서 플로팅 전극(170) 방향으로 진행하는 도금액의 불순물 등을 걸러주는 역할을 한다. 도 10에 도시한 바와 같이 필터(200)는 애노드와 플로팅 전극(170)의 사이에 설치될 수 있다. 예를 들어 도금조(110)의 내면에 접하도록 설치할 수 있고, 애노드(130)의 표면에 근접하게 설치할 수 있다. 필요에 따라 다양한 종류의 필터(200)를 사용할 수 있다. 예를 들어 이온은 투과시키고 첨가제는 투과되지 않는 필터(200)인 선택적 이온 투과성 필터(selective ionic exchange filter, 200)를 사용하여 애노드(130)에서의 첨가제 분해 반응을 억제할 수 있다. 이때 선택적 이온 투과성 필터(200)는 애노드(130)의 표면을 감싸도록 설치할 수 있다.
더욱이 본 실시예의 애노드(130)는 본 발명의 일 실시예에 따른 도금 처리 장치(100)에서와 같이 불용성 또는 가용성 물질을 모두 사용할 수 있다. 특히 불용성 물질을 사용할 경우 첨가제가 필터(200)에 의해 투과되지 않거나 투과가 억제되어 애노드(130) 상에서 첨가제 분해 반응이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 이때 필터(200)의 표면 전위가 급격히 상승하여 캐소드(150)에 인접한 지역의 전하 밀도의 변화가 초래될 수 있는데, 필터(200)와 캐소드(150) 사이에 플로팅 전극(170)이 설치되어 있어 필터(200)의 표면 전위 상승에 따른 영향을 감소시킬 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
상술한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 도금 처리 장치 및 이를 이용한 도금 처리 방법에 의하면 피도금물의 도금층의 두께를 균일하게 형성시킬 수 있어 피도금물의 신뢰도를 높이고 도금층 두께의 균일화를 위한 추가적인 공정을 생략할 수 있다.
Claims (20)
- 도금액이 공급되며 도금액 입구 및 도금액 출구가 형성되어 있는 도금조;상기 도금조 내에 설치되어 있는 애노드;상기 애노드와 이격되어 대향하며 피도금물이 설치되는 캐소드; 및상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 설치되고, 하나 이상의 홀이 형성되어 있는 플로팅 전극으로서, 환원 전위가 상기 도금액 내의 도금 이온의 환원 전위 이하인 플로팅 전극을 포함하는 도금 처리 장치.
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- 제1 항에 있어서,상기 플로팅 전극의 외주가 상기 도금조의 내면에 접하여 있는 도금 처리 장치.
- 제1 항에 있어서,상기 피도금물에 대향하는 상기 플로팅 전극의 표면에 절연막이 형성되어 있는 도금 처리 장치.
- 제4 항에 있어서,상기 절연막이 상기 플로팅 전극의 주변부에 선택적으로 형성되어 있는 도금 처리 장치.
- 제4 항에 있어서,상기 절연막이 폴리머 또는 금속 산화물인 도금 처리 장치.
- 제1 항에 있어서,상기 플로팅 전극의 주변부보다 중심부에서의 상기 피도금물까지의 거리가 더 가까운 형상을 갖는 플로팅 전극인 도금 처리 장치.
- 제1 항에 있어서,상기 플로팅 전극으로부터 상기 피도금물까지의 거리가 상기 캐소드까지의 거리보다 작거나 같게 설치되어 있는 도금 처리 장치.
- 제1 항에 있어서,상기 애노드는 가용성 애노드인 도금 처리 장치.
- 제1 항에 있어서,상기 애노드와 상기 플로팅 전극 사이에 필터가 더 설치되어 있는 도금 처리 장치.
- 제10 항에 있어서,상기 필터가 선택적 이온 투과성을 갖는 도금 처리 장치.
- 제11 항에 있어서,상기 애노드가 불용성인 도금 처리 장치.
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- 제1 항에 있어서,상기 플로팅 전극이 상기 피도금물과 평행하게 설치되어 있는 도금 처리 장치.
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- 제9 항에 있어서,상기 플로팅 전극의 표면이 Cu, Ag, Pt, Au, Ti, Ta, Al 또는 이들의 합금으로 이루어진 도금 처리 장치.
- 제1 항, 제3 항 내지 제12 항 및 제17 항, 및 제19 항 중 어느 한 항에 따른 도금 처리 장치의 상기 도금조에 도금액을 공급하고,상기 캐소드에 시드층이 형성된 피도금물을 부착하여 상기 도금조 내에서 상기 도금액과 접촉시키고,상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 전기장을 형성하여 상기 피도금물의 표면에 도금층을 형성하는 것을 포함하는 도금 처리 방법.
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