TWI237068B - Metal finishing apparatus and metal finishing method using the same - Google Patents

Description

1237068 五、發明說明 一案號 (1) 91122241 修正 【發明有關之領域】 本發明係為一種金屬精整裝置，尤指一種具有可將陰 陽極彼此分離的薄膜（m e m b r a n e )，且該薄膜係設置於― 電極槽（electrolytic bath)中以避免將異物電解沈澱 至電極上之金屬精整裝置及使用彼之金屬精整方法。 【先如技術之敘述】 一般而言，半導體導線架得依據半導體晶片的高密度 性和高整合性以及其設置方法而有著不同的形狀。半導體 ^線采係由銅或鐵合金製成的，而不同種類的雜質易黏附 於其原料的表面。

^ 因此，為了能夠取得想要的半導體導線架之形狀，ϋ ^ έ用到餘刻、.沖壓、以及電解拋光方式，將氧化物從乃 料表面予以去除來增加其水平效果的程序是有必要的。在 外進行線結合（write-bonding )的程序時，對於將一 /、有f別形狀的半導體導線架與一半導體晶片作電性的$ ^亦是必要的。再者，對於改善結合性能、防腐蝕性和矣 衣效率而言，電鍍程序更是必要。 第\圖係為一習知金屬精整裝置的電解拋光裝置1 〇。

如第1圖所示，該電解拋光裝置1〇包括一電解槽Η， 有一陽極12，一陰極13和置於陽極12和陰極13之5 ' 液14 &極12係為一由銅或鐵合金製成的半導體与 ^架，而陰極1 3係為一不銹鋼（sus )或鉑極板 ' 二。此外，電解液14則為一含有60± ” 3 的水浴液（aqueous s〇iuti〇ri)。

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该倚槽1 6則透過一供應通道丨7和一回流通道丨8而與電 解槽11相通。一可噴出電解液丨4的喷嘴丨9係設於電解槽^ ^ 底部。 具有上述結構的習知電解拋光裝置丨0具有下列的反應 模式。 日鋼原子會失去電子而溶解為銅離子的氧化反應係發生 於陽極12上，而銅離子接收電子而還原為銅原子的還原反 應則發生在陰極1 3上。 然而’習知的金屬精整裝置有下列缺點： 第一，沈澱物（sludge )形成於電解槽中，並且沿著 · 電解液1 4的流動而電解沈澱於陽極丨2的表面上。由陽極1 2 分解的金屬離子和陰極1 3表面的電解液丨4之間反應凝結 (coagulated)的沈澱物係為含有大量jj2〇成分之雜質。 此外’作為陽極1 2的產品上之沈澱物亦無法經由表面清洗 程序而完全去除，因而導致產品的劣質性。 第二，電解沈澱於陰極1 3表面上的沈澱物會持續增加 直到陰極1 3完全為沈澱物所覆蓋。因此，電流 (c u r r e n t )效率急速下降而降低了電解拋光 (electropolishing)的速度。所以，為了去除沈澱物， 金屬精整裝置必需規律地重覆進行洗淨的程序，而且要暫⑩ 時停止驅動該裝置。特別是一直排式的裝置，例如半導體 導線架，必需完全地中止驅動。 第三，電解液1 4會因沈澱物而惡化 (deter i orate )，度因而降低。所以，溶液必需一直進 行裝滿的動作。

第四，產生於陽極的反應副產物（byproduct)係電 解殿於陰極表面上，並於金屬電鍍時形成一電鍍層，因而 嚴重影響電解層，並降低了電解液的使用壽命。 【發明目的】 為了解決上述問題，本發明的主要目的，即在於發明 出一種金屬精整裝置之改善及使用彼之金屬精整方法，其 結構係具有一薄膜，其功能為有選擇性地讓特定離子從二 陽極滲透至一陰極，該薄膜係設於電解槽中，並抑制異物 的生成反應以及避免異物電解沈澱於電極上。 /、

本發明之另一目的在於提供一金屬精整裝置及使用彼 之金屬精整方法，其藉由收集電解液的特定離子來 解槽的濃度度化。 、、 【解決方式】 為了達到上述第一個目 裝置，其包括一電解槽、一 沒入於電解液之陽極、一沒 於陽極和陰極之間的薄膜， 於電極反應中分解於電解液 過至另一電極。 的本兔明没计了一金屬精整 容置於電解槽中的電解液、一 入於電解液之陰極以及一設置 其具有許多細孔來選擇性地讓 中之特疋離子從一電極滲透通 板二為一受拋光的結構，而陰極係為-金屬 陽極表面予==藉由電Ϊ拋光程序從陽極分解出來對 衣曲于以平坦化，而金屬離子藉 _ 滲透至陰極來避免金屬沈澱物生成於陰極表面且隔而無法

構；ί外全：：：ί:f屬’而陰極係為-受電鍵之結 ^^從％極分解出來而電^^極表面，並 1237068 修正 曰 MM 9119.99/11 五、發明說明（4) 陽極的反應剎產品因為薄膜的阻隔而無法滲透進入陰 Μ ^ A金屬精整裝置另包括一離子收集部，其可收集於電 解h 一側之電解液中的金屬離子或反應副產品。 依據本發明之使用金屬精整裝置之金屬精整方法，其 包括下列步驟： &^準^二具有陽極和陰極之電解槽，兩者皆沒入入電解液 W ^ :分離陽極和陰極的薄膜，其具有無數細孔來選擇性 地讓特定離子從一電極滲透至另一電極： $ :電流至電解槽中來產生一電極反應，而從一電極分 3 =的#定離子可避免渗透至其它電#内；以及， 子7 ▲由一離子收集部來收集於電極反應中所產生的特定離 固定子收集·部係連接至電解槽的一側以維持電解液之 參閱3 ^瞭解本發明之構造特徵、技術内容與功能，請 供炎去；有關本發明之詳細說明與附圖，然而所附圖示乃 =考_用，並非用以對本創作施 L圖不簡單說明】 $ =^圖係為一習知金屬精整裝置示意圖。 圖係為一本創作金屬精整萝一 — 第3圖係為依據，圖之金屬精整裝、其^yt』

^ 與時間變化之關係圖。 X 第4圖係為依據第2圓之金屬精整裝置、其磷舻 (Ph〇Sph〇ric acid)濃度與時間變關你R 麫圖係為依據第2圖之金屬精整裝置、於一二：：圖。 -健槽中銅離子濃度與時間變化之關係圖。曰口 1237068

第6圖係為依據第2圖之金屬精整裝置、其污染值與 間變化之關係圖。 【詳細内容】 第2圖係為本發明金屬精整裝置中電解拋光裝置“ 一較佳實施例示意圖。 如第2圖所示，電解拋光裝置2〇包括一電解槽21，其 内具有一陽極22，一陰極23和置於陽極22和陰極23之間〃的 電解液24。陽極22係為一半導體導線架，其為銅或鐵^金 製成的拋光材料，而陰極23係為一不銹鋼（sus )或鉑極 板（platinum grid )。此外，電解液24則為一使用高電 流的酸性溶液，且以含有60 ± 5 %H3P03的水溶液一 (—^Q.uθ〇Us solution) /^7 幸交 ^[圭。 此外’ 一設於電解槽21的薄膜20 0係用來避免由陽極 2 2溶解的銅離子和陰極2 3表面的電解液2 4之間反應生成的 沈澱物，其電解沈澱於陽極2 2上。 该膜2 0 0係設於一可分離陽極2 2和陰極2 3的位置，它 為一像是濾紙或明膠（c e 1 1 u 1 〇 i d )的薄層物，其具有無 數細孔，並有選擇性地僅讓特定離子滲透通過。而且，該 薄膜200可避免由陽極22溶解的銅離子電解沈殿於陰極23 上，並有選擇性地僅讓Η +離子滲透通過。 一具有第一幫浦25的第一儲槽26設置於電解槽21下 方。該第一儲槽26包括與陽極室30_(_p〇sitive electrodecell)相通之一第一供應通道27和一第一回流通 道28 ’其用來供應並回收陽極室3〇的電解液24，該陽極室 30係藉由一薄膜200而與陰極室4〇相分離。經由第一供應

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皇號9112mi 五、發明說明（6) 通道27所供给之帝, X. 0 , 嘴29來噴出、。％解液24可透過一設於電解槽21底部之喷 而將黛^ μ工由—第二供應通道2 70和一第三回流通道2 8〇 部220二Λ槽』6連結於一倆有一第三幫浦260的離子收集 子〜二子收集部220係於電解拋光程序進行時供應電 中的銅離子，使之還原於銅’因而避免銅 94η/者/具有—第二幫浦23°，並且與-第二供應通道 1报一_ 流通道25〇一相接來將電解液24從陰極室4〇 ^ ^應並回收的程序之第二儲槽21〇_係設置於電解槽以 的電解"ί :解液24具有相同成份、且供應至陽極室30 、1 /之或一 ¥電拋光溶液則收集於第二儲槽2丨〇内。 *預：i t本發明電解拋光裝置20具有下列反應機制： 二於陽極22和陰極23銅原子失雨電子而分解為 钔碓子之虱化反應係發生於陽極22上。此時， 陰極2 3之"定離子因為薄。而 仍以ΞΙ之i由陽極22分解之銅離子無法滲透通過，至 膜_的細孔移動至陰極室40内。因有此h，'-/於m由薄 析出之銅離子無法移動，而因為銅離子、二極22離 就無法沈積至陰極23表面。所以，在電解=物的反應 物之產生，以及將沈澱物電解沈澱於：：：：澱 避免。 ％肛衣面上皆可予以

1237068 ------室號 91122ΑΠ 五、發明說明（7) 回流通道2 8 0流動至離子收集部2 2 〇 在電解液24中的銅離子濃度即可避 2 8、第一儲槽2 6和第 來收集銅離子。因此 免升高。 一例ί =方法亦可適用於藉用—適#金屬作為陽極和用 σ + V體導線架之電鍍結構作為陰極來進行電鍍程 兔換T之，即使在電鍍過程中產生陽極反應的副產品， 為於陽極室和陰極室之電鍍溶液得予以個別獨立之控 於’曰以^藉由在電解槽中之陽極和陰極之間設置一薄膜， ;陽極室所產生之電鍍副產品就無法影響陰極室。 =本發明申請人應用電解拋光裝置2〇所進行的 果可結論於下： 為於每一容·置室中之電解產的濃度和銅沈澱物的生 與蚪間之變化時間表。 表一 曰士 陰極室 陽極室 沈澱物電解 】τ ) W酸（％ )銅（％ )碟酸（％ )銅（％ )沈殿於陰極 64. 3 益 64. 2 0· 75 益 4\\\ 64. 3 62. 3 1. 23 益 Ο、、 64. 6 益 4 59. 7 1· 71 62. 9 益 58. 7 2. 36 Μ 曰夺門 —τ =表一所示，陽極22係為一半導體導線架，而陰極為 不錄鋼（S Π S、a / 解液24含有#於）或極板（Platinum grid) °再者’電 光的時門 K次°於電解槽2 1供給60 A/dm2的電流’而拋 --、長度為2小時。此時，用來避免特定離子，例如

案號

内的陽極 1237068 五、發明說明（8) 銅離子，滲透通過的薄膜2 0 〇係設置於電解槽2 j 22和陰極23之間。 9 依據貫驗結果，當拋光程序進行兩小時的時間長产， 在陽極室30的磷酸濃度則從64. 2%變為62· 3%，59· 7變^ 58· 7%，然而，銅離子則由〇· 75g/1變為 · 1"、 變，，/卜換言之，隨著時間消逝，陽“30=1 酸/辰度漸漸降低，而銅離子濃度逐漸增加。這是因 極22分解出來的銅離子無法滲透通過薄膜2〇〇，且< ~ 於陽極室3 0内。 遠

_ on ' — w從主“門的嶙駸濃度從64. 3%變A 64.W ’從64.6%變為62.9%，換言之，麟酸濃度的變 Ϊ膜二:广出.有銅離子存在。而此意含著，銅離子因為 缚膜200的阻隔而無法從陽 α為 沈澱物無法電解沈殿於陰極23表面上動至陰極至4〇。故銅

第3圖係為銅離子濃度與時間變化之 軸代表時間，γ軸代表銅離子 1陽_中’ X 化。 連線B為陰極室4 0内銅離子濃度的變 如團所示 濃度逐漸増加，的消逝’隹陽極室3〇内的銅離」 的銅離子濃變不變。“：不2 : Τ面’在陰極室40 ρ 離子無法移動至险搞。 、口為由除極22分解出來的名 解液之間的反靡二Y ，銅沈澱物亦無法因為銅離子和^ ^㈤^反應而形成於陰極23的表面。 第4圖係為石舞酸 代表時間，γ輛七本’又一寸日1雙化之關係圖，其中，X車 Y釉代表磷酸濃度 平

1237068 餘91體41 五、發明說明（9) 度的變化，連線B為陰極室4〇内磷酸濃度的變化。 如圖所示，隨著時間的消逝，在陽極 度逐漸降低。另一古& , ^ 至3 0内的磷酸濃 一 面，在陰極室4 0内的鱗酸濃戶： 換言之，在陽極22内銅離子嘈声撗a 二* 辰度不變。 低。 钔離子展度增加，而磷酸濃度就降 第5圖係為於電解槽21和第一儲槽26中鋼離子濃产 連線c代表於電解槽21内銅離子濃度的變二銅 為在第一儲槽26内的銅離子濃度的變化。 ΛΙ) 、農产”時間的消逝，在電解槽21内的銅離子 展^、漸牦加。另一方面，在第一儲槽26内的銅離子 ί Ϊ雜：一儲槽26内銅離子濃度降低的原因為銅離ΐ 被收集至離子收集部220内。 m十 第6圖係為於第一储槽26中污 圖，其中，X軸代表時間’Y軸代表污染值々線 二值』時間變化之關係圖。而此時所供給的電流強度為 :圖所示，隨著時間的消逝’在第一儲槽⑼内的污染 ^有下降的趨勢’這是因為由電解槽21分解出來的銅離 子的收集比率於離子收集部22〇内相對增加。 ^上所述，依據本發明的金屬精整裝置及使用彼之金 ^和產方法，藉由在陽極和陰極之間設置一薄膜和收集特 定離子即可擁有下列優點： 第一、由陽極分解出來的離子無法蔣叙$恰枝，m二_

第14頁 1237068 91122241 五、發明說明（10) 形成。再者，沈殿物 而大大地降低產品不良率 年

電解沈殿於陽極之程序得以避免， 因 第二、由於沈澱物無 間的電 固定水 力故而 第三、 得以延 第四、 無法移 惟 非用來 圍所作 蓋，特 流率率 準。此 得以提 由於電 長。 由於發 動至陰 以上所 限定本 之均等 先予以 可避免 外，由 昇。 解液的 生在陽 極，電 述者， 發.明實 變4匕與 陳明。 法電解沈澱於陽極表面上，相 叫丄 相對於 I1牛低。因此，拋光速度得以維持於— 於逸期性的清潔步驟得以減少，、— 生產 惡化的情況降低，電解液的更換時間 極的陽極反應之副產品在電錢過程中 鍍溶液得以有效控制。 僅為本發明之一較佳實施例而已，並 施之範圍。即凡依本發明申請專利範 修飾，皆為本發明申請專利範圍所含

第15頁 1237068 _案號 91122241 圖式簡單說明 修正 【圖示簡單說明】 第1圖係為一習知金屬精整裝置示意圖。 第2圖係為一本創作金屬精整裝置一較佳實施例示意圖 第3圖係為依據第2圖之金屬精整裝、其銅離子濃度 與時間變化之關係圖。 第4圖係為依據第2圖之金屬精整裝置、其磷酸 (p h 〇 s p h 〇 r i c a c i d )濃度與時間變化之關係圖。 第5圖係為依據第2圖之金屬精整裝置、於一電解槽和 一儲槽中銅離子濃度與時間變化之關係圖。

第6圖係為依據第2圖之金屬精整裝置、其污染值與時 間變化之關係圖。 【主要元件符號.說明】

1 0電解拋光裝置 11電解槽 1 2陽極 13陰極 1 4電解液 1 5幫浦 16儲槽 1 7供應通道 1 8回流通道 1 9喷嘴 2 0電解拋光裝置 2 1電解槽 22陽極 23陰極 2 4電解液 2 5第一幫浦 2 6第一儲槽 2 7第一供應通道 2 8第一回流通道 2 9喷嘴 3 0陽極室 4 0陰極室 2 0 0薄膜 2 1 0第二儲槽

第16頁 案號 91122241 1237068 圖式簡單說明 2 2 0離子收集部 240第二供應通道 2 6 0第三幫浦 2 8 0第三回流通道 修正 2 3 0第二幫浦 2 5 0第二回流通道 2 7 0第三供應通道

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Claims (1)

1. 1 · 一種金屬精整裝置，主要包括·· 一電解槽； 一谷置於電解槽的電解液； 一沒入於電解液的陽極； 一沒入於電解液的陰極； 一設置於陽極和陰極之間的薄膜，其具夕 來遥擇性地讓於電極反應中分解於電解液^ ^ 、、、孔 一電極滲透通過至另一電極。；以及， 特疋離子從 的金屬離子或反應副產品 2_如申請專利範圍第丨項所述之金屬精敕壯 中，陽極係為一受拋光結構，而陰極係為其 另，金屬離子藉由電解拋光程序從陽 ， 面予以平坦化，而金屬離子藉由薄膜的將陽極表 陰極來避免金屬沈澱物生成於陰極表面。 "、、法滲透至 中 中 中 另 3·如申請專利範圍第2項所述之金屬精 陽極係為一導線架。 《 h整裝置，其 4·如申請專利範圍第2項所述之金屬牲Λ 電解液係為以磷酸為主成份之水溶液:迻裝置，其 5·如申請專利範圍第1項所述之金屬扯 陽極係為一金屬板，而陰極係為二或=疋裝置，其 金屬離子從陽極分解出來而電鍍至险:鍍之結構； 極的反應副產品因為薄膜的阻隔而無法；J表面，並且陽 6·如申請專利範圍第5項所述之今1 h進入陰極。 〈至屬精整襄置，其 1237068 -.案號叫 2241^^ _ 六、申請專利範圍 〜-- 中，另包括一離子收集部，立町收集於電解槽一側之電解 液中的金屬離子或反應副產口。 7·如申請專利範圍第1項所述之金屬精整裝置，其 中，該離子收集部係連接至與電解槽相連之第一儲槽，其 供應並回收陽極室的電解液，而該陽極室經由薄膜而與陰 極室相分離。 8 ·如申請專利範圍第6項所述之金屬精整裝置，其 中，該離子收集部係連接易與電解槽相連之第一儲槽，其 供應並回收陽極室的電解液，而該陽極室經由薄膜而與陰 極室相分離。 9 ·如申請專利範圍第7項所述之金屬精整裝置，其 中，一第二儲槽·係連接至電解槽另側，其供應並回收陰極 至的電解液，而該陰極室經由薄膜而與陽極室相分離。 1 〇 .#如申請專利範圍第8項所述之金屬精整裝置，其 A的雪ί、儲才曰:系連接至電解槽另側，其供應並回收陰極 至Μ〃二液，而該陰極室經由薄膜而與陽極室相分離。 • 一種金屬精整方法，主要包括下列步驟： 入電解ϋ準U t陽極和陰極之電解，曹’兩者皆沒入 來選擇性地讓特定雜；％ u往旳溥膜，其具有無數細孔 Η徂ί 從—電極滲透至另一電極； 雷；^ ^ π I、°電流至電解槽中來產生一電極反庳，而；r 電極分解出來的特定離子 ：而攸- Ο藉由—離子收集 =二=内；以及 特定離子，該離子收隹 =木於電極反應中所產生的 木口卩係連接至電解槽的一側以維持電

   1237068 _案號 91122241 六、申請專利範圍 解液之固定濃度。 曰 修正

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