めっき装置とは
めっき装置とは、ウエハ上に配線膜を形成する際に使用される産業用の機械のことです。
ウエハの成膜工程は、絶縁膜、半導体膜、配線膜の3種類の薄膜をウエハ上に形成するプロセスであり、めっき装置はこの中の配線膜の形成に使われます。
めっき技術は、湿式めっきと乾式めっきの2種類に分類可能です。湿式めっきでは水溶液を使用し、乾式めっきでは蒸発させた金属を使います。乾式めっきは真空中内でめっきを行い、具体例はスパッタリング、イオンブレーティング、真空蒸着などです。
湿式めっきは電解めっきや無電解めっきに分けられ、めっき装置にも電解めっき装置や無電解めっき装置があります。電解めっきや無電解めっきは、4種類のめっき方式に分類可能です。電解めっきにはフェイスアップ式、フェイスダウン式、縦型ディップ式があり、無電解めっきには縦型ディップ式やライズアップ式があります。
めっき装置の使用用途
めっき加工は、金属や非金属物の表面に金属の膜を形成する加工方法です。工業製品に広く用いられ、現在ではめっきは電気製品やパソコンに必要不可欠な技術になりました。
めっきの目的は耐食性や機能性の向上です。金属は素地の状態では酸化して変色します。酸化に強い金属をめっきすると、錆を防止可能です。機能を持たせる場合には、機能性めっきと呼びます。接触抵抗が少ない電気的特性を付与して、複数の部品が接触する箇所の摩擦を減少させ、滑りを良くして摺動性を向上できます。
めっきは装飾性の向上にも利用可能です。見た目を美しく飾ることを装飾めっきと言い、視覚的美感を与えるために使われます。具体例は電気製品の外装部品や筐体、自動車のエンブレム、アクセサリーの装身具などです。
めっき装置の原理
1. 電解めっき装置
電解めっき装置は、外部電源の電気エネルギーによってめっきする装置です。ウエハを硫酸銅などのめっき液に浸して、銅板を陽極に、ウエハを陰極にして電流を流すと、ウエハの表面に銅の薄膜が作られます。流した電気が金属イオンの還元反応にすべて使用された場合には、流した電気量が析出するめっきの量になります。単位面積にかかる電流値を計算すれば、電気を流した時間で制御可能です。
事前にウエハの絶縁膜には、トレンチやビアホールをエッチングで掘って配線パターンを設計します。めっきをかけるとトレンチやビアホールのような溝や穴が銅配線になる仕組みです。めっきの後にはCMP装置 (英: Chemical Mechanical Polisher) で余計な薄膜を研磨除去する工程があります。
2. 無電解めっき装置
無電解めっき装置は、電気を用いず化学反応のエネルギーでめっきする装置です。無電解めっきは、還元めっきと置換めっきの2種類の析出方法に分類可能です。
還元めっきは、還元剤が被加工物の表面上で電子を放出するためめっきが析出します。銅めっきやニッケルめっきでは、めっきされた金属表面が触媒として働き、還元剤による電子放出反応が進んで膜厚が厚くなります。
置換めっきでは、めっき液中の金属イオンと被加工物の表面の金属が交換する反応を利用可能です。銅を金めっき液に浸すと銅が溶けて電子を金イオンが受け取るため、金めっきが析出します。被加工物の表面をめっきが覆うと金属が溶解せず、めっきが析出しなくなるため厚膜を作れません。
めっき装置の選び方
電解めっき装置は、数μm程度の微細な配線パターンにも対応可能です。膜厚を厚くでき、液管理が容易です。メンテナンス性やコスト性が良く、長期的に安定しています。しかしそれぞれのウエハを処理する枚葉式であり、時間当たりのウエハの処理枚数を上げにくいです。細かくセッティングしないと、膜厚にばらつきが出やすいです。
それに対して無電解めっき装置は、同時に複数枚のウエハを処理できます。大量生産が可能で、膜厚に均一性が出やすいです。UBM (英: Under Barrier MetalまたはUnder Bump Metal) と呼ばれる電極端子部分のめっきでは、電解めっきで必須となるバンプ形成の配線パターンが不要であり、大幅に工程を削れます。数μmレベルの微細な配線パターンに対応しにくく、膜厚を厚くできますが、時間がかかるため適していません。温度、濃度、pHのような厳しい液管理によって、化学反応をコントロールする必要もあります。
目的に合わせてめっき方式を選択することが重要です。フェイスアップ式は膜厚分布が良く、合金の組成安定性に優れています。高腐食性めっき膜に対応し、カセットからカセットへの搬送が可能です。材料には磁性材料、銅、ニッケル、金が使用されています。
フェイスダウン式や縦型ディップ式はフットプリントが小さいです。材料に銅、ニッケル、金が使われています。縦型ディップ式は角基板や大型基板にも対応しています。ライズアップ式はワークの裏面端面の保護が不要です。無電解CoWB、銅、ニッケル、金、パラジウムが材料に用いられています。