特許第6356119号(P6356119)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

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特許6356119電解銅めっき浴用添加剤、該添加剤を含む電解銅めっき浴および該電解銅めっき浴を用いた電解銅めっき方法
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6356119
(24)【登録日】2018年6月22日
(45)【発行日】2018年7月11日
(54)【発明の名称】電解銅めっき浴用添加剤、該添加剤を含む電解銅めっき浴および該電解銅めっき浴を用いた電解銅めっき方法
(51)【国際特許分類】
   C25D 3/38 20060101AFI20180702BHJP
【FI】
   C25D3/38 101
【請求項の数】8
【全頁数】17
(21)【出願番号】特願2015-509990(P2015-509990)
(86)(22)【出願日】2014年3月19日
(86)【国際出願番号】JP2014057526
(87)【国際公開番号】WO2014162875
(87)【国際公開日】20141009
【審査請求日】2016年12月28日
(31)【優先権主張番号】特願2013-76857(P2013-76857)
(32)【優先日】2013年4月2日
(33)【優先権主張国】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000000387
【氏名又は名称】株式会社ADEKA
(74)【代理人】
【識別番号】100110423
【弁理士】
【氏名又は名称】曾我 道治
(74)【代理人】
【識別番号】100111648
【弁理士】
【氏名又は名称】梶並 順
(74)【代理人】
【識別番号】100122437
【弁理士】
【氏名又は名称】大宅 一宏
(74)【代理人】
【識別番号】100161115
【弁理士】
【氏名又は名称】飯野 智史
(72)【発明者】
【氏名】高橋 拓也
(72)【発明者】
【氏名】吉井 崇洋
(72)【発明者】
【氏名】廿日出 朋子
(72)【発明者】
【氏名】圖師 丈裕
【審査官】 國方 康伸
(56)【参考文献】
【文献】 特開2002−161391(JP,A)
【文献】 特開平11−322849(JP,A)
【文献】 特開2005−126777(JP,A)
【文献】 特開2010−265532(JP,A)
【文献】 特開2007−332447(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
C25D 1/00 − 7/00
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
下記一般式(1)で表され、200,000〜5,000,000の重量平均分子量を有する高分子化合物、または下記一般式(2)で表され、1,000,000の重量平均分子量を有する高分子化合物から選ばれる少なくとも1種の高分子化合物からなる電解銅めっき浴用添加剤。
【化5】
(式中、nは重量平均分子量が200,000〜5,000,000となる数を表す。)
【化6】
(式中、Xは下記(X−15)で表されるユニットであり、a及びbは重量平均分子量が1,000,000となる数を表し、a及びbの比率はa:b=90:10である。)
【化7】
【請求項2】
下記一般式(1)で表される高分子化合物からなる、請求項1に記載の電解銅めっき浴用添加剤。
【化8】
(式中、nは重量平均分子量が200,000〜5,000,000となる数を表す。)
【請求項3】
請求項1又は2に記載の電解銅めっき浴用添加剤を0.0001〜0.1質量%含む、電解銅めっき浴。
【請求項4】
前記電解銅めっき浴用添加剤が、前記一般式(1)で表される高分子化合物からなる、請求項に記載の電解銅めっき浴。
【請求項5】
前記電解銅めっき浴用添加剤を0.001〜0.05質量%含む、請求項に記載の電解銅めっき浴。
【請求項6】
前記電解銅めっき浴用添加剤を0.003〜0.03質量%含む、請求項に記載の電解銅めっき浴。
【請求項7】
銅塩、硫酸及び塩酸を含有する、請求項に記載の電解銅めっき浴。
【請求項8】
請求項に記載の電解銅めっき浴を用いる、電解銅めっき方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、特定の構造を有する高分子化合物からなる電解銅めっき浴用添加剤、該添加剤を含有する電解銅めっき浴、および該電解銅めっき浴を用いた電解銅めっき方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来、ダマシン法やTSV法などによる高集積化電子回路の製造において、溝や穴に銅を埋め込む方法として電解銅めっきが行われている。しかし、埋め込んだ銅の内部にボイドが生じることが多かった。これを解決する手段として、溝や穴の底部のめっき成長を促進する促進剤、溝や穴の側面のめっき成長を阻害する抑制剤および平滑剤等を電解銅めっき浴に添加することでボイドの発生を抑制し埋め込み特性の良好な電解銅めっきを得るという手段が知られている。
【0003】
特許文献1には、セミアディティブ用硫酸系銅めっき液において、ビス(3≡スルホプロピル)を持つ4級アンモニウム塩重合体と塩素とを含む銅めっき液が開示されている。特許文献1はジスルフィド化合物を含有する銅めっき液を開示しているが、ジスルフィド化合物はめっき液を使用していない間或いは電解中に分解し、銅めっき液中に分解物が蓄積することが知られており、分解物によるめっき液の性能の劣化が問題となっていた。
【0004】
特許文献2には、銅アノードと反応せず低電流での使用ができ、かつ非電解時の消耗が少なく、光沢性及び平滑性に良好な銅めっき皮膜を与えることのできる電気銅めっき用添加剤として、特定の有機チオ化合物を開示している。特許文献2で開示された特定の有機チオ化合物はスルフィド化合物である。該スルフィド化合物はジスルフィド化合物よりも非電解時の消耗が少ないものの、銅めっき液中に分解物が蓄積することは避けられず、分解物によるめっき液の性能の劣化が問題となっていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2011−6773号公報
【特許文献2】特開平7−62587号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
微細な溝や穴(以下、トレンチと略す場合がある。)が存在する被めっき基体のトレンチに電解銅めっきによって銅を埋め込む場合、従来用いられてきた銅めっき浴では、銅めっき浴に添加されたスルフィド化合物もしくはジスルフィド化合物の分解物の発生により銅めっき浴の劣化が発生することや、トレンチ内部に銅を十分に埋め込むことができない場合があることや、埋め込んだ銅の内部にボイドが生じることや、被めっき基体表面におけるトレンチ以外の表面部分にめっきされた銅の厚さが厚くなってしまうことが問題となっていた。被めっき基体表面におけるトレンチ以外の表面部分にめっきされた銅は、電解銅めっき処理後に、CMP法に代表される化学機械研磨プロセスなどによる平坦化処理によって除去する必要がある。該銅の厚さが厚い場合、該除去に必要とされる工程に要する時間が増えることから、該銅の厚さは生産性に大きな影響を与える。また、トレンチの幅と深さの比が1:5〜1:15である場合においては、トレンチ内部に銅を埋め込もうとした場合にボイドが発生する場合が多く、これらの課題を解決できる電解銅めっき浴が望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明者らは、検討を重ねた結果、特定の構造を有する高分子化合物を電解銅めっきの添加剤として用いることにより、上記課題を解決しうることを知見し、本発明に到達した。さらに、本発明は、該電解銅めっきの添加剤を含む電解銅めっき浴及び該電解銅めっき浴を用いた電解銅めっき方法も提供する。
【0008】
すなわち、本発明は、下記一般式(1)で表され、200,000〜5,000,000の重量平均分子量を有する高分子化合物、または下記一般式(2)で表され、1,000,000の重量平均分子量を有する高分子化合物から選ばれる少なくとも1種の高分子化合物からなる電解銅めっき浴用添加剤を提供するものである。
【0009】
【化1】
【0010】
(式中、nは重量平均分子量が200,000〜5,000,000となる数を表す。)
【0011】
【化2】
【0012】
(式中、Xは下記(X−15)で表されるユニットであり、a及びbは重量平均分子量が1,000,000となる数を表し、a及びbの比率はa:b=90:10である。)
【0013】
【化3】
【0014】
また、本発明は、上記電解銅めっき浴用添加剤を含む電解銅めっき浴、及び該電解銅めっき浴を用いる電解銅めっき方法を提供するものである。
【発明の効果】
【0015】
本発明の電解銅めっき浴用添加剤を用いることで、トレンチに電解銅めっきによって銅を埋め込む場合に、トレンチの幅と深さの比が大きい場合であってもトレンチ内部にボイドが発生することなく銅を埋め込むことができ、被めっき基体表面におけるトレンチ以外の表面部分にめっきされた銅の厚さが薄い電解銅めっき浴及び該電解銅めっき浴を用いた電解銅めっき方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
図1】評価試験における開放部の深さ、開放部の直径及び銅の厚さ(L)の関係を示す電解銅めっき処理後の被めっき基体断面の模式図である。1は基体にめっきされた銅を示し、2は銅の厚さ(L)を示し、3は被めっき基体を示し、4は開放部の深さを示し、5は開放部の直径を示す。
図2】(a)は実施例2における、100nmの厚さのCu膜が形成されているSi基板の断面の模式図を表す。(a)における6はSi基板を表し、7は100nmの厚さのCu膜を表す。(b)は、比較例1〜5でボイドが発生している状態の模式図を示す。8はボイドを示す。(c)は、比較例1〜5でSi基板上の開放部が銅により埋まっていない状態の模式図を示す。9はSi基板上の開放部が銅により埋まっていない状態を示す。(d)はSi基板上の開放部が銅により埋まっている状態の模式図を示す。(b)や(c)のいずれか、もしくは両方が観察された状態の評価を×とし、(d)の状態を○と評価した(表5)。なお、斜線部はCuを表す。
【発明を実施するための形態】
【0017】
本発明の一実施態様として、上記一般式(1)で表される、20,000〜10,000,000の重量平均分子量を有する高分子化合物からなる電解銅めっき浴用添加剤である。
ここで、上記(1)で表される高分子化合物は、通常、20,000〜10,000,000の重量平均分子量を有するが、好ましくは20,000〜5,000,000、より好ましくは100,000〜5,000,000、さらに好ましくは200,000〜5,000,000の重量平均分子量を有する。
また、上記一般式(1)におけるnは、上記(1)で表される高分子化合物の重量平均分子量が、通常、20,000〜10,000,000、好ましくは20,000〜5,000,000、より好ましくは100,000〜5,000,000、さらに好ましくは200,000〜5,000,000となる数を表す。
【0018】
上記一般式(1)において、重量平均分子量が20,000より小さいと、トレンチへの銅の埋込みが不十分となる場合がある。また、重量平均分子量が10,000,000よりも大きくなった場合、トレンチへの銅の埋込みが不十分となる場合や銅めっきにムラが生じる場合がある。
【0019】
上記一般式(1)で表される高分子化合物は、製品名Poly NVA(昭和電工社製)として市販されているものを使用できる。本願発明に用いることができるもののグレード番号としては、例えばGE191−000、GE−191−053、GE191−103、GE191−104、GE191−107、GE191−408などが挙げられる。
【0020】
本発明の別の一実施態様として、上記一般式(2)で表される、20,000〜10,000,000の重量平均分子量を有する高分子化合物からなる電解銅めっき浴用添加剤である。
ここで、上記(2)で表される高分子化合物は、通常、20,000〜10,000,000の重量平均分子量を有するが、好ましくは20,000〜5,000,000、より好ましくは100,000〜5,000,000、さらに好ましくは200,000〜5,000,000の重量平均分子量を有する。
【0021】
上記一般式(2)において、重量平均分子量が20,000より小さいと、トレンチへの銅の埋込みが不十分となる場合がある。また、重量平均分子量が10,000,000よりも大きくなった場合、トレンチへの銅の埋込みが不十分となる場合や銅めっきにムラが生じる場合がある。
【0022】
上記一般式(2)において、Xは上記(X−1)〜(X−18)で表されるユニットから選ばれる少なくとも1つのユニットを表し、a及びbは重量平均分子量が通常20,000〜10,000,000、好ましくは20,000〜5,000,000、より好ましくは100,000〜5,000,000、さらに好ましくは200,000〜5,000,000となる数を表す。a及びbの比率は、a:b=10:90〜99:1の範囲内であり、a:b=60:40〜99:1の範囲内であることが特に好ましい。
【0023】
上記一般式(2)で表される高分子化合物の好ましい具体例としては、例えば下記高分子化合物No.1〜18で表される構造を有する高分子化合物が挙げられる。下記高分子化合物No.1〜18で表される構造式中のa及びbの比率は、a:b=60:40〜99:1の範囲内である。なかでもa:b=80:20〜95:5の範囲内である化合物が特に好ましい。尚、上記一般式(2)で表される高分子化合物はランダム重合体でもよいし、ブロック重合体でもよい。
【0024】
【化4】
【0025】
上記一般式(2)で表される高分子化合物は、製品名アドヒーロー(昭和電工社製)として市販されているものを使用できる。本願発明に用いることができるものの具体的な製品名としては、例えばアドヒーローGE167などが挙げられる。
【0026】
なお、本発明において、重量平均分子量とは、臭化リチウム0.1質量%を含有したN,N−ジメチルホルムアミド溶液を溶離液とし、示差屈折率検出器(RI検出器)を用いてGPC分析を行った場合のポリスチレン換算の重量平均分子量をいう。
【0027】
本発明に用いられる一般式(1)及び(2)で表される高分子化合物の重量平均分子量は、例えば下記の測定装置及び測定条件によって測定することができる。
検出器:Waters2414(Waters社製)
カラム:Shodex KD−G(昭和電工社製)、Shodex KD−806(昭和電工社製)を直列に接続
溶離液:臭化リチウム0.1質量%を含有したN,N−ジメチルホルムアミド溶液
展開溶媒流速:1ml/min
検出器:RI検出器 Waters 2414(Waters社製)
検出温度:35℃
サンプル濃度:0.05質量%
なお、下記実施例で使用した高分子化合物の重量平均分子量は上記条件にて測定した。
【0028】
本発明の電解銅めっき浴に用いられる一般式(1)または一般式(2)で表される高分子化合物の濃度は0.0001〜0.1質量%、好ましくは0.001〜0.05質量%、さらに好ましくは、0.003〜0.03質量%の範囲内である。本発明の電解銅めっき浴に用いられる高分子化合物の濃度は0.0001質量%より少ないと添加効果を十分に得ることができない。また、本発明の電解銅めっき浴に用いられる高分子化合物の濃度が0.1%より多くなると、電解銅めっき浴の粘度が高くなり、銅めっきのムラの要因となるために好ましくない。本発明の電解銅めっき浴に用いられる一般式(1)または一般式(2)で表される高分子化合物は、それぞれ単独で或いはそれらを混合して使用することができる。本発明の電解銅めっき浴に用いられる一般式(1)または一般式(2)で表される高分子化合物は、一般式(1)または一般式(2)で表される高分子化合物を単独で使用する場合には、一般式(1)または一般式(2)で表される高分子化合物の濃度を意味し、一般式(1)及び一般式(2)で表される高分子化合物を混合して使用する場合には一般式(1)及び一般式(2)で表される高分子化合物の濃度の和を意味する。一般式(1)で表される高分子化合物と一般式(2)で表される高分子化合物を混合して使う場合の一般式(1)で表される高分子化合物と一般式(2)で表される高分子化合物の濃度の比率は1:50〜50:1の範囲が好ましく、1:25〜25:1の範囲である場合がより好ましく、1:5〜5:1の範囲である場合が特に好ましい。
【0029】
本発明の電解銅めっき浴用添加剤として用いられる一般式(1)または一般式(2)で表される高分子化合物以外の成分としては、公知の電解銅めっき浴と同様の成分を使用することができる。例えば、銅の供給源である銅塩としては、硫酸銅、酢酸銅、フルオロホウ酸銅、硝酸銅などが挙げられ、電解質である無機酸としては、硫酸、燐酸、硝酸、ハロゲン化水素、スルファミン酸、ホウ酸、フルオロホウ酸などが挙げられる。
【0030】
本発明の電解銅めっき浴は、特に、硫酸銅および硫酸をベースとするめっき浴が好適である。この場合、硫酸銅・5水和物を銅金属の濃度として5〜200g/L、好ましくは10〜100g/L、硫酸を1〜100g/L、好ましくは5〜50g/Lの範囲内とすることが効率的である。
【0031】
また、本発明の電解銅めっき浴には、塩化物イオンを使用することができる。塩化物イオンは、めっき浴中20〜200mg/Lとなるように配合することが好ましく、20〜150mg/Lとなるように配合することがより好ましい。塩化物イオン源は、特に限定されるものではないが、例えば塩酸を使用することができる。
【0032】
本発明の電解銅めっき浴には、電解銅めっき浴に添加できることが知られているその他の添加剤を、本発明の目的を阻害しない範囲内で任意に用いることができる。その他の添加剤としては、抑制剤、促進剤、平滑剤が挙げられ、より具体的にはスルホン酸、スルフィド及びジスルフィドなどのスルフィド化合物;アントラキノン誘導体;カチオン性界面活性剤;ノニオン性界面活性剤;アニオン性界面活性剤;両性界面活性剤;メタンスルホン酸、エタンスルホン酸などのアルカンスルホン酸;メタンスルホン酸ナトリウムなどのアルカンスルホン酸塩;メタンスルホン酸エチルなどのアルカンスルホン酸エステル;イセチオン酸などのヒドロキシアルカンスルホン酸;ヒドロキシアルカンスルホン酸塩;ヒドロキシアルカンスルホン酸エステル;ヒドロキシアルカンスルホン酸有機酸エステルなどが挙げられる。これらを使用する場合の濃度は、一般的に、0.001質量%〜50質量%の範囲であり、より好ましくは0.01質量%〜30質量%の範囲である。尚、上述したように本発明の電解銅めっき浴には、めっき成長を促進するためにスルフィドやジスルフィド化合物を添加剤として添加することもできるが、スルフィドやジスルフィド化合物を添加した場合には、該化合物の分解物によるめっき浴の劣化が発生することが予想されることから、本発明の電解銅めっき浴はスルフィドやジスルフィド化合物を含有しない電解銅めっき浴であることが好ましい。
【0033】
本願発明の電解銅めっき浴は、上記成分以外の成分は水である。従って、上記成分を必要量含有する水溶液または分散液の形態で提供される。
【0034】
本願発明の電解銅めっき浴は上記一般式(1)または下記一般式(2)で表される高分子化合物から選ばれる少なくとも1種の高分子化合物を0.0001〜0.1質量%、銅塩、硫酸及び塩酸からなる水溶液である電解銅めっき浴である場合が特に好ましい。
【0035】
本発明の電解銅めっき方法は、電解銅めっき浴として本発明の電解銅めっき浴を使用する他は、従来の電解銅めっき方法と同様に行うこともできる。尚、従来の電解銅めっき方法で用いられてきた一般的な電流密度は、数〜十数A/dm2である。本発明の電解銅めっき方法に用いられる電解銅めっき条件としては、例えば、電解銅めっき浴温度は、15〜40℃、好ましくは20〜30℃であり、電流密度は、0.1〜15A/dm2、好ましくは0.1〜10A/dm2、より好ましくは0.5〜5A/dm2の範囲内である。また、電解銅めっき浴の撹拌方法は、空気撹拌、急速液流撹拌、撹拌羽根などによる機械撹拌や被めっき基体を回転させる方法などを使用することができる。
【0036】
本発明の電解銅めっき方法を使用して製造される、めっきが施された製品は特に限定されないが、例えば、自動車工業材料(ヒートシンク、キャブレータ部品、燃料注入器、シリンダー、各種弁、エンジン内部等)、電子工業材料(接点、回路、半導体パッケージ、プリント基板、薄膜抵抗体、コンデンサー、ハードディスク、磁性体、リードフレーム、ナット、マグネット、抵抗体、ステム、コンピューター部品、電子部品、レーザー発振素子、光メモリ素子、光ファイバー、フィルター、サーミスタ、発熱体、高温用発熱体、バリスタ、磁気ヘッド、各種センサー(ガス、温度、湿度、光、速度等)、MEMS等)、精密機器(複写機部品、光学機器部品、時計部品等)、航空・船舶材料(水圧系機器、スクリュー、エンジン、タービン等)、化学工業材料(ボール、ゲート、プラグ、チェック等)、各種金型、工作機械部品、真空機器部品等、広範なものが挙げられる。本発明の電解銅めっき方法は、特に微細なパターンが求められる電子工業材料に使用することが好ましく、中でも、TSV形成、バンプ形成等に代表される半導体パッケージ、プリント基板の製造において使用することがより好ましく、該半導体パッケージが更に好ましい。
【実施例】
【0037】
以下、実施例、比較例をもって本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例などによって何ら制限を受けるものではない。
【0038】
[実施例1]
表1に示す高分子化合物を用いて、表2に示す配合で電解銅めっき浴を配合し、実施例銅めっき浴No.1〜16を得た。含有量の残部は水である。
なお、本実施例で使用した高分子化合物の重量平均分子量は、前記条件にて測定した。
【0039】
【表1】
【0040】
【表2】
【0041】
[比較製造例1]
表3に示す化合物を用いて、表4に示す配合で電解銅めっき浴を配合し、比較めっき浴1〜5を得た。含有量の残部は水である。
【0042】
【表3】
【0043】
【表4】
【0044】
[実施例2]
100nmの厚さのCu膜が形成されているSi基板上に開放部(形状:円柱、直径5μm×深さ50μm(アスペクト比:10))を設けた基板を20mm×20mmに切断して、テストピースとし、このテストピースに対し、開放部を電解銅めっきで埋めるべく、実施例銅めっき浴No.1〜16を用いて、各々電解銅めっきを行った。銅めっき装置は、パドル攪拌式めっき装置(株式会社山本鍍金試験器社製)を用いた。銅めっき条件は、電流密度:0.5A/dm2、時間:30分、温度:25℃であり、アノード電極には純銅を用いた。
【0045】
[比較製造例2]
100nmの厚さのCu膜が形成されているSi基板上に開放部(形状:円柱、直径5μm×深さ50μm(アスペクト比:10))を設けた基板を20mm×20mmに切断して、テストピースとし、このテストピースに対し、開放部を電解銅めっきで埋めるべく、比較銅めっき浴1〜5を用いて、各々電解銅めっきを行った。銅めっき装置は、パドル攪拌式めっき装置(株式会社山本鍍金試験器社製)を用いた。銅めっき条件は、電流密度:0.5A/dm2、時間:30分、温度:25℃であり、アノード電極には純銅を用いた。
【0046】
[評価結果]
実施例2及び比較製造例2によって得られた被めっき基体の断面をレーザー顕微鏡(KEYENCE社製、VHX−S50)で観察することで、Si基板上に設けた開放部が銅により埋まっているか確認した。開放部が銅により埋まっている状態をO(図2(d))、ボイドが発生している状態(図2(b))及び開放部が銅により埋まっていない状態(図2(c))をXとして評価した。また、実施例2及び比較製造例2によって得られた被めっき基体の断面をレーザー顕微鏡で観察することで、被めっき体表面における開放部以外の表面部分にめっきされた銅の厚さ(L)を測定した。結果を表5に示す。
【0047】
【表5】
【0048】
表5の結果より、本発明例1〜16は全てにおいて開放部を銅で十分に埋めることができたが、比較例1〜5は全てのサンプルでボイドが発生し、開放部を銅で十分に埋めることができなかった。また、本発明例4〜8及び本発明例12〜16は、比較例1〜5と比較してLが非常に小さくなっていることがわかった。よって、本願発明の電解銅めっき浴は、生産性に優れる電解銅めっき浴であることがわかった。
【0049】
なお、2013年4月2日に出願された日本特許出願2013−76857号の明細書、特許請求の範囲、図面及び要約書の全内容をここに引用し、本発明の明細書の開示として、取り入れるものである。
【符号の説明】
【0050】
1:基体にめっきされた銅
2:銅の厚さ(L)
3:被めっき基体
4:開放部の深さ
5:開放部の直径
6:Si基板
7:100nmの厚さのCu膜
8:ボイド
9:Si基板上の開放部が銅により埋まっていない状態
図1
図2