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みさきみしま
5 years ago
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1 めっき槽におけるウエハー表面の三次電流分布の検討佟立柱計測エンジニアリングシステム株式会社平成 24 年 11 月 22 日 ( 木 ) 内容 1. めっき槽内の三次電流分布 2. シヤープレートによる流れ撹拌を含む電流分布計算のモデリング 3. COMSOL 電気めっきモジュール 4. 結果シヤープレートによる撹拌された流れ三次電流分布ウエハーとシヤープレートの距離から電流分布への影響 5. まとめ 1

めっき槽内の三次電流分布 (1) 往復運動パドル法はウェハー基板の上に合金膜が堆積される有名な実施方法の 1 つである G.J. Wilson, P.R. McHugh, J. Electrochem. Soc., 152 (6), C357 (2005) D.E. Rice, D. Sundstrom, M.F. McEachern, L.A. Klumb, J.B.

Rotating cylinder Hull (RCH) cell C.T.J. Low, E.P.L. Roberts, F.C. Walsh, Electrochim. Acta, 52, 3839 (2007).

2 めっき槽内の三次電流分布 (1) 往復運動パドル法はウェハー基板の上に合金膜が堆積される有名な実施方法の 1 つである G.J. Wilson, P.R. McHugh, J. Electrochem. Soc., 152 (6), C357 (2005) D.E. Rice, D. Sundstrom, M.F. McEachern, L.A. Klumb, J.B. Talbot, J. Electrochem. Soc., 135 (11), 2779 (1988) 2 めっき槽内の三次電流分布 (2) 近来限界電流の測定による工業ウエハーめっき装置内質量輸送の境界層の研究が報告された B.Q. Wu, Z. Liu, A. Keigler, J. Harrell, J. Electrochem. Soc. 152 (5), C272 (2005). Rotating cylinder Hull (RCH) cell C.T.J. Low, E.P.L. Roberts, F.C. Walsh, Electrochim. Acta, 52, 3839 (2007). 三次電流分布 ( 限界電流 ) Shear plate Rotating cylinder Hull (RCH) cell Rotating disc electrode (RDE) C. Madore, D. Landolt, C. Haenpflug, and J.A. Hermann, Plating & Surface Finishing 82, 38 (1995) L.Z. Tong, Trans. Inst. Met. Fin., 90 (3), (2012) 3

3 めっき槽内の三次電流分布 (3) 電極 ( カソード ) 反応 M n+ +ne => M 金属 M の析出量ファラデー電流 I めっき時間 t w = M I t/(nf) 金属 M の原子量電流分布 - バトラーフォルマー式 loc exp exp 濃度拡散, 物質移動などを含める.,, exp,, exp 4 モデリング (1) めっき槽 t = 1/4T Meshing t = T t = 3/4T T is the reciprocating period of shear plate m=m 1 +m 2 5

モデリング (2) 荷電粒子及び中性粒子の輸送 The Nernst-Planck Equation Flux = diffusion + convection + migration 流束拡散対流 Concentration Diffusivity N マイグレーション Flow velocity Charge Mobility Dc cuzmfc i i i i i i i l

4 モデリング (2) 荷電粒子及び中性粒子の輸送 The Nernst-Planck Equation Flux = diffusion + convection + migration 流束拡散対流 Concentration Diffusivity N マイグレーション Flow velocity Charge Mobility Dc cuzmfc i i i i i i i l Faraday s constant Ionic potential 6 モデリング (3) 電解質の電流密度電流密度 j F i z N i i sum of charg es j F zd 2 i ici zc i i l zi mfc i i u i i i 電気的中立性, 電荷保存則 2 j F zd i ici l zi mfc i i i i 完全混合一次二次電流分布 j F z 2 mfc i i i l i conductivity 7

5 モデリング (4) 基本方程式 (1) 質量保存式 0 運動量保存式物質収支式,, 電流密度電荷収支式電気的中立性 0, 8 モデリング (5) 基本方程式 (2) 電極表面の局所電流密度は局部過電圧により決まる電極表面の過電圧は Fluid Flow Heat Transfer である Electric Field Chemical Species Transport 低電流密度の場合の過電圧 Electrodeposition 交換電流密度 Coupled simulation of multiphysics 9

COMSOL 電気めっきモジュール (1) 電気めっきモジュールの物理インタフェース電流及び電位分布

電極反応と表面種の収支固定及び移動境界と表面種収支 10 COMSOL 電気めっきモジュール (2)

6 COMSOL 電気めっきモジュール (1) 電気めっきモジュールの物理インタフェース電流及び電位分布 : 電荷及び電流の保存則材料輸送流れ熱伝達めっき皮膜の厚さ及び膜の成分 : 電極反応と表面種の収支固定及び移動境界と表面種収支 10 COMSOL 電気めっきモジュール (2) 電気めっきモジュールによる任意反応機構をモデリングできる電極特性にはバトラーフォルマー式或いはユーザーの自定義の式を利用できる多段の複数の反応電極表面に吸着種の拡散を含む吸着反応化学量論係数 (Stoichiometric Coefficients) Cu( s) 1 Cu(s) Cu e Cu 11

6 交換電流密度, : 10 A/m 2 ウエハー表面の平均電流密度 : 10 A/m 2 境界条件計算領域は空気と溶液の界面までであるこの界面はすべり壁とする底部とサイド境界および電極表面をすべりなし静止壁を扱う 12 結果

7 計算条件シヤープレート寸法 : 5 mm 厚み 90 mm 高さストローク長さ, S: 5 mm 往復運動周波数 : 5 Hz ウエハーとシヤープレートの距離, : 2-6 mm 電解質特性密度 : 1000 kg/m 3 動粘度係数 : m 2 /s 銅濃度 : 9.6 mol/m 3 拡散係数 : m 2 /s 電極特性濃度の影響係数, : 0.6 交換電流密度, : 10 A/m 2 ウエハー表面の平均電流密度 : 10 A/m 2 境界条件計算領域は空気と溶液の界面までであるこの界面はすべり壁とする底部とサイド境界および電極表面をすべりなし静止壁を扱う 12 結果 (1) めっき液 CuSO 4 5H 2 O: 2.4 g/l H 2 SO 4 : 90 g/l = /2 流速 Reference: B.Q. Wu, Z. Liu, A. Keigler, J. Harrell, J. Electrochem. Soc. 152 (5), C272 (2005). = /2 = 3/4 13

8 結果 (2) 流速圧力電流密度 14 結果 (3) ウエハー表面の三次電流密度と濃度の分布換算された電流密度換算された濃度 15

得られたウエハー表面の三次電流密度およびイオン濃度の分布は発振波形であるのでシヤープレートによる流れ撹拌が電流分布に強い影響が与えることを示している

9 結果 (4) ウエハー表面の三次電流密度分布 ( = 2, 3, 4 mm) 異なる往復運動の相位 = 2 mm = 3 mm = 4 mm 16 まとめ本研究は工業ウエハーめっき装置内の三次電流密度分布を行った流体方程式と質量輸送の連成計算を扱った計算結果としてはめっき槽内流れの速度や圧力イオン濃度電位および電流密度である得られたウエハー表面の三次電流密度およびイオン濃度の分布は発振波形であるのでシヤープレートによる流れ撹拌が電流分布に強い影響が与えることを示しているウエハーとシヤープレートの距離から電流分布への影響の研究によってウエハー表面の電流分布をコントロールできる COMSOL の電気めっきモジュールは工業めっき槽に応用でき流れおよび熱伝達の計算をカップリングすることによってめっき槽内ウエハー表面に堆積される皮膜の質量を改善することができるだろう 17

10 ご静聴ありがとうございました Questions & Comments? Tokyo

<979D89F E B E786C7378>

<979D89F E B E786C7378> 電気化学 (F2027&F2077) 第 1 回講義平成 22 年 4 月 13 日 ( 火 ) 電気化学の概説 1. カリキュラムの中での本講義の位置づけの理解 2. 電気化学の発展 3. 電気化学の学問領域, 主な分野 4. 電気化学が支える先端技術分野と持続的社会はじめにの部分電気化学の歴史, 体系, エネルギー変換電気化学が深く関係する学問領域と先端技術の例を挙げよ電気化学が関係する先端技術の例を挙げよ