CLEAN TECHNOLOGY, Vol. 17, No. 2, June 2011, pp. 103~109 청정생산공정기술 무전해동도금 Throwing Power (TP) 및두께편차개선 서정욱, 이진욱, 원용선 * 삼성전기주식회사생산기술센터 443-743 경기도수원시영통구매탄 3 동 314 번지 삼성전기주식회사중앙연구소 443-743 경기도수원시영통구매탄 3 동 314 번지 국립부경대학교화학공학과 608-739 부산광역시남구용당동산 100 (2011 년 5 월 3 일접수 ; 2011 년 5 월 18 일 1 차수정본접수 ; 2011 년 5 월 31 일 2 차수정본접수 ; 2011 년 5 월 31 일채택 ) Improvement of the Throwing Power (TP) and Thickness Uniformity in the Electroless Copper Plating Jung-wook Seo, Jinuk Lee, and Yong Sun Won * Manufacturing & Engineering Center, Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd., Suwon, Gyunggi 443-743, Republic of Korea Corporate R&D Institute, Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd., Suwon, Gyunggi 443-743, Republic of Korea Department of Chemical Engineering, Pukyong National University, Busan 608-739, Republic of Korea (Received for review May 3, 2011; 1st Revision received May 18, 2011; 2st Revision received May 31, 2011; Accepted May 31, 2011) 요 약 전기도금의 seed layer 를형성하는무전해동도금공정의 throwing power (TP) 와두께편차를개선하기위한공정최적화방법을제시하였다. 실험계획법 (DOE) 을이용하여가능한모든공정인자들가운데 TP 와두께편차에가장큰영향을미치는주요인자를파악해보았다. 균일성을가진 via filling 을위해서는도금액내의 Cu 이온의농도를높여주고도금온도를낮추어주는것이바람직한것으로판단되었으며이는표면반응성의측면에서설명되었다. Kinetic Monte Carlo (MC) 모사가이를시각화하기위해도입되었으며실험에서관찰된현상을정성적으로무리없이설명할수있었다. 실험계획법을이용한체계적인실험과이를뒷받침하는이론적인모사가결합된본연구의접근법은관련공정에서유용하게활용될수있을것이다. 주제어 : 무전해동도금, Throwing power, Via, 두께편차, PCB (Printed Circuit Board) Abstract : The process optimization was carried out to improve the throwing power (TP) and the thickness uniformity of the electroless copper (Cu) plating, which plays a seed layer for the subsequent electroplating. The DOE (design of experiment) was employed to screen key factors out of all available operation parameters to influence the TP and thickness uniformity the most. It turned out that higher Cu ion concentration and lower plating temperature are advantageous to accomplish uniform via filling and they are accounted for based on the surface reactivity. To visualize what occurred experimentally and evaluate the phenomena qualitatively, the kinetic Monte Carlo (MC) simulation was introduced. The combination of neatly designed experiments by DOE and supporting theoretical simulation is believed to be inspiring in solving similar kinds of problems in the relevant field. Keywords : Electroless copper plating, Throwing power, Via, Thickness uniformity, PCB (Printed Circuit Board) 1. 서론 인쇄회로기판의제작공정중무전해동도금은후속공정인전기도금이가능하도록 seed layer 형성을목적으로진행된다 [1-3]. 인쇄회로기판이고밀도, 다층화되면서미세회로영 * To whom correspondence should be addressed. E-mail: yswon@pknu.ac.kr 역이증가하고있으며 via에의해서층간연결이이루어지는 stacked via 형태의제품이많은비중을차지하고있다 [4-9]. 이와같은미세회로구현을위해서는에칭공정에서 side etching이최소화될수있도록무전해동도금의두께를줄여야만한다 [10]. 하지만무전해동도금의두께가너무작으면 via 바닥부위의두께가너무얇거나도금이안되어전기적으로연결이되지않는 open 불량을야기할수있다. 따라서기판표 103
104 청정기술, 제 17 권제 2 호, 2011 년 6 월 면도금두께를낮추면서 via 내부도금두께는일정하게유지하여 via를통한층간연결이가능하도록하는무전해동도금기술개발이매우중요하다. 이논문에서는기판표면도금두께는일정하게유지하면서 via 바닥부위의무전해동도금층두께를향상시킬수있도록 throwing power (TP) 를증가시킴과동시에기판표면과의도금두께편차를개선함으로써궁극적으로전체적인도금두께를감소할수있는공정최적화방법을제시하고자한다. 인쇄회로기판의무전해동도금의균일도는 Figure 1에서정의된바와같이 TP로나타낼수있다. Via 상부두께대비 via 바닥부위두께의비율로 TP가높을수록도금두께균일성이증가하는것을의미한다. 즉, 기판표면두께를일정하게유지하면서 via 바닥부위두께를증가시키기위해선 high TP 무전해동도금이필요하다. 인쇄회로기판제작공정에서사용되는무전해동도금의 TP는일반적으로약 40% 수준으로기판표면에비하여 via 바닥부위두께가매우얇다. 이러한얇은도금두께는잠재적으로앞서언급한 open 불량뿐아니라에칭공정에서미에칭불량등을발생시킬수있다. 따라서이러한문제점을해결하기위해서는무전해동도금의 TP 개선이필요하며이를위해무전해동도금의 TP에대한도금액인자들의영향을파악하는실험을진행하였다. 우선, 도금액종류별로 TP를평가하였으며가장 TP가높은 A-II 도금액에대하여도금액인자별 TP에대한영향을파악하였다. 실험결과구리이온농도, 도금온도및 stabilizer 양이 TP에가장많은영향을주는인자로결정되었다. 또한이러한현상을 kinetic Monte Carlo (MC) 모사를통해이론적으로뒷받침하였다. Figure 1. Definition of the throwing power (TP) of electroless Cu plating solution. 금조건은각도금액의표준공정조건을사용하였다. A-I와 A-II는기존도금액과개발도금액두가지종류를의미하며각도금액의표준공정조건의구리이온농도 (g/l), basic 농도 (ml/l) 및온도를각각나타내었다. 도금액의 TP는 Figure 2와같이 via 상부와하부두께를측정하여계산하였는데현기판수준 (AR~0.5) 에서 A-I 도금액의 TP는 40% 수준으로관찰되었으며 A-II 도금액의경우 70% 이상이었다. 도금액에따른 TP를명확히비교하기위하여 aspect ratio가 2배인기판을사용하여 TP를평가하였다. 2. 실험 테스트기판은 TP의차이를명확히비교하기위하여기존기판 (AR~0.5) 의 aspect ratio 보다 2배큰기판 (AR~1) 을자체제작하여사용하였으며도금시간은현미경으로 via 내부관찰이용이하도록 40분을적용하였다. Figure 2는 AR~0.5 기판에서의도금액종류에따른 TP를예로서보여주고있다. 도 Figure 3. Comparison of the TP with respect to the kind of electroless Cu plating basic solution. (a) A-I (2.3/85 at 34 ) (b) A-II (2.7/95 at 30 ) Figure 2. Cross-sectional views of electroless Cu plating with respect to the kind of electroless Cu plating basic solution.
무전해동도금 Throwing Power (TP) 및두께편차개선 105 Table 1. Experimental sets from DOE (design of experiment) Test # Cu ion conc. (g/l) Basic sol. (ml/l) Temp. ( ) NaOH (g/l) Reduction (ml/l) Stabilizer (ml/l) Air bubble (L/min) 1 2.3 85 30 7 16 1 1 2 3.0 95 30 7 16 1 1 3 3.7 105 30 7 16 1 1 4 3.0 95 28 7 16 1 1 5 3.0 95 34 7 16 1 1 6 3.0 95 30 5 16 1 1 7 3.0 95 30 10 16 1 1 8 3.0 95 30 7 12 1 1 9 3.0 95 30 7 20 1 1 10 3.0 95 30 7 16 0.7 1 11 3.0 95 30 7 16 2 1 12 3.0 95 30 7 16 1 0.1 13 3.0 95 30 7 16 1 4 도금액별 TP 평가결과 A-I, B 및 C 도금액은 TP가 40% 수준이었으며 A-II 도금액의경우 50% 이상이었다 (Figure 3). 도금액 B와 C의경우도금조건은구리이온의농도 = 3.0 g/l, basic 농도 = 95 ml/l, 온도 = 30 C 였다. A-II 도금액은다른도금액들과비교하여 Cu 이온농도가높고, 도금액온도가낮은특징이있다. 이외에도도금액의어떤요인이 TP에영향을주는지확인하기위하여 A-II 도금액을선정하여인자별 TP 평가를진행하였다. 주요공정인자는 Cu 이온농도, 기준용액농도 (basic solution), 도금온도, NaOH 농도, 안정제농도, 환원제농도였고이외에설비인자를고려하기위하여 air bubbling을포함시켰다. Table 1은실험계획법 (DOE; design of experiment) 에의해세워진실험세트를보여주고있는데기준실험조건은 Cu 이온농도 = 3.0 g/l, 기준용액농도 = 95 ml/l, 도금온도 = 30, NaOH 농도 =7 g/l, 안정제농도 =1 ml/l, 환원제농도 = 16 ml/l, air bubbling = 1 L/min, 도금시간 = 40 min이다. 이를기준으로각각두개의높고낮은조건 (Table 1의 shaded 부분 ) 을도입함으로써위인자들의 TP에주는영향을파악하고자하였다. 3. 결과 3.1. TP 및두께편차에미치는공정인자의영향 Table 1과같이계획된실험이진행되었으며 Table 2에실험조건에따른평균도금두께를 pattern, top, middle, bottom (Table 1 참조 ) 각각에대하여정리하였다. 또한이를바탕으로 Table 1에서정의된바와같이 TP를계산하여각실험조건별 TP를 Table 4에그래프로나타내었다. 위실험결과에서 TP에영향을주는주요도금인자는 i) Cu 이온농도, ii) 도금온도, iii) 안정제농도였다. Cu 이온농도와안정제는그농도가높을수록 ( 양이많을수록 ) TP가증가됨을알수있었으나안정제의경우농도가 2 ml/l 이상에서도금후외관이매우어둡게나타나도금시 2.0 ml/l 이상의높은농도를유지하는것이바람직하지않은것으로 Table 2. Average plating thickness on various sites with respect to the plating conditions Average plating thickness (µm) Exp. Set # 1 2 3 4 5 6 7 Pattern 1.66 1.79 2.81 1.92 3.13 1.47 2.62 Top 1.63 1.59 2.43 2.02 2.88 1.41 2.34 Middle 1.45 1.25 2.43 1.62 2.13 1.19 2.14 Bottom 0.76 0.86 1.64 0.90 0.94 0.75 0.79 Exp. Set # 8 9 10 11 12 13 Pattern 2.08 1.53 1.83 1.29 1.13 1.88 Top 1.92 1.60 1.48 1.33 1.12 2.22 Middle 1.77 1.47 1.28 1.23 0.51 1.76 Bottom 1.04 0.80 0.73 0.91 0.11 1.24
106 청정기술, 제 17 권제 2 호, 2011 년 6 월 (a) Cu ion concentration (g/l) (b) Plating temperature ( ) (c) NaOH concentration (g/l) (d) Reduction solution concentration (ml/l) (e) Stabilizer concentration (ml/l) Figure 4. The effect of plating parameters on the TP (A-II plating solution). (f) Air bubbling (ml/l) 판단되었다. 나머지도금인자들은운전적인측면에서도금조건을고정함으로써 TP에주는영향을배제할수있는데예를들어 air bubbling은 1.0 ml/l 이상, NaOH 농도는 7 g/l 이하로도금조건을고정하면높은수준의 TP가유지되면서위도금인자들의영향을고려하지않아도됨을알수있다 (Figure 4(c) 와 (f)). 따라서두가지공정인자 (Cu 이온농도와도금온도 ) 에대한추가적인상세 DOE를진행함으로써 TP를극대화시키는최적화조건을도출할수있다. Figure 5는두가지공정인자의변화에따라 via 도금두께편차가어떻게달 라지는지광학현미경단면사진을통해명확하게보여준다. Figure 5(a), (d), (f) 의경우는 top과 bottom의두께편차를확연하게관찰할수있으며이는정의에의해서 TP가떨어짐을의미한다. A-II 도금액에대한도금공정조건별 TP 영향평가결과를바탕으로 A-I 도금액에대해서도동일한방식의 DOE를적용하여실험하였다. 평가결과도금공정조건중에서 A-II 도금액과같이 Cu 이온농도와도금온도가 TP에가장크게영향을미치는것으로관찰되었다. 따라서기준도금액의농도와
무전해동도금 Throwing Power (TP) 및두께편차개선 107 (a) (2.3/85) (b) (3.0/95) (c) (3.7/105) (d) 28 (e) 30 (f) 34 Figure 5. Cross-sectional views of via plating with respect to the Cu ion concentration and plating temperature (A-II plating solution). The values of (A/B) in (a), (b), and (c) indicate the ratio of Cu ion concentration to basic solution concentration. (a) Cu ion concentration (ml/l) (b) Plating temperature ( ) Figure 6. The effect of the Cu ion concentration and plating temperature on the TP (A-I plating solution). 상관없이 Cu 이온농도와도금온도두인자를조절하여 TP 가극대가되도록공정조건을찾을수있을것으로판단된다. Figure 4와 6에서동일한공정조건에서도금온도만변경하였을때중간온도에서 TP 값이최대가되는현상이관찰되었으며 Cu 이온농도의경우다소의차이는있지만 Cu 이온의농도가증가할수록 TP도같이증가하였다. 이에대한물리적인해석은 3.2절에서다루기로한다. 3.2. Kinetic Monte Carlo 모사를이용한공정인자의영향해석위의실험을통해무전해동도금공정의 TP와두께편차에 영향을미치는주요인자로서 Cu 이온농도와도금온도가결정되었다. Figure 4와 6을통해관찰된현상을물리적으로해석하기위하여 conventional kinetic Monte Carlo (MC) 모사를도입하였다. Kinetic MC에대한이론적인배경은참고문헌을참조하길바라며 [11-14] 여기서는얻어진결과를해석하는데초점을맞춘다. Figure 7과같이실제기판 (AR~0.5) 과최대한흡사하게기울어진 via의측면까지고려한 domain을구성하였으며대칭이되는한쪽부분만을그림에나타내었다. Figure 7(a) 는전형적인 via filling의모사결과를보여주고있는데특히아래쪽구석이취약하며 via 측면의 bottom에서 middle을거쳐 top까지의두께편차가크게나타남을알수
108 청정기술, 제 17 권제 2 호, 2011 년 6 월 (a) Reference (b) high Cu ion concentration (c) low temperature Figure 7. The effect of the Cu ion concentration and plating temperature on the TP (A-I plating solution). 있다. Figure 7(b) 와같이 Cu 이온의농도가높은경우 via의바닥까지도달할수있는 Cu 이온의수가많아지기때문에 Figure 7(a) 에비해많이두께편차가많이향상된모습을확인할수있다. 물론이러한해석은표면에서의반응성이적절하게유지되는경우에해당하며예를들어반응온도가높아표면반응성이커지면오히려 top 부분에서도금두께가크게증가하여 bottom/top 두께편차가커질수있다. 이를 Figure 7(c) 에서도확인할수있는데낮은반응온도에서표면반응성이크지않아 via의위쪽에서달라붙지않은 Cu 이온들이아래쪽까지확산되어전체적으로고른두께분포를보이게된다. 단반응온도를낮추게되면공정의 lead time이증가하므로이를고려하여온도를결정하는것이중요하다. 4. 결론 무전해동도금을이용하여 via 구조에후속공정인전기도금을위한 seed layer를형성할때전체적인두께편차를감소 하고 throwing power (TP) 를향상시킬수있는공정조건을실험계획법 (DOE) 을통하여알아보았다. 가능한모든공정인자를검토한결과 Cu 이온의농도와도금온도가 TP에가장큰영향을미치는것으로파악되었는데 Cu 이온의농도가높을수록도금온도가낮을수록 TP와두께편차가향상되었다. 이러한현상을 kinetic Monte Carlo (MC) 모사를통하여구현하였으며표면반응성과연관하여정성적인해석을하였다. 본연구에서보여준 DOE 및모사를이용한이론적해석은해당분야의엔지니어들이유익하게활용할수있는접근법이라고생각된다. 참고문헌 1. Webb, E., Witt, C., Andryuschenko, T., and Reid, J., Integration of Thin Electroless Copper Films in Copper Interconect Metallization, J. Appl. Electrochem., 34, 291-300 (2004). 2. Kobayashi, T., Kawasaki, J., Mihara, K., and Honma, H., Via-
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