第三章 單面銅線
3.1 銅的效益
3.1.3 基礎電化學沉積法
當一導體的表面浸於含有金屬離子的溶液中，如果將其接上外部電源供應器，並且通入電 流通過這導體表面，此時溶液中的金屬離子便會開始沉積於這表面上，而這整個過程稱為電化 學沉積製程。回過頭來，在前一章的電鍍銅製程中，雖然阻隔層仍會有些許的導電度，但相較 於銅來說，其電阻大非常多，因此電鍍時，在阻隔層上僅能電鍍出很薄的銅種子層[34]。此外，
由於高阻抗的金屬層會導致所需要使用的電鍍電壓，而導致銅沉積的形貌會呈現一坨一坨的群
圖 3. 6 銅電鍍槽。
電解液是硫酸銅水溶液：
其中，aq = 水溶液
在陰極(晶圓)上，依據所使用的還原電位ε0，H2O 和 Cu2+都可能還原：
其中，ε0 = 還原電位，s = 固態
由於銅的還原電位非常高，因此容易產生還原反應，同樣的在陽極上，H2O 和 SO42-也有 機會氧化，最終的氧化還原反應如下：
在陰極(晶圓表面) 還原反應
在陽極 氧化反應
其中，l = 液態，g = 氣態
陽極反應和陰極反應需要做電荷平衡，以維持溶液的電中性。此外也可以使用銅棒作為陽 極，如國 3.7 所示，其氧化還原反應如下：
在陰極(晶圓表面) 還原反應
在銅棒陽極 氧化反應
圖 3. 7 使用銅棒的銅電鍍槽。
利用法拉第定律可以來計算電鍍中沉積在晶圓上的銅重量：產物的莫耳數和流經電解槽的 電子莫耳數是有一定比例關係[36]。比如說，假設有 30A 的電流施加在此銅電解槽中，經過 1 分鐘後，流經的電子莫耳數為：
其中，Ne = 電子的莫耳數
NA = 亞佛加厥數
e = 一個電子的帶電量
由於兩個電子流經電解槽後，可以沉積一個銅原子，因此可以沉積的銅莫耳數為 9.34×10-3， 因此銅的重量為：
其中，M = 銅的總重量
mCu = 銅的分子量
V-I Curves (電位電流曲線圖)
圖 3.8 為典型的陰極/電解液界面的電流電位曲線圖，其中陰極為含有銅種子層的晶圓。由 於電解質溶液要保持電中性，因此在陰極和電解液的電位差會近乎於陰陽極之間的電位差。
圖 3. 8 典型的電鍍 I-V 圖。
當陰極/電解液界面間的電流為零時，此時便達到了平衡電位。其平衡電位的來由是由於 陰極上的金屬如果傾向於溶解於水溶液中的話，會產生正離子，而其金屬的價電子便會流入陰 極，也就是使得陰極的電位降低而達到平衡電位。然而，也可能發生反過來的情況，電解液中 的金屬傾向於沉積於陰極上(此時陰極電位便會上升)，以金屬銅來舉例，當 CuSO4電解液中銅 離子的濃度達到 5.5 mol cm-3時，此時陰極會傾向於讓溶液中的銅離子沉積於陰極上，導致晶 圓(陰極)的電位有稍微上升的趨勢[37]，也就是圖九中負電位的區間。
當使用電源供應器使加電壓在電解槽時，其電流密度會根據 Tafel 定律去變化，此定律在 1905 透過實驗數據的建立而提出[38]：
常數，η = 施加的電壓，R = 氣體常數，T = 溫度，k0 = 反應速率常數，[Cu2+]∞ =
的半徑(Arbitrary radius)，r1 = 晶圓半徑；ψ = Dimensionless overpotential 無因次的 過電位(意思類似前面)，η(r) = 在半徑 r 上的施加電位，η(r1) = 在半徑 r1上的施加 電位。
而 Dimensionless overpotential 可以用下列方程式表示：