JP2004103867A - Method and apparatus of filling fine hole with metal - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子デバイスや光デバイスなどの配線、また、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)デバイスの構造体などに利用する場合に好適な基板に形成された微細孔への金属充填方法及びその装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、電子デバイスや光デバイスなどの各種デバイスの配線、また、MEMSデバイスを構成する構造体などに、微細孔に充填された金属を用いることがある。
【0003】
図6に、一例として電子デバイスなどの配線に利用するための貫通電極の断面工程図を示す。この貫通電極は、シリコン等の半導体材料や、ガラス等の絶縁体材料からなる基板71に、主面同士を貫通する微細孔73が形成されており、微細孔73内には金属等の導電性物質75が充填されている。
【0004】
この貫通電極の製造方法の一例として、図7に示すようなものがある。まず、図7(a)に示すように、基板71に、基板71を貫通する微細孔73を形成する微細孔形成工程を行う。微細孔73を形成する方法としては、ICP−RIE(Inductively Coupled Plasma−ReactiveIon Etching)法に代表されるDeep−Reactive Ion Etching(DRIE)法、エッチング溶液を用いたウェットエッチング法、マイクロドリルによる機械加工法などが挙げられる。更に基板71として、シリコンなどの半導体基板を用いた際には、必要に応じて孔壁に絶縁層が形成される。
【0005】
次いで、図7(b)〜図7(d)に示すように金属充填工程(溶融金属充填法)により、微細孔73内に金属を充填する。
【0006】
まず、図7(b)に示すように、微細孔73が形成された基板71を、大気圧よりも低い第1の圧力に保たれたチャンバー77内において、溶融金属75に浸漬する。
【0007】
次いで、図7(c)に示すように、チャンバー77内の圧力を第1の圧力よりも高い第2の圧力に上昇せしめ、このとき生じる圧力差により、溶融金属75を微細孔73内に圧力充填する。
【0008】
次いで、図7(d)に示すように、基板71を溶融金属75から取り出した後、冷却することで微細孔73への金属充填が完了する。
【0009】
また、例えば特許文献1のようなものもある。
【0010】
【特許文献1】
特開2002−158191公報
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、溶融金属充填法は、微細孔への金属充填法として非常に有効な手段である。しかしながら、上述した従来の方法では、微細孔形成工程で使用したレジストの残渣や、その後の加工プロセス、搬送時に生じる基板上の汚染などに対して何も考慮されていなかった。そのため、微細孔が形成された基板上に、これらレジストの残渣や汚染などが存在すると、その後の金属充填プロセスにおいて、全く金属が充填されない微細孔や、途中までしか充填されていない微細孔が発生し、基板内で均一な充填を行うことが困難であった。
【0012】
本発明は、前記事情を鑑みて行われたものであり、微細孔が形成された基板上に、レジストの残渣や油脂などの汚染が存在しても、微細孔内に均一に金属を充填せしめるための充填方法、及び充填装置を提供することが課題である。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明は以上の如き問題に鑑みてなされたものであり請求項1に係る発明は、基板に形成された微細孔への金属充填方法であって、前記基板の少なくとも前記微細孔が形成されている面を、プラズマにより洗浄する工程と、前記基板を大気圧より低い第1の圧力下で溶融金属中に浸漬する工程と、前記第1の圧力をこれより高い第2の圧力まで上昇させ前記微細孔中に前記溶融金属を差圧充填する工程と、前記基板を前記溶融金属から引き上げる工程とを有する微細孔への金属充填方法である。
【0014】
請求項2に係る発明は、2部屋以上に分割されたチャンバー内部、または2つ以上に構成されたチャンバー自体の内部で、それぞれ別の部屋、もしくは別々のチャンバーに分離して設置されているプラズマを発生する電極と、金属を加熱溶融することができる装置とにより、それぞれ基板を洗浄し金属を充填する上記微細孔への金属充填方法である。
【0015】
請求項3に係る発明は、基板に形成された微細孔への金属充填装置であって、内部を減圧する減圧手段と、内部を加圧する加圧手段とを備えたチャンバーと、このチャンバー内にプラズマを発生させる装置と金属を加熱溶融することのできる装置とを備えた微細孔への金属充填装置である。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳しく説明する。
【0017】
本例の基板に形成された微細孔への金属充填方法について、図1および図2を参照しながら説明する。
図1(a)〜図2(b)までは本実施形態の微細孔への金属充填方法を工程順に示し、基板を微細孔の延伸方向に切断したときの断面図であり、図2(c)は微細孔を基板上面から眺めた図である。
【0018】
本実施形態の充填方法では、微細孔を形成する基板として、厚さTが300μmのシリコン基板1を用いる。
【0019】
図1(a)に示すように、直径Dが50μm程度の微細孔3が、シリコン基板1の両主面を貫通するように、Deep−Reactive Ion Etching(DRIE)法により形成されている。ここで、DRIE法とは、エッチングガスに六フッカ硫黄(SF6)を用い、高密度プラズマによるエッチングと、測壁へのパッシベーション製膜を交互に行うことにより(Boschプロセス)、シリコン基板1を深堀エッチングするものである。
【0020】
また、シリコン基板1の表面、及び微細孔3の孔壁には、酸化シリコン(SiO2)からなる絶縁層5が形成されている。
【0021】
なお、微細孔3を形成する基板は、シリコン基板に限定されるものではなく、ガリウム砒素(GaAs)などの他の半導体基板や、ガラスなどの絶縁基板でもよい。
【0022】
また、微細孔3は非貫通孔でもよく、その直径は、基板の厚さや所望の用途に応じて適宜設定され、更にその深さ方向に垂直な断面形状も、円形、楕円形、三角形、四角形、矩形などいかなる形状であってもよい。また、微細孔を形成する方法も、DRIE法に限定されず、水酸化カリウム(KOH)水溶液などによるウェットエッチング法、マイクロドリルなどによる機械加工、光励起電解研磨法などを用いることができる。
【0023】
次いで、図1(b)に示すように、微細孔3が形成されたシリコン基板1の表面を電極7から発生する酸素(O2)プラズマにより1分間洗浄する。この際、プラズマにより、基板表面のレジスト層5の残渣や異物などが洗浄されるため、引き続き行う金属充填において、微細孔3内に均一な金属充填が可能になる。
【0024】
なお、洗浄に用いるプラズマは酸素プラズマに限定されず、水素(H2)プラズマやアルゴン(Ar)プラズマでもよく、また、これらを適宜組み合わせることも可能である。また、洗浄時間もプラズマ発生装置の電力や汚染の程度に応じて適宜設定される。また、本例では、酸素プラズマによる洗浄と引き続き行う溶融金属充填を別々の装置で実施するが、後述する本発明の金属充填装置を用いれば、基板の洗浄と金属充填を一連のプロセスで行うことが可能である。
【0025】
次いで、図1(c)に示すように、微細孔3が形成されたシリコン基板1を治具9に固定し、チャンバー11内に設置する。ここでは図示しないが、チャンバー11はロータリーポンプなどからなる排気系、及び窒素(N2)ガスなどのガス供給系に接続されており、チャンバー11内を適宜排気、加圧できるようになっている。また、チャンバー11内には金属を加熱溶融するるつぼ13が設置されており、この中に溶融した金錫(Au(80重量%)−Sn(20重量%))15が設置されている。
【0026】
なお、本例では溶融金属として金錫(Au(80重量%)−Sn(20重量%))で説明したが、本発明はこれに限定されず、異なる組成を有する金錫合金や、錫(Sn)、インジウム(In)などの金属、また、錫鉛(Sn−Pb)系、錫(Sn)基、鉛(Pb)基、金(Au)基、インジウム(In)基、アルミニウム(Al)基などのはんだを使用することができる。
【0027】
次いで、図1(d)に示すように、チャンバー11内を10Pa程度(第1の圧力)まで減圧した後、微細孔3が形成されたシリコン基板1を溶融金属15中に矢印AR1方向から浸漬する。なお、第1の圧力は、大気圧より低い圧力であればいかなる圧力でもよい。
【0028】
次いで、図2(a)に示すように、チャンバー11内を窒素ガスにより大気圧(第2の圧力)まで加圧する。このとき溶融金属15内の微細孔3と、チャンバー11内とに圧力差が生じ、溶融金属15が微細孔3内に圧力充填される。
【0029】
なお、第2の圧力は第1の圧力よりも高ければいかなる圧力でもよく、例えば大気圧よりも高い圧力まで加圧してもよい。
【0030】
次いで、図2(b)に示すように、微細孔3が形成されたシリコン基板1を、溶融金属15内から矢印AR2方向に引き上げ、冷却することにより、微細孔3内への金属17の充填が完了する。
【0031】
図2(c)は上記工程で形成された金属17が充填された微細孔3を備えたシリコン基板1を上から眺めた平面図である。こうして作製した微細孔3に充填された金属17は、基板の表裏を電気的に接続する貫通電極として使われたり、MEMSデバイスにおける構造体の一部として利用できる。
【0032】
次に、本発明の基板に形成された微細孔への金属充填装置を、図3〜図5を参照しながら説明する。
【0033】
なお、いずれの図も、本発明に係る金属充填装置の概略図を示したものであり、装置を正面から眺めた際の断面図である。本発明の金属充填装置を用いることにより、上述した基板に形成された微細孔への金属充填を効率良く行うことができる。
【0034】
図3は、本発明の金属充填装置の一例を示す概略図である。本装置は、内部を減圧する減圧手段と、内部を加圧する加圧手段とを備えたチャンバーと、チャンバー内にプラズマを発生させる装置と、金属を加熱溶融することのできる装置とを備えたことを特徴としている。
【0035】
金属充填装置21のチャンバー23の内部は仕切り板25により反応室Aと反応室Bに分割されており、それぞれの部屋がロータリーポンプなどからなる真空排気系27、及び窒素(N2)や酸素(O2)などのガス供給系29と接続され、適宜減圧及び加圧ができるようになっている。
【0036】
なお、本例においては、反応室Aと反応室Bに対し、それぞれに独立した排気系27を設置したが、共通の排気系を用い、配管とバルブなどにより流路を変えることも可能である。
【0037】
仕切り板25の一部には、開閉可能なバルブ31が設置されている。反応室A内には、プラズマを発生させるための電極33が設置してあり、ここでは図示してないが、高周波電源などからなるプラズマ発生装置と接続されている。反応室B内には、金属を加熱溶融できるるつぼ35、及び加熱溶融される金属37が設置してある。また、開閉バルブ31を通り、反応室A−B間を矢印AR3方向に自由に往来できる位置には、基板39を搬送するための搬送治具41が設置されている。以下、本装置を用いた微細孔への金属充填を説明する。
【0038】
搬送治具41により固定された微細孔が形成された基板39を、はじめ反応室A内において、酸素プラズマにより表面洗浄する。この際、開閉バルブ31を閉じることにより、反応室Aと反応室Bを完全に分離できるため、酸素による溶融金属37の酸化や溶融金属37内への異物の混入を防ぐことができる。
【0039】
プラズマ洗浄後、反応室A、反応室B共に排気し、開閉バルブ31を開ける。次いで、基板39を、開放しているバルブを通して反応室B内に搬送し、大気圧よりも低い第1の圧力下で溶融金属37内に浸漬する。次いで、反応室A、反応室B内を第1の圧力よりも高い圧力第2の圧力まで上昇させ、微細孔内に溶融金属37を差圧充填する。次いで、基板39を溶融金属37から引き上げ、冷却して微細孔への金属充填が完了する。
【0040】
なお、本例においては、チャンバー23内を仕切り板25により分割したが、これに限定されず、図4に示すようにそれぞれが独立したチャンバー43、45を用い、チャンバー43内でプラズマ洗浄した後、開閉バルブ49、及び搬送路51を矢印AR4方向に通って搬送し、チャンバー45内において溶融金属充填することも可能である。
【0041】
また、図5に示すように、反応室53、55、あるいはチャンバー53、55を水平方向に設置し、反応室53内で基板57をプラズマ洗浄し、次いで、反応室55またはチャンバー55内において溶融金属充填するような装置構成もできる。この際、両反応室間、または両チャンバー間を、搬送アームや搬送ベルトからなる搬送系61により接続することで、一連の金属充填プロセス(例えば基板57を矢印AR5、AR6、AR7、及びAR8方向の順に移動)を自動的に行うことが可能となり、生産性を飛躍的に増大できる。
【0042】
なお、本発明は、上述した実施の態様の例に限定されることなく、適宜の変更を加えることにより、その他の態様で実施できるものである。
【0043】
【発明の効果】
本発明の基板に形成された微細孔への金属充填方法によれば、基板の少なくとも微細孔が形成されている面をプラズマにより洗浄する工程と、基板を大気圧より低い第1の圧力下で溶融金属に浸漬する工程と、第1の圧力をこれより高い第2の圧力まで上昇させ微細孔中に溶融金属を差圧充填する工程と、基板を溶融金属から引き上げる工程とを有しているため、プラズマにより基板表面のレジストの残渣や異物などが洗浄され、微細孔内に均一な金属充填が可能となる。
【0044】
また、本発明の基板に形成された微細孔への金属充填装置は、内部を減圧する減圧手段と内部を加圧する加圧手段とを備えたチャンバーと、チャンバー内にプラズマを発生させる装置と、金属を加熱溶融することのできる装置とを備えているため、プラズマによる洗浄と金属充填を1つの装置を用い、一連のプロセスで行えるため、効率良い微細孔への金属充填が可能となる。
【0045】
また、本発明の基板に形成された微細孔への金属充填装置のチャンバー内部は、少なくとも2部屋以上に分割、またはチャンバー自体が少なくとも2つ以上から構成されており、プラズマを発生する電極と、金属を加熱溶融することのできる装置とが、それぞれ別々の部屋、もしくは別々のチャンバーに分離して設置されているため、酸素による溶融金属の酸化や、溶融金属内への異物の混入を防ぐことができ、また、自動搬送系の設置が可能となるため、生産性を飛躍的に向上できる。
【0046】
さらに、2部屋以上に分割された前記チャンバー、または2つ以上から構成された前記チャンバー自体はそれぞれ並列又は直列に構成できるため設置するスペースに合わせて金属充填装置を選択できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】微細孔への金属充填方法の断面工程図である。
【図2】図1の続きの断面工程図である。
【図3】基板に形成された微細孔への金属充填装置を説明する説明図である。
【図4】基板に形成された微細孔への金属充填装置を説明する説明図である。
【図5】基板に形成された微細孔への金属充填装置を説明する説明図である。
【図6】従来の技術を説明する説明図である。
【図7】従来の技術を説明する説明図である。
【符号の説明】
1 シリコン基板
3 微細孔
5 絶縁層
7 電極
9 治具
11 チャンバー
13 るつぼ
15 溶融した金錫[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method and an apparatus for filling metal into fine holes formed in a substrate suitable for use in wiring of electronic devices, optical devices, and the like, structures of MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) devices, and the like. .
[0002]
[Prior art]
In general, metal filled in micropores may be used for wiring of various devices such as an electronic device and an optical device, and a structure constituting a MEMS device.
[0003]
FIG. 6 shows a sectional process drawing of a through electrode for use in wiring of an electronic device or the like as an example. The through-electrode has a
[0004]
FIG. 7 shows an example of a method of manufacturing this through electrode. First, as shown in FIG. 7A, a fine hole forming step of forming
[0005]
Next, as shown in FIGS. 7B to 7D, a metal is filled in the
[0006]
First, as shown in FIG. 7B, the
[0007]
Next, as shown in FIG. 7C, the pressure in the
[0008]
Next, as shown in FIG. 7D, after taking out the
[0009]
Further, for example, there is one such as
[0010]
[Patent Document 1]
JP 2002-158191 A
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the molten metal filling method is a very effective means as a method for filling fine pores with metal. However, in the above-described conventional method, no consideration has been given to the residue of the resist used in the fine hole forming step, the subsequent processing process, and contamination on the substrate during transport. Therefore, if these resist residues and contamination are present on the substrate on which the micropores are formed, in the subsequent metal filling process, micropores that are not completely filled with metal or micropores that are only partially filled will occur. However, it has been difficult to perform uniform filling in the substrate.
[0012]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and even if contamination such as a residue of a resist or oil or fat exists on a substrate on which fine holes are formed, metal is uniformly filled in the fine holes. It is an object to provide a filling method and a filling device for the same.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been made in view of the problems as described above, and the invention according to
[0014]
The invention according to claim 2 is a plasma that is separately installed in a separate room or a separate chamber inside a chamber divided into two or more rooms, or inside a chamber itself formed into two or more rooms. This is a method for filling a metal into the micropores, wherein the substrate is cleaned and filled with a metal by using an electrode that generates heat and a device that can heat and melt the metal.
[0015]
The invention according to
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0017]
A method for filling the fine holes formed in the substrate of this example with metal will be described with reference to FIGS.
FIGS. 1A to 2B are cross-sectional views of a method of filling a fine hole with a metal according to the present embodiment in the order of steps, in which the substrate is cut in a direction in which the fine hole extends. () Is a view of the fine hole as viewed from the upper surface of the substrate.
[0018]
In the filling method of the present embodiment, a
[0019]
As shown in FIG. 1A, a
[0020]
An insulating
[0021]
The substrate on which the
[0022]
Further, the
[0023]
Next, as shown in FIG. 1B, the surface of the
[0024]
The plasma used for cleaning is not limited to oxygen plasma, but may be hydrogen (H2) plasma or argon (Ar) plasma, or a combination thereof. Also, the cleaning time is appropriately set according to the power of the plasma generator and the degree of contamination. Further, in this example, the cleaning by oxygen plasma and the subsequent filling of the molten metal are performed by separate apparatuses. However, if the metal filling apparatus of the present invention described later is used, the cleaning of the substrate and the metal filling are performed in a series of processes. Is possible.
[0025]
Next, as shown in FIG. 1C, the
[0026]
In this example, gold tin (Au (80% by weight) -Sn (20% by weight)) was described as the molten metal. However, the present invention is not limited to this, and gold tin alloys having different compositions and tin ( Sn), metals such as indium (In), tin-lead (Sn-Pb), tin (Sn), lead (Pb), gold (Au), indium (In), and aluminum (Al) A solder such as a base can be used.
[0027]
Next, as shown in FIG. 1D, after the pressure in the
[0028]
Next, as shown in FIG. 2A, the inside of the
[0029]
The second pressure may be any pressure as long as it is higher than the first pressure. For example, the second pressure may be increased to a pressure higher than the atmospheric pressure.
[0030]
Next, as shown in FIG. 2B, the
[0031]
FIG. 2 (c) is a plan view of the
[0032]
Next, an apparatus for filling a fine hole formed in a substrate according to the present invention with a metal will be described with reference to FIGS.
[0033]
Each drawing is a schematic view of the metal filling device according to the present invention, and is a cross-sectional view when the device is viewed from the front. By using the metal filling apparatus of the present invention, the metal can be efficiently filled into the fine holes formed in the substrate described above.
[0034]
FIG. 3 is a schematic view showing an example of the metal filling device of the present invention. The apparatus includes a chamber provided with a decompression unit for depressurizing the inside, a pressurizing unit for pressurizing the inside, a device for generating plasma in the chamber, and a device for heating and melting metal. It is characterized by.
[0035]
The interior of the
[0036]
In this example, the
[0037]
An openable /
[0038]
First, in the reaction chamber A, the surface of the
[0039]
After the plasma cleaning, both the reaction chamber A and the reaction chamber B are evacuated, and the open /
[0040]
In the present example, the inside of the
[0041]
Further, as shown in FIG. 5, the
[0042]
The present invention is not limited to the above-described embodiments, but can be embodied in other modes by making appropriate changes.
[0043]
【The invention's effect】
According to the method for filling metal into the fine holes formed in the substrate of the present invention, a step of cleaning at least the surface of the substrate on which the fine holes are formed with plasma, and the step of cleaning the substrate under a first pressure lower than atmospheric pressure A step of dipping the molten metal in the molten metal, a step of raising the first pressure to a second pressure higher than the second pressure, and differentially filling the molten metal into the fine holes, and a step of lifting the substrate from the molten metal. Therefore, the residue and foreign matters of the resist on the substrate surface are cleaned by the plasma, and the metal can be uniformly filled in the fine holes.
[0044]
Further, the apparatus for filling metal into the fine holes formed in the substrate of the present invention, a chamber provided with a depressurizing means for decompressing the inside and a pressurizing means for pressurizing the inside, an apparatus for generating plasma in the chamber, Since the apparatus is provided with a device capable of heating and melting the metal, the cleaning with the plasma and the metal filling can be performed in a series of processes using one device, so that the metal can be efficiently filled into the fine holes.
[0045]
Further, the inside of the chamber of the metal filling apparatus into the fine holes formed in the substrate of the present invention is divided into at least two or more rooms, or the chamber itself is composed of at least two or more, an electrode for generating plasma, Since the equipment that can heat and melt the metal is installed separately in separate rooms or separate chambers, it is possible to prevent oxidation of the molten metal by oxygen and entry of foreign matter into the molten metal In addition, since an automatic transfer system can be installed, productivity can be dramatically improved.
[0046]
Furthermore, since the chamber divided into two or more rooms or the chamber itself composed of two or more can be configured in parallel or in series, a metal filling device can be selected according to a space to be installed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional process view of a method for filling a fine hole with a metal.
FIG. 2 is a sectional process view continued from FIG. 1;
FIG. 3 is an explanatory diagram illustrating an apparatus for filling a metal into a fine hole formed in a substrate.
FIG. 4 is an explanatory view illustrating an apparatus for filling a fine hole formed in a substrate with a metal.
FIG. 5 is an explanatory diagram illustrating an apparatus for filling a fine hole formed in a substrate with a metal.
FIG. 6 is an explanatory diagram illustrating a conventional technique.
FIG. 7 is an explanatory diagram illustrating a conventional technique.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記基板の少なくとも前記微細孔が形成されている面を、プラズマにより洗浄する工程と、
前記基板を大気圧より低い第1の圧力下で溶融金属中に浸漬する工程と、
前記第1の圧力をこれより高い第2の圧力まで上昇させ前記微細孔中に前記溶融金属を差圧充填する工程と、
前記基板を前記溶融金属から引き上げる工程と、
を有することを特徴とする微細孔への金属充填方法。A method for filling metal into micropores formed in a substrate,
A step of cleaning at least the surface of the substrate on which the fine holes are formed by plasma,
Immersing the substrate in a molten metal under a first pressure lower than atmospheric pressure;
Raising the first pressure to a higher second pressure and differentially filling the molten metal with the molten metal;
Lifting the substrate from the molten metal,
A method for filling metal into micropores, comprising:
金属を加熱溶融することのできる装置とを備えたことを特徴とする微細孔への金属充填装置。A device for filling metal into the fine holes formed in the substrate, a decompression means for decompressing the inside, a chamber provided with a pressurizing means for pressurizing the inside, an apparatus for generating plasma in this chamber,
A device for filling metal into fine holes, comprising: a device capable of heating and melting metal.
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2002
- 2002-09-10 JP JP2002264446A patent/JP2004103867A/en active Pending
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