JP2004148465A

JP2004148465A - 被加工物の衝撃加工方法と装置、及びそれで加工された半導体装置

Info

Publication number: JP2004148465A
Application number: JP2002318209A
Authority: JP
Inventors: Masakazu Ishino; 正和石野; Kanji Otsuka; 寛治大塚
Original assignee: Hitachi Ltd; Meisei Gakuen
Current assignee: Hitachi Ltd; Meisei Gakuen
Priority date: 2002-10-31
Filing date: 2002-10-31
Publication date: 2004-05-27

Abstract

【課題】半導体ウエハまたはそれらチップを貫通する微小孔をポンチによる機械加工で穿つことができるようにする。
【解決手段】シリンダ内において、ハンマー４が低速で下降してピストン６に衝撃的に衝突し、燃焼ガス注入弁７から予め充填されている空気混合燃焼ガスに衝撃的に加圧する。これにより、この気体は整流路８を通るが、このとき、圧縮応力波としてｄ_１／ｄ_２倍＝０．５７８倍以上に高速化され、インピーダンス整合ガイド９を介して加速ガイド１１に送られる。この加速ガイド１１では、その中に設けられているポンチ１０がこの圧縮応力波で加速されながら進行し、ガードレール１２を介して被加工物であるウエハ１３に衝突する。これにより、ウエハ１３に貫通孔が形成される。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハもしくはその半導体チップなどの被加工物を貫通する微小孔をポンチによる機械加工で穿つ被加工物の衝撃加工方法と装置、及びそれで加工された半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体結晶のような脆くて結晶欠陥を嫌う材料に対して、プレスのような機械加工を行なうことはなかった。このような材料に孔開け加工を行なう場合には、ドライエッチングが一般的である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ドライエッチングによる孔開け加工を行なう場合、エッチングマスクの作成等プロセスが複雑で、かつ高価な真空装置を使用するために、加工コストが高くなるという欠点があった。また、加工する結晶材料に応じてエッチングガスを選定し直す必要があり、加工時間も１〜５ミクロン／分と比較的長時間を要するという欠点があった。
【０００４】
本発明の目的は、かかる問題を解消し、半導体結晶に発生する結晶欠陥を最小に抑えながら、ポンチによる機械加工を可能として、高速かつ低価格で半導体ウエハもしくは半導体チップなどの被加工物に貫通孔を開けることができるようにした被加工物の衝撃加工方法と装置、及びそれで加工された半導体装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
始めに、本発明による貫通孔の加工原理に関して説明する。
【０００６】
まず、気体の体積弾性率ｋ［ｇ／ｍｓｅｃ^２＝Ｎ／ｍ^２］について説明する。なお、括弧［］内は物理量の単位の名称を示している。
【０００７】
力ｆが与えられることによる気体の変位をδとすると、運動の方程式
ｍａ＝ｆ
となる。ここで、ｍは質点の質量、ａは加速度であり、
ａ＝ｄ^２δ／ｄｔ^２
であるから、上記の運動の方程式は、
ｍ・ｄ^２δ／ｄｔ^２＝ｆ、あるいは、ｄ^２δ／ｄｔ^２＝ｆ／ｍ
と表わされる。
【０００８】
力ｆによってその方向に微小距離ｄｚだけ変位するに要する時間、即ち、変位時間ｄｔは、気体の伝搬速度をｖとすると、ｄｚ／ｖで与えられ、上式の加速度ａを力ｆの方向（つまり、進行方向）の距離ｄｚで表わすと、ｄｔ＝ｄｚ／ｖであるから、
ｖ^２・ｄ^２δ／ｄｚ^２
となる。即ち、
ｄ^２δ／ｄｔ^２＝ｖ^２・ｄ^２δ／ｄｚ^２・・・・・・・・（１）
という波動方程式が得られる。
【０００９】
質点の質量ｍは密度ρ［ｇ／ｍ^３］で表わされ、力ｆと変位δとの関係を決める体積弾性率ｋの関係式ｆ＝−ｋδから圧力ｐを求めると、ｐ＝ｄｆ／ｄｚから、
ｐ＝−ｋ・ｄδ／ｄｚ・・・・・・・・・（２）
が得られる。進行方向の微小距離ｄｚに直角な単位部分で考えると、この両端での圧力差は−ｄｐ／ｄｚでこの部分の質量はρであること、ｍａ＝ｆはρａ＝−ｋδとなるため、
ρ・ｄ^２δ／ｄｔ^２＝−ｄｐ／ｄｚ
さらに、式（２）より、
ρ・ｄ^２δ／ｄｔ^２＝ｋ・ｄ^２δ／ｄｚ^２
が得られ、これを、式（１）と同様、ｄ^２δ／ｄｚ^２についての式に変換すると、
ｄ^２δ／ｄｔ^２＝（ｋ／ρ）・ｄ^２δ／ｄｚ^２・・・・・・（３）
となる。従って、上記式（１），（３）から、ｖ^２＝ｋ／ρとなり、伝搬速度ｖは、
【数１】

と表わされる（ここで、ｃ_０は固有速度のための記号とした）。即ち、気体の力ｆの伝播速度ｖは、気体の体積弾性率ｋを密度ρで割った値の平方根となる。３３１ｍ／ｓｅｃが空気での伝播速度である。液体でも同様であるが、水での場合には、１５００ｍ／ｓｅｃとなる。伝播経路の抵抗、即ち、音響インピーダンスは
【数２】

と表わされ、空気で４２８．６［Ｎｓ／ｍ^３］、水で１．５×１０^６［Ｎｓ／ｍ^３］であり、伝達エネルギの反射に関するパラメータとなる。そして、これらは均質媒体の縦波として伝播する。
【００１０】
固体内では、弾性縦波と横波が起こり、表面では、表面波としてのレイリー波が起こる。固体は、圧縮方向に対して縮むとき、その直角面では伸びるため、これが横波となる。直角面の伸びはポアソン比νの大きさに比例する。これが縦弾性率Ｅと横弾性率Ｇとの関係となる。入力エネルギに対して横方向にエネルギが逃げるため、縦波伝播速度ｖ_１はその分遅くなる。直角面にｘ方向とｙ方向があるため、その配慮も必要である。
【００１１】
縦波伝播速度ｖ_１，横の伝播速度ｖ_２及びレイリー波の伝播速度ｖ_３は、次のように表わされる。
【数３】

ここで、Ｓは剛性率、Ｃはポアソン比νで決まる定数（Ｃ＜１）である。ν＝０．２５とすると、ｖ_１：ｖ_２：ｖ_３＝１．７３：１：０．９２となる。これらの速度ｖ_１，ｖ_２，ｖ_３は夫々定数であり、このため、これらを、以下、速度ｃ_１，ｃ_２，ｃ_３という。
【００１２】
また、体積弾性率ｋ，縦弾性率Ｅ及び剛性率Ｓの関係を示すと、
Ｅ＝２Ｓ（１＋ν）
Ｅ＝３ｋ（１−２ν）
となる。ここで、ポアソン比νはガラスで０．２５、Ｓｉで０．０７、Ｃｕで０．３４２、Ａｌで０．３４５であり、最も大きいものは、ゴムのようなものであって、０．６である。
【００１３】
Ｓｉウエハの構成材料を見ると、次の表１に示すようになる。
【表１】

この表１は、固体中の力の伝達速度を示している。
【００１４】
気体や液体と同様に、原子の相互作用の追従性を示すとともに、次の原子が存在する距離の大小に関係することになる。もし、外力がこの速度より速いときには、どのような現象が起こるであろうか。銃を例にすると、銃の弾丸の速度は空気中の音速の数倍である。弾丸がガラスを貫通するとき、この弾丸の大きさに近い孔が開くだけであって、周囲にクラックの進展はない。重要なことは、弾丸が通過する範囲にしか応力が与えられず、極端に言えば、ガラス全体は弾丸の通過することすら感知していないことになる。
【００１５】
弾丸の速度が１０００ｍ／ｓｅｃ程度で、上記表１のＳｉＯ_２に近い音速を持つガラス（ｃ_１＝５４４０ｍ／ｓｅｃ）の孔加工ができる。固体の横波を越える速度で加工すると、力の及ぶ隣の原子は、応力の伝わる時間的余裕を与えることなく、剪断エネルギで破壊されることになる。
【００１６】
ここで、高速加工でもう１つ重要な現象例を示す。
【００１７】
高速で水面に衝突すると、水面（ｃ_０＝１５００ｍ／ｓｅｃ）は硬い固体のように感じられる。これは、５０ｍ／ｓｅｃ（＝１８０ｋｍ／ｈ）という遅い速度でも、その状態となる。静止物体を運動させるための加速エネルギそのものである。
【００１８】
これらの現象を加工形状で説明する。図１はそのモデルである。
【００１９】
図１において、いま、１６個の原子１を対象として、これら間の結合枝１ａの夫々はばね定数κと結合の強さを表わすエネルギＵ_ｉｎｔを有しているものとする。ここで、原子と体積弾性率ｋや凝集エネルギ２γとの関係を示すと、
体積弾性率ｋ＝｛κ×原子濃度×（配位数／２）｝／｛９×（原子半径×２）^２｝
凝集エネルギ２γ＝Ｕ_ｉｎｔ×アボガドロ数／（配位数／２）
となる。
【００２０】
図１に示す１６個の原子１の中心２列に右方から、ポンチ２より、力Ｆが加えられたとする。ここで、ポンチ２の速度ｖが原子結合の弾性波伝播速度より十分速いとすると（ｖ≧ｃ_１）、中心２列の８個の原子１が、その進行方向の結合枝１ａの弾性変形（弾性波伝播の元になる現象）をする暇を与えられず、全体が左方に移動し、上下の８本の結合枝１ａが剪断力で破断する。完全にポンチ２の径に相当する側面に何らステップのない鏡面仕上げの穴を穿つことができる。
【００２１】
上下８本の結合枝１ａの切断と８個の原子１に与えられた運動エネルギをポンチ２の運動エネルギから貰い受けるが、その破断に至る変位をδ_ｄ、破断に至る力をＦ_ｄをすると、
ｍ_ｐｖ^２／２＞８κδ_ｄ ^２＋８ｍ_ａｖ^２／２＝８Ｆ_ｄ ^２／２κ＋８ｍ_ａｖ^２／２
の関係が成り立つ。ここで、ｍ_ｐはポンチ２の質量、ｍ_ａは原子１個の質量である。この式では、左辺のｍ_ｐｖ^２／２がポンチ２の運動エネルギ、左辺第１項の８Ｆ_ｄ ^２／２κが上記８本の結合枝１ａを剪断するためのエネルギ、同じく第２項が上記中心２列の８個の原子１の運動エネルギである。これが、請求項２に係る発明の根拠となるものである。
【００２２】
ポンチ２の速度ｖがだんだん遅くなると、結合枝１ａの多少の弾性変形を許すことになり、速度ｃ_２で力の波動が進行方向の斜め後方に広がっていく。ポンチ２の速度ｖと速度ｃ_２が同じであれば、力の波動は立体角４５°を形成する。力の及ぶ立体角４５°の中で一番強度の弱い部分で破壊が進行するが、破壊面は必ずしも立体角４５°の境界線ではない。これは、ポンチ２が１個の原子格子を通過したときの条件であり、速度ｃ_１はもっと速いため、２個目の原子１以降の周辺はｔａｎθ＝ｃ_２／ｃ_１という立体角度で力が及ぶ。２個目の原子１にポンチ２が進行したときには、１個目の原子１の周辺は必ず破壊しているため、ｔａｎθの角度の中の一番弱いところを選んで破壊が進展する。選ばれた先端の破壊方向に慣性が出るため、破壊は立体角の中の一番弱いところではないが、できるだけ弱いところを選びながら進展する。
【００２３】
３個目の原子１も、２個目の原子１と同じであるため、ｔａｎθ＝ｃ_２／ｃ_１の関係は変わらない。ｃ_２＞ｖの範囲であまり遅くならないポンチ２の速度ｖでは、その速度ｖに関係なくこの一定角度が力の及ぶ範囲となる。例えば、Ｓｉでは、立体角３４°、Ａｌなど金属やガラス，有機物では、約２５°となる。この条件では、アスペクト比の高い穴を穿つことはできない。しかし、１個目の原子１の主応力角度はほぼ０°（上面に対して直角を０°とする）であるため、その方向がクラックの進展方向となり、必ずしも応力範囲の最大に広がることはない。薄い板であれば、この条件でも、ポンチ径と同様な穴を穿つことができる。
【００２４】
ｃ_２＜ｖ＜ｃ_１の条件では、最初は速度ｃ_２より速度でポンチ２が進むため、図１の条件となる。ポンチ２が進行するほどに速度ｃ_１と速度ｖとの差による遅れτが生じることになる。ポンチ２が進む方向の微小距離ｄｚを考え、ｄｚ／τ＝ｄｖ_２なる速度要素を考えると、ｖ_２≦ｃ_２なる条件が満足されるとき、直角方向に力が及ぶ。その角度はｔａｎθ＝ｖ_２／ｃ_２の関係となる。ここで、τ＝１／ｚ（ｃ_１−ｖ）であるから、
ｚ（ｃ_１−ｖ）ｄｚ＝ｄｖ_２
であり、これを積分して
（ｃ_１−ｖ）ｚ^２／２＝ｖ_２
となる。従って、
ｔａｎθ＝（ｃ_１−ｖ）ｚ^２／２ｃ_２・・・・・（５）
が得られる。このｔａｎθはｚ^２の関数となり、力の及ぶ範囲は２次曲線的なラッパの口のようになる。
【００２５】
一般的には、初期破断角度に支配されるため（クラックの慣性があるため）、ある距離をおいた後多少に広がりを見せる加工形状となるが、被加工物の厚みが薄ければ、最初の図１の条件とほとんど同じ垂直の鏡面加工ができる条件である。そこで、少なくともポンチ２の速度を横波の伝搬速度ｃ_２以上、即ち、縦波の伝搬速度（ポンチ２の移動速度）ｃ_１のｃ_２／ｃ_１＝１／１．７３＝０．５７８倍以上としたものである。請求項１に係る発明の根拠となるものである。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面により説明する。
【００２７】
図２は本発明による被加工物の衝撃加工方法と装置の一実施形態を示す図であって、３はクランクシャフト、４はハンマー、５は空気抜き穴、６はピストン、７は燃焼ガス注入弁、８は整流路、９はインピーダンス整合ガイド、１０はポンチ（バレル）、１１は加速ガイド（脱着式）、１２はガイドレール、１３はウエハ、１４はダイスである。
【００２８】
ここでは、ポンチを音速の０．５７８倍以上で被加工材料に打ち当てるための加工方法及び装置に説明するものである。
【００２９】
同図において、この実施形態は、フライホイルのついた機械式プレス機の構成をなすものであって、シリンダ内において、クラッチの結合とともにクランクシャフト３を通じてハンマー４が１ｍ／ｓｅｃから数ｍ／ｓｅｃの速度で下降する。このハンマー４はピストン６に衝撃的に力を加え、これを同じ速度で距離δだけ変位させるものである。ハンマー４がピストン６に衝撃的に衝突するように、ハンマー４やシリンダに気体の逃げる穴５が適宜設けられている。これにより、燃焼ガス注入弁７からシリンダ内に予め充填されている空気混合燃焼ガスは衝撃的に加圧されるが、このシリンダ内では、速度は高々１ｍ／ｓｅｃ程度しかない。この気体の逃げ道である整流路８の直径ｄ_２は、シリンダ内のピストン６の直径ｄ_１の１／１００程度であるため、衝撃的な圧力変化に対して、圧力変化がなく、瞬時に反応するとなれば、ベルヌイの法則に従って、１００^２＝１００００ｍ／ｓｅｃの流速で気体がこの整流路８に流出することになる。即ち、ピストン６と整流路８とでベルヌイの法則に従う管構成が形成されていることになる。このため、整流路８での気体は音速をはるかに超える流速になり、断熱変化を考慮した高速流体の解析が必要となる。
【００３０】
そこで、まず、整流路８の管壁の摩擦係数Ｆｒはレイノルズ数Ｒｅによって決まるため、これを求めると、
Ｆｒ＝１６／Ｒｅ、但し、Ｒｅ＝ρｖｒ／η
となる。ここで、ρは気体の密度、ηは気体の粘度、ｖは気体の速度、ｒは管内半径である。ちなみに臨界レイノルズ数（１５００から２１００程度）以下での管内流の圧力損Δｐはηｖ／ｒ^２に比例し、臨界レイノルズ数以上では、ρｖ^２／ｒに比例するという、臨界レイノルズ数以下と以上とでは、全く支配する物理が変わってくると同様に、超音速流体での挙動も異なる。
【００３１】
この音速以下の状態を管内で考える。いま、管の直径をＤ、長さをＬ_１、管の出口の圧力をｐ_Ｌとすると、レイノルズ数Ｒｅの高いときの圧力損Δｐは、
Δｐ＝ｐ−ｐ_Ｌ＝２ρｃ^２ＦｒＬ_１／ｇＤ
となる。ここで、Ｆｒは上記の摩擦係数であって、既に述べたように、１６／Ｒｅである。計算をすると、ほとんど圧力損で占められることになり、瞬時に粘性流は起こらないということになる。しかし、音速を超える高速気体では、これを固体と同じ剛体であるとみなせる。図１におけるポンチ２の押し込みで移動しない原子部分が管の内壁に相当し、原子１での移動する中心２列が剛直化した気体であるとみなせる。管内壁と気体との結合は、主として、ファンデルワールス力であり、これが切れて管壁抵抗がほぼ０になった状態となる。圧縮気体のため、熱力学に従った法則が支配する。即ち、断熱変化の気体速度ｖ_ａｄは、
【数４】

となる。ここで、ｃはその状態のときの力の伝播速度、γは定圧比熱と定容比熱との比、ｐは断熱変化後の気圧、ｐ_０は初期の気圧である。気圧ｐは整流路８の入口の圧力となり、気体速度ｖ_ａｄも整流路８の入口の流速となる。
【００３２】
いま、この状態におけるマッハ値Ｍａ＝ｖ_ａｄ／ｃとすれば、圧力比ｐ／ｐ_０を容積比、温度比に変えることができる。即ち、

となる。これは、気体の移動を伴った熱力学バランスとなる。
【００３３】
次の表２の空気を例に取り、
【表２】

整流路８内の気圧ｐ＝１０５Ｐａ（Ｐａ＝１気圧）とし、ピストン６でシリンダ内の空気を１／１５に縮めて、気圧ｐ_０＝１５×１０５Ｐａ（等温圧縮）にすると、気体速度ｖ_ａｄ＝２．１５Ｍａ＝７９７ｍ／ｓｅｃが得られる。しかし、これでは、全く不十分な流速である。衝撃圧縮のエネルギをそのまま逃がすためには、整流路８内で１００００ｍ／ｓｅｃの流速を必要としたが、断熱圧縮という条件では、約８％程度しかエネルギは逃げないため、シリンダ内は内燃機関としての構造が保てる。断熱圧縮では、ｐＶ^γ＝ＲＴの関係となる。ｐまたはＶを消去した式は、
ＴＶ^γ ^−１＝ｃｏｎｓｔ．
または、
Ｔｐ^（１− ^γ ^）／ ^γ＝ｃｏｎｓｔ．
となる。１／１０の断熱圧縮で温度は１０^γ ^−１分だけ上昇する。即ち、２０℃から４６０℃に上がる。１／１５圧縮では、５９３℃となる。
【００３４】
非常にダイナミックな問題で複雑なので、式の展開ができないが、燃焼ガス注入弁７からシリンダ内に注入されている空気混合燃料ガスが、その断熱圧縮により、その自然発火温度に達すると、シリンダ内で爆発を起こすことができる。これは、ジーゼルエンジンの原理と同様である。
【００３５】
ここで、空気と混合して空気混合燃料ガスとするための燃焼ガスの諸特性を表３に示す。
【００３６】
【表３】

爆発的な反応を起こす範囲は比較的広く、その中心が２１％の酸素を含む空気の当量反応を起こす理想的なところとなる（多少酸素が過剰になっている）。このときが一番燃焼ガス温度が高くなるときであり、約２０００℃である。
【００３７】
いま、断熱圧縮１／１５の条件（Ｔ＝５９３℃）で都市ガス燃焼を起こし、温度差１８００℃（Ｔ＝２３９３℃）になったと仮定する（モル比減圧０．９７５を考慮）。このときには、圧力ｐが１２２．５気圧になり、１２６６ｍ／ｓｅｃの気圧速度ｖ_ａｄが得られる。
【００３８】
気体の移動を伴った衝撃波は速度ｖ_ａｄであり、インピーダンスが整合する限りにおいて、バレル１０までそのまま伝わる。整流路８と各バレル１０に至る分岐路（全体を束ねた場合）とはその断面積が不変な状態になっていて、インピーダンス整合がとられている。従って、反射はしない。ここで、整流路８と加速ガイド１１との間のインピーダンス整合ガイド９は、整流路８からの衝撃波を各加速ガイド１１でのバレル１０に分岐するために、バレル１０毎の通路９ａからなっているが、これら通路９ａが互いに離れていき、従って、これら通路９ａの束が加速ガイド１１側で広がるファンネル（ｆｕｎｎｅｌ）構造をなしている。これら通路９ａが一定の断面積を保っており、これにより、上記のように、インピーダンス整合が取られており、整流路８からの衝撃波が、反射せずに、各バレル１０に伝達されることになる。
【００３９】
なお、バレル１０は、モリブデンＭｏ，タングステンＷまたは超鋼材料などで構成されている。
【００４０】
衝撃波がバレル１０に到達した瞬間、静止していたバレル１０は慣性を持っているため、この衝撃波は全反射する。このとき、２倍、即ち、２５３２ｍ／ｓｅｃの反動速度をバレル１０が得ることになる。
【００４１】
この衝撃波は、脈動するという欠点がある。即ち、減圧領域が生じる。最初の衝撃波は爆発前にあり、７９７ｍ／ｓｅｃで衝突し、減圧になろうとしたときに、第２波である爆発衝撃波が訪れる。これにより、安定な圧縮力がバレル１０に作用する。バレル１０が流速より速い速度を得ると、バレル１０の後方は減圧状態になるが、剛直気体はこれによって加速され、バレル１０に追従する。定常状態になると、断熱状態とは関係がなくなり、１２２．５気圧という圧力差で剛直気体（管壁抵抗がほぼ０という状態）は加速される。これが、バレル１０の誘導路としての加速ガイド１１を設けた理由である。これは、銃の原理と全く同じであり、５０００ｍ／ｓｅｃを超えるバレル１０の速度が期待できる。
【００４２】
加速ガイド１１、またはバレル１０にスパイラル溝が形成されていて、バレル１０は加速ガイド１１内で回転が与えられる。あるいは、バレル１０には、その先端部を除いて、縦溝が形成されている。銃身と弾丸との関係のように、加速ガイド１１とバレルの間には、比較的大きなクリアランスが設けられているが、照準に対する狂いはない。かかる回転を与えられることにより、バレル１０は加速ガイド１１の中心を安定して進行し、加速ガイド１１の開放部でも、バレル１０はその回転によって安定な直進性を持っている。なお、ガイドレール１２は、基本的には、不要であるが、バレル１０が作る二次衝撃波や後方流を安定化するためのものである。
【００４３】
ところで、宇宙船の大気突入速度は約１１０００ｍ／ｓｅｃであり、前方の空気との衝突で急速に速度が低下するだけでなく、高温に加熱されることになる。加速ガイド１１内を進行してここから飛び出すバレル１０も同様であって、従って、加速ガイド１１から開放されたバレル１０も、できるだけ短い距離で、ウエハ１３に衝突させる必要がある。後方流と切り離す距離を短くするために、ガイドレール１２があるものであり、また、十分な空気抜き面積を必要とするために、空気抜き孔５が設けられている。
【００４４】
ここで、エネルギ伝達について説明する。
【００４５】
衝撃波を与えるための気体の運動エネルギは、バレル１０に与える運動エネルギに対して十分すぎるほどあるため、ここでは、これを論議しない。なお、以下では、バレル１２をポンチ１２と呼び換えることにする。
【００４６】
ｍ_ｐｖ^２／２＞８κδ_ｄ ^２＋８ｍ_ａｖ^２／２＝８Ｆ_ｄ ^２／２κ＋８ｍ_ａｖ^２／２
は既に述べた式であるが、これは、ポンチ１０の運動エネルギＥ_１と、ウエハ１３での被加工孔となる部分が被加工孔となるための運動エネルギＥ_２と、この被加工孔となる部分がくり抜かれて生じた切子の運動エネルギＥ_３と関係に対応している。即ち、運動エネルギＥ_１は上記式の左辺のｍ_ｐｖ^２／２に対応し、運動エネルギＥ_２は上記式の右辺第１項の８Ｆ_ｄ ^２／２κに対応し、運動エネルギＥ_３は上記式の右辺第２項の８ｍ_ａｖ^２／２に対応する。そして、図１に示す実施形態では、この式に対応して示す後述の式（６）に示すように、ポンチ１０の運動エネルギは、被加工孔の内面積と単位面積当りの表面エネルギの２倍と切子の運動エネルギとの和より大きくなければならない、ということになる。
【００４７】
加工は衝撃的であり、ポンチ１０の進行における摩擦はないことから、ほぼ釣り合っていても、加工は可能である。剛直気体も同様であったが、摩擦抵抗とは剪断運動している界面での原子の相互作用であり、その物理である。その相互作用の速度は弾性波伝播速度であり、これより速い剪断速度では、界面原子の相互作用はないといえる。この物理が非常に微小な穴を穿つときの手段となる。
【００４８】
上式をこの実施形態の加工に有用パラメータに置き換えると、
ｍ_ｐｖ^２／２＞２γＡ＋ｍ_ｂｖ^２／２・・・・・・・・（６）
となる。ここで、γは表面エネルギ、ｍ_ｂは切子の質量、Ａは被加工孔の内面積である。この式（６）において、左辺のｍ_ｐｖ^２／２が上記の運動エネルギＥ_１であり、右辺第１項の２γＡが上記の運動エネルギＥ_２であり、右辺第２項が上記の運動エネルギＥ_３である。
【００４９】
次の表４は、元素の夫々の表面エネルギをまとめたものである。
【００５０】
【表４】

ここで、Ｓｉウエハを加工対象とし、５０μｍの径の被加工孔を２００μｍ厚みのＳｉウエハに加工するものとする。この場合、

とすると、上記式（６）の右辺は、

となる。ポンチ１０は５００倍の質量が必要であって、１５ｍｍ長さのＷ（タングステン）のポンチ１０であれば、

とすると、上記式（６）の左辺は、

となり、上式（６）を満足する。
【００５１】
計算過程から明らかなように、ほとんどが結合エネルギを切断するために必要であって、被加工孔の径が小さいほど質量に対する内面積比が増大するため、ウエハ１３厚みを薄くしなければならないことになる。
【００５２】
なお、ウエハ１３は、台１４を下台とし、ポンチ１０の誘導路の一部をなすガイドレール１２の先端部を上台とし、これら下台と上台とで挟持されるようにして固定されている。上台は、そのポンチ１０の出口内にウエハ１３の孔が加工される部分が含まれるように、ウエハ１３に当接し、また、下台１４には、ポンチ１０の直径の１．１〜１０倍の直径を有する孔が設けられており、この孔にウエハ１３の孔が加工される部分が含まれるように、ウエハ１３に当接している。
【００５３】
ポンチ１０による衝突面は平坦であることが、切子に余分な変形をさせず、即ち、切子の変形に余分なエネルギを投入せず、エネルギ最小にする方法となる。ウエハ面が平坦でなければ、裏面を平坦にして裏面から加工することが推奨される。
【００５４】
切子とポンチ１０とは超高速で加工装置外に飛び出すため、これを停止する緩衝壁が必要であるが、一般的に難しいだけでなく、ポンチ１０の変形を伴うため、図２に示す実施形態では、縦方向下に整流路８が設けられ、真下の方向に向けて切子とポンチは泡の層を介した水槽内に突入させることが一案である。界面活性剤で５００ｍｍ以上の泡の層を設ける必要がある。水面は剛体とみなし得る速度を持つためである。これにより、加工精度の高い高価なポンチ１０の再利用が可能となる。
【００５５】
以上は、１回のポンチ１０の射出により、複数個の孔加工を同時に行なうための加工機に関する説明であるが、加速ガイド１１を１個とし、被加工物であるウエハ１３を所望の間隔でこの加速ガイド１１に対して垂直方向に移動させながら、連続的にポンチ１０を射出して孔加工するようにしてもよい。この場合には、孔開け間隔等が加工機の加速ガイド１１に拘束されることなく自由に設定できるので、少量多品種の孔開け加工に適するる
次に、本発明による加工方法を用いて加工した半導体チップを利用して得られる半導体装置の構造に関して説明する。
【００５６】
デバイス加工が終了したウエハの表面には、サブミクロンの凹凸が存在する。ポンチ１０の速度が速度ｃ_１を超えるような速度で孔加工ができるときには、表面から被加工孔を穿つことができるが、ポンチ速度１０が速度ｃ_１より遅く、速度ｃ_２に近い速度になると、この凹凸に対する応力バランスがくずれて加工角度（直角）が安定しない。これには、裏面研磨で薄くするとき、その仕上げを鏡面にして、裏面より加工を行なうことで対応できる。５０μｍ径の被加工孔に対し、２００μｍ（ｚ）の条件で速度ｖ＝ｃ_２とすると、上記式（５）から、２０ｎｍだけすそが広がったラッパ状の加工で許容できる範囲であるが、これを問題にするときには、速度ｖを多少でも大きくすればよい。もしくは厚みを薄くすると、加工形状は２乗で改良できる効果がある。
【００５７】
ポンチ１０の衝突面の外周がステップのない円周であれば、クラックが皆無で垂直な鏡面加工仕上げの孔になるため、その後のスパッタ皮膜形成などで影になるピットがなく、非常に加工し易い。絶縁膜を形成後、めっきなどでＣｕコラムを形成し、スタック可能な構造とする。被加工孔が垂直で欠陥がないことから、図３のように、半導体チップ１５を複数個積層して、これら間を充填樹脂１７で接合するとともに、上下間を被加工孔であるビイアホール１６内のＣｕコラムで接続した三次元構造の半導体装置が実現可能である。この半導体装置は、加工孔１６に欠陥がないため、応力が加わっても、クラックが発生する危険が少なく、高信頼性に優れた装置の実現が可能である。
【００５８】
図４のように、寸法の異なるチップ１８，２０を互いに接続することも可能である。搭載基板１９上で、間に挟まれたチップ２０は導通孔（被加工孔で、バイアホール）２１が必要であるが、表面に配置されるチップ１８はフェースダウン接続ができる。
【００５９】
図３及び図４は半導体チップの積層例を示したが、積層する材料としては、ガラスのような絶縁物であってもよいし、あらゆる組み合わせの構造体に適用可能である。
【００６０】
積層構造の全体の厚みが比較的薄ければ、加工材料を積層、接着した後でポンチで被加工孔を穿つことができる。この場合、被加工孔（バイアホール）の端面では、図５に示すように、貫通孔２１に導電材料を充填してコラムを形成するとき、半導体チップ２０の表面に平滑な配線導体２４が露出するため、かかる導電性のコラムを作るだけで半導体チップ２０上の配線と導通を取ることができる。かかる配線導体２４は、接続部２２で導電性のコラムと接続されている。
【００６１】
なお、以上では、半導体ウエハを貫通孔の加工対象物としたが、本発明は、これのみに限定されるものではなく、他の加工対象物に適用可能であることはいうまでもない。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明により、従来ドライエッチングで行なっていたウエハへの貫通孔の形成を、ポンチによる機械加工で実現可能としたものであるから、貫通孔の加工時間を大幅に短縮でき、かつ加工対象物の破損や結晶欠陥の少ない孔加工が可能となる。
【００６３】
また、本発明によると、上記の孔加工技術をＬＳＩ等の半導体チップの積層や接続に適用することにより、高密で信頼性に優れた３次元構造の半導体装置を安価に提供できる
【図面の簡単な説明】
【図１】衝撃加工の原理を示すモデル図である。
【図２】図２は本発明による被加工物の衝撃加工方法と装置の一実施形態を示す図である。
【図３】本発明による半導体装置の一実施形態を示す断面図である。
【図４】本発明による半導体装置の他の実施形態を示す断面図である。
【図５】本発明による半導体装置のさらに他の実施形態を示す断面図である。
【符号の説明】
３クランクシャフト
４ハンマー
５空気抜き穴
６ピストン
７燃焼ガス注入弁
８整流路
９インピーダンス整合ガイド
１０ポンチ（バレル）
１１加速ガイド（脱着式）
１２ガイドレール
１３ウエハ
１４ダイス
１５半導体チップ
１６被加工孔
１７充填樹脂
１８フェースダウンチップ
１９半導体チップの搭載基板
２０半導体チップ
２１被加工孔
２２配線導体と被加工孔との接続部
２３接着層
２４配線導体

Claims

半導体ウエハ等の脆性材料を構成材料とする被加工物の表面から裏面に向けて貫通孔を穿つ衝撃加工方法であって、
該構成材料での縦圧縮応力波の最高伝播速度ｃ_１の０．５８７以上の速度でポンチを該加工物に衝突させ、該加工物に微小径の貫通孔を穿つことを特徴とする被加工物の衝撃加工法。
請求項１において、
前記ポンチの運動エネルギ（＝ｍ_１ｖ^２／２：但し、ｍ_１はポンチの質量、ｖはポンチの速度）が、前記貫通孔の質量を前記ポンチの速度に加速する運動エネルギ（＝ｍ_２ｖ^２／２：但し、ｍ_２は前記貫通孔に詰まっていた材料の質量）と前記貫通孔の側面全体に対する表面エネルギの２倍を超えるエネルギ（２Ａγ：但し、Ａは前記貫通孔内面の全表面積、γは貫通孔内面の表面エネルギ）を持たせるようなポンチ質量と運動速度を持っていることを特徴とする被加工物の衝撃加工法。
請求項１または２に記載の条件を実現するベルヌイの管構成をなす気体衝撃圧縮ピストン部及び整流路と、該整流路を通った圧縮気体を導くインピーダンス整合ガイドと、該インピーダンス整合ガイドからの該圧縮気圧によってポンチを加速させるためのポンチ加速ガイドと、該ポンチ加速ガイドから出射される該ポンチを前記被加工物にガイドするガイドレールからなることを特徴とする被加工物の衝撃加工装置。
請求項３において、
前記ポンチは、同一の前記被加工物に対して、複数配置され、これらポンチ毎に夫々前記被加工物に誘導するための誘導路が設けられていることを特徴とする被加工物の衝撃加工装置。
請求項３において、
１本の前記ポンチ加速ガイドを有し、この加速ガイドより連続して前記ポンチを射出するとともに、前記被加工物をこの加速ガイドに対して移動させることにより、前記被加工物の任意の場所にポンチ加工ができるようにしたことを特徴とする被加工物の衝撃加工装置。
請求項３，４または５において、
前記ポンチの誘導路には、スパイラル溝が形成され、かつポンチには、スパイラル溝、もしくはその先端部を除き、縦溝が形成されており、前記ポンチの進行を安定化することを特徴とする被加工物の衝撃加工装置。
請求項３〜６のいずれか１つにおいて、
ポンチが繰り返し使用できるように、前記パンチの運動エネルギーの緩衝材としての界面活性剤で発砲した水の泡層を収納した手段を備え、
前記パンチを回収して繰り返し使用可能としたことを特徴とする被加工物の衝撃加工装置。
請求項１または２に記載の被加工物の衝撃加工法、もしくは請求項３〜７のいずれか１つの被加工物の衝撃加工装置によって貫通孔が加工された半導体チップを複数個積層して３次元的な回路構成をなすことを特徴とする半導体装置。
請求項８において、
積層された前記複数の半導体チップを、これら夫々の半導体チップに加工された前記貫通孔にコラムを形成することにより、互いに接続したことを特徴とする半導体装置。
請求項８において、
積層された前記複数の寸法が互いに異なる半導体チップのうち、間に挟まれて配置される半導体チップは、これら夫々の半導体チップに加工された前記貫通孔を介して接続し、表面に配置される半導体チップは、フェースダウン接続したことを特徴とする半導体装置。