JP2005109515A - 微細孔金属充填基板 - Google Patents

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Abstract

【課題】 シリコンICチップを積層する高密度3次元実装等が可能な微細孔金属充填基板を提供する。
【解決手段】 本発明の微細孔金属充填基板は、バッファ用真空チャンバー内に基板を入れ、減圧した後、その状態のまま基板を、予め減圧されている本来の真空チャンバー内の溶融金属槽に挿入し、次いで本来の真空チャンバーを加圧して、金属挿入前後における雰囲気圧差により微細孔に溶融金属を充填し、次いで引き上げて冷やすことにより製造された、微細孔に金属が空隙無しに充填された微細孔金属充填基板である。基板自体に高アスペクトでかつ深さが例えば100μm以上の深い微細孔に金属が空隙なしに充填された微細孔金属充填基板が得られるので、例えばシリコンICチップを積層する高密度3次元実装等が可能になる。
【選択図】 図5

Description

この発明は、例えばシリコン基板にあけた微細孔に例えば貫通電極等として金属を充填した微細孔金属充填基板に関する。
従来、基板に形成された微細孔へ金属充填する場合として、例えばシリコンICチップ等の製造工程でシリコン基板に貫通電極(ビアホール電極)を形成する場合、シリコン基板に貫通電極用の貫通孔をあけ、このシリコン基板を、導体用の金属を溶融させた溶融金属(メッキ液)に挿入して、貫通孔内に溶融金属を充填するメッキ法が一般的である。
しかし、貫通孔が高いアスペクト比(孔深さ/開口部直径)の微細孔である場合、溶融金属が微細孔の奥深くまで進入できないために、例えば、図7に示すようにシリコン基板1の微細孔2の入口付近に溶融金属3が集中して成長して内部に空隙が生じたり、図8に示すように微細孔2内の溶融金属3に鬆(す)4が出来たりする等、空隙のない均一な金属充填を行なうことが出来ないため、良好な貫通電極を作成することは困難であった。
ところで、例えば、シリコンICチップを積層する高密度3次元実装を行なおうとすると、一枚のシリコン基板の表裏に形成された配線パターンを繋ぐための貫通電極を形成する必要が生じる場合があるが、この貫通電極を上記従来の方法でシリコン基板に形成しようとすると、シリコン基板にあける貫通孔が深く高アスペクト比の微細孔となるので、上述の通り、この微細孔にメッキ法で金属を充填して貫通電極を形成することは困難である。
半導体装置の製造方法として、特許文献1に、シリコン基板に素子の下層構造及び下層配線を形成した後、その表面に絶縁膜を形成し、その絶縁膜に形成した微細孔(接続孔および配線溝)に導電膜を形成する方法が開示されている。
この導電膜形成方法は、排気機構を具備するチャンバー中に坩堝を設置した装置を用いるもので、チャンバー内を十分に真空引きした後、微細孔を持つシリコン基板を坩堝内に浸漬し、その状態でチャンバー内に不活性ガスを導入して大気圧以上にチャンバー内を加圧し、これによって微細孔に、溶融金属を埋め込み、徐々に基板を引き上げながら、基板冷却機構によって基板を冷却して、微細孔内に導電膜を形成するものである。こうして得られた導電膜は、導電膜を構成する元素(例えばAl)よりも低い融点を有する低融点物質(例えばSn)を、固溶可能な最大の濃度以下含有するものである。この例では、溶融金属が溶融Al−Sn合金である。
上記の通り、特許文献1の場合は、金属を充填しようとする微細孔が、シリコン基板上の絶縁膜に形成した微細孔(接続孔及び配線溝)であり、その微細孔(接続孔)は開口径0.1μm径でアスペクト比10というサイズが想定(段落番号[0057]、[0059]、[0060]、[0125]参照)されていることからも、また、絶縁膜厚みとして1.0μm〜1.2μmというサイズが想定([0167]、[0169]参照)されていることからも、その微細孔は高アスペクト比であっても深さは1μm程度と浅いものである。
特開平10−189495号の[0112]〜[0119]、図10
ところで、基板自体に形成した高アスペクト比でかつ深い微細孔に金属が空隙なしに充填された微細孔金属充填基板が得られれば、シリコンICチップを積層する高密度3次元実装等を行なうことが容易になる。しかし、上記特許文献1の方法では、微細孔の深さが1μm程度の場合に適用されるものであり、例えば厚さ数十μm以上の厚みの基板に貫通電極を形成する場合には対応できず、したがって、シリコンICチップを積層する高密度3次元実装等を行うことは困難である。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、シリコン基板等の基板自体に形成された高アスペクト比でかつ深い微細孔に、例えば貫通電極等として金属が空隙なしに充填された、例えばシリコンICチップを積層する高密度3次元実装等を可能にする微細孔金属充填基板を提供することを目的とする。
上記課題を解決する請求項1の発明の微細孔金属充填基板は、溶融金属槽を配置する本来の真空チャンバーとこの本来の真空チャンバーにシャッターで開閉可能な開口部で連通するバッファ用真空チャンバーとを備えた微細孔への金属充填装置における前記バッファ用真空チャンバー内に、基板自体に微細孔を形成した基板を収容し、次いで前記バッファ用真空チャンバーを減圧することで基板の雰囲気圧を減圧し、次いで減圧状態を保ったまま、前記基板を、前記シャッターをあけて開口部から、予め減圧されている前記本来の真空チャンバー内に配置された溶融金属槽内の溶融金属に挿入し、次いで前記本来の真空チャンバーを加圧することで前記溶融金属の雰囲気圧を加圧して、金属挿入前後における雰囲気圧差により前記微細孔に溶融金属を充填し、次いで、基板を溶融金属槽から引き上げて冷やすことにより、前記微細孔に金属が空隙無しに充填されたことを特徴とする。
請求項2の発明の微細孔金属充填基板は、溶融金属槽を配置する本来の真空チャンバーとこの本来の真空チャンバーにシャッターで開閉可能な開口部で連通するバッファ用真空チャンバーとを備えた微細孔への金属充填装置における前記バッファ用真空チャンバー内に、基板自体に微細孔を形成した基板を収容し、次いで前記バッファ用真空チャンバーを減圧することで基板の雰囲気圧を減圧し、次いで減圧状態を保ったまま、前記基板を、前記シャッターをあけて開口部から、予め減圧されている前記本来の真空チャンバー内に配置された溶融金属槽内の溶融金属に挿入し、基板が溶融金属と同じ温度に達した後に前記本来の真空チャンバーを大気圧以上に加圧することで前記溶融金属の雰囲気圧を大気圧以上に加圧して、金属挿入前後における雰囲気圧差により前記微細孔に溶融金属を充填し、次いで、基板を溶融金属槽から引き上げ、空冷することにより、前記微細孔に金属が空隙無しに充填されたことを特徴とする。
請求項3は、請求項1又は2記載の微細孔金属充填基板において、基板の微細孔の深さが100μm以上であることを特徴とする。
請求項4は、請求項1〜3記載の微細孔金属充填基板において、基板がセラミック、フッ素樹脂、ポリイミド、ガラス、シリコンの何れかであることを特徴とする。
請求項5は、請求項1〜4記載の微細孔金属充填基板において、基板の孔が途中にて屈曲していることを特徴とする。
請求項6は、請求項1〜5記載の微細孔金属充填基板において、基板がシリコン多層基板であり、孔が途中にて屈曲していることを特徴とする。
請求項7は、請求項1〜6記載の微細孔金属充填基板において、基板の孔の断面輪郭が樹枝状に枝別れしていることを特徴とする。
請求項8は、請求項1〜7記載の微細孔金属充填基板において、基板が複合材、あるいは単一部材の組み合わせよりなることを特徴とする。
請求項9は、請求項1〜8記載の微細孔金属充填基板において、充填金属が錫、あるいは金−錫であることを特徴とする。
請求項10は、請求項1〜9記載の微細孔金属充填基板において、微細孔が基板の貫通孔であることを特徴とする。
本発明の微細孔金属充填基板は、溶融金属槽を配置する本来の真空チャンバーとこの本来の真空チャンバーにシャッターで開閉可能な開口部で連通するバッファ用真空チャンバーとを備えた微細孔への金属充填装置における前記バッファ用真空チャンバー内に、基板自体に微細孔を形成した基板を収容し、次いで前記バッファ用真空チャンバーを減圧することで基板の雰囲気圧を減圧し、次いで減圧状態を保ったまま、前記基板を、前記シャッターをあけて開口部から、予め減圧されている前記本来の真空チャンバー内に配置された溶融金属槽内の溶融金属に挿入し、次いで前記本来の真空チャンバーを加圧することで前記溶融金属の雰囲気圧を加圧して、金属挿入前後における雰囲気圧差により前記微細孔に溶融金属を充填し、次いで、基板を溶融金属槽から引き上げて冷やすことにより、前記微細孔に金属が空隙無しに充填された構成であるから、基板自体にあけた高アスペクト比でかつ深さが例えば100μm以上の深い微細孔に金属が空隙なしに充填された微細孔金属充填基板を得ることができ、したがって、シリコンICチップを積層する高密度3次元実装等を行なうことが容易になる。
以下、本発明の実施の形態を図1〜図6を参照して説明する。
図1は本発明の微細孔金属充填基板を製造するための金属充填装置10の一例を示すもので、要部の一部切り欠き正面図である。同図において、11は真空チャンバーである。真空チャンバー11は、底部の開口11aに接続され途中に真空開閉用バルブ12を持つ吸引管13を介して真空ポンプ装置14に接続されている。真空チャンバー11の上部には、シャッター15で開閉可能な開口部16で連通するバッファ用真空チャンバー17が設けられている。このバッファ用真空チャンバー17も前記真空ポンプ装置14に、真空粗引き用バルブ18aを持つ真空粗引き用吸引管18を介して接続されている。なお、シャッター15を外部からの操作で開閉するためのシャッター開閉機構は図示を省略した。
また、真空チャンバー11およびバッファ用真空チャンバー17はそれぞれ、内部を大気圧以上に加圧する加圧手段としての図示せぬ窒素ボンベに、窒素導入用バルブ19a、20aを持つ窒素導入管19、20を介して接続されている。真空チャンバー11は、この金属充填装置10を作動させる電源や制御・操作部を設けた筐体21の上に設けられている。
前記真空チャンバー11内に溶融金属槽23が配置され、その外面部に溶融金属槽23内の金属を加熱溶融させるためのヒータ24が設けられている。溶融金属を3で示す。金属を充填しようとする微細孔を持つ基板1を把持する基板固定用アーム27、長い軸部28の先端に基板クランプ29を設けた構造であり、基板固定用アーム27の軸部28は、バッファ用真空チャンバー17の上面部に設けたヒンジ式の開閉蓋30に設けたアーム支持部31に、開閉蓋30を貫通する態様でスライド可能に支持されている。また、開閉蓋30に大気導入バルブ32およびリリーフポート33が設けられている。
上記の金属充填装置10で例えばシリコン基板等の基板にあけた微細孔に金属を充填する手順を、図2(イ)、(ロ)、(ハ)も参照して説明する。
真空チャンバー11が直接大気と連通しないように、シャッター15を閉ざした状態で開閉蓋30を開く。図1の2点鎖線のように開閉蓋30を開いた状態で、微細孔2を持つ例えばシリコン基板(基板)1を基板固定用アーム27の基板クランプ28で把持する。この段階では基板固定用アーム27の軸部28を開閉蓋30の表面から大きく突出させて、基板クランプ29を開閉蓋30の内面に近接させておく。次いで、開閉蓋30を矢印のように回転させて閉ざし、ボルト35で締め付けて密閉する。次いで、バッファ用真空チャンバー17内部を真空ポンプ装置14により真空粗引き用吸引管18を介して真空粗引きする。次いで、シャッター15を開く。次いで、真空開閉用バルブ12を開き、真空ポンプ装置14を作動させて、真空チャンバー11およびバッファ用真空チャンバー17の内部を吸引管13を介して真空吸引し、真空圧10−2〜10−3Pa(パスカル)程度まで減圧する(この段階を図2(イ)に示される)。なお、真空圧は真空圧力センサ36で検出する。
次いで、ヒータ24で加熱して溶融金属槽23内の金属を溶融させ、溶融金属3内にシリコン基板1を挿入する。充填する金属としては、インジウム、錫、あるいは金−錫の共晶半田など比較的蒸気圧の低い金属を用いるとよいが、特にそれらに限定されない。
挿入後、シリコン基板1が溶融金属3と同じ温度に達するまで十分待つ。その後、窒素導入用バルブ19a、20aを開き、真空チャンバー11およびバッファ用真空チャンバー17内に窒素ボンベからの窒素を導入して、内部を2〜5×10Pa(2〜5kgf/cm2)程度まで加圧する。この加圧により、図3に模式的に示すように、溶融金属3が微細孔2内に充填される(この段階が図2(ロ)に示される)。
その後、シリコン基板1を溶融金属槽23から引き上げ(この段階を図2(ハ)に示す)、真空チャンバー11の外に取り出して、室温にて空冷すると、シリコン基板1の微細孔2への金属充填作業が終了する。これにより、シリコン基板1自体にあけた高アスペクトでかつ深い微細孔2に金属3が隙間なく充填された微細孔金属充填基板1(素材としてのシリコン基板と同じ符号を付す)が得られる。
本発明の微細孔金属充填基板の具体的実施例を図4〜図6に示す。図4〜図6は金属を充填した微細孔部分の断面の顕微鏡写真をスケッチしたものであるが、いずれも、図1〜図3で説明した金属充填装置10及び製造方法で製造したものである。
図5に示した実施例の微細孔金属充填基板1は、シリコン基板1に形成した直径15μm、深さ360μm(アスペクト比24)の微細孔2に錫3が充填されたものである。微細孔2は、光電解研磨法によりシリコン基板上に形成した。図示の通り、錫3が微細孔2に空隙なく充填されている。なお、特に図示していないが、貫通孔の内面にはシリコン酸化膜が形成されている。
図4に示した実施例の微細孔金属充填基板1は、シリコン基板1に形成した直径40μm、深さ100μm(アスペクト比2.5)の微細孔2に錫3が充填されたものである。微細孔2はICP−RIE(Inductively Coupled Plasma-Ractive Ion Etching)によりシリコン基板上に形成した。図示の通り、錫3が微細孔2に空隙なく充填されている。
図5や図4の微細孔金属充填基板1では、高アスペクト比でかつ深さが例えば100μm以上の深い微細孔2でありながら金属が空隙無しに充填されているので、その充填金属部分は良好な貫通電極となる。したがって、本発明の微細孔金属充填基板によれば、例えばシリコンICチップを積層する高密度3次元実装等も可能となる。
図6はガラス棒1に形成した直径0.1mm、深さ35mm(アスペクト比350)の微細孔2に錫3を充填した場合の充填状況を説明するものである。図示の通り、錫3が微細孔2に空隙なく充填されている。この例は、微細孔がかなり深い場合の微細孔金属充填基板にも本発明を適用できることを示している。なお、板(ガラス基板)であっても棒(ガラス棒)であっても、錫が微細孔に充填される状況は同じである。
上記の各実施例の通り、本発明の微細孔金属充填基板は、基板自体にあけた高アスペクト比でかつ深い微細孔でありながら、その微細孔に鬆(す)などの空隙の生じない金属充填が施されたものである。
なお、各実施例では、貫通していない微細孔に金属を充填する例を示したが、貫通孔であれば、さらに金属充填は容易である。したがって、シリコン基板等に貫通電極を形成する際に、空隙のない貫通電極を製作することが出来る。
本発明の微細孔金属充填基板1を製造する金属充填装置10は、溶融金属槽23を配置する真空チャンバー11だけでなく、シャッター15で開閉可能な開口部16を介して真空チャンバー11に連通するバッファ用真空チャンバー17を設けたものなので、真空チャンバー11を直接外気に曝さずに、上述の金属充填作業が行なわれ、したがって、溶融金属槽23内の溶融金属3が外気に触れて酸化することを確実に防止され、充填された金属は例えば貫通電極として良好なものとなる。
以上説明した実施例では、シリコン基板やガラスにあけた微細孔に金属充填をしているが、その他の基板材料としてセラミックや、テフロン(フッ素樹脂)、ポリイミド等の比較的耐熱性に優れ金属溶融温度では溶けない樹脂等が採用できる。
因みに、錫の溶融温度は約230℃、インジウムの溶融温度は約157℃、金―錫の溶融温度は金属の比率により異なるが、このように金属の溶融温度で容易に溶けることのない材質であれば、本発明の微細孔金属充填基板に適用可能である。
また、本発明の微細孔金属充填基板における微細孔とは、図示されているような、断面で見て一方向へ真っ直ぐに延びるシリコン中の微細孔には限定されない。例えば、孔が途中で屈曲している場合にも適用できる。例えば、基板としてシリコン基板を2枚以上積層した多層基板において、孔が基板の内部表面に沿って途中で屈曲(断面から見て)するパターンもある。
またさらに、孔の断面輪郭が樹枝状に枝分かれしている微細孔であってもよい。この場合は、微細孔の樹枝状に枝分かれした先端部にも金属が空隙なく充填された微細孔金属充填基板となる。
本発明の微細孔金属充填基板を製造するための微細孔への金属充填装置の要部の一部切り欠き正面図である。 図1の金属充填装置でシリコン基板の微細孔への金属充填を行なう工程を説明する図であり、(イ)、(ロ)、(ハ)の順で行なわれる。 図2の(ロ)の工程において微細孔に溶融金属が充填される状況を説明する模式図であり、(イ)は真空チャンバーを加圧する前、(ロ)は加圧した後を示す。 シリコン基板にあけた微細孔に錫を充填した本発明の一実施例の微細孔金属充填基板を示すもので、錫を充填した微細孔部分の断面図である。 シリコン基板にあけた微細孔に錫を充填した本発明の他の実施例の微細孔金属充填基板を示すもので、錫を充填した微細孔部分の断面図である。 ガラス棒にあけた著しく深い微細孔に錫を充填した場合の充填状況を説明するもので、錫を充填した微細孔部分の断面図である。 従来の金属充填方法で微細孔に金属を充填した時の充填不良状態を説明する図であり、シリコン基板の金属を充填した微細孔部分の模式的な断面図である。 従来の金属充填方法で微細孔に金属を充填した時の、鬆が生じた充填不良状態を説明する図であり、シリコン基板の金属を充填した微細孔部分の模式的な断面図である。
符号の説明
2 微細孔
3 溶融金属
10 金属充填装置
11 真空チャンバー
11a 開口部
12 真空開閉用バルブ
13 吸引管
14 真空ポンプ装置
15 シャッター
16 開口部
17 バッファ用真空チャンバー
18 バッファ用吸引管理
19、20 窒素導入管
19a、20a 窒素導入用バルブ
23 溶融金属槽
24 ヒータ
27 基板固定用アーム
28 軸部
29 基板クランプ
31 アーム支持部
36 真空圧力センサ

Claims (10)

  1. 溶融金属槽を配置する本来の真空チャンバーとこの本来の真空チャンバーにシャッターで開閉可能な開口部で連通するバッファ用真空チャンバーとを備えた微細孔への金属充填装置における前記バッファ用真空チャンバー内に、基板自体に微細孔を形成した基板を収容し、次いで前記バッファ用真空チャンバーを減圧することで基板の雰囲気圧を減圧し、次いで減圧状態を保ったまま、前記基板を、前記シャッターをあけて開口部から、予め減圧されている前記本来の真空チャンバー内に配置された溶融金属槽内の溶融金属に挿入し、次いで前記本来の真空チャンバーを加圧することで前記溶融金属の雰囲気圧を加圧して、金属挿入前後における雰囲気圧差により前記微細孔に溶融金属を充填し、次いで、基板を溶融金属槽から引き上げて冷やすことにより、前記微細孔に金属が空隙無しに充填されたことを特徴とする微細孔金属充填基板。
  2. 溶融金属槽を配置する本来の真空チャンバーとこの本来の真空チャンバーにシャッターで開閉可能な開口部で連通するバッファ用真空チャンバーとを備えた微細孔への金属充填装置における前記バッファ用真空チャンバー内に、基板自体に微細孔を形成した基板を収容し、次いで前記バッファ用真空チャンバーを減圧することで基板の雰囲気圧を減圧し、次いで減圧状態を保ったまま、前記基板を、前記シャッターをあけて開口部から、予め減圧されている前記本来の真空チャンバー内に配置された溶融金属槽内の溶融金属に挿入し、基板が溶融金属と同じ温度に達した後に前記本来の真空チャンバーを大気圧以上に加圧することで前記溶融金属の雰囲気圧を大気圧以上に加圧して、金属挿入前後における雰囲気圧差により前記微細孔に溶融金属を充填し、次いで、基板を溶融金属槽から引き上げ、空冷することにより、前記微細孔に金属が空隙無しに充填されたことを特徴とする微細孔金属充填基板。
  3. 前記基板の微細孔の深さが100μm以上であることを特徴とする請求項1又は2記載の微細孔金属充填基板。
  4. 基板がセラミック、フッ素樹脂、ポリイミド、ガラス、シリコンの何れかであることを特徴とする請求項1〜3記載の微細孔金属充填基板。
  5. 基板の孔が途中にて屈曲していることを特徴とする請求項1〜4記載の微細孔金属充填基板。
  6. 基板がシリコン多層基板であり、孔が途中にて屈曲していることを特徴とする請求項1〜5記載の微細孔金属充填基板。
  7. 基板の孔の断面輪郭が樹枝状に枝別れしていることを特徴とする請求項1〜6記載の微細孔金属充填基板。
  8. 基板が複合材、あるいは単一部材の組み合わせよりなることを特徴とする請求項1〜7記載の微細孔金属充填基板。
  9. 充填金属が錫、あるいは金−錫であることを特徴とする請求項1〜8記載の微細孔金属充填基板。
  10. 微細孔が基板の貫通孔であることを特徴とする請求項1〜9記載の微細孔金属充填基板。
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