JP2009267295A - シリコン基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シリコン基板に貫通電極用の貫通穴を形成する場合、ドライエッチング法やレーザ法のような装置が高価で生産性の低い貫通穴形成技術を使う必要があった。これらに代替する簡便で生産性の高い貫通穴形成技術の開発を課題とした。
【解決手段】シリコン基板１０上に柔軟性を有する保護テープ１１を貼り付けた上で、前記保護テープ１１上から打ち抜き金型１４により前記シリコン基板１０を打ち抜き、貫通穴を形成することを特徴とするシリコン基板の製造方法であって、前記打ち抜き金型１４が、先端部が平坦面、円錐形状あるい片カット形状の円柱状でありその径が４０μｍから４００μｍの範囲である。
【選択図】図２

Description

本発明は、シリコンからなる半導体素子基板を３次元高密度実装するために必要な貫通穴をシリコンウエハーに形成する方法に関する。

半導体装置の集積密度を向上させ高速で信号処理をすることは不可欠不断の要請である。このためには、半導体チップを微細化し高速で動作するようにするとともに、半導体チップ自体を高密度で実装する技術の開発も必要である。

高密度実装技術の一つとして、プラスチック基板あるいはセラミック基板上に、複数の半導体チップを薄い絶縁性基板を介して複数段積層する方式が知られている。積み重ねられた半導体チップ間の電気接続は、一般には半導体チップの外周部に形成された接続用パッド同士をワイヤーボンディングすることで図られ、最後に全体を樹脂でモールド成形することで半導体装置製品となる。ワイヤーボンディング法では、接続用パッドが半導体チップの周辺部にしか配設できずその数が制限されることや、ワイヤー線のインダクタンスなどの問題から高速信号を高密度で伝送することにはあまり向いていない。

また、半導体チップを積層する点で上記に類似の方法として、絶縁性の中間基板としてシリコン基板を用い、該基板の表面から裏面に貫通する電極を形成しこれを上下の半導体チップの接続用電極とする技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この積層形態では、半導体チップとシリコン基板が同じ材質のため、半導体チップとシリコン基板の接続部分で発生する熱応力が、半導体チップとプラスチック基板間に比べ、少ないため信頼性の高い接合が可能であって、また配線距離も短くできるという特長がある。

さらに、進んだ技術として、上記の中間基板を省いて半導体チップ自体に直接貫通電極を形成して、この貫通電極同士を上下に接続する技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。ここでは、各々の半導体チップには、その表面に２次元的な集積回路とチップを貫く貫通電極とが併置して形成されている。貫通電極は裏面に一部が露出するように形成され、この突出部が別の半導体チップ表面に形成された貫通電極パッドと接合し、これを繰り返すことで全体として３次元半導体集積回路が得られる。最下段の貫通電極を多層配線基板の電極パッドと接続し最後にパッケージングすることで、配線長の短い理想的な半導体装置が得られる。

シリコン基板に貫通電極用の穴を形成した後は、化学蒸着法により穴の内側壁に窒化シリコン等の絶縁膜を形成する。その後、無電界めっき法によりシード電極を形成し、このシード層を陰極として内側壁に銅、アルミニウム等の金属皮膜を設け貫通電極とするのが一般的である。また穴内部をダマシン法により金属で充填し、裏面からエッチングにより金属部分の頭だしを行い貫通電極とすることも行われている。
特開平５−１４４９７８号公報 特開２００３−１７５５８号公報

上記シリコン基板には貫通する電極を形成する前に上下に貫通する穴の形成が必要である。貫通穴の一つの形成方法はドライエッチング工法である。これは先ず、シリコン基板上に定法のフォトリソグラフィー法により、貫通部に対応する箇所に開口を有するレジス
トパターンを形成し、開口部のシリコンをＳＦ₆などのフロン系ガスを用いたドライエッチングにより垂直方向に除去していく方法である。

この方法においては、穴を深くエッチングする場合にはレジスト層が一層では足りず、無機材料からなるハードマスクを追加するなど多層化処理を採用する場合が多い。また、いくら垂直方向にエッチングが進むといっても側壁方向にもエッチングが入るため、側壁の保護とエッチングを交互に繰り返すボッシュプロセスを採用する必要があるなど、加工に非常に長時間を要するという問題もある。

さらに、危険なフロンガスを使用するドライエッチング装置は構造が非常に複雑で、メンテナンスが容易に行えず、維持管理に多大の費用がかかるという問題もある。この装置は、装置の仕様上加工できる基板のサイズが限定されるという問題もある。

別の方法としてレーザ工法があるが、ＹＡＧレーザ光を所望の位置にスポット照射してシリコンを溶融除去するため、加工部周辺にドロスや溶解粉が再付着する問題がある。レーザ装置が高額であり生産性も低いというドライエッチング法と同じ問題を抱えている。

そこで、本発明の課題は、ドライエッチング法やレーザ法のような装置が高価で生産性の低い貫通穴形成技術に代わる、簡便で生産性の高い貫通穴形成技術を用いたシリコン基板の製造法を提供することである。

本発明は、上記の問題を鑑みてなされたもので、請求項１の発明は、シリコン基板上に柔軟性を有する保護テープを貼り付けた上で、前記保護テープ上から打ち抜き金型により前記シリコン基板を打ち抜き、貫通穴を形成することを特徴とするシリコン基板の製造方法としたものである。

本発明の製造方法では、シリコン基板に粘着剤付の保護テープを粘着剤を介して基板に貼り付ける構成とした上で、保護テープ側から針状の金型で打ち抜くので、シリコン基板表面は保護テープに固定されているため亀裂が伝播せず、搾穴される穴の内側壁は伸びた保護フィルムで保護されるため破砕が生じず垂直な貫通穴が形成される。粘着剤としてはアクリル系樹脂が一般的である。

請求項２の発明は、前記保護テープがＰＥフィルム、ＰＰフィルムあるいはＰＥＴフィルムからなることを特徴とする請求項１記載のシリコン基板の製造方法としたものである。

請求項３の発明は、前記保護テープの厚みが２５μｍから１５０μｍの範囲であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のシリコン基板の製造方法としたものである。

上記２つの発明は、シリコン基板上に貼り付ける保護テープは、搾穴初期段階においては搾穴側壁部に沿って中に入り込めるような適度な柔軟性が必要であるということに対応するものである。

請求項４の発明は、前記打ち抜き金型が、先端部が平坦面、円錐形状あるい片カット形状の円柱状でありその径が４０μｍから４００μｍの範囲であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のシリコン基板の製造方法としたものである。

金型先端の形状がシリコン基板に対して、局所的に応力が集中する形状であると、針周辺方向にクラックが発生しシャープな穴形状が形成できない。そのため、金型先端面は平
坦面とすることが望ましい。

本発明によれば、以上記載したような作用を有するから生産性が低く高コストなドライエッチング法やレーザ法を使用することなしに、金型でプレスするというきわめて簡便な機械的手段によりシリコン基板に貫通穴を形成できるシリコン基板の製造方法とすることができる。

金型による打ち抜き法は、シリコン基板のような単結晶基板に貫通穴を搾穴する技術としては、開口部周辺及び内側壁の破砕を生じ好ましくないと考えられてきたが、本発明者は保護テープをシリコン基板上に貼り付け、該保護テープ側から適切な形状を有する針で打ち抜けば、形状崩れのない側壁形状のよい実用可能な貫通穴を機械的に形成することができることを見出した。
以下、そのことにつき図面を用い実施の態様に即して説明する。

先ず、厚み３００μｍ、６インチのシリコンウエハーの片面に易剥離性の厚さ１５０μｍの保護テープ（製品名ＩＣＲＯＳ、三井化学製）を貼り付けたものを試料とした。このシリコンウエハーを打ち抜くための金型プレス装置として三井精機工業製ＰＦ３０を用意した。また保護用フィルムとしては、ポリエチレンフィルム（ＰＥ）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）等を基材とする保護テープも使用することができる。

最初に、保護テープを貼り付けたシリコンウエハーを、金型プレス装置で打ち抜く際に、保護テープ上から打ち抜くか、シリコンウエハー側から打ち抜くかで、搾穴される貫通穴の形状がどうなるか調べた。直接にシリコンウエハーを突き破る針先部分の形状は、長さ５００μｍ、直径１５０μの円柱形状とし、６個の針が３個ずつ２段で突出している金型を使用した。プレス圧力は１００Ｎ／ｃｍ²とし、６２．５Ｎ／ｍｍのコイル４個をストッパー用コイルとした。貫通穴の観察にはＳＥＭ（Ｓ−４８００、（株）日立ハイテクノロジーズ）を使用した。

シリコンウエハー側から搾穴した場合には、シリコンウエハー開口部の大きさは針径の３倍程度と広く、保護テープ側に向かって狭くなる傾向であり、破砕された大小のシリコン片が開口側壁を凹凸状に埋め尽くすように見えた（図１（ａ））。これは針先がシリコンウエハー１０を搾穴する場合、上部表面が保護テープで固定されていないためシリコン表面の破断が周囲まで広がるとともに、下側の保護テープ１１が一旦伸びて、その後切断分離され、その際破砕された部分が保護テープにより持ち去られるか飛散した結果である（図２（ａ）参照）。

一方、図２（ｂ）で示すように、保護テープ側から搾穴した場合は、保護テープの開口面積は針の径よりも広く、シリコンウエハー搾穴径はそれより狭く、上部から見ると開口部は２段に見えた（図２（ｂ）の最下段の図を参照のこと）。シリコンウエハーの側壁には、縦筋があるが破砕片はほとんど観察されずどちらかといえば滑らかであった（図１（ｂ））。また分離した保護テープの断片１２にはシリコンウエハーの打ち抜かれ部分１３がそのままの状態で付着していた。この結果は、打ち抜き針が、表面から搾穴を開始しても保護テープによりウエハー表面が固定されているため破断が広がらず、且つ保護テープを若干伸ばしながら搾穴が進み、その際保護テープが破断面を保護しながら搾穴が進むため、上記のような外観を呈するものと解釈できる（図２（ａ）参照）。

次に、ストッパー用コイルの強さを１２６Ｎ／ｍｍにあげて、プレス圧の減少勾配を弱
めた。すなわちプレスの圧力を実質的に弱めた搾穴試験を行った。シリコンウエハー側から搾穴した場合も、保護テープ側から搾穴しても、６２．５Ｎ／ｍｍと較べ貫通穴の外観に差は見られなかったが、後者にあってはプレス圧変化の弱い方（プレス圧が高い）が側壁が滑らかに切断されていた。このことはどちらかと言えば、プレス圧の高いほうが搾穴には好ましいということを示していた。

次に、円柱状の金型の先端部の形状を変えて搾穴実験を行った。先端部の形状は図３に示したように、平坦面、円錐、片カット、２面カット、３面カット、４面カットの６種類とした。径はすべて１５０μｍ、円柱を除く針の凸部の高さｈは２００μｍ、プレス圧は１００Ｎ／ｃｍ²、ストッパーコイルの強さは６２．５Ｎ／ｍｍとした。貫通穴の外観を観察したところ形状の良さは、平坦面、円錐、片カット、２面カット、３面カット、４面カットの順であった（結果は図示せず）。これは搾穴の初期段階で圧力が一点に集中するとシリコンウエハーに亀裂が生じやすくなるからである。平坦面の場合は底面全体でシリコンウエハーを押圧するため局所的に圧力が加わらず割れが生じにくいためである。

その他、針の長さは、被加工シリコンウエハーの厚さの１．３倍から１．８倍の範囲に設定するのが好ましく、打ち抜き圧力は、１０Ｎ／ｃｍ²〜１５０Ｎ／ｃｍ²の範囲、ストッパー用のバネ圧力は３５Ｎ／ｍｍから１７０Ｎ／ｍｍの範囲に設定するのが好ましい貫通穴外観を呈した。プレスする際には、保護テープ付シリコンウエハーを複数枚積み重ねることも可能である。また、搾穴側に保護テープを貼付することは不可欠であるが、その反対面に別の保護テープを貼り付けてもかまわない。ウエハー面の汚染防止、微細な破砕片の飛散防止に有効であった。

（ａ）ウエハー側から針状の金型で打ち抜いた貫通穴の上面視の写真、（ｂ）保護テープ側から打ち抜いた貫通穴の上面斜視の写真。 針状金型がシリコンウエハーを搾穴する様子を模式的に説明する図。（ａ）ウエハー側から（ｂ）保護テープ側から。 針先の形状を模式的に示す図面。（ａ）円柱、（ｂ）円錐、（ｃ）片カット、（ｄ）２面カット，（ｅ）２面カット、（ｆ）３面カット、（ｇ）４面カット

符号の説明

１０・・・シリコンウエハー
１１・・・保護テープ
１２・・・切断された保護テープの断片
１３・・・ウエハー片
１４・・・金型先端の針

Claims (4)

1. シリコン基板上に柔軟性を有する保護テープを貼り付けた上で、前記保護テープ上から打ち抜き金型により前記シリコン基板を打ち抜き、貫通穴を形成することを特徴とするシリコン基板の製造方法。
2. 前記保護テープがＰＥフィルム、ＰＰフィルムあるいはＰＥＴフィルムからなることを特徴とする請求項１記載のシリコン基板の製造方法。
3. 前記保護テープの厚みが２５μｍから１５０μｍの範囲であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のシリコン基板の製造方法。
4. 前記打ち抜き金型が、先端部が平坦面、円錐形状あるい片カット形状の円柱状でありその径が４０μｍから４００μｍの範囲であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のシリコン基板の製造方法。