JP2015115425A - 貫通電極を備える構造体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本明細書は、シード基板を用いずに貫通電極を備える構造体を製造する方法を提供することを目的とする。【解決手段】 本明細書が開示する貫通電極を備える構造体の製造方法は、第１の面および第２の面を貫通する貫通孔を備える基板の前記第２の面の上に、貫通孔に対応する開口を備える導電層を形成する工程と、導電層をシードとしためっき処理によって、貫通孔の第２の面側の外周から貫通孔の第２の面側の中心に向かって延伸するオーバーハング部を含むめっき層を形成する工程と、めっき層を形成する工程の後に、貫通孔の第２の面側の上に第１の絶縁層を形成する工程と、第１の絶縁層を形成する工程の後に、オーバーハング部を含む前記めっき層をシードとしためっき処理によって、貫通孔の内部に貫通電極を形成する工程と、を有する。【選択図】 図１

Description

本発明は貫通電極を備える構造体の製造方法に関する。

ＬＳＩを代表するように集積回路等のシステムは高速化、高機能化が求められている。これらの集積回路等のシステムをさらに高速化、高機能化していくためには３次元的な構造を有するチップ実装技術が必要である。このため従来から、チップ間を短い距離で電気的に接続できる貫通電極を備える基板が用いられている。貫通電極の形成は基板に貫通する貫通孔（スルーホールとも言う）を形成した後、この貫通孔内に金属を埋め込み、この金属を通じて基板の上下に積層される基板相互間を電気的に接続する。この貫通孔内への金属の埋め込み方法として、めっきが一般的である。

特許文献１は、ボトムアップの電解めっきによって貫通電極を形成する方法を開示する。特許文献１では、シード層を備えるシード基板と貫通孔を備える貫通孔基板とを接着で密着させる。続いて、シード層をシードとして貫通孔に対してボトムアップの電解めっきをした後に、シード基板と貫通孔基板とを剥離する。

特開２００４−１１９６０６号公報

しかしながら、特許文献１の方法では、例えば、シード基板と貫通孔基板とを接着するときに、接着に用いる材料が貫通孔に入り込むといった問題がある。これにより、めっきにより形成される貫通電極の精度にばらつきが生じる。

また、特許文献１の方法では、例えば、密着されたシード基板と貫通孔基板とを剥離することは困難である。さらに、貫通孔基板が大面積化、薄板化していく場合において、密着されたシード基板と貫通孔基板とを剥離することによって貫通孔基板の割れや破損が生じる可能性がある。

そこで、本明細書は、シード基板を用いずに貫通電極を備える構造体を製造する方法を提供することを目的とする。

本明細書が開示する貫通電極を備える構造体の製造方法は、第１の面および第２の面を貫通する貫通孔を備える基板の前記第２の面の上に、貫通孔に対応する開口を備える導電層を形成する工程と、導電層をシードとしためっき処理によって、貫通孔の第２の面側の外周から貫通孔の第２の面側の中心に向かって延伸するオーバーハング部を含むめっき層を形成する工程と、めっき層を形成する工程の後に、貫通孔の第２の面側の上に第１の絶縁層を形成する工程と、第１の絶縁層を形成する工程の後に、オーバーハング部を含む前記めっき層をシードとしためっき処理によって、貫通孔の内部に貫通電極を形成する工程と、を有する。

本明細書が開示する貫通電極を備える構造体の製造方法によれば、シード基板を用いずに貫通電極を製造することができる。

本実施形態に係る貫通電極を備える構造体の製造方法の概要を説明するための図である。 本実施形態および実施例１に係る貫通電極を備える構造体の製造方法を説明するための図である。 実施例２に係る貫通電極を備える構造体の製造方法を説明するための図である。 実施例３に係る貫通電極を備える構造体の製造方法を説明するための図である。 実施例４に係る静電容量型トランスデューサの製造方法を説明するための図である。

以下、本実施形態に係る貫通電極を備える構造体の製造方法の概略を、図１を用いて説明する。図１は本実施形態に係る貫通電極の作製方法を説明するための基板の断図面である。簡明のため、図１では２つの貫通孔及び貫通電極のみが示されている。

まず本発明者は、シード基板を用いずに、例えば電子ビーム蒸着、抵抗加熱蒸着などの直進性の高い成膜方法を用いてシード層を形成することを見出した。すなわち、図１Ａに示すように第１の面１ａおよび第２の面１ｂを貫通する貫通孔２を有する基板１を用意し、図１Ｂに示すように紙面下方向から直進性の高い成膜方法で基板１の第２の面１ｂの上に導電層４を形成する。その結果、貫通孔２に対応する開口４ａを備える導電層４が形成される。開口４ａの内径と円心は、貫通孔２の第２の面１ｂ側の開口２ｂの内径と円心とほぼ一致する。

ところが、図１Ｂに示す状態では、導電層４をシードとしためっき処理により貫通孔２の内部に貫通電極を形成する場合に、貫通孔２と近接する導電層４の端部４ｂの露出面積が小さいため、貫通孔２の内部に良質な貫通電極が形成されにくい場合がある。

そこで、本発明者は、導電層４をシードとしためっき処理によって、貫通孔２の第２の面１ｂ側の開口２ｂの外周から貫通孔２の第２の面１ｂ側の開口２ｂの中心に向かって延伸するオーバーハング部５を含むめっき層５ａを形成することを見出した（図１Ｃ）。さらに、第２の面１ｂ側から第１の面１ａ側に向かう方向に集中的にめっきを行うために、貫通孔２の第２の面１ｂ側の上に第１の絶縁層６を形成することを見出した（図１Ｄ）。このように形成されたオーバーハング部５を含むめっき層５ａをシードとしためっき処理により、第２の面１ｂから第１の面１ａに向かって貫通孔２の内部に貫通電極７を形成する（図１Ｅ）。

以上の工程によれば、オーバーハング部５は導電層４の端部４ｂと比較して貫通孔２に対する露出面積が大きいため、オーバーハング部５を含むめっき層５ａをシードとしためっき処理により貫通孔２の内部に良質な貫通電極７を形成することができる。また、第１の絶縁層６を形成することによりオーバーハング部５から第１の面１ａ側に向かって集中的に貫通電極７を形成することができる。これらの理由から本実施形態に係る貫通電極の作製方法によれば、貫通電極７を形成するためのめっき効率が高くなる。

以下、本実施形態に係る貫通電極を備える構造体の製造方法を、図２を用いて説明する。

簡明のため、図２では、２つの貫通孔及び貫通電極のみが示されている。

まず、図２Ａに示すように基板１を用意する。なお、基板１にはＣｕ、Ａｌなどの導体、シリコンなどの半導体、またはガラス、セラミック、プラスティック、樹脂などの絶縁体などの材料を用いることができる。また、基板１の厚さは、例えば、５０〜１０００μｍとすることができる。

以下、本実施形態では、基板１がシリコン基板である場合について説明する。

次に、図２Ｂに示すように、基板１の第１の面１ａおよび第２の面１ｂを貫通する貫通孔２を形成する。貫通孔２の形成は、第１の面１ａおよび第２の面１ｂのいずれの面側から行われてもよい。

貫通孔２は、例えば、直径を１０〜１００μｍ、紙面の横方向の周期を２００μｍ、紙面の奥行き方向の周期を２ｍｍとすることができる。貫通孔２の内壁２ｃが平滑であることが好ましい。例えば、貫通孔２の内壁２ｃの表面粗さが最大高さＲｍａｘで５０ｎｍ以下とすることが好ましい。

貫通孔２の加工において、例えば、フォトレジストパターン（図示なし）をエッチングマスクとして、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法を用いることができる。例えば、貫通孔２の形状、数、及び配置は、用途に応じてフォトレジストパターンで規定する。

さらにＲＩＥ加工後、貫通孔２の内壁２ｃが十分に平滑でない場合、内壁２ｃの平滑化処理を行うことが好ましい。例えば、熱酸化によって内壁２ｃの表面にシリコンの酸化膜を形成してから、フッ酸、またはバッファードフッ酸（ＢＨＦ）等の薬品でシリコンの酸化膜を取り除くことによって、内壁２ｃの平滑化を図ることできる。また、水素雰囲気中の加熱処理も内壁２ｃの平滑化に効果的である。貫通孔２の加工後、エッチングマスクを適宜な手法で除去する。例えば、エッチングマスクがフォトレジストである場合、酸素プラズマを用いたアッシング法によって、エッチングマスクを除去する。また、エッチングマスクがＣｒである場合、Ｃｒのエッチング液によって、エッチングマスクを除去する。

次に、図２Ｃに示すように、少なくとも貫通孔２の内壁２ｃを含む基板１の表面上に第２の絶縁層３を形成する。本実施形態では、基板１の全表面上に第２の絶縁層３を形成する。第２の絶縁層３にはあらゆる絶縁材料を用いることができる。例えば、第２の絶縁層３はシリコンの酸化層、シリコンの窒化層、またはシリコンの酸化層とシリコンの窒化層とを含む積層構造とすることができる。第２の絶縁層３の厚さは、絶縁の需要に応じて設計され、例えば、０．１〜１．５μｍとすることができる。 第２の絶縁層３の形成方法として、例えば、シリコンの熱酸化や化学気相堆積（ＣＶＤ）法などを用いることができる。さらに、貫通電極７の材料が基板１へ熱拡散することを防ぐために、第２の絶縁層３の表面にさらに拡散防止層を形成してもよい。なお、基板１が絶縁材料からなる場合、基板１の表面に第２の絶縁層３を形成しなくてもよい。

次に、図２Ｄに示すように、基板１の第２の面１ｂ側の上に導電層４を形成する。図２Ｄに示すように、基板１よりも紙面下方向に導電層４が形成される限り、導電層４は基板１の第２の面１ｂ側の上に形成されているといえる。すなわち、基板１と導電層４との間に第２の絶縁層３を介している場合も、導電層４は基板１の第２の面１ｂ側の上に形成されているといえる。

なお、導電層４は、後の工程でめっき処理のシードとすることのできる材料である必要がある。導電層４は、例えばＡｕ、Ｃｕなどの金属を主成分として構成することができる。導電層４は、第２の絶縁層３との密着性を確保するために密着層としてのＴｉ、Ｃｒ層などを含んでもよい。

貫通孔２の開口２ｂから貫通孔２の内壁２ｃへの回り込みを低減するために、直進性の高い方法で第２の絶縁層３の上に垂直に成膜されることが好ましい。導電層４の形成方法として、例えば、電子ビーム蒸着、抵抗加熱蒸着などの直進性の高い成膜方法がある。以上のように導電層４を形成することにより、導電層４は貫通孔２に対応する開口４ａを備える。すなわち、開口４ａの内径および円心は、貫通孔２の開口２ｂの内径と円心とほぼ一致する。

ところで、第２の絶縁層３より先に基板１の表面に導電層４を形成した場合、貫通孔２の内壁２ｃの表面に熱処理によって第２の絶縁層３を形成するために基板１を昇温すると、導電層４の材料が導電層４と接する第２の絶縁層３に拡散する可能性がある。その結果、第２の絶縁層３の特性を変化させてしまう可能性がある。さらに、第２の絶縁層３の形成条件によっては、導電層４の材料が第２の絶縁層３を通過して、基板１の内部まで拡散してしまう可能性もある。一方、導電層４の材料の拡散を抑制するために低温プロセスで第２の絶縁層３を形成する場合、第２の絶縁層３の形成方法が限定されてしまう。そのため、本実施形態のように基板１の表面に第２の絶縁層３を形成した後に、第２の絶縁層３を介して基板１の第２の面１ｂの上に導電層４を形成することが好ましい。

次に、図２Ｅに示すように、導電層４をシードとしためっき処理によって、貫通孔２の開口２ｂの外周から貫通孔２の開口２ｂの中心に向かって延伸するオーバーハング部５を含むめっき層５ａを形成する。オーバーハング部５は、図２Ｅの中において点線で囲んでいる部分を指す。めっき層５ａは、後の工程でめっき層５ａをシードとしためっきを行うことのできる材料で構成される必要がある。めっき層５ａは、例えば、Ｃｕ、Ａｕ、Ｎｉなどの金属を主材料として構成される。

本工程のめっき処理としては、電解めっきと無電解めっきのいずれも適用できる。電解めっきの場合、シード基板に電界をかける必要があるが、比較的に速い速度でめっき成長できる。ただし、電解の分布によってはめっきの不均一成長が生じる場合がある。一方、無電解めっきの場合、比較的に均一なめっき成長を得やすい比較的に遅い速度でめっき成長する。なお、本実施形態のように複数の貫通孔２のそれぞれの開口２ｂが同様の形状である場合、電解めっきの際に開口２ｂ付近での電界はほぼ同様となるため、電解めっきであってもオーバーハング部５の形状ばらつきが小さい。そのため、この場合、めっき成長の早い電解めっきを用いることが好ましい。

オーバーハング部５は、貫通孔２の開口２ｂの外周から貫通孔２の開口２ｂの中心に向かって１μｍ以上延伸することが好ましい。オーバーハング部５は、図２Ｅに示すように貫通孔２の開口２ｂの外周から貫通孔２の中心まで至らなくてもよい。また、オーバーハング部５は、貫通孔２の開口２ｂの周囲から中心まで延伸し、貫通孔２の開口２ｂを塞いでもよい。なお、導電層４をシードとしてめっき処理を行うことにより導電層４の第２の面１ｂ側の表面にもめっき層５ａが形成される。

次に、図２Ｆに示すように、貫通孔２の第２の面１ｂ側の上に第１の絶縁層６を形成する。すなわち、貫通孔２の開口２ｂを塞ぐように第１の絶縁層６を形成する。図２Ｆに示すように、貫通孔２よりも紙面下方向に第１の絶縁層６が形成される限り、第１の絶縁層６は貫通孔２の第２の面１ｂ側の上に形成されているといえる。また、貫通孔２の開口２ｂと第１の絶縁層６との間に空隙やその他の部材を介する場合も、第１の絶縁層６は貫通孔２の第２の面１ｂ側の上に形成されているといえる。

なお、第１の絶縁層６は、めっき処理によりそこからめっき物が生じにくい材料である必要がある。また、第１の絶縁層６は、後の工程で剥離しやすいものであることが好ましい。また、第１の絶縁層６は、それと接する層（例えば、めっき層５ａ）と密着性が高いものであることが好ましい。例えば、第１の絶縁層６には、絶縁性の粘着テープやドライフィルムレジストなどを用いることができる。

なお、めっき層５ａの第２の面１ｂ側の表面でのめっき物の生成を抑制するために、図２Ｆに示すようにめっき層５ａの第２の面１ｂ側の上にも第１の絶縁層６を形成することが好ましい。これにより、貫通電極７を形成するためのめっき効率がさらに高くなる。

次に、図２Ｇに示すように、オーバーハング部５を含むめっき層５ａをシードとしためっき処理によって、貫通孔２の内部に貫通電極７を形成する。貫通電極７は、例えば、Ｃｕ、Ａｕ、Ｎｉなどの金属を主材料で構成されることができる。なお、貫通孔２のアスペクト比が高い場合、本工程においてめっき処理としては電解めっきを採用することが好ましい。

なお、電気接続の信頼性を高くするため、図２Ｇに示すように貫通電極７を貫通孔２の第１の面１ａ側の開口２ａから突出させることが好ましい。すなわち、貫通電極７を貫通孔２の外部にまでめっきによって形成することが好ましい。

第１の絶縁層６が形成されていることによって、オーバーハング部５をシードとして貫通孔２の開口２ｂから開口２ａに向かって選択的にボトムアップめっきを行うことができる。さらに、めっき層５ａの上にも第１の絶縁層６が形成されていることにより、めっき層５ａの第２の面１ｂ側の表面でめっき物が生じることを抑制することができる。これらの結果、貫通電極７を形成するめっき効率が高くなる。

次に、図２Ｈのように、貫通電極７の端面７ａおよび７ｂを平坦化するために、基板１の第１の面１ａ側及び第２の面１ｂ側からそれぞれ加工を行う。

端面７ａの加工は、第１の面１ａ側より行い、例えば、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）を用いる。このＣＭＰによって、端面７ａは第２の絶縁層３の表面とほぼ同じ高さとすることができる。

まず端面７ｂを加工するために、第１の絶縁層６を除去する。例えば、第１の絶縁層６がダイシングテープのような粘着テープである場合、ピーリング法によって、第１の絶縁層６を機械的に除去する。続いて、例えば、基板１の第２の面１ｂ側よりＣＭＰを行い、めっき層５ａ及び導電層４を順番に除去してから、端面７ｂを平坦化する。このとき、オーバーハング部５の一部または全部を除去してもよい。

貫通電極７の第１の面１ａ側の端面７ａと第２の面１ｂ側の端面７ｂの加工後、必要に応じて、第２の絶縁層３の表面を平滑化する。第２の絶縁層３の表面の平滑化のため、例えば、基板１の第１の面１ａ側及び第２の面１ｂ側からそれぞれ第２の絶縁層３に対してＣＭＰ加工を行う。

以上の工程を用いれば、図２Ｈに示した貫通電極７を有する基板を作製できる。

以下、より具体的な実施例を説明する。

（実施例１）
図２を用いて、本実施例に係る貫通電極を備える構造体の製造方法を説明する。

まず、図２Ａに示すような基板１を用意する。基板１は、直径が１００ｍｍ、厚さが２００μｍ、抵抗率が約０．０１Ω・ｃｍのシリコン基板である。基板１の対向する第１の面１ａ及び第２の面１ｂは、市販されているシリコン基板と同レベルの鏡面度を有する。

次に、図２Ｂに示すように貫通孔２を形成する。貫通孔２の加工は、シリコン基板１の第１の面１ａ側より行われる。貫通孔２は、直径が５０μｍ、紙面横方向の周期が２００μｍ、紙面奥行き方向の周期が２ｍｍの配列である。貫通孔２の形成において、フォトレジストパターン（図示なし）をエッチングマスクとして、ＲＩＥ法を用いる。貫通孔２の形成後、エッチングマスクとしたフォトレジストパターンをプラズマアッシング法で除去する。更に、貫通孔２の内壁２ｃが十分に平滑になるため、熱酸化によって内壁２ｃの表面に約１μｍ厚のシリコンの酸化層を形成してから、バッファードフッ酸（ＢＨＦ）溶液によってシリコンの酸化層を取り除く。この平滑化工程は、必要に応じて、複数回行われる。なお、平滑化後の貫通孔２の内壁２ｃの表面粗さは、最大高さＲｍａｘで５０ｎｍ以下である。

次に、図２Ｃに示すように、基板１の全表面上に第２の絶縁層３を形成する。第２の絶縁層３は、基板１のシリコンの熱酸化により形成され、厚さが約１μｍである。シリコンの熱酸化の温度は約１０５０℃である。

次に、図２Ｄに示すように、第２の絶縁層３の第２の面１ｂ側の表面上に導電層４を形成する。導電層４は、５ｎｍのＴｉ層と１００ｎｍのＣｕ層が順番に形成された２層構造である。導電層４の形成において、直進性の高い電子ビーム蒸着法を用いて、基板１の第２の面１ｂに対してほぼ垂直に成膜する。

次に、図２Ｅに示すように、導電層４をシードとして、Ｃｕの電解めっきによって、貫通孔２の開口２ｂの外周から貫通孔２の開口２ｂの中心に延伸するオーバーハング部５を含むめっき層５ａを形成する。オーバーハング部５は、貫通孔２の開口２ｂの外周から貫通孔２の中心に向かって５μｍ延伸するようにする。

次に、図２Ｆに示すように、貫通孔２およびめっき層５ａの第２の面１ｂ側の上に第１の絶縁層６としての絶縁性のダイシングテープを貼り付ける。これにより、めっき層５ａの第２の面１ｂ側の表面が第１の絶縁層６で被覆される。

次に、図２Ｇに示すように、オーバーハング部５をシードとして、Ｃｕの電解めっきによって、貫通孔２の内部に貫通電極７を形成する。電気接続の信頼性を高くするため、Ｃｕからなる貫通電極７を貫通孔２の開口２ａから２０μｍ突出させる。第１の絶縁層６の存在によって、電解めっきは貫通孔２の開口２ｂ側から開口２ａ側に向かうボトムアップ成長に集中する。

次に、図２Ｈに示すように、貫通電極７の端面７ａおよび７ｂを平坦化させるために、基板１の第１の面１ａ側及び第２の面１ｂ側からそれぞれ加工を行う。端面７ａの加工において、基板１の第１の面１ａ側からＣｕのＣＭＰを行うことによって、端面７ａが第２の絶縁層３の表面とほぼ同じ高さになる。端面７ｂを加工するために、まず第１の絶縁層６としてのダイシングテープを剥離する。続いて、基板１の第２の面１ｂ側よりＣｕのＣＭＰとＴｉのＣＭＰを行い、Ｃｕからなるめっき層５ａ及びＣｕとＴｉからなる導電層４を順番に除去して、端面７ｂを平坦化する。貫通電極７の端面７ａと７ｂの加工後、第２の絶縁層３の表面の平滑化のため、基板１の第１の面１ａ側及び第２の面１ｂ側からそれぞれ第２の絶縁層３のＣＭＰを行い、表面粗さをＲｍａｘ＜５ｎｍにする。

以上の工程を用いれば、図２Ｈに示すようなＣｕからなる貫通電極を有する構造体を作製できる。

（実施例２）
図３を用いて、本実施例に係る貫通電極を備える構造体の製造方法を説明する。実施例１と同様の構成または工程については、詳細な説明を省略する。

実施例１では、図２Ｅに示すオーバーハング部５を含むめっき層５ａを形成する工程において、導電層４の第２の面１ｂ側の表面全体にもめっき層５ａが形成されてしまうため、オーバーハング部５を形成するためのめっき効率が低くなってしまう。そこで、実施例２では、オーバーハング部５を含むめっき層５ａを形成する工程の前に、導電層４の第２の面１ｂ側の上に絶縁層パターン８を形成する。これにより、導電層４の第２の面１ｂ側の表面からのめっき物の発生を抑制することができるため、オーバーハング部５を形成するためのめっき効率が高くなる。

ところで、作製誤差等により導電層４の端部４ｂの形状は各端部で異なる場合がある。その場合、導電層４の端部４ｂのみを露出させた状態で電解めっきを行うと、端部４ｂの形状の違いから各端部で均一のオーバーハング部５を形成することは困難である。すなわち、導電層４の端部４ｂの形状ばらつきにより、電解めっきの生成条件にもばらつきが生じてしまう。

そこで、本実施例では、貫通孔２の開口２ｂに対応する位置に貫通孔２の開口２ｂよりも大きい開口８ａを備える絶縁層パターン８を形成する。このような絶縁層パターン８を形成することにより、導電層４の端部４ｂだけでなく、導電層４の第２の面１ｂ側の表面の一部も露出される。そのため、導電層４の端部４ｂ以外の部分にもめっき物が生成されるため、導電層４の端部４ｂの形状のばらつきによるオーバーハング部５の生成条件のばらつきを抑えることができる。

以下、本実施例に係る貫通電極を備える構造体の製造方法を説明する。

まず、図３Ａに示すように、実施例１の図２Ａに示す工程と同様にシリコン基板１を用意する。

次に、図３Ｂに示すように、実施例１の図２Ｂに示す工程と同様に貫通孔２を形成する。

次に、図３Ｃに示すように、実施例１の図２Ｃに示す工程と同様に第２の絶縁層３を形成する。

次に、図３Ｄに示すように、実施例１の図２Ｄに示す工程と同様に導電層４を形成する。続いて、図３Ｄに示すように、導電層４の上に絶縁層パターン８を形成する。絶縁層パターン８の材料として、めっき物の生成を抑制することのできる絶縁材料が好ましい。例えば、絶縁性フォトレジストにパターニングするフォトリソグラフィにより絶縁層パターン８を形成することができる。絶縁性フォトレジストとしては、密着性が高く、貫通孔２内に材料が入り込まないものが好ましいため、例えばドライフィルムレジストを用いることができる。

なお、絶縁層パターン８の開口８ａの内径は、貫通孔２の開口２ｂの内径よりも５μｍ以上大きくすることが好ましい。例えば、貫通孔２の開口２ｂは直径が５０μｍの円形であることに対して、開口８ａは直径が７０μｍの円形とすることができる。また、開口８ａの円心は、開口２ｂの円心とほぼ一致させることが好ましい。すなわち、開口２ｂに対応する位置に開口８ａを形成する。

次に、図３Ｅのように、導電層４をシード層として、Ｃｕの電解めっきによって、貫通孔２の開口２ｂの外周から貫通孔２の開口２ｂの中心に延伸するオーバーハング部５を含むめっき層５ａを形成する。オーバーハング部５は、貫通孔２の開口２ｂの外周から貫通孔２の開口２ｂの中心に向かって約５μｍ延伸するようにする。

次に、図３Ｆに示すように、実施例１の図２Ｆに示す工程と同様に貫通孔２の第２の面１ｂ側の上に第１の絶縁層６を形成する。また、本実施例では、絶縁層パターン８を除去してから導電層４の第２の面１ｂ側の上にも第１の絶縁層６を形成している。なお、本工程では、絶縁層パターン８を残したままその上に第１の絶縁層６を形成してもよい。この場合も、導電層４の第２の面１ｂ側の上に第１の絶縁層６が形成されているといえる。

次に、図３Ｇに示すように、実施例１の図２Ｇに示す工程と同様にオーバーハング部５を含むめっき層５ａをシードとして、Ｃｕの電解めっきによって、貫通孔２の内部に貫通電極７を形成する。

次に、図３Ｈに示すように、実施例１の図２Ｈに示す工程と同様に電気接続のため、貫通電極７の端面７ａと７ｂを平坦化する。

以上の工程を用いれば、図３Ｈに示すようなＣｕからなる貫通電極７を備える構造体を作製できる。

（実施例３）
図４を用いて、本実施例に係る貫通電極を備える構造体の製造方法を説明する。実施例１および実施例２と同様の構成または工程については、詳細な説明を省略する。

実施例１または実施例２では、内径が一定の円柱の貫通孔２が形成された基板１に対して、導電層４を垂直方向に成膜する例を説明した。しかしながら、この場合も導電層４の材料が貫通孔２の内部に回り込んで内壁２ｃに付着する可能性がある。この場合、めっき層５ａから生成されためっき物が十分に貫通孔２の内部を埋める前に内壁２ｃから生成されためっき物が貫通孔２を塞いでしまうと、貫通電極７の内部にボイドが発生し、めっき不良が発生する可能性がある。

そこで、実施例３では、貫通孔２の内壁２ｃに導電層４の材料が付着する可能性を低下させるために、貫通孔２の成膜加工する側の開口２ｂの内径を貫通孔２の他の部分の内径よりも小さくする。このような貫通孔２を形成することにより、導電層４の形成時に導電層４の材料の回り込みによる内壁２ｃへの付着を抑制することができる。これにより、貫通電極７の歩留まりを高くすることができる。

以下、本実施例に係る貫通電極を備える構造体の製造方法を説明する。

まず、図４Ａに示すように、実施例１の図２Ａに示す工程と同様にシリコン基板１を用意する。

次に、図４Ｂに示すように貫通孔２を形成する。貫通孔２の形成方法は、実施例１の図２Ｂで示す工程と同様であってもよい。但し、図４Ｂに示すように、貫通孔２の開口２ｂの内径を貫通孔２の他の部分の内径よりも小さくする。すなわち、貫通孔２を基板１の第２の面１ｂに垂直な方向へ投影するとき、貫通孔２の開口２ｂが、貫通孔２の投影の最も内周になるようにする。このような形状は、貫通孔２を形成するためのＲＩＥなどの加工条件を調整することで実現できる。

次に、図４Ｃに示すように、実施例１の図２Ｃに示す工程と同様に第２の絶縁層３を形成する。

次に、図４Ｄに示すように、実施例１の図２Ｄに示す工程と同様に導電層４を形成する。このとき、貫通孔２の開口２ｂの内径が貫通孔２の他の部分の内径よりも小さいので、直進性の高い電子ビーム蒸着法で第２の面１ｂに垂直に成膜するときに、実施例１または実施例２と比べて導電層４の貫通孔２の内壁２ｃへの回り込みを低減できる。

続いて、図４Ｄに示すように、実施例２の図３Ｄに示す工程と同様に導電層４の上にフォトレジストのパターンからなる絶縁層パターン８を形成する。

次に、図４Ｅに示すように、実施例２の図２Ｅに示す工程と同様に導電層４をシードとして、Ｃｕの電解めっきによって、貫通孔２の開口２ｂの外周から貫通孔２の開口２ｂの中心に向かって延伸するオーバーハング部５を含むめっき層５ａを形成する。このとき、導電層４の材料は殆ど貫通孔２の内壁２ｃへ回り込んでいないため、絶縁層パターン８の開口８ａの内部のオーバーハング部５を含むめっき層５ａで集中的にめっき物が生成される。すなわち、貫通孔２の内壁２ｃでのめっき物の生成は抑制されている。

次に、図４Ｆに示すように、実施例１の図２Ｆに示す工程と同様に第１の絶縁層６を貫通孔２の第２の面１ｂ側の上に形成する。また、導電層４およびめっき層５ａの第２の面１ｂ側の上にも第１の絶縁層６を形成する。

次に、図４Ｇに示すように、実施例１の図２Ｇに示す工程と同様にオーバーハング部５を含むめっき層５ａをシードとして、Ｃｕの電解めっきによって、貫通孔２の内部に貫通電極７を形成する。本実施例では貫通孔２の内壁２ｃでのめっき物の生成は抑制されているので、めっき物（貫通電極７）の生成は貫通孔２の開口２ｂの外部から始まるため、貫通孔２の内部でめっき不良が発生しにくい。

次に、図４Ｈに示すように、実施例１の図１Ｈに示す工程と同様に電気接続のため、貫通電極７の端面７ａと７ｂを平坦化させる加工を行う。

以上の工程を用いれば、図４Ｈに示したＣｕからなる貫通電極７を備える構造体を作製できる。

（実施例４）
以下、図５を用いて、実施例１から３のいずれかの方法で製造された貫通電極７を備える構造体の上に、静電容量型トランスデューサ（ｃＭＵＴ：Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）を形成する方法を説明する。簡明のため、図５では、ｃＭＵＴの１つのセル（１つの振動膜）のみが示されている。

ｃＭＵＴは、圧電素子の代替品として研究されている。このようなｃＭＵＴによると、振動膜の振動を用いて超音波を送信、受信することができ、特に液中において優れた広帯域特性を容易に得ることができる。実用上、２次元アレイ状に配置される複数の振動膜を１つのエレメントとし、更に、複数のエレメントを基板上に並べて１つの素子を構成して、所望の性能を実現している。各エレメントを独立に制御するために、それぞれのエレメントに対応する配線電極を形成する必要がある。素子の小型化及び配線電極の寄生容量低減のために、基板を貫通する貫通電極を利用することが望ましい。

図５Ｌは貫通電極を有する構造体の上に形成したｃＭＵＴの１例を示している。

図５Ｌに示すように、本実施例のｃＭＵＴは、基板１と、基板１の対向する第１面１ａと第２面１ｂの間を貫通する貫通電極７−１および７−２との上に形成される。本実施例のｃＭＵＴは、基板１の第１面１ａ側に形成される第１電極９と、第１電極９と間隙１６を挟んで設けられた第２電極１３と第２電極１３の上下に配設された絶縁層１２、１４、及び１７で構成された振動膜１８が振動可能に支持されたセル構造を有する。１つのエレメントにおいて、セル間の第１電極９は互いに導通しており、また、セル間の第２電極１３は互いに導通しており、第１電極９と第２電極１３とは絶縁されている。第１電極９は、空隙１６の下部の全域をカバーしている。また、第１電極９は、貫通電極７−２と接続され、さらに貫通電極７−２を通して基板１の第２面１ｂ側の電極パッド２３と接続されている。第２電極１３は、空隙１６を挟んで基板１の第１面１ａ側に設けられている。電気絶縁のため、第２電極１３は、絶縁膜１２と１４に挟まれて形成される。第２電極１３は、配線電極２１によって、貫通電極７−１と接続され、さらに貫通電極７−１を通して基板１の第２面１ｂ側の電極パッド２２と接続されている。空隙１６は、直径が約３０μｍ、高さが約１５０ｎｍの円柱状構造となっている。１つのエレメントに対して、第１電極９用に１つの貫通電極７−２が設けられ、第２電極１３用にもう１つの貫通電極７−１が設けられているので、各エレメントが独立に制御できる。また、各エレメントの第２電極１３用に１つずつの貫通電極７−１が設けられ、複数のエレメントの第１電極９用に１つ共通の貫通電極７−２が設けられても、各エレメントが独立に制御できる。また、図示はしないが、ｃＭＵＴは制御回路と接続されている。接続は、電極パッド２２と２３を介して、異方性導電フィルム（ＡＣＦ：Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｆｉｌｍ）の圧着を用いる。ｃＭＵＴを駆動する際、バイアス電圧を第１の電極９に印加し、信号印加または信号取り出し電極として第２の電極１３を用いている。必要に応じて、電極パッド２４を介して基板１を接地して、電気ノイズを低減する。なお、本実施例では基板１の第１面１ａの上にｃＭＵＴを形成しているが、ｃＭＵＴを基板１の第２面１ｂの上に形成してもよい。

以下では、貫通電極を有する構造体の上にｃＭＵＴを製法する実施例を説明する。貫通電極を有する構造体の製法は、実施例１乃至３の製法を転用できるので、詳細説明を省略する。

まず、図５Ａに示すように、貫通電極７を有する基板１を用意する。図５Ａに示す構造体の製法は、実施例１乃至３の製法を転用する。基板１は、直径が１００ｍｍ、厚さが２００μｍ、抵抗率が約０．０１Ω・ｃｍのシリコン基板である。貫通電極７は、Ｃｕを主材料とする円柱状構造であり、基板１の第１面１ａと第２面１ｂに露出している端面７ａと７ｂの直径がそれぞれ約３０μｍである。貫通電極７の数及び配置は、ｃＭＵＴのエレメント数及び配置に対応している。貫通孔２の内壁２ｃを含む基板１の表面（第１の表面１ａ及び第２の表面１ｂを含む）上に絶縁膜３として約１μｍ厚のシリコンの熱酸化膜を形成する。貫通電極７の端面７ａと７ｂが絶縁膜３の表面とほぼ同じ高さになっている。

次に、図５Ｂに示すように、基板１の第１面１ａ側に第１電極９を形成する。第１電極９は、振動膜を駆動するための電極の１つである。第１電極９は、振動膜１８の振動部分（図５Ｌ参照）の下部に位置、空隙１６（図５Ｌ参照）の下部の全域をカバーする。第１電極９は、貫通電極７の１つである７−２と接続している。第１電極９は、同じエレメント中の各セルに関して、導通するように形成されている。第１電極９として、５ｎｍ厚のＴｉ膜と２００ｎｍ厚のＡｌ膜が順番に積層して形成されている。Ｔｉ膜は、主に第１電極９と下地との密着性を向上させる役割をする。第１電極９は、金属の成膜、フォトリソグラフィー、及び金属のエッチングを含む方法によって形成される。

次に、図５Ｃに示すように、絶縁膜１０を形成する。絶縁膜１０は、第１電極９の表面を覆い、その役割の１つは第１電極９の絶縁保護膜として働く。絶縁膜１０は、２００ｎｍ厚のシリコン酸化物の膜である。シリコン酸化物の膜の形成は、約３００℃の基板温度でＣＶＤ法によって形成される。

次に、図５Ｄに示すように、犠牲層１１を形成する。犠牲層１１は、セルの空隙１６（図５Ｌ参照）を形成するためのもので、Ｃｒによって構成される。まず、Ｃｒ膜を電子ビーム蒸着法で成膜する。そして、フォトリソグラフィーとウェットエッチングを含む方法で所望の形状を加工する。犠牲層１１は、例えば、直径が約３０μｍ、高さが約１５０ｎｍの円板状構造である。

次に、図５Ｅに示すように、絶縁膜１０に穴１０ａを形成する。穴１０ａは、第２電極１３（図５Ｌ参照）と貫通電極７−１と接続するための絶縁膜１０の開口である（図５Ｌ参照）。穴１０は、直径が約１５μｍの円である。

次に、図５Ｆに示すように、絶縁膜１２を形成する。絶縁膜１２は、図５Ｇで形成する第２電極１３の下表面を覆い、その役割の１つは第２電極１３の絶縁保護膜として働く。絶縁膜１２は、約２００ｎｍ厚のシリコン窒化物であり、約３００℃の基板温度でＰＥ−ＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ ＣＶＤ）によって成膜される。成膜時、成膜ガスの流量等を制御して、絶縁膜１２が０．１ＧＰａ程度の引張り応力を有するようにする。

次に、図５Ｇに示すように、第２電極１３を形成する。第２電極１３は、絶縁膜１２の上において第１電極９と対向して形成され、振動膜１８（図５Ｌ参照）を駆動するための電極の１つである。第２電極１３は、第１電極９と同様な構成を持ち、第１電極９と同様な方法で形成される。また、第２電極１３は、同じエレメント中の各セルに関して、導通するように形成されている。第２電極１３は、ｃＭＵＴの製造が完成した時点で、０．４ＧＰａ以下の引張り応力を有するように成膜条件を調整する。

次に、図５Ｈに示すように、絶縁膜１４を形成する。絶縁膜１４は、第２電極１３の上表面を覆い、その役割の１つは第２電極１３の絶縁保護膜として働く。絶縁膜１４は、絶縁膜１２と同様な構成を持ち、絶縁膜１２と同様な方法で形成される。

次に、図５Ｉに示すように、空隙１６を形成する。まず、エッチホール１５を形成する。エッチホール１５は、フォトリソグラフィーと反応性イオンエッチングを含む方法によって形成される。そして、エッチホール１５を介して、Ｃｒのエッチング液によるウェットエッチングよってＣｒからなる犠牲層１１（図５Ｈ参照）を除去する。これによって、犠牲層１１（図５Ｈ参照）と同じ形状の空隙１６が形成される。

次に、図５Ｊに示すように、薄膜１７を形成する。薄膜１７は、エッチホール１５（図５Ｉにも参照）を封止すると同時に、絶縁膜１２、第２電極１３及び絶縁膜１４と合せて、空隙１６の上部に振動可能な振動膜１８を構成する。薄膜１７は、３００ｎｍ厚のシリコン窒化物であり、絶縁膜１２と同様、約３００℃の基板温度でＰＥ−ＣＶＤによって成膜される。薄膜１７は、０．１ＧＰａ程度の引張り応力を有する。このように形成された振動膜１８は、全体で０．７ＧＰａ程度の引張り応力を有し、スティッキングあるいは座屈はなく、破壊しにくい。

次に、図５Ｋに示すように、基板１の第１表面１ａ側にコンタクト穴２０（２０ａと２０ｂを含む）、基板１の第２表面１ｂ側にコンタクト穴１９をそれぞれ形成する。コンタクト穴２０（２０ａと２０ｂを含む）は、直径が１０μｍ程度の円柱である。コンタクト穴２０（２０ａと２０ｂを含む）と１９は、フォトリソグラフィーと反応性イオンエッチングを含む方法によって形成される。また、コンタクト穴１９は、絶縁膜３がシリコンの熱酸化膜である場合、フォトリソグラフィーとバッファードフッ酸（ＢＨＦ）によるエッチングを含む方法によって形成されてもよい。

次に、図５Ｌに示すように、接続配線２１及び電極パッド２２、２３及び２４をそれぞれ形成する。基板１の第１表面１ａ側において、接続配線２１を形成する。接続配線２１は、コンタクト穴２０ａと２０ｂ（図５Ｋ参照）を介して第２電極１３と貫通電極７の１つである７−１とを接続する。コンタクト穴２０ａの外周が貫通電極７−１の端面７ａ（図５Ｂ参照）の内側に位置しているから、たとえ端面７ａ（図５Ｂ参照）の付近に段差や膜変形があっても、接続配線２１は第２電極１３と貫通電極７−１の端面７ａ（図５Ｂ参照）とを確実に接続できる。基板１の第２表面１ｂ側において、貫通電極７−１と接続する電極パッド２２、貫通電極７−２と接続する電極パッド２３を形成する。また、基板１の第２表面１ｂ側において、コンタクト穴１９（図５Ｋ参照）を介して、基板１と接続する電極パッド２４を形成する。接続配線２１及び電極パッド２２、２３、２４は、第１電極９と同じ構成を持ち、第１電極９と同じ方法によって形成されてもよい。

以上の製造工程において、絶縁膜１２、１４及び１７の膜間密着性を向上するために、上の膜を成膜前に、下敷き膜の表面に対してプラズマ処理する。このプラズマ処理によって、下敷き膜の表面が清浄化または活性化される。

次に、図示はしないが、ｃＭＵＴを制御回路と接続する。接続は、電極パッド２２、２３及び２４を介し、ＡＣＦ圧着法で行う。

以上に示すように、本実施例の製法によれば、静電容量型トランスデューサ（ｃＭＵＴ）を貫通電極を備える構造の上に製造できる。貫通電極の利用によって、ｃＭＵＴの引出配線がｃＭＵＴのエレメントと同じ基板面内に形成する必要がなく、ｃＭＵＴ素子の小型化が実現できる。また、貫通電極はｃＭＵＴのエレメントの直下に形成でき、従来の平面型引出配線に比べて電気抵抗及び寄生容量を低減できるので、ｃＭＵＴの性能が向上できる。

以上、特定の実施形態を説明したが、本発明はこれらの実施形態に限らず、特許請求の範囲を逸脱しない限りにおいて、種々の変形例、応用例も包含するものである。

１ 基板
２ 貫通孔
４ 導電層
５ オーバーハング部
５ａ めっき層
６ 第１の絶縁層
７ 貫通電極

Claims (11)

1. 第１の面および第２の面を貫通する貫通孔を備える基板の前記第２の面の上に、前記貫通孔に対応する開口を備える導電層を形成する工程と、
   前記導電層をシードとしためっき処理によって、前記貫通孔の前記第２の面側の外周から前記貫通孔の前記第２の面側の中心に向かって延伸するオーバーハング部を含むめっき層を形成する工程と、
   前記めっき層を形成する工程の後に、前記貫通孔の前記第２の面側の上に第１の絶縁層を形成する工程と、
   前記第１の絶縁層を形成する工程の後に、前記オーバーハング部を含む前記めっき層をシードとしためっき処理によって、前記貫通孔の内部に貫通電極を形成する工程と、
   を有することを特徴とする貫通電極を備える構造体の製造方法。
2. 前記第１の絶縁層を形成する工程において、前記貫通孔の前記第２の面側の上に加え、前記めっき層の前記第２の面側の上にも前記１の絶縁層を形成することを特徴とする請求項１に記載の貫通電極を備える構造体の製造方法。
3. 前記貫通孔の前記第２の面側の開口の内径が、前記貫通孔の他の部分の内径よりも小さいことを特徴とする請求項１または２に記載の貫通電極を備える構造体の製造方法。
4. 前記導電層を形成する工程の後、かつ前記めっき層を形成する工程の前に、前記導電層の前記第２の面側の上に絶縁層パターンを形成する工程を有し、
   前記絶縁層パターンは、前記導電層の前記開口の位置に対応する、前記導電層の前記開口よりも大きい開口を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の貫通電極を備える構造体の製造方法。
5. 前記導電層を形成する工程の前に、前記基板の表面のうち少なくとも前記貫通孔の内壁の表面上に第２の絶縁層を形成する工程を更に有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の貫通電極を備える構造体の製造方法。
6. 前記第２の絶縁層を形成する工程において、前記基板の前記第２の面の上に前記第２の絶縁層を形成し、
   前記導電層を形成する工程において、前記第２の絶縁層を介して前記基板の前記第２の面の上に前記導電層を形成することを特徴とする請求項５に記載の貫通電極を備える構造体の製造方法。
7. 前記導電層を形成する工程において、直進性の高い成膜方法で前記導電層を形成することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の貫通電極を備える構造体の製造方法。
8. 前記直進性の高い成膜方法は、電子ビーム蒸着、または抵抗加熱蒸着であることを特徴とする請求項７に記載の貫通電極を備える構造体の製造方法。
9. 前記基板はシリコン基板であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の貫通電極の製造方法。
10. 前記貫通電極を形成する工程において、前記貫通電極を前記第１の面よりも突出させて形成することを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の貫通電極を備える構造体の製造方法。
11. 請求項１から１０のいずれか１項に記載の製造方法で製造された前記貫通電極を備える構造体の上に、静電容量型トランスデューサを形成する工程を有することを特徴とする静電容量型トランスデューサの製造方法。
    

Images