JP2023028803A

JP2023028803A - 積層ガラス基板

Info

Publication number: JP2023028803A
Application number: JP2021134713A
Authority: JP
Inventors: 均武内; Hitoshi Takeuchi
Original assignee: NSC Co Ltd
Current assignee: NSC Co Ltd
Priority date: 2021-08-20
Filing date: 2021-08-20
Publication date: 2023-03-03

Abstract

【課題】本発明の目的は、生産コストを抑えつつ、貫通孔径を可能な限り均一化することが可能な多孔質積層ガラス基板を提供することである。【解決手段】半導体装置１０は、例えばガラスインターポーザ１２、ＩＣチップ１４、メモリ１６を少なくとも含む。ガラスインターポーザ１２は、貫通孔１８を含んでいる。ガラスインターポーザ１２は、例えば第１の薄ガラス板２２０～第４の薄ガラス板２２６を含み、薄ガラス板ごとに接合面２０および各貫通孔１８０を有している。第１の薄ガラス板２２０～第４の薄ガラス板２２６は、オプティカルコンタクトによって接合され、積層されている。【選択図】図１

Description

本発明は、複数の貫通孔を有する積層ガラス基板に関する。

従来、ガラスインターポーザは、単一のガラス母材に対して、貫通孔を複数形成するものがあった。

ところが、省スペース化のためにガラスインターポーザを薄くする必要があり、加工対象のガラスを傷つけやすく、割れやすくなってしまうというデメリットがあった。

そこで、従来技術の中には、加工対象のガラスを極力傷つけることなく多数の貫通孔を設けるものがあった（例えば、特許文献１参照。）。この技術によれば、加工対象のガラスを傷つけにくく、導電メッキに支障を生じないように貫通孔の径を加工できるとされている。

特開２０１８－１８８３３１号公報

しかしながら、上述の特許文献１を含む従来のガラスインターポーザは、貫通孔の形状がテーパ状になり、ガラス板内の貫通孔径を限りなく均一化することが困難になることがあった。

さらに、ガラス板の板厚が厚いと、逆方向からレーザ改質を行ったり、エッチング処理をする時間が伸びてしまったりなど、生産コストを増大させてしまう傾向にあった。

本発明の目的は、生産コストを抑えつつ、貫通孔径を可能な限り均一化することが可能な多孔質積層ガラス基板を提供することである。

本発明に係る積層ガラス基板は、複数の薄ガラス板を含んでいる。例えば、第１の薄ガラス板と第２の薄ガラス板は、各貫通孔および薄ガラス板相互に接合しうる主面（接合面）を有する。

接合面は、平滑である。この接合面を、互いにオプティカルコンタクトによる接合をすることによって、第１の薄ガラス板と第２の薄ガラス板を積層することができる。

各貫通孔は、直径が５μm～５００μmの程度の範囲のものである。各貫通孔は、積層前に、例えば、レーザアシストエッチングによって複数形成される。エッチング処理によって、短時間に大量の孔を形成することで、生産コストを抑えやすくすることができる。

積層前の各貫通孔は、積層によって合わさり、垂直方向に長い貫通孔を形成する。積層後の貫通孔は、孔径が極小値を有する部分が２か所以上存在する。なぜならば、積層前の薄ガラス板ごとに、各貫通孔が一定のテーパ角を有するからである。孔径が極小値になる部分の個数は、積層した薄ガラス板の枚数に依る。

積層前の薄ガラス板ごとの厚さは、例えば２０μｍである。この板厚は、薄いほうが望ましい。その理由としては、各貫通孔におけるレーザ改質部分の拡散や望まない方向へのエッチング処理を抑制できるからである。また、レーザ改質の回数やエッチング処理を抑制できるため、生産コストを削減することも可能である。

エッチング処理の際には、接合面の表面粗さＲａが０．１ｎｍより大きくなることをできるだけ避けることが望ましい。その理由は、接合時に接合面の表面粗さＲａを０．１ｎｍ以下にする必要があるからである。表面粗さＲａを大きくしない方法は、例えば、接合面にエッチング耐性のあるレジスト材を設けることである。

以上のとおり、薄ガラス板ごとに、例えばレーザアシストエッチングを行い積層することによって、積層後の貫通孔における孔径の極大値と極小値の差を限りなく小さくすることができる。

また、積層後の貫通孔は、孔径と前記積層ガラス基板の総厚との比率が１対１０から１対１００までになるようにするのがより好ましい。この構造を採用すると、孔径の極大値と極小値との差が生じにくくなり、テーパ角を急にする効果を得られやすい。

特に、積層されたガラス基板は大型化や超薄化を実現しやすいため、樹脂、セラミックス、シリコン等の他の材料を採用する場合に比較して、生産コストを抑えやすい。

この発明によれば、生産コストを抑えつつ、貫通孔径を可能な限り均一化することが可能な多孔質積層ガラス基板を提供することができる。

本発明の一実施形態に係るガラスインターポーザの概略構成を示す図である。本発明の一実施形態に係る第１の薄ガラス板と第２の薄ガラス板を接合して積層する一例を示す図である。本発明の一実施形態に係るガラスインターポーザの製造に用いるレーザ加工の一例を示す図である。本発明の一実施形態に係るガラスインターポーザの製造に用いるエッチング装置の一例を示す図である。本発明の一実施形態に係るエッチング処理時におけるレジスト材の一例を示す図である。本発明の一実施形態に係る貫通孔の一例を示す図である。本発明の一実施形態に係る薄ガラス板を積層した一例を示す図である。

ここから、図面を用いて本発明の一実施形態に係る積層ガラス基板について説明する。図１（Ａ）および（Ｂ）は、半導体装置１０に用いられるガラスインターポーザ１２の概略を示している。

半導体装置１０は、例えばガラスインターポーザ１２、ＩＣチップ１４、メモリ１６を少なくとも含む。ＩＣチップ１４とメモリ1６は、ガラスインターポーザ１２を介して接着している。ガラスインターポーザ１２は、貫通孔１８を含んでいる。

ガラスインターポーザ１２は、薄ガラス板を複数枚含んでいる。例えば、第１の薄ガラス板２２０、第２の薄ガラス板２２２、第３の薄ガラス板２２４および第４の薄ガラス板２２６を含んでいる。図１（Ｂ）に示すとおり、ガラスインターポーザ１２は、第１の薄ガラス板２２０、第２の薄ガラス板２２２、第３の薄ガラス板２２４および第４の薄ガラス板２２６を積層したものである。

それぞれの薄ガラス板は、例えば２０μｍの厚さであって、各貫通孔１８０と接合面２０を有する。貫通孔１８は、各貫通孔１８０が合わさったときに形成される孔である。貫通孔１８は、例えば銅メッキ加工されている。

貫通孔１８の孔径は、例えば５μｍ～５００μｍである。貫通孔１８は、図１（Ａ）に示すとおり、ほとんど垂直孔の形状をしているように思われる。しかし実際は、図１（Ｂ）のとおり、各貫通孔１８０が、第１の薄ガラス板２２０～第４の薄ガラス板２２６ごとにテーパ角を有した形状をしている。

このように、薄ガラス板を積層する構成を採用する理由は、積層後における貫通孔１８の孔径差を大きくしないことができるからである。

特に１枚のガラス板をエッチング処理する場合においては、エッチングの時間が長いほど、貫通孔１８を形成する方向とは異なる方向にもエッチングが起こりやすくなる。そのため、薬液が最も侵入しやすい貫通孔１８の入口付近の孔径が最も大きくなり、貫通孔１８の中央部付近の孔径が最も小さくなる傾向があった。この現象により、貫通孔１８が水平成分を有するテーパ角をもった形状になる。

エッチング処理に要する時間を短くすることで、貫通孔１８を形成する方向以外への開口を抑制することが可能になる。開口を抑制すると、貫通孔１８に形成されるテーパ角が急になるため、貫通孔１８の孔径は限りなく均一に近づき、孔径の極大値と極小値の差を限りなく小さくすることができる。そのため、１枚のガラス板をエッチングするよりは、第１の薄ガラス板２２０～第４の薄ガラス板２２６のように複数の薄ガラス板ごとにエッチングして積層することが好ましい。

また、１枚のガラス板をレーザアシストエッチングする際、１枚のガラス板における板厚が大きいほど、レーザ改質やエッチング処理に時間を要し、生産コストを増大させる要因になりうる。この観点からも、第１の薄ガラス板２２０～第４の薄ガラス板２２６のように薄ガラス板ごとにエッチングして積層することが好ましい。

接合面２０は、第１の薄ガラス板２２０～第４の薄ガラス板２２６ごとに存在している。接合面２０は、表面粗さＲａが例えば０．１ｎｍ以下になるように平滑である。この表面粗さＲａは、エッチング処理や機械研磨によって達成しうる。

接合面２０の表面は、上述のとおり平滑であることから、例えば図２（Ａ）～（Ｃ）のようにオプティカルコンタクトの手法によって、第１の薄ガラス板２２０と第２の薄ガラス板２２２を接合させ、固着させる。第１の薄ガラス板２２０～第４のガラス板２２６に対しても同様の接合をさせることで、ガラスインターポーザ１２としての積層体を形成することができる。

続いて、図３～図５を用いて、ガラスインターポーザ１２を製造する手法の一例を説明する。以下の説明では、薄ガラス板のうち任意の１枚である第１の薄ガラス板２２０を例にとって説明する。

まず、各貫通孔１８０が設けられる。各貫通孔１８０は、いわゆるレーザアシストエッチング等によって形成される。この実施形態では、５０μｍ～１００μｍ程度の各貫通孔１８０を形成しているが、各貫通孔１８０の直径はレーザのビーム径によって調整することが可能である。

図３に示すとおり、各貫通孔１８０が形成されるべき位置にレーザビームを照射することによって、この位置にエッチングされやすい性質の改質部を形成する。

レーザビームは、第１の薄ガラス板２２０における各貫通孔１８０の形成予定位置をエッチングされ易い性質に改質できる限り、その種類および照射条件は特に限定されない。この実施形態では、レーザヘッドから、短パルスレーザ（例えばピコ秒レーザ、フェムト秒レーザ）から発振されるレーザビームが照射されているが、例えば、ＣＯ₂レーザ、ナノ秒レーザ等を用いても良い。

また、この実施形態では、レーザビームの平均レーザエネルギが、約３０μＪ～３００μＪ程度になるように出力制御が行われているが、これに限定されるものでもない。

レーザビームは、適宜、その集光領域が調整されることが好ましい。図３に示すとおり、レーザビームの集光領域が第１の薄ガラス板２２０の厚み方向の全域にわたるように調整することによって、各貫通孔１８０が容易に形成されやすくなる。

上述のレーザ加工処理に続いて、上述の改質部をエッチング処理することによって第１の薄ガラス板２２０に各貫通孔１８０が形成される。

エッチング処理は、例えば、図４（Ａ）および（Ｂ）に示すような枚葉式スプレイエッチング方式のエッチング装置２４を用いて行われる。第１の薄ガラス板２２０は、エッチング装置２４に導入され、フッ酸および塩酸等を含むエッチング液によるエッチング処理が施される。通常、フッ酸１～１０重量％、塩酸５～２０重量％程度を含むエッチング液が用いられ、必要に応じて適宜、界面活性剤等が併用される。

エッチング装置２４では、図４（Ａ）および（Ｂ）に示すように、搬送ローラによって第１の薄ガラス板２２０を搬送しつつ、エッチングチャンバ２６内で第１の薄ガラス板２２０の接合面２０にエッチング液を接触させることによって、第１の薄ガラス板２２０に対するエッチング処理が行われる。

エッチング装置２４におけるエッチングチャンバ２６の後段には、第１の薄ガラス板２２０に付着したエッチング液を洗い流すための洗浄チャンバ２８が設けられているため、第１の薄ガラス板２２０はエッチング液が取り除かれた状態でエッチング装置２４から排出される。

このようにレーザ加工によってエッチングをアシストする手法によって、エッチング処理時間を極限まで最小化することが可能になる。

各貫通孔１８０の孔径は、５μｍ～５００μｍ程度の範囲で適宜調整することが可能である。エッチング処理によって、短時間に大量の孔を形成することで、生産コストを抑えやすくすることができる。

なお、このエッチング処理の際に、エッチング液によって接合面２０を荒らさないために、図５で示すとおり、各貫通孔１８０を形成する部分以外の接合面に、レジスト材３０を貼付する。

原則として、接合面２０にレジスト材を設けずにエッチング処理によって各貫通孔１８０を形成すると、接合面２０に対してエッチングが作用してしまい、接合面２０の表面粗さＲａが０．１ｎｍより大きくなるおそれがある。既存の接合面２０に不要な凹凸形状が形成され、接合面２０の平滑化を阻害してしまうおそれを避けるために、レジスト材３０を設ける。このレジスト材３０は、耐エッチング性を有していれば、樹脂等の部材を使っても構わない。

第１の薄ガラス板２２０は、上述のレーザアシストエッチングの工程後、レジスト材３０を剥離し、接合面２０を平滑化する工程に移行する。この工程は、接合面２０の表面粗さＲａが０．１ｎｍ以下となるように、エッチング処理や機械研磨を組み合わせて接合面２０の平滑化を行いうるものである。図６に示すとおり、平滑化加工された接合面２０は、表面粗さＲａが０．１ｎｍ以下となる。

続いて、第１の薄ガラス板２２０と第２の薄ガラス板２２２とを接合して積層する工程に移る。積層過程は、図２（Ａ）～（Ｃ）で示すように、例えば第１の薄ガラス板２２０と薄ガラス板２２２の２枚を接合する。第２の薄ガラス２２２は、第１の薄ガラス２２０と同様のレーザアシストエッチングおよび平滑化加工を施された薄ガラス板である。

第１の薄ガラス板２２０と第２の薄ガラス板２２２は、それぞれ治具で固定され、互いの距離を近づけて常温（２５℃程度）にて接合される。固定に用いられる治具は、可能な限り接合部分に干渉しないように設計されている。第１の薄ガラス板２２０と第２の薄ガラス板２２２は、平滑である接合面２０をそれぞれ有しているから、オプティカルコンタクトによって固着することができる。

第１の薄ガラス板２２０および第２の薄ガラス板２２２は、それぞれ同じ孔数の各貫通孔１８０を所定の位置に有している。そのため、第１の薄ガラス板２２０および第２の薄ガラス板２２２の相互の外周部分を合わせると、各貫通孔１８０を合わせることができ、貫通孔１８を形成することができる。

オプティカルコンタクトによる接合をすることで、第１の薄ガラス板２２０および第２の薄ガラス板２２２の形状変化を伴わずに、薄ガラス板の積層を行うことができる。

第１の薄ガラス板２２０と第２の薄ガラス板２２２を接合するのと同様に、第２の薄ガラスおよび第３の薄ガラス板２２４ならびに第３の薄ガラス板２２４および第４の薄ガラス板２２６を接合する。接合後に、貫通孔１８内に例えば銅メッキを施すことで、図７で示すように、積層されたガラスインターポーザ１２となる。なお、銅メッキを施す時期は、積層前でも構わない。

また、貫通孔１８は、孔径と積層後のガラス基板の板厚との比率が1対１０から1対１００になることがより好ましい。この構造を採用することで、孔径の極大値と極小値との差が狭まり、テーパ角を急にして、垂直孔に近づける効果を得られやすい。

例えば、薄ガラス板における各貫通孔１８０の孔径が５μｍであり、薄ガラス板ごとの板厚が２０μｍの薄ガラス板がある。このサイズの薄ガラス板を合計２５枚ごとに、上述のようなレーザアシストエッチング、接合面２０の平滑化を行い、また薄ガラス板相互をオプティカルコンタクトによって接合する。

接合を行ったのち、貫通孔１８に例えば銅メッキ加工を行う。その結果、貫通孔１８の孔径が５μｍに対して、ガラスインターポーザ１２の板厚は、５００μｍに達する。

このガラスインターポーザ１２は、５００μｍの単一ガラス板に形成された貫通孔に比べて、水平方向成分の少ないテーパ角を有した貫通孔１８を有する。５００μmという板厚があるにも関わらず、貫通孔１８の孔径差が小さい。

上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内のすべての変更が含まれることが意図される。

１０－半導体装置
１２－ガラスインターポーザ
１４－ＩＣチップ
１６－メモリ
１８－貫通孔
２０－接合面
２４－エッチング装置
２６－エッチングチャンバ
２８－洗浄チャンバ
３０－レジスト材
１８０－各貫通孔
２２０－第１の薄ガラス板
２２２－第２の薄ガラス板
２２４－第３の薄ガラス板
２２６－第４の薄ガラス板

Claims

複数の貫通孔を有する積層ガラス基板であって、
貫通孔および他の薄ガラス板と接合しうる主面を含む第１の薄ガラス板とそれぞれを含む第２の薄ガラス板と、
を少なくとも備え、
前記第１の薄ガラス板と前記第２の薄ガラス板は、前記主面を互いにオプティカルコンタクトによって接合されていることを特徴とする、
積層ガラス基板。
前記貫通孔は、孔径と前記積層ガラス基板の総厚との比率が１対１０～１対１００になるように構成された、請求項１に記載の積層ガラス基板。