JP4057399B2 - 微細孔への金属充填方法 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は微細孔への金属充填方法及びその方法により形成された金属が充填した微細孔を備えたワークに関し、さらに詳細には、シリコンＩＣチップなどを積層する高密度３次元実装あるいはその配線、またはレーザーダイオード、フォトダイオード、光導波路などの光学デバイスを実装するための台座基板（シリコンオプティカルベンチ）に関するものであり、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用微細孔へ、導体用の金属を充填し、電極あるいは配線として利用し、なおかつ同時にバンプ形成する微細孔への金属充填方法及びその方法により形成された金属が充填した微細孔を備えたワークに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、微細孔へ金属を充填する技術としては、溶融した金属を圧力差により孔内へ充填する方法（例えば溶融金属吸引法）がある（例えば特許文献１）。またこの作業と一括で基板の片面にバンプを形成する方法として、微細孔の入口周辺に金属層を形成し、その後、溶融金属吸引法により金属充填を行うものがある。
【０００３】
図４及び図５を参照する。図４（ａ）及び図５（ａ）に示すようにチャンバー５１内で基板５３を真空圧に減圧する。ここで、基板５３は基板ホルダ５５により支持されている。この基板５３は微細孔５７、耐熱性シート５９、金属層６１等を備えている。その後、図４（ｂ）及び図５（ｂ）に示すようにヒータ６５により溶融された溶融金属６３が入っている金属溶融槽６７に基板５３を挿入する。このとき、まだ微細孔５７に溶融金属６３は充填されていない。図４（ｂ）及び図５（ｃ）に示すように基板５３が溶融金属６３とほぼ同じ温度に達した後、チャンバー５１内を例えば大気圧以上に加圧して、溶融金属６３を微細孔５７に充填する。
【０００４】
続いて、図４（ｃ）及び図５（ｄ）に示すように、基板５３を金属溶融槽６７から引き上げて冷却する。これにより、配線６９とバンプ形状７１が形成される。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−１５８１９１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述のように、従来までの微細孔へ金属を充填する技術としては、例えば前述の溶融金属吸引法があるが、本技術の場合、耐熱シートの粘着力が熱により悪くなり、微細孔の終端に金属がきれいに充填できないときがある。
【０００７】
図６（ａ）は、耐熱性シート５９の封止が良く配線６９が正常の場合であるが、図６（ｂ）に示すように、耐熱性シート５９の粘着力が熱により悪くなり、封止が上手く行かず、微細孔の終端で充填した金属基板底部７５に漏れだしている。図６（ｃ）に示すように、漏れだした金属７５が固まると図６（ｃ）に示すように金属７５同士が接触し基板が不良になる。
【０００８】
特に使用する金属材料の融点が高く、充填作業時の金属の溶融温度が３５０°Ｃを越えるような場合、使用できる耐熱シートは無いという問題があった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前述のごとき問題に鑑みてなされたものであり、請求項１に係る発明は、ワークに形成された微細孔に対して溶融金属を圧力差により吸引させて充填する微細孔への金属充填方法において、微細孔をワークの一方の面から他方の面に向け非貫通に形成する工程と、非貫通の微細孔を形成した後、前記微細孔の入り口周辺に最終のバンプ形状に対応した形状の金属層を形成する工程と、前記金属層の形成後、前記非貫通の微細孔に対して金属を充填するとともに前記金属層上に前記金属層に応じたバンプを形成する工程と、金属が充填された非貫通の微細孔を前記他方の面から貫通させる工程とを含む微細孔への金属充填方法である。
【００１０】
請求項２に係る発明は、ワークに形成された微細孔に対して溶融金属を圧力差により吸引させて充填する微細孔への金属充填方法において、微細孔をワークの一方の面から他方の面に向け非貫通に形成する工程と、前記ワークの表面及び前記非貫通の微細孔の内面に絶縁層を形成する工程と、
非貫通の微細孔を形成した後、前記微細孔の入り口周辺に最終のバンプ形状に対応した形状の金属層を形成する工程と、前記金属層の形成後、前記非貫通の微細孔に対して金属を充填するとともに前記金属層上に前記金属層に応じたバンプを形成する工程と、絶縁層に覆われた充填金属である配線が、ワークの板厚より長くなるように他方の面よりワークをエッチングする工程と、他方の面側の露出したワーク表面に絶縁層を形成する工程と、他方の面を研磨し、金属充填部を露出させる工程とを含む微細孔への金属充填方法である。
【００１２】
上記の各請求項の手段により、例えば以下のような具体的な作用がある。すなわち、微細孔は基板に対して非貫通に形成する。次に、基板が絶縁体材料である場合は該当しないが、それ以外の材料の場合は、微細孔の内壁におよび基板表面に絶縁層を形成する。その後、微細孔の入口周辺に金属層を形成し、溶融金属吸引法にて金属を微細孔に充填し尚且つ同時にバンプも形成する。この方法によれば、微細孔の片側を基板自身が封止しているため。耐熱シートを使用する必要がない上、封止状態が熱によって壊れることもない。
【００１３】
基板が絶縁体材料である場合は、金属充填後、基板底面を研磨し、充填した金属配線を出現させる。これにより貫通配線が完成する。
【００１４】
次に、基板が絶縁体材料以外の場合は、金属充填後、同様に基板底面を研磨するが、微細孔内に形成してある絶縁層の手前で止め、それ以降は基板材料のみ例えばケミカルエッチングによりエッチングし、微細孔の底部を出現させる。微細孔底部の絶縁層はエッチングの保護層としても使用できる。充填金属まで研磨を行わない理由は、研磨によって充填金属が削れる際、その金属粉が基板材料へ付着あるいは拡散することで、基板を汚染してしまうことを防止するためである。また、基板材料が単結晶材料の場合は、研磨後に例えばケミカルエッチングを実施することは、研磨によって生じる研磨表面の破砕層を除去することが可能であり、基板表面にマイクロクラックなどの欠陥を残さない効果もある。
【００１５】
次に、露出した基板材料の表面に絶縁層を形成する。絶縁層を形成する際のプロセス温度は、充填した金属の融点以下の温度で行い、作業中に充填金属が溶融し微細孔より抜け出てしまうことを防止する。その後、再度、基板底面を研磨し、金属充填部を出現させる。これにより貫通配線が完成する。このとき、基板材料表面は絶縁層で覆われているため、充填金属による汚染の心配はない。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
【００１７】
図１はワーク（以下の説明においてはワークが基板の場合を想定している）が絶縁材料の場合を示す。図１（ａ）を参照する。ガラス基板１の一方の面５に微細孔３を複数形成する、この際、微細孔は非貫通とする。すなわち、ガラス基板１の板圧Ｔは各微細孔３の一方の面５からの深さＤより大きい。
【００１８】
ここでガラス基板１を採用しているが、基板としてはこれに限定されず、充填する金属の溶融温度に対して耐熱性がありさえすれば、例えばセラミック、樹脂、あるいはそれらの複合材料でも採用可能である。基板の厚さは数十μｍ〜数ｃｍ程度である。微細孔の口径及び深さは、数ｎｍ〜数ｍｍ程度である。また、基板に形成する微細孔の数に制限はない。
【００１９】
図１（ｂ）を参照する。次に複数の微細孔３の入口周辺に金属層７を、例えばスパッタリングにより形成し、所定の形状にパターンニングする。金属層７の形状は、最終的に形成したいバンプ形状である。例えば、まず下地にＣｒ３０ｎｍ、次いでＡｕ５００ｎｍをスパッタリングし、その後、フォトレジスト塗布後、フォトリソグラフィーによりレジストをパターンニングし、それをマスクにＡｕついでＣｒをエッチングする。
【００２０】
図１（ｃ）を参照する。チャンバ（図示しない）内の金属溶融槽９の中に、溶融金属（例えば３３０°Ｃに加熱し溶融した金−錫共晶ハンダ（Ａｕ−２０ｗｔ％Ｓｎ））１１が入っている。そして、前述の溶融金属吸引法により、ガラス基板１の微細孔３へ溶融金属１１を充填する。続いて、金属溶融槽９からガラス基板１を引き上げる。この際、同時にバンプが形成される。
【００２１】
図１（ｄ）は処理後のガラス基板１を示す。すなわち、前記ガラス基板１の複数の微細孔３の内部に溶融金属１１が充填され固形し貫通してない配線１３が形成される。さらに、金属層７を形成することにより、バンプ１５も形成される。
【００２２】
図１（ｅ）を参照する。次に、ガラス基板１の他方の面（底面）１７を研磨によって平坦化し、充填した金属の表面を出現させる。これにより、ガラス材料Ｍａから配線１３が露出する。すなわち、貫通した配線１３、金属層により形成されたバンプ１５等を備えたガラス基板１が完成する。
【００２３】
図２及び図３は基板が絶縁体材料以外の場合の微細孔の形成工程を示す。
【００２４】
図２（ａ）を参照する。シリコン基板２１の一方の面２５に複数の微細孔２３を形成する。この際、微細孔２３は非貫通とする。すなわち、シリコン基板２１の板圧Ｔ２は各微細孔２３の一方の面２５からの深さＤ２より大きい。
【００２５】
ここではシリコン基板２１を採用しているが、基板としてはこれに限定されず、充填する金属の溶融温度に対し耐熱性がありさえすれば、例えば化合物、半導体、金属のものも採用可能である。基板の厚さは数十μｍ〜数ｃｍ程度である。微細孔の口径および深さは数ｎｍ〜数ｍｍ程度である。また、基板に形成する微細孔の数に限定はない。
【００２６】
図２（ｂ）を参照する。形成した微細孔２３の内面および基板表面に絶縁層２７を形成する。例えばＳｉＯ２膜やＳｉＮ膜などを、熱酸化やＣＶＤ、スピンオンガラスの塗布などの方法を用いて形成する。絶縁層２７の厚さは、数十ｎｍ〜数ｍｍ程度である。
【００２７】
図２（ｃ）を参照する。次に、微細孔２３の入口周辺に金属層２９をスパッタリングにより形成し、所定の形状にパターンニングする。金属層２９の形状は、最終的に形成したいバンプ形状である。例えば、まず下地にＣｒ３０ｎｍ、次いで、Ａｕ５００ｎｍをスパッタリングし、その後、フォトレジスト塗布後、フォトリソグラフィーによりレジストをパターンニングし、それをマスクにＡｕついでＣｒをエッチングする。
【００２８】
図２（ｄ）を参照する。チャンバー（図示しない）内の金属溶融槽３１に、溶融金属（例えば３３０°Ｃに加熱し溶融した金−錫共晶ハンダ（Ａｕ−２０ｗｔ％Ｓｎ））３３が入っている。そして、前述の溶融金属吸引法により、シリコン基板２１の微細孔２３へ溶融金属３３を充填する。続いて、金属溶融槽３１からシリコン基板２１を引き上げる。この際、同時にバンプが形成される。
【００２９】
図３（ａ）に処理後のシリコン基板２１を示す。すなわち、複数の微細孔２３に溶融金属３３が充填され複数の配線３５が形成される。また、金属層２９上にバンプ形状３７が形成される。一方、上述のように、シリコン基板２１の表面は絶縁層２７に覆われている。この後、他方の面（底面）３９を研磨する。
【００３０】
図３（ｂ）を参照する。シリコン基板２１の他方の面（底面）３９を研磨するが、微細孔２３内に形成してある絶縁層２７の手前で止める（シリコン基板２１の板圧Ｔ３は溶融金属３３が絶縁層２７を設けた微細孔２３の深さＤ３より大きい）。
【００３１】
図３（ｃ）を参照する。それ以降は基板材料のみ、例えばケミカルエッチングによりエッチングし、そして、微細孔の底部（すなわち、絶縁層に覆われた充填金属である配線３５）を数μｍ程度出現させる（シリコン基板２１の板圧Ｔ４は配線３５の長さＤ４より小さくなる）。ここで、前述の方法以外に研磨はせず、最初から例えばケミカルエッチングのみで、微細孔の底部出現させてもよい。
【００３２】
図３（ｄ）を参照する。次に、露出した基板材料の表面に絶縁層４１を形成する。絶縁層４１を形成する際のプロセス温度は、充填した金属の融点以下の温度で行い、作業中に充填金属が溶融し微細孔２３より抜け出てしまうことを防止する。また、絶縁層４１の材料は、融点以下のプロセス温度で形成可能であれば、それ以外の制限はない。また絶縁層４１の厚さは数μｍ〜数十μｍ程度である。具体的には、充填金属が金−錫共晶ハンダ（Ａｕ−２０ｗｔ％Ｓｎ）の場合、融点が２８０°Ｃであるので、プラズマＣＶＤにより２００°ＣでＳｉＯ２膜を５μｍ成膜する。その後、再度、基板の他方の面（底面）３９を研磨し、金属充填部を露出させる。これにより貫通配線が完成する。
【００３３】
図３（ｅ）に処理後のシリコン基板２１を示す。すなわち、シリコン基板２１の材料Ｍｂの表面は絶縁層２７と絶縁層４１に覆われている。また、金属層２９により作られたバンプ形状３７を備えた配線３５が形成されている。このとき、基板材料表面は絶縁層で覆われているため、充填金属による汚染の心配はない。
【００３４】
なお、本発明は、上述した実施の態様の例に限定されることなく、適宜の変更を加えることにより、その他の態様で実施できるものである。
【００３５】
【発明の効果】
上述の如く本発明によれば、例えば、非貫通の微細孔を基板に形成することで、溶融金属吸引法にて金属を微細孔に充填する際、微細孔の片側を基板自身が封止しているため、耐熱シートを使用する必要がない上、封止状態が熱によって壊されることもない。これにより緻密できれいな充填が可能になる。
【００３６】
また、基板が絶縁体材料以外の場合は、金属充填後、基板底面を研磨するが、微細孔内に形成してある絶縁層の手前で止め、それ以降は基板材料のみ、例えばケミカルエッチングによりエッチングし、微細孔の底部を出現させる。この際、微細孔底部の絶縁層はエッチングの保護層としても利用できる。
【００３７】
そして、充填金属まで研磨を行わないので、研磨によって充填金属が削れる際、その金属粉が基板材料へ付着あるいは拡散することで、基板を汚染してしまうことを防止できる。
【００３８】
また、基板材料が単結晶材料の場合は、研磨後に例えばケミカルエッチングを実施することは、研磨によって生じる研磨表面の破砕層を除去することが可能であり、基板表面にマイクロクラックなどの欠陥を残さない効果もある。
【００３９】
さらに、露出した基板材料の表面に絶縁層を形成する際、絶縁層形成のプロセス温度を、充填した金属の融点以下の温度で行うことで、作業中に充填金属が溶融し微細孔より抜け出てしまうことを防止できる。
【００４０】
これにより、基板材料を問わず、緻密、且つ、平坦で汚染のない、微細貫通配線付き基板ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】絶縁体材料のときの微細孔形成の断面工程図である。
【図２】絶縁体以外のときの微細孔形成の断面工程図である。
【図３】図２の続きの断面工程図である。
【図４】従来の技術を説明する説明図である。
【図５】従来に技術を説明する説明図である。
【図６】従来の技術の課題を説明する説明図である。
【符号の説明】
１…ガラス基板
３…微細孔
７…金属層
９…金属溶融槽
１１…溶融金属
１３…配線
１５…バンプ
２１…シリコン基板
２３…微細孔
２７…絶縁層
２９…金属層
３１…金属溶融槽
３３…溶融金属
３５…配線
３７…バンプ形状
４１…絶縁層
５１…チャンバー
５３…基板
５５…基板ホルダ
５７…微細孔
５９…耐熱性シート
６１…金属層
６３…溶融金属
６５…ヒータ
６７…金属溶融槽

Claims (2)

  1. ワークに形成された微細孔に対して溶融金属を圧力差により吸引させて充填する微細孔への金属充填方法において、
    微細孔をワークの一方の面から他方の面に向け非貫通に形成する工程と、
    非貫通の微細孔を形成した後、前記微細孔の入り口周辺に最終のバンプ形状に対応した形状の金属層を形成する工程と、
    前記金属層の形成後、前記非貫通の微細孔に対して金属を充填するとともに前記金属層上に前記金属層に応じたバンプを形成する工程と、
    金属が充填された非貫通の微細孔を前記他方の面から貫通させる工程と、
    を含むことを特徴とする微細孔への金属充填方法。
  2. ワークに形成された微細孔に対して溶融金属を圧力差により吸引させて充填する微細孔への金属充填方法において、
    微細孔をワークの一方の面から他方の面に向け非貫通に形成する工程と、
    前記ワークの表面及び前記非貫通の微細孔の内面に絶縁層を形成する工程と、
    非貫通の微細孔を形成した後、前記微細孔の入り口周辺に最終のバンプ形状に対応した形状の金属層を形成する工程と、
    前記金属層の形成後、前記非貫通の微細孔に対して金属を充填するとともに前記金属層上に前記金属層に応じたバンプを形成する工程と、
    絶縁層に覆われた充填金属である配線が、ワークの板厚より長くなるように他方の面よりワークをエッチングする工程と、
    他方の面側の露出したワーク表面に絶縁層を形成する工程と、
    他方の面を研磨し、金属充填部を露出させる工程と、
    を含むことを特徴とする微細孔への金属充填方法。
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