JP4139310B2 - 溶融金属供給機構 - Google Patents

Description

本発明は、気圧差を利用し、穴を有する被加工物の穴に金属を充填する装置において、金属を補充するために使用される金属供給機構に関する。

シリコン基板に貫通配線を形成するための技術として、真空による気圧差を利用して一度に多数の貫通孔に溶融金属を充填する方法（溶融金属吸引法、Ｍｏｌｔｅｎ Ｍｅｔａｌ Ｓｕｃｔｉｏｎｅｄ Ｍｅｔｈｏｄ，ＭＭＳＭ）が知られている。（たとえば、特許文献１参照。）溶融金属吸引法は、穴を有する被加工物、ことにアスペクト比の大きい貫通孔や、貫通しない深細孔に金属を充填するのに適した方法である。

図３は、溶融金属吸引法を用いて、多数の微細孔が形成された被加工物（ワーク）の微細孔に金属を充填するための金属充填装置の一部を示す概略図である。真空ポンプ５４ｂを用いバルブを備えた排気管５４ａから排気して、チャンバ内を真空にすることのできる（内部の圧力を調整することのできる）真空チャンバ１１の内部に、溶融金属槽１２が配置されている。溶融金属槽１２の外面部には、ヒータ１５ａが設けられている。ヒータ１５ａは、溶融金属槽１２内の金属ブロックを加熱し、溶融させることができる。金属ブロックを加熱、溶融することにより得られた溶融金属１３は溶融金属槽１２に貯留される。

真空チャンバ１１には、ワーク固定用アーム５１が取り付けられる。ワーク固定用アーム５１は、軸部５２及びワーククランプ５３を有する。ワーク固定用アームは、軸部５２が真空チャンバ１１の蓋部を貫通するように、真空チャンバ１１に取り付けられる。ワーククランプ５３は、ワーク、たとえば多数の微細孔が形成されたシリコン基板５０を把持することができる。ワーク固定用アーム５１を用いて、ワーククランプ５３に把持されたシリコン基板５０を溶融金属槽１２中の溶融金属１３に浸すことができる。

真空チャンバ１１には、バルブを備えた給気管５５が備えられている。給気管５５を通して、真空チャンバ１１内に気体、たとえば窒素ガスを導入することができる。

図４（Ａ）〜（Ｃ）は、金属充填装置を用いて、シリコン基板５０の微細孔に金属を充填する方法を示す概略図である。

図４（Ａ）を参照する。微細孔を有するシリコン基板５０をワーク固定用アーム５１のワーククランプ５３で把持し、真空ポンプ５４ｂを用いて、排気管５４ａから真空チャンバ１１内を排気し、真空圧１０^−２〜１０^−３Ｐａ程度まで減圧する。

図４（Ｂ）を参照する。溶融金属１３中に、シリコン基板５０を挿入する。挿入後シリコン基板５０が、溶融金属１３と同じ温度に達するのを待つ。続いて、給気管５５から真空チャンバ１１内に窒素ガスを導入して、真空チャンバ１１内を２〜５×１０^５Ｐａ程度まで加圧する。加圧された真空チャンバ１１内の圧力により、シリコン基板５０の微細孔に、溶融金属槽１２中の溶融金属１３が充填される。充填される金属（溶融金属１３）は、たとえばインジウム、錫等である。

図４（Ｃ）を参照する。シリコン基板５０を溶融金属槽１２から引き上げ、真空チャンバ１１の外部に取り出して、室温まで冷却する。

溶融金属槽１２に金属（溶融金属１３）を補充する場合、溶融金属槽１２が設置されている真空チャンバ１１と連続するチャンバを別に設けて真空に引き、連続するチャンバから金属を補充することが可能である。しかし、この場合、溶融金属槽１２の残液量（溶融金属１３の量）を計測することが困難である。

真空チャンバを大気開放して金属を補充することもできる。しかし、この場合には、真空チャンバ１１内の汚染が問題となる。また、溶融金属１３が酸化し、充填に当たって、不都合が生じることがある。

特開２００２−１５８１９１号公報

本発明の目的は、気圧差を利用し、穴を有する被加工物の穴に金属を充填する装置に用いられ、良質の溶融金属を補充することができ、金属充填を効率的に行うことを可能とする溶融金属供給機構を提供することである。

本発明の一観点によれば、排気して内部の圧力を調節することのできる第１のチャンバと、前記第１のチャンバ内に配置され、溶融金属を貯留する第１の溶融金属槽と、前記第１のチャンバの外部に配置された第２のチャンバと、前記第２のチャンバ内に配置され、溶融金属を貯留する第２の溶融金属槽と、前記第１の溶融金属槽と前記第２の溶融金属槽とを接続し、前記第２の溶融金属槽に貯留された溶融金属を、前記第１の溶融金属槽に移送できる第１の移送管と、前記第１のチャンバ及び第２のチャンバの外部で、前記第１の移送管に備えられた第１の開閉バルブと、前記第１の溶融金属槽、前記第２の溶融金属槽、及び、前記第１の移送管の外面部に備えられた第１のヒータとを有し、前記第１のチャンバを排気して、穴を有する被加工物の穴に、前記第１の溶融金属槽内に貯留された溶融金属を充填させる作業が行われる溶融金属供給機構が提供される。

この溶融金属供給機構を用いると、金属の充填を行うチャンバ内の真空を破ることなく、外部から酸化の度合いの少ない溶融金属を補充することができる。

以上説明したように、本発明によれば、気圧差を利用し、穴を有する被加工物の穴に金属を充填する装置に用いられ、良質の溶融金属を補充することができ、金属充填を効率的に行うことを可能とする溶融金属供給機構を提供することができる。

図５（Ａ）〜（Ｃ）は、金属充填装置及び金属充填方法の周辺技術を説明するための概略的な図である。現在、デバイスの小型化、高機能化のために、たとえば複数枚の半導体チップを厚さ方向に積層することによる、システムの３次元高密度実装が試みられている。半導体チップに良好な貫通配線を形成することによって３次元高密度実装を実現することができれば、単位面積当たりの集積度の向上が可能になることに加え、配線長を短くできるなどのメリットがある。

図５（Ａ）には、複数枚（３枚）の半導体チップ６１，６２，６３を模式的に示した。半導体チップ６１，６２，６３の厚さは、たとえば５００μｍである。半導体チップ６１，６２，６３の対応する位置には、穴径が約１０μｍの貫通孔６１ａ，６２ａ，６３ａが、それぞれチップの厚さ方向に開けられている。

図５（Ｂ）及び（Ｃ）を参照して、たとえばｎ型のシリコン基板６１ｂに、光アシスト電解エッチング法（Ｐｈｏｔｏ Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｔｃｈｉｎｇ，ＰＡＥＣＥ）を用いて、貫通孔６１ａを形成する方法を説明する。

図５（Ｂ）を参照する。ｎ型の（１００）シリコン基板６１ｂの一主面に、異方性エッチングで（１１１）面が露出したエッチピット６１ｃを形成する。次に、エッチピット６１ｃの形成された主面をフッ酸水溶液に接触させる。フッ酸水溶液中には、白金板６５が配置されている。シリコン基板６１ｂを陽極、白金板６５を陰極としてその間に電圧を印加する。シリコン基板６１ｂのエッチピット６１ｃが形成されていない主面にたとえばキセノンランプで光を照射すると、正孔が発生する。発生した正孔は、シリコン基板６１ｂと白金板６５との間の印加電圧による電界から力を受け、エッチピット６１ｃの形成されている主面に向かって移動する。エッチピット６１ｃの鋭角部には強い電界が生じるため、正孔はエッチピット６１ｃに集中する。エッチピット６１ｃでは、以下の式（１）に示す化学反応が起こる。

Ｓｉ＋６ＨＦ＋２ｈｏｌｅ（＋）→Ｈ_２ＳｉＦ_６＋Ｈ_２＋２Ｈ^＋ ・・（１）
この化学反応の結果、エッチピット６１ｃ部分のみがエッチングされる。

図５（Ｃ）を参照する。エッチピット６１ｃがエッチングされると、その先端に更に電界が集中するため、式（１）の化学反応が続いて起こり、エッチングが進行して、シリコン基板６１ｂを貫通する貫通孔６１ａが形成される。

上述のようにして、複数枚のシリコン基板（半導体チップ６１，６２，６３）のそれぞれに、対応する貫通孔６１ａ，６２ａ，６３ａを開ける。導体配線は対応する貫通孔６１ａ，６２ａ，６３ａを貫いて形成される。配線は、たとえば前述のように、溶融金属吸引法（ＭＭＳＭ）を用いて貫通孔６１ａ，６２ａ，６３ａに金属を充填することにより形成される。

図１は、第１の実施例による溶融金属供給機構を備えた金属充填装置の一部を示す概略的な断面図である。図３に示した従来の金属充填装置と同様に、真空チャンバ１１、金属溶融槽１２、ヒータ１５ａを備えている。それらの機能は図３の従来の金属充填装置と同様である。

第１の実施例による溶融金属供給機構においては、補充用チャンバ１７が、真空チャンバ１１の外部に設置される。補充用チャンバ１７内には、補充用溶融金属槽１８が配置される。補充用溶融金属槽１８と真空チャンバ１１内の溶融金属槽１２とは、移送管１４ａで接続されている。移送管１４ａは、補充用溶融金属槽１８から溶融金属槽１２に溶融金属１３を移送するために用いられる。移送管１４ａには、真空チャンバ１１及び補充用チャンバ１７の外部で、バルブ１６ａが備えられている。バルブ１６ａは開閉可能である。バルブ１６ａが開いているとき、溶融金属１３は移送管１４ａ内を移送され得る。バルブ１６ａが閉じているとき、溶融金属１３は移送管１４ａ内を移送されることができない。

溶融金属槽１２とともに、補充用溶融金属槽１８及び移送管１４ａの外面部にもヒータ１５ａが設置されている。ヒータ１５ａは、溶融金属槽１２と同様に、補充用溶融金属槽１８及び移送管１４ａを加熱し、それらの温度を金属が溶融する温度以上にすることができる。

第１の実施例による溶融金属供給機構を用いた溶融金属供給方法を説明する。

バルブ１６ａを閉じた状態で、たとえば補充用溶融金属槽１８に金属ブロックを入れ、ヒータ１５ａで加熱して溶融し、溶融金属１３を得る。金属の酸化を防ぐため、たとえば補充用チャンバ１７に窒素ガスを封入し、窒素雰囲気のもとで金属の溶融を行い、溶融金属１３を保持することが望ましい。窒素ガスの他、たとえば不活性ガスを用いることができる。

移送管１４ａ及び溶融金属槽１２をヒータ１５ａにより加熱し、溶融金属１３の融点以上の温度に昇温する。補充用溶融金属槽１８から溶融金属槽１２に溶融金属１３を移送する際、移送管１４ａ内で溶融金属１３が冷却され固化することを防止するためである。

続いて、真空ポンプ５４ｂを用い排気管５４ａから排気して、真空チャンバ１１内を所定の真空度（低圧）にし、バルブ１６ａを開く。真空チャンバ１１と補充用チャンバ１７との気圧差によって、補充用溶融金属槽１８中の溶融金属１３が移送管１４ａを通って、溶融金属槽１２内に流入する（供給される）。溶融金属槽１２内の溶融金属１３が一定量になると、圧力が平衡し流入（溶融金属１３の溶融金属槽１２への供給）が停止する。

なお、真空チャンバ１１内にセンサ、たとえばレーザ変位計を設置し、溶融金属槽１２の溶融金属１３の量が一定となった時点で、バルブ１６ａを閉じ、溶融金属１３の供給を停止することもできる。

圧力の平衡で供給を停止させる場合は、補充用チャンバ１７を真空チャンバ１１の下方に設置する。センサで溶融金属１３の量を検出し、バルブ１６ａを閉めることで供給を停止する方法においては、両チャンバの位置関係は問題とならない。

補充用溶融金属槽１８から溶融金属槽１２へ溶融金属１３の供給が終わると、バルブ１６ａを閉める。真空チャンバ１１内の圧力の変化に伴い、溶融金属槽１２内の溶融金属１３の液量が変化することを防止するためである。ワークへの金属充填作業もバルブ１６ａを閉めた状態で行われる。

上述のように、第１の実施例による溶融金属供給機構を用いて溶融金属１３の供給を行うと、真空チャンバ１１の真空を開放せずに溶融金属槽１２に溶融金属１３を供給することができるので、真空チャンバ１１の大気開放、真空引き等の作業に費やす時間と手間を省くことができ、効率的に溶融金属１３を供給することができる。

また、溶融金属槽１２には、あらかじめ補充用溶融金属槽１８で溶融させた溶融金属１３を供給するので、ワークへの金属充填作業を効率的に行うことができる。

更に、真空チャンバ１１を大気開放しないため、真空チャンバ１１内の汚染、及び、溶融金属１３の酸化（溶融金属１３表面に形成される酸化膜）を低減することができる。

また、溶融金属槽１２に貯留される溶融金属１３が一定の液量となったときに、補充用溶融金属槽１８からの溶融金属１３の供給を停止することができるので、ワークへの金属充填作業を一定条件のもとで行うことができる。

図２は、第２の実施例による溶融金属供給機構を備えた溶融金属充填装置の一部を示す概略的な断面図である。第２の実施例による溶融金属供給機構は、第１の実施例によるそれに、受け皿１９、受け皿１９と補充用溶融金属槽１８とを接続する移送管１４ｂ、受け皿１９と移送管１４ｂとの外面部に設けられたヒータ１５ｂ、及び移送管１４ｂに取り付けられたバルブ１６ｂが新たに加入されている。

受け皿１９は、たとえば底面と、底面から立ち上がる側壁とを有し、底面及び側壁によって形成される空間に溶融金属槽１２を収めるように、真空チャンバ１１内に配置される。

移送管１４ｂは、溶融金属１３を受け皿１９から補充用溶融金属槽１８に移送するために用いられる。

ヒータ１５ｂは、受け皿１９及び移送管１４ｂを金属の融点以上の温度に加熱することができる。

バルブ１６ｂは開閉可能である。バルブ１６ｂが開いているとき、溶融金属１３は移送管１４ｂ内を移送され得る。バルブ１６ｂが閉じているとき、溶融金属１３は、移送管１４ｂ内を移送されることはできない。

第２の実施例による溶融金属供給機構を用いた溶融金属供給方法について説明する。まず、溶融金属槽１２と補充用溶融金属槽１８とを接続する移送管１４ａに備えられたバルブ１６ａ、及び、受け皿１９と補充用溶融金属槽１８とを接続する移送管１４ｂに備えられたバルブ１６ｂを閉じる。第１の実施例による金属供給方法と同様に、補充用チャンバ１７内をたとえば窒素雰囲気下におき、補充用溶融金属槽１８をヒータ１５ａで加熱し、たとえば金属ブロックを溶融して、補充用溶融金属槽１８内に溶融金属１３を得る。移送管１４ａ及び溶融金属槽１２を、金属の融点以上の温度にまで、ヒータ１５ａで加熱する。

次に、真空ポンプ５４ｂを用い排気管５４ａから排気して、真空チャンバ１１内を所定の真空度にし、バルブ１６ａを開く。真空チャンバ１１と補充用チャンバ１７との気圧差によって、補充用溶融金属槽１８中の溶融金属１３が移送管１４ａを通って、溶融金属槽１２内に供給される。２つのチャンバ間の気圧差は、供給された溶融金属１３が溶融金属槽１２から溢れる（オーバーフローする）値に設定される。溶融金属槽１２から溢れた溶融金属１３は、受け皿１９に貯留される。たとえば溶融金属１３が、溶融金属槽１２から溢れ出して一定時間後、バルブ１６ａを閉じ、溶融金属１３の供給を停止する。

続いて、受け皿１９から補充用溶融金属槽１８に溶融金属１３を還流する。給気管５５から、真空チャンバ１１内にたとえば不活性ガスを、補充用チャンバ１７内の圧力よりも高い圧力になるように導入する。補充用溶融金属槽１８と受け皿１９とを接続する移送管１４ｂのバルブ１６ｂを開く。こうすることで、溶融金属１３が、受け皿１９から補充用溶融金属槽１８に流入する。溶融金属１３が補充用溶融金属槽１８に還流した後、移送管１４ｂのバルブ１６ｂを閉じる。

第２の実施例による溶融金属供給機構は、溶融金属１３を溶融金属槽１２から溢れさせることで、溶融金属槽１２に貯留される溶融金属１３の量を一定にする。このため、一定条件下でワークへの金属充填作業を行うことができる。また、溢れさせることで溶融金属１３の表面に形成され得る酸化膜を除去することが可能となる。更に、第１の実施例による溶融金属供給機構の場合と同様、補充用溶融金属槽１８で、あらかじめ溶融された溶融金属１３を溶融金属槽１２に供給するため、ワークへの金属充填作業を効率的に行うことができる。

なお、第２の実施例による溶融金属供給機構における受け皿１９は、上述した配置ではなくても、溶融金属槽１２の下方を含む領域に、溶融金属槽１２から溢れる溶融金属１３を受け止められるように配置されればよい。

以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者には自明であろう。

第１の実施例による溶融金属供給機構を備えた金属充填装置の一部を示す概略的な断面図である。 第２の実施例による溶融金属供給機構を備えた金属充填装置の一部を示す概略的な断面図である。 溶融金属吸引法を用いて、多数の微細孔が形成された被加工物（ワーク）の微細孔に金属を充填するための金属充填装置の一部を示す概略図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、金属充填装置を用いて、シリコン基板５０の微細孔に金属を充填する方法を示す概略図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、金属充填装置及び金属充填方法の周辺技術を説明するための概略的な図である。

符号の説明

１１ 真空チャンバ
１２ 溶融金属槽
１３ 溶融金属
１４ａ，ｂ 移送管
１５ａ，ｂ ヒータ
１６ａ，ｂ バルブ
１７ 補充用チャンバ
１８ 補充用溶融金属槽
１９ 受け皿
５０ シリコン基板
５１ ワーク固定用アーム
５２ 軸部
５３ ワーククランプ
５４ａ 排気管
５４ｂ 真空ポンプ
５５ 給気管
６１，６２，６３ 半導体チップ
６１ａ，６２ａ，６３ａ 貫通孔
６１ｂ シリコン基板
６１ｃ エッチピット
６５ 白金板

Claims (2)

1. 排気して内部の圧力を調節することのできる第１のチャンバと、
   前記第１のチャンバ内に配置され、溶融金属を貯留する第１の溶融金属槽と、
   前記第１のチャンバの外部に配置された第２のチャンバと、
   前記第２のチャンバ内に配置され、溶融金属を貯留する第２の溶融金属槽と、
   前記第１の溶融金属槽と前記第２の溶融金属槽とを接続し、前記第２の溶融金属槽に貯留された溶融金属を、前記第１の溶融金属槽に移送できる第１の移送管と、
   前記第１のチャンバ及び第２のチャンバの外部で、前記第１の移送管に備えられた第１の開閉バルブと、
   前記第１の溶融金属槽、前記第２の溶融金属槽、及び、前記第１の移送管の外面部に備えられた第１のヒータと
   を有し、
   前記第１のチャンバを排気して、穴を有する被加工物の穴に、前記第１の溶融金属槽内に貯留された溶融金属を充填させる作業が行われる溶融金属供給機構。
2. 更に、前記第１のチャンバ内に、前記第１の溶融金属槽の下方を含む領域に配置され、前記第１の溶融金属槽から溢れた溶融金属を、受け止め貯留する受け皿と、
   前記受け皿と前記第２の溶融金属槽とを接続し、前記受け皿に貯留された溶融金属を、前記第２の溶融金属槽に移送できる第２の移送管と、
   前記第１のチャンバ及び前記第２のチャンバの外部で、前記第２の移送管に備えられた第２の開閉バルブと、
   前記受け皿及び前記第２の移送管の外面部に備えられた第２のヒータと
   を含む請求項１に記載の溶融金属供給機構。

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