JP4800013B2 - 金属充填装置および金属充填方法 - Google Patents
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Description
図3に、一例として電子デバイスなどの配線に利用するための貫通電極付き基板1を作製する断面工程図を示す。図3(d)に示す貫通電極付き基板1は、シリコン等の半導体材料あるいはガラス等の絶縁体材料からなる基板2に、基板2の主面3,3同士を貫通する微細孔4が形成されており、微細孔4内には金属等の導電性物質5が充填されてなるものである。
まず、図3(b)に示すように、微細孔4が形成された基板2を、大気圧よりも低い第1の圧力に保たれたチャンバー(図示略)内において、溶融金属6に浸漬する。
次いで、図3(c)に示すように、前記チャンバー内の圧力を前記第1の圧力よりも高い第2の圧力に上昇せしめる。このとき生じる圧力差により、微細孔4内に金属5が差圧充填される。
次いで、図3(d)に示すように、微細孔4に金属5が充填された基板2を溶融金属6中から取り出した後、冷却することで、微細孔4内に充填された金属5が固化し、貫通電極付き基板1が得られる。
また、本発明は、内部を減圧する減圧手段および内部を加圧する加圧手段を備えたチャンバーと、このチャンバー内にて金属を加熱溶融することのできる金属溶融装置とを備え、基板に形成された微細孔へ金属を充填する金属充填装置において、前記金属溶融装置は、加熱溶融された金属の表面を清浄に保つ金属表面浄化機構を備え、前記金属表面浄化機構は、加熱溶融された金属の表面に沿って移動することにより、溶融金属の表面の汚れを押しやって除去する汚れ除去部材を備えることを特徴とする金属充填装置を提供する。
前記チャンバーは、チャンバーの内部が2部屋以上に分割され、または2つ以上のチャンバーを連結して構成されたものが好ましい。
前記チャンバーの少なくとも1つの部屋、もしくは少なくとも1つのチャンバー内に、前記基板を加熱する機構を少なくとも1つ以上備えていることが好ましい。
本発明の金属充填方法において、前記基板を溶融金属中に浸漬する前に、予め溶融金属の温度と同程度の温度まで加熱しておくことが好ましい。
図1は、本発明の金属充填装置の第1形態例を示す概略構成図であり、図2は、図1に示す金属充填装置を用いて基板に形成された微細孔内に金属を充填する方法を説明する説明図である。また、図3(a)〜(d)は、溶融金属充填法を利用して微細孔内に金属を充填する金属充填工程を説明する断面工程図である。なお、図1および図2は、いずれも金属充填装置を正面から眺めた際の断面図である。
第1の部屋11aおよび第2の部屋11bのそれぞれには、各部屋11a,11bの内部を減圧する減圧手段14a,14bとして、ロータリーポンプ等からなる真空排気系と、各部屋11a,11bの内部を加圧する加圧手段15a,15bとして、窒素ガスなどの不活性ガス(雰囲気ガス)を供給するガス供給系とが接続されている。すなわち、二つの部屋11a,11bをそれぞれ独立して減圧および加圧することが可能になっている。
なお、この形態例では真空排気系およびガス供給系を二つの部屋11a,11bに対してをそれぞれ独立して設けたが、共通の真空排気系(減圧手段)および/またはガス供給系(加圧手段)を用い、配管と切替バルブ等によって排気および/またはガス供給の流路を変えることも可能である。
搬送治具17を第1の部屋11aと第2の部屋11bとの間で往来させるときには、開閉バルブ13を開くことにより、搬送治具17の通り道が確保される。
チャンバー11の内部を、基板2をチャンバー11の内外で搬送するため開放可能にした第1の部屋11aと、金属溶融装置16を備えた第2の部屋11bとに分割した場合、第1の部屋11aをチャンバー11外の大気に開放したときに開閉バルブ13を閉じることによって第2の部屋11bが大気中に完全に露出することを防げるため、金属溶融装置16内の溶融金属6の著しい酸化や、溶融金属6への大きな異物の混入を防ぐことができる。
ここで、溶融金属6としては、単体金属や半田等の合金を用いることができる。具体例としては、錫(Sn)、インジウム(In)などの金属;金錫(Au−Sn)系、錫鉛(Sn−Pb)系、錫(Sn)基、鉛(Pb)基、金(Au)基、インジウム(In)基、アルミニウム(Al)基などのはんだを使用することができる。
まず、図3(a)に示すように、1または複数個の微細孔4が形成された基板2を搬送治具17に固定し、第1の部屋11aに設置する。
基板2の具体例としては、厚さ300μmのシリコン基板に対して、Deep−Reactive Ion Etching(DRIE)法により、シリコン基板2の両主面3,3を貫通するように、直径が50μm程度の微細孔4,4,…を形成したものを用いることができる。
また、微細孔4は非貫通孔であってもよく、その直径および深さは、基板2の厚さや所望の用途に応じて適宜設定が可能である。さらに、微細孔の深さ方向に垂直な断面形状も、円形、楕円形、三角形、四角形、矩形などいかなる形状であってもよい。また、微細孔を形成する方法も、DRIE法に限定されず、水酸化カリウム(KOH)水溶液などによるウェットエッチング法、マイクロドリルなどによる機械加工、光励起電解研磨法などを用いることができる。
第1の部屋11aおよび第2の部屋11bが、大気圧よりも低い第1の圧力に減圧されている状態下で、図2に示すように基板2を第2の槽22内の溶融金属6に浸漬する。金属表面浄化機構20の噴流ポンプ21の作動により、第2の槽22内では溶融金属6の表面7が常に清浄に保たれており、基板2への汚れ8の付着を防いでいる。
なお、第1の圧力は、例えば10Pa程度であるが、特にこれに限定されるものではなく、大気圧よりも低い圧力であればいかなる圧力でも良い。
実施例において、溶融金属6は金錫合金(Au80質量%−Sn20質量%)を用いたが、特にこれに限定されるものではなく、上述したとおり、適宜の金属や合金を用いることができる。
ここで、差圧充填の意義を説明すると、以下のとおりである。基板2を溶融金属6内に浸漬しただけでは図3(b)のように微細孔4内に金属が充填されない空間が生じることがある。この空間内の圧力は第1の圧力であるが、基板2を溶融金属6に浸漬した後に溶融金属6の外圧を第2の圧力に上昇させると、溶融金属6に浸漬した基板2の微細孔4の内圧(これは第1の圧力に等しい)と、溶融金属6の外側の外圧(これは第2の圧力に等しい)との圧力差により、微細孔4内に溶融金属が流れ込み、溶融金属6を微細孔4内に圧力充填することができるものである。
なお、第2の圧力は第1の圧力よりも高ければいかなる圧力でもよく、大気圧に等しくなるまで加圧するのでもよいし、例えば大気圧よりも高い圧力まで加圧してもよい。
仕切り板12の開閉バルブ13を閉じ、第2の部屋11b内を排気した後、第1の部屋11aを開放して、基板2を搬送治具17から取り外す。
前記第2の圧力が大気圧(正確にはチャンバー11の外側の圧力)とは異なる場合、第1の部屋11aを開放する前に、第1の部屋11aに接続された減圧手段14aまたは加圧手段15aを用いて第1の部屋11aの内圧を大気圧に釣り合わせることが望ましい。これに対して、第2の圧力が大気圧に等しい場合、第1の部屋11aをただちに開放することができる。
以上のようにして微細孔4に充填された金属5は、基板2の表裏を電気的に接続する貫通電極として、あるいは、MEMSデバイスにおける構造体の一部として利用することができる。
金属表面浄化機構20は、加熱溶融された金属6の表面7に沿う流れを発生させる噴流ポンプ21を備えるので、図2に示すように基板2が溶融金属6に浸漬した状態でも、基板2や搬送治具17の存在が邪魔にならず、溶融金属6の表面7の汚れ8を除去することが可能である。
さらに、溶融金属6が貯留された溶融金属槽16aの内側に第2の槽22を設け、第2の槽22内の溶融金属6が第2の槽22の外に流れ出すように構成したことにより、溶融金属6の表面7の汚れ8を溶融金属6の流れとともに第2の槽22の外に除去することができる上、該汚れ8が第2の槽22の内側へ戻ることを防止することができる。
図4は、本発明の金属充填装置の第2形態例を示す概略構成図であり、図5は、本発明の金属充填装置の第3形態例を示す概略構成図である。なお、図4および図5は、いずれも金属充填装置を正面から眺めた際の断面図である。
図4および図5において、図1〜図3と同一の符号を付した構成は、第2形態例または第3形態例に係る金属充填装置10B,10Cが第1形態例に係る金属充填装置10Aと同一または同様の構成を有する箇所を示し、重複する説明を省略する場合がある。
溶融金属6の表面7に生じた汚れ8は、汚れ除去部材31によって溶融金属槽16aの外側へと押しやられて除去される。基板2を溶融金属槽16a内に浸漬させたときは、汚れ除去部材31が基板2や搬送治具17にぶつからないように、汚れ除去部材31の動きを停止させる。
さらに、金属表面浄化機構30をなす要素のうち、汚れ除去部材31のみを溶融金属6中に浸漬するように構成することができるので、溶融金属6の熱に対する耐熱性や、溶融金属6の汚染防止などの要求に対応しやすく、低コストにて設置可能である。
なお、汚れ除去部材31の動き方は、直線的な往復運動に限定されるものではなく、円弧に沿った往復運動や、円周方向に沿った回転運動などとすることもできる。汚れ除去部材31は一つのみならず、複数設けても構わない。
この例の金属充填装置10Cの場合、基板2をチャンバー11の内外で搬送するため開閉バルブ13Aによって開放可能にした第1の部屋11aと、金属溶融装置16を備えた第2の部屋11bとが水平方向に並べて設けられており、第1の部屋11aと第2の部屋11bとを仕切る仕切り板12には開閉バルブ13が設けられており、これらの開閉バルブ13,13Aを通して基板2を搬送する搬送装置18が水平方向に設置されている。搬送装置18は、搬送アームや搬送ベルトなどから構成することができる。
第2の部屋11bの上部には、微細孔4が形成された基板2(詳しくは図3参照)を保持するとともに、該基板2を金属溶融装置16の溶融金属6外に位置した状態と溶融金属6内に浸漬した状態との間で自在に往復して搬送することが可能に設けられた搬送治具17が設けられている。
第2の部屋11bは、第2の部屋11bに接続された減圧手段14bにより排気し、あらかじめ減圧された状態に保っておく。
第1の部屋11aと第2の部屋11bとを仕切る開閉バルブ13を閉じた状態で、第1の部屋11aから外に通じる開閉バルブ13Aを開放し、基板2を搬送補助治具18aに装着して第1の部屋11a内に設置する。次に、開閉バルブ13Aを閉じ、第1の部屋11aに接続された減圧手段14aを用いて、第1の部屋11aを第2の部屋11bと同程度の圧力となるまで減圧してから、開閉バルブ13を開ける。
このように、第1の部屋11aをチャンバー11外の大気に開放したときに開閉バルブ13を閉じることによって第2の部屋11bが大気中に完全に露出することを防げるため、金属溶融装置16内の溶融金属6の著しい酸化や溶融金属6内への大きな異物の混入を防ぐことができる。
第1の部屋11aおよび第2の部屋11bが、大気圧よりも低い第1の圧力に減圧されている状態下で、第2の部屋11bでは搬送治具17により基板2を保持した搬送補助治具18aを搬送装置18から取り上げ、搬送治具17を下降させて基板2を溶融金属槽16a内の溶融金属6に浸漬する(図2参照)。
次に、加圧手段15a,15bによって窒素ガスをチャンバー11内に供給し、第1の部屋11aおよび第2の部屋11bの内部の圧力を、前記第1の圧力よりも高い第2の圧力まで上昇させ、溶融した金属5を微細孔4内に差圧充填する。
基板2を保持した搬送補助治具18aを搬送治具17から外して搬送装置18に移し、搬送補助治具18aを第1の部屋11a側に移動させた後に仕切り板12の開閉バルブ13を閉じ、第2の部屋11b内を排気した後、第1の部屋11aを開放して、基板2を搬送補助治具18aから取り外す。
本発明においては、基板をチャンバー内に入れた後に基板を加熱して、少なくとも溶融金属への浸漬時に、加熱前の基板よりも高い温度に基板が加熱されていれば上記の効果を得ることができる。加熱後の基板の温度は、本発明の効果を損ねない程度であれば、溶融金属の温度より高くなっていても差し支えない。
Claims (6)
- 内部を減圧する減圧手段および内部を加圧する加圧手段を備えたチャンバーと、このチャンバー内にて金属を加熱溶融することのできる金属溶融装置とを備え、基板に形成された微細孔へ金属を充填する金属充填装置において、
前記金属溶融装置は、加熱溶融された金属の表面を清浄に保つ金属表面浄化機構を備え、
前記金属表面浄化機構は、加熱溶融された金属の表面に沿う流れを発生させる噴流ポンプと、前記金属溶融装置において前記加熱溶融された金属が貯留された溶融金属槽の内側に設けられた第2の槽とを備え、前記第2の槽の上縁は、第2の槽の外に貯留された溶融金属の表面より上側に突出しており、前記噴流ポンプは、前記第2の槽の下部に開口した取込み口を介して、第2の槽の内部へ溶融金属を取り込む流れを発生させるものであることを特徴とする金属充填装置。 - 内部を減圧する減圧手段および内部を加圧する加圧手段を備えたチャンバーと、このチャンバー内にて金属を加熱溶融することのできる金属溶融装置とを備え、基板に形成された微細孔へ金属を充填する金属充填装置において、
前記金属溶融装置は、加熱溶融された金属の表面を清浄に保つ金属表面浄化機構を備え、
前記金属表面浄化機構は、加熱溶融された金属の表面に沿って移動することにより、溶融金属の表面の汚れを押しやって除去する汚れ除去部材を備えることを特徴とする金属充填装置。 - 前記チャンバーの内部が2部屋以上に分割され、または2つ以上のチャンバーを連結して構成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の金属充填装置。
- 前記チャンバーの少なくとも1つの部屋、もしくは少なくとも1つのチャンバー内に、前記基板を加熱する機構を少なくとも1つ以上備えていることを特徴とする請求項3に記載の金属充填装置。
- 請求項1ないし4のいずれかに記載の金属充填装置を用い、基板に形成された微細孔へ金属を充填する金属充填方法であって、
前記基板を大気圧より低い第1の圧力下で、前記金属表面浄化機構によって表面が清浄に保たれた溶融金属中に浸漬する工程と、
前記第1の圧力をこれより高い第2の圧力まで上昇させ前記微細孔中に前記溶融金属を差圧充填する工程と、
前記基板を前記溶融金属から引き上げる工程とを有することを特徴とする金属充填方法。 - 前記基板を溶融金属中に浸漬する前に、予め溶融金属の温度と同程度の温度まで加熱しておくことを特徴とする請求項5に記載の金属充填方法。
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