JP4813035B2 - 貫通電極付基板の製造方法 - Google Patents

貫通電極付基板の製造方法

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    • H05K3/10Apparatus or processes for manufacturing printed circuits in which conductive material is applied to the insulating support in such a manner as to form the desired conductive pattern
    • H05K3/20Apparatus or processes for manufacturing printed circuits in which conductive material is applied to the insulating support in such a manner as to form the desired conductive pattern by affixing prefabricated conductor pattern
    • H05K3/205Apparatus or processes for manufacturing printed circuits in which conductive material is applied to the insulating support in such a manner as to form the desired conductive pattern by affixing prefabricated conductor pattern using a pattern electroplated or electroformed on a metallic carrier

Description

本発明は貫通電極付基板の製造方法に係り、さらに詳しくは、基板の厚み方向に貫通する貫通電極によって基板の上下側を導通可能にする構造の貫通電極付基板の製造方法に関する。
従来、基板の厚み方向に貫通電極が形成されて、基板の上下側を導通可能にする構造の貫通電極付基板がある。特許文献1には、樹脂フィルムの中に支持シートや銅箔上に形成された突起状導体を貫通させることにより、樹脂フィルムを貫通する導電体が形成された構造の電気接続装置を製造する方法が記載されている。
また、特許文献2及び3には、合成樹脂シート上に導電性バンプを形成し、その上下に当て板を配置して加熱・加圧することにより、導電性バンプを合成樹脂シートの厚さ方向に挿入する方法が記載されている。
特開平7−73920号公報 特開平7−231163号公報 特開平6−342977号公報
ところで、近年では、半導体基板(シリコンなど)に貫通電極が形成された構造の貫通電極付基板が開発されている。このような貫通電極付基板は、例えば、回路基板とそれに実装される半導体チップとの間に配置され、半導体チップが貫通電極付基板を介して回路基板に電気的に接続される。あるいは、半導体素子が形成された半導体基板を積層して電気的に接続するために、半導体基板に貫通電極を設ける場合もある。
そのような貫通電極付基板の第1の製造方法としては、まず、貫通孔が形成された半導体基板を絶縁層で被覆し、その半導体基板の下側に金属箔を貼着する。さらに、その金属箔をめっき給電層に利用する電解めっきで貫通孔内に貫通電極を形成した後に、金属箔を除去することにより、貫通電極を得る。
また、第2の製造方法としては、まず、半導体基板にそれを貫通しないブラインドビアを形成し、さらに半導体基板を酸化してその表面に絶縁層を形成する。その後に、CVD法によりシード層を半導体基板の上面に形成し、電解めっきによりブラインドビアを充填する金属層を形成する。次いで、半導体基板を背面側から研削してブラインドビアの下側の金属層を露出させ、さらにシリコン基板の上側の金属層を除去することにより、貫通電極を得る。
しかしながら、上記した第1の製造方法では、電解めっきで貫通電極を形成する際に、基板内において貫通電極の高さがばらつくという問題がある。貫通電極の上部を研磨などで削って平坦化する方法が考えられるが、半導体基板に半導体素子が形成されている場合は、半導体素子にダメージを与えるおそれがある。
また、上記した第2の製造方法では、薄板の半導体基板(例えば200μm程度以下)の片面に比較的高温(350℃以上)のCVD法によってシード層を形成する必要があるので、熱処理によって、半導体基板が反ったり、半導体素子にダメージを与えたりするおそれがある。
なお、上記した特許文献1〜3の製造方法では、半導体基板に貫通電極を形成することは困難である。
本発明は以上の課題を鑑みて創作されたものであり、何ら不具合が発生することなく、半導体基板などに貫通電極を形成できる貫通電極付基板の製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明は貫通電極付基板の製造方法に係り、仮基板としての第1の半導体基板の上方に、該第1の半導体基板から剥離できる状態で金属ポストを形成する工程と、前記金属ポストに対応する位置に貫通孔が設けられた正規の基板としての第2の半導体基板を、前記第1の半導体基板の上に配置することにより、前記第2の半導体基板の貫通孔に前記第1の半導体基板上の前記金属ポストを挿入する工程であって、前記第2の半導体基板の両面及び前記貫通孔の内面に絶縁層が形成されており、かつ前記金属ポストは前記第2の半導体基板の上面から突出する突出部が設けられた状態で挿入され
前記突出部をプレスによって潰して前記貫通電極の上側接続部を形成すると共に、前記貫通電極を前記貫通孔に固定する工程と、前記第1の半導体基板を前記金属ポストから剥離することにより、前記第2の半導体基板を貫通する前記金属ポストからなる前記貫通電極を得る工程とを有することを特徴とする。
本発明の一つの好適な態様では、仮基板上に剥離層及びシード金属層(金属箔)が順に形成された後に、シード金属層上に電解めっきによって金属ポストが形成される。その後に、金属ポストに対応する位置に貫通孔が設けられた正規の基板(全面に絶縁層が形成された半導体基板など)が仮基板の上に配置されて、正規の基板の貫通孔に金属ポストが挿入される。次いで、剥離層とシード金属層との界面から仮基板が剥離され、さらにシード金属層が除去されるか、又はシード金属層が貫通電極に接続されるようにパターニングされる。貫通電極が形成される正規の基板(半導体基板)は、半導体素子が形成された素子基板であってもよいし、あるいは半導体素子が形成されていない単なる基板であってもよい。
このように、本発明の好適な態様では、仮基板上に剥離層を介して形成されたシード金属層の上に金属ポストが形成され、その金属ポストが正規の基板の貫通孔に挿入された後に、仮基板が剥離されて廃棄される。このような方法を採用することにより、貫通電極が設けられる正規の基板(半導体基板)上に熱処理を伴うCVDでシード金属層を形成する必要がなく、半導体基板は室温に保たれるので、薄板の半導体基板が反ったり、半導体基板に形成された半導体素子にダメージを与えたりする問題が回避される。
また、予め仮基板上に金属ポストを形成しておくことにより、半導体基板の貫通孔に電解めっきにより金属ポストを直接形成する必要がなくなるので、製造方法の短手番化を図ることができる。
しかも、金属ポストの高さがばらつく場合であっても、仮基板上で金属ポストの上部を研磨するなどしてレベリングを行うことができるので、半導体基板に半導体素子が形成されている場合であっても、金属ポストをレベリングする際に半導体素子にダメージを与えるおそれもない。
本発明の貫通電極付基板は、半導体基板に貫通電極を設けて、半導体チップと回路基板とを整合させるインターポーザとして使用してもよいし、半導体素子が形成された半導体基板に貫通電極を設けて、複数の半導体デバイスが3次元的に積層されて貫通電極を介して相互接続されるようにしてもよい。あるいは、貫通電極付基板の中央主要部に凹部を設けることにより、MEMSデバイスの可動部を凹部に収容して実装する実装基板に適用してもよい。
以上説明したように、本発明では、何ら不具合が発生することなく、半導体基板に貫通電極を形成することができるようになる。
以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照して説明する。
(第1の実施の形態)
図1〜図3は本発明の第1実施形態の貫通電極付基板の製造方法を順に示す断面図である。第1実施形態の貫通電極付基板の製造方法は、図1(a)に示すように、まず、仮基板10を用意し、その仮基板10上に剥離層12を形成する。仮基板10としては、半導体基板(シリコンウェハやシリコンチップなど)が好適に使用され、また剥離層12としては、常温で仮基板10及び剥離層12上に形成されるシード金属層と貼着し、熱をかけるとシード金属層との界面から剥離できる特性を有する熱剥離テープが好適に使用される。
その後に、図1(b)に示すように、剥離層12上にシード金属層14を形成する。シード金属層14としては、銅(Cu)などよりなる金属箔が好適に使用され、剥離層12上に貼着される。次いで、図1(c)に示すように、シード金属層14上にレジスト膜16を形成する。レジスト膜16の形成方法としては、レジスト塗布液をスピンコートなどによって形成してもよいし、あるいは、ドライフィルムレジストを貼着してもよい。
続いて、図1(d)に示すように、レジスト膜16に対して露光・現像を行うことにより、レジスト膜16に開口部16xを形成する。
次いで、図2(a)に示すように、シード金属層14をめっき給電層に利用する電解めっきにより、レジスト膜16の開口部16x内にCuなどよりなる金属ポスト18aを形成する。その後に、レジスト膜16が剥離液又はドライアッシングによって除去される。これにより、図2(b)に示すように、仮基板10上のシード金属層14上に立設する金属ポスト18aが露出する。金属ポスト18aは後に半導体基板を貫通して設けられる貫通電極となる。
なお、金属ポスト18aの高さのばらつきが問題になる場合は、図2(a)の工程の後(レジスト膜16を除去する前)に、金属ポスト18aの上部をCMPなどによって研磨することにより金属ポスト18aをレベリングして高さばらつきを低減するようにしてもよい。この場合、仮基板10には半導体素子が形成されていないので、半導体素子にダメージを与えるおそれはない。
さらに、図2(c)に示すように、貫通電極が形成される正規の基板として、貫通孔20xが形成された半導体基板20(厚みが例えば200μm以下のシリコンウェハやシリコンチップなど)を用意し、その半導体基板20を熱酸化することにより、半導体基板20の両面及び貫通孔20xの内面にシリコン酸化層よりなる絶縁層22を形成する。半導体基板20の貫通孔20xは、半導体基板20上に開口部が設けられたレジスト膜をマスクにしたドライエッチング(RIEなど)により形成される。また、半導体基板20の貫通孔20xは、上記した仮基板10上に形成された金属ポスト18aに対応する位置に形成される。半導体基板20は、半導体素子などが形成された素子基板であってもよいし、あるいは、半導体素子が形成されていない単なる基板であってもよい。
そして、同じく図2(c)に示すように、半導体基板20の貫通孔20xが仮基板10上の金属ポスト18aに対応するように位置合わせした状態で、半導体基板20を仮基板10上に配置する。これにより、図2(d)に示すように、半導体基板20の貫通孔20xに金属ポスト18aが挿入される。このとき、半導体基板20の厚みは金属ポスト18aの高さよりも薄く設定されており、金属ポスト18aは半導体基板20の上面から突出する突出部18bをもった状態で半導体基板20の貫通孔20xに挿入される。
次いで、図3(a)に示すように、下型24bの上に図2(d)の構造体を配置し、上型24aでその構造体をプレス(加圧)することにより、半導体基板20の上面から突出する金属ポスト18aの突出部18bを潰す。これにより、図3(b)に示すように、金属ポスト18aの突出部18bが横方向に延びて上側接続部18xが形成される。さらに、半導体基板20の貫通孔20x内の金属ポスト18aが横方向に延びることで、貫通孔20xと金属ポスト18aとの間の隙間が埋め込まれ、これによって金属ポスト18aが半導体基板20の貫通孔20xに固定される。
次いで、図3(c)に示すように、100〜200℃の温度で熱処理することにより、剥離層12とシード金属層14との界面から剥離し、剥離層12が貼着された仮基板10が廃棄される。
その後に、図3(d)に示すように、図3(c)の構造体からシード金属層14を選択的に除去する。シード金属層14はウェットエッチング又は研磨によって除去される。
このようにして、仮基板10上に形成された金属ポスト18aが、半導体基板20の貫通孔20xに設けられる貫通電極18となり、貫通電極18の下に下側接続部18yが露出する。これにより、本実施形態の貫通電極付基板1が得られる。
なお、上記形態では、シード金属層14を除去したが、シード金属層14をフォトリソグラフィ及びエッチングによってパターニングすることにより、半導体基板20の下面に貫通電極18に接続される配線パターンを形成して下側接続部としてもよい。
以上説明したように、本実施形態の貫通電極付基板の製造方法では、まず、仮基板10上に剥離層12及びシード金属層14が形成された後に、所要部に開口部16xが設けられたレジスト膜16がシード金属層14上に形成される。次いで、シード金属層14をめっき給電層に利用する電解めっきによりレジスト膜16の開口部16xに金属ポスト18aが形成され、その後にレジスト膜16が除去される。
続いて、金属ポスト18aに対応する部分に貫通孔20xが設けられ、全面が絶縁層22で被覆された半導体基板20を用意し、その半導体基板20が仮基板10上に配置されて、半導体基板20の貫通孔20xに金属ポスト18aが挿入される。その後に、半導体基板20の上面から突出する金属ポスト18aの突出部18bがプレスによって潰されて、上側接続部18xが形成されると同時に、金属ポスト18aが半導体基板20の貫通孔20xに固定される。
さらに、剥離層12とシード金属層14との界面から剥離されて、剥離層12が貼着された仮基板10が廃棄された後に、シード金属層14が除去される。これにより、金属ポスト18aの下面が露出し、金属ポスト18aが半導体基板20を貫通する貫通電極18となる。そして、貫通電極18の上側及び下側がそれぞれ上側接続部18x及び下側接続部18yとなる。このようにして、半導体基板20の上下側を導通可能にする貫通電極18が半導体基板20の貫通孔20xに形成される。複数の貫通電極18は、半導体基板20の両面及び貫通孔20xの内面に形成された絶縁層22によって電気的に絶縁される。
このように、本実施形態では、仮基板10上に形成されたシード金属層14をめっき給電層として利用して金属ポスト18aを電解めっきで形成することから、貫通電極18が挿入される半導体基板20上に熱処理を伴うCVDでシード金属層を形成する必要がなく、半導体基板20が室温に保たれるので、薄板の半導体基板20に反りが発生するおそれがなくなる。しかも、半導体基板20に半導体素子が形成されている場合であっても、半導体基板20には熱処理が施されないので、半導体素子にダメージを与えるおそれもない。
さらに、図2(d)の工程の後に、金属ポスト18aをレベリングして高さのばらつきを低減する場合であっても、仮基板10には半導体素子は形成されていないので、半導体素子にダメージを与えるおそれもないし、各種のレベリング方法を採用することもできる。
また、レジスト膜16の開口部16x内に電解めっきで金属ポスト18aを形成する工程は、比較的長い時間を要するが、仮基板10上に予め金属ポスト18aを形成しておくことで、半導体基板20に貫通電極18を形成する手番を短縮させることができ、製品納期の短縮化を図ることができる。
図4には、本発明の第1実施形態の貫通電極付基板1を半導体チップと回路基板とを整合させるインターポーザに適用した例が示されている。
図4に示すように、回路基板30では、樹脂基板32にそれを貫通するビアポスト38が設けられており、樹脂基板32の上面に形成された配線パターン34がビアスト38を介して樹脂基板30の下面側に形成された外部接続端子36に接続されている。
そして、本実施形態の貫通電極付基板1の貫通電極18の下側接続部18yがバンプ42aを介して回路基板30の配線パターン34に接続されている。さらに、貫通電極付基板1の貫通電極18の上側接続部18xにバンプ42bを介して半導体チップ40が接続されている。
このようにして、本実施形態の貫通電極付基板1は、回路基板30とそれに実装される半導体チップ40(CPUなど)との間に配置され、半導体チップ40の端子が回路基板30の端子に整合又はグリッド変換されて電気的に接続される。
また、図5に示すように、本発明の貫通電極付基板は半導体素子などが形成された貫通電極付半導体素子基板1a(半導体チップなど)であってもよい。すなわち、上記した図4と同様な回路基板30の上に、本実施形態の複数の貫通電極付半導体素子基板1aが3次元的に積層されて実装され、各貫通電極18がバンプ42を介して相互接続された状態で、回路基板30の配線パターン34に接続される。さらに、複数の貫通電極付半導体素子基板1aは封止樹脂44によって封止されている。
このようにすることにより、複数の半導体素子基板間における配線長が短縮されて動作周波数の増大に対応できると共に、高密度実装化に対応するチップ積層タイプのモジュールを低コスト、高歩留りで製造することができるようになる。
(第2の実施の形態)
図6は本発明の第2実施形態の貫通電極付基板の製造方法を示す断面図である。第2実施形態では、本発明の貫通電極付基板をMEMS(Micro-electro-mechanical-systems)デバイス用の実装基板(シリコンキャップ)に適用する形態を例示する。
第2実施形態の貫通電極付基板の製造方法は、図6(a)に示すように、まず、第1実施形態と同様な方法により、仮基板10上に剥離層12及びシード金属層14を形成した後に、シード金属層14上に立設する金属ポスト18aを形成する。その後に、図6(b)に示すように、貫通孔20xが設けられた半導体基板20を用意し、半導体基板20の両面及び貫通孔20xの内面に絶縁層22を形成する。第2実施形態では、半導体基板20として、その中央主要部に凹部20bが設けられることで周縁部に凸部20aが形成された構造のものが使用される。
次いで、同じく図6(b)に示すように、半導体基板20の凸部20aが設けられた面を上側にして、半導体基板20の貫通孔20xが仮基板10上の金属ポスト18aに対応するように位置合わせした状態で、半導体基板20を仮基板10上に配置する。これにより、図6(c)に示すように、仮基板10上の金属ポスト18aが突出部18bをもった状態で半導体基板20の貫通孔20に挿入される。
続いて、図7(a)に示すように、第1実施形態と同様に、上型24a及び下型24bによって図6(c)の構造体を挟んでプレス(加圧)する。これにより、図7(b)に示すように、半導体基板20の上面から突出する金属ポスト18aの突出部18bが潰されて、上側接続部18xが形成されると同時に、金属ポスト18aが半導体基板20の貫通孔20xに固定される。
次いで、図7(c)に示すように、第1実施形態と同様に、剥離層12とシード金属層14との界面から剥離することにより,剥離層12が貼着された仮基板10を廃棄する。その後に、半導体基板20の下面のシード金属層14をフォトリソグラフィ及びエッチングによりパターニングする。これによって、金属ポスト18aが貫通電極18となり、その下に貫通電極18に接続される下側接続部18yが形成される。
以上により、第2実施形態に係る貫通電極付基板1bが得られる。
第2実施形態の貫通電極付基板1bは、図8に示すように、貫通電極18の下側接続部18yに外部接続端子52が設けられる。そして、可動部56を備えたMEMSデバイス50(加速度センサ)が用意され、その可動部56が貫通電極付基板1aの凹部20bに収容されるようにして、MEMSデバイス50の接続部(不図示)が貫通電極18の上側接続部18xにバンプ54を介して接続される。MEMSデバイス50はマイクロマシーニング技術によって製造され、加速度センサの他に、圧力センサやスイッチなどがある。このようにして、MEMSデバイス50の可動部56が貫通電極付基板1aの凹部20b(キャビティ)に収容されて実装される。
第2実施形態の貫通電極付基板の製造方法は、第1実施形態と同様な効果を奏すると共に、可動部を備えたMEMSデバイス用の実装基板(シリコンキャップ)を容易に製造することができる。
(その他の実施形態)
図9は本発明のその他の実施形態の貫通電極付基板の製造方法における金属ポストの形成方法を示す断面図である。
前述した第1及び第2実施形態では、仮基板10上のシード金属層14上に電解めっきにより金属ポスト18aを形成したが、図9に示すように、仮基板10上のシード金属層14上にワイヤボンディング法によってボールバンプ19を形成してもよい。すなわち、ワイヤボンダのキャピラリから金などの金属線を所定長だけ出し、この金属線の先端部を放電により球状に丸め、その後キャピラリを下降して金属線の先端球状部をシード金属層14に接触させ、加熱と超音波振動によりシード金属層14に接合する。続いて、キャピラリを引き上げながら金属線をクランパで固定することで金属線を引きちぎる。これを複数回行うことにより、図9に示すようなボールバンプ19が形成される。その後の工程は第1及び第2実施形態と同一であるので省略する。
図1は本発明の第1実施形態の貫通電極付基板の製造方法を示す断面図(その1)である。 図2は本発明の第1実施形態の貫通電極付基板の製造方法を示す断面図(その2)である。 図3は本発明の第1実施形態の貫通電極付基板の製造方法を示す断面図(その3)である。 図4は本発明の第1実施形態に係る貫通電極付基板をインターポーザに適用した例を示す断面図である。 図5は本発明の第1実施形態に係る貫通電極付基板を半導体デバイスに適用し、それを3次元的に積層して接続した例を示す断面図である。 図6は本発明の第2実施形態の貫通電極付基板の製造方法を示す断面図(その1)である。 図7は本発明の第2実施形態の貫通電極付基板の製造方法を示す断面図(その2)である。 図8は本発明の第2実施形態に係る貫通電極付基板をMEMSデバイスの実装基板に適用した例を示す断面図である。 図9は本発明のその他の実施形態の貫通電極付基板の製造方法における金属ポストの形成方法を示す断面図である。
符号の説明
1,1a,1b…貫通電極付基板、10…仮基板、12…剥離層、14…シード金属層、16…レジスト膜、16x,20x…開口部、18a…金属ポスト、18…貫通電極、18x…上側接続部、18y…下側接続部、20…半導体基板、20a…凸部、20b…凹部、22…絶縁層、24a…上型、24b…下型、30…回路基板、32…樹脂基板、36,52…外部接続端子、38…ビアポスト、34…配線パターン、40…半導体チップ、42,42a,42b,54…バンプ、44…封止樹脂、50…MEMSデバイス、56…可動部。

Claims (6)

  1. 仮基板としての第1の半導体基板の上方に、該第1の半導体基板から剥離できる状態で金属ポストを形成する工程と、
    前記金属ポストに対応する位置に貫通孔が設けられた正規の基板としての第2の半導体基板を、前記第1の半導体基板の上に配置することにより、前記第2の半導体基板の貫通孔に前記第1の半導体基板上の前記金属ポストを挿入する工程であって、前記第2の半導体基板の両面及び前記貫通孔の内面に絶縁層が形成されており、かつ前記金属ポストは前記第2の半導体基板の上面から突出する突出部が設けられた状態で挿入され
    前記突出部をプレスによって潰して前記貫通電極の上側接続部を形成すると共に、前記貫通電極を前記貫通孔に固定する工程と、
    前記第1の半導体基板を前記金属ポストから剥離することにより、前記第2の半導体基板を貫通する前記金属ポストからなる前記貫通電極を得る工程とを有することを特徴とする貫通電極付基板の製造方法。
  2. 前記第1の半導体基板上には剥離層及びシード金属層が順に形成されており、
    前記金属ポストを形成する工程は、
    前記シード金属層をめっき給電層に利用した電解めっきにより所要部に前記金属ポストを形成する工程であり、
    前記貫通電極を得る工程は、
    前記前記第1の半導体基板を前記金属ポストから剥離する際に、前記剥離層と前記シード金属層との界面から剥離する工程と、
    前記シード金属層を除去するか、又は、前記シード金属層を前記貫通電極に接続されるようにパターニングする工程とを含むことを特徴とする請求項1に記載の貫通電極付基板の製造方法。
  3. 前記第2の半導体基板は、中央主要部に凹部が設けられることで周縁部に凸部が設けられた構造を有し、かつ前記貫通孔は前記凹部が形成された領域に設けられており、
    前記第2の半導体基板の貫通孔に前記金属ポストを挿入する工程において、前記第2の半導体基板の前記凸部が設けられた面を上側にして、前記第2の半導体基板前記第1の半導体基板上に配置することを特徴とする請求項1又は2に記載の貫通電極付基板の製造方法。
  4. 前記第2の半導体基板には、半導体素子が形成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の貫通電極付基板の製造方法。
  5. 前記第1の半導体基板上には剥離層とシード金属層とが形成されており、
    前記金属ポストを形成する工程は、
    ワイヤボンディング法によって前記シード金属層上にボールバンプを形成する工程であり、
    前記貫通電極を得る工程は、
    前記第1の半導体基板を前記金属ポストから剥離する際に、前記剥離層と前記シード金属層との界面から剥離する工程と、
    前記シード金属層を除去するか、又は前記シード金属層を前記貫通電極に接続されるようにパターニングする工程を含むことを特徴とする請求項1に記載の貫通電極付基板の製造方法。
  6. 前記第1の半導体基板及び前記第2の半導体基板はシリコンからなり、前記シード金属層及び金属ポストは銅よりなることを特徴とする請求項2又は5に記載の貫通電極付基板の製造方法。
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