JP5859162B1 - 金属充填装置および金属充填方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属充填処理の歩留まりや処理効率の向上を図ることが可能な金属充填装置を提供する。【解決手段】この金属充填装置１００は、ウェハ１の表面に開口するように形成された微小空間２内に溶融金属３を充填する金属充填装置であって、ウェハ１を保持する保持部１１と、微小空間２の周囲を取り囲む筒状部材１２と、筒状部材１２の内側にウェハ１に向けて進退可能に配置された加圧部材１３と、保持部１１またはウェハ１と、筒状部材１２と、加圧部材１３とにより気密状に形成される処理室４内に、溶融金属３を供給する金属供給部１４とを備える。金属充填装置１００は、処理室４内に供給された溶融金属３を加圧部材１３により加圧しながら冷却し、溶融金属３の凝固が完了する前に加圧を停止するように構成されている。【選択図】図７

Description

この発明は、金属充填装置および金属充填方法に関し、特に、処理対象物の微小空間に溶融金属を充填する金属充填装置および金属充填方法に関する。

従来、処理対象物の微小空間に溶融金属を充填する金属充填方法が知られている（たとえば、特許文献１〜３参照）。

上記特許文献１〜３には、処理対象物であるウェハに設けられた微小空間に溶融金属を供給し、溶融金属を加圧しながら硬化させる金属充填方法が開示されている。これらの金属充填方法では、ウェハが設置された処理室内で溶融金属が加圧手段によって加圧され、加圧手段による加圧状態が、溶融金属が冷却により硬化するまで維持される。加圧手段としては、処理室を構成する支持体（加圧部材）をプレス機で押圧することにより処理室内の溶融金属を加圧することなどが開示されている。

特許第４２７８００７号公報 特許第４５０５５４０号公報 特許第４６１１４２９号公報

ここで、微小空間に充填される金属材料には様々なものがあり、加圧部材に付着しやすい材料、凝固時にヒケ（冷却凝固に伴う体積減少）が生じる材料、液相温度と固相温度との差が大きい材料、などの充填が難しい材料も含まれる。

加圧部材に付着しやすい材料の場合、凝固した金属材料の加圧部材への付着が発生すると、加圧部材から金属材料を剥離させる際に微小空間から金属材料が引き抜かれたり、ウェハに割れ等のダメージを与えたりする可能性がある。この場合、金属充填処理の歩留まり向上の妨げとなる。

凝固時にヒケが生じる材料の場合、ヒケにより加圧部材と金属材料との間に形成された真空の空洞に引っ張られて、微小空間から金属材料が引き抜かれたり、ウェハ表面の金属残渣が剥がれたりする可能性がある。この場合にも、金属充填処理の歩留まり向上の妨げとなる。

液相温度と固相温度との差が大きい材料の場合、液相温度付近から固相温度に到達するまでの冷却時間が増大するので、長時間、加圧部材による加圧状態を維持し続ける必要がある。そのため、ウェハ１枚当たりの処理時間が増大して金属充填の処理効率を向上させることが困難となる場合がある。

以上のような事情から、処理対象物に対する金属充填処理の更なる歩留まりや処理効率の向上を図ることが望まれている。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、金属充填処理の更なる歩留まりや処理効率の向上を図ることが可能な金属充填装置および金属充填方法を提供することである。

上記目的を達成するために、この発明による金属充填装置は、処理対象物の表面に開口するように形成された微小空間内に溶融金属を充填する金属充填装置であって、処理対象物を保持する保持部と、微小空間の周囲を取り囲む筒状部材と、筒状部材の内側に処理対象物に向けて進退可能に配置された加圧部材と、保持部または処理対象物と、筒状部材と、加圧部材とにより気密状に形成される処理室内に、溶融金属を供給する金属供給部とを備え、処理室内に供給された溶融金属を加圧部材により加圧しながら冷却し、溶融金属の凝固が完了する前に加圧を停止するように構成され、溶融金属の液相温度よりも低く、かつ、固相温度よりも高い固相温度側の温度まで溶融金属が冷却された時点で、溶融金属の加圧を停止するように構成されている。なお、「微小空間」とは、処理対象物に形成された１００μｍ程度以下の幅を有する微細な溝や１００μｍ程度以下の孔径を有する微細な貫通孔および非貫通穴を意味する。

この発明による金属充填装置では、上記のように、処理室内に供給された溶融金属を加圧部材により加圧しながら冷却し、溶融金属の凝固が完了する前に加圧を停止するように構成する。これにより、微小空間内に充填された溶融金属を加圧しながら冷却する場合でも、溶融金属が完全に固相に変化する（凝固が完了する）前の不完全凝固の段階で加圧部材を溶融金属（処理対象物）から離間させることができる。そのため、加圧部材に付着しやすい金属材料の場合でも、付着強度が弱い段階で加圧部材を離間させて、金属材料や処理対象物に作用する応力を低減することができる。また、凝固時にヒケが生じる金属材料の場合、加圧部材と金属材料との間の空洞が成長しきる凝固完了前のより早い段階で加圧部材を離間させて、空洞部の真空化による加圧部材と溶融金属との吸引密着力を低減することができる。また、液相温度と固相温度との差が大きい金属材料の場合、固相温度よりも低温になる前のより早い段階で加圧を停止して、処理対象物の搬出および次の処理対象物の処理を早期に開始することができる。以上の結果、本発明によれば、金属充填処理の歩留まりや処理効率の向上を図ることができる。さらに、溶融金属の凝固が完了する前に、確実に加圧を停止することができる。また、凝固がある程度進行した固相温度側の温度まで冷却されてから溶融金属の凝固が完了する前に加圧を停止することにより、溶融金属を充填する加圧が不足することはなく、充填不良の発生を抑制することができる。なお、本明細書において、固相温度は、その温度以下で金属材料が完全に凝固する（固相になる）温度であり、液相温度は、その温度以上で金属材料が完全に溶融する（液相になる）温度である。「固相温度側の温度」とは、たとえば、液相温度と固相温度とを平均した温度（［液相温度＋固相温度］／２）を境界として、固相温度側にある温度域に含まれる温度である。

上記発明による金属充填装置において、好ましくは、処理室内の溶融金属を加圧しながら冷却する加圧期間の後、加圧を行わない非加圧期間において溶融金属の凝固を完了させるように構成されている。このように構成すれば、溶融金属の凝固が完了する前に加圧を停止する場合にも、充填不良の発生を抑制することができる。

この場合において、好ましくは、加圧期間において、溶融金属が冷却されて凝固が完了する前に加圧部材を処理対象物から後退させて加圧を停止し、非加圧期間において、外部環境と略等しい圧力環境で溶融金属を冷却して凝固を完了させるように構成されている。このように構成すれば、加圧部材を処理対象物から離間させた状態で、たとえば大気圧下で溶融金属の凝固を完了させることができるので、処理対象物の搬出や次の処理対象物の処理をより早期に開始することができる。

上記発明による金属充填装置において、好ましくは、溶融金属が冷却されて凝固が完了する前に、加圧を停止するとともに処理室を開放するように構成されている。このように構成すれば、溶融金属の凝固が完了する前段階で、処理対象物の搬送（または搬送準備）を開始することができるので、処理効率をさらに向上させることができる。

上記発明による金属充填装置において、好ましくは、不活性ガスを供給するガス供給部をさらに備え、加圧を停止した後、溶融金属の凝固が完了するまでの間は、処理対象物が不活性ガス雰囲気に配置されるように構成されている。このように構成すれば、処理対象物の表面に形成される金属材料の残渣膜が酸化されるのを抑制することができる。金属材料の酸化物は、金属の硬度や靭性などの材料特性を変化させるので、金属充填後の残渣膜の除去工程での歩留まりに影響する。そのため、本発明によれば、残渣膜の酸化に伴う材料特性の変化を抑制することができるので、除去工程の歩留まりを向上させることができる。

この発明による金属充填方法は、処理対象物の表面に開口するように形成された微小空間内に溶融金属を充填する金属充填方法であって、処理対象物が配置された気密状の処理室内に、溶融金属を供給する工程と、処理室内に充填された溶融金属を加圧部材により加圧しながら冷却する工程と、溶融金属の凝固が完了する前に加圧を停止する工程とを備え、溶融金属の加圧を停止する工程において、溶融金属の液相温度よりも低く、かつ、固相温度よりも高い固相温度側の温度まで溶融金属が冷却された時点で、溶融金属の加圧を停止する。

この発明による金属充填方法では、上記のように、処理室内に充填された溶融金属を加圧部材により加圧しながら冷却する工程と、溶融金属の凝固が完了する前に加圧を停止する工程とを設ける。これにより、微小空間内に充填された溶融金属を加圧しながら冷却する場合でも、溶融金属が完全に固相に変化する（凝固が完了する）前の不完全凝固の段階で加圧部材を溶融金属（処理対象物）から離間させることができる。そのため、金属材料や処理対象物に作用する応力の低減、ヒケ発生時の空洞部の真空化による加圧部材と溶融金属との吸引密着力を低減、および、処理対象物の搬出および次の処理対象物の処理の早期開始を図ることができる。以上の結果、本発明によれば、金属充填処理の更なる歩留まりや処理効率の向上を図ることができる。さらに、溶融金属の凝固が完了する前に、確実に加圧を停止することができる。また、凝固がある程度進行した固相温度側の温度まで冷却されてから溶融金属の凝固が完了する前に加圧を停止することにより、溶融金属を充填する加圧が不足することはなく、充填不良の発生を抑制することができる。

上記発明による金属充填方法において、好ましくは、溶融金属の加圧を停止する工程の後、加圧を行わない非加圧期間において、溶融金属の凝固を完了させる工程をさらに備える。このように構成すれば、溶融金属の凝固が完了する前に加圧を停止する場合にも、充填不良の発生を抑制することができる。

上記発明による金属充填方法において、好ましくは、溶融金属を凝固させた後、処理対象物の表面上に残留した金属膜を研磨等により除去する工程をさらに備える。このように構成すれば、たとえば処理対象物上の金属膜（残渣）を除去するために処理対象物を加熱して金属膜を再溶融させる必要がないので、更なる処理効率向上を図ることができる。

本発明によれば、上記のように、金属充填処理の更なる歩留まりや処理効率の向上を図ることができる。

本発明の第１実施形態による金属充填装置を示した模式図である。 ウェハに形成された微小空間を示した拡大断面図である。 加圧時におけるウェハと加圧部材とを示した拡大図である。 Ｓｎ−Ｐｂ半田の状態図である。 Ｓｎ−Ｂｉ半田の状態図である。 溶融金属に用いる金属材料の固相温度および液相温度を説明するための図である。 本発明の第１実施形態による金属充填方法における加圧部材加圧面の圧力の時間変化を示した図である。 本発明の第１実施形態による金属充填方法を説明するためのフロー図である。 加圧部材に付着しやすい金属材料を充填する場合に発生する状況を説明するための模式図である。 凝固時にヒケが生じる金属材料を充填する場合に発生する状況を説明するための模式図である。 本発明の第２実施形態による金属充填装置を示した模式図である。 本発明の第１実施形態による金属充填装置の変形例を示した模式図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

［第１実施形態］
まず、図１〜図８を参照して、第１実施形態による金属充填装置１００について説明する。

（金属充填装置の構成）
図１に示すように、第１実施形態による金属充填装置１００は、処理対象物の一例である半導体ウェハ（以下、単にウェハ１という）の表面に開口するように形成されたビアなどの微小空間２（図２参照）内に導体金属を充填する装置である。充填された導体金属により、シリコン貫通電極（Ｔｈｒｏｕｇｈ−ｓｉｌｉｃｏｎ ｖｉａ；ＴＳＶ）が形成される。

ウェハ１は、一般的なシリコンなどの半導体材料から構成されている。ウェハ１は、たとえば約２００ｍｍ等の所定の直径を有する略円形状であり、複数のチップを切り出すことが可能である。また、ウェハ１は、エッチング処理などの前工程により複数の微小空間２（図２参照）が形成された状態で、金属充填装置１００に搬入される。微小空間２の形状および寸法は特に限定されるものではないが、たとえば直径が数μｍ、深さが数十μｍ程度の丸穴である。

金属充填装置１００は、ウェハ１を保持する保持部１１と、微小空間２の周囲を取り囲むように設けられた筒状部材１２と、筒状部材１２の内側にウェハ１に向けて進退可能に配置された加圧部材１３と、溶融金属３を供給する金属供給部１４とを備える。保持部１１またはウェハ１と、筒状部材１２と、加圧部材１３とにより、気密状の処理室４が形成される。

また、金属充填装置１００は、保持部１１を昇降させる昇降機構１５と、加圧部材１３を進退させる加圧機構１６と、処理室４内を減圧する減圧部１７と、処理室４内に不活性ガスを加圧供給するガス供給部１８と、処理室４内に供給された溶融金属３を回収する回収部１９と、を備える。さらに、金属充填装置１００は、上記の各部の動作を制御する制御部２０を備えている。

保持部１１は、ウェハ１の保持台である。保持部１１は、平坦な載置面上に載置されたウェハ１を負圧吸引などにより保持するように構成されている。筒状部材１２は、処理室４の周壁を構成するハウジングである。筒状部材１２は、内部に空間が形成された中空（筒状）形状を有し、ウェハ１上の微小空間２の形成領域を取り囲むように設けられている。筒状部材１２は、一端（下端面）がウェハ１と対向し、上下方向に延びるように設けられている。

保持部１１は、昇降機構１５によって上下方向（筒状部材１２に対して近接または離間する方向）に移動可能である。昇降機構１５によって保持部１１を筒状部材１２に向けて上昇させ、ウェハ１の上面を筒状部材１２の下端部に当接させることにより、気密状の処理室４が形成される。筒状部材１２の下端面にはＯリングなどのシール部材１２ａが設けられ、筒状部材１２とウェハ１との間の気密性が確保されている。筒状部材１２の内周面にはシール部材１２ｂが設けられ、加圧部材１３と筒状部材１２との間の気密性が確保されている。シール部材１２ｂは、筒状部材１２の上端部近傍と、筒状部材１２の下部とに設けられている。下側のシール部材１２ｂは、処理室４の容積を極力小さくする（ウェハ１側に位置する）ように、配管（配管２１ａおよび配管２１ｂ）の上側近傍の位置に配置されている。

加圧部材１３は、処理室４の容積を変化させるように移動可能なピストンである。加圧部材１３は、筒状部材１２（シール部材１２ｂ）の内側に摺動可能に嵌合されており、筒状部材１２の内面に沿って上下に進退移動できるように設けられている。加圧部材１３の保持部１１と対向する面（下面）には、耐熱性を有する材料により形成された押圧部分１３ａが設けられている。押圧部分１３ａのうち溶融金属３と接する領域には、溶融金属３の付着を抑制する表面処理が施されている。付着抑制のための表面処理は、たとえば鏡面加工や、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）などの皮膜処理である。加圧部材１３は、加圧機構１６によって、保持部１１（ウェハ１）に対して近接または離間するように移動可能である。加圧部材１３は、保持部１１に近接する方向に移動されることにより、溶融金属３をウェハ１側に押圧し、溶融金属３に圧力を付与する（加圧する）ことが可能である。

図３に示すように、加圧部材１３の押圧部分１３ａの下面には、封止部１３ｂが設けられている。封止部１３ｂは、弾性体からなり、円形のウェハ１の外周に沿う環状形状を有する。処理室４内に溶融金属３が供給された状態で加圧部材１３を前進させて封止部１３ｂをウェハ１の表面に当接させることにより、溶融金属３を封止部１３ｂの内側領域に閉じ込めることが可能である。この結果、封止部１３ｂの内側領域に閉じ込められた溶融金属３に、加圧機構１６の推力を加圧部材１３によって効率的に印加することができ、封止部１３ｂの外側の溶融金属３を処理室４から外部に逃がして、残渣となる余剰金属の量を減少させることが可能である。

図１に戻って、金属供給部１４は、微小空間２内に充填される金属を、融点（液相温度）よりも高い温度の溶融金属３の状態で保持することが可能な供給容器を含む。金属供給部１４は、筒状部材１２の下端側の側壁を内側まで貫通する配管２１ａを介して、処理室４の内部と連通している。また、金属供給部１４と処理室４との間の配管２１ａには、制御弁２２ａが設けられている。制御弁２２ａの開閉によって、溶融金属３の供給開始および停止と、供給圧力とを調整することが可能である。制御弁２２ａの開閉は制御部２０により制御される。

溶融金属３は、たとえば、鉛フリー半田である。鉛フリー半田は、充填に用いられる材料の内では比較的低い融点を有するため取り扱いが容易である。溶融金属３に用いる金属材料としては、微小空間２に充填する目的や充填金属の機能に応じて、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｂｉ、Ｚｎやこれらの合金を採用することができるし、上記以外の金属材料を用いてもよい。

昇降機構１５は、トルクモータなどを含む。加圧機構１６は、いわゆる油圧機構などにより構成され、作動油の供給および排出により、加圧部材１３を進退させる。昇降機構１５および加圧機構１６のそれぞれの動作は、制御部２０により制御される。

減圧部１７は、筒状部材１２の下端側の側壁を内側まで貫通する配管２１ｂを介して、処理室４の内部と連通している。減圧部１７は、真空ポンプを含み、処理室４内の気体を排気して減圧することが可能である。また、減圧部１７と処理室４との間の配管２１ｂには、制御弁２２ｂが設けられている。制御弁２２ｂの開閉と減圧部１７の動作とが制御部２０により制御されることによって、処理室４内を略真空状態まで減圧することが可能である。

ガス供給部１８は、配管２１ｂに接続された配管２１ｃと、配管２１ｂとを介して、処理室４の内部と連通している。また、ガス供給部１８と処理室４との間の配管２１ｃには、制御弁２２ｃが設けられている。ガス供給部１８は、制御弁２２ｃを開放することにより不活性ガスを処理室４内に所定圧力で供給することが可能である。制御弁２２ｃの開閉とガス供給部１８の動作とは、制御部２０により制御される。また、ガス供給部１８は、配管２１ｅを介して、処理室４の外部（処理室４を含む各部を覆う外殻あるいはケースの内部）にも不活性ガスを供給することが可能である。これにより、処理室４の内部および外部を不活性ガス雰囲気の状態にすることが可能である。

回収部１９は、配管２１ａに接続された配管２１ｄと、配管２１ａとを介して、処理室４の内部と連通している。また、回収部１９と処理室４との間の配管２１ｄには、制御弁２２ｄが設けられている。回収部１９は、たとえば、溶融金属３を貯留する回収タンクと、回収タンクに接続された排気装置とを含んで構成される。制御弁２２ｄの開閉と回収部１９の動作とが制御部２０により制御されることによって、処理室４内の余剰の溶融金属３を回収部１９に回収することが可能である。

ここで、第１実施形態では、金属充填装置１００は、処理室４内に充填された溶融金属３を加圧部材１３により加圧しながら冷却し、溶融金属３の凝固が完了する前に加圧を停止するように構成されている。金属充填装置１００の加圧冷却および加圧停止の制御は、制御部２０により行われる。

特に複数の金属材料の合金からなる金属材料を溶融あるいは凝固させる場合、金属材料の液相温度と固相温度との間に温度差が存在する。液相温度と固相温度との間の温度域では、液相と固相とが混じった状態にあり、この状態を半溶融状態とする。

例として、図４ではＳｎ−Ｐｂ半田の状態図を示し、図５ではＳｎ−Ｂｉ半田の状態図を示す。いずれの図も、縦軸が温度、横軸が合金の組成を表す。図４および図５に示す二元共晶系の合金の場合、固相線３１、液相線３２および共晶等温線３３に囲まれる領域３４が、半溶融状態となる領域である。二元共晶系の合金では、共晶点３５（共晶組成）を除いて半溶融状態が存在する。すなわち、ある組成に着目して、縦軸方向（温度変化）における状態変化を見ると、図６に示すように、液相温度と固相温度との間の温度域が、半溶融状態の温度域となる。

溶融金属３は、液相温度以上で処理室４内に供給された後、液相温度を下回ると凝固し始める。温度低下とともに凝固が進み、固相温度を下回ると、凝固が完了する。したがって、第１実施形態では、金属充填装置１００は、溶融金属３を加圧部材１３により加圧しながら冷却し、溶融金属３の温度が固相温度を下回る前に、溶融金属３の加圧を停止する。

加圧を停止するタイミングとして、第１実施形態では、溶融金属３の液相温度よりも低く、かつ、固相温度よりも高い固相温度側の温度まで溶融金属３が冷却された時点で、溶融金属３の加圧を停止する。固相温度側の温度は、図６において、液相温度ｔ１と固相温度ｔ２とを平均した温度ｔ３（［ｔ１＋ｔ２］／２）を境界として、固相温度ｔ２側にある温度域に含まれる温度である。

なお、金属充填装置１００は、図１に示すように、保持部１１の温度を検出する温度検出部２３ａ、加圧部材１３の温度を検出する温度検出部２３ｂ、および、筒状部材１２の温度を検出する温度検出部２３ｃを備えている。それぞれの温度検出部は、たとえば熱電対を含み、制御部２０に検出温度を出力する。制御部２０は、これらの温度検出部のうち、いずれか１つまたは複数の検出温度に基づいて、加圧を停止するか否かを判断する。

溶融金属３の冷却は、図示しない水冷管により、溶融金属３の熱が溶融金属３の周囲の加圧部材１３、保持部１１および筒状部材１２に奪われていくことによって進行する。このため、溶融金属３の温度は、これらの周囲の部材よりも低くなることはないと考えてよいので、温度検出部の検出温度が固相温度よりも高い時点で溶融金属３の加圧を停止すれば、確実に溶融金属３の凝固が完了する前に加圧を停止することが可能である。溶融金属３の凝固が完了する前に加圧を停止して加圧部材１３をウェハ１から離間させることで、凝固完了時点で既に処理室４からウェハ１を搬出可能な状態にしておくことが可能となる。そのため、処理すべきウェハ１を１枚ずつ処理室４内で加熱、冷却する構成において、凝固完了後、速やかにウェハ１を搬出し、次のウェハ１のための加熱を早期に開始することができるので、より顕著に処理効率を向上させることが可能である。

また、第１実施形態では、金属充填装置１００は、図７に示すように、処理室４内の溶融金属３を加圧しながら冷却する加圧期間Ｔ１の後、加圧を行わない非加圧期間Ｔ２において溶融金属３の凝固を完了させるように構成されている。

具体的には、金属充填装置１００は、加圧期間Ｔ１において、溶融金属３が冷却されて凝固が完了する前に加圧部材１３をウェハ１から後退させて加圧を停止する。加圧期間Ｔ１では、少なくとも加圧部材１３により、処理室４内の圧力が所定の加圧圧力値に維持される。加圧部材１３に加えて、ガス供給部１８によるガス圧をさらに印加してもよい。

また、金属充填装置１００は、非加圧期間Ｔ２において、外部環境と略等しい圧力環境で溶融金属３を冷却して凝固を完了させるように構成されている。外部環境と略等しい圧力環境とは、強制的な圧力を付与しない状況を意味する。外部環境と略等しい圧力は、金属充填装置１００を含む半導体製造装置の装置構成や金属充填装置１００の設置環境にもよるが、たとえば大気圧である。第１実施形態において、非加圧期間Ｔ２では、加圧部材１３による加圧を行わない。

（金属充填方法の説明）
次に、図１〜図３、図７および図８を参照して、第１実施形態による金属充填装置１００における金属充填方法について説明する。金属充填装置１００の動作制御は、制御部２０によって行われる。なお、金属充填装置１００の各部については、図１を参照するものとする。

まず、図８のステップＳ１において、ウェハ１が保持部１１上に載置された後、処理室４が形成される。具体的には、制御部２０は、昇降機構１５により保持部１１を下降させて筒状部材１２から離間させる。保持部１１には、表面に微小空間２が形成されたウェハ１が、表面を上にした状態で載置される。ウェハ１が保持部１１に載置された後、制御部２０は、昇降機構１５により保持部１１を上昇させ、ウェハ１の上面を筒状部材１２の下端面（シール部材１２ａ）に当接させて処理室４を形成する。この結果、気密状の処理室４内にウェハ１が保持される。

ステップＳ２において、制御部２０は、制御弁２２ｂを開いて減圧部１７を作動させ、処理室４内の気体を排気させる。制御部２０は、図７に示すように、処理室４内（すなわち、微小空間２内）を略真空状態まで減圧させる。

ステップＳ３において、制御部２０は、減圧部１７を停止させ制御弁２２ｂを閉じる一方、制御弁２２ａを開いて金属供給部１４を作動させて処理室４内に溶融金属３を供給する。溶融金属３は、処理室４内に所定の供給圧力で加圧供給される。そのため、図７に示すように、処理室４内の圧力は、所定の供給圧力に達するまで溶融金属３の供給に伴って上昇する。処理室４内が溶融金属３により満たされると、制御部２０は、金属供給部１４を停止させて制御弁２２ａを閉じる。

ステップＳ４において、制御部２０は、加圧機構１６を制御して加圧部材１３をウェハ１に向けて前進させ、処理室４内から余剰の溶融金属３を排出する。図１および図３に示したように、封止部１３ｂがウェハ１の上面に当接するまでは、制御部２０は、制御弁２２ｄを開放（絞り開放）して、処理室４内の余剰の溶融金属３を回収部１９に回収させる。加圧部材１３の押し込み（前進）に伴って、処理室４内の圧力は上昇（図７参照）する。

また、加圧部材１３の封止部１３ｂがウェハ１の上面に当接すると、制御部２０は、制御弁２２ｄを全開放するとともに制御弁２２ｃを開放し、ガス供給部１８を作動させて、処理室４内に不活性ガスを加圧供給させる。この結果、処理室４内の溶融金属３のうち、封止部１３ｂの外側に存在する部分（封止部１３ｂの内側領域に閉じ込められた溶融金属を除いた余剰分）が、処理室４内から排出される。なお、処理室４からの余剰の溶融金属３の排出が完了するまで、処理室４の内部の温度は、図示しない加熱機構によって金属材料の液相温度以上に維持される。

次に、ステップＳ５において、制御部２０は、処理室４内に供給された溶融金属３を加圧部材１３により加圧しながら冷却する加圧冷却を開始する。すなわち、制御部２０は、加圧機構１６を制御して加圧部材１３をウェハ１の表面に押し付け、加圧部材１３とウェハ１との間の溶融金属３を加圧させるとともに、処理室４内の加熱を停止し、溶融金属３の冷却を開始する。この結果、図７に示したように、加圧部材１３の加圧面の圧力（溶融金属３に作用する圧力）が、所定の加圧圧力に維持された状態で、溶融金属３が冷却される。加圧冷却は、上述の通り、金属材料の固相温度よりも高い所定の加圧停止温度になるまでの加圧期間Ｔ１の間、継続される。

次に、ステップＳ６において、制御部２０は、溶融金属３の凝固完了前に、加圧を停止させる。制御部２０は、加圧機構１６を制御して加圧部材１３をウェハ１からゆっくりと後退させ、加圧部材１３をウェハ１から離間させる。この結果、処理室４内は、不活性ガスの雰囲気下で外部環境の圧力（大気圧）と同等の非加圧状態になる。

ステップＳ７において、制御部２０は、加圧しない非加圧状態で、溶融金属３の凝固が完了するまで冷却を継続する。すなわち、図７に示したように、制御部２０は、溶融金属３の加圧を停止するステップＳ６の後、加圧を行わない非加圧期間Ｔ２において、溶融金属３の凝固を完了させる。加圧を停止した後、溶融金属３の凝固が完了するまでの非加圧期間Ｔ２の間は、ウェハ１が不活性ガス雰囲気に配置される。溶融金属３の温度が固相温度を下回ると、凝固が完了する。この結果、ウェハ１の微小空間２内に凝固した溶融金属３が充填されるとともに、ウェハ１の表面上に金属膜５（図２参照）が残留する。金属膜５は、加圧部材１３の下面の封止部１３ｂの内側領域に閉じ込められた溶融金属３が凝固して形成された残渣である。

次に、ステップＳ８において、制御部２０は、処理室４を開放させ、ウェハ１を搬出させる。制御部２０は、昇降機構１５により保持部１１を下降させて筒状部材１２から離間させる。保持部１１上のウェハ１は、図示しない搬送機構により、次工程に搬送される。

ステップＳ９において、ウェハ１は、図示しない研磨装置に搬送され研磨処理が施される。これによりウェハ１の表面上に残留した金属膜５が研磨により除去される。研磨は、たとえば、ＣＭＰ（化学機械研磨）やポリッシャーなどの機械研磨であり、ウェハ１の表面に対して行われる。ウェハ１の表面から金属膜５が除去される結果、表面の微小空間２に金属が充填されたウェハ１が得られる。なお、ステップＳ８とＳ９との間には、ウェハ１に対する他の処理工程が介在してもよい。

（第１実施形態の効果）
第１実施形態では、以下のような効果を得ることができる。

第１実施形態では、上記のように、処理室４内に供給された溶融金属３を加圧部材１３により加圧しながら冷却し、溶融金属３の凝固が完了する前に加圧を停止するように構成する。これにより、微小空間２内に充填された溶融金属３を加圧しながら冷却する場合でも、溶融金属３が完全に固相に変化する（凝固が完了する）前の不完全凝固の段階で加圧部材１３を溶融金属３（ウェハ１）から離間させることができる。その結果、第１実施形態によれば、金属充填処理の歩留まりや処理効率の向上を図ることができる。

たとえば、図９に示すように、加圧部材１３に付着しやすい金属材料の場合、付着部分６を機械的に剥離する必要が生じる。この場合、完全に凝固した後では、ウェハ１に外力Ｆ１が作用してダメージを受ける場合や、剥離時に微小空間２内の金属材料に引き抜き方向の外力Ｆ２が作用して微小空間２内から金属材料が引き抜かれる場合が生じうる。これに対して、第１実施形態では、凝固が完了する前の付着強度が弱い段階で加圧部材１３を離間させて、金属材料やウェハ１に作用する応力を低減することができる。

また、図１０に示すように、凝固時にヒケが生じる金属材料の場合、加圧部材１３と金属材料（金属膜５）との間に略真空の空洞７が生じる。この場合、空洞７の真空化による吸引密着力Ｆ３によって、微小空間２内に充填された金属が引き抜かれるおそれがある。これに対して、第１実施形態では、加圧部材１３と金属材料（金属膜５）との間の空洞７が成長しきる凝固完了前のより早い段階で加圧部材１３を離間させて、空洞７の真空化による加圧部材１３と金属材料（金属膜５）との吸引密着力Ｆ３を低減することができる。

また、溶融金属３の組成に起因して、図６に示した液相温度と固相温度との差が大きく（たとえば１００℃程度）になる場合には、溶融金属３の凝固が完了するまでの冷却時間が増大する。これに対して、第１実施形態では、固相温度よりも低温になる前のより早い段階で加圧を停止し、加圧部材１３を離間させておくことができる。そのため、凝固が完了してから加圧を停止して加圧部材１３を離間させる場合と比較して、ウェハ１の搬出および次のウェハ１の処理を早期に開始することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、処理室４内の溶融金属３を加圧しながら冷却する加圧期間Ｔ１の後、加圧を行わない非加圧期間Ｔ２において溶融金属３の凝固を完了させる。これにより、溶融金属３の凝固が完了する前に加圧を停止する場合にも、充填不良の発生を抑制することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、加圧期間Ｔ１において、溶融金属３が冷却されて凝固が完了する前に加圧部材１３をウェハ１から後退させて加圧を停止し、非加圧期間Ｔ２において、外部環境と略等しい圧力環境（大気圧）で溶融金属３を冷却して凝固を完了させる。これにより、加圧部材１３をウェハ１から離間させた状態で、大気圧下で溶融金属３の凝固を完了させることができるので、処理室４内で処理を完了させなくてもよく、ウェハ１の搬出や次のウェハ１の処理をより早期に開始することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、溶融金属３の液相温度よりも低く、かつ、固相温度よりも高い固相温度側の温度まで溶融金属３が冷却された時点で、溶融金属３の加圧を停止する。これにより、溶融金属３の凝固が完了する前に、確実に加圧を停止することができる。また、凝固がある程度進行した固相温度側の温度まで冷却されてから溶融金属３の凝固が完了する前に加圧を停止することにより、溶融金属３を充填する加圧が不足することはなく、充填不良の発生を抑制することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、加圧を停止した後、溶融金属３の凝固が完了するまでの間（非加圧期間Ｔ２）は、ウェハ１が不活性ガス雰囲気に配置されるように構成する。これにより、ウェハ１の表面に形成される金属膜５が酸化されるのを抑制することができる。金属材料の酸化物は、金属の硬度や靭性などの材料特性を変化させるので、金属充填後の金属膜５の除去工程（ステップＳ９参照）での歩留まりに影響する。そのため、第１実施形態によれば、金属膜５の酸化に伴う材料特性の変化を抑制することができるので、除去工程の歩留まりを向上させることができる。

また、第１実施形態では、上記のように、溶融金属３を凝固させた後、ウェハ１の表面上に残留した金属膜５を研磨により除去する。これにより、たとえばウェハ１上の金属膜５（残渣）を除去するためにウェハ１を加熱して金属膜５を再溶融させる必要がないので、更なる処理効率向上を図ることができる。

［第２実施形態］
次に、図１１を参照して、第２実施形態による金属充填装置２００について説明する。この充填装置２００では、上記第１実施形態による金属充填装置１００とは異なり、減圧部１１７により処理室４内の減圧を行いながら処理室４への溶融金属３の供給ができるように構成した例について説明する。なお、第１実施形態と同一の構成については、同一の符号を付すとともに説明を省略する。

（金属充填装置の構成）
図１１に示すように、第２実施形態による金属充填装置２００では、減圧部１１７が、筒状部材１２の上端側の側壁を内側まで貫通する配管１２１を介して、処理室４の内部と連通している。また、減圧部１１７と処理室４との間の配管１２１には、制御弁２２ｂが設けられている。配管１２１は、溶融金属３の液面よりも十分に上方の位置となるように、筒状部材１２の上端近傍に設けられている。これにより、減圧部１１７による減圧（処理室４内の気体の排気）を継続したままの状態で、金属供給部１４から溶融金属３を供給することが可能である。なお、処理室４内への溶融金属３の供給は、液面が配管１２１の高さに到達する前に停止される。第２実施形態では、溶融金属３を所定の供給圧力で加圧しながら処理室４内に供給する構成ではない。

ガス供給部１１８は、分岐した配管１２２によって、金属供給部１４側の配管２１ａと、減圧部１１７側の配管１２１とにそれぞれ接続されている。ガス供給部１１８は、配管１２２と、配管２１ａおよび配管１２１とを介して処理室４の内部と連通している。ガス供給部１１８と配管２１ａとの間には、制御弁１２３ａが設けられ、ガス供給部１１８と配管１２１との間には、制御弁１２３ｂが設けられている。

回収部１１９は、配管１２４を介して、処理室４の内部と連通している。また、回収部１１９と処理室４との間の配管１２４には、制御弁２２ｄが設けられている。

制御部２０は、制御弁１２３ｂを開放するとともに他の制御弁１２３ａ、２２ａ、２２ｂおよび２２ｄを閉じて、ガス供給部１１８から処理室４内に不活性ガスを所定圧力で供給させ、加圧部材１３とともに溶融金属３を加圧させるように構成されている。また、制御部２０は、この状態でさらに制御弁１２３ａおよび２２ｄを開いて、処理室４内の余剰の溶融金属３を回収部１１９側に送り出して回収させるように構成されている。

第２実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。

（第２実施形態の効果）
第２実施形態でも、上記第１実施形態と同様に、処理室４内に供給された溶融金属３を加圧部材１３により加圧しながら冷却し、溶融金属３の凝固が完了する前に加圧を停止するように構成する。これにより、微小空間２内に充填された溶融金属３を加圧しながら冷却する場合でも、溶融金属３が完全に固相に変化する前の段階で加圧部材１３を溶融金属３（ウェハ１）から離間させることができるので、金属充填処理の歩留まりや処理効率の向上を図ることができる。

［変形例］
なお、今回開示された実施形態は、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、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更（変形例）が含まれる。

たとえば、上記第１および第２実施形態では、微小空間２の例として、所定深さの丸穴（図２参照）を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、微小空間は、貫通孔であってもよいし底部を有する非貫通穴であってもよい。微小空間は、直線状、曲線状または屈曲したクランク状などの形状であってよいし、途中で分岐していてもよい。微小空間の開口部分の形状も、円形状、矩形形状その他の多角形状などであってよく、任意である。また、微小空間は、孔以外の溝などの凹部であってよい。

また、上記第１および第２実施形態では、処理対象物の例として半導体ウェハ１を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、処理対象物は、溶融金属が充填される微小空間が形成されていればよく、半導体ウェハ以外であってよい。

また、上記第１実施形態では、図８のステップＳ７において溶融金属３の凝固を完了させてから、処理室４を開放（ステップＳ８）する例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、溶融金属３が冷却されて凝固が完了する前に、加圧を停止するとともに処理室４を開放するように構成してもよい。すなわち、ステップＳ７とステップＳ８とを並行して行ってもよい。この場合、非加圧状態での溶融金属３の冷却は、処理室４の外部で行ってもよい。

たとえば、図１２の変形例に示すように、処理室４とは異なる別の処理室１０４で凝固を完了させてもよい。この変形例の場合、加圧部材１３による加圧を停止した後に、凝固完了前のウェハ１を処理室４から別の処理室１０４に移送し、処理室１０４において非加圧状態で溶融金属３の凝固を完了させる。この他、加圧部材１３による加圧を停止した直後に処理室４を開放して次の処理工程へのウェハ１の移送を開始し、この移送中に溶融金属３の凝固を完了させてもよい。いずれの場合でも、処理室４の内部温度が金属材料の固相温度よりも下がる前に次のウェハの処理を開始することができるので、金属充填装置の処理効率を向上させることができる。

一方、金属材料の種類によっては凝固完了前のウェハ１を処理室４から大気下に搬出するとその温度により酸化が著しく進展する。残留した金属部の酸化物は金属の硬度や靭性を変化させ、除去工程での歩留まりに影響する。これを防止するため非加圧期間Ｔ２の期間中、処理室４内に不活性ガスを供給し不活性ガス雰囲気中で冷却することで残渣膜（金属膜５）の酸化を抑制することができる。この場合、冷却時間が長くなり次のウェハの処理を開始するのが遅れるが、加圧部材１３を溶融金属３（ウェハ１）から離間させることによる、金属充填処理の歩留まり向上や処理効率向上の効果に変わりは無く、残留した金属膜５の酸化および特性変化を抑制し、研磨の歩留まりを向上させることができる。

この金属膜５の酸化抑制の観点からは、図１２の変形例の場合、処理室１０４内にも不活性ガスを供給し不活性ガス雰囲気中で冷却することが好ましい。これにより、凝固完了前のウェハ１を別の処理室１０４に移送する構成においても、金属膜５の酸化抑制を図ることが可能である。さらに、図１に示したように、ガス供給部１８から配管２１ｅを介して処理室４の外部（ケース２０１の内部）にも不活性ガスを供給して、処理室４の外部を不活性ガス雰囲気にしておくことが好ましい。このようにすれば、凝固完了前に処理室４を開放する構成においても、金属膜５の酸化抑制を図ることが可能である。

また、上記第１および第２実施形態では、溶融金属３を処理室４内に供給する際に、処理室４内を略真空状態まで減圧した例を示したが、本発明はこれに限られない。

１ ウェハ（処理対象物）
２ 微小空間
３ 溶融金属
４ 処理室
５ 金属膜
１１ 保持部
１２ 筒状部材
１３ 加圧部材
１４ 金属供給部
１８、１１８ ガス供給部
１００、２００ 金属充填装置
Ｔ１ 加圧期間
Ｔ２ 非加圧期間

Claims (8)

1. 処理対象物の表面に開口するように形成された微小空間内に溶融金属を充填する金属充填装置であって、
   前記処理対象物を保持する保持部と、
   前記微小空間の周囲を取り囲む筒状部材と、
   前記筒状部材の内側に前記処理対象物に向けて進退可能に配置された加圧部材と、
   前記保持部または前記処理対象物と、前記筒状部材と、前記加圧部材とにより気密状に形成される処理室内に、前記溶融金属を供給する金属供給部とを備え、
   前記処理室内に供給された前記溶融金属を前記加圧部材により加圧しながら冷却し、前記溶融金属の凝固が完了する前に加圧を停止するように構成され、
   前記溶融金属の液相温度よりも低く、かつ、固相温度よりも高い前記固相温度側の温度まで前記溶融金属が冷却された時点で、前記溶融金属の加圧を停止するように構成されている、金属充填装置。
2. 前記処理室内の前記溶融金属を加圧しながら冷却する加圧期間の後、加圧を行わない非加圧期間において前記溶融金属の凝固を完了させるように構成されている、請求項１に記載の金属充填装置。
3. 前記加圧期間において、前記溶融金属が冷却されて凝固が完了する前に前記加圧部材を前記処理対象物から後退させて加圧を停止し、
   前記非加圧期間において、外部環境と略等しい圧力環境で前記溶融金属を冷却して凝固を完了させるように構成されている、請求項２に記載の金属充填装置。
4. 前記溶融金属が冷却されて凝固が完了する前に、加圧を停止するとともに前記処理室を開放するように構成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の金属充填装置。
5. 不活性ガスを供給するガス供給部をさらに備え、
   前記加圧を停止した後、前記溶融金属の凝固が完了するまでの間は、前記処理対象物が不活性ガス雰囲気に配置されるように構成されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の金属充填装置。
6. 処理対象物の表面に開口するように形成された微小空間内に溶融金属を充填する金属充填方法であって、
   前記処理対象物が配置された気密状の処理室内に、前記溶融金属を供給する工程と、
   前記処理室内に供給された前記溶融金属を加圧部材により加圧しながら冷却する工程と、
   前記溶融金属の凝固が完了する前に加圧を停止する工程とを備え、
   前記溶融金属の加圧を停止する工程において、前記溶融金属の液相温度よりも低く、かつ、固相温度よりも高い前記固相温度側の温度まで前記溶融金属が冷却された時点で、前記溶融金属の加圧を停止する、金属充填方法。
7. 前記溶融金属の加圧を停止する工程の後、加圧を行わない非加圧期間において、前記溶融金属の凝固を完了させる工程をさらに備える、請求項６に記載の金属充填方法。
8. 前記溶融金属を凝固させた後、前記処理対象物の表面上に残留した金属膜を研磨により除去する工程をさらに備える、請求項６または７に記載の金属充填方法。

Images