JP6033782B2 - 金属充填装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体ウェハなどの被処理物の表面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に関し、特に、溶融金属を充填する際に、余剰の溶融金属を回収する金属充填装置に関するものである。
近時、シリコン貫通電極（Through Silicon via）技術において、半導体ウェハ上に設けた微小空間に金属を充填する技術が求められている。シリコン貫通電極技術によれば、貫通電極を用いたチップ積層技術の開発が可能となることから、三次元実装による高機能・高速動作の半導体システムの実現が期待されている。シリコン貫通電極において、安定した導通を確保するためには、クラックやボイド等の不良がなく、高い歩留りで金属充填することが求められる。
従来、半導体ウェハ上の微小空間内に金属を充填する技術としては、銅メッキ法や溶融金属槽に半導体ウェハを浸漬するディッピング法の他、特許文献１〜２に示されるように、減圧したチャンバ内で、金属を充填すべき微小空間が形成された試料の一面に、その微小空間を覆うように充填用金属体を配置し、この充填用金属体を加熱溶融した後、真空チャンバ内を不活性ガスで大気圧以上に加圧することにより、溶融金属を微小空間内に真空吸入させる溶融真空吸引法が提案されている。
特開２００２−３６８０８２号公報 特開２００２−３６８０８３号公報
上記の溶融真空吸引法を用いれば、半導体ウェハ上の微小空間内とチャンバ内との間に生じた圧力差により、溶融金属を微小空間内に真空吸入させることができるが、実際には、溶融金属の表面張力や界面張力などが良好な真空吸入の阻害要因となる。
溶融金属の表面張力や半導体ウェハ表面の濡れ性の悪さの影響を抑制して、良好な金属充填を実現するための手法として、溶融真空吸引法を用いる際、試料となる半導体ウェハ上を多量の溶融金属で覆う方法が知られている。特に、シリコンウェハ（半導体ウェハ）と溶融半田とを用いる場合には、シリコンウェハ上の濡れ性が悪く、多量かつ余剰の半田で覆わないとウェハ上で溶融半田が広がらず、球状になってしまう。
一般的な溶融真空吸引法において、原料として用いる溶融金属のうち、どの程度が実際に半導体ウェハ上の微小空間内に充填されるかを試算してみると、微小空間の形成状態や充填条件にもよるが、供給量の１％にも満たないのが現状である。
すなわち、従来技術では、多量の溶融金属を準備して用いる必要があるにもかかわらず、ごく僅かな分量の金属しか実際には利用されておらず、利用されなかった多量の余剰金属は、不要物として半導体ウェハ上や装置内から除去されていた。このため、従来技術では、使用する金属材料の大半が無駄になり、金属充填のコスト効率を悪化させる要因となっている。
本発明は、以上の実情に鑑みなされたものであって、半導体ウェハ等の被処理物の微小空間内に充填されなかった金属を有効活用することにより、金属材料の無駄を低減し、低コストの金属充填を実現する金属充填装置を提供することを目的としている。
上記の課題を解決するための本発明は、
被処理物表面の、該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、
前記被処理物が保持される処理室を具備した処理部本体と、
溶融状態の金属を貯留する供給用タンク、一端が前記供給用タンクに接続され、他端が前記処理部本体の処理室に接続された供給管、並びに該供給管に介装され、前記供給用タンク内の溶融金属を、前記供給管を介して前記処理室内に供給する供給機を含んで構成される溶融金属供給機構とを備えた金属充填装置において、
前記処理室内に供給された溶融金属を該処理室内から回収する溶融金属回収機構を備えた金属充填装置に係る。尚、「管に介装する」とは、管の両端部の間、即ち中間部位に対象物（上記では供給機）が介在するように当該対象物を配設することを意味するものである。
本発明において、被処理物上に形成される微小空間の大きさは、典型的にはその直径が０．１μｍ〜数十μｍのものを想定している。また、溶融金属が入り込むものであれば、その形成方法やアスペクト比などの形態は問わず、貫通孔であるか否かも問わない。非貫通孔であれば、その深さは、被処理物の厚さに応じて数百μｍ以下で任意のものとすることができる。
上記構成を備えた本発明によれば、微小空間が表面に形成された被処理物が、処理部本体の処理室内に保持される。そして、前記供給用タンク内に貯留された溶融状態（液体状態）の金属が、溶融金属供給機構の供給機により、供給管を介して前記処理室内に供給される。そして、前記被処理物はこのようにして供給される溶融金属によってその表面が覆われるとともに、当該溶融金属が前記微小空間内に充填される。
ついで、被処理物上の溶融状態にある余剰の金属は、溶融金属回収機構によって被処理物上から回収される。
このように、本発明によれば、被処理物上の余剰の金属を、溶融金属回収機構によって当該被処理物上から回収することができるので、使用する金属材料の無駄を少なくすることができ、金属充填における材料コストを低減することができる。
尚、本発明において、前記被処理物上に溶融金属を供給して、その微小空間内に充填する態様としては、様々な態様を採ることができる。例えば、前記処理室内を減圧した後に、被処理物上に溶融金属を供給するようにしても良く、或いは、被処理物表面を溶融金属で覆った後、適宜加圧機構により、被処理物上の溶融金属を加圧して、前記微小空間内に溶融金属を充填するといった態様を採用することができる。このようにすれば、前記微小空間内に充填される金属に、空隙やボイドがより生じ難く、より良好な充填を行うことができる。
更に、上記金属充填装置の参考態様では、前記処理部本体は、前記処理室となる凹部を有し、該凹部内に前記被処理物を保持する第１本体と、前記凹部に気密状に嵌合する押付部を備えた第２本体とを含んで構成され、金属充填装置は、更に、前記第１本体及び第２本体の少なくとも一方を相互に離接する方向に移動させる押付機構を備える。この場合、前記押付機構は、前記溶融金属回収機構の一部として機能する。
このような構成の金属充填装置によれば、まず、前記第１本体の凹部内に被処理物を保持した後、第２本体をその押付部が前記凹部に嵌合するように前記第１本体に組み付けて、前記凹部内を気密状の処理室とする。そして、この後、前記供給機によって、前記処理室内に溶融金属を供給する。斯くして、前記被処理物はこのようにして供給される溶融金属によってその表面が覆われる。尚、溶融金属を処理室内に供給する際には、当該処理室内が溶融金属によって満たされるように供給するのが好ましい。また、上述のように、被処理物上に溶融金属を供給する前に、適宜減圧機構によって処理室内を減圧するようにしても良い。
ついで、前記押付機構により、第１本体及び第２本体が相互に接近するように、これらの少なくとも一方を移動させる。これにより、処理室内の溶融金属が加圧され、被処理物に形成された微小空間内に溶融金属が充填される。
そして、更に、前記押付機構によって、第１本体及び第２本体を相互に接近させると、前記処理室内の容積が減少されて、処理室内に満たされた溶融金属が当該処理室内から押し出され、押し出された溶融金属が前記溶融金属回収機構によって回収される。この意味で、前記押付機構は、溶融金属回収機構の一部として機能する。
尚、この場合に、前記押付機構は、前記第２本体の押付部が前記第１本体内の被処理物表面に当接する押付位置と、前記第１本体と第２本体とが相互に離反した待機位置とに、前記第１本体及び第２本体の少なくとも一方を移動させるように構成されているのが好ましい。このようにすれば、第２本体の押付部が被処理物表面に当接することにより、微小空間内に充填されず、被処理物上に残った余剰金属を可能な限り当該被処理物上から排出して、ごく僅かなものとすることができ、金属充填に要する材料コストを極限にまで低減することができる。また、冷却後に不要の固体化した金属を除去する手間を最小限に抑えることができる。
また、本発明に係る金属充填装置では、前記処理部本体は、前記被処理物を保持する保持部材と、内部空間を有し、一端が前記保持部材と対向して設けられる筒状部材と、該筒状部材の内部空間内に進退自在、且つ気密状に挿入された押付部材とを含んで構成されるとともに、金属充填装置は、更に、前記処理室内に加圧した気体を供給する気体供給機構と、前記保持部材に保持される被処理物に対して前記押付部材を進退させる押付機構とを備えて構成され、前記押付機構は、前記押付部材を、前記被処理物の表面に当接する押付位置と、前記被処理物から離反した待機位置とに移動させるように構成される。この場合、前記保持部材に保持される被処理物又は前記保持部材と、前記筒状部材及び前記押付部材とによって気密状の処理室が形成され、前記気体供給機構は、前記溶融金属回収機構の一部として機能する。
この金属充填装置によれば、まず、前記保持部材に被処理物を保持した後、保持部材，筒状部材及び押付部材によって気密状の処理室を形成する。ついで、前記供給機により、前記処理室内に溶融金属を供給して、被処理物の表面を溶融金属によって覆う。尚、第１の態様の場合と同様に、被処理物上に溶融金属を供給する前に、適宜減圧機構によって処理室内を減圧するようにしても良い。また、溶融金属の供給量は、溶融金属が被処理物の表面全面を覆う必要はあるが、必ずしも、処理室内を満たすような量でなくても良い。但し、少なくとも押付部材の下面が溶融金属中に没する程度の量を供給するのが好ましい。
ついで、前記気体供給機構により処理室内に加圧気体を供給して、処理室内の溶融金属を加圧する。これにより、被処理物上の溶融金属が微小空間内に押し込まれて充填される。この後、前記押付機構により、前記押付部材を被処理物側に進出させて、当該押付部材を被処理物表面に当接させる。これにより、微小空間内に充填されず、被処理物上に残った余剰金属をごく僅かなものとすることができる。
ついで、例えば、前記気体供給機構により、前記供給機によって供給される溶融金属の圧力よりも高い圧力の気体を処理室に供給することで、処理室内の余剰の溶融金属が当該処理室内から押し出され、前記溶融金属回収機構によって回収される。この意味で、前記気体供給機構は、溶融金属回収機構の一部として機能する。
このように、本発明の金属充填装置によれば、微小空間内に充填されず、被処理物上に残った余剰金属をごく僅かなものとすることができ、金属充填に要する材料コストを極限にまで低減することができる。また、冷却後に不要の固体化した金属を除去する手間を最小限に抑えることができる。
尚、この場合に、前記押付部材は、前記被処理物と当接する面に、前記被処理物と当接した際に、前記被処理物表面に形成された微小空間が存在する領域を囲んで封止する封止部材を備えているのが好ましい。このようにすれば、気体供給機構から処理室内に気体を供給して、余剰金属を当該処理室内から排出させる際に、前記封止部材によって、前記被処理物表面の微小空間が存在する領域を封止することができるので、余剰金属が排出される領域と封止領域とが隔離され、微小空間内に充填された金属が余剰金属の排出に伴って抜け出るといった問題が生じるのを防止することができる。
上述した参考態様及び本発明の金属充填装置において、前記溶融金属回収機構は、一端が前記処理部本体と前記供給機との間の前記供給管、又は前記処理部本体の処理室に接続され、他端が前記供給用タンクに接続された回収管と、該回収管に介装されて、該回収管の開閉状態を制御する回収用制御弁とを含んだ構成としても良い。このようにすれば、前記処理室内から排出された溶融金属は、回収管を介して前記供給用タンクに回収され、再利用される。尚、回収管に設けられる回収用制御弁は、供給機から処理室に溶融金属が供給される際には回収管を閉じ、余剰溶融金属を供給用タンクに回収する際には回収管を開く。
この場合に、前記溶融金属回収機構は、更に、前記回収用制御弁と前記供給管若しくは処理部本体との間の前記回収管、又は前記処理部本体と前記供給機との間の前記供給管に接続され、前記処理部本体から回収される溶融金属を一時的に収容するバッファタンクであって、収容した溶融金属を前記接続した管に押し戻す押戻機を具備したバッファタンクを備えていても良い。
このバッファタンクを備えた金属充填装置によれば、前記処理部本体から回収される溶融金属が一時的に当該バッファタンク内に収容され、収容された溶融金属が押戻機によって、接続先の管、即ち、回収管若しくは供給管に押し戻され、前記回収管を介して前記供給用タンクに回収される。
或いは、上記参考態様及び本発明における前記溶融金属回収機構は、溶融状態の金属を貯留する回収用タンクと、一端が前記処理部本体と前記供給機との間の前記供給管、又は前記処理部本体の処理室に接続され、他端が前記回収用タンクに接続された回収管と、該回収管に介装されて、該回収管の開閉状態を制御する回収用制御弁とを含んだ構成としても良い。このようにすれば、前記処理室内から排出された溶融金属は、回収管を介して前記回収タンクに回収される。尚、回収管に設けられる回収用制御弁は、供給機から処理室に溶融金属が供給される際には回収管を閉じ、余剰溶融金属を供給用タンクに回収する際には回収管を開く。
この場合に、前記溶融金属回収機構は、更に、一端が前記回収用タンクに接続され、他端が前記供給用タンクに接続された還流管と、該還流管に介装され、前記回収用タンク内の溶融金属を前記還流管を介して前記供給用タンクに還流させる還流機とを備えていても良い。このようにすれば、回収タンクに回収された余剰の溶融金属は、還流機により、還流管を介して供給用タンクに還流され、再利用される。
或いは、上記参考態様及び本発明における金属充填装置は、その前記供給機が、逆流する溶融金属を受容可能に構成されて、前記溶融金属回収機構の一部として機能するように構成されていても良い。この場合、前記溶融金属回収機構によって前記処理部本体から回収された溶融金属は、一旦、前記供給機に受容され、この供給機から前記供給管を介して前記供給用タンクに戻される。
尚、前記溶融金属を回収する経路は、溶融金属が外気に触れないように気密状に構成されていることが好ましい。このようにすれば、回収する溶融金属が外気に触れて変質・劣化することを防ぐことができ、これを再度、金属充填に利用する際に、金属の変質・劣化による充填不良などを招くことがない。
また、前記供給タンク内の溶融金属は、これを適宜攪拌手段によって攪拌することが好ましい。回収した溶融金属は、供給タンク内の溶融金属と混合されるが、これらを攪拌することによって、供給タンク内の溶融金属の状態を均一なものとすることができ、安定した品質の金属充填を実現することができる。尚、充填不良、或いは電極性能不良の原因となる溶融金属の酸化物は上に浮くため、これを混ぜ込むことがないように攪拌するのが好ましい。
また、良好な充填性を得るためには、回収時に、処理室内の溶融金属に作用させた圧力（加圧圧力）を保ったまま回収することが好ましい。
以上、詳述したように、本発明に係る金属充填装置によれば、微小空間内に充填されない余剰の溶融金属を、溶融金属回収機構によって回収することができるので、使用する金属材料の無駄を少なくすることができ、金属充填における材料コストを低減することができる。
また、溶融金属を回収する際に、前記処理部本体を構成する、上記参考態様の第２本体の押付部、又は上記本発明の押付部材を押付機構によって被処理物表面に当接させるようにすれば、被処理物上の余剰金属をごく僅かなものとすることができ、金属充填に要する材料コストを極限にまで低減することができる。また、冷却後に不要の固体化した金属を除去する手間を最小限に抑えることができる。
参考形態に係る金属充填装置の構成を示した説明図である。 参考形態に係る金属充填装置の動作を説明するための説明図である。 参考形態に係る金属充填装置の動作を説明するための説明図である。 参考形態に係る金属充填装置の動作を説明するための説明図である。 参考形態の変形例１に係る金属充填装置の構成を示した説明図である。 参考形態の変形例２に係る金属充填装置の構成を示した説明図である。 参考形態の変形例３に係る金属充填装置の構成を示した説明図である。 図７に示した金属充填装置の供給用ポンプを示した断面図である。 本発明の実施形態に係る金属充填装置の構成を示した説明図である。 実施形態の変形例１に係る金属充填装置の構成を示した説明図である。 実施形態の変形例２に係る金属充填装置の構成を示した説明図である。 実施形態の変形例３に係る金属充填装置の構成を示した説明図である。 参考形態及び実施形態の更なる変形例に係る金属充填装置の構成を示した説明図である。
以下、本発明の好ましい実施形態について、添付図面に基づき説明する。尚、本実施形態では、被処理物を半導体ウェハとし、この半導体ウェハ表面の、該表面に開口するように多数形成された微小孔（微小空間）内に金属を充填するものとする。
また、本例において、金属充填に用いられる金属は、鉛フリー半田（融点約２００℃）とする。半田のように比較的融点の低い金属は、取り扱いが容易であり、本発明を実施するときにも半導体ウェハＫの温度を比較的低く保てることから、半導体ウェハＫの配線材料等にダメージを与えないなどの点で有利であるからである。しかしながら、本発明における金属の種類は、半田に限定されるものではなく、微小空間を埋める目的やその機能に応じて、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ａｌ，Ｎｉ，Ｓｎ，Ｉｎ，Ｂｉ，Ｚｎやこれらの合金など任意のものを採用することができる。
［参考形態］
まず、参考形態について、図１〜図４に基づいて説明する。
１．装置構成
以下、本例の金属充填装置の装置構成について説明する。図１に示すように、本例の金属充填装置１は、処理部本体２、押付機７、溶融金属供給機構１０、溶融金属回収機構２０、廃棄機構２５、減圧機構３０及びガス供給機構４０の各部から構成される。
前記処理部本体２は、上面に開口する凹部３ａを備えた第１本体３と、前記凹部３ａに気密状に嵌合する押付部４ａ及びこれより大径のフランジ部４ｂを備えた第２本体４とからなる。第１本体３の凹部３ａの底面には、保持穴３ｂが形成されており、半導体ウェハＫは、その表面が前記底面から突出するように前記保持穴３ｂ内に収納され、保持される。そして、押付部４ａを凹部３ａに嵌合させて第１本体３及び第２本体４を組付けることにより、これら第１本体３及び第２本体４によって、その内部に気密状の処理室５が形成される。
尚、第１本体３及び第２本体４は、溶融金属Ｍを処理室５に供給した際、溶融金属Ｍがすぐに冷えて固化することがないように、図示しない適宜加熱機によって、上記鉛フリー半田の融点（２００℃）以上の温度に加熱されるようになっている。
前記押付機７は、油圧シリンダ等のアクチュエータから構成され、前記第２本体４を、その前記押付部４ａが第１本体３の凹部３ａ内に保持された半導体ウェハＫの表面に当接する押付位置（図４に示した位置）と、前記第１本体３から離反した待機位置（図３に示した位置）と、前記第１本体３から分離された初期位置（図２に示した位置）とに移動させる。尚、図１〜図４において、押付機７を第２本体の中心から位置ずれした位置に接続させた状態で描いているが、これは、作図上の都合によるものであり、好ましい態様としては、押付機７は第２本体の中心位置に接続される。
前記溶融金属供給機構１０は、溶融金属Ｍを貯留する供給用タンク１１と、前記処理室５に通じるように前記第２本体４に設けられたゲートバルブ１５と、一端が前記供給用タンク１１に接続され、他端が前記ゲートバルブ１５に接続された供給管１３と、この供給管１３に介装される供給ポンプ１２と、同じく供給管１３に介装される開閉バルブ１４とから構成される。供給ポンプ１２は、高温に溶融された溶融金属Ｍを加圧して吐出することができるものであればどのようなものでも良いが、一例としては、プランジャポンプを挙げることができる。
前記供給用タンク１１には、金属充填に用いられる金属が、その融点より高い温度に加熱され、溶融状態、即ち、液体状態で貯留されている。そして、前記供給ポンプ１２を駆動し、ゲートバルブ１５及び開閉バルブ１４を開いた状態とすることで、供給用タンク１１内の溶融金属Ｍが加圧された状態で前記処理部本体２の処理室５内に供給される。
尚、前記ゲートバルブ１５、供給管１３、開閉バルブ１４及び供給ポンプ１２は、それぞれ少なくとも溶融金属Ｍが流通する部分が、前記供給用タンク１１と同様に加熱されており、これにより、同部を流通する溶融金属Ｍが冷却されて固化するのを防止している。
前記溶融金属回収機構２０は、一端が前記処理部本体２と前記供給ポンプ１２との間の前記供給管１３に接続され、他端が前記供給用タンク１１に接続された回収管２１と、この回収管２１に介装された開閉バルブ２２及び絞り弁２３とからなる。尚、これら回収管２１、開閉バルブ２２及び絞り弁２３についても、それぞれ少なくとも溶融金属Ｍが流通する部分が、前記供給用タンク１１と同様に加熱されており、これにより、同部を流通する溶融金属Ｍが冷却されて固化するのが防止される。
前記減圧機構３０は、真空ポンプなどから構成される減圧機３１と、前記処理室５に通じるように前記第２本体４に設けられたゲートバルブ３５と、一端が前記供給用タンク１１に接続され、他端が前記減圧機３１に接続された減圧管３２と、一端が前記ゲートバルブ３５に接続され、他端が前記減圧機３１に接続された減圧管３３と、この減圧管３３に介装された開閉バルブ３４とからなる。
この減圧機構３０によれば、減圧機３１を作動させることで、減圧管３２を介して供給用タンク１１内が、例えば、１００Ｐａ程度の真空状態に減圧され、また、減圧機３１を作動させた状態で、後述の開閉バルブ４３を閉じ、前記開閉バルブ３４及びゲートバルブ３５を開くことで、減圧管３３を介して、前記処理部本体２の処理室５内が、例えば、前記真空状態に減圧される。供給用タンク１１内は、真空状態にしておくことが、溶融金属Ｍの劣化防止と、溶融金属から気泡を除するという意味で好ましい。尚、上述した圧力は、あくまでも例示であり、より高真空にまで減圧するようにしてもよい。
前記ガス供給機構４０は、Ｎ２ガスなどの不活性ガスを加圧して供給するガス供給機４１と、一端が前記ゲートバルブ３５と開閉バルブ３４との間の減圧管３３に接続され、他端が前記ガス供給機４１に接続されたガス供給管４２と、このガス供給管４２に介装された開閉バルブ４３とから構成される。
このガス供給機構４０によれば、前記開閉バルブ３４を閉じ、前記開閉バルブ４３及びゲートバルブ３５を開くことで、ガス供給機４１から、ガス供給管４２及びこれに接続する減圧管３３を介して、前記処理部本体２の処理室５内に加圧されたガスが供給される。
また、前記廃棄機構２５は、廃棄された溶融金属Ｍを貯留する廃棄タンク２６と、第１本体３の凹部３ａの底部に通じるように当該第１本体３に設けられたゲートバルブ２８と、一端が前記ゲートバルブ２８に接続され、他端が前記廃棄タンク２６に接続された廃棄管２７とから構成される。
２．金属充填操作
次に、図２乃至図４を用い、上記構成を備えた金属充填装置１による金属充填の操作手順について説明する。
まず、図２に示すように、押付機７を駆動して、第２本体４を前記初期位置に移動させて、第１本体３と第２本体４とを開いた状態にし、この状態で第１本体３の保持穴３ｂ内に半導体ウェハＫを収納して保持する。
このとき、前記ゲートバルブ１５，２８，３５はそれぞれ閉じられており、開閉バルブ１４，２２，３４，４３もそれぞれ閉じられている。
この後、押付機７により第２本体４を前記待機位置に移動させて、第２本体４の押付部４ａを第１本体３の凹部３ａに嵌合させる。これにより、図３に示すように、第１本体３の凹部３ａ及び第２本体４の押付部４ａによって気密状の処理室５が形成される。
ついで、開閉バルブ３４及びゲートバルブ３５を開いて、減圧管３３を介し処理室５内の空気を排気して、供給用タンク１１と同様に、当該処理室５内を真空状態にする。
次に、図３に示すように、減圧管３３の開閉バルブ３４及びゲートバルブ３５を閉じて、処理室５内を真空状態に保ったまま、供給ポンプ１２を作動させるとともに、開閉バルブ１４及びゲートバルブ１５を開いて、供給用タンク１１内の溶融金属Ｍを加圧して、半導体ウェハＫの全面を覆うように処理室５の内部に供給し、処理室５内の空間全体が溶融金属Ｍによって満たされるようにする。
上記のように、処理室５内は減圧機３１によって真空状態にされており、処理室５内に保持された半導体ウェハＫの微小空間内も真空状態となっている。したがって、半導体ウェハＫの全面を覆うように溶融金属Ｍを供給することで、当該溶融金属Ｍが前記微小空間内に充填され、更に、処理室５内の空間全体が溶融金属Ｍによって満たされるように供給することで、供給ポンプ１２の元圧が処理室５内の溶融金属Ｍに伝わってこれが加圧され、処理室５内の溶融金属Ｍがより強い力で微小空間内に充填される。これにより、空隙やボイドのない良好な状態で、前記微小空間内に金属を充填することができる。
次に、図４に示したように、供給管１３の開閉バルブ１４を閉じた後、回収管２１の開閉バルブ２２を開き、しかる後、前記押付機７により第２本体４を更に下方に移動させてその押付部４ａを半導体ウェハＫの表面に当接させる。これにより、処理室５内の容積が収縮し、これに応じて処理室５内の余剰の溶融金属Ｍがゲートバルブ１５から押し出されて逆流し、供給ポンプ１２との間の供給管１３から分岐する回収管２１を経由して、供給用タンク１１に回収される。
その際、回収管２１には絞り弁２３を設けているので、処理室５内の溶融金属Ｍは、その圧力が所定の圧力に維持される。尚、絞り弁２３によって維持されるべき溶融金属Ｍの圧力は、微小空間に充填される金属に空隙やボイドが生じない圧力であって、経験的に設定されるものであり、前記絞り弁２３は、処理室５内の溶融金属Ｍの圧力が上記所定圧力に維持される開度となるように調整される。尚、回収操作中にも供給ポンプ１２を動作させおくと、処理室５内の溶融金属Ｍの圧力を確実に維持することができるので、より好ましい。
また、第２本体４の押付部４ａを半導体ウェハＫの表面に当接させるようにしているので、半導体ウェハＫ上の余剰の溶融金属Ｍを当該半導体ウェハＫ上から取り除き、これをごく僅かなものとすることができる。
斯くして、上記押付機７の作用は、溶融金属Ｍの回収に直接的に関与するもので、溶融金属回収機構２０と協働することで溶融金属Ｍの回収が果たされる。したがって、押付機７は、本発明における溶融金属回収機能の一部を担うものである。
尚、前記第２本体４を下方に移動させて、半導体ウェハＫ上の余剰の溶融金属Ｍを押し出す際には、第２本体４と半導体ウェハＫとの密着性を高めることが望ましいので、第２本体４のうち、半導体ウェハＫの表面と接する領域は、弾性や耐熱性に優れるテフロン（登録商標，ポリテトラフルオロエチレン）などによって表面処理しておくことが好ましい。
以上のようにして、処理室５内の余剰の溶融金属Ｍを回収した後、次に、回収管２１の開閉バルブ２２及びゲートバルブ１５を閉じ、しかる後、ガス供給管４２の開閉バルブ４３及びゲートバルブ３５を開いて、ガス供給機４１から処理室５内に不活性ガスを供給するとともに、廃棄管２７のゲートバルブ２８を開いて、処理室５内に供給された不活性ガスを廃棄タンク２６に排気する。これにより、処理室５内が不活性ガスによって掃気され、この不活性ガスのガス流によって、処理室５内に残留する僅かな溶融金属Ｍ、即ち、第２本体４の移動によって回収されなかった溶融金属Ｍがゲートバルブ２８から廃棄管２７を経由して廃棄タンク２６に回収される。
尚、この場合、第２本体４の押付部４ａの下面外周に、例えば、Ｏリングなどの封止部材を設け、押付部４ａの下面が半導体ウェハＫの表面と当接した際に、半導体ウェハＫ表面に形成された微小空間の存在する領域が、この封止部材によって囲まれて封止されるようにするのが好ましい。このようにすれば、封止部材によって囲まれる領域と、不活性ガスが存在する外部領域とを、気密状に遮断することができ、上記掃気によって、微小空間内の溶融金属Ｍと不活性ガスとの置換が生じるのを防止することができる。
上述のように、余剰の溶融金属Ｍの多くは第２本体４を半導体ウェハＫに当接するように移動させることによって回収されるが、図４に示すように、処理室５の底面と半導体ウェハＫの上面との段差によって生じる空間には、依然として溶融金属が残ることになる。このような溶融金属Ｍは、長く処理室内に滞留することによって変質する可能性があり、変質した溶融金属Ｍが滞留すると、次の半導体ウェハＫを処理する際に供給される溶融金属Ｍと混合されて、充填金属が不良となるおそれがある。
したがって、再利用できない溶融金属Ｍを上記廃棄処理によって廃棄タンク２６に回収することで、充填処理後の処理室５内を、余剰の溶融金属Ｍが存在しない清浄な状態にすることができ、複数の半導体ウェハＫに対して連続的に充填処理を行なう場合にも、高品質の金属充填を継続して実施することができる。
上記廃棄処理を終了すると、次に、ゲートバルブ２８、開閉バルブ４３及びゲートバルブ３５を閉じるとともに、第１本体３及び第２本体４の加熱を停止し、これらを溶融金属Ｍの融点以下の温度まで冷却して、半導体ウェハＫに充填された溶融金属Ｍを固化させる。ついで、押付機７により第２本体４を上方の初期位置に移動させて、図２に示すように、第１本体３と第２本体４とを分離し、半導体ウェハＫを第１本体３から取り出して、一つの半導体ウェハＫに対する金属充填処理を終了する。そして、複数の半導体ウェハＫに対して連続的に充填処理を行なう場合には、上記の処理を繰り返して実行する。
３．まとめ
以上詳述したように、本例の金属充填装置１によれば、半導体ウェハＫ上の余剰の溶融金属Ｍを、押付機７及び溶融金属回収機構２０の作用によって当該半導体ウェハＫ上から供給用タンク１１に回収して再利用するようにしているので、使用する金属材料の無駄を少なくすることができ、金属充填における材料コストを低減することができる。
また、溶融金属Ｍを回収する際に、第２本体４の押付部４ａを半導体ウェハＫの表面に当接させるようにしているので、微小空間内に充填されず、半導体ウェハＫ上に残った余剰金属をごく僅かなものとすることができ、金属充填に要する材料コストを極限にまで低減することができる。また、冷却後に不要の固体化した金属を半導体ウェハＫ上から除去する手間を最小限に抑えることができる。
更に、前記回収管２１に絞り弁２３を設けているので、溶融金属Ｍを回収する際に、開閉バルブ２２を開いて、供給用タンク１１内と処理室５内とを連通状態にしても、供給用タンク１１内の真空圧が処理室５内に作用することは無く、当該処理室５内を加圧状態に維持することができ、良好な充填性を維持することができる。
なお、溶融金属Ｍを供給用タンク１１に回収する経路は、溶融金属Ｍの劣化（特に、酸化）を防ぐため、外気に触れないように構成されていることが好ましい。
また、供給用タンク１１内の溶融金属Ｍは、これを適宜攪拌機（攪拌プロペラなど）によって攪拌するのが好ましい。回収された溶融金属Ｍは、供給用タンク１１内の溶融金属Ｍと混合されるが、これらを攪拌することによって供給用タンク１１内の溶融金属Ｍの状態を均一なものとすることができ、安定した品質の金属充填を実現することができる。尚、充填不良、或いは電極性能不良の原因となる溶融金属の酸化物は上に浮くため、これを混ぜ込むことがないように攪拌するのが好ましい。
また、金属充填処理を行う前の待機時には、供給管１３及び回収管２１内に溶融金属Ｍが滞留することになるが、この場合、開閉バルブ１４，２２を適宜制御するとともに、供給ポンプ１２を作動させて、溶融金属Ｍを、供給用タンク１１→供給管１３→供給ポンプ１２→回収管２１→供給用タンク１１の経路で循環させるようにするとよい。加熱した溶融金属Ｍをこれら部材間で循環させることによって、溶融金属Ｍが一部部材に滞って変質すること等を防ぐことができる。
また、供給管１３及び回収管２１はできるだけ短くすることが好ましい。前述のように、溶融金属Ｍが冷えて固化しないよう、供給管１３及び回収管２１を溶融金属Ｍの融点以上の温度に加熱しておく必要があるが、管長が長くなるほど、余分なヒータやその電力が必要になるからである。また、管長が長いと、温度差によって配管の一部で溶融金属Ｍが凝固或いは変質するおそれがあるが、配管が短ければ、配管上の温度を全長にわたって均温化しやすい。
次に、上記金属充填装置１の変形例について説明する。
［参考形態における変形例１］
図５は、この変形例に係る金属充填装置５０の構成を示す説明図である。尚、この金属充填装置５０は、上述した金属充填装置１の溶融金属回収機構２０に代えて、これとは構成が異なる溶融金属回収機構５１を備えたものである。したがって、上述した金属充填装置１と同じ構成部分については同一の符号を付して、その詳しい説明を省略する。また、金属充填操作及び溶融金属の廃棄操作については、上記金属充填装置１の場合と同様であるので、その詳しい説明は省略し、主に溶融金属の回収操作について説明する。
図５に示すように、前記溶融金属回収機構５１は、回収された溶融金属Ｍが貯留される回収用タンク５２と、一端が前記処理部本体２と前記供給ポンプ１２との間の前記供給管１３に接続され、他端が前記回収用タンク５２に接続された回収管５３と、この回収管５３に介装された開閉バルブ５４及び絞り弁５５と、一端が前記回収用タンク５２に接続され、他端が前記供給用タンク１１に接続された還流管５７と、この還流管５７に介装された還流用ポンプ５６と、この還流用ポンプ５６と前記供給用タンク１１との間の還流管５７に介装された開閉バルブ５８と、一端が回収用タンク５２に接続され、他端が前記減圧管３２に接続される減圧管５９とから構成される。
尚、前記回収タンク５２は、溶融金属Ｍが溶融状態を維持することができるように、その融点以上の温度に加熱されており、前記回収管５３、開閉バルブ５４、絞り弁５５、還流用ポンプ５６、還流管５７及び開閉バルブ５８についても、それぞれ少なくとも溶融金属Ｍが流通する部分が同様に加熱されており、これにより、溶融金属Ｍが冷却されて固化するのが防止される。
この金属充填装置５０によれば、開閉バルブ５４を閉じた状態で、上記の金属充填装置１と同様の操作を行なうことにより、半導体ウェハＫの微小空間内に溶融金属Ｍが充填される。そして、開閉バルブ１４を閉じ、開閉バルブ５４を開いた状態で、押付機７により、第２本体４を前記待機位置から押付位置に移動させて、その押付部４ａを半導体ウェハＫの表面に当接させると、処理室５内の容積が収縮し、これに応じて処理室５内の余剰の溶融金属Ｍがゲートバルブ１５から押し出されて逆流し、供給ポンプ１２との間の供給管１３から分岐する回収管５３を経由して、回収用タンク５２に回収される。その際、回収管５３には絞り弁５５を設けているので、処理室５内の溶融金属Ｍは、その圧力が所定の圧力に維持される。
そして、このようにして回収用タンク５２に所定量の溶融金属Ｍが回収されると、開閉バルブ５８を開いた状態で還流用ポンプ５６を駆動して、回収用タンク５２内の溶融金属Ｍを、還流管５７を介して供給用タンク１１に還流させる。
斯くして、この金属充填装置５０によっても、上述した金属充填装置１と同様の効果が奏される。
尚、この金属充填装置５０において、前記還流用ポンプ５６、還流管５７及び開閉バルブ５８から構成される還流機構部は、必ずしも必要ではなく、適量の溶融金属Ｍが回収用タンク５２に回収された段階で、手動操作により、回収用タンク５２内の溶融金属Ｍを供給用タンク１１に戻すようにしても良い。
［参考形態における変形例２］
図６は、この変形例に係る金属充填装置６０の構成を示す説明図である。尚、この金属充填装置６０は、上述した金属充填装置１の溶融金属回収機構２０に代えて、これとは構成が異なる溶融金属回収機構６１を備えたものである。したがって、上述した金属充填装置１と同じ構成部分については同一の符号を付して、その詳しい説明を省略する。また、金属充填操作、及び溶融金属の廃棄操作については、上記金属充填装置１の場合と同様であるので、その詳しい説明は省略し、主に溶融金属の回収操作について説明する。
図６に示すように、前記溶融金属回収機構６１は、一端が前記処理部本体２と前記供給ポンプ１２との間の前記供給管１３に接続され、他端が前記供給用タンク１１に接続された回収管６２と、この回収管６２に介装された開閉バルブ６３及び絞り弁６４と、前記回収管６２に接続されたバッファタンク６５とから構成される。
前記バッファタンク６５は、その内部に、バネ６５ａ及びこのバネ６５ａによって前記回収管６２側に付勢される可動板６５ｂとを備えており、回収管６２との接続部と可動板６５ｂとの間に収容空間６５ｃが形成された構成を備えている。そして、バネ６５ａは、収容空間６５ｃ内に収容された溶融金属Ｍを、可動板６５ｂを介してそのバネ係数に応じた付勢力で押圧する。
尚、この金属充填装置６０においても、溶融金属Ｍが溶融状態を維持することができるように、回収管６２、開閉バルブ６３及び絞り弁６４の少なくとも溶融金属Ｍが流通する部分、並びにバッファタンク６５が、溶融金属Ｍの融点以上の温度に加熱されている。
この金属充填装置６０によれば、開閉バルブ６３を閉じた状態で、上記の金属充填装置１と同様の操作を行なうことにより、半導体ウェハＫの微小空間内に溶融金属Ｍが充填される。尚、前記バネ６５ａのバネ係数は、当該バネ６５ａの付勢力によって、前記収容空間６５ｃ内の溶融金属Ｍに作用する圧力が、前記供給用ポンプ１２の吐出圧（元圧）よりも高い圧力となるように設定されており、したがって、金属充填操作時に、供給用ポンプ１２から吐出された溶融金属Ｍがこのバッファタンク６５に流れ込まないようになっている。
次に、開閉バルブ１４及び開閉バルブ６３を閉じた状態で、押付機７により、第２本体４を前記待機位置から前記押付位置に移動させて、その押付部４ａを半導体ウェハＫの表面に当接させる。これにより、処理室５内の容積が収縮し、これに応じて処理室５内の余剰の溶融金属Ｍがゲートバルブ１５から押し出されて逆流し、供給ポンプ１２との間の供給管１３から分岐する回収管６２を経由して、バッファタンク６５の収容空間６５ｃに一時的に回収される。尚、当然のことながら、前記押付機７は、前記バネ６５ａによって前記収容空間６５ｃ内の溶融金属Ｍに作用する圧力よりも高い圧力を生じるように、前記処理室５内の溶融金属Ｍを押圧する。
このようにして、処理室５内の溶融金属Ｍをバッファタンク６５の収容空間６５ｃに回収した後、ゲートバルブ１５を閉じた状態で開閉バルブ６３を開くと、バッファタンク６５内に回収された溶融金属Ｍが、バネ６５ａの付勢力によって、回収管６２に押し出され、この回収管６２を通って供給用タンク１１に回収される。尚、回収管６２に設けた絞り弁６４は、バッファタンク６５から供給用タンク１１に流れる溶融金属Ｍの流速を制御する役割をなし、この溶融金属Ｍが供給用タンク１１に向けて急速に流れて、この供給用タンク１１内が掻き乱されるのを防止する役割を担っている。
斯くして、この金属充填装置５０によっても、上述した金属充填装置１と同様の効果が奏される。
尚、前記バッファタンク６５のバネ６５ａは、これに限るものではなく、前記収容空間６５ｃ内の溶融金属に対して必要な上記付勢力を加えることができる押戻機として機能するものであれば、どのような構成のものでも良く、例えば、可動板６５ｂの背面にガス圧を作用させる構成や、適宜アクチュエータによって、可動板６５ｂの背面に作用力を加える構成のものでも良い。
［参考形態における変形例３］
図７は、この変形例に係る金属充填装置７０の構成を示す説明図である。尚、この金属充填装置７０は、上述した金属充填装置１の構成から、前記溶融金属回収機構２０を取り外すとともに、供給用ポンプとして、図８に示したプランジャポンプ７１を用い、このプランジャポンプ７１に、金属回収機構の機能を持たせた態様のものである。したがって、上述した金属充填装置１と同じ構成部分については同一の符号を付して、その詳しい説明を省略する。また、金属充填操作、及び溶融金属の廃棄操作については、上記金属充填装置１の場合と同様であるので、その詳しい説明は省略し、主に溶融金属の回収操作について説明する。
図８に示すように、本例の金属充填装置７０を構成するプランジャポンプ７１は、円筒状の内部空間の一方側がシリンダ室７２ａ、他方側が加圧室７２ｂとなった本体７２と、この本体７２の内部空間内に配置されるプランジャ７３と、前記シリンダ室７２ａと加圧室７２ｂとを液密状に区画するベローズ７４とから構成される。
前記プランジャ７３は、前記シリンダ室７２ａに嵌合されるピストン部７３ａと、前記加圧室７２ｂに位置し、前記ピストン部７３ａより小径に形成された加圧部７３ｂと、これらピストン部７３ａと加圧部７３ｂとを連結する連結部７３ｃとから構成される。また、前記ベローズ７４は、その一方が前記シリンダ室７２ａと加圧室７２ｂとの境界部の前記本体７２の内壁に固設され、他方が加圧部７３ｂに固設されて、上記のように、シリンダ室７２ａと加圧室７２ｂとを液密状に区画する。
また、前記本体７２には、前記シリンダ室７２ａの、前記ピストン部７３ａを挟んだ両側の領域の内、図８において上側（加圧側）の領域に通じる加圧側ポート７２ｃ、下側（戻し側）の領域に通じる戻し側ポート７２ｄがそれぞれ形成されており、これら加圧側ポート７２ｃ、及び戻し側ポート７２ｄに、切換弁７５により切り換えられて、適宜圧油供給源から圧油が供給される。
更に、前記本体７２には、加圧室７２ｂに通じる吸入ポート７２ｅ及び吐出ポート７２ｆが形成されており、吸入ポート７２ｅには、前記供給用タンク１１に繋がる供給管１３ａが接続され、吐出ポート７２ｆには、ゲートバルブ１５に繋がる供給管１３ｂが接続されている。
この金属充填装置７０によれば、上記金属充填装置１と同様の操作を行なうことにより、半導体ウェハＫの微小空間内に溶融金属Ｍが充填される。
このとき、プランジャポンプ７１は、以下の動作によって、供給用タンク１１内の溶融金属Ｍを、処理部本体１の処理室５内に供給する。
即ち、プランジャポンプ７１は、まず、開閉バルブ１４を開いた状態で、戻し側ポート７２ｄから戻し側のシリンダ室７２ａに圧油が供給されることにより、プランジャ７３が上方に移動し、これにより、加圧室７２ｂ内の容積が拡大して、供給用タンク１１内の溶融金属Ｍが、供給管１３を経由して前記吸入ポート７２ｅから加圧室７２ｂ内に吸入される。ついで、開閉バルブ１４を閉じた状態で、加圧側ポート７２ｃから加圧側のシリンダ室７２ａに圧油が供給されることにより、プランジャ７３が下方に移動し、これにより加圧室７２ｂ内の容積が収縮して、加圧室７２ｂ内の溶融金属Ｍが加圧され、加圧された溶融金属Ｍが吐出ポート７２ｆから吐出されて、供給管１３及びゲートバルブ１５を経由して前記処理室５内に供給される。
半導体ウェハＫの微小空間内に溶融金属Ｍが充填されると、次に、開閉バルブ１４を閉じた状態で、押付機７により、第２本体４を前記待機位置から押付位置に移動させて、その押付部４ａを半導体ウェハＫの表面に当接させる。これにより、処理室５内の容積が収縮し、これに応じて処理室５内の余剰の溶融金属Ｍがゲートバルブ１５から押し出されて逆流し、供給管１３を経由して、プランジャポンプ７１の加圧室７２ｂ内に流入する。尚、前記押付機７は、プランジャポンプ７１の吐出圧よりも高い圧力を生じるように、前記処理室５内の溶融金属Ｍを押圧するようになっており、これにより、プランジャ７３が上方に移動して、加圧側のシリンダ室７２ａ内の圧油が加圧側ポート７２ｃから上流側に押し戻され、これに伴って、加圧室７２ｂの容積が拡大して、上記の如く、処理室５内の溶融金属Ｍが逆流し、プランジャポンプ７１の加圧室７２ｂ内に流入する。
このようにして、処理室５内の余剰の溶融金属Ｍを、一旦、プランジャポンプ７１の加圧室７２ｂ内に回収した後、ゲートバルブ１５を閉じた状態で、開閉バルブ１４を開くと、プランジャポンプ７１のプランジャ７３が、その加圧側のシリンダ室７２ａに作用する圧油によって下方に移動して、加圧室７２ｂ内の溶融金属Ｍを供給管１３に押し出し、押し出された溶融金属Ｍが当該供給管１３を通って供給用タンク１１に回収される。
このように、供給ポンプとして、プランジャポンプ７１のような、逆流する溶融金属を受容可能に構成されたものを用いれば、このプランジャポンプ７１に溶融金属回収機構としての機能を担わせることができ、上例のような特別な機構を設ける必要がない。したがって、装置の構造を簡便なものとすることができるとともに、溶融金属Ｍが冷えて固化しないようヒータによって加熱すべき領域も最小限とすることができるので、装置の低コスト化を図ることができる。
［実施形態］
次に、本発明の実施形態について、図９に基づいて説明する。
１．装置構成
まず、本実施形態に係る金属充填装置の装置構成について説明する。図９に示すように、本例の金属充填装置１００は、処理部本体１１０、押付機７、溶融金属供給機構１０、溶融金属回収機構２０、廃棄機構２５、減圧機構３０及びガス供給機構４０の各部から構成される。尚、押付機７、溶融金属供給機構１０、溶融金属回収機構２０、廃棄機構２５、減圧機構３０及びガス供給機構４０は、処理部本体１１０への接続が、上述した金属充填装置１とは異なるが、その他の構成は同じであるので、同一の符号を付して、その詳しい説明は省略する。
前記処理部本体１００は、前記半導体ウェハＫを保持する保持部材１１１と、内部空間を有し、一端が前記保持部材１１１と対向して設けられる筒状部材１１２と、この筒状部材１１２の内部空間内に進退自在、且つ気密状に挿入された押付部材１１３とから構成される。尚、この処理部本体１００は、適宜加熱機によって、溶融金属Ｍの融点以上の温度に加熱されている。
前記保持部材１１１は、図示しない昇降機構によって上下動するように構成されており、この昇降機構（図示せず）によって下方に移動したとき、保持部材１１１と筒状部材１１２とが分離して、保持部材１１１上に半導体ウェハＫを載置可能となり、前記昇降機構（図示せず）によって上方に移動したとき、その上面が筒状部材１１２の下面に当接してこれらが気密状に組み付けられる。
また、筒状部材１１２の下面には、保持部材１１１に保持された半導体ウェハＫを収納する収納凹部１１２ａが形成されており、保持部材１１１及び筒状部材１１２は、半導体ウェハＫが保持部材１１１上に保持され、且つ筒状部材１１２の収納凹部１１２ａに収納された状態で組み付けられる。斯くして、このようにして、保持部材１１１と筒状部材１１２が組み付けられると、半導体ウェハＫ、筒状部材１１２及び押付部材１１３によって気密状の処理室１１４が形成される。
尚、このように構成することで、半導体ウェハＫが筒状部材１１２によって押えられ、処理室１１４内に溶融金属Ｍを供給した際に、半導体ウェハＫの浮き上がりや、半導体ウェハＫの裏面への溶融金属Ｍの回り込みを防止することができて好ましいが、これに限られるものではなく、筒状部材１１２の内径を半導体ウェハＫの外径よりも大径にして、半導体ウェハＫが筒状部材１１２の内部空間内に収まるようにしても良い。この場合、保持部材１１１、筒状部材１１２及び押付部材１１３によって気密状の処理室１１４が形成される。
また、筒状部材１１２は、前記処理室１１４を形成する大径の内径部と、これより小径の内径部とを有しており、この小径の内径部に前記押付部材１１３が気密状に嵌入され、押付部材１１３の外周面と前記大径の内周面との間に隙間が生じるようになっている。
更に、筒状部材１１２には、可能な限り前記収納凹部１１２ａに接近させた位置に、前記溶融金属供給機構１０のゲートバルブ１５及び廃棄機構２５のゲートバルブ２８が、前記処理室１１４内に通じるように配設され、また、前記減圧機構３０のゲートバルブ３５が、前記大径の内径部の上部位置に、前記処理室１１４内に通じるように配設されている。
また、前記押付機７は、前記押付部材１１３を、その下面が、保持部材１１１に保持された半導体ウェハＫの表面に当接する押付位置と、半導体ウェハＫの表面から所定の距離だけ離れた待機位置との間で移動させる。尚、図９において、押付機７を、押付部材１１３の中心から位置ずれした位置に接続させた状態で描いているが、これは、作図上の都合によるものであり、好ましい態様としては、押付機７は押付部材１１３の中心位置に接続される。
２．金属充填操作
次に、上記構成を備えた金属充填装置１００による金属充填の操作手順について説明する。尚、ここでは、金属充填及び余剰の溶融金属を回収する操作手順について主に説明し、好ましい態様等の付加的な要素については、上述した金属充填装置１の場合と同様であるので、その詳しい説明は省略する。
まず、図９に示すように、保持部材１１１上に半導体ウェハＫを保持した状態で、保持部材１１１と筒状部材１１２と組み付ける。尚、このとき、押付機７は押付部材１１３を待機位置に位置させている。
また、供給用タンク１１内は、減圧機３１によって真空状態となっており、ゲートバルブ１５，２８，３５はそれぞれ閉じられ、開閉バルブ１４，２２，３４，４３もそれぞれ閉じられている。
この後、開閉バルブ３４及びゲートバルブ３５を開いて、減圧管３３を介し処理室１１４内の空気を排気して、供給用タンク１１と同様に、当該処理室１１４内を真空状態にする。
次に、処理室１１４内を真空状態に保ったまま、供給ポンプ１２を作動させるとともに、開閉バルブ１４及びゲートバルブ１５を開いて、供給用タンク１１内の溶融金属Ｍを加圧して半導体ウェハＫの全面を覆うように処理室１１４の内部に供給し、少なくとも押付部材１１３の下端部が溶融金属Ｍに浸漬されるように、当該溶融金属Ｍを供給する。これにより、減圧機３１によって真空状態になった半導体ウェハＫの微小空間内に溶融金属Ｍが充填される。
尚、既述のように、溶融金属Ｍの表面張力の影響を少なくしたり、半導体ウェハＫの濡れ性の悪さを補ったりして、十分な金属充填を行うためには、ある程度多量の溶融金属Ｍで半導体ウェハＫを覆うことが望ましい。例えば、１０ｍｍの厚さに溶融金属Ｍを供給すれば、半導体ウェハＫのすべての領域が十分な分量の溶融金属Ｍで覆われることになるので、微小空間内を安定して金属充填することができる。したがって、押付機７によって位置決めされる押付部材１１３の前記待機位置は、当該押付部材１１３の下面と半導体ウェハＫの上面との間の間隔が、半導体ウェハＫ上に形成されるべき溶融金属Ｍの厚さ以上となるように設定される。
次に、開閉バルブ３４を閉じ、開閉バルブ１４及びゲートバルブ１５を閉じた状態で、開閉バルブ４３を開いて、ガス供給機４１からガス供給管４２を介して処理室１１４内に加圧された不活性ガスを供給して、当該処理室１１４内を加圧する。これにより、処理室１１４内の溶融金属Ｍが加圧され、このガス圧力によって溶融金属Ｍが微小空間内に充填されるため、空隙やボイドのない良好な状態で充填される。尚、押付部材１１３の下端部が溶融金属Ｍに浸漬されるように、溶融金属Ｍを供給しているので、処理室１１４内に不活性ガスを供給して溶融金属Ｍを加圧した際に、押付部材１１３の下面と半導体ウェハＫ表面との間に、不活性ガスが回り込むことがなく、折角充填した微小空間内の溶融金属Ｍが不活性ガスと置換されるといった不都合を生じることはない。
次に、押付機７により押付部材１１３を下方の押付位置に移動させて、その下面を半導体ウェハＫの表面に当接させる。これにより、半導体ウェハＫ上の余剰の溶融金属Ｍが当該半導体ウェハＫ上から押し出される。
ついで、供給管１３の開閉バルブ１４を閉じた状態で、回収管２１の開閉バルブ２２、及びゲートバルブ１５を開く。これにより、処理室１１４内で不活性ガスによって加圧されている余剰の溶融金属Ｍがゲートバルブ１５から押し出されて逆流し、供給ポンプ１２との間の供給管１３から分岐する回収管２１を経由して、供給用タンク１１に回収される。その際、回収管２１には絞り弁２３を設けているので、処理室５内の溶融金属Ｍは、その圧力が所定の圧力に維持される。
尚、溶融金属Ｍの液面が低下して、ゲートバルブ１５から不活性ガスが排気されると、この不活性ガスが供給管１３、供給ポンプ１２や供給用タンク１１に入り込むことになるので、回収操作は、ゲートバルブ１５から不活性ガスが排気される前に終了するのが好ましい。
また、排出によって溶融金属Ｍの液面が低下し、これが半導体ウェハＫ表面に近づくと、微小空間内の溶融金属Ｍと不活性ガスとの置換が生じる恐れがある。したがって、このような不都合を防止するために、押付部材１１３の下面外周に、例えば、Ｏリングなどの封止部材を設け、押付部材１１３の下面が半導体ウェハＫの表面と当接した際に、半導体ウェハＫ表面に形成された微小空間の存在する領域が、この封止部材によって囲まれて封止されるようにするのが好ましい。このようにすれば、封止部材によって囲まれる領域と、不活性ガスが存在する外部領域とを、気密状に遮断することができ、上述の置換が生じない。
斯くして、上記ガス供給機構４０の作用は、溶融金属Ｍの回収に直接的に関与するもので、溶融金属回収機構２０と協働することで溶融金属Ｍの回収が果たされる。したがって、ガス供給機構４０は、本発明における溶融金属回収機能の一部を担うものである。
以上のようにして、処理室１１４内の余剰の溶融金属Ｍを回収した後、次に、開閉バルブ２２及びゲートバルブ１５を閉じ、しかる後、ゲートバルブ２８を開いて、処理室１１４内に供給された不活性ガスを廃棄タンク２６に排気する。これにより、処理室１１４内が不活性ガスによって掃気され、この不活性ガスのガス流によって、処理室１１４内に残留する僅かな溶融金属Ｍがゲートバルブ２８から廃棄管２７を経由して廃棄タンク２６に回収される。
尚、この掃気操作においても、上記のように、押付部材１１３の下面外周に、Ｏリングなどの封止部材を設けることで、上記掃気によって、微小空間内の溶融金属Ｍと不活性ガスとの置換が生じるのを防止することができる。
ついで、ゲートバルブ２８、開閉バルブ４３及びゲートバルブ３５を閉じ、しかる後、処理部本体１１０の加熱を停止し、これを溶融金属Ｍの融点以下の温度まで冷却して、半導体ウェハＫに充填された溶融金属Ｍを固化させる。ついで、押付機７により押付部材１１３を上方の待機位置に移動させた後、前記昇降機構（図示せず）によって保持部材１１１を下方に移動させ、これを筒状部材１１２から分離して、保持部材１１１上の半導体ウェハＫを取り出し、一つの半導体ウェハＫに対する金属充填処理を終了する。そして、複数の半導体ウェハＫに対して連続的に充填処理を行なう場合には、上記の処理を繰り返して実行する。
３．まとめ
以上詳述したように、本例の金属充填装置１００によっても、半導体ウェハＫ上の余剰の溶融金属Ｍを、押付機７及び溶融金属回収機構２０の作用によって当該半導体ウェハＫ上から供給用タンク１１に回収して再利用するようにしているので、使用する金属材料の無駄を少なくすることができ、金属充填における材料コストを低減することができる。
また、溶融金属Ｍを回収する際に、押付部材１１３を半導体ウェハＫの表面に当接させるようにしているので、微小空間内に充填されず、半導体ウェハＫ上に残った余剰金属をごく僅かなものとすることができ、金属充填に要する材料コストを極限にまで低減することができる。また、冷却後に不要の固体化した金属を半導体ウェハＫ上から除去する手間を最小限に抑えることができる。
更に、前記回収管２１に絞り弁２３を設けているので、溶融金属Ｍを回収する際に、開閉バルブ２２を開いて、供給用タンク１１内と処理室１１４内とを連通状態にしても、供給用タンク１１内の真空圧が処理室１１４内に作用することは無く、当該処理室１１４内を加圧状態に維持することができ、良好な充填性を維持することができる。
次に、上記金属充填装置１００の変形例について説明する。
［実施形態における変形例１］
図１０は、この変形例に係る金属充填装置１２０の構成を示す説明図である。尚、この金属充填装置１２０は、上述した金属充填装置１００の溶融金属回収機構２０に代えて、上述した金属充填装置５０の溶融金属回収機構５１を備えたものである。したがって、上述した金属充填装置１及び金属充填装置１００と同じ構成部分については同一の符号を付して、その詳しい説明を省略する。また、金属充填操作及び溶融金属の廃棄操作については、上記金属充填装置１００の場合と同様であるので、その詳しい説明は省略し、主に溶融金属の回収操作について説明する。
この金属充填装置１２０によれば、開閉バルブ５４を閉じた状態で、上記の金属充填装置１００と同様の操作を行なうことにより、処理室１１４内に溶融金属Ｍが供給される。この後、開閉バルブ１４及びゲートバルブ１５を閉じた状態で、ゲートバルブ３５及び開閉バルブ４３を開いて、ガス供給機４１からガス供給管４２を介して処理室１１４内に加圧された不活性ガスを供給して、当該処理室１１４内を加圧する。これにより、処理室１１４内の溶融金属Ｍが加圧され、処理室１１４内の溶融金属Ｍは、ガス圧力によって微小空間内の全域に充填される。
次に、押付機７により押付部材１１３を下方の押付位置に移動させて、その下面を半導体ウェハＫの表面に当接させる。これにより、半導体ウェハＫ上の余剰の溶融金属Ｍが当該半導体ウェハＫ上から押し出される。
ついで、回収管５３の開閉バルブ５４、及びゲートバルブ１５を開く。これにより、処理室１１４内で不活性ガスによって加圧されている余剰の溶融金属Ｍがゲートバルブ１５から押し出されて逆流し、供給ポンプ１２との間の供給管１３から分岐する回収管５３を経由して、回収用タンク５２に回収される。その際、回収管５３には絞り弁５５を設けているので、処理室１１４内の溶融金属Ｍは、その圧力が所定の圧力に維持される。
そして、このようにして回収用タンク５２に所定量の溶融金属Ｍが回収されると、開閉弁５８を開いた状態で還流用ポンプ５６を駆動して、回収用タンク５２内の溶融金属Ｍを、還流管５７を介して供給用タンク１１に還流させる。
斯くして、この金属充填装置１２０によっても、上述した金属充填装置１及び金属充填装置１００と同様の効果が奏される。
尚、この金属充填装置１２０において、前記還流用ポンプ５６、還流管５７及び開閉バルブ５８から構成される還流機構部は、必ずしも必要ではなく、適量の溶融金属Ｍが回収用タンク５２に回収された段階で、手動操作により、回収用タンク５２内の溶融金属Ｍを供給用タンク１１に戻すようにしても良い。
［実施形態における変形例２］
図１１は、この変形例に係る金属充填装置１３０の構成を示す説明図である。尚、この金属充填装置１３０は、上述した金属充填装置１００の溶融金属回収機構２０に代えて、上述した金属充填装置６０の溶融金属回収機構６１を備えたものである。したがって、上述した金属充填装置１及び金属充填装置１００と同じ構成部分については同一の符号を付して、その詳しい説明を省略する。また、金属充填操作及び溶融金属の廃棄操作については、上記金属充填装置１００の場合と同様であるので、その詳しい説明は省略し、主に溶融金属の回収操作について説明する。
この金属充填装置１３０によれば、開閉バルブ６３を閉じた状態で、上記の金属充填装置１００と同様の操作を行なうことにより、処理室１１４内に溶融金属Ｍが供給される。そして、開閉バルブ１４及びゲートバルブ１５を閉じた状態で、ゲートバルブ３５及び開閉バルブ４３を開いて、ガス供給機４１からガス供給管４２を介して処理室１１４内に加圧された不活性ガスを供給して、当該処理室１１４内を加圧する。これにより、処理室１１４内の溶融金属Ｍが加圧され、処理室１１４内の溶融金属Ｍは、ガス圧力によって微小空間内の全域に充填される。
次に、押付機７により押付部材１１３を下方の押付位置に移動させて、その下面を半導体ウェハＫの表面に当接させる。これにより、半導体ウェハＫ上の余剰の溶融金属Ｍが当該半導体ウェハＫ上から押し出される。
次に、開閉バルブ１４及び開閉バルブ６３を閉じた状態で、ゲートバルブ１５を開く。これにより、処理室１１４内で不活性ガスによって加圧されている余剰の溶融金属Ｍがゲートバルブ１５から押し出されて逆流し、供給ポンプ１２との間の供給管１３から分岐する回収管６２を経由して、バッファタンク６５の収容空間６５ｃに一時的に回収される。尚、当然のことながら、前記ガス供給機４１から供給される不活性ガスの圧力は、前記バネ６５ａによって前記収容空間６５ｃ内の溶融金属Ｍに作用する圧力よりも高い圧力に設定されている。
このようにして、処理室１１４内の溶融金属Ｍをバッファタンク６５の収容空間６５ｃに回収した後、ゲートバルブ１５を閉じた状態で開閉バルブ６３を開くと、バッファタンク６５内に回収された溶融金属Ｍが、バネ６５ａの付勢力によって、回収管６２に押し出され、この回収管６２を通って供給用タンク１１に回収される。
斯くして、この金属充填装置１３０によっても、上述した金属充填装置１及び金属充填装置１００と同様の効果が奏される。
［実施形態における変形例３］
図１２は、この変形例に係る金属充填装置１４０の構成を示す説明図である。尚、この金属充填装置１４０は、上述した金属充填装置１００の構成から、前記溶融金属回収機構２０を取り外すとともに、供給用ポンプとして、上述した金属充填装置７０のプランジャポンプ７１を用い、このプランジャポンプ７１を金属回収機構の機能を持たせた態様のものである。したがって、上述した金属充填装置１及び金属充填装置１００と同じ構成部分については同一の符号を付して、その詳しい説明を省略する。また、金属充填操作及び溶融金属の廃棄操作については、上記金属充填装置１００の場合と同様であるので、その詳しい説明は省略し、主に溶融金属の回収操作について説明する。
この金属充填装置１４０によれば、上記金属充填装置７０と同様の操作を行なうことにより、処理室１１４内に溶融金属Ｍが供給される。
次に、開閉バルブ１４及びゲートバルブ１５を閉じた状態で、ゲートバルブ３５及び開閉バルブ４３を開いて、ガス供給機４１からガス供給管４２を介して処理室１１４内に加圧された不活性ガスを供給して、当該処理室１１４内を加圧する。これにより、処理室１１４内の溶融金属Ｍが加圧され、処理室１１４内の溶融金属Ｍは、ガス圧力によって微小空間内の全域に充填される。
次に、押付機７により押付部材１１３を下方の押付位置に移動させて、その下面を半導体ウェハＫの表面に当接させる。これにより、半導体ウェハＫ上の余剰の溶融金属Ｍが当該半導体ウェハＫ上から押し出される。
ついで、ゲートバルブ１５を開く。これにより、処理室１１４内で不活性ガスによって加圧されている余剰の溶融金属Ｍがゲートバルブ１５から押し出されて逆流し、供給管１３を経由して、プランジャポンプ７１の加圧室７２ｂ内に流入する。尚、前記ガス供給機４１から供給される不活性ガスの圧力は、プランジャポンプ７１の吐出圧よりも高い圧力に設定されており、これにより、プランジャ７３が上方に移動して、加圧側のシリンダ室７２ａ内の圧油が加圧側ポート７２ｃから上流側に押し戻され、これに伴って、加圧室７２ｂの容積が拡大して、上記の如く、処理室５内の溶融金属Ｍが逆流し、プランジャポンプ７１の加圧室７２ｂ内に流入する。
このようにして、処理室５内の余剰の溶融金属Ｍを、一旦、プランジャポンプ７１の加圧室７２ｂ内に回収した後、ゲートバルブ１５を閉じた状態で、開閉バルブ１４を開くと、プランジャポンプ７１のプランジャ７３が、その加圧側のシリンダ室７２ａに作用する圧油によって下方に移動して、加圧室７２ｂ内の溶融金属Ｍを供給管１３に押し出し、押し出された溶融金属Ｍが当該供給管１３を通って供給用タンク１１に回収される。
斯くして、この金属充填装置１４０によっても、上述した金属充填装置１及び金属充填装置１００と同様の効果が奏される。
［参考形態及び実施形態における更なる変形例］
次に、上述した参考形態及び実施形態における更なる変形例について説明する。この変形例は、上述した金属充填装置１，５０，６０，１００，１２０，１３０における回収管２１，５３，６２の前記一端をそれぞれ、処理部本体２，１１０に接続した態様のものである。
図１３には、この変形例の代表として、上記金属充填装置１の回収管２１の一端を、処理室５に通じるように、第２本体に設けたゲートバルブ２４に接続させた構成の金属充填装置１’を示している。尚、この構成は、上記金属充填装置５０，６０，１００，１２０，１３０にも適用できる。
この金属充填装置１’では、第２本体が待機位置に位置し、開閉バルブ３４，４３及びゲートバルブ２８，３５が閉じ、開閉バルブ１４，２２及びゲートバルブ１５，２４が開いた状態で、供給用ポンプ１２を駆動することで、供給用タンク１１内の溶融金属Ｍが加圧されて処理室５内に供給され、処理室５内が溶融金属Ｍによって満たされると、余剰の溶融金属Ｍは回収管２１を経て供給用タンク１１に回収される。処理室５内が溶融金属Ｍによって満たされた後も、暫くの間、溶融金属Ｍの供給を続けることで、処理室５内に溶融金属Ｍの流れを作ることができ、供給管１３で滞留する溶融金属Ｍがある場合には、これを供給用タンク１１に戻すことができ、充填材料としての溶融金属Ｍの均質化を図ることができる。
ついで、上記のようにして溶融金属Ｍを供給した後、ゲートバルブ１５，２４を閉じ、第２本体４を下方に付勢して、処理室５内溶融金属Ｍを加圧し、この後、ゲートバルブ２４を開いた状態で、第２本体４を下方に移動させると、処理室５内の余剰の溶融金属Ｍがゲートバルブ２４から流出して、回収管２１を経由して供給用タンク１１に回収される。
尚、上記金属充填装置１００，１２０，１３０の場合には、ゲートバルブ２４がゲートバルブ１５と同じ高さ位置となるように筒状部材１１２に設けられる。そして、ゲートバルブ１５を閉じた状態で、ゲートバルブ２４及び開閉バルブ２２を開くことによって、ガス供給機４１から供給される不活性ガスによって、処理室１１４内の余剰の溶融金属Ｍがゲートバルブ２４から流出して適宜回収される。
以上、本発明の具体的な実施形態について説明したが、本発明が採り得る態様は、これに限定されるものではない。
更に付け加えるならば、上記実施形態における配管やバルブの数は上例のものに限られるものではなく、必要に応じて、適宜設けることができる。また、ゲートバルブ１５，２８，３５を設ける位置も上例のものに限られるものではなく、適宜変更可能である。
また、上例の金属充填装置１，５０，６０，７０では、押付機７によって第２本体４を移動させるようにしたが、これに限るものではなく、押付機７によって第１本体３を移動させて、第１本体３と第２本体４の位置関係が、前記待機位置と押付位置との関係をとるようにしても良い。
以上説明したように、本発明は、被処理物の表面に形成された微小空間（ビア，貫通孔）内に溶融金属を充填する金属充填装置に好適に利用することができる。
１，１’，５０，６０，７０ 金属充填装置
１００，１１０，１３０，１４０ 金属充填装置
２ 処理部本体
３ 第１本体
４ 第２本体
５ 処理室
７ 押付機
１０ 溶融金属供給機構
１１ 供給用タンク
１２ 供給用ポンプ
１３ 供給管
１５ ゲートバルブ
２０，５１，６１ 溶融金属回収機構
２１，５３，６２ 回収管
２２，５４，６３ 開閉バルブ
４０ ガス供給機構
１１０ 処理部本体
１１１ 保持部材
１１２ 筒状部材
１１３ 押付部材
１１４ 処理室
Ｋ 半導体ウェハ
Ｍ 溶融金属

Claims (7)

  1. 被処理物表面の、該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、
    前記被処理物が保持される処理室を具備した処理部本体と、
    溶融状態の金属を貯留する供給用タンク、一端が前記供給用タンクに接続され、他端が前記処理部本体の処理室に接続された供給管、並びに該供給管に介装され、前記供給用タンク内の溶融金属を、前記供給管を介して前記処理室内に供給する供給機を含んで構成される溶融金属供給機構とを備えた金属充填装置において、
    前記処理室内に供給された溶融金属を該処理室内から回収する溶融金属回収機構を備え、
    前記処理部本体は、前記被処理物を保持する保持部材と、内部空間を有し、一端が前記保持部材と対向して設けられる筒状部材と、該筒状部材の内部空間内に進退自在、且つ気密状に挿入された押付部材とを含んで構成されるとともに、前記保持部材に保持される被処理物又は前記保持部材と、前記筒状部材及び前記押付部材とによって気密状の処理室が形成され、
    前記金属充填装置は、更に、前記処理室に接続され、該処理室内に加圧した気体を供給する気体供給機構と、
    前記保持部材に保持される被処理物に対して前記押付部材を進退させる押付機構とを備え、
    前記押付機構は、前記押付部材を、前記被処理物の表面に当接する押付位置と、前記被処理物から離反した待機位置とに移動させるように構成され、
    前記気体供給機構は、前記溶融金属回収機構の一部として機能するように構成されていることを特徴とする金属充填装置。
  2. 前記押付部材は、前記被処理物と当接する面に、前記被処理物と当接した際に、前記被処理物表面に形成された微小空間が存在する領域を囲んで封止する封止部材を備えていることを特徴とする請求項１記載の金属充填装置。
  3. 前記溶融金属回収機構は、一端が前記処理部本体と前記供給機との間の前記供給管、又は前記処理部本体の処理室に接続され、他端が前記供給用タンクに接続された回収管と、該回収管に介装されて、該回収管の開閉状態を制御する回収用制御弁とを含んで構成されることを特徴とする請求項１又は２記載の金属充填装置。
  4. 前記溶融金属回収機構は、更に、前記回収用制御弁と前記供給管若しくは処理部本体との間の前記回収管、又は前記処理部本体と前記供給機との間の前記供給管に接続され、前記処理部本体から回収される溶融金属を一時的に収容するバッファタンクを備え、該バッファタンクは、収容した溶融金属を前記接続した管に押し戻す押戻機を具備していることを特徴とする請求項３記載の金属充填装置。
  5. 前記溶融金属回収機構は、溶融状態の金属を貯留する回収用タンクと、一端が前記処理部本体と前記供給機との間の前記供給管、又は前記処理部本体の処理室に接続され、他端が前記回収用タンクに接続された回収管と、該回収管に介装されて、該回収管の開閉状態を制御する回収用制御弁とを含んで構成されることを特徴とする請求項１又は２記載の金属充填装置。
  6. 前記溶融金属回収機構は、更に、一端が前記回収用タンクに接続され、他端が前記供給用タンクに接続された還流管と、該還流管に介装され、前記回収用タンク内の溶融金属を前記還流管を介して前記供給用タンクに還流させる還流機と、前記還流管に介装されて、該還流管の開閉状態を制御する還流用制御弁とを含んで構成されることを特徴とする請求項５記載の金属充填装置。
  7. 前記供給機は、逆流する溶融金属を受容可能に構成され、前記溶融金属回収機構の一部として機能するように構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の金属充填装置。
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