JP6191322B2 - 金属充填方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属充填構造体の製造方法に関する。特に、高アスペクト比の微細なパターンへの電解めっき法による金属充填構造体の製造方法に関する。

近年、電子機器等の小型化の要求から、半導体製造プロセスを応用したＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術が実用化され、電子機器分野のみならず光学機器等の多様な分野での利用が進められている。ＭＥＭＳにおいては、高アスペクトに加工した貫通孔や有底孔等の孔に金属等を充填した微細構造が用いられることがある。

このような孔に金属等を充填した微細構造は、３次元的な電気接続に用いられる貫通電極や、放射線の透過性や位相を制御する放射線画像撮像用グリッドなどの幅広い分野で採用されている。高アスペクト比の孔の微細構造に金属等を充填するには、電解めっき法により孔の底部からボトムアップ式に金属を充填する技術が利用されている。

高アスペクトの孔の微細構造に電解めっき法により金属を充填する場合、孔内にボイドが生じて製品の歩留まりを低下させることを防ぐために孔内での金属層の成長方向や速度を一様に制御する必要がある。また、ＭＥＭＳにおいては微細構造が形成される基材は、シリコンなどの半導体が主であり、基材自体が導電性を有するため貫通孔や有底孔の側壁を絶縁する必要があった。貫通孔や有底孔の側壁が適切に絶縁されていない場合には、その箇所から金属層が成長することにより、結果、貫通孔や有底孔の内部にボイドを発生されることがあった。

特許文献１には、有底孔の少なくとも側壁及び底部に、気相法によりオルガノポリシロキサンを有する絶縁層を形成した後、有底孔の底部に指向性を持たせた蒸着法によりシード層を形成して該シード層に給電する電解めっきにより、孔内に金属を充填することが記載されている。

特開２０１２−１６８３９７号公報 特開２００３−３３２７０５号公報

しかしながら、特許文献１では以下のような問題がある。第１に、孔のアスペクト比が大きいと、気相法により有底孔の側壁に絶縁層の形成を均一に制御することが難しい。第２に、有底孔にシード層を蒸着法により形成する場合、底部のみにシード層を形成することが難しい。孔の側壁に絶縁層が均一に形成されていなかったり、シード層が孔の側壁などに形成されたりした場合、結果として、貫通孔や有底孔の内部にボイドを発生される虞がある。

なお、技術分野は異なるが、プリント配線等の製造においては、従来、有底孔などの微細構造に電解めっき法により金属を充填する場合、貫通孔を有するガラス−エポキシ基材に金属箔付ポリイミドを当てて、有底とした孔内に金属充填する方法（例えば、特許文献２）があるが、半導体等の導電性を有する基材に設けられた孔への金属を充填する方法として不十分である。

このように、これまで検討された技術においては、半導体等の導電性を有する基材に設けられた孔に電解めっきにより金属層を形成するときにボイドが生じるのを効果的に防止可能な方法についての検討が十分にはなされて来なかった。

本発明は、上述の問題を解決するもので、半導体等の導電性を有する基材に設けられた孔に電解めっきにより金属を充填する際に、ボイドの発生を抑制する金属充填構造体の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一実施形態によると、第１の基材と、貫通孔を備え、且つ、導電性を有する第２の基材とを、金属層を介して積層した積層体であって、前記第２の基材の前記貫通孔の一端を前記金属層により塞いで形成された有底孔を備える積層体を準備し、第１の条件で前記積層体の前記第２の基材側に絶縁材料を堆積させ、前記有底孔内の前記金属層上に形成された絶縁材料を除去し、前記第１の条件よりも形成効率の低い第２の条件で前記第２の基材側に絶縁材料を堆積させることにより、前記金属層と接合した面と対向する前記第２の基材の表面と前記有底孔の側壁に絶縁層を形成し、前記金属層に給電する電解めっきにより、前記有底孔内に金属材料を充填する金属充填構造体の製造方法が提供される。

本発明の一実施形態に係る金属充填構造体の製造方法は、有底孔内に絶縁層が形成されるとともに、金属層が露出しているため、金属層に給電して有底孔内に電解めっきにより金属材料を充填するときに、絶縁層が形成され有底孔の側面では金属材料堆積が抑制される一方で、有底孔の底面の金属層から金属材料が堆積するため、有底孔内でのボイドの発生を抑制することができる。

前記金属充填構造体の製造方法において、前記第２の基材は半導体材料を含んでもよい。

本発明の一実施形態に係る金属充填構造体の製造方法は、電解めっきにより金属材料を充填するときに、微弱な電流が流れる半導体材料を第２の基材に用いた場合でも、形成された絶縁層により有底孔の側面での金属材料堆積が抑制されるため、有底孔内でのボイドの発生を抑制することができる。

前記金属充填構造体の製造方法において、前記積層体は、前記第１の基材に前記金属層を形成し、前記金属層を介して、前記第１の基材と前記第２の基材とを直接接合し、前記第２の基材を厚さ方向に前記金属層までエッチングして前記有底孔を形成することにより作製されてもよい。

本発明の一実施形態に係る金属充填構造体の製造方法は、第１の基材と第２の基材との間に金属層を直接配設するため、有底孔に対して、金属層を給電層として用いた電解めっきを施すことができる。また、有底孔の底面全体に均一な金属層が存在するため、有底孔内でのボイドの発生を抑制することができる。

前記金属充填構造体の製造方法において、前記第１の基材に前記金属層を形成し、前記第２の基材に貫通孔を形成し、前記金属層を介して、前記第１の基材と前記第２の基材とを接合して前記有底孔を形成してもよい。

本発明の一実施形態に係る金属充填構造体の製造方法は、第１の基材と第２の基材との間に金属層を配設するため、有底孔に対して、金属層を給電層として用いた電解めっきを施すことができる。また、有底孔の底面全体に均一な金属層が存在するため、有底孔内でのボイドの発生を抑制することができる。

前記金属充填構造体の製造方法において、前記絶縁層は、前記有底孔の側面及び前記第２の基材の表面に形成されてもよい。

本発明の一実施形態に係る金属充填構造体の製造方法は、有底孔の側面及び第２の基材の表面に絶縁層が形成されているため、有底孔の側面及び第２の基材の表面での金属材料の堆積を抑制するとともに、有底孔の底面の金属層から金属材料が堆積するため、有底孔内でのボイドの発生を抑制することができる。

本発明によると、半導体等の導電性を有する基材に設けられた孔に電解めっきにより金属を充填する際に、ボイドが発生するのを抑制できる金属充填構造体の製造方法が提供される。

一実施形態に係る本発明の金属充填方法により形成した金属充填構造体１００の模式図である。 一実施形態に係る金属充填方法を説明する模式図である。 一実施形態に係る金属充填方法を説明する模式図である。 一実施形態に係る金属充填方法を説明する模式図である。 一実施形態に係る本発明の金属充填構造体の模式図である。

以下、図面を参照して本発明に係る金属充填構造体の製造方法について説明する。但し、本発明の金属充填構造体の製造方法は多くの異なる態様で実施することが可能であり、以下に示す実施の形態及び実施例の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、本実施の形態及び実施例で参照する図面において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

図１は、本発明に係る金属充填構造体の製造方法により形成した金属充填構造体１００の模式図であり、図１（ａ）は金属充填構造体１００の平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’における断面図である。図１に示す金属充填構造体１００は、第１の基材１０と第２の基材３０と金属部５０とを少なくとも含む。

第１の基材１０は、第２の基材３０を支持するように設けられている。第１の基材１０の材料は特に制限はないが、例えば、シリコン等の半導体、ガラス、樹脂などの絶縁材料などを用いることができる。また、第１の基材１０の厚みも特に制限はないが、例えば、１００μｍ以上１ｍｍ以下の範囲で適宜選択することができる。

第２の基材３０には、少なくとも１つの貫通孔が形成されており、少なくとも第２の基材３０の上面及び貫通孔の側面には絶縁層７０が形成されている。そして、貫通孔内には、絶縁層７０を介して金属材料が充填され、金属部５０が形成されている。図１（ａ）を参照すると、貫通孔の平面視形状はラインが各々独立に配列されているが、一部が交差したり、又は一部が連結したりするものであってもよい。また、貫通孔の平面視形状はライン状に限らず、円形、多角形のドット状、およびライン状とドット状等の組み合わせであってもよい。貫通孔の開口幅は、用途に応じて適宜選択できるが、例えば、２μｍ以上１００μｍ以下である。なお、第２の基材３０はそれ自体１つの基材として図示しているが、これに限らず複数の基材が積層して形成されたものであってもよい。

第２の基材３０の材料は導電性を有し、典型的には、シリコン等の半導体を用いることができる。第２の基材３０と第１の基材１０とは、同じ材料であってもよく、異なる材料であってもよい。また、第２の基材３０の厚みは特に制限はないが、例えば、１００μｍ以上１ｍｍ以下の範囲で用途に応じて適宜選択することができる。第２の基材３０の貫通孔のアスペクト比は、例えば、５以上であり、好ましくは１０以上、さらに好ましくは３０以上である。

金属部５０は、第２の基材３０の貫通孔内に設けられている。金属部５０を構成する材料としては、例えば、白金、金、銀、銅、ニッケルなどを挙げることができ、用途に応じて適宜選択するとよい。例えば、金属充填構造体１００が貫通電極基板である場合には、典型的には銅を用いることができ、放射線撮像用グリッドである場合には、典型的には白金、金、銀を用いることができる。

第１の基材１０と第２の基材３０は、金属層５１を介して接合されている。金属層５１の材料としては、公知の金属や合金を用いることができる。例えば、白金、金、銀、銅、亜鉛、カドミウム、錫、電解ニッケル、クロムや、亜鉛−鉄、亜鉛−ニッケル、スズ−亜鉛、スズ−銀、スズ−コバルト合（ガラクローム）、黄銅、ブロンズ等を挙げることができ、用途に応じて適宜選択するとよい。また、金属層５１に用いる材料は、金属部５０と同じ材料であることが好ましいが、異なる材料であってもよい。

なお、金属充填構造体１００は第１の基材１０を必ずしも必須とするものではなく、別の形態として第１の基材１０が第２の基材３０から除かれたものであってもよい。

（金属充填構造体の製造方法）
ここで、本発明の一実施形態に係る金属充填構造体の製造方法について、図２及び３を参照して説明する。第１の基材１０と第２の基材３０を、金属層５１を介して接合する（図２（ａ））。金属層５１は、第１の基材１０及び第２の基材３０の少なくとも一方に形成されている。第１の基材１０と第２の基材３０との接合方法は、基材の材料と金属層を構成する材料との関係で適宜選択すればよい。例えば、第２の基材がシリコンであって、第１の基材１０側に金属層として金が形成されている場合には、共晶接合により接合することができる。また、金属層を接合層として用いずに、第２の基材３０の貫通孔に対応する部位が除かれた接着剤により第１の基材１０と第２の基材３０とを接合してもよい。

金属層５１には、後述するように、電解めっきを行う際に給電層として機能可能な材料であれば、公知の金属や合金を用いることができる。上述したように、例えば、白金、金、銀、銅、亜鉛、カドミウム、錫、電解ニッケル、クロムや、亜鉛−鉄、亜鉛−ニッケル、スズ−亜鉛、スズ−銀、スズ−コバルト合（ガラクローム）、黄銅、ブロンズ等を用いることができる。

接合した第２の基材３０をその厚み方向に貫通するようにエッチングして金属層５１を底部とする有底孔３５を形成する。これにより、積層体１１０を準備する（図２（ｂ））。第２の基材３０をエッチングして形成される有底孔３５のアスペクト比が５以上となる場合、深堀エッチング（Deep RIE）を用いることが好ましい。これらの工程により、第２の基材３０の貫通孔の一端を金属層５１により塞いで形成された有底孔３５を備えた積層体１１０が得られる。

なお、本発明においては、予め第２の基材３０に貫通孔を形成しておき、第２の基材３０を金属層５１が形成された第１の基材１０と接合してもよい。

本発明に係る金属充填構造体の製造方法では、第２の基材３０の上面及び有底孔３５の側面に絶縁層７０を形成し、後述する電解めっきにより当該箇所からの金属析出を防止する（図２（ｃ））。ここで、絶縁層７０の材料は、無機材料、有機材料の何れで形成されてもよい。例えば、絶縁層７０が無機材料であれば、二酸化ケイ素（SiO₂）のような半導体酸化物を用いることができる。また、有機材料であれば、ポリイミドのような樹脂を用いることができる。さらに、絶縁層７０は、無機材料と有機材料の積層により構成されていてもよい。

次に、第１の条件で積層体１１０の第２の基材３０側に絶縁材料を堆積させる。第１の条件による絶縁材料の堆積は、有底孔３５の形状に沿って均一な膜が形成されるような形成効率の高いコンフォーマルな条件で行う。二酸化ケイ素を絶縁層７０として形成する場合は、例えば、化学気相成長（ＣＶＤ）法を用いることができる。また、絶縁性の樹脂を用いる場合は、例えば、スプレー法により形成することができる。このようなコンフォーマルな第１の条件で絶縁材料を堆積することにより、第２の基材３０の上面及び有底孔３５の側面及び底部に絶縁層７０が均一な膜として形成される。

有底孔３５の底部に絶縁層７０が存在すると、後の電解めっきの工程において、金属層５１をシード層として有底孔３５に金属材料を析出させることが困難となる。このため、有底孔３５の底部の絶縁層７０を除去する必要がある。一方、有底孔３５の側面の絶縁層７０は後の電解めっきの工程において、残存させておく必要がある。このため、有底孔３５の底面の絶縁層７０を選択的に除去する必要がある。有底孔３５の側面の絶縁層７０を残しつつ、有底孔３５の底面の絶縁層７０を除去する必要から、異方性エッチングを好適に用いることができる。しかし、異方性エッチングを行うと、有底孔３５の底面の絶縁層７０が除去されるとともに、第２の基材３０の上面に形成された絶縁層７０も除去される（図３（ａ））。

この状態で電解めっきを施すと第２の基材３０の上面に金属材料が析出し、有底孔３５の開口を塞ぎボイドを発生させる要因となる。したがって、有底孔３５の底部への絶縁材料の堆積を抑制しつつ、第２の基材３０の上面に絶縁層７０を形成するため、第２の条件で積層体１１０の第２の基材３０側に絶縁材料を堆積させる。第２の条件による絶縁材料の堆積は、有底孔３５の形状に沿って均一な膜が形成されない、または形成されにくい形成効率の低いノンコンフォーマルな条件で行う。第２の条件による絶縁材料の堆積は、例えば、（１）積層体１１０に対して斜め方向から絶縁材料を堆積するようなスパッタ法、（２）ＲＦ電力等のバイアスを高く、及び／又は導入する酸素の流量を上げるように調整したＣＶＤ法により行うことができる。このノンコンフォーマルな第２の条件により形成された絶縁層７０の膜厚は、図３（ｂ）に示すように、第２の基材３０の上面側では厚くなり、有底孔３５の底部側では薄くなる。

なお、第１の条件による絶縁材料の堆積、絶縁材料の除去、及び第２の条件による絶縁材料の堆積は、上記の順序に限らず次のように変更可能である。つまり、第２の条件による絶縁材料の堆積、第１の条件による絶縁材料の体積、絶縁材料の除去の順に行ってもよい。

このように、第２の基材３０の上面及び有底孔３５の側面に絶縁層７０を形成した有底孔３５に、金属層５１を給電層として用いた電解めっき法により、金属材料を堆積させて、金属部５０を形成する（図４）。このとき、第２の基材３０の上面及び有底孔３５の側面には、絶縁層７０が配設されているため、有底孔３５の側面方向から電気が流れず、側面方向からの金属層の成長は抑制される。したがって、本実施形態においては、有底孔３５内の金属部５０中にボイドが発生するのを防止することができる。

なお、本発明に係る金属充填方法により形成した金属充填構造体は、図１に示したような形状に限定されるものではなく、図５に示すような形状であっても同様のボイドの発生を抑制する効果が得られる。図５（ａ）は、本発明の一実施形態に係る金属充填構造体２００の模式図である。金属充填構造体２００は、格子状の溝部を形成した第２の基材の上面及び溝部の側面に絶縁層２７０を形成することで、金属部２５０中にボイドが発生するのを防止することができる。また、図５（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る金属充填構造体３００の模式図である。金属充填構造体３００は、円柱形状の有底孔を形成した第２の基材の上面及び有底孔の側面に絶縁層３７０を形成することで、金属部３５０中にボイドが発生するのを防止することができる。これらは、本発明に係る金属充填方法を適用可能な有底孔の形状の一例であって、本発明は様々な形状の有底孔に金属層を形成する場合に適用することができる。

（実施例）
第１の基材として、厚さ６２５μｍのシリコン基板を準備した。第１の基材の片側に金属層として金（Ａｕ）をスパッタ法により厚さ０．２μｍで形成した。第２の基材として、厚さ１００μｍの両面研磨されたシリコン基板を準備し、第１の基材と第２の基材とをＳｉ−Ａｕの共晶接合により接合した。第２の基材の上面（第１の基材に接合されていない側の面）にフォトリソグラフィによりフォトレジストのマスクを形成し、このマスクをエッチングマスクとして第２の基材の厚み方向に貫通するまでエッチングを行い、金属層が露出する有底孔を形成し、積層体を作製した。有底孔のアスペクト比は、３４．５であった。

積層体に対して、プラズマＣＶＤ法により、絶縁材料としてＳｉＯ_２をコンフォーマルに堆積させた。このときの成膜条件は、圧力４０Ｐａ、ＲＦ電力５５０Ｗ、Ｏ_２流量２００ｓｃｃｍとした。

積層体に対して、ＣＦ_４をガスとするＲＩＥ法により有底孔の底部のＳｉＯ_２を除去した。

次に、積層体に対して、プラズマＣＶＤ法により、絶縁材料としてＳｉＯ_２をノンコンフォーマルに堆積させた。このときの成膜条件は、圧力４０Ｐａ、ＲＦ電力５５０Ｗ、Ｏ_２流量６８０ｓｃｃｍとした。

金属層に給電する電解めっき法により、有底孔内に金属材料を析出させて金属部を形成し、金属充填構造体を作製した。

作製した金属充填構造を破断し、その断面を走査型電子顕微鏡で確認したところボイドは観測されなかった。

なお、本発明に係る金属充填構造体は、様々な用途の部材に利用可能であり、例えば、光学機器の回折格子や、ＴＳＶ等に利用することができる。

１０：第１の基材、３０：第２の基材、３５：有底孔、５０：金属部、５１：金属層、７０：絶縁層、９０：ボイド、１００：金属充填構造体、２００：金属充填構造体、２５０：金属部、２７０：絶縁層、３００：金属充填構造体、３５０：金属部、３７０：絶縁層

Claims (5)

1. 第１の基材と、貫通孔を備え、且つ、導電性を有する第２の基材とを、金属層を介して積層した積層体であって、前記第２の基材の前記貫通孔の一端を前記金属層により塞いで形成された有底孔を備える積層体を準備し、
   前記有底孔の形状に沿って均一な膜が形成されるコンフォーマルな条件で前記積層体の前記第２の基材側に絶縁材料を堆積させ、
   前記有底孔内の前記金属層上に形成された絶縁材料を除去し、
   前記有底孔の形状に沿って均一な膜が形成されない、または前記有底孔の形状に沿って均一な膜が形成されにくいノンコンフォーマルな条件で前記第２の基材側に絶縁材料を堆積させることにより、前記金属層と接合した面と対向する前記第２の基材の表面と前記有底孔の側壁に絶縁層を形成し、
   前記金属層に給電する電解めっきにより、前記有底孔内に金属材料を充填することを特徴とする金属充填構造体の製造方法。
2. 前記第２の基材は半導体材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の金属充填構造体の製造方法。
3. 前記積層体は、
   前記第１の基材に前記金属層を形成し、
   前記金属層を介して、前記第１の基材と前記第２の基材とを直接接合し、
   前記第２の基材を厚さ方向に前記金属層までエッチングして前記有底孔を形成することにより作製されることを特徴とする請求項１又は２に記載の金属充填構造体の製造方法。
4. 前記第１の基材に前記金属層を形成し、
   前記第２の基材に貫通孔を形成し、
   前記金属層を介して、前記第１の基材と前記第２の基材とを接合して前記有底孔を形成することを特徴とする請求項１又は２に記載の金属充填構造体の製造方法。
5. 前記絶縁層は、前記有底孔の側面及び前記第２の基材の表面に形成されることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一に記載の金属充填構造体の製造方法。

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