KR100967019B1 - 미세공간으로의 금속 충전 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 지지체상에 설치된 대상물 및 대상물의 내부에 존재하는 미세공간내의 용융금속에 대해, 가압을 위한 외력을 인가한 채로, 상기 용융금속을 냉각하여 경화시키는 공정을 포함한다. 상기 외력은, 프레스압, 사출압, 회전압 또는 가스압으로부터 선택된 적어도 1종으로 주어진다.

Description

미세공간으로의 금속 충전 방법 {METHOD FOR FILLING METAL INTO FINE SPACE}
본 발명은, 처리 대상물에 존재하는 미세공간에 용융금속을 충전하여 경화시키는 방법에 관한 것이다.
예를 들면, 반도체 디바이스에 의해서 대표되는 전자디바이스나, 마이크로머신 등에 있어서, 내부에 높은 어스펙트비를 갖는 미세한 도체 충전구조, 접합구조 또는 기능구조를 형성해야만 할 때가 있다. 이러한 경우, 미리 선택된 충전재를 미세공간내에 충전하는 것에 의해서, 도체 충전구조, 접합구조 및 기능 구조 등을 실현하는 기술이 알려져 있다. 그러나, 높은 어스펙트비를 갖는 미세공간내에, 공극이나 경화후 변형 등을 발생시키는 일 없이, 그 바닥부까지 충전재를 충분히 충전하는 것은, 매우 곤란하다.
반도체 디바이스의 제조에 이용되는 웨이퍼 처리의 경우를 예로 들면, 웨이퍼에는, 전극 등을 형성하기 위한 다수의 미세공간(구멍)이 형성되어 있고, 그 미세공간은, 구멍의 지름이 예를 들어 수십㎛ 이하로서, 매우 작다. 또한, 이러한 미소한 구멍지름의 미세공간에 대해서, 웨이퍼의 두께는 상당히 두껍고, 미세공간의 어스펙트비가 5 이상이 되는 것도 많다. 전극을 형성하기 위해서는, 이러한 미소하고, 높은 어스펙트비의 미세공간에, 그 바닥부에 도달하도록 도전재료를 확실히 충전해야 하기 때문에, 당연히 고도의 충전 기술이 요구된다.
전극형성 기술로서는, 도전 금속성분과 유기 바인더를 혼합한 도전성 페이스트를 이용하는 기술도 알려져 있지만, 도전성이 우수하고, 손실이 낮고, 또한 고주파 특성이 우수한 용융금속재료를 이용하는 야금(冶金)적인 기술이 주목받고 있다. 그러한 기술은, 예를 들면 일본 공개특허공보 2002-237468호 공보 및 일본 공개특허공보 2002-368082호에 개시되어 있다.
우선, 특허문헌 1은, 용융금속 되메우기법에 의해, 미세공간(관통구멍)내에 금속을 충전하는 기술을 개시하고 있다. 용융금속 되메우기법이란, 대상물(웨이퍼)이 놓여져 있는 분위기를 감압하고, 이어서 감압 상태를 유지한 채로, 상기 대상물을 용융금속에 삽입하고, 이어서 상기 용융금속의 분위기 가스압을 가압하여, 금속 삽입 전후에 있어서의 분위기 가스압 차에 의해 상기 공간에 용융금속을 충전하고, 이어서 대상물을 용융금속조로부터 끌어올려, 대기중에서 냉각하는 방법이다.
그러나, 이 용융금속 되메우기법에는, 다음과 같은 문제점이 있다.
(a) 대상물을 용융금속조로부터 끌어올려 냉각하면, 금속 표면이, 대상물의 표면보다 낮은 위치까지 오목면 형상으로 움푹 들어가 버린다. 이 때문에, 외부와의 사이의 전기적 도통이 불완전하게 될 수 있다.
(b) 상술한 문제점을 해결하기 위해서는, 오목면을 메울 수 있도록, 다시 용융금속을 공급해야 한다. 게다가, 오목면을 메우기 위해서는, 공급된 금속의 표면 을, 대상물의 표면보다 높게 돌출시킬 필요가 있으므로, 금속의 표면을 대상물의 표면과 일치시키기 위한 공정, 예를 들면 CMP(Chemical Mechanical Polishing)공정이 필요하게 된다. 이것들은, 공정의 복잡화 및 그에 수반하는 생산수율의 저하 등을 초래하는 요인이 된다.
(c) 더 큰 문제점은, 상술한 바와 같은 복잡한 공정을 요하는데도 불구하고, 미세공간의, 특히 바닥부에, 용융금속의 충전이 불충분한 공극 등이 생겨 버리는 것이다.
다음에, 일본 공개특허공보 2002-368082호는 차압(差壓) 충전방식을 개시하고 있다. 이 차압 충전방식에서는, 미세공간이 형성된 대상물과 금속 시트를 진공챔버내에 배치한 후, 진공챔버내를 감압하고, 금속 시트를 가열수단에 의해 용융시키고, 이어서 진공챔버내를 불활성 가스로 대기압 이상으로 가압한다. 이것에 의해, 용융한 금속이 미세공간내에 진공 흡입된다. 이어서 진공챔버를 개방하여, 시료 표면에 남은 용융상태의 금속을 제거하고, 그 후, 대기중에서 실온 냉각한다.
일본 공개특허공보2002-368082호의 기재에 의하면, 용융금속 되메우기법(일본 공개특허공보 2002-237468호)에 비해서, 용융금속의 열용량이 적기 때문에, 시료에 휘어짐이나 갈라짐이 생기지 않는 것, 잉여금속을 최소한으로 억제할 수 있어 비용절감을 도모할 수 있는 것 등의 효과가 있다고 되어 있다.
그러나, 일본 공개특허공보 2002-368082호에 기재된 차압 충전 방식으로는, 용융금속이 미세공간의 바닥부까지 완전하게 충전되지 않고, 내부에 공극이 생겨 버린다.
또한, 시료 표면에 남은 용융상태의 금속을 제거하므로, 그 공정에서 미소한 빈틈에 충전되어 있는 용융금속의 일부(상단측)도 깎여져 버린다. 이 때문에, 여전히 오목면의 문제가 남는다.
실제로, 차압 충전방식에 의해 제조된 웨이퍼 및 그것을 이용한 디바이스가 아직도 시장에 제공되고 있지 않는 것은, 상술한 문제점을 해결하지 못하고 있다는 증거이다.
미세공간에 용융금속을 충분히 충전하려 할 때에 생기는 기술적 곤란성은, 반도체 디바이스용 웨이퍼 처리의 경우에 한해서 문제가 되는 것은 아니다. 다른 전자 디바이스나, 마이크로 머신 등에 있어서도, 마찬가지로 문제가 될 수 있다.
본 발명의 과제는, 오목면화, 공극, 보이드 등을 발생시키는 일 없이, 미세공간을 금속 충전재에 의해서 채울 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 하나의 과제는, 냉각 후의 용융금속의 재공급이나 CMP 공정 등이 불필요하고, 공정의 간소화, 생산수율의 향상 등에 기여할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
상술한 과제의 적어도 1개를 해결하기 위해, 본 발명은, 처리대상이 되는 대상물에 존재하는 미세공간에, 용융금속을 충전하여 경화시킴에 있어서, 상기 미세공간내의 상기 용융금속에 강제 외력을 인가한 채로, 상기 용융금속을 냉각하여 경화시키는 공정을 포함한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 관한 방법에서는, 미세공간내의 용융금속에 강제 외력을 가한 채로, 용융금속을 냉각하여 경화시키는 공정을 포함하고 있기 때문에, 외부로부터 가해지는 강제 외력에 의해서, 용융금속을 미세공간의 바닥부까지 충분히 충전하는 것과 함께, 열수축에 의한 금속의 변형을 억제할 수 있다. 이 때문에, 공극이나 보이드 등을 발생시키는 일 없이, 미세공간을 금속체에 의해서 채울 수 있다.
마찬가지의 이유로, 미세 빈틈에서 냉각되었을 때에 생기는 용융금속의 오목면화도 회피할 수 있다. 이 때문에, 외부와의 전기적 도통을 확실하게 확보할 수 있다.
또한, 금속체의 오목면화를 회피할 수 있기 때문에, 냉각 후의 용융금속의 재공급이나 CMP공정 등이 불필요하고, 공정의 간소화, 생산수율의 향상 등에 기여할 수 있다.
본 발명에 있어서, 강제 외력이라 함은, 자연 방치했을 때에 가해지는 압력, 전형적으로는 대기압은 포함하지 않는 것을 의미한다. 이 강제 외력은, 압력, 자력 (磁力) 또는 원심력으로부터 선택된 적어도 1종으로 주어진다. 상기 압력은, 정압(正壓)으로 주어져도 좋고, 부압(負壓)으로 주어져도 좋다. 부압의 경우, 흡인력이 된다. 상기 압력은, 구체적으로는, 프레스압 또는 가스압으로 주어진다.
강제 외력의 다른 형태로서, 사출기에 의한 사출 압력을 이용하는 형태도 있다. 이 경우는, 대상물의 개구면상에 사출기에 의해서 용융금속을 공급하고, 그 사출 압력에 의한 강제 외력을 인가한 채로, 상기 용융금속을 냉각하여 경화시킨다.
강제 외력을 인가하는 경우, 경화공정의 초기의 단계에서는, 정압(靜壓) 뿐만 아니라, 동압(動壓)도 적극적으로 이용하여, 동압에 의한 다이나믹한 메워넣기 동작을 행하게 하는 것이 바람직하다. 이 수법에 의하면, 용융금속을 미세공간의 바닥부까지 확실히 도달시켜, 바닥부에 미충전 영역이 생기는 것을 더 확실히 회피할 수 있게 된다.
본 발명에 있어서, 공정의 적어도 일부는, 진공챔버내의 감압 분위기내에서 실행된다. 진공챔버내의 감압 분위기에 의해, 용융금속을 미세공간에 진공 흡인할 수 있기 때문이다. 감압 분위기라 함은, 대기압을 기준으로 하여 그보다 낮은 압력의 분위기를 말한다.
용융금속은, 바람직하게는 개구면상에 그 금속박막이 생기도록 공급된다. 그럼으로써, 금속박막이 받는 강제 외력에 의해서, 용융금속을 미세공간의 내부에 확실히 메워 넣을 수 있다.
용융금속을, 개구면상에 그 금속박막이 생기도록 공급한 경우는, 용융금속을 경화시킨 후, 개구면상의 금속박막을 재용융하고, 재용융된 금속박막을 닦아내는 공정을 채용할 수 있다. 재용융시의 열은, 미세한 빈틈의 내부의 경화 금속체에도 가해지지만, 경화 금속체가 갖는 열용량이 금속박막의 열용량보다 현저하게 크기 때문에, 금속박막이 재용융되어도, 경화 금속체의 재용융까지는 진전되지 않는다. 이 때문에, 금속박막만을 닦아내고, 오목면부를 갖지 않는 평탄한 면을 형성할 수 있다.
본 발명의 기타 목적, 구성 및 장점들은 첨부된 도면을 참조한 이하의 상세 한 설명에서 보다 명백해진다. 그러나, 첨부된 도면은 예시만을 위한 것이다.
도 1을 참조하면, 이 실시형태에 도시하는 방법은, 준비공정, 흘려넣기 공정, 경화공정 및 후공정을 포함하고 있다. 무엇보다도, 이들 공정의 구별은 단순히 설명의 형편상의 구별에 지나지 않는다. 이하 공정순으로 설명한다.
(A) 준비공정
우선, 진공챔버(1)의 내부에 설치된 지지구(3)의 위에, 처리 대상으로 되는 대상물(2)을 설치한다. 대상물(2)은, 미세공간(21)을 가지고 있다. 미세공간(21)은, 대상물(2)의 외면으로 개구하고 있을 필요는 있지만, 그 입구형태, 경로 및 수는 임의이다. 도시한 바와 같은 관통구멍일 필요는 없고, 비관통구멍이더라도 좋다. 혹은, 도시한 세로방향 뿐만 아니라, 이것과 직교하는 가로방향으로 이어지는 것과 같은 복잡한 형상이라도 좋다. 미세공간(21)은, 의도적으로 형성한 것에 한정되지 않는다. 의도하지 않고 발생한 것이라도 좋다.
대상물(2)의 대표적인 예는 반도체 디바이스용 웨이퍼이지만, 이것에 한정되지 않는다. 본 발명은, 대상물(2)에 존재하는 미세공간(21)에 용융금속을 충전하여 고체화 할 필요가 있는 경우에 넓게 적용할 수 있는 것으로, 예를 들면, 다른 전자 디바이스나, 마이크로 머신 등에 있어서, 내부에 미세한 도체 충전구조, 접합구조 또는 기능 부분을 형성하는 경우에, 폭넓게 적용이 가능하다. 어떤 경우에는, 전자 디바이스나 마이크로 머신 이외의 통상의 크기를 갖는 디바이스에 적용할 수도 있다.
또한, 대상물(2)은, 용융금속으로부터 방산되는 열에 대한 내열성을 갖는 것이라면, 금속, 합금, 금속산화물, 세라믹스, 유리, 플라스틱 혹은 그들의 복합재, 또는, 그들 적층체등을 구분하지 않고, 넓게 사용할 수 있다. 또한, 대상물(2)의 외형 형상은, 평판 형상에 한정하지 않고, 임의의 형상을 취할 수 있다. 도시한 평판 형상은, 단순히 설명의 편의를 위해서 선택된 일례에 지나지 않다.
대상물(2)로서 웨이퍼가 선택된 경우, 그 물성, 구조 등은, 대상으로 하는 디바이스의 종류에 따라서 다르다. 예를 들면, 반도체 디바이스의 경우에는, Si웨이퍼, SiC웨이퍼 또는 SOI웨이퍼 등이 이용된다. 수동 전자회로 디바이스의 경우에는, 유전체, 자성체 또는 그들 복합체의 형태를 취하는 것이 있다. MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory), MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 또는 광디바이스 등의 제조에 있어서도, 그 요구에 따른 물성 및 구조를 갖는 웨이퍼가 이용된다. 웨이퍼에 있어서 미세공간(21)은, 일반적으로는 관통구멍, 비관통구멍[맹공(盲孔)] 또는 비아·홀이라 칭해진다. 이 미세공간(21)은, 예를 들면, 구멍 지름이 60㎛ 이하이다. 웨이퍼 자체의 두께는, 통상 수십㎛이다. 따라서, 미세공간(21)은 상당히 높은 어스펙트비를 갖게 된다. 이것이, 용융금속(4)을 미세공간(21)에 충전할 때의 문제점을 발생시키는 큰 이유가 되는 것이다.
다음에, 진공챔버(1)에 대해서 진공 흡인을 실행하여, 진공챔버(1)의 내압을, 예를 들면 진공도 10-3Pa 정도까지 감압한다. 무엇보다도, 이 진공도는 한 예에 지나지 않으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
(B) 흘려넣기 공정
다음에, 흘려넣기 공정에서는, 용융금속(4)을, 미세공간(21)의 개구하고 있는 개구면으로부터, 미세공간(21)내에 흘려 넣는다. 이 흘려넣기 공정은, 진공챔버 (1) 내부의 감압 분위기내에서 실행되는 것을 기본으로 한다. 이것에 의해, 용융금속(4)이 미세공간(21)내로 진공 흡입되고, 미세공간(21)의 내부에 충전 용융금속 (41)이 생기게 된다.
용융금속(4)을 구성하는 금속재료는, 대상물(2)의 종류 및 그 목적에 따라서, 그 조성분이 선택된다. 용융금속(4)은, 일반적으로는 단일 금속 원소에 의해서 구성되는 것이 아니라, 합금화를 전제로 한 복수 금속 원소를 함유한다. 예를 들면 대상물(2)이, 반도체 웨이퍼이고, 미세공간(21)의 내부에 도체를 형성하는 것이 목적이면, Ag, Cu, Au, Pt, Pd, Ir, Al, Ni, Sn, In, Bi, Zn의 군으로부터 선택된 적어도 1종의 금속 원소를 포함한 금속성분을 이용할 수 있다. 접합구조를 얻고자 하는 경우에는, 접합되는 대상물과의 사이의 접합성을 고려한 금속성분이 선택된다.
상술한 금속성분은, 바람직하게는, 나노 컴포지트 구조를 갖는다. 여기에서 나노 컴포지트 구조란, 입자지름이 바람직하게는 500nm 이하인 다결정체를 말한다. 나노 컴포지트 구조를 갖는 금속성분을 이용하는 것의 이점은, 용융금속(4) 전체로서의 융점을 저하시킬 수 있는 점에 있다. 융점을 저하시키는 또 하나의 수법은, 고융점 금속성분(Ag, Cu, Au, Pt, Pd, Ir, Al, Ni)과, 저융점 금속성분(Sn, In, Bi)을 조합시키는 것이다.
용융금속재료로는, 바람직하게는 비스무스(Bi)를 함유시킨다. 비스무스(Bi) 를 함유시키는 것의 이점은, 비스무스(Bi)의 냉각시 체적팽창 특성을 이용하여, 미세공간(21)내에 공극이나 보이드가 없는 금속 도체를 형성하는데 기여할 수 있는 점에 있다.
또한, 미세공간(21)의 바닥부가 도체에 의해서 닫혀 있는 경우, 상술한 용융금속(4)을 흘려넣기 전에, 미세공간(21)내에 귀금속 나노 입자를 공급해 놓고, 그 후에 용융금속(4)을 흘려 넣는 공정을 채용하는 것도 유효하다. 이 공정을 거침으로써, 귀금속 나노 입자가 갖는 촉매 작용에 의해, 도체에 형성될 수 있는 산화막을 환원하여, 용융금속(4)과 도체와의 사이에 전기 저항이 낮은 접합을 형성할 수 있다. 귀금속에는 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru) 및 오스뮴(Os)이 포함된다. 이들 원소중에서도, 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd)으로부터 선택된 적어도 1종을 포함하는 것이 바람직하다.
용융금속(4)의 흘려넣기에 있어서는, 상술한 금속재료를, 진공챔버(1)의 외부에서 미리 용융해 두고 진공챔버(1)의 내부의 대상물(2)에 공급하거나, 혹은, 진공챔버(1)의 내부에 설치된 지지구(3)에, 가열기구를 부설해 두고, 진공챔버(1)내에서 금속재료를 용융시킨다. 용융을 위한 온도는, 일례이지만, 200∼300℃의 범위에서 설정할 수 있다. 용융온도는, 상술한 바와 같이, 금속성분의 조합의 선택 및, 나노화에 의해서 조정하거나, 또는 저하시킬 수 있다.
금속재료는, 분말체의 형태로 공급해도 좋고, 혹은 상술한 금속재료를 이용하여, 대상물(2)의 외형 형상에 대응하는 금속 박판을 미리 준비해 두고, 이 금속 박판을 대상물(2)의 한쪽면상에 겹쳐놓고 용융시켜도 좋다.
상기의 흘려넣기 방법과는 달리, 감압 분위기중에서 대상물(2)을 용융금속조중에 침지하고, 그 후 끌어올리는 공정을 채용할 수도 있다.
흘려넣기 공정은, 용융금속(4)을 가압하는 공정을 포함할 수 있다. 이 공정에서는, 용융금속에 대해서, 정압(靜壓) 뿐만 아니라, 동압(動壓)도 부여하는 것이 바람직하다. 동압의 다이나믹한 메워넣기 작용에 의해, 용융금속(4)을, 미세공간 (21)에 대해서 강제적으로 흘려 넣을 수 있기 때문이다. 가압은, 기계적인 프레스 수단을 이용한 프레스압으로서 부여하여도 좋고, 공판(孔版) 및 스퀴지를 이용한 메워넣기 힘으로 부여하여도 좋으며, 진공챔버(1)내의 분위기 가스압을, 감압 상태로부터 증압하는 것에 의해 부여하여도 좋다. 감압 상태로부터의 증압분에 의해, 이른바 차압 충전이 실행된다.
진공챔버(1)의 내부의 가스압을 증압하는 경우에는, 진공챔버(1)내에 N2가스 등의 불활성가스를 공급하여, 용융금속재료의 산화를 방지하면서, 그 가스압을 가압하는 것이 바람직하다. 진공챔버(1)내의 가스압은, 하나의 예이지만, 0.6∼1kgf/cm2의 범위에서 설정할 수 있다. 이 가스압에 도달할 때까지의 승압-시간 특성을 제어함으로써, 적합한 동압을 발생시킬 수 있다.
또한, 흘려넣기 공정은, 용융금속(4)을 진공챔버(1)의 외부에 설치된 사출기에 의해 사출하여 미세공간(21)에 충전하는 공정을 포함할 수도 있다. 이 공정은, 상술한 가압 수단과 조합해도 좋고, 또는 그것과 독립하는 수단으로 해도 좋다.
흘려넣기 공정에 있어서, 용융금속(4)은, 대상물(2)의 미세공간(21)의 개구 하는 개구면상에, 금속박막(42)이 생기도록 공급하는 것이 바람직하다. 즉, 용융금속(4)을, 미세공간(21)의 전체 용적보다 많아지도록 공급한다. 이러한 공정을 밟는 것에 의해서, 금속박막(42)에 참가하는 동압을 이용하여, 메워넣기 동작을 확실히 발생시킬 수 있다.
또한, 흘려넣기 공정에 있어서는, 초음파 진동을 이용한 충전, 자력(磁力)을 이용한 충전, 나아가서는 원심력을 이용한 충전을 행할 수도 있다. 초음파 진동 충전에서는, 대상물(2)에 초음파 진동을 주거나, 프레스 수단에 초음파 진동을 주거나, 또는 공판 및 스퀴지에 초음파 진동을 주는 것을 생각할 수 있다. 무엇보다, 진동 효율의 향상, 및, 대상물(2)의 공진 작용에 의한 용융금속(4)의 넘쳐흐름을 회피하는 관점으로부터, 진동 주파수를 적절히 선택할 필요가 있다.
자력 충전에서는, 용융금속(4)에 자성 성분을 함유시켜 두고, 외부로부터 자계를 인가하고, 자성 성분에 작용하는 자력을 이용하여, 용융금속(4)을 미세공간 (21)의 내부로 끌어들이도록 하면 좋다. 원심력 충전에서는, 대상물(2)을 회전시켰을 때에 발생하는 원심력을 이용하면 좋다.
(C) 경화공정
다음에, 경화공정으로 이행한다. 이 경화공정에 있어서의 처리 내용이 본 발명에 있어서의 큰 특징의 하나이다. 경화공정에서는, 상술한 흘려넣기 공정에 의해, 미세공간(21)내에 용융금속(4)을 흘려 넣은 후, 미세공간(21)내의 충전 용융금속(41)을, 대기압이 넘는 강제 외력(F1)을 인가한 상태에서, 냉각하여 경화시킨다. 강제 외력(F1)은, 경화가 완료될 때까지, 계속하여 인가된다. 냉각은, 기본적으로 는 실온중에서의 서랭(徐冷)이지만, 실온보다 낮은 온도 조건을 설정해도 좋고, 경우에 따라서는, 실온보다 높은 온도 조건을 설정해도 좋다. 게다가, 시간경과와 함께, 연속적 또는 단계적으로 온도를 저하시키는 냉각 방법을 취해도 좋다.
강제 외력(F1)의 크기는, 대상물(2)의 기계적 강도 및 미세공간(21)의 어스펙트비 등을 고려하여 정한다. 하나의 예로서, 대상물(2)이 실리콘웨이퍼인 경우, 강제 외력(F1)은, 대기압 초과∼2kgf/cm2 이하의 범위에서 설정하는 것이 바람직하다. 대상물(2)의 기계적 강도 및 미세공간(21)의 어스펙트비가 큰 경우에는, 더 높은 압력을 인가할 수 있다.
경화공정에서 인가되는 강제 외력(F1)은, 프레스압, 사출압, 가스압 또는 회전압으로부터 선택되는 적어도 1종으로 주어진다. 이들 압력을 이용하는 경우, 경화공정의 초기의 단계에서는, 정압 뿐만 아니라, 동압도 적극적으로 이용하여, 동압에 의한 다이나믹한 메워넣기 동작을 행하게 할 수 있다. 이것에 의해, 공극이나 보이드의 발생을 보다 확실히 억제하는 것과 함께, 충전 용융금속(41)이, 미세공간 (21)의 바닥부에 보다 한층 확실히 도달하도록 조작할 수 있다. 강제 외력으로서 프레스압, 사출압, 가스압 또는 회전압을 가하는 것의 배경에 있는 본래적인 의도는, 용융금속을, 대기 또는 분위기에 접하는 일 없이, 닫은 상태(예를 들면 뚜껑을 한 상태)에서 냉각·경화시킨다고 하는 것에 있다. 이 점은, 용융금속의 냉각·경화공정에 있어서, 금속의 산화를 방지한다고 하는 관점으로부터 극히 중요하다.
프레스압은, 공기압을 이용한 프레스 수단, 유압을 이용한 프레스 수단, 또 는 기계적인 프레스 수단에 의해서 인가할 수 있다. 이 종류의 프레스 수단은, 대상물(2)에 근접하여 직접 압력을 인가하는 슬라이더(누름판)를 가지고 있고, 이 슬라이더에 의해, 용융금속을 대기 또는 분위기에 접하는 일이 없이, 닫은 상태에서 냉각·경화시킨다.
사출압은, 사출기에 의해서 인가할 수 있다. 사출기에 의한 경우는, 그 본질적인 작용에 의해, 용융금속을, 대기 또는 분위기에 접하는 일 없이, 닫은 상태에서 냉각·경화시킬 수 있다.
가스압은, 대상물(2)을, 진공챔버(1) 또는 그것과는 별도로 준비된 처리챔버내에 유지한 채로, 그 분위기 가스압을 상승시키는 것에 의해서 인가할 수 있다. 가스압을 인가하는 경우는, 가스압을 받아서, 대상물에 직접 압력을 인가하는 수압 (受壓)·누름판을 준비하고, 이 수압·누름판에 의해, 용융금속을, 대기 또는 분위기에 접하는 일 없이, 닫은 상태에서 냉각·경화시킬 수 있다. 가스압에 있어서도, 그 시간적인 압력상승 특성을 컨트롤하는 것에 의해, 경화공정의 초기의 단계에서는, 동압을 적극적으로 이용하여, 동압에 의한 다이나믹한 메워넣기 동작을 행하게 할 수 있다. 경화공정에 있어서도, 초음파 진동 충전, 자력 충전 및 원심력 충전을 이용할 수 있다.
경화공정에 있어서의 강제 외력에 의한 가압은, 흘려넣기 공정에 있어서의 가압 공정으로부터 독립하여 실행해도 좋고, 연속적인 관계에서 실행해도 좋다. 연속적인 관계에서 실행되는 경우는, 양 가압 공정은, 하나의 가압 공정으로서 흡수되게 된다. 그 전형적인 예는, 진공챔버(1)내의 가스압을, 대기압을 넘을 정도까지 증압하는 경우 및, 대상물(2)의 개구면상에 사출기에 의해서 용융금속(4)을 공급하고, 그 사출압력에 의한 강제 외력을 인가한 채로, 용융금속을 냉각하여 경화시키는 경우이다. 무엇보다, 하나의 가압 공정으로서 일체화한 경우에도, 인가압력을 조정하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서는, 미세공간(21)내의 용융금속(4)에 대해, 강제 외력(F1)을 인가한 채로, 미세공간(21)내의 충전 용융금속(41)을 냉각하여 경화시키는 경화공정을 포함하기 때문에, 미세공간(21)내에 충전 용융금속(41)을 확실히 충전하는 것과 함께, 충전 용융금속(41)이 냉각의 과정에서 열수축했을 때, 인가된 강제 외력(F1)에 의해서, 열수축에 의한 금속의 변형을 억제할 수 있다. 이 때문에, 공극이나 보이드 등을 발생시키는 일 없이, 미세공간(21)을, 그 바닥부에 이르기까지, 경화 금속체(40)에 의해서 충족시킬 수 있다. 같은 이유로, 경화 금속체(40)가 미세공간(21)내에서 냉각되었을 때에 발생할 오목면화도 회피할 수 있다.
또한, 미세공간(21)내의 경화 금속체(40)의 오목면화를 회피할 수 있기 때문에, 냉각 후의 용융금속의 재공급이나 CMP공정 등이 불필요하고, 공정의 간소화나 생산수율의 향상 등에 기여할 수 있다.
특히, 흘려넣기 공정에 있어서, 용융금속(4)을, 대상물(2)의 외면상에, 금속박막(42)이 생기도록 공급한 경우에는, 이 금속박막(42)이 압력을 받아, 미세공간 (21)안에 충전된 충전 용융금속(41)의 형태에 따라서 막두께가 바뀌는 등, 변화하게 되므로, 미세공간(21)안에 충전되어 경화한 경화 금속체(40)의 열수축에 의한 변형 및, 오목면화를 확실히 억제할 수 있다.
(D) 후공정
다음에, 대상물(2)의 외면상의 금속박막(42)을 재용융시키고, 재용융한 금속박막(42)을, 예를 들면 스퀴지(5) 등에 의해 닦아낸다. 이 후공정에 의하면, 대상물(2)의 외면을 평탄화할 수 있다. 또한, 닦아냄이라고 하는 간단한 조작으로 끝나고, 종래와 달리, 용융금속 냉각후의 용융금속(4)의 재공급이나 CMP공정 등이 불필요하기 때문에, 공정의 간소화, 생산수율의 향상 등에 기여할 수 있다. 필요하면, 경화공정에 준하여, 다시 재가압(F2)하고, 그 후에 냉각하는 공정을 실행해도 좋다. 무엇보다, 이 후공정은, 금속박막(42)을 제거하고 대상물(2)의 일면을 평탄화하기 위한 것이기 때문에, 평탄화의 필요가 없는 경우에는 생략할 수도 있다.
재용융시의 열은, 미세공간(21)의 내부에서 경화되고 있는 경화 금속체(40)에도 가해지지만, 경화 금속체(40)가 갖는 열용량이 금속박막(42)의 열용량보다 현저하게 크기 때문에, 금속박막(42)이 재용융되어도 경화 금속체(40)의 재용융까지는 진전되지 않는다. 이 때문에, 금속박막(42)만을 닦아낼 수 있다.
상술한 일련의 공정을 거쳐서, 미세공간(21)에 경화 금속체(40)를 충전한 대상물(2)을 얻을 수 있다. 한편, 상술한 각 공정의 전부가, 진공챔버(1)내에서 실행될 필요는 없다. 경화공정이나 후공정은, 진공챔버(1)의 외부에서 실행되어도 좋은 공정을 포함하고 있다.
다음에, 본 발명의 효과를 SEM(Scanning Electron Microscope) 사진에 의해서 실증한다.
도 2는, 도 1에 도시한 공정에 있어서, 경화공정(가압냉각)을 생략하여 얻어 진 반도체 웨이퍼(실리콘웨이퍼)의 단면 SEM 사진, 도 3은 경화공정(가압냉각)을 갖는 본 발명에 관한 방법에 의해서 얻어진 반도체 웨이퍼(실리콘웨이퍼)의 단면 SEM 사진이다. 경화공정(가압냉각)의 유무를 제외하면, 양 SEM 사진 모두, 같은 공정 조건하에서 얻어진 반도체 웨이퍼의 단면을 도시하고 있다. 공정 조건은 다음과 같다.
(A) 준비공정
진공챔버내 진공도: 10-3(Pa)
대상물: 유리 보호막을 갖는 300mm×50㎛의 실리콘웨이퍼
미세공간: 개구지름 15㎛, 바닥부 구멍지름 10㎛
(B) 흘려넣기 공정
① 상기 실리콘웨이퍼상에, 같은 형상의 금속 박판을 배치하여, 용융시켰다.
금속 박판의 조성분 : Sn, In, Cu, Bi
용융온도: 250℃
② 다음에, 진공챔버내에 N2가스를 도입하여, 가스압을 0.6kgf/cm2로 설정하였다(가압).
(C) 경화공정 (본 발명의 경우만)
프레스기에 의해, 용융금속에 2.0kgf/cm2의 압력을 인가하고, 그 상태에서 서랭하였다.
(D) 후공정
재용융을 위한 용융온도: 250℃
스퀴지에 의한 닦아냄
재가압: 프레스기에 의해, 2.0kgf/cm2의 압력을 인가
우선, 도 2의 SEM 사진을 보면, 대상물인 웨이퍼(2)의 미세공간(21)의 내부에 충전되어 있는 경화 금속체(40)의 상단측에, 오목면부(P1)가 생기고 있고, 게다가, 그 바닥부에도, 경화 금속체(40)가 충전되어 있지 않은 공극부(P2)가 생기고 있다. 경화 금속체(40)의 주위와, 미세공간(21)의 안쪽 면과의 사이에도, 공극의 존재가 인식된다.
이에 대해서, 본 발명의 적용에 관한 도 3의 SEM 사진을 보면, 웨이퍼(2)의 미세공간(21)의 내부에 충전되어 있는 경화 금속체(40)의 상단면은, 웨이퍼(2)의 상면에 연속하여 이어지는 평탄면이 되고 있고, 오목면부는 인식되지 않는다. 경화 금속체(40)의 하단면은, 미세공간(21)의 바닥부에 밀접하고 있고, 바닥부 공극은 보이지 않는다. 또한, 경화 금속체(40)의 바깥둘레면은, 미세공간(21)의 안쪽면에 밀접하고 있고, 공극의 존재는 인식되지 않는다.
도 4는, 본 발명에 관한 방법의 다른 적용예를 도시하고 있다. 이 예는, 본 발명이 직선 형상의 단순한 구조의 미세공간 뿐만 아니라, 굽은 경로를 갖는 미세공간에도 적용할 수 있는 것을 도시하고 있다. 도 4(A)를 참조하면, 대상물(2)은, 서로 다른 위치에서 세로 방향으로 연장되는 2개의 미세공간(211,213)을 갖고 있 고, 이들 미세공간(211,213)이 가로 방향으로 연장되는 미세공간(212)을 사이에 두고 연속하고 있다.
도 4(A)에 도시한 바와 같은 미세공간 구조라도, 도 1을 참조하여 설명한 본 발명에 관한 방법을 적용하는 것에 의해서, 도 4(B)에 도시하는 바와 같이, 미세공간(211,212,213)을 통하여 연속하는 경화 금속체(40)를 형성할 수 있다. 도시는 생략하지만, 더 복잡한 형상을 갖는 미세공간이더라도, 본 발명의 적용에 의해, 경화 금속체(40)를 형성할 수 있다.
도 4에 있어서, 대상물(2)은, 금속, 합금, 금속 산화물, 세라믹스, 유리, 플라스틱 혹은 그러한 복합재, 또는, 그들 적층체의 형태를 취할 수 있다. 또한, 대상물(2)의 외형 형상은, 평판 형상에 한정하지 않고, 임의의 형상을 취할 수 있다. 도시한 형상은, 역시 단순히 설명의 편의를 위해서 선택된 일례에 지나지 않는다.
도 5는, 본 발명에 관한 방법의 또 다른 적용예를 도시하고 있다. 이 예는, 본 발명을 접합 기술의 분야에 적용한 경우를 도시하고 있다. 도면을 참조하면, 제 1 부재(201)와 제 2 부재(202)와의 사이에 생기는 미세공간(21)이, 경화 금속체 (40)에 의해서 메워져 있다. 경화 금속체(40)는, 도 1을 참조하여 설명한 방법에 따라서 충전·경화된 것이다. 용융금속의 흘려넣는 방향은, 지면(紙面)과 직교하는 방향, 또는 지면과 평행하는 방향의 어느 쪽의 방향이라도 좋다. 제 1 부재(201) 및 제 2 부재(202)의 형상은 임의이며, 도면은 단순한 일례를 도시하는 것에 지나지 않는다. 또한, 제 1 부재(201) 및 제 2 부재(202)는, 동종의 금속재료이더라도 좋고, 이종의 금속재료라도 좋다.
제 1 부재(201)와 제 2 부재(202)를 분리할 수 없는 관계에서, 일반적인 납땜 등의 용접기술을 적용할 수 없는 경우이더라도, 본 발명의 적용에 의해, 용접할 수 있다.
도 6은, 본 발명에 관한 방법의 또 다른 적용예를 도시하고 있다. 이 적용예에서는, 동일한 중심을 두고 배치된 2개의 통체(201,201)의 사이에 생긴 미세공간 (21)에, 경화 금속체(40)가 충전되어 있다. 이러한 적용 장면은, 전자 디바이스나 마이크로머신이 속하는 기술분야 뿐만 아니라, 그보다 큰 기구 부품을 취급하는 기술분야에서도 생길 수 있다. 즉, 본 발명의 적용 범위는, 반드시 미소전자 디바이스나 마이크로 머신의 제조 프로세스에 한정되는 것은 아니다. 도시는 하지 않지만, 본 발명에는, 물체에 생긴 균열이나 빈틈을 메우는 수단으로서의 적용 가능성도 있다.
본 발명은 바람직한 실시예를 들어 상기에서 기술되었다. 그러나, 당업자라면, 발명내용에 들어있는 기술적인 사상 및 여기에서 개시된 내용에 근거하여 다양한 변경이 가능하다.
도 1은, 본 발명에 관한 방법을 도시하는 플로우차트,
도 2는, 도 1에 도시한 공정에 있어서, 경화공정(가압냉각)을 생략하여 얻어진 반도체 웨이퍼(실리콘웨이퍼)의 단면 SEM 사진,
도 3은, 경화공정(가압냉각)을 갖는 본 발명에 관한 방법에 의해서 얻어진 반도체 웨이퍼(실리콘웨이퍼)의 단면 SEM 사진,
도 4는, 본 발명에 관한 방법의 다른 적용예를 도시하는 도면,
도 5는, 본 발명에 관한 방법의 또 다른 적용예를 도시하는 도면,
및, 도 6은, 본 발명에 관한 방법의 또 다른 적용예를 도시하는 도면이다.

Claims (10)

  1. 대상물에 존재하는 미세공간에 용융금속을 충전하여 경화시키는 방법으로서, 상기 미세공간내의 상기 용융금속에 대하여, 대기압을 넘는 강제외력을 인가한 채로, 상기 용융금속을 냉각하여 경화시키는 공정을 포함하고,
    상기 미세공간은, 한 끝단이 상기 대상물의 외면으로 개구하고 있고,
    상기 강제외력은, 프레스압, 사출압 또는 회전압으로부터 선택되는 적어도 1종으로 주어지며, 상기 미세공간의 타단측을 닫은 상태에서, 상기 미세공간의 개구하는 개구면측으로부터 상기 용융금속에 인가되는 미세공간으로의 금속충전방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 용융금속을 냉각하여 경화시키기 전에, 상기 개구면상에 금속 박판을 배치하고, 진공챔버내의 감압된 분위기내에서, 상기 금속 박판을 용해시켜서 상기 용융금속을 생성하는 공정을 포함하는 미세공간으로의 금속충전방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 용융금속을 냉각하여 경화시키기 전에, 상기 진공챔버내의 분위기를 감압 상태로부터 증압하고, 상기 용융금속을 상기 미세공간으로 흘려 넣는 공정을 포함하는 미세공간으로의 금속충전방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항중의 어느 한 항에 있어서, 상기 용융금속을 냉각하여 경화시키기 전에, 또한, 진공챔버내의 감압된 분위기내에 놓여진 상기 대상물의 상기 개구면상에 상기 용융금속을 공급한 후, 상기 진공챔버내의 분위기를 증압하는 공정을 포함하는 미세공간으로의 금속충전방법.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 용융금속은, 상기 개구면상에 그 금속박막이 생기도록 공급되는 미세공간으로의 금속충전방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 용융금속을 경화시킨 후, 상기 개구면상의 상기 금속박막을 재용융하고, 재용융된 상기 금속박막을 닦아내는 공정을 포함하는 미세공간으로의 금속충전방법.
  7. 제 4 항에 있어서, 상기 용융금속은, 상기 개구면상에 그 금속박막이 생기도록 공급되는 미세공간으로의 금속충전방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 용융금속을 경화시킨 후, 상기 개구면상의 상기 금속박막을 재용융하고, 재용융된 상기 금속박막을 닦아내는 공정을 포함하는 미세공간으로의 금속충전방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
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