(57)【要約】【課題】シリコン基板に貫通電極用の貫通穴を形成する場合、ドライエッチング法やレーザ法のような装置が高価で生産性の低い貫通穴形成技術を使う必要があった。これらに代替する簡便で生産性の高い貫通穴形成技術の開発を課題とした。【解決手段】シリコン基板を局所冷却しつつドリルにて貫通穴もしくは非貫通穴を形成するシリコン基板の製造方法であって前記ドリルの回転数が８、０００ｒｐｍから５０、０００ｒｐｍの範囲であることを特徴とするシリコン基板の製造方法である。【選択図】図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板とドリルとの当接部位を局所冷却しつつ、回転するドリルにてシリコン基板に貫通穴もしくは非貫通穴を形成することを特徴とするシリコン基板の製造方法。
【請求項２】
前記ドリルの回転数が８，０００ｒｐｍから５０，０００ｒｐｍの範囲であることを特徴とする請求項１記載のシリコン基板の製造方法。
【請求項３】
前記シリコン基板を基板載置用基盤上に載置し、前記基板載置用基盤を冷却媒体により冷却することで局所冷却を行うことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のシリコン基板の製造方法。
【請求項４】
前記局所冷却が、冷却水をシリコン基板とドリルとの当接部位に吹き付けることでなされることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のシリコン基板の製造方法。
【請求項５】
前記局所冷却が、液体窒素をシリコン基板とドリルとの当接部位に吹き付けることでなされることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のシリコン基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコンからなる半導体素子基板の製造方法に関わり、特に半導体素子を３次元高密度実装するために必要な貫通穴をシリコンウエハーに形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の集積密度を向上させ高速で信号処理をすることは不可欠不断の要請である。このためには、半導体チップを微細化し高速で動作するようにするとともに、半導体チップ自体を高密度で実装する技術の開発も必要である。
【０００３】
高密度実装技術の一つとして、プラスチック基板あるいはセラミック基板上に、複数の半導体チップを薄い絶縁性基板を介して複数段積層する方式が知られている。積み重ねられた半導体チップ間の電気接続は、一般には半導体チップの外周部に形成された接続用パッド同士をワイヤーボンディングすることで図られ、最後に全体を樹脂でモールド成形することで半導体装置製品となる。しかし、ワイヤーボンディング法では、接続用パッドが半導体チップの周辺部にしか配設できずその数が制限されることや、ワイヤー線のインダクタンスなどの問題から高速信号を高密度で伝送することにはあまり向いていない。
【０００４】
また、半導体チップを積層する点で上記に類似の方法として、絶縁性の中間基板としてシリコン基板を用い、該基板の表面から裏面に貫通する電極を形成しこれを上下の半導体チップの接続用電極とする技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この積層形態では、半導体チップとシリコン基板が同じ材質のため、半導体チップとシリコン基板の接続部分で発生する熱応力が、半導体チップとプラスチック基板間に比べ、少ないため信頼性の高い接合が可能であって、また配線距離も短くできるという特長がある。
【０００５】
さらに、進んだ技術として、上記の中間基板を省いて半導体チップ自体に直接貫通電極を形成して、この貫通電極同士を上下に接続する技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。ここでは、各々の半導体チップには、その表面に２次元的な集積回路とチップを貫く貫通電極とが併置して形成されている。貫通電極は裏面に一部が露出するように形成され、この突出部が別の半導体チップ表面に形成された貫通電極パッドと接合し、これを繰り返すことで全体として３次元半導体集積回路が得られる。かかる技術は、最下段の貫通電極を多層配線基板の電極パッドと接続し最後にパッケージングすることで、配線長の短い理想的な半導体装置が得られるという点で優れている。
【０００６】
なお、シリコン基板に貫通電極用の穴を形成した後は、化学蒸着法により穴の内側壁に酸化シリコン等の絶縁膜を形成する。その後、無電界めっき法によりシード層を形成し、このシード層を陰極として内側壁に銅、アルミ等の金属皮膜を設け貫通電極とするのが一般的である。また穴内部をダマシン法により金属で充填し、裏面からエッチングによりシリコンを除去して金属部分の頭だしを行い貫通電極とすることも行われている。
【特許文献１】特開平５−１４４９７８号公報
【特許文献２】特開２００３−１７５５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
貫通する電極を上記シリコン基板に形成する前に、上下に貫通する穴をシリコン基板に形成することが必要である。貫通穴の一つの形成方法はドライエッチング工法である。これは先ず、シリコン基板上に定法のフォトリソグラフィー法により、貫通部に対応する箇
所に開口を有するレジストパターンをシリコン基板上に形成し、開口部のシリコンをＳＦ6などのフロン系ガスを用いたドライエッチングにより垂直方向に除去していく方法である。
【０００８】
しかし、この方法においては、穴を深くエッチングする場合にはレジスト層が一層では足りず、無機材料からなるハードマスクを追加するなど多層化処理を必要とする場合が多い。また、いくら垂直方向にエッチングが進むといっても側壁方向にもエッチングが入るため、側壁の保護とエッチングとを交互に繰り返すボッシュプロセスを採用する必要があるなど、加工に非常に長時間を要するという問題もある。
【０００９】
さらに、危険なフロンガスを使用するため、ドライエッチング装置は構造が非常に複雑で、メンテナンスが容易に行えず、維持管理に多大の費用がかかるという問題もある。また、ドライエッチングを行う方法は、装置の仕様上加工できる基板のサイズが限定されるという問題もある。
【００１０】
別の方法としてレーザ工法があるが、ＹＡＧレーザ光を所望の位置にスポット照射してシリコンを溶融除去するため、加工部周辺にドロスや溶解粉が再付着する問題がある。さらに、レーザ装置が高額であり生産性も低いというドライエッチング法と同じ問題を抱えている。
【００１１】
そこで、本発明の課題は、ドライエッチング法やレーザ法のような装置が高価で生産性の低い貫通穴形成技術に代わる、簡便で生産性の高い貫通穴形成技術を用いたシリコン基板の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上記の問題を鑑みてなされたもので、請求項１の発明は、シリコン基板とドリルとの当接部位を局所冷却しつつ、回転するドリルにてシリコン基板に貫通穴もしくは非貫通穴を形成することを特徴とするシリコン基板の製造方法としたものである。
【００１３】
本発明の製造方法では、シリコン基板を冷却しつつドリルを行うことで、回転するドリルがシリコン基板と接することで生じる摩擦熱の発生が抑えられるため、シリコンが溶解しその溶融物が穴開口部と穴側壁に再凝固して付着することがない。そのため垂直形状性に優れた貫通穴が形成される。
【００１４】
請求項２の発明は、前記ドリルの回転数が８，０００ｒｐｍから５０，０００ｒｐｍの範囲であることを特徴とする請求項１記載のシリコン基板の製造方法としたものである。
【００１５】
かかる範囲にドリルの回転数を設定すると、裏面開口部に欠けやクラックが発生することを抑止できる。そのため、シリコン基板の裏面側に形成した開口部において、欠けやクラックにより開口径が拡大することを抑えられる。
請求項３の発明は、前記シリコン基板を基板載置用基盤上に載置し、前記基板載置用基盤を冷却媒体により冷却することで局所冷却を行うことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のシリコン基板の製造方法としたものである。
請求項４の発明は、前記局所冷却が、冷却水をシリコン基板とドリルとの当接部位に吹き付けることでなされることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のシリコン基板の製造方法としたものである。
【００１６】
請求項５の発明は、前記局所冷却が、液体窒素をシリコン基板とドリルとの当接部位に吹き付けることでなされることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のシリコン基板の製造方法としたものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、以上に記載したような作用を有するから、生産性が低く高コストなドライエッチング法やレーザ法を使用することなしに、ドリルで搾穴するというきわめて簡便な機械的手段によりシリコン基板に貫通穴もしくは非貫通穴を形成できるシリコン基板の製造方法とすることができる。特に、同じ機械的手段に属する金型を用いたうち抜き法よりも、ドリル工法の方がシリコン基板に搾穴する深さの調整が容易であるので、非貫通孔の形成に向いているということが挙げられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
ドリル工法は、シリコン基板のような単結晶基板に貫通穴を搾穴する技術としては、裏面開口部の拡大及び内側壁の破損を生じ好ましくないと考えられてきたが、本発明者は局所冷却しつつ適切な回転数でドリル加工をすることにより、形状崩れと溶融物の固着のない側壁を有する実用可能な貫通穴及び非貫通穴を機械的に形成できることを見出した。
以下、そのことにつき実施の態様に即して説明する。
【００１９】
先ず、厚み３００μｍ、直径６インチのシリコンウエハーとＮＣ型ドリル加工装置を用意した。ドリル加工装置は基板載置用の基盤を有し、基盤上にシリコンウエハーを載置した。この時、シリコンウエハーの基盤への固定は吸引チャック方式で行った。なお、固定は、静電チャック方式あるいはシリコンウエハ上に磁石を置き、基盤への磁石の引きつける力で行うことであっても構わない。
【００２０】
先端部形状が尖状で径が５０μｍのドリルを用い、シリコンウエハに搾穴を行った。搾穴の際にドリルの回転数（ｒｐｍ）を、２、０００ｒｐｍ、５、０００ｒｐｍ、８、０００ｒｐｍ、１０、０００ｒｐｍ、２０、０００ｒｐｍ、５０、０００ｒｐｍ、１００、０００ｒｐｍと変えて搾穴を行った。
【００２１】
なお、搾穴に際しては、上述したようにドリルの回転数を変える他に、ドリルとシリコンウエハとの当接部位への冷却の有無により貫通穴の形状を観察した。
初めに、液体窒素吹きかけによる局所冷却を行わずに、上記の条件でシリコン基板にドリル加工を行い、シリコン基板に貫通穴を形成した。その結果、ドリルの回転数が、２、０００ｒｐｍ、５、０００ｒｐｍの低速回転では、シリコンウェハに割れが生じた。一方、ドリルの回転数が５０、０００ｒｐｍ、１００、０００ｒｐｍと高速回転になると、ドリルが貫通した段階で、シリコンウエハの裏面で穴の形状に崩れが生じた。なお、ドリルの先端形状を変更したドリル刃にて同様な搾穴を行ったが、先端形状の相違による穴の形状に相違は見られなかった。総じて、局所冷却を行わずに搾穴を行った場合は、シリコン基板の貫通穴の開口部の縁、及び、貫通穴の側壁にシリコンが溶融し再凝結したものが付着しており、形状は良好とは言い難いものであった。
【００２２】
次に、回転するドリルがシリコン基板と当接する部位に液体窒素を吹きかけて冷却を行いながら、上記と同一条件にて、シリコン基板にドリル加工を行い、シリコン基板に貫通穴を形成した。この場合は、いずれも、貫通穴にシリコン凝固物の付着はほとんど見出されなかった。
【００２３】
表１に、液体窒素吹きかけによる局所冷却を行いつつ径５０μｍのドリルで搾穴形成した場合の貫通穴周辺の観察結果を改めてまとめて示した。形状がドリルの回転数に依存することが明らかである。また図１（ａ）、（ｂ）に径５０μｍのドリルで搾穴形成した貫通穴の表面又は裏面からの写真を示すが、局所冷却を行い、ドリルの回転数が８、０００ｒｐｍ、１０、０００ｒｐｍ、２０、０００ｒｐｍ、５０、０００ｒｐｍ、の場合は十分実用に耐える形状となった。なお、貫通穴周辺に微細なバリ等の発生が見られたが、かか
るバリ等は軽くエッチングすることで除去整形することができる程度の、問題の無い微小なものであった。なお、図１（ｃ）は局所冷却を行い、ドリル回転数が１００，０００ｒｐｍと高速にして穿穴した場合に、穴を裏面側から見た際の正面写真であり、底崩れが発生している。同図１（ｄ）は局所冷却を伴わずに穿穴を行った場合の写真を示し、穴の縁に溶融が生じている。
【００２４】
【表１】
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【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明になる局所冷却下のドリル加工でシリコン基板に搾穴した場合の写真。（ａ）上面視と上面斜視図、（ｂ）裏面正面視、（ｃ）局所冷却でドリル回転数が１００、０００ｒｐｍの場合の搾穴部の正面視写真、（ｄ）局所冷却がない場合の搾穴部正面視写真。
【図１】
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