(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空チャンバーと、前記真空チャンバー内を真空圧に減圧するための減圧手段と、前記真空チャンバー内に配置された溶融金属槽と、前記溶融金属槽内の金属を加熱溶融するためのヒータと、金属を空隙無しに充填しようとする微細空間を持つワークをクランプして前記真空チャンバー内の溶融金属槽内に挿入するためのワーク固定用アームと、ワークを溶融金属槽内に挿入した後に真空チャンバー内を大気圧以上に加圧するための加圧手段とを備えるとともに、前記真空チャンバーは、溶融金属槽を配置する本来の真空チャンバーとこの本来の真空チャンバーにシャッターで開閉可能な開口部で連通するバッファ用真空チャンバーとの２室に分かれており、前記減圧手段は前記シャッターを閉じた状態でバッファ用真空チャンバーを減圧することも可能であることを特徴とする微細空間への金属充填装置。
【請求項２】
真空チャンバーと、前記真空チャンバー内を真空圧に減圧するための減圧手段と、前記真空チャンバー内に配置された溶融金属槽と、前記溶融金属槽内の金属を加熱溶融するためのヒータと、金属を空隙なしに充填しようとする微細空間を持つワークをクランプして前記真空チャンバー内の溶融金属槽内に挿入するためのワーク固定用アームと、ワークを溶融金属槽内に挿入した後に真空チャンバー内を大気圧以上に加圧するための加圧手段とを備え、
前記真空チャンバーの上面部にヒンジ式の開閉蓋を設け、前記ワーク固定用アームの軸部を前記開閉蓋を貫通する態様でスライド可能に支持するアーム支持部を、前記開閉蓋に設けたことを特徴とする微細空間への金属充填装置。
【請求項３】
前記加圧手段は、ワークを溶融金属槽内に挿入した後に、かつ、ワークが溶融金属と同じ温度に達した後に真空チャンバー内を大気圧以上に加圧するものであることを特徴とする請求項１又は２記載の微細空間への金属充填装置。
【請求項４】
ワークがセラミック、フッ素樹脂、ポリイミド、ガラス、シリコンの何れかであることを特徴とする請求項１乃至３記載の微細空間への金属充填装置。
【請求項５】
ワークの孔が途中にて屈曲していることを特徴とする請求項１乃至４記載の微細空間への金属充填装置。
【請求項６】
ワークがシリコン多層基板であり、孔が途中にて屈曲していることを特徴とする請求項１乃至５記載の微細空間への金属充填装置。
【請求項７】
ワークの孔の断面輪郭が樹枝状に枝別れしていることを特徴とする請求項１乃至６記載の微細空間への金属充填装置。
【請求項８】
ワークが複合材、あるいは単一部材の組み合わせよりなることを特徴とする請求項１乃至７記載の微細空間への金属充填装置。
【請求項９】
充填金属が錫、あるいは金−錫であることを特徴とする請求項１乃至８記載の微細空間への金属充填装置。
【請求項１０】
微細空間がワークの貫通孔であることを特徴とする請求項１乃至９記載の微細空間への金属充填装置。
【請求項１１】
溶融金属槽を配置する本来の真空チャンバーとこの本来の真空チャンバーにシャッターで開閉可能な開口部で連通するバッファ用真空チャンバーとを備えた微細空間への金属充填装置を用いて、ワークに形成された微細空間に金属を空隙無しに充填する方法であって、
まず、金属を充填しようとするワークを前記バッファ用真空チャンバー内に収容し、次いでバッファ用真空チャンバーを減圧することでワークの雰囲気圧を減圧し、次いで減圧状態を保ったまま、前記ワークを、前記シャッターをあけて開口部から、予め減圧されている前記本来の真空チャンバー内に配置された溶融金属槽内の溶融金属に挿入し、次いで前記本来の真空チャンバーを加圧することで前記溶融金属の雰囲気圧を加圧して、金属挿入前後における雰囲気圧差により前記微細空間に溶融金属を充填し、次いで、ワークを溶融金属槽から引き上げて冷やすことを特徴とする微細空間への金属充填方法。
【請求項１２】
前記ワークに形成された前記微細空間が、微細孔若しくは空隙であり、前記ワークを真空チャンバー内に収容し、次いで真空チャンバー内を真空圧に減圧し、次いで前記ワークを真空チャンバー内の溶融金属槽に挿入し、ワークが溶融金属と同じ温度に達した後に真空チャンバー内を大気圧以上に加圧し、次いでワークを溶融金属槽から引き上げ、空冷することを特徴とする請求項１１記載の微細空間への金属充填方法。
【請求項１３】
ワークがセラミック、フッ素樹脂、ポリイミド、ガラス、シリコンの何れかであることを特徴とする請求項１１又は１２記載の微細空間への金属充填方法。
【請求項１４】
ワークの孔が途中にて屈曲していることを特徴とする請求項１１乃至１３記載の微細空間への金属充填方法。
【請求項１５】
ワークがシリコン多層基板であり、孔が途中にて屈曲していることを特徴とする請求項１１乃至１４記載の微細空間への金属充填方法。
【請求項１６】
ワークの孔の断面輪郭が樹枝状に枝別れしていることを特徴とする請求項１１乃至１５記載の微細空間への金属充填方法。
【請求項１７】
ワークが複合材、あるいは単一部材の組み合わせよりなることを特徴とする請求項１１乃至１６記載の微細空間への金属充填方法。
【請求項１８】
充填金属が錫、あるいは金−錫であることを特徴とする請求項１１乃至１７記載の微細空間への金属充填方法。
【請求項１９】
微細空間がワークの貫通孔であることを特徴とする請求項１１乃至１８記載の微細空間への金属充填方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明に属する技術分野】
この発明は、微細空間、例えばワークに形成された微細孔や微細隙間などへの金属充填方法と金属充填装置に関し、特にシリコン基板等にあけた高アスペクト比の微細孔に金属を充填する微細孔への金属充填装置と金属充填方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、被加工物（以下、ワークという）に形成された微細空間へ金属充填する場合として、例えばシリコンＩＣチップ等の製造工程でシリコン基板に貫通電極（ビアホール電極）を形成する場合、シリコン基板に貫通電極用の貫通孔をあけ、このシリコン基板を、導体用の金属を溶融させた溶融金属（メッキ液）に挿入して、貫通孔内に溶融金属を充填するメッキ法が一般的である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、貫通孔が高いアスペクト比（孔深さ／開口部直径）の微細孔である場合、溶融金属が微細孔の奥深くまで進入できないために、例えば、図７に示すようにシリコン基板１の微細孔２の入口付近に溶融金属３が集中して成長して内部に空隙が生じたり、図８に示すように微細孔２内の溶融金属３に鬆（す）４が出来たりする等、空隙のない均一な金属充填を行なうことが出来ないため、良好な貫通電極を作成することは困難であった。
【０００４】
ところで、例えば、シリコンＩＣチップを積層する高密度３次元実装を行なおうとすると、一枚のシリコン基板の表裏に形成された配線パターンを繋ぐための貫通電極を形成する必要が生じる場合があるが、この貫通電極を上記従来の方法で形成しようとすると、シリコン基板にあける貫通孔が深く高アスペクト比の微細孔となるので、上述の通り、この微細孔にメッキ法で金属を充填して貫通電極を形成することは困難である。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、シリコン基板等のワーク中に形成された微細空間、例えば微細孔に金属を空隙なしに充填することを可能にする金属充填装置および方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する請求項１の微細空間への金属充填装置の発明は、真空チャンバーと、前記真空チャンバー内を真空圧に減圧するための減圧手段と、前記真空チャンバー内に配置された溶融金属槽と、前記溶融金属槽内の金属を加熱溶融するためのヒータと、金属を空隙無しに充填しようとする微細空間を持つワークをクランプして前記真空チャンバー内の溶融金属槽内に挿入するためのワーク固定用アームと、ワークを溶融金属槽内に挿入した後に真空チャンバー内を大気圧以上に加圧するための加圧手段とを備えるとともに、前記真空チャンバーは、溶融金属槽を配置する本来の真空チャンバーとこの本来の真空チャンバーにシャッターで開閉可能な開口部で連通するバッファ用真空チャンバーとの２室に分かれており、前記減圧手段は前記シャッターを閉じた状態でバッファ用真空チャンバーを減圧することも可能であることを特徴とする。
【０００７】
請求項２の微細空間への金属充填装置の発明は、真空チャンバーと、前記真空チャンバー内を真空圧に減圧するための減圧手段と、前記真空チャンバー内に配置された溶融金属槽と、前記溶融金属槽内の金属を加熱溶融するためのヒータと、金属を空隙なしに充填しようとする微細空間を持つワークをクランプして前記真空チャンバー内の溶融金属槽内に挿入するためのワーク固定用アームと、ワークを溶融金属槽内に挿入した後に真空チャンバー内を大気圧以上に加圧するための加圧手段とを備え、
前記真空チャンバーの上面部にヒンジ式の開閉蓋を設け、前記ワーク固定用アームの軸部を前記開閉蓋を貫通する態様でスライド可能に支持するアーム支持部を、前記開閉蓋に設けたことを特徴とする。
また、請求項３は、請求項１又は２記載の微細空間への金属充填装置において、加圧手段が、ワークを溶融金属槽内に挿入した後に、かつ、ワークが溶融金属と同じ温度に達した後に真空チャンバー内を大気圧以上に加圧するものであることを特徴とする。
請求項４は、請求項１乃至３記載の微細空間への金属充填装置において、ワークがセラミック、フッ素樹脂、ポリイミド、ガラス、シリコンの何れかであることを特徴とする。
請求項５は、請求項１乃至４記載の微細空間への金属充填装置において、ワークの孔が途中にて屈曲していることを特徴とする。
請求項６は、請求項１乃至５記載の微細空間への金属充填装置において、ワークがシリコン多層基板であり、孔が途中にて屈曲していることを特徴とする。
請求項７は、請求項１乃至６記載の微細空間への金属充填装置において、ワークの孔の断面輪郭が樹枝状に枝別れしていることを特徴とする。
請求項８は、請求項１乃至７記載の微細空間への金属充填装置において、ワークが複合材、あるいは単一部材の組み合わせよりなることを特徴とする。
請求項９は、請求項１乃至８記載の微細空間への金属充填装置において、充填金属が錫、あるいは金−錫であることを特徴とする。
請求項１０は、請求項１乃至９記載の微細空間への金属充填装置において、微細空間がワークの貫通孔であることを特徴とする。
【０００８】
請求項１１は、溶融金属槽を配置する本来の真空チャンバーとこの本来の真空チャンバーにシャッターで開閉可能な開口部で連通するバッファ用真空チャンバーとを備えた微細空間への金属充填装置を用いて、ワークに形成された微細空間に金属を空隙無しに充填する方法であって、
まず、金属を充填しようとするワークを前記バッファ用真空チャンバー内に収容し、次いでバッファ用真空チャンバーを減圧することでワークの雰囲気圧を減圧し、次いで減圧状態を保ったまま、前記ワークを、前記シャッターをあけて開口部から、予め減圧されている前記本来の真空チャンバー内に配置された溶融金属槽内の溶融金属に挿入し、次いで前記本来の真空チャンバーを加圧することで前記溶融金属の雰囲気圧を加圧して、金属挿入前後における雰囲気圧差により前記微細空間に溶融金属を充填し、次いで、ワークを溶融金属槽から引き上げて冷やすことを特徴とする。
【０００９】
請求項１２は、請求項１１において、ワークに形成された前記微細空間が、微細孔若しくは空隙であり、前記ワークを真空チャンバー内に収容し、次いで真空チャンバー内を真空圧に減圧し、次いで前記ワークを真空チャンバー内の溶融金属槽に挿入し、ワークが溶融金属と同じ温度に達した後、真空チャンバー内を大気圧以上に加圧し、次いでワークを溶融金属槽から引き上げ、空冷することを特徴とする。
請求項１３は、請求項１１又は１２において、ワークがセラミック、フッ素樹脂、ポリイミド、ガラス、シリコンの何れかであることを特徴とする。
請求項１４は、請求項１１乃至１３において、ワークの孔が途中にて屈曲していることを特徴とする。
請求項１５は、請求項１１乃至１４において、ワークがシリコン多層基板であり、孔が途中にて屈曲していることを特徴とする。
請求項１６は、請求項１１乃至１５において、ワークの孔の断面輪郭が樹枝状に枝別れしていることを特徴とする。
請求項１７は、請求項１１乃至１６において、ワークが複合材、あるいは単一部材の組み合わせよりなることを特徴とする。
請求項１８は、請求項１１乃至１７において、充填金属が錫、あるいは金−錫であることを特徴とする。
請求項１９は、請求項１１乃至１８において、微細空間がワークの貫通孔であることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図１〜図６を参照して説明する。図１は本発明の一実施形態の金属充填装置１０の要部の一部切り欠き正面図である。同図において、１１は真空チャンバーである。真空チャンバー１１は、底部の開口１１ａに接続され途中に真空開閉用バルブ１２を持つ吸引管１３を介して真空ポンプ装置１４に接続されている。真空チャンバー１１の上部には、シャッター１５で開閉可能な開口部１６で連通するバッファ用真空チャンバー１７が設けられている。このバッファ用真空チャンバー１７も前記真空ポンプ装置１４に、真空粗引き用バルブ１８ａを持つ真空粗引き用吸引管１８を介して接続されている。なお、シャッター１５を外部からの操作で開閉するためのシャッター開閉機構は図示を省略した。
また、真空チャンバー１１およびバッファ用真空チャンバー１７はそれぞれ、内部を大気圧以上に加圧する加圧手段としての図示せぬ窒素ボンベに、窒素導入用バルブ１９ａ、２０ａを持つ窒素導入管１９、２０を介して接続されている。真空チャンバー１１は、この金属充填装置１０を作動させる電源や制御・操作部を設けた筐体２１の上に設けられている。
【００１１】
前記真空チャンバー１１内に溶融金属槽２３が配置され、その外面部に溶融金属槽２３内の金属を加熱溶融させるためのヒータ２４が設けられている。溶融金属を３で示す。金属を充填しようとする微細孔を持つワーク１を把持するワーク固定用アーム２７、長い軸部２８の先端にワーククランプ２９を設けた構造であり、ワーク固定用アーム２７の軸部２８は、バッファ用真空チャンバー１７の上面部に設けたヒンジ式の開閉蓋３０に設けたアーム支持部３１に、開閉蓋３０を貫通する態様でスライド可能に支持されている。また、開閉蓋３０に大気導入バルブ３２およびリリーフポート３３が設けられている。
【００１２】
上記の金属充填装置１０で例えばシリコン基板等にあけた微細孔に金属を充填する手順を、図２（イ）、（ロ）、（ハ）も参照して説明する。
真空チャンバー１１が直接大気と連通しないように、シャッター１５を閉ざした状態で開閉蓋３０を開く。図１の２点鎖線のように開閉蓋３０を開いた状態で、微細孔２を持つ例えばシリコン基板（ワーク）１をワーク固定用アーム２７のワーククランプ２８で把持する。この段階ではワーク固定用アーム２７の軸部２８を開閉蓋３０の表面から大きく突出させて、ワーククランプ２９を開閉蓋３０の内面に近接させておく。次いで、開閉蓋３０を矢印のように回転させて閉ざし、ボルト３４で締め付けて密閉する。次いで、バッファ用真空チャンバー１７内部を真空ポンプ装置１４により真空粗引き用吸引管１８を介して真空粗引きする。次いで、シャッター１５を開く。次いで、真空開閉用バルブ１２を開き、真空ポンプ装置１４を作動させて、真空チャンバー１１およびバッファ用真空チャンバー１７の内部を吸引管１３を介して真空吸引し、真空圧１０−２〜１０−３Ｐａ（パスカル）程度まで減圧する（この段階を図２（イ）に示される）。なお、真空圧は真空圧力センサ３６で検出する。
【００１３】
次いで、ヒータ２４で加熱して溶融金属槽２３内の金属を溶融させ、溶融金属３内にシリコン基板１を挿入する。充填する金属としては、インジウム、錫、あるいは金−錫の共晶半田など比較的蒸気圧の低い金属を用いるとよいが、特にそれらに限定されない。
挿入後、シリコン基板１が溶融金属３と同じ温度に達するまで十分待つ。その後、窒素導入用バルブ１９ａ、２０ａを開き、真空チャンバー１１およびバッファ用真空チャンバー１７内に窒素ボンベからの窒素を導入して、内部を２〜５×１０５Ｐａ（２〜５ｋｇｆ／ｃｍ２）程度まで加圧する。この加圧により、図３に模式的に示すように、溶融金属３が微細孔２内に充填される（この段階が図２（ロ）に示される）。
【００１４】
その後、シリコン基板１を溶融金属槽２３から引き上げ（この段階を図２（ハ）に示す）、真空チャンバー１１の外に取り出して、室温にて空冷する。これにより、シリコン基板１の微細孔２への金属充填作業が終了する。
【００１５】
上述の金属充填装置１０を用いて以下の各ワークの微細孔に金属を充填した実施例を図４〜図６に示す。図４〜図６は金属を充填した微細孔部分の断面の顕微鏡写真をスケッチしたものである。
図４に示した実施例は、シリコン基板１に形成した直径１５μｍ、深さ３６０μｍ（アスペクト比２４）の微細孔２への錫３の充填である。微細孔２は、光電解研磨法によりシリコン基板上に形成した。図示の通り、錫３が微細孔２に空隙なく充填されている。なお、特に図示していないが、貫通孔の内面にはシリコン酸化膜が形成されている。
【００１６】
図５に示した実施例は、シリコン基板１に形成した直径４０μｍ、深さ１００μｍ（アスペクト比２．５）の微細孔２への錫３の充填である。微細孔２はＩＣＰ−ＲＩＥ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ−Ｒａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）によりシリコン基板上に形成した。図示の通り、錫３が微細孔２に空隙なく充填されている。
【００１７】
図６に示した実施例は、ガラス棒１に形成した直径０．１ｍｍ、深さ３５ｍｍ（アスペクト比３５０）の微細孔２への錫３の充填である。図示の通り、錫３が微細孔２に空隙なく充填されている。
【００１８】
上記の各実施例のように、本発明によって高アスペクト比の微細孔に対しても金属充填が可能であり、鬆（す）などの空隙の生じない金属充填が可能である。
なお、各実施例では、貫通していない微細孔に金属を充填する例を示したが、貫通孔であれば、さらに金属充填は容易である。したがって、シリコン基板等に貫通電極を形成する際に、空隙のない貫通電極を製作することが出来る。
【００１９】
上記の金属充填装置１０では、溶融金属槽２３を配置する真空チャンバー１１だけでなく、シャッター１５で開閉可能な開口部１６を介して真空チャンバー１１に連通するバッファ用真空チャンバー１７を設けているので、真空チャンバー１１を直接外気に曝さずに、上述の金属充填作業に行なうことができ、したがって、溶融金属槽２３内の溶融金属３が外気に触れて酸化することを確実に防止できる。
【００２０】
以上説明した実施例では、シリコン基板やガラスにあけた微細孔に金属充填をしているが、その他のワーク材料としてセラミックや、テフロン（フッ素樹脂）、ポリイミド等の比較的耐熱性に優れ金属溶融温度では溶けない樹脂等が採用できる。
因みに、錫の溶融温度は約２３０℃、インジウムの溶融温度は約１５７℃、金―錫の溶融温度は金属の比率に比率により異なるが、このように金属の溶融温度で容易に溶けることのない材質であれば、本発明の適用が可能となる。
さらに、本発明は金属挿入前後の雰囲気圧差により微細空間に金属充填をするものであるから、圧力差の存在が重要であり、前後雰囲気圧の絶対値は実施例に限定されることはない。
また、本発明における、ワークに形成された微細空間とは、図示されているような、断面で見て一方向へ真っ直ぐに延びるシリコン中の微細孔には限定されない。例えば、孔が途中で屈曲している場合にも適用できる。例えば、板状ワークとしてシリコン基板を２枚以上積層した多層基板において、孔がワークの内部表面に沿って途中で屈曲（断面から見て）するパターンもあるが、このような場合でも本発明によれば屈曲孔への金属充填が可能となる。
またさらに、孔の断面輪郭が樹枝状に枝分かれしている場合にも、樹枝状先端部への金属充填が可能である。
なおまたさらに、本発明によれば、隙間への金属充填も可能となる。
例えば、複合材あるいは単一部材の組み合わせよる構造体よりなるワークにおいて、これらワーク中に形成された微細な隙間（ギャップ）に金属充填をする場合に適用可能である。
【００２１】
【発明の効果】
本発明によれば、各種ワーク内の様々な断面の微細空間に金属を充填することができる。特に、微細孔を持つシリコン基板やガラス材等を、真空圧に減圧した真空チャンバー内で溶融金属槽に挿入し、これらが溶融金属とほぼ同じ温度に達した後真空チャンバー内を大気圧以上に加圧して、溶融金属を微細孔に充填するので、高アスペクト比の微細孔に対しても、かつ、貫通している微細孔は勿論、貫通していない微細孔へも金属充填が可能であり、鬆（す）などの空隙の生じない金属充填を行なうことができる。
貫通した微細孔に金属を充填して貫通電極を形成する場合には、空隙のない良好な貫通電極を作成することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の微細空間への金属充填装置の要部の一部切り欠き正面図である。
【図２】図１の金属充填装置でシリコン基板の微細孔への金属充填を行なう工程を説明する図であり、（イ）、（ロ）、（ハ）の順で行なわれる。
【図３】図２の（ロ）の工程において微細孔に溶融金属が充填される状況を説明する模式図であり、（イ）は真空チャンバー内を加圧する前、（ロ）は加圧した後を示す。
【図４】本発明方法によりシリコン基板の微細孔に錫を充填した実験結果を説明するもので、錫を充填した微細孔部分の断面図である。
【図５】本発明方法によりシリコン基板の微細孔に錫を充填した他の実験結果を説明するもので、錫を充填した微細孔部分の断面図である。
【図６】本発明方法によりガラス棒の微細孔に錫を充填した実験結果を説明するもので、錫を充填した微細孔部分の断面図である。
【図７】従来の金属充填方法で微細孔に金属を充填した時の充填不良状態を説明する図であり、シリコン基板の金属を充填した微細孔部分の模式的な断面図である。
【図８】従来の金属充填方法で微細孔に金属を充填した時の、鬆が生じた充填不良状態を説明する図であり、シリコン基板の金属を充填した微細孔部分の模式的な断面図である。
【符号の説明】
２  微細孔（微細空間）
３  溶融金属
１０  金属充填装置
１１  真空チャンバー
１１ａ  開口部
１２  真空開閉用バルブ
１３  吸引管
１４  真空ポンプ装置
１５  シャッター
１６  開口部
１７  バッファ用真空チャンバー
１８  バッファ用吸引管理
１９、２０  窒素導入管
１９ａ、２０ａ  窒素導入用バルブ
２３  溶融金属槽
２４  ヒータ
２７  ワーク固定用アーム
２８  軸部
２９  ワーククランプ
３１  アーム支持部
３６  真空圧力センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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