(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理物の表面に開口するように形成された微小空間内に、該被処理物上に供給した溶融金属を充填する金属充填装置であって、
前記被処理物を保持する保持部と、
内部空間を有し、一端が前記保持部と対向して設けられる筒状部材と、
前記筒状部材の内部空間内に進退自在に嵌入され、前記溶融金属を前記被処理物に押し付ける押付部材と、
前記保持部に保持される被処理物又は前記保持部と、前記筒状部材及び前記押付部材とによって気密状に形成される処理室内を減圧する減圧機構と、
前記処理室内に溶融金属を供給する溶融金属供給機構と、
前記処理室内に供給される溶融金属を加圧し、前記微小空間内に該溶融金属を押し込む加圧機構を備えるとともに、
前記押付部材は、少なくとも、その前記被処理物に対向する側が金属から構成されていることを特徴とする金属充填装置。
【請求項２】
前記保持部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を備えることを特徴とする請求項１に記載の金属充填装置。
【請求項３】
前記保持部及び筒状部材のうち少なくとも一方を、他方に対し接近、離反する方向に移動させる移動機構を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の金属充填装置。
【請求項４】
前記溶融金属供給機構によって供給された溶融金属を前記押付部材と前記被処理物の表面との間に閉じ込める溶融金属封止部を、前記押付部材に設けたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の金属充填装置。
【請求項５】
前記加圧機構は、前記処理室内に加圧気体を供給する加圧気体供給機構であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の金属充填装置。
【請求項６】
前記押付部材の前記金属によって構成される表面は、その表面粗さが０．３μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の金属充填装置。
【請求項７】
前記押付部材の前記金属によって構成される表面は、離型処理が施されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の金属充填装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被処理物表面上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するものである。
【背景技術】
【０００２】
シリコン貫通電極（Through Silicon via）技術において、半導体ウェハ（被処理物）上に設けたビアや貫通孔（微小空間）の内部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を用いれば、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。
【０００３】
従来、半導体ウェハ上の微小空間内に溶融金属を充填する技術としては、特許文献１〜３の技術が知られている。
【０００４】
特許文献１〜２には、具体的な装置構成は開示されていないが、微小空間近傍の溶融金属に対し、強制外力（圧力、磁力、遠心力、プレス圧、射出圧、転圧など）を加えることによって、空隙やボイドを生じることなく、微小空間を硬化金属で満たすことのできる金属充填方法が開示されている。
【０００５】
また、特許文献３には、第１の支持体１０と第２の支持体１１との間の所定の空隙内に配置した対象物２の上面に溶融金属Ｍを供給し、対象物２の表面に形成された微小空間内に溶融金属Ｍを充填ないし加圧して、当該加圧状態を溶融金属Ｍが冷却により硬化するまで維持する金属充填装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−１２９６６２号公報
【特許文献２】特開２０１０−１２９９９５号公報
【特許文献３】特開２０１０−２８３０３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１〜３によれば、半導体ウェハ上の微小空間の内部に隙間なく溶融金属を充填するためには、強制外力を充填金属に加えることが有益であることが理解される。これは、充填しようとする溶融金属はその表面張力のために、微小空間の内部から外部へと出ようとする性質があるからである。
【０００８】
しかしながら、例えば、強制外力としてプレス圧を用いることを考えたとしても、いかなる素材のプレス部材を用いて、溶融金属にプレス圧を加えるかによって、被処理物上の微小空間の内部に溶融金属を充填したときの金属充填状態は大きく異なってくる。
【０００９】
例えば、表面粗さの大きい素材をプレス部材に用いて、溶融金属をプレスする場合には、プレスされた溶融金属が、被処理物側だけでなく、プレス部材側の表面にも固着するので、その状態で溶融金属が硬化すると、硬化した金属がプレス部材と接着された状態となってしまい、プレス部材を被処理物から引き離した（型開きした）途端に、被処理物の微小空間の内部に充填された金属が抜けたり、欠けたりして、充填不良を起こすという問題を生じる。
【００１０】
最悪の場合、プレス部材と被充填物との双方に固着した充填金属によって、両者が固く接着してしまい、接着したプレス部材を被充填物から引き離そうとすると、その力で被充填物（例えば半導体ウェハ）が割れてしまうような事態が生じる。
【００１１】
また、プレス部材は、融点以上の温度の溶融金属と接触し、この溶融金属に、重さにして例えば数トンの力でプレス力を加える部材であるから、高温金属と接触しても容易には劣化せず、高い耐久性を備える素材からなることが実用上求められる。
【００１２】
本願発明者は、鋭意研究の末、上記の問題点を独自に見出し、充填不良や被充填物の割れを生じないようにするためには、いかなる素材で溶融金属にプレス圧を加えればよいのか、各種の素材を用いて試行のうえ、本願発明を完成した。
【００１３】
本発明は、以上の実情に鑑みなされたものであって、充填不良や被処理物の割れ（例えばウェハ割れ）を生じずに、被処理物上に開口するように形成された微小空間の内部に溶融金属を的確に充填することのできる金属充填装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に係る金属充填装置は、上記の課題を解決するために、被処理物の表面に開口するように形成された微小空間内に、該被処理物上に供給した溶融金属を充填する金属充填装置に関する。
【００１５】
本発明に係る金属充填装置は、上記の課題を解決するために、前記被処理物を保持する保持部と、内部空間を有し、一端が前記保持部と対向して設けられる筒状部材と、前記筒状部材の内部空間内に進退自在に嵌入され、前記溶融金属を前記被処理物に押し付ける押付部材と、前記保持部に保持される被処理物又は前記保持部と、前記筒状部材及び前記押付部材とによって気密状に形成される処理室内を減圧する減圧機構と、前記処理室内に溶融金属を供給する溶融金属供給機構と、前記処理室内に供給される溶融金属を加圧し、前記微小空間内に該溶融金属を押し込む加圧機構とを備えるとともに、前記押付部材は、少なくとも、その前記被処理物に対向する側が金属から構成されているものである。
【００１６】
この金属充填装置によれば、まず、表面に微小空間が形成された被処理物を、その表面が押付部材と対向するように保持部に配置する。筒状部材の一端は保持部に保持された被処理物又は保持部に当接されており、被処理物又は保持部と、筒状部材及び押付部材とによって囲まれた気密状の処理室が形成されている。尚、被処理物の比重よりも溶融金属の比重の方が大きい場合には、前記筒状部材の一端を被処理物に当接させた状態で、被処理物、筒状部材及び押付部材により処理室を形成することで、当該処理室内に溶融金属を供給した際に、被処理物が保持部上から浮き上がるのを防止することができる。
【００１７】
ついで、減圧機構によって処理室内の気体を排気して、処理室内を減圧する。処理室内の減圧によって、被処理物に形成された微小空間の内部も減圧される。しかる後、溶融金属供給機構によって、処理室内（被処理物と押付部材との間）に溶融金属を供給する。尚、溶融金属と被処理物との濡れ性（親和性）が良い場合には、この段階で、供給された溶融金属が自重及び界面張力によって前記微小空間の内部に充填されるが、溶融金属と被処理物との濡れ性が極めて悪い場合には、微小空間の内部を減圧状態としただけでは、溶融金属は被処理物の表面で弾かれて前記微小空間の内部に充填されない。
【００１８】
ついで、上記金属充填装置においては、加圧機構の働きよって当該処理室内に供給された溶融金属を加圧して、微小空間内に溶融金属を押し込む。例えば、処理室内を溶融金属で完全に満たした後、押付部材を被処理物に向けて移動させ、処理室内に供給された溶融金属を押付部材によって加圧することで、被処理物上の微小空間内に溶融金属が押し込まれる。したがって、溶融金属と被処理物との濡れ性が悪い場合であっても、微小空間内に溶融金属を充填することができ、また、処理室内を減圧した後に当該処理室内に溶融金属を供給するようにしているため、ボイドの発生が低減される。尚、処理室内を溶融金属で完全に満たすようにしているため、被処理物上で溶融金属が弾かれることがなく、当該被処理物上に溶融金属が均一に広がる。また、この場合、微小空間内に入りきらない溶融金属は、被処理物と押付部材との間から溶融金属供給機構に押し戻される。
【００１９】
このように、上記金属充填装置においては、処理室内を減圧した後、当該処理室内に溶融金属を供給して、更に、押付部材を被処理物の方へ移動するようにしている。これにより、処理室の容積が絞られる、言い換えれば、被処理物と押付部材との間の隙間が狭められるため、被処理物上の余剰溶融金属を当該被処理物と押付部材との間から外部に押し出すことができる。したがって、被処理物上に余剰金属からなる層が形成するのを防止することができる。
【００２０】
また、押付部材の移動によって、処理室内の容積を可変とした構成なので、押付部材の移動量次第で、処理室内の容積を限りなく極小とすることができ、この結果、押付部材によって、被処理物上の余剰金属の殆どを当該被処理物上から押し退け、前記被処理物上に残る残渣を最小限に絞ることが可能となる。尚、本明細書において、残渣とは、被処理物上で微小空間の内部に入りきらなかった余剰金属が被処理物上で硬化してできる層状の不要金属部分のことをいうが、当該金属部分は、全ての場合において不要という訳ではなく、配線層やコンタクト層として用いることができる場合もある。
【００２１】
押付部材の金属表面は、表面粗さが極めて小さく、溶融金属が固着せず簡単に剥離できるので、被処理物への溶融金属の充填が完了し、金属が硬化した後においても、押付部材と被処理物とは、硬化金属によって接着したような状態とはならない。したがって、充填処理後に、押付部材を被処理物から引き離したとしても、被処理物表面の微小空間の内部に充填された金属は当該微小空間の内部に止まるので、充填金属の引き抜きや欠けの問題は生じ難い上、押付部材を被処理物から引き離す際の力によって被処理物（例えば半導体ウェハ）を割るような事態は生じない。
【００２２】
押付部材の金属表面は固く、耐久性、耐熱性に優れているので、金属充填処理を繰り返して実施する場合であっても、ほとんど劣化することがない。したがって、頻繁なメンテナンスを必要としないうえ、押付部材の表面を清掃する場合であっても、当該表面を不用意に傷つける心配なしにブラシ等を用いた簡便な清掃手段を採用することができる。
【００２３】
また、上記の構成において、前記保持部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を備えることが好ましい。
【００２４】
上記の構成によれば、各種のシリンダやモータ等からなる押付機構によって、前記押付部材を被処理物に対して近づけたり遠ざけたりするように進退させることができる。したがって、前記押付機構の駆動制御によって、保持部に保持される被処理物に対して前記押付部材を自在に移動させることが可能となる。
【００２５】
また、上記の構成において、前記保持部及び筒状部材のうち少なくとも一方を、他方に対し接近、離反する方向に移動させる移動機構を備えることが好ましい。
【００２６】
上記の構成によれば、移動機構の働きによって、保持部と筒状部材との少なくとも一方を他方に対し接近、離反する方向に移動させることができる。それゆえ、保持部と筒状部材の一端とを密着させて密閉構造を実現したり、これらを離反させて保持部と筒状部材の一端との間を開放し、この開放された空間から被処理物等を容易に出し入れしたりすることが可能となる。
【００２７】
また、上記の構成において、前記溶融金属供給機構によって供給された溶融金属を前記押付部材と被処理物表面との間に閉じ込める溶融金属封止部を、前記押付部材に設けることが好ましい。
【００２８】
上記の構成によれば、溶融金属封止部の働きにより、溶融金属が押付部材によって押されたときには、溶融金属を押付部材と被処理物表面との間に閉じ込めることができるので、押付部材を移動したときに溶融金属封止部内の溶融金属に高い圧力をかけることが可能となる。したがって、押付部材による圧力が効果的に溶融金属に加えられる。とりわけ、溶融金属封止部を弾性体で構成すれば、押付部材を移動したときに溶融金属封止部が潰れるように変形するので、被処理物の処理面全体に高い圧力をかけることが可能となる。それゆえ、溶融金属を被処理物上に形成された微小空間内に隙間なく充填することができる。
【００２９】
また、上記の加圧機構は、処理室内に加圧気体を供給する加圧気体供給機構であってもよい。このようにすれば、溶融金属を供給した処理室内に加圧気体を供給することによって、当該処理室内に供給した溶融金属を気体により加圧することができ、所謂差圧充填によって溶融金属を微小空間内に充填することができる。更に、溶融金属を気体により加圧することによって、被処理物上で溶融金属が弾かれるのを防止することができる。
【００３０】
また、上記の構成において、押付部材の表面は、鏡面仕上げとされていることが好ましい。溶融金属と接し、前記金属によって構成される押付部材の表面を、研磨やラッピング研磨、電解研磨によって鏡面仕上げし、その表面粗さを小さくしておくことによって、押付部材に対する溶融金属の充填や固着を更に抑制することができる。それゆえ、溶融金属の充填硬化後に、押付部材を被処理物から引き離したときに生じる充填金属の抜けや欠け（溶融金属の充填不良）や被処理物の割れ（例えばウェハ割れ）などを効果的に抑制することが可能になる。
【００３１】
更に、前記押付部材の前記金属によって構成される表面は、その表面粗さが０．３μｍ以下であることが好ましい。
【００３２】
このようにすれば、押付部材の金属表面を滑らかなものとして溶融金属が固着することを的確に防ぐことができるうえ、硬化した溶融金属を押付部材の金属表面から容易に剥離し、上記の充填不良や被処理物の割れ（例えばウェハ割れ）などを効果的に回避することが可能となる。
【００３３】
また、上記の構成において、前記押付部材の前記金属によって構成される表面は、離型処理が施されていることも好ましい。
【００３４】
例えば、前記押付部材の前記金属によって構成される表面に、例えば、ＤＬＣ（Diamond Like Carbon）皮膜処理のような離型処理を施すことにより、高い圧力をかけて押付部材を溶融金属及び被処理物の方に移動したとしても、冷却硬化した溶融金属を押付部材の金属表面から容易に剥離することができる。それゆえ、押付部材の表面を硬化した溶融金属や被処理物から引き離すときに、押付部材と溶融金属とが固着することにより生じる、充填金属の引き抜きや欠け、被処理物の割れ（例えばウェハ割れ）などを防止することができる。
【００３５】
尚、本発明において、被処理物上に形成された微小空間（孔）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。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。また、孔の形状も限定されず、直線状、曲線状、クランク状など任意の形状であってよく、分岐の有無も問わない。非貫通孔であれば、その深さは、被処理物の厚さに応じて例えば数百μｍ以下の任意のものとすることができる。
【発明の効果】
【００３６】
本発明に係る金属充填装置によれば、充填不良や被処理物の割れを回避して、被処理物上に形成された微小空間の内部に溶融金属を的確に充填することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施形態に係る金属充填装置の概略構成を示した断面図である。
【図２】上記実施形態の金属充填装置の動作フローを示す説明図である。
【図３】上記実施形態の金属充填装置の動作フローを示す説明図である。
【図４】上記実施形態の金属充填装置の動作フローを示す説明図である。
【図５】上記実施形態の金属充填装置の動作フローを示す説明図である。
【図６】上記実施形態の金属充填装置の動作フローを示す説明図である。
【図７】上記実施形態の金属充填装置の動作フローを示す説明図である。
【図８】上記実施形態の金属充填装置の動作フローを示す説明図である。
【図９】（ａ）は、ピストンに、溶融金属封止部を設ける構成を示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のピストンを半導体ウェハに向けて下降させたときの様子を示す断面図である。
【図１０】ピストンに、溶融金属封止部を設ける更なる構成を示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のピストンを半導体ウェハに向けて下降させたときの様子を示す断面図である。
【図１１】（ａ）は、ピストンに設ける溶融金属封止部の更なる構成を示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のピストンを半導体ウェハに向けて下降させたときの様子を示す断面図である。
【図１２】（ａ）は、ピストンに設ける溶融金属封止部の更なる構成を示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のピストンを半導体ウェハに向けて下降させたときの様子を示す断面図である。
【図１３】（ａ）は、ピストンに設ける溶融金属封止部の更なる構成を示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のピストンを半導体ウェハに向けて下降させたときの様子を示す断面図である。
【図１４】（ａ）は、金属充填前の半導体ウェハ上の微小空間を示す断面図であり、（ｂ）は、良好に金属充填された上記微小空間を示す断面図であり、（ｃ）は充填不良を生じた上記微小空間を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下、本発明の具体的な実施形態について、添付図面に基づき説明する。
【００３９】
〔１．金属充填装置の構成〕
【００４０】
図１に示すように、本実施例の金属充填装置１は、半導体ウェハＫ（被処理物）表面に開口するように形成された微小空間の内部に溶融金属を充填する金属充填装置であって、半導体ウェハＫを保持する保持台Ｈが、筒状のハウジングＣ（筒状部材）の下端を気密状に閉じており、更に、ハウジングＣと気密状に嵌合し、且つハウジングＣの中心軸方向に進退可能なピストンＰを備えており、ハウジングＣ，ピストンＰ及び保持台Ｈによって囲まれた処理室２を備えている。
【００４１】
金属充填装置１は、処理室２内の気体を排気して処理室２内を減圧する減圧機構３と、処理室２内に溶融金属Ｍを供給する溶融金属供給機構４と、処理室２内に不活性ガスを供給する加圧ガス供給機構７と、処理室２内に供給された溶融金属を回収する溶融金属回収機構８と、昇降機構１６，押付機構５，減圧機構３，溶融金属供給機構４，加圧ガス供給機構７及び溶融金属回収機構８の作動を制御する制御装置１５とを備えている。
【００４２】
保持台Ｈは、昇降機構１６によって昇降するようになっており、この保持台ＨをハウジングＣに向けて上昇させ、保持台Ｈの上面をハウジングＣの下端面に当接させることにより、気密状の処理室２が形成される。昇降機構１６は、トルクモータなどから構成されており、制御装置１５によってその作動が制御される。
【００４３】
押付機構５は、所謂油圧シリンダ機構であって、ピストンＰを進退させる駆動力を与える機構であり、ピストンＰの押付部６を所定の押圧力で半導体ウェハＫに押し付けることができる。尚、図示していないが、この押付機構５は、図中上側の部屋及び図中下側の部屋に圧油を供給する配管がそれぞれ接続され、当該各配管にはその作動が前記制御装置１５によって制御される切換弁が設けられており、前記ピストンＰは、前記上側の部屋に圧油が供給されると下側に移動し、前記下側の部屋に圧油が供給されると上側に移動する。
【００４４】
ピストンＰの保持台Ｈに対向する側には、耐熱性を有するステンレス４４０Ｃ（またはステンレス３０４）で構成された押付部６が設けられており、ピストンＰの押付部６を所定の押圧力で半導体ウェハＫの方へ移動することができるようになっている。ステンレスは、高温環境下で使用しても表面状態が安定しており、十分な硬さを有している点において、押付部６の素材として優れている。
【００４５】
ピストンＰは、ハウジングＣの上側開口部から嵌挿され、押付機構５によって軸線方向に進退するようになっている。ピストンＰの外周面とハウジングＣの内周面との間には、Ｏリング１３が介装されており、両者の間がこのＯリング１３によってシールされている。また、ピストンＰのフランジ部とハウジングＣの上端面との間には、ベローズシール１７が設けられており、当該ベローズシール１７によって、ピストンＰとハウジングＣとの間の気密性を更に高めている。
【００４６】
押付部６の表面のうち、少なくとも溶融金属Ｍと接する領域は、電解研磨されて鏡面加工が施されている。鏡面加工処理の結果、試作した金属充填装置１において、押付部６の表面粗さは、十点平均粗さ（Ｒｚ）で０．３μｍ以下、最大高さ（Ｒｙ）で０．５μｍ以下、凹凸平均距離（Ｓｍ）で１０μｍ以上となっている。このように、押付部６の表面粗さ（十点平均粗さ）を、０．３μｍ以下として、押付部６の金属表面を滑らかなものとしておけば、溶融金属Ｍが押付部６側に固着することを防ぐことができるので、押付部６を半導体ウェハＫから引き離すときにも、冷却硬化した溶融金属Ｍは押付部６の金属表面から容易に剥離され、充填不良や半導体ウェハＫの割れなどを効果的に回避することが可能となる。
【００４７】
尚、本願で表面粗さというときは、ＪＩＳ規格の十点平均粗さのことを指す。
【００４８】
押付部６の表面には、ＤＬＣ皮膜処理（離型処理）が施されており、強い力で押付部６を溶融金属に押し付けたとしても、硬化した充填用金属は容易に押付部６から剥離されるようになっている。
【００４９】
離型処理としては、ＤＬＣ処理の他、ＣｒＮコーティング処理、ＴｉＮコーティング処理、サーフ処理などを好適に用いることができる。試作した金属充填装置１の押付部６においては、上述の鏡面加工処理ないし離型処理を施した状態で、そのマイクロビッカース硬さ（Ｈｖ）は１２００より大きかった。
【００５０】
金属製の押付部６は、加熱加圧による変形も比較的少ないので、その表面に施したコーティング処理が落ちにくく、コーティング処理の効果を長寿命化することができる。
【００５１】
減圧機構３は、ハウジングＣの上端側の側壁を貫通して設けられた配管１１によって処理室２と接続された真空ポンプ３ａと、真空ポンプ３ａと処理室２との間の配管１１に設けられた制御弁３ｂとからなり、真空ポンプ３ａによって処理室２内の空気を排気して処理室２内を減圧する機構である。真空ポンプ３ａの作動及び制御弁３ｂの開閉は、制御装置１５によって制御される。
【００５２】
また、溶融金属供給機構４は、ハウジングＣの下端側の側壁を貫通して設けられた配管９によって処理室２と接続された溶融金属供給部４ａと、溶融金属供給部４ａと処理室２との間の配管９に設けられた制御弁４ｂとからなり、溶融金属供給部４ａから処理室２内に溶融金属Ｍを所定の供給圧で供給する機構であり、制御弁４ｂはその開閉が制御装置１５によって制御される。
【００５３】
溶融金属供給部４ａには、金属充填に用いられる溶融金属Ｍが融点より高い温度で熱せられており、液体状でストックされている。本実施例において、金属充填に用いられる溶融金属Ｍは、融点約２００℃の鉛フリー半田である。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る点において優れているが、本発明における溶融金属Ｍ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金属を採用することができる。
【００５４】
また、加圧ガス供給機構７は、配管１０によって配管１１及び配管９と接続された加圧ガス供給部７ａと、配管１１と加圧ガス供給部７ａとの間の配管１０に設けられた制御弁７ｂと、配管９と加圧ガス供給部７ａとの間に設けられた制御弁７ｃとからなり、配管９、配管１０及び配管１１を介して、加圧ガス供給部７ａから処理室２内に不活性ガスを供給する機構である。加圧ガス供給部７ａの作動及び２つの制御弁７ｂ，７ｃの開閉は、制御装置１５によって制御される。
【００５５】
溶融金属回収機構８は、ハウジングＣの下端側の側壁を貫通して設けられた配管１２によって処理室２と接続された溶融金属回収部８ａと、溶融金属回収部８ａと処理室２との間の配管１２に設けられた制御弁８ｂとからなり、処理室２内の溶融金属を回収する機構であって、制御弁８ｂは、その開閉が制御装置１５により制御される。尚、溶融金属回収部８ａとしては、回収タンクと、この回収タンクに接続された排気装置とからなる構成を例示することができる。
【００５６】
〔２．金属充填の手順〕
【００５７】
次に、図２乃至図８を用いて、本実施例の金属充填装置１における金属充填の手順を説明する。
【００５８】
まず、制御装置１５によって昇降機構１６の作動を制御し、保持台Ｈを下降させることにより、保持台Ｈの上面をハウジングＣの下端面から離反させた後、表面上に微小空間が形成された半導体ウェハＫを、その表面を上にした状態で保持台Ｈ上に載置する。ついで、制御装置１５によって昇降機構１６の作動を制御し、保持台ＨをハウジングＣに向けて上昇させ、保持台Ｈの上面をハウジングＣの下端面に当接させることにより処理室２を形成する。尚、この際、前記ハウジングＣの下端面を半導体ウェハＫの表面に当接させ、半導体ウェハＫを保持台Ｈ上に押さえ付けるようにしている。
【００５９】
しかる後、図２に示すように、制御装置１５による制御の下、真空ポンプ３ａを作動させるとともに、配管１１の制御弁３ｂを開いて、処理室２内の気体を排気し、処理室２内及び微小空間内を略真空状態にまで減圧する。
【００６０】
次に、図３に示すように、真空ポンプ３ａによる減圧を続け、処理室２内を略真空状態に保ったままの状態で、制御装置１５によって配管９の制御弁４ｂを開き、溶融金属供給部４ａから融点以上に熱した液体状の溶融金属Ｍを、半導体ウェハＫの表面で弾かれることなく当該半導体ウェハＫの全面を覆える量に達するまで、処理室２の内部に供給していく。尚、金属充填装置１においては、配管１１をハウジングＣの上端側に貫通して設けた、即ち、配管１１を、供給される溶融金属の液面より十分上方に設けたことにより、真空ポンプ３ａによる減圧を続けた状態で、溶融金属Ｍを供給することが可能となっているが、真空ポンプ３ａ内に溶融金属Ｍが吸引されてしまうことがないように、適切なタイミングで溶融金属Ｍの供給を停止するのが好ましい。また、上述したように、半導体ウェハＫを保持台Ｈ上に押さえ付けるようにすることで、例えば、シリコン（比重：約２．５）からなる半導体ウェハ上に半田（比重：約９．０）を供給したとしても、半導体ウェハが保持台上から浮き上がらないようにしている。
【００６１】
また、後述のプレス工程に入る前に溶融金属Ｍが冷却固化することは好ましくないので、この段階では、処理室２の内部は、溶融金属Ｍの融点以上の温度に保っておき、溶融金属Ｍが液体のままであるようにしておく必要がある。
【００６２】
十分な量の溶融金属Ｍを処理室２の内部に供給したならば、図４に示すように、制御装置１５によって配管９の制御弁４ｂを閉じ、ついで、制御装置１５による制御の下、押付機構５を作動させて、処理室２内のピストンＰを、半導体ウェハＫに対してゆっくりと進めて近づけていき、押付部６の表面を処理室２の内部に供給された溶融金属Ｍ中に沈める。このように、処理室２内が略真空状態のまま、押付部６の表面を溶融金属Ｍ中に沈めることにより、押付部６と溶融金属Ｍとの間に気層ができることを回避することができる。
【００６３】
次に、図５に示すように、押付部６の表面を溶融金属Ｍ中に沈めたままの状態で、制御装置１５により配管１１の制御弁３ｂを閉じるとともに、真空ポンプ３ａの作動を停止して減圧を中止する一方、制御装置１５の制御の下、配管１０の制御弁７ｂを開くとともに、加圧ガス供給部７ａを作動させ、当該加圧ガス供給部７ａから加圧用の窒素ガス等を処理室２内に供給し、ガス加圧によって、溶融金属Ｍを半導体ウェハＫの表面に押し付ける。このガス加圧により、溶融金属Ｍと半導体ウェハＫとの濡れ性が悪くとも、所謂差圧充填によって半導体ウェハＫの微小空間内に金属を充填することが可能である。
【００６４】
次に、図６に示すように、制御装置１５によって押付機構５を作動させて、ピストンＰを半導体ウェハＫに向けて更に移動させ、押付部６を半導体ウェハＫの表面の方へ移動する。これにより、押付部６と半導体ウェハＫとの間の余剰溶融金属が、半導体ウェハＫ上からハウジングＣの内周面とピストンＰの外周面との間の隙間に押し出されるため、処理後の半導体ウェハＫ表面に形成される残渣の量が減少する。
【００６５】
金属充填装置１においては、押付部６が溶融金属Ｍの液中に移動された分、その分の溶融金属Ｍは、ハウジングＣの内周面とピストンＰの外周面との間の隙間へ移動するため、溶融金属Ｍの液面が上昇していく。この結果、半導体ウェハＫは、溶融金属Ｍの液面から深い位置で溶融金属Ｍに浸漬される状態となるので、押付部６と半導体ウェハＫとが接触し、溶融金属Ｍと半導体ウェハＫ及び押付部６との濡れ性の悪さによって、半導体ウェハＫ面で溶融金属Ｍが弾かれる力が強くなる状況になったとしても、半導体ウェハＫ面で溶融金属Ｍが膜切れし難い。これに対して、例えば、前記特許文献１のような構成では、プレス圧を加えたとしても、溶融金属が半導体ウェハ上から押し退けられて膜切れしてしまうので、的確な金属充填を実現することはできない。
【００６６】
上記押し付け工程においても、加圧ガス供給部７ａによるガス加圧は継続しておくことが好ましい。これにより、充填する力が維持されるとともに、上述した膜切れを効果的に防ぐことができる。
【００６７】
次に、図７に示すように、押付部６を半導体ウェハＫの表面に押し付けた状態で、制御装置１５によって配管１０の制御弁７ｃを開くとともに、配管１２の制御弁８ｂを開いて、半導体ウェハＫの微小空間に充填しきれない余剰の溶融金属Ｍを溶融金属回収部８ａへと回収する。このとき、余剰な溶融金属Ｍを回収しなければ、後述の冷却後、余剰溶融金属ＭがハウジングＣと押付部６との隙間で硬化してピストンＰの昇降動作を妨げる、或いは、半導体ウェハＫと処理室２の壁面とが固着するなどの問題が生じる。ただし、押付部６と半導体ウェハＫとの間にガスが入ると充填不良が発生するので、余剰金属を全て排出することはせず、押付部６の側壁とハウジングＣの内壁の隙間には溶融金属Ｍを残した状態としておく。この隙間に溶融金属Ｍを残す分量は、半導体ウェハＫ及び押付部６と溶融金属Ｍとの濡れ性、隙間の大きさにもよるが、高さにして数ｍｍ程度分残しておくことが好ましい。
【００６８】
そして、余剰な溶融金属Ｍを回収した後、制御装置１５による制御の下、配管１０の２つの制御弁７ｂ，７ｃを閉じて加圧用ガスの供給を停止するとともに、配管１２の制御弁８ｂを閉じる。しかる後、処理室２の内部の加熱ないし保温を止め、溶融金属Ｍの温度が融点以下となるまで冷却し、半導体ウェハＫの微小空間に充填された溶融金属が冷却硬化するまで待機する。
【００６９】
次に、図８に示すように、制御装置１５による制御の下、押付機構５を作動させてピストンＰをゆっくり上昇させ、更に、昇降機構１６を作動させて、保持台Ｈを下降させることにより、処理室２を解放する。そして、金属充填処理を終えた半導体ウェハＫを保持台Ｈから取り出して、これから金属充填処理を行う新たな半導体ウェハＫと入れ替える。複数枚の半導体ウェハＫに金属充填を行う場合には、図２乃至図８に示した手順を適宜繰り返せばよい。
【００７０】
以上の説明では、保持台ＨがハウジングＣの一端を気密状に閉じるような構成としたが、保持台Ｈ自体ではなく、保持台Ｈ上に保持される半導体ウェハＫがハウジングＣの一端を気密状に閉じるような装置設計としてもよい。
【００７１】
〔３．溶融金属封止部の形態〕
【００７２】
次に、好ましい実施態様として、上記の構成において、溶融金属供給機構４によって供給された溶融金属Ｍを、押付部６と半導体ウェハＫとの間に閉じ込める溶融金属封止部を設ける構成について説明する。
【００７３】
溶融金属封止部を設ける第一の態様として、図９（ａ）に示すように、押付部６の下面に、円形の半導体ウェハＫの外周に沿うように、弾性体からなるリング形状をした封止部２０（溶融金属封止部）を設ける態様がある。同図においては、斜線を付した肉厚部の構成は省略してある（図１０〜図１３も同様である）。
【００７４】
本構成によれば、押付部６を半導体ウェハＫに接近させていったとき（図６参照）、余剰溶融金属Ｍを外部へと逃がして半導体ウェハＫ上で残渣となる余剰溶融金属Ｍの量を十分に減らすことができる。即ち、封止部２０が半導体ウェハＫと接触するまでは、封止部２０の内側領域の溶融金属Ｍは、当該領域の外部へと逃げられるのに対し、封止部２０が半導体ウェハＫに更に近づいて、半導体ウェハＫの表面と面接触（当接）すると、溶融金属Ｍは封止部２０の内側領域に閉じ込められる（図９（ｂ）参照）。
【００７５】
封止部２０、とりわけ弾性体からなる封止部２０を設けることにより、良好な封止性が得られる。そして、押付部６の移動によって封止部２０が変形し、封止領域が狭められるので、当該封止領域内の溶融金属Ｍに押付機構５の推力を用いて効率良く高い圧力をかけることができ、溶融金属Ｍを半導体ウェハＫ表面の微小空間の内部に隙間なく充填することができる。
【００７６】
ガス加圧と封止部２０を備えた押付部６による加圧とを二段階で行うことによって、溶融金属Ｍと半導体ウェハＫとの濡れ性が悪くとも、金属充填を実現することが可能である。具体的には、まずガス加圧を行い、そして、封止部２０を備えた押付部６の移動によって、封止部２０より内側にある半導体ウェハＫの処理面上全体の溶融金属Ｍに高い圧力をかけて充填処理ができる。このような方法を採用すれば、処理室の圧力容器性能を極端に高いものとしなくとも、ガス加圧と押付加圧との二段階加圧によって効果的な金属充填を実現することができる。
【００７７】
更に、封止部２０を備えた押付部６を用いれば、続く余剰金属排出工程において、封止範囲外の余剰溶融金属Ｍ’をガスブローや液体リンスなどを用いて排出したとしても、封止範囲内にある微小空間の金属充填性には影響が及ばないため、より効果的な余剰金属排出手段を用いることができる。即ち、本実施形態では、封止部２０が存在するので、前実施形態とは異なり、余剰溶融金属Ｍ’を全て排出したとしても、押付部６と半導体ウェハＫとの間にガスが入って充填不良が発生することはないので、封止範囲外の領域を清浄に保つことが可能となる。
【００７８】
また、溶融金属封止部を設ける第二の態様としては、図１０（ａ）に示すように、押付部６の下面において、半導体ウェハＫの外側の保持台Ｈと対向する位置に、円形の半導体ウェハＫと同心円状の弾性体からなる封止部２１（溶融金属封止部）を設ける態様がある。
【００７９】
本構成によれば、封止部２１は半導体ウェハＫの外部に設けられるので、封止部２１は半導体ウェハＫに接触することはなく、半導体ウェハＫの全面において溶融金属Ｍの充填処理を行うことが可能となる〔図１０（ｂ）参照〕。
【００８０】
以上の溶融金属封止部を形成する素材は、ある程度の弾力性と耐熱性などを備え、封止に適した素材であれば特に限定されないが、封止前の溶融金属Ｍが外部に逃げやすい素材や構造を採用することにより、封止される溶融金属Ｍの分量を必要最小限のものとして、半導体ウェハＫ上の残渣を薄くすることができる。
【００８１】
次に、溶融金属封止部を設ける第三の形態として、図１１（ａ）に示すように、押付部６の、溶融金属Ｍと接する面と逆側に弾性体層２２（溶融金属封止部）を積層しておく形態がある。この場合、押付機構によって、ピストンＰを半導体ウェハＫに向けて移動させ、押付部６を溶融金属Ｍ及び半導体ウェハＫに対して接近させていくと、同図（ｂ）に示すように、弾性体層２２が加圧方向と垂直な平面状に広がり、この広がった弾性体層２２が、ハウジングＣと当接することにより、溶融金属Ｍが、弾性体層２２で封止された空間内部に閉じ込められる。このような構成によれば、事前にガス加圧されていた溶融金属Ｍの圧力を保つように封止がなされる。
【００８２】
上記の構成によれば、半導体ウェハＫ表面と押付部６表面との平行度が悪い場合にも、弾性体層２２の変形によって半導体ウェハＫ表面と押付部６表面とを効率よく密着させることができる。更に、押付部６の金属部を変形しやすい薄板にすることで、半導体ウェハＫ表面の平坦度が悪い場合にも、弾性体層２２及び金属薄板の変形によって半導体ウェハＫ表面と押付部６表面とを効率よく密着させて、保圧冷却し、溶融金属Ｍを硬化できるので、これらの密着効果によって半導体ウェハＫ上の残渣をより薄くすることができる。
【００８３】
次に、溶融金属封止部を設ける第四の態様として、図１２（ａ）に示すように、押付部６の、半導体ウェハＫと接する面と逆側に弾性体層２３（溶融金属封止部）を積層しておき、更に、押付部６の下面に、円形の半導体ウェハＫの外周に沿うように、弾性体からなるリング形状をした封止部２４（溶融金属封止部）を設ける態様がある。この場合、押付機構５によって、ピストンＰを半導体ウェハＫに向けて移動させ、押付部６を溶融金属Ｍ及び半導体ウェハＫに対して接近させ、封止部２４を半導体ウェハＫに当接させると、同図（ｂ）に示すように、封止部２４が取り囲む領域内に溶融金属Ｍが封止される。この態様によれば、前記第三の態様と比較して、実効的な封止範囲を半導体ウェハＫの領域に狭めることにより、封止部２４が取り囲む領域外の溶融金属Ｍ’を溶融金属回収機構により適宜回収することで、余計な隙間に残留する残留金属の分量を低減することができる。
【００８４】
次に、溶融金属封止部を設ける第五の形態として、図１３（ａ）に示すように、ピストンＰのうち、押付部６の、溶融金属Ｍと接する面の外側領域から前記面と逆側にかけて、弾性体層２５（溶融金属封止部）を積層しておく形態がある。押付部６の周囲の弾性体層２５は、押付部６より僅かに下方に突き出た構造となっている。この場合、押付機構によって、ピストンＰを半導体ウェハＫに向けて移動させ、押付部６を溶融金属Ｍ及び半導体ウェハＫに対して接近させて、弾性体層２５を半導体ウェハＫに当接させると、同図（ｂ）に示すように、弾性体層２５の当接領域内に溶融金属Ｍが封止される。尚、図１１に示した形態とは異なり、ハウジングＣとの間の隙間の溶融金属Ｍ’までは封止されない。
【００８５】
以上のように、各種の溶融金属封止部を設けることにより、溶融金属Ｍを押付部６と半導体ウェハＫとの間に閉じ込め、半導体ウェハＫ上の広領域において封止性を高めることができるので、溶融金属Ｍに適切な高圧力をかけて、当該溶融金属Ｍを半導体ウェハＫの微小空間内に押し込むことができる。また、半導体ウェハＫ上に生じる残渣を低減することができるとともに、溶融金属Ｍを半導体ウェハＫ上にのみ閉じ込める態様を採用した場合には、溶融金属封止部が取り囲む領域外の溶融金属Ｍ’を溶融金属回収機構によって回収することで、処理室内に残る余剰溶融金属を低減することが可能となる。
【００８６】
これにより、微小空間内に溶融金属を隙間なく押し込み、充填時におけるボイドの発生を回避し、高精度の金属充填を実現することが可能となる。
【００８７】
最後に、本発明により、金属充填が良好に行われた状態を図示しておく。図１４（ａ）は、溶融金属Ｍを充填する前の半導体ウェハＫ上の微小空間Ｖを示す断面図であり、図中下部分が半導体ウェハＫである。同図（ａ）において、半導体ウェハＫの表面には無数の微小空間Ｖが規則正しく配置されている。図１４（ｂ）は、本発明により、半導体ウェハＫ上の微小空間Ｖに良好に溶融金属Ｍが充填され、半導体ウェハＫ上の残渣を除去した状態を示す断面図である。同図（ｂ）では、微小空間Ｖに隙間なく溶融金属Ｍが充填されている様子がわかる。
【００８８】
これに対して、図１４（ｃ）は、比較例として、溶融金属Ｍの充填不良を生じた微小空間Ｖ１〜Ｖ４を示す断面図である。同図（ｃ）において、微小空間Ｖ１，Ｖ２では、底部側に溶融金属Ｍが充填されているもののその分量が十分でないので、微小空間を完全に充填できていない。また、微小空間Ｖ３，Ｖ４では、底部側まで溶融金属Ｍが到達しておらず、充填不良となっている様子がみてとれる。
【００８９】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明が採り得る具体的な態様は何らこれに限定されるものではない。
【００９０】
例えば、上例においては、押付部６を半導体ウェハＫに近づける構成を採用したが、これに限られるものではなく、半導体ウェハＫ（保持台Ｈ）の方を、押付部６の方へ近づける構成を採用してもよい。
【００９１】
更に、上例では、溶融金属Ｍの供給後に、ピストンＰを半導体ウェハＫに向けて移動させ、溶融金属Ｍの液面に押付部６を近づけていき、押付部６を溶融金属Ｍ中に沈めた状態にする方法を説明したが、液面に押付部６を近づけていくのではなく、押付部６の表面が溶融金属Ｍに浸されるまで当該溶融金属Ｍを供給していくことで、押付部６を溶融金属Ｍ中に沈めた状態にするようにしてもよい。
【００９２】
また、押付部６による押付方向は、鉛直上方向から下方向に押し付ける形態に限られず、装置の構成により、鉛直下方向から上方向に押し付ける、或いは、水平横方向に押し付けるようにしても良い。また、金属充填装置の向きは、図１に示した向きに限られるものではなく、図１の向きを横転させた向きであっても良いし、天地を反転させた向きであっても良い。
【００９３】
また、押付部６の移動は、必ずしも押付機構５の制御動作によらなくても、例えば人力等で半導体ウェハＫに対して近づけられるものとしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
以上説明したように、本発明は、被処理物表面上の微小空間の内部に溶融金属を充填する金属充填装置に好適に利用できるものである。
【符号の説明】
【００９５】
１      金属充填装置
２      処理室
３      減圧機構
４      溶融金属供給機構
５      押付機構
６      押付部材
Ｃ      ハウジング
Ｈ      保持台
Ｋ      半導体ウェハ
Ｐ      ピストン
【図１】
0005872409.tif 000002
【図２】
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【図３】
0005872409.tif 000004
【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】
0005872409.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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