(57)【要約】【課題】  本発明は良好な強度を有し微細な貫通孔電極を形成しながら安価である貫通電極付き基板を提供する。【解決手段】  電気回路の形成されていない第１の表面０７と第２の表面０８に電気回路が形成される前の基板に貫通電極を形成するにあたり、貫通孔の内部に真空含浸法によって電極を形成したことにより貫通孔電極付きの電気回路基板とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気回路の形成されていない第１の表面と、電気回路の形成されていない第２の表面と、前記第１の表面と前記第２の表面との間に形成される貫通孔を有した基板であって、前記貫通孔の内部を含浸法によって注入された導電性材料で満たし貫通電極としたことを特徴とする貫通電極付き基板。
【請求項２】
前記基板の厚さが０．０１ｍｍ〜１ｍｍの範囲にあり、前記貫通電極の平均直径ｄと前記基板の厚さｔとの比率（ｄ／ｔ）が１／１０００〜５０／１の範囲にあることを特徴とする貫通電極付き基板。
【請求項３】
請求項１および請求項２において、前記基板の材質をシリコン（Ｓｉ）を主体とする（９０質量％以上含有する）材質としたことを特徴とする貫通電極付きシリコン基板。
【請求項４】
請求項１および請求項２において前記基板の材質をガラスとしたことを特徴とする貫通電極付きガラス基板。
【請求項５】
請求項１および請求項２において前記基板の材質を窒化アルミニウムやアルミナなどのセラミックとしたことを特徴とする貫通電極付きセラミック基板。
【請求項６】
請求項１〜５に記載の基板に貫通電極を形成する際に明けられた第一の貫通孔の内部に真空含浸法によって絶縁性材料を注入した後、第１の表面と第２の表面の間に絶縁性材料が前記第一の貫通孔の内壁全周囲に残るような、前記第一の貫通孔の直径ｄ１よりも小さな直径ｄ２の第二の貫通孔を有した基板であって、前記第二の貫通孔の内部を含浸法によって注入された導電性材料で満たし貫通電極としたことを特徴とする貫通電極付き基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は貫通電極付き電気回路基板の構造と製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  近年の半導体デバイスの小型化および高集積化の要求に対応するため、複数のＬＳＩを含むシステムを、一つのパッケージとして三次元的に集約する技術、いわゆる「半導体三次元パッケージ化技術」の開発が進められている。このような半導体三次元パッケージでは、各素子同士および素子とパッケージを実装する電気回路基板とを電気的に効率よく接続する必要がある。【０００３】  しかしながら、従来のワイヤーボンディング接続では、微細ボンディングの限界やワイヤー長が長くなることによる伝送損失の問題がある。【０００４】  そこで、伝送損失の少ないインターポーザが注目されている。インターポーザは、例えば素子と、パッケージを実装する電気回路基板とを接続するものである。貫通電極付きインターポーザは、基材に貫通孔を形成し、形成した貫通孔の内壁面に貫通電極を形成している。【０００５】  シリコンを基材に用いたシリコン基板では、基板に貫通電極用の貫通孔を形成する前工程で、シリコン基板の第１の表面または第２の表面に電気回路が形成されており、貫通孔形成時には電気回路を損傷することなく加工することが望まれている。このため、レーザーを用いて加工する方法やドリルを用いて機械加工を行う方法などでの貫通孔形成方法は電気回路を損傷する危険が高く困難を伴う。【０００６】  シリコンを基材に用いたシリコン基板では、基板に貫通孔を形成する方法として、ボッシュプロセスと呼ばれる「Ｄｅｅｐ  Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ法」により貫通孔を形成する方法が知られている。【０００７】  一方、ガラス基板では基板に貫通孔を形成する方法として、レーザーを用いて加工する方法、ドリルを用いて機械加工を行う方法、エッチングにより貫通孔を形成する方法などが検討されている。【０００８】  貫通孔の内壁面に貫通電極を形成する方法としては、めっき法、はんだなどの低融点金属を埋め込む方法、導電ペースト材料及びインク材料を埋め込む方法、金属ワイヤーを埋め込む方法などが検討されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平２０１３−１０２１３８号公報
【特許文献２】特開平２０１１−１７８６４２号公報
【本発明が解決しようとする課題】
【００１０】  上記のごとく従来シリコン基板へ貫通電極を設けるにあたって貫通孔を明ける際にボッシュプロセス加工によっているが、ボッシュプロセス加工では図１１に示すように貫通孔開口部を開口したマスキングを施した後に、エッチング加工及びエッチング加工によって形成された内壁への保護被膜形成加工を複数回繰り返し、貫通孔を形成しているために多くの工程と時間を要している。
【００１１】  図１０および図１１に示すように、ボッシュプロセス加工はシリコン基板の第１の表面または第２の表面に、あるいは第１の表面と第２の表面の両面に金属薄膜による電気回路が形成された状態で行うのであるが、ボッシュプロセス加工で貫通孔を明ける際には孔の底が電気回路に到達したところでボッシュプロセス加工を止めるため、孔の底は薄膜の電気回路のみとなり些細な事故でも損傷を受けることが多い。
【００１２】  一方、ガラス基板やセラミック基板への貫通孔を形成する方法としては、レーザーを用いた加工法、ドリルを用いた機械加工法、エッチングを用いる方法などがあるが、やはり基板の第１の表面または第２の表面あるいは第１の表面と第２の表面の両面に金属膜による電気回路やインターポーザの表面を覆うレジストなどが形成されており、貫通孔を明ける際に損傷を受けることが多い。
【００１３】  従来の貫通電極形成方法では貫通孔の内壁に絶縁性の物質によって第１の薄膜を形成した後に導電性金属によって第２の薄膜をめっき法で被膜し、かつインターポーザの第１の表面または第２の表面あるいは第１と第２の表面の両面に形成されている電気回路とを接続することで貫通電極としているが、貫通孔の直径は貫通孔の内部にめっき液が十分に流れ込むだけの大きさが必要となる。
【００１４】  従来の貫通孔の内壁をめっき法によって被膜する方法では、めっき液を貫通孔内部に行き渡らせる必要から貫通孔の直径が比較的に大きくなり、それに因って本来電気回路を形成すべき基板の第１の表面と第２の表面の回路形成可能面積が狭小化するという問題が起きている。
【００１５】  さらに、貫通電極形成を貫通孔の内壁に金属膜を被膜することで形成する場合、貫通孔の内部は空洞となるため貫通孔を設けない基板に比較し貫通孔を設けた基板の強度は減少し、素子や半導体チップを製作した場合にも貫通電極無しの素子や半導体チップに比し強度は減少するのである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】  本発明は、上記の課題を解決するために、次に述べる手段を講じたことを特徴とするものである。本発明の要旨は、貫通電極付き電気回路基板を形成する際に、第１の表面と第２の表面に電気回路を形成する工程以前に貫通孔を形成し、貫通孔の内部に真空含浸法によって電導性材料を注入し貫通孔を満たすことにより貫通電極を形成するものである。
【００１７】  真空含浸法による貫通孔への金属注入では貫通孔の平均直径が０．００１ｍｍ以上であれば１ｍｍ以上の深さまで注入可能であるため、貫通孔により占められる基板の第１の表面と第２の表面の回路形成不可領域を最小にできる。
【００１８】  本発明は、上記のように基板表面の回路形成前に貫通電極を形成するため貫通電極形成時の加工に起因する表面回路損傷による不良率を低減し、貫通孔の内部を電導性材料で満たすことにより基板の強度低下を防ぎ、真空含浸法で貫通孔内部に導電性材料を注入することにより貫通孔の平均直径を小さくし基板表面の回路形成領域を拡大するのである。
【００１９】  すなわち、請求項１の発明は安価ながら十分な強度をもった貫通電極を内部に付属した基板を製造することを目的として、基板の第１の表面と第２の表面に電気回路形成がなされる前に前記第１の表面と第２の表面との間に貫通孔を設け、真空含浸法によって導電性材料を貫通孔内に充填し貫通電極としたことを特徴とする。
【００２０】  請求項２の発明は、前記貫通電極付き基板の厚さが０．０１ｍｍ〜１ｍｍの範囲にあり、貫通電極を形成する電極の平均直径ｄ１と前記基板の厚さｔとの比率（ｄ１／ｔ）が１／１０００〜５０／１の範囲としたことを特徴とする。
【００２１】  請求項３の発明は、請求項１および請求項２における前記貫通電極付き基板の材質を、シリコン（Ｓｉ）を主体（９０質量％以上を含有する）としたことを特徴とする。
【００２２】  請求項４の発明は、請求項１および請求項２における前記貫通電極付き基板の材質を、ガラスとしたことを特徴とする。
【００２３】  請求項５の発明は、請求項１および請求項２における前記貫通電極付き基板の材質を、窒化アルミニウムやアルミナなどのセラミックとしたことを特徴とする。
【００２４】  請求項６の発明は、請求項１〜５に記載の貫通電極付き基板に貫通電極を形成する際に、基板に設けられた第一の貫通孔０４の内部に真空含浸法によって絶縁性材料０２を注入した後、第１の表面と第２の表面の間の前記第一の貫通孔０４の内壁全周囲に、前記絶縁性材料０２が残るように前記第一の貫通孔０４の直径ｄ１よりも小さな直径ｄ２の第二の貫通孔０５を有した基板であって、前記第二の貫通孔０５の内部を真空含浸法によって注入された導電性材料０３で満たし貫通電極としたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】  請求項１によれば、電気回路の形成されていない第１の表面と電気回路の形成されていない第２の表面をもった基板に貫通孔を明けるため、貫通孔明け加工および貫通電極形成加工による電気回路への損傷が全く無くなる。
【００２６】  さらに、貫通電極を形成する導電性材料は真空含浸法によって貫通孔に充填されるが、真空含浸法によれば平均直径０．００１ｍｍの貫通孔に１ｍｍ以上の深さでガラスや金属を充填することが可能であるため、基板表面積に占める貫通孔の面積を極小にできる。本発明の貫通電極形成のための貫通孔の平均直径（ｄ１）は従来の貫通孔電極形成のための貫通孔の平均直径（Ｄ）との比率（ｄ１／Ｄ）が１／５以下となり、面積比では１／２５以下となった。
【００２７】  近年、基板表面の電気回路は微細化の一途をたどっており貫通孔による基板表面のデッドスペースが減少することは回路形成可能領域が拡大することになり多大なメリットとなる。
【００２８】  従来の貫通電極を形成する貫通孔の内部は内壁にめっき法によって被膜を形成するため、貫通電極内部は空隙となり基板強度の低下を招いている。しかし、本発明によれば貫通電極を形成する貫通孔の内部は導電性材料によって満たされているため基板の強度低下は発生しない。
【００２９】  本発明によれば、シリコン基板への貫通孔形成に際しても、レーザーを用いた加工法、ドリルを用いた機械加工法、エッチングを用いる方法など多様な加工方法を採用することが可能である。
【００３０】  請求項２によれば、従来方式による基板への貫通電極形成に比し、はるかに微細な貫通電極を形成することが可能である。従来の方式では基板の厚みが０．０１ｍｍ〜１ｍｍの範囲場合、貫通孔の平均直径ｄと基板の厚みｔとの比（ｄ／ｔ）が１／５０〜１／５の範囲が限界であった。
【００３１】  しかしながら、本発明によれば基板の厚みが０．０１ｍｍ〜１ｍｍの範囲にある場合、貫通電極を形成する第一の貫通孔０４の平均直径ｄ１と前記基板０１の厚さｔとの比率（ｄ１／ｔ）が１／１０００〜５０／１の範囲で形成可能となり、基板設計の自由度を大幅に引き上げた。
【００３２】  請求項３によれば、貫通電極付き半導体素子を作製するためのシリコン基板への活用が可能となる。従来貫通孔付き半導体素子を作製する場合、貫通孔を形成する工程はシリコン基板の第１の表面または第２の表面に電気回路が組み込まれた状態で形成していた。
【００３３】  本発明によれば、シリコン基板の第１の表面および第２の表面に電気回路を組み込む前に貫通電極を形成するのである。すなわち、従来の半導体素子における貫通電極は半導体メーカが形成していたが、シリコン基板を供給しているウエハーメーカが貫通電極付きのシリコンウエハとして供給することが可能となる。
【００３４】  請求項４によれば、今後多用途に使用されることが予想されているガラス基板にも使用することが可能である
【００３５】  請求項５によれば、近年増加の一途を辿っているＬＥＤ素子搭載用基板やパワーモジュール用基板などの発熱量の多い用途に使用されるセラミック基板にも使用することが可能となる。
【００３６】  請求項６によれば、半導体素子用インターポーザの基となるシリコン基板など、基板の材質が導電性材料で形成されている場合に、貫通電極と導電性である基板との間を電気的に分離独立させることが可能となる。
【００３７】  セラミックなどの粉末を固形化し形成された基板など、基板材料内部がポーラス状態の基板は材料自体が絶縁性物質で構成されていたとしても、導電材料を含浸することによって導電特性をもった基板となりうるため電気回路用基板として使用する際には電気回路との間に別途絶縁対策が必要となる。しかし、本発明の第一の貫通孔０４を形成した後に第一の貫通孔０４と基板内部のポーラス部位に絶縁材料０２を同時に真空含浸することによって絶縁特性をもった電気回路基板とすることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の貫通電極付き基板の一例を示す部分断面図である。
【図２】本発明の貫通孔付き基板の一例を示す部分断面図である。
【図３】本発明の貫通孔に絶縁性材料を充填した一例を示す部分断面図である。
【図４】本発明の貫通孔に充填された絶縁性材料の内部に貫通孔を形成した一例を示す部分断面図である。
【図５】シリコン基板に貫通孔を形成した一例を示す平面図である。
【図６】シリコン基板に貫通孔を形成した一部分を拡大した図面である。
【図７】貫通孔を形成したシリコン基板を真空含浸装置の内部にセットした一例を示す図面である。
【図８】シリコン基板を真空含浸装置の内部にセットし、真空含浸装置内部を真空にした一例を示す図面である。
【図９】貫通孔を形成したシリコン基板を真空含浸装置内部の含浸材料の中に浸した一例を示す図面である。
【図１０】ボッシュプロセス加工によって貫通孔を形成された半導体素子の一例を示す部分断面図である。
【図１１】ボッシュプロセス加工の工程例を示す部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】  以下に、本発明の実施形態による半導体素子製作用貫通電極付きシリコン基板の製造方法例を示す。
【００４０】  図１はシリコン基板０１に形成された第一の貫通孔０４の内壁周囲に絶縁性材料０２を被覆し、絶縁性材料０２の内側に形成された第二の貫通孔０５の内部を導電性材料０３で満たし貫通電極としたものである。以下にその製造方法の一例を示す。
【００４１】  図２はシリコン基板の第１の表面または第２の表面に波長５３２ｎｍのレーザー光線を照射し平均直径３０μｍの第一の貫通孔０４を形成した部分断面図である。ここではレーザー光線の照射表面は第１の表面であっても第２の表面であっても、その方向は問わない。また、平均直径を３０μｍとしたが平均直径は３０μｍ以上であっても３０μｍ以下であっても良い。さらに、レーザー光線の波長も限定されるものではない。
【００４２】  貫通孔形成方法はレーザー光線の照射方法以外にもドリルを用いて機械加工を行う方法、エッチングにより貫通孔を形成する方法などがあり、レーザー光線による加工法に限定されるものではない。
【００４３】  なお、第一の貫通孔０４の位置が予め決められた半導体素子の設計ルールに従った貫通孔グループ０６として配置されていることが望ましい。
【００４４】  図３は前記第一の貫通孔０４の内部に絶縁材料０２を真空含浸法によって注入充填した部分断面図である。
【００４５】  真空含浸法は従来、工作機械などを製造する際に使用される鋳物材やセラミック材の脆性弱さを補強することを目的として、アルミニウムなどの金属を鋳物材やセラミックス材のポーラス部に注入する工法である。さらには、ヒビ割れした陶磁器や金属部品などのヒビ割れ部の内部に金属やガラスを充填し補強を図る際にも使用されている。しかしながら、本発明による半導体素子を製造する際に使用されるシリコン基板の貫通電極を形成する手段として使用された事実は過去にない。
【００４６】  図４は前記第一貫通孔０４の内部に充填された絶縁材料０２が、第一の貫通孔０４の内壁全周囲に残るような第二の貫通孔０５を形成した部分断面図である。
【００４７】  本発明では、前記第一の貫通孔０４の内部に充填された絶縁材料０２が、第一の貫通孔０４の内壁全周囲に残るような第二の貫通孔０５を形成し、さらに真空含浸法により第二の貫通孔０５の内部に導電材料０３を充填することで貫通電極付きシリコン基板が完成される（図１）。
【００４８】  以下に、シリコン基板に形成された貫通孔へのガラスや金属などの含浸材料を含浸する方法を図７〜図９によって述べる。
【００４９】  真空含浸容器１１の内部にガラスや金属などの含浸材料１５を入れ溶融する。この際溶融された含浸材料１５と容器の蓋１２の間にはシリコン基板０１がクリップ１３と吊り下げ具１４によって吊るされる空間１６があり、空間１６は空気で満たされている（図７）。
【００５０】  次に、空間１６の内部の空気を抜出し真空とする（図８）。
【００５１】  さらに、シリコン基板０１を溶融されたガラスや金属などの含浸材料１５の中に浸すことにより、シリコン基板０１に形成された第一の貫通孔０４または第二の貫通孔０５の内部にガラスや金属などの含浸材料１５が充填される（図９）。
【００５２】  一般的に、貫通孔内部に含浸材料を充填する際の促進方法として、シリコン基板０１を含浸材料１５の中に浸した後に空間１６へ高圧の空気や高圧のガスを注入することも、微細な貫通孔内部に含浸材料を注入充填する手段として有効である。
【符号の説明】
【００５３】０１      シリコン基板
０２      絶縁性材料
０３      導電性材料
０４      第一の貫通孔
０５      第二の貫通孔
０６      貫通孔グループ
０７      第１の表面
０８      第２の表面
１１      真空含浸容器
１２      真空含浸容器蓋
１３      クリップ
１４      吊り下げ具
１５      含浸材料
１６      空間
１６ａ    真空空間
２１      ボッシュプロセス法を説明する基板
２２      絶縁層
２３      パッシベーション
２４      保護基台
２５      電気回路
２６      マスク
２７      マスク開口部
２８      エッチング加工による窪み１
２９      保護被膜
３０      保護被膜の開口部
３１      エッチング加工による窪み２
３２      ボッシュプロセス法によって明けられた貫通孔
【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】
2015012285.tif 000010
【図９】
2015012285.tif 000011
【図１０】
2015012285.tif 000012
【図１１】
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