(57)【要約】  本発明の一の実施例によると、1つ以上のビアを密閉する方法は、ビアを有する第1基板を供する工程、該ビアの内側表面上に接合層を形成する工程、前記第1基板と第2基板との間ではんだ層を挟む工程、並びに、前記第1基板、前記第2基板、及び前記はんだ層を、該はんだ層の共融点より高温であって融点より低温である温度にまで昇温する工程を有する。前記のはんだ層を、該はんだ層の共融点より高温であって融点より低温である温度にまで昇温する工程は、該はんだ層を、前記ビアへ概ね安定的に流し込む。
2010508658.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のビアを密閉する方法であって：
前記複数のビアを有する第1基板を供する工程；
前記複数のビアの内側表面上に接合層を形成する工程；
前記第1基板と第2基板との間ではんだ層を挟む工程であって、該はんだ層の共融点は該はんだ層の融点よりも低い工程；並びに
前記第1基板、前記第2基板、及び前記はんだ層を、該はんだ層の共融点より高温であって融点より低温である温度にまで昇温し、かつ昇圧する工程であって、
該昇温によって昇温した温度は前記共融点より高温であって前記融点より低温で、
前記昇圧によって昇圧した圧力は前記第1基板を前記第2基板へ向かわせることによって、前記はんだ層が前記複数のビアへ流れ込む、工程；
を有する方法。
【請求項２】
前記はんだ層は、金-シリコン、金-ゲルマニウム、銅-スズ、又はパラジウム-シリコンからなる群から選ばれる2種類の元素を含む、請求項1に記載の方法。
【請求項３】
前記昇温及び昇圧する工程は、オートクレーブを用いることによって周囲の環境を昇温及び昇圧する工程を有する、請求項1に記載の方法。
【請求項４】
少なくとも1つのビアを密閉する方法であって：
前記少なくとも1つのビアを有する第1基板を供する工程；
前記少なくとも1つのビアの内側表面上に接合層を形成する工程；
前記第1基板と第2基板との間ではんだ層を挟む工程であって、該はんだ層の共融点は該はんだ層の融点よりも低い工程、並びに
前記第1基板、前記第2基板、及び前記はんだ層を、該はんだ層の共融点より高温であって融点より低温である温度にまで昇温する工程であって、該昇温によって前記はんだ層が前記少なくとも1つのビアへ流れ込む工程；
を有する方法。
【請求項５】
前記温度を昇温しながら前記第1基板を前記第2基板へ向かわせるのに十分な力を前記第1基板と前記第2基板に印加する工程をさらに有する、請求項4に記載の方法。
【請求項６】
前記第1基板と前記第2基板に印加する工程は、オートクレーブによって、前記第1基板、前記第2基板、及び前記はんだ層が設けられた環境の大気圧を昇圧する工程を有する、請求項5に記載の方法。
【請求項７】
前記はんだ層を挟む工程が、前記第1基板の一部と前記第2基板との間で前記はんだ層を挟む工程をさらに有する、請求項4に記載の方法。
【請求項８】
前記少なくとも1つのビアが複数のビアを有する、請求項4に記載の方法。
【請求項９】
前記複数のビアのうちの少なくとも一のサイズは、前記複数のビアのうちの他のビアのサイズとは異なる、請求項4に記載の方法。
【請求項１０】
前記第1基板が電子回路を含むように備えられている、請求項4に記載の方法。
【請求項１１】
第2ビアを有する第3基板を供する工程；並びに
接合層を形成する工程；
はんだ層を挟む工程；及び
昇温する工程であって、該昇温によって前記はんだ層が前記第2ビアへ流れ込む、工程；
を繰り返す工程；
をさらに有する、請求項4に記載の方法。
【請求項１２】
前記昇温する工程が前記第2基板への前記はんだ層の接合を起こさない、請求項4に記載の方法。
【請求項１３】
前記昇温工程後に前記第1基板から前記第2基板を取り外す工程をさらに有する、請求項4に記載の方法。
【請求項１４】
前記昇温工程が前記はんだ層への前記第2基板の接合を引き起こす、請求項4に記載の方法。
【請求項１５】
前記第1基板と前記第2基板はそれぞれ、互いに実質的に等しい熱膨張係数を有する、請求項14に記載の方法。
【請求項１６】
前記第2基板の選択部分を除去する工程であって、該除去によって少なくとも1つのバンプが前記第1基板の下側表面上に形成される工程、をさらに有する、請求項14に記載の方法。
【請求項１７】
少なくとも1つのビアを密閉する方法であって：
前記少なくとも1つのビアを有する第1基板を供する工程；
前記少なくとも1つのビアの内側表面上に接合層を形成する工程；
前記第1基板と第2基板との間ではんだ層を挟む工程；
前記第1基板、前記第2基板、及び前記はんだ層を昇温及び昇圧する工程であって、
該昇圧によって昇圧した圧力は前記第1基板を前記第2基板へ向かわせるように作用することによって、前記はんだ層が前記少なくとも1つのビアへ流れ込む、工程；
を有する方法。
【請求項１８】
前記昇温工程が、前記第1基板、前記第2基板、及び前記はんだ層を、該はんだ層の共融点より高温であって融点より低温である温度にまで昇温する工程を有する、請求項17に記載の方法。
【請求項１９】
前記昇温及び昇圧する工程は、オートクレーブを用いることによって昇温及び昇圧する工程を有する、請求項17に記載の方法。
【請求項２０】
前記少なくとも1つのビアの充填レベルを調節する工程をさらに有する、請求項17に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概して基板製造プロセスに関し、より詳細には基板内に1つ以上のビアを密閉する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
1つ以上の部品を含む電子回路は、概ね平坦な基板上に設けられて良い。その基板は前記電子回路用の支持構造を供し、一の部品から他の部品へ電気を流す1つ以上の伝導路を有して良い。穴を有するビアもまた、前記基板の上面から下面への電気的接続を供するように、これらの基板内に形成されて良い。前記ビアもまた、前記基板を担体へ構造的に接続して良い。担体とはたとえば、ヒートシンク、又は前記基板をマウントするための表面を有する他のデバイスである。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本発明の一の実施例によると、1つ以上のビアを密閉する方法は、ビアを有する第1基板を供する工程、該ビアの内側表面上に接合層を形成する工程、前記第1基板と第2基板との間ではんだ層を挟む工程、並びに、前記第1基板、前記第2基板、及び前記はんだ層を、該はんだ層の共融点より高温であって融点より低温である温度にまで昇温する工程を有する。前記のはんだ層を、該はんだ層の共融点より高温であって融点より低温である温度にまで昇温する工程は、該はんだ層を、前記ビアへ概ね安定的に流し込む。
【０００４】
本発明の他の実施例によると、ビアを密閉する方法は、前記ビアを有する第1基板を供する工程、前記ビアの内側表面に接合層を形成する工程、及び、前記第1基板と第2基板との間にはんだ層を挟む工程、を有する。続いて前記第1基板、前記はんだ層、及び前記第2基板の温度と圧力を上昇させる。該上昇により前記圧力は、前記第1基板を前記第2基板へ向かわせる。それにより、前記はんだ層は、概して安定的に前記ビアへ流れ込む。
【０００５】
本発明の実施例の一部は多数の技術的利点を供することができる。一の実施例の技術的利点は、相対的に安価な製造プロセスを用いた、前記第1基板の下側表面への第2基板-たとえばヒートシンク又は接地板-の追加を含んで良い。本発明のある特定の実施例もまた、相対的に高価な従来のビア密閉プロセスを必要としないビアの密閉方法をも供することができる。本発明の一の実施例は、従来から入手可能であるはんだ材料の利用が可能で、かつすぐに利用できる装置-たとえばオートクレーブのような-を用いて処理できる、ビアの密閉方法を供する。前記オートクレーブは、圧力と温度が上昇した周囲の環境を供するように備えられた装置の一種である。前記オートクレーブは、費用対効果良く、基板内のビアを密閉するために圧力と温度を上昇させるのに利用することができる。
【０００６】
追加の利点が与えられる。それにより、本発明による方法を用いることによって、多数の基板を接合して1にされて良い。一の実施例では、複数の基板を積層するようにして互いの上部に接合するため、当該方法が複数回行われて良い。他の実施例では、複数の基板は、各隣接する基板の間に挟まれたはんだ層によって前記複数の基板の上部に積層されることによって、同時に接合されて良い。
【０００７】
以降では具体的な利点が開示されているが、様々な実施例は、その開示された利点を全て含むこともあるし、一部しか含まないこともあるし、又は全く含まないこともあり得ることが分かるだろう。それに加えて具体的には示されていない他の技術的利点は、図及び関連する詳細説明によって、当業者には明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】a-dは、本発明による一の実施例を実施するように実行できる一連の工程の結果を表す半導体構造の側部断面図である。
【図２】図1の半導体構造の代替実施例に係る側部断面図である。
【図３】a-cは、図1dの昇温工程に続くビア内部での様々なはんだの充填レベルを示す側部断面図である。
【図４】図1a-図1dで述べた充填可能なビアを示す微小電気機械システム(MEMS)回路の部分斜視断面図である。
【図５】a及びbは、パターンが形成されるはんだ層がビアの充填及び前記第2基板への前記第1基板の接合に使用可能な一連の工程の結果を表す代替実施例の側部断面図である。
【図６】a及びbは、パターンが形成されるはんだ層がビアの充填及び前記第1基板からの前記第2基板の解放に使用可能な一連の工程の結果を表す代替実施例の側部断面図である。
【図７】a-cは、半導体基板上にバンプを形成するために実行可能な一連の工程の結果を表す半導体基板の側部断面図である。
【図８ａ】図1a-図1dで述べた充填可能な様々なサイズのビアを有する半導体基板の代替実施例の上面図である。
【図８ｂ】図1a-図1dで述べた充填可能な様々なサイズのビアを有する半導体基板の代替実施例の側面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の実施例のより完全な理解は、添付の図面と関連する詳細な説明から明らかとなる。
【００１０】
以降の説明では、本発明の複数の実施例を表す添付の図面が参照される。他の実施例も利用可能であり、かつ本発明の技術的思想及び技術的範囲内で構造及び動作の変更が可能であることに留意して欲しい。
【００１１】
図1a-図1dは、ビア12を密閉するために実行できる一連の工程の一実施例を表す半導体デバイスの様々な製造段階中での側部断面図を図示している。ビア12の密閉方法は一般的に多数の工程を有する。その多数の工程の結果が図1a-図1dに図示されている。1つ以上のビア12を有する基板11が図1aに図示されているように供される。続いて接合層13が、図1bに図示されているように、各ビア12の内側表面16全体を覆うように形成される。その後はんだ層14が、図1cに図示されるように、基板11と基板15との間に挟まれる。基板11と基板15との間に圧力を加えるのに十分な力が、基板11と基板15へ加えられる一方で、図1dに図示されているように、はんだ層14がビア12へ流れ込むことができるように、基板11と基板15の温度を上昇させる。
【００１２】
はんだ層14は、所定温度で相変化を示し、かつ接合層13に対して適切な接合特性を供する任意の適切な材料を有して良い。一の実施例では、はんだ層14は、2種類以上の元素を含むはんだ合金を有して良い。前記2種類以上の元素のうちの少なくとも1つは金属である。そのような場合、前記元素のうちの一の融点は他の元素の融点よりも低い。それにより、はんだ合金は該はんだ合金の融点よりも低い共融点を有することができる。従って昇温された温度は、共融点よりも高くて融点よりも低い所定温度であって良い。はんだ合金は、温度が該はんだ合金の共融点よりも高くて融点よりも低いときには、部分的に融解する。このようにして、部分的に融解するはんだ合金は、基板11と15へ加えられる力を用いることによって、安定的にビア12へ流れ込むことができる。一の実施例では、はんだ合金は金-スズ合金を有して良い。他の実施例では、はんだ合金は他の合金を有して良い。他の合金とはたとえば、金-シリコン、金-ゲルマニウム、銅-スズ、又はパラジウム-シリコンである。
【００１３】
部分的に融解したはんだ層をビア12へ向かわせるため、基板11と15に力が加えられて良い。このような力を加える複数の方法が存在する。一の実施例では、重力がそのような力である。他の実施例では、力は、基板11を基板15へ向かわせる機械構造によって加えられて良い。他の実施例では、力は、基板11と15を取り囲む環境の圧力を大きくすることによって加えられて良い。一の実施例では、温度の上昇と圧力の上昇は同時に行われて良い。それにより、上昇した圧力は、基板15を基板11へ向かわせる。他の実施例では、上昇した温度及び圧力は、オートクレーブによって与えられて良い。
【００１４】
温度上昇後、基板15は、基板11と結合して良いし、又は基板11から解放されても良い。基板15が、温度上昇後にはんだ層と接合するように備えられている材料で作られている場合、基板15は、（部分的に）融解したはんだ層14に対して良好な表面張力又は濡れ特性を示す材料で作られて良い。そのような場合、基板15は、基板11の熱膨張係数と基本的に同程度の熱膨張係数を有して良い。一の実施例では、基板15は、基板11上に電気回路用の接地板を形成するため、伝導性であって良い。それに加えて、基板は、熱が基板から逃げるように伝達されうるように、伝熱性であって良い。他の実施例では、基板15は上に形成された1つ以上の電気回路を有して良い。そのような場合、はんだ層14は、基板15上の1つ以上の電気的ノードへ基板11上の1つ以上の電気的ノードを接続するように動作して良い。
【００１５】
あるいはその代わりに基板15は、はんだ層14に対して相対的に劣った表面張力又は濡れ特性を有する材料で作られて良い。このようにして、基板15は、温度上昇後に基板11から取り外されて良い。そのような場合、基板11に対する基板15の熱膨張係数は重要ではない。一の実施例では、基板15は、剥離のような工程を用いて、基板11を曲げることができるようにするため、相対的に柔軟性を有する材料で作られて良い。本発明のある特定実施例は、上昇した圧力の付加と共に柔軟性基板15を用いることによって供される利点を示すことができる。その利点とは、圧力が、基板11と15との間での圧縮力を均等に分布するように機能できる、ということである。
【００１６】
上述したように、接合層13は、はんだ層14に対してビア12が適切な表面張力を有するように、ビア12内部に堆積されて良い。このようにして部分的に融解したはんだ合金14はさらに、はんだ層14に対する接合層13の表面張力が用いられることによって、ビア12へ入り込むことができる。基板11が事実上伝導性である場合、ビア12は、接合層13を塗布する前に、従来の熱酸化又は化学気相成長(CVD)法を用いることによって、絶縁材料又は誘電材料によってコーティングされて良い。しかし基板11が事実上本質的に絶縁性である場合には、誘電材料を堆積する必要はない。一の実施例では、接合層13はチタン-タングステン合金で作られて良く、はんだ層14は金-スズ合金で作られて良い。他の実施例では、接合層13は他の金属又は金属合金-たとえばスズ、クロム、硝酸スズ合金、又は硝酸タンタル合金-で作られて良い。
【００１７】
他の実施例では、本発明の方法10は、図1a-図1dについて説明したように、さらに複数回実行されて良い。この特別な実施例では、追加基板116が、図2に図示されているように基板111の上に接合されて良い。あるいはその代わりに、追加基板116は同時に処理されても良い。同時に処理されることによって、基板111、基板115、及び追加基板116は、前述した方法10を一度実行する間に昇温される。
【００１８】
図3a-図3cは、様々な充填レベルを有する複数のビア212-十分に充填されたビア、過剰に充填されたビア、又は十分に充填されていないビア-を図示している。これらのビアは、図1a-図1dで説明したように充填されて良い。図3aに図示されたビア212aは、はんだ材料214が概ね基板211の上側表面222まで広がるので、十分な充填レベルを有する。図3bに図示されたビア212bは、はんだ材料214が概ね基板211の上側表面222を超えて広がるので、過剰な充填レベルを有する。図3cに図示されたビア212cは、はんだ材料214が概ね基板211の上側表面222を下回る高さまでしか延びないので、過小な充填レベルを有する。
【００１９】
場合によっては、特別な充填レベルを有する密閉されたビア212を形成することが望ましいと考えられる。本発明の教示は、ビア212の実効的な充填レベルを調節する複数の方法を供する。一の実施例では、ビア212の充填レベルは、様々な摩耗手法-たとえば粗研磨、研磨、湿式エッチング、乾式エッチング、又はやすりがけ-によって調節されて良い。たとえば過剰に充填されたビア212は、過剰に充填されたはんだ材料部分を有して良い。その除去される過剰に充填されたはんだ材料部分は、突出したはんだ部分を従来の研磨、湿式エッチング、又は乾式エッチングすることによって除去される。他の例では、はんだ材料を除去することが相対的に困難である場合には、ビアを密閉する方法10は、相対的に厚い基板211上で行われて良い。続いて昇温が完了した後に、上側表面222は、ビア212が十分に充填されたレベルを有するまで、粗研磨されて良い。他の実施例では、接合層213へ表面張力改質剤を塗布することによって、ビア212の充填レベルをさらに操作することが可能である。表面張力改質剤は相対的に薄い誘電コーティングを有する。その相対的に薄い誘電コーティングは、接合層213に対するはんだ層214の表面張力を抑制又は増大する役割を果たす。誘電コーティングは、基板211全体にわたって均一に堆積されて良いし、又は基板211の選択された領域に堆積されても良い。誘電コーティングは、従来の手法-たとえば化学気相成長(CVD)法又は原子層堆積(ALD)法-を用いて堆積されて良い。他の実施例では、ビア212はパッド223（図3b）を有して良い。パッド223は、そのパッド223に関連するビア212の充填レベルをさらに制御するのに利用されて良い。パッド223は、はんだ材料がパッド223の半径を超えて広がるのを制限する役割を果たす。パッド223は、接合層213と一体化するように形成されて良く、かつ外側表面222全体にわたって特定の直径にまで広がる。基板211の表面張力が相対的に低いことで、はんだ材料214はパッド223を超えてマイグレーションできないため、パッド223の直径を調節することは、ビア212の充填レベルをさらに操作する役割を果たす。
【００２０】
基板内のビアを密閉する前述した方法10は、多数の有用な用途を有することができる。たとえば微小電気機械システム(MEMS)300の回路内に形成されるビアは、上述の方法10を用いて密閉されて良い。図4は、本発明の方法10を用いることによって充填されたビア312の斜視切断図を表している。基板311と基板315はそれぞれ、アルミナと銅-モリブデン合金で作られる。アルミナ基板311と銅-モリブデン合金基板315は、両者の間にはんだ層314を有して良い。表面張力を改善するため、チタン又は他の同様な材料からなる接合層が、はんだ層314を用いた付着を行う前に、基板311又は基板315のいずれかの上に堆積されて良い。他の実施例では、ニッケルを含むはんだ合金が、基板311と315との間での必要な接合レベルを供するのに用いられて良い。この例では、基板315は、はんだ層314へ接合し、かつ微小電気機械システム回路300に構造上の強度を供するだけでなく、電気的接地面を供するように機能する。
【００２１】
本発明のある特定の実施例は、既知の薄くする処理-たとえば粗研磨又は研磨-を用いることによって基板311の厚さを選択的に調節する機能を供して良い。つまりビアを密閉する方法10は、相対的に薄い層になるまで基板311を粗研磨又は研磨するため、十分な構造上の完全性を供して良い。一の実施例では、基板311は任意の所望の厚さにまで薄くされて良い。他の実施例では、基板311は全体がほぼ50μmの厚さになるまで薄くされて良い。
【００２２】
他の有用な実施例は、本発明のビアを密閉する方法10を用いて良い。図5a及び図6aは、どのようにしてはんだ層が、基板415と515の選択された部分又は領域414と514のみを有することができるのかを図示している。第2基板415と515上に設けられるときの領域414と514をパターンと呼ぶことができる。図5bは、図5aの基板411と415を昇温した結果を図示している。この特別な例では、基板415は基板411と結合する。図6bは、図6aの基板511と515を昇温した結果を図示している。この特別な例では、基板515は基板511から除去された。図5aに図示されているように、ビア412は領域414の上に設けられている。図5bでは、領域414の上に設けられたビア412はここで密閉される。ビア412の密閉に加えて、基板415は、リフローされた領域414を介して基板411と結合する。図6aと図6bに図示されているように、領域514は、上述した方法と同じようにして基板515上に設けられて良い。図6bでは、基板515は領域514に関して不十分な表面張力を有する。そのため、昇温後に基板515を基板511から取り外すことができる。
【００２３】
他の実施例では、基板内のビアを密閉する方法は、その基板上の突出部分又はバンプの形成を助けるのに用いられて良い。図7a-図7cは、様々な製造段階中の様子を図示する断面図である。この断面図は係るプロセスに関する様々な工程の結果を表す。一の実施例では、バンプ615aは、たとえばパッケージングされた空洞の内側表面のような他の物体から所定の距離をおいて基板611を設けるためのスペーサとして用いられて良い。図7aでは、基板611と615との間に挟まれたはんだ層614が図示されている。続いて図7bでは、基板611、基板615、及びはんだ層614は、図1で説明した方法と同様の方法で、はんだ層614をビア612へ流し込むことを十分可能にする所定温度にまで昇温される。図7cに図示されているように、バンプ615aの形成は基板615bの不要部分を削除することによって供される。よって削除されなかった部分がバンプ615aを形成する。領域615bは、バンプ615aを形成するために削除された基板615の一部を表す。
【００２４】
図8a及び図8bは、どのようにして本発明が様々なサイズのビア712を充填するのに用いることが可能なのかを図示している。図示された基板711は、互いに間隔を空けて設けられた複数のビア712aと712bを有する。ビア712aと712bは、「ファラデーケージ」として広く知られているものを形成するように構造が作られる。しかし様々なサイズを有するビア712の如何なる適切な結合も、本発明の教示を利用することによって密閉可能であることに留意して欲しい。
【００２５】
この特別な例に図示されているように、ビア712aのサイズは、他のビア712bのサイズよりも大きい。ビア712aは、図1a-図1dで説明した方法と同様の方法で密閉された。よって上昇した温度と物理的な力との組合せは、はんだ714を、様々なサイズのビア712へ、比較的一定の充填レベルまで流し込むことを可能にする。
【００２６】
上では具体的な利点が開示されているが、様々な実施例は、その開示された利点を全て含むこともあるし、一部しか含まないこともあるし、又は全く含まないこともあり得ることが分かるだろう。それに加えて具体的には示されていない他の技術的利点は、図及び関連する詳細説明によって、当業者には明らかとなる。
【図１ａ】
2010508658.tif 000003
【図１ｂ】
2010508658.tif 000004
【図１ｃ】
2010508658.tif 000005
【図１ｄ】
2010508658.tif 000006
【図２】
2010508658.tif 000007
【図３ａ】
2010508658.tif 000008
【図３ｂ】
2010508658.tif 000009
【図３ｃ】
2010508658.tif 000010
【図４】
2010508658.tif 000011
【図５ａ】
2010508658.tif 000012
【図５ｂ】
2010508658.tif 000013
【図６ａ】
2010508658.tif 000014
【図６ｂ】
2010508658.tif 000015
【図７ａ】
2010508658.tif 000016
【図７ｂ】
2010508658.tif 000017
【図７ｃ】
2010508658.tif 000018
【図８ａ】
2010508658.tif 000019
【図８ｂ】
2010508658.tif 000020
【国際調査報告】
2010508658.tif 000021
2010508658.tif 000022