(57)【要約】【課題】  シリコンＩＣチップを積層する高密度３次元実装等が可能な微細孔金属充填基板を提供する。【解決手段】  本発明の微細孔金属充填基板は、バッファ用真空チャンバー内に基板を入れ、減圧した後、その状態のまま基板を、予め減圧されている本来の真空チャンバー内の溶融金属槽に挿入し、次いで本来の真空チャンバーを加圧して、金属挿入前後における雰囲気圧差により微細孔に溶融金属を充填し、次いで引き上げて冷やすことにより製造された、微細孔に金属が空隙無しに充填された微細孔金属充填基板である。基板自体に高アスペクトでかつ深さが例えば１００μｍ以上の深い微細孔に金属が空隙なしに充填された微細孔金属充填基板が得られるので、例えばシリコンＩＣチップを積層する高密度３次元実装等が可能になる。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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孔への金属充填装置における前記バッファ用真空チャンバー内に、基板自体に微細孔を形成した基板を収容し、次いで前記バッファ用真空チャンバーを減圧することで基板の雰囲気圧を減圧し、次いで減圧状態を保ったまま、前記基板を、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孔に溶融金属を充填し、次いで、基板を溶融金属槽から引き上げて冷やすことにより、前記微細孔に金属が空隙無しに充填されたことを特徴とする微細孔金属充填基板。
【請求項２】
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孔への金属充填装置における前記バッファ用真空チャンバー内に、基板自体に微細孔を形成した基板を収容し、次いで前記バッファ用真空チャンバーを減圧することで基板の雰囲気圧を減圧し、次いで減圧状態を保ったまま、前記基板を、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、基板が溶融金属と同じ温度に達した後に前記本来の真空チャンバーを大気圧以上に加圧することで前記溶融金属の雰囲気圧を大気圧以上に加圧して、金属挿入前後における雰囲気圧差により前記微細孔に溶融金属を充填し、次いで、基板を溶融金属槽から引き上げ、空冷することにより、前記微細孔に金属が空隙無しに充填されたことを特徴とする微細孔金属充填基板。
【請求項３】
前記基板の微細孔の深さが１００μｍ以上であることを特徴とする請求項１又は２記載の微細孔金属充填基板。
【請求項４】
基板がセラミック、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１〜３記載の微細孔金属充填基板。
【請求項５】
基板の孔が途中にて屈曲していることを特徴とする請求項１〜４記載の微細孔金属充填基板。
【請求項６】
基板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１〜５記載の微細孔金属充填基板。
【請求項７】
基板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１〜６記載の微細孔金属充填基板。
【請求項８】
基板が複合材、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１〜７記載の微細孔金属充填基板。
【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１〜８記載の微細孔金属充填基板。
【請求項１０】
微細孔が基板の貫通孔であることを特徴とする請求項１〜９記載の微細孔金属充填基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えばシリコン基板にあけた微細孔に例えば貫通電極等として金属を充填した微細孔金属充填基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、基板に形成された微細孔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】
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シリコン基板に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】
半導体装置の製造方法として、特許文献１に、シリコン基板に素子の下層構造及び下層配線を形成した後、その表面に絶縁膜を形成し、その絶縁膜に形成した微細孔（接続孔および配線溝）に導電膜を形成する方法が開示されている。
この導電膜形成方法は、排気機構を具備するチャンバー中に坩堝を設置した装置を用いるもので、チャンバー内を十分に真空引きした後、微細孔を持つシリコン基板を坩堝内に浸漬し、その状態でチャンバー内に不活性ガスを導入して大気圧以上にチャンバー内を加圧し、これによって微細孔に、溶融金属を埋め込み、徐々に基板を引き上げながら、基板冷却機構によって基板を冷却して、微細孔内に導電膜を形成するものである。こうして得られた導電膜は、導電膜を構成する元素（例えばＡｌ）よりも低い融点を有する低融点物質（例えばＳｎ）を、固溶可能な最大の濃度以下含有するものである。この例では、溶融金属が溶融Ａｌ−Ｓｎ合金である。
【０００６】
上記の通り、特許文献１の場合は、金属を充填しようとする微細孔が、シリコン基板上の絶縁膜に形成した微細孔（接続孔及び配線溝）であり、その微細孔（接続孔）は開口径０．１μｍ径でアスペクト比１０というサイズが想定（段落番号［００５７］、［００５９］、［００６０］、［０１２５］参照）されていることからも、また、絶縁膜厚みとして１．０μｍ〜１．２μｍというサイズが想定（［０１６７］、［０１６９］参照）されていることからも、その微細孔は高アスペクト比であっても深さは１μｍ程度と浅いものである。
【特許文献１】特開平１０−１８９４９５号の［０１１２］〜［０１１９］、図１０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、基板自体に形成した高アスペクト比でかつ深い微細孔に金属が空隙なしに充填された微細孔金属充填基板が得られれば、シリコンＩＣチップを積層する高密度３次元実装等を行なうことが容易になる。しかし、上記特許文献１の方法では、微細孔の深さが１μｍ程度の場合に適用されるものであり、例えば厚さ数十μｍ以上の厚みの基板に貫通電極を形成する場合には対応できず、したがって、シリコンＩＣチップを積層する高密度３次元実装等を行うことは困難である。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、シリコン基板等の基板自体に形成された高アスペクト比でかつ深い微細孔に、例えば貫通電極等として金属が空隙なしに充填された、例えばシリコンＩＣチップを積層する高密度３次元実装等を可能にする微細孔金属充填基板を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決する請求項１の発明の微細孔金属充填基板は、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孔への金属充填装置における前記バッファ用真空チャンバー内に、基板自体に微細孔を形成した基板を収容し、次いで前記バッファ用真空チャンバーを減圧することで基板の雰囲気圧を減圧し、次いで減圧状態を保ったまま、前記基板を、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孔に溶融金属を充填し、次いで、基板を溶融金属槽から引き上げて冷やすことにより、前記微細孔に金属が空隙無しに充填されたことを特徴とする。
【０００９】
請求項２の発明の微細孔金属充填基板は、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孔への金属充填装置における前記バッファ用真空チャンバー内に、基板自体に微細孔を形成した基板を収容し、次いで前記バッファ用真空チャンバーを減圧することで基板の雰囲気圧を減圧し、次いで減圧状態を保ったまま、前記基板を、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、基板が溶融金属と同じ温度に達した後に前記本来の真空チャンバーを大気圧以上に加圧することで前記溶融金属の雰囲気圧を大気圧以上に加圧して、金属挿入前後における雰囲気圧差により前記微細孔に溶融金属を充填し、次いで、基板を溶融金属槽から引き上げ、空冷することにより、前記微細孔に金属が空隙無しに充填されたことを特徴とする。
【００１０】
請求項３は、請求項１又は２記載の微細孔金属充填基板において、基板の微細孔の深さが１００μｍ以上であることを特徴とする。
請求項４は、請求項１〜３記載の微細孔金属充填基板において、基板がセラミック、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１〜４記載の微細孔金属充填基板において、基板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１〜５記載の微細孔金属充填基板において、基板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１〜６記載の微細孔金属充填基板において、基板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１〜７記載の微細孔金属充填基板において、基板が複合材、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１〜８記載の微細孔金属充填基板において、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１〜９記載の微細孔金属充填基板において、微細孔が基板の貫通孔であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の微細孔金属充填基板は、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孔への金属充填装置における前記バッファ用真空チャンバー内に、基板自体に微細孔を形成した基板を収容し、次いで前記バッファ用真空チャンバーを減圧することで基板の雰囲気圧を減圧し、次いで減圧状態を保ったまま、前記基板を、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孔に溶融金属を充填し、次いで、基板を溶融金属槽から引き上げて冷やすことにより、前記微細孔に金属が空隙無しに充填された構成であるから、基板自体にあけた高アスペクト比でかつ深さが例えば１００μｍ以上の深い微細孔に金属が空隙なしに充填された微細孔金属充填基板を得ることができ、したがって、シリコンＩＣチップを積層する高密度３次元実装等を行なうことが容易になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
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。
【実施例１】
【００１３】
図１は本発明の微細孔金属充填基板を製造するための金属充填装置１０の一例を示すもので、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。
【００１４】
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基板１を把持する基板固定用アーム２７、長い軸部２８の先端に基板クランプ２９を設けた構造であり、基板固定用アーム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。
【００１５】
上記の金属充填装置１０で例えばシリコン基板等の基板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（基板）１を基板固定用アーム２７の基板クランプ２８で把持する。この段階では基板固定用アーム２７の軸部２８を開閉蓋３０の表面から大きく突出させて、基板クランプ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３５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。
【００１６】
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）。
【００１７】
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、室温にて空冷すると、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。これにより、シリコン基板１自体にあけた高アスペクトでかつ深い微細孔２に金属３が隙間なく充填された微細孔金属充填基板１（素材としてのシリコン基板と同じ符号を付す）が得られる。
【００１８】
本発明の微細孔金属充填基板の具体的実施例を図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が、いずれも、図１〜図３で説明した金属充填装置１０及び製造方法で製造したものである。
図５に示した実施例の微細孔金属充填基板１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に錫３が充填されたものである。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。
【００１９】
図４に示した実施例の微細孔金属充填基板１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に錫３が充填されたものである。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。
図５や図４の微細孔金属充填基板１では、高アスペクト比でかつ深さが例えば１００μｍ以上の深い微細孔２でありながら金属が空隙無しに充填されているので、その充填金属部分は良好な貫通電極となる。したがって、本発明の微細孔金属充填基板によれば、例えばシリコンＩＣチップを積層する高密度３次元実装等も可能となる。
【００２０】
図６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に錫３を充填した場合の充填状況を説明するものである。図示の通り、錫３が微細孔２に空隙なく充填されている。この例は、微細孔がかなり深い場合の微細孔金属充填基板にも本発明を適用できることを示している。なお、板（ガラス基板）であっても棒（ガラス棒）であっても、錫が微細孔に充填される状況は同じである。
【００２１】
上記の各実施例の通り、本発明の微細孔金属充填基板は、基板自体にあけた高アスペクト比でかつ深い微細孔でありながら、その微細孔に鬆（す）などの空隙の生じない金属充填が施されたものである。
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。
【００２２】
本発明の微細孔金属充填基板１を製造する金属充填装置１０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を設けたものなので、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が行なわれ、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され、充填された金属は例えば貫通電極として良好なものとなる。
【００２３】
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、その他の基板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、本発明の微細孔金属充填基板に適用可能である。
また、本発明の微細孔金属充填基板における微細孔とは、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、基板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、孔が基板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。
またさらに、孔の断面輪郭が樹枝状に枝分かれしている微細孔であってもよい。この場合は、微細孔の樹枝状に枝分かれした先端部にも金属が空隙なく充填された微細孔金属充填基板となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の微細孔金属充填基板を製造するための微細孔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）は真空チャンバーを加圧する前、（ロ）は加圧した後を示す。
【図４】シリコン基板にあけた微細孔に錫を充填した本発明の一実施例の微細孔金属充填基板を示すもので、錫を充填した微細孔部分の断面図である。
【図５】シリコン基板にあけた微細孔に錫を充填した本発明の他の実施例の微細孔金属充填基板を示すもので、錫を充填した微細孔部分の断面図である。
【図６】ガラス棒にあけた著しく深い微細孔に錫を充填した場合の充填状況を説明するもので、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】
【００２５】
２  微細孔
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  基板固定用アーム
２８  軸部
２９  基板クランプ
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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