(57)【要約】【課題】  超音波を用いて、穴を有する被加工物の穴に良好に金属を充填する。【解決手段】  （ａ）溶融金属が貯留された加工空間を排気して第１の圧力にする。（ｂ）加工空間内に貯留された溶融金属に、穴を有する被加工物を浸す。（ｃ）加工空間内を第１の圧力より高い第２の圧力にし、被加工物の穴に溶融金属を充填する。（ｄ）被加工物を加工空間内に貯留された溶融金属から取り出し、降温する。工程（ａ）〜（ｄ）のうち、少なくとも１つの工程中に、加工空間内に貯留された溶融金属または被加工物に超音波振動を与える。【選択図】      図２
2005116863.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）溶融金属が貯留された加工空間を排気して第１の圧力にする工程と、
（ｂ）前記加工空間内に貯留された溶融金属に、穴を有する被加工物を浸す工程と、
（ｃ）前記加工空間内を前記第１の圧力より高い第２の圧力にし、前記被加工物の穴に溶融金属を充填する工程と、
（ｄ）前記被加工物を前記加工空間内に貯留された溶融金属から取り出し、降温する工程と
を有し、
前記工程（ａ）〜（ｄ）のうち、少なくとも１つの工程中に、前記加工空間内に貯留された溶融金属または前記被加工物に超音波振動を与える金属充填方法。
【請求項２】
穴を有する被加工物の穴に、金属を充填する金属充填装置であって、
排気して内部の圧力を調節することのできるチャンバと、
前記チャンバ内に配置され、溶融金属を貯留することのできる溶融金属槽と、
前記溶融金属槽の外面部に備えられ、前記溶融金属槽を加熱することのできるヒータと、
前記溶融金属槽内に少なくとも一部が配置された超音波振動子と
を有し、
前記チャンバを排気して、穴を有する被加工物の穴に、前記溶融金属槽内に貯留された溶融金属を充填させる充填作業が行われ、前記充填作業の際、前記超音波振動子は、前記溶融金属槽内に貯留された溶融金属を、超音波領域の周波数で振動させる金属充填装置。
【請求項３】
穴を有する被加工物の穴に、金属を充填する金属充填装置であって、
排気して内部の圧力を調節することのできるチャンバと、
前記チャンバ内に配置され、溶融金属を貯留することのできる溶融金属槽と、
前記溶融金属槽の外面部に備えられ、前記溶融金属槽を加熱することのできるヒータと、
被加工物を把持することのできるホルダと、
前記ホルダに備えられた超音波振動子と
を有し、
前記チャンバを排気して、穴を有する被加工物の穴に、前記溶融金属槽内に貯留された溶融金属を充填させる充填作業が行われ、前記充填作業の際、前記超音波振動子は、前記ホルダまたは前記溶融金属槽内に貯留された溶融金属を、超音波領域の周波数で振動させる金属充填装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気圧差を利用し、穴を有する被加工物の穴に金属を充填する装置及び金属を充填する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン基板に貫通配線を形成するための技術として、真空による気圧差を利用して一度に多数の貫通孔に溶融金属を充填する方法（溶融金属吸引法、Ｍｏｌｔｅｎ  Ｍｅｔａｌ  Ｓｕｃｔｉｏｎｅｄ  Ｍｅｔｈｏｄ，ＭＭＳＭ）が知られている。（たとえば、特許文献１参照。）溶融金属吸引法は、穴を有する被加工物、ことにアスペクト比の大きい貫通孔や、貫通しない深細孔に金属を充填するのに適した方法である。
【０００３】
図５は、溶融金属吸引法を用いて、多数の微細孔が形成された被加工物（ワーク）の微細孔に金属を充填するための金属充填装置の一部を示す概略図である。真空ポンプ５４ｂ及びバルブを備えた排気管５４ａを用いて排気し、チャンバ内を真空にすることのできる（内部の圧力を調整することのできる）真空チャンバ１１の内部に、溶融金属槽１２が配置されている。溶融金属槽１２の外面部には、ヒータ１５が設けられている。ヒータ１５は、溶融金属槽１２内の金属ブロックを加熱し、溶融させることができる。金属ブロックを加熱、溶融することにより得られた溶融金属１３は溶融金属槽１２に貯留される。
【０００４】
真空チャンバ１１には、ワーク固定用アーム５１が取り付けられる。ワーク固定用アーム５１は、軸部５２及び基板ホルダ５３を有する。ワーク固定用アームは、軸部５２が真空チャンバ１１の蓋部を貫通するように、真空チャンバ１１に取り付けられる。基板ホルダ５３は、ワーク、たとえば多数の微細孔が形成されたシリコン基板５０を把持することができる。ワーク固定用アーム５１を用いて、基板ホルダ５３に把持されたシリコン基板５０を溶融金属槽１２中の溶融金属１３に浸すことができる。
【０００５】
真空チャンバ１１にはバルブを備えた給気管５５が備えられている。給気管５５を用いて、真空チャンバ１１内に、気体たとえば窒素ガスを導入することができる。
【０００６】
図６（Ａ）〜（Ｃ）は、金属充填装置を用いて、シリコン基板５０の微細孔に金属を充填する方法を示す概略図である。
【０００７】
図６（Ａ）を参照する。微細孔を有するシリコン基板５０をワーク固定用アーム５１の基板ホルダ５３で把持し、真空ポンプ５４ｂ及び排気管５４ａを用いて、真空チャンバ１１内を排気し、真空圧１０−２〜１０−３Ｐａ程度まで減圧する。
【０００８】
図６（Ｂ）を参照する。溶融金属１３中に、シリコン基板５０を挿入する。挿入後シリコン基板５０が、溶融金属１３と同じ温度に達するのを待つ。続いて、真空チャンバ１１内に給気管５５から窒素ガスを導入して、真空チャンバ１１内を２〜５×１０５Ｐａ程度まで加圧する。加圧された真空チャンバ１１内の圧力により、シリコン基板５０の微細孔に、溶融金属槽１２中の溶融金属１３が充填される。充填される金属（溶融金属１３）は、たとえばインジウム、錫等である。なお、加圧ガスとしては、窒素ガスの他、不活性ガスを用いることができる。
【０００９】
図６（Ｃ）を参照する。シリコン基板５０を溶融金属槽１２から引き上げ、真空チャンバ１１の外部に取り出して、室温まで冷却する。
【００１０】
溶融金属１３表面には酸化膜が形成されやすい。インジウム、錫は、特に溶融したとき、酸化されやすい金属である。真空チャンバ１１内を窒素雰囲気下としても、窒素中に不純物として酸素が混入しており、酸化の原因となる。なお、酸化膜は薄い。
【００１１】
金属充填作業時に、溶融金属１３表面に酸化膜が形成されていると、溶融金属１３が被加工物の微細孔に入りにくく、ボイド発生の原因となる。また、一旦充填された場合も、溶融金属１３と微細孔表面とのなじみを酸化膜が妨げ、充填金属が微細孔から抜けやすくなる。更に、図６（Ｃ）に示す工程において、シリコン基板５０を溶融金属槽１２から引き上げるときに、シリコン基板５０表面に、金属の残渣が付着することもある。溶融金属１３の酸化膜は、シリコン基板５０の表面に設けてある酸化膜となじみがよいためであろう。
【００１２】
たとえば導入する窒素ガスに、純度の高い窒素ガスを用いることで酸化膜の形成を低減することができる。しかしコストが高くなるという欠点がある。
【００１３】
【特許文献１】特開２００２−１５８１９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の目的は、超音波を用いて、穴を有する被加工物の穴に金属を良好に充填する方法及び装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の一観点によれば、（ａ）溶融金属が貯留された加工空間を排気して第１の圧力にする工程と、（ｂ）前記加工空間内に貯留された溶融金属に、穴を有する被加工物を浸す工程と、（ｃ）前記加工空間内を前記第１の圧力より高い第２の圧力にし、前記被加工物の穴に溶融金属を充填する工程と、（ｄ）前記被加工物を前記加工空間内に貯留された溶融金属から取り出し、降温する工程とを有し、前記工程（ａ）〜（ｄ）のうち、少なくとも１つの工程中に、前記加工空間内に貯留された溶融金属または前記被加工物に超音波振動を与える金属充填方法が提供される。
【００１６】
この溶融金属充填方法を用いると、溶融金属または被加工物を振動させながら、被加工物の穴に金属を充填するので、微細な穴であっても、隙間なく金属を充填することができる。また、溶融金属の表面に酸化膜が形成されている場合も、超音波の振動により酸化膜を細かく裁断し、被加工物の周辺から除去することができるので、ボイドの発生、充填された金属の抜け落ち、被加工物を溶融金属から取り出す際に、被加工物に付着する金属残渣を軽減することができる。
【００１７】
また、本発明の他の観点によれば、穴を有する被加工物の穴に、金属を充填する金属充填装置であって、排気して内部の圧力を調節することのできるチャンバと、前記チャンバ内に配置され、溶融金属を貯留することのできる溶融金属槽と、前記溶融金属槽の外面部に備えられ、前記溶融金属槽を加熱することのできるヒータと、前記溶融金属槽内に少なくとも一部が配置された超音波振動子とを有し、前記チャンバを排気して、穴を有する被加工物の穴に、前記溶融金属槽内に貯留された溶融金属を充填させる充填作業が行われ、前記充填作業の際、前記超音波振動子は、前記溶融金属槽内に貯留された溶融金属を、超音波領域の周波数で振動させる金属充填装置が提供される。
【００１８】
更に、本発明の他の観点によれば、穴を有する被加工物の穴に、金属を充填する金属充填装置であって、排気して内部の圧力を調節することのできるチャンバと、前記チャンバ内に配置され、溶融金属を貯留することのできる溶融金属槽と、前記溶融金属槽の外面部に備えられ、前記溶融金属槽を加熱することのできるヒータと、被加工物を把持することのできるホルダと、前記ホルダに備えられた超音波振動子とを有し、前記チャンバを排気して、穴を有する被加工物の穴に、前記溶融金属槽内に貯留された溶融金属を充填させる充填作業が行われ、前記充填作業の際、前記超音波振動子は、前記ホルダまたは前記溶融金属槽内に貯留された溶融金属を、超音波領域の周波数で振動させる金属充填装置が提供される。
【００１９】
これらの金属充填装置は超音波振動子を備える。超音波振動子を用いて、金属充填作業の際、溶融金属またはホルダを超音波の振動数で振動させることによって、良好に金属の充填を行うことができる。
【発明の効果】
【００２０】
以上説明したように、本発明によれば、超音波を用いて、穴を有する被加工物の穴に金属を良好に充填する方法及び装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図７（Ａ）〜（Ｃ）は、金属充填装置及び金属充填方法の周辺技術を説明するための概略的な図である。現在、デバイスの小型化、高機能化のために、たとえば複数枚の半導体チップを厚さ方向に積層することによる、システムの３次元高密度実装が試みられている。半導体チップに良好な貫通配線を形成することによって３次元高密度実装を実現することができれば、単位面積当たりの集積度の向上が可能となることに加え、配線長を短くできるなどのメリットがある。
【００２２】
図７（Ａ）には、複数枚（３枚）の半導体チップ６１，６２，６３を模式的に示した。半導体チップ６１，６２，６３の厚さは、たとえば５００μｍである。半導体チップ６１，６２，６３の対応する位置には、穴径が約１０μｍの貫通孔６１ａ，６２ａ，６３ａが、それぞれチップの厚さ方向に開けられている。
【００２３】
図７（Ｂ）及び（Ｃ）を参照して、たとえばｎ型のシリコン基板６１ｂに、光アシスト電解エッチング法（Ｐｈｏｔｏ  Ａｓｓｉｓｔｅｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｅｔｃｈｉｎｇ，ＰＡＥＣＥ）を用いて、貫通孔６１ａを形成する方法を説明する。
【００２４】
図７（Ｂ）を参照する。ｎ型の（１００）シリコン基板６１ｂの一主面に、異方性エッチングで（１１１）面が露出したエッチピット６１ｃを形成する。次に、エッチピット６１ｃの形成された主面をフッ酸水溶液に接触させる。フッ酸水溶液中には、白金板６５が配置されている。シリコン基板６１ｂを陽極、白金板６５を陰極としてその間に電圧を印加する。シリコン基板６１ｂのエッチピット６１ｃが形成されていない主面にたとえばキセノンランプで光を照射すると、正孔が発生する。発生した正孔は、シリコン基板６１ｂと白金板６５との間の印加電圧による電界から力を受け、エッチピット６１ｃの形成されている主面に向かって移動する。エッチピット６１ｃの鋭角部には強い電界が生じるため、正孔はエッチピット６１ｃに集中する。エッチピット６１ｃでは、以下の式（１）に示す化学反応が起こる。
【００２５】
Ｓｉ＋６ＨＦ＋２ｈｏｌｅ（＋）→Ｈ２ＳｉＦ６＋Ｈ２＋２Ｈ＋  ・・（１）
この化学反応の結果、エッチピット６１ｃ部分のみがエッチングされる。
【００２６】
図７（Ｃ）を参照する。エッチピット６１ｃがエッチングされると、その先端に更に電界が集中するため、式（１）の化学反応が続いて起こり、エッチングが進行して、シリコン基板６１ｂを貫通する貫通孔６１ａが形成される。
【００２７】
上述のようにして、複数枚のシリコン基板（半導体チップ６１，６２，６３）のそれぞれに、対応する貫通孔６１ａ，６２ａ，６３ａを開ける。導体配線は対応する貫通孔６１ａ，６２ａ，６３ａを貫いて形成される。配線は、たとえば前述のように、溶融金属吸引法（ＭＭＳＭ）を用いて貫通孔６１ａ，６２ａ，６３ａに金属を充填することにより形成される。
【００２８】
図１は、第１の実施例による金属充填装置の一部を示す概略的な断面図である。図５に示した従来の金属充填装置と同様に、真空チャンバ１１、金属溶融槽１２、ヒータ１５、ワーク固定用アーム５１、排気管５４ａ、真空ポンプ５４ｂ、給気管５５を備えている。それらの機能は図５の従来の金属充填装置と同様である。第１の実施例による金属充填装置には、図５に示した従来の金属充填装置に、超音波振動子２０が加入されている。
【００２９】
超音波振動子２０は、超音波領域の周波数で振動を行うことができ、少なくともその一部が金属溶融槽１２内に，溶融金属１３と接触するように配置される。超音波振動子２０によって、溶融金属１３に超音波振動を与え、溶融金属１３の表面に酸化膜が形成されている場合は、酸化膜を細かく裁断することができる。
【００３０】
図２（Ａ）〜（Ｃ）は、第１の実施例による金属充填装置を用いた金属充填方法を説明するための概略的な断面図である。
【００３１】
図２（Ａ）を参照する。微細孔を有するシリコン基板５０を基板ホルダ５３で把持し、真空ポンプ５４ｂ、排気管５４ａを用いて、真空チャンバ１１内を排気する。
【００３２】
図２（Ｂ）を参照する。溶融金属１３中に、シリコン基板５０を挿入する。真空チャンバ１１内に給気管５５から窒素ガスを導入して、真空チャンバ１１内を加圧する。ここまでは、従来の金属充填方法と同様である。
【００３３】
第１の実施例による金属充填装置を用いた金属充填方法においては、たとえば加圧時（窒素ガス導入時）に超音波振動子２０を振動させ、溶融金属１３に超音波振動を与える。これによって、溶融金属１３表面に形成された酸化膜を細かく裁断し、シリコン基板５０周辺から除去する。
【００３４】
窒素ガスによる真空チャンバ１１内の加圧により、シリコン基板５０の微細孔に、溶融金属槽１２中の溶融金属１３が充填される。
【００３５】
図２（Ｃ）を参照する。シリコン基板５０を溶融金属１３から引き上げ、真空チャンバ１１の外部に取り出して降温する。
【００３６】
従来の金属充填方法と異なるのは、超音波振動子２０によって溶融金属１３に超音波振動を与える点である。溶融金属１３を超音波振動で振動させながら、シリコン基板５０の微細孔に充填することで、微細孔に隙間なく溶融金属１３を充填することができる。また、超音波振動で溶融金属１３表面の酸化膜を細かく裁断し、シリコン基板５０の周辺から除去することにより、ボイドの発生を抑制することができる。また、充填された金属が穴から抜け落ちることを防止することができる。更に、シリコン基板５０を溶融金属槽１２から引き上げる際に付着する金属残渣を低減することができる。このように金属充填への酸化膜の影響を軽減することもできる。上述のように、金属充填作業中に溶融金属１３に超音波振動を加えることで、穴を有する被加工物の穴に、金属を良好に充填することができる。
【００３７】
なお、超音波振動子２０による振動は、たとえば加圧を行っている間中加え続けるのでなくてもよい。加圧中の一部に、溶融金属１３に振動を与えてもよい。また、加圧時のみに限らず、基板ホルダ５３またはシリコン基板５０を溶融金属１３に挿入する前（たとえば排気時）から、基板ホルダ５３またはシリコン基板５０を溶融金属１３から引き上げてしまう直前までの作業工程の少なくとも一部において超音波振動を加えても、金属を良好に充填することができる。
【００３８】
図３は、第２の実施例による金属充填装置の一部を示す概略的な断面図である。第１の実施例による金属充填装置と異なるのは、超音波振動子２０が溶融金属槽１２内に設置されているのではなく、ワーク固定用アーム５１の基板ホルダ５３に備えられている点である。他の構成は等しい。
【００３９】
超音波振動子２０を基板ホルダ５３に取り付けることで、基板ホルダ５３を介して把持された被加工物に超音波振動を与えることができる。また、基板ホルダ５３、またはそれに把持された被加工物を通して、あるいは超音波振動子２０を溶融金属１３に浸した場合は直接に、溶融金属１３に超音波振動を与えることができる。
【００４０】
図４（Ａ）〜（Ｃ）は、第２の実施例による金属充填装置を用いた金属充填方法を説明するための概略的な断面図である。
【００４１】
図４（Ａ）を参照する。微細孔を有するシリコン基板５０を基板ホルダ５３で把持し、真空ポンプ５４ｂ、排気管５４ａを用いて、真空チャンバ１１内を排気する。
【００４２】
図４（Ｂ）を参照する。溶融金属１３中に、シリコン基板５０を挿入する。真空チャンバ１１内に給気管５５から窒素ガスを導入して、真空チャンバ１１内を加圧する。第１の実施例による金属充填装置を用いた金属充填方法と同様に、たとえば加圧時（窒素ガス導入時）に超音波振動子２０を振動させる。直接に、または基板ホルダ５３もしくはシリコン基板５０を通して溶融金属１３を振動させる。これによって、溶融金属１３表面に形成された酸化膜を細かく裁断し、シリコン基板５０周辺から除去する。
【００４３】
窒素ガスによる真空チャンバ１１内の加圧により、シリコン基板５０の微細孔に、溶融金属槽１２中の溶融金属１３が充填される。
【００４４】
図４（Ｃ）を参照する。シリコン基板５０を溶融金属１３から引き上げ、真空チャンバ１１の外部に取り出して降温する。引き上げた後も、超音波振動子２０を振動させてもよい。
【００４５】
引き上げ後もシリコン基板５０を振動させることによって、金属残渣がシリコン基板５０表面に付着している場合、付着している金属残渣を落とすことができる。シリコン基板５０を溶融金属１３から引き上げた後も、超音波振動を加え、金属充填を良好に行うことが可能となる点が、第１の実施例による金属充填装置を用いた金属充填方法と異なる。また、基板ホルダ５３またはシリコン基板５０を溶融金属１３に浸す前に超音波振動子２０を超音波振動させても効果がない点においても異なる。他の効果は、第１の実施例による金属充填装置を用いた金属充填方法と同様である。
【００４６】
基板ホルダ５３またはシリコン基板５０を溶融金属１３に挿入する時から、シリコン基板５０を溶融金属槽１２から引き上げ降温するまでの作業工程の少なくとも一部において、超音波振動を加えることで金属充填作業を良好に行うことができる。
【００４７】
なお、第２の実施例による溶融金属充填装置は、超音波振動子２０を基板ホルダ５３に設けたが、基板ホルダ５３に把持される穴を有する被加工物に振動を与えることができれば、ワーク固定用アーム５１の任意の位置に取り付けることができる。
【００４８】
以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者には自明であろう。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】第１の実施例による金属充填装置の一部を示す概略的な断面図である。
【図２】（Ａ）〜（Ｃ）は、第１の実施例による金属充填装置を用いた金属充填方法を説明するための概略的な断面図である。
【図３】第２の実施例による金属充填装置の一部を示す概略的な断面図である。
【図４】（Ａ）〜（Ｃ）は、第２の実施例による金属充填装置を用いた金属充填方法を説明するための概略的な断面図である。
【図５】溶融金属吸引法を用いて、多数の微細孔が形成された被加工物（ワーク）の微細孔に金属を充填するための金属充填装置の一部を示す概略図である。
【図６】（Ａ）〜（Ｃ）は、金属充填装置を用いて、シリコン基板５０の微細孔に金属を充填する方法を示す概略図である。
【図７】（Ａ）〜（Ｃ）は、金属充填装置及び金属充填方法の周辺技術を説明するための概略的な図である。
【符号の説明】
【００５０】
１１  真空チャンバ
１２  溶融金属槽
１３  溶融金属
１５  ヒータ
５０  シリコン基板
５１  ワーク固定用アーム
５２  軸部
５３  基板ホルダ
５４ａ  排気管
５４ｂ  真空ポンプ
５５  給気管
６１，６２，６３  半導体チップ
６１ａ，６２ａ，６３ａ  貫通孔
６１ｂ  シリコン基板
６１ｃ  エッチピット
６５  白金板
【図１】
2005116863.tif 000003
【図２】
2005116863.tif 000004
【図３】
2005116863.tif 000005
【図４】
2005116863.tif 000006
【図５】
2005116863.tif 000007
【図６】
2005116863.tif 000008
【図７】
2005116863.tif 000009