(57)【要約】【課題】  基板の微細孔に均一な金属充填を行なうことを可能にする。【解決手段】  微細孔３１が形成された基板３２を多数の孔（小隙間）をあけた保護治具３４内に収容・固定する。治具３４とともに基板３２を、大気圧より低い圧力にしたチャンバー３５内で溶融金属３７中に浸漬し、次いで、チャンバー３５内の圧力を上昇させて微細孔３１内に溶融金属３７を差圧充填し、次いで、引き上げて、微細孔３１に金属３７を充填する。基板３２を溶融金属３７中に浸漬した時、溶融金属３７は保護治具３４の多数の孔を通してのみ基板３２の微細孔部分に供給されるので、基板表面に金属酸化物や異物が直接付着するのを防止でき、微細孔に均一な金属充填を行なうことができる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
微細孔が形成された基板を大気圧より低い第1の圧力にしたチャンバー内で溶融金属中に浸漬し、次いで、前記チャンバー内の圧力を前記第1の圧力より高い第２の圧力まで上昇させて前記微細孔中に前記溶融金属を差圧充填し、次いで、前記基板を前記溶融金属から引き上げることにより、基板の微細孔に金属を充填する微細孔への金属充填方法であって、
前記微細孔が形成された基板を溶融金属中に浸漬するに際して、多数の小隙間を有する保護治具で前記基板の少なくとも微細孔が形成されている部分を囲んで、溶融金属が前記保護治具の小隙間を通してのみ基板の微細孔部分に供給されるようにすることを特徴とする微細孔への金属充填方法。
【請求項２】
前記保護治具が、少なくとも一部の面に多数の小隙間を持つ容器状をなし、この容器状の保護治具内に基板を収容・固定して、保護治具と一体に基板を溶融金属中に浸漬することを特徴とする請求項１記載の微細孔への金属充填方法。
【請求項３】
請求項１記載の微細孔への金属充填方法により、基板に形成された微細孔に金属を充填する微細孔への金属充填装置であって、
内部を減圧する減圧手段と内部を加圧する加圧手段とを備えたチャンバーと、前記基板の少なくとも微細孔が形成されている部分を、溶融金属が前記保護治具の小隙間を通してのみ基板の微細孔部分に供給されるように囲む、多数の小隙間を持つ保護治具と、金属を加熱溶融することのできる装置とを備えたことを特徴とする微細孔への金属充填装置。
【請求項４】
前記保護治具が、少なくとも一部の面に多数の小隙間を持つ、前記基板を収容・固定可能な容器状をなしている特徴とする請求項３記載の微細孔への金属充填装置。
【請求項５】
前記小隙間が孔であることを特徴とする請求項３または４記載の金属充填装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この本発明は、電子デバイスや光デバイスなどの配線、あるいは、ＭＥＭＳ(Micro
Electro-Mechanical Systems)デバイスの構造体などに利用する場合に好適な微細孔への金属充填方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子デバイスや光デバイスなどの各種デバイスの配線や、ＭＥＭＳデバイスを構成する構造体などに、微細孔に充填された金属を用いることがある。
図７に、一例として電子デバイスなどの配線に利用するための貫通電極の断面概略図を示す。シリコン等の半導体材料やガラス等の絶縁体材料からなる基板１１に、主面同士を貫通する微細孔１２が形成されており、微細孔１２内に金属等の導電性物質１３が充填されている。この充填された導電性物質１３が貫通電極となる。
【０００３】
上記の貫通電極を形成する従来方法の一例として、図８（ａ）〜（ｄ）の工程で行なう方法がある。まず、図８（ａ）に示すように、基板２１に、当該基板２１を貫通する微細孔２２を形成する（微細孔形成工程）。
微細孔２２を形成する方法としては、ICP-RIE(Inductive1y
Coup1ed P1asma-Reactive Ion Etching)法に代表されるDeep-Reactive Ion Etching(DRIE)法、エッチング溶液を用いたウェットエッチング法、マイクロドリルによる機械加工法などが挙げられる。更に、基板２１としてシリコンなどの半導体基板を用いた際には、必要に応じて孔壁に絶縁層が形成される。
【０００４】
次いで、図８（ｂ）〜（ｄ）の溶融金属吸引法による金属充填工程で、微細孔内に金属を充填する。
まず、図８（ｂ）に示すように、微細孔２２が形成された基板２１を、大気圧よりも低い第1の圧力に保たれたチャンバー２４内において、溶融金属２３中に浸漬する。
次いで、図８（ｃ）に示すように、チャンバー２４内の圧力を第１の圧力よりも高い第２の圧力に上昇せしめ、このとき生じる圧力差により、溶融金属２３を微細孔２２内に差圧充填する。
次いで、図８（ｄ）に示すように、基板２１を溶融金属２３から取り出した後、冷却することで微細孔２２への金属充填が完了する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の溶融金属吸引法は、微細孔への金属充填方法として非常に有効な手段である。しかしながら、上述した従来の方法では、プロセス中に溶融金属内に混入する異物や、溶融金属表面に発生する金属酸化物などに対して何も考慮されていなかった。そのため、微細孔が形成された基板を溶融金属内に挿入する際に、基板にこれら異物や金属酸化物などが付着すると、全く金属が充填されない微細孔や、途中までしか充填されていない微細孔が発生して、基板上のすべての微細孔に均一な金属充填を行うことが困難であった。
【０００６】
本発明は、前記事情を鑑みてなされたものであり、溶融金属内の異物や金属酸化物が基板に付着するのを防止して、基板上のすべての微細孔に均一な金属充填を行なうことを可能にする微細孔への金属充填方法および装置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】
【０００７】
上記課題を解決する請求項１の発明は、微細孔が形成された基板を大気圧より低い第1の圧力にしたチャンバー内で溶融金属中に浸漬し、次いで、前記チャンバー内の圧力を前記第1の圧力より高い第２の圧力まで上昇させて前記微細孔中に前記溶融金属を差圧充填し、次いで、前記基板を前記溶融金属から引き上げることにより、基板の微細孔に金属を充填する微細孔への金属充填方法であって、
前記微細孔が形成された基板を溶融金属中に浸漬するに際して、多数の小隙間を有する保護治具で前記基板の少なくとも微細孔が形成されている部分を囲んで、溶融金属が前記保護治具の小隙間を通してのみ基板の微細孔部分に供給されるようにすることを特徴とする。
【０００８】
請求項２は、請求項１の微細孔への金属充填方法における保護治具が、少なくとも一部の面に多数の小隙間を持つ容器状をなし、この容器状の保護治具内に基板を収容・固定して、保護治具と一体に基板を溶融金属中に浸漬することを特徴とする。
【０００９】
請求項３の発明は、請求項１記載の微細孔への金属充填方法により、基板に形成された微細孔に金属を充填する微細孔への金属充填装置であって、
内部を減圧する減圧手段と内部を加圧する加圧手段とを備えたチャンバーと、前記基板の少なくとも微細孔が形成されている部分を、溶融金属が前記保護治具の小隙間を通してのみ基板の微細孔部分に供給されるように囲む、多数の小隙間を持つ保護治具と、金属を加熱溶融することのできる装置とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
請求項４は、請求項３の微細孔への金属充填装置における保護治具が、少なくとも一部の面に多数の小隙間を持つ、前記基板を収容・固定可能な容器状をなしている特徴とする。
請求項５は、請求項３または４の微細孔への金属充填装置における小隙間が孔であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の微細孔への金属充填方法によれば、微細孔が形成された基板を溶融金属中に浸漬するに際して、多数の小隙間を有する保護治具で前記基板の少なくとも微細孔が形成されている部分を囲んで、溶融金属が前記保護治具の小隙間を通してのみ基板の微細孔部分に供給されるようにするので、基板表面に金属酸化物や異物が直接付着するのを防ぐことができ、微細孔内に均一な金属充填を行なうことが可能となる。
【００１２】
また、本発明の微細孔への金属充填装置によれば、内部を減圧する減圧手段と内部を加圧する加圧手段とを備えたチャンバーと、前記基板の少なくとも微細孔が形成されている部分を、溶融金属が前記保護治具の小隙間を通してのみ基板の微細孔部分に供給されるように囲む、多数の小隙間を持つ保護治具と、金属を加熱溶融することのできる装置とを備えているので、上述の微細孔への金属充填を確実に、かつ効率的に行なうことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を実施した微細孔への金属充填方法および装置について、図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００１４】
図１は実施例１の微細孔への金属充填方法を工程順に示したもので、基板を微細孔の延在方向に切断したときの断面図である。この実施例では、微細孔を形成する基板として、厚さが３００μｍのシリコン基板を用いた。
まず、図１（ａ）に示すように、直径が５０μｍ程度の微細孔３１が、シリコン基板３２の両主面を貫通するように、Deep-Reactive Ion Etching(DRIE)法により形成されている。ここで、DRIE法とは、エッチングガスに六フッ化硫黄(ＳＦ６)を用い、高密度プラズマによるエッチングと、側壁へのパッシベーション成膜を交互に行うこと（Boschプロセス）により、シリコン基板を深堀エッチングするものである。また、シリコン基板３２の表面、及び微細孔３１の孔壁には、酸化シリコン(ＳiＯ２)からなる絶縁層３３が形成されている。
なお、微細孔３１を形成する基板は、シリコン基板に限定されるのもではなく、ガリウム砒素（ＧaＡs)などの他の半導体基板や、ガラスなどの絶縁基板でもよい。また、微細孔３１は非貫通孔でもよく、その直径は、基板の厚さや所望の用途に応じて適宜設定され、更にその深さ方向に垂直な断面形状も、円形、楕円形、三角形、四角形、矩形などいかなる形状であってもよい。また、微細孔３１を形成する方法も、DRIE法に限定されず、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液などによるウェットエッチング法、マイクロドリルなどによる機械加工、光励起電解研磨法などを用いることができる。
【００１５】
次いで、図１（ｂ）に示すように、微細孔３１が形成されたシリコン基板３２を保護治具３４に固定し、チャンバー３５内に設置する。ここでは図示していないが、チャンバー３５は、ロータリーポンプなどからなる排気系、及び窒素（Ｎ２）ガスなどのガス供給系に接続されており、チャンバー内を適宜排気、加圧できるようになっている。また、チャンバー３５内には、金属を加熱溶融できるるつぼ３６が設置されており、この中に溶融した金錫（Ａu(８０重量％)−Ｓn(２０重量％)）３７が収容されている。
【００１６】
この実施例で使用した保護治具３４は、例えばステンレス製で図２（ａ）に示すように底面４１と四方の側面４２とを持つ箱型であり、シリコン基板３２を高さ中間位置で水平に収容・固定できるようになっている。そして、それぞれの面には多数の小隙間、例えば直径が２ｍｍ程度の孔４３が一面に形成されており、保護治具３４を溶融金属内に浸漬した際には、シリコン基板３２には保護治具の孔４３を通してのみ溶融金属が供給されるようになっている。このため、溶融金属として金錫などのような非常に酸化しやすい金属を用いた場合でも、シリコン基板表面に金属酸化物が直接付着するのを防ぐことができ、緒果としてすべての微細孔に対する均一な金属充填が可能となる。
【００１７】
なお、この実施例では保護治具３４の形状を箱型としたが、本発明はこれに限定されず、固定する基板の形状などに応じて円形その他の形状としても良く、構成する材料もステンレスに限らず、チタン(Ｔi)など他の金属や、ガラス、セラミックなど適宜選択できる。
また、シリコン基板全体を覆えるように、底面だけでなく上面も備えた蓋付き箱型にしても構わない。また、溶融金属を通すための小隙間を形成する方法として、前記の丸孔４３に限らず、図３（ａ）に示した保護治具３４Ａのように多数のスリット４３’を設けてもよいし、また、図３（ｂ）に示した保護治具３４Ｂのように各面に形成した開口に網４４を張ることで、多数の小隙間を形成してもよい。また、図３（ｃ）に示した保護治具３４Ｃのように、箱全体を網等のメッシュ状の材料で構成することで、多数の小隙間を形成してもよい。
更に、保護治具に固定するシリコン基板の枚数も1枚に限定されず、図４に示すように、複数枚の基板３２を保護治具３４に固定して、複数枚の基板３２について同時に金属充填処理を行なうこともできる。
また、この実施例では、溶融金属として金錫(Ａu(８０重量％)一Ｓn(２０重量％))を用いたが、本発明はこれに限定されず、異なる組成を有する金錫合金や、錫(Ｓn)、インジウム(Ｉn)などの金属、また、錫鉛(Ｓn-Ｐb)系、錫(Ｓn)基、鉛(Ｐb)基、金(Ａu)基、インジウム(Ｉn)基、アルミニウム(Ａ1)基などのはんだを使用することができる。
【００１８】
次いで、図１（ｃ）に示すように、チャンバー３５内を１０Ｐａ程度（第1の圧力）まで減圧した後、前記の微細孔３１が形成されたシリコン基板３２を溶融金錫３７中に浸漬する。
なお、第１の圧力は、大気圧より低い圧力であればいかなる圧力でもよい。
次いで、図１（ｄ）に示すように、チャンバー３５内を例えば窒素ガスにより大気圧（第２の圧力）まで加圧する。このとき溶融金錫３７内に浸漬された基板の微細孔３１と、チャンバー３５内とに圧力差が生じ、溶融金錫３７が微細孔３１内に差圧充填される。
なお、第２の圧力は第１の圧力よりも高ければいかなる圧力でもよく、例えば大気圧よりも高い圧力まで加圧してもよい。
次いで、図１（ｅ）に示すように、微細孔３１が形成されたシリコン基板３２を、溶融金錫３７内から引き上げ、冷却することにより、微細孔３１内への金属充填が完了する。
こうして作製された微細孔内の充填金属は、基板の表裏を電気的に接続する貫通電極として使われたり、ＭＥＭＳデバイスにおける構造体の一部として利用できる。
【実施例２】
【００１９】
図５に上述の微細孔への金属充填方法を実施するための金属充填装置７０の一実施例を示す。この金属充填装置７０は、内部を減圧する減圧手段と内部を加圧する加圧手段とを備えたチャンバー７１と、前記基板３２の少なくとも微細孔３１が形成されている部分を囲む保護治具７８と、金属を加熱溶融することができる装置であるるつぼ３６とを備えており、前記保護治具７８は多数の小隙間を持ち、溶融金属がこの小隙間を通してのみ基板３２の微細孔３１部分に供給されるようになっている。
前記チャンバー７１の内部は、仕切り板７２により、補助チャンバー７１Ａと主チャンバー７１Ｂとに分割されており、それぞれのチャンバー７１Ａ、７１Ｂがロータリーポンプなどからなる真空排気系７３、及び窒素(Ｎ2)などのガス供給系７４と接続され、適宜減圧及び加圧ができる仕様になっている。前記真空排気系７３及びガス供給系７４は、チャンバー７１の内部を減圧する減圧手段並びに内部を加圧する加圧手段を構成する。
なお、この実施例においては、補助チャンバー７１Ａと主チャンバー７１Ｂに対し、それぞれに独立した排気系７３を設置したが、共通の排気系を用い、配管とバルブなどにより流路を変えることも可能である。
前記仕切り板７２の一部には、開閉可能なバルブ７５が設置されている。主チャンバー７１Ｂ内には、金属を加熱溶融できる前記るつぼ３６、及び加熱溶融される金属（溶融した時は溶融金属３７）が設置してある。また、開閉バルブ７５を通り、補助チャンバー７１Ａ-７１Ｂ間を自由に往来できる位置には、先の金属充填方法の実施例で詳述したような形状を有し、昇降可能な軸７９に取り付けられた前記保護治具７８が設置されている。
【００２０】
上記の金属充填装置７０により基板の微細孔に金属を充填する要領を説明すると、基板３２を保護治具７８に固定し、補助チャンバー７１Ａ内に設置する。主チャンバー７１Ｂのるつぼ３６内には溶融金属３７が収容されており、主チャンバー７１Ｂは予め減圧されている。はじめ、補助チャンバー７１Ａ内を主チャンバー７１Ｂと同程度の圧力になるまで減圧し、開閉バルブ７５を開ける。次いで、基板３２を、開放しているバルブ７５を通して主チャンバー７１Ｂ内に搬送し、大気圧よりも低い第1の圧力下で溶融金属３７内に浸漬する。次いで、補助チャンバー７１Ａおよび主チャンバー７１Ｂ内を第１の圧力よりも高い第２の圧力まで上昇させ、微細孔内に溶融金属３７を差圧充填する。次いで、基板３２を溶融金属３７から引き上げ、冷却して微細孔への金属充填が完了する。
最後にバルブ７５を閉じ、主チャンバー７１Ｂ内を排気した後、補助チャンバー７１Ａを開放して基板３２を保護治具７８から取り外す。このように、開閉バルプ７５を閉じることにより、反応室である主チャンバー７１Ｂが大気中に完全に露出するのを防げるため、溶融金属３７の著しい酸化や溶融金属３７内への大きな異物の混入を防ぐことができる。
【実施例３】
【００２１】
上記の実施例では、チャンバー７１を仕切り板７２によって縦方向に分割したが、図６に示した金属充填装置８０のように、チャンバー８１を仕切り板８２によって水平方向に分割し、補助チャンバー８１Ａ内において基板３２を保護治具８８に装着し、次いで、水平可動台８６により保護治具８８とともに基板３２を水平方向に搬送し、主チャンバー８１Ｂ内において、基板３２を溶融金属３７中に浸漬するような構成とすることも可能である。図６において、８３は真空排気系、８４はガス供給系、８５は開閉バルブであり、図５と概ね同様である。また、８７は主チャンバー８１Ｂにおいて保護治具８８を把持して昇降可能なクランプである。
【００２２】
上述のように本発明の金属充填装置を用いて金属充填を行なうことで、基板への金属酸化物や異物の付着を防ぐことができ、均一な金属充填が可能となり生産性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の微細孔への金属充填方法の一実施例を説明するもので、（ａ）は微細孔が形成された基板の断面図、（ｂ）〜（ｅ）は微細孔に金属を充填する工程の各段階を示す図である。
【図２】図１における保護治具の一実施例を示すもので、（ａ）は保護治具の斜視図、（ｂ）は基板を収容・固定した状態の保護治具の斜視図である。
【図３】保護治具の他の実施例を示すもので、（ａ）は小隙間としてスリットを形成した保護治具の斜視図、（ｂ）は各面にあけた開口に網を張ることで小隙間を形成した保護治具の斜視図、（ｃ）は箱全体をメッシュ状のもので形成した保護治具の斜視図である。
【図４】保護治具に複数の基板を固定する実施例を示す斜視図である。
【図５】本発明の微細孔への金属充填装置の一実施例の概略構成を示す断面図である。
【図６】本発明の微細孔への金属充填装置の他の実施例の概略構成を示す断面図である。
【図７】基板に設けた微細孔に金属を充填して貫通電極を形成した場合の貫通電極部分の断面図である。
【図８】従来の微細孔への金属充填方法を説明するもので、（ａ）は微細孔が形成された基板の断面図、（ｂ）〜（ｄ）は微細孔に金属を充填する工程の各段階を示す図である。
【符号の説明】
【００２４】
１１、３２  基板
１２、３１  微細孔
１３  導電性物質
３３  絶縁層（シリコン酸化膜）
３４、３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃ、７８、８８  保護治具
３５、７１、８１  チャンバー
７１Ａ、８１Ａ  補助チャンバー
７１Ｂ、８１Ｂ  主チャンバー
３６  るつぼ
３７  溶融金属
４１  底面
４２  側面
４３  孔（小隙間）
４３’  スリット（小隙間）
４４  網（小隙間が形成される網）
７０、８０  金属充填装置
７２、８２  仕切り板
７３、８３  真空排気系
７４、８４  ガス供給系
７５、８５  開閉バルブ
【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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