金属充填装置
【課題】処理後の被処理物上に形成される余剰金属からなる層の厚さを最小限の厚さにすることができるとともに、被処理物上に開口するように形成された微小空間（ビア，貫通孔）に溶融金属を充填することのできる金属充填装置を提供する。
【解決手段】金属充填装置１は、半導体ウェハを保持する保持台Ｈ、保持台Ｈに対向して設けられ、保持面Ｈに対向する側に金属から構成される押付部が形成されたピストンＰを備え、保持台Ｈに保持された半導体ウェハＫに対してピストンＰを押付可能に設けられた押付機構５などを備えてなり、保持台Ｈに保持された半導体ウェハＫ、ハウジングＣ及びピストンＰによって気密状の処理室２が形成される。また、処理室２内の気体を排気して、当該処理室２内を減圧する減圧機構３、処理室２内に溶融金属Ｍを供給する溶融金属供給機構４、処理室２内に不活性ガスを供給する加圧ガス供給機構７などを備える。
【解決手段】金属充填装置１は、半導体ウェハを保持する保持台Ｈ、保持台Ｈに対向して設けられ、保持面Ｈに対向する側に金属から構成される押付部が形成されたピストンＰを備え、保持台Ｈに保持された半導体ウェハＫに対してピストンＰを押付可能に設けられた押付機構５などを備えてなり、保持台Ｈに保持された半導体ウェハＫ、ハウジングＣ及びピストンＰによって気密状の処理室２が形成される。また、処理室２内の気体を排気して、当該処理室２内を減圧する減圧機構３、処理室２内に溶融金属Ｍを供給する溶融金属供給機構４、処理室２内に不活性ガスを供給する加圧ガス供給機構７などを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被処理物表面上に形成された微小空間内に溶融金属を充填する金属充填装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近時、シリコン貫通電極（Through Silicon via）技術において、半導体ウェハ（被処理物）上に設けたビアや貫通孔（微小空間）に金属を充填する技術が求められている。シリコン貫通電極技術によれば、貫通電極を用いたチップ積層技術の開発が可能となることから、三次元実装による高機能・高速動作の半導体システムの実現が期待されている。
【０００３】
そして、上記のように、被処理物上の微小空間内に金属を充填する方法としては、例えば、特開２００２−３６８０８３号公報に開示された方法が知られている。
【０００４】
特開２００２−３６８０８３号公報に開示された方法は、減圧したチャンバ内で、金属を充填すべき微小空間が形成された試料の一面に、その微小空間を覆うように溶融金属を供給した後、真空チャンバ内を不活性ガスで大気圧以上に加圧することにより、溶融金属を微小空間内に真空吸引させる方法である。この方法によれば、被処理物上の微小空間内と真空チャンバ内との間に生じた圧力差によって、溶融金属を微小空間内に真空吸引させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３６８０８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、被処理物と溶融金属との濡れ性が悪い場合、被処理物上に供給した溶融金属が表面張力によって弾かれるという問題がある。そのため、上記従来の金属充填方法において、微小空間を覆うように溶融金属を供給する際に、被処理物の一面を大量の溶融金属で覆う必要があった。しかしながら、このように被処理物上に大量の溶融金属を供給した場合、処理後の被処理物上に余剰金属からなる分厚い層が形成され、後工程においてこれを除去しなければならなかった。
【０００７】
また、大量の溶融金属を供給するためには、加熱系の大容量化や溶融金属の性質維持手段の構築、材料の消費量増加などといった装置コストやランニングコストの増加を避けることができなかった。
【０００８】
本発明は、以上の実情に鑑みなされたものであって、処理後の被処理物上に形成される余剰金属からなる層の厚さを最小限の厚さにすることができるとともに、被処理物上に開口するように形成された微小空間（ビア，貫通孔）に溶融金属を充填することのできる金属充填装置の提供をその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、被処理物表面の、当該表面に開口するように形成された微小空間内に、当該被処理物上に供給した溶融金属を充填する金属充填装置に関する。
【００１０】
上記金属充填装置は、
前記被処理物を保持する保持部と、
内部空間を有し、一端が前記保持部と対向して設けられる筒状部材と、
前記筒状部材の内部空間内に進退自在に嵌入された押付部材と、
前記保持部に保持される被処理物に対して前記押付部材を進退させる押付機構と、
前記保持部及び筒状部材のうち少なくとも一方を、他方に対し接近、離反する方向に移動させる移動機構とを備え、
前記保持部に保持される被処理物又は前記保持部と、前記筒状部材及び前記押付部材とによって気密状の処理室が形成され、
更に、前記処理室内を減圧する減圧機構と、
前記処理室内に溶融金属を供給する溶融金属供給機構と、
前記処理室内に供給される溶融金属を加圧する加圧機構とを備えるとともに、
前記処理室は、前記押付部材の進退位置によってその容積が変化するように構成されている。
【００１１】
この金属充填装置によれば、まず、移動機構によって保持部と筒状部材とを、両者が離反した状態にした上で、表面に微小空間が形成された被処理物を、その表面が押付部材と対向するように保持部に配置し、ついで、移動機構によって保持部と筒状部材とを接近させ、筒状部材の一端を保持部に保持された被処理物又は保持部に当接させる。これにより、被処理物又は保持部と、筒状部材及び押付部材とによって囲まれた気密状の処理室が形成される。尚、被処理物の比重よりも溶融金属の比重の方が大きい場合には、前記筒状部材の一端を被処理物に当接させた状態で、被処理物、筒状部材及び押付部材により処理室を形成することで、当該処理室内に溶融金属を供給した際に、被処理物が保持部上から浮き上がるのを防止することができる。
【００１２】
しかる後、減圧機構によって処理室内の気体を排気して、処理室内を減圧した後、溶融金属供給機構によって、処理室内（被処理物と押付部材との間）に溶融金属を供給する。その後、加圧機構により処理室内に供給された溶融金属を加圧することで、微小空間内に溶融金属が充填される。尚、このように、処理室内を減圧した後に当該処理室内に溶融金属を供給することで、ボイドの発生を低減することができる。
【００１３】
そして、上記金属充填装置においては、その後、押付機構によって押付部材を被処理物に向けて移動させ、当該押付部材を被処理物に押し当てる。これにより、処理室の容積が絞られる、言い換えれば、被処理物と押付部材との間の隙間が狭められるため、被処理物上の余剰溶融金属が当該被処理物と押付部材との間から押し出される。したがって、処理後の被処理物上に形成される余剰金属からなる層の厚さを最小限の厚さにすることができる。尚、この際、余剰溶融金属は、溶融金属供給機構に押し戻されるようにしても良いし、或いは、溶融金属を供給した後の処理室内に空間が残されている場合には、その残された空間内に押し出されるようにしても良い。
【００１４】
また、上記金属充填装置における加圧機構は、処理室内に加圧気体を供給する加圧気体供給機構であっても良い。このようにすれば、溶融金属を供給した処理室内に加圧気体を供給することによって、当該処理室内に供給した溶融金属を気体により加圧することができ、所謂差圧充填によって溶融金属を微小空間内に充填することができる。更に、溶融金属を気体により加圧することによって、被処理物上で溶融金属が弾かれるのを防止することができる。
【００１５】
また、上記金属充填装置において、溶融金属供給機構は、処理室内を溶融金属で完全に満たすように、当該処理室内に溶融金属を供給するように構成しても良い。このようにすれば、被処理物上で溶融金属が弾かれることがなく、被処理物上に溶融金属を均一に広げることができる。また、処理室内を溶融金属で完全に満たした状態で、前記押付部材を被処理物に向けて移動させることにより、押付部材によって処理室内に供給された溶融金属を加圧することができるため、被処理物上の微小空間内に溶融金属を押し込むことができる。この場合、前記押付機構は加圧機構としても機能する。また、前記押付部材を被処理物に向けて移動させることにより、押付部材と被処理物との間から余剰溶融金属を押し出すことができる。尚、押し出された余剰溶融金属は、溶融金属供給機構に戻される。また、予め押付部材を被処理物に接近させて、処理室の容積を極力小さくしてから溶融金属を供給するようにすることで、処理室内を完全に満たすために必要な溶融金属の量を減らすことができる。
【００１６】
また、溶融金属供給機構は、処理室内を溶融金属で完全に満たすように、当該処理室内に溶融金属を加圧供給するように構成しても良い。このようにすれば、濡れ性が非常に悪く、弾く力が非常に強い場合でも、上述したように、被処理物上で溶融金属が弾かれることがなく、被処理物上に溶融金属を均一に広げることができ、また、処理室内に溶融金属を加圧供給し、溶融金属の供給圧によって処理室内に供給された溶融金属を加圧することができるため、被処理物上の微小空間内に溶融金属を押し込むことができる。この場合、前記溶融金属供給機構は、加圧機構としても機能する。
【００１７】
更に、上記金属充填装置は、一端が筒状部材の内壁面に開口した通気路を備えるとともに、一端が筒状部材の内壁面に開口した供給路を備え、減圧機構は、通気路を介して処理室内の気体を排気して処理室内を減圧するように構成し、溶融金属供給機構は、供給路を介して処理室内に溶融金属を供給するように構成することが好ましい。
【００１８】
また、上記金属充填装置は、一端が押付部材の前記保持部に対向する面に開口するように当該押付部材に形成された通気路を備えるとともに、一端が前記対向する面に開口するように押付部材に形成された供給路を備え、減圧機構は、前記通気路を介して処理室内の気体を排気し、当該処理室内を減圧するように構成し、溶融金属供給機構は、供給路を介して処理室内に溶融金属を供給するように構成しても良い。
【００１９】
また、本発明においては、上記金属充填装置は、溶融金属供給機構によって供給された溶融金属を押付部材と被処理物表面との間に閉じ込める溶融金属封止部を押付部材に設けることが好ましい。このようにすれば、押付部材を被処理物表面に押し付けた際に、溶融金属封止部の働きにより、溶融金属を押付部材と被処理物表面との間に閉じ込めるので、被処理物の処理面全体に高い圧力をかけることが可能となり、溶融金属を被処理物上に形成された微小空間内に隙間なく充填することができる。
【００２０】
即ち、前記溶融金属を前記押付部材と前記被処理物との間に閉じ込めることにより、溶融金属が被処理物上の概ね全領域において封止された状態となり、溶融金属に適切な圧力をかけて被処理物全体の微小空間内に当該溶融金属を押し込むことが可能となる。これにより、微小空間内に溶融金属を隙間なく押し込み、充填時におけるボイドの発生を回避し、高精度の金属充填を実現することができる。
【００２１】
尚、本発明において、被処理物上に形成される微小空間の大きさは、典型的にはその直径が０．１μｍ〜数十μｍのものを想定している。また、溶融金属が入り込むものであれば、その形成方法やアスペクト比などの形態は問わず、貫通孔であるか否かも問わない。また、その形状も限定されず、直線状、曲線状、クランク状など任意の形状であって良く、分岐の有無も問わない。更に、非貫通孔であれば、その深さは、被処理物の厚さに応じて数百μｍ以下で任意のものとすることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明に係る金属充填装置によれば、処理後の被処理物上に形成される余剰金属からなる層の厚さを最小限の厚さにすることができるとともに、被処理物上に開口するように形成された微小空間（ビア，貫通孔）に溶融金属を充填することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施形態に係る金属充填装置の概略構成を示した断面図である。
【図２】上記実施形態の金属充填装置の動作フローを示す説明図である。
【図３】上記実施形態の金属充填装置の動作フローを示す説明図である。
【図４】上記実施形態の金属充填装置の動作フローを示す説明図である。
【図５】上記実施形態の金属充填装置の動作フローを示す説明図である。
【図６】上記実施形態の金属充填装置の動作フローを示す説明図である。
【図７】上記実施形態の金属充填装置の動作フローを示す説明図である。
【図８】上記実施形態の金属充填装置の動作フローを示す説明図である。
【図９】（ａ）は、ピストンに、溶融金属封止部を設ける構成例を示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のピストンを半導体ウェハに向けて下降させたときの様子を示す断面図である。
【図１０】ピストンに、溶融金属封止部を設ける更なる構成例を示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のピストンを半導体ウェハに向けて下降させたときの様子を示す断面図である。
【図１１】（ａ）は、ピストンに設ける溶融金属封止部の更なる構成例を示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のピストンを半導体ウェハに向けて下降させたときの様子を示す断面図である。
【図１２】（ａ）は、ピストンに設ける溶融金属封止部の更なる構成例を示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のピストンを半導体ウェハに向けて下降させたときの様子を示す断面図である。
【図１３】（ａ）は、ピストンに設ける溶融金属封止部の更なる構成例を示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のピストンを半導体ウェハに向けて下降させたときの様子を示す断面図である。
【図１４】（ａ）は、金属充填前の半導体ウェハ上の微小空間を示す断面図であり、（ｂ）は、良好に金属充填された上記微小空間を示す断面図であり、（ｃ）は充填不良を生じた上記微小空間を示す断面図である。
【図１５】本発明の他の実施形態に係る金属充填装置の概略構成を示した断面図である。
【図１６】本発明の他の実施形態に係る金属充填装置の概略構成を示した断面図である。
【図１７】他の実施形態に係る金属充填装置の動作フローを示す説明図である。
【図１８】他の実施形態に係る金属充填装置の動作フローを示す説明図である。
【図１９】他の実施形態に係る金属充填装置の動作フローを示す説明図である。
【図２０】他の実施形態に係る金属充填装置の動作フローを示す説明図である。
【図２１】他の実施形態に係る金属充填装置の動作フローを示す説明図である。
【図２２】本発明の他の実施形態に係る金属充填装置の概略構成を示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の具体的な実施形態について、添付図面に基づき説明する。
【００２５】
〔１．金属充填装置の構成〕
【００２６】
図１に示すように、本実施例の金属充填装置１は、半導体ウェハ（被処理物）Ｋ表面に開口するように形成された微小空間内に溶融金属Ｍを充填する金属充填装置であって、半導体ウェハＫがその前記表面を上にして保持される保持台Ｈと、内部に空間が形成され、下端面が前記保持台Ｈと対向して配設された筒状のハウジングＣと、保持台Ｈに保持される半導体ウェハＫの表面に対して進退自在に設けられた押付部材たるピストンＰと、前記保持台Ｈを前記ハウジングＣに接近、離反させる昇降機構１６と、前記ピストンＰを進退させる押付機構５とを備えてなり、前記保持台Ｈに保持された半導体ウェハＫ、ハウジングＣ及びピストンＰによって気密状の処理室２が形成される。
【００２７】
また、当該金属充填装置１は、前記処理室２内の気体を排気して、当該処理室２内を減圧する減圧機構３と、処理室２内に溶融金属Ｍを供給する溶融金属供給機構４と、処理室２内に不活性ガスを供給するガス加圧機構７と、処理室２内に供給された溶融金属Ｍを回収する溶融金属回収機構８と、前記昇降機構１６、押付機構５、減圧機構３、溶融金属供給機構４、ガス加圧機構７及び溶融金属回収機構８の作動を制御する制御装置１５とを備えている。
【００２８】
前記保持台Ｈは、前記昇降機構１６によって昇降するようになっており、この保持台ＨをハウジングＣに向けて上昇させ、保持台Ｈの上面をハウジングＣの下端面に当接させることにより、気密状の処理室２が形成される。尚、前記昇降機構１６は、トルクモータなどから構成されており、前記制御装置１５によってその作動が制御される。
【００２９】
前記ピストンＰは、その保持台Ｈに対向する側に、耐熱性を有するステンレス４４０Ｃ（またはステンレス３０４）で構成された押付部６が設けられている。尚、ステンレスは、高温環境下で使用しても表面状態が安定しており、十分な硬さを有している点で押付部６の素材として優れている。また、ピストンＰは、前記ハウジングＣの上側開口部から嵌挿され、押付機構５によって軸線方向に進退するようになっている。尚、ピストンＰの外周面とハウジングＣの内周面との間には、Ｏリング１３が介装されており、両者の間がこのＯリング１３によってシールされている。また、ピストンＰのフランジ部とハウジングＣの上端面との間には、ベローズシール１７が設けられており、当該ベローズシール１７によって、ピストンＰとハウジングＣとの間の気密性を更に高めている。
【００３０】
また、押付部６の表面のうち、少なくとも溶融金属Ｍと接する領域は、電解研磨されて鏡面加工が施されている。このような鏡面加工処理の結果、試作した金属充填装置１において、押付部６の表面粗さは、十点平均粗さ（Ｒｚ）で０．３μｍ以下、最大高さ（Ｒｙ）で０．５μｍ以下、凹凸平均距離（Ｓｍ）で１０μｍ以上となっている。このように、押付部６の表面粗さ（十点平均粗さ）を、０．３μｍ以下として、押付部６の金属表面を滑らかなものとしておけば、溶融金属Ｍが押付部６側に固着することを防ぐことができるので、押付部６を半導体ウェハＫから引き離すときにも、冷却硬化した溶融金属Ｍは押付部６の金属表面から容易に剥離され、充填不良や半導体ウェハＫの割れなどを効果的に回避することが可能となる。
【００３１】
尚、本願で表面粗さというときは、ＪＩＳ規格の十点平均粗さのことを指す。
【００３２】
更に、押付部６の表面には、ＤＬＣ皮膜処理（離型処理）が施されており、強い力で押付部６を溶融金属に押し付けたとしても、当該溶融金属Ｍが硬化しても容易に押付部６から剥離されるようになっている。
【００３３】
離型処理としては、ＤＬＣ処理の他、ＣｒＮコーティング処理、ＴｉＮコーティング処理、サーフ処理などを好適に用いることができる。また、押付部６は、前述の通り、ステンレスの金属製なので十分な硬度を有しており、試作した金属充填装置１においては、上述の鏡面加工処理ないし離型処理を施した状態で、そのマイクロビッカース硬さ（Ｈｖ）は１２００より大きかった。
【００３４】
また、金属製の押付部６は、加熱加圧による変形も比較的少なく、上記のように、十分な硬度を有しているので、その表面に施したコーティング処理が落ちにくく、コーティング処理の効果を長寿命化することができる。
【００３５】
前記押付機構５は、所謂油圧シリンダ機構であって、ピストンＰを進退させる駆動力を与える機構であり、ピストンＰの押付部６を所定の押圧力で半導体ウェハＫに押し付けることができる。尚、図示していないが、この押付機構５は、図中上側の部屋及び図中下側の部屋に圧油を供給する配管がそれぞれ接続され、当該各配管にはその作動が前記制御装置によって制御される切換弁が設けられており、前記ピストンＰは、前記上側の部屋に圧油が供給されると下側に移動し、前記下側の部屋に圧油が供給されると上側に移動する。
【００３６】
前記減圧機構３は、ハウジングＣの上端側の側壁を貫通して設けられた配管１１によって処理室２と接続された真空ポンプ３ａと、配管１１の、真空ポンプ３ａと処理室２との間に設けられた制御弁３ｂとからなり、真空ポンプ３ａによって処理室２内の空気を排気して、処理室２内を減圧する機構である。尚、前記真空ポンプの作動及び前記制御弁３ｂの開閉は、前記制御装置１５によって制御されている。
【００３７】
また、前記溶融金属供給機構４は、ハウジングＣの下端側の側壁を貫通して設けられた配管９によって処理室２と接続された溶融金属供給部４ａと、配管９の、溶融金属供給部４ａと処理室２との間に設けられた制御弁４ｂとからなり、所定の供給圧でもって溶融金属供給部４ａから処理室２内に溶融金属Ｍを供給する機構であり、前記制御弁４ｂはその開閉が前記制御装置１５によって制御されている。
【００３８】
溶融金属供給部４ａには、金属充填に用いられる溶融金属Ｍがその融点より高い温度で熱せられており、液体状でストックされている。本実施例において、金属充填に用いられる溶融金属Ｍは、融点約２００℃の鉛フリー半田である。半田のように比較的融点の低い金属は取り扱いが容易である点において優れているが、本発明における溶融金属Ｍの種類は、半田に限定されるものではなく、微小空間を埋める目的やその機能に応じて、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ａｌ，Ｎｉ，Ｓｎ，Ｉｎ，Ｂｉ，Ｚｎやこれらの合金など任意のものを採用することができる。
【００３９】
また、前記加圧ガス供給機構７は、配管１０によって配管１１及び配管９と接続された加圧ガス供給部７ａと、配管１０の、配管１１と加圧ガス供給部７ａとの間に設けられた制御弁７ｂと、配管９と加圧ガス供給部７ａとの間に設けられた制御弁７ｃとからなり、配管９、配管１０及び配管１１を介して、加圧ガス供給部７ａから処理室２内に不活性ガスを供給する機構である。尚、前記加圧ガス供給部７ａの作動及び２つの制御弁７ｂ，７ｃの開閉は、前記制御装置１５によって制御される。
【００４０】
前記溶融金属回収機構８は、ハウジングＣの下端側の側壁を貫通して設けられた配管１２によって処理室２に接続された溶融金属回収部８ａと、配管１２の、溶融金属回収部８ａと処理室２との間に設けられた制御弁８ｂとからなり、処理室２内の溶融金属を回収する機構であって、制御弁８ｂは、その開閉が制御装置１５により制御される。尚、溶融金属回収部８ａとしては、回収タンクと、この回収タンクに接続された排気装置とからなる構成を例示することができる。
【００４１】
〔２．金属充填の手順〕
【００４２】
次に、図２乃至図８を用いて、本実施例の金属充填装置１における金属充填の手順を説明する。
【００４３】
まず、制御装置１５によって昇降機構１６の作動を制御し、保持台Ｈを下降させることにより、保持台Ｈの上面をハウジングＣの下端面から離反させた後、表面上に微小空間を形成した半導体ウェハＫを、その表面を上にした状態で保持台Ｈ上に載置する。ついで、制御装置１５によって昇降機構１６の作動を制御し、保持台ＨをハウジングＣに向けて上昇させ、保持台Ｈの上面をハウジングＣの下端面に当接させることにより処理室２を形成する。尚、この際、前記ハウジングＣの下端面を半導体ウェハＫの表面に当接させ、半導体ウェハＫを保持台Ｈ上に押さえ付けるようにしている。
【００４４】
しかる後、図２に示すように、制御装置１５による制御の下、真空ポンプ３ａを作動させるとともに、配管１１の制御弁３ｂを開いて、処理室２内の気体を排気し、処理室２内及び微小空間内を略真空状態にまで減圧する。
【００４５】
次に、図３に示すように、真空ポンプ３ａによる減圧を続け、処理室２内を略真空状態に保ったままの状態で、制御装置１５によって配管９の制御弁４ｂを開き、溶融金属供給部４ａから融点以上に熱した液体状の溶融金属Ｍを、半導体ウェハＫの表面で弾かれることなく当該半導体ウェハＫの全面を覆える量に達するまで、処理室２の内部に供給していく。尚、金属充填装置１においては、配管１１をハウジングＣの上端側に貫通して設けた、即ち、配管１１を、供給される溶融金属の液面より十分上方に設けたことにより、真空ポンプ３ａによる減圧を続けた状態で、溶融金属Ｍを供給することが可能となっているが、真空ポンプ３ａ内に溶融金属Ｍが吸引されてしまうことがないように、適切なタイミングで溶融金属Ｍの供給を停止するのが好ましい。また、上述したように、半導体ウェハＫを保持台Ｈ上に押さえ付けるようにすることで、例えば、シリコン（比重：約２．５）からなる半導体ウェハ上に半田（比重：約９．０）を供給したとしても、半導体ウェハが保持台上から浮き上がらないようにしている。
【００４６】
また、後述の押し付け工程に入る前に溶融金属Ｍが冷却硬化することは好ましくないので、この段階では、適宜加熱機構によって、処理室２の内部の温度を溶融金属Ｍの融点以上の温度に保っておき、溶融金属Ｍが液体のままであるようにしておく必要がある。
【００４７】
十分な分量の溶融金属Ｍを処理室２の内部に供給したならば、図４に示すように、制御装置１５により配管９の制御弁４ｂを閉じ、ついで、制御装置１５による制御の下、押付機構５を作動させて、処理室２内のピストンＰを、半導体ウェハＫに対してゆっくりと進めて近づけていき、押付部６の表面を処理室２の内部に供給された溶融金属Ｍ中に沈める。このように、処理室２内が略真空状態のまま、押付部６の表面を溶融金属Ｍ中に沈めることにより、押付部６と溶融金属Ｍとの間に気層ができることを回避することができる。
【００４８】
次に、図５に示すように、押付部６の表面を溶融金属Ｍ中に沈めたままの状態で、制御装置１５により配管１１の制御弁３ｂを閉じるとともに、真空ポンプ３ａの作動を停止して減圧を中止する一方、制御装置１５の制御の下、配管１０の制御弁７ｂを開くとともに、加圧ガス供給部７ａを作動させ、当該加圧ガス供給部７ａから加圧用の窒素ガス等を処理室２内に供給し、このガス圧により溶融金属Ｍを加圧して、所謂差圧充填により溶融金属Ｍを微小空間内に充填する。
【００４９】
次に、図６に示すように、制御装置１５によって押付機構５を作動させて、ピストンＰを半導体ウェハＫに向け更に移動させ押付部６を半導体ウェハＫの表面に押し付ける。これにより、押付部６と半導体ウェハＫとの間の余剰溶融金属が、半導体ウェハＫ上からハウジングＣの内周面とピストンＰの外周面との間の隙間に押し出される。したがって、処理後の半導体ウェハＫ表面に形成される残渣の量が減少する。尚、残渣とは、半導体ウェハＫ上で微小空間に入りきらなかった余剰溶融金属が半導体ウェハＫ上で硬化してできる層状の不要金属部分のことをいうが、当該金属部分は、全ての場合において不要という訳ではなく、配線層やコンタクト層として用いることができる場合もある。
【００５０】
そして、押付部６を半導体ウェハＫの表面に押し付けた状態でしばらく静止する。本実施例の金属充填装置１においては、上述したように、押付部６が溶融金属Ｍの液中に押し付けられた分、その分の溶融金属Ｍは、ハウジングＣの内周面とピストンＰの外周面との間の隙間へ移動するため、溶融金属Ｍの液面が上昇していく。この結果、半導体ウェハＫは、溶融金属Ｍの液面から深い位置で溶融金属Ｍに浸漬される状態となるので、押付部６と半導体ウェハＫとが接触し、溶融金属Ｍと半導体ウェハＫ及び押付部６との濡れ性の悪さによって、半導体ウェハＫ面で溶融金属Ｍが弾かれる力が強くなる状況になったとしても、半導体ウェハＫ面で溶融金属Ｍが膜切れする状態になり難い。尚、半導体ウェハＫの表面に押付部６を押し付けている間も加圧ガス供給部７によるガス加圧は継続しておくことが好ましい。これにより、充填する力が維持されるとともに、上述した膜切れを効果的に防ぐことができる。
【００５１】
次に、図７に示すように、押付部６を半導体ウェハＫの表面に押し付けた状態で、制御装置１５によって配管１０の制御弁７ｃを開くとともに、配管１２の制御弁８ｂを開いて、半導体ウェハＫの微小空間内に充填しきれない余剰の溶融金属Ｍを溶融金属回収部８ａへと回収する。余剰な溶融金属Ｍを回収しなければ、後述の冷却後、余剰溶融金属ＭがハウジングＣと押付部６との隙間で硬化してピストンＰの昇降動作を妨げる、或いは、半導体ウェハＫと処理室２の壁面とが固着するなどの問題が生じる。ただし、押付部６と半導体ウェハＫとの間にガスが入ると充填不良が発生するので、余剰金属を全て排出することはせず、押付部６の側壁とハウジングＣの内壁の隙間には溶融金属Ｍを残した状態としておく。この隙間に溶融金属Ｍを残す分量は、半導体ウェハＫ及び押付部６と溶融金属Ｍとの濡れ性、隙間の大きさにもよるが、高さにして数ｍｍ程度分残しておくことが好ましい。
【００５２】
そして、余剰な溶融金属Ｍを回収した後、制御装置１５による制御の下、配管１０の２つの制御弁７ｂ，７ｃを閉じて加圧用ガスの供給を停止するとともに、配管１２の制御弁８ｂを閉じる。しかる後、処理室２の内部の加熱又は保温を止め、溶融金属Ｍの温度が融点以下となるまで冷却し、半導体ウェハＫの微小空間に充填された溶融金属Ｍが冷却硬化するまで待機する。
【００５３】
次に、図８に示すように、制御装置１５による制御の下、押付機構５を作動させてピストンＰをゆっくり上昇させ、更に、昇降機構１６を作動させて、保持台Ｈを下降させることにより、処理室２を解放する。そして、金属充填処理を終えた半導体ウェハＫを保持台Ｈから取り出して、これから金属充填処理を行う新たな半導体ウェハＫと入れ替える。複数枚の半導体ウェハＫに金属充填を行う場合には、図２乃至図８に示した手順を適宜繰り返せばよい。
【００５４】
〔３．溶融金属封止部を設けた態様〕
【００５５】
次に、好ましい実施態様として、上記の構成において、溶融金属供給機構４によって供給された溶融金属Ｍを、押付部６と半導体ウェハＫとの間に閉じ込める溶融金属封止部を設ける構成例について説明する。
【００５６】
まず、溶融金属封止部を設ける第一の態様として、図９（ａ）に示すように、押付部６の下面に、円形の半導体ウェハＫの外周に沿うように、弾性体からなるリング形状をしたの封止部２０（溶融金属封止部）を設ける態様がある。同図においては、斜線を付した肉厚部の構成は省略してある（図１０〜図１３も同様である）。
【００５７】
本構成によれば、押付部６を半導体ウェハＫに接近させていったとき（図６参照）、余剰溶融金属Ｍを外部へと逃がして半導体ウェハＫ上で残渣となる余剰溶融金属Ｍの量を十分に減らすことができる。即ち、封止部２０が半導体ウェハＫと接触するまでは、封止部２０の内側領域の溶融金属Ｍは、当該領域の外部へと逃げられるのに対し、封止部２０が半導体ウェハＫに更に近づいて、半導体ウェハＫの表面と面接触（当接）すると、溶融金属Ｍは封止部２０の内側領域に閉じ込められる（図９（ｂ）参照）。
【００５８】
封止部２０、とりわけ弾性体からなる封止部２０を設けることにより、良好な封止性が得られる。そして、押付部６の押し付けによって封止部２０が変形し、封止領域が狭められるので、当該封止領域内の溶融金属Ｍに押付機構５の推力を用いて効率良く高い圧力をかけることができ、溶融金属Ｍを半導体ウェハＫ表面の微小空間の内部に隙間なく充填することができる。
【００５９】
本実施形態では、ガス加圧と封止部２０を備えた押付部６による加圧とを二段階で行うことにより、溶融金属Ｍと半導体ウェハＫとの濡れ性が悪くとも金属充填を行うことが可能である。具体的には、まずガス加圧を行い、その時のガス圧は、溶融金属Ｍが半導体ウェハＫと押付部６との隙間で膜切れすることがない程度の軽い圧力（例えば０．２ＭＰａ以下）としておく。そして、封止部２０を備えた押付部６の押し付けによって、封止部２０より内側にある半導体ウェハＫの処理面上全体の溶融金属Ｍに高い圧力をかけて充填処理ができる。このような方法を採用すれば、処理室の圧力容器性能を極端に高いものとせずとも、ガス加圧と押付加圧との二段階加圧によって効果的な金属充填を実現することができる。
【００６０】
更に、封止部２０を備えた押付部６を用いれば、続く余剰金属排出工程において、封止範囲外の余剰溶融金属Ｍ’をガスブローや液体リンスなどを用いて排出したとしても、封止範囲内にある微小空間の充填性には影響が及ばないため、より効果的に余剰溶融金属を回収することができる。即ち、本実施形態では、封止部２０が存在するので、金属充填装置１とは異なり、余剰溶融金属Ｍ’を全て排出したとしても、押付部６と半導体ウェハＫとの間にガスが入って充填不良が発生することはないので、封止範囲外の領域を清浄に保つことが可能となる。
【００６１】
また、溶融金属封止部を設ける第二の態様としては、図１０（ａ）に示すように、押付部６の下面において、半導体ウェハＫの外側の保持台Ｈと対向する位置に、円形の半導体ウェハＫと同心円状の弾性体からなる封止部２１（溶融金属封止部）を設ける態様がある。
【００６２】
本構成によれば、封止部２１は半導体ウェハＫの外部に設けられるので、封止部２１は半導体ウェハＫに接触することはなく、半導体ウェハＫの全面において溶融金属Ｍの充填処理を行うことが可能となる（図１０（ｂ）参照）。
【００６３】
以上の溶融金属封止部を形成する素材は、ある程度の弾力性と耐熱性などを備え、封止に適した素材であれば特に限定されないが、封止前の溶融金属Ｍが外部に逃げやすい素材や構造を採用することにより、封止される溶融金属Ｍの分量を必要最小限のものとして、半導体ウェハＫ上の残渣を薄くすることができる。
【００６４】
次に、溶融金属封止部を設ける第三の態様として、図１１（ａ）に示すように、押付部６の、溶融金属Ｍと接する面と逆側に弾性体層２２（溶融金属封止部）を積層しておく態様がある。この場合、押付機構５によって、ピストンＰを半導体ウェハＫに向けて移動させ、押付部６を溶融金属Ｍ及び半導体ウェハＫに対して接近させていくと、同図（ｂ）に示すように、弾性体層２２が押付方向と垂直な平面状に広がり、この広がった弾性体層２２が、ハウジングＣと当接することにより、溶融金属Ｍが、弾性体層２２で封止された空間内部に閉じ込められる。このような構成によれば、事前にガス加圧されていた溶融金属Ｍの圧力を保つように封止がなされる。
【００６５】
また、このようにすれば、半導体ウェハＫ表面と押付部６表面との平行度が悪い場合にも、弾性体層２２の変形によって半導体ウェハＫ表面と押付部６表面とを効率よく密着させることができる。更に、押付部６の金属部を変形しやすい薄板にすることで、半導体ウェハＫ表面の平坦度が悪い場合にも、弾性体層２２及び金属薄板の変形によって半導体ウェハＫ表面と押付部６表面とを効率よく密着させさせて、保圧冷却し、溶融金属Ｍを硬化できるので、これらの密着効果によって半導体ウェハＫ上の残渣をより薄くすることができる。
【００６６】
次に、溶融金属封止部を設ける第四の態様として、図１２（ａ）に示すように、押付部６の、半導体ウェハＫと接する面と逆側に弾性体層２３（溶融金属封止部）を積層しておき、更に、押付部６の下面に、円形の半導体ウェハＫの外周に沿うように、弾性体からなるリング形状をした封止部２４（溶融金属封止部）を設ける態様がある。この場合、押付機構５によって、ピストンＰを半導体ウェハＫに向けて移動させ、押付部６を溶融金属Ｍ及び半導体ウェハＫに対して接近させ、封止部２４を半導体ウェハＫに当接させると、同図（ｂ）に示すように、封止部２４が取り囲む領域内に溶融金属Ｍが封止される。この態様によれば、前記第三の態様と比較して、実効的な封止範囲を半導体ウェハＫの領域に狭めることにより、封止部２４が取り囲む領域外の溶融金属Ｍ’を溶融金属回収機構により適宜回収することで、余計な隙間に残留する残留金属の分量を低減することができる。
【００６７】
次に、溶融金属封止部を設ける第五の態様として、図１３（ａ）に示すように、ピストンＰのうち、押付部６の、溶融金属Ｍと接する面の外側領域から前記面の逆側にかけて、弾性体層２５（溶融金属封止部）を積層しておく態様がある。この場合、押付機構５によって、ピストンＰを半導体ウェハＫに向けて移動させ、押付部６を溶融金属Ｍ及び半導体ウェハＫに対して接近させて、弾性体層２５を半導体ウェハＫに当接させると、同図（ｂ）に示すように、弾性体層２５の当接領域内に溶融金属Ｍが封止される。尚、図１１に示した形態とは異なり、ハウジングＣとの間の隙間の溶融金属Ｍ’までは封止されない。
【００６８】
以上のように、各種の溶融金属封止部を設けることにより、溶融金属Ｍを押付部６と半導体ウェハＫとの間に閉じ込め、半導体ウェハＫ上の広領域において封止性を高めることができるので、溶融金属Ｍに適切な圧力をかけて、当該溶融金属Ｍを半導体ウェハＫの微小空間内に押し込むことができる。また、半導体ウェハＫ上に生じる残渣を低減することができるとともに、溶融金属Ｍを半導体ウェハＫ上にのみ閉じ込める態様を採用した場合には、溶融金属封止部が取り囲む領域外の溶融金属Ｍ’を溶融金属回収機構によって回収することで、処理室内に残る余剰溶融金属を低減することができる。
【００６９】
これにより、微小空間内に溶融金属を隙間なく押し込み、充填時におけるボイドの発生を回避し、高精度の金属充填を実現することが可能となる。
【００７０】
最後に、本発明により、金属充填が良好に行われた状態を図示しておく。図１４（ａ）は、溶融金属Ｍを充填する前の半導体ウェハＫ上の微小空間Ｖを示す断面図であり、図中下部分が半導体ウェハＫである。同図（ａ）において、半導体ウェハＫの表面には無数の微小空間Ｖが規則正しく配置されている。図１４（ｂ）は、本発明により、半導体ウェハＫ上の微小空間Ｖに良好に溶融金属Ｍが充填された状態を示す断面図である。同図（ｂ）では、微小空間Ｖに隙間なく溶融金属Ｍが充填されている様子がわかる。
【００７１】
これに対して、図１４（ｃ）は、比較例として、溶融金属Ｍの充填不良を生じた微小空間Ｖ１〜Ｖ４を示す断面図である。同図（ｃ）において、微小空間Ｖ１，Ｖ２では、底部側に溶融金属Ｍが充填されているもののその分量が十分でないので、微小空間を完全に充填できていない。また、微小空間Ｖ３，Ｖ４では、底部側まで溶融金属Ｍが到達しておらず、充填不良となっている様子がみてとれる。
【００７２】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明が採り得る具体的な態様は何らこれに限定されるものではない。
【００７３】
例えば、上例においては、押付部６を半導体ウェハＫに近づける構成を採用したが、これに限られるものではなく、半導体ウェハＫ（保持台Ｈ）の方を、押付部６の方へ近づける構成を採用してもよい。
【００７４】
また、上例では、溶融金属Ｍの供給後に、ピストンＰを半導体ウェハＫに向けて移動させ、溶融金属Ｍの液面に押付部６を近づけていき、押付部６を溶融金属Ｍ中に沈めた状態にする方法を説明したが、液面に押付部６を近づけていくのではなく、押付部６の表面が溶融金属Ｍに浸されるまで当該溶融金属Ｍを供給していくことで、押付部６を溶融金属Ｍ中に沈めた状態にするようにしてもよい。
【００７５】
また、押付部６による押付方向は、鉛直上方向から下方向に押し付ける形態に限られず、装置の構成により、鉛直下方向から上方向に押し付ける、或いは、水平横方向に押し付けるようにしても良い。更に、金属充填装置の向きは、図１に示した向きに限られるものではなく、図１の向きを横転させた向きであっても良いし、天地を反転させた向きであっても良い。
【００７６】
また、上例の金属充填装置１においては、処理室２内に溶融金属Ｍをある程度多量に供給することで、半導体ウェハＫの全面を溶融金属によって均一に覆うようにしているが、例えば、処理室２の容積を予め小さく設定し、この処理室２内を完全に満たすように当該処理室２内に溶融金属Ｍを供給することで、半導体ウェハＫの全面を溶融金属によって均一に覆うようにしても良い。このように構成された金属充填装置について、図１５を参照して、以下説明する。尚、金属充填装置１の構成と同じ構成要素については、同一の符号を付し、その詳しい説明は省略する。
【００７７】
図１５に示した金属充填装置３０は、保持台Ｈ、ハウジングＣ、ピストンＰ、昇降機構１６、減圧機構３、溶融金属供給機構４、溶融金属回収機構８、制御装置１５に加え、前記ピストンを、前記保持台Ｈに保持される半導体ウェハＫに対して進退させる押付加圧機構５’及び処理室２内に不活性ガスを供給する送気機構７’を備えている。尚、前記押付加圧機構５’及び送気機構７’の作動は、前記制御装置１５によって制御される。また、押付加圧機構５’は、押付機構が加圧機構としても機能するものとして具現化したものである。
【００７８】
前記ピストンＰは、上記金属充填装置１におけるピストンＰと同様に、保持台Ｈに対向する側にステンレス４４０Ｃで構成された押付部６が設けられており、更に、この押付部６には、保持台Ｈに対向する面の外周縁部に溶融金属封止部６ａが設けられている。尚、当該ピストンＰとハウジングＣとの間には、２つのＯリング１３ａ，１３ｂが介装されており、これら２つのＯリング１３ａ，１３ｂは、ハウジングＣに固定されている。
【００７９】
また、前記送気機構７’は、処理室２内に不活性ガスを供給し、処理室２内の余剰溶融金属を溶融金属回収機構８の溶融金属回収部８ａに送り出すための機構であり、不活性ガスを供給するガス供給部７ａ’と、ガス供給部７ａ’と配管１１とを接続する配管１０’と、配管１０’の、ガス供給部７ａ’と配管１１との間に設けられた制御弁７ｂ’とから構成され、前記ガス供給部７ａ’の作動及び制御弁７ｂ’の開閉は、前記制御装置１５によって制御される。尚、金属充填装置３０において、配管１１は、ハウジングＣの下端側の側壁を貫通して設けられている。
【００８０】
また、金属充填装置３０では、制御装置１５により昇降機構１６の作動を制御し、保持台Ｈを上昇させて、ハウジングＣの下端面と保持台Ｈに保持された半導体ウェハＫの表面とを当接させることで処理室２を形成する。尚、処理室２を形成した際、ハウジングＣの下端面と半導体ウェハＫ表面との間は、Ｏリング１４によって気密性が保たれる。
【００８１】
尚、前記溶融金属回収機構８の制御弁８ｂは、閉鎖、絞りを介した開放、全開放の３つの状態に切り換えることができるようになっている。
【００８２】
そして、この金属充填装置３０によれば、まず、保持台ＨとハウジングＣとを離反させた状態で、保持台Ｈ上に半導体ウェハＫを載置し、制御装置１５による制御の下、昇降機構１６を作動させて保持台ＨをハウジングＣに向け上昇させ、当該保持台Ｈ上に載置した半導体ウェハＫの表面とハウジングＣの下端面とを当接させることにより、処理室２を形成する。
【００８３】
次に、制御装置１５による制御の下、前記押付加圧機構５’を作動させて、処理室２の容積が極力小さな容積となるように、ピストンＰを保持台Ｈ上に保持された半導体ウェハＫに近づけた後、制御装置１５によって制御弁３ｂを開くとともに、真空ポンプ３ａを作動させて、処理室２内を略真空状態にまで減圧する。しかる後、制御装置１５によって制御弁３ｂを閉じるとともに、真空ポンプ３ａの作動を停止させる一方、制御弁４ｂを開いて、処理室２内に溶融金属Ｍを加圧供給する。そして、処理室２内を溶融金属Ｍで完全に満たした後、制御装置１５によって制御弁４ｂを閉じ、処理室２内への溶融金属Ｍの供給を停止する。このようにすれば、処理室２内が溶融金属Ｍで完全に満たされるため、溶融金属Ｍが半導体ウェハＫの表面で弾かれることがなく、半導体ウェハＫ表面が溶融金属Ｍによって均一に覆われた状態となる。尚、上述したように、ハウジングＣの下端面と半導体ウェハＫの表面との間にＯリング１４を介装して気密性を保つようにしているため、処理室２内に溶融金属Ｍを供給した際に、溶融金属Ｍが半導体ウェハＫの裏面に回り込むのが防止される。
【００８４】
そして、処理室２内への溶融金属Ｍの供給を停止した後、制御装置１５によって制御弁８ｂを、絞りを介した開放状態にするとともに、制御装置１５による制御の下、押付加圧機構５’を作動させてピストンＰを半導体ウェハＫに向けて移動させる。その際、制御弁８ｂを、絞りを介した開放状態にしているため、ピストンＰを移動することにより、溶融金属Ｍが適切に加圧された状態のまま、余剰溶融金属Ｍが溶融金属回収部８ａへ押し出される。そして、ピストンＰを更に移動させて、溶融金属封止部６ａを半導体ウェハＫの表面に当接させることで、当該溶融金属封止部６ａの内側領域に溶融金属Ｍが閉じ込められて半導体ウェハＫの前記内側領域内により高い圧力がかかり、溶融金属Ｍが半導体ウェハＫの微小空間内に押し込められる。
【００８５】
しかる後、制御装置１５によって制御弁８ｂを全開放の状態にするとともに、制御弁７ｂ’を開き、ガス供給部７ａ’を作動させて、当該ガス供給部７ａ’から処理室２内に不活性ガスを供給し、溶融金属封止部６ａの内側領域以外の部分に残留する余剰溶融金属Ｍ’を溶融金属回収部８ａに排出する。尚、この排出工程においては、溶融金属回収部８ａを略大気圧に維持するようにしているため、低いガス圧でも溶融金属回収部８ａに余剰溶融金属Ｍが容易に排出されるようになっている。そして、余剰溶融金属Ｍを溶融金属回収部８ａに排出した後、制御装置１５によってガス供給部７ａ’の作動を停止させ、半導体ウェハＫの微小空間内に充填された溶融金属Ｍが冷却硬化するまで待機する。
【００８６】
その後、制御装置１５による制御の下、押付加圧機構５’を作動させてピストンＰを上昇させるとともに、昇降機構１６を作動させて保持台Ｈを下降させ、最後に、保持台Ｈから半導体ウェハＫを取り外す。
【００８７】
このように、上記金属充填装置３０によれば、処理室２内を溶融金属Ｍで完全に満たすようにすることで、半導体ウェハＫの表面で溶融金属Ｍが弾かれるのが防止され、半導体ウェハＫの全面を溶融金属Ｍによって均一に覆うことができる。また、処理室２内を溶融金属Ｍで完全に満たした状態でピストンＰを半導体ウェハＫに向けて移動させることで、溶融金属Ｍを半導体ウェハＫの微小空間内に押し込めることができ、更に、押付部６を半導体ウェハＫの表面に押し付けることで、溶融金属封止部６ａの働きによっても溶融金属Ｍを微小空間内に押し込めることができるため、効果的に金属充填を行うことができる。
【００８８】
更に、半導体ウェハＫの表面に押付部６を押し付けることで、半導体ウェハＫ上から余剰溶融金属が押し出されるため、処理後の半導体ウェハＫ表面に形成される残渣の量を減少させることができる。
【００８９】
また、溶融金属封止部６ａを設けたことにより、当該溶融金属封止部６ａの内側領域に溶融金属Ｍを閉じ込めることができるため、内側領域以外の余剰溶融金属Ｍ’だけを送気機構７’によって溶融金属回収部８ａに排出することができ、処理後に、余剰溶融金属がハウジングＣの内周面と押付部６の外周面との隙間で硬化してピストンＰの昇降動作を妨げる、或いは、半導体ウェハＫとハウジングＣとが固着するという問題が発生するのを防止することができる。
【００９０】
更に、上記金属充填装置３０は、ピストンＰを保持台Ｈ上に保持された半導体ウェハＫに近づけることで、処理室２の容積を極力小さな容積に変化させることができるため、処理室２内に供給すべき溶融金属Ｍの量を抑えることができ、金属を液体状態で貯留しておくために必要な加熱系の大容量化、材料の消費量増加といった装置コストやランニングコストの増加を抑えることができる。
【００９１】
尚、上記金属充填装置３０においては、制御弁８ｂの絞りを介すことで、溶融金属Ｍの加圧状態を維持したまま、処理室２内から余剰溶融金属Ｍ’を押し出す構成を説明したが、これに限られるものではなく、例えば、処理室２内の溶融金属Ｍの加圧状態を維持するように溶融金属回収部８ａを不活性ガスなどで平衡加圧した状態で、ピストンＰを移動させて余剰溶融金属Ｍ’を押し出す構成としても良い。
【００９２】
また、上記２つの金属充填装置１，３０においては、ハウジングＣの側壁を貫通して設けられた各配管を介して、処理室２内への溶融金属Ｍの供給及び処理室２内の排気を行う構成としたが、これに限られるものではなく、ピストンＰにおける半導体ウェハＫの表面と対向する面に開口するように当該ピストンＰに形成された配管を介して、処理室２内への溶融金属Ｍの供給及び処理室２内の排気を行う構成としても良い。このような構成を備えた金属充填装置４０について、図１６〜図２１を参照して、以下説明する。尚、金属充填装置１，３０の構成と同じ構成要素には同じ符号を付し、その詳しい説明を省略する。
【００９３】
図１６に示すように、金属充填装置４０は、保持台Ｈ、ハウジングＣ、ピストンＰ、昇降機構１６、押付加圧機構５’、減圧機構３、溶融金属供給機構４及び制御装置１５から構成されている。
【００９４】
前記真空ポンプ３ａと処理室２とは、ピストンＰの、保持台Ｈに保持される半導体ウェハＫ表面と対向する面の中心近傍に一端が開口した配管１１’によって接続されており、処理室２内の気体は、当該配管１１’を介して排気される。また、溶融金属供給部４ａと処理室２とは、同様に、一端がピストンＰの前記対向する面の中心近傍に開口した配管９’によって接続されており、溶融金属Ｍは、当該配管９’を介して処理室２内に供給される。また、前記配管１１’のピストンＰ側の開口部には、制御装置１５によりその開閉が制御されるゲートバルブ３ｃが設けられ、前記配管９’のピストンＰ側の開口部には、同様に、制御装置１５によりその開閉が制御されるゲートバルブ４ｃが設けられている。
【００９５】
また、ピストンＰとハウジングＣとの間には、２つのＯリング１３ｂ，１３ｃが介装されており、Ｏリング１３ｃはピストンＰの下端側に固定され、Ｏリング１３ｂはハウジングＣの上端側に固定されている。
【００９６】
尚、金属充填装置４０におけるピストンＰは、その保持台Ｈに対向する側に押付部を設けていない構成としたが、押付部を設けた場合には、前記２つの配管９’，１１’の一端は、押付部の、保持台Ｈに保持される半導体ウェハＫ表面と対向する面の中心近傍に開口するようにすれば良い。
【００９７】
次に、この金属充填装置４０によって、半導体ウェハＫの微小空間内に溶融金属Ｍを充填する過程について、図１７〜図２１を参照して説明する。
【００９８】
まず、制御装置１５による制御の下、昇降機構１６を作動させ保持台Ｈを下降させた後、半導体ウェハＫを保持台Ｈ上に載置し、ついで、昇降機構１６によって保持台Ｈを上昇させて、半導体ウェハＫの表面とハウジングＣの下端面とを当接させ、気密状の処理室２を形成する。その後、制御装置１５による制御の下、前記押付加圧機構５’を作動させて、処理室２の容積が極力小さい容積となるように、ピストンＰを保持台Ｈ上に保持された半導体ウェハＫに近づける。しかる後、制御装置１５により真空ポンプ３ａを作動させるとともに、配管１１’の制御弁３ｂ及びゲートバルブ３ｃを開き、処理室２内の気体を排気して当該処理室２内を略真空状態にまで減圧する（図１７参照）。
【００９９】
次に、図１８に示すように、制御装置１５によって制御弁３ｂ及びゲートバルブ３ｃを閉じるとともに、真空ポンプ３ａの作動を停止する。そして、処理室２内の減圧状態を維持したまま、制御装置１５によって配管９’の制御弁４ｂ及びゲートバルブ４ｃを開き、溶融金属供給部４ａから溶融金属Ｍを加圧供給し、処理室２内を溶融金属Ｍで完全に満たす。このように、処理室２内を溶融金属Ｍで完全に満たすことによって、上述と同様、溶融金属Ｍが半導体ウェハＫの表面で弾かれるのが防止され、半導体ウェハＫ表面が溶融金属Ｍによって均一に覆われる。
【０１００】
ついで、図１９に示すように、制御弁４ｂ及びゲートバルブ４ｃを開いた状態のまま、制御装置１５による制御の下、押付加圧機構５’を作動させて、ピストンＰを半導体ウェハＫの表面に向けて移動させる。その際、溶融金属供給部４ａにおける溶融金属Ｍの供給圧より大きい力でもってピストンＰを移動させて処理室２の容積を狭め、処理室２内から溶融金属供給部４ａに溶融金属Ｍを押し戻すように構成すれば、溶融金属Ｍが供給圧と同じ力で加圧された状態が維持される。また、上述したように、溶融金属Ｍの供給圧よりも大きな力でもってピストンＰを移動させることで、余剰溶融金属Ｍが配管９’を介して溶融金属供給部４ａに押し戻される。
【０１０１】
そして、ピストンＰを更に移動させて当該ピストンＰを半導体ウェハＫに押し付けた状態で放置し（図２０参照）、しかる後、制御装置１５によって制御弁４ｂ及びゲートバルブ４ｃを閉じ、溶融金属Ｍの温度が融点以下となるまで冷却して、半導体ウェハＫの微小空間に充填された溶融金属Ｍが冷却硬化するまで待機する。
【０１０２】
尚、溶融金属供給部４ａの供給圧力ではボイドを生じることなく微小空間内に金属充填する圧力が得られない場合には、ピストンＰを半導体ウェハＫに押し付ける前の段階でゲートバルブ４ｃを閉じ、処理室２内に閉じ込められた溶融金属ＭをピストンＰで更に加圧することで、ボイドを生じずに微小空間内に金属充填する圧力を得ることができる。この場合、半導体ウェハＫ上の余剰溶融金属が必要最低限になるように、ゲートバルブ４ｃを閉じるタイミングを制御装置１５によって制御する。そして、この状態で溶融金属Ｍの温度が融点以下となるまで冷却して、半導体ウェハＫの微小空間内に充填された溶融金属Ｍが冷却硬化するまで待機すれば良い。
【０１０３】
その後、図２１に示すように、制御装置１５による制御の下、押付加圧機構５’を作動させてピストンＰを上昇させ、更に、昇降機構１６を作動させて保持台Ｈを下降させることにより処理室２を開放し、最後に保持台Ｈから半導体ウェハＫを取り出す。
【０１０４】
このように、上記金属充填装置４０においても、処理室２内を溶融金属Ｍで完全に満たすようにしているため、半導体ウェハＫの表面で溶融金属Ｍが弾かれるのが防止され、半導体ウェハＫの全面を溶融金属Ｍが均一に覆った状態にすることができる。また、処理室２内を溶融金属Ｍで完全に満たした状態で、ピストンＰを半導体ウェハＫに向けて移動させるようにしているため、当該溶融金属Ｍを微小空間内に充填することができる。また、半導体ウェハＫの表面にピストンＰを押し付け、半導体ウェハＫ上の余剰溶融金属Ｍを当該半導体ウェハＫ上から溶融金属供給部４ａに向けて押し出すようにしているため、処理後の半導体ウェハＫ表面に形成される残渣の量を減少させることができる。
【０１０５】
更に、処理室２の容積を小さく設定するようにしておくことで、上述したように、処理室２内に供給すべき溶融金属Ｍの量を抑えることができ、装置コストやランニングコストの増加を抑えることができる。
【０１０６】
また、上記金属充填装置４０においては、ハウジングＣに配管が接続されていないため、Ｏリング１３ｃをピストンＰの押付面近傍に配置することが可能となり、処理室２におけるハウジングＣとピストンＰとの隙間を極めて小さく設定することができる。これにより、前記隙間に残留する溶融金属Ｍを排出する工程を省略しても、ハウジングＣとピストンＰとが硬化した金属によって固着する問題を回避することができ、更に、押付部に封止部を設けない構造として有効処理面積を拡大することができる。
【０１０７】
尚、上記金属充填装置４０においては、ピストンＰに２つの配管を設けた構成としたが、２つの配管の内、一方をピストンＰに設け、他方をハウジングＣに設けた構成としても良い。この場合、ピストンＰに設けた配管を介して溶融金属の供給を行い、ハウジングＣに設けた配管を介して処理室２内の排気を行うようにしても良いし、反対に、ピストンＰに設けた配管を介して処理室２内の排気を行い、ハウジングＣに設けた配管を介して溶融金属の供給を行うようにしても良い。
【０１０８】
また、上記金属充填装置４０において、処理室２内に供給された溶融金属Ｍを再利用することが好ましくない場合には、図２２に示す金属充填装置５０のように、溶融金属回収機構８を設けるようにしても良い。また、この場合、溶融金属回収機構８の溶融金属回収部８ａは、配管９’を介して処理室２内の余剰溶融金属Ｍを回収するようにしても良いし、ピストンＰに別途配管を形成し、当該配管を介して回収するようにしても良い。また、上記金属充填装置１，３０において、溶融金属Ｍを再利用する場合には、溶融金属回収部を別途設けることなく、金属充填装置４０のように、余剰溶融金属を溶融金属供給部に戻すようにしても良い。
【産業上の利用可能性】
【０１０９】
以上説明したように、本発明は、被処理物表面上の微小空間（ビア，貫通孔）に溶融金属を充填する金属充填装置に好適に利用できるものである。
【符号の説明】
【０１１０】
１ 金属充填装置
２ 処理室
３ 減圧機構
４ 溶融金属供給機構
５ 押付機構
６ 押付部
７ 加圧ガス供給機構
８ 溶融金属回収機構
１５ 制御装置
１６ 昇降機構
Ｃ ハウジング
Ｈ 保持台
Ｋ 半導体ウェハ
Ｐ ピストン
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被処理物表面上に形成された微小空間内に溶融金属を充填する金属充填装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近時、シリコン貫通電極（Through Silicon via）技術において、半導体ウェハ（被処理物）上に設けたビアや貫通孔（微小空間）に金属を充填する技術が求められている。シリコン貫通電極技術によれば、貫通電極を用いたチップ積層技術の開発が可能となることから、三次元実装による高機能・高速動作の半導体システムの実現が期待されている。
【０００３】
そして、上記のように、被処理物上の微小空間内に金属を充填する方法としては、例えば、特開２００２−３６８０８３号公報に開示された方法が知られている。
【０００４】
特開２００２−３６８０８３号公報に開示された方法は、減圧したチャンバ内で、金属を充填すべき微小空間が形成された試料の一面に、その微小空間を覆うように溶融金属を供給した後、真空チャンバ内を不活性ガスで大気圧以上に加圧することにより、溶融金属を微小空間内に真空吸引させる方法である。この方法によれば、被処理物上の微小空間内と真空チャンバ内との間に生じた圧力差によって、溶融金属を微小空間内に真空吸引させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３６８０８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、被処理物と溶融金属との濡れ性が悪い場合、被処理物上に供給した溶融金属が表面張力によって弾かれるという問題がある。そのため、上記従来の金属充填方法において、微小空間を覆うように溶融金属を供給する際に、被処理物の一面を大量の溶融金属で覆う必要があった。しかしながら、このように被処理物上に大量の溶融金属を供給した場合、処理後の被処理物上に余剰金属からなる分厚い層が形成され、後工程においてこれを除去しなければならなかった。
【０００７】
また、大量の溶融金属を供給するためには、加熱系の大容量化や溶融金属の性質維持手段の構築、材料の消費量増加などといった装置コストやランニングコストの増加を避けることができなかった。
【０００８】
本発明は、以上の実情に鑑みなされたものであって、処理後の被処理物上に形成される余剰金属からなる層の厚さを最小限の厚さにすることができるとともに、被処理物上に開口するように形成された微小空間（ビア，貫通孔）に溶融金属を充填することのできる金属充填装置の提供をその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、被処理物表面の、当該表面に開口するように形成された微小空間内に、当該被処理物上に供給した溶融金属を充填する金属充填装置に関する。
【００１０】
上記金属充填装置は、
前記被処理物を保持する保持部と、
内部空間を有し、一端が前記保持部と対向して設けられる筒状部材と、
前記筒状部材の内部空間内に進退自在に嵌入された押付部材と、
前記保持部に保持される被処理物に対して前記押付部材を進退させる押付機構と、
前記保持部及び筒状部材のうち少なくとも一方を、他方に対し接近、離反する方向に移動させる移動機構とを備え、
前記保持部に保持される被処理物又は前記保持部と、前記筒状部材及び前記押付部材とによって気密状の処理室が形成され、
更に、前記処理室内を減圧する減圧機構と、
前記処理室内に溶融金属を供給する溶融金属供給機構と、
前記処理室内に供給される溶融金属を加圧する加圧機構とを備えるとともに、
前記処理室は、前記押付部材の進退位置によってその容積が変化するように構成されている。
【００１１】
この金属充填装置によれば、まず、移動機構によって保持部と筒状部材とを、両者が離反した状態にした上で、表面に微小空間が形成された被処理物を、その表面が押付部材と対向するように保持部に配置し、ついで、移動機構によって保持部と筒状部材とを接近させ、筒状部材の一端を保持部に保持された被処理物又は保持部に当接させる。これにより、被処理物又は保持部と、筒状部材及び押付部材とによって囲まれた気密状の処理室が形成される。尚、被処理物の比重よりも溶融金属の比重の方が大きい場合には、前記筒状部材の一端を被処理物に当接させた状態で、被処理物、筒状部材及び押付部材により処理室を形成することで、当該処理室内に溶融金属を供給した際に、被処理物が保持部上から浮き上がるのを防止することができる。
【００１２】
しかる後、減圧機構によって処理室内の気体を排気して、処理室内を減圧した後、溶融金属供給機構によって、処理室内（被処理物と押付部材との間）に溶融金属を供給する。その後、加圧機構により処理室内に供給された溶融金属を加圧することで、微小空間内に溶融金属が充填される。尚、このように、処理室内を減圧した後に当該処理室内に溶融金属を供給することで、ボイドの発生を低減することができる。
【００１３】
そして、上記金属充填装置においては、その後、押付機構によって押付部材を被処理物に向けて移動させ、当該押付部材を被処理物に押し当てる。これにより、処理室の容積が絞られる、言い換えれば、被処理物と押付部材との間の隙間が狭められるため、被処理物上の余剰溶融金属が当該被処理物と押付部材との間から押し出される。したがって、処理後の被処理物上に形成される余剰金属からなる層の厚さを最小限の厚さにすることができる。尚、この際、余剰溶融金属は、溶融金属供給機構に押し戻されるようにしても良いし、或いは、溶融金属を供給した後の処理室内に空間が残されている場合には、その残された空間内に押し出されるようにしても良い。
【００１４】
また、上記金属充填装置における加圧機構は、処理室内に加圧気体を供給する加圧気体供給機構であっても良い。このようにすれば、溶融金属を供給した処理室内に加圧気体を供給することによって、当該処理室内に供給した溶融金属を気体により加圧することができ、所謂差圧充填によって溶融金属を微小空間内に充填することができる。更に、溶融金属を気体により加圧することによって、被処理物上で溶融金属が弾かれるのを防止することができる。
【００１５】
また、上記金属充填装置において、溶融金属供給機構は、処理室内を溶融金属で完全に満たすように、当該処理室内に溶融金属を供給するように構成しても良い。このようにすれば、被処理物上で溶融金属が弾かれることがなく、被処理物上に溶融金属を均一に広げることができる。また、処理室内を溶融金属で完全に満たした状態で、前記押付部材を被処理物に向けて移動させることにより、押付部材によって処理室内に供給された溶融金属を加圧することができるため、被処理物上の微小空間内に溶融金属を押し込むことができる。この場合、前記押付機構は加圧機構としても機能する。また、前記押付部材を被処理物に向けて移動させることにより、押付部材と被処理物との間から余剰溶融金属を押し出すことができる。尚、押し出された余剰溶融金属は、溶融金属供給機構に戻される。また、予め押付部材を被処理物に接近させて、処理室の容積を極力小さくしてから溶融金属を供給するようにすることで、処理室内を完全に満たすために必要な溶融金属の量を減らすことができる。
【００１６】
また、溶融金属供給機構は、処理室内を溶融金属で完全に満たすように、当該処理室内に溶融金属を加圧供給するように構成しても良い。このようにすれば、濡れ性が非常に悪く、弾く力が非常に強い場合でも、上述したように、被処理物上で溶融金属が弾かれることがなく、被処理物上に溶融金属を均一に広げることができ、また、処理室内に溶融金属を加圧供給し、溶融金属の供給圧によって処理室内に供給された溶融金属を加圧することができるため、被処理物上の微小空間内に溶融金属を押し込むことができる。この場合、前記溶融金属供給機構は、加圧機構としても機能する。
【００１７】
更に、上記金属充填装置は、一端が筒状部材の内壁面に開口した通気路を備えるとともに、一端が筒状部材の内壁面に開口した供給路を備え、減圧機構は、通気路を介して処理室内の気体を排気して処理室内を減圧するように構成し、溶融金属供給機構は、供給路を介して処理室内に溶融金属を供給するように構成することが好ましい。
【００１８】
また、上記金属充填装置は、一端が押付部材の前記保持部に対向する面に開口するように当該押付部材に形成された通気路を備えるとともに、一端が前記対向する面に開口するように押付部材に形成された供給路を備え、減圧機構は、前記通気路を介して処理室内の気体を排気し、当該処理室内を減圧するように構成し、溶融金属供給機構は、供給路を介して処理室内に溶融金属を供給するように構成しても良い。
【００１９】
また、本発明においては、上記金属充填装置は、溶融金属供給機構によって供給された溶融金属を押付部材と被処理物表面との間に閉じ込める溶融金属封止部を押付部材に設けることが好ましい。このようにすれば、押付部材を被処理物表面に押し付けた際に、溶融金属封止部の働きにより、溶融金属を押付部材と被処理物表面との間に閉じ込めるので、被処理物の処理面全体に高い圧力をかけることが可能となり、溶融金属を被処理物上に形成された微小空間内に隙間なく充填することができる。
【００２０】
即ち、前記溶融金属を前記押付部材と前記被処理物との間に閉じ込めることにより、溶融金属が被処理物上の概ね全領域において封止された状態となり、溶融金属に適切な圧力をかけて被処理物全体の微小空間内に当該溶融金属を押し込むことが可能となる。これにより、微小空間内に溶融金属を隙間なく押し込み、充填時におけるボイドの発生を回避し、高精度の金属充填を実現することができる。
【００２１】
尚、本発明において、被処理物上に形成される微小空間の大きさは、典型的にはその直径が０．１μｍ〜数十μｍのものを想定している。また、溶融金属が入り込むものであれば、その形成方法やアスペクト比などの形態は問わず、貫通孔であるか否かも問わない。また、その形状も限定されず、直線状、曲線状、クランク状など任意の形状であって良く、分岐の有無も問わない。更に、非貫通孔であれば、その深さは、被処理物の厚さに応じて数百μｍ以下で任意のものとすることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明に係る金属充填装置によれば、処理後の被処理物上に形成される余剰金属からなる層の厚さを最小限の厚さにすることができるとともに、被処理物上に開口するように形成された微小空間（ビア，貫通孔）に溶融金属を充填することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施形態に係る金属充填装置の概略構成を示した断面図である。
【図２】上記実施形態の金属充填装置の動作フローを示す説明図である。
【図３】上記実施形態の金属充填装置の動作フローを示す説明図である。
【図４】上記実施形態の金属充填装置の動作フローを示す説明図である。
【図５】上記実施形態の金属充填装置の動作フローを示す説明図である。
【図６】上記実施形態の金属充填装置の動作フローを示す説明図である。
【図７】上記実施形態の金属充填装置の動作フローを示す説明図である。
【図８】上記実施形態の金属充填装置の動作フローを示す説明図である。
【図９】（ａ）は、ピストンに、溶融金属封止部を設ける構成例を示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のピストンを半導体ウェハに向けて下降させたときの様子を示す断面図である。
【図１０】ピストンに、溶融金属封止部を設ける更なる構成例を示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のピストンを半導体ウェハに向けて下降させたときの様子を示す断面図である。
【図１１】（ａ）は、ピストンに設ける溶融金属封止部の更なる構成例を示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のピストンを半導体ウェハに向けて下降させたときの様子を示す断面図である。
【図１２】（ａ）は、ピストンに設ける溶融金属封止部の更なる構成例を示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のピストンを半導体ウェハに向けて下降させたときの様子を示す断面図である。
【図１３】（ａ）は、ピストンに設ける溶融金属封止部の更なる構成例を示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のピストンを半導体ウェハに向けて下降させたときの様子を示す断面図である。
【図１４】（ａ）は、金属充填前の半導体ウェハ上の微小空間を示す断面図であり、（ｂ）は、良好に金属充填された上記微小空間を示す断面図であり、（ｃ）は充填不良を生じた上記微小空間を示す断面図である。
【図１５】本発明の他の実施形態に係る金属充填装置の概略構成を示した断面図である。
【図１６】本発明の他の実施形態に係る金属充填装置の概略構成を示した断面図である。
【図１７】他の実施形態に係る金属充填装置の動作フローを示す説明図である。
【図１８】他の実施形態に係る金属充填装置の動作フローを示す説明図である。
【図１９】他の実施形態に係る金属充填装置の動作フローを示す説明図である。
【図２０】他の実施形態に係る金属充填装置の動作フローを示す説明図である。
【図２１】他の実施形態に係る金属充填装置の動作フローを示す説明図である。
【図２２】本発明の他の実施形態に係る金属充填装置の概略構成を示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の具体的な実施形態について、添付図面に基づき説明する。
【００２５】
〔１．金属充填装置の構成〕
【００２６】
図１に示すように、本実施例の金属充填装置１は、半導体ウェハ（被処理物）Ｋ表面に開口するように形成された微小空間内に溶融金属Ｍを充填する金属充填装置であって、半導体ウェハＫがその前記表面を上にして保持される保持台Ｈと、内部に空間が形成され、下端面が前記保持台Ｈと対向して配設された筒状のハウジングＣと、保持台Ｈに保持される半導体ウェハＫの表面に対して進退自在に設けられた押付部材たるピストンＰと、前記保持台Ｈを前記ハウジングＣに接近、離反させる昇降機構１６と、前記ピストンＰを進退させる押付機構５とを備えてなり、前記保持台Ｈに保持された半導体ウェハＫ、ハウジングＣ及びピストンＰによって気密状の処理室２が形成される。
【００２７】
また、当該金属充填装置１は、前記処理室２内の気体を排気して、当該処理室２内を減圧する減圧機構３と、処理室２内に溶融金属Ｍを供給する溶融金属供給機構４と、処理室２内に不活性ガスを供給するガス加圧機構７と、処理室２内に供給された溶融金属Ｍを回収する溶融金属回収機構８と、前記昇降機構１６、押付機構５、減圧機構３、溶融金属供給機構４、ガス加圧機構７及び溶融金属回収機構８の作動を制御する制御装置１５とを備えている。
【００２８】
前記保持台Ｈは、前記昇降機構１６によって昇降するようになっており、この保持台ＨをハウジングＣに向けて上昇させ、保持台Ｈの上面をハウジングＣの下端面に当接させることにより、気密状の処理室２が形成される。尚、前記昇降機構１６は、トルクモータなどから構成されており、前記制御装置１５によってその作動が制御される。
【００２９】
前記ピストンＰは、その保持台Ｈに対向する側に、耐熱性を有するステンレス４４０Ｃ（またはステンレス３０４）で構成された押付部６が設けられている。尚、ステンレスは、高温環境下で使用しても表面状態が安定しており、十分な硬さを有している点で押付部６の素材として優れている。また、ピストンＰは、前記ハウジングＣの上側開口部から嵌挿され、押付機構５によって軸線方向に進退するようになっている。尚、ピストンＰの外周面とハウジングＣの内周面との間には、Ｏリング１３が介装されており、両者の間がこのＯリング１３によってシールされている。また、ピストンＰのフランジ部とハウジングＣの上端面との間には、ベローズシール１７が設けられており、当該ベローズシール１７によって、ピストンＰとハウジングＣとの間の気密性を更に高めている。
【００３０】
また、押付部６の表面のうち、少なくとも溶融金属Ｍと接する領域は、電解研磨されて鏡面加工が施されている。このような鏡面加工処理の結果、試作した金属充填装置１において、押付部６の表面粗さは、十点平均粗さ（Ｒｚ）で０．３μｍ以下、最大高さ（Ｒｙ）で０．５μｍ以下、凹凸平均距離（Ｓｍ）で１０μｍ以上となっている。このように、押付部６の表面粗さ（十点平均粗さ）を、０．３μｍ以下として、押付部６の金属表面を滑らかなものとしておけば、溶融金属Ｍが押付部６側に固着することを防ぐことができるので、押付部６を半導体ウェハＫから引き離すときにも、冷却硬化した溶融金属Ｍは押付部６の金属表面から容易に剥離され、充填不良や半導体ウェハＫの割れなどを効果的に回避することが可能となる。
【００３１】
尚、本願で表面粗さというときは、ＪＩＳ規格の十点平均粗さのことを指す。
【００３２】
更に、押付部６の表面には、ＤＬＣ皮膜処理（離型処理）が施されており、強い力で押付部６を溶融金属に押し付けたとしても、当該溶融金属Ｍが硬化しても容易に押付部６から剥離されるようになっている。
【００３３】
離型処理としては、ＤＬＣ処理の他、ＣｒＮコーティング処理、ＴｉＮコーティング処理、サーフ処理などを好適に用いることができる。また、押付部６は、前述の通り、ステンレスの金属製なので十分な硬度を有しており、試作した金属充填装置１においては、上述の鏡面加工処理ないし離型処理を施した状態で、そのマイクロビッカース硬さ（Ｈｖ）は１２００より大きかった。
【００３４】
また、金属製の押付部６は、加熱加圧による変形も比較的少なく、上記のように、十分な硬度を有しているので、その表面に施したコーティング処理が落ちにくく、コーティング処理の効果を長寿命化することができる。
【００３５】
前記押付機構５は、所謂油圧シリンダ機構であって、ピストンＰを進退させる駆動力を与える機構であり、ピストンＰの押付部６を所定の押圧力で半導体ウェハＫに押し付けることができる。尚、図示していないが、この押付機構５は、図中上側の部屋及び図中下側の部屋に圧油を供給する配管がそれぞれ接続され、当該各配管にはその作動が前記制御装置によって制御される切換弁が設けられており、前記ピストンＰは、前記上側の部屋に圧油が供給されると下側に移動し、前記下側の部屋に圧油が供給されると上側に移動する。
【００３６】
前記減圧機構３は、ハウジングＣの上端側の側壁を貫通して設けられた配管１１によって処理室２と接続された真空ポンプ３ａと、配管１１の、真空ポンプ３ａと処理室２との間に設けられた制御弁３ｂとからなり、真空ポンプ３ａによって処理室２内の空気を排気して、処理室２内を減圧する機構である。尚、前記真空ポンプの作動及び前記制御弁３ｂの開閉は、前記制御装置１５によって制御されている。
【００３７】
また、前記溶融金属供給機構４は、ハウジングＣの下端側の側壁を貫通して設けられた配管９によって処理室２と接続された溶融金属供給部４ａと、配管９の、溶融金属供給部４ａと処理室２との間に設けられた制御弁４ｂとからなり、所定の供給圧でもって溶融金属供給部４ａから処理室２内に溶融金属Ｍを供給する機構であり、前記制御弁４ｂはその開閉が前記制御装置１５によって制御されている。
【００３８】
溶融金属供給部４ａには、金属充填に用いられる溶融金属Ｍがその融点より高い温度で熱せられており、液体状でストックされている。本実施例において、金属充填に用いられる溶融金属Ｍは、融点約２００℃の鉛フリー半田である。半田のように比較的融点の低い金属は取り扱いが容易である点において優れているが、本発明における溶融金属Ｍの種類は、半田に限定されるものではなく、微小空間を埋める目的やその機能に応じて、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ａｌ，Ｎｉ，Ｓｎ，Ｉｎ，Ｂｉ，Ｚｎやこれらの合金など任意のものを採用することができる。
【００３９】
また、前記加圧ガス供給機構７は、配管１０によって配管１１及び配管９と接続された加圧ガス供給部７ａと、配管１０の、配管１１と加圧ガス供給部７ａとの間に設けられた制御弁７ｂと、配管９と加圧ガス供給部７ａとの間に設けられた制御弁７ｃとからなり、配管９、配管１０及び配管１１を介して、加圧ガス供給部７ａから処理室２内に不活性ガスを供給する機構である。尚、前記加圧ガス供給部７ａの作動及び２つの制御弁７ｂ，７ｃの開閉は、前記制御装置１５によって制御される。
【００４０】
前記溶融金属回収機構８は、ハウジングＣの下端側の側壁を貫通して設けられた配管１２によって処理室２に接続された溶融金属回収部８ａと、配管１２の、溶融金属回収部８ａと処理室２との間に設けられた制御弁８ｂとからなり、処理室２内の溶融金属を回収する機構であって、制御弁８ｂは、その開閉が制御装置１５により制御される。尚、溶融金属回収部８ａとしては、回収タンクと、この回収タンクに接続された排気装置とからなる構成を例示することができる。
【００４１】
〔２．金属充填の手順〕
【００４２】
次に、図２乃至図８を用いて、本実施例の金属充填装置１における金属充填の手順を説明する。
【００４３】
まず、制御装置１５によって昇降機構１６の作動を制御し、保持台Ｈを下降させることにより、保持台Ｈの上面をハウジングＣの下端面から離反させた後、表面上に微小空間を形成した半導体ウェハＫを、その表面を上にした状態で保持台Ｈ上に載置する。ついで、制御装置１５によって昇降機構１６の作動を制御し、保持台ＨをハウジングＣに向けて上昇させ、保持台Ｈの上面をハウジングＣの下端面に当接させることにより処理室２を形成する。尚、この際、前記ハウジングＣの下端面を半導体ウェハＫの表面に当接させ、半導体ウェハＫを保持台Ｈ上に押さえ付けるようにしている。
【００４４】
しかる後、図２に示すように、制御装置１５による制御の下、真空ポンプ３ａを作動させるとともに、配管１１の制御弁３ｂを開いて、処理室２内の気体を排気し、処理室２内及び微小空間内を略真空状態にまで減圧する。
【００４５】
次に、図３に示すように、真空ポンプ３ａによる減圧を続け、処理室２内を略真空状態に保ったままの状態で、制御装置１５によって配管９の制御弁４ｂを開き、溶融金属供給部４ａから融点以上に熱した液体状の溶融金属Ｍを、半導体ウェハＫの表面で弾かれることなく当該半導体ウェハＫの全面を覆える量に達するまで、処理室２の内部に供給していく。尚、金属充填装置１においては、配管１１をハウジングＣの上端側に貫通して設けた、即ち、配管１１を、供給される溶融金属の液面より十分上方に設けたことにより、真空ポンプ３ａによる減圧を続けた状態で、溶融金属Ｍを供給することが可能となっているが、真空ポンプ３ａ内に溶融金属Ｍが吸引されてしまうことがないように、適切なタイミングで溶融金属Ｍの供給を停止するのが好ましい。また、上述したように、半導体ウェハＫを保持台Ｈ上に押さえ付けるようにすることで、例えば、シリコン（比重：約２．５）からなる半導体ウェハ上に半田（比重：約９．０）を供給したとしても、半導体ウェハが保持台上から浮き上がらないようにしている。
【００４６】
また、後述の押し付け工程に入る前に溶融金属Ｍが冷却硬化することは好ましくないので、この段階では、適宜加熱機構によって、処理室２の内部の温度を溶融金属Ｍの融点以上の温度に保っておき、溶融金属Ｍが液体のままであるようにしておく必要がある。
【００４７】
十分な分量の溶融金属Ｍを処理室２の内部に供給したならば、図４に示すように、制御装置１５により配管９の制御弁４ｂを閉じ、ついで、制御装置１５による制御の下、押付機構５を作動させて、処理室２内のピストンＰを、半導体ウェハＫに対してゆっくりと進めて近づけていき、押付部６の表面を処理室２の内部に供給された溶融金属Ｍ中に沈める。このように、処理室２内が略真空状態のまま、押付部６の表面を溶融金属Ｍ中に沈めることにより、押付部６と溶融金属Ｍとの間に気層ができることを回避することができる。
【００４８】
次に、図５に示すように、押付部６の表面を溶融金属Ｍ中に沈めたままの状態で、制御装置１５により配管１１の制御弁３ｂを閉じるとともに、真空ポンプ３ａの作動を停止して減圧を中止する一方、制御装置１５の制御の下、配管１０の制御弁７ｂを開くとともに、加圧ガス供給部７ａを作動させ、当該加圧ガス供給部７ａから加圧用の窒素ガス等を処理室２内に供給し、このガス圧により溶融金属Ｍを加圧して、所謂差圧充填により溶融金属Ｍを微小空間内に充填する。
【００４９】
次に、図６に示すように、制御装置１５によって押付機構５を作動させて、ピストンＰを半導体ウェハＫに向け更に移動させ押付部６を半導体ウェハＫの表面に押し付ける。これにより、押付部６と半導体ウェハＫとの間の余剰溶融金属が、半導体ウェハＫ上からハウジングＣの内周面とピストンＰの外周面との間の隙間に押し出される。したがって、処理後の半導体ウェハＫ表面に形成される残渣の量が減少する。尚、残渣とは、半導体ウェハＫ上で微小空間に入りきらなかった余剰溶融金属が半導体ウェハＫ上で硬化してできる層状の不要金属部分のことをいうが、当該金属部分は、全ての場合において不要という訳ではなく、配線層やコンタクト層として用いることができる場合もある。
【００５０】
そして、押付部６を半導体ウェハＫの表面に押し付けた状態でしばらく静止する。本実施例の金属充填装置１においては、上述したように、押付部６が溶融金属Ｍの液中に押し付けられた分、その分の溶融金属Ｍは、ハウジングＣの内周面とピストンＰの外周面との間の隙間へ移動するため、溶融金属Ｍの液面が上昇していく。この結果、半導体ウェハＫは、溶融金属Ｍの液面から深い位置で溶融金属Ｍに浸漬される状態となるので、押付部６と半導体ウェハＫとが接触し、溶融金属Ｍと半導体ウェハＫ及び押付部６との濡れ性の悪さによって、半導体ウェハＫ面で溶融金属Ｍが弾かれる力が強くなる状況になったとしても、半導体ウェハＫ面で溶融金属Ｍが膜切れする状態になり難い。尚、半導体ウェハＫの表面に押付部６を押し付けている間も加圧ガス供給部７によるガス加圧は継続しておくことが好ましい。これにより、充填する力が維持されるとともに、上述した膜切れを効果的に防ぐことができる。
【００５１】
次に、図７に示すように、押付部６を半導体ウェハＫの表面に押し付けた状態で、制御装置１５によって配管１０の制御弁７ｃを開くとともに、配管１２の制御弁８ｂを開いて、半導体ウェハＫの微小空間内に充填しきれない余剰の溶融金属Ｍを溶融金属回収部８ａへと回収する。余剰な溶融金属Ｍを回収しなければ、後述の冷却後、余剰溶融金属ＭがハウジングＣと押付部６との隙間で硬化してピストンＰの昇降動作を妨げる、或いは、半導体ウェハＫと処理室２の壁面とが固着するなどの問題が生じる。ただし、押付部６と半導体ウェハＫとの間にガスが入ると充填不良が発生するので、余剰金属を全て排出することはせず、押付部６の側壁とハウジングＣの内壁の隙間には溶融金属Ｍを残した状態としておく。この隙間に溶融金属Ｍを残す分量は、半導体ウェハＫ及び押付部６と溶融金属Ｍとの濡れ性、隙間の大きさにもよるが、高さにして数ｍｍ程度分残しておくことが好ましい。
【００５２】
そして、余剰な溶融金属Ｍを回収した後、制御装置１５による制御の下、配管１０の２つの制御弁７ｂ，７ｃを閉じて加圧用ガスの供給を停止するとともに、配管１２の制御弁８ｂを閉じる。しかる後、処理室２の内部の加熱又は保温を止め、溶融金属Ｍの温度が融点以下となるまで冷却し、半導体ウェハＫの微小空間に充填された溶融金属Ｍが冷却硬化するまで待機する。
【００５３】
次に、図８に示すように、制御装置１５による制御の下、押付機構５を作動させてピストンＰをゆっくり上昇させ、更に、昇降機構１６を作動させて、保持台Ｈを下降させることにより、処理室２を解放する。そして、金属充填処理を終えた半導体ウェハＫを保持台Ｈから取り出して、これから金属充填処理を行う新たな半導体ウェハＫと入れ替える。複数枚の半導体ウェハＫに金属充填を行う場合には、図２乃至図８に示した手順を適宜繰り返せばよい。
【００５４】
〔３．溶融金属封止部を設けた態様〕
【００５５】
次に、好ましい実施態様として、上記の構成において、溶融金属供給機構４によって供給された溶融金属Ｍを、押付部６と半導体ウェハＫとの間に閉じ込める溶融金属封止部を設ける構成例について説明する。
【００５６】
まず、溶融金属封止部を設ける第一の態様として、図９（ａ）に示すように、押付部６の下面に、円形の半導体ウェハＫの外周に沿うように、弾性体からなるリング形状をしたの封止部２０（溶融金属封止部）を設ける態様がある。同図においては、斜線を付した肉厚部の構成は省略してある（図１０〜図１３も同様である）。
【００５７】
本構成によれば、押付部６を半導体ウェハＫに接近させていったとき（図６参照）、余剰溶融金属Ｍを外部へと逃がして半導体ウェハＫ上で残渣となる余剰溶融金属Ｍの量を十分に減らすことができる。即ち、封止部２０が半導体ウェハＫと接触するまでは、封止部２０の内側領域の溶融金属Ｍは、当該領域の外部へと逃げられるのに対し、封止部２０が半導体ウェハＫに更に近づいて、半導体ウェハＫの表面と面接触（当接）すると、溶融金属Ｍは封止部２０の内側領域に閉じ込められる（図９（ｂ）参照）。
【００５８】
封止部２０、とりわけ弾性体からなる封止部２０を設けることにより、良好な封止性が得られる。そして、押付部６の押し付けによって封止部２０が変形し、封止領域が狭められるので、当該封止領域内の溶融金属Ｍに押付機構５の推力を用いて効率良く高い圧力をかけることができ、溶融金属Ｍを半導体ウェハＫ表面の微小空間の内部に隙間なく充填することができる。
【００５９】
本実施形態では、ガス加圧と封止部２０を備えた押付部６による加圧とを二段階で行うことにより、溶融金属Ｍと半導体ウェハＫとの濡れ性が悪くとも金属充填を行うことが可能である。具体的には、まずガス加圧を行い、その時のガス圧は、溶融金属Ｍが半導体ウェハＫと押付部６との隙間で膜切れすることがない程度の軽い圧力（例えば０．２ＭＰａ以下）としておく。そして、封止部２０を備えた押付部６の押し付けによって、封止部２０より内側にある半導体ウェハＫの処理面上全体の溶融金属Ｍに高い圧力をかけて充填処理ができる。このような方法を採用すれば、処理室の圧力容器性能を極端に高いものとせずとも、ガス加圧と押付加圧との二段階加圧によって効果的な金属充填を実現することができる。
【００６０】
更に、封止部２０を備えた押付部６を用いれば、続く余剰金属排出工程において、封止範囲外の余剰溶融金属Ｍ’をガスブローや液体リンスなどを用いて排出したとしても、封止範囲内にある微小空間の充填性には影響が及ばないため、より効果的に余剰溶融金属を回収することができる。即ち、本実施形態では、封止部２０が存在するので、金属充填装置１とは異なり、余剰溶融金属Ｍ’を全て排出したとしても、押付部６と半導体ウェハＫとの間にガスが入って充填不良が発生することはないので、封止範囲外の領域を清浄に保つことが可能となる。
【００６１】
また、溶融金属封止部を設ける第二の態様としては、図１０（ａ）に示すように、押付部６の下面において、半導体ウェハＫの外側の保持台Ｈと対向する位置に、円形の半導体ウェハＫと同心円状の弾性体からなる封止部２１（溶融金属封止部）を設ける態様がある。
【００６２】
本構成によれば、封止部２１は半導体ウェハＫの外部に設けられるので、封止部２１は半導体ウェハＫに接触することはなく、半導体ウェハＫの全面において溶融金属Ｍの充填処理を行うことが可能となる（図１０（ｂ）参照）。
【００６３】
以上の溶融金属封止部を形成する素材は、ある程度の弾力性と耐熱性などを備え、封止に適した素材であれば特に限定されないが、封止前の溶融金属Ｍが外部に逃げやすい素材や構造を採用することにより、封止される溶融金属Ｍの分量を必要最小限のものとして、半導体ウェハＫ上の残渣を薄くすることができる。
【００６４】
次に、溶融金属封止部を設ける第三の態様として、図１１（ａ）に示すように、押付部６の、溶融金属Ｍと接する面と逆側に弾性体層２２（溶融金属封止部）を積層しておく態様がある。この場合、押付機構５によって、ピストンＰを半導体ウェハＫに向けて移動させ、押付部６を溶融金属Ｍ及び半導体ウェハＫに対して接近させていくと、同図（ｂ）に示すように、弾性体層２２が押付方向と垂直な平面状に広がり、この広がった弾性体層２２が、ハウジングＣと当接することにより、溶融金属Ｍが、弾性体層２２で封止された空間内部に閉じ込められる。このような構成によれば、事前にガス加圧されていた溶融金属Ｍの圧力を保つように封止がなされる。
【００６５】
また、このようにすれば、半導体ウェハＫ表面と押付部６表面との平行度が悪い場合にも、弾性体層２２の変形によって半導体ウェハＫ表面と押付部６表面とを効率よく密着させることができる。更に、押付部６の金属部を変形しやすい薄板にすることで、半導体ウェハＫ表面の平坦度が悪い場合にも、弾性体層２２及び金属薄板の変形によって半導体ウェハＫ表面と押付部６表面とを効率よく密着させさせて、保圧冷却し、溶融金属Ｍを硬化できるので、これらの密着効果によって半導体ウェハＫ上の残渣をより薄くすることができる。
【００６６】
次に、溶融金属封止部を設ける第四の態様として、図１２（ａ）に示すように、押付部６の、半導体ウェハＫと接する面と逆側に弾性体層２３（溶融金属封止部）を積層しておき、更に、押付部６の下面に、円形の半導体ウェハＫの外周に沿うように、弾性体からなるリング形状をした封止部２４（溶融金属封止部）を設ける態様がある。この場合、押付機構５によって、ピストンＰを半導体ウェハＫに向けて移動させ、押付部６を溶融金属Ｍ及び半導体ウェハＫに対して接近させ、封止部２４を半導体ウェハＫに当接させると、同図（ｂ）に示すように、封止部２４が取り囲む領域内に溶融金属Ｍが封止される。この態様によれば、前記第三の態様と比較して、実効的な封止範囲を半導体ウェハＫの領域に狭めることにより、封止部２４が取り囲む領域外の溶融金属Ｍ’を溶融金属回収機構により適宜回収することで、余計な隙間に残留する残留金属の分量を低減することができる。
【００６７】
次に、溶融金属封止部を設ける第五の態様として、図１３（ａ）に示すように、ピストンＰのうち、押付部６の、溶融金属Ｍと接する面の外側領域から前記面の逆側にかけて、弾性体層２５（溶融金属封止部）を積層しておく態様がある。この場合、押付機構５によって、ピストンＰを半導体ウェハＫに向けて移動させ、押付部６を溶融金属Ｍ及び半導体ウェハＫに対して接近させて、弾性体層２５を半導体ウェハＫに当接させると、同図（ｂ）に示すように、弾性体層２５の当接領域内に溶融金属Ｍが封止される。尚、図１１に示した形態とは異なり、ハウジングＣとの間の隙間の溶融金属Ｍ’までは封止されない。
【００６８】
以上のように、各種の溶融金属封止部を設けることにより、溶融金属Ｍを押付部６と半導体ウェハＫとの間に閉じ込め、半導体ウェハＫ上の広領域において封止性を高めることができるので、溶融金属Ｍに適切な圧力をかけて、当該溶融金属Ｍを半導体ウェハＫの微小空間内に押し込むことができる。また、半導体ウェハＫ上に生じる残渣を低減することができるとともに、溶融金属Ｍを半導体ウェハＫ上にのみ閉じ込める態様を採用した場合には、溶融金属封止部が取り囲む領域外の溶融金属Ｍ’を溶融金属回収機構によって回収することで、処理室内に残る余剰溶融金属を低減することができる。
【００６９】
これにより、微小空間内に溶融金属を隙間なく押し込み、充填時におけるボイドの発生を回避し、高精度の金属充填を実現することが可能となる。
【００７０】
最後に、本発明により、金属充填が良好に行われた状態を図示しておく。図１４（ａ）は、溶融金属Ｍを充填する前の半導体ウェハＫ上の微小空間Ｖを示す断面図であり、図中下部分が半導体ウェハＫである。同図（ａ）において、半導体ウェハＫの表面には無数の微小空間Ｖが規則正しく配置されている。図１４（ｂ）は、本発明により、半導体ウェハＫ上の微小空間Ｖに良好に溶融金属Ｍが充填された状態を示す断面図である。同図（ｂ）では、微小空間Ｖに隙間なく溶融金属Ｍが充填されている様子がわかる。
【００７１】
これに対して、図１４（ｃ）は、比較例として、溶融金属Ｍの充填不良を生じた微小空間Ｖ１〜Ｖ４を示す断面図である。同図（ｃ）において、微小空間Ｖ１，Ｖ２では、底部側に溶融金属Ｍが充填されているもののその分量が十分でないので、微小空間を完全に充填できていない。また、微小空間Ｖ３，Ｖ４では、底部側まで溶融金属Ｍが到達しておらず、充填不良となっている様子がみてとれる。
【００７２】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明が採り得る具体的な態様は何らこれに限定されるものではない。
【００７３】
例えば、上例においては、押付部６を半導体ウェハＫに近づける構成を採用したが、これに限られるものではなく、半導体ウェハＫ（保持台Ｈ）の方を、押付部６の方へ近づける構成を採用してもよい。
【００７４】
また、上例では、溶融金属Ｍの供給後に、ピストンＰを半導体ウェハＫに向けて移動させ、溶融金属Ｍの液面に押付部６を近づけていき、押付部６を溶融金属Ｍ中に沈めた状態にする方法を説明したが、液面に押付部６を近づけていくのではなく、押付部６の表面が溶融金属Ｍに浸されるまで当該溶融金属Ｍを供給していくことで、押付部６を溶融金属Ｍ中に沈めた状態にするようにしてもよい。
【００７５】
また、押付部６による押付方向は、鉛直上方向から下方向に押し付ける形態に限られず、装置の構成により、鉛直下方向から上方向に押し付ける、或いは、水平横方向に押し付けるようにしても良い。更に、金属充填装置の向きは、図１に示した向きに限られるものではなく、図１の向きを横転させた向きであっても良いし、天地を反転させた向きであっても良い。
【００７６】
また、上例の金属充填装置１においては、処理室２内に溶融金属Ｍをある程度多量に供給することで、半導体ウェハＫの全面を溶融金属によって均一に覆うようにしているが、例えば、処理室２の容積を予め小さく設定し、この処理室２内を完全に満たすように当該処理室２内に溶融金属Ｍを供給することで、半導体ウェハＫの全面を溶融金属によって均一に覆うようにしても良い。このように構成された金属充填装置について、図１５を参照して、以下説明する。尚、金属充填装置１の構成と同じ構成要素については、同一の符号を付し、その詳しい説明は省略する。
【００７７】
図１５に示した金属充填装置３０は、保持台Ｈ、ハウジングＣ、ピストンＰ、昇降機構１６、減圧機構３、溶融金属供給機構４、溶融金属回収機構８、制御装置１５に加え、前記ピストンを、前記保持台Ｈに保持される半導体ウェハＫに対して進退させる押付加圧機構５’及び処理室２内に不活性ガスを供給する送気機構７’を備えている。尚、前記押付加圧機構５’及び送気機構７’の作動は、前記制御装置１５によって制御される。また、押付加圧機構５’は、押付機構が加圧機構としても機能するものとして具現化したものである。
【００７８】
前記ピストンＰは、上記金属充填装置１におけるピストンＰと同様に、保持台Ｈに対向する側にステンレス４４０Ｃで構成された押付部６が設けられており、更に、この押付部６には、保持台Ｈに対向する面の外周縁部に溶融金属封止部６ａが設けられている。尚、当該ピストンＰとハウジングＣとの間には、２つのＯリング１３ａ，１３ｂが介装されており、これら２つのＯリング１３ａ，１３ｂは、ハウジングＣに固定されている。
【００７９】
また、前記送気機構７’は、処理室２内に不活性ガスを供給し、処理室２内の余剰溶融金属を溶融金属回収機構８の溶融金属回収部８ａに送り出すための機構であり、不活性ガスを供給するガス供給部７ａ’と、ガス供給部７ａ’と配管１１とを接続する配管１０’と、配管１０’の、ガス供給部７ａ’と配管１１との間に設けられた制御弁７ｂ’とから構成され、前記ガス供給部７ａ’の作動及び制御弁７ｂ’の開閉は、前記制御装置１５によって制御される。尚、金属充填装置３０において、配管１１は、ハウジングＣの下端側の側壁を貫通して設けられている。
【００８０】
また、金属充填装置３０では、制御装置１５により昇降機構１６の作動を制御し、保持台Ｈを上昇させて、ハウジングＣの下端面と保持台Ｈに保持された半導体ウェハＫの表面とを当接させることで処理室２を形成する。尚、処理室２を形成した際、ハウジングＣの下端面と半導体ウェハＫ表面との間は、Ｏリング１４によって気密性が保たれる。
【００８１】
尚、前記溶融金属回収機構８の制御弁８ｂは、閉鎖、絞りを介した開放、全開放の３つの状態に切り換えることができるようになっている。
【００８２】
そして、この金属充填装置３０によれば、まず、保持台ＨとハウジングＣとを離反させた状態で、保持台Ｈ上に半導体ウェハＫを載置し、制御装置１５による制御の下、昇降機構１６を作動させて保持台ＨをハウジングＣに向け上昇させ、当該保持台Ｈ上に載置した半導体ウェハＫの表面とハウジングＣの下端面とを当接させることにより、処理室２を形成する。
【００８３】
次に、制御装置１５による制御の下、前記押付加圧機構５’を作動させて、処理室２の容積が極力小さな容積となるように、ピストンＰを保持台Ｈ上に保持された半導体ウェハＫに近づけた後、制御装置１５によって制御弁３ｂを開くとともに、真空ポンプ３ａを作動させて、処理室２内を略真空状態にまで減圧する。しかる後、制御装置１５によって制御弁３ｂを閉じるとともに、真空ポンプ３ａの作動を停止させる一方、制御弁４ｂを開いて、処理室２内に溶融金属Ｍを加圧供給する。そして、処理室２内を溶融金属Ｍで完全に満たした後、制御装置１５によって制御弁４ｂを閉じ、処理室２内への溶融金属Ｍの供給を停止する。このようにすれば、処理室２内が溶融金属Ｍで完全に満たされるため、溶融金属Ｍが半導体ウェハＫの表面で弾かれることがなく、半導体ウェハＫ表面が溶融金属Ｍによって均一に覆われた状態となる。尚、上述したように、ハウジングＣの下端面と半導体ウェハＫの表面との間にＯリング１４を介装して気密性を保つようにしているため、処理室２内に溶融金属Ｍを供給した際に、溶融金属Ｍが半導体ウェハＫの裏面に回り込むのが防止される。
【００８４】
そして、処理室２内への溶融金属Ｍの供給を停止した後、制御装置１５によって制御弁８ｂを、絞りを介した開放状態にするとともに、制御装置１５による制御の下、押付加圧機構５’を作動させてピストンＰを半導体ウェハＫに向けて移動させる。その際、制御弁８ｂを、絞りを介した開放状態にしているため、ピストンＰを移動することにより、溶融金属Ｍが適切に加圧された状態のまま、余剰溶融金属Ｍが溶融金属回収部８ａへ押し出される。そして、ピストンＰを更に移動させて、溶融金属封止部６ａを半導体ウェハＫの表面に当接させることで、当該溶融金属封止部６ａの内側領域に溶融金属Ｍが閉じ込められて半導体ウェハＫの前記内側領域内により高い圧力がかかり、溶融金属Ｍが半導体ウェハＫの微小空間内に押し込められる。
【００８５】
しかる後、制御装置１５によって制御弁８ｂを全開放の状態にするとともに、制御弁７ｂ’を開き、ガス供給部７ａ’を作動させて、当該ガス供給部７ａ’から処理室２内に不活性ガスを供給し、溶融金属封止部６ａの内側領域以外の部分に残留する余剰溶融金属Ｍ’を溶融金属回収部８ａに排出する。尚、この排出工程においては、溶融金属回収部８ａを略大気圧に維持するようにしているため、低いガス圧でも溶融金属回収部８ａに余剰溶融金属Ｍが容易に排出されるようになっている。そして、余剰溶融金属Ｍを溶融金属回収部８ａに排出した後、制御装置１５によってガス供給部７ａ’の作動を停止させ、半導体ウェハＫの微小空間内に充填された溶融金属Ｍが冷却硬化するまで待機する。
【００８６】
その後、制御装置１５による制御の下、押付加圧機構５’を作動させてピストンＰを上昇させるとともに、昇降機構１６を作動させて保持台Ｈを下降させ、最後に、保持台Ｈから半導体ウェハＫを取り外す。
【００８７】
このように、上記金属充填装置３０によれば、処理室２内を溶融金属Ｍで完全に満たすようにすることで、半導体ウェハＫの表面で溶融金属Ｍが弾かれるのが防止され、半導体ウェハＫの全面を溶融金属Ｍによって均一に覆うことができる。また、処理室２内を溶融金属Ｍで完全に満たした状態でピストンＰを半導体ウェハＫに向けて移動させることで、溶融金属Ｍを半導体ウェハＫの微小空間内に押し込めることができ、更に、押付部６を半導体ウェハＫの表面に押し付けることで、溶融金属封止部６ａの働きによっても溶融金属Ｍを微小空間内に押し込めることができるため、効果的に金属充填を行うことができる。
【００８８】
更に、半導体ウェハＫの表面に押付部６を押し付けることで、半導体ウェハＫ上から余剰溶融金属が押し出されるため、処理後の半導体ウェハＫ表面に形成される残渣の量を減少させることができる。
【００８９】
また、溶融金属封止部６ａを設けたことにより、当該溶融金属封止部６ａの内側領域に溶融金属Ｍを閉じ込めることができるため、内側領域以外の余剰溶融金属Ｍ’だけを送気機構７’によって溶融金属回収部８ａに排出することができ、処理後に、余剰溶融金属がハウジングＣの内周面と押付部６の外周面との隙間で硬化してピストンＰの昇降動作を妨げる、或いは、半導体ウェハＫとハウジングＣとが固着するという問題が発生するのを防止することができる。
【００９０】
更に、上記金属充填装置３０は、ピストンＰを保持台Ｈ上に保持された半導体ウェハＫに近づけることで、処理室２の容積を極力小さな容積に変化させることができるため、処理室２内に供給すべき溶融金属Ｍの量を抑えることができ、金属を液体状態で貯留しておくために必要な加熱系の大容量化、材料の消費量増加といった装置コストやランニングコストの増加を抑えることができる。
【００９１】
尚、上記金属充填装置３０においては、制御弁８ｂの絞りを介すことで、溶融金属Ｍの加圧状態を維持したまま、処理室２内から余剰溶融金属Ｍ’を押し出す構成を説明したが、これに限られるものではなく、例えば、処理室２内の溶融金属Ｍの加圧状態を維持するように溶融金属回収部８ａを不活性ガスなどで平衡加圧した状態で、ピストンＰを移動させて余剰溶融金属Ｍ’を押し出す構成としても良い。
【００９２】
また、上記２つの金属充填装置１，３０においては、ハウジングＣの側壁を貫通して設けられた各配管を介して、処理室２内への溶融金属Ｍの供給及び処理室２内の排気を行う構成としたが、これに限られるものではなく、ピストンＰにおける半導体ウェハＫの表面と対向する面に開口するように当該ピストンＰに形成された配管を介して、処理室２内への溶融金属Ｍの供給及び処理室２内の排気を行う構成としても良い。このような構成を備えた金属充填装置４０について、図１６〜図２１を参照して、以下説明する。尚、金属充填装置１，３０の構成と同じ構成要素には同じ符号を付し、その詳しい説明を省略する。
【００９３】
図１６に示すように、金属充填装置４０は、保持台Ｈ、ハウジングＣ、ピストンＰ、昇降機構１６、押付加圧機構５’、減圧機構３、溶融金属供給機構４及び制御装置１５から構成されている。
【００９４】
前記真空ポンプ３ａと処理室２とは、ピストンＰの、保持台Ｈに保持される半導体ウェハＫ表面と対向する面の中心近傍に一端が開口した配管１１’によって接続されており、処理室２内の気体は、当該配管１１’を介して排気される。また、溶融金属供給部４ａと処理室２とは、同様に、一端がピストンＰの前記対向する面の中心近傍に開口した配管９’によって接続されており、溶融金属Ｍは、当該配管９’を介して処理室２内に供給される。また、前記配管１１’のピストンＰ側の開口部には、制御装置１５によりその開閉が制御されるゲートバルブ３ｃが設けられ、前記配管９’のピストンＰ側の開口部には、同様に、制御装置１５によりその開閉が制御されるゲートバルブ４ｃが設けられている。
【００９５】
また、ピストンＰとハウジングＣとの間には、２つのＯリング１３ｂ，１３ｃが介装されており、Ｏリング１３ｃはピストンＰの下端側に固定され、Ｏリング１３ｂはハウジングＣの上端側に固定されている。
【００９６】
尚、金属充填装置４０におけるピストンＰは、その保持台Ｈに対向する側に押付部を設けていない構成としたが、押付部を設けた場合には、前記２つの配管９’，１１’の一端は、押付部の、保持台Ｈに保持される半導体ウェハＫ表面と対向する面の中心近傍に開口するようにすれば良い。
【００９７】
次に、この金属充填装置４０によって、半導体ウェハＫの微小空間内に溶融金属Ｍを充填する過程について、図１７〜図２１を参照して説明する。
【００９８】
まず、制御装置１５による制御の下、昇降機構１６を作動させ保持台Ｈを下降させた後、半導体ウェハＫを保持台Ｈ上に載置し、ついで、昇降機構１６によって保持台Ｈを上昇させて、半導体ウェハＫの表面とハウジングＣの下端面とを当接させ、気密状の処理室２を形成する。その後、制御装置１５による制御の下、前記押付加圧機構５’を作動させて、処理室２の容積が極力小さい容積となるように、ピストンＰを保持台Ｈ上に保持された半導体ウェハＫに近づける。しかる後、制御装置１５により真空ポンプ３ａを作動させるとともに、配管１１’の制御弁３ｂ及びゲートバルブ３ｃを開き、処理室２内の気体を排気して当該処理室２内を略真空状態にまで減圧する（図１７参照）。
【００９９】
次に、図１８に示すように、制御装置１５によって制御弁３ｂ及びゲートバルブ３ｃを閉じるとともに、真空ポンプ３ａの作動を停止する。そして、処理室２内の減圧状態を維持したまま、制御装置１５によって配管９’の制御弁４ｂ及びゲートバルブ４ｃを開き、溶融金属供給部４ａから溶融金属Ｍを加圧供給し、処理室２内を溶融金属Ｍで完全に満たす。このように、処理室２内を溶融金属Ｍで完全に満たすことによって、上述と同様、溶融金属Ｍが半導体ウェハＫの表面で弾かれるのが防止され、半導体ウェハＫ表面が溶融金属Ｍによって均一に覆われる。
【０１００】
ついで、図１９に示すように、制御弁４ｂ及びゲートバルブ４ｃを開いた状態のまま、制御装置１５による制御の下、押付加圧機構５’を作動させて、ピストンＰを半導体ウェハＫの表面に向けて移動させる。その際、溶融金属供給部４ａにおける溶融金属Ｍの供給圧より大きい力でもってピストンＰを移動させて処理室２の容積を狭め、処理室２内から溶融金属供給部４ａに溶融金属Ｍを押し戻すように構成すれば、溶融金属Ｍが供給圧と同じ力で加圧された状態が維持される。また、上述したように、溶融金属Ｍの供給圧よりも大きな力でもってピストンＰを移動させることで、余剰溶融金属Ｍが配管９’を介して溶融金属供給部４ａに押し戻される。
【０１０１】
そして、ピストンＰを更に移動させて当該ピストンＰを半導体ウェハＫに押し付けた状態で放置し（図２０参照）、しかる後、制御装置１５によって制御弁４ｂ及びゲートバルブ４ｃを閉じ、溶融金属Ｍの温度が融点以下となるまで冷却して、半導体ウェハＫの微小空間に充填された溶融金属Ｍが冷却硬化するまで待機する。
【０１０２】
尚、溶融金属供給部４ａの供給圧力ではボイドを生じることなく微小空間内に金属充填する圧力が得られない場合には、ピストンＰを半導体ウェハＫに押し付ける前の段階でゲートバルブ４ｃを閉じ、処理室２内に閉じ込められた溶融金属ＭをピストンＰで更に加圧することで、ボイドを生じずに微小空間内に金属充填する圧力を得ることができる。この場合、半導体ウェハＫ上の余剰溶融金属が必要最低限になるように、ゲートバルブ４ｃを閉じるタイミングを制御装置１５によって制御する。そして、この状態で溶融金属Ｍの温度が融点以下となるまで冷却して、半導体ウェハＫの微小空間内に充填された溶融金属Ｍが冷却硬化するまで待機すれば良い。
【０１０３】
その後、図２１に示すように、制御装置１５による制御の下、押付加圧機構５’を作動させてピストンＰを上昇させ、更に、昇降機構１６を作動させて保持台Ｈを下降させることにより処理室２を開放し、最後に保持台Ｈから半導体ウェハＫを取り出す。
【０１０４】
このように、上記金属充填装置４０においても、処理室２内を溶融金属Ｍで完全に満たすようにしているため、半導体ウェハＫの表面で溶融金属Ｍが弾かれるのが防止され、半導体ウェハＫの全面を溶融金属Ｍが均一に覆った状態にすることができる。また、処理室２内を溶融金属Ｍで完全に満たした状態で、ピストンＰを半導体ウェハＫに向けて移動させるようにしているため、当該溶融金属Ｍを微小空間内に充填することができる。また、半導体ウェハＫの表面にピストンＰを押し付け、半導体ウェハＫ上の余剰溶融金属Ｍを当該半導体ウェハＫ上から溶融金属供給部４ａに向けて押し出すようにしているため、処理後の半導体ウェハＫ表面に形成される残渣の量を減少させることができる。
【０１０５】
更に、処理室２の容積を小さく設定するようにしておくことで、上述したように、処理室２内に供給すべき溶融金属Ｍの量を抑えることができ、装置コストやランニングコストの増加を抑えることができる。
【０１０６】
また、上記金属充填装置４０においては、ハウジングＣに配管が接続されていないため、Ｏリング１３ｃをピストンＰの押付面近傍に配置することが可能となり、処理室２におけるハウジングＣとピストンＰとの隙間を極めて小さく設定することができる。これにより、前記隙間に残留する溶融金属Ｍを排出する工程を省略しても、ハウジングＣとピストンＰとが硬化した金属によって固着する問題を回避することができ、更に、押付部に封止部を設けない構造として有効処理面積を拡大することができる。
【０１０７】
尚、上記金属充填装置４０においては、ピストンＰに２つの配管を設けた構成としたが、２つの配管の内、一方をピストンＰに設け、他方をハウジングＣに設けた構成としても良い。この場合、ピストンＰに設けた配管を介して溶融金属の供給を行い、ハウジングＣに設けた配管を介して処理室２内の排気を行うようにしても良いし、反対に、ピストンＰに設けた配管を介して処理室２内の排気を行い、ハウジングＣに設けた配管を介して溶融金属の供給を行うようにしても良い。
【０１０８】
また、上記金属充填装置４０において、処理室２内に供給された溶融金属Ｍを再利用することが好ましくない場合には、図２２に示す金属充填装置５０のように、溶融金属回収機構８を設けるようにしても良い。また、この場合、溶融金属回収機構８の溶融金属回収部８ａは、配管９’を介して処理室２内の余剰溶融金属Ｍを回収するようにしても良いし、ピストンＰに別途配管を形成し、当該配管を介して回収するようにしても良い。また、上記金属充填装置１，３０において、溶融金属Ｍを再利用する場合には、溶融金属回収部を別途設けることなく、金属充填装置４０のように、余剰溶融金属を溶融金属供給部に戻すようにしても良い。
【産業上の利用可能性】
【０１０９】
以上説明したように、本発明は、被処理物表面上の微小空間（ビア，貫通孔）に溶融金属を充填する金属充填装置に好適に利用できるものである。
【符号の説明】
【０１１０】
１ 金属充填装置
２ 処理室
３ 減圧機構
４ 溶融金属供給機構
５ 押付機構
６ 押付部
７ 加圧ガス供給機構
８ 溶融金属回収機構
１５ 制御装置
１６ 昇降機構
Ｃ ハウジング
Ｈ 保持台
Ｋ 半導体ウェハ
Ｐ ピストン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理物表面の、該表面に開口するように形成された微小空間内に、該被処理物上に供給した溶融金属を充填する金属充填装置であって、
前記被処理物を保持する保持部と、
内部空間を有し、一端が前記保持部と対向して設けられる筒状部材と、
前記筒状部材の内部空間内に進退自在に嵌入された押付部材と、
前記保持部に保持される被処理物に対して前記押付部材を進退させる押付機構と、
前記保持部及び筒状部材のうち少なくとも一方を、他方に対し接近、離反する方向に移動させる移動機構とを備え、
前記保持部に保持される被処理物又は前記保持部と、前記筒状部材及び前記押付部材とによって気密状の処理室が形成され、
更に、前記処理室内を減圧する減圧機構と、
前記処理室内に溶融金属を供給する溶融金属供給機構と、
前記処理室内に供給される溶融金属を加圧する加圧機構とを備えるとともに、
前記処理室は、前記押付部材の進退位置によってその容積が変化するように構成されていることを特徴とする金属充填装置。
【請求項２】
前記加圧機構は、前記処理室内に加圧気体を供給する加圧気体供給機構であることを特徴とする請求項１記載の金属充填装置。
【請求項３】
前記溶融金属供給機構は、前記処理室内を溶融金属で完全に満たすように、該処理室内に溶融金属を供給するように構成され、前記押付機構は、前記加圧機構としても機能するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の金属充填装置。
【請求項４】
前記溶融金属供給機構は、前記処理室内を溶融金属で完全に満たすように、該処理室内に溶融金属を加圧供給するように構成され、前記加圧機構としても機能するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の金属充填装置。
【請求項５】
一端が前記筒状部材の内壁面に開口した通気路を備えるとともに、一端が前記筒状部材の内壁面に開口した供給路を備えており、
前記減圧機構は、前記通気路を介して処理室内の気体を排気し、該処理室内を減圧するように構成され、
前記溶融金属供給機構は、前記供給路を介して処理室内に溶融金属を供給するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至４記載のいずれかの金属充填装置。
【請求項６】
一端が前記押付部材の前記保持部に対向する面に開口するように該押付部材に形成された通気路を備えるとともに、一端が押付部材の前記対向する面に開口するように該押付部材に形成された供給路を備えており、
前記減圧機構は、前記通気路を介して処理室内の気体を排気し、該処理室内を減圧するように構成され、
前記溶融金属供給機構は、前記供給路を介して処理室内に溶融金属を供給するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至４記載のいずれかの金属充填装置。
【請求項７】
前記溶融金属供給機構によって供給された溶融金属を前記押付部材と前記被処理物表面との間に閉じ込める溶融金属封止部を、前記押付部材に設けたことを特徴とする請求項１乃至６記載のいずれかの金属充填装置。
【請求項１】
被処理物表面の、該表面に開口するように形成された微小空間内に、該被処理物上に供給した溶融金属を充填する金属充填装置であって、
前記被処理物を保持する保持部と、
内部空間を有し、一端が前記保持部と対向して設けられる筒状部材と、
前記筒状部材の内部空間内に進退自在に嵌入された押付部材と、
前記保持部に保持される被処理物に対して前記押付部材を進退させる押付機構と、
前記保持部及び筒状部材のうち少なくとも一方を、他方に対し接近、離反する方向に移動させる移動機構とを備え、
前記保持部に保持される被処理物又は前記保持部と、前記筒状部材及び前記押付部材とによって気密状の処理室が形成され、
更に、前記処理室内を減圧する減圧機構と、
前記処理室内に溶融金属を供給する溶融金属供給機構と、
前記処理室内に供給される溶融金属を加圧する加圧機構とを備えるとともに、
前記処理室は、前記押付部材の進退位置によってその容積が変化するように構成されていることを特徴とする金属充填装置。
【請求項２】
前記加圧機構は、前記処理室内に加圧気体を供給する加圧気体供給機構であることを特徴とする請求項１記載の金属充填装置。
【請求項３】
前記溶融金属供給機構は、前記処理室内を溶融金属で完全に満たすように、該処理室内に溶融金属を供給するように構成され、前記押付機構は、前記加圧機構としても機能するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の金属充填装置。
【請求項４】
前記溶融金属供給機構は、前記処理室内を溶融金属で完全に満たすように、該処理室内に溶融金属を加圧供給するように構成され、前記加圧機構としても機能するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の金属充填装置。
【請求項５】
一端が前記筒状部材の内壁面に開口した通気路を備えるとともに、一端が前記筒状部材の内壁面に開口した供給路を備えており、
前記減圧機構は、前記通気路を介して処理室内の気体を排気し、該処理室内を減圧するように構成され、
前記溶融金属供給機構は、前記供給路を介して処理室内に溶融金属を供給するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至４記載のいずれかの金属充填装置。
【請求項６】
一端が前記押付部材の前記保持部に対向する面に開口するように該押付部材に形成された通気路を備えるとともに、一端が押付部材の前記対向する面に開口するように該押付部材に形成された供給路を備えており、
前記減圧機構は、前記通気路を介して処理室内の気体を排気し、該処理室内を減圧するように構成され、
前記溶融金属供給機構は、前記供給路を介して処理室内に溶融金属を供給するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至４記載のいずれかの金属充填装置。
【請求項７】
前記溶融金属供給機構によって供給された溶融金属を前記押付部材と前記被処理物表面との間に閉じ込める溶融金属封止部を、前記押付部材に設けたことを特徴とする請求項１乃至６記載のいずれかの金属充填装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【公開番号】特開２０１３−７５３３０（Ｐ２０１３−７５３３０Ａ）
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１６７７６１（Ｐ２０１２−１６７７６１）
【出願日】平成２４年７月２７日（２０１２．７．２７）
【出願人】（０００１８３３６９）住友精密工業株式会社 (336)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年７月２７日（２０１２．７．２７）
【出願人】（０００１８３３６９）住友精密工業株式会社 (336)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]