JP7119620B2 - 配線基板および配線基板の製造方法 - Google Patents

Description

本開示は、配線基板および配線基板の製造方法に関する。

ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術を利用して貫通電極を含む配線基板を製造する技術が、従来から提案されている。特許文献１は、貫通電極の内部に樹脂を含む応力緩衝部を設けた貫通電極基板を開示している。

特開２０１２－１４２４１４号公報

特許文献１に記載の技術において、応力緩衝部は、応力に起因した動作不良の発生を抑えるための部材である。応力緩衝部は、電気信号の伝送に寄与することを目的とした部位とは異なる部位である。

これに対し、本開示の実施形態における目的の一つは、貫通孔の一部に空間領域が存在する配線基板、またはその製造方法を提供することである。

本開示の実施形態の一つである配線基板は、貫通孔を含む基板と、前記貫通孔に設けられた金属構造体であって、前記貫通孔の側面に接する第１領域と、少なくとも前記貫通孔の開口面に位置し、かつ前記第１領域よりも金属材料の結晶粒径が大きい第２領域と、を含み、前記貫通孔に中空領域が存在するように設けられた金属構造体と、を有する。

本開示の実施形態の一つである配線基板において、前記中空領域は、前記第２領域によって囲まれている。

本開示の実施形態の一つである配線基板において、前記第２領域は前記貫通孔の開口面を塞ぐ。

本開示の実施形態の一つである配線基板において、前記中空領域は、前記貫通孔の軸方向に交差する方向において、前記金属構造体よりも厚い部分を含む。

本開示の実施形態の一つである配線基板において、前記中空領域は、前記貫通孔の軸方向において、前記金属構造体よりも厚い部分を含む。

本開示の実施形態の一つである配線基板の製造方法は、基板に含まれる貫通孔の側面に、電解めっき法により、第１電流密度で第１金属層を形成し、前記第１金属層を形成した後、電解めっき法により、前記第１電流密度よりも大きい第２電流密度で、前記第１金属層と異なる第２金属層を形成する。

本開示の実施形態の一つである配線基板の製造方法において、前記第２金属層は前記貫通孔の開口面を塞ぐ。

本開示の実施形態の一つである配線基板の製造方法において、前記貫通孔の軸方向に交差する方向において、前記第１金属層が前記貫通孔内の空間領域よりも厚くなる前に、前記第１電流密度から前記第２電流密度に変更する。

本開示の第１実施形態に係る配線基板の構成を示す部分側断面図である。 本開示の第１実施形態に係る金属構造体の構成を示す側断面図である。 本開示の第２実施形態に係る配線基板の製造方法の手順を示すフローチャートである。 本開示の第２実施形態に係る配線基板の製造方法を説明する部分側断面図である。 本開示の第２実施形態に係る配線基板の製造方法を説明する部分側断面図である。 本開示の第２実施形態に係る配線基板の製造方法を説明する部分側断面図である。 本開示の第２実施形態に係る配線基板の製造方法を説明する部分側断面図である。 電解めっき法における電流密度と金属層の膜厚との関係を例示するグラフである。 従来技術に係る配線基板の構成を示す部分側断面図である。 従来技術に係る配線基板の構成を示す部分側断面図である。 従来技術に係る配線基板の構成を示す部分側断面図である。 従来技術に係る配線基板の構成を示す部分側断面図である。

以下、本開示の各実施形態について、図面を参照し、説明する。ただし、本開示は、その要旨を逸脱しない範囲において様々な態様で実施することができ、以下に例示する実施形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。

図面は、説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本開示の解釈を限定するものではない。なお、本実施形態で参照する図面において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号または類似の符号（数字の後にＡ、Ｂ、Ｃのアルファベットを付しただけの符号）を付し、その繰り返しの説明は省略する場合がある。

本明細書および特許請求の範囲において、ある構造体の上に他の構造体を配置する態様を表現するにあたり、単に「上に」と表記する場合、特に断りの無い限りは、ある構造体に接するように、直上（上面）に他の構造体を配置する場合と、ある構造体の上方に、さらに別の構造体を介して他の構造体を配置する場合との両方を含むものとする。

本明細書および特許請求の範囲において、ある構造体と他の構造体が重なるという表現は、これらの構造体の平面視において、少なくとも一部が重なるということを意味する。換言すると、これらの構造体のいずれか一方が他方の上、あるいは下に位置し、かつ、これらの構造体を上面から、あるいは下面から見た場合に、互いに少なくとも一部が重なるということを意味する。

［第１実施形態］
図１は、本開示の第１実施形態である配線基板１の構成を示す部分側断面図である。配線基板１は、いわゆる貫通電極基板である。配線基板１は、多層配線基板、インターポーザと呼ばれる配線基板であってもよい。配線基板１は、基板１０と、金属構造体２０と、配線３０とを有する。

基板１０は、第１面１０２と、第２面１０４と、貫通孔１０６と、を含む。第１面１０２には、配線３０が配置されている。配線３０は、例えば、第１面１０２に配置された電子部品（例えば、トランジスタ）の一部を構成してもよい。第２面１０４は、第１面１０２と対向する面である。第２面１０４は、第１面１０２は、表裏の関係にある。第２面１０４に配線が配置されてもよい。貫通孔１０６は、第１面１０２と第２面１０４とを貫通する孔である。貫通孔１０６（基板１０）の開口面のうち、第１面１０２に隣接する開口面を「開口面１０６４」と称し、第２面１０４に隣接する開口面を「開口面１０６６」と称する。貫通孔１０６は、例えば円柱状であるが、直方体状、三角柱状、またはその他の形状であってもよい。

以下、第１面１０２または第２面１０４に平行な一方向を「Ｘ方向」とし、Ｘ方向に交差する方向を「Ｙ方向」として、各方向を説明する場合がある。Ｘ方向は、貫通孔１０６の径方向に対応する。Ｙ方向は、貫通孔１０６の軸方向に対応する。

基板１０および貫通孔１０６のＹ方向における厚さは、例えば１０μｍ以上８００μｍ以下であるが、これに限定されない。貫通孔１０６の径は例えば１０μｍ以上１００μｍ以下であるが、これに限定されない。図１には、説明の便宜上、貫通孔１０６が１つだけ示されているが、基板１０は２つ以上の貫通孔１０６を含んでもよい。

本実施形態の基板１０は、シリコン層１０８、およびシリコン層１０８を覆う酸化シリコン層１１０を含む。酸化シリコン層１１０は、貫通孔１０６の側面（内壁ともいう。）１０６２、および基板１０の表面に設けられた絶縁層（絶縁膜）である。酸化シリコン層１１０の厚みは例えば０．１以上２μｍ以下であるが、これに限定されない。なお、基板１０は、シリコンを含む基板に限定されない。基板１０は、ガラス、セラミック、絶縁性樹脂またはその他の材料を含む基板であってもよい。

金属構造体２０は、貫通孔１０６に設けられ、第１面１０２と第２面１０４とを電気的に接続させる。金属構造体２０は貫通電極と呼ばれる。金属構造体２０は、配線３０と電気的に接続されてもよい。金属構造体２０は、例えば銅を用いて形成されるが、白金、金、銀、ニッケル、ロジウム、ルテニウム、イリジウムまたはその他の金属のうちの一種または二種以上を用いて形成されてもよい。

金属構造体２０は、貫通孔１０６に中空領域２２が存在するように設けられている。すなわち、配線基板１は、金属構造体２０によって囲まれた中空領域２２を貫通孔１０６に含む。中空領域２２は、金属構造体２０のうち、側面１０６２に接する領域と、開口面１０６４に接する領域と、開口面１０６６に接する領域とによって囲まれた空間領域である。図１では、中空領域２２の断面形状を、概略的に、頂点に相当する部分がやや丸みを帯びたほぼ矩形形状で図示してある。中空領域２２は、例えば全体としてほぼ直方体状であるが、球状またはその他の形状であってもよい。

中空領域２２は、貫通電極における一般的なボイドとは異なる概念の空間領域である。ボイドとは、貫通孔の側面から貫通孔の中心軸に向かって金属層が成長してその中心軸付近で一体化する際に生じた、金属層の内部の気泡が残存する領域をいう。

図２は、金属構造体２０の構成を示す側断面図である。金属構造体２０は、第１領域２４と、第２領域２６とを含む。図２では、第１領域２４および第２領域２６をそれぞれ均一の厚さで図示しているが、厚さは不均一であってもよい。

第１領域２４は、側面１０６２に接する領域である。第１領域２４は、中空領域２２の位置から見て側面１０６２側に位置する領域を含む。第１領域２４は、金属構造体２０のうち、側面１０６２に接する筒状の領域に相当する。

第２領域２６は、少なくとも開口面１０６４および開口面１０６６に位置する領域である。第２領域２６は、中空領域２２の位置から見て、開口面１０６４側および開口面１０６６側に位置する領域を含む。第２領域２６は、本実施形態では、金属構造体２０のうちの第１領域２４とは異なる領域である。

本実施形態では、中空領域２２は、第２領域２６によって囲まれた空間領域である。また、第２領域２６は、開口面１０６４および開口面１０６６を塞ぐ。ただし、第２領域２６は、必ずしも中空領域２２を密閉する必要はない。例えば、第２領域２６は、開口面１０６４および開口面１０６６の少なくとも一方を介して、中空領域２２を外部の空間領域に通じさせる孔を含んでもよい。

ここで、金属構造体２０のうち、側面１０６２に接する領域のＸ方向における厚さ（肉厚）を「ＤＡ」とし、中空領域２２のＸ方向における厚さを「ＤＸ」とした場合、ＤＸ＞ＤＡという関係を満たしてもよい。本実施形態では、ＤＡは、第１領域２４の厚さと、第２領域２６の厚さとを合算した厚さである。すなわち、中空領域２２は、Ｘ方向において金属構造体２０よりも厚い領域を含んでもよい。

また、第２領域２６のうち、開口面１０６４側の領域のＹ方向における厚さを「ＤＢ」とし、開口面１０６６側の領域のＹ方向における厚さを「ＤＣ」とし、中空領域２２のＹ方向における厚さを「ＤＹ」とした場合、ＤＹ＞ＤＢ、およびＤＹ＞ＤＣの少なくとも一方の関係を満たしてもよい。すなわち、中空領域２２は、Ｙ方向において金属構造体２０（本実施形態では、第２領域２６）よりも厚い領域を含んでもよい。ＤＢおよびＤＣは、例えば数μｍであるが、これに限られない。なお、第１領域２４および第２領域２６のそれぞれについて、所定の方向における厚さが不均一である場合、平均値、最大値、最小値またはその他の値のいずれによって該方向における厚さが特定されてもよい。

第２領域２６は、第１領域２４よりも、金属材料の結晶粒径が大きい領域である。ここでいう結晶粒径は、例えば平均結晶粒径である。第１領域２４の金属材料の平均結晶粒径はおよそ３μｍ、第２領域２６の金属材料の平均結晶粒径はおよそ５μｍである。平均結晶粒径は、例えばＡＳＴＭ Ｄ１１２－１３「Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ Ａｖｅｒａｇｅ Ｇｒａｉｎ Ｓｉｚｅ（平均結晶粒度決定のための標準試験方法）」により特定されるが、これに限られない。金属材料の結晶粒径は、平均結晶粒径によって特定されなくてもよく、例えば最大結晶粒径またはその他の結晶粒径によって特定されてもよい。

金属材料の結晶粒径の差異により、第１領域２４は、第２領域２６よりも機械的強度が高い場合がある。換言すると、第２領域２６は、第１領域２４よりも機械的強度が低い場合がある。

金属材料の結晶粒径の差異により、第２領域２６は、第１領域２４よりも電気的な損失（電流損失）が少ない場合がある。これにより、第２領域２６における金属材料の結晶粒径を、第１領域２４における結晶粒径以下とした場合に比べて、金属構造体２０全体での電気的な損失を小さくする効果が期待できる。

［第２実施形態］
本開示の第２実施形態は、第１実施形態で説明した構成の配線基板の製造方法に関する。

図３は、配線基板１００の製造方法の手順を示すフローチャートである。図４から図７は、配線基板１００の製造方法を説明する部分側断面図である。

ステップＳ１において、図４に示すように、貫通孔１０６が基板１０に形成される。貫通孔１０６は、例えば、第１面１０２にマスク材を配置し、そのマスク材をマスクとして、第１面１０２側から基板１０のエッチングを行うことにより形成される。エッチングは、例えば、ボッシュプロセスまたは反応性イオンエッチングを用いた深掘りエッチングである。

ステップＳ２において、図５に示すように、基板１０に絶縁層が形成される（ステップＳ２）。具体的には、酸化シリコン層１１０が基板１０に形成される。酸化シリコン層１１０は、例えば、プラズマＣＶＤ法、熱酸化法、熱ＣＶＤ法、触媒ＣＶＤ法（Ｃａｔ（Ｃａｔａｌｙｔｉｃ）－ＣＶＤ法またはホットワイヤＣＶＤ法）によって形成される。なお、ステップＳ２の処理は行われなくてもよい。

ステップＳ３において、図６に示すように、第１金属層２１０が貫通孔１０６に形成される。第１金属層２１０は、電解めっき法により側面１０６２から金属層を成長させて形成される。ステップＳ３では、第１電流密度の電流で第１金属層２１０が形成される。電流は、パルス状の電流であってもよいし、パルス状でなくてもよい。ステップＳ３の処理により、図６に矢印Ａで示すように、第１金属層２１０が貫通孔１０６の中心軸に向かって成長する。図６に示すように、Ｙ方向における各位置において第１金属層２１０の厚さ（Ｙ方向における厚さ）はほぼ同じである。このため、第１金属層２１０は、貫通孔１０６の形状に応じた筒状の金属層となる。図６に示すように、第１金属層２１０のＸ方向における厚さを「ｄａ」とし、貫通孔１０６内の空間領域１０６８のＸ方向における厚さを「ｄｘ」とする。図６に示す場合、ｄｘ＞ｄａである。

ステップＳ４において、図７に示すように、第２金属層２２０が貫通孔１０６に形成される。第２金属層２２０は、電解めっき法により金属層を成長させて形成される点で、第１金属層２１０と共通する。一方で、第２金属層２２０は、第１電流密度よりも大きい第２電流密度の電流で形成される点で、第１金属層２１０とは異なる。電流は、パルス状の電流であってもよいし、パルス状でなくてもよい。ステップＳ４の処理により、図７に矢印Ｂ１，Ｂ２で示すように、第２金属層２２０が貫通孔１０６の中心軸に向かって成長する。例えばステップＳ３，Ｓ４では、Ｘ方向において第１金属層２１０が空間領域１０６８よりも厚くなる前に、すなわちｄｘ＞ｄａの関係を満たす期間のうちに、第１電流密度から第２電流密度に変更される。

ステップＳ４の処理は、例えば、第２金属層２２０が開口面１０６４および開口面１０６６を塞ぐまで行われる。例えば、第２電流密度で第２金属層２２０を形成する時間は、第１電流密度で第１金属層２１０を形成する時間よりも短い。ステップＳ４の処理が完了すると、貫通孔１０６の内部に、第１金属層２１０および第２金属層２２０を含む金属構造体２００が完成する。金属構造体２００は、貫通孔１０６に中空領域２３０が存在するように形成される。本実施形態では、中空領域２３０は、第２金属層２２０によって囲まれた領域である。なお、実際には、第１金属層２１０または第２金属層２２０の一部が貫通孔１０６の外部にはみ出すことがあるが、図６および図７ではその図示を省略してある。第２金属層２２０を形成した後研磨を経て、配線基板１が完成する。

ところで、図７に示すように、Ｙ方向における各位置において、第２金属層２２０のＸ方向における厚さが異なる。具体的には、第２金属層２２０のうち、開口面１０６４に近い領域、および開口面１０６６に近い領域（すなわち、基板１０の表面付近）においては、これらの間の領域（例えば、Ｙ方向において貫通孔１０６の中心付近）よりも第２金属層２２０の成長速度が高く、その結果、第２金属層２２０の膜厚が大きくなる。また、第２金属層２２０は、第１金属層２１０よりも大きい電流密度で形成されているため、金属材料の結晶粒径が第１金属層２１０よりも大きい。

ここで、図８は、電解めっき法における電流密度と金属層の膜厚との関係を例示するグラフである。図８のグラフにおいて、横軸は電流密度に対応し、縦軸は金属層の膜厚に対応する。電流密度が閾値ＴＨ以下の領域では、電流密度の増加に対して、表面付近および中心付近における金属層の膜厚が線形的に増加する。また、基板１０の表面付近と中心付近とで金属層の膜厚の差は小さい。このため、閾値ＴＨ以下の第１電流密度ＤＫ１で金属層が形成された場合、貫通孔の側面の各位置における膜厚の差異が小さい。

これに対し、電流密度が閾値ＴＨよりも大きい領域では、基板１０の表面付近では、電流密度の増加に対して膜厚が線形的に増加する。一方、中心付近では、電流密度の増加に対する膜厚の増加が小さく、電流密度が所定値を超えると膜厚が低下する。このような現象が生じる理由は、電解めっき法においては、電界が相対的に高い貫通孔の開口面付近に集中的に金属材料が析出し、貫通孔の中心付近に比べて金属層の成長速度が高くなるからである。このため、閾値ＴＨよりも大きい第２電流密度ＤＫ２で金属層が形成された場合、基板の表面付近の膜厚が、中心付近の膜厚よりも大きくなる。本開示の第２実施形態の配線基板１００の製造方法においては、このような電流密度と金属層の膜厚（成長速度）との関係を利用して、金属構造体２００が形成される。

図９から図１２は、従来技術に係る配線基板の構成を示す部分側断面図である。図９に示すように、基板１０の貫通孔１０６の全体に金属層４０Ａが形成される場合、電解めっき法では、金属層４０Ａの形成に多くの時間を要する場合がある。これに対し、本実施形態では、金属構造体２００の内部に、金属材料が存在しない中空領域２３０が存在するので、金属構造体２００の形成に要する時間が短縮される効果が期待できる。

図１０に示すように、貫通孔１０６の側面に接する金属層４０Ｂを、貫通孔１０６の一部に形成した場合、第１面１０２と第２面１０４とを通じさせる空間領域１０７０が存在する。空間領域１０７０の存在により、ウェハ加工が困難になる場合がある。例えば、開口部を塞がないと裏面にレジストが回り込んでしまう場合や真空チャックできない場合がある。これに対し、本実施形態では、中空領域２３０は、外部の空間領域に通じないまたはほぼ通じない。このため、ウェハ加工が容易になる効果が期待できる。

図１１に示すように、金属層４０Ｂの内側の空間領域１０７０に樹脂層５０が形成された場合、樹脂層５０が不要になった段階で、基板１０の表面の樹脂層５０が除去される。この除去には、例えば、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）が用いられる。この除去の際に、基板１０にストレスが加わり、基板１０が破損してしまう可能性がある。これに対し、本実施形態では、樹脂層を除去する工程が不要であるから、基板１０が破損する可能性が低くなる効果が期待できる。

図１２に示すように、金属層４０Ｂの内側の空間領域１０７０に感光性の樹脂層６０が形成される場合、樹脂層５０が形成される場合に比べて、基板１０に加わるストレスは軽減される。しかし、樹脂層６０を形成するためのリソグラフィの工程が必要である。本実施形態では、感光性の樹脂層を形成する工程が不要である。

なお、上述した各実施形態によりもたらされる作用効果とは異なる他の作用効果であっても、本明細書の記載から明らかなもの、または、当業者において容易に予測し得るものについては、当然に本開示によりもたらされるものと理解される。

本開示の配線基板は、ノート型パーソナルコンピュータ、タブレット端末、携帯電話、スマートフォン、デジタルビデオカメラ、デジタルカメラ、またはその他の電気機器に搭載される半導体装置に用いられる。本開示の配線基板は上記の電子機器のほかにも、ＬＥＤ照明、デジタルサイネージデスクトップ型パーソナルコンピュータ、サーバ、カーナビゲーション、またはその他の電子機器に搭載される半導体装置にも広く用いることができる。

１：配線基板、１０：基板、２０：金属構造体、２２：中空領域、２４：第１領域、２６：第２領域、３０：配線、４０Ａ：金属層、４０Ｂ：金属層、５０：樹脂層、６０：樹脂層、１００：配線基板、１０２：第１面、１０４：第２面、１０６：貫通孔、１０８：シリコン層、１１０：酸化シリコン層、２００：金属構造体、２１０：第１金属層、２２０：第２金属層、２３０：中空領域、１０６２：側面、１０６４：開口面、１０６６：開口面、１０６８：空間領域、１０７０：空間領域

Claims (8)

1. 貫通孔を含む基板と、
   前記貫通孔に設けられた金属構造体であって、前記貫通孔の側面に接する第１領域と、少なくとも前記貫通孔の開口面に位置し、かつ前記第１領域よりも金属材料の結晶粒径が大きい第２領域と、を含み、前記貫通孔に中空領域が存在するように設けられた金属構造体と、
   を有する配線基板。
2. 前記中空領域は、前記第２領域によって囲まれている
   請求項１に記載の配線基板。
3. 前記第２領域は前記貫通孔の開口面を塞ぐ、
   請求項１または請求項２に記載の配線基板。
4. 前記中空領域は、前記貫通孔の軸方向に交差する方向において、前記金属構造体よりも厚い部分を含む、
   請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の配線基板。
5. 前記中空領域は、前記貫通孔の軸方向において、前記金属構造体よりも厚い部分を含む、
   請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の配線基板。
6. 基板に含まれる貫通孔の側面に、電解めっき法により、第１電流密度で第１金属層を形成し、
   前記第１金属層を形成した後、電解めっき法により、前記第１電流密度よりも大きい第２電流密度で、前記第１金属層と異なる第２金属層を形成することを含み、
   前記貫通孔の内側には、前記第２金属層で囲まれた中空領域が形成される、
   配線基板の製造方法。
7. 前記第２金属層は前記貫通孔の開口面を塞ぐ、
   請求項６に記載の配線基板の製造方法。
8. 基板に含まれる貫通孔の側面に、電解めっき法により、第１電流密度で第１金属層を形成し、
   前記第１金属層を形成した後、電解めっき法により、前記第１電流密度よりも大きい第２電流密度で、前記第１金属層と異なる第２金属層を形成することを含み、
   前記貫通孔の軸方向に交差する方向において、前記第１金属層が前記貫通孔内の空間領域よりも厚くなる前に、前記第１電流密度から前記第２電流密度に変更する、
   配線基板の製造方法。

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