JP7704431B2 - ガラス基板およびガラスインターポーザ - Google Patents

Description

本発明は、ガラス基板およびこれを用いたガラスインターポーザに関する。

従来、インターポーザの材料としては、シリコン系材料や樹脂系材料が広く採用されてきた。

ところが、接続パッド（バンプ）の狭ピッチ化、および配線の微細化への対応を考慮したとき、シリコン系材料だと生産コストが高くなるというデメリットがあり、樹脂系材料だと微細化を図りにくいというデメリットがあった。

そこで、従来技術の中には、ガラス材料を用いてガラスインターポーザを構成するものがあった（例えば、特許文献１参照。）。この技術によれば、メタライゼーションというガラス特有の技術課題を解決し、好適なガラスインターポーザが実現するとされている。

特開２０１９－０４４２１２号公報

しかしながら、上述の特許文献１を含む従来のガラスインターポーザは、ガラス基板上にガラス以外の複数の材料で構成される多層配線層を形成しているため、接続パッド（バンプ）の狭ピッチ化および配線の微細化が困難になることがあった。

例えば、ガラスと多層配線層との間の熱膨張率の差から反りが発生したり、積層時の外力によって多層配線層が変形したりするというデメリットがあった。

さらに、多層配線層が樹脂で構成されている場合には、上述のように微細化が困難であり、しかも、多層配線層を形成するための工程が多工程におよぶため、生産コストが高くなる傾向があった。

本発明の目的は、生産コストを抑えつつガラスインターポーザの狭ピッチ化を実現することが可能なガラス基板およびこのガラス基板を用いたガラスインターポーザを提供することである。

本発明に係るガラス基板は、複数の微細貫通孔を有する。微細貫通孔の直径は、５μｍ～５００μｍ程度の範囲であり、例えば、レーザアシストエッチングによって形成される。

このガラス基板は、配線充填用凹部および配線部を備える。配線充填用凹部は、ガラス基板の主面における配線形成予定位置に設けられる。配線充填用凹部の例としては、微細配線が配置される微細溝や所望領域をカバーするように広がった凹部等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。

配線部は、銅やクロム等の金属材料をはじめとする導電性材料からなっており微細貫通孔および配線充填用凹部にそれぞれ配置される。

この配線部のうち配線充填用凹部に配置された配線部の上面とガラス基板の主面とは同一平面上に配置され、かつ、それぞれ平滑面を有している。このような構成を実現するためには、例えば、配線充填用凹部に配線部を充填した後、ガラス基板主面の全域を化学的機械研磨処理等によって磨くと良い。

上述の構成において、配線充填用凹部に配置された配線部の上面の平滑面とガラス基板の主面の平滑面との表面粗さＲａは、それぞれ１０ｎｍ以下であれば良く、１ｎｍ以下であることが好ましい。

その理由は、ガラス基板の主面の平滑性が高まれば高まるほど、ガラス基板どうしを接合してガラスインターポーザを構成し易くなるからである。さらには、化学的機械研磨処理等によって平滑面の表面粗さＲａが０．５ｎｍ以下（さらに好ましくは０．１ｎｍ以下）にまで平滑化されると常温接合によってガラス基板を容易に接合できるようになる。

複数のガラス基板どうしの密着性を高め、これらを積層させることによって多層配線構造を有するインターポーザを構成することによって、熱膨張による反りがなく、外力によって変形しにくい多層配線構造を安価に形成することが可能になる。

特に、ガラス基板は大型化や超薄化を実現し易いため、樹脂、セラミックス、シリコン等の他の材料を採用する場合に比較して、狭ピッチのインターポーザを生産する際のコストを抑え易い。

この発明によれば、生産コストを抑えつつガラスインターポーザの狭ピッチ化を実現することが可能になる。

本発明の一実施形態に係るガラスインターポーザの概略構成を示す図である。 ガラスインターポーザの製造方法の一例を示す図である。 配線充填用凹部の形成手法の一例を示す図である。 スルーホールの形成手法の一例を示す図である。 ガラスインターポーザの製造に用いるエッチング装置の一例を示す図である。 貫通配線部および面内配線部の形成手法の一例を示す図である。 ガラスインターポーザの製造に用いるエッチング装置の他の例を示す図である。 配線充填用凹部およびスルーホールの形成手法の他の例を示す図である。

図１（Ａ）～図１（Ｄ）は、本発明の一実施形態としてのガラスインターポーザ１０の概略を示している。ガラスインターポーザ１０は、プローブカード２によって位置調整自在に支持されている。この実施形態では、ガラスインターポーザ１０をプローブカード２において用いる例を説明するが、ガラスインターポーザ１０は半導体メモリ等の他の用途に用いることが可能である。

プローブカード２は、テスタ等に接続されるとともに移動自在に構成されたプローバ４に取り付けられている。プローブカード２は、ステージ（図示省略）の上の測定対象物６（例えば、半導体集積回路が形成されたシリコンウエハ等）の電気特性を測定するように構成されている。

ガラスインターポーザ１０における測定対象物６に対向する主面にはプローブ支持基板８が接続される。このプローブ支持基板８は、複数のプローブ９を有している。なお、プローブ９は図解の便宜上の数のみ図示している。プローブ支持基板８は、複数の貫通孔を有する樹脂、セラミックス、シリコン等で構成されるが、ガラスインターポーザ１０と同様、ガラス部材を採用することも可能である。

ガラスインターポーザ１０は、プローブ支持基板８に設けられたプローブ９のピッチを、プローブカード２に設けられたスプリング電極７のピッチに適合させるように構成される。具体的には、図１（Ｂ）に示す、互いに配置ピッチが異なる接続パッド７０と接続パッド９０との間を導通させるように構成される。

図１（Ｂ）に示すように、ガラスインターポーザ１０は、複数のガラス基板１２を積層するように構成されている。この実施形態では、ガラスインターポーザ１０は、３枚のガラス基板１２を常温接合させて構成しているが、ガラス基板１２の数や接合手法はこれらには限定されない。

ガラスインターポーザ１０を構成するガラス基板１２は、互いにほぼ同様の構成であるため、ここでは便宜上、単一のガラス基板１２について説明する。

ガラス基板１２は、図１（Ｃ）および図１（Ｄ）に示すように、スルーホール１２６の内壁面に設けられた貫通配線部１２２、およびスルーホール１２６の開口部からガラス基板１２の主面の所定部分に回路パターンとして設けられた面内配線部１２４を備える。面内配線部１２４は、配線充填用凹部１２８に充填されるように配置されている。

この実施形態では、貫通配線部１２２および面内配線部１２４は共に銅メッキ層によって構成されるが、導電性を有する層であればこれには限定されない。上述した貫通配線部１２２、面内配線部１２４、接続パット７０、接続パッド９０、および必要に応じてスルーホール１２６内やその近傍に設けられる導電ペースト（銀、クロム、窒化ケイ素等）によって、プローブ９とスプリング電極７とが電気的に接続される。

ガラス基板１２では、配線充填用凹部１２８内の面内配線部１２４の上面とガラス基板１２の主面とが同一平面上に配置されている、さらに、面内配線部１２４の上面とガラス基板１２の主面とがそれぞれ表面粗さ１Ｒａが１ｎｍ以下になるように表面処理されている。

このような構成を採用する理由は、ガラス基板１２どうしを接合させ易くするためである。ガラス基板１２の接合面に凹凸があるとガラス基板１２を積層してガラスインターポーザ１０を構成することが困難になるが、面内配線部１２４の上面を含むガラス基板１２の主面全域を平滑化することによって、ガラス基板１２どうしの接合が行い易い。例えば、常温接合によってガラス基板１２どうしを接合する場合には、表面粗さ１Ｒａが１ｎｍ以下、より好ましくは０．１ｎｍ～０．５ｎｍ程度、さらに好ましくは０．１ｎｍ以下であることが好ましい。また接着剤等を用いる場合でも、ガラス基板１２が表面粗さ１０ｎｍ以下程度の平滑さを有していることが好ましい。

続いて、図２（Ａ）～図２（Ｅ）を用いて、ガラス基板１２を製造する手法の一例を説明する。まず、図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示すようにガラス基板１２の主面における回路パターン形成位置に配線充填用凹部１２８が設けられる。配線充填用凹部１２８は、例えば、フォトレジスト、クロムマスク、耐エッチング性フィルム等を用いて選択的にエッチングをすることによって形成される。

その後、図２（Ｃ）に示すように、スルーホール１２６が設けられる。スルーホール１２６は、いわゆるレーザアシストエッチング等によって形成される。この実施形態では、直径５０μｍ～１００μｍ程度のスルーホール１２６を形成しているが、スルーホール１２６の直径はレーザのビーム径を調整することによって５μｍ～５００μｍ程度の範囲に適宜設定することが可能である。

続いて、図２（Ｄ）に示すように、貫通配線部１２２および面内配線部１２４が形成される。ここでは、無電解銅メッキによって１μｍ程度の銅シード層を形成した後、電解メッキによって５０～６０μｍの銅メッキ層を形成している。さらに、必要に応じて、クロム等の導電性ペーストをスルーホール１２６に充填している。

ただし、貫通配線部１２２および面内配線部１２４の形成手法はこれには限定されない。例えば、貫通配線部１２２および面内配線部１２４について、スパッタリングでＴｉやＴｉＷ等の密着層および銅シード層を形成する手法を採用することも可能である。また、銅シード層を形成する際にゾルゲル法による金属酸化物膜形成やプライマを使用しても良い。

そして、図２（Ｅ）に示すように、ＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing)処理、すなわち化学的機械研磨処理によって面内配線部１２４の上面を含むガラス基板１２の主面全域が表面処理される。

この実施形態においては、ＳｅＯ等の研磨剤(砥粒)が有する表面化学作用と、スラリに含まれる化学成分の作用とによって、ガラス基板１２の主面とスラリとの相対運動による機械的研磨効果が増大される。この結果、表面粗さ１Ｒａが０．１ｎｍ以下の常温接合のために十分に平滑な研磨面を得ることが可能になる。

主面に対してＣＭＰ処理が施されたガラス基板１２は、ガラスインターポーザ１０を構成するために必要な数だけ常温接合によって積層されることになる。常温接合の手法としては、表面活性化法や原子拡散接合法等の公知の接合方法が挙げられる。

図３（Ａ）～図３（Ｃ）は、図２（Ｂ）を用いて説明したガラス基板１２の主面に配線充填用凹部１２８を形成する様子を示したものである。

ここでは、まず、図３（Ａ）に示すように、ガラス基板１２の主面に耐エッチング性のフォトレジスト３０を塗布し、露光・現像等によって所望位置のフォトレジスト３０を除去することによって配線充填用凹部１２８の形成位置を露出させている。

その後、図３（Ｂ）に示すように、エッチング処理によってガラス基板１２の所望位置を溶解させることによって配線充填用凹部１２８を形成する。そして、図３（Ｃ）に示すように、配線充填用凹部１２８を形成した後にフォトレジスト３０を除去している。なお、フォトレジスト３０による処理に代えて、ガラス基板１２の主面に耐エッチング性フィルムを貼付した後、レーザ処理で所望位置のフィルムを除去することによって、配線充填用凹部１２８の形成位置を露出させたり、クロムマスクよる処理やその他の手法によって同様の処理を行ったりしても良い。

図４（Ａ）および図４（Ｂ）は、ガラス基板１２にスルーホール１２６を形成する手法の一例を示している。このでは、ガラス基板１２におけるスルーホール１２６が形成されるべき位置にレーザビームを照射することによって、この位置にエッチングされやすい性質の改質部を形成する。

レーザビームは、ガラス基板１２におけるスルーホール１２６の形成予定位置をエッチングされ易い性質に改質できる限り、その種類および照射条件は特に限定されない。この実施形態では、レーザヘッドから、短パルスレーザ（例えばピコ秒レーザ、フェムト秒レーザ）から発振されるレーザビームが照射されているが、例えば、ＣＯ₂レーザ、ナノ秒レーザ等を用いても良い。

また、この実施形態では、レーザビームの平均レーザエネルギが、約３０μＪ～３００μＪ程度になるように出力制御が行われているが、これに限定されるものでもない。

レーザビームは、適宜、その集光領域が調整されることが好ましい。ここでは、レーザビームの集光領域がガラス基板１２の厚み方向の全域にわたるように調整することによって、スルーホール１２６が容易に形成されやすくなる。

上述のレーザ加工処理に続いて、上述の改質部をエッチングすることによってガラス基板１２にスルーホール１２６が形成される。

エッチング処理は、例えば、図５（Ａ）および図５（Ｂ）に示すような枚葉式スプレイエッチング方式のエッチング装置５０を用いて行われる。ガラス基板１２は、エッチング装置５０に導入され、フッ酸および塩酸等を含むエッチング液によるエッチング処理が施される。通常、フッ酸１～１０重量％、塩酸５～２０重量％程度を含むエッチング液が用いられ、必要に応じて適宜、界面活性剤等が併用される。

エッチング装置５０では、図５（Ａ）および図５（Ｂ）に示すように、搬送ローラによってガラス基板１２を搬送しつつ、エッチングチャンバ５２内でガラス基板１２の主面にエッチング液を接触させることによって、ガラス基板１２に対するエッチング処理が行われる。

エッチング装置５０におけるエッチングチャンバ５２の後段には、ガラス基板１２に付着したエッチング液を洗い流すための洗浄チャンバ５３が設けられているため、ガラス基板１２はエッチング液が取り除かれた状態でエッチング装置５０から排出される。

このようにレーザ加工によってエッチングをアシストする手法によって、エッチング処理時間を極限まで最小化することが可能になる。

この結果、スルーホール１２６の形成時にガラス基板１２の表面が粗面化したり、スルーホール１２６の形状がいびつになったりしにくくなる。スルーホール１２６の径は、５μｍ～５００μｍ程度の範囲で適宜調整することが可能である。

原則として、ガラス基板１２の板厚が薄ければ、スルーホール１２６の径を小さくし易くなる。その理由は、エッチング処理において、スルーホール１２６の径がレーザビーム径よりも微増するからである。

この微増化に対する対策として、エッチング処理において、酸化チタン等のフッ素錯化剤や、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム等のアルカリを添加することにより、エッチング処理におけるスルーホール１２６の溝幅の微増化が抑制されることが出願人の実験によって明らかになっている。このため、必要に応じて、エッチング液にフッ素錯化剤やアルカリを適量添加することによって、スルーホール１２６の径や形状を調整することが可能になる。

続いて、図６（Ａ）および図６（Ｂ）に示すように、貫通配線部１２２および面内配線部１２４の形成処理と、ガラス基板１２に対するＣＭＰ処理が行われる。上述したように、ここでは、無電解銅メッキによって１μｍ程度の銅シード層を形成した後、電解メッキによって５０～６０μｍの銅メッキ層を形成している。

なお、スルーホール１２６の直径が１００μｍを超える場合には、電解メッキのみでスルーホール１２６に導電性材料を充填することが困難になる傾向があるため、クロム等の導電性ペーストをスルーホール１２６に適宜充填することが好ましい。通常、スルーホール１２６内の銅メッキ層の厚みの１．１～１．５倍程度の厚みの銅メッキ層がガラス基板１２の両主面に形成される。

そして、図６（Ｅ）に示すように、ＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing)処理、すなわち化学的機械研磨処理によって面内配線部１２４の上面を含むガラス基板１２の主面全域が表面処理される。

この実施形態においては、ＳｅＯ等の研磨剤(砥粒)が有する表面化学作用と、スラリに含まれる化学成分の作用とによって、ガラス基板１２の主面とスラリとの相対運動による機械的研磨効果が増大される。この結果、表面粗さ１Ｒａが１０ｎｍから０．１ｎｍ以下までの範囲に調整可能になり、常温接合のために十分に平滑な研磨面を得ることが可能になる。

主面に対してＣＭＰ処理が施されたガラス基板１２は、ガラスインターポーザ１０を構成するために必要な数だけ常温接合によって積層されることになる。

上述の実施形態によれば、ガラス基板への微細孔形成やメタライゼーションを好適に行うことが可能になり、しかも、接続パッドの狭ピッチ化に対応したガラスインターポーザ１０を安価に実現することが可能になる。

上述のレーザアシストエッチングを適宜外形加工に用いることにより、ガラス基板１２が異形形状（例えば、角にアールを有する多角形、円形、楕円形等）であっても適切に外形加工することが可能である。

上述の実施形態では、スプレイエッチング方式のエッチング装置５０によってエッチング処理を行う例を示したがこれには限定されない。例えば、図７（Ａ）に示すように、オーバーフロー型のエッチングチャンバ５４において、オーバーフローしたエッチング液に接触しながらガラス基板１２が搬送される構成を採用することも可能である。

さらには、図７（Ｂ）に示すように、エッチング液が収納されたエッチング槽５６に、キャリアに収納された単数または複数のガラス基板１２を浸漬させるディップ式のエッチングを採用することも可能である。

もちろん、この図に示すように、ガラス基板１２の形状は円形だけでなく、四角形であっても良い。また、適宜、冶具を準備することによって、あらゆる形状のガラス基板１２にも対応することが可能である。

ガラス基板１２のサイズが小さくて、搬送やハンドリングに支障がでる可能性があるときは、耐エッチング性を備えたメッシュ部材を支持トレイ、カゴ、冶具等のキャリア部材を用いることも可能である。

また、図８（Ａ）～図８（Ｃ）に示すように、レーザアシストエッチングを利用して、スルーホール１２６および配線充填用凹部１２８を同時に形成することも可能である。

この場合、図８（Ａ）に示すように、ガラス基板１２における配線充填用凹部１２８を形成すべき領域を、レーザ焦点を調整しつつレーザビームを照射することによって改質する。

さらに、図８（Ｂ）に示すように、スルーホール１２６の形成位置をレーザビームによって改質する。そして、図８（Ｃ）に示すように、エッチング処理によって改質部分を溶解させることで、スルーホール１２６および配線充填用凹部１２８が同時に形成されることになる。

上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０－ガラスインターポーザ
１２－ガラス基板
１２２－貫通配線部
１２４－面内配線部
１２６－スルーホール
１２８－配線充填用凹部

Claims (3)

1. 複数の微細貫通孔を有するガラス基板であって、
   前記ガラス基板の主面における配線形成予定位置に設けられた配線充填用凹部と、
   前記微細貫通孔および前記配線充填用凹部にそれぞれ配置された導電性材料からなる配線部と、を少なくとも備え、
   前記配線充填用凹部に配置された配線部の上面とガラス基板の主面とが同一平面上に配置されており、かつ、それぞれ常温接合のために十分に平滑な研磨面を有することを特徴とするガラス基板。
2. 前記配線充填用凹部に配置された配線部の上面の平滑面とガラス基板の主面の平滑面との表面粗さＲａがそれぞれ１ｎｍ以下であり常温接合のために十分に平滑な研磨面を有することを特徴とする請求項１に記載のガラス基板。
3. 請求項１または２に記載の常温接合のために十分に平滑な研磨面を有するガラス基板を複数接合してなるガラスインターポーザ。

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