高アスペクト比ガラス基板の電解めっきによるビアフィルおよび検査技術
工研院（ITRI）の「高アスペクト比ガラス基板の電解めっきによるビアフィルおよび検査技術」は、電極密度を効果的に高め、チップ積層を改善し、台湾の半導体産業がリーダーシップを維持するのに寄与する。図は先進的なファンアウト型パッケージングで、本技術が適用される領域でもある。
ガラスインターポーザ（Glass Interposer）技術は、2Dから3Dへの先進パッケージングに、より安定した歩留まりと競争力のあるコストを提供する。半導体プロセスの進化に伴い、各層を接続する配線のアスペクト比は増加し続けており、ITRIの本技術は電極密度を高め、チップ積層を改善し、台湾の半導体産業のリードを支え、ITRI傑出研究賞金賞を受賞した。
5G時代の到来、AI・IoT・コネクテッドカーなどの台頭により、半導体は7nm、5nmから3nm、2nmへ微細化が進み、ムーアの法則の限界に迫り、新たな技術進化のルートが必要となっている。なかでも、2.5Dまたは3D設計で異なる電子部品を1チップに積層・統合する「異種統合（ヘテロジニアスインテグレーション）」が、半導体産業の突破口として登場した。
技術リード─世界最高のアスペクト比
従来の2Dパッケージは単一平面上にチップを並列実装するが、薄型・軽量・高性能・低消費電力が求められる中で2Dは需要を満たせなくなった。3Dパッケージは水平の枠組みを打破し、異種統合により異なる機能のチップを垂直に積層して、モジュール全体の演算能力を大幅に向上させる。
インターポーザ技術は異種統合の鍵の一つであり、ガラスインターポーザは低反り・高速信号伝送・優れた電力効率を備え、薄型化のニーズにも合致するため、近年勢いを増している。インターポーザには上下信号伝送のための金属配線が必要で、そのためにガラスへ貫通加工が施される。プロセスの進化により、配線ホールの「アスペクト比（AR）」は増加し続けている。
「アスペクト比」は深さと直径の比を指す。ITRI機械・機電システム研究所先進機械技術部副組長の黄萌祺氏は、3D積層数が増えるほど穴は深くなり、チップ寸法縮小に伴い線幅・線間が短くなり、穴径も小さくなる、と説明。小径・高ARが必然のトレンドである一方、AR上昇はプロセス難度の上昇を意味し、業界にとって克服すべき技術課題である。
「ビルの建設のように、各階を構造的に積み上げ、ガラス基板は各階の床板にあたる。床板に穴を開けて上下の電気・水道などを通し、各階の機能を確保するイメージ」と黄氏は例えた。
ITRIは5年をかけて世界に先駆け本技術を開発。ガラス貫通電極（TGV）で上下の金属配線を接続し、電力と信号を伝送してチップ性能を最適化する。「ITRIの技術は、ビルがどれだけ高くなっても電気・通信品質を保証するもの」と黄氏は語る。
ウェット金属めっき堆積技術─最高ARを実現
高ARの研究は世界各国にあるが、ARはせいぜい10程度で、ITRIのソリューションには及ばない。ITRIが世界をリードする鍵は3つのハイライト技術にある。第一に、新規ビアフィルめっきプロセスの開発：ガラス貫通基板をインターポーザとし、銅を電解めっきしてビアを充填し、上下回路を接続する。金属とガラスの密着性を高めるため、充填前にガラス表面に100〜200nmの複合酸化物導電性薄膜を形成し、接合のブリッジとする。
業界はドライ＋ウェットの組み合わせで導電性薄膜を作るのが一般的で、PVDで金属をイオン化して穴に飛び込ませるが、積層が増え穴位置が高くなると正確に穴へ入れる難度が上がり歩留まりが低下する。ITRIは低コストで高ARに適する「複合酸化物導電性薄膜」を開発し、無機酸化物と無電解銅薬液に浸漬して深穴を通過させ、表面に酸化膜を形成、低温共焼結技術で金属酸化物薄膜とガラス基材に金属間化合物を生成させ、ガラスと金属の密着性不足を克服した。
「従来プロセスではAR15が限界」と黄氏。完全ウェット式ではAR15〜30、シード層堆積率は7割超でカバレッジ良好。PVD装置は高価であり、「ドライ＋ウェット併用から完全ウェット装置に切替えるとコストを約5割削減でき、メーカーの負担を大幅に軽減できる」と語る。
単剤・二機能めっき添加剤─完全シームレス充填
第二は、二機能を兼ね備える単剤型ビアフィルめっき添加剤の開発。通常、銅でビアを充填する際、表面の堆積が最も速く中央が最も遅いため空洞が生じやすく、実使用で大電流に当たるとチップが急速に劣化する。そのため特殊な添加剤を使用して入口の堆積速度を抑え、中央を先に埋めた後で入口を埋め、空洞を低減する。
これを解くため業界は通常3種類の添加剤を併用するが、各添加剤の消費速度が異なり補充が必要で、互いに干渉して何をどれだけ補うべきかの精密制御が難しい。チームは新規添加剤を直接開発する道を選び、「文献調査から、どの薬剤が必要機能を満たし得るかを判断し、一つずつスクリーニングしていった」と黄氏。
模索の末、チームは候補薬剤を絞り処方実験へ。主要開発者である機械所研究員の張佑祥氏は半年間ほぼ毎日実験室で各ステップを記録、未だ電解めっきに使われたことのない薬剤を精選した結果、抑制と平坦化の両機能を兼備し、単独で優れた効果を発揮した。「単剤ビアフィルめっきでカバレッジ問題を解決し、複数添加剤による測定干渉を低減してプロセス安定性と歩留まりを向上、現業界配方に比べて50%のコスト削減が可能」と黄氏は興奮気味に語る。
チップ異種統合の概念図：ファンアウト型パネルレベルパッケージング（FOPLP）の例。
3D微細空洞検出─欠陥に逃げ場なし
第三のハイライトは、高ARの銅ビアフィル状態を検査するための先進的な3D球面フィッティング（Sphere-Fitting）アルゴリズム。黄氏は本技術が開発プロセスで最も挑戦的かつ難しい部分だったと明かす。構造や薬剤配方は自社で調整可能だが、端から中央まで均一に充填されているか、どこに空洞があるか、肉眼や通常の顕微鏡では観察できない。「検査を省けば、目隠しで開発するようなもので改良の手がかりが得られない」。
当初チームは外部検査機関に依頼し、基板1枚で半日、3D X線画像も人手で逐次確認していたため、複数配方の同時開発では往復に1〜2週間を要した。幸い院内の材料分野専門家の協力を得て、改良版の3D球面フィッティングアルゴリズムを開発。高解像度・高コントラストのナノCTで内部の微細空洞分布と直径を演算し、欠陥を高速かつ正確に検出する。「最大のブレークスルーは、数百本のTGV銅充填を同時検査でき、最短1〜2日で結果が得られること。検査・補正時間を大幅に短縮できる」と黄氏。
ITRI材料化工研究所の林子閎博士は、類似の空隙検出技術は医療材料や原油探査で用いられ、歯科の象牙細管検査や石油探鉱に活用されてきたと指摘。自動空隙検出アルゴリズムとナノCT 3D検査を組み合わせて電子産業に適用したのは初の試みであり、材料分野にとっても新しい挑戦である。「課題は銅がX線を散乱しやすく、ソフトでノイズと散乱を除去して3D軸を構築する必要があること。座標が定まれば電子顕微鏡で精密に検証し、より高解像度の解析と適切な方向への調整が可能になる」。
精密な検査・検証を通じて、チームは成果を実感している。「初期は内部に大きな空洞があり、バットの中央に裂け目があるようだったが、技術改良に伴い後期には2〜4µmのピーナッツ大の穴に縮小。今ではわずかな空洞さえ見つけられない」と黄氏は満足げに語る。
半導体産業への先行布石─千億元規模の産業価値創出
本技術はファンアウト型パネルレベルパッケージング（FOPLP）、高密度プリント基板（HDI PCB）、ICサブストレートに適用可能で、先進プロセスのニーズに応える。黄氏によれば、本技術はパッケージング工程の一部に過ぎないが、ウェット装置や単剤添加剤などの重要開発は工程時間を短縮し、装置・薬剤コストを少なくとも3割削減し、千億元規模の産業価値を生み出すと見込まれる。
本開発計画のもう一つの意義は、産業横断的な協力の促進である。ガラス基板と穴あけを提供する世界的なガラス大手はディスプレイ供給を主力としてきたが、本計画で半導体領域に進出し、新たな製品開発の方向性を獲得。またITRIと組んで薬剤・装置を設計した台湾の装置メーカー2社も、半導体先進パッケージング装置領域に初めて参入し、次世代国産装置の能力を構築した。
黄氏によれば、現在業界の高AR量産要件はAR約7〜8、2〜3年後に10〜15へ高まる見込みで、ITRIは半導体産業への先行布石を打っていると言える。主要OSATでの試験が進められており、技術改良も継続中であり、早期量産化によりイノベーションを地に下ろし、台湾の半導体産業の優位とプロセスリードを維持することが期待される。
高AR電解めっきビアフィルのSEM断面：穴口径10µm、穴深さ約120µm、表面銅層厚3.5〜5.3µm、AR比約12─業界水準を超える。