JP2010186842A - 配線導体の形成方法および配線基板 - Google Patents

Abstract

【課題】線幅の細線化および線厚の増大といった要望に応え得る配線導体の能率的な形成方法を提供する。
【解決手段】基材１上に金属膜３を形成し、金属膜３の上方から、パルス幅が１ピコ秒未満のフェムト秒レーザー光４を照射することによって、基材１に溝５を形成するとともに、金属膜３を構成していた金属を溶融させながら、溶融した金属を溝５に充填し、次いで、金属を冷却・固化することによって、基材１に埋設された配線導体２を得る。その後、必要に応じて、溝５を除く基材１の表面上に残存している金属膜３を除去する工程が実施される。上記のレーザー光照射工程において、レーザー光４の焦点は、基材１上に合わされることが好ましい。
【選択図】図１

Description

この発明は、配線導体の形成方法および配線基板に関するもので、特に、基材上に埋め込まれた状態で形成される微細な配線導体の形成方法、およびこの方法によって形成された配線導体を備える配線基板に関するものである。

セラミックをもって構成される多層配線基板において、たとえばその内部に形成される配線導体は、セラミックグリーンシート上にスクリーン印刷などにより所定のパターンを有する導電性ペースト膜を形成し、このようなセラミックグリーンシートを複数枚積み重ねて積層体とした後に、基板材料であるセラミックとともに共焼成することによって形成されている。

近年、多層配線基板に対しては、ますます小型化が求められており、それに伴い、配線導体の細線化（たとえば、線幅が数μｍオーダー）が求められている。また、これとともに、消費電力を抑えることを目的として、配線導体の低抵抗化のため、線厚をより厚くすることが求められている。

しかしながら、従来のスクリーン印刷による配線導体の形成方法では、線幅の細線化の点においても、線厚の増大の点においても限界に来ており、これ以上の微細配線、低抵抗化という要望を必ずしも満たせない状況にある。特に、セラミックグリーンシートなどの基材表面に配線導体を形成して積み重ねるという方法では、積み重ね時に配線導体が押し潰され、線厚の増大を阻害するばかりでなく、配線間隔が狭小であると、押し潰された配線導体同士が接触してショート不良を引き起こすという問題や、配線導体の厚みによる段差が生じるなどの問題をも招いている。

そこで、上記のような問題を解決するために、レーザー光を用いて基板の上面に導体を埋め込むような形態で配線導体を形成することが、たとえば特開２０００‐３４９０８６号公報（特許文献１）に開示されている。しかしながら、特許文献１に開示されている埋め込み状態の配線導体の形成方法では、配線導体を埋め込むための溝を事前に形成しておく必要があり、工程が煩雑になるという課題を有している。

他方、ビアホール導体の形成方法として、樹脂基板へのスルーホールの形成と、その内部への導体の充填とを、レーザー光を用いて同時に行なう方法が、たとえば特開２００２‐２６１４３９号公報（特許文献２）に開示されている。しかしながら、この方法は、レーザー光による加熱で、融点の比較的低い樹脂基板を溶融させることによってスルーホールを形成する方法であるので、貫通状態の配線導体を形成するのは容易であるが、高い精度をもって溝を形成することは困難である。

特開２０００−３４９０８６号公報 特開２００２−２６１４３９号公報

そこで、この発明の目的は、上述したような問題を解決し得る、配線導体の形成方法を提供しようとすることである。

この発明の他の目的は、上述した形成方法によって形成された配線導体を備える配線基板を提供しようとすることである。

この発明に係る配線導体の形成方法は、上述した技術的課題を解決するため、基材を用意する工程と、基材上に金属膜を形成する、金属膜形成工程と、金属膜の上方から基材に向かう方向に、パルス幅がフェムト秒（１ピコ秒未満）であるレーザー光（以下、「フェムト秒レーザー光」と言う。）を照射することによって、基材の材料を蒸発させながら、基材に溝を形成するとともに、金属膜を構成していた金属を溶融させながら、溶融した金属を溝に充填する、レーザー光照射工程と、溝内の溶融した金属を冷却・固化する工程とを備えることを特徴としている。

上述したレーザー光照射工程において、レーザー光の焦点は、基材上に合わされることが好ましい。

この発明において、溝を除く基材の表面上に残存している金属膜を除去する工程をさらに備えることが好ましい。

また、金属膜形成工程は、導電性金属粉末、バインダおよび溶剤を含む導電性ペーストを基材上に塗布することによって導電性ペースト膜を形成する工程を備えることが好ましい。この場合、上記導電性ペーストは、ガラスをさらに含むことがより好ましい。

この発明は、また、上記の形成方法によって形成された配線導体を備える、配線基板にも向けられる。

この発明では、前述したように、基材への溝の形成と金属膜の溶融および溝への充填とが、フェムト秒レーザー光を用いて行なわれる。フェムト秒レーザー光によれば、所望の領域にレーザー光のエネルギーを集中させることができるとともに、エネルギー量の調整を良好な精度をもって行なうことができる。したがって、基材表面に溝を予め形成しておかなくても、溝の形成と金属膜を構成していた金属の溶融および溝への充填を同時に行なうことができる。また、高いパターン精度および深さ精度をもって溝を形成することができるので、溝に埋め込まれた状態の配線導体のパターン精度および厚み精度を高くすることができ、配線導体の線幅の細線化および線厚の増大の要望に十分に対応することができる。

レーザー光照射工程において、レーザー光の焦点が基材上に合わされると、基材への溝形成に使用されるエネルギーを金属膜の溶融に使用されるエネルギーより大きくすることができる。したがって、溝形成のために比較的大きなエネルギーを必要とするＳｉ、サファイア、アルミナといった高融点材料からなる基材であっても、不所望にも金属膜を実質的に蒸散させることなく、配線導体を形成することができる。

この発明において、溝を除く基材の表面上に残存している金属膜を除去する工程をさらに備えていると、基材上に、予め所望のパターンをもって金属膜を形成しなくても、レーザー光による描画のみで配線導体に所望のパターンを与えることができる。

金属膜を形成するために、導電性金属粉末、バインダおよび溶剤を含む導電性ペーストが用いられる場合、レーザー光の熱エネルギーは導電性金属粉末を焼結させるようにも作用する。したがって、導電性ペーストを焼結させるための特別な工程が不要となり、工程の簡略化を図ることができる。また、金属膜が導電性ペースト膜によって与えられると、このような導電性ペースト膜は有機溶剤による除去が可能であるので、前述したように、溝を除く基材の表面に残存している金属膜を除去する工程が実施される場合、この工程を、有機溶剤を用いて容易に進めることができる。

上述した導電性ペーストがガラスをさらに含んでいると、基材に対する配線導体の密着性を向上させることができる。

この発明の一実施形態による配線導体の形成方法に備える典型的な工程を順次示す断面図である。

図１（４）に示すように、基材１には、埋め込み状態の配線導体２が形成されている。以下に、図１（１）〜（４）を順次参照して、基材１に配線導体２を形成する方法について説明する。

まず、図１（１）に示すように、基材１が用意される。基材１としては、たとえば、アルミナ等のセラミック基板、セラミックの焼成前のグリーンシート、ポリイミド等の有機樹脂基板、Ｓｉ、サファイア等の単結晶基板、またはステンレス鋼等の金属基板を用いることができる。基材１は、以後の工程を進めるにあたって、たとえば、プラズマアッシングによって、あるいは、アセトン、イソプロピルアルコール、メタノール、エタノール等の有機溶剤によって表面洗浄が行なわれることが好ましい。

次に、同じく図１（１）に示すように、基材１上に金属膜３が形成される。金属膜３を構成する金属としては、たとえば、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｐｔなど、種類を問うものではなく、いずれの金属をも用いることができる。金属膜３の形成方法としては、ＣＶＤ法（化学的気相法）、スパッタリング法、蒸着法、めっき法のほか、金属膜３の形成のために、導電性金属粉末、バインダおよび溶剤を含む導電性ペーストが用いられる場合には、印刷法、インクジェット法、スピンコート法などを用いることができる。形成される金属膜３の厚みは、金属の種類や後述するフェムト秒レーザー光の出力によって最適値が異なるが、概ね１μｍ〜１００μｍ程度であることが好ましい。

次に、図１（２）に示すように、金属膜３の上方から基材１に向かう方向に、フェムト秒レーザー光４が照射される。これによって、図１（３）に示すように、基材１におけるレーザー光４が照射された箇所において、アブレーションにより基材１の材料が蒸発し、その結果、溝５が形成される。これと同時に、金属膜３を構成していた金属がレーザー光４の照射で発生する熱によって溶融し、この溶融した金属が溝５を充填する。そして、この金属が冷却・固化したとき、溝５内に配線導体２が形成される。

上述したフェムト秒レーザー光４の種類、周波数、パルス幅などの条件は、基材１にアブレーションによって溝５が形成され、かつ金属膜３を構成する金属が熱で溶融する範囲に設定される。また、レーザー光４の出力（エネルギー）は、基材１をアブレーション加工できるものを下限値とし、金属膜３が蒸散されないものを上限とするように設定される。

また、上述の工程において、レーザー光４の焦点は、基材１上に合わされることが好ましい。これによって、基材１に溝５を形成するために使用されるエネルギーを金属膜３の溶融に使用されるエネルギーよりも大きくすることができる。すなわち、基材１においてアブレーションがより発現しやすくなり、他方、焦点がずれた金属膜３にあっては、エネルギーが集中しないため、アブレーションではなく、熱溶融がより発現しやすくなる。そのため、溝５の形成に比較的大きなエネルギーを必要とするＳｉ、サファイア、アルミナといった高融点材料から基材１が構成されていても、溝５を能率的に形成することができるとともに、金属膜３を構成する金属を実質的に蒸散させることなく、能率的に溶融させ、溝５へと充填させることができる。

次に、図１（４）に示すように、溝５を除く基材１の表面上に残存している金属膜３が除去される。金属膜３が導電性ペースト膜からなる場合には、余分な金属膜３は有機溶剤によって簡単に除去することができる。この場合、溝５内に埋設された配線導体２は、焼結した状態となっているので溶剤によって除去されることはない。また、このように溶剤による除去が可能であれば、その後の研磨工程が不要となる。

このようにして、基材１に配線導体２が形成される。基材１が、たとえば配線基板の少なくとも一部をなすものである場合、上述の工程を終えたとき、配線導体２を備える配線基板が得られる。

以上、この発明を、図１に示した実施形態に関連して説明したが、この発明の範囲内において、その他種々の変形例が可能である。

たとえば、金属膜３を基材１上に形成する工程において、図示した実施形態では、基材１の一方主面上のほぼ全面にわたって形成されたが、配線導体２の形成が予定された領域にのみ金属膜３が形成されてもよい。このようにすれば、配線導体２の形成のために消費される金属材料の節減を図ることができる。

次に、この発明に従って実施した実施例について説明する。

まず、基材として、Ｓｉ基板（フェローテック社製・厚み０．３ｍｍ・結晶方位＜１００＞・Ｓｉ酸化膜０．１μｍ付き）を用いた。そして、このＳｉ基板をイソプロピルアルコールにより表面洗浄した。

次に、Ｓｉ基板上に、ナミックス社製Ａｇナノペースト（粘度２０Ｐａ・ｓ）をスピンコート装置（１０００ｒｐｍ・３０秒間）で塗布し、６０℃のホットプレートにて約１０分間ベークした。これにより、Ｓｉ基板上に厚み約１０μｍの金属膜を得た。

次に、金属膜の上方からフェムト秒レーザー光を照射した。このフェムト秒レーザー光の照射にあたって、コヒーレント社製フェムト秒レーザー（波長８００ｎｍ）を使用し、周波数２５０ｋＨｚ、パルス幅６０フェムト秒、対物レンズ２０倍（焦点は基材上）、およびスイープ速度０．１ｍｍ／秒の条件に設定しながら、出力については、６０ｍＷ、８０ｍＷおよび１００ｍＷの３種類に設定した。このレーザー光の照射によって、Ｓｉ基板上での溝の形成、溝への金属の充填、および金属の焼結が同時に完了した。

次に、Ｓｉ基板をアセトンに浸漬し、さらに超音波洗浄することによって、溝以外の部分に残存している余分なペーストを除去した。これによって、Ｓｉ基板に所望の配線導体を形成した。

次に、配線導体の断面部分を電子顕微鏡にて観察し、配線導体の線幅および線厚を求めた。その結果が表１に示されている。

表１からわかるように、レーザー出力が６０ｍＷ、８０ｍＷ、１００ｍＷというように増加するに従って、配線導体の線幅はほぼ一定でありながら、線厚が増大した。特に、レーザー出力１００ｍＷでは、線幅が３μｍであるのに対し、線厚が１１μｍとなり、高アスペクト比の配線導体が得られていることが確認できた。

次に、ＷＤＸ分析（Wavelength Dispersive X-ray Spectroscopy）による配線導体断面のマッピング分析を行なった。その結果、基材の深さ方向にＡｇが検出され、埋設された配線導体が形成されていることが確認できた。

実施例２は、実施例１と比較して、金属膜の材料をＣｕとしている点で異なる。

すなわち、実施例１において用いたナミックス社製Ａｇナノペーストに代えて、大研科学工業社製Ｃｕナノペースト（粘度２０Ｐａ・ｓ）を用いたことを除いて、実施例１と同様の操作を経て、配線導体を得た。

次に、実施例１の場合と同様、配線導体の断面部分を電子顕微鏡にて観察し、配線導体の線幅および線厚を求めた。その結果が表２に示されている。

表２からわかるように、実施例２においても、実施例１と実質的に同様の結果が得られた。すなわち、レーザー出力が６０ｍＷ、８０ｍＷ、１００ｍＷというように増加するに従って、配線導体の線幅はほぼ一定でありながら、線厚が増大した。特に、レーザー出力１００ｍＷでは、線幅が２μｍであるのに対し、線厚が６μｍとなり、高アスペクト比の配線導体が得られていることが確認できた。

次に、ＷＤＸ分析による配線導体断面のマッピング分析を行なったところ、基材の深さ方向にＣｕが検出され、埋設された配線導体が形成されていることが確認できた。

実施例３では、基材として、サファイア基板（京セラ社製・厚み０．３ｍｍ・結晶方位＜０００１＞）を用い、このサファイア基板をイソプロピルアルコールにより表面洗浄した。

また、レーザー出力として、２００ｍＷ、２５０ｍＷおよび３００ｍＷの３種類を適用した。

その他の点は実施例１と同様の操作を経て、サファイア基板に埋設された配線導体を得た。

次に、配線導体の断面部分を電子顕微鏡にて観察し、配線導体の線幅および線厚を求めた。その結果が表３に示されている。

表３からわかるように、実施例３においても、上述した実施例１および実施例２の場合と実質的に同様の傾向が見られた。すなわち、レーザー出力が２００ｍＷ、２５０ｍＷ、３００ｍＷというように増加するに従って、配線導体の線幅はほぼ一定でありながら、線厚が増大した。

１ 基材
２ 配線導体
３ 金属膜
４ フェムト秒レーザー光
５ 溝

Claims (6)

1. 基材を用意する工程と、
   前記基材上に金属膜を形成する、金属膜形成工程と、
   前記金属膜の上方から前記基材に向かう方向に、パルス幅がフェムト秒であるレーザー光を照射することによって、前記基材の材料を蒸発させながら、前記基材に溝を形成するとともに、前記金属膜を構成していた金属を溶融させながら、溶融した前記金属を前記溝に充填する、レーザー光照射工程と、
   前記溝内の溶融した前記金属を冷却・固化する工程と
   を備える、配線導体の形成方法。
2. 前記レーザー光照射工程において、前記レーザー光の焦点は、前記基材上に合わされる、請求項１に記載の配線導体の形成方法。
3. 前記溝を除く前記基材の表面上に残存している前記金属膜を除去する工程をさらに備える、請求項１または２に記載の配線導体の形成方法。
4. 前記金属膜形成工程は、導電性金属粉末、バインダおよび溶剤を含む導電性ペーストを前記基材上に塗布することによって導電性ペースト膜を形成する工程を備える、請求項１ないし３のいずれかに記載の配線導体の形成方法。
5. 前記導電性ペーストは、ガラスをさらに含む、請求項４に記載の配線導体の形成方法。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の形成方法によって形成された配線導体を備える、配線基板。

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