CN101145542A - 铜和树脂的复合体的制造方法 - Google Patents

铜和树脂的复合体的制造方法 Download PDF

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Abstract

金属铜和树脂复合体的制造方法，所述方法包括形成形成内层电路的铜线路层，在所述线路层上设置含有树脂的绝缘层，形成通孔，所述通孔将铜表面暴露在所述绝缘层之下，和在暴露在所述通孔底部的铜表面上沉积金属，包括步骤：使用pH为1－3的磷酸水溶液除去形成在暴露在所述通孔底部的铜表面上的氧化铜。所述方法抑制晕圈的形成，并形成具有优异焊接的通孔。

Description

铜和树脂的复合体的制造方法
技术领域
本发明涉及在表面上具有铜金属层和绝缘层的复合体的制造方法，具体地，涉及在表面上具有铜线路层(copy wiring layer)的半导体基片的制造方法及其清洁方法。
背景技术
在电子材料(例如多层线路板和半导体器件)领域，需要减小用在变得越来越小巧的电子器件中的半导体基片和印刷线路板的尺寸。为了满足这些需求，通过使其电路更加复杂化和多层化来使印刷线路板和半导体基片更加密集。一种已知的提高线路密度的方法是在形成内层电路的基片的表面上形成绝缘层，在该绝缘层内形成孔，在这些孔中沉积金属，从而形成接触孔或通孔(via hole)，该接触孔或通孔可连接基片和线路，以及连接各线路层。
随着印刷线路板需要在金属线路层和绝缘树脂层之间具有粘合性，已知(开发出)一种变暗方法(darkening process)，其中在第一绝缘层或基片的表面上形成金属线路层，作为金属线路层的金属铜被氧化，从而在其表面上形成氧化铜(氧化铜(II))薄膜，从而使得与在金属线路层上形成的绝缘树脂层的粘合性增强。利用这种方法，在被氧化的氧化铜表面形成小的凸起，以提高与树脂的粘合性。然而，氧化铜(II)容易溶解在酸中，因此当与用于为形成在绝缘树脂层上的通孔提供导电性的化学镀溶液或电镀溶液接触时会被镀浴溶液中的酸溶解，从而当在与通孔处的金属铜的界面处形成缝隙(空隙)时发生所谓的晕圈(haloing)。作为解决该问题的一种方法，在日本专利申请H6-275952中已经提出了一种使用特定的处理溶液防止晕圈发生的方法和减小氧化铜薄膜的方法。
另一方面，用于印刷线路板的变暗工艺并不能用半导体基片。形成常规通孔的方法是在基片的表面上形成金属线路，沉积内层绝缘层，然后曝光和显影，以通过在内层绝缘层设置沟槽或孔来形成通孔。此外，还可以通过在金属线路上均匀地沉积液体光敏内层绝缘材料，然后曝光和显影以通过在内层或绝缘层设置沟槽或孔来形成通孔。为了形成具有均一的薄膜厚度的内层绝缘层，通常使用丝网印刷法、幕涂法或旋涂法等。
在常规的半导体基片制造方法中，通孔的制造方法是形成通路，通过将铜线路层暴露于外部大气，形成氧化铜层来氧化铜线路层的表面。此外，如果使用液体光敏树脂材料，则在显影过程之后进行热硬化过程。所述氧化铜薄膜是绝缘的，所以在导电处理(例如化学镀等)之前，必须将氧化铜薄膜除去，以保持通孔的导电性。因此，使用硫酸水溶液等来处理通孔底部上的氧化铜薄膜，但是取决于绝缘层中的树脂的类型，这可能会导致与印刷线路板中的情况相类似的晕圈。晕圈的发生导致粘合性减小的问题，以及导致半导体基片的可靠性(reliability)降低的问题。
发明内容
本发明的目的是通过除去形成在通孔底部的氧化铜来制造具有高度可靠性的半导体基片，从而在制造半导体基片时，对于使用铜金属作为线路层的情况中不会导致晕圈。
通过对清洁和除去在制造具有绝缘树脂层和作为金属线路层的铜层的复合体的过程中形成在通孔底部的氧化铜层的方法进行刻苦研究，本发明人发现可以通过使用含有磷酸作为主要成分的水溶液来有效除去氧化铜而不会发生晕圈，从而完成了本发明。
一方面，本发明提供使用铜金属作为金属线路的半导体基片的制造方法，其中通过使用含有磷酸和有机酸(如果需要的话)、pH调节剂和表面活性剂的水溶液来除去形成在铜金属表面上的氧化铜。
按照本发明的方法，可以通过将氧化铜层与磷酸水溶液接触来除去形成在暴露在通孔底部和铜线路上的不受绝缘树脂层保护的铜金属表面上的氧化铜，因此随后沉积的金属和铜线路之间的粘合性和导电性是良好的。此外，由于磷酸水溶液不容易渗透到铜线路层和绝缘树脂层之间的界面内，所以本发明的磷酸水溶液不易腐蚀铜金属，从而防止晕圈的发生。
具体实施方式
本发明的磷酸水溶液包括磷酸和水，并且还可包含辅助酸(如果需要的话)、pH调节剂和表面活性剂。然而，从防止晕圈发生的角度看，本发明的磷酸水溶液优选不含有无机酸，例如硫酸、盐酸、硝酸或氢氟酸等。
本发明的磷酸可以是磷酸(正磷酸(H3PO4))或多磷酸(polyphosphoric acid)，例如焦磷酸等。
辅助酸帮助磷酸实现本发明的效果，如果单独使用该酸代替磷酸时，很难或不可能实现本发明的效果。这些酸的例子是有机酸，如乙酸、苯甲酸、苯磺酸和甲磺酸等，这些辅助酸不包括强无机酸，例如硫酸。
使用可用于本发明的pH调节剂来稳定磷酸水溶液的pH，例子包括磷酸盐，如磷酸氢二钠和磷酸钠等。通过向磷酸水溶液中加入氢氧化钠可以达到类似的效果。
本发明的表面活性剂可以是非离子性表面活性剂、阳离子表面活性剂、阴离子表面活性剂、两性表面活性剂中的任何一种。优选使用一种或多种类型的非离子性表面活性剂。非离子性表面活性剂的例子包括烷基醇环氧乙烷加合物、烷基苯酚环氧乙烷加合物、脂肪酸环氧乙烷加合物、多元醇脂肪酸酯环氧乙烷加合物、烷基胺环氧乙烷加合物、聚丙二醇环氧乙烷加合物和多元醇脂肪酸酯等。如果由疏水性树脂制备具有通孔的绝缘层或如果所述通孔的直径很小的话，则向磷酸水溶液中加入表面活性剂的重要性就增加。
本发明的磷酸水溶液含有10-50g/L，优选15-30g/L的磷酸，0-50g/L的辅助酸，0-10g/L，优选1-5g/L的pH调节剂，0-20g/L，优选1-10g/L的表面活性剂，余量是水。所使用的水优选是去离子水。
本发明的磷酸水溶液的优选实施方式含有15-25g/L的磷酸，1-5g/L的氢氧化钠作为pH调节剂和3-8g/L的非离子表面活性剂，余量是去离子水。
用于本发明的磷酸水溶液的pH为1-7，优选1-3。
按照本发明的制造包含铜线路层和绝缘层的复合体的方法可以是通常已知的方法。本文中，形成复合体基料(base)的材料包括玻璃、树脂基片、硅晶片、陶瓷基片和半导体晶片等。换句话说，通过化学镀或溅射等将金属层沉积在复合体的基料表面上，通过半添加方法或添加方法等形成金属线路层。线路层中所用的金属优选是铜。可以使用光敏绝缘树脂组合物，以在金属线路层上形成绝缘层。可以使用液体或固体，但是优选使用液体的光敏绝缘树脂组合物。
如果使用光敏树脂组合物作为绝缘层，以使光敏树脂组合物具有均匀的薄膜厚度，则在施涂后，通过光掩模进行曝光，所述光掩模遮挡住需要通孔或接触通孔的区域，或遮挡住其它区域，然后通过使用显影溶液显影来形成通孔，所述显影溶液通常为碱性水溶液。如果使用液体光敏树脂组合物，未被绝缘层覆盖的区域中的铜或金属表面以及通孔底部的铜或金属表面会在形成通孔之后的加热过程中被氧化，从而形成氧化铜层。此外，在形成通孔后，如果将复合体暴露在空气中，铜线路和通孔底部的铜金属表面会类似地被空气氧化，形成氧化铜。
这些氧化铜对在后面的处理中形成的溅射层的导电性产生影响，并对与焊料的粘合性和焊料的润湿性产生影响，因此在这些处理之前，必须除去氧化铜。
为了在焊料镀覆(solder plating)处理或溅射处理(其中金属沉积在铜线路和通孔上)之前除去这些氧化铜，将上述的磷酸水溶液与氧化铜层接触。用于与磷酸水溶液接触的方法可以是常规的已知方法，但是优选将基片浸没在磷酸水溶液中。磷酸水溶液的温度优选为0-70℃，更优选20-30℃。磷酸水溶液与氧化铜层的接触时间应该在10秒到10分钟之间，优选在1-5分钟之间。
尽管不希望被理论束缚，据认为本发明的磷酸水溶液具有以下作用。换句话说，当铜金属上的氧化铜与磷酸水溶液接触时，氧化铜由于磷酸水溶液的作用而溶解。当磷酸水溶液与氧化铜已经被除去的区域的暴露的铜金属接触时，铜金属和磷酸会反应形成磷酸铜薄膜。该磷酸铜薄膜的形成会阻止铜的进一步溶解，因此可认为防止了晕圈的发生。据认为该磷酸铜薄膜仅存在于水溶液中，在从磷酸水溶液中移出铜金属后，在长期暴露于氧化剂(例如空气中的氧气)后在表面上再次形成氧化铜。因此，在本发明的方法中，在氧化铜层被磷酸水溶液溶解之后，必须在铜表面上再次形成氧化铜之前，进行下一个处理，例如沉积金属。
通过溅射法在4英寸的硅晶片表面上沉积厚度为3000埃的铜来制备铜溅射晶片。然后使用常规已知的电解铜镀覆溶液在其上沉积10微米厚的铜层，然后在150℃退火1小时。将具有电解铜镀覆层的晶片浸在10％的硫酸水溶液(23℃)中1分钟，然后在23℃用水洗30秒，以清洁表面。接着，通过以下处理使用液体的环氧树脂基(epoxy-based)光敏绝缘树脂在晶片表面形成绝缘树脂层和通孔。
通过旋涂以1500rpm向晶片施涂液体光敏绝缘树脂30秒，在90℃进行预烘焙30分钟，使用1000毫焦/平方厘米的能量进行曝光，然后在曝光后于90℃热处理(PEB)30分钟。通过使用2.38％的氢氧化四甲基铵(TMAH)显影形成300微米直径的通孔，在130℃进行初级硬化30分钟，然后在200℃进行热硬化60分钟，以形成具有通孔的绝缘树脂层。
如上所述制备具有暴露在通孔底部的铜线路的测试板，并用如下所示制得的磷酸水溶液洗涤。
本发明的磷酸水溶液的制备如下。所制得的磷酸水溶液的pH为2.1。
组分：含量
磷酸(85％)：25.35g/L
氢氧化钠水溶液：3.53g/L(以氢氧化钠计)
表面活性剂1：5.25g/L
表面活性剂2∶0.75g/L
去离子水：余量
*表面活性剂1：
Toa Chemical Industries生产的Nona 1912A(聚氧化烯芳基苯基醚)
*表面活性剂2：
Lion Corporation生产的LAOL XA-60-50(聚乙二醇壬基癸基十一烷基醚)
通过将上述的测试板于23℃浸在磷酸水溶液中1分钟或5分钟来进行清洁处理。在水中洗涤测试板并用氮气吹干，然后通过用显微镜观察来测定晕圈的存在。观察到晕圈的宽度示于表1。接着，使用焊剂(flux)将直径为450微米的焊料球(solder ball)放在通孔中，在260℃进行软熔(reflowing)10秒。使用Dage 4000剪切测试仪进行焊料剪切测试，观察焊料的破裂模式。结果示于表1。
对比例1
与实施方式1的测试方式类似，除了使用10％的硫酸水溶液代替磷酸水溶液。水溶液的pH小于1。结果示于表1。
对比例2
与实施方式1的测试方式类似，除了使用5％的硫酸水溶液代替磷酸水溶液。水溶液的pH小于1。结果示于表1。
对比例3
与实施方式1的测试方式类似，除了使用含有5体积％的硫酸水溶液以及实施方式1的磷酸水溶液的处理液体。水溶液的pH小于1。结果示于表1。
对比例4
与实施方式1的测试方式类似，除了不进行磷酸水溶液处理。结果示于表1。
表1
浸渍时间     晕圈宽度(微米)     焊接(SolderBonding)
实施方式1     1分钟     0     良好
    5分钟     0     良好
对比例1     1分钟     23.1     良好
    5分钟     76.3     良好
对比例2     1分钟     22.8     良好
    5分钟     73.4     良好
对比例3     1分钟     17.2     良好
    5分钟     49.2     良好
    对比例4     无     0     差
当按照本发明制造具有铜线路的半导体基片时，晕圈的发生被抑制，可以实现良好的焊接，提供具有高可靠性的半导体基片。

Claims (10)

1.一种金属铜和树脂复合体的制造方法，所述制造方法是：制造形成内层电路的铜线路层；在所述线路层上设置含有树脂的绝缘层；形成通孔，所述通孔将铜表面暴露在所述绝缘层之下；和在暴露在所述通孔底部的铜表面上沉积金属，所述制造方法包括以下步骤：使用pH为1-3的磷酸水溶液除去形成在暴露在所述通孔底部的铜表面上的氧化铜。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在铜线路层上形成所述绝缘层，无需进行表面粗糙化处理。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述磷酸水溶液不含有除磷酸以外的无机酸。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述磷酸水溶液由磷酸、氢氧化钠、表面活性剂和水组成。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，用所述磷酸水溶液处理之后，在所述铜表面上形成氧化铜之前沉积金属。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，沉积在铜层上的金属是通过化学金属镀沉积的，同时在所述树脂上形成金属层。
7.半导体基片的制造方法，所述制造方法是：制造形成内层电路的铜线路层；在所述线路层上设置含有液体树脂的绝缘层；形成通孔，所述通孔将铜表面暴露在所述绝缘层中；和在暴露在所述通孔底部的铜表面上沉积金属，所述制造方法包括以下步骤：使用磷酸水溶液除去形成在暴露在所述通孔底部的铜表面上的氧化铜。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述磷酸水溶液由磷酸、氢氧化钠、表面活性剂和水组成。
9.用于清洁半导体基片的方法，所述基片具有有通孔的绝缘层，通孔底部的一部分暴露，其特征在于，使用由磷酸、氢氧化钠、表面活性剂和水组成的清洁溶液除去形成在所述通孔底部的铜表面上的氧化铜。
10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，不在所述铜线路层上进行表面粗糙化处理。
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