JP2005300215A

JP2005300215A - 誘電特性測定評価方法および誘電特性測定評価システム

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Publication number: JP2005300215A
Application number: JP2004113178A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Aoyanagi; 昌宏青柳; Hiroshi Nakagawa; 博仲川; Kazuhiko Tokoro; 和彦所; Katsuya Kikuchi; 克弥菊地; Hiroshi Itaya; 博板谷; Shigemasa Segawa; 繁昌瀬川
Original assignee: PI R&D Co Ltd; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: PI R&D Co Ltd; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2004-04-07
Filing date: 2004-04-07
Publication date: 2005-10-27
Anticipated expiration: 2024-04-07
Also published as: JP4482659B2

Abstract

【課題】有機絶縁材料の測定試料の形成が容易にでき、また、準マイクロ波帯〜マイクロ波帯における有機絶縁試料の誘電特性の測定評価が容易且つ高精度に行うことのできる有機絶縁材料の誘電特性測定評価方法および誘電特性測定評価システムを提供する。
【解決手段】有機絶縁材料の測定試料Ｔを用いて該有機絶縁材料の比誘電率値を測定評価する誘電特性測定評価方法であって、前記測定試料Ｔが空洞共振器１に未挿入状態の基準共振周波数を測定する工程と、比誘電率値が既知の標準試料Ａを前記空洞共振器１に挿入して共振周波数を測定し、測定共振周波数と前記基準共振周波数との差分から前記標準試料Ａの比誘電率実測値を算出する工程と、前記算出した標準試料Ａの比誘電率実測値と、該標準試料Ｔの既知の比誘電率値とから補正係数を算出する工程と、前記測定試料Ｔを前記空洞共振器１に挿入して共振周波数を測定し、測定共振周波数と前記基準共振周波数との差分と、前記補正係数とを用いて該測定試料Ｔの比誘電率値を算出する工程を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子実装系多層配線の層間絶縁層として、低コスト性、加工性等の点から広く用いられている有機絶縁材料の準マイクロ波帯からマイクロ波帯（１〜数十ＧＨｚ）での誘電特性について、低コスト及び、短時間で高精度の測定が可能な有機絶縁材料の誘電特性測定評価方法および誘電特性測定評価システムに関する。

近来のＬＳＩチップの微細化及び高集積化技術の進展に伴い、電子デバイスに使用されるクロック周波数は準マイクロ波帯（１〜３ＧＨｚ）からマイクロ波帯（３〜３０ＧＨｚ）にまで達している。例えば、パーソナルコンピュータのＣＰＵにおけるクロック周波数は、３〜５ＧＨｚのものが標準となりつつある。しかしながら、パーソナルコンピュータに使用されるメモリバスのクロック周波数は高くても５００ＭＨｚであり、外部インタフェイス用のＰＣＩバスにあっては、さらに低く６６ＭＨｚ程度である。すなわち、こうした低いバス速度が電子デバイスにおけるシステム動作の弊害となっており、電子デバイスの更なる高性能化を図るためには、システム内におけるクロック周波数の性能ギャップを埋めることが必要不可欠である。

前記性能ギャップを埋めるために、バスのクロック周波数を高くするには、ＬＳＩパッケージ、回路基板、コネクタ等の電子実装系多層配線構造の信号伝送速度を向上させる必要がある。そのためには、層間絶縁材料として比誘電率と誘電損失ができるだけ低いものを採用する必要がある。前記層間絶縁材料には、低コスト性、加工性等の点から、有機絶縁材料が広く用いられている。この有機絶縁材料を選択するにあたり、準マイクロ波〜マイクロ波帯における誘電特性を測定し把握する必要があるが、従来から、その測定方法として、ストリップ線路やマイクロストリップ線路を有機絶縁材料からなる基板に形成し、誘電特性を測定する方法が広く用いられている。

例えば、有機絶縁材料からなる基板にストリップ線路を形成して共振器と成し、共振周波数を測定することにより有機絶縁材料の誘電特性を測定評価する共振器法がある。図１４に、このような共振器として形成されたトリプレート・ストリップ線路共振器２００の断面図を示す。この共振器２００においては、図示するように、絶縁材料２０１中に入力伝送線路２０２と出力伝送線路２０３とストリップ線路２０４とが形成される。尚、図中において、Ｌは共振器の長さ、ΔＬは電気補正長、Ｗはストリップ線路２０４の幅を示している。

この共振器２００において、先ずネットワークアナライザにより、入力伝送線路２０２に高周波信号を入力し、出力伝送線路２０３における信号を測定することにより共振周波数ｆ_0n（ｎ＝１，２，３，４，・・・）が求められる。そして、例えば、絶縁材料２０１の比誘電率（εｒ）は、次式により求められる。

但し、Ｃ：光速、ｆ_0n：共振周波数、Ｌ：共振器の長さ、ΔＬ：電気補正長である。

尚、前記のようなストリップ線路構造を用いた共振器法では、測定時と実装時との測定において、電磁界による影響により測定結果に差異が生じるという技術的課題がある。このため、特許文献１（特開平１１−１６６９５２号公報）には、前記共振器法を用いず、ストリップ線路の実装状態（片面ストリップ線路状態）において、有機絶縁材料の誘電特性を求める方法が開示されている。

すなわち特許文献１においては、図１５に示すように、有機絶縁材料からなる基板２０５上にストリップ線路２０６を形成し、このストリップ線路２０６上に周波数信号を伝播させ、線路上の地点２０６ａから地点２０６ｂにおける電圧波形を測定するようになされる。そして、測定した波形から、伝播遅延時間、減衰量等を解析し、基板２０５を形成する有機絶縁材料の比誘電率や誘電正接（Ｔａｎδ）を求めるようになされている。

特開平１１−１６６９５２号公報（第４頁段落２３乃至第６頁段落３５行、第１図）

前記したように、ストリップ線路を有機絶縁材料の基板に形成し、共振周波数（共振器法）や信号伝播遅延時間等（特許文献１による方法）を測定解析することで、有機絶縁材料の誘電特性を測定評価することができる。しかしながら、測定試料として、有機絶縁材料からなる基板にストリップ線路やマイクロストリップ線路を形成するコストが高く、工数も多いため、測定試料の用意に多大な時間とコストを要するという課題があった。また、絶縁層形成にメッキプロセスを用いるため、高精度の加工が必要となり、理想的な試料を得るのが困難であるという技術的課題もあった。さらには、導体損失の影響により、誘電損失の正確な測定評価が困難であるという課題もあった。

本発明は、前記したような事情の下になされたものであり、有機絶縁材料の測定試料の形成が容易にでき、また、準マイクロ波帯〜マイクロ波帯における有機絶縁試料の誘電特性の測定評価が容易且つ高精度に行うことのできる有機絶縁材料の誘電特性測定評価方法および誘電特性測定評価システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明にかかる誘電特性測定評価方法は、有機絶縁材料の測定試料を用いて該有機絶縁材料の比誘電率値を測定評価する誘電特性測定評価方法であって、前記測定試料が空洞共振器に未挿入状態の基準共振周波数を測定する工程と、比誘電率値が既知の標準試料を前記空洞共振器に挿入して共振周波数を測定し、測定共振周波数と前記基準共振周波数との差分から前記標準試料の比誘電率実測値を算出する工程と、前記算出した標準試料の比誘電率実測値と、該標準試料の既知の比誘電率値とから補正係数を算出する工程と、前記測定試料を前記空洞共振器に挿入して共振周波数を測定し、測定共振周波数と前記基準共振周波数との差分と、前記補正係数とを用いて該測定試料の比誘電率値を算出する工程を含むことに特徴を有する。

また、本発明にかかる誘電特性測定評価方法は、有機絶縁材料の測定試料を用いて該有機絶縁材料の誘電損失値を測定評価する誘電特性測定評価方法であって、前記測定試料が空洞共振器に未挿入状態の基準Ｑ値を測定する工程と、誘電損失値が既知の標準試料を前記空洞共振器に挿入してＱ値を測定し、測定Ｑ値と前記基準Ｑ値との差分から前記標準試料の誘電損失実測値を算出する工程と、前記算出した標準試料の誘電損失実測値と、該標準試料の既知の誘電損失値とから補正係数を算出する工程と、前記測定試料を前記空洞共振器に挿入してＱ値を測定し、測定Ｑ値と前記基準Ｑ値との差分と、前記補正係数とを用いて該測定試料の誘電損失値を算出する工程を含むことに特徴を有する。

また、本発明にかかる誘電特性測定評価方法は、有機絶縁材料の測定試料を用いて該有機絶縁材料の誘電特性値を測定評価する誘電特性測定評価方法であって、前記測定試料が空洞共振器に未挿入状態の基準共振周波数および基準Ｑ値を測定する工程と、誘電特性値が既知の標準試料を前記空洞共振器に挿入して共振周波数およびＱ値を測定し、測定共振周波数と前記基準共振周波数との差分、および測定Ｑ値と前記基準Ｑ値との差分から前記標準試料の誘電特性実測値を算出する工程と、前記算出した標準試料の誘電特性実測値と、該標準試料の既知の誘電特性値とから補正係数を算出する工程と、前記測定試料を前記空洞共振器に挿入して共振周波数およびＱ値を測定し、測定共振周波数と前記基準共振周波数との差分および測定Ｑ値と前記基準Ｑ値との差分と、前記補正係数とを用いて該測定試料の誘電特性値を算出する工程を含むことに特徴を有する。

なお、前記標準試料は、測定したい材料が有する誘電特性値に近い誘電特性値を有し、且つ、その誘電特性値が製造ロットによらず安定して再現し、大型サイズの基板が利用でき、加工性が良い試料が望ましい。例えば、比誘電率の測定評価においては、石英、サファイア、ＭｇＯ、ＡｌＮ等の電子デバイスの基板として用いられる材料が好ましい。また、誘電損失の測定評価においては、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、四フッ化エチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、四フッ化エチレン・パーフロロアルキルビニルエーテル（ＰＦＡ）、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン（ＦＥＰ）、ポリベンゾオキサゾール（ＰＢＯ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）等の有機樹脂シートを加工形成したものが好ましい。

前記のいずれの方法によっても、空洞共振器に挿入する測定試料は、細長い棒状に加工するのみでよいため、その加工形成においては、有機絶縁材料にストリップ線路やマイクロストリップ線路を形成するといった工程を必要としない。したがって、試料の形成にかかるコストを抑え、短時間で測定試料を形成することができる。また、誘電特性値（比誘電率、誘電損失）が既知である標準試料（例えば石英加工試料）を用いて補正係数を求め、システムの補正を行うことにより、高精度の測定結果を得ることができる。

また、上記課題を解決するために、本発明にかかる誘電特性測定評価システムは、有機絶縁材料の測定試料を用いて該有機絶縁材料の誘電特性値を測定評価する誘電特性測定評価システムであって、前記測定試料が挿入可能に形成され、入力された周波数信号に対し共振周波数を返す空洞共振器と、前記空洞共振器から返された共振特性を測定するネットワークアナライザとを備え、誘電特性値が既知の標準試料を用いることにより、前記空洞共振器及びネットワークアナライザを用いて測定評価した前記測定試料の誘電特性値を補正することに特徴を有する。

このように構成すれば、前記の誘電特性測定評価方法と同様の効果を得ることができる。すなわち、空洞共振器に挿入する測定試料は、細長い棒状に加工するのみでよいため、その加工形成においては、有機絶縁材料にストリップ線路やマイクロストリップ線路を形成するといった工程を必要としない。したがって、試料の形成にかかるコストを抑え、短時間で測定試料を形成することができる。また、誘電特性値が既知である標準試料（石英加工試料）を用いて補正係数を求め、システムの補正を行うことにより、高精度の測定結果を得ることができる。

また、ＧＰＳ信号を受信して恒温型水晶発振器に位相固定し、基準周波数信号を発生するＧＰＳ周波数基準信号発生器を備え、前記ネットワークアナライザ内で使用する基準周波数に、前記ＧＰＳ周波数基準信号発生器により発生した基準周波数を用いることが望ましい。このように構成することにより、ネットワークアナライザの立ち上げ後、すぐに安定した基準信号を得ることができるため、数時間のウォームアップ時間を設ける必要がなく、高精度の測定が直ちに可能となる。

また、信号レベルを所定量減衰するアッテネータを備え、前記空洞共振器への信号入力経路の直前に前記アッテネータが設けられ、前記空洞共振器に入力される周波数信号の信号レベルが減衰されることが望ましい。このように構成すれば、このアッテネータにより、空洞共振器からの反射信号を低減することができる。したがって、インピーダンス不整合を低減し、測定試料に対する誘電特性測定の再現性低下を抑制することができる。

本発明によれば、有機絶縁材料の測定試料の形成が容易にでき、また、準マイクロ波帯〜マイクロ波帯における有機絶縁試料の誘電特性の測定評価が容易且つ高精度に行うことのできる有機絶縁材料の高周波誘電特性測定評価システムおよび測定評価方法を提供することができる。

以下、本発明にかかる実施の形態につき、図に基づいて説明する。図１は、本発明に係る有機絶縁材料の高周波誘電特性測定評価システムの構成を模式的に示す図である。図１に示す高周波誘電特性測定評価システム（以下、測定評価システムと称す）１００は、誘電特性測定用の空洞共振器１と、マイクロ波ベクトルネットワークアナライザ（以下、ネットワークアナライザと称す）２と、前記空洞共振器１への入力信号を減衰させるアッテネータ３と、前記空洞共振器１とネットワークアナライザ２とを接続する同軸ケーブル５、６とで構成される。また、ネットワークアナライザ２には、ＧＰＳ周波数基準信号発生器（以下、基準信号発生器と称す）４が接続される。このように、この測定評価システム１００においては、前記空洞共振器１を用いることにより、所謂、空洞共振器摂動法が採用される。

前記空洞共振器１は、図示するように略円筒形の外形を有し、その内部は空洞に形成されている。また、その天面中央には、測定試料Ｔを挿入するための孔１ａが形成されている。この空洞共振器１は、共振周波数に応じて、その内部の空洞空間の大きさが異なるものが用意され、測定においては測定したい周波数に合わせた共振周波数（１、２、５、１０、２０ＧＨｚ等）を有する空洞共振器１がそれぞれ用いられる。また、前記孔１ａの径は周波数によって異なり、例えば１−１０ＧＨｚの空洞共振器１では直径１．５ｍｍ、２０ＧＨｚでは直径０．７ｍｍに形成される。

また、ネットワークアナライザ２は、上限周波数４０ＧＨｚまでの高周波信号について測定可能であり、空洞共振器１に対し同軸ケーブル５を介して高周波信号を与え、空洞共振器１からの反射信号を同軸ケーブル６を介して測定する機能を有している。尚、このネットワークアナライザ２の仕様を満たすものとして、例えば、Ａｇｉｌｅｎｔ社製８７２２ＥＳがある。

また、アッテネータ３は、減衰量１０ｄＢ程度であって、同軸ケーブル５の空洞共振器１側（信号入力側）に取り付けられる。すなわち、前記空洞共振器１に測定試料Ｔを挿入すると、空洞共振器１におけるインピーダンスが変動（増大）するため、空洞共振器１の信号入力部からの反射が増大する。このため、このアッテネータ３により、前記反射信号を低減するようになされている。これにより、インピーダンス不整合の影響を低減し、測定試料Ｔに対する誘電特性測定の再現性低下を抑制することができる。

また、基準信号発生器４は、ＧＰＳ（ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）信号を受信し、恒温型水晶発振器に位相固定を施すことにより、セシウム原子時計の精度で１０^-12の周波数安定度を有する１０ＭＨｚの基準信号を発生する。尚、このＧＰＳ周波数基準信号発生器４の仕様を満たすものとして、例えばＡｇｉｌｅｎｔ社製５８５０３Ａがある。この基準信号発生器４において発生された１０ＭＨｚの基準信号は、ネットワークアナライザ２に入力され、ネットワークアナライザ２内の基準信号として使用される。その結果、ネットワークアナライザ２の立ち上げ後、すぐに安定した基準信号を得ることができるため、数時間のウォームアップ時間を設ける必要がなく、高精度の測定が立ち上げ後、直ちに可能となる。

また、測定試料Ｔは、前記したように空洞共振器１に設けられた孔１ａに挿入されるが、その形状は、前記孔１ａに挿入可能な幅（１−１０ＧＨｚの場合：１．５ｍｍ以下、２０ＧＨｚの場合：０．７ｍｍ以下）で、長さ８ｃｍ以上の細長い棒状に加工されたものが使用される。なお、ある有機絶縁材料を測定試料とする場合、同一の材料から複数（例えば４本）の測定試料Ｔを作成し、各試料について誘電特性の測定評価を行う。これにより、測定試料Ｔのそれぞれについて、誘電特性、膜厚、加工性などに変動がある場合、測定データのばらつきを調べることにより変動要因の影響を検知することができる。また、複数の測定試料の加工幅を変えることにより、加工時の変質層の影響を検知することができる。

また、本発明に係る測定評価方法にあっては、比誘電率の測定では、その値が既知である石英、サファイア、ＭｇＯ，ＡｌＮなどの加工試料を標準試料Ａ'として用い、誘電損失の測定では、その値が既知であるポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、四フッ化エチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、四フッ化エチレン・パーフロロアルキルビニルエーテル（ＰＦＡ）、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン（ＦＥＰ）、ポリベンゾオキサゾール（ＰＢＯ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）等の加工試料を標準試料Ａ''として用いる。すなわち、前記測定評価システム１００の測定精度を補正するため、前記標準試料Ａ'、Ａ''により補正係数Ｋ',Ｋ''を求め、測定評価システム１００で測定した測定試料Ｔの共振特性と前記補正係数Ｋ', Ｋ''とから、この測定試料Ｔの補正された誘電特性値が求められる。

続いて、以上の構成の測定評価システム１００による測定試料Ｔに対する誘電特性（比誘電率、誘電損失）の測定方法について図２のフローに基づき説明する。先ず、測定試料Ｔを未挿入の状態で空洞共振器１に所定の周波数信号を入力し、その共振周波数（基準共振周波数）、Ｑ値（基準Ｑ値）を測定する（図２のステップＳ１）。

次いで、標準試料Ａ'を、空洞共振器１に設けられた孔１に挿入し、空洞共振器１に前記ステップＳ１で入力した周波数信号と同じ信号を入力し、標準試料Ａ'の共振周波数を測定する。そして、標準試料Ａ'を空洞共振器１から抜き取った後、標準試料Ａ''を前記空洞共振器１の孔１に挿入し、空洞共振器１に前記ステップＳ１で入力した周波数信号と同じ信号を入力し、標準試料Ａ''のＱ値を測定する（図２のステップＳ２）。尚、ステップＳ２における標準試料Ａ'の共振周波数の測定と標準試料Ａ''のＱ値の測定の順序はどちらが先でもよい。

次いで、ステップＳ１で測定した共振周波数（基準共振周波数）とステップＳ２で測定した共振周波数との差分から、式（２）により標準試料Ａ'の比誘電率ε_A''を求め、ステップＳ１で測定したＱ値（基準Ｑ値）とステップＳ２で測定したＱ値との差分から、式（２）により標準試料Ａ''の誘電損失ε_A""を求める（図２のステップＳ３）。なお、ε_A''は標準試料Ａ'の比誘電率、Ｆ₀は測定試料なしの共振周波数、Ｆ_A'は標準試料Ａ'挿入時の共振周波数、αは共振モード係数、Ｓ_Cは共振器の断面積、Ｓ_A'は標準試料Ａ'の断面積である。また、ε_A""は標準試料Ａ''の誘電損失、Ｑ₀は測定試料なしのＱ（ＱｕａｌｉｔｙＦａｃｔｏｒ）値、Ｑ_A"は標準試料Ａ''挿入時のＱ値、αは共振モード係数、Ｓ_Cは共振器の断面積、Ｓ_A"は標準試料Ａ''の断面積である。

次いで、前記ステップＳ３で求めた標準試料Ａ'の比誘電率ε_A''と、文献値とから補正係数Ｋ'を算出する。また、標準試料Ａ''の誘電損失ε_A"''と文献値とから補正係数Ｋ''を算出する（図２のステップＳ４）。なお、標準試料Ａ'が石英加工試料の場合、その比誘電率の文献値には、例えば値３．７８（Ｔ．Ｓ．Ｌａｖｅｒｇｈｅｔｔａ，“ＭｉｃｒｏｗａｖｅＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＦａｂｒｉｃａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，ＴｈｉｒｄＥｄｉｔｉｏｎ，”ＡｒｔｅｃｈＨｏｕｓｅ，Ｂｏｓｔｏｎ，ｐｐ．４３，２０００）を適用することができる。

次いで、測定試料Ｔを空洞共振器１に設けられた孔１に挿入し、空洞共振器１に前記ステップＳ１で入力した周波数信号と同じ信号を入力し、その共振周波数とＱ値を測定する（図２のステップＳ５）。尚、このステップＳ５はステップＳ１とステップＳ２の間で行なわれてもよい。

そして、ステップＳ１で測定した共振周波数（基準共振周波数）とステップＳ５で測定した共振周波数との差分、および前記補正係数Ｋ'から、式（３）により測定試料Ｔの比誘電率ε_T'を求め、ステップＳ１で測定したＱ値（基準Ｑ値）とステップＳ５で測定したＱ値との差分、および前記補正係数Ｋ''から、式（３）により測定試料Ｔの誘電損失ε_T''を求める（図２のステップＳ６）。
なお、ε_T'は測定試料Ｔの比誘電率、Ｆ₀は測定試料なしの共振周波数、Ｆ_Tは測定試料Ｔ挿入時の共振周波数、αは共振モード係数、Ｓ_Cは共振器の断面積、Ｓ_Tは測定試料Ｔの断面積、Ｋ'は比誘電率補正係数である。また、ε_T''は測定試料Ｔの誘電損失、Ｑ₀は測定試料なしのＱ値、Ｑ_Tは測定試料Ｔ挿入時のＱ値、αは共振モード係数、Ｓ_Cは共振器の断面積、Ｓ_Tは測定試料Ｔの断面積、Ｋ''は誘電損失補正係数である。

以上のように、本発明に係る実施形態によれば、空洞共振器１を用いて共振周波数，Ｑ値を測定し、測定試料Ｔとしての有機絶縁材料の誘電特性値を測定評価するようになされる。すなわち、空洞共振器１に挿入する測定試料Ｔは、細長い棒状に加工するのみでよいため、その加工形成においては、有機絶縁材料にストリップ線路やマイクロストリップ線路を形成するといった工程を必要としない。したがって、試料の形成にかかるコストを抑え、短時間で測定試料Ｔを形成することができる。

また、誘電特性値が既知である標準試料Ａ',Ａ''を用いて補正係数Ｋ'及びＫ''を求め、システムの補正を行うことにより、高精度の測定結果を得ることができる。また、ネットワークアナライザ２から空洞共振器１に入力する高周波信号にアッテネータ３による減衰を施すことにより、ネットワークアナライザ２への反射量を低減し、インピーダンス不整合の影響を低減することができる。その結果、測定試料に対する誘電特性測定の再現性低下を抑制することができる。さらには、ネットワークアナライザ２内の基準信号に、基準信号発生器４で発生された１０^-12の周波数安定度を有する基準信号を用いることにより、ネットワークアナライザ２の立ち上げ後、長時間のウォームアップ時間を設けることなく、すぐに安定した基準信号を得ることができ、高精度の測定を直ちに可能とすることができる。

続いて、本発明に係る誘電特性測定評価方法および誘電特性測定評価システムについて、実施例に基づき、さらに説明する。

本発明に係る誘電特性測定評価方法および誘電特性測定評価システムについて検討するため、前記一実施の形態に示す構成のシステムを構築し、試験を行った。空洞共振器には、１、２、５、１０、２０ＧＨｚの５種類の共振周波数に対応した５台の空洞共振器（関東電子応用開発社製）を用いた。また、上限周波数４０ＧＨｚのマイクロ波ベクトルネットワークアナライザにはＡｇｉｌｅｎｔ社製８７２２ＥＳを用い、ＧＰＳ周波数基準信号発生器には、Ａｇｉｌｅｎｔ社製５８５０３Ａを用いた。

また、同軸ケーブルによる空洞共振器とネットワークアナライザとの接続において、さらにインピーダンス不整合を低減させ、測定再現性を向上させるため、空洞共振器のＳＭＡメスコネクタに対して、同軸ケーブルをＫオスコネクタにより接続した。また、システム全体は、ＰＣ上のビジュアルベーシック（ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ）制御プログラムで測定作業の制御を行い、ＧＵＩ（ＧｒａｐｈｉｃＵｓｅｒＩｎｔｅｒｆａｃｅ）画面から誘電特性の計測、結果の算出、表示、保存などを行った。

比誘電率を求める上での標準試料には、２０本の石英加工試料を形成して用い、誘電損失（Ｔａｎδ）を求める上での標準試料には、その値が既知の標準試料（ＰＥＥＫ、ＰＦＥ、ＰＢＯ、ＰＥＩ等）を用いた。また、測定試料には、０．２ｍｍ厚のＦＲ−４（耐燃性ガラス基材エポキシ樹脂積層板）、０．２ｍｍ厚のＢＴレジン（三菱ガス化学株式会社製）、０．０５ｍｍ厚のポリイミドのそれぞれについて４本の試料を加工形成して用いた。試料の加工形成においては、有機絶縁材料のシートおよびフィルムを、半導体デバイスの個辺チップ化に用いられるダイヤモンドブレードによるダイシングソー（ディスコＤＡＤ５２５）を用いて切断し、有機材料の加工を行った。尚、これにより、μｍオーダーでの高寸法精度の加工が可能となった。なお、加工後の試料断面について、荒れがみられる時は、精密研磨により断面を平滑に仕上げ、寸法精度を改善する必要がある。

また、試料の寸法測定においては、デジタル目盛りにより、最小目盛り１μｍまで直読可能なマイクロメータ（ミツトヨ２２７−２０１）を用いた。測定に際しては、加工時に発生した粒子状のゴミをできるだけ取り除き、正常な測定面が得られるように注意して行った。尚、図３に、加工形成した試料の写真を示し、図４に試料を空洞共振器（１０ＧＨｚ）に挿入した状態の写真を示す。

また、共振カーブ（共振特性）を測定する際には、カーブの裾野におけるノイズの影響を低減させるため、５０回の波形平均化操作（アベレージング）を行って、波形をスムースにした。これにより、ノイズの影響がほぼ抑制された。また、ネットワークアナライザのＩＦ帯域を狭めることにより、ノイズの影響を低減させるようにした。

以上の構成の下、先ずＧＰＳ周波数基準信号発生器の有効性について検討した。図５に、２個の石英加工試料について、周波数５ＧＨｚでの比誘電率（ＲｅｌａｔｉｖｅＤｉｅｌｅｃｔｒｉｃＣｏｎｓｔａｎｔ）の測定データを、装置立ち上げ後の経過時間（６時間３０分まで）に対して順次プロットしたグラフを示す。図示するように、試料１の比誘電率値は、平均３．７０、標準偏差０．０５％、試料２は、平均３．６８、標準偏差０．０３％となり、非常に微小な時間変動に留まった。この結果より、ネットワークアナライザを立ち上げた後、数時間のウォームアップ時間を取らなくても、直ちに高精度の測定が可能となることを確認した。

続いて、標準試料に用いる石英加工試料について、比誘電率の測定評価を行った。図６〜図１０において、その結果をプロットしたグラフを共振周波数毎に示し、表１にその平均値を示す。

これらの比誘電率の測定値に対して、文献値３．７８（Ｔ．Ｓ．Ｌａｖｅｒｇｈｅｔｔａ，“ＭｉｃｒｏｗａｖｅＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＦａｂｒｉｃａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，ＴｈｉｒｄＥｄｉｔｉｏｎ，”ＡｒｔｅｃｈＨｏｕｓｅ，Ｂｏｓｔｏｎ，ｐｐ．４３，２０００）を用いて、補正係数Ｋ'を求めた。
この補正係数Ｋ'の値を表２に示す。

続いて、測定試料（ＦＲ−４、ＢＴレジン、ポリイミド）の比誘電率（ＲｅｌａｔｉｖｅＤｉｅｌｅｃｔｒｉｃＣｏｎｓｔａｎｔ）及び誘電損失（Ｔａｎδ）の測定を行った。尚、比誘電率の算出に用いる補正係数Ｋ'は表２に示す値を用いた。なお、誘電損失の補正は行っていない。図１１に、０．２ｍｍ厚のＦＲ−４の結果を示し、図１２に、０．２ｍｍ厚のＢＴレジンの結果を示し、図１３に０．０５ｍｍ厚のポリイミドの結果を示す。その結果、いずれの材料についても、加工性がよく、比誘電率、誘電損失ともにばらつきが少なく測定することができた。なお、これらの結果では、誘電損失の補正は行っていない。

以上の実施例の結果から、本発明に係る誘電特性測定評価方法および誘電特性測定評価システムは、有機絶縁材料の測定試料の形成が容易にでき、また、準マイクロ波帯〜マイクロ波帯における有機絶縁試料の誘電特性測定評価を容易且つ高精度に行なえることを確認した。

本発明にかかる誘電特性測定評価方法および誘電特性測定評価システムは、高周波帯域で用いられる電子実装系において、多層配線された基板等の層間絶縁層に用いられる有機絶縁材料の誘電特性の測定に好適に用いることができる。

本発明に係る誘電特性測定評価システムの全体構成を模式的に示す図である。図１の誘電特性測定評価システムを用いた測定材料に対する誘電特性測定方法のフローである。加工形成した試料を示す写真である。試料を空洞共振器に挿入した状態を示す写真である。石英加工試料について、比誘電率の測定データを、装置立ち上げ後の経過時間に対して順次プロットしたグラフである。共振周波数１ＧＨｚにおける石英加工試料の比誘電率の測定評価結果を示すグラフである。共振周波数２ＧＨｚにおける石英加工試料の比誘電率の測定評価結果を示すグラフである。共振周波数５ＧＨｚにおける石英加工試料の比誘電率の測定評価結果を示すグラフである。共振周波数１０ＧＨｚにおける石英加工試料の比誘電率の測定評価結果を示すグラフである。共振周波数２０ＧＨｚにおける石英加工試料の比誘電率の測定評価結果を示すグラフである。０．２ｍｍ厚のＦＲ−４の誘電特性を測定評価した結果を示すグラフである。０．２ｍｍ厚のＢＴレジンの誘電特性を測定評価した結果を示すグラフである。０．０５ｍｍ厚のポリイミドの誘電特性を測定評価した結果を示すグラフである。従来のストリップ線路を用いた共振器法による測定方法を説明するための図である。従来のストリップ線路を用いた別の測定方法を説明するための図である。

符号の説明

１空洞共振器
２ネットワークアナライザ
３アッテネータ
４基準信号発生器（ＧＰＳ周波数基準信号発生器）
５同軸ケーブル
６同軸ケーブル

Claims

有機絶縁材料の測定試料を用いて該有機絶縁材料の比誘電率値を測定評価する誘電特性測定評価方法であって、
前記測定試料が空洞共振器に未挿入状態の基準共振周波数を測定する工程と、
比誘電率値が既知の標準試料を前記空洞共振器に挿入して共振周波数を測定し、測定共振周波数と前記基準共振周波数との差分から前記標準試料の比誘電率実測値を算出する工程と、
前記算出した標準試料の比誘電率実測値と、該標準試料の既知の比誘電率値とから補正係数を算出する工程と、
前記測定試料を前記空洞共振器に挿入して共振周波数を測定し、測定共振周波数と前記基準共振周波数との差分と、前記補正係数とを用いて該測定試料の比誘電率値を算出する工程を含むことを特徴とする誘電特性測定評価方法。
前記標準試料は、石英、サファイア、ＭｇＯ、ＡｌＮのいずれかの基板を加工形成した試料であることを特徴とする請求項１に記載された誘電特性測定評価方法。
有機絶縁材料の測定試料を用いて該有機絶縁材料の誘電損失値を測定評価する誘電特性測定評価方法であって、
前記測定試料が空洞共振器に未挿入状態の基準Ｑ値を測定する工程と、
誘電損失値が既知の標準試料を前記空洞共振器に挿入してＱ値を測定し、測定Ｑ値と前記基準Ｑ値との差分から前記標準試料の誘電損失実測値を算出する工程と、
前記算出した標準試料の誘電損失実測値と、該標準試料の既知の誘電損失値とから補正係数を算出する工程と、
前記測定試料を前記空洞共振器に挿入してＱ値を測定し、測定Ｑ値と前記基準Ｑ値との差分と、前記補正係数とを用いて該測定試料の誘電損失値を算出する工程を含むことを特徴とする誘電特性測定評価方法。
前記標準試料は、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、四フッ化エチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、四フッ化エチレン・パーフロロアルキルビニルエーテル（ＰＦＡ）、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン（ＦＥＰ）、ポリベンゾオキサゾール（ＰＢＯ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）のいずれかの有機樹脂シートを加工形成した試料であることを特徴とする請求項３に記載された誘電特性測定評価方法。
有機絶縁材料の測定試料を用いて該有機絶縁材料の誘電特性値を測定評価する誘電特性測定評価方法であって、
前記測定試料が空洞共振器に未挿入状態の基準共振周波数および基準Ｑ値を測定する工程と、
誘電特性値が既知の標準試料を前記空洞共振器に挿入して共振周波数およびＱ値を測定し、測定共振周波数と前記基準共振周波数との差分、および測定Ｑ値と前記基準Ｑ値との差分から前記標準試料の誘電特性実測値を算出する工程と、
前記算出した標準試料の誘電特性実測値と、該標準試料の既知の誘電特性値とから補正係数を算出する工程と、
前記測定試料を前記空洞共振器に挿入して共振周波数およびＱ値を測定し、測定共振周波数と前記基準共振周波数との差分および測定Ｑ値と前記基準Ｑ値との差分と、前記補正係数とを用いて該測定試料の誘電特性値を算出する工程を含むことを特徴とする誘電特性測定評価方法。
前記誘電特性値のうち、比誘電率の測定評価においては、前記標準試料は、石英、サファイア、ＭｇＯ、ＡｌＮのいずれかの基板を加工形成した試料であって、
誘電損失の測定評価においては、前記標準試料は、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、四フッ化エチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、四フッ化エチレン・パーフロロアルキルビニルエーテル（ＰＦＡ）、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン（ＦＥＰ）、ポリベンゾオキサゾール（ＰＢＯ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）のいずれかの有機樹脂シートを加工形成した試料であることを特徴とする請求項５に記載された誘電特性測定評価方法。
有機絶縁材料の測定試料を用いて該有機絶縁材料の誘電特性値を測定評価する誘電特性測定評価システムであって、
前記測定試料が挿入可能に形成され、入力された周波数信号に対し共振周波数を返す空洞共振器と、前記空洞共振器から返された共振周波数を測定するネットワークアナライザとを備え、
誘電特性値が既知の標準試料を用いることにより、前記空洞共振器及びネットワークアナライザを用いて測定評価した前記測定試料の誘電特性値を補正することを特徴とする誘電特性測定評価システム。
前記誘電特性値のうち、比誘電率の測定評価においては、前記標準試料は、石英、サファイア、ＭｇＯ、ＡｌＮのいずれかの基板を加工形成した試料であって、
誘電損失の測定評価においては、前記標準試料は、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、四フッ化エチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、四フッ化エチレン・パーフロロアルキルビニルエーテル（ＰＦＡ）、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン（ＦＥＰ）、ポリベンゾオキサゾール（ＰＢＯ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）のいずれかの有機樹脂シートを加工形成した試料であることを特徴とする請求項７に記載された誘電特性測定評価システム。
ＧＰＳ信号を受信して恒温型水晶発振器に位相固定し、基準周波数信号を発生するＧＰＳ周波数基準信号発生器を備え、
前記ネットワークアナライザ内で使用する基準周波数に、前記ＧＰＳ周波数基準信号発生器により発生した基準周波数を用いることを特徴とする請求項７または請求項８に記載された誘電特性測定評価システム。
信号レベルを所定量減衰するアッテネータを備え、
前記空洞共振器への信号入力経路の直前に前記アッテネータが設けられ、前記空洞共振器に入力される周波数信号の信号レベルが減衰されることを特徴とする請求項７乃至請求項９のいずれかに記載された誘電特性測定評価システム。