JP2006013353A

JP2006013353A - 配線基板

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Publication number: JP2006013353A
Application number: JP2004191727A
Authority: JP
Inventors: Yuji Suwawaki; 裕二諏訪脇
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-06-29
Filing date: 2004-06-29
Publication date: 2006-01-12

Abstract

【課題】絶縁基板上に隣接して形成された伝送線路と薄膜コンデンサの上部電極および下部電極との間で発生する静電結合を少なくして良好な高周波特性を有する配線基板を提供すること。
【解決手段】配線基板１は、絶縁基板２の主面に形成された凸部３の上面に形成された伝送線路４と、絶縁基板２の主面の伝送線路４に隣接する部位に、Ｔｉ，Ｔｉ合金，ＣｒまたはＣｒ合金から成る下部電極６および誘電体薄膜７および上部電極８が順次積層されて成る薄膜コンデンサ５とを具備しており、伝送線路４は、その下面が、下部電極６の上面よりも高く、その上面が上部電極８の下面よりも低い。伝送線路４と下部電極６または上面電極８との間の静電結合を少なくでき、伝送線路４の伝送特性を向上できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、薄膜コンデンサおよび伝送線路が絶縁基板の主面に形成された配線基板に関し、より詳しくは基地局，無線ＬＡＮ，光伝送モジュール等の高速半導体素子を搭載する絶縁基板の主面に伝送線路とともに下部電極，誘電体薄膜，上部電極からなる薄膜コンデンサが形成されている配線基板に関する。

近年、半導体素子がより高速に動作するように求められるに伴い、配線基板上に実装された半導体素子の近辺にノイズや直流成分を除去して半導体素子の誤動作を防止するための薄膜コンデンサが配置されるようになってきている。一方で、配線基板上の実装密度が大きくなるに伴って、薄膜コンデンサの電極とその近辺の伝送線路との間で、静電結合を起こすことが多くなり、それにより発生する浮遊容量により、高周波信号の波形が歪みを発生するようになり、このような波形歪による高周波信号の劣化を防止することが重要な問題となっている。

従来の配線基板の断面図を図２に示す。図２において、11は配線基板、12はアルミナ質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体等から成る絶縁基板、13は伝送線路、14は薄膜コンデンサ、15は薄膜コンデンサ実装部を示す。

伝送線路13および薄膜コンデンサ実装部15は、チタン（Ｔｉ）等から成る密着金属層13ａおよび15ａ、パラジウム（Ｐｄ）等から成る拡散防止層13ｂおよび15ｂ、金（Ａｕ）等から成る主導体層13ｃおよび15ｃが順次積層されて形成される。薄膜コンデンサ14は、酸化チタン，チタン酸バリウム，アルミナ等を固化させた誘電体17の両主面に下部電極16および上部電極18が薄膜金属で形成された構造で、電極の最表層のＡｕ層にＡｕワイヤーでのボンディングが可能でかつ誘電体の内層に電極がないことからインダクタンス成分が少ないために、高周波用のコンデンサとして用いることができる。

下部電極16および上部電極18は、Ｔｉ等から成る密着金属層16ｃおよび18ａ、Ｐｄ等から成る拡散防止層16ｂおよび18ｂ、Ａｕ等から成る主導体層16ａおよび18ｃが順次積層されて形成され、下部電極16がＡｕ−Ｓｎ合金等からなるろう材19を介して薄膜コンデンサ実装部15に接合される。

また、最近では、絶縁基板12の主面に、下部電極16，誘電体17の薄膜，上部電極18が順次積層されたＭＩＭ（Metal Insulator Metal）構造の薄膜コンデンサ（ＭＩＭコンデンサ）が知られている。（例えば、特許文献１参照）
特開2001−313229号公報

しかしながら、上記従来の配線基板11においては、伝送線路13と薄膜コンデンサ実装部15とは同じ高さで隣接させて形成されているために、伝送線路13と薄膜コンデンサ実装部15との間で静電結合が生じ、静電結合によって生じる浮遊容量のために、伝送線路13を流れる信号の伝送損失の増加や薄膜コンデンサ実装部15に流れる信号との間で混線を招いて波形歪を生じる等、伝送線路13の所望の伝送特性が得られないという問題点があった。また伝送線路13と上部電極18とが同じ高さで隣接させて形成されると、伝送線路13と上部電極18との間で同様に静電結合を生じ、伝送線路13の所望の伝送特性が得られないという問題点があった。

従って本発明は、上記従来の問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、絶縁基板上に形成された伝送線路と薄膜コンデンサの実装部または伝送線路と薄膜コンデンサの上部電極との間で発生する静電結合によって生じる浮遊容量を減少させ、伝送線路の伝送特性がよい配線基板を提供することにある。

本発明の配線基板は、絶縁基板の主面に形成された凸部の上面に形成された伝送線路と、前記絶縁基板の前記主面の前記伝送線路に隣接する部位に、Ｔｉ，Ｔｉ合金，ＣｒまたはＣｒ合金から成る下部電極および誘電体薄膜および上部電極が順次積層されて成る薄膜コンデンサとを具備しており、前記伝送線路は、その下面が前記下部電極の上面よりも高く、その上面が前記上部電極の下面よりも低いことを特徴とするものである。

本発明の配線基板は、絶縁基板の主面に形成された凸部の上面に形成された伝送線路と、絶縁基板の主面の伝送線路に隣接する部位に、Ｔｉ，Ｔｉ合金，ＣｒまたはＣｒ合金から成る下部電極および誘電体薄膜および上部電極が順次積層されて成る薄膜コンデンサとを具備しており、伝送線路は、その下面が下部電極の上面よりも高く、その上面が上部電極の下面よりも低いことにより、伝送線路と下部電極または上部電極とが隣接せず距離が離れるので、伝送線路と下部電極および伝送線路と上部電極との間で発生する静電結合によって生じる浮遊容量が減少し、よって伝送線路の伝送特性に与える影響が少ない配線基板とできる。

本発明の配線基板について、以下に詳細に説明する。図１は、本発明の配線基板の実施の形態の一例を示す断面図である。同図において、１は配線基板、２は絶縁基板、３は絶縁基板２の主面に形成された凸部、４は凸部３の上面に形成された伝送線路、５は薄膜コンデンサ、６は薄膜コンデンサ５の下部電極、７は薄膜コンデンサ５の誘電体薄膜、８は薄膜コンデンサ５の上部電極を示す。なお、４ａは伝送線路４の密着金属層、４ｂは伝送線路４の拡散防止層、４ｃは伝送線路４の主導体層を示し、８ａは上部電極８の密着金属層、８ｂは上部電極８の拡散防止層、８ｃは上部電極８の主導体層を示す。

本発明の配線基板１は、絶縁基板２の主面に形成された凸部３の上面に形成された伝送線路４および凸部３に隣接する位置に薄膜コンデンサ５がそれぞれ形成され、薄膜コンデンサ５は、下部電極６、誘電体薄膜７および上部電極８を順次積層して構成されたＭＩＭ構造の薄膜コンデンサ５とされている。

絶縁基板２は、例えば酸化アルミニウム（アルミナ：Ａｌ_２Ｏ_３）質焼結体（アルミナセラミックス）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）質焼結体、炭化珪素（ＳｉＣ）質焼結体、ガラスセラミックス、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）質焼結体、石英、ダイヤモンド、サファイア（単結晶アルミナ）、立方晶窒化硼素（ＢＮ）、または熱酸化膜を形成したシリコン（Ｓｉ）基板のうち少なくとも１種より成る。

絶縁基板２は、薄膜コンデンサ５の誘電体薄膜７がアルミナ（酸化アルミニウム：Ａｌ_２Ｏ_３）を固化させて構成される場合には、熱膨張率が同じになる酸化アルミニウム質焼結体（アルミナセラミックス）で形成するのが特に好適であり、パッケージ内等に配線基板１を、Ａｕ−Ｓｎ合金等から成るろう材を用いて実装する際に、絶縁基板２と誘電体薄膜７との実装時の熱膨張差により誘電体薄膜７にクラックが生じる不具合を防止することができる。

絶縁基板２が酸化アルミニウム質焼結体から成る場合、先ずアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）やシリカ（ＳｉＯ_２），カルシア（ＣａＯ），マグネシア（ＭｇＯ）等の原料粉末に有機溶剤，溶媒を添加混合して、これを従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等によりシート状に形成してセラミックグリーンシートを得る。その後、セラミックグリーンシートを所定形状に打ち抜き加工するとともに、必要に応じて複数枚積層して約1600℃の温度で焼成することにより製作される。

凸部３は、伝送線路４が形成される部位以外をレジスト膜でコートした絶縁基板２をスパッタ装置の成膜室に取り付けて、成膜室内を真空状態（10^-2Ｐａ以下の圧力）にするとともに、加速されたアルゴン（Ａｒ）等の陽イオンを純度90％以上のアルミナ等のターゲットに照射してターゲットの表面の原子を飛散させ、ターゲットの近辺に配置された絶縁基板２の主面に付着させて厚み2.2〜５μｍの膜を形成し、その後レジスト膜を除去することによって形成される。

伝送線路４は、凸部３の上面に、厚み0.05〜0.2μｍの絶縁基板２との密着を強固にするためのＴｉ，Ｔｉ合金，ＣｒまたはＣｒ合金等から成る密着金属層４ａ、厚み0.05〜0.2μｍのＰｄ，Ｐｔ等から成る拡散防止層４ｂ、厚み２〜４μｍのＡｕ等からなる主導体層４ｃを順次積層することにより形成される。

伝送線路４は、これら密着金属層４ａ，拡散防止層４ｂ，主導体層４ｃがそれぞれスパッタリング法，真空蒸着法，めっき法等で順次積層された後に、フォトリソグラフィ法およびエッチング法により伝送線路４とならない不要部を除去することによって所定の形状に形成される。

例えば、伝送線路４が真空蒸着法を用いて形成される場合には、上記凸部３を形成した絶縁基板２を真空蒸着装置の成膜室に取り付けて、成膜室内の蒸着源にＴｉ，Ｔｉ合金，ＣｒまたはＣｒ合金等の密着金属層４ａ、Ｐｄ，Ｐｔ等の拡散防止層４ｂ、Ａｕ等の主導体層４ｃとなる各金属片をそれぞれ配置し、その後成膜室内を真空状態（10^-2Ｐａ以下の圧力）にするとともに、蒸着源に配置された各金属片を順に加熱して蒸発させ、この蒸発した金属の蒸気を絶縁基板２の凸部３の上面に被着させる。次に、主導体層４ｃの上にめっき法を用いることによりＡｕ等から成る主導体層４ｃの最終的な厚みが２〜４μｍとなるように厚く形成し、その後上記レジスト膜を除去することにより伝送線路４が形成される。

結局、以上の操作により厚み2.2〜５μｍの凸部３の上面に形成された伝送線路４の密着金属層４ａの厚みは0.05〜0.2μｍ、拡散防止層４ｂの厚みは0.05〜0.2μｍ、主導体層４ｃの厚みは２〜４μｍとなり、主導体層４ｃの下面の高さは絶縁基板２の主面から2.3〜5.4μｍとなり、上面の高さは絶縁基板２の主面から4.3〜9.4μｍとなる。

薄膜コンデンサ５は、Ｔｉ，Ｔｉ合金，ＣｒまたはＣｒ合金等から成る下部電極６と、その上にアルミナ，酸化チタン，チタン酸バリウム等の誘電材をスパッタリング法で形成して成る誘電体薄膜７と、更にその上に上部電極８をＴｉ，Ｔｉ合金，ＣｒまたはＣｒ合金等から成る密着金属層８ａ、Ｐｄ，Ｐｔ等から成る拡散防止層８ｂ、Ａｕ等からなる主導体層８ｃを順次積層して形成する。

薄膜コンデンサ５の平面視における形状は四角形，円形，楕円形，多角形その他任意の形状に形成可能である。そして、誘電体薄膜７は、前述した伝送線路４と同じプロセスで形成され、下部電極６となる部位以外をレジスト膜でコートした絶縁基板２をスパッタ装置の成膜室に取り付けて、下部電極６を形成した上面に誘電体から成る誘電体膜を積層して形成される。

誘電体薄膜７の厚みは、11.35〜20μｍが良く、11.35μｍ未満では、伝送線路４の上面と薄膜コンデンサ５の上部電極８の下面と２μｍ以上の高さの差が保てず、強い静電結合が発生する場合があり、20μｍを超えると、レジスト膜をリフトオフ法で除去する際にエッチング液がうまく浸透せずに良好な加工ができない場合がある。

上部電極８は、誘電体薄膜７を形成した絶縁基板２上に、蒸着法を用いてＴｉ、Ｔｉ合金、ＣｒまたはＣｒ合金等から成る密着金属層８ａ、Ｐｄ，Ｐｔ等から成る拡散防止層８ｂ、Ａｕ等から成る主導体層８ｃを順次積層して形成される。最後に、リフトオフ法により、薄膜コンデンサ５の周囲のレジストと一緒に、誘電材と金属層を除去して薄膜コンデンサ５が形成される。

主導体層８ｃの厚みは、0.5〜４μｍがよい。0.5μｍ未満では、ワイヤーボンディング時の衝撃を吸収できず誘電体薄膜６にクラックが発生する可能性がある。４μｍを超えると、主導体層８ｃを形成する際に内部に大きな応力が内在し、この内部応力によって薄膜コンデンサ５の絶縁特性，耐電圧特性が劣化する傾向がある。

上記操作により、結局、薄膜コンデンサ５の下部電極６の厚みは0.05〜0.2μｍ、誘電体薄膜７の厚みは11.4〜20μｍ、上部電極８の密着金属層８ａの厚みは0.05〜0.2μｍ、拡散防止層８ｂの厚みは0.05〜0.2μｍ、主導体層８ｃの厚みは0.5〜４μｍに形成され、上部電極８の厚みは0.6〜4.4μｍとなる。そして、下部電極６の絶縁基板２の主面からの高さは0.05〜0.2μｍ、上部電極８の下面の絶縁基板２からの高さは11.45〜20.2μｍとなる。従って、伝送線路４の下面は、下部電極６の上面より２〜4.05μｍ高く形成されることとなり、上部電極８の下面より2.05〜15.9μｍ低く形成されることとなる。

絶縁基板２の主面に伝送線路４と薄膜コンデンサ５とが近接して形成されると、伝送線路４と下部電極６との間および伝送線路４と上部電極８との間に伝送線路４と対向する下部電極６または上部電極８との間の距離に反比例し、面積に比例する静電結合が生じる。そして、この静電結合より発生する浮遊容量により、高周波信号の波形に歪みが発生したり、伝送線路４を流れる信号の損失の増加や伝送線路４の外部回路との接続部における信号の反射が増加したりするのを招く。

従って、伝送線路４の下面および上面は下部電極６の上面および上部電極８の下面との間にあり、より好ましくは、伝送線路４の下面および上面は下部電極６の上面および上部電極８の下面から高さ方向において２μｍ以上隔てると、伝送線路４と下部電極６または上部電極８とが隣接せず距離が離れるので、これらの間で生じる静電結合を少なくすることができるので好ましい。

本発明の配線基板１によれば、伝送線路４の下面が下部電極６の上面よりも高く、伝送線路４の上面が上部電極８の下面よりも低いことから、伝送線路４と下部電極６または上部電極８とが隣接せず距離が離れるので、伝送線路４と下部電極６および伝送線路４と上部電極８との間に生じる静電結合が小さくなり、薄膜コンデンサ５に近接する部分で伝送線路４を伝搬する高周波信号の伝送特性に与える影響を少なくすることができ、良好な高周波特性を有する配線基板１を提供することができる。

本発明の実施例を以下に説明する。
図１の配線基板を、以下の工程により作製した。
〔１〕絶縁基板２として、縦63.5ｍｍ×横63.5ｍｍ×厚さ0.2ｍｍの酸化アルミニウム質焼結体の基板を用意し、伝送線路４が形成される部位以外をレジスト膜でコートした後に、厚み３μｍのアルミナから成る膜をスパッタリング法で形成し、その後レジスト膜を除去することによって凸部３を形成した。

その後、絶縁基板２の主面に真空蒸着法により厚さ0.1μｍのＴｉから成る密着金属層４ａ、0.2μｍのＰｄから成る拡散防止層４ｂ、３μｍのＡｕから成る主導体層４ｃを順次積層した後に、フォトリソグラフィ法およびエッチング法により幅0.2ｍｍ×長さ20ｍｍで特性インピーダンス50Ωの伝送線路４を形成した。

また、主導体層４ｃ，拡散防止層４ｂをエッチングして密着金属層４ａをエッチングする前に、伝送線路４の淵から0.1ｍｍ離れた位置に0.5ｍｍ×0.5ｍｍの薄膜コンデンサ５の下部電極６となる部位をレジスト膜で覆った後に密着金属層４ａをエッチングすることにより下部電極６を形成した。

〔２〕リフトオフ用のレジストを絶縁基板２の主面全面に塗布した後、薄膜コンデンサ５の下部電極６が形成されている部位のレジスト膜を除去し、その表面に誘電体薄膜７となるアルミナ材を反応性スパッタ装置でスパッタし、厚さ12μｍの誘電体薄膜７を形成した。更にその上面に厚さ0.1μｍのＴｉから成る密着金属層８ａ、厚さ0.2μｍのＰｔから成る拡散防止層８ｂ、厚さ３μｍのＡｕから成る主導体層８ｃを順次真空蒸着法により積層し、リフトオフ法にてレジスト膜を除去することによって薄膜コンデンサ５を形成したサンプルＡを10個作製した。

〔３〕また、比較するために、薄膜コンデンサ５が形成される部位に形成された上記の主導体層４ｃ，拡散防止層４ｂをエッチングしないことにより、下部電極６の上面と伝送線路４の上面との高さが同じとなるサンプルＢを同じく10個作製した。一方、サンプルＡのアルミナから成る誘電体薄膜６の厚みを6.2μｍとして、上部電極８の下面と伝送線路４の上面との高さが同じサンプルＣを10個作製した。

〔４〕サンプルＡ〜Ｃの伝送線路４に10ＧＨｚの高周波信号を供給するとともに、薄膜コンデンサ５の下部電極６および上部電極８間に１ＧＨｚの信号を供給し、伝送線路４の伝送損失および反射損失をそれぞれウェハープローブ（カスケードマイクロテック社製、WHP-405-150）およびネットワークアナライザー（ＨＰ社製、HP8720D）を用いたネットワークアナライザーシステムによって測定した。

測定の結果、サンプルＡでは伝送損失が10ＧＨｚで0.2ｄＢ、反射損失が−25ｄＢであったのに対して、サンプルＢ，Ｃにおいては伝送損失が10ＧＨｚで0.6ｄＢ、反射損失が−18ｄＢとそれぞれ悪くなっていることがわかった。

以上の結果から、絶縁基板２上に伝送線路４と薄膜コンデンサ５を形成した配線基板１において、伝送線路４の下面が下部電極６の上面よりも高く、伝送線路４の上面が上部電極８の下面よりも低い位置にすることにより、伝送線路４と下部電極６および伝送線路４と上部電極８との間に生じる静電結合が減少し、伝送線路４を伝搬する高周波信号に損失や反射の生じることが少なく、良好な高周波特性を有する配線基板１を提供できることが判った。

なお、本発明は、上記実施の形態および実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内であれば種々の変更を行なうことは何等差し支えない。例えば、伝送線路４や薄膜コンデンサ５を構成する密着金属層，拡散防止層，主導体層の厚みや金属の種類等は変更可能である。

本発明の配線基板の実施の形態の一例を示す断面図である。従来の配線基板の例を示す断面図である。

符号の説明

１：配線基板
２：絶縁基板
３：凸部
４：伝送線路
４ａ：密着金属層
４ｂ：拡散防止層
４ｃ：主導体層
５：薄膜コンデンサ
６：下部電極
７：誘電体薄膜
８：上部電極
８ａ：密着金属層
８ｂ：拡散防止層
８ｃ：主導体層

Claims

絶縁基板の主面に形成された凸部の上面に形成された伝送線路と、前記絶縁基板の前記主面の前記伝送線路に隣接する部位に、Ｔｉ，Ｔｉ合金，ＣｒまたはＣｒ合金から成る下部電極および誘電体薄膜および上部電極が順次積層されて成る薄膜コンデンサとを具備しており、前記伝送線路は、その下面が前記下部電極の上面よりも高く、その上面が前記上部電極の下面よりも低いことを特徴とする配線基板。