JP2010040673A - 多層配線回路基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁層の開口部内で金属薄膜と導体パターンとを十分な強度で接着することが可能な多層配線回路基板の製造方法を提供する。
【解決手段】第１の絶縁層１上に第１の導体パターン２を形成する。次に、孔部３ａを有する第２の絶縁層３を第１の絶縁層１上に形成する。第２の絶縁層３の孔部３ａ内で第１の導体パターン２の一部が露出する。次に、第２の絶縁層３の孔部３ａ内で露出する第１の導体パターン２の部分の平均表面粗さＲａが２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下となるように、粗面化処理を行う。その後、第２の絶縁層３の孔部３ａ内で露出する第１の導体パターン２の部分、孔部３ａの側面および第２の絶縁層３上にスパッタリングにより金属薄膜４を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、多層配線回路基板の製造方法に関する。

近年、種々の電気機器または電子機器に、複数層の導体パターンを備えた多層配線回路基板が用いられている。この多層配線回路基板において、複数の導体パターン間または導体パターンと他の層との接着強度を高くするため、導体パターンの表面の粗面化を行うことが提案されている（例えば特許文献１，２参照）。
特開平９−１９９８５０号公報 特開平１１−２８４３４３号公報

このような多層配線回路基板においては、例えば絶縁層の上面側および下面側に導体パターンが配置され、これらの導体パターンが、絶縁層に形成された孔部（ビアホール）を介して電気的に接続される。

ところで、セミアディティブ法によって絶縁層上に導体パターンを形成する場合、例えばスパッタリングにより、電解めっきを行うための金属薄膜（導電膜）が形成される。

その場合、絶縁層の下面側に導体パターンが配置される状態で、その導体パターンとビアホール内で接続されるように、絶縁層の上面側にスパッタリングによって金属薄膜を形成すると、絶縁層の下面側の導体パターンと金属薄膜とを十分な強度で接着することができない場合がある。その場合、導体パターンと金属薄膜との間で剥離が生じ、断線または接続不良等が発生する可能性がある。

本発明は、絶縁層の開口部内で金属薄膜と導体パターンとを十分な強度で接着することが可能な多層配線回路基板の製造方法を提供することである。

（１）本発明に係る多層配線回路基板の製造方法は、第１の絶縁層上に第１の導体パターンを形成する工程と、開口部を有する第２の絶縁層を第１の導体パターンの一部が開口部内で露出するように第１の導体パターン上に形成する工程と、第２の絶縁層の開口部内で露出する第１の導体パターンの部分の平均表面粗さが２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下になるように粗面化処理を行う工程と、開口部に露出する第１導体パターンの部分、第２の絶縁層の開口部の側面および第２の絶縁層上の領域に連続して延びるように、スパッタリングにより金属薄膜を形成する工程と、第２の絶縁層の開口部内を埋め込むように金属薄膜上に第２の導体パターンを形成する工程とを備えるものである。

この製造方法においては、スパッタリングにより、第２の絶縁層の開口部に露出する第１導体パターンの部分、第２の絶縁層の開口部の側面および第２の絶縁層上の領域に連続して延びるように金属薄膜が形成される。そして、第２の絶縁層の開口部内を埋め込むように金属薄膜上に第２の導体パターンが形成される。これにより、第２の絶縁層の開口部内で第１の導体パターン、金属薄膜および第２の導体パターンが電気的に接続される。

この場合、第２の絶縁層の開口部内で露出する第１の導体パターンの部分の平均表面粗さが２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下となるように粗面化処理が行われることにより、第１の導体パターンと金属薄膜とが十分な強度で接着される。それにより、第１の導体パターンと金属薄膜との剥離が防止される。したがって、第１の導体パターンと第２の導体パターンとの間で断線または接続不良等の不具合が発生することが防止される。

（２）第２の導体パターンは銅からなり、第２の導体パターンを形成する工程において、第２の導体パターンを金属薄膜上に電解銅めっきにより形成してもよい。

この場合、セミアディティブ法によって効率よく第２の導体パターンを形成することができる。

（３）金属薄膜はクロム薄膜および銅薄膜からなり、金属薄膜を形成する工程において、スパッタリングによりクロム薄膜および銅薄膜を順に形成してもよい。

この場合、第２の絶縁層の開口部内で第１の導体パターンと金属薄膜のクロム薄膜とが十分な強度で接着される。それにより、第１の導体パターンと金属薄膜との剥離がより確実に防止され、断線または接続不良等の不具合の発生がより確実に防止される。

本発明によれば、第１の導体パターンと金属薄膜とが十分な強度で接着される。それにより、第１の導体パターンと金属薄膜との剥離が防止される。したがって、第１の導体パターンと第２の導体パターンとの間で断線または接続不良等の不具合が発生することが防止される。

以下、本発明の一実施の形態に係る多層配線回路基板の製造方法について図面を参照しながら説明する。

（１）製造方法
図１および図２は、本実施の形態に係る多層配線回路基板の製造工程を示す断面図である。

図１（ａ）に示すように、まず、第１の絶縁層１上に第１の導体パターン２を形成する。第１の絶縁層１の材料としては、例えばポリイミドが用いられる。第１の絶縁層１の厚みは例えば２μｍ以上５０μｍ以下であり、２μｍ以上３０μｍ以下であることが好ましい。なお、第１の絶縁層１の材料として、ポリイミドの代わりにエポキシ樹脂等の他の絶縁材料を用いてもよい。

第１の導体パターン２の材料としては、例えば銅、金またはアルミニウム等の他の金属、もしくは銅合金またはアルミニウム合金等の合金を用いることができる。好ましくは、第１の導体パターン２の材料として銅を用いる。第１の導体パターン２の厚みは例えば１μｍ以上５０μｍ以下であり、１μｍ以上３０μｍ以下であることが好ましい。

第１の導体パターン２は、例えばセミアディティブ法を用いて形成する。なお、サブトラクティブ法等の他の方法を用いて第１の導体パターン２を形成してもよい。

次に、図１（ｂ）に示すように、孔部３ａを有する第２の絶縁層３を第１の絶縁層１上に形成する。第２の絶縁層３の孔部３ａ内で第１の導体パターン２の一部が露出する。なお、孔部３ａは、請求項における開口部に相当する。孔部３ａの形状は、円形、三角形または四角形等任意に設定可能である。

第２の絶縁層３の材料としては、例えば感光性ポリイミドが用いられる。その場合、感光性ポリイミドの露光および現像を行うことにより孔部３ａを形成する。第２の絶縁層３の厚みは例えば２μｍ以上５０μｍ以下であり、２μｍ以上３０μｍ以下であることが好ましい。また、孔部３ａが円形である場合、第２の絶縁層３の孔部３ａ内で露出する第１の導体パターン２の部分の直径が５μｍ以上５００μｍ以下であり、２０μｍ以上２００μｍ以下であることが好ましい。また、孔部３ａが四角形である場合、第２の絶縁層３の孔部３ａ内で露出する第１の導体パターン２の部分の一辺が５μｍ以上５００μｍ以下であり、２０μｍ以上２００μｍ以下であることが好ましい。なお、第２の絶縁層３の材料として、ポリイミドの代わりにエポキシ樹脂等の他の絶縁材料を用いてもよい。

次に、図１（ｃ）に示すように、第２の絶縁層３の孔部３ａ内で露出する第１の導体パターン２の部分の平均表面粗さＲａが２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下となるように、粗面化処理を行う。ここで、平均表面粗さＲａとは、日本工業規格（ＪＩＳ）に定められた算術平均高さをいい、例えば光干渉型表面粗さ計により測定することができる。

それにより、第２の絶縁層３の孔部３ａ内で露出する第１の導体パターン２の部分の平均表面粗さＲａが第１の導体パターン２の他の部分の平均表面粗さＲａよりも大きくなる。なお、第１の導体パターン２の粗面化処理されていない部分の平均表面粗さＲａは２０ｎｍ未満であることが好ましい。それにより、第１の導体パターン２の表面での伝送損失が低減される。

具体的には、粗面化処理液により第１の導体パターン２の表面をエッチングする。粗面化処理液としては、硫酸、塩酸、過硫酸アンモニウムまたは過硫酸ナトリウム等の酸性薬液、もしくはその酸性薬液に過酸化水素水を混合した溶液を用いることができる。

また、粗面化速度（エッチング速度）を制御するために、第１の導体パターン２の金属成分を所定量溶解した粗面化処理液を用いてもよい。例えば、第１の導体パターン２の材料として銅を用いる場合に、過硫酸ナトリウムに２ｇ／Ｌ以上１０ｇ／Ｌ以下の濃度範囲で銅を溶解した溶液を粗面化処理液として用いてもよい。

この場合、銅の濃度が２ｇ／Ｌよりも低いと第１の導体パターン２の表面が過剰に粗面化される可能性がある。一方、銅の濃度が１０ｇ／Ｌよりも高いと第１の導体パターン２の表面を十分に粗面化することができない可能性がある。なお、過硫酸ナトリウムを用いることにより、粗面化処理液の管理が比較的容易になる。

粗面化処理温度（粗面化処理液の温度）は、４０℃以上６０℃以下であることが好ましい。粗面化処理温度が４０℃よりも低いと、粗面化処理液の管理が困難になる、または粗面化処理の時間が長くなる等の不具合が発生する。粗面化処理温度が６０℃よりも高いと、第１の導体パターン２の平均表面粗さＲａの調整が困難になる。

なお、第１の導体パターン２の平均表面粗さＲａは、２０ｎｍ以上７０ｎｍ以下であることがより好ましい。

次に、図１（ｄ）に示すように、第２の絶縁層３の孔部３ａ内で露出する第１の導体パターン２の部分、孔部３ａの側面および第２の絶縁層３上に、スパッタリングにより金属薄膜４を形成する。金属薄膜４は、例えばクロム薄膜および銅薄膜からなる。金属薄膜４の厚みは例えば０．０５μｍ以上２μｍ以下であり、０．１μｍ以上０．５μｍ以下であることが好ましい。なお、金属薄膜４は、クロム薄膜および銅薄膜からなる２層構造に限らず、例えば銅のみの単層構造であってもよい。

次に、図１（ｅ）に示すように、第２の絶縁層３の孔部３ａ内を除く金属薄膜４上の所定の部分にめっきレジスト５を形成する。この場合、次工程で形成される第２の導体パターン６と逆のパターンのめっきレジスト５が露光および現像により形成される。

そして、図２（ｆ）に示すように、第２の絶縁層３の孔部３ａ内を埋め込むように、露出する金属薄膜４上の部分に電解めっきにより第２の導体パターン６を形成する。第２の導体パターン６の材料としては、銅、銀、アルミニウム等を用いることができる。第２の絶縁層３ａ上における第２の導体パターン６の部分の厚みは、例えば１μｍ以上５０μｍ以下であり、５μｍ以上３０μｍ以下であることが好ましい。

次に、図２（ｇ）に示すように、めっきレジスト５をエッチングまたは剥離によって除去する。次に、図２（ｈ）に示すように、露出した金属薄膜４の部分をエッチングにより除去する。

そして、図２（ｉ）に示すように、第２の導体パターン６を覆うように、第２の絶縁層３上に第３の絶縁層７を形成する。第３の絶縁層７の材料としては、例えば感光性ポリイミドが用いられる。第３の絶縁層７の厚みは例えば２μｍ以上５０μｍ以下であり、２μｍ以上３０μｍ以下であることが好ましい。なお、第３の絶縁層７の材料として、ポリイミドの代わりにエポキシ樹脂等の他の絶縁材料を用いてもよい。これにより、多層配線回路基板１００が完成する。

本実施の形態では、第１の導体パターン２の平均表面粗さＲａが２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下となるように粗面化処理を行うことにより、第２の絶縁層３の孔部３ａ内において、第１の導体パターン２と金属薄膜４とを十分な強度で接着することができる。それにより、第１の導体パターン２と金属薄膜４との剥離が防止され、断線または接続不良等の不具合が発生することが防止される。

（２）実施例および比較例
種々の条件で多層配線回路基板１００を製造し、第１の導体パターン２と金属薄膜４との接着強度を調べた。表１には、実施例１〜６および比較例１〜４における種々の製造条件が示される。

（２−１）実施例
（２−１−１）実施例１
ポリイミドからなる第１の絶縁層１上に、セミアディティブ法により第１の導体パターン２を形成した。具体的には、スパッタリングにより第１の絶縁層１上にクロム薄膜および銅薄膜を順に形成し、続いてめっきレジストを用いて電解銅めっきを行うことにより、第１の導体パターン２を形成した。なお、クロム薄膜の厚みを２０ｎｍとし、銅薄膜の厚みを１００ｎｍとし、銅めっきの厚みを２０μｍとした。

次に、感光性ポリイミドを用いて、孔部３ａを有する第２の絶縁層３を形成した。第２の絶縁層３の厚みは、５μｍとした。また、孔部３ａは円形であり、孔部３ａ内で露出する第１の導体パターン２の部分の直径は１００μｍであった。

次に、過硫酸ナトリウムに銅を２ｇ／Ｌの濃度で溶解した粗面化処理液に、第１の導体パターン２を１分間浸漬することにより、第１の導体パターン２の粗面化処理を行った。これにより、第２の絶縁層３の孔部３ａ内で露出する第１の導体パターン２の部分の平均表面粗さＲａを２４ｎｍとした。なお、粗面化処理時における粗面化処理液の温度（粗面化処理温度）を５０℃とした。また、第１の導体パターン２の平均表面粗さＲａは、光干渉型表面粗さ計を用いて測定した。

次に、スパッタリングにより金属薄膜４としてクロム薄膜および銅薄膜を順に形成した。なお、クロム薄膜の厚みを２０ｎｍとし、銅薄膜の厚みを１００ｎｍとした。

次に、めっきレジスト６を形成し、電解銅めっきにより第２の導体パターン６を形成した。なお、銅めっきの厚みを２０μｍとした。その後、めっきレジスト６および露出する金属薄膜４（クロム薄膜および銅薄膜）の部分を除去した。

そして、感光性ポリイミドを用いて第３の絶縁層７を形成した。なお、第３の絶縁層７の厚みを５μｍとした。これにより、実施例１における多層配線回路基板１００を得た。

（２−１−２）実施例２
第１の導体パターン２の粗面化処理液への浸漬時間を２分とした点を除いて、上記実施例１と同様に多層配線回路基板１００を製造した。この場合、第２の絶縁層３の孔部３ａ内で露出する第１の導体パターン２の部分の平均表面粗さＲａが３０ｎｍであった。

（２−１−３）実施例３
第１の導体パターン２の粗面化処理液への浸漬時間を５分とした点を除いて、上記実施例１と同様に多層配線回路基板１００を製造した。この場合、第２の絶縁層３の孔部３ａ内で露出する第１の導体パターン２の部分の平均表面粗さＲａが３２ｎｍであった。

（２−１−４）実施例４
粗面化処理液として、過硫酸ナトリウムの代わりに過硫酸カリウム系溶液（メルテック社製、ＡＤ−４８５）を用いた。この粗面化処理液を第１の導体パターン２に１．５ｋｇ／ｃｍ^２の圧力でスプレーすることにより、第１の導体パターン２の粗面化処理を行った。なお、粗面化処理温度（粗面化処理液の温度）を４０℃とし、処理時間（スプレーする時間）を１２秒とした。

これらの点を除いて、上記実施例１と同様に多層配線回路基板１００を製造した。この場合、第２の絶縁層３の孔部３ａ内で露出する第１の導体パターン２の部分の平均表面粗さＲａが５０ｎｍであった。

（２−１−５）実施例５
処理時間（スプレーする時間）を２４秒とした点を除いて上記実施例４と同様に多層配線回路基板１００を製造した。この場合、第２の絶縁層３の孔部３ａ内で露出する第１の導体パターン２の部分の平均表面粗さＲａが６６ｎｍであった。

（２−１−６）実施例６
処理時間（スプレーする時間）を１分とした点を除いて上記実施例４と同様に多層配線回路基板１００を製造した。この場合、第２の絶縁層３の孔部３ａ内で露出する第１の導体パターン２の部分の平均表面粗さＲａが１９６ｎｍであった。

（２−２）比較例
（２−２−１）比較例１
粗面化処理を行わなかった点を除いて上記実施例１と同様に多層配線回路基板１００を製造した。この場合、第２の絶縁層３の孔部３ａ内で露出する第１の導体パターン２の部分の平均表面粗さＲａが８ｎｍであった。

（２−２−２）比較例２
粗面化処理温度を２５℃とし、処理温度（浸漬時間）を２分とした点を除いて、上記実施例１と同様に多層配線回路基板１００を製造した。この場合、第２の絶縁層３の孔部３ａ内で露出する第１の導体パターン２の部分の平均表面粗さＲａが１５ｎｍであった。

（２−２−３）比較例３
粗面化処理液として、過硫酸ナトリウムの代わりに１０％の濃度の硫酸水溶液を用いた。また、粗面化処理温度を５０℃とし、処理温度（浸漬時間）を２分とした。これらの点を除いて、上記実施例１と同様に多層配線回路基板１００を製造した。この場合、第２の絶縁層３の孔部３ａ内で露出する第１の導体パターン２の部分の平均表面粗さＲａが９ｎｍであった。

（２−２−４）比較例４
電解銅めっき層およびポリイミド層からなる２層基材を用い、サブトラクティブ法により第１の絶縁層１および第１の導体パターン２を形成した。これらの点を除いて、上記実施例２と同様に多層配線回路基板１００を製造した。この場合、第２の絶縁層３の孔部３ａ内で露出する第１の導体パターン２の部分の平均表面粗さＲａが２０７ｎｍであった。

（２−３）評価
実施例１〜６および比較例１〜４の多層配線回路基板１００をそれぞれ屈曲させて、第１の導体パターン２と金属薄膜４との接着状態を調べた。表１にその結果が示される。

表１に示すように、実施例１〜６の多層配線回路基板１００を屈曲させても、第１の導体パターン２と金属薄膜４のクロム薄膜とが界面で剥離は発生しなかった。一方、比較例１〜４の多層配線回路基板１００を屈曲させると、第１の導体パターン２と金属薄膜４のクロム薄膜との界面において剥離が発生した。

これにより、第１の導体パターン２の平均表面粗さＲａを２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とすることにより、第２の絶縁層３の孔部３ａ内において、第１の導体パターン２と金属薄膜４との剥離が十分に防止されることがわかった。

また、第１の導体パターン２と金属薄膜４との接着強度を調べるため、実施例１〜６および比較例１〜４の多層配線回路基板１００のサンプルをそれぞれ製造し、剥離試験を行った。

図３は、実施例１〜６および比較例１〜３の多層配線回路基板１００のサンプルの製造工程を示す断面図である。

図３（ａ）に示すように、ポリイミドからなる絶縁層１１上に、セミアディティブ法により導体層１２を形成した。具体的には、スパッタリングにより第１の絶縁層１上にクロム薄膜および銅薄膜を順に形成し、その後、電解銅めっきを行うことにより第１の導体層１２を形成した。なお、クロム薄膜の厚みを２０ｎｍとし、銅薄膜の厚みを１００ｎｍとし、銅めっきの厚みを２０μｍとした。

次に、図３（ｂ）に示すように、実施例１〜６および比較例１〜３の多層配線回路基板１００の製造時における第１の導体パターン２の粗面化処理と同様の条件で、第１の導体層１２の粗面化処理をそれぞれ行った。それにより、第１の導体層１２の平均表面粗さＲａをそれぞれ２４ｎｍ、３０ｎｍ、３２ｎｍ、５０ｎｍ、６６ｎｍ、１９６ｎｍ、８ｎｍ、１５ｎｍおよび９ｎｍとした。

次に、図３（ｃ）に示すように、スパッタリングにより、クロム薄膜および銅薄膜を順に形成し、金属薄膜１３を形成した。なお、クロム膜の厚みを２０ｎｍとし、銅膜の厚みを１００ｎｍとした。次に、図３（ｄ）に示すように、電解銅めっきにより、金属薄膜１３上に第２の導体層１４を形成した。なお、銅めっきの厚みを２０μｍとした。このようにして、実施例１〜６および比較例１〜３の多層配線回路基板１００のサンプルを製造した。

比較例４の多層配線回路基板１００のサンプルの製造工程と実施例１〜６および比較例１〜３の多層配線回路基板１００のサンプルの製造工程とが異なるのは次の点である。

比較例４の多層配線回路基板１００のサンプルの製造時には、絶縁層１１および第１の導体層１２として電解銅めっき層およびポリイミド層からなる２層基材を用いた。そして、比較例４の多層配線回路基板１００の製造時における第１の導体パターン２の粗面化処理と同様の条件で第１の導体層１２の粗面化処理を行った。それにより、第１の導体層１２の平均表面粗さＲａを２０７ｎｍとした。

これらのサンプルを用いて剥離試験を行い、第１の導体層１２と金属薄膜１３との剥離強度を測定した。図４は、剥離試験について説明するための模式的断面図である。

図４に示すように、金属薄膜１３が第１の導体層１２から剥離するように、金属薄膜１３および第２の導体層１４の一端を第１の導体層１２に対して９０°の角度をなす方向に５０ｍｍ／ｍｉｎの速度で引張った。この引張る力の大きさを剥離強度として測定した。

実施例１〜６および比較例１〜４の多層配線回路基板１００のサンプルにおいて、第１の導体パターン２と金属薄膜４との剥離強度を測定した結果が、表１に示される。

実施例１〜６の多層配線回路基板１００のサンプルにおいては、剥離強度が０．３５〜１．５ｋＮ／ｍと高かった。一方、比較例１〜４の多層配線回路基板１００においては、剥離強度が０．０１〜０．２６ｋＮ／ｍと低かった。これにより、第１の導体パターン２の平均表面粗さＲａを２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とすることにより、第１の導体パターン２と金属薄膜４との剥離強度が高くなることがわかった。

本発明は、種々の多層配線回路基板の製造に有効に利用することができる。

本実施の形態に係る多層配線回路基板の製造工程を示す断面図である。 本実施の形態に係る多層配線回路基板の製造工程を示す断面図である。 実施例１〜６および比較例１〜３の多層配線回路基板のサンプルの製造工程を示す断面図である。 剥離試験について説明するための模式的断面図である。

符号の説明

１ 第１の絶縁層
２ 第１の導体パターン
３ 第２の絶縁層
３ａ 孔部
４ 金属薄膜
５ めっきレジスト
６ 第２の導体パターン
７ 第３の絶縁層
１００ 多層配線回路基板

Claims (3)

1. 第１の絶縁層上に第１の導体パターンを形成する工程と、
   開口部を有する第２の絶縁層を前記第１の導体パターンの一部が前記開口部内で露出するように前記第１の導体パターン上に形成する工程と、
   前記第２の絶縁層の前記開口部内で露出する前記第１の導体パターンの部分の平均表面粗さが２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下になるように粗面化処理を行う工程と、
   前記開口部に露出する前記第１導体パターンの部分、前記第２の絶縁層の前記開口部の側面および前記第２の絶縁層上の領域に連続して延びるように、スパッタリングにより金属薄膜を形成する工程と、
   前記第２の絶縁層の前記開口部内を埋め込むように前記金属薄膜上に第２の導体パターンを形成する工程とを備えることを特徴とする多層配線回路基板の製造方法。
2. 前記第２の導体パターンは銅からなり、
   前記第２の導体パターンを形成する工程において、前記第２の導体パターンを前記金属薄膜上に電解銅めっきにより形成することを特徴とする請求項１記載の多層配線回路基板の製造方法。
3. 前記金属薄膜はクロム薄膜および銅薄膜からなり、
   前記金属薄膜を形成する工程において、スパッタリングによりクロム薄膜および銅薄膜を順に形成することを特徴とする請求項１または２記載の多層配線回路基板の製造方法。

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