JP2023055392A - 基板、積層構造、及び積層構造の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】大気中でも表面活性状態を維持できて、微細なチップ実装が可能な基板、積層構造体を実現することを課題とする。【解決手段】基材１表面に形成した電極部３と、前記基材１の表面における前記電極部３以外の前記基材１表面領域に充填した絶縁材４と、前記電極部３及び前記絶縁材４により形成された電極露出面に形成した自己組織化膜５と、を備えた基板１０とした。これにより、大気中でも表面活性状態を維持できている基板同士を接合することが可能で、微細なチップ実装が可能な積層構造体を実現することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、自己組織化膜を有した基板、積層構造、及び積層構造の製造方法に関する。

プリント基板へのチップの実装やチップ同士の接合、実装において、回路パターン又は電極部間のピッチが狭くなり１０μｍ程度まで小さくなってきている。そのため、従来のはんだ等を用いて電極部と基板の回路パターンとを接合する方法や、電極部を接合してから絶縁材を流し込むような方法では立ちいかなくなっている。

特許文献１には、チップ及び基板の接合表面が金属領域と誘電体領域である絶縁材からなるダイレクト接合（「ハイブリッド接合」ともいう。）でチップと基板を接合するために、プラズマ照射等により接合表面を洗浄する事項が記載されている。

特開２０２０－５０９５７８号公報

しかしながら、特許文献１に記載のものは、プラズマ照射等により洗浄した後、実装機等の真空ではない環境に接合面が晒されるので、洗浄による活性状態を長時間維持することが困難で、酸化等により活性状態が損なわれ、ハイブリッド接合が困難になる恐れがあるという問題がある。また、真空中で実装を行おうとすると、実装機自体をチャンバー内に収納する等装置が大型化し高コストとなるという問題がある。

本発明は、上記問題点を解決して、大気中でも表面活性状態を維持できて、狭電極ピッチの実装が可能な基板、積層構造体を実現することを課題とする。

上記課題を解決するために本発明は、基材表面に形成した電極部と、
前記基材の表面における前記電極部以外の前記基材表面領域に充填した絶縁材と、
前記電極部及び前記絶縁材により形成された電極露出面に形成した自己組織化膜と、を備えた基板を提供するものである。

この構成により、自己組織化膜により大気中でも表面活性状態が維持でき、狭電極ピッチの実装を可能とすることができる。

基板であって、前記自己組織化膜は、表面先端の官能基がビニル基、ハイドロキシ基、アクリル基、エポキシ基、アミノ基、又はイソシアネート基を含む構成としてもよい。

この構成により、電極部同士の接合、絶縁材同士の接合が可能で、自己組織化膜を介して電極部間の電気的導通が可能である。

また、上記課題を解決するために本発明は、基板同士を接合した積層構造であって、
第１基材の表面に形成した第１電極部と、前記第１基材表面上の前記第１電極部以外の前記第１基材表面領域に充填した第１絶縁材と、前記第１電極部及び前記第１絶縁材により形成された電極露出面に形成した第１自己組織化膜と、を有した第１基板における前記第１自己組織化膜に対して、
第２基材の表面に形成した第２電極部と、前記第２基材表面上の前記第２電極部以外の前記第２基材表面領域に充填した第２絶縁材と、前記第２電極部及び前記第２絶縁材により形成された電極露出面に形成した第２自己組織化膜と、を有した第２基板における前記第２自己組織化膜が対向し、
前記第１電極部の少なくとも一部と前記第２電極部の少なくとも一部が位置合わせされて積層してなることを特徴とする積層構造を提供するものである。

この構成により、第１自己組織化膜及び第２自己組織化膜を介して第１電極部と対向する第２電極部との間は電気的に導通し、第１絶縁材又は第２絶縁材を介した電気的導通はしない積層構造を実現できる。

積層構造であって、前記第１自己組織化膜及び前記第２自己組織化膜は、表面先端の官能基がビニル基、ハイドロキシ基、アクリル基、エポキシ基、アミノ基、又はイソシアネート基を含む構成としてもよい。

この構成により、第１基板における自己組織化膜のビニル基、ハイドロキシ基、アクリル基、エポキシ基、アミノ基、又はイソシアネート基と、第２基板における自己組織化膜のビニル基、ハイドロキシ基、アクリル基、エポキシ基、アミノ基、又はイソシアネート基とが重合して強固な接合状態を保持した積層構造を実現できる。

また、上記課題を解決するために本発明は、自己組織化膜を有する積層構造の製造方法であって、
基材表面に形成した電極部と、前記基材表面上の前記電極部以外の前記基材表面領域に充填した絶縁材と、前記電極部及び前記絶縁材により形成された電極露出面に形成した自己組織化膜と、を備えた第１基板、及び第２基板の自己組織化膜同士を対向させて前記第１基板における少なくとも一部の前記電極部と前記第２基板における少なくとも一部の前記電極部との位置合わせを大気中で行う位置合わせ工程と、
位置合わせされた前記第１基板と前記第２基板とを大気中で接合する接合工程と、を備えたことを特徴とする積層構造の製造方法を提供するものである。

この構成により、大気中でも表面活性状態を維持できている基板同士を接合することが可能で、微細なチップ実装が可能な積層構造体を実現することができる。

積層構造の製造方法であって、前記接合工程では、前記第１基板、及び前記第２基板の自己組織化膜に対して、加熱又は紫外線照射を行う構成としてもよい。

この構成により、加熱又は紫外線照射により第１基板におけるビニル基、ハイドロキシ基、アクリル基、エポキシ基、アミノ基、又はイソシアネート基と、第２基板におけるビニル基、ハイドロキシ基、アクリル基、エポキシ基、アミノ基、又はイソシアネート基とが重合して強固な接合状態を保持した積層構造を実現できる。

本発明によれば、大気中でも表面活性状態を維持できて、微細なチップ実装が可能な基板、積層構造体を実現することができる。

本発明の実施例１における基板を説明する図である。 本発明の実施例１における基板の製造方法を説明する図である。 本発明の実施例１における基板の自己組織化膜を説明する図である。 本発明の実施例２における積層構造を説明する図である。 本発明の実施例２における積層構造の製造方法を説明する図である。

（基板）
本発明の実施例１における基板の構成について、図１を参照して説明する。図１は、本発明の実施例１における基板を説明する図である。

実施例１における基板１０は、基材１の表面における回路パターン２と通電可能にバンプ等の電極部３が形成されている。また、基材１の表面における電極部３以外の基材１表面領域には絶縁材４が充填されている。そして、電極部３及び絶縁材４で形成される電極露出面は略面一に構成されている。実施例１における基材１は、シリコンからなるチップであるが、必ずしもこれに限定されず適宜変更が可能である。例えば、ガラス基板、セラミック基板、ガラスエポキシ基板、又はウエハ基板であってもよい。また、電極部３は銅で形成されるが、これも別の材料であってもよい。例えば金、銀等が採用可能である。電極部３の厚さは任意でよいが、実施例１においては１μｍ程度である。また、電極部３のピッチは狭いところで１０μｍ以下である。絶縁材４は、実施例１においてはＳｉＯ_２で構成しているが、特に制限されるものではなく、任意の絶縁体でよい。

また、電極部３及び絶縁材４の基材１で形成される電極露出面には自己組織化膜５が全面に形成されている。自己組織化膜５は、シランカップリング剤を含む金属アルコキシドの膜からなっており、ＳＡＭ膜（Self-Assembled Monolayer）とも呼ばれ、分子レベルの厚さ（ｎｍオーダー）で極めて薄く、光を透過して電極部３を視認することができる。また、先端部分（電極部３及び絶縁材４の反対側の部分）に、ビニル基、ハイドロキシ基、アクリル基、エポキシ基、アミノ基、又はイソシアネート基を含んでおり（図３（ｂ）参照）、後述するように、基板１０同士の積層構造を形成する場合に、これらが重合して強固な接合を実現できる。

従来は、チップ表面を真空チャンバー内でプラズマ洗浄して活性化させても大気中に戻すと活性状態が維持できないため、ハイブリッド接合等のダイレクト実装が困難であった。実施例１における基板１０は、自己組織化膜５を表面に有していることで、表面活性状態が大気中でも維持できるので、大気中での電極部３同士の接合、絶縁材４同士の接合を従来の実装機で行うことができる。また、自己組織化膜５で表面が覆われていることで、酸性物質、アルカリ性物質、又は界面活性剤等の強浸透性物質に対する剥離耐性が強い。さらに、自己組織化膜５の厚みがｎｍオーダーであることから、後述の積層構造における対向する電極部３間にのみ電流が流れるとともに、電極部３のピッチが１０μｍ以下であっても隣接する電極に電流がリークすることなく、狭電極ピッチの実装を実現することができる。

（基板の製造方法）
本発明の実施例１における基板の製造方法について、図２、図３を参照して説明する。図２は、本発明の実施例１における基板の製造方法を説明する図である。図３は、本発明の実施例１における基板の自己組織化膜を説明する図である。

まず、基材１の回路パターン２上に電極部３を形成する電極部形成工程を実施する。電極部３は、真空中で成膜してもよいし、メッキや印刷で形成してもよく、任意の方法で形成できる。次に基材１の表面における電極部３以外の領域に絶縁材を充填する絶縁材充填工程を実施する。充填方法は任意の方法を採用することができる。

次に、自己組織化膜形成工程を実施する。この自己組織化膜形成工程の前に、電極部３及び絶縁材４で形成された表面に対して、表面研磨（例えば、ＣＭＰ法等）及び、洗浄工程が行われることにより、電極露出面が形成される。そして、自己組織化膜形成工程では、まず、電極部３と絶縁材４が形成された基材１を真空チャンバーＣに入れ、真空中でプラズマを照射して表面（電極露出面）をプラズマ洗浄する（図２（ａ）参照）。次に、真空チャンバーＣ内に親水性基を付与する蒸発源を真空チャンバーＣに供給し、プラズマ発生により形成されたプラズマ雰囲気により基材１における電極部３と絶縁材４の表面（電極露出面）を改質し、親水化する表面親水化モードを実施する（図２（ｂ）参照）。次に、同じ真空チャンバーＣ内にて、表面が親水化された基材１に対し、自己組織化膜の前駆体材料の加水分解を促進する蒸発源を真空チャンバーＣに供給して、親水化された表面（電極露出面）上にＳＡＭ膜を形成する自己組織化モードを実施する（図２（ｃ）参照）。

このとき、自己組織化膜の前駆体材料のＹ部位には、官能基として先端にビニル基、ハイドロキシ基アクリル基、エポキシ基、アミノ基、又はイソシアネート基が含まれており、後述のように、基板１０同士の積層構造を形成する場合にこれらビニル基、ハイドロキシ基、アクリル基、エポキシ基、アミノ基、又はイソシアネート基同士が重合して強固な接合を実現することができる。なお、上述のビニル基、ハイドロキシ基、アクリル基、エポキシ基、アミノ基、又はイソシアネート基は、自己組織化膜の途中の部分の官能基ではない。

次に、同じ真空チャンバーＣ内にて、水蒸気による加水分解を実施する（図２（ｄ）参照）。これにより、図２（ｅ）の自己組織化モードでは、図３（ａ）に示すような分子配列になっているものが、図３（ｂ）に示すような脱水・縮合後の分子配列となり、表面から長く伸びながら倒れにくい構造とすることができる。なお、図３の例は、自己組織化膜５の末端にアクリル基を有している場合を示している。

以上の電極部形成工程、絶縁材形成工程、及び自己組織化膜形成工程を経て、基板１０とすることができる。自己組織化膜５が形成された基板１０は、大気中においても表面が不活性化することなく活性状態を維持することができ、チップの接合を大気中で実施することができる。

このように、実施例１においては、基材表面に形成した電極部と、
前記基材の表面における前記電極部以外の前記基材表面領域に充填した絶縁材と、
前記電極部及び前記絶縁材により形成された電極露出面に形成した自己組織化膜と、を備えた基板により、自己組織化膜が形成されていることで、大気中でも表面活性状態が維持でき、微細なチップ実装を可能とすることができる。

（積層構造）
本発明の実施例２は、基板同士を接合した積層構造に関するものである点で、実施例１とは異なっている。実施例２における積層構造について、図４、図５を参照して説明する。図４は、本発明の実施例２における積層構造を説明する図である。図５は、本発明の実施例２における積層構造の製造方法を説明する図である。

実施例２における積層構造１００は、第１基材１の表面に形成した第１電極部３と、第１基材１の表面における第１電極部３以外の第１基材１表面領域に充填した第１絶縁材４と、第１電極部３及び第１絶縁材４により形成された電極露出面に形成した第１自己組織化膜５と、を有した第１基板１０における第１自己組織化膜５に対して、第２基材１´の表面に形成した第２電極部３´と、第２基材１´の表面における第２電極部３´以外の第２基材１´表面領域に充填した第２絶縁材４´と、第２電極部３´及び第２絶縁材４´により形成された電極露出面に形成した第２自己組織化膜５´と、を有した第２基板１０´における第２自己組織化膜５´を対向して接合されている。

このとき、第１電極部３と第２電極部３´とを対向させ位置合わせして接合されている。そのため、ｎｍオーダーの第１自己組織化膜５及び第２自己組織化膜５´を介して、第１電極部３と第２電極部３´との間で電気的な導通が可能となる。しかしながら、全ての第１電極部３と第２電極部３´とを位置合わせされている必要はなく、電子回路の都合に応じて、複数の第１電極部３の少なくとも一部と複数の第２電極部３´の少なくとも一部を対向させ位置合わせして接合した積層構造であればよい。

図４の積層構造１００において、対向する第１電極部３の先端と第２電極部３´先端との距離は、第１自己組織化膜５及び第２自己組織化膜５´の長さであるｎｍオーダーであるから、容易に電気が導通することができる。これに対して、各電極部間の距離は１０μｍ程度であるから電流がリークする恐れはなく、正常に電気回路を構成することができる。

（積層構造の製造方法）
積層構造の製造方法について、図５を参照して説明する。図５は、本発明の実施例２における積層構造の製造方法を説明する図である。

まず、公知の実装機において、第１基板１０の第１自己組織化膜５と第２基板１０´の第２自己組織化膜５´とを対向させる。そして、第１基板１０と第２基板１０´との平行出しを行った後、第１基板１０における少なくとも一部の電極部３と第２基板１０´における少なくとも一部の電極部３´の２次元上の位置合わせを大気中で行う位置合わせ工程を実施する。

このとき、第１基板１０における自己組織化膜５、及び第２基板１０´における自己組織化膜５´は、ともにｎｍオーダーの薄い膜であることから、その下の電極部３及び電極部３´の位置を視認できる。そして、実装機のカメラでアライメントマークを確認しつつ電極部３及び電極部３´の位置を確認しながら公知の方法で位置合わせすることができる。

位置合わせ工程が終われば、第１基板１０と第２基板１０´とを大気中で接合する接合工程を実施する。実装機で第１基板１０と第２基板１０´との高さ方向の距離をなくし当接させる。その後、５０℃から５００℃程度に加熱する。加熱時間は、電極部材料により異なるが、数分～数十分程度でよい。

なお、実施例２においては、接合工程において加熱するようにしたが、必ずしもこれに限定されず適宜変更が可能である。例えば、実装後、紫外線を照射するようにしてもよい。

このように、実施例２においては、基板同士を接合した積層構造であって、
第１基材の表面に形成した第１電極部と、前記第１基材表面上の前記第１電極部以外の前記第１基材表面領域に充填した第１絶縁材と、前記第１電極部及び前記第１絶縁材により形成された電極露出面に形成した第１自己組織化膜と、を有した第１基板における前記第１自己組織化膜に対して、
第２基材の表面に形成した第２電極部と、前記第２基材表面上の前記第２電極部以外の前記第２基材表面領域に充填した第２絶縁材と、前記第２電極部及び前記第２絶縁材により形成された電極露出面に形成した第２自己組織化膜と、を有した第２基板における前記第２自己組織化膜が対向し、
前記第１電極部の少なくとも一部と前記第２電極部の少なくとも一部が位置合わせされて積層してなることを特徴とする積層構造により、第１自己組織化膜及び第２自己組織化膜を介して第１電極部と対向する第２電極部との間は電気的に導通し、第１絶縁材又は第２絶縁材を介した電気的導通はしない積層構造を実現できる。

また、自己組織化膜を有する積層構造の製造方法であって、
基材表面に形成した電極部と、前記基材表面上の前記電極部以外の前記基材表面領域に充填した絶縁材と、前記電極部及び前記絶縁材により形成された電極露出面に形成した自己組織化膜と、を備えた第１基板、及び第２基板の自己組織化膜同士を対向させて前記第１基板における少なくとも一部の前記電極部と前記第２基板における少なくとも一部の前記電極部との位置合わせを大気中で行う位置合わせ工程と、
位置合わせされた前記第１基板と前記第２基板とを大気中で接合する接合工程と、を備えたことを特徴とする積層構造の製造方法により、大気中でも表面活性状態を維持できている基板同士を接合することが可能で、微細なチップ実装が可能な積層構造とすることができる。

本発明の基板、積層構造、及び積層構造の製造方法は、微細なチップ実装する分野に広く用いることができる。

１：基材 ２：回路パターン ３：電極部 ４：絶縁材
５：自己組織化膜
１０：基板
１´：基材 ２´：回路パターン ３´：電極部 ４´：絶縁材
５´：自己組織化膜
１０´：基板
１００：積層構造
Ｃ：チャンバー

Claims (6)

1. 基材表面に形成した電極部と、
   前記基材の表面における前記電極部以外の前記基材表面領域に充填した絶縁材と、
   前記電極部及び前記絶縁材により形成された電極露出面に形成した自己組織化膜と、を備えた基板。
2. 前記自己組織化膜は、表面先端の官能基がビニル基、ハイドロキシ基、アクリル基、エポキシ基、アミノ基、又はイソシアネート基を含むことを特徴とする請求項１に記載の基板。
3. 基板同士を接合した積層構造であって、
   第１基材の表面に形成した第１電極部と、前記第１基材表面上の前記第１電極部以外の前記第１基材表面領域に充填した第１絶縁材と、前記第１電極部及び前記第１絶縁材により形成された電極露出面に形成した第１自己組織化膜と、を有した第１基板における前記第１自己組織化膜に対して、
   第２基材の表面に形成した第２電極部と、前記第２基材表面上の前記第２電極部以外の前記第２基材表面領域に充填した第２絶縁材と、前記第２電極部及び前記第２絶縁材により形成された電極露出面に形成した第２自己組織化膜と、を有した第２基板における前記第２自己組織化膜が対向し、
   前記第１電極部の少なくとも一部と前記第２電極部の少なくとも一部が位置合わせされて積層してなることを特徴とする積層構造。
4. 前記第１自己組織化膜及び前記第２自己組織化膜は、表面先端の官能基がビニル基、ハイドロキシ基、アクリル基、エポキシ基、アミノ基、又はイソシアネート基を含むことを特徴とする請求項３に記載の積層構造。
5. 自己組織化膜を有する積層構造の製造方法であって、
   基材表面に形成した電極部と、前記基材表面上の前記電極部以外の前記基材表面領域に充填した絶縁材と、前記電極部及び前記絶縁材により形成された電極露出面に形成した自己組織化膜と、を備えた第１基板、及び第２基板の自己組織化膜同士を対向させて前記第１基板における少なくとも一部の前記電極部と前記第２基板における少なくとも一部の前記電極部との位置合わせを大気中で行う位置合わせ工程と、
   位置合わせされた前記第１基板と前記第２基板とを大気中で接合する接合工程と、を備えたことを特徴とする積層構造の製造方法。
6. 前記接合工程では、前記第１基板、及び前記第２基板の自己組織化膜に対して、加熱又は紫外線照射を行うことを特徴とする請求項５に記載の積層構造の製造方法。
   
   

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