JP2818318B2 - セラミック回路板における導体膜の形成方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、セラミック回路板に
おける導体膜の形成方法に関し、詳しくは、セラミック
基板を用いて、その表面に銅膜などからなる導体回路を
形成するセラミック回路板における導体膜の形成方法に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】セラ
ミック回路板における導体膜の形成方法には、厚膜
法、薄膜法、酸化銅共晶法、湿式めっき法などが
実用化されている。 厚膜法では、Ａｇ、Ｐｄなどの金属導体粉およびガ
ラス粉をビヒクルと混合してペーストとし、スクリーン
印刷の後に焼成して回路形成を行う。この方法は、比較
的簡便で安価に実施できるが、形成された回路の導体抵
抗が大きく、回路の微細化が困難である等の欠点があ
る。

【０００３】 薄膜法では、真空蒸着、イオンプレー
ティング、スパッタリングなどのＰＶＤ法により、Ａｕ
やＮｉ−Ｃｒなどを成膜した後、パターンエッチングに
より回路を形成する。この方法では、導体膜と基板の密
着力を確保するため、Ｃｒ、Ｔｉ等を下地層として成膜
する必要があるが、この下地層の抵抗が大きいため、高
周波特性が損なわれるという欠点がある。また、パター
ンエッチングの際に、導体膜のエッチング液と下地層の
エッチング液が異なるため、工程が複雑になるという欠
点もあった。

【０００４】 酸化銅共晶法では、セラミック基板上
に銅箔または銅板を載せ、ごく微量の酸素を含む窒素雰
囲気中で加熱し、銅箔または銅板の表面に酸化銅の膜を
形成させ、銅と酸化銅の共晶温度１０６４℃以上かつ銅
の融点１０８３℃以下の温度で、銅箔または銅板の表面
の酸化銅融液とセラミック基板とを反応させることによ
り、セラミック基板に銅膜を形成する。この方法は、銅
を厚く付けるのに適しているが、１００μｍ以下の薄い
銅膜を形成するのは困難であり、そのため微細な回路形
成は出来ないという欠点がある。

【０００５】 湿式めっき法では、化学エッチングに
より基板表面を粗化した後、核付け、めっきを行って、
銅等の導体膜を形成する。導体膜とセラミック基板の密
着力を確保するには、基板表面の粗化が不可欠である。
ところが、基板表面を粗化すると、高周波に対する導体
膜の表皮抵抗が大きくなり、高周波特性が劣化するとい
う欠点がある。

【０００６】そこで、発明者らは、電気抵抗の小さな銅
を、スパッタリングにより、セラミック基板に直接成膜
する方法を開発した。この方法は、セラミック基板を真
空中でイオンエッチングによりクリーニングした後、ス
パッタリングで銅を成膜する方法であり、銅膜の厚みを
任意にコントロールできるとともに、下地層が必要ない
ので高周波特性に優れ、パターンエッチングも行い易
い。

【０００７】ところが、上記方法では、銅膜とセラミッ
ク基板との密着力が十分ではなく、さらに改良が望まれ
ていた。そこで、この発明の課題は、基板表面を粗化す
ることなく、密着力が高く、高周波特性にも優れたセラ
ミック回路板における導体膜の形成方法を提供すること
にある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する、こ
の発明にかかるセラック回路板における導体膜の形成方
法は、セラミック基板にスパッタリングなどのＰＶＤ法
で銅膜を形成するセラミック回路板における導体膜の形
成方法であり、銅膜形成工程において、少なくともセラ
ミック基板の銅膜側の表面および銅膜を加熱する。

【０００９】セラミック基板は、アルミナ等の通常のセ
ラミック材料からなり、既知のセラミック回路板などに
も使用されている通常のセラミック基板が用いられる。
ＰＶＤ法は、スパッタリングのほか、真空蒸着、イオン
ビームアシスト蒸着、イオンクラスタビーム蒸着など、
回路板その他の薄膜形成処理に利用されている通常のＰ
ＶＤ法のなかから、必要に応じて適当な手段を採用する
ことができる。ＰＶＤ法を実施する装置も、通常の薄膜
形成で用いられている装置の構造が採用される。なお、
この発明では、銅膜形成工程において、基板の表面や銅
膜の温度を調節するので、薄膜形成装置としては、この
ような温度制御が容易に行えるものが好ましい。

【００１０】具体的な温度制御手段としては、薄膜形成
時に発生させるプラズマの熱による加熱、薄膜形成を行
う真空槽内や、セラミック基板を装着する基板ホルダー
に備えたヒータによる加熱、基板ホルダーに備えた冷却
水配管などの冷却装置による冷却などが用いられる。こ
の発明では、セラミック基板の表面と銅膜との密着力を
向上させることを目的として前記温度制御を行うので、
少なくともセラミック基板の銅膜側の表面および銅膜の
温度を加熱できるか、加熱および冷却が行えて、その温
度を変化させることができればよい。セラミック基板や
銅膜の温度は、前記のような温度制御手段による熱の供
給量あるいは除去量と、セラミック基板や銅膜からの放
熱量との関係によって決定される。したがって、スパッ
タリングの放電パワーや、ターゲットと基板との距離、
スパッタリング時のガス圧、基板と基板ホルダーの接触
のさせ方などの種々の条件を調整することによって、基
板および銅膜の温度が変化する。

【００１１】銅膜形成工程における、基板の表面および
銅膜の温度変化は、以下に示すようなパターンが考えら
れる。まず、少なくともセラミック基板の銅膜側の表面
および銅膜の温度を、銅膜形成工程中に、連続的に銅の
融点以下の所定温度まで上昇させる。銅膜形成工程の初
期の温度は、常温もしくは予備加熱温度である。銅の融
点以下の所定温度とは、温度を高くするほど、セラミッ
ク基板と銅膜との密着力を向上させ得るが、銅の融点に
なると、銅膜が融けるので好ましくない。通常、銅の融
点は約１０８３℃であるので、この温度以下の適当な温
度まで加熱するようにする。なお、銅膜形成工程の初期
から最終段階まで、連続的に温度を上昇させてもよい
し、銅膜形成工程の初期から一定の段階まで、連続的に
温度を上昇させた後、この温度のままで最終段階まで維
持しておいてもよい。

【００１２】つぎに、銅膜形成工程中に、段階的に銅の
融点以下の所定温度まで上昇させる方法が採用できる。
この方法は、前記連続的に上昇させる方法と基本的には
同様であるが、銅膜形成工程の途中の段階で、一旦温度
上昇を止め、この温度で一定時間保持した後、再び温度
上昇させる。つぎに、銅膜形成工程中に、銅の融点を上
限として上昇および下降させる方法が採用できる。この
方法では、一旦上昇させた温度を下降させるために、前
記したような、基板および銅膜の冷却手段を用いるのが
好ましい。温度上昇および下降は、１回だけ行ってもよ
いし、３回あるいは５回など、任意の回数で繰り返して
もよい。

【００１３】銅膜形成工程の間に、上記のような様々な
パターンによる温度の変化と、スパッタリング等による
銅膜形成の断続的な実行を組み合わせることができる。
例えば、温度を上昇させる段階で銅膜形成を行ったり、
温度を一定に維持する段階や冷却段階では銅膜形成も一
時的に中断したり、逆に、一定の温度まで上昇させて、
この温度で維持しながら銅膜形成を行ったりすることが
できる。

【００１４】つぎに、ＰＶＤ法による銅膜形成工程の前
に、セラミック基板の表面をイオンクリーニングしてお
くと、良好な銅膜形成が行える。イオンクリーニングの
具体的手段には、ＲＦプラズマやイオンビームを用いる
方法その他、通常の薄膜形成技術におけるイオンクリー
ニング手段が適用できる。また、ＰＶＤ法による銅膜形
成工程の前に、セラミック基板を予備加熱しておくこと
も好ましい。予備加熱の加熱温度は、処理条件によって
も異なり、通常の予備加熱温度範囲で自由に設定できる
が、例えば、２００〜２５０℃程度に設定する。

【００１５】

【作用】ＰＶＤ法による銅膜形成工程において、セラミ
ック基板の表面と銅膜を加熱すると、セラミック基板と
銅膜の間に強固な結合を生じさせることができる。すな
わち、温度が低い状態では、セラミック基板の表面と銅
膜の間には強い接合力は生じないが、温度が上昇する
と、セラミック基板の表面と銅膜との相互作用によって
結合力が増大するのである。

【００１６】その結果、従来のＰＶＤ法による銅膜形成
工程では十分では無かったセラミック基板と銅膜との密
着力が大幅に向上することになる。しかも、従来の湿式
めっき法のように、セラミック基板の表面を粗化させて
おかなくても、十分な密着力が発揮できるので、基板表
面の表面粗さが非常に小さなままで、基板と銅膜との密
着力を向上させ得る。基板の表面粗さが小さければ、高
周波特性も良好になり、セラミック回路板として優れた
機能を発揮することができる。

【００１７】銅膜形成工程において、形成された銅膜が
薄い段階で、温度を上昇させると、銅膜と基板との熱膨
張差による熱応力を小さくでき、昇温中に銅膜が剥離す
る心配がない。また、このような状態で、基板と銅膜と
の間に強固な結合力が生じる。また、昇温させた状態で
最終的に十分な厚みの銅膜を形成すれば、必要とする任
意の厚みの銅膜を形成することができる。

【００１８】したがって、前記した温度上昇を段階的に
行う方法において、温度が低い段階で薄い銅膜を形成し
た後、一旦銅膜形成を中断して、所定の温度まで上昇さ
せ、その後、必要な厚さまでの銅膜を形成する方法が、
前記のような作用を良好に発揮させることができる。つ
ぎに、温度の上昇および下降を組み合わせれば、銅膜が
加熱および冷却されることによって、銅膜に生じる膜応
力を緩和させることができるので、セラミック基板の表
面と銅膜との間の結合力をより高めることができる。

【００１９】

【実施例】ついで、具体的な実施例を図面を参照しなが
ら以下に説明する。但し、実施例３はこの発明の具体的
実施例を表すが、実施例１、２、４は、この発明の技術
的範囲を外れる参考技術である。 −実施例１− この実施例は、銅膜形成開始から連続的に温度を上げる
場合である。図２は、イオンクリーニング兼スパッタリ
ング装置の概略構造を示している。基本的な装置の構造
は、通常の回路板製造に用いられる薄膜形成装置と同様
のものが用いられる。

【００２０】真空槽６０内に、セラミック基板１０を装
着する基板ホルダー４０と、スパッタリングをする銅材
料からなるターゲット３０を保持するカソード５０が対
向して配置されている。真空槽６０には、真空ポンプ
（図示せず）につづく排気口６２やガス供給口６４が設
けられている。基板ホルダー４０は、真空槽６０とは絶
縁された状態で、ＲＦ（高周波）電源８０に接続されて
いる。カソード５０にはスパッタリング電源７０が接続
されている。

【００２１】上記のような装置を用いて、銅膜の形成を
行う。第１の工程としては、アルミナ等からなるセラミ
ック基板１０を、真空槽６０内の基板ホルダー４０にセ
ットし、Ａｒ等のＲＦプラズマあるいはイオンビームで
イオンクリーニングする。ＲＦプラズマでイオンクリー
ニングする場合には、真空槽６０内を１０^-2Pa程度の高
真空に排気した後、Ａｒガスを例えば１０Pa導入し、基
板ホルダー４０にＲＦ電流を印加して、セラミック基板
１０の周辺にＲＦプラズマを発生させるとともに、ＲＦ
電源８０またはＲＦ整合装置に取り付けたブロッキング
コンデンサーの働きで、セラミック基板１０すなわち基
板ホルダー４０に−６００〜−７００Ｖのバイアス電圧
をかけることにより、プラズマ中のＡｒイオンをセラミ
ック基板１０に衝突させて、基板表面をイオンクリーニ
ングする。イオンクリーニングの際、またはその前に、
セラミック基板１０を例えば２００℃程度に予備加熱し
ておいても良い。

【００２２】つぎに、第２の工程として、スパッタリン
グによりセラミック基板１０の表面に銅膜２０を形成す
る。第１の工程が終了した後、この工程を行うまでの
間、セラミック基板１０は大気にさらさないようにして
おく。スパッタリングは、例えば、０．５PaのＡｒガス
雰囲気で、例えば直流マグネトロン方式などのカソード
５０を用い、このカソード５０に例えば５００〜７００
Ｖの負電圧を印加して行う。

【００２３】このとき、スパッタリングの放電パワー、
ターゲット３０とセラミック基板１０との距離、Ａｒガ
ス圧、セラミック基板１０と基板ホルダー４０との接触
のさせ方などを制御することによって、プラズマから基
板１０に与えられる熱量と、基板１０から基板ホルダー
４０に放熱する熱量との割合を調節し、基板１０の温度
がスパッタリング開始時の温度から除去に連続的に上昇
し、スパッタリング終了時には、例えば８００℃以上、
１０８３℃以下の所定温度になるようにする。

【００２４】温度調節の具体例を挙げる。放電パワーを
ターゲット３０の表面積当たり５０W/cm² 、ターゲット
３０と基板１０の距離を６０mm、Ａｒガス圧を０．５P
a、基板１０と基板ホルダー４０の接触を基板１０の四
隅のみで行うとともに、基板ホルダー４０のうち、基板
１０との接触部分を熱伝導率の小さな材料、例えばアル
ミナセラミック等で形成し、１０〜１２μｍの厚みの銅
膜２０を形成すると、スパッタリング開始時には２００
℃であった基板１０の温度が、スパッタリングが進行す
るに伴って徐々に上昇し、スパッタリング終了時には９
００℃前後になる。

【００２５】基板温度は、スパッタリング開始時には室
温または予備加熱温度であり、これらから銅の融点以下
の所定温度まで上昇させるが、図１の曲線ａに示すよう
に、予備加熱温度Ｔ₀ である成膜の初期から、銅膜の形
成が終了する最後の段階まで常に上昇し続けるようにし
てもよいし、曲線ｂに示すように、成膜の初期から上昇
して所定温度に達した後、この所定温度を維持しておく
ようにしても良い。

【００２６】所定の膜厚の成膜が終了した後、真空雰囲
気または不活性ガス雰囲気中で、８０℃以下まで徐冷し
（例えば、１００℃／分以下の冷却速度）、真空槽６０
からセラミック基板１０を取り出す。 −実施例２− この実施例は、銅膜形成開始から段階的に温度を上げる
場合である。

【００２７】第１の工程は、前記実施例１と同様に行
う。第２の工程も、基本的には実施例１と同様に行われ
るが、温度調節の仕方が異なる。すなわち、成膜初期に
おいては、セラミック基板１０の表面温度が、例えば４
００℃を超えない一定の温度、例えば２００℃に維持す
る。上記温度に調節するための具体的制御条件として
は、例えば、放電パワーをターゲット３０の表面積当た
り５W/cm² 、ターゲット３０と基板１０の距離を７０m
m、Ａｒガス圧を０．４Paとすればよい。銅膜が基板１
０の表面を一様に覆い、例えば０．３μｍの銅膜が形成
された後、ヒータまたはスパッタリングのプラズマによ
る熱で、少なくとも基板１０の表面を加熱し、銅膜とセ
ラミックが強固な結合するのに必要な所定の温度、例え
ば９００℃に加熱した状態で銅膜を形成させる。スパッ
タリングの条件は、例えば、放電パワーをターゲット３
０の表面積当たり８０W/cm² 、ターゲット３０と基板１
０の距離を７０mm、Ａｒガス圧を０．４Paとすればよ
い。加熱は、図３に示すように、銅膜を形成しながら行
ってもよいし、図４に示すように、銅膜形成を一時的に
中断して加熱を行い所定温度に達した段階で、引き続き
銅膜形成を行うようにしても良い。

【００２８】所定の膜厚の成膜が終了した後、前記実施
例と同様に徐冷すれば、導体膜の形成工程が完了する。 −実施例３− この実施例は、銅膜形成中に、温度の上昇下降を行う場
合である。第１の工程は、前記実施例１と同様に行う。

【００２９】第２の工程も、基本的には実施例１と同様
に行われるが、温度調節の仕方が異なる。すなわち、セ
ラミック基板１０の表面温度が、例えば、スパッタリン
グ開始時を２５０℃にして、これから上昇させる。銅膜
形成とともに基板温度を上昇させ、例えば、５００℃に
達した所で、一時的にスパッタリングを中断して、真空
中で基板１０を放冷却するか、または、基板ホルダー４
０に備えた冷却装置で冷却して、例えば２００℃まで冷
却する。その後、スパッタリングを再開し、再び基板１
０の表面温度を上昇させながら銅膜を形成させる。この
ような温度の上昇下降と断続的なスパッタリング作業
を、例えば２〜５回繰り返して、所定膜厚、例えば１８
μｍの銅膜を形成する。図５は、基板１０の温度変化と
スパッタリングによる銅膜形成のタイミングとの具体的
設定パターンを示している。

【００３０】上記のような温度調節を行うための具体手
段を挙げる。例えば、放電パワーをターゲット３０の表
面積当たり８０W/cm² 、ターゲット３０と基板１０の距
離を７０mm、Ａｒガス圧を０．３Pa、基板１０と基板ホ
ルダー４０の接触を基板１０の四隅のみで行うととも
に、基板ホルダー４０のうち、基板１０との接触部分を
熱伝導率の大きな材料、例えばステンレス鋼等で形成し
ておけばよい。

【００３１】−実施例４− この実施例は、銅膜形成中に、温度を上昇下降させると
ともに、イオンクリーニングおよび銅膜の形成方法が、
前記実施例とは異なる。図６に示す装置を用いる。真空
槽６０内には、セラミック基板１０を装着する基板ホル
ダー４０と、これと対向する位置に、銅からなる蒸着材
料３２を収容した蒸発源３４が備えられている。蒸発源
３４の側方には、基板ホルダー４０に向かってイオンビ
ームを照射するイオンガン９０が備えられている。イオ
ンガン９０には、Ａｒガスなどの供給口９２が設けられ
ている。基板ホルダー４０には、加熱用のヒータ４２と
ともに冷却装置４４が内蔵されている。

【００３２】第１の工程として、イオンビームによりセ
ラミック基板１０の表面をイオンクリーンニングする。
すなわち、アルミナ等からなるセラミック基板１０を基
板ホルダー４０にセットし、真空槽６０内を１０^-4Pa台
の真空に排気した後、真空槽６０内に備えたイオンガン
９０にＡｒガスを、例えば５×１０^-2Pa導入して、Ａｒ
イオンビームを発生させて基板１０の表面に照射する。
イオンビームは、例えば、加速電圧５００Ｖ、電流密度
０．５ｍＡ／cm² で１〜２分間照射する。イオンクリー
ニングの際、またはその前に、基板１０を例えば２００
℃程度に予備加熱しておいても良い。

【００３３】第２の工程では、真空蒸着法を用いて銅膜
を形成する。第１の工程におけるイオンクリーニングが
終了した後、Ａｒガスの供給およびイオンガンの作動を
止め、真空槽６０内を再び１０^-4Pa台の真空に排気した
後、予め蒸着材料である銅３２がセットされた蒸発源３
４、例えば抵抗加熱式のタングステンボートに通電し
て、銅３２を蒸発させて基板１０の表面に蒸着させる。
銅膜形成後は、基板ホルダー４０に備えたヒータ４２を
作動させ、基板１０の温度が、成膜初期の予備加熱温
度、例えば、２５０℃から徐々に上昇するようにする。

【００３４】銅膜形成とともに、基板温度が上昇し、例
えば６００℃に達した段階で、加熱を止め、今度は、基
板ホルダー４０に備えた冷却装置４４の冷却水配管に冷
却水を流して、基板１０および基板ホルダー４０を冷却
しながら銅膜形成を続ける。基板温度が２５０℃まで冷
却された後、冷却装置４４の作動を止め、再びヒータ４
２を作動させて、加熱を行いながら銅膜形成をつづけ
る。このような、温度上昇および下降を繰り返しなが
ら、所定の膜厚、例えば５μｍの銅膜２０を形成する。
図７は、上記のような工程における、基板温度の変化の
具体例を示している。この場合は、前記実施例の図５に
示すパターンと違って、温度の上昇過程および下降過程
の何れの段階でも継続して銅膜形成を行っている。

【００３５】所定膜厚の成膜が終了すれば、前記実施例
と同様に徐冷して、導体膜の形成工程が完了する。 −銅膜の性能試験−上記した各実施例の方法で形成され
た銅膜の性能を、ピール強度を測定することによって評
価した。ピール強度は、セラミック基板１０の表面に形
成された銅膜を、基板表面に対して９０°方向に引き剥
がすときの抵抗力を、９０°ピール強度として測定し
た。具体的な測定方法は、常法にしたがった。

【００３６】測定例１としては、実施例１において、図
１の曲線ａのような経過で温度変化させたものを用い
た。測定例２は、実施例３において、温度の上昇下降を
３回繰り返したものを用いた。測定例３は、同じ実施例
３において、温度の上昇下降を５回繰り返したものを用
いた。測定結果を以下のとおりであった。 測定例１＝１．４kg/cm 測定例２＝１．８kg/cm 測定例３＝２．８kg/cm 何れの測定例も、セラミック回路板用の導体膜として十
分な密着力を備えており、この発明の方法によって、導
体膜の密着力を良好に向上させ得ることが実証された。

【００３７】

【発明の効果】以上に述べた、この発明にかかるセラミ
ック回路板における銅膜の形成方法によれば、ＰＶＤ法
による銅膜形成工程において、少なくともセラミック基
板の銅膜側の表面および銅膜の温度を加熱することによ
って、銅膜とセラミック基板の表面との密着力を大幅に
向上させることができる。

【００３８】そして、従来の湿式めっき法などのよう
に、基板表面を粗化させる必要がないため、密着力が高
いと同時に、高周波特性にも非常に優れたセラミック回
路板を提供することができる。さらに、銅膜形成工程自
体は、通常のＰＶＤ法と基本的に同じでよいので、余分
な工程が増えたり、複雑な作業を行う必要がなく、銅膜
の形成を少ない工程数で能率的に行うことができ、生産
性向上に大きく貢献できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施例における基板温度の変化パ
ターンを示す線図

【図２】 この発明の実施に用いる、スパッタリングに
よる銅膜形成を行う装置の概略構造図

【図３】 別の実施例における基板温度の変化パターン
を示す線図

【図４】 別の実施例における基板温度の変化パターン
を示す線図

【図５】 別の実施例における基板温度の変化パターン
を示す線図

【図６】 真空蒸着による銅膜形成を行う装置の概略構
造図

【図７】 基板温度の変化パターンを示す線図

【符号の説明】

１０ セラミック基板 ２０ 銅膜 ３０ ターゲット ３２ 蒸着材料 ３４ 蒸着源 ４０ 基板ホルダー ４２ 加熱用ヒータ ４４ 冷却装置 ５０ カソード

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭51−109470（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−106961（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−104661（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H05K 3/00,3/10 - 3/26,3/38 C23C 14/00 - 14/58

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 セラミック基板にスパッタリングなどの
   ＰＶＤ法で銅膜を形成するセラミック回路板における導
   体膜の形成方法であり、銅膜形成工程において、少なく
   ともセラミック基板の銅膜側の表面および銅膜の温度
   を、２００℃を下限とし銅の融点を上限とする温度範囲
   の中で、上昇および下降させる過程を複数回繰り返すと
   ともに、温度上昇過程のみで膜形成を行い、温度下降過
   程では膜形成を中断させることを特徴とするセラミック
   回路板における導体膜の形成方法。