JP4045542B2

JP4045542B2 - パターン形成方法および装置並びにその方法により製造した電子デバイスおよび実装基板

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Publication number: JP4045542B2
Application number: JP2002329106A
Authority: JP
Inventors: 充佐藤
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2002-11-13
Filing date: 2002-11-13
Publication date: 2008-02-13
Anticipated expiration: 2022-11-13
Also published as: JP2004165399A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板にパターンを形成する方法に係り、特に液体パターン材料を用いてパターンを形成するパターン形成方法および装置並びにその方法を用いて製造した電子デバイスおよび実装基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＬＳＩなどの半導体装置においてパターンを形成する場合、次のように行なっていた。まず、基板に所定物質からなるパターン形成用膜をＣＶＤなどによって成膜し、その上にフォトリソグラフィー技術を用いて所定のパターンを有するレジスト膜を形成する。次に、レジスト膜をマスクとしてパターン形成用膜をエッチングする。その後、レジスト膜をアッシングなどにより除去することにより、パターンが完成する。
【０００３】
この従来のパターン形成方法は、気相反応を利用するために成膜速度が遅いことや、高価な真空装置を使用しなければならない。このため、半導体装置の歩留まりが低下するとともに、半導体装置が高価となる。そこで、水素化珪素液（液体パターン材料）を基板にスピンコートまたは霧状に噴霧して塗布し、これを焼成してシリコン膜を成膜することが提案されている（特許文献１）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−３２０８５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の特許文献１に記載の方法によりシリコン膜を成膜し、これを所定のパターンに形成する場合、従来と同様にレジスト膜によるマスクの形成、マスクを用いたエッチングなどの工程を必要とする。このため、パターン形成には、多くの工程と、多くの時間とを必要とするとともに、高価な装置を使用しなければならず、半導体装置のコストを充分に下げることが困難である。
【０００６】
本発明は、前記従来技術の欠点を解消するためになされたもので、エッチングなどを必要とせずに、パターンを容易に形成できるようにすることを目的としている。
また、本発明は、パターン形成工程を簡略化することを目的としている。
さらに、本発明は、パターン形成の迅速化を図ることを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明に係るパターン形成方法は、液体パターン材料を基板に塗布してパターンを形成するパターン形成方法であって、前記液体パターン材料を微粒子化して帯電させるとともに、前記基板の下面に配置しパターン形成領域に対応した形状の電極体に電界を与え、前記基板を回転させながら前記微粒子を前記基板上の前記パターン形成領域に静電吸着させることを特徴としている。
【０００８】
液体は、微粒子化されると一般に帯電する。そこで、本発明は、基板のパターン形成領域に電界を与えることにより、液体パターン材料の微粒子をパターン形成領域に静電吸着させることにより、パターン形成領域に液体パターン材料を選択的に塗布することができる。また、空気中に浮遊しやすい微粒子を、静電吸着するようにしているため、液体パターン材料を迅速にパターン形成領域にのみ塗布することができる。そして、パターン形成領域に吸着された液体パターン材料を焼成することにより容易、迅速にパターンを形成することができる。このため、パターン形成用膜のエッチングなどが不要となり、工程の短縮、簡素化、コストの削減を図ることができる。
【０００９】
基板は、パターン形成領域の周囲を撥液処理するとよい。パターン形成領域の周囲を撥液処理することにより、パターン形成領域に付着させた液体パターン材料がパターン形成領域の外部に広がるのを防ぐことができ、良好な形状を有するパターンとすることができる。また、液体パターン材料の微粒子には、電子線を照射することができる。微粒子に電子線を照射することにより、電子線を構成している電子が微粒子に捕捉される。このため、電気的に中性な微粒子を帯電させることができるばかりでなく、帯電している微粒子により多くの電荷を付与でき、基板との間の静電引力が大きくなって、微粒子の吸着速度を高めることができる。
【００１０】
さらに、基板は、気流中に配置することが望ましい。微粒子は、質量が極めて小さく、空気中に容易に浮遊する。そこで、基板を弱い気流中に配置することにより、静電吸着されない液体パターン材料の微粒子が基板から吹き払われ、パターン形成領域外の不要な部分に付着するのを確実に防ぐことができる。そして、基板は、減圧環境中に配置することができる。基板を減圧環境中に配置することにより、微粒子に作用する空気抵抗が小さくなり、微粒子の降下速度が大きくなって微粒子の吸着速度を大きくすることができる。
【００１１】
上記のパターン形成方法を実施するための本発明に係るパターン形成装置は、液体パターン材料を微粒子にする微粒子化部と、基板のパターン形成領域に対応した形状を有し、前記基板の下部に配置される電極と、前記電極を上面に備え、前記電極上に配置した基板を回転させる処理ステージと、前記電極を介して前記基板のパターン形成領域に電界を与える電源とを有することを特徴としている。微粒子化部には、微粒子に電荷を付与する電荷付与部を設けることができる。
【００１２】
そして、本発明に係る電子デバイスは、上記したパターン形成方法により形成したパターンを有することを特徴としている。これにより、上記した効果を有する電子デバイスが得られる。また、本発明に係る実装基板は、上記したパターン形成方法により形成したパターンを有することを特徴としている。これにより、上記した効果を有する実装基板が得られる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明に係るパターン形成方法および方法並びに電子デバイスおよび実装基板の好ましい実施の形態を、添付図面に従って詳細に説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係るパターン形成装置の説明図である。図１において、パターン形成装置１０は、アトマイザー１４を備えている。このアトマイザー１４は、液体パターン材料４０を微粒子１２にする微粒子化部であって、原料配管１６を介して液体パターン材料を貯留した原料供給部１８に接続してある。また、アトマイザー１４には、ガス配管２０を介して攪拌ガス供給部２２が接続してある。そして、原料配管１６とガス配管２０とには、流量調整弁２４、２６が設けてあり、液体パターン材料と攪拌ガスとのアトマイザー１４への供給量を任意に制御できるようにしてある。
【００１４】
攪拌ガス供給部２２からアトマイザー１４に供給されたガス（攪拌ガス）は、アトマイザー１４において原料供給部１８からの液体パターン材料４０と混合され、液体パターン材料４０を攪拌して微粒子化しやすくする。この攪拌ガスは、液体パターン材料４０と反応しないガスが用いられ、窒素や希ガスなどの不活性ガスが望ましい。そして、アトマイザー１４は、液体パターン材料４０を攪拌ガスとともに下方に吹き出し、粒径０．２μｍ以下の微粒子１２にする。
【００１５】
アトマイザー１４の下方には、処理ステージ３０が配設してある。処理ステージ３０は、金属などの導電性材料によって形成してあって、後述するように、共通電極の役割をなす。そして、処理ステージ３０は、可変直流電源３２に接続してある。また、処理ステージ３０は、図示しない駆動モータによって矢印３４のように回転するようになっていて、均一な厚さのパターンを形成ができるようにしてある。処理ステージ３０の上面には、導電体からなる電極体（電極）３６が配設してある。この電極体３６は、電極体３６の上に配置される基板３８のパターン形成領域（図示せず）に対応した形状をしており、基板３８のパターン形成領域に電界を与える。基板３８は、ガラスなどの誘電体（絶縁体）から形成してあり、パターン形成領域が電極体３６と一致するように電極体３６の上に配置する。なお、基板３８が導電性である場合、電極体３６と基板３８との間に誘電体を介在させる。
【００１６】
液体パターン材料４０は、基板３８に形成するパターンの種類、パターンに求められる物理的、化学的特性などによって異なる。例えば、形成するパターンが半導体装置や実装基板の配線などである場合、有機金属の溶液や、金属の微粉末を溶媒に分散したものなどが用いられる。また、形成するパターンが液晶パネルの透明電極を構成するＩＴＯである場合、例えば、粒径０．１μｍ以下のＩＴＯの微粉末を溶媒に分散したものや、ジブチルスズジアセテート（ＤＢＴＤＡ）およびインジウムアセチルアセテート（ＩｎＡＡ）をアセチルアセトンなどの有機溶媒に溶解したものを使用することができる。この場合、錫を２〜１０重量％添加するとよい。また、形成するパターンが二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）である場合、二酸化ケイ素の微粉末を溶媒に分散させたものや、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）などのアルコキシド系化合物をベンゼンなどの有機溶媒に溶解したものを使用することができる。さらに、無機絶縁材料からなるパターンを形成する場合、アルキルシルセスキオキサン（ＭＳＱ）や水素化シルセスキオキサン（ＨＳＱ）などの溶液を使用することができる。
【００１７】
このようになっている第１実施形態の成膜装置１０は、所定の形状に形成した電極体３６を介して基板３８を処理ステージ３０の上に配置する。そして、可変直流電源３２によって処理ステージ３０を介して電極体３６に直流電圧を印加し、基板３８のパターン形成領域に電界を与える。また、処理ステージ３０を接続した駆動モータを起動し、処理ステージ３０を矢印３４のように回転させる。
【００１８】
一方、処理ステージ３０の上方に配設したアトマイザー１４に、原料供給部１８と攪拌ガス供給部２２とから液体パターン材料４０と攪拌ガスとを供給し、液体パターン材料４０を微粒子１２にして吐出する。微粒子１２は、アトマイザー１４から吐出された際に帯電し、ゆっくり基板３８に向けて下降する。微粒子１２は、基板３８に向けて下降するのに従い、電極体３６によって電界が与えられている基板３８のパターン形成領域に引きつけられる。すなわち、微粒子１２には、基板３８のパターン形成部に与えられた電界によって静電引力が作用する。このため、微粒子１２は、選択的にパターン形成領域に静電吸着され、パターン形成領域に液体パターン材料４０の塗布膜が形成される。このように形成した液体パターン材料４０の塗布膜は、適宜の雰囲気において焼成することにより、所望のパターンとすることができる。例えば、シリコン（Ｓｉ）からなるパターンは、アルコキシド系化合物を含む溶液を微粒子化し、これをパターン形成領域に吸着させて塗布膜を形成したのち、塗布膜を還元雰囲気において焼成することにより得ることができる。なお、処理ステージ３０にヒータを内蔵し、基板３８を所定の温度に加熱して、基板３８に塗布された液体パターン材料４０を乾燥させるようにしてもよい。これにより、液体パターン材料４０の乾燥工程が省略でき、工程の簡素化が図れる。
【００１９】
このようにしてパターンを形成することにより、プラズマエッチングなどをする必要がなく、パターンを容易、迅速に形成することができる。また、実施形態においては、従来のように高度な技術であって手間のかかるフォトリソグラフィー技術などを用いる必要がなく、パターンの形成工程を簡略化することができる。そして、実施形態においては、基板３８のパターン形成領域に電界を与え、帯電した微粒子１２を静電吸着するようにしているため、微粒子１２の吸着（液体パターン材料の塗布）速度を大きくすることができ、パターン形成の迅速化を図ることができる。
【００２０】
図２は、第２実施形態に係るパターン形成装置の説明図である。図２において、パターン形成装置５０は、処理室５２を有している。処理室５２は、圧力調整弁５４を備えた排気管５６を介して真空ポンプ５８に接続してあり、真空ポンプ５８によって内部を減圧できるようにしてある。処理室５２の下部には、矢印３４のように回転可能な処理ステージ３０が配設してある。そして、処理室５２の天井部には、処理ステージ３０と対向するようにアトマイザー１４が設けてある。また、処理室５２の側壁には、電荷付与部となる電子線照射ユニット６０が取り付けてある。電子線照射ユニット６０は、アトマイザー１４から吐出された微粒子１２の下降方向と交差する方向に電子線６２を照射し、微粒子１２に電荷を付与する。
【００２１】
なお、この第２実施形態の場合、基板３８は、パターンを形成する領域が親液処理してあるとともに、パターン形成領域の周囲、すなわちパターン形成領域以外の部分が撥液処理してある。この撥液処理は、実施形態の場合、図３に示した重合膜形成装置によって、撥液膜を形成することにより行なっている。
【００２２】
図３に示した重合膜形成装置７０は、成膜室７２を有する。撥液処理する基板３８は、成膜室７２の内部に設けた成膜テーブル７４の上に配置するようになっている。そして、成膜室７２の上下には、高周波電源７８に接続した高周波電極７６が設けてある。また、成膜室７２は、真空ポンプ８０によって減圧できるようにしてある。さらに、成膜室７２には、流量制御弁８２を備えた供給配管８４を介して、成膜原料供給部８６が接続してある。
【００２３】
成膜原料供給部８６は、Ｃ₄Ｆ₁₀やＣ₈Ｆ₁₈などの直鎖状ＰＦＣからなる液体有機物８８を貯留した容器９０を有している。容器９０には、ヒータ９２が設けてあって、液体有機物８８を加熱して気化できるようにしてある。また、供給配管８４の流量制御弁８２の下流側には、流量制御弁９４を備えたキャリア配管９６を介して、キャリアガス供給部９８が接続してある。キャリアガスは、窒素やアルゴンなどの不活性ガスを使用する。
【００２４】
なお、図３の破線に示したように、供給配管８４には、流量制御弁１００を有する配管１０２を介して添加ガス供給部１０４を接続することができる。この添加ガス供給部１０４は、成膜室７２において形成したフッ素樹脂重合膜の撥液性を高めるためのもので、成膜室７２に供給される液体有機物８８の蒸気にＣＦ₄を添加する。成膜室７２に供給されたＣＦ₄は、液体有機物８８の蒸気とともにプラズマ化され、分解されて活性なフッ素を生成する。この活性なフッ素は、液体有機物８８の蒸気と反応し、基板３８の表面で重合した膜中のフッ素脱離部分に取り込まれ、重合膜の撥液性を向上させる。
【００２５】
この重合膜形成装置７０と第２実施形態のパターン形成装置５０とを利用したパターン形成は、次のようにして行なう。まず、基板３８を洗浄したのち、重合膜形成装置７０の成膜室７２に搬入し、成膜テーブル７４の上に配置する。次に、真空ポンプ８０によって成膜室７２を減圧し、成膜室７２に液体有機物８８の蒸気と添加ガスとを導入する。そして、高周波電極７６間に高周波電圧を印加して液体有機物８８と添加ガスとの混合ガスをプラズマ化し、図４（１）に示したように、基板３８の表面にフッ素樹脂重合膜からなる撥液膜１１０を所定の厚さ形成し、基板３８の撥液処理を行なう。
【００２６】
その後、基板３８を成膜室７２から取り出し、基板３８のパターン形成領域の親液処理を行なう。すなわち、図４（２）に示したように、撥液膜１１０の上部にマスク１１２を配置し、マスク１１２を介して撥液膜１１０に紫外線１１６を照射する。マスク１１２は、基板３８のパターン形成領域と対応した部分に開口１１４が形成してある。このため、マスク１１２の開口１１４と対応した部分の撥液膜１１０が紫外線１１６によって分解除去され（同図（３）参照）、基板３８のパターン形成領域１１８が親液化される。次に、親液処理した基板３８を図２に示したパターン形成装置５０に搬入し、図５（１）に示したように、基板３８のパターン形成領域１１８に液体パターン材料４０を塗布する。これは、次のようにして行なう。
【００２７】
まず、基板３８を処理室５２の処理ステージ３０に取り付けた電極体３６の上に配置する。電極体３６は、基板３８のパターン形成領域１１８に対応した形状を有し、パターン形成領域１１８に対応した位置に取り付けてある。その後、真空ポンプ５８を起動して処理室５２の内部を例えば約１３３ｋＰａ（１Ｔｏｒｒ）程度に減圧する。処理室５２が所定の圧力に達したならば、処理ステージ３０を介して可変直流電源３２によって電極体３６に直流電圧を印加し、基板３８のパターン形成領域１１８に電界を与え、処理ステージ３０を矢印３４のように回転させる。また、真空ポンプ５８による処理室５２内の排気を継続するとともに、アトマイザー１４に液体パターン材料４０と攪拌ガスとを供給し、液体パターン材料４０を微粒子１２にして吐出する。そして、電子線照射ユニット６０を駆動し、処理室５２内を下降する微粒子１２に電子線６２を照射する。
【００２８】
電子線６２は、微粒子１２に照射されると、電子線６２を構成している電子が微粒子に捕捉され、微粒子１２に電荷を与える。従って、微粒子１２に電子線６２を照射することにより、アトマイザー１４から吐出された際に帯電されなかった微粒子１２を帯電させることができる。さらに、電子線６２の照射により、帯電している微粒子１２の電荷量を多くすることができる。従って、帯電した微粒子１２の量を多くすることができて液体パターン材料４０の使用効率を高めることができる。また、微粒子１２の電荷量が多くなるため、基板３８に与えた電界による静電引力が増大し、微粒子１２のパターン形成領域１１８への吸着（塗布）速度を大きくすることができる。さらに、実施形態においては、処理室５２の内部を減圧しているため、微粒子１２の受ける空気抵抗が小さく、微粒子１２の降下速度が大きくなって微粒子の吸着速度を大きくすることができる。
【００２９】
そして、実施形態においては、処理室５２を排気しているため、処理室５２内に弱い気流が発生する。このため、極めて質量の小さな微粒子１２は、パターン形成領域１１８に吸着されるものを除き、弱い気流によって基板３８から容易に吹き払われる。従って、基板３８の不要な部分への液体パターン材料４０の付着を防止することができ、不要な部分に付着した液体パターン材料４０を除去する工程などを必要としない。しかも、基板３８は、パターン形成領域１１８の周囲に撥液膜１１０を形成して撥液処理がしてあるため、パターン形成領域１１８に塗布した液体パターン材料４０がパターン形成領域１１８の外側に拡がるのを防止する。従って、形状精度のよいパターンを形成することができるとともに、必要に応じた膜厚の厚いパターンの形成が可能となる。また、実施形態においては、処理ステージ３０を回転させているため、基板３８の全体におけるパターンの厚さを均一にすることができる。
【００３０】
次に、基板３８を乾燥工程に搬入し、図示しないヒータや赤外線ランプなどによって、図５（２）のように、パターン形成領域１１８に塗布した液体パターン材料４０を乾燥させる。なお、液体パターン材料４０の乾燥は、処理室５２や処理ステージ３０にヒータを配設し、液体パターン材料４０の塗布と並行して行なってもよい。その後、同図（３）に示したように、基板３８の上面全体に紫外線１２０を照射し、基板３８に残存している撥液膜１１０を分解除去する（同図（４）参照）。さらに、基板３８を所定の温度で焼成し、液体パターン材料４０の反応を促進させて硬化し、所定のパターン１２２にする。なお、乾燥温度（例えば、１５０〜２００℃程度）でパターンを形成できる場合には、焼成を必要としない。
【００３１】
図４、図５に示した工程によって形成したパターン１２２が、例えば半導体装置の配線パターンであって、このパターン１２２を絶縁膜で覆う場合、基板３８をパターン形成装置５０の処理室５２に搬入して処理ステージ３０の上に配置する。この場合、電極体３６は、不要である。そして、上記と同様にしてＴＥＯＳなどを含む液体パターン材料４０を微粒子化し、基板３８の上面全体に吸着させて塗布し、その後、焼成することにより、パターン１２２を覆った絶縁膜１２４を形成することができる。
【００３２】
このように、実施形態のパターン形成方法は、ＬＳＩなどの半導体装置、液晶パネルの薄膜トランジスタの形成、三次元実装デバイス、カラーフィルタなどの電子デバイスの製造に適用することができる。
【００３３】
図６は、実施の形態に係るパターン形成方法を適用した、配線基板であるビルドアップ基板の製造工程の一部を示したものである。まず、図６（１）に示したように、図３に示した重合膜形成装置７０により、絶縁基板１３０の両面に撥液膜１１０を形成する。その後、図示しないマスクを介して撥液膜１１０に紫外線を照射し、撥液膜１１０の一部を除去して撥液バンク１３２に加工する。この撥液バンク１３２は、絶縁基板１３０の配線パターン形成領域１３４と対応した部分が、撥液膜１１０を除去された開口部１３６となっている。
【００３４】
その後、絶縁基板１３０を図２に示したパターン形成装置５０に搬入し、前記と同様にして、絶縁基板１３０の一側の配線パターン形成領域１３４に、銅の有機金属化合物などからなる液体パターン材料４０を微粒子化して塗布する（同図（２）参照）。そして、これを乾燥させたのち、絶縁基板１３０の反対側面の配線パターン形成領域１３４に同様にして液体パターン材料４０を塗布し、乾燥させる（同図（３）参照）。なお、電極体３６は、撥液バンク１３２の開口部１３６に挿入できるように加工することが望ましい。
【００３５】
次に、絶縁基板１３０の両面に紫外線を照射し、図６（４）に示したように、絶縁基板１３０両面の撥液バンク１３２を分解除去する。さらに、液体パターン材料４０を所定の温度で焼成し、硬化させて配線パターン１３８にする。そして、このようにして配線パターン１３８が形成された絶縁基板１３０を必要枚数積層してビルドアップ基板にする。すなわち、図６（５）に示したように、複数の絶縁基板１３０を絶縁性接着剤１４０によって張り合わせ、ビルドアップ基板１４２にする。その後、ビルドアップ基板１４２の所定箇所に貫通したビアホール１４４を形成し、このビアホール１４４の内面に銅メッキなどを施し、各絶縁基板１３０の所定の配線パターン１３８を相互に電気的に接続する。これにより、ビルドアップ配線基板１４２が完成する。なお、ビアホールは貫通孔でなくともよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係るパターン形成装置の説明図である。
【図２】第２実施形態に係るパターン形成装置の説明図である。
【図３】実施の形態に係る重合膜形成装置の説明図である。
【図４】実施の形態に係る基板の撥液処理と親液処理との説明図である。
【図５】実施の形態に係るパターン形成方法の説明図である。
【図６】実施の形態に係るビルドアップ基板の形成方法の説明図である。
【符号の説明】
１０、５０………パターン形成装置、１２………微粒子、１４………微粒子化部（アトマイザー）、１８………原料供給部、３０………処理ステージ、３２………電源（可変直流電源）、３６………電極（電極体）、３８………基板、４０………液体パターン材料、５２………処理室、５８………真空ポンプ、６０………電荷付与部（電子線照射ユニット）、６２………電子線、７０………重合膜形成装置、１１０………撥液膜、１１８………パターン形成領域、１２２………パターン、１３０………絶縁基板、１３２………撥液バンク、１３４………パターン形成領域（配線パターン形成領域）、１３８………パターン（配線パターン）、１４２………配線基板（ビルドアップ基板）。

Claims

液体パターン材料を基板に塗布してパターンを形成するパターン形成方法であって、前記液体パターン材料を微粒子化して帯電させるとともに、前記基板の下面に配置しパターン形成領域に対応した形状の電極体に電界を与え、前記基板を回転させながら前記微粒子を前記基板上の前記パターン形成領域に静電吸着させることを特徴とするパターン形成方法。
請求項１に記載のパターン形成方法において、前記基板は、前記パターン形成領域の周囲が撥液処理されていることを特徴とするパターン形成方法。
請求項１または請求項２に記載のパターン形成方法において、前記微粒子に電子線を照射することを特徴とするパターン形成方法。
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のパターン形成方法において、前記基板は、気流中に配置してあることを特徴とするパターン形成方法。
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のパターン形成方法において、前記基板は、減圧環境中に配置してあることを特徴とするパターン形成方法。
液体パターン材料を微粒子にする微粒子化部と、基板のパターン形成領域に対応した形状を有し、前記基板の下部に配置される電極と、前記電極を上面に備え、前記電極上に配置した基板を回転させる処理ステージと、前記電極を介して前記基板のパターン形成領域に電界を与える電源とを有することを特徴とするパターン形成装置。
請求項６に記載のパターン形成装置において、前記微粒子化部は、前記微粒子に電荷を付与する電荷付与部を有していることを特徴とするパターン形成装置。
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のパターン形成方法により形成したパターンを有することを特徴とする電子デバイス。
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のパターン形成方法により形成したパターンを有することを特徴とする実装基板。