JP4541030B2 - 配線基板および配線基板の形成方法 - Google Patents

配線基板および配線基板の形成方法 Download PDF

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Description

本発明は、配線基板、配線基板の形成方法および薄膜抵抗の形成方法に関し、より詳細には、インクジェット法を用いて形成された配線基板、インクジェット法を用いた配線基板の形成方法および薄膜抵抗の形成方法に関する。
半導体基板またはセラミック基板などの上に配線を形成する場合、従来はフォトリソグラフィ法を用いて行っていた(例えば、特許文献1および2参照。)。具体的には、まず、基板上に配線皮膜およびレジスト膜を順に形成した後、マスクを介して露光光を照射し、所定のレジストパターン潜像を形成する。次いで、これを現像してレジストパターンを形成した後、このレジストパターンをマスクとして配線皮膜を加工する。これにより、所望の配線パターンを得ることができる。
しかしながら、フォトリソグラフィ法によっては、配線皮膜の加工後にレジストパターンを除去しなければならない上に、配線パターンに対応したレジストパターンを作成するための露光用マスクが必要となる。このため、1回の配線を形成するのに数週間程度もの時間を要し、これが、配線回路設計および基板整合の工程に時間がかかる要因となっていた。
こうした問題を解決する方法として、近年、インクジェット法を用いて、金属微粒子を含むインクを基板上に直接印刷することによって配線を形成する方法が注目されている(例えば、特許文献3参照。)。この方法によれば、フォトリソグラフィ法で必要な一連の工程をなくし、露光マスクも不要とすることができるので、配線を迅速に形成することが可能となる。
インクジェット法による配線形成技術では、金属微粒子を溶媒に溶かしたインクをノズルから噴出させて基板に印刷した後、加熱により溶剤を除去してから、さらに昇温して金属微粒子同士をくっ付ける。これにより、バルク材料と遜色のない配線を形成することができる。
金属微粒子は直径10nm程度の球体であり、高周波ICの回路用としては、主として金(Au)が使用される。一般に、家庭用のインクジェットプリンタが噴出する液滴の最小量vは2pl(ピコリットル)とされている。液滴の比重をρ(g/cm)とし、液滴の半径をR(cm)とすると、
4πR/3=vρ
R=(3vρ/4π)1/3
の関係が成立する。したがって、例えば、ρ=2(g/cm)であるとすると、液滴の直径(=2R)は略20μmとなるので、形成する配線の最小線幅も20μmとなる。ここで、球体の直径はその体積の(1/3)乗に比例するので、例えば、線幅2μmの配線を形成するには、液滴の量が2fl(フェムトリットル)になることが必要である。しかし、こうした微細液滴を噴出させるのには大きな圧力が必要となること、空気中で真っ直ぐ飛ばすには空気抵抗が大きいことなどが指摘されており、線幅2μmの配線を形成するのは困難である。したがって、インクジェット法は、線幅10μm以上の配線を形成する場合に適した技術ということができる。
一方、インクジェット法で用いられるインクには、油性インクおよび水性インクなどがある。このうち、油性インクでは、溶剤の蒸発が速く、ノズルが目詰まりしやすいので、水やアルコールなどを溶媒とする水性インクが一般に用いられている。しかし、水性インクでは、基板と配線との間の付着力が小さい上に、インクが広がりやすい(滲みやすい)という問題があった。このため、基板40上に受理層41を設けてからインク42を載せた後、インク42の定着を早めるために基板40の温度を上げることが行われている(図7)。この方法によれば、受理層41の存在によって付着力を高めることができるとともに、定着を早めることによってインク42が広がる(滲む)のを防ぐこともできる。
特開2000−188266号公報 特開平9−330932号公報 特開2002−26014号公報
上述したように、インクジェット法は、理論上は10μm以上の配線を形成するのに適した方法である。この場合、液滴を球体と考えれば、10μmの配線幅に対する配線の膜厚も10μmになる。しかしながら、従来法では、1回の印刷で形成される配線の膜厚は1μm程度に過ぎなかった。このため、膜厚を厚く形成するには、印刷を多数回に渡って繰り返し行うことが必要であった。しかし、こうした方法では、配線を迅速に形成できるというインクジェット法の長所を大きく削ぐことになる。また、印刷回数を繰り返して行くと、次第に、基板温度を上げることによってはインクの広がり(滲み)を抑制できなくなるという問題もあった。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、微細な線幅の配線を厚膜で形成することのできる配線基板の形成方法およびこの方法により形成された配線基板を提供することにある。
また、本発明の目的は、工程にかかる時間を短縮することのできる配線基板の形成方法およびこの方法により形成された配線基板を提供することにある。
さらに、本発明の目的は、上記の配線基板の形成方法を応用することによって、工程にかかる時間を短縮することのできる薄膜抵抗の形成方法を提供することにある。
本発明の他の目的および利点は以下の記載から明らかとなるであろう。
さらに、本発明の配線基板は、基板上に形成された電極と、この基板上に形成されて電極を露出させる開口部を有する絶縁膜と、この開口部から露出した電極上に、金属粒子を含むインクを用いてインクジェット法により形成された電極パッドとを備えた配線基板であって、絶縁膜が、開口部の近傍に複数の溝を有しており、この溝の内部にも電極パッドが形成されていることを特徴とするものである。
また、本発明の配線基板の形成方法は、基板上に電極を形成する工程と、この基板上に、電極を被覆する絶縁膜を形成する工程と、この絶縁膜に電極に至る開口部を形成する工程と、この絶縁膜の開口部の近傍に複数の溝を形成する工程と、開口部の近傍からプローブを介して金属粒子を含むインクを開口部と溝に流し込み、電極上と溝の内部とに電極パッドを形成する工程とを有することを特徴とするものである。
この発明は以上説明したように、受理層が、配線の幅と実質的に等しい寸法の膜厚を有するとともに、受理層の内部に浸透した金属粒子がパーコレーションできる空隙率を有するので、微細な線幅を有する配線基板とすることができる。
また、本発明によれば、受理層が、1μm〜10μmの範囲内の膜厚を有するとともに、受理層の内部に浸透した金属粒子がパーコレーションできる空隙率を有するので、微細な線幅を有する配線基板とすることができる。
また、本発明によれば、絶縁膜が開口部の近傍に複数の溝を有しており、この溝の内部にも電極パッドが形成されているので、電極パッドの面積が従来より大きいものとなる。したがって、後工程での配線の接続が容易になるとともに、電気的特性を検査する際の作業も容易にすることができる。
また、本発明によれば、絶縁膜の開口部の近傍に複数の溝を形成した後、開口部の近傍からプローブを介して金属粒子を含むインクを開口部と溝に流し込み、電極上と溝の内部とに電極パッドを形成するので、めっき法により電極パッドを形成する場合に比較してチップサイズを小さくすることが可能となる。
さらに、本発明によれば、インクジェット法により印刷したインクをマスクとしてレジスト膜をパターニングするので、露光マスクを不要として、配線基板または薄膜抵抗の形成工程の短縮化を図ることができる。
実施の形態1.
図1は、本実施の形態による配線部分の断面図の一例である。図において、1は基板を、2は受理層を、3はインクをそれぞれ示している。基板1は半導体基板とすることができ、例えば、シリコンまたは炭化シリコンなどからなっていてもよいし、GaAs,InP,GaAlAsまたはInGaPなどの化合物半導体からなっていてもよい。さらに、基板1は、石英またはアルミナなどからなるセラミック基板であってもよい。また、インク3は、金属微粒子を含む水性インクとすることができる。
従来法における受理層の役割は、基板と配線との付着力を向上させるとともに、インクの広がりを防ぐことのみであった。このため、従来の受理層の膜厚は、nm(ナノメーター)オーダーで薄く形成されていた。これに対して、本実施の形態においては、受理層を従来より厚く形成するとともに、受理層を多孔質の膜とすることを特徴としている。このようにすることによって、図1に示すように、インクジェット法によって受理層2の上に印刷したインク3を受理層2の中に浸透させることができるので、1回の印刷でインクの広がりなしに厚い配線を形成することが可能となる。この場合、受理層2の膜厚は、形成する配線幅に相当する寸法であることが好ましい。例えば、受理層2の膜厚を10μmとすると、1回の印刷で幅10μmの配線を形成することが可能となる。但し、受理層2の膜厚が1μm〜10μmの範囲にあれば従来より厚い膜厚と言えるので、印刷を繰り返して行う場合にもその繰り返し回数を減らすことができる。したがって、工程にかかる時間を短縮できるとともに、インク3の広がりを抑制することが可能になる。
受理層2は、浸透したインク3が配線として機能するように、受理層2の内部において金属粒子同士が横方向に繋がる、すなわち、パーコレーションできるような空隙率を有しており、また、空隙が金属粒子の大きさよりも大きいことを必要とする。例えば、二次元正方格子の場合、空隙率が0.593以上あればパーコレーション可能である。尚、受理層2は、基板1とインク3との付着力を向上させるとともに、インク3の広がりを防ぐという従来の役割をも有していることは言うまでもない。
本実施の形態においては、1μm以上の膜厚を有しかつ上記の空隙率を有する膜を形成できるのであれば、受理層の形成方法について特に制限はない。例えば、適当な多孔質化剤を添加したSiO膜を基板上に塗布した後、熱処理によって多孔質化剤を揮発させることによって得られるポーラスシリカ膜を受理層として用いることができる。また、TEOS(Tetraethoxy Silane)に適当な界面活性剤を添加した組成物を基板上に塗布した後、界面活性剤を除去することによって得られる多孔質化膜を受理層として用いることもできる。また、適当な絶縁膜に対して粗面エッチングを行うことによって得られる膜を受理層として用いることもできる。さらに、これらの方法を組み合わせて得られる膜を受理層として用いてもよい。
以上述べたように、本実施の形態によれば、多孔質の受理層を厚く形成し、この受理層の中にインクを浸透させるので、1回の印刷で従来より厚い膜厚の配線を形成することが可能となる。
受理層はインクが広がるのを防ぐので、同じ場所に複数回のインク噴射を行うことができる。ここで、受理層の厚さに対して液滴の直径が十分に小さければ、一滴目は受理層に浸透した後に受理層の深いところに定着する。そして、この上に二滴目、三滴目、・・・と積み足して行き、複数回の噴射をした後でようやくインクの頭が現れる。したがって、受理層の膜厚は、液滴の大きさとは無関係に選定することが可能である。また、一列目の配線と並行に二列目の配線を、配線の幅分だけずらして、前者に密接するように形成すれば、受理層の膜厚よりも見かけ上、広い幅を有する配線を形成できる。すなわち、一滴のインクによって形成可能な導体の大きさは、液滴の直径に相当する程度のものであるが、受理層の膜厚と幅を選択することによって、配線層の膜厚および幅を任意の寸法に設定することが可能である。
実施の形態2.
図2は、本実施の形態による配線部分の断面図の一例である。図において、基板5上に形成された絶縁膜6には、電極7に至る開口部としてのコンタクトホール8が設けられている。また、インク9は、具体的には、金属微粒子を含む水性インクとすることができる。コンタクトホール8の形成は、例えば、フォトリソグラフィ法を用いて行うことができる。尚、基板5は半導体基板とすることができ、例えば、シリコンまたは炭化シリコンなどからなっていてもよいし、GaAs,InP,GaAlAsまたはInGaPなどの化合物半導体からなっていてもよい。さらに、基板5は、石英またはアルミナなどからなるセラミック基板であってもよい。また、絶縁膜6は、例えば、プラズマCVD法で形成したSiN膜またはポリイミド膜などの有機材料からなる膜とすることができる。さらに、電極7は、例えばアルミニウム電極とすることができる。
本実施の形態においては、絶縁膜6が受理層としての役割をも有することを特徴としている。このため、絶縁膜6には、コンタクトホール8以外に、電極7の近傍にも複数の溝10が設けられている。溝10は、例えば、フォトリソグラフィ法を用いて形成することができる。尚、溝10の形成は、コンタクトホール8の形成と同じ工程で行ってもよいし、異なる工程で行ってもよい。
このようにすることによって、インクジェット法により絶縁膜6の上に印刷したインク9を、溝10を利用して絶縁膜6の内部に浸透させることができるので、1回の印刷でインクの広がりなしに絶縁膜6の膜厚に相当する膜厚の電極パッドを形成することができる。また、従来法においては、電極パッドは電極7の上部にのみ形成されていたが、本実施の形態によれば溝10の内部にも形成するので、電極パッドの面積を大きくすることができる。これにより、後工程での配線の接続が容易になるとともに、電気的特性を検査する際の作業も容易にすることができる。さらに、インクジェット法により電極パッドを形成するので、めっき法を用いた場合に比較してチップサイズを小さくすることが可能となる。このことについて、以下に詳しく説明する。
チップ上の電極パッドの全てが定常的に使用される場合には、めっき法およびインクジェット法のいずれを用いた場合であっても、形成されるチップサイズの大きさに変わりはない。しかし、電圧チェックやトリミング用の端子として使用する電極パッドは、回路が正常に動作している限り本来は必要のないものである。したがって、こうした電極パッドは、最初から所定面積をとって形成しておかなくとも、予めコンタクトホールだけを設けておき、必要なときにインクジェット法を用いて形成すれば十分である。一方、めっき法により電極パッドを形成する場合には、必要に応じて後から形成することができないので、定常的に使用しない電極パッドであっても最初から設けておかざるを得ない。この意味で、インクジェット法により電極パッドを形成する場合には、めっき法を用いた場合に比較してチップサイズを小さくすることが可能になると言える。
尚、本実施の形態においては、図3に示すように、絶縁膜5にコンタクトホール8および溝10を形成した後、プローブ(probe,探針)11を介して金属粒子を含むインク12をコンタクトホール8と溝10に流し込むことにより、電極7の上と溝10の内部とに電極パッドを形成することもできる。この方法によってもチップサイズを小さくすることが可能である。電極パッドを形成した後は、プローバ(prober,接触型検査装置)を用いて電気的特性を検査する。その後、不要となったプローブ11は適当な方法で除去される。
以上述べたように、本実施の形態によれば、電極上に形成された絶縁膜に対して、コンタクトホールとともにその近傍にも複数の溝を設けるので、絶縁膜の膜厚に相当する膜厚の電極パッドを従来より大きい面積で形成することができる。
尚、実施の形態1においては多孔質の膜を受理層として用いたが、本実施の形態による溝を設けた受理層を実施の形態1に適用することも可能である。但し、浸透したインクが配線として機能するように、受理層の内部において金属粒子同士が横方向に繋がる、すなわちパーコレーションできるように溝が形成されていることを必要とする。
実施の形態3.
本実施の形態においては、インクジェット法で形成したマスクを用いて厚膜の配線を形成することを特徴とする。
図4(a)〜(d)を用いて、本実施の形態による配線の形成方法について説明する。尚、これらの図において、同じ符号を付した部分は同じものであることを示している。
まず、基板15の上に、給電層16、第1のレジスト膜17および第2のレジスト膜18をこの順に形成した後、第2のレジスト膜18の上にインクジェット法でインク19を印刷する(図4(a))。基板15は半導体基板とすることができ、例えば、シリコンまたは炭化シリコンなどからなっていてもよいし、GaAs,InP,GaAlAsまたはInGaPなどの化合物半導体からなっていてもよい。さらに、基板15は、石英またはアルミナなどからなるセラミック基板であってもよい。また、インク19は、金属微粒子を含む水性インクとすることができる。
第1のレジスト膜17は、後工程で形成する配線の膜厚以上の膜厚で形成する必要があるので、厚膜形成に有利なレジストを使用することが好ましい。一方、第2のレジスト膜18は、インク19の滲みを抑制できるように、インク19に対して撥水(液)性を備えていることを必要とするが、特に厚膜に形成する必要はない。尚、第1のレジスト膜17が、インク19の滲みを抑制する機能をも有しているものであれば、図4(a)〜(d)において第2のレジスト膜18を設ける必要はない。
次に、インク19をマスクとし、第2のレジスト膜18に対して露光光を照射した後、適当な現像液を用いて現像処理を行う。同様に、第1のレジスト膜17に対しても、インク19をマスクとして露光光を照射した後に現像処理を行う。これにより、図4(b)に示す構造が得られる。
このように、本実施の形態は、インク19が、第1のレジスト膜17および第2のレジスト膜18をパターニングする際のマスクとして作用することを特徴としている。これにより、従来、露光光を照射する際に必要であった露光マスクを不要とすることが可能になる。
第1のレジスト膜17のパターニングを終えて、給電層16に至る開口部20を形成した後は、この部分に電解めっきを行うことにより金(Au)を成長させて、図4(c)に示すように配線層21を形成する。
尚、配線層21の膜厚は、第2のレジスト膜18の膜厚を超えないようにし、また好ましくは、第1のレジスト膜17の膜厚も超えないようにする。配線層21の膜厚が第2のレジスト膜18の膜厚より大きい状態でめっきを行うと、次工程でこれらのレジスト膜を除去することが困難になるからである。
次に、不要となったインク19、第1のレジスト膜17および第2のレジスト膜18を適当な有機溶剤などを用いて除去した後、さらに配線層21をマスクとして給電層16をエッチングする。これにより、図4(d)に示す配線構造22を有する配線基板を得ることができる。
以上述べたように、本実施の形態によれば、インクジェット法により形成したマスクを用いてレジスト膜のパターニングを行うので、露光マスクを不要として配線形成工程の短縮化を図ることができる。したがって、配線の形成にかかるコストを削減することが可能となる。
実施の形態4.
本実施の形態においては、インクジェット法で形成したマスクを用いて薄膜抵抗を形成することを特徴とする。
図5(a)〜(d)を用いて、本実施の形態による薄膜抵抗の形成方法について説明する。尚、これらの図において、同じ符号を付した部分は同じものであることを示している。
まず、基板25上に、第1のレジスト膜26および第2のレジスト膜27をこの順に形成した後、第2のレジスト膜27の上にインクジェット法でインク28を印刷する(図5(a)。ここで、インク28は、形成したい薄膜抵抗のパターンとは逆のパターンに印刷する。基板25は半導体基板とすることができ、例えば、シリコンまたは炭化シリコンなどからなっていてもよいし、GaAs,InP,GaAlAsまたはInGaPなどの化合物半導体からなっていてもよい。さらに、基板25は、石英またはアルミナなどからなるセラミック基板であってもよい。また、インク28は、金属微粒子を含む水性インクとすることができる。
第1のレジスト膜26は、後工程で形成する薄膜抵抗膜の膜厚以上の膜厚で形成する必要があるので、厚膜形成に有利なレジストを使用することが好ましい。一方、第2のレジスト膜27は、インク28の広がりを抑制できるものであればよく、特に厚膜に形成する必要はない。尚、第1のレジスト膜26が、インク28の広がりを抑制する機能をも有しているものであれば、図5(a)〜(d)において第2のレジスト膜27を設ける必要はない。
次に、インク28をマスクとし、第2のレジスト膜27に対して露光光を照射した後、適当な現像液を用いて現像処理を行う。同様に、第1のレジスト膜26に対しても、インク28をマスクとして露光光を照射した後に現像処理を行う。これにより、図5(b)に示す構造が得られる。
第1のレジスト膜26をパターニングして、基板25に至る開口部29を形成した後は、開口部29から露出している基板25上と、インク28上とに、蒸着法などを用いてNiCr膜などの薄膜抵抗膜30を形成する(図5(c))。
次に、薄膜抵抗膜30に対してリフトオフ加工を行う。具体的には、インク28、第1のレジスト膜26および第2のレジスト膜27を適当な有機溶剤などを用いて除去する。これにより、基板25上を除いて薄膜抵抗膜30を除去することができる(図5(d))。
尚、図5(a)〜(d)の例ではリフトオフ法を用いて薄膜抵抗を形成する方法について示したが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、エッチング法により薄膜抵抗を形成することも可能である。
図6(a)〜(d)は、エッチング法による薄膜抵抗の形成方法の一例である。尚、これらの図において、同じ符号を付した部分は同じものであることを示している。
まず、基板31上に、蒸着法などを用いてNiCr膜などの薄膜抵抗膜32を形成する。次に、薄膜抵抗膜32の上に、第1のレジスト膜33および第2のレジスト膜34をこの順に形成した後、第2のレジスト膜34の上にインクジェット法でインク35を印刷する(図6(a))。ここで、インク35は、図5(a)とは逆に、形成したい薄膜抵抗のパターンと同じパターンに印刷する。尚、基板31は、シリコンウェハなどの半導体基板であってもよいし、セラミック基板であってもよい。また、インク35は、金属微粒子を含む水性インクとすることができる。
第1のレジスト膜33は、後工程で形成する薄膜抵抗膜の膜厚以上の膜厚で形成する必要があるので、厚膜形成に有利なレジストを使用することが好ましい。一方、第2のレジスト膜34は、インク35の広がりを抑制できるものであればよく、特に厚膜に形成する必要はない。尚、第1のレジスト膜33が、インク35の広がりを抑制する機能をも有しているものであれば、図6(a)〜(d)において第2のレジスト膜34を設ける必要はない。
次に、インク35をマスクとし、第2のレジスト膜34に対して露光光を照射した後、適当な現像液を用いて現像処理を行う。同様に、第1のレジスト膜33に対しても、インク35をマスクとして露光光を照射した後に現像処理を行う。これにより、図6(b)に示す構造が得られる。
次に、インク35をマスクとして、薄膜抵抗膜32をエッチング除去する(図6(c))。その後、不要となったインク35、第1のレジスト膜33および第2のレジスト膜34を適当な有機溶剤などを用いて除去する。これにより、図6(d)に示すように加工された薄膜抵抗膜32を得ることができる。
以上述べたように、本実施の形態によれば、インクジェット法により形成したマスクを用いて薄膜抵抗膜のパターニングを行うので、露光マスクを不要として薄膜抵抗形成工程の短縮化を図ることができる。したがって、薄膜抵抗の形成にかかるコストを削減することが可能となる。
実施の形態1における配線基板の断面図の一例である。 実施の形態2における配線基板の断面図の一例である。 実施の形態2における配線基板の形成方法の説明図である。 実施の形態3における配線基板の形成方法を説明する断面図である。 実施の形態4における薄膜抵抗の形成方法を説明する断面図である。 実施の形態4における薄膜形成の形成方法を説明する断面図である。 従来の配線基板の断面図である。
符号の説明
1,5,15,25,31,40 基板
2,41 受理層
3,9,12,19,28,35,42 インク
6 絶縁膜
7 電極
8 コンタクトホール
10 溝
11 プローブ
16 給電層
17,26,33 第1のレジスト膜
18,27,34 第2のレジスト膜
20,29 開口部
21 配線層
22 配線構造
30,32 薄膜抵抗膜

Claims (2)

  1. 基板上に形成された電極と、
    前記基板上に形成されて前記電極を露出させる開口部を有する絶縁膜と、
    前記開口部から露出した電極上に、金属粒子を含むインクを用いてインクジェット法に
    より形成された電極パッドとを備えた配線基板であって、
    前記絶縁膜は、前記開口部の近傍に複数の溝を有しており、該溝の内部にも前記電極パ
    ッドが形成されていることを特徴とする配線基板。
  2. 基板上に電極を形成する工程と、
    前記基板上に、前記電極を被覆する絶縁膜を形成する工程と、
    前記絶縁膜に前記電極に至る開口部を形成する工程と、
    前記絶縁膜の前記開口部の近傍に複数の溝を形成する工程と、
    前記開口部の近傍からプローブを介して金属粒子を含むインクを前記開口部と前記溝に
    流し込み、前記電極上と、前記溝の内部とに電極パッドを形成する工程とを有することを
    特徴とする配線基板の形成方法。
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