JP4714260B2 - 薄膜抵抗器構造物およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、受動素子に関するものであって、特に、薄膜抵抗器構造物およびその製造方法に関するものである。

銅箔ワイヤと受動素子（例えば抵抗器（resistor））とは、プリント回路板（ＰＣＢ）の必須要素である。公知のＰＣＢ製造において、銅箔ワイヤは、銅張り積層板（copper clad laminate，ＣＣＬ）の形成、続いて、現像／エッチング／ストリッピング（development/etching/ stripping process）工程（以下、ＤＥＳ工程と称する）により形成される。その後、別個の受動素子が、表面実装技術（surface mount technology，ＳＭＴ）工程によりＰＣＢ上に搭載される。しかし電子製品の高機能化および小型化のためにＰＣＢ上にはより多くの受動素子が必要とされるので、ＰＣＢ上のデバイス用の面積はますます制限されている。この制限を解決するための主要な技術的アプローチは、受動素子のサイズを減少させることである。しかし受動素子のサイズを、０２０１規格の抵抗器のように肉眼で見ることができる生理的限界よりも小さくすることは、上述の工程では非常に困難である。

上述の困難に対しＰＣＢ上の受動素子のサイズを減少させるために、８０年代に既に、平面内蔵／埋設抵抗器素子が開発されている。現在市販の内蔵抵抗器は、製品の厚さにより、厚膜抵抗器（例えば、厚さ＞１０μｍ）および薄膜抵抗器（例えば、厚さ＜２μｍ）の二種類に分類される。厚膜抵抗器は、更に、低温同時焼成セラミック（low temperature co-fired ceramic，ＬＴＣＣ）およびポリマー厚膜フィルム（polymer thick film，ＰＴＦ）に分けられる。厚膜抵抗器は、抵抗範囲が広い、および製造コストが安いという利点を有する。しかし厚膜抵抗器は、抵抗許容差（resistance tolerance）が悪い。特にＬＴＣＣ型の抵抗器では、加工温度が高い、およびポリマー基板との適合性が悪いという欠点がある。またＰＴＦ型の抵抗器では、抵抗温度係数（temperature coefficient of resistance，ＴＣＲ）が高い、および熱安定性が悪いという欠点がある。そのため厚膜抵抗器の適用は制限される。逆に金属箔の基材を用いる薄膜抵抗器は、厚膜抵抗器と比べて、ポリマー基板との適合性、熱安定性および抵抗許容差が良好であるという利点を有する。しかし低電気抵抗率の制約のために、合金薄膜抵抗器の適用も制限される。市販されている合金薄膜抵抗器の抵抗範囲は低すぎ（即ち≦２５０Ω／□）、たいていのデバイスで要求される主な抵抗範囲（即ち１００００Ω／□）を満たすことができない。

従って技術的トレンドにあわせて内蔵抵抗器の適用を促進するために、高抵抗率を有する薄膜抵抗器が求められている。さらに熱安定性の低下を防止するために、高抵抗率を達成しても、低ＴＣＲ（例えば＜２００ｐｐｍ／℃）特性を犠牲にすることはできない。

従って本発明の目的は、高い抵抗率および低い抵抗温度係数（ＴＣＲ）を有する薄膜抵抗器構造物を提供することにある。また本発明は、このような薄膜抵抗器構造物の製造方法も提供する。

上記目的を達成し得た本発明の薄膜抵抗器構造物は、抵抗膜を含む。抵抗膜は、銅酸化物層、および銅酸化物層上に位置する複数の金属島状物を含む。銅酸化物層の上面は、隣接する複数の瘤状凹部を有し、且つ、瘤状凹部の間に網状に分布した空間を有する。金属島状物はそれぞれ、瘤状凹部間の空間に設置される。

本発明の薄膜抵抗器構造物の製造方法は、まず、上面に隣接する複数の瘤状凸部を有し、且つ、瘤状凸部の間に網状に分布した空間を有する銅箔基材を提供する。次いで、銅箔基材の上面に、金属を含有するコロイド溶液または金属前駆物を含有する溶液（以下「金属を含有する溶液」と称する）を塗布し、金属を含有する溶液が瘤状凸部の間の空間に充填される。その後、銅箔基材に対し熱処理を実行して、瘤状凸部表面に銅酸化物層を形成し、且つ、同時に、瘤状凸部の間の空間に、金属を含有する溶液が転化して形成される複数の金属島状物を形成する。続いて、銅箔基材を絶縁基板上に反対に設置して、銅酸化物層と絶縁基板とを接合する。次いで銅箔基材上で、二つの電極領域および抵抗領域を画定する。その後ＤＥＳ作業により、抵抗領域の銅箔基材および瘤状凸部を除去して、銅酸化物層および金属島状物を露出し、露出した銅酸化物層の上面が、対応する複数の瘤状凹部を有するようにする。最後に、絶縁層（内蔵抵抗器用途）またはソルダーマスク層（表面抵抗器用途）で、露出した銅酸化物層を被覆すると共に、瘤状凹部を充填する。

本発明は、低いＴＣＲを維持しながら、シート抵抗を増加させることができる薄膜抵抗器構造物およびその製造方法に関する。そのような薄膜抵抗器構造物は、ＰＣＢ又は他の半導体デバイス中の内蔵抵抗器として用いることができる。

図１Ｆおよび図２Ｆは、それぞれ、本発明の一実施態様による薄膜抵抗器構造物の平面図および断面図である。薄膜抵抗器構造物は、抵抗膜１０７、絶縁基板１０８、絶縁層１１４および二つの電極１１０を含むことができる。本実施態様中、抵抗膜１０７は、銅酸化物層１０４および複数の金属島状物１０６を有する。銅酸化物層１０４はＰ型半導体特性を有する。即ち、銅酸化層１０４は、金属と相反するＴＣＲ特性を有する。その他の実施態様では、銅酸化物層１０４内は、その他の金属酸化物、例えばニッケル酸化物を含む。本実施態様中、銅酸化物層１０４の上面は隣接する複数の瘤状凹部１１２を有する。瘤状凹部１１２の間に網状に分布した空間が形成される。金属島状物１０６は銅酸化層１０４上に位置し、且つ、それぞれ、瘤状凹部１１２の間の空間に設置されて、分散相の金属島状物１０６を構成する。金属島状物１０６の材料は、抗酸化能力を有する貴金属、例えば、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、および上述の合金からなる群から選択され得る。好ましい実施態様中、金属島状物１０６はパラジウムからなり、且つ、抵抗膜１０７中の銅の含量は１５．０μｇ／ｃｍ²を超え、パラジウムの含量は７．０μｇ／ｃｍ²を超える。これにより、抵抗膜１０７のシート抵抗は大幅に増加し（例えば、＞１００００Ω／□）、且つ、ＴＣＲは２００ｐｐｍ／℃以下に維持できる。

絶縁基板１０８は抵抗膜１０７下方に設置され、抵抗膜１０７を搭載する担体となる。絶縁基板１０８は、エポキシ樹脂等のハードボード用か、ポリイミド樹脂等のソフトボード用の絶縁材料を含む。

絶縁層１１４は、抵抗膜１０７を局部的に被覆し、且つ、銅酸化物層１０４中の瘤状凹部１１２に充填されて、抵抗膜１０７の両端を露出する。絶縁層１１４は、内蔵抵抗器用途の絶縁材料、または表面抵抗器用途のソルダーマスク（solder mask）から構成され得る。

二つの電極１１０は、それぞれ、露出した抵抗膜１０７両端を被覆すると共に、抵抗膜１０７と電気的に接続する。

図１Ａ〜図１Ｆおよび図２Ａ〜図２Ｆは、本発明の実施態様による薄膜抵抗器構造物の製造方法を示す図であり、図１Ａ〜図１Ｆは平面図であり、図２Ａ〜図２Ｆは図１Ａ〜図１Ｆに対応する断面図である。図１Ａおよび図２に示すように、上面に隣接する複数の瘤状凸部１００ａを有する銅箔基材１００を提供する。図１Ａで示されるように、瘤状凸部１００ａ間に、網状に分布した空間１００ｂが形成される。瘤状凸部１００ａは、銅箔基材１００の上面で粗雑化処理、例えば、瘤化処理（nodulization）を実行することにより形成することができる。

図１Ｂおよび図２Ｂを参照すると、金属を含有する溶液１０２を、銅箔基材１００上面に塗布すると共に、瘤状凸部１００ａの間に形成された空間１００ｂに充填する。金属を含有する溶液１０２中の金属は、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、および上述の合金からなる群から選択され得る。一つの実施態様では、金属を含有する溶液１０２は酢酸パラジウム（Ｐｄ（ＯＡｃ）₂）のクロロホルム（ＣＨＣｌ₃）溶液で、酢酸パラジウムの濃度は、０．１ｇ／１０ｃｃ〜０．４ｇ／１０ｃｃ程度である。もう一つの実施態様では、金属を含有する溶液１０２は、金属粒子を含むコロイド溶液（colloidal solution containing metal particles）、例えば銀粒子を含むコロイド溶液である。金属を含有する溶液１０２は、浸漬コーティング（dip coating）、スピンコーティング（spin coating）、スプレーコーティング（spray coating）またはスロットダイコーティング（slot die coating）により、銅箔基材１００の上面に塗布することができる。例えば、スピンコーティングを約２０００ｒｐｍの回転速度で約２０秒実行することにより、酢酸パラジウムのクロロホルム溶液を銅箔基材１００の上面に塗布すると共に、空間１００ｂを充填する。さらに必要に応じて、スピンコーティングのような塗布作業を２回またはそれ以上実行しても良い。

図１Ｃおよび図２Ｃを参照すると、非真空の環境下で、金属を含有する溶液１０２を塗布した銅箔基材１００に対し熱処理を実行して、瘤状凸部１００ａの表面に銅酸化物層１０４を形成し、且つ、同時に、瘤状凸部１００ａの間の空間１００ｂ中で、金属を含有する溶液１０２を転化させて金属島状物１０６を形成する。例えば、銅箔基材１００に対し、熱処理温度は３００℃未満（例えば２００℃）で熱処理を実行する。さらに、熱処理時間は約１５〜３０分である。熱処理後、瘤状凸部１００ａの表面が酸化して、銅酸化物層１０４を形成する。本実施態様では、瘤化処理過程で銅箔基材１００中にニッケルを加えて、銅酸化物層１０４にニッケル酸化物を含有させても良い。一方、金属を含有する溶液１０２（例えば、酢酸パラジウムのクロロホルム溶液）の金属は、熱分解により還元されて、分散した複数の金属島状物１０６（パラジウム島状物）を形成する。これにより、抵抗膜１０７が完成される。表１は、異なる銅含量（μｇ／ｃｍ²）およびパラジウム含量（μｇ／ｃｍ²）の抵抗膜１０７に対してシート抵抗（ρ_ｓ，Ω／□）および抵抗温度係数（ＴＣＲ，ｐｐｍ／℃）を測定した結果を示す。

表１から分かるように、複合抵抗器は、高いシート抵抗（例えば＞１００００Ω／□）を有し、そのシート抵抗は、ほぼ、銅含量およびパラジウム含量の減少に伴って増加する。しかし注意すべきことは、銅含量が約１５．０μｇ／ｃｍ²未満であり、パラジウム含量が７．０μｇ／ｃｍ²未満である時、ＴＣＲが急激に高くなり（例えば＜２００ｐｐｍ／℃）、抵抗器の熱安定性が低下する。よって、好ましい実施態様の抵抗膜は、その銅の含量が約１５．０μｇ／ｃｍ²より大きく、且つパラジウムの含量が７．０μｇ／ｃｍ²より大きいものである。つまり、上述の条件下で製作された抵抗膜１０７は、容易に高いシート抵抗（例えば＞１００００Ω／□）および低ＴＣＲ（例えば＜２００ｐｐｍ／℃）を有する。

図１Ｄおよび図２Ｄを参照すると、図１Ｃおよび図２Ｃの銅箔基材１００を、例えば、エポキシ樹脂またはポリイミド樹脂等の絶縁材料から構成される絶縁基板１０８上に設置し、銅酸化物層１０４と絶縁基板１０８とを接合する。その後、銅箔基材１００上で、二つの電極領域Ｅおよび抵抗領域Ｒを画定する。

図１Ｅおよび図２Ｅを参照すると、公知のＤＥＳ工程により、抵抗領域Ｒの銅箔基材１００および瘤状凸部１００ａを除去して、抵抗領域Ｒの銅酸化物層１０４および金属島状物１０６を露出させる。露出した銅酸化物層１０４の表面は、瘤状凸部１００ａを除去して対応形成された複数の瘤状凹部１１２を有する。二つの電極領域Ｅに位置する除去されていない銅箔基材１００は、抵抗膜１０７の二つの電極１１０となる。

図１Ｆおよび図２Ｆを参照すると、更に、例えばソルダーマスク、エポキシ樹脂またはポリイミド樹脂等の絶縁層１１４を、抵抗領域Ｒの銅酸化物層１０４および金属島状物１０６上に被覆すると共に、瘤状凹部１１２に充填する。これにより、薄膜抵抗器が完成する。ＣＣＬを製造する従来のＰＣＢ製造に、図１Ｄ〜１Ｆおよび図２Ｄ〜２Ｆに示す製造工程を組み込むことができる。この製造では、ＰＣＢの製作が完了した時に、抵抗器デバイスがＰＣＢ中に内蔵されて完成する。銅箔ワイヤと受動素子とを個別に製造する従来の方法と比べて、この製造の利点は明らかである。

本発明の実施態様によると、銅箔酸化により形成される銅酸化物層と金属を含有する溶液により形成される分散した金属島状物とから構成される複合抵抗膜１０７は、高いシート抵抗および低いＴＣＲを有する。従って本発明の実施態様の抵抗膜１０７を用いれば、現在の用途で主要な抵抗範囲を満たすことができる。更に、抵抗膜１０７は、非真空環境下で低温製造工程により形成できるので、製造コストが低く、ポリマー基板との適合性を向上させることができる。

本発明の好ましい実施態様を前述の通り開示したが、これらは決して本発明を限定するものではなく、当業者であれば、本発明の精神と領域を逸脱しない範囲内で様々な変更や修正を行うことできる。本発明の保護範囲は、特許請求の範囲の内容を基準とする。

本発明の実施態様による薄膜抵抗器構造物の製造方法の平面図である。 本発明の実施態様による薄膜抵抗器構造物の製造方法の平面図である。 本発明の実施態様による薄膜抵抗器構造物の製造方法の平面図である。 本発明の実施態様による薄膜抵抗器構造物の製造方法の平面図である。 本発明の実施態様による薄膜抵抗器構造物の製造方法の平面図である。 本発明の実施態様による薄膜抵抗器構造物の製造方法、及び本発明の薄膜抵抗器構造物を示す平面図である。 図１Ａに対応する断面図である。 図１Ｂに対応する断面図である。 図１Ｃに対応する断面図である。 図１Ｄに対応する断面図である。 図１Ｅに対応する断面図である。 図１Ｆに対応する断面図である。

符号の説明

１００ 銅箔基材
１００ａ 瘤状凸部
１００ｂ 空間
１０２ 金属を含有する溶液
１０４ 銅酸化物層
１０６ 金属島状物
１０７ 抵抗膜
１０８ 絶縁基板
１１０ 電極
１１２ 瘤状凹部
１１４ 絶縁層
Ｅ 電極領域
Ｒ 抵抗領域

Claims (19)

1. 薄膜抵抗器構造物であって、
   抵抗膜を含み、
   前記抵抗膜は、
   上面に隣接する複数の瘤状凹部を有し、且つ、前記瘤状凹部の間に網状に分布した空間を有する銅酸化物層と、
   前記銅酸化物層上に位置し、且つ、それぞれ、前記瘤状凹部の間の空間に設置される複数の金属島状物と、
   を含むことを特徴とする薄膜抵抗器構造物。
2. 更に、
   前記抵抗膜下方に設置される絶縁基板と、
   前記抵抗膜を局部的に被覆して、前記抵抗膜の両端を露出する絶縁層と、
   前記の露出した抵抗膜両端をそれぞれ被覆すると共に、前記抵抗膜と電気的に接続する二つの電極と、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の薄膜抵抗器構造物。
3. 前記絶縁層はソルダーマスクから構成されることを特徴とする請求項２に記載の薄膜抵抗器構造物。
4. 各電極は銅箔から構成されることを特徴とする請求項２または３に記載の薄膜抵抗器構造物。
5. 前記絶縁基板は、エポキシ樹脂またはポリイミド樹脂から構成されることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の薄膜抵抗器構造物。
6. 前記銅酸化物層内に更にニッケル酸化物を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の薄膜抵抗器構造物。
7. 前記金属島状物の材料は、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、および上述の合金からなる群から選択されることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の薄膜抵抗器構造物。
8. 前記金属島状物はパラジウムからなり、且つ、前記抵抗膜中の銅の含量は１５．０μｇ／ｃｍ²を超え、パラジウムの含量は７．０μｇ／ｃｍ²を超えることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の薄膜抵抗器構造物。
9. 薄膜抵抗器構造物の製造方法であって、
   上面に隣接する複数の瘤状凸部を有し、且つ、瘤状凸部の間に網状に分布した空間を有する銅箔基材を提供する工程と、
   前記銅箔基材の上面に、金属を含有する溶液を塗布し、前記金属を含有する溶液を瘤状凸部の間の空間に充填する工程と、
   前記銅箔基材に対し熱処理を実行して、前記瘤状凸部表面に銅酸化物層を形成し、且つ、同時に、前記瘤状凸部の間の空間に、前記金属を含有する溶液が転化して形成される複数の金属島状物を形成する工程と、
   前記銅箔基材を絶縁基板上に反対に設置して、前記銅酸化物層と前記絶縁基板とを接合する工程と、
   前記銅箔基材上で、二つの電極領域および抵抗領域を画定する工程と、
   前記抵抗領域の前記銅箔基材および前記瘤状凸部を除去して、前記銅酸化物層および前記金属島状物を局部的に露出し、前記露出した銅酸化物層の上面が、対応する複数の瘤状凹部を有するようにする工程と、
   絶縁層で、前記露出した銅酸化物層および前記金属島状物を被覆すると共に、前記瘤状凹部を充填する工程と、
   を含むことを特徴とする薄膜抵抗器構造物の製造方法。
10. 前記絶縁層はソルダーマスクから構成されることを特徴とする請求項９に記載の薄膜抵抗器構造物の製造方法。
11. 前記絶縁基板は、エポキシ樹脂またはポリイミド樹脂から構成されることを特徴とする請求項９または１０に記載の薄膜抵抗器構造物の製造方法。
12. 前記銅酸化物層内に更にニッケル酸化物を含むことを特徴とする請求項９〜１１のいずれかに記載の薄膜抵抗器構造物の製造方法。
13. 前記金属島状物の材料は、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、および上述の合金からなる群から選択されることを特徴とする請求項９〜１２のいずれかに記載の薄膜抵抗器構造物の製造方法。
14. 前記金属島状物はパラジウムからなり、且つ、前記抵抗膜中の銅の含量は１５．０μｇ／ｃｍ²を超え、パラジウムの含量は７．０μｇ／ｃｍ²を超えることを特徴とする請求項９〜１３のいずれかに記載の薄膜抵抗器構造物の製造方法。
15. 前記金属を含有する溶液は、酢酸パラジウムのクロロホルム溶液であることを特徴とする請求項９〜１４のいずれかに記載の薄膜抵抗器構造物の製造方法。
16. 前記酢酸パラジウムのクロロホルム溶液の濃度は、０．１ｇ／１０ｃｃ〜０．４ｇ／１０ｃｃの範囲であることを特徴とする請求項１５に記載の薄膜抵抗器構造物の製造方法。
17. 前記金属を含有する溶液は、金属粒子を含有するコロイド溶液であることを特徴とする請求項９〜１６のいずれかに記載の薄膜抵抗器構造物の製造方法。
18. 前記金属を含有する溶液は、浸漬コーティング、スピンコーティング、スプレーコーティング、またはスロットダイコーティングにより、前記銅箔基材の上面に塗布されることを特徴とする請求項９〜１７のいずれかに記載の薄膜抵抗器構造物の製造方法。
19. 前記熱処理は非真空下で実行され、且つ、前記熱処理の温度は３００℃より低いことを特徴とする請求項９〜１８のいずれかに記載の薄膜抵抗器構造物の製造方法。

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