JPH01189191A - 回路基板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） この発明は回路基板、特に窒化アルミニウ、ム（ＡＪＮ
）基体を用いたＡＩ−Ｎ薄膜回路基板に関する。

（従来の技術） 従来、薄膜配線実装モジュールの基板とじてアルミナが
主に使われている。能動素子は性能の向上にともない、
稼働時の素子から基板への発熱量が増大する傾向にあ）
、アルミナの熱伝導率では能動素子の実装個数に制約を
受ける。このため、モジー−ルの実装密度が熱的な面か
ら低し□ベルとなってしまう。このような場合、アルミ
ナに代やシ高熱伝導率をもつＢｅＯを基板材料とする方
法が用いられてきたが、仁の材料は自身の毒性が基板と
しての応用範囲を限定し、代替材料としてＡＪ−Ｎが有
望視されている。しかしながら、微細な配線を考慮した
場合、蒸着法、スパッタリング法等で形成される薄膜回
路は必須の技術であるが、ＡＪＮ基体を用いた場合の薄
膜回路形成技術は確立されていない。

一般に用いられている薄膜導体としてはＡｕ／Ｐｔ／Ｔ
ｉ、　Ａｕ／Ｐｄ／Ｔｉ、　Ａｕ／Ｐｔ／Ｃｒ等があげ
られる。これらの導体はエツチングの際に王水、沸酸等
の腐蝕性の強いエッチャントがその構造上要求され、基
板材料であるＡ−ＬＮもエツチングを受けやすい欠点を
有する。ＡｊＮ材料は強酸１強アルカリ土類金属アルミ
ナやＳｌにくらべて低い耐食性をもち、容易に分解する
ため、導体配線パターンの周辺や下地にビット、トレン
チを生じて導体層の安定的形成および信頼性を阻害する
。このため、ＡＪＮ基板に与える影響が少ないエツチン
グが可能な構造の導体層を有するＡｊＮ薄膜回路基板が
望まれていた。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は以上の点を考慮してなされたもので、ＡＪＮ基
体を用いた薄膜回路基板を提供することを第１の目的と
する。

第２　Ｋ　ＡＩＮ基体に与える影響が少ないエツチング
が可能な薄膜導体を備えた回路基板を提供することを第
２の目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段と作用） 本発明は表面粗さ（Ｒａ）が１５０ｎｍ以下の、υＮ基
体上１ｃ　Ａｕ　／　ＮｉもしくはＡｕ　／　Ｃｒ等か
らなる導体薄膜を形成することを特徴とする回路基板で
ある。本発明をさらに詳しく説明すると、表面粗さ（Ｒ
ａ）が１５９ｎｍ以下であるＡＪＮ基板上に所望のパタ
ーンを有する導体薄膜からなる配線導体層を形成する。

ＡｊＮ基板はＢｅＯにくらべ無毒であシ、製造２部品化
、廃棄の制約が少ない利点を持ち、とくに熱伝導率が７
０〜２８０ｗ／ｍ氷以上の広い範囲、すなわち、放熱特
性がアルミナの３．５倍から所望によｐ　ＢｅＯよシ優
れたレベルまで調整可能であるため、能動素子の高密度
化をはかることが可能である。

これらの理由から薄膜用回路基板としてＡＪＮ基体を用
いる。さらに、表面粗さ（Ｒａ）が１５Ｑｎｍ以上であ
ると導体膜の断線や配線幅の不均一から生じるＡＪＮ薄
膜回路基板の信頼性低下を招き、（Ｒａ）　＝１５Ｑｎ
ｍ以下とする。表面粗さの調整は焼結基板の研磨もしく
はサブミクロン粒子原料をもちいた焼結基板を使用し行
う。

さらに詳しく説明すると、所定の寸法を持つＡＪ＝Ｎ基
体を通常の方法で研磨し、表面粗さが低下するに従い、
粒子径のよシ小さな研磨粉を使用する。このＡＪＮ基体
としてはＡＪＮ粉に必要に応じ２Ｑｗｔ％以下程度のＹ
をはじめとする希土類元素。

アルカリ土類元素等の焼結助剤を添加した焼結体を用い
る。このＡ、ＥＮ基体のＡｊＮ結晶粒径は０．５〜２０
μｍの範凹内にあることが望ましく、ＡＪＮ平均結晶粒
径が０．５μｍ以下では焼結による基板のそ夛。

ゆがみが導体薄膜形成可能な許容範囲を越え、さらに２
０μｍ以上では結晶粒子脱落によるビットが深いため、
これを研磨によって修正不可能となるためである。

研磨粉としては所定の粒子径を持つアランダム。

グリーンカーボン（主成分８ｉＣ）　、酸化セリウム等
があげられる。これらの材料による研磨によシ、該基板
の表面粗さがＲａ　＝　３ＱＱｎｍ以下となった後、Ａ
ｊＮ基体と同様の材料をもちいて所望とする表面粗さに
到達するまで研磨を行う。ここで、ＡｊＮ基体を該基板
の主成分からなる粉末を用いて研磨を行う前に、硬度が
該基板以上の粉末によシ予め研磨を実施しておくとよい
。例えばグリーンカーボン、ダイヤモンドなどがあげら
れ、これらは粗い研磨面をある程度平坦化し、これに引
続く研磨において表面粗さを容易低減可能である。この
処理を施さない場合、脱落粒子による深いビットの集合
体を生じ、これに引続く研磨においてこれら前記した欠
陥を除去しがたくなる。

次いで、Ａ、ｔＮを研磨の最終段階での研磨剤としても
ちいるが、ＭＮより硬度の大きい材料、例えばグリーン
カーボン、ダイヤモンドなどでこの研磨を行った場合、
結晶粒子の脱落によるビット数および研磨による条痕数
が増大し、ル曙よシ硬度の小さい酸化セリウムなどを研
磨剤とした場合、前段階の研磨によって生じた条痕を十
分除去することが難しく、いずれも目的とする表面粗さ
を得ることができない。このため、最終研磨剤にＡＪＮ
基板と同様の材料もしくは同等の硬度を有する物質を使
用することが望ましい。この場合、研磨粉として使用す
るＡＪＮは２．０μｍ以下の粒子径であることが望まし
い。該研磨粉が２．０μｍ以上であると所望の表面粗さ
を得ることはむづかしく、几ａ≦（５９ｎｍとするには
２．０μｍ以下が好適である。この粒子径の下限として
は粉体の製造限界にょシ決まる。また、目標とする表面
粗さとしてはＲａ　＝　５Ｑｎｍ。

Ｒｍａｘ’＝　６００ｎｍ以下が好適である。基板は前
記した表面粗さ以上の場合、エツチング時にパターンが
高精度で形成できず、さらに表面の凹凸による導体薄膜
の不均一な膜厚がエツチングの異方性を生じ、薄膜導体
の信頼性低下をもたらす原因となる。

薄膜形成方法としては蒸着法、スパッタ法等の一般的薄
膜形成法をもちい必要に応じ、基板温度。

雰囲気、真空度、パワー密度、ボート電流を調整する。

導体材料としてはＡｕ、ＮｉもしくはＡｕ、Ｃｒの単体
を用いるとよい。これらの導体材料はＡＪＮ材料との密
着性、信頼性が良好であり、シかも、Ａｌ−Ｈに対して
腐蝕性の低いエッチャントを使用することができる。薄
膜回路基板は前述したようにパターン精度向上のため、
鏡面状態の表面をもちいる。

しかしながら、この鏡面とはマクロなレベルの表現であ
シ、ミクロ的には結晶粒界および異相界面。

不純物等の原因による凹凸が薄膜基板表面に生じ、不連
続な表面となっている。この基板上にＡｊＮ基体に与え
る影響が大きなエッチャントを使用する＃ｌｌ造Φ導体
層を適用した場合、これらエッチャントは不連続面での
異なるエツチング速度を拡大・助長し、導体材料と基板
との密着性・信頼性等を損ない、この結果、導体層の人
ＪＮ基板上への安定的形成が阻害してしまう。導体層Ａ
ｕ　／　ＮｉもしくはＡｕ　／　Ｃｒを用いることによ
りＡＪＮ基体に与える影響の少ないエッチャントの使用
が可能である。

ＮｉおよびＣｒの接合層は３０〜２００ｎｍ程度の厚み
であればよく、これを形成後真空を破らず連続に油層を
所望の厚さ（例えば２００〜ユＱＱＱｎｍ程度）となる
よう成膜する。また、配線パターンは一般的なレジスト
を用いたりソゲ２フイを導体層のＡＪＮ基板上への安定
的形成が可能なエッチャントにておこなう。このような
エッチャントとしてはＣｕ５Ｏ。

＋ＨＣＪ−十エチルアルコール＋脱イオン水、　ＨＣｆ
　＋ＦｅＣＪ−１＋エチＡ／　７　ｋ　コー／Ｉ／十脱
イオン水、　Ｈ，Ｓｏ。

＋脱イオン水等があげられる。

（実施例） 実施例１ 表ＩＫＬめす結晶粒子径を持っＡＪＮ基板をアランダム
ナ１，２００．す２，５００、グリーンカーボンナ４，
０００の各研磨剤を使用して研磨加工を行った後、０．
６μｍの平均粒子径のＡｊＮ粉によシ表１の条件で最終
研磨を実施した。なお、基板に使用したすＮ材料は７０
〜２８０Ｗ／ｍ−にの熱伝導率を持つ試料であった。

これらの基板に薄膜導体としてＡｕ　（２５０Ωｍ）　
／Ｎｉ（５９ｎｍ）をスパッタおよびフォトリング２フ
イによシフμｍ幅の配線および１　ｘｍ角のパッドを形
成した後、配線の抵抗値、パッドのビール強度を測定し
、信頼性評価のため、ｉ、ｏｏｏｈのプレッシャークツ
カーテストをおこなった。これらの特性評価は実施例２
．比較例１．比較例２についても行い、表１にしめす。

実施例２ 表１にしめず結晶粒子径を持つＡＪＮ基板をアの平均粒
子径のＡＪＮ粉によシ表１の条件で最終研磨を実施した
。なお、基板に使用した。υＮ材料は実施例１と同様の
熱伝導率を持つ試料であった。

比較例１ 表１にしめず結晶粒子径を持つＡｊＮ基板をアランダム
ナ１，２００、＋２，５００、グリーンカーボンナ４，
０００の各研磨剤を使用して研磨加工を行った後、１．
０μｍの平均粒子径の酸化セリウムによシ表１の条件で
最終研磨を実施した。なお、基板に使用したＡＬＮ材料
は実施例と同じものであっ九。

比較例２ 表１にしめず結晶粒子径を持つＡＪＮ基板をアランダム
φ１，２００、◆２，５００、グリーンカーボン÷４，
０００の各研磨剤を使用して研磨加工を行った後、１．
４μｍの平均粒子径を持つＳｉＣ粉および１．０μｍの
ダイヤモンドペーストにより表１の条件で最終研磨を実
施した。基板に使用したＡＪＮ材料は実施例と同じもの
であった。

本実施例は前記した方法によシ、いずれも表面粗さＲａ
　＝　５Ｑｎｍ、　Ｒｒｎａｘ　＝　５ＱＯｎｍ以下の
ＡＪＮ薄膜回路基板を得ることができる。さらに薄膜導
体の抵抗値、パッドのビール強度がそれぞれ１００Ω、
　２３．０！ＭＰａ前後の値をしめし、１，０ＯＯｈの
プレッシャークツカーテスト後も導体の剥離が認められ
なかった。

比較例は結晶粒の脱落によるビットおよび研磨によって
生じた条痕が実施例にくらべて多いため表面粗さは大き
く、７μｍ幅の導体に断線部分が数か新発生していた。

また、薄膜導体の抵抗値、パッドのビール強度がそれぞ
れ１００〜３５０Ω、１．Ｏ〜１５．０？・ＭＰａと不
安定な値をしめし、１，０ＯＯｈのブレラシャークツカ
−テスト後、導体の剥離が一部認められた。

以下余白 表１　薄膜回路基板の特性 ■ビール強度（ＭＰａ　）　、　　０表面粗さ、几ａ／
Ｒｍａｘ　（ｐｍ）信頼性１０００　ｈは導体薄膜に剥
離などの欠陥のないことをしめす。

実施例３ 熱伝導率２８０ｗ／ｍ・、にＯＡｊＮ基板を表面粗さ１
５Ｑｎｍ以下となるようラッピング、研磨を行った後、
導体層としてＡｕ／Ｎｉを表２にしめす方法１条件で形
成した。この後、ポジタイプのレジストによシフμｍ幅
の導体配線パターンを形成後、ＡｕｆｔＫＩ＋Ｉ、十脱
イオン水のエッチャント、ＮｉをＣｕ８０．　＋ＨＣＬ
十エチルアルコール＋脱イオン水のエッチャントによシ
エッチングを行った。

実施例４ 熱伝導率２６０ｗ／ｍ−に’のＡｊＮ基板を表面粗さ１
５０ｎｍ以下となるようラッピング、研磨を行った後、
導体層としてＡｕ　／　Ｃｒを真空蒸着法によシそれぞ
れ、表２に示す方法１条件で形成した。この後、（実施
例１）と同様の導体配線パターンを形成した。

なお、ＣｒはＨ，８０，十脱イオン水エッチャントによ
シエッチングした。

以上の本発明による導体配線パターンは基板との密着強
度が２．０ｆ−ｊＰ＾−以上と十分であり、断線がなく
、均一な十分実用的なものである。

比較例３ 熱伝導率２０ｗ／ｍＫのアルミナ基板を表面粗さ１５０
ｎｍ以下となるようラッピング、研磨を行った後、導体
層として、Ａｕ　／Ｐｔ　／ＴｉをＲＦスパッタ法によ
シそれぞれ、表２に示す方法２条件で形成した。

ＡｕをＫＩ　＋　Ｉ、十脱イオン水のエッチャントによ
）、ＰｔをＨＣｊ　＋　ＨＮＯ，のエッチャント、Ｔｉ
をＨＦ十脱イオン水のエッチャントによシエッチングを
行った。いずれの試料も密着強度が本発明にくらべ低く
、配線パターンに断線が見られた。

表　　２ 」ｕｌＩＬ 次に薄膜コンデンサモジエールに関する実施例を説明す
る。

表面粗さ（Ｒａ）が１５Ｑｎｍ以下である熱伝導率７Ｑ
ｗ／ｍ１に以上のＡｊＮ基板上に所望の面積を有する下
層導体薄膜、誘電体薄膜、上層導体薄膜からなる薄膜コ
ンデンサおよび配線導体層を形成する。

薄膜コンデンサ構造がインターデジタルの場合、下層体
薄膜は省略する。表面粗さ（Ｒりが１５０ｎｍ以上であ
ると導体膜の断線や配線幅の不均一から生じる薄膜コン
デンサモジュールの信頼性低下を招く。表面粗さの調整
は焼結基板の研磨もしくはサブミクロン粒子原料をもち
いた焼結基板を使用し行う。薄膜形成方法としては蒸着
法、スパッタ法等の一般的薄膜形成法をもちい必要に応
じ、基板温度、雰囲気、真空度、パワー密度、ボート電
流を調整する。強誘体のスパッタリングの際の基板温度
は成膜後アニールを必要としない場合、５００〜８００
℃の範囲がのぞましく、それ以外では室温〜３００℃が
好適である。また雰囲気はターゲットが酸はターゲット
に対し２．０ｗ７ｍ”以下がストイキオメトリ保持上好
適である。導体材料としては金属。

酸化物導体があげられ、Ｐｔ、　Ａｕ、　ＴＩ、　Ｎｉ
、　Ｃｒ、　ｆｚどの単体・合金、Ｂａｔ　ＹＣｕ３０
？　、に代表される酸化物導体化合物を用いるとよい。

とくに酸化物導体化合物はおなじ酸化物の誘電体薄膜に
たいし、熱処理による酸化９機械的ミスマツチによる導
体膜の剥離をふせぎ、好適な材料である。ＡＪＮ基板は
ＢｅＯにくらべ無毒であシ、製造９部品化、廃棄の制約
が少ない利点を持ち、とくに熱伝導率が２５０ｗ／ｍ−
に以上の場合、放熱特性がＢｅＯよシ優れ、能動素子の
高密度化をはかることが可能である。つぎに誘電体薄膜
は酸化物強誘電体化合物、すなわち（ｐｂＣａ　）　（
（Ｍｆｌ　１３Ｎｂ１７３　）　（Ｚｎ１１ｓ　Ｎｂ１
７１　）　Ｔ　ｔ　）　０３　、（Ｐｂ　Ｂａ）（（Ｍ
ｊ’ｔ７ｓ　Ｎｂ、、　）　（Ｚｎ、ｚ、Ｎｂ、、、　
）Ｔｉ　）０．　、５ｒＴｉＯ，などのペロプスカイト
型化合物であれば問題ない。これらの化合物は薄膜コン
デンサの使用温度、誘電率。

誘電正接などの特性に応じて、単体もしくは複合構造の
誘電体薄膜として使用すればよい。

以下、具体例を示す。

熱伝導率２６０ｗ／ｍ−Ｋ　ＯＡＪＮ基体を表面粗さ１
５０ｎｍ以下とな、るようラッピング、研磨を行った後
、下層導体としてＢａ２　ＹＣｕｓ　０ｙ−ｙを几Ｆス
パブタ法により１．０μｍの膜厚を、ガス圧５Ｐａ　、
アルゴンと酸素の割合いが１：１、パワー密度２ｗ／ｃ
ｚ”　、基板温度３０℃の条件で得た。この下層導体上
に（Ｐｂ　Ｃａ）　（（狗ｔｚａＮｂｘｔｓ　）　（Ｚ
”ｔｌｓ　Ｎｂｔｌｓ　）　Ｔ’　）Ｏｘ組成の誘電体
層を１．５μｍ。

几Ｆスパッタ法によシ、下層導体とおなしＰｔを同条件
で形成した。最後に上層導体を下層導体と同様の方法で
形成し、あわせて酸化ルテニウムにより抵抗体を形成し
た。各層のパターンユングはマスクにて行なった。必要
によシ、得られた薄膜コンデンサのアニーリングを表３
にしめず条件で実施した。いずれも、容量値１３０　ｎ
　Ｆ／ｃｒｎ”以上をもつ薄膜コンデンサモジー−ルを
得ることができた。さらに、市販の能動素子を実装し、
動作させたところ、基板温度の上昇はｌＯｃ以内であっ
た。

熱伝導率２６０　ｗ／ｍ−Ｋ　（Ｄ　ＡｊＮ基板を表面
粗さ１５０ｎｍ以下となるようラッピング、研磨を行っ
た後、下層導体としてＴｉ／Ｐｔを几Ｆスパッタ法によ
シそれぞれ、０．１７１．０μｍの膜厚を、ガス圧０．
５Ｐａ、アルゴンと酸素の割合いが１：１．パワー密度
４ｗ／ｃｒｎ”。

基板温度３０゛Ｃの条件で得た。この下層導体上に（Ｐ
ｂ　Ｃａ　）　（（ＭｆＢｓ　Ｎｂ、、、　）　（Ｚｎ
、、、　Ｎｂ、、、　）Ｔｉ　）Ｏ，組成の誘電体層を
１．５μｍ、　ＲＦスパッタ法によシ、ガス圧０．５Ｐ
ａ、アルゴンと酸素の割合いが１：１．パワー密度２ｗ
／ｃｍ”　、基板温度２００℃条件で形成した。最後に
上層導体としてＰｔを下層導体と同様の方法で形成した
。各層のパターンユングはマスクにて行なった。必要に
より、得られた薄膜コンデンサのアニーリングを表３に
しめず条件で実施した。いずれも、容量値８０　ｎ　Ｆ
／ｃＩＩＬ”以上をもつ薄膜コンデンサモジュールを得
ることができた。さらに市販の能動素子を実装し、動作
したところ基板温度が室温にたいし１０℃以内であった
。

比較例として熱伝導率２０ｗ／ｍ；にのアルミナ基板を
表面粗さ２ＱＱｎｍとなるようラッピング、研磨を行っ
た後、下層導体としてＴｉ／Ｐｔｆ：ＲＦスパッタ法に
よシそれぞれ、０．１／１．０２ｍの膜厚を、ガス圧Ｑ
、５Ｐａ。

アルゴンと酸素の割合いが１：１．パワー密度４Ｗ／Ｃ
ｒＩｔ−基板温度３０℃の条件で得た。この下層導体上
に（ｐｂＣａ）　（（ＭＦ＋／ｓ　Ｎｂｔ／ｓ）　（Ｚ
”ｘ／ｓ　Ｎｂｔ／ｓ　）”　）Ｏｓ組成の誘電体層を
１．５μｍ、　ＲＦスパッタ法によシ、ガス圧０．５Ｐ
ａ。

アルゴンと酸素の割合いが１：１．パワー密度２ＷＡｒ
Ｌ−基板温度２００℃条件で形成した。最後に上層導体
としてＰｉを下層導体と同様の方法で形成した。各層の
パターンユングはマスクにて行なった。必要により、得
られた薄膜コンデンサのアニーリングを表１にしめず条
件で実施した。いずれも、薄膜コンデンサの容量値は８
０ｎＦ／ｃｍ”以下となり、さらに市販の能動素子を実
装し、動作したところ基板温度が室温にたいし３０℃以
上上昇した。また、表面粗さが大きいため、導体層の一
部にパターン切れを生じた。

以上詳述したごとく、薄膜配線実装モジー−ルの実装密
度低下を防ぐため、高誘電率薄膜コンデンサを熱伝導率
の良好なＡＬＮ基板上に形成した薄膜コンデンサモジュ
ールを得ることができる。

表　　３ 〔発明の効果〕 以上説明したように本発明によればＡＩ−Ｎ基体を用い
た薄膜導体を有する回路基板を得ることができる。

代理人　弁理士　　則　近　憲　佑 同　　　松山光之

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）表面粗さ（Ｒａ）がＲａ≦１５０ｎｍの窒化アル
   ミニウム基体上に薄膜回路が形成されたことを特徴とす
   る回路基板。
2. （２）窒化アルミニウム基体の平均結晶粒径が０．５〜
   ２０μｍであることを特徴とする請求項１記載の回路基
   板。
3. （３）薄膜回路はＮｉまたはＣｒの下地層とこの下地層
   上に形成されたＡｕからなることを特徴とする請求項１
   乃至２記載の回路基板。