JPH03195085A - 金属層積層無機質基板による回路板の製造方法 - 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】 【産業上の利用分野】

本発明は、スバタリング等の気相メッキにより金属層を
形成した基板に対して、エツチングを施して回路パター
ンを形成する金属層積層無機質基板による回路板の製造
方法に間するものである。

【従来の技術】

セラミックス等の無機質の基板に金属層を形成する方法
として気相メッキを利用することが提案されている。気
相メッキにより無機質の基板に金属層を形成する場合の
課題として、金属層の基板に対する付着強度を大きくす
ることがあり、この課題を解決する方法として、気相メ
ッキを施す前に、希ガスのイオンを基板の表面に照射す
るイオンボンバードという処理を行うことが提案されて
いる。イオンボンバードを行うと、基板表面に付着して
いる異物がイオンによって叩き出されるとともに、基板
の表面に微細な凹凸が形成される結果、基板への金属層
の付着強度を向上させることができるのである。

【発明が解決しようとする課題】

しかしながら、イオンボンバードは真空容器内で行うも
のであるから、前に気相メッキを行ったときに真空容器
の壁面等に付着した金属や真空ポンプのオイルミスト等
の汚染物も叩き出され、これらの汚染物が基板表面に飛
来して基板表面に付着することがある。このような汚染
物が基板の表面で化学結合すると、気相メッキによる金
属層とは異なる性状の層が形成されることになり、この
層はエツチングなどでは容易に除去できないものとなる
、すなわち、金属層に回路パターンを形成する際にはエ
ツチングを施すのが一般的であるが、汚染物はエツチン
グでは容易除去できないから、回路パターン間の絶縁性
が不十分になるという問題が生じる。 本発明は上記問題点の解決を目的とするものであり、気
相メッキの前処理としてイオンボンバードを施しながら
も回路パターンを形成した後には基板上の汚染物を除去
できるようにした金属層積層無機質基板による回路板の
製造方法を提供しようとするものである。

【課題を解決するための手段】

本発明では、上記目的を達成するために、無機質の基板
に希ガスのイオンを照射した後、気相メッキにより基板
上に金属層を積層して金属層積層無機質基板を形成し、
金属層にエツチングを施して回路パターンを形成した後
、アルカリ性水溶液に浸漬するようにしているのである
。

【作用】

上記方法によれば、希ガスのイオンを照射することによ
り、基板の表面の汚染物を除去するとともに基板の表面
に微細な凹凸を形成することができ、金属層の基板に対
する付着強度を大きくすることができるのである。また
、イオンを照射する際に、逆に基板に飛来して結合した
汚染物は、アルカリ性水溶液への浸漬によって、基板の
界面との結合が解除されて除去されるのである。ここに
、汚染物を基板の表面から十分に除去する効果があり、
かつ、回路パターンを形成している部分の金属層が腐食
されない程度の最適な規定度および時間として試験結果
より上記範囲が得られた。このように、アルカリ性水溶
液への浸漬により、エツチングでは除去できない不要な
汚染物が除去されるから、イオンの照射により基板に対
する金属層の付着強度を大きくとりながらも、回路パタ
ーン間の絶縁性が保たれるのである。

【実施例】

セラミックスのような無機質の基板に金属層を付着させ
る気相メッキには、大きく分けて物理蒸着法（Ｐ　Ｖ　
Ｄ　）と化学メッキ法とがある。物理蒸着法としては、
真空蒸着、スバタリング、イオンブレーティングなどが
知られている０本発明では、金属層を形成するための望
ましい気相メッキとしてスバタリングを採用しているが
、他の方法により形成された金属層に対する本発明の技
術思想の適用を妨げるものではない。 スバタリングは、通常のスバタリング装置で行うことが
できる。スバタリング装置１０は、第１図に示すように
、真空ポンプに接続される排気管１１と、放電ガスを導
入する給気管１２とが接線された真空容器１３を備えて
いる。真空容器１３の上面板１４には、基板ホルダ１５
が上面板１４との気密を保った状態で上下に移動自在に
なるように挿通され、基板ホルダ１５の下端には基板１
が保持される。また、基板ホルダ１５には、熱電対１６
、ヒータ１７、水冷管１８が挿通され、基板１の温度を
所望温度に制御するとともに、基板１の近傍の温度を測
定できるようにしである。基板ホルダ１５には、基板１
に電源を接続する電極１９が挿通されている。 真空容器１３内で、基板１に対向する部位には、導電性
金属の金属板５が配置される。ここにおいて、基板１と
金属板５との距離は、基板ホルダ１５の上下移動によっ
て４０〜８０ｉｖの範囲で調節できるように設定しであ
る。金属板５は、金属板５に電源を接続する銅板よりな
るバッキングプレート２１の上に載置される。真空容器
１３の底板２２とバッキングプレート２１との間には空
間が形成されていて、この空間には金属板５を冷却する
冷却水が循環するように水冷管２３が接続されている。 真空容器１３内において、基板１と金属板５との間には
、シャッタ２４が配設されている。シャッタ２４は、基
板１に対してイオンボンバードを行うときには閉じられ
（基板１と金属板５との間にシャッタ２４が配置され）
、基板１との間に高周波電力が与えられる。これによっ
て、基板１とシャッタ２４との間で放電が生じ、放電ガ
スのイオンが基板１に照射され、イオンボンバードが施
されることになる。一方、スバタリングを行うときには
、シャッタ２４は開かれ（基板１と金属板５との間から
シャッタ２４が取り除かれ）、基板１が正極、金属板５
が負極に接続される。このとき、基板１と金属板５との
間に高周波バイアスを付与してもよい、なお、スバタリ
ングに先立って、シャッタ２４を閉じている状態で、金
属板５を負極に接続し、シャッタ２４を正極に接続すれ
ば、金属板５がイオンボンバードを受け、金属板５の表
面の酸化層が除去されてシャッタ２４に付着するから、
金属板５の表面を清浄化することができる。 さらに、このスバタリング装置１０では、金属板５をタ
ーゲットとしてスバタリングを行うときに、金属原子が
上方に向かって飛ぶことになるから、下方に向かって飛
ぶ場合に比較して不純物の混入する機会が少なくなる。 本発明に用いることができる基板１としては、＾１２０
３．５ｉｆｔ　、ＮｇＯ，ＣａＯ，ＺｎＯ，ＳｉＣ，５
ｉ＝Ｎ＜等の単体または混合体を焼成したセラミックス
、パイレックス（商標名）やコージェライト等のガラス
がある。 基板の表面は１．望ましくは、表面粗度がｏ、００５〜
０．１１になるように研磨されている０表面粗度がこの
範囲の上限を越えると、金属層を付着した後、回路パタ
ーンを形成したときに高周波伝送損失が大きくなる。ま
た、下限を下回ると、精密な研磨が必要になって生産性
が低下する。 基板は、空気雰囲気中において９００〜１２００°Ｃで
２時間以上加熱され、基板の汚れが焼き尽くされて、基
板の表面が清浄化される（以下、この処理をバーニング
と呼称する）、その結果、基板への金属層の付着強度が
大きくなる。とくに、有機物等による比較的大きな粒子
の汚れを除去するのに役立つのであ・る、この温度範囲
の下限未満であると有機物が残留することがあり、一方
、上限を越えると基板の組成が変化し、基板の強度が低
下することがある。 基板は、３Ｘ１０−’Ｐａ以下の高真空中に配置される
のであって、水分子、酸素、窒素、酸素イオン、水酸イ
オン等を含む残留ガスの総圧力を３ＸＩＯ−’Ｐａ以下
とするように真空容器内を減圧することにより、基板か
ら不純物を排出するのである。なお、この場合、ごく微
量の酸素分子（ｏ２）が存在するほうが好ましい、また
、このとき同時に、１４０°Ｃ以上、望ましくは１８０
°Ｃ以上に加熱され、さらに望ましくは３００＠Ｃ以下
の温度に加熱される。このように、基板を加熱すると同
時に減圧することにより、基板に吸着されている水分や
、基板の表面に吸着されている酸素ガス、窒素ガス等の
気体が除去されるのである。 残留ガスの総圧力が上記上限値よりも大きいときには、
基板の表面に形成される金属層に不純物が混入し、金属
層により回路パターンを形成した場合に、直流抵抗およ
び高周波損失が増加することになる。また、基板に対す
る金属層の付着強度も低下する。一方、基板の加熱温度
が１４０°Ｃ以下の場合には、基板の内部や表面の不純
物が十分に除去されないから、基板への金属層の付着強
度が不十分になる。また、３００°Ｃ以上にしても付着
強度にはほとんど変化がないから、経済条件から３００
°Ｃより高くするのは無駄になる。 基板を真空中で加熱した後には、基板を加熱し続けた状
態で基板をターゲットとするイオンボンバードを行うの
であって、このときの雰囲気は、放電ガスの圧力が２〜
２０Ｐａとなるように設定される。放電ガスの圧力は、
望ましくは５〜１０Ｐａに設定される。放電ガスとして
は、アルゴン、キセノン、クリプトン、ネオン等の希ガ
スが用いられる０本実施例ではアルゴンを用いている。 このようなイオンボンバードにより、基板表面に放電ガ
スのイオンを照射するから、加熱によって基板の表面で
の基板と汚れとの間の分子凝集力が弱まり基板の表面に
吸着されている物質が基板から離れやすくなっている状
態で、基板の表面に放電ガスのイオンが衝突して基板の
表面に吸着されている物質が容易に叩き出され、基板の
表面が清浄化されるのである。さらに、基板に放電ガス
のイオンを照射することによって、基板の表面に吸着さ
れている物質が除去されると同時に、基板の表面も叩か
れ、微視的にみて、基板の組成上、強度が小さい部分は
破壊され、強度の大きい部分は残ることになる、すなわ
ち、いわゆるマイクロエツチングが施され、基板の表面
の組成のうち強度の小さい部分が除去され、直流スバタ
リングによって形成される金属層が基板に付着しやすく
なり、しかも、基板と金属層との接触面積が大きくなる
から、金属層の付着強度が大きくなる。結局、基板を加
熱した状態でイオンボンバードを行うことにより、基板
の内部および表面が清浄化され、しかも、微視的にみて
、基板と金属層との接合面では強度の小さい部分が除去
されて基板の表面に微細な凹凸が形成され、金属層の基
板に対する付着強度が、常温、高温にかかわらず大きく
なるのである。ここにおいて、イオンボンバードによっ
て基板の表面に形成される凹凸は微細であって、表面粗
度計でも測定できない程度であるから、回路基板を形成
しても高周波伝送損失を増加させることはない。 放電ガスの圧力範囲は、上記範囲の下限未満であると放
電効率が悪くなり生成されるイオンの数が少なくなるか
ら、基板に対して照射されるイオン量が十分でなく、イ
オンボンバードの効果が十分に得られないことになる。 また、上記範囲の上限を越えると局所的に異常放電が生
じ、基板に損傷を与えたり、放電が不安定になったりす
る。 イオンボンバードの時間は１〜１０分であり、電力密度
は０．１〜１．６Ｗ／ｃｍ”である、この範囲であれば
、基板表面に過不足なくイオンボンバードを行うことが
でき、基板の表面を清浄化するとともにマイクロエツチ
ングを十分に施すことができる０時間および電力密度は
、上記範囲の下限未満であると、イオンボンバードの効
果が不十分になり、逆に上限を越えると、基板の表面に
損傷が生じたり、表面粗度が大きくなり過ぎることにな
る。イオンボンバードの周波数は、法定周波数である１
３．５６ＭＨｚに設定されているが、これに限定される
ものではない。 イオンボンバードが終了した後、放電ガスの圧力を０．
２〜２Ｐａに調整し、導電性金属をターゲットとして基
板に直流スバタリングを施す、ターゲットとなる導電性
金属としては、金、銀、銅、白金、ニッケル、アルミニ
ウム等が使用できる。 回路基板を製造するために、一般には銅を用いることが
多い、とくに、純度が９９．９％以上の無酸素銅をター
ゲットとすれば、金属層への不純物の混入が少なくなり
、金属層の直流抵抗および高周波損失を小さくすること
ができる。放電ガスの圧力は、０．２Ｐａ未満であると
放電が困難になったり異常放電が生じたりする。極端な
場合には、基板上に付着した金属層が局所的なアーク放
電によって溶融する場合もある。また、こうして形成さ
れた金属層は不均一になる。一方、直流スバタリングに
おいて、放電ガスの圧力が２Ｐａを越えると、放電ガス
の圧力が小さい場合と同様に異常放電を生じることにな
る。また、放電ガスが金属層に混入することにより、結
晶構造が粗くなり、金属層の導電率が低下し、付着強度
も小さくなる。 さらには、金属分子の平均自由行程が短くなり、供給電
力に対する成膜速度も遅くなる。 直流スバタリングにおける金属層の成膜速度は、毎分１
．４ｕｉ＋以上となるように設定されている。 成膜速度は、望ましくは毎分１．４〜６９１１の範囲に
設定される。この範囲の下限未満では、金属層への放電
ガスの混入率が大きくなって結晶構造が粗くなり、直流
抵抗や高周波損失の増加につながるとともに、付着強度
も小さくなる。また、上記範囲の上限を越えると、基板
に付着した金属層が溶融することがある。成膜速度の調
節には、直流電力密度を調節する方法が用いられる。成
膜速度を上記範囲に設定するために、電力密度は、１０
〜５０Ｗ／ｃｍ２の範囲に設定される。ここに、電力密
度を比較的大きく設定しているから、成膜速度が大きく
なり生産性が向上するとともに、基板に到達する金！Ｘ
原子の数が多くなる１、すなわち、基板上で金属原子の
運動エネルギが熱エネルギに変換されることによる基板
の温度の上昇が大きくなり、基板の表面温度を高く保っ
た状態で、金属層を形成することができるのである。こ
のように、基板の表面温度を高温に保った状態で金属層
を形成すれば、金属層は多結晶に近い構造で成長し、機
械的強度に優れた金属層が形成される。 また、金属層の線膨張係数は、一般に基板よりも大きい
から、常温では金属層の方が基板よりも縮むことになっ
て、金属層の内部応力は引張応力になり、基板の内部応
力は圧縮応力になる。一般に、金属は引張応力に強く、
基板を形成する無機質は圧縮応力に強いから、内部応力
に伴う変形を抑制することができ、金属層に気泡、膨れ
、剥離が発生することが防止でき、結果的に金属層の基
板に対する付着強度を大きくすることができるのである
。 直流スバタリングの際に基板に高周波バイアスを付与す
れば、不純物が金属層（基板との界面および金属層中）
に混入せず、付着強度を大きくとることができ、直流抵
抗や高周波伝送損失が小さくなる。ここにおいて、高周
波バイアスは法定周波数である１３．５６ＭＨｚに設定
されるが、とくに限定されるものではない。 ところで、金属層の基板に対する付着強度は、実用レベ
ルでは、常温で４ｋｇｆ７２ｍｍロ以上（２１１０は一
辺２ｍｍとした正方形の面積を表す）、高温に加熱した
後には２　ｋｇｆ／　２　ａｍｍ口上上必要である。 しかるに、イオンボンバードの前からイオンボンバード
を行っている間における基板の加熱温度に対する金属層
の付着強度、直流スバタリングの際の成膜速度に対する
金属層の付着強度、基板の表面を研磨したときの表面粗
度に対する金属層の付着強度について、実験を行った結
果を第２図ないし第４図に示す。 第２図ないし第４図について、スバタリング装置は、共
通のものを用いている（日型アネルバ社製５ＰＦ−２１
０８）、第２図については、基板の表面粗度を０．５ｐ
ｉ＋、初期真空度を２Ｘ１０−’Ｐａとし、イオンボン
バードの際には放電ガスの圧力を１０Ｐａ、電力を２０
０　Ｗ／ｃｍ２（電力密度では０　、６４　Ｗ／ｃｍ２
）とし、直流スバタリング時には放電ガスの圧力を０．
５Ｐａ、電力を４ｋＷ（電力密度では１２．７Ｗ／ｃｍ
”）、成膜速度を毎分１゜４μ瀧とした。この図より、
基板を１４０°Ｃ以上に加熱すれば、基板と金属層との
付着強度が実用レベルに達することがわかる。 第３図については、イオンボンバードの際には基板の温
度を２００°Ｃ１放電ガスの圧力を２Ｐａ、電力密度を
０　、６４　Ｗ／ｃｍ２、時間を５分とし、直流スバタ
リング時には放電ガスの圧力をＱ、５Ｐａとした。また
、直流スバタリングの際の基板の温度を２００°Ｃ１１
５０°Ｃ１室温として付着強度を測定した。その結果、
成膜速度が毎分１゜４ｐｍ付近に臨界点を有することが
わかった。 第４図については、基板に純度９９．５％のアルミナを
用い、金属層は銅であって１０μの厚みとした。０はバ
ーニングにより基板の汚れを焼き尽くした場合の付着強
度、・は基板にバーニングを施さなかった場合の付着強
度を示す、第４図によれば、表面粗度が０．００５＄ｌ
Ｉ以上では実用になる付着強度が得られることがわかる
。また、表面粗度が０　、１１１を越えても付着強度は
保たれるから、高周波伝送の用途以外では０　、１　Ｉ
Ｊｍを越えてもよいことがわかる。また、バーニングを
行ったほうが行わない場合よりも付着強度が増すことも
わかる。したがって、表面粗度を０．００５〜０　、１
　ｕｎの範囲とするとともに、９００〜１２００°Ｃの
温度で２時間以上加熱すると付着強度が大きくなること
がわかる。 以上のようにして、基板に対する付着強度が大きく、不
純物の混入が少なく、ピンホールがほとんどない緻密な
組織を有した金属層を形成することができるのである。 また、金属層の組織が緻密であるから導電率も高くなる
。 金属層が積層された基板に対して、金属層に通常のエツ
チングを施して回路パターンを形成する。 さらに、その後に好ましくは０．４〜２規定のアルカリ
性水溶液に好ましくは５〜６０分間浸漬することにより
、回路パターンを形成している金属層以外の部分の汚染
物を除去する。ここに、アルカリ性水溶液に浸漬すると
きには、エツチングの際に金属層を覆っていたマスキン
グは除去しないようにする。これによりアルカリ性水溶
液による金属層の腐食が防止できる。アルカリ性水溶液
としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナ
トリウム等が用いられる。 以下に各種実施例および比較例での条件を示す。 なお、以下の実施例と比較例とにおいて、金属層は以下
の条件で形成した。 すなわち、スバタリング装置には日型アネルパ社製のマ
グネトロン方式のもの（ＳＰＦ−３１３Ｈ）を使用し、
直流スバタリングの際のターゲットには、直径２００ｍ
ｍの円板状に形成された純度９９．９９％の無酸素銅を
使用した。イオンボンバードの前に、１．５Ｘ１０−’
Ｐａの真空中で基板温度を１５０°Ｃに加熱して水分等
を除去し、ついで、放電ガスとして１０Ｐａのアルゴン
をスバタリング装置内に導入し、基板をターゲットとし
て１３ＭＨｚの高周波を電力２００Ｗ（電力密度０．６
４　Ｗ／ｃｉ＋”）で１０分間供給し、イオンホンハー
ドを行った。その後、放電ガスとしてのアルゴンを０．
５Ｐａとし、４ｋＷ（電力密度１２．７Ｗ／ｃｍ”、成
膜速度１．４ｕｍ）の直流電力により最終的に膜厚が１
０１になるまで通常のスバタリングを行った。 このようにして形成された金属層積層無機質基板に対し
て、回路パターンを形成するように通常のエツチングを
施した後、次表の各条件でアルカリ性水溶液に浸漬した
。 比較例３では、アルカリ性水溶液による処理を施さなか
った。さらに、比較例６として、イオンボンバードの時
間を２分間として、アルカリ性水溶液による処理を施さ
ないものも作成した。 上記各実施例および各比較例に対して、以下の３種類の
試験を行った。試験結果は、下表に示す通りである。 ［試験法ｌ（金属層と基板との付着強度試験用通常のエ
ツチングにより金属層に２＋＋ｖＸ２＋ｉのパターンを
形成し、このパターンに直径０．７ｍｍのすずメッキ銅
線を略し形に折曲したものを半田付けした後、基板を固
定し、オートグラフ（島津製作所製）により銅線を基板
の表面に直交する方向に引張り、剥離強度を測定した。 ［試験法２（表面抵抗の測定）］ ＪＩＳ　Ｃ２１４１の１１に基づいて表面抵抗を測定し
た。 ［試験法３（耐電圧の測定）］ ＪＩＳ　Ｃ２１１０に基づく試験であって、試験片を恒
温室中で２４時間放置し、常温油中で測上の結果が示す
ように、比較例３のようにアルカリ性水溶液による処理
を施さなかった場合に比較して、アルカリ性水溶液によ
る処理を行っても付着強度にはほとんど影響がなく、か
つ表面抵抗や耐電圧の優れた回路板を得ることができた
。

【発明の効果】

本発明は上述のように、無機質の基板に希ガスのイオン
を照射した後、気相メッキにより基板上に金属層を積層
して金属層積層無機質基板を形成し、金属層にエツチン
グを施して回路パターンを形成した後、アルカリ性水溶
液に浸漬するようにしているものであり、希ガスのイオ
ンを照射することにより、基板の表面の汚染物を除去す
るとともに基板の表面に微細な凹凸を形成することがで
き、金属層の基板に対する付着強度を大きくすることが
できるのである。また、イオンを照射する際に、逆に基
板に飛来して結合した汚染物は、アルカリ性水溶液への
浸漬によって、基板の界面との結合が解除されて除去さ
れるという利点がある。 このように、アルカリ性水溶液への浸漬により、エツチ
ングでは除去できない不要な汚染物が除去されるから、
イオンの照射により基板に対する金属層の付着強度を大
きくとりながらも、回路パターン間の絶縁性が保たれる
という効果を奏するのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に用いるスバタリング装置の一例を示す
概略構成図、第２図は同上における基板の初期加熱温度
と金属層の付着強度との関係を示す説明図、第３図は同
上における基板の表面粗度と金属層の付着強度との関係
を示す説明図、第４図は同上における金属層の成膜速度
と金属層の付着強度との関係を示す説明図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）無機質の基板に希ガスのイオンを照射した後、気
   相メッキにより基板上に金属層を積層して金属層積層無
   機質基板を形成し、金属層にエッチングを施して回路パ
   ターンを形成した後、アルカリ性水溶液に浸漬すること
   を特徴とする金属層積層無機質基板による回路板の製造
   方法。