JPH03195087A - 金属層積層無機質基板への回路パターンの形成方法 - 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、無機質の基板上に積層される金属層に回路パ
ターンを形成する金属層積層無機質基板への回路パター
ンの形成方法に関するものである。

【従来の技術】

セラミックス等の無機質の基板に積層される金属層に回
路パターンを形成する方法は、導電性ペーストを用いて
基板上に印刷を施す厚膜法と、基板にメタライゼーショ
ンを施して薄膜を形成する薄膜法とに大別される。厚膜
法はハイブリッドＩＣ等において広範に利用されている
。 一方、薄膜法は高機能、高信頼性が要求される通信分野
を主体として利用されているが、厚膜法に比較すると製
造方法が複雑であって、大幅なコスト高になるという問
題があり、用途が限定されている。たとえば、アルミナ
の基板上に電気伝導とボンディングのために金の金属層
を形成しようとすると、基板と金との間には、基板との
付着強度を高めるための糊としての金属層（たとえばシ
チタン）と、チタンと金との拡散を防止する拡散バリア
としての金属層（たとえば、クロムや鉛）とを積層する
必要がある。このような多層の金属層を形成した基板に
回路パターンを形成するには湿式エツチングが一般に用
いられている。

【発明が解決しようとする課題】

上述のような湿式エツチングで回路パターンを形成しよ
うとすれば、多層の金属層の腐食のために、各層ごとに
腐食液を取り替える必要があり、作業が面倒になるとい
う問題がある。また、湿式エツチングではパターン寸法
の制御が難しく、精密な回路パターンが形成できないと
いう問題がある。 本発明は上記問題点の解決を目的とするものであり、湿
式エツチングを施さずに回路パターンを形成することに
より、精密な回路パターンを少ない工数で形成できるよ
うにした金属層積層無機質基板への回路パターンの形成
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、回路パターン
に対応するスリットを形成したフィルム状のマスクによ
り無機質の基板を覆った状態で、基板上に気相メッキを
施すことにより基板上の金属層に回路パターンを形成す
るようにしているのである。 また、マスクの材料としては耐熱性樹脂が望ましい。

【作用】

上記方法によれば、基板をマスクにより覆った状態で気
相メッキを施すことにより回路パターンを形成するから
、基板上への金属層の形成と回路パターンの形成とが同
時に行われるのであり、湿式エツチングを行う場合に比
較して工数が格段に少なくなるのである。また、湿式エ
ツチングに比較すると、マスクを用いた気相メッキでは
回路パターンの寸法制御が容易であり、精密な回路パタ
ーンが形成できることになる。 さらに、マスクの材料として耐熱性樹脂を用いれば、金
属をベースとするメタルマスクやガラスをベースとする
ガラスマスクを用いる場合に比較して、基板上に金属層
を形成する金属とマスクとの付着強度を小さくすること
ができ、マスク上の金属を容易に除去することができる
のである。すなわち、メタルマスクやガラスマスクでは
、マスクを腐食液に浸漬することによって洗浄しなけれ
ばならないが、耐熱性樹脂を用いたマスクでは洗浄を必
要としないのである。なお、メタルマスクやガラスマス
クに原型剤を塗布することにより金属とマスクとの付着
を防止することも考えられるが、離型剤が基板に付着し
て回路パターンのメタライゼーションに悪影響が生じて
、回路パターン部分の金属層と基板との付着強度が低下
するから、このような方法は採用しがたい。 また、マスクが耐熱性樹脂を用いて形成されていること
により、ポリエステル等の耐熱性のない樹脂を用いる場
合に比較してマスクの損傷がなく、マスク自身が不純物
となってメタライゼーションに悪影響を及ぼすことが防
止できるのである。

【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（ＰＶＤ）
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パ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とが接続された真空容器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。また、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ｌ５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ｌ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に対して後述するイオンボンバードを行うときには
閉じられ（基板ｌ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ｌ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、金属粒子が
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ｌとしては、＾１２０
３．５ｉ０２　、ＭｇＯ，ＣａＯ，ＺｎＯ，Ｓ＋Ｃ，Ｓ
ｉＪ＜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、望ましくは、表面粗度が０５００５〜０
　、１　ｐＩになるように研磨される１表面粗度がこの
範囲の上限を越えると、金属層に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。 また、基板は、真空容器内に配置される前の前処理とし
て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（０□）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、ボン、キセノン、クリ１トン、ネオン等の希
ガスが用いられる６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６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Ｖ＆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　、６　Ｗ／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１３．５６ＭＨｚ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、基板上に金属層を形成する金属を
ターゲットとして基板に直流スバタリングを施す、また
、直流スバタリングの際には、回路パターンに対応した
スリットを有するマスクで基板を覆う、金属層は、３層
構造であって、基板側から、グルー層、拡散バリア層、
導電層となっている。グルー層は、基板との付着強度を
高める糊であって、チタンなどが用いられる。拡散バリ
ア層はグルー層と導電層との拡散を防止するのであって
、クロム、鉛、白金等が用いられる。 導電層は、電気伝導とボンディングを行うのであって、
金、アルミニウム等が用いられる。金属層を３層構造と
せずに導電層のみとすることもでき、その場合には、金
、銀、銅、白金、ニッケル、アルミニウム等が使用でき
るが、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、銅を用いる場合には、純度が９９．９％以
上の無酸素銅を用いれば、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
です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。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
．４ｐｍ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１．４〜６１１１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、基板に到達する金属原
子の数が多くなる。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）
に混入しないから、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のである。ここ
において、高周波バイアスは法定周波数である１３．５
６ＭＨｚに設定されるが、とくに限定されるものではな
い。 マスクの材料としては、ポリイミド、ポリフェニルエー
テル等の耐熱性樹脂のフィルムが用いられる。 以上のように、直流スバタリングの際には、第５図（ａ
）に示すように、回路パターンに対応するスリット３を
有したマスク４を基板１に重ねておくのであって、直流
スバタリングの終了後にマスク４を除去すれば、第５図
（ｂ）に示すように、基板１上には金属層による回路パ
ターン２が形成されるのである。 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４　ｋｇｆ／　２　ａｍｍ口上上２ｍｍ
口は一辺２ｍｍとした正方形の面積を表す）、高温に加
熱した後には２ｋｇｆ／２ｓｖ口以上が必要である。 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０．５μ
ｌ、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２００
　Ｗ／ｃｍ”（電力密度では０．６４　Ｗ／ｃｉ＋”）
とし、直流スバタリング時には放電ガスの圧力を０．５
Ｐａ、電力を４ｋＷ（電力密度では１２　、７　Ｗ／ｃ
ｍ”）、成膜速度を毎分１゜４１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／ｃｍ”、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０．５Ｐａとした。また、
直流スバタリングの際の基板の温度を２００°Ｃ１１５
０°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゜４ＩＩＪＩＩ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１０ｐｚ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０．００５Ｈ
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０．１μ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０．１ｐｊ＋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　、　Ｉ　Ｉｌｌ
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
。 以下に実施例および比較例を示す、なお、以下の実施例
と比較例とにおいて、基板は純度９９゜５％のアルミナ
（Ａ１０ｓ＞とし、スバタリング装置には日型アネルバ
社製のマグネトロン方式のもの（ＳＰＦ−３１３Ｈ）を
使用した。 ［実施例１］ ３０ｐｍ厚のポリイミドフィルムよりなるマスクによっ
て基板を覆った状態で、金属層をスバタリングにより形
成した。金属層は３層構造とし、基板側から、チタンが
１０００人、クロムが３ｓｍ、金がｌｐｍの各膜厚にな
るように順次スバタリングを施した。 ［実施例２］ マスクを２５１ＪＪＩ厚のポリフェニルエチレンフィル
ムにより形成し、実施例１と同じように金属層を形成し
た。 以上の両実施例において、基板にメタライゼーションを
施した後、マスクを外し、マスク上の金属層を手でこす
ると容易に剥離した。また、マスクには損傷はなかった
。 ［比較例］ マスクを３０ｕａ厚のポリエステルフィルムにより形成
し、実施例１と同じように金属層を形成した。 この場合、マスクが溶融するとともに、基板への金属層
の付着強度が、０．２ｋｇｆ７１．５ｓｍ口と非常に小
さく、実用に供し得ないものであった。

【発明の効果】

本発明は上述のように、回路パターンに対応するスリッ
トを形成したフィルム状のマスクにより無機質の基板を
覆った状態で、基板上に気相メッキを施すことにより基
板上の金属層に回路パターンを形成するようにしている
ものであり、基板をマスクにより覆った状態で気相メッ
キを施すことにより回路パターンを形成するから、基板
上への金属層の形成と回路パターンの形成とが同時に行
われるのであり、湿式エツチングを行う場合に比較して
工数が格段に少なくなるという利点がある。 また、湿式エツチングに比較すると、マスクを用いた気
相メッキでは回路パターンの寸法制御が容易であり、精
密な回路パターンが形成できることになる。 さらに、マスクの材料として耐熱性樹脂を用いれば、金
属をベースとするメタルマスクやガラスをベースとする
ガラスマスクを用いる場合に比較して、基板上に金属・
層を形成する金属とマスクとの付着強度を小さくするこ
とができ、マスク上の金属を容易に除去することができ
るのである。すなわち、メタルマスクやガラスマスクで
は、マスクを腐食液に浸漬することによって洗浄しなけ
ればならないが、耐熱性樹脂を用いたマスクでは洗浄を
必要としないのである。 また、マスクが耐熱性樹脂を用いて形成されていること
により、ポリエステル等の耐熱性のない樹脂を用いる場
合に比較してマスクの損傷がなく、マスク自身が不純物
となってメタライゼーションに悪影響を及ぼすことが防
止できるのである。このようにマスクの損傷がない結果
、マスクの数量も最小限にすることができ、メタルマス
クやガラスマスクを用いる場合に比較して大幅にコスト
が低減され、高機能、高品質の無機質回路板を安価に提
供でき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、第５図（ａ
）は本発明の実施例に用いるマスクを示す平面図、第５
図（ｂ）は同上における回路パターンが形成された基板
を示す平面図である。 １・・・基板、 ４・・・マスク。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）回路パターンに対応するスリットを形成したフィ
   ルム状のマスクにより無機質の基板を覆った状態で、基
   板上に気相メッキを施すことにより基板上の金属層に回
   路パターンを形成することを特徴とする金属層積層無機
   質基板への回路パターンの形成方法。
2. （２）上記マスクが耐熱性樹脂により形成されて成るこ
   とを特徴とする請求項１記載の金属層積層無機質基板へ
   の回路パターンの形成方法。