JPH077104A - 有機誘電体材料の薄膜を硬化する方法 - Google Patents

有機誘電体材料の薄膜を硬化する方法

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JPH077104A
JPH077104A JP6098776A JP9877694A JPH077104A JP H077104 A JPH077104 A JP H077104A JP 6098776 A JP6098776 A JP 6098776A JP 9877694 A JP9877694 A JP 9877694A JP H077104 A JPH077104 A JP H077104A
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Aizatsuku Beirin Soromon
アイザック ベイリン ソロモン
Buinsento Wan Uennchiyou
ヴィンセント ワン ウェン−チョウ
Taiifua Chiyou Uiriamu
タイ−フア チョウ ウィリアム
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 その層を非常に高温に加熱する必要の無い、
マルチチップモジュールで使用されるポリイミド又は他
の有機誘電体の薄層を硬化する方法を提供することか本
発明の目的である。 【構成】 マルチチップモジュールに使用されるポリイ
ミド等の有機誘電体層の硬化の方法。この方法は硬化さ
れていないポリイミド層をそのガラス遷移温度まで加熱
し、電子ビーム装置内でのようにその層を電子の一様な
流れで照射することよりなる。高温熱的硬化が使用され
た際にこの工程は誘電体膜及び金属層間の界面の悪化を
低減し結果的に得られる膜の応力を低減する。多誘電体
層はこの方法において適用され得る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は電子デバイスを設ける基
板の製造に使用する有機誘電体材料の薄膜の形成に係
り、特にその膜の硬化の方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】ポリイミド等の有機誘電体材料の膜は様
々な適用において電子産業において広く使用されて来
た。ポリイミド及び有機誘電体材料の薄膜が広く使用さ
れて来た分野は一つまたはそれ以上の集積回路（「Ｉ
Ｃ」）チップを含むパッケージングモジュールの製造に
ある。複数の個々のＩＣチップは、そのチップがとり付
けられる基板よりなる所謂マルチチップモジュール上に
配置される。この基板は典型的にそこに取り付けられて
いるＩＣチップと接続する様々な信号、電源及び接地線
を含む場合がある。この基板は又バイパスコンデンサ及
び端子抵抗等の受動素子を含む場合がある。
【０００３】必要な電源、信号及び接地線を含むため、
（そして必要に応じて受動素子を含むため）、マルチチ
ップモジュールで使用されている基板は一般的に誘電体
材料によって分離された複数の金属層を含む。まずほと
んどのマルチチップモジュールは共通に焼かれたされた
セラミック材料から作られた。最近の数年では薄膜パッ
ケージング技術がマルチチップモジュール、特に所謂銅
／ポリイミドベースモジュールを製造するのにより意義
深いものとなって来た。この種の薄膜ＩＣパッケージは
典型的にパターン化された銅及びポリイミド材料の薄膜
の交互の層を、普通は厚いベース支持基板上に有する。
最も最近では、セラミック及び薄膜技術の両方を組み合
せたマルチチップモジュールが開発されて来た。この二
つの種類の技術の一般的内容はＲ．チュマラ他（編）マ
イクロエレクトロニクスパッケージングハンドブック
（１９８９年、ニューヨーク、バンノストランドライン
ホールド）の第７及び９章に記載されている。
【０００４】個々の化合物を示す時々本文中で使用する
ポリイミドという語は実際にはイミド片を含む環状鎖樹
脂重合体の一種を示す。ポリイミドは高温耐久力、良好
な機械的化学的特性、低誘電定数を有し比較的容易に高
度に均一な膜に形成されるため特に有用である。ポリイ
ミドは最も一般的に使用される薄膜パッケージにおいて
使用される誘電体材料の種類であるが他の有機材料も又
使用され得る。マルチチップモジュールにおいて使用さ
れて来た又は使用することが提案されて来た有機材料は
ベンゾシクロブタン，ポリフェニルキノクサリン及び様
々なオリゴマーを含む。そのような材料の硬化及び重合
工程はポリイミドで使用された工程と同様である。
【０００５】典型的に所望の有機誘電体材料（又はその
前駆体）の層が（その上に既に他の層が形成されてい
る）ベース基板に液体状態で設けられる。この層はそこ
で硬化工程を使用して硬化（重合又はイミダイズ）され
る。この硬化工程は通常二つの面、溶剤担体の除去及び
残った材料のイミダイゼーション又は交さ結合を有す
る。ポリイミド及び他の薄膜有機誘電体層の硬化の最も
一般的な方法は比較的長い時間をかけて高温で加熱する
ことによるものである。硬化温度は十分高ければ熱硬化
工程はこの工程の二つの面を満足する。即ち、溶剤ベー
スは高温で揮発によって除去され、イミダイゼーション
工程も又高温で起こる。その分野で周知であるように、
温度によって誘導されるイミダイゼーションを起こすた
めには硬化温度は使用されるポリイミド材料のガラス遷
移温度より高くしなければならない。同様に周知である
ように、硬化の程度と共にガラス遷移温度は増加する。
例えば、溶剤無しの硬化されていないポリイミド膜の最
初のガラス遷移温度が略１５０゜Ｃであり、硬化された
後の同じ膜のガラス遷移温度は３００゜Ｃより高くな
る。
【０００６】このように適用される典型的なポリイミド
はＮメチル２ピロリドンの溶剤に溶解されたポリアミッ
ク酸又はポリアミックエステルよりなるものでよい。後
者は略２０２゜Ｃの沸点を有する。溶剤除去後、硬化さ
れていない重合材料は略１５０乃至２５０゜Ｃのガラス
遷移温度を有する。しかし、後述する理由によってこの
重合反応は典型的には３５０゜Ｃより高い温度でなさ
れ、それは硬化された膜のガラス遷移温度である。
【０００７】前記のごとく、マルチチップモジュールに
おいて使用される有機誘電体材料の薄膜に関連して一般
的に使用される熱硬化技術は、その層を比較的長い時間
（一層当り１乃至４時間）、高温、典型的には略４００
゜Ｃに加熱することを含む。この工程は、高温硬化によ
って引き起こされる重合体／金属界面の悪化の故に使用
され得る有機膜層の最大数を制限する。
【０００８】ポリイミド及び他の有機層の高温硬化に伴
う他の問題点は有機層と金属層とベース基板との熱膨張
率（ＴＣＥ）の不整合によって生ずる。この系が有機膜
の最終的なガラス遷移温度より高い温度にて硬化される
と、その膜と金属層との間の界面における応力は最終的
ガラス遷移温度にてゼロとなる。即ちこの膜はこのガラ
ス遷移温度にて完全に解放される。これらの層がこの温
度から冷却されると、これらの層のＴＣＥの故に応力が
増し、基板の湾曲が生ずる。この結果はマルチチップモ
ジュールのサイズ及びそれを形成するために使用する材
料の選択を制限する。
【０００９】更に、ポリイミド又は他の有機材料膜が能
動素子に関連して使用された場合、硬化工程で使用され
る高温によってその素子は損傷され又は破壊される場合
がある。１９９１年６月１８日にロチェに対して付与さ
れた米国特許第５，０２４，９６９号、「高エネルギ電
子ビーム硬化を使用したハイブリッド回路構造製造方
法」は硬化されていない層のｅビーム照射を使用したマ
ルチチップモジュールのポリイミド層を硬化する技術を
開示している。この ’９６９特許に記載された好まし
い工程では、ポリイミド膜が室温にて硬化される。他の
実施例では、硬化されていないポリイミド層のガラス遷
移温度より低い硬化温度とすれば硬化はマルチチップモ
ジュールの予測される動作温度でなされ得る。しかし、
この ’９６９特許は金属層に対する劣った接着の故に
室温で硬化されたポリイミド層の品質が悪いことを認識
している。このようにして硬化された膜が劣った化学的
耐久性しかもたないことも又考えられる。この劣った接
着の問題を解決するために、この ’９６９特許はマル
チチップモジュール全体のポリイミドの遷移温度より低
い温度における硬化後に焼くことを示唆している。室温
で硬化する際にポリイミドを担うために使用された溶剤
の除去が不十分であったために劣った接着の問題が起こ
り、その溶剤除去を完全にするためにその焼く段階が使
用されると考えられる。この ’９６９特許に記載され
た工程はいくつかの点で温度硬化技術に関して優れてい
るが、結果的に得られた膜は以前として低いレベルのも
のであって硬化後に焼く過程は不必要な複雑さを付加し
製造時間を付加するものであると考えられる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】したがってその層を非
常に高温に加熱する必要の無くて済むようなマルチチッ
プモジュールで使用されるポリイミド又は他の有機誘電
体の薄層を硬化する方法を提供することが本発明の目的
である。同様に、高品質の層を得ることができるような
ポリイミド材料の薄膜を硬化する方法を提供することも
又本発明の目的である。
【００１１】更にマルチチップモジュールに使用される
ポリイミド層を硬化するために電子ビーム照射を使用す
る従来の困難さを実質的に硬化された層を焼く必要無し
に解消することが更に本発明の目的である。
【００１２】
【課題を解決するための手段】図面と請求の範囲との関
連において明細書を読むことによって当業者にとって明
確になるであろう本発明のこれらの及び他の目的は電子
でその層を照射すると共に同時にその重合体の初期ガラ
ス遷移温度より高く加熱することによって薄い重合体層
を硬化する方法よりなる。
【００１３】即ち本発明は、（ａ）ベース基板上に有機
誘電体材料の薄膜を設け、（ｂ）その有機誘電体材料の
温度をその硬化されていない材料のガラス遷移温度より
高くし、（ｃ）その材料を電子フラックスで照射する各
段階よりなる有機誘電体材料の薄膜を硬化する方法であ
る。又、その温度は完全に硬化された誘電体材料のガラ
ス遷移温度より低いことが好ましい。
【００１４】
【作用】本発明では、相当低い温度が硬化工程で使用さ
れ、その結果提供される膜はそれの動作温度にて相当小
さい応力しか含まない。この事実は更に基板材料及び寸
法の選択の制約を減少させ、そのマルチチップモジュー
ルで使用され得る金属／誘電体層の最大数量を増加させ
る。
【００１５】
【実施例】図１は多層薄膜ＩＣチップモジュールの概略
断面図である。本発明はこのモジュールに使用される有
機誘電体層の硬化において有用である。チップモジュー
ル１０は金属又はセラミック板、又はシリコンウエハで
あればよくその上に複数の薄膜層が形成されるベース基
板２０よりなる。当業者には図１が縮尺通りに描かれて
おらず基板２０は実際には示されているよりも比率的に
ずっと厚いということが理解されよう。同様に当業者に
は本発明は特に図１に示されるよりもずっと多い数の層
を有するモジュールに関して有用であることが理解され
よう。明瞭にするため、図１は例示の目的で必要と思わ
れる最少数の層が示されている。
【００１６】図１に示されるように３つの有機誘電体層
３０，３３及び３５がある。最も一般的にはこのような
誘電体層はポリイミドよりなるが、硬化が求められる他
の有機誘電体材料の使用が本発明の範囲内であると考え
られる。周知のごとく、有機材料は典型的には液体状で
基板の最上層に塗られ均一な厚さを達成するためにスピ
ンされる。この層の厚みはその液体の粘度に、スピナー
の回転速度、及び塗布の方法に依存する。本発明はそれ
より薄いか又は厚い層で有用であるが好ましい実施例で
は層３０，３３及び３５は３０μｍのオーダーのもので
ある。塗布の際、ポリイミドは溶剤又は溶剤系に溶解さ
れその液体混合物の粘度はポリイミド前駆物質に対する
溶剤の比を調節することによって制御され得る。
【００１７】各誘電体層が形成され硬化された後、パタ
ーン化された導体層が露出されたその表面上に形成され
る。典型的には導体層は銅である。周知の写真平版及び
エッチバック等の標準製造技術を使用してパターンが形
成され材料が設けられる。誘電体層の露出された表面上
に金属層を形成する前にまず導電性相互接続又はヴァイ
ア（ｖｉａｓ）が層間に形成される。４つのこのような
ヴァイアが図１に示され、符号５０，５２及び５３が設
けられている。このヴァイアも誘電体材料に穴を形成す
る標準的な周知の処理技術を使用して形成され導電材料
が充填される。これはエッチングそして電気メッキによ
ってなされる。ヴァイアを形成する正確な技術は当業者
にとって周知でありこれ以上の説明は不要である。
【００１８】パターン化された層が形成された後、他の
誘電体層がデポジットされる。この工程は所望の数の層
が製造されるまで繰り返される。最上導電層４６はモジ
ュール１０に一個又はそれ以上の集積回路チップ（図示
せず）を接続するために使用される複数のパッドを含
む。チップとモジュールとの間の接続を構成するために
は、ワイヤボンディング，ＴＡＢボンディング、Ｃ４ボ
ンディング等いくつかの周知の方法が使用可能である。
本発明の方法の一部であるとは考えられないために図示
されていないがモジュール１０の表面上にパッシベイテ
ィング材料のキャップ層がパッド６０のみが露出されて
残るように設けられてもよい。
【００１９】モジュール１０上に各々が電源、接地及び
信号線を必要とし多くが相互接続を必要とする多数の集
積回路が取り付けられる際、幾何学的条件によって層の
数は非常に多数となる。上述のごとく、各層をそれが形
成された後に非常に高温に長時間保持することによる従
来のポリイミド層を硬化する方法は互いに積み重ねられ
得る数を制限する。本発明はその一部にてこの制限を除
去することを考慮している。
【００２０】本発明によれば、各誘電体層は高温及びそ
の層の電子ビーム（ｅビーム）照射の組み合せを使用し
て硬化される。図２を参照するに、この工程はフローチ
ャート２００に記載された一連の工程段階を使用して実
行される。最初にベース基板が設けられ（２０２）前述
のごとく所望の有機誘電体層の内の一層が設けられ（２
０４）、例えば３０μｍ又はそれ以上の所望の均一厚さ
を達成する。この層は、例えばスピンによって設けられ
ればよい。この誘電体層はそこでｅビーム装置内で加熱
され（２０６）電子ビームが照射される（２０８）。ポ
リイミドに関し、層の照射の前または照射中に温度は１
５０゜乃至２５０゜Ｃの温度に上げられる。加熱はｅビ
ーム装置の真空室内で成し遂げられ、ホットプレート、
赤外線源、又はマイクロ波等の従来の方法で実現され得
る。好ましい実施例では層の加熱に加熱ランプ（赤外線
源）が使用される。本発明によれば、温度は溶剤無しで
硬化されていない層のガラス遷移温度より高い温度まで
立ち上げられるが、この温度は硬化されたその層のガラ
ス遷移温度よりは十分低い。加熱ランプを用いて層及び
支持基板の温度を６０乃至１２０秒の間で上げることが
可能である。
【００２１】それがガラス遷移温度より高く加熱されて
いる間、及び／又は層が正しい温度に到達した後、有機
誘電体の層は高線量ｅビームに曝される。本発明の好ま
しい実施例では、１乃至３０μｍの範囲の厚さの層に対
する線量は１，０００乃至４，０００マイクロクーロン
／ｃｍ2 の範囲内である。このレベルの照射が比較的短
時間、例えば２４０秒間実行される。適用される照射の
正確なレベル、温度及び照射時間はもちろん硬化される
層の厚さ及び使用される特定の誘電体材料による。
【００２２】本発明によって硬化される際、二つの工程
が膜に対して施される。まず溶剤担体が高温の工程にて
物理的に除去、即ち揮発される。次に有機層がｅビーム
の照射によって重合される。これらの工程は従来の硬化
方法よりもはるかに短い時間で実行される。最初の層が
硬化された後、ヴァイア及びパターン化された金属層が
設けられる（２１０）。追加して設けられるべき各誘電
体層に関して一連の段階２０４乃至２１０が繰り返され
る。最後の層が設けられたときに本発明の方法は完了す
る（２１４）が、その結果得られる基板の追加的な処理
が求められる場合もある。
【００２３】本工程において使用されるより低い温度は
高品質の膜を提供するばかりでなく硬化された膜におけ
る応力を低減することに注意されたい。特に、ガラス遷
移温度より高く加熱されたポリイミド層に関して、周知
のごとく、その膜はそのような温度において完全に応力
から解放される。熱的処理によって硬化された膜に関
し、その温度は重合反応及び重縮合反応の進行が程よい
速度で起こることを確実にするためにガラス遷移温度よ
り高く保持しされなければならない。上記のごとく、層
の熱的硬化の際にはその膜のガラス遷移温度は硬化につ
れて上昇し完全に硬化されたポリイミド膜に関して３０
０゜Ｃを超す温度に達する。膜がそのガラス遷移温度を
超える温度まで上昇した場合、その膜はガラス遷移温度
にて完全に応力から解放されその膜が冷却されると応力
が増加する。このように従来技術のポリイミドの熱的硬
化方法は、より高いガラス遷移温度までの加熱を含むも
のであって、相当の応力を含む膜を提供する。本発明で
は、相当低い温度が硬化工程で使用されており、その結
果提供される膜はそれの動作温度にて相当小さい応力し
か含まない。この事実は更に基板材料及び寸法の選択の
制約を減少させ、そのマルチチップモジュールで使用さ
れ得る金属／誘電体層の最大数量を増加させる。
【００２４】本発明によれば、ｅビームが照射される際
のその層の温度は少なくとも硬化されていないその材料
のガラス遷移温度でなければならない。このことはその
溶剤が適切に揮発され迅速かつ効果的な重合が達成され
ることを確実にするために必要なことである。重合は二
つの工程、交さ結合及び重縮合を含む。これらの工程の
それぞれはその層がそのガラス遷移温度を超えている際
に最も良く実現される。実際その層がそのガラス遷移温
度より低い際、それは固体であり、よってその重合体鎖
はその層内で非常に低い移動度しか有しない。他方、そ
のガラス遷移温度を超える温度まで加熱された際、その
層はより液体状となりもってその分子は比較的高い移動
度を有する。そのより高い移動度はイミダイゼーション
が起こるために要する時間を減少させるだけでなく、又
イミダイゼーションが完全に達成されることを確実にす
る。この事実は良好な特性を有する膜を得るにおいて非
常に重要である。特に、硬化されたポリイミド膜の（接
着及び化学的耐性等の）物理的化学的特性は、硬化工程
が不完全な場合、即ちイミダイゼーションが完全でない
場合にはひどく低下する。
【００２５】本発明をマルチチップモジュールの製造に
関して記載してきたが、本発明技術が集積回路処理、保
護上塗り、及び電子素子のパッシベーション等の有機誘
電体層の使用を必要とする他の適用において有用である
ことは当業者は理解するであろう。
【００２６】
【発明の効果】本発明によれば、その層を非常に高温に
加熱する必要の無くて済むようなマルチチップモジュー
ルで使用されるポリイミド又は他の有機誘電体の薄層を
硬化することができ、同様に、高品質の層を得ることが
できるようなポリイミド材料の薄膜を硬化することがで
き、更にマルチチップモジュールに使用されるポリイミ
ド層を硬化するために電子ビーム照射を使用する従来の
困難さを実質的に硬化された層を焼く必要無しに解消す
ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】マルチチップモジュールに使用される多層基板
の一部分の概略断面図である。
【図２】本発明の方法のフローチャートである。
【符号の説明】
１０ モジュール ２０ 基板 ３０，３３，３５ 有機誘電体層 ４６ 最上導電層 ５０，５２，５３ ヴァイア ６０ パッド
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ウィリアム タイ−フア チョウ アメリカ合衆国 カリフォルニア 95014 クパティーノ レイク スプリング コ ート 11551

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 （ａ）ベース基板上に有機誘電体材料の
    薄膜を設け； （ｂ）該有機誘電体材料の温度をその硬化されていない
    材料のガラス遷移温度より高くし； （ｃ）該材料を電子フラックスで照射する 各段階よりなる有機誘電体材料の薄膜を硬化する方法。
  2. 【請求項２】 該温度は完全に硬化された誘電体材料の
    ガラス遷移温度より低い請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 該誘電体材料の該薄膜は少なくとも３０
    μｍの厚さである請求項１記載の方法。
  4. 【請求項４】 該温度は１５０゜乃至２５０゜Ｃの間で
    ある請求項３記載の方法。
  5. 【請求項５】 該誘電体材料は溶剤に溶解されたポリイ
    ミド前駆体である請求項１記載の方法。
  6. 【請求項６】 該層の温度を上げる該段階と照射する該
    段階とが同時になされる請求項１記載の方法。
  7. 【請求項７】 該照射の段階が開始される前に該層は硬
    化されていない材料のガラス遷移温度より高い温度に上
    げられる請求項１記載の方法。
  8. 【請求項８】 （ａ）ベース基板を設け； （ｂ）溶剤に溶融されたポリイミド前駆体材料の厚い液
    体層を該基板上に均一に設け； （ｃ）該層の温度を溶剤無しのポリイミド前駆体材料の
    ガラス遷移温度より高い温度に上げ； （ｄ）該層が硬化されるように該層を電子で照射し； （ｅ）該硬化された層の露出された面上にパターン化さ
    れた金属膜を形成する各段階よりなる集積回路チップ担
    体上にポリイミド層を形成する方法。
  9. 【請求項９】 一連の段階（ｂ）乃至（ｄ）を繰り返す
    ことによって多層ポリイミド層が形成される請求項８記
    載の方法。
  10. 【請求項１０】 該硬化された層を通してヴァイアを形
    成する段階を更に有する請求項８記載の方法。
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