KR20090110510A - 박막 다층 ｌｔｃｃ 기판의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

저온동시소성 세라믹(LTCC) 기판 표면에 열적 안정성이 우수한 박막 저항을 형성하는 다층 박막 기판의 제조 방법에 관한 것으로, (a) 1000℃ 이하에서 소성된 저온동시소성 세라믹(LTCC) 기판 본체를 마련하는 단계, (b) 상기 LTCC 기판에 절연막을 형성하는 단계, (c) 상기 절연막 상에 박막 저항층을 형성하는 단계 및 (d) 상기 절연막 및 상기 저항층 상에 박막 전도선을 형성하는 단계를 포함하는 구성을 마련한다.

상기와 같은 방법을 이용하는 것에 의해, LTCC 다층 배선 기판의 절연막 상에 열적 안정성이 우수한 박막 저항을 형성하므로, LTCC 기술을 이용한 모듈 설계, 제품 설계에서 초 소형화 및 고 정밀화를 달성할 수 있다는 효과가 얻어진다.

LTCC, 다층, 배선, 박막, 저항

Description

박막 다층 ＬＴＣＣ 기판의 제조 방법{Method for Manufacturing of thin film LTCC multi-layer substrate}

본 발명은 박막 다층 LTCC 기판의 제조 방법에 관한 것으로 특히, 저온동시소성 세라믹(이하, LTCC(low temperature co-fired ceramics)이라 한다) 기판 표면에 열적 안정성이 우수한 박막 저항을 형성하는 박막 다층 LTCC 기판의 제조 방법에 관한 것이다.

최근 이동통신 기술의 발달로 말미암아 이동 통신 기술 분야에서 사용되는 전자부품들이 소형화, 복합화, 모듈화 및 고주파화가 가속되고 있다. 이러한 요구 기술을 만족하기 위해 고온동시소성 세라믹(HTCC : high temperature co-fired ceramics) 다층 배선 기판 또는 저온동시소성 세라믹 다층 배선 기판이 널리 사용되고 있다.

고온동시소성 세라믹 다층 배선 기판(HTCC)은 1500℃ 이상의 온도에서 열처리하여 다층 배선 기판을 형성한다. 고온동시소성 세라믹 다층 배선 기판의 절연 재료는 94% 이상의 알루미나를 주원료로 사용하고, 첨가제로 소량의 실리카를 사용하며, 전기전도체는 고온소성이 가능한 텅스텐(W)을 주로 사용한다. 고온동시소성 세라믹 다층 배선 기판은 기계적 강도 및 내화학성 특성이 우수하여 기판 표면에 박막 전도선을 형성하여 고집적화 패키지로 많이 응용되고 있다. 그러나 고온 소성된 텅스텐(W) 전도체의 전기전도도가 은(Ag) 혹은 동(Cu)에 비해 낮아서 고주파수 특성이 나쁜 단점과 열팽창 계수가 실리콘 반도체 소자에 비해 2배 정도로 높아 열팽창계수의 정합(Matching)이 요구되는 응용 분야에서 큰 문제점이 되고 있다.

이에 반해, 저온동시소성 세라믹(LTCC) 다층 배선 기판은 1000℃ 이하 온도에서 열처리하여 다층 배선 기판을 형성한다. 이 LTCC 다층 배선 기판은 1000℃ 이하의 저온에서 사용하기 위해 용융점이 낮은 실리카를 많이 사용하고, 알루미나를 상대적으로 적게 사용한다. 또 LTCC 다층 배선 기판에서는 소성 온도가 1000℃ 이하로 되면서 전기전도체 재료로서 전기 전도도가 우수한 은(Ag) 또는 동(Cu)을 사용할 수 있게 되었으며, 수동 소자인 저항, 인덕터 및 콘덴서를 기판 내부에 내장함으로써 전자 부품의 소형화, 복합화, 모듈화 및 고주파화에 널리 사용되어지고 있다.

그러나 저온 동시 소성 세라믹 다층 배선 기판은 상기와 같은 장점에도 불구하고, 하기와 같은 단점으로 인해 실제 제품으로의 적용에 문제가 있었다.

특히, 저온 동시 소성 세라믹 다층 배선 기판의 표면은 거칠어서 수십 내지 수백 ㎚ 두께의 박막 저항을 형성하는 것이 곤란하다.

박막 저항은 후막 저항에 비해서 열적 안정성이 우수하여 고정밀 및 고신뢰성이 요구되는 제품에 많이 사용되고 있다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 다층 박막의 기판 제조 방법의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 저온동시소성 세라믹 다층 기판에 박막 저항을 형성하여 제품의 초 소형화 및 고 정밀화를 실현하는 박막 다층 LTCC 기판의 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 박막 다층 LTCC 기판의 제조 방법은 (a) 1000℃ 이하에서 소성된 저온동시소성 세라믹(LTCC) 기판 본체를 마련하는 단계, (b) 상기 LTCC 기판에 절연막을 형성하는 단계, (c) 상기 절연막 상에 박막 저항층을 형성하는 단계 및 (d) 상기 절연막 및 상기 저항층 상에 박막 전도선을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 따른 박막 다층 LTCC 기판의 제조 방법에 있어서, 상기 (b)단계 전에 상기 저온동시소성 세라믹 기판을 열처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 따른 박막 다층 LTCC 기판의 제조 방법에 있어서, 상기 (d)단계 후 상기 박막 저항층을 열처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 따른 박막 다층 LTCC 기판의 제조 방법에 있어서, 상기 절연막 은 Al₂O₃, HfO2, TiO₂, ZrO₂, Y₂O₃, Ta₂O₅ , La₂O₃ 등과 같은 고유전 물질인 하이 케이(High-k) 물질로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 따른 박막 다층 LTCC 기판의 제조 방법에 있어서, 상기 절연막은 성막 속도가 빠른 이온 어스시탄트(Ion assistant) PVD 방식, 전자빔 증착(E-Beam Evaporation) 기술인 PVD 방식, PLD(Plused Laser Deposition)방식 또는 에어로솔 퇴적(Aerosol Deposition) 방식으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 따른 박막 다층 LTCC 기판의 제조 방법에 있어서, 상기 절연막은 상온~400℃인 기판 온도에서 형성되는 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 따른 박막 다층 LTCC 기판의 제조 방법에 있어서, 상기 박막 저항층은 복합 금속으로 Ti, Pd, Cu 또는 Al, Cu, Au로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 박막 다층 LTCC 기판의 제조 방법에 의하면, LTCC 다층 배선 기판의 절연막 상에 열적 안정성이 우수한 박막 저항을 형성하므로, LTCC 기술을 이용한 모듈 설계, 제품 설계에서 초 소형화 및 고 정밀화를 달성할 수 있다는 효과가 얻어진다.

또, 본 발명에 따른 MEMS 프로브 카드용 박막 다층 LTCC 기판의 제조 방법에 의하면, 기판 배선 재료에서의 열 발생을 저감하고, 응답속도를 고속화할 수 있다 는 효과도 얻어진다.

본 발명의 상기 및 그 밖의 목적과 새로운 특징은 본 명세서의 기술 및 첨부 도면에 의해 더욱 명확하게 될 것이다.

이하, 본 발명의 구성을 도면에 따라서 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 다층 박막기판 제조 공정도를 나타내는 도면이다.

도 1에 도시된 각각의 공정에 대해서는 도 2 내지 도 16에 따라 설명한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 있어서는 N개의 층으로 구성된 LTCC 다층 배선 기판을 마련한다(S10). 이 층수는 기판 설계 등에 따라서 달라질 수 있는데, 일반적으로 20~30층 정도로 구성되어 있다. 이때 사용된 금속 배선 금속은 Ag가 대부분이고 필요 시 조성은 변경될 수 있다. 세라믹 재료는 60~70% 이상이 유리성분이고 나머지 대부분은 알루미나로 구성되어 있다. 기판의 두께는 고객의 요구사항에 따라 다양화되며, 통상 4~7㎜ 정도이다. 도 2에 있어서, 부호 (1)은 기판상에 형성된 비아 홀(관통 구멍)이고, 부호 (2)는 기판상에 형성된 전도선을 나타낸다.

LTCC 다층 배선 기판은 N개의 그린시트(Green sheet) 각각에 배선을 인쇄하고, 모든 층을 적층하여 1000℃이하, 바람직하게는 850~900℃ 정도에서 동시 소결하여 제조하면 기판 표면이 유리성분과 알루미나 성분이 구분되어 서로 결합되어 있으므로 표면이 거칠다. 박막 패턴을 형성하기 위해서는 기판 표면 거칠기가 약 1㎛ 정도 이하의 거칠기가 요구되므로, 기계적인 폴리싱(Polishing) 공정을 진행한 다(S20). 기판 설계 시에는 기판의 휨을 고려하여 폴리싱 두께보다 두껍게 기판을 형성한 후 폴리싱을 실시하는 것이 바람직하다. 통상 50~100㎛ 정도로 폴리싱한다. 그 후, 기판 표면을 열처리(thermal annealing)한다.

다음에 폴리싱 기판에 Al₂O₃, HfO2, TiO₂, ZrO₂, Y₂O₃, Ta₂O₅ , La₂O₃ 등과 같은 고유전 물질(하이 케이(High-k) 물질)인 절연막을 형성하기 위해서 표면 세척한 후, 드라이(Dry) 형태의 포토레지스트(Photoresistor(PR:감광제))를 라미네이터(Laminator) 장비를 이용해 기판 양면에 두껍게 PR을 라미네이트 한다(S30). 이때 라미네이터의 압력, 온도 및 속도를 잘 조정하여야 기공을 없앨 수 있다. 만약 PR내에 기공이 발생되면 재 작업을 하여야 한다. PR의 두께는 가능하면 두껍게 하는 것이 중요하다. 일반적으로 120㎛ 이상을 사용한다.

도 3에 도시된 공정은 UV 노광 1 공정(S40)으로서, 감광제의 빛을 조사하여 패턴(Pattern)을 형성하기 위함이다. Mask1은 빛이 받는 부분이 고분자화가 되도록하기 위해 Mask 1 패턴을 설계하고, 예를 들어 이중 노광(Dual expose) 장비를 이용하여 감광제를 감광시키는 공정이다. 이때 중요한 변수는 UV광원의 파워(Power), 노광 시간이다. 만약 광원의 파워가 강하고, 노광 시간이 길어지면 언더 디벨롭(Under-develop)이 되어 원하는 패턴보다 더 큰 패턴이 형성되고, UV광원이 약하고 노광 시간이 짧으면 오버 디벨롭(Over-develop)이 되어서 원하는 패턴보다 작은 패턴이 형성된다.

도 4에 도시된 공정은 현상 1 공정(S50)으로서, 감광제의 패턴(3)을 기판의 표면에 형성한다. 기판에 노즐을 통한 현상액을 분사함으로서 보다 짧은 시간에 정확한 패턴(3)을 얻을 수 있다. 이때 중요한 변수로는 현상액의 농도, 온도, 분사되는 노출의 압력과 컨베이어(Conveyor)의 벨트 속도이다. 만약 용액의 농도, 온도, 압력 및 속도의 변수가 잘 조절되지 못하면 정확한 패턴을 얻기가 힘들다.

그 후, 현상된 기판에 감광재의 찌꺼기(Scum)가 기판에 잔존해 있으면, 기판 표면에서 절연막의 형성이 잘 되지 않기 때문에 기판에 잔존하는 미량의 감광제 찌꺼기를 제거하기 위해 플라즈마(Plasma) 장비를 이용하여 진공의 O₂ 플라즈마 가스 상태에서 디스컴을 실시한다. 여기서, 디스컴은 현상작업 후 제거되지 않고 남아있는 미량의 감광액 찌꺼기를 추가로 건식 제거하는 작업을 의미한다.

다음에 도 5에 도시된 LTCC 다층 배선 기판 위의 양면의 절연막(4) 형성 공정을 실행한다(S60). LTCC 기판은 다량의 보이드(Void)를 포함하고 있고, 기판 표면이 유리성분으로 구성되어 있기 때문에 내화학성이 나쁘다. 이러한 단점을 보완하기 위해서 LTCC 기판 표면에 절연성이 우수한 알루미나 및 안정화 지르코니아 막을 형성한다. 본 발명에서는 성막 속도가 빠른 이온 어스시탄트(Ion assistant) PVD 방식, 전자빔 증착(E-Beam Evaporation) 기술인 PVD 방식, PLD(Plused Laser Deposition)방식 또는 에어로솔 퇴적(Aerosol Deposition) 방식으로 Al₂O₃, 안정화 ZrO₂ 또는 TiO₂막을 5~10㎛ 형성하였다. 바람직하게는 에어로솔 퇴적 방식을 사용한다. 이때 기판 온도는 상온이며, 캐리어 가스(carrier gas : He, O₂) 량, 진공 챔버 내의 압력과 노츨의 구조 및 모양을 잘 조절하여 절연막(4)의 치밀도를 향상시 켰다.

도 6에 도시된 공정은 콘택트 비아(1 : Contact via) 개구를 위해서 비아(Via) 패턴 위의 절연막(4)과 감광제인 PR을 제거하는 공정(S70)이다. 절연막(4)은 기계적 스크러빙(Mechanical scrubbing) 방식으로 제거한 후, PR 스트립(Strip) 장비를 이용해 제거한다. PR 스트립 시, 스트리퍼(Stripper) 용액의 농도 및 노즐 압력을 잘 조절하고, 또한 초음파를 동시에 공급하면 쉽게 PR을 제거할 수 있다. 이때 초음파 파워의 조절이 매우 중요하다.

도 7에 도시된 공정은 절연막(4) 상에 박막 저항층(5)을 증착하기 위한 공정(S80)이다. 박막 저항층(5)과 절연막(4)의 표면의 밀착력을 증진하기 위해 밀착력 우수한 Ti 또는 Al 금속층을 스퍼터링(sputtering) 방식으로 2000Å 내지 5000Å, 바람직하게는 3000Å 두께로 증착하고, 바로 Ti 또는 Al 금속층 위에 Cu 층간의 배리어(Barrier) 역할을 하는 Pd(팔라듐) 금속층을 50Å 내지 200Å, 바람직하게는 70Å 정도 성막하고, 마지막으로 주 전도선인 Cu 금속층을 2500Å 내지 10000Å, 바람직하게는 9000Å 이상 성막하여 베이스 금속 층을 형성한다.

그 후 박막 저항층(5)을 형성하기 위한 감광제를 기판 양면에 입히는 공정을 실행한다(S90). 이때 사용되는 감광제는 패턴의 종류나 작업 조건에 따라 라미네이션(Lamination) 1 공정과 동일 형태 또는 다른 형태의 PR을 사용한다.

도 8에 도시된 공정은 UV 노광 2 공정(S100)으로서, 드라이 형태의 네가티브(Negative : 음성) 감광제를 사용하므로, 마스크 패턴이 Mask 1과 다른 Mask 2를 사용한다. 작업 변수는 UV 노광 1 조건과 동일하지만, 작업 조건을 PR 두께에 따라 다른 값을 갖는다.

다음에 PR 2의 감광제의 현상 공정을 실행한다(S110). 디벨롭 장비는 동일한 장비를 사용할 수 있으며, 작업 조건은 다르다.

그 후 필요에 따라 PR 디스컴 공정으로 기판 표면에 잔존하는 PR 찌꺼기를 제거하며, 이 공정은 일반적으로 산소 가스 플라즈마를 이용한다. 상술한 바와 같은 공정에 의해 도 9에 도시된 바와 같은 박막 저항층(5)가 형성된다.

다음에 도 10에 도시된 박막 전도선(6)의 형성 공정(S120)을 실행한다.

이 공정은 박막 배선의 전기전도도 및 고주파 선로의 전기저항을 줄이기 위해 금속 배선막을 두껍게 하기 위해 전기도금 방법으로 금속 막을 두껍게 성막하는 도금 공정이다. 이때 박막 전도선(6)은 복합 금속으로 Ti, Pd, Cu 및 Au 또는 Al, Cu, Ni 및 Au로 구성되어 있다. Cu는 주 전도선으로 통상 10~25㎛이고, Ni 금속은 2~4㎛, 그리고 Au 금속은 5㎛ 미만으로 성막한다. 금속 두께는 응용 제품에 따라 달라질 수 있다. 이때 Ni 금속은 선택적으로 제거할 수도 있다. 왜냐하면 Ni 금속은 Cu 층과 Au 층간의 계면의 확산(Diffusion)을 방지하기 위함으로 Au 금속 층이 5㎛ 이상, 바람직하게는 5㎛~10㎛일 경우 제거할 수도 있다.

도 10에 도시된 박막 전도선(6)은 UV 노광 3 공정(S140), 현상 3 공정(S150)을 실행하는 것에 의해 형성된다.

그 후 도 10에서 노출된 박막 저항층(5)을 열처리하는 것에 의해 수십 내지 수백 ㎚ 두께의 안정화된 박막 저항층이 완성된다.

또 도 10에 도시된 범프(7)는 상기 공정 중 필요에 따라 기판의 양면을 동시 에 처리하는 것에 의해 실현된다.

또한 절연막(4), 박막 저항층(5) 및 박막 전도선(6)을 형성하는 과정에서는 화학 용액을 사용한 습식 에칭(Wet etching) 방식 또는 이온 밀링(Ion milling) 장비 및 Ar, Xe 혹은 또 다른 반응성 가스를 이용한 건식 에칭(Dry etching) 방법을 사용할 수 있다.

습식 에칭 방식으로 제거하기 위해서는 금속 에칭 용액을 선택적으로 스프레이 방식으로 기판 양면에 분사하고, D.I 워터(Water) 세척 및 건조를 실시한다.

습식 에칭 방식은 언더 컷(Under cut)이란 현상이 발생되므로, 고주파용 부품인 경우는 언더 컷 현상을 줄일 수 있는 이온 밀링 방식을 적용하면 고정밀의 마이크로 스트립 라인을 형성할 수가 있다. 하지만 건식 에칭 방식인 이온 밀링은 장비가 고가인 것이 단점이지만 정밀 부품 제작에는 필수적인 공정기술이다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

본 발명은 이동 통신 기술 분야에서 사용되는 전자부품들이 소형화, 복합화, 모듈화 및 고주파화에 이용된다.

도 1은 본 발명에 따른 다층 박막기판 제조 공정도를 나타내는 도면,

도 2 내지 도 10은 도 1에 도시된 각각의 공정을 나타내는 도면.

Claims (8)

1. (a) 1000℃ 이하에서 소성된 저온동시소성 세라믹(LTCC) 기판 본체를 마련하는 단계,

   (b) 상기 LTCC 기판에 절연막을 형성하는 단계,

   (c) 상기 절연막 상에 박막 저항층을 형성하는 단계 및

   (d) 상기 절연막 및 상기 박막 저항층 상에 박막 전도선을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 다층 LTCC 기판의 제조 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 (b)단계 전에 상기 저온동시소성 세라믹 기판을 열처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 다층 LTCC 기판의 제조 방법.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 (d)단계 후 상기 박막 저항층을 열처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 다층 LTCC 기판의 제조 방법.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 절연막은 Al₂O₃, HfO2, TiO₂, ZrO₂, Y₂O₃, Ta₂O₅ , La₂O₃ 등과 같은 고유 전 물질인 하이 케이(High-k) 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 박막 다층 LTCC 기판의 제조 방법.
5. 제4항에 있어서,

   상기 절연막은 성막 속도가 빠른 이온 어스시탄트(Ion assistant) PVD 방식, 전자빔 증착(E-Beam Evaporation) 기술인 PVD 방식, PLD(Plused Laser Deposition)방식 또는 에어로솔 퇴적(Aerosol Deposition) 방식으로 형성되는 것을 특징으로 하는 박막 다층 LTCC 기판의 제조 방법.
6. 제5항에 있어서,

   상기 절연막은 상온~400℃인 기판온도에서 형성되는 것을 특징으로 하는 박막 다층 LTCC 기판의 제조 방법.
7. 제6항에 있어서,

   상기 박막 저항층은 복합 금속으로 Ti, Pd, Cu 또는 Al, Cu, Au로 구성되는 것을 특징으로 하는 박막 다층 LTCC 기판의 제조 방법.
8. 특허청구의 범위 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 박막 다층 LTCC 기판의 제조 방법에 의해 이루어진 박막 다층 LTCC 기판.

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