KR20120073246A - 뮬라이트질 소결체, 이것을 이용한 배선기판, 및 프로브 카드 - Google Patents
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Abstract
(과제) 내약품성이 우수한 뮬라이트질 소결체와 이것을 이용한 배선기판 및 이 배선기판을 적용한 프로브 카드를 제공한다.
(해결수단) 뮬라이트의 함유량이 79.3~85.2질량%, 알루미나의 함유량이 14.2~19.8질량% 및 MnTiO3의 함유량이 0.6~1.15질량%이며, 상대밀도를 96%이상으로 함으로써 내약품성이 우수한 뮬라이트질 소결체가 얻어지고, 이 뮬라이트질 소결체를 절연기체(11)로 함으로써 열부하 시험시에 있어서 프로브 카드용의 세라믹제의 배선기판에 설치된 측정단자와 Si 웨이퍼의 표면에 형성된 측정 패드의 위치 어긋남이 작고, 치밀함과 아울러 색 불균일이 없는 배선기판 및 프로브 카드를 얻을 수 있다.
(해결수단) 뮬라이트의 함유량이 79.3~85.2질량%, 알루미나의 함유량이 14.2~19.8질량% 및 MnTiO3의 함유량이 0.6~1.15질량%이며, 상대밀도를 96%이상으로 함으로써 내약품성이 우수한 뮬라이트질 소결체가 얻어지고, 이 뮬라이트질 소결체를 절연기체(11)로 함으로써 열부하 시험시에 있어서 프로브 카드용의 세라믹제의 배선기판에 설치된 측정단자와 Si 웨이퍼의 표면에 형성된 측정 패드의 위치 어긋남이 작고, 치밀함과 아울러 색 불균일이 없는 배선기판 및 프로브 카드를 얻을 수 있다.
Description
본 발명은 뮬라이트질 소결체와 이것을 절연기체로서 이용한 배선기판 및 이 배선기판을 적용한 프로브 카드에 관한 것이다.
뮬라이트질 소결체는 고온에 있어서의 강도 저하가 작고, 고온 구조용의 세라믹으로서 주목받고 있어 소성로 등에 사용되는 내화물로서 이용되고 있다.
또한 뮬라이트질 소결체는 알루미나 세라믹스 등과 비교해서 열팽창계수가 작고, 실리콘이나 갈륨?비소 등의 반도체 소자에 가까운 점에서 집적회로용의 절연 기판 재료로서도 주목받고 있고(예를 들면 특허문헌 1을 참조), 최근 반도체 웨이퍼 상태 그대로 동시에 다수의 반도체 소자의 전기 특성을 일괄해서 검사할 수 있는 검사장치(프로브 카드로 불리고 있음)에 적용하는 시도가 행해지고 있다(예를 들면 특허문헌 2를 참조).
상기 특허문헌 1 및 2에 기재된 뮬라이트질 소결체는 주결정 입자인 뮬라이트 입자의 입계에 이산화규소를 주성분으로 하는 유리(비정질상)를 많이 포함하는 것이기 때문에 내약품성이 낮다는 문제가 있었다.
그래서 본 발명은 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것이며, 특정 범위의 열팽창계수를 가짐과 아울러 내약품성이 우수한 뮬라이트질 소결체와, 이것을 이용한 배선기판 및 이 배선기판을 적용한 프로브 카드를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 뮬라이트질 소결체는 뮬라이트가 79.3~85.2질량%, 알루미나가 14.2~19.8질량% 및 MnTiO3가 0.6~1.1질량%임과 아울러 상대밀도가 96%이상인 것을 특징으로 한다.
상기 뮬라이트질 소결체에서는 Mn과 Ti의 몰비(Mn/Ti)가 0.67~1.00임과 아울러 격자정수 a가 0.7560~0.7569nm인 것이 바람직하다.
상기 뮬라이트질 소결체에서는 Mo를 더 포함하고, Al 및 Si를 Al2O3 환산 및 SiO2 환산한 합계량을 100질량%로 했을 때에 상기 Mo를 MoO3 환산으로 0.4~2.1질량%함유하는 것이 바람직하다.
상기 뮬라이트질 소결체에서는 상기 Mo와 Ti의 몰비(Mo/Ti)가 0.125~0.250인 것이 바람직하다.
본 발명의 배선기판은 상기 뮬라이트질 소결체를 절연기체로 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 프로브 카드는 상기 배선기판과, 상기 배선기판의 표면에 설치된 표면 배선층과, 상기 표면 배선층에 접속되어 반도체 소자의 전기 특성을 측정하기 위한 측정단자를 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.
(발명의 효과)
본 발명에 의하면 특정 범위의 열팽창계수를 가짐과 아울러 내약품성이 우수한 뮬라이트질 소결체와 이 뮬라이트질 소결체를 절연기체로 하는 배선기판 및 프로브 카드를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 뮬라이트질 소결체를 배선기판에 적용한 일실시형태의 개략 단면도이다.
도 2는 본 발명의 프로브 카드의 일실시형태를 이용한 반도체 소자의 평가 장치의 설명도이다.
도 2는 본 발명의 프로브 카드의 일실시형태를 이용한 반도체 소자의 평가 장치의 설명도이다.
이하 본 발명의 뮬라이트질 소결체를 배선기판에 적용한 일실시형태에 대해서 설명한다. 또한 본 발명의 뮬라이트질 소결체는 배선기판으로서 뿐만 아니라 저열팽창이며, 내약품성이 요구되는 구조 부품 등에도 적용할 수 있는 것은 말할 필요도 없다.
도 1은 본 발명의 뮬라이트질 소결체를 배선기판을 구성하는 절연기체에 적용한 일실시형태의 개략 단면도이다. 도 1에 나타낸 배선기판(1)은 절연기체(11)와, 절연기체(11)의 내부에 형성된 저저항 금속 및 고융점 금속을 주성분으로서 포함하는 복합 도체로 이루어지는 내부 배선층(12)과, 절연기체(11)의 표면에 형성된 표면 배선층(13)을 구비하고 있으며, 그 절연기체(11)의 내부에 있어서의 내부 배선층(12)끼리 또는 내부 배선층(12)과 표면 배선층(13)을 전기적으로 접속하는 비어 홀 도체(14)를 갖고 있다.
절연기체(11)는 복수의 세라믹 절연층(11a, 11b, 11c, 11d)으로 이루어지는 것으로 각각의 세라믹 절연층(11a, 11b, 11c, 11d)은 뮬라이트를 주성분으로 하는 세라믹 소결체에 의해 형성되어 있다. 이하 뮬라이트를 주성분으로 하는 세라믹 소결체인 것을 뮬라이트질 소결체로 기재한다.
여기서 뮬라이트질 소결체의 주성분인 뮬라이트는 입자형상 또는 기둥형상의 결정으로서 존재하고 있다. 배선기판(1)에 있어서 뮬라이트의 평균 입경은 특별히 한정되는 것은 아니지만 결정 입경이 커짐에 따라 열전도성이 향상되고, 결정 입경이 작아짐에 따라서 강도가 향상되는 점에서 고열전도성 및 고강도의 양립이라는 점에서 뮬라이트의 평균 입경은 1.0~5.0㎛, 특히 1.7~2.5㎛인 것이 바람직하다.
또한 뮬라이트의 평균 입경은 배선기판(1)으로부터 잘라낸 뮬라이트질 소결체의 부분을 연마하고, 연마한 시료에 대해서 주사형 전자현미경을 이용해서 내부조직의 사진을 찍고, 그 사진상에 약 50개 들어가는 원을 그려 원내 및 원주에 걸린 뮬라이트의 결정입자를 선택하고, 이어서 각 결정입자의 윤곽을 화상처리하여 각 결정입자의 면적을 구하고, 동일한 면적을 갖는 원으로 치환했을 때의 직경을 산출해서 그 평균치로부터 구했다.
이 배선기판(1)을 구성하는 절연기체(11)는 뮬라이트의 함유량이 79.3~85.2질량%, 알루미나의 함유량이 14.2~19.8질량% 및 MnTiO3의 함유량이 0.6~1.1질량%임과 아울러 상대밀도가 96%이상인 뮬라이트질 소결체에 의해 구성되어 있다. 이것에 의해 열팽창계수(-50~150℃)는 3.2×10-6/℃~3.9×10-6/℃이며, 또한 내약품성이 높은 뮬라이트질 소결체를 얻을 수 있다.
이 경우 뮬라이트질 소결체 중에 포함되는 MnTiO3의 비율은 소수점이하 둘째 자리수까지 구해서 사사오입한 값을 포함한 것이다. 또한 내약품성이 높다는 것이란 후술하는 바와 같이 뮬라이트질 소결체를 예를 들면, 수산화칼륨 수용액 중에 침지해도 침식이나 부식이 거의 없는 상태인 것을 말한다.
또한 본 실시형태의 뮬라이트질 소결체는 치밀하며, 색 불균일도 적은 것이기도 하다. 또한 이 뮬라이트질 소결체가 상기 특정 범위의 열팽창계수를 가짐으로써 예를 들면 이 배선기판(1)의 주면에 측정단자를 설치해서 Si웨이퍼의 표면에 형성된 측정 패드와의 열부하 시험시에 있어서의 위치 어긋남의 정도를 평가했을 때에 있어서도 배선기판(1)에 설치된 측정단자와 Si웨이퍼의 표면에 형성된 측정 패드의 위치 어긋남이 작고, 전기 특성의 검사에 바람직하게 사용할 수 있게 된다. 이 경우 열부하 시험을 행했을 때의 배선기판(1)에 설치된 측정단자와 Si웨이퍼의 표면에 형성된 측정 패드의 위치 어긋남은 Si웨이퍼의 표면에 형성된 측정 패드의 피치가 40~60㎛인 Si웨이퍼를 평가했을 때의 결과에 의거한 것이다. 또한 측정 패드의 피치란 측정 패드의 폭과 인접하는 측정 패드의 간격을 합한 값이다.
배선기판(1)을 구성하는 절연기체(11)로 이루어지는 뮬라이트질 소결체의 조성은 예를 들면 X선 회절의 리트벨트 해석으로부터 구해진다.
X선 회절의 리트벨트 해석으로부터 구해지는 비율에서 뮬라이트의 함유량이 79.3질량%보다 적은 경우에는 절연기체(11)의 열팽창계수가 3.9×10-6/℃보다 커진다.
반면 X선 회절의 리트벨트 해석으로부터 구해지는 비율에서 뮬라이트의 함유량이 85.2질량%보다 많은 경우에는 절연기체(11)의 열팽창계수가 3.2×10-6/℃보다 작아진다.
또한 X선 회절의 리트벨트 해석으로부터 구해지는 비율에서 뮬라이트의 함유량이 85.2질량%보다 많은 경우에 알루미나의 함유량은 14.2질량%보다 적고, 또한 MnTiO3의 함유량이 0.6질량%보다 적은 경우에는 뮬라이트질 소결체의 밀도가 낮은 것이 되어 절연기체(11)의 내약품성이 저하되어 버릴 우려가 있다.
반면 X선 회절의 리트벨트 해석으로부터 구해지는 비율에서 뮬라이트질 소결 체 중에 포함되는 MnTiO3가 1.1질량%보다 많은 경우에는 절연기체(11)의 표면에 MnTiO3에 기인하는 색 불균일이 발생할 우려가 있다.
또한 본 실시형태의 배선기판(1)을 구성하는 절연기체(11)가 되는 뮬라이트질 소결체에 대해서는 내약품성을 더욱 향상시킨다는 점에서 X선 회절의 리트벨트 해석으로부터 구하는 성분 분석에 있어서 이산화규소를 실질적으로 포함하지 않는 것이 바람직하다. 또한 절연기체(11) 중에 이산화규소를 실질적으로 포함하지 않는다는 것은 X선 회절 패턴에 있어서 2θ가 10°이하의 영역에서 이산화규소의 주피크의 회절 강도가 뮬라이트의 주피크의 회절 강도의 0.1%이하로 되어 있는 상태를 말한다.
뮬라이트질 소결체의 소결성은 절연기체(11)의 상대밀도를 구함과 아울러 뮬라이트질 소결체를 레드체크액에 침지시킨 후 수세하여 뮬라이트질 소결체가 붉게 염색되는지 아닌지를 확인해서 평가한다. 또한 절연기체(11)의 상대밀도는 우선 얻어진 절연기체(11)를 분쇄해서 피크노미터법에 의해 진밀도를 구한다. 반면 아르키메데스법에 의해 부피 밀도를 구하고, 이어서 부피 밀도를 진밀도로 나누어서 상대밀도(%)를 구한다.
또한 배선기판(1)을 구성하는 절연기체(11)가 되는 뮬라이트질 소결체에서는 Mn과 Ti의 몰비(Mn/Ti)가 0.67~1.00임과 아울러 뮬라이트질 소결체의 격자정수 a가 0.7560~0.7569nm인 것이 바람직하다. Mn과 Ti의 몰비(Mn/Ti)가 0.67 ~1.00임과 아울러 격자정수 a가 0.7560~0.7569nm이면 이 뮬라이트질 소결체를 예를 들면 프로브 카드용의 배선기판(1)의 절연기체(11)로서 적용한 경우에 Si웨이퍼의 표면에 형성된 측정 패드의 피치가 40㎛인 Si웨이퍼를 평가했을 때에 있어서도 위치 어긋남이 작고, 양호한 전기 특성을 나타내는 프로브 카드용의 배선기판(1)을 얻는 것이 가능해진다.
또한 배선기판(1)에서는 절연기체(11)를 구성하고 있는 뮬라이트질 소결체가 ICP(Inductively Coupled Plasma) 분석 등의 원소 분석을 행해서 구해지는 비율로 뮬라이트 100질량%에 대하여 Ti를 TiO2 환산으로 4~12질량% 함유하는 것이 바람직하다. 뮬라이트질 소결체 중에 Ti성분을 함유시키면 뮬라이트질 소결체의 색채를 녹색계로 할 수 있다. 뮬라이트질 소결체의 색채가 녹색계이면 후술하는 박막법에 의해 절연기체(11)의 표면에 형성되는 표면 배선층의 색과의 콘트라스트가 높아지기 때문에 측정단자가 되는 Si제의 프로브 핀을 형성할 때의 위치 결정을 용이하게 할 수 있게 되어 프로브 카드의 제조 공정의 효율을 높일 수 있다. 여기서 뮬라이트질 소결체에 있어서의 Mn 및 Ti의 함유량으로부터 구해지는 Mn과 Ti의 몰비(Mn/Ti)는 절연기체(11)를 용해시켜서 ICP분석에 의해 구해진다.
또한 배선기판(1)에서는 절연기체(11)인 뮬라이트질 소결체가 Mo를 더 포함하고, Al 및 Si를 Al2O3 환산 및 SiO2 환산한 합계량을 100질량부로 했을 때에 Mo를 MoO3 환산으로 0.4~2.1질량부 함유하는 것이 바람직하다. 본 실시형태의 뮬라이트질 소결체를 상기 비율로 Mo를 포함하는 것으로 하면 소성시의 유리상의 스며나옴을 억제할 수 있음과 아울러 뮬라이트질 소결체의 표면에 스며나온 유리상을 통해 소성시에 이용하는 세터재 등이 이물로서 부착되는 것을 방지할 수 있다.
또한 배선기판(1)에서는 절연기체(11)를 구성하는 뮬라이트질 소결체에 있어서의 Mo와 Ti의 몰비(Mo/Ti)는 0.125~0.250인 것이 바람직하다. 이것에 의해 절연기체(11)의 배선 근방이 희게 되는 것을 억제할 수 있고, 절연기체(11)와 배선의 색 콘트라스트가 높은 배선기판(1)을 얻을 수 있음과 아울러 배선폭의 편차를 작게 할 수 있다.
또한 이 배선기판(1)에서는 절연기체(11)로 이루어지는 뮬라이트질 소결체가 불가피 불순물과 함께 소결성을 높이는 조제 성분으로 MgO, CaO, SrO, B2O3 및 Cr2O3 등으로부터 선택되는 적어도 1종이 내약품성, 영률, 밀도 및 색채 등의 특성을 손상시키지 않을 정도로 함유되어 있어도 좋다.
이 배선기판(1)을 구성하는 내부 배선층(12)은 Cu가 40~60체적%, W가 40~60체적%가 되는 조성을 갖는 Cu 및 W의 복합도체로 구성되어 있는 것이 바람직하다.
뮬라이트질 소결체와 동시 소성 가능한 내부 배선층(12)의 형성 재료로서 고융점 금속인 텅스텐(W)이 열거되지만 텅스텐(W)으로 이루어지는 내부 배선층(12)은 전기 저항값이 높다. 반면 구리(Cu) 등의 저저항 금속은 뮬라이트질 소결체의 소성 온도보다 상당히 융점이 낮기 때문에 저저항 금속인 구리만을 뮬라이트질 소결체와 동시 소성할 수 없다. 그래서 내부 배선층(12)을 구리 및 텅스텐의 복합 도체로 함으로써 구리 단체와 비교하면 전기 저항값은 다소 상승해 버리지만 후술하는 1380℃~1420℃의 소성 온도에서 뮬라이트질 소결체와의 동시 소성이 가능해진다.
단 동시 소성 가능이라 해도 구리의 융점을 초과하는 온도에서의 소성이 되기 때문에 구리의 용융을 억제해서 내부 배선층(12)의 형상을 유지하는 것이 필요하게 된다. 그래서 내부 배선층(12)의 저저항화와 보형성을 함께 유지하는데에 있어서 구리를 40~60체적%, 텅스텐을 40~60체적%의 비율로 하는 것이다.
여기서 내부 배선층(12)의 구리 및 텅스텐의 조성은 프로브 카드용 세라믹 배선기판(1)으로부터 내부 배선층(12)이 형성된 부위를 잘라내고, 이들을 산에 용해시킨 용액을 ICP(Inductively Coupled Plasma) 분석을 이용해서 도체 재료인 구리 및 텅스텐의 함유량을 질량으로 구한다. 이어서 질량으로서 구한 구리 및 텅스텐의 양을 각각의 밀도로 나누어서 각각의 체적을 구하고, 이어서 구리 및 텅스텐의 합계 체적을 100%로 했을 때의 구리 및 텅스텐의 비율을 구한다.
또한 표면 배선층(13)은 내부 배선층(13)과 마찬가지의 조성이어도 달라도 좋다.
또한 비어홀 도체(14)는 표면 배선층(13)과 마찬가지의 조성으로 이루어지는 것이 소성시에 비어홀 도체(14)로부터의 도체성분의 탈락을 방지하는데에 있어서 바람직하다.
상술한 본 실시형태의 배선기판(1)은 프로브 카드용의 배선기판(1)에 적용했을 때에 열부하 시험시에 있어서 배선기판(1)에 설치된 측정단자(프로브 핀)와 Si 웨이퍼의 표면에 형성된 측정 패드의 위치 어긋남을 억제할 수 있어 전기 특성 검사에 바람직하게 사용할 수 있다. 또한 뮬라이트질 소결체를 특정 조성으로 했을 때에는 내약품성이 우수한 것이 된다.
또한 도 1에 나타낸 배선기판(1)을 구성하는 절연기체(11)의 주면에는 소성 직후에 있어서는 원래 표면 배선층(13)을 대신하여 비어홀 도체(14)에 접속된 랜드패턴(도시하지 않음)이 형성되어 있다. 이 랜드패턴은 소성 후에 이 배선기판(1)의 내부 배선층(12) 및 비어홀 도체(14)의 전기적 접속의 쇼트 또는 오픈 검사를 행하기 위해 설치된 것이다. 그리고 배선기판(1)의 내부 배선층(12) 및 비어홀 도체(14)의 전기적 접속의 쇼트 또는 오픈 검사를 행한 후 랜드패턴은 연마에 의해 제거되어 비어홀 도체(14)를 노출시킨 후에 스퍼터법 또는 증착법 등의 박막법에 의해 표면 배선층(13)이 형성되고, 또한 이 표면 배선층(13)의 표면상에 측정단자(프로브 핀)가 형성되어 도 2에 나타낸 프로브 카드(2)가 제작된다.
도 2는 본 발명의 프로브 카드의 일실시형태를 이용한 반도체 소자의 평가 장치의 설명도이다. 상기한 배선기판(1)은 예를 들면 도 2에 나타낸 프로브 카드(2)로서 이용할 수 있다.
도 2에 나타낸 프로브 카드(2)는 본 실시형태의 배선기판(1)의 한쪽 주면에 내부 배선층(12)과 접속되는 표면 배선층(도시하지 않음)이 형성되고, 이 표면 배선층에 반도체 소자의 전기 특성을 측정하기 위한 측정단자(21)(프로브 핀)가 접속되어 있다.
또한 배선기판(1)의 다른 쪽 주면에 접속 단자(도시하지 않음)가 형성되고, 이 접속 단자가 땜납(3)을 통해 외부 회로기판(4)에 접합되고, 또한 외부 회로기판(4)은 테스터(5)에 접속되어 있다. 그리고 스테이지(6)상에 재치된 Si웨이퍼(7)의 측정 패드에 프로브 카드(2)의 측정단자(21)를 접촉시켜서 반도체 소자의 전기 특성을 측정할 수 있다.
또한 프로브 카드(2) 및 외부 회로기판(4)은 승강장치(8)에 의해 상하로 구동시킬 수 있어 프로브 카드(2)의 측정단자(21)를 Si웨이퍼(7)의 측정 패드에 접촉시키거나 분리하도록 되어 있다.
이 프로브 카드(2)의 배선기판으로서 본 실시형태의 배선기판(1)을 적용하면 우선 열부하 시험시에 있어서 배선기판(1)에 설치된 측정단자(21)와 Si웨이퍼(7)의 표면에 형성된 측정 패드의 위치 어긋남이 없어 전기 특성 검사에 바람직하게 사용할 수 있게 된다.
이어서 상기 배선기판(1)의 제조방법에 대해서 설명한다.
우선 절연기체(11)를 형성하기 위해서 뮬라이트 분말로서 순도가 99%이상, 평균 입경이 0.5~2.5㎛, X선 회절로부터 구해지는 뮬라이트의 격자정수 a가 7.58Å이상인 뮬라이트 분말을 이용한다. 뮬라이트 분말의 평균 입경을 0.5㎛이상으로 함으로써 시트 성형성을 양호하게 하고, 2.5㎛이하로 함으로써 1420℃이하의 온도에서의 소성에 의해서도 치밀화를 촉진시키는 것이 가능해진다.
이어서 뮬라이트 분말 100질량%에 대하여 Mn2O3 분말을 2.0~3.6질량%, TiO2 분말을 4~12질량% 첨가해서 혼합 분말을 조제한다. 이 경우 첨가제로서 이용하는 Mn2O3 분말은 평균 입경이 0.7~1.7㎛ 및 TiO2 분말은 평균 입경이 1~3㎛인 것을 이용하는 것이 좋다. 또한 Mn2O3 분말 및 TiO2 분말의 순도는 모두 99질량% 이상인 것이 좋다.
이것에 의해 시트 형성성을 양호하게 해서 Mn 및 Ti의 확산을 향상시켜 1380 ℃~1420℃의 온도에서의 소결성을 높일 수 있다. 또한 뮬라이트 분말 100질량%에 대하여 TiO2를 4~12질량% 첨가시킴으로써 뮬라이트질 소결체를 충분히 녹색화시킬 수 있다. 또한 Mn 및 Ti는 상기 산화물 분말 이외에 소성에 의해 산화물을 형성할 수 있는 탄산염, 질산염, 아세트산염 등으로서 첨가해도 좋다. 이 경우에 있어서도 뮬라이트 분말 100질량%에 대하여 Mn이 Mn2O3 환산으로 2.0~3.6질량%, Ti가 TiO2환산으로 4~12질량%가 되도록 혼합하는 것이 좋다.
또한 Mn과 Ti의 비(Mn/Ti)가 0.67~1.00이 되도록 조성을 조정하면 TiO2가 뮬라이트의 분해를 억제하도록 작용하는 점에서 뮬라이트질 소결체의 입계에 있어서의 이산화규소의 양을 저감시킬 수 있고, 이것에 의해 내약품성 시험에서의 중량 변화율이 작은 배선기판(1)을 얻을 수 있다.
또한 뮬라이트 분말 100질량%에 대하여 MoO3 분말을 0.4~2.1질량% 첨가하면 소성시에 있어서 뮬라이트질 소결체로부터의 유리상의 스며나옴을 억제할 수 있음과 아울러 뮬라이트질 소결체의 표면에 스며나온 유리상을 통해 소성시에 이용하는 세터 재 등이 이물로서 부착되는 것을 방지할 수 있다. 이 경우 MoO3 분말과 TiO2 분말을 몰비(Mo/Ti)가 0.125~0.250의 범위가 되도록 첨가하면 얻어진 배선기판(1)에 있어서 절연기체(11)의 배선 근방이 희게 되는 것을 억제할 수 있고, 절연기체(11)와 배선의 색 콘트라스트가 높은 배선기판(1)을 얻을 수 있음과 아울러 배선폭의 편차를 작게 할 수 있다.
또한 뮬라이트질 소결체의 치밀화와 내부 배선층(12)을 형성하는 복합 금속의 동시 소결성을 높인다는 이유로 뮬라이트 분말 100질량%에 대하여 Mg, Ca, Sr, B 및 Cr의 군으로부터 선택되는 1종이상의 산화물 분말(MgO 분말, CaO 분말, SrO 분말, B2O3 분말, Cr2O3 분말) 또는 소성에 의해 산화물을 형성할 수 있는 탄산염, 질산염, 아세트산염으로 이루어지는 분말을 배선기판(1)의 열팽창계수를 변화시키지 않고, 또한 내약품성을 열화시키지 않는 정도의 비율로 첨가해도 좋다.
그런데 상술한 Mn과 Ti의 몰비(Mn/Ti)가 0.67~1.00이며, 또한 격자정수 a가 0.7560~0.7569nm인 뮬라이트질 소결체는 격자정수 a가 0.758nm이상인 뮬라이트 분말을 이용함으로써 얻어지는 것이지만 그 격자정수 a가 0.758nm이상인 뮬라이트 분말은 알루미나 및 이산화규소를 포함하는 소원료를 용융법에 의해 얻을 수 있다.
그리고 용융법에 의해 얻어지는 뮬라이트 분말은 공침법에 의해 얻어지는 뮬라이트 분말과 비교해서 염가인 점에서 뮬라이트질 소결체를 절연기체(11)로 하는 배선기판(1)을 염가로 제조하는 것이 가능해진다.
이어서 이 혼합 분말에 대하여 유기 바인더, 용매를 첨가해서 슬러리를 조정한 후 이것을 프레스법, 닥터블레이드법, 압연법, 사출법 등의 형성 방법에 의해 그린시트를 제작한다. 또는 혼합 분말에 유기 바인더를 첨가하고, 프레스 성형, 압연 성형 등의 방법에 의해 소정의 두께의 그린시트를 제작한다. 또한 그린시트의 두께는 예를 들면 50~300㎛로 할 수 있지만 특별히 한정되지 않는다.
그리고 적당히 이 그린시트에 대하여 마이크로 드릴, 레이저 등에 의해 직경 50~250㎛의 관통공을 형성한다.
이렇게 해서 제작된 그린시트에 대하여 구리(Cu) 분말과 텅스텐(W) 분말을상술한 비율(Cu가 40~60체적%, W가 40~60체적%)이 되도록 혼합해서 도체 페이스트를 조제하고, 이 도체 페이스트를 각 그린시트의 관통공내에 충전하고, 또한 스크린 인쇄, 그라비어 인쇄 등의 방법에 의해 인쇄 도포해서 배선 패턴을 형성한다.
또한 이 도체 페이스트 중에는 절연기체(11)와의 밀착성을 높이기 위해서 상기 금속 분말 이외에 알루미나 분말 또는 절연기체(11)와 동일 조성물의 혼합 분말을 첨가해도 좋고, 또한 Ni 등의 활성금속 또는 그들의 산화물을 도체 페이스트 전체에 대하여 0.05~2체적%의 비율로 첨가해도 좋다.
그 후 도체 페이스트를 인쇄 도포한 그린시트를 위치 맞춤해서 적층 압착한 후 이 적층체를 비산화성 분위기(질소 분위기 또는 질소와 수소의 혼합 분위기) 중에서 소성한다.
여기서 이 소성 중의 최고온도는 1380℃~1420℃로 하는 것이 좋다. 최고온도가 1380℃보다 낮은 경우에는 충분히 치밀화 할 수 없고, 최고온도가 1420℃를 초과하는 경우에는 내부 배선층(12)의 변형이나 가늘어짐이 생겨버리는 경향이 있다.
또한 배선기판(1)을 제작하는 경우 1000℃에서 소성 최고온도까지의 승온 속도는 50℃/hr~150℃/hr, 특히 75℃/hr~100℃/hr로 하는 것이 바람직하다. 승온 속도가 50℃/hr보다 느린 경우에는 소성시간이 길어 생산성의 저하로 이어지고, 승온 속도가 150℃/hr보다 빠른 경우에는 소성 중의 열팽창에 의해 발생하는 응력에 의해 기판에 크랙이 발생하는 원인이 되기 쉽다.
또한 더욱 소성시의 분위기는 내부 배선층(12) 중의 Cu의 확산을 억제한다는이유에서 수소 및 질소를 포함하고, 그 노점은 +30℃이하, 특히 +25℃이하의 비산화성 분위기인 것이 바람직하다. 소성시의 노점이 +30℃보다 높으면 소성 중에 산화물 세라믹스와 분위기 중의 수분이 반응하여 산화막을 형성하고, 이 산화막과 구리가 반응해버려 도체의 저저항화의 방해가 될 뿐만 아니라 Cu의 확산을 조장해버리기 때문이다. 또한 이 분위기에서는 소망에 의해 아르곤 가스 등의 불활성 가스를 혼입해도 좋다.
이상 상술한 방법에 의해 제작된 배선기판(1)은 Cu 및 W를 주성분으로서 포함하는 내부 배선층(12)을 갖고, 열팽창계수가 검사 대상인 Si웨이퍼의 열팽창계수에 가깝고, 또한 내약품성이 우수한 것이 된다.
(실시예)
(실시예 1)
순도가 99질량%, 평균 입자 지름이 1.8㎛이며, 격자정수 a가 0.7580nm (7.58Å)인 뮬라이트 분말 100질량%에 대하여 순도가 99%이상이며 평균 입경이 1㎛인 Al2O3 분말, 순도가 99%이며 평균 입경이 1.5㎛인 Mn2O3 분말 및 순도가 99%이며 평균 입경이 1.0㎛인 TiO2 분말을 표 1에 나타낸 바와 같은 비율로 혼합하고, 이것에 성형용 유기 수지(유기 바인더)로서 아크릴계 바인더와 유기용매로서 톨루엔을 혼합해서 슬러리를 조제한 후 닥터블레이드법을 이용해서 두께 200㎛의 그린시트를 제작했다.
이어서 얻어진 그린시트를 15층 적층하고, 실온으로부터 600℃의 온도에 있어서 노점을 +25℃로 한 질소 수소 혼합 분위기에서 탈지를 행한 후 계속 소성을 행했다. 소성은 1380℃에서 노점을 +25℃로 한 질소 수소 혼합 분위기에서 1시간 유지한 후 뮬라이트질 소결체를 얻었다.
또한 표 1, 2의 시료Ⅰ-16은 a축의 격자정수가 0.7550nm(7.55Å)인 뮬라이트 분말을 이용한 경우, 시료 No.Ⅰ-17은 알루미나 분말을 첨가한 경우, 시료 No.18은 MnTiO3 분말을 첨가한 경우, 시료 No.Ⅰ-19는 알루미나 분말을 첨가하면서 Mn2O3 분말의 첨가량을 저감시킨 경우 시료 No.Ⅰ-20은 첨가제로서 이산화규소 분말을 첨가한 경우 및 시료 No.Ⅰ-21은 소성 온도를 1360℃로 하고, 노점을 +25℃로 한 질소 수소 혼합 분위기에서 1시간 유지해서 소성한 경우이다.
또한 뮬라이트질 소결체 중에 존재하는 결정의 비율은 뮬라이트질 소결체를 분쇄하고, X선 회절에 의해 얻어지는 메인 피크 위치를 JCPDS를 참조하여 동정함과 아울러 리트벨트 해석을 행함으로써 구했다. 또한 리트벨트 해석을 행하기 위한 X선 회절 패턴으로부터 격자정수 a를 측정했다.
또한 내약품성의 지표로서 뮬라이트질 소결체의 초기 질량 및 100℃의 수산화칼륨 40질량% 수용액에 5시간 침지시킨 후의 뮬라이트질 소결체의 질량을 측정하고, 중량 감소율(「뮬라이트질 소결체의 초기 질량」-「100℃의 수산화칼륨 40질량% 수용액에 5시간 침지시킨 후의 뮬라이트질 소결체의 질량」)/「뮬라이트질 소결체의 초기 질량」× 100[%]을 산출했다.
또한 절연기체의 상대밀도를 아래와 같이 해서 구했다. 우선 얻어진 절연기체(11)를 분쇄해서 피크노미터법에 의해 진밀도를 구했다. 이어서 동일한 절연기체를 이번은 분쇄하지 않고 아르키메데스법에 의해 부피밀도를 구했다. 이어서 부피밀도를 진밀도로 나누어서 상대밀도(%)를 구했다.
또한 소결성의 지표로서 뮬라이트질 소결체를 레드체크액에 침지시킨 후 수세하여 뮬라이트질 소결체가 붉게 염색되는지 아닌지를 확인하여 염색되지 않는 치밀한 것을 ○, 염색이 보여져 치밀하지 않은 것을 ×로 했다.
또한 색 불균일의 지표로서 양 눈에 의한 목시검사에 의해 뮬라이트질 소결체 표면에 직경 1mm이상의 흰 반점이 존재하는지를 확인했다. 확인되지 않는 것을 ○, 되는 것을 ×로 했다.
또한 뮬라이트질 소결체에 있어서의 Mn 및 Ti의 함유량으로부터 구해지는 Mn과 Ti의 몰비 (Mn/Ti)비는 절연기체를 용해시켜서 ICP(Inductively Coupled Plasma) 분석에 의해 구했다.
또한 얻어진 그린시트를 30층 적층해서 제작한 성형체를 상기와 마찬가지의 탈지 및 소성의 조건에서 제작한 뮬라이트질 소결체를 평면연마기를 이용하여 폭 3mm, 두께 2mm, 길이 1mm의 형상의 샘플로 가공해서 TMA분석(열기계 분석)용의 시료를 제작하여 열팽창계수를 측정했다. 이들의 평가는 상대밀도의 평가를 제외한 시료수는 1개로 했다. 상대밀도에 대해서는 시료수 3개의 평균치로부터 구했다.
또한 제작된 그린시트에 대하여 Cu 분말과 W 분말을 Cu가 45체적%, W가 55체적%가 되도록 조제한 도체 페이스트를 각 그린시트의 표면에 인쇄함과 아울러 관통 공내에 충전해서 도체 페이스트를 인쇄 도포한 그린시트를 제작했다.
이어서 이 도체 페이스트를 인쇄 도포한 그린시트를 30층 위치 맞춤해서 적층 압착한 후 이 적층체를 상기와 마찬가지의 탈지 및 소성의 조건에서 소성해서 프로브 카드용 세라믹 배선기판을 제작했다. 기판 사이즈는 340mm×340mm, 두께가 6mm였다.
이어서 제작한 배선기판의 표면을 연마하고, 랜드패턴을 제거한 후 스퍼터법을 이용해서 배선기판의 표면 전면에 두께가 약 2㎛인 티탄 및 구리의 도전성 박막을 순서대로 형성했다.
이어서 포토리소그래피에 의해 티탄 및 구리의 도전성 박막을 패턴 가공하고, 이 구리의 표면에 니켈 및 금의 전해 도금막을 순서대로 형성해서 배선기판의 표면의 비어홀 도체상에 표면 배선층을 형성했다.
이어서 이 배선기판의 표면에 형성한 표면 배선층의 표면에 Si제의 측정단자(프로브 핀)를 접합해서 프로브 카드를 제작했다.
이어서 스테이지상에 재치한 Si웨이퍼의 상면에 프로브 카드의 측정단자인 프로브 핀을 접촉시켜서 90℃의 온도에서 가열한 상태로 유지하고, 프로브 카드의 측면으로부터 실체현미경을 이용해서 프로브 핀과 Si웨이퍼의 표면에 형성된 측정 패드의 위치 어긋남을 관찰했다. 이 경우 프로브 카드 및 Si웨이퍼의 가장 바깥둘레에 형성한 측정단자(프로브 핀)와 측정 패드를 관찰했을 때에 측정단자(프로브 핀)의 선단이 측정 패드상으로부터 옆으로 위치가 어긋나 있는 상태를 위치 어긋남이 있음으로 했다. 또한 이 평가에는 배선 피치가 50㎛ 및 40㎛인 2종류의 Si 웨이퍼를 이용했다.
또한 내부 배선층의 구리 및 텅스텐의 조성은 우선 배선기판으로부터 내부 배선층이 형성된 부위를 잘라내고, 이것을 산에 용해시킨 용액을 ICP(Inductively Coupled Plasma) 분석을 이용해서 도체 재료인 구리 및 텅스텐의 함유량을 질량으로 구했다. 이어서 질량으로서 구한 구리 및 텅스텐의 양을 각각의 밀도로 나누어서 각각의 체적을 구하고, 이어서 구리 및 텅스텐의 합계 체적을 100%으로 했을 때의 구리 및 텅스텐의 비율을 구했다. 또한 제작한 프로브 카드용 배선기판에 형성된 내부 배선층은 구리가 45체적%, 텅스텐이 55체적%인 것을 확인했다. 이들의 결과를 표 1, 2에 나타낸다.
표 1, 2의 결과로부터 밝혀진 것처럼 시료 No.Ⅰ-2~4, Ⅰ-7~9, Ⅰ-16 및 Ⅰ-22의 뮬라이트질 소결체는 모두 상대밀도가 97%이상, 절연기체 열팽창계수(-50~150℃)가 3.2×10-6/℃~3.9×10-6/℃이며, 내약품성 시험에서의 중량 변화율은 0.12중량% 이하였다. 또한 이들의 뮬라이트질 소결체는 그 표면에 색 불균일도 발견되지 않았다. 또한 이들의 뮬라이트질 소결체를 절연기체로 해서 프로브 카드용의 배선기판에 적용한 경우에는 열부하 시험시에 있어서 프로브 카드용의 배선기판에 설치된 측정단자와 Si웨이퍼의 표면에 형성된 배선 피치가 50㎛인 측정 패드의 위치 어긋남이 없어 전기 특성 검사에 바람직하게 사용할 수 있는 것이었다.
또한 이들의 뮬라이트질 소결체에 있어서 Mn과 Ti의 몰비(Mn/Ti)가 0.67~1.00임과 아울러 격자정수 a가 0.7560~0.7569nm인 시료 No. Ⅰ-3, Ⅰ-4, Ⅰ-8, Ⅰ-9 및 Ⅰ-22에서는 배선 피치가 40㎛인 측정 패드를 형성한 Si웨이퍼를 이용한 열부하 시험에 있어서도 위치 어긋남이 없어 양호한 전기 특성 검사에 사용할 수 있는 것이었다.
이것에 대하여 시료 No. Ⅰ-1, Ⅰ-5, Ⅰ-6, Ⅰ-10~15 및 Ⅰ-17~21은 상대밀도가 97%보다 낮거나 열팽창계수(-50~150℃)가 3.2×10-6/℃~3.9×10-6/℃의 범위에 없거나 또는 내약품성 시험에서의 중량 변화율이 0.12질량%보다 큰 것이었다.
(실시예 2)
이어서 실시예 1에서 이용한 원료 분말과 아울러 순도가 99질량%인 MoO3 분말을 이용하고, 표 3에 나타낸 바와 같은 비율로 혼합한 혼합 분말을 조제하여 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 뮬라이트질 소결체 및 배선기판을 제작했다. 소성할 때의 세터로서는 알루미나 제작의 다공질체를 이용했다. 외관불량의 발생률은 제작한 뮬라이트질 소결체의 외관검사를 행해서 평가했다. 이 때 시료수는 39개로 하고, 뮬라이트질 소결체의 표면을 실체현미경을 이용해서 관찰하여 유리상의 스며나옴 및 이물 부착의 유무를 평가했다.
또한 제작한 배선기판에 대해서 배선폭의 측정 패턴을 9개소 잘라내고, 내부배선의 배선폭을 측정하여 배선폭의 편차를 구했다.
또한 절연기체 중에 포함되는 Al, Si, Mn, Ti, Mo의 함유량은 배선기판으로부터 잘라낸 절연기체를 일단 산에 용해시켜서 우선 원자흡광분석에 의해 유전체 자기에 포함되는 원소의 정성분석을 행하고, 이어서 특정한 각 원소에 대해서 표준액을 희석한 것을 표준시료로서 ICP 발광 분광 분석에 의해서 정량화했다. 이 경우 ICP분석에 의해 절연기체 중에 포함되는 알루미늄(Al), 규소(Si), 망간(Mn), 티탄(Ti), 몰리브덴(Mo)의 함유량을 구하고, 이들의 분석치 중 알루미늄(Al) 및 규소(Si)로부터 뮬라이트(3Al2O3?2SiO2) 양을 구하고, 또한 뮬라이트 양에 대한 Mn, Ti, Mo의 양을 산화물 환산으로 구한 결과 표 3에 나타낸 양에 각각 일치하고 있었다.
또한 내부 배선층의 구리 및 텅스텐의 조성은 배선기판으로부터 내부 배선층이 형성된 부위를 잘라내고, 이것을 산에 용해시킨 용액을 ICP분석을 이용해서 도체 재료인 구리 및 텅스텐의 함유량을 질량으로 구했다. 이어서 질량으로서 구한 구리 및 텅스텐의 양을 각각의 밀도로 나누어서 각각의 체적을 구하고, 이어서 구리 및 텅스텐의 합계 체적을 100%로 했을 때의 구리 및 텅스텐의 비율을 구했다. 또한 제작한 배선기판에 형성된 내부 배선층은 구리가 45체적%, 텅스텐이 55체적%인 것을 확인했다. 이들의 결과를 표 3에 나타낸다.
표 3의 결과로부터 밝혀진 것처럼 시료 No. Ⅱ-1~8에서는 내약품성 시험에서의 중량 변화율이 0.09질량% 이하이며, 내약품성을 만족하고, 절연기체의 표면에 이물의 부착이 없어 외관 불량율이 0%이었다.
특히 Mo/Ti 비를 0.125~0.25로 한 시료(시료 No.Ⅱ-2, Ⅱ-4, Ⅱ-5, Ⅱ-6 및 Ⅱ-8)에서는 배선을 검사했을 때의 배선폭의 편차가 3.7㎛이하이며, 절연기체와 배선의 색 콘트라스트가 높아 배선을 검사할 때의 수치 편차를 작게 할 수 있었다.
1 : 배선기판 11 : 절연기체
12 : 내부 배선층 13 : 표면 배선층
14 : 비어홀 도체 2 : 프로브 카드
21 : 측정단자
12 : 내부 배선층 13 : 표면 배선층
14 : 비어홀 도체 2 : 프로브 카드
21 : 측정단자
Claims (6)
- 뮬라이트의 함유량은 79.3~85.2질량%, 알루미나의 함유량은 14.2~19.8질량% 및 MnTiO3의 함유량은 0.6~1.1질량%임과 아울러 상대밀도는 96%이상인 것을 특징으로 하는 뮬라이트질 소결체.
- 제 1 항에 있어서,
Mn과 Ti의 몰비(Mn/Ti)는 0.67~1.00임과 아울러 격자정수 a가0.7560~0.7569nm인 것을 특징으로 하는 뮬라이트질 소결체. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
Mo를 더 포함하고, Al 및 Si를 Al2O3 환산 및 SiO2 환산한 합계량을 100질량%로 했을 때에 상기 Mo를 MoO3 환산으로 0.4~2.1질량% 함유하는 것을 특징으로 하는 뮬라이트질 소결체. - 제 3 항에 있어서,
상기 Mo와 상기 Ti의 몰비(Mo/Ti)는 0.125~0.250인 것을 특징으로 하는 뮬라이트질 소결체. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 뮬라이트질 소결체를 절연기체로 하는 것을 특징으로 하는 배선기판.
- 제 5 항에 기재된 배선기판과,
상기 배선기판의 표면에 설치된 표면 배선층과,
상기 표면 배선층에 접속되어 반도체 소자의 전기 특성을 측정하기 위한 측정단자를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 프로브 카드.
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