TWI472282B - 轉移薄膜元件之方法及具備其之電路板 - Google Patents

Description

轉移薄膜元件之方法及具備其之電路板

本發明係關於一種用於將形成於一支撐基板上之諸如薄膜電容器之薄膜元件轉移至轉移基板上的薄膜元件轉移方法。本發明亦係關於一種具備一或多個經轉移之薄膜元件之電路板。

本申請案基於且主張來自2011年3月11日提出申請之先前日本專利申請案第2011-44551號，題為「轉移薄膜元件之方法(method of transferring thin film component)」之優先權的權利，該案之全部內容以引用之方式併入本文中。

需要提供待安裝於諸如蜂巢式電話之行動通信裝置上的具有低輪廓之併入有IC、電容器及電感器及被動模組的組合式模組。舉例而言，為了該目的，需要用於在印刷板或樹脂基板上形成具有高容量之薄膜電容器之技術。為了在諸如包括聚醯亞胺或TSV之Si仲介層的不耐熱基板上形成薄膜電容器，必須以高於此不耐熱基板之溫度上限之溫度形成薄膜電容器。因此，需要以低溫形成具有高介電常數之薄膜電容器。

日本專利申請公開案第2004-111400號教示一種使用薄膜介電質之多層印刷電路板及其製造方法，其中多層印刷電路板使用該薄膜介電質，及其製造方法，其中介電常數為25或25以上，且膜厚度為1.5 μm或1.5 μm以下，且無機填充劑分散於有機樹脂中。另外，日本專利申請公開案第 H9-148538號教示一種(Ba,Sr)TiO₃ 薄膜電容器及其製造方法，其中由(Ba,Sr)TiO₃ 之主要組合物及佔主要成分的0.1-10莫耳%之si成分構成之有機金屬化合物溶液以約400℃之低溫散佈於基板上以獲得具有高燒結性之薄膜電容器。然而，在以上習知方法中存在與膜形成溫度有關之限制，其阻止獲得具有高容量之薄膜電容器。

獲得具有高容量之薄膜電容器之另一方法為藉由使用諸如Si基板之耐熱基板以600℃或600℃以上之膜形成溫度執行熱處理來形成介電膜。因為此不耐熱基板易受高溫之熱處理的侵害，故此高膜形成溫度方法不可使用諸如聚醯亞胺基板、環氧樹脂基板或TSV(Si通孔電極)基板之不耐熱基板。另一方法為將在諸如Si基板之耐熱基板上形成的高介電薄膜電容器以低溫轉移至不同類型之基板。舉例而言，已知機械地剝離在Si基板上形成之薄膜電容器且接著將所剝離之電容器經由樹脂製成的介入層(結合層)轉移至不同類型之基板。

舉例而言，日本專利申請公開案第2008-4572號教示一種低成本介電結構及其製造方法。介電結構具有高介電常數，且該介電結構在無浪費之情況中形成於所需區域。藉由在轉移之前將具有高剝離特性之層合SiO₂ /Pt結構(例如，考慮到黏附性，包含Ti或TiO₂ 的結構)引入至形成介電膜之耐熱基板上之基極中而形成介電結構。另外，日本專利申請公開案第2002-305334號教示一種藉由使用分離層之基板藉由在功能薄膜結構與包含金屬氮化物之分離層之 間的界面上容易且澈底地執行剝離而具有少量缺陷的功能薄膜。此外，日本專利申請公開案第2008-166757號教示一種使用雷射起離製程之對轉移製程的改良，藉此提供用於薄膜電容器之嵌式印刷板，其可最小化對薄膜電容器之介電膜的損害。

然而，以上習知方法存在各種限制。

本發明之各項態樣提供一種用於在足夠均勻且低的損害之情況中剝離形成於一支撐基板上之一MIM結構(包含下電極/介電層/上電極)膜且接著轉移至一轉移基板上之轉移方法。本發明之各項態樣亦提供一種具備一或多個薄膜元件之薄膜部件，該一或多個薄膜元件係藉由使用該方法轉移至一基板上。

本發明之一態樣係關於一種用於將具有一MIM結構之一薄膜元件自一支撐基板轉移至一轉移基板之轉移方法，該轉移方法包含：在形成於一支撐基板上之一MIM膜的一表面上形成一絕緣膜；在大約(例如)10^-6 至10^-7 Pa之一超真空氣氛中至少在該絕緣膜之一第一表面抑或該轉移基板之一第二表面上形成由金屬及Si製成的一黏合層；在施加一負載的同時結合該支撐基板及該轉移基板以使得該支撐基板之該第一表面與該轉移基板之該第二表面經由該黏合層彼此接觸；及將該MIM膜自該支撐基板轉移至該轉移基板；其中一黏附力F_A 及一黏附力F_B 經控制以滿足F_A >F_B 之關係，其中該黏附力F_A 表示該黏合層之一黏附力，且該黏 附力F_B 表示在該支撐基板與該MIM膜之間的界面處之一黏附力。

本發明之各項態樣亦係關於一種電路板，該電路板包含一薄膜元件，該薄膜元件係藉由以上方法中之任一者經由一黏合層轉移至一轉移基板。除上文所描述之說明性態樣、實施例及特徵之外，其他態樣、實施例及特徵將參考圖式及以下詳細說明而變得顯而易見。

根據本發明之各項態樣，由金屬及Si製成之黏合層可在超真空氣氛中至少形成於在該支撐基板上形成之該MIM膜之表面抑或該轉移基板之另一表面上，且在施加一負載的同時結合該支撐基板及該轉移基板以使得形成於該支撐基板上的該MIM膜之該表面與該轉移基板之該表面經由該黏合層接觸，其中該MIM膜可自該支撐基板剝離且接著轉移至該轉移基板上。為此目的，該MIM膜與該轉移基板之間的黏附力F_A 及/或該MIM膜與該支撐基板之間的黏附力F_B 可經控制以滿足F_A >F_B 之關係，以使得具有一MIM結構之薄膜元件可在足夠均勻且低的損害之情況中自該基底基板剝離且接著轉移至該轉移基板。因此，可獲得具有低輪廓之電路板，該電路板包含藉由使用該轉移方法轉移至該轉移基板的一薄膜元件。

將參看附隨圖式描述各個實施例。在以下描述中，無論是否在不同實施例中展示，已給相似元件賦予相同或類似之參考數字。為了以清楚且簡明之方式說明本發明之實施 例，圖式未必按比例繪示，且某些特徵可以某種程度之示意圖形式來展示。關於一實施例而描述及/或說明之特徵可在一或多個其他實施例中以相同方式或類似方式使用，及/或可結合或替代其他實施例之特徵而使用。

如圖1(A)中所展示，根據此實施例之電路板10包含轉移基板40及薄膜電容器30，Si膜42及黏合層46位於轉移基板40與薄膜電容器30之間。假使轉移基板40或待轉移之MIM膜26之材料需要Si膜42，Si膜42可形成於基板40上。轉移基板40可為由諸如聚醯亞胺之樹脂形成之樹脂基板或諸如TSV之不耐熱基板。舉例而言，黏合層46可由Si及諸如Si-Fe、Si-Au及/或Si-Al之一或多種金屬形成。取決於基板之特徵，各種材料可用於黏合層46。薄膜電容器30具有MIM結構，該MIM結構包含由電極層20、24包夾之具有高介電常數之介電層22。舉例而言，電極層20、24之材料可包括Pt或由RuO或IrO製成之導電膜。舉例而言，介電層22之材料可包括BaSrTiO₃ 、BaTiO₃ 或SrTiO₃ 。如所展示，薄膜電容器30之表面可藉由絕緣保護膜48覆蓋。舉例而言，保護膜48之材料可包括SiO₂ 、SiN或Al₂ O₃ 。薄膜電容器30可藉由高溫製程形成於耐熱支撐基板上且接著轉移至轉移基板40上。

現在將參考圖2(A)至(G)描述根據本發明之一態樣的轉移製程。首先，如圖2(A)所展示，製備Si基底基板作為支撐基板12，舉例而言，藉由熱氧化將SiO₂ 膜14形成於支撐基板12上。雖然SiO₂ 膜14之厚度可為(例如)200 nm或200 nm以上以便與支撐基板12絕緣，但考慮到表面粗糙度可影響在稍後步驟中形成之MIM膜26之黏附性，需要SiO₂ 膜14之表面粗糙度儘可能小。接下來，TiOX層15、電極層16、層間絕緣層18、電極層20、介電層22、電極層24按此順序藉由濺鍍形成於SiO₂ 膜14之上。MIM膜26包括電極層20、介電層22及電極層24。在此實施例中，電極層16、20、22可由(例如)P製成，層間絕緣層18可由(例如)BST製成，且介電層22可由(例如)Mn-BST製成。另外，藉由CVD或任何其他適當製程將作為絕緣層28之SiN膜形成於MIM膜26上。

隨後，藉由對絕緣層28之前表面應用氫電漿處理或藉由對支撐基板12之後表面應用氫植入(氫注入)處理，降低由圖2(C)中之箭頭表示之Pt/BST界面(亦即，層間絕緣層18與電極層20之間的界面)之黏附性。因層間絕緣層18由易受氫侵害之BST製成，故黏附性降低。任何其他適當製程可用以降低支撐基板12及MIM膜26之界面的黏附性。接下來，對圖2(C)中所展示之層合結構進行膠帶剝離測試，且接著在所得結構之支撐基板12之表面上進行藉由XPS之組合物分析。該組合物分析展示支撐基板12之表面由BST膜(層間絕緣膜18)表面形成。

如圖2(D)所展示，與包括支撐基板12之部分獨立地製備轉移基板(例如，Si基板、玻璃基板或藍寶石基板)40，Si膜42藉由(例如)濺鍍形成於該轉移基板上，且接著分別將黏合層46A及46B形成於Si膜42之表面及支撐基板12之絕緣 層28之表面上。彼等黏合層46A及46B可由藉由在大約(例如)10^-6 至10^-7 Pa之超真空氣氛中輻射Si-Fe離子束形成的奈米黏合層製成。可提供黏合層46A及46B以便維持MIM膜26與轉移基板40之間的高黏附性。可經由選擇輻射條件來控制MIM膜26之絕緣層28與轉移基板40之Si膜42之間的黏附力F_A (如圖1(B)中所展示)。舉例而言，藉由改變輻射條件以使得黏附力F_A 及黏附力F_B (黏附力F_B 為支撐基板12之層間絕緣膜拜18與電極層20(或MIM膜26)之間的界面處的黏附力(如圖1(B)中所展示))滿足以下關係：F_A >F_B ，自支撐基板12剝離MIM膜26且接著將其轉移至轉移基板40之部分。

接下來，如圖2(E)中所展示，支撐基板12及轉移基板40彼此黏著以使得支撐基板12之黏合層46B及轉移基板40之黏合層46A可彼此接觸，且接著在對其施加負載的同時，彼等基板可在真空氣氛中結合。可根據基板之材料改變真空度。可在大氣中結合基板12及40。如上文所描述，因層間黏附力經控制以便滿足關係F_A >F_B ，故當轉移基板40移動離開支撐基板12時，可自支撐基板12剝離MIM膜26且接著將其轉移至轉移基板40上(如圖2(F)中所展示)。應注意，在圖2(F)中，與在圖2(E)中所說明之彼等部分相比，基板40被說明為垂直倒轉。認為所得轉移基板40及MIM膜26經由Si化合物/Si層(亦即，包括Si膜42及黏合層46之中間層)彼此結合。若需要，可藉由任何適當方法移除保持於所剝離之MIM膜26之電極層20上之層間絕緣層18的部 分。隨後，MIM膜26之電極層20(上電極)、介電層22及電極層24(下電極)藉由(例如)諸如RIE之乾式蝕刻製程處理以形成如圖2(G)中所展示之MIM電容器30。MIM電容器30經由Si膜42及黏合層46設在轉移基板40之上。接著，適當接線(未展示)可設在MIM電容器30之上部部分上以便連接電容器30及電路，且可提供保護膜48。因此，可獲得此實施例之電路板10。

如所描述，在此實施例中，由適當金屬及Si製成之黏合層46A及46B在超真空氣氛中形成於絕緣層28(其設在支撐基板12之MIM膜26上)之表面上及Si膜42(其設在轉移基板40上)之表面上，且在對其施加負載的同時，將支撐基板12及轉移基板40彼此結合以使得各別黏合層46A及46B可彼此接觸，且接著將MIM膜26剝離且自支撐基板12轉移至轉移基板40。在彼等製程期間，藉由控制MIM膜26與轉移基板40側之間的黏附力F_A 以及用於減小MIM膜26與支撐基板12側之間的黏附力F_B 之製程，滿足關係F_A >F_B 。因此，可獲得以下例示性有利效應：

(1)具有MIM結構之薄膜元件(薄膜電容器30)可在對薄膜元件的損害足夠均勻且低之情況中轉移至轉移基板40。

(2)具有高容量之薄膜電容器30可在不必進行任何高溫製程之情況中轉移至轉移基板40(不耐熱基板)上，此舉導致包括薄膜電容器30之電路具有較小大小及較低輪廓。

(3)在無須有損於在轉移製程之前存在於支撐基板12上之元件的情況中，MIM膜26可轉移至轉移基板40(不耐熱 基板)上。

(4)在剝離MIM膜26之後，可再使用支撐基板12，此情形可導致更有效之資源利用及成本降低。

接下來，將參看圖3及4描述根據本發明之薄膜元件之轉移製程的另一實施例。如圖3(F)中所展示，除了其轉移製程之外，電路板50具有與圖1中所展示之電路板10相同之結構。亦即，雖然以上實施例可藉由控制MIM膜26與轉移基板40側之間的黏附力F_A 及MIM膜26與基底基板12側之間的黏附力F_B 兩者而在足夠均勻且低的損害之情況中剝離且轉移MIM膜26，但此實施例主要在剝離及轉移MIM膜26之過程中控制黏附力F_A 。

如圖3(A)中所展示，正如圖1及2中所展示之以上實施例，首先，製備基底Si基板作為支撐基板12，SiO₂ 膜14藉由(例如)熱氧化形成於該支撐基板12上。接下來，如圖3(B)中所展示，藉由對絕緣層14之表面應用氟電漿處理來將SiOF層(層間絕緣層52)(其介電常數低於SiO₂ 膜之介電常數)形成於絕緣層14之表面上。氟電漿處理可在電漿製程條件(其中化學活性自由基物質)下執行。根據此實施例之氟電漿處理不僅可控制黏附力F_A 還促進自支撐基板12剝離MIM膜26。接下來，如圖3(C)中所展示，電極層20、介電層22及電極層24可藉由濺鍍或任何其他適當方法形成於層間絕緣層52上或層間絕緣層52之上。另外，SiN膜藉由CVD或任何其他適當方法形成於電極層24上作為絕緣層28。

接著，藉由輻射離子束而將Si-Fe黏合層46A及46B形成於具有Si膜42之轉移基板40之表面上及支撐基板12之絕緣層28之上表面上(圖3(D))，以使得兩個基板之表面之間的黏附性足夠高。隨後，如圖3(E)中所展示，在施加負載的同時，使支撐基板12及轉移基板40彼此結合以使得黏合層46A及46B彼此接觸，其中可控制絕緣層28(與MIM膜26相關聯)與Si膜42(與轉移基板40相關聯)之間的黏附力F_A ，使其大於MIM膜26與層間絕緣層52之間的黏附力F_B 以便使得可在圖3(F)中所展示之製程中將MIM膜26轉移至轉移基板40上，此製程稍後將進一步描述。黏附力F_A 之控制可經由圖3(D)中所說明之製程進行。

可藉由調整形成於支撐基板12側上之黏合層46A之組合物或結合狀態來控制Si-SiN基板(Si基板及形成於Si基板上之SiN膜(絕緣層28))之黏附力(或結合力)。在此實施例中，黏合層46B形成於轉移基板40側上。圖4展示經由XPS獲得之表面組合物與Si表面中的Fe(在距表面約5 mm深度處)之黏合強度之間的關係，其中水平軸表示Fe之觀測信號強度，且垂直軸表示結合能(J/m² )。如所展示，表面處存在之Fe含量愈高，黏合強度變得愈高。因此，可增強Si與SiN之間的黏性。亦即，可藉由調整Fe含量來控制黏附力F_A 。

當在結合之後使支撐基板12移動遠離轉移基板40時，因滿足了關係F_A >F_B ，故MIM膜26被從支撐基板12剝離且接著轉移至轉移基板40。圖3(F)垂直倒轉地展示所得基板。 接下來，如圖3(G)中所展示，藉由(例如)諸如RIE之乾式蝕刻製程處理電極層20、介電層22、電極層24以在轉移基板40之上形成MIM電容器30。接著，適當接線(未展示)可提供於元件之上部部分上以便連接元件及電路。因此，可獲得根據此實施例之電路板50。根據此實施例，除了上述有利效應，由於藉由氟電漿處理來處理支撐基板12之表面以形成低介電常數層(層間絕緣層52)，故還可增強支撐基板12側與電極材料電極層20之間的鏡像嚙合力。

接下來，將參考圖5描述根據本發明之又一實施例之薄膜元件之轉移製程。在此實施例中，在將MIM膜26轉移至轉移基板40側上之前形成MIM電容器30。圖5(A)至圖5(H)展示根據此實施例的轉移製程之實例。首先，按與上文結合圖3(A)及圖3(B)中所展示之實施例所描述實質相同之方式在基底Si基板之上形成絕緣層14及SiOF層(層間絕緣層52)。接下來，如圖5(A)中所展示，藉由濺鍍或任何其他適當方法將電極層20、介電層22及電極層24形成於層間絕緣層52之上。藉由(例如)乾式蝕刻製程處理彼等電極層20及24及介電層22以形成如圖5(B)中所展示之具有MIM結構之MIM電容器30。另外，如圖5(C)中所展示，將作為鈍化膜62之SiN膜形成於MIM電容器30上。

接下來，藉由使用離子束蝕刻SiO₂ -SiOF層(絕緣層14-層間絕緣層52)與電極層20之間的界面來機械地形成由圖5(D)中之箭頭P表示之剝離原點，該離子束來自形成於支撐基板12上之MIM電容器30上方。與此同時，將由Si-Fe製 成之黏合層46B形成於鈍化膜62上。黏合層46B可充當給轉移基板40提供高黏性之結合中間層。隨後，如圖5(E)中所展示，可藉由用離子束輻射具備Si膜42之轉移基板40側之表面來形成由Si-Fe製成之黏合層46A，以使得與支撐基板12之MIM電容器30側的黏性足夠高。接下來，如圖5(F)中所展示，將支撐基板12側之結合中間層(黏合層46B)及轉移基板40側之黏合層46A置放為緊密接觸，且對其施加負載以使得Si膜42及黏合層46A及46B充分結合。

在此實施例中，在圖5(D)所說明之步驟中提供於層間絕緣層與電極層20之間的界面上之剝離原點可導致在界面處之黏附力F_B 小於黏合層46處之黏附力F_A ，此舉允許在使基底基板12移動遠離轉移基板40時自基底基板12側剝離MIM電容器30且接著將其轉移至轉移基板40側。在圖5(G)中垂直倒轉地展示所得元件。接下來，如圖5(H)中所展示，使用適當處理來處理轉移基板40，且將與MIM電容器30之電極層24連接之導體66填充於介層孔64中以形成電路板60。至電極層24之電連接可按任何適當方式進行。根據此實施例，歸因於形成於電極及支撐基板12上之實體剝離原點，可促進MIM電容器30之剝離及轉移。

本發明在本文所描述之特定實施例方面不受限制，該等特定實施例意欲說明各項態樣。如熟習此項技術者顯而易見，在不脫離本發明之精神及範疇之情況中可進行許多修改及變更。舉例而言，本發明可應用於具備MIM結構之薄膜元件的各種已知轉移技術。

10‧‧‧電路板

12‧‧‧支撐基板

14‧‧‧SiO₂ 膜

15‧‧‧TiOX層

16‧‧‧電極層

18‧‧‧層間絕緣層

20‧‧‧電極層

22‧‧‧介電層

24‧‧‧電極層

26‧‧‧MIM膜

28‧‧‧絕緣層

30‧‧‧薄膜電容器

40‧‧‧轉移基板

42‧‧‧Si膜

46‧‧‧黏合層

46A‧‧‧黏合層

46B‧‧‧黏合層

48‧‧‧絕緣保護膜

50‧‧‧電路板

52‧‧‧層間絕緣層

60‧‧‧電路板

62‧‧‧鈍化膜

64‧‧‧介層孔

66‧‧‧導體

F_A ‧‧‧黏附力

F_B ‧‧‧黏附力

P‧‧‧箭頭

圖1(A)展示根據本發明之一實施例之電路板之層合結構的橫截面；且圖1(B)展示說明存在於薄膜元件與支撐基板之間的剝離界面及存在於薄膜元件與轉移基板之間的黏附界面的橫截面；圖2(A)-(G)展示說明根據本發明之一態樣之轉移製程之程序橫截面圖；圖3(A)-(G)展示說明根據本發明之另一態樣之轉移製程之程序橫截面圖；圖4展示說明表面組合物與Si表面中的Fe之黏合強度之間的實例關係的曲線圖，該Si表面係根據圖3中所展示之實施例而製造；及圖5(A)-(G)展示說明根據本發明之又一態樣之轉移製程之程序橫截面圖。

10‧‧‧電路板

12‧‧‧支撐基板

20‧‧‧電極層

22‧‧‧介電層

24‧‧‧電極層

28‧‧‧絕緣層

30‧‧‧薄膜電容器

40‧‧‧轉移基板

42‧‧‧Si膜

46‧‧‧黏合層

48‧‧‧絕緣保護膜

F_A ‧‧‧黏附力

F_B ‧‧‧黏附力

Claims (10)

1. 一種轉移薄膜元件之方法，其係用於將具有一MIM結構之一薄膜元件自一支撐基板轉移至一轉移基板之轉移方法，其包含：在形成於一支撐基板上之一MIM膜的一表面上，以使與該MIM膜之界面之黏附力為F_B 的方式形成一絕緣膜；在10^-6 至10^-7 Pa之一超高真空中，在該支撐基板側之該絕緣膜之一表面與該轉移基板側之一表面之至少一方的表面上，以F_A >F_B 的關係形成包含金屬及Si之黏附力F_A 的一黏合層；施加一負載並結合該支撐基板之形成有該MIM膜側之表面及該轉移基板之表面，以使得該支撐基板之該表面與該轉移基板之該表面以夾著該黏合層的方式彼此接觸；及分離該支撐基板及該轉移基板，並將該MIM膜自該支撐基板轉移至該轉移基板。
2. 如請求項1之方法，其中在該轉移基板側亦形成黏合層時，於該轉移基板上形成一Si膜後，於該Si膜上形成該黏合層。
3. 如請求項1或2之方法，其中該支撐基板為耐熱基板，該轉移基板為不耐熱基板，且該MIM膜係為以一上電極及一下電極夾著一高介電常數之一介電膜之結構。
4. 如請求項1或2之方法，其中以滿足F_A >F_B 之關係來控制該黏合層之形成。
5. 如請求項4之方法，其中介隔層間絕緣層在該支撐基板上形成該MIM膜，且以滿足F_A >F_B 之關係，減小藉由該層間絕緣層之該支撐基板與該MIM膜之該黏附力F_B 。
6. 如請求項5之方法，其中減少該層間絕緣層之黏附性之處理係經由氫電漿處理或氫植入處理來進行。
7. 如請求項5之方法，其中減小該層間絕緣層之黏附性之處理係在將該MIM膜形成至該層間絕緣層上之前進行。
8. 如請求項5之方法，其中在該MIM膜形成於該層間絕緣層上之後，在該MIM膜與該層間絕緣層之界面形成機械性之剝離原點。
9. 如請求項1或2之方法，其中在形成該MIM膜之後且在形成該絕緣膜之前，或者將該MIM膜轉移至該轉移基板後，藉由處理該MIM膜來形成一MIM電容器結構。
10. 一種電路板，其包含一薄膜元件，該薄膜元件係藉由請求項1至9中之該等方法中之任一者經由該黏合層而轉移至該轉移基板。