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JP4564343B2 - 導電材充填スルーホール基板の製造方法 - Google Patents

導電材充填スルーホール基板の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、導電材充填スルーホール基板の製造方法に係り、特に半導体チップを搭載するための多層配線基板等の高密度配線基板の形成を可能とする導電材充填スルーホール基板の製造方法に関する。
近年、電子機器の高機能化、小型化、軽量化が進む中で、半導体パッケージの小型化、多ピン化、外部端子のファインピッチ化が求められており、高密度配線基板の要求がますます強くなっている。このため、ＬＳＩを直接プリント配線基板に実装したり、あるいはＣＳＰ(Chip Size Package)、ＢＧＡ(Ball grid Array)をプリント配線基板に実装するようになってきた。そして、プリント配線基板も高密度化に対応するために、配線およびビアを１層づつ電気絶縁層を介してコア基板に多層に積み上げていくビルドアップ法で製作した多層配線基板を使用するようになってきた。
従来の一般的なビルドアップ多層配線基板では、絶縁基板にドリルでスルーホールを設け、このスルーホール内側に金属めっきを施し、スルーホール内に樹脂または導電性ペーストを充填して形成された導電材充填スルーホール基板が使用されていた（特許文献１）。この導電材充填スルーホール基板は、スルーホールを介して表裏が導通されたものであり、この導電材充填スルーホール基板上に配線を電気絶縁層を介して多層に積み上げることで多層配線基板が作製されていた。また、最近では、樹脂を充填したスルーホールに蓋めっき（スルーホールの開口部分を塞ぐようにめっき層を形成すること）を行い、上記の蓋めっき部分の直上にビアを配置し、さらに、このビア上にビアを配置するスタック構造の多層配線基板が開発されている（特許文献２）。
特開平９−１３００５０号公報 特開２００３−２３２５１号公報
しかし、従来のスルーホールの形成はドリル加工で行っていたため、スルーホールの開口径はドリル径よりも小さくすることができず、微細なドリルを用いたドリル加工では、ドリルの破損頻度が高いものであった。このため、スルーホールの微細化が困難であり、配線設計の自由度が限定されるという問題があった。
また、樹脂を充填したスルーホールに蓋めっきを行った構造では、使用する絶縁基板の熱収縮・熱膨張によって、スルーホール内部に充填した樹脂が伸縮し、これにより、蓋めっき部分に形成されたビアに応力が集中し易く、接続信頼性が低いという問題もあった。この問題は、スルーホール内に導電材のみを充填した導電材充填スルーホール基板を使用することにより解消できるが、スルーホールに充填した導電材に空隙部が存在すると、設計通りの電気特性が得られないという問題があった。
本発明は、上記のような実情に鑑みてなされたものであり、スルーホール内に充填された導電材に空隙部のない導電材充填スルーホール基板を製造するための製造方法を提供することを目的とする。
このような目的を達成するために、本発明は、スルーホール内に導電材が充填されて表裏導通がとられた導電材充填スルーホール基板の製造方法において、スルーホールを備えたコア基板の一方の面上に、少なくとも前記スルーホールに開口部を有する下地導電層を形成する工程と、該下地導電層を給電層として電解めっきにより前記開口部を閉塞し、該閉塞部位から前記スルーホール内に導電材を充填する工程と、を有するような構成とした。
本発明の好ましい態様として、前記スルーホールを備えたコア基板は、プラズマを利用したドライエッチングにより開口径が１０〜１００μｍの範囲内にあるスルーホールをコア基板に穿設して形成するような構成とした。
本発明の好ましい態様として、前記スルーホールを備えたコア基板は、コア基板の一方の面から、プラズマを利用したドライエッチングにより開口径が１０〜１００μｍの範囲内にある微細孔を所定の深さまで穿設し、その後、コア基板の他方の面を研磨して前記微細孔を露出させスルーホールとすることにより形成するような構成とした。
本発明の好ましい態様として、前記下地導電層の形成は、蒸着法、スパッタリング法のいずれかにより行うような構成とした。
本発明の好ましい態様として、前記スルーホールを、その開口径が１０〜７０μｍの範囲内となるように形成するような構成とした。
本発明の好ましい態様として、前記コア基板はシリコン基板またはガラス基板であるような構成とした。
本発明の好ましい態様として、前記導電材は銅であるような構成とした。
本発明の好ましい態様として、下地導電層を形成する前に、前記コア基板の少なくともスルーホールの内壁面に絶縁層と導電性物質拡散防止層を形成するような構成とした。
本発明の好ましい態様として、前記絶縁層および前記導電性物質拡散防止層の形成は、前記スルーホールの内壁面側から、導電性物質拡散防止層／絶縁層２、絶縁層１／導電性物質拡散防止層／絶縁層２、絶縁層２／導電性物質拡散防止層／絶縁層２、絶縁層１／絶縁層２／導電性物質拡散防止層／絶縁層２のいずれかの順に行い、前記絶縁層１を形成する場合には、前記コア基板としてシリコン基板を使用し、該シリコン基板に熱酸化処理を施し酸化珪素膜を形成して前記絶縁層１とし、前記絶縁層２の形成では、プラズマＣＶＤ法により酸化シリコン膜または窒化シリコン膜を形成するような構成とした。
本発明の好ましい態様として、前記導電性物質拡散防止層は、窒化チタン、チタンおよびクロムのいずれかからなる薄膜であるような構成とした。
本発明の好ましい態様として、前記導電性物質拡散防止層の形成は、ＭＯ−ＣＶＤ法、スパッタリング法のいずれかにより行うような構成とした。
本発明の好ましい態様として、前記下地導電層は、銅、ニッケル、チタン、クロムおよびタングステンのいずれかからなる単層構造であるような構成とし、また、前記スルーホールの開口径が３０μｍ以下である場合、前記導電性物質拡散防止層の形成は、ＭＯ−ＣＶＤ法により行うような構成とした。
本発明の好ましい態様として、前記下地導電層は、銅、ニッケル、チタン、クロムおよびタングステンから選択される２種以上の組み合わせからなる多層構造であるような構成とした。
本発明の好ましい態様として、多層構造である前記下地導電層は、前記コア基板側からチタン／銅の２層構造、チタン／ニッケルの２層構造のいずれかであるような構成とした。
本発明の好ましい態様として、前記下地導電層を、厚みが１０〜１０００ｎｍの範囲となるように形成するような構成とした。
本発明の好ましい態様として、前記スルーホールを備えたコア基板の厚みが５０〜７２５μｍの範囲であるような構成とした。
本発明によれば、コア基板の一方の面に形成した下地導電層を給電層としてスルーホール内に一方向から導電材を析出、成長させて充填するので、空隙部を生じることなく緻密な導電材をスルーホール内に形成でき、設計通りの電気特性を発現する導電材充填スルーホール基板を得ることができる。また、プラズマを利用したドライエッチングによりスルーホールを形成する場合、開口径の小さいスルーホールの形成が可能となるが、この場合にも、空隙部を生じることなく導電材を充填することができるので、狭ピッチでスルーホールを備えた導電材充填スルーホール基板を得ることができる。さらに、スルーホール内に樹脂を配設することがないので、接続信頼性の高い導電材充填スルーホール基板を得ることができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の導電材充填スルーホール基板の製造方法の一実施形態を示す工程図である。
本発明の導電材充填スルーホール基板の製造方法では、コア基板１２の一方の面１２ａに所定の開口１４ａを有するマスクパターン１４を形成し、このマスクパターン１４をマスクとしてプラズマを利用したドライエッチング法であるＩＣＰ−ＲＩＥ(Inductive Coupled Plasma - Reactive Ion Etching)によりコア基板１２に所定の深さで微細孔１３′を穿設する（図１（Ａ））。
コア基板１２は、例えば、シリコン、ガラス等を使用することができる。尚、コア基板１２の表面１２ａ、裏面１２ｂには、必要に応じて二酸化珪素、窒化珪素等の電気絶縁膜が形成されてもよい。
また、マスクパターン１４は、ドライエッチング耐性のある材料を用いて形成することができ、例えば、ノボラック樹脂を用いたポジ型レジストを使用して形成することができる。また、コア基板１２に比べエッチング選択比が小さい（エッチング速度が小さい）材料、例えば、シリコンからなるコア基板１２に対して、酸化シリコン、窒化シリコン等を使用してマスクパターン１４を形成することができる。
形成する微細孔１３′の開口径は、１０〜１００μｍ、好ましくは１０〜７０μｍの範囲内で適宜設定することができる。また、微細孔１３′の深さは、作製する導電材充填スルーホール基板の厚み（例えば、５０〜７２５μｍ）を考慮して設定することができ、例えば、７０〜７４５μｍの範囲内で適宜設定することができる。このように、プラズマを利用したドライエッチング法によりスルーホール用の微細孔１３′を形成することにより、開口径の小さいスルーホールの形成が可能となる。
次に、コア基板１２からマスクパターン１４を除去し、コア基板１２の他方の面１２ｂを研磨して、微細孔１３′を露出させてスルーホール１３を形成する（図１（Ｂ））。これにより、スルーホール１３を備えたコア基板１２が得られる。
尚、このように形成したスルーホール１３の内壁面、表面に、絶縁層、導電性物質拡散防止層を必要に応じて形成してもよい。
絶縁層としては、コア基板１２がシリコン基板である場合には、熱酸化を施すことに酸化珪素膜を形成することができる。また、シリコンおよび他の材質のコア基板１２に対して、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）により酸化シリコン膜、窒化シリコン膜を形成して絶縁層としてもよい。このような絶縁層の厚みは、例えば、５００〜４０００ｎｍの範囲で設定することができる。
また、導電性物質拡散防止層は、窒化チタン、チタン、クロム等からなる薄膜とすることができる。このような導電性物質拡散防止層は、例えば、ＭＯ−ＣＶＤ（Metal Organic - Chemical Vapor Deposition）やスパッタリング法により形成することができ、特にスルーホール１３の開口径が３０μｍ以下の場合には、ＭＯ−ＣＶＤにより形成することが好ましい。
上記のような絶縁層、導電性物質拡散防止層は、例えば、スルーホール１３の内壁面側から、導電性物質拡散防止層／絶縁層の順、絶縁層１／導電性物質拡散防止層／絶縁層２の順、絶縁層２／導電性物質拡散防止層／絶縁層２の順、絶縁層１／絶縁層２／導電性物質拡散防止層／絶縁層２の順、に形成することができる。尚、上記の絶縁層１は、上述の熱酸化法、プラズマＣＶＤ法により形成した絶縁層であり、絶縁層２は、上述のプラズマＣＶＤ法により形成した絶縁層である。
次に、コア基板１２の一方の面１２ｂに下地導電層１５を形成する（図１（Ｃ））。この下地導電層１５は、スルーホール１３に対応した開口部１５ａを有するものであり、蒸着法、スパッタリング法等により形成することができる。このような下地導電層１５は、銅、ニッケル、チタン、クロム、タングステン等の単層構造、あるいは、これらの２種以上の組み合わせ（例えば、チタン／銅、チタン／ニッケル）等の多層構造とすることができ、下地導電層１５の厚みは、例えば、１０〜１０００ｎｍ程度に設定することができる。尚、図示例では、前工程で研磨を行ったコア基板１２の面１２ｂに下地導電層１５を形成したが、一方の面として、面１２ａに下地導電層１５を形成してもよい。
次いで、下地導電層１５を給電層として、電解めっきにより微細孔１３内に導電材１６を充填する（図１（Ｄ））。この電解めっき工程では、下地導電層１５上に導電材１６が析出するとともに、電界密度の高い開口部１５ａに集中的に導電材１６が析出して、開口部１５ａが閉塞される。そして、この閉塞部位からスルーホール１３の内部方向に導電材１６が析出、成長し、スルーホール１３内が導電材１６で充填される。このように、本発明では、下地導電層１５を給電層としてスルーホール１３内に、一方向から導電材１６を析出、成長させて充填するので、空隙部を生じることなく緻密な導電材１６をスルーホール内に形成することができる。
次に、コア基板１２の面１２ａ上の余分な導電材１６と、面１２ｂ上の余分な導電材１６、下地導電層１５を研磨して除去することにより、導電材充填スルーホール基板１１が得られる（図１（Ｅ））。
尚、上述の実施形態は例示であり、本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。例えば、所望の厚みのコア基板１２に、プラズマを利用したドライエッチング法であるＩＣＰ−ＲＩＥ(Inductive Coupled Plasma - Reactive Ion Etching)により直接スルーホール１３を穿設してもよい。
次に、具体的実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明する。
［実施例１］
コア基板として、厚み６２５μｍ、直径１５０ｍｍのシリコン基板を準備し、このコア基板の一方の面にノボラック系のポジ型レジスト材料（東京応化工業（株）製ＰＭＥＲ−Ｐ−ＬＡ９００ＰＭ）を塗布し、スルーホール形成用のフォトマスクを介して露光、現像した。これにより、開口径が１０μｍ、３０μｍ、７０μｍ、１００μｍの４種の円形開口を有し、開口径１０μｍの開口が２０μｍピッチ、開口径３０μｍの開口が６０μｍピッチ、開口径７０μｍの開口が１５０μｍピッチ、開口径１００μｍの開口が２００μｍピッチで、それぞれ形成されたマスクパターンを形成した。
次に、このマスクパターンをマスクとして、コア基板にＩＣＰ−ＲＩＥ(Inductive Coupled Plasma - Reactive Ion Etching)によりドライエッチングを行い複数の微細孔を形成した。この微細孔の深さは約２５０μｍとした。
次に、不要なマスクパターンを除去し後、コア基板の裏面を研磨して、微細孔を露出させてスルーホールを形成した。これにより、スルーホールを備えたコア基板（厚み２００μｍ）を得た。
次いで、このコア基板の一方の面にスパッタリング法によりチタンからなる厚み３０ｎｍの層と、銅からなる厚み２００ｎｍからなる積層構造の下地導電層を形成した。
次いで、下地導電層を給電層として、下記組成のフィルドめっき液を使用し電解めっき（平均電流密度１Ａ／ｄｍ2）を５時間行うことにより、コア基板の裏面から銅めっきを施し、スルーホール内に銅を充填した。
（フィルドめっき液の組成）
・硫酸 … ５０ｇ／Ｌ
・硫酸銅 … ２００ｇ／Ｌ
・塩素イオン … ５０ｍｇ／Ｌ
・添加剤（上村工業（株）製 ＥＳＡ２１−Ａ） … ２．５ｍＬ／Ｌ
・添加剤（上村工業（株）製 ＥＳＡ２１−Ｂ） … １０ｍＬ／Ｌ
次に、コア基板上の余分な銅被膜、下地導電層を研磨して除去して、導電材充填スルーホール基板を得ることができた。
上記のようにして作製した導電材充填スルーホール基板について、スルーホール内の導電材（銅）の充填状態を光学顕微鏡で観察した結果、空隙部のない緻密なものであることが確認された。
［実施例２］
下地導電層の形成を、スパッタリング法から蒸着法に切り換えて、チタンからなる厚み３０ｎｍの層と、銅からなる厚み２００ｎｍからなる積層構造の下地導電層を形成し、また、フィルドめっき液として、下記組成のフィルドめっき液を使用した他は、実施例１と同様にして、導電材充填スルーホール基板を作製した。
（フィルドめっき液の組成）
・荏原ユージライト（株）製CU-BRITE VFII A … ５０ｍＬ／Ｌ
・荏原ユージライト（株）製CU-BRITE VFII B … ４ｍＬ／Ｌ
・硫酸 … ５０ｇ／Ｌ
・硫酸銅 … ２００ｇ／Ｌ
・塩酸 … ４０ｇ／Ｌ
このようにして作製した導電材充填スルーホール基板について、スルーホール内の導電材（銅）の充填状態を光学顕微鏡で観察した結果、空隙部のない緻密なものであることが確認された。
［比較例］
まず、実施例１と同様にして、スルーホールを備えたコア基板（厚み２００μｍ）を作製した。
次いで、ＭＯ−ＣＶＤ（Metal Organic - Chemical Vapor Deposition）により、コア基板の両面とスルーホール内に銅からなる下地導電層（厚み２００ｎｍ）を形成した。
次いで、下地導電層を給電層として、実施例１と同様のフィルドめっき液、およびめっき条件で電解めっきを行うことにより、コア基板の両面に銅めっきを施し、スルーホール内に銅を充填した。
次に、コア基板上の余分な銅被膜、下地導電層を研磨して除去して、導電材充填スルーホール基板を得た。
上記のようにして作製した導電材充填スルーホール基板について、スルーホール内の導電材（銅）の充填状態を光学顕微鏡で観察した結果、長さ２００μｍのスルーホールの中に、最大約１００μｍの長さに亘って空隙部が点在することが確認された。
種々の配線基板、多層配線基板、電子機器等の製造において有用である。
本発明の導電材充填スルーホール基板の製造方法の一実施形態を示す工程図である。
符号の説明
１１…導電材充填スルーホール基板
１２…コア基板
１３…スルーホール
１３′…微細孔
１５…下地導電層
１６…導電材

Claims (17)

  1. スルーホール内に導電材が充填されて表裏導通がとられた導電材充填スルーホール基板の製造方法において、
    スルーホールを備えたコア基板の一方の面上に、少なくとも前記スルーホールに開口部を有する下地導電層を形成する工程と、
    該下地導電層を給電層として電解めっきにより前記開口部を閉塞し、該閉塞部位から前記スルーホール内に導電材を充填する工程と、を有することを特徴とする導電材充填スルーホール基板の製造方法。
  2. 前記スルーホールを備えたコア基板は、プラズマを利用したドライエッチングにより開口径が１０〜１００μｍの範囲内にあるスルーホールをコア基板に穿設して形成することを特徴とする請求項１に記載の導電材充填スルーホール基板の製造方法。
  3. 前記スルーホールを備えたコア基板は、コア基板の一方の面から、プラズマを利用したドライエッチングにより開口径が１０〜１００μｍの範囲内にある微細孔を所定の深さまで穿設し、その後、コア基板の他方の面を研磨して前記微細孔を露出させスルーホールとすることにより形成することを特徴とする請求項１に記載の導電材充填スルーホール基板の製造方法。
  4. 前記下地導電層の形成は、蒸着法、スパッタリング法のいずれかにより行うことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の導電材充填スルーホール基板の製造方法。
  5. 前記スルーホールを、その開口径が１０〜７０μｍの範囲内となるように形成することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の導電材充填スルーホール基板の製造方法。
  6. 前記コア基板はシリコン基板またはガラス基板であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の導電材充填スルーホール基板の製造方法。
  7. 前記導電材は銅であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の導電材充填スルーホール基板の製造方法。
  8. 下地導電層を形成する前に、前記コア基板の少なくともスルーホールの内壁面に絶縁層と導電性物質拡散防止層を形成することを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の導電材充填スルーホール基板の製造方法。
  9. 前記絶縁層および前記導電性物質拡散防止層の形成は、前記スルーホールの内壁面側から、導電性物質拡散防止層／絶縁層２、絶縁層１／導電性物質拡散防止層／絶縁層２、絶縁層２／導電性物質拡散防止層／絶縁層２、絶縁層１／絶縁層２／導電性物質拡散防止層／絶縁層２のいずれかの順に行い、前記絶縁層１を形成する場合には、前記コア基板としてシリコン基板を使用し、該シリコン基板に熱酸化処理を施し酸化珪素膜を形成して前記絶縁層１とし、前記絶縁層２の形成では、プラズマＣＶＤ法により酸化シリコン膜または窒化シリコン膜を形成することを特徴とする請求項８に記載の導電材充填スルーホール基板の製造方法。
  10. 前記導電性物質拡散防止層は、窒化チタン、チタンおよびクロムのいずれかからなる薄膜であることを特徴とする請求項８または請求項９に記載の導電材充填スルーホール基板の製造方法。
  11. 前記導電性物質拡散防止層の形成は、ＭＯ−ＣＶＤ法、スパッタリング法のいずれかにより行うことを特徴とする請求項８乃至請求項１０のいずれかに記載の導電材充填スルーホール基板の製造方法。
  12. 前記スルーホールの開口径が３０μｍ以下である場合、前記導電性物質拡散防止層の形成は、ＭＯ−ＣＶＤ法により行うことを特徴とする請求項１１に記載の導電材充填スルーホール基板の製造方法。
  13. 前記下地導電層は、銅、ニッケル、チタン、クロムおよびタングステンのいずれかからなる単層構造であることを特徴とする請求項１乃至請求項１２のいずれかに記載の導電材充填スルーホール基板の製造方法。
  14. 前記下地導電層は、銅、ニッケル、チタン、クロムおよびタングステンから選択される２種以上の組み合わせからなる多層構造であることを特徴とする請求項１乃至請求項１２のいずれかに記載の導電材充填スルーホール基板の製造方法。
  15. 多層構造である前記下地導電層は、前記コア基板側からチタン／銅の２層構造、チタン／ニッケルの２層構造のいずれかであることを特徴とする請求項１４のいずれかに記載の導電材充填スルーホール基板の製造方法。
  16. 前記下地導電層を、厚みが１０〜１０００ｎｍの範囲となるように形成することを特徴とする請求項１乃至請求項１５のいずれかに記載の導電材充填スルーホール基板の製造方法。
  17. 前記スルーホールを備えたコア基板の厚みが５０〜７２５μｍの範囲であることを特徴とする請求項１乃至請求項１６のいずれかに記載の導電材充填スルーホール基板の製造方法。
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