JP4857317B2 - スルーホールの充填方法 - Google Patents
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Description
かかるスルーホールの形成方法には、例えば、図12に示す様に、先ず、図12(a)に示す様に、絶縁材料である樹脂から成る基板10にドリルによって円筒状のスルーホール12を形成した後、図12(b)に示す様に、スルーホール12の内壁面を含む基板10の表面に無電解銅めっきによって銅薄膜14を形成する。
更に、スルーホール12を含む銅薄膜14を覆うように塗布したレジスト24にパターニングを施し、スルーホール12及び配線パターンを形成する部分の銅薄膜14を露出する[図12(b)]。
次いで、銅薄膜14を給電層とする電解銅めっきを施し、スルーホール12の内壁面及び銅薄膜14の露出面上に銅層16を形成する。この電解銅めっきでは、図12(c)に示す様に、スルーホール12内の中央部及びその近傍の内壁面に、スルーホール12の開口部近傍の内壁面よりも厚い銅層を形成して、スルーホール12の中央部又はその近傍に最狭部12aを形成する。
更に、図12(c)に示す基板10に対し、電解銅めっきを継続することによって、スルーホール12の中途部近傍に形成した厚い銅層18に電流が集中し、図12(d)に示す様に、中途部近傍の銅層18が更に厚くなり、遂には最狭部12aを閉塞して、基板10の両面の各々に開口する凹部20,20を形成する。
引き続いて電解銅めっきを継続することにより、図12(e)に示す様に、基板10に形成された凹部20,20の各々に銅を析出させて充填し、ボイド等の欠陥のない充填層22を形成できる。
この点、下記特許文献1では、電解銅めっき液として、ビス−(3−スルホプロピル)−ジスルフィドジナトリウム[Bis(3-sulfopropyl)disulfidedisodium]等の硫黄化合物を添加した電解銅めっき液を用い、リバースパルス電流を基板10に通電するPPR電解銅めっきを施し、スルーホール12の開口部近傍に析出する銅を剥離して、中央部及びその近傍の内壁面に、スルーホール12の開口部近傍の内壁面よりも厚い銅層を形成した後、直流電流を基板10に通電するスルーホールの充填方法が提案されている。
しかしながら、スルーホール12の電解銅めっき金属による充填初期に、基板10にPPR電解銅めっきを施すことによって、スルーホールの充填時間が長くなる。
また、PPR電解銅めっきによって、スルーホール12内の中央部及びその近傍の内壁面に形成する銅層18を、スルーホール12の開口部近傍の銅層16よりも厚く形成するには、基板10の表面等に銅を析出する正電解と析出した銅を剥離する逆電解とのバランスを調整することが大切であるが、その調整は大変面倒である。
このため、スルーホール12を電解銅めっきによって充填する際に、充填初期にPPR電解銅めっきを施すことなくスルーホール12を銅で充填できるスルーホールの充填方法が要請されている。
そこで、本発明の課題は、スルーホールの電解銅めっきによる充填初期に、PPR電解銅めっきを施す従来のスルーホールの充填方法の課題を解消でき、スルーホールの電解銅めっきによる充填初期に、PPR電解銅めっきを施すことなくスルーホール内に銅を充分に充填できるスルーホールの充填方法を提供することを目的とする。
すなわち、本発明は、基板を貫通するスルーホールの内壁面を含む基板表面の全面に形成した銅薄膜の全表面にめっき促進剤を吸着した後、前記銅薄膜の表面に吸着しためっき促進剤を剥離する剥離剤が添加された電解溶液内に、互いに対向するように設置した一対の電極の間に、前記基板を電気的に接続することなく配置し、次いで、前記一対の電極に平均電流密度がゼロとなるように交互に極性が反転する交流電流を印加して、前記めっき促進剤がスルーホールの中央部及びその近傍の内壁面に、その開口部近傍の内壁面よりも多く残留するように、前記スルーホールの開口部近傍の内壁面及び基板の表面に付着しためっき促進剤を剥離した後、前記銅薄膜を給電層とする電解銅めっきによって、前記スルーホールの中央部及びその近傍の内壁面に、前記スルーホールの開口部近傍の内壁面よりも厚い銅層を形成して、前記スルーホールの中央部又はその近傍の開口径が最狭となる最狭部を形成し、その後、前記最狭部をめっきによって閉塞することを特徴とするスルーホールの充填方法にある。
また、めっき促進剤として、ビス−(3−スルホプロピル)−ジスルフィドジナトリウム[Bis(3-sulfopropyl)disulfidedisodium]を好適に用いることができる。
更に、めっき促進剤と銅薄膜の酸化を抑制する酸化抑制剤とが添加された溶液内に基板を浸漬して、銅薄膜の全表面にめっき促進剤を吸着することによって、銅薄膜の表面の酸化を防止できる。
本発明においては、スルーホールの中央部又はその近傍に形成した最狭部を、無電解銅めっきによって閉塞することにより、最狭部を確実に閉塞できる。この無電解銅めっきとしては、還元タイプの無電解銅めっきを好適に採用できる。
尚、スルーホールを、アスペクト比(基板厚さ/スルーホールの開口径)が2以上のスルーホールとしても、めっき金属をスルーホール内に充分に充填できる。
この様に、スルーホールの中央部及びその近傍の内壁面に、スルーホールの開口部近傍の内壁面よりも多くのめっき促進剤が残留した基板に、その銅薄膜を給電層とする電解銅めっきを施すことによって、スルーホールの中央部及びその近傍の内壁面に、スルーホールの開口部近傍の内壁面よりも優先的に銅を析出させることができる。
このため、スルーホールの中央部及びその近傍に形成される銅層が、スルーホールの開口部近傍の銅層よりも厚くなって、スルーホールの中央部又はその近傍の開口径が最狭となる最狭部が形成される。
この最狭部は、銅めっきよって容易に閉塞でき、基板の両面の各々に開口する凹部を形成する。
これらの凹部の各々は、電解銅めっきによって容易に銅を充填でき、ボイド等の欠陥のない充填層を形成できる。
かかる本発明によれば、スルーホールの電解銅めっきによる充填初期に、PPR電解銅めっきを施すことなくスルーホール内に銅を充分に充填できるため、スルーホールの電解銅めっきによる充填初期に、PPR電解銅めっきを施す場合に比較して、スルーホールの充填時間を短縮できる。
更に、スルーホールの電解銅めっきによる充填の際に、PPR電解銅めっきの正電解と逆電解とのバランス等の面倒な調整を行うことを要しなくなり、スルーホールの電解銅めっきによる充填を容易に行うことができる。
かかる銅薄膜14が全表面に形成された基板10を、めっき促進剤が添加されためっき促進剤溶液内に浸漬して、図1(b)に示す様に、銅薄膜14の全表面にめっき促進剤26を吸着させる。
このめっき促進剤としては、公知のめっき促進剤を使用でき、例えばビス(2−スルホプロピル)ジスルフィド及びそのナトリウム塩、ビス(3−スルホプロピル)ジスルフィド及びそのナトリウム塩、ビス(4−スルホプロピル)ジスルフィド及びそのナトリウム塩、ビス(3−スルホ−2−ヒドロキシプロピル)ジスルフィド及びそのナトリウム塩、3−(ベンゾチアゾリル−2−チオ)プロピルスルホン酸及びそのナトリウム塩、ビス(3−スルホプロピル)ジスルフィド及びそのナトリウム塩、N,N−ジメチルジチオカルバミン酸(−3−スルホプロピルエステル)及びそのナトリウム塩、O−エチル−ジエチルカーボネート−S(−3スルホプロピルエステル)、チオ尿素及びその誘導体等を挙げることができる。特に、ビス−(3−スルホプロピル)−ジスルフィドジナトリウム[Bis(3-sulfopropyl)disulfidedisodium]をめっき促進剤として好適に使用できる。
更に、かかるめっき促進剤が溶解されためっき促進剤溶液に、銅薄膜14が全表面に形成された基板10を約5分間ほど浸漬することによって、銅薄膜14の全表面にめっき促進剤を吸着させることができる。このめっき促進剤溶液には、銅薄膜14の酸化を防止するために、硫酸を添加することが好ましい。
剥離電解溶液30には、銅薄膜14の表面に吸着しためっき促進剤26を剥離する剥離剤が添加されている。かかる剥離剤としては、塩化物イオンとPEG等の非イオン性界面活性剤とを好適に用いることができる。この塩化物イオンは、20〜200mg/L(特に好ましくは50〜100mg/L)とすることが好ましい。また、非イオン性界面活性剤は、100mg/L〜2g/Lとすることが好ましい。
更に、剥離電解溶液30には、水の電気分解を防止すべく、金属イオンが含有されていることが好ましい。かかる金属イオンとしては、銅イオンが好ましい。
また、この剥離電解溶液30には、充分な電気伝導性をもたせるべく、硫酸を添加することが好ましい。
ここで、剥離電解溶液30に添加する塩化物イオンの添加量としては、スルーホール12の長さ(基板10の厚さ)が長くなるほど多くする(スルーホール12の長さが短いほど、塩化物イオンの添加量を少なくする)ことによって、スルーホール12の中央部又はその近傍に最狭部12aを容易に形成し易くなる。具体的には、スルーホール12の内径が150μmであって、スルーホール12の長さ(基板10の厚さ)が300〜600μmのときは、塩化物イオンの添加量を50〜100mg/Lとすることが好ましく、スルーホール12の長さ(基板10の厚さ)が600〜1000μmのときは、塩化物イオンの添加量を100〜200mg/Lとすることが好ましい。
この様に、一対の電極34a,34bに交流電流を印加した場合、図3(a)に示す様に、電極34aが+極(陽極)となり、電極34bが−極(陰極)となったとき、電気的に接続することなく電極34a,34bの間に配置されている基板10は、バイポーラ現象によって、電極34a側の基板面は−極となり、電極34b側の基板面は+極となる。このため、+極となった基板面に吸着していためっき促進剤26は剥離される。
他方、図3(b)に示す様に、電極34aが−極となり、電極34bが+極となったとき、基板10の電極34a側の基板面は+極となり、電極34b側の基板面は−極となる。このため、+極となった基板面に吸着していためっき促進剤26は剥離される。この様にして、基板10の基板面に吸着しているめっき促進剤26は剥離される。
ところで、一般に、バイポーラ現象の程度は、電極からの距離に反比例する。更に、一対の電極34a,34bには、平均電流密度をゼロとする交流電流が印加されている。このため、基板10のスルーホール12の中央部及びその近傍の内壁面では、基板10の他の表面に比較して、バイポーラ現象の程度が最も低くなり、図3(b)に示す様に、スルーホール12の中央部及びその近傍の内壁面に、基板10の他の表面に比較して、めっき促進剤26を最も多く残留させることができる。
このことからも、スルーホール12の中央部及びその近傍の内壁面に、スルーホール12の開口部近傍の内壁面及び基板10の表面に比較して、めっき促進剤26が多く残留していることが判る。
この様に、スルーホール12の中央部及びその近傍の銅層18が、スルーホール12の開口部近傍の銅層16よりも厚くなるため、スルーホール12の中央部又はその近傍に開口径が最狭となる最狭部12aが形成される。
更に、基板10に対し、電解銅めっきを継続することによって、スルーホール12の中央部及びその近傍に形成した厚い銅層18に電流が集中し、図12(d)に示す様に、スルーホール12の中央部又はその近傍の銅層18が更に厚くなり、遂には最狭部12aを閉塞して、基板10の両面の各々に開口する凹部20,20が形成される。
引き続いて電解銅めっきを継続することによって、基板10に形成された凹部20,20の各々に銅を充填でき、スルーホール12内にボイド等の欠陥のない充填層を形成できる。
尚、電解銅めっきに用いる電解銅めっき液は、剥離電解液30としても用いることができる。
唯、アスペクト比が4以上のスルーホールに電解銅めっきによって銅を充填する際に、スルーホール12の中央部及びその近傍の銅層18を、スルーホール12の開口部近傍の銅層16よりも厚く形成して、スルーホール12の中央部又はその近傍に開口径が最狭となる最狭部12aを形成した後、基板10に電解銅めっきを継続しても、最狭部12aを完全に閉塞できずに、スルーホール12を充填する充填層内に細長いボイドが形成される場合がある。
かかる場合、スルーホール12の中央部又はその近傍の最狭部12aを、無電解銅めっきによって確実に閉塞させることが好ましい。この無電解銅めっきに用いる無電解めっき液としては、還元タイプの無電解銅めっき液を好適に採用できる。かかる無電解銅めっき液としては、市販されている無電解銅めっきを用いることができるが、ホルムアルデヒドを含まず、次亜リン酸塩を還元剤として用い、ニッケルを含む無電解銅めっき液を好適に用いることができる。
電解銅めっきから無電解銅めっきへの切り換えは、電解銅めっきによってスルーホール12の中央部又はその近傍に形成した最狭部12aの口径が約10〜30μm程度となったときである。かかる切り換えは、基板10の外観から最狭部12aの口径を観察できないため、予め電解銅めっきの開始からの時間を実験的に求めておくことが好ましい。
この様に、スルーホール12の中央部又はその近傍の最狭部12aを、無電解銅めっきによって閉塞することは、アスペクト比が4以下のスルーホールに適用してもよいことは勿論のことである。
尚、無電解銅めっきを施す際には、スルーホール12の内壁面を含む基板10の全面に、Pd触媒付与等の前処理を施しておく。
更に、一対の電極34a,34bの間に、図4(b)に示す様に、複数枚の基板10,10を並列に繋げて配設してもよい。
また、基板10に対して施す電解銅めっきとしては、平均電流密度を銅が析出する側に調整したPPR電解銅めっきであってもよい。
但し、このPPR電解銅めっきでは、平均電流密度を銅が析出する側に調整することで足り、スルーホール12内の中央部及びその近傍の内壁面に形成する銅層18を、スルーホール12の開口部近傍の銅層16よりも厚く形成すべく、基板10の表面等に銅を析出する正電解と析出した銅を剥離する逆電解とのバランスを調整することは要しない。
尚、これまでの説明では、基板10として樹脂基板を用いてきたが、シリコン基板を用いることができる。
(1)めっき促進剤溶液の調整
めっき促進剤として、ビス−(3−スルホプロピル)−ジスルフィドジナトリウム[Bis(3-sulfopropyl)disulfidedisodium](以下、SPSと称することがある)100mg/Lと硫酸10ml/Lとが配合されためっき促進剤溶液を調整した。
(2)剥離電解溶液の調整
硫酸50g/L、硫酸銅5水和物250g/L、塩化物イオン50mg/L及び非イオン性界面活性剤(PEG)100mg/Lが配合された剥離電解溶液を調整した。調整した剥離電解溶液は、500mlの剥離槽28に貯留した。
(3)電解銅めっき液の調整
剥離電解溶液と同一組成の電解銅めっき液を調整した。電解銅めっき液には、硫酸50g/L、硫酸銅5水和物250g/L、塩化物イオン50mg/L及び非イオン性界面活性剤(PEG)100mg/Lが配合されている。
(4)テストピースの準備
板厚440μmの銅箔付の基板に、開口径250μmのスルーホール12を形成した後、無電解銅めっきによってスルーホール12の内壁面を含む基板の全表面に銅薄膜14を形成した。次いで、基板を切断して、一辺が50mmの矩形状の基板10をテストピースとした。
このテストピースとしての基板10のスルーホール12は、そのアスペクト比(基板厚さ/スルーホールの開口径)が1.76であった。
基板10としてのテストピースを、予め調整しためっき促進剤溶液中に5分間浸漬して、SPSをスルーホール12の内壁面を含む基板10の全表面に吸着させる。
かかる基板10を、剥離槽28に貯留されている剥離電解溶液30に浸漬されている一対の電極34a,34bの間に、電気的に接続することなく配設した。
次いで、一対の電極34a,34bに交流電源32から交流電流を60秒間印加しつつ、基板10を前後に揺動して剥離電解溶液30を攪拌した。
一対の電極34a,34bに印加した交流電流は、矩形波であって、瞬間電流2Aで且つ波長100msecであった。更に、60秒間の平均電流密度はゼロであった。
その後、予め調整した電解銅めっき液に基板10を浸漬して、銅薄膜14を給電層とする電解銅めっきを基板10に施した。この電解銅めっきでは、電流密度を2.5A/dm2とし、電解銅めっき液に対して空気攪拌によって攪拌を施した。
図5(a)に示す基板10では、スルーホール12の中央部及びその近傍の内壁面に形成された銅層18の最も厚い部分の膜厚が125μmであって、基板10の表面に形成された銅層16の膜厚11μmに比較して著しく厚く形成されている。
このことからも、スルーホール12の中央部及びその近傍の内壁面に、スルーホール12の開口部近傍の内壁面及び基板10の表面に比較して、めっき促進剤26としてのSPSが多く残留していたことが判る。
更に、電解銅めっきを継続し、電解銅めっきの開始から60分後では、図5(b)に示す様に、スルーホール12の中途部近傍が閉塞して、基板10の両面の各々に開口する凹部20,20[図12(d)]が形成された。
引き続いて電解めっきを継続し、電解銅めっきの開始から90分後では、図5(c)に示す様に、基板10に形成された凹部20,20の各々が銅で充填され、スルーホール12内にボイド等の欠陥のない充填層を形成できた。
電解銅めっきの開始から40分後には、図6に示す様に、スルーホール12の内壁面に基板10の表面よりも厚い銅層18を形成でき、特にスルーホール12の中央部及びその近傍の内壁面に、スルーホール12の開口部近傍の内壁面よりも厚い銅層18を形成できた。
本実施例では、電解銅めっきの開始から100分後には、基板10に形成されたスルーホール12を完全に銅によって充填できた。
電解銅めっきの開始から30分後には、図7に示す様に、スルーホール12の内壁面に基板10の表面よりも厚い銅層18を形成でき、特にスルーホール12の中央部及びその近傍の内壁面に、スルーホール12の開口部近傍の内壁面よりも厚い銅層18を形成できた。
電解銅めっきの開始から40分後には、図8に示す様に、スルーホール12の内壁面に基板10の表面よりも厚い銅層18を形成でき、特にスルーホール12の中央部及びその近傍の内壁面に、スルーホール12の開口部近傍の内壁面よりも厚い銅層18を形成できた。
電解銅めっきの開始から60分後には、図6に示す様に、スルーホール12の内壁面に基板10の表面よりも厚い銅層18を形成でき、特にスルーホール12の中央部及びその近傍の内壁面に、スルーホール12の開口部近傍の内壁面よりも厚い銅層18を形成できた。最狭部12aの口径は16μmであった。
更に、電解銅めっきを継続したが、電解銅めっきの開始から105分後には、充填層内に細長いボイドが形成された。
その後、電解銅めっきに切り換えて、スルーホール10を完全に充填した。このスルーホール10を充填する充填層には、ボイド等が形成されていなかった。
電解銅めっきの開始から40分経過後でも、図9に示す如く、スルーホール12の内壁面に基板10の表面よりも厚い銅層18を形成できなかった。
このことから、スルーホール12の中央部及びその近傍の内壁面に、基板10の他の表面に比較して、めっき促進剤26としてのSPSを多く残留することができなかったことが判る。
電解銅めっきの開始から40分経過後でも、図10に示す如く、スルーホール12の内壁面に基板10の表面よりも厚い銅層18を形成できなかった。
このことから、スルーホール12の中央部及びその近傍の内壁面に、基板10の他の表面に比較して、めっき促進剤26としてのSPSを多く残留することができなかったことが判る。
電解銅めっきの開始から40分経過後でも、図11に示す如く、スルーホール12の内壁面に基板10の表面よりも厚い銅層18を形成できなかった。
このことから、スルーホール12の中央部及びその近傍の内壁面に、基板10の他の表面に比較して、めっき促進剤26としてのSPSを多く残留することができなかったことが判る。
12 スルーホール
12a 最狭部
14 銅薄膜
16,18 銅層
18 銅層
20 凹部
22 充填層
24 レジスト
26 促進剤
28 剥離槽
30 剥離電解溶液
32 交流電源
34a,34b 一対の電極
Claims (7)
- 基板を貫通するスルーホールの内壁面を含む基板表面の全面に形成した銅薄膜の全表面にめっき促進剤を吸着した後、
前記銅薄膜の表面に吸着しためっき促進剤を剥離する剥離剤が添加された電解溶液内に、互いに対向するように設置した一対の電極の間に、前記基板を電気的に接続することなく配置し、
次いで、前記一対の電極に平均電流密度がゼロとなるように交互に極性が反転する交流電流を印加して、前記めっき促進剤がスルーホールの中央部及びその近傍の内壁面に、その開口部近傍の内壁面よりも多く残留するように、前記スルーホールの開口部近傍の内壁面及び基板の表面に付着しためっき促進剤を剥離した後、
前記銅薄膜を給電層とする電解銅めっきによって、前記スルーホールの中央部及びその近傍の内壁面に、前記スルーホールの開口部近傍の内壁面よりも厚い銅層を形成して、前記スルーホールの中央部又はその近傍の開口径が最狭となる最狭部を形成し、
その後、前記最狭部を銅めっきによって閉塞することを特徴とするスルーホールの充填方法。 - めっき促進剤を剥離する剥離剤が添加された電解溶液として、剥離剤としての塩化物イオンと非イオン性界面活性剤とが添加された電解銅めっき液を用いる請求項1記載のスルーホールの充填方法。
- めっき促進剤として、ビス−(3−スルホプロピル)−ジスルフィドジナトリウム[Bis(3-sulfopropyl)disulfidedisodium]を用いる請求項1又は請求項2記載のスルーホールの充填方法。
- めっき促進剤と銅薄膜の酸化を抑制する酸化抑制剤とが添加された溶液内に基板を浸漬して、銅薄膜の全表面にめっき促進剤を吸着する請求項1〜3のいずれか一項記載のスルーホールの充填方法。
- スルーホールを、アスペクト比(基板厚さ/スルーホールの開口径)が2以上のスルーホールとする請求項1〜4のいずれか一項記載のスルーホールの充填方法。
- スルーホールの中央部又はその近傍に形成した最狭部を、無電解銅めっきによって閉塞する請求項1〜5のいずれか一項記載のスルーホールの充填方法。
- 無電解銅めっきとして、還元タイプの無電解銅めっきを用いる請求項6記載のスルーホールの充填方法。
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