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公開番号2024100947
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-07-26
出願番号2024083989,2022571559
出願日2024-05-23,2021-12-22
発明の名称絶縁性回路基板の製造方法
出願人株式会社東芝,東芝マテリアル株式会社
代理人弁理士法人iX
主分類H01L 23/12 20060101AFI20240719BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】接合層との接合の信頼性を改善した絶縁性回路基板の製造方法を提供する。
【解決手段】実施形態に係る絶縁性回路基板の製造方法は、接合体を作製する工程と、銅部材の表面を化学研磨する第1の化学研磨工程、銅部材をエッチングする第1のエッチング工程、接合層をエッチングする第2のエッチング工程、接合層を化学研磨する第2の化学研磨工程、および銅部材に防錆処理を施す防錆処理工程の少なくとも1つと、を備え、第1/第2の化学研磨工程の後、第1/第2のエッチング工程の後、および防錆処理工程の後の少なくともいずれかにおいて洗浄工程を実行し、洗浄工程では、ノズルを使って接合体に洗浄水を供給し、ノズル1個あたりの水量は0.01L/分/cm²～0.1L/分/cm²の範囲内に設定され、銅部材の表面の窒素量をXPS分析したとき、任意の3か所での窒素量の平均値が0at%～50at%の範囲内であることを特徴とする。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
絶縁性のセラミックスからなるセラミックス基板と、Ａｇ、Ｃｕ、およびＴｉから選ばれる１種以上を含んだ接合層を介して前記セラミックス基板の少なくとも一方の面に接合された銅または銅合金からなる銅部材と、を含む接合体を作製する工程と、
前記銅部材の表面を化学研磨する第１の化学研磨工程、前記銅部材をエッチングする第１のエッチング工程、前記接合層をエッチングする第２のエッチング工程、前記接合層を化学研磨する第２の化学研磨工程、および前記銅部材に防錆処理を施す防錆処理工程の少なくとも１つと、
を備えた絶縁性回路基板の製造方法であって、
前記第１の化学研磨工程の後、前記第１のエッチング工程の後、前記第２の化学研磨工程の後、前記第２のエッチング工程の後、および前記防錆処理工程の後の少なくともいずれかにおいて、前記接合体を洗浄する洗浄工程を実行し、
少なくとも１つの前記洗浄工程では、１つ以上のノズルを使って前記接合体に洗浄水を供給し、前記ノズルの１個あたりの水量は０．０１Ｌ／分／ｃｍ
２
以上０．１Ｌ／分／ｃｍ
２
以下の範囲内に設定され、
製造された絶縁性回路基板における前記銅部材の表面の窒素量をＸＰＳ分析したとき、任意の３か所での前記窒素量の平均値が０ａｔ％以上５０ａｔ％以下の範囲内であることを特徴とする、絶縁性回路基板の製造方法。
続きを表示（約 880 文字）【請求項２】
前記１つ以上のノズルと前記接合体との間の距離は、５ｃｍ以上４０ｃｍ以下の範囲内であることを特徴とする、請求項１記載の絶縁性回路基板の製造方法。
【請求項３】
前記洗浄工程の後に、風速２０ｍ／ｓ以上１５０ｍ／ｓ以下の範囲内で前記接合体に風をあてる乾燥工程を行うことを特徴とする、請求項１または請求項２記載の絶縁性回路基板の製造方法。
【請求項４】
前記ＸＰＳ分析において、前記３か所での酸素量の平均値が３ａｔ％以上５０ａｔ％以下の範囲内であることを特徴とする、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の絶縁性回路基板の製造方法。
【請求項５】
前記酸素量の前記平均値は３ａｔ％以上３０ａｔ％以下の範囲内であることを特徴とする、請求項４に記載の絶縁性回路基板の製造方法。
【請求項６】
前記窒素量の前記平均値は０ａｔ％以上３０ａｔ％以下の範囲内であることを特徴とする、請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の絶縁性回路基板の製造方法。
【請求項７】
前記セラミックス基板は、窒化珪素または窒化アルミニウムのいずれか１種を主成分として含むことを特徴とする、請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の絶縁性回路基板の製造方法。
【請求項８】
製造された前記絶縁性回路基板における前記銅部材の最大高さＲｚは、２０μｍ以下であることを特徴とする、請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の絶縁性回路基板の製造方法。
【請求項９】
製造された前記絶縁性回路基板における前記銅部材の表面粗さＲａは、２μｍ以下であることを特徴とする、請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の絶縁性回路基板の製造方法。
【請求項１０】
前記セラミックス基板は、厚さ０．４ｍｍ以下の窒化珪素基板であり、
前記銅部材の厚さは、０．６ｍｍ以上であることを特徴とする、請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の絶縁性回路基板の製造方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
後述する実施形態は、おおむね、絶縁性回路基板の製造方法に関する。
続きを表示（約 6,100 文字）【背景技術】
【０００２】
絶縁性基板と導体部とを接合した絶縁性回路基板がある。絶縁性回路基板の一種であるセラミックス銅回路基板は、半導体素子などを実装する回路基板に用いられている。国際公開第２０１７／０５６３６０号公報（特許文献１）には、セラミックス基板および銅板を接合層を介して接合した接合体と、その接合体が改良されたセラミックス銅回路基板と、が記載されている。特許文献１では、銅板端部から接合層をはみ出させたはみ出し部が設けられている。このような、接合層のはみ出し部のサイズを制御することにより、温度サイクル試験（ＴＣＴ）特性を向上させている。
セラミックス銅回路基板に半導体素子を実装すると、半導体装置が得られる。半導体素子の実装には、半田層又は銀ペーストが用いられている。半田層又は銀ペーストがセラミックス銅回路基板と半導体素子の接合を強固にしている。特許文献１のセラミックス銅回路基板に半田層を介して半導体素子を実装したとき、半田層の接合の信頼性が不足する現象がおきていた。この原因を追究したところ、銅板表面の窒素量に原因があることが判明した。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
国際公開第２０１７／０５６３６０号公報
国際公開第２０１９／０５４２９４号公報
特開２００７－８１２１７号公報
国際公開第２０１９／０５４２９１号公報
特開２０２０－５９２２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
接合体に回路形状を付与することで、絶縁性回路基板（例えばセラミックス回路基板）が得られる。接合体に回路形状を付与するための工程として、エッチング工程または化学研磨工程が用いられている。例えば、国際公開第２０１９／０５４２９４号公報（特許文献２）には、化学研磨工程とエッチング工程を組み合わせた方法が開示されている。特許文献２の化学研磨工程では、過酸化水素水、塩酸、硫酸などの薬液が使われている。また、特開２００７－８１２１７号公報（特許文献３）では、銅板表面を化学研磨した後、防錆処理を行っている。特許文献３では、銅板の防錆処理にベンゾトリアゾールなどの薬液が用いられている。国際公開第２０１９/０５４２９１号公報（特許文献４）には、銀、銅、およびチタンを含む活性金属ろう材のエッチングに用いる薬液として、ペルオキソ二硫酸アンモニウムなどが示されている。特開２０２０－５９２２８号公報（特許文献５）において、アルミニウムの防錆処理にベンゾトリアゾールなどの薬液が用いられている。化学研磨、エッチング工程、防錆処理工程などでは様々な薬液が使われている。薬液を用いた工程を行ったときに、導体部である銅板表面に、窒素の残渣が発生する。この窒素が半田層の接合信頼性を低下する原因となることが判明した。
本発明は、このような問題に対処するためのものであり、導体部表面の窒素量を低減した絶縁性回路基板を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態に係る絶縁性回路基板の製造方法は、絶縁性のセラミックスからなるセラミックス基板と、Ａｇ、Ｃｕ、およびＴｉから選ばれる１種以上を含んだ接合層を介して前記セラミックス基板の少なくとも一方の面に接合された銅または銅合金からなる銅部材と、を含む接合体を作製する工程と、前記銅部材の表面を化学研磨する第１の化学研磨工程、前記銅部材をエッチングする第１のエッチング工程、前記接合層をエッチングする第２のエッチング工程、前記接合層を化学研磨する第２の化学研磨工程、および前記銅部材に防錆処理を施す防錆処理工程の少なくとも１つと、を備え、前記第１の化学研磨工程の後、前記第１のエッチング工程の後、前記第２の化学研磨工程の後、前記第２のエッチング工程の後、および前記防錆処理工程の後の少なくともいずれかにおいて、前記接合体を洗浄する洗浄工程を実行し、少なくとも１つの前記洗浄工程では、１つ以上のノズルを使って前記接合体に洗浄水を供給し、前記ノズルの１個あたりの水量は０．０１Ｌ／分／ｃｍ
２
以上０．１Ｌ／分／ｃｍ
２
以下の範囲内に設定され、製造された絶縁性回路基板における前記銅部材の表面の窒素量をＸＰＳ分析したとき、任意の３か所での前記窒素量の平均値が０ａｔ％以上５０ａｔ％以下の範囲内であることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
実施形態に係る絶縁性回路基板の一例を示す模式図。
実施形態に係る半導体装置の一例を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
実施形態に係る絶縁性回路基板の製造方法は、絶縁性のセラミックスからなるセラミックス基板と、Ａｇ、Ｃｕ、およびＴｉから選ばれる１種以上を含んだ接合層を介して前記セラミックス基板の少なくとも一方の面に接合された銅または銅合金からなる銅部材と、を含む接合体を作製する工程と、前記銅部材の表面を化学研磨する第１の化学研磨工程、前記銅部材をエッチングする第１のエッチング工程、前記接合層をエッチングする第２のエッチング工程、前記接合層を化学研磨する第２の化学研磨工程、および前記銅部材に防錆処理を施す防錆処理工程の少なくとも１つと、を備え、前記第１の化学研磨工程の後、前記第１のエッチング工程の後、前記第２の化学研磨工程の後、前記第２のエッチング工程の後、および前記防錆処理工程の後の少なくともいずれかにおいて、前記接合体を洗浄する洗浄工程を実行し、少なくとも１つの前記洗浄工程では、１つ以上のノズルを使って前記接合体に洗浄水を供給し、前記ノズルの１個あたりの水量は０．０１Ｌ／分／ｃｍ
２
以上０．１Ｌ／分／ｃｍ
２
以下の範囲内に設定され、製造された絶縁性回路基板における前記銅部材の表面の窒素量をＸＰＳ分析したとき、任意の３か所での前記窒素量の平均値が０ａｔ％以上５０ａｔ％以下の範囲内であることを特徴とする。
図１は、実施形態に係る絶縁性回路基板の一例を示す模式図である。図１において、１は絶縁性回路基板、２は絶縁性基板、３は導体部（表導体部）、４は導体部（裏導体部）、５は接合層である。図１に例示する絶縁性回路基板１では、絶縁性基板２の両面に接合層５を介して導体部３と導体部４が配置されている。図１に示す構造では、導体部３に回路形状が付与され、導体部４が放熱板として用いられる。便宜上、導体部３を表導体部、導体部４を裏導体部と呼ぶ。また、２つの表導体部３が配置されている。実施形態に係る絶縁性回路基板は、このような形態に限定されず、１つまたは３つ以上の表導体部が設けられても良い。裏導体部４に、回路形状が付与されてもよい。絶縁性回路基板は、裏導体部４を備えず、表導体部３のみを備えてもよい。実施形態に係る絶縁性回路基板は、セラミックス銅回路基板であることが好ましい。
【０００８】
絶縁性基板は、樹脂基板またはセラミックス基板であることが好ましい。樹脂基板は、セラミックス基板に比べると低コストであり、コストが考慮される際に好ましい。樹脂基板として、例えば、紙フェノール基板、紙エポキシ基板、ガラスエポキシ基板、複合基材エポキシ基板、ガラスコンポジット基板、ガラスポリイミド基板、ビスマレイミド-トリアジン（ＢＴ）基板、フッ素樹脂基板、ポリフェニレンオキシド（ＰＰＯ）基板などがある。
セラミックス基板は、樹脂基板に比べると、優れた放熱性および３点曲げ強度を有する。セラミックス基板は、窒化珪素、窒化アルミニウム、サイアロン、アルミナ、およびジルコニアから選択される１種または２種を主成分として含むことが好ましい。主成分とは、５０質量％以上含有される成分を指す。さらに、セラミックス基板は、窒化珪素基板、窒化アルミニウム基板、アルジル基板のいずれかであることがより好ましい。アルジルは、アルミナとジルコニアの２種を合計で５０質量％以上含む材料である。
絶縁性基板の厚さは、０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下が好ましい。基板厚さが０．１ｍｍ未満では、強度の低下を招く可能性がある。基板厚さが１ｍｍより厚いと、絶縁性基板自体が熱抵抗体となり、絶縁性回路基板の放熱性を低下させる可能性がある。
窒化珪素基板の３点曲げ強度は、６００ＭＰａ以上であることが好ましい。窒化珪素基板の熱伝導率は、８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。窒化珪素基板の強度を上げることにより、基板厚さを薄くできる。このため、窒化珪素基板の３点曲げ強度は、６００ＭＰａ以上、さらには７００ＭＰａ以上が好ましい。窒化珪素基板の厚さを、０．４０ｍｍ以下、さらには０．３０ｍｍ以下と薄くできる。また、窒化アルミニウム基板の３点曲げ強度は、３００～４５０ＭＰａ程度である。その一方、窒化アルミニウム基板の熱伝導率は、１６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である。窒化アルミニウム基板の強度は低いため、基板厚さは０．６０ｍｍ以上が好ましい。
酸化アルミニウム基板の３点曲げ強度は３００～４５０ＭＰａ程度であるが、酸化アルミニウム基板はセラミックス基板の中では安価である。アルジル基板の３点曲げ強度は５５０ＭＰａ程度と高いが、その熱伝導率は３０～５０Ｗ／ｍ・Ｋ程度である。アルジル基板とは、酸化アルミニウムと酸化ジルコニウムを混合した焼結体からなる基板である。
【０００９】
絶縁性基板２としては、セラミックス基板が好ましい。セラミックス基板の中では、窒化珪素基板、窒化アルミニウム基板のいずれか一方がさらに好ましい。窒化珪素基板と窒化アルミニウム基板は、窒化物系セラミックス基板である。窒化物系セラミックスは、Ｔｉを含有する活性金属ろう材と反応して窒化チタンを形成する。また、酸化物系セラミックスはＴｉを含有する活性金属ろう材と反応して酸化チタンを形成する。アルミナ基板、ジルコニア基板、アルジル基板は、酸化物系セラミックス基板である。
窒化物系セラミックスおよび酸化物系セラミックスは、活性金属接合法を用いることにより、導体部との接合強度を向上させることができる。これらの窒化チタン又は酸化チタンを形成する反応層を、チタン反応層と呼ぶ。
導体部は、銅部材又はアルミニウム部材であることが好ましい。銅部材は、銅板、銅合金板、銅板に回路形状が付与されて作製された部材、又は銅合金板に回路形状が付与されて作製された部材であり、銅又は銅合金からなる。アルミニウム部材は、アルミニウム板、アルミニウム合金板、アルミニウム板に回路形状が付与されて作製された部材、又はアルミニウム合金板に回路形状が付与されて作製された部材であり、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる。以降では、銅板に回路形状が付与されて作製された部材を、銅回路と呼ぶ。アルミニウム板に回路形状が付与されて作製された部材を、アルミニウム回路と呼ぶ。導体部は、銅部材又はアルミニウム部材以外の、メタライズ層又は導電性薄膜であっても良い。メタライズ層は、金属ペーストの焼成により形成される。アルミニウム部材は、銅部材と比較すると安価である。一方、銅部材は、アルミニウム部材と比較すると、優れた熱伝導性を有するため好ましい。
銅板または銅回路として、無酸素銅からなる銅板または銅回路が挙げられる。一般的に、銅の熱伝導率は、約４００Ｗ／ｍ・Ｋと高い。放熱性の向上のために、銅部材は、無酸素銅からなる銅板又は銅回路であることがより好ましい。
導体部３および導体部４の厚さは、０．３ｍｍ以上、さらには０．６ｍｍ以上であってもよい。導体部を厚くすることにより、接合体の放熱性を向上させることができる。表導体部３の厚さは、裏導体部４の厚さと同じでも良いし、裏導体部４の厚さとは異なっていてもよい。導体部としては、銅板又は銅回路が特に好ましい。銅板又は銅回路には、無酸素銅が用いられることが好ましい。無酸素銅は、ＪＩＳ－Ｈ－３１００に示されたように、９９．９６質量％以上の銅純度を有する。
【００１０】
実施形態に係る絶縁性回路基板は、導体部の表面の窒素量をＸＰＳ分析したとき、任意の３か所の平均値が０ａｔ％以上５０ａｔ％以下の範囲内であることを特徴とする。実施形態に係る絶縁性回路基板は、１つのみの導体部を備えてもよいし、複数の導体部を備えてもよい。つまり、設けられる導体部の数は特に限定されない。絶縁性回路基板が複数の導体部を備える場合、いずれかの導体部の表面において、任意の３か所の窒素量の平均値が０ａｔ％以上５０ａｔ％以下の範囲内であればよい。より好ましくは、いずれの導体部の表面においても、任意の３か所の窒素量の平均値が０ａｔ％以上５０ａｔ％以下の範囲内である。
導体部の表面とは、表導体部３または裏導体部４の少なくともいずれかの導体部の表面を指す。導体部の表面の窒素量を、ＸＰＳ分析する。ＸＰＳ分析は、Ｘ線光電子分光法（X-ray Photoelectron Spectroscopy：XPS）を用いた分析を指す。ＸＰＳ分析は、試料表面にＸ線を照射し、試料表面から放出される光電子の運動エネルギーを測定する方法である。ＸＰＳ分析は、Ｘ線の侵入深さが数μｍであるため、試料表面の定性分析および定量分析に用いられる。
ＸＰＳ分析装置として、ＳＳＩ社Ｘプローブまたはそれと同等以上の装置を用いる。分析では、AlKα線(hν=１４８６．６ｅＶ)を用い、Ｘ線のスポット径は直径１ｍｍに設定する。ＸＰＳ分析では、窒素、酸素以外に、導体部に用いた各金属元素の量、炭素の量も併せて測定する。
導体部として銅部材が用いられる場合は、測定された成分から、窒素、酸素、銅、及び炭素を抽出する。これらの合計を１００ａｔ％として、窒素量を測定する。銅部材が銅合金を含有する場合、測定された成分から、窒素、酸素、銅、その他の合金の金属、及び炭素を抽出し、これらの合計を１００ａｔ％とする。
導体部としてアルミニウム部材が用いられる場合は、測定された成分から、窒素、酸素、アルミニウム、及び炭素を抽出する。これらの合計を１００ａｔ％として、窒素量を測定する。アルミニウム部材がアルミニウム合金を含有する場合、測定された成分から、窒素、酸素、アルミニウム、その他の合金の金属、及び炭素を抽出し、これらの合計を１００ａｔ％とする。
（【００１１】以降は省略されています）

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