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発明の名称 樹脂薄膜の平坦化/乾燥硬化方法及び装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平6−232539
公開日 平成6年(1994)8月19日
出願番号 特願平5−15222
出願日 平成5年(1993)2月2日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】小川 勝男
発明者 山崎 哲也 / 天明 浩之 / 石野 正和
要約 目的
本発明の目的は、電子回路基板等の高密度、高アスペクト比の配線段差表面を平坦な有機樹脂塗膜で被膜する方法及び装置を提供することにある。

構成
高密度、高アスペクト比の凹凸基板パターンを持つ基板表面に、有機樹脂ワニスを塗布し、これをワニス溶剤蒸気の飽和雰囲気ないし飽和に近い雰囲気に設置する。この時基板は水平に設置されるよう調整される。この状態で、基板を加熱し、ワニスの熱流動を積極的に利用することにより樹脂表面の平坦化を促進する。次いで、溶剤蒸気を排除し樹脂を熱硬化させる。ワニスの乾燥、熱硬化過程において、ワニスの表面が比較的長時間にわたって濡れた流動状態を維持できるため、極めて高度の平坦化が実現出来る。
特許請求の範囲
【請求項1】樹脂ワニスを塗布した基板を、ワニスの固形分を可溶化できる溶剤の蒸気が飽和あるいは飽和に近い雰囲気を満たすことができる容器中で加熱することにより、基板上の凹凸を樹脂により平坦化する樹脂薄膜の平坦化方法において、前記の容器を平坦化に必要な時間だけ溶剤蒸気の雰囲気に保持し、その後、溶剤蒸気を排出し、同一容器内で樹脂の平坦化と乾燥硬化を行うことを特徴とする樹脂薄膜の平坦化/乾燥硬化方法。
【請求項2】請求項1において、樹脂の乾燥硬化が終了するまで基板を常に水平に保持することを特徴とする樹脂薄膜の平坦化/乾燥硬化方法。
【請求項3】請求項1又は2において、平坦化/乾燥硬化装置と、基板に樹脂ワニスを塗布する塗布装置、及び基板を搬送する搬送装置を組み合わせたことを特徴とする樹脂薄膜の成膜装置。
【請求項4】請求項1において、基板を保持する容器、容器を密閉、開放するための可動式のカバーまたはバルブ、基板を加熱するヒーター、溶剤蒸気を供給する装置を構成要素として含むことを特徴とする樹脂薄膜の平坦化/乾燥硬化装置。
【請求項5】請求項2において、基板表面の3個所以上の位置を測定するセンサ、基板表面の傾きを修正可能な基板の保持装置、及びセンサの測定値より基板表面の平均面の傾きを計算し、保持装置の修正量を制御するための制御装置を構成要素として含むことを特徴とする樹脂薄膜の平坦化/乾燥硬化装置。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、一般に凹凸表面を持つ構造物表面に対して有機樹脂からなる被膜を平坦に形成する方法に関するものであり、特に集積回路や電子回路用多層基板の製造方法に適するものである。
【0002】
【従来の技術】近年要求される高性能の電子回路部品の製造プロセスにおいては、性能の大幅向上のため高密度、高アスペクト比の配線パターンの段差を、ボイドレスで高度に平坦化する方法が必要とされている。
【0003】従来、基板上に塗布したホトレジストや絶縁膜用樹脂等の樹脂ワニスの乾燥、硬化方法としては、熱風乾燥炉、ホットプレート、赤外線ランプ、ベルト炉、真空ベーク等の方法が用いられてきた。しかし、これらの方法ではいずれも塗膜表面が開放状態であり、塗布した樹脂ワニスの表面からワニス成分の溶剤が自由に蒸発し乾燥する。そのため塗布した樹脂の流動性が、特に樹脂ワニスの表面において阻害され易く、十分な平坦化が行われにくいという欠点があった。そのため、例えば特開昭57−18389に見られるように、従来の平坦化方法における樹脂の乾燥硬化方法は、溶剤の蒸発と固形分の硬化のみに重点が置かれた硬化方法であったと言え、ワニスの熱流動性を積極的に利用する条件に欠けていた。
【0004】この様な課題解決のため、例えば特開平3−52286においては、平坦な母型上に付着力の弱い薄膜を形成し、樹脂を塗布した回路基板上に前記薄膜付き母型を重ね合わせて加圧しながら加熱硬化させ、硬化後母型と薄膜を除去する方法が提案されている。
【0005】また、従来の硬化装置においては上記のようにワニスの乾燥に重点が置かれており、ワニスが加熱中に流動することを考慮していない。そのため、基板は固定された平面または治具上に置かれ、基板表面を水平に保持するためには装置全体の水平出しを行う程度で特別な注意は払われていなかった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術のような方法では相当な平坦化が期待される一方、母型が薄膜表面に触れるため不純物の混入、表面損傷等の懸念がある。高密度かつ高信頼性の薄膜電子回路部品の製造においては薄膜表面の接触は出来るだけ避けるのが得策であり、薄膜表面へのダメージの無い凹凸表面平坦化方法が強く望まれる。
【0007】一方、LCD、配線基板の大形化と配線層数の増加に伴い、基板の反りは増加する傾向にある。また、多層セラミック基板等では基板の厚さは必ずしも均一ではない。これらによる基板のわずかな傾きでも基板上に塗布したワニスが流動し、硬化後の樹脂膜に傾きによる膜厚の不均一が発生する。
【0008】本発明の目的は、上記従来技術の欠点を克服し、いかなる凹凸表面に対しても有機樹脂薄膜をボイドレスでかつ極めて平坦かつ均一に形成し、しかも塗膜表面に一切のダメージを発生させることのない有機樹脂薄膜の高平坦化/乾燥硬化方法及び装置を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記の課題は、樹脂ワニスを塗布した基板を溶剤飽和雰囲気中で加熱することによりワニスの流動性を積極的に利用する平坦化工程を取り入れた後、溶剤蒸気を排出し樹脂を乾燥硬化することにより解決出来る。また、平坦化工程と乾燥硬化工程の間、基板表面を水平に保持することにより更に高度に解決される。
【0010】
【作用】図1により本発明の作用を説明する。
【0011】本発明においては、樹脂ワニス1を塗布した凹凸基板3をワニス成分溶剤蒸気の飽和雰囲気ないし飽和に近い雰囲気中5で加熱する。このため、ワニス塗膜表面では、雰囲気の溶剤蒸気とワニス塗膜中の溶剤との気液平衡が近似的に成立し、従ってワニス塗膜中の溶剤の蒸発は抑制され、ワニス塗膜表面は長時間にわたって溶剤で濡れているという条件が成立する(図1−b)。即ち、従来法においては、加熱工程の初期段階でワニス塗膜表面が乾燥固化して流動性を失うのに対し、本発明においては比較的長時間ワニス表面の流動性が維持される。更に加熱によるワニス粘度の低下によりワニスは従来方法に比べて流動しやすくなる。このため高アスペクト比の急峻な凹凸表面に対しても十分な平坦化作用を持つと同時に、微細パターン底部に残留しやすいボイドもワニスの流動性により垂直方向へ運動しやすくなることからボイドレスの有機塗膜を得る効果もある。
【0012】所定の時間、この平坦化工程を実施した後、ワニスの乾燥硬化を行う必要があるが、この時他の硬化装置に基板を移動すると、ワニスの高い流動性のため、移動の際のわずかな傾きによりワニスが偏り、硬化後に膜厚の不均一が発生したり、乾燥していない膜表面に異物が付着する恐れがある。よって平坦化と乾燥硬化は同一容器中で行うのが望ましい。そのためには、平坦化工程終了後、溶剤蒸気を排出する必要がある(図1−c)。
【0013】以上のような工程を実施するための装置として、基板を加熱するヒーター、溶剤蒸気を供給する供給装置、基板を保持する容器、及びこの容器に溶剤蒸気を密封し、かつ蒸気を排除するために密閉、開放の可能なカバー、またはバルブが必要となる。
【0014】上記のような平坦化工程の間はワニスの流動性が高いため、基板表面の傾きによりワニスが偏り、乾燥固化後の樹脂膜に膜厚の不均一が生じる可能性がある(図1−d)。これを防ぐためには、基板表面を水平に保持することが必要になる。本発明では、基板表面高さ方向の位置を3個所以上でセンサにより測定し、このデータから平均表面の傾きと修正量を計算し、基板の保持機構を制御することで基板の平均表面を水平に保持する。以上の機構により、厚さが均一でない基板や反りのある基板においてもその表面を可能な限り水平に保持出来、基板表面の傾きによるワニスの偏りを防ぐことが出来る。
【0015】
【実施例】以下本発明による実施例を図面により説明する。
【0016】実施例1:図2は本発明の効果を確認するための実験装置であり、バッチ式の平坦化/乾燥硬化装置である。
【0017】ヒ−タ付き匡体10としてヤマト科学(株)製真空乾燥器を用いた。凹凸パターンを形成した100mm角のガラス基板9に日立化成工業(株)製ポリイミドワニスPIQ1をスピンコートし、ステンレス製治具に乗せて乾燥器内の中段に置いた。このときPIQのフルキュア後の膜厚は、25μmとした。また凹凸ガラス基板は、垂直段差20±2μmでパターン形状として20μmライン&スペース及び50μmライン&スペースを持つ基板を用いた。乾燥器の下段に溶剤11を少量入れたパッド12を置いた。溶剤はPIQの溶剤主成分であるN−メチル−2−ピロリドンである。乾燥器のパージバルブ13及び排気バルブ14を閉鎖し、60℃で30分保持した。その後にパージバルブ13及び排気バルブ14を開き、乾燥器内にパージガスとして窒素ガスを導入し溶剤蒸気を排出すると共に温度を140℃に上げ、30分保持して乾燥を行った。
【0018】以上の工程の後、基板を取り出し熱風循環式乾燥炉(中央理研(株)製CS−40HD)にてフルキュアを行った。フルキュア条件は、窒素雰囲気中、200℃30分+350℃30分である。平坦化の度合いを評価するため、フルキュア後のPIQ表面の凹凸を段差計(TENCOR製P−1)で測定し、山谷の差を段差として従来方式と比較した。
【0019】従来方法〔CS−40HD使用、140℃30分+200℃30分+350℃30分(いずれも窒素雰囲気中)〕では、PIQ表面の段差は、20μmライン&スペースのパターン部分で15μm±0.8μmであったが、本発明による方法では表面段差は2.2±0.3μmとなり、顕著な平坦化効果が認められた。
【0020】実施例2:図3は実施例1の装置をシステム化したものである。ヒーター付の匡体にパージガスと溶媒蒸気を導入するバルブ13、15と排気バルブ14が取り付けられる。ワニス1を塗布した基板3を設置した後、匡体内を所定温度に加熱する。排気バルブ14と溶剤蒸気導入バルブ15を開き、溶剤を入れた蒸気発生器16より匡体と同じか、やや高い温度で溶剤蒸気で飽和したキャリアガスを導入する。キャリアガスとしては空気、窒素などが使用される。匡体内が溶剤蒸気で置換された後、排気バルブ14と蒸気導入バルブ16を閉じ、所定時間平坦化工程を行う。ここで匡体内を密閉するのは気流により塗膜表面が乱されるのを防ぎ、かつ有機溶剤の無駄な散逸を防ぐためである。以上のような問題がなければ平坦化工程中溶剤蒸気を流しておいても良い。なお、溶剤蒸気導入バルブ15が閉じている間に蒸気発生器16内が加圧になるのを防止するために、排気管と蒸気発生器をつなぐバイパスバルブを設置すると良い。所定時間の平坦化工程が終了した後、パージガスバルブ13及び排気バルブ14を開き、匡体内の溶剤雰囲気を排出しパージガスに置換する。パージガスとしては空気、窒素などが使用される。パージガス雰囲気中、所定温度、所定時間の乾燥硬化工程を行う。
【0021】ワニスとしてPIQを用い、実施例1に準じたプロセス条件で平坦化を行ったところ、実施例1と同じ結果が得られ、本装置が平坦化に有効であることが確かめられた。
【0022】以上は樹脂ワニスとしてPIQを用いた場合について述べたが、他の樹脂ワニスを用いても同様の高い平坦化効果を得ることができる。樹脂ワニスとしては例えばPIQ以外のポリイミド、各種のホトレジスト、フェノール系樹脂、エポキシ系樹脂、シリコン系などの無機系樹脂などがある。
【0023】実施例3:図4は実施例2のヒーター付匡体の代わりにホットプレート18と開閉するカバー19を用いた枚葉式の平坦化/乾燥硬化装置である。ワニス1を塗布した基板3をホットプレート18上に設置した後、カバー19が閉められる。以後実施例2と同様に、溶剤蒸気雰囲気での平坦化と溶剤蒸気雰囲気を排除しての乾燥硬化が行われる。
【0024】この時、カバー19が密閉可能であり、かつカバーとホットプレートにより密閉された空間の体積が十分小さければ、基板に塗布された樹脂から蒸発する溶剤蒸気によりこの空間内が溶剤蒸気にほぼ飽和する場合が有る。このような条件では溶剤蒸気を供給する必要は必ずしもなく、その場合は蒸気発生機16と溶剤蒸気導入バルブ15は省略することができる。
【0025】また、溶剤蒸気の排出はカバー19の開放による拡散によって行ってもよく、この場合パージガスの供給系14は省略することができる。
【0026】また、熱源としては、ホットプレート18の代わりに赤外線ヒーターを用いることもできる。この場合は、基板表面を加熱するようにしても良い。厚いセラミック基板のように熱容量の大きな基板を使用する場合、基板表面を加熱する赤外線ヒーターは基板下面より加熱するホットプレートに比べ、基板表面のワニスを所定温度に加熱する時間が短いと言う利点がある。また反りのある基板を使用する場合、ホットプレートでは基板とプレートの接触の具合によって基板の温度分布が発生しやすいが、赤外線ヒーターではこのような問題がでにくいと言う利点がある。
【0027】このように枚葉式とすることで本発明による平坦化/乾燥硬化装置を自動化したり、自動塗布装置等に組み込むことが可能になる。
【0028】実施例4:図5は実施例3の枚葉式平坦化/乾燥硬化装置に基板の水平保持機構を加えたものである。
【0029】基板は上下動の可能な3本のピン(または、固定された1本と上下可動の2本)24に保持される。個の基板保持用のピンは必要であれば3本以上でも良い。光源20から細く絞られた平行光線22を斜めに基板表面に照射し、基板表面からの反射光23をセンサ21によって捕らえる。センサとしては、CCDやホトダイオードを使用した1次元のイメージセンサが使用される。センサ21が反射光23を捕らえた位置から基板表面の高さが計算出来る。このような光源とセンサからなる測定系を3組(またはそれ以上)カバー19に設置する。この際、測定系間、及び各測定系での光源、センサの相対的な位置関係、及び水平面の基準となるカバー、または装置全体の水平調整を精密に調整しておく必要がある。また測定点の内、少なくとも1点は他の測定点と同一直線上にない事が必要であり、たとえば3点で測定する場合は望ましくは設置される基板の中心点を中心とする正三角形の頂点に置かれるのが良い。
【0030】以上の複数の測定系から得られる、基板表面の高さ及び各測定点の位置のデータから基板表面が現在形成している平面(ここでは各測定点に代表される仮想的な曲面の平均平面)と水平面(ここでは全測定系の基準となる面で、これが水平に調整されているとする)とのずれが検出出来る。検出したずれのデータに従って、基板を保持しているピンの突き出し量を補正する。必要があれば測定と補正を何回か繰り返して基板表面の水平出しを行う。その後に実施例3と同様に平坦化と乾燥硬化の工程が行われる。
【0031】以上により基板表面を水平にすることが出来、基板の傾きによる平坦化工程中のワニスの偏りとそれによる膜厚分布の発生を防止し、平坦でかつ均一な膜厚の樹脂膜を得ることが出来る。
【0032】実施例5:実施例4で使用した測定系は構造が簡単で可動部分も少なく安価に作れると言う利点があるが、測定結果が基板表面の傾きや凹凸による影響を受けやすく、また光源の角度や光源、センサの位置関係を精密に調整しないと誤差が発生すると言う問題がある。このような問題点を解決するには入射光と反射光の光軸が基板表面に対して垂直になるような光学系を使用するのがよい。このような光学系の一つとして例えば共焦点光学系がある。その概念を図6に示す。
【0033】光源20から出た光22はハーフミラー26等を通り光学系27により基板に垂直に入射する。基板3表面からの反射光23は同じ光学系を通り、ピンホール28を通ってホトダイオードなどの光センサ29で検出される(図6−a)。基板表面が焦点位置30にない場合、その反射光の大部分はピンホール28によって除去されるためその後方の光センサ29に入射しない(図6−b)。そこで、光学系の焦点位置30を光軸に沿って上下させ、光センサ29の出力が最大となる点を求めることで基板表面の位置を非常に精度よく求めることが出来る。また、照射光22と反射光23が同じ光学系27を通るため実施例5の様に光源とセンサの位置関係による誤差が発生しにくい。また、基板表面の傾きや凹凸により反射光が乱されても測定精度に影響がないと言う利点がある。
【0034】図7はこの測定系を使用した平坦化/乾燥硬化装置の一例である。測定系31を水平に調整したX−Y移動装置32に乗せ、基板3の表面を走査して同一直線上にない3個所以上で基板表面の高さ方向の位置と測定位置の情報を得る。この時、カバー19は取り除かれるか、またはカバーに設けられた透明窓33を通して測定が行われる。以後実施例4と同様に基板表面の水平補正が行われ、その後に実施例3と同様に平坦化と乾燥硬化の工程が行われる。
【0035】以上の実施例で測定系に使用する光源としては輝度の高さと集光性から連続発振レーザー光源が最も適している。使用するレーザー光源としては、ワニスによる吸収がないこと、ホトレジストに適用したときに感光しないこと、等から500nm以長の波長を持つものがよく、特にヘリウムネオンレーザーやアルゴンレーザーが適当である。しかし、500nm以短の光をフィルタによりカットしたハロゲンランプ等も使用出来る。
【0036】実施例6:図8は本発明による平坦化/乾燥硬化装置を組み込んだ自動塗布装置の一例である。基板3はローディング部のカセット34から搬送装置35によりスピンコーティング部36に送られ、ワニスが塗布された後、平坦化部37に送られる。次に、水平に調整されたX−Y移動装置32により実施例6に述べた基板位置測定装置31が基板3上に移動し、基板の水平補正が行われる。続いてカバー19が基板上に移動し、平坦化と乾燥硬化が行われる。最後に基板はアンローディング部のカセット38に収められる。ここで、平坦化工程にはワニスが流動して段差を平坦化するために数分から30分程度の時間が必要となる。そこで複数の平坦化/乾燥硬化装置を設置して各装置に順次基板を送る事により平均のタクトタイムを短縮している。
【0037】
【発明の効果】本発明によれば、高アスペクト比の高密度配線による段差を持つ基板表面を高度に平坦化し、かつ膜厚の均一な樹脂膜を得ることが可能な平坦化/乾燥硬化装置を作成することが出来る。




 

 


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