(57)【要約】【課題】導電性が良好であり、且つ温度変化に対する信頼性が高い銅配線膜を提供すること。【解決手段】電気抵抗率が７．０×１０−６Ωｃｍ以下であり、室温から応力が極値を超える温度まで昇温した場合に、最大圧縮応力が２０ＭＰａ以下、圧縮応力が最大圧縮応力の８０％になる温度が１５０℃以上、室温から、圧縮応力が最大圧縮応力の８０％になる温度までの間の圧縮応力の増加割合が５００ｋＰａ／℃以下であり、ヤング率が４０ＧＰａ以下である、銅配線膜が提供される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気抵抗率が７．０×１０−６Ωｃｍ以下であり、
室温から応力が極値を超える温度まで昇温した場合に、
最大圧縮応力が２０ＭＰａ以下、
圧縮応力が前記最大圧縮応力の８０％になる温度が１５０℃以上、
室温から、圧縮応力が前記最大圧縮応力の８０％になる温度までの間の圧縮応力の増加割合が５００ｋＰａ／℃以下であり、
ヤング率が４０ＧＰａ以下である、
銅配線膜。
【請求項２】
室温から応力が極値を超える温度まで昇温した場合に、
最大圧縮応力になる温度と、最大圧縮応力の８０％になる温度との差が５０℃以下である、
請求項１に記載の銅配線膜。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の銅配線膜がセラミックス基板上に形成された配線基板。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の銅配線膜を製造する製造方法であって、
銅ペーストを基板に塗布する塗布工程と、
塗布された前記銅ペーストを不活性ガスを含む雰囲気下で焼成する焼成工程と、
を含み、
前記焼成工程における焼成温度は、５８０℃以上６８０℃以下である、
銅配線膜の製造方法。
【請求項５】
前記銅ペーストは、平均粒子径が０．１μｍ以上５０μｍ以下の銅粒子を含有する、
請求項４に記載の銅配線膜の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、銅配線膜、配線基板及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のシリコン（Ｓｉ）を用いたパワー半導体は、Ｓｉの物性で決まる理論的な性能限界に近づいているため、飛躍的な性能向上を期待することが困難である。そこで、炭化ケイ素（ＳｉＣ）を用いたパワー半導体が注目されている。
【０００３】
ＳｉＣパワー半導体は、高温（例えば、２００℃以上）で動作可能であり、且つ高電圧に耐えうることから、ハイブリッド自動車や電気自動車のモータ駆動用インバータ等の用途として期待されている。
【０００４】
このようなＳｉＣパワー半導体において、２００℃以上の高温でも十分なスイッチング性能を発揮するためには、スイッチング素子、抵抗、コンデンサ等のパワー半導体モジュールを構成する部品を、各々、可能な限り近い位置に配置することが重要である。そのためには、各々の部品を配線する配線膜は、部品を配置する基板の表裏面及び内部に形成されることが好ましい。このとき、配線膜は、高温や急激な温度変化に曝されることになるため、温度変化に対する信頼性が高いことが要求される。
【０００５】
また、ＳｉＣパワー半導体の配線膜における抵抗損による電力損失を低減するために、配線膜は導電性が良好であることが要求される。
【０００６】
従来、配線膜としては、例えば、スパッタリング法により下地導電膜としての銅シードを形成した後に電解メッキ法により銅シード上に銅配線を形成する、所謂デュアルダマシン法により作製された銅配線膜が提案されている（例えば、非特許文献１）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】大西隆、外５名、「高圧アニールプロセスによる銅配線の微細溝への埋込効果」、神戸製鋼技報、株式会社神戸製鋼所、２００４年４月、Ｖｏｌ．５４、Ｎｏ．１、ｐ．４４−５１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、非特許文献１に記載された技術では、温度変化に対する信頼性が十分でないといった課題がある。
【０００９】
そこで、本発明の一つの案では、導電性が良好であり、且つ温度変化に対する信頼性が高い銅配線膜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】
【００１０】
一つの案では、
電気抵抗率が７．０×１０−６Ωｃｍ以下であり、
室温から応力が極値を超える温度まで昇温した場合に、
最大圧縮応力が２０ＭＰａ以下、
圧縮応力が前記最大圧縮応力の８０％になる温度が１５０℃以上、
室温から、圧縮応力が前記最大圧縮応力の８０％になる温度までの間の圧縮応力の増加割合が５００ｋＰａ／℃以下であり、
ヤング率が４０ＧＰａ以下である、
銅配線膜が提供される。
【発明の効果】
【００１１】
一態様によれば、導電性が良好であり、且つ温度変化に対する信頼性が高い銅配線膜を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施例１に係る銅配線膜の応力−温度曲線である。
【図２】比較例３に係る銅配線膜の応力−温度曲線である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための形態について説明するが、本発明は、下記の実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、下記の実施形態に種々の変形および置換を加えることができる。
【００１４】
［銅配線膜について］
銅配線膜は、上述のように、抵抗損による電力損失を小さくするため、導電性が良好であることが好ましい。すなわち、銅配線膜は、低い電気抵抗率を有することが好ましい。
【００１５】
また、銅配線膜は、種々の温度範囲で用いられるため、用いられる温度範囲（実環境）における温度変化に対して信頼性が高いことが好ましい。例えば、銅配線膜が２００℃以上の温度範囲で用いられ、室温から２５０℃までの温度範囲で繰り返し温度が変化する場合、銅配線膜は２００℃以上の温度に曝されても変形が小さいことが好ましい。また、温度変化に曝されて変形した場合であっても、変形による歪が元に戻ることが好ましい。
【００１６】
一般に、金属等の部材は、温度変化等により外力が加わると変形して歪を生じるが、外力が除去されると歪を元に戻そうとする力が発生し、元の形状に戻る（弾性変形）。しかしながら、金属等の部材は、ある閾値以上の外力が加わることにより変形して歪を生じた場合、外力が除去されても歪が残ってしまう（塑性変形）。
【００１７】
銅配線膜においては、弾性変形の際の変形速度が速い場合、又は塑性変形による歪が大きい場合、配線の変形、断線等が発生する恐れがある。
【００１８】
また、一般に銅配線膜の線膨張係数は、銅配線膜が形成される基板の線膨張係数と比較して大きい。このため銅配線膜が基板上に形成された配線基板においては、基板に対して銅配線膜が変形しようとするため、基板の反り、変形、亀裂、破損が発生する恐れがある。このため、銅配線膜としては、銅配線膜が用いられる温度範囲において、塑性変形による歪が小さく、弾性変形の際の変形速度が遅いことが好ましい。
【００１９】
そこで、本発明の発明者らは、銅配線膜の電気抵抗率及び温度変化による銅配線膜の変形に着目し、鋭意検討を行った。その結果、電気抵抗率、室温から応力が極値を超える温度まで昇温した場合の最大圧縮応力、圧縮応力が最大圧縮応力の８０％になる温度、室温から圧縮応力が最大圧縮応力の８０％になる温度までの間の圧縮応力の増加割合、ヤング率に着目し、これらのパラメータが所定の範囲内にあることによって、導電性が良好であり、且つ温度変化に対する信頼性が高い銅配線膜が得られることを見出して、以下に説明する銅配線膜の発明に至った。
【００２０】
［銅配線膜の構成］
本実施形態の銅配線膜は、電気抵抗率が７．０×１０−６Ωｃｍ以下であり、室温から応力が極値を超える温度まで昇温した場合に、最大圧縮応力が２０ＭＰａ以下、圧縮応力が最大圧縮応力の８０％になる温度が１５０℃以上、室温から、圧縮応力が最大圧縮応力の８０％になる温度までの間の圧縮応力の増加割合が５００ｋＰａ／℃以下であり、ヤング率が４０ＧＰａ以下であることを特徴としている。なお、「室温」とは、２５℃を表すものとする。
【００２１】
本実施形態の銅配線膜によれば、導電性が良好であり、且つ温度変化に対する信頼性が高い。
【００２２】
以下、本実施形態の銅配線膜の構成を順に説明する。
【００２３】
本実施形態の銅配線膜の電気抵抗率は、７．０×１０−６Ωｃｍ以下であることが好ましい。銅配線膜の電気抵抗率を上記好適な範囲とすることによって、本実施形態の銅配線膜を、例えば、ＳｉＣパワー半導体等の大電流を流す半導体デバイス用の配線膜として用いることができる。また、電気抵抗率は、５×１０−６Ωｃｍ以下であることがより好ましい。銅配線膜の電気抵抗率をより上記好適な範囲とすることによって、既存の酸化アルミニウム配線基板の内層に用いられているタングステンの電気抵抗率（５．２×１０−６Ωｃｍ程度）と同程度又は同程度以下とすることができ、抵抗損による電力損失を低く抑えられるといった効果が得られる。
【００２４】
また、本実施形態の銅配線膜を、室温から応力が極値を超える温度まで昇温した場合の圧縮応力の最大値（最大圧縮応力）は、３０ＭＰａ以下であることが好ましく、２０ＭＰａ以下であることがより好ましい。なお、室温から昇温したときの極値における応力が通常、最大圧縮応力となる。
【００２５】
銅配線膜の最大圧縮応力を上記好適な範囲とすることによって、銅配線膜の最大圧縮応力を、従来配線膜として提案されていた銅メッキ膜の最大圧縮応力（１２５ＭＰａ程度）より十分小さくすることができる。また、銅配線膜における弾性変形及び塑性変形の変形量が小さくなるため、配線膜の変形、断線等を抑制することができる。また、銅配線膜を、例えば、配線基板等の基板（基材）に適用した場合に、配線基板の亀裂、破断等の発生を抑制することができる。
【００２６】
なお、銅配線膜の最大圧縮応力は小さいほうが好ましいため、下限は特に限定されるものではなく、例えば、０ＭＰａ以上とすることができる。
【００２７】
また、本実施形態の銅配線膜を、室温から応力が極値を超える温度まで昇温した場合に、圧縮応力が最大圧縮応力の８０％になる温度（以下、８０％温度とも記載する。）は、１５０℃以上であることが好ましく、１７５℃以上であることがより好ましい。銅配線膜の８０％温度を上記好適な範囲とすることによって、銅配線膜の塑性変形による歪の発生する温度が高くなる。その結果、配線膜が用いられる温度範囲における塑性変形による歪を抑制することができる。
【００２８】
また、本実施形態の銅配線膜を、室温から応力が極値を超える温度まで昇温した場合の、室温から８０％温度までの間の圧縮応力の増加割合は、５００ｋＰａ／℃以下であることが好ましく、３００ｋＰａ／℃以下であることがより好ましい。なお、室温から８０％温度までの圧縮応力の増加割合とは、銅配線膜の温度が室温から８０％温度まで変化したときの応力の変化量を、８０％温度と室温との温度差で割った値である応力変化率の絶対値を表す。銅配線膜の室温から８０％温度までの圧縮応力の増加割合を上記好適な範囲とすることによって、銅配線膜の弾性変形の際の変形速度を低減することができる。その結果、銅配線膜の弾性変形による配線膜の変形、断線等を抑制することができる。また、銅配線膜を、例えば、配線基板等の基板に適用した場合に、膜と基板との接合面近傍に発生する応力の変化が小さくなるため、配線基板の亀裂、破断等の発生を抑制することができる。
【００２９】
また、本実施形態の銅配線膜のヤング率は、６０ＧＰａ以下であることが好ましく、４０ＧＰａ以下であることがより好ましく、３０ＧＰａ以下であることがより好ましい。銅配線膜のヤング率を上記好適な範囲とすることによって、銅配線膜は弾性変形に伴う伸縮に対してより柔軟となる。その結果、銅配線膜の弾性変形による配線膜の変形、断線等を抑制することができる。
【００３０】
また、本実施形態の銅配線膜の最大圧縮応力になる温度（以下、１００％温度とも記載する。）と８０％温度との差は、５０℃以下であることが好ましく、４５℃以下であることがより好ましい。銅配線膜の１００％温度と８０％温度との差を上記好適な範囲とすることによって、銅配線膜の塑性変形による歪を特に抑制することができる。
【００３１】
以上、本実施形態の銅配線膜について説明したが、本実施形態の銅配線膜は各種用途に適用される。但し、本実施形態の銅配線膜は、導電性が良好であり、且つ温度変化に対する信頼性が高いことから、ＳｉＣパワー半導体デバイスの配線基板の配線膜として特に好ましく用いることができる。ＳｉＣパワー半導体デバイスの配線基板とする際、本実施形態の銅配線膜は基板上に配置される。この際、基板の種類は限定されないが、例えば、耐酸化性、熱伝導性が良いことが好ましいことから、シリコン、酸化アルミニウム等のセラミックス基板であることが好ましい。
【００３２】
本実施形態の銅配線膜によれば、低い電気抵抗率を有するとともに、大幅な温度変化や高温に長時間曝されても、配線の変形、断線を抑制することができる。すなわち、銅配線膜は、温度変化に対する高い信頼性を有する。さらに、銅配線膜が形成された配線基板において、反り、変形等による亀裂、破損を抑制することができる。
【００３３】
［銅配線膜の製造方法］
次に、本実施形態の銅配線膜の製造方法の一例について説明する。
【００３４】
本実施形態の銅配線膜の製造方法は、銅ペーストを基板に塗布する塗布工程と、塗布された銅ペーストを不活性ガスを含む雰囲気下で焼成する焼成工程と、を含み、焼成工程における焼成温度は、５８０℃以上６８０℃以下であることを特徴としている。
【００３５】
以下に、各々の工程について説明する。
【００３６】
塗布工程は、銅粒子を含有する銅ペーストを、基板上に塗布する工程とすることができる。
【００３７】
銅粒子の平均粒子径は、特に限定されるものではないが、ＳｉＣパワー半導体の動作温度である２００℃〜３００℃に長時間曝されても銅配線膜の性能が変化しない、すなわち、焼成が進行するのを防ぐため、比較的大きいものが良い。また、銅粒子が大きいと体積に対する表面積、いわゆる比表面積が小さくなり、粒子表面の有機保護膜が減り、同時に粒子表面が酸化する量を少なく抑えることができ、電気抵抗率の減少につながる。このため、銅粒子の平均粒子径としては、０．１μｍ以上であることが好ましく、１μｍ以上であることがより好ましい。
【００３８】
一方、リフロー温度である４００〜４５０℃以上の温度範囲で低い焼成温度で焼結が進み、銅配線膜にボイドが分散して適量含まれるには、銅粒子の平均粒子径は大きすぎないものが良い。また、印刷時に膜厚が一定となる、つまり表面粗さを小さくするためには、銅粒子の平均粒子径は大きすぎないものが良い。このため、銅粒子の平均粒子径としては、５０μｍ以下であることが好ましく、１０μｍ以下であることがより好ましい。
【００３９】
なお、上述の銅粒子の平均粒子径は、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用い、得られた画像から算出する。球状粒子はその直径を、楕円形状を含む球形からずれた形状のものは長径方向の長さを粒子径とした。なお、ひょうたん形状のように同程度のサイズの粒子が２つ以上くっついたと容易に推定できる粒子は計測から除外している。この方法により算出できる。
【００４０】
さらに、焼成後の銅配線膜にボイドが適量含まれ、かつ抵抗率を減少させるためには、銅粒子の粒子径は不揃いであることが好ましい。すなわち、銅粒子の粒度分布は広いほうが好ましく、例えば、１μｍから４μｍの範囲の粒子が全体の５０％〜８０％程度を占め、８μｍから１０μｍの粒子も数％含まれることが好ましい。
【００４１】
塗布工程において銅ペーストを基板に塗布する方法は、特に限定されるものではなく、例えば、スクリーン印刷法、メタルマスクを用いた印刷法、インクジェット法等を用いることができる。特に、塗布方法としては、低コストであることから、印刷法を用いることが好ましく、配線パターン設計・変更が容易であることから、スクリーン印刷法を用いることがより好ましい。
【００４２】
基板としては、特に限定されるものではなく、例えば、線膨張係数が１０×１０−６／℃以下であるものが好ましく、高温安定性、耐酸化性に優れ、形状変化の少ないものが好ましく、具体的には、セラミックス基板等を用いることができる。特に、セラミックス基板としては、熱伝導性が良いことが好ましいことから、シリコン、酸化アルミニウム（アルミナ）を用いることが好ましく、６００℃を超える温度で焼成しても、配線膜と反応しないことが好ましいことから、酸化アルミニウムを用いることがより好ましい。
【００４３】
焼成工程は、塗布工程で基板上に塗布された銅ペーストを不活性ガスを含む雰囲気下で焼成する工程とすることができる。
【００４４】
焼成工程における焼成温度について、本発明の発明者らは、鋭意検討を行った結果、以下のことを見出した。
【００４５】
すなわち、焼成温度を高くすることで、粒子の成長が促進され、結晶粒界が減少するとともに、膜内に含まれるボイドの体積が減少する。その結果、銅配線膜の電気抵抗率は小さくなる。このため、焼成工程における焼成温度は、５８０℃以上であることが好ましく、タングステンの電気抵抗率５．２×１０−６Ωｃｍ程度よりも低電気抵抗率が好ましいことから、６２０℃以上であることがより好ましい。
【００４６】
一方、焼成温度が高すぎると、ヤング率が大きくなり銅配線膜の応力が大きくなるため、配線の亀裂及び破損が発生することがある。このため、焼成工程における焼成温度は、６８０℃以下であることが好ましい。
【００４７】
不活性ガスを含む雰囲気は、不活性ガスを主成分とする不活性雰囲気であり、ガス雰囲気の酸素含有率が、例えば、常温常圧において０．１体積％以下である低酸素分圧の状態であることが好ましく、より好ましくは０．０１体積％以下である。これにより、銅配線膜が酸化されるのを防止できる。不活性ガスとしては、ヘリウム、アルゴン等の希ガス又は窒素等を用いることが好ましい。また、不活性ガスを含む雰囲気は、更に水素等の還元ガスを含んでいても良い。これにより、銅ペーストを基板に塗布した後に、銅配線膜の表面に自然酸化膜等が形成された場合においても、還元ガスによって自然酸化膜等を除去することができる。その結果、銅配線膜の電気抵抗率をより小さくすることができる。
【００４８】
不活性ガスは焼成中に発生する二酸化炭素、カーボン、水等を銅配線膜周囲から取り除き排出するために、流すことが好ましい。その流量は、特に限定されるものではなく、不活性ガスが供給される装置の容量に応じて任意に選択され、例えば、５０ｍｌ／分〜５０００ｍｌ／分とすることができる。
【００４９】
また、焼成工程においては、上述のように５８０℃以上６８０℃以下で焼成すれば良いが、例えば、不活性ガスが供給された装置内で、所定の温度で１０分〜１２０分間保持することによって、銅配線膜を焼成することが好ましい。
【００５０】
以上に説明した銅配線膜の製造方法によれば、導電性が良好であり、且つ温度変化に対する信頼性が高い銅配線膜を提供することができる。
【００５１】
また、銅配線膜が塗布プロセスによって形成されるため、配線パターンの不要部分を除去するエッチング処理が不要であり、メッキの下地膜形成のための真空装置を用いたスパッタリング処理が不要である。その結果、プロセスが簡便になり、製造コストを低減できるとともに、配線パターンの変更にも柔軟に対応することができる。
【００５２】
また、上述のように焼成工程における焼成温度は、５８０℃以上を選択しているので、銅配線膜が形成された配線基板に部品を実装する半田リフロー時におけるリフロー温度よりも十分に高い。すなわち、銅配線膜が形成された配線基板は、半田リフローを行う際にはリフロー温度よりも高い熱履歴を経ている。このため、銅配線膜が形成された配線基板において、配線基板に部品を実装する際に発生する配線基板の反り、変形等による亀裂、破損を抑制することができる。
【００５３】
また、上記工程以外にも必要に応じて任意の工程を付加することができる。例えば、焼成工程の前に乾燥工程を設けることができる。
【００５４】
乾燥工程は、基板に印刷された銅ペーストを乾燥させる工程である。
【００５５】
乾燥工程における条件は、特に限定されるものではなく、印刷工程で用いた銅ペーストの含有物、量、粘度等に応じて任意に選択される。乾燥工程における条件としては、例えば、大気中、不活性ガス雰囲気中等で、７０℃以上１５０℃以下の温度で、１０分から２時間程度の乾燥を行うことが好ましい。
【実施例】
【００５６】
以下、実施例及び比較例において本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定して解釈されるものではない。また、実施例及び比較例において作製した銅配線膜については、以下に示す方法によって評価を行った。
【００５７】
まず、銅配線膜の評価方法について説明する。
【００５８】
［評価方法］
（１）電気抵抗率
電気抵抗率の測定方法として、直流四端子法を用いる。本実施形態では、膜厚が１５μｍ〜２０μｍ、幅が１ｍｍの銅配線膜の抵抗を直流四端子法を用いて測定することによって電気抵抗率を算出した。なお、測定時の通電電流は、ジュール発熱による膜の温度上昇を抑えるため、±２ｍＡ〜±６０ｍＡとした。なお、電気抵抗率は、抵抗率、比抵抗等とも呼ばれる。
【００５９】
（２）応力
最大圧縮応力及び所定の応力になる温度は、光てこ法を用いて算出した。光てこ法では、被測定物に対し、レーザ光等を照射し、被測定物からの反射光を検出することで曲率半径を測定する。被測定物、例えば、基板が変形して曲率半径が変わった場合、反射光の角度が変化する。この反射光の角度変化をセンサ等で検出することによって、基板表面の曲率半径を算出する。
【００６０】
本実施形態では、両面が鏡面研磨された円形薄板状のセラミックス基板表面にレーザ光を所定の角度で照射し、反射光の角度を検出することで、セラミックス基板表面の曲率半径Ｒ１を算出した。次に、このセラミックス基板上にセラミックス基板と同サイズの円形銅膜を形成し、その状態で、レーザ光を所定の角度で照射し、反射光の角度を検出することで、円形銅膜が形成されたセラミックス基板の曲率半径Ｒ２を算出した。
【００６１】
ここで、基板のヤング率Ｅｓ［Ｐａ］、基板のポアソン比νｓ、基板の二軸弾性係数Ｅｓ／（１−νｓ）［Ｐａ］、基板の厚さｔｓ［ｍ］、曲率半径Ｒｓ［ｍ］、円形銅膜の厚さｔＦ［ｍ］、膜内の平均応力σＦ［Ｐａ］とすると、これらは、下記の式（Ａ）及び式（Ｂ）を満たす。
１／Ｒｓ＝（１／Ｒ2）−（１／Ｒ1）  …（Ａ）
σＦ＝｛Ｅｓ／（１−νｓ）｝・｛（ｔｓ）２／６ＲｓｔＦ｝  …（Ｂ）
なお、式（Ｂ）中の基板の二軸弾性係数Ｅｓ／（１−νｓ）［Ｐａ］、基板の厚さｔｓ［ｍ］は、予め与えられる定数である。
【００６２】
次に、円形銅膜の形成前後の基板の曲率半径Ｒ１、Ｒ２を上記の式（Ａ）に適用することによって、曲率半径Ｒｓを算出する。
【００６３】
次に、算出したＲｓを上記の式（Ｂ）に適用することによって、膜内の平均応力σＦを算出する。
【００６４】
すなわち、曲率半径Ｒ１及び曲率半径Ｒ２を検出することによって、各測定温度における膜内の平均応力σＦを算出することができる。なお、以下の実施例では、５℃ごとに平均応力σＦを測定した。そして、測定した平均応力σＦを温度に対してプロットし、最大圧縮応力、１００％温度、８０％温度を算出した。また、８０％温度での平均応力と室温での平均応力との差（平均応力の変化量）を、８０％温度と室温との温度差で除算することにより応力変化率を算出した。
【００６５】
（３）ヤング率
ヤング率は、上述した応力測定方法及び下記に示す式（Ｃ）を用いることにより算出した。
【００６６】
基板の線膨張係数αｓ［／℃］、膜の線膨張係数αＦ［／℃］、膜のポアソン比νＦ、膜のヤング率ＥＦ［Ｐａ］とすると、これらは、下記の式（Ｃ）を満たす。
ＥＦ＝（ΔσＦ／ΔＴ）・｛（１−νＦ）／（αｓ−αＦ）｝  …（Ｃ）
なお、基板の線膨張係数αｓ［／℃］、膜の線膨張係数αＦ［／℃］、膜のポアソン比νＦは、使用する材料によって予め与えられる定数である。
【００６７】
すなわち、基板を室温から一定速度で昇温し、温度と応力との関係をグラフ上にプロットし、応力−温度曲線を求めると、弾性変形領域の応力曲線の傾き（弾性変形による応力変化率）は、材料の線膨張係数差とヤング率の積に比例する。
【００６８】
本実施形態では、膜の線膨張係数αＦは純銅の値である１６．８×１０−６／℃、膜のポアソン比νＦは純銅の値である０．３５と仮定して膜のヤング率ＥＦを算出した。
【００６９】
次に、実施例及び比較例について説明する。
【００７０】
［実施例１］
平均粒子径が１μｍ以上１０μｍ以下の銅粒子を含む銅ペーストを酸化アルミニウム基板上にスクリーン印刷法によって塗布した。銅ペーストが塗布された基板を、大気中で１００℃の温度で、１時間の乾燥を行った。次に、２００ｍｌ／分の流量でアルゴンガスが供給された装置内で、基板を６００℃の温度で３０分間保持することで焼成を行い、銅膜（銅配線膜および円形銅膜）を作製した。
【００７１】
上記により作製した銅配線膜について、上述した直流四端子法を用いて、電気抵抗率を測定した。その結果、銅配線膜は、電気抵抗率が６．９×１０−６Ωｃｍであり、低い電気抵抗率を有することが確認できた。
【００７２】
また、上記により作製した円形銅膜について、上述した光てこ法を用いて、応力を測定した。図１に、光てこ法を用いて円形銅膜の加熱・冷却過程での応力変化を測定した結果を示す。なお、加熱過程では、昇温速度を＋５℃／ｍｉｎに設定し、冷却過程では、５００℃から２００℃までの間は降温速度を−５℃／ｍｉｎに設定し、２００℃以下では炉が冷却するのと同じ速度で冷却する、いわゆる炉冷とした。
【００７３】
図１に示すように、加熱過程において、室温から１８５℃（８０％温度）付近までの低温域では弾性変形を起こし、膜応力が引張から圧縮にほぼ直線的に変化するが、１８５℃以上の温度領域では降伏を起こし、応力変化が小さくなる。更に加熱を続けると、２３０℃付近で極値を示し、圧縮応力が最大（最大圧縮応力）となる。その後、膜応力は緩和し始める。
【００７４】
一方、冷却過程において、５００℃から室温まで降温していくと、膜応力は圧縮または０から引張に変化する。更に冷却を続けると、引張応力は大きくなる。
【００７５】
図１を用いて、実施例１で作製した円形銅膜の最大圧縮応力、１００％温度、８０％温度、応力変化率及びヤング率を算出した。その結果、円形銅膜は、最大圧縮応力が１６ＭＰａ、１００％温度が２３０℃、８０％温度が１８５℃、応力変化率が−２８８ｋＰａ／℃、ヤング率が２５．２ＧＰａであった。この結果から、弾性変形速度が小さく、塑性変形歪量が小さいため、変形、断線しにくい膜であることが分かる。またヤング率が小さく、最大圧縮応力も低いため、基板の亀裂、破損の発生が低く抑えられると推測される。事実、目視で確認したところ、銅膜が形成された配線基板には反り、変形等による亀裂、破損は見られなかった。すなわち、銅配線膜は、温度変化に対する高い信頼性を有することが確認できた。
【００７６】
［実施例２］
実施例１の焼成工程における焼成温度６００℃を、６５０℃に変更した以外は実施例１と同様の方法で処理することによって、実施例２の銅膜を作製した。
【００７７】
実施例２の銅膜について、実施例１と同様に、電気抵抗率、最大圧縮応力、１００％温度、８０％温度、応力変化率及びヤング率を測定した。
【００７８】
その結果、銅配線膜は、電気抵抗率が４．８×１０−６Ωｃｍであり、低い電気抵抗率を有することが確認できた。
【００７９】
また、円形銅膜は、最大圧縮応力が１７ＭＰａ、１００％温度が２２５℃、８０％温度が１９０℃、応力変化率が−３４２ｋＰａ／℃、ヤング率が３４．２ＧＰａであった。この結果から、弾性変形速度が小さく、塑性変形歪量が小さいため、変形、断線しにくい膜であることが分かる。またヤング率が小さく、最大圧縮応力も低いため、基板の亀裂、破損の発生が低く抑えられると推測される。事実、目視で確認したところ、銅膜が形成された配線基板には反り、変形等による亀裂、破損は見られなかった。すなわち、銅配線膜は、温度変化に対する高い信頼性を有することが確認できた。
【００８０】
［実施例３］
実施例１の酸化アルミニウム基板を、シリコン基板に変更した以外は実施例１と同様の方法で処理することによって、実施例３の銅膜を作製した。
【００８１】
実施例３の円形銅膜について、実施例１と同様の方法で、最大圧縮応力、１００％温度、８０％温度、応力変化率及びヤング率を測定した。
【００８２】
その結果、円形銅膜は、最大圧縮応力が１９ＭＰａ、１００％温度が２０５℃、８０％温度が１５５℃、応力変化率が−２５４ｋＰａ／℃、ヤング率が１５．２ＧＰａであった。この結果から、弾性変形速度が小さく、塑性変形歪量が小さいため、変形、断線しにくい膜であることが分かる。またヤング率が小さく、最大圧縮応力も低いため、基板の亀裂、破損の発生が低く抑えられると推測される。事実、目視で確認したところ、銅膜が形成された配線基板には反り、変形等による亀裂、破損は見られなかった。すなわち、銅配線膜は、温度変化に対する高い信頼性を有することが確認できた。
【００８３】
このことから、基板が異なっていても、銅配線膜は同様の効果を示すことが確認できた。
【００８４】
［比較例１］
実施例１の焼成工程における焼成温度６００℃を、５５０℃に変更した以外は実施例１と同様の方法で処理することによって、比較例１の銅膜を作製した。
【００８５】
比較例１の銅配線膜について、実施例１と同様の方法で、電気抵抗率を測定した。
【００８６】
その結果、比較例１で作製した銅配線膜の電気抵抗率は、２９０×１０−６Ωｃｍであり、例えば、ＳｉＣパワー半導体等に用いられる配線膜としては導電性が不十分であることが確認できた。また、この電気抵抗率は、実施例１〜３で作製した銅配線膜の電気抵抗率と比較して２桁高い。
【００８７】
［比較例２］
実施例１の焼成工程における焼成温度６００℃を、７００℃に変更した以外は実施例１と同様の方法で処理することによって、比較例２の銅膜を作製した。
【００８８】
比較例２の銅膜について、実施例１と同様の方法で、電気抵抗率、最大圧縮応力、１００％温度、８０％温度、応力変化率及びヤング率を測定した。
【００８９】
その結果、銅配線膜は、電気抵抗率が３．０×１０−６Ωｃｍであり、実施例１〜３と同様に、低い電気抵抗率を有することが確認できた。
【００９０】
しかしながら、円形銅膜は、最大圧縮応力が２８ＭＰａ、１００％温度が２３５℃、８０％温度が１５０℃、応力変化率が−４８７ｋＰａ／℃、ヤング率が５７．５ＧＰａであった。
【００９１】
これは、比較例２で作製した円形銅膜の１００％温度と８０％温度との差（８５℃）が、実施例１〜３で作製した円形銅膜の１００％温度と８０％温度との差（３５℃〜５０℃）と比較して大きいことから、銅配線膜の塑性変形による歪が大きく、実施例１〜３で作製した銅配線膜より断線し易く、信頼性が劣ると予想される。
【００９２】
［比較例３］
実施例１の焼成工程における焼成温度６００℃を、８００℃に変更した以外は実施例１と同様の方法で処理することによって、比較例３の銅膜を作製した。
【００９３】
比較例３の銅膜について、実施例１と同様の方法で、電気抵抗率、最大圧縮応力、１００％温度、８０％温度、応力変化率及びヤング率を測定した。
【００９４】
図２に、円形銅膜の加熱・冷却過程での応力変化を測定した結果を示す。なお、加熱過程での昇温速度及び冷却過程での降温速度は、実施例１と同様とした。
【００９５】
図２に示すように、加熱過程において、室温から１０５℃（８０％温度）付近までの低温域では弾性変形を起こし、膜応力が引張から圧縮にほぼ直線的に変化するが、１０５℃以上の温度領域では降伏を起こし、応力変化が小さくなる。さらに加熱を続けると、２１５℃付近で極値を示し、圧縮応力が最大（最大圧縮応力）となる。その後、膜応力は緩和し始める。
【００９６】
一方、冷却過程において、５００℃から室温まで降温していくと、引張応力は大きくなる。
【００９７】
また、図２を用いて、最大圧縮応力、１００％温度、８０％温度、応力変化率及びヤング率を算出した。
【００９８】
上述のように、実施例１と同様の測定を行った結果、銅配線膜は、電気抵抗率が２．７×１０−６Ωｃｍであり、実施例１〜３と同様に、低い電気抵抗率を有することが確認できた。しかしながら、円形銅膜は、最大圧縮応力が３４ＭＰａ、１００％温度が２１５℃、８０％温度が１０５℃、応力変化率が−７０３ｋＰａ／℃、ヤング率が７８．３ＧＰａであった。
【００９９】
これは、比較例３で作製した円形銅膜の最大圧縮応力が実施例１〜３で作製した円形銅膜の最大圧縮応力よりも大きいことから、銅配線膜における弾性変形及び塑性変形の変形量が大きくなることが予想される。また、実施例１〜３で作成した銅配線膜よりも基板の亀裂、破損を生じさせやすい可能性がある。
【０１００】
また、比較例３で作製した円形銅膜の８０％温度が実施例１〜３で作製した円形銅膜の８０％温度よりも低いことから、銅配線膜の塑性変形による歪の発生する温度が低くなり、塑性変形による歪が大きく、実施例１〜３で作製した銅配線膜より断線し易く、信頼性が劣ると予想される。
【０１０１】
［比較例４］
比較例４は、銅膜として非特許文献１に記載されているメッキ膜を用いた場合の例である。比較例４のメッキ膜は、最大圧縮応力が１２５ＭＰａ、１００％温度が２２５℃、８０％温度が１７５℃、応力変化率が−８４２ｋＰａ／℃、ヤング率が６１ＧＰａである。比較例４のメッキ膜は、最大圧縮応力が実施例１〜３と比較して大きいことから、２００℃以上の高温に長時間曝されると、配線の変形、断線が生じる可能性がある。また、銅配線膜が形成された配線基板には、反り、変形等による亀裂、破損が生じる可能性がある。
【０１０２】
なお、最大圧縮応力、１００％温度、８０％温度及び応力変化率は、非特許文献１に記載されている図から数値を読み取った値であり、ヤング率は、非特許文献１の著者らが記している値である。
【０１０３】
以上に説明した、実施例１〜３、比較例１〜３の銅膜及び比較例４のメッキ膜の特性を焼成温度とともに表１に示す。
【０１０４】
【表１】
2015109374.tif 000003
【０１０５】
表１に示す銅膜の特性の評価結果から以下のことが明らかとなった。
【０１０６】
焼成温度を５５０℃とした比較例１の銅配線膜は、電気抵抗率が高くなるため、十分な導電性が得られていない。これに対して、焼成温度を５８０℃以上とした実施例１〜３においては、いずれも電気抵抗率が低く、導電性が良好となった。
【０１０７】
また、焼成温度を６８０℃以上とした比較例２及び比較例３の円形銅膜は、応力が大きく、実施例１〜３で作成した銅配線膜よりも基板の亀裂、破損を生じさせやすい可能性がある。これに対して、焼成温度を６８０℃以下とした実施例１〜３においては、いずれも比較例２及び比較例３と比較して、最大圧縮応力が小さく、８０％温度が高く、応力変化率が小さく、ヤング率が小さく、配線の亀裂及び破損は見られなかった。
【０１０８】
さらに、円形銅膜の最大圧縮応力は、メッキ膜の最大圧縮応力と比較して、１／６以下に低減されることが確認できた。
【図１】
2015109374.tif 000004
【図２】
2015109374.tif 000005