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プラズマ処理装置『大海』

総合研究所
ドライ技術開発部
上山 浩幸 Hiroyuki UEYAMAI

はじめに

電子機器の高性能化、小型軽量化に伴い、プリント配線板に高密度、高信頼性の要求が高くなってきている。特に、最先端のプリント配線板は半導体の域に達するほどである。  半導体業界ではプラズマエッチングをはじめとして多くのドライプロセスが導入されているが、プリント配線板製造プロセスにおいても半導体と同様にドライプロセスの導入が必要となってきた。  当社では、ドライとウェットの融合をキーワードに、従来のウェット処理のみでは達成が困難な多くの技術課題の解決に取り組んでいる。また、生産性向上、コスト削減、環境保護の側面からもプラズマ処理システムの導入を提案している。  以下にプラズマシステム『大海』による処理効果と装置の特長について紹介する。

プラズマシステムの処理効果について

2-1.プラズマの生成と処理原理
一般的に電離によって生じた荷電粒子を含む気体をプラズマと呼ぶ。図1に示すように気体中には微量に存在する電離した正負のイオンと電子が存在しており、電極間に印加した高周波電圧の電界により加速された電子の衝突を利用しプラズマを発生している。

図1 プラズマの生成

処理原理は、ガスを導入しプラズマ状態を形成することによりイオンを生成し、 被対象物との化学反応、または物理的衝突を利用するものである。図2に化学反応による処理概念図を示す。

図2 処理概念図

2-2プラズマ処理の効果
『大海』で使用するガスの種類と目的を表1に示す。


これらのガスを処理目的に応じ組み合わせて使用することで、被処理対象以外への影響(ダメージ)を選択的に抑えながら処理することができる。  アプリケーションを目的別で分類すると、「デスミア」、「デスカム」、「表面改質」の3種類に分けられる。デスミアはスルーホール(TH)、ブラインドビアホール(BVH)形成後に生成される樹脂変質物(スミア)などの除去、デスカムは製造工程で使用されるソルダーレジスト(PSR)、ドライフィルム(DFR)残渣などの除去、また表面改質はめっき前後のクリーニング、材料表面の粗化などによる密着性改善、濡れ性向上に代表される。
具体的に各アプリケーションの例を以下に示す。

(1)デスミア
デスミアでは特に高アスペクトレシオ、小径ホールサイズのTH、BVH、リジッドフレキ基板などが主な対象となり、ほとんどの基板材料について適用できる。
プリント配線板の小型微細化が進みTHからBVHによる配線への移行傾向が見られる。BVHのスミアはウェット処理では完全に除去することが難しく、銅配線接続部の接続不良などが見られる。しかしプラズマ処理をすることにより確実なデスミアができ、また濡れ性向上によりめっき性能が向上し高い接続信頼性が得られる。図3はウェットデスミアでは難しいBVHでのエッジ部のスミア除去改善を示したものである。

図3 BVH断面写真(デスミア⇒Cuめっき後)

図4 ハイブリッド基板(PTFE-FR4)断面写真 (プラズマデスミア⇒Cuめっき)

また、図4に示すようにFR4-テフロンのハイブリッド基板では、処理ガスを途中に変えることでスミア除去と濡れ性向上の連続処理ができ、基材の選択肢を大きく広げることができる。

(2)デスカム
デスカムではパターン形成工程でのエッチング後のPSR、DFR残渣、めっき前のPSR、DFR残渣の除去が主な対象となる。
図5に金めっき前のデスカム処理によるめっき不良(付きまわり不良、ピット不良)の改善例を示す。最終工程であることからコスト削減に大きく貢献できる適用例である。

図5 金めっき不良改善例

パターンの微細化に伴い銅配線の信頼性が課題となってきているが、図6はプラズマによるDFRエッジ部のデスカム処理を行うことにより十分な銅配線幅を確保し、L/Sサイズが8μmの配線を可能とした例である。

図6 DFRによるパターン拡大写真

(3)表面改質
表面改質の適用範囲は、ポリイミドなどの積層密着性向上、金属酸化膜除去、めっき性能向上(クリーニング、表面粗化、濡れ性改善)、アンダーフィルなど樹脂コート改善、クリーニングによるワイヤーボンディングの強度向上、樹脂モールディング前や出荷前のクリーニング、バンプめっき性能向上などがある。
図7に基板材料ABFの表面粗化の例を示す。プラズマ処理有無でのABFの表面状態を拡大したものであるが、樹脂部のエッチングによりフィラーが露出し、粗化により表面積が大きくなっていることが分かる。BFに限らずほとんどの樹脂は、粗化のサイズ、深さなども処理条件を変えることにより最適化を図ることができめっきの密着性や異種材料との密着向上を実現できる。

図7 ABF/GX3表面拡大写真

図8にポリイミドの濡れ性改善評価の結果を示す。プラズマ処理を行うことで濡れ性の指標となる接触角が80°から20°程度になっており、大幅に濡れ性が改善されている。

図8 ポリイミド濡れ性改善

図9にプラズマによる出荷前のク リーニング例を示す。
特に表面改質は、次工程のめっきなどウェット処理の性能を向上させる効果が期待でき、最も注目される技術となると考えられる。
ここまでプラズマ処理によるアプリケーション例を挙げてきたが、掲載した事例はプリント配線板の製造工程の一部である。新材料への対応、新技術の確立、コスト削減など多くの課題の解決にプラズマ処理が不可欠となってきている。

図9 出荷前クリーニング例

2-1.プラズマの生成と処理原理
一般的に電離によって生じた荷電粒子を含む気体をプラズマと呼ぶ。図1に示すように気体中には微量に存在する電離した正負のイオンと電子が存在しており、電極間に印加した高周波電圧の電界により加速された電子の衝突を利用しプラズマを発生している。

図1 プラズマの生成

処理原理は、ガスを導入しプラズマ状態を形成することによりイオンを生成し、 被対象物との化学反応、または物理的衝突を利用するものである。図2に化学反応による処理概念図を示す。

図2 処理概念図

2-2プラズマ処理の効果
『大海』で使用するガスの種類と目的を表1に示す。


これらのガスを処理目的に応じ組み合わせて使用することで、被処理対象以外への影響(ダメージ)を選択的に抑えながら処理することができる。  アプリケーションを目的別で分類すると、「デスミア」、「デスカム」、「表面改質」の3種類に分けられる。デスミアはスルーホール(TH)、ブラインドビアホール(BVH)形成後に生成される樹脂変質物(スミア)などの除去、デスカムは製造工程で使用されるソルダーレジスト(PSR)、ドライフィルム(DFR)残渣などの除去、また表面改質はめっき前後のクリーニング、材料表面の粗化などによる密着性改善、濡れ性向上に代表される。
具体的に各アプリケーションの例を以下に示す。

(1)デスミア
デスミアでは特に高アスペクトレシオ、小径ホールサイズのTH、BVH、リジッドフレキ基板などが主な対象となり、ほとんどの基板材料について適用できる。
プリント配線板の小型微細化が進みTHからBVHによる配線への移行傾向が見られる。BVHのスミアはウェット処理では完全に除去することが難しく、銅配線接続部の接続不良などが見られる。しかしプラズマ処理をすることにより確実なデスミアができ、また濡れ性向上によりめっき性能が向上し高い接続信頼性が得られる。図3はウェットデスミアでは難しいBVHでのエッジ部のスミア除去改善を示したものである。

図3 BVH断面写真(デスミア⇒Cuめっき後)

図4 ハイブリッド基板(PTFE-FR4)断面写真 (プラズマデスミア⇒Cuめっき)

また、図4に示すようにFR4-テフロンのハイブリッド基板では、処理ガスを途中に変えることでスミア除去と濡れ性向上の連続処理ができ、基材の選択肢を大きく広げることができる。

(2)デスカム
デスカムではパターン形成工程でのエッチング後のPSR、DFR残渣、めっき前のPSR、DFR残渣の除去が主な対象となる。
図5に金めっき前のデスカム処理によるめっき不良(付きまわり不良、ピット不良)の改善例を示す。最終工程であることからコスト削減に大きく貢献できる適用例である。

図5 金めっき不良改善例

パターンの微細化に伴い銅配線の信頼性が課題となってきているが、図6はプラズマによるDFRエッジ部のデスカム処理を行うことにより十分な銅配線幅を確保し、L/Sサイズが8μmの配線を可能とした例である。

図6 DFRによるパターン拡大写真

(3)表面改質
表面改質の適用範囲は、ポリイミドなどの積層密着性向上、金属酸化膜除去、めっき性能向上(クリーニング、表面粗化、濡れ性改善)、アンダーフィルなど樹脂コート改善、クリーニングによるワイヤーボンディングの強度向上、樹脂モールディング前や出荷前のクリーニング、バンプめっき性能向上などがある。
図7に基板材料ABFの表面粗化の例を示す。プラズマ処理有無でのABFの表面状態を拡大したものであるが、樹脂部のエッチングによりフィラーが露出し、粗化により表面積が大きくなっていることが分かる。BFに限らずほとんどの樹脂は、粗化のサイズ、深さなども処理条件を変えることにより最適化を図ることができめっきの密着性や異種材料との密着向上を実現できる。

図7 ABF/GX3表面拡大写真

図8にポリイミドの濡れ性改善評価の結果を示す。プラズマ処理を行うことで濡れ性の指標となる接触角が80°から20°程度になっており、大幅に濡れ性が改善されている。

図8 ポリイミド濡れ性改善

図9にプラズマによる出荷前のク リーニング例を示す。
特に表面改質は、次工程のめっきなどウェット処理の性能を向上させる効果が期待でき、最も注目される技術となると考えられる。
ここまでプラズマ処理によるアプリケーション例を挙げてきたが、掲載した事例はプリント配線板の製造工程の一部である。新材料への対応、新技術の確立、コスト削減など多くの課題の解決にプラズマ処理が不可欠となってきている。

図9 出荷前クリーニング例

装置の特長

3-1.装置システム構成と特長
プラズマ処理装置『大海』は装置本体とユーティリティ供給の付帯設備から構成される(図10参照)。

図10 『大海』システム構成

『大海』の特長を以下に挙げる。
1) 特別仕様のプラズマ電源を搭載し、装置の性能を大きく左右する電極も含めたトータルチューニングを行っている。
2) 排気にドライポンプとブースターポンプを設置し圧力制御により最適なプロセスを提供。
3) システムにCF4ガスの除害ユニットを搭載し、環境負荷低減とプロセス性能の両立を達成。
4) 処理効率、均一性の向上のため電極、チャンバーなど形状、材料を含めた最適設計。
5) 電極、チャンバーのメンテナンスも考慮した設計によりメンテナンス性を大幅に向上。

『大海』の主要な特長である電源と、除害ユニットについて詳しく説明する。

(1)電源
一般的に半導体向けプラズマ装置はRF(Radio Frequency)電源を搭載している。しかし、プリント配線板のような大面積の処理には強度が弱く十分な処理が望めないことからプリント配線板向けプラズマ装置ではLF(Low Frequency)電源が最も適しているとされている。
『大海』にはLF電源を搭載しているが、他社と性能の差別化を図るため、周波数が50kHzの特別仕様の電源を標準仕様としている(一般のプラズマ装置は40kHz)。電源の周波数を高くすることでプラズマを効率的に形成し、処理時間短縮、使用ガス量削減を可能とした。

(2)CF4除害ユニット
CF4はPFCガスの一種であり大気中での寿命が非常に長く、その地球温暖化係数(GWP)はCO2に比べ非常に大きい。1997年12月の京都議定書により地球温暖化ガスの対象となり、2010年より自主規制枠による管理が行われる。
『大海』ではCF4除害ユニットを搭載することで温暖化ガスの排出を最小限に止めている。除害ユニットは図10のシステム構成図に示すように、ブースターポンプとドライポンプの間に設置し、RF電源による排気配管の一部に高密度プラズマを発生させることでCF4を分解している。図11の除害ユニット性能評価に示すように、除害ユニットの二次側では入口濃度の99%が分解されている。

表2 『大海』標準仕様一覧(概要)

その際、HF、CO2などが副生成物として生成されるが、水スクラバーや化学吸着式除害装置を接続することで副生成物も除去できるシステムとなる。
CF4をはじめとするPFCガスの除害装置は他にも販売されているが、『大海』はランニングコスト、環境負荷を考慮したシステムとなっている。

3-2.『大海』標準モデル一覧
表2に『大海』標準モデル仕様一覧(概要)を示す。標準モデルには温度コントロールのため冷却水を循環するタイプと冷却水の循環機能を持たないタイプの2タイプに分けられる。
通常、プラズマを発生させるとチャンバー内の温度が上昇するため水冷式が必要となるが、プロセス時間が短く処理に温度制御の必要がない場合は、処理枚数が多い非水冷タイプが使われる。

3-3.装置バリエーション
3-3-1.全自動モデル
全自動モデルはロード・アンロードユニット、搬送ユニット及び本体システムから構成され、ロードユニットにプリント配線板の入ったトレーをセットすると、決められた条件で処理されアンロードのトレーに戻る全自動のシステムである。図12に外観写真を示す。

図12 全自動モデル

特長は、薄いプリント配線板でも、自動チャッキングが出来るウィンドウフレームを使用して折れ曲りなどが起こらないように配慮し、安定した処理品質で自動処理が出来る点である。

3-3-2.大気圧モデル
大気圧プラズマには図13に示すように、製品を電極間で処理を行うダイレクト方式と、プラズマにより生成されたガスイオンを製品に吹付けるリモー ト方式があり、プロセス対象により選択できる。リール・トゥ・リールのラインでは簡易に設置が可能であるが、真空モデルと比較するとプラズマ処理効果は弱く、濡れ性改善、弱い表面改質が対象となる。

3-3-3.その他のモデル
プラズマシステムには前述のモデル以外に、真空のリール・トゥ・リールモデル、パッケージ向け真空モデルなどの納入実績もある。また、プリント配線板を主体に説明をしてきたが、携帯や自動車部品などの塗装、めっき前の表面改質での実績も多くもっている。

3-1.装置システム構成と特長
プラズマ処理装置『大海』は装置本体とユーティリティ供給の付帯設備から構成される(図10参照)。

図10 『大海』システム構成

『大海』の特長を以下に挙げる。
1) 特別仕様のプラズマ電源を搭載し、装置の性能を大きく左右する電極も含めたトータルチューニングを行っている。
2) 排気にドライポンプとブースターポンプを設置し圧力制御により最適なプロセスを提供。
3) システムにCF4ガスの除害ユニットを搭載し、環境負荷低減とプロセス性能の両立を達成。
4) 処理効率、均一性の向上のため電極、チャンバーなど形状、材料を含めた最適設計。
5) 電極、チャンバーのメンテナンスも考慮した設計によりメンテナンス性を大幅に向上。

『大海』の主要な特長である電源と、除害ユニットについて詳しく説明する。

(1)電源
一般的に半導体向けプラズマ装置はRF(Radio Frequency)電源を搭載している。しかし、プリント配線板のような大面積の処理には強度が弱く十分な処理が望めないことからプリント配線板向けプラズマ装置ではLF(Low Frequency)電源が最も適しているとされている。
『大海』にはLF電源を搭載しているが、他社と性能の差別化を図るため、周波数が50kHzの特別仕様の電源を標準仕様としている(一般のプラズマ装置は40kHz)。電源の周波数を高くすることでプラズマを効率的に形成し、処理時間短縮、使用ガス量削減を可能とした。

(2)CF4除害ユニット
CF4はPFCガスの一種であり大気中での寿命が非常に長く、その地球温暖化係数(GWP)はCO2に比べ非常に大きい。1997年12月の京都議定書により地球温暖化ガスの対象となり、2010年より自主規制枠による管理が行われる。
『大海』ではCF4除害ユニットを搭載することで温暖化ガスの排出を最小限に止めている。除害ユニットは図10のシステム構成図に示すように、ブースターポンプとドライポンプの間に設置し、RF電源による排気配管の一部に高密度プラズマを発生させることでCF4を分解している。図11の除害ユニット性能評価に示すように、除害ユニットの二次側では入口濃度の99%が分解されている。

表2 『大海』標準仕様一覧(概要)

その際、HF、CO2などが副生成物として生成されるが、水スクラバーや化学吸着式除害装置を接続することで副生成物も除去できるシステムとなる。
CF4をはじめとするPFCガスの除害装置は他にも販売されているが、『大海』はランニングコスト、環境負荷を考慮したシステムとなっている。

3-2.『大海』標準モデル一覧
表2に『大海』標準モデル仕様一覧(概要)を示す。標準モデルには温度コントロールのため冷却水を循環するタイプと冷却水の循環機能を持たないタイプの2タイプに分けられる。
通常、プラズマを発生させるとチャンバー内の温度が上昇するため水冷式が必要となるが、プロセス時間が短く処理に温度制御の必要がない場合は、処理枚数が多い非水冷タイプが使われる。

3-3.装置バリエーション
3-3-1.全自動モデル
全自動モデルはロード・アンロードユニット、搬送ユニット及び本体システムから構成され、ロードユニットにプリント配線板の入ったトレーをセットすると、決められた条件で処理されアンロードのトレーに戻る全自動のシステムである。図12に外観写真を示す。

図12 全自動モデル

特長は、薄いプリント配線板でも、自動チャッキングが出来るウィンドウフレームを使用して折れ曲りなどが起こらないように配慮し、安定した処理品質で自動処理が出来る点である。

3-3-2.大気圧モデル
大気圧プラズマには図13に示すように、製品を電極間で処理を行うダイレクト方式と、プラズマにより生成されたガスイオンを製品に吹付けるリモー ト方式があり、プロセス対象により選択できる。リール・トゥ・リールのラインでは簡易に設置が可能であるが、真空モデルと比較するとプラズマ処理効果は弱く、濡れ性改善、弱い表面改質が対象となる。

3-3-3.その他のモデル
プラズマシステムには前述のモデル以外に、真空のリール・トゥ・リールモデル、パッケージ向け真空モデルなどの納入実績もある。また、プリント配線板を主体に説明をしてきたが、携帯や自動車部品などの塗装、めっき前の表面改質での実績も多くもっている。

おわりに

プラズマ処理装置『大海』のアプリケーション、装置の特長を説明してきたが、当社ではプロセス開発のため総合研究所に開発用装置を設置している。
当社のめっき技術と組合せ、さらに施設のSEM、FT-IRなどの各種解析機器を活用して定量的にプラズマプロセスを解析し提案していく体制を整えた。今後、ドライとウェットの融合をキーワードに積極的に市場展開を図っていく予定である。またユーザーの皆様方と一緒に新しい課題に挑戦し、 解決していきたいと考えている。

その他記事

JCUテクニカルレポート 84号 2008年7月