CN102573312A - 利用金属纳米膏用于形成配线和电极的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了利用金属纳米膏用于形成配线和电极的方法。利用金属纳米膏用于形成金属配线和电极的方法包括烧结过程，其中烧结包括：在氮气氛下将其上印刷有金属纳米膏的基板放置在炉子中并使炉子的温度升高到220至240℃；在羧酸和空气的混合气氛下加热基板，同时使炉子的温度维持在该温度范围；在羧酸和空气的混合气氛下，使炉子的温度下降到100至150℃；以及在氮气氛下使炉子的温度下降到室温。根据本发明，像采用高温烧结过程的情况一样，尽管采用低温烧结过程也能够形成具有高密度和最低残留金属颗粒量的金属膜。

Description

利用金属纳米膏用于形成配线和电极的方法
相关申请的引用
本申请要求在2010年12月29日提交的题为“Method for FormingWiring and Electrode Using Metal Nano Paste(利用金属纳米膏用于形成配线和电极的方法)”的韩国专利申请系列号10-2010-0138273的权益，由此将其全部内容通过引用并入本申请中。
技术领域
本发明涉及用于形成金属配线或电极的方法，包括通过特定方式烧结印刷有金属纳米膏(金属纳米胶，metal nano paste)的配线(布线，wiring)或电极。
背景技术
印刷电路板是一种这样的电子部件，其中可以安装各种装置并且装置通过配线的集成可以电连接，并且其广泛用于半导体、太阳能电池、多媒体设备、电信设备、消费电子产品、车辆(vehicles)等中。
为了形成用于该电路板的电路，通常将常规有机组合物注入到其上已雕刻有图案的筛孔中，使得只有其中待形成配线的区域被印刷，然后通过利用喷墨印刷、丝网印刷等将含有金属如银、铜等的膏施加到其上，接着进行烧结过程。
烧结过程定义为这样的热处理，用于通过以自动调整方式(整合方式，self-alignment manner)结合金属颗粒经由在原子水平上发生的物质转移而固相结构化。当金属纳米膏类型的配线或电极经受烧结过程时，粘合剂被去除并且金属颗粒熔合并长大(grow)，使得形成具有接近于块状金属(大块金属，大体积金属，bulky metal)的电性能的金属膜。
因为近来已推进了在其上利用纳米颗粒形成配线和电极的基板的细化和多样化，所以要求烧结过程在低温下进行。在这种情况下，可以存在通过改变金属纳米膏的组成等而在低温下进行烧结过程的方法。然而，该方法要求大量开发成本，因为需要考虑各种金属的性能，并且该方法可能对金属配线和电极的其他物理和化学性能具有不利影响。
因此，急需开发这样的方法，根据该方法，在250℃或更低的低温下进行烧结过程同时提高金属膜的密度，以达到对于金属配线和电极所需要的电性能。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种即使通过在低于250℃的低温下的烧结过程用于形成金属配线和电极的方法，所述金属配线和电极能够表现出接近于块状金属的优异的电性能。
本发明的另一个目的在于提供一种通过适当调节用于烧结过程的烧结气氛以简单的方式用于形成具有优异电性能的金属配线和电极的方法。
根据本发明的一个示例性实施方式，提供了一种用于形成金属配线或电极的方法，所述方法包括烧结过程，其中所述烧结包括：在氮气氛下将其上印刷有金属纳米膏的基板放置在炉子中并使炉子的温度升高到220至240℃；在羧酸和空气的混合气氛下加热基板，同时使炉子的温度维持在该温度范围；在羧酸和空气的混合气氛下，使炉子的温度下降到100至150℃；以及在氮气氛下使炉子的温度下降到室温。
混合气氛可以由40至60vol％的羧酸和60至40vol％的空气组成。
氮气氛可以由包含低于10vol％的氢气和余量的氮气的合成气体(混合气体，forming gas)组成。
金属纳米膏可以包含选自由银(Ag)、铜(Cu)、镍(Ni)、金(Au)、铂(Pt)、钯(Pd)、铅(Pb)、铟(In)、铑(Rh)、钌(Rd)、铱(Ir)、锇(Os)、钨(W)、钽(Ta)、铋(Bi)、锡(Sn)、锌(Zn)、钛(Ti)、铝(Al)、钴(Co)和铁(Fe)组成的组中的至少一种金属。
羧酸可以为甲酸、乙酸、或丙酸。
附图说明
图1是根据本发明实施例的烧结过程的示意图(图式化图解，schematized graph)(在图1中，F/A是指甲酸)；
图2是比较例1的烧结过程的示意图；
图3是比较例2的烧结过程的示意图；以及
图4是比较例3的烧结过程的示意图。
具体实施方式
本发明涉及一种利用金属纳米膏用于形成金属配线和电极的方法，所述方法包括烧结过程，其中所述烧结包括：在氮气氛下将其上印刷有金属纳米膏的基板放置在炉子中并使炉子的温度升高到220至240℃；在羧酸和空气的混合气氛下加热基板，同时使炉子的温度维持在该温度范围；在羧酸和空气的混合气氛下，使炉子的温度下降到100至150℃；以及在氮气氛下使炉子的温度下降到室温。根据本发明，像采用高温烧结过程的情况一样，尽管采用低温烧结过程也能够形成具有高密度和最低残留金属颗粒量的金属膜。
在下文中，将更详细地描述本发明。
本发明的烧结过程主要分为四个步骤。
作为第一步骤，在氮气氛下，将其上印刷有金属纳米膏的基板放置在炉子中，并使炉子的温度逐渐地升高到220至240℃。因而，需要在氮气氛下进行温度升高过程，以便防止在金属配线和电极中产生裂纹。另外，需要逐渐升高温度以便防止金属与有机材料如膏中含有的粘合剂、溶剂等之间不希望的反应。
基板没有具体地限于特定的种类，并且其实例可以包括硅基板、柔性基板(flexible substrate)等。例如，根据本发明的基板可以包括这样的硅基板，所述硅基板被织构化(纹理化，texture)以便增加作为用于太阳能电池的基板的能量效率，并且具有SiNx、SiO2、TiO2等的抗反射膜。另外，根据本发明的基板可以包括所有能够用于电子装置如半导体、显示器、便携式电话等的基板。
金属纳米膏并不限制于具有特定组成的膏。可以使用具有常规组成的金属纳米膏，以便形成电极和配线，并且其实例可以包括选自由银(Ag)、铜(Cu)、镍(Ni)、金(Au)、铂(Pt)、钯(Pd)、铅(Pb)、铟(In)、铑(Rh)、钌(Rd)、铱(Ir)、锇(Os)、钨(W)、钽(Ta)、铋(Bi)、锡(Sn)、锌(Zn)、钛(Ti)、铝(Al)、钴(Co)和铁(Fe)组成的组中的至少一种金属。金属纳米颗粒可以具有约3至10μm的平均粒径。
金属纳米膏是印刷在基板上的材料。印刷方法的实例可以包括喷墨印刷、丝网印刷等。
在第一步骤中，例如，在使用银纳米膏的情况下，可能要花费约60分钟以使炉子的温度从室温升高到220至240℃。用于升高温度的时间可以取决于炉子的尺寸和压力，并且可以取决于金属的种类。
在第一步骤中，氮气氛可以包括100vol％的氮气、或者氮气占主要部分和余量的氢气低于10vol％的合成气体。
作为第二步骤，在羧酸和空气的混合气氛下对基板加热，同时使炉子的温度维持在第一步骤中所描述的温度范围。羧酸可有效去除包含在导电膏中的有机材料，结果能够有效地提高金属膜的密度，由此降低配线和电极的比电阻率值。
在第二步骤中，将炉子的温度维持在220至240℃的范围内，优选225至235℃。本发明的烧结过程由于烧结过程不需要在250℃或更高的高温下进行而具有优势。通过即使在220-240℃的范围内进行烧结，电极和配线所具有的比电阻率接近于块状金属的比电阻率值。
在第二步骤中，羧酸和空气的混合气体可以由40至60vol％的羧酸和60至40vol％的空气组成。混合气体的含量比可以轻微地取决于包含在金属纳米膏中的有机材料的种类。
羧酸是含有羧酸根(-COOH)的化合物，而其实例可以包括甲酸、乙酸、丙酸等。
在第二步骤的加热中，在使用银纳米膏的情况下，可能要花费约60分钟以使温度升高到220至240℃，优选225至235℃。用于加热的时间可以取决于炉子的尺寸和压力，以及可以取决于金属的种类。例如，用于加热的时间可以是1至2小时。
作为第三步骤，在羧酸和空气的混合气氛下，使炉子的温度下降到100至150℃。该步骤使得能够维持烧结程序(烧结过程)并降低炉子的温度。
在第三步骤中，维持第二步骤中的羧酸和空气的混合气氛，以便有助于提高金属膜的密度，并防止在炉子的温度降低以后立即(在第四步骤中)输入氮气时，由于向金属膜中输入大气中的氧(atmospheric oxygen)而引起的金属膜的氧化。
在第三步骤中，炉子的温度范围在100至150℃的范围内。如果炉子的温度下降至该温度范围以下，可能会进行不必要的烧结。用于降低温度的时间可以取决于炉子的尺寸和压力，并且可以取决于金属的种类。
作为第四步骤，在氮气氛下，使炉子的温度下降至室温。在第四步骤中，需要形成氮气氛，因为在室温下持续引入羧酸和空气的混合气氛的情况下，可能会进行不必要的烧结。在氮气氛下逐渐冷却配线和电极，使得金属膜不被氧化。
室温是指25℃至30℃。
像第一步骤一样，在第四步骤中，氮气氛可以包括100vol％的氮气、或者氮气占主要部分和余量的氢气低于10vol％的合成气体。
通过上述包括四个步骤的烧结过程，金属膜内的粒径变大而孔径变小，结果提高了金属膜的密度，由此形成具有优异的电性能的配线和电极。
在下文中，描述了优选的实施方式以便帮助理解本发明。下面的实施方式仅通过举例的方式描述本发明，但并不限制所附权利要求的范围。对于本领域技术人员显而易见的是，在本发明的范围和精神内，可以进行各种变化和修改。应当理解，本发明旨在涵盖包含于所附权利要求中的这些变化和修改。
实施例
实施例1
通过利用银纳米膏经丝网印刷，将配线印刷在用于太阳能电池的包含抗反射膜的硅基板上。将获得的基板放置在炉子中，然后立即进行烧结过程。使用甲酸作为在烧结气氛中使用的羧酸。
在第二步骤中用于加热的温度设定为230℃，以及在温度升高区域(temperature rise section)进行烧结1小时。使炉子的压力维持在大气压。特定的烧结分布图(图解，profile)示出在图1中。
比较例1
以与实施例1相同的方式进行烧结过程，不同之处在于，在整个烧结过程中烧结气氛通过利用空气构成。比较例1的烧结分布图示出在图2中。
比较例2
以与比较例1相同的方式进行烧结过程，不同之处在于，在整个烧结过程中烧结气氛通过利用氮气构成。比较例2的烧结分布图示出在图3中。
比较例3
以与实施例1相同的方式进行烧结过程，不同之处在于，烧结气氛在第一步骤期间通过利用氮气构成，在第二步骤期间通过利用甲酸构成，在第三步骤期间通过利用甲酸构成，以及在第四步骤期间通过利用氮气构成。比较例3的烧结分布图示出在图4中。
实验例
测定经受实施例1和比较例1至3的烧结过程的金属配线的性能，结果列出在表1中。可以看出，实施例1中的比电阻率值就块状Ag的比电阻率值1.59μohm-cm(微欧姆-cm)而论是优异的。从比电阻率值来看，比较例1至3显著大于实施例1。
[表1]
  平均值   实施例1   比较例1   比较例2   比较例3
  R(电阻，欧姆)   1.33   1.7  4-5Mohm(兆欧姆)   2.97
  W(宽度，μm)   297   309  302   296
  T(厚度，μm)   3.6   3.57  5.2   4.47
  L(长度，cm)   4.0   4.0  4.0   4.0
  电阻率(微欧姆-cm)   3.47   4.69  非常大   9.82
根据由比较例1的烧结过程所获得的结果，颗粒长大，并且由于烧结收缩而引起的孔存在于底面/横截面的微细结构中，但没有显示出残留金属颗粒，因此能够表现出低的电阻值。
根据由比较例2的烧结过程所获得的结果，在颗粒之间出现颈缩，其进一步发展形成颗粒的聚结(coalescence)。然而，从胶带测试(tape testing)时膜被严重脱离(分离，release)的事实判断，有机材料并没有被完全去除，并且从横截面的微细结构判断，烧结没有充分完成。因为这些原因，在2-点电阻测量时，显示出4-5Mohm(兆欧姆)的显著高的电阻值。
根据由比较例3的烧结过程所获得的结果，颗粒长大。然而，可以看出，烧结并没有充分完成，因为在表面/底面中显示出非烧结的金属颗粒，并且在横截面结构中显示出金属颗粒本身。
然而，根据由实施例1的烧结过程所获得的结果，与比较例1至3相比，能够获得优异的膜，其中颗粒大部分长大至几μm。尽管取样的时候，膜的底面与基板没有明显地分开，但是底面的微细结构并没有显著不同于表面的微细结构，并且没有显示出未烧结的金属颗粒。获得了致密的金属膜和颗粒的长大，因此其比电阻率值为3.47μohm-cm(微欧姆-cm)，与比较例1至3相比其为最小值。
根据包含烧结过程的用于形成金属配线和电极的方法，即使通过低于250℃的低温烧结过程，也能够获得表现出接近于由进行高温烧结过程形成的金属配线或电极的电性能的金属配线或电极。
该用于形成金属配线和电极的方法，能够有效地应用于使用其上并不进行高温烧结的基板的情况、或使用薄膜型基板的情况。
根据本发明，通过仅控制烧结条件的简单方法同时利用普通金属纳米膏，能够提高金属膜的密度并且能够使残留金属颗粒的量最小化，因此，能够形成表现出接近于块状金属比电阻率值的优异的比电阻率值的金属线或电极。
虽然已经结合实施方式示出并描述了本发明，但对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不背离如由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行更改和变化。

Claims (5)

1.一种用于形成金属配线或电极的方法，包括烧结过程，其中，所述烧结包括：
在氮气氛下将基板放置在炉子中并使所述炉子的温度升高到220℃至240℃，在所述基板上印刷有金属纳米膏；
在羧酸和空气的混合气氛下加热所述基板，同时使所述炉子的温度维持在所述温度范围；
在所述羧酸和空气的混合气氛下，使所述炉子的温度下降到100℃至150℃；以及
在氮气氛下使所述炉子的温度下降到室温。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述混合气氛由40至60vol％的羧酸和60至40vol％的空气组成。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述氮气氛由包含低于10vol％的氢气和余量的氮气的合成气体组成。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述金属纳米膏包含选自由银(Ag)、铜(Cu)、镍(Ni)、金(Au)、铂(Pt)、钯(Pd)、铅(Pb)、铟(In)、铑(Rh)、钌(Rd)、铱(Ir)、锇(Os)、钨(W)、钽(Ta)、铋(Bi)、锡(Sn)、锌(Zn)、钛(Ti)、铝(Al)、钴(Co)和铁(Fe)组成的组中的至少一种金属。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述羧酸为甲酸、乙酸、或丙酸。
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