JP2006159014A - Method of forming metallic film - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、金属膜の形成方法に関し、特に、インクジェット法を用いて金属膜を形成する方法に関する。 The present invention relates to a method for forming a metal film, and more particularly to a method for forming a metal film using an inkjet method.
従来、配線パターン等の金属膜を形成する方法として、電解めっき方式及び無電解めっき方式が知られている。電解めっき方式では、めっき液中に浸漬した被めっき物(めっきを施す対象物)を陰極として電流を流してめっきを行うため、当該対象物の被めっきエリアに通電しなくてはならない。このため、配線パターンによっては、ダミー配線やシード層などを設け、これを介して通電する方式を採用する必要がある。しかし、近年のパターン微細化により、このような方式を採用するのが非常に困難になってきている。 Conventionally, as a method of forming a metal film such as a wiring pattern, an electrolytic plating method and an electroless plating method are known. In the electroplating method, since plating is performed by using an object to be plated immersed in a plating solution (an object to be plated) as a cathode, current must be applied to the area to be plated of the object. For this reason, depending on the wiring pattern, it is necessary to employ a method in which a dummy wiring, a seed layer, or the like is provided and energized therethrough. However, it has become very difficult to adopt such a method due to recent pattern miniaturization.
また、被めっき物はめっき液に浸漬され、めっき液に接している箇所でめっき反応が起こるため、電流密度が同じであればめっき反応は均一に発生するが、実際には被めっき物の表面の形状(凹凸など)に依存して電流密度が異なり、析出速度を全面均一にするのは非常に困難である。このため、被めっき物の表面積が大きい場合、皮膜の厚さにばらつきが生じ、コストアップの要因となっていた。 In addition, since the object to be plated is immersed in the plating solution and the plating reaction occurs at the place where it is in contact with the plating solution, the plating reaction occurs uniformly if the current density is the same. The current density varies depending on the shape (irregularity etc.) of the film, and it is very difficult to make the deposition rate uniform over the entire surface. For this reason, when the surface area of the object to be plated is large, the thickness of the film varies, which causes an increase in cost.
また、従来の電解めっきでは、めっきやレジスト塗布などの前処理として、アルカリ脱脂(金属表面に付着している油脂等を除去する処理)、酸洗浄(金属表面に生じた酸化物を硫酸や塩酸等の酸性水溶液で溶解除去する処理)などを行う必要があり、そのため、めっき設備、純水製造設備、排水設備など大掛かりな設備投資が必要であった。 In addition, in the conventional electrolytic plating, as a pretreatment such as plating or resist coating, alkali degreasing (treatment to remove oils and fats adhering to the metal surface), acid cleaning (oxide generated on the metal surface is converted to sulfuric acid or hydrochloric acid) For example, a large-scale capital investment such as plating equipment, pure water production equipment, and drainage equipment is required.
これに対し、無電解めっき方式では、めっき液中に浸漬した被めっき物の表面に、電流を流さず金属を還元剤で還元するか、又は金属の置換により析出させる「化学」めっき処理であるため、電解めっき方式で必要とされるダミー配線等が不要であるというメリットがある。しかし、電解めっき方式の場合と同様に大掛かりな設備投資が必要であり、特に無電解金(Au)めっきを行う場合には、めっき液が不安定であるという点が問題として挙げられる。つまり、めっき液の寿命が限られ、更新する頻度によっては非常にコストアップとなり、特に、厚付けのAuめっきには適さないとされている。 On the other hand, the electroless plating method is a “chemical” plating process in which a metal is reduced with a reducing agent or deposited by metal replacement on the surface of an object to be plated immersed in a plating solution without passing an electric current. Therefore, there is a merit that dummy wiring and the like required by the electrolytic plating method are unnecessary. However, as in the case of the electrolytic plating method, a large capital investment is required, and particularly when performing electroless gold (Au) plating, the problem is that the plating solution is unstable. That is, the lifetime of the plating solution is limited, and the cost is very high depending on the frequency of renewal, and it is particularly not suitable for thick Au plating.
また、湿式の電解/無電解めっき方式に共通していえることは、下地の前処理(表面の洗浄活性化など)〜めっき〜乾燥処理と工程が非常に長く、めっきエリアを限定した部分めっきを行うためには、高価な装置(設備)を必要とするといった問題があった。 In addition, what can be said in common with wet electrolysis / electroless plating methods is that the process from the pretreatment of the base (such as surface cleaning activation) to plating to drying treatment is very long, and partial plating with a limited plating area is required. In order to do this, there is a problem that an expensive device (equipment) is required.
このような湿式のめっき方式に対し、比較的簡素な方法で膜形成を行える手法として、近年、インクジェット方式を用いた技術が提案されている。このインクジェット方式を用いた膜形成では、例えば、アルコール系の溶媒に金(Au)などの金属微粒子を分散させたものをインクとして使用し、インク供給部から搬送されたインクをノズルから噴射させることにより、下地(基板)上の所要部分にインクが塗布され、溶媒が蒸発することで金属微粒子から構成される配線パターンが得られる。 In recent years, a technique using an ink jet method has been proposed as a method for forming a film by a relatively simple method against such a wet plating method. In film formation using this ink jet method, for example, an ink obtained by dispersing metal fine particles such as gold (Au) in an alcohol solvent is used as ink, and the ink conveyed from the ink supply unit is ejected from the nozzle. Thus, ink is applied to a required portion on the base (substrate), and the solvent evaporates to obtain a wiring pattern composed of metal fine particles.
かかるインクジェット方式に関連する技術としては、例えば、特許文献1に記載されるように、あらかじめベース基板上に形成された導電パターン上に、インクジェット方式により無電解めっき液を塗布することでそのめっき層の厚みを制御するようにしたものがある。また、特許文献2に記載されるように、金属超微粒子独立分散液からなるインクを用いて、インクジェット法により絶縁基板上に直接導電パターンを形成し、焼成後にその上に電解めっきを施して導電パターンを形成するようにしたものもある。
上述したように従来のインクジェット方式を用いた膜形成では、下地(基板)上に塗布されたインクの溶媒が蒸発して金属微粒子が残るものの、金属微粒子は基板上に付着するだけで密着強度がそれほど高くないため、必ずしも信頼性の高い配線パターン(金属膜)が常に得られるとは限らない。このため、インクジェット法により下地との密着性が高い金属膜を形成する技術が要望されている。 As described above, in the film formation using the conventional inkjet method, although the solvent of the ink applied on the base (substrate) evaporates and the metal fine particles remain, the metal fine particles only adhere to the substrate and the adhesion strength is increased. Since it is not so high, a highly reliable wiring pattern (metal film) is not always obtained. For this reason, there is a demand for a technique for forming a metal film having high adhesion to a base by an ink jet method.
なお、上記の特許文献1、特許文献2のいずれにも、インクジェット法を用いて導電パターンを形成する際に、下地との密着性が低い問題に関しては何ら考慮されていない。
Note that neither
本発明は、かかる従来技術における課題に鑑み創作されたもので、下地の形状に制限されることなく下地との密着性が高い金属膜を安定して形成できると共に、製造に係るコストの低減に寄与することができる金属膜の形成方法を提供することを目的とする。 The present invention was created in view of the problems in the prior art, and can stably form a metal film having high adhesion to the base without being limited to the shape of the base, and can reduce the cost of manufacturing. An object is to provide a method of forming a metal film that can contribute.
上記の従来技術の課題を解決するため、本発明の基本形態によれば、揮発性を有する溶媒に金属の微粒子を分散させた金属微粒子分散溶液を、インクジェット法により下地の所要の部分に塗布する工程と、該塗布された金属微粒子分散溶液を加熱して前記溶媒を蒸発させ、前記下地上に前記金属を析出させて金属膜を形成する工程と、該形成された金属膜に対し熱処理を行う工程とを含むことを特徴とする金属膜の形成方法が提供される。 In order to solve the above-described problems of the prior art, according to the basic form of the present invention, a metal fine particle dispersion solution in which metal fine particles are dispersed in a volatile solvent is applied to a required portion of a base by an inkjet method. Heating the applied metal fine particle dispersion to evaporate the solvent, depositing the metal on the underlayer to form a metal film, and subjecting the formed metal film to a heat treatment And a method of forming a metal film.
本発明に係る金属膜の形成方法によれば、インクジェット法により下地上に塗布された金属微粒子分散溶液を加熱して溶媒を蒸発させ、下地上に金属を析出させて金属膜を形成した後、この金属膜に対して熱処理を行うようにしたので、この金属膜が下地に対して密着強度の高い状態で形成されるようになる。 According to the method for forming a metal film according to the present invention, after the metal fine particle dispersion applied on the base by the inkjet method is heated to evaporate the solvent, the metal is deposited on the base to form the metal film, Since the heat treatment is performed on the metal film, the metal film is formed with high adhesion strength to the base.
また、インクジェット法により対象物(下地)の所要の部分に向けて金属微粒子分散溶液(インク)を噴射しているので、下地の表面の形状に制限されることなく、その表面にほぼ均一に金属微粒子を堆積させることができる(均一な金属膜の形成)。さらに、インクジェット法により下地の表面に金属膜を直接形成するようにしているので、従来のようにめっきやフォトリソグラフィなどを用いて金属膜形成を行う方法と比べて、製造に係る装置(設備)が簡素化され、また工程も簡略化されるので、製造に係るコストを低減することができる。 In addition, since the metal fine particle dispersion solution (ink) is sprayed toward a required portion of the object (base) by the ink jet method, the metal is almost uniformly applied to the surface without being limited by the shape of the surface of the base. Fine particles can be deposited (formation of a uniform metal film). Furthermore, since the metal film is directly formed on the surface of the base by the ink jet method, the apparatus (equipment) for manufacturing is compared with the conventional method of forming the metal film using plating, photolithography, or the like. Is simplified, and the process is also simplified, so that the manufacturing cost can be reduced.
以下、本発明の好適な実施の形態について添付図面を参照しながら説明する。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described with reference to the accompanying drawings.
図1及び図2は、本発明の一実施形態に係る金属膜の形成方法を工程順に従って模式的に示したものであり、図3は、その一部の工程で行う処理に係るインクジェット法を説明するための図である。 1 and 2 schematically show a method for forming a metal film according to an embodiment of the present invention in the order of steps, and FIG. 3 shows an inkjet method related to processing performed in a part of the steps. It is a figure for demonstrating.
本実施形態に係る金属膜の形成方法により形成される金属膜は、後述するようにワイヤボンディング用のパッド又ははんだボール接合用のパッドとして用いられ、このため、所要のワイヤボンディング特性又ははんだ濡れ性を満足するように金属膜形成が行われる。また、本実施形態に係る金属膜の形成方法を適用する対象物(下地)は、プリント基板配線、半導体用気密部品、半導体セラミックパッケージ等における金属部分である。また、本実施形態に係る金属膜の形成方法は、例えば、本件出願人が以前に提案したパターニング装置(平成15年4月21日、特願2003−115240)を用いて実施することができる。 The metal film formed by the method for forming a metal film according to the present embodiment is used as a wire bonding pad or a solder ball bonding pad, as will be described later. Therefore, required wire bonding characteristics or solder wettability is used. The metal film is formed so as to satisfy the above. Further, an object (base) to which the metal film forming method according to the present embodiment is applied is a metal portion in a printed circuit board wiring, a semiconductor hermetic component, a semiconductor ceramic package, or the like. The metal film forming method according to the present embodiment can be carried out, for example, using a patterning apparatus previously proposed by the applicant (April 21, 2003, Japanese Patent Application No. 2003-115240).
先ず最初の工程では(図1(a)、図3参照)、支持体1(この場合、上記のパターニング装置におけるステージ)上に、金属膜を形成すべき下地10を載置し、上記のパターニング装置におけるインクジェットノズル2から、下地10上の所要の部分(金属膜が形成される部分)に向けてインク3を噴射し、下地10上に塗布する。
First, in the first step (see FIGS. 1A and 3), a
本実施形態では、インク3として、揮発性を有する溶媒(アルコール、トルエン、酢酸エチル、酢酸ブチル、エーテルなど)に金(Au)の微粒子を分散させた溶液(Au微粒子分散溶液)を使用している。また、下地10となる対象物は、本実施形態では金属体であり、例えば、鉄(Fe)を主成分とし、ニッケル(Ni)やマンガン(Mn)などを含有した合金(鉄鋼)からなるコネクタ端子の一部分である。
In this embodiment, as the
インク3を塗布する手段としては、インク3を噴射させる方式によって図3に例示するように幾つかの種類がある。
As the means for applying the
図3(a)はバブルジェット(登録商標)方式の塗布手段の例を示したものである。左側には、上記のパターニング装置におけるインク供給部6から供給されたインク3がノズル2内に充填されている状態が示されており、この状態で、上記のパターニング装置におけるインクジェット制御部5からの制御に基づき、ノズル2に設けられた発熱体4を発熱させると、右側に示すようにインク3内に気泡7が発生し、この気泡7によってインク3の一部がノズル2の先端から押し出されて外部に噴出する。
FIG. 3A shows an example of a bubble jet (registered trademark) coating means. On the left side, a state in which the
また、図3(b)は圧電変換(ピエゾ)駆動方式の塗布手段の例を示したものである。左側に示すように、ノズル2にはピエゾ抵抗効果に基づいてひずみを発生させるピエゾ素子8が設けられており、インクジェット制御部5aからピエゾ素子8に所定の電圧を印加すると、ピエゾ素子8が図示のように凹んで、インク供給部6からノズル2内にインク3が注入される。そして、右側に示すように、ピエゾ素子8に印加する電圧を変化させることにより、図中矢印で示すようにピエゾ素子8が膨らみ、これによってインク3の一部がノズル2の先端から押し出されて外部に噴出する。
FIG. 3B shows an example of a piezoelectric conversion (piezo) drive type application means. As shown on the left side, the
ノズル2の口径や数は特に限定されないが、例えば、配線基板の配線パターンを形成する場合、ノズル2の先端口径は30μm〜80μm(好適には50μm程度)であり、その数は概ね30〜90個(好適には60個程度)である。これによって、金属膜パターンの幅や膜厚等が変化する場合であっても容易に対応できるようになっている。そして、インクジェット制御部5,5aによりインク3を噴出させるノズル2が選択されると共に、インク3の噴出量及び噴出タイミングが制御される。なお、インク3の1回あたりの噴射時間は、本実施形態では1秒間に選定している。
The diameter and number of the
このようにしてインクジェットノズル2からインク3が噴射されると、図1(b)に示すように、下地10上の所要の部分にインク塗布層3aが形成される。このインク塗布層3aの厚さは、ノズル2から噴射されるインク3の1滴(50μm)あたり0.4μm程度である。
When the
次の工程では(図1(c))、下地10上に形成されたインク塗布層3a(Au微粒子分散溶液)を所定の温度で所定時間加熱して、Au微粒子分散溶液3a中の溶媒を蒸発させる。本実施形態では、加熱温度として200℃前後、加熱時間として30分程度に選定している。加熱の手段は、あらかじめ規定の温度(この場合、200℃前後)に保たれた炉の中に支持体1ごと入れてもよいし、あるいは、支持体1の内部にあらかじめヒータ等の加熱手段を内蔵させておき、これを使用するようにしてもよい。
In the next step (FIG. 1C), the
この加熱処理により、図示のように溶媒が蒸発して下地10上にAu微粒子3bが析出し、薄いAu膜となる。このAu膜の厚さは、インク塗布層3aの厚さ:0.4μmに対して0.13〜0.18μm程度である。この段階で下地10上の所要の部分にAu膜が形成されているが、このままでは下地10との密着性が必ずしも十分とはいえない。
By this heat treatment, the solvent evaporates as shown in the figure, and Au
そこで、次の工程では(図1(d))、下地10上に形成されたAu膜11に対して窒素(N2 )雰囲気中で更なる熱処理を行い、下地10との密着性を高めるようにする。この工程では、加熱温度として150℃前後、加熱時間として2時間程度に選定している。この段階で、基本的には、Au膜11が下地10に対して密着強度が高い状態で形成されたことになる。
Therefore, in the next step (FIG. 1D), the
但し、このAu膜11をワイヤボンディング用のパッドとして用いる場合、所要のワイヤボンディング特性(金(Au)ワイヤで、その引っ張り強度が3〜4〔gf〕)を満足するためには下地10との密着性がまだ十分とはいえないので、以下の工程(図2(a)〜(c))によりAu膜11の膜厚を更に厚くするための処理を行う。
However, when this
すなわち、図2(a)に示す工程では、上述した図1(a)、(b)の工程で行った処理と同様にして、インクジェットノズル2から、下地10上に形成されたAu膜11に向けてインク3を噴射し、Au膜11上にインク塗布層3a(図2(b)に破線で表示)を形成する。
That is, in the process shown in FIG. 2A, the
次の工程では(図2(b))、上述した図1(c)の工程で行った処理と同様にして、Au膜11上に形成されたインク塗布層3a(Au微粒子分散溶液)を200℃前後の温度で30分程度加熱して、Au微粒子分散溶液3a中の溶媒を蒸発させる。そして、Au膜11上にAu微粒子3bを析出させて、薄いAu膜を形成する。
In the next step (FIG. 2B), the
さらに次の工程では(図2(c))、上述した図1(d)の工程で行った処理と同様にして、Au膜11上に形成されたAu膜12に対して窒素(N2 )雰囲気中で、150℃前後の温度で2時間程度加熱して、Au膜12の下地10との密着性を高める。
Further, in the next process (FIG. 2C), nitrogen (N 2 ) is applied to the
以上の工程により、本実施形態で意図する所要のワイヤボンディング特性を備えた金属膜(Au膜12)が形成されたことになる。 Through the above steps, a metal film (Au film 12) having the required wire bonding characteristics intended in the present embodiment is formed.
以上説明したように、本実施形態に係る金属膜の形成方法(図1〜図3)によれば、インクジェット法により下地10上に塗布されたインク3を加熱して溶媒を蒸発させ、下地10上にAu微粒子3bを析出させて金属膜(Au膜11,12)を形成した後、この金属膜に対して熱処理(窒素(N2 )雰囲気中で150℃前後、2時間程度の加熱)を行っているので、下地10に対して金属膜(Au膜11,12)が密着強度の高い状態で形成されるようになる。
As described above, according to the method for forming a metal film (FIGS. 1 to 3) according to the present embodiment, the
図4はその効果の一例を比較例と対比させて示したものであり、Au膜12をワイヤボンディング用のパッドとして用いたときのワイヤボンディング特性(ボンディングワイヤとして金(Au)線を用いたときの引っ張り強度〔gf〕)を示している。図示の例では3つの特性が示されており、このうち「インクジェット×2回」の特性が本実施形態に係るもので、他の2つ「現行品(電解めっき等を用いた方式)」、「Auストライクめっき+インクジェット」は比較例を示している。金(Au)ワイヤの引っ張り強度は、通常、3〜4〔gf〕以上あれば十分であるとされており、本実施形態に係るものはこの条件を十分にクリアしている。
FIG. 4 shows an example of the effect in comparison with the comparative example. Wire bonding characteristics when the
また、インクジェット法により対象物(下地10)の所要の部分に向けてインク3を噴射しているので、下地10の表面の形状に制限されることなく、その表面にほぼ均一に金属粒子(Au粒子)を堆積させることができる(均一なAu膜の形成)。また、下地10の表面に金属膜(Au膜11,12)を直接形成するようにしているので、従来のようにめっきやフォトリソグラフィなどを用いて金属膜形成を行う方法と比べて、製造に係る装置(設備)が簡素化され、また工程(プロセス)も簡略化されるので、製造に係るコストを低減することができる。
Further, since the
また、下地10上の必要な部分にのみインク3を塗布すればよいので、従来のめっきやフォトリソグラフィなどを使用する場合と違って、材料を無駄にすることなく所要の金属膜を形成することができる。これは、製造に係るコストの更なる低減に寄与する。特に、無電解Auめっきを使用する場合と比べると、従来のめっき液の更新に費やしていたコストの大幅な削減が可能となり、有利である。
In addition, since the
また、従来のめっきやフォトリソグラフィなどを使用した金属膜の形成方法では、膜厚を厚くするためには成膜時間が長くかかるといった問題があったが、本実施形態に係る方法では、上述したように従来よりも金属膜形成に係る工程が簡略化されるので、必要に応じて図1(a)〜(d)の工程を更に繰り返すことで、所要の膜厚の金属膜を短時間で形成することができる。これは、製造に係るコストの低減に寄与する。 In addition, in the conventional metal film forming method using plating, photolithography, or the like, there is a problem that it takes a long time to form the film to increase the film thickness. However, the method according to the present embodiment has been described above. As described above, since the process for forming the metal film is simplified as compared with the conventional process, the process shown in FIGS. 1A to 1D is further repeated as necessary, so that the metal film having a required film thickness can be obtained in a short time. Can be formed. This contributes to a reduction in manufacturing costs.
上述した実施形態に係る金属膜の形成方法(図1及び図2)では、図1(d)の工程において熱処理(150℃/2時間程度)を行うことでAu膜11の下地10との密着性を向上させる場合を例にとって説明したが、密着性を向上させる手段がこれに限定されないことはもちろんである。例えば、プラスチックパッケージやセラミックパッケージなどの配線基板のプロセスにおいて一般的に用いられている「粗化処理」を代用することも可能である。
In the metal film formation method (FIGS. 1 and 2) according to the above-described embodiment, the
この場合、粗化処理は、最初の工程(図1(a))でインク3を塗布する前の段階で、下地10に対して行うのが望ましい。例えば、プラズマ等を用いたドライプロセスにより下地10の表面を粗化する。これによって、下地10の表面にアンカー効果をもたせることができるので、この後の工程でインク塗布層3aを形成し(図1(b))、加熱して溶媒を蒸発させると(図1(c))、析出したAu粒子3bは下地10のアンカー部分に入り込むため、Au膜11の下地10との密着性を高めることができる。但し、このAu膜11(最終的にはAu膜12)をワイヤボンディング用のパッドとして用いる場合、下地10の表面を必要以上に粗化し過ぎるとAu膜12の表面が凸凹形状を呈するため、この部分(パッド)にワイヤを打てなくなる可能性があり、粗化する度合いを十分に考慮する必要がある。一方、このAu膜11(Au膜12)をはんだボール接合用のパッドとして用いる場合には、かかる不都合は生じない。
In this case, the roughening process is desirably performed on the base 10 at a stage before the
2…(インクジェット)ノズル、
3…インク(金属微粒子分散溶液)、
3a…インク塗布層(金属微粒子分散溶液)、
3b…析出したAu粒子、
4…発熱体、
5,5a…インクジェット制御部、
6…インク供給部、
7…気泡、
8…圧電変換(ピエゾ)素子、
10…下地(金属膜を被着させる対象物)、
11,12…Au膜(金属膜)。
2 ... (inkjet) nozzle,
3. Ink (metal fine particle dispersion),
3a: Ink coating layer (metal fine particle dispersion),
3b: Au particles deposited,
4 ... heating element,
5, 5a ... inkjet control unit,
6 ... Ink supply unit,
7 ... Bubbles,
8 ... Piezoelectric conversion (piezo) element,
10 ... Underlying object (object on which a metal film is deposited),
11, 12 ... Au film (metal film).
Claims (4)
該塗布された金属微粒子分散溶液を加熱して前記溶媒を蒸発させ、前記下地上に前記金属を析出させて金属膜を形成する工程と、
該形成された金属膜に対し熱処理を行う工程とを含むことを特徴とする金属膜の形成方法。 A step of applying a metal fine particle dispersion solution in which metal fine particles are dispersed in a volatile solvent to a required portion of a base by an inkjet method;
Heating the applied metal fine particle dispersion to evaporate the solvent, depositing the metal on the base, and forming a metal film;
And a step of heat-treating the formed metal film.
揮発性を有する溶媒に金属の微粒子を分散させた金属微粒子分散溶液を、インクジェット法により前記下地の所要の部分に塗布する工程と、
該塗布された金属微粒子分散溶液を加熱して前記溶媒を蒸発させ、前記下地上に前記金属を析出させて金属膜を形成する工程とを含むことを特徴とする金属膜の形成方法。 Roughening the surface of the substrate;
Applying a fine metal particle dispersion solution in which fine metal particles are dispersed in a volatile solvent to a required portion of the base by an ink jet method;
Heating the coated metal fine particle dispersion to evaporate the solvent, and depositing the metal on the base to form a metal film.
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