JP2007110054A - パターン形成方法およびパターン形成ずみ基板 - Google Patents

Abstract

【課題】 インクの滲みや広がり等に起因して微細なパターンを正確には形成できないという従来のパターン形成方法の課題を解決する。
【解決手段】 凹凸を含むパターン１ｃが施された樹脂製テンプレート１の表面に、導電性粒子を含む銀ナノペースト３を塗布し、当該表面を基板４上に押し当てる（すなわちコンタクトプリントを行う）ことにより基板４上に導電材のパターン５を形成する。樹脂製テンプレート１は、ＰＭＭＡシート１ｂ上にラミネートされたＰＥシート１ａの表面に熱サイクルナノインプリント法でパターニングすることにより作製するとよい。
【選択図】 図１

Description

請求項に係る発明は、基板上に導電材の微細なパターンを形成するための方法、およびそのような方法によってパターンを形成した基板に関するものである。

銀などの金属（導電材）の微細パターンを基板上に直接形成する技術として、微細ノズルから金属ペースト（インク）を噴射し、その後に焼成するというインクジェット印刷法がある。その技術を用いることにより、線幅が１０μｍ程度までの微細パターンを基板に対して直接形成することが可能である。煩雑なプロセスを用いず、シンプルなプロセスで基板上に直接パターニングを行うことで、高生産性と低コストでのパターニングが可能である。

インクジェット印刷法については、たとえば下記の特許文献１に記載がある。
特開２００４−３０４１２９号公報

インクジェット印刷法は、上記のとおり微細パターンを基板に対して直接作製することを可能にする。しかしながら、インクの滲みや広がりにより、線幅約１０μｍよりも細い細線を形成することは困難であり、また、インクの跳ねにより、パターン間のスペースの部分にインクが飛び散って付着してしまうという課題がある。デバイス配線の微細化を行ううえで、インクジェット法では、ナノレベルでのパターニングを行うことは困難であると予想される。
これらを解決することが、この出願の請求項に係る発明の課題である。

請求項に係るパターン形成方法は、凹凸を含むパターニングが施された樹脂製テンプレートの表面（パターニングの施された面）に、導電性粒子を含むペースト（溶媒中に導電性粒子が分散されている液体。銀ナノペーストや他の金属ナノペースト等）を塗布し、当該表面（塗布面）を基板上に押し当てる（すなわちコンタクトプリントを行う）ことにより基板上に導電材のパターンを形成することを特徴とする。
この方法は、上記した樹脂製テンプレートをスタンプとして使用するコンタクトプリントにより、基板上に導電材の微細パターンを直接形成するものである。樹脂製であって柔軟なテンプレートを用いることから、その表面を基板上に均一に押し当てることができ、したがって広い面積にわたって微細パターンを正確に形成することができる。
こうしたコンタクトプリントによると、非常にシンプルなプロセスで、低圧力で、しかも室温にて基板上にパターニングを行うことができる。インクを噴射する技術ではないので、インクの広がりや滲みがみられないほか、パターン間のスペースの部分に飛び跳ねも起こらない。これらの点からも正確なパターニングが可能となり、インクジェット法による際に発生する上述の課題を解決することができる。
テンプレートの凹凸の面にペーストを塗布して行うコンタクトプリントはきわめて能率的かつ簡単に行うことが可能なので、請求項の形成方法によれば、導電材の微細パターンを高スループットで低コストに形成することができ、回路基板配線の形成など幅広い分野で応用することが可能である。

上記のパターン形成方法については、樹脂製テンプレートを、ナノインプリント法でパターニングすることにより作製するのが好ましい。
ナノインプリント法によれば、光露光リソグラフィ等による場合に比べて大幅に低コストで、かつ能率的に、樹脂製テンプレート上に微細パターンを形成できるからである。なお、ナノインプリント法とは、線幅がｎｍレベル（またはそれに近い微細レベル）の凹凸パターンを形成したモールドを樹脂材料等に押し付けることにより当該材料上にパターンを転写する技術であり、熱サイクルナノインプリント法や室温ナノインプリント法、光ナノインプリント法などがある。

上記のパターン形成方法は、樹脂製テンプレートを、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）シート上にラミネートされたＰＥ（ポリエチレン）シートの表面に熱サイクルナノインプリント法でパターニングすることにより作製するのが、とくに好ましい。
コンタクトプリントに使用する上記の樹脂製テンプレートは、種々の樹脂によって作製できるが、硬すぎる（つまり変形しにくい）場合には、面積が広いとき表面を基板上に均一に押し当てることが難しく、また軟らかすぎる場合にはパターン間やパターン外の部分まで基板に接触するので、いずれも正確なパターン形成ができない。たとえばＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）製のテンプレートでは、軟らかすぎて後者の不都合が生じる。その点、上記のようにＰＭＭＡシート上にＰＥシートがラミネートされたものをテンプレートとすると、ＰＥが適度な硬さ・柔軟性を有するため、基板上に表面を均一に押し当てることができるとともに、パターン間やパターン外の部分が基板に接触することがないので、正確なパターン形成を行いやすい。
また、ＰＥは様々な溶剤に対して高い耐性をもつため、金属ナノペーストに限らず多様な転写材料を使用できる。そのほか、熱サイクルナノインプリント法によってテンプレートのＰＥシート上にパターニングする際、ＰＭＭＡシートは、ガラス転移温度がＰＥのそれよりも高いためにテンプレートが大きく変形するのを防止する。このような点から、上記のとおり、ＰＭＭＡシート上にラミネートされたＰＥシートの表面に熱サイクルナノインプリント法でパターニングするのが好ましいのである。

上記の樹脂製テンプレートは、厚さ２００μｍ程度以上のＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）シートの表面に熱サイクルナノインプリント法でパターニングすることにより作製するのもよい。
このようにテンプレートを作製すると下記のように利点があるからである。まず、ＰＥＴは、ＰＥと同様に適度な硬さ（柔軟性）を有するため、コンタクトプリントの際、基板上に凹凸面を均一に押し当てることができるとともに、パターン間やパターン外の部分が基板に接触することがなく、したがって正確なパターン形成をするのに適している。ＰＥと同様、様々な溶剤に対して高い耐性を有してもいる。また、２００μｍ程度以上という十分な厚さを有するため、熱サイクルナノインプリント法で表面にパターニングをするときにも大きく変形することが防止される。

導電性粒子を含む上記のペーストとして、銀ナノペースト、銅ナノペーストまたは白金ナノペースト（それぞれ、最小粒径が１０ｎｍ程度以下の銀、銅、白金の微粒子が溶媒中に分散されている液体。インクジェット法に用いるものが市販されている）を使用するのがよい。
これらの金属ナノペーストを使用すると、ペーストの接着性を利用して基板上に容易に微細パターンを形成することができる。ペースト中の導電性粒子が微小であるので、線幅が１０μｍ程度以下の微細パターンを形成するうえでも都合がよい。

上記の基板上に形成されたパターンを焼結させることとし、焼結後のパターンの膜厚が１００ｎｍ程度以上となるように上記ペーストとその塗布条件、および基板上への塗布面の押し当て条件を設定するのがよい。
コンタクトプリントによって基板上に形成したパターンは、上記のように焼結することによって基板上に固定でき、配線として利用できる状態になる。ただし、パターンの膜厚が薄すぎると、パターン内に存在する導電性粒子同士がつながらず、したがって基板上のパターンが導電性を発揮せず、配線として使用することが不可能になることがある。その点、ペーストとその塗布条件等を選定することにより上記のように焼結後のパターンの膜厚が１００ｎｍ程度以上となるようにすれば、パターン内の導電性粒子同士がつながって当該パターンが配線として使用できるものとなる。

請求項に係るパターン形成ずみ基板は、上記したいずれかのパターン形成方法により導電材のパターンを形成したことを特徴とするものである。
上記の方法によってパターン形成をするので、このような基板は、線幅が１０μｍ程度以下の微細パターンをもつ、安価な量産品とすることが可能である。

請求項に係るパターン形成方法によれば、線幅が１０μｍ程度以下の微細なものであっても、基板上の広い面積にわたって正確に、導電材のパターンを直接形成することができる。高スループットで低コストにパターン形成ができるという利点もある。テンプレートの作製についてナノインプリント法を採用し、またはさらに樹脂材料やペースト等を選定すれば、さらに好ましい態様で微細パターンを形成することができる。
請求項に係るパターン形成ずみ基板なら、線幅が１０μｍ程度以下の微細パターンを有する安価な量産品として製造することができる。

以下、発明の実施形態として、コンタクトプリントによる銀の微細パターンの加工例を示す。銀ナノペーストは、最小粒径が５〜１０ｎｍ程度であり線幅１０μｍ以下の銀パターンの作製が容易で、焼成法により簡便に使用できるほか、適度な接着性を有する点も好都合であるため、これを利用して基板上に銀の微細パターンを作製した。

まず、コンタクトプリントのためのテンプレート（金型）として、図１（ａ−１）のように、２００μｍ厚さのポリエチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）シート１ｂ上に２０μｍ厚さのポリエチレン（ＰＥ）シート１ａがラミネートされた樹脂テンプレート１を用意する。柔軟なテンプレートを用いることで、広い面積に対して均一にコンタクトプリントを行うことができる。また、ＰＥは様々な溶媒に対して高い耐性をもつため、ＰＥシート１ａを含むこのテンプレート１は、銀ナノペーストに限らず多様な転写材料を使用できる。

テンプレート１の作製は、ナノメートルスケールの微細加工を施すことができるナノインプリント技術を適用し、図１（ａ−１）・（ａ−２）のように行った。具体的には、
1) テンプレート１のＰＥシート１ａに対し、圧力６ＭＰａ、転写温度１２０℃の条件で図１（ａ−１）のようにＳｉ製マスターモールド２を転写し、ナノインプリント（熱サイクルナノインプリント）を行った。このとき、ＰＥシート１ａの表面付近はＰＥのガラス転移温度以上に加熱されるが、ＰＭＭＡのガラス転移温度はＰＥのそれよりも高いためＰＭＭＡシート１ｂは変形しがたく、したがってテンプレート１が大きく変形することが防止される。
2) その後、図１（ａ−２）のようにモールド２を剥離して、凹凸による微細パターン１ｃをＰＥシート１ａ上に有する樹脂テンプレート１を得た。テンプレート１の大きさ（微細パターン部分の面積）は２０ｍｍ×２０ｍｍである。

続いて、銀ナノペーストを用いたコンタクトプリントによって基板上に銀パターンを作製した。これには、
1) 上記した樹脂テンプレート１のＰＥシート１ａ（パターンの形成された面）上に銀ナノペーストを、回転数４０００ｒｐｍで１５秒間スピン塗布した。これによりテンプレート１上には、図１（ｂ−１）のように、パターン１ｃの凹凸にしたがい表面に起伏をもつ銀ナノペーストの層３が形成される。なお、銀ナノペーストの塗布は、上記のように層３を形成できる方法であればスピン塗布以外によっても行うことができる。
2) 銀ナノペーストが塗布されたテンプレート１をＳｉＯ₂／Ｓｉ製の基板４に対して圧力０．３ＭＰａで室温にて押し当てることにより、コンタクトプリントを行った（図１（ｂ−２））。
3) 基板４からテンプレート１を引き離すと、テンプレート１の突起部分の銀ナノペーストがＳｉＯ₂／Ｓｉ基板４に移植され、基板４上に銀ナノペーストパターンが作製された（図１（ｂ−３））。
4) 作製されたパターンを２２０℃で１時間、ホットプレート上でベークすることにより焼結させ、銀配線となる銀パターンの作製を完了した（図１（ｂ−４））。

図２および図３に、上記したコンタクトプリント技術を用いて作製した銀パターンを例示する。図２は５μｍ×１０μｍの長方形パターンであり、図３は線幅１μｍ・ピッチ２μｍの細線パターンである（白い部分が銀）。いずれもインクジェット技術では困難なものだが、上記の技術では簡便なプロセスにより形成することができた。インクを吹き付ける工程を含まないので、インクのにじみや広がりがみられず飛び跳ねも起こっていない。なお、作成された銀パターンの膜厚を段差計により測定したところ２００ｎｍであった。

コンタクトプリント技術で作製した、線幅１００μｍ、１０μｍ、１μｍの各銀配線に対して２端子法により抵抗率測定を行ったところ、それぞれ抵抗率２．５×１０⁻⁷、１．７×１０⁻⁷、１．７×１０⁻⁷Ω・ｍが得られた。これらの値は純粋な銀の抵抗率１．４７×１０⁻⁸Ω・ｍよりも約１０倍高い数値であるが、非常に低い抵抗率を示しており、広い範囲で応用できる。

銀パターンの膜厚は上記のとおり２００ｎｍであったが、その銀パターンを顕微鏡観察すると、図４のとおり銀の粒子同士がつながっていることが確認された（図４中の比較的白い部分が銀）。しかし、銀ナノペーストの塗布条件を変更して焼結後の膜厚が８０ｎｍになるようにした場合は、図５のとおり銀の粒子同士がつながっておらず（比較的白い部分が銀）、導電性を発揮し得ないパターンとなる。１００ｎｍ程度以上の膜厚をもたせることにより、銀配線として使用できるパターンが作製されることが確認された。

図１（ａ−１）〜（ｂ−４）は、発明の実施形態として銀の微細パターンの作製手順を示す模式図である。 発明の方法により作製した銀パターンを示す電子顕微鏡写真である。 発明の方法により作製した他の銀パターンを示す電子顕微鏡写真である。 作製した銀パターンに関して銀粒子の分布を示す電子顕微鏡写真である。 作製した他の銀パターンに関して銀粒子の分布を示す電子顕微鏡写真である。

符号の説明

１ テンプレート
１ａ ＰＥシート
１ｂ ＰＭＭＡシート
３ （銀ナノペーストの）層
４ 基板
５ パターン

Claims (7)

1. 凹凸を含むパターニングが施された樹脂製テンプレートの表面に導電性粒子を含むペーストを塗布し、当該表面を基板上に押し当てることにより基板上に導電材のパターンを形成することを特徴とするパターン形成方法。
2. 上記の樹脂製テンプレートを、ナノインプリント法でパターニングすることにより作製することを特徴とする請求項１に記載したパターン形成方法。
3. 上記の樹脂製テンプレートを、ＰＭＭＡシート上にラミネートされたＰＥシートの表面に熱サイクルナノインプリント法でパターニングすることにより作製することを特徴とする請求項１または２に記載したパターン形成方法。
4. 上記の樹脂製テンプレートを、厚さ２００μｍ程度以上のＰＥＴシートの表面に熱サイクルナノインプリント法でパターニングすることにより作製することを特徴とする請求項１または２に記載したパターン形成方法。
5. 導電性粒子を含む上記のペーストとして、銀ナノペースト、銅ナノペーストまたは白金ナノペーストを使用することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載したパターン形成方法。
6. 上記の基板上に形成されたパターンを焼結させることとし、焼結後のパターンの膜厚が１００ｎｍ程度以上となるように上記ペーストとその塗布条件、および基板上への塗布面の押し当て条件を設定することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載したパターン形成方法。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載したパターン形成方法により導電材のパターンが形成されていることを特徴とするパターン形成ずみ基板。