JP2008085345A - 微細配線形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
金属薄膜犠牲層を用いて接着力が向上され、かつ、インクの拡散性を抑制できる微細配線を形成することができる微細配線形成方法を提供する。
【解決手段】
（ａ）印刷回路基板１０を準備する段階と、（ｂ）第１の金属ナノインクで印刷回路基板１０の表面に金属薄膜犠牲層２０を形成する段階と、 （ｃ）金属薄膜犠牲層２０の上に第２の金属ナノインクでインクジェット方法により配線３０を形成する段階と、（ｄ）金属薄膜犠牲層２０の一部を除去して、金属薄膜犠牲層２０の残余の一部と配線３０とで配線パターン（２０，３０）を形成する段階とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は微細配線形成方法に関するもので、より詳細には、印刷回路基板での液滴の拡散性を抑制することができ、また高解像度の印刷又は反復の印刷の時にバルジ現象なしで厚みを増加させることができるし、更に配線と印刷回路基板の間の接着力を向上させることができる微細配線形成方法に関する。

インクジェット工法は所望する所に所望する量の物質を正確に吐出することができる。インクジェット工法はコンピューターと連携された直接印刷によるパターン形成においてマスクを用いたフォトリソグラフィ工程が不要であり、段差がある部分にも印刷することができるという長所があるので産業的にこれを活用するための多くの努力が行われているる。

しかし、インクジェット工法はヘッドノズルから吐出された液滴が特別な表面処理がない場合印刷回路基板の表面で３倍以上に拡散するので微細配線形成には限界がある。現在の産業用インクジェットヘッドは約１０〜３０ピコリットルの液滴を吐出するが、液滴の直径が約２７〜３９μｍであるので印刷回路基板の表面で３倍以上に拡散すると１００μｍ以下の微細配線形成が難しくなる。よって、微細配線を形成するために印刷回路基板の表面処理を通じてインクジェットの吐出液滴の拡散性を抑制する必要がある。しかし、拡散性と吐出液滴と印刷回路基板の間の界面接着力とは相反する特性があって拡散性を抑制する表面処理の時に大部分印刷配線と印刷回路基板との間の界面接着力の低下を伴う。

また、基板配線として適用するためには１０μｍ以上の配線厚みが必要であるが、現在のインクジェット工法では配線の厚みが１μｍ以下に形成されるので反復印刷をしなくてはならない。しかし反復印刷時印刷が反復されることにつれ配線の拡散現象が発生するという問題点がある。また配線の厚みを増加させる他の方法として高解像度印刷があるが、この方法は拡散性が抑制された表面処理時には液滴の重なることがある程度の以上になると印刷配線の一部分がかたまりになることや裂けるバルジ（bulge） 現象が発生すると知られている。

したがって、インクジェット工法により微細配線の印刷回路基板を製作する場合液滴の拡散性を抑制することができ、高解像度印刷及び反復印刷が可能であって厚みを増加させることができ、更に配線と印刷回路基板との間の接着力を確保することができる新たな方法が求められている。

本発明の目的は印刷回路基板での液滴の拡散性を抑制することができ、高解像度印刷又は反復印刷の時バルジ現象なしで厚みを増加させることができる微細配線形成方法を提供することである。

前述した課題を解決するために本発明によれば、
（ａ）印刷回路基板を準備する段階と、
（ｂ）第１の金属ナノインクを用いて印刷回路基板の表面に金属薄膜犠牲層を形成する段階と、
（ｃ）金属薄膜犠牲層上に第２の金属ナノインクを用いてインクジェット方法で配線を形成する段階と、
（ｄ）金属薄膜犠牲層の一部を除去して、金属薄膜犠牲層の残余の一部と配線とで配線パターンを形成する段階と
を含む微細配線形成方法が提供される。

本発明の一実施形態によれば、金属薄膜犠牲層を形成する段階は第１の金属ナノインクを印刷回路基板の表面に塗布する段階と、及び第１の金属ナノインクを熱処理して塗布された金属ナノインクの拡散性が防止される程度だけ乾燥させる段階とを含むことができる。

第１の金属ナノインクはスピンコーティング、スクリーンコーティング及びインクジェットコーティングからなる群より選ばれる一つの方法を用いて塗布されることが可能である。

また、乾燥段階で第１の金属ナノインクの残留溶媒量が１０ないし９０％になるように乾燥させることが好ましい。

本発明の一実施形態によれば、第１の金属ナノインク及び第２の金属ナノインクは水系インク又は非水系インクであって同じものを用いることが可能である。

本発明の他の実施例によれば、第１の金属ナノインクは水系インクであり、第２の金属ナノインクは非水系インクでありうる。

ここで、水系インクに含まれる溶媒は水、アルコール、エーテル及びグリコールからなる群より選ばれる少なくとも一つであることができ、非水系インクに含まれる溶媒はテトラデカン、ドデカン、トルエン及びキシレンからなる群より選ばれる少なくとも一つであることができる。

本発明の一実施形態によれば、第１の金属ナノインクとして水系インクを用い、第２の金属ナノインクとして非水系インクを用いる場合、金属薄膜犠牲層を形成する段階の以後に金属薄膜犠牲層を焼成する段階を更に含むことができる。ここで、焼成条件は２００ないし３００℃で焼成させることが好ましい。

本発明の一実施形態によれば、本発明による微細配線形成方法は金属薄膜犠牲層を形成する段階の前に金属薄膜犠牲層と印刷回路基板との接着力を向上させるために印刷回路基板の表面処理段階を更に含むことができる。

本発明の一実施形態によれば、配線パターンを形成する段階は、 化学的エッチング、機械的エッチング、ポリッシング 及びグラインディング(grinding)からなる群より選ばれる少なくとも一つの方法を用いて行われることができる。

本発明による微細配線形成方法によれば金属薄膜犠牲層を用いて接着力が向上され、かつインクの拡散性を抑制して微細配線を形成することができる。

以下、本発明による微細配線形成方法に対してより詳細に説明する。

インクジェット方式を用いたパターン形成過程で印刷回路基板での液滴拡散性は印刷回路基板の表面エネルギーとインクの表面張力との間の力学的関係により決定される。例えば、インクの表面張力が印刷回路基板の表面エネルギーより大きいとインクの拡散性は小さくなり、逆にインクの表面張力が印刷回路基板の表面エネルギーより小さいとインクの拡散性は大きくなる。液滴の拡散性はインクの表面張力や印刷回路基板の表面エネルギーを調節して制御することができるが印刷回路基板の表面エネルギーを制御することがより効率的であると知られている。印刷回路基板の表面の拡散性抑制はフルオリン、シロキサン、シラン、フルオロシランなど表面エネルギーを低めることができる化合物を用いて印刷回路基板を表面処理することにより果たすことができる。

しかし、このような拡散性抑制のための表面処理時インクの拡散性とバルジ現象を起こすインクのかたまりとの間に適切な度合いを捜すことが非常に難しく、拡散性抑制に用いられるフルオリン、シランなどの化合物は表面エネルギーが低くて他の化合物との結合が難しいので大部分インクと印刷回路基板との接着力を大きく低下させる。

よって、本発明は印刷回路基板でのインクの拡散性現象を逆に利用して配線パターンの形成に用いられる金属ナノインクで印刷回路基板上に金属薄膜犠牲層を形成することによりインクの拡散性を抑制させ、かつ印刷回路基板との接着力を向上させるものである。

図１は本発明による微細配線形成方法を概略的に示した断面工程図である。

図１を参照すると、本発明による微細配線形成方法は、（ａ）印刷回路基板１０を準備する段階と、（ｂ）第１の金属ナノインクを用いて印刷回路基板１０の表面に金属薄膜犠牲層２０を形成する段階と、（ｃ）金属薄膜犠牲層２０の上に第２の金属ナノインクを用いてインクジェット方法により配線３０を形成する段階と、及び（ｄ）金属薄膜犠牲層２０の一部を除去して、金属薄膜犠牲層２０の残余の一部と配線３０とで配線パターン（２０，３０）を形成する段階とを含む。

本発明の微細配線形成方法は、 まず印刷回路基板１０を準備する（ａ段階）。

印刷回路基板１０は印刷回路基板（ＰＣＢ）用の基板であって一般的に用いられるものとして熱硬化に耐えることができる絶縁性基板であれば制限されず用いることができる。具体的な例で、フェノール樹脂又はエポキシ樹脂を用いた基板などを用いることができ、フレキシブル回路基板に相応しいポリイミド基板を用いることもできる。

印刷回路基板１０が用意されたら、第１の金属ナノインクを用いて印刷回路基板１０の表面に金属薄膜犠牲層２０を形成する（ｂ段階）。

別に表面処理をしない印刷回路基板１０は基板の表面エネルギーが高いのでインクジェットより吐出された液滴は印刷回路基板１０の表面を覆って表面エネルギーを低めながらインクが広がることになる。反復印刷の場合、１回目の印刷時には前述したように印刷回路基板１０の表面エネルギーによってインクが広がることになるが、２回目の印刷からは既に印刷されたインクに再び液滴が印刷されこの時は１回目に印刷された配線表面のエネルギーとインクの表面張力とが類似しているため液滴の拡散があまり大きく発生しない。このように、印刷回路基板１０の表面に金属ナノインクを用いて金属薄膜犠牲層２０を形成した後にインクジェット方法で配線３０を形成すればインクの拡散性が著しく改善されることができる。

金属薄膜犠牲層２０の形成に用いられる第１の金属ナノインクは水系インク又は非水系インクである。

金属ナノインクは金属ナノ粒子を含んだインクジェットプリンティング用インクであって金属ナノ粒子を分散させる溶媒に応じて分けられ、主溶媒を基準にして大きく水系インクと非水系インクとに分けられる。

ここで '水系インク'とは溶媒であってエタノールを含めたアルコール系、エーテル系及びエチレングリコールを始めとしたグリコール系などを主に用いる金属ナノインクを言う。一般的に用いられる水系インクは粒子の大きさが３０〜５０ｎｍの金属ナノ粒子を約２０重量％含んでいる。金属ナノ粒子としては白金、銀、銅、ニッケル、錫、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、亜鉛、鉛、インジウム及びチタンから構成される郡より選ばれる一つ以上を組み合わせて用いることができる。水系インクの例では、主溶媒としてエタノールが約１０重量％、エチレングリコールが約６０重量％、分散安定性や表面張力又はインクジェット吐出のために適切な粘度範囲の添加剤を約１０重量％含んだものを用いることができる。

'非水系インク'とはテトラデカン、ドデカン、トルエン及びキシレンなどを主溶媒として用いる金属ナノインクを言う。水系インクとは異なって、非水系インクの場合には一般的に３〜１０ｎｍの粒子の大きさを持つ金属ナノ粒子を約６０重量％で高く含むことができ（金属ナノ粒子の種類は前述した通りである）、主溶媒としては、例えばテトラデカンのような非水系溶媒を約２５％、のその他の添加剤を約１５重量％含むことができる。

金属薄膜犠牲層２０を形成する段階は第１の金属ナノインクを印刷回路基板１０の表面に塗布する段階と、及び第１の金属ナノインクを熱処理し、塗布された金属ナノインクの拡散性が防止される程度だけ乾燥させる段階とで行われることができる。

ここで、第１の金属ナノインクはスピンコーティング、スクリーンコーティング、インクジェットコーティングなどを用いて印刷回路基板１０上に塗布することができる。スピンコーティング、スクリーンコーティングを用いる場合には印刷回路基板１０の表面の全面に金属薄膜犠牲層２０を形成することが可能であり、インクジェットコーティングを用いる場合には配線パターンが形成される部分に選択的に金属薄膜犠牲層２０を形成することが可能である。この時インクジェットコーティングを用いる場合形成される配線パターンの幅より広い幅で金属薄膜犠牲層２０を形成する方が好ましい。

このように塗布された第１の金属ナノインクは熱処理程度に応じて印刷される液滴の拡散性を制御することができる。塗布された金属ナノインクが乾燥されない場合には次に吐出された液滴が金属薄膜犠牲層２０と合されて微細配線を形成することができなくなり、塗布された金属ナノインクが完全に焼結された場合には金属薄膜犠牲層２０と次に吐出される液滴との表面張力の差により拡散性が増加しうる。 よって、塗布された金属ナノインクの拡散性が防止される程度だけ乾燥させるのが好ましい。'金属ナノインクの拡散性が防止される程度だけ乾燥させる' と言うことは金属ナノインクの残留溶媒量が好ましくは１０ないし９０％になるように一部の溶媒だけ飛ばすことを意味する。より好ましくは残留溶媒量が５０％未満になるようにすることが最適の拡散性防止効果を示すことができる。

具体的な例では、６０ないし８０℃温度で１分ないし１時間の間熱処理して金属ナノインクを半乾燥させることも可能であり、より高い温度でより短い時間により同じ効果を得ることができれば温度と時間は制限されない。このような条件で熱処理すれば金属犠牲層２０に残留するインクの溶媒と吐出されるインクの液滴の表面エネルギーが類似しているので優れた拡散性抑制効果を得ることができる。

好ましい実施例によれば、本発明による微細配線形成方法は金属薄膜犠牲層２０を形成する段階の前に金属薄膜犠牲層２０と印刷回路基板１０との接着力を向上させるために印刷回路基板１０の表面処理段階を更に含むことができる。通常の接着力の向上のための表面処理は配線の拡散性を増大させるが、本発明では接着力の増大のための表面処理の実施は後のエッチングなどにより除去される金属薄膜犠牲層２０の拡散性にだけ影響を及ぼし、金属薄膜犠牲層２０の上に印刷される金属配線の拡散性には影響を及ぼさないので微細配線を形成しかつ高い接着力を得ることができる。

金属薄膜犠牲層２０を形成した後、次に金属薄膜犠牲層２０の上に第２の金属ナノインクを用いてインクジェット方法により配線３０を形成する（ｃ段階）。

金属薄膜犠牲層２０の上に配線３０を形成するためには第２の金属ナノインクを吐出させた後に配線３０を完全に焼結させるために２００ないし３００℃の温度範囲で熱処理を実施することが好ましい。２００℃以下で焼成すると低い比抵抗の達成が不可能であり、３００℃以上で焼成すると高分子のＴｇ以上の温度範囲であるため焼成の前に高分子を含んでいる印刷回路基板１０に変形が発生しうるという問題がある。

本発明の一実施形態によれば、配線３０の形成に用いられる第２の金属ナノインクは金属薄膜犠牲層２０の形成に用いられた第１の金属ナノインクと同じものを用いることができる。これにより先に形成された金属薄膜犠牲層２０の表面エネルギーと配線３０の金属ナノインクの表面張力とが類似しているので液滴の拡散性が大きく発生しないことになる。

本発明の他の実施形態によれば、水系インクと非水系インクの互いに異なる印刷特性を考慮して金属薄膜犠牲層２０の形成に用いられる第１の金属ナノインクは水系インクを用い、配線３０の形成に用いられる第２の金属ナノインクは非水系インクを用いることができる。

このように水系インクを用いて金属薄膜犠牲層２０を形成する場合には印刷回路基板１０に特に表面処理をしなくても配線の形成が可能であり、引き継いで非水系インクで金属薄膜犠牲層２０の上に配線を形成すればラインの模様がきれいながらも水系インクに比して金属ナノ粒子の含量が高いので厚みが向上された配線を得ることができるという利点がある。

水系インクで金属薄膜犠牲層２０を形成する場合には印刷回路基板１０上に吐出されたインクを２００ないし３００℃の温度で熱処理して焼成する過程を経てｃ段階に進行することができる。このように温度を限定した理由は前述した通りである。この場合金属薄膜犠牲層２０を完全に焼結させても、次に吐出される非水系インクを用いてラインの模様がきれいで、かつ厚みが向上された配線を得ることができる。

このように金属薄膜犠牲層２０の上に配線３０を形成した後には、金属薄膜犠牲層２０の一部を除去して、金属薄膜犠牲層２０の残余の一部と配線３０とで配線パターン（２０，３０）を形成する（ｄ段階）。

金属薄膜犠牲層２０の除去は化学的エッチング、機械的エッチング、ポリッシング及びグラインディングからなる群より選ばれる少なくとも一つの方法を用いて行われることができる。中で、化学的エッチングを用いることが配線の幅が微細化されうるので最も好ましい。

以下で、実施例を通じて本発明をより詳細に説明するが、下記の実施例は単に本発明を好適に説明するものに過ぎず、なんら本発明を制限するものではない。

（実施例１）
ポリイミド基板の表面に２０ｎｍ内外の銀ナノ粒子及びテトラデカンを含んだ銀ナノインクをスピンコーティングで厚み２μｍの金属薄膜犠牲層２０を形成した後、形成された金属薄膜犠牲層２０を６５℃で３０分間乾燥させた。乾燥された金属薄膜犠牲層２０の上に１８ピコリットルの銀ナノインクの液滴を７００ＤＰＩの解像度で３回反復印刷して線幅７０μｍ、厚み１４μｍの配線を印刷した。印刷された配線と金属薄膜犠牲層２０とを２５０℃で３０分間熱処理して焼結させた後、硝酸系の銀のエッチング液でエッチングして金属薄膜犠牲層２０を除去した。エッチングの後配線の幅が微細化され、トレランス（tolerance）が減少した均一な配線を得た．
図２ａは実施例で金属薄膜犠牲層２０の上に銀ナノインクを印刷して焼結した後の配線を示す写真であり、図２ｂは実施例でエッチングを行った後の配線を示す写真である。

（実施例２）
ポリイミド基板の表面に２０ｎｍ内外の銀ナノ粒子、エタノール及びエチレングリコール溶媒を含んだ銀ナノインクをスピンコーティングして厚み０．５μｍの水系インクの塗布層を形成した。これを２５０℃で２０分間熱処理して焼成した後、その上に２０ｎｍの銀ナノ粒子及びテトラデカンを含む銀ナノインクをインクジェット方法で印刷した。これを２５０℃で３０分間熱処理して焼成させることで線幅３８１．４μｍの偏差 １．９８μｍラインを得た。ライントレランスは１．０４％ であった。

図３は実施例２より得られた配線パターンを示す写真である。

ライントレランスを求める式は次のように表れる。

ライントレランス＝（[最大幅]-[最小幅]）/（平均幅）
最大幅: 測定画面での最大線幅
最小幅: 測定画面での最小線幅
平均幅: 測定した線幅の平均
（実施例３）
ポリイミド基板の表面に１０ｎｍ内外の銀ナノ粒子、エタノール及びエチレングリコール溶媒を含んだ銀ナノインクをインクジェットを用いて面印刷して厚み０．４μｍの水系インクの塗布層を形成した。これを２５０℃で２０分間焼成した後その上に１０ｎｍの銀ナノ粒子及びテトラデカンを含む銀ナノインクをインクジェット方法で印刷して２５０℃で３０分間熱処理して焼成させることにより線幅３８３．９μｍの偏差２．４９μｍラインを得た。ライントレランスは１．５４％であった。

（実験例１） 金属犠牲層の表面処理効果実験
実施例１で用いた銀ナノインクを１８ピコリットル（液滴の大きさ３２μｍ）の液滴を吐出した。図４はポリイミド基板に表面処理を行わなかった場合に吐出された液滴の拡散性を示す写真であり、図５は金属薄膜犠牲層２０を形成した場合に吐出された液滴の拡散性を示す写真であり、図６はフルオロアルキル化合物（3M-novec）でフッ素処理した場合に液滴の拡散性を示す写真である。図４ ないし図６は、金属薄膜犠牲層２０上に液滴を吐出した場合追加の表面処理なしも現在一番效率的な表面処理の中で一つで知られたフッ素処理水準の拡散性抑制効果を現わしている。

（実験例２） 金属犠牲層熱処理程度に応ずる印刷液滴の拡散性制御実験
実施例１と同じ方法で銀ナノインクとスピンコーティングを用いてポリイミド基板の上に銀犠牲層を形成し、形成された犠牲層を６５℃で３０分間熱処理した後、１８ピコリットルの液滴を７００ＤＰＩの印刷解像度で吐出して配線を形成した。形成された配線を図７に示した。

一方、形成された犠牲層を２５０℃で３０分間熱処理した後、同様に銀ナノインクを吐出して配線を形成した場合の配線を図８に示した。

図７及び８に示されているように、金属薄膜犠牲層２０を完全焼結しないで溶媒が金属犠牲層に残っている状態でインクジェットを用いてナノインクを吐出した場合金属犠牲層に残留するインクの溶媒と吐出されるインクの液滴の表面エネルギーが類似いているので優れた拡散性抑制効果を示すことを確認できた。

本発明によれば接着力向上のために選択的に印刷回路基板１０を表面処理し、印刷回路基板１０上に金属ナノインクを用いて金属薄膜犠牲層２０を形成し、金属薄膜犠牲層２０の上に微細配線を形成した後エッチングなどを行って金属薄膜犠牲層２０を除去すると接着力増大と微細配線形成を共に達成することができる。また金属薄膜犠牲層２０の熱処理の調節により金属薄膜の表面エネルギーとインクの表面張力と類似に調節することができて追加的な表面処理がなくても拡散性を抑制することができる。

本発明は実施例に限定されず、多くの変形が本発明の思想内で当分野での通常の知識を持った者により可能であることは勿論である。

本発明による微細配線形成方法を概略的に示す断面工程図である。 本発明の実施例１で金属薄膜犠牲層２０の上に金属ナノインクで配線を形成した後の状態を示す写真である。 本発明の実施例１で化学的エッチングを行った後の配線パターンを示す写真である。 本発明の実施例２より得られた配線パターンを示す写真である。 実験例１で表面処理しなかった場合の液滴の拡散性を示す写真である。 実験例１で金属薄膜犠牲層２０の上の液滴の拡散性を示す写真である。 実験例１でフッ素処理した場合の液滴の拡散性を示す写真である。 金属薄膜犠牲層２０を６５℃で３０分間熱処理した場合の配線パターン写真である。 金属薄膜犠牲層２０を２５０℃で３０分間熱処理した場合の配線パターン写真である。

符号の説明

１０ 印刷回路基板
２０ 金属薄膜犠牲層
３０ 配線

Claims (11)

1. 印刷回路基板を準備する段階と、
   第１の金属ナノインクを用いて前記印刷回路基板の表面に金属薄膜犠牲層を形成する段階と、
   前記金属薄膜犠牲層の上に第２の金属ナノインクを用いてインクジェット方法により配線を形成する段階と、
   前記金属薄膜犠牲層の一部を除去して、前記金属薄膜犠牲層の残余の一部と前記配線とで配線パターンを形成する段階と
   を含むことを特徴とする微細配線形成方法。
2. 前記金属薄膜犠牲層を形成する段階が、
   前記第１の金属ナノインクを前記印刷回路基板の表面に塗布する段階と、
   前記第１の金属ナノインクを熱処理して塗布された金属ナノインクの拡散性を防止するように乾燥させる段階とを含むことを特徴とする請求項１に記載の微細配線形成方法。
3. 前記第１の金属ナノインクがスピンコーティング、スクリーンコーティング及びインクジェットコーティングからなる群より選ばれる一つの方法を用いて塗布されることを特徴とする請求項２に記載の微細配線形成方法。
4. 前記乾燥段階が、前記金属ナノインクの残留溶媒量が１０ないし９０％がなるように乾燥させることを特徴とする請求項２に記載の微細配線形成方法。
5. 前記第１の金属ナノインク及び前記第２の金属ナノインクが水系インク又は非水系インクの同じものを用いることを特徴とする請求項１に記載の微細配線形成方法。
6. 前記第１の金属ナノインクが水系インクであり、前記第２の金属ナノインクが非水系インクであることを特徴とする請求項１に記載の微細配線形成方法。
7. 前記水系インクに含まれる溶媒が水、アルコール、エーテル及びグリコールからなる群より選ばれる少なくとも一つであることを特徴とする請求項５又は６に記載の微細配線形成方法。
8. 前記非水系インクに含まれる溶媒がテトラデカン、ドデカン、トルエン及びキシレンからなる群より選ばれる少なくとも一つであることを特徴とする請求項５又は６に記載の微細配線形成方法。
9. 前記金属薄膜犠牲層を形成する段階以後に、前記金属薄膜犠牲層を焼成する段階を更に含むことを特徴とする請求項６に記載の微細配線の形成方法。
10. 前記微細配線形成方法が、前記金属薄膜犠牲層を形成する段階の前に前記金属薄膜犠牲層と前記印刷回路基板との接着力を向上するために印刷回路基板の表面処理段階を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の微細配線形成方法。
11. 前記配線パターンを形成する段階が、化学的エッチング、機械的エッチング、ポリッシング及びグラインディングからなる群より選ばれる少なくとも一つの方法を用いて行われることを特徴とする請求項１に記載の微細配線形成方法。