JP2017179498A - 金属層構造及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】金属層を形成する際に生じ得る基板の反りを軽減することができる金属層構造を提供する。
【解決手段】金属層構造は、基板上に形成された第１金属層と、前記第１金属層上に形成された、酸化層、窒化層、炭化層、又は、フッ化層からなる第１保護層と、前記第１保護層上に形成された、前記第１金属層と同一の材料からなる第２金属層と、前記第２金属層上に形成された、酸化層、窒化層、炭化層、又は、フッ化層からなる第２保護層と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属層構造及びその製造方法に関する。
従来、ガラス等の基板に銅（Ｃｕ）等の金属材料をスパッタリングにより成膜して金属層を形成する際に、金属材料の成長過程における結合収縮と、成膜後の温度低下に伴う金属材料の収縮とにより、膜に引張応力が発生し、基板に反りが生じることが知られている。特に、金属層の膜厚を厚くした場合には、基板の反りが大きくなる。このような基板の反りを抑える方法として、例えば、真空環境下において金属材料を間歇的に成膜する技術（間歇成膜）を適用することが考えられる。特許文献１には、真空環境下において間歇成膜を行う技術が開示されている。この方法によれば、成膜時の基板の温度上昇をある程度抑えることができるため、温度低下に伴う金属材料の収縮を抑えることが期待できる。
特開２００３−１３２１７号公報
しかし、上記方法では、真空環境下にあるため、間歇成膜を行っても基板の温度上昇を十分に抑えることは困難である。また、金属材料の成長過程における結合収縮に起因する上記引張応力の発生を抑えることは困難である。よって、特に厚膜化が要求される金属層を形成する際には、基板の反りを確実に抑えることは困難である。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、金属層を形成する際に生じ得る基板の反りを軽減することができる金属層構造及びその製造方法を提供することにある。
本発明に係る金属層構造は、上記課題を解決するために、基板上に形成された第１金属層と、前記第１金属層上に形成された、酸化層、窒化層、炭化層、又は、フッ化層からなる第１保護層と、前記第１保護層上に形成された、前記第１金属層と同一の金属材料からなる第２金属層と、前記第２金属層上に形成された、酸化層、窒化層、炭化層、又は、フッ化層からなる第２保護層と、を含むことを特徴とする。
本発明に係る金属層構造では、前記第１金属層及び前記第２金属層は、銅又はアルミニウムからなっていてもよい。
本発明に係る金属層構造の製造方法は、上記課題を解決するために、基板上に第１金属層を形成する工程と、前記第１金属層の表面に酸化処理又は窒化処理を施すことにより、酸化層、窒化層、炭化層、又は、フッ化層からなる第１保護層を形成する工程と、前記第１保護層上に、前記第１金属層と同一の金属材料からなる第２金属層を形成する工程と、前記第２金属層の表面に酸化処理又は窒化処理を施すことにより、酸化層、窒化層、炭化層、又は、フッ化層からなる第２保護層を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
また本発明に係る金属層構造の製造方法は、上記課題を解決するために、基板上に銅を成膜して第１金属層を形成する工程と、前記第１金属層の表面に酸化処理を施すことにより、酸化層からなる第１保護層を形成する工程と、前記第１保護層上に銅を成膜して第２金属層を形成する工程と、前記第２金属層の表面に酸化処理を施すことにより、酸化層からなる第２保護層を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
本発明に係る金属層構造の製造方法では、前記銅を成膜する工程と、前記酸化処理を施す工程とを複数回繰り返すことにより、所定の膜厚の金属層構造を形成してもよい。
本発明に係る金属層構造の製造方法では、前記酸化処理を施す工程では、金属層が形成された前記基板を大気環境に置くことにより酸化処理を施してもよい。
本発明に係る金属層構造の製造方法では、前記第１金属層を形成する工程と、前記第２金属層を形成する工程とでは、金属材料をスパッタリングで成膜することにより前記第１金属層及び前記第２金属層を形成してもよい。
本発明に係る金属層構造及びその製造方法によれば、金属層を形成する際に生じ得る基板の反りを軽減することができる。
本実施形態に係る金属層構造の概略構成を示す断面図である。 本実施形態に係る金属層構造の製造方法を説明するための図である。 本実施形態に係る金属層構造の応力の特性評価の結果を示す表である。 図３に示す結果における各平均値を比較したグラフである。 本実施形態に係る金属層構造の比抵抗の特性評価の結果を示す表である。 図５に示す結果における各平均値を比較したグラフである。
本発明の一実施形態について、図面を用いて以下に説明する。図１は、本実施形態に係る金属層構造の概略構成を示す断面図である。
本実施形態に係る金属層構造１０は、基板１００上に形成されており、第１金属層１０１と第１保護層２０１と第２金属層１０２と第２保護層２０２とを含んでいる。第１金属層１０１及び第２金属層１０２は、同一材料、例えば銅（Ｃｕ）又はアルミニウム（Ａｌ）からなる。第１保護層２０１及び第２保護層２０２は、同一材料、例えば酸化層、窒化層、炭化層、又は、フッ化層からなる。第１金属層１０１と第１保護層２０１と第２金属層１０２と第２保護層２０２とはこの順に基板１００上に積層されている。尚、基板１００と第１金属層１０１との間には、モリブデン（Ｍｏ）やチタン（Ｔｉ）等からなる接着層が形成されていてもよい。
金属層構造１０は、金属層及び保護層を１組として、複数組が積層されて構成されている。図１に示す例では、金属層構造１０は、２組が積層されて構成されている。金属層構造１０は、２組に限定されず、３組以上が積層されて構成されてもよい。上記組数は、例えば要求される金属層構造１０の膜厚に応じて設定される。
図２は、金属層構造１０の製造方法を説明するための図である。以下、金属層構造１０の製造方法について説明する。ここでは、金属層として銅（Ｃｕ）層を例に挙げ、保護層として酸化層を例に挙げる。
先ず、第１工程において、平坦なガラス等の基板１００（図２（ａ））上に、第１金属層１０１を形成する（図１（ｂ））。例えば、ガラス基板１００上に銅材料をスパッタリングで堆積して蒸着させる。第１金属層１０１の膜厚は、例えば３００ｎｍ〜４５０ｎｍに設定される。第１金属層１０１を形成すると、銅材料の結合に伴う体積収縮と、成膜後の温度低下に伴う体積収縮の影響により、基板１００に引張応力（以下、単に「応力」という。）がかかり反りが生じる。
次に、第２工程において、第１金属層１０１上に第１保護層２０１を形成する（図１（ｃ））。例えば、第１金属層１０１が形成された基板１００を大気環境（大気雰囲気）に置いて酸化処理を施す。これにより、第１金属層１０１の表面が酸化し、第１保護層２０１としての酸化層が形成される。尚、酸化処理の方法は、上記方法に限定されず、例えば酸素プラズマを用いてもよい。第１保護層２０１（酸化層）の膜厚は、例えば数ｎｍ〜数十ｎｍに設定される。酸化層が形成されると体積が膨張するため、基板１００の反りが軽減される。
次に、第３工程において、第１保護層２０１上に第２金属層１０２を形成する（図１（ｄ））。例えば、第１保護層２０１上に、第１金属層１０１と同材料の銅をスパッタリングで堆積して蒸着させる。第２金属層１０２の膜厚は、第１金属層１０１の膜厚と同様に、例えば３００ｎｍ〜４５０ｎｍに設定される。尚、第１金属層１０１の膜厚と第２金属層１０２の膜厚とを異ならせてもよい。第２金属層１０２を形成すると、第１金属層１０１と同様に、銅材料の結合に伴う体積収縮と、成膜後の温度下降に伴う体積収縮の影響により、基板１００に応力がかかり反りが生じる。
次に、第４工程において、第２金属層１０２上に第２保護層２０２を形成する（図１（ｅ））。例えば、第２金属層１０２が形成された基板１００を大気環境に置いて酸化処理を施す。これにより、第２金属層１０２の表面が酸化し、第２保護層２０２としての酸化層が形成される。第２保護層２０２（酸化層）の膜厚は、第１保護層２０１の膜厚と同様に、例えば数ｎｍ〜数十ｎｍに設定される。酸化層が形成されると体積が膨張するため、基板１００の反りが軽減される。
以降、上述の金属層（Ｃｕ層）を形成する金属層形成工程と、保護層（酸化層）を形成する保護層形成工程とを、所望の膜厚に達するまで繰り返す。例えば、上記金属層形成工程と上記保護層形成工程とを１０回繰り返すことにより、約３０００ｎｍの膜厚を有する金属層構造１０が形成される。
上記製造方法によれば、金属層が形成された基板に酸化処理を施すことにより、酸化層による体積膨張を利用して、基板の反りを軽減することができる。また、金属層が形成された基板を真空環境外である大気環境に置くことにより酸化層を形成しているため、基板の冷却効果を高めることができる。これにより、基板の温度上昇を真空環境下よりも抑えることができるため、温度低下に伴う金属材料の収縮を抑えることもできる。よって、基板の反りを軽減し得る金属層構造１０を得ることができる。金属層構造１０を構成する保護層（ここでは、第１保護層、第２保護層）は成膜後に体積が膨張する特性を有しており、この体積膨張を利用して基板１００に残留する引張応力を緩和させることができるため、応力緩和層として機能する。
上記効果を実証するための評価結果を以下に示す。図３は、金属層構造１０の応力（ＭＰａ）の特性評価の結果を示す表である。ここでは、上記金属層形成工程と上記保護層形成工程とを１０回繰り返して製造した、３３３８ｎｍの膜厚を有する金属層構造１０について評価した。尚、金属層は銅（Ｃｕ）層であり、保護層は酸化層である。また、比較例として、通常成膜により製造した金属層構造（Ｃｕ層）と、真空環境下において間歇成膜により製造した金属層構造（Ｃｕ層）とを評価した。これら比較例に係る金属層構造には酸化層は含まれない。図３に示す通常成膜では、真空環境下において銅を連続して（約４００秒）所望の厚さ（ここでは３２３１ｎｍ）に達するまで成膜して金属層構造を形成した。真空成膜では、真空環境下において銅を間歇的に所望の厚さ（ここでは３２８３ｎｍ）に達するまで成膜して金属層構造を形成した。真空成膜は、間歇的に成膜するため通常成膜の場合よりも基板の温度上昇を抑える効果がある。大気成膜は、本実施形態に係る上記金属層構造１０の製造工程に対応する。
上記評価では、通常成膜、真空成膜及び大気成膜それぞれについて２種類ずつ金属層構造を用意して評価し、その平均値を算出した。図４は、各平均値を比較したグラフである。
通常成膜による金属層構造の応力は２６５．１（ＭＰａ）であり、真空成膜による金属層構造の応力は３１３．２（ＭＰａ）であったのに対して、本実施形態に係る大気成膜による金属層構造１０の応力は１８３．６（ＭＰａ）であった。この結果から、本実施形態に係る金属層構造１０の構成によれば、従来の金属層構造と比較して応力を低減することができることが分かった。すなわち、本実施形態に係る金属層構造１０の構成によれば、従来の金属層構造と比較して、基板の反りを軽減することができることが分かった。
ここで、金属層構造の比抵抗について評価した結果を以下に示す。図５は、金属層構造１０の比抵抗（ｕΩｃｍ）の特性評価の結果を示す表である。ここでも、比較例として通常成膜及び真空成膜による金属層構造を評価した。各金属層構造の膜厚は、上記応力を評価した金属層構造と同様の膜厚に設定した。図６は、各金属層構造における比抵抗の平均値を比較したグラフである。
通常成膜による金属層構造の比抵抗は１．８４５（ｕΩｃｍ）であり、真空成膜による金属層構造の比抵抗は１．８７０（ｕΩｃｍ）であったのに対して、本実施形態に係る大気成膜による金属層構造１０の比抵抗は２．２７８（ｕΩｃｍ）であった。この結果によれば、大気成膜による金属層構造１０が比較例よりも比抵抗が高いため、比較例には形成されていない保護層（ここでは酸化層）が、比抵抗を上昇させる要因となっていること分かる。そして、上述した応力の低減効果（図３及び図４参照）は、金属層構造１０に特有の上記酸化層が主な要因であることが分かる。
尚、大気成膜による金属層構造１０では、従来の金属層構造と比較して比抵抗が大きくなる傾向にあるため、例えば比抵抗を従来の金属層構造と同等の値に抑えるためには、金属層構造１０の膜厚を厚く設定することが好ましい。例えば、上記条件において、金属層構造１０の膜厚を３９００ｎｍ程度に設定すれば、従来の金属層構造と同等の比抵抗に抑えることができる。本実施形態に係る金属層構造１０の構成によれば、膜厚を厚くする程、基板１００の応力を低減できるとともに、比抵抗を低減することができるため、従来の金属層構造と比較して、容易に厚膜化を図ることができる。
本実施形態に係る金属層構造１０は、電子デバイスの様々な用途に適用することができる。例えば、金属層構造１０を、アンテナ装置において高周波を遮蔽する遮蔽体として適用することができる。また例えば、表示パネルを構成する信号線に適用することもできる。また、金属層構造１０は、厚膜化が要求される部分に特に好適である。
尚、金属層構造１０の比抵抗や基板の応力は、金属層構造１０の構成（膜厚等）に応じて変動するため、用途に応じて、金属層構造１０の全体的な膜厚や、金属層及び保護層の膜厚の割合や、金属層及び保護層の層数等を設定することが好ましい。また、金属層構造１０を用途に応じて加工する場合は、金属層構造１０が製造された後、すなわち、金属層及び保護層が繰り返し積層されて金属層構造１０としてパターン形成された後に、一括加工（例えば、フォトリソグラフィ加工、エッチング加工等）することが好ましい。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で上記各実施形態から当業者が適宜変更した形態も本発明の技術的範囲に含まれることは言うまでもない。
１０ 金属層構造、１００ 基板、１０１ 第１金属層、１０２ 第２金属層、２０１ 第１保護層、２０２ 第２保護層。

Claims (7)

  1. 基板上に形成された第１金属層と、
    前記第１金属層上に形成された、酸化層、窒化層、炭化層、又は、フッ化層からなる第１保護層と、
    前記第１保護層上に形成された、前記第１金属層と同一の金属材料からなる第２金属層と、
    前記第２金属層上に形成された、酸化層、窒化層、炭化層、又は、フッ化層からなる第２保護層と、
    を含むことを特徴とする金属層構造。
  2. 前記第１金属層及び前記第２金属層は、銅又はアルミニウムからなる、
    ことを特徴とする請求項１に記載の金属層構造。
  3. 基板上に第１金属層を形成する工程と、
    前記第１金属層の表面に酸化処理又は窒化処理を施すことにより、酸化層、窒化層、炭化層、又は、フッ化層からなる第１保護層を形成する工程と、
    前記第１保護層上に、前記第１金属層と同一の金属材料からなる第２金属層を形成する工程と、
    前記第２金属層の表面に酸化処理又は窒化処理を施すことにより、酸化層、窒化層、炭化層、又は、フッ化層からなる第２保護層を形成する工程と、
    を含むことを特徴とする金属層構造の製造方法。
  4. 基板上に銅を成膜して第１金属層を形成する工程と、
    前記第１金属層の表面に酸化処理を施すことにより、酸化層からなる第１保護層を形成する工程と、
    前記第１保護層上に銅を成膜して第２金属層を形成する工程と、
    前記第２金属層の表面に酸化処理を施すことにより、酸化層からなる第２保護層を形成する工程と、
    を含むことを特徴とする金属層構造の製造方法。
  5. 前記銅を成膜する工程と、前記酸化処理を施す工程とを複数回繰り返すことにより、所定の膜厚の金属層構造を形成する、
    ことを特徴とする請求項４に記載の金属層構造の製造方法。
  6. 前記酸化処理を施す工程では、金属層が形成された前記基板を大気環境に置くことにより酸化処理を施す、
    ことを特徴とする請求項３又は４に記載の金属層構造の製造方法。
  7. 前記第１金属層を形成する工程と、前記第２金属層を形成する工程とでは、金属材料をスパッタリングで成膜することにより前記第１金属層及び前記第２金属層を形成する、
    ことを特徴とする請求項３又は４に記載の金属層構造の製造方法。
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