JP3630920B2 - 金属ペーストの焼成方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機溶剤中に金属微粒子を分散させて形成した金属ペーストを用いて基板の上に金属薄膜を形成するようにした金属ペーストの焼成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、金属ペーストを用いた金属薄膜の形成は、金属微粒子を有機溶媒中に均一に分散させて適度な粘度に調整し、スピンコート法やスクリーン印刷法で基板上に塗布した後、空気中500℃〜700℃の温度で仮焼し、次いで還元雰囲気中で本焼成するようにしていた。なお、金属ペースト及びその製造方法は、例えば特開平3−34211号公報に記載のものがある。
【0003】
仮焼は、ペースト中に含まれる有機溶媒の分解、除去するためのいわば予備焼成を意味する。すなわち従来では、金属ペーストを基板もろとも空気中で500℃以上に加熱して金属微粒子の焼結を行いながら含有する有機物を熱分解させ、この熱分解により生ずる炭素などの残留不純物成分を酸化除去するようにしていた。そして還元性雰囲気における本焼成により、金などの貴金属は別として、酸化性雰囲気中の仮焼工程により生じた高抵抗膜(部分酸化膜)を還元させながら、本格的な焼結を行うことによって高密度・低抵抗の金属薄膜を形成するようにしている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、金属ペーストからバルク状金属程度の高密度・低抵抗金属膜を得ることを目的にした場合には、仮焼温度および本焼成温度は高ければ高いほど良い。しかし、それは種々の要因により影響され、基板温度を高温に上げることができないプロセス(例えばシリコンを熱処理できる最高温度が500℃程度である半導体の製造プロセス)では、その限界温度で仮焼および本焼成が行われることになる。したがって、熱処理温度が500℃以下に要求されるプロセスには、このような焼成方法を適用できないか、適用したとしても高い抵抗値をもつ金属膜になってしまうことになる。
【0005】
本発明は上述の問題に鑑みてなされ、低温で高密度・低抵抗の金属薄膜を形成することができる金属ペーストの焼成方法を提供することを課題とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
以上の課題は、有機溶剤中に金属微粒子を分散させて形成した金属ペーストを基板の上に塗布し、減圧下のオゾン雰囲気における仮焼により前記有機溶媒を分解除去した後、本焼成することにより金属薄膜を形成するようにしたことを特徴とする金属ペーストの焼成方法、によって解決される。
【0007】
本発明は、低温焼成で高密度・低抵抗金属膜を形成するために、例えばシリコン基板に形成した膜を減圧下でオゾン(O3 )を導入した雰囲気で仮焼することによりペースト中の有機物の熱分解と、この熱分解により生ずる残留不純物成分を除去した後に、本焼成を行うようにしている。減圧下のオゾン雰囲気での仮焼効果は、低温で有機物の熱分解を可能にすると同時に炭素などの残留成分を酸化除去できることにある。すなわち、通常のペースト剤で使用される有機溶媒は500℃以下の温度でほとんど熱分解するが、減圧下とすることにより低温での熱分解を促進することができると同時に強い酸化力のあるオゾンにより残留不純物成分を酸化除去することができるという効果が得られる。また、その後の本焼成において500℃以下の温度でもバルク状金属と同程度の密度と比抵抗を得ることができる。
【0008】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態による金属ペーストの焼成方法は図1に示す3工程によって構成され、これらの3工程は以下のような内容を含む。
【0009】
A.金属ペーストの塗膜形成
スクリーン印刷法又はスピンコート法により基板に金属ペーストを塗布する。塗布例としては、導体薄膜の形成や電子回路への配線、電気接点としてのバンプ、基板上のビアホールなどの凹所への埋め込み、などが挙げられる。
【0010】
B.減圧下、オゾンを導入した酸化性雰囲気中での仮焼
金属ペースト中の有機溶媒等の有機物を熱分解させ、この熱分解後に生ずる不純物成分を酸化除去する。減圧下での仮焼は有機物の熱分解温度を低下させるのを図り、オゾンを導入した酸化性雰囲気での仮焼は強い酸化力と金属微粒子の径の増大化とを図る。
【0011】
C.還元性雰囲気中での本焼成
Bの工程において、貴金属以外の金属は部分酸化され、比抵抗が増大しているので、雰囲気を還元性として元の金属へ還元させると共に、金属微粒子を最終的に焼結させて、高密度で低抵抗の金属薄膜とする。
【0012】
【実施例】
以下の各実施例において、本発明の金属ペーストの焼成方法を具体的に説明する。
【0013】
第1実施例として、平均粒子径0.1μmの銅微粒子を有機溶媒テルピネオール中に分散させた銅ペーストを使用し、シリコン基板上に電子回路用配線を形成させた。先ず、銅ペーストをシリコン基板上にスクリーン印刷して塗膜を形成させた(図1のA)。この基板を真空電気炉に装填した後、数%のオゾン(O3 )と不活性ガスとの混合ガスで形成される酸化性ガスを炉内に導入し、数万Paから数千Pa程度の低真空下で1時間程度の加熱処理を行った(図1のB)。これにより、銅ペースト中の有機物の蒸発除去と熱分解、さらに、熱分解で生じる残留不純物を酸化除去させた。このときの加熱温度は、テルピネオールの沸点が2000Paで99〜102℃であることを考慮して、100℃から500℃までの温度で1時間の真空加熱を行い銅薄膜を形成させた。
【0014】
最後に、真空電気炉内に濃度4%の水素ガスを含む不活性ガス(例えば窒素ガス)を導入して雰囲気を還元性に切り替え、前工程において部分酸化された銅を還元すると共に、銅薄膜の高密度化を行った(図1のC)。以上のようにして形成させた電子回路用配線はバルク状の銅と同程度の比抵抗を有していた。
【0015】
第2実施例として、有機溶媒にバインダとしての有機高分子を溶解させた溶液中に平均粒子径が数μmの金微粒子が分散されている市販の金ペーストを使用し、スクリーン印刷法によってシリコン基板の電極上に金バンプを形成させるに必要な塗膜を形成した。このシリコン基板を第1実施例と同様に500℃以下の温度で減圧下、オゾンを導入した酸化性雰囲気中での仮焼を行って有機溶媒、有機高分子系バインダを蒸発、加熱分解させて除去し、続いて還元性雰囲気中で本焼成を行うことによりシリコン基板上に金バンプを作製することができた。
【0016】
第3実施例として、ICベアチップを基板上にフリップチップ方式によって基板上にボンディングする場合の半田に代えて、銅ペーストを使用した例を示す。図2はその過程を示す断面図であるが、平均粒子径が数μmの銅微粒子が分散されている市販の銅ペーストを使用し、スクリーン印刷法によって図2Aに示すように基板1の電極2上に銅バンプを形成させるための塗膜3を形成した後、図2Bに示すように塗膜3の上にチップ4を装着した。
【0017】
このチップ4を装着した基板1を第1実施例と同様に、数千Pa程度の低真空下でオゾンを導入した酸化性雰囲気での下、1時間程度の熱処理を行った。このときの加熱温度はチップ4の耐熱性を考慮して150℃とした。そして還元雰囲気中での本焼成もまた150℃で行うことにより、基板1上にチップ4を実装することができた。本実施例では、第1実施例で得られた銅薄膜ほどの低抵抗膜は得られなかったが、従来使用されている半田バンプに相当する値を得ることができた。
【0018】
第4実施例として、スピンコート法によりアスペクト比が1以上の微細な孔、又は溝よりなる凹状部を有する半導体基板に銅ペーストを埋め込んだ。図3はその過程を示す断面図であり、図3Aを参照して、内部の配線6に向けてアスペクト比が2のビアホール7が形成されている半導体基板5に対し、スピンコータにより第1実施例の銅微粒子より更に小径である平均粒子径が0.01μmの銅微粒子を有機溶媒テルピネオール中に分散させた銅ペーストを適用し、図3Bに示すようにビアホール7を銅ペーストで埋めると共に、第1実施例と同様な方法で半導体基板5の表面に連続する一体的な塗膜8を形成した。本実施例により、ビアホール7内にバルク状の銅と同程度の低抵抗な銅を埋め込むことができた。
【0019】
以上、本発明の各実施例について説明したが、勿論、本発明はこれらに限られることなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
【0020】
例えば以上の実施の形態では、減圧下でオゾンを導入した酸化性雰囲気中での仮焼の後に、還元性雰囲気中で本焼成を行うようにしたが、金などの貴金属の膜を形成する場合には必ずしも雰囲気を還元性に切り替える必要はない。雰囲気を還元性とすることは仮焼工程で酸化された金属膜を還元させるためのものだからである。
【0021】
また以上の各実施例では、本焼成における雰囲気を還元性とするべく、真空電気炉内に水素ガスと不活性ガスとの混合ガスを導入したが、勿論、水素ガスを単独で導入してもよく、他に一酸化炭素なども利用することができる。
【0022】
また以上の各実施例においては、銅微粒子または金微粒子による金属ペーストを適用したが、金属ペースト用に金属はこれら以外に、銀、白金、パラジウム、鉛、錫、ニッケル、アルミニウム、インジウム、チタン等を目的に応じて採用し得る。またこれらの金属の少なくとも2種以上の合金微粒子、あるいはこれらを混合したものを使用してもよい。
【0023】
また以上の第1、第4実施例においては銅微粒子を分散させる有機溶媒としてテルピネオールを使用したが、勿論、これ以外の有機溶媒を使用した金属ペーストであってもよく、使用される有機溶媒の沸点によって仮焼時における真空度や加熱温度、加熱時間が決められる。
【0024】
また以上の各実施例では、粒子径が0.1μm又は0.01μmの金属微粒子又は超微粒子の金属ペーストを適用したが、粒子径が1μm単位の金属微粒子についても、本発明は適用可能である。
【0025】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の金属ペーストの焼成方法によれば、金属ペーストに含まれる有機物を除去するための加熱分解に従来のような高温度を必要とせず、加熱温度に限界を有する基板にも金属ペーストを適用して低抵抗の金属薄膜を形成させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の金属ペーストの焼成方法の工程を示す図である。
【図2】本発明の第3実施例による金属ペーストの焼成方法を適用したフリップチップ方式によるICベアチップの実装工程を示す断面図であり、Aは塗膜をのせた状態を示し、BはICベアチップを装着した状態を示す。
【図3】本発明の第4実施例による金属ペーストの焼成方法を適用した半導体基板のビアホールへの金属の埋め込みの過程を示す断面図であり、Aは適用前のビアホール、Bは金属ペーストが充填されたビアホールを示す。
【符号の説明】
1 基板
2 電極
3 塗膜
4 ICベアチップ
5 半導体基板
6 配線
7 ビアホール
8 塗膜
Claims (8)
- 有機溶剤中に金属微粒子を分散させて形成した金属ペーストを基板の上に塗布し、減圧下のオゾン雰囲気における仮焼により前記有機溶媒を分解除去した後、本焼成することにより金属薄膜を形成するようにしたことを特徴とする金属ペーストの焼成方法。
- 前記本焼成は、還元性雰囲気中で行われることを特徴とする請求項1に記載の金属ペーストの焼成方法。
- 前記還元性雰囲気は、水素ガス、又は、水素ガスと不活性ガスとの混合ガスにより形成されることを特徴とする請求項2に記載の金属ペーストの焼成方法。
- 前記仮焼と前記本焼成とを、500℃以下の温度で行うようにしたことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の金属ペーストの焼成方法。
- 前記金属微粒子の平均粒子径が1μm単位のもの、0.1μm単位のもの、及び0.01μm単位のものの中のいずれか単独、又はそれらの中の2種以上の混合であることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれかに記載の金属ペーストの焼成方法。
- 前記金属微粒子は、金、銀、銅、白金、パラジウム、銅、鉛、錫、ニッケル、アルミニウム、インジウム及びチタンの中のいずれか単独、又はそれらの中の2種以上の合金、あるいは、それら金属の中の2種以上の混合であることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれかに記載の金属ペーストの焼成方法。
- 孔または溝からなる凹状部を有する前記基板に前記金属ペーストの塗膜を形成して前記凹状部を埋め込むことを特徴とする請求項1から請求項6のいずれかに記載の金属ペーストの焼成方法。
- 前記凹状部にバルク状の銅と同程度の低抵抗な銅を埋め込むことを特徴とする請求項7に記載の金属ペーストの焼成方法。
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