JP3630920B2

JP3630920B2 - 金属ペーストの焼成方法

Info

Publication number: JP3630920B2
Application number: JP13036597A
Authority: JP
Inventors: 村上　　裕彦; 早紀今田
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 1997-05-02
Filing date: 1997-05-02
Publication date: 2005-03-23
Anticipated expiration: 2017-05-02
Also published as: JPH10308119A

Description

【０００１】
【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（Ｏ_３）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（Ｏ_３）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
４ＩＣベアチップ
５半導体基板
６配線
７ビアホール
８塗膜

Claims

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。