JP4205393B2 - Method for forming fine wiring pattern - Google Patents

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微細な銅系配線パターンを形成する方法に関し、より具体的には、酸化銅ナノ粒子の分散液を利用して超ファインなパターン描画後、パターン中の酸化銅ナノ粒子に還元処理を施し、生成する銅ナノ粒子を焼成して、デジタル高密度配線に対応した低インピーダンスでかつ極めて微細な焼結体銅系配線パターンを形成する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
金属ナノ粒子を利用して、超ファインな配線パターンを形成する方法は、例えば、金ナノ粒子あるいは銀ナノ粒子を用いる際には、既に方法論が確立されている。具体的には、金ナノ粒子あるいは銀ナノ粒子を含む、超ファイン印刷用分散液を利用した極めて微細な回路パターンの描画と、その後、金属ナノ粒子相互の焼結を施すことにより、得られる焼結体型配線層において、配線幅および配線間スペースが5〜50μm、体積固有抵抗率が1×10-5Ω・cm以下の配線形成が可能となっている。しかしながら、金ナノ粒子を用いる際には、材料の金自体が高価であるため、かかる超ファイン印刷用分散液の作製単価も高くなり、汎用品として幅広く普及する上での、大きな経済的な障害となっている。一方、銀ナノ粒子を用いることで、前記分散液の作製単価は相当に低減できるものの、配線幅および配線間スペースが狭くなっていくにつれ、エレクトロマイグレーションに起因する断線が新たな問題として浮上している。
【0003】
このエレクトロマイグレーション現象に起因する断線を回避する上では、銅系配線の利用が有力であり、例えば、一層の高集積化に伴い、半導体素子上の配線パターンへの銅系材料の利用が進められている。すなわち、銅は、金や銀と同様に高い導電性を示す上に、延性、展性も良好であるものの、そのエレクトロマイグレーションは、金や銀と比較すると格段に少ない。従って、微細な配線に伴い、電流密度が上昇した際、銅系配線の利用により、エレクトロマイグレーション現象に起因する断線を回避することが可能となる。
【0004】
同じく、プリント配線基板においても、微細な配線パターンを金属ナノ粒子相互の焼結を施すことにより得られる焼結体型配線層で作製する際、エレクトロマイグレーションの少ない銅の利用が望まれている。更には、銅は、金や銀と比較して、材料自体の単価も相当に安価であり、より汎用性の高い、微細な配線パターンを有するプリント配線基板におけるコスト抑制の観点でも、その利用が期待されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、貴金属の金や銀とは異なり、銅は酸化を受けやすく、その表面から酸化が進行する。加えて、銅をナノ粒子にように微粉状とすると、室温でも、空気中の酸素と容易に結合し、その表面に酸化膜を形成する。この銅の酸化物は不動態化せず、さらに、ナノ粒子内部へと酸化が進行する結果、長期間空気に曝されると、最終的には、ほとんどが酸化銅となる。特に、湿気を含む空気中では、前記の酸化の進行が促進される。本発明者らは、種々の方法を用いて、銅ナノ粒子の酸化防止を試み、例えば、有機溶剤中に分散させることで、直接空気との接触を防止することで、酸化皮膜膜厚の低減が可能であることは確認したが、完全に表面酸化を回避する手段は見出せなかった。
【0006】
表面に酸化皮膜が残留した状態で銅ナノ粒子を加熱し、焼結処理を施すと、部分的には、銅ナノ粒子相互の焼結が生じ、焼結体を構成するものの、その粒界には、酸化銅薄層が介在した状態となる。従って、焼結体全体としては、緻密な電流流路の形成が達成されず、所望の良好な導電性を有する微細な配線パターンを高い再現性で作製することは困難であった。そのため、表面酸化皮膜を有する銅ナノ粒子を含有する分散液中に還元剤を予め添加しておき、かかる分散液を基板上に塗布して加熱すると、添加されている還元剤の作用によって、表面の酸化銅は還元されて、ナノ粒子表面に非酸化状態の銅は表出する。同時に、加熱焼成も進行して、焼結体型の銅配線層の形成がなされる。この手法を利用する場合、分散液中に配合される還元剤としては、水素化ホウ素誘導体などの水素化剤が利用されるが、十分な還元反応を達成し、再現性よく、良好な導電性の焼結体型の銅配線層とする上では、処理温度を400℃以上に選択する必要がある。前記の処理温度に耐える基板材料としては、セラミックスなど、一部の耐熱性の材料に限定される結果、この還元剤を分散液中に配合する方法は、幅広い応用が見込めない。
【0007】
昨今、ハンダ材料として、鉛を含有しない錫合金ハンダ、所謂、鉛フリー・ハンダの使用が進み、かかる鉛フリー・ハンダの高い溶融温度に対応して、300℃程度の加熱では十分な耐熱性を有する基板材料の使用が拡がっているものの、還元処理の温度を300℃以下に抑制しても、十分な還元反応を達成できる手段の開発が望まれている。
【0008】
本発明は前記の課題を解決するもので、本発明の目的は、安価で、かつエレクトロマイグレーションの少ない銅を導電媒体に利用する、微細な銅系配線パターンを形成する際、かかる微細な配線パターンの描画にナノ粒子の分散液を使用し、前記分散液塗布層に含まれるナノ粒子に対して、その表面の酸化銅被覆層を、300℃以下の加熱条件において、十分な還元処理がなされ、かつ、得られる銅ナノ粒子相互の緻密な焼成処理が可能な、微細な焼結体銅系配線パターンを形成する方法を提供することにある。より具体的には、極めて微細な配線パターンの描画に適する、平均粒子径が100nm以下、例えば、平均粒子径1〜10nm程度のナノ粒子においては、その表面の酸化銅被覆層は、前記平均粒子径の半ば以上に達し、中心部に非酸化状態の銅を核として、若干残余するものの、全体としては、酸化銅のナノ粒子と見なせる状態に達するが、その場合でも、300℃以下の加熱条件において、十分な還元処理がなされ、かつ、得られる銅ナノ粒子相互の緻密な焼成処理が可能な、微細な焼結体銅系配線パターンを形成する方法を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記の課題を解決すべく、分散液を基板上に塗布した後、その塗布層中に含有される銅ナノ粒子の表面を覆う酸化銅被覆層を、効果的に還元処理する手段について、鋭意研究を進めた。その際、例えば、平均粒子径1〜10nm程度のナノ粒子においては、その表面の酸化銅被覆層の層厚は、しばしば、その微細な平均粒子径の半ば以上に達し、従って、全体のナノ粒子に占める酸化銅の比率は高くなる結果、分散液中に予め還元剤を配合する手法では、必要量の還元剤を供給することができない場合もあることを見出した。かかる知見に基づき、更なる検討を進めた結果、ナノ粒子の平均粒子径に依存せず、所望の還元反応を完了する上では、塗布層を形成後、気相から還元反応に関わる反応種を供給する手法が最適であることを着想した。その際、前記還元反応によって、副生する酸素含有化合物自体は、気化・蒸散され、塗布層内に残留することがなく、加えて、還元反応に関わる反応種自体も、気体状であって、緻密に積層されているナノ粒子間の狭い隙間より深部へも到達できることが好ましいことを見出した。
【0010】
加えて、本発明者らは、還元性気体である、例えば、水素を利用して、熱的還元反応によって、ナノ粒子表面の酸化銅被覆層の還元がなされることは確認したが、この熱的還元反応を速やかに進行させる上では、やはり、処理温度を400℃以上に選択する必要があることを見出した。処理温度を300℃以下において、かかる還元性気体に由来する反応種と効率的な反応を進めるためは、予めプラズマを生起した雰囲気中において、還元性気体に由来する活性な反応種へと変換した上で、ナノ粒子表面の酸化銅被覆層に作用させることが有効であることを見出した。加えて、かかるプラズマ励起された、活性な反応種による還元反応においては、副生する酸素含有化合物自体は、気化・蒸散性に優れており、加えて、還元反応によって表面に生成する非酸化状態の銅原子と、内部に存在する酸化銅分子との固相反応により、内部の酸化銅は非酸化状態の銅原子に変換され、代わって表面に酸化銅が生成され、結果的に、酸化銅被覆層は徐々に減少して、最終的には、ナノ粒子全体が、銅のナノ粒子に復することを見出した。この表面に酸化皮膜のない銅ナノ粒子相互が接触すると、比較的に低温でも、速やかに焼結が進行し、塗布層全体が、銅ナノ粒子の緻密な焼結体層を形成することも確認した。以上の知見に加えて、上述するプラズマを生起した雰囲気温度は、300℃以下であっても、例えば、アルゴン、ヘリウムなどの、プラズマ維持に適する気体中に、還元性気体を混合した状態とすることで、プラズマ励起された、活性な反応種を安定に供給でき、ナノ粒子表面の酸化銅被覆層に対する還元反応と、その後の、再生された銅ナノ粒子相互の焼結体層形成とが、効率的に行えることをも、本発明者らは確認し、本発明を完成するに至った。
【0011】
すなわち、本発明の微細配線パターンの形成方法は、
基板上に銅ナノ粒子相互の焼結体層からなる微細な銅系配線パターンを形成する方法であって、
平均粒子径を1〜100nmの範囲に選択される、表面に酸化銅被覆層を有するナノ粒子を含有する分散液を用いて、前記微細な配線パターンの塗布層を基板上に描画する工程と、
前記塗布層中に含まれる、表面に酸化銅被覆層を有するナノ粒子に対して、表面の酸化銅を還元する処理を施し、さらに、還元処理を受けたナノ粒子の焼成を行って、焼結体層を形成する工程とを有し、
同一工程内で実施される、前記還元処理と焼成処理は、
加熱温度を、300℃以下に選択して、
還元性気体の存在下、生起されるプラズマ雰囲気内に、塗布層中に含まれる、該ナノ粒子を曝すことにより行うことを特徴とする微細配線パターンの形成方法である。その際、分散液中に含有される、表面に酸化銅被覆層を有するナノ粒子は、少なくとも、前記酸化銅被覆層は、酸化第一銅、酸化第二銅またはこれら銅の酸化物の混合物を含んでなり、また、該ナノ粒子は、酸化第一銅、酸化第二銅またはこれら銅の酸化物の混合物、ならびに金属銅のうち、2つ以上を含んでなる混合体状粒子とすることができる。
【0012】
一方、プラズマ雰囲気において、存在させる還元性気体は、水素、アンモニア、一酸化炭素、あるいは、それらの二種以上を混合したものであることが好ましい。
【0013】
また、本発明の微細配線パターンの形成方法では、
微細な配線パターンの塗布層を基板上に描画する手法として、
スクリーン印刷、インクジェット印刷、または転写印刷のいずれかの描画手法を選択することができる。加えて、基板上に描画する、前記微細な配線パターンの塗布層において、
その配線パターンの最小の配線幅を、0.1〜50μmの範囲に、対応させて、最小の配線間スペースを、0.1〜50μmの範囲に選択し、
分散液中に含有される、前記ナノ粒子の平均粒子径を、前記最小の配線幅ならびに最小の配線間スペースに対して、その1/10以下に選択することが望ましい。
【0014】
【発明の実施の形態】
本発明の微細な焼結体銅系配線パターンを形成する方法では、貴金属である金や銀を用いた金属ナノ粒子とは異なり、銅ナノ粒子は、非常に酸化を受け易く、また、その酸化を完全に防止する手段も無いことをも考慮し、表面に酸化銅被覆層を有するナノ粒子の分散液を作製し、このナノ粒子分散液を利用して、所望の配線パターンを基板上に描画した後、ナノ粒子の表面に存在する酸化銅被覆層を還元することで、銅ナノ粒子に再生して、焼成処理を実施することで、塗布層中において、銅ナノ粒子相互の緻密な焼結体層とすることで、安価かつエレクトロマイグレーションの少ない銅系配線パターンを形成する。
【0015】
特に、本発明の微細配線パターンの形成方法では、ナノ粒子の表面に存在する酸化銅被覆層を還元する工程では、加熱温度を、300℃以下に選択して、還元性気体の存在下、生起されるプラズマ雰囲気内に、塗布層中に含まれる、該ナノ粒子を曝すことにより、予めプラズマを生起した雰囲気中において、還元性気体に由来する活性な反応種へと変換した上で、ナノ粒子表面の酸化銅被覆層に作用させることで、加熱温度が、室温(25℃)以上、300℃以下と低温であっても、表面の酸化銅の還元反応が速やかに進行できる。一旦、表面に生成した、非酸化状態の銅原子と、その内部に存在する酸化銅分子との固相反応により、内部の酸化銅は非酸化状態の銅原子に変換され、代わって表面に酸化銅が生成されるが、この表面に生成された酸化銅は、気相から継続して供給される還元性気体に由来する活性な反応種の還元作用によって、非酸化状態の銅原子まで還元される。前記に一連の反応サイクルが繰り返される結果、当初は、ナノ粒子の深部まで達していた酸化銅被覆層は徐々に減少して、最終的には、ナノ粒子全体が、銅のナノ粒子に復する。
【0016】
仮に、この銅ナノ粒子に復した状態を、再び大気に接触させると、急速に表面酸化が生じるが、本発明の微細配線パターンの形成方法では、再び大気に接触させることなく、還元性気体の存在下、生起されるプラズマ雰囲気内に保持したまま、室温(25℃)以上で、300℃以下に選択される加熱温度によっても、再生された銅ナノ粒子の清浄な表面を相互に、密に接触させる状態となっている結果、比較的に低温でも、速やかに焼結が進行し、塗布層全体が、銅ナノ粒子の緻密な焼結体層に形成される。
【0017】
すなわち、本発明の微細配線パターンの形成方法では、最終的には、再生された銅ナノ粒子の清浄な表面を相互に、密に接触させる状態において、室温(25℃)以上で、300℃以下に選択される加熱温度によっても、速やかに焼結が進行することが可能な範囲に、利用するナノ粒子の平均粒子径を選択することが望ましく、この観点から、使用する表面に酸化銅被覆層を有するナノ粒子の平均粒子径は、1〜100nmの範囲に、より好ましくは、1〜10nmの範囲に選択する。さらには、本発明の微細配線パターンの形成方法は、第一に、極めて微細な配線パターンを形成した際に、その最小な配線幅の部分において、最も顕著に見出されるエレクトロマイグレーション現象に起因する断線を回避する目的で、焼結体銅系配線を利用するものであり、その配線パターンの最小の配線幅を、0.1〜50μmの範囲、実用的には、5〜50μmの範囲に、対応させて、最小の配線間スペースを、0.1〜50μmの範囲、実用的には、5〜50μmの範囲に選択する際に、より好適な方法となる。前記の極めて微細な配線パターンを、ナノ粒子の分散液を用いて、高い配線幅の均一性で描画する上では、使用するナノ粒子の平均粒子径は、目標とする最小の配線幅ならびに最小の配線間スペースに対して、その1/10以下に選択することが望ましい。同時に、最小の配線幅に応じて、焼結体銅系配線層の層厚も適宜決定されるが、通常、最小の配線幅と比較し、配線層の層厚は有意に小さな形態であり、ナノ粒子の平均粒子径を、1〜100nmの範囲に、より好ましくは、1〜10nmの範囲に選択することで、配線層の層厚のバラツキ、局所的な高さの不均一を抑制することが可能となる。
【0018】
一方、該ナノ粒子を含有する分散液を用いて、所望の配線パターンを基板上に描画する手法としては、従来から、金属ナノ粒子を含有する分散液を利用する微細配線パターンの形成において利用される、スクリーン印刷、インクジェット印刷、または転写印刷のいずれの描画手法をも、同様に利用することができる。具体的には、目的とする微細配線パターンの形状、最小の配線幅、配線層の層厚を考慮した上で、これらスクリーン印刷、インクジェット印刷、または転写印刷のうち、より適するものを選択することが望ましい。
【0019】
一方、利用する該ナノ粒子を含有する分散液は、採用する描画手法に応じて、それぞれ適合する液粘度を有するものに、調製することが望ましい。例えば、微細配線パターンの描画にスクリーン印刷を利用する際には、該ナノ粒子を含有する分散液は、その液粘度を、50〜200Pa・s(25℃)の範囲に選択することが望ましい。また、転写印刷を利用する際には、液粘度を、150〜300Pa・s(25℃)の範囲に選択することが望ましい。インクジェット印刷を利用する際には、液粘度を、5〜30 mPa・s(25℃)の範囲に選択することが望ましい。該ナノ粒子を含有する分散液の液粘度は、用いるナノ粒子の平均粒子径、分散濃度、用いている分散溶媒の種類に依存して決まり、前記の三種の因子を適宜選択して、目的とする液粘度に調節することができる。
【0020】
また、該ナノ粒子を含有する分散液において、含有されるナノ粒子は、均一な分散状態を保つことが好ましく、例えば、該ナノ粒子の分散性を向上させるため、分散剤として、該ナノ粒子中に含まれる金属元素、すなわち、銅と配位的な結合が可能な、末端にアミノ基(−NH2)、ヒドロキシ基(−OH)、スルファニル基(−SH)を、あるいは、分子内にエーテル(−O−)、スルフィド(−S−)を有する有機化合物であり、用いる分散溶媒との親和性にも優れたものを、一種以上添加することもできる。なお、これら分散剤は、ナノ粒子表面を被覆する分散剤層を形成して、分散性を向上させるものの、最終的に、焼成工程において、銅ナノ粒子相互が表面を接触させる際に、その妨げと成らないことが好ましい。必要に応じて、かかる分散剤分子の有する、末端のアミノ基(−NH2)、ヒドロキシ基(−OH)、スルファニル基(−SH)と加熱した際に反応を起こし、分散剤分子のナノ粒子表面からの離脱を促進する化合物を、分散剤の種類、添加量に応じて、適宜配合することもできる。例えば、かかる分散剤分子の有する、末端のアミノ基(−NH2)、ヒドロキシ基(−OH)、スルファニル基(−SH)に対しては、ジカルボン酸に由来する環状の酸無水物などを利用することができる。
【0021】
表面に酸化銅被覆層を有するナノ粒子は、その平均粒子径が上記の範囲で、また、予めその平均粒子径が判明しているならば、その作製方法は問わない。例えば、銅ナノ粒子において、その表面に酸化銅被覆層が生成したものでもよく、あるいは、ナノ粒子全体が酸化銅となっているものであってもよい。従って、表面に酸化銅被覆層を有するナノ粒子は、少なくとも、前記酸化銅被覆層は、酸化第一銅、酸化第二銅またはこれら銅の酸化物の混合物を含んでなり、また、該ナノ粒子は、酸化第一銅、酸化第二銅またはこれら銅の酸化物の混合物、ならびに金属銅のうち、2つ以上を含んでなる混合体状粒子とすることができる。表面の酸化銅被覆層は、上記のプラズマ雰囲気下における還元処理で、再び金属銅に復するものの、表面の酸化銅被覆層の厚さに依存して、その処理時間の延長がなされるので、表面の酸化銅被覆層の厚さは薄い方は一般に好ましい。但し、ナノ粒子の平均粒子径を1〜10nmの範囲に選択する際には、ナノ粒子全体が酸化銅となっているものであっても、還元処理に要する時間は問題となるほど長くなることもない。
【0022】
さらに、このナノ粒子分散液を配線形成に用いる場合、分散液を均一分散化、高濃度化、および基板への密着性を高めるために、有機バインダーとして機能するエポキシ樹脂などの樹脂成分、焼成時に分散剤を除去する働きのある有機の酸無水物または有機酸、およびそれらの溶媒となる有機溶剤を添加し、さらに混合・攪拌して、ナノ粒子分散液を調製することが好ましい。
【0023】
このナノ粒子分散液を用いた配線パターンの描画を終えた後、配線基板は、例えば、図1に示したプラズマ処理装置内において、前記還元処理と焼成処理は、加熱温度を、室温(25℃)以上で、300℃以下に選択して、還元性気体の存在下、生起されるプラズマ雰囲気内に、塗布層中に含まれる、該ナノ粒子を曝すことにより行う。
【0024】
まず、配線基板を装置内に設置した後、装置内を予め150Pa以下に減圧し、系内に残存する空気を除去する。次いで、ガス導入口より、不活性ガスと還元性気体の混合気体を一定流量で供給して、還元性気体の存在下、プラズマを生起し、かかるプラズマ雰囲気内で、還元処理を行う。例えば、不活性ガスと還元性気体の混合気体の流量は、1〜1000ml/min(正規状態換算流量)に調整し、排気系の圧力調整機能により、装置内の内圧を、プラズマの生起と維持に適する圧力、例えば、1〜120,000Paの範囲に調節する。なお、前記装置内の内圧は、利用する高周波電力の周波数、電力量、ならびに、ガス組成、流量に応じて、プラズマの生起と維持に適する圧力を選択することが望ましい。具体的には、種々のプラズマCVD法、例えば、減圧プラズマCVD法において、そのプラズマ状態の安定性に利する条件を参照して、条件を設定することが好ましい。
【0025】
一方、プラズマの生起は、例えば、周波数:13.56 MHzなどのプラズマCVD法において汎用される、高周波電力を電極に印加し、その電力量を100〜5000Wの範囲に設定し、所望のプラズマ密度を維持することが望ましい。その際、水素、アンモニアなどの還元性気体を希釈する不活性ガスとしては、窒素、ヘリウム、アルゴンなどが利用できる。例えば、ヘリウム、アルゴンは、上述する条件において、プラズマの生起と維持に寄与する利点をも有する。なお、不活性ガスと還元性気体との混合比率(体積比)は、50:50〜99.9:0.1の範囲に、好ましくは、80:20〜99:1の範囲に選択する。プラズマ雰囲気中では、プラズマに起因する温度上昇があるが、処理装置内に設置されるプリント基板自体は、300℃以下、すなわち、20℃〜300℃の範囲に維持されるように、温度の設定・調節を行う。前記の設定温度、プラズマ発生条件にも依存するものの、プラズマ処理の時間は、1秒間〜1時間、好ましくは、1分間〜20分間の範囲に選択することが可能である。具体的には、ナノ粒子表面を覆う酸化銅被膜層の厚さ、ならびに、その還元に要する時間を考慮した上で、設定温度、プラズマ発生条件を適宜選択する。このプラズマ処理により、ナノ粒子表面を覆う酸化銅被膜層の還元が終了した後、清浄化された銅表面を接触するナノ粒子相互で、還元雰囲気下、低温焼結が進行して、界面に酸化物皮膜の介在の無い、焼結体層の形成が可能となる。具体的には、前記プラズマ処理条件では、処理装置内に設置されるプリント基板自体は、300℃以下、すなわち、20℃〜300℃の範囲に維持した状態として、還元が終了した後、清浄化された銅表面を接触するナノ粒子は、還元雰囲気下、プラズマ照射を継続することで、局所的に照射されるプラズマ粒子のエネルギー供給がなされ、その熱的エネルギーを利用する低温焼結が進行する。
【0026】
配線パターンの描画は、ナノ粒子を含む分散液を用いて実施できるため、その微細な描画特性は、従来の、金、銀のナノ粒子を利用する微細な配線パターン形成と遜色の無いものとなる。具体的には、形成される微細な配線パターンは、最小配線幅を、0.1〜50μmの範囲、実用的には、5〜50μmの範囲、対応する最小の配線間スペースを、0.1〜50μmの範囲、実用的には、5〜50μmの範囲に選択して、良好な線幅均一性・再現性を達成することができる。加えて、得られる配線層は、界面に酸化物皮膜の介在の無い、銅ナノ粒子の焼結体層となり、前記の最小配線幅における、その体積固有抵抗率も、1×10-5Ω・cm以下とすることができ、良好な導通特性を達成できる。
【0027】
加えて、形成される焼結体層は、銅自体は、エレクトロマイグレーションの少ない導電性材料であるので、上記の微細な配線パターンにおいても、エレクトロマイグレーションに起因する配線厚さの減少、断線の発生を抑制できる。
【0028】
【実施例】
以下に、実施例を示し、本発明をより具体的に説明する。これらの実施例は、本発明にかかる最良の実施形態の一例ではあるものの、本発明はこれら実施例により限定を受けるものではない。
【0029】
(実施例1)
下記する手順で、均一な分散状態で酸化銅ナノ粒子を含有するペースト液を調製した。
【0030】
市販されている酸化銅ナノ粒子分散液(商品名:独立分散超微粒子パーフェクトカッパー、真空冶金(株))、具体的には、平均粒径8nmの酸化銅ナノ粒子100質量部当たり、アルキルアミンとして、ドデシルアミン15質量部、有機溶剤として、ターピネオール75質量部を含有している酸化銅ナノ粒子分散液を利用する。
【0031】
前記酸化銅ナノ粒子の分散液に対して、含有される酸化銅ナノ粒子100質量部当たり、酸無水物として、メチルヘキサヒドロ無水フタル酸(Me−HHPA)10質量部を添加し、攪拌脱泡機で十分に攪拌して、酸化銅ナノ粒子ペースト液に調製する。該酸化銅ナノ粒子ペースト液の液粘度は、100 Pa・s(25℃)であった。
【0032】
該ペースト液中に含有される、アルキルアミンである、ドデシルアミンは、銅に対して配位的な結合が可能な基として、アミノ基を有しており、非酸化状態の銅が表面に露呈した際、この銅原子に対して、配位的な結合をすることにより、表面保護分子層として機能する。一方、酸無水物である、Me−HHPAは、加熱した際、前記アルキルアミンのアミノ基に対する反応性を示し、表面保護分子層を形成するドデシルアミンの銅表面からの離脱を促進する機能を有する。その結果、非酸化状態の銅が表面に露呈し、隣接するナノ粒子相互の接触と、低温における焼結の進行が図られる。同時に、前記表面保護分子層を構成するアルキルアミン、具体的には、ドデシルアミンは、その炭化水素鎖を利用して、ペースト液に含有される分散溶媒(有機溶剤)中における、ナノ粒子の分散特性の向上にも寄与している。
【0033】
この酸化銅ナノ粒子ペースト液を利用して、スクリーン印刷によりプリント配線用基板上に配線パターンの描画を行った。なお、描画される配線パターンは、30/30μmの線幅およびスペースを有するストライプ・パターンとした。その際、描画時のペースト塗布膜厚は、20μmに選択した。
【0034】
描画後、配線基板を、図1に示す平板電極型プラズマ処理装置に入れ、排気系により、プラズマ処理装置内圧を10Paに減圧した。前記減圧後、装置内にガス導入口からアルゴンガス:水素ガス=95:5(体積比)の混合気体を流量100ml/min(正規状態換算流量)で供給し、平板電極2、3間に、高周波電力(周波数:13.56 MHz)500Wを印加して、150℃にて5分間のプラズマ処理を行った。このプラズマ処理時、装置の内圧は、約30〜40Paに保持した。
【0035】
前記還元性気体として、水素を含有する混合気体において、生起されたプラズマ雰囲気中で処理する結果、配線パターン中の酸化銅ナノ粒子は、プラズマ還元を受け、一旦銅ナノ粒子に復する。さらに、塗布層中に含有される分散溶媒の蒸散、また、銅ナノ粒子表面を被覆するドデシルアミンの表面保護分子層が、酸無水物のMe−HHPAにより除去され、塗布層内部までプラズマ還元処理が達成され、塗布層全体にわたって、銅ナノ粒子相互が緻密に接触する状態が達成される。この状態で低温加熱を施すことで、表面に酸化皮膜の存在しない銅ナノ粒子相互の低温焼結が進行して、全体として、銅の焼結体型配線層が形成された。
【0036】
得られた銅配線の配線幅およびスペースは、30/30μmであり、また、その平均層厚は、2μmであった。かかる銅配線層の抵抗値を測定し、前記配線幅と平均層厚とを有する均質体を仮定し、体積固有抵抗率を算出したところ、その値は、4.5×10-6Ω・cmであった。なお、銅自体の抵抗率(20℃)は1.673×10-6Ω・cmであり、その値と比較すると、得られる銅の焼結体型配線層は、銅ナノ粒子相互の緻密な焼結が達成されていると判断される。また、SEM観察の結果においても、銅ナノ粒子相互の粒界部には酸化銅の介在は認められず、良好な導電性を示す焼結体が構成されていると判断される。
【0037】
(実施例2)
実施例1と同じく、平均粒径8nmの酸化銅ナノ粒子の分散液(商品名:独立分散超微粒子パーフェクトカッパー、真空冶金(株))に対して、酸化銅ナノ粒子100質量部当たり、酸無水物として、メチルヘキサヒドロ無水フタル酸(Me−HHPA)10質量部を添加し、攪拌脱泡機で十分に攪拌して、酸化銅ナノ粒子ペースト液に調製する。該酸化銅ナノ粒子ペースト液の液粘度を、10 mPa・s(25℃)に調整し、かかるペースト液を利用して、インクジェット印刷によりプリント配線用基板上に配線パターンの描画を行った。なお、描画される配線パターンは、15/15μmの線幅およびスペースを有するストライプ・パターンとした。その際、描画時のペースト塗布膜厚は、3μmに選択した。
【0038】
描画後、配線基板に、上記実施例1に記載する条件で、基板の加熱温度を50℃とし、アルゴンガス:水素ガス=95:5(体積比)の混合気体を利用するプラズマ処理を施した。
【0039】
前記還元性気体として、水素を含有する混合気体において、生起されたプラズマ雰囲気中で処理する結果、配線パターン中の酸化銅ナノ粒子は、プラズマ還元を受け、一旦銅ナノ粒子に復する。さらに、この状態で低温加熱を施すことで、表面に酸化皮膜の存在しない銅ナノ粒子相互の低温焼結が進行して、全体として、銅の焼結体型配線層が形成された。
【0040】
得られた銅配線の配線幅およびスペースは、15/15μmであり、また、その平均層厚は、0.8μmであった。かかる銅配線層の抵抗値を測定し、前記配線幅と平均層厚とを有する均質体を仮定し、体積固有抵抗率を算出したところ、その値は、6.6×10-6Ω・cmであった。
【0041】
描画方法の違いに伴い、基板内における塗布層の層厚バラツキ、ならびに、塗布後に含有される有機溶剤の比率に若干の相違があるため、評価された体積固有抵抗率に若干の差異は見られるものの、スクリーン印刷を利用する上記実施例1と同様に、インクジェット印刷を用いた実施例2においても、得られる銅の焼結体型配線層は、銅ナノ粒子相互の緻密な焼結が達成されていると判断される。
【0042】
(実施例3)
実施例1と同じ酸化銅ナノ粒子ペースト液を用いて、スクリーン印刷によりプリント配線用基板上に配線パターンの描画を行った。なお、描画される配線パターンは、30/30μmの線幅およびスペースを有するストライプ・パターンとした。その際、描画時のペースト塗布膜厚は、20μmに選択した。
【0043】
描画後、配線基板を、図1に示す平板電極型プラズマ処理装置に入れ、排気系により、プラズマ処理装置内圧を10Paに減圧した。前記減圧後、装置内にガス導入口からアルゴンガス:水素ガス:アンモニアガス=94:3:3(体積比)の混合気体を流量100ml/min(正規状態換算流量)で供給し、平板電極2、3間に、高周波電力(周波数:13.56 MHz)500Wを印加して、150℃にて5分間のプラズマ処理を行った。このプラズマ処理時、装置の内圧は、約30〜40Paに保持した。
【0044】
前記還元性気体として、水素、アンモニアを含有する混合気体において、生起されたプラズマ雰囲気中で処理する結果、配線パターン中の酸化銅ナノ粒子は、プラズマ還元を受け、一旦銅ナノ粒子に復する。さらに、この状態で低温加熱を施すことで、表面に酸化皮膜の存在しない銅ナノ粒子相互の低温焼結が進行して、全体として、銅の焼結体型配線層が形成された。
【0045】
得られた銅配線の配線幅およびスペースは、30/30μmであり、また、その平均層厚は、3μmであった。かかる銅配線層の抵抗値を測定し、前記配線幅と平均層厚とを有する均質体を仮定し、体積固有抵抗率を算出したところ、その値は、3.2×10-6Ω・cmであった。
【0046】
プラズマ処理において利用する還元性気体の差異に由来すると考えられる、評価された体積固有抵抗率に若干の差異は見られるものの、上記実施例1と同様に、この実施例3においても、得られる銅の焼結体型配線層は、銅ナノ粒子相互の緻密な焼結が達成されていると判断される。
【0047】
(実施例4)
下記する手順で、均一な分散状態で酸化銅ナノ粒子を含有するペースト液を調製した。
【0048】
市販されている酸化銅ナノ粒子(商品名:ナノテック、シーアイ化成(株))、具体的には、平均粒径47.6nmの酸化銅ナノ粒子を、15質量%の分散濃度で、エタノール、プロピルアルコール混合液中に分散させたスラリー状の分散液を利用する。
【0049】
前記酸化銅ナノ粒子の分散液に対して、含有される酸化銅ナノ粒子100質量部当たり、高沸点溶剤として、多価アルコールの2−エチルヘキサンジオール20質量部を添加し、低沸点のアルコール溶媒を脱溶剤後、攪拌脱泡機で十分に攪拌して、酸化銅ナノ粒子ペースト液に調製する。該酸化銅ナノ粒子ペースト液の液粘度は、70 Pa・s(25℃)であった。
【0050】
この酸化銅ナノ粒子ペースト液を利用して、スクリーン印刷によりプリント配線用基板上に配線パターンの描画を行った。なお、描画される配線パターンは、30/30μmの線幅およびスペースを有するストライプ・パターンとした。その際、描画時のペースト塗布膜厚は、20μmに選択した。
【0051】
描画後、配線基板に、上記実施例1に記載する条件で、アルゴンガス:水素ガス=95:5(体積比)の混合気体を利用するプラズマ処理を施した。なお、ナノ粒子の平均粒子径が、実施例1のものよりも大きいため、還元に要する時間が長くなり、プラズマ処理時間は、10分間とした。
【0052】
前記還元性気体として、水素を含有する混合気体において、生起されたプラズマ雰囲気中で処理する結果、配線パターン中の酸化銅ナノ粒子は、プラズマ還元を受け、一旦銅ナノ粒子に復する。さらに、この状態で低温加熱を施すことで、表面に酸化皮膜の存在しない銅ナノ粒子相互の低温焼結が進行して、全体として、銅の焼結体型配線層が形成された。
【0053】
得られた銅配線の配線幅およびスペースは、30/30μmであり、また、その平均層厚は、5μmであった。かかる銅配線層の抵抗値を測定し、前記配線幅と平均層厚とを有する均質体を仮定し、体積固有抵抗率を算出したところ、その値は、6.0×10-6Ω・cmであった。
【0054】
利用するナノ粒子の平均粒子径の差異に起因し、低温焼結特性の差異に由来すると考えられる、評価された体積固有抵抗率に若干の差異は見られるものの、上記実施例1と同様に、この実施例4においても、得られる銅の焼結体型配線層は、銅ナノ粒子相互の緻密な焼結が達成されていると判断される。
【0055】
(実施例5)
実施例1と同じ酸化銅ナノ粒子ペースト液を用いて、スクリーン印刷によりプリント配線用基板上に配線パターンの描画を行った。なお、描画される配線パターンは、30/30μmの線幅およびスペースを有するストライプ・パターンとした。その際、描画時のペースト塗布膜厚は、20μmに選択した。
【0056】
描画後、配線基板を、図1に示す平板電極型プラズマ処理装置に入れ、排気系により、プラズマ処理装置内圧を10Paに減圧した。前記減圧後、装置内にガス導入口からアルゴンガス:水素ガス:一酸化炭素ガス=94:3:3(体積比)の混合気体を流量100ml/min(正規状態換算流量)で供給し、平板電極2、3間に、高周波電力(周波数:13.56 MHz)500Wを印加して、50℃にて5分間のプラズマ処理を行った。このプラズマ処理時、装置の内圧は、約30〜40Paに保持した。
【0057】
前記還元性気体として、水素、一酸化炭素を含有する混合気体において、生起されたプラズマ雰囲気中で処理する結果、配線パターン中の酸化銅ナノ粒子は、プラズマ還元を受け、一旦銅ナノ粒子に復する。さらに、この状態で低温加熱を施すことで、表面に酸化皮膜の存在しない銅ナノ粒子相互の低温焼結が進行して、全体として、銅の焼結体型配線層が形成された。
【0058】
得られた銅配線の配線幅およびスペースは、30/30μmであり、また、その平均層厚は、3μmであった。かかる銅配線層の抵抗値を測定し、前記配線幅と平均層厚とを有する均質体を仮定し、体積固有抵抗率を算出したところ、その値は、7.8×10-6Ω・cmであった。
【0059】
プラズマ処理において利用する還元性気体の差異に由来すると考えられる、評価された体積固有抵抗率に若干の差異は見られるものの、上記実施例1と同様に、この実施例5においても、得られる銅の焼結体型配線層は、銅ナノ粒子相互の緻密な焼結が達成されていると判断される。
【0060】
【発明の効果】
本発明の微細配線パターンの形成方法では、表面に酸化銅皮膜層を有するナノ粒子、あるいは、酸化銅ナノ粒子を含む分散液を利用して描画される微細な配線パターンを、水素化ホウ素誘導体など一般的な還元剤を用いた還元処理に代えて、還元性気体雰囲気下においてプラズマ処理することで、前記表面の酸化銅皮膜層を還元して、銅ナノ粒子に再生するので、水素化ホウ素誘導体など一般的な還元剤を利用する際の還元処理温度、400℃以上と比較して、前記プラズマ処理温度は、300℃以下の低温とすることができる。この低温処理においても、酸化銅の還元と、その後に、生成する銅ナノ粒子の焼成が達成できるため、利用される基板材料に要求される耐熱性が大幅に緩和され、利用範囲が大きく広がる利点を有する。加えて、得られる微細な銅系配線は、銅自体、エレクトロマイグレーションの少ない導電性材料であるので、上記の微細な配線パターンにおいても、エレクトロマイグレーションに起因する配線厚さの減少、断線の発生を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にかかる微細な焼結体銅系配線パターンの形成方法において、プラズマ還元処理工程の実施に利用可能なプラズマ処理装置の構成を模式的に示す図である。
【符号の説明】
1 プラズマ処理装置容器
2 高周波電力印加用の電極
3 接地側の電極
4 基板
5 ガス導入口
6 ガス排出口
7 高周波電源
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for forming a fine copper-based wiring pattern, and more specifically, after drawing an ultrafine pattern using a dispersion of copper oxide nanoparticles, the copper oxide nanoparticles in the pattern are reduced. And firing the produced copper nanoparticles to form a sintered copper-based wiring pattern having a low impedance and a very fine size corresponding to digital high-density wiring.
[0002]
[Prior art]
As a method for forming an ultrafine wiring pattern using metal nanoparticles, for example, when gold nanoparticles or silver nanoparticles are used, a methodology has already been established. Specifically, an extremely fine circuit pattern drawing using an ultrafine printing dispersion containing gold nanoparticles or silver nanoparticles, and then sintering between the metal nanoparticles is performed. In the combined wiring layer, the wiring width and the space between the wirings are 5 to 50 μm, and the volume resistivity is 1 × 10. -Five Wiring formation of Ω · cm or less is possible. However, when gold nanoparticles are used, the material gold itself is expensive, so the production unit price of such a dispersion for ultra-fine printing is high, which is a major economic obstacle to widespread use as a general-purpose product. It has become. On the other hand, by using silver nanoparticles, the unit cost of the dispersion can be reduced considerably, but as the wiring width and inter-wiring space become narrower, disconnection due to electromigration has emerged as a new problem. Yes.
[0003]
In order to avoid the disconnection caused by this electromigration phenomenon, the use of copper-based wiring is prominent. For example, with the further increase in integration, the use of copper-based materials for wiring patterns on semiconductor elements has been promoted. ing. That is, copper exhibits high conductivity like gold and silver, and also has good ductility and malleability, but its electromigration is much less than gold and silver. Therefore, when the current density increases with fine wiring, it is possible to avoid disconnection due to the electromigration phenomenon by using the copper-based wiring.
[0004]
Similarly, in a printed wiring board, when a fine wiring pattern is produced with a sintered body type wiring layer obtained by sintering metal nanoparticles, it is desired to use copper with less electromigration. Furthermore, compared to gold and silver, the unit price of the material itself is considerably cheaper, and copper can be used from the viewpoint of cost reduction in a printed wiring board having a fine wiring pattern that is more versatile. Expected.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, unlike noble metals such as gold and silver, copper is susceptible to oxidation and oxidation proceeds from its surface. In addition, when copper is made into a fine powder like nanoparticles, it easily binds to oxygen in the air even at room temperature, and forms an oxide film on the surface. This copper oxide is not passivated, and further, as a result of the oxidation proceeding into the interior of the nanoparticle, when exposed to air for a long period of time, most of it eventually becomes copper oxide. In particular, the progress of the oxidation is promoted in air containing moisture. The present inventors have tried to prevent oxidation of copper nanoparticles using various methods, for example, by dispersing them in an organic solvent, thereby preventing direct contact with air, thereby reducing the thickness of the oxide film. However, no means for completely avoiding surface oxidation could be found.
[0006]
When the copper nanoparticles are heated with the oxide film remaining on the surface and subjected to a sintering treatment, the copper nanoparticles partially sinter to form a sintered body, but at the grain boundaries. Is a state in which a thin copper oxide layer is interposed. Therefore, as a whole sintered body, formation of a dense current channel is not achieved, and it is difficult to produce a fine wiring pattern having desired good conductivity with high reproducibility. Therefore, when a reducing agent is added in advance to a dispersion containing copper nanoparticles having a surface oxide film, and the dispersion is applied on a substrate and heated, the surface of the surface is affected by the action of the added reducing agent. The copper oxide is reduced, and copper in a non-oxidized state appears on the surface of the nanoparticles. At the same time, the heating and firing proceeds, and a sintered copper wiring layer is formed. When this method is used, a hydrogenating agent such as a borohydride derivative is used as the reducing agent to be blended in the dispersion. However, sufficient reducing reaction is achieved, reproducibility and good conductivity. In order to obtain a sintered copper wiring layer, it is necessary to select a processing temperature of 400 ° C. or higher. As a substrate material that can withstand the above-mentioned processing temperature, it is limited to some heat-resistant materials such as ceramics. As a result, the method of blending this reducing agent in the dispersion cannot be expected to have a wide range of applications.
[0007]
Recently, as a solder material, tin alloy solder not containing lead, that is, so-called lead-free solder has been used, and heating at about 300 ° C. has sufficient heat resistance corresponding to the high melting temperature of such lead-free solder. Although the use of the substrate material is expanding, it is desired to develop a means that can achieve a sufficient reduction reaction even when the temperature of the reduction treatment is suppressed to 300 ° C. or lower.
[0008]
The present invention solves the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to form such a fine wiring pattern when forming a fine copper-based wiring pattern that uses inexpensive and less electromigration copper as a conductive medium. The nanoparticle dispersion is used for drawing, and the copper oxide coating layer on the surface of the nanoparticles contained in the dispersion coating layer is sufficiently reduced under heating conditions of 300 ° C. or less, And it is providing the method of forming the fine sintered compact copper-type wiring pattern in which the precise | minute baking process between the copper nanoparticles obtained is possible. More specifically, in the case of nanoparticles having an average particle diameter of 100 nm or less, for example, an average particle diameter of about 1 to 10 nm, which is suitable for drawing an extremely fine wiring pattern, the surface of the copper oxide coating layer is the average particle. Although it reaches half or more of the diameter and the copper remains in the non-oxidized state in the center and remains a little, as a whole, it reaches a state that can be regarded as nanoparticles of copper oxide, but even in that case, heating conditions of 300 ° C. or less The present invention provides a method for forming a fine sintered copper-based wiring pattern that is sufficiently reduced and that can be subjected to a dense firing process between obtained copper nanoparticles.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present inventors applied a dispersion on a substrate, and then effectively reduced the copper oxide coating layer covering the surface of the copper nanoparticles contained in the coating layer. We have conducted extensive research on ways to do this. At that time, for example, in the case of nanoparticles having an average particle diameter of about 1 to 10 nm, the layer thickness of the copper oxide coating layer on the surface often reaches more than half of the fine average particle diameter. As a result of the increase in the ratio of copper oxide in the dispersion, it has been found that there is a case where a necessary amount of the reducing agent may not be supplied by a method in which the reducing agent is blended in advance in the dispersion. As a result of further studies based on such knowledge, in order to complete the desired reduction reaction without depending on the average particle diameter of the nanoparticles, after forming the coating layer, the reactive species involved in the reduction reaction are selected from the gas phase. Inspired by the optimal supply method. In that case, the oxygen-containing compound itself produced as a by-product by the reduction reaction is vaporized and evaporated, and does not remain in the coating layer.In addition, the reactive species involved in the reduction reaction are also gaseous, It has been found that it is preferable to reach deeper than narrow gaps between the densely stacked nanoparticles.
[0010]
In addition, the present inventors have confirmed that the reduction of the copper oxide coating layer on the nanoparticle surface is achieved by a thermal reduction reaction using, for example, hydrogen, which is a reducing gas. It was found that the processing temperature must be selected to be 400 ° C. or higher in order to proceed the chemical reduction reaction quickly. In order to promote an efficient reaction with the reactive species derived from the reducing gas at a treatment temperature of 300 ° C. or lower, the reaction was converted to an active reactive species derived from the reducing gas in an atmosphere in which plasma was generated in advance. From the above, it has been found that it is effective to act on the copper oxide coating layer on the nanoparticle surface. In addition, in the reduction reaction by such plasma-excited active reactive species, the by-product oxygen-containing compound itself is excellent in vaporization and transpiration, and in addition, a non-oxidized state generated on the surface by the reduction reaction As a result of the solid-state reaction between the copper atoms of the copper atoms and the copper oxide molecules present inside, the internal copper oxide is converted to non-oxidized copper atoms, and instead copper oxide is generated on the surface, resulting in copper oxide It was found that the coating layer gradually decreased and eventually the entire nanoparticle reverted to copper nanoparticles. It is also confirmed that when copper nanoparticles without oxide film come into contact with each other on this surface, sintering proceeds rapidly even at a relatively low temperature, and the entire coating layer forms a dense sintered body layer of copper nanoparticles. did. In addition to the above knowledge, even if the atmospheric temperature at which the plasma is generated is 300 ° C. or less, for example, a reducing gas is mixed in a gas suitable for plasma maintenance, such as argon or helium. Thus, the plasma-excited active reactive species can be stably supplied, and the reduction reaction to the copper oxide coating layer on the surface of the nanoparticles and the subsequent formation of a sintered body layer between the regenerated copper nanoparticles, The present inventors have also confirmed that this can be done efficiently, and have completed the present invention.
[0011]
That is, the method for forming a fine wiring pattern of the present invention includes:
A method of forming a fine copper-based wiring pattern comprising a sintered body layer of copper nanoparticles on a substrate,
Drawing the coating layer of the fine wiring pattern on the substrate using a dispersion containing nanoparticles having a copper oxide coating layer on the surface, the average particle diameter being selected in the range of 1 to 100 nm;
The nanoparticles having a copper oxide coating layer on the surface thereof contained in the coating layer are subjected to a treatment for reducing the copper oxide on the surface, and further, the nanoparticles subjected to the reduction treatment are fired and sintered. Forming a body layer,
The reduction treatment and firing treatment carried out in the same process are as follows:
Select the heating temperature to be 300 ° C or lower,
It is a method for forming a fine wiring pattern, which is performed by exposing the nanoparticles contained in a coating layer in a plasma atmosphere generated in the presence of a reducing gas. At that time, at least the nanoparticles having a copper oxide coating layer on the surface contained in the dispersion, the copper oxide coating layer is made of cuprous oxide, cupric oxide or a mixture of these copper oxides. In addition, the nanoparticles may be mixed particles containing two or more of cuprous oxide, cupric oxide or a mixture of these copper oxides, and metallic copper. it can.
[0012]
On the other hand, the reducing gas to be present in the plasma atmosphere is preferably hydrogen, ammonia, carbon monoxide, or a mixture of two or more thereof.
[0013]
In the method for forming a fine wiring pattern of the present invention,
As a technique to draw a fine wiring pattern coating layer on the substrate,
Any drawing method of screen printing, inkjet printing, or transfer printing can be selected. In addition, in the coating layer of the fine wiring pattern drawn on the substrate,
Corresponding to the minimum wiring width of the wiring pattern in the range of 0.1 to 50 μm, the minimum inter-wiring space is selected in the range of 0.1 to 50 μm,
It is desirable that the average particle diameter of the nanoparticles contained in the dispersion is selected to be 1/10 or less of the minimum wiring width and the minimum inter-wiring space.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the method for forming a fine sintered copper-based wiring pattern of the present invention, unlike metal nanoparticles using gold or silver, which are noble metals, copper nanoparticles are very susceptible to oxidation, and their oxidation In consideration of the fact that there is no means to completely prevent this, a dispersion of nanoparticles having a copper oxide coating layer on the surface is prepared, and a desired wiring pattern is drawn on the substrate using this dispersion of nanoparticles. After that, by reducing the copper oxide coating layer present on the surface of the nanoparticles, the copper nanoparticles are regenerated into a copper nanoparticle and subjected to a firing treatment, so that the copper nanoparticles are densely sintered in the coating layer. By using the body layer, a copper-based wiring pattern with low cost and less electromigration is formed.
[0015]
In particular, in the method for forming a fine wiring pattern according to the present invention, in the step of reducing the copper oxide coating layer present on the surface of the nanoparticles, the heating temperature is selected to be 300 ° C. or lower, and it is generated in the presence of a reducing gas. In the plasma atmosphere, the nanoparticles contained in the coating layer are exposed to the nanoparticle after being converted into an active reactive species derived from a reducing gas in an atmosphere in which plasma is generated in advance. By acting on the copper oxide coating layer on the surface, even if the heating temperature is as low as room temperature (25 ° C.) or more and 300 ° C. or less, the reduction reaction of the surface copper oxide can proceed rapidly. Once the solid-state reaction between the non-oxidized copper atoms generated on the surface and the copper oxide molecules present inside the copper atoms, the internal copper oxide is converted to non-oxidized copper atoms and oxidized on the surface instead. Copper is produced, but the copper oxide produced on this surface is reduced to non-oxidized copper atoms by the reducing action of active reactive species derived from the reducing gas continuously supplied from the gas phase. The As a result of repeating the series of reaction cycles described above, the copper oxide coating layer that has reached the depth of the nanoparticles at the beginning is gradually reduced, and finally the entire nanoparticle is restored to the copper nanoparticle. .
[0016]
If the state returned to the copper nanoparticles is brought into contact with the atmosphere again, surface oxidation occurs rapidly. However, in the method for forming a fine wiring pattern of the present invention, the reducing gas is not brought into contact with the atmosphere again. The clean surfaces of the regenerated copper nanoparticles are closely packed with each other even at a heating temperature selected from room temperature (25 ° C.) to 300 ° C. while being kept in the generated plasma atmosphere. As a result of the contact state, sintering proceeds rapidly even at a relatively low temperature, and the entire coating layer is formed in a dense sintered body layer of copper nanoparticles.
[0017]
That is, in the method for forming a fine wiring pattern of the present invention, finally, in a state where the clean surfaces of the regenerated copper nanoparticles are in close contact with each other, the room temperature is 25 ° C. or higher and 300 ° C. or lower. Depending on the heating temperature selected, it is desirable to select the average particle size of the nanoparticles to be used within a range in which sintering can proceed rapidly. From this viewpoint, the copper oxide coating layer is used on the surface to be used. The average particle size of the nanoparticles having a diameter is selected in the range of 1 to 100 nm, more preferably in the range of 1 to 10 nm. Furthermore, the method for forming a fine wiring pattern according to the present invention is, first of all, when an extremely fine wiring pattern is formed, the disconnection caused by the electromigration phenomenon that is most prominently found in the portion of the minimum wiring width. In order to avoid the above, the sintered copper-based wiring is used, and the minimum wiring width of the wiring pattern corresponds to the range of 0.1 to 50 μm, practically the range of 5 to 50 μm. Thus, when the minimum inter-wiring space is selected within the range of 0.1 to 50 μm, and practically within the range of 5 to 50 μm, this is a more preferable method. In drawing the above extremely fine wiring pattern with a dispersion of nanoparticles with high uniformity of the wiring width, the average particle diameter of the nanoparticles used is the minimum wiring width and the minimum target. It is desirable to select 1/10 or less of the space between wirings. At the same time, depending on the minimum wiring width, the layer thickness of the sintered copper-based wiring layer is also determined as appropriate, but usually the layer thickness of the wiring layer is significantly smaller than the minimum wiring width, By controlling the average particle size of the nanoparticles to be in the range of 1 to 100 nm, more preferably in the range of 1 to 10 nm, it is possible to suppress variations in the thickness of the wiring layer and uneven local height. Is possible.
[0018]
On the other hand, as a technique for drawing a desired wiring pattern on a substrate using a dispersion liquid containing the nanoparticles, it has been conventionally used in the formation of a fine wiring pattern using a dispersion liquid containing metal nanoparticles. Any drawing method of screen printing, inkjet printing, or transfer printing can be used in the same manner. Specifically, in consideration of the shape of the desired fine wiring pattern, the minimum wiring width, and the layer thickness of the wiring layer, a more suitable one of these screen printing, ink jet printing, or transfer printing should be selected. Is desirable.
[0019]
On the other hand, it is desirable that the dispersion containing the nanoparticles to be used is prepared to have a liquid viscosity suitable for each according to the drawing technique employed. For example, when screen printing is used for drawing a fine wiring pattern, it is desirable that the dispersion containing the nanoparticles has a liquid viscosity of 50 to 200 Pa · s (25 ° C.). Moreover, when using transfer printing, it is desirable to select a liquid viscosity in the range of 150 to 300 Pa · s (25 ° C.). When using inkjet printing, it is desirable to select the liquid viscosity in the range of 5 to 30 mPa · s (25 ° C.). The liquid viscosity of the dispersion containing the nanoparticles is determined depending on the average particle diameter of the nanoparticles to be used, the dispersion concentration, and the type of the dispersion solvent being used. The liquid viscosity can be adjusted.
[0020]
Further, in the dispersion containing the nanoparticles, it is preferable that the contained nanoparticles maintain a uniform dispersion state. For example, in order to improve the dispersibility of the nanoparticles, Metal element, that is, a terminal amino group (-NH 2 ), A hydroxy group (—OH), a sulfanyl group (—SH), or an organic compound having ether (—O—) and sulfide (—S—) in the molecule. One or more excellent materials can be added. Although these dispersants improve the dispersibility by forming a dispersant layer covering the surface of the nanoparticles, finally, in the firing step, when the copper nanoparticles are brought into contact with each other, they are hindered. It is preferable not to become. If necessary, the terminal amino group (—NH 2 ), A hydroxy group (—OH), a sulfanyl group (—SH), a compound that reacts when heated and accelerates the release of the dispersant molecule from the nanoparticle surface, depending on the type and amount of the dispersant added. They can be blended as appropriate. For example, the terminal amino group (—NH 2 ), A hydroxy group (—OH), and a sulfanyl group (—SH), a cyclic acid anhydride derived from a dicarboxylic acid can be used.
[0021]
A nanoparticle having a copper oxide coating layer on the surface thereof has an average particle diameter in the above range, and the production method thereof is not limited as long as the average particle diameter is known in advance. For example, a copper nanoparticle may have a copper oxide coating layer formed on the surface thereof, or the nanoparticle as a whole may be copper oxide. Therefore, the nanoparticles having a copper oxide coating layer on the surface thereof, at least the copper oxide coating layer comprises cuprous oxide, cupric oxide or a mixture of these copper oxides, and the nanoparticles Can be a mixed particle comprising two or more of cuprous oxide, cupric oxide or a mixture of these copper oxides, and metallic copper. Although the surface copper oxide coating layer is restored to metallic copper again by the reduction treatment in the above plasma atmosphere, depending on the thickness of the surface copper oxide coating layer, the treatment time is extended. A thinner copper oxide coating layer on the surface is generally preferable. However, when the average particle diameter of the nanoparticles is selected within the range of 1 to 10 nm, the time required for the reduction treatment may become long enough to be a problem even if the entire nanoparticles are made of copper oxide. Absent.
[0022]
In addition, when this nanoparticle dispersion is used for wiring formation, a resin component such as an epoxy resin that functions as an organic binder in order to uniformly disperse, increase the concentration of the dispersion, and improve adhesion to the substrate, It is preferable to prepare a nanoparticle dispersion by adding an organic acid anhydride or organic acid that functions to remove the dispersant, and an organic solvent serving as a solvent thereof, and further mixing and stirring.
[0023]
After drawing the wiring pattern using the nanoparticle dispersion liquid, the wiring board is subjected to a heating temperature of room temperature (25 ° C., for example) in the plasma processing apparatus shown in FIG. In the above manner, the temperature is selected to be 300 ° C. or lower, and the nanoparticles contained in the coating layer are exposed to the plasma atmosphere generated in the presence of the reducing gas.
[0024]
First, after the wiring board is installed in the apparatus, the inside of the apparatus is depressurized to 150 Pa or less in advance to remove air remaining in the system. Next, a mixed gas of an inert gas and a reducing gas is supplied from the gas inlet at a constant flow rate, plasma is generated in the presence of the reducing gas, and reduction treatment is performed in the plasma atmosphere. For example, the flow rate of the mixed gas of inert gas and reducing gas is adjusted to 1 to 1000 ml / min (regular state equivalent flow rate), and the internal pressure in the apparatus is maintained and the plasma is generated and maintained by the pressure adjustment function of the exhaust system. Is adjusted to a pressure suitable for the pressure, for example, in the range of 1 to 120,000 Pa. As the internal pressure in the apparatus, it is desirable to select a pressure suitable for the generation and maintenance of plasma according to the frequency of high-frequency power to be used, the amount of power, the gas composition, and the flow rate. Specifically, in various plasma CVD methods, for example, a low pressure plasma CVD method, it is preferable to set conditions with reference to conditions that are beneficial to the stability of the plasma state.
[0025]
On the other hand, the plasma is generated, for example, by applying a high frequency power to the electrode, which is widely used in a plasma CVD method with a frequency of 13.56 MHz, and setting the amount of power in a range of 100 to 5000 W, and a desired plasma density. It is desirable to maintain In that case, nitrogen, helium, argon, etc. can be utilized as inert gas which dilutes reducing gas, such as hydrogen and ammonia. For example, helium and argon also have an advantage that contributes to the generation and maintenance of plasma under the above-described conditions. In addition, the mixing ratio (volume ratio) of the inert gas and the reducing gas is selected in the range of 50:50 to 99.9: 0.1, and preferably in the range of 80:20 to 99: 1. In the plasma atmosphere, the temperature rises due to the plasma, but the temperature of the printed circuit board itself installed in the processing apparatus is set so that it is maintained at 300 ° C. or lower, that is, in the range of 20 ° C. to 300 ° C.・ Adjust. Although depending on the set temperature and the plasma generation conditions, the plasma treatment time can be selected in the range of 1 second to 1 hour, preferably 1 minute to 20 minutes. Specifically, the set temperature and plasma generation conditions are appropriately selected in consideration of the thickness of the copper oxide coating layer covering the nanoparticle surface and the time required for the reduction. After the reduction of the copper oxide coating layer covering the nanoparticle surface by this plasma treatment, the nanoparticles contacting the cleaned copper surface are subjected to low-temperature sintering in a reducing atmosphere and oxidized at the interface. It is possible to form a sintered body layer without any physical film. Specifically, under the plasma processing conditions, the printed circuit board itself installed in the processing apparatus is cleaned at 300 ° C. or lower, that is, maintained in a range of 20 ° C. to 300 ° C. after reduction is completed. The nanoparticles that come into contact with the copper surface are continuously irradiated with plasma in a reducing atmosphere, so that the energy of the locally irradiated plasma particles is supplied, and low-temperature sintering using the thermal energy proceeds. .
[0026]
Since the drawing of the wiring pattern can be performed using a dispersion liquid containing nanoparticles, its fine drawing characteristics are comparable to conventional fine wiring pattern formation using gold and silver nanoparticles. . Specifically, the fine wiring pattern to be formed has a minimum wiring width of 0.1 to 50 μm, practically a range of 5 to 50 μm, and a corresponding minimum inter-wiring space of 0.1 to 0.1 μm. It is possible to achieve good line width uniformity and reproducibility by selecting in the range of ˜50 μm, practically in the range of 5˜50 μm. In addition, the obtained wiring layer becomes a sintered layer of copper nanoparticles without an oxide film at the interface, and the volume resistivity at the minimum wiring width is also 1 × 10. -Five Ω · cm or less can be achieved, and good conduction characteristics can be achieved.
[0027]
In addition, since the sintered body layer to be formed is a conductive material with little electromigration, the wiring thickness is reduced due to electromigration and the occurrence of disconnection even in the above fine wiring pattern. Can be suppressed.
[0028]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. These examples are examples of the best mode according to the present invention, but the present invention is not limited by these examples.
[0029]
Example 1
A paste liquid containing copper oxide nanoparticles in a uniform dispersion state was prepared by the following procedure.
[0030]
Commercially available copper oxide nanoparticle dispersion (trade name: Independently dispersed ultrafine particle perfect copper, Vacuum Metallurgical Co., Ltd.), specifically, as alkylamine per 100 parts by mass of copper oxide nanoparticles having an average particle diameter of 8 nm A copper oxide nanoparticle dispersion containing 15 parts by mass of dodecylamine and 75 parts by mass of terpineol as an organic solvent is used.
[0031]
10 parts by mass of methyl hexahydrophthalic anhydride (Me-HHPA) is added as an acid anhydride to 100 parts by mass of the copper oxide nanoparticles contained in the dispersion of the copper oxide nanoparticles, followed by stirring and defoaming Mix thoroughly with a machine to prepare a copper oxide nanoparticle paste liquid. The liquid viscosity of the copper oxide nanoparticle paste liquid was 100 Pa · s (25 ° C.).
[0032]
The dodecylamine, which is an alkylamine contained in the paste liquid, has an amino group as a group capable of coordinative bonding to copper, and non-oxidized copper is exposed on the surface. Then, it functions as a surface protective molecular layer by forming a coordinate bond with the copper atom. On the other hand, Me-HHPA, which is an acid anhydride, exhibits reactivity to the amino group of the alkylamine when heated, and has a function of promoting the release of dodecylamine that forms a surface protective molecular layer from the copper surface. . As a result, copper in a non-oxidized state is exposed on the surface, and the adjacent nanoparticles are brought into contact with each other and the sintering proceeds at a low temperature. At the same time, the alkylamine constituting the surface protective molecular layer, specifically, dodecylamine, is dispersed in nanoparticles in a dispersion solvent (organic solvent) contained in the paste liquid using its hydrocarbon chain. It also contributes to improved characteristics.
[0033]
Using this copper oxide nanoparticle paste liquid, a wiring pattern was drawn on a printed wiring board by screen printing. The wiring pattern to be drawn was a stripe pattern having a line width and space of 30/30 μm. At that time, the paste coating film thickness at the time of drawing was selected to be 20 μm.
[0034]
After drawing, the wiring board was placed in the plate electrode type plasma processing apparatus shown in FIG. 1, and the internal pressure of the plasma processing apparatus was reduced to 10 Pa by the exhaust system. After the depressurization, a mixed gas of argon gas: hydrogen gas = 95: 5 (volume ratio) is supplied into the apparatus at a flow rate of 100 ml / min (normal state converted flow rate), and between the plate electrodes 2 and 3, A high frequency power (frequency: 13.56 MHz) 500 W was applied, and plasma treatment was performed at 150 ° C. for 5 minutes. During this plasma treatment, the internal pressure of the apparatus was maintained at about 30-40 Pa.
[0035]
As a result of processing in a plasma atmosphere generated in a mixed gas containing hydrogen as the reducing gas, the copper oxide nanoparticles in the wiring pattern undergo plasma reduction and are once restored to copper nanoparticles. Furthermore, the dispersion solvent contained in the coating layer is evaporated, and the surface protective molecular layer of dodecylamine covering the surface of the copper nanoparticles is removed by the acid anhydride Me-HHPA, and the plasma reduction treatment is performed to the inside of the coating layer. Is achieved, and a state in which the copper nanoparticles are in close contact with each other throughout the coating layer is achieved. By applying low-temperature heating in this state, low-temperature sintering of copper nanoparticles having no oxide film on the surface progressed, and as a whole, a copper sintered body type wiring layer was formed.
[0036]
The obtained copper wiring had a wiring width and space of 30/30 μm, and an average layer thickness of 2 μm. When the resistance value of the copper wiring layer was measured, and the volume resistivity was calculated assuming a homogeneous body having the wiring width and the average layer thickness, the value was 4.5 × 10. -6 It was Ω · cm. The resistivity (20 ° C.) of copper itself is 1.673 × 10 -6 Compared with the value, it is judged that the obtained sintered copper-type wiring layer has achieved a close sintering between the copper nanoparticles. Moreover, also in the result of SEM observation, the interposition of copper oxide is not recognized in the grain boundary part between the copper nanoparticles, and it is judged that a sintered body showing good conductivity is formed.
[0037]
(Example 2)
In the same manner as in Example 1, with respect to a dispersion of copper oxide nanoparticles having an average particle diameter of 8 nm (trade name: independent dispersed ultrafine particle perfect copper, Vacuum Metallurgy Co., Ltd.), acid anhydride per 100 parts by mass of copper oxide nanoparticles. As a product, 10 parts by mass of methylhexahydrophthalic anhydride (Me-HHPA) is added and sufficiently stirred with a stirring deaerator to prepare a copper oxide nanoparticle paste liquid. The liquid viscosity of the copper oxide nanoparticle paste liquid was adjusted to 10 mPa · s (25 ° C.), and using this paste liquid, a wiring pattern was drawn on a printed wiring board by inkjet printing. The drawn wiring pattern was a stripe pattern having a line width and space of 15/15 μm. At that time, the paste coating film thickness at the time of drawing was selected to be 3 μm.
[0038]
After drawing, the wiring substrate was subjected to plasma treatment using a mixed gas of argon gas: hydrogen gas = 95: 5 (volume ratio) under the conditions described in Example 1 above, with the substrate heating temperature set to 50 ° C. .
[0039]
As a result of processing in a plasma atmosphere generated in a mixed gas containing hydrogen as the reducing gas, the copper oxide nanoparticles in the wiring pattern undergo plasma reduction and are once restored to copper nanoparticles. Furthermore, by applying low-temperature heating in this state, low-temperature sintering of copper nanoparticles having no oxide film on the surface progressed, and as a whole, a copper sintered body type wiring layer was formed.
[0040]
The obtained copper wiring had a wiring width and space of 15/15 μm, and an average layer thickness of 0.8 μm. When the resistance value of the copper wiring layer was measured, and the volume resistivity was calculated assuming a homogeneous body having the wiring width and the average layer thickness, the value was 6.6 × 10 6. -6 It was Ω · cm.
[0041]
Along with the difference in drawing method, there is a slight difference in the layer thickness variation of the coating layer in the substrate and the ratio of the organic solvent contained after coating, so there is a slight difference in the evaluated volume resistivity. However, similarly to Example 1 using screen printing, also in Example 2 using ink jet printing, the obtained sintered copper-type wiring layer achieves dense sintering between copper nanoparticles. It is judged that
[0042]
(Example 3)
Using the same copper oxide nanoparticle paste solution as in Example 1, a wiring pattern was drawn on the printed wiring board by screen printing. The wiring pattern to be drawn was a stripe pattern having a line width and space of 30/30 μm. At that time, the paste coating film thickness at the time of drawing was selected to be 20 μm.
[0043]
After drawing, the wiring board was placed in the plate electrode type plasma processing apparatus shown in FIG. 1, and the internal pressure of the plasma processing apparatus was reduced to 10 Pa by the exhaust system. After the depressurization, a mixed gas of argon gas: hydrogen gas: ammonia gas = 94: 3: 3 (volume ratio) is supplied into the apparatus at a flow rate of 100 ml / min (normal state converted flow rate), and the plate electrode 2 A high-frequency power (frequency: 13.56 MHz) of 500 W was applied between the three and plasma treatment was performed at 150 ° C. for 5 minutes. During this plasma treatment, the internal pressure of the apparatus was maintained at about 30-40 Pa.
[0044]
As a result of processing in a generated plasma atmosphere in a mixed gas containing hydrogen and ammonia as the reducing gas, the copper oxide nanoparticles in the wiring pattern are subjected to plasma reduction and are once restored to copper nanoparticles. Furthermore, by applying low-temperature heating in this state, low-temperature sintering of copper nanoparticles having no oxide film on the surface progressed, and as a whole, a copper sintered body type wiring layer was formed.
[0045]
The obtained copper wiring had a wiring width and a space of 30/30 μm, and an average layer thickness of 3 μm. When the resistance value of the copper wiring layer was measured, and the volume resistivity was calculated assuming a homogeneous body having the wiring width and the average layer thickness, the value was 3.2 × 10. -6 It was Ω · cm.
[0046]
Although there is a slight difference in the evaluated volume resistivity, which is considered to be derived from the difference in reducing gas used in the plasma treatment, the obtained copper is also obtained in this Example 3 as in Example 1 above. This sintered body type wiring layer is judged to have achieved a close sintering between the copper nanoparticles.
[0047]
(Example 4)
A paste liquid containing copper oxide nanoparticles in a uniform dispersion state was prepared by the following procedure.
[0048]
Commercially available copper oxide nanoparticles (trade name: Nanotech, CI Chemical Co., Ltd.), specifically, copper oxide nanoparticles with an average particle diameter of 47.6 nm, ethanol, propyl at a dispersion concentration of 15% by mass A slurry dispersion dispersed in an alcohol mixture is used.
[0049]
To the dispersion of copper oxide nanoparticles, 20 parts by mass of polyethyl alcohol 2-ethylhexanediol is added as a high boiling point solvent per 100 parts by mass of the copper oxide nanoparticles contained, and the alcohol solvent has a low boiling point. After removing the solvent, the mixture is sufficiently stirred with a stirring deaerator to prepare a copper oxide nanoparticle paste liquid. The liquid viscosity of the copper oxide nanoparticle paste liquid was 70 Pa · s (25 ° C.).
[0050]
Using this copper oxide nanoparticle paste liquid, a wiring pattern was drawn on a printed wiring board by screen printing. The wiring pattern to be drawn was a stripe pattern having a line width and space of 30/30 μm. At that time, the paste coating film thickness at the time of drawing was selected to be 20 μm.
[0051]
After drawing, the wiring substrate was subjected to plasma treatment using a mixed gas of argon gas: hydrogen gas = 95: 5 (volume ratio) under the conditions described in Example 1 above. In addition, since the average particle diameter of the nanoparticles was larger than that of Example 1, the time required for the reduction was longer, and the plasma treatment time was 10 minutes.
[0052]
As a result of processing in a plasma atmosphere generated in a mixed gas containing hydrogen as the reducing gas, the copper oxide nanoparticles in the wiring pattern undergo plasma reduction and are once restored to copper nanoparticles. Furthermore, by applying low-temperature heating in this state, low-temperature sintering of copper nanoparticles having no oxide film on the surface progressed, and as a whole, a copper sintered body type wiring layer was formed.
[0053]
The obtained copper wiring had a wiring width and a space of 30/30 μm, and an average layer thickness of 5 μm. When the resistance value of the copper wiring layer was measured, and the volume resistivity was calculated assuming a homogeneous body having the wiring width and the average layer thickness, the value was 6.0 × 10. -6 It was Ω · cm.
[0054]
Due to the difference in the average particle diameter of the nanoparticles used, it is thought that it is derived from the difference in the low-temperature sintering characteristics. Also in Example 4, it is judged that the obtained sintered copper-type wiring layer has achieved a close sintering between the copper nanoparticles.
[0055]
(Example 5)
Using the same copper oxide nanoparticle paste solution as in Example 1, a wiring pattern was drawn on the printed wiring board by screen printing. The wiring pattern to be drawn was a stripe pattern having a line width and space of 30/30 μm. At that time, the paste coating film thickness at the time of drawing was selected to be 20 μm.
[0056]
After drawing, the wiring board was placed in the plate electrode type plasma processing apparatus shown in FIG. 1, and the internal pressure of the plasma processing apparatus was reduced to 10 Pa by the exhaust system. After the depressurization, a mixed gas of argon gas: hydrogen gas: carbon monoxide gas = 94: 3: 3 (volume ratio) is supplied into the apparatus at a flow rate of 100 ml / min (normal state converted flow rate), and a flat plate A high frequency power (frequency: 13.56 MHz) 500 W was applied between the electrodes 2 and 3, and plasma treatment was performed at 50 ° C. for 5 minutes. During this plasma treatment, the internal pressure of the apparatus was maintained at about 30-40 Pa.
[0057]
As a result of processing in a generated plasma atmosphere in a mixed gas containing hydrogen and carbon monoxide as the reducing gas, the copper oxide nanoparticles in the wiring pattern are subjected to plasma reduction and are once restored to copper nanoparticles. To do. Furthermore, by applying low-temperature heating in this state, low-temperature sintering of copper nanoparticles having no oxide film on the surface progressed, and as a whole, a copper sintered body type wiring layer was formed.
[0058]
The obtained copper wiring had a wiring width and a space of 30/30 μm, and an average layer thickness of 3 μm. When the resistance value of the copper wiring layer was measured, and the volume resistivity was calculated assuming a homogeneous body having the wiring width and the average layer thickness, the value was 7.8 × 10. -6 It was Ω · cm.
[0059]
Although there is a slight difference in the evaluated volume resistivity, which is considered to be derived from the difference in reducing gas used in the plasma treatment, the obtained copper is also obtained in this Example 5 as in Example 1 above. This sintered body type wiring layer is judged to have achieved a close sintering between the copper nanoparticles.
[0060]
【The invention's effect】
In the method for forming a fine wiring pattern of the present invention, a fine wiring pattern drawn using a nanoparticle having a copper oxide film layer on its surface or a dispersion containing copper oxide nanoparticles is used as a boron hydride derivative or the like. Instead of reducing treatment using a general reducing agent, plasma treatment in a reducing gas atmosphere reduces the copper oxide film layer on the surface and regenerates it into copper nanoparticles. The plasma treatment temperature can be a low temperature of 300 ° C. or lower compared to the reduction treatment temperature when using a general reducing agent such as 400 ° C. or higher. Even in this low-temperature treatment, the reduction of copper oxide and subsequent firing of the resulting copper nanoparticles can be achieved, so the heat resistance required for the substrate material to be used is greatly eased, and the usage range is greatly expanded Have In addition, since the obtained fine copper-based wiring is a conductive material with less electromigration, the copper thickness is reduced due to electromigration even in the above fine wiring pattern. Can be suppressed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a plasma processing apparatus that can be used for performing a plasma reduction process in a method for forming a fine sintered copper-based wiring pattern according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Plasma processing equipment container
2 Electrode for applying high frequency power
3 Grounding electrode
4 Substrate
5 Gas inlet
6 Gas outlet
7 High frequency power supply

Claims (7)

基板上に銅ナノ粒子相互の焼結体層からなる微細な銅系配線パターンを形成する方法であって、
平均粒子径を1〜100nmの範囲に選択される、表面に酸化銅被覆層を有するナノ粒子を含有する分散液を用いて、前記微細な配線パターンの塗布層を基板上に描画する工程と、
前記塗布層中に含まれる、表面に酸化銅被覆層を有するナノ粒子に対して、表面の酸化銅を還元する処理を施し、さらに、還元処理を受けたナノ粒子の焼成を行って、焼結体層を形成する工程とを有し、
同一工程内で実施される、前記還元処理と焼成処理は、
加熱温度を、300℃以下に選択して、
還元性気体の存在下、生起されるプラズマ雰囲気内に、塗布層中に含まれる、該ナノ粒子を曝すことにより行い、
前記還元性気体は、水素ガス、水素ガスとアンモニアの組み合わせ、水素ガスと一酸化炭素の組み合わせからなる群から選択され、
ヘリウム、アルゴンからなる群より選択される不活性ガスと、前記還元性気体とを、該不活性ガス:還元性気体の混合比率(体積比)を80:20〜99:1の範囲に選択して、混合した状態とし、
前記還元性気体の存在下、生起されるプラズマ雰囲気は、少なくとも、150Pa以下の圧力に減圧した状態において、高周波電力の供給により生起されており;
平均粒子径を1〜100nmの範囲に選択される、表面に酸化銅被覆層を有するナノ粒子を含有する分散液は、
分散剤を含有しており、前記ナノ粒子を分散溶媒中に均一に分散しており、
前記分散剤として、前記分散溶媒との親和性に優れており、銅と配位的な結合が可能なアミノ基(−NH 2 )を有するアルキルアミンを、一種以上含有しており、
前記分散剤は、前記ナノ粒子表面を被覆する分散剤層を形成して、前記ナノ粒子の前記分散溶媒中における分散性を向上させている
ことを特徴とする微細配線パターンの形成方法。
A method of forming a fine copper-based wiring pattern comprising a sintered body layer of copper nanoparticles on a substrate,
Drawing the coating layer of the fine wiring pattern on the substrate using a dispersion containing nanoparticles having a copper oxide coating layer on the surface, the average particle diameter being selected in the range of 1 to 100 nm;
The nanoparticles having a copper oxide coating layer on the surface thereof contained in the coating layer are subjected to a treatment for reducing the copper oxide on the surface, and further, the nanoparticles subjected to the reduction treatment are fired and sintered. Forming a body layer,
The reduction treatment and firing treatment carried out in the same process are as follows:
Select the heating temperature to be 300 ° C or lower,
Performed by exposing the nanoparticles contained in the coating layer in a plasma atmosphere generated in the presence of a reducing gas,
The reducing gas is selected from the group consisting of hydrogen gas, a combination of hydrogen gas and ammonia, a combination of hydrogen gas and carbon monoxide,
An inert gas selected from the group consisting of helium and argon and the reducing gas are selected such that the mixing ratio (volume ratio) of the inert gas: reducing gas is in the range of 80:20 to 99: 1. In a mixed state,
The plasma atmosphere generated in the presence of the reducing gas is generated by supplying high-frequency power in a state where the pressure is reduced to at least 150 Pa or less;
A dispersion containing nanoparticles having a copper oxide coating layer on the surface, the average particle diameter of which is selected in the range of 1 to 100 nm,
Containing a dispersant, uniformly dispersing the nanoparticles in a dispersion solvent,
As the dispersant , one or more alkylamines having an amino group (—NH 2 ) having excellent affinity with the dispersion solvent and capable of coordinative bonding with copper are contained,
The dispersing agent forms a dispersing agent layer that coats the surface of the nanoparticles, and improves the dispersibility of the nanoparticles in the dispersing solvent. Method.
分散液中に含有される、表面に酸化銅被覆層を有するナノ粒子は、
少なくとも、前記酸化銅被覆層は、酸化第一銅、酸化第二銅またはこれら銅の酸化物の混合物を含んでなり、また、該ナノ粒子は、酸化第一銅、酸化第二銅またはこれら銅の酸化物の混合物、ならびに金属銅のうち、2つ以上を含んでなる混合体状粒子である
ことを特徴とする請求項1に記載の方法。
Nanoparticles having a copper oxide coating layer on the surface, contained in the dispersion,
At least the copper oxide coating layer comprises cuprous oxide, cupric oxide or a mixture of these copper oxides, and the nanoparticles comprise cuprous oxide, cupric oxide or these copper oxides. 2. The method according to claim 1, wherein the mixture is a mixture of two or more of metal oxides and metallic copper.
プラズマ雰囲気において、存在させる還元性気体は、水素ガス、水素ガスとアンモニアの組み合わせ、水素ガスと一酸化炭素の組み合わせからなる群から選択され、アルゴンと、前記還元性気体とを、該不活性ガス:還元性気体の混合比率(体積比)を80:20〜99:1の範囲に選択して、混合した状態とする
ことを特徴とする請求項1に記載の方法。
In the plasma atmosphere, the reducing gas to be present is selected from the group consisting of hydrogen gas, a combination of hydrogen gas and ammonia, and a combination of hydrogen gas and carbon monoxide, and argon and the reducing gas are combined with the inert gas. The method according to claim 1, wherein the mixing ratio (volume ratio) of the reducing gas is selected in the range of 80:20 to 99: 1 to form a mixed state .
微細な配線パターンの塗布層を基板上に描画する手法として、
スクリーン印刷、インクジェット印刷、または転写印刷のいずれかの描画手法を選択する
ことを特徴とする請求項1に記載の方法。
As a technique to draw a fine wiring pattern coating layer on the substrate,
The method according to claim 1, wherein a drawing method of screen printing, ink jet printing, or transfer printing is selected.
基板上に描画する、前記微細な配線パターンの塗布層において、
その配線パターンの最小の配線幅を、0.1〜50μmの範囲に、対応させて、最小の配線間スペースを、0.1〜50μmの範囲に選択し、
分散液中に含有される、前記ナノ粒子の平均粒子径を、前記最小の配線幅ならびに最小の配線間スペースに対して、その1/10以下に選択する
ことを特徴とする請求項1に記載の方法。
In the coating layer of the fine wiring pattern drawn on the substrate,
Corresponding to the minimum wiring width of the wiring pattern in the range of 0.1 to 50 μm, the minimum inter-wiring space is selected in the range of 0.1 to 50 μm,
2. The average particle diameter of the nanoparticles contained in the dispersion is selected to be 1/10 or less of the minimum wiring width and the minimum inter-wiring space. the method of.
平均粒子径を1〜100nmの範囲に選択される、表面に酸化銅被覆層を有するナノ粒子を含有する分散液は、
前記分散剤として、前記分散溶媒との親和性に優れ、かつ、金属銅と配位的な結合が可能な、アミノ基(−NH2)を末端に有するアルキルアミンを、一種以上含有しており
ジカルボン酸に由来する環状の酸無水物を、加熱した際、前記末端のアミノ基(−NH 2 )に対する反応が可能な化合物として、配合している
ことを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法。
A dispersion containing nanoparticles having a copper oxide coating layer on the surface, the average particle diameter of which is selected in the range of 1 to 100 nm,
The dispersant contains at least one alkylamine having an amino group (—NH 2 ) terminal, which has excellent affinity with the dispersion solvent and can coordinately bond with metallic copper. ,
The cyclic acid anhydride derived from a dicarboxylic acid, when heated, claim response to an amino group of the terminal (-NH 2) is a compound capable, characterized <br/> that blended 1 The method as described in any one of -5.
前記表面に酸化銅被覆層を有するナノ粒子の平均粒子径を、1〜10nmの範囲に選択する
ことを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の方法。
The method according to any one of claims 1 to 6, wherein an average particle diameter of nanoparticles having a copper oxide coating layer on the surface is selected in a range of 1 to 10 nm.
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