JP5110560B2

JP5110560B2 - 導電性ばね形成方法

Info

Publication number: JP5110560B2
Application number: JP2007010720A
Authority: JP
Inventors: 雄二鈴木; 伸英笠木; 匠堤野; 好彦坂根
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd; University of Tokyo NUC
Current assignee: University of Tokyo NUC; AGC Inc
Priority date: 2007-01-19
Filing date: 2007-01-19
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2027-01-19
Also published as: JP2008174811A

Description

本発明は、導電性ばね形成方法及び導電性ばねに関する。

近年、リソグラフィー法よりも簡易な方法により微細なパターンを形成する方法として、金属ナノインクを用いたパターン形成が種々提案されている。例えば、下記特許文献１には、基材の表面特性を制御し、パターン形成部の親液性を他の部分より高くして、金属ナノインクを選択的に堆積し、所望のパターンを得る技術が開示されている。

また、下記特許文献２には、金属ナノインクをインクジェットにより吐出して微細パターンを形成する技術が開示されている。
特開２００６−３０３１９９号公報特開２００３−８０６９４号公報

しかし、上記特許文献１記載の従来技術では、使用する金属ナノインクの量が多くなる上、基材の表面特性の制御が煩雑になるという問題がある。また、特許文献２記載の従来技術では、線幅を５０μｍ程度までしか細くできないという問題がある。

本発明は、上記従来の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、簡易な方法により微細な線幅の金属導電層を形成することができる金属導電層形成方法、導電性ばね形成方法及び導電性ばねを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１記載の導電性ばね形成方法の発明は、型材料にばねの形状の溝を形成する工程と、前記溝の両壁及び底部に有機物である絶縁材料層を蒸着し、内部または表面に金属ナノ粒子分散液が流れ込む流路を有する絶縁材料構造体を形成する工程と、前記流路に前記金属ナノ粒子分散液を毛細管現象により流し込む工程と、前記金属ナノ粒子分散液を加熱し、金属ナノ粒子を凝集させて金属導電層を形成する工程と、前記型材料を除去する工程と、を備えることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の導電性ばね形成方法において、前記金属ナノ粒子分散液が、前記型材料に形成した液溜から毛細管現象により前記流路に流し込むことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の導電性ばね形成方法において、前記絶縁材料がポリパラキシリレンであることを特徴とする。

請求項１から請求項３の発明によれば、ばねの内部または表面に金属導電層が形成された導電性ばね形成方法を提供できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態（以下、実施形態という）を、図面に従って説明する。

図１（ａ），（ｂ）には、本発明にかかる金属導電層形成方法の一実施形態の説明図が示される。図１（ａ）が平面図であり、図１（ｂ）が図１（ａ）のｂ−ｂ断面図である。

図１（ａ），（ｂ）において、シリコン等で形成された基板１０の表面には、金属ナノ粒子分散液が流れ込む流路１２が形成されている。また、基板１０の表面には、流路１２に連通路１４により連通する液溜１６も形成されている。この状態で、液溜１６に金属ナノ粒子分散液を注入すると、毛細管現象により連通路１４を介して流路１２に金属ナノ粒子分散液が流れ込む。次に、基板１０を介してあるいは直接金属ナノ粒子分散液を加熱し、金属ナノ粒子を凝集させて金属導電層を形成する。

なお、図１（ａ），（ｂ）の例では、流路１２に液溜１６から金属ナノ粒子分散液を流し込む例が示されているが、流路１２のいずれか一箇所または複数箇所に金属ナノ粒子分散液を滴下し、毛細管現象により流路１２に金属ナノ粒子分散液を流し込んでもよい。

また、図１（ａ），（ｂ）の例では、流路１２が基板１０の表面に形成されているが、基板１０の内部に形成されていてもよい。

ここで、上記金属ナノ粒子分散液は、金属ナノ粒子（金属の微粒子）を溶媒中に分散剤を使用して分散させたものである。金属ナノ粒子の材料としては、例えば、金、銀、銅、白金、パラジウム、ニッケル及びこれらの合金等の導電性が優れている金属が好適である。その平均一次粒子径は、微細パターンを形成するために細かいほうが好ましく、１〜１００ｎｍとするのがよい。また、溶媒としては、トルエン、テトラデカンまたはアルコール等の有機溶媒や水を使用することができる。また、分散剤としては、上記溶媒中で金属ナノ粒子の凝集を防止し、安定的に分散状態を維持できるものであればよく、例えばアルキルアミン、クエン酸等を使用することができる。このような金属ナノ粒子分散液としては、例えば旭硝子株式会社製の銀ナノメタルインク、銅ナノメタルインクあるいはＵＬＶＡＣ社製の銀ナノメタルインク等を使用することができる。

本実施形態によれば、流路１２に金属ナノ粒子分散液を毛細管現象により流し込むので、流路１２の径が微細であっても容易に流し込むことができ、線幅が５０μｍ以下の微細パターンを簡易に製造することができる。

上述した本実施形態の金属導電層形成方法により微細なパターンを形成する基板１０の材料としては、上記シリコンに限られるものではなく、ポリイミド、ガラスエポキシ、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）、ガラス、アクリル樹脂等の絶縁材料の他、基板上に上記絶縁材料または二酸化ケイ素、窒化ケイ素等の絶縁層を形成したものでもよい。

本実施形態の金属導電層形成方法の他の応用例としては、樹脂製のばねの表面または内部に微細な金属導電層を設けた導電性ばねがある。ここで、気相中で重合可能なばねの材料としては、ポリマーでは、ポリパラキシリレン，フッ化ポリパラキシリレンまたはそれらのフッ素化誘導体がある。また、モノマーとしては、エチレン，プロピレン，スチレン，ビニルクロライド等のオレフィンモノマー、ＴＦＥ（テトラフルオロエチレン），ＣＴＦＥ（クロロトリフルオロエチレン），ＶｄＦ（ビニリデンフルオライド），パーフルオロアリルビニルエーテル，パーフルオロブテニルビニルエーテル等のフッ素系オレフィンモノマー、メチルメタクリレート，メチルアクリレート，フルオロアクリレート等のアクリルモノマー等がある。

以下、本発明の具体例を実施例として説明する。

実施例１．
・基板表面に金属導電層を形成する方法
図２（ａ）〜（ｄ）には、本実施例の工程を説明するための基板断面図が示される。図２（ａ）において、シリコン基板１００上の酸化膜（厚さ２ミクロン）１０２上にフォトレジスト１０４をスピンコートにより塗布し、フォトリソグラフィにより電極形状をパタニングする。

次に、図２（ｂ）に示されるように、バッファードフッ酸により酸化膜１０２をエッチングし、シリコン表面を露出させた後、シリコン深掘エッチング装置（ＤＲＩＥ）によりＳＦ_６ガスとＣ_４Ｆ_８ガスの高密度プラズマの中でシリコン基板１００に幅２０〜４０ミクロンの溝１０６を形成する。また、同時に金属ナノ粒子分散液を溜めるための液溜１０８も溝１０６と同様に形成しておく。このシリコン深掘エッチング工程では、酸化膜１０２上のフォトレジスト１０４も除去される。

その後、図２（ｃ）に示されるように、パラキシリレンダイマーを用いて１０〜２５ミクロン厚のポリパラキシリレン（通称、パリレン：Ｐａｒｙｌｅｎｅ）層を絶縁材料１１０として蒸着する。この蒸着は、例えばＣＶＤ（化学気相成長法）で行うことができる。蒸着終了後、ポリパラキシリレン層の表面には溝幅とほぼ同じのＶ字の谷が形成される。この谷が金属ナノ粒子分散液の流路１１２となる。なお、図２（ｂ）で形成した液溜１０８と流路１１２との間は、図示しない連通路により連絡しておく。

なお、図２（ａ），（ｂ），（ｃ）で説明した工程は、金属ナノ粒子分散液の流路１１２を形成する方法の一例であり、インプリント，レーザー加工等の方法により基板１００上に直接流路１１２を形成してもよい。

次に、図２（ｄ）に示されるように、予めシリコン基板１００上に作り込んでおいた液溜１０８に、金属導電層の材料となる金属ナノ粒子分散液１１４として銀粒子をテトラデカン溶媒に分散させた、ＵＬＶＡＣ社製の銀ナノメタルインクＬ−Ａｇ１ＴｅＨを注入する。液溜１０８に注入された金属ナノ粒子分散液１１４は、毛細管現象により液溜１０８から流路１１２に連通路を介して流れ込む。

次に、金属ナノ粒子分散液の溶媒を気化させ、または銀粒子の表面の分散剤を離脱させるために、１５０℃のオーブン中で１時間ベークを行うと、図２（ｄ）に示されるように、銀粒子が凝集し、流路１１２に沿った金属導電層１１６が形成される。なお、流路１１２に金属ナノ粒子分散液１１４を流し込むためには、液溜１０８の形成が必須条件ではない。金属ナノ粒子分散液１１４を流路１１２の一箇所または複数箇所に滴下するだけで毛細管現象により金属ナノ粒子分散液１１４を流路１１２に流し込むことができる。

・絶縁材料表面に形成した金属導電層の評価
上述した工程で製作した金属導電層１１６の電気抵抗をマルチメーター（アドバンテスト社製ＡＤ−７４５１）で測定した。

幅４０ミクロンの流路１１２に沿って形成した金属導電層１１６の場合、抵抗値は長さ１ｍｍあたり約３オームであり、体積抵抗率は１３マイクロオーム・ｃｍ程度であった。これは原料として用いたナノメタルインク（ＵＬＶＡＣ社製Ｌ−Ａｇ１ＴｅＨ）のカタログ値１０マイクロオーム・ｃｍとほぼ等しく、本実施例により形成した金属導電層１１６は、プリント基板その他の導電部として問題なく使用できることが確認された。

実施例２．
・ばね内部に金属導電層を備える導電性ばね形成方法
図３（ａ）〜（ｇ）には、本実施例の工程を説明するための基板断面図が示される。図３（ａ）において、シリコン基板１００上の酸化膜（厚さ２ミクロン）１０２上にフォトレジスト１０４をスピンコートにより塗布し、フォトリソグラフィによりバネ形状をパタニングする。

次に、図３（ｂ）に示されるように、バッファードフッ酸により酸化膜１０２をエッチングし、バネとなる部分のシリコン表面を露出させた後、シリコン深掘エッチング装置（ＤＲＩＥ）によりＳＦ_６ガスとＣ_４Ｆ_８ガスの高密度プラズマの中でシリコン基板１００に幅２０，３０または４０ミクロン、深さ２００〜４００ミクロン程度の溝１０６を形成する。また、同時に金属ナノ粒子分散液を溜めるための液溜１０８も溝１０６と同様に形成しておく。なお、図２（ａ），（ｂ），（ｃ）における流路１１２の形成の場合と同様に、溝１０６はインプリント，レーザ加工等の方法により形成してもよい。

その後、図３（ｃ）に示されるように、パラキシリレンダイマーを用いて、１０〜２５ミクロン厚のポリパラキシリレン層を絶縁材料１１０として蒸着する。蒸着時、溝１０６の上部角部には蒸着膜が速く形成されるため、蒸着終了後、溝１０６の内部に幅５〜１０ミクロン程度の空隙１１８が形成された絶縁材料構造体が得られる。なお、図３（ｂ）で形成した液溜１０８と空隙１１８との間は、図示しない連通路により連絡しておく。

次に、図３（ｄ）に示されるように、予めシリコン基板１００上に作り込んでおいた液溜１０８に、金属導電層の材料となる金属ナノ粒子分散液１１４として銀粒子をテトラデカン溶媒に分散させた、ＵＬＶＡＣ社製の銀ナノメタルインクＬ−Ａｇ１ＴｅＨを注入する。液溜１０８に注入された金属ナノ粒子分散液１１４は、毛細管現象により液溜１０８から空隙１１８に連通路を介して流れ込む。

次に、金属ナノ粒子分散液の溶媒を気化させ、または銀粒子の表面の分散剤を離脱させるために、１５０℃のオーブン中で１時間ベークを行うと、図３（ｄ）に示されるように、銀粒子が凝集し、空隙１１８に沿った金属導電層１１６が形成される。なお、空隙１１８に金属ナノ粒子分散液１１４を流し込むためには、液溜１０８の形成が必須条件ではない。空隙１１８の適宜な位置で絶縁材料１１０に孔を開け、この孔の上に金属ナノ粒子分散液１１４を滴下するだけで毛細管現象により金属ナノ粒子分散液１１４を空隙１１８に流し込むことができる。

次に、シリコン基板１００全面に真空蒸着により銅薄膜を形成し、フォトリソグラフィによりパタニングして図３（ｅ）に示されるような銅薄膜１２０を得る。この銅薄膜１２０をマスクとして酸素プラズマにより絶縁材料１１０をエッチングし、さらにバッファードフッ酸により酸化膜１０２を除去して、図３（ｆ）に示されるように、一部の溝１０６周囲のシリコン基板１００を露出させる。

最後に、銅薄膜１２０をウェットエッチングした後、ＸｅＦ_２ガスを用いてシリコン基板１００をエッチングし、図３（ｇ）に示されるように、周囲のシリコン基板１００から独立したばね構造を得る。以上により、ばねの内部に金属導電層１１６が形成され、２０，３０及び４０ミクロン幅のパリレン製導電性ばねが３種類得られた。なお、本実施例においては、金属導電層１１６がばねの内部に形成されているが、実施例１のように、ポリパラキシリレン層の表面に生じるＶ字の谷に沿って、すなわち導電性ばねの表面に金属導電層１１６を形成してもよい。

・パリレン製の導電性ばねの評価
上述した工程で製作した導電性ばねを小型スピーカーに取りつけ、周波数発生器（テクトロニクス社製ＡＦＧ−３０２２）と小型アンプ（Ｖｅｌｌｅｍａｎ社製Ｐ２６３２）によりスピーカーを微小振動させてデバイスを外側から振動させた。パリレン製の導電性ばねで支えられた振動子をＣＣＤカメラ（ＳＯＮＹ製ＸＣ−７５）で観察することにより、振動子の振幅を測定した。また、導電性ばねの電気抵抗は、導電性ばねの端部にリード線を取付け、両端の抵抗をマルチメーター（アドバンテスト社製ＡＤ−７４５１）で測定した。

上記測定の結果、２０，３０，４０ミクロン幅の導電性ばねで支えられる振動子について、共振周波数がそれぞれ８１，１５５，２７０Ｈｚであった。これは、内部に金属導電層１１６を形成しないパリレン製のばねに対して５０〜８０％バネ定数が増加していることを示しているが、０．３ｍｍ以上の振幅で振動させることができ、実用上問題のないばねが得られることがわかった。

また、電気抵抗は１００Ω程度であり、実用に耐える値であることがわかった。

さらに、最大振幅０．３ｍｍで１０^７回以上振動させた場合でも、バネ定数、電気抵抗値の変化は小さく、耐久性も備えることがわかった。

ここで、以上の実施例１，２におけるＳＦ_６及びＣ_４Ｆ_８の高密度プラズマによるエッチング条件の概略は、以下の通りである。
装置：アルカテル社製ＡＭＳ−１００
プラズマ出力：１８００Ｗ
ガス：ＳＦ_６，Ｃ_４Ｆ_８
ボッシュプロセス
サイクロタイムＳＦ_６５秒，Ｃ_４Ｆ_８２秒

また、酸素プラズマによるエッチング条件の概略は、以下の通りである。
装置：サムコ社製ＲＩＥ−１０ＮＲ
ガス：酸素
プラズマ出力：１００Ｗ

図４には、実施例２で製作した導電性ばねの応用例が示される。図４において、基板１０は中空構造とされており、内部にエレクトレット発電装置等の素子１８が形成されている。この素子１８は、基板１０に対して導電性ばね２０により振動可能に支持されている。素子１８には、適宜な駆動回路２２から導電性ばね２０を介して駆動電力が供給され、振動駆動される構成となっている。あるいは、素子１８で発生した信号を、導電性ばね２０を介して外部に取り出す構成とすることもできる。

本発明にかかる金属導電層形成方法の一実施形態の説明図である。実施例１の工程を説明するための基板断面図である。実施例２の工程を説明するための基板断面図である。実施例２で製作した導電性ばねの応用例を示す図である。

符号の説明

１０基板、１２流路、１４連通路、１６液溜、１８素子、２０導電性ばね、２２駆動回路、１００シリコン基板、１０２酸化膜、１０４フォトレジスト、１０６溝、１０８液溜、１１０絶縁材料、１１２流路、１１４金属ナノ粒子分散液、１１６金属導電層、１１８空隙、１２０銅薄膜。

Claims

型材料にばねの形状の溝を形成する工程と、
前記溝の両壁及び底部に有機物である絶縁材料層を蒸着し、内部または表面に金属ナノ粒子分散液が流れ込む流路を有する絶縁材料構造体を形成する工程と、
前記流路に前記金属ナノ粒子分散液を毛細管現象により流し込む工程と、
前記金属ナノ粒子分散液を加熱し、金属ナノ粒子を凝集させて金属導電層を形成する工程と、
前記型材料を除去する工程と、
を備えることを特徴とする導電性ばね形成方法。
請求項１記載の導電性ばね形成方法において、前記金属ナノ粒子分散液は、前記型材料に形成した液溜から毛細管現象により前記流路に流し込むことを特徴とする導電性ばね形成方法。
請求項１または請求項２記載の導電性ばね形成方法において、前記絶縁材料がポリパラキシリレンであることを特徴とする導電性ばね形成方法。