JP5170989B2 - 導電性銅被膜の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は導電性銅被膜の製造方法に関し、詳しくはナノサイズの銅微粒子または銅酸化物微粒子の分散液を基板に塗布した後、焼成して、比抵抗値の低い導電性銅被膜を形成する方法に関する。

金属微粒子または金属酸化物微粒子の分散液を基板に塗布した後、焼成して導電性金属被膜を形成することは、電極、配線、電子回路などの作製に一般に用いられていることはよく知られているところである。

例えば、特許文献１には、平均粒子径が１〜１００ｎｍの金、銀、銅などの金属微粒子を、アミン、アルコール、チオールなどの金属微粒子と配位可能な化合物で被覆した状態で含むペーストを用いて多層配線板を製造することが記載されている。しかし、実施例に示された、上記ペーストの粘度は８０Ｐａ・ｓ程度と高く、また熱硬化物の比抵抗値も１×１０^−５Ω・ｃｍ以上と高いものである。

また、特許文献２には、金属ペーストの塗膜を真空中で仮焼した後、酸化性雰囲気として仮焼して残存する分解物残渣を酸化させて排除し、さらに還元性雰囲気下で酸化された金属を還元して本焼成することにより金属薄膜を形成することが記載されている。しかし、この方法は、真空焼却炉などの特別な装置を必要とし、またこの方法によって得られる薄膜は基板との密着性が十分でないという問題がある。

また、特許文献３には、粒子径が２００ｎｍ以下の還元可能な金属酸化物を分散させた分散体を基板に塗布した後、不活性雰囲気中、次いで還元性雰囲気中で焼成して金属被膜を形成することが記載されている。しかし、この方法によって、低温で焼成して得られる金属被膜の比抵抗値は十分低いものといえない。

特開２００２−２９９８３３号公報 特開平１０−２９４０１８号公報 特開２００４−１６４８７６号公報

本発明は、粘度の低い銅微粒子分散液を用い、これを２５０℃以下の低温で焼成することにより、比抵抗値の低い銅被膜を容易に形成し得る、新規な銅被膜の形成方法を提供することを目的とする。

本発明者らの研究によれば、上記課題は、下記発明により解決できることがわかった。
（１） 銅化合物と炭素数６〜１０のアミン化合物とを混合した後、この混合溶液に還元剤を添加し還元処理して得られる、平均粒子径が１〜１００ｎｍ、σ／Ｄ値（σ：標準偏差、Ｄ：平均粒子径）が０．２以下である銅微粒子または銅酸化物微粒子と上記アミン化合物、それに有機溶媒を含む微粒子分散液を基板に塗布した後、還元雰囲気下、２５０℃以下の温度で焼成することを特徴とする導電性銅被膜の製造方法。
（２） 有機溶媒がノルマルヘキサン、シクロヘキサン、ノルマルペンタン、ノルマルヘプタン、オクタン、デカン、ドデカン、テトラデカン、ヘキサデカン、トルエンおよびキシレンから選ばれる少なくとも一種の炭化水素である上記（１）の導電性銅被膜の製造方法。
（３） 微粒子分散液の粘度が１０〜１００ｍＰａ・ｓである上記（１）または（２）の導電性銅被膜の製造方法。

本発明の方法によれば、特殊な装置を使用することなく、比抵抗値の低い銅被膜を容易に形成することができる。また、本発明で使用する微粒子分散体は粘度が低く取扱いが容易であることから、本発明の方法は、電子回路用導電体の製造に好適である。

本発明で用いる「微粒子分散液」とは、平均粒子径が１〜１００ｎｍ、好ましくは１〜５０ｎｍ、より好ましくは２〜１０ｎｍの範囲にある銅微粒子または銅酸化物微粒子が有機溶媒に分散したものである。上記銅微粒子または銅酸化物微粒子のなかでも、粒子径が均一なもの、具体的には、平均粒子径をＤ、標準偏差をσとすると、σ／Ｄ値が０．０１〜０．５、好ましくは０．０５〜０．２の範囲にあるものが好適に用いられる。

上記微粒子分散液中の微粒子の粒子径は電界放射型透過電子顕微鏡（ＦＥ−ＴＥＭ）を用いて測定し、それに基づいて平均粒子径（Ｄ）および標準偏差（σ）を求めた。

上記有機溶媒としては、この種の金属微粒子の分散体の調製に一般に用いられているものであればいずれでも用いることができる。なかでも、２５０℃以下の焼成時に容易に揮散するものが好適に用いられる。具体的には、例えば、ノルマルヘキサン、シクロヘキサン、ノルマルペンタン、ノルマルヘプタン、オクタン、デカン、ドデカン、テトラデカン、ヘキサデカン、トルエン、キシレンなどの炭化水素類、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ヘキサノール、ヘプタノール、オクタノール、デカノール、シクロヘキサノール、２−エチル−１−ヘキサノール、エチレングリコール、ジエチレングリコール、１，２−プロパンジオール、１，４−ブタンジオール、２，３−ブタンジオール、ペンタンジオール、ヘキサンジオール、オクタンジオール、２−ジメチルアミノエタノール、２−ジエチルアミノエタノール、２−ジメチルアミノイソプロパノール、３−ジエチルアミノ−１−プロパノール、２−ジメチルアミノ−２−プロパノール、２−メチルアミノエタノール、４−ジメチルアミノ−１−ブタノールなどのアルコール類、メチルエチルケトン、アセトン、メチルイソブチルケトン、アセチルアセトンなどのケトン類などを挙げることができる。

上記微粒子分散液には、微粒子の凝集を防止するために、銅と配位可能な炭素数６〜１０のアミン化合物が用いられる。具体例としては、ヘキシルアミン、ヘプチルアミン、オクチルアミン、ノニルアミン、デシルアミン、２−エチルヘキシルアミン、１，１，３，３−テトラメチルブチルアミン、シクロヘキシルアミン、Ｎ，Ｎ−ジエチルシクロヘキシルアミン、Ｎ−メチルヘキシルアミン、Ｎ−メチルシクロヘキシルアミン、シクロヘプチルアミン、１−メチルヘプチルアミンなどを挙げることができる。なかでも、ヘキシルアミン、オクチルアミンおよび２−エチルヘキシルアミンが好適に用いられる。これらは単独でも、２種以上混合して使用してもよい。

上記有機化合物の含有量については、分散液中の銅微粒子または銅酸化物微粒子の１００質量部あたり、３０〜１５０質量部、好ましくは５０〜１００質量部とするのよい。有機化合物の含有量が少なすぎると、微粒子の凝集が起こりやすくなり、また多量に用いても、それ以上の微粒子凝集防止効果は得られず、かえって粘度が高くなるなどの問題が生じる。

上記微粒子分散液は、一般によく知られて方法により調製することができ、その調製方法は特に限定されるものではない。例えば、銅化合物とアミン化合物とを混合した後、この混合溶液に還元剤、例えば、水素、水素化ホウ素ナトリウム、ジメチルアミノボラン、アスコルビン酸、ホルムアルデヒドなどを添加して還元処理を行うことにより銅微粒子分散液が得られる。

上記微粒子分散液の粘度は、通常、１０ｍＰａ・ｓ〜１０Ｐａ・ｓであり、好ましくは１０ｍＰａ・ｓ〜１００ｍＰａ・ｓである。

特に、平均粒子径が１０ｎｍ以下、σ／Ｄ値が０．２以下である銅微粒子を、炭素数６〜１０のアミン化合物とともに、有機溶媒に分散してなる微粒子分散液は、上記のような低い粘度を有し、基板への塗布作業性に優れ、また焼成によって、低い比抵抗値を有する銅被膜を形成するので好適に用いられる。

本発明によれば、上記微粒子分散液を基板に塗布した後、還元性雰囲気中、２５０℃以下、好ましくは１５０〜２５０℃の範囲の温度で焼成する。還元性雰囲気としては、例えば、水素と窒素との混合ガスを挙げることができる。この場合、水素の濃度は０．５〜１０容量％とすれば十分である。

上記基板については、特に制限はなく、例えば、電子回路の作製に一般に用いられている基板を挙げることができる。本発明においては、２５０℃以下の温度で焼成するので、耐熱性の低いプラスチック製基板なども用いることができる。

また、上記微粒子分散液の基板への塗布方法については、インクジェット印刷方式、スクリーン印刷法、ディップコーティング法、スプレー法、スピンコーティング法、インクジェット法などの通常の塗布手段を用いることができる。本発明の微粒子分散液はインクジェット法に特に好適に用いられる。

本発明の有利な実施態様を示している以下の実施例を挙げて、本発明を更に具体的に説明する。

（実施例１）
１Ｌのガラスビーカーに酢酸銅一水和物（和光純薬工業株式会社製）１５．７ｇとオクチルアミン（和光純薬工業株式会社製）９０．６ｇとを添加し、４０℃にて１０分間攪拌混合する。次に、前記ガラスビーカーを２０℃の恒温水槽に入れ、溶解させたジメチルアミンボラン溶液を徐々に添加することにより還元処理を実施した。

還元処理後の溶液にアセトン１００ｇと水１０ｇを添加し、しばらく放置した後、ろ過により銅および有機物からなる沈殿物を分離回収した。回収物にデカンを添加して溶解させた後、ろ過して、銅微粒子４０質量％とオクチルアミン２０質量％とを含有するデカン分散液を得た。この分散液の粘度は３０ｍＰａ・ｓであった。また、この分散液をＦＥ−ＳＥＭで観察したところ、銅微粒子の平均粒子径は５ｎｍ、σ／Ｄ値は０．１５であることが確認された。

次に、ガラス板上に、上記のデカン分散液（銅微粒子分散液）を用いて、インクジェット印刷方式により印刷した。印刷後、上記ガラス板を焼成炉内に設置し、水素−窒素混合ガス（水素５容量％）を流通させながら、２００℃まで３０分で上昇させ、昇温後３０分間保持することにより銅薄膜を形成した。得られた銅薄膜の平均膜厚は２μｍ、比抵抗値は４．０μΩ・ｃｍであった。また、銅薄膜表面にテープを貼って剥がしたが、剥がれは殆ど認められなかった。

（実施例２）
１Ｌのガラスビーカーに酢酸銅一水和物（和光純薬工業株式会社製）１５．７ｇとドデシルアミン（和光純薬工業株式会社製）１３０．２ｇとを添加し、６０℃にて１０分間攪拌混合する。次に、前記ガラスビーカーを２０℃の恒温水槽に入れ、溶解させたジメチルアミンボラン溶液を徐々に添加することにより還元処理を実施した。

還元処理後の溶液にアセトン１００ｇと水１０ｇを添加し、しばらく放置した後、ろ過により銅および有機物からなる沈殿物を分離回収した。回収物にデカンを添加して溶解させた後、ろ過して、銅微粒子４０質量％とドデシルアミン２０質量％とを含有するデカン分散液を得た。この分散液の粘度は６０ｍＰａ・ｓであった。また、この分散液をＦＥ−ＳＥＭで観察したところ、銅微粒子の平均粒子径は７ｎｍ、σ／Ｄ値は０．１５であることが確認された。

次に、ガラス板上に、上記のデカン分散液（銅微粒子分散液）を用いて、インクジェット印刷方式により印刷した。印刷後、上記ガラス板を焼成炉内に設置し、水素−窒素混合ガス（水素５容量％）を流通させながら、２００℃まで３０分で上昇させ、昇温後３０分間保持することにより銅薄膜を形成した。得られた銅薄膜の平均膜厚は２μｍ、比抵抗値は８．０μΩ・ｃｍであった。

（実施例３）
１Ｌのガラスビーカーに酢酸銅一水和物（和光純薬工業株式会社製）１５．７ｇと２−エチルヘキシルアミン（和光純薬工業株式会社製）１００．５ｇとを添加し、３０℃にて１０分間攪拌混合する。次に、前記ガラスビーカーを２０℃の恒温水槽に入れ、溶解させたジメチルアミンボラン溶液を徐々に添加することにより還元処理を実施した。

還元処理後の溶液にアセトン１００ｇと水１０ｇを添加し、しばらく放置した後、ろ過により銅および有機物からなる沈殿物を分離回収した。回収物にテトラデカンを添加して再溶解させた後、ろ過して、銅微粒子４０質量％と２−エチルヘキシルアミン２０質量％とを含有するデカン分散液を得た。この分散液の粘度は４０ｍＰａ・ｓであった。また、この分散液をＦＥ−ＳＥＭで観察したところ、銅微粒子の平均粒子径は５ｎｍ、σ／Ｄ値は０．１５であることが確認された。

次に、ガラス板上に、上記のデカン分散液（銅微粒子分散液）を用いて、インクジェット印刷方式により印刷した。印刷後、上記ガラス板を焼成炉内に設置し、水素−窒素混合ガス（水素５容量％）を流通させながら、２００℃まで３０分で上昇させ、昇温後３０分間保持することにより銅薄膜を形成した。得られた銅薄膜の平均膜厚は２μｍ、比抵抗値は６．０μΩ・ｃｍであった。また、銅薄膜表面にテープを貼って剥がしたが、剥がれは殆ど認められなかった。

（実施例４）
１Ｌのガラスビーカーに酢酸銅一水和物（和光純薬工業株式会社製）１５．７ｇと１，１，３，３−テトラメチルブチルアミン（和光純薬工業株式会社製）８０．２ｇとを添加し、３０℃にて１０分間攪拌混合する。次に、前記ガラスビーカーを２０℃の恒温水槽に入れ、溶解させたジメチルアミンボラン溶液を徐々に添加することにより還元処理を実施した。

還元処理後の溶液にアセトン１００ｇと水１０ｇを添加し、しばらく放置した後、ろ過により銅および有機物からなる沈殿物を分離回収した。回収物にテトラデカンを添加して再溶解させた後、ろ過して、銅微粒子４０質量％と１，１，３，３−テトラメチルブチルアミン２０質量％とを含有するテトラデカン分散液を得た。この分散液の粘度は４０ｍＰａ・ｓであった。また、この分散液をＦＥ−ＳＥＭで観察したところ、銅微粒子の平均粒子径は５ｎｍ、σ／Ｄ値は０．１５であることが確認された。

次に、ガラス板上に、上記のデカン分散液（銅微粒子分散液）を用いて、インクジェット印刷方式により印刷した。印刷後、上記ガラス板を焼成炉内に設置し、水素−窒素混合ガス（水素５容量％）を流通させながら、２００℃まで３０分で上昇させ、昇温後３０分間保持することにより銅薄膜を形成した。得られた銅薄膜の平均膜厚は２μｍ、比抵抗値は７．０μΩ・ｃｍであった。

Claims (3)

1. 銅化合物と炭素数６〜１０のアミン化合物とを混合した後、この混合溶液に還元剤を添加し還元処理して得られる、平均粒子径が１〜１００ｎｍ、σ／Ｄ値（σ：標準偏差、Ｄ：平均粒子径）が０．２以下である銅微粒子または銅酸化物微粒子と上記アミン化合物、それに有機溶媒を含む微粒子分散液を基板に塗布した後、還元雰囲気下、２５０℃以下の温度で焼成することを特徴とする導電性銅被膜の製造方法。
2. 有機溶媒がノルマルヘキサン、シクロヘキサン、ノルマルペンタン、ノルマルヘプタン、オクタン、デカン、ドデカン、テトラデカン、ヘキサデカン、トルエンおよびキシレンから選ばれる少なくとも一種の炭化水素である請求項１記載の導電性銅被膜の製造方法。
3. 微粒子分散液の粘度が１０〜１００ｍＰａ・ｓである請求項１または２に記載の導電性銅被膜の製造方法。