JP5260923B2 - 微細なパターン形状を有する金属ナノ粒子焼結体層の形成方法 - Google Patents
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Description
基板上に、金属ナノ粒子相互の焼結体層からなる微細なパターン形状を有する導電層を形成する方法であって、
平均粒子径を1〜100nmの範囲に選択する、金属ナノ粒子を含有する分散液を用いて、目的とする微細なパターン形状を有する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金属ナノ粒子の焼成処理を行って、微細なパターン形状を有する金属ナノ粒子焼結体層を基板上に形成する工程を有し;
前記分散液中に含有される、金属ナノ粒子は、該金属ナノ粒子表面の金属原子に対して、アミノ基の窒素原子上の孤立電子対を利用して配位的な結合が可能な沸点150℃以上のアルキルアミンにより、表面を被覆されており、
前記アルキルアミンにより表面を被覆されている金属ナノ粒子は、沸点150℃以上の炭化水素溶媒中に分散されており、
該分散液中に、前記沸点150℃以上の炭化水素は、金属ナノ粒子100質量部当たり、10質量部〜100質量部の範囲で含有されており;
前記金属ナノ粒子の焼成処理は、
加熱温度を、150℃以上、300℃以下の範囲に選択して、
水素ガス、または水素ガスと不活性気体との混合気体からなる還元性雰囲気下で実施する
ことを特徴とする微細パターンの金属ナノ粒子焼結体層を形成する方法である。
金、銀、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、オスミウムの金属種の群から選択される、一種の金属からなるナノ粒子、または、二種以上の金属種からなる合金のナノ粒子であることが好ましい。
水素ガス、または水素ガスと不活性気体との混合気体を所定の流速で流し、
非加圧の還元性雰囲気下で、加熱がなされている形態を選択することが望ましい。
加熱した際、水素原子の供給源として機能を有する、ロジン誘導体が、金属ナノ粒子100質量部当たり、0.5質量部〜5質量部の範囲で含有されていることが好ましい。その際、前記分散液中には、前記ロジン誘導体として、
アビエチン酸、ネオアビエチン酸、パラストリン酸、レボピマール酸、ピマール酸、イソピマール酸、サンダラコピマール酸、デヒドロアビエチン酸、アクリル化ロジン、マレイン化ロジン、重合ロジン、水添ロジンのうち少なくとも一種類以上の化合物が含有されている形態を選択することが、より好ましい。
前記基板は、金属材料で形成される表面を有し、
該金属材料の表面には、該金属材料の酸化物を含んでなる酸化被膜が形成され、
前記酸化被膜に含まれる該金属材料の酸化物は、塩基性の金属酸化物であり、
前記ロジン誘導体を利用するフラックス処理によって、前記塩基性の金属酸化物の除去が可能である形態とすることが可能である。
Cabsorb(T)/Csol(T)=Kabsorb・exp{ΔEabsorb/(kT)}
で近似的に記述可能な平衡状態となっている。
Ceq。(T)/Ceq。(T0)=exp{−ΔEsol./(kT)}/exp{−ΔEsol./(kT0)}
で記述可能な温度依存性を示す。
Csol(T)/Csol(T0)={Pvapor(T)/Pvapor(T0)}・exp{ΔEvol./(kT)}/exp{ΔEvol./(kT0)}
で記述可能な温度依存性を示す。
この加熱状態において、残余する液相部分の総量:Vtotal(T2)を、少なくとも、塗布層に存在する金属ナノ粒子全体を浸漬している状態とすることが望ましい。その際、分散溶媒の残余量は、塗布層に存在する金属ナノ粒子全体の隙間を充填可能な量であることが望ましい。従って、利用される分散液中には、1気圧における沸点150℃以上の炭化水素溶媒、通常、1気圧における沸点150℃以上、300℃以下の、好ましくは、沸点200℃以上、300℃以下の炭化水素溶媒を、分散溶媒として含有させる。該炭化水素溶媒が、金属ナノ粒子100質量部当たり、少なくとも、10質量部〜100質量部の範囲、好ましくは、20質量部〜100質量部の範囲、より好ましくは、20質量部〜80質量部の範囲で含まれることが望ましい。
一方、分散溶媒中には、金属ナノ粒子の被覆剤分子として利用される、アルキルアミン、例えば、モノアルキルアミン(R’−NH2)が溶解している。このアルキルアミン(R’−NH2)は、金属原子Mに対する配位よりも、金属イオンM2+に対する配位を遥かに起し易い。従って、前記のカルボン酸の塩基性金属塩に対して、アルキルアミン(R’−NH2)が作用して、例えば、下記のようアミン錯体を生成する。
上記のアミン錯体を構成すると、分散溶媒中への溶解がより容易になる。その際、分散溶媒中に溶解している、アルキルアミン(R’−NH2)自体の濃度は低下するため、金属ナノ粒子の金属表面の金属原子に配位的に結合しているアルキルアミン(R’−NH2)の解離が促進される。
従って、炭化水素溶媒中に添加されているロジン誘導体は、金属表面に残留する酸化被膜を除去するために利用される、フラックス成分の機能に加えて、上記の機構を介して、金属ナノ粒子の表面を被覆する被覆剤分子、アルキルアミンの離脱を促進する機能をも発揮する。
銀ナノ粒子原料として、市販されている銀の超微粒子分散液(商品名:独立分散超微粒子Ag1T アルバックマテリアル製)、具体的には、銀超微粒子35質量部、アルキルアミンとして、ドデシルアミン(分子量185.36、融点28.3℃、沸点248℃、比重d4 40=0.7841)7質量部、有機溶剤として、トルエン(沸点110.6℃、比重d4 20=0.867)58質量部を含む、平均粒子径3nmの銀超微粒子の分散液を利用した。なお、該銀超微粒子分散液の液粘度は、1 mPa・s(20℃)である。
実施例1に記載する手順に従って、アビエチン酸を添加している銀ナノ粒子分散液(銀ナノ粒子インク)を塗布し、インクジェット描画パターンを作製する。描画直後、銀ナノ粒子分散液の塗布層の層厚は、約20μmであった。この銅板上に形成されたインクジェット描画パターンをホットプレート上に設置し、空気中にて、加熱温度220℃で、10分間保持する。次いで、加熱温度270℃で、1分間保持し、常温まで、10分間をかけて、降温する。
実施例1に記載する手順に従って、アビエチン酸を添加している銀ナノ粒子分散液(銀ナノ粒子インク)を塗布し、インクジェット描画パターンを作製する。描画直後、銀ナノ粒子分散液の塗布層の層厚は、約20μmであった。
銀ナノ粒子原料として、市販されている銀の超微粒子分散液(商品名:独立分散超微粒子Ag1T アルバックマテリアル製)、具体的には、銀超微粒子35質量部、アルキルアミンとして、ドデシルアミン(分子量185.36、融点28.3℃、沸点248℃、比重d4 40=0.7841)7質量部、有機溶剤として、トルエン(沸点110.6℃、比重d4 20=0.867)58質量部を含む、平均粒子径3nmの銀超微粒子の分散液を利用した。なお、該銀超微粒子分散液の液粘度は、1 mPa・s(20℃)である。
比較例3に作製した銀ナノ粒子分散液(銀ナノ粒子インク)を用いて、銅板上に、インクジェット装置を用いて、銀ナノ粒子分散液(銀ナノ粒子インク)を塗布し、パッドパターンを描画する。この描画直後、銀ナノ粒子分散液の塗布層の層厚は、約20μmであった。従って、該銀ナノ粒子分散液(銀ナノ粒子インク)中には、ロジン誘導体は添加されていない。
Claims (12)
- 基板上に、金属ナノ粒子相互の焼結体層からなる微細なパターン形状を有する導電層を形成する方法であって、
平均粒子径を1〜100nmの範囲に選択する、金属ナノ粒子を含有する分散液を用いて、目的とする微細なパターン形状を有する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金属ナノ粒子の焼成処理を行って、微細なパターン形状を有する金属ナノ粒子焼結体層を基板上に形成する工程を有し;
前記分散液中に含有される、金属ナノ粒子は、該金属ナノ粒子表面の金属原子に対して、アミノ基の窒素原子上の孤立電子対を利用して配位的な結合が可能な沸点150℃以上のアルキルアミンにより、表面を被覆されており、
前記アルキルアミンにより表面を被覆されている金属ナノ粒子は、沸点150℃以上の炭化水素溶媒中に分散されており、
該分散液中に、前記沸点150℃以上の炭化水素は、金属ナノ粒子100質量部当たり、10質量部〜100質量部の範囲で含有されており;
前記金属ナノ粒子の焼成処理は、
加熱温度を、150℃以上、300℃以下の範囲に選択して、
水素ガス、または水素ガスと不活性気体との混合気体からなる還元性雰囲気下で実施しており;
前記金属ナノ粒子の焼成処理工程において、
水素ガス、または水素ガスと不活性気体との混合気体を所定の流速で流し、
非加圧の還元性雰囲気下で、加熱がなされており;
前記金属ナノ粒子の焼成処理工程に用いる、還元性雰囲気中の水素ガスの含有率は、
1体積%〜100体積%の範囲に選択されており、
前記平均粒子径を1〜100nmの範囲に選択する、金属ナノ粒子は、平均粒子径が1〜20nmの範囲の金属ナノ粒子であり;
前記沸点150℃以上の炭化水素の沸点T s-b は、150℃以上300℃以下の範囲に選択され;
前記沸点150℃以上のアルキルアミンの沸点T c-b は、150℃以上300℃以下の範囲に選択され;
前記金属ナノ粒子の焼成処理工程は、前半の過程と後半の過程の二つの部分過程で構成され、
前記前半の過程における加熱温度T 2 は、150℃以上、300℃以下の範囲中、前記沸点150℃以上の炭化水素溶媒の沸点T s-b 以下の範囲に選択され(150℃≦T 2 ≦T s-b ≦300℃)、
前記後半の過程における加熱温度T 3 は、150℃以上、300℃以下の範囲中、前記沸点150℃以上のアルキルアミンの沸点T c-b 以上の範囲に選択され(150℃≦T c-b ≦T 3 ≦300℃)、
少なくとも、前記前半の過程における加熱温度T 2 と前記後半の過程における加熱温度T 3 は、150℃≦T 2 <T 3 ≦300℃となるように選択されており;
前記分散液中には、
加熱した際、水素原子の供給源として機能を有する、ロジン誘導体が、金属ナノ粒子100質量部当たり、0.5質量部〜5質量部の範囲で含有されており、
前記基板は、金属材料で形成される表面を有し、
該金属材料の表面には、該金属材料の酸化物を含んでなる酸化被膜が形成され、
前記酸化被膜に含まれる該金属材料の酸化物は、塩基性の金属酸化物であり、
前記ロジン誘導体を利用するフラックス処理によって、前記塩基性の金属酸化物の除去が可能である
ことを特徴とする微細パターンの金属ナノ粒子焼結体層を形成する方法。 - 分散液中に含有される、金属ナノ粒子が、
金、銀、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、オスミウムの金属種の群から選択される、一種の金属からなるナノ粒子、または、二種以上の金属種からなる合金のナノ粒子である
ことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 前記前半の過程における加熱温度T2と、前記沸点150℃以上の炭化水素溶媒の沸点Ts-bとの温度差:(Ts-b−T2)を、10℃〜50℃の範囲に選択する
ことを特徴とする請求項1または2に記載の方法。 - 前記金属ナノ粒子の焼成処理工程に用いる、還元性雰囲気中の水素ガスの含有率は、
2体積%〜100体積%の範囲に選択されている
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。 - 前記水素ガスと不活性気体との混合気体中において、利用される前記不活性気体は、
窒素、ヘリウム、アルゴン、クリプトン、キセノン、あるいは、それらの二種以上を混合したものである
ことを特徴とする請求項3なたは4に記載の方法。 - 前記分散液中には、前記ロジン誘導体として、
アビエチン酸、ネオアビエチン酸、パラストリン酸、レボピマール酸、ピマール酸、イソピマール酸、サンダラコピマール酸、デヒドロアビエチン酸、アクリル化ロジン、マレイン化ロジン、重合ロジン、水添ロジンのうち少なくとも一種類以上の化合物が含有されている
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。 - 前記分散液中には、
加熱した際、水素原子の供給源として機能を有する、ロジン誘導体が、金属ナノ粒子100質量部当たり、0.7質量部〜3質量部の範囲で含有されている
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。 - 前記基板は、銅、あるいは銅系合金で形成される表面を有している
ことを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の方法。 - 前記基板上に形成される、金属ナノ粒子相互の焼結体層からなる微細なパターン形状を有する導電層の一部は、ワイヤボンディング・パッドとして使用される
ことを特徴とする請求項1〜8のいずれか一項に記載の方法。 - ワイヤボンディング・パッドとして使用される、金属ナノ粒子相互の焼結体層の部分は、該焼結体層の膜厚を0.5μm〜10μmの範囲に選択する
ことを特徴とする請求項9に記載の方法。 - 前記前半の過程における加熱温度T2と前記後半の過程における加熱温度T3は、200℃≦T2<T3≦300℃となるように選択されている
ことを特徴とする請求項1〜10のいずれか一項に記載の方法。 - 前記沸点150℃以上のアルキルアミンの沸点Tc-bを、前記沸点150℃以上の炭化水素溶媒の沸点Ts-bより低く選択し(Tc-b<Ts-b)、
前記前半の過程における加熱温度T2と前記後半の過程における加熱温度T3は、200℃≦Tc-b≦T2≦Ts-b≦T3≦300℃となるように選択されている
ことを特徴とする請求項1〜11のいずれか一項に記載の方法。
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