JP5924609B2 - 金属薄膜の製造方法及び導電構造の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属薄膜の製造方法及び導電構造に関する。本発明は、特に、金属ナノ粒子を分散させた導電インクを用いて形成される金属薄膜であって、配線、薄膜トランジスタの集積回路等の作製に好適な金属薄膜に関する。

近年、電子デバイスの分野において、印刷技術を利用したプリンテッドエレクトロニクスが注目されている。その中でも、塗布によって配線を形成することができる導電インクは、従来の真空プロセスに比べて、大幅な低コスト化及び環境負荷の低減が図られることから、産業的に非常に重要な技術として位置付けられ、活発な材料開発が進められている。

従来の導電インクの例は、マイクロメートルオーダーの金属粒子とバインダー樹脂とを溶剤に混ぜ込んで得られた金属ペーストである。金属ペーストは、プリント基板等のエレクトロニクス製品の中で広く使われている。しかしながら、金属ペーストは、導電性を発現させるために２００〜３００℃で焼成しなければならない。このため、より低温で高い導電性を発現させることが課題となっている。さらに、金属ペーストの粘度は高いので、インクジェット印刷のような特定の印刷方法には従来の金属ペーストを使用できない。

これらの課題を解決するべく、近年、１５０℃以下の焼成により、１０^-5Ω・ｃｍ以下の高い導電性を発現し得る金属ナノ粒子インクが開発されつつある。このインクに含まれた金属ナノ粒子は、ナノ粒子化した金属を界面活性剤となる有機保護分子で被覆した構造を有しており、有機保護分子の働きにより、種々の有機溶媒に比較的安定に分散させることができる。有機保護分子の一部は、室温でも金属ナノ粒子から脱離する。そのため、金属ナノ粒子同士が焼結されやすく、低温で焼結させても高い導電性を発現する。このような特徴を有する金属ナノ粒子を使用すれば、耐熱温度が低いプラスチックフィルム上にも、低温プロセスで電子回路を形成することが可能である。

一方、このような導電インクを電子回路の配線の形成に用いる場合、配線と基板との密着性が製品の信頼性を保証する上で重要である。従来の金属ペーストは、配線と基板との密着性を向上させる分子構造を持ったバインダー樹脂を含有しており、強固な密着性を付与することができる。また、従来の金属ペーストは、高い温度で焼成できるため、配線と基板とをより密着させやすいという特徴を有する。これに対して、金属ナノ粒子は、含有する有機保護分子の量が少ないため、低温で高い導電性が発現する反面、配線と基板との密着性を高めることが難しい。信頼性の高い配線を形成するためには、金属ナノ粒子を用いて形成された配線と基板との密着性の改善が課題となっている。

金属ナノ粒子インクを用いて形成された金属薄膜と基板との密着性を高めるために、種々の検討が重ねられ、いくつかの提案がなされている。例えば、特許文献１には、レーザー光を照射しながら金属ナノ粒子インクを焼成する方法が記載されている。また、特許文献２には、シランカップリング剤で表面処理したガラス基板上に金属微粒子ペーストによる薄膜を形成することが記載されている。また、特許文献３には、金属ナノ粒子に線状エポキシ樹脂を含有させることが記載されている。

特許第５１０８６２８号公報 特開２００４−１７５６４６号公報 特開２０１０−１１８１６８号公報

しかしながら、特許文献１に記載された方法は、基板へのダメージを抑制するための厳密な制御が難しいため、微細配線の形成に適していない。特許文献２に記載された方法を適用可能な基板は、ガラス基板のようにシランカップリング剤と結合可能な材料で作られた基板に限定される。そのため、より汎用的な方法が望まれている。特許文献３に記載された金属ナノ粒子インクは、基板との結合力の高いバインダー樹脂を含有する。そのため、特許文献３に記載された方法は、金属薄膜と基板との密着性を向上させると推測される反面、バインダー樹脂による金属薄膜の導電性の低下が懸念される。

このため、金属ナノ粒子インクを用いた金属薄膜の形成において、金属薄膜と基板との密着性を向上させることが求められている。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、金属ナノ粒子インクを用いて形成される金属薄膜と基板との密着性を向上させるための技術を提供することを目的とする。

すなわち、本発明は、
絶縁性樹脂で形成された下地層を有する基板を準備する工程と、
前記下地層の表面に、前記絶縁性樹脂を構成する有機分子の結合を切断する物理的表面処理を施す工程と、
前記基板を２００℃以下の温度で加熱処理する工程と、
前記下地層に金属ナノ粒子インクを塗布する工程と、
前記下地層のガラス転移点以上の温度で前記金属ナノ粒子インクに含まれた金属ナノ粒子を焼結させる工程と、
をこの順で含む、金属薄膜の製造方法を提供する。

他の側面において、本発明は、
絶縁性樹脂で形成された下地層を有する基板と、
前記下地層に支持された金属薄膜と、
前記下地層と前記金属薄膜との間に形成された厚さ１００ｎｍ以下の融着層と、
を備え、
前記金属薄膜は、上記の方法によって形成されている、導電構造を提供する。

上記の方法によれば、金属ナノ粒子インクによる金属薄膜と基板との密着性を向上させることができる。したがって、本発明の方法により形成された金属薄膜は、配線の信頼性を向上させる。特に、機械的ストレスに対する配線の安定性が改善される。

上記の導電構造は、下地層と金属薄膜との間に形成された厚さ１００ｎｍ以下の融着層を含む。融着層は、下地層と金属薄膜との密着性を向上させる。

本発明の一実施形態に係る導電構造の概略断面図である。 図１Ａに示す導電構造を含む薄膜トランジスタの概略断面図である。 実施例１２の導電構造の断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像である。 比較例５の導電構造の断面のＳＥＭ像である。 参考例５の導電構造の断面の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）像である。 図４の部分拡大図である。 参考例６の導電構造の断面のＴＥＭ像である。 参考例７の導電構造の断面のＴＥＭ像である。 参考例５の導電構造の深さ方向におけるＡｇ及びＣの原子濃度を示すグラフである。 引き剥がし試験の方法を示す図である。 引き剥がし試験後の参考例５の特定領域の表面ＳＥＭ像である。 引き剥がし試験後の参考例５の特定領域の表面ＥＤＳ像である。 引き剥がし試験後の参考例５の特定領域におけるＡｇの濃度の分布を示すヒストグラムである。 引き剥がし試験後の参考例６の特定領域の表面ＳＥＭ像である。 引き剥がし試験後の参考例６の特定領域の表面ＥＤＳ像である。 引き剥がし試験後の参考例６の特定領域におけるＡｇの濃度の分布を示すヒストグラムである。 引き剥がし試験後の参考例７の特定領域の表面ＳＥＭ像である。 引き剥がし試験後の参考例７の特定領域の表面ＥＤＳ像である。 引き剥がし試験後の参考例７の特定領域におけるＡｇの濃度の分布を示すヒストグラムである。 Ａｇの濃度の平均値と融着層の厚さとの関係を表すグラフである。 実施例２０の導電構造の断面のＴＥＭ像である。 Ａｇ薄膜と下地層との界面近傍の領域におけるＡｇについてのＥＤＳ像である。 引き剥がし試験後の実施例２０の特定領域の表面ＳＥＭ像である。 引き剥がし試験後の実施例２０の特定領域の表面ＥＤＳ像である。 引き剥がし試験後の実施例２０の特定領域におけるＡｇの濃度の分布を示すヒストグラムである。 引き剥がし試験後の実施例２１の特定領域の表面ＳＥＭ像である。 引き剥がし試験後の実施例２１の特定領域の表面ＥＤＳ像である。 引き剥がし試験後の実施例２１の特定領域におけるＡｇの濃度の分布を示すヒストグラムである。 引き剥がし試験後の実施例２２の特定領域の表面ＳＥＭ像である。 引き剥がし試験後の実施例２２の特定領域の表面ＥＤＳ像である。 引き剥がし試験後の実施例２２の特定領域におけるＡｇの濃度の分布を示すヒストグラムである。

以下、本発明について、より詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されない。

図１Ａに示すように、本実施形態の導電構造１０は、基板１、下地層２及び金属薄膜３を備えている。下地層２は、基板１（基材）の上に形成された層であり、絶縁性樹脂で作られている。金属薄膜３（薄膜電極）は、下地層２の表面に金属ナノ粒子インクを塗布し、インクに含まれた金属ナノ粒子を焼結させることによって形成された層（焼結層）である。下地層２と金属薄膜３との間には、融着層４が形成されている。融着層４は、下地層２を構成する絶縁性樹脂と金属薄膜３を構成する金属原子とを含む層である。融着層４は、下地層２と金属薄膜３との密着性を向上させる働きを持っている。以下、導電構造１０の製造方法を詳細に説明する。

まず、基板１を準備する。基板１の材料は特に限定されるものではなく、ガラス、セラミックス、金属等の無機材料であってもよいし、樹脂等の有機材料であってもよい。本実施形態では、金属ナノ粒子インクを用いて金属薄膜３が形成される。インクに含まれた金属ナノ粒子は、低温で十分に焼結されうる。本実施形態では、必要な全ての加熱処理の温度が２００℃以下でありうる。そのため、基板１として、耐熱温度が低い樹脂フィルム等を使用することも可能である。基板１は、樹脂フィルムのように、フレキシブルな基板であってもよい。

基板１が樹脂フィルムの場合においても、基板１の上に下地層２を形成することは有効である。下地層２を形成することによって、金属ナノ粒子インクを塗布するべき面の平坦性及び／又は濡れ性を改善することができる。基板１も下地層２も樹脂で作られている場合、両者の密着性は良好である。ただし、基板１が樹脂フィルムである場合、基板１の表層部分を下地層２とみなすことができる。この場合、基板１の上に下地層２を別途形成することは必須ではない。

次に、基板１の上に下地層２を形成する。下地層２は、絶縁性樹脂を含む塗布液を基板１に塗布し、得られた塗膜を乾燥させることによって形成されうる。塗布液は、例えば、絶縁性樹脂を適切な溶媒（典型的には有機溶媒）に溶解させることによって得られる。溶媒の種類は特に限定されない。溶媒として、トルエン、キシレン、メシチレン、デカヒドロナフタレン、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、アニソール、γ−ブチロラクトン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、トリクロロベンゼン、テトラリン、１−メチルナフタレン、１，４−ジイソプロピルベンゼン、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、プロピレングリコール１−モノメチルエーテル２−アセタート、酢酸ブチル等が挙げられる。基板１を加熱することによって塗膜を乾燥させてもよいし、室温で塗膜を乾燥させてもよい。塗膜を乾燥させるときの加熱温度（環境温度）は、例えば、３０〜２００℃の範囲にある。基板１が樹脂フィルムであるとき、加熱温度は基板１の耐熱温度未満に設定される。塗膜を乾燥させる工程は、大気中で行ってもよいし、窒素ガス、希ガスなどの不活性ガス中で行ってもよい。また、絶縁性樹脂フィルムを基板１に貼り合わせることによって、基板１の上に下地層２を形成することもできる。

下地層２を構成する絶縁性樹脂は、基板１に塗布可能なものであれば、特に限定されるものではない。絶縁性樹脂として、例えば、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、ポリビニルフェノール（ＰＶＰ）、ポリスチレン、ポリビニルアルコール、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリアリレート、ポリアミド、熱可塑性フッ素樹脂等の熱可塑性樹脂が挙げられる。熱可塑性フッ素樹脂として、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、クロロトリフルオエチレン−エチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）等が挙げられる。また、非晶質の熱可塑性フッ素樹脂も使用できる。非晶質の熱可塑性フッ素樹脂としては、例えば、旭硝子社から入手可能なサイトップ（登録商標）、三井デュポンフロロケミカル社から入手可能なテフロン（登録商標）ＡＦが挙げられる。下地層２を構成する絶縁性樹脂として、これらの熱可塑性樹脂から選ばれる１種を単独で使用してもよいし、これらの熱可塑性樹脂から選ばれる２種以上を含むポリマーアロイを使用してもよい。また、樹脂の分子構造中にＯＨ基を多く含むものがより好ましい。

下地層２は、２００℃以下のガラス転移点Ｔｇを有することが好ましい。下地層２のガラス転移点Ｔｇは、下地層２を構成する材料のガラス転移点Ｔｇを意味する。本実施形態では、下地層２のガラス転移点Ｔｇは、下地層２を構成する絶縁性樹脂のガラス転移点Ｔｇを意味する。すなわち、下地層２に用いられる絶縁性樹脂は、２００℃以下のガラス転移点Ｔｇを有することが好ましい。ガラス転移点Ｔｇが２００℃以下である絶縁性樹脂を用いることにより、２００℃以下の温度での基板１の加熱処理で、下地層２の表面を、下地層２の上に塗布される金属ナノ粒子インクとの密着性が高い状態とすることができる。絶縁性樹脂のガラス転移点Ｔｇは、例えば、４０〜２００℃の範囲にある。先に説明したように、下地層２を構成する絶縁性樹脂は、ガラス転移点Ｔｇが互いに異なる複数の種類の絶縁性樹脂の混合物であってもよい。

なお、絶縁性樹脂のガラス転移点Ｔｇは、日本工業規格（ＪＩＳ）Ｋ７１２１（２０１２）に規定された「プラスチックの転移温度測定方法」に準拠して測定されうる。本明細書では、ガラス転移点Ｔｇは、ＪＩＳ Ｋ７１２１に規定された中間点ガラス転移温度Ｔｍｇを意味する。

下地層２を形成するための塗布液を基板１に塗布する方法は特に限定されない。公知のコーティング方法及び印刷方法によって塗布液を基板１に塗布することができる。コーティング方法としては、スピンコート、バーコート、スプレーコート等が挙げられる。印刷方法としては、スクリーン印刷、グラビアオフセット印刷、凸版反転印刷、インクジェット印刷等が挙げられる。コーティング方法及び印刷方法は、各種のコーティング装置及び印刷装置を使用して実施できる。

下地層２の厚さは、１００ｎｍ以上であることが好ましい。厚さが１００ｎｍ以上であると、基板１と下地層２との密着性を確保しやすい。そのため、下地層２の上に形成される金属薄膜３と基板１との密着性を十分に高めることが可能である。また、本実施形態においては、下地層２と金属薄膜３との界面で融着が起こる。言い換えれば、下地層２と金属薄膜３との間に融着層４が形成される。融着層４が形成されることによって、金属薄膜３の強固な密着性が発現する。したがって、融着層４を十分確保する観点からも、下地層２の厚さは１００ｎｍ以上であることが好ましい。下地層２を形成後、強い物理的表面処理を下地層２に施す場合には、下地層２が削られる可能性がある。したがって、下地層２は、物理的表面処理による厚さの減少分を考慮して形成されることが好ましい。一方、配線の抵抗値の大幅な上昇や断線等を招かず、下地層２の表面の平坦性が大幅に損なわれない限り、下地層２の厚さの上限値は特に限定されない。下地層２の厚さの上限値は、例えば、１０μｍである。

次に、下地層２の表面に物理的表面処理を施す。物理的表面処理を下地層２の表面に施す工程は、下地層２を形成する工程と金属ナノ粒子インクを塗布する工程との間に行われる任意の工程でありうる。物理的表面処理を行うことによって、金属薄膜３の密着性をさらに向上させることができる。具体的に、下地層２の表面に施す物理的表面処理は、絶縁性樹脂を構成する有機分子の結合を切断するための処理でありうる。物理的表面処理を行って下地層２の表層部分を形成する有機分子の結合を切断すると、下地層２の表面の濡れ性が向上し、その結果、金属薄膜３の密着性が向上すると推測される。

詳細には、物理的表面処理は、２００〜１０００ｋＪ／ｍｏｌの結合エネルギーの結合を切断するための処理でありうる。絶縁性樹脂を構成する有機分子のこのような比較的弱い結合のみを切断する処理を下地層２の表面に施すことにより、下地層２の表面の平坦性を保持したまま、下地層２の表面の濡れ性を高めることができる。また、下地層２の上に塗布される金属ナノ粒子インクと下地層２との密着性の向上を図ることができる。

物理的表面処理は、例えば、プラズマ処理、紫外線照射処理及び紫外線オゾン処理からなる群より選ばれる少なくとも１つの処理を含む。このような処理方法によれば、上記のような比較的弱い結合のみを切断するように物理的表面処理の条件を調整することが容易である。また、下地層２の表面の平坦性を損なわない程度の強さで物理的表面処理を行って分子結合を切断することが可能である。プラズマ処理としては、酸素プラズマ処理、アルゴンプラズマ処理、窒素プラズマ処理等が挙げられる。物理的表面処理の実施時間は、例えば、１０秒〜５分である。１０秒以上であれば物理的表面処理の効果が得られる。プラズマが安定化するために１５秒程度の時間が必要であることから、実施時間を３０秒程度に設定することがプラズマ処理による効果を面内で均一に得る観点から望ましい。

物理的表面処理の後、下地層２を有する基板１を加熱処理する。この工程は、物理的表面処理を施す工程と金属ナノ粒子インクを塗布する工程との間に行われる任意の工程でありうる。本工程における加熱温度（環境温度）は、例えば、２００℃以下である。物理的表面処理に続いて加熱処理（アニール処理）を行うことによって、分子レベルでの下地層２の表面の親液性が向上し、下地層２の上に塗布する金属ナノ粒子インクの表面と下地層２との接着面積が増加し、下地層２と金属薄膜３との密着性が向上すると考えられる。また、物理的表面処理を行うと、下地層２の表面がチャージアップする可能性がある。加熱処理によって下地層２の表面の電荷を除去すると、下地層２の表面の濡れ性が向上し、その結果として、金属薄膜３の密着性がさらに向上する可能性もある。

物理的表面処理後の加熱処理においては、下地層２のガラス転移点Ｔｇ以下の温度で下地層２の表面をアニールすることが好ましい。そのような温度でアニール処理を行うことによって、下地層２と金属薄膜３との密着性をさらに向上させることができる。加熱処理の温度（アニール温度）の下限値は特に限定されない。下限値は、例えば、３０℃であり、好ましくは５０℃である。アニール温度は、下地層２のガラス転移点Ｔｇよりも１０℃程度低い温度とすることがより好ましい。例えば、下地層２のガラス転移点Ｔｇよりも１０〜５０℃低い温度でアニール処理を行うことができる。アニール処理の時間は、例えば、３０秒〜６０分程度である。アニール処理は、大気中で行ってもよいし、窒素ガス、希ガスなどの不活性ガス中で行ってもよい。

アニール処理を行った後かつ金属ナノ粒子インクを塗布する前において、下地層２の表面の表面エネルギー（表面自由エネルギー）は、１５ｍＮ／ｍ以上であることが好ましい。下地層２は、基板１と下地層２との密着性を確保しつつ、下地層２の上に塗布される金属ナノ粒子インクと下地層２との高い密着性を得るために、上記範囲の表面エネルギーを有していることが好ましい。表面エネルギーの上限値は特に限定されない。上限値は、例えば、８０ｍＮ／ｍである。

下地層２の表面エネルギーは、公知の方法によって測定することができる。具体的には、表面エネルギーが既知の２種類の液（一般的には水とヨウ化メチレン）を下地層２の表面に滴下し、接触角計を用いて接触角を測定する。接触角の測定結果からOwens-Wendt法等を用いて表面エネルギーを算出できる。

加熱処理後、下地層２の表面に金属ナノ粒子インクを塗布する。金属ナノ粒子インクに用いられる金属ナノ粒子には、金属薄膜３を形成するものであるため、導電性の高いナノ粒子が使用される。金属ナノ粒子には、例えば、金、銀、銅等の金属のナノ粒子が好適に用いられる。金属ナノ粒子インクとして、公知のインクを使用することができる。具体的に、金属ナノ粒子インクに含まれた金属ナノ粒子の平均粒径は、例えば、５〜５００ｎｍの範囲にある。金属ナノ粒子インクの室温（２５℃）における粘度は、例えば、１００ｍＰａ・ｓ以下であり、典型的には、１〜１００ｍＰａ・ｓの範囲にある。金属ナノ粒子インクの粘度がこのような範囲にあれば、金属ナノ粒子インクを下地層２に塗布する方法が制限されにくい。従来の金属ペーストの粘度は、通常、１００ｍＰａ・ｓよりも遥かに高い。

金属ナノ粒子の平均粒径は、以下の方法で算出できる。まず、金属ナノ粒子を電子顕微鏡（ＳＥＭ又はＴＥＭ）で観察する。得られた像における特定の金属ナノ粒子の面積Ｓの平方根を当該金属ナノ粒子の粒径ａと定義する（ａ＝Ｓ^1/2）。任意の５０個の金属ナノ粒子の粒径ａを算出する。算出された粒径ａの平均値を金属ナノ粒子の１次粒子の平均粒径と定義する。金属ナノ粒子インクの粘度は、例えば、日本工業規格（ＪＩＳ）Ｚ８８０３（２０１１）「液体の粘度測定方法」に準拠して測定されうる。

金属ナノ粒子インクを下地層２に塗布する方法も特に限定されるものではない。公知のコーティング方法及び印刷方法によって金属ナノ粒子インクを下地層２に塗布することができる。コーティング方法としては、スピンコート、バーコート、スプレーコート等が挙げられる。印刷方法としては、スクリーン印刷、グラビアオフセット印刷、フレキソ印刷、凸版反転印刷、インクジェット印刷等が挙げられる。コーティング方法及び印刷方法は、各種のコーティング装置及び印刷装置を使用して実施できる。

金属ナノ粒子インクを下地層２に塗布することによって、下地層２の上に金属ナノ粒子を含む塗膜が形成される。下地層２のガラス転移点Ｔｇ以上の温度（環境温度）で基板１を加熱し、塗膜に含まれた金属ナノ粒子を焼結させる。金属ナノ粒子の焼結温度をこのような温度とすることにより、下地層２と金属薄膜３（金属ナノ粒子の焼結層）との界面で両者が均一に融着する。これにより、下地層２と金属薄膜３との密着性の向上が図られる。また、本実施形態の方法は複雑な処理を必要とせず、簡便である。なお、焼結温度が下地層２のガラス転移点Ｔｇ未満の温度である場合、上記のような界面融着は生じにくく、界面に隙間が生じたり、金属薄膜３が剥離したりする等、十分な密着性が得られない。

金属ナノ粒子の焼結温度の上限値は、例えば、下地層２の軟化点よりも低い温度、詳細には、下地層２を構成する絶縁性樹脂の軟化点よりも低い温度に設定される。ただし、金属薄膜３のパターンの歪み、金属薄膜３の変形等を防止する観点から、焼結温度の上限値は、下地層２の軟化点よりも３０℃以上低い温度に設定されうる。基板１が樹脂製であり、かつ基板１の軟化点（基板１を構成する樹脂の軟化点）が下地層２の軟化点よりも低いことも考えられる。この場合、焼結温度の上限値は、基板１の軟化点よりも低い温度（例えば３０℃以上低い温度）に設定される。温度の上限値に関して言えば、加熱を必要とする他の工程にもあてはまる。金属ナノ粒子は、大気中で焼結させてもよいし、窒素ガス、希ガスなどの不活性ガス中で焼結させてもよい。

金属薄膜３の厚さも特に限定されない。金属薄膜３の厚さは、例えば、５０ｎｍ〜１０μｍである。金属薄膜３の厚さがこのような範囲にあると、十分に低い抵抗率を有する、配線、電極などの要素を形成できる。

本実施形態に係る方法によれば、下地層２と金属薄膜３との界面に融着層４が形成されうる。融着層４が形成されていることにより、金属薄膜３と基板１との密着性の向上が図られる。融着層４は、下地層２を構成する絶縁性樹脂と金属薄膜３を構成する金属原子とを含む層である。融着層４の存在は、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）で導電構造１０の断面を観察することによって確認できる。ＴＥＭ像において、融着層４の中に金属薄膜３を構成する金属の格子像を確認できる場合もある。

融着層４の厚さの上限値は、例えば、１００ｎｍである。融着層４の厚さの下限値は、例えば、１０ｎｍである。融着層４の厚さがこのような範囲にあると、ナノメートルオーダーの厚さを有する金属薄膜３の導電性が十分に確保されうる。なお、本明細書において、「厚さ」は、任意の数点（例えば１０点）で測定された厚さの平均値を意味する。

ＴＥＭ像のコントラストによって、下地層２、融着層４及び金属薄膜３を区別できる。また、導電構造１０の深さ方向の元素分布を調べることによって、融着層４の存在を確認することもできる。融着層４の構造には、（i）金属と絶縁樹脂とが均一に混在している構造、（ii）厚さ方向に金属の濃度が段階的に減少している構造、（iii）金属と絶縁樹脂とが相分離している領域と、金属と絶縁樹脂とが混在している領域とが混在している構造などがある。融着層４は、１００ｎｍの厚さの領域内に上記（i）（ii）及び（iii）から選ばれる１つ又は複数の構造を有する層として定義することも可能である。

本実施形態の導電構造１０は、薄膜トランジスタ、薄膜トランジスタを含む集積回路、タッチパネル、ＲＦＩＤ、フレキシブルディスプレイなどの様々な電子部品に応用されうる。導電構造１０の金属薄膜３は、金属ナノ粒子を焼結させることによって形成されているので、十分に低い抵抗率（例えば、３×１０^-6〜５０×１０^-6Ω・ｃｍ）を示す。融着層４によって金属薄膜３と下地層２との密着性が高められているため、本実施形態の導電構造１０を使用すれば、高い信頼性を持った電子部品を提供できる。

図１Ｂに示すように、薄膜トランジスタ２０は、基板１１、下地層１２、ゲート電極１３、ゲート絶縁膜１５、ソース電極１６、ドレイン電極１７及び有機半導体層１８を備えている。下地層１２は、絶縁性樹脂で形成されている。下地層１２の上にゲート電極１３が形成されている。ゲート電極１３は、金属ナノ粒子インクを下地層１２に塗布及び焼成することによって形成されうる。ゲート絶縁膜１５は、ゲート電極１３を被覆している。ゲート絶縁膜１５の上には、ソース電極１６及びドレイン電極１７が形成されている。ソース電極１６及びドレイン電極１７は、金属ナノ粒子インクをゲート絶縁膜１５に塗布及び焼成することによって形成されうる。すなわち、薄膜トランジスタ２０は、図１Ａを参照して説明した導電構造を含む。ただし、図１Ｂでは、融着層は省略されている。薄膜トランジスタの構造は、図１Ｂに示すものに限定されない。様々な構造の薄膜トランジスタに本実施形態で説明した導電構造が採用されうる。

以下、本発明を実施例に基づきさらに具体的に説明するが、本発明は下記実施例に限定されるものではない。

［実施例１］
ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）（シグマアルドリッチジャパン社製）をメシチレンに溶解し、塗布液を得た。青板ガラス基板（ソーダライムガラス基板）の上に塗布液をスピンコート法で塗布した。得られた塗膜を１５０℃で１時間アニールし、厚さ１００ｎｍの下地層を基板上に形成した。プラズマクリーナー（サムコ社製 ＰＣ−３００）を用い、酸素流量１０ｓｃｃｍ（standard cubic centimeter per minute）、１０Ｐａ、２００Ｗ、１０秒間の条件で下地層の表面に酸素プラズマ処理を施した。その後、ホットプレート上に基板を配置し、大気中、４０℃（ホットプレートの表面温度）、５分間の条件で基板をアニールした。次に、下地層の上に銀ナノ粒子インク（ハリマ化成株式会社製 ＮＰＳ−ＪＬ）をスピンコート法で塗布した。銀ナノ粒子インクの塗膜を１５０℃（ホットプレートの表面温度）、大気中、１時間の条件で焼成し、厚さ１００ｎｍのＡｇ薄膜を形成した。これにより、実施例１の導電構造を得た。

［実施例２］
絶縁性樹脂として、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）に代えて、ポリビニルフェノール（ＰＶＰ）（シグマアルドリッチジャパン社製）を用いたことを除き、実施例１と同じ方法でＡｇ薄膜を形成した。

［実施例３〜１８］
酸素プラズマ処理後のアニール温度を下記表１に示す各温度としたことを除き、実施例１又は２と同じ方法でＡｇ薄膜を形成した。

［参考例１及び２］
酸素プラズマ処理及びアニール処理を省略したことを除き、実施例１又は２と同じ方法でＡｇ薄膜を形成した。

［参考例３及び４］
酸素プラズマ処理後のアニール処理を省略したことを除き、実施例１又は２と同じ方法でＡｇ薄膜を形成した。

［比較例１及び２］
酸素プラズマ処理及びアニール処理を省略し、さらに、銀ナノ粒子を焼結させる工程における基板の加熱温度を１２０℃（下地層のガラス転移点未満）としたことを除き、実施例１又は２と同じ方法でＡｇ薄膜を形成した。

［比較例３及び４］
酸素プラズマ処理後のアニール処理を省略し、さらに、銀ナノ粒子を焼結させる工程における基板の加熱温度を１２０℃（下地層のガラス転移点未満）としたことを除き、実施例１又は２と同じ方法でＡｇ薄膜を形成した。

［比較例５］
銀ナノ粒子を焼結させる工程における基板の加熱温度を１２０℃としたことを除き、実施例１２と同じ方法でＡｇ薄膜を形成した。

（ひっかき強度の測定）
実施例及び比較例のＡｇ薄膜について、超薄膜スクラッチ試験機（レスカ社製 ＣＳＲ−２０００）を用いて、ひっかき強度を測定し、導電構造におけるＡｇ薄膜の密着性の評価を行った。ひっかき強度の測定は、以下の条件で行い、３回の測定値の平均値を算出した。結果を表１に示す。
スタイラス：曲率半径１００μｍ
荷重印加：０〜１２０ｍＮ
測定距離：１ｍｍ
スクラッチ速度：１０μｍ／ｓ

下地層がＰＭＭＡ、ＰＶＰの場合のいずれも、下地層の表面に酸素プラズマ処理を施すことにより、表面エネルギーが３０ｍＮ／ｍ程度から５０ｍＮ／ｍ以上に増大した。すなわち、有機分子の分子結合が切断され、表面の濡れ性が変化したことが確認された。表面エネルギーは、下地層に対する水とヨウ化メチレンの接触角をそれぞれ計測し、Owens-Wendt法を用いて算出した。

表１に示すように、酸素プラズマ処理後のアニール温度が高くなるにつれて、ひっかき強度が増加した。つまり、Ａｇ薄膜と下地層との密着力が増加した。酸素プラズマ処理後のアニール処理により、分子レベルでの下地層の表面の親液性が向上し、銀ナノ粒子インクと下地層の表面との接着面積が増加したためと考えられる。ひっかき強度は、下地層のガラス転移点Ｔｇ（ＰＭＭＡ：約１２０℃、ＰＶＰ：約１４０℃）よりもやや低いアニール温度のとき最大となった。実施例１２は１２０Ｎ以上のひっかき強度を示した。アニール温度が下地層のガラス転移点Ｔｇを超えると、ひっかき強度が低下する傾向が見られた。

下地層の酸素プラズマ処理を行わず、かつ、銀ナノ粒子インクの塗膜の焼成温度を下地層のガラス転移点未満とした場合（比較例１，２）、ひっかき強度は３０Ｎ未満であった。酸素プラズマ処理だけ追加的に行った場合（比較例３，４）、ひっかき強度は殆ど向上しなかった。ただし、比較例５の結果から理解できるように、酸素プラズマ処理後にアニール処理を行うことによって、ひっかき強度は向上した。

参考例１〜４は、焼成温度が１５０℃であることを除き、それぞれ、比較例１〜４に対応している。銀ナノ粒子インクの塗膜の焼成温度を下地層のガラス転移点以上に設定したことにより、ひっかき強度が明らかに向上した。また、参考例１と参考例３とを比較する又は参考例２と参考例４とを比較すると理解できるように、参考例では、酸素プラズマ処理によってひっかき強度が１．５倍程度向上した。

さらに、参考例と実施例とを比較すると理解できるように、酸素プラズマ処理後にアニール処理を行うことによって、ひっかき強度は大幅に向上した。アニール処理の温度を下地層のガラス転移点よりも少し低い温度に設定することにより、ひっかき強度が飛躍的に向上した。酸素プラズマ処理後のアニール処理に加え、銀ナノ粒子インクの塗膜の焼成温度を下地層のガラス転移点以上に設定したことによって、ひっかき強度が最大で４倍以上（比較例２と実施例１２）にまで増加した。

以上に説明した結果から理解できるように、個々の工程だけでひっかき強度を大幅に向上させることは容易ではない。プラズマ処理、プラズマ処理後のアニール処理、及び下地層のガラス転移点Ｔｇ以上での焼成を組み合わせることによって、個々の工程に基づく効果の和を超える相乗効果が得られたと考えられる。

図２は、実施例１２の導電構造の断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像である。図２に示すように、下地層（ＰＶＰ）とＡｇ薄膜（Ａｇ）とが界面で一体化（融着）していた。銀ナノ粒子インクを塗布した後、下地層のガラス転移点Ｔｇ（ＰＶＰ：約１４０℃）以上の温度で塗膜を焼成し、銀ナノ粒子を焼結させたため、この界面融着によって高い密着性が得られたものと考えられる。なお、図２のＳＥＭ像には融着層は明記されていないが、下地層とＡｇ薄膜との間に融着層が存在する。

図３は、比較例５の導電構造の断面のＳＥＭ像である。比較例５では、銀ナノ粒子インクを塗布した後、下地層のガラス転移点Ｔｇ未満の温度で塗膜を焼成し、銀ナノ粒子を焼結させた。そのため、下地層（ＰＶＰ）とＡｇ薄膜（Ａｇ）との界面で融着が起こらず、剥がれ（図３に示す「ｇａｐ」）が生じていた。このため、ひっかき強度が低くなったものと考えられる。

［参考例５］
酸素プラズマ処理及びアニール処理を省略し、さらに、銀ナノ粒子を焼結させる工程における基板の加熱温度を１８０℃（下地層のガラス転移点以上の温度）としたことを除き、実施例２と同じ方法でＡｇ薄膜を形成した。

［参考例６］
絶縁性樹脂として、ポリビニルフェノール（ＰＶＰ）に代えて、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）（シグマアルドリッチジャパン社製）を用いたことを除き、参考例５と同じ方法でＡｇ薄膜を形成した。

［参考例７］
絶縁性樹脂として、ポリビニルフェノール（ＰＶＰ）に代えて、非晶質フッ素樹脂（三井デュポンフロロケミカル社製ＡＦ１６００）を用いたことを除き、参考例５と同じ方法でＡｇ薄膜を形成した。なお、非晶質フッ素樹脂（ＡＦ１６００）のガラス転移点Ｔｇは約１６０℃である。

（断面のＴＥＭ観察）
参考例５〜７の導電構造の断面を透過電子顕微鏡（日本電子社製 ＪＥＭ−２１００ＦＥ、加速電圧２００ｋＶ）で観察した。ＴＥＭ観察用の試料は、集束イオンビーム加工観察装置（日本電子社製 ＪＥＭ−９３２０ＦＩＢ、加速電圧５ｋＶ）を用いて作製した。結果を図４〜図７に示す。図５は、図４の部分拡大図である。

図４に示すように、参考例５の導電構造は、下地層とＡｇ薄膜との間に形成された融着層を有していた。ＴＥＭ像の濃淡から見積もった融着層の厚さは約４０〜５０ｎｍであった。図５の拡大図に示すように、融着層の中の領域であって、樹脂で囲まれた領域にＡｇ（１１１）面に由来する格子像が確認された。

図６に示すように、下地層の樹脂がＰＭＭＡの場合にも融着層が形成されていた。融着層の厚さは約３０〜４０ｎｍであった。図７に示すように、下地層の樹脂が非晶質フッ素樹脂の場合にも融着層が形成されていた。融着層の厚さは約１０ｎｍであった。図４〜７に示すように、融着層は、酸素プラズマ処理及びアニール処理を省略した場合にも形成された。

（ＸＰＳ測定）
参考例５の導電構造の深さ方向の元素分布をＸ線光電子分光装置（アルバックファイ社製 ５６００ｃｉ）で調べた。ＸＰＳの測定条件は以下の通りであった。
Ａｒスパッタレート：約１７０ｎｍ／ｍｉｎ（換算値）
分析レート：０．１ｍｉｎ／回
Ｘ線源：Ｍｇ
検出元素：Ｃ、Ｏ、Ａｇ、Ｆ

図８は、参考例５の導電構造のＡｇ薄膜の表面から深さ方向に、シリコン酸化膜のエッチングレートに換算して１７０ｎｍ／ｍｉｎとなるスパッタレートでエッチングを行いながら、深さ方向に対してＡｇ及びＣの原子濃度を測定したグラフである。図８において、縦軸は、最表面における強度を１として規格化したＡｇ原子濃度と、測定点（横軸）２５０における強度を１として規格化したＣ原子濃度を表している。横軸は、深さ方向の測定点を表している。図８に示すように、ＰＶＰを下地層に用いた場合、ＡｇとＣが同時に検出される融着層が形成されたことが分かる。Ａｇ、絶縁樹脂及び融着層の正確なエッチングレートが不明であったため、ＸＰＳ測定の結果から融着層の厚さは算出できなかった。

（引き剥がし試験）
ＪＩＳ Ｋ５６００−５−７「塗膜の機械的性質−付着性（プルオフ法）」に基づいて、引き剥がし試験を行った。まず、参考例５の導電構造を先に説明した方法で準備した。次に、図９に示すように、参考例５の導電構造の表面にロッド１２をエポキシ樹脂で接着した。基板をステージ上に固定し、ロッド１２の後端部をフォースゲージ（日本電産シンポ社製 ＦＧＰ−５）に固定し、Ａｇ薄膜の厚さ方向（引き剥がす方向）に力を加えた。Ａｇ薄膜の密着強度以上の強さで引っ張ると、Ａｇ薄膜と下地層との界面で剥離が起こる。剥離したＡｇ薄膜の面積とフォースゲージの値とから密着強度を算出した。参考例６及び参考例７の導電構造にも同じ試験を実施した。なお、導電構造の作製過程（下地層を形成した後かつプラズマ処理を行う前）で下地層の表面エネルギーも測定した。結果を表２に示す。

表２に示すように、Ａｇ薄膜と下地層との密着強度は、融着層の厚さに比例する傾向がみられた。また、表面エネルギーが大きいほど密着強度が高い傾向がみられた。この傾向は、一般的に、表面エネルギーが大きい表面ほど、その表面とその表面に接する媒体との間の相互作用が大きいことを意味する。表２から理解できるように、表面エネルギーが大きければ大きいほど、下地層と銀ナノ粒子との間の相互作用が大きく、濡れ性が高まったため、より深い領域まで融着層が形成され、結果として、密着強度が増加したと考えられる。

（引き剥がし試験後の残留銀の分析）
参考例５の導電構造について引き剥がし試験を実施した後、ロッド１２に接していた面における特定領域１４を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ−ＥＤＳ、日本電子社製 ＪＳＭ−７８００ＦＥ、加速電圧１５ｋＶ）で観察した。特定領域１４は、１ｍｍ²の広さを有する正方形の領域であった。

また、走査型電子顕微鏡による表面観察とともに、特定領域１４に存在する元素と元素濃度とをエネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＳ）で調べた。具体的には、特定領域１４に含まれた１００箇所の測定点でＡｇ、Ｃ及びＯの各元素の特性Ｘ線を検出し、Ａｇの濃度（重量％）を測定点ごとに算出した。算出結果に基づき、Ａｇの濃度の分布をヒストグラムにまとめた。併せて、特定領域１４の表面ＥＤＳ像（Ａｇ）も得た。

走査型電子顕微鏡による表面観察の結果を図１０Ａに示す。表面ＥＤＳ像（Ａｇ）を図１０Ｂに示す。Ａｇの濃度の分布を示すヒストグラムを図１０Ｃに示す。図１０Ｃの縦軸は、測定点の数、横軸はＡｇの濃度を表している。

さらに、参考例５と同じように、参考例６及び参考例７の表面ＳＥＭ像及び表面ＥＤＳ像も取得し、Ａｇの濃度の分布を示すヒストグラムも作成した。参考例６についての結果を図１１Ａ〜図１１Ｃに示す。参考例７についての結果を図１２Ａ〜図１２Ｃに示す。

図１０Ａ〜図１０Ｃから理解できるように、参考例５〜参考例７の全ての導電構造において、Ａｇ薄膜が引き剥がされた後の表面にＡｇが残留していた。このことは、融着層が形成されることによって、Ａｇ薄膜と下地層とが強固に密着したことを表している。下地層がＰＶＰで構成された参考例５では、十分な量のＡｇが下地層の上に残留していた。図１１Ａ〜図１１Ｃから理解できるように、下地層がＰＭＭＡで構成された参考例６では、参考例５ほどではないが、十分な量のＡｇが下地層の上に残留していた。図１２Ａ〜図１２Ｃから理解できるように、下地層が非晶質フッ素樹脂で構成された参考例７では、下地層の上に残留したＡｇの量は少なかった。

図１３は、Ａｇの濃度の平均値と融着層の厚さとの関係を表すグラフである。図１３に示すように、融着層が厚くなればなるほどＡｇの濃度も増加した。

［実施例２０］
銀ナノ粒子インクの塗膜の焼成温度を１８０℃に設定したことを除き、実施例１２と同じ方法でＡｇ薄膜を形成した。

［実施例２１］
銀ナノ粒子インクの塗膜の焼成温度を１８０℃に設定したことを除き、実施例９と同じ方法でＡｇ薄膜を形成した。

［実施例２２］
絶縁性樹脂として、ポリビニルフェノール（ＰＶＰ）に代えて、非晶質フッ素樹脂（三井デュポンフロロケミカル社製ＡＦ１６００）を用い、酸素プラズマ処理後のアニール処理の温度を１６０℃に設定したことを除き、実施例２１と同じ方法でＡｇ薄膜を形成した。

実施例２０の導電構造の断面のＴＥＭ像を図１４に示す。ＴＥＭ観察の条件は、参考例のＴＥＭ観察の条件と同一とした。図１４に示すように、Ａｇ薄膜と下地層との境界は明確でなかったことから、実施例２０の導電構造においても、十分な厚さの融着層が形成されたと推測される。図４と図１４とを比較すると理解できるように、酸素プラズマ処理及びアニール処理の有無によらず、融着層は形成された。つまり、参考例５〜７に関する先の説明は、実施例２０〜２２にも適用されうる。

断面のＴＥＭ観察とともに、Ａｇ薄膜と下地層との界面近傍の領域のエネルギー分散型Ｘ線分析を行った。具体的には、Ａｇ、Ｃ及びＯについて元素分析を行った。その結果、Ｃ及びＯは、分析した領域の全体に均一に分布していた。ＡｇについてのＥＤＳ像を図１５に示す。図１５から理解できるように、Ａｇが下地層に浸み込み、融着層が形成されていた。

（引き剥がし試験後の残留銀の分析）
参考例と同じ方法で実施例２０〜２２の導電構造について引き剥がし試験を実施した。その後、参考例と同じ方法で、表面ＳＥＭ像、表面ＥＤＳ像及びＡｇの濃度の分布を示すヒストグラムを得た。実施例２０についての結果を図１６Ａ〜図１６Ｃに示す。実施例２１についての結果を図１７Ａ〜図１７Ｃに示す。実施例２２についての結果を図１８Ａ〜図１８Ｃに示す。

図１６Ａ〜図１８Ｃから理解できるように、実施例２０〜２２は、参考例５〜７と同じ傾向を示した。この事実も、参考例５〜７に関する先の説明が実施例２０〜２２に適用されうることを示唆している。

Claims (11)

1. 絶縁性樹脂で形成された下地層を有する基板を準備する工程と、
   前記下地層の表面に、前記絶縁性樹脂を構成する有機分子の結合を切断する物理的表面処理を施す工程と、
   前記基板を２００℃以下の温度で加熱処理する工程と、
   前記下地層に金属ナノ粒子インクを塗布する工程と、
   前記下地層のガラス転移点以上の温度で前記金属ナノ粒子インクに含まれた金属ナノ粒子を焼結させるとともに、前記金属ナノ粒子の焼結によって形成される金属薄膜と前記下地層との界面に両者を融着させる融着層を形成する工程と、
   をこの順で含み、
   前記融着層は、前記下地層を形成する前記絶縁性樹脂と前記金属薄膜を構成する金属原子とを含む、金属薄膜の製造方法。
2. 前記物理的表面処理は、前記有機分子の２００〜１０００ｋＪ／ｍｏｌの結合エネルギーの結合を切断するための処理である、請求項１に記載の金属薄膜の製造方法。
3. 前記物理的表面処理は、酸素プラズマ処理、アルゴンプラズマ処理、窒素プラズマ処理、紫外線照射処理及び紫外線オゾン処理からなる群より選ばれる少なくとも１つの処理を含む、請求項１又は２に記載の金属薄膜の製造方法。
4. 前記基板を加熱処理する工程における前記基板の加熱温度が前記下地層の前記ガラス転移点以下の温度である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の金属薄膜の製造方法。
5. 前記絶縁性樹脂が熱可塑性樹脂であり、
   前記下地層の前記ガラス転移点が２００℃以下である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の金属薄膜の製造方法。
6. 前記加熱処理を行った後かつ前記金属ナノ粒子インクを塗布する前において、前記下地層の表面の表面エネルギーが１５ｍＮ／ｍ以上である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の金属薄膜の製造方法。
7. 前記絶縁性樹脂は、ポリメタクリル酸メチル、ポリビニルフェノール、ポリスチレン、ポリビニルアルコール、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリアリレート、ポリアミド及び熱可塑性フッ素樹脂からなる群より選ばれる少なくとも１つを含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の金属薄膜の製造方法。
8. 絶縁性樹脂で形成された下地層を有する基板と、
   前記下地層に支持された金属薄膜と、
   前記下地層と前記金属薄膜との間に形成された厚さ１００ｎｍ以下の融着層と、
   を備えた導電構造を製造する方法であって、
   前記金属薄膜を請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法によって形成することを含む、導電構造の製造方法。
9. 前記融着層の厚さが１０ｎｍ以上である、請求項８に記載の導電構造の製造方法。
10. 請求項８又は９に記載の方法によって導電構造を形成する工程を含む薄膜トランジスタの製造方法。
11. 請求項１０に記載の方法によって薄膜トランジスタを形成する工程を含む集積回路の製造方法。

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