JP6202763B2 - 基板上に薄膜導体を形成する方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、薄膜に関し、より具体的には、基板上に薄膜導体を形成する方法に関する。

光硬化は、閃光灯からの光パルスを使用する、薄膜の高温熱処理である。光硬化は、低温基板上の薄膜が、炉を用いた（数秒から数分かかる）よりもはるかに短時間（約１ミリ秒）において処理されることを可能にする。

本発明の好ましい実施形態によると、薄膜前駆体材料が、最初に、多孔性基板上に堆積される。薄膜前駆体材料は、次いで、薄膜が薄膜前駆体材料より電気伝導性であるように、薄膜前駆体材料を薄膜に変換するために、光パルスを用いて照射される。最後に、圧縮応力が、薄膜および多孔性基板に与えられ、薄膜の電気伝導性をさらに増加させる。
本明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
薄膜導体を基板上に形成する方法であって、前記方法は、
薄膜前駆体材料を多孔性基板上に堆積させることと、
前記薄膜前駆体材料を光パルスを用いて照射し、前記薄膜前駆体材料を薄膜に変換することであって、前記薄膜は、前記薄膜前駆体材料より電気伝導性である、ことと、
圧縮応力を前記薄膜および前記多孔性基板に与え、前記薄膜の電気伝導性をさらに増加させることと
を含む、方法。
（項目２）
前記堆積させることは、印刷によって行なわれる、項目１に記載の方法。
（項目３）
前記多孔性基板は、紙である、項目１に記載の方法。
（項目４）
前記多孔性基板は、ポリマーである、項目１に記載の方法。
（項目５）
前記圧縮応力を与えることは、圧延またはカレンダ加工によって遂行される、項目１に記載の方法。
（項目６）
前記圧縮応力は、標準的温度および圧力において、前記薄膜の終局引張強度の２５％を超える、項目１に記載の方法。
（項目７）
前記圧縮応力を与えることは、時間に伴って、大きさにおいて振動する、項目１に記載の方法。
（項目８）
前記薄膜前駆体材料は、粒子状金属を含む、項目１に記載の方法。
（項目９）
前記粒子状金属は、銅、ニッケル、コバルト、銀、およびそれらの組み合わせから成る群から選択される金属である、項目８に記載の方法。
（項目１０）
前記薄膜前駆体材料は、粒子状金属酸化物および還元剤を含む、項目１に記載の方法。
（項目１１）
前記薄膜前駆体材料は、金属塩および還元剤を含む、項目１に記載の方法。
（項目１２）
薄膜導体を基板上に形成する方法であって、前記方法は、
薄膜前駆体材料を基板上にパターンで堆積させることと、
前記薄膜前駆体材料を光パルスを用いて照射し、前記薄膜前駆体材料を薄膜に変換することであって、前記薄膜は、前記薄膜前駆体材料より電気伝導性である、ことと、
前記薄膜および前記基板のパターン化された領域にのみ圧縮応力を与え、前記薄膜の電気伝導性をさらに増加させることと
を含む、方法。
（項目１３）
前記堆積させることは、印刷によって行なわれる、項目１２に記載の方法。
（項目１４）
前記基板は、紙である、項目１２に記載の方法。
（項目１５）
前記基板は、ポリマーである、項目１２に記載の方法。
（項目１６）
前記圧縮応力を与えることは、圧延またはカレンダ加工によって遂行される、項目１２に記載の方法。
（項目１７）
前記圧縮応力は、標準的温度および圧力において、前記薄膜の終局引張強度の２５％を超える、項目１２に記載の方法。
（項目１８）
前記圧縮応力を与えることは、時間に伴って、大きさにおいて振動する、項目１２に記載の方法。
（項目１９）
前記薄膜前駆体材料は、粒子状金属を含む、項目１２に記載の方法。
（項目２０）
前記パターンは、前記基板の総面積の５０％未満をおおう、項目１２に記載の方法。

本発明の全ての特徴および利点は、以下の詳述された説明において明白となるであろう。

本発明自体、ならびにその好ましい使用形態、さらなる目的、および利点は、付随の図面と併せて熟読されることによって、例証的実施形態の以下の発明を実施するための形態を参照することによって最も良く理解されるであろう。
図１は、本発明の好ましい実施形態による、薄膜導体を基板上に形成する方法の高レベルプロセス流れ図である。 図２は、本発明の好ましい実施形態による、光硬化装置の略図である。 図３は、図１に描写される方法を使用して圧縮される前および後の紙基板上の銅膜の高さプロファイルを示す、グラフである。

光硬化によって可能となる比較的に短い処理時間は、問題を引き起こし得る。光硬化のアーチファクトの１つは、薄膜の高速加熱が薄膜内にガスを発生させ得ることである。ガスの発生が十分に強烈である場合、薄膜は、完全凝集破壊を受け、すなわち、それは、爆発し得る。より一般には、薄膜は、若干の多孔性を発達させる。多くの場合、多孔性は、重要ではないが、ある条件下では、薄膜がそのより密度の高い対応物より機械的に脆弱であることをもたらし得る。さらに、薄膜が、電気伝導性等の何らかの電子機能性を有する場合、そのシート抵抗は、多孔性の結果、より高くなるであろう。薄膜内の多孔性の増加はまた、表面粗度の増加も同様に呈し得る。これは、電気構成要素の取り付きを阻害し、かつ薄膜の審美的外観を低下させ得る。加えて、多孔性の増加は、処理される薄膜が、一般に、環境中に見出される水または酸素等の元素に敏感である場合、経時的に薄膜の劣化の増進を引き起こし得る。したがって、薄膜導体を基板上に形成するための改良された方法を提供することが望ましいであろう。

ここで図面、特に、図１を参照すると、本発明の好ましい実施形態による、薄膜導体を基板上に形成する方法の流れ図が、描写される。ブロック１００から開始して、薄膜前駆体材料が、最初に、ブロック１１０に示されるように、基板上に堆積される。材料は、次いで、ブロック１２０に描写されるように、薄膜前駆体材料が薄膜材料になるように、光硬化装置を用いて熱的に処理される。薄膜材料の電気伝導性は、薄膜前駆体材料のそれより高い。最後に、ブロック１３０に示されるように、圧縮応力が、基板上に位置する薄膜材料に与えられ、薄膜材料のその電気伝導性がさらに増加され得るように、薄膜材料の密度が高くなることをもたらす。

（Ａ．薄膜前駆体材料の堆積）
薄膜前駆体材料は、粒子状形態であることができる。薄膜前駆体材料はまた、液体中に分散されることができる。薄膜前駆体材料は、スクーン印刷、インクジェット、エアロゾルジェット、フレキソ印刷、グラビア印刷、レーザ、パッド、浸漬ペン、注入器、あるいはエアブラシ、塗料、ロールコーティング、スロットダイコーティング等のコーティング方法等、印刷方法の１つまたはその組み合わせによって、基板上に堆積されることができる。

代替として、薄膜前駆体材料は、化学蒸着（ＣＶＤ）、ＰＥＣＶＤ、蒸発、スパッタリング等の真空堆積技法を含む、液体を伴わずに堆積されることができる。薄膜前駆体材料が堆積され得る、他のドライコーティング技法は、静電堆積、ゼログラフィ等を含む。

薄膜前駆体材料は、好ましくは、金属、および／または、酸化物、塩、または有機金属等の金属化合物を含む。薄膜前駆体材料は、銅、ニッケル、コバルト、銀、炭素、アルミニウム、シリコン、金、スズ、鉄、亜鉛、チタン等であることができる。酸化物の実施例は、Ｃｕ_２Ｏ、ＣｕＯ、Ｃｏ_３Ｏ_４、Ｃｏ_２Ｏ_３、ＮｉＯ等を含む。塩の実施例は、硝酸銅（ＩＩ）、塩化銅（ＩＩ）、酢酸銅（ＩＩ）、硫化銅（ＩＩ）、ならびにコバルト、ニッケル、銀等の硝酸化物、塩化物、酢酸化物、および硫化物を含む。薄膜前駆体材料が、金属化合物を含む場合、還元剤も、概して、それに伴われる。

多孔性であり得る基板は、好ましくは、４５０℃未満の最大作業温度を有する。実施例は、ポリマーおよびセルロースを含む。多孔性基板の実施例は、セルロース（例えば、紙）またはポリエチレン（例えば、ＤｕＰｏｎｔ（登録商標）製Ｔｙｖｅｋ（登録商標））等のカレンダ加工される繊維系膜を含む。代替として、多孔性は、基板材料を発泡させることによって、基板内に誘発され得る。

（Ｂ．薄膜前駆体材料の光硬化）
薄膜前駆体材料が、液体内で印刷されるとき、薄膜前駆体材料の熱処理が、溶媒を蒸発させる。薄膜前駆体材料が、最終薄膜の粒子状形態である場合、光硬化は、加えて、薄膜前駆体材料を焼結させる。薄膜前駆体材料が、互に化学的に反応するように設計される複数の種（金属化合物および還元剤等）から成る場合、熱処理は、加えて、前駆体薄膜材料を反応させ、概して、金属である最終薄膜を形成する。

薄膜前駆体材料は、光硬化装置を使用して、熱的に処理されることができる。ここで図２を参照すると、本発明の好ましい実施形態による、光硬化装置の略図が、図示される。示されるように、光硬化装置２００は、コンベヤシステム２１０と、ストロボヘッド２２０と、リレーラック２３０と、リール／リール送り出しシステム２４０とを含む。光硬化装置２００は、比較的に高速でストロボヘッド２２０を過ぎて運搬されるウェブ上に位置する基板２０３上に堆積される薄膜前駆体材料２０２を照射可能である。

ストロボヘッド２２０は、基板２０３上に位置する薄膜前駆体材料２０２を硬化させるための高強度キセノン閃光灯２２１を含む。キセノン閃光灯２２１は、異なる強度、パルス長さ、およびパルス繰り返し周波数のパルスを提供することができる。例えば、キセノン閃光灯２２１は、最大１ｋＨｚのパルス繰り返し率において、３インチ×６インチ幅の専有面積を伴う１０μｓ〜１０ｍｓパルスを提供することができる。キセノン閃光灯２２１から放射のスペクトル成分は、２００ｎｍ〜２，５００ｎｍに及ぶ。スペクトルは、石英灯をセリウムドープ石英灯と交換し、３５０ｎｍを下回る放射の大部分を除去することによって調節されることができる。石英灯はまた、約１４０ｎｍ〜約４，５００ｎｍまで放射を広げるために、サファイア灯と交換されることもできる。キセノン閃光灯２２１はまた、時として、方向性プラズマアーク（ＤＰＡ）灯と称される、水冷壁式閃光灯であることができる。

リレーラック２３０は、調節可能電力供給源と、コンベヤ制御モジュールと、ストロボ制御モジュールとを含む。調節可能電力供給源は、パルスあたり最大４ｋＪのエネルギーを伴うパルスをもたらすことができる。調節可能電力供給源は、キセノン閃光灯２２１に接続され、キセノン閃光灯２２１からの放射の強度は、キセノン閃光灯２２１を通る電流の量を制御することによって、変動させられることができる。

調節可能電力供給源は、キセノン閃光灯２２１の放射強度を制御する。キセノン閃光灯２２１からの放射のパワー、パルス持続時間、およびパルス繰り返し周波数は、リアルタイムで電子的に調節され、ウェブスピードに同期させられ、薄膜前駆体材料２０２および基板２０３の光学、熱、および幾何学的特性に応じて、基板２０３を損傷せずに、薄膜前駆体材料２０２の最適硬化を可能にする。好ましくは、各光パルスの照射の持続時間は、基板２０３上の薄膜前駆体材料２０２を備えるスタックの熱平衡時間に対する時間未満である。

光パルスを用いた照射の間、基板２０３ならびに薄膜前駆体材料２０２は、コンベヤシステム２１０によって移動させられる。コンベヤシステム２１０は、薄膜前駆体材料２０２をストロボヘッド２２０下に移動させ、そこで、薄膜前駆体材料２０２は、キセノン閃光灯２２１からの高速光パルスによって硬化させられる。キセノン閃光灯２２１からの放射のパワー、持続時間、および繰り返し率は、ストロボ制御モジュールによって制御され、基板２０３がストロボヘッド２２０を過ぎて移動させられるスピードは、コンベヤ制御モジュールによって決定される。

キセノン閃光灯２２１が、光パルスを放射しているとき、薄膜前駆体材料２０２は、瞬間的に加熱され、薄膜前駆体材料２０２を硬化させるためのエネルギーを提供する。高速パルス列が、移動する基板２０３に同期させられると、均一硬化が、任意の大きい面積にわたって達成されることができる。薄膜前駆体材料２０２の各区画が、炉等の連続硬化システムに近い複数の光パルスに露出され得るからである。

（Ｃ．処理材料の圧縮）
基板２０３上に位置する薄膜前駆体材料２０２が、閃光灯２２１を用いて光硬化させられ、薄膜材料２０２’を形成した後、圧縮応力が、薄膜材料２０２および基板２０３の密度を高くするために、薄膜材料２０２’および基板２０３に与えられる。基板２０３上の薄膜材料２０２’は、スタンピング、鋳造、圧延、カレンダ加工、プレス加工、エンボス加工、積層等、既存の技術の１つまたはそれらの組み合わせによって圧縮されることができる。

圧延が、好ましくは、一組のピンチローラ２６０によってリール／リール製造設定において使用される。ピンチローラ２６０は、薄膜材料２０２’および基板２０３に与えられるピーク圧力が、標準的条件において、光硬化後、バルク薄膜材料の終局引張強度（ＵＴＳ）の２５％を超えるように、圧縮で負荷をかけられる。銅のような比較的に軟質かつ延性の金属の場合、好ましい圧縮圧力範囲は、７，５００〜３０，０００ｐｓｉ（すなわち、標準的条件におけるその終局引張強度の２５％〜１００％）である。

基板２０３は、多孔性であるため、圧縮可能であり、紙のような繊維系基板等のように同一の幅を保ちながら、厚さを減少させることによって圧縮に応答する。この単一寸法変化は、薄膜材料２０２’が基板２０３の側方変形によって損傷されないことを確実にする。ピンチローラ２６０によって、ＰＥＴ等の非多孔性であるポリマー基板に適用可能なピーク圧力は、ＰＥＴが、比較的に軟質である傾向にある、低温ポリマーであるため、限定され得る。ＰＥＴは、他の基板より低い圧力閾値において、側方に変形するであろう。それは、薄膜材料２０２’および基板２０３に損傷を生じさせ得る。

ピンチローラ２６０は、角速度ω＝ｖ／ｒで駆動され（式中、ωは、ピンチローラ２６０の角速度であり、ｒは、ピンチローラ２６０の半径である）、調節され、ウェブスピードｖに同期させられ、薄膜材料２０２’および基板２０３の機械的および幾何学的特性に応じて、基板２０３を劣化させずに、薄膜材料２０２’の最適高密度化を可能にする。

ある状況では、基板２０３上の薄膜材料２０２’に、ある周波数で駆動されるピンチローラ２６０を用いて、動的圧縮応力（経時的に振動する大きさ）を与え、ピンチローラ２６０上でより低い平均力を用いて、高ピーク圧力を達成し、ツール寿命時間を延長し、および／または最大ウェブスピードを増加させることが有利であり得る。

ピンチローラ２６０を基板２０３の標準的温度と最大作業温度との間の温度に加熱することは、圧縮の間、薄膜材料２０２’の軟化のため、標準的温度ピンチローラ２６０を用いて同様の結果を達成するために要求される圧力を低下させることができる。

基板２０３上に堆積される薄膜材料２０２’に与えられる圧縮応力は、薄膜材料２０２’の密度を増加させることができる。粒子または溶液ベースの堆積材料は、堆積される層内の残留細孔構造により、バルク前駆体材料より低い密度を有する。加えて、光硬化プロセスは、追加の多孔性を薄膜材料２０２’内に導入し得る。層体積に対する細孔空間の体積（体積割合）は、材料、プロセス、および粒子サイズに応じて、変動するであろう。細孔空間体積割合を減少させることは、材料の密度を高め、電気伝導性の増加（伝導性である場合）、改良された機械的安定性および硬度の観点からその性能を改善し、表面粗度を減少させること、およびはんだ能力を改善することのような表面特性を改変し、体積に対する表面積の比率を幻想させることによって、化学的抵抗を改善する（材料が腐食を受けやすい場合）。薄膜材料２０２’を圧縮することは、その密度を増加させ、それは、堆積される薄膜材料２０２’をバルク薄膜材料の特性により近づける。

以下の実施例は、基板上に位置する薄膜材料に圧縮応力を与える種々の方法を図示する。圧縮応力の結果は、基板上の薄膜材料の高密度化であり、薄膜材料の伝導性、機械的安定性、および化学抵抗が改良され得る。

（実施例１）紙基板上のメソ多孔性銅の薄膜に与えられる圧縮応力
銅酸化物還元インクのスクリーン印刷可能バージョン（ＮｏｖａＣｅｎｔｒｉｘ（Ａｕｓｔｉｎ，Ｔｅｘａｓ）から利用可能な製品番号ＩＣＩ−０２１）が、２３０メッシュフラットスクリーンを用いて、Ｗａｕｓａｕ １１０ ｌｂ精密インデックス紙上に印刷された。印刷物は、次いで、１４０℃の炉内で５分間乾燥され、過剰溶媒を除去した。最初に、インクは、約１ＧΩ／□のシート抵抗を有していた。すなわち、通常マルチメータによって測定される抵抗は、開回路であった。

インクは、光硬化装置（ＮｏｖａＣｅｎｔｒｉｘ（Ａｕｓｔｉｎ，Ｔｅｘａｓ）によって製造されるＰｕｌｓｅＦｏｒｇｅ（登録商標）３３００ Ｘ２光硬化システム等）を使用して、伝導性メソ多孔性銅薄膜に変換された。硬化のために使用される機械上の設定は、４３０Ｖ、１，６００ｍｓ、重複係数５、およびウェブスピード１６フィート／分であった。光硬化後のシート抵抗は、１７．２ｍΩ／□であった。

メソ多孔性銅薄膜は、以下のプロセスを介して、高密度化を受けた。一対の鋼鉄ローラ（直径１．７インチ×長さ３．０インチ）が、ローラを通して引っ張られる場合、圧縮力２，８７５ｌｂｆを紙上の発泡された銅薄膜に与えた。圧縮の断面積は、０．０７４ｉｎ^２であり、平均３８，８５０ｐｓｉが印刷された導体に与えられた。メソ多孔性銅の圧縮を介した高密度化は、シート抵抗を９．３ｍΩ／□まで減少させた。したがって、メソ多孔性銅の圧縮は、その抵抗率を４６％減少させた。

改良された電気伝導性に加えて、圧縮された銅膜の全体的性能の追加の利点は、表面搭載デバイス（ＳＭＤ）取り付き評価、機械的安定性試験、および環境試験の間、明白となった。

圧縮された銅は、変換後のメソ多孔性銅の上へのＳＭＤ構成要素の取り付けの有意に改良された成功率を実証した。失敗率は、メソ多孔性銅へのサーモード接合（ｔｈｅｒｍｏｄｅ ｂｏｎｄｅｄ）されたＳＭＤシリコンチップの場合、５０％であった。圧縮された銅は、その低表面粗度により、９０％のはるかに高い成功率を実証した。加えて、表面粗度の減少は、変換された銅の光学特性を、高圧力において、マットから略鏡面反射性に改変する。

ここで図３を参照すると、圧縮前および後における紙上の発泡銅の高さプロファイルを示すグラフが、図示される。総高さおよび表面粗度は両方とも、減少され、銅膜の密度増加および表面粗度の減少を示す。具体的には、表面粗度は、２５ミクロン〜５ミクロンに減少された。薄膜スタック全体は、厚さにおいて約５０ミクロン減少した。

紙上の銅の場合、ＵＴＳより下で、圧力が純銅の電気伝導性を改善する、飽和点が存在する。変換後のメソ多孔性銅は、シート抵抗において約３０ｍΩ／□であった。８，３００ｐｓｉ（純銅の２７％ＵＴＳ）で圧縮されたメソ多孔性銅膜は、シート抵抗において２２ｍΩ／□であった。圧力１２，０００ｐｓｉ（純銅の４０％ＵＴＳ）では、シート抵抗は、最小値２０ｍΩ／□（飽和点）に到達した。さらに、与えられる圧力を２５，０００ｐｓｉ（純銅の８３％ＵＴＳ）まで増加させると、銅膜のシート抵抗に改良は見られなかった。しかしながら、経時的に伝導性を追跡すると、１２，０００ｐｓｉで圧縮された銅膜が、空気中で４０日にわたって２０％シート抵抗を増したことが観察された。２５，０００ｐｓｉで圧縮された銅膜は、空気中で４０日にわたって５％のみシート抵抗を増した。したがって、純銅の４０％ＵＴＳ（１２，０００ｐｓｉ）を超える圧力が、銅薄膜のための経時的腐食抵抗および安定性のために要求される。

与えられる応力を２倍増加させても、膜の電気伝導性を改良しなかったが、安定性が、著しく改良された。これは、細孔空間体積割合が、圧力増加（２５，０００ｐｓｉ）に伴って減少し、および／または、銅材料が、完全に降伏され、半分の圧力で圧縮された膜のように「復活」しなかったことを意味する。復活効果は、一般に、従来のシート金属形成において見られる。製造環境では、シート金属の部品の寸法を減少させるために、材料は、複数の段階を通して、圧縮または圧延されなければならない。単一段階の寸法減少は、プロセスの弾性変形成分のために、減少後の厚さにおいて拡張する金属の傾向により、有用ではない。この場合、８０％ＵＴＳで圧縮された発泡銅は、完全に降伏し、残留弾性応力が圧縮された膜の全体的性能および安定性を劣化させることを防止する。

光硬化後、変換されたメソ多孔性銅は、高表面積対体積比を有し、その不良天然腐食抵抗に寄与する。メソ多孔性銅の圧縮は、銅の表面積対体積比を著しく減少させ、材料の腐食抵抗を改善する。環境試験が、紙基板上の剥き出しの変換後かつおよび圧縮された銅膜上で行なわれた。圧縮された銅は、２４時間、８５℃／１００％相対湿度における環境で試験された場合、有意に改良された腐食抵抗を実証する。紙上のコーティングされていないメソ多孔性銅は、そのような環境試験に耐えられないが、圧縮された銅は、コーティングされず、かつ検出可能伝導性変化を伴わずに、耐えられる。コーティングされていない圧縮された銅膜は、２０％の抵抗率の増加のみ伴って、業界基準（８５℃／８５％相対湿度で１，０００時間）に合格した。生産に関する追加のコスト利点は、圧縮された銅膜を封入するための材料の要求される体積が、変換後の銅に対して減少されるため、明白となる。

薄膜の表面粗度のみ減少させることが望ましいとき、有意に低い圧力が、使用され得る。平均表面粗度５ミクロンを呈する、紙基板上のメソ多孔性銅の硬化させられた後の膜が、２，６００ｐｓｉ（純銅の９％ＵＴＳ）で圧縮され、平均表面粗度を２ミクロンまで減少させた。この圧力では、メソ多孔性銅膜の電気伝導性は、変わらなかった。

（実施例２）紙基板上のニッケルの多孔性薄膜に与えられる圧縮応力
ニッケルフレークインクのスクリーン印刷可能バージョン（ＮｏｖａＣｅｎｔｒｉｘ（Ａｕｓｔｉｎ，Ｔｅｘａｓ）から利用可能な製品番号７９−８９−１６）が、２３０メッシュフラットスクリーンを用いて、Ｗａｕｓａｕ １１０ ｌｂ精密インデックス紙上に印刷された。印刷物は、乾燥され、１５０℃炉内で５分間乾燥され、過剰溶媒を除去した。炉乾燥後、シート抵抗は、７７Ω／□を測定した。

乾燥されたインクは、光硬化させられ、光硬化装置（ＮｏｖａＣｅｎｔｒｉｘ（Ａｕｓｔｉｎ，Ｔｅｘａｓ）によって製造されるＰｕｌｓｅＦｏｒｇｅ（登録商標）３３００ Ｘ２光硬化システム等）を使用して、高伝導性多孔性ニッケル薄膜を形成した。硬化のために使用される光硬化装置上の設定は、５４０Ｖ、１，１００ｍｓ、重複係数４、ウェブスピード１４フィート／分であった。光硬化は、紙基板上のニッケル膜のシート抵抗を５５０ｍΩ／□まで減少させた。

多孔性ニッケル薄膜は、以下のプロセスを介して、高密度化を受けた。一対の鋼鉄ローラ（直径１．７インチ×長さ３．０インチ）が、ローラを通して引っ張られている場合、圧縮力２，４６４ｌｂｆを紙上の多孔性ニッケル薄膜に与えた。圧縮の断面積は、０．０７４ｉｎ^２であり、平均３３，３００ｐｓｉが印刷された導体に与えられた。多孔性ニッケルの圧縮を介した高密度化は、シート抵抗を６０ｍΩ／□まで減少させた。多孔性ニッケルの圧縮は、その抵抗率を８９％減少させた。

（実施例３）紙基板上の銀の薄膜に与えられる圧縮応力
銀フレークインクのスクリーン印刷可能バージョン（ＮｏｖａＣｅｎｔｒｉｘ（Ａｕｓｔｉｎ，Ｔｅｘａｓ）から利用可能な製品番号ＨＰＳ−０３０ＬＶ）が、２３０メッシュフラットスクリーンを用いて、Ｗａｕｓａｕ １１０ ｌｂ精密インデックス紙上に印刷された。印刷物は、１７０℃炉内で５分間乾燥され、過剰溶媒を除去し、銀フレークの焼結を生じさせた。炉乾燥後、シート抵抗は、１６．９ｍΩ／□を測定した。

紙基板上の５ミクロン厚の銀トレースは、以下のプロセスを介して、高密度化を受けた。一対の鋼鉄ローラ（直径１．７インチ×長さ３．０インチ）は、ローラを通して引っ張られている場合、圧縮力１，８４８ｌｂｆを紙上の銀薄膜に与えた。圧縮の断面積は、０．０７４ｉｎ^２であり、平均２４，９７０ｐｓｉが印刷された導体に与えられた。銀の圧縮を介した高密度化は、シート抵抗を１４．２ｍΩ／□まで減少させた。銀膜の圧縮は、抵抗率を１６％減少させた。

（実施例４）ＰＥＴ基板上のメソ多孔性銅の薄膜に与えられる圧縮応力
銅酸化物還元インクのスクリーン印刷可能バージョン（ＮｏｖａＣｅｎｔｒｉｘ（Ａｕｓｔｉｎ，Ｔｅｘａｓ）から利用可能な製品番号ＩＣＩ−０２１）が、２３０メッシュフラットスクリーンを用いて、ＳＴ５０５テレフタル酸ポリエチレン（ＰＥＴ）膜上に印刷された。印刷物は、次いで、１４０℃炉内で５分間乾燥され、過剰溶媒を除去した。最初に、インクは、約１ＧΩ／□のシート抵抗を有していた。すなわち、通常マルチメータによって測定される抵抗は、開回路であった。

インクは、光硬化装置（ＮｏｖａＣｅｎｔｒｉｘ（Ａｕｓｔｉｎ，Ｔｅｘａｓ）によって製造されるＰｕｌｓｅＦｏｒｇｅ（登録商標）３３００ Ｘ２光硬化システム等）を使用して、伝導性メソ多孔性銅薄膜に変換された。硬化のために使用される機械上の設定は、３６０Ｖ、２，５００ｍｓ、重複係数１、およびウェブスピード１６フィート／分であった。光硬化後のシート抵抗は、４６ｍΩ／□であった。

メソ多孔性銅薄膜は、以下のプロセスを介して、高密度化を受けた。一対の鋼鉄ローラ（直径１．７インチ×長さ３．０インチ）が、ローラを通して引っ張られている場合、圧縮力１，０２７ｌｂｆを紙上の発泡銅薄膜に与えた。圧縮の断面積は、０．０７４ｉｎ^２であり、平均１３，８７３ｐｓｉが印刷された導体に与えられた。メソ多孔性銅の圧縮を介した高密度化は、平均シート抵抗を３４ｍΩ／□まで減少させた。したがって、メソ多孔性銅の圧縮は、その抵抗率を２６％減少させ、その表面粗度を減少させた。

ＰＥＴ上のメソ多孔性銅の薄膜に与えられる圧力は、実施例１において使用された圧力の約半分であった。これは、１５，０００ｐｓｉのその降伏圧力を超える圧力で側方に変形するＰＥＴの傾向に起因して、銅膜を保存するために行なわれた。

圧縮応力が、薄膜の印刷された領域のみ（すなわち、薄膜および基板全体ではない）に与えられると、有意により高い圧力（ＰＥＴ等の基板の降伏圧力を上回る）が、メソ多孔性銅の薄膜および非多孔性ＰＥＴ基板に与えられ、薄膜の密度および電気伝導性を増加させ得る。非多孔性基板の降伏圧力を上回る圧力における圧延圧縮の制限は、薄膜導体に局所的側方変形が、完全領域圧縮がそうであるように、薄膜導体の隣接を妨害しないので、除去される。印刷された回路のこのタイプの領域特定の圧縮は、エンボス加工ローラ等のスタンピングツールの使用を通して遂行され得る。エンボス加工ローラは、印刷される回路パターンに一致する隆起パターンを有し得、基板上の印刷される領域にのみ接触し、それを圧縮し、基板の大部分を圧縮させずに残す。概して、本技法は、基板の５０％未満を被覆する印刷堆積のために有用である。堆積面積の割合が１００％まで増加するにつれて、領域特定の圧縮は、圧延圧縮のように挙動する傾向となり、基板のウェブ全体が圧縮され、したがって、利点を失う。

説明されたように、本発明は、薄膜導体を基板上に形成する方法を提供する。

本発明は、特に、好ましい実施形態を参照して、図示および説明されたが、形態および詳細における種々の変更が、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、そこに行なわれ得ることは、当業者によって理解されるであろう。

Claims (16)

1. 薄膜導体を基板上に形成する方法であって、前記方法は、
   薄膜前駆体材料を多孔性基板上に堆積させることと、
   前記薄膜前駆体材料を光パルスを用いて照射することにより、前記薄膜前駆体材料を薄膜に変換することであって、前記薄膜は、前記薄膜前駆体材料より電気伝導性である、ことと、
   一対のピンチローラにより前記薄膜および前記多孔性基板に圧縮応力を与えることにより、前記薄膜の電気伝導性をさらに増加させることであって、前記ピンチローラは、ω＝ｖ／ｒで駆動され、ωは、前記ピンチローラの角速度であり、ｒは、前記ピンチローラの半径であり、ｖは、前記薄膜の移動速度であり、前記圧縮応力を与えることは、時間に伴って、大きさにおいて振動する、ことと
   を含む、方法。
2. 前記堆積させることは、印刷によって行なわれる、請求項１に記載の方法。
3. 前記多孔性基板は、紙である、請求項１に記載の方法。
4. 前記多孔性基板は、ポリマーである、請求項１に記載の方法。
5. 前記圧縮応力のピーク圧力は、標準的温度および圧力において、前記薄膜の終局引張強度の２５％を超える、請求項１に記載の方法。
6. 前記薄膜前駆体材料は、粒子状金属を含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記粒子状金属は、銅、ニッケル、コバルト、銀、およびそれらの組み合わせから成る群から選択される金属である、請求項６に記載の方法。
8. 前記薄膜前駆体材料は、粒子状金属酸化物および還元剤を含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記薄膜前駆体材料は、金属塩および還元剤を含む、請求項１に記載の方法。
10. 薄膜導体を基板上に形成する方法であって、前記方法は、
    薄膜前駆体材料を基板上にパターンで堆積させることと、
    前記薄膜前駆体材料を光パルスを用いて照射することにより、前記薄膜前駆体材料を薄膜に変換することであって、前記薄膜は、前記薄膜前駆体材料より電気伝導性である、ことと、
    一対のピンチローラにより前記薄膜および前記基板のパターン化された領域にのみ圧縮応力を与えることにより、前記薄膜の電気伝導性をさらに増加させることであって、前記ピンチローラは、ω＝ｖ／ｒで駆動され、ωは、前記ピンチローラの角速度であり、ｒは、前記ピンチローラの半径であり、ｖは、前記薄膜の移動速度であり、前記圧縮応力を与えることは、時間に伴って、大きさにおいて振動する、ことと
    を含む、方法。
11. 前記堆積させることは、印刷によって行なわれる、請求項１０に記載の方法。
12. 前記基板は、紙である、請求項１０に記載の方法。
13. 前記基板は、ポリマーである、請求項１０に記載の方法。
14. 前記圧縮応力のピーク圧力は、標準的温度および圧力において、前記薄膜の終局引張強度の２５％を超える、請求項１０に記載の方法。
15. 前記薄膜前駆体材料は、粒子状金属を含む、請求項１０に記載の方法。
16. 前記パターンは、前記基板の総面積の５０％未満をおおう、請求項１０に記載の方法。

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