JP7037953B2 - 金属配線の製造方法、金属配線付構造体及び金属配線製造装置 - Google Patents
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Description
本発明者は、金属配線の形状が複雑になり走査線の長さが異なる場合、光線を走査する速度が一定であることに起因して、1回の走査による蓄熱量に地点によって差が生じることに着目した。
図3は、本実施の形態に係る金属配線付構造体を示す断面模式図である。図3に示すように、金属配線付構造体20は、支持体21と、支持体21が構成する面上に、断面視において、酸化銅及びリン含有有機物を含む絶縁領域22と、銅粒子が焼結して形成された金属配線23と、が互いに隣接して配置された単一層24と、を具備することを特徴とする。絶縁領域22は、被処理層11(図2参照)のうち光線が照射されていない領域である。
支持体21は、単一層24を配置するための面を構成するものである。形状は、特に限定されない。
本実施の形態では、単一層24は、絶縁領域22と金属配線23とが混在してなると言える。
絶縁領域22は、酸化銅及びリン含有有機物を含み、電気絶縁性を示す。絶縁領域22は、光照射を受けていない未照射領域と言える。また、絶縁領域22は、光照射によって酸化銅が還元されていない未還元領域とも言える。また、絶縁領域22は、光照射によって焼成されていない未焼成領域とも言える。
金属配線23は、銅を含み、電気導電性を示す。金属配線23は、レーザによる照射を受けた被照射領域と言える。また、金属配線23は、光照射によって酸化銅が還元された還元銅を含む還元領域とも言える。また、金属配線23は、絶縁領域22を光照射によって焼成した焼成体を含む焼成領域とも言える。
以下、本実施の形態に係る金属配線付構造体20の各構成について具体的に説明する。しかし、各構成は、以下に挙げる具体例に限定されるものではない。
支持体の具体例として、例えば、無機材料からなる支持体(以下、「無機支持体」)又は樹脂からなる支持体(以下、「樹脂支持体」という)が挙げられる。
単一層は、酸化銅粒子及びリン含有有機物を含む絶縁領域と、銅を含む金属配線とが混在してなる。
本実施の形態において、酸化銅は、例えば、酸化第一銅及び酸化第二銅を包含する。酸化第一銅は、低温焼結しやすい傾向にあるので特に好ましい。酸化第一銅及び酸化第二銅は、これらを単独で用いてもよいし、これらを混合して用いてもよい。
リン含有有機物は、絶縁領域において電気絶縁性を示す材料である。リン含有有機物は、酸化銅を、支持体に固定できることが好ましい。リン含有有機物は、単一分子であってよいし、複数種類の分子の混合物でもよい。また、リン含有有機物は、酸化銅の微粒子に吸着していてもよい。
(1)ポリオール溶剤中に、水及び銅アセチルアセトナト錯体を加え、一旦有機銅化合物を加熱溶解させ、反応に必要な量の水を更に添加し、有機銅の還元温度に加熱して還元する方法。
(2)有機銅化合物(銅-N-ニトロソフェニルヒドロキシルアミン錯体)を、ヘキサデシルアミン等の保護剤の存在下、不活性雰囲気中で、300℃程度の高温で加熱する方法。
(3)水溶液に溶解した銅塩をヒドラジンで還元する方法。
金属配線における銅は、例えば、銅を含む微粒子同士が互いに融着した構造を示していてもよい。また、微粒子の形状が無く、全てが融着した状態になっていてもよい。さらに、一部分は微粒子の形状であって、大部分は融着した状態であってもよい。
本実施の形態に係る金属配線体の製造方法においては、例えば、まず、酸化銅粒子を含む表面を有する支持体を用意する。例えば、まず、支持体が構成する面上に、酸化銅粒子及びリン含有有機物を含む被処理層(酸化銅インク層)を配置する。この方法としては、(a)酸化銅粒子及びリン含有有機物を含有する分散体(酸化銅インク)を塗布する方法、(b)酸化銅粒子を散布し、次いでリン含有有機物を塗布する方法、(c)リン含有有機物を塗布し次いで酸化銅粒子を散布する方法等が挙げられる。以下、(a)の方法を例に挙げて説明するが、これに限定されるものではない。
次に、まず分散体の調製方法について説明する。まず、酸化銅粒子をリン含有有機物と共に分散媒に分散させた酸化銅分散体(酸化銅インク)を調製する。
上述のような支持体の表面に、本実施の形態に係る分散体からなる薄膜(以下、被処理層という)を形成する。より具体的には、例えば、分散体を支持体上に塗布し、必要に応じて乾燥により分散媒を除去し、被処理層を形成する。当該被処理層の形成方法は、特に限定されないが、ダイコート、スピンコート、スリットコート、バーコート、ナイフコート、スプレーコート、ディツプコート等の塗布法を用いることができる。これらの方法を用いて、支持体上に均一な厚みで分散体を塗布することが望ましい。
本実施の形態では、酸化銅粒子を還元し、銅粒子を生成させると共に、生成された銅粒子同士の焼結(融着)による一体化が生じる条件下で加熱処理を施し、金属配線を形成する。この処理を焼成処理と呼ぶ。
図4は、本実施の形態に係る金属配線製造装置の一例を示す模式図である。図4に示すように、金属配線製造装置30は、光源の一例であるレーザ光源31を備える。
レーザ光源31から射出されたレーザ光32は、光線走査部の一例であるガルバノスキャナー33に入力される。ガルバノスキャナー33は、X軸ガルバノミラー33a、X軸ガルバノモータ33b、Y軸ガルバノミラー33c及びY軸ガルバノモータ33dを具備する。また、図示されないfθレンズやZ軸調整用駆動レンズを具備してもよい。
上述のような金属配線製造装置30における走査速度制御について説明する。まず、スキャナ制御部34に、所望の金属配線のパターン(形状、位置及び大きさ)を示すスキャン用データ(座標データ)を入力する。スキャナ制御部34は、スキャン用データに基づいて、パターンのX軸方向に沿った長さから走査線の長さ(L)(単位:mm)を算出する。次に、スキャナ制御部34は、算出された走査線の長さ(L)に基づいて、以下の式(1)により、所定の走査周期(F)(単位:Hz)(例えば、15Hz)になるように、レーザ光を走査する速度(以下、走査速度という)(V)(単位:mm/秒)を算出する。
走査速度(V)=走査周期(F) x 走査線の長さ(L)・・・・(1)
また、上述のように、レーザ光32の照射点P(図4参照)のY軸方向の移動量は、任意に設定することができるが、本実施の形態では、隣接する走査線を互いに重複させるような移動量に設定することが好ましい。図5は、本実施の形態に係る金属配線製造方法における互いに重複した走査線を示す模式図である。図5に示すように、ある走査線41と、それに隣接する走査線42が、互いに重複している。これにより、走査線41、42が重複したオーバーラップ領域において蓄熱量が大きくなるため、銅粒子の焼結度を高め、その結果、金属配線1(図1参照)の抵抗値をより低くすることができる。
上述の焼成処理においては、金属粒子の光吸収波長に応じて、最適な波長がある。金属粒子の焼結をレーザ光で行うことで、波長を自由に選択することができるため、焼結に適した波長の光を照射することができ、金属粒子を効果的に焼結できる。しかしながら、最適な波長の光を選択したとき、金属粒子の焼結に必要な出力が得られないことがあり、焼結が不十分になる恐れがある。
また、光源と、金属粒子を含む表面との間に配設される集束制御部を用いて、光線を、金属粒子を含む表面に集束することが好ましい(図4及び図6参照)。これにより、複数の光線を、光源の位置を調整することなく、金属粒子を含む表面に容易に集束できる。
本実施の形態に係る金属配線付構造体は、例えば、電子回路基板等の配線材(プリント基板、RFID、自動車におけるワイヤハーネスの代替など)、携帯情報機器(スマートフォン等)の筐体に形成されたアンテナ、メッシュ電極(静電容量式タッチパネル用電極フィルム)、電磁波シールド材、及び、放熱材料、に好適に適用することができる。
<酸化第一銅分散液>
蒸留水(共栄製薬株式会社製)7560g、1,2-プロピレングリコール(関東化学株式会社製)3494gの混合溶媒中に酢酸銅(II)一水和物(関東化学株式会社製)806gを溶かした。得られた溶液を、外部温調器によって液温-5℃にした。溶液にヒドラジン一水和物(東京化成工業株式会社製)235g(製)を20分間かけて加え、30分間攪拌した。その後、溶液を、外部温調器によって液温25℃にし、90分間攪拌した。攪拌後、溶液を遠心分離で上澄みと沈殿物に分離した。得られた沈殿物390gに、DISPERBYK-145(ビッグケミー製)13.7g(分散剤含有量4g)、サーフロンS611(セイミケミカル製)54.6g、及び、エタノール(関東化学株式会社製)907gを加え、ホモジナイザを用いて分散し、酸化第一銅分散液1365gを得た。
標準添加法によりヒドラジンの定量を行った。
酸化銅インクの平均粒子径は大塚電子製FPAR-1000を用いてキュムラント法によって測定した。
得られた分散液を、ポリイミドフィルム(東レ・デュポン社製、カプトン500H、厚み125μm)にスピンコート法によって塗布し、40℃のオーブンで2時間保持して塗膜内の溶媒を揮発させて試料1を得た。得られた試料1の塗膜厚は略1000nmであった。
レーザ光源として、連続波発振(Continuous Wave:CW))、中心波長445nm、出力2.0Wの半導体レーザを2式用意した。2式のレーザ光線を1つの凹レンズに入射させ、略1つのレーザ光線に集束されるように調整して結合レーザ光線を得た。更に、結合レーザ光線をガルバノスキャナーに入射させ、前述の試料1の塗膜表面に焦点が合うように調節した。なお、結合レーザ光線の出力を測定した結果、3.6Wであった。
大きさが異なる長方形状の領域(主走査方向)を組み合わせたパターンデータを準備し、金属配線製造装置に入力した。パターンデータは、主走査方向の長さがL1=20mm、L2=10mmで、主走査方向に垂直な方向の長さ(幅とする)はそれぞれ3mmである。走査周期(F)が15Hzになるように下記の通り走査速度(V1、V2)を算出させ、走査速度制御しながら結合レーザ光線を走査した。
走査速度V1 = F × L1 = 300mm/s
走査速度V2 = F × L2 = 150mm/s
得られた導電性パターンを、L1=20mm、幅3mmと、L2=10mm、幅3mmの領域で切断し、4端子測定法で比抵抗値を評価した。この結果、導電性パターンの長さに依らず略50μΩcmであり、金属配線として使用するのに十分低抵抗であった。
得られた導電性パターンの表面を光学顕微鏡で観察した。観察の様子を図9に示す。図9は、本発明の実施例1における導電性パターンの表面の光学顕微鏡写真である。観察により、結合レーザ光線の走査線が、13.2μmの間隔で確認できた。また、導電性パターンの走査終端部のオーバーラップしていない部分の軌跡の幅は320μmであった。下記の式によりオーバーラップ率を計算すると、95.9%であった。
(オーバーラップ率)=(320μm-13.2μm)÷320μm
レーザ光源として、連続波発振(Continuous Wave:CW)、中心波長532nm、レーザ光線出力6.0Wを用いて、走査周期(F)が20Hzになるように走査速度(V)を算出させ、走査速度制御しながら結合レーザ光線を走査した、こと以外は実施例1と同様の方法によって導電性パターンを得た。実施例1と同様に抵抗測定した結果、略70μΩcmであり、金属配線として使用するのに十分低抵抗であった。
結合レーザ光線を往復走査させる際の走査速度を調節せず、一定速度300mm/sで走査すること以外は、実施例1と同様の方法で導電性パターンを得た。得られた導電性パターンをL1=20mm、幅3mmと、L2=10mm、幅3mmの領域で切断し、4端子測定法で比抵抗値を評価した。この結果、L1=20mm、幅3mmの領域の比抵抗値は50μΩcmで、L2=10mm、幅3mmの領域は一部が焦げてしまい、抵抗測定ができなかった。焦げてしまった領域は、走査速度が遅く、蓄熱量が多くなり一部が焦げてしまったと推測される。
結合レーザ光線を往復走査させながら試料1に照射する際に、走査線を3%オーバーラップさせながら走査すること以外は、実施例1と同様の方法で導電性パターンを得た。得られた導電性パターンをL1=20mm、幅3mmと、L2=10mm、幅3mmの領域で切断し、4端子測定法で比抵抗値を評価した。この結果、導電性パターンの長さに依らず略500μΩcmであり、金属配線として使用するのに不十分であった。オーバーラップが小さく、銅の焼結度が高まらなかったために高抵抗になったと推測される。
11、36、56a 被処理層
12 酸化銅粒子(金属粒子)
13 リン酸エステル塩
20、56 金属配線付構造体(構造体)
21 支持体
22 絶縁領域
24 単一層
30、50 金属配線製造装置
31、51、52 レーザ光源(光源)
32、53、54 レーザ光(光線)
33 ガルバノスキャナー(光線走査部)
34 スキャナ制御部(速度制御部)
35、56b 基板(支持体)
41、42 走査線
55 集束制御部
61 波長選択部材
62 反射偏光板
63 レンズ
Claims (24)
- 金属粒子を含む表面に光線を繰り返し走査して前記金属粒子を焼結させ、金属配線を形成する工程を具備し、
前記金属配線を構成する走査線の長さに応じて前記光線を走査する速度を異ならせ、前記速度を、走査周期が実質的に同一になるように設定することを特徴とする金属配線の製造方法。 - 隣接する前記走査線を、互いに重複させるようにして前記金属配線を形成することを特徴とする請求項1に記載の金属配線の製造方法。
- 前記走査線を、その幅方向において5%~99.5%重複させることを特徴とする請求項2に記載の金属配線の製造方法。
- 前記金属粒子は、銅、銀、金及びアルミニウムからなる群から選択される少なくとも一つを含有することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の金属配線の製造方法。
- 前記金属粒子は、金属酸化物粒子であることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれかに記載の金属配線の製造方法。
- 前記金属酸化物粒子は、酸化銅粒子であることを特徴とする請求項5に記載の金属配線の製造方法。
- 前記金属粒子を含む表面を、前記金属粒子及び分散剤を含む分散体から形成することを特徴とする請求項1から請求項6のいずれかに記載の金属配線の製造方法。
- 前記分散剤は、リン含有有機物を含有することを特徴とする請求項7に記載の金属配線の製造方法。
- 前記光線が、中心波長が355nm以上550nm以下のレーザ光であることを特徴とする請求項1から請求項8のいずれかに記載の金属配線の製造方法。
- 複数の光源から出射された各光線を、前記金属粒子を含む表面に集束するように制御して、前記金属粒子を焼結することを特徴とする請求項1から請求項9のいずれかに記載の金属配線の製造方法。
- 前記光源と、前記金属粒子を含む表面との間に配設される集束制御部を用いて、前記光線を、前記金属粒子を含む表面に集束することを特徴とする請求項10に記載の金属配線の製造方法。
- 前記集束制御部において、少なくとも一つの前記光線を透過させ、残りの前記光線を反射させて、前記金属粒子を含む表面に集束することを特徴とする請求項11に記載の金属配線の製造方法。
- 前記集束制御部は、波長選択部材であり、異なる波長の前記光線を集束することを特徴とする請求項12に記載の金属配線の製造方法。
- 前記集束制御部は、反射偏光板であり、異なる偏光の前記光線を集束することを特徴とする請求項12に記載の金属配線の製造方法。
- 入射面と出射面とを有する前記集束制御部において、複数の前記光線を前記入射面に入射させ、前記出射面から出射させて、前記金属粒子を含む表面に集束することを特徴とする請求項11に記載の金属配線の製造方法。
- 前記集束制御部は、レンズであることを特徴とする請求項15に記載の金属配線の製造方法。
- 前記光線が、中心波長が355nm以上550nm以下であるレーザ光であることを特徴とする請求項11から請求項16のいずれかに記載の金属配線の製造方法。
- 金属粒子を含む表面に光線を繰り返し走査して金属配線を形成する光線走査部と、前記光線走査部による前記光線を走査する速度を、前記金属配線を構成する走査線の長さに応じて異ならせ、前記速度を、走査周期が実質的に同一になるように設定する速度制御部と、を具備することを特徴とする金属配線製造装置。
- 複数の光源と、前記複数の光源から出射された各光線を、前記金属粒子を含む表面に集束するように制御する集束制御部と、をさらに有することを特徴とする請求項18に記載の金属配線製造装置。
- 前記集束制御部は、波長選択部材であることを特徴とする請求項19に記載の金属配線製造装置。
- 前記集束制御部は、反射偏光板であることを特徴とする請求項19に記載の金属配線製造装置。
- 前記集束制御部は、レンズであることを特徴とする請求項19に記載の金属配線製造装置。
- 前記光源は、中心波長が355nm以上550nm以下のレーザ光を出射することを特徴とする請求項19に記載の金属配線製造装置。
- 前記中心波長が、400nm以上532nm以下であることを特徴とする請求項23に記載の金属配線製造装置。
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