JPWO2006082996A1 - 銀粒子粉末およびその製造法 - Google Patents
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Abstract
Description
金属ナノ粒子の場合は、融点がバルク状態のものに比べ劇的に低下することが知られている。そのため、従来のミクロンオーダーの粒子に比べ、微細な配線が描画できるという特徴以外にも、低温焼結できるなどの特徴を有する。金属ナノ粒子の中でも、銀のナノ粒子は低抵抗でかつ高い耐候性をもち、その価格も他の貴金属と比較すると安価であることから、微細な配線幅をもつ次世代の配線材料として特に期待されている。
ナノメートルオーダーの銀のナノ粒子の製造方法としては大別して気相法と液相法が知られている。気相法ではガス中での蒸着法が普通であり、特許文献1にはヘリウム等の不活性ガス雰囲気でかつ0.5Torr程度の低圧中で銀を蒸発させる方法が記載されている。液相法に関しては、特許文献2では、水相で銀イオンをアミンで還元し、得られた銀の析出相を有機溶媒相(高分子量の分散剤)に移動して銀のコロイドを得る方法を開示しており、特許文献3には、溶媒中でハロゲン化銀を還元剤(アルカリ金属水素化ホウ酸塩またはアンモニウム水素化ホウ酸塩)を用いてチオール系の保護剤の存在下で還元する方法が記載されている。
特許文献2は、前記した方法で0.1mol/L以上の高い金属イオン濃度と、高い原料仕込み濃度で安定して分散した銀ナノ粒子を合成しているが、凝集を抑制するために数平均分子量が数万の高分子量の分散剤を用いている。高分子量の分散剤を用いたものでは、当該銀ナノ粒子を着色剤として用いる場合は問題ないが、回路形成用途に用いる場合には、高分子の沸点以上の焼成温度が必要となること、さらには焼成後も配線にポアが発生しやすいこと等から高抵抗や断線の問題が生じるので、微細な配線用途に好適とは言えない。
特許文献3は、前記した方法で仕込み濃度も0.1mol/L以上の比較的高い濃度で反応させ、得られた10nm以下の銀粒子を分散剤で分散させている。その分散剤としてチオール系の分散剤が提案されており、このものは分子量が200程度と低いことから、配線形成時に低温焼成で容易に揮発させることができる。しかし、チオール系界面活性剤には、硫黄(S)が含まれており、この硫黄分は、配線やその他電子部品を腐食させる原因となるため、配線形成用途には、不適な元素である。したがって配線形成用途には好ましくはない。
さらに、液相法では銀原料として硝酸銀やハロゲン化銀等を用いている(特許文献2および3)ので、反応溶液中にはI−、Cl−、SO4 2−、NO3 −およびCN−等の銀原料由来のイオンが不可避的に多く含まれてくる。ナノ粒子の場合比表面積が極端に大きいこと、固液分離・洗浄が困難であること、しかも原料に起因するこれらのイオンはもともと銀と化合していたものが大半であるから銀との反応性も高いこと等から、これらの原料に起因するイオンが反応後の銀粒子に吸着または反応して介在するようになり、その粒子を用いた分散液も同様に上記イオンを不純物として含むこととなる。他方、近年、電子機器の高性能化に伴い、それらを構成する部材に求められる要求はますます厳しくなり、信頼性を損なう成分や元素の含有量はppmオーダーでの管理を求められている。このような状況で銀粒子粉末の分散液中に、腐食性成分であるI−、Cl−、SO4 2−、NO3 −およびCN−等が混入することは好ましくはない。
したがって、本発明はこのような問題を解決し、微細な配線形成用途に適した腐食性成分の少ない銀のナノ粒子粉末とその分散液を安価にかつ大量に得ることを課題としたものである。また、粒径の揃った球形の銀のナノ粒子の個々が独立して単分散しているのが好ましいことから、このような銀粒子の分散液を得ることを課題としたものである。
さらに本発明によれば、この銀粒子粉末を有機分散媒(代表的には無極性または低極性の溶媒)に分散させた銀粒子の分散液であって、動的光散乱法による平均粒径(D50)が200nm以下および分散度=(D50)/(DTEM)が5.0以下で、分散液中のI−、Cl−、SO42−、NO3−およびCN−の含有量がそれぞれ100ppm以下である銀粒子の分散液を提供する。
本発明はまた、このような銀粒子粉末を製造する方法として、沸点が85℃以上の有機溶媒(代表的にはアルコールまたはポリオール)中で硝酸銀以外の銀化合物(代表的には炭酸銀または酸化銀)を有機保護剤(代表的には分子量が100〜400脂肪酸またはアミノ化合物)の存在下で85℃以上の温度で還元する、銀粒子粉末の製造法を提供する。
第2図は、第1図のものとは倍率が異なる本発明の銀のナノ粒子粉末の電子顕微鏡(TEM)である。
第3図は、本発明の他の例の銀のナノ粒子粉末の電子顕微鏡(TEM)である。
第4図は、図3のものとは倍率が異なる本発明の他の例の銀のナノ粒子粉末の電子顕微鏡(TEM)である。
第5図は、本発明の銀のナノ粒子粉末のX線回折チャートである。
本発明の銀粒子粉末の特徴的事項を以下に個別に説明する。
〔TEM粒径(DTEM)〕
本発明の銀粒子粉末は、TEM(透過電子顕微鏡)観察により測定される平均粒径(DTEM)が200nm以下、好ましくは100nm以下、さらに好ましくは30nm以下である。TEM観察では60万倍に拡大した画像から重なっていない独立した粒子300個の径を測定して平均値を求める。アスペクト比も同様の観察結果から求める。
〔アスペクト比〕
本発明の銀粒子粉末のアスペクト比(長径/短径の比)は2.0未満、好ましくは1.2以下、さらに好ましくは1.1以下である。図1の写真のものはほぼ球形であり、そのアスペクト比(平均)は1.05以下である。このため配線形成用途に好適である。アスペクト比が2.0以上の場合には、その粒子の分散液を基板に塗布して乾燥したときに粒子の充填性が悪くなり、焼成時にポアが発生して抵抗が高くなり、場合によっては断線が起きることがある。
〔単結晶化度〕
単結晶化度はTEM粒径(DTEM)/X線結晶粒径(Dx)の比で表される。X線結晶粒径(Dx)はX線回折結果からScherrerの式を用いて求めることができる。
その求め方は、次のとおりである。
Scherrerの式は、次の一般式で表現される。
D=K・λ/βCOSθ
式中、K:Scherrer定数、D:結晶粒子径、λ:測定X線波長、β:X線回折で得られたピークの半価幅、θ:回折線のブラッグ角をそれぞれ表す。
Kは0.94の値を採用し、X線の管球はCuを用いると、前式は下式のように書き換えられる。
D=0.94×1.5405/βCOSθ
単結晶化度(DTEM)/(Dx)は1個の粒子中に存在する結晶の数に概略相当する。単結晶化度が大きいほど多結晶からなる粒子であると言える。本発明の銀粒子の単結晶化度は5.0以下、好ましくは、2.0以下、さらに好ましくは1.0以下である。このため、粒子中の結晶粒界が少ない。結晶粒界が多くなるほど電気抵抗が高くなるが、本発明の銀ナノ粒子粉末は単結晶化度が低いので抵抗が低く、導電部材に用いる場合に好適である。
〔動的光散乱法による平均粒径〕
銀粒子粉末を分散媒に混合して得られる本発明の分散液は、動的光散乱法による平均粒径(D50)が200nm以下であり、分散度=(D50)/(DTEM)が5.0以下である。
本発明の銀粒子粉末は容易に分散媒中に分散し、かつその分散媒中において安定な分散状態をとり得る。分散媒中での銀ナノ粒子の分散状態は動的散乱法によって評価でき、平均粒径も算出できる。その原理は次のとおりである。一般に粒径が約1nm〜5μmの範囲にある粒子は液中で並進・回転等のブラウン運動によってその位置と方位を時々刻々と変えているが、これらの粒子にレーザー光を照射し、出てくる散乱光を検出すると、ブラウン運動に依存した散乱光強度の揺らぎが観測される。この散乱光強度の時間の揺らぎを観測することで、粒子のブラウン運動の速度(拡散係数)が得られ、さらには粒子の大きさを知ることができる。この原理を用いて、分散媒中での平均粒径を測定し、その測定値がTEM観察で得られた平均粒径に近い場合には、液中の粒子が個々に単分散していること(粒子同士が接合したり凝集したりしていないこと)を意味する。すなわち、分散媒中において各粒子は互いに間隔をあけて分散しており、個々単独に独立して動くことができる状態にある。
本発明に従う分散液中の銀粒子粉末に対して行った動的光散乱法による平均粒径は、TEM観察による平均粒径に比較して、それほど違わないレベルを示す。すなわち、本発明に従う分散液について測定した動的光散乱法による平均粒径は200nm以下、好ましくは100以下、さらに好ましくは30nm以下であり、TEM観察の平均粒径とは大きくは異ならない。したがって、単分散した状態が実現しており、本発明によれば、銀のナノ粒子粉末が独立分散した分散液が提供される。
なお、分散媒中において粒子が完全に単分散していても測定誤差等により、TEM観察の平均粒径とは違いが生ずる場合がある。例えば測定時の溶液の濃度は測定装置の性能・散乱光検出方式に適していることが必要であり、光の透過量が十分に確保される濃度で行わないと誤差が発生する。またナノオーダーの粒子の測定の場合には得られる信号強度が微弱なため、ゴミや埃の影響が強く出て誤差の原因となるので、サンプルの前処理や測定環境の清浄度に気を付ける必要がある。ナノオーダーの粒子測定には、散乱光強度を稼ぐためにレーザー光源は発信出力が100mW以上のものが適する。さらに、粒子に分散媒が吸着している場合には、その分散媒の吸着層の影響もでるため、完全に分散していても粒径が大きくなることが知られている。特に粒径が10nmをきったあたりから特に影響が顕著になる。そのため、分散した粒子でもTEM観察でえら得た値とは全く同じにならないが、分散度=(D50)/(DTEM)が5.0以下、好ましくは3.0以下であれば良好な分散が維持されていると見てよい。
本発明の銀粒子粉末はI−、Cl−、SO4 2−、NO3 −およびCN−の各イオンの含有量がそれぞれ100ppm以下であることから、これを分散媒中に分散させた分散液についても、純度の高い分散媒を使用する限りその分散液もI−、Cl−、SO4 2−、NO3 −およびCN−−の各イオンの含有量がそれぞれ100ppm以下となり得る。本発明で使用できる分散媒としては例えばヘキサン、トルエン、ケロシン、デカン、ドデカン、テトラデカン等の無極性または低極性の有機分散媒が好適である。
〔製造法〕
本発明の銀粒子粉末は、沸点が85℃以上のアルコールまたはポリオール中で硝酸銀以外の銀化合物(代表的には炭酸銀または酸化銀)を有機保護剤の共存下で85℃以上の温度で還元処理することによって製造することができる。
本発明で使用する有機溶媒兼還元剤としてのアルコールまたはポリオールは、沸点が85℃以上のものであれば特に制限はない。沸点が85℃未満のものを使用した場合には、オートクレーブのような特殊な反応機でないかぎり、反応温度を85℃以上にすることは困難である。反応温度が85℃未満では炭酸銀または酸化銀を銀に完全に還元するのが困難となる。好ましい有機溶媒兼還元剤としてはイソブタノールまたはn−ブタノールいずれか1種もしくは2種の混合物が好ましいが、沸点が85℃以上のものであれば、これに限定されるものではない。硝酸銀以外の化合物としては、有機溶媒に難溶性の銀化合物、例えば炭酸銀や酸化銀など使用する。硝酸銀についてはI−、Cl−、SO4 2−、NO3 −およびCN−イオン等をその原料から同伴しやすいので好ましくはない。炭酸銀または酸化銀などは粉体の状態で使用する。
有機保護剤としては、銀に配位性の性質をもつ分子量が100〜400の金属配位性化合物、代表的には脂肪酸またはアミノ化合物を使用する。銀に配位性のない又は配位性の低い化合物を使用すると、ナノ粒子を作成するのに大量の保護剤が必要となる。一般に、金属配位性化合物にはイソニトリル化合物、イオウ化合物、アミノ化合物、カルボキシル基をもつ脂肪酸などがあるが、イオウ化合物はイオウを含むため腐食の原因となり電子部品にとっては信頼性を下げる原因になる。イソニトリル化合物は有毒である等の問題をもつ。本発明では分子量100〜400の脂肪酸またはアミノ化合物を有機保護剤として使用することによって、このような問題のない配線形成用材料を得ることができる。
アミノ化合物では第1級アミンが好ましい。第2級アミンまたは第3級アミンは、それ自体還元剤として働くため、既にアルコールを還元剤として用いる場合は、還元剤が2種類となり還元速度等の制御が困難になるという不都合がある。アミノ化合物または脂肪酸の分子量は100未満のものが粒子の凝集抑制効果が低く、他方、分子量が400を超えるものは凝集抑制力は高いものの沸点も高いので、これが粒子表面に被着した銀粒子粉末を配線形成用材料として使用した場合に、焼成時に焼結抑制剤として働き、配線の抵抗が高くなってしまい、場合によっては、導電性を阻害するので好ましくないので、分子量100〜400のアミノ化合物または脂肪酸を使用するのがよい。
アルコールまたはポリオール中での炭酸銀または酸化銀の還元反応は還流器の付いた装置を用いて蒸発したアルコールまたはポリオールを液相に戻しながら実施するのがよい。銀の仕込濃度は50mmol/L以上とするのがよく、これ以下の濃度ではコストがかかるので好ましくはない。
反応終了後は、得られたスラリーを遠心分離機にかけて固液分離し、その殿物に分散媒例えばエタルールを加えて超音波分散機にかけて分散させる。得られた分散液を再度遠心分離し、再びエタノールを加えて超音波分散機で分散させる。このような固液分離→分散の操作を合計3回繰り返したあと、上澄み液を廃棄し、沈殿物を乾燥して本発明の銀粒子粉末を得る。
得られた銀粒子粉末の純度は、これを真空乾燥機で乾燥(例えば200℃で12時間乾燥し、乾燥品を重量法(硝酸溶解後、HCl添加し塩化銀沈殿物作成し)その重量で純度測定して銀の純度を測定することができる。本発明に従う銀粒子粉末の純度は90%以上である。また、前記のとおりこの銀粒子粉末はI−、Cl−、SO4 2−、NO3 −、CN−の含有量はいずれも100ppm以下である。本発明の銀粒子粉末を分散させる分散媒としては、ヘキサン、トルエン、ケロシン、デカン、ドデカン、テトラデカン等の一般的な非極性溶媒もしくは極性が小さい溶媒が使用できる。得られた分散液は、その後、粗粒子や凝集粒子を除去する目的で遠心分離機にかける。その後、上澄みのみを回収し、この上澄みをサンプルとして、TEM、X線、粒度分布等の各種測定を実施する。
溶媒兼還元剤としてのイソブタノール(和光純薬株式会社製の特級)200mLに、オレイン酸(和光純薬株式会社製)0.1329mLと炭酸銀粉末(高純度化学研究所製)5.571gを添加し、かるくスプーンで攪拌する。この溶液を還流器のついた容器に移してオイルバスに載せ、容器内に不活性ガスとして窒素ガスを400mL/minの流量で吹込みながら、該溶液をマグネットスターラーにより200rpmの回転速度で撹拌しつつ加熱し、100℃の温度で3時間の還流を行って、反応を終了した。100℃に至るまでの昇温速度は1℃/minである。
反応終了後のスラリーを以下の手順で固液分離と洗浄を実施した。
1.反応後のスラリーを日立工機(株)製の遠心分離器CF7D2を用いて5000rpmで60分間固液分離し、上澄みは廃棄する。
2.沈殿物にエタノールを加え、超音波分散機にかけて分散させる。
3.前記の1→2の工程を3回繰り返す。
4.前記の1を実施し、上澄みを廃棄して沈殿物を得る。
前記4で得られたペースト状の沈殿物を次のようにして測定に供した。
イ.TEM観察および動的光散乱による粒度分布の測定には、該沈殿物にケロシンに添加して分散液とし、その分散液を遠心分離にかけて粗大粒子部分を沈降させ、上澄みを回収して銀微粒子の独立分散液を得、この分散液で評価を行った。
ロ.X線回折並びに結晶粒子径の測定には、前記の独立分散液を濃縮したものを無反射板に塗布してX線回折装置で測定した。
ハ.Ag純度と収率を求める場合には、前記4で得られた沈殿物を真空乾燥機で200℃で12時間で乾燥し、その乾燥品の重量を測定して求めた。より具体的には、その乾燥品を重量法(硝酸溶解後、HCl添加し塩化銀沈殿物を作成し、その重量で純度を測定する方法)でAg純度を測定した。収率は、(乾燥品の重量/仕込んだ原料から計算される理論収量)×100(%)として算出した。
ニ.腐食成分のI−、Cl−、SO4 2−、NO3 −およびCN−の含有量の測定は、前記4で得られた沈殿物を真空乾燥機で室温で12時間乾燥したものについて分析した。
これらの測定の結果、TEM平均粒径は=7.7nm、アスペクト比=1.2、X線結晶粒子径(Dx)=8.12nm、単結晶化度=(DTEM)/(Dx)=0.95であった。X線回折結果では銀に由来するピークしか観察されなかった。動的光散乱法(マイクロトラックUPA)で測定したD50=20.2nm、D50/DTEM=2.6であった。銀の純度は93%、銀の収率は93.1%であった。また、乾燥した銀ナノ粒子と分散液の両方ともにI−、Cl−、SO4 2−、NO3 −およびCN−の含有量はいずれも100ppm以下であった。
第1図および第2図本例の銀ナノ粒子粉末のTEM写真(TEM平均粒径などを求めたときの写真)である。これらの写真に見られるように、球形の銀ナノ粒子が所定の間隔をあけて良好に分散していることが観察される。ごく一部に重なった粒子が観察されるが、平均粒径(DTEM)、アスペクト比、CV値の測定時は、完全の分散している粒子について測定した。第5図は本例の銀ナノ粒子粉末のX線回折チャートである。第5図に見られるように銀に由来するピークしか存在しない。
〔実施例2〕
炭酸銀粉末5.571gを酸化銀粉(同和鉱業株式会社製)4.682gに代えた以外は実施例1を繰り返した。その結果TEM粒径は6.0nm、アスペクト比=1.15、X線結晶粒子径(Dx)=6.52nm、単結晶化度=(DTEM)/(Dx)=0.92であった。動的光散乱法(マイクロトラックUPA)で測定したD50=21.2nm、D50/DTEM=3.53であった。銀の純度は92%、銀の収率は90.1%であった。銀ナノ粒子粉末のTEM写真を第3図および第4図に示した。本例の銀ナノ粒子粉末もX線回折結果では銀に由来するピークしか観測されなかった。また、乾燥した銀ナノ粒子と分散液の両方ともにI−、Cl−、SO4 2−、NO3 −およびCN−の含有量はいずれも100ppm以下であった。
〔比較例1〕
炭酸銀粉末5.571gを硝酸銀結晶6.863gに代えた以外は実施例1を繰り返すことを試みた。しかし、当該硝酸銀をオレイン酸に溶解させてイソブタノールに添加し、攪拌を続けたが溶解せず、そのまま昇温して反応したあとの沈殿物をX線測定したが銀に由来するピークはほとんど観察されなかった。おそらく、オレイン酸銀が生成したものと考えられる。
Claims (10)
- TEM観察により測定される平均粒径(DTEM)が200nm以下、アスペクト比が2.50未満、(DTEM)/(Dx)が5.0以下〔ただし(Dx)はX線結晶粒子径を表す〕の銀粒子粉末であって、I−、Cl−、SO4 2−、NO3 −およびCN−の含有量がそれぞれ100ppm以下である銀粒子粉末。
- 表面に分子量100〜400の有機保護材が被着している請求項1に記載の銀粒子粉末。
- 有機保護剤が脂肪酸またはアミン化合物である請求項2に記載の銀粒子粉末。
- 請求項1または2に記載の銀粒子粉末を分散媒に分散させてなる銀粒子の分散液であって、動的光散乱法による平均粒径(D50)が200nm以下および分散度=(D50)/(DTEM)が5.0以下であり、且つ分散液中のI−、Cl−、SO4 2−、NO3 −およびCN−の含有量がそれぞれ100ppm以下である銀粒子の分散液。
- 分散媒は無極性または低極性の有機分散媒である請求項5に記載の銀粒子の分散液。
- 沸点が85℃以上の有機溶媒中で硝酸銀以外の銀化合物を有機保護剤の存在下で85℃以上の温度で還元することからなる銀粒子粉末の製造法。
- 有機溶媒はアルコールまたはポリオールである請求項6に記載の銀粒子粉末の製造法。
- 硝酸銀以外の銀化合物は炭酸銀または酸化銀である請求項6または7に記載の銀粒子粉末の製造法。
- 有機保護剤は分子量100〜400の脂肪酸またはアミン化合物である請求項6、7または8に記載の銀粒子粉末の製造法。
- 沸点が80℃以上の無極性または低極性分散媒に、請求項1または2に記載の銀粒子粉末を分散させる銀粒子の分散液の製造法。
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