(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属微粒子を有機溶媒中に分散させた金属ペーストを塗布し焼成して金属薄膜を形成させるに際し、
金属ペーストの塗膜を先ず真空中において仮焼して有機溶媒を主体とする有機物を真空排除すると共に加熱分解させて排除し、次いで酸化性雰囲気として仮焼して残留している分解物残渣を酸化させて排除し、更に還元性雰囲気として前記酸化性雰囲気における仮焼によって酸化された金属を還元し本焼成する
ことを特徴とする金属ペーストの焼成方法。
【請求項２】
金属ペーストを塗布した後の前記真空中における仮焼、前記酸化性雰囲気における仮焼、および前記還元性雰囲気における本焼成までの全ての操作を５００℃以下の温度で行う請求項１に記載の金属ペーストの焼成方法。
【請求項３】
前記酸化性雰囲気が酸素ガス、または酸素ガスと不活性ガスとの混合ガスによって形成させる請求項  １または請求項２に記載の金属ペーストの焼成方法。
【請求項４】
前記還元性雰囲気が水素ガス、または水素ガスと不活性ガスとの混合ガスによって形成させる請求項１から請求項３までの何れかに記載の金属ペーストの焼成方法。
【請求項５】
前記金属微粒子が平均粒子径１μｍ単位のもの、平均粒子径０．１μｍ単位のもの、および平均粒子径０．０１μｍ単位のものの中の何れか単独、またはそれら中の２種類以上の混合である請求項１から請求項４までの何れかに記載の金属ペーストの焼成方法。
【請求項６】
前記金属微粒子が金、銀、白金、パラジウム、銅、鉛、錫、ニッケル、アルミニウム、インジウム、チタンの中の何れか単独、または２種以上の合金の微粒子、またはそれらの中の２種以上の金属の微粒子の混合である請求項１から請求項５までの何れかに記載の金属ペーストの焼成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は金属微粒子を有機溶媒中に分散させた金属ペーストの焼成方法に関するものであり、更に詳しくは、基板上に塗布した金属ペーストの塗膜を低温度で焼成して低抵抗の薄膜を形成させる焼成方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
金属微粒子によって導体膜を形成させるには大別して二種の方法がある。その一つはバインダとしての有機高分子を溶解した有機溶媒中に粒子径数μｍの金属微粒子を分散させた市販の金属ペーストを基板上に塗布し乾燥して厚膜を形成させる方法であり、通常の使用方法では形成される厚膜中に有機系バインダが含まれるのでバルク状金属並の低抵抗膜は得られない。しかし、５００℃以上の温度に加熱して有機系バインダを熱分解させてしまうことにより、比較的抵抗が低い膜を作成することができる。他の方法は平均粒子径０．１μｍ程度、ないしはそれ以下の独立した金属微粒子を、場合によっては有機物の助剤を添加して、有機溶媒中に分散させた金属ペーストを基板上に塗布した後、５００℃以上の温度で焼成して有機溶媒、有機物を蒸発、熱分解させると共に、金属微粒子を燒結させて金属膜を形成させる方法である。この場合には金属膜中に有機物が含まれてこないので、バルク状金属並の低抵抗膜が得られる。
【０００３】
後者の平均粒子径０．１μｍないしはそれ以下の金属微粒子による金属ペーストを焼成する方法は、スクリーン印刷やスピンコートによって基板上に塗膜を作成した後、有機溶媒が主体の有機物を蒸発ないしは熱分解させて除去するために酸化性雰囲気中で、有機物が分解する５００℃以上の温度、例えば５００〜７００℃程度で仮焼し、次いでこの仮焼で部分的に酸化される金属膜を還元するために、還元性雰囲気として本焼成されている。なお、後者の金属ペースト及びその製造方法は本願出願人の出願による特開平３−３４２１１号公報に、また金属薄膜の形成方法は同じく本願出願人の出願による特開平３−２８１７８３号公報に開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
金属ペーストからバルク状金属並の高密度で低抵抗の金属膜を得んとする場合には、本焼成の温度は高い程好ましく、また有機溶媒、有機物を除去するための仮焼の温度も高くすることが望ましい。しかし、それらの温度は種々の要因によって制限され、例えば、基板温度を高温度に上げることができないプロセスではその限界温度で本焼成することになる。例えば、半導体基板へ金属ペーストの適用を考える場合には５００℃以下の温度が要求されるので、従来の方法は適用できないか、適用しても高い抵抗値を持つ金属薄膜しか得られない。
【０００５】
本発明は上述の問題に鑑みてなされ、金属ペーストの塗膜を低温度で焼成して、高密度で低抵抗の金属薄膜を形成させることのできる金属ペーストの焼成方法を提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題は請求項１の構成によって解決されるが、その解決手段を実施の形態によって例示すれば、シリコン基板上にスクリーン印刷した銅ペーストの塗膜を１×１０−５Ｐａ以下の真空度に排気が可能な真空電気炉に装填し、低温度、例えば５００℃以下の温度で仮焼することにより、有機溶媒を主体とする有機物は真空排気され、熱分解されて殆どが排除され、銅薄膜中には分解残渣としての炭素や水素が僅かに残留する程度となる。次いで真空電気炉内に酸素ガスを導入して酸化性雰囲気とし、同様の５００℃以下の温度で仮焼して炭素などの分解残渣を酸化させて排除する。この酸化性雰囲気中での焼成によって、銅薄膜は部分的に酸化されて高抵抗化する。従って、続いて真空電気炉内に水素ガスを導入して還元性雰囲気とし、また同様の５００℃以下の温度で本焼成することにより、銅薄膜の酸化された部分が還元され、バルク状銅と同程度の密度と比抵抗の銅薄膜が得られる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の金属ペーストの焼成方法は図１に示す４工程によって構成されるが、これらの４工程は以下のような内容を含む。
【０００８】
Ａ．金属ペーストの塗膜形成
スクリーン印刷、スピンコート、スプレーなどの手段で基板または基材面に金属ペーストを塗布する。
（塗布例）導体薄膜の形成、電子回路の配線、電気接点としてのバンプ、半導体基板上のビヤホールなどの凹所へ埋め込み。
【０００９】
Ｂ．真空中での仮焼
金属ペーストの塗膜からの有機溶媒等の有機物を真空除去すると共に加熱分解させる。この真空中での仮焼は有機溶媒等の有機物の熱分解温度を低下させることを意図するものである。また、金属微粒子が焼結される前に有機溶媒等が真空下に積極的に蒸発除去されるので、最終的に焼結して形成される金属薄膜中に不純物が含まれ難い。
【００１０】
Ｃ．酸化性雰囲気での仮焼
Ｂの工程において金属薄膜に残る熱分解残渣を酸化させて除去する。この酸化性雰囲気での仮焼は金属微粒子の径を増大させることも意図するものである。導入される酸素は金属結晶中に欠陥を生ぜしめて金属の拡散速度を大にし、金属微粒子の径を増大させるが、そのことによって金属微粒子がそのまま単に焼結される場合よりも全粒界面積が小さくなり粒界抵抗が低下するので、バルク状金属と同程度の比抵抗が得られ易くなる。
【００１１】
Ｄ．還元性雰囲気での本焼成
Ｃの工程において、貴金属以外の金属は部分酸化され、比抵抗が増大しているので、還元性雰囲気として元の金属へ還元させると共に、金属微粒子を最終的に焼結させて、高密度で低抵抗の金属薄膜とする。
【００１２】
【実施例】
次に本発明の金属ペーストの焼成方法を実施例によって具体的に説明する。
【００１３】
（実施例１）
平均粒子径０．１μｍの銅微粒子を有機溶媒テルピネオール中に分散させた銅ペーストを使用し、シリコン基板上に電子回路用配線を形成させた。先ず、銅ペーストをシリコン基板上にスクリーン印刷して塗膜を形成させた（図１のＡ）。この基板を１×１０−５Ｐａ以下の真空度まで排気が可能な真空電気炉に装填し、テルピネオールを蒸発させ、加熱分解させて除去した。すなわち、テルピネオールの沸点が２０×１０２  Ｐａで９９〜１０２℃であることを考慮して、加熱温度を１００℃から５００℃までの温度で１時間の真空加熱を行ない銅薄膜を形成させた（図１のＢ）。
【００１４】
次いで、温度をそのままに維持して、真空電気炉内に酸素ガスを６０×１０２  Ｐａの圧力まで導入して酸化性雰囲気とし、２０分間保持して銅薄膜中に残留する分解残渣を酸化させて除去し（図１のＣ）、続いて、真空電気炉内に濃度４％の水素ガスを含む窒素ガスを大気圧まで導入して還元性雰囲気とし、２０分間保持して、前工程において部分酸化された銅を還元すると共に、銅薄膜の高密度化を行なった（図１のＤ）。以上のようにして形成させた電子回路用配線はバルク状の銅と同程度の比抵抗を有していた。
【００１５】
（実施例２）
有機溶媒にバインダとしての有機高分子を溶解させた溶液中に平均粒子径が数μｍの金微粒子が分散されている市販の金ペーストを使用し、スクリーン印刷によって、シリコン基板の電極上に金バンプを形成させるに必要な塗膜を乗せた。このシリコン基板を、実施例１と同様に、５００℃以下の温度として、真空中での仮焼、酸化性雰囲気での仮焼をおこなって有機溶媒、有機高分子系バインダーを蒸発、加熱分解させて除去し、続いて還元性雰囲気として本焼成を行なうことにより、シリコン基板上に金バンプを作成することができた。
【００１６】
（実施例３）
ＩＣベアチップを基板上にフリップチップ方式によって基板上にボンディングする場合の半田に代えて、銅ペーストが使用し得る例を示す。図２はその過程を示す断面図であるが、実施例２において使用した市販の金ペーストと同様に作製されている銅ペースト、すなわち、平均粒子径が数μｍの銅微粒子が分散されている市販の銅ペーストを使用し、スクリーン印刷によって、図２のＡに示すように、基板１の電極２上に銅バンプを形成させるための塗膜３を乗せた後、図２のＢに示すように、塗膜３の上にＩＣベアチップ４を載置した。
【００１７】
このＩＣベアチップ４を載置した基板１を実施例１で使用した真空電気炉に装填して１時間の真空加熱を行なった。加熱温度はＩＣベアチップ４の耐熱性を考慮して１５０℃とした。続く酸化性雰囲気での仮焼、還元性雰囲気での本焼成も１５０℃で行ない、基板１上にＩＣベアチップ４を実装することができた。有機高分子系バインダが含まれる市販の銅ペーストを使用したこと、および真空中での仮焼、酸化性雰囲気での仮焼、および還元性雰囲気での本焼成を１５０℃としたことにより、塗膜３から形成された銅バンプの比抵抗は実施例１で得られた銅の回路配線程に低い値にはならなかったが、従来使用されている半田バンプに相当する値を示した。
【００１８】
（実施例４）
真空チャンバー内で金属をスパッタリングさせて半導体基板上に金属薄膜を形成させる方法では、スパッタリング粒子は衝突を繰り返すために指向性が低く、従って半導体基板に形成されているアスペクト比１以上の微細な孔（ビヤホール）や溝（トレンチ）の底面にはスパッタリング粒子が届き難く、それらの入り口で膜形成が進行して塞がれ易いので、孔や溝を金属で埋めて十分な導通を得ることは困難とされているが、金属ペーストを使用して、これらの孔や溝を低抵抗の金属で埋めて十分な導通を確保することができる。
【００１９】
図３はその過程を示す断面図であり、図３のＡを参照して、内部の配線６に向けてアスペクト比２のビヤホール７が形成されている半導体基板５に対して、スピンコータを使用し、実施例１の銅微粒子より更に小径である平均粒子径０．０１μｍの銅微粒子を有機溶媒テルピネオール中に分散させた銅ペーストを適用し図３のＢに示すように、ビヤホール７を銅ペーストで埋めると共に、半導体基板５の表面に連続する一体的な塗膜８を作成した。次いで、実施例１と同様に、その半導体基板５を真空電気炉内へ装填して、真空中での仮焼、酸化性雰囲気での仮焼、および還元性雰囲気での本焼成を５００℃以下の温度で行なうことにより、アスペクト比２のビヤホール７内にバルク状銅と同程度の比抵抗を有する銅を埋め込むことに成功した。
【００２０】
本発明の実施の形態としての実施例は以上のように構成され作用するが、勿論、本発明はこれらに限られることなく、本発明の技術的精神に基いて種々の変形が可能である。
【００２１】
また、本実施の形態においては、平均粒子径０．０１μｍ、０．１μｍ、または数μｍ程度の金属微粒子からなる金属ペーストを使用したが、勿論、金属微粒子の粒子径はこれら以外であってもよい。一般に粒子径が小さい程、金属微粒子の焼結温度は低くなるので、粒子径の小さい金属微粒子のペーストを使用することが好ましい。しかし、粒子径が小さいと必然的に粒界面も増大するので、焼結後にバルク金属並の低抵抗を得難くなる。従って金属微粒子の粒子径は負荷し得る温度によって決めてもよい。また、金属微粒子の高い充填密度が得られるように、金属微粒子は可及的に球状の独立微粒子であることが望ましい。更には、粒子径の異なる金属微粒子を混合して充填密度を高めることは好ましい選択である。
【００２２】
また本実施の形態においては、酸化性雰囲気とするべく真空電気炉内に酸素ガスを導入したが、これに代えて酸素ガスと不活性ガスとの混合ガスを導入することにより、有機物が残有している場合の急激な酸化、燃焼を抑えることができるので作業の安全性を高め得る。
【００２３】
また本実施の形態においては、還元性雰囲気とするべく真空電気炉内に水素ガスと窒素ガスとの混合ガスを導入したが、勿論、水素ガスを単独で導入してもよく、また水素ガスのほかの、還元性ガスとし、一酸化炭素ガスや水性ガスを利用し得る。また、真空度を高めて還元性雰囲気としてもよい。
【００２４】
また本実施の形態においては、真空電気炉によって仮焼と本焼成を行ったが、金属微粒子を加熱対象とする誘導加熱、ないしは有機溶媒を加熱対象とする誘電加熱の可能とした真空チャンバーによって仮焼と本焼成を行うようにしてもよい。また、実施例４においては仮焼、本焼成の温度を１５０℃としたが、有機物を効果的に熱分解させるためには、仮焼、本焼成の温度を１００℃以下とすることは得策ではない。
【００２５】
また本実施の形態においては、銅微粒子または金微粒子による金属ペーストを例示したが、金属ペースト用の金属はこれら以外に、銀、白金、パラジウム、鉛、錫、ニッケル、アルミニウム、インジウム、チタン等を目的に応じて採用し得る。またこれらの金属の少なくとも２種以上の合金の微粒子を使用してもよく、更にはまた、これらの金属の少なくとも２種類以上の金属微粒子を混合したものを使用してもよい。
【００２６】
また本実施の形態の、実施例１および実施例４においては銅微粒子を分散させる有機溶媒としてテルピネオールを使用したが、勿論、これ以外の有機溶媒を使用した金属ペーストであってもよく、使用される有機溶媒の沸点によって真空中での仮焼時における真空度、加熱温度、真空加熱の時間が決められる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明は以上に説明したような形態で実施され、次に述べるような効果を奏する。
【００２８】
本発明の金属ペーストの焼成方法によれば、金属ペーストに含まれる有機物を除去するための加熱分解に従来のような高温度を必要とせず、５００℃以下の温度での焼成が可能であり、加熱温度に限界を有する基材にも金属ペーストを適用して低抵抗の金属薄膜を形成させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の金属ペーストの焼成方法のフローを示す図である。
【図２】本発明の金属ペーストの焼成方法を適用したフリップチップ方式によるＩＣベアチップの実装過程を示す図であり、Ａは塗膜を乗せた状態を示し、Ｂは塗膜上にＩＣベアチップを載置した状態を示す。
【図３】本発明の金属ペーストの焼成方法を適用した半導体基板のビヤホールへの金属の埋め込みの過程を示す図であり、Ａは適用前のビヤホール、Ｂは金属ペーストが充填されたビヤホールを示す。
【符号の説明】
１  基板
２  電極
３  塗膜
４  ＩＣベヤチップ
５  半導体基板
６  配線
７  ビヤホール
８  塗膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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