JPH08209330A - 導電性金属厚膜のパターン形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ［目的］ マスキングやエッチング、その他膜形成前後
の処理工程を要さずに、基板上へ直接に電気抵抗率の経
時変化の小さい導電性金属厚膜をパターン形成する方法
を提供すること。 ［構成］ 純度９９．９９９９％以上の不活性ガス雰囲
気中で導電性金属の超微粒子を生成し、生成された超微
粒子を前記不活性ガスによって搬送し、前記超微粒子の
融点以下の温度に加熱されたノズルから真空雰囲気中に
配置され任意の移動速度で移動する基板に向けて噴射す
ることにより、基板上に所望の膜厚で所望のパターンを
有する導電性金属の厚膜を形成することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、所望のパターンを有す
る導電性金属の厚膜を形成する方法に関するものであ
り、更に詳しくはマスキングやエッチングを行なうこと
なく、基板上へ直接に電極や配線パターンを形成する方
法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】基板上に白金、金、銀、銅、アルミニウ
ム等からなる導電性金属の電極や配線パターンを形成す
る方法として、厚膜ペースト法、スパッタ法、真空蒸着
法、メッキ法等が知られている。これらの方法におい
て、所望のパターンを有する導電性金属の厚膜を形成す
るには、基板上に不必要な個所を遮蔽するマスキングを
行なって金属厚膜を形成するか、又は基板上の全面に金
属厚膜を形成した後に、必要な箇所にレジスト膜を形成
し、レジスト膜を形成していない不必要な箇所の金属厚
膜をエッチングして除去することが行なわれている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このような従来の導電
性金属厚膜のパターン形成方法において、基板上の不必
要な箇所をマスキングで遮蔽して形成する場合、厚膜ペ
ースト法では１回の処理で数μｍ以上の厚膜を得ること
ができるが、塗布した後に焼成工程を必要とし、スパッ
タ法や真空蒸着法は成膜速度が遅いため、数μｍ以上の
厚膜を得るには非常に時間がかかる問題がある。又、全
面に金属厚膜を形成した後にエッチングにより不必要な
箇所の金属厚膜を除去する場合、レジストの形成やエッ
チング等の処理が必要となり、メッキ法による厚膜形成
においても洗浄等の処理が必要となり、工程数が多くな
るという問題がある。

【０００４】更には、白金、金、銀等は高価であるた
め、一般的には銅やアルミニウムが使用されるが、これ
らの金属は酸化し易く、特にアルミニウムの場合は非常
に酸化し易いため、厚膜ペースト法やメッキ法では得ら
れた膜内に酸化が生じて、経時的にも電気抵抗率が悪く
なることがある。

【０００５】本発明は上述の問題に鑑みてなされ、マス
キングやエッチング、その他膜形成前後の処理工程を要
さずに、基板上へ直接に電気抵抗率の経時変化の小さい
導電性金属厚膜をパターン形成する方法を提供すること
を目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】以上の目的は、純度９
９．９９９９％以上の不活性ガス雰囲気の超微粒子生成
室内で導電性金属材料を高周波誘導加熱により加熱蒸発
させて導電性金属の超微粒子を生成し、該超微粒子を前
記不活性ガスに同伴させて搬送管により真空雰囲気の膜
形成室内に搬送し、前記搬送管の先端に取り付けられ前
記超微粒子の融点以下の温度に加熱されたノズルから前
記膜形成室内に配置された基板に向けて前記超微粒子を
前記不活性ガスの圧力で噴射すると共に前記ノズル又は
前記基板の一方を任意の移動速度で移動させることによ
り前記基板上に所望の膜厚で所望のパターンを有する導
電性金属の厚膜を形成することを特徴とする導電性金属
厚膜のパターン形成方法、によって達成される。

【０００７】

【作用】本発明の方法によれば、純度９９．９９９９％
以上の不活性ガス雰囲気中で導電性金属の超微粒子を生
成し、生成された超微粒子を前記不活性ガスによって搬
送し、前記超微粒子の融点以下の温度に加熱されたノズ
ルから真空雰囲気中に配置され任意の移動速度で移動す
る基板に向けて噴射することにより基板上に導電性金属
の膜厚を形成するため、所望の膜厚で所望のパターンを
有する導電性金属の厚膜を一工程で形成でき、又低抵抗
で電気抵抗率の経時変化の小さい導電性金属厚膜を得る
ことができる。

【０００８】

【実施例】以下、本発明の実施例による導電性金属厚膜
のパターン形成方法について、図面を参照して具体的に
説明する。

【０００９】図１は本発明の実施に使用される装置の一
例を示す概略図であり、本出願人が特願平６−１９６０
５１号として先に出願した金属部分膜形成装置である。
同装置は概しては、超微粒子生成室１と、膜形成室２
と、これらを結ぶ搬送管３と、超微粒子生成室１から膜
形成室２へ流れるヘリウム（Ｈｅ）ガスを超微粒子生成
室１の底部へ戻すための真空ポンプ１５、１６とヘリウ
ムガス純化リサイクル・システム１７とからなってい
る。

【００１０】超微粒子生成室１内には、蒸発源としての
ルツボ６（内径５ｍｍφ、外径１５ｍｍφ、高さ１０ｍ
ｍ）が配設され、導電性金属材料２２、例えばアルミニ
ウム（Ａｌ）が収容される。ルツボ６の周囲には誘導加
熱のためのコイル７ｃが巻装され、その両端は超微粒子
生成室１の外部に設けた高周波電源７（１５０ｋＨｚ）
に接続されている。なお、ここで高周波誘導加熱方式を
採用しているのは次の理由による。すなわち、抵抗加熱
方式ではルツボ自体を発熱体としてジュール熱で加熱
し、内部の蒸発材料はルツボからの伝熱によって加熱さ
れる。溶けた蒸発材料が対流することはあっても粘度が
高く不十分で加熱は不均一となり、突沸も生じて生成さ
れる超微粒子の粒径分布は広くなる。これに対して、高
周波誘導加熱方式はルツボと蒸発材料とに渦電流を発生
させて加熱するので、加熱が均一で生成される超微粒子
の粒径分布は狭くシャープになるためである。

【００１１】ルツボ６の直上方には垂直状に設けた搬送
管３（外径１／４インチ）の下端が配置され、その下端
部の上方には搬送管３と軸心を共有する大径の吸込管５
が設けられている。そして、吸込管５と搬送管３との間
の環状空間はバルブ１３を介して真空ポンプ１６の吸気
側に接続されている。この吸込管５はルツボ６の直上部
以外の超微粒子生成室１内に滞留する超微粒子を吸い込
ませるべく設けられている。又、ルツボ６の底部を支持
してシャッタシステム９が設けられている。シャッタシ
ステム９は図２を参照し、図２のＡに示すように、ルツ
ボ６が搬送管３の直下となる位置と、この位置から矢印
ａで示す方向に３０ｍｍ程度移動させて、図２のＢに示
すように、ルツボ６が吸込管５と搬送管３との間の環状
空間の直下となる位置との何れかにルツボ６を位置させ
る。すなわち、ルツボ６からの金属蒸気が雰囲気の搬送
ガス（Ｈｅ）に冷却され、超微粒子となっての立ち昇り
２０が図２のＡの位置では搬送管３へ吸い込まれ、図２
のＢの位置では吸込管５へ吸い込まれる。そして、この
２位置間のルツボ６の移動は図示しないコントローラに
よりプログラムに従って行われ、超微粒子の移送が断続
される。さらには、超微粒子生成室１には真空計１Ｇが
取り付けられている。

【００１２】膜形成室２内には搬送管３の上端部とその
先端に取り付けた内径０．４ｍｍφのノズル４が挿入さ
れており、ノズル４には外部の交流電源２４に接続され
たノズルヒータ２３が巻装されている。ノズル４の先端
の直上に近接して（０．１〜２．０ｍｍの範囲内で可
変）基板ホルダ１０に保持された基板８が配置されてい
る。基板ホルダ１０は図示しないコントローラによって
プログラムコントロールされ、基板８をその面内のＸ軸
方向とこれに直角なＹ軸方向に０．０１〜２ｍｍ／秒の
速度で走査させる。なお、搬送管３は長さを有している
ので超微粒子が吸い込まれてからノズル４の出口に達す
る迄に０．１秒単位の時間を要する。従って、基板８の
走査はある地点で停止し膜形成を停止して次の地点へ移
るに際しては、超微粒子が搬送管３から出尽くす迄の時
間が経過してから次の地点への移動が始まるようにプロ
グラムされている。すなわち、形成される金属膜が尾を
曳かないようになっている。次の地点へ達して膜形成を
再開する場合も、超微粒子がノズル４の先端から噴射さ
れ始める迄の時間が経過してから膜形成のための移動が
始まるようになっている。又、基板ホルダ１０内には、
基板８を加熱するためのヒータ・ユニットが内蔵されて
おり、基板８に取り付けた熱電対１１からの温度信号が
入力される図示しない温度制御器によって基板８は所定
の温度に維持される。膜形成室２にはバルブ１４を介し
て真空ポンプ１５の吸気側が接続されており、かつ真空
計２Ｇが取り付けられている。

【００１３】真空ポンプ１５と真空ポンプ１６の排気側
の配管は１本にまとめられ、バルブ１９を介してヘリウ
ムガス純化リサイクル・システム１７と接続され、さら
には超微粒子生成室１の底部と接続されて、搬送ガスと
してのヘリウムガスを送り込むようになっている。又、
超微粒子生成室１の底部にはバルブ１２を介して純度９
９．９９９９％以上のヘリウムガスボンベ１８が接続さ
れている。なお、真空ポンプ１５、１６とバルブ１９と
の中間には、バルブ１９に近接して、バルブ２０を備え
た枝管が取り付けられている。

【００１４】上述の金属部分膜形成装置を用いたガラス
基板上への導電性金属厚膜のパターン形成方法を以下に
例示する。

【００１５】（実施例１）図１を参照し、先ず超微粒子
生成室１と膜形成室２とを真空排気する。すなわち、バ
ルブ１３、１４、２０を開、バルブ１２、１９を閉とし
て真空ポンプ１５、１６によって圧力１０^-4Ｐａまで排
気する。次いで、真空ポンプ１５、１６の運転は継続し
たままバルブ２０を閉、バルブ１２、１９を開としてヘ
リウムガスボンベ１８から純度９９．９９９９％以上の
ヘリウムガスを超微粒子生成室１へ所定量導入する。バ
ルブ１３の開度を調節して超微粒子生成室１の圧力を２
ｋｇ／ｃｍ² に保持する。導入されたヘリウムガスは吸
込管５へ３０ＳＬＭ（１分間当たりの標準状態リットル
数）流れ、搬送管３を通って膜形成室２へ１０ＳＬＭ流
される。膜形成室２へ入ったヘリウムガスはバルブ１４
から排気されて膜形成室２の圧力は約１Ｔｏｒｒに保持
され、超微粒子生成室１と膜形成室２との間に約２ｋｇ
／ｃｍ² の差圧が生起する。この時点でバルブ１２を閉
とする。

【００１６】吸込管５への流量を大にしているのは、搬
送管３へ吸い込まれずに超微粒子生成室１内に滞留する
超微粒子が存在するとこれらは滞留中に凝集体となり、
何時かは搬送管３を搬送されて膜形成室２内のガラス基
板８上に形成されつつある膜に悪影響を与えるので、そ
の凝集体の生成を予防するためである。

【００１７】この状態を３０分間以上経過するとヘリウ
ムガス純化リサイクル・システム１７から吐出されるガ
スは純度９９．９９９９％以上のヘリウムとなり、系全
体の雰囲気が純度９９．９９９９％以上のヘリウムガス
となる。つまり、純度９９．９９９９％以上のヘリウム
ガスが矢印で示す方向へ循環される状態となる。

【００１８】上記の状態が整った後、ルツボ６に予め入
れておいた導電性金属材料２２としてのアルミニウム
（純度９９．９９９５％以上）を高周波電源７によって
１４３０℃に誘導加熱し蒸発させて超微粒子を生成させ
る。生成したアルミニウムの超微粒子の大部分はヘリウ
ムガスと共に搬送管３に吸い込まれ、膜形成室２内にお
いて、ノズルヒータ２３で６００℃に加熱されたノズル
４から基板ホルダ１０のヒータユニットで予め２５０℃
の温度に加熱されているガラス基板８上に噴射されてア
ルミニウムの厚膜が形成される。

【００１９】この時、ガラス基板８はその面内のＸ軸方
向とＹ軸方向とへ走査され得るので、シャッタシステム
９を作動させアルミニウム超微粒子の搬送を断続させる
ことを組み合わせて、ガラス基板８上の任意の個所から
任意の個所に至る任意のパターンのアルミニウム厚膜を
形成させることができる。

【００２０】このようにして形成された厚さ２０μｍ、
幅０．４ｍｍ、長さ５０ｍｍのアルミニウム厚膜の比抵
抗は３．５１×１０^-6Ωｃｍ（２０℃）であり、バルク
状アルミニウムの約１．３倍であった。又、膜形成後に
おいてアルミニウム厚膜について行なった５０℃、９５
％ＲＨの条件での電気抵抗率に関する耐湿性の加速寿命
試験の結果、図３に示すように、１０００時間以上（４
０日間以上）経過しても比抵抗は全く変化せず、耐湿性
が極めて優れていることを示した。

【００２１】（比較例１）ヘリウムガスの純度を９９．
９９％に低下させ、ノズル４の加熱温度を１００℃とし
た以外は実施例１と全く同様にして、厚さ２０μｍ、幅
０．４ｍｍ、長さ５０ｍｍのアルミニウム厚膜をガラス
基板８上に形成させたが、その比抵抗はバルク状アルミ
ニウムの５００〜９００倍であった。

【００２２】（比較例２）ヘリウムガスの純度を低下さ
せて９９．９９％とした以外は実施例１と全く同様にし
て、厚さ２０μｍ、幅０．４ｍｍ、長さ５０ｍｍのアル
ミニウム厚膜をガラス基板８上に形成させたが、その比
抵抗はバルク状アルミニウムの２００〜７００倍であっ
た。

【００２３】（比較例３）純度が更に低い９９．９％の
ヘリウムガスを使用した以外は実施例１と全く同様にし
てガラス基板８上に厚さ２０μｍ、幅０．４ｍｍ、長さ
５０ｍｍのアルミニウム厚膜を形成させた。その厚膜の
比抵抗は抵抗測定器の測定限界である９．６Ωｃｍを超
えており、測定できなかった。

【００２４】（実施例２）実施例１で使用した金属部分
膜形成装置（図１）において、ルツボ６にアルミニウム
を９８．５重量部、銅（Ｃｕ）を１．５重量部の割合で
入れ、それ以外は実施例１と全く同様にして、ガラス基
板８上にアルミニウム−銅（Ａｌ−Ｃｕ）合金の厚膜
（厚さ２０μｍ、幅０．４ｍｍ、長さ５０ｍｍ）をパタ
ーン形成させた。

【００２５】この合金厚膜は銅１重量％を含有してお
り、比抵抗３．５×１０^-6Ωｃｍ（２０℃）を示した。
更に、この合金厚膜を温度３５０℃の真空炉中で３０分
間加熱し、再び比抵抗を測定したところ、３．５×１０
^-6Ωｃｍ（２０℃）であり変化を生じていなかった。

【００２６】又、実施例１と同じ条件で、この合金厚膜
の電気抵抗率に関する耐湿性の加速寿命試験を行なった
ところ、１０００時間以上経過しても比抵抗はほとんど
変化しなかった。

【００２７】（実施例３）実施例１で使用した金属部分
膜形成装置（図１）において、ルツボ６に錫（Ｓｎ）を
入れて１０５０℃に誘導加熱し、ノズル４の加熱温度を
２００℃にし、又基板の加熱温度を２００℃とした以外
は実施例１と同様にして、ガラス基板上に錫の厚膜（厚
さ２０μｍ、幅０．４ｍｍ、長さ５０ｍｍ）をパターン
形成させた。

【００２８】この錫厚膜の比抵抗は１．４９×１０^-5Ω
ｃｍ（２３℃）でバルク値の約１．２倍であった。又、
電気抵抗率の経時変化もほとんどなかった。

【００２９】以上、本発明の各実施例について説明した
が、勿論、本発明はこれらに限定されることなく、本発
明の技術的思想に基いて種々の変形が可能である。

【００３０】例えば各実施例において、純度９９．９９
９９％以上の不活性ガスとしてヘリウムを使用したが、
ヘリウム以外のアルゴン、又はネオンを使用しても同様
な効果が得られる。

【００３１】又、各実施例においては、ガラス基板８を
採用したが、基板はガラスに限らず各種のものを使用し
得る。

【００３２】又、実施例２においては、導電性金属材料
としてアルミニウムと銅との合金について説明したが、
これ以外のアルミニウム合金、例えばアルミニウム−シ
リコン（Ａｌ−Ｓｉ）、アルミニウム−シリコン−銅
（Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ）、アルミニウム−シリコン−チタ
ン（Ａｌ−Ｓｉ−Ｔｉ）、アルミニウム−銅−チタン
（Ａｌ−Ｃｕ−Ｔｉ）の合金によっても耐湿性に優れ、
電気抵抗率の経時変化の小さい導電性金属厚膜のパター
ン形成ができる。

【００３３】更に、実施例１、２では、アルミニウム又
はアルミニウム合金の超微粒子に対してノズル４の温度
をそれらの融点以下である６００℃に加熱し、実施例３
では、錫の超微粒子に対してその融点以下である２００
℃にノズル４を加熱したが、加熱された超微粒子によっ
てノズル４が閉塞されない範囲、超微粒子が凝集体を形
成しない範囲において、ノズル４の加熱は均質な金属厚
膜を与えるので好ましい。

【００３４】なお、以上の各実施例においては、シャッ
ターシステム９を使用し、搬送ガスとしてのヘリウムガ
スを循環させたが、シャッターシステム９は必ずしも必
要とせず、又、搬送ガスを循環させなくとも導電性金属
厚膜のパターン形成は可能である。

【００３５】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の導電性金属
厚膜のパターン形成方法によれば、マスキングやエッチ
ングなどの工程を必要とせずに基板上の任意の箇所に任
意の膜厚で任意のパターンを有する導電性金属厚膜を形
成することができるので、パターン化された導電性金属
厚膜の形成コストを大巾に削減できる。又、純度９９．
９９９９％以上の不活性ガスを使用しているので、アル
ミニウムやアルミニウム合金の如き酸化され易い金属の
厚膜であっても、低抵抗で長期間に渡って膜特性の安定
したものが得られる。従って、本発明の方法で形成され
るアルミニウムやアルミニウム合金の如き酸化され易い
金属からなる厚膜回路を使用した電気部品は信頼性が高
い。又、本発明の導電性金属厚膜のパターン形成方法に
よれば、基板上に導電性の回路を形成させるだけでな
く、電気回路の補修、電極の形成、リード線のボンディ
ングなどが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の導電性金属厚膜のパターン形成方法の
実施例で使用される金属部分膜形成装置の概略図であ
る。

【図２】同装置におけるシャッターシステムの作用を示
す図であり、Ａは超微粒子の搬送状態、Ｂは搬送の停止
状態である。

【図３】本発明の第１実施例によって形成されたアルミ
ニウム厚膜についての電気抵抗率に関する耐湿性の加速
寿命試験の結果を示す図である。

【符号の説明】

１ 超微粒子生成室 ２ 膜形成室 ３ 搬送管 ４ ノズル ５ 吸込管 ６ ルツボ ７ 高周波電源 ８ 基板 ９ シャッターシステム １５ 真空ポンプ １６ 真空ポンプ １７ Ｈｅガス純化リサイクル・システム ２２ 導電性金属材料

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 純度９９．９９９９％以上の不活性ガス
   雰囲気の超微粒子生成室内で導電性金属材料を高周波誘
   導加熱により加熱蒸発させて導電性金属の超微粒子を生
   成し、該超微粒子を前記不活性ガスに同伴させて搬送管
   により真空雰囲気の膜形成室内に搬送し、前記搬送管の
   先端に取り付けられ前記超微粒子の融点以下の温度に加
   熱されたノズルから前記膜形成室内に配置された基板に
   向けて前記超微粒子を前記不活性ガスの圧力で噴射する
   と共に前記ノズル又は前記基板の一方を任意の移動速度
   で移動させることにより前記基板上に所望の膜厚で所望
   のパターンを有する導電性金属の厚膜を形成することを
   特徴とする導電性金属厚膜のパターン形成方法。
2. 【請求項２】 前記導電性金属材料がアルミニウム、ア
   ルミニウム合金又は錫である請求項１に記載の導電性金
   属厚膜のパターン形成方法。
3. 【請求項３】 前記アルミニウム合金がＡｌ−Ｓｉ、Ａ
   ｌ−Ｃｕ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｔｉ又はＡ
   ｌ−Ｃｕ−Ｔｉである請求項２に記載の導電性金属厚膜
   のパターン形成方法。
4. 【請求項４】 前記不活性ガスがヘリウム、アルゴン又
   はネオンである請求項１、請求項２又は請求項３に記載
   の導電性金属厚膜のパターン形成方法。