JP7126681B2 - METHOD FOR MANUFACTURING METAL FILM - Google Patents
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Description
本開示は、金属膜の製造方法に関する。特に、基材に対する金属膜の密着性を向上させる方法に関する。 The present disclosure relates to a method for manufacturing a metal film. In particular, it relates to a method for improving the adhesion of a metal film to a substrate.
金属膜は、電子デバイスの配線や装飾品のめっきなど広く用いられている。その金属膜の形成において、基材との密着性は重要である。密着性が弱ければ金属膜の基材からの剥離が生じやすくなる。その結果、電子デバイスの配線不良が生じたり、装飾品の見た目が劣化したりして装飾価値を低下させてしまうことになる。 Metal films are widely used for wiring of electronic devices and plating of ornaments. Adhesion to the substrate is important in the formation of the metal film. If the adhesion is weak, peeling of the metal film from the base material is likely to occur. As a result, defective wiring of the electronic device may occur, or the appearance of the decorative article may be deteriorated, thereby lowering the ornamental value.
また、電子デバイスの微細化に伴い配線幅も微細となっており、配線中の電流密度および抵抗の増大が深刻となっている。特に、近年発達してきたパワー半導体による使用電力増加により、それが一層顕著となっている。電流密度および抵抗の増大は、熱応力やエレクトロマイグレーションの原因になり、配線の剥離や欠損を引き起こす要因となる。したがって配線の密着性向上は重要な課題となっている。 In addition, as the electronic devices become finer, the width of the wiring becomes finer, and the increase in current density and resistance in the wiring becomes serious. In particular, the increase in power consumption due to the recent development of power semiconductors has made this even more remarkable. An increase in current density and resistance causes thermal stress and electromigration, which can lead to peeling and damage of wiring. Therefore, improving the adhesion of wiring is an important issue.
一般に、金属膜の密着強度は成膜方法によって大きく変化し、物理的蒸着(PVD)法が密着性を高めるために有効とされている。配線を形成する場合にも、密着性や膜質に優れたPVD法による成膜が行われている。 In general, the adhesion strength of a metal film varies greatly depending on the film formation method, and the physical vapor deposition (PVD) method is considered effective for increasing the adhesion. Also when wiring is formed, a film is formed by the PVD method, which is excellent in adhesion and film quality.
PVD法において膜質や密着性を向上させるためには、成膜時に真空度を高め、不純物やボイドの混入を避ける必要がある。そのためには高真空かつ清浄なチャンバーが必要不可欠となる。たとえば、PVDに分類されるスパッタ法などでは、高い真空度が必要なため高価な真空ポンプが必要である。また、密着性向上には成膜時のエネルギーも十分に大きくする必要がある。 In order to improve film quality and adhesion in the PVD method, it is necessary to increase the degree of vacuum during film formation to avoid inclusion of impurities and voids. For that purpose, a high-vacuum and clean chamber is essential. For example, the sputtering method classified as PVD requires an expensive vacuum pump because it requires a high degree of vacuum. Also, in order to improve adhesion, it is necessary to sufficiently increase the energy during film formation.
さらに、成膜対象となる基材の材料と金属膜の材料との相性も重要な要素であり、密着性に大きく影響を及ぼす。具体的には、材料間の格子定数の相違によって生じる不整合歪みが密着性に大きく影響する。 Furthermore, compatibility between the material of the base material to be film-formed and the material of the metal film is also an important factor, which greatly affects the adhesion. Specifically, the mismatch strain caused by the difference in lattice constant between materials greatly affects the adhesion.
この不整合歪みを緩和するために、基材との間に中間膜を形成することがある。たとえば、Si基板上にAu薄膜を形成する場合に、SiとAuの間にCrやTiからなる中間膜を形成し、これによりSiとAuとの間の不整合歪みを緩和し、密着性を向上させている。しかし、TiとAuとが反応してTiAu2やTi3Auなどの脆い金属相を形成する場合がある。そこで、TiとAuとの間にPtなどのバリアメタル層を設けることがある。 An intermediate film may be formed between the base material and the base material in order to alleviate this mismatch strain. For example, when forming an Au thin film on a Si substrate, an intermediate film made of Cr or Ti is formed between Si and Au, thereby relaxing mismatch strain between Si and Au and improving adhesion. are improving. However, Ti and Au may react to form brittle metal phases such as TiAu 2 and Ti 3 Au. Therefore, a barrier metal layer such as Pt is sometimes provided between Ti and Au.
特許文献1には、樹脂基材上にポリイミド樹脂を蒸着重合して中間膜を形成し、中間膜上に金属膜を形成することが記載されており、これにより金属膜の密着性が向上することが記載されている。
また、非特許文献1には、金属材料に高密度電流を印加することにより、結晶構造や結晶粒径を変化させ、疲労亀裂の修復を図ることが記載されている。
Non-Patent
しかし、従来の方法では基材上の積層数が多くなり、工程数の増加や配線の厚みの増大といった問題があり、コストを増大させる原因となっていた。そのため、積層数を増やさずに金属膜の密着性を向上させる技術が求められていた。 However, in the conventional method, the number of laminations on the base material is increased, and there are problems such as an increase in the number of steps and an increase in the thickness of the wiring, which causes an increase in cost. Therefore, there has been a demand for a technique for improving the adhesion of metal films without increasing the number of layers.
そこで本開示の目的は、金属膜の製造方法において、基材上に形成した金属膜の密着性を向上させることである。 Accordingly, an object of the present disclosure is to improve adhesion of a metal film formed on a substrate in a method for producing a metal film.
本開示は、基材上にAu、Cu、Al、Agからなる金属膜を形成する工程と、金属膜に電流密度が100A/mm2以上10kA/mm2以下で周波数が5MHz以上の交流電流を10~30分間印加することで金属膜中の欠陥を修復し、基材と金属膜が接する面積を増加させることで基材と金属膜の密着性を向上させる工程と、を有することを特徴とする金属膜の製造方法である。 The present disclosure includes a step of forming a metal film made of Au, Cu, Al, and Ag on a substrate, and applying an alternating current having a current density of 100 A/mm 2 or more and 10 kA/mm 2 or less and a frequency of 5 MHz or more to the metal film. and a step of repairing defects in the metal film by applying for 10 to 30 minutes and increasing the contact area between the base material and the metal film, thereby improving the adhesion between the base material and the metal film. It is a manufacturing method of the metal film which does.
本開示の金属膜の製造方法によれば、基材に対する金属膜の密着性を向上させることができる。 According to the method for producing a metal film of the present disclosure, it is possible to improve the adhesion of the metal film to the substrate.
図1は、本開示の金属膜の製造方法の工程を示したフローチャートである。以下、このフローチャートに沿って本開示の金属膜の製造工程を説明する。 FIG. 1 is a flow chart showing the steps of the method for manufacturing a metal film of the present disclosure. Hereinafter, the manufacturing process of the metal film of the present disclosure will be described along this flow chart.
(ステップS1)
まず、基材1上にスパッタ法により金属膜2を形成する(図2参照)。スパッタ法では、高い運動エネルギーを有した不活性ガスイオンをターゲットに衝突させ、ターゲット原子(金属膜2を構成する原子)を弾き飛ばす。そして、弾き飛ばされたターゲット原子が基材1表面に到達することにより成膜される。基材1表面に達したターゲット原子は、基材1表面に達してもすぐには定着せず、面方向に拡散し、その後運動エネルギーを失ったターゲット原子から順に基材1表面に定着していき、薄膜を形成していく。このとき、基本的には基材1に格子整合するように原子が配列して定着していくが、原子が不規則に並んでしまう場合や、真空チャンバー内に残留した不純物が薄膜内に混入することがある。その結果、薄膜にボイドや転位などの欠陥が生じる。特に、金属膜2の基材1との界面近傍における原子配列は、成膜初期段階であるため結晶のばらつきが多く、欠陥も多くなっている。この欠陥によって基材1と金属膜2とが接しない領域が存在し、基材1と金属膜2との密着性を低下させる要因となっている。
(Step S1)
First, a
金属膜2の成膜方法はスパッタ法以外の方法も用いることができるが、密着性の高さからPVD法を用いるのが好適である。特に、スパッタ法や真空蒸着が密着性の高さから好適である。
Although a method other than the sputtering method can be used as the method for forming the
基材1は任意の材料でよい。基材1に対して密着性の低い材料を用いることもできる。基材1の材料は、たとえば、ガラス、セラミック、プラスチックなどを用いることができる。
金属膜2は任意の材料でよい。基材1に対して密着性の低い材料を用いることもできる。また、電極材料や装飾品のめっき材料として用いられているものを金属膜2として用いることができる。金属膜2の材料は、たとえば、Au、Cu、Pt、Al、Agなどである。
金属膜2の厚さも任意でよいが、容易に高い電流密度の交流電流を印加できるように10nm~10μmとすることが好ましい。より好ましくは50nm~1μmである。
Although the thickness of the
基材1の形状は平板に限らず、任意の曲面形状であってもよい。また、金属膜2の形状も、基材1の表面形状に沿っておよそ均一な厚さの膜状に形成されていれば任意である。また、金属膜2は基材1上に全面に設けられている必要はなく、任意の平面パターンに形成されていてよい。
The shape of the
(ステップS2)
次に、金属膜2の両端に交流電源を接続して交流電圧を印加し、金属膜2の面内に電流密度が100A/mm2以上の交流電流を印加する。この交流電流の印加によって、金属膜2の基材1に対する密着性が向上する。その理由は次の通りである。
(Step S2)
Next, an AC power source is connected to both ends of the
金属膜2に高電流密度の交流電流を印加すると、金属膜2中の原子は電子風力によって拡散を誘起される。すなわち、電子が金属膜2中の原子に衝突して運動量を交換し、これにより原子が拡散される。電子風力による原子拡散は、電流密度が高いほど顕著となる。また、交流電流であるため、原子は一方向に拡散されることなく、等方的な拡散が誘起される。この原子拡散により、原子の再配列が生じる。この再配列により、金属膜2の成膜時に生じたボイドなどの欠陥が修復される。その結果、基材1と金属膜2とが接する領域が増加し、基材1と金属膜2との密着性が向上する。
When an alternating current with a high current density is applied to the
また、原子の最配列により、結晶粒径が大きくなる。スパッタ法により形成した金属膜2の結晶粒径は10~25nm程度であるが、ステップS2の交流電流印加によって結晶粒径は25nmよりも大きくなる。結晶粒径が40nm以下の場合、結晶粒界での滑りが支配的であり、結晶粒径が大きいほど金属膜2の硬度が増加する逆ホールペッチ現象が知られている。したがって、結晶粒径が増加して結晶粒界が減少し、金属膜2の硬度が増加したことも、基材1と金属膜2の密着性が向上した理由である。
In addition, the rearrangement of atoms increases the crystal grain size. The crystal grain size of the
上記の理由により、金属膜2の基材1側界面での結晶粒径は30nm以上40nm以下とすることが好ましい。より好ましくは32nm以上40nm以下である。
For the above reason, the crystal grain size at the interface of the
交流電流の電流密度は、100A/mm2以上とする。ここで電流密度は、金属膜2の基材1との界面近傍での値である。100A/mm2未満では電子風力に起因する原子の再配列が十分に進まず、密着性も向上しない。一方、100A/mm2以上とすれば、電子風力に起因する原子の再配列が顕著に進み、金属膜2中の欠陥の修復がより進むので、密着性が向上する。より好ましい電流密度は、120A/mm2以上、さらに好ましくは150A/mm2以上である。また、電流密度の上限は、金属膜2に生じるジュール熱が、金属膜2のクリープ温度以下となる値とすることが好ましい。たとえば、金属膜2をAuとする場合には、既に先行研究(A. Blech and E. Kinsbron, Thin Solid Films, 25(1975)327-334)において実証されているエレクトロマイグレーションの加速試験条件、すなわち10kA/mm2以下が好ましい。
The current density of alternating current is 100 A/mm 2 or more. Here, the current density is a value near the interface between the
交流電流の周波数は、5MHz以上とすることが好ましい。周波数が高いと、表皮効果によって金属膜2の界面に電流が集中するため、より効率的に金属膜2の基材1との界面近傍の欠陥が修復され、密着性が向上する。より好ましくは10MHz以上である。周波数の上限は特にないが、電源コストなどを考慮すると1GHz以下とすることが好ましい。
The frequency of the alternating current is preferably 5 MHz or higher. When the frequency is high, current concentrates at the interface of the
交流電流の印加時間は、10~30分とする。10分未満では、原子の再配列が十分に進まず、ボイドなどの欠陥が修復されないため密着性が向上しない。また、30分を超えると、返って密着性が悪化してしまう。これは、空孔流束の不一致から粒界三重点などのボイドが拡大してしまうためと考えられる。より好ましい交流電流の印加時間は20~30分である。 The application time of alternating current is 10 to 30 minutes. If it is less than 10 minutes, rearrangement of atoms does not proceed sufficiently, and defects such as voids are not repaired, so adhesion is not improved. On the other hand, if it exceeds 30 minutes, the adhesion will deteriorate. This is considered to be due to the expansion of voids such as grain boundary triple junctions due to the mismatch of vacancy flux. A more preferable alternating current application time is 20 to 30 minutes.
交流電流の電流密度は、金属膜2の面内方向においてなるべく均等な分布とすることが望ましい。そこで、金属膜2に交流電源を接続する際に、均等な電流密度分布となるように接続位置を設定することが好ましい。たとえば、金属膜2が長方形状の平面パターンであれば、両短辺の近傍に交流電源を接続することが好ましい。
It is desirable that the current density of the alternating current be distributed as evenly as possible in the in-plane direction of the
交流電流を印加するときの金属膜2の温度は室温でよいが、加熱して行ってもよい。加熱することにより原子の再配列がより促され、密着性の向上がより容易となる。
The temperature of the
以上、本開示の金属膜の製造方法によれば、基材1と金属膜2の密着性を向上させることができる。
As described above, according to the method for manufacturing a metal film of the present disclosure, the adhesion between the
以下、本開示の金属膜の製造方法の具体的な実施例について、図を参照に説明するが、本開示の金属膜の製造方法は実施例に限定されるものではない。 Specific examples of the method for producing a metal film according to the present disclosure will be described below with reference to the drawings, but the method for producing a metal film according to the present disclosure is not limited to the examples.
SiO2からなる基板上に、DCスパッタ法によってAuからなる厚さ150nmの金属膜を形成した。金属膜の平面パターンは短辺が4mm、長辺が30mmの長方形状とした。 A metal film of Au having a thickness of 150 nm was formed on a substrate of SiO 2 by DC sputtering. The planar pattern of the metal film was rectangular with a short side of 4 mm and a long side of 30 mm.
次に、金属膜のそれぞれの短辺に電源の端子をそれぞれ接触させて、交流電流を印加した。電流密度は150A/mm2、波形はsin波、基板温度は室温、印加時間は30分とした。また、交流電流の周波数は0.1MHz、1.0MHz、10MHzの3通りとした。なお、赤外線温度計を用いて金属膜の温度を計測し、交流電流の印加によって温度は変化しないことを確認した。 Next, terminals of a power source were brought into contact with the respective short sides of the metal film, and an alternating current was applied. The current density was 150 A/mm 2 , the waveform was a sine wave, the substrate temperature was room temperature, and the application time was 30 minutes. Also, the frequency of the alternating current was set to 3 types of 0.1 MHz, 1.0 MHz, and 10 MHz. The temperature of the metal film was measured using an infrared thermometer, and it was confirmed that the temperature did not change due to the application of the alternating current.
以上により作製した3つの試料と、交流電流を印加しない試料の合計4つの試料について、引き剥がし試験を行い、金属膜の密着性を評価した。引き剥がし試験は、図3に示すように行う。まず、長方形状のカンチレバーの一方の端部裏面を接着剤によって金属膜と接着する。次に、カンチレバーの他方の端部表面(一方の端部から31.5mmの位置)に垂直にフォースゲージにより荷重を加え、金属膜2が剥離したときの荷重を測定する。そして、その荷重をカンチレバーと金属膜との接着面積で割った値を密着力(単位:N/cm2)と定義して密着性を評価した。
A peeling test was performed on a total of four samples, ie, the three samples prepared as described above and a sample to which no alternating current was applied, and the adhesion of the metal film was evaluated. A peel test is performed as shown in FIG. First, the back surface of one end of a rectangular cantilever is adhered to a metal film with an adhesive. Next, a force gauge is applied perpendicularly to the surface of the other end of the cantilever (at a position 31.5 mm from the one end), and the load when the
図4は、密着力の測定結果を示したグラフである。図4のように、周波数が高いほど密着性が向上することがわかった。特に周波数10MHzでは、周波数0.1MHzや1.0MHzに比べて大きく密着性が向上しており、交流電流を印加しない場合に比べて密着性が27%向上していた。また、この結果から、周波数が高ければ高いほど密着性が向上するものと推察される。 FIG. 4 is a graph showing the measurement results of adhesion. As shown in FIG. 4, it was found that the higher the frequency, the better the adhesion. In particular, at a frequency of 10 MHz, the adhesion was greatly improved compared to the frequencies of 0.1 MHz and 1.0 MHz, and the adhesion was improved by 27% compared to the case where no AC current was applied. Also, from this result, it is inferred that the higher the frequency, the better the adhesion.
交流電流の周波数を10MHzとし、交流電流の印加時間を10分、20分、30分、40分、50分、600分、1200分とし、それ以外は実施例1と同様とした7通りの試料を作製し、実施例1と同様にして密着性を評価した。また、各試料の金属膜についてX線回折を行い、結晶粒径を求めた。結晶粒径については、シェラーの式(D=Kλ/(bcosθ)、ここでDは結晶粒径、Kはシェラー定数、λはX線波長、bは半値幅、θはブラッグ角)によって算出した。シェラー定数は0.9radとした。 The frequency of the alternating current was 10 MHz, and the application time of the alternating current was 10 minutes, 20 minutes, 30 minutes, 40 minutes, 50 minutes, 600 minutes, and 1200 minutes. was prepared, and the adhesion was evaluated in the same manner as in Example 1. Also, the metal film of each sample was subjected to X-ray diffraction to determine the crystal grain size. The crystal grain size was calculated by Scherrer's formula (D=Kλ/(b cos θ), where D is the crystal grain size, K is the Scherrer constant, λ is the X-ray wavelength, b is the half width, and θ is the Bragg angle). . The Scherrer constant was set to 0.9 rad.
図5は、密着力の測定結果を示したグラフである。図5のように、印加時間が20分までは密着力は増加していくが、20分を超えて30分となると密着力は若干低下し、さらに印加時間が30分を超えると密着力は次第に低下していき、交流電流を印加しない場合と同等かそれ未満になった。この結果から、印加時間は10~30分とする必要があるとわかった。 FIG. 5 is a graph showing the measurement results of adhesion. As shown in FIG. 5, the adhesion increases until the application time is 20 minutes, but when the application time exceeds 20 minutes and reaches 30 minutes, the adhesion decreases slightly, and when the application time exceeds 30 minutes, the adhesion decreases. It gradually decreased and became equal to or less than the case where no alternating current was applied. From this result, it was found that the application time should be 10 to 30 minutes.
図6は、結晶粒径の算出結果を示したグラフである。図6のように、印加時間が20分までは結晶粒径は増加していくが、20分を超えて30分となると結晶粒径は若干低下し、さらに印加時間が30分を超えると結晶粒径は交流電流を印加しない場合よりも小さくなった。 FIG. 6 is a graph showing the calculation results of the crystal grain size. As shown in FIG. 6, the crystal grain size increases until the application time is 20 minutes. The grain size became smaller than when no alternating current was applied.
図7は、結晶粒径と密着力の関係を示したグラフである。図7のように、結晶粒径と密着力は高い相関を有していることがわかり、相関係数は0.85であった。また、この結果から、交流電流を印加しない場合よりも密着力を高めるためには、結晶粒径が27nm以上となっていることが必要と推察される。 FIG. 7 is a graph showing the relationship between crystal grain size and adhesion. As shown in FIG. 7, it was found that the crystal grain size and the adhesion strength had a high correlation, and the correlation coefficient was 0.85. Moreover, from this result, it is inferred that the crystal grain size must be 27 nm or more in order to increase the adhesion force compared to the case where the alternating current is not applied.
また、X線解析の結果、金属膜は面心立方構造であり、その表面は(111)面を主とすることがわかった。図8(a)は、金属膜2の(111)面の割合を示したグラフであり、図8(b)は、(200)面の割合を示したグラフである。図8(a)のように、交流電流の印加時間が10、20、30、50分では、交流電流を印加しない場合に比べて(111)面の割合が増加しており、他の印加時間では(111)面の割合は減少していた。また、図8(b)のように、交流電流の印加時間が10、20、30、40分では、(200)面の割合が減少しており、他の印加時間では(200)面が増加していた。(111)面が増加し、かつ、(200)面が減少しているのは印加時間が10、20、30分の場合であった。このことから、交流電流を10~30分印加することで金属膜2の原子の再配列が生じ、(111)面の割合が増加して他の結晶面の割合が減少したことにより、金属膜2の密着性が向上したことがわかった。
As a result of X-ray analysis, it was found that the metal film had a face-centered cubic structure, and its surface was mainly composed of (111) planes. FIG. 8(a) is a graph showing the ratio of (111) planes of the
本開示によれば、基板上の金属配線の密着性向上や、装飾品の金属めっきの剥離防止などに利用することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present disclosure, it can be used to improve the adhesion of metal wiring on a substrate, prevent peeling of metal plating on ornaments, and the like.
1:基材
2:金属膜
1: base material 2: metal film
Claims (7)
前記金属膜に電流密度が100A/mm2以上10kA/mm2以下で周波数が5MHz以上の交流電流を10~30分間印加することで前記金属膜中の欠陥を修復し、前記基材と前記金属膜が接する面積を増加させることで前記基材と前記金属膜の密着性を向上させる工程と、
を有することを特徴とする金属膜の製造方法。 A step of forming a metal film made of Au, Cu, Al, and Ag on a substrate;
An alternating current having a current density of 100 A/mm 2 or more and 10 kA/mm 2 or less and a frequency of 5 MHz or more is applied to the metal film for 10 to 30 minutes to repair defects in the metal film, and the base material and the metal improving adhesion between the substrate and the metal film by increasing the contact area of the film;
A method for producing a metal film, comprising:
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