KR101425855B1

KR101425855B1 - 금속 유기 전구체를 포함하는 전도성 잉크 조성물 및 이를 이용한 금속배선 형성방법

Info

Publication number: KR101425855B1
Application number: KR1020130018523A
Authority: KR
Inventors: 박원철; 신동훈
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2013-02-21
Filing date: 2013-02-21
Publication date: 2014-08-14

Abstract

전도성 잉크 조성물은 금속-포르메이트에 알카놀아민이 리간드로 착물화된 구조를 갖는 금속 유기 전구체 5.0 내지 90중량% 및 극성의 유기용매를 주성분으로 하는 여분의 분산용액을 포함하는 조성을 갖는다. 이때, 금속 유기 전구체는 금속-포르메이트에 액상의 알카놀아민을 혼합하는 단계와 상기 금속-포르메이트에 알카놀아민을 리간드로써 착물화 반응시켜 액상의 금속 유기 전구체를 형성하는 단계와 상기 액상의 금속 유기전구체를 건조시키는 단계를 수행하여 수득될 수 있다.

Description

금속 유기 전구체를 포함하는 전도성 잉크 조성물 및 이를 이용한 금속배선 형성방법{Electroconductive ink composite including metal-organic precursor and method for Forming the metal line using the same}

본 발명은 전도성 잉크 조성물 및 이를 이용한 금속배선 형성방법에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 입자를 포함하지 않는 금속 유기 전구체를 포함하는 전도성 잉크 조성물 및 이를 이용한 금속배선 형성방법에 관한 것이다.

반도체 장치에서 개별 소자를 전기적으로 연결하기 위하여 금속 배선들이 사용 되고 있다. 금속 배선을 형성하는 기존 방법으로는 포토리소그라피를 이용하는 방법이 많이 이용되고 있다. 하지만 포토리소그라피 법으로 금속 배선을 형성하는 방법은 복잡한 공정 단계들을 거쳐야 하고 값비싼 공정 기기들이 사용되어야 하기 때문에 높은 제조 단가를 수반하게 된다. 이에 반해 전도성 잉크를 프린팅 하여 금속 패턴을 형성하는 것은 간편하고 고가의 장비가 필요 없기 때문에 제품의 제조 단가를 낮출 수 있어 포토리소그라피를 대체할 방법으로 관심이 증대되고 있다.

전도성 잉크를 만들기 위해 사용되는 방법으로 금속을 나노 크기로 만들어 용매에 분산 시키는 나노 입자 잉크가 널리 알려져 있다. 하지만 나노 입자로 잉크를 제조했을 경우 입자 자체의 응집을 완벽히 막을 수 없기에 장기 보존이 어려운 측면이 있다. 또한 귀금속을 제외한 전이금속 계열의 나노 입자들은 산화에 매우 취약하기 때문에 전도성 잉크 내에 금속 산화물이 포함되어 있게 되고 이는 잉크의 전도성을 떨어뜨리는 요인으로 작용한다.

나노 입자 잉크를 위한 입자 합성법으로는 습식 방법이 널리 사용되고 있는데 습식 방법으로 나노 입자 합성할 경우 사용된 여러 화학물질과 용매 등을 제거하고 순수한 나노 입자 분말만을 회수하기 위하여 원심분리기 등을 이용하는 세척 과정을 필수적으로 수반하게 된다. 이는 나노 입자의 대량 생산에 가장 큰 걸림돌 으로써 작용하고 있는 실정이다.

또한 나노 입자의 제조 시 입자의 크기를 조절하고 응집을 막으려는 목적으로 계면 활성제나 폴리머 등의 유기물들이 과량으로 첨가되는데 이는 잉크의 제조비용을 증가하게 만드는 요인으로 작용하고 있다.

이러한 나노 입자가 가지고 있는 문제점에 대한 대안으로 입자를 포함하고 있지 않는 전도성 잉크가 제안 되었다. 하지만 전도성 잉크의 개발은 높은 표준 환원전위를 가지고 있고 산화에 대한 안정성이 뛰어나 비교적 개발이 용이한 은에 대해 대부분의 연구가 이루어져 있는 실정이다. 현재 은 가격의 상승으로 인해 은을 이용한 전도성 잉크보다는 전위금속을 이용한 전도성 잉크의 개발이 시급한 실정이다. 이에 대한 대안으로 구리 플레이크를 은 나노입자와 혼합 조성하여 비저항 및 제품의 단가를 개선한 사례가 대한민국 특허공개 제10-2010-0066810호에 개시되어 있다. 이와 같이 조성물에 구리 플레이크를 사용할 경우 일반 금속에 비해 상대적으로 낮은 비저항 및 단가를 절감할 수 있는 장점을 가질 수 있다. 그러나 구리의 특성상 쉽게 산화되는 특성으로 인해 잉크 조성물의 산화 및 산화에 따른 비저항 특성의 악화를 가져와 고 품질 및 낮은 비 저항성이 요구되는 제품에 적용하기에는 한계가 있다.

또한, 통상적으로 전도성 잉크 조성물을 이용한 금속배선 구현 후 비저항특성을 높이기 위해 고온의 조건에서 소성이 이루어진다. 이 과정에서 구리를 소재로 한 전도성 조성물의 경우 구리의 산화로 인해 비저항 특성이 오히려 악화되며, 이러한 과정을 방지하기 위해서는 고온 소성 공정의 변화가 불가피 한 단점이 있다.

또한, 상기 금속 입자를 포함하지 않는 금속 전도성 잉크에 대한 연구 결과들이 보고되고 있기는 하지만 이는 대부분 유기용매와 친화력이 있고 일부는 수소 가스등의 환원제가 수반되어야 잉크가 금속으로 환원이 되는 단점을 가지고 있다. 따라서 조성물의 저장안정성과 양호한 인쇄적성 및 비저항 특성을 만족시킴과 함께 제품의 단가를 낮출 수 있는 기술의 개발이 요구된다.

본 발명이 해결하기 위한 일 목적은 극성을 띄는 용매에 분산이 용이한 금속 유기 전구체를 이용하여 기존의 금속 나노 입자 잉크에 대하여 분산 안정성, 복잡한 합성 과정, 산화 안정성과 같은 한계점을 극복할 수 있는 전도성 잉크 조성물을 제공하는데 있다.

본 발명이 이루고자 하는 두 번째 기술적 과제는 알코올이나 폴리올 등과 같은 극성을 갖는 용매에 우수한 분산력을 가지는 금속 유기 전구체를 포함하는 전도성 잉크 조성물을 이용하여 높은 전도도를 갖는 금속배선을 형성방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예들에 따른 전도성 잉크 조성물은 금속-포르메이트에 알카놀아민이 리간드로 착물화된 구조를 갖는 금속 유기 전구체 5.0 내지 90중량% 및 극성의 유기용매를 주성분으로 하는 여분의 분산용액을 포함하는 조성을 가질 수 있다.

일 실시예에 의하면, 상기 금속 유기 전구체는 금속-포르메이트에 액상의 알카놀아민을 혼합하는 단계와 금속-포르메이트에 알카놀아민을 리간드로써 착물화 반응시켜 액상의 금속 유기 전구체를 형성하는 단계와 상기 액상의 금속 유기전구체를 건조시키는 단계를 수행하여 수득될 수 있다.

일 실시예에 의하면, 상기 알카놀아민은 알칸 벡본에 하이드록시와 아미노 작용기가 있는 유기 화합물을 사용할 수 있다. 상기 알카놀아민은 N-메틸에탄올아민, N-에틸에탄올아민, N-프로필에탄올아민, N-부틸에탄올아민, 디에탄올아민, 트리에탄올아민, N-메틸디에탄올아민, N-에틸디에탄올아민, 이소프로판올아민, 디이소프로판올아민, 트리이소프로판올아민, N-메틸이소프로판올아민, N-에틸이소프로판올아민, N-프로필이소프로판올아민, 2-아미노프로판-1-올, N-메틸-2-아미노프로판-1-올, N-에틸-2-아미노프로판-1-올, 1-아미노프로판-3-올, N-메틸-1-아미노프로판-3-올, N-에틸-1-아미노프로판-3-올, 1-아미노부탄-2-올, N-메틸-1-아미노부탄-2-올, N-에틸-1-아미노부탄-2-올, 2-아미노부탄-1-올, N-메틸-2-아미노부탄-1-올, N-에틸-2-아미노부탄-1-올, 3-아미노부탄-1-올, N-메틸-3-아미노부탄-1-올, N-에틸-3-아미노부탄-1-올, 1-아미노부탄-4-올, N-메틸-1-아미노부탄-4-올, N-에틸-1-아미노부탄-4-올, 1-아미노-2-메틸프로판-2-올, 2-아미노-2-메틸프로판-1-올, 1-아미노펜탄-4-올, 2-아미노-4-메틸펜탄-1-올, 2-아미노헥산-1-올, 3-아미노헵탄-4-올, 1-아미노옥탄-2-올, 5-아미노옥탄-4-올, 1-아미노프로판-2,3-디올, 2-아미노프로판-1,3-디올,트리스(옥시메틸)아미노메탄, 1,2-디아미노프로판-3-올, 1,3-디아미노프로판-2-올, 2-(2-아미노에톡시)에탄올 등을 사용할 수 있다.

일 실시예에 의하면, 상기 알카놀아민은 상기 금속-포르메이트에 적용되는 금속의 1.5 내지 2.5배의 당량비로 혼합할 수 있다.

일 실시예에 의하면, 상기 금속 유기 전구체는 리간드로 알카놀아민을 갖는 금속-포르메이트 화합물이며, 상기 금속은 구리, 니켈, 코발트 및 주석으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 전이 금속이 적용될 수 있다.

일 실시예에 의하면, 상기 여분의 분산용액으로 알콜류, 글리콜류 및 폴리올류등의 극성의 유기용매를 사용할 수 있다.

일 실시예에 의하면, 전체 금속 함량에 대하여 1 내지 20 중량%의 바인더를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예들에 따른 전도성 잉크 조성물을 이용한 금속배선 형성방법은 리간드로 알카놀아민을 갖는 금속-포르메이트 화합물을 포함하는 금속 유기 전구체 5.0 내지 90 중량%와 여분의 분산용액을 포함하는 전도성 잉크 조성물을 금속배선을 형성하고자 하는 기판의 표면에 인쇄하는 단계 및 상기 기판에 인쇄된 전도성 잉크 조성물 건조시킴으로서 형성될 수 있다.

일 실시예에 의하면, 상기 기판으로 인쇄회로기판, 반도체 기판, 플라스틱 기판 및 웨이퍼 등이 사용될 수 있다.

일 실시예에 의하면, 상기 금속배선은 상기 전도성 잉크 조성물 내의 금속 유기 전구체가 질소 분위기에서 열처리 건조될 경우 금속 피막으로 환원됨으로서 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따른 금속 유기 전구체를 포함하는 전도성 잉크 조성성물은 입자를 포함하지 않으면서 알코올이나 폴리올 등과 같은 극성을 띄는 용매에 분산이 용이한 금속 유기 전구체를 이용하여 제조되기 때문에 기존의 금속 나노 입자를 포함하는 전도정 잉크 대비 높은 분산 안정성을 갖는다.

또한, 금속 유기 전구체를 사용하기 때문에 본 발명의 전도성 잉크 조성물은 간편한 합성법으로 대량 생산에 용이하며 알코올이나 폴리올 등의 극성을 가진 용매에 분상성이 특출하다. 알코올이나 폴리올 등의 용매에 높은 용해도를 가지고 있기 때문에 PDMS(Polydimethylsiloxane)를 사용한 프린팅 공정에 매우 우수한 성능을 보인다. 또한 상기 금속 유기 전구체는 금속 포르메이트의 염에 알카놀아민을 리간드로 착물된 구조를 갖기 때문에 알카놀아민이 보조적으로 금속 포르메이트의 환원을 돕는 이차적인 환원제 역할을 수행 하게 되어 별도의 환원제가 요구되지 않는다. 이는 금속 포르메이트의 열분해 온도를 낮추는 결과로 이어지기 때문에 비교적 저온에서 금속배선을 형성하기 위한 프린팅 소성이 가능한 특성을 갖는다. 다만, 본 발명의 효과는 이에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.

도 1는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 전도성 잉크의 TGA 분석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 2은 본 발명의 실시예 2에 적용된 전도성 잉크를 나타내는 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예 2에 따라 구리 금속 배선의 XRD 분석 결과를 나타내는 그래프이다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 전도성 잉크 조성물 및 이를 이용한 금속배선의 형성 방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

한편, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

전도성 잉크 조성물

본 발명에 따른 전도성 잉크 조성물은 크게 금속 유기 전구체와 이를 잉크의 상태로 분산시키기 위해 사용되는 분산용액이 포함된 조성을 갖는다. 바람직하게는 리간드로 알가놀아민을 갖는 금속 유기 전구체 5 내지 90 중량%와 극성의 용매를 포함된 여분의 분산용매를 포함하는 조성을 갖는다. 본 실시예에서 상기 금속 유기 전구체 또는 분산용매의 사용량은 잉크의 점도와 잉크의 인쇄 방식에 따라 크게 달라질 수 있다.

일 예로서, 본 발명의 적용되는 전도성 잉크 조성물에 적용되는 금속 유기 전구체는 리간드로 알카놀아민을 갖는 금속-포르메이트 화합물로서, 아래와 같은 단계를 수행하여 제조될 수 있다.

상기 금속 유기 전구체인 리간드로 알카놀아민을 갖는 금속-포르메이트 화합물을 제조하기 위해서는 제1 단계로서 금속 포르메이트에 알카놀아민을 첨가 혼합한다. 일 예로서, 금속 포르메이트와 상기 알카놀아민의 혼합은 초음파 또는 볼 밀링 등과 같은 기계적 교반을 통하여 수행될 수 있다.

이어서, 제2 단계로서 금속-포르메이트에 알카놀아민을 리간드로써 착물화 반응시켜 액상의 금속 유기 전구체를 형성한다. 상기 금속 유기 전구체는 리간드로 알카놀아민을 갖는 금속-포르메이트 화합물로서, 상기 금속은 구리, 니켈, 코발트 및 주석으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 전이 금속을 포함할 수 있다.

상기 금속 유기 전구체를 형성하기 위해 적용되는 금속 포르메이트는 하기 예시된 반응식 1 및 반응식 2과 같이 금속으로 환원되면서 휘발성 물질인 CO2, CO, H2O를 분해산물로 발생시키는 특징을 갖는다. 그러나, 상기 금속 포르메이트는 물에서만 용해되는 성질을 가지고 있고 대부분의 다른 용매에는 녹지 않기 때문에 전도성 잉크를 제조하는데 사용하기는 기에는 부적한 물질로 알려져 왔다.

M(HCOO)2 → M + CO + CO2 + H2O -------(반응식 1)

M(HCOO)2 → M + 2CO2 + H2 --------(반응식 2)

(상기 반응식 1 및 2에서 에서 M은 전위금속으로 구리, 니켈, 코발트 또는 주석일 수 있다.

이를 해결하기 위해 본 발명에서는 알카놀아민을 리간드로 착화하여 고체상의 금속-포르메이트를 액상의 금속 유기 전구체로 변경하였다. 특히, 리간드로 알카놀아민이 적용됨으로서 금속유기 전구체는 상기 극성을 띄고 있는 유기용매에 용해력을 가질 수 있게 되어 전도성 잉크 제조시 사용가능하게 하였다.

본 발명에서 금속 포르메이트를 금속 유기 전구체로 변경시키기 위해 상기 알카놀아민을 사용한 것은 알카놀아민에 포함된 아미노기의 비공유 전자쌍이 금속 이온과 배위 결합을 쉽게 형성 할 수 있어 고체상의 금속-포르메이트을 액체상으로 바꾸기 용이하며 배위 결합 이후 배위 결합에 참여 하지 않은 하이드록시 그룹에 의해 극성을 가지고 있는 알코올이나 폴리올 등과 같은 극성을 지닌 용매에 쉽게 분산되기 때문이다. 또한 상기 금속 유기 전구체를 열분해 시 아미노기가 이민 그리고 나이트릴로 산화되는 반응에 더해 알카놀아민에 포함된 1차 알코올의 알데하이드, 카르복실릭산, 이산화탄소로 이어지는 산화 반응이 더해져 금속 이온의 환원을 돕는 역할을 같이 수행 할 수 있다.

일 예로서, 상기 알카놀아민은 알칸(alkane) 벡본에 하이드록시와 아미노 작용기가 있는 유기 화합물을 지칭한다. 상기 본 실시예에 적용될 수 있는 알카놀아님의 구체적인 예로는 N-메틸에탄올아민, N-에틸에탄올아민, N-프로필에탄올아민, N-부틸에탄올아민, 디에탄올아민, 트리에탄올아민, N-메틸디에탄올아민, N-에틸디에탄올아민, 이소프로판올아민, 디이소프로판올아민, 트리이소프로판올아민, N-메틸이소프로판올아민, N-에틸이소프로판올아민, N-프로필이소프로판올아민, 2-아미노프로판-1-올, N-메틸-2-아미노프로판-1-올, N-에틸-2-아미노프로판-1-올, 1-아미노프로판-3-올, N-메틸-1-아미노프로판-3-올, N-에틸-1-아미노프로판-3-올, 1-아미노부탄-2-올, N-메틸-1-아미노부탄-2-올, N-에틸-1-아미노부탄-2-올, 2-아미노부탄-1-올, N-메틸-2-아미노부탄-1-올, N-에틸-2-아미노부탄-1-올, 3-아미노부탄-1-올, N-메틸-3-아미노부탄-1-올, N-에틸-3-아미노부탄-1-올, 1-아미노부탄-4-올, N-메틸-1-아미노부탄-4-올, N-에틸-1-아미노부탄-4-올, 1-아미노-2-메틸프로판-2-올, 2-아미노-2-메틸프로판-1-올, 1-아미노펜탄-4-올, 2-아미노-4-메틸펜탄-1-올, 2-아미노헥산-1-올, 3-아미노헵탄-4-올, 1-아미노옥탄-2-올, 5-아미노옥탄-4-올, 1-아미노프로판-2,3-디올, 2-아미노프로판-1,3-디올,트리스(옥시메틸)아미노메탄, 1,2-디아미노프로판-3-올, 1,3-디아미노프로판-2-올, 2-(2-아미노에톡시)에탄올 등을 들 수 있다. 이는 단독 또는 둘 이상을 혼합하여 상용할 수 있다.

상기 금속-포르메이트와 혼합하는 알카놀아민의 양은 금속 이온의 배위수를 고려하여 사용하는 것이 바람직하다. 일 예로서, 금속-포르메이트와 혼합하는 알카놀아민의 양은 적용되는 금속의 1.5 내지 2.5배의 당량비로 혼합할 수 있다.

예를 들어 구리는 6개의 배위 결합 가능한 위치를 가지고 있는데 구리 포르메이트의 경우 한 포르메이트 분자가 구리 원자와 바이덴타이트 형식으로 결합되어 2개의 배위 결합 위치를 점유하게 된다. 구리 포르메이트는 2개의 포르메이트가 있으므로 이 경우 구리 금속 원자에 2개의 가능한 배위결합 위치가 남아 있기 때문에 알카놀 아민을 금속 대비 2당량 첨가하는 것이 바람직하다.

이어서, 제3 단계로서 상기 제2 단계에서 수득된 액상의 금속 유기전구체를 건조시킨다.

상기 제3 단계에 있어서, 상기 건조 공정은 금속 유기 전구체를 형성하기 위해 적용된 금속 포르메이가 수화물일 경우 진공 오븐을 통하여 물을 제거하기 위함이다. 이 과정 중에서 금속 포르메이트과 배위 결합을 이루지 못한 알카놀아민을 제거하는 것도 가능하다. 또한 합성시 용매를 사용하였을 경우 이를 건조로써 제거하는 단계도 이에 포함된다.

본 발명의 전도성 잉크 조성물을 형성하는데 적용되는 분산 용매는 극성의 유기용매를 주성분으로 포함할 수 있다. 이들 용매의 예로서는 알콜류, 글리콜류, 폴리올류 등을 들수 있고, 이들은 단독 또는 둘 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 본 실시예에서 극성의 유기 용매를 주성분으로 하는 분산 용매의 사용량은 잉크의 점도와 잉크의 인쇄 방식에 따라 크게 달라질 수 있다.

본 발명의 분산용액은 금속 유기 전구체의 용해 및 잉크 조성물의 제조시 잉크의 점도를 조절하여 원하는 프린팅 기술에 맞게 잉크를 포뮬레이션하기 위한 용도로 사용되며 잉크 포물레이션시 사용되는 바인더(접착제) 등의 첨가제를 분산시키기 위한 용도도 가진다. 또한 알코올이나 폴리올등에 상당히 친화력을 가지는 본 발명의 특성상 PDMS에 사용하기 적합한 용매를 선별하여 사용하는 것이 가능하다.

일 실시예에 따른 전도성 잉크 조성물에 있어서, 전도성 잉크 조성물은 1 내지 20 중량%의 바인더를 더 포함할 수 있다. 일 예로서, 상기 바인더는 사용된 유기 금속 전구체의 금속 함량에 대하여 1 내지 20중량%가 사용될 수 있다. 상기 바인더는 전도정 잉크의 금속이 대상체에 프린팅되어 금속배선으로 형성할 때 금속의 부착력 향상 및 표면에 작용하여 코팅막을 형성시킨다. 또한 잉크의 레올로지적 특성을 부여하므로 선택적 사용에 따라 인쇄적성을 향상시키는 중요한 역할을 한다.

그러나 과도한 바인더 수지의 사용은 비저항 특성을 저해시키는 원인이 되므로 사용에 주의가 필요하다. 부착을 향상시키기 위해 사용될 수 있다. 상기 바인더의 예로서는 PDMS(Polydimethylsiloxane), 아크릴기를 포함하는 중합체, 아크릴기를 포함하는 공중합체, 우레탄기를 포함하는 중합체, 우레탄기를 포함하는 공중합체 및 이들의 혼합물이 포함될 수 있다.

바인더의 함량이 20 중량%를 초과할 경우는 점도 상승 및 금속배선 프린팅후 후 비저항특성이 불량을 초래할 수 있다. 따라서 바인더가 사용될 경우 바인더의 함량이 1 내지 20 중량% 범위로 되도록 하고, 더욱 바람직하게는 3 내지 10 중량% 범위가 되도록 한다.

다른 예로, 잉크 조성물의 특성상 용매 사용에 따라 바인더 수지가 사용되지 않을 있다.

상기 전도성 잉크 조성물에는 선택적인 첨가제 성분이 더 포함될 수 있다. 계면활성제, 점도 변화제, pH조절제, 산화방지제, 전도도 변화제 등이 포함 가능하며 이로만 한정되지 않는다.

전도성 잉크 조성물을 이용한 금속 배선 형성방법

먼저, 대상 기판 상에 본 발명에 따른 전도성 잉크 조성물을 인쇄한다.

본 발명에 따른 전도성 잉크 조성물은 리간드로 알카놀아민을 갖는 금속-포르메이트 화합물을 포함하는 금속 유기 전구체 5.0 내지 90 중량%와 여분의 분산용액을 포함하는 조성을 갖는다. 상기 금속 유기 전구체를 포함하는 전도성 잉크 조성물에 대한 조성 및 이에 대한 설명은 위에서 구체적으로 설명하였기에 중복을 피하기 위해 생략한다.

상기 대상 기판은 반도체 기판, 웨이퍼, 인쇄회로기판, 플라스틱 기판 등을 포함한다. 상기 전도성 잉크 조성물은 상기 대상 기판의 일면 또는 양면에 스크린 인쇄 또는 프린팅 인쇄될 수 있다. 상기 인쇄는 이로써 한정되는 것은 아니며, 어떠한 통상적인 방법으로 수행할 수 있다.

이어서, 대상 기판에 인쇄된 전도성 잉크 조성물을 건조시켜 금속배선을 형성한다. 상기 건조 공정은 제공되는 열에 의해 전구체의 열분해가 수행됨으로서 최종적으로 금속배선을 형성하기 위해 수행된다. 즉, 금속배선의 형성은 상기 전도성 잉크 조성물 내의 금속 유기 전구체가 질소 분위기하에서 열에 의해 열 분해 됨으로 인해 금속 피막으로 환원되어 형성된다. 상기 건조는 약 150 내지 280℃의 온도에서 수행할 수 있다.

이렇게 형성된 금속배선은 약 0.05Ω/cm 내지 0.15Ω/cm 면 저항을 갖는 동시에 기판에 대하여 밀착성이 우수한 특성을 가질 수 있다.

이하, 본 발명의 구성 요소와 기술적 특징을 다음의 실시 예들을 통하여 보다 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 하기 실시 예들은 본 발명을 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위를 이들 실시 예들에 예시한 것들로 한정하고자 하는 것은 아니다.

실시예 1

구리 포르메이트 4수화물 10g에 2-아미노-2-메틸프로판-1-올 7.9g을 첨가한 후 2시간 동안 초음파를 이용해 혼합함으로서 구리-속포르메이트에 2-아미노-2-메틸프로판-1-올(알카놀아민)를 착물화 하였다. 이후, 이를 진공 오븐 60℃에서 하루 동안 건조시켜 구리 유기 전구체를 15g을 수득하였다. 이때, 상기 진공 오븐의 건조과정에서 구리 포르메이트 4수화물과 미 반응한 알카놀아민은 제거되었다.

평가예 1

실시예 1에서 수득된 구리 유기 전구체를 TGA(열분해) 분석하여 그 결과를 도 1에 도시하였다.

도 1을 참조하면, 실시예 1에서 구리 유기 전구체를 TGA 분석한 결과 190℃ 구리 유기 전구체는 완전히 환원이 이루어 졌으며, 환원되어 남은 구리의 질량은 구리 포르메이트에 2개의 2-아미노-2-메틸프로판-1-올이 착물을 이루었을 것으로 가정하고 계산한 이론값인 19.3%와 비슷한 19.4%의 수치가 나온 것을 확인할 수 있었다.

실시예 2

실시예 1에서 수득된 구리 유기 전구체를 아이소프로판올에 50중량%로 녹여 도 2에 도시된 바와 같은 전도성 잉크 조성물을 형성한 후 상기 전도성 잉크 조성물을 유리 기판의 표면에 프린팅 하였다. 이후 전도성 잉크 조성물이 프린팅된 기판을 약 350℃에서 약 30분간 열처리함으로서 구리 금속배선을 형성하였다. 상기 구리 금속배선은 면 저항이 0.089Ω/cm 로 측정되었다.

평가예 2

실시예 2에서 유기 기판상에 형성된 구리 금속배선을 XRD 분석하여 그 결과를 도 3의 그패프에 도시하였다.

도 3의 그래프에서 알 수 있듯이, 상기 잉크 조성물로 형성된 구리 금속 배선은 산화 구리가 존재하지 않는 순수한 구리 배선임을 확인할 수 있었다.

Claims

금속-포르메이트에 알칸 벡본에 하이드록시와 아미노 작용기가 있는 알카놀아민이 리간드로 착화된 구조를 갖는 금속 유기 전구체 5.0 내지 90중량%; 및
여분의 분산용액을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 유기 전구체를 포함하되,
상기 알카놀 아민은
금속-포르메이트에 N-메틸에탄올아민, N-에틸에탄올아민, N-프로필에탄올아민, N-부틸에탄올아민, N-메틸디에탄올아민, N-에틸디에탄올아민, 이소프로판올아민, 디이소프로판올아민, 트리이소프로판올아민, N-메틸이소프로판올아민, N-에틸이소프로판올아민, N-프로필이소프로판올아민, 2-아미노프로판-1-올, N-메틸-2-아미노프로판-1-올, N-에틸-2-아미노프로판-1-올, 1-아미노프로판-3-올, N-메틸-1-아미노프로판-3-올, N-에틸-1-아미노프로판-3-올, 1-아미노부탄-2-올, N-메틸-1-아미노부탄-2-올, N-에틸-1-아미노부탄-2-올, 2-아미노부탄-1-올, N-메틸-2-아미노부탄-1-올, N-에틸-2-아미노부탄-1-올, 3-아미노부탄-1-올, N-메틸-3-아미노부탄-1-올, N-에틸-3-아미노부탄-1-올, 1-아미노부탄-4-올, N-메틸-1-아미노부탄-4-올, N-에틸-1-아미노부탄-4-올, 1-아미노-2-메틸프로판-2-올, 2-아미노-2-메틸프로판-1-올, 1-아미노펜탄-4-올, 2-아미노-4-메틸펜탄-1-올, 2-아미노헥산-1-올, 3-아미노헵탄-4-올, 1-아미노옥탄-2-올, 5-아미노옥탄-4-올, 1-아미노프로판-2,3-디올, 2-아미노프로판-1,3-디올,트리스(옥시메틸)아미노메탄, 1,2-디아미노프로판-3-올, 1,3-디아미노프로판-2-올, 2-(2-아미노에톡시)에탄올 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 액상의 알카놀아민을 혼합하는 단계;
상기 금속-포르메이트에 알카놀아민을 리간드로써 착물화 반응시켜 액상의 금속 유기 전구체를 형성하는 단계; 및
상기 액상의 금속 유기전구체를 건조시키는 단계를 수행하여 수득되는 것을 특징으로 하는 금속 유기 전구체를 포함하는 전도성 잉크 조성물인 것을 특징으로 하는 전도성 잉크 조성물.
삭제
삭제
제 1 항에 있어서, 상기 알카놀아민은 상기 금속-포르메이트에 적용되는 금속의 1.5 내지 2.5배의 당량비로 혼합하는 것을 특징으로 하는 금속 유기 전구체를 포함하는 전도성 잉크 조성물.
제 1항에 있어서, 상기 금속 유기 전구체는 리간드로 알카놀아민을 갖는 금속-포르메이트 화합물이며, 상기 금속은 구리, 니켈, 코발트 및 주석으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 전이 금속인 것을 특징으로 하는 금속 유기 전구체를 포함하는 전도성 잉크 조성물.
제 1항에 있어서, 상기 여분의 분산용액은 알콜류, 글리콜류 및 폴리올류 중에서 선택된 적어도 하나의 극성의 유기용매를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 유기 전구체를 포함하는 전도성 잉크 조성물.
제 1항에 있어서, 전도성 잉크 조성물의 금속 함량에 대하여 1 내지 20 중량%의 바인더를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 유기 전구체를 포함하는 전도성 잉크 조성물.
청구항 1항의 금속 유기 전구체 5.0 내지 90 중량%와 여분의 분산용액을 포함하는 전도성 잉크 조성물을 금속배선을 형성하고자 하는 기판의 표면에 인쇄하는 단계; 및
상기 기판에 인쇄된 전도성 잉크 조성물을 건조시켜 금속 배선을 형성하는 단계를 포함하는 것을 금속배선의 형성방법.
제8항에 있어서, 상기 기판은 인쇄회로기판, 반도체 기판, 플라스틱 기판 또는 웨이퍼인 것을 특징으로 하는 금속배선의 형성방법.
제8항에 있어서, 상기 금속배선의 형성은
상기 전도성 잉크 조성물 내의 금속 유기 전구체가 질소가스가 제공되는 조건에서 열처리될 경우 상기 금속 유기 전구체가 열분해 되어 금속으로 환원되어 형성되는 것을 특징으로 하는 금속배선의 형성방법.