剥がれにくい金薄膜を作成する方法

質問

絶縁体の上に導電性の金属膜のパターンを型紙などを用いて作成しようとしています．

スパッタでガラス上に金を成膜したのですが，簡単に剥がれてしまいます．ガラス上に剥がれにくい金薄膜を作成するテクニックがあれば教えてください．

または，基板は絶縁体であれば良いので，ガラス以外で適して基板があれば教えてください．

よろしくお願いします．

回答No.3

Massy57 · ベストアンサー

２０年ぐらい前、高周波用のICパッケージの開発を担当、ご質問のような仕事も、その範疇でした（金配線そのものは。自分が担当したわけではありませんが）。
型紙？　メタルマスクのことでしょうか。どの程度の線をお書きになりたいのかわかりませんが、メタルマスク＋蒸着で描けるのはたしかL/Sが数十ミクロンだたと記憶していますが。型紙？不思議な言葉ですね。
さてガラスに金を成膜とのことですが、まずスパッタとのこと。通常金は真空蒸着もしくはメッキで成膜します。また金とガラスというか、酸化物は接着力に欠けるため、チタンとかニッケルなどを被覆した上に金を被覆します。それでも金と下地膜との接着強度が不足するため、熱処理して接合強度を稼ぐことが通例（メッキの場合ですが）ですね。ただスパッタなら真空蒸着とことなり、基板との接合強度を稼ぐことも出来なくわないとおもいます。どうしても直接被覆したいとおっしゃるならば、ANo.2さんのおっしゃるように、スパッタ条件を選べばそれなりの接着強度が得られるかも知れませんね。接着強度をかせぐには、ガラス基板の表面がある程度粗であることが良いようですが。
ただ、スパッタで成膜した膜には通常、大きな残留応力が入っているため、厚く積むと、膜がぱらぱら剥離しますのであまり厚く積めません（１ミクロン程度）。電気を通すという点では？ですね。
なおガラス（ガラスとは熱膨張が大きすぎるという印象で、決して小さすぎることはないはずですが）以外の基板ということですが、通常はアルミナ（電子部品の場合の熱膨張のスタンダードですね）、シリコンに熱膨張をあわせたいなら窒化アルミ、熱膨張が小さいほうが良いという場合は石英をつかいますね。通常はなにも考えなければアルミナ基板が一般にもちいられます。
用途がわからないため、あまり具体的なご回答が出来ませんが、ガラス基板上に金で配線するなら、うまい下地コーティングをさがし（多分ニッケルとかチタンのはず　複層つんだはずですね）、金を真空蒸着（抵抗過熱の安物真空蒸着装置で良い）すればよいはずです。

お礼

回答ありがとうございます．アルミ箔をかぶせてミリ単位のパターンを作成予定です．アルミナは良いかもしれません．一度試してみます．

回答No.2

spring_f

ガラス表面に金属膜を形成する方法はいろいろありますが、No.1さんが書かれているようにバッファ層が必要です。
このあたりは、各社独自のノウハウがあるので簡単に言えないのが実情なので、親切なかたがいればここに書き込みしてもらえると思いますが、質問者ご自身がいろんなコネを利用して調査されるしかないと思いますが・・・

私もいろんな事情で、具他的な方法は書けないのですが、一般論としてお話できるところを書きます

ガラスに金を直接スパッタしても簡単に剥がれてしまいます。ようするに付着性の相性があっていないです。

スパッタの条件として。。。

スパッタのタイプで、マグネトロンとかRFとかがあります。質問者の装置はどのタイプでしょうか？

また、プラズマをたくときの条件、ガス流量、到達真空度、放電時の真空度等々も結果的に影響します。
また、基板加熱等の手法もあるのでその辺の調査もされたほうが良いかと思います。

バッファ層を置いてもこのあたりの考慮が未熟だと膜剥がれの原因になります

金成膜ということですと、電極またはシール用に使用されるかと思いますが、はんだつけされるのでしたら成膜後の耐熱性も重要です。だいたい２００～３００度ぐらいの温度がかかります。常温では剥がれなくてもはんだつけして剥がれるという話は良く聞きます。

もうすでにご存知な話ばかりかも知れませんが。
では健闘を祈ります

お礼

回答ありがとうございます．スパッタの知識は全くないので助かります．

回答No.1

sat000

膜がはがれないようにするためには、熱膨張(というかこの場合は膜の熱収縮)に打ち勝つだけの膜の基板への付着力が必要になります。
ガラスは熱膨張係数が金属に比べて1桁以上小さいため、スパッタリングで金属膜をつけることは難しいです(薄膜ならある程度できるかも)。
どういう風につけるかといえば、通常はできる限り基板の温度を下げ、かつバッファ層を作ります。
バッファ層とは、熱膨張率の違いによる膜の歪を緩和するためのもので、膜と基板の熱膨張率の間の熱膨張率を持つ膜を基板につけ、そのバッファ層の上に本来つけたい膜をつけるというやり方です。
バッファ層は必要に応じて複数の層をつける場合があります。
また、基板温度を低温にしすぎると、膜質が低下したり、基板への付着力が低下するので、低温にすればするほどOKという単純なものではありません(通常は成膜に適した温度範囲がある)。
もしガラス基板温度が室温程度の低い温度であるなら、ヒーターで加熱してあげれば、膜が薄ければはがれない場合があるかもしれません。
しかし、膜が数μm程度まで厚くなると(厚膜と言います)、基板温度を工夫する程度では、熱膨張率の差による膜の歪が顕在化してはがれてやすくなるでしょう(つまりバッファ層が必須となるでしょう)。
また、基板としてガラス以外の何が使えるのか分かりませんが(用途に依存)、少しでも熱膨張率が金属に近い大きいものを選ぶと、膜ははがれにくくなると思います。
ガラスは熱膨張率がだいたい10^-6のオーダーであるのに対し、金属類は10^-5のオーダーです。
例えばマグネシア(MgO)は10^-5のオーダーのようなので、結構使えそうな気がします。
あるいは透明基板が必要ということでしたら、サファイア基板を使うとガラスよりは熱膨張率が大きいので少し楽でしょう。
なお、基本的なこととして基板洗浄は適切に行っていると考え、ここでは触れていません。
成膜の専門家ではないので、一般的なことしか書けませんでしたが、少しでも参考になれば。

お礼

回答ありがとうございます．バッファ層が必要なのですね．参考になりました．