JP2007507114A - 感熱性中規模デポジションのレーザ処理 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図1
Description
本特許出願は「低温デポジションに対するレーザ処理方法」と題する2003.9.26付け米国仮特許出願第60/506,495号および「抵抗性構造の製造方法」と題する2003.10.3付け米国仮特許出願第60/508,759号の利益を請求するものである。本特許出願はまた「直接書きおよびマスクなし中規模材料デポジション用装置、方法および高精度噴霧プロセス」と題する2003.12.23付け第10/746,646号の米国特許出願の一部継続出願であり、これはともに「直接書き電子部品用高精度噴霧プロセス」と題する2001.4.27付け米国特許出願第09/844,666号(これは「直接書き電子部品に対する高精度噴霧プロセス」と題する1999.5.5付け米国特許出願第09/305,985号、現在は米国特許第6,251,488号として発行されているものの分割出願である)の一部継続出願であり、またMichael J Rennほかによる「マスクなし中規模材料デポジション用装置および方法」と題する2003.1.17付け米国特許出願第10/346,935号の一部継続出願であり、これは以下の米国特許出願の一部継続出願である:
Michael J Rennほかによる「非原子粒子のレーザのガイドによる操作」と題する2000.5.19付けの米国特許出願第09/574,955号、これはMichael J Rennほかによる「非原子粒子のレーザのガイドによる操作」と題する1999.9.30付けの米国特許出願第09/408,621号の一部継続出願であり、これはMichael J Rennほかによる「レーザガイダンスによる材料の直接書き」と題する1998.9.30付けの米国仮特許出願第60/102,418号の利益を請求するものである;
Michael J Rennほかによる「粒子ガイダンスシステム」と題する2000.6.1付けの米国特許出願第09/584,997号、現在は米国特許第6,636,676号として発行されている、これは米国特許出願第09/408,621号の一部継続出願であった;
Michael J Rennほかによる「Direct WriteTMシステム」と題する2002.1.30付け米国特許出願第10/060,960号、これは米国特許出願第09/408,621号および第09/584,997号の一部継続出願である; および
Michael J Rennによる「Direct WriteTMシステム」と題する2002.2.5付け米国特許出願第10/072,605号、これは米国特許出願第10/060,090号の一部継続出願である。
上記のすべてのリファレンスの仕様および請求は参照することによってここに組み込まれる。
[熱に弱い材料上のレーザ処理の基本説明]
本発明で使用するデポジション技術はマスクなし中規模材料デポジション(Maskless, Mesoscale Material Deposition (M3DTM))と呼ばれている。この技術は約4ミクロンの大きさの形をデポジットするのに環状に流れるエアロゾルジェットを用いる。このジェットは内側のキャリアの流れと、その内側の流れを拘束し、収束させる鞘状のガスとから成る。この2つの流れはまた流体であってもよい。エアロゾル流を開口部から約5 mmの距離で流出口の開口部直径の1/10に収束させることを実現した。開口部直径は好ましくは100ミクロンから500ミクロンの範囲である。
本発明の好ましい一実施例において、デポジットされた材料は少なくとも1個のレーザで処理される。本発明により、デポジットされた材料はターゲットの損傷閾値よりも高い温度で処理することができ、それによって好ましくは下にあるターゲットに物理的、化学的、光学的変化あるいは損傷をほとんど、あるいはまったく与えずに、デポジットをバルク材料に近い、希望する物理的、光学的、電気的特性を達成することができる。この処理は化学分解、重合、焼結、溶解または同様の処理を含むことができる。ターゲット材料は損傷閾値温度が低いどんな材料でもよく、ポリマー、ガラス、金属、いろいろなエポキシ、セラミック、特にポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリテトラフルオロエチレン(Teflon(登録商標))およびポリエステルを含むがこれに限定されない。
[例1:分子化学前駆物質のレーザ処理]
液体前駆物質材料の場合、レーザ処理はデポジットした材料の温度をその分解あるいは硬化温度まで上げるのに使用される。このプロセスにおいて化学分解あるいは架橋結合はレーザエネルギーの注入によって起こり、前駆物質はその分子状態を変える。この分子状態の変化が前駆物質を希望の材料へ変換する結果となる。一般に分解過程はまたガス状の副産物を発生させる。いろいろなターゲット上の前駆物質デポジットのレーザ処理はターゲットの損傷を引き起こさずに行うことができる。
熱に弱いターゲット上の粒子懸濁液のレーザ焼結もまた本発明により可能である。焼結処理では個々の粒子を溶解せずに固体の結合した密集体を作る。M3DTMプロセスでは、低融点ガラスと金属、誘電体、抵抗性あるいは強磁性材料のような低融点材料と高融点材料から成る2成分ペーストの選択的焼結が可能である。
M3DTMでデポジットしたナノ粒子インクのレーザ焼結をまた熱に弱いターゲット上の金属線を形成するのに使用した。レーザ処理したナノ粒子デポジットはバルク金属の抵抗率に近い値を示すことが望ましい。M3DTMデポジットしたナノ粒子をバルクの抵抗率に近くするレーザ処理は100 mWあるいはそれ未満の可視光線または紫外線の照射によって達成できる。インクの吸収がレーザの波長に合っていれば赤外線照射もまたナノ粒子のレーザ焼結に使用できる。
ある実施例において、本発明を損傷閾値が約100℃から150℃のプラスチックターゲット上に薄膜トランジスタを製造するのに使用した。特に本発明は、PET(ポリエチレンテレフタレート)、PEN、ポリカーボネート、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリエステルなどの柔軟性のあるターゲット上に有機薄膜トランジスタ(OTFT)を溶液ベースで製造するのに使用できる。OTFTを製造するM3DTMプロセスの応用はガラスターゲットにも拡張できる。このプロセスによりOTFT製造に必要な有機半導体とメタライゼーションのデポジットおよび処理が可能である。本発明はまたソース電極とドレーン電極、ゲート電極、ゲート絶縁物をデポジットするのに使用できる。約4ミクロンのチャネル長を形成できる。チャネル長に対するチャネル幅の比は周辺効果を減らすため10あるいはそれ以上に保つのが好ましい。その他の構成としてはインジウム錫酸化物(ITO)ゲートおよびポリイミド絶縁層がある。バルク抵抗率に近いOTFT電極製造のためにデポジットできる金属にはパラジウム、金およびその合金があるが、これに限定されない。いずれの場合も導体あるいは半導体材料はM3DTMフローヘッドを用いてデポジットし、それからレーザ処理あるいは加熱を用いて希望の状態に処理する。本発明はトランジスタの半導体材料を形成するために処理できるペンタセン前駆物質のような有機半導体材料の溶液ベースのデポジションに使用できる。
本発明はガラスおよびプラスチックのフラットパネルディスプレイ(FPD)回路にある欠陥の修理に使用できる。FPDの製造、出荷あるいは取扱いの間に、相互結線、バスラインあるいはその他表示回路への信号を送る導電性配線を形成する金属構造に電気的切断が発生することがある。M3DTMプロセスを用いて金属前駆物質、金属ナノ粒子インクあるいは同様のもの、あるいはこれらの組合せをデポジットし、切断した回路の間に電気的接続を形成して導電性配線の空隙を修復することができる。デポジットした材料をそれから局所的あるいは全体的にデポジットをレーザ照射、拡散あるいは収束する非レーザ照射、あるいは炉の中での加熱を含むがこれに限定されない加熱を用いてその最終状態に分解あるいは焼結する。FPDにおける金属構造を修理するのに必要な技術は、何もないターゲットに金属構造をデポジットするのとはかなり異なる。特にFPD修理応用においては不十分な材料デポジション、クラック、あるいは貧弱な接着がデポジットした構造および既に存在している線に発生しないように、材料をデポジットし、処理するように注意が必要である。デポジットする材料の粘度が低すぎると不十分なデポジションが発生し、材料がターゲットの上に流れて、欠陥部に充分な高さにデポジットされない。過剰な材料が欠陥部、特に新しくデポジットした構造と切断している線の端との間に用いられるとクラックと貧弱な接着が発生することがある。しかし、M3DTMプロセスパラメータを調節して正しい厚さにデポジットし、クラックや貧弱な接着がないように材料デポジションおよび処理をすることができる。
多くの電子装置が小型化、携帯化して、固いターゲットに印刷した回路から柔軟なターゲットに印刷した回路への移行が増加している。柔軟なターゲットは3次元パッケージングに使用することができ、当該装置の大きさと重量を相当低減することができる。柔軟な回路はまたさらに丈夫な装置の製造を可能にする。というのは固いターゲットに損傷を与える可能性のある振動や衝撃が及ぼす影響の程度は柔軟なターゲット上に印刷された回路の場合にはより少ないからである。柔軟な回路の使用によって寸法が小さくなり、丈夫さが増すので、カメラ、ビデオカメラ、携帯電話、コンピュータ、補聴器、ペースメーカ、救急および手術室表示装置などの携帯民需品および医療機器の製造に有効である。現在柔軟な回路を作る最も一般的な方法は多段階のフォトリソグラフのプロセスを必要とし、ターゲットへの金属箔の積層、レジストのデポジション、マスクを通したレジストへの露出、現像、エッチング、レジスト除去を含む。これらのプロセスは多くの時間を要し、マスクの製作は費用が掛かる。このプロセスはまた無駄を生じる。というのは元の金属フィルムのごく一部しか回路に使われないからである。一方M3DTMプロセスは柔軟な回路の製造に対してマスクを使わない1ステップのデポジションプロセスを提供する。本発明は直接的で加法的なプロセスであり、したがって積層、フォト処理、化学エッチングおよびこれに関連する材料の無駄を排除する。全メタライゼーションプロセスは好ましいことに僅か3段階を必要とするだけであり、図3に従来のフォトリソグラフのプロセスと並べて示す。
M3DTM装置はいろいろなターゲットの上に金および白金用の液体分子前駆物質をデポジットするのに使用できる。前駆物質は有機溶剤に溶かした金属塩からなる有機金属系が好ましい。本アプローチは前駆物質をエアロゾル化し、ターゲット上にエアロゾルをデポジットする前に飛行中の飛沫を加熱する。本前駆物質法は、損傷閾値が約400℃より大きいターゲットについて、線幅が約1ミクロンから5ミクロンの金または白金の線を直接書くのに使用できる。
M3DTMプロセスはまたインダクタやキャパシタを含む、ただしこれに限定されない、多層構造を作るのに使うことができる。さらにM3DTM装置のターゲットからの動作距離が比較的大きい(5 mmあるいはそれ以上)ので、M3DTMプロセスを数100ミクロンのオーダーで高さの変化がある平坦でない表面に材料をデポジットするのに使うことができる。たとえば、M3DTMプロセスを、これに続けてレーザ処理を行って、低い温度のターゲット上に3層の機能電気的部品を作るのに使うことができる。
タイプSの熱電対(白金、白金/ロジウム)を窒化タンタル(TaN)の上に作るのにM3DTMプロセスを用いた。装置の白金側は熱電対の左脚に書いた。目標とする白金/ロジウム脚の合金比は90%白金と10%ロジウムであった。装置は粘着性Kaptonフィルムを使ってターゲットから絶縁した。
本発明はプラスチックターゲットおよびUV硬化性ポリマーのメタライゼーション(バスライン、電極、相互結線など)、回路基板上への受動電子部品のデポジション、回路基板上への組込受動部品のデポジション、ターゲット層間のヴィアの製造、エポシキのメタライゼーションに使用できる。実際にM3DTMプロセスをポリカーボネートターゲット材料上への銀のデポジットおよび焼結に使用した。銀前駆物質の分解には高い処理温度が必要なので、ポリカーボネートに金属線を直接書くのに必要な処理温度を下げるため、前駆物質法に代わる手法を用いた。この手法として水溶液に懸濁させたナノメータサイズの銀粒子から成るナノ粒子銀インクを使用する。粒子の平均直径は約50ナノメータである。低温度ターゲット上に銀線を印刷するナノ粒子処方の使用は金にも拡張でき、それには次のような利点がある。すなわち、希望の材料(つまり高い電導度の金属)が既に存在し、分解や揮発性有機溶剤の除去の必要がない、懸濁液は水溶性でポリカーボネートを化学的に損傷しない、これまでの研究でプラスチックへの良好な接着が実証されている、ターゲットを室温に保ったままデポジションと処理が行える、ナノ粒子インクは10ミクロン下の線幅にデポジットできる、レーザパワー(< 100 mW)によるナノメータサイズ粒子の焼結はポリカーボネートを損傷しない、レーザ焼結を使ってバルクの電気的特性に近い特性が得られる、などである。ポリカーボネート上に焼結した銀線の顕微鏡写真を図8aと図8bに示す。線の抵抗率は銀のバルク抵抗率の僅か約3倍である。この例では焼結温度は約180℃で、これはポリカーボネートの120℃の損傷閾値よりもずっと高い。
処理可能な白金のデポジションを水溶性の四塩化白金から作成した。デポジション装置に入った四塩化白金の飛沫を予め加熱し、デポジットした材料の温度を基盤ヒータにより約580℃に上げた。小パワーのダイオードレーザにより四塩化白金を分解して純白金の希望パターンを作った。電子的応用に対してレーザ処理可能な好ましい材料には、四塩化白金、四塩化金、蟻酸銅、酢酸銀、硝酸銀、チタン酸バリウム、酸化アルミニウムがあるがこれに限定されない。
M3DTMプロセスを超高密度配線(UHDI)製作に使用した。現在従来のマスクフォトリソグラフィ技術を使って達成できる高密度配線の最小線幅は約50ミクロンで、ピッチ(間隔)は50から75ミクロンである。しかし傾向としてHDI回路産業は低コストの超高密度配線、つまり約10から40ミクロンの線幅を要求し始めている。プラスチックおよびその他の低温度ターゲット上に導電性の線をデポジットするのに、導電性ポリマー溶液を用いたインクジェットが使用されてきた。しかしこの方法ではM3DTM技術を用いてプラスチック上にデポジットした金属線よりも104から106倍高い抵抗率の線ができる。さらにインクジェットによる線幅は約50ミクロンが限界である。
Claims (30)
- ターゲットの上に材料をデポジットする方法であって、
エアロゾル流を発生するステップと、
エアロゾルジェットを用いて前記エアロゾル流をデポジットするステップと、
前記材料を得るためにその結果得られたデポジットを少なくともターゲットの損傷閾値温度とほぼ同じ温度においてレーザで処理するステップとを含み、
その結果得られたデポジットの電気的特性が本質的に前記材料のバルクの形における電気的特性と同様である、方法。 - 請求項1に記載の方法であって、前記電気的特性が抵抗率を含む方法。
- 請求項1に記載の方法であって、前記ターゲットが平坦でない、方法。
- 請求項1に記載の方法であって、損傷閾値温度が200℃未満である、方法。
- 請求項1に記載の方法であって、前記エアロゾル流が液状分子化学前駆物質およびコロイド状あるいは粒子懸濁液から成るグループから選択した1以上の材料を含む、方法。
- 請求項5に記載の方法であって、前記エアロゾル流がさらに、有機金属前駆物質、コロイド状金属溶液、金属ペースト、金属ナノ粒子懸濁液、セラミック前駆物質、セラミックペースト、抵抗体前駆物質溶液、抵抗体ペースト、無機半導体懸濁液、重合体前駆物質溶液、金属、誘電体あるいは抵抗粒子のコロイド状懸濁液、およびこれらの任意の組合せから成るグループから生成した1以上の材料を含む、方法。
- 請求項1に記載の方法であって、エアロゾル流の直径が約10ミクロン未満の飛沫あるいは粒子を含む、方法。
- 請求項1に記載の方法であって、前記の発生させるステップが超音波トランスダクションあるいは圧縮空気によるエアロゾル化を含む、方法。
- 請求項1に記載の方法であって、前記エアロゾルジェットが環状流を含む、方法。
- 請求項5に記載の方法であって、前記エアロゾルジェットが内部エアロゾルキャリア流を拘束する鞘状のガス流に囲まれた内部エアロゾルキャリア流を含む、方法。
- 請求項9に記載の方法であって、環状流がエアロゾル流を中規模の寸法に収束させる、方法。
- 請求項11に記載の方法であって、デポジットした形状の大きさが約4ミクロン以上である、方法。
- 請求項1に記載の方法であって、前記デポジットのステップが前記ターゲットと前記エアロゾル流の相対運動を含む、方法。
- 請求項1に記載の方法がさらに前記デポジットの前に前記エアロゾル流を事前処理するステップを含む方法。
- 請求項14に記載の方法であって、前記事前処理ステップが、前記エアロゾル流の給湿、前記エアロゾル流の乾燥、前記エアロゾル流の冷却、前記エアロゾル流の組成の蒸気成分の増加、前記エアロゾル流の組成でない第2の成分である材料の蒸気成分の増加から成るグループから選択した処理を含む、方法。
- 請求項1に記載の方法がさらに前記処理ステップの前に前記デポジットを事後処理するステップを含む、方法。
- 請求項16に記載の方法であって、前記事後処理ステップが、加熱、環境の減圧、電磁波の照射およびこれらの組合せから成るグループから選択した処理を含む、方法。
- 請求項1に記載の方法であって、前記デポジットが前記レーザからのビームの直径にほぼ等しい幅を有する、方法。
- 請求項1に記載の方法であって、前記デポジットの幅が前記レーザからのビームの直径よりも大きい、方法。
- 請求項1に記載の方法であって、前記デポジションのステップと前記処理のステップとが同時に行われる方法。
- 請求項1に記載の方法であって、前記処理のステップが少なくとも化学分解、重合、焼結、溶解から成るグループから選択した1つの処理を含む、方法。
- 請求項1に記載の方法であって、前記ターゲットがポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリメチルメタクリレート、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエステル、エポキシから成るグループから選択した材料を含む、方法。
- 請求項1に記載の方法であって、前記レーザがダイオードレーザを含む、方法。
- 請求項1に記載の方法であって、前記レーザのパワーが約10ミリワットである、方法。
- 請求項1に記載の方法であって、前記レーザが連続波モードあるいはパルス波モードを含む、方法。
- 請求項25に記載の方法であって、前記パルス波モードのエネルギーが数マイクロジュールである、方法。
- 請求項1に記載の方法であって、前記処理のステップがレンズシステムおよびミラーと光ファイバーとのいずれかまたは両方を用いて前記ターゲットに前記レーザからのビームを供給することを含む、方法。
- 請求項1に記載の方法であって、前記レーザからのビームが前記エアロゾル流とは別にターゲットに供給される、方法。
- 請求項28に記載の方法がデポジションとレーザ処理の逐次処理である方法。
- 請求項1に記載の方法であって、レーザ処理後のデポジットの形状の大きさが少なくとも約1ミクロンである、方法。
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