JP2011060637A - マイクロ波照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】設備の大型化を避けて小型化を可能にしつつ、マイクロ波及びマイクロ波プラズマの利点を最大限に活かして焼成できるようにした、マイクロ波照射装置を提供する。
【解決手段】マイクロ波を発生する固体マイクロ波源と、固体マイクロ波源で発生したマイクロ波を被照射体に照射するための照射部３とを備えたマイクロ波照射装置である。照射部３は、固体マイクロ波源で発生したマイクロ波が供給される、軸方向に延在して配置された中心導体２２と、この中心導体２２の周囲に設けられてこの中心導体２２と同心円状に形成された円筒状の外側導体２３と、を有してなるＴＥＭモード共振器からなっている。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えば金属微粒子を加熱焼成して導電パターンを形成するのに好適に用いられる、マイクロ波照射装置に関する。

近年、金属ナノ粒子（金属微粒子）を分散させた液状材料をスクリーン印刷法やインクジェット法（液滴吐出法）でプリント基板上に配し、これを加熱して金属ナノ粒子を焼成し、配線等の導電パターンを形成する技術が進展してきている。
ところが、この導電パターンの形成技術では、ポリイミド等からなるプリント基板上に導電パターンを形成するため、十分に高い温度で加熱を行うことができないといった問題がある。

すなわち、金属ナノ粒子の融点より十分に高い温度で加熱すると、樹脂製のプリント基板が溶融劣化し、さらには消失してしまうおそれがあるからである。したがって、現状では、プリント基板の加熱劣化を最小限に抑えるべく、比較的低温で加熱焼成している。しかし、その結果金属ナノ粒子間にある程度の空隙が残ってしまうため、得られる導電パターンの導電性を、より良好に形成することができないといった課題がある。また、使用される金属ナノ粒子も、銀ナノ粒子に限られてしまうといった課題もある。

このような背景のもとに、マイクロ波やマイクロ波プラズマを使った加熱・焼成技術が提案されている（例えば、参考文献１、参考文献２、参考文献３、参考文献４参照）。

特開２００６−２６９９８４号公報 特開２００２−２９０００９号公報 特表平８−５０３２６３号公報 特表昭６１−５０２１９７号公報

しかしながら、前記参考文献１〜４に記載されているマイクロ波やマイクロ波プラズマを使った加熱・焼成技術では、焼成装置（加熱装置）が大型化してしまい、設置スペースが大きくなったり、焼成に要するエネルギーにロスが多くなったり、焼成時間が長くなるといった非効率性が懸念されている。特に、太陽電池や液晶パネルなどの大型電子デバイスの基板を加工対象とした場合、これを収容するチャンバーも大型化するため、焼成装置はさらに大きくなってしまうといった問題がある。

本発明は前記事情に鑑みなされたもので、設備の大型化を避けて小型化を可能にしつつ、マイクロ波及びマイクロ波プラズマの利点を最大限に活かして十分な焼成ができるようにした、マイクロ波照射装置を提供することを目的としている。

本発明のマイクロ波照射装置は、マイクロ波を発生する固体マイクロ波源と、
前記固体マイクロ波源で発生したマイクロ波を被照射体に照射するための照射部と、を備えてなり、
前記照射部は、前記固体マイクロ波源で発生したマイクロ波が供給される、軸方向に延在して配置された中心導体と、該中心導体の周囲に設けられて該中心導体と同心円状に形成された円筒状の外側導体と、を有してなるＴＥＭモード共振器からなっていることを特徴としている。

このマイクロ波照射装置によれば、固体マイクロ波源を用いることにより、マイクロ波を照射するための照射部をＴＥＭモード共振器で構成することができ、したがってＴＥＭモードによる共振が発生することでマイクロ波の漏洩が効果的に防止され、装置全体の小型化が可能になる。

また、前記マイクロ波照射装置においては、前記マイクロ波の波長をλｇとすると、前記外側導体は、前記軸方向の長さがλｇ／４であるのが好ましい。
このようにすれば、外側導体の端部においてマイクロ波エネルギーが最大になり、したがってこの端部位置を被照射体に対するマイクロ波の照射位置にすることで、より効率的にマイクロ波照射を行うことができる。

なお、この場合に前記ＴＥＭモード共振器は、前記中心導体及び外側導体の一端部側に、被照射体を挟んで該中心導体及び外側導体に対向して配置された第２の中心導体及び第２の外側導体を有し、前記第２の外側導体は、前記軸方向の長さがλｇ／４であってもよい。
このように構成しても、前記外側導体の端部、すなわち該外側導体と前記第２の外側導体との間においてマイクロ波エネルギーが最大になり、したがってこの位置を被照射体に対するマイクロ波の照射位置にすることで、より効率的にマイクロ波照射を行うことができる。

また、前記マイクロ波照射装置においては、前記固体マイクロ波源に、弾性表面波発振器が設けられているのが好ましい。
このようにすれば、弾性表面波発振器を用いてマイクロ波を発生させることが可能となり、温度に対する安定性が良好になるとともに、発生するマイクロ波の周波数の安定性も良好になる。

なお、この場合に前記弾性表面波発振器は、水晶もしくはダイヤモンドからなる弾性表面波共振子を備えてなるのが好ましい。
このようにすれば、弾性表面波の伝播速度を大きくすることができ、より高い周波数まで発振させることが可能にとなる。また、温度変化に対する周波数変動も小さくなり、より安定したマイクロ波の発生が可能になる。

また、前記マイクロ波照射装置においては、前記照射部と前記被照射体との間を、相対移動させる搬送手段を備えているのが好ましい。
このようにすれば、固体マイクロ波源とＴＥＭモード共振器からなる照射部とからなるマイクロ波照射装置の本体部分を小型化して、照射部による照射を局部的に行うようにした場合にも、搬送手段によって被照射体を相対的に移動させることにより、被照射体が例えば大型の基板であっても、これに対応してその所望箇所全体にマイクロ波を照射することが可能になる。

また、前記マイクロ波照射装置においては、前記照射部の、前記被照射体にマイクロ波を照射させる照射位置に、水素ガスを供給する水素供給手段を備えていてもよい。
このようにすれば、例えば金属微粒子によって導電パターンを形成する場合などにおいて、マイクロ波の照射位置に水素ガスを供給することにより、金属微粒子の加熱に伴う酸化を防止することができ、したがってより良好な導電性を有する導電パターンの形成が可能になる。また、水素ガスの供給によって大気圧水素プラズマを生成することができ、したがって大気圧水素プラズマを用いた焼成も可能になる。

本発明のマイクロ波照射装置の全体構成を示すブロック図である。 （ａ）はマイクロ波電源のブロック図、（ｂ）はＳＡＷ発振器のブロック図である。 ＴＥＭモード共振器からなる照射部の概略構成図である。 第２実施形態における照射部の概略構成図である。 第３実施形態における照射部の概略構成図である。 第３実施形態の変形例における照射部の概略構成図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。
図１は、本発明のマイクロ波照射装置の全体構成を示すブロック図であり、図１中符号１は、本発明の第１実施形態としてのマイクロ波照射装置である。

このマイクロ波照射装置１は、マイクロ波を発生する固体マイクロ波源２と、この固体マイクロ波源２で発生したマイクロ波を被照射体に照射するための照射部３とを備えて構成されたものである。
固体マイクロ波源２は、本実施形態ではマイクロ波電源４と、アイソレーター５と、パワーモニター６と、整合装置７と、制御装置８とを有して構成されたもので、制御装置８からの制御信号を受け、一定のマイクロ波電力を照射部３に出力するようになっている。

マイクロ波電源４は、図２（ａ）のブロック図に示すように電源９と、弾性表面波（Surface Acoustic Wave：SAW）発振器としてのＳＡＷ発振器１０と、第１増幅器１１とを有して構成されたものである。電源９は、ＳＡＷ発振器１０及び第１増幅器１１に電力を供給するものである。ＳＡＷ発振器１０の後段には第１増幅器１１が接続されており、ＳＡＷ発振器１０から出力された高周波信号は、第１増幅器１１で増幅された後に出力されるようになっている。

また、ＳＡＷ発振器１０は、図２（ｂ）のブロック図に示すように移相回路１２、ＳＡＷ共振子（弾性表面波共振子）１３、第２増幅器１４及び電力分配器１５でループ回路１６を形成し、電力分配器１５の一方の出力側にバッファ回路１７を接続した構成となっている。このような構成のもとに、このＳＡＷ発振器１０を用いてマイクロ波を発生させることができ、温度に対する安定性が良好になるとともに、発生するマイクロ波の周波数の安定性も良好になっている。

移相回路１２は、電源９から制御電圧を入力してループ回路１６の位相を可変にするものである。これら各ブロックは、一定の特性インピーダンス、例えば５０ｏｈｍに全て整合接続されている。

ＳＡＷ共振子１３は、水晶の単結晶やダイヤモンド等の圧電材料からなる薄膜によって形成されたもので、特に加熱用途に使用される２．４５ＧＨｚ帯の周波数を発生することができるよう構成されたものである。このＳＡＷ共振子１３は、第２増幅器１４が飽和状態となる入力電圧が供給されるように、第２増幅器１４の入力側に接続されている。これにより、ＳＡＷ共振子１３を用いてＧＨｚ帯での高周波信号をダイレクト発振させることが可能になっている。また、温度変化に対する周波数変動も小さくなり、より安定したマイクロ波の発生が可能になっている。さらに、整合を保ったまま第２増幅器１４の出力パワーを、電力分配器１５からバッファ回路１６を介して図１に示すアイソレーター５に出力できるようになっている。

そして、このような回路構成により、ＳＡＷ共振子１３を含めた発振ループ内において利得が１以下とならないようにし、移相回路１２により発振ループ内の発振周波数における位相を合わせることにより、連続発振状態を継続することが可能になっている。また、移相回路１２により、高周波信号に周波数変調をかけることが可能となり、後述する被照射体に対して、マイクロ波周波数を可変・調整することが可能になっている。
なお、この移相回路１２は用いなくてもよく、その場合には、マイクロ電源４はＳＡＷ共振子１３の特性によって一意的に決まる周波数で発振する、固定発振器となる。

図１に示したアイソレーター５は、インピーダンス不整合が生じた場合に、マイクロ波電源４から出力されたマイクロ波が照射部３で反射し、戻ってきた反射波からなる電力を、消費するものである。これにより、インピーダンス不整合によって発生する反射波が図２（ａ）に示した第１増幅器１１に戻ることが防止され、第１増幅器１１の破壊が防止されているとともに、マイクロ波の出力周波数変動を抑えることが可能になっている。したがって、必要なマイクロ波パワーを安定して得ることが可能となるとともに、メンテナンスフリーを実現することが可能になっている。

パワーモニター６は、入力波、反射波の電力をモニターし、制御装置８にそのモニター信号を送るようになっている。
整合装置７は、スラグチューナー、スリースタブチューナー等からなるもので、制御装置８からの制御信号に基づき、照射部３からの反射がゼロになるように前記マイクロ波電源４からのマイクロ波を調整するものである。

制御装置８は、パワーモニター６で得られる入力波の電力が一定の出力電力となるように、マイクロ波電源４に制御信号を供給し、マイクロ波電源４の電力制御を行うようになっている。また、パワーモニター６で得られる反射波の電力をモニターし、反射波の電力がゼロになるように、整合装置のチューナー部に制御信号を供給し、これを制御するようになっている。

照射部３は、同軸ケーブルなどのマイクロ波伝送路（図示せず）を介して固体マイクロ波源２の整合装置に接続されたもので、ＴＥＭモード共振器によって形成されたものである。マイクロ波伝送線路は、マイクロ波電源４で発生させたマイクロ波を照射部３に伝送するためのもので、特性インピーダンスが５０Ωに保持されている。これにより、損失を生じることなく、効率よくマイクロ波電力を照射部３に供給できるようになっている。

ＴＥＭモード共振器からなる照射部３は、図３の概略構成図に示すように、Ｎ型コネクター２０と、インピーダンスキーパー部２１と、第１の中心導体（中心導体）２２と、第１の外側導体（外側導体）２３とを備えて構成されている。
Ｎ型コネクター２０は、マイクロ波伝送路側に設けられた第１コネクター（例えば雄側）と、照射部３側に設けられた第２コネクター（例えば雌側）とが結合して構成されたもので、マイクロ波伝送線路と、照射部３における第１の中心導体２２とを電気的に接続したものである。なお、このＮ型コネクター２０は、特性インピーダンスがマイクロ波伝送線路の特性インピーダンスと同じく、５０Ωに整合された低損失タイプのものとなっている。

インピーダンスキーパー部２１は、Ｎ型コネクター２０に電気的に接続する中心導体２１ａと、これの周囲に設けられた外側導体２１ｂとを有したもので、照射部３に負荷変動が生じた場合にも、ＴＥＭモード共振器からなる照射部３のＴＥＭモードを安定的に補償するようになっている。ここで、外側導体２１ｂは、円柱状の中心導体２１ａの周囲に設けられてこれと同心円状に形成された円筒状のものである。
また、このインピーダンスキーパー部２１は、マイクロ波伝送線路から供給されたマイクロ波電力を、前記第１の中心導体２２にスムーズに伝達させる機能を有したもので、特性インピーダンスが５０Ωになっている。

このインピーダンスキーパー部２１における外側導体２１ａの軸方向長さ、すなわち中心導体２１ａの中心軸方向の長さＬ１は、固体マイクロ波源２からマイクロ波伝送線路を介して供給されるマイクロ波の波長をλｇとすると、λｇ／８またはλｇ／１６になっている。なお、この波長λｇは光速／（周波数・√ε）によって求められ、空気中の周波数が２．４５ＧＨｚ帯（Industry, Science, and Medical：ISMバンド）のマイクロ波を用いた場合、波長λｇは１２２．４４ｍｍとなる。

第１の中心導体（中心導体）２２は、前記インピーダンスキーパー部２１の中心導体２１ａに接続したものであり、第１の外側導体（外側導体）２３は、前記インピーダンスキーパー部２１の外側導体２１ｂに接続したものである。第１の外側導体２３は、円柱状の第１の中心導体２２の周囲に設けられてこれと同心円状に形成された円筒状のものである。そして、インピーダンスキーパー部２１における中心導体２１ａの外径をＤ１、外側導体２１ｂの内径をＤ２とし、第１の中心導体２２の外径をＤ３、第１の外側導体２３の内径をＤ４とすると、中心導体２１ａの外径Ｄ１と外側導体２１ｂの内径Ｄ２との比と、第１の中心導体２２の外径Ｄ３と第１の外側導体２３の内径Ｄ４との比は、等しくなっている。すなわち、（Ｄ１／Ｄ２）＝（Ｄ３／Ｄ４）となっている。

また、第１の外側導体２３の軸方向長さ、すなわち第１の中心導体２２の中心軸方向の長さＬ２は、固体マイクロ波源２からマイクロ波伝送線路を介して供給されるマイクロ波の波長をλｇとすると、λｇ／４になっている。
このような構成のもとに、照射部３はＴＥＭモード共振器を構成するものとなり、第１の外側導体２３の端部、すなわちインピーダンスキーパー部２１と反対の側の端部において、マイクロ波を最大に出力するようになっている。

したがって、本実施形態においては、この端部の近傍を、被照射体Ｗにマイクロ波を照射するための照射位置２４としている。
この照射位置２４には、搬送手段としてのステージ２５が配置され、このステージ２５上には被照射体Ｗが載置されている。したがって、被照射体Ｗは照射位置２４に配置されたものとなっている。ステージ２５は、例えばＸ−Ｙステージからなるもので、図示しない駆動機構によって水平面上をＸ方向、及びこれに直交するＹ方向に、それぞれ移動可能に構成されている。

被照射体Ｗは、プリント基板Ｐ上に、金属ナノ粒子（金属微粒子）を分散媒に分散させてなる分散液（液状体）２６を、予め液滴吐出装置などによって所定パターンに配したものである。

このような構成からなるマイクロ波照射装置１にあっては、前述したように固体マイクロ波源２で発生させたマイクロ波を、ＴＥＭモード共振器からなる照射部３によって照射位置２４に位置する被照射体Ｗに照射するようにしたので、ＴＥＭモードによる共振を発生させることにより、マイクロ波の漏洩を防止して被照射体Ｗにマイクロ波を効率的に照射することができる。したがって、プリント基板Ｐを実質的に加熱することなく、分散液２６を選択的に加熱してこの分散液中の金属ナノ粒子を選択的に加熱・焼成することができる。

また、特に第１の外側導体２３の軸方向の長さＬ２をλｇ／４にし、この第１の外側導体２３の端部を照射位置２４にしているので、マイクロ波エネルギーを最大にして出力することができ、したがってより効率的にマイクロ波照射を行うことができる。
よって、このようにマイクロ波照射を最大の出力で効率的に行うことができるため、マイクロ波照射装置１は焼成装置として機能させることができ、その構成は従来に比べ格段に小型化することが可能となる。つまり、小型の焼成装置と機能することにより、設置スペースが小さくてすみ、焼成に要するエネルギーにロスが少ない、さらに焼成時間が短いなど、より効率的な焼成が可能となる。

また、搬送手段としてのステージ２５を備えているので、前述したようにステージ２５等の搬送手段を除いたマイクロ波照射装置１の本体部分を小型化しているにもかかわらず、ステージ２５上に被照射体Ｗを載置し、被照射体Ｗを照射部３に対して移動させることにより、被照射体Ｗの所望箇所全体にマイクロ波を照射することができる。したがって、被照射体Ｗが例えば大型のプリント基板Ｐからなっていても、これに対応してその所望箇所全体にマイクロ波を照射し、分散液２６を加熱焼成することができる。

図４は、本発明のマイクロ波照射装置の第２実施形態を説明するための図であり、図４中符号３０は照射部である。この第２実施形態が図１〜図３に示した第１実施形態と異なるところは、照射部３０が、第２の中心導体３１、第２の外側導体３２を備えている点である。

第２の中心導体３１は、前記第１の中心導体２２に前記照射位置２４を挟んで対向して配置されたものであり、第２の外側導体３２は、前記第１の外側導体２３に前記照射位置２４を挟んで対向して配置されたものである。第２の外側導体３２は、前記軸方向の長さＬ３が、第１の外側導体２３と同様にλｇ／４となっている。
なお、この実施形態では、搬送手段となるステージ２５が、石英によって形成されている。

したがって、このような照射部３０にあっても、第１の外側導体２３の長さＬ２と第２の外側導体３２の長さＬ３との合計がλｇ／２となり、このような外側導体２３、３２を有するＴＥＭ共振器の中間を照射位置２４としていることにより、この照射位置２４に対してマイクロ波照射をより効率的に行うことができる。
よって、このような照射部３０を備えたマイクロ波照射装置にあっても、マイクロ波照射を最大の出力で効率的に行うことができるため、その構成を従来に比べ格段に小型化することができる。また、小型の焼成装置と機能することにより、設置スペースが小さくてすみ、焼成に要するエネルギーにロスが少なくなり、さらに焼成時間が短くなるなど、より効率的な焼成が可能なる。

図５は、本発明のマイクロ波照射装置の第３実施形態を説明するための図であり、図５中符号４０は照射部である。この第３実施形態が図１〜図３に示した第１実施形態と異なるところは、照射部４０に水素供給手段を備えている点である。
すなわち、図５に示すように照射部４０には、第１の外側導体２３にその外側から内側に貫通して石英管からなる配管４１が設けられている。そして、この配管４１の一端側、すなわち第１の外側導体２３の外側には、水素ガス源（図示せず）が接続されている。

また、第１の中心導体２２には、本実施形態ではその側面に開口し、該第１の中心導体２２の中心軸に向かった後、該中心軸に沿って下方に延び、該第１の中心導体２２の底面に開口する貫通孔４２が形成されている。
そして、前記配管４１は、この貫通孔４２の、第１の中心導体２２の側面側の開口に接続されている。このような構成によって前記水素ガス源からの水素ガスは、配管４１を通って貫通孔４２内を流れ、第１の中心導体２２の底面側、すなわち被照射体Ｗにマイクロ波を照射するための照射位置２４に供給されるようになっている。

したがって、この照射部４０にあっては、マイクロ波の照射位置２４に水素ガスを供給することにより、前述したように分散液２６を加熱・焼成して金属微粒子から導電パターンを形成する際、金属微粒子の加熱に伴う酸化を防止することができる。これにより、良好な導電性を有する導電パターンを形成することができる。また、水素ガスの供給によって大気圧水素プラズマを生成することができ、したがって大気圧水素プラズマを用いた焼成を行うこともできる。

なお、水素供給手段については、図５に示した構成以外にも、種々の構成を作用することができる。例えば、図６に示すように、配管４１を、その先端がマイクロ波の照射位置２４近傍に位置するように配置してもよい。
このように構成しても、この配管４１を介してマイクロ波の照射位置２４に水素ガスを供給することにより、金属微粒子から導電パターンを形成する際に金属微粒子の加熱に伴う酸化を防止することができ、これによって良好な導電性を有する導電パターンを形成することができる。また、大気圧水素プラズマを用いた焼成を行うこともできる。
なお、図５、図６に示した水素供給手段については、図４に示した構成の照射部３０に設けるようにしてもよい。

また、前記実施形態では、ステージ２５を搬送手段として移動可能に構成したが、本発明における搬送手段は、前記照射部と前記被照射体との間を相対移動させるものであればよく、したがって、被照射体（ステージ）を固定しておき、これに対して照射部側を移動させるように構成してもよい。具体的には、照射部を移動可能にする搬送部（搬送手段）を設け、これによって照射部を被照射体に対して移動可能にしていてもよい。

また、本発明のマイクロ波照射装置は、金属微粒子（分散液２６）の加熱焼成による導電パターンの形成以外にも、種々の加熱焼成に用いることができる。

１…マイクロ波照射装置、２…固体マイクロ波源、３…照射部、１０…弾性表面波発振器（ＳＡＷ発振器）、１３…弾性表面波共振子（ＳＡＷ共振子）、２２…第１の中心導体、２３…第１の外側導体、２４…照射位置、２５…ステージ、２６…分散液、３０…照射部、３１…第２の中心導体、３２…第２の外側導体、４０…照射部、Ｗ…被照射体、Ｐ…プリント基板

Claims (7)

1. マイクロ波を発生する固体マイクロ波源と、
   前記固体マイクロ波源で発生したマイクロ波を被照射体に照射するための照射部と、を備えてなり、
   前記照射部は、前記固体マイクロ波源で発生したマイクロ波が供給される、軸方向に延在して配置された中心導体と、該中心導体の周囲に設けられて該中心導体と同心円状に形成された円筒状の外側導体と、を有してなるＴＥＭモード共振器からなっていることを特徴とするマイクロ波照射装置。
2. 前記マイクロ波の波長をλｇとすると、前記外側導体は、前記軸方向の長さがλｇ／４であることを特徴とする請求項１記載のマイクロ波照射装置。
3. 前記ＴＥＭモード共振器は、前記中心導体及び外側導体の一端部側に、被照射体を挟んで該中心導体及び外側導体に対向して配置された第２の中心導体及び第２の外側導体を有し、前記第２の外側導体は、前記軸方向の長さがλｇ／４であることを特徴とする請求項２記載のマイクロ波照射装置。
4. 前記固体マイクロ波源には、弾性表面波発振器が設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のマイクロ波照射装置。
5. 前記弾性表面波発振器は、水晶もしくはダイヤモンドからなる弾性表面波共振子を備えてなることを特徴とする請求項４記載のマイクロ波照射装置。
6. 前記照射部と前記被照射体との間を、相対移動させる搬送手段を備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のマイクロ波照射装置。
7. 前記照射部の、前記被照射体にマイクロ波を照射させる照射位置に、水素ガスを供給する水素供給手段を備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のマイクロ波照射装置。

Images