JP2014038951A - 射出装置および射出方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】対象物に射出される被射出材の無駄を低減することができる射出装置および射出方法を提供する。
【解決手段】レーザー光照射によって既に加熱された射出孔46の位置を加熱済パターンとして記憶する。その加熱済パターンと次に金属ペースト43を射出すべき射出パターンとのパターン照合を行い、複数の射出孔46のうちの未だ加熱されていない未加熱位置をレーザー光照射部が加熱するように、積層体Sに対してレーザー光照射部を相対移動させる。一つのパターンを射出したときに未使用のまま残留している射出孔46を効率良く利用することができるため、対象物に射出される被射出材としての金属ペースト43および圧力発生部材の無駄を低減することができる。
【選択図】図11
【解決手段】レーザー光照射によって既に加熱された射出孔46の位置を加熱済パターンとして記憶する。その加熱済パターンと次に金属ペースト43を射出すべき射出パターンとのパターン照合を行い、複数の射出孔46のうちの未だ加熱されていない未加熱位置をレーザー光照射部が加熱するように、積層体Sに対してレーザー光照射部を相対移動させる。一つのパターンを射出したときに未使用のまま残留している射出孔46を効率良く利用することができるため、対象物に射出される被射出材としての金属ペースト43および圧力発生部材の無駄を低減することができる。
【選択図】図11
Description
本発明は、被射出材を対象物に向けて射出する射出装置および射出方法に関する。
従来より、半導体ウェハーやフラットパネルディスプレイ(FPD)用のガラス基板等の基板に金属配線(電気配線)を形成する手法としては、基板上にフォトレジスト膜(感光性樹脂膜)を形成してパターン露光および現像処理を行い、その状態で銅などの配線材料となる金属の層を形成するいわゆるフォトリソグラフィ技術が広く使用されてきた(例えば、特許文献1)。
また、近年、金属を含む液滴をインクジェットノズルから吐出して所定の配線パターンを形成するというインクジェット技術を用いた金属配線形成の開発も進められている(例えば、特許文献2)。
しかしながら、フォトリソグラフィ技術を用いて金属配線を形成する場合には、フォトレジストの塗布、露光、現像、エッチング、金属層の蒸着等、多数の工程を必要とするため、処理に長時間を要することとなる。また、これらの処理はそれぞれ専用の処理ユニットで行われるため、多数の処理ユニットが必要となって配線形成に要するコストが増大することともなっていた。
一方、インクジェット技術を用いて金属配線を形成する場合には、金属を含む液滴が低粘度(通常0.01Pa・s(パスカル秒)以下)であるため、着液後に基板上で濡れ広がりが生じ、微細な配線パターンを形成することは困難であった。この問題を解決するために、基板上の回路パターンに沿って親水化処理(または撥水化処理)を施し、液滴の濡れ広がりを抑制するという手法が考えられるが、かかる処理には長時間を要するために実用化はされていない。
このため、特許文献2には、液滴を着液すべき領域を凸形状の堤防部で囲み、その囲まれた領域にインクジェットノズルから金属を含む液滴を吐出して濡れ広がりを防止する技術が提案されている。しかし、かかる技術を採用したとしても、堤防の形成自体にフォトリソグラフィ技術を用いているために、上記と同様の問題が生じる。
また、インクジェットノズルからは高粘度の液滴を吐出することが出来ないため、特に厚い電気配線を形成する場合には複数回の重ね塗りが必要となり、処理時間がさらに長くなることとなる。
これらの課題を解決するために、特許文献3には、樟脳などの昇華性材料を加熱して圧力波を発生させることにより、従来よりも高粘度の材料(例えば、金属ペースト)を直接吐出する技術が開示されている。高粘度材料を直接吐出することができれば、濡れ広がりを抑制しつつ厚い配線も可能となる。
しかしながら、特許文献3の技術においては、多数の孔を設けたノズルプレートに予め高粘度材料を充填しておき、所望の印刷パターン(金属配線の形成であれば配線パターン)に沿った孔から高粘度材料を射出する。このため、パターンから外れた孔に充填された高粘度材料および当該孔に対応する昇華性材料は無駄に廃棄されることとなっていた。その結果、パターン形成に要するコストも増大するという問題が生じる。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、対象物に射出される被射出材の無駄を低減することができる射出装置および射出方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、請求項1の発明は、射出装置に、加熱されることにより圧力を発生する圧力発生部材を表面に積層した基材を支持する支持手段と、前記圧力発生部材に当接して設けられ、その内部に被射出材が装填された複数の射出孔を有する射出板と、前記圧力発生部材を加熱することにより、当該圧力発生部材に体積膨張による圧力を生じさせて前記複数の射出孔に装填された被射出材を前記射出板に対向配置された対象物に向けて射出させる加熱手段と、前記基材および前記射出板に対して前記加熱手段を相対的に移動させる相対移動手段と、前記加熱手段および前記相対移動手段を制御する制御手段と、前記加熱手段によって既に加熱された前記圧力発生部材の加熱済位置を記憶する記憶手段と、を備え、前記制御手段は、前記記憶手段に記憶された加熱済位置に基づいて、前記圧力発生部材の未だ加熱されていない未加熱位置を前記加熱手段が加熱するように前記相対移動手段および前記加熱手段を制御することを特徴とする。
また、請求項2の発明は、基材を支持する支持手段と、前記基材の表面に当接して設けられ、その内部に前記基材から近い順に加熱されることにより圧力を発生する圧力発生部材と被射出材とが装填された複数の射出孔を有する射出板と、前記圧力発生部材を加熱することにより、当該圧力発生部材に体積膨張による圧力を生じさせて前記複数の射出孔に装填された被射出材を前記射出板に対向配置された対象物に向けて射出させる加熱手段と、前記基材および前記射出板に対して前記加熱手段を相対的に移動させる相対移動手段と、前記加熱手段および前記相対移動手段を制御する制御手段と、前記加熱手段によって既に加熱された前記複数の射出孔のうちの加熱済位置を記憶する記憶手段と、を備え、前記制御手段は、前記記憶手段に記憶された加熱済位置に基づいて、前記複数の射出孔のうちの未だ加熱されていない未加熱位置を前記加熱手段が加熱するように前記相対移動手段および前記加熱手段を制御することを特徴とする。
また、請求項3の発明は、請求項1または請求項2の発明に係る射出装置において、前記制御手段は、前記記憶手段に記憶された加熱済位置のパターンと被射出材の射出パターンとが重ならないように前記相対移動手段を制御することを特徴とする。
また、請求項4の発明は、請求項1から請求項3のいずれかの発明に係る射出装置において、処理速度優先モードと省材料モードとが選択可能であり、処理速度優先モードが選択されているときには、前記制御手段は、前記基材および前記射出板に対して前記加熱手段が相対的に一方向に移動するように前記相対移動手段を制御するとともに、省材料モードが選択されているときには、前記制御手段は、前記基材および前記射出板に対して前記加熱手段が相対的に前記一方向および前記一方向とは逆方向に移動するように前記相対移動手段を制御することを特徴とする。
また、請求項5の発明は、請求項1から請求項4のいずれかの発明に係る射出装置において、前記複数の射出孔は前記射出板に格子状に設けられていることを特徴とする。
また、請求項6の発明は、請求項1から請求項5のいずれかの発明に係る射出装置において、前記加熱手段は、前記基材の裏面からレーザー光を照射して前記圧力発生部材を加熱するレーザー光照射手段を含み、前記基材は前記レーザー光照射手段から照射されるレーザー光に対して透明であることを特徴とする。
また、請求項7の発明は、請求項1から請求項6のいずれかの発明に係る射出装置において、前記圧力発生部材は、加熱されたときに昇華によって体積膨張を生じる樟脳を含むことを特徴とする。
また、請求項8の発明は、請求項1から請求項7のいずれかの発明に係る射出装置において、前記被射出材は、粘度が0.1Pa・s以上1000Pa・s以下の高粘度材料を含むことを特徴とする。
また、請求項9の発明は、射出方法に、基材の表面に加熱されることにより圧力を発生する圧力発生部材を積層し、被射出材が装填された複数の射出孔を有する射出板を前記圧力発生部材に当接し、加熱部が前記圧力発生部材を加熱することにより、当該圧力発生部材に体積膨張による圧力を生じさせて前記複数の射出孔に装填された被射出材を前記射出板に対向配置された対象物に向けて射出させる加熱工程と、前記加熱工程にて既に加熱された前記圧力発生部材の加熱済位置を記憶する記憶工程と、前記記憶工程にて記憶された加熱済位置に基づいて、前記圧力発生部材の未だ加熱されていない未加熱位置を加熱するように前記基材および前記射出板に対して前記加熱部を相対的に移動させる相対移動工程と、を備えることを特徴とする。
また、請求項10の発明は、射出方法に、加熱されることにより圧力を発生する圧力発生部材と被射出材とが装填された複数の射出孔を有する射出板を基材の表面に当接し、加熱部が前記圧力発生部材を加熱することにより、当該圧力発生部材に体積膨張による圧力を生じさせて前記被射出材を前記射出板に対向配置された対象物に向けて射出させる加熱工程と、前記加熱工程にて既に加熱された前記複数の射出孔のうちの加熱済位置を記憶する記憶工程と、前記記憶工程にて記憶された加熱済位置に基づいて、前記複数の射出孔のうちの未だ加熱されていない未加熱位置を加熱するように前記基材および前記射出板に対して前記加熱部を相対的に移動させる相対移動工程と、を備えることを特徴とする。
また、請求項11の発明は、請求項9または請求項10の発明に係る射出方法において、前記相対移動工程では、前記記憶工程にて記憶された加熱済位置のパターンと被射出材の射出パターンとが重ならないように前記基材および前記射出板に対して前記加熱部を相対移動させることを特徴とする。
また、請求項12の発明は、請求項9から請求項11のいずれかの発明に係る射出方法において、処理速度優先モードまたは省材料モードを選択する選択工程をさらに備え、前記相対移動工程では、処理速度優先モードが選択されているときには、前記基材および前記射出板に対して前記加熱部を相対的に一方向に移動させるとともに、省材料モードが選択されているときには、前記基材および前記射出板に対して前記加熱部を相対的に前記一方向および前記一方向とは逆方向に移動させることを特徴とする。
また、請求項13の発明は、請求項9から請求項12のいずれかの発明に係る射出方法において、前記複数の射出孔は前記射出板に格子状に設けられていることを特徴とする。
また、請求項14の発明は、請求項9から請求項13のいずれかの発明に係る射出方法において、前記加熱工程は、前記基材の裏面からレーザー光を照射して前記圧力発生部材を加熱する工程を含み、前記基材は前記レーザー光に対して透明であることを特徴とする。
また、請求項15の発明は、請求項9から請求項14のいずれかの発明に係る射出方法において、前記圧力発生部材は、加熱されたときに昇華によって体積膨張を生じる樟脳を含むことを特徴とする。
また、請求項16の発明は、請求項9から請求項15のいずれかの発明に係る射出方法において、前記被射出材は、粘度が0.1Pa・s以上1000Pa・s以下の高粘度材料を含むことを特徴とする。
請求項1から請求項8の発明によれば、加熱手段によって既に加熱されて記憶手段に記憶された加熱済位置に基づいて、未だ加熱されていない未加熱位置を加熱手段が加熱するように相対移動手段および加熱手段を制御するため、未使用のまま残留している射出孔を効率良く利用することができ、対象物に射出される被射出材の無駄を低減することができる。
また、請求項9から請求項16の発明によれば、既に加熱されて記憶された加熱済位置に基づいて、未だ加熱されていない未加熱位置を加熱するように基材および射出板に対して加熱部を相対的に移動させるため、未使用のまま残留している射出孔を効率良く利用することができ、対象物に射出される被射出材の無駄を低減することができる。
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について詳細に説明する。
<第1実施形態>
図1は、本発明に係る射出装置5を含むパターン形成装置1の概略構成を示す斜視図である。また、図2は、図1のパターン形成装置1の正面図である。なお、図1および以降の各図にはそれらの方向関係を明確にするためZ方向を鉛直方向とし、XY平面を水平面とするXYZ直交座標系を適宜付している。また、図1および以降の各図においては、理解容易のため、必要に応じて各部の寸法や数を誇張または簡略化して描いている。
図1は、本発明に係る射出装置5を含むパターン形成装置1の概略構成を示す斜視図である。また、図2は、図1のパターン形成装置1の正面図である。なお、図1および以降の各図にはそれらの方向関係を明確にするためZ方向を鉛直方向とし、XY平面を水平面とするXYZ直交座標系を適宜付している。また、図1および以降の各図においては、理解容易のため、必要に応じて各部の寸法や数を誇張または簡略化して描いている。
このパターン形成装置1は、高粘度の金属ペーストを基板Wに向けて射出することにより、基板W上に金属配線のパターンを形成する装置である。パターン形成装置1は、基板Wを保持するステージ10と、ステージ10をX方向に沿って移動させるステージ移動機構20と、ステージ10に保持された基板Wに向けて金属ペーストを射出する射出装置5と、を備える。射出装置5は、基材の表面に圧力発生部材を積層し、その上からさらにノズルプレートを接着して形成した積層体Sを支持しつつ搬送する支持搬送機構50と、その圧力発生部材にレーザー光を照射して加熱するレーザー光照射部60と、を備える。また、パターン形成装置1は、射出装置5を含む上記の各部を制御してパターン形成処理を実行させる制御部3を備える。
ステージ10は、射出装置5の上方に設けられており、その下面に基板Wを保持する。射出装置5は、ステージ10の下面に保持された基板Wに向けて金属ペーストを射出する。ステージ10の下面に基板Wを保持する機構としては、例えば基板Wの端縁部を機械的に保持するクランプ機構または基板Wの裏面を真空吸着する吸着機構(いずれも図示省略)をステージ10に備えるようにすれば良い。
第1実施形態のパターン形成装置1において、パターン形成の対象となる基板Wとしては、半導体ウェハー、太陽電池、液晶表示装置(LCD)やプラズマ表示装置(PDP)を含むフラットパネルディスプレイ用のガラス基板、樹脂またはセラミックスのプリント基板など、電気配線を形成する対象となる公知の種々の基板を用いることができる。基板Wの形状も特に限定されるものではなく、半導体ウェハーのように円形であっても良いし、ガラス基板のように矩形であっても良い。基板Wは、表面を下側に向けてステージ10の下面に保持される。なお、本明細書において、基板Wの表面とはパターン形成が行われる面であり、裏面はその反対側の面である。
ステージ移動機構20は、固定設置された基台21の下側にモータ22、ボールネジ23およびガイドシャフト24を取り付けて構成される。ボールネジ23およびガイドシャフト24はX方向に沿って延設されている。ボールネジ23は、モータ22の回転軸に連結されており、モータ22によって回転される。ステージ10の上側に固定されたスライドブロック12は、ボールネジ23に螺合されるとともに、ガイドシャフト24に摺動自在に嵌合されている。モータ22がボールネジ23を回転させると、それに螺合するスライドブロック12とともにステージ10がガイドシャフト24に案内されてX方向に沿って滑らかに移動する。
射出装置5は、ステージ10の下方に設けられており、上方に向けて金属ペーストを射出する。射出装置5は、支持搬送機構50およびレーザー光照射部60を備えて構成される。支持搬送機構50は、主動ローラ51および従動ローラ52を備える。主動ローラ51および従動ローラ52は、ともに回転軸がY方向に沿うように所定間隔を隔てて互いに平行に設けられている。主動ローラ51および従動ローラ52の周面の最高高さ位置は相等しい。2つのローラのうち少なくとも主動ローラ51には図示を省略する駆動モータが連結されている。その駆動モータによって主動ローラ51はY方向に沿った回転軸を中心に図2の紙面上面から見て時計回りに回転される。一方の従動ローラ52はY方向に沿った回転軸を中心に回転自在とされている。なお、従動ローラ52にも別途駆動モータを設けるようにしても良いし、リンク機構などにより主動ローラ51と連動して従動ローラ52が回転するようにしても良い。
2つのローラ51,52には、シート状の積層体Sが架け渡されている。図3は、第1実施形態の積層体Sを上面から見た平面図である。また、図4は、図3の積層体SのA−A切断面を示す断面図である。第1実施形態の積層体Sは、透明な基材41の表面に加熱されることにより圧力を発生する圧力発生部材42の層を形成し、その圧力発生部材42の層の上に複数の射出孔46が穿設されたノズルプレート45を当接して構成される。複数の射出孔46のそれぞれには金属ペースト43が装填されている。基材41としては、可撓性を有するとともにレーザー光照射部60から出射されるレーザー光に対して透明な樹脂フィルムが用いられており、例えばポリイミドのフィルムを採用することができる。基材41の厚さは数10μmである。
また、圧力発生部材42には、加熱されたときに昇華によって体積膨張を生じる昇華性材料が含まれており、そのような昇華性材料としては例えば樟脳(カンフル:C10H16O)を用いることができる。樟脳は、液体を経ずに固体から気体へと相転移する昇華性を有しており、加熱されると急速に気化して600倍〜1000倍に体積膨張する。圧力発生部材42には、昇華性材料としての樟脳の他に、グリセリン(C3H5(OH)3)およびカーボンパウダーが含まれている。基材41の表面に形成される圧力発生部材42の層の厚さは特に限定されるものではないが、本実施形態では約10μmとしている。
ノズルプレート45は、樹脂フィルム(本実施形態では、基材41と同じくポリイミドのフィルム)を用いて構成されたシート状の部材に複数の射出孔46が穿設された射出板である。シート状のポリイミドフィルムに複数の射出孔46が格子状(より厳密には、正方格子状)に穿設されてノズルプレート45が構成されている。第1実施形態においては、射出孔46の形状を孔径50μmの円形とし、隣り合う射出孔46の間隔(配列ピッチ)を100μmとしている。また、ノズルプレート45の厚さは数10μmとしている。なお、第1実施形態の射出孔46の形状、大きさおよび配置間隔は一例であって、これらは特に限定されるものではなく、パターン形成に要求されている精度(解像度)に応じて適宜のものとすることができる。複数の射出孔46の穿設間隔を短くして配置密度を高くすると高精度なパターン形成が可能となり、逆に穿設する間隔を大きくして配置密度を低くするとパターン形成の精度も低くならざるを得ない。
このようなノズルプレート45が圧力発生部材42の層の上に接着され、そのノズルプレート45の複数の射出孔46に金属ペースト43が装填される。金属ペースト43は、主成分としての金属粒子を有機溶剤等によってペースト状とした高粘度材料である。基板Wに形成すべき金属配線の種類に応じて適切な金属粒子を含む金属ペースト43を選択することができる。例えば、基板Wに銅配線を形成する場合であれば銅ペーストを用い、アルミ配線を形成する場合であればアルミペーストを用いることができる。高粘度材料としての金属ペースト43の粘度は、0.1Pa・s(パスカル秒)以上1000Pa・s以下とされる。
射出孔46に装填された金属ペースト43の厚さは約10μm程度であり、装填された金属ペースト43と圧力発生部材42との間には空隙47が形成される。すなわち、ノズルプレート45は圧力発生部材42の層の上に接着されており、射出孔46の下端開口は圧力発生部材42によって閉塞されている。一方、金属ペースト43は射出孔46の下端には装填されておらず、金属ペースト43と圧力発生部材42との間には空隙47が形成されることとなる。このため、積層体Sにおいて、金属ペースト43と圧力発生部材42とは非接触である。
図4に示すように、積層体Sは、可撓性を有するポリイミドのフィルムにて形成された基材41と、同じくポリイミドのフィルムにて形成されたノズルプレート45との間に圧力発生部材42を挟み込んで積層されたものであるため、変形自在である。このため、2つのローラ51,52に架け渡された積層体Sは各ローラの円筒表面に沿って変形する。そして、積層体Sが架け渡された状態で主動ローラ51が回転すると、両ローラ51,52間の積層体Sに弱い張力が作用し、積層体SがXY平面(水平面)に沿って張られた状態となる。さらに主動ローラ51が回転すると、それとともに積層体Sも移動および変形し、従動ローラ52も回転する。具体的には、従動ローラ52よりも上流側の積層体Sは上昇し、主動ローラ51よりも下流側の積層体Sは下降し、両ローラ51,52間の積層体SはX方向に沿って移動する。
両ローラ51,52間で水平面に沿って張られた積層体Sの直上、すなわちその張られた積層体Sのノズルプレート45に対向する位置に基板Wはステージ10によって保持される。そして、両ローラ51,52間で張られた積層体Sとステージ10に保持された基板Wの表面との間隔が数100μmとなるようにパターン形成装置1は構成されている。
図1,2に戻り、両ローラ51,52間で水平面に沿って張られた積層体Sの下方には、レーザー光照射部60が設けられる。レーザー光照射部60はレーザー光源61を内蔵している。また、レーザー光照射部60の上面には出射孔62が形設されている。レーザー光源61から出力されたレーザー光は出射孔62から鉛直方向上方に向けて((+Z)方向に向けて)出射される。
また、レーザー光照射部60は、レーザー光走査機構65によってY方向に沿って往復移動される。レーザー光走査機構65は、モータ68、ボールネジ66およびガイドシャフト67を備えている。ボールネジ66およびガイドシャフト67はY方向に沿って延設されている。ボールネジ66は、モータ68の回転軸に連結されており、モータ68によって回転される。レーザー光照射部60は、ボールネジ66に螺合されるとともに、ガイドシャフト67に摺動自在に嵌合されている。このため、モータ68がボールネジ66を回転させると、それに螺合するレーザー光照射部60がガイドシャフト67に案内されてY方向に沿って滑らかに移動する。
レーザー光照射部60は両ローラ51,52間の積層体Sの下方に設けられており、レーザー光照射部60から上方に向けて出射されたレーザー光は基材41の裏面から積層体Sに照射される。基材41は透明であるため、照射されたレーザー光は基材41を透過して圧力発生部材42に吸収される。その結果、レーザー光照射部60からのレーザー光照射によって圧力発生部材42が加熱されることとなる。レーザー光照射部60によるレーザー光照射位置(つまり、加熱位置)は、レーザー光走査機構65によってレーザー光照射部60をY方向に移動させるとともに、支持搬送機構50によって積層体SをX方向に移動させることにより規定される。すなわち、本実施形態においては、レーザー光走査機構65および支持搬送機構50が圧力発生部材42の所定位置を加熱するように積層体Sに対してレーザー光照射部60を相対的に移動させる相対移動手段となる。
制御部3は、パターン形成装置1に設けられた上記の種々の動作機構を制御する。図5は、制御部3の構成を示すブロック図である。制御部3のハードウェアとしての構成は一般的なコンピュータと同様である。すなわち、制御部3は、各種演算処理を行うCPU31、基本プログラムを記憶する読み出し専用のメモリであるROM32、各種情報を記憶する読み書き自在のメモリであるRAM33および制御用プログラムやデータなどを記憶しておく磁気ディスク34をバスライン39に接続して構成されている。磁気ディスク34には、後述する加熱済パターンHPおよび射出パターンSPも格納される。
また、バスライン39には、ステージ10に保持された基板WをX方向に沿って移動させるステージ移動機構20、積層体Sを支持しつつX方向に沿って移動させる支持搬送機構50、レーザー光照射部60をY方向に沿ってスキャンさせるレーザー光走査機構65、および、積層体Sの圧力発生部材42にレーザー光を照射して加熱するレーザー光照射部60等が電気的に接続されている。制御部3のCPU31は、磁気ディスク34に格納された制御用プログラムを実行することにより、これらの各動作機構を制御して基板W上に所定のパターンの金属配線を形成する。
さらに、バスライン39には、表示部35および入力部36が電気的に接続されている。表示部35は、例えば液晶ディスプレイ等を用いて構成されており、処理結果やレシピ内容等の種々の情報を表示する。入力部36は、例えばキーボードやマウス等を用いて構成されており、コマンドやパラメータ等の入力を受け付ける。装置のオペレータは、表示部35に表示された内容を確認しつつ入力部36からコマンドやパラメータ等の入力を行うことができる。なお、表示部35と入力部36とを一体化してタッチパネルとして構成するようにしても良い。
上記の要部構成以外にもパターン形成装置1は、基板W、積層体Sおよびレーザー光照射部60のそれぞれの位置を検出するための位置センサを備えている(いずれも図示省略)。位置センサとしては、基板W等の位置を直接検知する光学センサやモータの回転量から検知するエンコーダ等を使用することができる。また、パターン形成装置1は、未処理の積層体Sを送り出すフィード機構および処理済みの積層体Sを回収する回収機構を備えている。さらに、パターン形成装置1には、基板Wおよび積層体Sの周辺雰囲気を調整する機構を備えるようにしても良い。
次に、射出装置5から基板Wに向けて金属ペーストを射出する手順について説明する。金属ペーストの射出に先だって、積層体Sが形成されるため、積層体Sを形成する手順について以下に簡単に説明しておく。
まず、長尺シート状(帯状)の透明な基材41を用意し、その表面に圧力発生部材42を積層する。第1実施形態では、基材41としてポリイミドのフィルムを用いている。透明なポリイミドのフィルムを長尺シート状に加工してなる基材41の表面の全面に均一な厚さで圧力発生部材42の層を形成する。層として形成される前の圧力発生部材42は、昇華性材料である樟脳およびカーボンパウダーをグリセリンと混合して生成されるスラリー状のものであり、塗布法によって基材41の表面に塗布することが可能である。
このような塗布法としては、公知の種々の手法を用いることが可能であり、例えば第1実施形態ではドクターブレード法によって圧力発生部材42を基材41の表面に塗布している。ドクターブレード法は、圧力発生部材42のスラリーを基材41の表面に供給しつつ、ブレードによってスラリーを平坦に均すことにより、均一な厚さの圧力発生部材42の層を形成する塗布法である。
基材41の表面に圧力発生部材42のスラリーが均一に塗布された後、その乾燥処理を行うことによって、基材41の表面の全面に厚さ約10μmの圧力発生部材42の層が均一な厚さにて形成される。乾燥処理後の圧力発生部材42は固相である。なお、基材41の表面に圧力発生部材42を積層する塗布法としては、基材41の表面に均一な厚さで塗布できるものであれば良く、ドクターブレード法の他に、スリットコート法やバーコート法などを用いるようにしても良い。
また、ノズルプレート45には複数の射出孔46が形成される。第1実施形態では、ノズルプレート45としてもポリイミドのフィルムを用いている。そのポリイミドのフィルムに、例えばメタルマスクを用いてエキシマレーザーを照射する穴加工により、格子状に複数の射出孔46を穿設する。なお、圧力発生部材42の積層とノズルプレート45の穴加工とは、いずれを先行して行うようにしても良いし、並行して行っても良い。
次に、基材41上に積層された圧力発生部材42の表面に接着剤を塗布する。圧力発生部材42に塗布される接着剤としては、シリコーン系接着剤またはポリイミド系接着剤を採用することができる。なお、この時点では、圧力発生部材42は乾燥されて固相となっているため、接着剤の塗布に支障は無い。
続いて、接着剤が塗布された圧力発生部材42に複数の射出孔46が形成されたノズルプレート45を圧着する。これにより、複数の射出孔46を有するノズルプレート45が圧力発生部材42に貼着され、ノズルプレート45と基材41との間に圧力発生部材42の層が挟み込まれるように積層された積層体Sが形成される。
その後、ノズルプレート45の複数の射出孔46に被射出材としての金属ペースト43が装填される。金属ペースト43は、金属粒子を含む高粘度材料であり、上記の圧力発生部材42と同様に塗布法によって複数の射出孔46に装填することが可能である。金属ペースト43を射出孔46に装填する塗布法としても、公知の種々の手法を用いることが可能であるが、第1実施形態ではドクターブレード法を用いている。すなわち、金属ペースト43を連続して吐出するノズルがノズルプレート45に対して平行に相対移動しつつ、当該ノズルに付設されたブレードがその下端をノズルプレート45の上面に接触させながら相対移動することにより、複数の射出孔46に金属ペースト43が押し込まれるとともに、射出孔46以外の領域では金属ペースト43がブレードによって掻き取られる。このようにしてノズルプレート45の複数の射出孔46に金属ペースト43が装填される。なお、ノズルプレート45の上面の射出孔46以外の領域に金属ペースト43が若干残留していても良い。
以上のようにして、図4に示したような構造の積層体Sが製造される。ところで、金属ペースト43が射出孔46に装填される際に、射出孔46の下側開口は圧力発生部材42によって閉塞されている。このため、射出孔46の上側開口から高粘度の金属ペースト43が押し込まれると、その射出孔46の内部に残留していた空気がそのまま金属ペースト43と圧力発生部材42との間に閉じこめられることとなる。その結果、金属ペースト43が残留空気によって射出孔46の底まで入り込まなくなり、装填された金属ペースト43と圧力発生部材42との間には空隙47が形成される(図4参照)。
続いて、積層体Sを用いて射出装置5が金属ペーストを射出する処理について説明する。図6は、金属ペーストの射出処理の手順を示すフローチャートである。第1実施形態では、射出処理に先立ってモードの選択が行われる(ステップS1)。射出装置5においては、「スループット優先モード」と「低コストモード」とが選択的に設定可能とされている。「スループット優先モード」とは、コストよりもスループットを優先する処理速度優先モードである。一方、「低コストモード」とは、スループットよりも金属ペースト43や圧力発生部材42などの材料の節約を優先するための省材料モードである。
パターン形成装置1のオペレータは、「スループット優先モード」または「低コストモード」のいずれか希望するモードを入力部36から入力する。「スループット優先モード」が入力された場合には、ステップS2からステップS3に進む。以下、スループット優先モードでの処理について説明を続ける。まず、上述のようにして製造された積層体Sが主動ローラ51および従動ローラ52に架け渡される。積層体Sは、ノズルプレート45が両ローラ51,52間で上方を向くようにセットされる。よって、両ローラ51,52間では、複数の射出孔46の形設方向が鉛直方向を向く。
一方、処理対象となる基板Wはステージ10の下面に保持される。基板Wは、両ローラ51,52間における積層体Sのノズルプレート45に対向する位置に、パターン形成が行われる表面を下側に向けてステージ10に保持される。すなわち、基板Wは積層体Sの上方にてノズルプレート45に対向配置される。
そして、基板Wとレーザー光照射部60との相対位置関係がパターン形成のための初期位置となるように、制御部3の制御によりステージ移動機構20およびレーザー光走査機構65がそれぞれ基板Wおよびレーザー光照射部60を移動させる。具体的には、相対位置関係のX方向の調整はステージ移動機構20が基板Wを移動させることによって行われ、Y方向の調整はレーザー光走査機構65がレーザー光照射部60を移動させることによって行われる。また、積層体Sについても支持搬送機構50によって初期位置に移動される。なお、両ローラ51,52間の積層体Sと基板Wの表面との間隔は数100μmとしておく。
基板W、レーザー光照射部60および積層体Sの初期配設が完了した後、制御部3がレーザー光照射部60によるレーザー光照射の制御を開始する。また、それと同時に、制御部3はレーザー光照射部60の相対移動を開始させる。具体的には制御部3は、基板Wおよび積層体Sを停止させたまま、レーザー光走査機構65を制御してレーザー光照射部60をY方向に走査させる。
図5に示すように、制御部3の磁気ディスク34には、射出パターンSPが予め格納されている。射出パターンSPは、射出装置5から射出すべき金属ペースト43のパターンであり、基板Wに形成すべき金属配線のパターンと整合する。制御部3は、その格納された射出パターンSPに従って、レーザー光照射部60をY方向に走査させつつ、レーザー光源61のオンオフ制御を行う。すなわち、制御部3は、射出パターンSPに基づいて、レーザー光照射部60によって加熱される圧力発生部材42の加熱位置を制御するのである。具体的には、基板W上の所定のX方向位置にてレーザー光照射部60がY方向に沿って走査しているときに、金属ペースト43を射出すべきY方向位置に存在している射出孔46の直下にレーザー光照射部60が到達した時点で制御部3がレーザー光源61からレーザー光を出射させる。なお、レーザー光源61がオンとされるのは、ノズルプレート45の射出孔46の直下にレーザー光照射部60が位置しているときとなるように射出パターンSPは作成されている。よって、ノズルプレート45の射出孔46が存在しない領域の直下にレーザー光照射部60が到達したときにはレーザー光源61からのレーザー光照射は停止される。
レーザー光照射部60のレーザー光源61から鉛直方向上方に向けて出射されたレーザー光は積層体Sの裏面側から入射する。積層体Sの最下層を構成する基材41は透明であるため、レーザー光照射部60から照射されたレーザー光は基材41を透過して圧力発生部材42に到達して吸収される。その結果、レーザー光照射を受けた圧力発生部材42の領域では急激な温度上昇が生じる。すなわち、レーザー光照射部60が基材41の裏面からレーザー光を照射して金属ペースト43を射出すべき射出孔46の直下に位置する圧力発生部材42を加熱するのである。これにより、当該射出孔46に対応する圧力発生部材42はレーザー光を吸収して短時間のうちに150℃以上にまで昇温する。なお、レーザー光照射領域の大きさは特に限定されるものではないが、例えば射出孔46の孔径と同程度の直径50μm程度の円形とすれば良い。
図7は、圧力発生部材42が加熱されて被射出材たる金属ペースト43が射出される様子を説明する図である。レーザー光照射部60から基材41を透過して金属ペースト43を射出すべき射出孔46の直下に位置する圧力発生部材42にレーザー光が照射されると、その圧力発生部材42はレーザー光を吸収して短時間のうちに150℃以上にまで昇温する。特に、圧力発生部材42は黒色のカーボンパウダーを含有しているため、効率良くレーザー光を吸収して昇温する。
圧力発生部材42が昇温すると、圧力発生部材42に含まれている昇華性材料である樟脳が急速に気化して600倍〜1000倍に体積膨張する。その結果、図7(a)に示すように、レーザー光照射によって加熱された圧力発生部材42の一部では、樟脳の昇華に起因した急激な体積膨張により、圧力波が発生する。そして、その発生した圧力波によって加熱位置の直上に位置する射出孔46内の空隙47の圧力が急激に上昇し、図7(b)に示すように、当該射出孔46に装填された金属ペースト43が上方に向けて、すなわちノズルプレート45に対向配置された基板Wに向けて射出されるのである。
このように、第1実施形態においては、レーザー光照射部60が積層体Sの基材41の裏面からレーザー光を照射して複数の射出孔46のうちの金属ペースト43を射出すべき射出孔46に対応する圧力発生部材42を加熱することにより、その圧力発生部材42に急激な体積膨張による圧力を生じさせている。そして、その圧力によって当該圧力発生部材42の直上に位置する射出孔46に装填された被射出材たる金属ペースト43をステージ10に保持された基板Wに向けて射出させている。昇華性材料である樟脳を加熱したときの急激な体積膨張によって生じた圧力を利用しているため、0.1Pa・s〜1000Pa・sの高粘度材料である金属ペースト43であっても基板Wに向けて射出することができる。また、樟脳であれば、昇華したときに有害なガスや汚染物質を発生することもない。
上方に向けて射出された金属ペースト43は基板Wの表面に到達し、その位置にて基板Wの表面に付着する。このようにして、金属配線を形成するための金属ペースト43が基板Wに供給される。なお、金属ペースト43は基板Wの下側から付着することとなるが、金属ペースト43が粘度0.1Pa・s〜1000Pa・sの高粘度材料であるため、積層体Sに再度落下する液ダレのおそれはなく、また基板Wの表面に沿って濡れ広がりが生じることも防止される。
レーザー光照射部60をY方向に走査させつつ、レーザー光源61のオンオフ制御を行う射出処理はレーザー光照射部60が走査終了位置に到達するまで行われる。そして、レーザー光照射部60が走査終了位置に到達した時点で基板W上の所定のX方向位置における1ライン分の処理が完了となる。1ライン分の処理が完了したら、基板Wおよび積層体Sを(+X)方向にステップ送りする。すなわち、制御部3がステージ移動機構20を制御して基板Wを(+X)方向に所定距離だけ移動させる。これにより、レーザー光照射部60が基板Wに対してX方向に相対移動することとなり、基板W上の新たなX方向位置におけるレーザー光照射部60の走査が可能となる。
また、制御部3が支持搬送機構50を制御して積層体Sを(+X)方向に所定距離だけ移動させる。これにより、レーザー光照射部60は積層体Sに対してもX方向((−X)方向)に相対移動することとなる。このようにしているのは、積層体SをX方向に移動させなければ、既にレーザー光を照射して加熱済みとなっている積層体Sの射出孔46に再度レーザー光を照射する可能性があるためである。ここで、スループット優先モードでは、制御部3は支持搬送機構50を制御して積層体Sを必ず(+X)方向に移動させる。すなわち、積層体Sに対してレーザー光照射部60が相対的に一方向のみに移動するように支持搬送機構50を制御する(ステップS3)。
このような基板Wおよび積層体Sのステップ送りが終了した後、再び制御部3がレーザー光照射部60をY方向に走査させつつ、レーザー光源61のオンオフ制御を行う。以降、射出パターンSPに基づいたパターン形成処理が終了するまで上記と同様の手順が繰り返される。その結果、制御部3は予め記憶部に格納された射出パターンSPに沿ってレーザー光照射部60から積層体Sにレーザー光を照射させて圧力発生部材42の一部を加熱することとなり、そのパターンに沿ってノズルプレート45から金属ペースト43が上方に射出されて基板Wの表面に付着して金属配線のパターン形成がなされる。
図8は、スループット優先モードにおける使用後の積層体Sを示す図である。なお、図8,図9および図11において、ハッチングを付した射出孔46は加熱されることなく金属ペースト43が残留しているものであり、白抜きの射出孔46は加熱されて金属ペースト43が射出されたものである。図8の例では、アルファベットの「F」というパターンが射出された後、「J」というパターンが射出されている。積層体Sは、矢印AR8にて示す方向にステップ送りされる。
図8の例の場合、制御部3の磁気ディスク34には、「F」および「J」の射出パターンSPが格納されている。制御部3は、この射出パターンSPに基づいて、支持搬送機構50を制御して積層体Sを矢印AR8に示す方向(図1,2では(+X)方向)に移動させる。また、制御部3は、射出パターンSPに基づいて、レーザー光照射部60をY方向に走査させつつ、レーザー光源61のオンオフ制御を行う。そして、スループット優先モードでは、「F」の射出パターンSPに基づいた金属ペースト43の射出処理が完了した後、積層体Sをさらに矢印AR8に示す方向に移動させて「J」の射出パターンSPに基づいた金属ペースト43の射出を行う。その結果、図8に示すように、積層体Sには「F」の白抜きパターン(加熱済みパターン)の下流側に「J」の白抜きパターンが形成されることとなる。
スループット優先モードでは、既に加熱済みとなっている積層体Sの射出孔46を再加熱するのを避けるために、積層体Sに対してレーザー光照射部60を相対的に一方向のみに移動させている。このため、新たに加熱すべき射出孔46が加熱済みであるか否かを考慮する必要がなく、積層体Sを(+X)方向のみに順送りするだけで足りるため、高速処理が可能となってスループットが高くなる。その一方、図8に示すように、加熱されることなくステップ送りされて未使用のままとなる射出孔46も多数発生する。従って、スループット優先モードでは、スループットは高まるものの、金属ペースト43および圧力発生部材42の無駄も相応に発生することとなる。
このような無駄を低減するために、射出装置5には「低コストモード」が設けられている。ステップS1で「低コストモード」が入力された場合には、ステップS2からステップS4に進む。ここでは、上記の例と同様に、アルファベットの「F」というパターンが射出された後、「J」というパターンが射出されるものとする。上記と同様に、制御部3の磁気ディスク34には、「F」および「J」の射出パターンSPが格納されている。低コストモードが選択された場合であっても、未使用の積層体Sを使用して最初のパターン(つまり、「F」のパターン)を形成するときには、上述したスループット優先モードと同様の処理が行われる。このため、「F」のパターンが射出された時点での積層体Sは図9に示すようなものとなる。
低コストモードでは、「F」の射出パターンSPに基づいてレーザー光照射を行った後、既にレーザー光照射によって加熱された圧力発生部材42の加熱済位置を記憶する(ステップS4)。具体的には、制御部3は、図9に示す白抜きの射出孔46の位置を加熱済パターンHPとして制御部3の磁気ディスク34に格納する。
続いて、制御部3は、磁気ディスク34に格納した加熱済パターンHPと次に射出すべき「J」の射出パターンSPとのパターン照合を行う(ステップS5)。図10は、「J」の射出パターンSPを示す図である。制御部3は、既に加熱された圧力発生部材42の加熱済位置である加熱済パターンHP(図9の白抜きパターン)と次に射出すべき射出パターンSP(図10のパターン)とのパターン照合を行うことにより、当該射出パターンSPを射出するための加熱位置を決定する。このときに、制御部3は、加熱済パターンHPと射出パターンSPとが重ならないように、換言すれば、未だ加熱されていない射出孔46と射出パターンSPとが完全に重なるように加熱位置を決定する。また、パターン照合に際して、制御部3は、未使用のまま残留する射出孔46が可能な限り少なくなるように加熱位置を決定する。
そして、制御部3は、パターン照合により決定した加熱位置に対応する圧力発生部材42を加熱するように、支持搬送機構50を制御して積層体Sを移動させる(ステップS6)。このときには、図9の矢印AR9に示すように、積層体Sを(+X)方向および(−X)方向の双方向に移動させる。つまり、積層体Sの加熱済パターンHPが形成されている領域が再びレーザー光照射部60の上方に位置するように積層体Sを戻す移動をも行うのである。
その後、制御部3は、射出パターンSPに基づいて、レーザー光照射部60をY方向に走査させつつ、レーザー光源61のオンオフ制御を行う。また、1ライン分の処理が完了したら、基板Wおよび積層体Sを(+X)方向にステップ送りする。これにより、「J」の射出パターンSPに従って金属ペースト43が射出される(ステップS7)。なお、積層体Sについては(−X)方向に戻すように移動させているが、基板Wについてはスループット優先モードと同様の移動を行う。このため、スループット優先モードであるか低コストモードであるかに関わらず、基板W上に形成される金属配線のパターンは同じになる。
図11は、低コストモードにおける使用後の積層体Sを示す図である。同図に示すように、先に射出された「F」の白抜きパターンの周辺に残留していた未使用の射出孔46を有効に利用するように「J」の白抜きパターンが形成されることとなる。
低コストモードでは、未使用のまま残留する射出孔46が可能な限り少なくなるようにパターン照合を行って加熱位置を決定している。そして、決定された加熱位置に応じて、積層体Sに対してレーザー光照射部60を(+X)方向および(−X)方向の双方向に移動させている。このため、スループット優先モードに比較してスループットは低下するものの、図8と対比すると明らかなように、未使用のまま残留する射出孔46は少なくなる。従って、基板Wに射出される被射出材としての金属ペースト43および圧力発生部材42の無駄を低減することができる。
第1実施形態においては、「スループット優先モード」と「低コストモード」とを設け、「低コストモード」が選択されたときには、レーザー光照射部60によって既に加熱された圧力発生部材42の加熱済位置を加熱済パターンHPとして磁気ディスク34に記憶している。そして、制御部3は、磁気ディスク34に格納された加熱済パターンHPと次に金属ペースト43を射出すべき射出パターンSPとのパターン照合を行い、圧力発生部材42の未だ加熱されていない未加熱位置をレーザー光照射部60が加熱するように支持搬送機構50およびレーザー光走査機構65を制御して積層体Sに対してレーザー光照射部60を相対移動させている。
このようすれば、一つのパターンを射出したときに未使用のまま残留している射出孔46を効率良く利用することができるため、基板Wに射出される被射出材としての金属ペースト43および圧力発生部材42の無駄を低減することができる。
<第2実施形態>
次に、本発明の第2実施形態について説明する。図12は、第2実施形態のパターン形成装置1aの正面図である。図12および以降の各図において、第1実施形態と同一の要素については同一の符号を付している。
次に、本発明の第2実施形態について説明する。図12は、第2実施形態のパターン形成装置1aの正面図である。図12および以降の各図において、第1実施形態と同一の要素については同一の符号を付している。
基板Wを保持するステージ10およびステージ10を移動させるステージ移動機構20については第1実施形態と全く同じである。また、射出装置5のレーザー光照射部60およびレーザー光走査機構65についても第1実施形態と同様である。第2実施形態のパターン形成装置1aが第1実施形態と相違するのは積層体Sの構成および積層体Sを支持して搬送する支持搬送機構150である。第1実施形態の支持搬送機構50は可撓性を有する積層体Sを2つのローラによって搬送するローラ搬送方式を採用していたが、第2実施形態の支持搬送機構150は積層体Sをステージに支持して搬送するステージ搬送方式を採用している。
ステージ移動機構20もステージ搬送方式によるものであり、第2実施形態の支持搬送機構150はステージ移動機構20と類似する構成を備えている。すなわち、支持搬送機構150は、モータ152の回転軸に連結されたボールネジ153にステージ151を螺合させて構成されている。モータ152がボールネジ153を回転させると、それに螺合するステージ151がX方向に沿って移動する。なお、ステージ移動機構20と同様に、ステージ151をX方向に沿って案内するガイドシャフトを設けるようにしても良い。
支持搬送機構150のステージ151は、環状に構成されており、積層体Sの周縁部を保持することによって基板Wと積層体Sとを対向配置する。ステージ151の環状部分の内側は中空であるため、ステージ151がレーザー光照射の障害となることはない。なお、ステージ151をレーザー光に対して透明な素材(例えば、石英ガラス)にて形成する場合には、板状のステージ151にて積層体Sの全面を載置して保持するようにしても良い。
図13は、第2実施形態の積層体Sの断面図である。第1実施形態では2つのローラ51,52に沿って積層体Sが撓む必要があったために基材41として樹脂フィルムを用いていたが、第2実施形態では積層体Sに可撓性は不要であるため、基材41はレーザー光照射部60から出射されるレーザー光に対して透明な素材であれば良く、例えばガラス基板などを使用することができる。
第2実施形態の積層体Sは、透明な基材41の表面に直接ノズルプレート45を当接して構成される。ノズルプレート45にも可撓性は不要であるため、例えばステンレススチールなどの金属のプレートを使用することができる。ノズルプレート45には複数の射出孔46が格子状に穿設され、複数の射出孔46のそれぞれには加熱されることにより圧力を発生する圧力発生部材42および金属ペースト43が装填されている。すなわち、第2実施形態のノズルプレート45も金属プレートに複数の射出孔46が穿設された射出板である。複数の射出孔46の形状、大きさおよび配置間隔は第1実施形態と同様である。また、圧力発生部材42および金属ペースト43の材質についても第1実施形態と全く同じである。
第2実施形態においては、基材41の表面に複数の射出孔46を有するノズルプレート45が接着され、複数の射出孔46の内部には基材41から近い順に圧力発生部材42と被射出材たる金属ペースト43とが装填される。また、装填された金属ペースト43と圧力発生部材42との間には空隙47が形成される。すなわち、射出孔46の下端開口は圧力発生部材42が装填されて閉塞され、上端開口は金属ペースト43が装填されて閉塞され、それらの間に空隙47が形成されている。このため、積層体Sにおいて、金属ペースト43と圧力発生部材42とは非接触である。第2実施形態のパターン形成装置1aの残余の構成は第1実施形態と同じである。
次に、図13のような構造を有する積層体Sを形成する手順について簡単に説明する。まず、例えばステンレススチールのプレートにフォトリソグラフィの手法を用いてエッチング処理を施すことにより、複数の射出孔46を格子状に穿設し、ノズルプレート45を準備する。そして、ノズルプレート45の複数の射出孔46に圧力発生部材42を装填する。第2実施形態にて射出孔46に装填するときの圧力発生部材42も樟脳およびカーボンパウダーをグリセリンと混合して生成されるスラリー状のものであるが、第1実施形態にて基材41の表面に塗布する圧力発生部材42のスラリーを溶剤で10倍程度に希釈したものであり、その粘度は低い。
第2実施形態の圧力発生部材42のスラリーも塗布法によって複数の射出孔46に装填される。圧力発生部材42のスラリーを射出孔46に装填する塗布法としても、公知の種々の手法を用いることが可能であるが、第2実施形態ではドクターブレード法を用いている。すなわち、圧力発生部材42のスラリーを連続して吐出するノズルがノズルプレート45に対して平行に相対移動しつつ、当該ノズルに付設されたブレードがその下端をノズルプレート45の上面に接触させながら相対移動することにより、複数の射出孔46に圧力発生部材42のスラリーが押し込まれるとともに、射出孔46以外の領域ではスラリーがブレードによって掻き取られる。このようにしてノズルプレート45の複数の射出孔46に圧力発生部材42が装填される。
第2実施形態では、射出孔46の下端開口が開放された状態で圧力発生部材42のスラリーが装填され、しかもそのスラリーの粘度は第1実施形態よりも低いため、射出孔46内部の空気はスラリー装填時に外部に放出される。その結果、圧力発生部材42のスラリーは射出孔46の全体に満たされるように装填(つまり充填)される。
次に、複数の射出孔46に圧力発生部材42のスラリーが装填されたノズルプレート45の下側面に例えばガラス基板などの基材41が接着される。このための接着剤としては、例えば合成ゴム系接着剤を用いるようにすれば良い。基材41が接着されることにより、圧力発生部材42のスラリーが装填された複数の射出孔46を有するノズルプレート45と基材41とが積層された積層体Sが形成される。
基材41が接着された後、圧力発生部材42のスラリーの乾燥処理を行うことによって溶剤成分が揮発して容積が減少し、射出孔46の下端部(基材41が接着された側の端部)に圧力発生部材42の層が形成される。その結果、下端部に圧力発生部材42の層が形成された複数の射出孔46を有するノズルプレート45と基材41とが積層された状態となる。
そして、ノズルプレート45の複数の射出孔46に基材41とは反対側より被射出材としての金属ペースト43が装填される。複数の射出孔46に対する金属ペースト43の装填は第1実施形態と同じであり、塗布法としてドクターブレード法を用いて実行している。すなわち、金属ペースト43を連続して吐出するノズルがノズルプレート45に対して平行に相対移動しつつ、当該ノズルに付設されたブレードがその下端をノズルプレート45の上面に接触させながら相対移動することにより、複数の射出孔46に金属ペースト43が押し込まれるとともに、射出孔46以外の領域では金属ペースト43がブレードによって掻き取られる。このようにしてノズルプレート45の複数の射出孔46に金属ペースト43が装填される。
第1実施形態と同じく、射出孔46の下側開口が圧力発生部材42によって閉塞された状態で上側開口から(つまり、基材41とは反対側から)高粘度の金属ペースト43が押し込まれることによって、射出孔46の内部に残留していた空気がそのまま金属ペースト43と圧力発生部材42との間に閉じこめられることとなる。その結果、金属ペースト43が残留空気によって射出孔46の奥まで入り込まなくなり、装填された金属ペースト43と圧力発生部材42との間には空隙47が形成される(図13参照)。
続いて、積層体Sを用いて射出装置5が金属ペーストを射出する処理について説明する。図13のような構造を有する積層体Sが支持搬送機構150のステージ151に保持される。積層体Sは、ノズルプレート45を上側に向けてステージ151に保持される。一方、処理対象となる基板Wはステージ10の下面に保持される。基板Wは、積層体Sのノズルプレート45に対向する位置に、パターン形成が行われる表面を下側に向けてステージ10に保持される。すなわち、基板Wは積層体Sの上方にてノズルプレート45に対向配置される。
そして、基板Wとレーザー光照射部60との相対位置関係がパターン形成のための初期位置となるように、制御部3の制御によりステージ移動機構20およびレーザー光走査機構65がそれぞれ基板Wおよびレーザー光照射部60を移動させる。具体的には、相対位置関係のX方向の調整はステージ移動機構20が基板Wを移動させることによって行われ、Y方向の調整はレーザー光走査機構65がレーザー光照射部60を移動させることによって行われる。また、積層体Sについても支持搬送機構150によって初期位置に移動される。
基板W、レーザー光照射部60および積層体Sの初期配設が完了した後、制御部3がレーザー光照射部60によるレーザー光照射の制御を開始する。また、それと同時に、制御部3はレーザー光照射部60の相対移動を開始させる。具体的には制御部3は、基板Wおよび積層体Sを停止させたまま、レーザー光走査機構65を制御してレーザー光照射部60をY方向に走査させる。
第1実施形態と同様に、制御部3は、磁気ディスク34に格納された射出パターンSPに従って、レーザー光照射部60をY方向に走査させつつ、レーザー光源61のオンオフ制御を行う。すなわち、制御部3は、射出パターンSPに基づいて、レーザー光照射部60によって加熱される射出孔46の加熱位置を制御するのである。具体的には、基板W上の所定のX方向位置にてレーザー光照射部60がY方向に沿って走査しているときに、金属ペースト43を射出すべきY方向位置に存在している射出孔46の直下にレーザー光照射部60が到達した時点で制御部3がレーザー光源61からレーザー光を出射させる。
レーザー光照射部60のレーザー光源61から鉛直方向上方に向けて出射されたレーザー光は積層体Sの裏面側から入射する。積層体Sの最下層を構成する基材41は透明であるため、レーザー光照射部60から照射されたレーザー光は基材41を透過し、金属ペースト43を射出すべき射出孔46に装填された圧力発生部材42に到達して吸収される。その結果、レーザー光照射を受けた圧力発生部材42には急激な温度上昇が生じる。すなわち、レーザー光照射部60は、基材41の裏面からレーザー光を照射して金属ペースト43を射出すべき射出孔46に装填された圧力発生部材42を加熱する。これにより、当該射出孔46に装填された圧力発生部材42はレーザー光を吸収して短時間のうちに150℃以上にまで昇温する。
図14は、第2実施形態において被射出材たる金属ペースト43が射出される様子を説明する図である。レーザー光照射部60から基材41を透過して射出孔46に装填された圧力発生部材42にレーザー光が照射されると、その圧力発生部材42はレーザー光を吸収して短時間のうちに150℃以上にまで昇温する。圧力発生部材42が昇温すると、圧力発生部材42に含まれている昇華性材料である樟脳が急速に気化して600倍〜1000倍に体積膨張する。その結果、図14(a)に示すように、レーザー光照射によって加熱された圧力発生部材42は、樟脳の昇華に起因した急激な体積膨張により圧力波を発生する。そして、その発生した圧力波によって当該圧力発生部材42が装填されている射出孔46内の空隙47の圧力が急激に上昇し、図14(b)に示すように、その射出孔46に装填された金属ペースト43が上方に向けて、すなわちノズルプレート45に対向配置された基板Wに向けて射出されるのである。
このように、第2実施形態においては、レーザー光照射部60が積層体Sの基材41の裏面からレーザー光を照射して複数の射出孔46のうちの金属ペースト43を射出すべき射出孔46に装填された圧力発生部材42を加熱することにより、その圧力発生部材42に急激な体積膨張による圧力を生じさせている。そして、その圧力によって当該射出孔46に装填された被射出材たる金属ペースト43をステージ10に保持された基板Wに向けて射出させている。上方に向けて射出された金属ペースト43は基板Wの表面に到達し、その位置にて基板Wの表面に付着する。このようにして、金属配線を形成するための金属ペースト43が基板Wに供給される。
レーザー光照射部60をY方向に走査させつつ、レーザー光源61のオンオフ制御を行う射出処理はレーザー光照射部60が走査終了位置に到達するまで行われる。そして、レーザー光照射部60が走査終了位置に到達した時点で基板W上の所定のX方向位置における1ライン分の処理が完了となる。第1実施形態と同様に、1ライン分の処理が完了したら、基板Wおよび積層体SをX方向に沿ってステップ送りする。すなわち、制御部3がステージ移動機構20を制御して基板WをX方向に沿って所定距離だけ移動させる。これにより、レーザー光照射部60が基板Wに対してX方向に相対移動することとなり、基板W上の新たなX方向位置におけるレーザー光照射部60の走査が可能となる。また、制御部3が支持搬送機構150を制御して積層体SをX方向に沿って所定距離だけ移動させる。これにより、レーザー光照射部60は積層体Sに対してもX方向に相対移動することとなる。
このような基板Wおよび積層体Sのステップ送りが終了した後、再び制御部3がレーザー光照射部60をY方向に走査させつつ、レーザー光源61のオンオフ制御を行う。以降、射出パターンSPに基づいたパターン形成処理が終了するまで上記と同様の手順が繰り返される。その結果、制御部3は予め記憶部に格納された射出パターンSPに沿ってレーザー光照射部60から積層体Sにレーザー光を照射させて射出孔46に装填された圧力発生部材42を加熱することとなり、そのパターンに沿ってノズルプレート45から金属ペースト43が上方に射出されて基板Wの表面に付着して金属配線のパターン形成がなされる。
第2実施形態においても、一つの射出パターンSPに基づいてレーザー光照射を行った後、既にレーザー光照射によって加熱された射出孔46の加熱済位置を記憶する。具体的には、制御部3は、既に加熱されて金属ペースト43が射出された射出孔46の位置を加熱済パターンとして磁気ディスク34に格納する。
次に、制御部3は、磁気ディスク34に格納した加熱済パターンと次に射出すべき射出パターンとのパターン照合を行う。第1実施形態と同様に、制御部3は、既に加熱された射出孔46の加熱済位置である加熱済パターンと次に射出すべき射出パターンとのパターン照合を行うことにより、当該射出パターンを射出するための加熱位置を決定する。このときに、制御部3は、加熱済パターンと射出パターンとが重ならないように、換言すれば、未だ加熱されていない射出孔46と射出パターンとが完全に重なるように加熱位置を決定する。また、パターン照合に際して、制御部3は、未使用のまま残留する射出孔46が可能な限り少なくなるように加熱位置を決定する。
そして、制御部3は、パターン照合により決定した加熱位置に対応する射出孔46の圧力発生部材42を加熱するように、支持搬送機構150を制御して積層体Sを移動させる。続いて、制御部3は、新たな射出パターンに基づいて、レーザー光照射部60をY方向に走査させつつ、レーザー光源61のオンオフ制御を行う。また、1ライン分の処理が完了したら、基板Wおよび積層体SをX方向にステップ送りする。これにより、新たな射出パターンに従って金属ペースト43が射出される。
このように、第2実施形態においても、レーザー光照射部60によって既に加熱された複数の射出孔46のうちの加熱済位置を加熱済パターンとして磁気ディスク34に記憶している。そして、制御部3は、磁気ディスク34に格納された加熱済パターンと次に金属ペースト43を射出すべき射出パターンとのパターン照合を行い、未だ加熱されていない複数の射出孔46のうちの未加熱位置をレーザー光照射部60が加熱するように支持搬送機構150およびレーザー光走査機構65を制御して積層体Sに対してレーザー光照射部60を相対移動させている。
このようすれば、第1実施形態と同様に、一つのパターンを射出したときに未使用のまま残留している射出孔46を効率良く利用することができるため、基板Wに射出される被射出材としての金属ペースト43および圧力発生部材42の無駄を低減することができる。
<変形例>
以上、本発明の実施の形態について説明したが、この発明はその趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、上記の実施形態においては、レーザー光走査機構65によってレーザー光照射部60をY方向に移動させるとともに、支持搬送機構50(または支持搬送機構150)によって積層体SをX方向に移動させることにより、積層体Sに対してレーザー光照射部60を相対移動させていたが、相対移動はこれに限定されるものではない。例えば、レーザー光走査機構65を2軸移動機構として、レーザー光照射部60をX方向およびY方向に移動させるようにして積層体Sに対するレーザー光照射部60の相対移動を行うようにしても良い。或いは、第2実施形態では、支持搬送機構150を2軸のステージ搬送機構として、積層体SをX方向およびY方向に移動させることにより、積層体Sに対するレーザー光照射部60の相対移動を行うようにしても良い。要するに、積層体Sに対してレーザー光照射部60をX方向およびY方向の2次元に相対移動できる機構を設けるようにすれば良い。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、この発明はその趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、上記の実施形態においては、レーザー光走査機構65によってレーザー光照射部60をY方向に移動させるとともに、支持搬送機構50(または支持搬送機構150)によって積層体SをX方向に移動させることにより、積層体Sに対してレーザー光照射部60を相対移動させていたが、相対移動はこれに限定されるものではない。例えば、レーザー光走査機構65を2軸移動機構として、レーザー光照射部60をX方向およびY方向に移動させるようにして積層体Sに対するレーザー光照射部60の相対移動を行うようにしても良い。或いは、第2実施形態では、支持搬送機構150を2軸のステージ搬送機構として、積層体SをX方向およびY方向に移動させることにより、積層体Sに対するレーザー光照射部60の相対移動を行うようにしても良い。要するに、積層体Sに対してレーザー光照射部60をX方向およびY方向の2次元に相対移動できる機構を設けるようにすれば良い。
また、第2実施形態において、積層体Sが十分な長さを有する長尺状のものであれば、第1実施形態と同様に「スループット優先モード」および「低コストモード」を設けるようにしても良い。「スループット優先モード」が選択されたときには、積層体Sに対してレーザー光照射部60を相対的に一方向のみに移動させる。一方、「低コストモード」が選択されたときには、積層体Sに対してレーザー光照射部60を相対的に双方向に移動させて未だ加熱されていない複数の射出孔46のうちの未加熱位置をレーザー光照射によって加熱する。
また、上記各実施形態においては、圧力発生部材42に昇華性材料として樟脳を含ませて圧力発生機能を付与するようにしていたが、他の昇華性材料によって圧力発生部材42に圧力発生機能を付与するようにしても良い。例えば、圧力発生部材42に昇華性材料としてドライアイスを含ませるようにしても良い。他の昇華性材料であっても加熱されたときに昇華によって体積膨張を生じるため、上記各実施形態と同様の処理を行うことができる。
また、圧力発生部材42は、昇華性材料を含むものに限定されず、加熱により圧力を発生するものであれば良い。例えば、圧力発生部材42に爆薬を含ませて構成するようにしても良い。また、圧力発生部材42としてガス吸蔵材料を用いるようにしても良い。
また、上記各実施形態においては、レーザー光の吸収効率を高めるために圧力発生部材42にカーボンパウダーを含ませていたが、これに限定されるものではなく、カーボンパウダー以外の黒色の粒子を含ませるようにしても良い。要するに、光を吸収しやすい材料、換言すれば光を反射や透過しにくい材料を圧力発生部材42に含ませるようにすれば良い。なお、昇華性材料自体が光を吸収しやすい材料、例えば黒色の昇華性材料であれば、カーボンパウダーのような黒色粒子を圧力発生部材42に含ませなくても良い。
また、上記各実施形態においては、レーザー光照射部60からのレーザー光照射によって圧力発生部材42を加熱していたが、圧力発生部材42の加熱はレーザー光照射に限定されるものではなく、例えば抵抗発熱体などのヒータによって加熱するようにしても良いし、或いはマイクロ波によって加熱するようにしても良い。
また、金属ペースト43に代えて被射出材として粘度が0.1Pa・s以上1000Pa・s以下の接着剤(例えば、エポキシ樹脂系接着剤)を用いるようにしても良い。加熱された圧力発生部材42の体積膨張に起因した圧力によって接着剤を射出し、例えばセンサと半導体素子との接合部のような微小領域に塗布することができる。本発明に係る技術によれば、そのような微小領域に高価な接着剤を必要量だけ塗布することができ、無駄な接着剤の消費を抑制することが可能となる。
また、金属ペースト43に代えて金属粒を射出するようにしても良い。具体的には、上記各実施形態において、金属ペースト43に代えて複数の金属粒を分散させた高粘度材料を射出孔46に装填する。金属粒の材質や粒径は特に限定されるものではなく、金属粉末であっても良い。また、高粘度材料は0.1Pa・s〜1000Pa・sの粘度を有しており、例えば接着剤などを用いることができる。パターン形成処理を行うときには、多数の金属粒を含む高粘度材料が複数の射出孔46に装填された積層体Sと基板Wとを相対向させて配置する。そして、所定のパターンに沿って圧力発生部材42が加熱されると体積膨張による圧力が生じ、被射出材である金属粒を含む高粘度材料が射出される。射出された高粘度材料は基板Wの表面に付着し、当該表面に金属粒のパターンが形成される。なお、高粘度材料に金属粒を分散させるのに代えて、圧力発生部材42の層の上に直接金属粒を分散させ、それを射出孔46から射出するようにしても良い。本発明に係る技術によれば、金属粒の無駄を低減することができる。
さらに、積層体Sから金属ペースト43を半導体素子のインナーリードに繋がるようなパターンに射出し、その金属ペースト43によってアウターリードを形成するようにしても良い。すなわち、本発明に係る技術を用いて半導体装置のワイヤーボンディングを行うこともできる。
本発明は、基板上に各種電気配線のパターン形成を行う技術に好適に適用することができ、特に高粘度材料を用いてパターン形成を行うのに適している。また、本発明は、微細領域への接着剤の塗布や半導体装置のワイヤーボンディングにも好適に適用することができる。
1,1a パターン形成装置
3 制御部
5 射出装置
10 ステージ
20 ステージ移動機構
34 磁気ディスク
41 基材
42 圧力発生部材
43 金属ペースト
45 ノズルプレート
46 射出孔
50,150 支持搬送機構
60 レーザー光照射部
65 レーザー光走査機構
HP 加熱済パターン
S 積層体
SP 射出パターン
W 基板
3 制御部
5 射出装置
10 ステージ
20 ステージ移動機構
34 磁気ディスク
41 基材
42 圧力発生部材
43 金属ペースト
45 ノズルプレート
46 射出孔
50,150 支持搬送機構
60 レーザー光照射部
65 レーザー光走査機構
HP 加熱済パターン
S 積層体
SP 射出パターン
W 基板
Claims (16)
- 加熱されることにより圧力を発生する圧力発生部材を表面に積層した基材を支持する支持手段と、
前記圧力発生部材に当接して設けられ、その内部に被射出材が装填された複数の射出孔を有する射出板と、
前記圧力発生部材を加熱することにより、当該圧力発生部材に体積膨張による圧力を生じさせて前記複数の射出孔に装填された被射出材を前記射出板に対向配置された対象物に向けて射出させる加熱手段と、
前記基材および前記射出板に対して前記加熱手段を相対的に移動させる相対移動手段と、
前記加熱手段および前記相対移動手段を制御する制御手段と、
前記加熱手段によって既に加熱された前記圧力発生部材の加熱済位置を記憶する記憶手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記記憶手段に記憶された加熱済位置に基づいて、前記圧力発生部材の未だ加熱されていない未加熱位置を前記加熱手段が加熱するように前記相対移動手段および前記加熱手段を制御することを特徴とする射出装置。 - 基材を支持する支持手段と、
前記基材の表面に当接して設けられ、その内部に前記基材から近い順に加熱されることにより圧力を発生する圧力発生部材と被射出材とが装填された複数の射出孔を有する射出板と、
前記圧力発生部材を加熱することにより、当該圧力発生部材に体積膨張による圧力を生じさせて前記複数の射出孔に装填された被射出材を前記射出板に対向配置された対象物に向けて射出させる加熱手段と、
前記基材および前記射出板に対して前記加熱手段を相対的に移動させる相対移動手段と、
前記加熱手段および前記相対移動手段を制御する制御手段と、
前記加熱手段によって既に加熱された前記複数の射出孔のうちの加熱済位置を記憶する記憶手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記記憶手段に記憶された加熱済位置に基づいて、前記複数の射出孔のうちの未だ加熱されていない未加熱位置を前記加熱手段が加熱するように前記相対移動手段および前記加熱手段を制御することを特徴とする射出装置。 - 請求項1または請求項2に記載の射出装置において、
前記制御手段は、前記記憶手段に記憶された加熱済位置のパターンと被射出材の射出パターンとが重ならないように前記相対移動手段を制御することを特徴とする射出装置。 - 請求項1から請求項3のいずれかに記載の射出装置において、
処理速度優先モードと省材料モードとが選択可能であり、
処理速度優先モードが選択されているときには、前記制御手段は、前記基材および前記射出板に対して前記加熱手段が相対的に一方向に移動するように前記相対移動手段を制御するとともに、
省材料モードが選択されているときには、前記制御手段は、前記基材および前記射出板に対して前記加熱手段が相対的に前記一方向および前記一方向とは逆方向に移動するように前記相対移動手段を制御することを特徴とする射出装置。 - 請求項1から請求項4のいずれかに記載の射出装置において、
前記複数の射出孔は前記射出板に格子状に設けられていることを特徴とする射出装置。 - 請求項1から請求項5のいずれかに記載の射出装置において、
前記加熱手段は、前記基材の裏面からレーザー光を照射して前記圧力発生部材を加熱するレーザー光照射手段を含み、
前記基材は前記レーザー光照射手段から照射されるレーザー光に対して透明であることを特徴とする射出装置。 - 請求項1から請求項6のいずれかに記載の射出装置において、
前記圧力発生部材は、加熱されたときに昇華によって体積膨張を生じる樟脳を含むことを特徴とする射出装置。 - 請求項1から請求項7のいずれかに記載の射出装置において、
前記被射出材は、粘度が0.1Pa・s以上1000Pa・s以下の高粘度材料を含むことを特徴とする射出装置。 - 基材の表面に加熱されることにより圧力を発生する圧力発生部材を積層し、被射出材が装填された複数の射出孔を有する射出板を前記圧力発生部材に当接し、加熱部が前記圧力発生部材を加熱することにより、当該圧力発生部材に体積膨張による圧力を生じさせて前記複数の射出孔に装填された被射出材を前記射出板に対向配置された対象物に向けて射出させる加熱工程と、
前記加熱工程にて既に加熱された前記圧力発生部材の加熱済位置を記憶する記憶工程と、
前記記憶工程にて記憶された加熱済位置に基づいて、前記圧力発生部材の未だ加熱されていない未加熱位置を加熱するように前記基材および前記射出板に対して前記加熱部を相対的に移動させる相対移動工程と、
を備えることを特徴とする射出方法。 - 加熱されることにより圧力を発生する圧力発生部材と被射出材とが装填された複数の射出孔を有する射出板を基材の表面に当接し、加熱部が前記圧力発生部材を加熱することにより、当該圧力発生部材に体積膨張による圧力を生じさせて前記被射出材を前記射出板に対向配置された対象物に向けて射出させる加熱工程と、
前記加熱工程にて既に加熱された前記複数の射出孔のうちの加熱済位置を記憶する記憶工程と、
前記記憶工程にて記憶された加熱済位置に基づいて、前記複数の射出孔のうちの未だ加熱されていない未加熱位置を加熱するように前記基材および前記射出板に対して前記加熱部を相対的に移動させる相対移動工程と、
を備えることを特徴とする射出方法。 - 請求項9または請求項10に記載の射出方法において、
前記相対移動工程では、前記記憶工程にて記憶された加熱済位置のパターンと被射出材の射出パターンとが重ならないように前記基材および前記射出板に対して前記加熱部を相対移動させることを特徴とする射出方法。 - 請求項9から請求項11のいずれかに記載の射出方法において、
処理速度優先モードまたは省材料モードを選択する選択工程をさらに備え、
前記相対移動工程では、処理速度優先モードが選択されているときには、前記基材および前記射出板に対して前記加熱部を相対的に一方向に移動させるとともに、省材料モードが選択されているときには、前記基材および前記射出板に対して前記加熱部を相対的に前記一方向および前記一方向とは逆方向に移動させることを特徴とする射出方法。 - 請求項9から請求項12のいずれかに記載の射出方法において、
前記複数の射出孔は前記射出板に格子状に設けられていることを特徴とする射出方法。 - 請求項9から請求項13のいずれかに記載の射出方法において、
前記加熱工程は、前記基材の裏面からレーザー光を照射して前記圧力発生部材を加熱する工程を含み、
前記基材は前記レーザー光に対して透明であることを特徴とする射出方法。 - 請求項9から請求項14のいずれかに記載の射出方法において、
前記圧力発生部材は、加熱されたときに昇華によって体積膨張を生じる樟脳を含むことを特徴とする射出方法。 - 請求項9から請求項15のいずれかに記載の射出方法において、
前記被射出材は、粘度が0.1Pa・s以上1000Pa・s以下の高粘度材料を含むことを特徴とする射出方法。
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CN112643230A (zh) * | 2021-01-04 | 2021-04-13 | 无锡太湖学院 | 一种高精准度的激光打孔设备 |
-
2012
- 2012-08-17 JP JP2012180835A patent/JP2014038951A/ja active Pending
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---|---|---|---|---|
CN112643230A (zh) * | 2021-01-04 | 2021-04-13 | 无锡太湖学院 | 一种高精准度的激光打孔设备 |
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