JP2014185358A - レーザを用いる焼結体膜形成方法及び焼結体膜形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高い密着性を有する金属ナノ粒子焼結体膜を機能性膜として形成し、かつ高精度が要求される微細な機能性膜を高い歩留まりで形成することができる、実用レベルのレーザ焼結体膜形成法及び装置を提供する。
【解決手段】金属ナノ粒子を分散させた金属ナノ粒子分散液を、塗布装置２を介して基板１上に塗布し、この金属ナノ粒子分散液の塗布領域にレーザ光照射装置５によりレーザ光を照射して基板上に金属焼結体膜を形成する方法及び装置であって、金属ナノ粒子分散液の塗布を、分散液の濡れ性が変化しないように加温装置により基板を一定の温度に維持しながら行ない、且つレーザ光照射により金属ナノ粒子を焼結する場合には、大気中においてレーザ光照射部位に不活性ガスを吹き付けながら行なうように構成する。
【選択図】図４

Description

本発明は、レーザを利用して基板上に微細な金属焼結体の膜（以下、「焼結体膜」と称することもある）を形成する焼結体膜形成方法及び装置に関する。さらに詳細には、金属ナノ粒子を溶媒（溶剤）に分散させたいわゆる金属ナノ粒子分散液を基板上に塗布して該塗布位置にレーザ光を照射することにより、金属ナノ粒子焼結体の膜を形成する方法及び装置に関する。本装置は、例えばメモリー、ＬＳＩ、パワーデバイス、ＬＥＤ等の電子装置や電子部品に形成される機能性膜等の導電体膜の形成装置に適用して好適なものである。

近年、小型で省エネ型の電子機器の需要の増加に伴い、基板上に形成される配線、リードフレームのワイヤボンディングパッド、配線に用いる積層導電膜、ビアホールに形成される導電膜、半導体チップ実装用の導電膜等、いわゆる機能性膜の微細化が増々要求されている。

機能性膜は、貴金属膜により形成され、その形成技術としては、一般には電解液を用いた電気めっき技術が代表的なものとして知られている。この湿式めっき技術には、大型のめっき装置や排水処理装置が必要であり、また微小部への選択的な部分直接めっきは技術的に困難であった。そこで、省資源、低コスト化等の面からも、従来の湿式めっき法に代わる機能性膜形成技術が種々提案されている。

近年では、湿式めっき法に代わる技術として、次のような技術が提案されている。

例えば、ドライプロセスの機能性膜の形成技術として、表面に金属元素と配位的な結合が可能な化合物の被覆層が設けられた平均粒径１００ｎｍ以下の金属ナノ粒子を、有機溶剤（溶媒）中に分散させ、さらに、有機溶剤中には、この被覆層の化合物と反応性を示す、有機の酸無水物またはその誘導体あるいは有機酸等を添加し、このようにして形成されたペースト状の金属ナノ粒子分散液（金属ナノペースト）を、基板上に膜状に塗布し、この塗布膜を２５０℃以下で加熱処理して焼結体膜を形成する方法が提案されている（特許文献１参照）。

一般にかような金属ナノペーストを利用した焼結体膜形成の加熱処理には、炉焼成法が用いられてきたが、これに代わる加熱処理方法としては、最近、レーザ光による画期的なレーザ焼結法が提案されている（特許文献２参照）。レーザ焼結法では、基板上に所定の厚みで金属ナノ粒子分散液を塗布し、この塗布液膜に、所定の波長のレーザ光を塗布液膜表面に対して垂直に照射して、金属ナノ粒子を加熱・焼結して焼結体膜を形成する。或いは、塗布された金属ナノ粒子分散液を予備加熱して溶媒（溶剤）を蒸発除去した後の塗布位置（金属ナノ粒子及び残存溶剤）にレーザ光を照射して焼結体膜を形成する。このレーザ焼結法は、導電膜形成を必要とする部位のみの局所加熱が可能で、基板の熱酸化や電子モジュールへの熱影響もなく、短時間で焼結体膜を形成できるものとして評価されている。しかしながら、これを対電子機器向けとして実用化させた装置は、まだ無い状況であり、その実用化が望まれている。ちなみにかようなレーザ焼結法は、汎用の電気めっき法と対比させた用語として、高速レーザめっき法（HLP: High-speed Laser Plating）と称されることもある。

特許第３７６４３４９号（特開２００２−３３４６１８号公報） 特許第５１０８６２８号（特開２００９−２８３７８３号公報）

従来提案されているレーザ焼結法は、すでに実験レベルにおいて、金属ナノ粒子分散液をインクジェット方式などのプリント装置を用いて基板に塗布し、レーザ装置を用いて金属ナノ粒子分散液を加熱、焼結して焼結体膜を形成しており、その実用化が望まれている。レーザ焼結法の実用化のためには、基板導入―基板への金属ナノ粒子分散液塗布工程−レーザ焼結工程−基板搬出の一連の流れを高速で効率良く、且つ微細な焼結膜形成を精度良く、しかも歩留まりを良くすることが必要となる。

本発明は、以上の背景の下でなされたものであり、その目的は、電子機器部品、例えば、リードフレーム等の金属基板や樹脂、セラミック等の回路基板の表面に、高い密着性を有する金属ナノ粒子焼結体膜を機能性膜として形成し、かつ高精度が要求される微細な機能性膜を高い歩留まりで形成することができる、実用レベルのレーザ焼結体膜形成法及び装置を提供することにある。

本発明は、基本的には、金属ナノ粒子を分散させた金属ナノ粒子分散液を、塗布装置を介して基板上に塗布し、この金属ナノ粒子分散液の塗布領域にレーザ光を照射して基板上に金属焼結体膜を形成する方法及び装置であって、前記金属ナノ粒子分散液の塗布を、分散液の濡れ性が変化しないように加温装置により基板を一定の温度に維持しながら行ない、且つレーザ光照射により金属ナノ粒子を焼結する場合には、大気中においてレーザ光照射部位に不活性ガスを吹き付けながら行なうように構成する。

本発明者は、金属ナノ粒子の高速レーザ焼結法及び装置の実用化に向けて試行を繰り返した結果、次のような知見を得た。まず金属ナノ粒子分散液を基板に塗布する場合には、分散液に対する基板側の濡れ性が、焼結体膜形成の歩留まりに影響する。すなわち、同じ基板でも基板温度で金属ナノ粒子分散液の基板塗布後の広がり具合が変化する。分散液の広がり具合が均一になるように基板温度を一定に保つために、基板をセットする塗布ステージを加温装置で一定温度制御を実施する。

また、大気中で基板にレーザを照射すると、高熱エネルギーが基板に与えられて加熱部位が大気中の酸素と反応して、基板が酸化し、最悪の場合には、焼損してしまうおそれがある。そのため、基板に不活性ガスを吹き付けてレーザ光照射部を低酸素状態として、レーザ焼結を実施する。不活性ガスの吹付けは、基板の冷却効果も兼ねている。

なお、上記した本発明に付随して、高速レーザ焼結法及び装置の実用化に効果的なその他の構成も提案するが、それらについては、発明の実施の形態の項にて詳述する。

本発明によれば、金属または樹脂製の基板に損傷を与えず、高精度で高密着性を有した微細な金属ナノ粒子の焼結体膜（機能性膜）を基板に施すことができる。

本発明の一実施例に係る焼結体膜形成装置の平面図である。 本実施例の焼結体膜形成装置の斜視図である。 本発明の一実施例に係るレーザ焼結方法の工程図である。 本発明の一実施例に係る焼結体膜形成装置の概要及びレーザ焼結工程図である。 上記実施例におけるレーザ定点照射、ステージ移動によりレーザ焼結を行う場合の説明図である。 上記実施例におけるレーザ光走査でレーザ焼結を行う場合の説明図である。 上記実施例におけるニードル式ディスペンサを用いた塗布膜生成の説明図である。 上記実施例における基板のプリアライメントを示す平面図及びそのＡ−Ａ断面図である。 上記実施例における金属ナノ粒子分散液の貯蔵ボトルの保管と配管内の分散液を排出する場合の説明図である。 上記実施例において、広範囲レーザ焼結を実行する場合のレーザ光照射走査例を示す説明図である。 本発明の他の実施例に係る焼結体膜形成装置の概要及びレーザ焼結工程図である。

高精度で微細な機能性膜を高い歩留まりで形成する実用化レベルの高速レーザ焼結体膜形成法及び装置を実現するためには、基板上の正確な位置で、金属ナノ粒子分散液を、厚さや幅を均一に制御して塗布すること、焼結前の予備加熱（予備加熱：基板上に塗布された金属ナノ粒子分散液の溶剤の蒸発除去）が必要となってくる。また、焼結工程においても、金属ナノ粒子分散液の塗布位置にビームスポット径を合わせた正確な位置決め、温度等の焼結条件を満たすような、しかも低酸素雰囲気での焼結時の環境条件も含めた配慮も必要となってくる。

本発明のレーザ焼結法の一例は、大別すると金属ナノ粒子分散液を基板に塗布する塗布工程、分散液に含有されている溶媒（溶剤）を蒸散除去する予備加熱（予備加熱）工程、レーザ光照射により基板上の金属ナノ粒子を焼結させる焼結工程に区分することができる。
（塗布工程）
塗布工程では、塗布装置として、例えばインクジェット装置（図１により後述する）またはニードル式ディスペンサ（図７により後述する）を用いて、金属基板または絶縁基板に金属ナノ粒子分散液を塗布する。

塗布工程では、ビットマップ等の電子データで保持されたパターンに従い、塗布装置を介して基板上に金属ナノ粒子分散液が塗布される。

金属ナノ粒子分散液において、金属ナノ粒子は、例えば表面に金属元素と配位的な結合が可能な化合物の被覆層が設けられた平均粒径１００ｎｍ以下の金属ナノ粒子（銀ナノ粒子、金ナノ粒子等）である。分散溶媒として利用される有機溶剤は、金属ナノ粒子表面の被覆層分子に対する親和性を示すものの、室温付近では、かかる有機溶剤中へ金属ナノ粒子表面の被覆層分子は、容易には溶出することはないが、加熱に付随して、溶解度が上昇し、１００℃以上に加熱した際には、かかる有機溶剤中へ被覆層分子が溶出可能となるものが利用される。具体的には、有機溶剤は、特許文献２などに詳述されており、既知であるので、ここでの詳細な説明は省略する。

既述したように、金属ナノ粒子分散液の基板上での塗布の広がり具合、換言すれば塗布のスポット面積は、基板側の濡れ性が影響するが、この濡れ性は基板が同じ材質でも、温度によって変化する。これは、撥液剤被覆層でコートされた基板であっても同様である。金属ナノ粒子分散液の塗布の広がり具合のばらつきは、焼結体膜のサイズや厚みのばらつきにつながるので、塗布の広がり具合の均一化を図る必要がある。したがって、分散液の広がり具合（基板側の濡れ性）が均一になるように基板温度を一定に保つ配慮が必要である。そのために、基板をセットする塗布ステージを加温装置で温度一定制御（例えば、基板が３０〜６０℃の範囲で一定の規定温度になるように制御）を実施する。

また、焼結体膜の基板上での位置精度・スポット径は、塗布工程で決定されるため、基板の正確な位置決めが必要になる。基板搭載用ステージ上での基板の位置決めの方式としては、例えば、基板側に位置決め用のガイド穴、塗布装置のステージ側にこれに嵌め合うガイドピンを設ける方式がある。この嵌め合いは、基板が許容の位置精度以内となるような、はめ合い誤差のガイドピンを選定する。

基板の位置決め方式の他の例としては、基板側に２点間のアライメントマークを設け、このアライメントマークを介して２点間の基準位置からのずれ分をカメラで検出し、ずれ分をステージの移動修正により補正する方式がある。位置決めピンとカメラアライメントを併用してもよい。

なお、金属ナノ粒子分散液の膜厚を所望の厚み制御する場合には、塗布工程及び次に述べる予備加熱工程を交互に繰り返し複数回行うことで可能になる（具体例は、実施例にて後述する）。
（予備加熱工程）
予備加熱工程は、金属ナノ粒子分散液に含有される溶剤を蒸散除去することが目的である。予備加熱温度は、３０℃から主たる溶剤の沸点以下の温度である。例えば、上記規定温度範囲内を条件として、基板を、ホットプレート等の加熱装置により１００℃近傍までの温度で６０秒〜１０分程度加熱する。これらの温度、時間は、適宜任意に設定すればよい。

ちなみに、金属基板を高温まで加熱すると熱膨張し位置ずれを起こしてしまう。例えば、１００ｍｍの銅基板では、膨張率16.5×10＾-6(1/K)であるため２０℃から１００℃の温度変化があった場合、１３２μｍの熱膨張となり、高精度の焼結体膜の成膜では無視できない偏差となる。基板が大きくなれば、熱膨張も大きくなる。そこで、予備加熱工程後、正確な位置に復帰させるプリアライメントを実施する。プリアライメントは、加熱で熱膨張による位置ずれを起こした基板を、プリアライメントステージに搬送して行う。具体的には、実施例の項で図８に従い後述する。
（レーザ光照射工程）
レーザ焼結に用いるレーザ光照射装置の種類は限定するものではなく、一例をあげれば、ＹＡＧレーザやファイバーレーザなどが使用され、波長８００〜１１００ｎｍ、出力は５〜２００Ｗの範囲である。好ましくは、レーザ出力２０〜２００Ｗ、ビームスポット径１０〜５００μｍである。ビームスポット径は微小であるため、位置ずれした場合、金属ナノ粒子分散液を塗布した領域にレーザ光が照射できない恐れがある。そのような事態をなくすため、レーザ光照射工程においても、塗布工程と同様に基板ひいてはレーザ光照射位置の正確な位置決めが必要である。塗布装置と同様にガイドピン方式、カメラアライメント方式を使用して、レーザ焼結装置の正確な位置に基板をセットする。

レーザ光照射工程は、大気中で行われるが、大気中で基板にレーザ光を照射すると、高熱エネルギーが基板に照射され、何らの配慮がないと、レーザ光照射部位が大気中の酸素と反応して、基板が酸化または、最悪の場合には焼損してしまうおそれがある。本発明では、かような技術的課題を解決するために、基板に不活性ガスを吹き付けてレーザ光照射部を無酸素状態或いは１%以下の低酸素状態として、レーザ焼結を実施する。ガス吹付けは、基板の冷却効果も兼ねている。不活性ガスを基板に吹き付ける態様として、例えば、基板上のレーザ光照射部位を覆い体（チャンバーやスカート（筒体）など）を用いて局部的に覆い、この覆われた空間でアルゴンなどの不活性ガスを吹き付けて基板上のレーザ光照射部位を無酸素状態または低酸素状態とする。

レーザ光照射は、塗布工程同様の電子データで保持されたパターンに従い行われる。

レーザ光照射工程では、金属ナノ粒子分散液の塗布位置に焼結に必要な熱エネルギーを確保するために、レーザ光を所定のパターンに従って走査する場合には、金属ナノ粒子分散液の塗布パターンに従って規定の速度で走査する。レーザ光を走査する方式としては、定点にレーザ光を照射して、基板側をＸ軸とＹ軸に走査する方式（図５に基づく後述される）とレーザ光をガルバノミラーの反射で走査する光走査式（スキャナー式）とがあり、どちらでもレーザ焼結が可能である。

基板として、ポリイミドまたは、ガラスエポキシなどの樹脂基板を用いる場合には、レーザ光照射のエネルギーで損傷してしまう恐れがあるため、金属ナノ粒子分散液が塗布していない樹脂部分に関しては、レーザ光照射を停止して、基板損傷を防止する措置を実施する。

レーザ光照射工程では、基板を、レーザ光照射工程用のステージに設けた加熱装置（例えばホットプレート）により、３０℃から金属ナノ粒子分散液の沸点以下の温度で加熱しながら行ってもよい。例えば、レーザ光照射工程時に、基板温度を１００℃程度の高温に上昇させておくことにより、金属ナノ粒子が焼結できるまでの温度上昇させるエネルギー幅が少なくてすむ。その結果、レーザ光照射時のレーザ出力を、低出力とすることもできる（レーザアシスト機能）。このように、レーザ光照射工程用のステージに加熱装置を設ける場合には、この加熱装置により予備加熱工程のための加熱手段とレーザアシストの加熱手段とを兼ねる構成としてもよい。

金属ナノ粒子分散液の塗布領域が広範囲に及ぶ場合は、レーザ光照射を塗布領域のすべてに照射しなくても等間隔（例えば１〜１０ｍｍの一定間隔）に走査しながら照射することによって焼結が可能である。すなわち、レーザ光照射部の廻りについても、基板の熱伝導で温度が上昇し、焼結が可能であるため、レーザ光照射の間隔を広くとることができる。
（全体構成）
基板導入―基板への金属ナノ粒子分散液塗布工程−レーザ焼結工程−基板搬出の一連の流れを効率良く、且つ微細な焼結膜形成を精度良くするために、次のような構成を提案する。焼結体膜を形成すべき基板の受入れステージから払出しステージに該基板を搬送するための搬送装置を設け、受入れステージから払出しステージの間の基板搬送ラインに、塗布工程（塗布装置）、予備加熱工程（加熱装置）、及びレーザ光照射工程（レーザ光照射装置）が行われるそれぞれのステージと基板の位置調整を行うプリアライメント工程（プリアライメント）のステージとを設け、基板を所定のシーケンスに沿ってこれらの工程のステージ間に搬送装置を介して行き来させる。各工程間を、手動搬送または搬送装置による自動搬送を実施することで、高精度高密着金属ナノ粒子焼結体膜の製造ラインが実現される。

また、本発明の製造方法は、工程毎でエリアを分けて、複数枚の基板を同時に処理することにより、工程時間を短縮することも可能である。
（その他）
厚生労働省から「ナノマテリアルに対するばく露防止等のための予防的対応について」（ 基発第０３３１０１３号 平成２１年３月３１日付）の通達が出されている。金属ナノ粒子分散液にレーザ光照射すると、溶剤が蒸散するが、一部の金属ナノ粒子も飛散してしまう恐れがある。これに対応して、レーザ焼結部にHEPAフィルタ（High Efficiency Particulate Air Filter）などのエアーフィルタを用いた排気フードを取り付けることでばく露防止措置を施すことも可能である。

金属ナノ粒子分散液の保管は、０〜１０℃の低温保管が必要である。装置の不使用時には、分散液の貯蔵ボトルを装置から取外し、低温保管することが考えられる。しかしながら、この保管方法によれば、ボトルを不使用状態になる度に取り外さなければならず、また、ボトルから配管までの分散液の排出をしなければならない。また、再使用時には、インクボトルの取付け、分散液のインクジェットヘッドまでの充填等、非常に手間のかかる作業を強いられる。

このような不便さを改善するために、インクジェット等の塗布装置に分散液ボトルの冷却装置（例えばペルチェ素子）を取り付け、分散液貯蔵ボトルとインクジェットの間に三方弁を取り付けて三方弁の一方からは分散液、もう一方からは分散液の主溶剤をインクジェットに供給する系統（詳細は図９により説明する）として、インクジェットを使用しない場合は主溶剤をインクジェットヘッドに供給することにより、金属ナノ粒子分散液を除去（インクジェットヘッド洗浄）することで、不使用時のメンテナンスや保管作業を軽減することが可能である。

以下、図面を参照しながら本発明に係る金属ナノ粒子焼結体膜（めっきなどの機能性膜）の製造方法及び装置について実施例を用いて説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。

以下に述べる実施例は、本発明の最良の実施の形態の一例ではあるものの、本発明はこの実施例により限定を受けるものではない。
（実施例１）
図１は本発明のレーザ焼結法を実施するための装置の一実施例に係る概略構成図である。

図１に示すように、本実施例における焼結体膜形成装置１００は、焼結体膜を形成すべき基板１の受入れステージ１０から払出しステージ２０にかけて基板１を搬送するための搬送装置６を備える。また、受入れステージ１０から払出しステージ２０の間の基板搬送ラインに、金属ナノ粒子分散液の塗布装置となるインクジェット装置２のステージ２´と、加熱装置となるホットプレート３のステージ３´と、レーザ光照射装置５のステージ５´と、基板１の位置調整を行うプリアライメント装置４のステージ４´とが配置されている。基板１は、所定の工程シーケンスに沿ってこれらのステージ間で搬送装置６を介して行き来する。図２に示すように、焼結体膜形成装置１００は、受入れステージ１０、インクジェット装置２、ホットプレート３、プリアライメント装置４、レーザ光照射装置５、払出しステージ２０を一体的にユニット化したものであり、その外装に、焼結体膜形成の条件設定を行う制御盤７が設けられている。

搬送装置６は、例えば１軸の直進往復動機構（１軸ロボット）により構成され、その基板ホルダー６ａを直進往復動させて搬送ラインを形成する。本実施例の直進往復動機構は、モータの回転動力を直進運動に変換するボールねじで構成されるが、これに限定されるものではなく、シリンダ機構等を用いてもよい。基板ホルダー６ａは、真空チャック、電磁チャック等の適宜の吸着手段により構成され、吸着により基板１を保持し、吸着を解除することにより基板１の保持を解除する。

インクジェット装置２のヘッド２ａは、ステージ２´の直上に位置する。ステージ２´は、Ｘ軸、Ｙ軸駆動機構を備える。また、ステージ２´には、基板１を一定の温度（例えば３０〜６０℃の範囲における温度）に維持する加温装置（図示省略）を備える。

ホットプレート３は、予備加熱用のステージ３´を兼ねる。

プリアライメント装置４のステージは、図８に示すように基板１の４つのコーナーに対応させたコーナーガイド４０からなる。位置決め要素となる各コーナーガイド４０は、図８のＡ−Ａ断面図に示すように位置修正用のスロープが形成され、基板１はこのスロープに案内されて位置修正される。コーナガイド４０は、基板１の大きさに合わせてその位置を可動調整できる。

レーザ光照射装置５は、レーザヘッド５ａがレーザ照射用のステージ５´の真上に配置される。ステージ５´は、Ｘ軸、Ｙ軸の駆動機構を備える。

本実施例におけるインクジェット装置２、ホットプレート３、レーザ光照射装置５の各ステージ（２´、３´、５´）は、複数の基板をセットできるように複数にエリア分けされている。図１では、エリアは２つを例示しているが、それ以上であってもよい。それにより、複数の基板１が同時に塗布工程，予備加熱工程、レーザ照射による焼結工程に付されるようにしてある。一つの工程で複数の基板１を同時に処理できることで、短時間あたりの生産枚数を増加させことができる。なお、基板１は、各工程で複数に限定されず単数セットしてもよい。

本実施例における焼結体膜形成装置は、基本的には、図３に示すように、基板１を受入れた後に金属ナノ粒子分散液の塗布工程、予備加熱工程、レーザ光照射による金属ナノ粒子の焼結工程を実行して、基板の払出しを行うが、塗布工程及び予備加熱工程は、所望の焼結体膜厚を得るために、通常は複数回実行される。

ここで、図４を用いて本実施例の焼結体膜形成の一連の工程（シーケンス）を説明する。図４は、金属製または樹脂製の基板１に、高精度に高密着性金属ナノ粒子焼結体膜を成膜する製造工程の実例である。

基板１の受入後、基板１は、搬送装置６を介してインクジェット装置２のステージ２´に搬送される。基板１には、２点のガイド穴（図示省略）が形成され、これがステージ２´に設けたガイドピン（図示省略）に嵌り込んで、基板１がインクジェット装置２の正確な位置にセットされる（図４のａの工程）。このときガイドピンの先端を鋭くしておくことにより、ある程度の搬送ずれがあった場合でも、基板１のガイド穴がガイドピンに挿入されるとき、基板１がスライドして、ステージ２´上の正確な位置に基板１をセットすることができる。

インクジェット装置２には、ビットマップデータなど電子データであらかじめ金属ナノ粒子の塗布パターンが保持されており、インクジェット印刷によりパターン通りに金属ナノ粒子分散液を基板１に塗布する。製作誤差、機器の据付誤差があった場合は、電子データの位置にＸ，Ｙ方向のオフセットを加えることにより位置補正することが可能である。

基板１の温度で金属ナノ粒子分散液の濡れ性が変わり、分散液の広がり具合に変化を及ぼすため、金属ナノ粒子を基板１に塗布する際に、基板の温度を、加温装置を介して一定の温度に維持する。

金属ナノ粒子分散液が塗布された基板１は、インクジェット装置２からホットプレート３に搬送され、そのステージ３´にセットされる。このセット後に、基板１はホットプレート３により予備加熱工程に付される（図４のｂの工程）。例えば、基板１は、ホットプレート３により１００℃近傍で６０秒〜１０分程度に加熱される。この予備加熱により、分散液に含まれる溶剤の蒸散除去が行われる。このとき、基板１をステージ４´上でガイドピン及びガイド穴を用いて正確な位置決めをしても、基板１は、熱膨張により位置ずれを起こしてしまう。ここで、基板１の大きな位置ずれを防ぐために、熱膨張を吸収できるガタが大きなガイドピンを選定する。

予備加熱工程で位置ずれを起こした基板１を、再度正確な位置に復帰させるため、基板１は、プリアライメント装置４に搬送される。プリアライメント装置４では、基板１は、コーナーガイド４０（図８）に設けたガイドスロープにより滑らされて、正確な位置に復帰する（図４のｃの工程）。

プリアライメント工程で正確な位置に復帰した基板１は、再度、インクジェット装置２のステージ２´にセットされ、先に塗布した位置と同一位置に、塗布量を変えた金属ナノ粒子分散液が複数回塗布され、金属ナノ粒子分散液の膜厚を制御する（図４のｄの工程）。

その後、再度、基板１は、ホットプレート３に搬送されて予備加熱工程に付され、溶剤の蒸散除去が行われる（図４のｅの工程）。その後、再度、基板１は、プリアライメント装置４に搬送されて正確な位置に復帰する（図４のｆの工程）。その後、基板１は、レーザ光照射装置５に搬送され、基板１上の金属ナノ粒子分散液の塗布位置にレーザ光が照射されて金属ナノ粒子の焼結体膜形成工程（レーザ焼結工程）が行われる（図４のｇの工程）。

レーザ光照射工程では、インクジェット装置２と同様に正確な位置のガイドピンで基板１の位置決めを行い、アルゴンなどの不活性ガスを吹付けて低酸素状態でレーザ光照射を実施する。レーザ光照射装置５は、レーザ線源、ファイバー、光学系レンズで集光されたレーザ光１１を一点に照射し（図５）、基板１がセットされたステージ５´を図５のようにX軸、Y軸に規定速度で移動制御する。それにより、図６に示すように、インクジェット装置２で塗布した金属ナノ粒子分散液上をレーザ光が走引し、レーザ焼結を実施する。

なお、第１回目の塗布工程後に予備加熱された金属ナノ粒子分散液は、コーヒーリング現象により金属ナノ粒子分散液の外縁に金属ナノ粒子が偏在するために、その後に複数回の塗布工程が行われ、このようにして、金属ナノ粒子分散液ひいては金属ナノ粒子の集合体の厚みを、最終の予備加熱後であっても均一の厚みに維持できる。

なお、塗布工程と予備加熱工程は、上記のシーケンス以外にも種々のシーケンスが考えられる。例えば、１回目の塗布工程及び予備加熱工程後に、２回目の塗布工程及び予備加熱工程を行い、その後、３回目の塗布工程及び予備加熱工程を行うなど、塗布工程ごとに予備加熱工程を実施してもよい。

基板１に金属ナノ粒子焼結体を形成したのち、基板１をレーザ光照射装置５から払出しステージ２０に搬送され、本装置による一連の工程が完了する。
（実施例２）
実施例２は、実施例１で採用した基板１の位置決め方式をガイドピン方式からカメラアライメント方式に変えたものであり、その他は、実施例１の構成と同様である。

本実施例では、基板１をインクジェット装置２のステージ２´に搬送すると、基板１側に設けられた２点のアライメントマーク（図示省略）を、カメラ（図示省略）で読み取り、アライメントマークの基準位置からのずれをステージ２´のＸ軸、Ｙ軸移動調整により補正した後、インクジェット装置２に保持された塗布パターンの金属ナノ粒子分散液を基板１に塗布する。

アライメントマークは、基板の２か所に設けて、θ軸の補正も行う必要がある。

予備加熱工程で位置ずれした基板１をプリアライメントする場合にも、専用のプリアライメントに代えて基板１をインクジェット装置２に搬送し、再度、アライメントマークをカメラで読み込むことでプリアライメントを実施する。プリアライメント後、先に塗布した位置と同一位置に、塗布量を変えた金属ナノ粒子分散液を複数回塗布し、膜厚を制御する。

再度、予備加熱での溶剤の蒸散除去を実施した後に、基板レーザ光照射装置５に搬送する。

レーザ光照射装置でも、レーザ光照射に際して、アライメントマークとカメラを用いてプリアライメントを実施し、そのあと、基板１のレーザ光照射位置にアルゴンガスを吹き付けて無酸素状態或いは低酸素状態でレーザ光照射を実施する。
（実施例３）
実施例３は、実施例１で実行される図５のようなレーザの定点照射方式から図３のようにレーザ光走査方式（ガルバノ方式）に変えたものである。ガルバノ方式自体は、公知であるので、説明を省略する。

レーザ光照射までの工程は、実施例１と同じである。レーザ光照射工程では、レーザ光をガルバノミラーで金属ナノ分散液塗布位置に規定速度で光走査させて焼結を行う。
（実施例４）
実施例４は、金属ナノ粒子分散液塗布装置として、実施例１のインクジェット装置からニードル式ディスペンサ装置に変えたものである。図７に示すように、ニードル式ディスペンサは、金属ナノ粒子分散液をインク溜め２２に保持し、インク溜めの中をニードル２１が貫通し、ニードル２１が基板１に押し付けられることにより、ニードル２１の先端に付いた金属ナノ粒子分散液が基板１に転写（符号２３で示す）される。

基板１は、ニードル式ディスペンサ装置に搬送されると、基板１に設けたガイド穴とニードル式ディスペンサ装置側のステージに設けたガイドピンとで、位置決めされる。

ニードル式ディスペンサ装置には、その制御装置にあらかじめ金属ナノ粒子を塗布する中心点に関する電子データが保持されており、この電子データに基づき、基板１がセットされたＸＹ軸ステージを、塗布する中心点に移動させて、ディスペンサのニードル２１を押し下げて、金属ナノ粒子分散液を基板１に塗布する。塗布される金属ナノ粒子分散液の膜厚は、ニードル２１の押し付け回数を調整することで制御される。なお、その他の構成は、実施例１と同様である。本実施例においても、実施例２，３と同様にカメラアライメント方式、光走査方式のレーザを用いてもよい。
（実施例５）
本実施例では、基板１が樹脂製の場合である。樹脂基板の代表であるガラスエポキシ基板のガラス転移温度は１２０℃〜１６０℃である。一方金属ナノ粒子分散液の焼結温度は、溶剤の沸点２５０℃以下の温度が必要である。したがって、金属ナノ粒子分散液を塗布していない樹脂基板に焼結と同等のレーザ光照射をすると基板を損傷させてしまう可能性がある。本実施例ではかような事態が生じないように、レーザ光照射工程では、金属ナノ粒子分散液が塗布しているところは、レーザ光照射を行い、金属ナノ粒子分散液が塗布していない部分については一旦レーザ光照射を停止する。そして基板１をＸＹ軸ステージにより移動させたのち、金属ナノ粒子分散液を塗布した部分がレーザ焦点位置に来た時、再度レーザ光照射を開始する。その他の構成は、実施例１〜４と同様である。
（実施例６）
金属ナノ粒子分散液は、使用時には室温、保管時には、０〜１０℃により低温保管して性能を保証する必要がある。

本実施例では、図９に示すように、金属ナノ粒子分散液が入った分散液貯蔵ボトル４３は、配管でインクジェット装置２のヘッド２ａに接続されている。ボトル４３には、ペルチェ素子などを使用した冷却装置４４を具備する。これにより、金属ナノ粒子分散液の低温保存が必要な焼結体膜形成装置停止中には、分散液ボトルを取り外すことなく分散液を冷却し、低温保存を実現する。再始動時には、冷却装置を停止することで、分散液を室温まで上昇させることにより、再始動時の作業を軽減する。

本実施例では、ボトル４３からインクジェット装置２に金属ナノ粒子分散液を供給する液供給配管の途中に三方弁４２を設け、この三方弁４２を介して金属ナノ粒子分散液の貯蔵タンク４３と溶剤ボトル４５（金属ナノ粒子の主溶剤）とをインクジェットヘッド２ａに対して切替可能に設定する。この三方弁４２を制御して、金属焼結体膜の形成作業時にはボトル４３からインクジェットヘッド２ａに金属ナノ粒子分散液が供給され、金属焼結体膜の形成作業終了後には、ボトル４５に貯蔵された溶剤のみをインクジェットヘッド２ａ及び配管に供給して配管及びヘッドに残留したインクを除去するよう構成した。本実施例では、三方弁２１及び溶剤ボトル４５がヘッドクリーニングを兼ねる。
（実施例７）
図１０に実施例１〜６の焼結体膜形成装置で実行されるレーザ光照射工程のその他の例を示す。本実施例では、基板１に広範囲に金属ナノ粒子分散液を塗布した場合の焼結方法である。広範囲の焼結は、金属ナノ粒子分散液の塗布範囲Ｐ全部にレーザ光照射することはなく、例えば、１〜１０ｍｍの一定間隔で繰返しレーザ光照射Ｓを行うことにより、レーザ光照射周辺部分についても基板の熱伝導で焼結温度となり、金属ナノ粒子焼結体膜が形成される。例として、銅基板で１mm角の範囲に金ナノ粒子分散液を塗布した場合、塗布範囲中心線に沿ってスポット直径２００μｍのビーム照射で塗布範囲全体を焼結することができる。さらに塗布範囲が広範囲になる場合は、繰返しビーム照射することにより広い面積での焼結体膜の成膜が可能である。
（実施例８）
図１１に示す実施例では、焼結体膜形成装置１００の構成が図１及び図４に示すものと一部異なる。異なる点は、図１及び図４に示すような専用の予備加熱装置（ホットプレート３）を設けず、レーザ光照射装置５の基板搭載ステージ５´に基板１を加熱する加熱装置３を設ける。この加熱装置３が、レーザ光照射前に前記基板を予備加熱する手段と、レーザ光照射中に基板１をアシスト加熱する手段として兼用するように構成されている。

本実施例は、レーザ照射工程でのレーザ出力強度を低減する方法である。この方式をレーザアシスト方式と呼ぶ。レーザアシスト方式では、レーザ照射工程に際して、あらかじめ基板１をセットするレーザ照射用ステージ５´を加熱装置３で５０〜１５０℃に加温して基板温度上昇させる。そして、焼結温度（２５０℃以下）までの残りの温度を、レーザ光照射による熱エネルギーで上昇させる方式である。すなわち、レーザ光照射での温度上昇幅が少なくできるため、低レーザ出力強度で金属ナノ粒子分散液を焼結することが可能となる。

本実施例では、例えば、金属ナノ粒子分散液が塗布された基板１は、インクジェット装置２からレーザ光照射装置５のステージ５´に搬送され、そのステージ５´に設けた加熱装置３により予備加熱工程に付される（図１１のｂの工程）。この予備加熱により、分散液に含まれる溶剤の蒸散除去が行われる。

予備加熱工程で位置ずれを起こした基板１を、再度正確な位置に復帰させるため、基板１は、プリアライメント装置４に搬送される（図１１のｃの工程）。

プリアライメント工程で正確な位置に復帰した基板１は、再度、インクジェット装置２のステージ２´にセットされ、先に塗布した位置と同一位置に、塗布量を変えた金属ナノ粒子分散液が複数回塗布され、金属ナノ粒子分散液の膜厚を制御する（図１１のｄの工程）。

その後、再度、基板１は、レーザ光照射装置５のステージ５´に搬送されて、加熱装置３により予備加熱工程に付され、溶剤の蒸散除去が行われる（図１１のｅの工程）。その後、再度、基板１は、プリアライメント装置４に搬送されて正確な位置に復帰する（図１１のｆの工程）。その後、基板１は、レーザ光照射装置５に搬送され、基板１が加熱装置３により加熱（レーザアシスト）されつつ基板１上の金属ナノ粒子分散液の塗布位置にレーザ光が照射されて金属ナノ粒子の焼結体膜形成工程（レーザ焼結工程）が行われる（図１１のｇの工程）。
（実施例９）
実施例１〜９のレーザ光照射工程は、予備加熱された金属ナノ粒子分散液にレーザ光照射することで、残った溶剤を蒸散させながら金属ナノ粒子を焼結させる。溶剤を蒸散させとともに一部の金属ナノ粒子も飛散させることになり、人体防護も必要となる。

飛散した金属ナノ粒子を、局所排風機を用いHEPAフィルタなどのエアーフィルタを介して排気する。または、熱交換器・空調設備などを用いて装置内循環として金属ナノ粒子の飛散を防止することも可能である。

本発明に係る高精度で高密着性の金属ナノ粒子焼結膜形成膜の形成方法及び装置は、リードフレームのワイヤボンディング用機能性膜、あるいは微細配線基板の作製、あるいはコネクタなどの端子の金めっき加工、非導電性材料への直接めっき加工などに応用できる。特に半導体チップ等の電子部品の実装や、ワイヤボンディングなどのインライン化への対応を供給出来る装置に適用可能である。

１：基板、２：金属ナノ粒子分散液塗布装置（インクジェット装置または、ニードル式ディスペンサ）、３：加熱装置（ホットプレート）、４：プリアライメント装置、５：レーザ光照射装置、１１：レーザ光照射、２´，３´，４´，５´：ステージ、２１：ニードル、２２：インク溜め、２３：金属ナノ粒子塗布膜、４０：コーナーガイド、４２：三方弁、４３：金属ナノ粒子分散液貯蔵ボトル、４４：冷却装置、４５：主溶剤ボトル。

Claims (17)

1. 金属ナノ粒子を分散させた金属ナノ粒子分散液を、塗布装置を介して基板上に塗布する塗布工程と、この金属ナノ粒子分散液の塗布領域にレーザ光を照射して基板上に金属焼結体膜を形成するレーザ光照射工程と、を有し、
   前記塗布工程は、前記金属ナノ粒子分散液の濡れ性が変化しないように加温装置により前記基板を一定の温度に維持しながら行なわれ、
   前記レーザ光照射工程は、大気中でレーザ光照射部位に不活性ガスを吹き付けながら行なわれることを特徴とするレーザを用いた焼結体膜形成方法。
2. 前記塗布工程後に、前記基板上の前記金属ナノ粒子分散液を、３０℃から前記金属ナノ粒子分散液の沸点以下の温度で予備加熱して前記溶媒を蒸発除去する予備加熱工程を有し、前記レーザ光照射工程では、予備加熱された前記金属ナノ粒子分散液の塗布領域にレーザ光を照射して基板上に前記金属焼結体膜を形成する請求項１記載のレーザを用いた焼結体膜形成方法。
3. 前記レーザ光照射工程では、前記基板をレーザ光照射工程用のステージに設けた加熱装置により、３０℃から前記金属ナノ粒子分散液の沸点以下の温度で加熱しながら、基板上の前記金属ナノ粒子分散液の塗布領域に前記レーザ光を照射して前記金属焼結体膜を形成する請求項１又は２記載のレーザを用いた焼結体膜形成方法。
4. 前記レーザ光照射工程用に用いる基板搭載ステージに基板を加熱する加熱装置が設けられ、この加熱装置を、塗布工程後に前記基板を予備加熱する予備加熱工程の加熱手段と、前記レーザ光照射光工程時に基板をアシスト加熱する加熱手段として兼用する請求項１記載のレーザを用いた焼結体膜形成方法。
5. 前記塗布工程及び予備加熱工程は、交互に繰り返し複数回行われるようにしてレーザ光照射工程前の前記金属ナノ粒子分散液の膜厚を所定の厚みに設定する請求項２又は４記載のレーザを用いた焼結体膜形成方法。
6. 前記焼結体膜を形成すべき基板の受入れステージから払出しステージに該基板を搬送するための搬送装置を設け、前記受入れステージから前記払出しステージの間の基板搬送ラインに、前記塗布工程、前記予備加熱工程、及び前記レーザ光照射工程が行われるそれぞれのステージと前記基板の位置調整を行うプリアライメント工程のステージとを設け、前記基板を所定のシーケンスに沿ってこれらの工程のステージ間に前記搬送装置を介して行き来させて前記各工程が行われる請求項２、４又は５記載のレーザを用いた焼結体膜形成方法。
7. 前記塗布装置としてインクジェット装置或いはニードル式ディスペンサが用いられ、前記塗布工程では、電子データで保持されたパターンに従い基板上に前記金属ナノ粒子分散液が塗布され、同様に前記レーザ光照射工程は、前記電子データで保持されたパターンに従い行われる請求項１ないし６のいずれか１項記載のレーザを用いた焼結体膜形成方法。
8. 前記基板上に塗布される前記金属ナノ粒子分散液の塗布領域が前記レーザビームを走査する必要があるほど広範囲である場合、前記レーザ光照射工程では、前記塗布領域の全てに前記レーザ光を照射せず、１〜１０ｍｍの一定間隔をあけてレーザ光照射を走査することで前記金属焼結体膜を形成する請求項１ないし７のいずれか１項記載のレーザを用いた焼結体膜形成方法。
9. 金属ナノ粒子を分散させた金属ナノ粒子分散液を基板上に塗布する塗布装置と、この金属ナノ粒子分散液の塗布領域にレーザ光を照射して基板上に金属焼結体膜を形成するレーザ光照射装置と、を有し、
   前記塗布装置における基板搭載ステージには、前記金属ナノ粒子分散液の濡れ性が変化しないように前記基板を一定の温度に維持する加温装置が設けられ、
   前記レーザ光照射装置には、レーザ光照射部位に不活性ガスを吹き付ける不活性ガス供給機構が備わっていることを特徴とするレーザを用いた焼結体膜形成装置。
10. 前記基板上に塗布された前記金属ナノ粒子分散液を、３０℃から前記金属ナノ粒子分散液の沸点以下の温度で予備加熱して前記溶媒を蒸発除去する加熱装置を有し、前記レーザ光照射装置は、予備加熱後の前記金属ナノ粒子分散液の塗布領域に前記レーザ光を照射するように構成されている請求項９記載のレーザを用いた焼結体膜形成装置。
11. 前記レーザ光照射装置の基板搭載用ステージには、前記基板を加熱する加熱装置が設けられ、この加熱装置により前記基板を３０℃から前記金属ナノ粒子分散液の沸点以下の規定温度で加熱しながら、前記レーザ光照射装置が基板上の前記金属ナノ粒子分散液の塗布領域に前記レーザ光を照射するように構成されている請求項９又は１０記載のレーザを用いた焼結体膜形成装置。
12. 前記レーザ光照射工程用に用いる基板搭載ステージに前記基板を加熱する加熱装置が設けられ、この加熱装置が、レーザ光照射前に前記基板を予備加熱する手段と、レーザ光照射中に前記基板をアシスト加熱する手段として兼用するように構成されている請求項９記載のレーザを用いた焼結体膜形成装置。
13. 前記焼結体膜を形成すべき基板の受入れステージから払出しステージに該基板を搬送するための搬送装置を備え、
    前記受入れステージから前記払出しステージの間の基板搬送ラインに、前記塗布装置、前記加熱装置及び前記レーザ光照射装置の各ステージと前記基板の位置調整を行うプリアライメント用のステージとが設けられ、前記基板を所定のシーケンスに沿ってこれらのステージ間に前記搬送装置を介して行き来させる構成の請求項１０、１１又は１２記載のレーザを用いた焼結体膜形成装置。
14. 前記金属ナノ粒子分散液の供給源となる金属ナノ粒子分散液貯蔵ボトルを備え、このボトルは、液冷却装置を備える請求項９〜１３のいずれか１項記載のレーザを用いた焼結体膜形成装置。
15. 前記ボトルから前記塗布装置に前記金属ナノ粒子分散液を供給する液供給配管を備え、この配管の途中には三方弁が設けられ、この三方弁を制御して、金属焼結体膜の形成作業時には前記ボトルから前記塗布装置に金属ナノ粒子分散液が供給され、金属焼結体膜の形成作業終了後には、溶剤ボトルに貯蔵された溶剤のみを前記塗布装置のヘッド及び配管に供給して配管及びヘッドに残留したインクを除去するよう構成した請求項１４記載のレーザを用いた焼結体膜形成装置。
16. 前記レーザ光照射時の金属ナノ粒子の飛散を、エアーフィルタを介して防止する排気装置又は機内循環による空調設備を備えた請求項９ないし１５のいずれか１項記載のレーザを用いた焼結体膜形成装置。
17. 前記金属ナノ粒子分散液塗布装置，加熱装置，レーザ装置の各ステージをエリア分けして複数基板をセット出来るようにし、複数同時に塗布，乾燥または焼結を行うよう構成した請求項９ないし１６のいずれか１項記載のレーザを用いた焼結体膜形成装置。

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