JP3544543B2

JP3544543B2 - 液状樹脂噴射装置及び樹脂構造物

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Publication number: JP3544543B2
Application number: JP2003285835A
Authority: JP
Inventors: 卓朗関谷; 耀一郎宮口; 康朗林
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2003-08-04
Filing date: 2003-08-04
Publication date: 2004-07-21
Anticipated expiration: 2019-07-21
Also published as: JP2004104104A

Description

本発明は、コンピュータ情報に基づいてインクジェット原理の噴射ヘッドを移動させて樹脂を噴射させる液状樹脂噴射装置及びこの液状樹脂噴射装置によって形成された樹脂構造物に関する。

従来、半導体製造プロセス、プリント基板製造、ＴＶブラウン管に使用されるシャドーマスク製造等においては、いわゆる、フォトリソグラフィーやエッチング等の技術が利用されており、高精度なパターン製造技術として確立している。これらの技術は、いわゆる写真製版の技術を応用したものであり、基板上に感光性のフォトレジストを塗布し、フォトマスクを介して紫外線を照射し、その後、現像することによって、フォトマスクパターンと同等のフォトレジストパターンを形成、或いは、その後エッチングを行い、基板上にフォトレジストと同等のパターンを形成することができる。

そこで、今、半導体製造プロセスにおけるリソグラフィー技術の一例を図５及び図６に基づいて説明する。図５（ａ）〜（ｇ）は、いわゆるウェハプロセス（レジストプロセス）における工程フローを示す。図６（ａ）〜（ｃ）は、その工程フローによって形成されるネガ型レジスト（ポジ型レジストは露光工程がこれと逆となる）を使用した場合のパターン断面形状を示す。ここでは、以下、シリコンウェハ上にＳｉＯ２の開口部を設ける場合の例について述べる。

まず、図５（ａ）の〔ウェハ前処理工程〕では、表面に熱酸化膜（ＳｉＯ２）２を約１μｍ形成した基板１（シリコンウェハ）を洗浄によって清浄化する。次に、図５（ｂ）の〔レジスト塗布工程〕では、スピンコーティング（或いは、ロールコーティング）によって、基板１上にフォトレジスト３を０．５〜１．０μｍ塗布する。この場合、基板１とフォトレジスト３との密着を良くするために、図示しない密着性向上剤（ＯＡＰ等）を事前に基板１上に塗布しておく。次に、図５（ｃ）の〔プリベーク工程〕では、塗布されたフォトレジスト中の溶剤成分を蒸発させるために、８０〜９０℃のベーキング炉中で１０〜２０分加熱する。次に、図５（ｄ）、図６（ａ）の〔マスク合わせ工程〕では、フォトレジスト３を塗布した基板１面にフォトマスク４を整合する。ここで使用するフォトマスク４は、石英ガラス或いは低膨張ガラスのような熱膨張の影響を受けにくいガラスを高精度に研磨し、その表面にクロムの蒸着膜よりなる所望のパターンが形成されてなるものである。これにより、クロムの蒸着膜が形成されている領域は光を透過せず、クロムの蒸着膜が形成されていない領域は光を透過する。次に、図５（ｅ）、図６（ｂ）の〔露光工程〕では、マスク合わせが終了した後、ＵＶ照射により露光を行う。これにより、クロムの蒸着膜が形成されている領域とクロムが形成されていない領域とで照射或いは非照射となるため、クロムのマスクパターンに応じた潜像がフォトレジスト中に形成される。次に、図５（ｆ）、図６（ｃ）の〔現像工程〕では、ネガ型レジストにおいて、潜像を顕像化するため、現像液によってＵＶ光が照射されなかった部分のフォトレジスト３が溶解される（ただし、ポジ型レジストでは、その逆でＵＶ光が照射された部分が溶解される）。これにより、基板１上にはフォトレジストパターン５が形成される。次に、図５（ｇ）の〔ポストベーク工程〕では、現像後のフォトレジストパターン５を次のエッチング工程でのエッチング液に耐えられるように、１３０〜１５０℃のベーキング炉中で３０〜６０分間だけ加熱し、硬化させる。

上述したような従来の半導体製造プロセスのリソグラフィー技術においては、図５（ａ）〜（ｇ）のレジストプロセス工程と、図示しないエッチングプロセス工程とよりなるが、とりわけ、レジスト塗布、露光、現像といった前者の工程ではプロセス時間が長いという問題を有している。また、このような技術において用いられるフォトマスク４は、ガラス基板や透明フィルム上にパターンが形成されているものであり非常に高価なものとなる。

本発明は、従来のような写真製版を行うことなく、樹脂構造物をダイレクトに、かつ簡単に、しかも高精度に形成することができ、その際のプロセスを短時間化することができるような手段を提供する。

請求項１記載の液状樹脂噴射装置の発明は、液状樹脂によるドットが形成される基板を保持する基板保持手段と、前記基板と相対する位置に配置され前記液状樹脂をφ１０〜１００μｍのノズルから噴射するインクジェット原理の噴射ヘッドと、この噴射ヘッドに入力されたコンピュータからの情報に基づいて前記噴射ヘッドを移動させて該噴射ヘッドから前記液状樹脂の滴を噴射させ、前記基板上に前記液状樹脂を非接触でドットとしてダイレクトに堆積させる手段と、該堆積させた前記液状樹脂によるドットを光によって硬化させる手段と、を備える。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の液状樹脂噴射装置において、前記噴射ヘッドは、ピエゾ素子による液室の内部容積変化を利用して前記液状樹脂を噴射させる。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の液状樹脂噴射装置において、前記噴射ヘッドは、前記基板保持手段の上方に配置され、該基板保持手段の上方で移動しながら下方に向けて前記液状樹脂を噴射する。

請求項４記載の発明は、請求項１ないし３のいずれか一記載の液状樹脂噴射装置において、前記液状樹脂はＵＶ硬化型樹脂であり、前記液状樹脂を前記噴射ヘッドに供給する液状樹脂供給手段は、前記液状樹脂を感光させる光を遮断するチューブからなり、前記噴射ヘッドから噴射されて前記基板上に堆積された前記液状樹脂によるドットをＵＶ光によって硬化させるようにした。

請求項５記載の発明は、請求項１ないし４のいずれか一記載の液状樹脂噴射装置において、前記液状樹脂はＵＶ光によって感光し硬化する樹脂であり、前記噴射ヘッドによって前記液状樹脂を噴射する領域を、その液状樹脂が感光しない安全光下に置いた。

請求項６記載の樹脂構造体の発明は、請求項１ないし５のいずれか一記載の液状樹脂噴射装置によって形成された硬化後の樹脂構造体である。

本発明は、以上のように構成したので、従来のようにフォトマスクを用いることなく、基板上に樹脂構造物をダイレクトに、かつ簡単に、しかも高精度に形成することができ、その際のプロセスを短時間化することができる。

本発明の一実施の形態を図１〜図４に基づいて説明する。まず、パターン画像形成装置（液状樹脂噴射装置）の全体構成を図１に基づいて述べる。基板保持手段としての基板保持台７上には、パターン画像が形成される基板８が設けられている。また、基板保持台７上のアーム９にはキャリッジ１０が取付けられ、このキャリッジ１０には噴射ヘッド１１が固定されている。キャリッジ１０は、Ｘ方向スキャンモータ１２と、Ｙ方向スキャンモータ１３とによりＸ、Ｙ方向に移動できるようになっている。また、基板保持台７の下部には、噴射ヘッドシステムコントロールボックス１４が配置されている。この噴射ヘッドシステムコントロールボックス１４は、入力されたパターン画像情報に基づいて噴射ヘッド１１から液状物質としての液状樹脂２３を噴射させ基板８上に樹脂のパターン画像を描くパターン画像形成制御手段を備えている。この噴射ヘッドシステムコントロールボックス１４と噴射ヘッド１１との間には、液状樹脂供給チューブ１５と、信号供給ケーブル１６とが接続されている。さらに、噴射ヘッドシステムコントロールボックス１４は、コントロールボックス１７を介して、情報入力手段としてのコンピュータ１８と接続されている。

図２は、噴射ヘッド１１の構成を示すものである。この噴射ヘッド１１は、噴出口としてのノズル１９と、このノズル１９に連通する流路としての液室２０と、この液室２０の一部に形成され内部容積を変化させるエネルギー作用部２１と、前記液室２０に樹脂供給路２２を介して液状樹脂２３を供給する液状樹脂供給手段としてのタンク２４とからなっている。前記エネルギー作用部２１は、液室２０の後面に形成された金属ダイヤフラム２１ａと、この金属ダイヤフラム２１ａに貼り合わされた圧電素子（ピエゾ電気結晶）２１ｂとよりなっている。また、液状樹脂２３の材料としては、感光性レジストが用いられる。

このような噴射ヘッド１１を用いて、適当な電圧インパルスを印加すると、圧電素子２１ｂが駆動し金属ダイヤフラム２１ａに曲げモーメントが作用して変形し、液室２０内の容積が縮小して室内の圧力が上昇し、これにより液状樹脂２３はノズル１９より外部に噴出する。この場合、液室２０内の液状樹脂２３の速度は１０ｍ／ｓ程度であり、印加する電圧インパルスの零への減少は比較的緩慢の方がよい。ノズル１９の直径としては、形成するパターンの細かさにも依存するが、通常、φ１０〜１００μｍ程度のものが用いられる。また、液状樹脂２３に用いられる感光性レジストの粘度は数ｃｐであり、一般のスピンコーティングの場合の粘度よりも低く設定されている。

このように構成されたパターン画像形成装置を用いて、例えば、以下に述べるようなプロセスに従って基板８上に画像パターンの形成を行う。まず最初に、コンピュータ１８を用い、コンピュータグラフィックスを駆使して、所望とする画像パターンをデザインする。第二番目に、基板８を前処理（洗浄）して乾燥させた後、基板保持台７にセットする。第三番目に、噴射ヘッド１１を起動し、コンピュータグラフィックスのパターンに応じてその噴射ヘッド１１から液状樹脂２３を基板８上に噴射しながらＸ、Ｙ方向に移動し、レジストパターンを形成する。第四番目に、ポストベーキングを行う。このような一連のプロセスによって、基板８上にはコンピュータグラフィックスでデザインしたパターンのリソグラフが完成することになる。

次に、前述した噴射ヘッド１１の他の構成例を図４に基づいて説明する。ここでの噴射ヘッド１１は、荷電制御型或いは連続流型と呼ばれているインクジェット装置として知られているものであり、液状樹脂２３を噴射し、所望の樹脂パターンを形成するのに利用することができる。すなわち、図４に示すように、電歪振動子２８の振動により噴射された液状樹脂２３は、荷電電極２９を通過して偏向電極３０によりその進行方向が偏向され、基板８の面上に照射される。また、液状樹脂２３は液状樹脂タンク３１に回収され、加圧ポンプ３２により再び噴射ヘッド１１に送られ循環されている。液状樹脂２３は荷電粒子とされているが、具体的にはポリアニリンを５〜１０％添加することにより導電性を付与することができる。この場合、図２に示した噴射ヘッド１１との違いは、加圧ポンプを使用して噴射を行うため、ドロップ形成頻度が高く高速なパターン形成ができる点である。また、噴射ドロップの飛翔速度も速い（１５〜２０ｍ／ｓ）ため、安定したドロップ噴射を行うことができる。

なお、液状樹脂２３は、感光性レジストに限るものではなく、この他の材料として光や熱により硬化する材料、例えば、ＵＶ硬化型エポキシ系接着剤、ＵＶ硬化反応開始剤を入れたメタアクリル酸樹脂などを数ｃｐの低粘度にした材料、噴射してパターン形成後に加熱し硬化させる高分子アクリル溶液からなる材料等を使用することができる。この場合、液状樹脂２３が光に反応するものの場合、樹脂供給路２２は外界からの光を遮断する必要がある。このようなことから、樹脂供給路２２を不透明な材料にしたり、フォトレレジスト等が感光しない黄色の透明チューブにしたり、噴射システム全体を感光しない安全光のイエロールームに設置したりする。

上述したように、コンピュータグラフィックスの画像情報をもとに、基板８上に直接液状樹脂２３を吹き付け、パターン形成を行うようにしたことにより、従来のように高価なフォトマスクを用いて露光、現像を行ういわゆるフォトリソグラフィーに比べて、プロセスの短縮化を図り、生産コストを削減することができる。また、噴射ヘッド１１は基板８に対して非接触な状態で液状樹脂２３を噴射しパターン形成を行うため、高精度なパターンを容易に形成することができる。液状樹脂２３の材料としては、プリント基板等の分野で広く使用されている感光性レジストを使用しているため、容易にしかも低コストで手に入れることができる。さらに、噴射によるパターン形成後の硬化も、ＵＶ光等の照射によって容易に硬化させることができる。

また、本方法は、フォトマスクを使用しない、新規なリソグラフィー技術であることから、基板８上に所望のリソグラフィーパターンを形成する際のプロセスの短縮化や生産コストの削減を図ることができると共に、高精度なパターンを形成することができる。

本発明の一実施の形態であるパターン画像形成装置の全体構成を示す斜視図である。噴射ヘッドの構造を示す断面図である。樹脂パターンの形成方法を示す模式図である。噴射ヘッドの他の構造例を示す分解斜視図である。従来のフォトリソ処理の様子を示す工程図である。ネガ型レジストの場合のフォトリソ処理を示す工程図である。

符号の説明

７基板保持手段
８基板
１１噴射ヘッド
１５チューブ
１８コンピュータ
１９ノズル
２０液室
２１ｂピエゾ素子（圧電素子（ピエゾ電気結晶））
２３液状樹脂

Claims

液状樹脂によるドットが形成される基板を保持する基板保持手段と、
前記基板と相対する位置に配置され前記液状樹脂をφ１０〜１００μｍのノズルから噴射するインクジェット原理の噴射ヘッドと、
この噴射ヘッドに入力されたコンピュータからの情報に基づいて前記噴射ヘッドを移動させて該噴射ヘッドから前記液状樹脂の滴を噴射させ、前記基板上に前記液状樹脂を非接触でドットとしてダイレクトに堆積させる手段と、
該堆積させた前記液状樹脂によるドットを光によって硬化させる手段と、
を備えることを特徴とする液状樹脂噴射装置。
前記噴射ヘッドは、ピエゾ素子による液室の内部容積変化を利用して前記液状樹脂を噴射させることを特徴とする請求項１記載の液状樹脂噴射装置。
前記噴射ヘッドは、前記基板保持手段の上方に配置され、該基板保持手段の上方で移動しながら下方に向けて前記液状樹脂を噴射することを特徴とする請求項１記載の液状樹脂噴射装置。
前記液状樹脂はＵＶ硬化型樹脂であり、
前記液状樹脂を前記噴射ヘッドに供給する液状樹脂供給手段は、前記液状樹脂を感光させる光を遮断するチューブからなり、
前記噴射ヘッドから噴射されて前記基板上に堆積された前記液状樹脂によるドットをＵＶ光によって硬化させるようにした、
ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一記載の液状樹脂噴射装置。
前記液状樹脂はＵＶ光によって感光し硬化する樹脂であり、
前記噴射ヘッドによって前記液状樹脂を噴射する領域を、その液状樹脂が感光しない安全光下に置いた、
ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一記載の液状樹脂噴射装置。
請求項１ないし５のいずれか一記載の液状樹脂噴射装置によって形成されたことを特徴とする硬化後の樹脂構造体。