JP5187913B2 - パターン描画方法および装置 - Google Patents
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Description
本発明は、パターン描画方法、パターン描画装置、および配線パターンに関し、例えば、薄膜形成方法、デバイスの製造方法、電気光学装置の製造方法、並びに電子機器に関する。
高機能部品には小型、低コスト化だけでなく製品の多様化や製品サイクルの短期化に対応できる設計・製造技術が求められる。高機能な部品を提供し、新たな産業の牽引役として期待されるＭＥＭＳ技術もますます高集積化・高機能化が求められると同時に、実用化段階では、少量多品種製品での製造コストの低減や製作期間の短縮などの課題を解決することも重要になっている。
また、一般にこの様なＭＥＭＳ部品を実用製品につなげるには、半導体チップを使用する場合と異なり、センサやアクチュエータ機能を損なわずに高い信頼性で製品と一体化することが求められ、このための実装技術がＭＥＭＳデバイスコストのかなりの部分を占めるとされている。
特に医療、福祉分野など、ヒューマンインターフェイスをとる必要があるＭＥＭＳ部品（人デバイス）やロボット、車載関連デバイスでは、実装コストの大幅な低減や設計・仕様変更あるいは、カスタムメイド、アドオンメイドに対応するための実装のフレキシビリティーを大幅に向上することが必要となり、迅速な電子材料の微細なパターンニング技術が重要となってきている。
特に医療、福祉分野など、ヒューマンインターフェイスをとる必要があるＭＥＭＳ部品（人デバイス）やロボット、車載関連デバイスでは、実装コストの大幅な低減や設計・仕様変更あるいは、カスタムメイド、アドオンメイドに対応するための実装のフレキシビリティーを大幅に向上することが必要となり、迅速な電子材料の微細なパターンニング技術が重要となってきている。
ところが一般に金属、非金属材料の薄膜をフォトリソグラフィプロセスでマスキングしエッチングなどにより形成した膜を微細パターン化するには、工程が複雑になり、パターンのフレキシビリティーにも制限が多く、大きな段差のある部位に連続的なパターンを形成することは困難で、さらに、非金属材料の場合はエッチング速度が遅く、また、エッチング温度が高いためにエッチングガスによる基板やデバイス構造へのダメージやマスク材料の耐久性などに製造上の多くの課題をもつ。
そこで最近では、金属ナノ粒子インクや金属アルコキシド溶液などの原料をインクジェット方式で液滴化し、基板上に直接描画して、微細パターンを形成、その後、熱処理などを施すことで、金属やセラミックス膜の微細パターンをエッチング工程なしで形成する手法が提案されている。液滴を微細化することで、１μｍ前後の線幅のパターンも形成できるようになってきている。
この手法の場合、基板上に形成された熱処理前の微細パターンは結晶化あるいは金属化しておらず、このままでは機能を発現しない。
そこで、これを熱処理して結晶化させる。しかしながら、膜を厚く積み上げてから一度に熱処理すると、結晶化に伴う膜の収縮から、クラックや剥離を生じ、安定にデバイスを製造することが困難で、また、膜の厚みを得るには何度も同じ場所に堆積を繰り返す必要があり、高速の厚膜パターンの形成が困難という問題があった。
そこで、これを熱処理して結晶化させる。しかしながら、膜を厚く積み上げてから一度に熱処理すると、結晶化に伴う膜の収縮から、クラックや剥離を生じ、安定にデバイスを製造することが困難で、また、膜の厚みを得るには何度も同じ場所に堆積を繰り返す必要があり、高速の厚膜パターンの形成が困難という問題があった。
従来インクジェット法では、液滴が基板に着弾するときに表面張力による基板材の濡れ性や基板表面粗さによる毛細管効果のため液滴が広がり、液滴径の数倍以上の線幅となり微細な描画が出来なかった。この様な課題に対し、一般には、基板表面に様々な表面処理を施し、この濡れ性を制御、液滴の広がりを押さえることで、微細描画を目指す開発が進められている。
また、ノズル開口サイズを１０μｍ以下と微細化し、電界吸引を用いて吐出液滴のサイズを体積で１／１０００以下にすることでミクロンサイズの線幅の微細描画を可能とする微細インクジェット技術が開発されている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１によれば、液滴サイズが小さくなることで、非線形に溶液の蒸発速度が高まり、基板着弾後の液滴の広がりを押さえ、数ミクロン線幅の描画を可能としている。
特開２００４−１６５５８７号公報
しかし、前記の基板表面に様々な表面処理を施す場合、表面描画する液滴材料と基板材料の組み合わせに制限があり、また、大きな段差や凹凸のある非平面の基板上への適応が困難などの課題がある。さらに供給液滴材料にもよるが、ノズルの詰まりを考慮した場合、表面張力と粘性の選択には制限があり、おおよそ３０〜５０μｍの線幅が限界とされる。
また、特許文献１では、液滴サイズが非常に小さいため、基板上へのノズルあたりの材料供給が著しく微量で、一回の描画での膜厚は数十ｎｍ程度で、数ミクロン以上の厚みを取るには、数十回以上の重ね塗りが必要になり、大電流のパワー伝送や高周波領域での信号伝送用の配線には描画時間がかかり過ぎ、実用的なスループットが得られないという実用上の問題があった。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、上述した電子部品作成などに適用可能な様々な材質、形状の基板材料に対し、実用的な高い描画速度をもち、一回の描画で０．５μｍ以上の厚みのある微細パターンを安定に形成する方法を提供することを目的とする。
そこで、本発明では、ノズルの微細化などにより液滴を微細化することなく、基板上に着弾した液滴サイズの広がりを抑え、配線や機能膜として実用的な厚みのある微細な配線パターンや機能膜パターンを形成する手法を提供する。
そこで、本発明では、ノズルの微細化などにより液滴を微細化することなく、基板上に着弾した液滴サイズの広がりを抑え、配線や機能膜として実用的な厚みのある微細な配線パターンや機能膜パターンを形成する手法を提供する。
請求項１記載の発明は、インクジェット方式により、金属微粒子を含むインク、又は金属アルコキシド溶液を原料溶液として、液滴化し、該液滴を基板上に着弾させて該基板上に配線パターン、又は機能膜パターンを形成するパターン描画方法において、
前記基板に対して相対移動するインクジェットヘッドの上流側の離れた位置にレーザー光やランプ光の加熱装置を配置し、該加熱装置を用いて前記液滴が前記基板上に着弾される液滴着弾予定領域を局所的に予め加熱する予熱工程と、
前記液滴着弾予定領域に前記インクジェットヘッドから前記液滴を着弾させて前記基板上に配線パターン、又は機能膜パターンを形成する描画工程とを含み、
前記液滴着弾位置と前記基板上の加熱部位の中心との距離を０．０５ｍｍ〜５０ｍｍとし、かつ前記基板の前記液滴着弾予定領域の基板表面温度が５０℃〜２００℃とされたことを特徴としている。
また、請求項２記載の発明は、請求項１に記載のパターン描画方法において、前記相対移動の速度は、１ｍｍ／ｓｅｃ〜１００ｍｍ／ｓｅｃであり、かつ前記インクジェットヘッドから吐出する前記液滴の吐出周波数が１００Ｈｚ〜５０ｋＨｚであることを特徴としている。
また、請求項３記載の発明は、請求項１に記載のパターン描画方法において、前記液滴の径は、１０μｍ〜１５０μｍであることを特徴としている。
また、請求項４記載の発明は、請求項１に記載のパターン描画方法において、前記光のスポット径は、５０μｍ〜１０ｍｍであることを特徴としている。
また、請求項５記載の発明は、請求項１に記載のパターン描画方法において、前記インクは、粒子径１μｍ以下の銀又は銅の微粒子が有機溶媒に分散されていることを特徴としている。
前記基板に対して相対移動するインクジェットヘッドの上流側の離れた位置にレーザー光やランプ光の加熱装置を配置し、該加熱装置を用いて前記液滴が前記基板上に着弾される液滴着弾予定領域を局所的に予め加熱する予熱工程と、
前記液滴着弾予定領域に前記インクジェットヘッドから前記液滴を着弾させて前記基板上に配線パターン、又は機能膜パターンを形成する描画工程とを含み、
前記液滴着弾位置と前記基板上の加熱部位の中心との距離を０．０５ｍｍ〜５０ｍｍとし、かつ前記基板の前記液滴着弾予定領域の基板表面温度が５０℃〜２００℃とされたことを特徴としている。
また、請求項２記載の発明は、請求項１に記載のパターン描画方法において、前記相対移動の速度は、１ｍｍ／ｓｅｃ〜１００ｍｍ／ｓｅｃであり、かつ前記インクジェットヘッドから吐出する前記液滴の吐出周波数が１００Ｈｚ〜５０ｋＨｚであることを特徴としている。
また、請求項３記載の発明は、請求項１に記載のパターン描画方法において、前記液滴の径は、１０μｍ〜１５０μｍであることを特徴としている。
また、請求項４記載の発明は、請求項１に記載のパターン描画方法において、前記光のスポット径は、５０μｍ〜１０ｍｍであることを特徴としている。
また、請求項５記載の発明は、請求項１に記載のパターン描画方法において、前記インクは、粒子径１μｍ以下の銀又は銅の微粒子が有機溶媒に分散されていることを特徴としている。
また、上記パターン描画方法においては、前記基板上の前記着弾予定領域の温度を測定する基板温度測定工程を含み、前記予熱工程は、前記基板温度測定工程で測定された基板温度に基づいて、前記基板の移動速度、前記液滴の吐出サイクル、及び前記着弾予定領域の加熱を制御する予熱制御工程を含むことが好ましい。
すなわち、金属微粒子を溶媒に中に分散した金属微粒子インクや金属アルコキシド溶液などの原料溶液をインクジェット方式で液滴化し、基板上に直接描画して、微細な配線パターンや機能膜パターンを形成する微細パターン形成方法において、インクジェット描画により微細パターンを形成する基板を、液滴着弾前にあらかじめレーザーやランプにより局所加熱しておき、その後、基板上の局所加熱された近傍にインクジェットヘッドのノズルが相対するように、基板を移動させ、液滴を着弾させる。着弾された液滴は、局所加熱された基板の余熱効果により、液滴中の溶媒成分は直ちに蒸発・乾燥することで液滴の基板への濡れ性による広がりは抑制される。
さらに、加熱温度と加熱箇所を制御することで、微細パターンを結晶化し、厚みのある微細な導電性配線パターンや機能膜パターンを形成する。
すなわち、金属微粒子を溶媒に中に分散した金属微粒子インクや金属アルコキシド溶液などの原料溶液をインクジェット方式で液滴化し、基板上に直接描画して、微細な配線パターンや機能膜パターンを形成する微細パターン形成方法において、インクジェット描画により微細パターンを形成する基板を、液滴着弾前にあらかじめレーザーやランプにより局所加熱しておき、その後、基板上の局所加熱された近傍にインクジェットヘッドのノズルが相対するように、基板を移動させ、液滴を着弾させる。着弾された液滴は、局所加熱された基板の余熱効果により、液滴中の溶媒成分は直ちに蒸発・乾燥することで液滴の基板への濡れ性による広がりは抑制される。
さらに、加熱温度と加熱箇所を制御することで、微細パターンを結晶化し、厚みのある微細な導電性配線パターンや機能膜パターンを形成する。
請求項６の発明は、インクジェット方式により、金属微粒子を含むインク、又は金属アルコキシド溶液を原料溶液として、液滴化し、該液滴を基板上に着弾させて該基板上に配線パターン、又は機能膜パターンを形成する描画手段を有するパターン形成装置において、前記液滴着弾予定領域に、前記液滴を着弾させて前記基板上に配線パターン、又は機能膜パターンを形成するために、前記液滴を吐出するインクジェットヘッドと、前記基板上に対して相対移動する前記インクジェットヘッドの上流側の離れた位置に配置され、レーザー光やランプ光を用いて前記液滴が着弾する着弾予定領域を加熱するための基板加熱手段と、前記基板を移動させる移動手段と、前記基板において前記液滴が着弾する着弾予定領域の基板温度を測定する基板温度測定手段と、を有し、前記基板温度に基づいて、前記移動手段の移動速度、前記液滴の吐出サイクル、及び前記着弾予定領域の加熱を制御する予熱制御手段とを有し、
該予熱制御手段が、前記液滴着弾位置と前記基板上の加熱部位の中心との距離を０．０５ｍｍ〜５０ｍｍとし、かつ前記基板の前記液滴着弾予定領域の基板表面温度が５０℃〜２００℃とすることを特徴としている。
また、請求項７記載の発明は、請求項６に記載のパターン描画装置において、前記相対移動の速度は、１ｍｍ／ｓｅｃ〜１００ｍｍ／ｓｅｃであり、かつ前記インクジェットヘッドから吐出する前記液滴の吐出周波数が１００Ｈｚ〜５０ｋＨｚであることを特徴としている。
また、請求項８記載の発明は、請求項６に記載のパターン描画装置において、前記液滴の径は、１０μｍ〜１５０μｍであることを特徴としている。
また、請求項９記載の発明は、請求項６に記載のパターン描画装置において、前記光のスポット径は、５０μｍ〜１０ｍｍであることを特徴としている。
また、請求項１０記載の発明は、請求項６に記載のパターン描画装置において、前記インクは、粒子径１μｍ以下の銀又は銅の微粒子が有機溶媒に分散されていることを特徴としている。
該予熱制御手段が、前記液滴着弾位置と前記基板上の加熱部位の中心との距離を０．０５ｍｍ〜５０ｍｍとし、かつ前記基板の前記液滴着弾予定領域の基板表面温度が５０℃〜２００℃とすることを特徴としている。
また、請求項７記載の発明は、請求項６に記載のパターン描画装置において、前記相対移動の速度は、１ｍｍ／ｓｅｃ〜１００ｍｍ／ｓｅｃであり、かつ前記インクジェットヘッドから吐出する前記液滴の吐出周波数が１００Ｈｚ〜５０ｋＨｚであることを特徴としている。
また、請求項８記載の発明は、請求項６に記載のパターン描画装置において、前記液滴の径は、１０μｍ〜１５０μｍであることを特徴としている。
また、請求項９記載の発明は、請求項６に記載のパターン描画装置において、前記光のスポット径は、５０μｍ〜１０ｍｍであることを特徴としている。
また、請求項１０記載の発明は、請求項６に記載のパターン描画装置において、前記インクは、粒子径１μｍ以下の銀又は銅の微粒子が有機溶媒に分散されていることを特徴としている。
この発明はすなわち、請求項１記載の方法を具体化するための装置構成で、図１に示すように、通常のインクジェット装置に、基板加熱のためのレーザーや赤外線照射手段と移動ステージならびに前記液滴着弾位置（着弾予定領域）での基板温度測定手段を有し、前記液滴着弾位置での基板温度測定手段による測定温度に基づいて、前記ステージの移動速度や液滴の吐出サイクル、ならびに前記レーザーや赤外線照射強度を最適制御する構成となっている。このとき、基板加熱のためのレーザーや赤外線照射手段の配置を、基板移動方向に対し、インクジェットノズルの上流側に配置することを特徴とする。
また、請求項１１記載の発明は、インクジェット方式により、金属微粒子を含むインク、又は金属アルコキシド溶液を原料溶液として、液滴化し、該液滴を基板上に着弾させて該基板上に形成された配線パターンであって、配線パターンの配線厚みと線幅との比であるアスペクト比が０．１以上であることを特徴としている。
また、請求項１２記載の発明は、インクジェット方式により、金属微粒子を含むインク、又は金属アルコキシド溶液を原料溶液として、液滴化し、該液滴を基板上に着弾させて該基板上に形成された配線パターンであって、配線パターンのサイドウオールの角度が１７度以上の急角度であること、好ましくはほぼ垂直であることとを特徴としている。
本発明によれば、液滴サイズが大きく材料供給量が微細液滴の吐出を用いる微細インクジェット技術に比べ十分多いため微細パターンの堆積速度は、十分に速く、数十ミクロン以下の微細な配線形成する際に、特別に微細な開口サイズのノズルや静電界による吸引を用いる必要がなく、従来インクジェットノズル同程度の５０μｍ開口サイズか、それ以上の開口サイズを持ったノズルを使用しながら、ノズルの開口径あるいはインクの液滴径より小さな微細パターン描画ができる。
本発明によれば、液滴サイズが大きく材料供給量が微細液滴の吐出を用いる微細インクジェット技術に比べ十分多いため微細パターンの堆積速度は、十分に速く、数十ミクロン以下の微細な配線形成する際に、特別に微細な開口サイズのノズルや静電界による吸引を用いる必要がなく、従来インクジェットノズル同程度の５０μｍ開口サイズか、それ以上の開口サイズを持ったノズルを使用しながら、ノズルの開口径あるいはインクの液滴径より小さな微細パターン描画ができる。
これにより従来、実用上大きな問題になっていた微細ノズルでの原料インク詰まりの問題が解決され実用性の高い微細パターン描画技術が実現できる。
また、基板と原料インクとの組み合わせや基板表面の粗さによる基板表面との濡れ性の影響を最小限に抑えて、様々な基板材料に対し、密度が高く膜厚のある微細細線を直接描画することを可能にできる。
また、基板と原料インクとの組み合わせや基板表面の粗さによる基板表面との濡れ性の影響を最小限に抑えて、様々な基板材料に対し、密度が高く膜厚のある微細細線を直接描画することを可能にできる。
尚、基板をヒーターなどで直接加熱する場合でも同様の効果が得られると考えられるが、液滴着弾位置（着弾予定領域）以外の広い面積が加熱されるため、基板から発せられる熱で、インクジェットヘッド自体も加熱されやすく、ヘッドのノズル内にある原料インクが時間と共に乾燥し、ノズル内での原料インクの詰まりにより、長時間にわたる安定なインク吐出が実現できない問題や、特に描画精度の点からノズル基板間距離を数ｍｍ以下に近づけなければならない１００μｍ以下の微細な液滴吐出の場合、基板温度を１００℃以上にあげることは困難という欠点があった。
これに対し、レーザーや赤外線照射による加熱は、着弾予定領域の空間的に局所的な加熱なので、基板に近接したインクジェットノズルへの熱的影響は著しく押さえられ、ノズル内の原料インクは乾燥することなく、ノズル詰まりのない状態で基板表面を十分に高温にでき、かつ安定な液滴吐出と描画を継続できる。
これに対し、レーザーや赤外線照射による加熱は、着弾予定領域の空間的に局所的な加熱なので、基板に近接したインクジェットノズルへの熱的影響は著しく押さえられ、ノズル内の原料インクは乾燥することなく、ノズル詰まりのない状態で基板表面を十分に高温にでき、かつ安定な液滴吐出と描画を継続できる。
１．インクジェットノズル
２．レーザー照射もしくはランプ光照射加熱装置
３．基板温度測定用放射温度計
４．基板
５．移動ステージ
６．ステージ移動方向
７．吐出液滴
８．加熱ビーム
９．予熱制御部
２．レーザー照射もしくはランプ光照射加熱装置
３．基板温度測定用放射温度計
４．基板
５．移動ステージ
６．ステージ移動方向
７．吐出液滴
８．加熱ビーム
９．予熱制御部
本発明において、厚みのある微細パターンを形成するには、液滴径が小さすぎると材料の供給量そのものが少なくなるため厚みのある微細パターンを得るには重ね書き描画を行う必要があるが、液滴径が１０μｍ〜１５０μｍの範囲、好ましくは５０μｍ〜１００μｍの範囲であれば、重ね描画無しで、０．５μｍ以上の厚みのあるライン状の微細パターンを形成できる。
また、このとき、レーザー光照射やランプ加熱による基板加熱温度は、高すぎると、着弾した液滴の部分的な加熱むらによる沸騰現象が生じ、緻密で平滑な微細パターン表面が得られず、また、基板加熱温度が低すぎると、乾燥効果が不足し、液滴は広がる。これは、着弾する際の液滴サイズに依存するが、鋭意検討した結果、液滴径が１０μｍ〜１５０μｍの範囲、好ましくは５０μｍ〜１００μｍの範囲において、有機溶媒の蒸発が加速されかつ急過熱による沸騰現象が生じない温度として、液滴着弾位置（着弾予定領域）での基板表面温度は、５０℃〜２００℃が望ましく、これにより斑がなく、スムーズな表面を持った微細パターンが形成できる。
ここで、前記着弾予定領域は、所定時間が経過した後に液滴が着弾することが予定された基板上の位置であり、描画情報に基づいて決定される。前記描画情報は、基板上に描画するパターンに関するパターン情報と、そのパターン情報に描画するタイミングを割り当てた時間情報を組み合わせた情報である。この描画情報は、描画手段又は、図示しない上位コンピュータなどによって作成される。すなわち、前記描画情報には、どの時刻に、基板上のどの座標に液滴を吐出するかという情報が含まれているので、所定の時刻に液滴が着弾する予定の基板上の位置が、基板の移動方向及び基板の移動速度に基づいて特定できる。従って、所定の時刻に液滴が着弾する予定の基板上の位置と、基板の移動方向及び基板の移動速度とに基づいて、前記着弾予定領域が特定される。
また、レーザー光照射やランプ加熱により、直接着弾された液滴のみ加熱することは、液滴サイズが１００μｍ以下と小さいため高い位置あわせ精度が必要となり、外部振動などにより不安定な描画となり実用的でない。また、照射エネルギーの精度も高い精度が要求され実用的でない。このため、レーザー光照射やランプ加熱により加熱照射する光スポット径は、５０μｍ〜１０ｍｍ、好ましくは５００μｍ〜５ｍｍに設定する。この時、レーザー光やランプ光の照射は、インクを着弾させる基板表面側から照射すると、基板の厚みや材質に関係なく、かつ基板への熱的ダメージを最小限に抑え、安定した描画が可能になる。
さらに、基板の局所加熱のタイミングと加熱位置は、液滴が基板に着弾すると同時、或いはその以前に加熱する場合、着弾した液滴が基板との濡れ性により広がる前に、液滴が乾燥するのに十分な温度まで上昇させるためには、かなりハイパワーの加熱照射が必要になる。このため、瞬間的にノズルと基板間の空気が局所的に温められ、これにより生じる空気の流れのため、後続する液滴を基板上に正確に着弾することが困難になり、結果、微細パターンを正確に描画することが困難となる。
そこで、図１に示すように、インクジェットヘッドに対し相対移動する基板上のインク液滴着弾位置の上流側の離れた位置にレーザー光照射装置やランプ加熱装置（基板加熱手段）を配置し、基板を移動させる移動ステージ（移動手段）の移動速度とレーザー光やランプ光の照射強度、レーザー光照射装置やランプ加熱装置によって加熱される照射スポットサイズや照射位置とインク液滴の着弾位置とを連動させて調整することにより、液滴が基板に着弾する前に最適な基板加熱温度に容易に調整することができる。
また、この様に配置することで、レーザー光照射装置やランプ加熱装置をインクジェットヘッド部に物理的に近づけて配置することが困難な、ノズル基板間距離を大幅に近づける必要のある５０μｍ以下の液滴吐出ヘッドやマルチノズルヘッド（複数ノズルがアレー上に並んだ構造）の場合でも、同様のインク液滴の着弾位置における加熱効果を容易に基板に与えることができる利点を有する。
また、このときインク中のＡｇ超微粒子などの重量分率を液滴サイズに応じて最適化することで、インク乾燥、焼結を短時間で行うことが可能になり、基板加熱温度を必要最小限にでき、基板への熱的ダメージを最小限に抑制することが可能になる。
また、このときインク中のＡｇ超微粒子などの重量分率を液滴サイズに応じて最適化することで、インク乾燥、焼結を短時間で行うことが可能になり、基板加熱温度を必要最小限にでき、基板への熱的ダメージを最小限に抑制することが可能になる。
以下、本発明の実施形態を図１から図３を参照して説明する。図１は本発明の実施形態である微細パターン形成装置の概略的な全体構成を示す構成図である。
本発明による、微細パターン描画装置は、図１に示されるインクジェットノズル１とレーザー照射もしくはランプ光照射加熱装置２、基板温度測定用放射温度計３、基板４、移動ステージ５、ステージ速度及び加熱温度を制御する予熱制御部９から構成され、このとき、基板加熱のためのレーザー照射もしくはランプ光照射加熱装置２の配置を、基板移動方向に対し、インクジェットノズル１の上流側に配置することを特徴とする。
本発明による、微細パターン描画装置は、図１に示されるインクジェットノズル１とレーザー照射もしくはランプ光照射加熱装置２、基板温度測定用放射温度計３、基板４、移動ステージ５、ステージ速度及び加熱温度を制御する予熱制御部９から構成され、このとき、基板加熱のためのレーザー照射もしくはランプ光照射加熱装置２の配置を、基板移動方向に対し、インクジェットノズル１の上流側に配置することを特徴とする。
基板温度測定用放射温度計３は、基板温度測定手段として機能する。このとき、基板温度測定用放射温度計３は、基板表面温度の測定点が、インク液滴の基板上での着弾点に近ければ、どのような方向から測定してもかまわない。
描画工程は、まず、インクジェットノズル１からは液滴を吐出しない状態で、レーザー照射もしくはランプ光照射加熱装置２により基板４を非接触で加熱する。次に加熱された基板表面の温度を基板温度測定用放射温度計３により測定する（基板温度測定工程）。このときの測定位置は、液滴の基板上への着弾位置になるべく近く設定するのが好ましい。
描画工程は、まず、インクジェットノズル１からは液滴を吐出しない状態で、レーザー照射もしくはランプ光照射加熱装置２により基板４を非接触で加熱する。次に加熱された基板表面の温度を基板温度測定用放射温度計３により測定する（基板温度測定工程）。このときの測定位置は、液滴の基板上への着弾位置になるべく近く設定するのが好ましい。
次に、移動ステージ５をインク吐出サイクルに合わせ連続的な微細パターンが形成できる速度で往復運動させながら、この測定された温度が基板４上に着弾する液滴乾燥に適切な温度になるように、レーザー照射もしくはランプ光照射加熱装置２の加熱照射パワーを予熱制御部９により調整する（予熱制御工程）。この予熱制御部９が予熱制御手段として機能する。
上記設定が完了したら、図１に示すように、基板４をレーザー照射もしくはランプ光照射加熱装置２の側からインクジェットノズル１の方向に移動（ステージ移動方向６）させ、インクジェットノズル１から原料インクを吐出し、微細パターンを描画する。
上記設定が完了したら、図１に示すように、基板４をレーザー照射もしくはランプ光照射加熱装置２の側からインクジェットノズル１の方向に移動（ステージ移動方向６）させ、インクジェットノズル１から原料インクを吐出し、微細パターンを描画する。
本発明で使用する原料インクとしては、粒子径１μｍ以下の微粒子が有機溶媒に分指された構成であればよく、金，銀，銅，白金，パラジウム，タングステン，ニッケル，タンタル，ビスマス，鉛，インジウム，錫，亜鉛，チタン又はアルミニウムのいずれか一つからなる金属若しくはその酸化物又は各金属の内のいずれか二種以上からなる合金を含有する、という構成になっている。
図２は、本発明のレーザー照射加熱によるインクジェット描画配線幅の縮小効果を示したものである。使用した原料インクは、Ａｇ ナノ粒子インク（ハリマ化成（株）製、Ａｇ粒子径：６〜１０ｎｍ、主溶媒：ｎ−テトラデカン、Ａｇ微粒子重量分率：２０〜６０ｗｔ％）を、基板には石英ガラス基板を、加熱照射源にはＣＯ2レーザーを用い、１００Ｈｚ〜５０ｋＨｚで１００μｍのノズル開口のインクジェットヘッドから吐出し、微細パターンの描画を行った。
このときの移動ステージ４の移動速度は、１ｍｍ／ｓｅｃ〜１００ｍｍ／ｓｅｃの範囲で、インクジェットノズル１もしくは基板上のインク着弾位置とレーザー照射もしくはランプ光照射加熱装置２による基板上の加熱部位の中心との距離は、０．０５ｍｍ〜５０ｍｍの範囲で設定してある。また、吐出液滴の直径は、インク吐出に同期したフラッシュ光源により実験結果から、約５０μｍになっていることを確認した。
その結果、図２に示すように、レーザー照射がない通常のインクジェット描画の場合、Ａｇ配線の線幅は３７０μｍと吐出液滴径よりはるかに広がり、線幅も不安定なのに対し、レーザー照射により基板加熱するとライン状の途切れのない連続的な微細Ａｇ配線パターンが得られ、その線幅は、一定で、吐出インク液滴と同等程度の５８μｍと、レーザー照射しない場合の線幅の約１／６程度まで細くできた。
図３は、上記レーザー照射の有無について形成されたＡｇ配線パターンの断面 形状の違いを比較したものである。断面形状は、レーザー顕微鏡で計測した。レーザー照射を行うと配線厚みも約４倍厚くなり、また、描画配線サイドウオールの傾斜角度もレーザー照射しない場合に比べ約１７度と急角度になっており、エッジ部も鋭利になっている。したがって、レーザー照射無しの場合に比べ、レーザー照射有りの場合には、傾斜角度が１７度以上とすることができ、その結果、線幅の細い微細な配線パターンが形成可能となり、同時に、線幅が細くなる分だけ厚みの厚い配線パターンが得られるので、単層でも十分な厚みの配線パターンを形成可能となるという効果を生じる。以上のことから、本発明の実行的な効果があることが確認できた。
また、図３に示されたものにおいて、配線パターンの配線厚みと線幅との比（配線厚み／線幅）であるアスペクト比は、レーザー照射無しの場合約０．００２、レーザー照射有りの場合約０．０３７である。本発明の、金属微粒子を含むインク、又は金属アルコキシド溶液は、従来のバルク材よりも低い体積抵抗率のため、実用に供する導体抵抗を有する配線パターンを形成するには、アスペクト比は０．１以上であることが好ましい。
図４は、同様の条件で、１００μｍ段差、幅５００μｍの溝が掘られた石英ガラス基板上に、前記溝部にまたがって、配線を施した結果である。溝は研削加工により形成されているので、その表面は、研削されていない部分より大きく荒れている。
その結果、レーザー照射しない場合は、前記溝部の表面が荒れている部分や段差エッジ部分では、毛細管力により着弾した液滴は大きく広がり非常に広い線幅になっており、電気的導通も取れなかった、これに対し、レーザー照射を行った場合は、溝以外の部分と溝内部も含め同一線幅で描画でき、線幅も約６０μｍと大幅に細くすることができた。
その結果、レーザー照射しない場合は、前記溝部の表面が荒れている部分や段差エッジ部分では、毛細管力により着弾した液滴は大きく広がり非常に広い線幅になっており、電気的導通も取れなかった、これに対し、レーザー照射を行った場合は、溝以外の部分と溝内部も含め同一線幅で描画でき、線幅も約６０μｍと大幅に細くすることができた。
また、本発明のレーザー照射効果により、微細な凹凸のある基板上に液滴の広がり無く金属配線などの微細パターン膜を形成できるため、これまで、インクジェット配線などで問題となっていた基板との密着力について、基板表面の凹凸とその上に形成された微細パターン膜とのアンカーリング効果により微細パターン膜の基板への密着強度を飛躍的に向上できる。
図５及び図６は、本発明における移動する基板上のレーザー照射箇所を、インクジェット液滴の基板上での着弾位置と一致させた場合の配線描画結果である。図５は、上記図１から図３記載の描画条件で、レーザー照射位置を着弾位置に合わせた場合で、基板が移動しているため、図１〜図３記載の描画条件では、レーザー加熱が不十分であり、結果、液滴は十分に乾燥固化せず、このため描画線幅は細くならず、不安定になる。図６は、このレーザーのパワー不足を補うためにレーザーのパワーを強くし、また、ステージ移動速度を遅くし、描画線幅がレーザー照射効果で細くなる条件を探したものである。しかしながら、配線幅の減少効果は認められるものの、配線パターン自体に、インクの突沸現象と考えられる微細な穴や凹凸が見られ、スムーズな微細配線が描画できない。
このことより、基板に対し相対移動するインクジェットヘッドの上流側の離れた位置にレーザー光照射装置やランプ加熱装置を配置し、基板を移動させる移動ステージの移動速度とレーザー光やランプ光の照射強度とを連動させて調整することにより、液滴が基板に着弾する前に最適な基板加熱温度に容易に調整でき、ノズル詰まりや基板の熱的ダメージを最小に押さえ、早いステージ移動速度で、実用的なプロセスマージンが得られることが実証された。
図７は、インク液滴サイズを先の実施例より小さくした場合の本発明によるレーザー照射加熱によるインクジェット描画配線幅の縮小効果を示したものである。使用した原料インクは、Ａｇナノ粒子インク（ハリマ化成（株）製、Ａｇ粒子径：６〜１０ｎｍ、主溶媒：ｎ−テトラデカン、Ａｇ微粒子重量分率：６０〜８０ｗｔ％）を、基板には石英ガラス基板を、加熱照射源にはＣＯ2レーザーを用い、１ｋＨｚ〜５０ｋＨｚでインクジェットヘッドから吐出し、微細パターンの描画を行った。
このときの移動ステージ４の移動速度は、１０ｍｍ／ｓｅｃ〜１００ｍｍ／ｓｅｃの範囲で、インクジェットノズル１もしくは基板上のインク着弾位置とレーザー光源にはＣＯ2レーザーを用いレーザー照射加熱装置２による基板上の加熱部位の中心との距離は、０．５ｍｍ〜５０ｍｍの範囲で設定してある。また、吐出液滴の直径は、インク吐出に同期したフラッシュ光源により実験結果から、通常の家庭用のインクジェットプリンターと同等の約２０〜２５μｍ（４〜８ｐＬ）になっていることが確認された。
その結果、図７に示すように、レーザー照射がない通常のインクジェット描画の場合、Ａｇ配線の線幅は１５５μｍと吐出液滴径よりはるかに広がり、線幅も不安定なのに対し、レーザー照射により基板加熱するとライン状の途切れのない連続的な微細Ａｇ配線パターンが得られ、その線幅は、一定で、吐出インク液滴より小さな７〜１０μｍと、レーザー照射しない場合の線幅の約１／１５〜１／２２程度まで細くできた。
図８は、上記のレーザー照射の有無について形成されたＡｇ配線パターンのＳＥＭ像であり、図９は、上記のレーザー照射の有無について形成されたＡｇ配線パターンの断面形状である。図８及び図９はすべて同一サンプルに対する観察像である。正確な断面形状は、レーザー顕微鏡で計測した。立体的な厚みのある微細配線が形成できていることがわかる。レーザー照射を行うと、安価な家庭用のインクジェットプリンターと同等のインクジェットヘッドを用いながら、線幅は１０μｍ以下、配線厚みは、シングルノズルの重ね書き無しで、１０μｍ以上、配線厚みと線幅との比（配線厚み／線幅）であるアスペクト比で１以上にもなり、描画速度も１０ｍｍ／ｓｅｃ以上と高速描画が可能になる。また、描画配線のサイドウオールの角度もほぼ垂直になっており、レーザー照射しない場合に比べ明らかに急角度になっている。以上のことから、本発明の実行的な効果があることが確認できた。
また、この時、レーザーのパワーを調整すると、描画後の熱処理無しで、配線導体として十分実用できる体積抵抗率で１０-6Ω・ｃｍオーダーの電気抵抗値を得ることが可能である。図１０は、本発明により描画と同時に熱処理されたＡｇ微細配線の様子で、この時の１０ｍｍ長さでの直流抵抗値は６．２７Ωで、線幅は約３０〜５０μｍ、厚みは約５μｍであることから、体積抵抗率は、３×１０-6Ω・ｃｍであった。図１１は、ガラス基板からカッターで強制的に剥離した様子である。配線は金属光沢を発し、カール状になっていることから金属的な弾性を有し、Ａｇ超微粒子は十分焼結されている様子がわかる。ただし、対象基板材料やＡｇインク以外の機能性材料によっては、上記、配線線幅の微細化、配線厚みの厚膜化を実現できるレーザー照射条件と一致しない場合があるので、別途、配線熱処理用のレーザー照射加熱装置を設けるか、吐出インク液滴加熱用あるいは基板加熱用のレーザー照射加熱装置２からミラーなどによって分岐し、微細パターン描画直後に、よりハイパワーのレーザーを照射し、熱処理を行ってもよい。
図１２は、本発明によるＡｇ微細配線の優れた電気特性を利用して、コプレーナー型高周波伝送線路を形成した結果である。具体的には、図１２中、左下が描画された線路の全体像、上は拡大像、右の図はさらにそれを拡大したものと、描画手順の模式図である。線路の描画方法は、まず、本発明によるレーザー照射により線幅５０μｍの３本の平行なＡｇ配線を描画し、次にグランドプレーンになる部分の描画では、レーザー照射を行わず、描画を行う。このように、本発明では、レーザー照射をオン、オフしたり、その照射パワーを制御することで、広い面積のＡｇパターンや線幅の異なる配線パターンを同一のインクジェットヘッドを用いて、効率的に描画することが可能となる。図１３は、このようにして描画された線路長さ４ｍｍのコプレーナー型高周波線路の伝送特性である。Ｓ２１は反射特性を示す。線路幅５０μｍ、線路ギャップ４０μｍである。理論計算によるシミュレーション結果と比較して、４０ＧＨｚまでの帯域で、Ｓ２１＝２０ｌｏｇ10（通過量／入射量）で定義される信号の電力利得（減衰特性）を表すＳ２１が−１．５ｄＢ以上（入力信号の８４％以上を透過する。ちなみに、バルク材での伝送特性は、Ｓ２１が−１ｄＢで約９０％の透過率）と実用性の有ることが確認できた。
Claims (12)
- インクジェット方式により、金属微粒子を含むインク、又は金属アルコキシド溶液を原料溶液として、液滴化し、該液滴を基板上に着弾させて該基板上に配線パターン、又は機能膜パターンを形成するパターン描画方法において、
前記基板に対して相対移動するインクジェットヘッドの上流側の離れた位置にレーザー光やランプ光の加熱装置を配置し、該加熱装置を用いて前記液滴が前記基板上に着弾される液滴着弾予定領域を局所的に予め加熱する予熱工程と、
前記液滴着弾予定領域に前記インクジェットヘッドから前記液滴を着弾させて前記基板上に配線パターン、又は機能膜パターンを形成する描画工程とを含み、
前記液滴着弾位置と前記基板上の加熱部位の中心との距離を０．０５ｍｍ〜５０ｍｍとし、かつ前記基板の前記液滴着弾予定領域の基板表面温度が５０℃〜２００℃とされたことを特徴とするパターン描画方法。 - 前記相対移動の速度は、１ｍｍ／ｓｅｃ〜１００ｍｍ／ｓｅｃであり、かつ前記インクジェットヘッドから吐出する前記液滴の吐出周波数が１００Ｈｚ〜５０ｋＨｚであることを特徴とする請求項１に記載のパターン描画方法。
- 前記液滴の径は、１０μｍ〜１５０μｍであることを特徴とする請求項１に記載のパターン描画方法。
- 前記光のスポット径は、５０μｍ〜１０ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載のパターン描画方法。
- 前記インクは、粒子径１μｍ以下の銀又は銅の微粒子が有機溶媒に分散されていることを特徴とする請求項１に記載のパターン描画方法。
- インクジェット方式により、金属微粒子を含むインク、又は金属アルコキシド溶液を原料溶液として、液滴化し、該液滴を基板上に着弾させて該基板上に配線パターン、又は機能膜パターンを形成する描画手段を有するパターン形成装置において、
前記液滴着弾予定領域に、前記液滴を着弾させて前記基板上に配線パターン、又は機能膜パターンを形成するために、前記液滴を吐出するインクジェットヘッドと、
前記基板上に対して相対移動する前記インクジェットヘッドの上流側の離れた位置に配置され、レーザー光やランプ光を用いて前記液滴が着弾する着弾予定領域を加熱するための基板加熱手段と、
前記基板を移動させる移動手段と、
前記基板において前記液滴が着弾する着弾予定領域の基板温度を測定する基板温度測定手段と、
前記基板温度に基づいて、前記移動手段の移動速度、前記液滴の吐出サイクル、及び前記着弾予定領域の加熱を制御する予熱制御手段とを有し、
該予熱制御手段が、前記液滴着弾位置と前記基板上の加熱部位の中心との距離を０．０５ｍｍ〜５０ｍｍとし、かつ前記基板の前記液滴着弾予定領域の基板表面温度が５０℃〜２００℃とすることを特徴とするパターン描画装置。 - 前記相対移動の速度は、１ｍｍ／ｓｅｃ〜１００ｍｍ／ｓｅｃであり、かつ前記インクジェットヘッドから吐出する前記液滴の吐出周波数が１００Ｈｚ〜５０ｋＨｚであることを特徴とする請求項６に記載のパターン描画装置。
- 前記液滴の径は、１０μｍ〜１５０μｍであることを特徴とする請求項６に記載のパターン描画装置。
- 前記光のスポット径は、５０μｍ〜１０ｍｍであることを特徴とする請求項６に記載のパターン描画装置。
- 前記インクは、粒子径１μｍ以下の銀又は銅の微粒子が有機溶媒に分散されていることを特徴とする請求項６に記載のパターン描画装置。
- インクジェット方式により、金属微粒子を含むインク、又は金属アルコキシド溶液を原料溶液として、液滴化し、該液滴を基板上に着弾させて該基板上に形成された配線パターンであって、
前記基板に対して相対移動するインクジェットヘッドの上流側の離れた位置にレーザー光やランプ光の加熱装置を配置し、該加熱装置を用いて前記液滴が前記基板上に着弾される液滴着弾予定領域を局所的に予め加熱し、
前記液滴着弾予定領域に前記インクジェットヘッドから前記液滴を着弾させて前記基板上に配線パターンを形成し、
前記液滴着弾位置と前記基板上の加熱部位の中心との距離を０．０５ｍｍ〜５０ｍｍとし、かつ前記基板の前記液滴着弾予定領域の基板表面温度を５０℃〜２００℃としたことにより、
前記配線パターンの配線厚みと線幅との比であるアスペクト比が０．１以上であることを特徴とする配線パターン。 - インクジェット方式により、金属微粒子を含むインク、又は金属アルコキシド溶液を原料溶液として、液滴化し、該液滴を基板上に着弾させて該基板上に形成された配線パターンであって、
前記基板に対して相対移動するインクジェットヘッドの上流側の離れた位置にレーザー光やランプ光の加熱装置を配置し、該加熱装置を用いて前記液滴が前記基板上に着弾される液滴着弾予定領域を局所的に予め加熱し、
前記液滴着弾予定領域に前記インクジェットヘッドから前記液滴を着弾させて前記基板上に配線パターンを形成し、
前記液滴着弾位置と前記基板上の加熱部位の中心との距離を０．０５ｍｍ〜５０ｍｍとし、かつ前記基板の前記液滴着弾予定領域の基板表面温度を５０℃〜２００℃としたことにより、
前記配線パターンのサイドウオールの角度が１７度以上の急角度であることを特徴とする配線パターン。
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