JP5213452B2 - 受動的構造を作製するためのエアゾール化流体の空気力学的噴射方法及びその装置 - Google Patents

受動的構造を作製するためのエアゾール化流体の空気力学的噴射方法及びその装置 Download PDF

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Description

関連出願に関する相互参照
本出願は、2004年12月13日に出願された“受動的な電子的構造の溶液式エアゾール噴射法”と題される米国仮特許出願第60/635,848号の出願の利益を主張すると共に、参照によりその明細書が本出願に援用される。
発明の背景
本発明は、概して、受動的構造の直接的堆積の分野に関する。より詳細には、本発明は
、精密抵抗構造の堆積に重点を置き乍ら、平面的または非平面的な目標物上にメソスケー
ルの受動的構造をマスクなしで精密に堆積する分野に関する。
以下の検討内容は、多数の公報および文献に言及することに留意されたい。本明細書に
おけるかかる公報の検討内容は、科学的原理の更に完全な背景を与えるためのものであり
、特許性を判断する目的でかかる公報が先行技術であることを是認していると解釈されて
は、ならない。
受動的構造を堆積させる種々の方法が存在するが、厚膜および薄膜方法は、種々の電子
的および超小型電子的な目標物上に、限定されるものではないが、抵抗器もしくは、コ
ンデンサなどの受動的構造を堆積する上で支配的な役割を果たしてきた。一例として厚膜
技術は、典型的に、100ミクロンもの小ささのライン幅にて電子的ペーストを堆積するス
クリーン印刷プロセスを使用する。電子的構造を印刷する薄膜方法としては、化学蒸着お
よびレーザ支援式化学蒸着、並びに、スパッタリングおよび蒸発の様な物理的堆積の如き
蒸着技術が挙げられる。
特許文献１は、超小型電子的回路機構に必要とされる許容差に一致する許容差にてセラ
ミック基板上に厚膜抵抗器を作製する方法を開示している。この方法においては、ルテニ
ウム系の抵抗器材料が上記基板上にスクリーン印刷され、850℃を超える温度にて焼成さ
れる。
特許文献２は、イオン衝撃を用いてポリイミドの如き可撓基板の表面を活性化し、チタ
ンの如き別の堆積材料と組み合わされ得るグラハイト状カーボン領域を形成することで
受動的構造を形成するという、可撓基板上に受動的構造を作製する方法を開示している。
特許文献３は、プリント配線基板上に埋設された抵抗器を作製する方法を開示している
。該方法は、薄膜プロセスを使用し、導電層内に形成された凹所内に埋設される受動的構
造を形成している。該特許文献３の方法は、ポリマ厚膜内に埋設された抵抗器に見られる
大きな抵抗変動を排除するプロセスを開示している。
米国特許第4,938,997号 米国特許第6,709,944号 米国特許第6,713,399号 WO 02/04698(PCT/US01/14841)
受動的構造を作製する厚膜および薄膜方法は、十分に発達しているが、これらのプロセ
スは、一定の堆積用途に対しては、不適切なこともある。厚膜プロセスの幾つかの不都合
は、当該技術の特性として最小ライン幅が比較的に大きいこと、マスク利用が必要なこと
、および、堆積材料の高温処理が必要なことである。また典型的な薄膜プロセスの不都合
としては、マスク、真空雰囲気、および、多段階のフォトリソグラフ的プロセスの使用が
挙げられる。
受動的構造を堆積する習用方法と対照的に、M3D(登録商標)プロセスは、真空チャンバ
、マスクの使用、または膨大な堆積後処理を必要としない直接的印刷技術である。本出願
と同様に本出願人が所有し、また参照により本明細書中に援用される特許文献４（WO 02/
04698(PCT/US01/14841)）は、種々の目標物上に受動的構造を堆積するエアゾール噴射を
用いる方法を開示しているが、電子部品の製造に対して容認可能なレベルまで堆積構造の
許容差を減少する対策は、与えていない。実際、そこで開示された発明におけるバーチャ
ルインパクタは、最終的に、デバイスの内部における粒子の蓄積によりシステムが故障す
ることになる。結果として、先に開示されたシステムが故障する前における最長の動作時
間は、15〜100分であり、堆積構造の電気的許容差は、およそ10％〜30％である。
対照的に本発明は、5％未満の許容差によるコンダクタンス、抵抗、キャパシタンスま
たは、インダクタンス値、および、数時間の動作時間にて受動的構造を堆積し得る。
本発明は、材料を含む受動的構造を目標物上に堆積させる装置であって、上記材料とキャリヤガスとを含むエアゾールを形成する噴霧器と、過剰なキャリヤガスを排出する排気流コントローラと、上記エアゾールを円柱状のシースガス流内に取り込み、上記エアゾールが通過するオリフィスを含んでいる堆積ヘッドと、上記噴霧器のガス取入口とシースガスの取入口とにおいて前記エアゾールの圧力を監視し、上記圧力の値に基づいて本装置の漏出または目詰りの存在を決定する圧力検知変換器と、上記キャリヤガスの流速を減少させるバーチャルインパクタとを備え、上記受動的構造の所望特性の許容差は、約5％よりも良好であり、ミリメートル以下の線幅で上記材料を上記目標物上に堆積するという装置である。上記堆積ヘッドおよび上記噴霧器は、好適には、相互に対向する取入口にて上記交差継手に対して接続される。上記排気流コントローラは、好適には、上記交差継手を通るエアゾールの進行方向に直交する方向に過剰キャリヤガスを排出する。上記排気流コントローラは、好適には、キャリヤガス流速を減少する。
上記装置は、好適には、上記変換器からデータを受信し、また当該装置に漏出または、
目詰りが存在するか否かを決定するプロセッサを更に備えている。かかる場合に上記装置
は、もし目詰りが検出されたなら当該装置を自動的に浄化し、または、もし漏出が検出さ
れたならば当該装置の動作を自動的に中断するフィードバック・ループを更に備えている
。上記装置は、好適には、レーザであってその光線が流動エアゾールを通過するというレ
ーザと、上記レーザからの散乱光を検出するフォトダイオードとを更に備えている。上記
レーザ光線は、好適には、エアゾールの流れ方向に対して直交し、且つ、上記フォトダイ
オードは、好適には、上記レーザ光線および上記流れ方向の両方に対して直交して配向さ
れる。上記フォトダイオードは、好適には、上記噴霧器の動力を自動的に制御する制御器
に対して接続される。
本発明は、また、材料を含む受動的構造を目標物上に堆積させる方法であって、上記材料を噴霧器から噴霧する段階と、噴霧された上記材料をキャリヤガス内に取り込んでエアゾールを形成する段階と、上記エアゾールの流れ方向に対して直交して配向された開口を介して上記エアゾールから過剰キャリヤガスを除去する段階と、上記エアゾールの圧力を監視する段階と、上記エアゾールをシースガスで囲む段階と、上記エアゾールを１開口だけに流す段階と、ミリメートル以下の線幅で上記材料を上記目標物上に堆積させる段階とを備え、上記受動的構造の所望特性の許容差は、約5％よりも良好であるという方法である。上記方法は、好適には、上記圧力の値に基づいて漏出または、目詰りの存在を決定する段階と、もし目詰りが存在するならば当該システムを自動的に浄化し又は、もし漏出が存在するならば動作を自動的に中断する段階とを更に備えている。上記方法は、好適には、上記エアゾール内にレーザ光線を照射する段階と、上記レーザ光線からの散乱光を測定する段階とを更に備えている。上記測定段階は、好適には、上記レーザ光線および上記エアゾールの流れ方向の両方に対して直交して配向された検出器により実施される。
上記方法は、好適には、上記測定段階において検出された散乱光の量に基づいて、上記噴霧段階において使用される動力を変化させる段階を更に備えている。
上記方法は、好適には、上記材料を処理する段階を更に備えて成り、上記処理段階は、
上記エアゾールを加湿する段階、上記エアゾールを乾燥する段階、上記エアゾールを加熱
する段階、堆積された材料を加熱する段階、堆積された材料をレーザ光線で照射する段階
、および、それらの組み合わせから成る群から選択される。堆積された材料をレーザ光線
で照射する上記段階によれば好適には、堆積された上記材料の約1ミクロンもの小ささの
ライン幅が可能とされる。堆積された材料をレーザ光線で照射する上記段階は、好適には
、上記目標物の平均温度を損傷閾値より高い温度までは、上昇させない。
本発明の目的は、飛行中に材料を前処理し、および／または、該材料が目標物上に堆積
された後に後処理して、バルク材の値に近い値を有する物理的および／または、電気的な
特性となることである。
本発明の別の目的は、長い動作時間を可能とする堆積装置を提供することである。
本発明の利点は、堆積された受動的構造が5％未満の許容差によるコンダクタンス、抵
抗、キャパシタンスまたは、インダクタンスの値を有するということである。
本発明の他の目的、利点および新規な特徴、および、適用可能性の更なる有効範囲は、
添付図面と併せて以下の詳細な説明において部分的に示され、且つ、当業者であれば以下
の内容を検証することで部分的に明らかとなり、または、本発明を実施することにより習
得され得る。本発明の目的および利点は、添付の各請求項において特に指摘された手段お
よび組み合わせにより実現かつ達成され得る。
取入れられて本明細書の一部を構成する添付図面は、本発明の幾つかの実施例を例示す
ると共に、記述と協働して本発明の原理を説明する役割を果たす。各図面は、本発明の好
適実施例の例示のみを目的としており、発明を制限すると解釈されては、ならない。
序論および概略的説明
M3D(登録商標)プロセスは、周囲環境において動作すると共にリソグラフ技術または、
真空蒸着技術に対する必要性を排除する追加的な直接的印刷技術である。該方法は、所定
パターンで受動的な電子部品を堆積し得ると共に、エアゾール流の空気力学的集束を用い
ることで、マスクもしくは、改変環境を使用せずに平面的もしくは、非平面的な目標物上
にパターンを堆積する。
M3D(登録商標)方法は、商的な厚膜およびポリマ厚膜ペースト組成物に適合しており、
液体前駆体系の調製物、粒子系の調製物、および、粒子および液体前駆体の組み合わせか
ら成る調製物と共に使用されても良い。該方法は、同一の目標層上に複数の調製物を堆積
もし得る。この能力によれば、同一層上に50Ω／スクェア〜500KΩ／スクェアに亙る広範
囲な抵抗値にて抵抗構造の直接的堆積が可能とされる。
M3D(登録商標)方法は、たとえばひとつの小さい値の組成物およびひとつの大きい値の
組成物などの両調製物をエアゾール化すべく複数の噴霧器が使用されるという方法により
、移動中に異なる調製物を混合し得る。各調製物は、好適には、単一の堆積ヘッドを通し
て堆積されると共に、混合は、エアゾールの移動の間に、または、エアゾール小滴が目標
物に結合するときに行われ得る。この方法によれば調製物の自動的な適合調整が許容され
ることから、堆積物の抵抗率、または、他の電気的、熱的、光学的または、化学的な特性
が小さな値から大きな値まで連続的に変化され得る。上記混合プロセスは、また、ペース
ト、インク、種々の流体(限定されるものではないが、化学的前駆溶液、電子的、光学
的、生物学的および生体適合的な材料の粒子懸濁液、接着剤)およびそれらの組み合わせ
に対しても適用され得る。
本明細書および各請求項を通して使用される“受動的構造”とは、限定されるものでは
、ないが、導体、抵抗器、コンデンサ、誘導体、絶縁体、誘電体、サプレッサ、フィルタ
、バリスタ、強磁性体、接着剤などを含む、所望の電気的、磁気的または、他の特性を有
する構造を意味する。
M3D(登録商標)プロセスは、好適には、エアゾール化形態で材料を堆積する。殆どの粒
子懸濁液のエアゾール化は、好適には、噴霧器の如き空気圧式デバイスを用いて実施され
るが、小粒子もしくは、低密度粒子から成る粒子懸濁液に対しては、超音波エアゾール化
が使用され得る。この場合に固体粒子は、水または、有機溶媒、および、当該懸濁液を維
持する添加剤中に懸濁され得る。上記２つの噴霧方法によれば、限定されるものでは、な
いが、典型的には、1〜5ミクロンのサイズ範囲のサイズにて小滴または、小滴／粒子が生
成され得る。
超音波的にエアゾール化された組成物は、典型的に、1〜10cPの範囲の粘度を有する。
前駆体および前駆体／粒子組成物は、典型的に、10〜100cPの粘度を有すると共に、好適
には、空気圧的にエアゾール化される。100〜1000cPの粘度を有する組成物もまた、空気
圧的にエアゾール化される。適切な希釈剤を用いると、1000cPより大きな粘度を有する組
成物は、空気圧的エアゾール化に適した粘度へと改変され得る。
図１ａには、延長された動作時間にて5％より低い許容差を有する受動的構造を堆積し
得る本発明の好適な装置が示される。
図１ｂは、空気圧的噴霧用に構成された装置、および、上記装置の最も概略的な実施例
の詳細を示している。エアゾール化サンプルを堆積モジュールに対して供与するために好
適には、不活性のキャリヤガスもしくは、搬送流体が用いられる。超音波式噴霧の場合、
エアゾール担持キャリヤガスは、好適には、エアゾール化プロセスの直後に堆積ヘッドに
進入する。上記キャリヤガスは、圧縮空気、(溶媒蒸気を含みうる)不活性気体、または、
両方の混合物から成り得る。上記空気圧的エアゾール化プロセスは、好適には、堆積ヘッ
ド22を通る最大許容ガス流速を超えるキャリヤガス流速を必要とする。(たとえば約0.2〜2リットル／分などの)大きなキャリヤガス流速の使用を可能とするためには、バーチャルインパクタが使用されることで、粒子もしくは、小滴をそれほど喪失せずにキャリヤガスの流速が減少される。バーチャルインパクタにおいて使用される段階の数は、変更され得ると共に、除去されるべきキャリヤガスの量に依存する。上記ストリームは、M3D(登録商標)堆積ヘッド内へと導入され、ここで、シースガスにより囲まれた内側のエアゾール流から成る環状流が引き起こされる。この協働流構成によれば、オリフィス直径の約1/10のサイズへとエアゾール流が集束され得る。
環状流を用いて受動的構造を作製する場合、エアゾール流は、好適には、堆積ヘッド22
上に取付けられたポートに進入し、オリフィスに向けて導向される。エアゾール・キャリ
ヤガス流コントローラ10は、好適には、質量スループットを制御する。上記堆積ヘッドの
内側にて上記エアゾール流は、好適には、先ずミリメートル・サイズのオリフィスを通過
することにより平行化される。出射する粒子流は、次にシースガスもしくは、流体と組み
合わされ、内側のエアゾール担持キャリヤガスと外側のシースガスもしくは、流体とから
成る環状分布状態を形成する。上記シースガスは、最も一般的には、圧縮空気または不活
性気体から成り、その場合に一方もしくは、両方は、改変された溶媒蒸気内容物を含み得
る。
上記シースガスは、エアゾール取入口の下方のシース空気取入口に進入し、エアゾール
流と共に環状流を形成する。ガス流コントローラ12は、好適には、上記シースガスを制御
する。上記組み合わせ流は、目標物28に指向されたオリフィスを通り上記チャンバを出射
する。この環状流は、エアゾール流を目標物28に集束すると共に、10ミクロン以下という小ささの寸法を有する特定構造の堆積を許容する。上記シースガスの目的は、エアゾール流を集束する境界層であって粒子がオリフィス壁部上に堆積することを阻止する境界層を形成することである。この遮断効果によれば、上記オリフィスの目詰りが最小限とされる。
出射流(故に、堆積物のライン幅)の直径は、オリフィスのサイズ、キャリヤガス流速に
対するシースガス流速の比率、および、オリフィスと目標物28との間の間隔とにより制御
される。典型的な構成において目標物28は、X-Y線形載物台を介してコンピュータ制御下
で２つの直交方向に移動するプラテンに取付けられることから、複雑な幾何学形状が堆積
され得る。代替的構成によれば、目標物28を固定位置に維持し乍ら、堆積ヘッド22は、２つの直交方向に移動され得る。更に別の構成によれば、堆積ヘッド22は、一方向の移動が許容される一方、目標物28は、堆積ヘッド22の方向に直交する方向に移動する。上記プロセスによれば、３次元構造の堆積も可能とされる。
M3D(登録商標)方法においては、シースガスがエアゾール流と一旦組み合わされたなら
、その流れは、ミリメートル未満のライン幅を堆積するために１個より多いオリフィスを
通過する必要はない。10ミクロンのラインの堆積においてM3D(登録商標)方法は、典型
的に約250の流れ直径収縮を達成し、この“単一段階”堆積のためには、1000を超える収
縮を行い得る。軸心方向の収縮器は、使用されず流れは、典型的には、超音速の流速に到
達しないことから、可能的に流れの完全な収縮に繋がるという乱流の形成が防止される。
エアゾール化および仮想的衝撃
図１ａに詳細に示された本発明のシステムの好適な動作において、衝突型の空気圧式噴
霧器32は、サンプル小瓶内の材料をエアゾール化する。エアゾール担持ガス流は、噴霧器
32、堆積ヘッド22、排気流コントローラ34および圧力検知変換器36を橋絡する交差継手30に対して供与される。交差継手30は、好適には、エアゾール流取入口がエアゾール流吐出口の逆側である様に構成される。上記吐出口は、M3D(登録商標)堆積ヘッドに対して接続される。過剰なキャリヤガスは、好適には、上記システムから、上記エアゾール取入口／吐出口の進行ラインから90°で排出される。質量流量コントローラ34は、好適には、上記システムから排出されるガスの量を制御すべく使用される。排出流を流量制御器を用いて制御すると、上記堆積ヘッドへと受け渡される材料の質量流束の制御を加えることにより、上記堆積プロセスの精度が高められる。
別の実施例において上記噴霧器は、バーチャルインパクタの直近に配置される。上記バ
ーチャルインパクタを上記空気圧式噴霧器の出力部の近傍に位置すると更に大寸の小滴が
堆積することになる。なぜなら、エアゾールは、最終的に噴霧器から目標物まで移動する
時間が短いので蒸発が少ないからである。更に大寸の小滴を堆積すると、堆積された構造
の特性に対して相当な効果を生み出し得る。概略的に、更に大寸の小滴から形成されて析
出された構造は、小寸ないし中寸のサイズの小滴により堆積された構造と比較した場合、
粒子の過剰噴霧が少なく且つエッジ解像力が優れている。上記噴霧器は、選択的に揺動さ
れることで、材料の凝集が防止される。
典型的に、エアゾール流が上記堆積ヘッド内に導入されるために、空気圧的噴霧に対し
て必要とされるキャリヤガス流速は、エアゾールが生成された後に減少されねばならない
。2L／分もの多さから10ml／分もの少なさまで必要とされるキャリヤガス流速の減少は、
好適には、バーチャルインパクタを用いて達成される。但し、バーチャルインパクタを使
用すると上記システムは、目詰りし易いので、堆積された構造の許容差を不都合に低下さ
せ乍ら上記装置の動作時間は、数分間までの短さに短縮される。たとえば図１ｂの装置は
、抵抗値に対する30％もの大きさの許容差にて、障害の前に15分間もの短さでしかカーボン系抵抗器を堆積し得ない。対照的に図１ａの装置は、標準的なM3D(登録商標)バーチャルインパクタを、過剰なキャリヤガスをシステムから排出する一方で粒子の喪失およびシステムに対する粒子の蓄積を最少化する交差継手30により置き換えている。交差継手30は、標準的なインパクタよりも相当に大きな噴射および収束器のオリフィス直径にて、バーチャルインパクタとして作用する。更に大寸の噴射および収束器のオリフィス直径を使用すると、上記バーチャルインパクタの流れの短軸を通り流れる材料が増大され得る一方、上記デバイスの内部における材料の蓄積が最小限とされ得る。
漏出／目詰りセンサ
本発明は、好適には、噴霧器のガス取入口とシースガスの取入口とにおいて進展した圧
力を監視する圧力検知変換器を備える漏出／目詰りセンサを使用する。通常動作において、上記システム内で進展した圧力は、該システムを通る全体的ガス流速に関連すると共に、二次多項式を用いて計算され得る。
図２には、上記システムを通る流れ全体に対する圧力のグラフが示される。もしシステ
ム圧力が図２の曲線により予測される圧力より高ければ、材料蓄積の結果として上記シス
テム内には、非理想流が進展した可能性がある。また圧力が低すぎるなら、システム漏出
が存在し、材料堆積が全体的に抑制もしくは、停止されるべきこともある。通常動作を表
す上記曲線の二次多項式は、以下の形態である：
P=M0+M1Q+M2Q2
式中、Pは、シースガス圧力であり且つQは、全体的流速である。上記システムを通る全体的流速は、次式により与えられる：
Qultrasonic=Fsheath＋Fultrasonic
Qpneumatic=Fsheath＋Fpneumatic−Fexhaust
式中、Fは、上記デバイスの流速である。上記係数M0、M1およびM2は、堆積出先端直径の各々に対して一定であるが、大気圧に関しては、可変的である。
上記漏出／目詰りセンサは、上記システムの連続的で手動的もしくは、自動的な監視お
よび制御を許容し得る有用なシステム診断を提供する。単独モードで動作しているときに
上記システムは、目詰りに対して監視され得ると共に、所定値を超える圧力の増加が検出
されたときには、自動的に解消され得る。
ミスト検知
上記噴霧器ユニットにより生成されたエアゾールの量の定量的測定は、長時間にわたる
M3D(登録商標)システムの手動的または自動的な動作に対して重要である。一定のミスト
密度を維持すると精密な堆積が許容される。なぜなら、目標物に対して供与されたエアゾ
ール化材料の質量流束が監視かつ制御され得るからである。
本発明の上記システムは、好適には、上記噴霧器ユニットのエアゾール吐出管を光線が
通過した可視波長のレーザを好適に備えるというミスト・センサを利用する。上記光線は
、好適には、上記管の軸心に対して直交して配向され、且つ、上記管の軸心およびレーザ
の軸心の両方に対して直交する軸心上において上記管の近傍には、シリコン・フォトダイ
オードが好適に位置される。上記レーザは、上記管を通り流れるミストと相互作用するこ
とから、光は、広い角度にわたり散乱される。上記フォトダイオードにより検出されたエ
ネルギは、ミスト流のエアゾール密度に比例する。ミスト流速が増大するにつれて、フォ
トダイオードの出力は、飽和状態に到達するまで増大し、その時点にてフォトダイオード
出力は、一定になる。飽和したミストレベル状態は、一定のミスト出力に対して好適であ
ることから、一定のフォトダイオード出力は、最適な動作条件を表す。
フィードバック制御ループにおいて上記フォトダイオードの出力は、監視され、且つ、
超音波式噴霧器の変換器に対する入力電力を決定すべく使用され得る。
処理
エアゾール化された材料組成物は、堆積ヘッド22への移動の間において飛行中に処理さ
れ(前処理)、または目標物28に一旦堆積されてから処理される(後処理)。前処理としては
、限定されるものではないが、エアゾール・キャリヤガスまたはシースガスの加湿また
は乾燥が挙げられる。加湿プロセスは、エアゾール化された小滴および／または蒸気をキ
ャリヤガス流内へと導入することにより達成され得る。蒸発プロセスは、好適には、一種
類以上の溶媒および添加剤を蒸発させる加熱アセンブリを用いて達成される。
後処理としては、限定されるものではないが、以下の処理のひとつまたは組み合わせ
を使用することが挙げられる：(1) 堆積された特定構造を加熱すること；(2)堆積された特
定構造を減圧雰囲気に委ねること；または(3)上記特定構造を電磁放射線で照射すること
。受動的構造の後処理は、概略的に、約25〜1000℃の範囲の温度を必要とする。溶媒の蒸
発または架橋を必要とする堆積は、典型的に、約25〜250℃の温度にて処理される。前駆
体またはナノ粒子系の堆積物は、典型的に約75〜600℃の処理温度を必要とする一方、市
販の焼成可能なペーストは、約450〜1000℃の更に習用的な焼成温度を必要とする。後処
理は、選択的に、酸化雰囲気または還元雰囲気で行われ得る。溶媒または他の揮発性添加
物の除去を助力するために、加熱段階の前またはその間に減圧環境に堆積物を委ねると、
感熱目標物上の受動的構造の処理が促進され得る。
必要な処理温度に到達する２つの好適な方法は、加熱されたプラテン上もしくは、加熱
炉内で堆積物および目標物を加熱すること(熱的処理)、または、特定構造をレーザ光線で
照射することである。堆積物をレーザ加熱すると、感熱目標物上の習用的な厚膜ペースト
の緻密化が許容される。レーザ光化学処理は、また、液体前駆体を分解して中間の値ない
し大きな値の範囲の抵抗器、小さな値ないし中間の値の範囲の誘電膜、および、高度に導
電的な金属を形成するためにも使用されてきた。レーザ処理は、選択的に、堆積と同時に
実施され得る。同時的な堆積および処理は、数ミクロンより大きな厚みを有する構造を析
出するために、または３次元構造を構築するために使用され得る。レーザ処理に関する更
なる詳細は、2004年9月27日に出願された“感熱メソスケール堆積のためのレーザ処理”
と題される、本出願と同様に本出願人が所有する米国特許出願第10/952,108号に見出すこ
とができ、かつここで参照によりその明細書および各請求項が本明細書中に援用される。
熱処理された構造は、上記堆積ヘッドと堆積パラメータとにより部分的に決定されるラ
イン幅を有すると共に、約5ミクロンの最小ライン幅を有する。最大の単回通過ライン幅
は、約200ミクロンである。ラスタ式堆積技術を用いると、200ミクロンより大きなライン幅が実現され得る。レーザ処理されたラインは、(単回通過により堆積された構造に対し)
約1〜100ミクロンの範囲のライン幅を有し得る。ラスタ式処理技術を用いると、100ミク
ロンより大きなライン幅が実現され得る。概略的にレーザ処理は、400℃以下の低温閾値
を有する如き感熱目標物上に堆積された薄膜を緻密化もしくは、変換するために、または
約5ミクロン未満のライン幅が所望される場合に使用される。エアゾール流の堆積および
処理は、同時的に行われ得る。
構造の種類：材料組成物
本発明は、材料組成物が、限定されるものではないが、液状化学的前駆体、インク、
ペースト、またはそれらの任意の組み合わせを含むという受動的構造を精密に作製する方
法を提供する。特に本発明は、限定されるものではないが、導体、抵抗器、誘電体およ
び強磁性材料などの電子材料を堆積し得る。金属系としては、限定されるものではない
が、市販のペースト形態であり得る銀、銅、金、白金およびパラジウムが挙げられる。抵
抗器用組成物としては、限定されるものではないが、銀／ガラス、ルテニウム酸塩、ポ
リマ厚膜調製物、および、カーボン系調製物から構成された系が挙げられる。容量性構造
の堆積のための調製物は、限定されるものではないが、チタン酸バリウム、チタン酸バ
リウム・ストロンチウム、酸化アルミニウム、および、酸化タンタルが挙げられる。誘導
性構造は、溶融温度が低いガラス粒子と混合されたマンガン／亜鉛フェライト調製物を用
いて堆積された。本発明は、また、UV硬化可能な２種類のインクを混合することで、特定
の屈折率の如き目標特性を備えた最終組成物を生成し得る。
前駆体は、適切な溶媒内に溶解された単一種類もしくは、複数種類の溶質から成る化学
的調製物である。上記系は、また、溶液の流体的、化学的、物理的または光学的な特性を
変化させる添加物も含み得る。インクは、限定されるものではないが、流体媒体内に懸
濁された電子材料の金属ナノ粒子、またはガラスを含む金属ナノ粒子などの粒子から成り
得る。堆積可能なペーストとしては、限定されるものではないが、導電性、抵抗性、誘
電性および誘導性の系に対する市販のペースト調製物が挙げられる。本発明は、また、市
販の接着性ペーストも堆積し得る。
抵抗器
銀／ガラス抵抗器用調製物は、ガラス粒子と共に銀に対する液状分子前駆体、または銀
およびガラスの粒子、またはガラスに対する液体前駆体中の銀粒子から構成され得る。ル
テニウム酸塩系は、導電性の酸化ルテニウム粒子および絶縁性のガラス粒子、またはガラ
スに対する前駆体中の酸化ルテニウム粒子、または酸化ルテニウム前駆体とガラスに対す
る前駆体もしくは、絶縁媒体との組み合わせから成り得る。前駆体組成物および一定の前
駆体／粒子組成物は、約10〜100cPの粘度を有し得ると共に、超音波でエアゾール化され
得る。抵抗器用ペーストは、ルテニウム酸塩、ポリマ厚膜調製物もしくは、カーボン系調
製物のいずれか又は、両方を備え得る。典型的には、1000cP以上の粘度を有すると共に酸
化ルテニウムおよびガラス粒子から成る市販のルテニウム酸塩ペーストは、テルピネオー
ルの如き適切な溶媒により1000cP以下の粘度まで希釈され得る。ポリマ厚膜ペーストは、
また、適切な溶媒内で同様の粘度まで希釈され得ることから、空気圧的エアゾール化およ
び流れ案内が可能とされる。同様にカーボン系ペーストは、ブチル・カルビトールの如き
溶媒により約1000cP以下の粘度まで希釈され得る。故に、1000cPより大きな粘度を有する多くの市販ペースト組成物が、M3D(登録商標)プロセスを用いて改変および堆積され得る
。
抵抗器：抵抗の範囲、再現性、および、抵抗の温度係数
M3D(登録商標)プロセスを用いて堆積された抵抗構造は、1オームから1Mオームというおよそ６桁にわたる抵抗を有し得る。この抵抗値の範囲は、適切な材料を適切な幾何学形状の断面積で堆積することにより獲得され得る。抵抗値の許容差または分散であって、最も高位の受動的構造および最も低位の受動的構造の抵抗値の差と、一群の堆積物に対する平均抵抗値との比率、として定義される許容差または分散は、2％もの低さとされ得る。Ag/
ガラスおよびルテニウム酸塩構造に対する抵抗の温度係数(TCR)は、約±50〜±100ppmに
わたり得る。
幾何学形状
本方法は、堆積物の幾何学形状を制御することにより所定構造の特定の電子的、光学的
、物理的または化学的な値を生成し得る。たとえば構造の特性は、図３ａおよび図３ｂに
示された如く構造の断面積を制御することにより変更され得る。抵抗値は、既存のトレー
スに対して材料を追加してトレース全体の断面積を増大することにより、既存トレースに
対して材料が追加されたことで抵抗値が減少されることで、変更され得る。この方法は、
一般的に使用されるレーザ・トリミング方法に類似しているが、材料は、除去されるので
は、なく追加される。追加的にトリムされた受動的トレース38は、既存の受動的トレース
40上に堆積される。更なる例として、堆積された構造の長さを制御することにより特定の
値が獲得可能であり、図４に示された如く、最右側の抵抗器は、接触パッド間の抵抗器材
料の長さが大きいことから、中央の構造よりも大きな抵抗を有する。本発明の方法は、ま
た、図５ａおよび図５ｂに示された如く既に存在している電子回路に対して接続された一
群のトレースに対し又は、一群以上の接触パッド42間に材料を追加するためにも使用され
得る。既存の受動的トレース40に対し、梯子状受動的トレース44aおよび44bが追加される。この方法によれば、回路が特定の応答もしくは、特性値へと調整され得る。上記方法は、また、ビア内に受動的接続を作成することにより、または図６に示された如く回路層の縁部の回りに抵抗器材料46を巻回することにより、回路機構の各層間にも受動的構造を作成し得る。
本発明のM3D(登録商標)プロセスを用いて堆積された受動的構造は、典型的に、図７ａ
に示された直線的な受動的トレース48の如き直線的幾何学形状を有する。他の幾何学形状
としては、限定されるものではないが、(図７ｂに示された如き)蛇行パターン50、渦巻
き状および螺旋状パターンが挙げられる。堆積された抵抗器材料のライン幅は、典型的に
は、約10〜200ミクロンの範囲であるが、更に大きく又は、小さくされ得る。200ミクロンより大きなライン幅は、ラスタ様式で材料を堆積することにより実現され得る。堆積された薄膜の厚みは、数百ナノメータ〜数ミクロンにわたり得る。
ビア充填（Via Filling）
上記M3D(登録商標)プロセスは、ビアを充填することで、電子回路の隣接層間の電気的
相互接続性を提供すべく使用され得る。本発明によれば、たとえばビア孔内へと長時間に
わたり精密で均一なエアゾール化材料が堆積され得る。
図８は、回路機構の異なる層間の抵抗接続を示している。PCB(プリント配線基板)にお
ける導電層は、典型的には、金属ビアにより接続されるが、上記M3D(登録商標)プロセス
は、ビア内への抵抗構造の堆積も許容する。抵抗性ビア形態は、好適である。なぜなら、
層抵抗器をビア内へと移動させることにより、回路盤層の表面上には、付加的なスペース
が提供されるからである。
図９は、ビアの壁部および底部上に被覆を堆積する方法を示している。図９ａにおいて
ビア60は、本発明のプロセスを用いてインク62により完全に充填されている。インク62が乾燥するにつれ、ビアの壁部および底部上には、固形物64が付着し、図９ｂに示された如くビアの中央を中空とする。上記壁部を高度に導電性の材料で被覆すると非常に有用な構造となる。なぜなら、ビア内における電流の殆どは、中央を通らずに壁部に沿い流れるからである。
誘電体
誘電構造の作製の場合、インクは、ポリイミドの如き絶縁体のための前駆体から成り得
る一方、ペーストは、誘電粒子および低溶融温度のガラス包含物とを含む調製物とされ得
る。本発明により提供される精密堆積は、許容差の大きいコンデンサの作製に対して重要
である。なぜなら、容量性薄膜の厚みおよび均一性がコンデンサのキャパシタンスおよび
性能を決定するからである。ガラスおよびポリイミドの如き低誘電率の誘電物質が、コン
デンサ用途における誘電層に対し、且つ、電子部品を絶縁すべく絶縁層もしくは、不動態
化層として堆積された。コンデンサ用途に対しては、チタン酸バリウムの如き中程度の誘
電率および高い誘電率の誘電体が堆積され得る。
エッチングレジスト
M3D(登録商標)プロセスの本実施例は、混合的な追加的／控除的技術において使用され
ることで、エッチングレジストを用いて精密金属構造を作製すべく使用され得る。図１０
ａに示された如く、エッチングレジスト70は、好適には、噴霧され、上記堆積ヘッドを通
して金属層72上へと堆積される。次に、たとえばエッチングなどの控除的技術が使用され
ることで、図１０ｂの如く露出金属が除去される。最後の段階においてエッチングレジス
トが除去されることで、図１０ｃの如く下側の基板上に金属構造74が残置される。上記の
追加的／控除的なエッチングレジスト・プロセスは、銅の如き反応性金属を堆積させるため
に使用され得る。
目標物
M3D(登録商標)プロセスを用いた受動的構造の直接的書き込みに適した目標物としては
、限定されるものではないが、ポリイミド、FR4、アルミナ、ガラス、ジルコニア、お
よび、ケイ素が挙げられる。温度損傷閾値が低い、すなわち約400℃以下の損傷閾値を有
するポリイミド、FR4および他の目標物上における抵抗器調製物の処理は、適切な緻密化
を行うために概略的にレーザ加熱を必要とする。レーザ光化学処理は、ルテニウム酸スト
ロンチウムの如き中程度ないし高程度の範囲の抵抗器材料を直接的に書き込むために使用
され得る。
用途
上記M3D(登録商標)プロセスを用いた受動的構造の作製により可能とされる用途として
は、限定されるものではないが、電子回路、加熱要素、サーミスタおよび歪ゲージに対
する抵抗器の直接的書き込みが挙げられる。上記構造は、アルミナおよびジルコニアの如
き更に習用的な高温目標物上に印刷され得るが、ポリイミドおよびFR4の如き感熱目標物
上にも印刷され得る。上記M3D(登録商標)プロセスは、また、既に存在する回路盤上に、
平面的もしくは、非平面的な表面上に、および、立体的な電子回路の幾つかの層を接続す
るビア内へと埋設された受動的構造を印刷するためにも使用され得る。他の用途としては
、限定されるものではないが、複数の受動的要素調製物を混合して、特定の物理的、光
学的、電気的もしくは、化学的特性を有する堆積構造を生成すること；既に占有された回
路盤上の受動的構造を補修すること；および、既に占有された目標物上へと、システムの
物理的、光学的、電気的もしくは、化学的な性能を変更する目的で、受動的構造を堆積させることが挙げられる。本発明によれば、5％よりも良好である物理的または電気的な特性の許容差にて上記用途が可能とされる。
本発明は、特定の好適実施例および別の実施例に関して詳細に記述されてきたが、本発
明が関連する分野において通常の技術を有する者であれば、添付の各請求項の精神および
有効範囲から逸脱せずに種々の改変および増進が為され得ると共に他の実施例が同一の成
果を達成し得ることを理解し得よう。上記に開示された種々の形態は、好適実施例および
別の実施例に関して読者に示唆を行うことを意図しており、本発明の限界または各請求項
の有効範囲を制約することは、意図されない。当業者であれば本発明の変更例および改変
例は、自明であり、かかる改変例および均等物の全てを包含することが意図される。上記
で引用された全ての特許および公報の開示内容全体は、参照により援用される。
延長された動作時間と5％より低い許容差にて受動的構造を堆積し得る本発明の好適なM3D(登録商標)装置の実施例の概略図である。 空気的噴霧に対して構成された本発明の好適なM3D(登録商標)装置の概略的実施例を示す図である。 シースガス圧力と全体的ガス流速との間の関係を示すグラフである。 終端処理されると共に高さがt1である受動的構造の概略断面図である。 追加的にトリムされると共にt2＞t1として高さがt2である受動的構造による図３ａの概略図である。 パッド間の抵抗器材料の長さが大きいことから最右側の抵抗器は、中央の構造よりも大きな抵抗を有することを示す概略図である。 追加的な受動的構造の直接的書き込みに先立つ梯子状抵抗器の概略図である。 基板が処理されて他の構成要素により占有された後で構造が追加されてることにより、殆ど完成した後で回路が調整される方法を示す梯子状抵抗器の概略図である。 目標物の縁部上に書き込まれた受動的構造の概略図である。 終端処理された抵抗器による直線的な受動的トレースの概略図である。 終端処理された抵抗器による蛇行した受動的トレースの概略図である。 ２つの回路層間のビア内に埋設された抵抗器の概略図である。 ビアの壁部および底部上に被覆を堆積させる方法を示す図である。 混合的な追加的／控除的技術においてM3D(登録商標)プロセスを用いてエッチングレジストにより精密金属構造を作製する方法の概略図である。

Claims (18)

  1. 材料を含む受動的構造を目標物上に堆積させる装置であって、
    前記材料とキャリヤガスとを含むエアゾールを形成する噴霧器と、
    過剰キャリヤガスを排出する排気流コントローラと、
    前記エアゾールを円柱状のシースガス流内に取り込み、前記エアゾールが通過するオリフィスを含んでいる堆積ヘッドと、
    前記噴霧器のガス取入口とシースガスの取入口とにおいて前記エアゾールの圧力を監視し、前記圧力の値に基づいて本装置の漏出または目詰りの存在を決定する圧力検知変換器と、
    前記キャリヤガスの流速を減少させるバーチャルインパクタと、
    を含んでおり、
    前記受動的構造の所望特性の許容差は5％よりも良好であり、ミリメートル以下の線幅で前記材料を前記目標物上に堆積することを特徴とする装置。
  2. 排気流コントローラはキャリヤガス流速を減速させることを特徴とする請求項１記載の装置。
  3. 圧力検知変換器からデータを受信し、本装置に漏出または目詰りが存在するか否かを決定するプロセッサを更に含んでいることを特徴とする請求項１記載の装置。
  4. 本装置の目詰りが検出された場合には、本装置を自動的に浄化することで、本装置を自動的に目詰り除去させ、漏出が検出された場合には、本装置の作動を自動的に中断するフィードバック・ループを更に含んでいることを特徴とする請求項３記載の装置。
  5. 自身の光線が流動エアゾールを通過するレーザと、
    前記レーザからの散乱光を検出するフォトダイオードと、
    を更に含んでいることを特徴とする請求項１記載の装置。
  6. レーザ光線はエアゾールの流れ方向に直交し、フォトダイオードは前記レーザ光線およ
    び前記流れ方向の両方に直交して配向されることを特徴とする請求項５記載の装置。
  7. 噴霧器の動力を自動的に制御する制御器を更に含んでいることを特徴とする請求項５記
    載の装置。
  8. 材料を含む受動的構造を目標物上に堆積させる方法であって、
    前記材料を噴霧器から噴霧するステップと、
    噴霧された前記材料をキャリヤガス内に取り込んでエアゾールを形成するステップと、
    ガス流コントローラを使用して前記エアゾールから過剰キャリヤガスを除去するステッ
    プと、
    前記エアゾールの圧力を監視するステップと、
    前記エアゾールをシースガスで囲み、前記エアゾールを１開口だけに流すステップと、
    ミリメートル以下の線幅で前記材料を前記目標物上に堆積するステップと、
    を含んでおり、
    前記受動的構造の所望特性の物理的または電気的な許容差は5％よりも良好であることを特徴とする方法。
  9. エアゾールの圧力の値に基づいて漏出または目詰りの存在を決定するステップを更に含んでいることを特徴とする請求項８記載の方法。
  10. 目詰りが存在する場合には、本装置を自動的に浄化することで、本装置を自動的に目詰り除去させるステップを更に含んでいることを特徴とする請求項９記載の方法。
  11. 漏出が存在する場合に本装置の作動を自動的に中断するステップを更に含んでいることを特徴とする請求項９記載の方法。
  12. エアゾール内に更にレーザ光線を照射するステップと、
    前記レーザ光線からの散乱光を測定するステップと、
    を更に含んでいることを特徴とする請求項８記載の方法。
  13. 散乱光を測定するステップはレーザ光線およびエアゾールの流れ方向の両方に直交して配向された検出器により実施されることを特徴とする請求項８記載の方法。
  14. 測定ステップにおいて検出された散乱光の量に基づいて、噴霧ステップにおいて使用さ
    れる動力を変化させるステップを更に含んでいることを特徴とする請求項１２記載の方法
    。
  15. 材料を処理するステップを更に含んでいることを特徴とする請求項８記載の方法。
  16. 処理ステップはエアゾールを加湿するステップ、前記エアゾールを乾燥するステップ、
    前記エアゾールを加熱するステップ、堆積された材料を加熱するステップ、前記堆積され
    た材料をレーザ光線で照射するステップおよびそれらの組み合わせから成る群から選択さ
    れることを特徴とする請求項１５記載の方法。
  17. 堆積された材料をレーザ光線で照射するステップによって前記堆積された材料の線幅を
    １ミクロン程度とすることを特徴とする請求項１６記載の方法。
  18. 堆積された材料をレーザ光線で照射するステップによって目標物の平均温度を損傷閾値
    以上の温度には上昇させないことを特徴とする請求項１６記載の方法。
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