JP5390956B2 - 配線形成装置および配線形成方法 - Google Patents

Description

この発明は、基板表面に配線材料を含む塗布液を塗布して配線を形成する配線形成装置および配線形成方法、ならびに該装置および方法に使用しうる配線形成用材料に関するものである。

例えば太陽電池のように、光を受光して起電力を発生する光電変換デバイスの製造技術においては、基板の受光面に集電用の電極または配線を配置する必要がある。このような配線を形成する技術としては、基板表面に配線材料となる金属を蒸着する技術や、導電性材料を含む塗布液をスクリーン印刷またはインクジェット法により印刷する技術などがある。光電変換デバイス用の配線としては、光電変換効率を低下させることがないよう入射光をできるだけ遮蔽せず、しかも電気抵抗の低いものが望ましく、このためにはいわゆるアスペクト比、すなわち配線断面における幅に対する高さの比の高いものが望ましい。しかし、上記技術は一般に薄膜状の配線を形成するものであるため、必ずしも高いアスペクト比を得ることができない。

この問題を解決するために、ノズルから比較的高粘度の配線材料を吐出して基板に塗布する、いわゆるノズルスキャン法を採用した技術がある。例えば特許文献１および特許文献２に記載の技術では、予め基板に溝を刻設しておき、ノズルからこの溝に電極材料を流し込むことで、幅が狭く厚みのある電極を形成するようにしている。また、特許文献３に記載の技術では、基板表面に対し流動性を有するグリッド線（配線）材料と、その両側を挟むように吐出される犠牲材料をノズルから共押し出しし、その後基板を熱処理して犠牲材料を蒸発させることにより、高アスペクト比のグリッド線を得るようにしている。

特開２００４−２８１８１３号公報（例えば、図４） 特開２００６−５４３７４号公報（例えば、図１） 特開２００８−１１８１５０号公報（例えば、図１、図５）

上記した特許文献１、２に記載の技術は、予め基板に溝を設けるという予備加工を有するものであり、工程が複雑で製造コストが嵩む上に、近年における基板の薄板化の要求に応えることが難しい。また、特許文献３に記載の技術では、最終的なデバイスには必要のない犠牲材料の塗布およびその除去という複雑なプロセスを要し、やはり製造コストの上昇を抑えることができない。

このように、高アスペクト比の配線を確実に、しかも低コストで形成する技術については、これまで確立されるに至っていなかった。

この発明は上記課題に鑑みなされたものであり、基板表面に配線材料を含む塗布液を塗布することで配線を形成する装置および方法ならびにこれらの装置および方法に使用しうる配線形成用材料において、高アスペクト比の配線を容易に形成することのできる技術を提供することを目的とする。

この発明にかかる配線形成装置は、上記目的を達成するため、基板表面に対し、配線材料および光硬化性材料を含有する塗布液を吐出する吐出ノズルと、前記基板表面に対し相対的に前記吐出ノズルを走査移動させる移動機構と、前記吐出ノズルから前記基板表面に吐出された直後の前記塗布液の粘度を増大させる増粘手段と、前記基板表面で粘度が増大された前記塗布液に光を照射して硬化させる光照射手段とを備え、前記増粘手段は、前記基板を保持しつつ前記基板を常温よりも低温に冷却する基板冷却部を有することを特徴としている。

このように構成された発明では、基板表面に対し相対移動する吐出ノズルから、配線材料を含む塗布液を基板表面に吐出させる、いわゆるノズルスキャン方式を採用した配線形成装置において、基板表面に塗布された直後の塗布液の粘度を増大させるための手段を有している。吐出ノズルから吐出した配線材料を含む塗布液を基板表面に塗布する場合、吐出ノズルから塗布液をスムーズに吐出させるという観点からは塗布液の粘度が低いことが望ましい一方、基板表面に塗布された塗布液が周囲に広がらず高アスペクト比を維持するという観点からは、塗布液の粘度が高い方が望ましいという相反する要求がある。そこで、吐出直後の塗布液の粘度を増大させる手段を設けることにより、良好な塗布性と塗布後の塗布液の広がりを抑える効果とを両立させることが可能となり、高アスペクト比の配線を容易に形成することが可能となる。

ここで、前記吐出ノズルは光硬化性材料を含有する前記塗布液を吐出し、前記基板表面で粘度が増大された前記塗布液に光を照射して硬化させる光照射手段をさらに備える。こうすることで、配線材料を含む塗布液を確実に硬化させて、アスペクト比が高く、しかも安定した配線を形成することができる。

前記増粘手段としては、前記基板を保持しつつ前記基板を冷却する基板冷却部を有するものを用いる。配線材料を含む塗布液は、一般に温度が低いほどその粘度が低くなる。塗布液が塗布される基板を冷却しておくことにより、塗布直後の塗布液の粘度が高くなり、周囲へ広がることが防止される。この状態で塗布液に光を照射して硬化させるようにすれば、高いアスペクト比を保った状態で配線材料を硬化させることができる。なお、塗布液自体を予め冷却したのでは、吐出ノズル内での流動性が低下したり、吐出ノズルの吐出口の周囲で塗布液が固まってしまうなどの問題が生じうる。これに対して基板を冷却しておくようにすれば、基板に接した塗布液のみ粘度が上昇するので、このような問題を生じることがない。

特に、前記吐出ノズルが前記配線材料と溶剤とを含む前記塗布液を吐出する場合、前記基板冷却部は、前記溶剤の凝固点以下の温度に前記基板を冷却することが望ましい。こうすることで、基板表面に塗布された塗布液は短時間でほぼ固化するので、吐出ノズルから吐出された直後の形状に近い形状を保ったまま光照射による硬化が起こることになる。これにより、塗布後の塗布液の広がりがほとんど起こらず、アスペクト比の高い配線を得ることが可能となる。

一方、上記目的を達成する他の態様としては、前記増粘手段として、前記基板を保持しつつ前記基板を加熱する基板加熱部を備えるようにしてもよい。加熱した基板の表面に塗布液を塗布することにより、基板に触れた塗布液では溶剤成分の揮発が促進される。こうして溶剤成分が失われることにより塗布液の粘度が増大する。そのため、塗布後の塗布液の広がりを抑えることができる。

ここで、前記吐出ノズルは前記配線材料と溶剤とを含む前記塗布液を吐出し、前記基板加熱部は、前記溶剤の沸点以下の温度に前記基板を加熱するようにしてもよい。溶剤の沸点よりも高い温度まで基板を加熱すると、基板表面に触れた塗布液に含まれる溶剤が激しく蒸発しあるいは沸騰し、塗布直後の形状が崩れてしまう可能性がある。したがって、基板を加熱する場合、その温度は溶剤の沸点を超えないようにすることで、配線の形状の崩れを防止することができる。

基板を加熱するように構成された発明においては、前記移動機構は、前記基板表面の同一箇所に対し複数回重ねて前記塗布液が塗布されるように、前記基板表面に対し前記吐出ノズルを相対移動させるようにしてもよい。加熱した基板に塗布液を塗布すると、溶剤成分が短時間で揮発するので塗布液の流動性は極めて低下する。そのため、同一箇所に重ねての塗布を行うことが可能である。そして、そうすることにより、配線の厚みを増加させることが可能である。

この場合、後の塗布での塗布量が、先の塗布での塗布量を超えないようにすることが望ましい。こうすることで、先に塗布液を塗布された領域から後の塗布液が溢れることがないので、配線の幅を広げることなく厚みのみを増大させることができる。また、塗布後に光照射により配線を硬化させる場合には、重ねて塗布を行った後に光照射を行うことが望ましい。こうすることで、塗り重ねられた各層を一体的に硬化させることができ、より強固な構造の配線を形成することができる。

また、上記目的を達成する他の態様としての配線形成用材料は、導電性粒子と、有機ビヒクルとを含有し、前記有機ビヒクルに含まれる溶剤分のうち１０重量パーセント以上９０重量パーセント以下が、沸点が８０℃以下の有機溶剤であることを特徴としている。詳しくは後述するが、このような組成を有する配線形成用材料は、密封された環境では高い流動性を有する、つまり粘度が低いので、塗布作業に適している。一方、外部空間に吐出された直後から溶剤の揮発が始まり、短時間で粘度が増大し流動性の低い状態に変化する。このため、例えば基板に塗布されるとすぐに流動性の低い状態となり、周囲へ広がることがない。したがって、例えば吐出ノズルから基板表面に対し塗布することで配線を形成する装置および方法に使用される配線形成用材料として好適に使用することができるものである。

この場合において、前記有機溶剤としては、アセトン、酢酸エチルおよびメチルエチルケトンのいずれかを用いることができる。本願発明者らの実験により、これらの材料は、本発明の配線形成用材料に好適に用いることのできるものであることが確かめられている。なお、より強固な配線を形成可能とするために、光硬化性材料をさらに含有してもよい。

また、この発明にかかる配線形成方法は、上記目的を達成するため、前記基板表面に対し、配線材料および光硬化性材料を含有する塗布液を塗布する工程と、前記基板表面に塗布された塗布液に光を照射して硬化させる工程とを備え、少なくとも前記塗布液が前記基板表面に塗布される時から前記光を照射されるまでの間、前記基板を常温よりも低い温度に冷却することを特徴としている。

このように構成された発明では、配線材料および光硬化性材料を含有し基板に塗布された塗布液が光照射によって硬化されるまでの間、基板が冷却されているため、塗布された塗布液の粘度が増大し、周囲へ流れ出すのが防止される。そして、こうして粘度の高い状態が保たれたまま、光照射によって塗布液が硬化するため、アスペクト比の高い配線を簡単に形成することができる。

また、上記目的を達成する配線形成方法の他の態様は、基板を所定温度に加熱する工程と、加熱された前記基板表面に対し、配線材料と溶剤とを含有する塗布液を塗布する工程とを備えることを特徴としている。このように構成された発明では、基板を加熱することにより、基板に塗布された塗布液に含まれる溶剤を短時間で揮発させるので、塗布液の広がりを抑えることができる。そのため、上記したように、アスペクト比の高い配線を簡単に形成することができる。

この配線形成方法においても、前記基板表面上の同一箇所に対して、前記塗布液を複数回重ねて塗布することが可能である。これにより、より厚みのある、つまりアスペクト比のより高い配線を形成することができる。

また、塗布液として光硬化性材料を含むものを使用し、前記基板表面への塗布液の塗布の完了後に、塗布された塗布液に光を照射して硬化させる工程をさらに備えてより強固な配線を得ることも可能である。この場合、上記したように、塗布液を複数回重ねて塗布する場合には、それらの塗り重ねが完了した後に光照射を行うことが望ましい。

この発明にかかる配線形成装置および配線形成方法によれば、塗布後の基板表面で配線材料を含む塗布液の粘度を増大させるようにしているので、ノズル吐出による塗布性に優れ、しかも基板表面での塗布液の広がりを抑えて、高アスペクト比の配線を容易に形成することができる。また、この発明にかかる配線形成材料は、塗布直後に短時間で溶剤が揮発して粘度が増大するので、基板表面に塗布して配線を形成する装置および方法に適用されることにより、高アスペクト比の配線を容易に形成することができる。

この発明にかかる配線形成装置の第１実施形態を示す図である。 ヘッド部の構成をより詳細に示す拡大図である。 ヘッド部からの配線材料の吐出の様子を模式的に示す図である。 塗布液の温度と粘度との関係を示す図である。 第１実施形態における配線形成処理を示すフローチャートである。 この発明にかかる配線形成装置の第２実施形態を示す図である。 塗布液中の溶剤濃度と粘度との関係を示す図である。 第２実施形態における配線形成処理を示すフローチャートである。 塗布液の組成とその性質を評価した結果を示す図である。 第２実施形態の変形例を示す図である。

＜第１実施形態＞
図１はこの発明にかかる配線形成装置の第１実施形態を示す図である。この配線形成装置１は、例えば表面に光電変換層を形成された単結晶シリコンウエハなどの基板Ｗ上に導電性を有する配線を形成し、例えば太陽電池として利用される光電変換デバイスを製造する装置である。この装置１は、例えば光電変換デバイスの光入射面に集電電極を形成するという用途に好適に使用することができる。

この配線形成装置１では、基台１１上にステージ移動機構２が設けられ、基板Ｗを保持するステージ３がステージ移動機構２により図１に示すＸ−Ｙ平面内で移動可能となっている。基台１１にはステージ３を跨ぐようにしてフレーム１２が固定され、フレーム１２にはヘッド部５が取り付けられる。

また、ステージ３の上面には、基板Ｗを所定の温度まで冷却するためのクールプレート３１が設置されている。クールプレート３１は冷却ユニット３２により温度管理される。詳しくは後述するが、クールプレート３１に求められる冷却能力はマイナス数十度程度であり、この程度の低温が得られるものであればその冷却原理は何であってもよい。例えば、電子冷凍技術を用いるもの、内部に液体窒素などの冷媒を送通させるものなどを用いることができる。

ステージ移動機構２は、下段からステージ３をＸ方向に移動させるＸ方向移動機構２１、Ｙ方向に移動させるＹ方向移動機構２２、および、Ｚ方向を向く軸を中心に回転させるθ回転機構２３を有する。Ｘ方向移動機構２１は、モータ２１１にボールねじ２１２が接続され、さらに、Ｙ方向移動機構２２に固定されたナット２１３がボールねじ２１２に取り付けられた構造となっている。ボールねじ２１２の上方にはガイドレール２１４が固定され、モータ２１１が回転すると、ナット２１３とともにＹ方向移動機構２２がガイドレール２１４に沿ってＸ方向に滑らかに移動する。

Ｙ方向移動機構２２もモータ２２１、ボールねじ機構およびガイドレール２２４を有し、モータ２２１が回転するとボールねじ機構によりθ回転機構２３がガイドレール２２４に沿ってＹ方向に移動する。θ回転機構２３はモータ２３１によりステージ３をＺ方向を向く軸を中心に回転させる。以上の構成により、ヘッド部５の基板Ｗに対する相対的な移動方向および向きが変更可能とされる。

ヘッド部５は、ベース５１の下面に基板Ｗ上に液状の塗布液を吐出する吐出ノズル５２、および、基板Ｗに向けてＵＶ光（紫外線）を照射する光照射部５３を有し、吐出ノズル５２には逆止弁５２１を有する供給管５２２が取り付けられる。供給管５２２は分岐しており、一方がポンプ５２３に接続され、他方が制御弁５２４を介して配線材料を含む塗布液を貯留するタンク５２５に接続される。光照射部５３は光ファイバ５３１を介して紫外線を発生する光源ユニット５３２に接続される。

ステージ移動機構２の各モータ、ポンプ５２３、制御弁５２４、光源ユニット５３２および冷却ユニット３２は制御部６に接続され、これらの構成が制御部６により制御されることにより、配線形成装置１による基板Ｗ上への配線パターンの形成が行われる。

図２はヘッド部の構成をより詳細に示す拡大図である。より詳しくは、図２（ａ）はヘッド部５を側面から見たときの吐出ノズル先端付近の形状を示す図であり、図２（ｂ）はヘッド部５を下方から見た図である。図２（ａ）に示すように、吐出ノズル５２は内部が筒状の空洞５２ａになっており、下端が図において斜め右方に開口して吐出口５２ｂを形成している。タンク５２５から供給管５２２を経由して輸送されてくる塗布液は、吐出ノズル５２下端の吐出口５２ｂから基板Ｗに向けて吐出される。

また、光照射部５３の先端にはレンズ５３３が設けられており、光源ユニット５３２からのＵＶ光が第１吐出部５２から基板Ｗ上に吐出された塗布液に集光されるように構成されている。

図２（ｂ）に示すように、吐出口５２ｂはＹ方向に略等間隔で複数配列されている。光照射部５３下端のレンズ５３３は、Ｙ方向における吐出口５２ｂの配設位置を全てカバーできるよう、長円形に形成されている。

なお、吐出口５２ｂの個数は特に限定されないが、例えば２５６個とすることができる。また、吐出ノズル５２の材質についても特に限定されないが、吐出液に対し汚染物質を混入させることがなく、微細加工ができるという点から、例えばシリコンやジルコニアの結晶を用いることができる。

図３はヘッド部からの塗布液の吐出の様子を模式的に示す図である。より詳しくは、図３（ａ）は塗布液がヘッド部５から吐出されている様子を側面から見た図である。また、図３（ｂ）は同じものを斜め上方から見た図である。なお、図３（ｂ）においては、吐出ノズル５２からの吐出の様子を見やすくするために光照射部５３の図示を省略している。以下、図１ないし図３を参照しつつ、この配線形成装置１による配線形成の基本動作について説明する。

吐出ノズル５２からの塗布液の吐出は、図１に示す逆止弁５２１、ポンプ５２３および制御弁５２４により行われる。まず、制御部６の制御により制御弁５２４が開放された状態でポンプ５２３が吸引動作を行う。このとき、逆止弁５２１により塗布液の逆流が阻止されるため、タンク５２５からポンプ５２３へと塗布液が引き込まれる。次に、制御部６の制御により制御弁５２４が閉じられ、ポンプ５２３が押出動作を行う。これにより、吐出ノズル５２の複数の吐出口５２ｂそれぞれから連続的に塗布液Ａ1が吐出される。

塗布液の吐出が行われる際には、制御部６がステージ移動機構２の各モータを駆動制御し、ヘッド部５の下方で基板Ｗの表面が（＋Ｘ）方向に移動するように制御を行う。言い換えれば、ヘッド部５は相対的に基板Ｗ表面を走査しながら（−Ｘ）方向に移動することになる。これにより、基板Ｗ表面には塗布液がＸ方向に沿った筋状に塗布される。このとき、吐出口５２ｂからは走査移動方向の後方に向かって塗布液Ａ1が吐出され、吐出された液が吐出口５２ｂの近傍に滞留することが防止される。

基板Ｗに対するヘッド部５の相対移動方向において吐出ノズル５２の後方側（図３（ａ）において右側）では、吐出された塗布液Ａ1に対し、光照射部５３からＵＶ光Ｌが照射される。塗布液Ａ1が光硬化性を有する樹脂材料を含む場合、ＵＶ光Ｌの照射によって架橋反応が生じて固化が始まる。その結果、図３（ｂ）に示すように、基板Ｗ上には、吐出口５２ｂから吐出された塗布液Ａ1が固化してなる平行な筋状の構造物Ｂ1が形成される。

次に、上記のように構成された配線形成装置１による、基板Ｗ上への配線形成の具体的な態様について説明する。この実施形態では、配線材料を含む塗布液を吐出ノズル５２から吐出させて基板Ｗ表面に塗布することで配線を形成するが、この際、基板Ｗを氷点下数十度程度の低温に冷却しておく点が大きな特徴となっている。これは、ノズルから吐出され基板表面に塗布された塗布液が基板表面で広がるのを防止して、幅は狭いが高さのある、すなわちアスペクト比の高い配線を形成するためである。

タンク５２５から供給管５２２を経て吐出ノズル５２から塗布液をスムーズに吐出するためには、塗布液の粘度が低いことが望ましい。しかしながら、このように低粘度の液が基板表面に塗布されると、塗布液は周囲に流れて広がってしまい、結果的に幅が広く高さの低い、つまりアスペクト比の低い配線となってしまう。これを防止するために、粘度の高い塗布液を使用すると、供給管５２５内で液が滞留したり吐出ノズル５２の先端付近で固まってしまうなどの原因によって、高精細パターンを形成することができないことがある。この実施形態は、このような問題を回避することが可能なものである。

図４は塗布液の温度と粘度との関係を示す図である。配線材料としての導電性粒子（例えば金属微粒子）および溶剤を含む塗布液では、図４に示すように、液温が低いほど粘度が高く、流動性の低い状態となる。特に、溶剤の凝固点（ｆ.ｐ.）近傍で粘度の変化が大きい。なお、凝固点降下があるため、溶剤の凝固点以下で塗布液が確実に凍結するとは限らない。しかしながら、凝固点付近では完全に凍結しなくても液体の粘度は数十万ｃＰ程度であり、その流動性は十分低くなっている。つまり、この状態では、基板表面に塗布された塗布液はほとんど広がらず初期の形状を保っている。こうして塗布液の流動性を抑えた状態で光照射を行い、塗布液の光硬化反応を進行させれば、塗布直後の形状を維持したまま配線材料を固化させアスペクト比の高い配線を得ることができる。

上記したように、基板の温度としては、塗布液に含まれる溶剤の凝固点程度あるいはそれ以下とすればよい。例えば基板温度を液体窒素温度（−１９６℃、７７Ｋ）とした場合、一般的な有機溶剤の凝固点よりは十分に低いので、基板上に吐出された塗布液は短時間で凝固しほぼ吐出直後の形状が保たれる。ただし、図４に示したように低温ほど粘度が上昇するので、凝固点以上であっても常温から基板を冷却することで、塗布液の広がりを抑制する効果は得られる。したがって、例えば冷媒による熱交換式の冷凍機やペルチェ効果を利用した電子冷凍機の原理により基板を冷却するようにしても十分実用になる。

図５はこの実施形態における配線形成処理を示すフローチャートである。まず、未処理の基板Ｗを装置１に搬入し（ステップＳ１０１）、ステージ３上のクールプレート３１に載置する。次いで冷却ユニット３２を作動させて、基板Ｗを所定温度に冷却する（ステップＳ１０２）。そして、吐出ノズル５２から配線材料を含む塗布液を吐出させながら、ステージ３をＸ方向に移動させる（ステップＳ１０３）。このとき、塗布直後の塗布液に対して、光照射部５３からＵＶ光を照射する。こうすることにより、図３（ｂ）に例示するように、基板Ｗ表面にはＸ方向に沿ったストライプ状の配線が描画されてゆく。

基板Ｗの端部近傍まで配線が形成されステージ３が所定の終了位置に到達するまで描画を継続した後（ステップＳ１０４）、塗布液の吐出、ステージ移動、ＵＶ光の照射および基板の冷却を停止して（ステップＳ１０５）、基板を搬出することにより（ステップＳ１０６）、１枚の基板Ｗに対する処理が完了する。塗布された配線材料は既に光照射により硬化反応を起こしているため、基板Ｗを常温に戻しても配線の断面形状が崩れることはない。

以上のように、この実施形態では、基板表面に塗布液を塗布するのに際して、予め基板を冷却しておく。このため、塗布液は塗布直後から粘度が大きく上昇し、塗布時の断面形状に近い形状が一時的に保持される。そして、低温状態を維持することでこの形状を保ったまま、光照射によって不可逆的に配線材料を硬化させることによって、塗布時の断面形状に近い高アスペクト比の配線を基板Ｗ上に形成することができる。

なお、塗布液を予め冷却しておいたり、装置全体を低温下に置くことも考えられるが、このようにすると吐出前の塗布液の粘度まで上がってしまい、供給管やノズルを詰まらせたり微細な配線が形成しにくくなるなどの問題が生じうる。基板Ｗのみを冷却し、塗布液が基板に触れることで冷却されるようにすることが最も理に適っているといえる。

上記した本発明の第１実施形態では、冷却した基板に塗布液を塗布し、塗布液を冷却してその粘度を増大させた状態で光照射により硬化させることにより、高アスペクト比の配線を得られるようにしている。これとは逆に、以下に説明する本発明の第２実施形態では、基板を加熱した状態で塗布液を塗布するようにしている。

＜第２実施形態＞
図６はこの発明にかかる配線形成装置の第２実施形態を示す図である。この実施形態における塗布装置１ａの基本的構成および動作は、上記した第１実施形態のものとほぼ同じである。ただし、第１実施形態のクールプレート３１に代えて基板を加熱するホットプレート３５がステージ３上に設けられるとともに、これを制御する加熱ユニット３６が冷却ユニットに代えて設けられている。この点を除けば装置構成は第１実施形態のものと同一であるので、同一構成には同一符号を付して説明を省略する。

図７は塗布液中の溶剤濃度と粘度との関係を示す図である。塗布液中の溶剤濃度が高いほど粘度が低いことは当然であるが、単純な減少ではなく、図７に示すように、ある溶剤濃度の閾値Ｃthを境にしてその前後で粘度が大きく変化する。このことから、吐出前の塗布液は溶剤濃度を閾値Ｃthよりも高くしておき、吐出後に急速に閾値Ｃth以下まで溶剤濃度を低下させるようにすれば、塗布液の粘度が急激に増大するので基板上での広がりを防止することができ、高アスペクト比の配線を形成することが可能となる。

そこで、この実施形態では、予め加熱した基板Ｗに塗布液を塗布するようにし、加熱された基板Ｗに触れた塗布液から溶剤を急速に揮発させて溶剤濃度を低下させることにより、塗布液の広がりを抑制するようにしている。そして、こうして予め溶剤濃度を低下させた状態で光照射による硬化反応を生じさせるようにすれば、溶剤を排除したより強固な架橋構造を形成させることができ、配線の強度を高めることができる。

なお、配線材料を含む塗布液としては、既に商品化されている導電性ペーストも使用可能であり、このような導電性ペーストには、光硬化によらず溶剤の揮発のみによって固化させるタイプのものも存在する。本実施形態の配線形成装置１ａは、このようなタイプの塗布液を使用した場合でも、基板の加熱により溶剤の揮発が促進されるので、断面形状の崩れを抑えてアスペクト比の高い配線を形成することが可能である。この場合には、光照射部５３からの光照射を省いてよい。

また、より高さのある配線を形成するため、基板Ｗ上の同一箇所に塗布液を塗り重ねたい場合にも、この実施形態は有効である。というのは、第１実施形態における冷却による粘度増大とは異なり、溶剤の揮発による粘度の増大は不可逆的な変化であり、塗り重ねを行う際には先に塗布した塗布液が新たな塗布液と混じり合わない程度に固化しているため、新たな塗布液は固化した先の塗布液の層の上に新たな層を作るからである。

この場合、先に塗布された層から新たな塗布液が溢れ出してしまうとアスペクト比の高い配線が得られない。これを防止するためには、後から塗布する塗布液の量は、先の塗布における塗布量を超えないことが望ましく、例えば後の塗布工程ほど塗布量が少なくなるようにすることが好ましい。このようにすれば、先の塗布における液の広がりを超えて後の塗布液が広がることがなく、塗り重ねるごとに塗布層が積み重ねられて厚みを増すことができる。

塗布後に光照射によって固化させる方法を用いて塗り重ねを行う場合には、１回の塗布ごとに光照射を行ってもよいが、より好ましくは、各層の塗り重ね時には光照射を行わず、全層の塗り重ねを終えてから光照射を行うのがよい。塗布ごとに光照射を行った場合、各層内での架橋反応による固化は進むが、異なる層の間での結合は弱くなり、配線全体としてみたときの強度は劣る。これに対して、全層の塗り重ねを終えてから光照射を行うと、塗り重ねられた層全体で架橋反応による固化を生じるので、配線の強度をより高めることが可能となる。

基板の温度については、例えば次のような考え方に基づいて設定することができる。基板の温度が高いほど溶剤の揮発は促進される。その一方、温度が高すぎて塗布液がその内部で沸騰してしまうと、内部に気泡が発生したりそれが弾けることで配線の形状や電気的特性が乱れてしまう。したがって、塗布液が沸騰する温度よりは低いことが望ましい。市販されている塗布液でその沸点が規定されている場合にはその温度に基づけばよいが、そうでない場合には、例えば塗布液に含まれる主たる溶剤の沸点に基づいて、それよりも若干低めの温度としておくのがよい。例えば沸点が約５６℃であるアセトンを主要な溶剤とする塗布液の場合には、基板温度を５０℃程度とすればよい。その他の主要な有機溶剤も沸点は概ね摂氏数十度程度であるので、それらの沸点より数度程度低い温度を基板温度とすればよい。

図８はこの実施形態における配線形成処理を示すフローチャートである。ここでは、光照射による硬化を前提とした、すなわち光重合開始剤を成分として含む塗布液を用いる場合の配線形成処理について説明する。光硬化性でない塗布液を用いる場合には、後述するステップＳ２０７の光照射処理を省けばよい。

まず、未処理の基板Ｗを装置１ａに搬入し（ステップＳ２０１）、ステージ３上のホットプレート３５に載置する。次いで加熱ユニット３６を作動させて、基板Ｗを所定温度に加熱する（ステップＳ２０２）。そして、吐出ノズル５２から配線材料を含む塗布液を吐出させながら、ステージ３をＸ方向に移動させる（ステップＳ２０３）。こうすることにより、図３（ｂ）に例示するように、基板Ｗ表面にはＸ方向に沿ったストライプ状の配線が描画されてゆく。このときには光照射部５３からの光照射は行わない。基板が加熱されているので塗布液は溶剤が蒸発して固化してゆくが、この時点での配線は極めて脆い構造のままである。

基板Ｗの端部近傍まで配線が形成されステージ３が所定の終了位置に到達するまで描画を継続した後（ステップＳ２０４）、塗布液の吐出およびステージ３の移動を停止させる（ステップＳ２０５）。塗布液の塗り重ねを行う場合には、所定回数に達するまで上記したステップＳ２０３〜Ｓ２０５を繰り返す（ステップＳ２０６）。

塗布回数が所定回数に達すると、塗布液を塗布された基板Ｗに光を照射して、塗布液を光硬化させて配線を完成させる（ステップＳ２０７）。具体的には、吐出ノズル５２からの塗布液の吐出を停止する一方、光照射部５３からＵＶ光を出射させた状態で、ステージ移動機構２によりステージ３をＸ方向に走査移動させることにより、基板Ｗ上の塗布液全体にＵＶ光を照射する。光照射が完了すれば、基板Ｗを搬出し（ステップＳ２０８）、これにより１枚の基板Ｗに対する処理が完了する。

以上のように、この実施形態では、基板表面に塗布液を塗布するのに際して、予め基板を加熱しておく。このため、塗布液は塗布直後から溶剤濃度が急速に低下して粘度が大きく上昇し、塗布時の断面形状に近い形状が保持される。この変化は不可逆的であるが、その後さらに光照射を行い配線材料を硬化させることによって、塗布時の断面形状に近い高アスペクト比の配線を基板Ｗ上に形成することができる。

＜塗布液の組成例＞
上記した２つの実施形態は、一方が基板を冷却するものであるのに対し、もう一方が基板を加熱するという点で相反するが、「基板表面で塗布液の粘度を急速に増大させることにより、塗布直後の形状を維持する」という技術思想において共通するものである。本願発明者らは、このような目的に好適な塗布液の組成についても検討を行った。以下に説明する組成例は、上記第１および第２実施形態の配線形成装置に好適に適用することができ、特に第２実施形態の配線形成装置１ａに最適である。しかしながら、これらの装置に限定されず、吐出ノズルから基板上に吐出させて配線を形成する配線形成装置および配線形成方法全般に好適に適用可能なものである。

上記目的に適した塗布液とは、容器内に密閉された状態では粘度が低く流動性が良好であるが、外部空間に開放されると直ちに粘度が増大する性質を有する液体である。本願発明者らは種々の実験の結果、このような性質を有する塗布液として、以下の条件を備えるものが好ましいことを見出すに至った。その条件とは、すなわち、
（１）導電性粒子および有機ビヒクル（溶剤、樹脂、増粘剤等の混合物）を含む、
（２）有機ビヒクルに含まれる溶剤成分のうち、沸点が８０℃以下の有機溶剤が溶剤全体に占める比率が、１０ないし９０重量パーセントである、
の２点である。以下に、本願発明者らによる実験結果の一部を示す。

図９は塗布液の組成とその性質を評価した結果を示す図である。種々の組成比を有する塗布液を実験的に作成し、その塗布液としての特性を評価した。評価項目は、線幅および連続吐出性の２点である。このうち、「線幅」は基板上での配線の広がりに関する評価項目であり、内径５０μｍの吐出ノズルから速度２０ｍｍ／ｓｅｃで基板上に塗布液を吐出し、常温で５分間放置した後の塗布液の広がり幅を評価したものである。広がりが１００μｍ以下に留まっていたものを「○」印、１１０μｍ以上を「×」印、それらの中間を「△」印により表している。

また、「連続吐出性」はノズルからの吐出のしやすさを表すものであり、吐出をオンにしてからオフにする操作を１００回繰り返し行った後における、ノズル内や吐出口周辺への固形物の付着の有無を評価したものである。付着物の見られなかったものを「◎」印、若干の付着物が見られたものを「○」印、比較的多量の付着物が生じたものを「×」印により表している。このような付着物は塗布液の流れを阻害し、配線の形状を乱す原因となる。

塗布液を構成する導電性粒子としては、銀粉末を用いた。有機ビヒクルとしては、樹脂材料としてのエチルセルロースと有機溶剤とを含むものを用いた。有機溶剤としては、高沸点溶剤としてテルピオネール（構造異性体により若干異なるが、沸点約２００℃）を、低沸点溶剤としてアセトン（沸点約５６℃）、酢酸エチル（同７７℃）およびメチルエチルケトン（同７９℃）を用いた。さらに、少量のガラスフリットを添加した。この実験では、銀粉末、ガラスフリットおよびエチルセルロースの含有量を固定し、その残部を占める溶剤の組成のみを変化させて上記２点の評価項目について評価を行った。

図９に示すように、溶剤として高沸点のテルピオネールのみを用いた塗布液では、連続吐出性は良好であるが線幅に問題がある。これは、溶剤の蒸発が遅いことが原因と考えられる。アセトン、酢酸エチル、メチルエチルケトンなどのより沸点の低い溶剤の比率を増加させることにより線幅は次第に改善されるが、低沸点溶剤の比率が９０％以上に高くなると連続吐出性の低下が見られた。これは、塗布液の乾燥が早くなりすぎて、吐出直後に吐出口近傍で塗布液が固まってしまったのが原因と考えられる。

低沸点溶剤としては、ここに示したものの他に、テトラヒドロフラン（沸点約６６℃）、ヘキサン（同６９℃）などが良好であり、樹脂に対する溶解性はやや劣るがエチルアルコール（同７８℃）がこれに次ぐ。また、ガラスフリットを含まない組成や、若干量の光重合開始剤を含む組成においても同様の傾向である。これらの結果から、上記条件（１）、（２）に合致するものが、塗布液として好ましい性質を有するものであるということができる。

＜その他＞
以上説明したように、上記各実施形態においては、吐出ノズル５２が本発明の「吐出ノズル」として機能しており、ステージ移動機構２が本発明の「移動機構」として機能している。また、光照射部５３が本発明の「光照射手段」として機能している。また、上記第１実施形態におけるクールプレート３１が本発明の「基板冷却部」として機能する一方、第２実施形態におけるホットプレート３２が本発明の「基板加熱部」として機能しており、これらはいずれも本発明の「増粘手段」に相当するものである。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、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、上記した塗布液の組成は一部の例を示したものであって本発明がこれに限定されるものではなく、先に列記した材料の他の組み合わせであってもよい。また、上記した配線形成装置１、１ａに、上記した組成以外の塗布液を適用してもよいし、上記組成の塗布液を、配線形成装置１、１ａと異なる構成を有する配線形成装置に適用してもよい。

また、上記第１実施形態では、吐出ノズル５２を保持するヘッド部５に光照射部５３を設け、基板に塗布された直後の塗布液にＵＶ光を照射しているが、第２実施形態の装置と同様に、基板全体への塗布が終了してから光照射を行うようにしてもよい。この場合において、光照射はこの装置で行う必要はなく、低温状態が維持されるとの条件で、他の装置へ基板を移動させて行ってもよい。このことは第２実施形態においても同様であり、塗布後の基板を他の光照射装置に移動させて光照射を行うようにしてもよい。このようにした場合には、配線形成装置１、１ａには光照射機能を設けなくてもよいこととなる。

図１０は第２実施形態の変形例を示す図である。上記第２実施形態において、図１０に示すように、吐出ノズル５２から基板Ｗ上に塗布された塗布液に対してガスを送出するガス吐出ノズル５９を設け、該ノズル５９から乾燥空気または不活性ガスを基板表面の塗布液の周囲に流すようにしてもよい。このようにすれば、塗布液から蒸発した溶剤成分が乾燥空気あるいは不活性ガスにより置換されるので、より溶剤の蒸発が促進され、粘度の増大が急速に進むことになる。この場合において、予め温められたガスを吐出するようにすればより効果的である。このような方法は、基板を加熱しない技術にも適用可能である。すなわち、ホットプレート３５を設けない構成においても、塗布直後の塗布液に（好ましくは温められた）ガスを吐出することにより、溶剤の蒸発を促進させて塗布液の粘度を増大させて、液の広がりを抑えることができる。

また、上記各実施形態では基板Ｗの片面にのみ配線を形成しているが、基板Ｗの両面に配線を形成する場合にも、本発明を適用することが可能である。

また、上記各実施形態ではシリコン基板上に配線を形成して太陽電池としての光電変換デバイスを製造しているが、基板はシリコンに限定されるものではない。例えば、ガラス基板上に形成された薄膜太陽電池や、太陽電池以外のデバイスに配線を形成する際にも、本発明を適用することが可能である。

この発明は、例えば太陽電池の受光面に設けられる集電電極のように、線幅が細く厚みのある、すなわち高アスペクト比が必要とされる配線を基板上に形成する配線形成装置および配線形成方法に好適に適用することができる。

１，１ａ 配線形成装置
２ ステージ移動機構（移動機構）
６ 制御部（制御手段）
２１ Ｘ方向移動機構
２２ Ｙ方向移動機構
２３ θ回転機構
３１ クールプレート（基板冷却部、増粘手段）
３５ ホットプレート（基板加熱部、増粘手段）
５２ 吐出ノズル
５３ 光照射部（光照射手段）
Ｗ 基板

Claims (6)

1. 基板表面に対し、配線材料および光硬化性材料を含有する塗布液を吐出する吐出ノズルと、
   前記基板表面に対し相対的に前記吐出ノズルを走査移動させる移動機構と、
   前記吐出ノズルから前記基板表面に吐出された直後の前記塗布液の粘度を増大させる増粘手段と、
   前記基板表面で粘度が増大された前記塗布液に光を照射して硬化させる光照射手段と
   を備え、
   前記増粘手段は、前記基板を保持しつつ前記基板を常温よりも低温に冷却する基板冷却部を有する
   ことを特徴とする配線形成装置。
2. 前記吐出ノズルは溶剤をさらに含む前記塗布液を吐出し、前記基板冷却部は、前記溶剤の凝固点以下の温度に前記基板を冷却する請求項１に記載の配線形成装置。
3. 前記吐出ノズルは、前記塗布液を連続的に吐出する請求項１または２に記載の配線形成装置。
4. 前記基板表面に対し、配線材料および光硬化性材料を含有する塗布液を塗布する工程と、
   前記基板表面に塗布された塗布液に光を照射して硬化させる工程と
   を備え、
   少なくとも前記塗布液が前記基板表面に塗布される時から前記光を照射されるまでの間、前記基板を常温よりも低い温度に冷却する
   ことを特徴とする配線形成方法。
5. 前記塗布液は溶剤をさらに含み、
   少なくとも前記塗布液が前記基板表面に塗布される時から前記光を照射されるまでの間、前記溶剤の凝固点以下の温度に前記基板を冷却する請求項４に記載の配線形成方法。
6. 前記基板表面に対し相対移動する吐出ノズルから前記塗布液を連続的に吐出させて前記塗布液を前記基板表面に塗布する請求項４または５に記載の配線形成方法。

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