JP5826223B2 - 金属ナノ粒子ペーストのレーザ焼結雰囲気制御方法及びそれを実施する装置を備えた金属ナノ粒子ペースト用のレーザ焼結装置 - Google Patents

Description

本発明は、金属ナノ粒子ペーストのレーザ焼結部位を取り囲む雰囲気、いわゆるレーザ焼結雰囲気を最適条件に調整可能なレーザ焼結雰囲気制御方法及びそれを実施する金属ナノ粒子ペースト用のレーザ焼結装置に関する。

大気中で行う金属のレーザ焼結、レーザ溶接、レーザ切断などのレーザ加工においては、レーザ照射中に大気中から加工部位（レーザ照射部位）への酸素の侵入があると、金属の酸化が生じる。すなわち、レーザ加工では加工部位の温度が金属の融点近くになるために、レーザ加工部位が酸素と反応し酸化金属となる。かような金属酸化は、加工部位の種々の不具合をもたらす。例えば近年提案されている金属ナノ粒子ペーストを基板上に塗布してレーザ焼結することにより基板上に機能性膜（電子部品の微細配線、ワイヤボンディングパッドなど各種用途に使用される膜）を生成する場合においては、焼結金属の特性低下や下地金属との密着性の低下が生じる。さらに、大気中からの酸素の侵入にともなう金属基板表面の酸化や樹脂基板の酸化分解が生じる。このため、大気中における金属ナノ粒子ペーストのレーザ焼結においては、レーザ照射部位に不活性雰囲気ガスを吹き付けるなどの方法が採用されている。以下に本発明に関係する先行技術について記述する。

本出願の出願時点で未公開である特許文献１（特願２０１２−１１８５８７号）には、本願発明者らが先に提案した金属ナノ粒子焼結体からなる機能性膜を形成する方法が記載されている。より具体的には、基板上に塗布した金属ナノ粒子ペースト（例えば、平均粒子径が１〜１００ｎｍの範囲に選択する、金属ナノ粒子を分散溶媒中に分散したもの）にレーザ光を照射して、レーザ焼結による機能性膜を基板上へ形成するものである。かようなレーザによる機能性膜形成は、焼結を伴うので、酸素濃度を微量にする必要性があり、そのため、アルゴンガスなどの不活性ガスの供給下で行われる。この特許文献１では、アルゴンガスをレーザ照射部位の側面から供給し、上部からレーザを照射する。レーザ照射部位の雰囲気中の酸素濃度は、レーザ照射部近傍に設けた雰囲気ガス吸引ノズルにより吸引して、ガスを酸素濃度計に導入して酸素ガス濃度を測定することによって得られる。

なお、金属ナノ粒子ペーストのレーザ焼結以外のレーザ加工、例えばレーザ溶接やレーザ切断に関する先行技術文献としては、次のようなものがある。

特許文献２（特開平８‐１９８８６号公報）には、集光されたレーザビームを被溶接材の溶接部に照射する手段と、レーザビームおよび溶接部を保護するシールドガスを噴射する手段（第１ガス供給ノズル）と、集光されたレーザビームの内側で、かつレーザビームの中心軸に沿って被溶接材の溶接部に向けてヘリウムなどの不活性ガス又はこれらの混合ガスを噴射する手段（第２ガス供給ノズル）とを具備するレーザ溶接ノズルが開示されている。特許文献２の発明では、ブローホールなどの無い良好なレーザ溶接部が得られるのが特徴である。

特許文献３（特開平９-１９２８７２号公報）には、レーザ光を被加工物上にて集光させる集光レンズを保持する保持部と、この保持部の先端に取り付けられた内部空間を有するヘッドとでノズル本体を構成し、ヘッドの先端部に形成されたノズル孔から集光レンズによって集光させたレーザ光を出力させ、ヘッドの内部空間に、供給路からアシストガスを送り込み、このアシストガスを、ヘッドの内部空間からなる流路を通し、ノズル孔から噴出させる技術が開示されている。また、ノズル本体に沿って別のガス供給管を配設し、ガス供給管の先端部をノズル本体の先端部に向け、ガス供給管からも別のアシストガスを噴出させるようにしている。この方式では、アシストガスを変える場合、ノズル本体内のガスを完全に置換することなく、短時間でレーザ照射部の雰囲気を変えることができる。本公知例のノズルによれば、加工の目的に応じて迅速にアシストガスの種類を変えることができ、例えば、レーザ穴あけ加工を行う場合には、アシストガスとして酸素ガスを用いる。酸素ガスは金属の酸化反応により穴あけ加工を促進する作用がある。またレーザ切断を行う場合には、切断面の品質を上げるために、窒素ガスなどの不活性ガス用いている。

特許文献４（特開２００２-１３７０８２号公報）には、酸素ガスをレーザ光と同軸で流しつつ、レーザ光を集光して鋼などのレーザ切断加工を行うレーザ加工用ノズルにおいて、酸素ガスがノズル外筒とノズル内筒との間に形成される環状流路を介して供給され、且つ該環状流路にポーラス体を充填して供給ガスの均一化を図る技術が開示されている。

特許文献５（特表２００９-５１７２１６号公報）には、レーザビーム及び加工ガス用の少なくとも１つの供給室を備えたレーザ加工用ノズルが開示されている。具体的には、ガス供給室の開口の領域に配置された中空室を有しており、中空室は、加工しようとする工作物の方向に開口しており、開口が楔状の縁部を有していることを特徴としている。このような構成により、中空室を大きくしており、被加工材料の厚さに無関係にノズルの開口径を変えることなく、レーザ切断加工が行える。

特許文献６（特開平１１−６０８６号公報）には、レーザ光の照射により被処理体表面の不純物等を除去する表面不要物除去装置が開示されている。この表面不要物除去装置では、レーザ光の周囲を囲むようにガス吹出筒を配置し、この吹出筒を介して不活性ガスを被処理体のレーザ照射部位に吹き付け、さらに吹き付けたガスをガス吸引手段で吸引して、レーザ除去された不要物を不活性ガスと共に確実に排除するようにしてある。

特許文献７（特許第４１３０７９０号公報）には、透光性基板上の非晶質シリコン半導体にエキシマレーザを照射して、この非晶質シリコン半導体を多結晶シリコン半導体にするレーザアニール加工機が開示されている。このレーザアニール加工機では、レーザ光を照射するレーザ照射口に対してその外側に酸素濃度を所定濃度に調整したガスを吹き付ける環状のガス吐出口を設けてある。ガス吐出口からのガスは、周囲の気体を遮断するようにレーザ光の照射位置を囲むように吐出される。また、レーザ加工用ノズルには、酸素濃度検出経路が接続されており、酸素濃度検出経路には、酸素濃度計が設けられている。

特願２０１２-１１８５８７号 特開平８-１９８８６号公報 特開平９-１９２８７２号公報 特開２００２-１３７０８２号公報 特表２００９-５１７２１６号公報 特開平１１−６０８６号公報 特許第４１３０７９０号公報

本願の出願人らが先に出願した特許文献１の金属ナノ粒子ペーストのレーザ焼結法では、レーザ照射部位の雰囲気をレーザ焼結に適した低酸素雰囲気となるよう管理するために、レーザ照射部位の近傍に設けた雰囲気ガスをモニタリング用の吸引ノズルで吸引して酸素濃度計に導入し、このガスの酸素ガス濃度を測定するようにしている。

ただし、本願発明者のその後の研究成果によれば、レーザビームと、アルゴンガス供給ノズルと、雰囲気ガス吸引ノズルとが、別個になっている場合には、雰囲気ガス吸引ノズルの位置によって、酸素濃度の測定値がばらつくといった知見が得られた。また側面から金属ナノ粒子ペースト（金属焼結部位）に不活性ガスを供給する場合には、塗布した金属ナノ粒子ペーストの全面に渡って均一な低酸素濃度の雰囲気（不活性ガス雰囲気）が得られないことが判明した。ちなみに、特許文献１における金属ナノ粒子ペーストのレーザ焼結法において、基板との密着性に優れた機能性膜を得るには、酸素濃度を０．１容量％以下にする必要があるが、上記したレーザ照射ビームと、アルゴンガス供給ノズルと、雰囲気ガス吸引ノズルとの配置構成によれば、酸素濃度の変動が大きくなる傾向があった。

さらに、金属ナノ粒子ペーストのレーザ焼結法においては、その他のレーザ加工にはみられない次のような特有の解決すべき課題があった。

金属ナノ粒子ペーストは、ナノオーダーの金属粒子を溶媒（溶剤）に分散させることで生成されるために、溶剤と分散剤を含んでいる。溶剤としては、例えば、テトラデカンなどの有機溶剤がある。分散剤とは、金属ナノ粒子を安定に溶剤中に分散させ、また金属ナノ粒子の凝集を防ぐための、金属ナノ粒子表面を覆う官能基を有する高分子被膜である。分散剤にはアミン系やチオール系の化合物が用いられる。これらの化合物は金属ナノ粒子表面に選択的にキレート結合などによって化学結合し保護膜を形成する。このことによって金属ナノ粒子は溶剤中に安定に分散でき、金属ナノ粒子ペーストの長期間の安定した保管と使用を可能にしている。

酸素を含む空気中の場合、溶剤および分散剤の分解によるガス状物質は、主にテトラデカンなどの有機溶剤の酸化分解ガスである水蒸気、二酸化炭素が主である。また、分散剤の空気中における、レーザ照射による分解ガスは、窒素および硫黄などの酸素との化合物である。金属ナノ粒子ペーストのレーザ焼結が酸素をほとんど含まない不活性ガス中などにおける雰囲気中で行われる場合には、酸化分解ガスは発生しないが、レーザエネルギーにより、溶剤や分散剤の瞬時の蒸発成分や分解生成物が生じる。通常、金属基板や樹脂基板に金属ナノ粒子ペーストを印刷してレーザ焼結を行う場合、基板やレーザ焼結部の酸化を防ぐことを目的として、アルゴンガスなどの不活性ガスをアシストガスとして使用する。このため、金属ナノ粒子ペーストのレーザ焼結によって発生するガスは、分散剤の瞬時の蒸発成分や分解生成物である。レーザ焼結を短時間に終了させるためには、化学量論的に発生するこれらの分解ガスを速やかに、焼結反応系から追い出す必要がある。このためには、アルゴンガスの流量を大きくする必要があるが、アルゴンガスなどの不活性ガスの流量を上げると、レーザ照射部の流速が高まって乱流が発生し、酸素を含む外気を巻き込む問題がある。したがって、金属ナノ粒子ペーストのレーザ焼結においては、レーザ照射による金属ナノ粒子ペーストの溶剤および分散剤の分解、蒸発に伴う、レーザ焼結雰囲気の乱れおよび大気中からの酸素の侵入にともなうレーザ焼結部位、金属基板表面の酸化や樹脂基板の酸化分解が解決すべき重要な課題になる。

本発明はこのような従来技術の課題を踏まえて、金属ナノ粒子ペーストのレーザ焼結により発生するガス（蒸気、分解ガス）を速やかに系外に追い出し、かつ不活性ガス（例えばアルゴンガス）の流量を調整して、レーザ焼結雰囲気を大気中から巻き込まれる酸素を含むことなく、完全な低酸素雰囲気に常時維持できるレーザ焼結雰囲気制御方法、およびそれを実施する装置を用いた金属ナノ粒子ペースト用のレーザ焼結装置を提供することにある。

本願発明は、上記課題を解決するために基本的には次のように構成される。
（１）一つは、金属ナノ粒子ペーストのレーザ焼結雰囲気制御方法であって、上部開口側がレーザ光透過基板で塞がれた筒状のレーザ光ガイドの上部側に、該レーザ光ガイドのその他の部分よりも径を大きくした不活性ガス導入室が設けられ、下部側には、該ガイドの直下にある基板上の金属ナノ粒子ペーストのレーザ照射部位を覆うスカート部が設けられ、このスカート部の下部周縁と前記金属ナノ粒子ペーストを有する基板との間には環状隙間が確保されている。

かようにして構成されるガイドユニットにおいて、外部のレーザ光学系ユニットからのレーザ光を、前記レーザ光透過基板を介して前記ガイドの中心部に通して前記金属ナノ粒子ペーストに導き、且つ前記不活性ガス導入室の側面に接続した不活性ガス導入管を介して外部より不活性ガスを前記不活性ガス導入室に導入してこの不活性ガス導入室を正圧に維持することにより、不活性ガスを前記不活性ガス導入室から前記ガイド及びスカート部を介して前記金属ナノ粒子ペーストに向けて直上から吹き出し、この吹き出し不活性ガスにより、レーザ焼結時に前記金属ナノ粒子ペーストから発生するガスを、前記環状隙間を通して排出しつつレーザ焼結雰囲気を酸素濃度０．１容量％以下に保つことを特徴とする。

なお、前記レーザ焼結雰囲気制御方法において、必要に応じて、前記スカート部に雰囲気ガス吸引口を設けて、この雰囲気ガス吸引口からレーザ焼結雰囲気ガスの一部を吸引し酸素濃度計に導入して、レーザ焼結雰囲気が最適な条件になるように不活性ガス流量を、流量制御手段を介して調整してもよい。
（２）もう一つは、不活性ガスを基板上の金属ナノ粒子ペーストを取り囲むように吹き出して、金属ナノ粒子ペースト周辺を低酸素濃度のレーザ焼結雰囲気にしながらレーザ光を前記金属ナノ粒子ペーストに照射して、前記金属ナノ粒子ペーストを焼結するレーザ焼結装置において、レーザから出射されるレーザ光を透過させるレーザ光透過基板と、筒状の内部通路に前記レーザ光を通し且つ前記不活性ガスを導入してレーザ光照射位置に案内するためのレーザ光ガイドと、前記レーザ光照射位置の周辺を覆って前記不活性ガスによる低酸素濃度の前記レーザ焼結雰囲気を形成するスカート部と、を備える。また、前記ガイドの上部開口を塞ぐように前記レーザ光透過基板が設けられ、且つ該ガイドの上部側に該ガイドのその他の部分よりも径を大きくした不活性ガス導入室が設けられ、下部側には前記スカート部が設けられて、前記レーザ光透過基板、不活性ガス導入室及びスカート部が前記ガイドと一体化してなる。且つ前記不活性ガス導入室の側面に不活性ガス導入管を設けてこの不活性ガス導入管を介して外部より不活性ガスを前記不活性ガス導入室に導入して、該不活性ガス導入室から前記ガイド及びスカート部を介して前記レーザ光照射位置に向けて直上から吹き出し、この吹き出し不活性ガスにより、レーザ焼結時に前記金属ナノ粒子ペーストから生じるガスを、前記スカート部の下部周縁と前記基板との間に確保される環状隙間を通して排出しつつレーザ焼結雰囲気を酸素濃度０．１容量％以下にし得る構成としたことを特徴とする。

また、前記レーザ焼結装置において、必要に応じて、前記スカート部に雰囲気ガス吸引口を設け、この雰囲気ガス吸引口からレーザ焼結雰囲気ガスの一部を吸引し酸素濃度計に導入して、レーザ焼結雰囲気が最適な条件になるように不活性ガス流量を、流量制御手段を介して調整可能に構成してもよい。
（３）なお、上記構成において、任意に採用可能な種々の副次的な構成、例えば前記スカート部に設けた雰囲気ガス吸引口の位置調整機構、前記スカート部の装着態様、前記スカート部の移動調整機構の具体例、前記ガイド本体と光学系ユニットとの結合したものなども、提案されるが、これらについては、発明の実施の形態において説明する。

本発明によれば、次のような効果を奏する。
１．レーザ光／不活性ガスのガイドユニットを通る不活性ガスが、金属ナノ粒子ペーストレーザ焼結部の発生ガスを良好に排出し、また大気中からの酸素の侵入を抑制できるレーザ照射ノズル構造を呈することで、低酸素濃度のレーザ焼結雰囲気の最適化を図ることができる。

また、大気中からの酸素の侵入を抑制することで不活性ガス流量を反映したレーザ焼結雰囲気の酸素濃度の測定が可能であることから、金属ナノ粒子ペーストレーザ焼結に最適な低酸素濃度のレーザ焼結雰囲気を調整可能にする。
２．金属ナノ粒子ペーストのレーザ焼結ノズル構造を実現するガイドユニットが、レーザガイドと不活性ガス供給ノズル、雰囲気ガス吸引ノズルが一体化されており、酸素濃度測定値が安定する。

本発明の一実施例に係るレーザ焼結装置の一実施例に係る全体構成図。 上記実施例に用いるレーザ光／不活性ガスガイドの写真図。 上記実施例に用いるレーザ光／不活性ガスガイドの本体を示し、（ａ）はその正面図、（ｂ）はその斜視図、（ｃ）はその縦断面図、（ｄ）はその上面図。 上記実施例に用いるスカート部を示し、（ａ）はその正面図、（ｂ）はその斜視図、（ｃ）はその側面図、（ｄ）はその上面図。 上記実施例に用いる不活性ガス導入管を示し、（ａ）はその側面図、（ｂ）は（ａ）のＡ方向矢視図、（ｃ）は（ａ）のＢ方向矢視図、（ｄ）はその斜視図。 上記実施例に用いる不活性ガス吸引ノズルを示し、（ａ）はその側面図、（ｂ）は（ａ）のＡ方向矢視図、（ｃ）は（ａ）のＢ方向矢視図、（ｄ）はその斜視図。 スカート部内の酸素ガス濃度測定結果の一例を示すグラフ図。 スカート部内の酸素ガス濃度測定結果の一例を示すグラフ図。 スカート部内の雰囲気ガス吸引量を０．０３、０．１５、０．２５L/minにそれぞれ変化させたときのスカート部内の酸素濃度を測定した結果を示すグラフ図。

以下、本発明の実施形態を図面に示した実施例に基づき説明する。

図１に示すように、本実施例の金属ナノ粒子ペースト用のレーザ焼結装置１００は、不活性ガス８、例えばアルゴンガスを基板１のレーザ照射部位（レーザ焼結部位：金属ナノ粒子ペースト塗布部位）に供給して、レーザ照射部位を低酸素雰囲気、すなわち不活性ガス雰囲気にしながらレーザ光７をレーザ照射部位に照射する装置である。レーザ焼結装置１００は、レーザを含むレーザ光学系ユニット６とレーザ光／不活性ガスガイド（以下、ガイドと称するもある）２２とを備える。

ガイド２２は、レーザから出射されるレーザ光７を透過させるレーザ光透過基板５と、筒状の内部通路にレーザ光７を通し且つ不活性ガス８を導入してレーザ照射部位に案内するガイド本体３と、レーザ照射部位の周辺を覆ってレーザ加工部位周辺に不活性ガス雰囲気を形成するスカート部２とを備える。

ガイド本体３の上部には、ガイド本体３よりも径を大きくした円盤状の不活性ガス導入室４が設けてある。レーザ光７は、レーザ光透過基板５を介してガイド２２の上方より導入され、且つ不活性ガス導入室４の側方よりガス導入管９を介して不活性ガス８が導入される。レーザ光透過基板５は、石英ガラス等、適宜の透明基板が用いられ、ガイド本体３の上部開口を塞ぐように設けられている。本実施例では、ガイド本体３の上部に大径の不活性ガス導入室４を形成しているので、この上部開口を塞ぐように設けられている。レーザ光透過基板５は、集光レンズにより構成してもよい。

ガイド本体３の下部にスカート部２が設けられている。ガイド２２は、このようにして、スカート部２、ガイド本体３、不活性ガス導入室４、レーザ光透過基板５を一体化したものからなる。また、本実施例では、ガイド２２と、その上方に配置されるレーザ光学系ユニット６とも一体に結合している。

スカート部２は、下部に向けて広がりを持つテーパー形状を呈している。このような形状は、不活性ガスが散失し難い構造であり、レーザ加工部位周辺に不活性ガス雰囲気（低酸素雰囲気）を形成する。なお、スカート部２は、かような形状に限定されるものではなく、レーザ加工部位周辺を傘状に覆う形状であれば、不活性ガス雰囲気を形成し得る。

スカート部２は、ガイド本体３の下部にねじ込み式により装着され、ねじ込み量を調整することで上下方向に移動できる。このねじ込み量の調整（スカート部移動量調整）により、基板１とスカート部２との間の間隔（環状隙間）１９を調整できる。

スカート部２には、雰囲気ガス吸引口となるガス吸引ノズル１１が設けられ、吸引ポンプ１５を駆動することで、ガス吸引ノズル１１を介してレーザ加工部位周辺のガス雰囲気中のガスの一部をモニタリングのために吸引するように構成してある。吸引されたガス１０は、酸素濃度を測定する酸素濃度計１６の酸素濃度検知管１２に導かれ、そのガス中の酸素濃度が測定される。

酸素濃度検知管１２を通過した流出ガス１４はガス流出管１３及び吸引ポンプ１５を介して外部に流出する。

不活性ガスの供給系は、既述したガス導入管９に加えて、不活性ガスボンベ１８と、不活性ガス供給配管の一部に設けた流量計付きバルブ１７とを備える。

本実施例によれば、基板１をステージ２１に載置して金属ナノ粒子ペースト部位にレーザ光７を照射してレーザ焼結を行う場合に、レーザ照射部位となる金属ナノ粒子ペースト部位周辺がスカート部２で覆われる。ガイド２２内部には、レーザ光７と合わせて不活性ガス８が通過してレーザ加工部位付近に案内される。スカート部２によりレーザ加工部周辺に不活性ガス雰囲気を形成しながら、基板１の金属ナノ粒子ペースト塗布部にレーザ光７を照射することで、金属ナノ粒子の焼結が行われる。

ここで、上記した金属ナノ粒子ペーストのレーザ焼結時における雰囲気制御の好ましい一例を説明する。

例えば、レーザ焼結に先立ち予め不活性ガス８をレーザ照射部位付近に供給し、スカート部２により形成された不活性ガス雰囲気中の一部をガス吸引ノズル１１、酸素濃度検知管１２及び酸素濃度計１６を介して測定する。

作業者は、この酸素濃度測定値に応じて、例えば不活性ガス雰囲気中の酸素濃度値が目標の低酸素濃度値を超えている場合には、スカート部２・基板１の間隔（すなわち環状の隙間）１９を調整及び／又は不活性ガスの供給流量調整をすることで、レーザ照射部位周辺を低酸素濃度の最適不活性ガス雰囲気に制御する。

レーザ焼結を行う場合には、レーザ光学系ユニット６からのレーザ光７を、レーザ光透過基板５を介してガイド２２の中心部に通して基板１上の金属ナノ粒子ペーストに導きつつ、不活性ガス導入室４の側面に接続した不活性ガス導入管９を介して外部より不活性ガス８を不活性ガス導入室４に導入してこの不活性ガス導入室を正圧に維持する。不活性ガス導入室４はガイド本体３より大径であるので、ガイド本体３及びスカート部２を介して金属ナノ粒子ペーストに向けて偏りなく直上から吹き出し、この吹き出し不活性ガスにより、レーザ焼結時に金属ナノ粒子ペーストから生じる生成ガス（蒸気、分解ガスなど）を、環状隙間１９を通して全方位にまんべんなく排出しつつ、かつ外部からの空気の侵入を防ぎ、レーザ焼結雰囲気を低酸素濃度に保つ。

スカート部２に設けた雰囲気ガス吸引口（吸引ノズル）１１からレーザ焼結雰囲気ガスの一部が吸引され酸素濃度計１６に導入してレーザ焼結雰囲気が監視され、酸素濃度測定値に応じてレーザ焼結雰囲気が最適な条件になるように不活性ガス供給装置１８からの不活性ガス流量を、流量制御手段を介して調整する。

図２に本実施例に用いるレーザ光／不活性ガスガイド２２の写真図を示す。図２に示すようにガイド本体３の下部外周に雄ねじ３ａが切ってあり、一方、スカート２の頂部に雌ねじ２ｂ（図４（ｂ）参照）が切ってあり、これらのねじ要素により、スカート部２がガイド２２にねじ込み装着される。

本実施例に用いる部品の寸法関係の一例を、図３〜図６を参照して説明する。なお、これらの寸法は、一例にすぎず、適宜寸法を変更することができることは勿論のことである。

まず、レーザ光／不活性ガスガイド２２は、図３に示すように、ガイド本体３の外径φｅが１２．６ｍｍ、上部４の外形φａが３３ｍｍ、レーザ光透過基板の挿入部の径φｂが３０．８５ｍｍ、上部４の内径φｃが２７ｍｍ、ガイド本体３の内径φｄが８．６０ｍｍ、ガス導入管用の取付孔４ａの径φｆが６ｍｍである。また、ガイド本体３の長さ（上部４を除く）Ｌ１が７０ｍｍ、上部４の長さＬ２が１４ｍｍである。

次に、スカート部２は、図４に示すように、頂部の内径φｇが２３ｍｍ、ガス本体挿入孔（雌ねじ２ｂ）φｈが１２．６ｍｍ、スカート部２の下部内径φｉが３０ｍｍ、ガス吸引ノズル取付用の穴２ａの径φｊが５ｍｍである。

不活性ガス導入管９は、図５に示すように、ガイド上部取付側の外径φｋが６ｍｍ、内径φｌが３ｍｍ、ガイド上部取付側の半部の長さＬ３が１７ｍｍ、ガス導入配管接続部側半部の外径φｍが４ｍｍ、その内径はφ３ｍｍ、長さＬ４が１３ｍｍである。

不活性ガス吸引ノズル１１は、図６に示すように、スカート部取付側の外径φｍが６ｍｍ、内径φｎが３ｍｍ、スカート部取付側の半部の長さＬ５が２５ｍｍ、ガス引出配管接続部側半部の外径φｏが４ｍｍ、その内径はφ３ｍｍ、長さＬ６が１３ｍｍである。

雰囲気ガス吸引口となる不活性ガス吸引ノズル１１は、ねじ込み式でスカート部２に取り付けるので、ねじ込み量により雰囲気ガス吸引口の位置を可変調整し得る。それにより、レーザ焼結雰囲気ガスを安定した状態と取り出すことができる位置に雰囲気ガス吸引口をセットすることができる。
（使用例１）
本実施例のレーザ照射装置を用いて、銀ナノ粒子ペーストをレーザ焼結する場合の一例を説明する。特許文献１に示したように、銀ナノ粒子ペースト（溶媒に銀ナノ粒子を分散させたもの）を銅などの金属基板に印刷し、レーザ照射して銀ナノ粒子を焼結するには、金属基板との優れた密着性を得るためには、酸素濃度を０．１容量％以下に維持する必要がある。これを達成するために、本実施例におけるレーザ光／不活性ガスガイド２２を用いて、不活性ガス８としてアルゴンガスを供給し、酸素濃度計１６を接続してアルゴンガス供給下での実際の酸素濃度の連続測定を行った。なお、本使用例における酸素濃度測定は、金属基板に金属ナノ粒子ペーストを塗布し、レーザ焼結に先立って行われたものである。酸素濃度計には泰榮エンジニアリング株式会社製の酸素濃度計「ＯＸＹＭＡＮ（登録商標）」を用いた。測定条件はアルゴンガス流量を１Ｌ／ｍｉｎ、基板とスカート部の下面との間隔１９を２ｍｍ、吸引ガスの吸引流量を０．２Ｌ／ｍｉｎとした。アルゴンガス流量は、アルゴンガス専用の流量計を用いて厳密に流量を管理した。また吸引ポンプ１５にはダイヤフラム式のエアーポンプを使用した。また吸引ガス流量の測定には、堀場製の微量流量計Ｆｉｌｍ Ｆｌｏｗ Ｍｅｔｅｒ／ＶＰ−３（測定可能流量範囲２０〜１０００ｍｌ／ｍｉｎ）を用いた。この条件におけるスカート部（雰囲気制御室）２内の酸素ガス濃度測定結果を図７に示す。酸素濃度は容量％で表示している。アルゴンガス供給開始前の初期の酸素濃度は、大気中の酸素濃度である２１容量％を示すが、アルゴンガス供給後３０秒程度で酸素濃度は０となり、その後３分経過後も安定している。本使用例におけるアルゴンガス流量は、金属ナノ粒子ペーストのレーザ焼結によって発生する分解ガス（溶剤や分散剤の蒸発成分や分解生成物）をレーザ焼結反応系から追い出すために見合った流量である。この酸素濃度測定結果から、本実施例のレーザ焼結装置によれば、金属ナノ粒子ペーストのレーザ焼結によって発生する分解ガスをレーザ焼結反応系から追い出すアルゴンガス流量の下でも、レーザ焼結雰囲気の乱れを防止し、ひいては酸素を含む外気を巻き込むことを防止できることが理解できる。
（使用例２）
使用例２では、スカート部・基板間隔１９を３ｍｍとして行った。ほかの条件は、使用例１と同様である。この条件におけるスカート部（雰囲気制御室）２内の酸素ガス濃度測定結果を図８に示す。スカート部・基板間隔１９を３ｍｍの条件でも３０秒程度で酸素濃度は０となった。このことから本発明のレーザ光／不活性ガスガイド２２の使用によって、基板１の厚さが薄くなり、スカート部・基板間隔１９が１ｍｍ程度大きくなったとしても、雰囲気制御室内の酸素濃度は安定して維持できることがわかる。
（使用例３）
使用例３では、スカート部・基板間隔１９を３ｍｍと固定し、アルゴンガス流量を１〜２Ｌ／ｍｉｎの範囲で変化させた。この条件において、雰囲気ガス吸引量を０．０３、０．１５、０．２５Ｌ／ｍｉｎにそれぞれ変化させたときのスカート部２（雰囲気制御室）内の酸素濃度を測定した。測定の結果を図９に示す。本発明のレーザ光／不活性ガスガイド２２によれば、図９に示すように、アルゴンガス流量１〜２Ｌ／ｍｉｎの変動範囲においても、酸素濃度は安定して０容量％になることを示している。本使用例における酸素濃度測定も、使用例１、２同様に、金属基板に金属ナノ粒子ペーストを塗布し、レーザ焼結に先立って行われたものであるが、この酸素濃度測定結果からも、本実施例のレーザ焼結装置によれば、金属ナノ粒子ペーストのレーザ焼結によって発生する分解ガスをレーザ焼結反応系から追い出すアルゴンガス流量の下でも、レーザ焼結雰囲気の乱れを防止し、ひいては酸素を含む外気を巻き込むことを防止できることが理解できる。

なお、上記実施例では、スカート部の高さ方向の調整をねじ込み量で手動で行う方式を例示しているが、本発明の技術的思想は、手動、自動を問わない。

上記実施例によれば、次のような効果を奏する。
１．レーザ光／不活性ガスのガイドユニット２２を通る不活性ガス８が、金属ナノ粒子ペーストレーザ焼結部の発生ガスを良好に排出し、またスカート部２への大気中からの酸素の侵入を抑制できるレーザ照射ノズル構造を呈することで、低酸素濃度のレーザ焼結雰囲気の最適化を図ることができる。

また、大気中からスカート部２への酸素の侵入を抑制することで不活性ガス流量を反映したレーザ焼結雰囲気の酸素濃度の測定が可能であることから、金属ナノ粒子ペーストレーザ焼結に最適な低酸素濃度のレーザ焼結雰囲気を調整可能にする。また、レーザ焼結における酸素濃度をリアルタイムに管理することができる。
２．金属ナノ粒子ペーストのレーザ焼結ノズル構造を実現するガイドユニットは、レーザガイド２２と不活性ガス供給ノズル、雰囲気ガス吸引ノズルが一体化されており、酸素濃度測定値が安定する。
３．レーザガイド先端にスカート部２による雰囲気ガス制御室を有し、レーザ照射部のガス濃度が安定する。
４．雰囲気制御室と基板の距離（環状隙間）１９の調整により、少ない不活性ガスの流量で低酸素濃度を得ることができる。

１…基板、２…スカート部、３…ガイド本体、４…ガイド本体上部、５…レーザ光透過基板、６…レーザ光学系ユニット、７…レーザ光、８…不活性ガス、９…ガス導入管、１１…ガス吸引ノズル、１２…酸素濃度検知管、１６…酸素濃度計、２２…レーザ光／不活性ガスガイド。

Claims (8)

1. 金属ナノ粒子ペーストのレーザ焼結雰囲気制御方法であって、
   上部開口側がレーザ光透過基板で塞がれた筒状のレーザ光ガイドの上部側に、該レーザ光ガイドのその他の部分よりも径を大きくした不活性ガス導入室が設けられ、下部側には、該ガイドの直下にある基板上の金属ナノ粒子ペーストのレーザ照射部位を覆うスカート部が設けられ、このスカート部の下部周縁と前記金属ナノ粒子ペーストを有する基板との間には環状隙間が確保されており、
   かようにして構成されるガイドユニットにおいて、外部のレーザ光学系ユニットからのレーザ光を、前記レーザ光透過基板を介して前記ガイドの中心部に通して前記金属ナノ粒子ペーストに導き、且つ前記不活性ガス導入室の側面に接続した不活性ガス導入管を介して外部より不活性ガスを前記不活性ガス導入室に導入してこの不活性ガス導入室を正圧に維持することにより、不活性ガスを前記不活性ガス導入室から前記ガイド及びスカート部を介して前記金属ナノ粒子ペーストに向けて直上から吹き出し、この吹き出し不活性ガスにより、レーザ焼結時に前記金属ナノ粒子ペーストから発生するガスを、前記環状隙間を通して排出しつつレーザ焼結雰囲気を酸素濃度０．１容量％以下に保つことを特徴とするレーザ焼結雰囲気制御方法。
2. 前記スカート部に設けた雰囲気ガス吸引口からレーザ焼結雰囲気ガスの一部を吸引し酸素濃度計に導入して、レーザ焼結雰囲気が最適な条件になるように不活性ガス流量を、流量制御手段を介して調整する請求項１記載の金属ナノ粒子ペーストのレーザ焼結雰囲気制御方法。
3. 不活性ガスを基板上の金属ナノ粒子ペーストを取り囲むように吹き出して、金属ナノ粒子ペースト周辺を低酸素濃度のレーザ焼結雰囲気にしながらレーザ光を前記金属ナノ粒子ペーストに照射して、前記金属ナノ粒子ペーストを焼結するレーザ焼結装置において、
   レーザから出射されるレーザ光を透過させるレーザ光透過基板と、筒状の内部通路に前記レーザ光を通し且つ前記不活性ガスを導入してレーザ光照射位置に案内するためのレーザ光ガイドと、前記レーザ光照射位置の周辺を覆って前記不活性ガスによる低酸素濃度の前記レーザ焼結雰囲気を形成するスカート部と、を備え、
   前記ガイドの上部開口を塞ぐように前記レーザ光透過基板が設けられ、且つ該ガイドの上部側に該ガイドのその他の部分よりも径を大きくした不活性ガス導入室が設けられ、下部側には前記スカート部が設けられて、前記レーザ光透過基板、不活性ガス導入室及びスカート部が前記ガイドと一体化してなり、
   且つ前記不活性ガス導入室の側面に不活性ガス導入管を設けてこの不活性ガス導入管を介して外部より不活性ガスを前記不活性ガス導入室に導入して、該不活性ガス導入室から前記ガイド及びスカート部を介して前記レーザ光照射位置に向けて直上から吹き出し、この吹き出し不活性ガスにより、レーザ焼結時に前記金属ナノ粒子ペーストから発生するガスを、前記スカート部の下部周縁と前記基板との間に確保される環状隙間を通して排出しつつレーザ焼結雰囲気を酸素濃度０．１容量％以下にし得る構成としたことを特徴とする金属ナノ粒子ペースト用のレーザ焼結装置。
4. 前記スカート部に雰囲気ガス吸引口を設け、この雰囲気ガス吸引口からレーザ焼結雰囲気ガスの一部を吸引し酸素濃度計に導入して、レーザ焼結雰囲気が最適な条件になるように不活性ガス流量を、流量制御手段を介して調整可能に構成した請求項３記載の金属ナノ粒子ペースト用のレーザ焼結装置。
5. 前記スカート部に設けた前記雰囲気ガス吸引口は、吸引口の位置を可変調整し得る機構を備える請求項４記載の金属ナノ粒子ペースト用のレーザ焼結装置。
6. 前記スカート部は、前記ガイドの下部にねじ込み式により装着され、ねじ込み量を調整することで前記スカート部を上下方向に移動可能にしてなる請求項３ないし５のいずれか１項記載の金属ナノ粒子ペースト用のレーザ焼結装置。
7. 前記スカート部は、下部に向けて広がりを持つテーパー形状を呈している請求項３ないし６のいずれか１項記載の金属ナノ粒子ペースト用のレーザ焼結装置。
8. 前記ガイドと前記レーザを含む光学系ユニットとが一体に結合されている請求項３ないし７のいずれか１項記載の金属ナノ粒子ペースト用のレーザ焼結装置。

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