JP6043323B2 - 金属被膜形成品の製造システム及び金属被膜形成品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属被膜形成品の製造システム及び金属被膜形成品の製造方法に関する。

湿式の電気めっきに替わる金属微粒子の焼結による導電配線形成に関しては多くの研究がなされており、また、レーザ照射による金属微粒子（金属ナノ粒子）の焼結に関する研究も多く見られる。例えば、特許文献１（特開２０１３‐２４７１８１号公報）には、基板に金属ナノ粒子ペーストを印刷した後、金属ナノ粒子ペーストにレーザ光を照射し、基板上に金属ナノ粒子焼結体から成る機能性膜を形成する方法において、レーザ光が照射されている金属ナノ粒子ペーストを取り囲む雰囲気に常時不活性ガスを供給すると同時に、雰囲気の酸素濃度を測定し、測定された酸素濃度に応じて不活性ガスの雰囲気への供給量を制御して、酸素濃度を予め求めた基板が劣化しない値以下に調整することを特徴とする金属ナノ粒子焼結体から成る機能性膜の形成方法が開示されている。酸素濃度としては、例えば０．１容量％以下に調整することが記載されている。

また、特許文献２（特許第５１０８６２８号公報）には、基板上に高密着性金属ナノ粒子焼結体膜を形成する方法として、撥液剤被覆層でコートされた基板上に、所定の平面形状で、金属ナノ粒子分散液を塗布し、塗布液層を作製する工程（工程１）と、塗布液層の表面から、波長λ１のレーザ光を、平均レーザ光強度Ｐ_１で、垂直方向（入射角０°）から照射する工程（工程２）と、工程２の後、塗布液層の表面から、波長λ_２のレーザ光を、平均レーザ光強度Ｐ_２で、垂直方向（入射角０°）から照射する工程（工程３）と、）工程３の後、前記塗布液層の表面から、波長λ_３のレーザ光を、平均レーザ光強度Ｐ_３で、垂直方向（入射角０°）から照射する工程（工程４の４工程からなるレーザ焼結プロセスが示されている。

また、特許文献３（特開２０１３‐１８３１５５号公報）には、配線用インクを用いて基板表面に配線パターンを描画する描画工程と、光源から射出する光を描画された配線パターン全体に向けて同時に一様に照射して該配線パターンを焼結させる照射工程と、配線パターンに応じて基板の領域毎に照射により付与される付与エネルギーを異ならせる調整手段を配置する調整工程と、を備えたパターン形成方法が記載されている。また配線用インクには、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｉｎ、Ａｌ、Ｎｉのうち少なくとも１つを含むことが記載されている。

また、特許文献４（特開２０１３‐２２３８３７号公報）には、基材に印刷または塗布されたパターンまたは薄膜にレーザ光を照射して当該パターンまたは薄膜を乾燥、焼結、焼成、固化または硬化させるためのものであって、パターンまたは薄膜に向けてレーザ光を照射するレーザ光照射手段と、パターンまたは薄膜の状態を光学的に検出する検出手段と、検出手段を介して検出されるパターンまたは薄膜の状態に応じてレーザ光照射手段から当該パターンまたは薄膜に向けて照射されるレーザ光の出力を制御する制御手段とを具備するレーザ装置が記載されている。そして、塗布されたパターンが、導電性のインクまたはペーストであれば、銀、金、銅、白金、アルミニウム、パラジウム、ロジウム、カーボン（カーボンブラック、カーボンナノチューブ等）等の導電性微粒子が樹脂組成物（バインダ）に配合されたものであることが示されている。

特開２０１３‐２４７１８１号公報 特許第５１０８６２８号 特開２０１３‐１８３１５５号公報 特開２０１３‐２２３８３７号公報

上記特許文献１〜４は、いずれも金属微粒子のレーザ焼結における条件設定の重要性に関するものである。すなわち、特許文献１では、レーザ照射における雰囲気制御に関して酸素濃度の重要性を述べている。特許文献２では、レーザの波長および強度の目的に応じた最適な条件の選定の重要性に関するものである。また特許文献３は、基板の領域毎の光のエネルギーの制御調整の重要性を述べている。特許文献４は、薄膜の状態（印刷または塗布されたパターン又は薄膜の各部の厚み等）に応じてレーザ光の出力を制御するものである。

金属微粒子を含むインクをレーザ照射により焼結する、いわゆるレーザ焼結法を用いた金属被膜の形成工程において、各工程における処理（インク塗布処理及レーザ照射処理等）の条件を最適化するためには、各工程での処理条件の厳密で一貫した管理と、各工程における処理後の基板の観察及び特性の測定が欠かせない。もし、各工程での処理条件が厳密に一貫して管理されていないと、基板間の特性のばらつきが大きくなり、高い再現性が実現できず、処理条件の最適化ができなくなる。上記特許文献１〜４の技術は、主にレーザ焼結工程内での条件を最適化したものであり、他の工程内での条件及び各工程間の待機時間等を制御し、各工程での処理条件を厳密に一貫して管理することについては、何ら考慮されていなかった。

したがって、本発明は上記事情に鑑み、レーザ焼結法を用いて基板に金属被膜を形成する金属被膜形成品の製造システムにおいて、一連の工程の処理条件及び基板の各工程間の移動時間を厳密に制御し、再現性の高い金属被膜形成品を製造することで、各工程における処理条件を最適化することが可能な金属被膜形成品の製造システムを提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、基板搬送路と、基板搬送路に沿って移動するとともに基板が載置される基板移動ステージと、基板を基板移動ステージにセットする基板セット部と、基板の表面に金属微粒子を含む分散液を塗布して塗布膜を得る分散液塗布装置と、塗布膜にレーザ光を照射して金属微粒子焼結膜を得るレーザ焼結装置と、基板移動ステージの移動並びに分散液塗布装置及びレーザ焼結装置における処理条件を制御する制御装置と、を備え、基板セット部、分散液塗布装置及びレーザ焼結装置は、基板搬送路に沿って設置されており、基板移動ステージは、基板搬送路に沿って移動することにより基板セット部、分散液塗布装置及びレーザ焼結装置の間を移動し、制御装置は、分散液塗布装置において基板の表面に塗布膜が形成されてから、この塗布膜にレーザ焼結装置においてレーザ光が照射されるまでの時間を制御することを特徴とする金属被膜形成品の製造システムを提供するものである。

本発明によれば、レーザ焼結法を用いて基板に金属被膜を形成する金属被膜形成品の製造システムにおいて、一連の工程の処理条件及び基板の各工程間の移動時間を厳密に制御し、再現性の高い金属被膜形成品を製造することで、各工程における処理条件を最適化することが可能な金属被膜形成品の製造システムを提供することができる。さらに、各処理装置と、各処理後に必要な評価装置とを一体化（一元化）することで、各処理工程及び各処理工程後の評価工程を効率よく実行し、処理条件及び評価結果を基板ごとに管理可能な金属被膜形成品の製造システムを提供することができる。

レーザ焼結法を用いた金属被膜形成品の製造工程の一例を示すフロー図である。 本発明に係る金属被膜形成品の製造システムの第１の実施例を示す模式図である。 データ入出力部に表示された入出力画面の一例を示す模式図である。 データ入出力部に表示された出力画面の一例を示す模式図である。 本発明に係る金属被膜形成品の製造システムの処理の一例を示すフロー図である。 本発明に係る金属被膜形成品の製造システムの第２の実施例を模式的に示す正面図である。 本発明に係る金属被膜形成品の製造システムの第３の実施例を模式的に示す正面図である。 本発明に係る金属被膜形成品の製造システムの第４の実施例を模式的に示す正面図である。 本発明に係る金属被膜形成品の製造システムの第５の実施例を模式的に示す正面図である。 本発明に係る金属被膜形成品の製造システムによって製造された金属被膜形成品の一例を模式的に示す断面図である。 本発明に係る金属被膜形成品の製造システムによって製造された金属被膜形成品の一例を模式的に示す平面図である。 本発明に係る金属被膜形成品の製造システムによって製造された金属被膜形成品の他の一例を模式的に示す図である。 図１１Ａの表面の一例を模式的に示す断面図である。

［本発明の基本思想］
本発明者らは、レーザ焼結法を用いた金属被膜形成品の製造システムにおいて、各処理（実験）条件の最適化のために再現性の高い金属被膜形成品を製造するためには、基板の各工程での処理条件及び各工程間の移動時間を制御することが重要であることを見出した。特に、分散液塗布工程とレーザ焼結工程との間の時間のばらつきを抑制することで、基板間の塗布膜の焼結の度合いを統一し、再現性の高い金属被膜形成品を得ることができることを見出した。本発明は、この新規な知見に基づいてなされたものである。上述したように、上記特許文献は、１つの工程の処理条件を最適化するものであって、各処理工程間の移動時間が考慮されたものではない。なお、本発明において「移動時間」とは、ある基板処理装置での工程終了後から次の基板処理装置での工程開始までの時間であり、基板が基板処理装置に待機する時間及び基板がある基板処理装置から次の基板処理装置まで移動する運搬時間を含むものとする。さらに、ある基板処理装置での工程と次の基板処理装置での工程の間に評価工程を行う場合も含む。

以下、図面を用いて本発明に係る金属被膜形成品の製造装置について詳細に説明する。ただし、本発明はこれらの実施形態に限定されることは無く、本発明の要旨を変更しない範囲で適宜改良や変更を加えることが可能である。

［金属被膜形成品の製造工程］
本発明に係る金属被膜形成品の製造システムは、レーザ焼結法（ＨＬＰ（Ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｐｌａｔｉｎｇ：高速レーザめっき、登録商標））を用いたものである。本発明に係る金属被膜形成品の製造システムについて説明する前に、まずレーザ焼結法を用いた金属被膜形成品の製造工程について説明する。

図１は、レーザ焼結法を用いた金属被膜形成品の製造工程の一例を示すフロー図である。図１に示すように、レーザ焼結法を用いた金属被膜形成品の製造工程は、金属被膜を形成する基板の表面を観察する基板表面観察工程（Ｓ１）と、基板表面に撥液剤を塗布する撥液剤塗布工程（Ｓ２１）と、基板表面にレーザ光を照射して、後述するレーザ焼結工程でレーザ光を照射する基板表面の活性化処理を行う基板表面活性化処理工程（Ｓ２２）と、基板に金属微粒子を含む分散液を塗布して塗布膜を得る分散液塗布工程（Ｓ３）と、塗布膜を乾燥する乾燥工程（Ｓ４）と、塗布膜に、レーザ光を照射して金属微粒子を焼結し基板に密着させることにより、金属微粒子焼結膜を得るレーザ焼結工程（Ｓ５）と、基板にサンプル番号を付与するサンプル番号刻印工程（Ｓ６）とを含む。このうち、撥液剤塗布工程（Ｓ２１）及び基板表面活性化処理工程（Ｓ２２）は、基板前処理工程（Ｓ２）と称する。本発明では、分散液塗布工程（Ｓ３）からレーザ焼結工程（Ｓ５）を必須の工程とし、それ以外の工程を任意のものとする。以下に各工程（Ｓ１〜Ｓ５）で行う処理と管理項目（評価及び測定項目）について、詳述する。

（１）基板表面観察工程（Ｓ１）
金属微粒子を含む分散液（以下、インクとも称する。）を塗布する前の基板表面の粗さ及び欠陥部等を測定又は観察し、記録する。

（２）撥液剤（撥水剤）塗布工程（Ｓ２１）
パターニングの精度を高めるために、基板のインク塗布部分に撥液剤を塗布する。処理条件としては、塗布量（塗布膜厚）等がある。このとき、基板温度により撥液剤の濡れ広がり性が異なるため、基板の温度を測定しつつ温度制御（温度調整）を行う。また、撥液剤塗布面の画像観察を行い、表面状態を評価し、記録する。

（３）基板表面活性化処理工程（Ｓ２２）
基板とインクとの密着性を高めるために、基板表面にレーザ光を照射し、活性化処理（基板表面の表面粗化及び官能基付与）を行う。処理条件としては、レーザの種類、レーザ波長及びレーザ照射時間等が挙げられる。

（４）分散液（インク）塗布工程（Ｓ３）
基板表面にインクジェット装置又はディスペンサー装置等によりインクを塗布する。処理条件としては、塗布量（塗布膜厚）等がある。また、基板の表面温度によりインクの濡れ広がりが変化するため、基板搭載ステージの温度制御のほかに、基板表面の温度測定が重要である。基板表面に塗布したインクの広がり面積、塗布形状（パターン）、塗布膜厚、塗布膜厚分布、塗布欠陥部、色調及びインク塗布部の接触角等を測定又は観測し、記録する。

（５）乾燥工程（Ｓ４）
基板に塗布した分散液を乾燥する。処理条件としては、塗布膜形成から乾燥までの時間、乾燥温度及び乾燥時間等が挙げられる。塗布膜形成から乾燥までの時間を管理するのは、インク乾燥前に表面のみが乾燥すると、塗布最表面が乾燥して赤外線乾燥における赤外線の反射が影響して、塗布インクの内部の乾燥が進まないためである。乾燥状態を管理するために、ステージの温度制御の他に、実際の基板表面温度の測定が重要である。乾燥工程においてインクの塗布面積が変化するため、乾燥工程におけるインク塗布面積および塗布形状（パターン）、塗布膜厚、塗布膜厚分布、塗布欠陥部、色調及び基板表面温度等を測定又は観測し、記録する。

（６）レーザ焼結工程（Ｓ５）
塗布膜にレーザ光を照射して金属微粒子を焼結し基板に密着させることにより、金属微粒子焼結膜を得る。処理条件としては、レーザの種類、レーザ波長、レーザ照射時間等が挙げられる。また、基板搭載レーザ照射ステージの温度は、通常室内温度（２５℃）〜２００℃以下の温度に制御される。室温より温度を上げる条件では、レーザ出力を低減でき、また焼結時間を短縮するなどの効果が得られるためであるが、温度の変動はレーザ焼結膜の膜質（未焼結部でのボイドの発生など）に影響すること及び金属基板の場合の酸化や、樹脂基板の場合の熱分解を防ぐために実際の基板温度の測定が重要である。また、銅などの金属基板では表面の酸化を抑制するために、Ａｒ（アルゴン）ガス雰囲気でのレーザ照射が必要となるが、大気を巻き込むと酸素濃度が高まり金属基板表面の酸化が促進される。このため実際のレーザ照射雰囲気での酸素濃度の測定が重要である。レーザ焼結後の焼結膜の面積、焼結膜の形状（パターン）、焼結膜厚、膜厚分布、色調及び焼結膜欠陥等を測定又は観察し、記録する。

以上のように、金属微粒子インク（金属微粒子分散液）のレーザ焼結法を用いた金属被膜形成品の製造工程では、各処理工程での処理条件及び評価項目が多数ある。一連の工程の処理条件を厳密に制御するためには、少なくとも必須の工程である分散液塗布工程（Ｓ３）からレーザ焼結工程（Ｓ５）が連結した実験装置が必要であり、また、各工程の条件の管理のほかに、上述した各種測定、観察及び記録機能を備えていることが要求される。これらの要求を満たす本発明に係る金属被膜形成品の製造システムについて、以下に詳述する。

［金属被膜形成品の製造システム］
図２は、本発明に係る金属被膜形成品の製造システムの第１の実施例を模式的に示す正面図である。図２に示すように、本発明に係る金属被膜形成品の製造システム１００ａは、テーブル１の上に固定された基板セット部２と、処理装置５（本実施例では、分散液塗布装置３及びレーザ焼結装置４）と、基板セット部２及び処理装置５を接続する基板搬送路１２と、制御装置７とを有する。

基板セット部２は、基板１１が載置される基板位置調整ステージ１０と、基板位置調整ステージ１０を載置する基板移動ステージ９と、基板１１の表面状態を評価する評価装置２１とを有する。また、外部からの実験条件等の入力及び実験結果（評価結果）の出力が可能なデータ入出力部８（ＰＣ：Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）を有する。制御装置７は、基板セット部２、処理装置５、基板移動ステージ９及びデータ入出力部８と通信線６を介して接続されており、基板セット部２、処理装置５、基板移動ステージ９及びデータ入出力部８を制御することができる。

上述したように、本発明に係る金属被膜形成品の製造システム１００ａは、レーザ焼結法を用いた金属被膜形成品の製造工程の各装置を全て搬送ライン上に配置し、基板の搬送を自動制御可能としたことで一連の工程の処理条件及び基板の各工程間の移動時間を厳密に制御することを可能としたことに特徴がある。レーザ焼結法を用いた金属被膜形成品の製造は、現時点で比較的新しい技術であり、現在のところ、各工程の装置を搬送ライン上に配した装置は世の中にはない。このため、従来は基板前処理装置、インク塗布装置、乾燥装置及びレーザ焼結装置等を個別に用意して処理が行われている。この方法では、基板の各工程間の移動時間を管理することが難しい。特に、塗布膜の乾燥工程後のレーザ焼結工程では、塗布膜のレーザ光の反射率及び吸収率が変化するために塗布後速やかにレーザ光を照射する必要があるが、各サンプルを一定時間内にレーザ照射するように管理することが困難であった。本発明は、この問題を解決するものである。以下に、システムの各構成について詳述する。

（１）基板セット室、基板位置調整ステージ、基板移動ステージ
基板位置調整ステージ１０は真空吸着機能（真空チャック）を有し、基板１１を保持する。基板位置調整ステージ１０は、基板１１の位置を多軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ、θ軸及びδ軸）制御することができる。この多軸制御は、例えばステッピングモータを用いたボールネジ駆動によって行うことができる。さらに、基板位置調整ステージ１０はステージ回転角度調整機能を有していてもよい。なお、基板の位置調整は制御装置７によって自動で行うこともできるが、手動であってもよい。

本発明において、基板１１としては、金属基板、樹脂基板、セラミック基板、石英基板又はガラス基板からなるものを対象とすることができる。また、基板の形状は平面であってもよく、凹凸形状を有する構造体（三次元構造体）であってもよい。基板移動ステージ９は、初期状態では基板セット部２に待機しており、基板セット部２を基準位置（ホームポジション）として、基板搬送路１２に沿って処理装置５に移動する（図１中、矢印の方向）。そして、基板移動ステージ９は、処理装置５での処理が終了した後、再び基板セット部２に戻る。すなわち、基板セット部２は、各処理が終わる度に、基板セット部２に戻る。なお、基板搬送路としては、走行レール等の移動手段を含む。

（２）評価装置
基板セット部２には、基板１１の表面状態を観察可能な評価装置２１を設ける。評価装置２１として、具体的には基板の画像（動画）を撮像する撮像部、塗布膜の接触角を測定する接触角測定部及び塗布膜及び金属微粒子焼結膜の膜厚を測定する膜厚測定部等が挙げられる。評価装置２１はこれらに限られず、必要に応じて適宜選択し、基板セット部２に設けることができる。

塗布膜厚と焼結膜厚の接触角測定には、例えば協和界面科学株式会社の全自動接触角計（型式：ＤＭ‐９０１）を用いることができる。この装置では、拡張機能として高速画像取り込みシステムを有しており、分散液の塗布面積測定も可能である。また形状も非常に小型で、後述する分散液塗布装置等への取り付けも可能であるが基板セット部に設け、塗布膜及び焼結膜の測定を基板セット部２の一箇所で行うことが設備コストの観点で好ましい。また、塗布面積測定は、基板セット部２に設けた撮像部（動画カメラ）を用いて評価することができる。分散液塗布工程及び乾燥工程時に動画カメラで基板表面を観察することで、分散液の基板上での濡れ広がり、乾燥工程での分散液の収縮や、色調の変化を観察することができる。

処理装置５には、基板１１の位置合わせ用の撮像部（図示せず）が設けられている。基板移動ステージ９は、処理装置５に移動して到着した後に、各処理装置に設けられた撮像部によって基板位置調整ステージ１０の微調整を行うことができる。従来は、本発明のように各処理装置を一元化したものが無く、各処理装置にそれぞれ多軸位置制御機能を持つステージを設ける必要があったが、本発明では基板１１を処理装置５に移動することにしたため、多軸位置制御機能は基板位置調整ステージ９の１箇所に設ければよいので、コストの面で非常に有利である。

また、基板移動ステージ９又は基板位置調整ステージ１０は、基板１１を加熱及び冷却を行うための温度調整部（ヒーター）と、基板１１表面の温度を測定する温度測定部を有することが好ましい。ヒーターは、室温〜１５０℃の加熱を行うことができるものが好ましい。基板表面の温度測定を行う装置としては、例えば放射温度計や高分解能の赤外線カメラを用いることができる。

（３）分散液塗布装置
分散液塗布装置３は、金属微粒子（金属ナノ粒子又は金属マイクロ粒子）と揮発性の有機溶剤を含む分散液（金属微粒子インク）を、基板１１上に塗布する。金属としては、例えば銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、錫（Ｓｎ）又はニッケル（Ｎｉ）を用いることができる。揮発性の有機溶剤としては、例えばエタノール又はメタノールを用いることができる。また、分散液は、必要に応じて結着剤や粘度調整剤を添加剤として添加したものであってもよい。分散液塗布装置３としては、特に限定は無く、例えばインクジェット又はディスペンサー等を用いることができる。具体的には、Ｎｏｒｄｓｏｎ ＥＦＤ社のＰＩＣＯ（登録商標）ジェットディスペンサーを用いることができる。基板１１表面に塗布したインクの広がり面積、塗布形状（パターン）、塗布膜厚、塗布膜厚分布、塗布欠陥部、色調及びインク塗布部の接触角等を測定及び評価するための装置を、分散液塗布装置３又は基板セット部２に設けることが好ましい。このような評価装置としては、例えば上述した協和界面科学株式会社の全自動接触角計（型式：ＤＭ‐９０１）を用いることができる。

（４）レーザ焼結装置
レーザ焼結装置４は、分散液塗布装置３で基板１１上に塗布された塗布膜に、レーザ光を照射して金属微粒子を焼結し基板１１に密着させることにより、金属微粒子焼結膜を得る。レーザ焼結装置４としては、特に限定は無い。例えば、ＪＥＮＯＰＴＩＫ社製のレーザ発振装置（型式：ＪＯＬＤ‐１００‐ＣＰＸＦ‐２ＰＡ）を用いることができる。レーザ光の波長としては、例えば、基板に銅基板を用い、金属微粒子に銀を用いた場合、銅基板との密着性に優れた焼結膜を得るためには、１０６４ｎｍが好ましい。レーザ照射時のレーザ照射近傍の基板温度の測定のために、レーザ焼結装置４に放射温度計や高分解能の赤外線カメラを設けることが好ましい。また、レーザ焼結装置内の不活性ガスによる雰囲気制御を行う場合には、レーザ光を透過する石英製のチャンバーを配置して、チャンバーへの不活性ガス供給ノズルを設けることもできる。

（５）制御装置及びデータ入出力部
制御装置７は、基板移動ステージの移動を制御する。また、制御装置７はデータ処理部（図示せず）を有し、処理装置の制御（処理の開始及び停止、処理条件の指令等）を行う。データ入出力部８は、外部から処理装置５で行う処理の処理条件を受け取り、データ処理部に送信する。処理条件を受信したデータ処理部は、処理装置５に該処理条件を送信する。これらの処理条件や各工程における必要な採取データの記録等の指令は、予め作業者が机上で、ＵＳＢメモリー等のメディアにＰＣ入力してから、そのＵＳＢメモリー等を制御装置７のメディア挿入端子に挿入し、その指令を処理装置５に送信して処理を開始することもできる。

図３は、データ入出力部８に表示された入出力画面の一例を示す模式図である。図３において、データ入出力部８は、評価装置２又は処理装置５に設けられた撮像部で撮像された動画像を表示する画像表示部３０と、動画像から静止画像を取り込む表示切替部３１と、処理工程を選択する処理工程選択部３２と、処理装置５の照明及び真空チャック等を制御する機能操作部３３と、処理装置５の処理の開始及び停止を制御する処理装置制御部３４と、処理装置５における基板１１の位置（座標）を表示及び入力する基板位置制御部３５と、処理条件の入力及び実際の処理状態を出力する処理状態入出力部３６と、画像、処理条件及び処理状態等を保存するデータ保存部３７を有する。

さらに、図３には図示しないが、撥液剤塗布工程又は分散液塗布工程等における塗布量、塗布膜乾燥温度、塗布膜乾燥時間、表面活性化工程及びレーザ焼結工程におけるレーザの種類、レーザ照射エネルギー及びレーザ照射時間等の各種処理条件を入出力することができる。

図４はデータ入出力部に表示された出力画面の一例を示す模式図である。図４に示すように、データ処理部８は、処理条件や評価結果を基板１１ごとに出力することができる。

図５は、本発明に係る金属被膜形成品の製造システムの処理の一例を示すフロー図である。図５は、図１におけるＳ１及びＳ３〜Ｓ５を行う場合の処理フローを示す。まず始めに、基板位置調整ステージ１０に設けられたガイドピンやマーカー部を目印に基板１１を基板位置調整ステージ１０に載置する（Ｓ５１）。次に、基板１１の位置を多軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ、θ軸及びδ軸）制御し、基板位置を調整する（Ｓ５２）。例えば、プログラム入力された基板１１の図面座標寸法に基づき、撮像部２１によって得た画像から基板の実際の寸法を計測するとともに、基板図面座標寸法と計測寸法との差を求め、基板位置調整ステージ１０が自動で原点補正する機能を有していることが好ましい。これにより、分散液塗布装置３における印刷ヘッドの原点（固定位置）に対する塗布位置（印刷位置）が確定され、自動認識される。塗布位置の数は特に制限はなく、例えば２０箇所の塗布位置をプログラム入力することができる。

次に、基板移動ステージ９が分散液塗布装置３に移動し（Ｓ５３）、塗布位置に対して、分散液塗布装置３で分散液が塗布される（Ｓ５４）。

次に、分散液塗布工程が完了した基板１１は、再び基板移動ステージ９により基板セット部２に搬送され（Ｓ５５）、評価装置２１による塗布膜の観察及び塗布膜の乾燥処理が行われる（Ｓ５６）。基板位置調整ステージ１０には基板加熱用ヒーターが内蔵されており、プログラム入力により設定した温度及び時間条件に基づいて乾燥処理が施される。また、塗布部の乾燥状態（分散液塗布の濡れ広がりや収縮、色調変化等）を評価装置２１によって動画カメラモードで観察し記録する。

次に、乾燥工程を終了した基板１１は、基板移動ステージ９の移動により、レーザ焼結装置４に搬送される（Ｓ５７）。レーザ焼結装置４のレーザ光のビーム位置は、分散液塗布装置３の印刷ヘッドと同様に固定なので、レーザビーム位置原点に対する基板のレーザ照射は、プログラム入力により設定された位置に基づいて、位置調整ステージの自動補正機能により調整し確定され、その確定位置にレーザ光が照射される（Ｓ５８）。

金属微粒子として金属ナノ粒子を用いる場合、分散液塗布工程（Ｓ５４）後レーザ焼結工程（Ｓ５８）を速やかに行うことが重要である。具体的には、分散液塗布工程（Ｓ５４）からレーザ焼結工程（Ｓ５８）までの時間を、塗布膜のレーザ光の反射率が１０％程度以下となる時間内に制御することが好ましい。より具体的には、金属微粒子としてＡｕ（金）を用いた場合には、１２０秒以内に制御することが好ましい。乾燥処理工程（Ｓ５６）後に速やかにレーザ照射しない場合、例えば乾燥後数時間経てからレーザ照射した場合、インク表面でレーザ光の反射が起り、金属微粒子の焼結が困難になる。これは金属ナノ粒子インクでは、時間の経過により金属ナノ粒子のバルク金属化が進み反射率が高くなるためである。また、分散液塗布工程（Ｓ５４）から乾燥処理工程（Ｓ５６）までの時間も重要であり、時間が経過した場合、塗布膜の表面が乾燥して赤外線乾燥における赤外線の反射が影響して、塗布インクの内部の乾燥が進まないためである。

次に、レーザ焼結工程を終了した基板１１は、基板移動ステージ９の移動により、基板セット部２に搬送される（Ｓ５９）。基板セット部２に設けられた評価装置２１によって、焼結膜の表面観察や膜厚測定を行う。上記態様では、Ｓ５３〜Ｓ５９は自動で処理が行われる。

上述した本発明に係る金属被膜形成品の製造システムによれば、以下の効果を得ることができる。
（１）各工程を連結し、各工程の処理条件及び基板移動ステージの移動時間を管理することで、再現性に優れたデータを得ることができる。
（２）各工程後に観察及び測定の工程を設けることで、迅速に各工程条件での観察及び測定が可能となる。
（３）基板移動ステージ９を処理装置５へ移動させることで、多軸制御機能を設ける場所が１箇所のみとなり、安価な実験装置を提供することができる。
（４）各装置の処理条件及び評価結果を基板ごとに記録及び管理することができる（マネジメント機能）。

図６は、本発明に係る金属被膜形成品の製造システムの第２の実施例を模式的に示す正面図である。本実施例では、実施例１（図２）の構成に加えて、処理装置５として撥液剤塗布装置６０を設けており、本実施例では撥液剤塗布も自動で行うことができる。

撥液剤としては、特に限定は無いが、例えばフッ素系撥液剤であるスリーエムジャパン株式会社のＮｏｖｅｃ（ノベック、登録商標）を用いることができる。撥液剤は液体であり、また専用溶剤で希釈して粘度調整が可能であり、ジェットディスペンサーを用いて基板に塗布することが可能である。なお、撥液剤塗布装置６０は、本実施例のように分散液塗布装置３と別に設けてもよいが、分散液塗布装置３と併用しても良い。併用する場合は、ジェットディスペンサーを２台配置して分散液用と撥液剤用の二つに分け、二つのノズルを二つのディスペンサーで同じステージに配置する。

撥液剤の塗布は、分散液塗布装置と同様の条件の入力指示によって自動で可能である。塗布領域及び塗布量等を条件入力画面の指示によって入力する。また、撥液剤塗布装置に撮像部（観察用カメラ）を設置することで撥液剤塗布後の画像を観察することが可能である。撥液剤の塗布厚さを測定するために、反射率測定部を撥液剤塗布装置６０又は基板セット部２に設けることが好ましい。撥液剤の塗布厚さは単分子膜あるいは数ナノメートルレベルなので、通常の膜厚測定機では厚さの計測は不可能であるが、撥液剤塗布層の表面の反射率の変化による画像で分析することができる。

なお、図１で説明しているとおり、基板前処理工程において用いる各装置（撥液剤塗布工程を行う撥液剤塗布装置及び基板表面活性処理工程を行うレーザ光照射装置等）は、本発明に係る金属被膜形成品の製造システム中に組み込むか否かは任意であり、システムの外に装置を設置して基板前処理工程を行ってもよい。

図７は、本発明に係る金属被膜形成品の製造システムの第３の実施例を模式的に示す正面図である。本実施例では、実施例１（図２）の構成に加えて、処理装置５としてサンプル番号を付与するマーカー装置７０（サンプル番号付与ステージ）を設けており、本実施例では個々の実験サンプルに識別用のＩＤ番号を自動で捺印することができる。

サンプル番号の付与には、例えばビデオジェット・エックスライト株式会社製のレーザマーカー（型式：Ｖｉｄｅｏｊｅｔ ７５１０）による刻印又は株式会社キーエンスのインクジェットプリンタ（型式：ＭＫ‐Ｕ６０００）による捺印を用いることができる。なお、レーザ照射焼結装置４を用いて基板１１にマーカーを付与することも可能である。マーカー装置７０を設けることで、処理後の手書きによるサンプル番号の記入が不要となり、またサンプル番号の誤記記入や基板１１の取り違えを防ぐことができる。

図８は本発明に係る金属被膜形成品の製造システムの第４の実施例を模式的に示す正面図である。本実施例では、実施例１（図２）の構成に加えて、基板１１を自動で搬出可能な基板搬出部（ロボットアーム）８０及び搬出した基板１１を収納する基板ラック８１を設けており、処理効率の向上を図ることができる。基板搬出部８０としては、例えば平田機工株式会社製のスカラ小型ロボット（型式：ＡＲ‐Ｆ４５０）を用いることができる。この小型ロボットは、基板取り出しにも用いることができるが、基板の吸引ピックアップ機能を有しアームの移動によって指定した位置に基板を搭載することもできるので、基板搬出部８０を基板セット部２に設けることで、基板セット部２への基板の載置も自動で行うことができる。

図９は本発明に係る金属被膜形成品の製造システムの第５の実施例を模式的に示す正面図である。本実施例では、実施例１（図２）の構成に加えて、評価装置２と別の測定を行う評価装置９０を設けている。このように複数の評価装置を設ける場合であっても、搬送路１２に沿って他の装置と並べて配置することで、工程管理、工程間の待機時間を一貫して制御し、かつデータ管理を一元化することができる。

レーザ照射工程では、基板や金属ナノ粒子の酸化劣化を防止するために、アルゴンガスなどの不活性ガスを導入して、不活性ガス雰囲気中でのレーザ照射が必要な場合がある。このような場合にはレーザ照射雰囲気の酸素濃度を測定して、酸素濃度が要求される濃度以下に低下したか否かの測定が必要になる。このような場合に、レーザ焼結装置４内に、レーザ光を透過できる、例えば石英製の雰囲気調整チャンバーを設けて、チャンバー内に不活性ガスを導入するフレキシブルホースと、不活性ガスボンベとホースとの間にバルブを設ける。チャンバー内の酸素濃度を酸素濃度計により測定する。酸素濃度測定には、例えば泰榮エンジニアリング株式会社製の酸素モニタＯＸＹＭＡＮ（オキシマン）を用いることができる。高機能タイプＯＸＹＭＡＮ Ｐｌｕｓでは、酸素濃度測定プローバーをチャンバー内に設けることで０〜１００％（分解能０．１％）の酸素濃度を連続的にリアルタイムで測定することができる。

基板１１の温度を精密に測定制御する必要がある場合には、基板位置調整ステージ１０の設定温度とは別に、基板１１の温度を直接に測定することが求められる。例えば金属ナノ粒子分散液の塗布においては、分散液の物性にもよるが、分散液の飛散による塗布範囲のばらつきを抑制するには、基板１１の温度を５０±２℃の範囲に制御する必要がある。このような場合には、基板１１表面の温度を直接に測定するために、非接触の放射温度計を用いることが好ましい。理想的には基板の温度分布を観察するのが良く、このような場合には、株式会社アピステ製の赤外線サーモグラフィ（型式：ＦＳＶ‐２０００）を用いることができる。この赤外線サーモグラフィは、レンズ部がΦ４１ｍｍの小型カメラで、温度表示分解能が０．０１℃と高く金属ナノ粒子分散液塗布周辺の温度分布測定が可能である。実際の塗布表面の温度は測定できないので、周辺温度を測定して基板位置調整ステージに内蔵されたヒーターの温度制御部へ測定温度データの１部を転送して基板の温度を精密に制御する。

またレーザ焼結装置４においては、レーザ焼結をアシストするために、基板温度を例えば１００℃程度に昇温することが有効である。基板温度上昇により、レーザパワーと照射時間の低減を図ることが可能になるためである。この場合にも非接触の温度測定が必要になるが、同様に上記赤外線サーモグラフィを用いることで、基板位置調整ステージ１０に内蔵されたヒーターの温度制御部へ、測定温度データの一部を転送することで、基板の温度を精密に制御することができる。

［金属被膜形成品］
図１０Ａ及び１０Ｂは、本発明に係る配線基板の一例を示す模式図である。本発明によれば、凹凸形状を有する電子機器の部品（樹脂成型品）、例えば携帯電話のＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）カード（ＳＩＭ（Ｓｕｂｓｃｒｉｂｅｒ Ｉｄｅｎｔｉｔｙ Ｍｏｄｕｌｅ）カード）の筐体に直接に導電性配線を形成することができる。従来のめっき法では、凹凸形状を有する基板に配線膜をめっきすることは不可能であった。これに対し、本発明によれば、特殊な材料及び設備を要することなく、基板の形状を選ばずに配線膜を形成することができる。基板の有する凹凸のサイズは特に限定されず、数μｍのもの、数ｍｍのものも対象とすることができる。

図１１Ａ及び１１Ｂは本発明に係る金属被膜形成品の製造システムによって製造された金属被膜形成品の他の一例を模式的に示す図である。図１１Ａは本発明に係る金属被膜形成品の製造システムを用いて製造した光学部品（光学ミラー又は光学プリズム）の一例を模式的に示す図であり、図１１Ｂは図１１Ａの表面の一例を模式的に示す断面図である。図１１Ａに示すように、本発明は、樹脂表面のメタライズに適用することができる。また、図１１Ｂに示すように、レーザ焼結法を用いれば、同一基板１３０上の所望の箇所に所望の（異なる）膜厚又は形状の金属微粒子焼結膜１３１を得ることができ、部分的に光を透過又は反射することができる光学部品を得ることができる。真空蒸着法による金属被膜の形成とエッチングによるパターニングを組み合わせた方法では、このような形状の金属被膜形成品を得ることはできない。

以上、本発明によれば、レーザ焼結法を用いて基板に金属被膜を形成する金属被膜形成品の製造システムにおいて、一連の工程の処理条件及び基板の各工程間の移動時間を厳密に制御し、再現性の高い金属被膜形成品を製造することで、各工程における処理条件を最適化することが可能な金属被膜形成品の製造システムを提供することができることが示された。また、各処理装置と、各処理後に必要な評価装置とを一体化（一元化）することで、処理条件、待機時間及び評価結果を基板ごとに管理可能な金属被膜形成品の製造システムを提供することができることが示された。

なお、上記した実施例は、本発明の理解を助けるために具体的に説明したものであり、本発明は、説明した全ての構成を備えることに限定されるものではない。例えば、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。さらに、各実施例の構成の一部について、削除・他の構成に置換・他の構成の追加をすることが可能である。

１…テーブル、２…基板セット部、３…分散液塗布装置、４…レーザ焼結装置、５…基板処理装置、６…配線、７…制御部、８…データ入出力部、９…基板移動ステージ、１０…基板位置調整ステージ、１１…基板、１２…基板搬送路、２１…評価部、６０…撥液剤塗布装置、６１…撥液剤塗布用ディスペンサー、７０…マーカー装置、７１…マーカー付与用レーザ照射装置、８０…基板搬出部、８１…基板収納部、９０…評価部、１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ，１００ｅ…金属被膜形成品の製造システム、１１０…配線基板、１１１……金属配線、１１２…樹脂成型基板（ＳＩＭカード）、１１３…フラッシュメモリー、１１４…挿入端子部、１１５…ビアホール、１３０…基板、１３１…金属微粒子焼結膜、１２０…光学部品（光学ミラー又は光学プリズム）。

Claims (18)

1. 基板搬送路と、
   前記基板搬送路に沿って移動するとともに基板が載置される基板移動ステージと、
   前記基板を前記基板移動ステージにセットする基板セット部と、
   前記基板の表面に金属微粒子を含む分散液を塗布して塗布膜を得る分散液塗布装置と、
   前記塗布膜にレーザ光を照射して金属微粒子焼結膜を得るレーザ焼結装置と、
   前記基板移動ステージの移動並びに前記分散液塗布装置及び前記レーザ焼結装置における処理条件を制御する制御装置と、を備え、
   前記基板セット部、前記分散液塗布装置及び前記レーザ焼結装置は、前記基板搬送路に沿って設置されており、
   前記基板移動ステージは、前記基板搬送路に沿って移動することにより前記基板セット部、前記分散液塗布装置及び前記レーザ焼結装置の間を移動し、
   前記制御装置は、前記分散液塗布装置において前記基板の表面に塗布膜が形成されてから、この塗布膜に前記レーザ焼結装置においてレーザ光が照射されるまでの時間を制御することを特徴とする金属被膜形成品の製造システム。
2. 前記制御装置は、前記分散液塗布装置において前記基板の表面に塗布膜が形成されてから、この塗布膜に前記レーザ焼結装置においてレーザ光が照射されるまでの時間を、前記塗布膜の前記レーザ光の反射率が１０％以下となる時間内に制御することを特徴とする請求項１記載の金属被膜形成品の製造システム。
3. さらに、前記基板と前記基板移動ステージとの間に基板位置調整ステージを有し、前記制御装置は、前記基板位置調整ステージのＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、θ軸及びδ軸を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の金属被膜形成品の製造システム。
4. 前記基板移動ステージ又は前記基板位置調整ステージは、前記基板の加熱及び冷却を行う温度調整部を有することを特徴とする請求項３に記載の金属被膜形成品の製造システム。
5. 前記基板セット部は、前記基板の表面状態を評価する評価装置を更に有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の金属被膜形成品の製造システム。
6. 前記評価装置は、前記基板の画像を撮像する撮像部、前記塗布膜の接触角を測定する接触角測定部、前記塗布膜及び前記金属微粒子焼結膜の膜厚を測定する膜厚測定部のうちの少なくとも１つを有することを特徴とする請求項５記載の金属被膜形成品の製造システム。
7. さらに、前記基板にサンプル番号を付与するマーカー装置を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の金属被膜形成品の製造システム。
8. さらに、基板前処理装置を有し、
   前記基板前処理装置は、前記基板に撥液剤を塗布する撥液剤塗布装置と、前記基板にレーザ光を照射するレーザ光照射装置のうちの少なくとも１つを有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の金属被膜形成品の製造システム。
9. 前記レーザ焼結装置は、前記基板のレーザ照射部近傍の温度を測定する温度測定部と、前記基板のレーザ照射部近傍の酸素濃度を測定する酸素濃度測定部のうちの少なくとも１つを有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の金属被膜形成品の製造システム。
10. 前記制御装置は、データ入出力部及びデータ処理部を更に有し、
    前記データ入出力部は、外部から前記分散液塗布装置及び前記レーザ焼結装置で行う処理の処理条件を受け取り、前記データ処理部に送信し、
    前記データ処理部は、前記処理条件を前記分散液塗布装置及び前記レーザ焼結装置に送信し、前記評価装置で得た評価結果を、前記基板ごとに記憶及び管理することを特徴とする請求項５乃至９のいずれか１項に記載の金属被膜形成品の製造システム。
11. 前記基板は、金属基板、樹脂基板、セラミック基板、石英基板又はガラス基板からなることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の金属被膜形成品の製造システム。
12. 前記金属微粒子は、金属ナノ粒子又は金属マイクロ粒子を含むことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の金属被膜形成品の製造システム。
13. 前記レーザ焼結装置の前記レーザ光の波長は、５００〜１０６４ｎｍであることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の金属被膜形成品の製造システム。
14. 基板処理工程として、分散液塗布装置により、基板の表面に金属微粒子を含有する分散液を塗布して塗布膜を形成する塗布膜形成工程と、
    前記塗布膜を加熱処理する乾燥工程と、
    レーザ焼結装置により、前記乾燥工程後の塗布膜にレーザ光を照射して前記金属微粒子を焼結し、前記基板に密着させて金属微粒子焼結膜を形成するレーザ焼結工程と、を有し、
    前記塗布膜形成工程及び前記レーザ焼結工程における処理条件と、前記塗布膜形成工程の終了から前記レーザ焼結工程の開始までの時間を制御することを特徴とする金属被膜形成品の製造方法。
15. 前記塗布膜形成工程の終了から前記レーザ焼結工程の開始までの時間を前記塗布膜の前記レーザ光の反射率が１０％以下となる時間内に制御することを特徴とする請求項１４記載の金属被膜形成品の製造方法。
16. 前記金属被膜形成品は、凹凸形状を有する電子機器の部品に金属配線が形成されたものであり、前記金属配線が溶融凝固組織を有することを特徴とする請求項１４又は１５に記載の金属被膜形成品の製造方法。
17. 前記部品が、携帯電話のＩＣカードの筐体であることを特徴とする請求項１６記載の金属被膜形成品の製造方法。
18. 前記金属被膜形成品は、光学部品であり、
    前記光学部品は、前記基板の表面に、膜厚又は断面形状の異なる前記金属微粒子焼結膜が形成されたものであることを特徴とする請求項１４又は１５に記載の金属被膜形成品の製造方法。

Images