JPWO2018180803A1 - 膜形成装置及び膜形成方法 - Google Patents

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Abstract

テーブルに基板が保持される。インクジェットヘッドが、テーブルに保持された基板に向けて熱硬化性インクを吐出する。非接触加熱手段が、テーブルに保持された基板を非接触で加熱する。このようにすることで、光硬化性インクを用いることなく、インクを速やかに硬化させることができる。

Description

本発明は、膜形成装置及び膜形成方法に関する。
インクジェットヘッド等から光硬化性（紫外線硬化性）インクを吐出させて基板等の記録媒体に描画する装置が公知である（特許文献１）。記録媒体に紫外線硬化性インクを配した後、適量の紫外線を照射することによってインクを速やかに硬化させることができる。
特開２００８−１８８９８３号公報
プリント基板のソルダーレジスト用途等に使用される紫外線硬化性インクは、通常のインクに比べて粘度が高い。このため、インクジェットヘッドに供給されるインクを加熱することによって、インクジェットヘッドからインクを吐出させることができる程度まで粘度を低下させることが好ましい。インクの温度が高くなりすぎると、インクの劣化が早まる。インクの温度が低すぎると、インクの粘度が目標の粘度よりも高くなるため、インクの吐出が不安定になるとともに、インク詰まり等が発生しやすくなる。
本発明の目的は、光硬化性インクを用いることなく、インクを速やかに硬化させることができる膜形成装置及び膜形成方法を提供することである。
本発明の一観点によると、
基板を保持するテーブルと、
前記テーブルに保持された前記基板に向けて熱硬化性インクを吐出するインクジェットヘッドと
前記テーブルに保持された前記基板を非接触で加熱する非接触加熱手段と
を有する膜形成装置が提供される。
本発明の他の観点によると、
基板の一部の領域を非接触で加熱する工程と、
前記基板の加熱された領域に、熱硬化性インクを付着させて硬化させることにより膜を形成する工程と
を有する膜形成方法が提供される。
非接触手段で基板を加熱した領域に熱硬化性インクを付着させることにより、熱硬化性インクを硬化させることができる。
図１Ａは、実施例による膜形成装置の概略側面図であり、図１Ｂは、レーザ光源の斜視図であり、図１Ｃは、インクジェットヘッド、レーザビームのビーム断面、及び基板の移動方向との相対関係を示す平面図である。 図２Ａは、シミュレーション対象の基板の断面図であり、図２Ｂは、基板の表面におけるビームスポットと基板上の特定の箇所との位置関係を示す図であり、図２Ｃは、特定の箇所の温度変化のシミュレーション結果を示すグラフである。 図３は、電解研磨した金、銀、銅の反射率の波長依存性を示すグラフである。 図４Ａは、他の実施例による膜形成装置の概略側面図であり、図４Ｂは、本実施例による膜形成装置のインクジェットヘッド、レーザ光源によるビーム断面、及び基板が移動する方向との相対関係を示す平面図である。 図５は、さらに他の実施例による膜形成装置のビーム断面の長軸方向に関する光強度分布を示すグラフである。
図１Ａ〜図１Ｃを参照して、実施例による膜形成装置について説明する。
図１Ａは、本実施例による膜形成装置の概略側面図である。テーブル１０が、その上面に基板３０を保持する。テーブル１０は、例えば真空チャック機構を有しており、基板３０を吸着して固定する。インクジェットヘッド１５が、テーブル１０に保持された基板３０に向けて熱硬化性のインクを吐出する。非接触加熱手段としてのレーザ光源１６が、テーブル１０に保持された基板３０にレーザビームを照射することにより、基板３０の一部の領域を非接触で加熱する。
移動機構１３が、テーブル１０に保持された基板３０とインクジェットヘッド１５との一方を他方に対して移動させる。移動方向は、テーブル１０の上面に平行である。移動機構１３は、テーブル１０を一方向に案内するガイド１１、及びテーブル１０をガイド１１に沿って移動させる駆動部１２を含む。
制御装置２０が、インクジェットヘッド１５からのインクの吐出を制御する。さらに、制御装置２０は、駆動部１２を制御することにより、テーブル１０を目標速度で移動させる。制御装置２０に、形成すべき膜の平面形状を定義するパターンデータが記憶されている。制御装置２０は、パターンデータに基づいてインクジェットヘッド１５及び移動機構１３を制御することにより、基板３０の上面の所望の箇所に熱硬化性インクを付着させ、樹脂膜３２を形成することができる。
図１Ｂは、レーザ光源１６の斜視図である。レーザ光源１６は、ビーム断面１８Ａが長尺形状のレーザビーム１８を出力する。レーザ光源１６として、水冷機構付きのレーザダイオード（ＬＤ）バーを用いることができる。例えば、アレイ幅１０ｍｍのＬＤバーを５個並べることにより、アレイ幅５０ｍｍのＬＤバーが得られる。レーザ光源１６の発振波長は、例えば８０８ｎｍであり、ビーム断面は、長軸方向の寸法が約５０ｍｍの長尺形状である。膜形成時の基板３０の移動方向と、ビーム断面の長軸方向とは直交する。短軸方向の広がり角は、レンズ付きで約１°であり、５０ｍｍ離れた基板上における短軸方向のビームサイズは約１．５ｍｍである。レーザ光源１６の出力は、基板３０の温度を目標とする温度まで上昇させることが可能な大きさに設定されている。
図１Ｃは、インクジェットヘッド１５、レーザビームのビーム断面１８Ａ、及び基板３０の移動方向５８の相対関係を示す平面図である。インクジェットヘッド１５の複数のノズル孔からなるノズル列１５Ａが、基板３０の移動方向５８に対して直交する。平面視において、長尺形状のビーム断面１８Ａがノズル列１５Ａに平行に配置されている。ビーム断面１８Ａはノズル列１５Ａよりも長い。このため、インクジェットヘッド１５から吐出された熱硬化性インクが付着する全域を、レーザ照射によって加熱することができる。
次に、本実施例による膜形成装置の動作について説明する。
制御装置２０は、基板３０の一部の領域がレーザ光源１６で加熱された後、インクジェットヘッド１５の下を通過するように移動機構１３を動作させる。これにより、基板３０の一部の領域がレーザ光源１６によって非接触で加熱され、その後、加熱された領域にインクジェットヘッド１５から吐出されたインクが付着する。インクが基板３０に付着するときの基板３０の表面温度がインクの硬化温度以上に維持されるように、レーザビームのパワー密度、ビーム断面の寸法、基板３０の移動速度が設定されている。このため、インクジェットヘッド１５から吐出されたインクは、基板３０に付着した直後に硬化する。
レーザ光源１６及びインクジェットヘッド１５に対して基板３０を移動させることにより、加熱する領域及び熱硬化性インクを付着させる領域が、基板３０の表面内で移動する。これにより、基板３０の表面に熱硬化性インクが硬化した樹脂膜３２を形成することができる。
次に、上記実施例の優れた効果について説明する。
上記実施例では、膜形成のために熱硬化性のインクが用いられる。一般的に、熱硬化性のインクは、紫外線硬化性のインクよりも各種素材に対する密着性や耐薬品性に優れており低粘度である。例えば、室温でインクジェットヘッド１５から安定してインクを吐出させることが可能な程度の低粘度の熱硬化性のインクを入手することが可能である。このため、インクの粘度を低下させるためのインク加熱装置を準備する必要がない。
さらに、上記実施例では、レーザ光源１６を用いて基板３０を局所的に加熱している。例えば、テーブル１０（図１Ａ）にホットプレート機能を持たせて基板３０の全体をほぼ均一に加熱することが可能である。ところが、この方法では、基板３０をテーブル１０に保持させてから目標とする温度まで加熱されるまでに長時間待機しなければならない。本実施例では加熱のための待機時間を必要としないため、加熱処理によるスループットの低下を回避することができる。
また、テーブル１０自体を加熱すると、熱膨張の影響によりテーブル１０及び移動機構１３の機械精度を維持することが困難になる。本実施例では、テーブル１０を加熱することなく基板３０を非接触で加熱するため、機械精度の低下を回避することができる。
基板３０にインクを付着させた直後に、インクの付着箇所にレーザビームを入射させて基板を加熱すると、レーザビームの高エネルギによってインクが飛散してしまう現象が確認された。本実施例では、インクの付着前に基板３０を加熱するため、インクが飛散してしまうことはない。また、インクが基板３０に付着すると直ちに硬化を始めるため、インクの過度の広がりやにじみを防止することができる。
次に、上記実施例の変形例について説明する。上記実施例では、非接触加熱手段としてレーザ光源１６（図１Ｂ）を用いたが、その他、非接触で基板３０を局所的に加熱することが可能な加熱装置を用いてもよい。例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の光エネルギによって加熱する装置、または高周波誘導加熱装置等を用いることも可能である。
上記実施例では、レーザ光源１６及びインクジェットヘッド１５に対して基板３０を移動させたが、その反対に、基板３０に対してレーザ光源１６及びインクジェットヘッド１５を移動させてもよい。また、上記実施例では、レーザ光源１６から出力されるレーザビームを連続波レーザビームとしたが、パルスレーザビームとしてもよい。
上記実施例では、ノズル列１５Ａ（図１Ｃ）を、基板３０の移動方向５８（図１Ｃ）に対して直交させたが、必ずしも直交させる必要は無い。ノズル列１５Ａを、基板３０の移動方向５８に対して交差させればよい。
次に、図２Ａ〜図２Ｃを参照して、銅箔を有する基板にレーザビームを入射したときの温度変化のシミュレーション結果について説明する。
図２Ａは、シミュレーション対象の基板５０の断面図である。基板５０は、厚さ８００μｍのエポキシ基板５１、厚さ３０μｍの銅箔５２、及び厚さ１０μｍのエポキシ層５３からなる３層構造を有する。図１Ａ〜図１Ｃに示した実施例では、レーザビームを照射する時点で基板３０に樹脂膜３２（図１Ａ）は形成されていないが、基板３０に付着したインクを硬化温度まで加熱する必要があるため、シミュレーションでは、基板３０に付着したインクに相当するエポキシ層５３を加熱対象に含めた。
図２Ｂは、基板５０の表面におけるビームスポット５６と基板５０上の特定の箇所５５との位置関係を示す図である。ビームスポット５６の直径を０．５ｍｍとし、基板５０の表面におけるレーザビームのパワー密度を１２ｋＷ／ｃｍ２とし、基板５０の移動速度を２００ｍｍ／ｓとた。基板５０上の特定の箇所５５は、移動速度２００ｍｍ／ｓで移動し、ビームスポット５６の中心を通過する。このとき、特定の箇所５５にレーザビームが照射される時間は２．５ｍｓになる。シミュレーションでは、レーザビームの全エネルギが吸収されると仮定した。
図２Ｃは、特定の箇所５５の銅箔５２の表面の温度変化のシミュレーション結果を示すグラフである。横軸は経過時間を単位「ｍｓ」で表し、縦軸は温度を単位「℃」で表す。特定の箇所５５にレーザビームの入射が開始すると温度が上昇し、最高到達温度は２５０℃を超える。１５０℃を超える時間は５ｍｓ程度である。
レーザビームの照射が終了すると約１２０℃まで温度が急激に低下するが、その後の温度の低下は緩やかである。温度の低下が緩やかになる時点の温度は、レーザビームのパワー密度や照射時間（ビームスポット５６の大きさ）によって変動すると考えられる。温度の低下が緩やかになる時点の温度がインクの硬化温度以上であれば、熱硬化性インクを硬化させることができると考えられる。
図２Ａ〜図２Ｃに示したシミュレーション結果から、レーザビームのパワー密度、及びビームスポット５６の大きさを調整することにより、熱硬化性インクを硬化させることができると考えられる。
次に、熱硬化性インクを硬化させることができることを確認するために行った簡単な予備実験の結果について説明する。波長８０８ｎｍ、ビームスポット径０．５ｍｍ、基板の移動速度２００ｍｍ／ｓの条件で銅箔にレーザビームを照射した後、加熱された銅箔に熱硬化性インクをスプレー噴射した。その結果、レーザ照射された領域において熱硬化性インクが硬化したことを確認することができた。
次に、図３を参照して、加熱のために用いるレーザビームの好ましい波長について説明する。
図３は、電解研磨した金、銀、銅の反射率の波長依存性を示すグラフである。横軸は波長を単位「ｎｍ」で表し、縦軸は反射率を表す。基板上の金属箔を効果的に加熱するためには、反射率の低い波長域のレーザビームを用いることが好ましい。図３から、例えば、基板表面に銅箔が設けられている場合には、５７０ｎｍ以下の波長域のレーザビームを用いることが好ましいことがわかる。基板表面に金箔が設けられている場合には、５２０ｎｍ以下の波長域のレーザビームを用いることが好ましいことがわかる。基板表面に銀箔が設けられている場合には、３５０ｎｍ以下の波長域のレーザビームを用いることが好ましいことがわかる。
次に、図４Ａ及び図４Ｂを参照して、他の実施例による膜形成装置について説明する。以下、図１Ａ〜図１Ｃに示した実施例と共通の構成については説明を省略する。
図４Ａは、本実施例による膜形成装置の概略側面図である。図１Ａに示した実施例では、レーザ光源１６がインクジェットヘッド１５の一方の側にのみ配置されていたが、本実施例では、インクジェットヘッド１５の両側にそれぞれレーザ光源１６、１７が配置されている。
図４Ｂは、本実施例による膜形成装置のインクジェットヘッド１５、レーザ光源１６、１７によるビーム断面１８Ａ、１９Ａ、及び基板３０が移動する方向５８Ａ、５８Ｂとの相対関係を示す平面図である。ノズル列１５Ａの両側に、それぞれビーム断面１８Ａ、１９Ａが配置される。
基板３０をビーム断面１８Ａからノズル列１５Ａに向かう方向５８Ａに移動させる場合には、ビーム断面１８Ａ用のレーザ光源１６を動作させ、他方のレーザ光源１７は動作させない。逆に、基板３０をビーム断面１９Ａからノズル列１５Ａに向かう方向５８Ｂに移動させる場合には、ビーム断面１９Ａ用のレーザ光源１７を動作させ、他方のレーザ光源１６は動作させない。
上述のように、本実施例では、基板３０を相互に逆向きの２方向のいずれの方向に移動させる場合でも、インクジェットヘッド１５からインクを吐出させて膜を形成することができる。
次に、図５を参照してさらに他の実施例よる膜形成装置について説明する。以下、図１Ａ〜図１Ｃに示した実施例と共通の構成については説明を省略する。
図５は、ビーム断面１８Ａの長軸方向に関する光強度分布を示すグラフである。長軸方向の両端近傍以外の領域では、光強度はほぼ一定である。ビーム断面の両端において、光強度が他の領域よりも高くなっている。このような光強度分布にすることにより、ビーム断面１８Ａの両端近傍における温度上昇の不足を補償し、両端近傍においても十分な温度まで加熱することができる。
上述の各実施例は例示であり、異なる実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。複数の実施例の同様の構成による同様の作用効果については実施例ごとには逐次言及しない。さらに、本発明は上述の実施例に制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
１０ テーブル
１１ ガイド
１２ 駆動部
１３ 移動機構
１５ インクジェットヘッド
１５Ａ ノズル列
１６、１７ レーザ光源
１８ レーザビーム
１８Ａ、１９Ａ ビーム断面
２０ 制御装置
３０ 基板
３２ 樹脂膜
５０ シミュレーション対象の基板
５１ エポキシ基板
５２ 銅箔
５３ エポキシ層
５５ 基板上の特定の箇所
５６ ビームスポット
５８、５８Ａ、５８Ｂ 基板が移動する方向

Claims (8)

  1. 基板を保持するテーブルと、
    前記テーブルに保持された前記基板に向けて熱硬化性インクを吐出するインクジェットヘッドと
    前記テーブルに保持された前記基板を非接触で加熱する非接触加熱手段と
    を有する膜形成装置。
  2. さらに、
    前記テーブルに保持された前記基板と、前記インクジェットヘッドとの一方を他方に対して移動させる移動機構と、
    前記インクジェットヘッド及び前記移動機構を制御する制御装置と
    を有し、
    前記非接触加熱手段は、前記テーブルに保持された前記基板の一部の領域を加熱し、
    前記制御装置は、前記非接触加熱手段で加熱された領域に、前記インクジェットヘッドから吐出された前記熱硬化性インクが付着するように前記移動機構及び前記インクジェットヘッドを制御する請求項１に記載の膜形成装置。
  3. 前記非接触加熱手段は、前記テーブルに保持された前記基板の一部の領域にレーザビームを入射させることにより、前記基板を加熱する請求項１に記載の膜形成装置。
  4. 前記インクジェットヘッドは、前記基板の移動方向に対して交差する方向に並んだ複数のノズルからなるノズル列を含み、
    前記非接触加熱手段で加熱される領域は、前記ノズル列に平行で、前記ノズル列より長い長尺形状を有する請求項２または３に記載の膜形成装置。
  5. 前記インクジェットヘッドは、前記基板の移動方向に対して交差する方向に並んだ複数のノズルからなるノズル列を含み、
    前記非接触加熱手段によってレーザビームが入射する領域は、前記ノズル列に平行な長尺形状を有し、長尺形状の両端における光強度が、他の領域における光る強度より高い光強度分布を持つ請求項３に記載の膜形成装置。
  6. 基板の一部の領域を非接触で加熱する工程と、
    前記基板の加熱された領域に、熱硬化性インクを付着させて硬化させることにより膜を形成する工程と
    を有する膜形成方法。
  7. 前記加熱する工程において、前記基板にレーザビームを入射させることにより前記基板の一部の領域を加熱する請求項６に記載の膜形成方法。
  8. 前記加熱する領域、及び前記熱硬化性インクを付着させる領域を、前記基板の表面内で移動させながら前記膜を形成する請求項６または７に記載の膜形成方法。
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