パターン形成方法
【課題】余計なプロセスを省きながら形成可能な膜厚の自由度が高いパターン形成方法を提供することを目的とする。
【解決手段】コロイドに微粒子を分散させた液体材料２を基板１に接触させ、基板１上にエネルギービーム７を照射することで液体材料２中の少なくとも一つの成分を基板１上に固定する際に、基板１の少なくとも一部が液体材料２に接触しておらず、かつその液体材料２に接触していない部分からエネルギービーム７を入射することを特徴とする。
【解決手段】コロイドに微粒子を分散させた液体材料２を基板１に接触させ、基板１上にエネルギービーム７を照射することで液体材料２中の少なくとも一つの成分を基板１上に固定する際に、基板１の少なくとも一部が液体材料２に接触しておらず、かつその液体材料２に接触していない部分からエネルギービーム７を入射することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上への電気的および／または光学的機能を備えた材料のパターンを形成するための方法およびパターン形成装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
シリコンウェハー上に真空プロセスとフォトリソグラフィー等の微細加工技術を用いて集積回路を形成する従来型の固体／ガス材料ベースの機能素子作製方法に対して、溶液化した有機材料や溶媒中にコロイド状に分散された無機材料等の液体材料と、印刷技術とを組み合わせた全く新しい材料／プロセスに基づくいわゆる印刷エレクトロニクスを用いた機能素子が数多く提案されてきている。そして、現在、印刷エレクトロニクスにおける印刷方式は、インクジェット方式を中心として、スクリーン印刷方式やグラビア印刷方式、そしてレーザー描画方式などの検討が行われている。
【０００３】
レーザー描画方式は予め基板上に塗布して形成した材料の薄膜の一部にレーザー照射を行うことでその部分の材料の少なくとも一部を分解、乾燥、重合、結晶化させるなどして未照射部分との間に物性の差異を生じさせその結果パターン形成を行うものであって、商業印刷分野における版下の作製などにおいて実用化されている技術である。
【０００４】
一方でパターンとして形成される材料として、近年のナノテクノロジーの進展により様々な材料の提案が行われてきている。これらは、例えば直径数ｎｍの銀の超微粒子を保護剤で被覆し適当な溶媒中に分散させたコロイド状液体材料を代表的なものとして挙げることができ、上市品を試薬メーカー等から購入可能である。この材料は銀インクなどと称され、あたかも従来の印刷用インクのように基板上に塗布を行うことができ、塗布後に熱処理を行うことで銀の超微粒子を被覆していた保護剤が分解除去され銀の皮膜が形成されるといったものである。銀のほかにも金や銅、白金、パラジウム等の貴金属を中心とした金属類、透明導電体として知られているインジウム錫酸化物や絶縁体や光導波路材料としての酸化ケイ素や酸化チタン、さらには半導体材料としてのシリコン微粒子を分散した半導体インクなどが盛んに検討されている。
【０００５】
これら機能性インクともいうべき液体材料群をレーザー描画法と組み合わせて使用することで、基板上に例えば銀インクを塗布して所望のパターンにレーザー照射を行えば導電パターンを形成することができ、また例えば酸化ケイ素のインクを塗布してパターン形成を行えば絶縁膜や光導波路を形成することができる。このようにして形成されるパターンはセンサやトランジスタ、コンデンサなどの電子素子用の電極や、あるいは光制御用の光学素子として利用される。機能性インクとレーザー描画を用いたパターン形成については例えば（特許文献１）や（特許文献２）に詳細が開示されている。
【特許文献１】特開２００６−３８９９９号公報
【特許文献２】特開２００４−２５３６８０号公報
【特許文献３】特許第０３７４２８７２号公報
【特許文献４】特許第０３８２３２４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、レーザー描画法と超微粒子を含む液体材料を用いた手法は、フォトリソグラフィーなどに比較すると非常に簡易な方法で自由度高く高精細なパターン形成を行うことができるが、処理のプロセスが煩雑であるという問題がある。
【０００７】
即ち、レーザー描画おいては、描画に先立ち、少なくとも基板上のレーザー描画を行う範囲に対して液体材料を塗布し、乾燥させて膜化する必要があり、さらに、レーザー描画を行った後はレーザーが照射されなかった余剰部分を何らかの方法で取り除くといういわゆる現像と呼ばれる処理が必要である。またさらに、液体材料の乾燥膜形成の際、その膜厚が不均一であると形成されるパターンの厚みもまた不均一となるため、液体材料の塗布にはスピンコート法やスリットコート法などの比較的均一な塗布膜形成が可能な手法と設備を用いる必要がある。このような塗布、乾燥、現像というプロセスの煩雑さ、およびそれを行うために必要となる設備はレーザー描画の利点である簡易なパターン形成に対する課題であった。
【０００８】
このような課題に対して、（特許文献３）および（特許文献４）に示すような方法が提案された。これらの特許文献では、基板を液体材料中に浸漬し、その状態のままレーザー描画を行っている。このような手法を用いることで前述した塗布と乾燥のプロセスは省略でき、また現像に関しても余剰材料を洗浄によって洗浄する程度の簡便な方法が選択可能となる。
【０００９】
しかしながら、（特許文献３）および（特許文献４）に示すような方法では基板上に形成可能な膜の厚さは限定されたものとなる。そして、配線として使用可能な１ミクロン程度以上の厚さのパターンを効率的に形成するのは実質的に不可能である。なぜならば、効率的に厚膜を形成するためには超微粒子含有濃度の高い液体材料好ましいが、超微粒子の濃度を高めていくと液体材料の吸光度が上昇し、結果的にレーザー光の多くが基板に到達する前に液体材料によって吸収されてしまいパターン形成ができなくなるからである。液体材料による吸収を避けるためには幾つかの対策が考えられるが、例えば含有する超微粒子の濃度を下げると、基板上にパターンを形成する速度が低下するし、また例えば液体材料の吸収波長域をレーザー光の波長とずらすと、液体材料による吸収はなくなるが、これはレーザーと液体材料が相互作用をしないということを意味するため、やはりパターン形成ができなくなる。さらに例えば、超微粒子を高濃度に含有する液体材料を用いたとしても、基板を浸漬している容器の壁面近くに配置させることで、液体材料の吸収の影響を少なくすることが可能となるが、こうするとレーザー照射の際に液体材料中の溶媒や超微粒子を安定に分散させるための保護剤の分解生成物がガスとなって壁面との間に滞留し、レーザー光を散乱するために形成されるパターンが不均一となってしまう。このように、基板を液体材料に浸漬すると、効率的に形成可能なパターンの膜厚が極めて薄い範囲に制限されるという問題がある。電気的な配線として使用するためには少なくともμｍオーダーの膜厚が必要であり、それ以下の膜厚では配線抵抗が大きなものとなってしまうために、その利用範囲も極めて限定されたものになってしまう。したがって（特許文献３）および（特許文献４）ではレーザーを用いて形成したパターンにさらにメッキを施して所望の膜厚のパターンを得ているものである。
【００１０】
このように、超微粒子を含む液体材料とレーザー等の収束エネルギービームを用いてパターンを形成する際に、基板上に液体材料を塗布すると余計なプロセスと装置が必要となり、また基板を液体材料に浸漬すると効率的に形成できる膜厚が制限されるという課題があった。
【００１１】
そこで、本発明は、上記課題を解決するために、塗布や乾燥といった煩雑な工程を必要とせず、簡易なプロセスで薄膜から厚膜まで膜厚の自由度の高いパターンを形成するパターン形成方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
このような課題を解決するために本発明では、コロイドに微粒子を分散させた液体材料を基板に接触させ、基板上にエネルギービームを照射することで前記液体材料中の少なくとも一つの成分を基板上に固定する際に、前記基板の少なくとも一部が前記液体材料に接触しておらず、かつその前記液体材料に接触していない部分からエネルギービームを入射することを特徴とするパターン形成方法とした。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、塗布や乾燥といった煩雑な工程を必要とせず、簡易なプロセスで薄膜から厚膜まで膜厚の自由度の高いパターンを形成することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の請求項１記載のパターン形成方法によれば、コロイドに微粒子を分散させた液体材料を基板に接触させ、基板上にエネルギービームを照射することで液体材料中の少なくとも一つの成分を基板上に固定する際に、基板の少なくとも一部が液体材料に接触しておらず、かつその液体材料に接触していない部分からエネルギービームを入射することを特徴とするので、液体材料を基板上に塗布、乾燥させる等の余計な手順を必要とせず、かつ超微粒子含有濃度の高い液体材料を用いても自由度高く均一なパターンを形成できるという効果を奏する。
【００１５】
本発明の請求項２記載の発明によれば、請求項１記載のパターン形成方法であって、基板上にあるエネルギービームの照射点において、液体材料が照射点に対して流動しているので、液体材料に含まれる溶媒や、超微粒子を安定に溶媒中に分散させるための保護剤等がエネルギービームによって蒸発あるいは分解されることでガス化し気泡が発生しても、液体材料の流動によって照射点から除去されるためパターン形成に影響を与えることがなく、安定したパターン形成を行える効果を奏する。
【００１６】
本発明の請求項３記載の発明によれば、請求項２記載のパターン形成方法であって、照射点に対して流動している液体材料の流動方向が、照射点の走査方向と異なるので、前述したガスによる気泡がより効率的かつ高速に照射点から除去されるという効果を奏する。
【００１７】
以下に図面を参照して、本発明に係るパターン形成方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００１８】
（実施の形態）
図１はパターン形成を行うためのパターン形成装置の構成を示す概念図である。
【００１９】
図１において、１は基板、２は液体材料、３は液体材料流入口、４は液体材料流出口、５は収束エネルギービームの照射点、６はパターン、７はエネルギービームであって光束を表す線、８はエネルギービーム７の供給源としての光源、９は描画によってパターン形成を行う際に照射点５と基板１の相対位置関係を変化させるための可動ステージ、１０はエネルギービーム７を収束させて照射点５を構成するための光学要素である。
【００２０】
さて、本実施の形態における基板１は一辺４０ｍｍ厚さ１．１ｍｍのホウ珪酸ガラスである。もちろん基板はガラスに限られるものではなく、後述する収束エネルギービームの透過を極度に妨げないものであればどのようなものでもよく、また厚さや可とう性の有無なども特に問題とはならない。このような条件を満たすそのほかの基板としては、例えばサファイアやシリコンなどの単結晶基板、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレン（ＰＥ）等のプラスチック基板やプラスチックフィルムの類を挙げることができる。
【００２１】
次に本実施の形態では液体材料２として、すでに説明したような金属銀の超微粒子を保護剤で被覆し、芳香族系の有機溶剤中にコロイド状態で安定に分散したものを用いている。このような材料数多く上市されており、例えばハリマ化成株式会社のＮＰシリーズなどとして購入可能である。もちろん本発明を用いてパターン化可能なものは銀インクに制限されるものではなく、金や白金、銅、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、オスミウム、等の金属およびそれらの合金や混合物、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）やＩＺＯ（インジウム亜鉛酸化物）やＳｎＯ2（酸化錫）等の化合物系導電体材料、ＳｉＯ2（二酸化珪素）やＳｉＮ（窒化珪素）やＴｉＯ2（チタン酸化物）やＡｌ2Ｏ3（アルミナ）等のセラミックス系絶縁体材料、ＳｉやＧａＮ（窒化ガリウム）やＣｄＳｅ（セレン化カドミウム）を始めとする半導体材料等々、前述したコロイド様の状態を実現可能なものはほとんど利用することが可能である。例えばインジウム錫酸化物をパターニングすることで透明で導電性を持った配線を形成することができ、またシリカをパターニングすることで絶縁膜の形成が可能である。
【００２２】
次に液体材料流入口３、および液体材料流出口４は図示しないポンプや流路、電磁弁、フィルタ、液体材料保存タンク等と共に本発明に係る液体材料供給部を構成し、照射点５近傍に液体材料２を供給する。詳細は後述するが、本実施の形態では基板液体接触部はセル状の構造を持っており、液体材料２は図示しないポンプ等の手段によって液体材料流入口３からセル内に供給されセル内を流動した後に液体材料流出口４から排出される。本実施の形態では、液体材料流入口３を介した液体材料２の供給は描画によるパターン形成が行われている最中も継続的に行われる。したがって、描画の際に例えば可動ステージが静止する瞬間が生じ、その際基板１と照射点５の相対位置関係が変わらない状態になったとしても、液体材料２は後述する照射点に対して流動していることになる。
【００２３】
本実施の形態における照射点５は基板１と液体材料２とエネルギービーム７の３つの構成要素の交わる面として定義される。この領域において液体材料２はエネルギービーム７を吸収して分解するなどの状態変化を生じ、結果として基板１の表面に銀の超微粒子が堆積して固定化された金属銀の薄膜パターン６となる。本実施の形態ではエネルギービーム７は光学要素１０としての凸レンズによって収束エネルギービームとなっており、照射点においてそのビームの断面積が最も小さくなるように互いに配置がなされている。このような構成とすることでエネルギービーム７を効率よく利用しながら、ビームを収束させない場合に比較してより詳細なパターンを形成することが可能になる。
【００２４】
本実施の形態におけるエネルギービーム７は、波長５３２ｎｍのレーザーであって、図示しない出力調整部や光束を遮断するためのシャッター等を含む光源８からコリメートされた平行光として出射された後、光学要素１０としての凸レンズによって収束エネルギービームとされ照射点５に至る。（以降エネルギービームをレーザー、光学要素を単にレンズとして記載する）光源８および光学要素１０は図示しない光源８内の構成要素と共に本発明で言うところの照射部を構成する。
【００２５】
次に可動ステージ９について説明する。本実施の形態における可動ステージ９は基板１および基板液体接触部を３次元方向に可動自在に保持しており、照射点５と基板１の相対位置関係を自在に変化させることができる。照射点５と基板１の相対位置関係を変化させながらレーザー７を照射することによって基板１上に特定のパターン６を形成することが可能である。また、本実施の形態のレーザー７は光学要素１０によって収束エネルギービームとされているので、可動ステージ９をレーザー７の入射方向に対して前後に動かすことによって照射点５の面積を変化させることができ、結果として形成するパターン６の線幅を任意に変化させることができる。もちろん、パターン形成のためには基板１と照射点５の相対位置関係が変化すれば十分であるので、ここで説明したようにレーザー７を静止させ、基板１を動かすほかにも、レーザー７が動くことで、またあるいはレーザー７と基板１が同時に協調して動くことでパターン形成を行ってもよい。
【００２６】
最後に、本実施の形態におけるパターン形成装置はここまでに説明した各構成要素のほかに図示しないコンピューターなどの制御部と制御部の動作を決定する制御プログラムを備えている。制御部は予め定められた制御プログラムにしたがって液体材料供給部の電磁弁や可動ステージ９、光源８内のシャッター等を適宜円滑に制御し基板１上に所望のパターン６を形成するものである。
【００２７】
さて、ここで基板液体接触部について詳細な説明を加える。
【００２８】
前述したように本実施の形態のパターン形成装置では、基板液体接触部としてセル状の構造を採用している。図２を用いてその構成を詳細に説明する。
【００２９】
図２は基板液体接触部の分解図である。２０は背面板、２１はスペーサー、２２は基板１のレーザー７の入射側の面、２３は基板１のパターンが形成される側の面、２４は基板１が背面板２０と共にスペーサー２１を挟み込むことによって構成されるチャンバである。なお、説明を簡単にするために、以降の説明では基板１のレーザー７の入射側の面２２を単に裏面２２と、そして基板１のパターンが形成される側の面２３を単に表面２３と表現する。
【００３０】
また、チャンバ２４には液体材料流入口３と液体材料流出口４が備えられており、チャンバ２４内を液体材料で満たすことができる。
【００３１】
このような構成をとる基板液体接触部において、チャンバ２４内が液体材料で満たされた際、基板１の表面２３側の大部分は液体材料と直接接触するが、裏面２２側は液体材料と接することは無い。このとき、裏面２２が本発明で言うところの液体材料に接触しない部位であって、図２に示すようにエネルギービームとしてのレーザー７は裏面２２から入射している。そしてすでに説明したようにレーザー７が光源８から出射し、光学要素１０を経て基板１の裏面２２から入射し表面側２３の表面にできる照射点５に至るまでの伝播経路内に液体材料は存在しない。
【００３２】
さて、以上説明したような構成のパターン形成装置を用いて実際にパターン形成を行う際の手順について説明する。
【００３３】
図１に示したように各構成要素が配置された状態で、図示しない制御部はやはり図示しない制御プログラムに従って以下のステップを実行する。まず、ポンプを動作させるなどしてチャンバ２４内を液体材料２で満たす。そしてそのまま液体材料２の供給を継続する。チャンバ２４からあふれた液体材料２は液体材料流出口４からチャンバ外へ排出され、フィルタを通過させて不純物を除去した後に再利用される。次いで制御部は光源８を制御してレーザー７を出射する。レーザー７は光学要素１０によって収束ビームとされ、照射点５に焦点を結んでその位置の液体材料２を急激に加熱する。加熱された照射点５近傍の液体材料２では、溶媒の蒸発と保護剤の熱分解、そして保護剤がなくなったことで不安定になった金属銀の超微粒子が基板上に堆積し金属銀膜のパターン６を形成する過程が同時に進行する。堆積した金属銀はレーザー７によって高温に維持され、その熱によってさらに金属銀膜近傍の液体材料２が分解されパターン６はその厚みを増していく。このとき、可動ステージ９が基板１を照射点５に対して移動させると金属銀膜は線状のパターン６となって基板上に固定されていく。このとき、移動速度を変化させることでパターン６の厚みをコントロールすることができる。即ち、移動速度を遅くすることでパターン６は厚くなり、早くすることで薄くなる。このように、パターン６の膜厚はレーザー７の照射時間に依存しているので、チャンバ２４の奥行きを所望の膜厚よりも十分に大きく取れば、レーザー７の照射時間、即ち描画の速度を変化させることでパターン６の膜厚をコントロールすることが可能になる。そしてこのとき、液体材料２は照射点５に連続的に供給されるので、従来法で行われたような基板上に一旦液体材料の乾燥膜を形成する場合に比較してパターン６の膜厚ムラは非常に小さなものである。すでに説明したように、乾燥膜を形成する従来法は乾燥膜の膜厚ばらつきがパターン６の膜厚のばらつきを決めるが、本発明のパターン形成法では乾燥膜を形成しないのでこのような問題は本質的に発生しない。
【００３４】
さて、パターン６の形成と平行して生じる液体材料２に含まれる溶媒の蒸発と保護剤の分解は、溶媒の蒸気や分解生成物のガス化による気泡を発生させる。そしてこれらの気泡が発生する位置は照射点５からみてチャンバ２４の内側である。すでに説明したように、レーザー７が光源８から出射し、光学要素１０を経て基板１の裏面２２から入射し表面側２３の表面にできる照射点５に至るまでの伝播経路内に液体材料は存在しないので、気泡の発生がレーザー７の伝播経路に散乱や吸収などの障害を及ぼすことはないが、気泡が発生するとその部分から液体材料２が押しのけられてしまうためにそれ以上膜厚が増大しなくなるという問題が生じる。しかしながら、本実施の形態では液体材料２は照射点５に対して流動しているために発生した気泡は直ちに照射点５近傍から押し流され新鮮な液体材料が供給されることでパターン形成が滞りなく進行する。このようにして従来法の課題として指摘したような気泡によってパターン形成が阻害されるというような事態を避けながら基板１の表面２３に金属銀のパターン６が形成されていく。
【００３５】
ところでこのとき、パターン形成の進行方向と液体材料２の流動方向は異なっていることが望ましく、さらに望ましくはパターン形成の進行方向と液体材料２の流動方向は対向していることである。なぜなら、両者の方向が一致しているとせっかく押し流された気泡を追いかけて照射点５が移動することになり、気泡によって液体材料２が押しのけられてしまうため、パターン形成が行われず、欠陥を生じる可能性が高くなるからである。
【００３６】
さて、このようにしてパターン形成が終了すると制御部は光源８に含まれる図示しないシャッター等を制御してレーザー７の照射を止めると共に、ポンプを制御するなどしてチャンバ２４内の液体材料２をやはり図示しない液体材料保存タンクへ退避させる。このとき、基板１の表面２３のうちパターン６が形成されなかった部分は、単に液体材料２と接していただけであるので、液体材料がチャンバ２４からなくなるとその表面から液体材料は流れ去る。多少の液体材料の残留があったとしても、液体材料が乾燥して固着しているわけではないので、ドクターブレードのような機構を利用した除去や、簡単なふき取り、ガスブロー、あるいは液体を用いた洗浄を行うことで容易かつ完全に除去することが可能である。液体を用いた洗浄を行う場合は、液体材料に含まれている溶媒を使うのも好ましいものである。
【００３７】
このようにして本発明に係るところのパターン形成装置を用い、一連のパターン形成プロセスを経てパターンが形成されるわけであるが、本発明のパターン形成プロセスは従来提案されている方法のような基板上に液体材料を塗布し、次いで乾燥させ、パターンを形成した後に現像を行うという工程の内、塗布、乾燥、現像のプロセスを含まない極めて簡略なものとなっている。
【００３８】
そのため、プロセスの簡略化は高いスループットをもたらし、また現像によって余剰な液体材料が破棄されることもなく、また液体材料を再利用できるためコスト的にも有利である。さらに、本発明では液体材料に対して直接エネルギービームとしてのレーザー光を照射し、パターン形成を行っているが、本発明のパターン形成装置では、エネルギービームとしてのレーザー光が光源から出射されて照射点に至るまでの伝播経路内に液体材料は存在しないため、レーザー光が液体材料によって吸収されたり散乱されたりすることがなく、安定かつ信頼性の高いパターン形成と、基板を液体材料に浸漬する方法では困難な厚膜の形成が可能である。
【００３９】
本実施の形態で説明をしたパターン形成装置は本発明のパターン形成方法を実現するための最も簡易かつ好適な例であるが、このほかにも本発明のパターン形成方法を実現可能な形成装置の構成、特に基板液体接触部の構成には様々なものがある。図３以降にそれらを説明する。
【００４０】
まず、図３は本発明のパターン形成方法を実現するためのパターン形成装置の別の一例の基板液体接触部を説明するための図である。図３に記載したそれぞれの符号は、図１にてすでに説明したものと重複するので割愛する。また、図３に記載されていないパターン形成装置の構成部分は図１にすでに示したものと同じであるので合わせて割愛する。さらに、以降の説明において幾つかの基板液体接触部の説明を行うが、特に言及しない限り図示した基板液体接触部以外のパターン形成装置の構成はすでに図１で説明したものと同じである。
【００４１】
図３に記載した基板液体接触部では、基板１に対して液体材料流出入口３０が上方に配置されており、またレーザー７は基板１の下方から入射して基板１の上面に照射点５を形成している。図３の構成においてもレーザー７の伝播経路に液体材料２は存在しない。このような構成をとることで、基板液体接触部は実施の形態ですでに説明したようなチャンバを設けるようなセル構造をとる必要もなく、最も簡素な形態で本発明の実施が可能である。
【００４２】
そして、パターン形成を行う際に液体材料流出入口３０から液体材料２を吐出することで、基板１の上方に液体材料２を塗布し、基板１の下方からレーザー７を照射することで、パターンの形成を行う。
【００４３】
なお、液体材料流出入口３０において液体材料２を繰り返し吸引／吐出することで液体材料２を攪拌することができ、液体材料２を攪拌するによって照射点５において発生する気泡を除去することも可能である。
【００４４】
なお、図３において液体材料流出入口３０として、１本の管で行っているが、液体材料の吸引／吐出を２本の管を使用してもよい。
【００４５】
次に、図４にもう一つの基板液体接触部を提示し説明する。図４において、４０は液体材料を保持するための容器、４１は液体材料を攪拌するための攪拌機構である。図４に記載した基板液体接触部では、基板１が液体材料に半ば浸漬された形で保持されているが、基板１上面は液体材料に接触していない。そしてこの部分からレーザー７が入射し、基板１の下面に照射点５を形成している。図４の構成においてもレーザー７の伝播経路に液体材料は存在しない。パターン形成の際には攪拌機構４１によって液体材料を流動させ、照射点５において発生する気泡を除去する。図４には攪拌機構として攪拌羽様のものを図示しているが、これは液体材料２を照射点５において流動させることができるような機構であればどのようなものであってもよく、攪拌羽のほかに液体材料流入口３からの液体材料の流入による流動や、基板そのものの揺動、容器の揺動、超音波振動子のような何らかの振動源の導入等でもよい。
【００４６】
次に図５にさらにもう一つの基板液体接触部を提示し説明する。図５に記載した基板液体接触部では、基板１が鉛直方向に対して斜めに保持されており、基板１の上方に配置された液体材料流入口３から供給された液体材料が基板上を流下し、液体材料流出口４へと至る流れを形成している。レーザー７は基板１の下方から入射し、基板上面に照射点５を形成する。図５の構成においてもレーザー７の伝播経路に液体材料は存在しない。パターン形成の際に発生する気泡は、液体材料２の流下と共に照射点５から除去される。
【００４７】
次に図６にさらにもう一つの基板液体接触部を提示し説明する。図６に記載した基板液体接触部では、基板１が鉛直方向に対して垂直に保持されており、基板１の横方向に配置された液体材料流入口３から液体材料２がスプレーされ、細かな液滴となって供給される。そして基板面に到達した液体材料２は基板１上に液面を形成しながら流下し、液体材料流出口４へと至る流れを形成している。レーザー７は基板１の横面かつ基板１に対して液体材料流入口３とは反対側から入射し、基板上面に照射点５を形成する。図６の構成においてもレーザー７の伝播経路に液体材料は存在しない。パターン形成の際に発生する気泡は、液体材料２の流下と共に照射点５から除去される。
【００４８】
次に図７にさらにもう一つの基板液体接触部を提示し説明する。図７に記載した基板液体接触部では、基板１が鉛直方向に対して水平に保持されており、基板１の下方に配置された液体材料流入口３から液体材料２が噴流状に基板１の下方に供給される。そして液体材料２は基板１下面に液面を形成しながらしばらくの間基板１下面を広がり、やがて重力によって滴下して液体材料流出口４へと至る。レーザー７は基板１の上面から入射し、基板下面に照射点５を形成する。図７の構成においてもレーザー７の伝播経路に液体材料は存在しない。パターン形成の際に発生する気泡は、液体材料２の流動と共に照射点５から除去される。
【００４９】
次に図８にさらにもう一つの基板液体接触部を提示し説明する。図８において、８０は基板１との密着性を保ち、液体材料の漏れを防ぎながら基板送りのための可動を行うことが可能な可動壁である。図７に記載した基板液体接触部では、基板１は可とう性を持ったポリイミドフィルムであって、図示しないロールから引き出されて矢印Ａの方向に移動し、やはり図示しないロールへと巻き取られていく構成をとる。可とう性の基板１は可動壁８０に密着しながら移動することによって図８に示したように屈曲部分に液体材料２を保持することが可能になっている。レーザー７は基板１の下面から入射し、基板上面に照射点５を形成する。図８の構成においてもレーザー７の伝播経路に液体材料は存在しない。パターン形成の際に発生する気泡は、図示しない攪拌機構が液体材料２を流動させることで照射点５から除去される。
【００５０】
なお、液体材料２を流入する場合には、例えば可動壁８０に液体材料流入口と液体材料流出口を設ければよい。
【００５１】
以上幾つかの基板液体接触部の例を提示して説明を行ったが、本発明を実施可能な基板液体接触部はこれに制限されるものではなく、ここまでに説明した例の組み合わせ等も含め様々な形態が可能である。
【００５２】
最後に、パターン形成を行う具体例を定量的に説明するが、本発明を実施可能な形態はもちろんこれに制限されるものではない。
【００５３】
図９は本実施の形態において使用した基板液体接触部の図である。描画を行う際にはチャンバ２４内に環状の液体材料流入口と液体材料流出口が挿入される。光源８としてレーザーカンタム社製ＥＸＣＥＬシリーズの最大出力１．５Ｗの緑色レーザー（波長５３２ｎｍ）を用い、このビームを一旦シグマ光機社製のレーザビームエキスパンダーＬＢＥ３Ｈを用いて５ｍｍφ程度に拡大し、次いでやはりシグマ光機社製の可視アクロマティック集光レンズＡＴＬ−３０−４０ＰＹ２を用いて収束エネルギービームとした。これらビーム成形に用いた光学要素類が光学要素１０として説明した構成要素に相当する。基板１および背面板２０には松浪ガラスより購入した４０ｍｍ角１．１ｍｍ厚のテンパックスガラスを用いた。そして、チャンバ２４内にアルバックマテリアル社製の低温焼成型銀インクＬ−Ａｇシリーズを満たし、図９に示した基板液体接触部をシグマ光機社製の自動ステージＭＩＮＩ−２３Ｐ上に固定した。
【００５４】
このような構成を用い、レーザーパワーを５００ｍｗに保持した状態で、基板の移動速度を１５ｍｍ／ｓｅｃとした際に線幅１５ミクロン、膜厚１．４ミクロンの金属銀からなるパターンを得た。また、基板の移動速度を１ｍｍ／ｓｅｃに落とすことで金属銀の膜厚は５．４ミクロンまで増大した。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
以上のように、本発明に係るパターン形成方法は、塗布や乾燥といった煩雑な工程を必要とせず、簡易なプロセスで薄膜から厚膜まで膜厚の自由度の高いパターンを形成するための手段として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】パターン形成装置の構成を示す概念図
【図２】基板液体接触部の分解図
【図３】基板液体接触部の一例を説明するための図
【図４】基板液体接触部の別の一例を説明するための図
【図５】基板液体接触部の別の一例を説明するための図
【図６】基板液体接触部の別の一例を説明するための図
【図７】基板液体接触部の別の一例を説明するための図
【図８】基板液体接触部の別の一例を説明するための図
【図９】本実施の形態において使用した基板液体接触部の図
【符号の説明】
【００５７】
１ 基板
２ 液体材料
３ 液体材料流入口
４ 液体材料流出口
５ 照射点
６ パターン
７ エネルギービーム（レーザー）
８ 光源
９ 可動ステージ
１０ 光学要素
２０ 背面板
２１ スペーサー
２２ 基板のエネルギービーム入射側の面（裏面）
２３ 基板のパターンが形成される側の面（表面）
２４ チャンバ
３０ 液体材料流出入口
４０ 容器
４１ 攪拌機構
８０ 可動壁
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上への電気的および／または光学的機能を備えた材料のパターンを形成するための方法およびパターン形成装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
シリコンウェハー上に真空プロセスとフォトリソグラフィー等の微細加工技術を用いて集積回路を形成する従来型の固体／ガス材料ベースの機能素子作製方法に対して、溶液化した有機材料や溶媒中にコロイド状に分散された無機材料等の液体材料と、印刷技術とを組み合わせた全く新しい材料／プロセスに基づくいわゆる印刷エレクトロニクスを用いた機能素子が数多く提案されてきている。そして、現在、印刷エレクトロニクスにおける印刷方式は、インクジェット方式を中心として、スクリーン印刷方式やグラビア印刷方式、そしてレーザー描画方式などの検討が行われている。
【０００３】
レーザー描画方式は予め基板上に塗布して形成した材料の薄膜の一部にレーザー照射を行うことでその部分の材料の少なくとも一部を分解、乾燥、重合、結晶化させるなどして未照射部分との間に物性の差異を生じさせその結果パターン形成を行うものであって、商業印刷分野における版下の作製などにおいて実用化されている技術である。
【０００４】
一方でパターンとして形成される材料として、近年のナノテクノロジーの進展により様々な材料の提案が行われてきている。これらは、例えば直径数ｎｍの銀の超微粒子を保護剤で被覆し適当な溶媒中に分散させたコロイド状液体材料を代表的なものとして挙げることができ、上市品を試薬メーカー等から購入可能である。この材料は銀インクなどと称され、あたかも従来の印刷用インクのように基板上に塗布を行うことができ、塗布後に熱処理を行うことで銀の超微粒子を被覆していた保護剤が分解除去され銀の皮膜が形成されるといったものである。銀のほかにも金や銅、白金、パラジウム等の貴金属を中心とした金属類、透明導電体として知られているインジウム錫酸化物や絶縁体や光導波路材料としての酸化ケイ素や酸化チタン、さらには半導体材料としてのシリコン微粒子を分散した半導体インクなどが盛んに検討されている。
【０００５】
これら機能性インクともいうべき液体材料群をレーザー描画法と組み合わせて使用することで、基板上に例えば銀インクを塗布して所望のパターンにレーザー照射を行えば導電パターンを形成することができ、また例えば酸化ケイ素のインクを塗布してパターン形成を行えば絶縁膜や光導波路を形成することができる。このようにして形成されるパターンはセンサやトランジスタ、コンデンサなどの電子素子用の電極や、あるいは光制御用の光学素子として利用される。機能性インクとレーザー描画を用いたパターン形成については例えば（特許文献１）や（特許文献２）に詳細が開示されている。
【特許文献１】特開２００６−３８９９９号公報
【特許文献２】特開２００４−２５３６８０号公報
【特許文献３】特許第０３７４２８７２号公報
【特許文献４】特許第０３８２３２４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、レーザー描画法と超微粒子を含む液体材料を用いた手法は、フォトリソグラフィーなどに比較すると非常に簡易な方法で自由度高く高精細なパターン形成を行うことができるが、処理のプロセスが煩雑であるという問題がある。
【０００７】
即ち、レーザー描画おいては、描画に先立ち、少なくとも基板上のレーザー描画を行う範囲に対して液体材料を塗布し、乾燥させて膜化する必要があり、さらに、レーザー描画を行った後はレーザーが照射されなかった余剰部分を何らかの方法で取り除くといういわゆる現像と呼ばれる処理が必要である。またさらに、液体材料の乾燥膜形成の際、その膜厚が不均一であると形成されるパターンの厚みもまた不均一となるため、液体材料の塗布にはスピンコート法やスリットコート法などの比較的均一な塗布膜形成が可能な手法と設備を用いる必要がある。このような塗布、乾燥、現像というプロセスの煩雑さ、およびそれを行うために必要となる設備はレーザー描画の利点である簡易なパターン形成に対する課題であった。
【０００８】
このような課題に対して、（特許文献３）および（特許文献４）に示すような方法が提案された。これらの特許文献では、基板を液体材料中に浸漬し、その状態のままレーザー描画を行っている。このような手法を用いることで前述した塗布と乾燥のプロセスは省略でき、また現像に関しても余剰材料を洗浄によって洗浄する程度の簡便な方法が選択可能となる。
【０００９】
しかしながら、（特許文献３）および（特許文献４）に示すような方法では基板上に形成可能な膜の厚さは限定されたものとなる。そして、配線として使用可能な１ミクロン程度以上の厚さのパターンを効率的に形成するのは実質的に不可能である。なぜならば、効率的に厚膜を形成するためには超微粒子含有濃度の高い液体材料好ましいが、超微粒子の濃度を高めていくと液体材料の吸光度が上昇し、結果的にレーザー光の多くが基板に到達する前に液体材料によって吸収されてしまいパターン形成ができなくなるからである。液体材料による吸収を避けるためには幾つかの対策が考えられるが、例えば含有する超微粒子の濃度を下げると、基板上にパターンを形成する速度が低下するし、また例えば液体材料の吸収波長域をレーザー光の波長とずらすと、液体材料による吸収はなくなるが、これはレーザーと液体材料が相互作用をしないということを意味するため、やはりパターン形成ができなくなる。さらに例えば、超微粒子を高濃度に含有する液体材料を用いたとしても、基板を浸漬している容器の壁面近くに配置させることで、液体材料の吸収の影響を少なくすることが可能となるが、こうするとレーザー照射の際に液体材料中の溶媒や超微粒子を安定に分散させるための保護剤の分解生成物がガスとなって壁面との間に滞留し、レーザー光を散乱するために形成されるパターンが不均一となってしまう。このように、基板を液体材料に浸漬すると、効率的に形成可能なパターンの膜厚が極めて薄い範囲に制限されるという問題がある。電気的な配線として使用するためには少なくともμｍオーダーの膜厚が必要であり、それ以下の膜厚では配線抵抗が大きなものとなってしまうために、その利用範囲も極めて限定されたものになってしまう。したがって（特許文献３）および（特許文献４）ではレーザーを用いて形成したパターンにさらにメッキを施して所望の膜厚のパターンを得ているものである。
【００１０】
このように、超微粒子を含む液体材料とレーザー等の収束エネルギービームを用いてパターンを形成する際に、基板上に液体材料を塗布すると余計なプロセスと装置が必要となり、また基板を液体材料に浸漬すると効率的に形成できる膜厚が制限されるという課題があった。
【００１１】
そこで、本発明は、上記課題を解決するために、塗布や乾燥といった煩雑な工程を必要とせず、簡易なプロセスで薄膜から厚膜まで膜厚の自由度の高いパターンを形成するパターン形成方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
このような課題を解決するために本発明では、コロイドに微粒子を分散させた液体材料を基板に接触させ、基板上にエネルギービームを照射することで前記液体材料中の少なくとも一つの成分を基板上に固定する際に、前記基板の少なくとも一部が前記液体材料に接触しておらず、かつその前記液体材料に接触していない部分からエネルギービームを入射することを特徴とするパターン形成方法とした。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、塗布や乾燥といった煩雑な工程を必要とせず、簡易なプロセスで薄膜から厚膜まで膜厚の自由度の高いパターンを形成することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の請求項１記載のパターン形成方法によれば、コロイドに微粒子を分散させた液体材料を基板に接触させ、基板上にエネルギービームを照射することで液体材料中の少なくとも一つの成分を基板上に固定する際に、基板の少なくとも一部が液体材料に接触しておらず、かつその液体材料に接触していない部分からエネルギービームを入射することを特徴とするので、液体材料を基板上に塗布、乾燥させる等の余計な手順を必要とせず、かつ超微粒子含有濃度の高い液体材料を用いても自由度高く均一なパターンを形成できるという効果を奏する。
【００１５】
本発明の請求項２記載の発明によれば、請求項１記載のパターン形成方法であって、基板上にあるエネルギービームの照射点において、液体材料が照射点に対して流動しているので、液体材料に含まれる溶媒や、超微粒子を安定に溶媒中に分散させるための保護剤等がエネルギービームによって蒸発あるいは分解されることでガス化し気泡が発生しても、液体材料の流動によって照射点から除去されるためパターン形成に影響を与えることがなく、安定したパターン形成を行える効果を奏する。
【００１６】
本発明の請求項３記載の発明によれば、請求項２記載のパターン形成方法であって、照射点に対して流動している液体材料の流動方向が、照射点の走査方向と異なるので、前述したガスによる気泡がより効率的かつ高速に照射点から除去されるという効果を奏する。
【００１７】
以下に図面を参照して、本発明に係るパターン形成方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００１８】
（実施の形態）
図１はパターン形成を行うためのパターン形成装置の構成を示す概念図である。
【００１９】
図１において、１は基板、２は液体材料、３は液体材料流入口、４は液体材料流出口、５は収束エネルギービームの照射点、６はパターン、７はエネルギービームであって光束を表す線、８はエネルギービーム７の供給源としての光源、９は描画によってパターン形成を行う際に照射点５と基板１の相対位置関係を変化させるための可動ステージ、１０はエネルギービーム７を収束させて照射点５を構成するための光学要素である。
【００２０】
さて、本実施の形態における基板１は一辺４０ｍｍ厚さ１．１ｍｍのホウ珪酸ガラスである。もちろん基板はガラスに限られるものではなく、後述する収束エネルギービームの透過を極度に妨げないものであればどのようなものでもよく、また厚さや可とう性の有無なども特に問題とはならない。このような条件を満たすそのほかの基板としては、例えばサファイアやシリコンなどの単結晶基板、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレン（ＰＥ）等のプラスチック基板やプラスチックフィルムの類を挙げることができる。
【００２１】
次に本実施の形態では液体材料２として、すでに説明したような金属銀の超微粒子を保護剤で被覆し、芳香族系の有機溶剤中にコロイド状態で安定に分散したものを用いている。このような材料数多く上市されており、例えばハリマ化成株式会社のＮＰシリーズなどとして購入可能である。もちろん本発明を用いてパターン化可能なものは銀インクに制限されるものではなく、金や白金、銅、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、オスミウム、等の金属およびそれらの合金や混合物、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）やＩＺＯ（インジウム亜鉛酸化物）やＳｎＯ2（酸化錫）等の化合物系導電体材料、ＳｉＯ2（二酸化珪素）やＳｉＮ（窒化珪素）やＴｉＯ2（チタン酸化物）やＡｌ2Ｏ3（アルミナ）等のセラミックス系絶縁体材料、ＳｉやＧａＮ（窒化ガリウム）やＣｄＳｅ（セレン化カドミウム）を始めとする半導体材料等々、前述したコロイド様の状態を実現可能なものはほとんど利用することが可能である。例えばインジウム錫酸化物をパターニングすることで透明で導電性を持った配線を形成することができ、またシリカをパターニングすることで絶縁膜の形成が可能である。
【００２２】
次に液体材料流入口３、および液体材料流出口４は図示しないポンプや流路、電磁弁、フィルタ、液体材料保存タンク等と共に本発明に係る液体材料供給部を構成し、照射点５近傍に液体材料２を供給する。詳細は後述するが、本実施の形態では基板液体接触部はセル状の構造を持っており、液体材料２は図示しないポンプ等の手段によって液体材料流入口３からセル内に供給されセル内を流動した後に液体材料流出口４から排出される。本実施の形態では、液体材料流入口３を介した液体材料２の供給は描画によるパターン形成が行われている最中も継続的に行われる。したがって、描画の際に例えば可動ステージが静止する瞬間が生じ、その際基板１と照射点５の相対位置関係が変わらない状態になったとしても、液体材料２は後述する照射点に対して流動していることになる。
【００２３】
本実施の形態における照射点５は基板１と液体材料２とエネルギービーム７の３つの構成要素の交わる面として定義される。この領域において液体材料２はエネルギービーム７を吸収して分解するなどの状態変化を生じ、結果として基板１の表面に銀の超微粒子が堆積して固定化された金属銀の薄膜パターン６となる。本実施の形態ではエネルギービーム７は光学要素１０としての凸レンズによって収束エネルギービームとなっており、照射点においてそのビームの断面積が最も小さくなるように互いに配置がなされている。このような構成とすることでエネルギービーム７を効率よく利用しながら、ビームを収束させない場合に比較してより詳細なパターンを形成することが可能になる。
【００２４】
本実施の形態におけるエネルギービーム７は、波長５３２ｎｍのレーザーであって、図示しない出力調整部や光束を遮断するためのシャッター等を含む光源８からコリメートされた平行光として出射された後、光学要素１０としての凸レンズによって収束エネルギービームとされ照射点５に至る。（以降エネルギービームをレーザー、光学要素を単にレンズとして記載する）光源８および光学要素１０は図示しない光源８内の構成要素と共に本発明で言うところの照射部を構成する。
【００２５】
次に可動ステージ９について説明する。本実施の形態における可動ステージ９は基板１および基板液体接触部を３次元方向に可動自在に保持しており、照射点５と基板１の相対位置関係を自在に変化させることができる。照射点５と基板１の相対位置関係を変化させながらレーザー７を照射することによって基板１上に特定のパターン６を形成することが可能である。また、本実施の形態のレーザー７は光学要素１０によって収束エネルギービームとされているので、可動ステージ９をレーザー７の入射方向に対して前後に動かすことによって照射点５の面積を変化させることができ、結果として形成するパターン６の線幅を任意に変化させることができる。もちろん、パターン形成のためには基板１と照射点５の相対位置関係が変化すれば十分であるので、ここで説明したようにレーザー７を静止させ、基板１を動かすほかにも、レーザー７が動くことで、またあるいはレーザー７と基板１が同時に協調して動くことでパターン形成を行ってもよい。
【００２６】
最後に、本実施の形態におけるパターン形成装置はここまでに説明した各構成要素のほかに図示しないコンピューターなどの制御部と制御部の動作を決定する制御プログラムを備えている。制御部は予め定められた制御プログラムにしたがって液体材料供給部の電磁弁や可動ステージ９、光源８内のシャッター等を適宜円滑に制御し基板１上に所望のパターン６を形成するものである。
【００２７】
さて、ここで基板液体接触部について詳細な説明を加える。
【００２８】
前述したように本実施の形態のパターン形成装置では、基板液体接触部としてセル状の構造を採用している。図２を用いてその構成を詳細に説明する。
【００２９】
図２は基板液体接触部の分解図である。２０は背面板、２１はスペーサー、２２は基板１のレーザー７の入射側の面、２３は基板１のパターンが形成される側の面、２４は基板１が背面板２０と共にスペーサー２１を挟み込むことによって構成されるチャンバである。なお、説明を簡単にするために、以降の説明では基板１のレーザー７の入射側の面２２を単に裏面２２と、そして基板１のパターンが形成される側の面２３を単に表面２３と表現する。
【００３０】
また、チャンバ２４には液体材料流入口３と液体材料流出口４が備えられており、チャンバ２４内を液体材料で満たすことができる。
【００３１】
このような構成をとる基板液体接触部において、チャンバ２４内が液体材料で満たされた際、基板１の表面２３側の大部分は液体材料と直接接触するが、裏面２２側は液体材料と接することは無い。このとき、裏面２２が本発明で言うところの液体材料に接触しない部位であって、図２に示すようにエネルギービームとしてのレーザー７は裏面２２から入射している。そしてすでに説明したようにレーザー７が光源８から出射し、光学要素１０を経て基板１の裏面２２から入射し表面側２３の表面にできる照射点５に至るまでの伝播経路内に液体材料は存在しない。
【００３２】
さて、以上説明したような構成のパターン形成装置を用いて実際にパターン形成を行う際の手順について説明する。
【００３３】
図１に示したように各構成要素が配置された状態で、図示しない制御部はやはり図示しない制御プログラムに従って以下のステップを実行する。まず、ポンプを動作させるなどしてチャンバ２４内を液体材料２で満たす。そしてそのまま液体材料２の供給を継続する。チャンバ２４からあふれた液体材料２は液体材料流出口４からチャンバ外へ排出され、フィルタを通過させて不純物を除去した後に再利用される。次いで制御部は光源８を制御してレーザー７を出射する。レーザー７は光学要素１０によって収束ビームとされ、照射点５に焦点を結んでその位置の液体材料２を急激に加熱する。加熱された照射点５近傍の液体材料２では、溶媒の蒸発と保護剤の熱分解、そして保護剤がなくなったことで不安定になった金属銀の超微粒子が基板上に堆積し金属銀膜のパターン６を形成する過程が同時に進行する。堆積した金属銀はレーザー７によって高温に維持され、その熱によってさらに金属銀膜近傍の液体材料２が分解されパターン６はその厚みを増していく。このとき、可動ステージ９が基板１を照射点５に対して移動させると金属銀膜は線状のパターン６となって基板上に固定されていく。このとき、移動速度を変化させることでパターン６の厚みをコントロールすることができる。即ち、移動速度を遅くすることでパターン６は厚くなり、早くすることで薄くなる。このように、パターン６の膜厚はレーザー７の照射時間に依存しているので、チャンバ２４の奥行きを所望の膜厚よりも十分に大きく取れば、レーザー７の照射時間、即ち描画の速度を変化させることでパターン６の膜厚をコントロールすることが可能になる。そしてこのとき、液体材料２は照射点５に連続的に供給されるので、従来法で行われたような基板上に一旦液体材料の乾燥膜を形成する場合に比較してパターン６の膜厚ムラは非常に小さなものである。すでに説明したように、乾燥膜を形成する従来法は乾燥膜の膜厚ばらつきがパターン６の膜厚のばらつきを決めるが、本発明のパターン形成法では乾燥膜を形成しないのでこのような問題は本質的に発生しない。
【００３４】
さて、パターン６の形成と平行して生じる液体材料２に含まれる溶媒の蒸発と保護剤の分解は、溶媒の蒸気や分解生成物のガス化による気泡を発生させる。そしてこれらの気泡が発生する位置は照射点５からみてチャンバ２４の内側である。すでに説明したように、レーザー７が光源８から出射し、光学要素１０を経て基板１の裏面２２から入射し表面側２３の表面にできる照射点５に至るまでの伝播経路内に液体材料は存在しないので、気泡の発生がレーザー７の伝播経路に散乱や吸収などの障害を及ぼすことはないが、気泡が発生するとその部分から液体材料２が押しのけられてしまうためにそれ以上膜厚が増大しなくなるという問題が生じる。しかしながら、本実施の形態では液体材料２は照射点５に対して流動しているために発生した気泡は直ちに照射点５近傍から押し流され新鮮な液体材料が供給されることでパターン形成が滞りなく進行する。このようにして従来法の課題として指摘したような気泡によってパターン形成が阻害されるというような事態を避けながら基板１の表面２３に金属銀のパターン６が形成されていく。
【００３５】
ところでこのとき、パターン形成の進行方向と液体材料２の流動方向は異なっていることが望ましく、さらに望ましくはパターン形成の進行方向と液体材料２の流動方向は対向していることである。なぜなら、両者の方向が一致しているとせっかく押し流された気泡を追いかけて照射点５が移動することになり、気泡によって液体材料２が押しのけられてしまうため、パターン形成が行われず、欠陥を生じる可能性が高くなるからである。
【００３６】
さて、このようにしてパターン形成が終了すると制御部は光源８に含まれる図示しないシャッター等を制御してレーザー７の照射を止めると共に、ポンプを制御するなどしてチャンバ２４内の液体材料２をやはり図示しない液体材料保存タンクへ退避させる。このとき、基板１の表面２３のうちパターン６が形成されなかった部分は、単に液体材料２と接していただけであるので、液体材料がチャンバ２４からなくなるとその表面から液体材料は流れ去る。多少の液体材料の残留があったとしても、液体材料が乾燥して固着しているわけではないので、ドクターブレードのような機構を利用した除去や、簡単なふき取り、ガスブロー、あるいは液体を用いた洗浄を行うことで容易かつ完全に除去することが可能である。液体を用いた洗浄を行う場合は、液体材料に含まれている溶媒を使うのも好ましいものである。
【００３７】
このようにして本発明に係るところのパターン形成装置を用い、一連のパターン形成プロセスを経てパターンが形成されるわけであるが、本発明のパターン形成プロセスは従来提案されている方法のような基板上に液体材料を塗布し、次いで乾燥させ、パターンを形成した後に現像を行うという工程の内、塗布、乾燥、現像のプロセスを含まない極めて簡略なものとなっている。
【００３８】
そのため、プロセスの簡略化は高いスループットをもたらし、また現像によって余剰な液体材料が破棄されることもなく、また液体材料を再利用できるためコスト的にも有利である。さらに、本発明では液体材料に対して直接エネルギービームとしてのレーザー光を照射し、パターン形成を行っているが、本発明のパターン形成装置では、エネルギービームとしてのレーザー光が光源から出射されて照射点に至るまでの伝播経路内に液体材料は存在しないため、レーザー光が液体材料によって吸収されたり散乱されたりすることがなく、安定かつ信頼性の高いパターン形成と、基板を液体材料に浸漬する方法では困難な厚膜の形成が可能である。
【００３９】
本実施の形態で説明をしたパターン形成装置は本発明のパターン形成方法を実現するための最も簡易かつ好適な例であるが、このほかにも本発明のパターン形成方法を実現可能な形成装置の構成、特に基板液体接触部の構成には様々なものがある。図３以降にそれらを説明する。
【００４０】
まず、図３は本発明のパターン形成方法を実現するためのパターン形成装置の別の一例の基板液体接触部を説明するための図である。図３に記載したそれぞれの符号は、図１にてすでに説明したものと重複するので割愛する。また、図３に記載されていないパターン形成装置の構成部分は図１にすでに示したものと同じであるので合わせて割愛する。さらに、以降の説明において幾つかの基板液体接触部の説明を行うが、特に言及しない限り図示した基板液体接触部以外のパターン形成装置の構成はすでに図１で説明したものと同じである。
【００４１】
図３に記載した基板液体接触部では、基板１に対して液体材料流出入口３０が上方に配置されており、またレーザー７は基板１の下方から入射して基板１の上面に照射点５を形成している。図３の構成においてもレーザー７の伝播経路に液体材料２は存在しない。このような構成をとることで、基板液体接触部は実施の形態ですでに説明したようなチャンバを設けるようなセル構造をとる必要もなく、最も簡素な形態で本発明の実施が可能である。
【００４２】
そして、パターン形成を行う際に液体材料流出入口３０から液体材料２を吐出することで、基板１の上方に液体材料２を塗布し、基板１の下方からレーザー７を照射することで、パターンの形成を行う。
【００４３】
なお、液体材料流出入口３０において液体材料２を繰り返し吸引／吐出することで液体材料２を攪拌することができ、液体材料２を攪拌するによって照射点５において発生する気泡を除去することも可能である。
【００４４】
なお、図３において液体材料流出入口３０として、１本の管で行っているが、液体材料の吸引／吐出を２本の管を使用してもよい。
【００４５】
次に、図４にもう一つの基板液体接触部を提示し説明する。図４において、４０は液体材料を保持するための容器、４１は液体材料を攪拌するための攪拌機構である。図４に記載した基板液体接触部では、基板１が液体材料に半ば浸漬された形で保持されているが、基板１上面は液体材料に接触していない。そしてこの部分からレーザー７が入射し、基板１の下面に照射点５を形成している。図４の構成においてもレーザー７の伝播経路に液体材料は存在しない。パターン形成の際には攪拌機構４１によって液体材料を流動させ、照射点５において発生する気泡を除去する。図４には攪拌機構として攪拌羽様のものを図示しているが、これは液体材料２を照射点５において流動させることができるような機構であればどのようなものであってもよく、攪拌羽のほかに液体材料流入口３からの液体材料の流入による流動や、基板そのものの揺動、容器の揺動、超音波振動子のような何らかの振動源の導入等でもよい。
【００４６】
次に図５にさらにもう一つの基板液体接触部を提示し説明する。図５に記載した基板液体接触部では、基板１が鉛直方向に対して斜めに保持されており、基板１の上方に配置された液体材料流入口３から供給された液体材料が基板上を流下し、液体材料流出口４へと至る流れを形成している。レーザー７は基板１の下方から入射し、基板上面に照射点５を形成する。図５の構成においてもレーザー７の伝播経路に液体材料は存在しない。パターン形成の際に発生する気泡は、液体材料２の流下と共に照射点５から除去される。
【００４７】
次に図６にさらにもう一つの基板液体接触部を提示し説明する。図６に記載した基板液体接触部では、基板１が鉛直方向に対して垂直に保持されており、基板１の横方向に配置された液体材料流入口３から液体材料２がスプレーされ、細かな液滴となって供給される。そして基板面に到達した液体材料２は基板１上に液面を形成しながら流下し、液体材料流出口４へと至る流れを形成している。レーザー７は基板１の横面かつ基板１に対して液体材料流入口３とは反対側から入射し、基板上面に照射点５を形成する。図６の構成においてもレーザー７の伝播経路に液体材料は存在しない。パターン形成の際に発生する気泡は、液体材料２の流下と共に照射点５から除去される。
【００４８】
次に図７にさらにもう一つの基板液体接触部を提示し説明する。図７に記載した基板液体接触部では、基板１が鉛直方向に対して水平に保持されており、基板１の下方に配置された液体材料流入口３から液体材料２が噴流状に基板１の下方に供給される。そして液体材料２は基板１下面に液面を形成しながらしばらくの間基板１下面を広がり、やがて重力によって滴下して液体材料流出口４へと至る。レーザー７は基板１の上面から入射し、基板下面に照射点５を形成する。図７の構成においてもレーザー７の伝播経路に液体材料は存在しない。パターン形成の際に発生する気泡は、液体材料２の流動と共に照射点５から除去される。
【００４９】
次に図８にさらにもう一つの基板液体接触部を提示し説明する。図８において、８０は基板１との密着性を保ち、液体材料の漏れを防ぎながら基板送りのための可動を行うことが可能な可動壁である。図７に記載した基板液体接触部では、基板１は可とう性を持ったポリイミドフィルムであって、図示しないロールから引き出されて矢印Ａの方向に移動し、やはり図示しないロールへと巻き取られていく構成をとる。可とう性の基板１は可動壁８０に密着しながら移動することによって図８に示したように屈曲部分に液体材料２を保持することが可能になっている。レーザー７は基板１の下面から入射し、基板上面に照射点５を形成する。図８の構成においてもレーザー７の伝播経路に液体材料は存在しない。パターン形成の際に発生する気泡は、図示しない攪拌機構が液体材料２を流動させることで照射点５から除去される。
【００５０】
なお、液体材料２を流入する場合には、例えば可動壁８０に液体材料流入口と液体材料流出口を設ければよい。
【００５１】
以上幾つかの基板液体接触部の例を提示して説明を行ったが、本発明を実施可能な基板液体接触部はこれに制限されるものではなく、ここまでに説明した例の組み合わせ等も含め様々な形態が可能である。
【００５２】
最後に、パターン形成を行う具体例を定量的に説明するが、本発明を実施可能な形態はもちろんこれに制限されるものではない。
【００５３】
図９は本実施の形態において使用した基板液体接触部の図である。描画を行う際にはチャンバ２４内に環状の液体材料流入口と液体材料流出口が挿入される。光源８としてレーザーカンタム社製ＥＸＣＥＬシリーズの最大出力１．５Ｗの緑色レーザー（波長５３２ｎｍ）を用い、このビームを一旦シグマ光機社製のレーザビームエキスパンダーＬＢＥ３Ｈを用いて５ｍｍφ程度に拡大し、次いでやはりシグマ光機社製の可視アクロマティック集光レンズＡＴＬ−３０−４０ＰＹ２を用いて収束エネルギービームとした。これらビーム成形に用いた光学要素類が光学要素１０として説明した構成要素に相当する。基板１および背面板２０には松浪ガラスより購入した４０ｍｍ角１．１ｍｍ厚のテンパックスガラスを用いた。そして、チャンバ２４内にアルバックマテリアル社製の低温焼成型銀インクＬ−Ａｇシリーズを満たし、図９に示した基板液体接触部をシグマ光機社製の自動ステージＭＩＮＩ−２３Ｐ上に固定した。
【００５４】
このような構成を用い、レーザーパワーを５００ｍｗに保持した状態で、基板の移動速度を１５ｍｍ／ｓｅｃとした際に線幅１５ミクロン、膜厚１．４ミクロンの金属銀からなるパターンを得た。また、基板の移動速度を１ｍｍ／ｓｅｃに落とすことで金属銀の膜厚は５．４ミクロンまで増大した。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
以上のように、本発明に係るパターン形成方法は、塗布や乾燥といった煩雑な工程を必要とせず、簡易なプロセスで薄膜から厚膜まで膜厚の自由度の高いパターンを形成するための手段として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】パターン形成装置の構成を示す概念図
【図２】基板液体接触部の分解図
【図３】基板液体接触部の一例を説明するための図
【図４】基板液体接触部の別の一例を説明するための図
【図５】基板液体接触部の別の一例を説明するための図
【図６】基板液体接触部の別の一例を説明するための図
【図７】基板液体接触部の別の一例を説明するための図
【図８】基板液体接触部の別の一例を説明するための図
【図９】本実施の形態において使用した基板液体接触部の図
【符号の説明】
【００５７】
１ 基板
２ 液体材料
３ 液体材料流入口
４ 液体材料流出口
５ 照射点
６ パターン
７ エネルギービーム（レーザー）
８ 光源
９ 可動ステージ
１０ 光学要素
２０ 背面板
２１ スペーサー
２２ 基板のエネルギービーム入射側の面（裏面）
２３ 基板のパターンが形成される側の面（表面）
２４ チャンバ
３０ 液体材料流出入口
４０ 容器
４１ 攪拌機構
８０ 可動壁
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コロイドに微粒子を分散させた液体材料を基板に接触させ、前記基板上にエネルギービームを照射することで前記液体材料中の少なくとも一つの成分を前記基板上に固定する際に、前記基板の少なくとも一部が前記液体材料に接触しておらず、かつその前記液体材料に接触していない部分からエネルギービームを照射することを特徴とするパターン形成方法。
【請求項２】
少なくとも前記基板上にある前記エネルギービームの照射点において、前記液体材料が前記照射点に対して流動していることを特徴とする請求項１記載のパターン形成方法。
【請求項３】
前記照射点に対して流動している前記液体材料の流動方向が、前記照射点の走査方向とは異なることを特徴とする請求項２記載のパターン形成方法。
【請求項１】
コロイドに微粒子を分散させた液体材料を基板に接触させ、前記基板上にエネルギービームを照射することで前記液体材料中の少なくとも一つの成分を前記基板上に固定する際に、前記基板の少なくとも一部が前記液体材料に接触しておらず、かつその前記液体材料に接触していない部分からエネルギービームを照射することを特徴とするパターン形成方法。
【請求項２】
少なくとも前記基板上にある前記エネルギービームの照射点において、前記液体材料が前記照射点に対して流動していることを特徴とする請求項１記載のパターン形成方法。
【請求項３】
前記照射点に対して流動している前記液体材料の流動方向が、前記照射点の走査方向とは異なることを特徴とする請求項２記載のパターン形成方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００９−２７１３９６（Ｐ２００９−２７１３９６Ａ）
【公開日】平成２１年１１月１９日（２００９．１１．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１２３０９４（Ｐ２００８−１２３０９４）
【出願日】平成２０年５月９日（２００８．５．９）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１１月１９日（２００９．１１．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年５月９日（２００８．５．９）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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