配線形成方法
【課題】内部空間をもつ立体物の内壁面に対して、短絡や断線の問題を発生することなく導電性微細配線を形成できる配線形成方法を提供することを目的とする。
【解決手段】内部空間をもちレーザ光を透過する円筒型立体物１５の内壁面に配線を形成する方法であって、円筒型立体物１５の内壁面に対して、導電性微粒子を含有する分散溶液による塗布層１６を形成する第１の工程と、塗布層１６に対して立体物の外部方向からレーザ光を連続的に照射することで、導電性微細配線１７を形成していく第２の工程と、導電性微細配線１７以外の領域の材料を除去する第３の工程を備えたことを特徴とする。
【解決手段】内部空間をもちレーザ光を透過する円筒型立体物１５の内壁面に配線を形成する方法であって、円筒型立体物１５の内壁面に対して、導電性微粒子を含有する分散溶液による塗布層１６を形成する第１の工程と、塗布層１６に対して立体物の外部方向からレーザ光を連続的に照射することで、導電性微細配線１７を形成していく第２の工程と、導電性微細配線１７以外の領域の材料を除去する第３の工程を備えたことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、円筒管等の内部空間をもつ透明な立体物の内壁面に配線層を形成する配線形成方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、電子デバイス製造において、平面基板上に微細な導電性配線を形成する方法としては、銀や銅などの導電膜をスパッタリング、真空蒸着、無電解めっき等により全面に成膜した後、フォトリソグラフィ法により所望の配線にエッチングする方法、マスクを通して無電解めっきや真空蒸着により所望の導電性配線を形成する方法、はんだや導電ペーストを用いて平面基板上に直接描画する方法等が知られている。しかし、上述のプロセスでは、装置が大型化してしまったり、手間のかかる工程が必要であったり、解像度が不足していたりなどの諸問題があり、簡便な方法で、かつ高精細な導電性微細配線を形成できる方法が望まれている。
【０００３】
一方、粒子直径サイズが１〜数１００ｎｍである極微粒子（以下、ナノ粒子という）は、量子サイズ効果などの特有な効果を発現する機能材として、近年その開発が脚光を浴びており、ナノ粒子を含有したインク材料を用いて導電性微細配線を形成する技術開発も行われている。ナノ粒子材料を利用して、例えば、インクジェット法やスクリーン印刷法などによる導電性微細配線形成方法なども各種提案されているが、配線の微細化や、位置精度などの問題を伴うものである。しかも、この導電性微細配線を形成する対象が、前述の平面基板上ではなく、内部空間をもつ立体物の内壁面となると、さらに困難となる。例えば、円筒管の内壁面に微細配線を形成する方法を考えてみる。もし、円筒管の直径が１０００ｍｍもあれば、各種微細配線形成装置自体を円筒管内部に入れて、内側から直接形成することも可能だが、円筒管の直径が数１０ｍｍ以下となってくると、前述したような方法では現実的には不可能である。
【０００４】
また、別の方法により円筒管内壁面に微細配線を形成する方法も提案されている（例えば、特許文献１参照）。この方法では、事前に透明な円筒管内部の全面にメッキ法などにより導電性薄膜を形成しておき、外部方向から強い出力のレーザ光を先の導電性薄膜に照射することにより、不要な部分を焼き飛ばし、除去することで所望の導電性微細配線を形成する方法である。
【特許文献１】特開２００６−３１０４５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記工法は、確かに透明な円筒管などの中空体の内壁面に対して、レーザ照射により導電性微細配線が形成できる方法であるが、レーザアブレーションを利用したサブトラクト法によるものである。したがって、レーザアブレーションに起因する課題が残ることになる。例えば、透明円筒管内壁面に形成した導電性薄膜のうち、不要な部分を除去するべくレーザ光の照射を行うと、円筒管内部の閉じられた空間内にレーザアブレーションによるカスが飛び散ることになる。特に、円筒管が細く、また形成される配線が微細になればなるほど、この飛び散ったカスが重大な問題となってくる。
【０００６】
例えば、形成される配線のライン／スペースが１０／１０μｍ以下になってくると、飛び散ったレーザアブレーションによるカスで、配線間が短絡してしまう不具合が発生する確率が増大してしまう。さらには、微細配線形成のスループットを上げるために照射するレーザの出力を上げていくと、前述したカスによる配線間短絡の問題だけでなく、微細配線自体の部分的な断線の問題も発生してくる。また一般的に、円筒管内壁面の全面積に対して、形成される微細配線が占める面積の割合は非常に少ないものであり、大部分の導電性薄膜をレーザ照射により除去することになるため、時間もかかり、非常に非効率的である。
【０００７】
そこで、本発明は上記に課題に鑑みてなされたものであって、円筒管等の内部空間をもつ立体物の内壁面に形成する配線間の短絡や断線の不具合を発生することなく、レーザ光照射による解像度の高い導電性微細配線を形成することのできる配線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】
【０００８】
上記課題を解決するために本発明の配線形成方法は、内部空間をもちレーザ光を透過する立体物の内壁面に配線を形成する方法であって、立体物の内壁面に対して、導電性微粒子を含有する分散溶液による塗布層を形成する第１の工程と、塗布層に対して立体物の外部方向からレーザ光を連続的に照射することで、配線層を形成していく第２の工程と、配線層以外の領域の材料を除去する第３の工程を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、円筒管等の内部空間をもつ透明な立体物の内壁面に形成する配線間の短絡や断線の不具合を発生することなく、レーザ光照射による解像度の高い導電性微細配線を形成することのできる配線形成方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の請求項１記載の発明である、配線形成方法は、内部空間をもちレーザ光を透過する立体物の内壁面に配線を形成する方法であって、立体物の内壁面に対して、導電性微粒子を含有する分散溶液による塗布層を形成する第１の工程と、塗布層に対して立体物の外部方向からレーザ光を連続的に照射することで、配線層を形成していく第２の工程と、配線層以外の領域の材料を除去する第３の工程を備えたことを特徴とする。
【００１１】
これにより、円筒管等の内部空間をもつ透明な立体物の内壁面に形成する配線間の短絡や断線の不具合を発生することなく、レーザ光照射による解像度の高い導電性微細配線を形成することのできる配線形成方法を提供することができる。
【００１２】
本発明の請求項２記載の発明は、請求項１記載の配線形成方法であって、第２の工程において、立体物を回転させる回転駆動手段と、レーザ光の焦点位置を、回転軸方向とフォーカス方向に移動させる２次元の駆動手段によって、レーザ光を照射することにより、立体物の形状を生かしつつ、容易に配線を形成することができる。
【００１３】
本発明の請求項３記載の発明は、請求項１記載の配線形成方法であって、立体物の内部空間内にレーザ光を遮蔽する遮蔽物を配置したことにより、所望の位置以外へのレーザ光の照射を防ぎ、立体物の内壁面に所望の導電性微細配線を形成できる。
【００１４】
本発明の請求項４記載の発明は、請求項１記載の配線形成方法であって、第３の工程において、立体物の内部空間に現像液を連続的に流し、かつ立体物を回転させることで、配線層以外の領域の材料除去することを特徴とすることにより、少量の現像液で効率的に不要な材料を除去することができる。
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００１６】
（実施の形態）
本発明の配線、より具体的には導電性微細配線の形成方法は、導電性のナノ粒子（特許請求の範囲における導電性微粒子に対応する）を含有する導電性ナノ粒子分散溶液を用いることを特徴とする。
【００１７】
まず始めに、導電性微細配線形成の大まかなプロセスについて図４を用いて説明する。図４は、円筒型立体物の内壁面にらせん状の導電性微細配線を形成するプロセスを説明する例であるが、１５は円筒型立体物（円筒管）、１６は塗布層、１７は導電性微細配線である。
【００１８】
まず、第１のステップとして、図４（ａ）に示すように後述するディッピング法、スプレー法などにより円筒型立体物１５の内壁面に塗布層１６を形成する。次に第２のステップとして、塗布層１６に対してレーザ光を照射しながら、円筒型立体物１５とレーザ光を相対的に移動させることで、図４（ｂ）に示すようにらせん状の導電性微細配線１７が形成される。第３のステップとして、前ステップで形成された導電性微細配線１７以外の余剰な塗布層１６を適当な溶剤などにより除去することで、図４（ｃ）に示すように円筒型立体物１５の内壁面に形成された導電性微細配線１７だけが残されることになる。
【００１９】
以下に、各プロセスに関する詳細な説明を行う。
【００２０】
まず、第１のステップである塗布層の形成方法について説明する。一般的に、導電性を示す金属または複合金属の物性値は、バルク材料とナノ粒子とでは大きく異なることが知られている。例えば、銀ナノインク等と呼ばれる導電性ナノ粒子分散溶液中に含まれる銀（Ａｇ）のナノ粒子の平均粒子径は５〜１０ｎｍ程度と非常に小さい。このため粒子表面の格子歪みが通常の銀のバルク材料と比べて大きく、それゆえ各種特徴が現れてくる。例えば、融点（厳密には、溶融する状態と定義できないかもしれないが）で比較すると、銀のバルク材料の融点は約９００℃であるのに対して、銀のナノ粒子では２００℃以下で溶融状態となるものもある。一方、銀のナノ粒子が溶融した状態での比抵抗値は、バルク材料と比べて、同程度もしくは若干劣る程度の比抵抗値が得られる。そこで、バルク材料の融点である９００℃の領域では、例えば樹脂材料等を基板として用いることはできないが、２００℃程度であれば、耐熱温度の高い樹脂材料、例えばポリイミドなどの樹脂材料を基板として利用することが可能となる。
【００２１】
さらに具体的には、上記導電性ナノ粒子は、２０℃における比抵抗値が２０μΩ・ｃｍ以下（好ましくは１０μΩ・ｃｍ以下）である金属または複合金属材料であることが望ましい。このような条件を満足する金属としては、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｃｄ，Ａｌ，Ｉｎ，Ｔｌ，Ｓｎ，Ｃｏ，Ｎｉなどが挙げられる。これらの中でもＡｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ａｌ，Ｚｎ，ＳｎおよびＩｎが比抵抗値および融点がより低いので好ましい。
【００２２】
また、導電性ナノ粒子が複合金属からなる場合、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ａｌ，Ｚｎ，ＳｎおよびＩｎの少なくとも１種を含有する複合金属を用いるのが好ましい。かかる複合金属としては、Ｃｕ−Ｚｎ，Ｃｕ−Ｓｎ，Ａｌ−Ｃｕ，Ｃｕ−Ｓｎ−Ｐｄ，Ｃｕ−Ｎｉ，Ａｕ−Ａｇ−Ｃｕ，Ａｕ−Ｚｎ，Ａｕ−Ｎｉ，Ａｇ−Ｃｕ−Ｚｎ，Ａｇ−Ｃｕ−Ｚｎ−Ｓｎ，Ｓｎ−Ｐｂ，Ａｇ−Ｉｎ，Ｃｕ−Ａｇ−Ｎｉ，Ａｇ−Ｐｄ，Ａｇ−Ｃｕなどが挙げられるが、もちろんこれらに限定されるものではない。複合金属中の各金属の組成比については特に制限はなく、種々選択できる。
【００２３】
さらに、金属および複合金属は不純物元素を含んでいてもよいが、その量は１％未満であることが好ましい。不純物元素としては、Ｆｅ，Ｃｒ，Ｗ，Ｓｂ，Ｂｉ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｐｔなどの金属、また金属以外にも、Ｐ，Ｂ，Ｃ，Ｎ，Ｓなどの非金属、Ｎａ，Ｋなどのアルカリ金属、およびＭｇ，Ｃａなどのアルカリ土類金属が挙げられる。これらの不純物元素は、１種もしくは２種以上含有されていてもよい。
【００２４】
本発明で用いる導電性ナノ粒子分散溶液は、上記の金属または複合金属のナノ粒子を製造した後、適当な溶媒に分散させることによって調製することができる。例えば、上記金属または複合金属のナノ粒子を得る方法としては、原料固体をルツボに入れ、高周波誘導加熱方式により加熱して金属蒸気を発生させ、Ｈｅ，Ａｒなどのガス分子との衝突によって急冷させてナノ粒子化するガス中蒸発法などの乾式法や、金属塩の溶液にＮａＢＨ4等の無機還元剤、ヒドラジン系、アミン系もしくはジオール系化合物等の有機還元剤などを作用させ、または酸化還元電位がより卑な金属（例えばＭｇなど）または低原子価の金属塩を作用させることによって得られる溶液還元法などの湿式法などがある。この様にして得られた金属または複合金属のナノ粒子を適当な溶媒に分散させて導電性ナノ粒子分散溶液を調製することができる。分散液としては、トルエン、キシレンなどの芳香族炭化水素系有機溶媒が利用可能であるが、これに限定されるものではなく、ナノ粒子の分散性、安定性が確保でき、かつ後処理で扱いやすく、１００℃程度の低温沸点を有するものであればよい。なお、この様にして調製した導電性ナノ粒子分散溶液をそのまま塗布液として用いてもよいし、例えば、粘度調整のために濃縮、脱塩、精製、希釈等の種々の処理を施した後に塗布液として用いてもよい。
【００２５】
立体物を形成する材質は、石英ガラス、無アルカリガラス、結晶化透明ガラス、パイレックス（登録商標）ガラスなどのガラス材料；サファイア（Ａｌ2Ｏ3）、ＭｇＯ，ＢｅＯ，ＺｒＯ2，Ｙ2Ｏ3，ＴｈＯ2，ＣａＯ，ＧＧＧ（Ｇａｄｏｌｉｎｉｕｍ Ｇａｌｌｉｕｍ Ｇａｒｎｅｔ）等の無機材料；ポリカーボネート；ポリメチルメタクリレート等のアクリル樹脂；ポリ塩化ビニル、塩化ビニル共重合体等の塩化ビニル系樹脂；エポキシ樹脂；フッ素樹脂；ナイロン；ＡＢＳ（Ａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ Ｂｕｔａｄｉｅｎｅ Ｓｔｙｒｅｎｅ）樹脂を挙げることができ、所望によりそれらを複合させたり、積層させたりしたものなど併用したものを用いてもよいが、照射するレーザ光の波長に対して十分な透過率を有していることが重要である。透過率が低いと、単にレーザ光のエネルギー利用効率が下がってしまうだけではなく、立体物自体での光の吸収、発熱がおこり、耐熱性の低い材質である場合には問題となる。
【００２６】
上述した導電性ナノ粒子分散溶液を用いて塗布層を立体物の内壁面上に形成する。形成される塗布層としては、ある程度の均一な膜厚であればよい。平面基板などの場合は、スピンコート塗布法などにより比較的均一な塗布膜を形成するのが一般的であるが、本発明の場合には適当な方法ではない。したがって、基板形状の影響をあまり受けず、比較的均一な薄膜を形成することができる簡便な塗布方法としてディッピング法が望ましい。さらには、塗布膜の膜厚を制御するために、ディッピング処理の後に回転、振動などの処理を加えても構わない。しかし、上述したような用件を満たすような塗布法であればよく、特にディッピング法に限定するものではなく、例えばスプレー塗布工法なども適当な工法である。
【００２７】
なお、立体物の内壁面と塗布層との間に下地層を設けてもよく、表面の平面性の改善、後述するプロセスを経て形成される導電性微細配線と立体物の内壁面との密着力の向上などの効果がある。該下地層の材料としては、立体物の内壁面と塗布層との密着性に優れている材料が好ましく、例えば、ポリメチルメタクリレート、ポリビニルアルコール、ポリ塩化ビニル、ポリエステル等の高分子物質；熱硬化性または光・電子線硬化樹脂；およびカップリング剤（例えば、シランカップリング剤、チタネート系カップリング剤、アルミニウム系カップリング剤など）などの表面改質剤；コロイダルシリカ等が好ましい。この下地層の形成方法としては、塗布層の形成方法と同様にディッピング塗布法などが適当である。
【００２８】
次に、第２のステップである立体物の内壁面上に形成した塗布層にレーザ光を照射して導電性微細配線を形成する方法について説明する。本実施の形態では、図１に示すような配線形成装置を用いて導電性微細配線の形成を行った。
【００２９】
以下、図１〜図３を用いて説明する。図１は本実施の形態による配線形成装置の模式図、図２は本実施の形態による配線形成装置の制御ブロック図、図３は本実施の形態による配線形成装置の制御フローチャートである。
【００３０】
さらに、このようなプロセスを詳細に説明する。
【００３１】
まず、図１において、１はレーザ光源、２は導電性微細配線を形成するために照射されるレーザ光、４はレーザ光２を微小スポットに絞り込むための集光レンズ、３は集光レンズ４の位置を可変する集光レンズアクチュエータ、５は円筒型の立体物、６はレーザ光照射によって形成された導電性微細配線、７は立体物５を回転移動させるための回転ステージアクチュエータ、８は立体物５をＸＹ方向に移動させるＸＹ軸ステージアクチュエータ。
【００３２】
次に、図２は上述した配線形成装置の制御ブロック図を示し、図１と同じ符号のものは上述の通りであり、１０はレーザ光源１の出力を可変するためのレーザ駆動電流制御部、１１は集光レンズアクチュエータ３を駆動するための集光レンズ位置制御部、１２はＸＹ軸ステージアクチュエータ８を駆動するためのＸＹ軸ステージ位置制御部、１３は回転ステージアクチュエータを駆動するための回転ステージ位置制御部、９は立体物内壁面に形成される導電性微細配線の描画パターンデータ、１４は導電性微細配線の位置情報データに基づいて、集光レンズ４の位置データ、ＸＹ軸ステージの位置データや移動速度、レーザ光源１の駆動電流データを算出する演算部である。
【００３３】
ここで、レーザ光源１と集光レンズアクチュエータ３は、特許請求の範囲におけるレーザ光照射手段に対応し、ＸＹ軸ステージアクチュエータ８は、同じく駆動手段に対応し、ＸＹ軸ステージ位置制御部１２は、同じく駆動制御手段に対応し、レーザ駆動電流制御部１０と集光レンズ位置制御部１１は、同じくレーザ光照射手段に対応し、演算部１４は、同じく演算手段に対応している。
【００３４】
上記のように構成した配線形成装置についての動作を図３に示す。動作シーケンスの最初のステップとしては、立体物の回転軸を回転ステージの軸に合わせるように設置し、さらにレーザ光の集光スポットが立体物の基準位置マーカに合うように立体物の回転位置を調整する。次に、形成する導電性微細配線の描画パターンデータに基づいてスタート位置までＸＹ軸ステージ、回転ステージを移動させる。以降は、ユーザが設定した描画パターン、描画速度、レーザ出力の各データにしたがって、塗布層にレーザを照射していくが、より具体的には、塗布層上の描画条件の変化点、つまりＸＹ軸ステージアクチュエータ、回転ステージアクチュエータ、レーザ光源への出力を変化させる必要がある位置での各データに基づいてシーケンシャルに制御を行っていく。全ての描画パターンデータに対して、以上のようなシーケンス制御を繰り返すことによって、ユーザが設定した所望の描画パターンが得られるものである。なお、ここではＸＹ軸ステージアクチュエータ１２によって立体物５を移動制御する場合を説明したが、もちろん、両者が相対的に変位すればよいのであって、レーザ光側を移動制御させてもよい。
【００３５】
また、導電性微細配線６の線幅は、塗布層へのレーザ光２の照射スポットのサイズ、形状によって決まってくる。当然、より細い配線を形成する場合には、集光レンズ４によりレーザ光２を微小スポットに集光する必要がある。また、本質的に導電性微細配線６の形成は、レーザ光照射による熱エネルギー変化である。導電性微細配線６を形成するために立体物５に対してレーザ光２を照射、スキャンしていくので、このスキャン速度によって塗布層のある部位に投入される熱エネルギーは変わってくるため、レーザ光２の照射強度とスキャン速度の制御は重要である。一方、巨視的に見れば、塗布層のある微小箇所において、導電性ナノ粒子が熱エネルギーによって溶融し、相互に結合するためには、レーザ光２の総エネルギー量よりも、微小箇所でのエネルギー密度が重要である。ここで、エネルギー密度を決めるものは、レーザ光２の照射強度と照射面積である。つまり、立体物内壁面上に均一な導電性微細配線を形成するためには、レーザ光２の照射面積が常に均一になるように、集光レンズ位置制御部１１は、描画パターンデータに基づいて集光レンズ４の位置制御を正確に行う必要がある。また、一度立体物１に対して照射、スキャンを行った位置に、同様な照射、スキャンを複数回行ってもよい。一度照射、スキャンした部位の位置情報データを基に、再度同様にレーザ光２を照射することで、１度の照射、スキャンでは不十分だった熱エネルギーを補うことができる。このような場合に、比較的低出力のレーザ光源を利用できる利点がある。また、高出力のレーザ光源を用いた場合に、所望の配線パターン以外のエリアにレーザ光が照射されてしまう場合がある。例えば、立体物の内部空間が特に小さく、本来レーザ光を集光照射している面の反対側の内壁面までの距離が近い場合である。透過、反射、散乱などにより多少のレーザ光が他の部分に照射されてもあまり問題はないが、レーザ光が高出力の場合には、照射されてしまった箇所に余計な導電性部が形成されてしまうことになり問題がある。このような問題を避けるために、余計なレーザ光に対する遮蔽版のようなものを立体物の内部空間に設置することも有効である。
【００３６】
ここで、本発明に用いられるレーザ光２の波長は、塗布層で吸収、発熱するものであれば、紫外光から赤外光まで任意のものを選択することができる。代表的なレーザとしては、ＡｌＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓＰ，ＧａＮ系などの半導体レーザ、Ｎｄ：ＹＡＧ（Ｙｔｔｒｉｕｍ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｇａｒｎｅｔ）レーザ、ＡｒＦ，ＫｒＦ，ＸｅＣｌなどのエキシマレーザ、色素レーザ、ルビーレーザなどの固体レーザ、Ｈｅ−Ｎｅ，Ｈｅ−Ｘｅ，Ｈｅ−Ｃｄ，ＣＯ2，Ａｒなどの気体レーザ、自由電子レーザなどが挙げられる。また、これらのレーザの第二高調波、第三高調波などの高次高調波を利用してもよい。さらに、これらのレーザは、連続で照射しても、パルスで複数回照射してもよい。さらには、上述したように低温度でも微細配線が形成可能な導電性ナノ粒子で塗布層を形成しているため、比較的低出力の半導体レーザも利用可能である。このような低出力の半導体レーザは、制御性の面からみても望ましいものである。また、低出力のレーザ光源１を複数用いて、各レーザ光源１から出射されるレーザ光２を光学系により一つのレーザ光２に重ね合わせてもよい。この場合、多少光学系が複雑になるものの、低出力のレーザ光源１を使える利点がある。
【００３７】
レーザ光源１に必要な照射エネルギーは、導電性ナノ粒子の種類、サイズ、塗布層の厚みなどに依存しているため一概には言えないが、導電性ナノ粒子が実質的にアブレーションせずに、溶融するようなエネルギーとしなければならない。また、複数のレーザ光源１と複数の光学系を用いると、それぞれの光学系の相対位置制御や、集光レンズ位置の独立制御などシステム構成が複雑になってくるが、上述したものと同様のプロセスを用いて、同じパターンにはなるが複数の導電性微細配線を同時に形成できるため、生産性が高くなるという効果を有する。なお、複数のレーザ光源１を用いるのではなく、１つのレーザ光源１から出力されるレーザ光２を分光して、複数の集光レンズを含む光学系を用いても、上述と同様に複数の導電性微細配線を同時に形成できる。しかし、この場合には、レーザ光源１が１つで済むという利点はあるものの、１つのレーザ光源１に頼ることになるので高出力タイプのレーザ光源１が必要となり、またレーザ光源１自身の出力制御によって、各光学系への光出力を個別に制御できないため、各光学系の中で減衰率を独立に制御できる可変フィルタのようなものを用いる必要がある。
【００３８】
次に、上述したように導電性微細配線６を形成した後の第３のステップである余分な塗布層を除去する方法について説明する。
【００３９】
余分な塗布層を除去する方法としては、適切に除去できれば特に方法に拘るものではないが、簡便な方法としては、適当な溶剤により除去することができる。ここで用いる溶剤としては、余剰材料を溶解できるものであればよい。例えば、元々の導電性ナノ粒子分散溶液自体の溶媒として用いているトルエン、キシレンなどの芳香族炭化水素系有機溶媒が利用可能である。具体的には、レーザ光２による導電性微細配線形成を行った立体物を、上述の適当な溶剤の中に浸す。立体物の内壁面上に残る導電性微細配線部分以外の余剰材料は、溶剤中に溶解拡散するため、内壁面上からは除去されることになる。一方、導電性微細配線は、レーザ光による加熱処理が適切に行われている場合には、ナノ粒子自身が金属化すると同時に、内壁面との密着性が向上しているので、溶剤による除去処理を行っても内壁面上に残る。このようにして、レーザ光が照射、スキャンされなかった部分の塗布層が除去され、導電性微細配線のみが残ることになる。また、余剰材料の溶解拡散を補助促進するために、超音波洗浄などの物理的な作用によるプロセスを併用しても構わない。また他の現像手段としては、立体物を溶剤の中に浸すのとは逆に、立体物の内部空間に適当な量の溶剤を連続的に流すことで、余剰材料を除去することもできる。この場合、立体物自体を回転、振動させることで、溶剤を内壁面に対して効率よく接触させることができ、使用する溶剤量を少なくすることができる。特に、立体物を回転させながら除去しようとする際は、第１のステップで用いた配線形成装置の回転ステージアクチュエータ７を利用することもでき、より効率的に行うことができる。
【００４０】
いずれの場合においても、洗浄処理が不十分だと、余剰材料が残ってしまうし、反対に洗浄処理が過剰であれば、所望の導電性微細配線自体にダメージを与えてしまう可能性があるため、適当な洗浄処理条件というのが必要になってくる。以上によって、内部空間を有する立体物の内壁面上への導電性微細配線の形成が終了する。なお、上述の余剰材料の除去処理を行った後であれば、導電性微細配線が形成済みの立体物全体に対して、アニーリング等の後処理工程を行ってもよい。このようにすることで、もう少し高い温度でのアニーリング処理が必要なナノ粒子材料の種類では、導電性微細配線の抵抗率を低減したり、内壁面との密着強度を向上させることができる。
【００４１】
また、上述した説明では、レーザ光を塗布層に照射する場合を例に挙げたが、塗布層の配線形成領域に熱エネルギーを供給することができるものであれば、本発明を適用することができる。
【００４２】
以上のように本実施の形態では、立体物の内壁面の形状に合わせてレーザ光の集光位置制御を行うようにしたので、内壁面の任意の部位に均一なレーザ光の照射スポットを形成して、均一な熱エネルギーをナノ粒子を含む塗布層に供給する制御が可能となり、簡便で、解像度の高い導電性微細配線を形成する方法を提供することができ、例えば、ＲＦＩＤの微小なアンテナ部を形成するプロセスなどに有用である。
【実施例】
【００４３】
以下に、実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、試薬、物質量とその割合、操作等は本発明の主旨から逸脱しない限り適宜変更することができる、したがって本発明の範囲は以下の具体例に制限されるものではない。
【００４４】
ここでは、導電性微粒子分散溶液としてアルバック社製の銀ナノメタルインク（Ａｇ１Ｔ（製品名））を用いた場合について説明する。平均粒径は５ｎｍとなっており、導電性のナノ粒子を含有した分散溶液としては平均的なものであり、溶媒はトルエンを主成分とした有機溶剤となっている。透明な立体物としては、加熱処理をすることを考慮して耐熱ガラス製の円筒管とし、内径１０ｍｍ、肉厚１ｍｍ程度のものである。この位の細い内径になると、例えば、対象物に直接描画できるインクジェット法のヘッドユニットをガラス円筒管内部に入れることは、現実的には不可能である。また、一般的な耐熱ガラスは、可視域において９０％以上の十分な光透過率を有しており、後述する波長７７０ｎｍのレーザ光を用いることが可能である。このガラス円筒管に対して、ディッピング法で導電性微粒子分散溶液の塗布層を形成する。適当な量の上述した導電性微粒子分散溶液が入っている容器に、ガラス基板を縦方向にして静かに浸漬させた後、１ｍｍ／ｓ程度のゆっくりした速度で引き上げる。ここで、導電性微細配線を形成したいのは、ガラス円筒管の内壁面であり、外壁面に塗布された材料は照射するレーザ光の妨げとなるため、後述する余剰材料の除去工程で用いるトルエン溶液によりふき取る処理を行う必要がある。または、ディッピングを行う前に、あらかじめ適当なテープなどにより、外壁面にマスク処理を行なっておくことで、余剰材料の付着を防ぐような処理でも構わない。その後、溶媒を乾燥除去するために、１時間程度、室温で放置する。ナノ粒子の金属化が進行しない温度（７０℃以下）程度であれば、乾燥炉などを利用してもよい。
【００４５】
その後、塗布層が形成できたガラス円筒管に対してレーザ光を照射、スキャンを行う。導電性微細配線形成用として用いるレーザ光源としては、波長７７０ｎｍ、最高出力１８０ｍＷのソニー製ＳＬＤ３０２Ｖが利用できる。このレーザ光源の直後に配されるコリメートレンズ、光路を遮断できるシャッタ、塗布層に集光するための集光レンズなどの光学系によって、レーザ光源からの出射光をターゲットである内壁面上の塗布層に集光することができ、所望する導電性微細配線のサイズ、形状に対して、レーザ光の集光形状を合わせこむように光学系を調整する必要がある。また、上述の集光レンズは、レーザ光の光軸に対して平行に微動できるように設置されてあり、集光レンズ位置制御部によって集光位置の微調整が可能となっている。レーザ光源の出力としては、形成する導電性微細配線の形状にもよるが、照射する内壁面上で１００ｍＷ程度が確保できることが望ましい。また、レーザ光のスキャン速度も、レーザ光源の出力と、形成する導電性微細配線の形状にもよるが、１０μｍ程度の配線幅であれば、１ｍｍ／ｓ程度のスキャン速度が適当である。
【００４６】
また、本実施例では、微細配線形成用のレーザ光を照射、スキャンする際に、レーザ光は固定位置とし、ガラス円筒管の方を移動させる。レーザ光の照射光軸に対して鉛直方向に配した回転ステージ（基板保持手段に対応する）に立体物を保持し、さらにＸＹ２軸のステージと共に外部制御可能であり、コンピュータなどの自動制御によってガラス円筒管内壁面の任意の位置に対して、正確にレーザ光を照射可能である。このようにして、内壁面上に形成した塗布層の配線形成領域にレーザ光を照射、スキャンする。 導電性微細配線を形成するためのレーザ光の照射、スキャンを完了した後、余剰材料の除去を行う。ここでは、元々のナノ粒子分散溶媒であるトルエン溶液を用いて、配線形成済みの立体物を浸漬させる。さらに、余剰材料の溶解拡散を補助促進するために、超音波洗浄機の中に１分ほど入れることで、余剰材料をできるだけ除去する。
【００４７】
以上のようなプロセスによって、比抵抗値：１０μΩ・ｃｍ、ライン／スペース幅：１０／１０μｍ程度の導電性微細配線が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
以上のように、本発明にかかる配線形成方法は、内部空間を有する立体物内壁面上に導電性微細配線を形成する場合に有用であり、特に内部空間が狭い立体物に対して有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本実施の形態による配線形成装置の模式図
【図２】本実施の形態による配線形成装置の制御ブロック図
【図３】本実施の形態による配線形成装置の制御フローチャート
【図４】本実施の形態による配線形成のプロセス図
【符号の説明】
【００５０】
１ レーザ光源
２ レーザ光
３ 集光レンズアクチュエータ
４ 集光レンズ
５ 立体物
６ 導電性微細配線
７ 回転ステージアクチュエータ
８ ＸＹ軸ステージアクチュエータ
９ 描画パターンデータ
１０ レーザ駆動電流制御部
１１ 集光レンズ位置制御部
１２ ＸＹ軸ステージ位置制御部
１３ 回転ステージ位置制御部
１４ 演算部
１５ 円筒型立体物
１６ 塗布層
１７ 導電性微細配線
【技術分野】
【０００１】
本発明は、円筒管等の内部空間をもつ透明な立体物の内壁面に配線層を形成する配線形成方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、電子デバイス製造において、平面基板上に微細な導電性配線を形成する方法としては、銀や銅などの導電膜をスパッタリング、真空蒸着、無電解めっき等により全面に成膜した後、フォトリソグラフィ法により所望の配線にエッチングする方法、マスクを通して無電解めっきや真空蒸着により所望の導電性配線を形成する方法、はんだや導電ペーストを用いて平面基板上に直接描画する方法等が知られている。しかし、上述のプロセスでは、装置が大型化してしまったり、手間のかかる工程が必要であったり、解像度が不足していたりなどの諸問題があり、簡便な方法で、かつ高精細な導電性微細配線を形成できる方法が望まれている。
【０００３】
一方、粒子直径サイズが１〜数１００ｎｍである極微粒子（以下、ナノ粒子という）は、量子サイズ効果などの特有な効果を発現する機能材として、近年その開発が脚光を浴びており、ナノ粒子を含有したインク材料を用いて導電性微細配線を形成する技術開発も行われている。ナノ粒子材料を利用して、例えば、インクジェット法やスクリーン印刷法などによる導電性微細配線形成方法なども各種提案されているが、配線の微細化や、位置精度などの問題を伴うものである。しかも、この導電性微細配線を形成する対象が、前述の平面基板上ではなく、内部空間をもつ立体物の内壁面となると、さらに困難となる。例えば、円筒管の内壁面に微細配線を形成する方法を考えてみる。もし、円筒管の直径が１０００ｍｍもあれば、各種微細配線形成装置自体を円筒管内部に入れて、内側から直接形成することも可能だが、円筒管の直径が数１０ｍｍ以下となってくると、前述したような方法では現実的には不可能である。
【０００４】
また、別の方法により円筒管内壁面に微細配線を形成する方法も提案されている（例えば、特許文献１参照）。この方法では、事前に透明な円筒管内部の全面にメッキ法などにより導電性薄膜を形成しておき、外部方向から強い出力のレーザ光を先の導電性薄膜に照射することにより、不要な部分を焼き飛ばし、除去することで所望の導電性微細配線を形成する方法である。
【特許文献１】特開２００６−３１０４５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記工法は、確かに透明な円筒管などの中空体の内壁面に対して、レーザ照射により導電性微細配線が形成できる方法であるが、レーザアブレーションを利用したサブトラクト法によるものである。したがって、レーザアブレーションに起因する課題が残ることになる。例えば、透明円筒管内壁面に形成した導電性薄膜のうち、不要な部分を除去するべくレーザ光の照射を行うと、円筒管内部の閉じられた空間内にレーザアブレーションによるカスが飛び散ることになる。特に、円筒管が細く、また形成される配線が微細になればなるほど、この飛び散ったカスが重大な問題となってくる。
【０００６】
例えば、形成される配線のライン／スペースが１０／１０μｍ以下になってくると、飛び散ったレーザアブレーションによるカスで、配線間が短絡してしまう不具合が発生する確率が増大してしまう。さらには、微細配線形成のスループットを上げるために照射するレーザの出力を上げていくと、前述したカスによる配線間短絡の問題だけでなく、微細配線自体の部分的な断線の問題も発生してくる。また一般的に、円筒管内壁面の全面積に対して、形成される微細配線が占める面積の割合は非常に少ないものであり、大部分の導電性薄膜をレーザ照射により除去することになるため、時間もかかり、非常に非効率的である。
【０００７】
そこで、本発明は上記に課題に鑑みてなされたものであって、円筒管等の内部空間をもつ立体物の内壁面に形成する配線間の短絡や断線の不具合を発生することなく、レーザ光照射による解像度の高い導電性微細配線を形成することのできる配線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】
【０００８】
上記課題を解決するために本発明の配線形成方法は、内部空間をもちレーザ光を透過する立体物の内壁面に配線を形成する方法であって、立体物の内壁面に対して、導電性微粒子を含有する分散溶液による塗布層を形成する第１の工程と、塗布層に対して立体物の外部方向からレーザ光を連続的に照射することで、配線層を形成していく第２の工程と、配線層以外の領域の材料を除去する第３の工程を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、円筒管等の内部空間をもつ透明な立体物の内壁面に形成する配線間の短絡や断線の不具合を発生することなく、レーザ光照射による解像度の高い導電性微細配線を形成することのできる配線形成方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の請求項１記載の発明である、配線形成方法は、内部空間をもちレーザ光を透過する立体物の内壁面に配線を形成する方法であって、立体物の内壁面に対して、導電性微粒子を含有する分散溶液による塗布層を形成する第１の工程と、塗布層に対して立体物の外部方向からレーザ光を連続的に照射することで、配線層を形成していく第２の工程と、配線層以外の領域の材料を除去する第３の工程を備えたことを特徴とする。
【００１１】
これにより、円筒管等の内部空間をもつ透明な立体物の内壁面に形成する配線間の短絡や断線の不具合を発生することなく、レーザ光照射による解像度の高い導電性微細配線を形成することのできる配線形成方法を提供することができる。
【００１２】
本発明の請求項２記載の発明は、請求項１記載の配線形成方法であって、第２の工程において、立体物を回転させる回転駆動手段と、レーザ光の焦点位置を、回転軸方向とフォーカス方向に移動させる２次元の駆動手段によって、レーザ光を照射することにより、立体物の形状を生かしつつ、容易に配線を形成することができる。
【００１３】
本発明の請求項３記載の発明は、請求項１記載の配線形成方法であって、立体物の内部空間内にレーザ光を遮蔽する遮蔽物を配置したことにより、所望の位置以外へのレーザ光の照射を防ぎ、立体物の内壁面に所望の導電性微細配線を形成できる。
【００１４】
本発明の請求項４記載の発明は、請求項１記載の配線形成方法であって、第３の工程において、立体物の内部空間に現像液を連続的に流し、かつ立体物を回転させることで、配線層以外の領域の材料除去することを特徴とすることにより、少量の現像液で効率的に不要な材料を除去することができる。
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００１６】
（実施の形態）
本発明の配線、より具体的には導電性微細配線の形成方法は、導電性のナノ粒子（特許請求の範囲における導電性微粒子に対応する）を含有する導電性ナノ粒子分散溶液を用いることを特徴とする。
【００１７】
まず始めに、導電性微細配線形成の大まかなプロセスについて図４を用いて説明する。図４は、円筒型立体物の内壁面にらせん状の導電性微細配線を形成するプロセスを説明する例であるが、１５は円筒型立体物（円筒管）、１６は塗布層、１７は導電性微細配線である。
【００１８】
まず、第１のステップとして、図４（ａ）に示すように後述するディッピング法、スプレー法などにより円筒型立体物１５の内壁面に塗布層１６を形成する。次に第２のステップとして、塗布層１６に対してレーザ光を照射しながら、円筒型立体物１５とレーザ光を相対的に移動させることで、図４（ｂ）に示すようにらせん状の導電性微細配線１７が形成される。第３のステップとして、前ステップで形成された導電性微細配線１７以外の余剰な塗布層１６を適当な溶剤などにより除去することで、図４（ｃ）に示すように円筒型立体物１５の内壁面に形成された導電性微細配線１７だけが残されることになる。
【００１９】
以下に、各プロセスに関する詳細な説明を行う。
【００２０】
まず、第１のステップである塗布層の形成方法について説明する。一般的に、導電性を示す金属または複合金属の物性値は、バルク材料とナノ粒子とでは大きく異なることが知られている。例えば、銀ナノインク等と呼ばれる導電性ナノ粒子分散溶液中に含まれる銀（Ａｇ）のナノ粒子の平均粒子径は５〜１０ｎｍ程度と非常に小さい。このため粒子表面の格子歪みが通常の銀のバルク材料と比べて大きく、それゆえ各種特徴が現れてくる。例えば、融点（厳密には、溶融する状態と定義できないかもしれないが）で比較すると、銀のバルク材料の融点は約９００℃であるのに対して、銀のナノ粒子では２００℃以下で溶融状態となるものもある。一方、銀のナノ粒子が溶融した状態での比抵抗値は、バルク材料と比べて、同程度もしくは若干劣る程度の比抵抗値が得られる。そこで、バルク材料の融点である９００℃の領域では、例えば樹脂材料等を基板として用いることはできないが、２００℃程度であれば、耐熱温度の高い樹脂材料、例えばポリイミドなどの樹脂材料を基板として利用することが可能となる。
【００２１】
さらに具体的には、上記導電性ナノ粒子は、２０℃における比抵抗値が２０μΩ・ｃｍ以下（好ましくは１０μΩ・ｃｍ以下）である金属または複合金属材料であることが望ましい。このような条件を満足する金属としては、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｃｄ，Ａｌ，Ｉｎ，Ｔｌ，Ｓｎ，Ｃｏ，Ｎｉなどが挙げられる。これらの中でもＡｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ａｌ，Ｚｎ，ＳｎおよびＩｎが比抵抗値および融点がより低いので好ましい。
【００２２】
また、導電性ナノ粒子が複合金属からなる場合、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ａｌ，Ｚｎ，ＳｎおよびＩｎの少なくとも１種を含有する複合金属を用いるのが好ましい。かかる複合金属としては、Ｃｕ−Ｚｎ，Ｃｕ−Ｓｎ，Ａｌ−Ｃｕ，Ｃｕ−Ｓｎ−Ｐｄ，Ｃｕ−Ｎｉ，Ａｕ−Ａｇ−Ｃｕ，Ａｕ−Ｚｎ，Ａｕ−Ｎｉ，Ａｇ−Ｃｕ−Ｚｎ，Ａｇ−Ｃｕ−Ｚｎ−Ｓｎ，Ｓｎ−Ｐｂ，Ａｇ−Ｉｎ，Ｃｕ−Ａｇ−Ｎｉ，Ａｇ−Ｐｄ，Ａｇ−Ｃｕなどが挙げられるが、もちろんこれらに限定されるものではない。複合金属中の各金属の組成比については特に制限はなく、種々選択できる。
【００２３】
さらに、金属および複合金属は不純物元素を含んでいてもよいが、その量は１％未満であることが好ましい。不純物元素としては、Ｆｅ，Ｃｒ，Ｗ，Ｓｂ，Ｂｉ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｐｔなどの金属、また金属以外にも、Ｐ，Ｂ，Ｃ，Ｎ，Ｓなどの非金属、Ｎａ，Ｋなどのアルカリ金属、およびＭｇ，Ｃａなどのアルカリ土類金属が挙げられる。これらの不純物元素は、１種もしくは２種以上含有されていてもよい。
【００２４】
本発明で用いる導電性ナノ粒子分散溶液は、上記の金属または複合金属のナノ粒子を製造した後、適当な溶媒に分散させることによって調製することができる。例えば、上記金属または複合金属のナノ粒子を得る方法としては、原料固体をルツボに入れ、高周波誘導加熱方式により加熱して金属蒸気を発生させ、Ｈｅ，Ａｒなどのガス分子との衝突によって急冷させてナノ粒子化するガス中蒸発法などの乾式法や、金属塩の溶液にＮａＢＨ4等の無機還元剤、ヒドラジン系、アミン系もしくはジオール系化合物等の有機還元剤などを作用させ、または酸化還元電位がより卑な金属（例えばＭｇなど）または低原子価の金属塩を作用させることによって得られる溶液還元法などの湿式法などがある。この様にして得られた金属または複合金属のナノ粒子を適当な溶媒に分散させて導電性ナノ粒子分散溶液を調製することができる。分散液としては、トルエン、キシレンなどの芳香族炭化水素系有機溶媒が利用可能であるが、これに限定されるものではなく、ナノ粒子の分散性、安定性が確保でき、かつ後処理で扱いやすく、１００℃程度の低温沸点を有するものであればよい。なお、この様にして調製した導電性ナノ粒子分散溶液をそのまま塗布液として用いてもよいし、例えば、粘度調整のために濃縮、脱塩、精製、希釈等の種々の処理を施した後に塗布液として用いてもよい。
【００２５】
立体物を形成する材質は、石英ガラス、無アルカリガラス、結晶化透明ガラス、パイレックス（登録商標）ガラスなどのガラス材料；サファイア（Ａｌ2Ｏ3）、ＭｇＯ，ＢｅＯ，ＺｒＯ2，Ｙ2Ｏ3，ＴｈＯ2，ＣａＯ，ＧＧＧ（Ｇａｄｏｌｉｎｉｕｍ Ｇａｌｌｉｕｍ Ｇａｒｎｅｔ）等の無機材料；ポリカーボネート；ポリメチルメタクリレート等のアクリル樹脂；ポリ塩化ビニル、塩化ビニル共重合体等の塩化ビニル系樹脂；エポキシ樹脂；フッ素樹脂；ナイロン；ＡＢＳ（Ａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ Ｂｕｔａｄｉｅｎｅ Ｓｔｙｒｅｎｅ）樹脂を挙げることができ、所望によりそれらを複合させたり、積層させたりしたものなど併用したものを用いてもよいが、照射するレーザ光の波長に対して十分な透過率を有していることが重要である。透過率が低いと、単にレーザ光のエネルギー利用効率が下がってしまうだけではなく、立体物自体での光の吸収、発熱がおこり、耐熱性の低い材質である場合には問題となる。
【００２６】
上述した導電性ナノ粒子分散溶液を用いて塗布層を立体物の内壁面上に形成する。形成される塗布層としては、ある程度の均一な膜厚であればよい。平面基板などの場合は、スピンコート塗布法などにより比較的均一な塗布膜を形成するのが一般的であるが、本発明の場合には適当な方法ではない。したがって、基板形状の影響をあまり受けず、比較的均一な薄膜を形成することができる簡便な塗布方法としてディッピング法が望ましい。さらには、塗布膜の膜厚を制御するために、ディッピング処理の後に回転、振動などの処理を加えても構わない。しかし、上述したような用件を満たすような塗布法であればよく、特にディッピング法に限定するものではなく、例えばスプレー塗布工法なども適当な工法である。
【００２７】
なお、立体物の内壁面と塗布層との間に下地層を設けてもよく、表面の平面性の改善、後述するプロセスを経て形成される導電性微細配線と立体物の内壁面との密着力の向上などの効果がある。該下地層の材料としては、立体物の内壁面と塗布層との密着性に優れている材料が好ましく、例えば、ポリメチルメタクリレート、ポリビニルアルコール、ポリ塩化ビニル、ポリエステル等の高分子物質；熱硬化性または光・電子線硬化樹脂；およびカップリング剤（例えば、シランカップリング剤、チタネート系カップリング剤、アルミニウム系カップリング剤など）などの表面改質剤；コロイダルシリカ等が好ましい。この下地層の形成方法としては、塗布層の形成方法と同様にディッピング塗布法などが適当である。
【００２８】
次に、第２のステップである立体物の内壁面上に形成した塗布層にレーザ光を照射して導電性微細配線を形成する方法について説明する。本実施の形態では、図１に示すような配線形成装置を用いて導電性微細配線の形成を行った。
【００２９】
以下、図１〜図３を用いて説明する。図１は本実施の形態による配線形成装置の模式図、図２は本実施の形態による配線形成装置の制御ブロック図、図３は本実施の形態による配線形成装置の制御フローチャートである。
【００３０】
さらに、このようなプロセスを詳細に説明する。
【００３１】
まず、図１において、１はレーザ光源、２は導電性微細配線を形成するために照射されるレーザ光、４はレーザ光２を微小スポットに絞り込むための集光レンズ、３は集光レンズ４の位置を可変する集光レンズアクチュエータ、５は円筒型の立体物、６はレーザ光照射によって形成された導電性微細配線、７は立体物５を回転移動させるための回転ステージアクチュエータ、８は立体物５をＸＹ方向に移動させるＸＹ軸ステージアクチュエータ。
【００３２】
次に、図２は上述した配線形成装置の制御ブロック図を示し、図１と同じ符号のものは上述の通りであり、１０はレーザ光源１の出力を可変するためのレーザ駆動電流制御部、１１は集光レンズアクチュエータ３を駆動するための集光レンズ位置制御部、１２はＸＹ軸ステージアクチュエータ８を駆動するためのＸＹ軸ステージ位置制御部、１３は回転ステージアクチュエータを駆動するための回転ステージ位置制御部、９は立体物内壁面に形成される導電性微細配線の描画パターンデータ、１４は導電性微細配線の位置情報データに基づいて、集光レンズ４の位置データ、ＸＹ軸ステージの位置データや移動速度、レーザ光源１の駆動電流データを算出する演算部である。
【００３３】
ここで、レーザ光源１と集光レンズアクチュエータ３は、特許請求の範囲におけるレーザ光照射手段に対応し、ＸＹ軸ステージアクチュエータ８は、同じく駆動手段に対応し、ＸＹ軸ステージ位置制御部１２は、同じく駆動制御手段に対応し、レーザ駆動電流制御部１０と集光レンズ位置制御部１１は、同じくレーザ光照射手段に対応し、演算部１４は、同じく演算手段に対応している。
【００３４】
上記のように構成した配線形成装置についての動作を図３に示す。動作シーケンスの最初のステップとしては、立体物の回転軸を回転ステージの軸に合わせるように設置し、さらにレーザ光の集光スポットが立体物の基準位置マーカに合うように立体物の回転位置を調整する。次に、形成する導電性微細配線の描画パターンデータに基づいてスタート位置までＸＹ軸ステージ、回転ステージを移動させる。以降は、ユーザが設定した描画パターン、描画速度、レーザ出力の各データにしたがって、塗布層にレーザを照射していくが、より具体的には、塗布層上の描画条件の変化点、つまりＸＹ軸ステージアクチュエータ、回転ステージアクチュエータ、レーザ光源への出力を変化させる必要がある位置での各データに基づいてシーケンシャルに制御を行っていく。全ての描画パターンデータに対して、以上のようなシーケンス制御を繰り返すことによって、ユーザが設定した所望の描画パターンが得られるものである。なお、ここではＸＹ軸ステージアクチュエータ１２によって立体物５を移動制御する場合を説明したが、もちろん、両者が相対的に変位すればよいのであって、レーザ光側を移動制御させてもよい。
【００３５】
また、導電性微細配線６の線幅は、塗布層へのレーザ光２の照射スポットのサイズ、形状によって決まってくる。当然、より細い配線を形成する場合には、集光レンズ４によりレーザ光２を微小スポットに集光する必要がある。また、本質的に導電性微細配線６の形成は、レーザ光照射による熱エネルギー変化である。導電性微細配線６を形成するために立体物５に対してレーザ光２を照射、スキャンしていくので、このスキャン速度によって塗布層のある部位に投入される熱エネルギーは変わってくるため、レーザ光２の照射強度とスキャン速度の制御は重要である。一方、巨視的に見れば、塗布層のある微小箇所において、導電性ナノ粒子が熱エネルギーによって溶融し、相互に結合するためには、レーザ光２の総エネルギー量よりも、微小箇所でのエネルギー密度が重要である。ここで、エネルギー密度を決めるものは、レーザ光２の照射強度と照射面積である。つまり、立体物内壁面上に均一な導電性微細配線を形成するためには、レーザ光２の照射面積が常に均一になるように、集光レンズ位置制御部１１は、描画パターンデータに基づいて集光レンズ４の位置制御を正確に行う必要がある。また、一度立体物１に対して照射、スキャンを行った位置に、同様な照射、スキャンを複数回行ってもよい。一度照射、スキャンした部位の位置情報データを基に、再度同様にレーザ光２を照射することで、１度の照射、スキャンでは不十分だった熱エネルギーを補うことができる。このような場合に、比較的低出力のレーザ光源を利用できる利点がある。また、高出力のレーザ光源を用いた場合に、所望の配線パターン以外のエリアにレーザ光が照射されてしまう場合がある。例えば、立体物の内部空間が特に小さく、本来レーザ光を集光照射している面の反対側の内壁面までの距離が近い場合である。透過、反射、散乱などにより多少のレーザ光が他の部分に照射されてもあまり問題はないが、レーザ光が高出力の場合には、照射されてしまった箇所に余計な導電性部が形成されてしまうことになり問題がある。このような問題を避けるために、余計なレーザ光に対する遮蔽版のようなものを立体物の内部空間に設置することも有効である。
【００３６】
ここで、本発明に用いられるレーザ光２の波長は、塗布層で吸収、発熱するものであれば、紫外光から赤外光まで任意のものを選択することができる。代表的なレーザとしては、ＡｌＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓＰ，ＧａＮ系などの半導体レーザ、Ｎｄ：ＹＡＧ（Ｙｔｔｒｉｕｍ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｇａｒｎｅｔ）レーザ、ＡｒＦ，ＫｒＦ，ＸｅＣｌなどのエキシマレーザ、色素レーザ、ルビーレーザなどの固体レーザ、Ｈｅ−Ｎｅ，Ｈｅ−Ｘｅ，Ｈｅ−Ｃｄ，ＣＯ2，Ａｒなどの気体レーザ、自由電子レーザなどが挙げられる。また、これらのレーザの第二高調波、第三高調波などの高次高調波を利用してもよい。さらに、これらのレーザは、連続で照射しても、パルスで複数回照射してもよい。さらには、上述したように低温度でも微細配線が形成可能な導電性ナノ粒子で塗布層を形成しているため、比較的低出力の半導体レーザも利用可能である。このような低出力の半導体レーザは、制御性の面からみても望ましいものである。また、低出力のレーザ光源１を複数用いて、各レーザ光源１から出射されるレーザ光２を光学系により一つのレーザ光２に重ね合わせてもよい。この場合、多少光学系が複雑になるものの、低出力のレーザ光源１を使える利点がある。
【００３７】
レーザ光源１に必要な照射エネルギーは、導電性ナノ粒子の種類、サイズ、塗布層の厚みなどに依存しているため一概には言えないが、導電性ナノ粒子が実質的にアブレーションせずに、溶融するようなエネルギーとしなければならない。また、複数のレーザ光源１と複数の光学系を用いると、それぞれの光学系の相対位置制御や、集光レンズ位置の独立制御などシステム構成が複雑になってくるが、上述したものと同様のプロセスを用いて、同じパターンにはなるが複数の導電性微細配線を同時に形成できるため、生産性が高くなるという効果を有する。なお、複数のレーザ光源１を用いるのではなく、１つのレーザ光源１から出力されるレーザ光２を分光して、複数の集光レンズを含む光学系を用いても、上述と同様に複数の導電性微細配線を同時に形成できる。しかし、この場合には、レーザ光源１が１つで済むという利点はあるものの、１つのレーザ光源１に頼ることになるので高出力タイプのレーザ光源１が必要となり、またレーザ光源１自身の出力制御によって、各光学系への光出力を個別に制御できないため、各光学系の中で減衰率を独立に制御できる可変フィルタのようなものを用いる必要がある。
【００３８】
次に、上述したように導電性微細配線６を形成した後の第３のステップである余分な塗布層を除去する方法について説明する。
【００３９】
余分な塗布層を除去する方法としては、適切に除去できれば特に方法に拘るものではないが、簡便な方法としては、適当な溶剤により除去することができる。ここで用いる溶剤としては、余剰材料を溶解できるものであればよい。例えば、元々の導電性ナノ粒子分散溶液自体の溶媒として用いているトルエン、キシレンなどの芳香族炭化水素系有機溶媒が利用可能である。具体的には、レーザ光２による導電性微細配線形成を行った立体物を、上述の適当な溶剤の中に浸す。立体物の内壁面上に残る導電性微細配線部分以外の余剰材料は、溶剤中に溶解拡散するため、内壁面上からは除去されることになる。一方、導電性微細配線は、レーザ光による加熱処理が適切に行われている場合には、ナノ粒子自身が金属化すると同時に、内壁面との密着性が向上しているので、溶剤による除去処理を行っても内壁面上に残る。このようにして、レーザ光が照射、スキャンされなかった部分の塗布層が除去され、導電性微細配線のみが残ることになる。また、余剰材料の溶解拡散を補助促進するために、超音波洗浄などの物理的な作用によるプロセスを併用しても構わない。また他の現像手段としては、立体物を溶剤の中に浸すのとは逆に、立体物の内部空間に適当な量の溶剤を連続的に流すことで、余剰材料を除去することもできる。この場合、立体物自体を回転、振動させることで、溶剤を内壁面に対して効率よく接触させることができ、使用する溶剤量を少なくすることができる。特に、立体物を回転させながら除去しようとする際は、第１のステップで用いた配線形成装置の回転ステージアクチュエータ７を利用することもでき、より効率的に行うことができる。
【００４０】
いずれの場合においても、洗浄処理が不十分だと、余剰材料が残ってしまうし、反対に洗浄処理が過剰であれば、所望の導電性微細配線自体にダメージを与えてしまう可能性があるため、適当な洗浄処理条件というのが必要になってくる。以上によって、内部空間を有する立体物の内壁面上への導電性微細配線の形成が終了する。なお、上述の余剰材料の除去処理を行った後であれば、導電性微細配線が形成済みの立体物全体に対して、アニーリング等の後処理工程を行ってもよい。このようにすることで、もう少し高い温度でのアニーリング処理が必要なナノ粒子材料の種類では、導電性微細配線の抵抗率を低減したり、内壁面との密着強度を向上させることができる。
【００４１】
また、上述した説明では、レーザ光を塗布層に照射する場合を例に挙げたが、塗布層の配線形成領域に熱エネルギーを供給することができるものであれば、本発明を適用することができる。
【００４２】
以上のように本実施の形態では、立体物の内壁面の形状に合わせてレーザ光の集光位置制御を行うようにしたので、内壁面の任意の部位に均一なレーザ光の照射スポットを形成して、均一な熱エネルギーをナノ粒子を含む塗布層に供給する制御が可能となり、簡便で、解像度の高い導電性微細配線を形成する方法を提供することができ、例えば、ＲＦＩＤの微小なアンテナ部を形成するプロセスなどに有用である。
【実施例】
【００４３】
以下に、実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、試薬、物質量とその割合、操作等は本発明の主旨から逸脱しない限り適宜変更することができる、したがって本発明の範囲は以下の具体例に制限されるものではない。
【００４４】
ここでは、導電性微粒子分散溶液としてアルバック社製の銀ナノメタルインク（Ａｇ１Ｔ（製品名））を用いた場合について説明する。平均粒径は５ｎｍとなっており、導電性のナノ粒子を含有した分散溶液としては平均的なものであり、溶媒はトルエンを主成分とした有機溶剤となっている。透明な立体物としては、加熱処理をすることを考慮して耐熱ガラス製の円筒管とし、内径１０ｍｍ、肉厚１ｍｍ程度のものである。この位の細い内径になると、例えば、対象物に直接描画できるインクジェット法のヘッドユニットをガラス円筒管内部に入れることは、現実的には不可能である。また、一般的な耐熱ガラスは、可視域において９０％以上の十分な光透過率を有しており、後述する波長７７０ｎｍのレーザ光を用いることが可能である。このガラス円筒管に対して、ディッピング法で導電性微粒子分散溶液の塗布層を形成する。適当な量の上述した導電性微粒子分散溶液が入っている容器に、ガラス基板を縦方向にして静かに浸漬させた後、１ｍｍ／ｓ程度のゆっくりした速度で引き上げる。ここで、導電性微細配線を形成したいのは、ガラス円筒管の内壁面であり、外壁面に塗布された材料は照射するレーザ光の妨げとなるため、後述する余剰材料の除去工程で用いるトルエン溶液によりふき取る処理を行う必要がある。または、ディッピングを行う前に、あらかじめ適当なテープなどにより、外壁面にマスク処理を行なっておくことで、余剰材料の付着を防ぐような処理でも構わない。その後、溶媒を乾燥除去するために、１時間程度、室温で放置する。ナノ粒子の金属化が進行しない温度（７０℃以下）程度であれば、乾燥炉などを利用してもよい。
【００４５】
その後、塗布層が形成できたガラス円筒管に対してレーザ光を照射、スキャンを行う。導電性微細配線形成用として用いるレーザ光源としては、波長７７０ｎｍ、最高出力１８０ｍＷのソニー製ＳＬＤ３０２Ｖが利用できる。このレーザ光源の直後に配されるコリメートレンズ、光路を遮断できるシャッタ、塗布層に集光するための集光レンズなどの光学系によって、レーザ光源からの出射光をターゲットである内壁面上の塗布層に集光することができ、所望する導電性微細配線のサイズ、形状に対して、レーザ光の集光形状を合わせこむように光学系を調整する必要がある。また、上述の集光レンズは、レーザ光の光軸に対して平行に微動できるように設置されてあり、集光レンズ位置制御部によって集光位置の微調整が可能となっている。レーザ光源の出力としては、形成する導電性微細配線の形状にもよるが、照射する内壁面上で１００ｍＷ程度が確保できることが望ましい。また、レーザ光のスキャン速度も、レーザ光源の出力と、形成する導電性微細配線の形状にもよるが、１０μｍ程度の配線幅であれば、１ｍｍ／ｓ程度のスキャン速度が適当である。
【００４６】
また、本実施例では、微細配線形成用のレーザ光を照射、スキャンする際に、レーザ光は固定位置とし、ガラス円筒管の方を移動させる。レーザ光の照射光軸に対して鉛直方向に配した回転ステージ（基板保持手段に対応する）に立体物を保持し、さらにＸＹ２軸のステージと共に外部制御可能であり、コンピュータなどの自動制御によってガラス円筒管内壁面の任意の位置に対して、正確にレーザ光を照射可能である。このようにして、内壁面上に形成した塗布層の配線形成領域にレーザ光を照射、スキャンする。 導電性微細配線を形成するためのレーザ光の照射、スキャンを完了した後、余剰材料の除去を行う。ここでは、元々のナノ粒子分散溶媒であるトルエン溶液を用いて、配線形成済みの立体物を浸漬させる。さらに、余剰材料の溶解拡散を補助促進するために、超音波洗浄機の中に１分ほど入れることで、余剰材料をできるだけ除去する。
【００４７】
以上のようなプロセスによって、比抵抗値：１０μΩ・ｃｍ、ライン／スペース幅：１０／１０μｍ程度の導電性微細配線が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
以上のように、本発明にかかる配線形成方法は、内部空間を有する立体物内壁面上に導電性微細配線を形成する場合に有用であり、特に内部空間が狭い立体物に対して有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本実施の形態による配線形成装置の模式図
【図２】本実施の形態による配線形成装置の制御ブロック図
【図３】本実施の形態による配線形成装置の制御フローチャート
【図４】本実施の形態による配線形成のプロセス図
【符号の説明】
【００５０】
１ レーザ光源
２ レーザ光
３ 集光レンズアクチュエータ
４ 集光レンズ
５ 立体物
６ 導電性微細配線
７ 回転ステージアクチュエータ
８ ＸＹ軸ステージアクチュエータ
９ 描画パターンデータ
１０ レーザ駆動電流制御部
１１ 集光レンズ位置制御部
１２ ＸＹ軸ステージ位置制御部
１３ 回転ステージ位置制御部
１４ 演算部
１５ 円筒型立体物
１６ 塗布層
１７ 導電性微細配線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部空間をもちレーザ光を透過する立体物の内壁面に配線を形成する方法であって、
前記立体物の内壁面に対して、導電性微粒子を含有する分散溶液による塗布層を形成する第１の工程と、
前記塗布層に対して前記立体物の外部方向からレーザ光を連続的に照射することで、配線層を形成していく第２の工程と、
前記配線層以外の領域の材料を除去する第３の工程を備えたことを特徴とする配線形成方法。
【請求項２】
前記第２の工程において、立体物を回転させる回転駆動手段と、前記レーザ光の焦点位置を、回転軸方向とフォーカス方向に移動させる２次元の駆動手段によって、前記レーザ光を照射することを特徴とする請求項１記載の配線形成方法。
【請求項３】
前記立体物の前記内部空間内に前記レーザ光を遮蔽する遮蔽物を配置したことを特徴とする請求項１記載の配線形成方法。
【請求項４】
前記第３の工程において、前記立体物の前記内部空間に現像液を連続的に流し、かつ前記立体物を回転させることで、前記配線層以外の領域の材料除去することを特徴とする請求項１記載の配線形成方法。
【請求項１】
内部空間をもちレーザ光を透過する立体物の内壁面に配線を形成する方法であって、
前記立体物の内壁面に対して、導電性微粒子を含有する分散溶液による塗布層を形成する第１の工程と、
前記塗布層に対して前記立体物の外部方向からレーザ光を連続的に照射することで、配線層を形成していく第２の工程と、
前記配線層以外の領域の材料を除去する第３の工程を備えたことを特徴とする配線形成方法。
【請求項２】
前記第２の工程において、立体物を回転させる回転駆動手段と、前記レーザ光の焦点位置を、回転軸方向とフォーカス方向に移動させる２次元の駆動手段によって、前記レーザ光を照射することを特徴とする請求項１記載の配線形成方法。
【請求項３】
前記立体物の前記内部空間内に前記レーザ光を遮蔽する遮蔽物を配置したことを特徴とする請求項１記載の配線形成方法。
【請求項４】
前記第３の工程において、前記立体物の前記内部空間に現像液を連続的に流し、かつ前記立体物を回転させることで、前記配線層以外の領域の材料除去することを特徴とする請求項１記載の配線形成方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１０−１７１３０８（Ｐ２０１０−１７１３０８Ａ）
【公開日】平成２２年８月５日（２０１０．８．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１４０１９（Ｐ２００９−１４０１９）
【出願日】平成２１年１月２６日（２００９．１．２６）
【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２２年８月５日（２０１０．８．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１月２６日（２００９．１．２６）
【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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