(57)【要約】【課題】エネルギービームと超微粒子を含むコロイド材料を用いたパターン形成において、導電パターン間の短絡の無い高精細なパターンを自由度高く形成することが出来る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】超微粒子を含むコロイド材料を接触させた基板４の上にエネルギービームを照射してパターン形成を行うパターン形成方法であって、エネルギービームを基板上に走査する方向と平行にエネルギービームを遮蔽するスリット１０を設け、スリット１０は少なくとも基板上に完全なパターンを形成するためのエネルギー値より小さいエネルギービームを遮蔽することを特徴とする。【選択図】図１
2010145562.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超微粒子を含むコロイド材料を接触させた基板上にエネルギービームを照射してパターン形成を行うパターン形成方法であって、
前記エネルギービームを基板上に走査する方向と平行に前記エネルギービームを遮蔽する一対の遮蔽手段を設け、前記遮蔽手段は少なくとも基板上に完全なパターンを形成するためのエネルギー値より小さい前記エネルギービームを遮蔽することを特徴とするパターン形成方法。
【請求項２】
前記遮蔽手段に遮蔽されるときの前記エネルギービームのエネルギー分布は、ガウシアン形状であ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】
超微粒子を含むコロイド材料を接触させた基板上にエネルギービームを照射してパターン形成を行うパターン形成方法であって、
前記エネルギービームを基板上に走査する方向と平行に前記エネルギービームの端部を遮蔽する一対の遮蔽手段を設け、前記遮蔽手段に遮蔽されるときの前記エネルギービームのエネルギー分布は、ガウシアン形状であることを特徴とするパターン形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上に金属パターン等を形成するパターン形成方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザー描画方式は基板に接触させた材料にレーザー照射を行うことで照射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。
【０００３】
レーザーを用いてパターン形成される材料としては、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。
【０００４】
これら機能性インクともいうべきコロイド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レーザーで処理することで所望のパターンの電気配線を形成することができる。これは、レーザーのエネルギーによって基板上のコロイド材料が熱分解され、残った銀粒子が融合して導電パターンを形成するというプロセスによる。
【０００５】
このようなコロイド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）に詳細が開示されている。
【特許文献１】特開２００６−３８９９９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、上記従来の技術では、簡易な方法で自由度高く高精細な導電パターン形成を行うことができるが、エネルギービームの照射条件を適切に設定しないと形成しようとしている導電パターンより外側にも導電パターンが形成されてしまい、描画する導電パターン間の短絡の原因となる。
【０００７】
そこで本発明は、導電パターン間の短絡が発生することを防ぎながら、高精細なパターンを自由度高く形成することができ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】
【０００８】
上記課題を解決するために本発明は、超微粒子を含むコロイド材料を接触させた基板上にエネルギービームを照射してパターン形成を行うパターン形成方法であって、エネルギービームを基板上に走査する方向と平行にエネルギービームを遮蔽する一対の遮蔽手段を設け、遮蔽手段は少なくとも基板上に完全なパターンを形成するためのエネルギー値より小さいエネルギービームを遮蔽することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、導電パターン間の短絡のない高精細なパターンを自由度高く形成することができるパターン形成方法を提供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】
【００１０】
本発明の請求項１記載のパターン形成方法は、超微粒子を含むコロイド材料を接触させた基板上にエネルギービームを照射してパターン形成を行うパターン形成方法であって、エネルギービームを基板上に走査する方向と平行にエネルギービームを遮蔽する一対の遮蔽手段を設け、遮蔽手段は少なくとも基板上に完全なパターンを形成するためのエネルギー値より小さいエネルギービームを遮蔽することを特徴とする。
【００１１】
これにより、導電パターン間の短絡のない高精細なパターンを自由度高く形成することができるパターン形成方法を提供することができる。
【００１２】
本発明の請求項２記載のパターン形成方法は、請求項1記載のパターン形成方法であって、遮蔽手段に遮蔽されるときのエネルギービームのエネルギー分布がガウシアン形状であることにより、エネルギービームの端部を遮蔽するのみで、容易に基板上に完全なパターンを形成するためのエネルギー値より小さいエネルギービームを遮蔽することができる。
【００１３】
本発明の請求項３記載のパターン形成方法は、超微粒子を含むコロイド材料を接触させた基板上にエネルギービームを照射してパターン形成を行うパターン形成方法であって、
エネルギービームを基板上に走査する方向と平行にエネルギービームの端部を遮蔽する一対の遮蔽手段を設け、遮蔽手段に遮蔽されるときのエネルギービームのエネルギー分布は、ガウシアン形状であることを特徴とする。
【００１４】
これにより、高精細なパターンを自由度高く形成することができるパターン形成方法を提供することができる。
【００１５】
以下に図面を参照して、この発明に係るパターンおよびその形成方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００１６】
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態によるパターン形成装置を示す概略図である。図１において、符号１はエネルギービーム源であり、本実施の形態においては波長４５０ｎｍ、最大出力５００ｍｗの青色の半導体レーザーである。本発明を実施可能なエネルギービームとして、このような可視光レーザーのほかに赤外線や紫外線レーザー、電子線、イオンビームなどを用いることができる。符号２はコリメータレンズやアナモルフィックプリズム等のビーム整形光学系である、コリメータレンズは広がりを持った半導体レーザーの放射光を平行光にするため、またアナモルフィックプリズムはビーム断面内で扁平なエネルギー分布をもった半導体レーザーの放射光を同心円状のガウシアン分布に近い形に整えるために用いられている。これらの光学要素は半導体レーザーを光源とする系においてよく用いられるものである。もちろん光源から放射されるビームのエネルギー分布が整形することなくともすでにガウシアン形状に近い形であるような場合にはより簡素な光学系を選択可能である。符号３は集光レンズである。符号４は基板であって、本実施の形態においては厚さ１．１ｍｍの一般的な耐熱ガラスを使用している。符号５は基板４上に塗布された後溶媒を乾燥させ固化したコロイド材料からなる薄膜であって、厚さはおおよそ１０μｍである。コロイド材料５は必ずしも基板４上に乾燥させる等して固定化する必要はなく、液体状態のまま接していてもよい。また本実施の形態におけるコロイド材料５は銀の超微粒子を保護剤で被覆した後に有機溶媒等に分散させたいわゆる銀インクを乾燥させたものであって、銀インクはハリマ化成株式会社等より入手可能なものである。符号６は形成されたパターン、符号７は基板４とコロイド材料５の界面付近に形成されるビームの焦点である照射点。符号８は光源を制御する制御部であって、光源のＯＮ／ＯＦＦ制御のほか、出力の増減の制御も可能なものである。そして符号９はビーム整形光学系２によって断面がガウシアン形状に近いエネルギー分布を持った平行光に整形された加工前のビーム、符号１０は加工前のビーム９の一部を遮蔽することでエネルギー分布を変化させるための遮蔽手段としてのスリット、符号１１はスリット１０によってエネルギー分布が変化した加工後のビーム、そして、符号１２はエネルギービームと基板４の相対位置変更機構としての機械式可動ステージである。
【００１７】
相対位置変更機構の別の形として、エネルギービーム源１やビーム整形光学系２等を含む光源側をロボットアームなどを用いて可動に保持し、これを基板４に対して相対的に移動させるようなものや、集光レンズ３のみを可動に保持して、集光レンズ３を適切に移動させることによって照射点７の位置を基板４に対して移動させるといったものを用いても本発明を実現することができる。また、ポリゴンミラーなどを用いてビームを走査することも好ましい。
【００１８】
さて、本実施の形態における遮蔽手段は同一平面上に保持された二枚の金属板であって、照射点７に対して基板４を移動させるための可動ステージ１２の移動方向と平行な方向に間隙をもったスリットとなっている。もちろんこのスリットに求められる効果は加工前のビーム９の一部を遮断することであるので、そのような効果を有する部材、材料、形状であればどのようなものであってもよく、形状もスリット様である必要はない。例えば板面に加工された穴のようなものであってもよい。
【００１９】
つまり、一対の遮蔽手段は、加工前のビーム９の一部を遮断すればよく、一対の遮蔽手段は一体に形成してもよい。
【００２０】
ここで、本実施の形態ではコロイド材料としてパターン形成後に導電性を持った銀の膜となるインクを用いたが、もちろん本発明に係るパターン形成方法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全てについて本発明を用いることが可能である。
【００２１】
ところで、本発明を実施するに当たり本質的ではないために図１に図示していない補助的な要素として、全体の機構を支えるための架台、各構成要素の保持調整機構、さらにはこれらの各要素を一貫して動作させるためのコンピューター等の制御機構とその制御を予め記述した制御プログラムなどを挙げることができる。
【００２２】
さて、以上説明したような構成要素を用いることでどのようにしてパターン形成を行うのかの概略をパターン形成の手順に従って説明する。尚、以下に説明するパターン形成の一連の工程は図示しない制御機構と制御機構に備えられた制御プログラムに従いスムースに進行するものである。
【００２３】
まず、基板４上にコロイド材料５の乾燥膜を形成し、この基板４を可動ステージ１２に固定する。ここで制御機構はエネルギービーム源１の制御部８を制御してレーザー光源からレーザー光を射出する。次いで可動ステージ１２を駆動してパターン６を形成するためのビーム走査を行う。その際、制御部８はパターンの不連続部分でレーザーを消灯するなどする。そしてパターン形成が終了すると、基板４は可動ステージ１２から取り外され、次いで適切な溶媒を用いるなどしてレーザー照射がなされなかった部分のコロイド材料を除去する現像工程に供される。
【００２４】
このようにして基板上に所望のパターン６、本実施の形態では金属銀からなるパターンが形成される。このようにして得られるパターン６は電気的な配線として使用することができるが、パターン６上に電解メッキで形成された金属銅膜や、無電解メッキで形成されたニッケルやクロムなどを形成することで配線抵抗を低減することは好ましい。
【００２５】
パターン形成の概略の工程はこのようなものである。次に、このパターン形成の過程で生じ、正確なパターン形成を行うにあたり問題となる不完全なパターンについての説明を行う。説明する不完全なパターンはコロイド材料を用いるパターン形成において特有と考えられるため、まずコロイド材料そのものの詳細説明から始める。
【００２６】
コロイド材料は金属や酸化物などのセラミックスなどからなる超微粒子と、これら超微粒子を安定に保持するための保護剤と、保護剤に被覆された超微粒子を分散させる溶媒と、その他添加剤等からなる液体材料であって、保護剤などの超微粒子以外の物質は多くの場合有機物である。
【００２７】
このようなコロイド材料に含まれる超微粒子は、その粒子径が数ｎｍから数百ｎｍと非常に小さいために、体積に対する表面積の比率が大きくなり、物性に対する表面の特性の影響が現れる傾向が強い。その特性変化の一つとして顕著なのが見かけの融点の低下である。例えば、本実施の形態でコロイド材料として用いている銀の場合、バルク体の融点は９６０℃付近にあるのに対して、保護剤で被覆された超微粒子が見かけ上融解して相互に結合しバルク体を形成する温度は高々３００℃付近である。
【００２８】
ここで、見かけ上と表現しているのは、超微粒子がバルク体を形成するためにはその表面が融解して互いに連結すれば十分であるからであって、超微粒子の内部までが完全に融解して超微粒子を構成する原子一つ一つがばらばらになるという意味ではないからである。
【００２９】
一般に表面に存在する原子はダングリングボンド等の不安定要素のために内部に存在する原子対してエネルギーが高い状態であると言え、これは融点という意味ではより低くなっていると解釈することができる。これに対して内部は安定な結合のために融点はより高くなっているといえる。我々が通常見かけるバルク体は表面に露出した原子に比べて内部に存在する原子の数が圧倒的に多く、ほとんどが内部の原子といえるため、融点を含めた諸物性は内部の原子の状態が決定する。それに対して、超微粒子では表面の比率がバルク体に比較して極端に高くなるために表面の性質が無視できなくなり、結果見かけの融点が下がったように見えるのである。
【００３０】
ところで、超微粒子が一旦結合してバルク体を形成すると、その物理的な構造はバルク体銀そのものであって、当然ながら諸物性はバルク体の銀と同一となる。つまり融点もバルク体と同じになる。このような性質は銀の超微粒子に限らず、超微粒子一般に見受けられる性質である。つまり、コロイド材料は比較的低い温度で見かけ上溶解して互いに結合することでバルク体となり、そして一旦バルク体となると、その融点は上昇するという性質がある。尚、ここでいうバルク体とは超微粒子が保護剤に被覆されるなどしてそれぞれ独立している状態の対義であって、本発明でパターンとして形成されるような比較的薄い膜もバルク体に含まれるものである。
【００３１】
ところで、このような性質を持ったコロイド材料を基板に塗布して溶媒を乾燥によって除去すると、超微粒子と保護剤からなる乾燥膜が形成される。このとき、乾燥膜内の超微粒子は保護剤によって保護されているため安定している。このような乾燥膜にエネルギーを与えて加熱するなどすることで与えられるエネルギーがある一定以上になると、保護剤が分解され気化するなどすることによって超微粒子がむき出しになる。そしてむき出しになることによって不安定な状態に晒された超微粒子が互いに結合しバルク体を形成する。そして最終的にコロイド材料の乾燥膜はそのまま超微粒子を構成している材料からなる薄膜となる。
【００３２】
前述したように、この薄膜化が生じるときの温度は、超微粒子を構成する材料からなるバルク体の融点に比較して低く、銀の場合で高々３００℃程度である。尚、この現象はコロイド材料の乾燥薄膜を形成せずに、基盤に対してコロイド材料を液体のまま接触させて加熱を行っても同様に観察される。
【００３３】
次に、パターン描画に用いるエネルギービームを詳細に見てみる。一般的なレーザーを例に取ると、意図的な光学的加工を施さない限り、通常のレーザーの光束であるビームは中央部のエネルギーが周辺部のエネルギーよりも大きくなっている、つまりエネルギーの強度はビーム進行方向に対する垂直断面の中央部ピークとした正規分布、いわゆるガウシアンカーブ、ガウシアン分布などと呼ばれる分布に近い状態を取るのが一般的である。実施の形態で用いている半導体レーザーについてもビームの中央部のエネルギーが周辺部よりも大きくなっているという点では同様であるが、半導体レーザーの場合は放射光の広がりが大きく、かつ方向によってその広がり角度が異なるためにビーム形状が扁平となることが特徴的である。このような半導体レーザーからのビームは図１に示したようなビーム整形光学系を用いることにより、一般的なレーザーと同じガウシアンに近いエネルギー分布を持った平行光にしてから使用されることが多い。
【００３４】
さて、このようなビームを前述したようなコロイド材料からなる膜に照射することで基板上のビームが照射された部位のみをビームのエネルギーによって加熱し、前述したようなコロイド材料の加熱によるバルク化、すなわち薄膜化を行い特定のパターン形成をすることができるが、すでに説明したように、本発明におけるパターン形成の原理は、コロイド材料にエネルギービームを照射して加熱し、与えられるエネルギーがある一定以上になったときに起きる保護剤の分解に起因する超微粒子のバルク体形成である。
【００３５】
このように、パターン形成を行うためにはエネルギービームによって与えられるエネルギーが一定以上の値でなくてはならないが、すでに説明したように照射されるエネルギービームはガウシアン状のエネルギー分布を持っているため、照射点におけるエネルギーの配分は均等ではない。すなわちビームの中心に近いところほどエネルギーが大きくなっている。従って、ビームの中心に近い部分は十分に保護剤の分解が行われ完全なパターン形成が行われるが、中心から離れたビームの周辺部では次第に保護剤の分解は行われなくなり、不完全なパターンが生成されてしまう。
【００３６】
不完全なパターンの形成メカニズムについて図２を用いて説明する。図２はビームのエネルギー分布と欠陥生成の関係を説明するための図である。図２において、符号１８で示される縦軸はビームのエネルギー強度を表し、符号１９で示される横軸はビームの中心からの距離を表している。そして符号１３はビームのエネルギー分布を表す曲線である。曲線１３で表されるエネルギー分布は、加工前のビーム９の進行方向に平行で、加工前のビーム９の中心を通る断面におけるものであって、本実施の形態で用いているガウシアン形状を持ったビームの場合はエネルギー分布はビームの中心軸を対称軸とした回転対称形状に近いものとなっている。符号１４はコロイド材料が分解され金属膜が形成され始める閾値エネルギーを示す点であって、これ以下の強度のエネルギーがコロイド材料に照射されてもコロイド材料は実質的に膜形成することはない。符号１５はコロイド材料の分解が乾燥膜の厚さ方向全体にわたって生じ、基板との密着性が良好な完全なパターンを形成するエネルギーの閾値を示す点である。尚、以降の説明で、符号１４で示されたエネルギー値を閾値１、そして符号１５で示されたエネルギー値を閾値２と呼ぶ。そして閾値２のエネルギー値が、本発明でいうところの完全なパターンを形成するために最低限必要となるエネルギー値である。
【００３７】
符号１６と１７はそれぞれエネルギー値１４と１５に相当するエネルギーを持つビームの範囲を示す線であって、符号１６で示された範囲よりも内側では基板との密着性が良好な完全なパターンが形成され、符号１７で示された範囲よりも内側では少なくともコロイド材料の分解とそれに伴う金属膜の形成が生じる。
【００３８】
コロイド材料の乾燥膜５に図２で示したビームが照射されると、範囲１７で示された範囲よりも内側ではコロイド材料の分解が生じて金属膜の形成がなされる。このとき、ビームの中心に近い、よりエネルギーの高い範囲では迅速な膜形成が行われるが、ビームの裾野に当たる部分ではその速度は遅い。本実施の形態では、パターン形成のためにビームの走査が行われるため、ある地点におけるコロイド材料の分解による金属膜パターン形成は走査されるビームが照射されている間に完了されねばならない。ここで、パターン形成が完了するとは、乾燥膜５の厚さ方向の全体にわたって材料の分解と金属膜の形成が完了することを意味しており、その結果形成される金属膜は基板と良好な密着をなす。これが本発明でいうところの完全なパターンである。そしてその後に行われる現像によってもパターンが流れ去ることはない。このような意味でのパターン形成が完了する範囲が図２の１６で示された範囲である。つまり、図２で示されたようなビームが走査されることで形成されるパターンは、範囲１６が通過する部位は基板との付着性のよい完全なパターンとなり、範囲１６よりも外側で範囲１７よりも内側の範囲では、ビームが走査されることで完全なパターン形成のための十分な時間が与えられず、結果的に基板との密着性が不完全な、厚さ方向の一部が金属化したような膜が形成されることになる。このような基板との密着性が不完全な、厚さ方向の一部が金属化したような膜を本発明では不完全なパターンとしている。
【００３９】
このような不完全なパターンの例を図３に示す。図３は図１で説明したパターン形成装置において、スリット１０を用いなかった場合に基板４上に形成されるパターン６の例である。図３（ａ）はパターンの光学顕微鏡写真であって、未処理のコロイド材料を溶剤を用いて除去するいわゆる現像の前に観察したもの、そして図３（ｂ）は図３（ａ）のパターンの左側端部断面の電子顕微鏡写真であって、現像後のものである。そして、図３（ａ）の符号２１はレーザーのビームの中央部が通過した位置を示す矢印、符号２２は現像後にも基板上に残留するパターンの端部を示す矢印、そして符号２３はレーザーを照射することでコロイド材料の一部が分解される最も外側の位置を示す矢印である。つまり、矢印２２は図２の範囲１６の端部を表し、矢印２３は図２の範囲１７の端部を表している。そして、図３（ｂ）の符号２４で示された線は保護材料が十分に分解されパターン形成が完全に行われている部分、すなわち矢印２２で示された位置および範囲１６の端部に相当する境界線であって、境界線２４よりも右側が十分にパターン化されている領域である。そして符号２５は現像後のパターンの端部を示す境界線であって、境界線２５より左側は基板面が露出している。
【００４０】
図３（ａ）から、レーザービームを照射することによって生じるコロイド材料の分解は符号２３で示された位置にまで及んでおり、現像後に残るパターンよりもかなり幅が広いことがわかる。しかしながら、符号２２と符号２３で示した間の部分の領域はレーザービームの裾の部分に相当するために膜厚方向全体にわたる保護剤の分解がなされず、金属膜の形成が表面近傍に限られてしまい基板への付着力は弱い。そのため現像時にその一部が流れ去り、結果として図３（ｂ）の線２５で示されるような不連続な端部をなすことになる。線２４と線２５の間の不完全なパターンは、完全なパターンが形成される範囲の外側に広がり、形成しようとする所望のパターンをより幅の広いものにしてしまう。その結果、パターン間の間隙が狭い場合には、隣り合うパターンの外側にそれぞれ形成された不完全なパターン同士が接触してしまい短絡を生じる。またさらに、この不完全なパターンは基板と密着が得られておらず、些細なことで剥離する。そして剥離した膜が近傍のパターンと接触することによっても短絡が生じる。
【００４１】
このように、スリットを用いずにパターン形成を行うとパターンの端面近傍に基板との密着性が弱い不完全なパターンが生じこれらはパターン間の短絡の原因となる。
【００４２】
さて、ここから本発明の要諦である遮蔽手段によってビームのエネルギー分布に加工を施した場合の効果について説明する。
【００４３】
図４は図１に示した加工前のビーム９とスリット１０によって加工を施した加工後のビーム１１のエネルギー分布をそれぞれ３次元グラフ化して示したものである。図４（ａ）は加工前、図４（ｂ）は加工後のものである。そして、それぞれに記載されている矢印はパターン形成のためにこれらのビームが走査される方向を表している。
【００４４】
ビームの加工はビーム整形光学系２を通過した後のガウシアン形状に近いエネルギー分布を持った直径およそ５ｍｍのビームを両側から均等にスリット１０で挟み込むことで行った。スリット１０の間隙の幅は２ｍｍである。図４（ａ）に示した未加工のビームは若干のショルダーを持つもののほぼ中央部にピークを持ち、外側に向かってなだらかに低下していくエネルギー分布を持っている。ショルダーがあるのは本実施の形態における光源が半導体レーザーであるためで、半導体レーザーではこのように発光のピークが複数に分かれていたり、またそれらの強度比が出力によって変化したりするものである。このような若干ガウシアン形状から外れているようなエネルギー分布を持つビームであったとしても、中央部にエネルギーのピークがあり、周辺部に向かって低下していくような分布であれば本発明の効果を実現することができるものである。もちろんより均一な形状のエネルギー分布を持ったレーザーやそのほかのエネルギービームを用いても同様の効果を得ることができることはいうまでもない。
【００４５】
一方図４（ｂ）は、図４（ａ）に比較して明らかにエネルギー分布が異なっていることがわかる。図４（ｂ）において符号３０はビームがスリット１０によって遮蔽されたビームと通過したビームの境界をあらわす線である。
【００４６】
図４（ｂ）に示されたビームのエネルギー分布は、図４（ａ）と比較してピーク部分はそのまま保持されているものの、そこから境界線３０方向に向かうエネルギーの低下の仕方は非常に急激なものである。そして図４中に矢印で示されたビームの走査方向に対してビームの幅が狭められているのが明らかである。このとき遮蔽手段が遮蔽するエネルギービームの領域はビームの走査方向に対して平行になっている。そのため、図３において説明したようなパターン端部の欠陥を防止しながらも、ビームのピークエネルギー値およびビームの走査方向に対する前後方向のエネルギー分布は加工前と変化していないため、パターン形成速度が低下するといったことはない。
【００４７】
このとき、スリットが図２の１５で示された閾値２以下のエネルギー値を持った領域を遮蔽するように設定することで、基板への付着力の高い完全なパターン形成を行うために必要となるピーク付近のエネルギーを保持したまま、パターン端部の不完全なパターンによる欠陥の発生を防ぐことができる。また、スリット１０はビームの走査方向に対して並行に配置されており、ビーム走査の前後方向を遮蔽することはない。このようにすることで、パターン形成のために用いられるエネルギーの利用効率を高めることができる。さらに、本発明ではスリットがビーム走査方向の前方を遮蔽しないため、乾燥膜のアブレーションによる欠陥の発生を抑えることができるものである。
【００４８】
さて、図４（ｂ）に示されたようなスリットを用いて加工されたエネルギー分布を持ったビームでパターン形成を行った例が図５（ａ）と（ｂ）である。図５（ａ）はパターンの光学顕微鏡写真であって、未処理のコロイド材料を溶剤を用いて除去するいわゆる現像の前に観察したもので、ビーム加工を施さなかった場合の結果である図３（ａ）に対応する。そして図３（ｂ）は図５（ａ）のパターンの左側端部断面の電子顕微鏡写真であって、現像後のものである。図５（ｂ）はやはりビーム加工を施さなかった場合の結果である図３（ｂ）に対応する。図５（ｂ）の符号４１は現像後のパターンの端部を示す境界線であって、境界線４２より左側は基板面が露出している。
【００４９】
図５（ａ）から明らかなように、現像前の状態において、図３（ａ）で観察された複雑な構造はもはやなく、形成されたパターンの両端に相当する境界が観察されるのみである。そして、図５（ｂ）においても図３（ｂ）との差は明らかである。すなわち、パターンの端部を表す境界線４２は明確で図３（ｂ）で見られたような金属化が不完全で基板との密着性が悪い不完全なパターンは見られない。これはスリットを用いて図４（ｂ）に示したようなビーム加工が行われた結果、境界線３０のエネルギーの変化は非常に狭い範囲で急峻になると共に、閾値２よりも低いエネルギー領域を含むエネルギー範囲がスリットによって遮蔽されたために、不完全なパターンが形成なかったのである。
【００５０】
このように、ビームの一部を遮蔽してエネルギー分布に加工を施すことによって得られるパターン形状の改善は明確なものであるが、本発明の効果はこれだけにとどまるものではない。その一例を次に説明する。
【００５１】
図６（ａ）〜（ｃ）は図１に示したパターン形成装置を用い、エネルギービーム源１の出力を一定に保ったまま、スリット１０の間隙を段階的に変化させた場合に形成されるパターンの光学顕微鏡写真である。図６（ａ）は図５（ａ）に示したものと同じであって、直径およそ５ｍｍの未加工のビームに対して３ｍｍの間隙のスリットでビームの両端の遮蔽を行ったもの、図６（ｂ）はスリットの間隙を２ｍｍ、図６（ｃ）は１ｍｍとしたものである。いずれの条件においても未加工のビームのピーク部はスリットによって遮蔽されていないものである。
【００５２】
図６（ａ）〜（ｃ）を比較することで明らかなように、スリットの間隙を狭くしていくことで形成されるパターンも精細になっていくことがわかる。いずれの場合もパターンが形成されている部分に照射されているエネルギーはスリットを用いないときとまったく変わらないため、単にパターンが精細になっただけで保護剤の分解が不十分であるといったことはない。このように、スリットに代表されるような簡単な遮蔽手段を用いるだけでほかの光学系にはなんら手を加えることなく高精細なパターン形成が可能になる。
【００５３】
またこのとき、このスリットに代表される遮蔽手段を可変に保持すれば、形成すべきパターンに応じて精細度を適宜変更したり、またパターン形成の最中に変更したりすることでパターンの幅を次第に変化させるといったことを行うことすら可能である。
【００５４】
またさらに、遮蔽手段を可変に保持する必要がない場合には、遮蔽手段を本実施の形態で用いた金属板によるスリットなどの様に独立した構造としてパターン形成装置内に設ける必要すらない。例えば、ビーム整形光学系２の構成要素であるアナモルフィックプリズムの一面に金属膜を蒸着するなどし、その一部を除去してスリットを形成すればよい。
【００５５】
また、ここまでの詳細説明は、本発明のパターン形成方法によって形成されるパターンが電気配線に用いられることを想定し、不完全なパターンの生成によって短絡が発生することを問題としたが、本発明によって解決可能な問題はこれにとどまるものではない。
【００５６】
例えば、コロイド材料とエネルギービームを用いたパターン形成の別の用途として回折格子などの光学素子を挙げることができるが、この回折格子は光と干渉可能な程度の微細な間隙を持ったパターンを多数並べたような構造をしており、図３（ｂ）で示したような不完全なパターンの存在はその素子特性を大きく減じるものである。この回折格子においても本発明を用いて不完全なパターンをなくすことで素子特性の低下を防ぐことが可能である。さらに、同様な効果は光導波路などのほかの光学素子においても発揮されるものである。
【００５７】
最後に、本発明を実施する際のほかの要件を具体的に示す。ただし、これはあくまで一例であって、すでに言及しているようにパターン形成のための諸条件、すなわちコロイド材料の種類、乾燥膜であればその膜厚、エネルギービームの種類と強度、走査速度等は互いに密接に関連しあっている。よって、ほかの実施を行う場合には、本発明の本質を勘案しながら最適な条件を選択する必要がある。
【００５８】
微粒子として粒子径１００ｎｍ以下の銀を３０ｗ％含み、トルエンを溶剤とするコロイド材料を厚さ１．１ｍｍのホウ珪酸ガラス基板上にディップコート法で塗布し風乾することで厚さ約１０μｍのコロイド材料乾燥膜を得た。このコロイド材料に波長４５０ｎｍの半導体レーザー光をコリメート後のビーム径５ｍｍからスポットサイズ約１７μｍに集光して照射すると共に、線速度１００μｍ／ｓｅｃから１０００００μｍ／ｓｅｃの範囲でビーム走査を行ってパターン形成を行った。
【００５９】
上記条件下で図２の符号１４で示された閾値１の値は４０〜１００μＷ、そして図２の符号１５で示された閾値２の値は７０〜３００μＷであった。尚、これらの値はコリメート後のビームの該当位置に直径０．２ｍｍのピンホールを挿入し、そのピンホールを通過してきたビームのエネルギー値を測定したものである。またこのとき、図２の符号１７の範囲に相当するビーム幅を規定するための金属板を用いたスリットの幅は４ｍｍ、同符号１６の範囲に相当するビーム幅を規定するためのスリットの幅は３ｍｍであった。
【００６０】
スリット幅４ｍｍの条件では図３（ｂ）と同様の欠陥のあるパターンが得られ、スリット幅が３ｍｍ以下のときには図５に示されたものと同様のパターンが得られ、さらにスリット幅を３ｍｍ以下の範囲で変化させることで図６に示したようなパターンを得ることができた。このようにスリットを用いてビームの一部を遮蔽することでパターン端部に生じる欠陥を抑制することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明のパターン形成方法は、不完全なパターンの生成に起因する短絡のない高精細なパターンを自由度高く形成することができるため、高密度配線を持った電子回路基板や半導体等の電子デバイス、また周期的なパターンを利用した回折格子や光導波路などの光学要素など、広範な産業分野での利用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の実施の形態によるパターン形成装置を示す概略図
【図２】ビームのエネルギー分布と欠陥生成の関係を説明するための図
【図３】スリットを用いなかった場合に基板上に形成されるパターン図
【図４】加工前と加工後のビームのエネルギー分布を３次元グラフを示す図
【図５】加工されたエネルギー分布を持ったビームで形成されるパターン図
【図６】スリットの間隙を段階的に変化させた場合に形成されるパターン図
【符号の説明】
【００６３】
１    エネルギービーム源
２    ビーム整形光学系
３    集光レンズ
４    基板
５    コロイド材料
６    パターン
７    照射点
８    制御部
９    加工前のビーム
１０    スリット
１１    加工後のビーム
１２    可動ステージ
【図１】
2010145562.tif 000003
【図２】
2010145562.tif 000004
【図３】
2010145562.tif 000005
【図４】
2010145562.tif 000006
【図５】
2010145562.tif 000007
【図６】
2010145562.tif 000008