(57)【要約】      （修正有）【課題】描画対象物の表面を処理することなく、インクジェット装置を用いてオンデマンドで任意のパターンを高精細に描画する。またその描画装置を製品化に耐えるレベルで実現する。【解決手段】パターン描画装置は、少なくとも、インクジェットヘッド１０１、ステージ１０２、コントローラ１０３、および、インクを溜めるリザーバ１０４を有する。インクジェットヘッドは、インク１０５を吐出するための吐出口を有す。インクは、分散質粒子を分散媒に分散させた分散系のインクであり、リザーバから吐出口までの間はインクが充填されている。ステージは、描画対象物１０７を載置するとともに、描画対象物の描画予定領域を均一な温度に加熱する加熱機構１０６を有し、インクジェットヘッドの吐出口と描画対象物との間の距離は０．５ｍｍ以上、２０ｍｍ以下である。コントローラは、インクジェットヘッドおよびステージの相対的な動作を制御する構成である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
インクジェットヘッド、ステージ、コントローラ、および、インクを溜めるリザーバを有し、
前記インクジェットヘッドは、前記インクを吐出するための吐出口を１つ、乃至複数有し、
前記吐出口は、１平方ｃｍ以上の面積を有する平板に穿たれた穴であり、
前記インクは、分散質粒子を分散媒に分散させた分散系のインクであり、
前記リザーバから前記吐出口までの間は前記インクが充填され、
前記ステージは、描画対象物を載置するとともに、前記描画対象物の描画予定領域を均一な温度に加熱する加熱機構を有し、
前記インクジェットヘッドの前記吐出口と前記描画対象物との間の距離は０．５ｍｍ乃至２０ｍｍであり、
前記コントローラは、前記インクジェットヘッド、および前記ステージの動作を制御することを特徴とするパターン描画装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記平板は、遷移金属、周期表１３属および１４属元素、またはそれらの合金、ならびに、ポリイミド、ＰＥＮ（ＰｏｌｙＥｔｈｙｌｅｎｅ  Ｎａｐｈｔｈａｌａｔｅ）、ＰＥＥＫ（ＰｏｌｙＥｔｈｅｒ  Ｅｔｈｅｒ  Ｋｅｔｏｎｅ）のいずれかであり、
前記平板に設けられた前記吐出口の直径は２０μｍ乃至６０μｍであることを特徴とするパターン描画装置。
【請求項３】
請求項１乃至請求項２において、
前記分散質粒子は、表面に２ｎｍ乃至３ｎｍの分散剤に被覆され、平均粒子径が２０ｎｍの非磁性金属粒子であり、
前記分散媒は、非極性の鎖式飽和炭化水素であり、
分散質濃度が３５ｗ％乃至６５ｗ％であることを特徴とするパターン描画装置。
【請求項４】
インクジェットヘッド、ステージ、コントローラ、および、インクを溜めたリザーバを有し、
前記インクジェットヘッドは、前記インクを吐出するための吐出口を１つ、乃至複数有し、
前記吐出口は、１平方ｃｍ以上の面積を有する平板に穿たれた穴であり、
前記インクは、分散質粒子を分散媒に分散させた分散系のインクであり、
前記リザーバから前記吐出口までは前記インクを充填し、
前記ステージには描画対象物を載置するとともに、前記描画対象物の描画予定領域を均一な温度に加熱し、
前記インクジェットヘッドが前記描画対象物の描画予定領域上に来るように配し、
前記吐出口と前記描画対象物との間の距離は０．５ｍｍ乃至２．０ｍｍとし、
前記コントローラにより、前記吐出口から吐出させるインクの状態およびタイミング、前記インクジェットヘッドおよび前記ステージの相対位置、ならびに、前記描画対象物の加熱温度を制御して前記吐出口より前記インクを吐出させることを特徴とするパターン描画方法。
【請求項５】
請求項４において、
前記描画対象物と同じ材質同じ厚さの擬似基板を配し、
前記擬似基板を、前記描画対象物の描画予定領域と同じ温度に加熱し、
前記インクジェットヘッドを前記擬似基板上に配して、１秒乃至６００秒インクを吐出させた後、
前記インクジェットヘッドが前記描画対象物の描画予定領域上に来るよう配し、
前記吐出口より前記インクを吐出させることを特徴とするパターン描画方法。
【請求項６】
請求項４乃至請求項５において、
前記吐出口より吐出したインク滴が前記描画対象物に着弾した時の直径に比して、
前記吐出口より吐出した第ｎ＋１（ｎ＞１）番目のインク滴は、前記吐出口より吐出した第ｎ番目のインク滴と０．１倍乃至０．８倍の距離で重なるよう着弾させることを特徴とするパターン描画方法。
【請求項７】
請求項４乃至請求項６において、
前記第ｎ＋１番目のインク滴は、前記第ｎ番目のインク滴が着弾した後、０．１ｍ秒乃至１０ｍ秒の時間内に前記描画対象物に着弾させることを特徴とするパターン描画方法。
【請求項８】
請求項４乃至請求項５において、
前記インクの分散媒はドデカンであり、
前記インクの分散質は、表面に２ｎｍ乃至３ｎｍの分散剤に被覆され、平均粒子径が２０ｎｍの非磁性金属粒子であり、
分散質の重量濃度が３５ｗ％乃至６５ｗ％であり、
前記吐出口より吐出したインク滴が前記描画対象物に着弾した時の直径に比して、
前記吐出口より吐出した第ｎ＋１（ｎ＞１）番目のインク滴は、前記吐出口より吐出した第ｎ番目のインク滴と０．５倍乃至０．８倍の距離で重なるよう着弾させ、
前記第ｎ＋１番目のインク滴は、前記第ｎ番目のインク滴が着弾した後、２ｍ秒乃至５ｍ秒の時間内に前記描画対象物に着弾させ、
前記描画対象物の温度を１３０度乃至１５０度とすることを特徴とするパターン描画方法。
【請求項９】
請求項４乃至請求項５において、
前記インクの分散媒はテトラデカンであり、
前記インクの分散質は、表面に２ｎｍ乃至３ｎｍの分散剤に被覆され、平均粒子径が２０ｎｍの非磁性金属粒子であり、
分散質の重量濃度が３５ｗ％乃至６５ｗ％であり、
前記吐出口より吐出したインク滴が前記描画対象物に着弾した時の直径に比して、
前記吐出口より吐出した第ｎ＋１（ｎ＞１）番目のインク滴は、前記吐出口より吐出した第ｎ番目のインク滴と０．５倍乃至０．８倍の距離で重なるよう着弾させ、
前記第ｎ＋１番目のインク滴は、前記第ｎ番目のインク滴が着弾した後、２ｍ秒乃至５ｍ秒の時間内に前記描画対象物に着弾させ、
描画対象物の温度を１７０度乃至１９０度とすることを特徴とするパターン描画方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高精細なパターンを描画するパターン描画装置、および当該装置を用いてパターンを描画するパターン描画方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、各種電子機器製品の多様化や製品サイクルの短期化が進んでいる。それに伴い、多種多様な製品を短期間に作る要求が高まっている。さらに、多品種であるため、大量生産せずともよく、多品種少量短納期が求められるようになっている。
【０００３】
今までは、１品大量生産の社会であったため各企業の生産ラインも大量生産向きの設備となっている。しかし、近年の、多品種、少量、短納期、早い製品サイクルという要求を受けて、印刷版のようなものが無しに、つまりオンデマンドで任意のパターンを描画することができるインクジェットプリンターを製造設備に導入することで市場要求を解決できるのではないかという期待が非常に高まっている。
【０００４】
インクジェットを含め、各種印刷技術を用いて製品を、とりわけ電子デバイスを作製しようとする試みは、プリンテッドエレクトロニクス（または、プリンタブルエレクトロニクス）分野と呼ばれるようにまで成長し、各種印刷方法により、機能性材料を用いて任意のパターンを高精細に描画する研究が様々に行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３９４８２４７号公報
【特許文献２】ＷＯ２００９／０７２６０３
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】JSME International Journal Series B, Vol.47, No.3, (2004) pp490-496
【非特許文献２】Nanotechnology Vol.20 (2009) 165303(pp5)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記先行技術文献、および上記先行技術文献が引用している文献等が示すように、インクジェット装置を用いてオンデマンドで任意のパターンを高精細に描画する研究は非常に多く行われているものの、実用化に至り製造販売されている装置は、インクジェット市場を見渡しても未だ１台として存在しない。
【０００８】
基本的にインクジェットは、主に、下記二つの観点から高精細描画には向いていないといわれている。一つ目に、インクジェットの吐出に用いられるインクは非常に粘度が低く、通常どんなに高くても１５Ｐａ・ｓ以下とされ、インクが描画対象物に着弾した後も濡れ広がってしまう（非特許文献１参照）。二つ目に、上記濡れ広がりは表面張力に依存するので（非特許文献１参照）、異種表面を持つ基板に描画する場合、例えば、ガラス基板上の一部に金属が成膜されており、当該ガラスと金属との両方に描画するような場合、最表面の物質の表面張力の違いにより濡れ広がり方が異なるので、一様な描画を行うことが出来ない。
【０００９】
このような「濡れ広がり」を制御して、インクジェットによるオンデマンドでの高精細パターン描画を可能にする研究が非常に数多く行われている。例えば、表面張力の影響を無視できるように高粘度のインクを吐出させる方法や、描画対象物（以下、基板とも記載）に表面処理を行い、インクの濡れ広がりを制御する方法などがある。そのなかでも上記特許文献１、および２に挙げたような、「描画対象物をあらかじめ加熱しておいてインクジェットで描画する」という研究は非常に多い。
【００１０】
まず、上述した高粘度のインクを吐出させるインクジェットシステムは、基本的に流路内部のインクを加熱して吐出直前のインクの粘度を低下させ、かつ、駆動部に高電圧を印加することにより大きな変位を与えて吐出させるのが一般的である。この方法は、高い温度での加熱により流路内部でインクが変性し、さらにはインクが固まり流路を閉塞させ吐出不可能となる、または、インクの粘度が高いために吐出周波数が非常に低い（粘度の高い液体は速く動けない。例えば、加える力が同じであれば水あめは水のように速く動かせない）などの理由から、試験的に販売、利用はされているものの実用化には至っていない。
【００１１】
また、表面処理についても非常に研究が盛んであり、現在学会等を賑わす技術であるが、その技術が何に応用されるかを鑑みると全く役に立たないことは明白になる。というのも、インクジェットによるオンデマンドでの高精細パターン描画の大きな目的は、先にも述べたようにプリンテッドエレクトロニクス、すなわち印刷技術を用いた電子デバイスの作製である。インクジェットにより、様々な機能性薄膜を形成することが出来れば、現在のプロセスの何倍も短時間に、かつ低コストにデバイスを作製することができることは容易に想像される。
【００１２】
電子デバイスは多種類の機能性薄膜を積層して形成する。したがって、一番最初に形成する第一層の前には表面処理による表面張力コントロールが可能であるが、二層目以降はそれまでに形成された層が存在するので、容易に表面処理が出来るとは限らない。
【００１３】
一般的に、表面処理は大きく分けて２通りの方法が用いられる。第一に、受理層を形成してインクの溶媒のみを受理層に吸い込ませることにより濡れ広がりを防ぐ、第二に、薬液による表面改質を行い、表面張力をコントロールすることで濡れ広がりを防ぐという方法である。両者とも第一層を形成する時には有効かもしれないが、第二層目以上では下層との兼ね合いがあるので殆どの場合適用することができない。第一の方法は、第ｎ層（ｎ＞１）と第ｎ＋１層との間に受理層を形成することとなり目的の積層デバイス自体が形成できなくなる。第二の方法は薬液処理であるが、これは酸やアルカリによる処理が多く、当該薬液処理以前に形成した層にダメージを与える。それに加え、複数種類の薄膜を形成し、異種材料の表面を持つ描画対象物に薬液処理をすることは殆ど不可能である。例えば、ガラス基板上の一部に金属が成膜されており、当該ガラスと金属との両方に薬液処理を行う場合、ガラス表面と金属表面とは異なる薬液処理を選択的に施さなければならないが、形成されているパターンが複雑であればあるほどそのような処理は甚だ無理である。
【００１４】
そして、上記特許文献１および２に挙げたような、「描画対象物（基板）をあらかじめ加熱しておいてインクジェットで描画する」というという方法は、論文数、特許出願件数、ならびに成立している特許も多いことから、一見理に適っているように見える。しかし、特許権者やその他の会社からもそのようなインクジェットシステムが製品として未だ販売されていない。これは何らかの障壁が、少なくとも論文や特許を記載する実験レベルでは成功するが商品化には至らない何らかの課題があることには違いない。
【００１５】
それらの課題は、上記特許文献１にも、当業者が読めば理解できる程度に暗に示されていると考えられる。第一に、上記特許文献１の請求項１には、「（前略）前記インクジェットヘッドを前記載置台と重ならない位置に移動させ、前記インクジェットヘッドを冷却する第４工程と、（後略）」と記載されている。さらに読み進めると、発明の実施の形態２２段落目に、「インクジェットヘッドＨは、（中略）冷却ジャケット１１（冷却手段）で覆われており、一対の接続口１３を通じて冷却ジャケット１１の二重壁内部の流路に冷却水を循環させることによって、インクジェットヘッドＨを水冷できるように構成されている。」との記載がある。
【００１６】
この記載から、インクジェット装置に携わる当業者であればすぐに思いつくのが、「インク詰まり」である。
【００１７】
上記特許文献１の請求項１２および明細書内部において、「液体（インクジェットのインク）が導電性微粒子を含む」との記載がある。つまり、インクジェットから吐出させるインクは、溶液系ではなく分散系のインクである。インクジェットによって機能性薄膜を形成する場合、使用するインクが溶液系ではなく機能性物質の粒子を溶媒に分散させた分散系であることは非常に多い。例えば導電性薄膜を形成する場合、金属は塩にしない限りどのような溶媒にも溶けないので、金属粒子を溶媒に分散させた分散系のインクを使用することになる。
【００１８】
そして、インクジェットのインクとして分散系のインクは非常に扱いが難しい。というのも、インクジェットはインクを吐出させる口（以下、吐出口、またはオリフィスと記載）が非常に小さく、どんなに大きくても吐出口の径は２００μｍ以下である。高精細なパターンを形成したければさらに吐出口を小さくする必要があり、一般的には２０μｍ以下の吐出口径が採用される。この吐出口を描画対象物側から見た場合、小さな穴から分散系のインクの表面がほんの少し露出している構造となる。つまり、分散系のインクが露出した吐出口の数十μｍから数百μｍという近距離で描画対象物が加熱されているので、分散系のインクの溶媒は蒸発し、分散質（機能性物質の粒子）のみが吐出口に残ることになる。そして、その残った分散質が固まって吐出口を塞ぎ、「インク詰まり」を起こす。
【００１９】
したがって、上記特許文献１が示す技術では、実際にはヒーターの温度をインクの沸点という高温に設定することは難しいことが、様々な記載から予想される。その理由として第一に、特許文献１の実施例では、パターンを描画する前に必ず基板の表面処理を行う記載がなされているからである。おそらく、当該実施例の構成では実際には吐出口が閉塞しないような低い温度に設定せざるを得ず、基板の加熱はインクの「濡れ広がりの抑制を期待する」ものであろう。第二に、閉塞時に備え、「クリーニング機構部１４」を設けており、ホットプレートにより加熱されたインクジェットヘッドにインクが詰まった時にはすぐに吐出口をクリーニングして吐出を回復させなければならないのであろうし、吐出の回復ができる程度の閉塞であれば基板の加熱温度はよほど高いものではない、と当業者であれば容易に想像がつく。
【００２０】
このように、インクの濡れ広がりを抑えて高精彩なパターンをインクジェットにより描画する方法として基板加熱を提唱しつつも、実際には基板の表面処理との組み合わせにより実施している先行文献は非常に多い。
【００２１】
インクジェットヘッドへの熱の影響を最小限に抑えつつ、インクの濡れ広がりを確実に抑制できるほど基板を加熱するための発明として考えられたのが、上記特許文献２である。レーザや赤外線をインクの「着弾予定領域に」のみ照射して加熱することにより、インクジェットヘッドへの熱の影響が大幅に軽減されると考えられる。
【００２２】
本発明の発明者は上記特許文献２に記載の技術に関しても検討してみたが、すぐに物理的限界、あるいは予算的な限界に直面することとなる。第一に、インクジェットで任意のパターンを高精細に描画するためには、インクジェットヘッドの吐出口と描画対象物との距離（以下、ワーキングディスタンス、またはＷＤと記載）を１ｍｍ以下、好ましくは１００μｍ以下と非常に短くする必要がある。さらに、インクジェットヘッドにはある程度の大きさがあることから、上記特許文献２の代表図１のように、「着弾予定領域」、上記特許文献２の発明を実施する最良の形態４３段落を参考にすると「インクの着弾位置から０．５ｍｍ〜５０ｍｍ離れた領域」にレーザを照射できるような物理的空間は存在しないのが一般的である。
【００２３】
仮にそのような空間があったと仮定し、着弾予定領域に照射できたと仮定する。そのような仮定をしたとしても問題になるのがレーザの波長である。現在、様々な波長のレーザが市販されているが、描画対象物の材質によって加熱できるレーザの波長が異なる。上記特許文献２には詳細なレーザの波長や描画対象物の材質については言及されていないが、発明を実施するための最良の形態３３段落に、「基板には石英ガラス基板を、加熱照射源にはＣＯ２レーザを用い」との記載がある。
【００２４】
一般的に販売され購入できるレーザにおいて、ＣＯ２レーザは高出力が得られ、安価な部類に入るが、波長が約１０μｍの赤外線であり、上記特許文献２に記載されている石英ガラスを含め、通常のソーダガラス、プラスチック等の樹脂類を加熱することは出来るが、電子デバイスの基板として多々用いられるシリコンや、可視光以上の光を反射する金属を加熱することが出来ない。
【００２５】
特定の波長を有する光を当てたときに発熱するか否かは物質固有の性質であり、シリコンのような半導体は約１μｍ以下、遷移金属は可視光より短い波長のレーザを用いる必要がある。このように、波長の短いレーザとなると、インクジェット装置１台分よりも高価になり、その上、吐出口が複数ある場合には各吐出口から吐出されるインクの着弾予定位置に対してレーザを照射する必要がある。これは非常に難しい光学設計を行うか、吐出口の数だけレーザを設置することとなり、途端に予算面で非現実的となる。
【００２６】
プリンテッドエレクトロニクスの一つとして位置づけられるインクジェットによるオンデマンドでの高精細パターン描画は、現在電子デバイスのプロセスとして主流であるフォトリソグラフィープロセスの代替プロセスとして期待されている。フォトリソグラフィープロセスは微細なパターンを高精細に形成することが可能であるが、その高精細さに比例して非常に高価な装置を何種類も必要とする。プリンテッドエレクトロニクスは、そのプロセスを安価な印刷技術によって置き換えようという発想であるため、上述のような高価なレーザを何台も設置するのであればフォトリソグラフィーの代替とはなりえない。
【００２７】
それでも、長いインクジェットの歴史に於いて、描画対象物の加熱という手法によるオンデマンドでの高精細パターンの描画は非常に多くの研究がなされてきた。例えば、上記非特許文献２は高精細描画のための研究論文ではない。加熱した描画対象物にインクジェットプリンターを用いて銀塩インクのパターンを描画することにより、描画と焼成とを同時に行おうとする研究論文である。それにも関わらず、描画対象物を高温に加熱することにより濡れ広がりを抑えて細い配線を描画することができたという結果が記載されている。このように、描画対象物を加熱してインクジェットによる高精細パターン描画について多くの研究がなされているのは、実用化への大きな課題はあれども、実験的には非常に素晴しい成功をおさめてきているという事実があるからではないか。発明者は、この、描画対象物を加熱することによる高精細パターン描画が可能なインクジェット装置の実用化・装置の商品化への課題に取り組むべく、試行錯誤を重ねた。
【００２８】
まず、インクジェット業界では、オンデマンドでの高精細パターン描画を実現するために必ず満たされなければならない条件（いうなれば常識）があると考えられている。第一に、吐出口から吐出されるインクの液滴径を小さくすること、これはすなわち、吐出口そのものを小さくすることと同義である。第二に、ワーキングディスタンスを出来るだけ短くし、吐出したインクを狙った位置に確実に着弾させる。第三に吐出するインク滴の速度を速くしないことである。これは、上記非特許文献１に記載されているＤｃｍａｘを求める式に示されるように、描画対象物に着弾したインクの濡れ広がり径はインクの吐出速度に依存し、速度が速いほど着弾した後の径が大きくなるからである。
【００２９】
そのほかにも、吐出口から吐出されるインク滴が分裂していないことや、吐出されたインクの速度と描画対象物を動かすステージのスピードの兼ね合いなども考慮に入れる必要がある。吐出口から吐出されるインクは、吐出の制御方法によりいくつかに分裂することが多々あり、主滴の前後に小さな副滴（以下、サテライトと記載）が分離すると、サテライトの飛翔方向をコントロールすることが出来ないため、サテライトが出ると目的のパターンを描画することは出来なくなる。さらに、上記第三で挙げたように吐出するインク滴の速度を遅くする必要があるので、描画対象物を動かすステージが速く動くと狙った位置にインクを着弾させることが出来なくなる。つまり、必然的に吐出速度と、ステージの速度は遅くする必要がある。
【００３０】
ここで、「高精細」という言葉について記載する。本明細書では「高精細」や「高精細なパターン」という言葉を多用している。この精細度というのは人間の可視性に依存して判断されることが多く厳密な数値化することは難しい。しかし、平均的に人間が肉眼で見える最小の大きさは１００μｍといわれている（代表としてオリンパス社ＨＰ参照http://microscopelabo.jp/learn/025/）。したがって、本明細書では、高精細描画とは、１００μｍ以下のインク滴の集合により描画されたものを指す。さらに詳細には、描画装置からインク滴を１滴描画対象物に着弾させた時の着弾径が１００μｍ以下であるとする。
【００３１】
以上、本発明の課題は、どのような表面状態を持つ描画対象物に対しても、表面処理を全く行うことなく、描画対象物を加熱してもインク詰まりを生じさせることなく高精細なパターンを描画できるパターン描画装置、およびそのパターン描画方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００３２】
発明者は、上記の高精細パターンを実現するために必要と考えられている常識こそが、描画対象物を加熱することによる高精細パターン描画が実用化されない原因ではないかと考え、それらの常識を破り、さらに新たな技術を導入することにより本発明に至った。
【００３３】
上記課題を解決し、オンデマンドでの高精細パターン描画が可能な本発明のパターン描画装置は、少なくとも、インクジェットヘッド、ステージ、コントローラ、および、インクを溜めるリザーバを有する。インクジェットヘッドは、インクを吐出するための吐出口を１つ、または複数有し、吐出口は、１平方ｃｍ以上の面積を有する平板に穿たれた穴である。インクは、分散質粒子を分散媒に分散させた分散系のインクであり、リザーバから吐出口までの間はインクが充填されている。ステージは、描画対象物を載置するとともに、描画対象物の描画予定領域を均一な温度に加熱する加熱機構を有し、インクジェットヘッドの吐出口と描画対象物との間の距離は０．５ｍｍ以上、２０ｍｍ以下である。コントローラは、インクジェットヘッドおよびステージの相対的な動作を制御する構成である。
【００３４】
ここで、描画対象物を加熱する温度は、使用する系、例えばインクの溶媒、インクの濃度、描画対象物の表面の形状などによって変化する。一概には決めることができないため、下記「発明の効果」以下でその詳細について説明する。
【００３５】
この描画装置の構成において、吐出口を穿つ平板は、遷移金属、周期表１３属および１４属元素、またはそれらの合金、ならびに、ポリイミド、ＰＥＮ（ＰｏｌｙＥｔｈｙｌｅｎｅ  Ｎａｐｈｔｈａｌａｔｅ）、ＰＥＥＫ（ＰｏｌｙＥｔｈｅｒ  Ｅｔｈｅｒ  Ｋｅｔｏｎｅ）のいずれかで作製されており、その平板に設けられた吐出口の直径は２０μｍ以上、６０μｍ以下である。
【００３６】
さらに、この描画装置に使用するインクの組成として一例を挙げると、インクの分散質粒子は、表面に２ｎｍ以上３ｎｍ以下の分散剤に被覆された平均粒子径が２０ｎｍの非磁性金属粒子であり、分散媒は非極性の鎖式飽和炭化水素であり、分散質濃度が３５ｗ％以上、６５ｗ％以下である。
【００３７】
上記課題を解決し、オンデマンドでの高精細パターン描画が可能な本発明のパターン描画方法は、少なくとも、インクジェットヘッド、ステージ、コントローラ、および、インクを溜めたリザーバを有する装置を用いる。インクジェットヘッドは、インクを吐出するための吐出口を１つ、または複数有し、吐出口は、１平方ｃｍ以上の面積を有する平板に穿たれた穴である。インクは、分散質粒子を分散媒に分散させた分散系のインクであり、リザーバから吐出口まではインクを充填する。ステージには描画対象物を載置するとともに、描画対象物の描画予定領域を均一な温度に加熱する。そして、インクジェットヘッドが描画対象物の描画予定領域上にくるように配する。このとき、吐出口と描画対象物との間の距離は０．５ｍｍ以上、２０ｍｍ以下とし、コントローラにより、吐出口から吐出させるインクの状態およびタイミング、インクジェットヘッドおよびステージの相対位置、ならびに描画対象物の加熱温度を制御して吐出口よりインクを吐出させる。
【００３８】
本発明は上記パターン描画方法においてさらに、描画対象物と同じ材質同じ厚さの擬似基板を配し、擬似基板を、描画対象物の描画予定領域と同じ温度に加熱し、インクジェットヘッドを擬似基板上に配して１秒以上６００秒以下の時間でインクを吐出させた後、インクジェットヘッドが描画対象物の描画予定領域上に来るよう配し、インクジェットヘッドの吐出口よりインクを吐出させることができる。
【００３９】
本明細書では、上記のように加熱された擬似基板上でインクジェットを吐出させることを「予備吐出」と記載する。
【００４０】
さらに、本発明のパターン描画方法は、吐出口より吐出したインク滴が描画対象物に着弾した時の直径に比して、吐出口より吐出した第ｎ＋１（ｎ＞１）番目のインク滴は、吐出口より吐出した第ｎ番目のインク滴と０．１倍以上０．８倍以下の距離で重なるよう着弾させる。
【００４１】
また、本発明のパターン描画方法は、第ｎ＋１番目のインク滴は、第ｎ番目のインク滴が着弾した後、０．１ｍ秒以上１０ｍ秒以下の時間内に描画対象物に着弾させる。
【００４２】
とりわけ、本発明のパターン描画方法において、
吐出されるインクの分散媒はドデカンであり、インクの分散質は、表面に２ｎｍ乃至３ｎｍの分散剤に被覆され、平均粒子径が２０ｎｍの非磁性金属粒子であり、分散質の重量濃度が３５ｗ％以上６５ｗ％以下とする。そして、吐出口より吐出したインク滴が描画対象物に着弾した時の直径に比して、吐出口より吐出した第ｎ＋１（ｎ＞１）番目のインク滴は、吐出口より吐出した第ｎ番目のインク滴と０．５倍以上０．８倍以下の距離で重なるよう着弾させ、かつ、第ｎ＋１番目のインク滴は、第ｎ番目のインク滴が着弾した後、２ｍ秒以上５ｍ秒以下の時間内に描画対象物に着弾させる。このとき、描画対象物の温度は１３０度以上１５０度以下に設定することで、高アスペクト比の配線を描画することができる。
【００４３】
同様に、本発明のパターン描画方法において、
吐出されるインクの分散媒はテトラデカンであり、インクの分散質は、表面に２ｎｍ乃至３ｎｍの分散剤に被覆され、平均粒子径が２０ｎｍの非磁性金属粒子であり、分散質の重量濃度が３５ｗ％以上６５ｗ％以下とする。そして、吐出口より吐出したインク滴が描画対象物に着弾した時の直径に比して、吐出口より吐出した第ｎ＋１（ｎ＞１）番目のインク滴は、吐出口より吐出した第ｎ番目のインク滴と０．５倍以上０．８倍以下の距離で重なるよう着弾させ、かつ、第ｎ＋１番目のインク滴は、第ｎ番目のインク滴が着弾した後、２ｍ秒以上５ｍ秒以下の時間内に描画対象物に着弾させる。このとき、描画対象物の温度は１７０度以上１９０度以下に設定することで、高アスペクト比の配線を描画することができる。
【発明の効果】
【００４４】
本発明の効果は上記「課題を解決するための手段」のみによって理解することは難しいと思われるため、効果の理解の助けになるものとして当該手段によって生じる物理現象の原理とともに図を用いて説明する。もちろん、本発明の課題を解決する手段とその説明として述べる物理現象はすべてが解明されているわけではなく、他の解釈も存在しうる可能性は否定されない。したがって、本発明は下記現象論によって限定されるものではない。しかしながら、本発明の課題を解決する手段を実行することにより、本発明の効果を得ることができる。
【００４５】
上記「課題を解決するための手段」で記載した本発明の構成は、上記「発明が解決しようとする課題」で記載した高精細パターン描画用インクジェットシステムの常識を見直し、新たな構成を打ち出すことで課題を解決している。
【００４６】
本発明のパターン描画装置は、高精細パターン描画の常識として挙げた、第一「インクの液滴径を小さくする（吐出口を小さくする）」、第二「ワーキングディスタンスを短くする」、第三「インク滴の速度を遅くする」の全てに反する構造をとる。つまり、本発明のパターン描画装置は、従来の高精細パターン描画用インクジェットシステムに比較して、吐出口の径が大きく、ワーキングディスタンスが長く、インク滴の速度が速いインクジェットヘッドを用いる。
【００４７】
具体的に本発明は、インクジェットヘッドの吐出口の直径を、一般的に高精細描画用途として販売・使用されているものよりも格段に大きい２０μｍ以上６０μｍ以下、好ましくは３０μｍとした。これにより、一度に吐出されるインク滴の質量が大きくなり、質量と慣性によって速い速度で直線的に遠くまでインク滴を飛翔させることができる。したがって、今まで最大でも数百μｍといわれていたワーキングディスタンスを、２０ｍｍまで大きくすることを可能にした。
【００４８】
さらに、吐出口を金属でできた平板に形成することにより、他の素材よりも熱の影響を受けにくくなっている。金属は、熱伝導率が高いので温まりやすいと考えられがちであるが、赤外線を反射するため、ステージや描画対象物からの輻射熱による温度上昇が無く、吐出口近辺の温度上昇を抑えることが出来る（吐出口を穿つ平板のことを、以下、オリフィスプレートと記載する。）。これにより、ステージからの熱により分散系インクの分散質が吐出口で固まり、インクが詰まってしまう問題を回避することが出来る。さらに、オリフィスプレートのサイズ１平方ｃｍを大きくすることにより、インクジェットヘッド全体も大きくなり、インクジェットヘッドの熱容量が大きくなることでインクジェットヘッド全体の温度上昇を抑えることができる。
【００４９】
しかし、それだけでは高精細なパターンの描画ができるわけではない。インクジェットヘッドと共に重要なのがインクの組成である。
【００５０】
本発明のパターン描画装置に充填されているインクは粒子を分散させた分散系のインクである必要がある。例えば、J. Magn. Magn. Mater., 125 263 (1993)や、当該論文の筆頭著者がまとめているホームページ「磁気記録媒体用磁性塗料における磁性粒子の分散性に関する研究」（http://hr-inoue.net/zscience/doctor/d-chapter3/d-chapter3.html）第３章などを参考にするとわかるように、分散系はその分散質重量濃度と粘度に相関があり、その相関は低濃度では線形であるが、ある濃度を境に急激に高次関数的に上昇する。上記引用文献は磁性粒子分散系であり、磁性粒子分散系は粒子同士の相互作用があるため約２０ｗ％から急激に粘度が上昇すると述べられている。
【００５１】
上記文献がさらに引用しているAnn. In. Phys., 19, 289 (1906)などは、相互作用の無い球体の微粒子分散系に関して述べている。相互作用の無い分散系に関しては、当該文献以外にも多数の研究がなされており、分散溶媒や分散質の粒子サイズにも依存するが、磁性粒子よりも高い濃度で急激に粘度が上昇することが分かっている。例えば、直径が２０ｎｍ程度の金属粒子を非極性溶媒に分散させた場合、５０〜６０ｗ％で粘度が急激に上昇する。
【００５２】
つまり、分散系のインクは、ある濃度までは線形に緩やかに粘度が上昇するが、ある点を境に高次関数的に急激に粘度が上昇する。そこで、描画対象物を加熱していれば、当該描画対象物に着弾したインク滴は、溶媒が蒸発することで急激に粘度が上昇し、加熱されている描画対象物の温度に依存した溶媒の蒸気圧に達したところで平衡状態となる。
【００５３】
本発明のパターン描画装置では、様々な機能を有する分散質を分散させたインクを用いることができるが、それらは全てこの粘度が急激に上昇する前の重量濃度に調合したインクを使用することが好ましい。これにより、高精細描画に適した様々な効果を得ることができる。
【００５４】
とりわけ、インク滴一滴一滴を観察した場合について、図６を用いて説明する。図６（ａ）が示すようにインクジェットヘッドの吐出口から吐出されたインク滴６０１が描画対象物６０２に着弾した瞬間は半球形である。この半球形を微視的に見た場合、盛上がった中心部（矢印６０３）よりも厚みの薄い端部（矢印６０４）の方が体積に対する表面積が大きいため、溶媒の蒸発速度が速く、粘度が高くなる速度も速い。したがって、着弾したインク滴６０１の端部６０４が最も速く乾燥して描画対象物６０２に固定されるため、図６（ａ）中の両矢印６０５で示すインクの着弾幅を抑制することができる。
【００５５】
このように、粒子の分散系に関する重量濃度と粘度との関係は、引用文献の古さからも分かるように昔から知られていることであったが、この性質をインクジェットのインクに利用して高精細なパターンを描画するという技術は、本発明の発明者によって発見されたものである。何故なら、今までインクジェットシステムは、ワーキングディスタンスは短ければ短いほど高精細描画が可能であるという常識があり、基板を加熱する熱によって粘度が急激に変化するよう調合された分散系インクは使用することができなかったからである。
【００５６】
以上により、本発明のパターン描画装置は、上記のワーキングディスタンスが長いインクジェットヘッドを用いることで熱によるインクジェットヘッドの吐出口のインク詰まりを回避し、分散系の濃度によって粘度が変化する性質を利用して溶媒が蒸発してインク滴中の分散質濃度が上昇すれば急激に粘度が上昇するよう調合されたインクを用いる。そして、描画対象物を加熱することによって着弾したインク滴の濡れ広がりを抑えることにより、描画対象物の濡れ性をコントロールするための表面処理を全く行うこと無しに高精細なパターンの描画が可能な描画装置を実現することができる。
【００５７】
さらに分散系のインクの粘度を含む物性の変化は、描画対象物が加熱されているがゆえに、描画対象物に着弾したインクの広がり方向をも制御することができるようである。
【００５８】
単純なモデルとして、描画対象物に対し、第一番目に着弾したインク滴とやや重なり合うように第二番目のインク滴を着弾させる。第二番目のインク滴には、それと重なり合うように第三番目のインク滴を着弾させ、それを繰り返して、第ｎ−１番目（ｎ＞２）のインク滴と重なり合うように第ｎ番目のインク滴を着弾させる。そして、第ｎ番目のインク滴と重なり合うように第ｎ＋１番目のインク滴を着弾させ、直線を描画した場合を図６（ｂ）、および図６（ｃ）に示して説明する。まず、第ｎ番目のインク滴６０６が第ｎ−１番目のインク滴６０８に重なって描画対象物６０２に着弾し、次に第ｎ＋１番目のインク滴６０７が第ｎ番目のインク滴６０６に重なって描画対象物に着弾すると、第ｎ番目のインク滴６０６は、図６（ｃ）中の２つの矢印のどちらかで示されるように、第ｎ−１番目のインク滴６０８、または第ｎ＋１番目のインク滴６０７のどちらかへ異方的に流動する現象が見られる。
【００５９】
これが実験的に観察された様子を図７（ａ）、（ｂ）に示す。図７（ａ）では、第ｎ番目のインク滴が第ｎ-１番目のインク滴側へ流動しているように見られる。図７（ｂ）では逆に、第ｎ番目のインク滴が第ｎ＋１番目のインク滴側へ流動しているように見られる。このような現象は、インクの濃度、インク滴の大きさ、着弾間隔や着弾時間等、様々な要因によって変化するようであり、明確な原因は分かっていない。
【００６０】
おそらく、描画対象物６０２が加熱されている事により、着弾したインク滴は急激に分散媒が蒸発していく。そこへ第ｎ番目のインク滴６０７が着弾すると、当該第ｎ＋１番目のインク滴６０７が着弾した瞬間は、第ｎ番目のインク滴６０６よりも第ｎ＋１番目のインク滴６０７の方が分散媒含有量が多い。このように、微小な時間差内で物性が異なった第ｎ番目のインク滴６０６と、第ｎ＋１番目のインク滴６０７とが接触すると、第ｎ番目のインク滴６０７は等方的ではなく、同組成に近いインク滴側に異方的に流動しやすくなるのであろうと予想される。
【００６１】
この、第ｎ番目のインク滴が、第ｎ-１番目のインク滴側、または第ｎ＋１番目のインク滴側へ流動する現象は、様々な原理が考えられているが、粘度を含む様々な物性が変動しながら流動する動的現象かつ非常に微小な系であるため、明確な原理の証明は非常に難しい。発明者が知る中で予想されている原理としては次の二つがある。
【００６２】
第一に、上記したように、第ｎ＋１番目のインク滴が着弾した瞬間、第ｎ番目のインク滴は、第ｎ＋１番目のインク滴よりも濃度が高くなっている。分散系は、濃度が高くなるにつれて粘度が高くなることは上により述べたが、同様に表面張力も高くなる傾向がある。つまり、第ｎ＋１番目のインク滴は、第ｎ番目のインク滴よりも表面張力が低いために、表面張力が高い第ｎ＋１番目のインク滴の方へ流動する、という考え方である。
【００６３】
第二に、第ｎ＋１番目のインク滴が着弾した瞬間、第ｎ番目のインク滴が着弾した場所は第ｎ番目のインク滴が含有する溶媒を揮発させる気化熱が奪われて少し温度が下がる。そこへすぐに第ｎ＋１番目のインク滴が着弾すると、第ｎ番目のインク滴は第ｎ＋１番目のインク滴が着弾した位置よりも温度が低くなっていると考えられる。逆に、第ｎ番目のインク滴が着弾してじゅうぶんに温まってから第ｎ＋１番目のインク滴が着弾した場合は、第ｎ番目のインク滴が着弾した部分よりも第ｎ＋１番目のインク滴が着弾した位置の方がインクの温度の影響を受けて温度が低くなっている可能性もある。液体は、温度差があると温度が高いほうから低い方へ流動する性質がある（マランゴニ流と呼ばれる）。この流動は、分散系内で微小な温度差がある場合これを均一にするために流動する、または、温度差により表面張力に差が生じて流動する、などと考えられている。
【００６４】
どの原理を採択するにしろ、本発明のパターン描画装置によりインクジェットヘッドから吐出したインク滴を重なり合うように着弾させていくと、濡れ広がりを異方的に制御して細い線を描画することができ、ひいては、描画対象物の表面処理を行うことなく高精細なパターンを描画する装置を実現することができる。
【００６５】
さらに、本発明のパターン描画方法についてもその効果を説明する。本発明のパターン描画方法は、本発明のパターン描画装置を用い通常通りの手順で描画を行っても良いが、擬似基板上でインクジェットを吐出させた後、描画対象物に描画することが好ましい。
【００６６】
インクジェットヘッドは、常温で保持された状態から加熱された描画対象物の上に配置されると、周囲の温度変化を受けて少なからず吐出に影響が生じる。この影響の大きさはインクジェット装置の構成にも依存するが、本発明のパターン描画装置の構成をもっても完全に排除することはできないがために本発明の方法を採用するものである。
【００６７】
本発明のパターン描画方法は、インクジェットヘッド周辺の温度変化の影響を排除するため、描画対象物と同じ温度で加熱されている擬似基板上で吐出を行いながらインクジェットヘッドとその吐出が熱平衡に達するのを待つ。そして、インクの吐出が安定した後、インクジェットヘッドが所定の温度に加熱されている描画対象物上にくるように相対位置を変えてパターンを描画することで、ステージや描画対象物からの熱に影響されること無く、安定した描画を実現することができる。
【００６８】
これは、本発明の熱による影響を最小限に抑えたインクジェットヘッドを有する描画装置の構造であるがゆえに実現できるものであり、通常使用されるワーキングディスタンスが短く吐出口の径が小さなインクジェットでは熱平衡に至る前にインク詰まりを生じ、吐出が不可能になる。つまり、本発明のパターン描画方法は本発明のパターン描画装置によって実現される。
【００６９】
以上、本発明のパターン描画装置、およびパターン描画方法を用いることで、どのような素材の基板にも全く表面処理をすることなく、任意のパターンを高精細に描画することができるようになる。さらには、描画方法を工夫することにより、今まではインクジェット描画装置では不可能と言われていた高アスペクト比の微細配線を形成することも可能である。
【００７０】
本発明は、上記したように非常に複雑な物理現象が絡み合って成立しているが、構成自体は非常に単純であるため、今までのような実験レベルではなく、実用化・製品化に耐えうるインクジェット描画装置の実現という大きな効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明のパターン描画装置の代表的な構成を説明する図である。
【図２】本発明のパターン描画装置を構成するインクジェットヘッドを説明する図である。
【図３】本発明のパターン描画装置の一実施の形態を説明する図である。
【図４】本発明のパターン描画方法の一実施の形態を説明する図である。
【図５】本発明のパターン描画方法の一実施の形態を説明する図である。
【図６】本発明のパターン描画装置によって見られる現象を説明する図である。
【図７】本発明のパターン描画装置を用いて描画した線のＳＥＭ像（走査型電子顕微鏡で撮影した像）の上面図である。
【図８】インクジェットヘッドの駆動部に印加する電圧パルスの例を示す図である。
【図９】本発明のパターン描画装置を用いて描画した線のＳＥＭ像の上面図（ａ）と断面図（ｂ）である。
【図１０】本発明のパターン描画装置を用いて描画した線のＳＥＭ像の上面図（ａ）と断面図（ｂ）である。
【発明を実施するための形態】
【００７２】
本発明の実施の形態について、図面を用いて以下に説明する。ただし、本発明は以下の説明のみに限定されることはない。本発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解されるからである。したがって、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容のみに限定して解釈されるものではない。なお、図面を用いて本発明の構成を説明するにあたり、同じものを指す符号は異なる図面間でも共通して用いる。
【００７３】
（実施の形態１）
まず、本発明のパターン描画装置の最も基本的な実施の形態を図１に示す。本発明のパターン描画装置は、少なくともインクジェットヘッド１０１、ステージ１０２、コントローラ１０３、およびインク１０５を溜めるリザーバ１０４を有する。
【００７４】
まず、インクジェットはその吐出方式により大きく二つに分類される。一つは連続式、もう一つはドロップオンデマンド式と呼ばれることが多い。連続式インクジェットは、インクを連続的に吐出させ、必要に応じてその軌道を曲げることにより描画対象物へインクを着弾させる。必要でなかったインクは回収されて装置内を循環して再度吐出される。一方、ドロップオンデマンド式は、描画したい時にだけインクを吐出するように制御する。したがって、吐出されたインクは全て描画対象物上に着弾する。
【００７５】
本発明のパターン描画装置に使用するインクジェットは、ドロップオンデマンド式のインクジェットである。当該ドロップオンデマンド式のインクジェットに用いられるインクジェットヘッドには、様々な吐出方式のものがある。例えば、電磁弁により吐出を制御するバルブ方式、インクを加熱した時の体積膨張を利用して吐出させるサーマル方式、圧電素子（以下、ピエゾとも記載）の変位を利用して吐出させるピエゾ方式があり、ピエゾ方式には圧電素子の変位をどのように利用するかにより、ベンドモード、プッシュモード、シェアモードなどに分類される。
【００７６】
それぞれ個別の特徴があるが、とりわけサーマル方式やピエゾ方式のシェアモードは、構造を微細にすることができるため、微細な液滴を吐出して高解像度の描画を可能にするために開発されたものである。そのため、本発明の構成に必要とされるインク滴の長距離飛翔は期待できない。また、サーマル方式はインクを沸点まで加熱するため、分散系のインクを使用する本発明のインクジェットには適用できない。
【００７７】
したがって、本発明を構成するインクジェットヘッドは、サーマル方式以外の一般的なインクジェットヘッドで、飛翔距離が長く得られるものであればどのような方式でもかまわない。このようなインクジェットヘッドは、家庭用インクジェットプリンターではなく、産業用インクジェットプリンターとして広く普及しているので、それらを採用すればよい。
【００７８】
インクジェットヘッドの吐出口は１つでもよく、複数あってもよい。例えばインクジェットヘッドの外観を図２に示す。上記した産業用インクジェットプリンターのインクジェットヘッド２０３は、吐出口２０２が１つのものから、７、８、３２、１２８、５００、６００、それ以上と様々ある。そして、その吐出口２０２は平板２０１に穿たれた穴によって形成されている。図２では吐出口２０２が８つ設けられている例を示す。
【００７９】
本発明において、上記吐出口を設ける平板（オリフィスプレートとも記載する）は、遷移金属（例えば鉄やチタン等）、周期表１３属および１４属元素（例えばシリコンや錫等）、またはそれらの合金（例えば、ＪＩＳ規格においてＳＵＳと呼ばれるスチール鋼）のいずれかで構成される。
【００８０】
しかし、金属やシリコンのような硬い物質に小さな穴を穿つことは加工技術的に難易度が高い。もちろん、放電加工のように加工費を無視すれば加工できないことは無いが、プリンデットエレクトロニクスが求める安価な装置構成とプロセスという概念に反する。そこで加工の容易性を鑑み、吐出口を設けるオリフィスプレートは、耐熱性に優れたプラスチック板、例えばポリイミド、ＰＥＮ（ＰｏｌｙＥｔｈｙｌｅｎｅ  Ｎａｐｈｔｈａｌａｔｅ）、ＰＥＥＫ（ＰｏｌｙＥｔｈｅｒ  Ｅｔｈｅｒ  Ｋｅｔｏｎｅ）等のいずれかを用いても良い。このようなプラスチック板を用いる場合は、描画対象物からの輻射熱によりオリフィスプレートの温度が上昇しないよう、最表面に非常に薄い金属膜を蒸着してもよい。それにより、当該金属膜が赤外線を反射し、オリフィスプレートの温度上昇を抑えることができる。
【００８１】
そして、インクジェットヘッドにインク１０５を供給するためのリザーバ１０４がある。リザーバとはインクを溜めるインクタンクのことであり、これはインクジェットヘッドと分離してリザーバからインクジェットヘッドまでがインク供給チューブで接続されているものでも良いし、リザーバとヘッドとが一体化してリザーバを交換できるカートリッジ方式でもよい。
【００８２】
図１にはインクジェットヘッド１０１とリザーバ１０４とが分離しているパターン描画装置の構成を示している。この場合、インクジェットヘッド１０１の吐出口とリザーバ１０４内に入っているインクの液面の高さとを（図中点線で示すように）ほぼ同じにする必要がある。好ましくはインクの液面をほんの少し、約０．０５ｍｍから０．２ｍｍ程度低くする。これは、インクの液面を大幅に低くすると吐出口から空気が吸い込まれてインクジェットヘッド１０１からインクが吐出しなくなるため、逆にインクの液面を吐出口よりも高くすると、吐出口よりインクが漏れてくるためである。インクの液面と吐出口との高さを同一にする（または少し液面を低くする）ことによって、吐出口内にインクのメニスカスが形成され、良好な吐出性能を得ることができる。また、インクジェットヘッドとリザーバとが一体化している場合は、吐出口からインクが漏れないようにリザーバ内を負圧にコントロールすることが好ましい。
【００８３】
図２には、リザーバがインクジェットと分離して設置される場合のインクジェットヘッドを示す。この場合には、リザーバからインクが供給される供給口２０４が設けられている。このように、外からインクを供給する構造の場合、インクを入れる際、追加する際、または交換する際に、インク流路内に大量の空気が混入して吐出不良を起こすことがある。そのような場合に備えて、インクジェットヘッド２０３には、空気をインクと共に排出するインク排出口２０５が設けられていることが好ましい。もちろん本発明の装置は、当該インク排出口２０５が設けられていないインクジェットヘッドを用いても良い。
【００８４】
図１の説明に戻って、ステージ１０２は、描画対象物１０７を載置できる構造であり、内部にヒーター等加熱機構１０６を有し描画対象物１０７を均一な温度に過熱することができる。図１は、平坦な描画対象物１０７が平坦なステージ１０２に載置されている図を示す。
【００８５】
ステージ１０２の構造は、描画対象物の形状や材質に依存するところがある。例えば、描画対象物がガラス板やシリコンウエハのように、平坦である程度の厚みと重量がある場合、ステージは、最上面が平坦でホットプレートのような加熱機構を有していればよい。また、描画対象物がＰＥＴやポリイミド、ＰＥＮ、ＰＥＥＫのフィルムのようにやわらかく任意の形状を取りうるものの場合、ステージはピンや真空チャックのような描画対象物を固定できるような機構を有していることが好ましく、さらに当該描画対象物と密着して均一な温度保つ加熱機構を設ける。
【００８６】
図３には、プリンテッドエレクトロニクス分野で頻繁に話題となるロールツーロール（Ｒ２Ｒ、と記載されることがある）と呼ばれる方法を実現するための装置構成の例を示す。ロールツーロールは、フレキシブルな（可撓性を有する、と記載されることがある）基板３０１を巻き取り方式にて連続描画する方法である。このような装置構成では、ステージ１０２は巻き取り基板を支持する機構や、描画予定領域を支持し、当該描画領域を均一に加熱する加熱機構等を設けることができる。
【００８７】
本発明のパターン描画装置は、上記で説明したインクジェットヘッドとステージとを適切な位置に配し、インクジェットヘッドのインク吐出口と、ステージの上に乗せた描画対象物との間の距離（ワーキングディスタンス）を、０．５ｍｍ〜２０ｍｍの範囲で設置する。
【００８８】
ワーキングディスタンスは一概に固定できるものではなく、インクジェットシステム全体を考慮して他の条件、例えば、吐出されるインク滴の大きさ、インク滴の速度、描画対象物の温度、インクの組成、インクの濃度等、さまざまな条件を考慮して決める必要がある。
【００８９】
例えば、インク滴の大きさと速度には相関が有り、インク滴が大きければ速度も速くなる傾向がある。インク滴の速度が速く、直進性が高ければワーキングディスタンスを大きく取る事ができる。また、描画対象物の温度が高ければ、インクジェットヘッドへの熱の影響を抑えるためにワーキングディスタンスを大きく取る必要がある。インクの組成と濃度もインク滴の速度に関係する。分散系インクの分散質の比重が高ければインク滴の質量が大きくなり、速度が速くなるのでワーキングディスタンスを大きく取る事ができる。つまり、どのような描画対象物、どのようなインクを用いて、描画対象物を何度に設定するかによって適切なワーキングディスタンスを決定することが非常に重要である。
【００９０】
インクに関しては、分散質濃度と粘度で決定する。上記「発明の効果」に記載したように、分散系は、ある重量濃度までは線形に緩やかに粘度が上昇するが、ある点を境に高次関数的に急激に粘度が上昇する。本発明では、この粘度が急激に上昇する直前の濃度に調合したインクを使用ことが好ましい。
【００９１】
この粘度上昇の変化する点は、分散質の性質、粒径、分散媒の種類により様々であるため一概に規定することはできない。例えば、磁性体のような相互作用を持つ分散質の場合は２０ｗ％近辺で、相互作用を持たない金属やポリマーでは、粒径にも依存するが、直径２０ｎｍの場合５０ｗ％〜６０ｗ％近辺で粘度が上昇することが多いと報告されている。
【００９２】
これは、分散質が分散媒と接している面積に依存している。分散質の粒径が小さくなるほど重量あたりの表面積が大きくなるので、一般的には分散媒との接触面積が広くなり粘度は高くなる。そのほか、分散媒として極性溶媒を用いる場合には分散質との相互作用が生じることもあると考えられる。
【００９３】
さらに分散質の表面積は、当該分散質を分散媒に均一に分散させるべく表面に分散剤が配されている場合には、分散質そのものの表面積ではなく分散剤の厚みをも考慮する必要がある。例えば、近年プリンテッドエレクトロニクス分野で頻繁に用いられている金属ナノ粒子を例にとって示す。分散質としての金属は分散媒に比べて１０倍以上比重が重く、金属粒子そのままでは殆ど分散媒に分散しない。そこで、分散質と分散媒とに大きな比重差があっても均一に分散するよう、金属粒子表面を分散剤で被覆している。この分散剤の厚みは、使用する分散剤の種類によって異なるが、金属粒子を分散させる分散剤の厚みは約２ｎｍ以上、５ｎｍ程度といわれている。従って、金属粒子の直径が２０ｎｍで分散剤の厚みが３ｎｍとすると、分散質の直系は２６ｎｍとして表面積を計算する必要がある。
【００９４】
ここで注意すべきは、粘度が急激に上昇する直前という条件だけでインクの濃度を決定することはできない。というのも、本発明を構成するドロップオンデマンド方式のインクジェットヘッドは、粘度が８〜１８ｃｐｓ、好ましくは１２〜１５ｃｐｓの範囲でなければ吐出できないのが一般的だからである。したがって、使用するインクの濃度は、使用するインクジェットヘッドの仕様を鑑みた上で、インクを調合する際に濃度と粘度との相関を測定して決めることが望ましい。
【００９５】
次に、本発明のパターン描画装置のコントローラ１０３は、インクジェットヘッド１０１、およびステージ１０２の両方の動作を制御するためにある。本発明において当該コントローラ１０３の構成も非常に重要である。というのも、本発明のパターン描画装置は任意のパターンを高精細に描画することが可能である。高精細化については上記で説明したが、任意のパターンを描画するためにはインクジェットの吐出とステージとの相対位置を制御する必要がある。
【００９６】
例えば図１に示すように、インクジェットヘッド１０１を固定して描画対象物１０７を載せたステージ１０２が可動する構成をとった場合、コントローラ１０３は描画するデータに応じてステージが特定の位置に移動した瞬間にインクを吐出させるよう制御しなければならない。この場合、ステージはＸ軸、Ｙ軸の２軸方向、またはそれに加えて回転のθ方向に可動するよう制御させることによって、描画対象物の描画予定位置をインクジェットヘッドの真下へと移動させる。
【００９７】
他にも、インクジェットヘッドをＸ軸、ステージをＹ軸（またはその逆の軸）に可動する構成としても良い。この場合コントローラは、インクジェットヘッドの位置、および描画対象物を載せたステージとの位置、ならびにインクジェットヘッドからのインクの吐出を制御する。
【００９８】
さらには、何らかの事情により描画対象物を可動させることができない場合、例えば上記の例で図３に示したロールツーロール方式のような場合には、インクジェットヘッド１０１をＸ軸、Ｙ軸の２軸方向、またはそれに加えて回転のθ方向に可動させるヘッドの駆動機構３０２必要がある。このとき、ステージは、インクジェットの可動およびインクの吐出、ならびにステージ上の描画対象物の加熱を制御する。このとき、ステージは描画対象物の載置とヒーターのみの機能を有しても良いし、描画対象物の面積が広いような場合には、直近の描画予定領域を所定の温度に加熱できるよう可動する機能を有してもよい。
【００９９】
上記例のように、本発明のパターン描画装置は様々な形態をとることが可能である。その中でも図１を用いて例示したインクジェット固定の構成が好ましい。なぜなら、ドロップオンデマンド方式のインクジェットヘッドは、外力、すなわち可動するときの加速度に弱く、衝撃を受けると吐出口から空気が入り、インクが吐出できなくなるという懸念があるからである。
【０１００】
しかし、描画対象物が非常に大きい場合、大きなステージを大きなストロークで動かすのは非現実的であり、描画対象物の形状、大きさによって本発明のパターン描画装置は様々な形態をとらざるを得ない。そのとき吐出不良を回避する有効なのが、インクジェットヘッド可動時の速度制御である。インクジェットヘッドに大きな加速度が加わらないようにするため、インクジェットヘッドを可動させる場合、始動時は速度を一定時間かけて徐々に速くし、それ以降は一定速度に保ち、停止時には一定時間かけて徐々に減速する制御を行う。このように、インクジェットヘッドを動かす場合は、コントローラはこのようなインクジェットヘッドの速度調節をも制御するように構成する必要がある。
【０１０１】
このように、本発明のパターン描画装置は、少なくとも、インクジェットヘッド、ステージ、コントローラ、および、インクを溜めるリザーバによって構成される。そして、本発明のパターン描画装置に適切に濃度および粘度が設定された分散系のインクを充填し、描画対象物を適切な温度に均一に加熱し、インクジェットヘッドと描画対象物との距離を適切な距離に設定し、コントローラによって描画対象物およびインクジェットヘッドの相対位置、ならびにインクジェットヘッドからのインクの吐出を制御することにより、任意のパターンを高精細に描画することができる。
【０１０２】
さらに、本発明のパターン描画方法は、擬似基板上でインクジェットを吐出させた後、描画対象物に描画することが好ましい。具体的には、本発明のパターン描画方法は、描画対象物と同じ素材、同じ厚みを有し、描画対象物と同じ温度に加熱された擬似基板上で吐出を行いながらインクジェットヘッドと、インクジェットヘッドからのインクの吐出が熱平衡に達するのを待つ（予備吐出）。そして、インクの吐出が安定した後、インクジェットヘッドを描画対象物上に配置して描画を実行する。
【０１０３】
上記予備吐出を行うための装置構成としては色々な方法を採用することができる。例えば図４に示すように、ステージ１０２の上に描画対象物１０７と予備基板４０１とを設置し、描画対象物１０７および予備基板４０１を所定の温度に加熱する。最初に、インクジェットヘッド１０１を加熱された予備基板４０１上に配して予備吐出を行う（図４（ａ））。そして、インクジェットヘッドや吐出が周囲の熱の影響を包含した系として構築された後に当該インクジェットヘッド１０１が加熱されている描画対象物１０７上へ来るように配し、描画を行う（図４（ｂ））。当然のことながら、予備吐出を行う時と描画を行う時のワーキングディスタンスは同じになるようにインクジェットヘッドを配することが好ましい。
【０１０４】
また、ステージの上に予備基板を載置するスペースがない場合、例えば描画対象物が非常に大きいような時には、図５に示すように、予備基板４０１を載置、加熱する第一のステージ５０１と、描画対象物１０７を載置、加熱する第二のステージ５０２とを設け、予備吐出（図５（ａ））と描画（図５（ｂ））とを別々のステージ上で行うことも可能である。このように本発明のパターン描画方法は、予備吐出を行うことで、ステージや描画対象物からの熱に影響されること無く、安定した描画を実現することができる。
【０１０５】
（実施の形態２）
次に、発明者が本発明を実施するために用いたパターン描画装置の実施の形態をさらに詳細に説明する。本実施の形態で示すパターン描画装置の構成は本発明を実施するための具体的な一例に過ぎず、本発明が当該実施の形態の内容によってのみ限定されることは無く、当業者が思いつく範囲であれば容易に変更は可能である。
【０１０６】
まず、図１で示すインクジェットヘッド１０１は、紀州技研工業（株）製のインクジェットプリンターで大文字用プリンターＨＱシリーズに使用されている「ピエゾセラミックス駆動ドロップオンデマンド型３２ｃｈヘッド」を使用した。紀州技研工業（株）の製品カタログにおいて、当該インクジェットヘッドは１ノズル３ホール、または１ノズル６ホールの２仕様しか記載されていないが、本実施の形態では、１ノズル１ホールのインクジェットヘッドを使用した。
【０１０７】
ここで１ノズル３ホールとは、１つの吐出部に３つの吐出口が形成されているという意味である。これは産業用インクジェットシステムに多々用いられる形態で、１つの吐出部に複数の穴を設けることでより多くのインクを吐出させ、印字を濃く見せようとするものである。本実施の形態では、そのような用途には用いないため、図２のインクジェットヘッドに示すような、一つの吐出部に１つの吐出口が設けられている、１ノズル１ホールのインクジェットヘッドを採用している。
【０１０８】
当該インクジェットヘッドのオリフィスプレートおよびインクの流路は、ＪＩＳ規格でＳＵＳ３０４と定められているスチール鋼合金の平板を用いて形成されている。そして、オリフィス径は直径が５０μｍのものと３４μｍのものを使用した。
【０１０９】
当該インクジェットヘッドは図１で示したように、インクジェットヘッド１０１とリザーバ１０４とが分離している方式で使用するものであるため、別途スクリュー瓶型のリザーバを用意した。当該リザーバはインクが補充できるように本体と蓋とに分かれ、かつ、インクの残量が一目で分かるように本体はガラスでできている。当該リザーバとインクジェットヘッドとは送液チューブで接続され、リザーバからインクジェットヘッドまでをインクで満たしている。また、当該インクジェットヘッドは図２で示したように、混入した空気を取り除きやすくするための排出口２０５が設けられている。
【０１１０】
次に、図１で示すステージ１０２は、描画対象物１０７を載置・固定できるセラミックヒーター付きバキュームチャックを、市販（駿河精機製）のＸＹ軸自動リニアステージ上に固定することで作製した。セラミックヒーターは、温度均一性を高めるために熱伝導率の低いアルミナにより挟まれており、バキュームチャックはミニポンプを接続し減圧することで描画対象物を固定するように表面に微細な穴が設けられている。駆動部である自動リニアステージは描画するパターンの精度や描画対象物のサイズにあわせて性能やサイズを選択すべきであるが、本実施の形態では２軸ともに２００ｍｍの移動距離を持つボールガイドステッピングモータ式を採用した。
【０１１１】
当該ステージ上に載置する描画対象物１０７は、ガラス基板、シリコン基板をはじめ、プリンテッドエレクトロニクス分野で注目されているフレキシブル基板、例えばポリイミド、ＰＥＴ、ＰＥＮなどのプラスチック基板を用いることができる。さらに、本実施の形態ではこれらのどの描画対象物に対しても表面処理を全く行わない。もちろん描画対象物表面が埃等で汚染されていれば、高精細なパターンを描画することができなくなるので、そのような場合には適宜、精製水や有機溶剤で洗浄を行えばよい。
【０１１２】
インクは紀州技研工業（株）製の銀ナノ粒子インク「ＫＧＫ  ＮＡＮＯ  ＡＧＫ１０１」、およびそれに類似して試作された高濃度品のインクを使用した。インクの分散質は直径２０ｎｍ程度の銀粒子、分散媒はドデカンを使用している。当該銀粒子は、ドデカンのような油系の分散媒に分散しやすいような分散剤に被服されており、その分散剤の厚さは約２〜３ｎｍである。
【０１１３】
実施の形態でも述べたように、使用するインクは分散質濃度の上昇により粘度が急激に上昇する手前の濃度に調整したものを用いることが最も好ましい。しかしながら、インクジェットヘッドの吐出条件としての粘度も考慮しなければならない。ＡＧＫ１０１は、分散質濃度を高めると、粘度が急激に上昇する以前にインクジェットヘッドで吐出できる粘度を越してしまうことがわかった。したがって、ＡＧＫ１０１はインクジェットヘッドの仕様を重視し、粘度が上昇するよりかなり手前の３５ｗ％の濃度とした。試作インクは類似した調合ながら濃度により粘度が急激に上昇する直前、かつインクジェットヘッドの仕様を満たす６５ｗ％の濃度とした。
【０１１４】
本実施の形態では、図１で示すようにインクジェットヘッド１０１を固定し、ステージ１０２を動かすことによってパターンを描画する構成とした。したがってコントローラ１０３はインクジェットヘッドと描画対象物との相対位置、インクの吐出タイミング、およびインクの吐出そのものを制御する。相対位置の制御のためには上記駿河精機製ＸＹ軸自動リニアステージのコントローラを使用し、インクの吐出制御のためにはインクジェットヘッドと同様に紀州技研工業（株）製のインクジェットプリンターで大文字用プリンターのコントローラＨＱ５１００を使用、さらに、パターンを描画するための吐出タイミング制御にはＸＹ軸自動リニアステージのステッピングパルスをカウントして特定の座標に移動した時にインクを吐出するように制御するコントローラを作製した。本実施の形態では、これらを連動させるために一部改造を加えているが、それは一般的な電気回路の知識があれば容易に実現できる程度のものである。
【０１１５】
本実施の形態では、上記インクの吐出制御、およびその観察についてもその構成を記載する。高精細なパターンを描画するためには、インクジェットヘッドから吐出されるインク滴が安定しており、副滴（サテライト）がない状態に制御しておかなければならない。液滴の吐出を制御するためには、インクジェットヘッドの駆動部に印加する電圧を様々に工夫することが知られている。例えば、図８（ａ）に示すように電圧を２回に分けて印加するダブルパルス、図８（ｂ）に示すように電圧を３回に分けて印加するトリプルパルスなどはよく知られている。ダブルパルス、トリプルパルスでは、印加電圧、印加時間、印加間隔等を任意に変更することができる。他にも、図８（ｃ）に示すように、印加する電圧の前後の電位も変化させるような方法がある。またとりわけ図８（ｃ）に示すように、電圧を印加させるときの立ち上がり時間や立ち下がり時間を故意に遅延させることによりインク滴を制御することも可能である。本実施の形態では、図８（ｄ）に示す、電圧を１回印加するシングルパルスでインクを吐出させた。電圧は１７〜１８Ｖ、電圧印加時間は１７〜２０μ秒とした。
【０１１６】
そして、インクジェットヘッドからのインク滴の吐出が、加熱されている描画対象物からの熱の影響により不安定になってないか否かを確認するために、吐出観察機構を設けた。これは、インクジェットヘッドを挟んで一方にカメラを、反対側に光源を、同軸上に配置することでインクジェットヘッドから吐出されたインク滴を観察するものである。本実施の形態では、カメラに一般的なＵＳＢカメラ、光源に白色ＬＥＤを使用した。インクジェットヘッドのインク吐出パルスと、ＬＥＤの発光タイミングとを同期させることにより、吐出されたインク滴を観察することができる。具体的には、図８（ｄ）で示したパルスの立ち下がりの時にインクジェットヘッドからインクが吐出される。この立ち下がりから任意の時間後にＬＥＤを発光させることにより、吐出から任意時間後のインク滴の形状を吐出観察機構にて観察することができる。
【０１１７】
インクの吐出が不安定な状態とは、上記したようにサテライトが発生していることの他、上記吐出観察機構を用いて吐出から任意時間後のインク滴をいくつも観察した時に、いつも同じ位置にインク滴が観察され、それが静止して見える、または同じ軌道を飛翔しているように見えることを言う。
【０１１８】
特に、本実施の形態では、熱に強いパターン描画装置を実現できているが、インクジェットからのインクの吐出性能は熱の影響をうける。そのため、本実施の形態ではインクジェットヘッドを加熱された描画対象物、または擬似基板上に配してインクの吐出をさせ、そのときの吐出状況をカメラで観察する構成としている。
【０１１９】
以上が、本発明の高精細描画を実現するパターン描画装置の実施の形態である。
【０１２０】
（実施の形態３）
次に、上記実施の形態２で示したパターン描画装置の構成を用いて、発明者が高精細なパターンを描画した本発明のパターン描画方法について具体的に説明する。本実施の形態で示すパターン描画方法は本発明を実施するための具体的な一例に過ぎず、本発明が当該実施の形態の内容によってのみ限定されることは無く、当業者が思いつく範囲であれば容易に変更は可能である。
【０１２１】
本発明のパターン描画方法は、上記実施の形態２で示したパターン描画装置において、インクジェットヘッドが加熱された描画対象物上に来るように配し、ステージを移動させながら（または、インクジェットヘッドと描画対象物との相対位置を変化させながら）インクの吐出をコントロールすることにより任意のパターンを描画する。上記実施の形態２で示した構成には詳細を記載していなかったが、本実施の形態では、インクジェットヘッドを動かして描画対象物上に配する構成とした。しかし、ステージをインクジェットヘッドの下まで移動させることによってインクジェットヘッドの下に描画対象物が配されるように操作してもよい。
【０１２２】
本実施の形態では、上記実施の形態２で説明したＡＧＫ１０１、および試作インクを使用し、描画対象物をガラス基板としたときについて説明する。ＡＧＫ１０１は上記実施の形態で説明したように分散質濃度が低い。したがって、描画対象物に着弾した後も濡れ広がりやすい傾向がある。逆に試作インクは描画対象物に着弾すると殆ど濡れ広がらない。このような場合でも高精細描画を可能にする手法としてすぐに思いつくのが、描画対象物の温度の変更である。濡れ広がりやすいＡＧＫ１０１を使用する場合には描画対象物の温度を高くしておけば、分散媒の揮発を促進し、濡れ広がりを抑制することができると考えられる。
【０１２３】
しかしながら、実験において描画対象物温度を変更する手法は劇的な効果を得ることができなかった。描画対象物の温度を高くしすぎると分散媒が突沸したようになり、綺麗なパターンを得ることができなかったのである。そこから、描画対象物の設定温度は、インクの濃度ではなく分散系インクに使用されている分散媒の性質に依存すると考えられる。ＡＧＫ１０１、および試作インクの分散媒はドデカンであり、この場合の描画対象物の温度は、５０度以上、１１０度以下がよく、好ましくは５５度以上、６５度以下である。
【０１２４】
描画対象物の温度を一定にし、分散質濃度の異なるインクを使用しても、高精細描画を可能にするためにはいくつかの方法がある。第一に、インクジェットヘッドの吐出口の大きさを変更することである。ＡＧＫ１０１のように濡れ広がりやすい傾向のインクは、吐出口の小さなインクジェットヘッドを用いることで吐出されるインク滴の量を減らし、濡れ広がりを抑制することができる。本実施の形態では上記実施の形態２に記載したとおり、直径が５０μｍと、３４μｍの吐出口を有するインクジェットヘッドを利用した。ＡＧＫ１０１でも試作インクでも、直径３４μｍの吐出口を有するインクジェットヘッドを用いる事で、直径５０μｍの吐出口を有するインクジェットヘッドを用いた時よりも着弾幅を小さくできることを確認した。
【０１２５】
具体的には、描画対象物表面温度５８度（設定温度６５度）、ワーキングディスタンス３ｍｍに設定して実験を行った結果、ＡＧＫ１０１使用時、オリフィス５０μｍで着弾径が平均１３５μｍ、オリフィス径３４μｍで着弾径が平均１００μｍ、試作インク使用時、オリフィス径５０μｍで着弾径が平均９０μｍ、オリフィス径３４μｍで着弾径が平均７０μｍであった。
【０１２６】
第二に、ワーキングディスタンスを変更することである。ワーキングディスタンスを長くすると、インクが飛翔している時間が長くなる。その間に、飛翔しているインク滴中の分散媒が蒸発し、着弾時にはインク滴中の分散質濃度を高くすることができる。具体的な実験として、描画対象物表面温度５８度（設定温度６５度）、オリフィス径３４μｍに試作インクの組み合わせでＷＤを３ｍｍにすると着弾径は平均５５μｍ、ＷＤを１０ｍｍにすると着弾径は平均４５μｍとなった。
【０１２７】
他にも、吐出パルスを変更することにより、インクジェットヘッドから吐出されるインク滴のスピード、液滴径などを変更させることで、着弾径を小さくすることは有効な手段である。具体的な操作手順では、全てのパラメータを最適と思われる値に変更する。すなわち、吐出パルス幅や電圧を小さくすることによりインクジェットヘッドから吐出される液滴を安定させ、小さくし、かつスピードは速くし、その吐出液滴の様子や描画するパターンからＷＤや描画対象物の表面温度を微調整する。
【０１２８】
また、インクジェットヘッドから吐出された１滴のインク滴で点を描画する以外の任意のパターンを描画するためには、複数のインク滴を描画対象物上に着弾させる必要がある。このとき、描画対象物に着弾するインク滴は少しずつ重なっていることが必要である。通常、高精細なパターンを描画する場合には、描画対象物に着弾したインクの径に比して０．１倍から０．５倍程度重ねる必要がある。実際に発明者が作業を行う場合の例として、オリフィス径３４μｍのインクジェットヘッドおよび試作インクの組み合わせで、描画対象物をガラス、ＷＤが３ｍｍ、描画対象物の温度を約６０度とした時の着弾径が７０μｍであれば、約０．１４倍ｎ１０μｍずつ重ね合わせ、６０μｍピッチでパターンを描画する。
【０１２９】
また、上記「発明を実施するための形態」で説明した予備吐出を行うことがさらに好ましい。予備吐出を行わずに、加熱された描画対象物に対して描画を行うと、描画対象物からの熱の影響により、途中からサテライトが発生し、描画が乱れることがある。このようなことを防ぐために、本実施の形態では、一つのステージの上に、描画対象物と予備基板とを載置し、同じ温度に加熱して、予備基板上で予備吐出を行った後に描画対象物に対して描画を行った。発明者が実施した例を示すとオリフィス径３４μｍのインクジェットヘッドおよび試作インクの組み合わせで、描画対象物をガラス、ＷＤが３ｍｍ、描画対象物の温度を６０度とした時の予備吐出時間は３分に設定した。
【０１３０】
この予備吐出については、上記実施の形態２に記載した吐出観察機構にて観察しながら行う。インクジェットヘッドが加熱された予備基板上に来るように配置して予備吐出を開始すると、早い時では１０秒、遅い時では１０分ぐらいから吐出の様子が変化することが観察される（変化しないことも多い）。描画対象物の温度が６０度程度であると、１分から３分以内に様子が変化することがある。様子の変化で非常に多く見られるのが、サテライトの発生である。その場合、インクジェットの駆動部に印加している電圧、図８（ｄ）に示すＶ１を少し下げるとサテライトは消えることが多い。このように、予備吐出によってインクジェットの吐出が安定したことを吐出観察機構により観察した後、インクジェットヘッドが描画対象物上に来るように配置し描画を開始する。
【０１３１】
以上が、本発明の高精細描画を実現するパターン描画方法の実施の形態である。
【０１３２】
（実施の形態４）
次に、上記実施の形態２で示したパターン描画装置の構成を用いて、表面状態の異なる多種の基板に高精細なパターンを描画する本発明のパターン描画方法について説明する。本実施の形態で示すパターン描画方法は本発明を実施するための具体的な一例に過ぎず、本発明が当該実施の形態の内容によってのみ限定されることは無く、当業者が思いつく範囲であれば容易に変更は可能である。
【０１３３】
本発明のパターン描画方法は、上記実施の形態３で示したように、インクジェットヘッドを加熱した描画対象物上に配し、ステージを移動させながらインクの吐出をコントロールすることにより任意のパターンを描画することが基本である。それに加えて、上記「発明の効果」で説明したように、高次関数的に急激に粘度が上昇する直前の濃度に調合した分散系インクを使用することにより、描画対象物の素材を選ぶことなく任意のパターンを高精細に描画することができる。
【０１３４】
実験では、上記実施の形態２および３で使用したオリフィス径３４μｍのインクジェットヘッドおよび試作インクの組み合わせを用いた。描画対象物は、ガラス、シリコン基板、太陽電池用シリコン基板、ＰＥＴ、ＰＥＮ、ポリイミド、アクリル、アルミニウム、とした。描画対象物の温度を６０度とした時に高精細描画が可能であったのは、ガラス、シリコン基板、ＰＥＴ、ＰＥＮ、ポリイミド、アクリル、アルミニウムであった。
【０１３５】
当然のことながら、描画対象物の温度というのはステージに内蔵されているヒーターの設定温度ではなく、描画対象物の最表面の温度のことである。したがって、描画対象物の厚みにより、設定温度は微妙に変更する必要があった。アルミニウムやＰＥＴ、ＰＥＮ、ポリイミドのように非常に薄い描画対象物は設定温度６５度で表面温度が６０度となった。アクリル、ガラス、シリコン基板のように厚みのある描画対象物は、設定温度７０度で表面温度が６０度となった。このような設定温度と実際の表面温度の差は使用するヒーターの出力や実験環境などによって異なるため、このような差が出たと考えられるが、どのような場合にも接触温度計等を使用して描画対象物の表面温度を管理することは重要である。
【０１３６】
また、上記に挙げた描画対象物の中で、太陽電池用のシリコン基板だけは表面温度６０度で微細描画することができなかった。他にも、表面に細かな凹凸や傷のあるプラスチックや、すりガラス等でも同様であった。このように、表面に凹凸のある太陽電池用のシリコン基板については設定温度を１００度、表面温度を９５度にすると濡れ広がりを抑制し、任意のパターンを高精細に描画することができることがわかった。
【０１３７】
このように、表面に凹凸がある物質では濡れ広がりやすい傾向が見られるのは、インクの分散媒として、表面張力の低い油系の分散媒（本実施の形態ではドデカン）を使用しているからである。表面張力が低い液体は濡れ広がりやすく、基板の表面に細かな凹凸がある場合はその性質をさらに強調させる働きがある。つまり、ドデカンのインクは基本的に濡れ広がりやすいが、表面に凹凸があるとより濡れ広がりやすくなる。この濡れ広がりは、描画対象物の加熱温度を上げることによって解決できることがわかった。
【０１３８】
上記実施の形態３において、ＡＧＫ１０１の濡れ広がりを描画対象物の加熱温度を上げることでは解決できないと記載した。その原因は突沸のような現象が起こってしまうためである。しかしながら、表面に細かな凹凸のある基板については加熱温度を上昇させても突沸のような現象は起こらず、任意のパターンを高精細に描画することができた。これは、表面に細かな凹凸があることで実質の表面積が大きくなっていることが何らかの原因ではないかと考えられるが、原理までは不明である。
【０１３９】
もちろん本実施の形態においても、上記「発明を実施するための形態」で説明した予備吐出を行うことがさらに好ましい。本実施の形態では、上記実施の形態３に記載したとおり、一つのステージの上に、描画対象物と予備基板とを載置し、それら二つの基板を同じ温度に加熱して、予備基板上で予備吐出を行った。さらに、当該予備吐出中は、吐出観察機構によりインクジェットの吐出が安定する事を確認し、その後に描画対象物に対して描画を行った。
【０１４０】
以上が、本発明の、多種の基板に高精細描画を実現するパターン描画方法の実施の形態である。
【０１４１】
（実施の形態５）
本実施の形態では、上記実施の形態２で示したパターン描画装置の構成を用いて、高アスペクト比を有する微細な配線を描画する本発明のパターン描画方法について説明する。本実施の形態で示すパターン描画方法は本発明を実施するための具体的な一例に過ぎず、本発明が当該実施の形態の内容によってのみ限定されることは無く、当業者が思いつく範囲であれば容易に変更は可能である。
【０１４２】
上記「発明を実施するための形態」の実施の形態１乃至４は、任意のパターンを高精細に描画する方法について説明した。しかし、本発明のパターン描画装置は、その使用方法を少し変更するだけで高いアスペクト比（線幅に対する線の高さのこと）を有する微細な配線を形成することができる。当然、この微細配線形成も基板の表面処理を行わず、様々な種類の基板に適用可能である。
【０１４３】
本実施の形態では、上記実施の形態２のパターン描画装置を用い、インクジェットヘッドに関しては吐出口の直径が３０μｍのものと２０μｍのものを使用した。また、配線を描画するに当たって複数の吐出口のうち、インクが安定して吐出する１つの吐出口のみを用い、他の吐出口からはインクを吐出しないよう制御した。複数ある吐出口の全てからインクを吐出させると、配線の評価の邪魔になるからである。また、配線を描画するに当たり吐出口が１つしか不要だと判断する場合には、吐出口を１つしか設けないインクジェットヘッドを用いても良い。
【０１４４】
インクは、上記実施の形態１乃至３に記載した試作インクを使用している。これは何度も説明している通りであり、とりわけ本実施の形態で説明する高アスペクト比配線を形成するためには非常に重要な要素となる。描画対象物は、ガラス、シリコン、ＰＥＴ、ポリイミドなど、表面が平らな基材を使用した。上記実施の形態４と同様、これらの基材による描画性能の変化は全く見られなかった。
【０１４５】
本実施の形態では、描画対象物の温度を１３０度以上、１５０度以下に加熱する。この範囲内であれば高アスペクト比配線は形成可能であり、温度が低いほど少し配線が太くなる傾向が見られることがある。
【０１４６】
そして、吐出したインク滴が描画対象物に着弾した時の直径に比して、０．５倍以上０．８倍以下の距離で重なるように着弾させる。この重なり比率はアスペクト比、特に配線の高さに影響するので、比率が小さいとアスペクト比が小さくなり、比率が大きいと高いアスペクト比になる。しかしながらインクが重なる比率を高くすればアスペクト比が高くなり続けるわけではない。インク滴を重ねすぎるとインクが乾燥する速度が追いつかなくなり、バルジと呼ばれる線のにじみが発生する。
【０１４７】
さらに、吐出したインク滴が重なる時間間隔、つまり、第ｎ番目のインク滴が描画対象物に着弾してから、第ｎ＋１番目のインク滴が描画対象物に着弾するまでの時間間隔は０．１ｍ秒以上、１０ｍ秒以下の時間である必要がある。それ以上速いと、第ｎ番目のインク滴が乾燥する前に第ｎ＋１番目のインク滴が着弾し、濡れ広がりバルジを形成してしまうからである。逆に、それ以上遅いと、第ｎ＋１番目のインク滴が着弾する時には第ｎ番目のインク滴が乾燥しきってしまい、アスペクト比の高い配線を形成することができない。つまり、第ｎ番目のインク滴が半乾燥状態の時に第ｎ＋１番目のインク滴が着弾することにより、それらのインク滴が最適な形状となって高いアスペクト比の配線を描画することができると考えられる。
【０１４８】
具体的な操作として、アスペクト比０．５を実現するためには、インク滴を着弾径の０．７倍ずつ重なるようにし、着弾時間間隔は０．１ｍ秒とした。その結果を図９（ａ）、（ｂ）、および図１０（ａ）、（ｂ）に示す。図９は吐出口の直径が３０μｍのインクジェットヘッドを使用して配線を描画した時のＳＥＭ像であり、図９（ａ）はその上面図、図９（ｂ）はその断面図を示す。図１０は吐出口の直径が２０μｍのインクジェットヘッドを使用して配線を描画した時のＳＥＭ像であり、図１０（ａ）はその上面図、図１０（ｂ）はその断面図を示す。
【０１４９】
どちらの結果も、ほぼ吐出口の直径と同じ太さの配線が形成出来ており、配線の高さは配線の幅に比して約０．５倍となっていることがわかる。このことから、本発明のパターン描画装置を用いて本実施の形態のパターン描画方法を適用すると、上記非特許文献１に記載されている濡れ広がりを押さえ、着弾径ｄｃｍａｘを吐出口から吐出したインクの径ｄ０とほぼ同じにでき、ひいてはｄ０と同じ幅の配線を形成することができる。
【０１５０】
また、本実施の形態では上記の試作インクについて、溶媒をドデカンからテトラデカンに変更したインクも使用してみた。上記と同様に、インク滴を着弾径の０．７倍ずつ重なるようにし、着弾時間間隔は０．１ｍ秒とした場合、描画対象物の温度を１７０度以上、１９０度に加熱することでアスペクト比０．５の微細な配線を形成することができた。この例でもインクジェットヘッドの吐出口の直径が３０μｍのものと２０μｍのものを使用したが、結果は図９および図１０に示すものと全く変わらなかった。つまり、高アスペクト比の微細配線描画においては、インクの分散媒の性質が描画対象物の設定温度に大きく影響を与える。
【０１５１】
さらに、本実施の形態では、表面張力を大きく変えた２種類のガラス基板についても同様の配線を描画した。１枚は通常のスライドガラス、もう一枚は当該スライドガラスを水酸化ナトリウム水溶液に５分間浸漬し、表面張力を低くしたものを使用した。配線の描画条件は上記ドデカン試作インク時と同様であり、２種類のガラスについて同様の描画結果を得た。
【０１５２】
また、本実施の形態は、表面に凹凸のある太陽電池用シリコン基板にも応用可能である。上記実施の形態４では、表面に凹凸のある基板は加熱温度を上昇させる必要があると記載したが、高アスペクト比配線を形成する場合には、表面の凹凸に関わらず同じ温度設定でよいことが分かった。
【０１５３】
本実施の形態では、インクジェットヘッドの１つの吐出口のみを使用したが、吐出口が複数ある場合にはもちろんそれら全てを使用して配線を描画することができる。複数の吐出口からインクを吐出させて配線を描画する場合には、全ての吐出口から吐出されるインク滴の径、速度を同じにすることが望ましい。そうでなければ、各々線幅やアスペクト比の異なる配線が描画されることが分かっている。そのため、高いアスペクト比を有する微細配線を形成する時は、１つの吐出口を用いるのが簡便であり、本実施の形態ではその構成を例に示した。
【０１５４】
以上が、本発明のパターン描画装置を用いて高アスペクト比を有する微細な配線を描画するパターン描画方法の実施の形態である。
【産業上の利用可能性】
【０１５５】
本発明のパターン描画装置およびパターン描画方法は、描画対象物に対して全く表面処理を行わずに、様々な機能性薄膜をオンデマンドでの高精細なパターンに描画することができる。これらは、プリンテッドエレクトロニクス分野に応用することができ、例えば、機能性材料を含有するインクを複数使用することにより、薄膜トランジスタや、無線通信用アンテナ、または無線通信用ＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ＩＤｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）タグそのもの等を作製することができる。
【０１５６】
市場に出回る電子デバイス製品は何度も試作を繰り返した後に商品化される。その、試作段階で機能性薄膜をオンデマンドで高精細なパターンに描画することができれば試作期間の短縮化、ひいては製品の短納期にもつなげることができる。
【符号の説明】
【０１５７】
１０１  インクジェットヘッド
１０２  ステージ
１０３  コントローラ
１０４  リザーバ
１０５  インク
１０６  ヒーター
１０７  描画対象物
２０１  平板
２０２  吐出口
２０３  インクジェットヘッド
２０４  インク供給口
２０５  排出口
３０１  フレキシブルな基板
３０２  駆動機構
４０１  予備基板
５０１  第一のステージ
５０２  第二のステージ
６０１  インク滴
６０２  描画対象物
６０３  中央部
６０４  端部
６０５  着弾幅
６０６  第ｎ番目のインク滴
６０７  第ｎ＋１番目のインク滴
６０８  第ｎ−１番目のインク滴
【図１】
2014144417.tif 000003
【図２】
2014144417.tif 000004
【図３】
2014144417.tif 000005
【図４】
2014144417.tif 000006
【図５】
2014144417.tif 000007
【図６】
2014144417.tif 000008
【図８】
2014144417.tif 000009
【図７】
2014144417.tif 000010
【図９】
2014144417.tif 000011
【図１０】
2014144417.tif 000012