(57)【要約】【課題】ICチップ等の電子回路素子を、機能性インクを用いてロールツーロール輪転印刷法により経済的に製造する方法及び装置を提供する。【解決手段】ロールツーロール輪転印刷法を用いた電子素子の製造方法であって、機能性インク２を成形ロール23の成形溝23aに注入する工程と、成形ロール23の表面に付着した機能性インク２を除去する工程と、成形溝23aに注入された機能性インク２を乾燥させる工程と、機能性インク２の乾燥面を印刷ロール23に転写する工程と、印刷ロール26に転写された機能性インク２を乾燥させる工程と、印刷ロール26の上の機能性インク２を可撓性印刷シート１に転写する工程と、電子回路が印刷された印刷シート１を巻き取る工程とを有する方法。【選択図】図１
2006289983.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロールツーロール輪転印刷法を用いた電子素子の製造方法であって、機能性インクを成形ロールの成形溝に注入する工程と、前記成形溝に注入された前記機能性インクの表面を乾燥させる工程と、前記機能性インクを乾燥面側から印刷ロールに転写する工程と、前記印刷ロールに転写された前記機能性インクの露出面を乾燥させる工程と、前記印刷ロール上の前記機能性インクを可撓性印刷シートに転写する工程とを有することを特徴とする電子素子の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の電子素子の製造方法において、いずれの乾燥工程でも乾燥媒体が熱風又は遠赤外線等の光線であることを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の電子素子の製造方法において、前記印刷シートへの転写工程の後に誘電体層を塗布する工程を有することを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の電子素子の製造方法において、前記印刷シートへの転写工程の後に保護層を塗布する工程を有することを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の電子素子の製造方法において、前記機能性インクを転写した可撓性印刷シートを部分的又は全体的に切断することを特徴とする方法。
【請求項６】
ロールツーロール輪転印刷法を用いた電子素子の製造方法であって、機能性インクを成形ロールの成形溝に注入する第１の工程と、前記成形ロールの表面に付着したインクを除去する第２の工程と、前記成形溝に注入された前記機能性インクの表面を乾燥させる第３の工程と、前記機能性インクを乾燥面から印刷用紙に転写する第４の工程と、前記印刷用紙に転写された前記機能性インクの露出面を乾燥させる第５の工程と、前記機能性インクを前記印刷ロールから、ワインディングロールより巻き戻された可撓性印刷シートに転写する第６の工程と、電子回路が印刷された前記印刷シートをリワインディングロールに巻き取る第７の工程とを有することを特徴とする方法。
【請求項７】
ロールツーロール輪転印刷法を用いた電子素子の製造装置であって、所定の回路パターンを形成するための複数の印刷ユニット20と、少なくとも一つのコーティング部30とを有し、各印刷ユニット20は、(a) 機能性インク２が貯蔵されたインク槽21と、(b) 回路パターン形状を有する成形溝23aをロール面に有し、機能性インク２に部分的に浸漬した成形ロール23と、(c) 成形ロール23のロール面からインクを除去するドクターブレード24と、(d) 各成形溝23aに注入された機能性インク２の表面を乾燥させて成形インク2aとする第一の乾燥装置25と、(e) 成形ロール23と接触した状態で成形ロール23と逆方向に回転することにより、成形インク2aが成形ロール23から転写される印刷ロール26と、(f) 印刷ロール26に転写された成形インク2aの露出面をさらに乾燥させる第二の乾燥装置27と、(g) 成形インク2aを印刷シート１に転写するために、印刷シート１を印刷ロール26に押圧する押圧ロール28とを具備し、コーティング部30は、(1) コーティング剤３が貯蔵されたコーティング剤槽31と、(2) コーティング剤３に部分的に浸漬した状態で回転するコーティングロール32と、(3) 印刷シート１の回路パターン側にコーティング剤３を塗布するために、印刷シート１をコーティングロール32に押圧するコーティング用押圧ロール33とを具備することを特徴とする電子素子の製造装置。
【請求項８】
請求項７に記載の電子素子の製造装置において、印刷ロール26のロール面に弾性層が設けられていることを特徴とする装置。
【請求項９】
請求項８に記載の電子素子の製造装置において、前記弾性層はシリコンゴムからなることを特徴とする装置。
【請求項１０】
請求項８又は９に記載の電子素子の製造装置において、前記弾性層のショア硬さが20〜70 HSであることを特徴とする装置。
【請求項１１】
請求項７〜10のいずれかに記載の電子素子の製造装置において、印刷ロール26と成形インク2aとの表面エネルギーの差が２erg/cm2以下であることを特徴とする装置。
【請求項１２】
請求項７〜11のいずれかに記載の電子素子の製造装置において、成形ロール23と印刷ロール26との接触圧力を調節する第一の圧力調節装置29aを具備することを特徴とする装置。
【請求項１３】
請求項７〜12のいずれかに記載の電子素子の製造装置において、加圧ロール28と印刷ロール26との接触圧力を調節する第二の圧力調節装置29bを具備することを特徴とする装置。
【請求項１４】
請求項７〜13のいずれかに記載の電子素子の製造装置において、印刷の完了した印刷シート１を切断する切断装置70を具備することを特徴とする装置。
【請求項１５】
ロールツーロール輪転印刷法を用いた電子素子の製造装置であって、可撓性印刷シート１を巻回したワインディングロール10と、一列に配列された所定の回路パターンを形成するための複数の印刷ユニット20と、少なくとも一つのコーティング部30と、印刷の完了した印刷シート１を巻き戻すリワインディングロール40と、ワインディングロール10とリワインディングロール40との間に配置され、印刷シート１をガイドする複数のガイドロール50と、ワインディングロール10及びリワインディングロール40の付近にそれぞれ設置され、印刷シート１の張力を調節する張力調節部60とを有し、各印刷ユニット20は、(a) 機能性インク２が貯蔵されたインク槽21と、(b) 機能性インク2に浸漬したインク注入ロール22と、(c) インク注入ロール22と接触した状態で一方向に回転し、回路パターン形状を有する成形溝23aが表面に形成されている成形ロール23と、(d) 成形ロール23のロール面に接触し、成形ロール23の表面のインクを除去するドクターブレード24と、(e) 各成形溝23aに注入された機能性インク2の表面を乾燥させる第一の乾燥装置25と、(f) 成形ロール23と接触した状態で成形ロール23と逆方向に回転し、成形ロール23から転写された成形インク2aを印刷シート１上に転写する印刷ロール26と、(g) 印刷ロール26の表面に転写した成形インク2aの露出面をさらに乾燥させる第二の乾燥装置27と、(h) 印刷ロール26と接触した状態で印刷ロール26と逆方向に回転し、印刷シート１を印刷ロール26に一定の圧力で押圧する押圧ロール28とを具備し、コーティング部30は、(1) コーティング剤３が貯蔵されたコーティング剤槽31と、(2) コーティング剤２に浸漬したコーティング剤供給ロール32aと、(3) コーティング剤供給ロール32aと接触した状態で一方向に回転し、印刷シート１の回路パターン側の表面にコーティング剤３を塗布するコーティングロール32と、(4) 印刷シート１をコーティングロール32に押圧するコーティング用押圧ロール33とを具備することを特徴とする装置。
【請求項１６】
印刷シート1に所定の回路パターンを有する電子素子を印刷する装置であって、機能性インク２が貯蔵されたインク槽21と、回路パターン形状を有する成形溝23aをロール面に有し、機能性インク２に部分的に浸漬した成形ロール23と、成形ロール23のロール面からインクを除去するドクターブレード24と、各成形溝23aに注入された機能性インク２の表面を乾燥させて成形インク2aとする第一の乾燥装置25と、成形ロール23と接触した状態で成形ロール23と逆方向に回転することにより、成形インク2aが成形ロール23から転写される印刷ロール26と、印刷ロール26に転写された成形インク2aの露出面をさらに乾燥させる第二の乾燥装置27と、成形インク2aを印刷シート１に転写するために、印刷シート１を印刷ロール26に押圧する押圧ロール28とを具備することを特徴とする電子素子の印刷装置。
【請求項１７】
請求項16に記載の電子素子の印刷装置において、印刷ロール26のロール面に弾性層が設けられていることを特徴とする装置。
【請求項１８】
請求項17に記載の電子素子の印刷装置において、前記弾性層はシリコンゴムからなることを特徴とする装置。
【請求項１９】
請求項17又は18に記載の電子素子の印刷装置において、前記弾性層のショア硬さが20〜70 HSであることを特徴とする装置。
【請求項２０】
請求項16〜19のいずれかに記載の電子素子の印刷装置において、印刷ロール26と成形インク2aとの表面エネルギーの差が２erg/cm2以下であることを特徴とする装置。
【請求項２１】
請求項16〜20のいずれかに記載の電子素子の印刷装置において、成形ロール23と印刷ロール26との接触圧力を調節する第一の圧力調節装置29aを具備することを特徴とする装置。
【請求項２２】
請求項16〜21のいずれかに記載の電子素子の印刷装置において、加圧ロール28と印刷ロール26との接触圧力を調節する第二の圧力調節装置29bを具備することを特徴とする装置。
【請求項２３】
印刷シート1に所定の回路パターンを有する電子素子を印刷する装置であって、(a) 機能性インク２が貯蔵されたインク槽21と、(b) 機能性インク2に浸漬したインク注入ロール22と、(c) インク注入ロール22と接触した状態で一方向に回転し、回路パターン形状を有する成形溝23aが表面に形成されている成形ロール23と、(d) 成形ロール23のロール面に接触し、成形ロール23の表面のインクを除去するドクターブレード24と、(e) 各成形溝23aに注入された機能性インク2の表面を乾燥させる第一の乾燥装置25と、(f) 成形ロール23と接触した状態で成形ロール23と逆方向に回転し、成形ロール23から転写された成形インク2aを印刷シート１上に転写する印刷ロール26と、(g) 印刷ロール26の表面に転写した成形インク2aの露出面をさらに乾燥させる第二の乾燥装置27と、(h) 印刷ロール26と接触した状態で印刷ロール26と逆方向に回転し、印刷シート１を印刷ロール26に一定の圧力で押圧する押圧ロール28とを具備することを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機能性インクとロールツーロール輪転印刷法とを用いて、ICチップ等の電子回路素子を経済的に製造する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、トランジスタ及びIC等の電子素子は、金属、シリコン等の半導体、無機材料等の緻密な結晶構造を用いて形成されている。そのためスパッタリングのような蒸着工程が、高価な精密装置を用いて高温・高真空下で行われている。製造及び検査工程のほぼ全てが高清浄環境中で行われる必要がある上、連続的な一貫生産方式でなくバッチ生産方式であるため、生産性が非常に低い。またムーアの法則（新たに開発されるメモリチップの容量は18〜24ヶ月ごとに２倍になるという技術開発速度に関する法則）によれば、回路パターンのナノサイズ化は必至であり、製造コストのさらなる増加が予想される。そのため新規の設備投資額は数千億円に達する可能性がある。その上、フォトリソグラフィによるパターン形成工程とエッチング工程とを繰り返し行うために多くの化学洗浄工程が必要であり、廃水処理や公害防止に多大の負担がかかる。高い製造費にかかわらず高い利益を生み出すギガ又はテラスケールの高密度製品を製造するため、半導体生産技術のさらなる発展が望まれている。
【０００３】
一方、安価な電子部品に用いられるキロスケールの低集積密度のICチップにも一定の需要があり、今後も生産が維持されると予想される。しかし低集積密度のICチップの生産効率は上記方法では低いので、経済的に製造する方法及び装置が要望されている。
【０００４】
大部分の汎用次世代RFID/USN電子素子は現行のシリコン半導体技術で製造されているため、製造コストが高い。しかし通常の印刷法を用いれば、ICチップを有する電子素子を安価で供給することができる。現行の印刷技術は、生産性及び品質の点で著しく発達している。従って、高生産性を有する輪転印刷技術をICチップの生産に適用すれば、RFIDタグを１セント以下と安価に製造することができる。
【０００５】
印刷によりミクロンオーダーのラインを有する電子回路を生産するためには、印刷ICチップの機能がいくら単純でも、導体、半導体及び誘電体を含む回路素子用の材料が充分な印刷特性を有する必要がある。数十年にわたって導電性ポリマーのナノ粒子の開発が行われ、さまざまな種類の印刷インク（機能性インク）が開発された。最近では、機能性インクを用いた印刷により、薄膜トランジスタ、太陽電池、発光ダイオード、集積回路等を開発する種々の試みがなされている。しかし、種々の機能性インクの印刷によるICチップの生産は容易には実現されず、互いに関連したいくつかの要因により、いまだ実験段階にある。
【０００６】
まず機能性インクの材料自体に問題がある。開発されたインク材料は、特性、耐久性及び価格の点でまだ初期段階にあり、生産技術も充分でないため、ICチップの印刷用に実用化されていない。またインク材料のコストが低下しても、ICチップ等のさまざまな電子素子を生産するには新しい印刷技術が必要である。さらにICチップの製造に重要な印刷機がICチップの製造に最適化されていないと、ICチップをマイクロ印刷により製造することができない。
【０００７】
一般的な印刷機の中で、電子産業に使用される代表的な印刷機はスクリーン印刷機である。200μｍ程度までの電子回路パターンであればスクリーン印刷機でも充分印刷可能であるが、より微細なパターンの印刷が要求された場合にはスクリーン印刷機では所望の電子素子を製造することができない。最近、高解像度で、位置合わせ機能が向上した精密スクリーン印刷機が開発された。精密スクリーン印刷機は、大面積を有するPDP等のパターンの形成に有用である。またスクリーン板として金属薄板を用いるステンシル印刷と呼ばれる印刷法も提案された。ステンシル印刷法は半導体チップの形成に重要な役割を果たし、一般的な印刷機を電子素子の生産用に用いた好例である。しかし、ステンシル印刷装置の解像度もICチップの製造には不充分である。
【０００８】
シリコン半導体の技術分野において、電子素子の生産方式をステージ生産からロールツーロールによる連続生産に発展させることは長い課題であった。電子素子の生産に精密スクリーン印刷機やステンシル印刷機を用いても、ステージ生産方式の限界を脱することができない。既存のロールツーロール連続生産方式及び輪転印刷機をそのままICチップの製造に用いることはできず、ICチップの輪転印刷技術及びインク転写法を新たに開発する必要がある。
【０００９】
最近では、MEMS（Micro Electro Mechanical System：超小型電子機械システム）を形成するのにインクジェット印刷法が用いられている。インクジェット印刷法は、インクジェットヘッドのノズルを通じて、ピコリットルオーダーの微細なインク滴を、コンピュータファイルに組み込まれた設計パターン通りに数千回／秒以上の吐出速度で被印刷体に非接着式で付着させる無版印刷法の一つである。この印刷法は、ここ数十年間で急速に発展してデジタルファイル情報の出力印刷分野で最も有力な技術になり、最近のデジタル印刷法を代表するにまで成長した。インクジェット印刷機は、複雑な製版と印刷機駆動制御を習得しなければならない典型的な印刷機械と異なり、非常に簡単に使用することができる。インクジェット印刷法はコンピュータに記憶させたパターン情報を即座に視認化できるが、点印刷技術を根幹としているため、ラインパターンを印刷するには様々な問題がある。
【００１０】
具体的には、印版を用いる典型的な印刷法と比べて、ラインを点描するインクジェット印刷法は、ピンホール、断線、表面粗さ、エッジ粗さ、ライン幅の自由度、重畳印刷時の微細な位置合わせ精度等の点で不利である。その上、大量に印刷する場合、多数のインクジェットヘッドを要し、ノズル動作が複雑になるため、特にマイクロ印刷において均一な品質が得にくい。有機ICチップ印刷のためのインクジェット印刷法は、このような問題を克服する必要がある。
【００１１】
最近、0.1〜100μｍの回路ライン幅を有するICチップの回路を経済的に生産するソフトリソグラフィ印刷法（「マイクロコンタクトプリンティング」とも呼ばれる。）が開発された。ラインパターンの印刷を簡単な接着印刷法で行うソフトリソグラフィは、シリコン半導体の製造において、フォトリソグラフィに代わる方法として定着しつつある。この印刷法は、自己組織単分子膜（SAM）を形成可能な特殊な精密化学インクで印刷するため、微細ライン幅の再現がミクロンオーダーの精度に留まらず、ナノオーダーの精度でも可能である。印版は、フォトリソグラフィ法を用いて形成した微細な鋳型パターンにシリコンゴムを注いで製造したフレキソ印版のような活版である。ソフトリソグラフィ法は、シリコン半導体技術を用いることによりシリコンゴム印版をサブミクロンまで微細に製版でき、高品質のSAMインクを使うことにより微細なパターンを形成できるため、高価なICチップの生産に好適であるが、低価で簡単な機能を有するICチップを効率的に生産するには適さない。そのため、当所の目標とは異なり、ソフトリソグラフィ法は現在ではナノトランスファープリンティング（NTP）に使用されている。ソフトリソグラフィ法は、大面積IC回路及びナノオーダーのICチップのための防食膜の製造工程において、現在のフォトリソグラフィ技術では実現できない高経済性及び高生産性を有する技術に発展した。
【００１２】
スクリーン印刷法、インクジェット印刷法、グラビアオフセット印刷法等の精密印刷法は、PDPのみならずLCD等の大面積平板ディスプレイの製造に好適である。グラビアオフセット印刷法は、ガラスのように割れやすい基板に印刷する場合、良好なインク転写性を示す。その上、グラビア印版の微細パターンを利用できるため、グラビアオフセット印刷法は、ディスプレイを駆動する能動素子の役割を果たす大面積IC回路や、大面積ディスプレイのカラーフィルタ素子を一度に形成するのに用いられる。これは、(a) ロータリーパッド印刷法とも呼ばれるグラビアオフセット印刷法が数μｍと微細な回路ラインパターンを有する円筒シリンダー型印版を使用し、(b) 割れやすい大面積の基板にインクを転写させやすいシリコンゴムからなる弾力性ブランケットを用い、(c) シリコンゴムの100％インク転写性が電子パターン印刷に適しているからである。グラビアオフセット印刷法は、シリコン半導体製造工程の一つであるフォトレジストパターニング工程に利用され、回路やディスプレイの大面積化に寄与している。最近では、導電性ポリマーインクの開発により、微細な電極回路の印刷にも用いられている。
【００１３】
グラビアオフセット印刷法を電子素子の製造に実用化しようとする試みもあるが、シリコン半導体製造工程のフォトレジストパターニングに代わることができても、やはり大面積基板のバッチ印刷として用いられるにすぎない。従って、本発明のようにICチップ等の電子素子を輪転印刷法により経済的に生産可能にしたものではない。
【００１４】
新聞印刷機は最先端の印刷技術の一つである。新聞の輪転オフセット印刷は最高25 m／秒（1500 m／分）まで高速度化した。一つのメインモータにより、複雑に機械的に連結したシャフトとギアを介して多数のユニットのシリンダーを回転させる従来の方式が、コンピュータ制御された各サーボモータにより各シリンダーが回転する「シャフトレス」方式に変わり、多色カラー印刷と折り畳み、切断等の後処理までを一つの印刷機上で精密かつ高速に一貫生産できるようになった。またデジタルカメラによるビジョンコントロールにより、インク供給量が自動的に調整され、精密な位置合わせにより、各印刷ユニットの駆動シリンダーが回転方向と軸方向とに微細調整されるようになった。このように、メカトロニクスと自動制御とが実現され、自己診断が可能なまでに自動化された。
【００１５】
にもかかわらず、以下の理由により、現在の新聞用輪転印刷機をそのままICチップ等の電子素子の印刷に利用することはできない。第１に、人間の視認能力に合わせた新聞印刷の解像度は約100μm（250 lpi）であるが、ICチップの主要な能動素子であるトランジスタのなかでも、導電性ポリマーや半導体ポリマー等の有機物インクで印刷可能な有機薄膜トランジスタ（OTFT）は、ソース−ドレイン間のチャンネル長さや回路のライン幅が10μm程度であるので、解像度を約10μmまで高めなければならない。しかし、現在の輪転印刷技術は100μmに合わせて最適化されているため、10μmの精度を必要とするICチップの印刷には適用できない。
【００１６】
第２に、オフセット平版印刷技術、グラビア印刷技術、活版印刷技術、その他の高生産性印刷技術等の視覚情報用イメージ印刷技術はいずれも、点印刷技術を基盤として発展してきたので、ICチップ等の電子素子のラインパターンの印刷に用いるには、インクジェット印刷法において述べたような多くの問題点を解決しなければならない。
【００１７】
第３に、カラー印刷に代表される一般的な印刷法では、平面に各印刷ユニットでなるべく重ならないように１色ずつ印刷するのに対し、ICチップ等の電子素子の場合、３次元的なMEMS技術を適用できるように重畳印刷が可能でなければならない。新聞のような可視的イメージ情報の印刷では、人間の目の錯視現象を巧みに利用して色々な点のスクリーン分散方法を用いることができるため、点が付かなかったり、先に印刷されて乾燥していない点に他の点が重畳して色が混濁したりしても目に止まらなければ良いが、ICチップ等の電子素子のラインパターンではそのような印刷不良は一切許容されず、正確なパターン印刷が要求される。ピンホール、断線、粗さ等の問題に加えて、許容範囲を超えるラインゲインがある印刷も許されない。さらに順次形成される印刷層がきれいに転写されなければならず、重畳した印刷層間で混濁するのは許されない。
【００１８】
第４に、イメージ情報の色相、解像度、濃度等の印刷品質は、印刷機上に設置した光学カメラを用いて、インラインで生産と同時に検査できるが、電子素子の伝導度、移動度、誘電率等の物理的特性のほとんどは、探針法等の直接接触法により測定する必要がある。しかし、ロールツーロール輪転印刷法でICチップ等の電子素子を生産する場合、非接触式のインライン検査方式によりリアルタイムで検査できなければ、所望の生産性は得られない。現在では、色相、解像度及び濃度を測定する一般的なカメラビジョン式印刷検査法を用いて、上記物理的特性に相関する光学パラメータを求め、それから間接的に上記物理的特性を決定している。
【００１９】
第５に、ICチップ等の電子素子の微細な回路パターンを一層ずつ印刷する場合、できるだけ精密な位置合わせ（例えば、約10μmの解像度）が要求されるので、紙やフィルムのような張力、熱及び湿気に影響されやすい被印刷体を用いる既存のロールツーロール輪転印刷法の精度では不十分である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
従って本発明の目的は、電子素子を可撓性印刷シート上にロールツーロール輪転印刷法により高精度かつ経済的に製造する方法及び装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明の電子素子の製造方法はロールツーロール輪転印刷法を用いるもので、機能性インクを成形ロールの成形溝に注入する工程と、前記成形ロールの表面に付着したインクを除去する工程と、前記成形溝に注入された前記機能性インクの表面を乾燥させる工程と、前記機能性インクを乾燥面側から印刷ロールに転写する工程と、前記印刷ロールに転写された前記機能性インクの露出面を乾燥させる工程と、前記印刷ロール上の前記機能性インクを可撓性印刷シートに転写する工程とを有することを特徴とする。
【００２２】
本発明の好ましい一実施例による電子素子の製造方法は、能性インクを成形ロールの成形溝に注入する第１の工程と、前記成形ロールの表面に付着したインクを除去する第２の工程と、前記成形溝に注入された前記機能性インクの表面を乾燥させる第３の工程と、前記機能性インクを乾燥面から印刷用紙に転写する第４の工程と、前記印刷用紙に転写された前記機能性インクの露出面を乾燥させる第５の工程と、前記機能性インクを前記印刷ロールから、ワインディングロールより巻き戻された可撓性印刷シートに転写する第６の工程と、電子回路が印刷された前記印刷シートをリワインディングロールに巻き取る第７の工程とを有することを特徴とする。
【００２３】
本発明の電子素子の製造装置はロールツーロール輪転印刷法を用いたもので、所定の回路パターンを形成するための複数の印刷ユニット20と、少なくとも一つのコーティング部30とを有し、各印刷ユニット20は、(a) 機能性インク２が貯蔵されたインク槽21と、(b) 回路パターン形状を有する成形溝23aをロール面に有し、機能性インク２に部分的に浸漬した成形ロール23と、(c) 成形ロール23のロール面からインクを除去するドクターブレード24と、(d) 各成形溝23aに注入された機能性インク２の表面を乾燥させて成形インク2aとする第一の乾燥装置25と、(e) 成形ロール23と接触した状態で成形ロール23と逆方向に回転することにより、成形インク2aが成形ロール23から転写される印刷ロール26と、(f) 印刷ロール26に転写された成形インク2aの露出面をさらに乾燥させる第二の乾燥装置27と、(g) 成形インク2aを印刷シート１に転写するために、印刷シート１を印刷ロール26に押圧する押圧ロール28とを具備し、コーティング部30は、(1) コーティング剤３が貯蔵されたコーティング剤槽31と、(2) コーティング剤３に部分的に浸漬した状態で回転するコーティングロール32と、(3) 印刷シート１の回路パターン側にコーティング剤３を塗布するために、印刷シート１をコーティングロール32に押圧するコーティング用押圧ロール33とを具備することを特徴とする。
【００２４】
本発明の好ましい一実施例によるロールツーロール輪転印刷法を用いた電子素子の製造装置は、可撓性印刷シート１を巻回したワインディングロール10と、一列に配列された所定の回路パターンを形成するための複数の印刷ユニット20と、少なくとも一つのコーティング部30と、印刷の完了した印刷シート１を巻き戻すリワインディングロール40と、ワインディングロール10とリワインディングロール40との間に配置され、印刷シート１をガイドする複数のガイドロール50と、ワインディングロール10及びリワインディングロール40の付近にそれぞれ設置され、印刷シート１の張力を調節する張力調節部60とを有し、各印刷ユニット20は、(a) 機能性インク２が貯蔵されたインク槽21と、(b) 機能性インク2に浸漬したインク注入ロール22と、(c) インク注入ロール22と接触した状態で一方向に回転し、回路パターン形状を有する成形溝23aが表面に形成されている成形ロール23と、(d) 成形ロール23のロール面に接触し、成形ロール23の表面のインクを除去するドクターブレード24と、(e) 各成形溝23aに注入された機能性インク2の表面を乾燥させる第一の乾燥装置25と、(f) 成形ロール23と接触した状態で成形ロール23と逆方向に回転し、成形ロール23から転写された成形インク2aを印刷シート１上に転写する印刷ロール26と、(g) 印刷ロール26の表面に転写した成形インク2aの露出面をさらに乾燥させる第二の乾燥装置27と、(h) 印刷ロール26と接触した状態で印刷ロール26と逆方向に回転し、印刷シート１を印刷ロール26に一定の圧力で押圧する押圧ロール28とを具備し、コーティング部30は、(1) コーティング剤３が貯蔵されたコーティング剤槽31と、(2) コーティング剤２に浸漬したコーティング剤供給ロール32aと、(3) コーティング剤供給ロール32aと接触した状態で一方向に回転し、印刷シート１の回路パターン側の表面にコーティング剤３を塗布するコーティングロール32と、(4) 印刷シート１をコーティングロール32に押圧するコーティング用押圧ロール33とを具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、導電性インク、半導体インク、誘電体インク等の機能性インクを用いてロールツーロール積層印刷法によりミクロンオーダーのライン幅を有する微細な電子回路パターンを形成し、印刷シートに転写する際、機能性インクを段階的にある程度固化させるので、成形ロールから印刷ロールへの転写及び印刷ロールから印刷シートへの転写において圧力を受けても電子回路パターンの形状は変化せず、またラインの重畳印刷でも精確な位置合わせをすることができる。従って、本発明の方法及び装置は、微細な電子回路パターンを有する薄膜トランジスタ等からなるICチップ等の電子素子、特にキロオーダーの集積度を有する汎用ICチップ等の電子素子を高精度かつ経済的に製造するのに好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明の実施例を添付図面を参照して詳細に説明する。本発明の方法は、薄膜トランジスタやICチップ等の電子素子を大量生産するために、導電性インク、半導体インク、誘電体インク等の機能性インクを用いて回路パターンをロールツーロール印刷法でシートに印刷するものである。本発明の方法は、成形ロールを用いて形成した所定のパターンの機能性インク層を転写するロールツーロール輪転印刷法を用いるため、電子素子の一貫連続製造が可能である。本発明はラインパターン印刷に適するグラビア製版法をベースとし、印刷ロールを用いた間接印刷法により機能性インクを転写するので、ラインパターンの重畳印刷を精確に行うことができ、MEMS構造を有する電子素子を効率的に製造することができる。またインライン検査法と印刷の位置合わせとのリアルタイム修正方法も光学カメラの非接触方式を用いるが、連続検査とリアルタイム自動制御方法とを目的に合うように拡充してきた。生産速度は現段階では通常の輪転印刷機より遅いが、リアルタイムな位置合わせが可能になり、全体的な印刷の生産性は十分に高い。
【００２７】
図１は本発明の一実施例による電子素子の製造方法を示し、図２は本発明の一実施例による電子素子の製造装置の全体構成を示し、図３は本発明の一実施例による電子素子の製造装置の一部である印刷ユニットを詳細に示し、図４は圧力調節装置が設置された印刷ユニットを示し、図５は本発明の一実施例による電子素子の製造装置の一部であるコーティング装置を詳細に示し、図6a、図6b及び図７は図２のＡ部の拡大断面図であり、印刷シートに電子素子が印刷された状態を例示する。
【００２８】
[1] 電子素子の製造方法
(1) 第１の工程（機能性インクを成形ロールの成形溝に注入）
インク槽21に満たされた機能性インク２中に浸漬されたインク注入ロール22は、その上の成形ロール23と接触している。成形ロール23及びインク注入ロール22が回転すると、成形ロール23の表面に形成された成形溝23aに機能性インク２が注入される。インク注入ロール22により成形溝23aへの機能性インク２の注入が確実になる。
【００２９】
(2) 第２の工程（成形ロールの表面からインクを除去）
成形ロール23の表面にドクターブレード（「スクレーパー」とも言う）24が接触しているので、回転する成形ロール23の表面に付着した機能性インク２はドクターブレード24により取り除かれ、成形溝23aに充填された機能性インク２（成形インク2a）だけが残る。
【００３０】
(3) 第３の工程（成形インクの乾燥）
成形ロール23は印刷ロール26と接触するが、ドクターブレード24と印刷ロール26との間で印刷ロール26より上流の領域に第一の乾燥装置25が設置されている。第一の乾燥装置25は、成形溝23a内の成形インク2aに熱風を吹き当てるか、ＩＲ又はＵＶ光を照射して、その表面部分を乾燥硬化させる。表面部分の乾燥硬化により、成形インク2aの凝集力が大きくなり、印刷ロール26の表面への転写が容易になる。
【００３１】
(4) 第４の工程（機能性インクを印刷ロールに転写）
成形ロール23の成形溝23aに充填された成形インク2aを印刷ロール26の表面に転写する。第３の工程において成形インク2aの表面（印刷ロール26に付着する面）が良好に転写できる程度に乾燥されたため、成形インク2aの転写効率は良い。
【００３２】
(5) 第５の工程（印刷ロールに転写された機能性インクの乾燥）
印刷ロール26は印刷シート１と接触するが、成形ロール23と印刷シート１との間で印刷シート１より上流の領域に第二の乾燥装置27が設置されている。第二の乾燥装置27は、成形インク2aに熱風を吹き当てるか、ＩＲ又はＵＶ光を照射して、その露出面を乾燥硬化させる。印刷ロール26上の成形インク2aは、露出面の乾燥硬化により凝集力が大きくなり、印刷ロール26から印刷シート１への転写が容易になる。
【００３３】
(6) 第６の工程（機能性インクの可撓性印刷シートへの転写）
印刷ロール26と加圧ロール28との間を可撓性印刷シート１が通過する。加圧ロール28により印刷シート１は印刷ロール26に押圧されるので、印刷ロール26のロール面に付着した成形インク2aは印刷シート１に転写される。
【００３４】
(7) 第７の工程（電子回路が印刷された印刷シートの巻き取り）
以上のようにして電子回路パターンが印刷された印刷シート１をリワインディングロール40に巻き取る。
【００３５】
上記工程の他に、第６の工程と第７の工程との間に、積層する機能性インクの層間に誘電体層を形成する工程（第6-1の工程）、及び／又は最上の機能性インク層の表面に保護層を形成する工程（第6-2の工程）を設けても良い。また第７の工程（巻取り工程）の直前に、後工程で分離し易くするために、印刷された反復パターンの間でシート１を部分的に切断する工程（第6-3の工程）を設けても良い。なお第７の工程を行わない場合は、印刷された反復パターンの間でシート１を全体的に切断しても良い。
【００３６】
スクリーニングにより成形溝23aを形成する一般的なグラビア製版法と異なり、本発明ではミクロンオーダーの微細な回路パターンのグラビア製版をライン状の成形溝23aにより構成するので、スクリーニング工程を省くことができる。ミクロンオーダーの微細なライン状の成形溝23aにインクが一旦充填されると、流出しにくいため、回路パターンを精確に描写することができる。成形溝23aはできるだけ深いのが好ましく、それにより機能性インク２の初期の転写量を大きくすることができる。
【００３７】
機能性インク２の粘度は0.1〜10 Pであるのが好ましく、0.1〜１Pであるのがより好ましい。低粘度の機能性インク２は溶剤を比較的多く含むため、乾燥後に薄膜化する機能性材料の含量を誤差範囲内で調節することができる。レーザーを用いたグラビア製版法によれば、約10μmと微細なラインの幅及び間隔を実現できる。
【００３８】
成形溝23aにより形成された成形インク2aの微細パターン形状を忠実に維持するため、成形ロール23から印刷ロール26への一次転写、及び印刷ロール26から印刷シート１への二次転写（「印刷」と呼ぶこともある）の際、成形インク2aが変形するのを防ぐ必要がある。そのため、成形溝23aに充填された液状の成形インク2aの表面を非流動化させる必要がある。成形インク2aの表面が完全に固化してしまうと転写・印刷が不可能となるため、流動性を維持しつつ粘弾性を高めることにより、成形溝23aから離脱した成形インク2aのパターン形状が崩れるのを防止する。高粘弾性だが流動性を有するため、接触転写圧が低すぎると成形インク2aを充分に転写することができないが、接触転写圧が高すぎると成形インク2aの形状が壊れてしまう。
【００３９】
本発明では、接触転写圧の適正化のために、シリコンゴムのようなゴム弾性体で形成された印刷ロール26を中間転写体として用いる。本発明は、通常のロータリーパッド印刷法を発展させたもので、成形インク2aの転写圧を調整可能にした。成形インク2aのパターン形状を維持しながら転写するために、一旦調整した接触転写圧及び乾燥条件を維持するのが好ましい。
【００４０】
成形インク2aを印刷ロール26から印刷シート１に転写するために、成形インク2aは、印刷ロール26の表面エネルギーに近い表面エネルギーを有する油性のものが好ましい。また成形ロール23の成形溝23a内の成形インク2aの半分以上を印刷ロール26に転写するために、成形溝23a内の成形インク2aの表面を瞬間的に乾燥させて（溶剤を揮発させて）、成形インク2aの表面をある程度硬化させる必要がある。これを「一次乾燥」と呼ぶ。一次乾燥により、成形インク2aの表面における粘弾性による付着力は、成形溝23a内の部分における流動性による付着力より十分に高くなる。よって、成形インク2aの表面が印刷ロール26のロール面に充分に密着すると、成形インク2aは容易に印刷ロール26のロール面に付着する。上記の通り、印刷ロール26のロール面は、一般的なオフセット印刷用ロールと異なり、ゴム弾性を有する（低硬度である）のが好ましい。
【００４１】
成形インク2aが印刷ロール26のロール面に転写されると、成形溝23a内に充填されていた部分が露出する。成形インク2aの形状を壊すことなく加圧ロール28に押圧された印刷シート（基板）１に二次的に接触転写するために、成形インク2aの露出面を瞬間的に乾燥させる（溶剤を揮発させる）。これを「二次乾燥」と呼ぶ。上述したようなインク転写工程における二段階の瞬間乾燥により、成形インク2aはほぼ全体的に所望の粘弾性を有するように硬化するので、加圧ロール28の押圧力（二次転写圧に等しい）を印刷ロール26の一次転写圧より大きくすることができる。また溶剤が十分に減少しているため、一般紙に印刷した場合でもブリーディングの問題がなく、また非吸収性のプラスチックフィルムに印刷した場合でもインクが横に広がる問題をない。また印刷ロール26の表面エネルギーが低い（離型性が良い）ため、印刷ロール26に一次転写された成形インク2aはほぼ100％印刷シート１に二次転写される。その際、接触転写圧を最小に維持して、ライン幅が広がらないようにするのが好ましい。
【００４２】
成形ロール23の成形溝23a内の成形インク2aの表面を瞬間乾燥させる第一の乾燥装置25は、熱風乾燥装置、又はＩＲ、ＵＶ等の照射装置からなるのが好ましい。一次乾燥は、機能性インク２のスクレーピングの後で、成形インク2aが印刷ロール26に一次転写される前に行う。印刷ロール26上の成形インク2aの露出面を瞬間乾燥せる第二の乾燥装置27も上記と同じで良い。二次乾燥は、成形インク2aが成形ロール23から一次転写された後で、印刷シート１に二次転写される前に行う。熱風乾燥の温度及び風量、並びにＩＲ、ＵＶ等の強度及び照射時間は、転写条件や機能性インクの組成等に応じて適宜調節する。
【００４３】
印刷ロール26の表面硬度は、ショア硬さで20〜70 HSの範囲内であるのが好ましく、印刷条件により適宜選択することができる。さらに、成形インク2aが微細なラインパターン形状を崩さずに転写されるように、印刷ロール26の表面はできるだけ平滑であるのが好ましい。成形ロール23の成形溝23aに機能性インク２を確実に満たすために、機能性インク２は数10 cP程度の低粘性流体であるのが好ましい。成形溝23aに充填されずにロール面に付着した機能性インク２をドクターブレード（スクレーパー）24で拭い取った後、成形溝23a内の成形インク2aを印刷ロール26に一次転写する。一次転写後に成形溝23aに残留した機能性インク２は、成形ロール23の回転によりインク槽21内に入り、その中の機能性インク２と混じる。
【００４４】
微細なライン幅の成形インク2aを印刷シート１にそのまま転写させるために、成形ロール23と印刷ロール26との間のインク転写圧、及び印刷ロール26と加圧ロール28との間のインク転写圧（印刷シート１に対する印圧）をそれぞれ適正な定圧に調節するのが好ましい。インク転写圧及び印圧を精密な圧力調整機構により調節して、所望のインク形状を精密に維持することにより、ICチップのミクロンパターンをロールツーロール印刷機で製造することができる。
【００４５】
上記方法により製造された電子素子（特にトランジスタ）３を図6a，図6b及び図７に例示する。図6に示すトランジスタは、印刷シート１上にゲート電極3aを印刷し、その上に誘電体層４をほぼ全面に塗布した後、ドレイン電極3b及びソース電極3cを同時に印刷し、その上に半導体パターン3dを印刷することにより得られる。このようなトランジスタやキャパシタ等が複数連結された有機ICチップの回路は非常に複雑であるが、電極パターン印刷→誘電体塗布→電極パターン印刷→半導体パターン印刷からなる基本工程により製造することができる。最後に保護層を塗布したり、回路の複雑度に伴い印刷、塗布、積層、バイアス印加又は分離工程を印刷工程中に付加したりすることにより、電子素子の完成度を高めることができる。
【００４６】
[2] 電子素子の製造装置
本発明の好ましい一実施例による電子素子の製造装置は、図２に示すように、可撓性印刷シートを巻回したワインディングロール10と、一列に配列された所定の回路パターンを形成するための複数の印刷ユニット20と、少なくとも一つのコーティング部30と、印刷の完了した印刷シートを巻き戻すリワインディングロール40と、ワインディングロールとリワインディングロールとの間に配置され、印刷シートをガイドする複数のガイドロール50と、ワインディングロール及びリワインディングロールの付近にそれぞれ設置され、印刷シートの張力を調節する手段60とを有し、各印刷ユニット20は、(a) 機能性インク２が貯蔵されたインク槽21と、(b) 機能性インク2に浸漬したインク注入ロール22と、(c) インク注入ロール22と接触した状態で一方向に回転し、回路パターン形状を有する成形溝23aが表面に形成されている成形ロール23と、(d) 成形ロール23のロール面に接触し、成形ロール23の表面のインクを除去するドクターブレードと、(e) 各成形溝23aに注入された機能性インク2の表面を乾燥させる第一の乾燥装置25と、(f) 成形ロール23と接触した状態で成形ロール23と逆方向に回転し、成形ロール23から一次転写された成形インク2aを印刷シート１に二次転写する印刷ロール26と、(g) 印刷ロール26に転写された成形インク2aの露出面をさらに乾燥させる第二の乾燥装置27と、(h) 印刷ロール26と接触した状態で印刷ロール26と逆方向に回転し、印刷シート１を印刷ロール26に一定の圧力で押圧する押圧ロール28とを具備し、コーティング部は、(1) コーティング剤３が貯蔵されたコーティング剤槽31と、(2) コーティング剤２に浸漬したコーティング剤供給ロール32aと、(3) コーティング剤供給ロール32aと接触した状態で一方向に回転し、印刷シート１の回路パターン側の表面にコーティング剤３を塗布するコーティングロール32と、(4)印刷シート１をコーティングロール32に押圧するコーティング用押圧ロール33とを具備している。
【００４７】
印刷ロール26は少なくとも表面がシリコンゴム等の弾性体からなるのが好ましい。弾性体のショア強度は20〜70 HSであるのが好ましい。
【００４８】
この製造装置において、インク槽21に満たされた機能性インク２に浸漬されたインク注入ロール22は成形ロール23と接触した状態で回転し、成形ロール23の表面に形成された成形溝23aに機能性インク２が確実に入るようにする。成形ロール23は下部が機能性インク２に浸った状態で回転するので、成形ロール23の成形溝23aには低粘度の機能性インク２が充填される。成形ロール23のロール面に付着した機能性インク２はドクターブレード24により除去する。成形溝23a内の機能性インク２（成形インク2a）は、第一の乾燥装置25からの熱風又は光により瞬間的に一次乾燥し、表面をある程度硬化させて粘弾性による付着力を増大させる。そのため、成形インク2aはパターン形状を壊さずに印刷ロール26に一次転写される。インク表面の付着力（凝集力）の増大により、相当量のインク転写が可能になる。成形インク2aを印刷ロール26に確実に転写するため、成形インク2aの表面エネルギーと印刷ロール26の表面エネルギーとの差は２erg/cm2以下であるのが好ましい。印刷ロール26に一次転写された成形インク2aは成形溝23a内での状態から反転し、成形溝23aの内部にあった部分が露出する。成形インク2aの露出面をさらに第二の乾燥装置27により瞬間的に二次乾燥し、ある程度硬化した状態にする。二度にわたる瞬間乾燥により、成形インク2aは十分な粘弾性による付着力を有する程度に全体的に硬化する。加圧ロール28の押圧により、その成形インク2aを印刷シート１に二次転写（印刷）する。二次転写の際、瞬間乾燥により硬化した成形インク2aは加圧ロール28の印圧下でも形状を維持することができる。
【００４９】
具体的には、成形ロール23がインク槽21に入ると、インク注入ロール22により機能性インク２が成形溝23aに隙間なく充填される。成形溝23a以外のロール面に付着した機能性インク２はドクターブレード24により除去する。成形溝23aに充填された機能性インク２は「成形インク2a」と呼ぶ。成形インク2aが満たされた成形溝23aが第一の乾燥装置25の位置に達すると、成形インク2aの表面から溶剤が急速に揮発して成形インク2aの表面はある程度硬化した状態になる。印刷ロール26により成形インク2aに瞬間的に高いニップ圧（一次転写圧）がかかるが、成形インク2aの硬化表面が蓋のような役割を果たすので、成形インク2aが横にはみ出すことはない。
【００５０】
低硬度で高弾性の印刷ロール26の表面はニップ圧を吸収するため、成形溝23a中の成形インク2aの形状安定性に寄与する。パターン形状を壊すことなく成形インク2aを印刷ロール26に一次転写するために、表面乾燥により成形インク2aが成形溝23aの縁部に固着しないようにしつつ、印刷ロール26への付着力を維持する程度に成形インク2aの表面の乾燥させる。印刷ロール26に転写された成形インク2aは反転するので、第二の乾燥装置27によりその露出面（成形溝23aの内部にあった部分）を二次乾燥させる。これにより、成形インク2aは全体的に粘弾性を有するようになる。そのため印刷ロール26と加圧ロール28との間の高いニップ圧によってもパターン形状が壊れずに印刷シート１に印刷される。
【００５１】
このように、当初は非常に低濃度の成形インク2aから転写工程で段階的に溶剤を揮発させて、機能性インクの凝集性及び粘弾性を高め、もってニップ圧に対して形状安定性を有するようにした。また離型性の良いシリコンゴムからなる印刷ロール26から印刷シート１に二次転写する際に、成形インク2aの変形が実質的になく、ラインの形状及び幅は維持される。微細ラインの表面及びエッジ部の粗さについても、印刷ロール26で平均化されるため、良好な印刷結果が得られる。本発明は、あたかもフライパンで裏返しながらケーキを焼くときの硬化効果を利用するようだと比喩することができる。
【００５２】
印刷ユニット20は、成形ロール23と印刷ロール26との接触圧力を調節する第一の圧力調節装置29a、及び印刷ロール26と加圧ロール28との接触圧力を調節する第二の圧力調節装置29bを有するのが好ましい。第一及び第二の圧力調節装置29a，29bには、圧力調節手段（図示せず）により常に定圧を維持する空圧シリンダーを用いることができる。
【００５３】
このように各ロール間の接触圧力を自動調節して常に定圧を維持することにより、常に一定の厚さの機能性インク層を印刷できる。例えば運転中に成形ロール23と加圧ロール26のギャップが変わる異常が発生しても、第一の圧力調節装置29aにより接触転写圧を一定に調節するため、成形インク2aに厚さムラが生じるおそれはない。また印刷ロール26の表面の弾性体は緩衝材としても作用する。
【００５４】
各ロールの駆動にサーボモータの同期制御による直接的な動力伝達方式を用いると、機械的な動力伝達手段（例えば、ギア）がないため、バックラッシュや慣性誤差等の機械的な原因による精度の低下を抑制できる。その上、本発明ではこのような機械部品を精密に製作する必要もないため、コスト面で有利である。
【００５５】
以上本発明を添付図面を参照して好ましい実施例について説明したが、本発明の範囲及び技術的思想を逸脱しない限り、種々の変更、付加及び置換を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明は、ロールツーロール輪転印刷法により機能性インクを所望の回路パターン状に可撓性印刷シートに印刷することができるので、電子素子を低コストに製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の一実施例による電子素子の製造工程を示すフローチャートである。
【図２】本発明の一実施例による電子素子の製造装置の全体構成を示す図である。
【図３】本発明の一実施例による電子素子の製造装置の一部である印刷ユニットの詳細構成を示す図である。
【図４】圧力調節装置が設置された状態の印刷ユニットを示す概略図である。
【図５】本発明の一実施例による電子素子の製造装置の一部であるコーティング装置の詳細構成を示す図である。
【図６（ａ）】図２のＡ部分における印刷シートに印刷された電子素子の一例の要部を拡大して示す平面図である。
【図６（ｂ）】図２のＡ部分における印刷シートに印刷された電子素子の一例を拡大して示す断面図である。
【図７】図２のＡ部分における印刷シートに印刷された電子素子の他の例を拡大して示す平面図である。
【符号の説明】
【００５８】
１・・・印刷シート
２，2a・・・インク
３・・・電子素子
3a・・・ゲート電極
3b・・・ドレイン電極
3c・・・ソース電極
3d・・・半導体パターン
４・・・誘電体
10・・・ワインディングロール
20・・・印刷ユニット
21・・・インク槽
22・・・インク注入ロール
23・・・成形ロール
23a・・・成形溝
24・・・ドクターブレード
25・・・第一の乾燥装置
26・・・印刷ロール
27・・・第二の乾燥装置
28・・・加圧ロール
29a・・・第一の圧力調節装置
29b・・・第二の圧力調節装置
30・・・コーティング装置
31・・・コーティング剤槽
32・・・コーティング剤供給ロール
32a・・・コーティング剤供給ロール
33・・・コーティング用押圧ロール
40・・・リワインディングロール
50・・・ガイドロール
60・・・張力調節手段
70・・・切断装置
【図１】
2006289983.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６（ａ）】
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【図６（ｂ）】
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【図７】
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