(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に電子回路要素を形成する装置であって、
レーザー装置と、
ノズルから粒子を噴射する粒子噴射装置と、
前記レーザー装置および前記基板を相対変位させる第１駆動装置と、
前記粒子噴射装置および前記基板を相対変位させる第２駆動装置と、
前記レーザー装置から発生したレーザービームが前記基板の表面に対して指定軌跡にしたがって変位しながら照射されるように前記第１駆動装置の動作を制御するとともに、前記基板の表面において前記レーザービームの照射により半溶融または溶融状態になっている箇所に、前記粒子噴射装置により噴射された粒子が衝突するように前記第２駆動装置の動作を制御するように構成されている制御要素とを備え、
前記粒子噴射装置により噴射される粒子として電気特性の異なる複数の物質の混合粒子が用いられ、
前記複数の物質の混合比が指定因子として調節されている、あるいは、前記制御要素が前記指定因子を調節するように構成され、
前記レーザー装置により前記基板の表面に照射されるレーザービームの前記基板の表面における照射箇所の変位速度が付加的な前記指定因子として調節されている、あるいは、前記制御要素が、当該付加的な指定因子を調節するように構成されていることを特徴とする電子回路要素形成装置。
【請求項２】
請求項１記載の電子回路要素形成装置において、
前記レーザー装置により前記基板の表面に照射されるレーザービームのビーム径および照射強度、ならびに、前記粒子噴射装置により噴射される前記粒子の流量、流速および圧力のうち少なくとも１つが付加的な前記指定因子として調節されている、あるいは、前記制御要素が、当該付加的な指定因子を調節するように構成されていることを特徴とする電子回路要素形成装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の電子回路要素形成装置において、
前記制御要素が、前記指定軌跡に沿った異なる箇所において異なる態様で前記指定因子を制御するように構成されていることを特徴とする電子回路要素形成装置。
【請求項４】
基板の表面においてレーザービームが指定軌跡にしたがって変位するとともに、前記レーザービームの前記基板の表面における照射箇所の変位速度が変化するように、前記基板の表面に対してレーザービームを照射し、
電気特性が異なる複数の物質の混合比を調節しながら前記複数の物質の混合粒子を調整し、
前記基板の表面において前記レーザービームの照射により半溶融または溶融状態になっている箇所に向けて前記混合粒子を噴射することを特徴とする電子回路要素形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上に電子回路要素を形成する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明者により、物体表面の所定箇所を溶融または軟化させた上で、粒子噴流を当該所定箇所に衝突させることにより、当該粒子を物体表面に埋め込む工程を連続的に行う技術が提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
また、レーザー支援型の微粒子埋め込み法（Laser Assisted Micro Powder Jet Implantation）により、銅粒子の噴流を用いた配線技術が提案されている（非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２３５４２７号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】K.Suzuki et.al.:J.J.Appl.Phys.49 (2010) 06GN09
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、基板上に所望の電気特性を有する電子回路要素を形成しうる装置および方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するための本発明の電子回路要素形成装置は、基板上に電子回路要素を形成する装置であって、レーザー装置と、ノズルから粒子を噴射する粒子噴射装置と、前記レーザー装置および前記基板を相対変位させる第１駆動装置と、前記粒子噴射装置および前記基板を相対変位させる第２駆動装置と、前記レーザー装置から発生したレーザービームが前記基板の表面に対して指定軌跡にしたがって変位しながら照射されるように前記第１駆動装置の動作を制御するとともに、前記基板の表面において前記レーザービームの照射により半溶融または溶融状態になっている箇所に、前記粒子噴射装置により噴射された粒子が衝突するように前記第２駆動装置の動作を制御するように構成されている制御要素とを備え、前記粒子噴射装置により噴射される粒子として電気特性の異なる複数の物質の混合粒子が用いられ、前記複数の物質の混合比が指定因子として調節されている、あるいは、前記制御要素が前記指定因子を調節するように構成され、前記レーザー装置により前記基板の表面に照射されるレーザービームの前記基板の表面における照射箇所の変位速度が付加的な前記指定因子として調節されている、あるいは、前記制御要素が、当該付加的な指定因子を調節するように構成されていることを特徴とする。
【０００８】
前記課題を解決するための電子回路要素形成方法は、基板の表面においてレーザービームが指定軌跡にしたがって変位するとともに、前記レーザービームの前記基板の表面における照射箇所の変位速度が変化するように、前記基板の表面に対してレーザービームを照射し、電気特性が異なる複数の物質の混合比を調節しながら前記複数の物質の混合粒子を調整し、前記基板の表面において前記レーザービームの照射により半溶融または溶融状態になっている箇所に向けて前記混合粒子を噴射することを特徴とする。
【０００９】
本発明の電子回路要素形成装置または方法によれば、レーザービームが基板表面に指定軌跡にしたがって当該レーザービームが基板表面に照射される。また、電気特性が異なる複数の物質の混合粒子が、基板表面においてレーザービームの照射により半溶融または溶融状態になっている箇所に向けて噴射される。これにより、基板表面に指定軌跡を描くような形状の電子回路要素が形成される。また、混合粒子は噴射の運動エネルギーによって基板に埋め込まれるため、当該粒子によって構成される電子回路要素の基板表面からの突出量を低く抑制することができる。電子回路要素は、配線のほか、電気抵抗またはコンデンサなどの電子回路素子をも含む概念である。
【００１０】
噴射対象である混合粒子における複数の物質の混合比が指定因子として調節されるとともに、レーザー装置により基板の表面に照射されるレーザービームの前記基板の表面における照射箇所の変位速度を付加的な指定因子として調節されることにより、電子回路要素の電気伝導度等の電気特性が調節されうる。このため、指定因子および付加的な指定因子の調節を通じて、電気特性が所望の電気特性になるように調節された電子回路要素が基板上に形成されうる。
【００１１】
前記レーザー装置により前記基板の表面に照射されるレーザービームのビーム径および照射強度、ならびに、前記粒子噴射装置により噴射される前記粒子の流量、流速および圧力のうち少なくとも１つが付加的な前記指定因子として調節されている、あるいは、前記制御要素が、当該付加的な指定因子を調節するように構成されていてもよい。
【００１２】
当該構成の電子回路要素形成装置によれば、付加的な指定因子の調節を通じて、基板表面において噴射粒子が進入しやすい半溶融または溶融状態になる箇所の幅もしくは深さ、または、基板に対する噴射粒子の進入量もしくは進入深さなどが調節されうる。これにより、基板断面における電子回路要素の断面形状および断面積、ひいては、電気抵抗等の電気特性が調節されうる。このため、付加的な指定因子の調節を通じて、電気特性が所望の電気特性になるように調節された電子回路要素が基板上に形成されうる。
【００１３】
前記制御要素が、前記指定軌跡に沿った異なる箇所において異なる態様で前記指定因子を制御するように構成されていてもよい。
【００１４】
当該構成の電子回路要素形成装置によれば、基板に対するレーザービームの照射および混合粒子の噴射という工程が、途中で物質の混合比等が変更されながらも連続して実行される。これにより、隣接または連続している他の電子回路要素の電気特性とは異なる電気特性を有する電子回路要素が形成されうる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の電子回路要素形成装置の構成説明図。
【図２】本発明の電子回路要素形成方法の手順に関する説明図。
【図３】電子回路要素（実施例１〜３）の電気特性に関する説明図。
【図４】電子回路要素（実施例１）の電気特性に関する説明図。
【図５】電子回路要素の光学顕微鏡による観察結果図。
【図６】電子回路要素のＦＩＢシステムによる観察結果図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（本発明の電子回路要素形成装置の構成）
本発明の一実施形態としての図１に示されている電子回路要素形成装置は、基板６に電子回路要素７を形成するための装置である。この装置は、ＣＷ型のレーザー装置１と、ノズル２１から粒子を噴射する粒子噴射装置２と、基板６が載置されるベース３と、ベース３の動力源としてのアクチュエータ４と、制御装置５とを備えている。
【００１７】
制御装置５は、レーザー装置１から発生したレーザービームが基板６の表面に対して指定軌跡にしたがって変位しながら照射されるようにアクチュエータ４の動作を通じてベース３の変位軌跡を制御するように構成されている。この意味において、ベース３を駆動するアクチュエータ４は「第１駆動装置」として動作する。
【００１８】
粒子噴射装置２は、基板６の表面においてレーザービームの照射により半溶融または溶融状態になっている箇所に、粒子噴射装置２により噴射された粒子が衝突するように位置および姿勢が調節されている。この意味において、ベース３を駆動するアクチュエータ４は「第２駆動装置」として動作する。
【００１９】
レーザー装置１および粒子噴射装置２のそれぞれは適当な部材に固定されているが、基板６に対する相対位置および相対姿勢を変化させることができるように、共通または別個のアクチュエータにより、レーザー装置１および粒子噴射装置２のそれぞれの位置および姿勢が別個に調節されてもよい。
【００２０】
粒子噴射装置２により噴射される粒子として電気特性の異なる複数の物質の混合粒子が用いられている。当該複数の物質の混合比が指定因子としてあらかじめ調節されている。
【００２１】
粒子噴射装置２に対して各物質を供給するための複数の供給ラインが設けられ、当該複数の供給ラインのそれぞれに流量調節弁などの供給量調節機構が設けられ、制御装置５により当該供給量調節機構の動作が制御されることにより、指定因子が調節されていてもよい。この場合、制御装置５および供給量調節機構が「制御要素」を構成する。
【００２２】
レーザー装置１により基板６の表面に照射されるレーザービームのビーム径、照射強度および基板６の表面における照射箇所の変位速度、ならびに、粒子噴射装置２により噴射される粒子の流量、流速および圧力のうち少なくとも１つが付加的な指定因子として調節されている。なお、制御装置５が、当該付加的な指定因子を調節するように構成されていてもよい。
【００２３】
（本発明の電子回路要素形成方法）
本発明の方法の基本的な手順について説明する。
【００２４】
熱可塑性樹脂性の基板６の表面においてレーザービーム（たとえばグリーンレーザービーム）が指定軌跡にしたがって変位するように、基板６の表面に対してレーザービームが照射される（図２／ＳＴＥＰ０１）。これにより、基板６の表面が局所的に加熱され、半溶融または溶融状態となる。レーザービームは、たとえば、光ファイバーを用いて基板６の近傍まで誘導された後でレンズにより集光された上で基板６の表面に照射される。
【００２５】
電気特性が異なる複数の物質の混合比が調節された、当該複数の物質の混合粒子が調整された上で、基板６の表面においてレーザービームの照射により半溶融または溶融状態になっている箇所に向けて混合粒子が噴射される（図２／ＳＴＥＰ０２）。これにより、複数の物質の混合体により構成され、指定軌跡にしたがった軌跡を描く電子回路要素７が基板６の表面に形成される。
【００２６】
当該２つの工程は並行して実行されうる。
【００２７】
（実施例１）
基板６として、熱可塑性樹脂であるＰＯＭ（ポリオキシメチレン）樹脂製の基板が用いられた。レーザー装置１の出力は、基板６の表面をＰＯＭの融点１８０［℃］付近まで加熱する観点から４８０［ｍＷ］に設定された。基板６が速度３［ｍｍ／ｍｉｎ］で指定軌跡（たとえば直線）にしたがって変位するようにアクチュエータ４の動作が制御された。
【００２８】
平均粒径約５［μｍ］のカーボン粒子と、平均粒径約１［μｍ］の酸化ケイ素（ＳｎＯ2）粒子とが、遊星ボールミル装置を用いて混合されることによりカーボンおよび酸化ケイ素の混合粒子が調整された。粒子噴射装置２は０．５ＭＰａのＡｒガスを用いて、内径０．７０［ｍｍ］のノズル２１から粒子を噴射するように構成されている。
【００２９】
当該条件下で、前記手順にしたがって、カーボンおよび酸化ケイ素の混合比が異なる複数種類の電子回路要素７が基板６の表面に形成された。
【００３０】
（実施例２）
ＰＯＭ樹脂製の基板に代えてＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂製の基板を用いた。レーザー装置１の出力は、基板６の表面をＰＰＳの融点２８０［℃］付近まで加熱する観点から７００［ｍＷ］に設定された。そのほかは、実施例１と同様の条件下でカーボンおよび酸化ケイ素の混合比が異なる複数種類の電子回路要素７が基板６の表面に形成された。
【００３１】
（実施例３）
平均粒径約５［μｍ］のカーボン粒子と、平均粒径約１［μｍ］のニッケル（Ｎｉ）粒子とが、遊星ボールミル装置を用いて混合されることによりカーボンおよびニッケルの混合粒子が調整された。そのほかは、実施例１と同様の条件下でカーボンおよびニッケルの混合比が異なる複数種類の電子回路要素７が基板６の表面に形成された。
【００３２】
（電子回路要素の電気特性）
図３には、実施例１〜３の電子回路要素７のそれぞれの電気伝導度Ｇと、混合粒子における混合比（重量比率）Ｘおよびパーコレーション転移の臨界値Ｘｃの差分Ｘ−Ｘｃとの測定結果が示されている。パーコレーション転移とは、たとえば、不導体の中に導体を混入した際、導体の割合がある臨界量に達したときに電流が流れ始めるという転移を意味する。すなわち、混合比Ｘが臨界値Ｘｃを下回ると、電子回路要素７の電気伝導度Ｇが著しく低下する。
【００３３】
実施例１および実施例２において、混合比Ｘはカーボンを基準とした酸化スズの重量比率により定義されている。この場合、臨界値Ｘｃは０．４０である。実施例３において、混合比Ｘは混合粒子におけるニッケルを基準としたカーボンの濃度により定義されている。この場合、臨界値Ｘｃは０．０５０である。電気伝導度Ｇの測定対象となった電子回路要素の領域の長さは２［ｍｍ］である。
【００３４】
図３から、Ｌｏｇ（Ｘ−Ｘｃ）と、ＬｏｇＧとがほぼ比例関係にあることがわかる。また、基板６がＰＰＳ樹脂である実施例２は、基板６がＰＯＭ樹脂である実施例１よりも電気伝導度Ｇが高く、かつ、当該比例係数が大きいことがわかる。これは、溶融した樹脂（これに含まれる炭素など）が還元剤として混合粒子に作用しているためであると推察されるが、詳細なメカニズムは不明である。さらに、Ｃ−Ｎｉ混合粒子が用いられた実施例３は、Ｃ−ＳｎＯ2混合粒子が用いられた実施例１よりも電気伝導度Ｇが高く、かつ、当該比例係数が小さいことがわかる。
【００３５】
図４には、実施例１の電子回路要素７について、ｆ＝２００［ｋＨｚ］におけるインピーダンスＺ（２００）を基準とした、インピーダンス実数成分Ｒｅ［Ｚ（ｆ）／Ｚ（２００）］の周波数特性が示されている。実数成分混合粒子における酸化スズの重量比を増加させていくと、周波数ｆが高い領域において、電子回路要素７のインピーダンス実数成分が著しく減少する傾向にあることがわかる。
【００３６】
（電子回路要素の形成状況）
図５には、光学顕微鏡を通じて観察された、実施例１のＰＯＭ樹脂製の基板６の表面上に形成された電子回路要素７の表面が示されている。電子回路要素７は、カーボンの重量比が７０［ｗｔ％］であり、酸化スズの重量比が３０［ｗｔ％］である混合粒子を用いて形成されている。図５から電子回路要素７の線幅は約４００［μｍ］であり、ノズル２１の内径７００［μｍ］よりも幅狭になっていることがわかる。
【００３７】
図６には、ＦＩＢ（収束イオンビーム）を通じて観察された、実施例１のＰＯＭ樹脂製の基板６の表面上に形成された電子回路要素７の表面が示されている。断面が示されている。微粒子が堆積して凝結していることがわかる。
【００３８】
（本発明の電子回路要素形成装置および方法の作用効果）
本発明の電子回路要素形成装置または方法によれば、混合粒子における複数の物質の混合比が指定因子として調節されることにより、電子回路要素７の電気伝導度等の電気特性が調節されうる。このため、指定因子の調節を通じて、電気特性が所望の電気特性になるように調節された電子回路要素７が基板６の表面に形成されうる（図３および図４参照）。
【００３９】
また、付加的な指定因子（レーザービームのビーム径、照射強度および前記基板の表面における照射箇所の変位速度、ならびに、前記粒子噴射装置により噴射される前記粒子の流量、流速および圧力のうち少なくとも１つ）の調節を通じて、基板６の表面において噴射粒子が進入しやすい半溶融または溶融状態になる箇所の幅もしくは深さ、または、基板６に対する噴射粒子の進入量もしくは進入深さなどが調節されうる。これにより、基板６の断面における電子回路要素７の断面形状および断面積、ひいては、電気抵抗等の電気特性が調節されうる（図５および図６参照）。このため、付加的な指定因子の調節を通じて、電気特性が所望の電気特性になるように調節された電子回路要素７が基板６の表面に形成されうる。
【００４０】
（本発明の他の実施形態）
制御装置５が、指定軌跡に沿った異なる箇所において異なる態様で指定因子を制御するように構成されていてもよい。当該構成の電子回路要素形成装置によれば、基板６に対するレーザービームの照射および混合粒子の噴射という工程が、途中で物質の混合比等が変更されながらも連続して実行される。これにより、隣接または連続している他の電子回路要素の電気特性とは異なる電気特性を有する電子回路要素が形成されうる。
【００４１】
混合粒子の組成が局所的に変更されることにより、ＰＮＰ接合またはＮＰＮ接合が形成されうる。また、配線の途中に局所的にインピーダンスが高い箇所が形成されうる。
【００４２】
前記実施形態では、混合粒子を構成する物質の組み合わせとしてＣ−ＳｎＯ2、Ｃ−Ｎｉが採用されたが、他の実施形態として、ＳｎＯ2−Ｎｉ、Ｃ−ＳｎＯ2−Ｎｉ等、電気特性が異なるあらゆる２種類以上の物質の混合粒子が用いられてもよい。
【符号の説明】
【００４３】
１‥レーザー装置、２‥粒子噴射装置、４‥アクチュエータ、５‥制御装置、６‥基板、７‥電子回路要素。
【図１】
0005716225.tif 000002
【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】
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