(57)【要約】  プリントされた回路用途のために基板上に固体粒子のエアロゾル化粉末を堆積するシステムおよび方法が開示され、基板上にエアロゾル化粉末をコールドスプレーして、有限特徴物を形成することを備え、有限特徴物の長さおよび幅の寸法の少なくとも一方が、５００ミクロン以下である。
2015511270.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に固体粒子を堆積するよう構成されたマイクロコールドスプレー直接書き込みシステムであって、
堆積ヘッドと、
前記堆積ヘッドの入力に結合されたキャリアガス供給線とを備え、
前記キャリアガス供給線が、固体粒子を備えるエアロゾル化された前駆体材料を搬送するよう構成され、
前記システムは、前記堆積ヘッドに結合された加速器ガス供給線を備え、前記加速器ガス供給線が、前記堆積ヘッドに加速器ガスを搬送するよう構成され、
前記堆積ヘッドは、前記堆積ヘッドの出力にノズルを備え、
前記ノズルは、入口開口と出口開口とを有し、
前記加速器ガスは、高速エアロゾルビームとして前記ノズルの前記出口開口から前記キャリアガスを駆動するよう構成され、それにより、前記固体粒子は、前記基板上に有限特徴物を生成するよう前記基板に衝突するため変形する、システム。
【請求項２】
前記堆積ヘッドは、前記堆積ヘッドの少なくとも長さに沿って前記入力から前記キャリアガスを届けるよう構成された第１のチャネルを備え、
前記第１のチャネルは、前記ノズルの前記入口開口から離れて配置された出口ポートを有して、前記出口ポートと前記ノズルの前記入口開口との間にギャップを形成し、
前記堆積ヘッドは、前記キャリアガスと一体化するよう、前記ギャップに前記加速器ガスを届けるよう構成される第２のチャネルを備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記粒子は、金属製の組成物を備え、
前記有限特徴物は、前記基板上に導電性特徴物を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記特徴物は、１μｍから５００μｍの範囲の幅を有する線を備える、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記特徴物は、５μｍから１００μｍの範囲の幅を有する線を備える、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記特徴物は、１０μｍから５０μｍの範囲の幅を有する線を備える、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記出口開口での前記エアロゾルビームは、２００ｍ／ｓから１０００ｍ／ｓの間の範囲の速度を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記第１のチャネルは、前記ノズルと実質的に同軸に配置され、
前記第２のチャネルは、前記加速器ガスを、前記キャリアガスに対してある角度で前記ギャップに届けるよう構成される、請求項２に記載のシステム。
【請求項９】
前記第２のチャネルは、前記ギャップ内に繋がる円錐状チャネルを形成し、
前記第１のチャネルの前記出口ポートは、前記円錐状チャネルの先端で終端する、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記ノズルは、テーパ収れんボアを備え、
前記ノズルの前記入口開口は、前記出口開口の前記直径よりも大きな直径を有する、請求項２に記載のシステム。
【請求項１１】
前記ノズルは、前記ノズルの前記入口開口から繋がるテーパ収れんボアを備え、
前記テーパ収れんボアは、前記ノズルの前記出口開口に繋がる実質的に一定の直径を有するボアを伴う、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記エアロゾルビームの前記直径は、前記ボアの前記出口開口の前記直径より実質的に小さい直径に収束する、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１３】
前記エアロゾルビームは、前記ノズルの前記出口開口から出る場合に、実質的にコリメートされる、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１４】
前記エアロゾルビームは、前記ノズルの前記出口開口から出る前に、前記ボア内で整形される、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記第１および第２のチャネルに隣接して配置される加熱要素をさらに備え、
前記加熱要素は、前記キャリアおよび加速器ガスを所定の温度に加熱し、前記ノズルを通って加速される場合に前記キャリアおよび加速器ガスの温度の低下を補うよう構成される、請求項２に記載のシステム。
【請求項１６】
基板上に固体粒子を堆積するよう構成されたマイクロコールドスプレー直接書き込み堆積ヘッドであって、
キャリアガスを受け取るための第１の入力を備え、
前記キャリアガスが、固体粒子を備えるエアロゾル化された前駆体材料を備え、
前記堆積ヘッドは、加速器ガスを受け取るための第２の入力と、
前記堆積ヘッドの出力でのノズルとを備え、
前記ノズルは、入口開口および出口開口を有し、
前記加速器ガスは、高速エアロゾルビームとして前記ノズルの前記出口開口から前記キャリアガスを駆動するよう構成され、前記固体粒子は、前記基板上に有限特徴物を生成するよう前記基板に衝突するため変形する、堆積ヘッド。
【請求項１７】
前記堆積ヘッドの少なくとも長さに沿って前記入力から前記キャリアガスを届けるよう構成されて、前記ノズルの前記入口開口から離れて配置された出口ポートを有して、前記出口ポートと前記ノズルの前記入口開口との間にギャップを形成する第１のチャネルと、
前記キャリアガスと一体化するよう前記ギャップに前記加速器ガスを届けるよう構成された第２のチャネルとをさらに備える、請求項１６に記載の堆積ヘッド。
【請求項１８】
前記粒子は、金属製の組成物を備え、前記特徴物は、前記基板上に導電性特徴物を備える、請求項１６に記載の堆積ヘッド。
【請求項１９】
前記特徴物は、１μｍから２００μｍの範囲の幅を有する線を備える、請求項１８に記載の堆積ヘッド。
【請求項２０】
前記特徴物は、５μｍから１００μｍの範囲の幅を有する線を備える、請求項１９に記載の堆積ヘッド。
【請求項２１】
前記特徴物は、１０μｍから５０μｍの範囲の幅を有する線を備える、請求項２０に記載の堆積ヘッド。
【請求項２２】
前記出口開口での前記エアロゾルビームは、２００ｍ／ｓから１０００ｍ／ｓの間の範囲の速度を有する、請求項１６に記載の堆積ヘッド。
【請求項２３】
前記第１のチャネルは、前記ノズルと実質的に同軸に配置され、
前記第２のチャネルは、前記加速器ガスを、前記キャリアガスに対してある角度で前記ギャップに届けるよう構成される、請求項２２に記載の堆積ヘッド。
【請求項２４】
前記第２のチャネルは、前記ギャップ内に繋がる円錐状チャネルを形成し、
前記第１のチャネルの前記出口ポートは、前記円錐状チャネルの先端で終端する、請求項２３に記載の堆積ヘッド。
【請求項２５】
前記ノズルは、テーパ収れんボアを備え、
前記ノズルの前記入口開口は、前記出口開口の前記直径よりも大きな直径を有する、請求項１７に記載の堆積ヘッド。
【請求項２６】
前記ノズルは、前記ノズルの前記入口開口から繋がるテーパ収れんボアを備え、
前記テーパ収れんボアは、前記ノズルの前記出口開口に繋がる実質的に一定の直径を有するボアを伴う、請求項２５に記載の堆積ヘッド。
【請求項２７】
前記エアロゾルビームは、前記ボアの前記出口開口の前記直径より実質的に小さい直径に収束する、請求項２５に記載の堆積ヘッド。
【請求項２８】
前記エアロゾルビームは、前記ノズルの前記出口開口から出る場合に、実質的にコリメートされる、請求項２５に記載の堆積ヘッド。
【請求項２９】
前記エアロゾルビームは、前記ノズルの前記出口開口から出る前に、前記ボア内で整形される、請求項２８に記載の堆積ヘッド。
【請求項３０】
前記第１および第２のチャネルに隣接して配置される加熱要素をさらに備え、
前記加熱要素は、前記キャリアおよび加速器ガスを所定の温度に加熱し、前記ノズルを通って加速される場合に前記キャリアおよび加速器ガスの温度の低下を補うよう構成される、請求項１７に記載の堆積ヘッド。
【請求項３１】
前記有限特徴物は、変形可能な固体を備える、請求項１６に記載の堆積ヘッド。
【請求項３２】
前記有限特徴物は、ポリマを備える、請求項１６に記載の堆積ヘッド。
【請求項３３】
前記ポリマは、絶縁体として働く、請求項３２に記載の堆積ヘッド。
【請求項３４】
プリントされた回路用途のために基板上に固体金属粒子のエアロゾル化粉末を堆積する方法であって、
前記エアロゾル化粉末を前記基板上にコールドスプレーして、有限特徴物を形成することを備え、
前記有限特徴物の長さおよび幅の寸法の少なくとも一方は、５００ミクロン以下である、方法。
【請求項３５】
前記特徴物は、５μｍから１００μｍの範囲の線幅を備える、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記特徴物は、１０μｍから５０μｍの範囲の線幅を備える、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記固体金属粉末は、高速エアロゾルビームとして堆積し、前記固体粒子は、前記基板上に前記有限特徴物を生成するために前記基板に衝突するので変形する、請求項３４に記載の方法。
【請求項３８】
前記出口開口での前記エアロゾルビームは、２００ｍ／ｓから１０００ｍ／ｓの間の範囲の速度を有する、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記エアロゾル化粉末をコールドスプレーすることは、
前記エアロゾル化粉末を搬送する前記キャリアガスを堆積ヘッドに投入することと、
加速器ガスを堆積ヘッドに投入して、前記金属粒子を加速することとを備え、
前記堆積ヘッドは、前記堆積ヘッドの出力でノズルを備え、
前記ノズルは、入口開口および出口開口を有し、
前記コールドスプレーすることは、前記加速器ガスを前記キャリアガスと一体化し、前記高速エアロゾルビームを形成するために前記ノズルの前記出口開口から前記キャリアガスを駆動する、請求項３４に記載の方法。
【請求項４０】
前記堆積ヘッドを所定の温度に加熱して、前記ノズルを通る場合に加速器ガスおよびキャリアガスの温度の低下を補うことをさらに備える、請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
前記堆積ヘッドは、前記堆積ヘッドの少なくとも長さに沿って前記入力から前記キャリアガスを届けるよう構成された第１のチャネルを備え、
前記第１のチャネルは、前記ノズルの前記入口開口から離れて配置された出口ポートを有して、前記出口ポートと前記ノズルの前記入口開口との間にギャップを形成し、
前記堆積ヘッドは、前記キャリアガスと一体化するよう、前記ギャップに前記加速器ガスを届けるよう構成される第２のチャネルを備える、請求項３９に記載の方法。
【請求項４２】
前記有限特徴物は、前記基板上に導電性特徴物を備える、請求項３７に記載の方法。
【請求項４３】
前記第１のチャネルは、前記ノズルと実質的に同軸に配置され、
前記第２のチャネルは、前記加速器ガスを、前記キャリアガスに対してある角度で前記ギャップに届けるよう構成される、請求項４１に記載の方法。
【請求項４４】
前記第２のチャネルは、前記ギャップ内に繋がる円錐状チャネルを形成し、
前記第１のチャネルの前記出口ポートは、前記円錐状チャネルの先端で終端する、請求項４３に記載の方法。
【請求項４５】
前記エアロゾルビームは、前記ボアの前記出口開口の前記直径より実質的に小さい直径に収束する、請求項３９に記載の方法。
【請求項４６】
前記エアロゾルビームは、前記ノズルの前記出口開口から出る場合に、実質的にコリメートされる、請求項３９に記載の方法。
【請求項４７】
前記エアロゾルビームは、前記ノズルの前記出口開口から出る前に、前記ボア内で整形される、請求項４６に記載の方法。
【請求項４８】
前記有限特徴物は、変形可能な固体を備える、請求項３４に記載の方法。
【請求項４９】
前記有限特徴物は、ポリマを備える、請求項３４に記載の方法。
【請求項５０】
前記ポリマは、絶縁体として働く、請求項４９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本出願は、２０１２年１月２７日に出願された米国特許仮出願第６１／５９１３６５号明細書、および２０１２年８月２０に出願された米国特許仮出願第６１／６９１１１２号明細書の非仮出願であり、その両方について、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載
【０００２】
本発明は、米国Ｄｅｆｅｎｓｅ  Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ａｃｔｉｖｉｔｙ  （ＤＭＥＡ）との契約番号Ｈ９４００３−０９−２−０９０５の下で、政府の支援を受けて行われた。政府は、本発明において、一定の権利を有する。
コンパクトディスクでの提出材料の参照による引用
【０００３】
不適用
著作権保護に対する目的物の通知
【０００４】
本特許文書における材料の一部は、米国および他国の著作権法の下、著作権保護を受ける。著作権の所有者は、米国特許商標庁で公的に利用可能なファイルまたは記録に表示される、特許文書または特許開示の何者かによる複製に異論はないが、それ以外はすべての著作権を留保する。著作権所有者は、これにより、その権利のいずれも放棄せず、本特許文書を秘密裏に維持し、３７Ｃ．Ｆ．Ｒ．§１．１４の規定に基づく権利を限定されることなく有する。
【技術分野】
【０００５】
１．技術分野
【０００６】
本発明は、一般に、直接書き込み製造方法およびデバイスに関し、より具体的には、直接書き込み製造で使用される堆積ヘッドまたは堆積端から放出された粒子の収束に関する。
【背景技術】
【０００７】
２．背景技術
【０００８】
パッケージングの第２レベル、すなわち、プリント回路板の製造は、電子機器の製造における主要な部分となる。その一次機能は、構成部品のための取付面を提供すること、構成部品のための入力／出力パッド、またはビアホールを提供すること、構成部品間の相互連携のための相互接続を提供すること、回路板をテストするためのプローブポイントを提供すること、組立中に識別ポイントを提供することによって、および現場保守ならびにサービスの間のサポートのための識別ポイントを提供することによって、製造動作をサポートすることを含む。
【０００９】
いくつかの直列技術および並列技術が、剛体基板および可撓性基板でのパッケージングの第２レベルでの相互接続をプリントするために開発されてきた。銅エッチングおよびスクリーンプリンティングは、パッケージングの第２レベルでの相互接続の製造のための並列処理を最も一般に使用する。銅エッチング処理の特徴物サイズは、一般に、５０μｍに限定される。エッチング処理には、多くのポリマ基板材料と適合可能ではない可能性があるいくつかの化学物質を使用することを含む。
【００１０】
スクリーンプリンティング処理の特徴物サイズは、１００μｍに限定され、より小さな特徴物サイズのプリンティングは、特別なスクリーンの使用を必要とする可能性がある。一部の既存の方法では、プリンティングのためのマスクを薄膜リソグラフィを使用して作成した非常に複雑なスクリーンプリンティング処理を使用して、５０μｍ幅の線をプリントすることが可能となっている。さらに、スクリーンプリンティングのために使用される市販のインクの多くは、１５μｍ程度の金属フレークを有し、５０μｍより小さな導電性特徴物を均一にプリントすることはほぼ不可能である。また、並列処理は、インクならびに導電材料を無駄にし、どんなに小さな設計変更でも、新しいマスクやスクリーンを必要とする。これらの並列処理はまた、ビアホールを満たすことができず、したがって、追加のシリンジベース処理を使用してビアホールを満たすことになるので、製造コストが増加する。
【００１１】
多くの直接書き込み（直列）処理が、並列処理の限界に対処するために開発されてきた。マスクレスメソスケール材料堆積（Ｍ３Ｄ（登録商標）：Ｍａｓｋｌｅｓｓ  Ｍｅｓｏｓｃａｌｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）処理では、導電ナノインクのエアロゾルビームを使用して、基板上に特徴物をプリントする。Ｍ３Ｄ（登録商標）処理の変形であるコリメート化エアロゾルビーム直接描画堆積（ＣＡＢ−ＤＷ：Ｃｏｌｌｉｍａｔｅｄ  Ａｅｒｏｓｏｌ  Ｂｅａｍ  Ｄｉｒｅｃｔ  Ｗｒｉｔｅ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法は、収れんノズルおよび発散ノズルの組合せを使用して、銀のナノインクをプリント特徴物に堆積する。インクジェットプリント処理は、基板上にマイクロキャピラリを通じてインクの液滴を押し出す。シリンジベース直接書き込み技術は、「マイクロペン」を使用して、基板上に導電トレースパターンをプリントする。上記の直接書き込み処理のすべては、特徴物を導電するための追加の焼結ステップを必要とするナノインクを使用する。焼結温度は、多くの場合、ポリマ基板のガラス転移温度より高く、低コストの可撓性電子機器には適さない。さらに、そのようなインクは、ビアホールを満たすのに適さず、インクの溶媒が蒸着するにつれ、熱的に焼結される場合、インクが収縮する。
【００１２】
多くのレーザベースの直接書き込み方法もまた、開発されてきた。マトリックス支援パルスレーザ蒸着直接書き込み（ＭＡＰＬＥ−ＤＷ：Ｍａｔｒｉｘ  Ａｓｓｉｓｔｅｄ  Ｐｕｌｓｅｄ  Ｌａｓｅｒ  Ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ  Ｄｉｒｅｃｔ  Ｗｒｉｔｅ）法を使用して、少量の蒸着剤を、レーザを使用して、透過源から受容基板に移す。レーザマイクロ被覆電子ペースト（ＬＭＣＥＰ：Ｌａｓｅｒ  Ｍｉｃｒｏ  Ｃｌａｄｄｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｐａｓｔｅ）処理では、レーザは、導電材料を含むエポキシペーストで被覆された基板上に、選択的に照射される。硬化前ペーストは後に洗い流され、導電パターンを得る。しかしながら、製造処理にレーザを導入すると、製造物のコストが大幅に増加することになる。
【００１３】
コールドスプレーまたは動的スプレー材料堆積法が、風洞内の二相超音速流の研究中に１９８０年代初期に先ず発見された。フローストリーム内の粒子が、一定の限界速度を超えて表面に衝突する場合、粒子は、瞬間可塑変形をし、表面上にスプラットを生成し、固体表面に非常に強く付着することがあることが観測される。スプラットを生成するのに要する限界速度は、粒子の材料による。
【００１４】
コールドスプレー堆積処理は、（大領域を被覆する）表面被覆方法として排他的に使用されてきたが、マイクロエレクトロニクスアプリケーションのための直接書き込み処理で必要とされるものなどの、小さく、規定された特徴物を作り出すためには使用されない。
【００１５】
微細特徴物堆積が、高温プラズマプルームで熱スプレーを使用して開発されてきた。米国特許第６５７６８６１号明細書参照。７５ミクロン程度の特徴物が報告されている。しかしながら、この堆積法は、高温プラズマトーチに依存する。このことは、可撓性のマイクロエレクトロニクス、およびソーラ用途で使用されるものなどの、熱的に影響を受けやすい基板に対して不適切である。さらに、この処理は、堆積パターンのマスキングのために物理的コリメータを使用して、特徴物サイズを実現する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
したがって、本発明の目的は、プリントされたマイクロエレクトロニクスアプリケーションを直接書き込むためにビーム堆積を収れんするコールドスプレー堆積処理である。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、わずかに高温で小さな寸法を有する金属特徴物の堆積に関する。本発明は、金属粉末前駆体を使用して、金属線を直接書き込むよう構成されたシステムおよび方法を備える。本発明の堆積システムおよび方法は、高堆積率で、温度の影響を受けやすい基板上で実行することができる。
【００１８】
本発明のシステムおよび方法は、別々のガス流（キャリアおよび加速器）を使用することを含み、ガスおよび予熱温度の率および量は、マイクロノズルを通過する粉体流を最大限に収束するよう最適化することができる。適切に収束し、加速した場合、１０ミクロン程度の特徴物が可能となり、線幅は、本システムの収束特性および一次前駆体粒子サイズによって主に限定される。本システムのノズルは、５０から５００ミクロンになると想定されるノズルスロート径で亜音速、または超音速となる可能性がある。本技術は、相互接続ならびに他の金属特徴物を書き込むためのマイクロエレクトロニクスおよび上部金属被覆層の直接書き込みのためのソーラセル用途で応用される。本処理の重要な利点は、焼結、またはさらなる後処理の必要はなく、金属線を堆積し、一方、さらに、ほぼバルク導電率を達成することである。
【００１９】
別の態様は、プリントされたマイクロエレクトロニクスアプリケーションのための直接書き込み技術としてのコールドスプレー処理である。本発明のコールドスプレー処理を使用する場合、サイズが直径０．５μｍから５μｍに変化するアルミニウム、スズ、および銅粒子を、ガラス、シリコン、ＢＴ、ＰＥＥＫ、ポリイミド、Ｔｅｆｌｏｎ、ＰＥＳ、ＬＣＰ、Ｔｅｓｌｉｎ、ＦＲ４、およびＭｙｌａｒ上に堆積する。７５μｍ程度の線がプリントされ、７５μｍ程度のビアホールが、最適化処理パラメータおよびノズル形状によって満たされた。さらなる堆積ヘッド実施形態は、適切な処理パラメータを使用した後、５０μｍ特徴物のプリントを可能にする。銅、スズ、およびアルミニウムの平均バルク抵抗値は、通常、それぞれ、４．４μΩ−ｃｍ、２８μΩ−ｃｍ、および４．０８μΩ−ｃｍである。
【００２０】
本発明の別の態様は、一定半径の部分に繋がる収れん半径部分を有するノズル構成であり、最小サイズで微細特徴物の生成を可能にする。
【００２１】
本発明のさらなる態様は、明細書の以下の部分においてもたらされ、詳細な説明は、限定することなく本発明の好適な実施形態を完全に開示するためのものである。
【００２２】
本発明は、例示目的のみのための以下の図面を参照することによって、より完全に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明のマイクロコールドスプレー直接書き込みシステムを示す概略図である。
【００２４】
【図２】図１の堆積ヘッドの内部形態を示す模式的な断面図である。
【００２５】
【図３】堆積ヘッドにおける、フローコーン無し（左）およびフローコーンあり（右）のガラスに堆積した銅線の画像である。
【００２６】
【図４Ａ】５０ｐｓｉ圧でシリコン上に堆積した銅線の断面ＳＥＭ画像である。
【図４Ｂ】８０ｐｓｉ圧でシリコン上に堆積した銅線の断面ＳＥＭ画像である。
【図４Ｃ】１１０ｐｓｉ圧でシリコン上に堆積した銅線の断面ＳＥＭ画像である。
【００２７】
【図５】本発明による銅で満たされた直径１５０μｍのビアホールのＳＥＭ画像である。
【００２８】
【図６】本発明によるアルミニウム銅で満たされた１５０μｍ、１００μｍ、および７５μｍのビアホールのＳＥＭ画像である。
【００２９】
【図７Ａ】望ましい微細構造および望ましくない微細構造を示す、シリコンに堆積したアルミニウム線の高解像度断面ＳＥＭ画像である。
【図７Ｂ】望ましい微細構造および望ましくない微細構造を示す、シリコンに堆積したアルミニウム線の高解像度断面ＳＥＭ画像である。
【００３０】
【図８Ａ】先行技術のノズルを出る２μｍ粒子軌道の画像である。
【図８Ｂ】先行技術のノズルを出る２μｍ粒子軌道の画像である。
【００３１】
【図９】本発明によるノズル構成である。
【００３２】
【図１０】４００μｍ注入口および１００μｍ放出口を有する、収れん一定半径ノズル（ｃｏｎｖｅｒｇｉｎｇ−ｃｏｎｓｔａｎｔ  ｒａｄｉｕｓ  ｎｏｚｚｌｅ）を通過する、直径２μｍのエアロゾル粒子のシミュレーションである。
【００３３】
【図１１】カーボンテープ上の実験的なエアロゾル流に対する４μｍシリカ粉末の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。
【００３４】
【図１２】ストークス力のみを使用する理論と比較して、線形収れん２００μｍノズル、および１６１μｍ収れんアルミナ（セラミック）ノズルの場合のノズル出口からのビーム幅対距離のグラフである。
【００３５】
【図１３】長さ１１．８４ｍｍ、１７ｍｍ、および３０ｍｍの２００μｍ直線部分を有する１６１μｍ収れんアルミナ（セラミック）ノズルの場合のノズル出口からのビーム幅対距離のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
発明の詳細な説明
図１は、本発明によるプリントされた電子的アプリケーションに対する特徴物の直接書き込み堆積のためのマイクロコールドスプレー（ＭＣＳ）システム１０を示す概略図である。本システム１０は、高速エアロゾルビーム１５を基板１８上に当てる。固体粒子は、基板に衝突して張り付くと変形し、ほぼ連続的な金属特徴物１６を作り出す。好適な実施形態において、金属特徴物は、マイクロエレクトロニクスの第２レベルパッケージングのための導電相互接続を備える。金属特徴物は、５００μｍ未満、好ましくは、１μｍから５００μｍの範囲、好ましくは、５μｍから１００μｍの間、さらに好ましくは、１０μｍから５０μｍの間の線幅で基板上にプリントすることができる。
【００３７】
システム１０はまた、材料が可鍛性である限り、任意の固体材料を使用して、絶縁特徴物または半導体特徴物をプリントするために使用してもよい。それらの材料の例には、これだけに限らないが、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメチルメタクリレート、ポリスルフォン、ポリエーテル、ポリケトン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニリデン、ポリ−３−ヘキシルチオフェン、および関連材料などのポリマがある。
【００３８】
ヘリウムは、粉末供給ガス質量流量制御器（ＭＦＣ）２２によって調節された一定の流量で、粉末フィーダ２０に導入される。前駆体材料（好ましくは金属組成物を備える乾燥粒子）は、粉末フィーダ２０内でエアロゾル化し、線３０を介して堆積ヘッド１２の近接入力端２３に搬送される。この説明のために、粉末フィーダ２０からの線３０における流れは、キャリアガス流ｆｃと称される。
【００３９】
ヘリウムの第２の流れ２８は、堆積ヘッド１２の近接入力端２３に導入され、キャリアガス流ｆｃ内の粒子を加速する。この説明のために、線２８における流れは、加速器ガス流ｆａと称される。線２８における加速器ガス流ｆａは、加速器ガスＭＦＣ２４によってカバーされ、線に対するフィードバックが、圧力ゲージ２６によってもたらされる。
【００４０】
堆積ヘッド１２は、ノズル１４から出てくる金属粉末を収束し、基板１８上にそれを堆積するよう構成された遠位もしくは出力端２５でノズル１４を有し、それにより、導電トレース１６を形成する。堆積ヘッド１２は、単純なＸ−Ｙ−Ｚロボット（図示せず）または基板１８に結合されたＸＹＺステージ４２を使用して機動し得る。
【００４１】
図２は、堆積ヘッド１２の遠位端の詳細な断面図を示す。堆積ヘッド１２は、キャリアガスｆｃを供給する同心円状に配置された線３０を備える。加速器ガスｆｃは、中央線３０から離れて配置された水平線（または、１つの環状線）２８に分割される。線２８は、ウェッジまたはフローコーン３２によって規定されるテーパ部分４６で収れんする。チャネル２８が環状である実施形態において、ウェッジ／フローコーン３２およびチャネル４６は、円錐状チャネル４６の先端で終端する、キャリアガス線３０の出口ポート３４への円錐状経路を形成する。
【００４２】
図２から分かるとおり、出口ポート３４は、ノズル１４のネック３４の上部と距離ｄｆを保ち、加速器ガス流ｆａが、キャリアガスｆｃと一体化し、ノズル１４の収れんチャネル４４内に加速することを可能にする。距離ｄｆは、粒子の流れをノズル１４に適切に流すことを促すのに最適なサイズ（長さ約１ｍｍ、しかしながら、他の長さも考えられる）となる。図１に示すノズル１４は、入口４８でより大きな直径を有し、出口開口３６（約５０μｍから５００μｍ）で小さな直径を有するテーパ、すなわち収れんボア４４を有する。出口開口３６は、０．５ｍｍから１０ｍｍの範囲のノズル高さｄｓで、基板１８から間隔を空けて配置されることが好ましい。
【００４３】
堆積ヘッド１２は、中央線３０と水平線２８との間に配置された加熱要素４０を介して所定の温度に加熱され、収れんノズル１４を通り、ノズル入口４２でチョーク流れの状態を達成するよう、ヘリウムの温度の低下を補う。ノズル１４全体の温度の低下のおおよその推定は、断面の領域が変化するダクトを通る理想気体の擬１次元等エントロピー流の式を使用して判断することができる。
【００４４】
ゲージ圧力は、図１に示した圧力ゲージ２６によって測定されるような堆積ヘッド１２における静圧である。キャリアガス流レートおよび加速器ガス流レートは、それぞれ、キャリアガスｆｃおよび加速器ガスｆａに対するＭＫＳ１００Ｂ質量流量制御装置２２および２４によって測定されるような体積フローレートとして定義される。フローレートは、使用される特定の粒子に従って堆積した乾燥粒子の出口速度を生成するよう設定される。典型的な速度は、２００ｍ／ｓから１０００ｍ／ｓの範囲であり、例えば、鉛粒子の場合、２５０ｍ／ｓであり、銅の場合、５００ｍ／ｓである。
【００４５】
実験＃１セットアップ
【００４６】
２つのプロトタイプＭＣＳ堆積ヘッドを構築した。第１のプロトタイプテストＭＣＳ堆積ヘッドは、フローコーン無しで構築し、１つは図２に示したようにフローコーン３２を備えて構築した。第２のプロトタイプにおけるフローコーンの導入により、プリントされた線における特徴物サイズおよびオーバースプレーが大幅に減少することを実証したことを示す。直線収れんノズル１４は、図２に示すように、直径１ｍｍの注入口４８を有し、直径２００μｍの出口すなわちスロートを有し、１９ｍｍの長さを有し、この実験のセットのために使用される。ゲージ圧力を変えるために、キャリアガスのフローレートは、８００ｃｍ３／分で一定に保たれ、加速器ガスのフローレートは、２２００ｃｍ３／分から１４０００ｃｍ３／分の間で変化し、５０ｐｓｉから９０ｐｓｉのノズル１４の注入口４８でのゲージ圧力をもたらした。
【００４７】
適切な堆積条件を使用して、サイズが０．５μｍから５μｍの間で変化する銅、アルミニウム、およびスズ粒子を、ガラス基板上に堆積する。線の平均高さは、ＫＬＡ  ＴｅｎｃｏｒのＰ−１５  Ｌｏｎｇｓｃａｎ  Ｓｔｙｌｕｓ  Ｃｏｎｔａｃｔ  Ｐｒｏｆｉｌｅｒを使用して測定し、線の幅は、Ｏｌｙｍｐｕｓの光学顕微鏡を使用して測定し、線の抵抗は、Ａｇｉｌｅｎｔ  ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓのＢ１５００Ａ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ  Ａｎａｌｙｚｅｒを使用して測定した。恣意的サンプリングは、抵抗率測定の場合に使用される。
【００４８】
実験の他のセットにおいて、銅、スズおよびアルミニウム粉末が、ガラス、シリコン、ＢＴ、ＰＥＥＫ、ポリイミド、Ｔｅｆｌｏｎ、ＰＥＳ、ＬＣＰ、Ｔｅｓｌｉｎ、ＦＲ４、およびＭｙｌａｒ基板上にプリントされた。粉末と基板材料との整合性を研究するために、プリントされた線は、バルク抵抗率に対して特徴づけられ、顕微鏡の下で視覚的に検討される。実験の他のセットにおいて、線は、ノズル形状を変更し、適切な処理パラメータを修正することによってプリントされた。
【００４９】
実験はまた、ビアホールを満たすために本発明のＭＣＳ堆積処理を使用することの有効性を調べるために実行された。サイズが１５０μｍ、１００μｍ、および７５μｍのビアホールは、厚さ２００μｍのサファイアダイで微細加工された。ダイは、溶融石英ガラススライド上に固定され、拡大鏡を使用して、ビアホール上にＭＣＳ堆積ヘッドのノズルを位置合わせする。粉末フローレートは、高レートに設定され、ヘッドは、ビア上をゆっくりと横切る。ビアホールを満たすことは、光学顕微鏡法を使用して特徴づけられる。
【００５０】
実験＃１結果
【００５１】
銅、スズ、およびアルミニウムのバルク抵抗値は、通常、それぞれ、４．４μΩ−ｃｍ、２８μΩ−ｃｍ、および４．０８μΩ−ｃｍである。線図形の処理パラメータの効果を推定すると、より小さなスロート径のノズル１４を使用して、処理パラメータを修正することによって特徴物をプリントする。図３は、第１堆積ヘッドプロトタイプ（フローコーン３２無し）、およびフローコーン３２が、第２の堆積ヘッドプロトタイプに導入された場合の特徴物サイズの違いを示す。４００ｃｍ３／分のキャリアガスのフローレート、１１０ｐｓｉのゲージ圧力、０．５ｍｍのスタンドオフ高ｄｓ、１ｍｍのフローコーン高さｄｆ、および１ｍｍ／秒の基板１８速度を用いると、５０μｍ程度の線が、直径１００μｍのスロート３６を有するノズル１４を使用してプリントされ、それにより、ノズル出口３６を超えて、堆積粒子１６の収束を示す。これらの線の抵抗率は、１．９μΩ−ｃｍと算出され、一方、純銅のバルク抵抗率は、１．６８μΩ−ｃｍである。このことは、ＭＣＳ直接書き込みシステム１０の、バルク金属の９０％までの導電性で特徴物をプリントする能力を実証する。
【００５２】
図４Ａから図４Ｃは、異なるゲージ圧力を使用してシリコン基板上にプリントされた銅線の断面の高解像度ＳＥＭ画像を示す。５０ｐｓｉの低圧（図４Ａ）で、銅粒子は、互いの上部でスプラットし、高空隙率で多層コートを形成する。圧力が８０ｐｓｉに上昇すると（図４Ｂ）、粒子の速度、したがって、エネルギーはまた、増加する。これにより、銅堆積の空隙率を低減する、より高いエネルギーインパクトをもたらす。１１０ｐｓｉの高圧力では（図４Ｃ）、特徴物の空隙率は減少するが、被覆での銅の層厚もまた減少する。
【００５３】
実験の他のセットにおいて、可変サイズのビアホールが、銅およびアルミニウム粉末で満たされる。図５は、１５０μｍのビアホールを示し、図６は、１５０μｍ、１００μｍ、および７５μｍのビアホールを示し、すべて、本発明のＭＣＳ直接書き込み処理を使用して満たされる。図５の画像は、ガラススライド上に配置されたビアを「底」側がら撮ったものである。ガラスからビアを除去する最初の試みは、堆積物がガラス基板に非常に良好に付着したため、失敗した。ダイが持ち上げられると、堆積物がガラススライドに付着したままとなり、ビアの真上の上部接触線における部分が引っ張られる。ダイを除去するその後の試みは、ダイの側に力を印加することによって行われた。これにより、堆積物は、基板から削ぎ取られた。これにより、ＭＣＳ堆積材が、基板に非常に良好に付着したことが明確に実証された。ビアホールがアルミニウム粉末で満たされた場合の図６において、１５０μｍおよび７５μｍビアホールは、ビアホールに対する堆積ヘッドノズルの位置ずれのため、完全には満たされていないように見える。
【００５４】
図７Ａおよび図７Ｂは、個々の粒子の間の空隙率および接触領域を調べるため、ゲージ圧力を変化した場合の、シリコン基板上に堆積したアルミニウム線の高精度ＳＥＭ写真を示す。異なるゲージ圧力を使用してプリントされた銅線の場合と同様に、低ゲージ圧力でプリントされたアルミニウム線は、高い空隙率を有する。非常に高いゲージ圧力でプリントされた線は、堆積した金属の、空隙率の低い薄い層を示した。
【００５５】
理想的には、線における高い導電性を得るために、空隙率は、最小となり、金属粒子間で接触する実行面積は、最大となるべきである。図７Ａおよび図７Ｂは、良好および不良接触の混合が、個々の線で得られたことを示す。表面に直接当たった粒子は、「スプラット」を形成するため、基板への線の付着に寄与する。他のアルミニウム粒子に衝突し、融着界面を形成した粒子は、空隙率の低い良好な微細構造を有したが、他の粒子と非融着界面を有する粒子は、高バルク抵抗率に繋がる高い空隙率を有する不良の微細構造を有した。そのような混合界面は、ＭＣＳ堆積処理が最適化されない場合に予期されることに留意する。
【００５６】
線図形についての処理パラメータの効果を調べるために、実験を行った。２５から６０ｐｓｉの間で変化するゲージ圧力で、２００℃のガス温度をもって、スズ粉末をシリコン基板上に堆積させた。システムが２００℃を超えて上昇すると、スズの融点が２３１℃であるので、ノズルの閉塞に繋がる。ゲージ圧力を慎重に最適化することによって、断面の三角形の領域を得ることができることが観測される。スズ線のバルク抵抗率は、２７．２μΩ−ｃｍから７０μΩ−ｃｍに変化し、スズの理論上のバルク抵抗率の、および２から６倍である。また、上記のように、基板−粒子界面における粒子の詳細な検査から、線の微細構造が基板付近で最良であることが示される。
【００５７】
最後に、異なる基板上に、スズ、銅、およびアルミニウム粒子を堆積する実験を行った。表１は、テストした金属および基板のすべての組合せを示す。  ”Ｙｅｓ”は、機械的に連続する線の堆積に成功したが、その線が導電していない可能性があることを示す。”Ｎｏ”は、この組合せが、まだ、機械的に連続する線を生じさせていないことを示す。スズは、ガラスおよびシリコン剛体基板との良好な付着性を示したが、多くの可撓性基板では、配置効率が不十分であることが示された。アルミニウムおよび銅は、ほとんどの可撓性基板および剛体基板で、良好な整合性および配置効率を示した。
【００５８】
図８Ａから図１３をここで参照すると、改良されたノズル構成が、図１および図２のマイクロコールドスプレー（固体粒子）直接書き込みシステム１０などのエアロゾルプリント法で使用するために、およびＣＡＢ−ＤＷ（液滴）システムで使用するために開発された。
【００５９】
図８Ａおよび図８Ｂは、ＣＡＢ−ＤＷノズルを通るエアロゾル粒子の軌道を調べた結果としてのプロットを示し、算出したビーム幅が、印加した力によって大きく影響されたことが明らかである。図８Ａに示すのは、このモデリングの結果であり、図８Ｂは、ノズル出口での拡大図である。ノズルの特性は黒で示し、ストークスおよびサフマン力が印加された粒子の軌道は、ダークグレーで示し、ストークス力のみが印加された軌道は、ライトグレーで示す。２μｍ粒子を使用するシミュレーションの結果は、サフマン力を印加した、および印加しなかった場合の軌跡で大きな逸脱を示す。ノズル出口を通った約１．２５ｍｍのフォーカルポイントは、サフマン力が印加された場合に生じ、優れたコリメーションは、ストークス力のみが印加された場合に生じる。
【００６０】
図９および図１０は、より小さく、よりコリメートされたビーム幅を生成するよう構成された、改良されたノズル５０を示す。図９はノズル５０の断面図を示し、図１０は、ノズル５０の内面５６のプロファイルの一方の側を示す（ｘ軸について図１０におけるプロファイルを回転することによって、図９におけるノズル５０の内面５６が得られる）。図９および図１０から分かるとおり、内面プロファイル５６は、一定の直径に向かう約４００μｍの入口直径Ｄｓを有する収れん円錐状部分６０または約１００μｍの長さＬｓおよび直径Ｄｏを有する円筒形部分５８を有する。
【００６１】
密度１．１ｇ／ｃｍ３の直径２μｍのエアロゾル粒子が、総フローレート２４０ｃｃｍでこのノズル形状を使用して収束するように思われる。図１０における直線部分Ｌｓの長さは、７５ｍｍである。長さがより短いノズルもまた、考慮してもよいことが理解される。図１０にて理解し得るように、エアロゾル粒子７０は、Ｌｓ〜２０ｍｍでノズルの端５４の前で良好に収束し、より短いノズルが、これらの特定のフローパラメータに対するほぼ等しい品質のビーム特性を生成することができるという仮説に繋がる。
【００６２】
実験＃２セットアップ
【００６３】
実験結果の解釈から生じる課題の１つは、正確な粒子サイズを知ることが困難であることである。この未知の部分を減らすために、粉末フィーダが、２５０ｍｇ程度の質量の粉末とともに、４０ｃｃｍ程度のフローレートで粉末をフィードする電磁アクチュエータと組み合わせて高速ガスジェットを使用して組み込まれる。この作業のために、１０％未満のＣＶおよび９９％程度の真円度を有する公称直径３．８μｍのほぼ球形のシリカ粉末（Ｃｏｓｐｈｅｒｉｃ  Ｉｎｃ．，Ｓａｎｔａ  Ｂａｒｂａｒａ  ＣＡ，ＵＳＡ，ｐａｒｔ  ＃  ＳｉＯ２ＭＳ−４ｕｍ）を使用した。シリカ粒子のＳＥＭ画像を図１１に示す。これらの粒子は、実際に、どちらもほぼ球形であり、約４μｍの直径であることが明らかである。場合によっては、粒子は、平たい特徴物を有することもあるが、これは単に、撮像のために粒子を固定するために使用される導電カーボンテープによるものである。
【００６４】
実験＃２結果
【００６５】
図１２は、（直径８００μｍの注入口から直径２００μｍの出口への）タングステンカーバイドの直線収れんノズルと、直径８００μｍの注入口ならびに直径１６１μｍの出口を有するアルミナ（セラミック）の収れんノズルとの両方に対して、ビーム幅を測定した結果をプロットしたものを示す。どちらのノズルも、長さは１９．０５ｍｍであった。これらの実験結果は、総フローレートが１２０ｃｃｍＮ２（６０ｃｃｍキャリアガス、および６０ｃｃｍシースガス）の３．８μｍシリカ粉末に対してのものである。ビーム幅は、シャドウグラフ法およびレーザ散乱法の両方を使用して測定され、エアロゾルビームの縁に対するカットオフとして全幅半最大（ＦＷＨＭ、５０％）強度レベルを使用して算出された。流体粒子相互作用のストークス力のみを使用する理論上のビーム幅はまた、図１２に示す。ビーム幅は、ビーム幅を測定する方法の両方に対して、および理論上のデータに非常に良く整合する。このことは、開発したモデルの精度に対する信条を与え、セラミックノズルが直線的に収れんするノズルと同様のビーム幅を実現できることもまた示す。
【００６６】
予備データが、図９および図１０のノズル５０で詳述した直線部分に続くほぼ直線の収れんノズルから出るエアロゾル粒子のビーム幅に対して、実験により得られる。このテストの場合、１６１μｍの最終直径および１９．０５ｍｍの長さを有するアルミナノズルを使用して、収れん部分６０を近似する。長さＬｓが１１．８４ｍｍ、１７ｍｍ、および３０ｍｍで、直径２００μｍのタングステンカーバイド部分を、直線部分５８に対して使用した。ビーム幅は、ＣＷレーザ手法を使用するノズル出口５４からの距離が１ｍｍから６ｍｍについて計算され、図１３に示す。これらの実験に対するフローレートは、以前に使用したもの（６０ｃｃｍキャリアガス、６０ｃｃｍシースガス）と同一である。
【００６７】
図１３に示すように、図９および図１０に示したノズル５０と同様の収れん直線ノズル設計のビーム幅の結果は、収れんノズル（例えば、図２のノズル１４）のみのものから劇的に改良された。最小ビーム幅は、３０ｍｍ直線部分を取り付けた状態で、１６１μｍ収れんノズルに対して４０μｍから、１６１μｍ収れんノズルに対して６μｍに減少する。ノズル５０のさらに印象的な特性は、ビーム幅が、任意の長さのノズルに対してほぼ、すなわち実質的にコリメートされるということである。これは、ノズル−基板距離が、より収束したビームと比較して、あまり重要ではないという点で、プリントするために有益である可能性がある。ビーム幅の変動は、直線部分の長さが増加するにつれて減少するが、ビーム幅は１７ｍｍと３０ｍｍ部分との間でほぼ同じであるので、１７ｍｍ直線部分のみが必要であることが分かる。
【００６８】
直接書き込み技術としてのコールドスプレー技術は、上記した直接書き込み技術についていくつかの利点を有する。金属電源は、前処理をする必要はなく、剛体ならびに可撓性基板に堆積することができるため、製法は、低温基板で使用するのに適している。また、金属粉末の安価な代替品を、金や銀などの高価な粉末の代わりに使用することができる（例えば、銅、アルミニウム、およびスズ）。堆積処理の間に溶媒を使用しないので、堆積した特徴物を収縮させることがない。同じ堆積処理を、相互接続をプリントするため、およびビアホールを満たすために使用することができる。
【００６９】
図１および図２に示したマイクロコールドスプレー直接書き込みシステムはまた、ノズル１４の位置で、ＣＡＢ−ＤＷ（コリメート化エアロゾルビーム−直接書き込み）ノズルとともに使用することができることが理解される。このことは、出願継続中の米国特許出願第１２／１９２３１５号明細書に記載され、２００９年２月２６日に米国特許出願公開第２００９／００５３５０７号明細書として発行され、その開示は、参照により全体が本明細書に組み込まれる。この技術は、マイクロエレクトロニクス相互接続の高スループット直接書き込み、太陽電池の上部接触（金属化層）、および埋込センサ用途で使用することができる。
【００７０】
上記の説明から、本発明は以下を含むさまざまな方法で実施することができることが理解されよう。
【００７１】
１．基板上に固体粒子を堆積するよう構成されたマイクロコールドスプレー直接書き込みシステムであって、堆積ヘッドと、堆積ヘッドの入力に結合され、固体粒子を備えるエアロゾル化された前駆体材料を搬送するよう構成されたキャリアガス供給線と、堆積ヘッドに結合され、堆積ヘッドに加速器ガスを搬送するよう構成された加速器ガス供給線とを備え、堆積ヘッドは、堆積ヘッドの出力にノズルを備え、ノズルは、入口開口と出口開口とを有し、加速器ガスは、高速エアロゾルビームとしてノズルの出口開口からキャリアガスを駆動するよう構成され、それにより、固体粒子は、基板上に有限特徴物を生成するよう基板に衝突するため変形する。
【００７２】
２．上記実施形態のいずれかに記載のシステムであって、堆積ヘッドは、堆積ヘッドの少なくとも長さに沿って入力からキャリアガスを届けるよう構成された第１のチャネルを備え、第１のチャネルは、ノズルの入口開口から離れて配置された出口ポートを有して、出口ポートとノズルの入口開口との間にギャップを形成し、堆積ヘッドは、キャリアガスと一体化するよう、ギャップに加速器ガスを届けるよう構成された第２のチャネルを備える。
【００７３】
３．上記実施形態のいずれかに記載のシステムであって、粒子は、金属製の組成物を備え、有限特徴物は、基板上に導電性特徴物を備える。
【００７４】
４．上記実施形態のいずれかに記載のシステムであって、特徴物は、１μｍから５００μｍの範囲の幅を有する線を備える。
【００７５】
５．上記実施形態のいずれかに記載のシステムであって、特徴物は、５μｍから１００μｍの範囲の幅を有する線を備える。
【００７６】
６．上記実施形態のいずれかに記載のシステムであって、特徴物は、１０μｍから５０μｍの範囲の幅を有する線を備える。
【００７７】
７．上記実施形態のいずれかに記載のシステムであって、出口開口でのエアロゾルビームは、２００ｍ／ｓから１０００ｍ／ｓの間の範囲の速度を有する。
【００７８】
８．上記実施形態のいずれかに記載のシステムであって、第１のチャネルは、ノズルと実質的に同軸に配置され、第２のチャネルは、加速器ガスを、キャリアガスに対してある角度でギャップに届けるよう構成される。
【００７９】
９．上記実施形態のいずれかに記載のシステムであって、第２のチャネルは、ギャップ内に繋がる円錐状チャネルを形成し、第１のチャネルの出口ポートは、円錐状チャネルの先端で終端する。
【００８０】
１０．上記実施形態のいずれかに記載のシステムであって、ノズルは、テーパ収れんボアを備え、ノズルの入口開口は、出口開口の直径よりも大きな直径を有する。
【００８１】
１１．上記実施形態のいずれかに記載のシステムであって、ノズルは、ノズルの入口開口から繋がるテーパ収れんボアを備え、テーパ収れんボアは、ノズルの出口開口に繋がる実質的に一定の直径を有するボアを伴う。
【００８２】
１２．上記実施形態のいずれかに記載のシステムであって、エアロゾルビームの直径は、ボアの出口開口の直径より実質的に小さい直径に収束する。
【００８３】
１３．上記実施形態のいずれかに記載のシステムであって、エアロゾルビームは、ノズルの出口開口から出る場合に、実質的にコリメートされる。
【００８４】
１４．上記実施形態のいずれかに記載のシステムであって、エアロゾルビームは、ノズルの出口開口から出る前に、前記ボア内で整形される。
【００８５】
１５．上記実施形態のいずれかに記載のシステムであって、第１および第２のチャネルに隣接して配置される加熱要素をさらに備え、加熱要素は、キャリアおよび加速器ガスを所定の温度に加熱し、ノズルを通って加速される場合にキャリアおよび加速器ガスの温度の低下を補うよう構成される。
【００８６】
１６．基板上に固体粒子を堆積するよう構成されたマイクロコールドスプレー直接書き込み堆積ヘッドであって、固体粒子を備えるエアロゾル化された前駆体材料を備えるキャリアガスを受け取るための第１の入力と、加速器ガスを受け取るための第２の入力と、堆積ヘッドの出力でのノズルとを備え、ノズルは、入口開口および出口開口を有し、加速器ガスは、高速エアロゾルビームとしてノズルの出口開口からキャリアガスを駆動するよう構成され、固体粒子は、基板上に有限特徴物を生成するよう基板に衝突するため変形する。
【００８７】
１７．上記実施形態のいずれかに記載の堆積ヘッドであって、堆積ヘッドの少なくとも長さに沿って入力からキャリアガスを届けるよう構成されて、ノズルの入口開口から離れて配置された出口ポートを有して、出口ポートとノズルの入口開口との間にギャップを形成する第１のチャネルと、キャリアガスと一体化するようギャップに加速器ガスを届けるよう構成された第２のチャネルとをさらに備える。
【００８８】
１８．上記実施形態のいずれかに記載の堆積ヘッドであって、粒子は、金属製の組成物を備え、特徴物は、基板上に導電性特徴物を備える。
【００８９】
１９．上記実施形態のいずれかに記載の堆積ヘッドであって、特徴物は、１μｍから２００μｍの範囲の幅を有する線を備える。
【００９０】
２０．上記実施形態のいずれかに記載の堆積ヘッドであって、特徴物は、５μｍから１００μｍの範囲の幅を有する線を備える。
【００９１】
２１．上記実施形態のいずれかに記載の堆積ヘッドであって、特徴物は、１０μｍから５０μｍの範囲の幅を有する線を備える。
【００９２】
２２．上記実施形態のいずれかに記載の堆積ヘッドであって、出口開口でのエアロゾルビームは、２００ｍ／ｓから１０００ｍ／ｓの間の範囲の速度を有する。
【００９３】
２３．上記実施形態のいずれかに記載の堆積ヘッドであって、第１のチャネルは、ノズルと実質的に同軸に配置され、第２のチャネルは、加速器ガスを、キャリアガスに対してある角度でギャップに届けるよう構成される。
【００９４】
２４．上記実施形態のいずれかに記載の堆積ヘッドであって、第２のチャネルは、ギャップ内に繋がる円錐状チャネルを形成し、第１のチャネルの出口ポートは、円錐状チャネルの先端で終端する。
【００９５】
２５．上記実施形態のいずれかに記載の堆積ヘッドであって、ノズルは、テーパ収れんボアを備え、ノズルの入口開口は、出口開口の直径よりも大きな直径を有する。
【００９６】
２６．上記実施形態のいずれかに記載の堆積ヘッドであって、ノズルは、ノズルの入口開口から繋がるテーパ収れんボアを備え、テーパ収れんボアは、ノズルの出口開口に繋がる実質的に一定の直径を有するボアを伴う。
【００９７】
２７．上記実施形態のいずれかに記載の堆積ヘッドであって、エアロゾルビームは、ボアの出口開口の直径より実質的に小さい直径に収束する。
【００９８】
２８．上記実施形態のいずれかに記載の堆積ヘッドであって、エアロゾルビームは、ノズルの出口開口から出る場合に、実質的にコリメートされる。
【００９９】
２９．上記実施形態のいずれかに記載の堆積ヘッドであって、エアロゾルビームは、ノズルの出口開口から出る前に、前記ボア内で整形される。
【０１００】
３０．上記実施形態のいずれかに記載の堆積ヘッドであって、第１および第２のチャネルに隣接して配置される加熱要素をさらに備え、加熱要素は、キャリアおよび加速器ガスを所定の温度に加熱し、ノズルを通って加速される場合にキャリアおよび加速器ガスの温度の低下を補うよう構成される。
【０１０１】
３１．上記実施形態のいずれかに記載の堆積ヘッドであって、有限特徴物は、変形可能な固体を備える。
【０１０２】
３２．上記実施形態のいずれかに記載の堆積ヘッドであって、有限特徴物は、ポリマを備える。
【０１０３】
３３．上記実施形態のいずれかに記載の堆積ヘッドであって、ポリマは、絶縁体として働く。
【０１０４】
３４．プリントされた回路用途のために基板上に固体金属粒子のエアロゾル化粉末を堆積する方法であって、エアロゾル化粉末を基板上にコールドスプレーして、有限特徴物を形成することを備え、有限特徴物の長さおよび幅の寸法の少なくとも一方は、５００ミクロン以下である。
【０１０５】
３５．上記実施形態のいずれかに記載の方法であって、特徴物は、５μｍから１００μｍの範囲の線幅を備える。
【０１０６】
３６．上記実施形態のいずれかに記載の方法であって、特徴物は、１０μｍから５０μｍの範囲の線幅を備える。
【０１０７】
３７．上記実施形態のいずれかに記載の方法であって、固体金属粉末は、高速エアロゾルビームとして堆積し、固体粒子は、基板上に有限特徴物を生成するために基板に衝突するので変形する。
【０１０８】
３８．上記実施形態のいずれかに記載の方法であって、出口開口でのエアロゾルビームは、２００ｍ／ｓから１０００ｍ／ｓの間の範囲の速度を有する。
【０１０９】
３９．上記実施形態のいずれかに記載の方法であって、エアロゾル化粉末をコールドスプレーすることは、エアロゾル化粉末を搬送するキャリアガスを堆積ヘッドに投入することと、加速器ガスを堆積ヘッドに投入して、金属粒子を加速することとを備え、堆積ヘッドは、堆積ヘッドの出力でノズルを備え、ノズルは、入口開口および出口開口を有し、前記コールドスプレーすることはさらに、加速器ガスをキャリアガスと一体化し、高速エアロゾルビームを形成するためにノズルの出口開口からキャリアガスを駆動する。
【０１１０】
４０．上記実施形態のいずれかに記載の方法であって、堆積ヘッドを所定の温度に加熱して、ノズルを通る場合に加速器ガスおよびキャリアガスの温度の低下を補うことをさらに備える。
【０１１１】
４１．上記実施形態のいずれかに記載の方法であって、堆積ヘッドは、堆積ヘッドの少なくとも長さに沿って入力からキャリアガスを届けるよう構成された第１のチャネルを備え、第１のチャネルは、ノズルの入口開口から離れて配置された出口ポートを有して、出口ポートとノズルの入口開口との間にギャップを形成し、堆積ヘッドは、キャリアガスと一体化するよう、ギャップに加速器ガスを届けるよう構成された第２のチャネルを備える。
【０１１２】
４２．上記実施形態のいずれかに記載の方法であって、有限特徴物は、基板上に導電性特徴物を備える。
【０１１３】
４３．上記実施形態のいずれかに記載の方法であって、第１のチャネルは、ノズルと実質的に同軸に配置され、第２のチャネルは、加速器ガスを、キャリアガスに対してある角度でギャップに届けるよう構成される。
【０１１４】
４４．上記実施形態のいずれかに記載の方法であって、第２のチャネルは、ギャップ内に繋がる円錐状チャネルを形成し、第１のチャネルの出口ポートは、円錐状チャネルの先端で終端する。
【０１１５】
４５．上記実施形態のいずれかに記載の方法であって、エアロゾルビームは、ボアの出口開口の直径より実質的に小さい直径に収束する。
【０１１６】
４６．上記実施形態のいずれかに記載の方法であって、エアロゾルビームは、ノズルの出口開口から出る場合に、実質的にコリメートされる。
【０１１７】
４７．上記実施形態のいずれかに記載の方法であって、エアロゾルビームは、ノズルの出口開口から出る前に、前記ボア内で整形される。
【０１１８】
４８．上記実施形態のいずれかに記載の方法であって、有限特徴物は、変形可能な固体を備える。
【０１１９】
４９．上記実施形態のいずれかに記載の方法であって、有限特徴物は、ポリマを備える。
【０１２０】
５０．上記実施形態のいずれかに記載の方法であって、ポリマは、絶縁体として働く。
【０１２１】
上記の説明は、多くの詳細を含むが、これらは、本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではなく、単に、本発明の現在の好ましい実施形態のいくつかについての例示を提供するものである。したがって、本発明の範囲は、当業者に明らかになるであろう他の実施形態を完全に包括し、さらに本発明の範囲は、したがって、添付の特許請求の範囲のみによって限定されるべきであり、単数形の要素への参照は、特に明示しない限り、「１つおよびただ１つ」を意味することを意図せず、「１つまたは複数」を意味することが理解されよう。当業者に知られている上記した好ましい実施形態の要素のすべての構造的、化学的、および機能的等価物は、参照により本明細書に明確に組み込まれ、本特許請求の範囲によって包含されることが意図される。さらに、本発明に包含される、本発明によって解決されるべき各およびすべての問題に、デバイスまたは方法が対処する必要はない。さらに、本開示における要素、構成部品、または方法ステップは、その要素、構成部品、または方法ステップが特許請求の範囲に明示されているかどうかにかかわらず、公衆に献呈されるものではない。その要素が、フレーズ「のための手段（ｍｅａｎｓ  ｆｏｒ）」を用いて明示されていない限り、本明細書の請求要素は、米国特許法第１１２条第６段落の規定に従って解釈されないものとする。
【表１】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【国際調査報告】
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