(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に設けられたパターニング対象層に工具の先端を押し付けながら工具および基板を相対移動させることにより所定のパターンに対応したパターン部分以外の背景部分を除去してパターン部分を残し所定のパターンを形成するパターニング方法において、
先端に切頭面を有する切頭角錐体形状をなし、角錐体における隣接する２つの角錐面と切頭面とがなす頂点の夫々の尖端部の形状が同一である前段工具の任意の尖端部を、パターニング対象層のパターン部分の輪郭位置に押し付け、かつ、前記尖端部を前記背景部分側に傾けた状態で、前記前段工具を前記輪郭位置に沿う方向に相対移動させることにより、パターン部分の輪郭位置に沿った背景部分のパターニング対象層を除去する前段工程と、
切刃端辺が基板面に平行な後段工具を相対移動させることにより、パターニング対象層の背景部の残りを除去して所定のパターンを形成する後段工程とを、
有することを特徴とするパターニング方法。
【請求項２】
前記前段工程で、前記前段工具を前記前段工具の相対移動方向に傾けて、前記前段工具を前記輪郭位置に沿う方向に相対移動させることにより、パターン部分の輪郭位置に沿った背景部分のパターニング対象層を除去することを特徴とする請求項１に記載のパターニング方法。
【請求項３】
前記前段工具における前記角錐体の角数分の尖端部を個別に前記前段工程での加工に用いることで、１つの前記前段工具の全ての前記尖端部を加工に用いることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のパターニング方法。
【請求項４】
前記切頭角錐体は、切頭三角錐体である請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のパターニング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は基板上に設けられたパターニング対象層に工具の先端を押し付けながら工具および基板を相対移動させることにより所定のパターンに対応したパターン部分以外の背景部分を除去してパターン部分を残し所定のパターンを形成するパターニング方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
基板上に導電材料による回路パターンを形成するのに従来、基板の回路パターンを形成する面に回路パターン用材料の薄膜を金属蒸着などによって形成しておき、化学的、物理的、機械的な手法により薄膜の回路パターンを形成する部分を残して他の部分を除去し所定の回路パターンを形成するパターニングが行なわれている。
【０００３】
化学的な方法としては、フォトリソグラフィにより形成したマスクを用いて薄膜の不要部分をエッチングにより除去し回路パターンを形成する。この方法では１μｍ以下の高精度な加工ができる。物理的な方法としては、レーザなどのエネルギビームを用いて薄膜の不要部分を除去する。機械的な方法としては工具を用いて薄膜の不要部分を除去する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のようなエッチングによる方法では、装置そのもの、装置稼動、使用する溶剤やガスなどで高コストになる。また、ガスを使用するので危険性が高いうえ、薄膜が多層膜であるとき薄膜の材質の違いによるエッチング条件の違いなどによって複数層の薄膜を同時にエッチングして一挙にパターニングするのが困難である。エネルギビームによる方法でも高コストで危険性が高いし、薄膜が熱により溶融、飛散するという過程を経るので、加工部のエッジの盛り上がりや下地膜、基板のダメージ、除去物のまわりへの飛散が避けられない。また薄膜の材料の違いにより多層薄膜の同時加工も困難である。
【０００５】
一方、工具による方法では、比較的低コストな装置で安全に加工ができ、押し付けの際の近づけ位置や押し付け力の設定などにより多層薄膜の同時加工にも対応しやすい。この反面、薄膜に細線状の溝を彫刻刀のような工具により切り込んで所定のパターンに対応するパターン部分と背景部とを切り分けて所定のパターンを形成してから、背景部分のパターニング対象層を工具で除去する加工において、細線状の溝を切り込む工具はパターニング対象層を除去したり剥離する機能がなく工具の先が入り込んで切り進んでできる薄膜の両側の加工エッジを左右に押し分けるだけである。このため、左右の加工エッジに負荷が掛かって、パターン部分のエッジ部に欠け、クラック、剥離などが生じ所定の回路パターンを高精度に得られない。しかも、工具の先端が薄いほど切り込んだ後の左右の加工エッジはパターニング対象層のスプリングバックにより再度密着し合うので、パターニング対象層の背景部分を工具で除去しようとすると、パターン部分に触れてそのエッジを傷めやすいので、これも精度良いパターニングができない理由になっている。
【０００６】
本発明の目的は、工具により高精度なパターニングができるパターニング方法およびその装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明のパターニング方法は、基板上に設けられたパターニング対象層に工具の先端を押し付けながら工具および基板を相対移動させることにより所定のパターンに対応したパターン部分以外の背景部分を除去してパターン部分を残し所定のパターンを形成するパターニング方法において、先端に切頭面を有する切頭角錐体形状をなし、角錐体における隣接する２つの角錐面と切頭面とがなす頂点の夫々の尖端部の形状が同一である前段工具の任意の尖端部を、パターニング対象層のパターン部分の輪郭位置に押し付け、かつ、前記尖端部を前記背景部分側に傾けた状態で、前記前段工具を前記輪郭位置に沿う方向に相対移動させることにより、パターン部分の輪郭位置に沿った背景部分のパターニング対象層を除去する前段工程と、切刃端辺が基板面に平行な後段工具を相対移動させることにより、パターニング対象層の背景部の残りを除去して所定のパターンを形成する後段工程とを、有することを特徴とするものである。
【０００８】
これによれば、前段工具の尖端部を基板上のパターニング対象層の輪郭部に押し付けながら双方を相対移動させることにより、パターニング対象層を尖端部の移動軌跡に沿って切り込み除去していけるが、特にパターニング対象層の所定のパターンに対応する輪郭部の背景側に傾けた状態で前段工具の尖端部を押し付け、前記輪郭部に沿って相対移動させることにより、パターニング対象層のパターン部分の側では鋭い立ち上り角度で工具尖端部のパターン側が切り込んで抵抗小さく移動し、パターニング対象層にパターン部分のエッジを、欠け、クラック、剥離などを生じさせずにシャープに形成しながら切り進むのに併せ、パターニング対象層の背景側ではパターン側よりも緩やかな立ち上り角度で工具尖端部の背景側が幅広に入り込んで抵抗大きく移動し、パターニング対象層の背景部を、並行して形成されるパターンエッジから強く押し退けようとしてパターン部分のエッジへの加工負荷を軽減しながら、背景部には大きな負荷と疲労とを及ぼし、形成されるパターン部分のエッジに隣接する背景部分をある幅を持って削り取りや剥離にて帯状に除去していくので、工具によるパターニングの低コスト性、安全性、多層膜の同時加工性などを活かしながら所定のパターンを高精度に形成することができ、パターニング対象層における背景部分の残存背景部を工具などで除去するにも、形成した所定のパターンと残存背景部との間のある幅を持った帯状除去部の存在によって所定のパターンが作業の影響を受けるのを防止して前記高精度な状態を保てるようにすることができる。
【０００９】
また、上述のような効果を得るためには、上記のパターニング方法において、前記前段工程で、前記前段工具を前記前段工具の相対移動方向に傾けて、前記前段工具を前記輪郭位置に沿う方向に相対移動させることにより、パターン部分の輪郭位置に沿った背景部分のパターニング対象層を除去するのが望ましい。
【００１０】
また上述のように、本発明のパターニング方法は、上記のような前段工具の尖端部を利用した特徴あるパターニングの前段工程の後、切刃端辺が基板面に平行な後段工具を相対移動させることにより、パターニング対象層の残存背景部を除去し、所定のパターンを形成する後段工程を有している。
【００１１】
これによって、基板上に所定のパターンのみが残り背景部を除去したパターニングが前段工具と後段工具を利用した前段工程と後段工程とによる機械加工にて安価に得られる。しかも、後段工程で除去する残存背景部は、前段工程で先に形成された所定のパターンとの間が帯状除去部によりある幅を持って離れているので、後段工程では後段工具を精度よく位置制御しなくても先に形成している所定のパターンに傷を付けるような心配がない上、残存背景部の輪郭部は前段工程での無理な削り取り、掻き取りによるダメージを受けて既に剥離され、あるいは剥離しやすくなっているので、容易に時間を掛けずに除去することができる。
【００１４】
さらに、上記のパターニング方法において、前記前段工具における前記角錐体の角数分の尖端部を個別に前記前段工程での加工に用いることで、１つの前記前段工具の全ての前記尖端部を加工に用いることが望ましく、前記切頭角錐体が、切頭三角錐体であるのが望ましい。
【００１５】
本発明の前段工具は、前段工程での加工を行う先端が切頭角錐体をなし、角錐体における隣接する２つの角錐面と切頭面とがなす三角錐の頂点を加工用の尖端部としたことを特徴とし、切頭面のまわりに角数分の尖端部ができ、それぞれを加工に用いることにより、１つの工具による加工可能な回数を角数倍増大させることができる。この場合、それぞれの尖端部の形状が同一になるようすると、各尖端部を同じ加工条件で用いることができるし、切頭面を角錐体の軸線に対して傾けるなどして各尖端部の形状が異なるようにすると、各先端部を異なった加工条件で使い分けることができるし、角錐体の角度、切頭面の角錐体に対する傾き角や傾きの向きを変えるなどすれば、各尖端部の形状を種々に変化させられるので形状の調整が容易である。切頭角錐体は、一例として切頭三角錐体であるとパターニング加工に適している。
【００１６】
本発明のそれ以上の目的および特徴は、以下の詳細な説明および図面の記載によって明らかになる。本発明の各特徴は、可能な限りにおいてそれ単独で、あるいは種々な組み合わせで複合して用いることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のパターニング方法とその装置に係る実施の形態について、その実施例とともに図１〜図９を参照しながら説明し、本発明の理解に供する。
【００１８】
本実施の形態は図１に示すように、基板１上に設けられたパターニング対象層２に工具の先端を押し付けながら工具と基板１とを相対移動させることにより、例えば図２〜図４に示すような所定のパターンに対応したパターン部分５以外の背景部分６を除去して所定のパターンを形成する場合の一例である。前記相対移動は原理上基板１および工具の少なくとも一方、または双方を移動させればよい。
【００１９】
本実施の形態のパターニング方法は、基板１上に設けられたパターニング対象層２に工具の先端を押し付けながら工具および基板１を、基板１の移動や工具の移動を利用して相対移動させることにより所定のパターンに対応したパターン部分５以外の背景部分６を除去して所定のパターン部分５を形成するため、図２、図３に示すようにパターニング対象層２の所定のパターンに対応するパターン部分５の輪郭位置５ａに工具３の尖端部３ａを図２、図３、図５、図６に示すように押し付けながら、この尖端部３ａの押し付け点からの法線７に対する工具３の尖端部３ａから軸線１１の方向で見た後方への広がりが、図６に示すように所定のパターン部分５側のδ１に比し背景部分６側のδ２が大きくなる工具姿勢にて前記輪郭位置５ａに沿うように工具３および基板１を相対移動させることにより、パターン部分５の輪郭位置５ａに沿った背景部分６のパターニング対象層２を除去してパターン部分５を残し所定のパターンを形成する。
【００２０】
このように、工具３の後方に向け広がりを持つ尖端部３ａを基板１上のパターニング対象層２に押し付けながら双方を相対移動させると、パターニング対象層２を尖端部３ａの基板１との相対移動軌跡に沿って切り込み剥離させることができる。特に工具３は、パターニング対象層２のパターン部分５の輪郭位置５ａの背景部分６側に尖端部３ａを押し付けた状態で、この尖端部３ａの押し付け点からの法線７に対する工具３の尖端部３ａから後方への広がりがパターン側のδ１に比し背景側のδ２の方が大きくなる姿勢で前記輪郭位置５ａに沿う方向に相対移動させられることにより、パターニング対象層２の所定のパターン部分５の側では鋭い立ち上り角度δ１で工具３の尖端部３ａのパターン部分５側が切り込んで抵抗小さく移動し、パターニング対象層２にパターン部分５のエッジ５ａを、欠け、クラック、剥離などを生じさせずにシャープに形成しながら切り進むことができる。また、これに併せ、パターニング対象層２の背景部分６側ではパターン部分５側よりも緩やかな立ち上り角度δ２で工具３の尖端部３ａの背景部分６側が幅広に入り込んで抵抗大きく移動し、パターニング対象層２の背景部分６に対し、大きな疲労とパターン部分５のエッジ５ａからの押し退け力とを及ぼしながら、形成されるパターンエッジ５ａに隣接する背景部分６をある平均幅Ｂを持った帯状に削り取りや剥離をして除去しながら進むので、工具によるパターニングの低コスト性、安全性、多層膜の加工性などを活かしながら所定のパターン部分５を高精度に形成することができる。
【００２１】
また、パターニング対象層２における前記パターニングを前加工として、これに引き続き、背景部分６の残存背景部分６ａを前記前加工と同じ工具かあるいは別の工具４などで除去作業する後加工を行うのに、前加工で形成した所定のパターン５と背景部分６の残存部分６ａとの間にある平均幅Ｂを持った帯状除去部８があることによってパターン部分５が、工具４などで残存背景部分６ａを除去する作業の影響を受けるのを防止して前記高精度な状態を保てるようにすることができる。
【００２２】
工具３の尖端部３ａから前記後方への広がりが図６に示すα１およびα２のように等しく工具３の軸線１１を境にした対称形であると、軸線１１を支持基準および加工基準にして工具を容易に加工し製作することができ、しかも、使用に際しては軸線１１を境に対象でありながら工具３をその軸線１１が図２、図３、図６に示すように法線７に対し背景部分６側に角度θ傾く姿勢で用いるだけで、所定のパターンを上記のように形成するためのパターン側および背景側で非対称な形状条件を簡易にかつ精度良く設定することができ、その調整も容易である。
【００２３】
図２, 図３、図５〜図７に示す本実施の形態の工具は、加工を行う先端部が切頭角錐体をなし、角錐体における隣接する２つの角錐面３ｂと切頭面３ｃとがなす三角錐の頂点を加工用の尖端部３ａとしている。これによると、切頭面３ｃのまわりに角数分の尖端部３ａができ、それぞれを加工に用いることにより、１つの工具３による加工可能な回数を角数倍増大させることができる。この場合、それぞれの尖端部３ａの形状が同一になるようにすると、各尖端部３ａを同じ加工条件で用いることができるし、切頭面３ｃを角錐体の軸線に対して傾けるなどして各尖端部３ａの形状が異なるようにすると、各尖端部３ａを尖り度や尖り形状が異なった加工条件で使い分けることができるし、角錐体の軸線の工具３の軸線１１に対する角度、切頭面３ｃの角錐体の軸線に対する傾き角や傾きの向きを変えるなどすれば、各尖端部３ａの尖り度や形状を種々に変化させられるので形状の調整が容易である。切頭角錐体は、図に示す実施例のように切頭三角錐体であると尖端部３ａの尖り度や形状が微細で比較的密集したパターン部分５のパターニング加工に好適である。この加工に際し工具３は図５に示すように基板１に対する相対移動方向Ａの側に角度β傾けると、切り込みエッジ３ｄと基板１との角度γが小さくなりパターニング対象層２への切り込みに無理がなくなり好適である。
【００２４】
また、図７では工具３は三角柱形状で示しているが、本発明は円柱など含めその断面形状を特に問うものではない。しかし、角錐部と同じ角数と同じ向きの角柱とすると、円柱などに比し柱上部を把持したときの角錐部や尖端部３ａの向きを特定しやすい利点がある。
【００２５】
背景部分６の残存背景部分６ａを除去する後加工は、前加工の工具３などを他の工具と取り替えずに用いてもよいが、残存背景部分６ａは比較的幅の広い部分であったり、上記のように前加工としてのパターニングを終えたパターン部分５との間に帯状除去部８があって、残存背景部分６ａがパターン部分５と離れているので、図１、図４に示すようなへら型の工具４を用いて、ある幅で一挙に、あるいはある幅ずつ複数回に分けて効率良く除去するようにしても、パターニングされたパターン部分５に工具４が触れてそのエッジ５ａに欠けやクラック、剥離などの影響を与えることがなく好適である。従って、容易に時間を掛けずに残存背景部分６ａを除去することができる。もっとも、へら型の工具４のエッジと同様なエッジが工具３に尖端部３ａとともに形成されていればそのエッジを後加工に用いることができる。
【００２６】
このような前加工と後加工とによるパターニング方法を実現するのに本実施の形態のパターニング装置は、さらに、図１に示すように、基板１を保持して位置決めや移動などパターニングに必要な取り扱いをする基板取り扱い機構２１と、基板１を保持した基板取り扱い機構２１との間で、自身に保持した工具３、４を前記基板１に押し付けながらパターニングに必要な向きにそれら基板１および工具３、４を相対移動させてパターニング加工を行う工具取り扱い機構２２と、この工具取り扱い機構２２に保持した工具３を基板取り扱い機構２１が保持した基板１上のパターニング対象層２に所定のパターンに対応するパターン部分５の輪郭位置５ａに前記したように押し付けながら、前記輪郭位置に沿う方向に前記相対移動させることにより、パターン部分５の輪郭位置５ａに沿った背景部分６のパターニング対象層２を除去する前加工を行い所定のパターンを形成する第１の制御手段２３と、この前加工の後に工具取り扱い機構２２に保持した工具４を基板取り扱い機構２１が保持した基板１に押し付けながらパターニング対象層２の残存背景部分６ａの域でそれら工具４および基板１を相対移動させながら残存背景部分６ａを除去する後加工を行う第２の制御手段２４とを備えている。
【００２７】
図１に示す実施例では、基板取り扱い機構２１と工具取り扱い機構２２とは同じ基盤２５上に設置して互いの位置関係が一義的に決まるようにしている。基板取り扱い機構２１は基板１を互いに直行するＸＹ２方向に移動させて位置決めおよびパターニングのための工具３、４に対する基板１の相対移動を行わせる。このため基板取り扱い２１はＸ軸モータ２６の駆動により基盤２５上をＸ方向に移動されるＸテーブル２７と、Ｙ軸モータ２８の駆動によりＸテーブル２７上をＹ方向に移動されるＹテーブル２９とを備えている。一方、工具取り扱い機構２２は支柱３１に案内される昇降ヘッド３２に２つの工具保持部２２ａ、２２ｂに種類の異なる前記工具３、４を装備し、昇降ヘッド３２がＺ軸モータ３３の駆動により昇降されて、基板取り扱い機構２１上の基板１に対し工具３、４を所定の加工高さに高精度に位置決めし、前記基板１側の移動による双方間の相対移動により前記パターニングを行う。
【００２８】
さらに、工具取り扱い機構２２は工具３、４を互いの邪魔なく前加工と後加工とに使い分けるために、工具３の支持高さを工具４のそれよりも低く設定し、両工具３、４が加工姿勢にあるとき工具４は働かず工具３の方が優先使用され、工具４が使用されるとき工具３は昇降ヘッド３２上のＹ軸モータ４１によりＹ方向軸まわりに回動されて、横向きなどの退避姿勢となって働かず、工具４での加工を邪魔しないようにしている。もっとも、工具３、４の使い分け方式はどのようにも行える。しかし、工具３、４の位置関係が上記のように１つの昇降ヘッド３２上で一義的に決まる構成では、工具３、４の使い分け時の位置調節が単純になる。例えば、Ｚ方向に差があれば昇降ヘッド３２により高さ調節すればよいし、ＸＹ方向に差があれば基板取り扱い機構２１により基板１をＸＹ方向に位置調節すればよい。
【００２９】
第１、第２の各制御手段２３、２４は装置全体の動作を制御する制御装置４２の内部機能あるいは外付け装置などとして設け、制御装置４２の内部あるいは外部の記憶手段４３に記憶されたプログラムに従って制御装置４２による他の動作制御と関連して働くようにする。
【００３０】
これにより、上記のような前加工および後加工によるパターニングを自動的に能率よく安定して達成することができる。また、工具取り扱い機構２２が２つの工具保持部２２ａ、２２ｂを有して、それぞれに装着した異なった種類の２つの工具３、４を第１の制御手段２３と第２の制御手段２４とによって使い分けることにより、前加工および後加工のそれぞれに適した工具を付け替えたりせずに能率よく使い分けて、作業能率上、作業精度上、作業コスト上などに最適に加工することができる。
【００３１】
なお、第１の制御手段２３は尖端部３ａを有する工具３を、パターニング対象層２の所定のパターンに対応する輪郭部の背景側に工具３の尖端部３ａを押し付けながら、この尖端部押し付け点からの法線に対する工具３の尖端部３ａから後方への広がりが背景側に比し所定のパターン側で大きくなる姿勢にて用い、第２の制御手段２４はへら型の工具４を、その先端を基板１との相対移動の方向に基板１に押し付けながらパターニング対象層の剥離域を移動させるようにすればよい。
【００３２】
図８の（ａ）（ｂ）に示す別の実施例は、工具３に左右１対の尖端部３ａを所定の間隔Ｓを持つようにして対称に設けることにより、一定の間隔Ｓを持って隣接する２つのパターン部分５の相対向し合う各輪郭位置５ａとそれらの間の背景部分６を同時にパターニングすることができ、加工時間が半減する。しかも、パターン部分５どうしの間隔が特別な制御なしに高精度に一定化する。また、間隔Ｓがある寸法以下であると背景部分６の全体を一挙に除去でき、後加工が不要になる利点もある。
【００３３】
図９に示す今１つの実施例は、尖端部３ａを軸線１１まわりに環状に形成したロータリタイプの工具３とし、軸線１１まわに回転駆動することにより基板１との間の相対移動を図って、パターニング加工がより単純な動作で達成できるようにしている。本実施例ではδ１＝０に設定してある。場合によってはδ１は−の値でもよい。δ１は＋の数値が増大するほど形成するパターン部分５のエッジ５ａに対する押圧度が増し、これの調節によってパターニング後のエッジ５ａのスプリングバックに対応した最終形状の調整ができる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、上記の説明で明らかなように、前段工程において、パターン部分のエッジを、欠け、クラック、剥離などを生じさせずにシャープに形成しながら切り進むのに併せ、パターニング対象層のパターン部分に隣接した背景部分をパターンエッジから強く押し退けようとしてパターンエッジへの加工負荷を軽減しながら、ある幅を持って除去していき、工具によるパターニングの低コスト性、安全性、多層膜の同時加工性などを活かしながら所定のパターンを高精度に形成することができる。また後段工程において、工具を精度よく位置制御しなくても先に形成している所定のパターンに傷を付けるような心配がない上、残存背景部分の輪郭部は前加工での無理な削り取り、掻き取りによるダメージを受けて既に剥離され、あるいは剥離しやすくなっているので、容易に時間を掛けずに除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態に係るパターニング方法とその装置を示す基本構成図である。
【図２】図１の装置によるパターニング方法の前加工例を示す初期状態の斜視図である。
【図３】図１の装置によるパターニング方法の前加工例を示す図２の初期状態からの進行状態を示す斜視図である。
【図４】図１の装置によるパターニング方法の後加工例を示す斜視図である。
【図５】図２、図３の前加工例での工具と基板との関係を側面から見て示す断面図である。
【図６】図２、図３の前加工例での工具と基板との関係を正面から見て示す断面図である。
【図７】前加工に用いる工具の１つの実施例を示す斜視図である。
【図８】前加工に用いる別の実施例を示し、その（ａ）は正面から見た断面図、その（ｂ）は側面から見た断面図である。
【図９】前加工に用いる今１つの工具を示す正面図である。
【符号の説明】
１  基板
２  パターニング対象層
３、４  工具
５  パターン部分
５ａ  輪郭位置、エッジ
６  背景部分
６ａ  残存背景部分
７  法線
１１  軸線
２１  基板取り扱い機構
２２  工具取り扱い機構
２２ａ、２２ｂ  工具保持部
２３  第１の制御手段
２４  第２の制御手段
４２  制御装置
４３  記憶手段
【図１】
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【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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