(57)【要約】  赤外線を照射することにより基板を処理するための装置の公知の動作方法であって、前記装置は、複数の筒形の赤外線放射源をまとめた照射ユニットを有し、前記複数の赤外線放射源の長手軸は互いに平行に配置されており、前記動作方法は、（ａ）前記基板の達成すべき処理結果に依存して、総照射出力を設定するステップと、（ｂ）それぞれの目標動作出力で前記赤外線放射源を動作させるステップとを有する、公知の動作方法。当該公知の動作方法を背景として、前記装置を新規の動作方式に簡単かつ迅速に転換することができ、かつ、当該動作を簡単かつ低コストで動作させることができる効率的な動作方法を実現するため、本発明では、（ｃ）前記基板の達成すべき処理結果に依存して、目標放射スペクトルを設定するステップと、（ｄ）前記複数の赤外線放射源の各目標動作出力が加算されることにより、前記目標放射スペクトルおよび総照射スペクトルになるように、当該複数の赤外線放射源の各目標動作出力を個別に設定するステップと、を提案する。（ｅ）ただし、前記複数の赤外線放射源の構成は同一であり、前記総照射出力と設定された目標値との最大偏差は１５％であることを前提とする。
2016522581.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外線を照射することにより基板を処理するための装置の動作方法であって、
前記装置は、複数の筒形の赤外線放射源をまとめた照射ユニットを有し、
前記複数の赤外線放射源の長手軸は互いに平行に配置されており、
前記動作方法は、
（ａ）前記基板の達成すべき処理結果に依存して、総照射出力を設定するステップと、
（ｂ）それぞれの目標動作出力で前記赤外線放射源を動作させるステップと
を有する方法において、
（ｃ）前記基板の達成すべき処理結果に依存して、目標放射スペクトルを設定するステップと、
（ｄ）前記複数の赤外線放射源の各目標動作出力が加算されることにより、前記目標放射スペクトルおよび総照射スペクトルになるように、当該複数の赤外線放射源の各目標動作出力を個別に設定するステップと
を有し、
（ｅ）ただし、前記複数の赤外線放射源の構成は同一であり、前記総照射出力と設定された目標値との最大偏差は１５％であることを前提とする
ことを特徴とする動作方法。
【請求項２】
前記赤外線放射源は公称出力を有し、
前記各目標動作出力は、当該公称出力の０％、または、当該公称出力の１５％から１００％までの範囲内である、
請求項１記載の動作方法。
【請求項３】
前記各赤外線放射源が放出する放射は、当該各赤外線放射源の総放射出力の少なくとも２５％の割合の赤外線Ａ波と、少なくとも２５％の赤外線Ｂ波とを含む、
請求項１または２記載の動作方法。
【請求項４】
前記赤外線放射源の目標動作出力は、制御ユニットによって求められる、
請求項１から３までのいずれか１項記載の動作方法。
【請求項５】
前記装置は、照明されない赤外線放射源と照明される赤外線放射源とを含み、
互いに隣接する、照明される赤外線放射源は、相互間において照明間隔を有し、
前記装置の前記照明間隔の平均値の分散は最小値をとる、
請求項１から４までのいずれか１項記載の動作方法。
【請求項６】
前記制御ユニットは記憶エレメントを有し、
前記記憶エレメントには、前記赤外線放射源の特性曲線が記憶されており、
前記各赤外線放射源の目標動作出力を求める際に、前記特性曲線のうち少なくとも１つを考慮する、
請求項４項記載の動作方法。
【請求項７】
動作電圧Ｕｉが設定されている場合において前記赤外線放射源数をｎｉとして動作した場合に前記総照射出力を実現できるように、前記各赤外線放射源の動作電流Ｉｉを求めるための少なくとも１つの電流‐電圧特性曲線が、前記特性曲線に含まれている、
請求項６項記載の動作方法。
【請求項８】
放射源平面における平均出力密度は、２０ｋＷ／ｍ２から２５０ｋＷ／ｍ２までの範囲内である、
請求項１から７までのいずれか１項記載の動作方法。
【請求項９】
１０ｋＷ／ｍ２から２００ｋＷ／ｍ２までの範囲内の平均照射密度で、照射野に照射する、
請求項１から８までのいずれか１項記載の動作方法。
【請求項１０】
前記基板に金属含有インクを設け、当該インクを乾燥および焼結するために当該基板に照射する、
請求項１から９までのいずれか１項記載の動作方法。
【請求項１１】
複数の筒状の赤外線放射源をまとめた照射ユニットを用いて赤外線を照射することにより基板を処理するための装置であって、
前記各赤外線放射源の長手軸は互いに平行に配置されている
装置において、
各赤外線放射源の目標動作出力を個別に調整するために制御ユニットが設けられており、
前記制御ユニットは、前記複数の赤外線放射源が同一構成であること、および、総照射出力と設定された目標値との偏差が最大１５％であることを前提として、設定された目標放射スペクトルと設定された当該総照射出力とから、前記各赤外線放射源の目標動作出力が加算されると当該目標放射スペクトルおよび当該総動作出力になるように、前記各赤外線放射源の目標動作出力を個別に求める
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、赤外線を照射することにより基板を処理するための装置の動作方法に関し、当該装置は、複数の筒形の赤外線放射源をまとめた照射ユニットを有し、当該複数の赤外線放射源の長手軸は互いに平行に配置されており、当該動作方法は以下のステップを有する：
（ａ）前記基板の達成すべき処理結果に応じて、総照射出力を設定するステップ。
（ｂ）それぞれの目標動作出力で前記赤外線放射源を動作させるステップ。
【０００２】
本発明はさらに、長手軸が互いに平行に配置された複数の筒形の赤外線放射源をまとめた照射ユニットを備えた、赤外線を照射することにより基板を処理するための装置にも関する。
【背景技術】
【０００３】
本発明における基板を処理するための装置とは、赤外線熱装置であり、たとえば、成膜、接着剤または色材を乾燥および硬化させるために用いられるものである。
【０００４】
従来技術
公知の装置は、基板を収容するプロセスチャンバと、当該基板に照射するための複数の赤外線放射源とを備えている。この赤外線放射源は通常、石英ガラスから成る発光管内に、たとえば炭素リボンまたはタングステンワイヤの形態の加熱素子を配置して両側を封止したものから成る。この赤外線放射源の発光管内には不活性ガスが充填される。
【０００５】
このような構成の照射装置は、たとえば独国特許出願公開第１００５１１２５号明細書に記載されており、同刊行物には、半導体ウェハ用の高速加熱設備が記載されている。この照射装置は、基板を受容するための、回転可能に取り付けられた受容部と、円筒状に延在する直管形の放射源管を備えた複数の赤外線放射源と有し、当該放射源管内には、タングステンから成る白熱ワイヤが配置されている。さらに、前記複数の赤外線放射源を個別に電気的に駆動制御するための閉ループ制御ユニットも設けられており、当該閉ループ制御ユニットにより、赤外線放射源の照射出力を調整することができる。
【０００６】
照射出力が調整できることにより、照射プロセスを最適化することが可能となる。基本的には、基板内へのエネルギー流入量が高くなるように赤外線放射源の照射出力を可能な限り高く設定すると、高速の照射プロセスを実現することができる。しかし、照射プロセス時に最大使用可能な照射出力は、照射される基板に依存する。基板はしばしば、温度に影響を受けやすいことが多いので、照射出力が過度に高いと、これに伴って基板の加熱が過度に大きくなり、基板が損傷してしまう。その上、赤外線放射源の放射スペクトルも照射プロセスに影響を及ぼす。熱に影響を受けやすい基板の吸収スペクトルはしばしば、波長に大きく依存することが多いので、基板への照射を効率的に行うためには、放射のうち所定の波長領域内にある割合が多い放射が必要となる。その際には、赤外線放射源から放出されるスペクトルが、照射工程をそもそも実施できるか否かを決定することもある。
【０００７】
よって、複数の異なる基板に照射するために１つの照射装置を使用できるようにするためには、複数の異なる放出スペクトルを生成できるようにする必要がある。これについては、照射装置を他の赤外線放射源に転換するのが通常である。しかしこの転換を行うためには、放出スペクトルがそれぞれ異なる複数の赤外線放射源を在庫保有しておくことを前提条件として要し、これは高コストである。なおかつ、赤外線放射源の転換を行うためには、ある程度の転換時間が必要であり、この転換時間によって、他の基板への照射に切り替えるときに生産性が阻害され得ることとなる。
【０００８】
本発明の照射装置の特殊な使用分野として、金属含有インクの乾燥および焼結がある。これはたとえば、電子スイッチング素子、ＲＦＩＤ、有機太陽電池、ＯＬＥＤまたはプリンテッドバッテリー等のプリンテッドエレクトロニクス部品の製造に使用されるものである。プリンテッドエレクトロニクス部品の製造時には、まず最初の第１のステップにおいて、印刷法を用いて金属含有インクを薄層として、適切な基板上に、たとえばプラスチック膜、紙またはガラス上に成膜する。このインク層の厚さは通常、０．３μｍから３．０μｍまでの間である。インク層を成膜するために使用できる印刷法としては、数多くの種々の手法が存在する。頻繁に用いられるのは、スクリーン印刷法、ロール・ツー・ロール法またはインクジェット印刷法（ink-jet printing）である。
【０００９】
プリンテッドエレクトロニクス部品の製造に用いられるインクは、高い割合の小さい金属粒子を含み、その粒度はしばしば、ナノメートル領域であることが多い。この金属粒子は、水または有機の分散媒中に分散されている。上述のインクはさらに、たとえば粒子架橋、可溶性、濡れ性を改善するための有機添加物、または凝集を阻止するための有機添加物を含むことも可能であり、また、インクをより処理しやすくするための水添加物を含むことも可能である。永久的な導電性成膜を基板に実現するためには、第２のステップにおいて照射装置を用いて上述のインク成膜を乾燥および焼結する必要がある。
【００１０】
上述のようなプリンテッドエレクトロニクス部品製造用の照射装置は、たとえば米国特許出願公開第２０１０／０００３０２１号明細書に記載されている。この装置は、可視領域、赤外領域および／または紫外領域内の波長の光を放出するように構成された光源を有する。さらに前記装置は、硬化する成膜の光学的特性に応じて照射を閉ループ制御するための閉ループ制御ユニットも含む。この閉ループ制御ユニットは、成膜の硬化度を光学的に検出し、当該硬化度に依存して、光源から放出される総照射出力を制御する。
【００１１】
この装置でも、異なる基板を照射する際には常に、赤外線放射源を転換する必要がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
よって、本発明の基礎となる課題は、装置を新規の動作方式に簡単かつ迅速に転換することができると同時に、装置を簡単かつ低コストで動作させることができる、効率的な動作方法を実現することである。
【００１３】
また本発明は、新規の動作形式に簡単かつ迅速に転換することができ、かつ、簡単かつ低コストで動作させることができる装置を実現することも課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の概要
動作方法については、前記課題は本発明では、冒頭に述べた上位概念の、基板を処理するための装置の動作方法を基礎として、以下の方法により解決される：
（ｃ）前記基板の達成すべき処理結果に依存して、目標放射スペクトルを設定する。
（ｄ）前記複数の赤外線放射源の各目標動作出力が加算されることにより、前記目標放射スペクトルおよび総照射スペクトルが実現されるように、当該複数の赤外線放射源の各目標動作出力を個別に設定する。
（ｅ）ただし、前記複数の赤外線放射源の構成は同一であり、前記総照射出力と設定された目標値との最大偏差は１５％であることを前提とする。
【００１５】
基板の処理に用いられる装置は、当該基板に赤外線を照射する照射ユニットを有する。当該装置では、照射ユニットと基板とが互いに相対的に規則的に可動である。照射ユニットから放出される放射は、その照射出力と放射スペクトルとによって特徴付けられる。
【００１６】
総照射出力は、照射中の基板の加熱に影響を及ぼし、この総照射出力が、照射中の基板の最大温度を決定する。基本的に、総照射出力が過度に高いと、これに伴って基板が損傷する可能性がある。
【００１７】
それに対して放射スペクトルは、照射プロセスの効率に影響を及ぼす。効率的な照射プロセスを行うためには、予め決まった波長領域内の放射の割合が高い放射が必要となる。とりわけ、波長に大きく依存する吸収スペクトルを有する、熱に影響を受けやすい基板の場合、または、スペクトル特性がそれぞれ異なる複数の成分から組成された基板の場合には、放出スペクトルが照射法の効率に影響を及ぼす可能性があり、達成される放出スペクトルによって、照射法をそもそも実施できるか否かが決定されることがある。
【００１８】
それゆえ、総照射出力および放射スペクトルの双方を調整できるようにすることが望ましい照射法が、数多く存在する。
【００１９】
基板に照射するための装置において、総照射出力と、赤外線放射源から放出される放射スペクトルとの双方を調整できるようにするためには、本発明ではまず、それぞれ個別の目標動作出力で動作できる複数の赤外線放射源が設けられている。
【００２０】
赤外線放射源は、放出スペクトルが実質的にその加熱素子の温度に依存する熱放射源に属する。この放射源では、放出スペクトルは特定の波長において最大エネルギー密度を示し、この最大エネルギー密度に対応する波長を主放出線と称する。
【００２１】
主放出線の位置は、赤外線放射源の温度によって決定される。赤外線放射源の温度が低いほど、主放出線の波長は長くなる。よって、赤外線放射源の温度を適切に調整することにより、主放出線を調整することができる。温度が変化すると、それと同時に波長分布すなわち総スペクトルも変化する。赤外線放射源から放出されるスペクトルの波長分布は、プランクの放射法則によって近似的に記述することができる。この法則によると、材料の分光放出パワーは以下の数式によって表すことができる：
【数１】
2016522581.tif 000003
同式中、Ｅ（λ，Ｔ）は分光放出パワーであり、ｃ１，ｃ２は定数であり、λは波長であり、Ｔは温度であり、ε（λ，Ｔ）は表面の分光放射率である。
【００２２】
放射スペクトルをこのように適応調整する手法の基本は、紫外線放射源では知られている。たとえば、独国特許出願公開第１０１４５６４８号明細書に紫外線照射装置が記載されており、この紫外線照射装置の放射スペクトルは、放出スペクトルがそれぞれ異なる複数の放射源によって調整することができ、また、紫外線光源の動作出力の適応調整によっても調整することが可能である。しかし、紫外線光源において電力供給を変化させることでは、実質的に、供給される総エネルギー量を増減させることしかできず、それに対して波長に対するエネルギーの分布は、ごく僅かしか変化しない。よって、かかる照射装置においてまず重要なのは、複数の異なる放射源を設けることである。
【００２３】
紫外線光源は、動作電力を低下させて動作すると、その光源温度も低くなるが、紫外線光源におけるスペクトルの適応調整は、温度が変化することによって、たとえば、放電空間内の充填ガスの金属添加物が凝縮することにより、紫外線光源の放電空間内におけるガス組成が変化することに基づくものである。よって、このスペクトルの適応調整を、単純に赤外線放射源に転用することはできない。
【００２４】
確かに赤外線放射源においても、加熱素子の温度を高くして赤外線放射源の出力を高くできるようにするため、発光管に不活性ガスを充填することが多いが、この不活性ガスは赤外スペクトル領域での発光に目立った寄与をせず、赤外線放射源の冷却時にガス組成の変化が観察されることはない。
【００２５】
照射ユニット内に配置された各赤外線放射源は、それぞれ個別の放出スペクトルおよび個別の照射出力を有する。照射ユニット全体については、複数の赤外線放射源の個別の放射スペクトルが互いに重畳して混合スペクトルを形成し、総照射出力は、放射源アレイの放出面を基準とした、単位Ｗの全体の照射出力である。照射ユニットの総照射出力は、各個別照射出力の総和により求められるので、放射源数を変えることによって総照射出力を調整することができる。その際には、各動作出力を等しくしても、また、それぞれ異なる動作出力でも、各スペクトルの重畳によって、設定された放射スペクトルに相当する混合スペクトルが基板に照射されるように、複数の赤外線放射源を動作させることができる。
【００２６】
本発明では複数の赤外線ランプを設けることにより、所望の放射スペクトルが得られ、かつ、設定された総照射出力も得られるように、各赤外線放射源を遮断または投入することができる。とりわけ、赤外線放射源をより低い動作出力で動作できるようになる（減光動作）。赤外線放射源は個別に駆動制御可能なものであり、それぞれの動作出力で動作するからである。
【００２７】
本発明では、複数の赤外線放射源の目標動作出力が加算されると目標放射スペクトルおよび総照射出力になるように、各赤外線放射源の目標動作出力を個別に設定する。ただしこれは、赤外線放射源が同一構成であり、かつ、総照射出力と設定された目標値との偏差が最大１５％であることを前提条件とする。総照射出力の目標値、およびその最大許容偏差は、基板の損傷が回避されるように設定される。さらに、総照射出力は照射プロセスの期間および速度に有意な影響を及ぼす。総照射強度と設定された目標値との偏差が最大１５％である場合、照射プロセスの速度はほとんど阻害されない。
【００２８】
さらに、同一構成の赤外線放射源を複数備えた装置は簡単に製造することができ、このような装置により、各赤外線放射源の動作出力を簡単に制御することができる。というのも、この場合には赤外線放射源の型式のみを考慮すればよいからである。種々異なる赤外線放射源を在庫に保有しておく必要がないので、投資コストおよび運用コストを低く抑えることができる。
【００２９】
好適には閉ループ制御ユニットが設けられている。これは、調整対象の放射スペクトルが設定され、かつ、調整対象の総照射強度の目標値が設定されていることを前提に、各赤外線放射源の各動作出力を求めるものである。
【００３０】
本発明の動作方法の１つの好適な実施形態では、前記複数の赤外線放射源は公称出力を有し、各目標動作出力は当該公称出力の０％、または、当該公称出力の１５％以上かつ１００％以下の範囲内である。
【００３１】
赤外線放射源の公称出力とは、赤外線放射源が規定通りに動作する場合に寿命を有意に損なうことなく長期間動作できる最大出力である。各赤外線放射源が実際に動作する動作出力は、公称出力の百分率で表すことができる。
【００３２】
赤外線放射源の減光動作によって、赤外線放射源の有効性が阻害され得る。装置の効率的な動作を保証するためには、公称出力の１５％から１００％までの範囲内の動作出力で赤外線放射源を動作させるか、または赤外線放射源をスイッチオフすること、すなわち公称出力の０％で動作させることが好適であることが実証されている。
【００３３】
各目標動作出力が公称出力の０％、または、５０％から１００％までの範囲内である場合、装置の特に効率的な動作が保証される。
【００３４】
本発明の動作方法の他の１つの有利な実施形態では、赤外線放射源がそれぞれ、各赤外線放射源の総放射出力に対して少なくとも２５％の割合の赤外線Ａ波と、少なくとも２５％の赤外線Ｂ波とを含む放射を放出する。
【００３５】
赤外線Ａ波は、０．７８μｍから１．４μｍまでの領域内の波長を有し、赤外線Ｂ波の波長は１．４μｍから３．０μｍまでの領域内であり、赤外線Ｃ波の波長は３μｍから１０００μｍまでの領域内である。赤外線Ａ波領域内の赤外線は、赤外線Ｂ波と比較して高い放射エネルギーを有する。基本的には、放射エネルギーが高いほど、照射プロセスの時間を短くすることができる、ということが成り立つ。よって、赤外線Ａ波成分は効率的な動作進行に寄与することができ、赤外線Ｂ波は多くの基板に良好に吸収される。したがって、赤外線放射源の放射が、少なくとも２５％の赤外線Ａ波の放射成分と、少なくとも２５％の赤外線Ｂ波の放射成分とを含むと、良好な照射結果を得ることができる。
【００３６】
赤外線放射源の目標動作出力を閉ループ制御ユニットによって求めることが好適であることが実証されている。
【００３７】
閉ループ制御ユニットが動作出力の目標値を求めることにより、この目標値を、容易に動作条件の変化に合わせて調整することができる。動作出力の目標値はそのまま、動作出力の適切な閉ループ制御に直接使用することができる。
【００３８】
本発明の動作方法の１つの有利な改良態様では、前記装置は、照明されない赤外線放射源と照明される赤外線放射源とを含み、互いに隣接する照明される赤外線放射源は、相互間において照明間隔を有し、前記装置の照明間隔の平均値の分散は最小値をとる。
【００３９】
複数の赤外線放射源を備えた装置では、総照射強度および放射スペクトルに調整するために、すべての赤外線放射源に照明することを要せず、照明される赤外線放射源は、基板の表面上の照射野に照射する。互いに隣接する照明される赤外線放射源は互いに直に密接しているか、または、１つもしくは複数の照明されない赤外線放射源によって互いに隔離されている。前記照明間隔は、互いに隣接する赤外線放射源の両放射源管の最短間隔である。照射野に可能な限り均一に照射できるようにするためには、照明間隔の平均値のばらつきが可能な限り小さくなるように、照明される赤外線放射源を装置内において配置する。
【００４０】
前記制御ユニットが記憶エレメントを有し、当該記憶エレメント内に赤外線放射源の特性曲線が記憶されており、各赤外線放射源の動作出力の目標値を求める際に当該特性曲線のうち少なくとも１つを考慮すると、好適であることが判明している。
【００４１】
前記記憶エレメントは好適には電子的記憶エレメントであり、たとえばＥＥＰＲＯＭまたはフラッシュメモリ等である。記憶エレメントには、各赤外線放射源にそれぞれ特徴的である複数の特性曲線が記憶されている。この場合における特性曲線とは、たとえば電流‐電圧特性曲線、放射出力‐温度特性曲線、放出スペクトル、吸収曲線、反射曲線等である。前記制御ユニットはこれらの特性曲線から、各赤外線放射源の個別の動作出力を求め、この個別の動作出力から、予測される総照射出力と混合放射スペクトルとを求める。
【００４２】
上記構成については、動作電圧Ｕｉが設定されている場合において赤外線放射源数をｎとして動作した場合に前記総照射出力が得られるように、各赤外線放射源の動作電流Ｉｉを求めるための少なくとも１つの電流‐電圧特性曲線が、前記特性曲線に含まれていることが、好適であることが判明している。
【００４３】
総照射出力Ｐｇｅｓは、各赤外線放射源の動作出力Ｐｉの総和により求められる。ここで、以下の式が適用される：
【数２】
2016522581.tif 000004
【００４４】
各動作出力は、動作電圧Ｕｉと動作電流Ｉｉとから求められる：
Ｐｉ＝Ｕｉ×Ｉｉ
【００４５】
動作電圧Ｕｉが予め決まっている場合には、電流‐電圧特性曲線を用いて、各赤外線放射源について動作電圧Ｕｉと動作出力Ｐｉとの双方を求めることができる。さらに、設定された総照射出力にするために必要とされる赤外線放射源の数ｎを求めることも可能となる。その際には、前記複数の赤外線放射源を等しい動作出力で、またはそれぞれ異なる動作出力で動作させることができる。
【００４６】
本発明の動作方法の１つの有利な実施形態では、放射源平面上における平均出力密度は２０ｋＷ／ｍ２から２５０ｋＷ／ｍ２までの範囲内である。
【００４７】
放射源平面上における平均出力密度は、基板表面における照射密度に影響を及ぼす。照射プロセスの処理速度を可能な限り高速にできるようにし、かつ、照射密度が過度に高いことに起因する基板の損傷を回避するためには、大部分の基板については、放射源平面上における出力密度を上掲の範囲内とすることが好適であることが判明している。
【００４８】
本発明の動作方法の他の１つの同様に好適な実施形態では、前記照射野に、１０ｋＷ／ｍ２から２００ｋＷ／ｍ２までの範囲内の平均照射密度で照射する。
【００４９】
照射野を基準とする平均照射密度は、装置のエネルギー効率と照射プロセスの速度とに影響を及ぼし、この平均照射密度は照射野全体において可能な限り均一でなければならない。高速の処理速度を保証するためには、基本的に、照射密度が可能な限り高いことが望ましい。しかし、平均照射密度が２００ｋＷ／ｍ２を超えると、これに伴って基板が非常に加熱して損傷する可能性がある。照射密度を１０ｋＷ／ｍ２未満とすると処理速度が阻害され、処理効率が低くなるという結果を伴う。照射密度を上掲の範囲内とするとさらに、成膜、接着剤または色材の乾燥、硬化および焼結時に良好な結果が得られ、特に金属含有インクの乾燥および焼結時に良好な結果が得られる。
【００５０】
本動作方法の１つの好適な実施形態では、前記基板に金属含有インクを設け、当該インクを乾燥および焼結するために当該基板に照射する。
【００５１】
通説では、金属含有インクの乾燥および焼結に際し、可視領域または赤外線Ａ波領域内の狭帯域または離散的な放出スペクトルを生成する光源を使用すると、プロセス結果が良好になると考えられている（この点については、“Z. Radivojevic et al.: Optimised curing of silver ink jet based printed traces, Proceedings of 12th International Workshop on Thermal Investigations of ICs -Therminic 2006, Nice: France (2006)”;“R. Cauchois et al.: Impact of variable frequency microwave and rapid thermal sintering on microstructure of inkjet-printed silver nanoparticles, J. Mat. Sci 47, (2012), p. 20”; “J. West et al.: Photonic Sintering of Silver Nanoparticles: Comparison of Experiment and Theory, in Volodymyr Shatokha [Ed.]: Sintering- Methods and Products. InTech: 2012”; “A. Khan et al.: Laser sintering of direct write silver nano-ink conductors for microelectronic applications. Proc. SPIE 6879 (2008)”を参照されたい）。
【００５２】
上記通説とは逆に、本照射装置は、広帯域の放出スペクトルを有する複数の赤外線放射源を備える。好適には、放出スペクトルは主要な放射成分として、赤外線Ｂ波領域または赤外線Ｃ波領域内にある放射成分を含む。各赤外線放射源が放出する放射がそれぞれ、各赤外線放射源の総放射出力の少なくとも２５％の割合の赤外線Ｂ波と、最大１３％の割合の赤外線Ｃ波とを含む場合、良好な結果が得られる。
【００５３】
金属含有インクは、分散媒中に固体の金属粒子を分散させたものである。金属粒子自体は、生じた赤外線Ｂ波および赤外線Ｃ波に対して高い反射率を有する。赤外線放射源から放出された赤外線Ｂ波および赤外線Ｃ波と、金属粒子によって拡散反射される放射とが、乾燥すべき層中に分布するので、これらの放射は主に、金属含有インクの他の成分に照射するのに使用することができる。この他の成分には、上記領域内の波長の放射に対して良好な吸収特性を有する有機化合物が含まれていることが多い。通常、赤外線Ｂ波および赤外線Ｃ波は分散媒および揮発性物質に吸収されるので、これにより、これらの成分を蒸発することができる。よって、赤外線Ｂ波および赤外線Ｃ波は、焼結工程において金属粒子を互いに結合させる前にインクを良好に乾燥させるのに寄与することができる。
【００５４】
この点については、赤外線放射源はさらに、可視領域および赤外線Ａ波領域内の放射成分を放出すると有利であることが判明している。この領域内の波長を有する放射は、赤外線Ｂ波や赤外線Ｃ波と比較して高い放射エネルギーを有し、とりわけ金属粒子を焼結するのに適している。
【００５５】
装置に関しては、上記課題は本発明では、冒頭に述べた上位概念の基板照射装置に基づき、各赤外線放射源の目標動作出力を個別に調整するために制御ユニットが設けられており、当該制御ユニットは、当該複数の赤外線放射源が同一構成であること、および、総照射出力と設定された目標値との偏差が最大１５％であることを前提として、設定された目標放射スペクトルと設定された総照射出力とから、各赤外線放射源の目標動作出力が加算されると当該目標放射スペクトルと当該総動作出力が得られるように、各赤外線放射源の目標動作出力を個別に求めることによって解決される。
【００５６】
前記照射装置は、筒形の放射源管と放射源管長手軸とを有する複数の赤外線放射源を備えており、当該複数の赤外線放射源は、各放射源管長手軸が互いに平行に延在するように配置されている。上述の構成の装置において、総照射出力と、赤外線放射源から放出される放射スペクトルとの双方を調整できるようにするため、本発明では複数の赤外線放射源と、各赤外線放射源の目標動作出力を求める閉ループ制御ユニットとが設けられている。
【００５７】
赤外線放射源の主放出線の位置は、赤外線放射源の温度によって決定され、ひいては、これによって赤外線放射源の放出スペクトルも決定される。赤外線放射源の温度が変化すると、これに伴って波長分布も変化する。赤外線放射源の温度は当該赤外線放射源の動作出力に依存するので、動作出力を適切に設定することにより、設定された放出スペクトルにすることができる。
【００５８】
本発明の装置が複数の赤外線ランプを含むことにより、本発明では、所望のスペクトルを達成するため、各赤外線放射源を各個別の目標動作出力で動作することができる。とりわけ、赤外線放射源をより低い動作出力で動作できるようになる（減光動作）。前記複数の赤外線放射源は個別に駆動制御可能である。総照射出力は各赤外線放射源の動作出力の総和から求められるものなので、さらに、総照射出力を達成するために、各赤外線放射源をそれぞれ制御ユニットによって遮断または投入することができる。各動作出力をそれぞれ適切に設定することにより、放出スペクトルのおよび総照射出力を設定することが可能になる。
【００５９】
前記複数の赤外線放射源は、１つの同じ照射ユニット内に配置されている。複数の別体の放射源を設ける場合とは異なり、上述のような照射ユニットが複数の赤外線放射源のために必要とする筐体は１つだけとなるので、かかる照射ユニットは、装置のコンパクトな構成を実現するのに寄与する。前記赤外線放射源は前記照射ユニット内に、各放射源管長手軸を互いに平行にして配置される。放射源管が平行に配置されていることにより、高い照射密度で基板に面照射するのに適した面放射源を実現することができる。
【００６０】
実施例
以下、実施例と３つの図とを参照して、本発明を詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の動作方法により動作可能である、４つのツインチューブ型赤外線放射源を含む基板照射装置の縦断面図である。
【図２】図１に示されたツインチューブ型赤外線放射源の加熱フィラメントのための回路を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態の動作方法のフローチャートである。
【００６２】
図１は、本発明の方法によって動作する、基板１０３上の金属含有インクを乾燥および焼結するための装置１００の一実施形態の概略図である。当該装置１００はとりわけ、ロール・ツー・ロール法で製造されるプリンテッドエレクトロニクス部品にてインクを乾燥および焼結するために用いられる。
【００６３】
前記装置１００は、放射源モジュール１０１と、反射器１０７と、当該放射源モジュール１０１から放出された放射１０５の一部を基板１０３へ反射させるためのミラー１０４とを含み、前記放射源モジュール１０１内には、光放射１０５を放出する４つの赤外線放射源１０２が配置されている。
【００６４】
前記４つの赤外線放射源１０２は、円筒状の放射源管と放射源管長手軸とを有する同一構成のツインチューブ型放射源であり、各赤外線放射源１０２の放射源管長手軸が互いに平行になるように、かつ、各放射源管長手軸が搬送方向１０８に対して垂直に延在するように、前記４つの赤外線放射源１０２は放射源モジュール１０１内に配置されている。短波長の赤外線放射源である場合、赤外線放射源の公称色温度は約２，２００℃となる。この放射源１０２の放出最大値は、約１．２μｍの波長に位置する。
【００６５】
赤外線放射源１０２は、実際の総照射出力の２５％を上回る割合の赤外線Ｂ波の放射成分と、最大１３％の割合の赤外線Ｃ波領域内の放射成分とを含む放射を放出する。赤外線放射源が赤外線Ａ波領域で放出する割合は、総照射出力の２５％を上回る。
【００６６】
互いに隣接する赤外線放射源１０２の相互間の距離１１１は５５ｍｍである。赤外線放射源１０２の放射源下面と基板との間の距離ａは６０ｍｍである。位置調整ユニット（図示されていない）により、距離ａを３５ｍｍから１８５ｍｍまでの範囲内で簡単に調整することができる。
【００６７】
放射源モジュール１０１は、両側が折り曲がった筐体１０６を備えており、当該筐体１０６は、赤外線放射源１０２の方を向いた面を有する。この赤外線放射源１０２の方を向いた面に、反射器１０７が設けられている。反射器１０７が基面反射器１０７ａと２つの側面反射器１０７ｂ，１０７ｃとを含むことにより、赤外線放射源１０２から放出された赤外線の多くの割合が基板１０３に入射される。反射器１０７はアルミニウムから作製されており、８００ｎｍから５，０００ｎｍまでの領域内の波長の赤外線を反射するのに適したものである。上記実施形態に代わる択一的な実施形態（図示されていない）では、前記筐体に、アルミニウム、銀、金、銅、ニッケルまたはクロムから成る高反射率のコーティングを設ける。
【００６８】
放射源モジュール１０１は、基板１０３の表面上の照射野に照射する。放射源モジュール１０１はこの照射野に、約１５０ｋＷ／ｍ２の平均照射密度で照射するように構成されている。照射野の総面積は１，８００ｃｍ２である。
【００６９】
基板１０３は、膜厚が０．１ｍｍであるＰＥＴから成る樹脂膜であり、この樹脂膜は搬送装置（図示されていない）によって搬送方向１０８に、放射源モジュール１０１に対して相対移動する。基板１０３の移動は、一定の送り速度で行われる。
【００７０】
筐体１０６内には、反射器１０７および赤外線放射源１０２を冷却するための冷却部品（図示されていない）が設けられている。この冷却部品は水冷式である。この水冷式冷却は、装置の長寿命化に、特に放射源および反射層の長寿命化に寄与する。上記実施形態に代わる択一的な実施形態では、前記冷却部品は空冷式である。この実施形態では、基板１０３の熱的質量が小さいことにより、放射源モジュール１０１から流出した空気流によっては基板１０３が冷却されないように、前記冷却部品は構成されている。このことはたとえば、特別な空気誘導装置と側方の空気出口とを用いて赤外線放射源１０２および反射器１０７の空気冷却を行うことにより、または反射器１０７の空気復路冷却を行うことにより実現される。
【００７１】
図２に、図１のツインチューブ型赤外線放射源１０２の加熱フィラメント２０１〜２０８用の回路２００を示す。これらの加熱フィラメント２０１〜２０８は、４つの加熱フィラメント２０５〜２０８を有する第１群と、当該第１群に後置された、４つの加熱フィラメント２０１〜２０４を有する第２群とに分割される。
【００７２】
加熱フィラメント２０１と２０５とは並列接続されており、加熱フィラメント２０２と２０６とは並列接続されており、加熱フィラメント２０３と２０７とは並列接続されており、加熱フィラメント２０４と２０８とは並列接続されている。互いに並列接続された加熱フィラメントは、動作電圧、動作電流および動作電力の動作パラメータについて等しい値で動作する。よって、これら互いに並列接続された加熱フィラメントは、２つの同一の部分野から成る１つの照射野（図示されていない）に照射する。
【００７３】
実施例１
照射装置は、フィラメントを備えた４つの赤外線放射源を有し、これらのフィラメントは全部で８つである。各赤外線放射源は、公称温度２，６００℃の場合、２３０Ｖの公称電圧、２，６２０Ｗの公称電力のために構成されている。フィラメント加熱長は３５０ｍｍになる。
【００７４】
総照射強度が５８５０Ｗに設定されている場合、動作電圧Ｕｉと、照射される放射源数ｎとを変えることにより、表１に示されているように、放射スペクトルを適応調整することができる。ここで、Ｐｉはフィラメントの動作電力を示し、Ｐｇｅｓは総照射出力を示し、Ｔはフィラメント温度を示し、λｍａｘは主放出線の波長を示しており、Ｐｉ／Ｐｎｅｎｎは個別動作電力と公称電力との百分率比を示す。
【００７５】
【表１】
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表１から分かるように、動作電圧Ｕｉと、照射されるフィラメント数ｎとを変えることにより、総照射出力を約５，８５０Ｗ±３％にほぼ一定にすることができる。よって、如何なるときにおいても、照射装置の放出スペクトルを別の基板に合わせて適合することができる。このようにして、放射源の転換という面倒なことを省略することができる。
【００７６】
以下の表２では、各放射源温度に対応した、ＶＩＳ（３８０ｎｍ〜７８０ｎｍ）、赤外線Ａ波（７８０ｎｍ〜１，４００ｎｍ）および赤外線Ｂ波（１，４００ｎｍ〜３，０００ｎｍ）の各スペクトル領域のエネルギーの割合を示す。
【００７７】
【表２】
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【００７８】
実施例２
インクを乾燥および焼結するための照射装置は、それぞれ２つのフィラメントを有する１２個のツインチューブ型赤外線放射源を含む赤外線放射源モジュールを備えている。フィラメント数は全部で２４である。以下の表３に示されているように、上記放射源モジュールを用いると、出力密度が１２０ｋＷ／ｍ２とほぼ一定である場合、フィラメントの接続を変えることによって異なる色温度を達成することができた。
【００７９】
【表３】
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基板としては、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）から成る樹脂膜と、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）から成る樹脂膜との双方を用いた。両樹脂膜の各膜厚は１００μｍであった。両樹脂膜には、インクジェット印刷法（Dimatix DMP283; Dropspace 25/30 μm）を用いて銀含有インクを印刷した。インクとしては、有機溶剤中に銀ナノ粒子（２０重量％）を分散したもの（Suntronic（登録商標）Jet Silver U 5603）を用いた。
【００８０】
次に、印刷された樹脂膜を前記照射装置によって乾燥させた。こうするためには、乾燥および焼結される前記膜を搬送方向に、ベルト速度で赤外線放射源モジュールに対して相対移動させた。その際には、ベルト速度を最大６０ｍ／ｍｉｎとすることができた。
【００８１】
図３は、本発明の動作方法のフローチャートの概略図である。この動作方法はたとえば、図１に示された基板照射装置に基づくが、簡略化のため、図３には、互いに依存せずに動作可能である３つの赤外線放射源（放射源１〜３）を備えた照射装置のみを示し、以下、これに基づいて本動作方法を詳細に説明する。放射源１〜３はそれぞれ、一定の動作出力で動作する。
【００８２】
まず最初に、照射する対象の基板に合わせて照射プロセスを調整する。通常はこの基板によって、選択すべき放射スペクトルと、選択すべき総照射出力とが予め定まる。予め定まった総照射出力と、予め定まった放射スペクトルとで、照射を行わなければならないので、これらの目標値を設定して、閉ループ制御ユニットに入力する。放射スペクトルは基本的に、主放出線の波長によって特徴付けられるので、ここではこの主放出線のみを入力する。上記態様に代わる択一的な実施形態（図示されていない）では、予め定まった１つまたは複数のスペクトル領域も考慮することができる。
【００８３】
これらの値に基づき、前記制御ユニットは赤外線放射源の各動作電力Ｐ１，Ｐ２およびＰ３と、これに対応する各目標動作電流Ｉ1,SOLL、Ｉ2,SOLLならびにＩ3,SOLLおよび各目標動作電圧Ｕ1,SOLL、Ｕ2,SOLLおよびＵ3,SOLLとを求める。制御ユニットは記憶エレメントを有し、この記憶エレメント内には、放射源１〜３の電流‐電圧特性曲線が記憶されている。制御ユニットは、各放射源１〜３の動作出力の目標値を求める際にこれらの特性曲線を考慮する。各放射源の動作電力の目標値は、各放射源動作電力が赤外線放射源の公称電力の０％、または、当該公称電力の５０％超かつ１００％以下の範囲内であることを前提として求められる。このことによってたとえば、他の放射源が上掲の範囲内の動作電力で動作している間、放射源１〜３の１つをスイッチオフすることができる。上記実施形態に代わる択一的な実施形態では、各放射源動作電力は、赤外線放射源の公称電力の０％、または、当該公称電力の１５％超かつ１００％以下の範囲内である。
【００８４】
放射源１〜３は前記制御ユニットによって、電圧および電流により動作する。その際には、放射源１〜３が表面上の照射野に照射する総照射出力と、当該総照射出力の設定された目標値との偏差が最大１５％となるように、当該放射源１〜３の動作電力は制御ユニットによって、予め求められた目標値に応じて制御される。
【００８５】
各放射源１〜３の動作電力の制御偏差は制御ユニットによって、当該放射源１〜３の動作電圧および動作電流を連続監視することにより検出される。特定された制御偏差は、制御ユニットによって、適応調整された電圧Ｕ1,KORR，Ｕ2,KORR，Ｕ3,KORRと適応調整された電流Ｉ1,KORR，Ｉ2,KORR，Ｉ3,KORRとで放射源１〜３を動作させることにより補正される。
【００８６】
前記放射源１〜３は１つの照射区域を照射する。
【００８７】
本動作方法の他の択一的な実施形態（図示されていない）では、前記基板に金属含有インクを設け、当該インクを乾燥および焼結するために当該基板に照射する。照射ユニット内には更に、第２の照射区域に照射する３つの放射源４〜６が設けられており、かつ、第３の照射区域に照射する３つの放射源７〜９が更に設けられている。前記制御ユニットは、第１の照射区域、第２の照射区域および第３の照射区域という３つの異なる区域を有する照射野が形成されるように、放射源１〜９の各動作電力を閉ループ制御する。前記第１の照射区域は、金属含有インクを乾燥させるための乾燥区域である。第３の照射区域は、前記金属含有インクを焼結させる焼結区域である。乾燥区域と焼結区域との相違点は、照射密度である。両区域の照射密度は、金属含有インクの特性に合わせて調整されている。乾燥区域の照射密度は、焼結区域の照射密度より低い。第２の照射区域は、前記乾燥区域と焼結区域との間に位置する過渡区域であり、この過渡区域の照射密度は、乾燥区域の照射密度と焼結区域の照射密度との間の範囲内である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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