JP2014033227A - 低温基板上の薄膜を高速で反応させる方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低温基板上の薄膜を反応性雰囲気中で反応させる好適な方法を提供すること。
【解決手段】低温基板上の薄膜を反応性雰囲気中で反応させる方法が開示される。薄膜は、還元性の金属酸化物を含み、反応性雰囲気は、水素またはメタンのような還元性ガスを含む。低温基板は、ポリマー、プラスチックまたは紙であり得る。金属酸化物を金属に還元し、適用可能であれば上記金属を焼結するために高強度ストロボシステムからの複数の光パルスが用いられる。本発明の好ましい実施形態に従って、ガス雰囲気が初めに提供される。次に、低温基板の上部に位置する薄膜の層がガス雰囲気中を通って運ばれる。薄膜の層がガス雰囲気中を移動するときに、上記薄膜の層が複数のパルス電磁放射線に曝露されて、薄膜の層がガス雰囲気と化学的に反応することを可能にする。
【選択図】図２

Description

（優先権主張）
本出願は、米国特許法§１１９（ｅ）（１）の下、２００８年１０月１７日に出願された仮特許出願第６１／１９６，５３１号に対する優先権を主張し、この仮特許出願の内容は、本明細書において参照として援用される。

（発明の背景）
１．技術分野
本発明は、一般に硬化方法に関し、特に低温基板上の薄膜を高速で反応させる方法および装置に関する。

２．関連技術の説明
回路上に導電体を作製するための１つのアプローチは、金属含有インクを基板上にプリントし、次に上記金属含有インク中の粒子を焼結するために基板を加熱して導電経路を形成することである。一般に、電気伝導に適した大部分の金属は、非常に高い温度まで加熱される必要があり、往々にしてこの温度は、それらの融点の２００〜３００℃の範囲にある。例えば、銀は、空気中で加熱することができ、その酸化物は、導電率は比較的低いが相対的に低い温度で分解することから、導電線（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｔｒａｃｅ）を作製するのに良い金属である。さらに、導電線を作製するための金属の選択に関して言えば、銀が最も導電性の高い金属であるという事実は、そのコストが高いことよりしばしば重要である。

導電線の製造において常に追求される別の金属は、低コスト故に銅である。銅は、銀の約９０％の導電率を有するが、質量ベースで通常は銀より５０から１００倍安い。しかしながら、銅インクを作製して酸化を防ぐために処理する付加的なコストは、バルク材料のコスト差より一般に高いので、銀インクが依然としてプリントエレクトロニク市場を支配している。基本的に、銅粒子を空気中で加熱した場合、焼結される前に酸化し、結果として非導電体になる。

従って、銅のような比較的低コストの金属を用いて導電線を作製するための改善された方法を提供することが望ましいであろう。

本発明の好ましい実施形態に従って、ガス雰囲気が初めに提供される。次に、低温基板の上部に位置する薄膜の層がガス雰囲気中を通って運ばれる。薄膜の層がガス雰囲気中を移動するときに、上記薄膜の層が複数のパルス電磁放射線に曝露されて、薄膜の層がガス雰囲気と化学的に反応することを可能にする。

本発明のすべての特徴および利点は、詳細に記される以下の記載で明らかになるであろう。
例えば、本明細書は以下の項目も提供する。
（項目１）
低温基板上の薄膜を反応させる方法であって、前記方法は、
ガス雰囲気を提供する工程；
低温基板に乗った薄膜の層を、前記ガス雰囲気中を通って移動させる工程；および
前記薄膜の層が前記ガス雰囲気中をパルス電磁放射線の線源に対して移動する間に、前記薄膜の層を前記パルス電磁放射線に曝露して、前記薄膜の層が前記ガス雰囲気と化学的に反応することを可能にする工程
を含む方法。
（項目２）
前記ガス雰囲気は水素を含む、項目１に記載の方法。
（項目３）
前記ガス雰囲気は炭化水素ガスを含む、項目１に記載の方法。
（項目４）
前記ガス雰囲気は１つより多いガス種を含む、項目１に記載の方法。
（項目５）
前記薄膜は、正の還元電位を持つ金属を含んだ金属化合物である、項目１に記載の方法。
（項目６）
前記金属化合物は酸化銅である、項目５に記載の方法。
（項目７）
前記金属化合物は酸化白金である、項目５に記載の方法。
（項目８）
前記金属化合物は酸化パラジウムである、項目５に記載の方法。
（項目９）
前記薄膜は金属である、項目１に記載の方法。
（項目１０）
前記低温基板はプラスチックで作製されている、項目１に記載の方法。
（項目１１）
前記低温基板は紙で作製されている、項目１に記載の方法。
（項目１２）
前記低温基板はポリマーで作製されている、項目１に記載の方法。
（項目１３）
硬化装置であって、前記硬化装置は、
ガス雰囲気を提供するための囲い；
薄膜の層が前記ガス雰囲気と化学的に反応することを可能にすべく、低温基板に乗った前記薄膜の層にパルス電磁放射線を提供するための閃光ランプを有するストロボヘッド；および
前記薄膜の層を前記ガス雰囲気中で前記ストロボヘッドに対して移動させるためのコンベヤーシステム；および
前記閃光ランプによって発生された前記パルス電磁放射線の出力、持続時間、繰返し率および数を制御するためのストロボ制御モジュール
を備える硬化装置。
（項目１４）
前記の閃光ランプはキセノン閃光ランプである、項目１３に記載の硬化装置。
（項目１５）
前記低温基板は、前記パルス電磁放射線の前記繰返し率に同期化された速度で移動する、項目１３に記載の硬化装置。
（項目１６）
前記低温基板は、リールツーリールシステムによって搬送される、項目１３に記載の硬化装置。
（項目１７）
前記ガス雰囲気は水素を含む、項目１３の硬化装置。
（項目１８）
前記ガス雰囲気は炭化水素ガスを含む、項目１３の硬化装置。
（項目１９）
前記薄膜は、正の還元電位を持つ金属を含んだ金属化合物である、項目１３に記載の硬化装置。
（項目２０）
前記薄膜は金属である、項目１３に記載の硬化装置。

本発明自体、ならびに好ましい使用様態、さらなる目的、およびそれらの利点は、例示的な実施形態に関する以下の詳細な記載が添付図面とともに読まれるときに、それらを参照することにより最も良く理解されるであろう。

図１は、本発明の好ましい実施形態による硬化装置のダイアグラムである。 図２は、本発明の好ましい実施形態に従って低温基板上の薄膜を反応させる方法に関する高レベル論理フローダイヤグラムである。

いくつかの金属酸化物は、正の還元電位を持つ場合、水素または炭化水素によって高温で還元されうることがよく知られている。例としては、銅、金、白金、およびパラジウムの酸化物が含まれる。銅は、酸化銅を含有する鉱石を、加熱プロセスを用いて木炭と混合することによって作ることができる。還元性雰囲気中で加熱すると、酸化銅された粒子あるいは純粋な酸化銅でさえ粒子が焼結されて、導体を形成することができる。

銅粒子をプリントして薄膜導体を作製する場合、不活性もしくは還元性雰囲気中で粒子を焼結温度まで加熱すれば、導電性の非常に高い線（ｔｒａｃｅ）を形成することができる。銅の融点はおよそ１，０８５℃なので、焼結に必要な温度から要請されるのは、ガラスまたはセラミックのような高温基板のみが利用できることである。この比較的高い基板温度要件が、紙あるいはプラスチック（ｐｌａｓｔｉｃ）のような安価な基板の使用を阻む。

代わりに、酸化銅を低温基板上に配置すれば、基板の分解温度付近まで酸化銅を加熱することができ、低温基板を還元性雰囲気中に配置することができる。しかしながら、低温では、基板の厚さに依存して所要時間が数分から数時間までも劇的に増加する。なおかつ、これらの低温では焼結は極めて限られる。基板温度およびガス雰囲気の要件は、基板を硬化させるために強くて短い光パルスを利用すれば克服することができる。残念ながら、これらのアプローチは、銅膜中の残存酸化物に対処することには役立たない。水素雰囲気中で２つの電気接点間に還元性の金属酸化物を配置することができ、酸化物を加熱して還元するために、上記酸化物を通して繰り返しパルスを流す（ｐｕｌｓｅ）ことができる。しかしながら、この技術は電気接点を必要とし、スループットが比較的限られる。かくして、低温基板上の金属酸化物を高スループットで還元する必要性が存在する。

本発明において、硬化は、薄膜をガス雰囲気と反応させることを含む熱処理として定義される。薄膜は、１００マイクロメートル未満の厚さの被膜として定義される。低温基板は、紙、プラスチックまたはポリマーで作製することができる。電磁放射線は、ガンマ線、Ｘ線、紫外線、可視光、赤外線、ミリメートル波、マイクロ波、または電波を含む電磁輻射を含むことができる。電磁放射線の線源は、レーザー、誘導加熱器、マイクロ波発振器、閃光ランプ、発光ダイオードなどを含む。

次に図面、特に図１を参照すると、本発明の好ましい実施形態に従って、硬化装置のダイアグラムが示される。図示されるように、硬化装置１００は、ベルトコンベヤーシステム１１０、ストロボヘッド１２０、リレーラック１３０およびリールツーリール（ｒｅｅｌ−ｔｏ−ｒｅｅｌ）供給システム１４０を含む。硬化装置１００は、コンベヤーベルトに沿って比較的高速で移動するウェブ上に置かれた低温基板１０３に乗った薄膜１０２を、硬化させることができる。ベルトコンベヤーシステム１１０は、基板１０３を移動するために、例えば、０から１，０００フィート（ｆｔ）／分の速度で動作することができる。硬化装置１００は、６インチ刻みで任意の幅のウェブを乗せることができる。薄膜１０２は、スクリーンプリント法、インクジェットプリント法、グラビア印刷、レーザープリント法、ゼログラフィー、パッドプリント法、ペイント法、ディップペン、シリンジ、エアブラシ、フレキソ印刷、化学蒸着法（ＣＶＤ：ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、蒸着、スパッタリング法などのような、既存技術の１つまたは組み合わせによって基板１０３上に付加することができる。

ストロボヘッド１２０は、好ましくは水冷式であり、基板１０３上に位置する薄膜１０２を硬化させるための高輝度（ｈｉｇｈ−ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）パルスキセノン閃光ランプ１２１を含む。パルスキセノン閃光ランプ１２１は、様々な輝度（ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）、パルス長、およびパルス繰返し周波数でパルスを提供することができる。例えば、パルスキセノン閃光ランプ１２１は、３インチ×６インチ幅ビームの１０マイクロ秒から５０ミリ秒のパルスを１ｋＨｚまでのパルス繰返し率で提供することができる。パルスキセノン閃光ランプ１２１からの放射のスペクトル成分は、２００ｎｍから２，５００ｎｍの範囲に及ぶ。このスペクトルは、石英ランプをセリウムドープ石英ランプに交換し、３５０ｎｍ未満の放射をほとんど除去することによって調整できる。約１４０ｎｍから約４，５００ｎｍまで放射を拡大するために、石英ランプをサファイアランプと交換することもできる。他のスペクトル部分を除去するために、フィルタを加えることもできる。閃光ランプ１２１は、指向性プラズマアーク（ＤＰＡ：Ｄｉｒｅｃｔｅｄ Ｐｌａｓｍａ Ａｒｃ）ランプと時には呼ばれる水冷壁式閃光ランプとすることもできる。

リレーラック１３０は、調節可能な電源１３１、コンベヤー制御モジュール１３２、およびストロボ制御モジュール１３４を含む。調節可能な電源１３１は、パルス当たり４キロジュールまでのエネルギーを持つパルスを発生させることができる。調節可能な電源１３１は、パルスキセノン閃光ランプ１２１に接続され、パルスキセノン閃光ランプ１２１からの放射強度は、パルスキセノン閃光ランプ１２１を通過する電流量を制御することによって変化させることができる。

調節可能な電源１３１は、パルスキセノン閃光ランプ１２１の放射強度を制御する。基板１０３に損傷を与えることなく薄膜１０２の最適な硬化を可能にするために、薄膜１０２および基板１０３の光学的、熱的および幾何学的な特性に依存して、パルスキセノン閃光ランプ１２１からの放射の出力、パルス持続時間およびパルス繰返し周波数が電子的に調整され、ウェブ速度と同期化される。

硬化動作の間に、基板１０３ならびに薄膜１０２は、ベルトコンベヤーシステム１１０上へ移動する。ベルトコンベヤーシステム１１０は、薄膜１０２をストロボヘッド１２０下で移動させ、薄膜１０２は、パルスキセノン閃光ランプ１２１からの高速パルスによってそこで硬化される。パルスキセノン閃光ランプ１２１からの放射の出力、持続時間および繰返し率は、ストロボ制御モジュール１３４によって制御され、基板１０３がストロボヘッド１２０を通過する速度は、コンベヤー制御モジュール１３２によって決定される。

機械的、電気的、または光学的センサであってもよいセンサ１５０は、ベルトコンベヤーシステム１１０の速度を感知するために利用される。例えば、ベルトコンベヤーシステム１１０のコンベヤーベルトの速度は、移動するコンベヤーベルトと接触したホイールに接続されたシャフト・エンコーダからの信号を検出することによって感知することができる。それに応じて、次にはパルス繰返し率をベルトコンベヤーシステム１１０のコンベヤーベルトの速度と同期化することができる。ストロボパルス率ｆの同期化は、次式で与えられる：

ここで、ｆ＝ストロボパルス率［Ｈｚ］
Ｓ＝ウェブ速度［フィート（ｆｔ）／分］
Ｏ＝重複係数
Ｗ＝硬化ヘッド幅［インチ（ｉｎ）］
重複係数Ｏは、基板が受け取るストロボパルスの平均数である。例えば、ウェブ速度２００フィート／分、および重複係数５、ならびに硬化ヘッド幅２．７５インチでは、ストロボパルス率は７２．７Ｈｚである。

囲い１６０は、基板１０３を取り囲み、還元性雰囲気１６１を封じ込める。透明なウィンドウ１６２は、閃光ランプ１２１からの光を通過させる。閃光ランプ１２１がパルスを発したときに膜１０２は、瞬間的に加熱されて雰囲気１６１と化学的に反応する。高速パルス列と移動する基板１０３とを組み合わせたときに、薄膜１０２の各セクションは、オーブンのような持続的硬化システムに近似した複数パルスに曝露されるので、任意の大面積にわたって均一な硬化を達成することができる。

図２を次に参照すると、本発明の好ましい実施形態に従って、低温基板上の薄膜を反応させる方法に関する高レベル論理フローダイヤグラムが示される。初めに、ブロック２２１に示されるように、還元性ガスを含んだガス雰囲気、例えば、図１からの還元性雰囲気１６１が提供される。好ましくは、ガス雰囲気は、水素、またはメタン、プロパンなどのような炭化水素を含む。

次に、ブロック２２２に示されるように、低温基板の上部に位置する薄膜の層が、ガス雰囲気中を通って移動する。薄膜は、好ましくは、酸化銅（ＣｕＯ）、酸化金（Ａｇ_２Ｏ）、酸化白金（ＰｔＯ）および酸化パラジウム（ＰｄＯ）などのような還元性の金属酸化物を含む。経済面の理由から、銅は、プリントエレクトロニク用の導体として望ましい。プリントされた銅膜はしばしば酸化銅を含むが、これは電子伝導にとって障害である。低温基板は、ポリマーまたは紙で作製され得る。

薄膜の層がガス雰囲気と化学的に反応することを可能にするために、ブロック２２３に示されるように、薄膜の層がガス雰囲気中を通って運ばれる間に、次に薄膜の層の各セグメント（すなわち、硬化ヘッド幅）が図１からの閃光ランプ１２１のような閃光ランプからの少なくとも１つのパルスに曝露される。基本的に、ストロボシステムからのパルスは、低温基板上の酸化銅のような金属酸化物の薄膜を還元し、低温基板に損傷を与えなることなく１秒未満で銅膜のような導電性金属膜を形成する。

水素環境中で金属酸化物を金属に還元する場合、反応が進行する速度は拡散律速である。拡散速度は、硬化システムの温度に関係する。オーブンが利用される場合には温度は、低温基板の分解温度で制限される。パルス光は、低温基板を分解することなく、金属酸化物を非常に高温まで加熱する。これは、金属酸化物を還元するための時間を劇的に短縮する。

上述されたように、本発明は、低温基板上の薄膜を反応させる方法および装置を提供する。本発明の１つの利点は、純粋な金属酸化物が初めに堆積された場合でさえ、金属薄膜が得られうることである。金属酸化物粒子を堆積する動機の１つは、それらが、特にナノ粒子の形態の場合、対応する金属より容易に得られることである。極微細な（数１０ｎｍの）金属粒子を、その純度を維持しつつ作製するのは特に難しい。極微細な金属粒子は、通常、酸化物および／またはキャップ基のいずれかで被覆される。加えて、金属酸化物粒子は、より容易に分散させることができ、様々な基板上により容易にプリントすることができる。

本発明の別の利点は、位置合わせを必要としないことである。もし薄膜が、プリントされたパターンであれば、そのパターンのみが反応し、一方で光パルスの吸収が一般により少ないプリントされない低温基板部分は、冷えたままである。

金属膜を形成するために、還元性雰囲気での金属酸化物の還元が示されているが、他の膜／反応性ガスの組み合わせも可能である。他の例は、以下を含む：
（１）Ｈ_２を用いた還元（またはＨ_２貯蔵材料用水素化物の生成）。

（２）Ｏ_２を用いた酸化（誘電体用）。

（３）炭化物を形成するための炭素を含むガスを用いた炭化。オキシ炭化物を形成するための炭素を含むガス流中のＯ_２分圧。

（４）窒化物を形成するためのアンモニアまたはアミンを用いた窒化。酸窒化物を形成するためのアンモニアまたはアミンガス流中のＯ_２分圧。

（５）様々な前駆ガスからのカルコゲン化物の形成。カルコゲン化物は、硫化物（Ｓ^２−）、セレン化物（Ｓｅ^２−）、およびテルル化物（Ｔｅ^２−）である。これは、半導体の大きい族（ＩＩ−ＶＩ族半導体）、例えば、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅなどを含む。

（６）様々な前駆ガスからのピニクチドの形成。ピニクチドは、リン化物（Ｐ^３−）、ヒ化物（Ａｓ^３−）、およびアンチモン化物（Ｓｂ^３−）である。これも、半導体の大きい族（ＩＩＩ−Ｖ族半導体）、例えば、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂなどの合成を含む。

本発明は、好ましい実施形態に関して特に図示され、かつ記載されたが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、その形態および詳細に様々な変化を加えうることが当業者に理解されるであろう。

Claims (1)

1. 本明細書に記載の方法。