JP2007173131A - 微粒子分散液、およびそれを用いた導電パターン形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、解像度の低下を引き起こすことなく、高膜厚，低抵抗なパターンを、高速および低加熱温度にて形成可能とする導電微粒子分散液を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明では、上記目的を達成するために、導電性微粒子分散液中の導電性微粒子成分を大粒子径成分と小粒子径成分の２つの粒子径の異なる微粒子を用い、大粒子粒径（微粒子凝集体）Ｒ，小粒子粒径（微粒子）ｒ，大粒子数Ｎ，小粒子数ｎとした時、Ｒ＞ｒおよびｎ＞３.８４×(Ｒ／ｒ)３×Ｎの関係式を満たすような二つの粒度分布ピークをもたせることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明はナノ粒子凝集体を含む導電性粒子分散液と、それを用いた導電パターン形成装置に関する。

従来、回路基板上などに任意の導電パターンを形成する方法として、リソグラフィー技術，エッチング技術、およびめっき技術を組み合わせた方法が一般的であった。しかし、この方法は設計や作成に時間がかかり高度な加工技術も必要とする露光用のマスクを必要とし、また、一連の工程が複雑であるため長い作成時間が必要となり、高いコストになっていた。そのため、多品種少量生産などのようにマスクの修正が必要になると、コストの増大や納期の遅れなどの課題が発生した。それだけでなく、レジストやエッチング液など多量の環境有害物質の使用が不可欠であるため、廃棄物の管理や処理にコストがかかっていた。

これに対し、工程が簡便な導電パターン形成方法として、導電性粒子と結着樹脂などを溶媒中に分散した導電微粒子分散液を用いた、スクリーン印刷法，ディスペンサー，インクジェット印刷，電子写真印刷などの印刷プロセスによる導電パターン形成方式が提案されている。上記の方法は工程数が少なくプロセスが簡略、材料使用量が少なく廃棄物量も少ない点から、コストの大幅な低減を実現できるプロセスとして期待されている。

しかしながら、導電性の微粒子が分散した導電微粒子分散液により導電パターンを形成する印刷プロセスでは、導電微粒子分散液内に存在する微粒子同士の距離が離れてしまうため、加熱等により導電配線化する際にボイドが多数発生してしまうことによる配線の高抵抗化や配線の強度低下という課題が発生する。また、印刷プロセスで用いる導電微粒子分散液中には、配線形成時の加熱温度を低下させるために、融点降下特性を持つナノスケールの微粒子粒子を利用する例がある。しかしながら、上記のナノスケールの微粒子を用いると一次粒径が小さいため一回で形成できる膜厚が小さく、目標の配線膜厚を達成するために何度も重ねてパターニングする必要性が発生し、生産性の低下が懸念される。

上記の課題の対策として、例えば、クラスター化した導電微粒子を利用し、予めその粒子間距離を短縮することにより、低抵抗化を実現する方法が検討されている(特許文献１)。

特開２００３−２８８８１２号公報

しかし、特許文献１に示されるクラスター化した導電性粒子を使用しても、粒子径の拡大により得られる配線パターンの解像度が低下するという課題、および粒径拡大によりパターン中の空隙率が増加し、加熱融解後の膜厚が低下してしまうという課題がある。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、解像度の低下を引き起こすことなく、高膜厚，低抵抗なパターンを、高速および低加熱温度にて形成可能とする導電微粒子分散液を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明では、従来の方法のように微粒子凝集体のみが分散した導電微粒子分散液を用いるのではなく、微粒子成分において、大粒子粒径（微粒子凝集体）Ｒ，小粒子粒径（微粒子）ｒ，大粒子数Ｎ，小粒子数ｎとした時、Ｒ＞ｒおよびｎ＞３.８４×(Ｒ／ｒ)３×Ｎ の関係式を満たすような二つのの粒度分布ピークをもたせることを特徴とする。

本発明の導電微粒子分散液を印刷プロセスに適用すれば、解像度の低下を引き起こすことなく、高膜厚，低抵抗なパターンを、高速および低加熱温度にて、微細な導電パターンの形成が実現できる。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明にて提案する導電性微粒子分散液４の形態である。本発明において提案する導電性微粒子分散液４は、図１のように、大粒径成分１および小粒径成分２が同時に分散液３中に分散してなる。すなわち、導電性微粒子分散液４は、その粒度分布において二つのピークを有する構成である。この時、大粒径成分１は導電パターン形成において高膜厚化，パターン形成速度の向上に寄与し、小粒径成分２は導電パターン形成において、高解像度化と大粒径成分１の堆積により発生する空隙の充填による導電パターンの高密度化するため、導電パターンの低抵抗化及び強度向上に寄与する。

ここで、本発明の微粒子分散液中の大粒径成分１の粒径をＲ、小粒径成分２の粒径をｒとした時、関係式（数１）を満たす。

Ｒ＞ｒ …（数１）
更に、大粒径成分１の粒子数をＮ、小粒径成分２の粒子数をｎとした時、形成されるパターンの空隙が最小になる条件として関係式（数２）を満たす。

ｎ＞３.８４×(Ｒ／ｒ)３×Ｎ …（数２）
関係式（２）は、粒子成分をすべて球形と仮定した場合、大粒径成分１が最密充填される時に生じる空隙２４％を、小粒径成分２が充填し、更に最密になるために必要となる時の小粒径成分２の粒子数ｎの条件を表すものである。

この時、小粒径成分２の粒径をｒは、大粒径成分１の粒径をＲよりも一桁以上小さいことが好ましい。

本発明の導電性微粒子分散液４中における小粒径成分２の詳細を図２に示す。本発明の小粒径成分２の粒径は、融点降下特性の発現、および高解像度化の実現のために１００
ｎｍ以下である。更に、２００度以下の加熱により融着するためには、更に１０ｎｍ以下であることが好ましい。更に、１００ｎｍ以下の線幅の導電パターン形成を実現するには、５ｎｍ以下であることが好ましい。

本発明の小粒径成分核８の表面には、過度の凝集を防止するために分散剤層７が設けてある。この分散剤層７としては、高分子の場合は、ポリスチレン，ポリ−ｐ−クロルスチレン，ポリビニルトルエン，スチレン−ｐ−クロルスチレン共重合体，スチレン−ビニルトルエン共重合体等のスチレンおよびその置換体の単独重合体およびそれらの共重合体，スチレン−アクリル酸メチル共重合体，スチレン−アクリル酸エチル共重合体，スチレン−アクリル酸−ｎ−ブチル共重合体等のスチレンとアクリル酸エステルとの共重合体，スチレン−メタクリル酸メチル共重合体，スチレン−メタクリル酸エチル共重合体，スチレン−メタクリル酸−ｎ−ブチル共重合体等のスチレンとメタクリル酸エステルとの共重合体，スチレンとアクリル酸エステルとメタクリル酸エステルとの多元共重合体、その他スチレン−アクリロニトリル共重合体，スチレン−ビニルメチルエーテル共重合体，スチレン−ブタジエン共重合体，スチレン−ビニルメチルケトン共重合体，スチレン−マレイン酸エステル共重合体等のスチレンと他のビニル系モノマーとのスチレン系共重合体，ポリメチルメタクリレート，ポリブチルメタクリレート等のメタクリル酸エステル樹脂，ポリアクリル酸メチル，ポリアクリル酸エチル，ポリアクリル酸ブチル等のアクリル酸エステル樹脂，ポリエステル樹脂，エポキシ樹脂，シクロオレフィン共重合体等の、単独または混合した高分子樹脂に、カルボン酸基やアミノ酸基などのイオン性を付与できる官能基が付いたものが挙げられる。

また、低分子量有機分子５の場合は、シュウ酸，マロン酸，コハク酸，アジピン酸，グルタル酸、２，４−ジエチルグルタル酸、２，４−ジエチルグルタル酸，ピメリン酸，アゼライン酸，セバシン酸，シクロヘキサンジカルボン酸，マレイン酸，フマル酸，ジグリコール酸などのジカルボン酸や、カプリル酸，ラウリル酸，ミリスチン酸，パルミチン酸，ステアリン酸，アラキン酸，ベヘニン酸，リノール酸，オレイン酸，リノレン酸などの脂肪酸や、乳酸，ヒドロキシピバリン酸，ジメチロールプロピオン酸，クエン酸，リンゴ酸，グリセリン酸などのヒドロキシカルボン酸、のようなの脂肪族カルボン酸などの低分子量有機分子５と、Ａｇ，Ｃｕ，Ａｕ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｎｉ，Ｗ，Ｍｏ，Ｃｒなどの無機イオン６、からなる例えば、脂肪族カルボン酸無機塩などが挙げられる。この時、低抵抗化のために導電パターン中の有機分子成分を低下させ、かつポリイミドなどの樹脂基板上への導電性パターン形成を実現させるため低温焼成をするには、図２に示すような後者の低分子量有機分子５であることが好ましい。

本発明の導電性粒子分散溶液４中における大粒径成分１の詳細を図３に示す。本発明における大粒径成分１は、低融点特性を維持するために、右図のように小粒子成分２が二つ以上凝集して成る凝集体である。小粒子径成分の表面には分散剤が設けられている。このように、小粒子径成分が凝集できる理由は、分散剤の付着状態が均一なものと不均一なものができ、この不均一なもの同士が凝集することによりできるものである。このため、この凝集体は極端に多くできるものではない。また、小粒子成分同士の凝集体ではなく、図４に示すようにバルクの大粒径成分核９の表面に小粒子成分２が付着し、層を成している構成でも良い。この時、大粒径成分１はマイクロメートルレベルの配線を実現するために１０μｍ以下であることが好ましい。

本発明における大粒径成分１および小粒径成分２の核となる大粒径成分核９および小粒径成分核８はＡｇ，Ｃｕ，Ａｕ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｎｉ，Ｗ，Ｍｏ，Ｃｒなどの単体金属やその酸化物、更にはそれらの合金であるものが挙げられるが、導電体として用いるためには、体積抵抗率の低いＡｇ，Ｃｕを用いることが好ましい。また、導電粒子はここにあげた物を複数混合したものでも良い。

本発明の分散液３は、その液中に微粒子成分を安定に分散できるものであれば何でも良いが、迅速な蒸発を実現するために、その沸点は２５０℃以下であることが好ましい。ただし、電子写真印刷に適用する場合には、分散液３は静電潜像１４を消去しないために無極性溶媒であることが必要となる。この場合、無極性溶媒としては、脂肪族炭化水素系溶媒であることが好ましく、例えばイソパラフィン系，石油ナフサ系，アイソパー（エクソン社），ＩＰソルベント（出光石油社），ソルトール（フィリップス石油社）、その他の炭化水素などがあげられる。

次に、本発明における導電性微粒子分散液４を用いたパターン形成装置の例として、静電気力を用いたパターン形成装置を以下に示す。

図５は、本発明において提供する導電パターン形成装置を模式的に示したものである。本装置は主に、金属ドラムの外周に誘電性薄膜体１３を形成した感光体と、その感光体の外周側に誘電性薄膜体１３を一様に帯電させる帯電手段１０と、一様帯電した誘電性薄膜体上に静電潜像を形成させる露光手段１２と、静電潜像を現像するため導電性微粒子分散液４を内包した現像手段１５と、現像した像を基板１６に転写する転写手段１７と、基板上に転写された像を基板１６に定着させるための加熱手段１９より構成される。また、転写した後の感光体ドラム上に残留している導電粒子を取り除くために、導電粒子の電荷を取り除くためのイレーザ（残留電荷消去手段）２１と、電荷を除去した導電粒子を掻き取るためのブレードまたはブラッシ等を備えたクリーニング手段２２が設けてある。

本発明の静電潜像１１の形成手段としては、誘電性薄膜体１３として感光性を有するものを使用し、コロトロン帯電，ローラ接触帯電，ブラシ接触帯電などの帯電手段１０により、その表面を一様に帯電１１させる。その後、パソコンなどの画像情報処理手段による画像信号に応じてレーザ光を走査する露光手段１２により任意の部分に光を照射し、目的の静電潜像１４を形成する。またこの時、予め目的のパターン形状を表面に加工した静電潜像転写体の凸部分に静電荷を付与し、これを誘電性薄膜体１３の表面に接触させるスタンプ帯電により目的の静電潜像１４を形成する方法も挙げられる。しかし、導電パターン（静電潜像）の容易な変更を実現するには、前者の一様に帯電１１して、その面を露光することで静電潜像１４を形成する方法を用いることが好ましい。ここで、いずれの方法においても、付与される帯電電荷は、正電荷および負電荷のどちらによるものでも構わない。

本発明の現像手段１５は、静電潜像１４に導電性微粒子分散液４を供給接触して導電パターンを現像形成する。この時、現像装置１５は導電性微粒子分散液４を貯蔵するタンク、該誘電性薄膜体１３上の静電潜像１４に供給する供給手段（本図では２対の現像ロールを配置）を具備しており、貯蔵タンク内には導電性微粒子分散液４の濃度を検出する濃度検出手段により得られた濃度情報に基づいて分散液３の添加または導電粒子の添加により濃度を調整する手段を設けていることが好ましい。

また、この時、導電性微粒子分散液４は大粒径成分１を含むため、大粒径成分１の沈降の発生が懸念される。沈降の発生は、貯蔵タンク内に濃度勾配を生じさせるため、導電性微粒子分散液４中の微粒子が満たすべき関係式（２）から外れた状態になることが懸念される。従って、導電性微粒子分散液４を貯蔵するタンクには、沈降防止，全領域濃度均一化のための攪拌手段を具備していることが望ましい。攪拌手段としては、超音波照射手段により液体に対流を発生させて攪拌する手段，液中内を機械的に攪拌する攪拌手段，貯蔵タンク自体を加振して攪拌する手段などが挙げられる。上記手段を具備すれば、現像部に供給される導電性微粒子分散液４は初期に設定した関係式（２）を保つことが可能となるため、静電潜像１４への付着時にも同様の割合を保ってパターンを形成することとなる。

また、導電性粒子分散溶液４の供給手段としては、ロール上に導電性粒子分散溶液４の層を形成し、これを静電潜像１４に接触させる方法の他、ノズルにより導電性粒子分散溶液４を吹き付ける方法や、導電性粒子分散溶液４を貯めた溶液中に静電潜像１４を形成した誘電性薄膜体１３を浸す方法などが挙げられる。

本発明における導電パターン形成装置において、誘電性薄膜体１３上に現像された導電粒子パターン１８を基板１６上に転写する転写手段１７を具備する。また、一旦中間転写体上に転写した後に基板１６上に転写する構成でも良い。この時、導電パターンが転写される基板は絶縁性を有していることが必要である。

本発明における導電パターン形成装置において基板１６上に転写された導電粒子パターン１８を、基板１６上に定着し、導電パターンとするための加熱手段１９を具備する。この時加熱手段１９は導電粒子を融着させるだけ出なく、導電粒子表面の分散剤層７を焼成できることが好ましい。また、加熱と同時に導電粒子パターン１８を基板１６上に加圧できる機能を有していても良い。この時の加熱温度は、導電粒子を十分に融着し、イオン性有機分子を焼成させ、かつ基板１６の変形や変性を防ぐために３００℃以下であることが好ましい。この時、焼成された有機物成分を排気する排気手段を設置しても良い。

本発明における導電パターン形成装置において、現像された後の導電粒子パターン１８の残存溶媒成分を乾燥蒸発させる乾燥手段を設けても良い。更に、蒸発した溶媒を液化させ、現像手段１５に戻し、再び導電性微粒子分散液４の濃度希釈用の分散液３としてリサイクルしても良い。

本発明における導電パターン形成装置において、誘電性薄膜体１３は導電粒子パターン１８を転写後、再び潜像形成され導電粒子パターン１８を現像される構成であっても良い。形状としてはベルト状またはドラム状であることが好ましい。また、この時、転写後の誘電性薄膜体１３の残留静電潜像や残留帯電粒子の電荷を消去する残留電荷消去手段２１、および残留した導電粒子を除去・回収する残留導電粒子クリーニング手段２２を有することが好ましい。残留導電粒子クリーニング手段２２としては、誘電性薄膜体１３にブレードを接触させ掻きとる方法や、溶媒により洗い流す方法が挙げられる。また、除去・回収された導電粒子は、現像手段１５に戻されて、再び導電性微粒子分散液４中に分散されてリサイクルされても良い。

本発明における導電性微粒子分散液４を用いた導電パターン形成装置としては、上述した電子写真を用いた装置以外にも、凸版印刷，平版印刷，凹版印刷，スクリーン印刷，ナノインプリント，インクジェット印刷，ディススペンサーなどの印刷プロセスにも適用可能である。また本発明における導電性微粒子分散液４は、上述のようにパターンを形成するだけでなく、ロールコーター，スピンコーター，スプレーなどにより塗布することにより、全面ベタの導電膜を形成するプロセスにも利用できる。

本発明の導電性微粒子分散液４により形成された導電パターンは、例えばパーソナルコンピュータ，大型電子計算機，ノート型パソコン，ペン入力パソコン，ノート型ワープロ，携帯電話，携帯カード，腕時計，カメラ，電気シェーバ，コードレス電話，ファックス，ビデオ，ビデオカメラ，電子手帳，電卓，通信機能付き電子手帳，携帯コピー機，液晶テレビ，電動工具，掃除機，バーチャルリアリティ等の機能を有するゲーム機器，玩具，電動式自転車，医療介護用歩行補助機，医療介護用車椅子，医療介護用移動式ベッド，エスカレータ，エレベータ，フォークリフト，ゴルフカート，非常用電源，ロードコンディショナ，電力貯蔵システムなどの基板配線として使用することが出来る。また、民生用のほか、軍需用，宇宙用としても用いることができる。

本発明における凝集体を含む導電粒子分散液の該略図である。 低分子量有機分子を有する導電粒子の概略図である。 小粒径成分の凝集から成る大粒径成分の概略図である。 表面に小粒径成分の層を持つ大粒径成分の概略図である。 本発明における導電パターン形成装置の一例の該略図である。

符号の説明

１…大粒径成分、２…小粒径成分、３…分散液、４…導電性微粒子分散液、５…低分子量有機分子、６…無機イオン、７…分散剤層、８…小粒径成分核、９…大粒径成分核、
１０…帯電手段、１２…露光手段、１３…誘電性薄膜体、１４…静電潜像、１５…現像手段、１６…基板、１７…転写手段、１８…導電粒子パターン、１９…加熱手段、２０…導電パターン、２１…残留電荷消去手段、２２…クリーニング手段。

Claims (8)

1. 径の異なる微粒子を分散した微粒子分散液において、
   粒度分布において大粒子径と小粒子径の２つのピークを有し、大粒子径をＲ、小粒子径をｒ、大粒子数をＮ、小粒子数をｎとしたときに、Ｒ＞ｒ、及びｎ＞３.８４×(Ｒ／ｒ)３×Ｎ の関係式を満たす微粒子混合物が液体中に分散していることを特徴とする微粒子分散液。
2. 請求項１に記載の微粒子分散液において、該大粒子成分が該小粒子成分の凝集体である、または該大粒子成分の表面に該小粒子成分が付着することで層を成していることを特徴とする微粒子分散液。
3. 請求項１および２記載の微粒子分散液において、該大粒子成分および小粒子成分が導電性を有する成分より成ることを特徴とする微粒子分散液。
4. 請求項１から３に記載の微粒子分散液において、前記小粒子成分の粒系が１００ｎｍ以下であることを特徴とする微粒子分散液。
5. 請求項１および２記載の微粒子分散液において、前記小粒子成分は表面に分散剤層が形成されている構成であることを特徴とする微粒子分散液。
6. 請求項１記載の微粒子分散液において、前記分散溶液が無極性の溶媒であることを特徴とする微粒子分散液。
7. 誘電性薄膜体表面に静電パターンを形成する静電潜像形成手段と、前記静電潜像形成手段で形成した静電潜像を現像する現像手段と、前記誘電体薄膜上に現像された像を基板上に転写する転写手段と、基板上に転写された像を基板に定着する定着手段とを備えた導電パターン形成装置において、前記現像手段は現像液として大粒子径と小粒子径の２つのピークを有する導電性粒子を分散させた微粒子分散液を用いて現像することを特徴とする導電パターン形成装置。
8. 請求項７記載の導電パターン形成装置において、前記現像手段が微粒子分散液中に超音波を照射する超音波照射手段を具備していることを特徴とする導電パターン形成装置。
   

Images