KR20170071477A - 금속재료의 처리장치 - Google Patents

Abstract

시료를 내부에 수용하는 밀폐용기와, 상기 밀폐용기로부터 배출되는 기체로부터 산소 분자를 뽑아 내는 산소 펌프와, 상기 기체를 상기 밀폐용기로 되돌리는 순환수단과, 상기 밀폐용기 내에 있고, 상기 순환수단으로부터 되돌려진 상기 기체를 플라즈마화하여, 상기 시료에 조사하는 플라즈마화 수단을 가지는 금속재료의 처리장치.

Description

금속재료의 처리장치{PROCESSING DEVICE FOR METAL MATERIAL}

본 발명은, 금속재료의 처리장치, 특히 금속 미립자의 소결장치에 관한 것이다.

공업적으로 전자회로를 형성하는 일반적인 방법에서는, 기판 일면에 성막한 금속·반도체·절연체와 같은 전자재료의 막을 포토리소그래피로 가공한다. 즉, 막 위에 레지스트를 도포하고, 노광·현상에 의하여 회로로서 필요한 부분의 레지스트를 남기고, 에칭에 의하여 불필요한 전자재료를 제거하고, 남은 레지스트도 제거하는 것을 반복한다. 이것으로는 대부분의 전자재료가 소용없게 되는데다가, 전자재료·레지스트의 폐수처리에 의해 환경 부하가 높은 프로세스가 되지 않을 수 없다.

그래서 근래, 인쇄를 이용한 전자회로 형성법이, 필요한 재료를 필요한 장소에 배치할 수 있는 기술로서 자원 절약·에너지 절약의 관점에서 주목받고 있다.

이 기술에서는, 전자회로 중 배선 부분을 형성하는데에, 금속 미립자를 포함하는 잉크 또는 페이스트가 사용되고, 잉크젯 또는 스크린 인쇄법 등의 여러 가지의 인쇄 수법에 의하여, 기판상에 배선 패턴이 형성된다. 이 잉크 또는 페이스트는, 액체이기 때문에, 금속 미립자 이외에 용매를 포함하고, 또한 금속 미립자끼리의 응집을 막는 분산제나, 기판에의 밀착성을 확보하기 위한 바인더나, 액체의 점도를 조정하기 위한 용제 등의 유기물을 일반적으로 포함한다. 따라서, 배선 패턴 형성 후, 열처리에 의하여 이들의 유기물을 분해하고, 금속 미립자간에 전도 경로를 형성할 필요가 있다. 인쇄를 행하는 기판으로서는, 가요성을 가지는 수지가 선호되고 있고, 그 내열 온도의 한계로부터, 열처리 온도를 낮추는(예를 들면 200℃ 정도 이하) 것이 요구되고 있다.

예를 들면, 내열성이 높은 수지로서 폴리이미드(260℃ 이상에서 사용 가능)가 존재한다. 그러나 다른 수지에 비해 고가이다. 그 때문에 비교적 저가격인 수지, 예를 들면 폴리에틸렌 나프타레이트(PEN, 사용 온도 상한 약 180℃), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET, 사용 온도 상한 약 120℃)를 사용할 수 있도록, 열처리 온도를 180℃ 이하, 바람직하게는 120℃ 이하로 낮추는 것이 바람직하다.

금속으로서 은의 미립자를 포함하는 잉크 또는 페이스트에 대해서는, 대기중에서 저온의 열처리를 행함으로써, 양호한 전도성을 발휘하게 되는 제품이 여러 가지 개발되고 있다(특허문헌 1). 한편, 구리의 경우, 대기중에서 열처리를 행한 것은, 절연체인 산화동이 생성되어 버려, 도전성이 있는 배선을 얻을 수 없다. 이 문제를 회피하려면, 소성처리 중, 어떠한 수단에 의해, 구리 입자 주위가 적어도 국소적으로 환원성 분위기로 되어 있을 필요가 있다.

그 수단으로서 하기 방법

(1) 수소(비특허문헌 1), 포름산 증기(특허문헌 2), 극저산소 분위기(특허문헌 3, 특허문헌 4, 비특허문헌 2) 등, 어느 환원성 기체 중에서의 열처리,

(2) 포름산구리 등, 열분해에 의해 잉크의 성분으로부터 환원성 기체가 발생하는 잉크를 이용하여, 산소를 차단한 후의 열처리(비특허문헌 3, 특허문헌 5)가 알려져 있다.

일본 공개특허공보 2012－144795 일본 공개특허공보 2013－80919 일본 특허 제 3921520호 명세서 일본 특허 제 4621888호 명세서 국제 공개 제 2013/073349호

Thin Solid Films 520 (2012) 2789. Jpn. J. Appl. Phys. 52 (2013) 05DB19. Mater. Res. Bull. 47 (2012) 4107.

상기한 종래 기술에서는, 수소·포름산 증기·포름산구리를 사용하는 것이 있지만, 그러한 재료에 의지하지 않고, 가능하면 환경 부하를 줄이는 것이 바람직하다. 또, 대기중에서 안정된 저저항률의 재료로 하기 위해서, 저온에서, 금속재료를 입자 성장시키는, 혹은 결정성장시키는 것이 바람직하다.

본 발명은 상기의 점을 감안하여 이루어진 것이다. 구체적으로는, (1) 필요에 의해, 폐기처리가 요구되는 기체 성분을 불필요화하는 것, (2) 저온에 있어서 금속재료의 입자 성장 혹은 결정성장을 가져오는 것, (3) 저저항률의 막 내지 배선으로 하는 것, 을 할 수 있는 장치의 제공을 목적으로 한다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해서, 이하의 수단을 채용한다.

〔1〕시료를 내부에 수용하는 밀폐용기와,

상기 밀폐용기로부터 배출되는 기체로부터 산소 분자를 뽑아 내는 산소 펌프와,

상기 기체를 상기 밀폐용기로 되돌리는 순환수단과,

상기 밀폐용기 내에 있고, 상기 순환수단으로부터 되돌려진 상기 기체를 플라즈마화하여, 상기 시료에 조사(照射)하는 플라즈마화 수단을

가지는 금속재료의 처리장치.

〔2〕시료를 내부에 수용하는 밀폐용기와,

상기 밀폐용기로부터 배출되는 기체로부터 산소 분자를 뽑아 내는 산소 펌프와,

상기 기체를 상기 밀폐용기로 되돌리는 순환수단과,

상기 순환수단으로부터 되돌려진 상기 기체를 가열하는 히터와,

상기 밀폐용기 내에 있고, 상기 순환수단으로부터 되돌려진 상기 기체를 플라즈마화하여, 상기 시료에 조사하는 플라즈마화 수단을 가지는 금속재료의 처리장치.

〔3〕상기 밀폐용기 내에, 상기 시료를 유지하기 위한 시료 스테이지를 가지는 〔1〕 또는 〔2〕에 기재된 장치.

〔4〕상기 시료 스테이지가 시료를 가열하는 히터를 구비하는 〔3〕에 기재된 장치.

〔5〕상기 순환수단이, 상기 밀폐용기로부터 배출되는 기체를 가압하여 상기 밀폐용기로 되돌리는 〔1〕∼〔4〕 중 어느 한 항에 기재된 장치.

〔6〕상기 금속재료가, 금속 또는 금속 화합물의 미립자인〔1〕∼〔5〕 중 어느 한 항에 기재된 장치.

〔7〕상기 금속재료의 소결 및 환원, 또는 소결 혹은 환원을 행할 수 있는 〔1〕∼〔6〕 중 어느 한 항에 기재된 장치.

〔8〕상기 순환수단으로부터 되돌려져 플라즈마화되는 상기 기체의 전(全) 압력이, 절대압으로 0.1기압 이상 10기압 미만인 〔1〕∼〔7〕 중 어느 한 항에 기재된 장치.

〔9〕상기 금속재료를 구성하는 금속이 구리인 〔1〕∼〔8〕 중 어느 한 항에 기재된 장치.

〔10〕상기 기체가 질소를 포함하는 〔1〕∼〔9〕 중 어느 한 항에 기재된 장치.

〔11〕상기 밀폐용기 내로 되돌려지는 기체중의 산소 분압이 10^－25기압 이하인 〔1〕∼〔10〕 중 어느 한 항에 기재된 장치.

〔12〕상기 산소 펌프가 산소 이온 전도성을 가지는 고체 전해질체와 그 내측 및 외측에 배치된 전극을 구비하는 〔1〕∼〔11〕 중 어느 한 항에 기재된 장치.

〔13〕상기 고체 전해질체가 안정화 지르코니아제인 〔12〕에 기재된 장치.

〔14〕상기 전극이 고체 전해질체의 표면을 따르는 다공질의 전극인 〔12〕 또는 〔13〕에 기재된 장치.

본 발명의 금속재료의 처리장치는, 금속재료의 새로운 방법에 의한 처리를 가능하게 한다. 또, 본 발명의 장치에 의하면, (1) 필요에 따라서, 폐기처리가 요구되는 기체 성분을 불필요화할 수 있다. (2) 저온에 있어서 원료의 금속재료의 입자 성장 혹은 결정성장을 가져올 수 있다. (3) 저저항률의 막으로 할 수 있다.

본 발명의 상기 및 다른 특징 및 이점은, 적절히 첨부한 도면을 참조하여, 하기의 기재로부터 보다 분명해질 것이다.

도 1은, 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 금속재료의 처리장치를 설명하기 위한 장치 구성도이다.
도 2는, 플라즈마 발생 수단을 모식적으로 나타내는 측면도이다.
도 3은, 기체용 히터를 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 4는, 산소 펌프의 요부를 모식적으로 나타낸 단면도이다.
도 5는, 산소 펌프의 산소제거기구를 모식적으로 나타낸 단면도이다.
도 6은, 초미세 유체 제트의 장치 구성도이다.
도 7은, 실시예에서 이용한 금속재료의 시료(피처리막)의 묘화(描畵) 패턴을 모식적으로 나타내는 평면도이다.
도 8은, 실시예 1로 제작한 금속재료의 처리 완료 막(소결막)의 주사이온 현미경 사진을 나타내는 도면대용 사진이다.
도 9는, 실시예 3으로 제작한 금속재료의 처리 완료 막(소결막)의 주사이온 현미경 사진을 나타내는 도면대용 사진이다.
도 10은, 특허문헌 4에 게재된 도 1(상태도(相圖))이다.
도 11은, 비교예로 제작한 금속재료의 처리 완료 막의 주사이온 현미경 사진을 나타내는 도면대용 사진이다.

이하에, 본 발명의 금속재료의 처리장치에 대하여 실시예에 기초하여 상세하게 설명하지만, 본 발명이 이것으로 한정되어 해석되는 것은 아니다.

［처리장치］

도 1은, 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 금속재료의 처리장치의 전체를 나타내는 장치 설명도이다. 본 실시형태의 장치는, 밀폐용기(1)를 가진다. 밀폐용기를 구성하는 재료나 재질은 특별히 묻지 않지만, 통상, 스테인리스 등의 금속이 채용된다. 형태로서는, 상자 모양의 용기로, 내부를 진공 배기(vacuum drawing)할 수 있는 구조인 것이 바람직하다. 밀폐용기(1)와 산소 펌프(2)와 순환수단(3)의 사이는 배관(8a, 8b, 8c)으로 연결되어, 기체의 순환 경로(8)를 형성한다. 밀폐용기(1)로부터 배출된 기체는 산소 펌프(2)를 통과함으로써 산소가 제거되고, 예를 들면 10^－27기압 이하의 산소 분압을 가지는 극저산소 상태가 된다. 산소 펌프 및 여기에서의 산소의 제거기구에 대해서는, 후술한다. 본 명세서에 있어서 산소 분압은, 특히 말하지 않는 이상 600℃로 열을 가한 지르코니아식 산소 분압계로 측정된 것으로 한다. 지르코니아식 산소 분압계의 동작 원리에 대해서도 후술한다. 순환되는 기체로서는, 질소, 아르곤, 헬륨 등의 불활성 기체를 이용할 수 있지만, 주로 비용적인 관점에서 질소가 바람직하다. 순환되는 기체에는, 본 발명의 효과를 해치지 않는 범위에서 다른 성분이 함유되어 있어도 좋다. 다른 성분으로서는, 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 저분자량 유기 화합물 등을 들 수 있다. 극저산소화 된 기체는 순환수단(3)에서 가압되고 밀폐용기(1) 내의 배관(8d)을 통과하여, 플라즈마화 수단(4)으로 이송된다. 밀폐용기(1) 내에는 시료 스테이지(7)가 설치되어 있고, 플라즈마화된 가스가 시료(6)에 분무된다. 시료(6)는 기판상에 금속재료의 막을 부여한 것이다. 한편, 이때 밀폐용기의 실내(R)는 상기의 순환되는 기체(극저 산소화된 기체)로 채워져 있다.

［플라즈마화 수단］

플라즈마화 수단(4)으로서는, 1기압에 가까운 기체중에서의 글로우 방전에 의해, 기체를 플라즈마화하는, 이른바 대기압 플라즈마 장치가 바람직하다. 플라즈마화 수단(4)의 구조는 특히 한정되지 않지만, 예를 들면, 도 2와 같이, 내경이 수 밀리미터의 배관(42)(8d)에 있어서, 그 출구 부근으로 서로 향하는 전극(41a, 41b)을 붙여 둔다. 상기 전극(41a, 41b)에, 수십 Hz, 수 kV∼수십 kV의 전압을 전압 인가 수단(43)에 의해 인가함으로써, 상기 배관(42)(8d)의 출구로부터 분출하는 형태의 플라즈마(44)를 발생시킬 수 있다. 다만, 본 발명에 있어서 플라즈마화 수단(4)이 이 구조로 한정되어 해석되는 것은 아니다. 예를 들면, 기체의 도입 배관(42)(8d)의 배출구와는 다른 위치에 고주파 고전압의 인가 수단을 마련하고 전자유도에 의해 플라즈마를 발생하는 구성으로 해도 좋다.

상기 밀폐용기 내에서의 대기압 플라즈마의 생성 조건이나 금속재료의 처리의 적성 등을 고려하여, 밀폐용기 내의 압력은 0.1기압 이상 10기압 미만으로 하는 것이 바람직하고, 0.5기압 이상 2기압 미만으로 하는 것이 보다 바람직하다. 마찬가지로, 밀폐용기 내의 온도는, 0℃ 이상 100℃ 이하로 하는 것이 바람직하고, 20℃ 이상 50℃ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.

［시료 스테이지 등］

시료 스테이지(7)로서, 이른바 핫 플레이트를 이용함으로써, 시료(6)를 가열하면서 플라즈마를 조사할 수 있다. 이때의 가열 온도는, 금속재료 처리의 효율이나 적성을 고려하여, 온도는, 100℃ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 120℃ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하며, 180℃ 이상으로 하는 것이 특히 바람직하다. 상한으로서는, 350℃ 이하로 하는 것이 바람직하고, 300℃ 이하로 하는 것이 보다 바람직하며, 250℃ 이하로 하는 것이 특히 바람직하다. 본 발명에 의하면, 금속재료 처리를 상기와 같이 저온에서 행할 수 있다고 하는 이점을 가진다. 예를 들면 금속재료로서 구리의 미립자를 이용한 경우에, 그 융점이 1000℃를 초과함에도 불구하고, 250℃ 이하로 미립자의 계면 내지 미립자 간의 공극을 소실시켜, 입자성장 내지 결정성장을 초래할 수 있다.

금속재료의 처리 시간은 재료의 종류나 막의 두께 등에 의해 적절히 설정하면 좋다. 단시간에 처리를 완료하는 경우에는, 예를 들면, 45분 이하로 처리하는 것이 바람직하고, 30분 이하로 처리하는 것이 보다 바람직하며, 20분 이하로 처리하는 것이 특히 바람직하다. 하한으로서는, 10분 이상의 처리가 실제적이다.

［기체용 히터］

한편, 기체를 플라즈마화할 때에 이용되는 대기압 플라즈마의 기술에 있어서는, 플라즈마화된 기체 분자의 평균적인 온도는, 전형적으로는 80℃정도이며, 핫 플레이트의 온도에 비해 낮다. 낮은 온도의 플라즈마화된 기체 분자를 시료에 조사하면 시료 표면이 냉각되어 버린다. 즉, 대기압 플라즈마의 분사에 의한 온도 저하분을 보상할 수 있도록 핫 플레이트 온도를 높게 설정하는 것이 요청되어, 사용할 수 있는 기판이 한정된다.

이 문제를 해결하기 위해, 플라즈마화 수단(4)의 전단에 기체용 히터(12)를 설치한다. 기체용 히터(12)로 기체를 덥히고 나서 플라즈마화한다. 이것에 의해, 플라즈마 분사에 의한 시료 표면의 냉각을 방지할 수 있다.

기체용 히터(12)로서는, 도 3에 나타내는, 히트텍사 등으로부터 판매되고 있는 열풍 히터를 편리하게 사용할 수 있다. 열풍 히터는, 가스 입구(13)로부터 안쪽의 가스 유로 주위에 기체를 가열하는 히터 엘리먼트(14)가 배치되어 있다.

또한 도 1에서는, 기체용 히터(12)는 밀폐용기(1) 내에 있지만, 배관(8b) 도중에 설치할 수도 있다.

플라즈마에는 유한한 수명이 있으므로, 플라즈마화 수단(4)과 시료(6)의 거리를 크게 떼어 놓는 것은 유리한 계책은 아니다. 기체용 히터(12)로 기체를 덥히고 나서 플라즈마화하는 것이 유리하다고 생각된다. 한편, 플라즈마화 수단(4)과 시료(6)의 거리가 플라즈마 조사 가능한 거리이면, 기체용 히터(12)와 플라즈마화 수단(4)의 배치 위치를 바꿔도 좋다.

［순환수단］

도 1에서는, 순환수단(3)은 밀폐용기(1) 밖에 설치되어 있지만, 밀폐용기(1) 내에 설치할 수도 있다. 그처럼 하면, 순환수단(3)의 기밀성이 불충분해도, 극저산소 분압 상태를 유지할 수 있다. 한편, 밀폐용기(1)는 순환수단(3)을 내장할 수 있는 만큼의 크기를 필요로 한다. 이 때문에, 밀폐용기(1)의 제작비와 순환수단(3)의 기밀성에 드는 비용을 비교하여, 장치 구성을 선택하는 것이 바람직하다. 한편, 순환수단(3)으로부터 기체를 직접 반응실 내로 되돌리지 않아도 좋다. 예를 들면, 일시 소정의 개소에 저류한 후에, 반응실 내로 되돌리도록 해도 좋다. 혹은, 순환수단(3)을 산소 펌프(2)와 일체화해도 좋다. 한편, 본 발명에 있어서 순환수단(3)이란 광의로는 순환 경로(배관)를 포함하는 의미이며, 유체의 수송 능력을 가지지 않는 구성도 포함하는 의미이다. 따라서, 예를 들면 산소 펌프(2)가 기체의 순환 기능을 담당하는 경우나, 밀폐용기(1)가 이 기능을 겸하는 경우 등에는, 도시된 바와 같은 기체의 수송력이 있는 순환수단(3)은 생략되어도 좋다. 그리고 경로(유로)로서의 순환수단만이 배치된 형태라도 좋다.

계 내의 기체의 순환 유량은 특히 한정되지 않지만, 밀폐용기(1) 내에서의 플라즈마의 발생과 양호한 처리의 관점에서, 1L/분 이상인 것이 바람직하다. 그리고 2L/분 이상인 것이 보다 바람직하며, 3L/분 이상인 것이 특히 바람직하다. 상한은, 10L/분 이하인 것이 바람직하다. 그리고 7L/분 이하인 것이 보다 바람직하며, 5L/분 이하인 것이 특히 바람직하다. 플라즈마화 수단(4)을 밀폐용기(1) 내에서 복수 설치하는 경우에는, 상기의 유량을 그 개수에 맞추어 조정하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기에서 규정한 유량에 플라즈마화 수단(4)(플라즈마 토치)의 개수를 곱한 범위로, 기체의 순환 유량을 조절하는 것이 바람직하다.

［산소 펌프］

본원발명의 산소 펌프(2)는, 산소 이온 전도성을 가지는 고체 전해질체와 그 내측 및 외측에 배치된 전극을 구비하는 것이 바람직하다.

도 4는, 도 1의 산소 펌프(산소 분자 배출장치)(2)를 모식화하여 나타내는 요부 단면도이다. 산소 펌프(2)는, 산소 이온 전도성을 가지는 지르코니아제 고체 전해질체(고체 전해질체)(21)와, 그 내면 및 외면에 배치된 금 또는 백금으로 이루어지는 다공질의 전극(22, 23)을 구비한다. 지르코니아제 고체 전해질체(21)는, 양단부에서 코바르재로 이루어지는 금속제 관체(도시하지 않음)와 브레이징으로 고착된다. 고체 전해질체의 전극과 관체는, 내측 전극을 구성한다. 산소 분자 배출장치의 내압은, 게이지압으로 0.5kg/㎠ 이하로 되는 것이 바람직하고, 0.2kg/㎠ 이하로 되는 것이 보다 바람직하다. 하한으로서는, 0.1kg/㎠ 이상으로 되는 것이 바람직하다.

도 5는, 산소 펌프(2)의 작용을 모식적으로 나타내는 단면도이다. 다공질의 전극(내면 전극)(23)과 다공질의 전극(외면 전극)(22) 간에 직류 전원(E)으로부터 전류(I)를 흐르게 한다. 그러면, 고체 전해질체(21) 내의 공간 T에 존재하는 산소 분자(O₂)가, 내면 전극(23)에 의하여 2개의 산소 이온으로 전기 분해되어, 고체 전해질체(21)를 통과한다. 그 후, 다시 산소 분자(O₂)로서 생성되어, 고체 전해질체(21)의 외부로 방출된다. 이 고체 전해질체(21)의 외부로 방출된 산소 분자를, 공기 등의 보조 기체를 퍼지 가스로 하여 배기한다. 상기의 프로세스에 의해, 고체 전해질체(21)에 공급되는 불활성 가스(예를 들면, N₂) 중의 산소 분자를 제거하고, 산소 분압을 저감 또는 제어할 수 있다.

이와 같이 산소 펌프(2)(산소 분자 배출장치)는, 고체 전해질체(이하, 고체 전해질관이라고도 함)(21) 내에 도입된 가스가 고체 전해질체(21)를 통과하는 동안에 가스 중의 산소 분자를 바깥공기로 배출한다. 그 결과, 지극히 낮은 산소 분압의 가스를 생성하고, 고체 전해질체(21)로부터 밀폐용기(1)(도 1)를 향하여 공급할 수 있다. 한편, 도 5에 있어서, ●은 캐리어 가스(N₂ 등), ○○은 산소 분자, ○은 산소 이온을 모식적으로 나타낸 것이다.

가스 중의 산소 분압은, 예를 들면 10^－25기압으로 설정할 수 있다. 구체적으로는, 설정부에 의하여 설정된 양으로 설정하기 위한 제어신호가, 분압 제어부(도시하지 않음)로부터 산소 펌프(2)로 이송된다. 그 제어신호에 의하여 산소 펌프(2)의 전압(E)이 제어된다. 그리고, 가스 공급 밸브 및 매스 플로우 컨트롤러(도시하지 않음)를 통과하여 산소 펌프(2)로 공급된 N₂, Ar, He 등의 불활성 가스 중의 산소 분압이, 설정부(도시하지 않음)에 의하여 설정된 양으로 제어된다.

상기한 바와 같이 지극히 낮은 산소 분압으로 제어된 불활성 가스는, 센서에 의하여 그 분압이 모니터된 후, 밀폐용기의 플라즈마화 수단으로 공급되는 것이 바람직하다. 그 모니터치가 산소 분압 제어부에 입력되어, 산소 분압 설정부에서 설정치와 비교된다. 이와 같이 하여, 산소 분압이 10^－25기압 이하로 제어된 불활성 가스가 공급된다. 한편으로, 밀폐용기로부터 배기되는 가스의 산소 분압이, 센서에 의하여 모니터되고, 밀폐용기 내에 있어서의 시료로부터의 산소 이탈 속도의 지표가 된다. 또, 사용이 끝난 가스는, 장치 외로 배기해도 좋지만, 다시 산소 펌프로 되돌아가는 폐루프를 형성하는 것이 바람직하다. 한편, 산소 분압은, 산소 이온 전도체를 이용한 산소 센서를 사용하고, 네른스트의 식으로부터 구할 수 있다. 산소 센서의 기본 구조는, 도 4에 나타낸, 내면 및 외면에 배치된 금 또는 백금으로 이루어지는 다공질의 전극(22, 23)을 구비한, 산소 이온 전도성을 가지는 지르코니아제 고체 전해질체(21)의 관(고체 전해질관) 그 자체이다. 도 5는 산소 펌프로서의 사용예이다. 외부로부터 전압(E)을 인가하는 대신에, 전위차계로 내면 전극(23)과 외면 전극(22)의 사이의 전위차(E)를 측정한다. 그러면, 고체 전해질관(21) 내부의 기체의 산소 분압 p(O₂)는 4FE=RTln［0.21/p(O₂)］로부터 구할 수 있다. 특히 말하지 않는 한 센서 온도는 600℃로 한다. 여기서 F는 패러데이 정수, R은 기체 정수, T는 고체 전해질관(21)의 절대온도이다.

고체 전해질체(21)를 구성하는 고체 전해질은, 예를 들면, 식(ZrO₂)_1－x－y(In₂O₃)_x(Y₂O₃)_y(0＜x＜0.20, 0＜y＜0.20, 0.08＜x＋y＜0.20)으로 표시되는 지르코니아계의 재료를 이용할 수 있다.

고체 전해질은, 상기에 예시한 것 이외로, 예를 들면, Ba 및 In을 포함하는 복합 산화물로서, 이 복합 산화물의 Ba의 일부를 La로 고용 치환한 것,

특히, 원자수비｛La/(Ba＋La)｝를 0.3 이상으로 한 것을 채용할 수 있다.

또한, In의 일부를 Ga로 치환한 것,

예를 들면, 식｛Ln_{1 － x}Sr_xGa_{1 －(y＋z)}Mg_yCo_zO_{3 －d}, 다만, Ln=La, Nd의 1종 또는 2종, x=0.05∼0.3, y=0∼0.29, z=0.01∼0.3, y＋z=0.025∼0.3｝으로 나타내는 것,

식｛Ln_{1 － x}A_xGa_{1 －y－ z}B1_yB2_zO_{3 －d}, 다만, Ln=La, Ce, Pr, Nd, Sm의 1종 또는 2종 이상, A=Sr, Ca, Ba의 1종 또는 2종 이상, B1=Mg, Al, In의 1종 또는 2종 이상, B2=Co, Fe, Ni, Cu의 1종 또는 2종 이상｝으로 나타내는 것,

식｛Ln_{2 － x}M_xGe_{1 － y}L_yO_{5 －d}, 다만, Ln=La, Ce, Pr, Sm, Nd, Gd, Yd, Y, Sc, M=Li, Na, K, Rb, Ca, Sr, Ba의 1종 혹은 2종 이상, L=Mg, Al, Ga, In, Mn, Cr, Cu, Zn의 1종 혹은 2종 이상｝으로 나타내는 것,

식｛La_{1 － x}Sr_xGa_{1 －y－ z}Mg_yAl₂O_{3 －d}, 다만, 0＜x≤0.2, 0＜y≤0.2, 0＜z＜0.4｝로 나타내는 것,

식｛La_{1 － x}A_xGa_{1 －y－ z}B1_yB2_zO_{3 －d}, 다만, Ln=La, Ce, Pr, Sm, Nd의 1종 혹은 2종 이상, A=Sr, Ca, Ba의 1종 혹은 2종 이상, B1=Mg, Al, In의 1종 혹은 2종 이상, B2=Co, Fe, Ni, Cu의 1종 혹은 2종 이상, x=0.05∼0.3, y=0∼0.29, z=0.01∼0.3, y＋z=0.025∼0.3｝으로 나타내는 것

등을 채용할 수 있다.

고체 전해질체(21)의 양단부와 관체의 접속 구조는 산소 분압에 영향을 주기 때문에, 높은 기밀성을 확보하는 것이 바람직하다. 그 때문에, 관체와 고체 전해질체(21)를 금속의 납으로 접합하는 것을 채용하는 것이 바람직하다. 이온 전도성을 발휘시키기 위해서 고체 전해질은, 600℃∼1000℃로 가열되는 것이 바람직하다. 산소 펌프의 배기 속도를 높이기 위해서는, 고체 전해질을 보다 고온으로 가열하는 것이 바람직하다. 산소 펌프는 계 내에 한 개로도 복수개로 적용해도 좋다. 고체 전해질체(21)는 통상 길수록 분자 배출 기능이 높아진다. 한편, 비용이나 취급을 고려하면, 15㎝∼60㎝의 길이가 적합하다. 접속되는 각 관체의 길이는, 한쪽 측 3㎝∼60㎝인 것이 바람직하다. 고체 전해질체(21)와 관체의 접속부에는, 브레이징 후, 금 또는 백금으로 전해 도금을 실시하는 것이 바람직하다. 또한, 전해 도금 부분을 산 또는 알칼리로 사전처리한 후, 고체 전해질체도 동시에 무전해 백금 도금을 실시하는 것이 바람직하다. 이것이 다공질 전극으로서 기능한다.

본 발명에 있어서, 유통시키는 가스의 산소 분압은, 10^－22기압 이하가 바람직하고, 10^－23기압 이하가 보다 바람직하며, 10^－25기압 이하가 더 바람직하고, 10^－27기압 이하가 특히 바람직하다. 하한치는 특별히 없지만, 10^－30기압 이상인 것이 실제적이다.

상술한 산소 펌프(2)와 순환수단(3)의 구성에 대해서는, 예를 들면, 상기 특허문헌 3에서 거론되고 있는 것을 적합하게 이용할 수 있다.

［금속재료］

본 발명에 적용되는 금속재료는 특히 한정되지 않지만, 금속 내지 금속 화합물의 미립자인 것이 바람직하다. 그 중에서도 도전성의 미립자(분체)인 것이 바람직하다. 금속재료는, 천이 금속 혹은 천이 금속 산화물의 입자인 것이 바람직하고, 도전 잉크의 도체화 공정에 있어서 금속성의 천이 금속으로 되는 것이 바람직하다. 금속재료는, 미립자(분체) 상태로 본 발명에 따른 처리에 부쳐지고, 이 처리를 통하여, 입자성장 내지 결정성장하여, 일체화되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 일체화함으로써 금속재료의 치밀층을 구성한다. 이 치밀층을, 기판과 배선층간의 접착이나 전기적 도통을 얻는 가공에 적용하는 것을 생각할 수 있다. 이와 같이 금속 입자를 일체화(벌크)로 함으로써 물성이 안정화된다. 예를 들면, 공기 중에서도 미립자와 같이는 산화되지 않고, 저전기 저항 상태를 적합하게 유지할 수 있다.

금속재료는 본 발명의 효과가 얻어지는 것이면 특히 제한은 없다. 상술한 천이 금속 등의 금속 그 자체 외, 그 산화물이나 복합화합물 등도 이용할 수 있다.

금속재료에 이용되는 금속의 종류로서는, 구리, 금, 백금, 은, 루테늄, 팔라듐, 로듐, 철, 코발트, 니켈, 주석, 납, 비스무트 및 그들의 합금을 들 수 있다. 그 중에서도, 구리, 은, 철, 니켈, 루테늄을 이용하는 것이 바람직하고, 구리를 이용하는 것이 특히 바람직하다. 이 점에 대하여 보충하면, 예를 들면 은은 고가인데다, 마이그레이션(일렉트로마이그레이션, 이온 마이그레이션)을 일으키기 쉬운 점을 들 수 있다. 이것에 대해, 구리의 미립자는, 염가이며 마이그레이션 내성이 높다. 이 때문에, 구리를 포함하는 잉크 또는 페이스트를 이용하여 인쇄에 의해 배선을 형성하는 기술이 바람직하다. 다만, 이 설명에 의해 본 발명이 한정되어 해석되는 것은 아니다.

금속재료는, 입자 형상으로 하여 이용할 수 있다. 금속재료의 미립자의 1차 입경(평균 입경)은, 1㎚ 이상인 것이 바람직하고, 10㎚ 이상인 것이 보다 바람직하며, 20㎚ 이상인 것이 특히 바람직하다. 상한으로서는, 2000㎚ 이하인 것이 바람직하고, 1500㎚ 이하인 것이 보다 바람직하다. 보다 바람직한 상한으로서는, 1000㎚ 이하인 것이 바람직하고, 500㎚ 이하인 것이 보다 바람직하며, 200㎚ 이하인 것이 더 바람직하다. 한층 더 바람직한 상한으로서는, 100㎚ 이하인 것이 보다 바람직하고, 80㎚ 이하인 것이 더 바람직하며, 50㎚ 이하인 것이 특히 바람직하다. 금속재료 입자의 1차 입자의 입경을 상기의 범위로 함으로써, 비표면적을 확대하여 입자끼리의 접점 수를 늘릴 수 있어 바람직하다. 혹은, 잉크에 있어서의 입자의 분산성이나 막의 균질성을 효과적으로 확보할 수 있는 점에서 바람직하다.

본 명세서에 있어서, 금속재료의 1차 입경은, 투과형 전자현미경 화상의 해석에 의한 입도 분포 측정법을 이용하여 측정한 최빈(最頻) 입경(1개의 평가 시료로 300∼1000개를 측정함)을 가리키는 것으로 한다. 측정 시료 중의 금속재료의 농도는, 특히 말하지 않는 이상, 60질량%로 한다. 이때의 용매는 상용(常用)되고 있는 것을 이용할 수 있다.

［분산제］

　금속재료의 미립자를 포함하는 잉크로 할 때, 그 중에는, 분산제를 함유시키는 것이 바람직하다. 분산제는, 카복실기, 설폰산기, 인산기 등의 산성 흡착기(또는 그 염)를 가지는 분산제인 것이 바람직하다. 시판되는 분산제로서는, 예를 들면, Disper　BYK110, Disper　BYK111, Disper　BYK180, Disper　BYK161, Disper　BYK2155(이상, 빅케미·재팬사 제, 상품명), 디스파론DA－550, 디스파론DA－325, 디스파론DA－375, 디스파론DA－234, 디스파론PW－36, 디스파론1210, 디스파론2150, 디스파론DA－7301, 디스파론DA－1220, 디스파론DA－2100, 디스파론DA－2200(이상, 쿠스모토카세이(楠本化成)사 제, 상품명) 등을 들 수 있다.

잉크 중의 분산제는, 금속재료 미립자 100질량부에 대하여, 0.1질량부∼1질량부로 포함되는 것이 바람직하다. 이 양이 과소이면 도전성 입자를 균일하게 분산시키는데 충분하지 않고, 과다하면 금속재료의 처리막의 특성을 저하시키는 것으로도 된다.

［매체］

금속재료를 함유하는 분산액(잉크)의 용매는 특히 한정되지 않지만, 상기 금속재료를 충분히 분산시킬 수 있는 것이 바람직하다. 예를 들면, 크실렌, 톨루엔 등의 방향족 탄화수소 또는 부타디엔, 노멀 헥산 등의 지방족 탄화수소가 취급성의 면에서 적합하다. 잉크젯법에 따르는 경우에는, 유동성이 있어 노즐로부터 토출할 수 있는 것이 바람직하다. 방법에 따라서는 무용매로 이용해도 좋다.

금속재료를 매체에 분산시킨 분산체(잉크)로 하는 경우, 그 농도는 적당히 조절되면 좋다. 예를 들면, 후술하는 초미세 유체 제트에 의한 토출에 적합한 농도로 설정하는 것을 들 수 있다. 잉크에 있어서의 금속재료의 농도는 50질량% 이상 80질량% 이하인 것이 바람직하고, 60질량% 이상 70질량% 이하인 것이 보다 바람직하다.

［금속재료의 처리완료막］

본 발명의 장치에 의해 처리한 금속재료는 막으로서 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이 처리완료막(금속재료가 처리된 후의 막)의 두께는, 어플리케이션에 의해 다르다. 예를 들면 전자재료로서의 이용을 고려하면, 처리완료막의 두께는, 1㎛ 이상이 바람직하고, 2㎛ 이상이 보다 바람직하며, 5㎛ 이상이 더 바람직하다. 상한치는 특별히 없지만, 20㎛ 이하로 하는 것이 실제적이고, 10㎛ 이하로 해도 좋다.

금속재료의 미립자를 함유하는 잉크를 이용하는 경우, 후술하는 초미세 유체 제트 등에 의해, 기재에 도포하여 피처리막(처리되기 전의 막)을 형성할 수 있다. 피처리막은, 도포한 것을 그대로 이용해도 좋지만, 잉여의 매체 성분을 제거하기 위해서, 가열에 의한 사전처리를 행하는 것이 바람직하다. 사전처리의 가열 온도는 금속재료나 매체에 의하여 조절하면 좋다. 예를 들면, 그 가열 온도를 80℃ 이상 250℃ 이하로 하는 것을 들 수 있다.

금속재료는 상술한 바와 같이 미립자 형상의 것을 이용하는 것이 바람직하다. 이때 입자의 표면은 처리전에는 산화 상태라도 좋다. 즉 금속재료는 금속 산화물이라도 좋다. 본 발명의 처리를 통하여 금속재료(금속 미립자) 전체가 환원된다. 이 환원 작용에 의해, 예를 들면 막으로 했을 때의 금속재료의 전기 저항률을, 산화되어 있지 않을 때와 동일한 정도까지 저감시킬 수 있다.

금속재료의 처리완료막의 내부 구조는, 특히 한정되지 않지만, 미립자의 잔존이나 성장한 입자간에 공극이 없는 일체화된 구조인 것이 바람직하다. 본 발명에 의하면, 미립자를 재료로 했을 때에도, 입자성장 및 결정성장을 효과적으로 촉진하고, 치밀한 금속 조직을 가지는 막으로 하는 것이 가능하다. 처리완료막의 전기 저항률은 특히 한정되지 않지만, 처리되는 금속의 고유 저항률에 가까운 막으로 하는 것이 바람직하다. 예를 들면 처리되는 금속이 구리의 경우, 그 전기 저항률을 100μΩ·㎝ 이하로 하는 것이 바람직하고, 50μΩ·㎝ 이하로 하는 것이 보다 바람직하며, 20μΩ·㎝ 이하로 하는 것이 더 바람직하다. 또한 그 전기저항률은, 8μΩ·㎝ 이하로 하는 것이 보다 바람직하고, 5μΩ·㎝ 이하로 하는 것이 더 바람직하며, 3μΩ·㎝ 이하로 하는 것이 특히 바람직하다. 하한치는 벌크의 물성치인 1.7μΩ·㎝이다. 금속재료가 가지는 고유 저항률과의 관계로 말하면, 그 50배 이하의 저항률인 것이 바람직하고, 30배 이하의 저항률인 것이 보다 바람직하며, 10배 이하의 저항률인 것이 더 바람직하다. 또한 금속재료가 가지는 고유 저항률과의 관계로 말하면, 5배 이하의 저항률인 것이 보다 바람직하고, 3배 이하의 저항률인 것이 더 바람직하며, 2배 이하의 저항률인 것이 특히 바람직하다. 한편, 본 명세서에 있어서 전기 저항률의 값은, 특히 말하지 않는 이상, 실시예에 제시된 방법으로, 실온(약 25℃)에서 측정한 값을 말하는 것으로 한다.

［초미세 유체 제트］

본 발명의 장치에 적용되는 금속재료는, 그 처리에 있어서, 기재상에 어떠한 방법으로 부여되어도 좋다. 예를 들면, 잉크젯법이나, 스핀 코트법, 스크린 도포법 등의 각종의 방법으로 부여하는 것을 들 수 있다. 본 발명에 있어서는, 그 중에서도, 초미세 유체 제트에 의한 처리가 바람직하다.

도 6은, 본 발명에 있어서 하나의 실시형태로서 이용되는 초미세 유체 제트 장치(슈퍼 잉크젯)(100)를 모식화하여 나타낸 설명도이다. 본 실시형태의 초미세 유체 제트장치(100)에 있어서, 초미세지름의 노즐(초미세 노즐체：Super　Fine　Nozzle　Member)(200)은 노즐 본체(101) 및 전극(102)으로 구성되어 있다. 액적 사이즈의 초미세화를 고려할 때, 노즐 본체(101)를 저컨덕턴스의 것으로 하는 것이 바람직하다. 이를 위해서는, 유리제 캐필러리(capillary)가 적합하다. 그 외, 도전성 물질에 절연재로 코팅한 것이라도 가능하다.

초미세 노즐(200)(노즐 본체(101))의 선단에 있어서의 개구 지름(원 상당 직경) φ_i의 하한치는 노즐 제작상의 형편으로부터 0.01㎛가 바람직하다. 상한치로서는, 노즐 내경(φ_i)을 20㎛ 이하로 하는 것이 바람직하고, 10㎛ 이하로 하는 것이 보다 바람직하며, 8㎛ 이하로 하는 것이 더 바람직하고, 6㎛ 이하로 하는 것이 특히 바람직하다. 초미세 노즐의 선단에 있어서의 외경(φ_o)(원 상당 직경)은 특히 한정되지 않지만, 상기 개구 지름(φ_i)과의 관계 및 노즐 선단(2t)에 있어서의 양호한 집중 전계의 발생을 고려하여, 외경(φ_o)을 0.5㎛∼20㎛로 하는 것이 바람직하고, 1㎛∼8㎛로 하는 것이 보다 바람직하다.

본 실시형태의 초미세 노즐(200)(노즐 본체(101))은 테이퍼를 가지고 노즐 선단(2t)을 향하여 끝이 가늘어지는 형태를 가진다. 도시한 것에 있어서는 노즐의 내공 방향에 대한 노즐 외형(2o)의 테이퍼 각도(θ_n)로서 나타내고 있다. 이 각도(θ_n)가 0°∼45°인 것이 바람직하고, 10°∼30°인 것이 보다 바람직하다. 노즐내형(2i)은 특히 한정되지 않지만, 본 실시형태에 있어서는 통상의 캐필러리 튜브에 있어서 형성되는 형태이면 좋다. 상기 외형의 테이퍼를 따라서 다소 테이퍼가 있는 끝이 가는 형상이라도 좋다. 다만, 초미세 노즐(200)을 구성하는 노즐 본체(101)는, 캐필러리 튜브로 한정하지 않고, 미세 가공에 의해 형성되는 형태의 것이라도 상관없다.

본 실시형태에 있어서는, 초미세 노즐(200)을 구성하는 노즐 본체(101)가 성형성이 좋은 유리로 형성되어 있다. 그 노즐 본체(101)의 내측에 금속선(텅스텐선)(102)이 전극으로서 삽입되어 있다. 변형예로서는, 이것을 대신하여, 예를 들면 노즐 내에 도금으로 전극을 형성해도 좋다. 또한 변형예로서 노즐 본체(101) 자체를 도전성 물질로 형성한 경우에는, 그 위에 절연재를 코팅한다. 또, 초미세 노즐(200) 내에는 토출해야 할 액체(103)가 충전된다. 이때, 본 실시형태에 있어서는, 전극(102)이 액체(103)에 잠기도록 배치되며, 액체(103)는 도시하지 않은 액체원으로부터 공급된다.

본 실시형태에 있어서, 초미세 노즐(200)은, 실드 고무(104) 및 노즐 클램프(105)에 의해 홀더(106)에 부착되어, 압력이 새지 않게 되어 있다. 압력 조정기(107)로 조정된 압력은 압력 튜브(108)를 통과하여 초미세 노즐(200)에 전달된다. 본 실시형태에 있어서의 압력 조정기(107)의 역할은, 고압을 인가함으로써 유체를 초미세 노즐(200)로부터 압출하기 위하여 이용할 수 있다. 그리고 컨덕턴스를 조정하거나, 초미세 노즐(200) 내로 접착제를 함유하는 액체를 충전하거나, 노즐 막힘의 제거 등에 이용하기 위해서 특히 유효하다. 또, 액면의 위치를 제어하거나, 메니스커스를 형성하거나 하기 위해서도 유효하다. 또한, 전압 펄스와 위상차를 내는 것으로 노즐 내의 액체(103)에 작용하는 힘을 제어하여 미소 토출량을 제어하는 역할을 담당하도록 해도 좋다.

(전압 인가의 제어)

본 실시형태에 있어서는, 컴퓨터(109)로부터의 토출신호는, 소정의 파형을 가지는 전압의 발생장치(전압 인가 수단)(110)로 보내져 제어된다. 소정 파형을 가지는 전압의 발생장치(110)로부터 발생한 전압은, 고전압 앰프(111)를 통하여, 전극(102)으로 전해진다. 초미세 노즐(200) 내의 액체(103)는, 이 전압에 의해 대전된다. 본 실시형태에 있어서는, 노즐 선단부에 있어서의 전계의 집중 효과와, 대향 기판에 야기되는 경상력(image force)의 작용을 이용한다. 이 때문에, 기재(S)를 도전성의 것으로 하거나, 이것과는 별도로 도전성의 대향 기판을 설치하거나 할 필요가 없다. 즉, 기재(S)로서 경우에 따라서는 절연성의 것을 포함하여 여러 가지 재료를 이용하는 것이 가능하다. 전극(102)으로의 인가전압은 직류라도 교류라도 좋고, 플러스·마이너스의 어느 쪽이라도 좋다.

초미세 노즐(200)과 기재(S)의 거리는 가까울수록 경상력이 작용하기 때문에 착탄 정밀도는 향상된다. 착탄 정밀도 및 기재(S)의 진동을 고려하면, 초미세 노즐(200)과 기재(S)의 거리를 1000㎛ 이하로 하는 것이 바람직하고, 500㎛ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다. 또한, 100㎛ 이하로 하는 것이 보다 바람직하고, 50㎛ 이하로 하는 것이 더 바람직하며, 30㎛ 이하로 하는 것이 특히 바람직하다. 하한치는 특히 없지만, 1㎛ 이상 내지 10㎛ 이상인 것이 실제적이다.

본 실시형태의 초미세 유체 제트장치(100)에 의하면, 종래의 피에조식 잉크젯이나 버블 제트(등록상표)식 잉크젯에서는 곤란할 정도로 미세화된 초미세 액적(11)을 토출할 수 있다. 그 때문에 연속하여 토출, 타적(打滴)하여 선 형상의 묘화 패턴을 형성할 수 있다. 이 초미세 액적(11)은 표면장력의 작용이나, 비표면적의 높이 등에 의해, 극히 증발 속도가 높다. 따라서, 액적의 증발·건조, 충돌 에너지, 및 전계 집중 등을 적절히 제어함으로써, 양호한 박막 형성을 촉진할수 있는 것이라고 생각된다. 또, 전계 집중 및 기재(S)와의 사이에 생성되는 전기력선의 작용에 의해, 상기와 같이 건조 고화(固化)에 의해 급격하게 질량을 잃은 액적이라도 흩어져 없어지지 않고, 원하는 위치에 정확하게 착탄시킬 수 있는 것도 본 실시형태의 이점이다.

토출을 가능하게 하는 초미세 노즐(200)의 선단(2t)에 발생하는 전계의 강도는, 노즐에 인가하는 전압(V)과 노즐과 대향 전극간의 거리(h)만으로 정해지는 전계는 아니다. 상기의 전계 강도는, 오히려 노즐 선단(2t)에 있어서의 국소적인 집중 전계 강도에 기초하고 있다고 이해된다. 또, 본 실시형태에 있어서 중요한 것은, 국소적인 강전계와, 유체를 공급하는 유로가 매우 작은 컨덕턴스를 가지는 것이다. 그리고, 유체 자신이 미소 면적에 있어서 충분히 대전하는 것이다. 대전된 미소 유체는, 기판 등의 유전체, 또는 도체를 접근시키면, 경상력이 작용하여 기판에 대해 직각으로 날고, 착탄하여 도막 내지 미세선을 이룬다. 이것이 미세선 묘화 패턴이 된다. 상기의 초미세 유체 제트장치(100)에 의해 실현되는 초미세 액적의 토출의 원리나 바람직한 실시형태에 대해서는, 또한 일본 공개특허공보 2004－165587호를 참조할 수 있다.

양호한 액적 토출을 실현하기 위해서, 초미세 노즐(200)과 기재(S)의 사이에 충분한 전위차가 생기도록, 기재(S)측의 전기적인 상태를 적합화하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 장치의 일부에 도전성의 부재를 이용하고, 이것을 접지시키는, 또는, 전원의 노즐에 접속하는 전극의 반대 극성의 전원부에 접속하는 것 등에 의해, 노즐과 기재간에 전위차를 일으키게 하는 등의 대응을 들 수 있다. 이 전위차에 의해, 하전된 액적을 기재와 노즐의 사이의 전기력선을 따라 날리어, 확실히 기재에 착적(着滴)시킬 수 있다.

인가하는 전류는 직류라도 교류라도 좋다. 전압(전위)으로서는, 가공성 및 전력 절약의 관점에서 낮은 쪽이 바람직하다. 구체적으로는, 5000V 이하인 것이 바람직하고, 1000V 이하인 것이 보다 바람직하며, 700V 이하인 것이 더 바람직하고, 500V 이하인 것이 특히 바람직하다. 하한치는, 100V 이상인 것이 실제적이고, 300V 이상인 것이 보다 실제적이다. 펄스폭은 사용하는 전원(앰프)의 슬루 레이트(slew rate)로부터 계산되는 시간의 등배(等倍) 이상으로 하는 것이 바람직하고, 2배 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 상한으로서는, 100배 이하의 범위가 바람직하고, 10배 이하의 범위인 것이 보다 바람직하다. 구체적으로는, 1 펄스의 폭이 0.00001초 이상인 것이 바람직하고, 0.0001초 이상인 것이 보다 바람직하며, 0.001초 이상인 것이 특히 바람직하다. 상한으로서는, 1초 이하인 것이 바람직하고, 0.1초 이하인 것이 보다 바람직하며, 0.01초 이하인 것이 더 바람직하다. 펄스의 파형은 특히 한정되지 않지만, 사인파라도, 구형파라도 좋다. 본 발명에 있어서는, 제어성을 고려하여, 구형파로 하는 것이 바람직하다. 교류로 토출하는 경우의 주파수는, 상기의 토출 제어성을 고려하여, 100Hz 이상이 실제적이며, 1000Hz 이상이 보다 실제적이다. 상한으로서는, 10000Hz 이하로 하는 것이 바람직하고, 100000Hz 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.

이들의 설정치는, 인가전압만으로 정해지는 것이 아니라, 채용되는 액체의 물성, 노즐 지름, 노즐 내의 체적, 노즐-기재 간 거리 등에 따라 적당히 설정되면 좋다.

초미세 유체 제트장치(100)에 의하면, 극히 미세한 형태의 금속재료의 막을, 온디멘드로, 효율적으로 형성할 수 있다. 금속재료의 막의 선 폭 혹은 도트 직경은, 미세화하는 경우에는, 30㎛ 이하인 것이 바람직하고, 10㎛ 이하인 것이 보다 바람직하며, 5㎛ 이하인 것이 특히 바람직하다. 하한은 특히 없지만, 500㎚ 이상인 것이 실제적이다. 다만, 겹쳐 칠하는 등의 처리로, 보다 큰 폭의 선이나 도트로 해도 좋다. 또, 상기의 초미세 유체 제트장치(100)에 의하면, 미세한 묘화물을 높이 방향으로 쌓아 올린 입체 구조물로 할 수 있다. 구조물의 높이는 특히 한정되지 않는다. 그 높이를 내는 경우에는, 1㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 3㎛ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하며, 5㎛ 이상으로 하는 것이 특히 바람직하다. 상한은 특히 없지만, 10㎛ 이하가 실제적이다. 입체 구조물의 어스펙트비(입체 구조물의 높이/바닥면의 최단 부분의 길이)는, 0.5 이상으로 하는 것이 바람직하고, 1 이상으로 하는 것이 보다 바람직하며, 3 이상으로 하는 것이 특히 바람직하다. 상한은 특히 없지만, 5 이하가 실제적이다.

이하에, 본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서의 각 이점을 공지기술과의 대비를 포함하여 설명한다. 그렇지만, 본 발명이 이것으로 한정되어 해석되는 것은 아니다.

상기 비특허문헌 3의 기술에서는, 포름산구리를 잉크 원료로 하고 있고, 분해로 생성된 구리 입자가 네킹에 의해 연결된 형태로 되어 있으며, 입자 성장은 보여지지 않는다. 비특허문헌 1, 특허문헌 2에서는, 수소·포름산 증기의 환원 분위기로 열처리하고 있다. 여기에서는, 어느 정도의 입자 성장이 보여지고 있지만, 입경의 증대율은 수배정도로 충분하지 않다. 저항률도 최소로 5μΩ·㎝정도에 머무르고 있다. 입자 성장이 충분하지 않으면, 공기 중에서 구리가 자연 산화되어, 시간의 경과와 함께 저항률이 증대해 버리게 된다.

종래의 극저산소 분위기를 이용한 환원 열처리(플라즈마를 이용하지 않음)에서는, 저온에서의 처리가 가능하게 되었지만(특허문헌 4), 처리완료막에 있어서 거의 입자 성장이 보이지 않는다.

본 발명의 바람직한 실시형태에 의하면, 수소나 포름산 증기와 같은 폐기처리(배기나 회수를 위한 처리)가 필요한 기체를 사용하지 않는다. 또, 예를 들면 180℃ 이하라는 저온에서, 단시간에, 질소 등의 불활성 기체를 이용하여 효율적으로 금속재료를 처리하는 것이 가능해진다.

본 발명의 바람직한 실시형태에 의하면, 상술한 바와 같이, 금속재료의 환원 뿐만 아니라, 입자성장 내지 결정성장을 촉진할 수 있다. 이것에 의해, 막의 전기 저항률을 극히 낮은 것으로 할 수 있으며, 전자소자의 전극·배선 등의 제조에 적합하게 대응할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시형태에 의하면, 환원성 기체를 발생시키는 포름산구리와 같은 원료가 포함된 잉크를 사용할 필요를 없애, 잉크 선택의 자유도를 펼칠 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시형태에 의하면, 질소 등의 불활성 기체에 산소 펌프를 통하여 환원성을 부여하기 때문에, 원료의 열분해에 의해 환원성 기체를 발생시키는 잉크를 사용할 필요가 없다. 그 때문에, 잉크의 조제에 있어서는, 금속 미립자와 분산제, 용매, 점도 조정제와 같은, 인쇄 품질의 향상에 관련되는 재료를 적극적으로 사용할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시형태에 의하면, 특히 금속 미립자로서 구리 나노 입자를 이용한 경우, 벌크 구리의 2배 이내의 저저항률 시료를, 180℃ 이하의 온도에서의, 단시간의 처리로 얻을 수 있다. 그 때문에, 수지 기판 등으로의 적용이 가능하다. 또, ㎛오더까지 성장한 입자로 이루어지는 처리완료막으로 할 수 있으므로, 예를 들면 수개월 실온·대기중에 방치해도, 저항률의 상승을 억제할 수 있다.

실시예

본 발명에 관하여 실시예에 기초하여 한층 더 상세하게 설명하지만, 본 발명이 이것에 의해 한정하여 해석되는 것은 아니다.

［실시예 1］

유리 기판상에, 구리 잉크를 이용하여, 폭 약 7㎛, 길이 10㎜의 가는 선을 도 7과 같은 패턴으로 묘화한 시료를 작성했다. 이용한 구리 잉크는 20㎚정도의 구리 미립자를 용매 중에 분산시킨 것으로, 이 잉크를 초미세 잉크젯 프린터(도 6)에 의해 토출시켜, 수회 겹쳐 그림으로써 두께 1㎛ 정도까지 쌓아 올린 것이다.

구리 잉크는, 이옥스사 제(구리 농도 60질량%)를 이용했다.

묘화한 시료를 산소 기류 중 250℃에서 30분간 소성했다. 이 단계에서, 시료인 구리의 가는 선은, 광택을 가진 흑색으로 되었다. 구리 잉크를 넓은 면적으로 도포한, 이른바 베타막을 같은 조건으로 처리하면, 구리는 거의 산화동으로 변화하는 것이 X선 회절로 확인되고 있다. 따라서, 상기의 구리의 가는 선도 산화동으로 변하고 있는 것으로 추측된다.

이 시료를 유리 기판마다 시료 스테이지(7)에 고정하고, 밀폐용기(1)에 뚜껑을 덮어, 진공 펌프(10)로 진공 배기했다. 진공 펌프(10)로서는, 스크롤 펌프·로터리 펌프 등의 저진공 펌프로 충분하다. 진공 배기가 끝나면 기체 공급 경로(9)로부터 질소를 공급하고 대기압으로 되돌렸다. 이 예에서는 일단 진공 배기하고 나서 질소로 대기압으로 되돌리고 있지만, 밀폐용기(1)가 진공 배기에 견디는 강도를 가지지 않는 경우에는, 단지 충분한 시간 질소를 흐르게 하여 공기를 추출해도 좋다.

밀폐용기(1)에 질소를 충만시키면, 순환 경로(8)를 통하여 15분 정도 질소를 순환시켰다. 순환의 유량은 3L/분이다. 질소의 산소 분압은, 기체 공급 경로(9)로부터의 도입 직후, 전형적으로는 10^－6기압 정도이지만, 산소 펌프(2)를 통과하여 순환하는 동안에 10^－25기압 이하까지 저하시켰다.

산소 분압이 충분히 내려가 플라즈마화 수단(4)을 점등하여, 극저산소 상태가 된 질소를 플라즈마화하여, 시료(6)에 조사했다. 이 질소는 산소 분압이야말로 매우 낮지만, 모든 압은 거의 대기압이다. 이와 같이 하여, 극저산소화 된 질소의 대기압 플라즈마를 시료에 조사했다.

특허문헌 4의 도 1(A)에 있는 상태도(본원 도 8에 인용함)로부터 알 수 있는 바와 같이, 산소 분압이 10^－27기압 이하일때, 플라즈마화된 기체(5)의 온도가 180℃ 이상이면, 그것을 조사함으로써 시료가 그 온도까지 덥혀지게 되어 환원이 가능해질 것이다. 한편, 이번에 이용한 저출력의 대기압 플라즈마에서는 기체의 온도가 80℃ 이하였다. 따라서, 시료 스테이지(7)에 구비된 히터에 의해, 시료(6)를 가열했다.

히터로 시료를 250℃까지 가열하여, 대기압 플라즈마를 조사하면서 45분간 유지했다. 그 후 실온(약 25℃)까지 시료(6)를 냉각하고 나서 시료(6)를 밀폐용기(1)로부터 꺼냈다. 도 7의 패턴을 가지는 시료(6)의 단면적을 레이저 현미경(키엔스사 제 VK－9500)으로 측정했다. 또한 4단자법으로 측정한 전기 저항을 이용하여 체적 저항률을 산출한 바, 2.7μΩ·㎝가 되었다. 이것은 20℃에 있어서의 벌크 구리의 체적 저항률 1.7μΩ·㎝의 1.6배 정도로, 지극히 낮은 값이다. 또, 이 시료를 집속 이온 빔(FIB) 가공장치(히타치 하이테크노로지즈사 제 FB－2100)로 단면을 잘라내고, 주사이온 현미경으로 관찰한 바, 도 8에 나타낸 바와 같았다. FIB로 표면으로부터 파 내려가 만든 단면을 관찰하는 경우, 앞측에 원래의 표면이 넓어지고 있는 이상, 바로 정면으로부터 관찰하는 것은 불가능하기 때문에, 반드시 단면을 기울여 관찰해야 한다. 이 사진에서는 45도 기울이고 있다. 따라서, 가로방향과 세로방향의 길이 스케일을 맞추기 위해, 원래의 사진을 세로방향으로 1.41배로 늘려 게재하고 있다. 사진 하부의 검게 비치고 있는 부분이 유리 기판이다. 그 상부의, 반원형(긴 반타원형)으로 여러 가지의 콘트라스트를 가지는 부분이, 구리 미립자가 처리된 부분이다. 그 위에 거뭇하게 보이고 있는 박층은, 시료의 대전 방지용으로, FIB의 직전에 스퍼터로 성막한 백금층이다. 그 위에 흰 알갱이들이 보이고 있는 것은, 상기 백금층의 표면이다. 즉 이 부분은 더이상 단면이 아니라, 단면보다 먼 쪽의 표면이다. 이것을 보면, 250℃라는 저온에도 상관없이 소결이 진행되어, 원료의 나노 입자가 수십배 사이즈까지 입자 성장하고 있는 것을 알 수 있다. 또, 입자간에 보이드가 없어, 극히 치밀한 조직으로 되어 있다. 이 시료의 전기 저항률을 2개월 후에 재측정한 바, 오차 범위 내에서 일치했다. 입자 지름이 크게 성장하고, 보이드도 없기 때문에, 자연 산화에 의한 저항 상승이라고 하는 문제가 없는 것이라고 생각된다.

［실시예 2］

실시예 1과 마찬가지로 시료를 준비하고, 산소 기류 중에서의 유기물 제거 처리를 동일 조건으로 행하였다. 다음으로 실시예 1과 마찬가지로 밀폐용기(1) 내를 질소로 치환했다. 그 후 순환 경로(8)를 통하여 15분 정도 질소를 순환시켜, 산소 분압을 10^－27기압 이하까지 저하시켰다. 특허문헌 4의 도 1(A)에 있는 상태도(도 10)로부터 알 수 있는 바와 같이, 산소 분압이 10^－27기압 이하일 때, 시료의 온도가 180℃ 이상이면 환원이 가능해질 것이다. 그래서, 시료 스테이지(7)의 온도를 180℃로 설정했다. 이 상태로 대기압 플라즈마를 조사하면서 45분간 유지했다. 꺼낸 시료의 체적 저항률을 실시예 1과 마찬가지로 측정한 바, 5.0μΩ·㎝였다. 따라서, 180℃라는 저온에서의 소성에서도 시료는 상당한 정도 환원되는 것을 알 수 있었다.

［실시예 3］

실시예 1과 마찬가지로 시료를 준비하고, 산소 기류 중에서의 유기물 제거 처리를 350℃, 45분간으로 행하였다. 그 다음으로 실시예 1과 마찬가지로 밀폐용기(1) 내를 질소로 치환하고, 그 후 순환 경로(8)를 통하여 15분 정도 질소를 순환시켜, 산소 분압을 10^－27기압 이하까지 저하시켰다. 특허문헌 4의 도 1(A)에 있는 상태도(도 10)로부터 알 수 있는 바와 같이, 산소 분압이 10^－27기압 이하일 때, 시료의 온도가 180℃ 이상이면 환원이 가능해질 것이다. 그래서 시료 스테이지(7)의 온도를 180℃로 설정했다. 그 다음으로, 기체용 히터(12)에 통전하여, 기체의 온도가 히터의 출구에 있어서 168℃가 되도록 했다. 이 상태로 대기압 플라즈마를 조사하면서 90분간 유지했다. 꺼낸 시료의 체적 저항률을 실시예 1과 마찬가지로 측정한 바, 2.6μΩ·㎝였다. 또한, 이 시료의 단면을 실시예 1과 마찬가지로 관찰한 바, 도 9와 같이 되어, 완전히 소결되어 있는 것을 알 수 있었다. 즉, 기체용 히터를 병용함으로써, 180℃라는 저온에서의 소성이라도 시료는 완전히 소결된다. 이 때문에, 본 발명의 장치를 이용한 프로세스가 PEN을 포함하는 여러 가지의 수지 기판에 적용 가능하다고 하는 것을 알 수 있었다.

［비교예］

플라즈마화 수단에 의한 플라즈마 조사를 행하지 않은 이외 실시예 1과 마찬가지로 구리 미립자의 처리를 행하였다. 그 결과, 미립자의 입자성장은 거의 보이지 않고, 미립자 간에 많은 공극이 남은 상태였다(도 11 참조).

본 발명을 그 실시형태와 함께 설명했지만, 우리는 특히 지정하지 않는 한 우리의 발명을 설명의 어느 세부에 있어서도 한정하려고 하는 것이 아니라, 첨부한 청구의 범위에 나타낸 발명의 정신과 범위에 반하지 않게 폭넓게 해석되는 것이 당연하다고 생각한다.

본원은, 2014년 8월 13일에 일본에서 특허 출원된 일본 특허출원 2014－165032에 기초하는 우선권을 주장하는 것이며, 이것은 여기에 참조하여 그 내용을 본 명세서의 기재의 일부로서 취한다.

1: 밀폐용기
2: 산소 펌프
3: 순환수단
4: 플라즈마화 수단
5: 플라즈마화된 기체
6: 시료
7: 시료 스테이지
8: 순환 경로
9: 기체 공급 경로
10: 진공 펌프
11: 액적
12: 기체용 히터
13: 가스 입구
14: 히터 엘리먼트
21: 지르코니아제 고체 전해질체
22, 23: 다공질 전극
41a, 41b: 전극
42: 도입 배관
43: 전압 인가 수단
44: 플라즈마화된 기체
100: 초미세 유체 제트
200: 초미세지름의 노즐
101: 노즐 본체
102: 전극(금속선)
103: 액체
104: 실드 고무
105: 노즐 클램프
106: 홀더
107: 압력 조정기
108: 압력 튜브
109: 컴퓨터
110: 발생장치(전압 인가 수단)
111: 고전압 앰프
S: 기재

Claims (14)

1. 시료를 내부에 수용하는 밀폐용기와,
   상기 밀폐용기로부터 배출되는 기체로부터 산소 분자를 뽑아 내는 산소 펌프와,
   상기 기체를 상기 밀폐용기로 되돌리는 순환수단과,
   상기 밀폐용기 내에 있고, 상기 순환수단으로부터 되돌려진 상기 기체를 플라즈마화하고, 상기 시료에 조사하는 플라즈마화 수단을 가지는 금속재료의 처리장치.
2. 시료를 내부에 수용하는 밀폐용기와,
   상기 밀폐용기로부터 배출되는 기체로부터 산소 분자를 뽑아 내는 산소 펌프와,
   상기 기체를 상기 밀폐용기로 되돌리는 순환수단과,
   상기 순환수단으로부터 되돌려진 상기 기체를 가열하는 히터와,
   상기 밀폐용기 내에 있고, 상기 순환수단으로부터 되돌려진 상기 기체를 플라즈마화하여, 상기 시료에 조사하는 플라즈마화 수단을 가지는 금속재료의 처리장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 밀폐용기 내에, 상기 시료를 유지하기 위한 시료 스테이지를 가지는 장치.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 시료 스테이지가 시료를 가열하는 히터를 구비하는 장치.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 순환수단이, 상기 밀폐용기로부터 배출되는 기체를 가압하여 상기 밀폐용기로 되돌리는 장치.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 금속재료가, 금속 또는 금속 화합물의 미립자인 장치.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 금속재료의 소결 및 환원, 또는 소결 혹은 환원을 행할 수 있는 장치.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 순환수단으로부터 되돌려져 플라즈마화되는 상기 기체의 전(全) 압력이, 절대압으로 0.1 기압 이상 10기압 미만인 장치.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 금속재료를 구성하는 금속이 구리인 장치.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기체가 질소를 포함하는 장치.
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 밀폐용기 내로 되돌려지는 기체 중의 산소 분압이 10^－25기압 이하인 장치.
12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 산소 펌프가 산소 이온 전도성을 가지는 고체 전해질체와 그 내측 및 외측에 배치된 전극을 구비하는 장치.
13. 제 12 항에 있어서,
    상기 고체 전해질체가 안정화 지르코니아제인 장치.
14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 전극이 고체 전해질체의 표면을 따르는 다공질의 전극인 장치.

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