JP2006116416A - パターン形成方法および機能性膜 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 機能性膜の形成に先立って、設計パターンを副領域に分割し、当該副領域の境界線を描くように第1の液状体を配置し、中間乾燥工程を経て、線状膜38b,38c,38dを形成する。次いで、副領域を描くように第2の液状体を配置して、第2の液状体のパターン35a,35b,35c,35dを形成し、本乾燥工程を経て、一体化された機能性膜が完成する。
【選択図】 図7
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設計パターンとは、形成しようとする機能性膜のモチーフとしてのパターンを指しており、液状体や膜材料で実際に形成されているパターンと区別するために、このように表現している。
本発明のパターン形成方法によれば、第1描画工程において形成された線状のパターンが、第2描画工程において、副領域間の第2の液状体の流動を阻止する役割を果たす。このため、基板上に配置された第2の液状体の挙動を、副領域の形状や大きさによって制御することが可能となる。かくして、線幅や形状などについて精度よくパターンを形成することができる。
中間乾燥工程を含まない上述のパターン形成方法においては、第1の液状体と第2の液状体とは容易に混じり合うものであっては困るので、液状体の選択がかなり限定されることになる(例えば、第1の液状体と第2の液状体が混合することで化学反応により固体化するものや、第1の液状体として光硬化性樹脂を含むもの)。このパターン形成方法によれば、乾燥によって第1の液状体で形成される線状のパターンが固体化されるので、第1の液状体と第2の液状体の選択の自由度が高くなる。
第1の液状体の成分は、線状膜としての機能を主眼としているため、機能性膜としての機能を主眼としている第2の液状体の成分と必ずしも同じとは限らない。とは言え、第1の液状体にも機能性材料(第2の機能性材料と同じ材料とは限らない)が含まれていれば、その分、機能性膜としての機能は向上する。このパターン形成方法は、導電性膜を形成する場合において特に好適である。尚、第1の液状体と第2の液状体とは、全く同じ成分であってもよいし、組成比率が異なっていてもよいし、それぞれに異なる添加剤が含まれていてもよい。
機能性膜を形成するための液状体には、膜の定着性を向上させるなどの目的のために樹脂成分を含ませることができる。線状膜は、副領域間の第2の液状体の流動を阻止する役割を果たすことを主眼として形成されるため、その特性としては、第2の液状体に対して再溶解されにくく、また、第2の液状体に対して濡れにくいことが好ましい。このパターン形成方法によれば、第1の液状体として、樹脂成分を多く含む(組成比率が高い)ものを用いることで、線状膜として形成された際の再溶解性や濡れ性に対して、好適な条件を得られるようにすることができる。
ここで、ほぼ一定の幅で規定可能な形状とは、例えば、矩形形状のような一定の幅寸法をもって客観的に規定できるような形状のことを指しており、正方形のように幅と長さとを区別できないような形状も含まれる。また、円形や楕円形などについても、その直径や短軸の長さを幅と考えてこの形状に含むものとする。また、台形のように幅が変化するような形状であっても、その変化が小さなものであれば、ほぼ一定の幅を有する形状に含まれる。
本発明のパターン形成方法によれば、副領域をほぼ一定の幅を有する形状とすることで、上述の課題を回避することができる。
ここで、細長く伸長した領域とは、必ずしも直線的な形状である必要はなく、屈曲した帯状の形状であってもよい。
このパターン形成方法によれば、機能性膜の設計パターンが細長く伸長した領域を含む場合において、膨らみ部の発生間隔以下に区切って副領域を設定することにより、上述のような膨らみ部を発生させずに、精度の良い液状体のパターンを形成することが可能となる。
このパターン形成方法によれば、撥液処理ないしバンク形成によって、基板上に配置された第2の液状体をより確実に副領域内に留めることができる。
この機能性膜は、線状部にも機能性材料(主要部に含まれる機能性材料と同じ材料とは限らない)が含まれているので、機能性膜としての機能に優れている。
この機能性膜の副領域は、ほぼ一定の幅で規定可能な形状とされているので、パターンの膜厚や形状に関しての精度に優れている。
なお、以下に述べる実施の形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られるものではない。また、以下の説明で参照する図において、図示されるパターンの寸法比は、実際のものとは必ずしも一致していない。
まず最初に、パターンの描画に用いる液滴吐出装置の構成について、図1を参照して説明する。図1は本実施形態における液滴吐出装置の概略構成を示す斜視図である。
液滴吐出装置100は、図1に示すように、液滴を吐出するヘッド部110を有するヘッド機構部102と、ヘッド部110から吐出された液滴の吐出対象である基板120を載置する基板機構部103と、ヘッド部110に液状体133を供給する液状体供給部104と、これら各機構部および供給部を総括的に制御する制御部105とを含む。
ヘッド部110は複数のノズルを有していて、各ノズル毎に液滴を基板120に向けて吐出することが可能である。また、液滴の吐出は、制御部105によってノズル毎に制御可能である。基板120としては、ガラス基板、金属基板、合成樹脂基板など、平板状のものであれば大抵のものが利用できる。
尚、図1では、タンク130やチューブ131a,131bは液状体133に対応した一組のものしか図示されていなが、これは図の煩雑さを避けるための便宜上の扱いに過ぎず、実際には複数種の液状体を同時に供給し、且つ吐出させるように構成されている。後で説明する機能性膜のパターン形成においては、第1描画工程で吐出させる第1の液状体と、第2描画工程で吐出させる第2の液状体が用意され、それぞれの液状体がヘッド部110に供給される。
以下では、機能性膜のパターン形成について、TFT用ゲート配線を例に説明を行う。但し、以下の説明におけるゲート配線は、あくまでも機能性膜の一例に過ぎず、本発明が適用される機能性膜は、電子デバイスにおけるあらゆるパターンの導電性膜(配線)や、有機EL(エレクトロルミネッセンス)ディスプレイパネルにおける発光セル膜、液晶ディスプレイパネルにおけるカラーフィルタ膜など、多岐にわたる。
図2は、TFT用ゲート配線の一例を示す図である。
図2において、ゲート配線34は、本発明の機能性膜に対応する。ストライプ状に形成された複数のゲート配線34のそれぞれは、幅広部34A、ゲート電極部34B、幅狭部34Cを有している。尚、図2において、幅広部34A、ゲート電極部34B、幅狭部34Cの長さや幅の比率は、実際のものと必ずしも一致してはいない。
幅広部34Aは、ゲート配線34においてX軸方向に延びる主幹部分である。そして、幅広部34Aの幅、すなわち幅広部34Aの長手方向に直交する方向の長さは、ゲート電極部34B、幅狭部34Cの幅寸法よりも長い。具体的には、幅広部34Aの幅はほぼ20μmである。
ゲート電極部34Bは、幅広部34AからY軸方向に突き出た部分であり、TFT素子におけるゲート電極をなす部分である。ゲート電極部34Bの幅はほぼ10μmであり、幅広部34Aの幅寸法よりも短くなっている。
幅狭部34Cは、ゲート配線34において、幅広部34Aよりも幅が狭くなっている部分である。この部分は、後のデバイス製造工程によって形成されるソース配線やドレイン配線(共に図示せず)と立体交差する箇所にあたるため、配線の重なりによって生じる電気容量を低減するために、このように幅が狭く形成されている。具体的には、幅広部34Cの幅はほぼ7μmである。
ゲート配線34を形成するための液状体として、本実施形態では第1の液状体と第2の液状体の二つを用いるが、両者の構成は概ね似ているため、ここではまとめて液状体と呼んで説明を行う。
ゲート配線34を形成するための液状体としては、機能性材料としての導電性微粒子を分散媒に分散させたものが用いられる。液状体に分散される導電性微粒子としては、金、銀、銅、パラジウム、ニッケルのいずれかを含有する金属微粒子の他、導電性ポリマーや超電導体の微粒子などが用いられる。
これら導電性微粒子については、分散性を向上させるためその表面に有機物などをコーティングして使うこともできる。導電性微粒子の表面にコーティングするコーティング材としては、クエン酸等が挙げられる。
導電性微粒子の粒径は5nm以上0.1μm以下であることが好ましい。0.1μmより大きいと、後述する液滴吐出装置のヘッドのノズルの目詰まりが起こりやすく、液滴吐出法による吐出が困難になるからである。また、5nmより小さいと、導電性微粒子に対するコーティング材の体積比が大きくなり、得られる膜中の有機物の割合が過多となるからである。
また、分散媒の蒸気圧は0.001mmHg以上50mmHg以下(約0.133Pa以上6650Pa以下)であるのがより好ましい。蒸気圧が50mmHgより高いと、液滴吐出法で液滴を吐出する際に乾燥によるノズル詰まりが起こり易く、安定な吐出が困難になるからである。
一方、室温での蒸気圧が0.001mmHgより低い分散媒の場合には、乾燥が遅くなって膜中に分散媒が残留しやすくなり、後工程の熱及び/又は光処理後に良質の導電性膜が得られにくくなる。
液状体の表面張力としては、0.02N/m以上0.07N/m以下の範囲とするのが好ましい。液滴吐出法にて液状体を吐出する際、表面張力が0.02N/m未満であると、インク組成物のノズル面に対する濡れ性が増大するため飛行曲りが生じ易くなり、0.07N/mを超えると、ノズル先端でのメニスカスの形状が安定しないため、吐出量、吐出タイミングの制御が困難になるからである。
前記分散液は、必要に応じて、アルコール、エーテル、エステル、ケトン等の有機化合物を含んでいても差し支えない。
ここからは、図3のフローチャート図に沿って、図4〜図7を参照して、ゲート配線の形成工程全体について説明する。図3は、ゲート配線のパターン形成の工程を説明するフローチャート図である。図4(a)は、ゲート配線の設計パターンを示す図である。図4(b)は、ダミーパターンの設計パターンを示す図である。尚、設計パターンとは、形成しようとする機能性膜のモチーフとしてのパターンを指しており、液状体や膜材料で実際に形成されるパターンと区別するために、このように表現している。
この工程により、基板表面に、ゲート配線の設計パターンで親液性の領域が形成される。そして、この親液性領域の外側は撥液性の領域となっているので、後述するパターン形成工程において、液状体のパターンを、設計パターンに合わせて精度よく形成することが可能となる。
このとき、先に用意されたダミー基板にも同様の親液処理がなされるが(図3のS3b)、形成される親液性領域は、正規の基板の場合と異なり、図4(b)に示すような細長い帯状の形をしている。
バンク形成は、レジスト技術を用いて、基板上に、設計パターンの輪郭に沿って、バンク状の樹脂構造体(バンク)を形成するものである。樹脂としては、アクリル樹脂やポリイミド樹脂等が用いられる。
このバンク形成に先立って、基板表面を親液処理してもよいし、バンク形成後に、バンク部分に対して撥液処理を行ってもよい。このときの撥液処理方法としては、例えば、大気雰囲気中でテトラフルオロメタンを処理ガスとするプラズマ処理法(CF4プラズマ処理法)が用いられる。また、バンク樹脂として、撥液性を有する材料(例えばフッ素基を有する樹脂材料)を用いることにより、撥液処理を省略するようにしてもよい。
図4(b)において、ダミーパターンの設計パターン31は、細長い帯状の形をした帯状部31A,31B,31Cから構成されていて、帯状部31Aの幅はゲート配線の設計パターン30の幅広部30A(図2の幅広部34Aに対応)の幅に等しくなっている。また、帯状部31Bの幅はゲート配線の設計パターン30のゲート電極部30B(図2のゲート電極部34Bに対応)の幅に、帯状部31Cの幅はゲート配線の設計パターン30の幅狭部30C(図2の幅狭部34Cに対応)の幅にそれぞれ等しくなっている。
ダミーパターン形成工程は、この後に続く副領域設定工程(図3のS5)と深く関係する工程であるが、詳細な説明は後に譲ることとする。
図5に示すように、設計パターン30は、矩形形状の副領域40a〜40dに分割されている。幅広部30Aは、幅:20μm×長さ:50μmの副領域40a,40bで構成されている。ゲート電極部30Bの領域は、幅:10μm×長さ:LB1の副領域40cとなっている。幅狭部30Cの領域は、幅:7μm×長さ:LC1の副領域40dとなっている。
このように、複雑な形状からなる設計パターン30は、一定の幅と一定の長さで規定される矩形形状の副領域40a〜40dに分割される。副領域設定については、いくつか留意事項があって、上述したダミーパターン形成工程(図3のS4)とも深く関係しているのであるが、それらについては後ほど詳しく説明する。
図6に示すように、第1描画工程では、設計パターン30の境界線50b,50c,50d(図5参照)を描くように液状体の吐出が行われ、ハッチングで示す線状のパターン33b,33c,33dが形成される。パターン33b,33c,33dは、液滴1〜2ドット分程度のごく狭い幅で形成することができる。
この乾燥工程によって、第1の液状体の分散媒や各種溶剤は蒸発し、基板上には、導電性材料を含んだ導電性膜としての線状膜38b,38c,38dが形成される。かくして、副領域40aと副領域40dとは線状膜38bによって、副領域40aと副領域40cとは線状膜38cによって、副領域40aと副領域40bとは線状膜38dによって、それぞれ仕切られることとなる。
図7において、ハッチングで示す第2の液状体のパターン35a,35b,35c,35dは、それぞれ、図6の副領域40a,40b,40c,40dに対応するパターンとして形成されている。基板表面には、既に、図4(a)に示すゲート配線の設計パターン30に合わせた親液/撥液処理がなされているので、シャープな輪郭を有したパターンを形成することが可能である。
また、このとき、第2の液状体のパターン35a,35b,35c,35dは、線状膜38b,38c,38dによって仕切られ、隣接するパターン間において液状体の移動が起こらないようになっている。すなわち、第2の液状体のパターン35a,35b,35c,35dは、それぞれが独立した動力学体系によって支配されていて、このことは、副領域40a,40b,40c,40dの分割に基づいて(副領域単位で)、パターンの制御が行われていると言い換えることもできる。
一方、バインダー樹脂を含むために、線状膜38b,38c,38dの電気抵抗は若干高くなるが、第1の液状体には、導電性材料も十分に含ませており、導電性膜としての機能にはほとんど影響はない。また、電気抵抗をできるだけ大きくしないように、線状膜38b,38c,38dの幅は、第2の液状体のパターン35a,35b,35c,35dを仕切るための必要最低限の幅にすることが望ましい。尚、機能性膜の種類や要求するスペックによっては(例えば、着色膜を形成する場合には)、機能性材料を全く含まずに第1の液状体を構成することも可能である。
また、線状膜38b,38c,38dは、例えば、第1描画工程と中間乾燥工程を繰り返すなどして、厚く形成することも可能である。このようにすれば、第2の液状体の移動を阻止する堰としての役割を、より強力なものにすることができる。
ゲート配線34(図2参照)が形成された基板は、必要に応じて焼成された後、デバイス製造工程に送られ、例えば、ディスプレイ装置の配線等として利用される。
上述の工程において、ダミーパターン形成工程(図3のS4)、副領域設定工程(図3のS5)は、合わせてパターン準備工程と呼ばれる。以下では、これらの工程に関して、図8、図9を参照して詳細に説明する。
図8において、第2の液状体(以下、単に液状体と呼ぶ)からなるダミーパターン32Aは、仮想線で示す設計パターンとしての帯状部31Aに一致せず、等間隔に発生した液溜りであるバルジ36(膨らみ部)を有している。このように、設計パターン(帯状部31A)どおりに液状体(液滴)を正確に着弾させたとしても、基板上の液状体は、濡れ性や表面張力などの動力学的影響に支配されて振る舞い、形状を変化させたり、分裂を起こしたりするケースがある。そして、そのようなケースの一つが、細長く伸長した設計パターンで液状体を描画した際のバルジ36の発生である。本願発明者の知見によれば、このバルジ36は、狭い幅の領域に液状体が集中して配置された結果、高まった内圧を下げようとして現れるものと考えられている。
尚、詳細な説明は省略するが、図4(b)に示す帯状部31B,31Cに対応するダミーパターンについても、図8のダミーパターン32Aと同様、ほぼ等間隔にバルジが発生している。バルジの発生間隔は、パターンの幅が狭いほど短くなる傾向を示す。
このダミーパターン形成工程は、このような事情に鑑みて設けられている。つまり、ゲート配線の設計パターン30(図4(a)参照)に含まれる細長く伸長した領域、すなわち、幅広部30A、ゲート電極部30B、幅狭部30Cと同幅の帯状のパターンでダミーパターンを形成することにより、バルジの発生条件として、パターンの幅寸法との関係を知ることができるのである。
同様のことは、ゲート電極部30Bや幅狭部30Cに相当する領域についても言えるが、本実施形態の場合、副領域40e,40fの長さは、帯状部31B,31C(図4(b)参照)に対応するダミーパターンに現れるバルジの発生間隔よりも短くなっているので、敢えて分割する必要はない。
このように、幅の異なる二つの領域が接している箇所においては、当該二つの領域(図9の例では、幅広部90Aと幅狭部90C)の間で液状体の移動が起こり、膜厚の不均等や欠陥を発生させることがある。本願発明者の知見によれば、このような液状体の移動現象は、幅広部90Aと幅狭部90Cにおける液状体表面の曲率の差に由来するものであると考えられる。すなわち、ほぼ均一な厚みでパターン90が構成された場合には、幅の狭い幅狭部90Cの液状体の表面は、幅の広い幅広部90Aの液状体の表面よりも曲率が大きくなる。そして、この曲率の差と共に、表面張力との均衡を保つ関係から液状体の内圧にも差が発生するため、当該内圧差によって液状体の流動が発生し、定常状態において図9に示すようなパターンとなるわけである。
尚、「一定の幅で規定可能な形状」については、本実施形態のような矩形形状に限定されるものではない。そのバリエーションについては、後述する変形例1〜4で説明する。
図10は、変形例1におけるゲート配線の設計パターンの副領域分割を示す図である。以下、先の実施形態と重複する部分については説明を省略し、相違点を中心に変形例1の説明を行う。
この変形例1ように、幅広部30Aとゲート電極部30Bとが接する箇所において、副領域はその接続部分を境界として分割されなければならないという訳ではない。重要なのは、「ほぼ一定の幅で規定可能な形状」の副領域に分割することであり、そのバリエーションは多様である。
また、幅広部30Aの分割は、等分でなければならないという訳でもない。重要なのは、「バルジを発生させない長さ(ダミーパターンにおけるバルジの発生間隔以下の長さ)」の副領域に分割することであり、そのバリエーションは多様である。
また、正方形形状の副領域41aについては、どちらが幅でどちらが長さかという区別がつかないが、正方形形状で液状体のパターンが形成されたとしても、当該パターンが安定した形状を維持できることは明らかであり、正方形形状を「ほぼ一定の幅を有する形状」ではないとする合理的な理由はない。すなわち、本発明において「ほぼ一定の幅で規定可能な形状」は、このような形状でパターンが形成された場合に当該パターンが安定した形状を維持できるかどうか、という観点も含めて特定されるべきであり、正方形形状は当然としてこれに含まれる。
図11は、変形例2におけるゲート配線の設計パターンの副領域分割を示す図である。以下、変形例1および先の実施形態と重複する部分については説明を省略し、相違点を中心に変形例2の説明を行う。
図12は、変形例3におけるゲート配線の設計パターンの副領域分割を示す図である。以下、先の実施形態と重複する部分については説明を省略し、相違点を中心に変形例3の説明を行う。
図13は、変形例4における電極配線の設計パターンの副領域分割を示す図である。以下、先の実施形態と重複する部分については説明を省略し、相違点を中心に変形例4の説明を行う。
円形の副領域61aは、その直径を幅とみなしたときに、その中心を回転軸とする回転方向に対して一定の幅で規定することが可能であるとみなすことができる。また、正方形形状の場合と同様、円形形状で液状体のパターンが形成されたとしても、当該パターンが安定した形状を維持できることは明らかである。すなわち、「一定の幅で規定可能な形状」とは、並進または回転の一方向に対して、一定の幅(径)で規定することが可能な形状のことであり、円形形状は、本発明における「ほぼ一定の幅で規定可能な形状」に含まれる。また、副領域61cのような屈曲した帯形状や、副領域61d,61eのような上底と下底の差が小さな台形形状も、本発明における「ほぼ一定の幅で規定可能な形状」に含まれる。
Claims (11)
- 液滴吐出法を用いて基板上に所定のパターンの機能性膜を形成するパターン形成方法であって、
前記機能性膜の設計パターンを分割する複数の副領域を設定する副領域設定工程と、
前記副領域間の境界線を描くように第1の液状体を配置する第1描画工程と、
前記第1描画工程の後に、前記機能性膜としての主機能を有する機能性材料を含む第2の液状体を、前記複数の副領域を描くように配置する第2描画工程と、を有することを特徴とするパターン形成方法。 - 前記第1描画工程と前記第2描画工程の間に、前記基板上に配置された第1の液状体を乾燥させて、線状膜を形成する中間乾燥工程を有することを特徴とする請求項1に記載のパターン形成方法。
- 前記第1の液状体は、前記機能性材料を含むことを特徴とする請求項1または2に記載のパターン形成方法。
- 前記第1の液状体は、樹脂成分を含むことを特徴とする請求項1ないし3のいずれか一項に記載のパターン形成方法。
- 前記副領域設定工程において、ほぼ一定の幅で規定可能な形状の領域として前記副領域を設定することを特徴とする請求項1ないし4のいずれか一項に記載のパターン形成方法。
- 前記機能性膜の設計パターンが細長く伸長した領域を含んでいて、前記副領域設定工程において、前記伸長した領域の伸長方向に沿って、当該領域を特定の長さ以下に区切るように前記副領域を設定する請求項1ないし5のいずれか一項に記載のパターン形成方法であって、
前記特定の長さは、前記伸長した領域と同幅の帯状のパターンを描くように前記第2の液状体を一度に配置した場合に形成される液状体のパターンに、ほぼ等間隔に現れる膨らみ部の当該間隔に等しいことを特徴とするパターン形成方法。 - 請求項6に記載のパターン形成方法において、
前記副領域設定工程に先立って、ダミー基板上に、前記伸長した領域と同幅の帯状のパターンを描くように前記第2の液状体を配置してダミーパターンを形成する、ダミーパターン形成工程を有していて、
前記ダミーパターンにほぼ等間隔に現れる膨らみ部の当該間隔によって、前記特定の長さを規定することを特徴とするパターン形成方法。 - 前記基板のパターンを形成する面には、前記機能性膜の設計パターンに対応する領域を囲むように、撥液処理ないしバンク形成がなされていることを特徴とする請求項1ないし7のいずれか一項に記載のパターン形成方法。
- 所定のパターンで形成された機能性膜であって、
前記機能性膜のパターンは、当該パターンを複数の副領域に分割する境界線としてのパターンで形成された線状部と、
前記線状部で仕切られ、前記副領域に相当するパターンで形成された主要部と、から構成されていて、
少なくとも前記主要部には、前記機能性膜としての主機能を有する機能性材料が含まれていることを特徴とする機能性膜。 - 前記線状部には、前記機能性材料が含まれていることを特徴とする請求項9に記載の機能性膜。
- 前記副領域は、ほぼ一定の幅で規定可能な形状の領域となっていることを特徴とする請求項9または10に記載の機能性膜。
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