JP2006116416A - パターン形成方法および機能性膜 - Google Patents

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Abstract

【課題】 機能性膜のパターンを形成する際、線幅や形状などについて精度よく形成可能なパターン形成方法、および機能性膜を提供すること。
【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

Description

本発明は、液滴吐出法を用いた機能性膜のパターン形成方法、および液滴吐出法を用いて形成される機能性膜に関する。
近年、半導体集積回路などの微細な配線パターンの形成方法として、液滴吐出法を用いた方法が開示されている(例えば、特許文献1)。この文献に開示されている技術は、機能性材料(例えば導電性材料)を含んだ液状体を液滴吐出ヘッドから基板上に吐出させ、基板上に材料を配置して配線パターンを形成するものであり、少量多種生産に対応可能であるなど大変有効であるとされている。
特開2003−317945号公報
ところで、上述の方法によって形成される配線(機能性膜)のパターンは非常に微細なものであるため、基板上に配置された液状体は、表面/界面の動力学的影響(例えば、表面張力や濡れ性)を多分に受けることとなる。このため、液状体が単独の液滴として基板上に配置されている場合はともかくとして、複数の液滴が基板上で重なり合い、液状体が特定のパターンとしての集合体を形成した場合においては、液状体のパターンはこの動力学的影響によって、変形したり分裂を起こしたりする場合がある。すなわち、基板上に設計パターンどおりに液状体のパターンを形成することが困難な場合がある。
本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、機能性膜のパターンを形成する際、線幅や形状などについて精度良く形成可能なパターン形成方法、および機能性膜を提供することを目的としている。
本発明は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。
ここで、機能性膜とは、特定の機能を発揮する膜状のものを指しており、例えば、発光膜、着色膜、導電性膜などが含まれる。これらの機能性膜としての主機能とは、それぞれ、発光性、吸光性、導電性のことであり、当該主機能を有する機能性材料としては、例えば、発光性材料としての有機EL(エレクトロルミネッセンス)材料、吸光性材料としての顔料、導電性材料としての金属などがある。
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。
上述のように、液状体が特定のパターンとしての集合体を形成した場合においては、液状体のパターンは表面張力や濡れ性などの影響によって、変形したり分裂を起こしたりする場合がある。そしてこのような液状体の挙動は、基板上に配置された液状体のパターンの大きさ、形状等に大きく依存する。
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。
また、前記パターン形成方法は、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。
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。
また、前記パターン形成方法において、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。
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。
また、前記パターン形成方法において、前記第1の液状体は樹脂成分を含むことを特徴とする。
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。
また、前記パターン形成方法は、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。
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。
液状体がある設計パターンで基板上に配置された場合において、当該液状体の挙動は設計パターンの幅の影響を強く受ける。例えば、幅広の領域と幅狭の領域が結合したような設計パターンで液状体が配置された場合には、幅に依存する液状体面の曲率の相違に起因して、幅狭の領域から幅広の領域に向けて液状体が流動し、当該二つの領域間で膜厚差が生じることとなる。すなわち、幅が著しく異なる領域を含んで液状体のパターンが形成された場合には、当該液状体の挙動をうまく制御することができない。
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。
また、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副領域が設定されるパターン形成方法において、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。
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。
細長く伸長した設計パターンで液状体を配置した場合において、液状体のパターンには、吐出後の液状体の挙動の結果、液溜りとしての膨らみ部(バルジ)が形成されることがある。本願発明者の知見によれば、この膨らみ部は、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。
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。
また、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副領域が設定される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。
上述した膨らみ部の間隔は、液状体と基板表面との濡れ性、液状体の表面張力、設計パターンの幅、配置する液状体の量などに依存するものであり、形成したい機能性膜によって変化する。このパターン形成方法によれば、形成したい機能性膜と同じ条件(基板の材質、表面処理方法、液状体の組成など)で処理したダミー基板上に、あらかじめダミーパターンを形成して、膨らみ部の発生間隔を知ることができるので、最適な副領域の設定が可能になる。
また、前記パターン形成方法において、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。
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。
本発明は、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。
本発明の機能性膜は、副領域の境界線としてのパターンで形成された線状部により、線状部で仕切られた副領域単位でパターンを形成することができるので、パターンの膜厚や形状に関しての精度に優れている。
前記機能性膜において、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。
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。
前記機能性膜において、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。
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。
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
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。
(液滴吐出装置の構成)
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。
液滴吐出装置100は、床上に設置された複数の支持脚106と、支持脚106の上側に設置された定盤107を備えている。定盤107の上側には、基板機構部103が定盤107の長手方向(X軸方向)にわたって配置されており、基板機構部103の上方には、定盤107に固定された2本の柱で両持ち支持されているヘッド機構部102が、基板機構部103と直交する方向(Y軸方向)にわたって配置されている。また、定盤107の一方の端部上には、ヘッド機構部102のヘッド部110から連通して液状体133を供給する液状体供給部104が配置されている。さらに、定盤107の下側には、制御部105が収容されている。
ヘッド機構部102は、液状体133を吐出するヘッド部110と、ヘッド部110を搭載したキャリッジ111と、キャリッジ111のY軸方向への移動をガイドするY軸ガイド113と、Y軸ガイド113に沿って設置されたY軸ボールねじ115と、Y軸ボールねじ115を正逆回転させるY軸モータ114と、キャリッジ111の下部にあって、Y軸ボールねじ115と螺合してキャリッジ111を移動させる雌ねじ部が形成されたキャリッジ螺合部112とを備えている。
基板機構部103の移動機構は、ヘッド機構部102とほぼ同様の構成でX軸方向に配置されており、基板120を載置している載置台121と、載置台121の移動をガイドするX軸ガイド123と、X軸ガイド123に沿って設置されたX軸ボールねじ125と、X軸ボールねじ125を正逆回転させるX軸モータ124と、載置台121の下部にあって、X軸ボールねじ125と螺合して載置台121を移動させる載置台螺合部122とから構成されている。
尚、ヘッド機構部102および基板機構部103には、図示していないが、ヘッド部110と載置台121の移動した位置を検出する位置検出手段が、それぞれ備えられている。また、キャリッジ111と載置台121には、XY軸に直交するZ軸を回転軸方向とした、回転方向を調整する機構が組込まれ、ヘッド部110の回転方向調整、および載置台121の回転方向調整が可能である。
これらの構成により、ヘッド部110と基板120とは、それぞれY軸方向およびX軸方向に往復自在に相対移動することができる。ヘッド部110の移動について説明すると、Y軸モータ114の正逆回転によってY軸ボールねじ115が正逆回転し、Y軸ボールねじ115に螺合しているキャリッジ螺合部112が、Y軸ガイド113に沿って移動することで、キャリッジ螺合部112と一体のキャリッジ111が任意の位置に移動する。すなわち、Y軸モータ114の駆動により、キャリッジ111に搭載したヘッド部110が、Y軸方向に自在に移動する。同様に、載置台121に載置された基板120もX軸方向に自在に移動する。
このように、X軸モータ124、Y軸モータ114の駆動制御により、ヘッド部110の基板120に対する相対移動が可能であり、液滴を、基板120上の任意の位置に吐出することができるようになっている。そして、この位置制御と、ヘッド部110の吐出制御とを同期させて行うことにより、基板120上に所定のパターンを描画することができる。
ヘッド部110に液状体133を供給する液状体供給部104は、ヘッド部110に連通する流路を形成するチューブ131aと、チューブ131aへ液体を送り込むポンプ132と、ポンプ132へ液状体133を供給するチューブ131b(流路)と、チューブ131bに連通して液状体133を貯蔵するタンク130とから成っており、定盤107上の一端に配置されている。
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。
(ゲート配線の形成について)
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。
(ゲート配線の構成)
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。
(液状体の概略構成)
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。
導電性微粒子を含有する液体の分散媒としては、室温での蒸気圧が0.001mmHg以上200mmHg以下(約0.133Pa以上26600Pa以下)であるものが好ましい。蒸気圧が200mmHgより高いと、吐出後に分散媒が急激に蒸発してしまい、良好な膜を形成することが困難となるからである。
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。
使用する分散媒としては、前記の導電性微粒子を分散できるもので、凝集を起こさないものであれば特に限定されない。具体的には、水の他に、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノールなどのアルコール類、n−ヘプタン、n−オクタン、デカン、トルエン、キシレン、シメン、デュレン、インデン、ジペンテン、テトラヒドロナフタレン、デカヒドロナフタレン、シクロヘキシルベンゼンなどの炭化水素系化合物、またエチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、エチレングリコールメチルエチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールメチルエチルエーテル、1,2−ジメトキシエタン、ビス(2−メトキシエチル)エーテル、p−ジオキサンなどのエーテル系化合物、更にプロピレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、シクロヘキサノンなどの極性化合物を挙げることができる。これらのうち、微粒子の分散性とその安定性、また液滴吐出法への適用のし易さの点で、水、アルコール類、炭化水素系化合物、エーテル系化合物が好ましく、更に好ましい分散媒としては、水、炭化水素系化合物を挙げることができる。これらの分散媒は、単独でも、あるいは2種以上の混合物としても使用することができる。
導電性微粒子の分散質濃度としては、1質量%以上80質量%以下とするのが好ましく、所望の導電性膜の膜厚に応じて調整することができる。80質量%を超えると凝集をおこしやすくなり、均一な膜が得にくくなる。
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。
表面張力を調整するため、前記分散液には、基板Sとの接触角を不当に低下させない範囲で、フッ素系、シリコーン系、ノニオン系などの表面張力調節剤を微量添加することができる。ノニオン系表面張力調節剤は、液体の基板への濡れ性を良好化し、膜のレベリング性を改良し、塗膜のぶつぶつの発生、ゆず肌の発生などの防止に役立つものである。
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。
また、液状体には、膜として形成された際の定着性を良くするために、樹脂成分としてのバインダー樹脂を添加することができる。バインダー樹脂としては、例えば、アクリル酸とスチレンとの共重合体などが用いられる。形成された膜の定着性という観点からすれば、バインダー樹脂は多い方が好ましいが、導電性膜としての主機能、すなわち導電性という観点からすれば、バインダー樹脂は少量であることが好ましい。
分散液の粘度は1mPa・s以上50mPa・s以下であるのが好ましい。液滴吐出法にて吐出する際、粘度が1mPa・sより小さい場合にはノズル周辺部がインクの流出により汚染されやすく、また粘度が50mPa・sより大きい場合は、ノズル孔での目詰まり頻度が高くなり円滑な液滴の吐出が困難となるからである。
(ゲート配線の形成工程の全体説明)
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。
上述のゲート配線34(図2参照)のパターン形成に先立ち、まず基板が用意される(図3のS1a)。基板の材料としては、ガラス、シリコン、樹脂など製造するデバイスの種類やこのデバイスの部位に応じて適宜選択され用いられるが、本実施形態では、ガラス基板を用いる。また、このとき、製品に用いられるのと同じ条件(材質、表面平滑度など)の基板がダミー基板として用意される(図3のS1b)。
次に、基板表面(配線パターンを形成する側の面)に対し撥液処理を行う(図3のS2a)。撥液処理としては、例えば、自己組織化膜を基板表面に形成する方法がある。「自己組織化膜」(SAM:Self−Assembled−Monolayerse)とは、その膜の形成面の構成原子と結合可能な官能基が直鎖分子に結合されている化合物を、気体または液体の状態で構成面と共存させることにより、前記官能基が膜形成面に吸着して膜形成面の構成原子と結合し、直鎖分子が膜形成面上に形成された緻密な単分子膜である。本実施形態においては、基板とヘプタデカフルオロテトラヒドロデシルトリエトキシシランを、同一の密閉容器に入れて96時間室温で放置することにより、自己組織化膜を形成する。尚、このとき、先に用意したダミー基板にも同条件の撥液処理がなされる(図3のS2b)。
撥液処理(図3のS2a)の後、基板表面のゲート配線を形成する領域に、親液処理を行う(図3のS3a)。具体的には、ゲート配線の設計パターン(図4(a)参照)で型抜きされたマスクを介して、プラズマ状態の酸素を照射(プラズマ処理法)し、照射された領域の自己組織化分子やその他の付着不純物を除去することで行う。
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。
上述の撥液処理工程と親液処理工程とは、合わせて基板前処理工程と呼ばれている。この基板前処理工程は、液状体のパターンを、設計パターン30に合わせて精度よく形成するために行われている。但し、基板前処理工程は、後述するパターン形成工程を行う上での必須の工程ではなく、本願発明の効果を得る上でも必須ではない。
基板の前処理工程として、上述の方法の他に、バンク形成と呼ばれる方法もあるので説明しておく。
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。
親液処理工程(S3a,S3b)の後、ダミー基板に対して、図4(b)に示す設計パターン31を描くように、第2の液状体の吐出が行われ、ダミーパターンが形成される(図3のS4)。このとき、ダミー基板上に配置する第2の液状体の量は、製品としてのゲート配線34(図2参照)の膜厚を得るために必要な量に等しくなっている。
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。
ダミーパターン形成工程の後、図4(a)に示すゲート配線の設計パターン30を副領域に分割する(図3の副領域設定工程S5)。この副領域設定工程は、基板に対して何らかの処理を行うものではなく、いわば情報処理の一種である。
図5は、ゲート配線の設計パターンの副領域分割の一例を示す図である。この図において、隣接する副領域間の境界は、想像線で示す境界線50a〜50eで示している。
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。
副領域を設定したら、副領域設定後の設計パターン30(図5参照)をもとに、液状体の吐出を行う(図3の第1描画工程S6)。具体的には、図5に示す設計パターン30を液滴吐出装置100に記憶させ、基板前処理(図3のS2a,S3a)のなされた基板を、液滴吐出装置100の載置台121(図1参照)に載置して、液滴吐出法による描画を行う。
以降の説明では、この第1描画工程で吐出させる液状体を「第1の液状体」、後述する第2描画工程(図3のS8)で吐出させる液状体を「第2の液状体」として、区別して用いることとする。両者の組成は全く同じものであっても構わないが、本実施形態では特に、第1の液状体として、バインダー樹脂を添加したものを用いている。
図6は、基板上に形成された第1の液状体のパターン(線状膜)の一部を示す平面図である。図中、仮想線で示す領域は図5に示す設計パターン(副領域)を示している。
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。
次に、第1の液状体のパターン33b,33c,33dを乾燥させ、第1の液状体に含まれる機能性材料等を基板上に定着させる(図3の中間乾燥工程S7)。この乾燥工程は、基板を乾燥装置に移送して行ってもよいし、液滴吐出装置100(図1参照)と乾燥装置を組み合わせた製造装置によって、載置台121(図1参照)上に基板を置いたまま行ってもよい。
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。
中間乾燥工程によって線状膜38b,38c,38dが形成された基板に対し、次に第2の液状体の吐出を行う(図3の第2描画工程S8)。具体的には、図6の副領域40a,40b,40c,40dを描くように第2の液状体を吐出させて、第2の液状体のパターンを形成する。
図7は、基板上に形成された第2の液状体のパターンの一部を示す平面図である。
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。
第2の液状体のパターンを副領域単位で有効に制御するためには、各副領域に対応するパターン35a,35b,35c,35dが、線状膜38b,38c,38dで確実に仕切られることが望ましい。そのために、本実施形態では、第1の液状体にバインダー樹脂を添加し、線状膜38b,38c,38dが第2の液状体によって再溶解されにくいように、また、第2の液状体に対して適度な撥液性を発揮するように工夫している。特には、線状膜38b,38c,38dが形成された状態において、その表面が基板表面の親液領域よりも撥液性が高くなるように、第1の液状体の組成が決められることが好ましい。
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。
第2の液状体のパターン35a,35b,35c,35dの形成の後、乾燥装置に移送するなどして基板ごと乾燥させ(図3の本乾燥工程S9)、第2の液状体に含まれる機能性材料等を基板上に定着させる。このとき、第2の液状体のパターン35a,35b,35c,35dの部分は、ゲート配線34の主要部として、先に形成された線状膜38b,38c,38dと一体化してゲート配線34(図2参照)を形成する。一体化されたゲート配線34においては、線状膜38b,38c,38dであった部分は、線状部と呼ばれる。
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。
(パターン準備工程に関する詳細)
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は、ダミー基板上に形成されたダミーパターンの一部を示す平面図であり、図4(b)の帯状部31Aに対応するパターンを示している。
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。
図8のダミーパターン32Aのように、液状体のパターンを形成した際にバルジが発生してしまうと、設計パターンどおりの配線膜を形成することができなくなってしまうため、バルジが発生するか否かの条件を前もって知っておくことは重要である。ところが、バルジの発生条件は、親液領域の親液性、撥液領域の撥液性、液状体の表面張力、帯状部の幅、配置される液状体の量などに依存して変化するため、多様な液状体(機能性材料)、多様なパターンに適用できる条件を計算等で求めることは困難である。
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。
例えば、図8に示すダミーパターン32Aの例では、バルジ36の発生間隔は約90μmである。このため、図4(a)の設計パターン30で液状体のパターンを一度に形成すると、100μmの長さで伸長する幅広部30Aに相当する領域において、バルジを発生させてしまう可能性が高いと考えられる。本実施形態では、図5に示すように、幅広部30Aを幅:20μm×長さ:50μmの矩形形状の副領域40a,40bに分割している。このように、ダミーパターン32Aにおけるバルジ36の発生間隔(約90μm)以下の長さで、幅広部30Aを副領域に分割することにより、液状体のパターンを形成した場合において、バルジが発生するのを未然に防ぐことができるわけである。
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。
上述のようなバルジの発生は、液状体のパターンが、濡れ性や表面張力などの動力学的影響によって形状を変化させるケースの一つであるが、このようなケースの他にも特徴的な例があるので、図9を参照して説明する。図9は、本実施形態との比較例であり、液状体パターンの従来例を示す断面図である。
図9で示す液状体のパターン90は、図4(a)の想像線領域Eに相当する箇所の断面図である。図9(a)においては、幅狭部90C(図4(a)の幅狭部30Cに対応)の厚みは、幅広部90A(図4(a)の幅広部30Aに対応)の厚みに比べて、薄くなっている。また、図9(b)においては、幅狭部90Cの部分に液状体のパターンが形成できておらず、パターン90が途中で分断されたような形となっている。
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。
本実施形態では、図5に示すように、幅広部30Aの幅(20μm)で規定される副領域40a,40b、ゲート電極部30Bの幅(10μm)で規定される副領域40c、幅狭部30Cの幅(7μm)で規定される副領域40dというように、一定の幅で規定される副領域で、ゲート配線の設計パターン30を分割している。矩形形状のような一定の幅で規定可能な形状の副領域内においては、液状体は、上述のような流動を起こさず、安定した形状を維持することが可能であり、かくして、均一な膜を形成することができる。
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。
上述の説明からわかるように、液状体のパターンを形成する場合においては、その設計パターンの形状や寸法は、吐出後の液状体の挙動に大きく影響する。本発明のパターン形成方法によれば、設計パターンの形状や寸法に関わらず、副領域単位で液状体の挙動を制御することができるため、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。
(変形例1)
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。
図10に示すように、この変形例1においては、ゲート電極部30Bの幅(10μm)で規定される副領域41cが、ゲート電極部30Bから幅広部30Aの一部に延出するように設定されている。また、幅広部30Aは、20μm×20μmの正方形形状の副領域41aと、幅:20μm×長さ:70μmの矩形形状の副領域41bとを含んでいる。
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。
(変形例2)
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11に示すように、この変形例2においては、ゲート電極部30Bの幅(10μm)で規定される副領域42c,42eが、変形例1における副領域41cをY軸方向に分割したように設定されている。このように、副領域の設定は、その分割を細分化して行うことを否定するものではない。
(変形例3)
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12に示すように、この変形例3においては、幅広部30Aは、矩形形状ではない副領域43a,43bを含んでいる。このように、わずかな段差や曲線的な輪郭を有していて、厳密に矩形形状とは呼べない形状についても、客観的にほぼ一定の幅(この場合は20μm)で規定できるものについては、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。
(変形例4)
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。
図13において、電極配線の設計パターン60は、円形の副領域61aと、略矩形形状の副領域61bと、屈曲した帯形状の副領域61cと、台形形状の副領域61d,61eとを含んでいる。
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。
本発明は上述の実施形態に限定されない。例えば、設計パターンが複数の幅寸法を有する領域で構成されていたとしても、形状や膜厚分布が安定化する範囲ならば、その領域を敢えて分割しなければならないということはない。また、各実施形態の各構成は、これらを適宜組み合わせたり、省略したり、図示しない他の構成と組み合わせたりすることができる。
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。 TFT用ゲート配線の一例を示す平面図。 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。 (a)は、ゲート配線の設計パターンを示す図。(b)は、ダミーパターンの設計パターンを示す図。 ゲート配線の設計パターンの副領域分割の一例を示す図。 基板上に形成された第1の液状体のパターン(線状膜)の一部を示す平面図。 基板上に形成された第2の液状体のパターンの一部を示す平面図。 ダミー基板上に形成されたダミーパターンの一部を示す平面図。 (a),(b)は、本実施形態との比較例であり、液状体パターンの従来例を示す断面図。 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。 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。 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。 変形例4における電気配線の設計パターンの副領域分割を示す図。
符号の説明
30…機能性膜の設計パターンとしてのゲート配線の設計パターン、30A…幅広部、30B…ゲート電極部、30C…幅狭部、31…ダミーパターンの設計パターン、31A〜31C…帯状部、32A…ダミーパターン、33b,33c,33d…第1の液状体のパターン、34…機能性膜としてのゲート配線、34A…幅広部、34B…ゲート電極部、34C…幅狭部、35a〜35d…第2の液状体のパターン(主要部)、36…バルジ、38b〜38d…線状膜(線状部)、40a〜40d…副領域、41a〜41d…副領域、42a〜42e…副領域、43a〜43d…副領域、50a〜50e…境界線、60…機能性膜の設計パターンとしての電気配線の設計パターン、61a〜61e…副領域、100…液滴吐出装置、102…ヘッド機構部、103…基板機構部、104…液状体供給部、105…制御部、106…支持脚、107…定盤、110…ヘッド部、111…キャリッジ、112…キャリッジ螺合部、113…Y軸ガイド、114…Y軸モータ、120…基板、121…載置台、122…載置台螺合部、123…X軸ガイド、124…X軸モータ、130…タンク、131a…チューブ、131b…チューブ、132…ポンプ、133…液状体。

Claims (11)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 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。
  9. 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。
  10. 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。
  11. 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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