JP2008246435A

JP2008246435A - 溶液の塗布方法及び装置

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Publication number: JP2008246435A
Application number: JP2007093671A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Matsushima; 大輔松嶋
Original assignee: Shibaura Mechatronics Corp
Current assignee: Shibaura Mechatronics Corp
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2008-10-16

Abstract

【課題】、基板に溶液を塗布するに際し、今後予想される要望に対応すべく、液滴の吐出量を算出する速度、精度の更なる向上を図ること。
【解決手段】基板１に溶液を塗布する溶液の塗布方法において、基板１に塗布された液滴Ｌの厚さと、該液滴Ｌを透過する光を該液滴Ｌが吸収する吸光度との厚さ／吸光度関係を予め定め、基板１に塗布された液滴Ｌに対して照射した光の吸光度を測定し、上記液滴Ｌの厚さ／吸光度関係に基づいてこの測定した吸光度に対応する液滴Ｌの厚さを算出し、この算出した液滴Ｌの厚さに基づいて該液滴Ｌの吐出量を算出するもの。
【選択図】図３

Description

本発明は溶液の塗布方法及び装置に関する。

インクジェット式の塗布ヘッドのノズルから吐出された溶液を基板に塗布するに際し、この溶液の吐出量を測定する技術として、特許文献１に記載の如く、ノズルから吐出される溶液の液滴を高速度カメラによって撮像し、この撮像画像から液滴の投影面積を求め、投影面積から液滴の体積を概算し、ひいては液滴の吐出量を算出するものがある。
特開2005-40690号公報

本発明の課題は、基板に溶液を塗布するに際し、今後予想される要望に対応すべく、液滴の吐出量を算出する精度の更なる向上を図ることにある。

請求項１の発明は、基板に溶液を液滴にして塗布する溶液の塗布方法において、基板に塗布された液滴の厚さと、その液滴を透過する光を上記液滴が吸収する吸光度との厚さ／吸光度関係を予め定め、基板に塗布された液滴の吸光度を測定し、上記液滴の厚さ／吸光度関係に基づいてこの測定した吸光度に対応する液滴の厚さを算出し、この算出した液滴の厚さに基づいて上記液滴の吐出量を算出するようにしたものである。

請求項２の発明は、請求項１の発明において更に、上記液滴の厚さ／吸光度関係を定めるに際し、液滴の厚さの変化に対して吸光度の変動幅が大きい光の特定波長を定め、吸光度を算出しようとする液滴に適合する上記特定波長の光を用いて上記液滴の厚さを算出するようにしたものである。

請求項３の発明は、基板に溶液を液滴にして塗布する溶液の塗布装置において、基板に塗布された液滴に対して光を照射する照明装置と、照明装置から照射されて液滴を透過した光を受光する受光器と、基板に塗布された液滴の厚さと、その液滴を透過する光を上記液滴が吸収する吸光度との厚さ／吸光度関係を予め定めてなる演算制御装置とを有し、演算制御装置は、受光器の受光結果を用いて、基板に塗布された液滴の吸光度を測定し、上記液滴の厚さ／吸光度関係に基づいてこの測定した吸光度に対応する液滴の厚さを算出し、この算出した液滴の厚さに基づいて上記液滴の吐出量を算出可能にするようにしたものである。

請求項４の発明は、請求項３の発明において更に、記演算制御装置が、液滴の厚さ／吸光度関係を定めるに際し、液滴の厚さの変化に対して吸光度の変動幅が大きい光の特定波長を定め、吸光度を算出しようとする液滴に適合する上記特定波長の光を用いて上記液滴の厚さを算出可能にし、上記照明装置は、上記特定波長の光を液滴に対して照射可能にするようにしたものである。

請求項５の発明は、請求項３又は４の発明において更に、上記液滴を透過した光を上記受光器に導くとともに、上記受光器に対する外乱光の侵入を排除する外乱光遮蔽手段を備えてなるようにしたものである。

本発明によれば、液滴の厚さの増減に応じて増減する吸光度を用いて溶液の吐出量を測定するようにしたので、基板に塗布された液滴の厚さにばらつきがあっても精度良く溶液の吐出量を測定することができる。これにより、溶液の吐出量を正確に調整することができ、基板に対する溶液の塗布精度を向上させることができる。

図１は溶液の塗布装置を示す模式図、図２は光の波長と液滴の厚さ／吸光度関係を模式的に示す線図、図３は液滴の吐出量測定装置を示す模式図、図４は液滴のある走査ライン上における吸光度と厚さを示す模式図、図５は光の特定波長における液滴の厚さ／吸光度関係を示す線図である。

図１に示した溶液塗布装置１０は、インクジェット式の塗布ヘッド１１の下方を相対移動するテーブル１２に搭載された基板１に、塗布ヘッド１１のノズルから吐出された溶液を塗布する。溶液は、例えば、ポリイミド溶液であり、基板１上に配向膜を形成する。塗布装置１０は、基板１の上に均一な膜厚をなす溶液の薄膜を形成するため、塗布ヘッド１１のノズルから吐出された液滴の吐出量を測定する液滴吐出量測定装置２０を有する。

液滴吐出量測定装置２０は、液滴の吸光度を利用し、液滴の厚さを算出し、ひいては液滴の吐出量を算出するものである。溶液等の物体を光が通過すると通過前よりも光が弱くなる。これは、溶液中に含まれる物質によって光が吸収されるためであり、このような、溶液が光を吸収する度合いを「吸光度」という。溶液の吸光度Ａは、液滴の厚さを「ｔ」、溶液の濃度を「Ｃ」とした場合、Ａ＝ｋ×ｔ×Ｃの関係となる。「ｋ」は比例定数である。従って、溶液の濃度Ｃが一定であれば、吸光度Ａを測定すればその液滴の厚さｔが分かることになる。液滴吐出量測定装置２０は、この関係を利用して液滴の厚さｔを測定し、その厚さｔから液滴の体積（吐出量）を算出するものである。

ところで、溶液の吸光度Ａは、溶液や光の波長の条件によって、「ｋ」が変わる。
例えば、溶液の品種が同じであっても、波長λ1の光は液滴の厚さｔの変化に対して吸光度Ａが殆んど変化せず、波長λ2の光は液滴の厚さｔが変わると吸光度Ａが大きく変動する、といったことがある。

そこで、液滴吐出量測定装置２０で液滴の吐出量の測定を行なう際には、まず、測定対象の溶液に対して照射する光の波長λを選定する必要がある。

光の波長λの選定は、次のような手順で作業者が行なう。
まず、厚さｔ1の溶液層に対して白色光を照射して波長λと吸光度Ａとの関係を取得する。これは、例えば作業者が吸光光度計を用いて行なう。厚さｔ1の溶液層は、例えば、間隔ｔ1を有する容器中に溶液を充填することで形成する。

同様の要領で、厚さｔ1とはそれぞれ異なる厚さの溶液層について、波長λと吸光度Ａとの関係を取得する。例えば、図２に示す如く、厚さｔ1の溶液層の他に厚さｔ2、ｔ3の溶液層について波長λと吸光度Ａとの関係を取得したとする。図２では、実線が厚さｔ1の溶液層から得た波長λと吸光度Ａとの関係を表すグラフ、破線は厚さｔ2の溶液層から得たグラフ、一点鎖線は厚さｔ3の溶液層から得たグラフである。

取得した３つのグラフから溶液層の厚さの変化に対して吸光度Ａの変動幅の大きい波長λを調べる。図２の場合、波長λaにおいて、溶液層の厚さの変化に対する吸光度Ａの変動幅が大きいことが分かる。そこで、今回の溶液に照射する光として、この特定波長λaの光を選定する。

以下、液滴吐出量測定装置２０の具体的構成について説明する。
液滴吐出量測定装置２０は、本実施例にあっては、塗布装置１０に組込まれており、塗布装置１０において実際に溶液を塗布される基板１の製品にならない余白部分に塗布された溶液の吐出量を測定する。液滴は、塗布ヘッド１１の１つのノズルから１回の噴射によって吐出されたものである。塗布装置１０には、塗布ヘッド１１が複数個配置されていて、各塗布ヘッド１１には複数個のノズルが設けられているので、基板１上にはノズルの数分の液滴が塗布される。塗布ヘッド１１の各ノズルからの溶液の吐出、塗布ヘッド１１と基板１との相対位置の調整等は、塗布装置１０が備えた制御装置が行なう。

液滴吐出量測定装置２０は、図３に示す如く、照明装置２１と受光器としてのＣＣＤカメラ２２と、画像処理装置２３と、演算制御装置２４とを有する。

照明装置２１は、基板１に塗布された液滴に対して光を照射する。このとき、演算制御装置２４は、基板１に塗布された液滴Ｌの厚さｔと、その液滴Ｌを透過する光を液滴Ｌが吸収する吸光度Ａとの前述した液滴Ｌの厚さ／吸光度関係を予め定めてあり、特に、前述した如くに、液滴Ｌの厚さの変化に対して吸光度Ａの変動幅が大きい光の特定波長λaを定め、吸光度Ａを算出しようとする今回の液滴Ｌに適合する上記特定波長λaの光を用いて液滴Ｌの厚さを算出可能にする。そして、照明装置２１は、上記特定波長λaの光を液滴Ｌに対して照射可能にするように、その特定波長λaの光を発光可能なＬＥＤ２１Ａが選定されて構成されるものとする。照明装置２１は、ＬＥＤ２１Ａが照射する光を平行光にする拡散板２１Ｂを備え、液滴Ｌに対する照射光の光強度分布を均一にする。

尚、照明装置２１は、液滴Ｌに対して特定波長λaの光を照射するため、白色光の光源にバンドパスフィルタを設けても良い。バンドパスフィルタとは、必要な波長域の光を透過し、不要な波長域の光を反射や吸収によりカットする帯域透過フィルタであり、ここでのバンドパスフィルタは波長λaの光を効率良く通し、それ以外の波長の光を遮断するものである。尚、溶液に照射する光の波長λを変更するときは、その波長λに合せてバンドパスフィルタを交換する。使用が予定されている溶液毎に照射する光の波長λを予め選定し、それらの波長λに対応するバンドパスフィルタを設けておき、これらを使用する溶液に合せて切替えて使用するようにすることもできる。

ＣＣＤカメラ２２は、基板１（透明のガラス基板等）とその基板１に塗布された溶液の液滴を透過した照明装置２１の光を受光素子により受光することで撮像する。ＣＣＤカメラ２２の受光素子により撮像された画像は図４（Ａ）に示す如くになり、この画像の撮像信号は画像処理装置２３に送られる。

ＣＣＤカメラ２２は、図３に示す如く、外乱光遮蔽手段２２Ａを伴なうことができる。外乱光遮蔽手段２２Ａは、照明装置２１から照射されて基板１、液滴Ｌを透過した光をＣＣＤカメラ２２に導く一端開口の箱状をなし、ＣＣＤカメラ２２に対する外乱光の侵入を排除する。照明装置２１から照射される特定波長以外の余分な光を遮蔽する。照明装置２１の照射光は無用に散乱すると、ノイズになるから、外乱光遮蔽手段２２Ａは、可視光に対するつや消し黒のような、光に対して反射率や透過率が低い表面状態の材質にて構成される。

画像処理装置２３は、ＣＣＤカメラ２２の撮像画像中の液滴部分に対応する受光素子からの出力信号をそれぞれ検出し、撮像画像を構成する画素位置と対応させて演算制御装置２４の記憶部に記憶させる。受光素子は、受光した光の強さに応じた階調（例えば、256階調）の信号を出力する。また、通常、ＣＣＤカメラ２２の受光素子とそれによる撮像画像を構成する画素とは、１対１で対応している。従って、画像処理装置２３の記憶部には、ＣＣＤカメラ２２の受光素子毎に256階調の情報が記憶されることになる。

演算制御装置２４は、ＣＣＤカメラ２２の受光素子からの出力信号（階調）から受光素子毎にその出力信号に対応する吸光度Ａを求める。吸光度Ａは、照明装置２１から照射された光を、液滴が滴下されていない基板を通して受光したときの受光素子の出力信号の大きさ（階調値）をＩＯ、基板と液滴を通して受光したときの受光素子の出力信号の大きさ（階調値）をＩ、照明装置２１から光を照射させない状態での受光素子の出力信号の大きさ（階調値）をＩｄとしたとき、Ａ＝ｌｏｇ（ＩＯ−Ｉｄ）／（Ｉ−Ｉｄ）（対数は常用対数）で表わすことができる。従って、吸光度Ａは、予め測定しておいた液滴が塗布されていない基板１に向けて照明装置２１から照射された光を受光したときの各受光素子の出力信号及び照明装置２１から光を照射させない状態での受光素子の出力信号と、液滴が塗布された基板１に向けて照明装置２１から照射された光を受光したときの各受光素子の出力信号とから、上述の式より求めることができる。受光素子毎に求めた吸光度Ａは、受光素子毎の出力信号と合わせて記憶部に記憶させる。尚、液滴の背景部分（画像中の液滴以外の部分）に対応するＣＣＤカメラ２２の受光素子からの出力信号については、吸光度Ａが０（ゼロ）或いはそれに近い値となるので、予め閾値を定めておくことで記憶部に記憶するデータから省く。図４（Ｂ）は、ＣＣＤカメラ２２の受光素子により撮像された液滴部分に対応する画像（図４（Ａ））における中央の走査ラインＳ上にて求めた、受光素子の位置毎の吸光度Ａを示すものである。

演算制御装置２４は、ＣＣＤカメラ２２により撮像された液滴部分に対応する画像の受光素子の位置毎の液滴Ｌの吸光度Ａを求めた後、予め定めてある前述の液滴Ｌの厚さｔ／吸光度Ａの関係（図５）に基づいて、受光素子の位置毎に吸光度Ａに対応する液滴Ｌの厚さｔを算出する。そして、「求めた厚さｔ」に「撮像画像内における１画素当たりの面積」を乗じて求めた積を積算して「液滴の体積（吐出量）」を算出する。図４（Ｃ）は、ＣＣＤカメラ２２の受光素子により撮像された液滴部分に対応する画像（図４（Ａ））のある走査ラインＳ上にて求めた、受光素子の位置毎の液滴Ｌの厚さｔを示すものである。

演算制御装置２４は、塗布ヘッド１１のノズルから吐出された液滴Ｌの吐出量を算出したならば、算出した吐出量と目標とする吐出量とを比較する。比較の結果、算出した吐出量が目標吐出量の許容値から外れていたら、許容値内となるように吐出量を調整（塗布ヘッド１１においてノズルから溶液を吐出させるための圧電素子に印加する電圧を調整）する。吐出量の調整が済んだら、再度吐出量を測定して吐出量の確認を行なう。吐出量が目標吐出量の許容値内になるまで、この動作を繰り返し行なう。これを塗布ヘッド１１の各ノズルから吐出された液滴に対して行なう。

尚、液滴吐出量測定装置２０にあっては、液滴の吐出量の管理を体積で行なう代わりに重量で行なっても良い。この場合、液滴の体積と重量との関係を予め求めておき、体積を重量に換算する。液滴の体積と重量との関係は、吐出量の異なる複数の液滴について測定し、上述の演算制御装置２４と電子天秤とでそれぞれを用いて測定した測定結果から求めることができる。

液滴吐出量測定装置２０によれば、ＣＣＤカメラ２２が撮像した液滴部分に対応する受光素子の位置毎に溶液層の厚さｔが分かるので、このデータから液滴Ｌの３次元形状や断面形状をモニタに表示させることができる。また、液滴Ｌの断面形状を表示させる場合、液滴Ｌ上における断面の位置や方向は、任意に選択することができる。

また、液滴部分に対応する受光素子からの出力信号だけを記憶部に記憶するようにしたので、記憶部にデータが記憶された受光素子数に撮像画像内における１画素当たりの面積を乗じることで容易に液滴の投影面積を求めることができる。また、記憶部に記憶された受光素子の位置のデータから液滴の平面形状を求めることができる。更に、記憶部に記憶された受光素子の位置のデータと受光素子の位置毎の溶液層の厚さｔのデータとから液滴の重心を求めることができる。

液滴吐出量測定装置２０は、同一の液滴Ｌについてタイミングを変えて経時的に複数回、ＣＣＤカメラ２２の受光素子の位置毎に溶液層の厚さｔを測定することもできる。このようにすると、基板１上での溶液の経時的な広がり状況を検出することができる。

本実施例によれば以下の作用効果を奏する。
(a)液滴の吸光度Ａから液滴の厚さｔを算出し、ひいては液滴の吐出量を算出するものであるから、１回の吐出によって塗布される液滴が、μｇ（マイクログラム）やｎｇ（ナノグラム）単位の液滴であっても、基板１上の塗布された液滴を例えばＣＣＤカメラ２２で撮像することができさえすれば、塗布された液滴の吐出量を測定することができる。従って、溶液をｎ回続けて吐出しｎ滴分まとめた溶液の重量を測定し、その重量をｎで等分して１回当たりの溶滴の平均的吐出量を得るといったことを行なわなくとも、１回の吐出によって吐出された溶滴の吐出量を測定することができる。吐出量の測定のために用いる溶液の総量を減少させることができ、溶液を無駄に使用することが防止できる。

(b)ＣＣＤカメラ２２による撮像画像中の液滴部分に対応する受光素子毎に液滴の厚さｔを測定し、その厚さｔの積算値から液滴の体積、ひいては吐出量を算出している。そのため、撮像した液滴における溶液層の厚い部分、薄い部分を知ることができるので、液滴の撮像面積が同じであっても溶液層の厚さが異なれば液滴の体積は異なる値として測定することができる。従って、液滴の撮像画像の投影面積から体積、ひいては吐出量を概算するものに比べ、液滴の吐出量の測定精度が向上する。

また、受光素子毎に測定した液滴の厚さｔの積算値から液滴の吐出量を算出するので、塗布された液滴の３次元的な形状が塗布毎にバラツキを有する場合でも、その影響を受けることなく、液滴の吐出量を正確に測定し調整することができる。

(c)液滴の厚さの変化に対して吸光度Ａの変動幅の大きい波長λの光を選定し、その光を用いて液滴の厚さを測定するようにしたので、液滴の厚さの僅かな変化でも吸光度Ａが変化するものになり、液滴の厚さを細かく測定することができる。従って、液滴の厚さｔの測定精度を向上させることができる。このことから、塗布ヘッド１１の各ノズルから吐出される液滴の吐出量を正確に調整することができ、基板１上に溶液の液滴を均一な塗布量で塗布することが可能となり、基板１上に薄膜を均一な膜厚で品質良く形成することができる。

また、ポリイミド溶液のような透明度の高い溶液の場合であっても、その溶液に関して吸光度Ａの変動幅の大きい波長λの光を選定することで、液滴の厚さを精度良く測定することができるので、液滴の吐出量を正確に調整することができる。

(d)外乱光遮蔽手段２２Ａにより、液滴を透過した光をＣＣＤカメラ２２に導くとともに、ＣＣＤカメラ２２に対する外乱光の侵入を排除する。従って、吸光度の測定に有用な波長の光だけをＣＣＤカメラ２２に導き、余分な波長の光を遮蔽できるし、ノイズになる照明光の無用な散乱を防ぎ、液滴の吐出量の測定精度を向上できる。

また、外乱光遮蔽手段２２Ａにより基板１及び液滴を透過した光が周囲に拡散することを防ぐことができる。そのため、照明装置２１が照射する光として紫外領域の波長の光を用いた場合でも、テーブル１２に設けられた基板支持用の突起（不図示）等のシリコンゴム等の弾性材で形成された部材に拡散した紫外光が照射されることが防止されるので、それらの弾性材の劣化が促進されることを防ぐことができる。

以上、本発明の実施例を図面により詳述したが、本発明の具体的な構成はこの実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。例えば、液滴吐出量測定装置２０は、検査専用の基板に溶液を塗布し、この液滴をＣＣＤカメラ２２により撮像してその吐出量を測定しても良い。検査用の基板が吸光してしまう場合もあるから、基板による吸光度を予め把握しておき、溶液の吸光度を補正すると良い。

また、受光器としてＣＣＤカメラ２２を用いた例で説明したが、これに限らず、他の受光器、例えば、複数の受光素子を一列に配列したラインセンサ等の受光器を用いても良い。この場合、ラインセンサを基板上に滴下された液滴を横切るように走査させて液滴の吸光度を測定するようにすると良い。

また、溶液として、ポリイミド溶液を用いた例で説明したが、他の溶液、例えば、カラーフィルターの形成に用いる着色インクや、レジスト膜の形成に用いるレジスト溶液を用いても良い。

図１は溶液の塗布装置を示す模式図である。図２は光の波長と液滴の厚さ／吸光度関係を模式的に示す線図である。図３は液滴の吐出量測定装置を示す模式図である。図４は液滴のある操作ライン上における吸光度と厚さを示す模式図である。図５は光の特定波長における液滴の厚さ／吸光度関係を示す線図である。

符号の説明

１基板
１０塗布装置
１１塗布ヘッド
２０液滴吐出量測定装置
２１照明装置
２２ＣＣＤカメラ
２２Ａ外乱光遮蔽手段
２３画像処理装置
２４演算制御装置

Claims

基板に溶液を液滴にして塗布する溶液の塗布方法において、
基板に塗布された液滴の厚さと、その液滴を透過する光を上記液滴が吸収する吸光度との厚さ／吸光度関係を予め定め、
基板に塗布された液滴の吸光度を測定し、上記液滴の厚さ／吸光度関係に基づいてこの測定した吸光度に対応する液滴の厚さを算出し、この算出した液滴の厚さに基づいて上記液滴の吐出量を算出する溶液の塗布方法。
上記液滴の厚さ／吸光度関係を定めるに際し、液滴の厚さの変化に対して吸光度の変動幅が大きい光の特定波長を定め、
吸光度を算出しようとする液滴に適合する上記特定波長の光を用いて上記液滴の厚さを算出する請求項１に記載の溶液の塗布方法。
基板に溶液を液滴にして塗布する溶液の塗布装置において、
基板に塗布された液滴に対して光を照射する照明装置と、
照明装置から照射されて液滴を透過した光を受光する受光器と、
基板に塗布された液滴の厚さと、その液滴を透過する光を上記液滴が吸収する吸光度との厚さ／吸光度関係を予め定めてなる演算制御装置とを有し、
演算制御装置は、受光器の受光結果を用いて、
基板に塗布された液滴の吸光度を測定し、上記液滴の厚さ／吸光度関係に基づいてこの測定した吸光度に対応する液滴の厚さを算出し、この算出した液滴の厚さに基づいて上記液滴の吐出量を算出可能にする溶液の塗布装置。
上記演算制御装置が、液滴の厚さ／吸光度関係を定めるに際し、液滴の厚さの変化に対して吸光度の変動幅が大きい光の特定波長を定め、吸光度を算出しようとする液滴に適合する上記特定波長の光を用いて上記液滴の厚さを算出可能にし、
上記照明装置は、上記特定波長の光を液滴に対して照射可能にする請求項３に記載の溶液の塗布装置。
上記液滴を透過した光を上記受光器に導くとともに、上記受光器に対する外乱光の侵入を排除する外乱光遮蔽手段を備えてなる請求項３又は４に記載の溶液の塗布装置。