JP2010066477A - 液滴塗布装置及び液滴塗布方法 - Google Patents

Abstract

【課題】塗り残しの発生を抑え、品質の良い塗布を行うことができる液滴塗布装置を提供する。
【解決手段】液滴塗布装置において、塗布面Ｋａを有する塗布対象物Ｋを収容する収容室１１と、収容室１１内に溶媒蒸気を供給する溶媒供給部１３と、溶媒が結露した塗布面Ｋａに向けて液滴を吐出する塗布ヘッドとを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、塗布対象物に液滴を吐出して塗布する液滴塗布装置及び液滴塗布方法に関する。

液滴塗布装置は、液晶表示装置や有機ＥＬ（Electro Luminescence）表示装置などの表示装置あるいは半導体装置などを製造する場合、例えば、カラーフィルタを形成する場合（例えば、特許文献１参照）、あるいは、ガラス基板や半導体ウェハなどの基板に配向膜やレジストなどの機能性薄膜を形成する場合に用いられている。

この液滴塗布装置は、基板などの塗布対象物に向けてインクなどの塗布液を複数の吐出孔（ノズル）からそれぞれ液滴として吐出（噴射）する塗布ヘッドを備えている。液滴塗布装置は、塗布ヘッドと塗布対象物とを相対移動させながら、その塗布ヘッドにより塗布対象物の塗布面に複数の液滴を順次着弾させ、所定の塗布パターンを形成する。

このような液滴塗布装置を用いてカラーフィルタを製造する場合には、カラーフィルタ製造用の基板に対して液滴が塗布される。すなわち、赤、緑及び青の着色インクが液滴として、カラーフィルタ製造用の基板の表面であって格子状の隔壁（ブラックマトリクス）により区分された凹部内に塗布され、その凹部内に着色層（塗布膜）が形成される。なお、凹部は平面視において長方形をしており、この凹部が液晶表示パネルにおける一つの画素（サブピクセル）に対応する。

カラーフィルタの製造工程においては、液滴が隔壁を越えて混色が発生したり、液滴が凹部内で十分に濡れ拡がらずに色抜けが発生したりすることがある。このため、ブラックマトリクスなどの隔壁には撥液性（撥インク性）が求められており、さらに、凹部の底面となる基板表面には親液性（親インク性）が求められている。そこで、隔壁の撥液性向上のため、隔壁にフッ素系材料がスピンコートやスプレーコートによって塗布されたり、あるいは、凹部底面の親液性向上のため、エネルギー線が凹部の底面に照射されたりする（例えば、特許文献１参照）。
特開平９−２３０１２９号公報

しかしながら、隔壁にフッ素系材料を塗布すると、隔壁の撥液性は向上するが、凹部の底面における隔壁近傍付近の撥液性も上がってしまい、その部分の濡れ性が低くなるため、塗り残しが発生してしまう。また、エネルギー線の照射を制御して隔壁の撥液性を維持しながら凹部の底面の親液性を向上させることは困難であるため、塗り残しが発生してしまうことがある。この塗り残しは、表示装置における色抜けや色ムラなどの要因となる。

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、塗り残しの発生を抑え、品質の良い塗布を行うことができる液滴塗布装置及び液滴塗布方法を提供することである。

本発明の実施の形態に係る第１の特徴は、液滴塗布装置において、塗布面を有する塗布対象物を収容する収容室と、収容室内に溶媒蒸気を供給する溶媒供給部と、溶媒が結露した塗布面に向けて液滴を吐出する塗布ヘッドとを備えることである。

本発明の実施の形態に係る第２の特徴は、液滴塗布方法において、塗布面を有する塗布対象物を溶媒雰囲気中に放置して塗布面に溶媒を結露させる工程と、溶媒が結露した塗布面に向けて液滴を吐出する工程とを有することである。

本発明によれば、塗り残しの発生を抑え、品質の良い塗布を行うことができる。

本発明の実施の一形態について図面を参照して説明する。

図１に示すように、本発明の実施の形態に係る液滴塗布装置１は、基板Ｋを前処理する基板処理装置１ａと、前処理済の基板Ｋに向けて液滴を吐出する液滴吐出装置１ｂと、基板処理装置１ａ及び液滴吐出装置１ｂを制御する制御装置１ｃとにより構成されている。

基板処理装置１ａは、図２に示すように、開閉可能な扉１１ａを有する収容室１１と、その収容室１１内に設けられ塗布対象物としての基板Ｋが水平状態で載置されるステージ１２と、収容室１１内に溶媒蒸気を供給する溶媒供給部１３とを備えている。

収容室１１は、開閉可能に形成されたスライドドアなどの扉１１ａを有している。この扉１１ａから基板Ｋが収容室１１内のステージ１２上にロボットハンドリングなどの搬送装置により載置される。その後、扉１１ａが閉じられた状態で収容室１１内に溶媒蒸気が溶媒供給部１３により供給される。

ステージ１２は、基板Ｋが載置される載置面１２ａを有している。この載置面１２ａには、突没可能な複数の支持ピンが設けられている。これらの支持ピンは、ロボットハンドリングなどの搬送機器により基板Ｋがステージ１２の載置面１２ａ上に載置される場合に突出し、基板Ｋを支持した後に載置面１２ａよりも下に下降して基板Ｋをステージ１２の載置面１２ａ上に載せる。

溶媒供給部１３は、溶媒を貯留するタンクなどの貯留部１３ａと、その貯留部１３ａと収容室１１とを連通するパイプなどの供給管１３ｂと、貯留部１３ａを加熱するホットプレートなどの加熱器１３ｃとを具備している。この溶媒供給部１３は、加熱器１３ｃにより貯留部１３ａ内の溶媒を加熱して溶媒蒸気を生成し、生成した溶媒蒸気を収容室１１内に供給管１３ｂを介して供給する。これにより、収容室１１内の雰囲気は、溶媒雰囲気となり、この雰囲気内に基板Ｋを所定時間放置することにより、基板Ｋの表面である塗布面Ｋａには、溶媒が結露して付着する。

すなわち、溶媒蒸気は、加熱器１３ｃによる加熱によって所定の温度（室温以上の温度）に加熱されており、一方、基板Ｋはほぼ室温であり、溶媒蒸気に比べて基板Ｋの温度が低いので、基板Ｋに接した溶媒蒸気は基板Ｋに熱を奪われて冷却され、気化した溶媒が結露して塗布面Ｋａに付着する。なお、溶媒としては、液滴吐出装置１ｂで用いられる塗布液の溶媒と同じ種類の溶媒を用いるが、これに限るものではなく、他の溶媒でもよい。なおこのとき、基板Ｋを室温よりも低い温度に冷却しておくと、溶媒蒸気と塗布面Ｋａの温度差が大きくなり、溶媒の結露が促進されることになるので、好ましい。したがって、ステージ１２には、基板Ｋを冷却する冷却装置を内蔵させておくとよい。

液滴吐出装置１ｂは、図３に示すように、塗布面Ｋａに溶媒が結露した基板Ｋが水平状態（図３中、Ｘ軸方向とそれに直交するＹ軸方向に沿う状態）で載置されるテーブル２１と、そのテーブル２１を保持してＸ軸方向及びＹ軸方向に移動させる移動機構２２と、テーブル２１上の基板Ｋに向けてインクなどの塗布液を液滴として吐出する複数の塗布ヘッド２３と、各塗布ヘッド２３を支持するコラムなどの支持部材２４と、移動機構２２や支持部材２４を支持する架台２５とを備えている。

テーブル２１は、移動機構２２上に積層され、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に移動可能に設けられている。テーブル２１には、基板Ｋが自重により載置されるが、これに限るものではなく、例えば、その基板Ｋを保持するため、静電チャックや吸着チャックなどの機構を設けるようにしてもよい。

移動機構２２は、テーブル２１をＸ軸方向に案内して移動させるＸ軸移動機構及びテーブル２１をＸ軸移動機構と共にＹ軸方向に案内して移動させるＹ軸移動機構により構成されている。Ｘ軸移動機構及びＹ軸移動機構としては、例えば、リニアモータを駆動源とするリニアモータ移動機構やモータを駆動源とする送りネジ移動機構などを用いる。

塗布ヘッド２３は、インクなどの塗布液を複数の吐出孔（ノズル）からそれぞれ液滴として吐出するインクジェットヘッドである。この塗布ヘッド２３は、液滴を吐出するための各吐出孔にそれぞれ対応する複数の圧電素子を内蔵している。各吐出孔は、所定のピッチ（間隔）で直線状に並べて塗布ヘッド２３の吐出面に形成されている。例えば、吐出孔の数は数十個から数百個程度であり、吐出孔の直径は数μｍから数十μｍ程度であり、さらに、吐出孔のピッチは数十μｍから数百μｍ程度である。

このような塗布ヘッド２３は、各圧電素子に対する駆動電圧の印加に応じて各吐出孔から塗布液を液滴として吐出する。塗布液は、その塗布液を貯留するタンクから供給される。この塗布液は溶液であり、基板Ｋ上に残留物として残留する溶質とその溶質を溶解（分散）させる揮発性の溶媒とにより構成されている。例えば、塗布液として、赤色、緑色及び青色の３種類のインクを用いた場合には、色毎の３つのタンクがあり、各色の溶液がそれぞれ対応する塗布ヘッド２３に供給される。

制御装置１ｃは、基板処理装置１ａ及び液滴吐出装置１ｂが備える各部（加熱器１３や移動機構２２、塗布ヘッド２３など）の駆動を制御する。この制御装置１ｃは各種情報を記憶する記憶部Ｍ及び時間を計測する計測器Ｔを備えており、その計測器Ｔを用いてブラックマトリクスＢＭ上の溶媒が蒸発完了するのに要する予め設定された時間を計測する。なお、その設定時間は記憶部Ｍに予め記憶されている。

次に、前述の液滴塗布装置１が行う前処理動作及び塗布動作（液滴塗布方法）について説明する。なお、液滴塗布装置１が備える制御部が各種のプログラムに基づいて前処理及び塗布処理を実行する。ここでは、液滴塗布装置１を用いてカラーフィルタ製造用の基板Ｋに塗布膜として着色層を形成する場合について説明する。

図４に示すように、製造工程は、前述の基板処理装置１ａを用いてカラーフィルタ製造用の基板Ｋを溶媒雰囲気中に放置する前処理工程（ステップＳ１）と、溶媒が結露した基板Ｋに対して前述の液滴吐出装置１ｂを用いて塗布を行う塗布工程（ステップＳ２）とを有している。

ステップＳ１の前処理工程では、まず、カラーフィルタ製造用の基板Ｋがロボットハンドリングなどの搬送機器により基板処理装置１ａの収容室１１内に開状態の扉１１ａによる開口部を介して入れられ、収容室１１内のステージ１２上に載置される。次いで、溶媒蒸気が溶媒供給部１３により収容室１１内に供給され、収容室１１内の雰囲気が溶媒雰囲気となる。その後、ステージ１２上の基板Ｋが数分から数十分の所定時間だけ溶媒雰囲気中に放置される。これにより、溶媒が基板Ｋの塗布面Ｋａに結露することになる。

ここで、図５に示すように、カラーフィルタ製造用の基板Ｋの塗布面Ｋａには、格子状の隔壁（凸部）としてのブラックマトリクスＢＭが形成されている。このブラックマトリクスＢＭは、接触角が例えば６０度程度の撥液性（撥インク性）を有しており、カラーフィルタの赤色、緑色及び青色の各画素を囲む格子状の黒色部分である。ブラックマトリクスＢＭで囲まれた複数の凹部の各々の底面がカラーフィルタの各画素領域にそれぞれ対応する塗布区画Ｇとなる。これらの塗布区画Ｇ、すなわち各凹部の底面は親液性（親インク性）を有している。なお、塗布区画Ｇは平面視において長方形をしており、この塗布区画Ｇが表示パネルにおける一つの画素（サブピクセル）に対応する。

前述の前処理工程により、図５に示すように、ブラックマトリクスＢＭ以外の各塗布区画Ｇには、溶媒が結露して複数の微少な液滴Ｅとして付着する。なお、図５では、各塗布区画Ｇに結露した溶媒（各液滴Ｅ）は残っており、ブラックマトリクスＢＭに結露した溶媒は蒸発して無くなっている状態が示されている。

ブラックマトリクスＢＭ上の接触角は塗布区画Ｇ上より高いため、結露した溶媒の液滴の表面積はブラックマトリクスＢＭの方が塗布区画Ｇに比べ大きくなる。このため、ブラックマトリクスＢＭ上の液滴の方が塗布区画Ｇ上の液滴Ｅより蒸発しやすい。したがって、ブラックマトリクスＢＭと塗布区画Ｇとにおいて溶媒が蒸発する時間差が利用され、ブラックマトリクスＢＭ上の溶媒が蒸発し、塗布区画Ｇ上の溶媒が蒸発する前、すなわち図５に示す状態で塗布が行われる。

このとき、塗布ヘッド５は、ブラックマトリクスＢＭ上の溶媒の蒸発が完了する時間だけ待機し、その時間が経過した場合に塗布を行う。したがって、液滴塗布装置１を制御する制御装置１ｃは、基板Ｋが基板処理装置１ａの収容室１１からロボットハンドリングによって取り出された後、例えば、ロボットハンドリングが載置面１２ａ上から溶媒が結露した基板Ｋを受け取った時点からの経過時間を計測する計測器Ｔにより、ブラックマトリクスＢＭ上の溶媒が蒸発完了するのに要する予め設定された時間を計測する。そして、計測時間が設定時間に達したことをもって、ブラックマトリクスＢＭ上の溶媒が蒸発し、塗布区画Ｇ上の溶媒がいまだ蒸発していない状態となったと判別し（判別手段）、液滴吐出装置１ｂによる塗布を実行する。

ただし、ブラックマトリクスＢＭ上に溶媒が残っていても、ブラックマトリクスＢＭの撥液性が十分あって問題が生じない場合には、ブラックマトリクスＢＭ上の溶媒が蒸発することを待ってから塗布を行う必要はなく、とにかく塗布区画Ｇ上の溶媒が蒸発する前に塗布が行われればよい。

ステップＳ２の塗布工程では、溶媒が結露した状態（図５に示す状態）の基板Ｋがテーブル２１上に載置され、各塗布ヘッド２３により塗布液が液滴として吐出され、基板Ｋの塗布面Ｋａに塗布される。詳しくは、赤、緑及び青の着色インクが各塗布区画Ｇに対して選択的に吐出され、それらの塗布区画Ｇに所定の色の着色層（塗布膜）が形成される。赤、緑及び青の着色層は、塗布区画Ｇの列方向（Ｙ軸方向）に同色で行方向（Ｘ軸方向）に赤、緑、青が順に繰り返されるように形成される。

このとき、全ての塗布区画Ｇには、溶媒の結露による各液滴Ｅが存在しており、塗布区画Ｇに着弾した塗布液の液滴は各液滴Ｅにより案内されるように拡がっていき、塗布液の溶質が塗布区画Ｇの全体に隙間無く、すなわちブラックマトリクスＢＭの近傍にまで拡がる。これにより、塗り残しがなくなるので、色抜けや色ムラなどの発生を防止することができる。また、液滴は均一に拡がって着色層の厚さも均一になるので、色ムラの発生を確実に防止することができる。

さらに、エネルギー線の照射により親液性を制御する場合に比べ、基板Ｋの塗布面Ｋａの表面に溶媒蒸気を供給すればよく、濡れ性を容易に向上させることができる。また、基板Ｋの塗布面Ｋａに親液性がない場合でも、塗布面Ｋａに着弾した塗布液の液滴を溶媒の結露による各液滴Ｅにより塗布区画Ｇの全体に均一に拡げることができる。

以上説明したように、本発明の実施の形態によれば、塗布面Ｋａを有する基板Ｋを溶媒雰囲気中に放置して塗布面Ｋａに溶媒を結露させ、その後、溶媒が結露した塗布面Ｋａに向けて塗布液の液滴を吐出することによって、塗布面Ｋａに着弾した塗布液の液滴は、溶媒の結露による各液滴Ｅにより案内されるように拡がっていくので、溶媒の結露による各液滴Ｅが存在しない場合に比べ、塗布面Ｋａに着弾した液滴は均一に拡がりやすくなる。これにより、塗り残しの発生を抑えることができ、さらに、塗布膜の厚さ不良の発生も抑えることができる。その結果、液滴塗布装置１による塗布を品質良く行うことができ、生産されるカラーフィルタ基板の品質を向上させることができる。

また、塗布面Ｋａは、複数の塗布区画Ｇと、それらの塗布区画Ｇを区分する撥液性の隔壁としてのブラックマトリクスＢＭとを有しており、塗布工程では、溶媒が結露した塗布区画Ｇ毎に液滴を着弾させることから、塗布液の液滴が塗布区画Ｇの全体に隙間無く、すなわちブラックマトリクスＢＭの近傍まで十分に拡がることになる。これにより、各塗布区画Ｇの外縁付近で塗り残しが生じることが防止されるので、色抜けや色ムラなどの発生を確実に抑えることができる。特に、液滴は均一に拡がって着色層の厚さも均一になるので、色ムラの発生を確実に防止することができる。

また、ブラックマトリクスＢＭに結露した溶媒が蒸発した後に、溶媒が結露した塗布区画Ｇ毎に液滴を着弾させることから、ブラックマトリクスＢＭの撥液性を低下させることなく、塗布を行うことが可能となる。これにより、液滴がブラックマトリクスＢＭを乗り越えることが無くなるので、混色の発生を確実に防止することができ、さらに、着色層の厚さを確実に均一にすることができる。

（他の実施の形態）
なお、本発明は、前述の実施の形態に限るものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。例えば、前述の実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施の形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。

前述の実施の形態においては、塗布ヘッド２３に対して基板Ｋを移動させるようにしているが、これに限るものではなく、基板Ｋに対して塗布ヘッド２３を移動させるようにしてもよく、要は、塗布ヘッド２３と基板Ｋとを相対移動させるようにすればよい。

また、基板Ｋが収容室１１からロボットハンドリングによって取り出された後の経過時間から、ブラックマトリクスＢＭ上の溶媒の蒸発完了を判別するものとしたが、これに限られるものではなく、他の手段、例えば、撮像装置で溶媒が結露した塗布面Ｋａを撮像した画像から、ブラックマトリクスＢＭ上の溶媒の蒸発完了を判別するようにしても良い。すなわち、液滴塗布装置１ｂに塗布面Ｋａを撮像するカメラを設けておき、基板Ｋがテーブル２１上に載置された後、塗布面ＫａのブラックマトリクスＢＭの画像をカメラで撮像し、撮像されたブラックマトリクスＢＭの撮像画像と、予め撮像して記憶部Ｍに記憶させた、溶媒が結露していない状態のブラックマトリクスＢＭの撮像画像とを比較して両者の一致、不一致を判別する。この判別を繰り返し行うことによって、ブラックマトリクスＢＭ上の溶媒の蒸発完了を判別することができる。

また、基板処理装置１ａの収容室１１内へは、溶媒供給部１３から常に溶媒蒸気が供給されるようにしも良いし、基板Ｋの搬入、搬出にあわせて選択的に溶媒蒸気の供給量を増減したり、停止させたりしても良い。なお、溶媒蒸気の供給を停止させる場合には、加熱器１３ｃを停止させることによって行うのではなく、供給管１３ｃに開閉弁を設け、この開閉弁の開閉によって行うようにすると、溶媒蒸発の供給、停止を速やかに行うことができる。

また、ステージ１２に基板Ｋを冷却する冷却装置を内蔵する旨を説明したが、収容室１１の側面や上面の壁部に加熱装置を設け、壁部を加熱するようにしても良い。このようにすると、壁部と接触した溶媒蒸気の温度が低下して、溶媒が収容室１１の壁面に結露することが防止されるとともに、溶媒蒸気の温度を高く一定に保つことが可能となる。そのため、冷却装置によって冷却された基板Ｋとの温度差を良好に保つことができるので、基板面Ｋａに溶媒を安定して結露させることができる。同様に、溶媒供給部１３の供給管１３ｂにも、加熱装置や断熱部材を設け、溶媒蒸気の温度が供給中に低下することを防止するようにしても良い。

また、溶媒供給部１３の供給管１３ｂの出口を、収容室１１における扉１１ａが設けられた側とは反対側の上面の一箇所に配置したもので説明したが、これに限られるものではなく、例えば、収容室１１における上面の中央や、上面の四隅と中央の五箇所、あるいは、行列状に複数箇所など、その配置位置及び数は限定されるものではない。さらに、供給管１３ｂの出口を複数箇所に配置する場合には、それぞれの出口から供給される溶媒蒸気の量を個別に変えられるようにしても良い。例えば、扉１１ａを開状態にしている間、収容室１１内の溶媒蒸気が収容室１１外に流出するので、扉１１ａ側に出口が配置された供給管１３ｂからの溶媒蒸気の供給量をその間だけ増加させるなどである。

また、前述の実施の形態においては、カラーフィルタ製造用に液滴塗布装置１を用いているが、これに限るものではなく、カラーフィルタ製造用以外に液滴塗布装置１を用いるようにしてもよい。

また、前述の実施の形態においては、塗布区画Ｇを矩形状としているが、これに限るものではなく、例えば、矩形以外の多角形や楕円形などにしてもよい。また、前述の実施の形態においては、各種の数値を挙げているが、それらの数値は例示であり、限定されるものではない。

本発明の実施の一形態に係る液滴塗布装置の概略構成を示すブロック図である。 図１に示す液滴塗布装置が備える基板処理装置の概略構成を示す模式図である。 図１に示す液滴塗布装置が備える液滴吐出装置の概略構成を示す模式図である。 図１に示す液滴塗布装置を用いた塗布工程の流れを示すフローチャートである。 図４に示す塗布工程に伴う基板の塗布面の表面状態を説明するための説明図である。

符号の説明

１ 液滴塗布装置
１１ 収容室
１３ 溶媒供給部
２３ 塗布ヘッド
ＢＭ 隔壁（ブラックマトリクス）
Ｇ 塗布区画
Ｋ 塗布対象物（基板）
Ｋａ 塗布面

Claims (6)

1. 塗布面を有する塗布対象物を収容する収容室と、
   前記収容室内に溶媒蒸気を供給する溶媒供給部と、
   溶媒が結露した前記塗布面に向けて液滴を吐出する塗布ヘッドと、
   を備えることを特徴とする液滴塗布装置。
2. 前記塗布面は、複数の塗布区画と前記複数の塗布区画を区分する撥液性の隔壁とを有しており、
   前記塗布ヘッドは、前記溶媒が結露した前記複数の塗布区画毎に前記液滴を着弾させることを特徴とする請求項１記載の液滴塗布装置。
3. 前記隔壁に結露した前記溶媒が蒸発したことを判別する判別手段を備え、
   前記塗布ヘッドは、前記判別手段が前記隔壁に結露した前記溶媒が蒸発したと判別した場合に、前記溶媒が結露した前記複数の塗布区画毎に前記液滴を着弾させることを特徴とする請求項２記載の液滴塗布装置。
4. 塗布面を有する塗布対象物を溶媒雰囲気中に放置して前記塗布面に溶媒を結露させる工程と、
   溶媒が結露した前記塗布面に向けて液滴を吐出する工程と、
   を有することを特徴とする液滴塗布方法。
5. 前記結露させる工程では、前記塗布面における複数の塗布区画と前記複数の塗布区画を区分する撥液性の隔壁とに前記溶媒を結露させ、
   前記吐出する工程では、前記溶媒が結露した前記複数の塗布区画毎に前記液滴を着弾させることを特徴とする請求項４記載の液滴塗布方法。
6. 前記吐出する工程では、前記隔壁に結露した前記溶媒が蒸発した後、前記溶媒が結露した前記複数の塗布区画毎に前記液滴を着弾させることを特徴とする請求項５記載の液滴塗布方法。

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