JP2010089049A - 液滴吐出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】吐出された液状体が良好に分離される液滴吐出装置を提供する。
【解決手段】本発明の液滴吐出装置は、固形分を含有する第１液状体を第１ノズル１２１ａから吐出する第１吐出ユニットと、第１吐出ユニットから吐出された第１液状体の先端部と第１ノズル１２１ａとの間に第２液状体を第２ノズル１２１ｂから吐出する第２吐出ユニットと、を備えている。第２吐出ユニット１２１ｂから吐出された第２液状体が、第１吐出ユニット１２１ａから吐出された第１液状体に着弾し、第１液状体において先端部と第１ノズル１２１ａとの間の中間部を切断する。これにより、第１液状体が良好に分離される。
【選択図】図２

Description

本発明は、液滴吐出装置に関する。

従来から液滴吐出装置は、画像を形成するプリンタやデバイス製造用の成膜装置等に用いられている。一般に、液滴吐出装置は多数の吐出ユニットを備えている。吐出ユニットは、液状体の貯留部、貯留部に通じるノズル、液状体を加圧してノズルから液滴を押し出すピエゾ素子等を備えている。

近年、液滴吐出法による成膜技術が注目されている。液滴吐出法によれば、膜の形成材料を含んだ微小な液滴を所望の位置に配置することが可能である。これにより、微細な膜パターンを形成することができ、フォトリソグラフィ法を用いる場合よりもパターニングが容易になる。また、膜の形成材料のムダを少なくできるので、製造コストを低くすることができる。

このような工業用途では、膜の形成材料として高分子ポリマーインク等の高粘度な液状体を吐出させることがある。また、画像印刷の用途でも、ＵＶインク等の高粘度な液状体を吐出させることがある。高粘度な液状体を高精細なパターンで高精度な位置に配置するためには、ノズル内のメニスカス（液面）から液状体を微小な液滴として良好に分離することが極めて重要である。

液滴を分離させる技術としては、特許文献１に開示されている技術が挙げられる。特許文献１の液滴吐出装置は、ノズル近傍に温度可変素子を備えている。温度可変素子は、ヒータやペルチェ素子により構成されている。ノズルから押し出された液柱の温度分布を制御することにより、液柱の粘度を部分的に制御することができ、液状体の分離を促進することができるとされている。
特開２００７−２２９９６０号公報

しかしながら、特許文献１の技術を適用してノズル近傍の液状体を加熱すると、ノズル近傍で液状体の乾燥が促進され、ノズル詰りを生じるおそれがある。また、ノズル近傍の液状体を冷却するとノズル内で局所的に液状体の粘度が高くなるので、高粘度の液状体を安定に吐出させることが難しくなる。

また、熱の応答性は部材の熱容量等により限界があるので、ある程度以上に吐出動作を高周波化すると熱の応答が吐出動作に追従できなくなる。したがって、熱により液柱の粘度を制御する手法を用いると、液滴吐出装置を高周波化することが困難になる。よって、高周波化により成膜速度を向上させることが難しくなり、デバイスの製造効率を向上させることが難しくなる。

また、膜の形成材料によっては、熱による液状体の変質や溶剤等の揮発成分の可燃性に留意する必要性が生じることがある。この場合には、液状体の材料選択する手間が増えることや可燃性に対する安全管理上のコストが増大すること等の不都合を生じてしまう。

本発明は、前記事情に鑑み成されたものであって、吐出された液状体が良好に分離される液滴吐出装置を提供することを目的の１つとする。

本発明の液滴吐出装置は、固形分を含有する第１液状体を第１ノズルから吐出する第１吐出ユニットと、前記第１吐出ユニットから吐出された第１液状体の先端部と前記第１ノズルとの間に第２液状体を第２ノズルから吐出する第２吐出ユニットと、を備えていることを特徴とする。

このようにすれば、第２ノズルから吐出された第２液状体が、吐出された第１液状体の先端部と第１ノズルとの間に位置する部分（以下、中間部と称す）の第１液状体に着弾する。すると、第１液状体の中間部が、先端部へ向かう方向と交差する方向の運動量を付与されて切断され、第１液状体の先端部が第１ノズル側から確実に分離される。

このように、第１液状体の物性を熱により変化させることなく、先端部を分離することができるので、第１液状体の乾燥によるノズル詰りや第１液状体の変質等を生じることがなくなり、安定して吐出動作させることが可能になる。したがって、微小体積の第１液状体を高精度な位置に配置することができ、高精細な膜パターンや画像を形成することが可能な液滴吐出装置になる。

また、第１吐出ユニットと第２吐出ユニットとが、同様のメカニズムにより液状体を吐出するように液滴吐出装置を構成することが可能であるので、第２吐出ユニットの吐出動作を第１吐出ユニットの吐出動作と同程度に高周波化することができる。したがって、第１吐出ユニットの吐出動作に第２吐出ユニットの吐出動作を追従させることができ、高周波化に対応可能な液滴吐出装置になる。液滴吐出装置を高周波化することにより、例えば成膜速度を向上させることができ、効率よくデバイスを製造することが可能になる。

また、前記第１吐出ユニットが、前記第１ノズルに連通し前記第１液状体を貯留する第１貯留室を有しているとともに、前記第２吐出ユニットが、前記第２ノズルに連通し前記第２液状体を貯留する第２貯留室を有しており、前記第１貯留室の内部の圧力を変化させるとともに前記第２貯留室の内部の圧力を変化させる駆動素子を備えている構成にしてもよい。

このようにすれば、第１駆動素子により第１貯留室が加圧されて第１ノズルから第１液状体が吐出されるとともに、第１駆動素子により第２貯留室が加圧されて第２ノズルから第２液状体が吐出される。したがって、第１吐出ユニットと第２吐出ユニットとが同期して吐出動作するようになり、第１吐出ユニットと第２吐出ユニットとで吐出動作のタイミングを調整する制御系を簡略化ないしは省略することができる。これにより、液滴吐出装置をシンプルな構成にすることができる。

また、前記第１吐出ユニットが、前記第１ノズルに連通し前記第１液状体を貯留する第１貯留室と、前記第１貯留室の内部の圧力を変化させる第１駆動素子と、を有しているとともに、前記第２吐出ユニットが、前記第２ノズルに連通し前記第２液状体を貯留する第２貯留室と、前記第２貯留室の内部の圧力を変化させる第２駆動素子と、を有しており、前記第２貯留室が前記第１貯留室から独立しているとともに、前記第２駆動素子が前記第１駆動素子から独立している構成にしてもよい。

このようにすれば、第２吐出ユニットが第１吐出ユニットから独立して構成される。したがって、第２吐出ユニットを第１吐出ユニットと独立して配置することができ、第２吐出ユニットの配置自由度が高くなる。また、第２吐出ユニットを第１吐出ユニットと独立して制御することができ、第１吐出ユニットから吐出された第１液状体を所望のタイミングで分離することができる。これにより、第２液状体が第１液状体の飛跡や物性に及ぼす影響を制御することが可能になる。

また、前記第２液状体の組成が、前記第１液状体の組成と略同一であってもよい。
このようにすれば、第１液状体に第２液状体の一部又は全部が混ざることによる第１液状体の物性変化がなくなり、配置された第１液状体の固形分を所望の組成にすることが容易になる。

また、前記第２液状体が前記固形分に対する溶媒又分散媒であってもよい。
このようにすれば、第２液状体の着弾により第１液状体の中間部に第２液状体が混ざり合う。したがって、中間部の固形分の濃度が低くなり、中間部の粘度が局所的に低下することにより中間部が切断されやすくなる。また、第２液状体が固形分に対する溶媒又分散媒であるので、第１液状体に混ざった第２液状体が乾燥により除去され、配置された第１液状体の固形分を所望の組成にすることが容易になる。

また、前記第２吐出ユニットの吐出量が、前記第１吐出ユニットの吐出量以下であることが好ましい。
このようにすれば、第２吐出ユニットから吐出された第２液状体の速さを第１吐出ユニットから吐出された第１液状体の速さ以上にすることが容易になる。したがって、第１吐出ユニットから吐出された第１液状体を所望のタイミングで分離することが可能になる。

以下、本発明の実施形態を説明するが、本発明の技術範囲は以下の実施形態に限定されるものではない。以降の説明では図面を用いて各種の構造を例示するが、構造の特徴的な部分を見やすくするために、構造の寸法や縮尺を実際の構造と適宜異ならせて図示する。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態の液滴吐出ヘッド（液滴吐出装置）を備えた成膜装置の構成を示す概略斜視図である。この成膜装置は、液滴吐出法により液状体を被処理基板に配置するものである。配置される液状体は、膜材料等の固形分を含有しており、乾燥させると固形分が残留するものである。すなわち、ここでいう液状体は、固形分を分散媒（溶媒）に分散（溶解）させた分散液（溶液）等である。液状体の具体例としては、顔料や染料等を含んだカラーフィルタ材料や、ＵＶインク、金属配線等の導電膜パターンの形成材料である金属粒子を含んだコロイド溶液等が挙げられる。

このような液状体は、例えば粘度が常温で１０〜３０ｃＰ程度であり、高粘度である。また、常温で粘度が３０ｃＰを超える液状体であって、吐出時に加熱して粘度を低下させて用いるものもある。高粘度な液状体は、吐出された後にメニスカスとの間に糸状の尾を曳くので、メニスカスから分離されにくい。本実施形態では、前記のような高粘度な液状体を膜材料に用いる成膜装置として、カラーフィルタ製造用の成膜装置１を説明する。

図１に示すように、成膜装置１は、支持台１０上に設けられたワークステージ１１と、ワークステージ１１よりも高い位置に設けられた液滴吐出ヘッド１２とを備えている。ワークステージ１１の上面には、被処理基板Ｗを載置することが可能になっている。ワークステージ１１及び液滴吐出ヘッド１２は、図示略の制御装置により位置制御される。また、前記の制御装置は、液滴吐出ヘッド１２の吐出動作を制御するようになっている。以上のような構成により、被処理基板Ｗを走査しつつ液滴吐出ヘッド１２から被処理基板Ｗの所定の領域に液状体を配置することが可能になっている。

以下、図１に示したＸＹＺ直交座標系に基づいて説明する。このＸＹＺ直交座標系において、Ｘ軸及びＹ軸がワークステージ１１の面方向と平行となっており、Ｚ軸がワークステージ１１の面方向と直交している。実際には、ＸＹ平面が水平面に平行な面に設定されており、Ｚ軸が鉛直上方向に設定されている。成膜時には、例えば主走査方向に沿って液状体を配置した後に副走査方向の位置を調整し、再度、主走査方向に沿って液状体を配置する。ここでは、ワークステージ１１の移動方向であるＸ軸方向が主走査方向、液滴吐出ヘッド１２の移動方向であるＹ軸方向が副走査方向に設定されている。

ワークステージ１１は、真空吸着装置（図示略）等を備えており、載置された被処理基板Ｗを着脱可能に固定することができる。ワークステージ１１には、ステージ移動装置１１１が設けられている。ステージ移動装置１１１は、ボールネジまたはリニアガイド等の軸受け機構を備え、前記の制御装置から入力される制御信号に基づいて、ワークステージ１１をＸ軸方向に移動させる。これにより、載置された被処理基板ＷをＸ方向の所定の位置に移動させることができる。

成膜装置１は、３種類（赤・緑・青）のカラーフィルタ材料の各々に対応して、３つの液滴吐出ヘッド１２を備えている。３つの液滴吐出ヘッド１２は、いずれもキャリッジ１３に取付けられており、キャリッジ１３には、キャリッジ移動装置１３１が設けられている。キャリッジ移動装置１３１は、前記の制御装置から入力される制御信号に基づいて、キャリッジ１３をＹ方向やＺ方向に移動させる。これにより、液滴吐出ヘッド１２をＹ方向やＺ方向の所定の位置に移動させることができる。

３つの液滴吐出ヘッド１２の各々は、多数の吐出ユニット（後述する）を備えている。吐出ユニットの各々は、前記の制御装置からの描画データや制御信号に基づいて、液状体を吐出する。３種類のカラーフィルタ材料である３種類の液状体は、それぞれタンク１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃに貯留されている。貯留された液状体は、その種類ごとにチューブ群１４１を通って、対応する液滴吐出ヘッド１２に供給される。

図２（ａ）、（ｂ）は、液滴吐出ヘッド１２の構成を示す図である。図２（ａ）は液滴吐出ヘッド１２において被処理基板Ｗとの対向面を示す平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ’線矢視断面図である。なお、３つの液滴吐出ヘッド１２はいずれも同様の構成となっており、ここではその一つについて説明する。

図２（ａ）に示すように液滴吐出ヘッド１２は、主走査方向（Ｘ軸方向）と略直交して配列された多数の吐出ユニットＵを備えている。多数の吐出ユニットＵで共通のノズルプレート１２１が設けられている。ノズルプレート１２１には、吐出ユニットＵごとに第１ノズル１２１ａと第２ノズル１２１ｂとが設けられている。多数の吐出ユニットＵに対応して、多数の第１ノズル１２１ａが吐出ユニットＵの配列方向（Ｙ軸方向）に並んでおり、多数の第２ノズル１２１ｂがＹ軸方向に並んでいる。

詳しくは後述するが、本実施形態の吐出ユニットＵの各々は、第１吐出ユニットと第２吐出ユニットとが一対となり構成されている。第１吐出ユニットは、第１ノズル１２１ａを含んで構成されており、第２吐出ユニットは第２ノズル１２１ｂを含んで構成されている。吐出ユニットＵの各々において、第１ノズル１２１ａと第２ノズル１２１ｂとは、主走査方向（Ｘ軸方向）に沿って配置されている。

本実施形態の第１ノズル１２１ａ、第２ノズル１２１ｂは、いずれも開口形状が平面視略円形のものである。ノズルプレート１２１の被処理基板Ｗとの対向面において、第１ノズル１２１ａの開口の内径は、第２ノズル１２１ｂの開口の内径よりも大きくなっている。これにより、第１ノズル１２１ａから吐出される第１液状体の体積（吐出量）が、第２ノズル１２１ｂから吐出される第２液状体の体積（吐出量）よりも大きくなる。

第１ノズル１２１ａ及び第２ノズル１２１ｂは、液状体の貯留室１２２と連通している。貯留室１２２は、液状体の供給路１２３を経て複数の吐出ユニットＵで共通のリザーバ１２４と連通している。供給路１２３の詳細な形状を図示しないが、貯留室１２２からリザーバ１２４に液状体が逆流しないようになっている。

図２（ｂ）に示すように吐出ユニットＵは、ノズルプレート１２１、振動板１２６、及びノズルプレート１２１と振動板１２６とに挟持された流路形成基板１２５を有している。本実施形態では、第１ノズル１２１ａの軸方向Ｄ１が、ノズルプレート１２１の面方向と略直交している。また、第２ノズル１２１ｂの軸方向Ｄ２が、第１ノズル１２１ａの軸方向Ｄ１と非平行になっている。

流路形成基板１２５には、貫通孔や凹部が設けられている。この貫通孔や凹部が、ノズルプレート１２１と振動板１２６とに挟まれることにより、液状体の貯留室１２２や供給路１２３が構成されている。具体的には、第１ノズル１２１ａと平面的に重なる部分の流路形成基板１２５に貫通孔が設けられており、この貫通孔の内側が第１貯留室１２２ａになっている。同様に、第２ノズル１２１ｂと平面的に重なる部分に設けられた貫通孔の内側が第２貯留室１２２ｂになっている。

第１貯留室１２２ａは第１ノズル１２１ａと連通しており、第２貯留室１２２ｂは、第２ノズル１２１ｂと連通している。第１貯留室１２２ａは、流路形成基板１２５に設けられた溝状の凹部により第２貯留室１２２ｂと連通している。換言すると、貯留室１２２が隔壁部により区画されて、第１貯留室１２２ａと第２貯留室１２２ｂとが構成されている。この隔壁部の側壁は、第２貯留室１２２ｂの内壁になっている部分において、第２ノズル１２１ｂの内壁と略平行になっている。

リザーバ１２４は、図１に示したチューブ群１４１のいずれかと接続されている。吐出ユニットＵから吐出される液状体は、タンク１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃからチューブ群１４１、リザーバ１２４、供給路１２３を経て貯留室１２２内に充填される。すなわち、本実施形態において、第１ノズル１２１ａから吐出される第１液状体は、第２ノズル１２１ｂから吐出される第２液状体と、同一の組成のものである。

振動板１２６の貯留室１２２と反対側には、駆動素子１２７が設けられている。駆動素子１２７を覆って、駆動素子１２７を変形可能に封止する封止基板１２８が設けられている。駆動素子１２７は、吐出ユニットＵごとに設けられている。各吐出ユニットＵにおいて、駆動素子１２７は、第１貯留室１２２ａと第２貯留室１２２ｂとにわたって設けられている。

本実施形態の駆動素子１２７は、下部電極１２７ａ、上部電極１２７ｃ、及びこれら電極間に挟持された圧電体１２７ｂからなっている。前記した制御装置は、多数の吐出ユニットＵの各々における駆動素子１２７に所定のタイミングで駆動電圧波形を供給するようになっている。駆動素子１２７に駆動電圧波形が供給されると、駆動素子１２７は、面方向に伸縮する。これにより、貯留室１２２と平面的に重なる部分の振動板１２６が面方向と直交する厚み方向に変位して、貯留室１２２の容積が変化する。貯留室１２２の内部に液状体が充填された状態において、駆動素子１２７により、第１貯留室１２２ａの内部の圧力と第２貯留室１２２ｂの内部の圧力とを一括して変化させることが可能になっている。

本実施形態では、第１ノズル１２１ａ、第１貯留室１２２ａ、駆動素子１２７により第１吐出ユニットが構成されている。また、第２ノズル１２１ｂ、第２貯留室１２２ｂ、駆動素子１２７により第２吐出ユニットが構成されている。第１吐出ユニットと第２吐出ユニットが対になり吐出ユニットＵが構成されている。第１吐出ユニットは、被処理基板にＷに配置する液状体の主たる部分を吐出するものである。第２吐出ユニットは、第１吐出ユニットから吐出された液状体をメニスカスから分離するものである。以下、吐出ユニットＵの吐出動作について詳しく説明する。

図３は、駆動素子１２７に供給される駆動電圧波形の一例を示すグラフであり、図４（ａ）〜（ｄ）は吐出ユニットＵの吐出過程を示す断面模式図である。図３に示すように、本例の駆動電圧波形は、１回の吐出動作を行う期間において電圧が、初期の中間電圧Ｖ２から低電圧Ｖ１、高電圧Ｖ３を経て末期の中間電圧Ｖ２に変化する波形になっている。図４（ａ）は初期の中間電圧Ｖ２の印加時、図４（ｂ）は低電圧Ｖ１の印加時、図４（ｃ）は高電圧Ｖ３の印加時、図４（ｄ）は末期の中間電圧Ｖ２の印加時、をそれぞれ示している。

図４（ａ）に示すように、初期の中間電圧Ｖ２の印加時には駆動素子１２７の圧電体１２７ｂが収縮しており、振動板１２６が貯留室１２２に向かって凸となり撓曲している。この状態において、第１ノズル１２１ａ内と第２ノズル１２１ｂ内とに、それぞれ液状体ＱのメニスカスＭ１が形成されている。メニスカスＭ１は、貯留室１２２側に向かって凸になっている。

図４（ｂ）に示すように、低電圧Ｖ１の印加時（ここでは放電時）には駆動素子１２７の圧電体１２７ｂの電歪がなくなり、振動板１２６の貯留室１２２側への歪みがなくなる。これにより、貯留室１２２の容積が中間電圧Ｖ２の印加時に比べて増加し、液状体Ｑがリザーバ１２４から供給路１２３を経て貯留室１２２内に引き込まれる。また、第１ノズル１２１ａ内の液状体、第２ノズル１２１ｂ内の液状体が貯留室１２２側に引き込まれて、メニスカスＭ２の位置が貯留室１２２側に移動する。

図４（ｃ）に示すように、高電圧Ｖ３の印加時（充電時）には駆動素子１２７の圧電体１２７ｂが収縮して、再度、振動板１２６が貯留室１２２に向かって凸となり撓曲する。圧電体１２７ｂの収縮量は１回の吐出動作において最大になり、振動板１２６の貯留室１２２側への変位量が最大になることにより、貯留室１２２の容積が最小になる。貯留室１２２からリザーバ１２４へ液状体が逆流しないようになっているので、貯留室１２２の容積の減少分だけ液状体が第１ノズル１２１ａ、第２ノズル１２１ｂから貯留室１２２の外部に押し出される。

ノズル等の流路における流量は、流れ方向に直交する流路の断面積と、流体の流さとの積により定まることが知られている。換言すると、所定の流量に対して流路の断面積が小さくなるほど流体の流さが大きくなる。吐出ユニットＵにあっては、貯留室１２２の単位時間あたりの容積変化量により、第１ノズル１２１ａ、第２ノズル１２１ｂから押し出される液状体の流量が定まる。また、第２ノズル１２１ｂの内径が、第２ノズル１２１ｂの内径よりも小さいので、第２ノズル１２１ｂから押し出される液状体Ｑの流さは、第１ノズル１２１ａから押し出される液状体Ｑの流さよりも大きくなる。この過程において、第１ノズル１２１ａ内のメニスカスＭ３、第２ノズル１２１ｂ内のメニスカスＭ３は、貯留室１２２の外部（被処理基板Ｗ側）に向かって凸になる

図４（ｄ）に示すように、末期の中間電圧Ｖ２の印加時には駆動素子１２７の圧電体１２７ｂの収縮が高電圧Ｖ３の印加時よりも緩和され、振動板１２６の貯留室１２２側への変位量が小さくなる。これにより、貯留室１２２の容積が増加し、第１ノズル１２１ａ内の液状体、第２ノズル１２１ｂ内の液状体が貯留室１２２側に引き込まれて、メニスカスＭ４の位置が貯留室１２２側に移動する。

このような引き押し制御を行えば、液状体の吐出方向と反対側にメニスカスが移動することにより、液状体のメニスカスからの分離が促進される。これにより、比較的低粘度な液状体であればメニスカスから液状体が完全に分離されて液滴になる。ところが、高粘度（例えば１０ｃＰ以上）の液状体であると、吐出された液状体がメニスカスから分離されるに至らず、液滴状の先端部が糸状の中間部によりメニスカスに繋がった形状になる。

本実施形態においても、図４（ｄ）に示したように第１ノズル１２１ａから吐出された第１液状体Ｑ１は、先端部Ｑ１１と中間部Ｑ１２とからなっており、中間部Ｑ１２がメニスカスＭ４と連続している。一方、第２ノズル１２１ｂから吐出された第２液状体Ｑ２は、メニスカスＭ４から分離されて液滴になっている。これは、液状体の流さが、第２ノズル１２１ｂ内において第１ノズル１２１ａ内よりも大きいためである。ここでは、第１液状体Ｑ１と同程度の体積であってメニスカスから分離された液滴を仮定し、第１液状体Ｑ１においてこの液滴と同等な部分を先端部Ｑ１１としている。また、先端部Ｑ１１を除いた部分の第１液状体Ｑ１を中間部Ｑ１２としている。

このような液滴については、例えば第１液状体Ｑ１と同程度の表面張力であって、第１液状体Ｑ１よりも低粘度な液状体を吐出することにより、その形状等を調べることができる。例えば、この液滴の形状と第１液状体Ｑ１の形状と比較することにより、先端部Ｑ１１を定めることができる。これにより、先端部Ｑ１１と中間部Ｑ１２とを区別することができる。

第２液状体Ｑ２は、第１液状体Ｑ１の先端部Ｑ１１が被処理基板Ｗに着弾する前に中間部Ｑ１２に到達する。そして、第２液状体Ｑ２は、中間部Ｑ１２に運動量を付与することにより中間部Ｑ１２を切断する。切断された中間部Ｑ１２は、その一部がサテライトとして飛散することや、メニスカスＭ４あるいは先端部Ｑ１１に吸収されることにより、先端部Ｑ１１とメニスカスＭ４との間から消滅する。これにより、先端部Ｑ１１がメニスカスＭ４から分離される。以下、第２液状体Ｑ２が中間部Ｑ１２に着弾する仕組みを簡易なモデルに基づいて説明する。

図５は、吐出された後の第１液状体Ｑ１、及び第２液状体Ｑ２の挙動を示す説明図である。図５において、符号Ｌは第１ノズル１２１ａと第２ノズル１２１ｂとの間の距離を示す。符号Ｈは、ノズルプレート１２１の端面から被処理基板Ｗまでの距離、符号Ｋはノズルプレート１２１の端面から第２液状体Ｑ２の着弾地点までの距離、をそれぞれ示す。符号Ｖａは、第１液状体Ｑ１の先端部Ｑ１１の速さ、符号Ｖｂは第２液状体Ｑ２の速さ、をそれぞれ示している。符号θは、第２ノズル１２１ｂから第１ノズル１２１ａに向かう方向が、吐出された第２液状体Ｑ２の進行方向となす角度、すなわち第２ノズル１２１ｂがノズルプレート１２１の面方向となす角度を示す。

ここでは、以下の理由により重力の影響が無視できるという仮定を行っている。一般に、液滴吐出装置においてノズルから吐出される液滴の初速度は１〜１０ｍ／ｓ程度であり、ノズルプレートの端面と被処理基板との距離は０．１〜１ｍｍ程度である。したがって、液滴が吐出されてから被処理基板に到達するまでの時間は、０．００１ｓ程度以下であり、この時間に重力による速度変化量は、０．０１ｍ／ｓ程度である。このように重力による速度変化量が、液滴の初速度に比べて極めて小さいので重力の影響を無視できる。また、吐出された液状体の変形や空気抵抗の影響も無視できるという仮定を行っている。

このような仮定を行うと、第２液状体Ｑ２がノズルプレート１２１の面方向に移動する速さは（Ｖｂｃｏｓθ）であるから、第２液状体Ｑ２が吐出されてから第１液状体Ｑ１の飛跡と交差するまでの時間ｔは（ｔ＝Ｌ／Ｖｂｃｏｓθ）で表される。第１液状体Ｑ１の先端部Ｑ１１が、ノズルプレート１２１から時間ｔで移動する距離は、Ｖａ・ｔで表される。この間に第２液状体Ｑ２は、ノズルプレート１２１から被処理基板Ｗに向かって（Ｋ＝Ｌｔａｎθ）だけ移動している。したがって、第２液状体Ｑ２が第１液状体Ｑ１の中間部Ｑ１２に着弾する条件は、（Ｋ＜Ｖａ・ｔ）となり、（Ｖｂ＜Ｖａ／ｓｉｎθ）という関係式が得られる。

また、第２液状体Ｑ２が中間部Ｑ１２に着弾した時点で、第１液状体Ｑ１が被処理基板Ｗに到達していない条件は、（Ｖａ・ｔ＜Ｈ）で表され、（Ｖａ・Ｌ／Ｈ／ｃｏｓθ＜Ｖｂ）という関係式が得られる。結局のところ、第１液状体Ｑ１の初速度Ｖａ、第２液状体Ｑ２の初速度Ｖｂが以下の関係式を持たすようになっていればよい。
Ｌ／Ｈ／ｃｏｓθ＜Ｖｂ／Ｖａ＜１／ｓｉｎθ・・・（１）
距離Ｈや初速度Ｖａについては通常の液滴吐出装置と同様に設計することができ、距離Ｈや初速度Ｖａの設計値に基づいて、式（１）により第２吐出ノズル１２１ｂに係るパラメータを設定することができる。

例えば、距離Ｈや距離Ｌ、角度θが定まると、初速度の比Ｖｂ／Ｖａが満たすべき範囲を求めることができる。前記のように第１ノズル１２１ａの内径に対して第２ノズル１２１ｂの内径を小さくするほど初速度の比Ｖｂ／Ｖａが大きくなるので、比Ｖｂ／Ｖａが前記の範囲内になるように第２ノズル１２１ｂの内径を定めることができる。
また、例えば距離Ｈや距離Ｌ、第１ノズル１２１ａの内径、第２ノズル１２１ｂの内径が定まると、式（１）により角度θが満たすべき範囲が求まり、この範囲内で角度θを定めることができる。

ところで、角度θを大きくするほど第２液状体Ｑ２の着弾地点が先端部Ｑ１１に近づき、角度θを小さくするほど第２液状体Ｑ２の着弾地点がノズルプレート１２１に近づく。中間部Ｑ１２が先端部Ｑ１１を引張ることにより、先端部Ｑ１１の近傍では中間部Ｑ１２の長さ方向の中央部よりも内径が大きくなっている。したがって、前記の範囲内で角度θを大きくすると、中間部Ｑ１２において内径が大きい部分に第２液状体Ｑ２を着弾させることができ、着弾精度を高めることができる。

同様に、中間部Ｑ１２がメニスカスを引張ることにより、ノズルプレート１２１の近傍でも中間部Ｑ１２の内径が大きくなっており、前記の範囲内で角度θを小さくすることによっても着弾精度を高めることができる。また、第１ノズル１２１ａと第２ノズル１２１ｂとの距離Ｌを最小化することによっても、第１液状体Ｑ１に対する第２液状体Ｑ２の着弾精度を高めることができる。

また、中間部Ｑ１２の長さ方向の中央部は、中間部Ｑ１２において内径が最小になっており、この部分を切断するのに必要な運動量が最小になっている。したがって、この部分に第２液状体Ｑ２を着弾させることにより、第２液状体Ｑ２の着弾による先端部Ｑ１１の飛行曲がりを低減することができる。また、第２液状体Ｑ２が中間部Ｑ１２に着弾してから先端部Ｑ１１が被処理基板Ｗに着弾するまでの時間を最小化することによっても、先端部Ｑ１１の飛行曲がりを低減することができる。

なお、前記のような簡易なモデルに代えて、重力の影響や空気抵抗の影響、液状体の飛行中の変形等を考慮したモデルに基づいて第２ノズル１２１ｂの配置や形状を設定してもよい。空気抵抗の影響等については自由表面流れの数値解析等により考慮することができ、例えば汎用ＣＦＤコード等を用いて解析可能である。

以上のように、本実施形態の液滴吐出ヘッド１２にあっては、第２液状体Ｑ２により第１液状体Ｑ１の中間部Ｑ１２を切断することができ、第１液状体Ｑ１の先端部Ｑ１１をメニスカスから分離することができる。したがって、１回の吐出動作後にメニスカスの形状が中間部Ｑ１２により歪むことが防止され、次の吐出動作においてメニスカスの形状が良好に制御される。よって、第１ノズル１２１ａから良好に第１液状体Ｑ１を吐出させることができ、高粘度な液状体を高精細なパターンで被処理基板Ｗの高精度な位置に配置することが可能になる。

また、ノズル付近で局所的に加熱あるいは冷却することにより中間部の粘度を制御する手法に比べて、加熱によりメニスカス内の液状体が乾燥してノズル詰りを生じることや、冷却により液状体が一時的に高粘度になり吐出動作が不安定になること等がなくなる。これにより、液滴吐出ヘッドを安定に吐出動作させることができる。

また、第２吐出ユニットを第１吐出ユニットと同程度に高周波化することが可能であるので、第２吐出ユニットの動作を第１吐出ユニットの動作に確実に追従させることができる。したがって、液滴吐出ヘッドを高周波化することができ、成膜装置における成膜速度を向上させることや、画像印刷装置における印刷速度を向上させることができる。

また、加熱により液状体を分離させる手法と異なり、熱による液状体の変質や溶剤等の揮発成分の可燃性に留意する必要がない。したがって、液状体の選択自由度が高くなるとともに、可燃性に対する安全管理上のコストを低減することもできる。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態の液滴吐出ヘッドを説明する。第２実施形態が第１実施形態と異なる点は、第１吐出ユニットと第２吐出ユニットとが独立している点である。第２実施形態も成膜装置に基づいて説明する。この成膜装置において液滴吐出ヘッド以外の構成は、成膜装置１（図１参照）と同様である。

図６（ａ）、（ｂ）は、第２実施形態の液滴吐出ヘッド２２の構成を示す図である。図６（ａ）は液滴吐出ヘッド２２において被処理基板Ｗとの対向面を示す平面図、図６（ｂ）は図６（ａ）のＣ−Ｃ’線矢視断面図である。

図６（ａ）に示すように液滴吐出ヘッド２２は、主走査方向（Ｘ軸方向）と略直交して配列された多数の第１吐出ユニットＵ１と、吐出ユニットＵ１の配列方向と平行に配列された多数の第２吐出ユニットＵ２とを備えている。第２吐出ユニットＵ２の各々は、第１吐出ユニットＵ１の各々の主走査方向に配置されている。第１吐出ユニットＵ１と第２吐出ユニットＵ２とは、１対１で対応して一対の吐出ユニットを構成している。第１吐出ユニットＵ１は、被処理基板にＷに配置する液状体の主たる部分を吐出するものである。第２吐出ユニットＵ２は、第１吐出ユニットＵ１から吐出された液状体をメニスカスから分離するものである。

本実施形態では、多数の第１吐出ユニットＵ１で共通の第１ノズルプレート２２１Ａが設けられている。第１ノズルプレート２２１Ａには、第１吐出ユニットＵ１ごとに第１ノズル２２１ａが設けられている。また、多数の第２吐出ユニットＵ２で共通の第２ノズルプレート２２１Ｂが、第１ノズルプレート２２１Ａと独立して設けられている。第２ノズルプレート２２１Ｂには、第２吐出ユニットＵ２ごとに第２ノズル２２１ｂが設けられている。第１ノズル２２１ａ、第２ノズル２２１ｂは、いずれも開口形状が平面視略円形のものであり、第１ノズル２２１ａの開口の内径は、第２ノズル２２１ｂよりも大きくなっている。

図６（ｂ）に示すように第１ノズル２２１ａは、第１貯留室２２２ａと連通している。第１貯留室２２２ａは、第１供給路２２３ａを経て第１リザーバ２２４ａと連通している。同様に、第２ノズル２２１ｂは第２貯留室２２２ｂと連通しており、第２貯留室２２２ｂは、第２供給路２２３ｂを経て第２リザーバ２２４ｂと連通している。ここでは、第１リザーバ２２４ａに第１液状体として、カラーフィルタ材料（液状体）が供給される。また、第２リザーバ２２４ｂに第２液状体が供給される。

第２液状体としては、第１液状体と同一の組成の液状体や、第１液状体に含まれる固形分に対して溶媒（分散媒）になる溶剤又はこのような溶剤を２種類以上混合した混合液、このような溶剤や混合液に前記固形分を溶解（分散）させて固形分の濃度を第１液状体における濃度以下にした液状体等を用いることができる。ここでは、第２液状体として、第１液状体と固形分及び溶媒（分散媒）の種類が同一であり、固形分の濃度が第１液状体よりも低い液状体を用いる。この液状体は、固形分の濃度を調整することにより、メニスカスから液滴が良好に分離される程度（例えば２〜１０ｃＰ）の粘度になっている。

第１貯留室２２２ａには、第１振動板２２６ａを介して第１駆動素子２２７ａが設けられている。第２貯留室２２２ｂには、第２振動板２２６ｂを介して第２駆動素子２２７ｂが設けられている。第１駆動素子２２７ａ、第２駆動素子２２７ｂは、いずれも第１実施形態の駆動素子１２７（図２（ｂ）参照）と同様のものであり、図示略の制御装置により制御される。ここでは、第１駆動素子２２７ａと第２駆動素子２２７ｂとに同じ駆動電圧波形が供給されるようになっている。

本実施形態では、第１ノズル２２１ａ、第１貯留室２２２ａ、第１駆動素子２２７ａにより第１吐出ユニットＵ１が構成されている。また、第２ノズル２２１ｂ、第２貯留室２２２ｂ、第２駆動素子２２７ｂにより第２吐出ユニットＵ２が構成されている。第２ノズル２２１ｂの軸方向は、第１ノズル２２１ａの軸方向と非平行になっている。

以上のような構成の液滴吐出ヘッド２２において、第１駆動素子２２７ａに駆動電圧波形が供給されると、第１駆動素子２２７ａが第１振動板２２６ａを変位させる。これにより、第１貯留室２２２ａの容積が変化して第１吐出ユニットＵ１の第１ノズル２２１ａから第１液状体が吐出される。また、第２駆動素子２２７ｂに第１駆動素子２２７ａと同じ駆動電圧波形が供給されることにより、第２振動板２２６ｂが第１振動板２２６ａと同期して変位する。これにより、第２吐出ユニットＵ２の第２ノズル２２１ｂから第１吐出ユニットＵ１と同期して第２液状体が吐出される。

吐出された第１液状体は、第１実施形態と同様に液滴状の先端部が中間部により第１ノズル２２１ａ内のメニスカスと繋がった状態になる（図５参照）。吐出された第２液状体は、第１実施形態と同様に第１液状体の先端部が被処理基板Ｗに到達する前に、第１液状体の中間部に着弾する。第２液状体が着弾した地点において、第１液状体と第２液状体とが
混じり合って、着弾地点での固形分の濃度が局所的に低くなる。これにより、着弾地点の粘度が低くなり、着弾地点において中間部が切断される。

以上のように、本実施形態の液滴吐出ヘッド２２にあっては、吐出された第１液状体をメニスカスから良好に分離することができるので、高粘度な液状体を高精細なパターンで被処理基板Ｗの高精度な位置に配置することが可能になる。また、熱的な手法によらずに第１液状体を分離することができるので、吐出動作の安定化や高周波化等が図られる。

また、第２吐出ユニットＵ２が、第１吐出ユニットＵ１から独立しているので、第２吐出ユニットＵ２から第１液状体と異なる組成の第２液状体を吐出することができる。これにより、第２液状体として第１液状体よりも粘度が低いものを用いることができ、第２吐出ユニットにおいて尾曳きを生じることが防止される。また、第１液状体の中間部の粘度が局所的に低くなることにより中間部が切断されやすくなるので、中間部を切断するために中間部に付与する運動量を小さくすることや、端的には中間部に運動量をほとんど付与しないことが可能になる。これにより、中間部に付与される運動量により先端部に飛行曲がりを生じることが防止される。

なお、第１、第２実施形態では、カラーフィルタ製造用の成膜装置を例示したが、カラーフィルタ以外の各種デバイスを製造用の成膜装置、あるいは画像印刷装置等にも適用可能である。また、インクジェット法による液滴吐出装置の他にも、サーマルインクジェット法による液滴吐出装置やディスペンサ等にも適用可能である。いずれの液滴吐出装置であっても、吐出される液状体が尾曳きを生じる程度に高粘度である場合には、本発明を適用することによりその効果を得ることができる。

また、第１、第２実施形態では、主として被処理基板Ｗを移動させることにより、液滴吐出ヘッドに被処理基板Ｗを走査させているが、液滴吐出ヘッドを移動させて走査するようにしてもよい。この場合には、以下の理由により、第１、第２実施形態のように主走査方向に第１、第２ノズルが並んでいるとよい。

主走査方向に第１、第２ノズルが並んでいると、液滴吐出ヘッドの移動に伴って、吐出された液状体が空気等の雰囲気ガスから受ける力の方向が、第１、第２ノズルの配列方向と一致する。第２液状体が平面視した進行方向に沿った力を受けるので、この力は第２液状体が吐出されたから第１液状体に着弾するまでの時間に影響を及ぼす。この影響による第２液状体の着弾誤差は、第１液状体の中間部の長さ方向に生じる。一方、第２液状体が副走査方向に沿った力を受けると、着弾誤差は第２液状体の長さ方向と直交する断面の直径方向に生じる。中間部は、長さ方向の寸法が直径方向の寸法よりも格段に大きいので、長さ方向においては着弾誤差のマージンを確保することが容易である。したがって、主走査方向と、第１、第２ノズルの配列方向とを一致させることにより、第２液状体の着弾精度を確保することができる。

また、第２実施形態において、第２液状体として固形分がほとんど含まれていない液状体を用いることもできる。これにより、吐出された第２液状体が第１液状体に対して着弾誤差を生じた場合に、第２液状体が蒸発により除去されるので、被処理基板Ｗにおいて所望以外の部分に固形分が残留することがなくなる。

また、第２実施形態において、第２液状体の温度を第１液状体の温度と異ならせてもよい。例えば、第２液状体の温度を第１液状体の温度よりも高くすると、第１液状体において第２液状体の着弾地点の温度が局所的に高くなる。したがって、着弾地点の粘度が局所的に低くなり、第１液状体の中間部が着弾地点で切断されやすくなる。

また、第２実施形態においても、第１駆動素子に供給する駆動電圧波形と第２駆動素子に供給する駆動電圧波形とを異ならせてもよい。これにより、第１吐出ユニットから第１液状体が吐出されるタイミングと、第２吐出ユニットＵ２から第２液状体が吐出されるタイミングとを調整することができる。したがって、第１液状体に第２液状体を着弾させるための条件が緩やかになり、液滴吐出ヘッドの設計自由度が高くなる。

また、第２実施形態において、第１ノズルプレート２２１Ａと第２ノズルプレート２２１Ｂとで被処理基板Ｗに対向する対向面が面一になっていなくてよい。また、同一のノズルプレートに第１ノズルと第２ノズルとがともに設けられていてもよいし、第１、第２吐出ユニットで、流路形成基板や振動板が共通になっていてもよい。

第１実施形態の液滴吐出ヘッドを備えた成膜装置の概略斜視図である。 （ａ）は第１実施形態の液滴吐出ヘッドの平面図、（ｂ）は断面図である。 駆動素子に供給される駆動電圧波形の一例を示すグラフである。 （ａ）〜（ｄ）は吐出ユニットの吐出過程を示す断面模式図である。 吐出された後の第１液状体及び第２液状体Ｑ２の挙動を示す説明図である。 （ａ）は第２実施形態の液滴吐出ヘッドの平面図、（ｂ）は断面図である。

符号の説明

１・・・成膜装置、１２、２２・・・液滴吐出ヘッド（液滴吐出装置）、１２１ａ、２２１ａ・・・第１ノズル、１２１ｂ、２２１ｂ・・・第２ノズル、１２２ａ、２２２ａ・・・第１貯留室、１２２ｂ、２２２ｂ・・・第２貯留部、１２７・・・駆動素子、２２７ａ・・・第１駆動素子、２２７ｂ・・・第２駆動素子、Ｑ１・・・第１液状体、Ｑ１１・・・先端部、Ｑ１２・・・中間部、Ｑ２・・・第２液状体、Ｕ１・・・・第１吐出ユニット、Ｕ２・・・第２吐出ユニット

Claims (6)

1. 固形分を含有する第１液状体を第１ノズルから吐出する第１吐出ユニットと、
   前記第１吐出ユニットから吐出された第１液状体の先端部と前記第１ノズルとの間に第２液状体を第２ノズルから吐出する第２吐出ユニットと、を備えていることを特徴とする液滴吐出装置。
2. 前記第１吐出ユニットが、前記第１ノズルに連通し前記第１液状体を貯留する第１貯留室を有しているとともに、前記第２吐出ユニットが、前記第２ノズルに連通し前記第２液状体を貯留する第２貯留室を有しており、
   前記第１貯留室の内部の圧力を変化させるとともに前記第２貯留室の内部の圧力を変化させる駆動素子を備えていることを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出装置。
3. 前記第１吐出ユニットが、
   前記第１ノズルに連通し前記第１液状体を貯留する第１貯留室と、
   前記第１貯留室の内部の圧力を変化させる第１駆動素子と、を有しているとともに、
   前記第２吐出ユニットが、
   前記第２ノズルに連通し前記第２液状体を貯留する第２貯留室と、
   前記第２貯留室の内部の圧力を変化させる第２駆動素子と、を有しており
   前記第２貯留室が前記第１貯留室から独立しているとともに、前記第２駆動素子が前記第１駆動素子から独立していることを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出装置。
4. 前記第２液状体の組成が、前記第１液状体の組成と略同一であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の液滴吐出装置。
5. 前記第２液状体が前記固形分に対する溶媒又分散媒であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の液滴吐出装置。
6. 前記第２吐出ユニットの吐出量が、前記第１吐出ユニットの吐出量以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の液滴吐出装置。

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