JP2019103993A - 微量液体塗布方法および微量液体ディスペンサ - Google Patents

Abstract

【課題】不等時間間隔での微量液体の塗布動作においても、精度良く微量液体を塗布できる微量液体ディスペンサを提供すること。【解決手段】微量液体ディスペンサ１では、ノズル先端口４ａから、ナノリットルオーダーからピコリットルオーダーの微量液体を流出させて塗布面３ａに塗布する塗布動作を行う。塗布動作が、設定時間間隔ｔａよりも長い時間間隔に亘って行われない場合に、ノズル先端口４ａの塗布液の先端液面３０を、等時間間隔塗布の場合の塗布直前の液面高さＨ２の位置を含む大きな振幅で振動させる（第１、第２液面振動動作：ＳＴ１２、ＳＴ１３）。次に行われる塗布動作を、液面高さが液面高さＨ２に戻った時点（待ち時間Ｔ１の経過後：ＳＴ１５）で行う。等時間間隔塗布と同様に微量の塗布液の塗布動作を精度良く行える。【選択図】図６

Description

本発明は、例えば０．５ｍｍ以下の微小径のノズルを用いて、ナノリットルオーダー、さらにはピコリットルオーダーの微量の液体の塗布動作などを、半導体基板の表面等の塗布面に行う微量液体塗布方法および微量液体ディスペンサに関する。

塗布面、例えば、半導体基板の表面に液体をドット状あるいは線状に塗布する機構として、空圧式の液体ディスペンサが知られている。液体ディスペンサでは、ポンプ等の加圧子を用いて液体を加圧して、所定径のノズルから液体を流出させて、塗布面に塗布する。本発明者等は、特許文献１において、例えば５００μｍ以下の微小径のノズルを用いて、ナノリットルオーダー、さらにはピコリットルオーダーの微量の液滴を廉価な構成により精度良く塗布できる微量液体ディスペンサを提案している。

微量あるいは微細幅で塗布液を塗布する液体ディスペンサにおいては、待機状態から塗布を開始するとき、あるいは繰り返し塗布動作を行うときに、塗布動作の時間間隔が変わると、塗布状態、塗布量などが変動し、同一の塗布結果が得られないことがある。この原因として、時間の経過と共にノズル先端が乾燥し、塗布液の流動性が低下し（粘性が増加し）、ノズル先端口に形成されている塗布液の液面がノズル内に引き込まれる（液面高さが変化する）ことが考えられる。

ノズル先端の塗布液の乾燥等に起因するノズル詰まり、塗布不良等を回避するために、従来においては、塗布の待機時間が長い場合には、ノズルを所定の位置に移動して、無駄打ちなどと呼ばれる実際の塗布動作に関係しない塗布液の吐出動作を行っている。このような動作はノズルの無駄な移動が増加し、塗布液の無駄な消費が増加してしまう。また、無駄打ちを行う場所は一般に塗布位置から離れており、無駄打ちを行った位置から塗布位置に戻すためのノズルの移動に時間を要する。乾燥性の高い液剤などを用いて塗布を行う場合には、ノズルを塗布位置に戻す間にノズル先端の液剤の乾燥が進行する。このため、無駄打ちを行ったにも拘らず、所望の塗布が行えない場合がある。

ここで、特許文献２に開示の塗布膜形成装置では、待機中においてはノズルの先端の液面をノズル内に引き上げて、ノズル先端の塗布液の乾燥を防止している。また、塗布前には、ノズル内に引き上げられている塗布液の液面をノズル先端側に引き下げて、待機後の最初の塗布時にノズルから吐出される塗布液の量が不足して塗布ムラが発生することを防止している。

特許第５８０２３４７号公報 特開２０００−２２３４０２号公報

特許文献２に記載の方法は、ノズルを別の場所に移動して塗布液の無駄打ちを行う必要が無いという利点がある。しかし、ノズル先端の液面の位置を静的に制御して乾燥等を防止しているだけである。塗布動作が行われない期間が長くなると、ノズル内に引き上げた塗布液の液面部分が乾燥し、粘性が高くなる。静的にノズル先端の液面を上下に移動させるだけでは、放置後の最初の塗布動作において、塗布液の塗布不良が生じ、また、塗布量が不足して塗布ムラが生じる等の弊害を解消できないことがある。特に、一般的な印刷に使用されるインクジェットプリンタ用のインク等とは異なり、半導体製造分野において塗布液として用いられる接着剤等は粘性が高く、塗布量も微量であるので、塗布不良が発生しやすい。

本発明の目的は、このような点に鑑みて、不等時間間隔で微量の液体を塗布する点塗布動作、微細幅で液体を塗布する線塗布動作において、塗布ムラなく液体を塗布できる微量液体塗布方法および微量液体ディスペンサを提供することにある。

特に、本発明の目的は、微小径のノズルを用いて、ドット径あるいは線幅が５００μｍ程度以下、例えば５０μ以下となるように液体を塗布する場合に、不等時間間隔での液体の塗布動作においても、等時間間隔での液体の塗布動作の場合と同様に、所定のドット径となるように精度良く液体を塗布できる微量液体塗布方法および微量液体ディスペンサを提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の微量液体塗布方法では、塗布面に対して所定の第１ギャップで対峙させたノズルのノズル先端口から、液体を流出させて前記塗布面に塗布する塗布動作を行う。この塗布動作が、設定時間間隔よりも長い時間間隔に亘って行われていない場合には、ノズル先端口に形成されている先端液面を、ノズル先端口に対してノズル中心軸線の方向に所定振幅で１往復させる液面振動動作を、１回あるいは複数回に亘って行う。

塗布動作においては、ノズル内に充填した液体にパルス状の第１圧力を加えて、ノズル先端口からピコリットルオーダーからナノリットルオーダーの微量の液体を流出させて、塗布面に接触させる。第１圧力を解除して、液体をノズル先端口からノズル内に引き上げて、塗布面に微量の液滴を塗布状態で残す。

ここで、この塗布動作が、予め設定した第１時間間隔で繰り返される等時間間隔塗布の場合において、第１圧力を加える直前におけるノズル先端面からの先端液面の最大高さ位置である液面高さを、第１液面高さとする。

本発明の液面振動動作では、塗布面に対して、ノズル先端口を、第１ギャップと同一あるいは広い第２ギャップで対峙させ、この状態で、ノズル内の液体に、第１圧力と同一あるいは異なるパルス状の第２圧力を加えて、先端液面を第１液面高さの位置を含む振幅で振動させる。液面振動動作を繰り返し行うことで、先端液面に生じた液体の乾燥皮膜が破壊され、破壊された乾燥皮膜、あるいは増粘状態の液体が、ノズル内部の液体に溶解あるいは混合する。この結果、ノズル先端口の先端液面を形成している液体の性状を良好な状態にできる。

特に、第２圧力を第１圧力よりも大きな値とし、あるいは長い時間加えると、塗布動作における第１液面高さの位置を経由する振幅で、先端液面を大きく変位させることができる。一般的なインクジェットヘッドなどにおけるノズル詰まり防止のために行われるインク液滴を吐出させない空打ち動作では、インク液滴が吐出しないように、実際の印刷時よりも小さな振幅でインクメニスカスを振動させるようにしている。本発明では、塗布時よりも大きな振幅で先端液面を振動させる。ノズル先端口の塗布液をノズル内の塗布液と積極的に混合させて、粘度の高い塗布液であっても、ノズル先端口の塗布液の性状を塗布に適した状態にできる。

また、本発明では、最後の液面振動動作の次に行われる塗布動作、すなわち、塗布動作が長い時間間隔に亘って行われていなかった後の最初の塗布動作においては、最後の液面振動動作によって振動する先端液面が、通常の等時間間隔塗布の場合における第１液面高さの位置に戻った時点で、第１圧力を加えるようにしている。例えば、第２圧力を加えた時点から先端液面が第１液面高さに戻るまでの時間間隔を事前に測定しておけば、塗布動作のための第１圧力を加える時点を、事前に知ることができる。この結果、長い時間間隔後の塗布動作を、等時間間隔塗布の場合と同様な状態で行うことができる。よって、このような不等時間間隔塗布においても、微量の液滴の塗布動作を精度良く行うことができる。

ここで、液面振動動作を、少なくとも２回行うようにすればよい。第１回目の第１液面振動動作では、第２圧力として、塗布動作における先端液面の振動に比べて振幅が大きくなるように（先端液面が大きく変位するように）、所定のパルス高さ、およびパルス幅を備えた第１パルス圧力を加える。これにより、等時間間隔塗布の場合に流出する液体の量よりも多い量の液体がノズル先端口から押し出された状態になる。この場合には、ノズル先端口から押し出された状態の液体が塗布面に接することの無いように、ノズル先端口を、第１ギャップよりも広い第２ギャップで塗布面に対峙させておく。このように、先端液面を大きく変位させることで、先端液面に生じた塗布液の乾燥皮膜を確実に破壊でき、また、破壊された乾燥皮膜の部分をノズル内に引き込むことができる。

また、第２回目の第２液面振動動作においては、第２圧力として、塗布動作における振動に比べて振幅が大きく、第１液面振動動作における振動に比べて振幅が小さくなるように、所定のパルス高さ、およびパルス幅を備えた第２パルス圧力を加える。これにより、第１液面振動動作によって破壊されてノズル内に引き込まれた乾燥皮膜などの劣化した塗布液の部分が、ノズル内の正常な塗布液に溶解し、あるいは混合する。この結果、先端液面の部分の塗布液の粘性等の性状を、塗布動作に適した状態に戻すことができる。

本発明において、上記のように先端液面の振動を精度良く微細に制御するためには、次のように、ノズルへの液体供給系を構成することが望ましい。すなわち、液体供給部からノズルに液体を供給する液体通路を、上流側通路部分、中間通路部分および下流側通路部分から形成し、中間通路部分を、その内容積が増減するように膨張収縮可能な通路部分とする。液体を、液体通路からノズル先端口まで充填した液体充填状態で、中間通路部分の内容積が減少するように当該中間通路部分を変形させた場合に、中間通路部分から下流側通路部分に押し出される液体量が、ナノリットルオーダーからピコリットルオーダーの微小量となるように、当該液体量と上流側通路部分に押し戻される液体量との比率を、１：１００〜１：５００に設定する。

そして、塗布動作では、液体充填状態において、中間通路部分をその内容積が減少するように変形させ、中間通路部分から下流側通路部分に押し出される微小量の液体によって第１圧力を作用させて、ノズル先端口から微量液体を流出させる。中間通路部分の変形を解除して当該中間通路部分の内容積を元の容積に戻して、下流側通路部分から微小量の液体を当該中間通路部分内に吸い戻すことで第１圧力を解除し、上流側通路部分から液体を中間通路部分内に吸い込む。

また、液面振動動作では、液体充填状態において、中間通路部分をその内容積が減少するように変形させる。中間通路部分から下流側通路部分に押し出される微小量の液体によって第２圧力を作用させて、ノズル先端口から微小量の液体を膨出させて先端液面を押し出す。そして、中間通路部分の変形を解除して当該中間通路部分の内容積を元の容積に戻して、下流側通路部分から微小量の液体を当該中間通路部分内に吸い戻すことで第２圧力を解除して先端液面を引き込むと共に、上流側通路部分から液体を中間通路部分内に吸い込む。

本発明の微量液体塗布方法は、従来においては不可能であった、５００μｍ以下、例えば、１００μｍ以下の微細径のノズルから、ナノリットルオーダーからピコリットルオーダーの微量液体を精度良く流出あるいは滴下でき、塗布面に適切な状態で微量の液体をドット状あるいは微細な線状に塗布できる。また、液体として、粘度が１Ｐａ・ｓ〜１００Ｐａ・ｓの高粘度液材を用いた場合においても、ナノリットルオーダーからピコリットルオーダーの微量の液体を精度良く、塗布面に塗布できる。

本発明を適用した微量液体ディスペンサの全体構成図である。 （ａ）および（ｂ）は微量液体ディスペンサの中間通路部分の動きを示す説明図である。 微量液体ディスペンサの塗布動作を示す概略フローチャートである。 １回の塗布動作後における先端液面の過渡的変化を示す説明図である。 （ａ）は点塗布の一例を示す説明図、（ｂ）は液面振動を行わない場合の駆動パルス信号を示す波形図、（ｃ）は液面振動を行う場合の駆動バルス信号を示す波形図である。 液面振動動作の別の例を示す説明図であり、（ａ）は先端液面の液面高さの経時変化の例を示す説明図であり、（ｂ）は塗布用の駆動パルス信号の例を示す波形図であり、（ｃ）は動作フローを示す概略フローチャートである。

以下に、図面を参照して、本発明の方法を適用した微量液体ディスペンサの実施の形態を説明する。

図１は、実施の形態に係る微量液体ディスペンサの全体構成図である。微量液体ディスペンサ１は、ワーク台２と、このワーク台２に載せたワーク３の表面に設けた塗布面３ａに微量の液体を塗布するノズル４とを備えている。ワーク台２は例えば３軸機構５によって水平な平面上および垂直方向に移動可能である。ワーク台２を固定し、ノズル４の側を３軸方向に移動させることも可能である。

ノズル４は本例では垂直に延びる細長い円筒状のノズルであり、このノズル４には、当該ノズル４の内径よりも大きな内径の液体通路６が接続されている。液体通路６はシリンジ７に繋がっており、シリンジ７には液体が貯留されている。シリンジ７にポンプ８から圧縮空気を供給して、そこに貯留されている液体が液体通路６に供給される。シリンジ７とポンプ８から液体供給部が構成される。シリンジ７には例えば粘性液体９が貯留されている。

液体通路６は、シリンジ７の下端の吐出口７ａに繋がる上流側通路部分６Ａと、中間通路部分１０と、ノズル４に繋がる下流側通路部分６Ｂから形成されている。ノズル４は金属などの剛体からなる円筒状のものであり、下流側通路部分６Ｂも同様に金属等の剛体からなる円筒状のものであり、内部を流れる粘性液体の圧力変動によって内容積が変化しないものである。上流側通路部分６Ａは撓み可能なフレキシブルチューブから形成されている。

中間通路部分１０は容量可変通路部分となっている。中間通路部分１０は、円筒通路１１を備え、この円筒通路１１の両端は剛体の端板１１ａ、１１ｂによって形成されているが、その円筒状胴部１１ｃは半径方向に弾性変形可能な弾性膜から形成されている。円筒状胴部１１ｃの内径は、上流側通路部分６Ａ、下流側通路部分６Ｂの内径よりも大きい。

円筒通路１１の円筒状胴部１１ｃを同心状に取り囲む状態に、円環状断面の密閉外周空間である圧力室１２が形成されている。圧力室１２は加圧機構１３に繋がっており、加圧機構１３によって圧力室１２の内圧を上げることが可能である。圧力室１２が加圧されると、円筒通路１１の円筒状胴部１１ｃが半径方向に内側に収縮して、円筒通路１１の内容積が減少する。加圧機構１３による加圧を解除すると、円筒状胴部１１ｃが元の円筒形状に弾性復帰し、内容積を元に戻すことが可能である。このように、圧力室１２と加圧機構１３とによって、円筒通路１１の内容積を増減するための通路変形機構が構成される。

通路変形機構としては、加圧機構１３の代わりに圧力室１２を減圧状態にする減圧機構を用いることもできる。この場合には、減圧状態にして円筒通路１１の内容積を増加させた状態で粘性液体９を円筒通路１１に取り込み、減圧状態を解除することで、円筒通路１１の内容積を減少させて内部の粘性液体９を押し出すことができる。また、加圧機構１３の代わりに加圧・減圧機構を用いることもできる。この場合には、減圧状態にして円筒通路１１の内容積を増加させた状態で粘性液体９を円筒通路１１に取り込み、加圧状態に切り替えて円筒通路１１の内容積を減少させて粘性液体９を押し出す。円筒通路１１の内容積の増減による粘性液体９の押出し量を増やすことができる。

ここで、ノズル４、下流側通路部分６Ｂおよび中間通路部分１０は、一体となって移動可能な微動ユニット２０となっている。微動ユニット２０は図１において一点鎖線で囲まれている部分である。微動ユニット２０は、ユニット微動機構を構成する直動機構２１（図１において想像線で示す。）によってノズル４の中心軸線４ｂに沿った方向に直線往復移動可能である。微動ユニット２０が移動すると、そのノズル先端口４ａとワーク台２に載せた塗布対象のワーク３の塗布面３ａとの間のギャップが増減する。

また、ノズル４の上方には観察光学系ユニット２２が配置されている。観察光学系ユニット２２は、ノズル先端口４ａおよびワーク３の塗布面３ａの部分をＣＣＤカメラによって観察可能である。また、観察光学系ユニット２２にはレーザー変位計等の計測機構が組み付けられており、ノズル先端口４ａと、これに対峙するワーク表面の塗布面３ａとの間のギャップを測定可能である。

上記の液体供給用のポンプ８、加圧機構１３、３軸機構５、直動機構２１、観察光学系ユニット２２等の各部分は、制御部１４によって駆動が制御される。制御部１４による制御動作は、操作・表示部１５の操作部からの操作入力に基づき行われ、各部の動作状態、観察光学系ユニット２２による観察画像等が操作・表示部１５の表示部に表示可能である。

このように構成される微量液体ディスペンサ１において、ノズル４は微小径のノズルであり、そのノズル先端口４ａの内径が５００μｍ以下、例えば１００μｍの細長い円筒状ノズルである。ノズル４が微小径のノズルであるので、中間通路部分１０の上流側の液体通路抵抗に比べて、下流側の液体通路抵抗が極めて大きい。

本例では、粘性液体９を、液体通路６およびノズル４のノズル先端口４ａまで充填した液体充填状態で、中間通路部分１０をその内容積が減少するように収縮させた場合に、当該中間通路部分１０から下流側通路部分６Ｂに押し出される液体量が、ナノリットルオーダーからピコリットルオーダーの微小量となるように、当該液体量と上流側通路部分６Ａに押し戻される液体量との比率が、１：１００〜１：５００の範囲内の値に設定されている。換言すると、このような比率となるように、中間通路部分１０の上流側の液体通路抵抗に比べて、下流側の液体通路抵抗が極めて大きくなるように設定されている。

図２（ａ）および図２（ｂ）は中間通路部分１０の動きを示す説明図であり、図３は微量液体ディスペンサ１の動作を示す概略フローチャートである。これらの図を参照して説明すると、まず、ワーク台２に対象となるワーク３を載せ、ワーク３の微量液体の滴下位置にノズル先端口４ａを真上から一定のギャップで対峙させるなどの初期設定動作を行う（図３のステップＳＴ１）。

この動作においては、制御部１４によって３軸機構５が駆動されてワーク表面の塗布面３ａの液体塗布開始位置に、ノズル先端口４ａが位置決めされる。この後に、制御部１４によって直動機構２１が駆動制御され、微動ユニット２０を上下方向に微小移動させて、ノズル先端口４ａと塗布面３ａとの間のギャップの微調整が行われる。塗布動作においては、ギャップは第１ギャップに設定される。ギャップ微調整においては、微動ユニット２０のみを上下に微動させればよいので、精度良く、しかも迅速に、ギャップ調整を行うことができる。

この後は、ポンプ８を駆動して圧縮空気の供給を制御して、シリンジ７から液体通路６を介してノズル４内のノズル先端口４ａまで液体が充填された液体充填状態を形成する（図３のステップＳＴ２）。

塗布面３ａに対する微量の液体の塗布動作においては、ポンプ８によるシリンジ７への圧縮空気の供給を止めて液体供給動作を停止し、加圧機構１３を駆動して圧力室１２の内圧を予め設定した圧力までパルス状に上げる。これにより、容量可変通路部分１０が外側から加圧され、その円筒状胴部１１ｃが収縮する。この結果、図２（ａ）に示すように、中間通路部分１０の内容積が減少する（図３のステップＳＴ３）。

中間通路部分１０が収縮すると、その内部に保持されていた液体が、下流端開口１０ｂおよび上流端開口１０ａのそれぞれから押し出されて、下流側および上流側に向けて分流する。下流側へ押し出される粘性液体９の分流量は、下流側通路部分６Ｂおよびノズル４を含む下流側の液体通路抵抗と、上流側通路部分６Ａの側の液体通路抵抗との比に応じて定まる。

下流側の液体通路抵抗が大幅に大きいので、下流側に微小量の液体が押し出される。下流側に押し出された微量液体によって形成されるパルス状の第１圧力によって、下流側通路部分６Ｂの内圧が一時的に高まり、これによって、ノズル４のノズル先端口４ａから所定量の微量の液体が流出して、塗布面３ａに接触する。

この後は、加圧機構１３による加圧を解除し、圧力室１２を例えば大気圧状態まで戻す（図３のステップＳＴ４）。この結果、図２（ｂ）に示すように、中間通路部分１０の円筒状胴部１１ｃは半径方向の外方に膨張して元の円筒形状に弾性復帰する。これにより、中間通路部分１０には、上流側通路部分６Ａおよび下流側通路部分６Ｂの双方から液体が吸引されて流れ込む。

液体の流入量も、上流側及び下流側の液体通路抵抗の比に対応する。よって、ノズル４の側の下流側通路部分６Ｂからは極わずかの量の液体が上流側に引き戻されるだけである。これにより、ノズル４内の作用していた第１圧力が解除されて、ノズル先端口４ａにおいては、液体のメニスカスが破壊されない程度に引き上げられる。すなわち、塗布液がノズル先端口４ａからノズル内に向けて引き上げられて、塗布面３ａには、微小量の液滴９ａが残る。液滴９ａから分離して形成された液体の先端液面（メニスカス）がノズル先端口４ａの側に戻る。

ここで、微量の液体の塗布動作においては、ノズル先端口４ａと塗布面３ａとの間の第１ギャップは微小ギャップとなるように調整される。このため、粘性の高い液体の滴下動作においては、ノズル先端口４ａから流出して塗布面３ａに接触した微量の液滴がノズル先端口４ａから切り離されずに、塗布面３ａとの間に架け渡された状態になることがある。

このような粘性の高い液体の塗布動作においては、例えば、予備塗布動作を行って観察光学系ユニット２２によってこのような状態が確認される場合には、本塗布動作においては、微量の液滴の塗布時に適切なタイミングで直動機構２１によって微動ユニット２０を微小移動させ、ノズル４の引き上げ動作を行う。これにより、液切りを良好に行うことができ、塗布面３ａ上に微量の液滴を精度良く適切な状態で塗布できる。この後は、例えば、必要回数だけ、等時間間隔で微量の液体の塗布動作、すなわち、等時間間隔塗布を行う。しかる後に、塗布動作を終了する（図３のステップＳＴ３、４、５）。

（等時間間隔塗布と不等時間間隔塗布）
図４は１回の塗布動作後におけるノズル先端口４ａに形成される液体の先端液面の過渡的変化を示す説明図である。ノズル先端口４ａには、凸球面状あるいは凹球面状に先端液面３０が形成される。先端液面３０におけるノズル先端口４ａからノズル中心軸線の方向の最大高さの位置までの距離を、液面高さと呼ぶものとする。図４（ａ１）は塗布動作の直後の先端液面３０の液面高さＨ１を示す。この状態から時間の経過に伴って、先端液面３０の液面高さは、図４（ａ２）〜図４（ａ４）に示すように、順次にノズル内に向かう方向に後退していく。すなわち、液面高さは、液面高さＨ２〜Ｈ４の順に徐々に低くなる。さらに時間が経過すると、図４（ａ５）、図４（ａ６）に示すように、乾燥等に起因して、先端液面３０はノズル内に引き込まれて湾曲状になり、マイナスの液面高さＨ５、Ｈ６の状態になる。

図５（ａ）に示すように、塗布面３ａ上の各ポイントｂ１〜ｂ１０に、微小径のドット状に液滴を塗布する点塗布動作を行う場合を考える。この場合において、例えば、図５（ｂ）に一例を示すように、制御部１４から加圧機構１３に対して塗布用の駆動パルス信号Ｓ１が供給される場合を説明する。ポイントｂ１〜ｂ５までは、塗布間隔ｔ１で等時間間隔塗布が行われる。これに対して、ポイントｂ５からポイントｂ６への移動のために、これら間の塗布間隔はｔ２と長くなる。移動後のポイントｂ６からｂ１０までの塗布動作は、再び、塗布間隔ｔ１の等時間間隔塗布になる。

このような塗布動作の場合、等時間間隔塗布によるポイントｂ２〜ｂ５、ｂ７〜ｂ１０の塗布状態は均一になる。これらの塗布動作においては、塗布間隔ｔ１で塗布を繰り返し行うときには、塗布直前のノズル先端口４ａの先端液面３０の液面高さは同一の状態になる。すなわち、第１圧力を加える直前の時点である駆動パルス信号Ｓ１の各パルスの立ち上がり時点における先端液面３０の液面高さが、各ポイントの塗布時において一定であり、例えば、図４（ａ２）に示す液面高さＨ２（第１液面高さ）になる。よって、精度良く、定量の液体を流出させて所定径の液体ドットを塗布面３ａに塗布できる。

これに対して、先端液面３０の液面高さの過渡的変化により、ポイントｂ１の塗布は開始前の長い待機時間、あるいは初期設定時におけるノズル先端の液体充填状態に影響されて、例えば、図４（ａ６）に示すように、ノズル内に引き込まれたマイナスの液面高さの位置に後退していることがある。液面高さがマイナス側の位置に後退している場合、あるいは、これと共に、乾燥による増粘等の影響が加わる場合、ポイントｂ１の塗布動作においては、等時間間隔塗布の場合に比べて、ノズル先端口４ａからの液体の流出量が大幅に少なくなってしまう。また、ポイントｂ５の塗布は移動のために必要とされる長い塗布間隔ｔ２に影響され、先端液面３０の液面高さが、やはり、図４（ａ２）の場合よりもノズル内に引き上げられた位置、例えば、図４（ａ５）に示す液面高さＨ５の状態となり、塗布量が等時間間隔塗布の場合に比べて少なくなりやすい。

（液面振動動作の制御例その１）
このような不具合を解消するために、制御部１４は、初期設定後の最初の塗布動作の前、および、塗布動作が、設定時間間隔よりも長い時間間隔に亘って行われていない場合に、ノズル先端口４ａに形成されている先端液面３０を、ノズル先端口４ａに対してノズル内外方向に所定振幅で１往復させる液面振動動作（予備パルス駆動）を、１回あるいは複数回に亘って行う制御機能が備わっている。

例えば、制御部１４は、図５（ａ）に示すようなポイントｂ１〜ｂ１０の点塗布動作を行う場合には、例えば、図５（ｃ）に示す駆動パルス信号Ｓ２を加圧機構１３に供給して、塗布動作を制御する。この場合には、塗布開始前に、複数回の予備パルス駆動、例えば３回の予備パルス駆動を行う。また、ポイントｂ５からポイントｂ６への移動のための塗布間隔ｔ２の間にも、複数回の予備パルス駆動、例えば３回の予備パルス駆動を行う。

最初の塗布動作であるポイントｂ１の塗布前に、予備パルス駆動を行うことで、先端液面３０の液面高さを、例えば、図４（ａ１）〜（ａ６）の順に変化させることができる。ポイントｂ１の点塗布動作において、液面高さが、等時間間隔塗布の場合と同一の図４（ａ２）の液面高さＨ２の位置で駆動パルスを与えて、塗布動作を行わせることができる。これにより、等時間間隔塗布の場合と同じ液量を塗布面３ａに塗布できる。ポイントｂ６の点塗布動作においても同様なタイミングで駆動パルスを与えることにより、同一塗布量で塗布面３ａに塗布できる。

なお、等時間間隔塗布における塗布間隔ｔ１が設定時間間隔よりも長い場合には、各塗布動作の間に予備パルス駆動を行ってもよい。これにより、塗布時の液面高さを図４（ａ２）に示す液面高さＨ２の状態に制御して、目標とする塗布量で液体を正確に塗布できる。

（液面振動動作の制御例その２）
図６は制御部１４による液面振動動作の別の例を示す説明図であり、（ａ）は先端液面３０の液面高さの経時変化の例を示す説明図であり、（ｂ）は塗布用の駆動パルス信号Ｓ３の例を示す波形図であり、（ｃ）は予備駆動（液面振動動作）の割り込み処理の動作フローを示す概略フローチャートである。図示の例は、塗布用の駆動パルスｐを与えて点塗布動作が行われた後に設定時間間隔ｔａを超える塗布間隔ｔ３をおいて、次の点塗布動作が行われる場合である。

塗布動作の後の経過時間が設定時間間隔ｔａを超えると、制御部１４は液面振動動作を行う。本例の液面振動動作においては、微動ユニット２０を駆動制御して、塗布面３ａに対して、ノズル先端口４ａを、第１ギャップよりも広い第２ギャップで対峙させる（図６（ｃ）のステップＳＴ１１）。この状態で、ノズル４内に充填されている液体に、第１圧力とは異なるパルス状の第２圧力を加えて、先端液面３０を、第１液面高さＨ２（図４（ａ２））の位置を含む大きな振幅で振動させる液面振動動作を行う。

例えば、液面振動動作を、少なくとも２回行う。第１回目の第１液面振動動作（図６（ｃ）のステップＳＴ１２）では、等時間間隔塗布（塗布間隔ｔ１）における先端液面３０の振動に比べて振幅が大きくなるように、所定のパルス高さ、およびパルス幅を備えた第１パルスｐ１を加える。これにより、先端液面３０は大きな振幅で１回振動する。第２回目の第２液面振動動作（図６（ｃ）のステップＳＴ１３）では、等時間間隔塗布（塗布間隔ｔ１）における振動に比べて振幅が大きいが、第１液面振動動作における振動に比べて振幅が小さくなるように、所定のパルス高さ、およびパルス幅を備えた第２パルスｐ２を加える。

例えば、使用するノズル４の内径の５倍以下の直径の点塗布を行う場合を例に挙げて説明する。等時間間隔塗布で塗布を行う場合の１回の塗布量を１とした場合に、１回目の第１液面振動動作におけるノズル先端口４ａから押し出される液体量を、１以上１０以下の範囲で設定する。２回目の第２液面振動動作において押し出される液体量を、１回目の液体量より少ない１以上２以下の範囲で設定する。

最初の第１液面振動動作は、先端液面３０に生じた乾燥皮膜を破壊する目的で行う。先端液面３０の変位を大きくする（振幅を大きくする）調整は、加える第１パルスｐ１の値を大きくしてノズル４内に作用する第２圧力を大きくする。あるいは、第１パルスｐ１の幅を広くしてノズル４内に作用する第２圧力の作用時間を長くする。勿論、それらの双方を大きくしてもよい。

次の第２液面振動動作は、破壊した乾燥皮膜を振動させることにより、ノズル４内の塗布液内に破壊した乾燥皮膜を溶解させ、あるいは混合させる。これにより、先端液面３０の部分の液体の粘性等の性状を塗布に適した状態に戻す。液体の粘性、乾燥特性などに基づき、第２液面振動動作を１回、あるいは複数回行えばよい。第１、第２液面振動動作においては、塗布動作の直前にノズル先端に存在する液体量よりも多い量の液体をノズル先端から押し出すことができる。

第２液面振動動作と並行して、微動ユニット２０を駆動制御して、塗布面３ａに対して、ノズル先端口４ａを、第２ギャップから塗布用の第１ギャップに戻す（図６（ｃ）のステップＳＴ１４）。導出した液体の先端液面３０が上記のように等時間間隔塗布の塗布直前の液面高さ位置（図４（ａ２））に戻るタイミングで、次の塗布動作を行う。すなわち、第２液面振動動作の次に行われる塗布動作における駆動パルスｐの印加時点において、液面高さが図４（ａ２）に示すように等時間間隔塗布の場合と同一の高さ位置に戻るように、最後の第２液面振動動作の第２パルスｐ２の立ち下がり時点から塗布動作の駆動パルスｐの立ち上がりまでの待ち時間Ｔ１を事前に測定して、設定しておく。待ち時間Ｔ１の経過後に、次の塗布動作に移行する（図６（ｃ）のステップＳＴ１５）。

上記のように、本例では、少なくとも２回の液面振動動作を塗布動作の前に行う。これと共に、塗布動作における駆動パルスｐの印加時点において、液面高さが図４（ａ２）に示すように等時間間隔塗布の場合と同一の高さ位置に戻るように、最後の液面振動動作から塗布動作までの待ち時間Ｔ１を設定する。これにより、不等時間間隔塗布の場合においても、精度良く、微量の液滴を塗布面に塗布できる。

なお、線塗布動作の場合にも、液面振動動作を必要回数行い、この後の塗布動作における塗布直前の液面高さを揃えることにより、同様に、精度良く微細な線画を塗布面３ａに描くことができる。

本発明者等の実験によれば、ノズル４として、そのノズル先端口４ａが２５μｍ〜１００μｍのものを用いて、５０Ｐａ・ｓ〜１００Ｐａ・ｓの高粘度液体を、不等時間間隔塗布であっても、数十ピコリットル〜数ナノリットルの微量で、精度良く、塗布できることが可能なことが確認された。

なお、中間通路部分１０の収縮量、収縮速度などは、次のパラメータに基づき適切に設定できる。
ノズル先端口４ａから一度に吐出あるいは滴下させる液体量
ノズル先端口４ａの内径寸法
液体の粘度
上流側通路部分６Ａの側の液体通路抵抗と、下流側通路部分６Ｂおよびノズル４を含む下流側の液体通路抵抗との比

使用ノズル、使用液体、１回の液体滴下量等は予め設定されているので、これらに応じて制御部１４によって各部の駆動制御を行わせるようにすればよい。上流側通路部分６Ａと下流側通路部分６Ｂの液体通路抵抗の比を、可変制御することも可能である。例えば、上流側通路部分６Ａに流量調整弁を取付け、これを制御部１４によって制御可能にする。ワーク３への微量液体の滴下動作に先立って、流量調整を行うことで、上流側通路部分６Ａの液体通路抵抗と、下流側通路部分６Ｂおよびノズル４を含む下流側の液体通路抵抗との比を調整することが可能である。

また、ノズルに加える第１、第２圧力、等時間間隔塗布を行う場合の塗布間隔ｔ１、予備駆動パルスのパルス幅・高さ、待ち時間Ｔ１等も、上記の各パラメータに基づき中間通路部分の収縮量、収縮速度等を設定した状態で実際に測定することで、目標とする塗布状態が得られるように、それぞれ、設定することができる。

本発明の方法およびディスペンサは、様々な液材の塗布に用いることができる。例えば、次のような液材を用いることができる。
金属ペースト（Ａｇ、Ｃｕ、ハンダ等）
樹脂液材（シリコーン接着剤、ＵＶ硬化樹脂、フォト・レジスト、ＵＶ硬化接着剤、その他の各種樹脂液剤）
フィラー入り液材（フィラー：蛍光粒子、シリカ粒子、フリット・ガラス、酸化チタン、各種ナノマイクロ粒子等）

また、本発明の適用技術分野としては次のような分野がある。
光学部品製造への適用（遮光材塗布、アパーチャ形成、レンズ面への各種液材塗布）
電子部品への極微小量の接着剤滴下（ＬＥＤ、水晶発振子、ＭＥＭＳ、パワー・デバイス等）
ＦＰＤ、撮像センサのガラス貼り合わせ
Ａｇナノペーストによる配線（ＩＴＯへの補助配線、微小エリアへの配線形成等）

１ 微量液体ディスペンサ
２ ワーク台
３ ワーク
３ａ 塗布面
４ ノズル
４ａ ノズル先端口
４ｂ 中心軸線
５ 軸機構
６ 液体通路
６Ａ 上流側通路部分
６Ｂ 下流側通路部分
７ シリンジ
７ａ 吐出口
８ ポンプ
９ 粘性液体
９ａ 液滴
１０ 中間通路部分
１０ａ 上流端開口
１０ｂ 下流端開口
１１ 円筒通路
１１ａ、１１ｂ 端板
１１ｃ 円筒状胴部
１２ 圧力室
１３ 加圧機構
１４ 制御部
１５ 操作・表示部
２０ 微動ユニット
２１ 直動機構
２２ 観察光学系ユニット
３０ 先端液面
ｂ１〜ｂ１０ ポイント
ｐ 駆動パルス
ｐ１ 第１パルス
ｐ２ 第２パルス
Ｓ１ 駆動パルス信号
Ｓ２ 駆動パルス信号
Ｓ３ 駆動パルス信号
ｔ１ 塗布間隔
Ｔ１ 待ち時間
ｔ２ 塗布間隔
ｔ３ 塗布間隔
ｔａ 設定時間間隔

Claims (8)

1. 塗布面に対して所定の第１ギャップで対峙させたノズルのノズル先端口から、ナノリットルオーダーからピコリットルオーダーの微量液体を流出させて前記塗布面に塗布する塗布動作を行い、
   前記塗布動作が設定時間間隔よりも長い時間間隔に亘って行われない場合に、前記ノズル先端口に形成されている液体の先端液面を、前記ノズル先端口に対してノズル内外方向に所定振幅で１往復させる液面振動動作を、１回あるいは複数回に亘って行い、
   前記塗布動作においては、前記ノズル内の前記液体にパルス状の第１圧力を加えて、前記ノズル先端口から所定量の微量液体を流出させて前記塗布面に接触させ、前記第１圧力の解除により、前記液体を前記ノズル先端口から前記ノズル内に引き上げて、前記塗布面に微量液体が塗布された状態を形成し、
   予め設定した第１時間間隔で前記塗布動作を繰り返す場合において、前記第１圧力を加える直前の前記先端液面の位置を第１液面高さとすると、
   前記液面振動動作においては、前記塗布面に対して、前記ノズル先端口を、前記第１ギャップと同一あるいは広い第２ギャップで対峙させ、この状態で、前記ノズル内の前記液体に、前記第１圧力と同一あるいは異なるパルス状の第２圧力を加えて、前記先端液面を、前記第１液面高さの位置を含む振幅で振動させ、
   最後の前記液面振動動作の次に行われる前記塗布動作においては、当該液面振動動作により振動する前記先端液面が前記第１液面高さに戻った時点で、前記第１圧力を加えることを特徴とする微量液体塗布方法。
2. 請求項１において、
   前記液面振動動作を、少なくとも２回行い、
   第１回目の第１液面振動動作では、前記第２圧力として、前記塗布動作における前記先端液面の振動に比べて振幅が大きくなるように、所定のパルス高さ、およびパルス幅を備えた第１パルス圧力を加え、
   第２回目の第２液面振動動作では、前記第２圧力として、前記塗布動作における前記振動に比べて振幅が大きく、前記第１液面振動動作における前記振動に比べて振幅が小さくなるように、所定のパルス高さ、およびパルス幅を備えた第２パルス圧力を加える微量液体塗布方法。
3. 請求項１または２において、
   液体供給部から前記ノズルに液体を供給する液体通路を、上流側通路部分、中間通路部分および下流側通路部分から形成し、前記中間通路部分を、その内容積が増減するように膨張収縮可能な通路部分とし、
   前記液体を、前記液体通路から前記ノズルの前記ノズル先端口まで充填した液体充填状態で、前記中間通路部分の内容積が減少するように当該中間通路部分を変形させた場合に、当該中間通路部分から前記下流側通路部分に押し出される液体量が、ナノリットルオーダーからピコリットルオーダーの微小量となるように、当該液体量と前記上流側通路部分に押し戻される液体量との比率を、１：１００〜１：５００に設定し、
   前記塗布動作では、
   前記液体充填状態において、前記中間通路部分をその内容積が減少するように変形させ、
   前記中間通路部分から前記下流側通路部分に押し出される微小量の液体によって前記第１圧力を作用させて、前記ノズル先端口から前記微量液体を流出させ、
   前記中間通路部分の変形を解除して当該中間通路部分の内容積を元の容積に戻して、前記下流側通路部分から微小量の液体を当該中間通路部分内に吸い戻すことで前記第１圧力を解除し、前記上流側通路部分から液体を前記中間通路部分内に吸い込み、
   前記液面振動動作では、
   前記液体充填状態において、前記中間通路部分をその内容積が減少するように変形させ、
   前記中間通路部分から前記下流側通路部分に押し出される微小量の液体によって前記第２圧力を作用させて、前記ノズル先端口から前記先端液面を押し出した状態を形成し、
   前記中間通路部分の変形を解除して当該中間通路部分の内容積を元の容積に戻して、前記下流側通路部分から微小量の液体を当該中間通路部分内に吸い戻すことで前記第２圧力を解除して前記先端液面を引き込むと共に、前記上流側通路部分から液体を前記中間通路部分内に吸い込む微量液体塗布方法。
4. 請求項１、２または３において、
   前記ノズルとして、前記ノズル先端口の内径寸法が５００μｍ以下の微小径ノズルを用いる微量液体塗布方法。
5. 請求項１ないし４のうちのいずれか一つの項において、
   前記液体として、粘度が１Ｐａ・ｓ〜１００Ｐａ・ｓの高粘度液材を用いる微量液体塗布方法。
6. 筒状のノズルの先端口から、ナノリットルオーダーからピコリットルオーダーの微量の液体を流出させて、塗布面に塗布する微量液体ディスペンサであって、
   上流側通路部分、内容積が増減するように膨張収縮可能な中間通路部分、および下流側通路部分を備えた液体通路と、
   前記液体通路を介して前記ノズルに液体を供給する液体供給部と、
   前記中間通路部分の内容積が増減するように、当該中間通路部分を変形させる通路変形機構と、
   前記ノズル、前記中間通路部分が形成された部材、および前記液体通路における前記ノズルから前記中間通路部分までの間の下流側通路部分が形成された部材を、一体のユニットとして、前記ノズルの中心軸線の方向に移動させるユニット微動機構と、
   前記塗布面に対して所定の第１ギャップで対峙させたノズルのノズル先端口から微量の液体を流出させて前記塗布面に塗布する塗布動作、および、前記塗布動作が、設定時間間隔よりも長い時間間隔に亘って行われない場合に、前記ノズル先端口に形成されている前記液体の先端液面を、前記ノズル先端口に対してノズル内外方向に所定振幅で１往復させる液面振動動作を、１回あるいは複数回に亘って行わせる制御部と、
   を有しており、
   前記液体を前記液体通路から前記ノズル先端口まで充填した液体充填状態で、前記中間通路部分の内容積が減少するように当該中間通路部分を変形させた場合に、当該中間通路部分から前記下流側通路部分に押し出される液体量が、ナノリットルオーダーからピコリットルオーダーの微小量となるように、当該液体量と前記上流側通路部分に押し戻される液体量との比率が、１：１００〜１：５００に設定されており、
   前記制御部は、
   前記塗布動作においては、前記ノズル内の前記液体にパルス状の第１圧力を加えて、前記ノズル先端口から所定量の微量液体を流出させて前記塗布面に接触させ、前記第１圧力の解除により、前記液体を前記ノズル先端口から前記ノズル内に引き上げて、前記塗布面に微量液体が塗布された状態を形成し、
   予め設定した第１時間間隔で前記塗布動作を繰り返す場合において、前記第１圧力を加える直前の前記先端液面の位置を第１液面高さとすると、
   前記液面振動動作においては、前記塗布面に対して、前記ノズル先端口を、前記第１ギャップと同一あるいは異なる第２ギャップで対峙させ、この状態で、前記ノズル内の前記液体に、前記第１圧力と同一あるいは異なるパルス状の第２圧力を加えて、前記先端液面を、前記第１液面高さの位置を含む振幅で振動させ、
   最後の前記液面振動動作の次に行われる前記塗布動作においては、当該液面振動動作により振動する前記先端液面が前記第１液面高さに戻った時点で、前記第１圧力を加えることを特徴とする微量液体ディスペンサ。
7. 請求項６において、
   前記制御部は、前記液面振動動作を、少なくとも２回行い、
   第１回目の第１液面振動動作では、前記第２圧力として、前記塗布動作における前記先端液面の振動に比べて振幅が大きくなるように、所定のパルス高さ、およびパルス幅を備えた第１パルス圧力を加え、
   第２回目の第２液面振動動作では、前記第２圧力として、前記塗布動作における前記振動に比べて振幅が大きく、前記第１液面振動動作における前記振動に比べて振幅が小さくなるように、所定のパルス高さ、およびパルス幅を備えた第２パルス圧力を加える微量液体ディスペンサ。
8. 請求項６または７において、
   前記ノズルは、前記ノズル先端口の内径寸法が５００μｍ以下の微小径ノズルである微量液体ディスペンサ。

Images