JP2019141790A

JP2019141790A - 塗布方法および塗布装置

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Publication number: JP2019141790A
Application number: JP2018028392A
Authority: JP
Inventors: 哲友枝; Satoru Tomoe; 和幸獅野; Kazuyuki Shishino
Original assignee: Toray Engineering Co Ltd
Current assignee: Toray Engineering Co Ltd
Priority date: 2018-02-21
Filing date: 2018-02-21
Publication date: 2019-08-29

Abstract

【課題】角部を有する所望の形状の塗布膜を基板上に形成することが可能な塗布方法および塗布装置を提供する。【解決手段】ノズルから塗布液の液滴を吐出し、角部５３を含む形状の塗布膜５２を基板Ｗ上に形成する塗布方法であり、基板Ｗ上での塗布液の濡れ広がりを考慮して、塗布された直後の塗布液によって基板Ｗ上に形成される塗布パターン５１の形状を設定する塗布パターン設定工程と、塗布パターン５１を形成するようにノズルから基板Ｗへ塗布液を塗布する塗布工程と、を有し、塗布パターン設定工程では、塗布膜５２の外周と塗布パターン５１の外周との対応する箇所同士の距離が角部５３で最も小さく、角部５３から離れるほど大きくなるように塗布パターン５１を設定する。【選択図】図２

Description

本発明は、インクジェット法により基板上に塗布液を塗布し、任意の形状の塗布膜を形成する塗布方法および塗布装置に関するものである。

基板上に任意の形状の塗布膜を形成するにあたり、従来はフォトリソグラフィが採用されていたのに代わって近年では下記特許文献１に示すようなインクジェット法による塗布が採用される場合が多い。このインクジェット法により、フォトリソグラフィでは塗布、露光、エッチングなど多くの工程が必要でありかつエッチングの工程で多量の塗布材料を消費していたことに対して、少ない工程でかつ塗布材料をほぼ無駄にしない塗布膜の形成を行うことが可能となる。

特開２００５−１０９３９０号公報

ここで、基板が平坦であり、特に基板の親液性が高い（濡れ広がりやすい）場合、基板上にインクジェット法により塗布された塗布液は基板上で塗れ広がる可能性がある。ここで、図３（ａ）に２点鎖線で示すような四角形状の塗布膜を基板Ｗ上に形成することを所望する場合に、塗布直後の塗布液により基板Ｗに形成される塗布パターンの形状をこの四角形と同じ形状にするように塗布液を塗布してしまうと、塗布液が硬化して塗布膜を形成する前に外側へ濡れ広がり、図３（ｂ）のハッチングで示すような形状の塗布膜９０となって所望の形状の塗布膜を得ることが困難となるおそれがあった。

特に塗布パターンの角部にはさまれた中央部が角部よりも大きく濡れ広がる現象が生じ、所望の形状を維持することが困難であるといった問題があった。

本発明は上記問題を鑑みてなされたものであり、角部を有する所望の形状の塗布膜を基板上に形成することが可能な塗布方法および塗布装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために本発明の塗布方法は、ノズルから塗布液の液滴を吐出し、角部を含む形状の塗布膜を基板上に形成する塗布方法であり、基板上での塗布液の濡れ広がりを考慮して、塗布された直後の塗布液によって基板上に形成される塗布パターンの形状を設定する塗布パターン設定工程と、前記塗布パターンを形成するように前記ノズルから基板へ塗布液を塗布する塗布工程と、を有し、前記塗布パターン設定工程では、前記塗布膜の外周と前記塗布パターンの外周との対応する箇所同士の距離が前記角部で最も小さく、前記角部から離れるほど大きくなるように前記塗布パターンを設定することを特徴としている。

上記塗布方法によれば、塗布パターン設定工程では、塗布膜の外周と塗布パターンの外周との対応する箇所同士の距離が角部で最も小さく、角部から離れるほど大きくなるように塗布パターンを設定することにより、塗布膜の形成までに基板上で塗布液の濡れ広がりが生じた後、所望の形状を有した塗布膜を得ることが可能である。

また、前記塗布パターン設定工程では、前記塗布膜において２つの前記角部の間が直線状である部分では、その部分に対応する前記塗布パターンは端部よりも中央部が内側にくびれた形状となるように、前記塗布パターンを設定すると良い。

こうすることにより、直線部を有する塗布膜を得ることができる。

また、前記塗布膜の形状は多角形であると良い。

このように直線部のみで形成される形状の塗布膜を形成する場合、本発明の塗布方法を最も好適に利用することができる。

また、上記課題を解決するために本発明の塗布装置は、ノズルから塗布液の液滴を吐出し、角部を含む形状の塗布膜を基板上に形成する塗布装置であり、前記ノズルを備える塗布ヘッドと、前記ノズルの吐出動作を制御する制御部と、を有し、前記制御部は、基板上での塗布液の濡れ広がりを考慮して、塗布された直後の塗布液によって基板上に形成される塗布パターンの形状を設定し、当該塗布パターンは、前記塗布膜の外周と前記塗布パターンの外周との対応する箇所同士の距離が前記角部で最も小さく、前記角部から離れるほど大きくなることを特徴としている。

上記塗布装置によれば、制御部は、基板上での塗布液の濡れ広がりを考慮して、塗布された直後の塗布液によって基板上に形成される塗布パターンの形状を設定し、当該塗布パターンは、塗布膜の外周と塗布パターンの外周との対応する箇所同士の距離が角部で最も小さく、角部から離れるほど大きくなることにより、塗布膜の形成までに基板上で塗布液の濡れ広がりが生じた後、所望の形状の塗布膜を得ることが可能である。

本発明の塗布方法および塗布装置によれば、角部を有する所望の形状の塗布膜を基板上に形成することが可能である。

本発明の一実施形態における塗布装置を示す概略図である。本発明の一実施形態における塗布方法の様子を示す模式図である。従来の塗布方法により得られる塗布膜の模式図である。

本発明に係る実施の形態を図面を用いて説明する。

図１は、本発明を実施する塗布装置の概略図である。
塗布装置１は、塗布部２、塗布ステージ３、親液性調節部４、および制御部５を備えており、塗布部２が塗布ステージ３上の基板Ｗの上方を移動しながら塗布部２内のノズルから塗布液の液滴を吐出することにより、基板Ｗへの塗布動作が行われる。そして、基板Ｗ上に着弾した液滴同士が連結し、基板Ｗ上に塗布パターン５１が形成される。また、塗布部２が基板Ｗへ液滴を吐出する前に、親液性調節部４が基板Ｗ上の塗布パターン５１が形成される領域であるパターン領域の親液性を調節し、塗布パターン形成後の塗布液の塗れ広がりの挙動をあらかじめ制御する。

なお、以下の説明では、基板Ｗへの液滴吐出時に塗布部２が移動する（走査する）方向をＸ軸方向、Ｘ軸方向と水平面上で直交する方向をＹ軸方向、Ｘ軸およびＹ軸方向の双方に直交する方向をＺ軸方向として説明を進めることとする。

塗布部２は、塗布ヘッド１０、および塗布ヘッド移動装置１２を有している。塗布ヘッド１０は塗布ヘッド移動装置１２によって塗布ステージ３上の基板Ｗの任意の位置まで移動することが可能であり、塗布ヘッド１０が連続して移動する最中、あらかじめプログラムされた吐出位置に到達するたびに、塗布ヘッド１０はノズル１１から各吐出対象に対してインクジェット法により液滴の吐出を行う。

塗布ヘッド１０は、Ｙ軸方向を長手方向とする略直方体の形状を有し、複数の吐出ユニット１３が組み込まれている。

吐出ユニット１３には、複数のノズル１１が設けられており、吐出ユニット１３が塗布ヘッド１０に組み込まれることにより、ノズル１１が塗布ヘッド１０の下面に配列される形態をとる。

また、塗布ヘッド１０は配管を通じてサブタンク１５と連通している。サブタンク１５は、塗布ヘッド１０の近傍に設けられており、サブタンク１５と離間して設けられたメインタンク１６から配管を経由して供給された塗布液を一旦貯蔵し、その塗布液を塗布ヘッド１０へ高精度で供給する役割を有する。サブタンク１５から塗布ヘッド１０へ供給された塗布液は、塗布ヘッド１０内で分岐され、各吐出ユニット１３の全てのノズル１１へ供給される。

各ノズル１１はそれぞれ駆動隔壁１４を有し、制御部５からそれぞれのノズル１１に対する吐出のオン、オフの制御を行うことにより、任意のノズル１１の駆動隔壁１４が変形し、液滴を吐出する。なお、本実施形態では、駆動隔壁１４としてピエゾアクチュエータが用いられており、駆動隔壁１４へ電圧が印加されることにより駆動隔壁１４の変形が生じる。

また、各ノズル１１からの液滴の吐出を安定させるために、塗布待機時には塗布液が各ノズル１１内で所定の形状の界面（メニスカス）を維持してとどまる必要があり、そのため、サブタンク１５内には真空源１７によって所定の大きさの負圧が付与されている。なお、この負圧は、サブタンク１５と真空源１７との間に設けられた真空調圧弁１８によって調圧されている。

塗布ヘッド移動装置１２は走査方向移動装置２１、シフト方向移動装置２２、および回転装置２３を有しており、塗布ヘッド１０をＸ軸方向およびＹ軸方向に移動させ、また、Ｚ軸方向を回転軸として回転させる。

走査方向移動装置２１は、リニアステージなどで構成される直動機構であり、制御部５に駆動を制御されて塗布ヘッド１０をＸ軸方向（走査方向）に移動させる。

走査方向移動装置２１が駆動し、基板Ｗの上方で塗布ヘッド１０が走査しながらノズル１１から液滴を吐出することにより、Ｘ軸方向に並んだ塗布領域に対して連続的に塗布液の塗布を行う。

シフト方向移動装置２２は、リニアステージなどで構成される直動機構であり、制御部５に駆動を制御されて塗布ヘッド１０をＹ軸方向（シフト方向）に移動させる。

これにより、塗布ヘッド１０内で吐出ユニット１３同士が間隔を設けて設置されている場合に、一度塗布ヘッド１０をＸ軸方向に走査させながら塗布を行った後、塗布ヘッド１０をＹ軸方向にずらし、その間隔を補完するように塗布することで、基板Ｗの全面への塗布を行うことが可能となっている。

また、基板ＷのＹ軸方向の幅が塗布ヘッド１０の長さよりも長い場合であっても、１回の塗布動作が完了するごとに塗布ヘッド１０をＹ軸方向にずらし、複数回に分けて塗布を行うことにより、基板Ｗの全面へ塗布を行うことが可能である。

回転装置２３は、Ｚ軸方向を回転軸とする回転ステージであり、制御部５に駆動を制御されて塗布ヘッド１０を回転させる。

この回転装置２３によって塗布ヘッド１０の角度を調節することにより、塗布ヘッド１０の走査方向と直交する方向（Ｙ軸方向）のノズル１１の間隔を調節し、塗布領域の寸法および液滴の大きさに適した間隔とする。

塗布ステージ３は、基板Ｗを固定する機構を有し、基板Ｗへの塗布動作はこの塗布ステージ３の上に基板Ｗを載置し、固定した状態で行われる。本実施形態では、塗布ステージ３は吸着機構を有しており、図示しない真空ポンプなどを動作させることにより、基板Ｗと当接する面に吸引力を発生させ、基板Ｗを吸着固定している。

また、塗布ステージ３は図示しない駆動装置によりＸ軸方向およびＹ軸方向に移動し、また、Ｚ軸方向を回転軸として回転することが可能であり、塗布ステージ３の上に載置された基板Ｗが有するアライメントマークを図示しないアライメント装置が確認した後、この確認結果に基づいて基板Ｗの載置のずれを修正する際、塗布ステージ３が移動し、また、回転する。なお、塗布ステージ３の移動および回転は、基板Ｗの載置状態の微調整が目的であるため、塗布ステージ３が移動可能な距離、回転可能な角度は微少であっても構わない。

また、塗布ステージ３上の基板は、親液性調節部４の直下にまで移動可能であり、基板Ｗは親液性調節部４の直下において親液性調節部４によって親液性が調節された後、塗布部２の直下まで移動して塗布部２により塗布パターンが形成される。

親液性調節部４は、本実施形態では露光装置２４であり、紫外線を基板Ｗに向かって照射する。

ここで本発明における基板Ｗは、たとえばガラス基板、シリコンウェハ、樹脂フィルムなどであり、紫外線の照射により表面が改質されて親液性が変化する。また、基板Ｗの表面の親液性の度合いは紫外線の照射時間によって変化するため、本実施形態では、制御部５によって基板Ｗの各位置への親液性調節部４からの紫外線照射時間が制御され、基板Ｗの各位置の親液性の度合いが調節される。

また、照射時間は同じであっても紫外線の波長や強度によっても親液性の度合いは調節可能である。したがって、親液性調節部４は基板Ｗの各位置への紫外線照射における紫外線の波長もしくは強度が制御部５によって制御され、基板Ｗの各位置の親液性の度合いが調節されるような形態であってもよい。また、照射する紫外線の波長もしくは強度が異なる親液性調節部４が複数設けられ、これら親液性調節部４が制御部５による制御によって使い分けられることによって基板Ｗの各位置の親液性の度合いが調節される形態であっても良い。

なお、親液性の調節方法は紫外線に限らず、大気圧プラズマ等、方式は問わない。

また、親液性調節部４は、走査方向移動装置２５およびシフト方向移動装置２６に組み付けられており、これらの移動装置を駆動させることにより、親液性調節部４はＸ軸方向およびＹ軸方向に移動することが可能である。

走査方向移動装置２５は、リニアステージなどで構成される直動機構であり、制御部５に駆動を制御されて親液性調節部４およびシフト方向移動装置２６をＸ軸方向に移動させる。

シフト方向移動装置２６は、リニアステージなどで構成される直動機構であり、制御部５に駆動を制御されて親液性調節部４をＹ軸方向に移動させる。

ここで、制御部５により走査方向移動装置２５およびシフト方向移動装置２６の駆動を制御することにより、親液性調節部４は塗布ステージ３に載置された基板Ｗに対してＸ軸方向およびＹ軸方向に相対的に移動し、基板Ｗの任意の位置の親液性を変化させる。

制御部５は、コンピュータ、シーケンサなどを有し、塗布ヘッド１０への送液、駆動隔壁１４を駆動させることによるノズル１１からの液滴の吐出および吐出量の調節、親液性調節部４の動作の制御などを行う。

また、制御部５は、ハードディスクやＲＡＭまたはＲＯＭなどのメモリからなる、各種情報を記憶する記憶装置を有しており、塗布液を塗布する工程において後述する塗布パターンを形成するための液滴の吐出位置の座標データなどの塗布データがこの記憶装置に保存される。

次に、本発明の一実施形態における塗布方法の様子を、図２に示す。図２（ａ）は塗布液を塗布した直後の様子であり、図２（ｂ）は塗布された塗布液が濡れ広がった後硬化して塗布膜を形成した様子である。

ここで、本説明における塗布液の塗布を行う基板Ｗの塗布膜を形成する領域の凹凸は、塗布液の塗布厚みに対して、充分小さい。一方、たとえばインクジェット法でカラーフィルタを製造する場合には、ＲＧＢの各画素はブラックマトリクスなどの隔壁によって仕切られている。その隔壁に囲まれた領域に各色のインクが充填され、インクの濡れ広がりが隔壁で堰止められる量だけ塗布される。これに対し、本説明のように基板の凹凸が塗布液の塗布厚みに対して充分小さい場合、塗布液は堰止められることは無く、乾燥して硬化するまでの間、外側へ濡れ広がり続ける挙動を示す。この挙動は、基板Ｗの表面の親液性が大きいほど顕著である。

制御部５にあらかじめ入力されている塗布データの通りに塗布ヘッド１０のノズル１１から塗布液を吐出し、基板Ｗに塗布液を塗布した様子を図２（ａ）に示す。なお、このように基板Ｗに塗布液を塗布する工程を、本説明では塗布工程と呼ぶ。

塗布データに従って基板Ｗに塗布された直後の塗布液は、図２（ａ）にハッチングで示す塗布パターン５１を形成する。なお、任意の形状の塗布パターン５１が形成できるように、塗布パターン５１を形成するための液滴の吐出位置の座標データなどの塗布データが制御部５に入力されていることを、本説明では制御部５に塗布パターン５１が設定されているとも呼び、制御部５に塗布パターン５１を設定する工程を、本説明では塗布パターン設定工程と呼ぶ。

このように塗布パターン５１を形成した直後は、基板Ｗ上の塗布液は流動性を有し、表面張力が働いて上記の通り外側に濡れ広がる挙動を示す。

ここで、本実施形態で所望する塗布膜の形状は図２（ａ）に鎖線で示すように四角形状、すなわち、多角形状、すなわち、角部５２を有する形状であったとする。これに対し、濡れ広がって硬化した後の塗布膜の外周で角部５３となる塗布パターン５１の外周上の箇所は、濡れ広がる前においても図２（ａ）に示すように角部５２ａを形成しているが、本実施形態のように塗布パターン５１に角部５２ａが設けられた場合、塗布パターン５１の角部５２ａでは、角部５２ａでない部分よりも塗布液が濡れ広がりにくい傾向を示し、塗布パターン５１全体において角部５２ａが最も濡れ広がりにくく、角部５２ａから離れるほど濡れ広がりやすくなる。

したがって、塗布パターン５１が角部５２ａを有する形状であった場合、塗布液の濡れ広がり方は塗布パターン５１の外周全体において均一ではなく、最終的に得られる塗布膜の形状は塗布パターン５１の形状をそのまま拡大したものにはならない。

ここで、本発明では、上記の濡れ広がり方の傾向を考慮し、その傾向を逆に利用している。具体的には、角部を有する塗布膜を形成したい場合には、塗布膜の外周と塗布パターン５１の外周との対応する箇所同士の距離が角部で最も小さく、角部から離れるほど大きくなるように塗布パターン５１を設定している。

さらに具体的には、塗布パターン５１が濡れ広がった結果、図２（ａ）に示すように塗布パターン５１の角部５２ａが塗布膜の角部５２を形成し、塗布パターン５１ａの外周上の対応位置５４ａが塗布膜の２つの角部５２の中央にあたる中央部５４へ移動し、塗布パターン５１の外周上の角部５２ａと対応位置５４ａとの間の対応位置５３ａが塗布膜の角部５２と中央部５４の間の中間部５３に移動することを想定する場合、角部５２と角部５２ａとの間の距離Ｌ１、中間部５３と対応位置５３ａとの間の距離Ｌ２、および中央部５４と対応位置５４ａとの間の距離Ｌ３との間でＬ１＜Ｌ２＜Ｌ３の関係式が成り立つように塗布パターン５１を設定している。

特に、形成する塗布膜に対し、たとえば本実施形態である四角形状のように角部５２と角部５２の間に直線部を有する形状を所望する場合は、図２（ａ）に示すように塗布パターン５１は角部５２ａから離れるほど内側にくびれた形状とし、２つの角部５２ａの中央部が最もくびれるようにしている。

こうすることにより、角部５２ａが最も濡れ広がりにくく、角部５２ａから離れるほど濡れ広がりやすい傾向を示しながら塗布液が濡れ広がった結果、塗布パターン５１は図２（ｂ）に示した塗布膜６０のように、２つの角部５２の間が直線状である形状に変形する。すなわち、所望の形状通りの塗布膜を得ることができる。

なお、本説明では、角部とは主に塗布パターン側から見て１８０°未満の角度を形成する部分のことを指すものとする。逆に塗布パターン側から見て１８０°より大きい角度を形成する部分では、本説明のように濡れ広がりにくくなる傾向が見られない可能性がある。

一方、たとえば本実施形態のように四角形の塗布膜６０を形成する際、図２（ａ）のようにくびれた形状の塗布パターン５１を形成しても、塗布液の濡れ広がりの程度が予想しづらいために塗布膜６０の２つの角部５２の間が直線状になりにくい場合もある。その場合は、くびれ具合を変更しながら複数種類の塗布パターン５１を基板Ｗ上に形成させて実際に塗布膜６０を形成させ、直線部を有する塗布膜６０、すなわち最適な形状の塗布膜６０となるような塗布パターン５１の設定条件を見つけるようにしても良い。

また、塗布液が濡れ広がる時間が長いほど、最終的に得られる塗布膜の形状を予測することが困難になる場合がある。そこで、熱風や赤外線を塗布パターンに当てたり、基板を載置するステージを加熱したりすることにより塗布パターンの硬化を促進させ、塗布パターンの硬化に要する時間を短くすることも、所望の形状の塗布膜を得るために有効である。

以上の塗布方法および塗布装置により、角部を有する所望の形状の塗布膜を基板上に形成することが可能である。

ここで、本発明の塗布方法および塗布装置は、以上で説明した形態に限らず本発明の範囲内において他の形態のものであってもよい。たとえば、上記の説明では塗布膜の形状は四角形状としているが、これに限らず、多角形状であっても良い。

また、塗布膜の形状が多角形のように直線部のみで形成されるものである場合に、本発明を最も好適に利用することができるが、それに限らず、塗布膜の形状は２つの角部の間に曲線が形成される形状であっても良い。この場合であっても、塗布膜の外周と塗布パターンの外周との対応する箇所同士の距離が角部で最も小さく、角部から離れるほど大きくなるように塗布パターンを設定することにより、所望の形状の塗布膜を得ることができる。

また、塗布領域内全体に塗布膜を形成するものでなくても良い。中空の形状の塗布膜を形成する場合でも、本発明は適用可能である。

１塗布装置
２塗布部
３塗布ステージ
４親液性調節部
５制御部
１０塗布ヘッド
１１ノズル
１２塗布ヘッド移動装置
１３吐出ユニット
１４駆動隔壁
１５サブタンク
１６メインタンク
１７真空源
１８真空調圧弁
２１走査方向移動装置
２２シフト方向移動装置
２３回転装置
２４露光装置
２５走査方向移動装置
２６シフト方向移動装置
５１塗布パターン
５２角部
５２ａ角部
５３中間部
５３ａ対応位置
５４中央部
５４ａ対応位置
６０塗布膜
９０塗布膜
Ｗ基板

Claims

ノズルから塗布液の液滴を吐出し、角部を含む形状の塗布膜を基板上に形成する塗布方法であり、
基板上での塗布液の濡れ広がりを考慮して、塗布された直後の塗布液によって基板上に形成される塗布パターンの形状を設定する塗布パターン設定工程と、
前記塗布パターンを形成するように前記ノズルから基板へ塗布液を塗布する塗布工程と、
を有し、
前記塗布パターン設定工程では、前記塗布膜の外周と前記塗布パターンの外周との対応する箇所同士の距離が前記角部で最も小さく、前記角部から離れるほど大きくなるように前記塗布パターンを設定することを特徴とする、塗布方法。
前記塗布パターン設定工程では、前記塗布膜において２つの前記角部の間が直線状である部分では、その部分に対応する前記塗布パターンは端部よりも中央部が内側にくびれた形状となるように、前記塗布パターンを設定することを特徴とする、請求項１に記載の塗布方法。
前記塗布膜の形状は多角形であることを特徴とする、請求項１もしくは２のいずれかに記載の塗布方法。
ノズルから塗布液の液滴を吐出し、角部を含む形状の塗布膜を基板上に形成する塗布装置であり、
前記ノズルを備える塗布ヘッドと、
前記ノズルの吐出動作を制御する制御部と、
を有し、
前記制御部は、基板上での塗布液の濡れ広がりを考慮して、塗布された直後の塗布液によって基板上に形成される塗布パターンの形状を設定し、当該塗布パターンは、前記塗布膜の外周と前記塗布パターンの外周との対応する箇所同士の距離が前記角部で最も小さく、前記角部から離れるほど大きくなることを特徴とする、塗布装置。