JP2020039996A - 液滴塗布装置、および液滴塗布方法 - Google Patents

Abstract

【課題】インクジェットによる液滴の塗布でパターニングを行う際に、パターニングに要する時間を抑制しつつ、基板に設けられた孔や凹部の深部に液滴を着弾させることは困難であった。【解決手段】ノズルから吐出する液滴の軌道が前記ノズルの軸線からずれる方向を吐出ずれ方向としたとき、吐出ずれ方向を予め計測し、吐出ずれ方向が走査方向と平行になるようにノズルの軸線の向きを調整し、基板の孔もしくは凹部の奥行傾斜方向を予め計測し、奥行傾斜方向が走査方向と平行になるように、基板の向きを調整し、ノズルが吐出した液滴が基板の孔もしくは凹部の開口を通過して深部に設定された着弾目標位置に着弾可能な軌道を設定し、軌道に基づいて、鉛直方向および走査方向により規定される平面内におけるノズルの軸線の向きと、吐出タイミングと、走査速度を調整する。【選択図】図４

Description

本発明は、機能性液体または機能を発現する粒子を含んだインクを基材に塗布する塗布装置、および塗布方法に関する。特に、インクジェットを用いて、基材に形成された孔や凹部の深部の内壁に液滴を塗布する技術に関するものである。

近年、種々の機能素子を製造する際に、インクジェット装置を用いて機能素子の材料を付与してパターンを形成することが試みられている。インクジェット装置を用いたパターニングは、材料の使用効率が高いこと、非真空プロセスであり製造装置が比較的小型になること、などのメリットを有している。

有機ＥＬ素子をはじめとする機能素子の分野では、基板表面に平坦な膜を形成するだけでなく、例えばコンタクトホールやビアホールのように基板の厚み方向に延びる孔や凹部の内壁に導電膜を形成する際にもインクジェットを用いることが検討されている。

従来は、こうした導電膜の形成には、スクリーン印刷、めっき、真空蒸着等が用いられることが多かったが、孔や凹部の深さが大きかったり、開口と深さのアスペクト比が５以上と高かったりすると、深部に確実に導電材料を成膜することが困難であった。これに対し、インクジェットは液滴を飛翔させて目的とする箇所に着弾させて成膜を行う方式であり、孔や凹部の深部の内壁や底部に導電材料を到達させるのに有利な方式だと考えられているのである。

特許文献１には、凹凸を有する基材に対してインクを塗布する際に、基材の凹凸に応じてインクジェットヘッドの位置と姿勢を制御して、基材とインクジェットヘッドの間隔を調整する装置が開示されている。この装置では、基材に対する距離、角度及び相対速度に応じて、インクの吐出タイミングを制御している。

特開２０１７−１３２０７５号公報

コンタクトホールやビアホールをはじめ、基材の厚み方向に延びる膜を形成する場合には、基材に形成された孔や凹部の深部に液滴の着弾位置を設定する必要がある。基材平面に沿った平坦な膜を形成する場合には、液滴は障害物のない空間を飛翔するので問題はないが、孔や凹部の深部に液滴を着弾させる場合には、開口の端部や孔の浅い部分の内壁に衝突しないように液滴の軌道を制御する必要がある。通常、インクジェットでパターニングを行う際には、インクジェットヘッドを基材に対して相対的に走査しながら液滴を吐出するが、ヘッドからの液滴の吐出方向、吐出速度、ヘッドの走査方向、走査速度が液滴の軌道に影響を及ぼす。一般論として、ヘッドの走査速度を速くするほど、パターニングに要する時間を短縮できる可能性があるが、液滴の走査方向（水平方向）速度成分が増大すれば、開口の端部や孔の浅い部分の内壁に衝突する可能性も増大する。

特許文献１は、基材の凹凸に沿ってインクジェットヘッドを走査することにより、ヘッドの端部が基材に接触してヘッドの破損や基材の汚損が生じるのを防ぐ技術を開示している。しかし、特許文献１は、アスペクト比が大きな孔や凹部の深部に液滴を着弾させ得る技術を提供するものではない。
そこで、パターニングに要する時間を抑制しつつ、孔や凹部の深部に液滴を着弾させることが可能な技術の実現が期待されていた。

本発明は、基板に対して相対的にノズルが走査方向に移動するように前記基板および／または前記ノズルを移動させながら、前記ノズルから液滴を吐出して前記基板に形成された孔もしくは凹部に塗布する液滴塗布方法であって、前記ノズルから吐出する液滴の軌道が前記ノズルの軸線からずれる方向を吐出ずれ方向としたとき、前記吐出ずれ方向を予め計測し、前記吐出ずれ方向が前記走査方向と平行になるように前記ノズルの軸線の向きを調整し、前記基板の孔もしくは凹部の奥行傾斜方向を予め計測し、前記奥行傾斜方向が前記走査方向と平行になるように、前記基板の向きを調整し、前記ノズルが吐出した液滴が前記基板の孔もしくは凹部の開口を通過して深部に設定された着弾目標位置に着弾可能な軌道を設定し、前記軌道に基づいて、鉛直方向および前記走査方向により規定される平面内における前記ノズルの軸線の向きと、吐出タイミングと、走査速度を調整する、ことを特徴とする液滴塗布方法である。

また、本発明は、基板に対して相対的にノズルが走査方向に移動するように前記基板および／または前記ノズルを移動させながら、前記ノズルから液滴を吐出して前記基板に形成された孔もしくは凹部に塗布する液滴塗布装置であって、前記ノズルから吐出する液滴の軌道が前記ノズルの軸線からずれる方向を吐出ずれ方向としたとき、前記吐出ずれ方向を計測する手段と、前記吐出ずれ方向が前記走査方向と平行になるように前記ノズルの軸線の向きを調整する手段と、前記基板の孔もしくは凹部の奥行傾斜方向を計測する手段と、前記奥行傾斜方向が前記走査方向と平行になるように、前記基板の向きを調整する手段と、前記ノズルが吐出した液滴が前記基板の孔もしくは凹部の開口を通過して深部に設定された着弾目標位置に着弾可能な軌道を設定し、前記軌道に基づいて、鉛直方向および前記走査方向により規定される平面内における前記ノズルの軸線の向きと、吐出タイミングと、走査速度を制御する制御部と、を有する、ことを特徴とする液滴塗布装置である。

本発明は、パターニングに要する時間を抑制しつつ、孔や凹部の深部に液滴を着弾させることが可能な液滴塗布装置、および液滴塗布方法を提供するものである。

（ａ）〜（ｃ）液滴の飛翔軌道の模式図。 （ａ）〜（ｂ）吐出ヨレの影響を示す模式図。 （ａ）〜（ｂ）吐出タイムラグの影響を示す模式図。 実施形態の液滴塗布装置の構成を示す図。 吐出ヨレの計測を説明するための模式図。 吐出速度とタイムラグの計測を説明するための模式図。 孔内に液滴を着弾させる吐出条件を説明するための模式図。 孔角度の計測を説明するための模式図。 実施例１の有機ＥＬ素子の模式的な断面図。 実施例２の基板の模式的な断面図。 実施例２の着弾位置を説明するための基板の模式的な断面図。 毛髪が生えている部分の断面を模式的に示す断面図。 実施例３の構成を模式的に示す模式図。 実施例３においてレーザ加工で形成した孔の断面を模式的に示した断面図。

本実施形態について詳細に説明するに先立ち、インクジェットヘッドから吐出した液滴の軌道についてまず説明する。
図１（ａ）〜図１（ｃ）は、液滴の飛翔軌道、ヘッドの吐出ベクトル、ヘッドの走査ベクトルの関係について説明するための模式図である。

図１（ａ）に示すように、基体に設けられた孔１３の深部に液滴を着弾させるため、実線矢印で図示した軌道を設定したものとする。液滴の初速度は、ノズル開口から吐出された時の速さと方向である吐出ベクトルと、吐出時のヘッド走査の速さと方向である走査ベクトルとの合成で決定され、吐出された液滴は、実質的には直進するものと近似して差し支えない。

図１（ｂ）は、ヘッドを回転させて吐出方向を斜めに傾けた場合の模式図である。吐出方向を走査方向に対して傾けることで、走査速度を大きく保ちながら、図１（ａ）で設定したのと同様な実線矢印の軌道で液滴を飛翔させることができる。

一方、もしヘッドを回転させずに図１（ａ）で設定した実線矢印で示した軌道で液滴を飛翔させようとすれば、図１（ｃ）に示すように、走査速度を小さくする必要がある。しかしこの方法では、描画のスループットが著しく低下し、生産性の観点で望ましくない。

尚、以上の説明は、ノズルの軸線に沿って液滴が吐出することを前提にしていたが、実際には液滴はノズルの軸線に沿って吐出するとは限らない。例えば、ノズル開口の周囲に異物や粘性が高いインクミストが非対称に付着すること等が原因となって、ノズル軸線からずれた方向に液滴が吐出する所謂吐出ヨレが生じる場合がある。
図２（ａ）と図２（ｂ）は、液滴がノズル軸線からずれた方向に吐出する場合、すなわち吐出ヨレが生じた時の軌道への影響を模式的に示したものである。

図２（ａ）において、インクジェットヘッド４は図の左から右に向けて走査されているものとする。この時、理想的には、吐出された液滴は図中破線で示す方向に吐出され、ヘッド走査による慣性力により、破線で示した軌道をとり、孔１３の底部に着弾することが望ましい。しかし、吐出ヨレが生じた場合には、ノズルから吐出された液滴５はノズルの軸線からそれた方向に吐出され、実線で示したような軌道をとるため、目標とする孔１３の底部には着弾できない。特に、アスペクト比５以上を有する孔において困難である。

図２（ｂ）は、吐出ヨレによるずれを補正するため、吐出タイミングを早めた場合を示す。着弾目標位置が、孔１３の底部ではなく基体上面であれば、吐出タイミングの調整により着弾目標位置に着弾させることが可能だが、孔１３の底部の場合には図示のように軌道が基体と交差するため、液滴は着弾目標位置に到達することができない。

また、図３（ａ）と図３（ｂ）は、インクジェットヘッドに吐出信号（吐出命令）を印加してから実際に液滴が吐出するまでのタイムラグが液滴の軌道に及ぼす影響を説明するための模式図である。
図３（ａ）は、吐出信号（吐出命令）の印加タイミングを基準にした見かけ（計測）上の軌道と、実際の軌道の関係を示している。

例えば、ヘッドの走査速度を１ｍ／ｓｅｃ、基板とヘッドとの距離を５００μｍとし、吐出信号の入力されたヘッド座標から液滴の着弾位置までの距離が１００μｍであったとき、タイムラグを無視すれば液滴のｚ方向飛翔速度は５ｍ／ｓｅｃと計算される。しかし、実際には吐出信号印加から吐出までのタイムラグが２０μｓｅｃあったとすると、本来の液滴の飛翔時間はその分短いので、液滴のｚ方向飛翔速度は６．２５ｍ／ｓｅｃだったはずである。

タイムラグを考慮せずに軌道設計を行うと、図３（ｂ）のように実際の液滴軌道が基材と交差して、目標位置である孔１３の底部に液滴を着弾させることができない。

このように、孔の内部の所定位置に液滴を着弾させるためには、吐出ヨレやタイムラグを把握した上で、液滴軌道を設計し、ヘッドの向きや吐出信号（吐出命令）の印加タイミングを決定しなければならない。

［実施形態］
以下、図面を参照して、本発明の実施形態である液滴塗布装置、および液滴塗布方法について説明する。
図４は、実施形態の液滴塗布装置１の構成を模式的に示している。基板ステージ２の上には、任意の角度の孔（不図示）が形成された基板３が載置されている。基板ステージ２は、基板を水平面内で回転可能に支持している。ヘッドスキャン軸８は、液滴塗布用のインクジェットヘッド４を基板３上において往復走査するための走査機構である。インクジェットヘッド４にはインクタンク７からインクが供給され、液滴５を基板に向けて吐出することができる。吐出液滴の大きさ及び飛翔速度は、ヘッド駆動機構１２からの出力によって制御される。

液滴塗布装置１は、取り付けたインクジェットヘッド４のノズル位置を計測するヘッド位置観察カメラ９０１と、インクジェットヘッド４とともに基板３上を走査される着弾計測カメラ９０２を備えている。液滴塗布装置１は、ヘッド位置観察カメラ９０１で撮像した画像に基づいて、インクジェットヘッド４と基板との距離や、装置座標上でのノズル位置を計測することができる。また、液滴塗布装置１は、着弾計測カメラ９０２で撮像した画像に基づいて、液滴を吐出した際のインクジェットヘッド４の位置と、基板３上に着弾した液滴の着弾位置の関係を計測することができる。

まずＺ軸が鉛直方向になるようにＸＹＺ座標系を設定し、液滴塗布装置１のインクジェットヘッドの走査方向をＸ軸に合わせる。また、基板３の主面が水平（ＸＹ平面と平行）になるように、基板３を基板ステージ２の上に設置する。液滴塗布装置１は、ノズルの軸方向がＸＺ面内およびＸＹ面内で回転可能になるようにインクジェットヘッド４を支持する回転機構６０１を備えている。また、インクジェットヘッド４の高さは、ヘッドスキャン軸８上に備えられたヘッド上下移動機構６０２によって変更することが可能である。液滴塗布装置１の基板ステージ２は、基板３をＸＹ面内で回転させることが可能な基板回転機構を備えている。

１００は制御部で、液滴塗布装置１の動作を制御するためのコンピュータであり、内部には、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏポート等を備えている。
ＲＯＭには、液滴塗布装置１の動作プログラムが記憶されている。インク塗布にかかる各種処理を実行するためのプログラムは、他の動作プログラムと同様にＲＯＭに記憶させておいてもよいが、ネットワークを介して外部からＲＡＭにロードしてもよい。あるいは、プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体を介して、ＲＡＭにロードしてもよい。
制御部１００のＩ／Ｏポートは外部のコンピュータをはじめとする外部機器やネットワークと接続されている。制御部１００は、例えば製造する機能素子の種類、位置、配列、インクの吐出条件等の機能素子の製造に必要なデータの入出力を、Ｉ／Ｏポートを介して外部のコンピュータとの間で行うことができる。

制御部１００は、インクジェットヘッド、ヘッドスキャン軸８、ヘッド駆動機構１２、基板ステージ２、回転機構６０１、ヘッド上下移動機構６０２、ヘッド位置観察カメラ９０１、着弾計測カメラ９０２、等と接続され、電気信号の授受を行うことができる。制御部１００は、これら各部の動作を制御し、インクジェットヘッドの走査、ノズルからの吐出条件、ヘッド位置観察カメラ９０１と着弾計測カメラ９０２の撮像等を含めたインクの塗布全般に関する処理を実行する。すなわち、制御部１００は、ヘッドスキャン軸８を制御して、インクジェットヘッド４を走査する。また、制御部１００は、回転機構６０１、ヘッド上下移動機構６０２を制御して、インクジェットヘッドのノズルの軸線の方向や、ノズルと基板のギャップを調整する。制御部１００は、ヘッド駆動機構１２を制御して、インクジェットヘッド４のノズルからの吐出液滴の量、液滴の飛翔速度、吐出タイミング等を調整する。

液滴塗布装置１の制御部１００は、機能素子の製造にかかる塗布を開始する前に、液滴がノズル軸線からずれた方向に吐出するか否か、すなわち吐出ヨレが生じているかを予め計測する。まず、インクジェットヘッド４を走査しないで静止させた状態で、ノズル軸線が鉛直下方に向くように回転機構６０１を調整し、ノズルから液滴を吐出して基板３の上に着弾させ、ノズル軸線からの着弾のズレを着弾計測カメラ９０２で計測する。ヘッドのノズル位置及び着弾させたドットの位置は、液滴塗布装置１に組み込まれた画像処理機構１１によって座標データに変換され、吐出ヨレが生じているかを検出する。吐出ヨレが生じている場合には、ノズル軸線からずれる方向（吐出ずれ方向）が、ヘッドの走査方向と平行になるように、回転機構６０１を調整してヘッドをＸＹ平面内で回転させる。

また、液滴塗布装置１の制御部１００は、機能素子の製造にかかる塗布を開始する前に、基板に形成された孔あるいは凹部の奥行傾斜方向がヘッドを走査する方向と平行になるように、基板ステージ２を制御して基板をＸＹ平面内で回転させる。孔あるいは凹部の奥行傾斜方向とは、孔あるいは凹部が基板の内部に向かって延伸する方向のことで、鉛直方向から傾いた方向に伸びている場合に、鉛直上方から見た時に、ＸＹ平面内で開口に対して底部が位置する方向のことである。

このように、本実施形態では、吐出ずれ方向、および孔あるいは凹部の奥行傾斜方向が、インクジェットヘッドの走査方向と平行になるように予め調整しておく。これにより、孔あるいは凹部の縁や側壁に衝突させずに、液滴を深部まで到達させる軌道を設定することが可能となる。

このような調整を行った上で、インクジェットヘッドの回転角度をＸＺ平面内で調整すると、図５に示すように、ＸＺ平面における吐出軌道は、実線矢印Ｉｆのようになる。
インクジェットヘッドと基材とのＧａｐをｇ_１、走査方向のヨレをｘ_ｓ１とすると、基材と飛翔方向とのなす角θｓは、次式のように表される。

次に、インクジェットヘッド４を、走査速度ｖ_ｓで走査させて、走査開始から所定時間経過後に吐出信号を入力した場合の着弾座標Ｓ_１を計測する。さらに、インクジェットヘッド４のＺ座標、すなわち基材からの高さをｇ_２に変更して、同じ走査速度で走査し同じ所定時間経過後に吐出を行い、この時の着弾座標Ｓ_２を計測する。尚、インクジェットヘッド４の高さの変更は、液滴塗布装置１のヘッドスキャン軸８上に備えられたヘッド上下移動機構６０２によって行われる。

図６に模式的に示したように、基板からインクジェットヘッドまでの高さであるＧａｐがｇ_１のときの着弾ヨレをｘ_ｓ１、ｇ_２のときの着弾ヨレをｘ_ｓ２、吐出された液滴のＺ方向の飛翔速度をｖ_ｚとする。
Ｇａｐがｇ_１のときの着弾座標Ｓ_１は、次式のように表される。

また、Ｇａｐがｇ_２のときの着弾座標Ｓ_２は、次式のように表される。ただし、ａは、吐出信号（吐出指令）の印加から吐出までのタイムラグである。

これらから吐出速度（飛翔速度）のＺ成分ｖ_ｚは、次式のように表される。

正味の軌道における飛翔長さｌ_ｆは、走査方向に直交する方向のヨレをｙ_ｓ１とすると、次式のように表される。

ただし、本実施形態では、予めインクジェットヘッドの向きを調整してヨレの方向を走査方向と一致させているので、走査方向に直交する方向のヨレであるｙ_ｓ１は０である。速度のＸＹＺの各成分はｘ_ｓ１、ｙ_ｓ１、ｇ_１に比例するため、正味の飛翔速度ｖ（吐出速度）は、次式のように表される。

このとき、吐出指令の印加から吐出までのタイムラグａは、着弾座標およびヨレ量、Ｚ方向飛翔速度とＧａｐから算出され、液滴塗布装置１上において、設置されたインクジェットヘッドによる吐出液滴の軌道が求められる。

図７は、基板に任意の角度をもって形成された孔の底部に液滴を塗布する際の、液滴の軌道を模式的に示した図である。すなわち、液滴が基板の孔もしくは凹部の開口を通過して深部に設定された着弾目標位置に着弾可能な軌道である。

基板表面とインクジェットヘッドとのＧａｐをｇ、孔のＺ方向深さをｄ、深さ方向と直行する方向の奥行きをｘ、液滴の飛翔方向と基板表面と直交する方向とがなす角をθ、孔の角度をθ_２とし、液滴の飛翔速度をｖとする。θは、鉛直方向および走査方向により規定される平面内におけるノズルの軸線の向きと言い換えてもよい。このとき、この孔の底部に液滴を着弾させるために必要なヘッドの走査速度ｖ_ｓは、次のように表される。

ここで用いる吐出方向θおよび飛翔速度ｖ（吐出速度）としては、使用するインクジェットヘッドについて予め計測しておいた値を用いる。インクジェットヘッドの走査速度を所定の速度に固定したい場合は、吐出方向θを調整すればよく、液滴塗布装置１は、吐出ヨレと合わせた分を数式７のθとして設定する機構を有する。

このために、液滴塗布装置１は、前述したインクジェットヘッドを回転させる回転機構６０１を備えている。インクジェットヘッドを回転させることにより生じるノズル位置の変化は、Ｚ方向および走査方向について、ヘッド位置制御機構１０の出力によって回転機構６０１、ヘッド上下移動機構６０２を制御することで調整する。ノズル位置の走査方向の移動分は、吐出タイミングの補正で制御する。

基板に形成された孔の形状については、基板の設置状態や孔自体の設計値からのずれを考慮する必要があるため、設計値を元に描画条件を設定するだけでなく、基板上に設置された着弾計測カメラ９０２を用いて計測する。図８は、下側が基板の断面図で、上側が平面図である。基板に形成された孔が延びる方向から見た時の開口形状が円形であるとき、図８上側の平面図に示したように、基板の直上から見た開口形状は楕円となる。
この楕円の長径ｒ_ｘと短径ｒ_ｙとを計測すれば、孔の延伸方向（奥行傾斜方向）である孔角度θ_２は、次のように表される。

孔角度θ_２がわかれば、液滴の軌道設計は可能なので、孔の底部に液滴を着弾させることが可能となる。また、Ｘ線カメラのように基板内部を透視可能な装置を用いた形状計測機構を塗布装置に搭載し、孔の形状を計測してもよい。

描画対象の孔は、装置に基板が設置された際に生じる位置ずれ、基板自体の歪み、あるいはヘッドスキャン軸のクセなどで、設計値からずれていることが普通である。これを鑑み、液滴塗布装置１は、基板を載置した後に、ヘッドと同じ走査軸に設置された着弾計測カメラ９０２を用いて孔の位置とＧａｐとを計測する機構を有する。

同様に、インクジェットヘッド４も装置への取り付けの際に角度や位置がずれることに加え、インク滴の吐出を長時間停止しておくことによって吐出状態が変化するため、装置に設置してから、装置上で着弾計測及び吐出速度計測を行うのが望ましい。

上述のような液滴の軌道設計は、液滴にある程度の直進性があることを前提としている。例えば、φ１０μｍの液滴を５ｍ／ｓｅｃの速度で吐出した場合、吐出点から５００μｍの位置では、約２．９ｍ／ｓｅｃにまで減速する。飛翔方向が真下（重力方向と一致）であれば問題ないが、角度をもって飛翔する場合、ｘまたはｙ方向の速度が小さくなることで飛翔角度が変化することになる。

例えば、吐出ノズルから１０００μｍのＧａｐをもって配置された基材に対し、φ２０μｍ（約３０ｐｌ）の液滴を、初速度５ｍ／ｓｅｃ、飛翔角度３０°で吐出すると、着弾時には速度は約４．５ｍ／ｓｅｃ、飛翔角度は約２８．８°となる。この場合、想定着弾位置からのずれは約１４．５μｍとなり、狙った位置にドットを配置することができない。

従って、実際に液滴を吐出する際には、この減速分を加味して角度を調整する。吐出液滴の大きさと初速度によって、どれほど飛翔角度が変化するかを示したものが表１である。飛翔方向を３０°とし、吐出ノズルと基材とのＧａｐは１０００μｍとした。

表１に示したように、液滴径が大きいほど空気抵抗による減速の度合いは小さく、また、初速度が大きいほど減速の度合いが小さい。
実際に描画を行う際には、この変化分を加味してヘッドの角度を決めればよい。

以下に、図面を参照して本発明の具体的な実施例を説明する。
［実施例１］
本実施例では、インクジェット液滴塗布装置を用いて、有機ＥＬ素子の機能材料（発光部材料）の液滴を、基板上のバンクに囲まれた凹部領域に塗布する。図９は、１素子の有機ＥＬ素子の模式的な断面図である。尚、本発明の実施は、有機ＥＬ素子が１素子だけの場合に限られるわけではなく、基板上に多数の有機ＥＬ素子が１次元あるいは２次元に配列されてもよいことは言うまでもない。

共通電極１６と連通するように絶縁層中に形成されたコンタクトホール１４の内面に導電性膜を形成し、その上のバンクで囲まれた領域全体にコンタクト電極を形成する。コンタクト電極の上に形成される発光層等の機能層は、コンタクトホール１４の内面に形成される導電膜を介してＴＦＴ１５と電気的に接続される。インクにはハリマ化成（株）製のＮＰＳ−ＪＬを用い、φ５μｍに調整したインク液滴をコンタクトホール内に撃ち込んで導電膜を形成した。
液滴塗布装置に搭載したインクジェットヘッドの吐出ヨレは、Ｇａｐ５００μｍのときにヘッドの走査方向に２０μｍであった。このことから、走査方向における液滴の飛翔角度θ_ｓは２．３°となる。

この状態でヘッドを１ｍ／ｓｅｃで走査し、吐出トリガを入れて液滴を吐出させ、その着弾位置（着弾座標Ｓ_１）を計測したところ、吐出トリガ入力時を０としたときに１４０．１μｍであった。ヘッドの高さを７００μｍに変更し、同様の着弾検査を行ったところ、着弾位置（着弾座標Ｓ_２）は１８８．１μｍであった。

このことから、液滴の飛翔速度ｖ（吐出速度）は５．０ｍ／ｓｅｃであり、吐出トリガから実際の吐出までのタイムラグａは、２０μｓｅｃであることがわかった。
この液滴の飛翔条件で、図９に示したコンタクトホール内に液滴を描画する。

ヘッドと基材とのＧａｐを５００μｍとすると、コンタクトホール底部までの距離は５０８μｍとなり、ヘッドの走査速度を１．０ｍ／ｓｅｃとすると、液滴をヘッドから真下へ飛翔させるためには、液滴の飛翔角度θを１１．６°とすればよいことがわかる。
先に計測した吐出ヨレの飛翔角度θ_ｓと合せて１１．６°となるように、ヘッドの角度を調整した。この時、必要な着弾精度は±２．５μｍである。
この場合、液滴は真下へ飛翔するため、実質的に液滴の減速による軌道変化はない。

上述した条件でコンタクトホール内に液滴を塗布する際には、吐出タイミングずれａ＝２０μｓｅｃを考慮した。走査速度は１ｍ／ｓｅｃであるから、吐出の設定位置は（１×２０×１０^−６ｍ）手前でなければならない。

このようにして描画を行い、コンタクトホール内に３発の液滴を塗布し、その後で１２０℃で焼成を行った結果、コンタクトホール内壁に１２０ｎｍの導電膜が形成された。導電率は１７５００Ｓ／ｃｍであり、十分な導電性が得られることが確認された。

比較のため、ヘッドの角度を調整せずに描画を行うと、１ｍ／ｓｅｃの走査速度では液滴が持つ走査方向の速度が大きく、必要な着弾精度が±０．９μｍとなる。この条件では全体の半数以上の液滴がコンタクトホールの開口に衝突し、導電膜を得ることができなかった。

［実施例２］
図１０に模式的に断面形状を示すような、複数の角度のＶｉａ（ビアホール）が形成されている基板に対して、機能材料としての導電材料を含む液滴を塗布した。描画は往復の走査で行い、図中（ａ）（ｂ）を往路で、図中（ｃ）（ｄ）を復路で描画した。

（ａ）と（ｄ）の走査タイミングで描画する領域に配置されたＶｉａの角度はθ_２＝３０°であり、（ｂ）と（ｃ）の走査タイミングで描画する領域に配置されたＶｉａの角度はθ_２＝０°である。尚、（ａ）と（ｄ）の走査タイミングで描画する領域に配置されたＶｉａの延伸する向きが、インクジェットヘッドを走査する向きと一致するように、基板ステージの向きは予め調整されている。

実施例１と同様に、ヘッドからの液滴の吐出特性を計測し、液滴の飛翔速度ｖ（吐出速度）は５．０ｍ／ｓｅｃであり、吐出トリガから実際の吐出までのタイムラグａは２０μｓｅｃであることがわかった。

Ｖｉａの直径が５０μｍ、深さが１０００μｍであり、ホール内壁に１２０ｎｍの導電膜を形成するために、φ３３μｍの液滴を１０発撃ち込んだ。Ｖｉａが深いため、図１１に示すように、着弾位置をずらして壁面に着弾させた。
表２に本実施形態での描画条件を示す。

実施例２における描画条件

表２の上段に示したように、往路の走査速度ｖ_ｓは１．０ｍ／ｓｅｃに固定した。１往復目の経路（ａ）では、液滴の減速による軌道変化を加味して飛翔角度θを３９．２°とし、経路（ｂ）ではθを１０．７°に変更して描画を行った。経路（ｃ）では走査方向が逆になるため、走査速度ｖ_ｓは−１．０ｍ／ｓｅｃとなり、このときのヘッド角度を３５０．８°になるように制御した。経路（ｄ）では走査速度を−０．７ｍ／ｓｅｃに減速し、θを２０．８°に制御して描画を行った。

２往復目以降は、表２に記載されている通りの走査速度ｖ_ｓと飛翔角度θに制御し、描画を行った。本実施例の制御方法によれば、液滴は常にＶｉａ開口の中心を通る軌道をとるため、Ｖｉａ壁面のどこにでも、斜めＶｉａであれば天井部分にでも、開口部エッジにかかることなく着弾させることができる。

本実施例の場合、要求される着弾精度は±８．５μｍであり、描画後に１２０℃で焼成を行ったところ、導電率は１７５００Ｓ／ｃｍであり、十分な導電性が得られることが確認された。

［実施例３］
毛髪を再生する手段として、検体自身から採取した間葉系細胞と上皮系細胞をスフェロイド上で懸濁、増殖させて毛包原基細胞を形成した上で、表皮内に戻すという方法が知られている。
図１２に、毛髪が生えている部分の断面を模式的に示すが、発毛の方向には表皮内での間葉系細胞群と上皮系細胞群との位置関係が重要である。

通常行われているようなニードルによるスフェロイドの移植では、これらの細胞群の位置関係を制御することができない。そこで、本発明の液滴塗布技術を用いて、細胞を頭皮内に供給した。
図１３は、実施例３の構成を模式的に示した模式図である。
検体となるマウス１７の他、着弾検査用の基板１８が装置に設置されており、ヘッド位置観察カメラ９０１および着弾計測カメラ９０２を備えている。

吐出用のヘッドには、大径粒子を含有したインク滴でも吐出可能なジェットディスペンサを用いた。細胞吐出ディスペンサヘッドは２つあり、レーザ光源１９による表皮穿孔の後に連続してヘッド２１を用いて間葉系細胞のインクを孔内に吐出し、次いでヘッド２０を用いて上皮系細胞のインクを孔内に吐出する構成になっている。レーザ光源１９の光軸の向きは、穿孔の奥行傾斜方向が２つのディスペンサヘッドの走査方向と平行になるように調整されている。間葉系細胞のインクと上皮系細胞のインクは、それぞれマウスから採取した間葉系細胞と上皮系細胞を１％アルギン酸ナトリウム水溶液に分散させて、吐出用インクとして調整した。各ディスペンサヘッドは、上下移動機構２５と上下移動機構２６により、独立して上下動が可能である。

実施例１と同様の方法により、マウス表皮の外側に用意した着弾検査用の基板１８を用いて吐出タイムラグ及び飛翔方向を計測した。その結果、間葉系細胞インクの吐出タイムラグは２５μｓｅｃ、吐出速度は７．５ｍ／ｓｅｃであり、吐出方向θは５．７°、上皮系細胞インクの吐出タイムラグは３５μｓｅｃ、吐出速度が７．３ｍ／ｓｅｃ、吐出方向θが４．６°であった。

マウス表皮への孔あけ加工にはＣＯ_２レーザを用い、レーザ光源回転機構２４で照射角度を調整しながらφ２００μｍ、深さ１ｍｍの孔をあけられるように、出力を４０Ｗに調整した。
図１４は、マウス表皮にレーザ加工で形成した孔の断面を模式的に示した断面図である。孔の深さと角度は、レーザ光の照射条件に基づき推定した。
この結果に従って設定した各インクの描画条件を表３に示す。

実施例３における描画条件

ディスペンサヘッドの走査速度を０．５ｍ／ｓｅｃとし、孔角度に応じてヘッド２０およびヘッド２１を、それぞれヘッド回転機構２２およびヘッド回転機構２３を用いて回転させ、吐出方向を変化させながら細胞含有インクの吐出を行った。
吐出液滴の大きさを、φ１５０μｍに調整し、表皮の開口に対し±２０μｍの精度で塗布を行った。
本実施例の場合、吐出液滴がφ１５０μｍと大きく、また、吐出速度が７．５ｍ／ｓｅｃと大きいため、液滴の軌道変化はほとんどない。そのため、角度補正を行わずに描画を行った。

吐出に際しては、着弾計測カメラ９０２でレーザ光によって形成した孔を観察し、塗布装置に備えられた画像処理機構（不図示）により座標および形状を算出した。このデータをもとに、ヘッド位置微調整機構（不図示）によって、ヘッドを走査方向と直交する方向に移動させて吐出液滴の着弾位置を補正した。

細胞注入後、マウス表皮内で間葉系細胞及び上皮系細胞の自家培養を行い、３週間後に処置部を観察した結果、加工した２０の孔に対し、１８か所から穿孔方向に沿った方向の発毛が確認された。すなわち、レーザ光によって形成した孔の中に、高い精度で細胞含有インクを着弾させることができた。

以上に具体的な実施例を挙げて説明したように、本発明の実施形態によれば、走査速度を極端に低下させなくとも、孔や凹部の深部に液滴を着弾させることが可能である。

［他の実施形態］
本発明の実施形態は、上述した実施形態や実施例に限られるものではなく、本発明の技術的思想内で多くの変形が可能である。
例えば、液滴を着弾させる目標位置は、基体に設けられた凹部の底には限らず、凹部の側面や、底のない貫通路の側面でもよい。
また、基体に延伸方向の異なる複数の孔が配置されていてもよく、その場合には孔毎に基板ステージの基板回転機構を駆動して延伸方向をインクジェットヘッドの走査方向と一致させながら、順に液滴を吐出すればよい。

また、走査に関しては、基板に対して相対的にノズルが走査方向に移動すればよいので、ヘッドスキャン軸を用いてノズルを移動させる方法に限らず、基板を移動させてもよいし、基板およびノズルの両方を移動させてもよい。
また、孔の延伸方向とインクジェットヘッドの走査方向を揃えるのに、基板を回転させるのではなく、走査機構を回転させてもよい。
また、液滴付与装置に用いる吐出ヘッドは、ピエゾ方式、加熱発泡で吐出させる方式をはじめとして、特に制限はない。

本発明の塗布方法は、有機ＥＬ素子のコンタクトホールの形成に限らず、様々な機能デバイスの製造に応用可能である。液滴を塗布する対象となる孔や凹部に制限はなく、例えば、ガラス、セラミクス、金属、樹脂等の材料よりなる板、フレキシブルシートや生体の表皮に形成された孔もしくは凹部に塗布することが可能である。特に、アスペクト比５以上を有する孔の内部に液滴を塗布する場合に好適である。

１・・・液滴塗布装置／２・・・基板ステージ／３・・・基板／４・・・インクジェットヘッド／５・・・液滴／７・・・インクタンク／８・・・ヘッドスキャン軸／１０・・・ヘッド位置制御機構／１１・・・画像処理機構／１２・・・ヘッド駆動機構／１３・・・孔／１４・・・コンタクトホール／１５・・・ＴＦＴ／１６・・・共通電極／１７・・・マウス／１８・・・着弾検査用の基板／１９・・・レーザ光源／２０、２１・・・ヘッド／２２、２３・・・ヘッド回転機構／２４・・・レーザ光源回転機構／２５、２６・・・上下移動機構／６０１・・・回転機構／６０２・・・ヘッド上下移動機構／９０１・・・ヘッド位置観察カメラ／９０２・・・着弾計測カメラ

Claims (16)

1. 基板に対して相対的にノズルが走査方向に移動するように前記基板および／または前記ノズルを移動させながら、前記ノズルから液滴を吐出して前記基板に形成された孔もしくは凹部に塗布する液滴塗布方法であって、
   前記ノズルから吐出する液滴の軌道が前記ノズルの軸線からずれる方向を吐出ずれ方向としたとき、前記吐出ずれ方向を予め計測し、前記吐出ずれ方向が前記走査方向と平行になるように前記ノズルの軸線の向きを調整し、
   前記基板の孔もしくは凹部の奥行傾斜方向を予め計測し、
   前記奥行傾斜方向が前記走査方向と平行になるように、前記基板の向きを調整し、
   前記ノズルが吐出した液滴が前記基板の孔もしくは凹部の開口を通過して深部に設定された着弾目標位置に着弾可能な軌道を設定し、
   前記軌道に基づいて、鉛直方向および前記走査方向により規定される平面内における前記ノズルの軸線の向きと、吐出タイミングと、走査速度を調整する、
   ことを特徴とする液滴塗布方法。
2. 前記吐出ずれ方向は、予め前記ノズルの軸線を鉛直方向に合わせて液滴を吐出し、撮像手段により前記ノズルと前記液滴の着弾を撮像し、着弾位置が前記軸線からずれた方向を検出することにより計測される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の液滴塗布方法。
3. 前記基板の孔もしくは凹部の奥行傾斜方向は、予め前記基板の孔もしくは凹部の開口を撮像した画像における前記開口の形状に基づいて計測される、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の液滴塗布方法。
4. 前記基板の孔もしくは凹部の奥行傾斜方向は、予めＸ線カメラを用いて計測される、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の液滴塗布方法。
5. 前記吐出タイミングの調整は、予め計測した吐出指令の印加から吐出までのタイムラグを参照して行われる、
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の液滴塗布方法。
6. 前記走査速度の調整は、予め計測した前記ノズルが吐出する液滴の飛翔速度を参照して行われる、
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の液滴塗布方法。
7. 前記ノズルの軸線の向きの調整は、前記ノズルを回転可能に支持する回転機構により行う、
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の液滴塗布方法。
8. 前記基板の向きの調整は、前記基板を水平面内で回転可能に支持する基板ステージにより行う、
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の液滴塗布方法。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の液滴塗布方法により、前記基板に機能素子を形成するための機能材料の液滴を塗布する、
   ことを特徴とする機能素子の製造方法。
10. 前記基板に形成された孔もしくは凹部は、コンタクトホールもしくはビアホールを形成するために設けられ、前記液滴は導電材料を含む、
    ことを特徴とする請求項９に記載の機能素子の製造方法。
11. 基板に対して相対的にノズルが走査方向に移動するように前記基板および／または前記ノズルを移動させながら、前記ノズルから液滴を吐出して前記基板に形成された孔もしくは凹部に塗布する液滴塗布装置であって、
    前記ノズルから吐出する液滴の軌道が前記ノズルの軸線からずれる方向を吐出ずれ方向としたとき、前記吐出ずれ方向を計測する手段と、
    前記吐出ずれ方向が前記走査方向と平行になるように前記ノズルの軸線の向きを調整する手段と、
    前記基板の孔もしくは凹部の奥行傾斜方向を計測する手段と、
    前記奥行傾斜方向が前記走査方向と平行になるように、前記基板の向きを調整する手段と、
    前記ノズルが吐出した液滴が前記基板の孔もしくは凹部の開口を通過して深部に設定された着弾目標位置に着弾可能な軌道を設定し、前記軌道に基づいて、鉛直方向および前記走査方向により規定される平面内における前記ノズルの軸線の向きと、吐出タイミングと、走査速度を制御する制御部と、を有する、
    ことを特徴とする液滴塗布装置。
12. 前記吐出ずれ方向を検出する手段は、ヘッド位置観察カメラおよび着弾計測カメラを有する、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の液滴塗布装置。
13. 前記基板の孔もしくは凹部の奥行傾斜方向を計測する手段は、前記基板の孔もしくは凹部の開口を撮像する撮像装置を有する、
    ことを特徴とする請求項１１または１２に記載の液滴塗布装置。
14. 前記基板の孔もしくは凹部の奥行傾斜方向を計測する手段は、Ｘ線カメラを有する、
    ことを特徴とする請求項１１または１２に記載の液滴塗布装置。
15. 前記ノズルの軸線の向きを調整する手段は、前記ノズルを回転可能に支持する回転機構を有する、
    ことを特徴とする請求項１１乃至１４のいずれか１項に記載の液滴塗布装置。
16. 前記基板の向きを調整する手段は、前記基板を水平面内で回転可能に支持する基板ステージを有する、
    ことを特徴とする請求項１１乃至１５のいずれか１項に記載の液滴塗布装置。