JP4328614B2 - マイクロデポジション装置 - Google Patents

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関連出願の相互参照

本出願は、２００１年６月１日に「液体の基板上への圧電堆積を用いた微細構造の形成」の名称で出願した米国暫定特許出願第６０／２９5，１１８号及び２００１年６月１日に「液体の基板への圧電堆積を用いた印刷回路基板構造の形成」の名称で出願した米国暫定特許出願第６０／２９5，１００号のもつ利益を主張するものであり、これら各出願は、その関連性によって本出願に編入される。

本発明は、基板上に微細構造を形成する方法及びシステムに関し、より具体的には流体製造材料の圧電マイクロデポジション（微細堆積）（ＰＭＤ）を行なう方法及びシステムに関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）表示装置、液晶表示（ＬＣＤ）装置、印刷回路基板（ＰＣＢ）等々の基板上に微細構造を生成するための各種の技術が製造業者によって開発されてきた。これらの製造技術の多くは、その実施に比較的高い経費がかかりまた経済的に成り立たせるためには大量生産が必要なものである。

基板上に微細構造を形成するための一つの方法としてスクリーン法がある。スクリーン法では、基板の上に細かいメッシュのスクリーンを配置し、スクリーンを通して基板の上に該スクリーンが示すパターンで流体材料を堆積させる。スクリーン法の一つの問題は、スクリーンと基板またさらにスクリーンと流体材料を互いに接触させる必要があり、それによって基板及び流体材料の汚染が生じることである。この技術は、ある種の構造を形成するのに適しているが、得られる構造が機能するためには汚染を生じずに行なう必要のある製造プロセスも多い。従って、スクリーン法は、一定の微細構造の製造にとっては期待がもてるオプションではない。クリーンルーム環境を必要とし、基板又は流体材料の汚染を許容することのできない微細構造は、例として、ポリマー発光ダイオード（ＰＬＥＤ）表示装置及びＰＣＢを挙げることができるが、これらに限定されるものではない。

近年、ダイオードにある種の高分子物質を使用して波長の異なる可視光を発生させることができることが発見された。このようなポリマーを用いれば、赤色、緑色、及び青色のサブコンポーネントをもつ画素を有する表示装置を生成することができる。ＰＬＥＤ流体材料は、完全なカラー表示装置を実現できまた極めてわずかな電力しか要さずにかなりの量の光を発することから、特に望ましい材料である。

ＰＬＥＤ表示装置は、将来、テレビジョン、コンピュータ・モニター、ＰＤＡ、他の手持ち式計算装置、携帯電話等々を含む各種の用途に用いられることが期待されている。また、ＰＬＥＤ技術が、オフィス、倉庫、及び生活空間用の環境照明用に利用されることも期待されている。

ＰＬＥＤ表示装置の普及に対する一つの障害は、経験から、従来の製造技術を用いてＰＬＥＤ表示装置を製造するのは困難なことである。例えば、上に述べたようにポリマーが汚染にきわめて敏感なために、スクリーン印刷を用いてＰＬＥＤを製造することはできない。

ＬＥＤ、ＬＣＤ、及びＰＣＢ製品用の基板の上に微細構造を製造するために用いられるもう一つの技術にフォトリソグラフィーがある。フォトリソグラフィーを用いた製造プロセスは、一般に、基板の上にフォトレジスト材料を堆積させることを含む。その後、フォトレジスト材料を露光によって硬化させる。通常は、パターニングされたマスクを用いてフォトレジスト材料に光を選択的に当て、それによってフォトレジスト層の一定の部分を硬化させ、他の部分は硬化させずに残しておく。次に、硬化しない部分を基板から除去すると、その結果その下にある基板の表面がフォトレジスト層を通して露出し、フォトレジストの硬化した部分のみがマスクを形成して基板の上に残る。次に、フォトレジスト層の上の開かれたパターンを通して基板の上に他の材料を堆積させ、続いてフォトレジスト層の硬化した部分を除去する。

フォトリソグラフィーは、従来から、例えば回路基板の上の図形など多くの微細構造の製造に用いられて成功してきたが、このプロセスも基板及び基板の上に形成された材料を汚染させるおそれがある。従って、フォトレジストが製造材料を汚染させるため、フォトリソグラフィーは、例えばＰＬＥＤ表示装置やＰＣＢなどの接触に敏感な構造の製造とは両立性がない。さらに、フォトリソグラフィーは、フォトレジスト材料を塗布しまた処理するための多数の段階をともない、従って、比較的少量の構造を形成する場合には費用がかかり過ぎて採算がとれないおそれがある。

スピンコーティングなど他の従来技術も他の微細構造を形成するために用いられてきた。スピンコーティングは、基板を回転させながら基板の中心に流体材料を堆積させるものである。基板の回転運動によって、流体材料が基板の全表面に均等に広がる。しかし、スピンコーティングは、基板の上にとどまる流体材料が少なく、むしろスピンコーティングのプロセスの間に無駄に消費されたり或いはフォトリソグラフィー又はレーザー照射によって除去されてしまうため、付加的な段階が必要となり、経費を要するプロセスとなるおそれがある。

従来の微細構造を形成するための製造プロセスとは異なり、本発明のＰＭＤプロセスを用いれば、基板或いは流体製造材料の汚染なしに基板上に流体製造材料の小液滴を堆積させることができる。従って、本発明のＰＭＤプロセスは、例えばＰＬＥＤ表示装置或いはＰＣＢを製造する場合などに、汚染を避けるクリーンルーム環境で使用して特に有用である。

本発明のＰＭＤ法及びシステムには、通常、ＰＭＤ工具が用いられる。ＰＭＤ工具は、基板上に流体製造材料を堆積させるヘッド及び多数の独立のノズルを有するノズルアセンブリーを含む。ＰＭＤヘッドは、パターニングすなわち基板の予め定められた場所に流体製造材料の小液滴を精密に堆積させまた各ノズルを個々に制御するためのコンピュータ数値制御システムに連結されている。一般的に、ＰＭＤヘッドは、基板上に微細構造を形成するための本発明の各種技術及び方法と組み合わせて用いれば高度の精密性と正確性が得られるように構成されている。

精密性と正確性に関して、基板とＰＭＤヘッドの間の相対位置は、基板上の基準マーキングを識別しまた基板をＰＭＤヘッドと位置合わせするように構成されたＰＭＤシステムの位置合わせコンポーネントを用いて設定し制御することができる。ＰＭＤシステムの精密性を向上させるためには、液滴診断アセンブリーが、個々のノズルの発射特性及びノズルから放出された小液滴の特性を識別し分析する。本発明のＰＭＤシステムは、特にノズルの発射特性を個別に制御しまたＰＭＤヘッドのノズルのいかなる偏りも補償するように構成されている。さらに、ＰＭＤシステムは、ＰＭＤヘッドに対するある位置で基板を固定し保持するように構成された真空チャックを備えた可動ステージを含む。このステージは、Ｘ―Ｙ水平面のＸ軸及びＹ軸に沿ってＰＭＤヘッドに対して基板を移動させるように構成されたプレートを含む。他の実施の形態にあっては、ＰＭＤヘッドは、基板に対して移動するように構成されている。例えば、ＰＭＤヘッドを回転するように構成されたターレットの上に据え付けることができ、また、ＰＭＤヘッドを、該ＰＭＤヘッドを水平な平面に沿って移動させるように構成されたリニアエアベアリングアセンブリーの上に据え付けることもできる。

流体及び形成される構造の性質によっては、以下に説明する特徴のいくつか又はすべてをＰＭＤヘッドを用いた流体材料の堆積の基本プロセスと組み合わせて用いることができる。本発明のＰＭＤ技術を用いれば、製造プロセスをきわめて簡略化しまた経費を安くでき、例えば少量の製造も経済的に成り立つことが明らかにされている。本発明のＰＭＤシステム及びプロセスによって、また、一般的に、高度の精密さで微細構造を基板の上に形成することが可能となる。

本発明のこれらの及び他の特徴は、以下の説明及び特許請求の範囲からより十分に明らかとなりまた以下に述べる本発明の実施から習得されよう。

本発明の上に述べた利点及び特徴及び他の利点及び特徴をより明らかにするため、添付図面に示された特定の実施の形態を参照して本発明をより詳しく説明する。これらの図面は、本発明の代表的な実施の形態を示すのみのものであって、本発明の範囲を限定するものと考えてはならないことは理解されよう。以下、添付図面を用いて本発明をさらに具体的かつ詳細に説明する。

本発明は、微細構造を製造又は製作するため基板上に制御された量及び配置で流体材料を堆積する圧電マイクロデポジション（ＰＭＤ）を目的とするものである。

本明細書において用いられる「流体製造材料」及び「流体材料」という用語は、低粘性の形態を取ることができまた微細構造を形成するためにＰＭＤヘッドから基板上に堆積させるのに適したいかなる物質をも含む広い意味をもつものである。流体製造材料は、ポリマー発光ダイオード表示装置（ＰＬＥＤ、及びＰｏｌｙＬＥＤ）を形成するために使用することのできる発光ポリマー（ＬＥＰ）を含む場合があるが、それに限定されるものではない。流体製造材料は、また、プラスチック、金属、ワックス、ハンダ、ハンダペースト、生物医学用製品、酸、フォトレジスト材料、溶剤、接着剤、及びエポキシを含む場合がある。「流体製造材料」という用語は、本明細書においては「流体材料」と互換性のある用語である。

本明細書において用いられる「堆積」という用語は、一般的には基板上に流体材料の個々の小液滴を堆積させることを指す。また、「ジェット」、「放出」、「パターン」、及び「堆積」という用語は、本明細書においては互換性のある用語として用いられ、ＰＭＤヘッドから流体材料を堆積させることを指す。「小液滴」及び「液滴」という用語も、本明細書においては互換性のある用語として用いられる。

本明細書において用いられる「基板」という用語は、ＰＭＤプロセス時に流体材料を受けるのに適した表面を有する任意の材料を含む広い意味をもつものである。適当な基板材料は、ガラス板、ペレット、シリコンウエファ、セラミックタイル、剛性及び可撓性プラスチック及び金属シート及びロールを含むが、これらに限定されるものではない。いくつかの実施の形態にあっては、ＰＭＤプロセスの間に流体材料の堆積を受ける適当な表面を有するため堆積した流体材料自身も基板を形成する場合がある。これは、例えば三次元の微細構造を形成するときなどである。

本明細書において用いられる「微細構造」という用語は、一般的には高精密度で形成されて基板上にぴったり載置される寸法とされた構造を指す。異なる構造の寸法は異なるため、「微細構造」という用語は、特定の寸法に限定されるものと解釈してはならず、また「構造」という用語と互換性のある用語として用いられることもある。微細構造は、流体材料の単一の小液滴、小液滴の任意の組み合わせ、又は基板上に一又は複数の小液滴を堆積させて形成された構造、例えば二次元の層、三次元のアーキテクチャ、及び他の望ましい構造を含む。

本発明のＰＭＤシステムは、ユーザーが定義したコンピュータの実行可能な命令に従って基板上に流体材料を堆積させることによってＰＭＤプロセスを行う。「コンピュータが実行可能な命令」という用語は、本明細書の中では「プログラムモジュール」又は「モジュール」とも呼ばれ、一般的には特定のアブストラクトデータタイプを実現し或いは特定のタスクを行うルーチン、オブジェクト、コンポーネント、データ構造等を指すが、特定のタスクを行うとは、例えば本発明のＰＭＤプロセスを実施するためのコンピュータ数値制御を実行することであるが、それに限定されるものではない。プログラムモジュールは、任意のコンピュータが読み取り可能な媒体に格納することができる。コンピュータが読み取り可能な媒体とは、ＲＡＭ，ＲＯＭ、ＥＥＲＯＭ，ＣＤ―ＲＯＭ、又は他の光ディスク記憶装置、磁気ディスク記憶装置、又は他の磁気記憶装置、又は他の命令又はデータ構造を格納できまた汎用コンピュータ又は特殊目的のコンピュータでアクセス可能な他の媒体を含むが、それらに限定されるものではない。

本発明によれば、インクジェットヘッドは、製造環境で流体製造材料を堆積させて本発明のＰＭＤプロセスに基いて流体製造材料をパターニングすることによって多様な構造のいずれかを形成することができる。このことは、同時出願の２００２年５月３１日に「マイクロデポジション装置」の名称で出願したＰＣＴ特許出願第_____号、２００２年５月３１日に「温度制御真空チャック」の名称で出願したＰＣＴ特許出願第_____号、２００２年５月３１日に「ポリマー発光ダイオード表示装置、印刷回路基板等のための工業用マイクロデポジションシステム」の名称で出願したＰＣＴ特許出願第_____号、２００２年５月３１日に「互換性マイクロデポジションヘッド装置及び方法」の名称で出願したＰＣＴ特許出願第_____号、２００２年５月３１日に「マイクロデポジション制御システム用波形生成装置」の名称で出願したＰＣＴ特許出願第_____号、２００２年５月３１日に「解像度を高めるためのマイクロデポジションシステムにおけるオーバークロッキング」の名称で出願したＰＣＴ特許出願第_____号、及び２００２年５月３１日に「多流体材料のマイクロデポジション用装置」の名称で出願した出願ＰＣＴ特許出願第_____号に最も良く記載されている。これら各出願は、その関連性によって本出願に編入される。本発明によれば、多くの構造を、従来の技術を用いて製造されるものより安い経費で、より効率的に、またより正確に製造することができる。また、ＰＭＤプロセスでは製造できるが従来の方法では製造できない構造もある。さらに、本発明にもとづくＰＭＤプロセスは、クリーンルーム環境及び製造段階中又は後に汚染されない流体製造材料とともに用いることができる。

一実施の形態によれば、本発明のＰＭＤシステムは、一般的にステージ、真空チャック、ＰＭＤヘッド、ＰＭＤヘッド支持体、位置合わせコンポーネント、流体材料供給システム、液滴診断アセンブリー、保守ステーション、キャッピングステーション、ドッキングステーション、及びコンピュータシステムを含むものである。コンピュータシステムは、ＰＭＤシステムにコンピュータが実行可能な命令を提供し、ＰＭＤシステムの各種コンポーネントを制御する。

基板上に流体材料を堆積させ及び（又は）微細構造を形成するためには、ＰＭＤ工具が基板に対して移動することが有用である。ＰＭＤヘッドと基板の相対移動は、基板及び（又は）ＰＭＤヘッドを移動させることによって行うことができる。この移動は、直線運動の場合もあれば回転運動の場合もある。

直線運動のためには、ＰＭＤシステムがリニアモーターを使用する構成とすることができる。一実施の形態にあっては、ＰＭＤシステムは、クリーンルーム用に構成されてエアベアリングを有するものであり、従って、リニアモーターは、摩擦によってクリーンルーム環境を汚染するおそれのある粒子を形成することがない。ＰＭＤシステムは、また、ヘパフィルター、特殊なベアリング、モーター、及び厳格なクリーンルームの要件を満たすアセンブリーを含むものとすることができる。リニアモーターによってあたえられる移動性は、ステージで回転させることのできないプラスチックのロールの上など大きい基板の上でＰＭＤプロセスを行うことができるようにする効果がある。

いくつかの実施の形態にあっては、ＰＭＤシステムは、大型の基板及びある種のＰＭＤプロセスの要件に対応するためにＰＭＤヘッドを回転させるための手段を含む。ＰＭＤヘッドを回転させることは、ステージを回転させることが実際上不可能な場合に基板の上に流体材料が堆積する方向に対してノズルのピッチ又は角度を規定し、それによって堆積した流体材料との間のスペースを減らし、結果として得られる解像度を高めるために特に有用である。

解像度は、また、ＰＭＤシステム及び（又は）基板を回転させそれによって基板が堆積する一又は複数の線と同じ方向に移動するようにすることによって基板上に直線が堆積するような場合にも高めることが可能である。このようにして、基板上に堆積する各小液滴は、前の小液滴の通った跡又は末尾の上に堆積し、それによって不規則な形の小液滴がもたらす効果を最小限に減らしまた一又は複数の線の側部全体の解像度を改善することができる。

図１は、ＰＭＤシステム１０のいくつかのコンポーネントを示す。図示コンポーネントは、ステージ１２、真空チャック１４、ＰＭＤヘッド１６、ＰＭＤヘッド支持体１８、位置合わせコンポーネント２０、液滴診断アセンブリー２２、保守ステーション２４、及びキャッピングステーション２６を含む。

図示したように、ステージ１２及びＰＭＤヘッド支持体１８は、固定された表面２８に据え付けられている。固定表面２８は、使用中、ＰＭＤシステム１０に安定性をあたえまた該ＰＭＤシステム１０の精密性を損なうおそれのある振動を最小限に抑えるように適当に構成された任意の表面を含むものとすることができる。一実施の形態にあっては、固定表面２８は、花崗岩のブロックを含む。ただし、固定表面２８が他の材料及び構造も含んでもよいことは理解されよう。

図２及び図３は、それぞれ図１のＰＭＤシステムの側面図及び正面図である。図示したように、ステージ１２は、上端の据え付け板３０及び中間の板アセンブリー３１を含み、これらは各々二つの異なる方向のうちの一方向に移動するように構成されている。図１〜図３に示すように、真空チャック１４、キャッピングステーション２６、保守ステーション２４、及び液滴診断アセンブリー２２は、ステージ１２の上端据え付け板３０の上に据え付けられ、従って上端据え付け板３０と共に移動する。

特に、上端据え付け板３０は、該上端据え付け板３０を図１にＸ軸として示す第一の方向に駆動するように構成された第一のモーター３４に接続されており、中間板アセンブリー３２は、該中間板アセンブリー３２並びに上端据え付け板３０を図１にＹ軸として示す第二の方向に駆動するように構成された第二のモーター３６に接続されている。第一及び第二のモーター３４及び３６は、水平のＸ―Ｙ面内でＰＭＤヘッド１６に対してステージ３０をのぞむように移動させるために単独で又は同時に作動させることができる。従って、ステージ１２がＸ―Ｙ面のＸ及びＹの両方向に同時に移動することができることは理解されよう。ステージ１２のＸ―Ｙ面内でのこの移動性は、ステージ１２上に据え付けられた基板をＰＭＤヘッド１６と位置合わせするように移動させるためまた本発明のＰＭＤプロセスの間に基板を移動させるために有用である。これについては、以下に概要を説明する。ステージ１２は、移動性部品特に相互に移動する硬い表面を有する移動性部品が基板上方に配置されている場合でも一般的に使用することができないクリーンルーム環境用として構成されることは理解されよう。

真空チャック１４は、本発明のＰＭＤプロセスの間、基盤をステージ１２上の固定位置に固定するための適当な位置手段となるものである。可撓性材料用のロール間移動アセンブリーを含む基板を保持するための他の構造及び方法も、本発明の範囲に含まれると考えられるべきものである。

図４に示す基板３８は、真空チャック１４の多孔性の金属板４２を通して空気を吸い取ることによって生成される空気の陰圧によって真空チャック１４上の所定の位置に強固に保持される。該多孔性金属板４２は、図１に示されている。一実施の形態にあっては、該多孔性金属板４２は、例えばウインターザーのＭ−テック・ホールディングＬｔｄ．の子会社であるポーテックＬｔｄ．が販売しているメタポール（登録商標）のような多孔性のアルミニウム板である。ただし、他の材料から製造された他の種類の多孔性の板を使用することも可能である。空気は、真空チャック１４上の吸い取り口４４に接続された真空又はポンプなど任意の適当な手段によって多孔性の金属板４２を通して吸い取られる。

真空チャック１４は、また継手４５を含むものとすることができる。継手４５は、ＭＤシステム１０の制御装置とともに真空チャック１４内の装置を相互接続するように構成される。該継手４５は、例えばＤＢ９コネクタを通るシリアルポートを規定し、ＤＢ９コネクタは、真空チャック１４内の装置を制御システムに連結する。一実施の形態にあっては、加熱源及び温度センサーが真空チャック１４の中に収容されており、オペレータが多孔性の金属板４２の温度を制御できるように制御システムに接続されている。

図４に示すように、基板３８は、真空チャック１４上に据え付けられるが、より詳しくは該真空チャック１４上の該基板３８を位置合わせするように構成された出張り支え４６の間に据え付けられる。真空チャック１４上での基板３８の位置合わせは、流体製造材料が基板３８の上の適当な場所に確実に堆積するようにするために有用である。ただし、真空チャック１４の上に基板３８を据え付ける行為によって、基板３８が、本発明のＰＭＤプロセスを行うために必要な精密な公差でＰＭＤヘッド１６と確実に位置合わせされるものではないことに留意されたい。すなわち、基板３８は、本発明の方法に基いてＰＭＤヘッド１６と精密に位置合わせしなければならない。

基板３８が真空チャック１４上に出張り支え４６に当接するように据え付けられると、真空チャック１４はＰＭＤヘッド１６とすでに位置合わせされているため、基板３８とＰＭＤヘッド１６の間の初期の位置合わせが得られる。真空チャック１４がＰＭＤヘッド１６と確実かつ精密に位置合わせされるために、真空チャック１４上には二つの基準点４８が配設される。どれかの基準点４８は、以下でより詳細に説明するように位置合わせコンポーネント２０によって工学的に検出される。該位置合わせコンポーネント２０は、通常、真空チャック１４がＰＭＤヘッド１６と正しく位置合わせされていることを判別するものである。真空チャック１４が正しく位置合わせされていなければ、望ましい位置合わせが得られるまで真空チャック１４を移動させる。

真空チャック１４と基板３８を正しく位置合わせするために、真空チャック１４は、ステップモーター５２、ばね５４、及び枢動アーム５６を含んでいる。枢動アーム５６は、第一の端部５８でステップモーター５２に接続され、第二の端部６０でばね５４に接続されている。真空チャック１４は、また枢動コーナー６２でステージ１２と枢動自在に接続されている。これによって、ステップモーターが作動しているとき、真空チャック１４は、通常、枢動コーナー６２の周りで枢動することができる。

一実施の形態にあっては、ステップモーターは、延伸アーム６４を含み、延伸アーム６４は、枢動アーム５６の第一の端部５８に力を加えるために制御自在に延伸することができ、それによって枢動アーム５６を枢動点６６の周りで（図４の上面図で）枢動させ時計回りに回転させることができる。枢動アーム５６の第二の端部６０が真空チャック１４に接続されているため、これによって、真空チャック１４を枢動コーナー６２の周りで枢動させ反時計回りに回転させることができる。真空チャック１４は、反対方向に枢動させることもできる。例えば、ステップモーター５２のアーム６４が引き込められているとき、ばね６４は圧縮され、枢動アーム５６の第二の端部６０を強制的にばね５４に向かって移動させ、それによって真空チャック１４を枢動コーナーの周りで枢動させ時計回りに回転させる。

真空チャック１４の枢動は、真空チャック１４又は基板３８とＰＭＤヘッド１６の位置合わせを得るためにいつでも行うことができる。真空チャック１４の枢動は、また、基板３８とＰＭＤヘッド１６の望ましい心外しを得るためにも行うことができる。基板３８とＰＭＤヘッド１６の心外しは、基板３８の上にある種の微細構造を形成するときに望ましい場合があり得る。一実施の形態にあっては、基板３８とＰＭＤヘッド１６の間の望ましい位置合わせは、また、ＰＭＤヘッド支持体で、例えば以下に説明するようにターレットを用いて１８ＰＭＤヘッド１６を基板３８に対して回転させることで得られる。

ここで、位置合わせコンポーネント２０について具体的に説明する。図１及び図３に図示されるように、位置合わせコンポーネント３０は、ＰＭＤヘッド支持体１８に固定的に取り付けられている。一実施の形態にあっては、位置合わせコンポーネント２０は、カメラを有する。このカメラは、デジタル及び光学的機能を任意に組み合わせたものとすることができ、また好ましくは真空チャック１４上の基準点４８並びに基板３８上にエッチングで形成された精密位置合わせマークを識別するように構成された光学的／デジタル認識モジュールである。これらの位置合わせマークは、ここでは起点マークと呼ぶが、通常は基板３８上に予め形成されまた小さすぎて裸眼では見えないものである。一実施の形態にあっては、起点マークは、基板３８上にエッチングで形成された垂直の毛髪程度の細い十字を含む。

一実施の形態にあっては、起点マークは、基板３８をＰＭＤヘッド１６と位置合わせさせるための基礎として用いられる。これは、基板３８の縁部への位置合わせのみでは、通常、ある種の製品を製造するために求められる精密さで基板３８上に微細構造を形成するために十分な正確さが得られないからである。例えば、一実施の形態にあっては、ＰＭＤシステム１０は、ＰＬＥＤ表示装置の上に人間の毛髪の直径の約１０分の１であるプラス又はマイナス１０ミクロンの範囲内にポリマーの小液滴を堆積させる。このような正確さで流体製造材料を精密に堆積させる本発明のＰＭＤシステムの能力が、先行技術の改善であることは理解されよう。

基板３８が真空チャック１４の上に据え付けられと、ＰＭＤシステム１０は、自動的に位置合わせコンポーネント２に関連するカメラ及び光学的認識モジュールを用いて基板３８上の起点マーク又は他の基準のマーキングを識別する。真空チャック１４又はＰＭＤヘッド１６は、次に、必要に応じて自動的に枢動又は回転し、ＰＭＤヘッド１６と基板３８の間の心外れを補正する。このようにして、数秒の間にＰＭＤヘッド１６と基板３８の間の位置合わせが約３ミクロンの公差の範囲内で得られる。最後に、望ましい位置合わせが得られると、ＰＭＤシステム１０は、本発明のプロセスに従って基板３８の予め定められた場所に流体材料の小液滴を精密に堆積させることができるようになる。

一実施の形態によれば、ステージ１２の上の基板３８がＰＭＤヘッド１６の下方で移動している間に、微細構造が、基板３８上にＰＭＤヘッド１６から堆積する小液滴として形成される。例えば、ステージ１２がＸ軸に沿ってＰＭＤヘッドの下方で基板３８を移動させているときに、基板３８上に小液滴の行を形成することができる。ステージ１２は、行の堆積の間にＹ軸に沿って移動させることができ、それによって複数の行を形成することが可能となる。ステージは、また、Ｘ軸及びＹ軸の方向の任意の組み合わせの方向に沿って移動させ、基板の任意の部分の上に多様な構造を形成することができる。

基板３８のＰＭＤヘッド１６との位置合わせは、上に説明したように調節が可能であるが、ＰＭＤヘッド１６のノズルが正しく発射を行わない場合には位置合わせが妨げられるおそれがある。ＰＭＤヘッド１６は、例えば任意の数のノズルを含む物とすることができる。一実施の形態にあっては、ＰＭＤヘッド１６は、１から約２５６の間のノズルを有するノズルアセンブリー（図示していない）を含む。一個のノズルが不発に終わった場合でも、小液滴３８とＰＭＤヘッド１６の位置合わせが失敗するおそれがある。従って、各ノズルの発射特性を識別して発射に不規則性が存在する場合にはそれを補正することが重要になる。個々のノズルの発射特性がわかれば、本発明のコンピュータモジュールでノズルを個別に制御してノズルから流体材料の望ましい放出を行うことができる。

図１〜図４に示す液滴診断アセンブリー２２は、ＰＭＤヘッド１６の個々のノズルの発射特性を測定し識別するために配設されている。液滴診断アセンブリーは、通常、カメラ６８、このカメラ６８を含み、このカメラは、デジタル及び光学的機能を任意に組み合わせたものとすることができ、また好ましくは個々のノズルの異なる発射特性を識別するように構成された光学的／デジタル認識コンピュータモジュールである。

一実施の形態によれば、液滴診断アセンブリー２２は、小液滴がノズルから放出されるときに該小液滴のさまざまな画像を捕捉し該小液滴の液滴特性を分析することによって個々のノズルの発射特性を識別する。ＰＭＤヘッドの一つのノズルが正しく発射しなければ、液滴診断アセンブリー及び対応するモジュールが、誤りを検出する。次に、ＰＭＤシステム１０は、以下に説明する保守手順で自動的にノズルを修理しようとする。誤りが自動的に補正されなければ、ＰＭＤシステム１０は、オペレータに警報を出し、製造が中止され、それによって装置の高価な産出物が失われることを防ぐ。次に、必要ならば、ＰＭＤヘッド１６は、修理又は交換することができる。

一実施の形態によれば、液滴診断アセンブリー２０のカメラ６８は、ステージ１２の上にぴったり載置されるように構成された直角カメラ６８である。また、写真の技術では良く知られているようにカメラ６８によって捕捉される画像の質を高め飛翔中の小液滴の画像を捕捉するために例えばストロボライト６９のようなバックライトも配設されている。液滴診断を行うためには、ＰＭＤヘッド１６をキャッピングステーション２６の上方のカメラ６８とストロボライト６９の間で移動させる。次に、ＰＭＤヘッド１６のノズルからキャッピングステーション２６の中に小液滴が放出される。次に、以下に説明するようにノズルから放出される小液滴の二つの直角画像を捕捉して液滴の特性及びノズルの発射特性が求められる。正確さを最大にするため、試験されているノズルはカメラの視野の中心に置き、またノズルは個々に試験することが好ましい。

一実施の形態によれば、ＰＭＤヘッドが第一の位置にあるときに第一の小液滴の第一の画像が撮られ、ＰＭＤヘッドを９０度回転させた後に同じノズルから発射された第二の小液滴の第二の画像が撮られる。他の一実施の形態にあっては、二つの直角カメラを用いて単一の小液滴の二つの画像が同時に撮られる。小液滴の画像が捕捉されたら、ＰＭＤシステム１０の光学的認識モジュールは、これらの画像及び発射情報を用いて滴下量、滴下速度、液滴ノズルの配置、滴下の偏角、及び液滴の情報を計算し、それによってＰＭＤシステム１０がＰＭＤヘッド１６のノズルの欠陥或いは変異を補償できるようにする。

滴下量は、小液滴の高さ及び（又は）幅を用いて計算することができ、或いは、一以上のカメラで面積を撮像してその量を計算することができる。いずれの方法においても、カメラ６８で捕捉された画像を用い、特定の用途に関して求められる正確性及び精密性に応じて小液滴の三次元形状を計算又は概算によって求める。小滴下量が大きすぎ又は小さすぎる場合には、ＰＭＤシステム１０は、ノズルが小液滴を放出する頻度を調節して自動的に補償を行う。例えば、ＰＭＤヘッド１６へ送られる電圧又は波長を量的に変化させて欠陥滴下量を補償することができる。電力が減れば、より小さい小液滴が放出されるであろうし、電力が増えれば、より大きい小液滴が吐き出されるであろう。補正が行われても、調節度を高めるために対話式プロセスでノズル及び対応する小液滴を再分析することが必要な場合もあり得る。

滴下量に関連する問題を補正する第二の方法は、ＰＭＤプロセスの間に堆積する小液滴の数及び頻度を変更することである。この方法では、個々の小液滴の滴下量は同じままであるが、小液滴が堆積する頻度を増やしたり或いは減らしたりすることによって基板の上に堆積する流体材料の量を制御することができる。滴下量の問題を補償するためのこの方法は、小液滴を行にして堆積する場合或いはのぞむ滴下量を得るためには多数の液滴が必要な場合に有用である。小液滴が堆積する頻度を変えるこの方法を、本明細書では微細クロッキングと呼ぶ。

例えば流体材料がノズルからジェット噴射されるように十分迅速に流体チャンバー内に補給されない状態を飢餓状態と呼ぶとすれば、微細クロッキングは、飢餓状態などの堆積速度性能の限界を克服するために本発明によって提供される一つの手段である。現存の印刷ヘッド技術では、通常、印刷ヘッドのクロック周波数が、飢餓状態を起さずに印刷が行える最大の周波数に限定される。また特に、通常、多ノズルヘッドが単一のクロックしか備えていないことを考慮すれば、当業者には、このことがＰＭＤヘッドの解像度に実際上の限界をあたえていることも理解されよう。

先行技術のこれらの限界を克服し、ＰＭＤ工具のノズルを個別に制御できるようにするために、本発明は、クロックサイクルの頻度又はＰＭＤ工具へ送られる信号の頻度を意図する堆積速度をはるかに超えるように人工的に増加させるために、微細クロッキングの方法を利用するものである。ＰＭＤシステムは、解像度及びＰＭＤプロセスの間に堆積する流体材料の量を制御するために付加的なクロックサイクルを使用することができる。一実施の形態にあっては、ＰＭＤシステムは、クロックサイクルの頻度を意図する堆積速度の１０倍に増加させ、それによってＰＭＤシステムに堆積頻度の１０分の１以内でドットを布置（配置）する能力をあたえる。

堆積頻度が飢餓状態の限界を超えることはできないが、ＰＭＤ工具に微細クロックの進度でクロックサイクル及びデータを送ることは可能である。これは、ＰＭＤシステムのコンピュータが実行可能な命令では、実際の堆積データが餓死率を超えることができないためである。本実施の形態では、これは、約１０中９のクロックサイクルに各ノズルに「フィラーデータ」すなわちブランクデータを送ることによって行われる。従って、ＰＭＤ工具は、微細クロックを実際の堆積クロック速度で割った値に比例して、堆積するために使用することのできるより何倍も多くのデータを受け取ることになる。このようにして、最大堆積速度に影響をあたえずに現存の印刷ヘッド技術の解像度を１０倍以上に高めることができる。

微細クロッキングは、基板上に堆積される流体材料の解像度を高めるために特に有効である。特に、線又は形の始めと終わりをより精密に制御することができる。クロックサイクルの頻度が意図する堆積速度より１０倍に設定されている本実施の形態にあっては、ＰＭＤ工具によって、流体材料は、同じ堆積速度で可能な従来の解像度の幅の１０分の１以内にすなわち従来可能であったより十倍以上精密に堆積することができる。

微細クロッキングは、また、基板上に堆積させる流体材料の量の制御にも有用である。例えば、弱いノズルのための補償の目的或いは単に材料の厚さを増やす目的でより多くの流体を堆積させることが望ましい場合には、該当するノズルが他のノズルより高い頻度で流体材料の小液滴をジェット噴射するように設定される。例えば、他のノズルが各１０クロック中１クロックにジェット噴射するのに対して、指定されたノズルは、各９クロック中１クロックにジェット噴射シュするように設定される場合もある。この技術によって、指定されたノズルは、他のノズルより約１１％多く流体を堆積する。同様に、多くの流体を堆積しすぎるノズルは、より少ない頻度で堆積を行うようにすることができる。

微細クロッキングは、また、ＰＭＤ工具が回転し、ノズルが垂直方向に位置合わせされていない場合、滴下速度又は偏角の差異に対応しようとする場合、個々のドットを布置するためにより高い解像度がのぞまれる場合、及び基板上に堆積する流体の量を注意深く制御することがのぞまれる場合に特に有用である。

すでに説明したように、微細クロッキングでは、通常、ＰＭＤ工具へ送られるクロックサイクルの頻度を意図する堆積頻度より多い回数にすることが必要である。微細クロッキングの頻度対堆積頻度の比は、解像度の潜在的な増加を制御するものである。流体材料をジェット噴射するためのドットパターンを生成するコンピュータ実行可能な命令は、解像度の潜在的な増加を認識し、待機サイクルのためにＰＭＤ工具へ送られるゼロの「フィラーデータ」を注入しなければならない。各堆積サイクルに対する待機サイクルの数は、微細クロッキングの頻度対堆積頻度の比に等しい。

微細クロッキングは、また、ＰＭＤプロセスの間の基板の動きに対するＰＭＤ工具の回転である「ピッチ」の補償のためにも有用である。ＰＭＤ工具のピッチングによって、微細クロッキングの頻度対実際の堆積頻度の比に基いてドットの数分の一まで正確な解像度が得られる。微細クロッキングでは、基板の垂直方向の動きに対して角度の付いたノズルをずらして生成されるスペースに等しい「フィラーデータ」を注入することによってピッチを補償する。

滴下速度は、ノズルの発射時刻（Ｔｆ）とカメラストロボの発射時刻（Ｔｓ）から遅延時間を求め、移動時間Ｔｆ―Ｔｓ＝Ｔｔを得ることによって計算される。次に、光学的認識モジュールを用いて小液滴の中心とノズルの間の距離である移動距離（Ｄｔ）を見出す。滴下速度は、最終的に、移動距離を移動時間で割る（Ｄｔ／Ｔｔ）ことによって計算される。

滴下速度によって、流体材料の液滴がいつ基板に当たったかが求められる。これは、基板が移動しているときには特に重要である。滴下速度に関する問題は、早すぎる又は遅すぎる滴下速度を補償するために小液滴の発射時刻をずらすことによって補正される。本発明によれば、滴下速度及び基板までの距離はわかっているので、発射時刻に関する調節量を計算することができる。滴下速度が高すぎるときには発射時刻は遅らされ、滴下速度が低すぎるときには発射時刻は早められる。

液滴ノズルの布置は、小液滴がノズルを離れて撮像されるまでストロボライト６９の照明サイクルを調節することによって決定される。次に、ノズルの正確な場所又は布置が識別される。不規則な液滴ノズルの布置の補正は、次に説明するように液滴の偏角の補正とともに行われる。

液滴の偏角は、ノズルから流体材料の液滴を予め定められた距離だけジェット噴射し（これは、滴下速度が知られているために可能である）次にその距離での液滴の中心を識別することによって求めることができる。次に、小液滴の中心と液滴のノズルの場所を用いて偏角を計算する。一実施の形態にあっては、これは、水平のＸ―Ｙ平面のＸ及びＹの両方向で行って、液滴の真の三次元の偏角を得る。

液滴の偏角及び不規則な液滴ノズルの布置は、ノズルの布置の位置及び偏角を得て、次に、小液滴が落下することが期待される場所に対する実際に落下するであろう場所を計算して補正される。次に、小液滴の期待される軌跡と実際の軌跡の間の食い違いを補償するために、発射時刻を早め或いは遅らせる。

液滴の形成は、カメラ６８が光学的認識モジュールとともに捕捉した画像を分析し、主小液滴の外部になんらかの変則的な形状が存在するかどうかを確かめることによって判別される。これは、主として、小液滴が有意の末尾部或いはそれに対応する衛星を有するかどうかをチェックするために行われる。「衛星」という用語は、本明細書では、一般的に、小液滴と同時に放出されたが小液滴から離れてしまった流体材料を指す。

液滴の形成の分析は、パス／失敗試験である。小液滴が変則的な形成又はそれに対応する衛星を有する場合、ＰＭＤシステムは、二つの一般的な方法のいずれか一つで自動的に問題を補正する。第一のオプションは、該小液滴を放出しているノズルの電圧及びパルス幅の設定値を、ＰＭＤシステム１０からのコンピュータが実行可能な命令で変更するものである。この種類の補正は、通常、新しい流体材料又はＰＭＤヘッド１６が使われており、欠陥がＰＭＤヘッド１６の全ノズルアセンブリーにわたって広がっている場合に行われる。しかし、ＰＭＤヘッド１６及び流体材料が新しくない場合には、ＰＭＤヘッドのノズルが詰まっているか或いは修理が必要な可能性が高い。従って、のぞましくない液滴の形成を補正するための第二オプションは、ＰＭＤヘッド１６のノズルの詰まりをなくすため或いはノズルを修理するためにＰＭＤシステム１０の保守を行うものである。自動保守機能によってノズルを修理することができない場合には、機械が、先に進む前にユーザーに警報を出し、それによって材料及び製品の不必要な浪費を避ける。これは、高い収量及び高価な製造プロセスが関係する場合には極めて重要なことである。

ＰＭＤシステム１０の液滴診断アセンブリー２２及び位置合わせコンポーネント２０は、液滴診断アセンブリー２２及び位置合わせコンポーネント２０によって得られる正確さが現存する印刷技術に対する真の革新である。さらに、現存する印刷及びパターニングシステムには、基板３８に対してノズルの位置、角度、及び作動を測定し或いは精密に位置合わせする能力もなく、また、そのようなシステムには、高い収量及び高価な製造プロセスのために必要な精密な位置合わせを行なわせるモチベーションも存在しない。ＰＭＤヘッド１６及び対応するノズルを基板３８と位置合わせするこれらのシステムの開発によって、本発明のＰＭＤプロセスは、高い精密度を必要とする製造を可能にするものとなる。

本発明にもとづくＰＭＤシステム１０は、位置決めを無限に可変にするものであり、それによって、広い面積で均一性が得られる。さらに、本発明にもとづくＰＭＤシステム１０は、ｘ及びｙ軸での移動に加えてピッチを制御するものである。より具体的には、ＰＭＤヘッド１６の回転は、ＰＭＤプロセスの精密性を制御するために基板に対してノズルアセンブリーのピッチを変えるのに有用である。さらに、ＰＭＤシステム１０によって得られる光学的認識及び補正機能によって、液滴の大きさの制御性がさらに高められる。加えて、本発明にもとづくＰＭＤシステム１０は、ＰＭＤヘッド１６が基板と接触せず、ＰＭＤヘッドが堆積させる材料とのみ接触するために、クリーンな用途での均一性、可変性、及び制御性が得られる。

ＰＭＤヘッド１６と基板３８の位置合わせは、これまでＰＭＤシステムへの基板の据え付け後に行なわれる段階として説明してきたが、ＰＭＤヘッドを交換したとき或いはそれ以外でＰＭＤヘッド支持体１８の上に据え付けたときにも常に位置合わせが行なわれることが理解されよう。図５〜図７は、ＰＭＤヘッドをＰＭＤヘッド支持体１８と連結するために本発明に基いて使用される据え付けブラケット７０を示す図である。図示のように、据え付けブラケット７０は、複数の穴を有し、該据え付けブラケット７０をＰＭＤヘッド支持体に固定させるためにボルトをそれらの穴に通すことができる。さらに、突起ブラケット７０は、ＰＭＤヘッド１６を取り付けブラケット７０に対して布置するときに該ＰＭＤヘッド１６をしっかり保持するように構成された掛け金機構７４を含むものである。該掛け金機構７４は、一般に、ＰＭＤヘッド１６内に形成された対応する凹部と係合するように構成された掛け金アーム７６を含む。該掛け金アーム７６は、図９に示すように据え付けブラケット７０の反対側に配置されたレバー７８で操作される。据え付けブラケット７０は、また、掛け金アーム７５がＰＭＤヘッドを据え付けブラケット７０に固定したときにＰＭＤヘッドが据え付けブラケット７０に確実に正しく位置合わせされるされるようにするために用いられる基準点８０を含む。

図７は、図６の据え付けブラケット７０に接続されたＰＭＤヘッド１６の一実施の形態を示す。図示したように、ＰＭＤヘッド１６は、ハウジング９０、流体材料入口９２、溶剤入口９４、内部ＰＭＤヘッドコンポーネント９６、及びノズルアセンブリー９８を含む。使用時には、流体材料が入口９２を通ってＰＭＤヘッド１６に入り、内部ＰＭＤヘッドコンポーネント９６を通ってノズルアセンブリー９８に導かれ、そこでノズルアセンブリー９８のノズルを通って最終的に基板上に放出される。

一実施の形態によれば、ＰＭＤヘッドコンポーネント９６は、流体材料タンク、振動板、及び圧電トランスジューサを含む。圧電トランスジューサは、例えば、ノズルアセンブリー９６のノズルを通る流体材料を放出するのに適当な音波を生成するジルコン酸チタン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３すなわち「ＰＺＴ」トランスジューサである。振動板（ダイアフラム）及び圧電トランスジューサは、圧電トランスジューサに電力が供給されると音響パルスを発生する。音響パルスの力が流体製造材料の表面張力より十分に大きくなったときに、流体材料の小液滴がノズルアセンブリー９８に含まれるノズルから放出される。放出される小液滴の速度及び量は、圧電トランスジューサへの電力の供給を変えることによって制御される。

本発明のＰＭＤシステムは、ＰＭＤヘッド１６から放出される小液滴の量を制御することができる。一実施の形態にあっては、ＰＭＤヘッドは、約１０ピコリットルというわずかな量の流体材料の小液滴を毎秒数千個の頻度で放出する。小液滴の望ましい量及び頻度は異なる種類の流体製造材料、基板、及び微細構造の形成に対応するために異なるものとなってくるので、本発明は、流体材料の小液滴の放出を、特定の量、頻度、及び形状に限定するものではない。

従来のインクジェットヘッド（「ジェットヘッド」）は、少なくとも本発明のいくつかの流体材料と共に使用するように容易に適応させることができる。従って、本発明は、また、現在又は将来第三者によって製造されるもの及びインクジェット印刷システムでインクをジェット噴射させる目的で製造された又はされるであろうものを含めて、現存のジェットヘッド又は将来生成されるであろうジェットヘッドの使用も包含するものである。

一実施の形態によれば、本発明のＰＭＤシステム１０は、各種の印刷ヘッド技術に必要な各種デジタル波形、電流電力供給、及びデジタル信号の生成のためにコンピュータが実行可能な命令を実行するように構成されたコンピュータ制御システムを含むものである。コンピュータシステムは、個別のＰＭＤシステムコンポーネントの内部に物理的に組み込まれたものとすることもできるし、或いは、図８に示すように、コンピュータシステムが異なるＰＭＤシステムコンポーネントの各々と接続された独立型コンピュータシステム１００として実施され、それによってオペレータが独立型コンピュータシステムから各ＰＭＤシステムコンポーネントを制御できるように構成することもできる。コンピュータシステム１００は、本明細書で説明する各種制御システムを含むものとすることができる。

コンピュータシステム１００の一つのメリットは、それがさまざまに異なる能力及び機能性を有する各種ＰＭＤヘッド１６を、本発明のＰＭＤシステム１０によってより容易に互換可能に使用できるようになることである。例えば、一実施の形態にあっては、コンピュータシステム１００は、現存の印刷ヘッド技術の電子回路を、マスター電子回路部と個性的電子回路部の二つの異なる部に分離する。後者は、個々のＰＭＤヘッド１６又は独立型コンピュータシステム１００の内部に据え付けることができるものである。

マスター電子回路部は、すべてのＰＭＤヘッド１８にとって基本的な基本信号及び情報、すなわち、堆積すべきドットパターン（堆積データ）、傾斜、持続時間、及び大きさで定義される二次元波形、ＰＭＤヘッド１６で使用される接地及び最大電圧、及びヘッド装置が流体材料の液滴を堆積させるように設計されたクロック速度を収容する。マスター電子回路は、通常、これらの定義を行いそれらを各種類のＰＭＤヘッド１６のために格納することのできるコンピュータプログラマブルボード上に格納される。

個性的電子回路部は、一定のヘッド製造業者及び型式に固有なファームウエアを収容する。このようなファームウエアは、カスタマイズされた信号及び接続が必要な場合の多い。個性的電子回路は、使用時にマスター電子回路からカスタマイズされた波形及びデータを受け取る。通常、個性的電子回路は、カスタマイズされた個性カードなどコンピュータが読み取り可能な媒体に格納されている。一実施の形態にあっては、カスタマイズされた個性カードは、ＰＭＤシステム１０が使用する各種類のＰＭＤヘッド１６ごとに開発される。

このように電子回路を定義することによって、本発明のＰＭＤシステム１０は、ヘッドから独立したものとなり、それによって各種ＰＭＤヘッド１６の間の互換性が実現しまたＰＭＤシステム１０が各種の現存の及び新しく開発された技術に対応することが可能となる。換言すれば、ＰＭＤシステム１０に対してハードウエアの変更を行うことなく、ＰＭＤシステム１０が使用したＰＭＤヘッド１６を交換することが可能となる。第三者のヘッド及び現存する或いは当初は本発明の流体材料以外の流体材料を堆積されるためにつくられたヘッドを含めて、異なる製造業者の大きさの異なる圧電ヘッドさえ、本発明のＰＭＤヘッド１６の内部で使用しまた内部に組み込むことができる。このことは先行技術を超えた進歩であること、また先行技術では、現存する圧電ヘッドが特定のヘッド技術のためにまた一種類の圧電ヘッドのために設計されたものであり、そのことが現存する装置を新しい開発中の圧電ヘッド技術に対応するように更新することを制限しているのは理解されよう。このように電子回路を定義する他のメリットは、それによってＰＭＤヘッドのノズルを個々に制御し、何らかの不規則性が存在する場合にはそれを補正できることである。

ここで図６及び図７に戻って、これらの図には、ＰＭＤヘッド１６を流体材料供給システム１０２及び溶剤供給システム１０４と相互製造するために配管１１０がどのように使用されるかがしめされている。図示のように、配管１１０は、不使用時例えばＰＭＤヘッド１６が他のものと交換されている間、配管１００をＰＭＤヘッド１６から保持装置１１２へ好便に移すように構成された迅速開放用具１１を含むものとすることができる。

図６及び図７は、また、ＰＭＤヘッド１６に供給された流体材料を確実にクリーンなものにするために、フィルター１１６がどのように配管１１０に接続されるかを示している。図示しないが、ＰＭＤヘッド１６への溶剤の供給も確実にクリーンなものにするために、他のフィルターを配設することもできる。本発明によれば、以下により詳細に説明するように、溶剤は、浄化作業の間にＰＭＤヘッドを流体材料から浄化するために供給される。

次に図９に移って、同図は、据え付けブラケット７０をＰＭＤヘッド支持体１８に対してどのように回転させることができるかを示している。図示のように、据え付けブラケット７０は、図６及び図７に示す位置から９０度回転している。据え付けブラケット７０の回転は、本発明によれば、ＰＭＤヘッド支持体１８の底部に回転自在に接続されたターレット７２によって可能となる。ＰＭＤヘッド１６の回転は、すでに説明したように液滴診断アセンブリーによって撮られた直角画像の捕捉を容易にするために有用である。ＰＭＤヘッド１６の回転は、また、基板上の小液滴の行間の距離を精密に制御するために基板に対するノズルアセンブリー９８のピッチを変えるためにも有用である。

図９は、また、一実施の形態にあってはＰＭＤヘッド１６の位置合わせを確実に行なうために基準点８０がＰＭＤヘッド１６に対してどのように偏っているかを示す。基準点８０は、好ましくは、ＰＭＤヘッド１６と据え付けブラケット７０の位置合わせを正確に行うことのできる硬化スチールを含む。ＰＭＤヘッド１６と据え付けブラケット７０の位置合わせをさらに容易にするために、ＰＭＤヘッド１６の上端面と据え付けブラケット７０の間に付加的な基準点１２０を配設することもできる。ＰＭＤヘッド１６が据え付けブラケット７０の中で正しく位置合わせされていないと、ノズルから発射された小液滴の滴下角度が食い違いを示すおそれがあるが、その場合には、すでに説明したように液滴診断アセンブリーが位置合わせの狂いを検出して補償を行なう。ただし、位置合わせの狂いが大きい場合には、ＰＭＤヘッド１６を据え付けブラケット７０の上に据え付け直すことが必要になるかもしれない。

次に図１０を参照して、キャッピングステーション２６について詳細に説明する。図示のように、キャッピングステーション２６は、一般に延伸自在な支え１３２の上に据え付けられたトレー１３０及びソーク用リザーバ１３４を含む。キャッピングステーション２６の一つの目的は、ノズルが乾燥したり詰まったりしないようにするために不使用時にＰＭＤヘッド１６のノズルを受けて浸しておくことである。例えば、ＰＭＤヘッド１６がある期間使用されない場合、キャッピングステーション２６をＰＭＤヘッド１６の真下に移動させ、延伸自在な支え１３２でトレー１３０を上に上げてソーク用リザーバ１３４をＰＭＤヘッド１６のノズルアセンブリー９８と係合させる。ソーク用リザーバ１３４を、流体材料と両立してノズルアセンブリー９８が乾燥しないようにする溶剤で満たす。ソーク用リザーバ１３４には、ＰＭＤヘッド１６又は例えば溶剤供給システム（図示していない）に直接接続された配管など他の供給手段によって溶剤を供給することができる。

キャッピングステーション２６の他の一つの目的は、液滴診断中にＰＭＤヘッド１６から堆積したすべての流体材料を捕捉することである。例えば、液滴診断中に流体材料がトレー１３０のいずれかの部分に落下するおそれがある。トレー１３０の上に落下する過剰な流体材料や溶剤は、トレー１３０に接続された排液管１３８を通して処理される。

好ましい一実施の形態によれば、ＰＭＤヘッドは、互換性があり、手動又は自動で切り替えることができる。一実施の形態にあっては、ＰＭＤヘッドは、迅速接続用具を含み、またＰＭＤシステムは、ＰＭＤ工具を自動的に切り替えるための手段を含む。ＰＭＤヘッドを自動的に切り替えるための適当な手段としては、ガントリー上のインターフェース及びＰＭＤヘッド上の対応するインターフェースを例として挙げることができるが、それらに限定されるものではない。ガントリーは、ＰＭＤヘッドがそれに取り外し自在に取り付けられたアームである。ＰＭＤヘッドが他のＰＭＤヘッドに切り替えられるときには、そのＰＭＤヘッドがガントリーのインターフェースから手動又は自動で取り外され、工具ホールダーの中に置かれる。次に、代わりのＰＭＤヘッドが手動又は自動でガントリーのインターフェースの上に配置される。新しいＰＭＤヘッドが取り付けられたら、ガントリーは、そのＰＭＤヘッドの位置合わせ、試験、及び較正のために望ましい場所に配置される。

図１１〜図１３に示すように、ドッキングステーション１４０も、不使用時にＰＭＤヘッド１６のノズルを浸しておくように構成することができる。ドッキングステーション１４０は、ＰＭＤヘッド１６が長期間使用されないような場合或いはＰＭＤヘッド１６がＰＭＤシステムの使用されているＰＭＤヘッドの一つに過ぎないような場合に特に有用である。そのような場合には、不使用のＰＭＤヘッドは、個別のドッキングステーション１４０に格納されてＰＭＤヘッドのノズルの乾燥を防止する。

図１１及び図１２に示すように、ドッキングステーション１４０は、ＰＭＤヘッドを受けて据え付けるための据え付けブラケット１４２、リザーバトレー１４４、及びソーク用リザーバ１４６を含む。据え付けブラケット１４２は、図１３に示すようにＰＭＤヘッド１６のノズルアセンブリーをソーク用リザーバ１４６内に入れておく所定の位置でＰＭＤヘッド１６を確実に保持するように構成されている。リザーバトレー１４４は、ノズルを浸している間、ソーク用リザーバから溢れる過剰な溶剤を捕捉するように構成されている。リザーバトレー１４４は、また、以下に説明する浄化プロセスの間、ＰＭＤヘッドから除去されるすべての流体材料を補足するように構成されている。従って、リザーバトレー１４４は、浄化プロセスの間、リザーバトレー１４４によって捕捉されるすべての溶剤及び流体材料を排出する排液管１４８を含むものとすることができる。排出された流体材料及び溶剤は、処理を容易にするために貯蔵容器（図示していない）の中に排出することができる。

図１１及び図１２は、また、ドッキングステーション１４０を流体材料供給システム１５０の一部分を保持するように構成することができることを示している。特に、ドッキングステーション１４０は、作業バッグ１５４を保持するように構成された貯蔵室１５２を含む。使用時には、流体材料は、当初、ポンプで作業バッグ１５４の中に汲み上げられ、最終的にＰＭＤヘッドに供給されるまでその中に保持される。一実施の形態にあっては、貯蔵室１５２は、任意の時点で作業バッグ１５４の中に収容された流体材料の量を調節するように構成された重量計１５６の上に据え付けられる。重量計１５６は、コンピュータモジュール及び流体材料を流体材料供給用リザーバ１６２から作業バッグ１５４の中に汲み上げるように構成されたポンプ１６０に連結されている。好ましい一実施の形態にあっては、二方弁１６８が、作業バッグ１５４の中への及び作業バッグからの流体材料の流れを制御する。

図１１〜図１３に示すように、貯蔵室１５２は、作業バッグ１５４からＰＭＤヘッド１６へ送られる流体材料の供給が確実に一定に保たれるように作業バッグ１５４に予め定められた圧力をあたえるように構成された圧力制御板１６４を備えた構成とされている。一実施の形態にあっては、ＰＭＤヘッドで流体材料の中にノズルの発射特性の不規則性を潜在的に引き起こすおそれのあるメニスカスが形成されるのを防止するために、このことが重要である。他の一実施の形態にあっては、ポンプ１６０が、流体材料をＰＭＤ１６へ直接供給しまた流体材料の圧力を調節する。

一実施の形態によれば、流体材料供給システム１５０は、通常、配管１００、作業バッグ１５４、ポンプ１６０、及び流体材料供給用リザーバ１６２を含み、各種流体材料及び印刷ヘッド技術の要件に基いてさまざまな圧力のもとで使用することができる。流体材料供給システム１５０の材料は、好ましくは、耐久性がありまたＰＭＤシステムで使用される溶剤に反応しない構成のものとされる。例えば、一実施の形態にあっては、流体材料供給システムは、ポリテトラフルオロエチレン（デュポンＥ．Ｉ．デネモア＆Ｃｏ．が販売しているテフロン（登録商標）など）の不活性ライニングを含むが、他の材料を使用することもできる。

上に述べたように、ドッキングステーション１４０の一つの機能は、流体材料がＰＭＤヘッド１６から排出されている間、ＰＭＤヘッド１６を保持することである。排出は、例えば、単一のＰＭＤプロセスの間に異なる多様な流体材料を堆積するために単一のＰＭＤヘッドが使用されるような場合に必要となることがある。このような場合には、そのＰＭＤヘッドは、異なる流体材料が混ざり合うのを防止するために異なる用途の間に浄化される。

浄化作業を行うためには、ＰＭＤヘッド１６は、まず図１３に示すようにドッキングステーション１４０の上に据え付けられる。次に、溶剤が、溶剤供給源１０４からＰＭＤヘッド１６の中にポンプで汲み上げられる。溶剤は、ＰＭＤヘッドが完全に浄化されるまで強制的に流体材料をＰＭＤヘッドの中に通す。この作業の間にＰＭＤヘッド１６から排出された流体材料及び溶剤は、リザーバ・トレー１４４の中に放出され、排液管１４８を通って排出される。浄化が終われば、ＰＭＤヘッド１６を新しい流体材料の供給源に接続することができる。この浄化のプロセスは、ドッキングステーション１４０で行なわれるものとして説明してきたが、浄化をほぼ同様な方法を用いてキャッピングステーションで行なえることは理解されよう。

次に図１に戻って、保守ステーション２４を見ると、それがローラーアセンブリー１７０、クッションの付いた表面１７２、及び吸い取り布１７４を含むことがわかる。使用時には、吸い取り布１７４は、ローラーアセンブリー１７０を通り、クッションの付いた表面１７４の上を渡って供給される。ノズルが詰まったり或いは流体がノズルアセンブリーの上に溜まったりしてＰＭＤヘッド１６の整備が必要なときには、保守ステーション２４がＰＭＤヘッド１６の下方まで動かされ、クッションの付いた表面１７２がＰＭＤヘッド１６のノズルアセンブリー９８の直下に配置される。次に、吸い取り布１７４がノズルアセンブリー９８と接触するようになるまで、クッションの付いた表面１７２が例えば油圧レバーアセンブリー１７６を備えた昇降機構によって持ち上げられる。これによって、ノズルアセンブリー９８の上に蓄積した流体材料を十分に吸い取ることができるが、擦り落とすことが必要な場合もある。

ノズルアセンブリー９８の上で擦り落としの作業を行なうためには、吸い取り布１７４がローラーアセンブリー１７０から供給しながら、ノズルアセンブリー９８を吸い取り布１７４に当てて保持しておく。これによって、吸い取り布１７４がノズルアセンブリー９８と摩擦係合し、それによってノズルがのぞましくない蓄積を清浄することができる。一実施の形態によれば、吸い取り布１７４は、不適当な損傷を生じさせ或いはノズルを摩損させることなしにノズルを清浄するために適当な不研削性材料からなる。ノズルの損傷の可能性をさらに小さくするために、クッションの付いた表面１７２は、ＰＭＤヘッド１６と保守ステーション２４の間で生じるおそれのある衝撃をすべて吸収するように構成されている。

次に本発明の他の一実施の形態を示す図１４を参照する。図示のように、ＰＭＤヘッド支持体２００は、梁材２２０の上に滑動自在に据え付けられたリニアエアベアリングアセンブリー２１０を有する。リニアエアベアリングアセンブリー２１０は、通常、エアベアリングを備えたリニアモーターを含む。リニアモーターは、当該技術では公知であるが、可動部品の間の摩擦をなくすために磁気コイル及びスラグを利用する。

リニアベアリングアセンブリー２１０の使用は、ＰＭＤプロセスをクリーンルーム環境の中で行なうことを可能にし、しかも大きい基板の上で本発明のＰＭＤプロセスを行なうために必要な可動性を得る上で有益である。特に、リニアベアリングアセンブリー２１０によって得られる可動性によって、各ＰＭＤコンポーネントをＰＭＤヘッド１６の下方で完全に移動させるためのステージ１２の必要性がほぼなくなる。その代わりに、リニアベアリングアセンブリー２１０を用いて、ＰＭＤヘッド１６をＰＭＤコンポーネントの上方で移動させることが可能となる。リニアベアリングアセンブリー２１０は、また、基板３８上に流体材料を堆積される間、ＰＭＤヘッド１６を移動させることもできる。ただし、ＰＭＤヘッド１６の内部である種の流体材料が波立つことを防ぐためには、流体材料がＰＭＤヘッド１６から放出されている間は、ＰＭＤヘッド１６を移動させないことが望ましい。波立ちは、流体材料がＰＭＤヘッドの内部ではねかされると発生し、不規則な圧力を生じさせ、小液滴の形成及びノズルからの排出に影響を及ぼすおそれがある。

本発明のＰＭＤシステムは、ここまで、所与の時点で単一のＰＭＤヘッドのみを利用することのできるものとして説明してきた。しかし、本発明のＰＭＤシステムは、また、多数のＰＭＤヘッドを用いて同時に協同作業を行なうように構成することもできる。例えば、本発明のＰＭＤシステムは、各々が個別のＰＭＤヘッドを含む多数のＰＭＤヘッド支持体を有するものとして構成することができる。

図１５は、そのような一実施の形態を示す。同図では、ＰＭＤシステム３００は、多ＰＭＤヘッド支持体３１０と単一の製造ラインの上に隣接して布置された該支えに対応するＰＭＤヘッドを備えるものとして構成されている。図示のように、ＰＭＤヘッド３２０は、各ＰＭＤヘッド３２０の下方でＸ―Ｙ平面のＸ方向に移動するように構成されたステージ３３０の上方に配置されている。ＰＭＤヘッド支持体３１０は、各々が、ＰＭＤヘッドを該Ｘ―Ｙ平面のＹ方向に移動させるように構成されている。

この実施の形態によれば、各ＰＭＤヘッド３２０は、異なる流体材料供給システム（図示していない）から異なる流体材料を堆積させるように構成されている。この実施の形態は、ＰＬＥＤ表示装置を構成するときのように単一の基板３５０の上にさまざまに異なる色に着色されたポリマーを堆積される場合に特に有用である。例えば、本発明の一実施の形態にあっては、第一のＰＭＤヘッドは、ベースコートを堆積させるように配備し、第二のＰＭＤヘッドは、赤色に着色されたポリマーを堆積させるように配備し、第三のＰＭＤヘッドは、緑色に着色されたポリマーを堆積させるように配備し、第四のＰＭＤヘッドは、青色に着色されたポリマーを堆積させるように配備することができる。この実施の形態にあっては、基板３５０は、ステージ３３０の上で、異なるＰＭＤヘッド３２０の下方を順次移動させられ、従って、基板３５０の上に、まずベースコートが堆積され、次に基板の上に赤色に着色されたポリマーが堆積され、次に基板の上に緑色に着色されたポリマーが堆積され、さらに基板の上に青色に着色されたポリマーが堆積される。

この実施の形態は、異なる流体材料を適用する合間に、時間をかけてＰＭＤヘッド３２０を洗い流し又は浄化する必要をなくすためにも有用である。適用の合間にＰＭＤヘッド３２０を浄化する作業は、除去された流体材料が汚染されて使用不能になるおそれがあるため、特にＬＥＤを使用する場合にきわめて高価なものとなるおそれがある。この実施の形態は、また、異なる適用の合間に堆積した流体材料が十分に硬化できるようにし、それによって異なる流体材料が混ざり合いそれぞれの識別可能で独特の特性を失うのを防ぐためにも特に有用である。

他の一実施の形態によれば、単一の基板の上に異なる流体材料を堆積させるために多数の個別のＰＭＤシステムが順次使用され、それによって、流体材料が異なる適用の合間に完全に乾燥できるようにし、また、対応するＰＭＤヘッドを浄化する必要をなくす。

さらに他の一実施の形態によれば、単一のＰＭＤシステムを用いて、異なる色に着色されたポリマーを有する複数のＰＭＤヘッドによって異なる色に着色されたポリマーを堆積させることができる。この実施の形態にあっては、該異なるＰＭＤヘッドは。使用中は据え付けブラケットにまた不使用時にはドッキングステーションに互換が可能なように接続されている。

さらに他の一実施の形態によれば、単一のＰＭＤヘッドを使用して多様な異なるポリマー或いは流体材料を堆積させることができる。この実施の形態にあっては、ＰＭＤヘッドは図１３を参照して上に説明したように、使用の合間に浄化される。

流体材料を堆積させた後、流体材料の硬化を早める制御或いはそれ以外の制御を行うことが望ましい場合がある。堆積後に流体材料の硬化速度を制御する一つの方法は、基板の温度を制御するものである。例えば、基板が真空チャックの上に据え付けられている間に、真空チャックの内部に収容されている加熱素子を備えた多孔性のプレートを加熱することによって基板を加熱することができる。或いは、例えばＰＭＤ工具の内部で流体材料を加熱することもできる。

ただし、異なる流体材料は、異なる性質と異なる硬化速度を有する場合があることは理解されよう。従って、本発明のＰＭＤシステムは、また、真空チャックの内部に収容された加熱素子を制御するように構成された温度制御コンポーネントを含むものとすることができる。

熱膨張係数及び基板が加熱される温度が十分に高ければ、基板は、加熱しない基板の場合には較正及び位置合わせのプロセスが正確には行なわれないかもしれない程度まで膨張又は収縮させることが許される。膨張を補償するためには少なくとも二つのメカニズムのいずれか一方を使用することができる。第一に、熱膨張係数が既知である場合には、元の位置及び予想される膨張又は収縮に基いて全基板の新しい位置を判別することができる。第二に、上に説明した位置合わせシステムを用いて加熱後に基板を再較正及び位置合わせすることができる。いずれの技術も適当なものであるが、基板の位置が直接測定されるため、後者の方法のほうがより正確な場合が多い。

要約すれば、本明細書で説明した本発明は、一般的に、基板上への流体材料の精密なマイクロデポジションを可能にするものである。これまでの例では、特定の種類の流体材料及び流体材料を堆積するための特定の順序について若干詳細に説明したが、本発明が、特定の組成の流体材料の使用や特定の順序での流体材料の適用に限定されるものでないことは理解されよう。さらに、これまでの例は、ＰＬＥＤ表示装置の製造に適当なものであり得るが、本発明のＰＭＤシステムが、ＬＥＤ，ＬＣＤ、ＣＲＴ、及び基板上への異なる流体材料の堆積を必要とする他の表示装置の製造にも使用できることは理解されよう。

他の用途としては、本発明のＰＭＤプロセスを異なる流体材料とともに使用して、図形、抵抗、フォトレジスト、及び光導波路を含む印刷回路基板（ＰＣＢ）構造を製造することができる。ＰＭＤプロセスは、また、生物医学関係の産業で生体の、有機性の、又は合成の流体、製品、又は物質を検査するときにも使用することができる。さらに他の用途としては、ＰＭＤシステムは、研究開発のため或いは製造のために、ＤＮＡ鎖、ワクチン、薬品、バクテリア、ビールス、及び他の生物医学製品の可変量をピペットの中に又はガラスプレートの上に堆積させるためにも使用することができる。

従って、特許請求される本発明は、その精神及び基本的な特性から逸脱することなく他の特定の形態で実施することができる。上に説明した実施の形態は、すべての点で説明のためのものであり、本発明を限定するものではないと考えるべきである。従って、本発明の範囲は、これまでの説明ではなく特許請求の範囲によって示される。特許請求と等価の意味及び範囲の中に入るすべての変更は、特許請求の範囲に含まれるべきものである。

本発明のＰＭＤシステムの一実施の形態の斜視図である。 図１のＰＭＤシステムの側面図である。 図１のＰＭＤシステムの正面図である。 図１のＰＭＤシステムの上面図である。 図１のＰＭＤシステムの中でＰＭＤヘッドの支えにＰＭＤヘッドを連結するように構成された据え付けブラケットの一実施の形態の斜視図である。 ＰＭＤヘッド支持体に接続された図５の据え付けブラケットの側面図であり、ＰＭＤヘッド支持体は、流体製造供給システム及び溶剤供給システムの配管を含む。 図６の据え付けブラケット及びＰＭＤヘッドの側面図であり、ＰＭＤヘッドがすでに据え付けブラケットに据え付けられまた配管がすでにＰＭＤヘッドに接続されている状態を示す。 ＰＭＤシステム及びコンポーネントを制御するように構成されたコンピュータを含む本発明のＰＭＤシステムの一実施の形態を示す図である。 図７の据え付けブラケット、ＰＭＤヘッド、及びＰＭＤヘッド支持体を示す図であり、据え付けブラケット及びＰＭＤヘッドをＰＭＤヘッド支持体の上で９０°回転させた状態を示す。 ＰＭＤシステムのキャピングステーションを示す図であり、トレー、延伸自在な支え、及びソーク用リザーバを含む。 不使用時にＰＭＤヘッドを据え付けまた感圧性かつ圧力制御自在の作業バッグの中に流体接続材料の蓄えを入れておくように構成されたドッキングステーションを示す図である。 図１１のドッキングステーションの側面図である。 図１１のドッキングステーションの正面図であり、ＰＭＤヘッドがドッキングステーションに据え付けられた状態を示す。 リニアエアベアリングアセンブリーを有するＰＭＤヘッド支持体の一実施の形態を示す図である。 リニアエアベアリングアセンブリー上に据え付けられた複数のＰＭＤヘッド支持体を含むＰＭＤシステムの構成の一実施の形態を示す図である。

Claims (1)

1. ノズルを備えたマイクロデポジションヘッドと基板との相対運動を調整すること；
   上記ノズルに対する作動波形を発生し、上記ノズルに流体製造材料の複数の小液滴を基板上に放出させて基板上に特徴を形成すること；
   上記複数の小液滴の一つの小液滴の第１の小液滴画像を捕捉すること；
   上記第１の小液滴画像を分析して上記小液滴の滴下速度及び角度ずれを決定すること；及び
   上記滴下速度及び角度ずれに基いて上記作動波形のタイミングを変えること
   を含み、
   上記タイミングの変更が、上記滴下速度の増大時にタイミングを遅延すること及び上記角度ずれに基いてタイミングを加速又は遅延することを含むこと
   を特徴とする方法。

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