JP4617549B2

JP4617549B2 - 超音波塗布ヘッド及びそれを用いた塗布装置

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Publication number: JP4617549B2
Application number: JP2000268171A
Authority: JP
Inventors: 教尊中曽
Original assignee: Toppan Inc
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2000-09-05
Filing date: 2000-09-05
Publication date: 2011-01-26
Anticipated expiration: 2020-09-05
Also published as: JP2002079162A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体を吐出するノズル有する塗布ヘッドとそれを用いた塗布装置に関するもので、特に、超音波流動発生素子を用いてノズル先端の液体境界を制御する塗布ヘッド及び塗布装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レジスト等の塗布液を被塗布基材上に塗布する方法として、ダイコーターあるいはスピンコーターと呼ばれる塗布装置が多く使用されている。
ダイコーターは、平面基板或いは帯状の被塗布基材上にスリット状のノズルから塗布液を吐出しながら被塗布基材とノズルを相対的に移動させることで被塗布基材上に所定厚の塗膜を形成する方法である。
スピンコーターは、パイプ状のノズル先端から被塗布基材上にレジスト等の塗布液を滴下した後に、被塗布基材を高速で回転させ、その遠心力によって均一に且つ薄く塗膜を形成する方法である。
【０００３】
これらダイコーター及びスピンコーターにて微粒子を拡散した塗布液や乾燥し易い溶剤を含んだ塗布液を塗布する場合に、ノズル先端で該塗布液が乾燥したり、拡散していた固形分などが凝集し、異物化して塗布膜に混入する現象がしばしば発生する。これらの現象を防止するために、塗布液がノズル先端表面で弾かれるようにノズル先端にテフロン皮膜を形成する等の手段を講じたり、あるいは、生成された固形分が流出しないように定期的にノズルを清掃するなどの対策がなされいる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のような方策を講じても、ノズル先端の吐出部において、固形化あるいはゲル状のものが被塗布基材の上で異物化する現象を完全に防止することはできないという問題を有している。
本発明は、上記問題点に鑑み考案されたもので、ノズル先端において固形物やゲルの発生を防止できる塗布ヘッド及び被塗布基材上の塗膜に異物の発生を防止できる塗布装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明において上記課題を達成するために、まず請求項１においては、液体を吐出するノズルを有する塗布ヘッドであって、前記ノズルの先端部の外表面に超音波流動発生素子を設けたことを特徴とする超音波塗布ヘッドとしたものである。
【０００６】
また、請求項２においては、前記塗布ノズルの先端の曲率半径が、前記超音波流動発生素子の発生する弾性進行波の波長の５倍以上であることを請求項１記載の超音波塗布ヘッドとしたものである。
【０００７】
また、請求項３においては、請求項１または２記載の超音波塗布ヘッド１０と、塗布液供給装置４０と、超音波流動発生素子駆動用電気信号発生器５０と、被塗布基材搬送機構６０と、搬送駆動装置７０と、コーター制御装置８０とを備えていることを特徴とする塗布装置としたものである。
【０００８】
また、請求項４においては、請求項１または２記載の超音波塗布ヘッド２０と、塗布液供給装置４０と、超音波流動発生素子駆動用電気信号発生器５０と、被塗布基材回転機構９０と、回転制御装置１１０と、コーター制御装置８０とを備えていることを特徴とする塗布装置としたものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態につき説明する。
図１（ａ）に、本発明の超音波塗布ヘッドの一実施例を示す超音波塗布ヘッド１０の斜視構成図を、図１（ｂ）に、本発明の超音波塗布ヘッド１０をＡ−Ａ線で切断した断面構成図を、図４（ａ）に、本発明の超音波塗布ヘッドの他の実施例を示す超音波塗布ヘッド２０の斜視構成図を、図４（ｂ）に、本発明の超音波塗布ヘッド２０をＡ−Ａ線で切断した断面構成図を、図６に、本発明の超音波塗布ヘッド１０を用いた塗布装置の一実施例を示す構成概略図を、図７に、本発明の超音波塗布ヘッド２０を用いた塗布装置の他の実施例を示す構成概略図をそれぞれ示す。
【００１０】
本発明の超音波塗布ヘッド１０は図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、スリットノズル２及び塗布液供給管３からなる塗布ヘッド１のスリットノズル２の外表面先端部に超音波流動発生素子１１を設けたものである。超音波流動発生素子１１は塗布ヘッド１のスリットノズル２の横方向に対し複数個設ける。複数にする利点は、スリットノズル各部で、塗布液のスリットノズル先端での濡れ状況の違いに対応してその電圧や駆動時間を変えることで、スリットノズル先端部の液体制御の均一化が図れる。
【００１１】
スリットノズル先端部の液体の状態を模式的に示した断面図を図２に示す。スリットノズル先端部の液体の状態は超音波流動発生素子１１が無い場合は液体の表面張力で先端部は液体で塗れた状態になり、固形化あるいはゲル化したものが塗膜上に形成され、異物化すると考えられる。
一方、塗布ヘッド１のスリットノズル２の外表面先端部に超音波流動発生素子１１を設けた場合のスリットノズル２先端部の液体の状態は図２に示すように、超音波流動発生素子１１から発生された弾性進行波１３によりスリットノズル２先端部の液体中に超音波流動を発生させ、スリットノズル２先端部の液体の液体流動に対し超音波流動で押し戻す力が働き、バランスしたところでスリットノズル２先端部の液体形状１６を設定でき、超音波流動の大小によりスリットノズル２先端部の液体境界を制御できる。
弾性進行波とは定在波とは異なり、ある方向に弾性エネルギーを伝搬する超音波振動であり、板波、弾性表面波を含む。
【００１２】
図５（ａ）及び（ｂ）は、超音波流動の発生・作用メカニズムを模式的に示した説明図である。超音波流動発生素子１１の櫛形電極１２で発生された弾性進行波１３はＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電材３１表面に沿って伝搬し、且つ液体中にエネルギーを放出しながら減衰していく過程で液体中では超音波流動１８を発生させ、超音波流動１８が液体１５の液体流動１７に対して大きければ液体はその場所で液の流動を停止し、それ以上液体１５は広がらなくなり、図２に示すようなノズル先端部の液体形状１６になる。
【００１３】
さらに、塗布ヘッド１のスリットノズルの先端部の曲率半径Ｒは、弾性進行波の進行を妨げない形状として、超音波流動発生素子１１で発生する弾性進行波の波長λの５倍以上であることが望ましい。具体的には、超音波流動発生素子１１から３０ＭＨｚでＰＺＴからなる圧電材上に弾性進行波発生する場合、特にその弾性進行波はレーリー波と呼ばれるものになる。レーリー波の波長速度は２６００ｍｍ／ｓであるため、３０ＭＨｚでの波長λは約８７μｍになることから、スリットノズルの先端部の曲率半径Ｒは、８７×５＝４３５μｍ以上が必要になる。
【００１４】
超音波流動発生素子を塗布ヘッドに取り付ける方法として、各種の方法が考えられるが、図３（ａ）及び（ｂ）にその取り付け事例を示した。
図３（ａ）は、ＰＺＴ等の圧電材３１上に櫛形電極を形成した超音波流動発生素子１１を塗布ヘッド１の先端部に埋め込んで、超音波塗布ヘッドを形成したものである。
図３（ｂ）は、塗布ヘッド１自体をＰＺＴ等の圧電材３１にて形成し、塗布ヘッド先端部に櫛形電極を形成した超音波流動発生素子１１を作製して、超音波塗布ヘッドを形成したものである。
いずれの場合も弾性進行波を伝搬する基材をＰＺＴ等の圧電材にすることにより、弾性進行波の反射を小さくすることができ、ノズル先端部の液体に効率よく超音波流動を発生させることができる。
【００１５】
本発明の超音波塗布ヘッド２０は図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、パイプ状のノズル２３の外表面先端部にリング状の電極２２からなる櫛形電極を有する超音波流動発生素子２１を設けたものである。ノズル２３の先端部の液体の状態は上記超音波塗布ヘッド１０のところで詳細に述べたように超音波流動発生素子２１の櫛形電極２２より発生された弾性進行波が先端部の液体に超音波流動を起こし、この超音波流動の大きさによりノズル２３の先端部の液体の状態を制御するもので、ノズル２３先端部の液体の固形化或いはゲル化を防止できる。特に固形分を形成しやすい液体、例えばレジスト、特に顔料入りレジストなどの塗布用ノズルとして有用である。
【００１６】
ノズル２３のノズル先端部の曲率半径Ｒは、弾性進行波の進行を妨げない形状として、超音波流動発生素子２１で発生する弾性進行波の波長λの５倍以上であることが望ましい。具体的には、超音波流動発生素子２１から３０ＭＨｚでＰＺＴからなる圧電材上をノズル先端に向けて伝搬する場合、発生するレーリー波の波長λは約８７μｍになることから、ノズルの先端部の曲率半径Ｒは、８７×５＝４３５μｍ以上が必要になる。
【００１７】
超音波流動発生素子をノズル先端に取り付ける方法として、各種の方法が考えられるが、パイプ状のＰＺＴ等の圧電材上に櫛形電極を形成した超音波流動発生素子２１をノズル２３の先端部の外周に貼り付けることで超音波塗布ヘッドを形成したり、または、ノズル２３自体をＰＺＴ等の圧電材にて形成し、ノズル２３先端部に櫛形電極を形成した超音波流動発生素子２１を作製して、超音波塗布ヘッドを形成することができる。
【００１８】
図６に本発明の超音波塗布ヘッド１０を用いて作製した本発明の塗布装置１００の構成概略図を示す。
本発明の塗布装置１００は、液体を吐出するスリットノズル先端部に超音波流動発生素子１１を設けた超音波塗布ヘッド１０と、塗布液を超音波塗布ヘッド１０に供給する塗布液供給装置４０と、超音波塗布ヘッド１０の超音波流動発生素子１１に所定周波数の電気信号を供給するための超音波流動発生素子駆動用電気信号発生器５０と、被塗布基材を搬送、制御する被塗布基材搬送機構６０及び搬送駆動装置７０と、塗布装置全体の制御を司るコーター制御装置８０とから構成されている。
【００１９】
図７に本発明の超音波塗布ヘッド２０を用いて作製した本発明の塗布装置２００の構成概略図を示す。
本発明の塗布装置２００は、液体を吐出するパイプ状のノズル先端部に超音波流動発生素子２１を設けた超音波塗布ヘッド２０と、液体を超音波塗布ヘッド２０に供給する塗布液供給装置４０と、塗布ヘッド２０の超音波流動発生素子２１に所定周波数の電気信号を供給するための超音波流動発生素子駆動用電気信号発生器５０と、被塗布基材を回転、制御する被塗布基材回転機構９０及び回転制御装置１１０と、塗布装置全体の制御を司るコーター制御装置８０とから構成されている。
【００２０】
【実施例】
以下実施例により本発明を詳細に説明する。
＜実施例１＞
図１に示す超音波ヘッド１０を用いて図６に示す構成の塗布装置１００を使用して塗布液として顔料入りのカラーフィルター用レジストを用いて被塗布基材（ガラス基板）上に塗膜を形成した。
塗布ヘッド１の先端部に駆動周波数２０ＭＨｚの厚さ３ｍｍのＰＺＴを用いた圧電材上に櫛形電極からなる超音波流動発生素子を２枚対向させて埋め込み、超音波ヘッド１０を作製した。塗布ヘッド１のスリットノズル２はスリット幅０．３ｍｍで、ノズル先端部の曲率半径Ｒは０．５ｍｍとした。なお、スリットノズル２の先端から３ｍｍの範囲をテフロンコーティングを施している。
【００２１】
超音波流動発生素子駆動用電気信号発生器５０から発振された２０ＭＨｚ、２０Ｖの超音波信号は、超音波ヘッド１０の超音波流動発生素子１１に供給され、塗布液（カラーレジスト）は塗布液供給装置４０より供給され、被塗布基材（ガラス基板）を搬送駆動装置７０にて搬送しながら、スリットノズル２より被塗布基材（ガラス基板）上に吐出して、被塗布基材（ガラス基板）上に３０ｃｍの幅で０．１５ｍｍ厚のレジスト膜を形成する塗布工程を５００回繰り返し行い、さらに、比較サンプルとして、超音波ヘッド１の超音波流動発生素子１１に超音波信号を供給しないで被塗布基材（ガラス基板）上に塗布する比較サンプルを同時に５００枚作製した。
【００２２】
次に、上記の超音波ヘッドの超音波流動発生素子１１に超音波信号を供給しながら被塗布基材（ガラス基板）上に塗布した５００枚のレジスト膜塗布サンプル及び超音波ヘッドの超音波流動発生素子１１に超音波信号を供給しないで被塗布基材（ガラス基板）上に塗布した５００枚のレジスト膜塗布比較サンプルについて、１０μｍ以上の異物数を計測した。測定結果を表１に示す。
【００２３】
【表１】

【００２４】
表１の結果から分かるように、超音波ヘッドの超音波流動発生素子１１に超音波信号を供給しながら被塗布基材（ガラス基板）上に塗布した５００枚のレジスト膜塗布サンプルについては１０μｍ以上の異物は観察されず、超音波ヘッドの効果を確認することができた。
【００２５】
＜実施例２＞
図４に示す超音波ヘッド２０を用いて図７に示す構成の塗布装置２００を使用して塗布液として顔料入りのカラーフィルター用レジストを用いて被塗布基材（ガラス基板）上に塗膜を形成した。
まず、直径５ｍｍの円筒形のステンレスパイプ状のノズル２３を使用し、ノズル２３の先端部に内径４ｍｍ、外形６ｍｍ及び長さ１０ｍｍのＰＺＴのパイプ状のノズルを接続し、ＰＺＴのパイプ状のノズルの外表面に櫛形電極２２からなる超音波流動発生素子２１を形成して、超音波ヘッド２０を作製した。ＰＺＴノズル先端の曲率半径は０．５ｍｍの半円状とし、ＰＺＴノズル先端内面はテフロンコーティングを施すことで、内部での液体の凝集を防ぐ構造としている。
【００２６】
超音波流動発生素子駆動用電気信号発生器５０から発振された２０ＭＨｚ、２０Ｖの超音波信号は、超音波ヘッド２０の超音波流動発生素子２１に供給され、塗布液（カラーレジスト）は塗布液供給装置４０より供給され、ノズル２３より被塗布基材（ガラス基板）上に所定量滴下した後被塗布基材（ガラス基板）を被塗布基材回転機構９０及び回転制御装置１１０にて回転することにより、被塗布基材（ガラス基板）上に所定厚のレジスト膜を形成した。塗布装置全体の制御はコーター制御装置８０にて、運用制御される。
【００２７】
上記塗布装置２００を用いて被塗布基材（ガラス基板）上に塗布液（カラーレジスト）を塗布した塗布サンプルについて、１０μｍ以上の異物数を計測した結果発生異物は確認できなかった。このことから、超音波塗布ヘッド２０を用いて塗膜を形成してやれば、塗膜形成時の異物の発生を防止できることが確認できる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明の超音波塗布ヘッド及びそれを用いた塗布装置は上記の構成であるから、下記に示す効果がある。
即ち、液体を吐出するノズルを有する塗布ヘッドの先端部外表面に超音波流動発生素子を設けることにより、ノズル先端部の液体境界を制御し、ノズル先端において固形物やゲルの発生を防止でき、結果的に被塗布基材上の塗膜に異物の発生を防止できる。
従って本発明は、被塗布基材（ガラス基板）上にレジスト膜等を形成する塗膜形成基板において、塗布工程の収率や品質向上をもたらし、優れた実用上の効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、本発明の超音波塗布ヘッドの一実施例を示す超音波塗布ヘッド１０の斜視図である。
（ｂ）は、超音波塗布ヘッド１０をＡ−Ａ線で切断した断面構成図である。
【図２】本発明の超音波塗布ヘッド１０の部分構成断面図である。
【図３】（ａ）は、本発明の超音波塗布ヘッド１０に超音波流動発生素子を取り付ける一実施例を示す部分構成断面図である。
（ｂ）は、本発明の超音波塗布ヘッド１０に超音波流動発生素子を取り付ける他の実施例を示す部分構成断面図である。
【図４】（ａ）は、本発明の超音波塗布ヘッドの他の実施例を示す超音波塗布ヘッド２０の斜視図である。
（ｂ）は、超音波塗布ヘッド２０をＡ−Ａ線で切断した断面構成図である。
【図５】（ａ）は、本発明の超音波塗布ヘッドに設けられている超音波流動発生素子の一実施例を斜視構成図である。
（ｂ）は、超音波流動の発生メカニズムを模式的に示した説明図である。
【図６】本発明の超音波塗布ヘッド１０を用いた本発明の塗布装置１００の構成概略図である。
【図７】本発明の超音波塗布ヘッド２０を用いた本発明の塗布装置２００の構成概略図である。
【符号の説明】
１……塗布ヘッド
２……スリットノズル
３……塗布液供給配管
１０、２０……超音波ヘッド
１１、２１……超音波流動発生素子
１２、２２……櫛形電極
１３……弾性進行波
１５……液体
１６……ノズル先端部の液体形状
１７……液体流動
１８……超音波流動
２３……ノズル
３１……圧電材
４０……塗布液供給装置
５０……超音波流動発生素子駆動用電気信号発生器
６０……被塗布基材搬送機構
７０……搬送駆動装置
８０……コーター制御装置
９０……被塗布回転機構
１００、２００……超音波塗布装置
１１０……回転制御装置
λ……波長
Ｒ……曲率半径

Claims

液体を吐出するノズルを有する塗布ヘッドであって、
前記ノズルの先端部の外表面に超音波流動発生素子を設けて構成され、
この超音波流動発生素子が、前記ノズルの外表面に沿ってノズル先端部の前記液体に向かって伝搬する弾性進行波を発生するものである、
ことを特徴とする超音波塗布ヘッド。
前記ノズルの先端の曲率半径が、前記超音波流動発生素子の発生する弾性進行波の波長の５倍以上であることを特徴とする請求項１記載の超音波塗布ヘッド。
請求項１または２記載の超音波塗布ヘッド（１０）と、塗布液供給装置（４０）と、超音波流動発生素子駆動用電気信号発生器（５０）と、被塗布基材搬送機構（６０）と、搬送駆動装置（７０）と、コーター制御装置（８０）とを備えていることを特徴とする塗布装置。
請求項１または２記載の超音波塗布ヘッド（２０）と、塗布液供給装置（４０）と、超音波流動発生素子駆動用電気信号発生器（５０）と、被塗布基材回転機構（９０）と、回転制御装置（１１０）と、コーター制御装置（８０）とを備えていることを特徴とする塗布装置。