JP4853383B2 - 塗布方法 - Google Patents
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Description
本発明は塗布方法に関し、特に、液体材料をノズルから基板表面に供給することにより、基板表面に膜形成を行う液体材料の塗布方法に関する。
従来の塗布装置および方法においては、あらかじめノズルを基板表面から所定の距離まで接近させた状態で基板をノズルに対しXY方向（基板の面内延在方向。）に移動し、所望の位置に達した時に、シリンジ内の塗布液に圧力を印加することによりノズル先端から塗布液を吐出し、基板表面に所望の塗布膜パターンを形成する。
ノズル（先端）と基板間の距離は、塗布液吐出時にノズル先端に形成される液滴が基板表面に接触する程度に手動あるいは自動で調整される。
また、基板がXYステージに対して傾いている場合を考慮して、ノズル先端とノズル直下の基板表面との距離を維持するために、ノズル側と基板側との間にレーザー干渉計等を用いた距離センサを設けた装置もある。
ノズル（先端）と基板間の距離は、塗布液吐出時にノズル先端に形成される液滴が基板表面に接触する程度に手動あるいは自動で調整される。
また、基板がXYステージに対して傾いている場合を考慮して、ノズル先端とノズル直下の基板表面との距離を維持するために、ノズル側と基板側との間にレーザー干渉計等を用いた距離センサを設けた装置もある。
従来の塗布装置および方法においては、基板表面が平坦であることを前提とした動作を行っており、基板表面に局所的な凹凸があったり、基板が反り等で湾曲しているような場合、ノズル先端と基板表面との距離が一定とはならない。
また、距離センサを設けている場合においても、実際にはセンサ取り付け位置がノズル先端から離れており、ノズル先端−基板表面間距離を正確には検出できない。
そのため、センシング位置とノズル先端位置のずれよりも小さな範囲内で基板表面の凹凸や湾曲が存在した場合、ノズル先端-基板表面間距離を所定に維持することは困難となる。
また、距離センサを設けている場合においても、実際にはセンサ取り付け位置がノズル先端から離れており、ノズル先端−基板表面間距離を正確には検出できない。
そのため、センシング位置とノズル先端位置のずれよりも小さな範囲内で基板表面の凹凸や湾曲が存在した場合、ノズル先端-基板表面間距離を所定に維持することは困難となる。
本発明は、基板およびノズルが導電性の場合に、ノズル先端に形成された塗布液の液滴が基板表面に接触した時に、ノズル−基板間に微小な電流が流れることに着目したものである。
ノズルを基板に接近させ、塗布液によってノズル−基板間が架橋されると、塗布液は一般的に電解質であるため、ノズル−基板間に電圧を印加するなどして電位差が存在する場合、塗布液を介してイオン伝導等による電流が流れる。
この電流は塗布液が基板に接触した瞬間に流れるため、ノズル先端に液滴を形成しておけば、ノズル自体を基板に接触させることなく、基板と液滴の接触を検出することが出来る。
液滴が基板に接触すると、基板上での液滴の表面張力によりノズルから塗布液が吸い出され、ノズルから基板表面に連続的に塗布液が供給される。
そのため、液滴接触の検出からノズルを基板から離すまでの時間を調節することにより、供給される塗布液の量あるいは塗布面積を制御することが出来る。
この電流は塗布液が基板に接触した瞬間に流れるため、ノズル先端に液滴を形成しておけば、ノズル自体を基板に接触させることなく、基板と液滴の接触を検出することが出来る。
液滴が基板に接触すると、基板上での液滴の表面張力によりノズルから塗布液が吸い出され、ノズルから基板表面に連続的に塗布液が供給される。
そのため、液滴接触の検出からノズルを基板から離すまでの時間を調節することにより、供給される塗布液の量あるいは塗布面積を制御することが出来る。
本発明によれば、凹凸や湾曲の存在する基板表面に対しても、ノズルと基板を接触させることなく安定に塗布液の塗布を行えるという利点がある。
以下、塗布装置にかかる発明の実施の形態について説明する。
最初に、塗布装置の構成について説明する。
図1は、本発明の塗布装置の実施形態を示す構成図である。
台座1上にX移動機構2が固定され、X移動機構2上にY移動機構3が取り付けられ、さらに、Y移動機構3上には基板4が取り付けられており、基板4を台座1の面内方向に自在に移動することができる。
台座1上にX移動機構2が固定され、X移動機構2上にY移動機構3が取り付けられ、さらに、Y移動機構3上には基板4が取り付けられており、基板4を台座1の面内方向に自在に移動することができる。
X移動機構2およびY移動機構3の上下は入れ替えてもよい。
また、基板4上には導電性の電極パターン5が設けられている。
台座1には支柱6が固定され、支柱６の上端にZ移動機構7が取り付けられている。
Z移動機構7にはシリンジ8が固定され、シリンジ8は先端が基板4に対向するようにノズル9を有しており、シリンジ8およびノズル9を基板4と垂直な方向に上下動させることができる。
シリンジ8内の塗布材料がノズル9から漏れないように、シリンジ8の内部は減圧ポンプ10により減圧されている。
X移動機構2、Y移動機構3、Z移動機構7は、それぞれX軸駆動回路11、Y軸駆動回路12、Z軸駆動回路13により駆動され、制御装置14により、ノズル9先端を基板4に対する所望のX、Y、Z座標に移動できる。
導電性のノズル9には電流検出回路15が接続され、検出された電流は比較回路16により、あらかじめ設定されたしきい値電流と比較され、その結果が制御装置14に読み込まれる。
また、ノズル9には電圧印加回路17も接続され、必要に応じてノズル9に電圧を印加しておくことができる。
次に、塗布装置による塗布動作について説明する。
まず、ノズル9と基板4の表面を接触しない程度に十分離した状態において、制御装置14はX軸駆動回路11およびY軸駆動回路12を介してX移動機構2およびY移動機構3を動作させ、基板4上の塗布したい場所の直上にノズル9の先端が来るように基板4を移動させる。
次に、Z駆動回路13を介してZ移動機構7を動作させ、ノズル9の先端を基板4に接近させる。
このとき、ノズル9を流れる電流が電流検出回路15によりモニタされており、この電流値は設定されたしきい値電流と比較回路16で比較され、ノズル9を流れる電流がしきい値を超えたかどうか制御装置14がチェックを行う。
次に、Z駆動回路13を介してZ移動機構7を動作させ、ノズル9の先端を基板4に接近させる。
このとき、ノズル9を流れる電流が電流検出回路15によりモニタされており、この電流値は設定されたしきい値電流と比較回路16で比較され、ノズル9を流れる電流がしきい値を超えたかどうか制御装置14がチェックを行う。
電流値がしきい値を超えた場合は、Z移動機構7の動作を直ちに中止し、あらかじめ設定された時間だけノズル9の位置を停止させた後、再びZ移動機構7を動作させ、ノズル9を基板4の表面から所定の距離だけ離す。
これを基板4上の塗布したい座標位置において繰り返すことにより、所望の塗布膜パターンを形成する。
これを基板4上の塗布したい座標位置において繰り返すことにより、所望の塗布膜パターンを形成する。
塗布時におけるノズルの動作および塗布液の挙動について説明する。
図2は、ノズル先端から基板上に塗布液を供給する様子を時系列的に示した側面図である。
シリンジ8には塗布材料が入れられ、これを減圧ポンプ10を用いて減圧することにより、ノズル9先端に図2(a)に示したような半球状の液滴20が形成されている。
シリンジ8には塗布材料が入れられ、これを減圧ポンプ10を用いて減圧することにより、ノズル9先端に図2(a)に示したような半球状の液滴20が形成されている。
塗布前においては、ノズル9先端は基板4表面の電極パターン5から一定の距離だけ離れた位置21にあり、塗布動作開始とともにZ移動機構7を用いてノズル9を電極パターン5表面に徐々に接近させる。
図2(b)に示したように、液滴20が電極パターン5表面に接触した瞬間にノズル9と電極パターン5との間に電流が流れ、この電流が検出されることによりノズル9は位置22で停止される。
液滴20の接触後、塗布液は表面張力により電極パターン5表面に引かれて、図2(c)に示したように、ノズル9先端と電極パターン5表面が架橋した状態となる。
液滴20の接触後、塗布液は表面張力により電極パターン5表面に引かれて、図2(c)に示したように、ノズル9先端と電極パターン5表面が架橋した状態となる。
この状態においては、表面張力により液滴20内の塗布液が電極パターン5に引かれているために、塗布液がノズル9から供給され続け、電極パターン5と液滴20との接触面積が時間と共に大きくなる。
電流を検出してから一定の時間が経過した後に、ノズル9を位置22から位置23へ一定の距離だけ離すことにより、電極パターン5の上には、図2(d)に示したような塗布パターン24が形成される。
液滴20と電極パターン5表面の接触時間を調整することにより、塗布パターン24の大きさを制御することができる。
また、位置23は位置22によらず位置21と同一の一定値でも良く、この場合、位置21は基板4の凹凸を考慮して基板4表面から十分離れた位置でなくてはならない。
液滴と基板表面との接触時に流れる電流の挙動とその検出方法について説明する。
図3は、液滴と基板表面が接触した時に流れる電流の様子を、縦軸を電流、横軸を時間として模式的に示したものである。
基板4上に露出した電極パターン5が電気的に接続されていない場合、電極パターン5は通常帯電しており、ノズル9との間には電位差が生じている。
そのため、時間30においてノズル9先端の液滴20と電極パターン5表面が接触した時に、電解質である液滴20を介して電流が流れる。
しかし、電極パターン5内の電荷量が有限であるため、時間と共に電荷量が減少し、それに伴って電流も小さくなる。
最終的にノズル9と電極パターン5の電位が等しくなると電流が流れなくなり、全体として、図3の電流波形31に示したような過渡的な電流が流れることになる。
電流波形31の減衰の時定数はノズル9と電極パターン5との間の静電容量および液滴20の電気抵抗で決定され、時間30に現れるピーク電流値32はノズル9と電極パターン5間の電位差および液滴20の電気抵抗で決定される。
電流波形31の減衰の時定数はノズル9と電極パターン5との間の静電容量および液滴20の電気抵抗で決定され、時間30に現れるピーク電流値32はノズル9と電極パターン5間の電位差および液滴20の電気抵抗で決定される。
電流検出を行う際のしきい電流値33を、例えば図3に示したように設定しておけば、液滴20と電極パターン5表面との接触を検知することができる。
しきい電流値33はピーク電流値32よりも小さく、また、誤動作を防ぐため、電流検出回路15のノイズレベルよりも十分大きな値に設定する必要がある。
また、ピーク電流値32を大きくするために、電圧印加回路17を用いて、ノズル9に一定の電圧を印加するようにしてもよい。
接触後、電極パターン5内の電荷は放電されるが、周囲からのリーク電流によりすみやかに充電されるため、次の塗布動作に支障はない。
次に、基板上の電極パターンに電気的な接続が可能な場合の塗布装置の構成について説明する。
図4は、本発明の塗布装置の実施形態を示す構成図である。
図1に示した構成図とほぼ同様であるが、電圧印加回路17がノズル9ではなく電極パターン5に接続されている点が異なる。
塗布動作も図1の構成の塗布装置とほぼ同様であり、また、塗布時におけるノズルの動作および塗布液の挙動も図2と同様である。
しかし、電極パターン5にはあらかじめノズル9に対して一定の電圧が印加されているため、図2(b)および図2 (c)のように電極パターン5と液滴20が接触している間、図3に示したような過渡電流ではなく、定常的な電流が流れる。
図5は、液滴と基板表面が接触した時に流れる電流の様子を、縦軸を電流、横軸を時間として模式的に示したものである。
電極パターン5には電圧が印加されているため、時間30においてノズル9先端の液滴20と電極パターン5表面が接触した時に、液滴20を介して電流が流れる。
この電流は液滴20と電極パターン5が接触している間は継続的に流れるため、時間34において液滴20と電極パターンが離れるまで、電流波形35に示したような電流が流れることになる。
電流値は液滴の形状に依存するため必ずしも一定値とはならない。
電流値は液滴の形状に依存するため必ずしも一定値とはならない。
電流検出を行う際のしきい電流値33を、例えば図3に示したように設定しておけば、液滴20と電極パターン5表面との接触を検知することができる。
しきい電流値33は液滴20と電極パターン5の接触時、すなわち、時間30に流れる初期電流値36よりも小さく、また、誤動作を防ぐため、電流検出回路15のノイズレベルよりも十分大きな値に設定する必要がある。
初期電流値36を大きくするためには、電極パターン5に印加する電圧を大きくすればよい。
また、図1に示した構成の塗布装置において、電極パターン5をアース電位に接続しても、図4に示した塗布装置と同様の塗布動作が行える。
（実施例１）
本発明を、以下の実施例を用いて詳細に説明する。
（実施例１）
本発明を、以下の実施例を用いて詳細に説明する。
本発明の塗布装置を用いて、電極を設けたプラスチック製のフレキシブル基板上に半導体材料を塗布することにより、電界効果トランジスタ(FET)を作製する。
フレキシブル基板としては、厚さ0.1mm、直径75mmのポリエチレンテレフタレート(PET)基板を用いる。
フレキシブル基板としては、厚さ0.1mm、直径75mmのポリエチレンテレフタレート(PET)基板を用いる。
この上に、順に、ゲート電極として厚さ200nmのアルミニウム、ゲート酸化膜として厚さ300nmの酸化シリコン、さらに、ソースおよびドレイン電極として厚さ200nmの金を蒸着する。
塗布する半導体材料としては、ポリ(3ヘキシルチオフェン)(P3HT)のクロロホルム溶液を用いる。
基板表面には400μm × 500μmのソース電極およびドレイン電極が30μmのギャップを介して露出しており、これを一つの素子として2mmピッチの20×20個のアレイとなっている。
本発明の塗布装置を用いて、ソース電極-ドレイン電極間のギャップに半導体を塗布することによってFETを作製する。
本発明の塗布装置を用いて、ソース電極-ドレイン電極間のギャップに半導体を塗布することによってFETを作製する。
ステッピングモータ駆動のXY駆動機構上に基板を固定し、ステッピングモータ駆動のZ駆動機構にP3HT溶液の入ったシリンジを固定する。
シリンジには直径0.23mmのノズルが取り付けられており、ノズル先端部は基板表面に対しXYZ方向に自在に移動できる。
まず、ノズル先端にP3HT溶液の半球状の液滴が形成されるように減圧ポンプを調整した。
調整後の圧力を維持すれば、シリンジ内のP3HT溶液が減少しても、ノズル先端には常に同じ形状の液滴が形成される。
調整後の圧力を維持すれば、シリンジ内のP3HT溶液が減少しても、ノズル先端には常に同じ形状の液滴が形成される。
次に、最初に塗布を行う素子上に手動でノズルを移動し、ソース電極-ドレイン電極間ギャップの中央にノズルが来るように調整する。
このとき、基板表面からノズル先端までの距離は5mm程度としたが、基板とノズル先端が接触していなければ距離は如何様でもよい。
この後はプログラムにより全て自動で行い、以下に述べるような手順で動作させる。
ノズルを基板表面に徐々に接近させ、電流が検出されたらノズルの接近を停止させる。
その位置からノズルをZ方向に一定の距離だけ離した後、次の塗布位置までXY方向に移動させる。
素子アレイのピッチはあらかじめ分かっているので、ピッチ分だけX方向あるいはY方向に移動させれば、次のソース電極-ドレイン電極間ギャップの位置に正確に移動できる。
XY方向にラスター走査しながら、同様の動作を繰り返すことにより、20×20個のアレイ全ての素子に半導体を塗布する。
ノズルに印加する電圧が0Vの時、基板表面とノズル先端との接触時に流れるピーク電流は100nA程度であり、電流検出回路のノイズレベルが10nA程度であったので、接触を検出するためのしきい電流値は50nAに設定する。
検出される電流値は基板の材質や電極の大きさによって変化するが、しきい電流値はピーク電流値と回路のノイズレベルの中間程度の値が望ましい。
ノズルに1Vの電圧を印加した場合、ピーク電流は1μA程度であった。
この場合、しきい電流値は500nA程度に設定するとよい。
また、塗布パターンが最小となるように、接触検出からノズルを離すまでの待ち時間をゼロに設定したが、待ち時間を長くすることにより、塗布パターンを大きくすることができる。
しかし、待ち時間を長くして基板表面に供給される半導体塗布液の量が増大すると、塗布パターンの形状が乱れるため、待ち時間は0.1秒以下程度が望ましい。
電流検出後に基板表面からノズルを離す距離は1mmに設定する。
基板に凹凸や湾曲がある場合、ノズルのXY方向移動時にノズル先端と基板との接触を避けるため、凹凸や湾曲の大きさ程度よりも十分大きく移動する必要がある。
塗布された半導体は直径約400μmの円形パターンとなり、全ての素子において、ソース電極-ドレイン電極間のギャップ中央に正確に塗布できる。
溶媒のクロロホルムを乾燥後、ソース、ドレイン、ゲート電極を接続しFET特性を測定したところ、ゲート電圧によるON/OFF動作が明瞭に確認され、FETアレイの作製できる。
（実施例２）
別の実施例として、基板上の電極とノズルの間に電圧を印加して塗布を行った例に関して述べる。
（実施例２）
別の実施例として、基板上の電極とノズルの間に電圧を印加して塗布を行った例に関して述べる。
基板上の全てのソース電極およびドレイン電極を接続し、これらの電極とノズルの間に電圧を印加してノズルに流れる定常電流を測定することにより、液滴と基板表面との接触を検出した。
電極-ノズル間の電圧が1Vの時、両者が液滴を介して接触している間、ノズルには約1μAの定常的な電流が流れる。
電極-ノズル間の電圧が1Vの時、両者が液滴を介して接触している間、ノズルには約1μAの定常的な電流が流れる。
しきい電流値を500nAに設定して、実施例1と同様の塗布動作を行う。
その結果、実施例1と同様に、全ての素子において直径約400μmの半導体パターンを正確な位置に塗布でき、FETアレイの作製ができる。
その結果、実施例1と同様に、全ての素子において直径約400μmの半導体パターンを正確な位置に塗布でき、FETアレイの作製ができる。
なお、本発明に関連する技術的事項は次の通りである。
１．ノズルの先端から液体材料を供給して前記ノズルに対向する基板表面に膜を形成する塗布装置において、
前記基板に対して面内方向および高さ方向に前記ノズルを移動可能な移動機構を具備し、
前記移動機構により前記ノズルの面内位置を決定後、前記ノズルを前記基板に徐々に接近させ、
前記ノズルの先端から供給される半導体液滴が前記基板表面に設けられた電極と接触した時に前記ノズルに流れる電流を検出し、
前記電流があらかじめ設定されたしきい値を越えた時に前記ノズルの接近を停止し、
前記基板から所定の距離だけ離すことにより、
液体材料を塗布することを特徴とする塗布装置。
２．前記電極が電気的に浮遊状態であり、
前記電流として前記電極と前記ノズルの間に流れる過渡電流を用いることを特徴とする上記１．記載の塗布装置。
３．前記ノズルに電圧を印加することを特徴とする上記２．記載の塗布装置。
４．前記電極と前記ノズルの間に電圧を印加し、前記電流として前記電極と前記ノズルの間に流れる定常電流を用いることを特徴とする上記１．記載の塗布装置。
１．ノズルの先端から液体材料を供給して前記ノズルに対向する基板表面に膜を形成する塗布装置において、
前記基板に対して面内方向および高さ方向に前記ノズルを移動可能な移動機構を具備し、
前記移動機構により前記ノズルの面内位置を決定後、前記ノズルを前記基板に徐々に接近させ、
前記ノズルの先端から供給される半導体液滴が前記基板表面に設けられた電極と接触した時に前記ノズルに流れる電流を検出し、
前記電流があらかじめ設定されたしきい値を越えた時に前記ノズルの接近を停止し、
前記基板から所定の距離だけ離すことにより、
液体材料を塗布することを特徴とする塗布装置。
２．前記電極が電気的に浮遊状態であり、
前記電流として前記電極と前記ノズルの間に流れる過渡電流を用いることを特徴とする上記１．記載の塗布装置。
３．前記ノズルに電圧を印加することを特徴とする上記２．記載の塗布装置。
４．前記電極と前記ノズルの間に電圧を印加し、前記電流として前記電極と前記ノズルの間に流れる定常電流を用いることを特徴とする上記１．記載の塗布装置。
なお、図面中の符号の説明は以下の通りである。
１ 台座
２ X移動機構
３ Y移動機構
４ 基板
５ 電極パターン
６ 支柱
７ Z移動機構
８ シリンジ
９ ノズル
１０ 減圧ポンプ
１１ X軸駆動回路
１２ Y軸駆動回路
１３ Z軸駆動回路
１４ 制御装置
１５ 電流検出回路
１６ 比較回路
１７ 電圧印加回路
２０ 液滴
２１,２２,２３ 位置
２４ 塗布パターン
３０,３４ 時間
３１,３５ 電流波形
３２ ピーク電流値
３３ しきい電流値
３６ 初期電流値
２ X移動機構
３ Y移動機構
４ 基板
５ 電極パターン
６ 支柱
７ Z移動機構
８ シリンジ
９ ノズル
１０ 減圧ポンプ
１１ X軸駆動回路
１２ Y軸駆動回路
１３ Z軸駆動回路
１４ 制御装置
１５ 電流検出回路
１６ 比較回路
１７ 電圧印加回路
２０ 液滴
２１,２２,２３ 位置
２４ 塗布パターン
３０,３４ 時間
３１,３５ 電流波形
３２ ピーク電流値
３３ しきい電流値
３６ 初期電流値
フレキシブル回路あるいはフレキシブル表示装置におけるプラスチック基板上への電極材料、半導体材料、および絶縁体材料の塗布に適用できる。
Claims (4)
- ノズルの先端から液体材料を供給して前記ノズルに対向する基板表面に膜を形成する塗布方法であって、
前記基板に対してその基板の面内方向およびその基板の厚さ方向に前記ノズルを移動可能な移動機構を準備し、
前記移動機構を用いて、前記ノズルを基板面内上の所定の位置に位置決め後、前記ノズルを前記基板に徐々に接近させ、
前記ノズルの先端から供給される半導体液滴が前記基板表面に設けられた電極と接触した時に、前記基板表面から前記ノズルに流れる電流を検出し、
前記電流の値があらかじめ設定されたしきい値を越えた時に前記ノズルの基板への接近を停止し、
前記基板から前記ノズルの先端を前記停止時よりも離す工程を有し、
前記基板に液体材料を塗布することを特徴とする塗布方法。 - 前記電極が電気的に浮遊状態であり、
前記電流の検出に前記電極と前記ノズルの間に流れる過渡電流を用いることを特徴とする請求項１記載の塗布方法。 - 前記ノズルに電圧を印加することを特徴とする請求項２記載の塗布方法。
- 前記電極と前記ノズルの間に所定の直流電圧又は交流電圧を印加し、
前記電流の検出に前記電極と前記ノズルの間に流れる定常電流を用いることを特徴とする請求項１記載の塗布方法。
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