JP5256176B2 - 基板へのナノ構造体の塗布方法及びその装置 - Google Patents
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この大規模集積回路に適した製造方法として、例えば、溶媒中にナノワイヤを分散してなるナノワイヤ溶液をノズルから吐出することにより基板に塗布する方法が知られている(特許文献1)。また、ナノワイヤ溶液を基板上に設けた流路に流すことにより基板に塗布する方法が知られている(特許文献2)。
ここで、ナノ構造体分散液は、ナノ構造体を溶剤に分散させた分散液をいい、また、ナノ構造体は、ナノサイズの構造体をいう。ナノ構造体には、ナノワイヤ、ナノロッド、ナノチューブ、ナノシート、ナノ粒子、ナノ分子などが該当する。具体的には、S i,G e,S i O x ,G e O x などのナノワイヤ( n a n o w i r e s)やナノロッド( n a n o r o d s) 、炭素、B x N y ,C x B y N z ,M o S 2 及びW S 2 などの元素でで構成されるナノチューブ,C 6 0 フラーレン、フラーレンタイプなどのナノ粒子( n a n o p a r t i c l e s)を挙げることができる。このナノ構造体は直径や厚み等の一サイズがナノサイズであればよく、例えば、ナノワイヤの場合、直径が数nm〜数十nm、長さが数十nm〜数十μmのナノワイヤが含まれる。
また、このナノ構造体には、複数の材料が組み合わさって構成されたナノデバイスが含まれる。例えば、その構成要素(例えば半導体や半導体化合物の薄膜)がナノサイズであれば、このナノ構造体に含まれる。具体的には、例えば、基板の窪みにセルフアラインして勘合する半導体薄膜を含む構造物やブロック形状の微細構造物を挙げることができる。このブロック形状の微細構造物は、ガリウム砒素、ガリウムアルミニウム砒素、シリコン、ダイヤモンド、ゲルマニウム、その他のIII−V族及びII−VI族元素の化合物又は多層構造物であってもよく、その材質は、半導体のほか、金属、セラミックス、等の材質であってよい。また、ブロック形状は、例えば、円柱状、ピラミッド形状、直方体、立方体、T形、及びそれらの組み合わせの形状であってもよい。
また、基板には、ナノ構造体に対応する構造を備えるものが該当し、ナノ構造体を配列させるための電極構造又は凹凸構造を備える基板や親水・疎水構造が施された基板も含まれる。例えば、ナノ構造体がナノワイヤやナノロッドである場合、ガラス、セラミック、金属等の材質で形成された基板や、インジウム− スズ− 酸化物、銀ペースト又は金属、シリコン、金属、高分子、セラミックなどの導電性材料の層でコーティングされたガラス基板がこの基板に該当する。また、ナノ構造体がブロック形状の微細構造物である場合、ブロック形状の微細構造物が勘合する窪みや凹部を備えるシリコン基板やガラス基板がこの基板に該当する。
また、ナノ構造体分散液の調整に用いられる溶剤は、ナノ構造体がその構造のまま、その中で分散させることができる液体であれば特に限定されない。粘度(粘性係数)が0.1〜20cP程度であるものであればよい。例えば、IPA、エタノール、メタノール、エチレングリコール等のアルコール類であってもよく、また、アセトン等のケトン類やトルエン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン等の有機溶媒、水であってもよい。
また、対向板は、溶剤により溶解(溶出)されない材質であればよく、例えば、ガラス、樹脂、セラミック、金属等の材質であってもよい。その表面に親疎水加工等が施されてもよく、分散液にあるナノ構造体を配列させるために電界を印加する電極が設けられてもよい。基板全体に分散液を均一に塗布するため、その大きさは、基板と同等かそれ以上であることが好ましい。
また、対向板には、第1のノズルの先端が対向板から前記基板に向かって露出するように第1のノズルを設置してもよいし、また、対向板の側面に接して第1のノズルを設置してもよい。
また、前記対向板を前記基板に対して相対的に平行移動させるとは、対向板を平行移動することのほか、基板を平行移動することにより、対向板が相対的に平行移動されることを含む。
また、第1のノズルを設けた対向板を塗布対象の基板に対向させかつ前記基板に対して相対的に平行移動させた状態で、第1のノズルからナノ構造体分散液を吐出するとは、対向板を平行移動させるとともに第1のノズルからナノ構造体分散液を吐出する場合を含むことを意味し、対向板の平行移動を先に開始し、その後、第1のノズルからの吐出を開始してもよいし、第1のノズルからの吐出を開始して,その後、対向板の平行移動を先に開始してもよい。
また、第1のノズルがスリット形状の吐出口を備えてもよい。この場合、対向板の平行移動させる方向がスリットの方向と交叉する方向であるとよいが、対向板の平行移動させる方向はスリットの方向と直交する方向であることがより好ましい。スリットの方向と直交する方向に対向板を平行移動させることにより、ナノ構造体分散液を広い範囲に塗布することができるとともに、対向板側における流れの速いナノ構造体分散液の領域を広くすることができる。また、ナノ構造体を均一に沈降させることができる領域を広くすることができる。
この実施形態によれば、第1のノズルからナノ構造体分散液を吐出させるとともに、第2のノズルからナノ構造体分散液の調整に用いられる溶剤を吐出させるので、基板に塗布された分散液は外気ではなく分散液と接する。このため、ナノ構造体分散液と外気との界面にナノ構造体が滞留する現象が生じない。また、第1のノズル及び第2のノズルを設けた対向板を前記基板に対して相対的に平行移動するので、対向板側における溶剤及びナノ構造体分散液の流れを速くすることができるとともに、基板側にとどまらせた溶剤及びナノ構造体分散液に含まれるナノ構造体を均一に沈降させることができる。このため、ナノ構造体を基板に均一に塗布することができる。
また、第1のノズルの場合と同様に、第2のノズルがスリット形状の吐出口を備えてもよい。対向板の平行移動させる方向がスリットの方向と交叉する方向であるとよいが、第1のノズルの場合と同様に、対向板の平行移動させる方向はスリットの方向と直交する方向であることがより好ましい。スリットの方向と直交する方向に対向板を平行移動させることにより、ナノ構造体分散液及び溶剤を広い範囲に塗布することができるとともに、ナノ構造体分散液と外気との界面にナノ構造体が滞留する現象も生じないため、ナノ構造体を基板により均一に塗布することができる。
また、この発明の実施形態において、第1のノズルからナノ構造体分散液を吐出させた後、前記対向板を前記並行移動させた方向と逆の方向に平行移動させてもよい。
前記対向板を前記並行移動させた方向と逆の方向に平行移動させることにより、前記対向板側にあるナノ構造体分散液が前記逆の方向に移動する。このため、対向板の端部にナノ構造体分散液が溜まることを防止でき、ナノ構造体分散液の使用量を少なくすることができる。
また、この発明のナノ構造体を有する基板は、この発明の塗布方法で塗布される。
また、この発明の1つの実施形態において、前記対向板が、さらにナノ構造体分散液の調整に用いられる溶剤を吐出する第2のノズルを備え、前記制御部は、前記対向板が第1のノズルから第2のノズルの方向に移動させるように前記搬送部を駆動するとともに第1のノズルから前記ナノ構造体分散液を吐出させ、第2のノズルから前記溶剤を吐出させる装置であってもよい。
以下、図面に示す実施形態を用いて、この発明を詳述する。
この発明の第1の実施形態に係る基板へのナノ構造体の塗布方法について、図1〜図5を用いて説明する。まず、この実施形態で用いる材料等を説明する。
そして、このガリウム砒素ブロックをイソプロピルアルコール(IPA)に分散させる。この実施形態では、溶剤として、イソプロピルアルコールを用いているが、例えば、エタノール、メタノール、アセトンを用いてもよい。この溶剤には、腐食性の低い不活性な溶液、つまり、ブロック形状の微細構造物の材料を溶出(溶解)しない溶液を用いればよい。このイソプロピルアルコールの量は、ガリウム砒素ブロック(ナノ構造体1)に対し、ガリウム砒素ブロックが塗布される基板の表面を滑って移動できるような充分な量とする。このイソプロピルアルコールにナノ構造体1を混入し、攪拌することにより分散液2を作成する。
このノズル3は、シリンジ(図示せず)に連結されることにより、シリンジを介して分散液2が充填される。つまり、上記シリンジに分散液2を充填し、このシリンジをノズル3に連結することにより分散液2をノズル3に充填する。このノズル3はシリンジに直接連結しているが、ノズルとシリンジとが配管を介して連結したものを用いてもよいし、また、ノズルとシリンジとが一体になったノズルを用いてよい。
また、この対向板5は、上記ノズルが設けられる。この対向板5は、ノズルの先端と同じ大きさの貫通孔を備えて、ノズルを設けてもよい。貫通孔がノズルの先端よりも大きいと、分散液を吐出するために分散液に加えられた圧力が貫通孔とノズルとの隙間から漏れ、基板と対向板の間の分散液に前記圧力が伝わらないので、対向板5の貫通孔は、ノズル先端を貫通孔に設置したときにノズル先端が貫通孔と密着できる程度の大きさであることが好ましい。例えば、貫通孔がノズルの外形とほぼ同じ形状であってもよいし、また貫通孔が円錐形状で、その円錐の一部がノズルの外径と一致する形状であってもよい。なお、貫通孔がノズルよりも小さくても、前記圧力が伝わるため、実質的に機能する。この場合、貫通孔がこの明細書でいうノズルとなる。
まず、対向板5を塗布対象の基板4に対向させて配置する。後述する分散液の相対速度の分布を実現するには、基板と対向板の間が分散液2で満たされる必要があるため、対向板5と基板4との距離は、ノズル3の吐出口の大きさや分散液の吐出流量等を考慮して定める。ノズル3の吐出口の大きさにもよるが、この実施形態では、基板4と対向板5とを50〜200μmの距離に配置している。分散液の流れを均一にしてナノ構造体を基板に均一に塗布するため、対向板は、基板に対して平行に配置する。
ここで、図1の(1)及び(2)に示すように、対向板には、ナノ構造体1を溶剤に分散させた分散液2を吐出するノズル3が、その先端が対向基板から基板に向かって露出するように設けられる。例えば、図1の(1)のように、二つの対向板が並んで配置されるとともに一定の距離で隔てられて配置されている場合、ノズル3の先端を対向板5の間に挿入することにより、対向板から基板に向かってノズル3の先端が露出するようにノズル3が設けられる。また、図1の(2)に示すように、対向板に間隙が設けられていない場合、ノズル3の側面が対向板5の側面に接するように設けられることにより、対向板から基板に向かってノズル3の先端が露出するようにノズル3が設けられてもよい。図1の(1),(2)のいずれの場合であっても、吐出圧力が基板と対向板の間にも伝わるようにする必要があるので、対向板5が基板と対向する面(以下対向面という。)の側面に、ノズル3の側面又は先端が接するようにノズル3が設けられることが好ましい。また、対向板5の対向面に対する側面にノズル3の先端部がある必要はなく、例えば、ノズル3の先端が対向板5側面の対向面付近よりも基板側に位置するようにノズル3が設けられてもよい。当然ながら、ノズル3の先端が対向板5の側面の中央付近に位置してもよい。また、ノズル3の側面ではなくノズル3の先端部が対向板5の対向面に対する側面とが接してもよい。
また、図3の(1)に示すように、対向板5がノズルと同じ大きさの貫通孔55を備えている場合には、図1の(1)の場合と同様に、このノズル3が貫通孔55に設けられる。つまり、このノズル3の先端が貫通孔55内に設けられかつ貫通孔を構成する面にノズル3の側面又は先端が接するようにノズル3が対向板5に設けられる。また、図3(2)に示すように、対向板が第1及び第2の対向板50、51で構成され、第1及び第2の対向板50、51がその側面にノズル3を設けるための凹部52、53を備えている場合には、この凹部52、53にノズル3の側面又は先端が接するように、ノズル3を設ける。これらの第1及び第2の対向板50、51は、凹部52、53を備える面で接合されると、図3の(1)に示すようなノズルと同じ大きさの貫通孔を第1及び第2の対向板50、51が備えることになる。このような貫通孔を対向板に設ける場合、ノズルより小さい貫通孔を対向板に設けその貫通孔をノズルの先端で覆うようにノズルを設けてもよいが、この場合、貫通孔自体がノズルの先端となり、ノズルの先端が対向板から基板に向かって露出するように設けられることとなる。
なお、この実施形態では、ノズルを設けた対向板5を用い、この対向板5及びノズル3を基板4に平行に対向させているが、対向板5を基板4に平行に対向させて配置し、その後、ノズル3を、ノズルの先端が対向板から基板に向かって露出するように配置してもよいし、ノズル3を、ノズルの先端が対向板から基板に向かって露出するように配置し、その後、対向板5を基板4に平行に対向させて配置してもよい。
なお、ノズル3が設けられた対向板5を基板4に対して相対的に平行移動させる工程は、上記のように、ノズル3が設けられた対向板5を基板4に対して移動させてもよいし、また、基板4をノズル3が設けられた対向板5に対して移動させてもよい。また、ノズル3が設置された対向板5を基板4の塗布面に平行移動させ、かつ基板4を前記平行移動の方向と別の方向に移動させてもよい。この別の方向は、逆の方向であってもよい。また、ノズル3から分散液2を吐出するタイミングは、ノズル3が設置された対向板5の移動と同時に吐出を開始させてもよいし、ノズル3が設置された対向板5の移動を開始させ、その後、ノズル3からの分散液2の吐出を開始させてもよい。
以上のステップにより、ノズル3及び対向板5又は基板が移動する面方向に分散液が吐出され、このため、基板に分散液が塗布される。
図4及び5は、この実施形態に係る塗布方法における分散液の相対速度の分布図を説明するための概念的な図である。
一般に、2つの面が上下(y軸方向)に間隔hを隔てて置かれ、これらの面の間(間隔h)に流体があって、一方の面(上側の面)が一方向(x軸の正の方向)に速度Uで移動している場合、流体の速度u(x軸方向の速度)は、以下の式で示すことができる。
u=(U/h)y−(1/2)(h2/μ)(dp/dx)(y/h)(1−y/h)
ここで、(dp/dx)は圧力の勾配、μは粘性係数である。
この式から理解できるように、流体の速度uは、圧力の勾配に依存する。図3及び4は、この圧力の勾配により流体の速度分布を表した図である。圧力の勾配が負の場合、つまり、dp/dx<0の場合、平板の間にある流体の速度分布は、図4(A)に示す分布となる。また、圧力の勾配が正の場合、つまり、dp/dx>0の場合、平板の間にある流体の速度分布は、図4(B)に示す分布となる。さらに、圧力の勾配がない場合、つまり、dp/dx=0の場合、平板の間にある流体の速度分布は、図5(C)に示す分布となる。
一方、一方の面(上側の面)が移動せず、静止している場合、つまり、速度U=0の場合、上記式は、以下のようになる。
u=−(1/2)(h2/μ)(dp/dx)(y/h)(1−y/h)
この場合に、dp/dx<0の場合、平板の間にある流体の速度分布は、図5(D)に示す分布となる。
なお、これらの図面において、hが0の場合は下側の面の位置を示し、hがHの場合は上側の面の位置を示している。
一方、対向板5を基板4に対して相対的に平行移動させない場合、つまり、対向板5と基板4とを静止させている場合、上記の「一方の面(上側の面)が移動せず、静止している場合」となる。したがって、分散液2は、図5(D)の流体の速度分布を示すこととなる。
一方、従来のナノワイヤ溶液を流路に流す方法は、対向板5を基板4に対して相対的に平行移動させない場合に該当する。したがって、分散液2は、図5(D)の流体の速度分布を示すこととなる。従来のナノワイヤ溶液を流路に流す方法を対向板5と基板4とに置き換えて説明すると、対向板5と基板4との間の中央付近の分散液2は、対向板5側や基板4側の分散液2と比較して、その相対速度は大きくなる。一方、対向板5側や基板4側の分散液2は、対向板5と基板4との間の中央付近の分散液2と比較して、その相対速度は小さくなる。しかしながら、ノズルから分散液2を吐出する場合に、対向板5と基板4との間の末端から分散液2を吐出するために、対向板5と基板4との間隙に分散液2を満たすのに時間を要する。このため、最初に分散液2が達した部分と最後に分散液2が達した部分とで、分散液2のナノ構造体の分散度合いが変化してしまい、基板4全体に均一にナノ構造体を塗布することが難しい。これに対して、この実施形態の対向板5を基板4に対して相対的に平行移動させる工程の場合、ノズルが設置された対向板を移動し、ノズルから分散液を吐出するので、この移動速度で分散液を塗布できるとともに、対向板側にある分散液を対向板とともに相対的に移動できる。また、基板側の分散液は対向板5側の分散液2と比較して相対速度が小さいので、分散液を塗布された位置に、ナノ構造体が所望の濃度で分散されたまま、基板とともにとどまらせることができる。このため、基板4全体により均一にナノ構造体を塗布することができる。
次に、この実施形態に係る方法を実証した実験について説明する。
この実施形態に係る方法を実証した実験には、ナノ構造体にガリウム砒素ブロックを用いた。このガリウム砒素ブロックをIPA溶媒に分散させて分散液を作製し、この分散液を、100μm×5cmスリット形状の吐出口を備えるノズルを用いて基板に塗布した。この塗布は、この実施形態で説明した方法で行い、分散液中のガリウム砒素ブロックの移動速度を測定した。測定には、顕微鏡及び撮影装置を用い、塗布を行いながら、ノズルの後ろ側(ノズル・対向板の移動方向と逆側)を観察した。そして、基板からのピントのズレからガリウム砒素ブロックの基板−対向板間における位置を、撮影した各段階の画像からガリウム砒素ブロックの移動距離(基板面方向の移動距離)を、それぞれ求めた。また、撮影した画像のコマ数から経過時間を求め、上記移動距離から速度を求めた。同じ高さ位置の複数のブロックに対してこの作業を行い、複数のブロックの速度から、その平均速度を算出してその値を分散液の相対速度とした。対向板5を基板4に対して相対的に平行移動する工程は、ノズル・対向板を移動することにより行い、基板及び撮影装置は静止させた状態(移動しない状態)とした。なお、ノズル・対向板の移動速度を以下、スライド速度と呼ぶ。
基板と対向板との距離は、85μmに、対向板とノズルを移動させるスライド速度は、0.45cm/sに、それぞれ制御した。また、ノズルからの分散液の吐出流量は、吐出圧力を調整して1.5ml/minに調整し、さらに、IPA溶媒は、温度調節により粘性係数を1cPに調節した。また、ガリウム砒素ブロックには、3μm×2μmの台形輪郭で厚さが800nmのガリウム砒素から形成されるブロックを用いた。基板には、シリコン基板を用いた。
次に、この発明の第1の実施形態に係る方法に用いる塗布装置の例を説明する。図7、図8、図9に第1の実施形態に係る方法に用いる装置を示す。図7は、第1の実施形態に係る方法に用いる装置を説明するための正面図である。図8は、第1の実施形態に係る方法に用いる装置を説明するための側面図である。図9は、第1の実施形態に係る方法に用いる装置の制御部を示すブロック図である。
図7、図8に示すように、この発明の第1の実施形態に係る方法に用いる塗布装置は、ナノ構造体分散液を基板に吐出するノズル31が設けられた対向板5と、基板4を搭載し、対向板5を基板に平行に対向させる搬送部101と、対向板5を搭載部100に対して相対的に移動させる搬送部101とを備える。
ノズル31は、その先端が図示されていないが、対向板5には、スリット形状のノズルが設けられている。このノズル31の形状は、図1(1)、図2(1)で示した断面の構造と同じ形状であり、シリンジとノズルが一体となっている。吐出口の大きさは、幅が100μm、長さが15.5cmであり、基板4(6インチウエハ)の辺よりもやや大きい長さになっている。また、この吐出口を形成する材質はガラスで形成されている。このノズル31は、送液チューブ35を介して分散液を供給する送液ポンプ(例えば、デジタル送液ポンプなど)につながり、この送液ポンプは制御部により駆動、制御されている。このため、制御部が送液ポンプの分散液の供給量(流量)や供給圧を制御することにより、ノズル31の吐出流量、吐出圧力が制御される。
対向板5は、図3に示すようにその中央にノズル31の先端部が収められる貫通孔が設けられている。この貫通孔にノズル31の先端部が対向板の基板に対向する面まで挿入され、図1(1)及び図2(1)に示すように、対向板はノズル31の先端が基板4に向かって露出するように設けられている。この対向板5は、その幅(Y方向)が基板よりやや大きく、16.0cmで形成され、その長さ(X方向)は、基板の倍程度の大きさである32.0cmで形成されている。対向板5は、ノズル31を介してX軸搬送部101(X軸ロボット)に固定されているので、X軸搬送部101が移動することにより、対向板の長さ方向(X軸方向)にノズル31及び対向板5を搬送し、ノズル31が分散液を吐出すると、分散液が基板4全体に塗布される。また、対向板5は、分散液の流れを均一にしてナノ構造体を基板に均一に塗布するため、基板側に平らな面を備え、この面が基板と平行に対向するように構成されている。この装置では、後述する搭載部100が対向板5を基板4に平行に対向させているが、X軸搬送部101とノズル31との間にZ軸角度調整機構を設け、このZ軸角度調整機構によりZ軸の方向(角度)を調整してもよい。また、Z軸角度調整機構のほか、Z軸搬送部を設け、これにより、対抗板5と基板4との距離を調整するようにしてもよい。
搭載部100は、基板4を搭載し、対向板5を基板4と平行に対向させている。搭載部100には吸着孔や位置決め機構が設けられ、所定の位置に基板を搭載する。搭載部100の下方にはZ軸搬送部103が設けられており、Z軸搬送部103により、対向板5と基板4との距離(ギャップ)が定められる。このZ軸搬送部103はZ軸モータ104により搬送され、このZ軸モータ104は制御部により駆動され、制御される。また、Z軸搬送部103には、Z軸角度調整機構が設けられており(図示せず)、これにより対向板5と基板4とが平行に対向する。
X軸搬送部101(搬送部)は、X軸搬送部101に設置されたノズルホルダー32を介してノズル31及び対向板5を搭載部100に搭載された基板4に対して移動させる。図7に示すように、X軸搬送部101(X軸ロボット)に設置されたノズルホルダー32にノズル31が設置され、このX軸搬送部101がX軸モータ102に搬送されるこことによりノズルに設置された対向板5をX軸方向(対向板の長さ方向)に移動する。このX軸モータ102は、は制御部により駆動され、制御される。
また、図9に示すように、制御部10は、送液ポンプ105に接続されている。送液ポンプ105は分散液をノズル31に供給するため、制御部10は送液ポンプ105を介してノズル31からの分散液の吐出を制御する。制御部10は、分散液供給量や分散液圧力を制御することにより、ノズルの吐出流量、吐出圧力などを制御する。また、制御部10は、ノズルからの分散液の吐出タイミングも制御する。なお、この装置では、送液ポンプ105を用いているが、エアチューブを介してノズル・シリンジにエア圧を供給し、このエアを制御することによりノズルからの分散液の吐出を制御してもよい。
ノズル3からのナノ構造体分散液2の吐出圧力を増加させることにより、吐出流量を前記実証実験の値である1.5ml/minから2.5ml/minへと増加させたところ、基板4近傍でのナノ構造体1の基板4に対する相対速度12が約−0.05cm/sから約−0.10cm/sへと負側へその絶対値が増加した。また、逆にこの吐出流量を減少させたところ、前記相対速度12は正側へ増加した。
また、基板4に対する対向基板5の相対速度7を、前記実証実験の値である0.45cm/sから0.98cm/sへと増加させたところ、前記相対速度12が約−0.05cm/sから約−0.1cm/sへと負側へその絶対値が増加した。また、逆に相対速度7を減少させたところ、基板4近傍でのナノ構造体1の基板4に対する相対速度12は正側へ増加した。
また、基板4と対向板5の間隔を前記実証実験の値である85μmから50μmへと減少させたところ、前記相対速度12が約−0.05cm/sから約+0.03cm/sへと増加した。また、逆にこの間隔を増加させたところ、前記相対速度12は負側へ増加した。
また、粘性係数を前記実証実験の値である1cPから2cPに増加させたところ、前記相対速度12が約−0.05cm/sから約0cm/sへとその値が変化した。また、この粘性係数を4cPまで増加させると、約+0.03cm/sへとその値が増加した。逆に、この粘性係数を減少させたところ、前記相対速度12は負側へその絶対値が増加した。
また、図4(A),(B)のような相対速度の分布にする実験を行ったところ、ナノ構造体1の基板4に対する移動の方向が図4(A)のようにノズル3及び対向板5と同じ方向であるときは、対向板の端部に分散液が溜まる傾向が見られた。また、ナノ構造体1の基板4に対する移動の方向を図4(B)のようにノズル3及び対向板5と逆方向にすると、対向板の端部に分散液が溜まることはなかった。
また、上記のナノ構造体1の基板4に対する移動の方向の実験結果から、ナノ構造体1の基板4に対する移動の方向をノズル3及び対向板5と逆方向にするとよいことがわかる。ナノ構造体1の基板4に対する移動の方向をノズル3及び対向板5と逆方向にするには、例えば、ノズルから分散液を吐出させた後、ノズルから分散液を吐出させたときに対向板5を平行移動させた方向と逆の方向に平行移動させるとよい。これにより、対向板の端部に分散液が溜まることを防止できる。図4(B)のように、ナノ構造体1の基板4に対する移動の方向をノズル3及び対向板5と逆方向にすることにより、対向板側の分散液を対向板とともに移動させることができるので、分散液の使用量を少なくすることができる。
次に、この発明の第2の実施形態に係る基板へのナノ構造体の塗布方法について説明する。この第2の実施形態に係る塗布方法は、第1の実施形態に係る塗布方法と同様に、ノズルが設けられた対向板を塗布対象の基板に対向させかつ前記基板に対して相対的に平行移動させた状態で塗布を行うが、前記対向板に、さらに第2のノズルが設けられ、前記対向板を第1のノズルから第2のノズルの方向に移動させた状態で、第2のノズルからナノ構造体分散液の調整に用いられる溶剤を吐出させる点で第1の実施形態に係る塗布方法と相違する。図10〜図12に、この第2の実施形態に係るナノ構造体の塗布方法を説明するための基板の断面図を示す。これらの図面は、基板4にノズル3及び対向板5を用いてナノ構造体1を塗布する方法の各段階を示している。
溶剤は、ナノ構造体1を分散させた分散液2の溶剤と同じ溶剤を用いる。つまり、ナノ構造体分散液の調整に用いられる溶剤を用いる、第2のノズル13は、ノズル3と同様に溶剤により溶解(溶出)されない材質で形成されたノズルを適宜選定して用い、その吐出口は、スリット形状や円形状のものを用いる。溶剤及び分散液の吐出量の制御を容易にするため、第2ノズルの吐出口は、ノズル3と同じ形状の吐出口を選定してもよい。また、吐出の数は単数のほか複数であってもよい。この第2のノズル13は、溶剤を充填したシリンジを第2のノズル13に連結することにより、溶剤が充填される。
対向板は、この溶剤が充填された第2のノズル13が、対向板5の側面に接するように設けられる。また、第2のノズル13がノズル3と並べて設けられる。図10では、第2のノズル13の側面と対向板5又はノズル3の側面とが接するように第2のノズル13が設けられている。この第2のノズル13は、対向板5に設けられているため、ノズル3とともに移動するが、ノズル3が吐出する分散液が第2のノズル13が吐出する溶剤に接するようにするため、ノズル3に対して対向板5の移動方向に設ける。なお、後述するように、ノズル3から第2のノズル13の方向へ対向板を移動させてもよい。また、第1の実施形態の場合と同様に、対向板5が第2のノズルを設置するための貫通孔を有してもよい。第1の実施形態の場合と同様に、第2のノズルの先端と同じ大きさの貫通孔を備え、第2のノズル13の先端をこの第2のノズルと同じ大きさの貫通孔に挿入してもよい。つまり、第2のノズル13の先端を貫通孔内に設けかつこの貫通孔を構成する面に接して設けてもよい。さらに、対向板5に第2のノズルより小さい貫通孔を設け、この貫通孔を第2のノズルの先端で覆うように第2のノズルを設けてもよい。また、この実施形態では、第1の実施形態と同様に、ノズルを設けた対向板を用いているが、対向板5の対向面の側面に第2のノズル13の側面が接するように第2のノズル13を配置し、次いで、第2のノズル13とともに対向板5が基板4と所定の距離(間隙)となるように対向板5を配置してノズルを対向板に設けてもよい。
なお、第2のノズル13及びノズル3並びに対向板5又は基板4を、基板4の面方向に移動するステップは、基板4を第2のノズル13及びノズル3並びに対向板5に対して移動してもよい。
なお、このノズル3から分散液2を吐出させるステップは、前記の第2のノズル13から溶剤を吐出させるステップと同時に実施してもよい。つまり、対向板5を基板4に対して相対的に平行移動させ、第2のノズル13から溶剤を吐出させながら、ノズル3から分散液2を吐出させてもよい。また、第2のノズル13から溶剤を吐出させるステップを実施した後、対向板5を、基板4に対して相対的に平行移動させ、第2のノズル13から溶剤を吐出させながら、ノズル3から分散液2を吐出させてもよい。
次に、第2の実施形態に係る方法を実証した実験について説明する。
この実施形態に係る方法を実証した実験には、ナノ構造体にシリコンナノワイヤを用い、このシリコンナノワイヤをIPA溶媒に分散させて分散液を用いた。そして、100μm×5cmスリット形状の吐出口が形成されたノズルと対向板とを備える塗布装置を用いて、まずIPA溶媒を基板に塗布し、その後、前記ノズル備える塗布装置を用いて、前記ナノワイヤが分散された分散液を基板に塗布した。この塗布は、第2の実施形態で説明したステップで行った。基板と対向板との距離は、85μmに、対向板とノズルを移動させるスライド速度は、0.45cm/sに、それぞれ制御した。また、ノズルからの分散液の吐出流量は、吐出圧力を調整して1.5ml/minに調整した。
また、シリコンナノワイヤには、長さ5μm〜30μm、直径100nm〜200nmのシリコンナノワイヤを用い、基板には、ガラス基板を用いた。さらに、ノズルにはナノワイヤを配列させるための電極が設けられたノズルを用いた。
この実験で、シリコンナノワイヤの相対速度を観察したところ、対向基板5近傍では基板4に対する相対速度が大きいシリコンナノワイヤがあることがわかった。また、対向基板5近傍におけるシリコンナノワイヤの密度は基板4近傍と比較し非常に小さいものであった。この実験により、シリコンナノワイヤのような質量及び体積の小さいナノ構造体1を基板4近傍に高密度に塗布することを可能であることが実証された。また、公知文献(特表2007−527324)に記載の電界印加によるシリコンナノワイヤの配列が短時間で出来た。
さらに、基板の塗布液の端部を観察すると、ナノワイヤの分散していない溶剤14があることが確認できた。ナノワイヤ分散液2を気相と接触させることなく基板4上に塗布することができた。また、基板の塗布液の端部で、ナノワイヤが基板4上へ乾燥して付着する現象を防止することができた。
図14に示すように、この第2の実施形態に係る方法に用いる装置は、上記第1の実施形態に係る方法で説明した装置に、さらにナノ構造体分散液の調整に用いられる溶剤を吐出する第2のノズル131,132を備える。第2のノズル131,132は、基板4に向かってその先端が露出するように対向板5に設置されている。対向板5には、第2のノズル131,132を挿入するための貫通孔が設けられ、この貫通孔に第2のノズル131,132の先端が挿入されている。この貫通孔の形状や挿入されたノズルの先端部にあるスリット形状は、第1の実施形態に用いる装置と同じであるが、第2のノズル131,132の貫通孔は、ノズル31の両側にノズル31の貫通孔及びスリットを挟むように設けられている。つまり、ノズル131,132は、ノズル31を挟むように対向板5に設置されている。ノズル131,132は、溶剤を吐出するので、ノズル31から吐出された分散液は、溶剤に囲まれる。このため、分散液は外気に触れず、外気との界面に分散液のナノ構造体が滞留する現象が生じないことになる。
また、この装置の制御部10は、対向板5がノズル31から第2のノズル131、132の方向に移動させるように搬送部101を駆動し、ノズル31から分散液を吐出させるだけでなく、第2のノズル131,132から溶剤を吐出させる。図15に示すように、制御部10は、X軸モータ102及びZ軸モータ104と接続されている。制御部10は、X軸モータ102、Z軸モータ104を介してX軸搬送部101、Z軸搬送部103を駆動し制御し、ノズル31及び対向板5の位置、移動速度(相対速度)、移動のタイミングなどを制御する。図14に示すように、第2のノズル131,132はノズル31に対してX軸の方向に設けられており、制御部10は、X軸方向にX軸搬送部101を駆動し制御する。また、制御部10は送液ポンプ105,106,107と接続されている。この制御部10は、第1の実施形態に係る方法に用いる装置と異なり、送液ポンプ106,107にも接続されている。送液ポンプ105は分散液をノズル31に供給するが、送液ポンプ106,107は溶剤をノズル131,132に供給する。このため、制御部10はノズル31からの分散液の吐出を制御するだけでなく、ノズル131,132からの溶剤の吐出も制御する。制御部10は、溶剤の供給量や溶剤の圧力を制御することにより、ノズルからの溶剤の吐出流量、吐出圧力などを制御する。搬送部103を駆動するとともに、ノズル131,132から溶剤を吐出し、その後、ノズル31から分散液を吐出することにより、分散液は、溶剤に囲まれることになる。このため、外気との界面に分散液のナノ構造体が滞留する現象が起こらず、基板に分散液を均一に塗布することができる。なお、この装置においても、第1の実施形態に係る方法に用いる装置と同様に、エアチューブを介してエアをノズル・シリンジに供給し、このエア(エア圧)を制御することによりノズルからの分散液の吐出を制御してもよい。
11 ナノワイヤ塗布領域
2 分散液
3 ノズル
31 分散液用ノズル
32 ノズルホルダー
35,36,37 送液チューブ
4 基板
5 対向板
50,51 対向板(第1又は第2の対向板)
52,53凹部
55 貫通孔
6 基板に対するノズルの相対速度
7 基板に対する対向板の相対速度
7 基板に対する対向板(上面)の相対速度
8 吐出圧力
9 流体の対向板(下面)に対する相対速度
10 制御部
11 シリコンナノワイヤを塗布する領域(分散液塗布領域)
12 基板近傍での基板に対するナノ構造体の相対速度
13 第2のノズル
14 溶剤
100 搭載部
101 X軸搬送部(搬送部)
102 X軸モータ
103 Z軸搬送部
104 Z軸モータ
105,106,107 液送ポンプ(ノズル・シリンジに液体を供給するポンプ)
131,132 溶剤用ノズル(第2のノズル)
Claims (9)
- 少なくとも1以上の第1のノズルを設けた、塗布対象の基板と同等かそれ以上の大きさの対向板を前記基板に対向させかつ前記基板に対して相対的に平行移動させた状態で、第1のノズルからナノ構造体分散液を吐出させることを特徴とする基板へのナノ構造体の塗布方法。
- 前記対向板が、第1のノズルを設置するための貫通孔を有する請求項1に記載の塗布方法。
- 第1のノズルがスリット形状の吐出口を備え、前記対向板の平行移動させる方向が、スリットの方向と直交する方向である請求項1又は2に記載の塗布方法。
- 前記対向板に、さらに少なくとも1以上の第2のノズルが設けられ、前記対向板を第1のノズルから第2のノズルの方向に移動させた状態で、第1のノズルからナノ構造体分散液を吐出させるとともに、第2のノズルからナノ構造体分散液の調整に用いられる溶剤を吐出させる請求項1〜3のいずれか1つに記載の塗布方法。
- 前記対向板が、第2のノズルを設置するための貫通孔を有する請求項1〜4のいずれか1つに記載の塗布方法。
- 前記対向板が、吐出口がスリット形状である第2のノズルを備え、前記対向板の平行移動させる方向が、スリットの方向と直交する方向である請求項1〜5のいずれか1つに記載の塗布方法。
- 第1のノズルからナノ構造体分散液を吐出させた後、前記対向板を前記並行移動させた方向と逆の方向に平行移動させる請求項1〜6のいずれか1つに記載の塗布方法。
- ナノ構造体分散液を基板に吐出する第1のノズルが設けられ、前記基板と同等かそれ以上の大きさの対向板と、
前記基板を搭載し、前記対向板を前記基板に平行に対向させる搭載部と、
前記対向板を前記搭載部に対して相対的に平行移動させる搬送部と、
前記搬送部を駆動するとともに第1のノズルから前記分散液を吐出させる制御部とを備える塗布装置。 - 前記対向板が、さらにナノ構造体分散液の調整に用いられる溶剤を吐出する第2のノズルを備え、
前記制御部は、前記対向板が第1のノズルから第2のノズルの方向に移動させるように前記搬送部を駆動するとともに第1のノズルから前記ナノ構造体分散液を吐出させ、第2のノズルから前記溶剤を吐出させる請求項8に記載の塗布装置。
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