JP5268502B2 - 溶液の塗布装置及び塗布方法 - Google Patents

Description

本発明は基板に溶液を塗布する溶液の塗布装置及び塗布方法に関する。

液晶表示装置の製造工程においては、ガラス製の基板に回路パターンを形成するための成膜プロセスがある。この成膜プロセスでは、基板の板面に例えば配向膜やレジスト等の機能性薄膜が形成される。

基板に機能性薄膜を形成する場合、この機能性薄膜を形成する溶液をノズルから吐出して基板の板面に塗布する、いわゆるインクジェット方式の塗布装置が用いられることがある。

上記塗布装置は基板を搬送する載置テーブルを有しており、この載置テーブルの上方には、上記ノズルが形成された複数の塗布ヘッドが基板の搬送方向に対してほぼ直交する方向に沿って配置されている。それによって、搬送される基板の上面には複数の塗布ヘッドのノズルから吐出された溶液が搬送方向と交差する方向に所定間隔で塗布されるようになっている。

各塗布ヘッドには各ノズルに対向して圧電素子が可撓板を介して設けられている。圧電素子に電圧を印加すると、上記可撓板が変形し、上記ノズルから溶液が吐出供給されるようになっている。

各塗布ヘッドの圧電素子に同じ大きさの電圧を印加しても、それぞれの塗布ヘッドは溶液の供給源からの配管抵抗や製作精度、組み立て精度等によって特性が異なるため、供給される溶液の量に差異が生ずる。その結果、基板に形成される機能性薄膜の厚さが均一にならないということがある。

そこで、従来はノズルから吐出された溶液の液滴を高速度カメラで撮像し、撮像された液滴の投影面積からその体積（量）を算出し、この体積によって各ノズルから吐出される溶液の量が均一になるように各圧電素子に印加する電圧を調整していた。

特許文献１には塗布ヘッドのノズルから吐出された溶液の液滴を高速度カメラで撮像し、その液滴の投影面積から体積、つまり量を求めることが示されている。
特開2005-40690号公報

高速度カメラで溶液の液滴を撮像してその液滴の面積を求める従来技術では、高速度カメラの撮像光学系中に液滴の吐出方向に沿う縦方向と、該縦方向に直交する横方向で倍率を同等にする等倍レンズを配置している（以下、液滴の吐出方向に沿う方向を縦方向とし、該縦方向に直交する方向を横方向とする）。

ところで、高速度カメラの視野範囲Ａ（固体撮像素子の縦横多数の受光素子の画素ｍを有する）の縦横比は通常4対3であり、塗布ヘッドのノズルから滴下される液滴の飛翔形状の縦横比（Ｌ対Ｋ）は100対1に達することもある。即ち、従来の高速度カメラの図８（Ａ）に示す視野範囲Ａにおいて撮像された液滴の画像は、縦寸法Ｌ、横寸法Ｋの如くの超縦長状になる。

従って、従来技術では、高速度カメラの視野範囲Ａの総画素数が限定されている中で、視野範囲Ａの縦方向では、液滴の長い画像の撮像に多数の画素を用いているものの、視野範囲Ａの横方向では、液滴の画像の幅が狭いために少数の画素を用いるだけになっている。液滴の縦横全体の面積を算出して検査するに際し、視野範囲Ａの横方向に設けられている画素の有効利用率が低いために、分解能を向上できず、検査精度を上げることができない。

本発明の課題は、ノズルから吐出された液滴の量を高精度で求めることにある。

請求項１の発明は、ノズルを備えた塗布ヘッドと、
前記ノズルから溶液を液滴として吐出させる駆動手段と、
撮像手段を備え、当該撮像手段が撮像した前記ノズルから吐出された飛翔中の液滴の画像に基づいて前記ノズルから吐出された前記液滴の量を測定する測定装置と、を有し、前記ノズルから前記液滴を吐出させて基板に塗布する溶液の塗布装置において、
前記撮像手段の撮像光学系中に、前記液滴の吐出方向に沿う縦方向の倍率よりも該縦方向に直交する横方向の倍率を大きくする変倍レンズを備えるようにしたものである。

請求項２の発明は、請求項１の発明において更に、前記測定装置は、前記撮像手段が撮像した液滴の画像に基づいて該液滴の面積を求める検査手段を備えてなり、
前記検査手段が求めた前記液滴の面積に基づいて前記駆動手段を制御し、前記ノズルからの吐出量を制御する制御手段をさらに有するようにしたものである。

請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において更に、前記変倍レンズは、横方向の倍率を縦方向の倍率の２〜５倍とするようにしたものである。

請求項４の発明は、塗布ヘッドのノズルから溶液を液滴として吐出させて基板上に塗布する溶液の塗布方法において、
前記ノズルから吐出された飛翔中の前記液滴を撮像手段により撮像する撮像工程と、
前記撮像手段が撮像した前記液滴の画像に基づいて前記ノズルから吐出された前記液滴の量を測定する測定工程と、を有し、
前記撮像工程においては、前記液滴の吐出方向に沿う縦方向の倍率よりも該縦方向に直交する横方向の倍率が大きくなるように撮像するようにしたものである。

請求項５の発明は、請求項４の発明において更に、前記測定工程においては、前記撮像手段が撮像した液滴の画像に基づいて該液滴の面積を求め、
前記測定工程にて求めた前記液滴の面積に基づいて前記ノズルからの吐出量を制御する制御工程をさらに有するようにしたものである。

請求項６の発明は、請求項４又は５の発明において更に、前記撮像工程においては、横方向の倍率を縦方向の倍率の２〜５倍にして撮像するようにしたものである。

本発明によれば、ノズルから吐出された液滴の量を高精度で求めることができる。

図１は本発明の一実施の形態の塗布装置の概略的構成を示す正面図、図２は図１に示す塗布装置の側面図、図３は塗布ヘッドの縦断面図、図４は塗布ヘッドのノズルが形成された下面を示す底面図、図５は制御系統を示すブロック図、図６は測定装置の模式斜視図、図７は高速度カメラによって撮像された５つのノズルから吐出された溶液の液滴を示す模式図、図８は高速度カメラによって撮像された溶液の液滴の画像を示す模式図である。

以下、本発明の一実施の形態を図面を参照しながら説明する。
図１と図２に示す本発明に係る塗布装置は直方体状のベース１を有する。このベース１の下面の所定位置にはそれぞれ脚２が設けられ、これら脚２によって上記ベース１は水平に支持されている。

図２に示すように、上記ベース１の上面の幅方向両端部には、所定の幅寸法の取付け板３が長手方向に沿ってそれぞれ設けられている。これら取付け板３の上面の幅方向一端部には長手方向に沿ってそれぞれガイド部材４が設けられている。これらガイド部材４の上面には、矩形板状のＸテーブル５が、その下面の幅方向両側に平行に設けられた断面ほぼ逆Ｕ字状の一対の第１の受け部材６をスライド可能に係合させて支持されている。Ｘテーブル５の上面には、このＸテーブル５よりも小さい載置テーブル７が設けられている。つまり、載置テーブル７は上記Ｘテーブル５を介して上記ガイド部材４に沿うＸ方向に移動可能となっている。

上記ガイド部材４には固定子４ａが設けられ、上記第１の受け部材６には可動子６ａが設けられ、上記固定子４ａと可動子６ａとで駆動手段となるリニアモータ８を形成している。

上記載置テーブル７には、例えばアクティブマトリックス方式の液晶表示装置に用いられるガラス製の基板Ｗが供給される。この基板Ｗは、上記載置テーブル７に真空吸着や静電吸着等の手段によって吸着保持される。従って、載置テーブル７に保持された基板Ｗは上記Ｘテーブル５によってＸ方向に駆動されるようになっている。

上記ベース１の長手方向中途部には上記一対のガイド部材４を跨ぐように門型の支持体１１が立設されている。この支持体１１の両側上部には角柱からなる取付け部材１２が水平に架設されている。

上記取付け部材１２にはヘッドテーブル１９が上記Ｘテーブル５の駆動方向であるＸ方向と直交するＹ方向（図２に矢印で示す）に沿って移動可能に設けられている。上記支持体１１の幅方向一側にはパルスモータからなる第１のＹ駆動源２１が設けられている。このＹ駆動源２１は上記ヘッドテーブル１９をＹ方向に沿って駆動するようになっている。尚、ヘッドテーブル１９のＹ方向の駆動はパルスモータに代わり、リニアモータで行なうようにしても良い。

上記ヘッドテーブル１９の一側面にはインクジェット方式によって機能性薄膜である、例えば配向膜を形成する溶液（ポリイミド溶液）をドット状に吐出する複数の塗布ヘッド２２がＹ方向に沿って配置されている。この実施の形態では、例えば７つの塗布ヘッド２２が千鳥状に二列で配置されている。

図３と図４に示すように、上記各塗布ヘッド２２はヘッド本体２８を備えている。ヘッド本体２８は筒状に形成され、その下面開口は可撓板２９によって閉塞されている。この可撓板２９はノズルプレート３１によって覆われており、このノズルプレート３１と上記可撓板２９との間には複数の液室３２が形成されている。

各液室３２は、ノズルプレート３１内に形成された主管路３１Ａに図示しない枝管路を介してそれぞれ連通していて、上記主管路３１Ａから上記枝管路を介して溶液が各液室３２に供給される。主管路３１Ａは、一端が後述する給液孔３３に接続され、他端が後述する回収孔３７に接続される。

上記ヘッド本体２８の長手方向一端部には上記液室３２に連通する上記給液孔３３が形成されている。この給液孔３３から上記各液室３２には機能性薄膜を形成する上記溶液が供給される。それによって、上記液室３２内は溶液で満たされるようになっている。

図４に示すように、上記ノズルプレート３１には、基板Ｗの搬送方向に直交する方向である、Ｙ方向に沿って複数のノズル３４が千鳥状に穿設されている。上記可撓板２９の上面には、図３に示すように上記各ノズル３４にそれぞれ対向して駆動手段としての複数の圧電素子３５が設けられている。

各圧電素子３５は上記ヘッド本体２８内に設けられた駆動部３６によって駆動電圧が供給される。それによって、圧電素子３５は伸縮し、可撓板２９を部分的に変形させるから、その圧電素子３５に対向位置するノズル３４から溶液がドット状に吐出され、搬送される基板Ｗの上面に供給塗布される。従って、基板Ｗの上面には、ドット状の溶液が行列状に配列されてなる塗布パターンが形成される。そして、この塗布パターンは、ドット状の各溶液が流動して濡れ広がることにより、付着し合って１つの膜となる。

上記ヘッド本体２８の長手方向他端部には上記液室３２に連通する上記回収孔３７が形成されている。上記給液孔３３から液室３２に供給された溶液は、上記回収孔３７から回収することができるようになっている。即ち、各ヘッド２２は上記液室３２に供給された溶液をノズル３４から吐出させるだけでなく、上記液室３２を通じて上記回収孔３７から回収することが可能となっている。

図１に示すように、上記ガイド部材４の一端部には上記塗布ヘッド２２のノズル３４から吐出される溶液の量を測定するための測定装置４１が設けられている。この測定装置４１は第１の可動部材４２を有する。この第１の可動部材４２は下面の幅方向両端部に一対の第２の受け部材４３（１つのみ図示）が設けられ、この受け部材４３を上記ガイド部材４にスライド可能に係合させて設けられている。そして、上記ノズル３４から吐出される溶液の量を測定しないときには図１に示すように上記ガイド部材４の長手方向一端部の待機位置、つまり載置テーブル７の往復動の邪魔にならない位置で待機している。

尚、第１の可動部材４２は上記リニアモータ８によって上記ガイド部材４に沿うＸ方向に駆動することができ、上記ガイド部材４に設けられた載置テーブル７と上記第１の可動部材４２を選択的に駆動することが可能となっている。

上記第１の可動部材４２の上面には、この第１の可動部材４２の長手方向に沿って移動可能な第２の可動部材４５が長手方向を上記第１の可動部材４２に対して直交させて設けられている。

図５に示すように、上記第１の可動部材４２の長手方向一端にはパルスモータからなる第２のＹ駆動源４６が設けられ、この第２のＹ駆動源４６によって上記第２の可動部材４５を上記Ｘ方向と交差するＹ方向、つまり上記塗布ヘッド２２の並設方向に沿って駆動することができるようになっている。

上記第２の可動部材４５のＸ方向に沿う長手方向一端部には高速度カメラ４７が設けられ、他端にはこの高速度カメラ４７に向けて照明光を出射する光源４９が設けられている。上記高速度カメラ４７と光源４９とで撮像手段を構成している。

尚、上記第２の可動部材４５の長手方向中央部分の上面には後述するように各塗布ヘッド２２のノズル３４から吐出される溶液を受ける受け皿５１が設けられている。

図５、図６は、上記測定装置４１によって塗布ヘッド２２のノズル３４から吐出される溶液の量を測定するときの制御回路を示す。同図中５２は制御装置である。この制御装置５２にはタイミング設定装置５３が接続されている。

上記タイミング設定装置５３は、上記制御装置５２から駆動信号Ｄ１が入力されると、上記塗布ヘッド２２に設けられた駆動部３６を介してそれぞれの圧電素子３５に電圧を印加する吐出信号Ｓ１と、光源コントローラ５４を介して上記光源４９から照明光を出射させる発光信号Ｓ２と、上記高速度カメラ４７を作動させる撮像信号Ｓ３とを所定のタイミングで同期して出力する。吐出信号Ｓ１を受けた駆動部３６は、制御装置５２から送られる電圧指令信号Ｓ１１に応じた電圧Ｖを圧電素子３５に供給するようになっている。

それによって、所定の塗布ヘッド２２のノズル３４から溶液が吐出されるとともに、光源４９から照明光が出射され、上記高速度カメラ４７によって上記ノズル３４から吐出され基板Ｗに到達する前の溶液、つまり飛翔中の溶液が撮像されるようになっている。尚、発光信号Ｓ２と撮像信号Ｓ３は同じ信号であっても良く、別々の信号であっても良い。

溶液を撮像した上記高速度カメラ４７は、その撮像信号Ｓ４を検査手段としての画像処理装置５５に出力する。画像処理装置５５は上記高速度カメラ４７からの撮像信号Ｓ４を処理し、その撮像信号Ｓ４によってノズル３４から吐出された溶液の液滴の面積（投影面積）を算出する。

尚、高速度カメラ４７によって溶液の液滴を撮像する場合、ノズル３４から吐出される溶液の液滴がそのノズル３４から出きった時点で撮像するよう、その撮像タイミングをタイミング設定装置５３によって設定すれば、溶液の長さＬの全長を撮像することができる。

上記高速度カメラ４７は、図７に示すように一度に複数のノズル３４から吐出された溶液を撮像することができる視野範囲Ａを有する。この実施の形態では高速度カメラ４７はその視野範囲Ａに５つのノズル３４及び５つのノズル３４から吐出される溶液の液滴Ｙを撮像することができるようになっている。従って、上記画像処理装置５５は上記高速度カメラ４７が一度に撮像した視野範囲Ａの画像から５つのノズル３４から吐出された溶液の液滴Ｙの面積を個別に算出することができる。

上記画像処理装置５５によって算出された算出信号Ｓ５は上記制御装置５２に出力される。算出信号Ｓ５を受けた制御装置５２はノズル３４から溶液を吐出させる圧電素子３５に印加する電圧Ｖを制御する。

尚、塗布ヘッド２２では、圧電素子３５に印加する電圧Ｖを増加させると、ノズル３４から吐出される溶液の吐出量が直線的に増加する関係がある。また、圧電素子３５に印加する電圧Ｖを増加させてノズル３４からの溶液の吐出量が増加すると、吐出された溶液の液滴の面積が直線的に増加する関係がある。従って、圧電素子３５に印加する電圧Ｖによってノズル３４から吐出される溶液の液滴の面積を変えることができるから、その面積を変えることでノズル３４から吐出される溶液の吐出量を制御することができる。

上記制御装置５２は、画像処理装置５５からの算出信号Ｓ５を処理して、上述の関係を用いて圧電素子３５に印加する電圧Ｖを制御すると同時に、測定装置４１のＹ方向の駆動を制御する駆動コントローラ５６に移動信号Ｓ６を出力する。例えば、一のノズル３４について画像処理装置５５で算出された液滴の面積が目標とする面積に対して許容される以上に小さかった場合、制御装置５２は、上述の関係から対応する圧電素子３５に印加すべき電圧を面積の差分だけ高めるように圧電素子３５に与える電圧Ｖを補正する。

移動信号Ｓ６を受けた駆動コントローラ５６は第２のＹ駆動源４６に駆動信号Ｄ２を出力する。それによって、高速度カメラ４７と光源４９が設けられた第２の可動部材４５がＹ方向に所定距離駆動され、上記塗布ヘッド２２のＹ方向に位置する次の５つのノズル３４を上記高速度カメラ４７によって撮像できるよう、上記第２の可動部材４５をＹ方向に対して位置決めする。

しかるに、本発明に係る塗布装置にあっては、高速度カメラ４７が撮像した溶液の液滴の面積を画像処理装置５５により高精度に算出して検査するため、以下の構成を具備する。

高速度カメラ４７の撮像光学系中に、図６に示す如く、液滴の吐出方向に沿う縦方向（鉛直方向）と、該縦方向に直交する横方向（水平方向）で倍率の異なる変倍レンズ４８（例えば、シリンドリカルレンズ）を配置する。変倍レンズ４８は、横方向の倍率を縦方向の倍率に比してＮ倍に大きくする。変倍レンズ４８の倍率Ｎは好適には２倍以上、例えば２〜５倍とする。尚、高速度カメラ４７は縦方向と横方向で倍率を同等にする等倍レンズ４７Ａを付帯して有してあり、この等倍レンズ４７Ａの撮像方向の前方に変倍レンズ４８を配置する。

尚ここで、倍率Ｎを２〜５倍とするのは、２倍未満では拡大による検査精度の向上が充分に望めず、５倍以上では、倍率が増加するに従って液滴画像の輪郭部の鮮明度が低下するが、この鮮明度の低下が検査精度に影響を及ぼし面積の算出に誤差が生じるおそれがあるためである。

また、駆動電圧と面積との関係は、実際の吐出量を電子天秤等の計量手段を用いて測定するなどして予め実験により求めておくことができる。例えば、駆動電圧に対する実際の吐出量（電子天秤で計測した吐出量）と液滴の面積を駆動電圧毎に測定し、これらの測定データから駆動電圧毎の吐出量と面積の関係を表すテーブルを作成する。このときの液滴の面積は、変倍したまま用いても良いし、変倍した分を除算して用いても良い。制御装置５２は、変倍したままの面積を用いる場合には、画像処理装置５５から送られた液滴Ｙの面積をそのまま比較に用いれば良く、原寸の面積を用いる場合には、画像処理装置５５から送られた液滴Ｙの面積を倍率Ｎで割った値を比較に用いれば良い。

従って、本発明に係る塗布装置によれば、以下の作用効果を奏する。
(a)高速度カメラ４７の撮像光学系中に液滴の吐出方向に沿う縦方向と、該縦方向に直交する横方向で倍率の異なる変倍レンズ４８を配置し、横方向の倍率を縦方向の倍率に比して大きく、例えばＮ倍にした。従って、高速度カメラ４７の撮像光学系中に等倍レンズ４７Ａを配置しただけのときに、塗布ヘッド２２のノズル３４から滴下される液滴の飛翔形状の縦横比がＬ対Ｋ（図８（Ａ））であったものに比し、変倍レンズ４８を配置したときには、塗布ヘッド２２のノズル３４から滴下される液滴の飛翔形状の縦横比がＬ対Ｎ×Ｋ（図８（Ｂ））になる。即ち、高速度カメラ４７の視野範囲Ａにおいて撮像された液滴の画像は、縦寸法Ｌ、横寸法Ｎ×Ｋの如くの広幅状になる。従って、高速度カメラ４７の視野範囲Ａの総画素数が限定されている中で、視野範囲Ａの縦方向で、液滴の長い画像の撮像に多数の画素を用いると同時に、視野範囲Ａの横方向でも、液滴の画像の幅が広くなった分だけ多数の画素を用いるものになる。よって、液滴の縦横全体の面積を算出して検査するに際し、視野範囲Ａの横方向に設けられる画素の有効利用率が高くなり、分解能が向上し、検査精度を上げることができる。

(b)画像処理装置５５が求めた液滴の上述(a)による高精度な面積によって圧電素子３５を制御し、塗布ヘッド２２のノズル３４からの溶液の吐出量を高精度に制御できる。これにより、塗布ヘッド２２が備える複数のノズル３４から吐出される溶液の液滴の面積が互いに同一になるように各ノズル３４からの溶液の吐出量を高精度に調整できる。

(c)変倍レンズ４８が、横方向の倍率を縦方向の倍率のＮ＝２倍以上にすることにより、液滴の上述(a)による面積の検査を確実に高精度にできる。

以上、本発明の実施例を図面により詳述したが、本発明の具体的な構成はこの実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。

図１は本発明の一実施の形態の塗布装置の概略的構成を示す正面図である。 図２は図１に示す塗布装置の側面図である。 図３は塗布ヘッドの縦断面図である。 図４は塗布ヘッドのノズルが形成された下面を示す底面図である。 図５は制御系統を示すブロック図である。 図６は測定装置の模式斜視図である。 図７は高速度カメラによって撮像された５つのノズルから吐出された溶液の液滴を示す模式図である。 図８は高速度カメラによって撮像された溶液の液滴の画像を示す模式図である。

符号の説明

２２ 塗布ヘッド
３４ ノズル
３５ 圧電素子（駆動手段）
４７ 高速度カメラ（撮像手段）
４８ 変倍レンズ
５５ 画像処理装置（検査手段）

Claims (6)

1. ノズルを備えた塗布ヘッドと、
   前記ノズルから溶液を液滴として吐出させる駆動手段と、
   撮像手段を備え、当該撮像手段が撮像した前記ノズルから吐出された飛翔中の液滴の画像に基づいて前記ノズルから吐出された前記液滴の量を測定する測定装置と、を有し、前記ノズルから前記液滴を吐出させて基板に塗布する溶液の塗布装置において、
   前記撮像手段の撮像光学系中に、前記液滴の吐出方向に沿う縦方向の倍率よりも該縦方向に直交する横方向の倍率を大きくする変倍レンズを備えることを特徴とする溶液の塗布装置。
2. 前記測定装置は、前記撮像手段が撮像した液滴の画像に基づいて該液滴の面積を求める検査手段を備えてなり、
   前記検査手段が求めた前記液滴の面積に基づいて前記駆動手段を制御し、前記ノズルからの吐出量を制御する制御手段をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の溶液の塗布装置。
3. 前記変倍レンズは、横方向の倍率を縦方向の倍率の２〜５倍とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の溶液の塗布装置。
4. 塗布ヘッドのノズルから溶液を液滴として吐出させて基板上に塗布する溶液の塗布方法において、
   前記ノズルから吐出された飛翔中の前記液滴を撮像手段により撮像する撮像工程と、
   前記撮像手段が撮像した前記液滴の画像に基づいて前記ノズルから吐出された前記液滴の量を測定する測定工程と、を有し、
   前記撮像工程においては、前記液滴の吐出方向に沿う縦方向の倍率よりも該縦方向に直交する横方向の倍率が大きくなるように撮像することを特徴とする溶液の塗布方法。
5. 前記測定工程においては、前記撮像手段が撮像した液滴の画像に基づいて該液滴の面積を求め、
   前記測定工程にて求めた前記液滴の面積に基づいて前記ノズルからの吐出量を制御する制御工程をさらに有することを特徴とする請求項４に記載の溶液の塗布方法。
6. 前記撮像工程においては、横方向の倍率を縦方向の倍率の２〜５倍にして撮像することを特徴とする請求項４又は５に記載の溶液の塗布方法。

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