JP5334512B2 - パターン形成方法 - Google Patents

Description

本発明はパターン形成方法に係り、特にインクジェットヘッドを用いて基板の表面に線状のパターンを形成するパターン形成方法に関する。

特許文献１には、機能性成分を含有した液体を基板上にインクジェットにより吐出して機能性膜パターンを形成する方法において、前記液体に対する接触角が３０［ｄｅｇ］以上６０［ｄｅｇ］以下である膜形成面を有する基板上に、前記基板上に付与されたときに直径の１％以上１０％以下の重なりが生じるように前記液体を吐出して、導電膜配線を形成することが開示されている。
特開２００３−８０６９４号公報

吐出された液体が染み込まない（浸透しない）基板の上に、インクジェットにより液体を吐出して線を描画する場合に、基板上に打滴された液体（液滴）の間隔や量によっては、線の一部にコブ状の膨らみ（バルジ）ができたり、輪郭が滑らかな線（直線）にならずにギザギザ（ジャギー）ができることがある。

特許文献１に記載の方法は、液体に対する基板の接触角と、基板上における液滴の重なり具合によって導電膜配線の断線や短絡を回避しようとするものである。しかしながら、インクジェット方式のパターン形成装置では、インクジェットヘッドからインクを吐出したときの着弾位置（吐出方向及び吐出量）の精度、及び基板の搬送位置の精度によりドットピッチのバラツキが生じる。このため、上記特許文献１に記載の方法では、均一な幅の線を安定的に描画することは困難である。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、均一な幅の線状のパターンを安定的に形成（描画）することが可能なインクジェット方式のパターン形成方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様に係るパターン形成方法は、機能性成分を含有する液滴を、該液滴が染み込まない基板の表面に対して吐出するノズルを有するインクジェット記録ヘッドから、前記基板の表面に前記液滴を一方向に順に吐出して線状のパターンを形成するパターン形成方法であって、前記基板の表面に着弾する前の前記液滴の直径をｄ、前記基板に対する前記液滴の接触角をθとした場合に、前記基板の表面において隣接する前記液滴のドットピッチｐが

の条件を満たし、かつ、前記液滴に含まれる揮発性溶媒の体積の割合が

以上となるように、前記インクジェット記録ヘッドおよび前記基板を支持する支持プレートの少なくとも一方を駆動制御し、前記インクジェット記録ヘッドと前記基板とを相対的に走査して前記ドットピッチｐを制御し、前記インクジェット記録ヘッドからの吐出量を制御するものである。

本発明の第２の態様に係るパターン形成方法は、上記第１の態様において、前記ノズルから前記基板表面に前記液滴を吐出した後、前記着弾した液滴に隣接する位置に着弾する液滴を吐出するまでの時間を１ミリ秒以下にするように、前記インクジェット記録ヘッドと前記基板とを相対的に走査し、前記液滴の吐出タイミングを制御するものである。

本発明の第３の態様に係るパターン形成方法は、上記第１又は第２の態様において、前記ノズルから前記基板表面に前記液滴を吐出する前に、前記基板以外の所定の領域に前記液滴を予備吐出し、前記予備吐出後１秒以内に前記線の描画を開始するように、前記インクジェット記録ヘッドと前記基板とを相対的に走査し、前記液滴の吐出タイミングを制御するものである。

本発明によれば、上記の式（１）の条件を満たすようにドットピッチを制御し、かつ、液体中の揮発性溶媒の体積の割合が上記の式（２）で表される値以上となるように調整することにより、ジャギー及びバルジの発生を防止することができる。

以下、添付図面に従って本発明に係るパターン形成方法の好ましい実施の形態について説明する。

［パターン形成装置の構成］
図１は、本発明の第１の実施形態に係るパターン形成装置を示す斜視図である。

図１に示すように、本実施形態に係るパターン形成装置（インクジェット記録装置）１０は、インクジェットヘッド（以下、記録ヘッドという。）１２と、支持プレート１４とを含んでいる。

記録ヘッド１２は、主走査方向（図１のｙ方向）にノズル２２が複数並べられたライン型の記録ヘッドである。

支持プレート１４には、記録ヘッド１２によって液体を吐出する対象である基板１６が載置される。支持プレート１４は、記録ヘッド１２との間のクリアランスが一定になるように支持されており、副走査方向（図１のｘ方向）に走査可能になっている。

支持プレート１４をｘ方向に走査しながら、記録ヘッド１２から液滴を吐出することにより、基板１６の描画領域の全面に液体を吐出することが可能になっている。

図２は、記録ヘッド１２のノズルが形成された面を示す平面図である。

図２に示すように、記録ヘッド１２は、ノズル２２と圧力室２４とを含む吐出素子２０（図３参照）が副走査方向（ｘ方向）に略直交する主走査方向（ｙ方向）に沿って略等間隔に並べられた構造を有する。

記録ヘッド１２のノズル径は、一例でφ３５μｍ、基板１６上において隣接する液滴の中心間の距離（ノズルピッチ）は、一例で２５４μｍ間隔（１００ｎｐｉ）である。記録ヘッド１２は、打滴周期が１ｋＨｚ、ヘッド走査速度が０．１ｍ／ｓで連続打滴が可能である。

図３は、吐出素子２０を示す断面図である。

ノズル２２に対応して設けられている圧力室２４は、その平面形状が略正方形となっている。圧力室２４の対角線上の両隅部の一方にノズル２２への流出口が設けられ、他方に圧力室２４への液体の供給口２６が設けられている。なお、圧力室２４の平面形状は、上記の正方形のほか、例えば、四角形（菱形、長方形）、五角形、六角形その他の多角形、円形、楕円形など、多様な形態があり得る。

図３に示すように、吐出素子２０の圧力室２４は、供給口２６を介して共通流路２８と連通している。共通流路２８は液体の供給源たるタンク（不図示）と連通しており、タンクから供給される液体は共通流路２８を介して各圧力室２４に分配供給される。

圧力室２４の一部の面（図３における天面）を構成している加圧板（共通電極と兼用される振動板）３０には個別電極３２を備えた圧電素子３４が接合されている。なお、圧電素子３４の材料としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）又はチタン酸バリウムのような圧電体を用いることができる。

個別電極３２と共通電極間に駆動信号が印加されると、圧電素子３４が変形して圧力室２４の容積が変化する。すると、圧力室２４内の圧力が変化することにより、ノズル２２から液滴が吐出される。そして、液体が吐出された後、圧電素子３４の変位が元に戻ると、共通流路２８から供給口２６を通って新しい液体が圧力室２４に再充填される。

なお、本実施形態では、圧電素子３４の変形によってインクを加圧する方式が採用されているが、上記以外の方式のアクチュエータ（例えば、サーマル方式）を適用してもよい。

図４は、パターン形成装置１０の制御系を示すブロック図である。

パターン形成装置１０は、通信インターフェース４０、システムコントローラ４２、メモリ４６、モータドライバ４８、ヒータドライバ５２、打滴制御部５６、バッファメモリ５８、ヘッドドライバ６０を備えている。

通信インターフェース４０は、ホストコンピュータ８０から送られてくる打滴データを受信するインターフェース部である。通信インターフェース４０としては、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）、ＩＥＥＥ１３９４、イーサネット（登録商標）、無線ネットワークなどのシリアルインターフェース、又はセントロニクスなどのパラレルインターフェースを適用することができる。なお、この部分には、通信を高速化するためのバッファメモリを搭載してもよい。

システムコントローラ４２は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）及びその周辺回路を含んでおり、パターン形成装置１０の各部を制御する制御部である。システムコントローラ４２は、ホストコンピュータ８０との間の通信制御、メモリ４６の読み書き制御等をするとともに、搬送駆動系のモータ５０及びヒータ５４を制御する制御信号を生成する。

プログラム格納部４４には、パターン形成装置１０の制御プログラムが格納される。システムコントローラ４２はプログラム格納部４４に格納されている種々の制御プログラムを適宜読み出し、制御プログラムを実行する。

メモリ４６は、データの一時記憶領域、及びシステムコントローラ４２が各種の演算を行うときの作業領域として使用される記憶手段である。メモリ４６としては、半導体素子からなるメモリのほか、ハードディスクなどの磁気媒体を用いることができる。

モータ５０は、図１の記録ヘッド１２及び支持プレート１４の少なくとも一方を駆動して、記録ヘッド１２と支持プレート１４とを相対的に走査するための駆動機構を駆動するモータである。モータドライバ４８は、システムコントローラ４２からの制御信号に従ってモータ５０を駆動する。

ヒータドライバ５２は、システムコントローラ４２からの制御信号に従ってヒータ５４を駆動する。なお、ヒータ５４には、パターン形成装置１０の各部に設けられた温度調節用のヒータが含まれる。

ホストコンピュータ８０から送出された打滴データは、通信インターフェース４０を介してパターン形成装置１０に取り込まれ、メモリ４６に一時記憶される。

打滴制御部５６は、システムコントローラ４２の制御に従い、メモリ４６内の打滴データから吐出制御用の信号を生成するための各種加工、補正などの処理を行う信号処理機能を有し、生成した吐出制御信号（吐出データ）をヘッドドライバ６０に供給する制御部である。打滴制御部５６において所要の信号処理が施され、該打滴データに基づいてヘッドドライバ６０を介して記録ヘッド１２の液体の吐出量や吐出タイミングの制御が行われる。

ヘッドドライバ６０は、打滴制御部５６から与えられる吐出データに基づいて記録ヘッド１２の圧電素子３４を駆動する。なお、ヘッドドライバ６０は、ヘッドの駆動条件を一定に保つためのフィードバック制御系を備えていてもよい。

打滴制御部５６には、バッファメモリ５８が備えられており、打滴制御部５６における打滴データ処理時に打滴データやパラメータなどのデータがバッファメモリ５８に一時的に格納される。

なお、バッファメモリ５８は、メモリ４６と兼用することも可能である。また、打滴制御部５６とシステムコントローラ４２とを統合して１つのプロセッサで構成する態様も可能である。

また、図示は省略するが、パターン形成装置１０は、記録ヘッド１２に液体を供給するための供給系や、記録ヘッド１２のメンテナンスを行うメンテナンス部を備えている。

［液体の吐出条件］
図５は、記録ヘッド１２と基板１６とをｘ方向に相対的に走査してパターンＬを描画するときの走査制御の手順を模式的に示す図である。

図５に示すように、本実施形態では、記録ヘッド１２と基板１６とをｘ方向に相対的に走査して、機能性成分（例えば、銀ナノ粒子）を揮発性溶媒（例えば、水又はテトラデカン）に混合することにより生成された液体（インク）を吐出して線状の（例えば、直線の）パターンＬを描画する。この場合、基板１６上に打滴される液滴Ｄの間隔（ドットピッチｐ）が大きいとジャギーが発生しやすくなる。また、液体に含まれる揮発性の溶媒の割合が大きいとバルジが発生しやすくなる。以下、ジャギー及びバルジの発生を防止するための、ドットピッチｐと液体中の溶媒の割合の条件を求める。

［液体の吐出条件１（ドットピッチｐ）］
図６は、基板１６の表面に打滴された液滴の経時変化を模式的に示す図（断面図及び平面図）である。

図６（ａ）に示すように、記録ヘッド１２から吐出されて基板１６の表面に着弾した液滴Ｄ１_ｅｑｍは、着弾当初はそれぞれ略円形であり、隣接する液滴と接触する。そして、図６（ｂ）に示すように、各液滴Ｄがぬれ広がってパターンＬが形成される。

ここで、基板１６は、液滴Ｄが染み込まない（浸透しない）媒体であり、基板１６に着弾する前後で液滴の体積は保存されるとする。また、液滴Ｄの基板１６に対する接触角θが一定であるとする。

このとき、基板１６に着弾したときの液滴Ｄ１_ｅｑｍの直径ｄ_ｅｑｍ［μｍ］と着弾前の液滴Ｄの直径ｄ［μｍ］との比（拡がり率）β_ｅｑｍは下記の式（１）により表される。ここで、直径ｄは、着弾前の液滴Ｄを真球換算したときの直径である。

パターンＬの幅をｗ［μｍ］とすると、図６（ｂ）における液体Ｄ２_ｅｑｍを、液体Ｄ２_ｅｑｍの中心を通りｚｙ平面に平行な面で切ったときの断面積Ｓ１［μｍ^２］は下記の式（２）により表される。

従って、基板１６上において隣接する液滴の中心間の距離（ノズルピッチ）をｐ［μｍ］とすると、液体Ｄ２_ｅｑｍの体積Ｖａ［μｍ^３］は下記の式（３）により表される。

一方、着弾前の液滴の直径がｄであることから、着弾前の液滴Ｄの体積Ｖｂ［μｍ^３］は下記の式（４）により表される。

上記仮定１により着弾の前後で液滴Ｄの体積は不変である。Ｖａ＝Ｖｂを線幅ｗについて解くと、下記の式（５）が得られる。

ここで、ｗ≧ｄ_ｅｑｍ＝β_ｅｑｍｄであることから、ドットピッチｐを変数として式（５）を解くと、ドットピッチｐの条件式（６）が得られる。

上記の式（６）の条件を満たすようにドットピッチｐを制御することにより、パターンＬの輪郭のギザギザ（ジャギー）が発生するのを防止することができる。

［液体の吐出条件２（液体中の溶媒（揮発性成分）の割合の条件）］
次に、液体中の溶媒（揮発性成分）の割合の条件について説明する。ここで、基板１６上に吐出する液体は、例えば、水又はテトラデカン（いずれも揮発性が有る。）を溶媒中に銀ナノ粒子が分散した液体（インク）とする。

上記のように、基板１６上に液体を吐出してパターンＬを描画する場合、パターンＬ上の溶媒（液体成分）の量が線幅ｗに対して多すぎるとバルジが発生しやすくなる。バルジの発生を防止するためには、液滴Ｄが基板１６に着弾した後に溶媒を揮発（蒸発）させたときに、基板１６上の溶媒の量を、バルジが発生しない程度に減少させればよい。具体的には、基板１６上においてぬれ広がって溶媒が揮発した後の液滴Ｄの直径ｄ_ｅｑｍ［μｍ］が線幅ｗ［μｍ］と等しくなるようにする。ｗ＝ｄ_ｅｑｍとすると、ぬれ広がって溶媒が揮発した後の液滴Ｄ２_ｅｑｍの体積Ｖ_１［μｍ^３］は下記の式（７）により表される。

一方、着弾前の液滴の直径がｄであることから、着弾前の液滴Ｄの体積Ｖ_２［μｍ^３］は下記の式（８）により表される。

従って、液体中に含まれる揮発性の溶媒の割合（体積の割合）｛（Ｖ_２−Ｖ_１）／Ｖ_２×１００［％］｝は下記の式（９）により表される。

液体中の揮発性溶媒の体積の割合を上記の式（９）で表される値以上とすることにより、バルジの発生を防止することができる。

［液体の吐出条件３（打滴の時間間隔）］
次に、打滴の時間間隔について説明する。表１は、液滴の直径ｄ＝２６．０［μｍ］、ｄ_ｅｑｍ＝５５．５［μｍ］、接触角θ＝３０［°］として（即ち、上記の式（６）及び（９）の条件式を満たす条件下で）、１秒間に液滴Ｄを打滴する回数（印字周波数）とドットピッチとを変えて線を描画したときの線幅ｗの安定性を示している。

表１では、描画された線の線幅ｗが安定している場合（例えば、線幅ｗの変動量（例えば、単位長さ当たりの線幅の最大値と最小値の差）が所定値未満の場合）が「〇」、線幅ｗの変動量が所定値以上であるものの「×」の場合よりも変動量が大きくない場合が「△」、「△」の場合の変動量の最大値よりも線幅ｗの変動量が大きい場合が「×」で表されている。表１の実験結果によれば、印字周波数を１０００Ｈｚ以上にした場合に、線幅ｗが安定し、バルジ及びジャギーが発生しないという結果が得られた。

従って、ｎ滴目が印字されてから（ｎ＋１）滴目が印字されるまでの間隔を１ミリ秒以下とする。このようにすることで、印字中に基板１６上において、平衡状態（液滴Ｄがぬれ広がって液滴Ｄの形状が安定した状態）の部分と、非平衡状態（液滴Ｄがぬれ広がっている最中の液滴Ｄの形状が安定する前の状態）の部分とが混在することが防止できる。この結果、非平衡状態の液滴Ｄの大きな固まりができて、パターンＬの一部が太くなったりすることなく平衡状態となり、均一幅の線描画が可能となる。

［液体の吐出条件４（予備吐出）］
次に、印字開始前の予備吐出について説明する。

インクジェット方式のパターン形成装置では、インクが吐出されない状態が所定の時間以上続いた場合、記録ヘッド１２のノズル２２の近傍に付着したインクの溶媒が揮発（蒸発）して、当該インクの銀ナノ粒子の濃度が高くなり、粘度が高くなる。すると、圧電素子３４（図３参照）が動作させたときに、液体の吐出不良又は不吐出が生じる。

したがって、本実施形態では、印字開始前に所定の予備吐出領域にインクを吐出する予備吐出（「空吐出」、「パージ」、「唾吐き」）を行うことにより、ノズル２２の近傍に付着した粘度が高いインクを除去する。また、ノズル面の清掃手段として設けられているクリーニングブレードのワイパー（不図示）によってノズル面の汚れを清掃した後にも予備吐出を行って、上記ワイパー摺擦動作によってノズル内に異物が混入するのを防止する。

上記予備吐出を行う場合、予備吐出後１秒以内に印字を開始することが好ましい。これにより、安定した均一幅の線描画が可能となる。

基板１６上に予備吐出をすることは製品に重大な問題を与える可能性があるため、パターン形成装置１０に予備吐出領域を設けることが望ましい。なお、予備吐出を行ってから印字を開始するまでの時間を短縮するため、予備吐出領域を基板１６又は印字開始位置ＳＴの周囲全体に設置するのが望ましい。

図７から図９は、予備吐出領域の配置の例を示す平面図である。

図７に示す例では、記録ヘッド１２がｘｙ方向に移動可能となっており、支持プレート１４の基板１６載置面の、基板１６を囲む領域に予備吐出領域１００が設けられている。

予備吐出を行う場合には、基板１６の印字開始位置（点）ＳＴから予備吐出領域１００の内周に下ろした垂線のうち、長さが最も短いものＬ１を選択する。そして、この最垂パターンＬ１を予備吐出領域１００側に延長した線上の点（予備吐出位置）ＰＲにおいて予備吐出を行う。予備吐出位置ＰＲは、例えば、予備吐出位置ＰＲと基板１６との距離が、予備吐出された液体が予備吐出領域１００に着弾したときの液滴の半径の予測値より長くなるような位置に設定される。そして、予備吐出終了後に、記録ヘッド１２を垂パターンＬ１に沿って印字開始位置ＳＴに移動させる。これにより、予備吐出終了から印字開始位置ＳＴにおいて印字開始するまでの時間を短縮することができる。

図８及び図９に示す例では、予備吐出領域１００Ａは、基板１６の両側に設けられている。図８に示す例では、記録ヘッド１２が±ｙ方向に移動可能となっており、基板１６が±ｘ方向に移動可能となっている。また、図９に示す例では、記録ヘッド１２がｘｙ方向に移動可能となっており、基板１６が＋ｘ方向に移動可能となっている。

図８及び図９に示す例においても、図７と同様に予備吐出位置を設定することにより、予備吐出終了から印字開始位置ＳＴにおいて印字開始するまでの時間を短縮することができる。

なお、線の一部が大きく膨らむ現象は２〜８秒のタイムスケールで発生することが確認されている。このため、ヒータ５４等を制御して基板１６上の液滴Ｄを着弾後１秒以内に固化させることにより、バルジの発生を防止することも可能である。

［パターン形成の手順］
次に、パターン形成の手順について、図１０のフローチャートを参照して説明する。

まず、システムコントローラ４２は、基板１６上の印字開始位置ＳＴの座標を取得し、予備吐出領域１００内において印字開始位置ＳＴに最も近い予備吐出可能な点（予備吐出位置ＰＲ）の座標を算出する。そして、システムコントローラ４２は、ヘッドドライバ６０に制御信号を出力して、記録ヘッド１２を予備吐出位置ＰＲに移動させる（ステップＳ１０）。

次に、予備吐出が行われ（ステップＳ１２）、記録ヘッド１２が印字開始位置ＳＴに移動して（ステップＳ１４）、印字が開始される（ステップＳ１６）。そして、上記の式（６）の条件を満たすドットピッチで、打滴間隔が１ミリ秒以下でパターンＬの描画が行われる（ステップＳ１８）。

ここで、システムコントローラ４２は、ステップＳ１２からＳ１６までの工程が１秒以内に終了するように、記録ヘッド１２及び支持プレート１４の制御を行う。

本実施形態によれば、上記の式（６）の条件を満たすようにドットピッチｐを制御し、かつ、液体中の揮発性溶媒の体積の割合を上記の式（９）で表される値以上とし、かつ、打滴の時間間隔及び予備吐出からの時間間隔を所定値以下とすることにより、ジャギー及びバルジの発生を防止することができる。

本発明の第１の実施形態に係るパターン形成装置を示す斜視図 記録ヘッド１２のノズルが形成された面を示す平面図 吐出素子２０を示す断面図 パターン形成装置１０の制御系を示すブロック図 記録ヘッド１２と基板１６とをｘ方向に相対的に走査してパターンＬを描画するときの走査制御の手順を模式的に示す図 基板１６の表面に打滴された液滴の経時変化を模式的に示す図（断面図及び平面図） 予備吐出領域の配置の例を示す平面図 予備吐出領域の配置の例を示す平面図 予備吐出領域の配置の例を示す平面図 パターン形成の手順を示すフローチャート

符号の説明

１０…パターン形成装置、１２…記録ヘッド、１４…支持プレート、１６…基板、２０…吐出素子、２２…ノズル、２４…圧力室、２６…供給口、２８…共通流路、３０…加圧板、３２…個別電極、３４…圧電素子、４０…通信インターフェース、４２…システムコントローラ、４４…プログラム格納部、４６…メモリ、４８…モータドライバ、５０…モータ、５２…ヒータドライバ、５４…ヒータ、５６…打滴制御部、５８…バッファメモリ、６０…ヘッドドライバ、８０…ホストコンピュータ

Claims (3)

1. 機能性成分を含有する液滴を、該液滴が染み込まない基板の表面に対して吐出するノズルを有するインクジェット記録ヘッドから、前記基板の表面に前記液滴を一方向に順に吐出して線状のパターンを形成するパターン形成方法であって、
   前記基板の表面に着弾する前の前記液滴の直径をｄ、前記基板に対する前記液滴の接触角をθとした場合に、前記基板の表面において隣接する前記液滴のドットピッチｐが
   

   

   の条件を満たし、かつ、前記液滴に含まれる揮発性溶媒の体積の割合が
   

   

   以上となるように、前記インクジェット記録ヘッドおよび前記基板を支持する支持プレートの少なくとも一方を駆動制御し、前記インクジェット記録ヘッドと前記基板とを相対的に走査して前記ドットピッチｐを制御し、前記インクジェット記録ヘッドからの吐出量を制御する、パターン形成方法。
2. 前記ノズルから前記基板表面に前記液滴を吐出した後、前記着弾した液滴に隣接する位置に着弾する液滴を吐出するまでの時間を１ミリ秒以下にするように、前記インクジェット記録ヘッドと前記基板とを相対的に走査し、前記液滴の吐出タイミングを制御する、請求項１記載のパターン形成方法。
3. 前記ノズルから前記基板表面に前記液滴を吐出する前に、前記基板以外の所定の領域に前記液滴を予備吐出し、
   前記予備吐出後１秒以内に前記線の形成を開始するように、前記インクジェット記録ヘッドと前記基板とを相対的に走査し、前記液滴の吐出タイミングを制御する、請求項１又は２記載のパターン形成方法。

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