JP6288692B2 - 液体の塗布装置及び塗布方法 - Google Patents

Description

本発明の実施の形態は、液体の塗布装置及び塗布方法に関する。

従来より、液晶表示装置や、半導体装置の製造工程においては、ガラス基板や半導体ウェーハなど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、基板の板面にたとえば配向膜やレジスト膜など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噴射して基板上に矩形状のパターンを形成し、乾燥させて薄膜を形成する方法が用いられる。

特開平７−２８３１０８号公報

ところで、基板に溶液を矩形状のパターンで噴射塗布して乾燥させた場合、このパターンを形成する乾燥後の塗布膜は、周縁部分の膜厚が周縁部分よりも内側の中央部分の膜厚よりも厚くなるということがある。つまり、基板に塗布された溶液は、その乾燥段階において、パターンの周縁部分での乾燥が中央部分よりも速くすすむため、乾燥の遅い中央部分の溶液が周縁部分に流れ込み、その周縁部分が盛り上がって中央部分よりも厚くなるということがあった。

一方、従来の他の膜形成技術においては、スピンコータを用いて基板表面に塗布液を塗布し、その塗布液を減圧によってある程度乾燥させた後、基板の端縁に付着した不要な塗布液を洗浄して除去し、オーブンによって塗布液を加熱乾燥する技術が知られている（例えば、特許文献１）。

しかしながら、このような技術においても、上述の問題を十分に解消できるものではなかった。

本発明は、乾燥後の塗布膜が、特に、周辺部で盛り上がることを防止し、乾燥後の塗布膜を所望の形状に形成することを目的とする。

本発明の塗布装置は、
基板に溶液を所定のパターンで塗布し、前記溶液が塗布後にレベリングすることで矩形状の塗布膜を形成する塗布装置であって、
前記溶液を前記基板に噴射塗布する複数のノズルを有するヘッドと、
前記基板が前記ヘッドの下方を所定方向に沿って通過するようこれら基板とヘッドを相対的に移動させる搬送手段と、
前記ノズルから前記基板に溶液を噴射塗布する際、前記パターンの前記塗布膜の全ての周縁部分となる部分で吐出する溶液の量を周縁部分よりも内側となる部分で吐出する量よりも多くする制御を行う制御する制御手段と
具備したことを特徴とする。

本発明の塗布方法は、
ヘッドに設けられた複数のノズルから基板に溶液を所定のパターンで噴射塗布し、前記溶液が塗布後にレベリングして矩形状の塗布膜を形成する塗布方法であって、
前記基板が前記ヘッドの下方を通過するよう前記基板と前記ヘッドを相対的に所定方向に沿って移動させる工程と、
前記溶液を前記基板に噴射塗布する工程を有し、
前記噴射塗布する工程において、前記パターンの全ての周縁部分となる部分で吐出される溶液の量が前記周縁部分よりも内側となる部分で吐出される量よりも多くなるようにすることを特徴とする。

本発明によれば、乾燥後の塗布膜が、特に、周辺部で盛り上がることが防止され、乾燥後の塗布膜を所望の形状で形成することができる。

発明の第一の実施の形態の塗布装置の概略構成図。 図１に示す塗布装置に用いられるヘッドの断面図。 塗布パターンの周縁部分の溶液を増加した状態を示す基板の平面図。 周縁部分において塗布量を増加した塗布パターンによって得られた膜の状態（乾燥前）を示す基板の側面断面図。 周縁部分において塗布量を増加した塗布パターンによって得られた膜の状態（乾燥後）を示す基板の側面断面図。

以下、図面を参照しながらこの発明の実施の形態を説明する。

図１はこの発明を適用した溶液の塗布装置を示し、この塗布装置は、ベース１を有する。ベース１の上面には、図１に示すＸ方向に所定間隔で離間した一対のレール２が、ベース１のＸ方向とは水平方向において直交するＹ方向に沿って設けられている。上記レール２にはテーブル３が走行可能に設けられ、図示しない駆動源によって走行駆動されるようになっている。テーブル３の上面には多数の支持ピン４が設けられ、これら支持ピン４には、たとえば液晶表示装置に用いられるガラス製の基板Ｗが供給されて支持される。

各支持ピン４には、図示しない吸引孔が上端に開口して形成されている。これらの吸引孔には、図示しない吸引ポンプが同じく図示しない切替弁を介して接続されている。したがって、切替弁の適宜切替動作により、基板Ｗは支持ピン４によって吸着保持され、または吸着解除されるようになっている。そして、支持ピン４に吸着保持された基板Ｗは、テーブル３がレール２に沿って移動することにより、Ｙ方向に走行可能となっている。

なお、支持ピン４は基板Ｗとの接触面積を小さくし、支持ピン４によって基板Ｗの温度分布にばらつきが生じないようにするため、先端に行くにつれて細くなる形状が好ましい。

上記テーブル３に保持されて移動する基板Ｗの上方には、上記基板Ｗに、たとえば配向膜やフォトレジスト膜などの機能性薄膜を形成するための溶液をインクジェット方式で噴射塗布する複数のヘッド、この実施の形態では３つのヘッド７Ａ〜７Ｃが、基板Ｗの搬送方向と交差する方向（図１に示すＸ方向）に沿って一列に配設されている。

各ヘッド７Ａ〜７Ｃは、図２に示すようにヘッド本体８を備えている。ヘッド本体８は筒状に形成され、その下面開口は可撓板９によって閉塞されている。この可撓板９はノズルプレート１１によって覆われており、このノズルプレート１１と上記可撓板９との間に複数の液室１２が形成されている。

各液室１２は、ノズルプレート１１内に形成された主管１１Ａに不図示の枝管を介してそれぞれ連通されていて、主管１１Ａからこの枝管を介して溶液が各液室１２に供給される。主管１１Ａは、一端が後述する給液孔１３に接続され、他端が後述する回収孔１７に接続されている。

上記ヘッド本体８の長手方向一端部には上記液室１２に連通する給液孔１３が形成されている。この給液孔１３から上記液室１２にはたとえば配向膜やレジスト膜などの機能性薄膜を形成する溶液が供給される。それによって、上記液室１２内は溶液で満たされるようになっている。

上記ノズルプレート１１には、基板Ｗの搬送方向に直交する方向（Ｘ方向）に沿って複数のノズル１４が穿設されている。上記可撓板９の上面には、図２に示すように上記各ノズル１４にそれぞれ対向して複数の圧電素子１５が設けられている。

各圧電素子１５は上記ヘッド本体８内に設けられた駆動部１６によって駆動電圧が供給される。それによって、圧電素子１５は伸縮し、可撓板９を部分的に変形させるから、その圧電素子１５に対向位置するノズル１４から溶液が搬送される基板Ｗの上面に噴射塗布される。

なお、圧電素子１５に印加する電圧の大きさを変えて圧電素子１５の作動量を制御すれば、各圧電素子１５が対向するノズル１４からの溶液の吐出量を変えることができる。

図２に示すように、上記ヘッド本体８の長手方向他端部には上記液室１２に連通する回収孔１７が形成されている。上記給液孔１３から液室１２に供給された溶液は、上記回収孔１７から回収することができるようになっている。すなわち、各ヘッド７Ａ〜７Ｃは上記液室１２に供給された溶液をノズル１４から噴射させるだけでなく、上記液室１２を通じて上記回収孔１７から回収することが可能となっている。

図１、図２に示すように、各ヘッド７Ａ〜７Ｃの給液孔１３には溶液供給管２１から分岐された供給分岐管２２が接続され、回収孔１７には回収管２３から分岐された回収分岐管２４が接続されている。上記供給分岐管２２には供給開閉弁２５が設けられ、回収分岐管２４には回収開閉弁２６が設けられている。上記供給管２１と回収管２３との先端は連通弁２７を介して接続されている。さらに、回収管２３には回収分岐管２４よりも基端側の部分に主回収弁２８が設けられている。

上記溶液供給管２１の基端は、上記溶液Ｌが収容された溶液タンク３１の底部に接続されている。溶液タンク３１の上部には、開閉制御を有する図示しない大気開放管が接続されている。上記回収管２３の基端は、上記溶液タンク３１に供給する溶液Ｌを貯蔵した貯蔵タンク３２に接続されている。回収管２３の基端部からは供給弁３３を有する供給分岐管３４が分岐され、この供給分岐管３４は上記溶液タンク３１の底部に接続されている。

上記貯蔵タンク３２の上部には、上記溶液タンク３１と同様、開閉制御弁を有する図示しない大気開放管が接続されている。さらに、図示しないガス供給管が接続されている。このガス供給管には開閉制御弁が接続されており、開閉制御弁には流量絞り弁が並列に設けられている。

なお、上述した開閉弁及び各ヘッド７Ａ〜７Ｃに設けられた圧電素子１５は、図示しない制御装置によって開閉及び供給電圧が制御されるようになっている。

さらに、溶液タンク３１内の溶液Ｌの液面は、図示しないレベルセンサによって検出される。溶液Ｌの液面が所定以下になったことがレベルセンサによって検出されると、その検出に基いて貯蔵タンク３２から溶液Ｌが補給される。つまり、貯蔵タンク３２内の溶液Ｌが図示しない開閉制御弁を通じて供給される不活性ガスによって加圧されることで、上記溶液Ｌが上記溶液タンク３１に補給され、これにより、溶液タンク３１内の溶液Ｌの液面が一定高さになるよう制御される。

つぎに、上記構成の塗布装置によって基板Ｗに溶液Ｌを塗布する動作について説明する。

不図示の搬送ロボットによって、基板Ｗがテーブル３上に供給、載置されると、テーブル３の移動が開始される。このテーブル３の移動中、基板Ｗがヘッド７Ａ〜７Ｃの下方に搬送されてきたならば、図示しない制御装置から駆動部１６へ駆動信号が送られ、この駆動信号を受けて駆動部１６が各圧電素子１５に駆動電圧を印加する。これによって、各ヘッド７Ａ〜７Ｃのノズル１４から基板Ｗに溶液Ｌが噴射塗布される。

基板Ｗに溶液が塗布されたならば、テーブル３は、基板Ｗが供給、載置された位置へと移動する。その位置で、溶液が塗布された基板Ｗは搬出される。なお、次に溶液が塗布される基板Ｗがあれば、その基板Ｗがステージ３上に供給、載置され、上述の動作が繰り返される。

ところで、基板Ｗに矩形状の塗布パターンを形成する際、乾燥後の矩形状の塗布膜Ｐの周縁部分の膜厚が、他の部分である中央部に比べて厚くなるのを防止する必要がある。

そこでこの実施形態では、基板Ｗに溶液を塗布する段階では、基板Ｗ上における塗布膜形成領域の周縁部分に塗布される溶液Ｌの量を周縁部分より内側の中央部分よりも１０〜６０パーセント多くする。つまり、中央部分に溶液Ｌを塗布する際にノズル１４から吐出させる溶液Ｌの吐出量をＳと設定した場合、周縁部分に溶液Ｌを塗布するときにノズル１４から吐出させる溶液Ｌの吐出量を１．１Ｓ〜１．６Ｓに設定する。ここで、図２に示すように、たとえば、３つのヘッド７Ａ〜７Ｃには、それぞれ３個のノズル１４がＸ方向に沿って一直線状に形成されていると仮定する（実際に塗布に用いるヘッドは一般的に１００個を超えるノズルが形成されているが、説明をしやすくするためにここでは３個とする）。

なお、この例は、３つのヘッド７Ａ〜７Ｃの３つのノズル１４をそれぞれ図２における左から順にＮ１〜Ｎ３とし、基板Ｗを移動させながら、あるいはピッチ移動させながら、合計９個のノズル１４を用いて、図３に示すように、ノズル１４の配列方向であるＸ方向に９列、基板Ｗの搬送であるＹ方向に９行の９列×９行の配置パターンで溶液Ｌの液滴を塗布するものである。また、図１での隣接するヘッド同士の間隔、図２ではＮ１〜Ｎ３のノズル配置間隔が誇張して描いてあるが、９個のノズルのピッチは図３におけるＳとする。

このようなパターンで溶液Ｌを塗布するときには、まず、１行目の液滴の塗布位置がヘッド７Ａ〜７Ｃの真下を通過するタイミングに合わせて、全てのノズル１４から、中央部分に溶液Ｌを塗布するときの吐出量Ｓよりも１０〜６０パーセント多い吐出量（１．１Ｓ〜１．６Ｓ）で溶液Ｌを噴射させるように制御する。また、２行目から８行目の各行に対しては、両端に位置するノズル１４、すなわち、ヘッド７ＡのノズルＮ１とヘッド７ＣのノズルＮ３からは溶液Ｌを吐出量１．１Ｓ〜１．６Ｓで噴射させ、残りの７個のノズル１４、すなわち、ヘッド７ＡのノズルＮ２〜Ｎ３、ヘッド７ＢのノズルＮ１〜Ｎ３、ヘッド７ＣのＮ１〜Ｎ２からは溶液Ｌを吐出量Ｓで噴射させるように制御する。さらに、９行目に対しては、１行目と同様に、全てのノズル１４全てから溶液Ｌを吐出量１．１Ｓ〜１．６Ｓで噴射させるように制御する。

なお、ノズル１４からの吐出量を１０〜６０パーセント増加させるためには、不図示の制御装置によって、当該ノズル１４に対応する圧電素子１５に印加する電圧を増加させるように制御したり、電圧の印加時間を増加させるように制御したり、あるいは、それらを組み合わせることによって制御することで行うことができる。

このように塗布することによって、図３に示すように、ヘッド７Ａの左端のノズルＮ１によって溶液Ｌが塗布される領域Ｎ１Ａ、ヘッド７Ｃの右端のノズルＮ３によって溶液Ｌが塗布される領域Ｎ３Ａ、１行目の溶液Ｌが塗布される領域ＦＡ、および、９行目の溶液Ｌが塗布される領域ＥＡからなる周縁部分の領域の各液滴の量は、その他の領域の各液滴の量よりも１０〜６０パーセント多くなる。図３において、円の大きさは、基板Ｗに塗布された液滴の量の多い、少ないを表す。

ちなみに、この実施の形態では、各ノズル１４の列方向（塗布膜Ｐの幅方向）におけるノズルの配置間隔を０．２ｍｍに設定し、また同一ノズル１４から溶液Ｌを１回噴射させてから次に噴射させる間に基板ＷをＹ方向に０．２ｍｍ搬送するようになっている。

この場合、塗布膜Ｐの周縁部分の領域、つまり溶液Ｌの供給量を多くする領域の幅は０．２ｍｍとすることが好ましい。このようにすると、周縁部分の溶液Ｌの液滴は、図３に示すように隣り合う液滴同士が隙間なく並ぶ状態となり、直ちに付着し合って一体化して周縁部分の形状が規定される。そのため、乾燥後の塗布膜Ｐの外周形状（矩形状）を所望の形状とすることができる。なお、前述の幅寸法は形成する塗布膜Ｐの大きさなどの条件によって異なってくる。すなわち、塗布膜Ｐの大きさが大きくなればなる程、溶液Ｌの供給量を多くする領域の幅もその分だけ広くすると良い。

なお、図３に示すようなパターンで塗布膜形成領域に塗布された各液滴は、塗布後、それぞれ濡れ広がって互いに付着し合い（一般にこの段階を「レベリング（平滑化）」ともいう。）矩形状の塗布膜Ｐを形成する。図４は、この塗布膜Ｐを側面から見た断面図である。

次に、上記実施形態における作用について説明する。

先に述べたように、周縁部分と中央部分に塗布する溶液Ｌの液滴の大きさ、量が同じである場合、そのようなパターンで塗布された液滴によって形成された乾燥前の塗布膜は、表面張力の作用により中央部分に比べて周縁部分の膜厚が薄くなる傾向にある。塗布膜における膜厚の薄い周縁部分は、膜厚の厚い中央部分よりも気化熱による温度低下が大きいので、中央部分よりも液温が低くなる。一般的に液体は温度が低いと表面張力が大きくなる性質を有していることから、周縁部分と中央部分において表面張力の差が生じると、所謂マランゴニ対流の作用により、表面張力が低い方（中央部分）から高い方（周縁部分）へと溶液Ｌが流れこみ、乾燥が完了した後の塗布膜の周縁部分の膜厚が中央部分に比べて厚くなるということがある。

しかしながら、本実施の形態によれば、基板Ｗに溶液を塗布する段階で、塗布膜Ｐの周縁部分は中央部分に比べて溶液Ｌの供給量を多くして塗布している。イメージ図で説明すると、図４に示すように、ノズル１４から吐出された溶液Ｌによって形成された乾燥前の塗布膜Ｐは、周縁部分に対する吐出量を増加させているため、表面張力の影響を受けながらも周縁部分が盛り上がって形成される。盛り上がっている周縁部分は、中央部分に比べて多くの溶液Ｌが溜まっているため、中央部分と同じ量の溶液Ｌを塗布している場合と比べ、気化熱による温度低下が緩やかになる。これに対し中央部分の溶液は周縁部分より少ないため、液温が周縁部分と比べて速く低くなりやすい。液体の性質上、液温が高い方（すなわち周縁部分）から低い方（すなわち中央部分）へと移動しやすくなるため、周縁部分に溜まった溶液Ｌは、中央部分へと徐々に移動する。したがって、周縁部分に塗布する溶液Ｌの量を増加させたとしても、乾燥の過程で時間の経過とともに周縁部分の溶液Ｌが中央部分に移動し、図５に示すように、図４の塗布膜Ｐよりも、周縁部分と中央部分とで厚さの差が少ない乾燥後の塗布膜Ｐが形成される。

なお、塗布膜Ｐの周縁部分への溶液Ｌの供給量を、それ以外の部分に対する供給量に対して１０〜６０パーセントの範囲で増加させるように調整すると好ましいが、その理由は次のとおりである。

すなわち、周縁部分へ供給する溶液Ｌの増加量が１０パーセント以下であると、中央部との供給量の差が小さいため、基板に形成された塗布パターンの周縁部分の膜厚が中央部よりも厚くなることがあり、逆に周縁部分へ供給する溶液Ｌの増加量が６０パーセント以上であると、圧電素子１４による吐出量の制御が安定しないなどの影響があるためである。

なお、本発明の実施において、溶液Ｌは機能性薄膜等の膜形成に用いられる溶液であればよく、さらに粘度の高い溶液においては、乾燥前の塗布膜Ｐ中での溶液の移動速度が遅くなるため、本発明の効果が発揮されやすい。粘度は例えば、１ｃＰ以上１０００ｃＰ以下であることが好ましい。

また、乾燥後の塗布膜Ｐの周縁部分の膜厚が中央部よりも厚くなった場合であっても、その厚さが許容範囲内であれば差し支えない。

また、塗布膜形成領域に９列×９行のドットパターンで溶液Ｌを塗布し、９列×９行の最外周に位置する１列分に対する溶液Ｌの吐出量をそれよりも内側に塗布する溶液の吐出量よりも増加させるものとしたが、これに限定されるものではなく、塗布膜形成領域の周縁部分に塗布する溶液ドットのうち何列分の溶液の吐出量を増加させるかは、形成する塗布膜Ｐの大きさなどの条件によって適宜設定されるものである。

また、塗布膜形成領域における周縁部分と中央部分に溶液ドットを一括して塗布するものとしたが、これに限られるものではなく、周辺部分と中央部分とに分けて溶液ドットを塗布するようにしても良い。すなわち、まず、周辺部分に、中央部分に塗布する溶液Ｌの吐出量よりも１０〜６０パーセント増加させた吐出量で溶液ドットを塗布し、この後、中央部分に溶液ドットを塗布するようにしても良い。なお、周辺部分と中央部分の塗布順を入れ替えてもかまわない。このようにした場合、周辺部分と中央部分とで、溶液ドットの配置間隔を違えて設定することが可能となる。

周辺部分と中央部分とで、溶液ドットの配置間隔を違えて設定する場合には、各ヘッド７Ａ〜７Ｃを個別に水平面内で回動させる回転駆動装置を設けると良い。このように構成すると、ヘッド７Ａ〜７Ｃを回転させてノズル１４の配列方向をＸ方向に対して傾斜させることでノズル１４のＸ方向における配置間隔を狭めることができ、Ｘ方向における溶液ドットの配置間隔の変更にも対応することができる。

また、上記実施の形態では塗布膜Ｐの周縁部分の領域の溶液Ｌの吐出量を多くするために、対応するノズル１４の圧電素子１５への電圧を制御していたが、吐出量を増加させる制御方法はこれに限らない。例えば、対応するノズル１４から溶液Ｌを吐出する回数を増やすようにしたり、周縁部に向かうに従い、液滴と液滴の間隔が狭くなるようなパターンで溶液Ｌを塗布するようにしても良い。

また、基板への塗布は、単一のノズルまたは単一のヘッドを用いて例えば図３のようなパターンを形成するようにしても良い。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

３ テーブル（搬送手段）
７Ａ〜７Ｃ ヘッド
１４ ノズル
Ｌ 溶液
Ｐ 塗布膜
Ｗ 基板

Claims (4)

1. 基板に溶液を所定のパターンで塗布し、前記溶液が塗布後にレベリングすることで矩形状の塗布膜を形成する塗布装置であって、
   前記溶液を前記基板に噴射塗布する複数のノズルを有するヘッドと、
   前記基板が前記ヘッドの下方を所定方向に沿って通過するようこれら基板とヘッドを相対的に移動させる搬送手段と、
   前記ノズルから前記基板に溶液を噴射塗布する際、前記パターンの前記塗布膜の全ての周縁部分となる部分で吐出する溶液の量を周縁部分よりも内側となる部分で吐出する量よりも多くする制御を行う制御手段と、
   具備したことを特徴とする溶液の塗布装置。
2. 前記制御手段は、
   前記パターンの前記塗布膜の全ての周縁部分となる部分で吐出する溶液の量を周縁部分よりも内側となる部分で吐出する量よりも１０〜６０％多くする制御を行うことを特徴とする請求項１記載の溶液の塗布装置。
3. ヘッドに設けられた複数のノズルから基板に溶液を所定のパターンで噴射塗布し、前記溶液が塗布後にレベリングして矩形状の塗布膜を形成する塗布方法であって、
   前記基板が前記ヘッドの下方を通過するよう前記基板と前記ヘッドを相対的に所定方向に沿って移動させる工程と、
   前記溶液を前記基板に噴射塗布する工程を有し、
   前記噴射塗布する工程において、前記パターンの全ての周縁部分となる部分で吐出される溶液の量が前記周縁部分よりも内側となる部分で吐出される量よりも多くなるようにすることを特徴とする溶液の塗布方法。
4. 前記噴射塗布する工程において、前記パターンの前記塗布膜の全ての周縁部分となる部分で吐出される溶液の量が前記周縁部分よりも内側となる部分で吐出される量よりも１０〜６０％多くなるようにすることを特徴とする請求項３記載の溶液の塗布方法。

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