JP6404654B2

JP6404654B2 - 塗布方法および塗布装置

Info

Publication number: JP6404654B2
Application number: JP2014192530A
Authority: JP
Inventors: 博明大庭
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2014-09-22
Filing date: 2014-09-22
Publication date: 2018-10-10
Anticipated expiration: 2034-09-22
Also published as: WO2016047423A1; JP2016059909A; CN106714982B; CN106714982A

Description

この発明は塗布方法および塗布装置に関し、特に、対象物に液状材料を塗布する塗布方法および塗布装置に関する。

先端径が数十μｍの塗布針を用いてインクのような液状材料を塗布する技術や、スポット径が数μｍ〜数十μｍのレーザ光を用いてパターンを加工する技術を、マイクロメートルオーダーの精密位置決め技術と組み合わせると、微細なパターンを作成したり、パターンの所定の位置を正確に加工することが可能となるので、これらの技術はフラットパネルディプレイの修正作業や太陽電池のスクライブ作業などに従来から利用されている（たとえば、特許文献１〜３参照）。

特に塗布針を用いる技術は、ディスペンサが不得意とする粘度の高いインクでも塗布できるので、最近では、フラットパネルディプレイのパターンと比較して厚い１０μｍ以上の厚膜の形成にも利用されている。この技術は、たとえば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）やセンサなどの半導体デバイスの電子回路パターンやプリント基板配線の形成に用いられる。また、将来的に有望な製造技術であるプリンテッドエレクトロニクス技術で作製されるパターンも厚膜に分類される。したがって、塗布針を用いて液状材料を塗布する技術は、今後の用途拡大が期待される加工技術である。

特開２００７−２６８３５４号公報特開２００９−１２２２５９号公報特開２０１２−００６０７７号公報

ところで、たとえばＭＥＭＳに設けられた機構部の表面にインクの厚膜を形成する方法として、塗布針を用いて粘度の高いインクを繰り返し塗布し、複数のインク層を積層する方法が考えられる。しかし、この塗布方法では、インクを塗布する毎に塗布針の先端からＭＥＭＳの機構部に衝撃が印加され、ＭＥＭＳの機構部が破損する恐れがある。

それゆえに、この発明の主たる目的は、対象物を破損させることなく粘度の高い液状材料を厚く塗布することが可能な塗布方法および塗布装置を提供することである。

この発明に係る塗布方法は、塗布針の先端部に液状材料を付着させ、対象物の上方の予め定められた位置に塗布針を配置し、塗布針を下降および上昇させて対象物に液状材料を塗布し、液状材料からなる液状材料層を形成する工程を複数回実行し、複数の液状材料層を積層する塗布方法において、実行した工程の回数が増大するに従って、予め定められた位置から対象物に向けて塗布針を下降させる距離を減少させるものである。

好ましくは、今回の工程において塗布針を下降させる距離は、前回の工程において塗布針を下降させた距離よりも前回の工程で形成された液状材料層の厚さ分だけ小さい。

好ましくは、その底に孔が開口され、液状材料が注入された容器と、その先端部が孔と略同じ径を有する塗布針とを備え、塗布針を下降させ、塗布針の先端部を孔から突出させて先端部に液状材料を付着させるとともに塗布針を予め定められた位置に配置する。

また、この発明に係る塗布装置は、塗布針の先端部に液状材料を付着させる塗布ユニットと、塗布ユニットと対象物を相対移動させて対象物の上方の予め定められた位置に塗布針の先端を配置する位置決め装置と、塗布針を下降および上昇させる第１の駆動装置と、塗布ユニットおよび第１の駆動装置を制御して対象物に液状材料を塗布し、液状材料からなる液状材料層を形成する工程を複数回実行し、複数の液状材料層を積層する制御装置とを備えたものである。この制御装置は、第１の駆動装置を制御し、実行した工程の回数が増大するに従って、予め定められた位置から対象物に向けて塗布針を下降させる距離を減少させる。

好ましくは、制御装置は、今回の工程において塗布針を下降させる距離を、前回の工程において塗布針を下降させた距離よりも前回の工程で形成された液状材料層の厚さ分だけ減少させる。

好ましくは、塗布ユニットは、その底に孔が開口され、液状材料が注入された容器と、その先端部が孔と略同じ径を有する塗布針と、塗布針を下降および上昇させる第２の駆動装置とを含み、制御装置は、第２の駆動装置を制御して塗布針を下降させ、塗布針の先端部を孔から突出させて先端部に液状材料を付着させる。

この発明に係る塗布方法および塗布装置では、実行した塗布工程の回数が増大するに従って塗布針の下降距離を減少させるので、塗布針の先端から液状材料層を介して対象物に加えられる衝撃を緩和することができる。したがって、対象物を破損させることなく粘度の高い液状材料を厚く塗布することができる。

この発明の一実施の形態によるインク塗布方法において使用されるインク塗布装置の全体構成を示す図である。図１に示した塗布機構部に含まれる塗布ユニットの構成を示す断面図である。図２に示した容器および塗布針の構成を示す断面図である。図１〜図３に示したインク塗布装置を使用した塗布工程を示す断面図である。図４に示した塗布工程を複数回実行して厚膜を形成する方法を示す図である。

図１は、この発明の一実施の形態によるインク塗布方法において使用されるインク塗布装置１の全体構成を示す図である。図１において、インク塗布装置１は、基板の表面を観察する観察光学系２と、観察された画像を映し出すモニタ３と、観察光学系２を介して基板にレーザ光を照射し不要部をカットするカット用レーザ部４と、インクを塗布針の先端部に付着させて基板の対象領域に塗布する塗布機構部５と、対象領域に塗布されたインクを加熱する基板加熱部６と、対象領域を認識する画像処理部７と、装置全体を制御するホストコンピュータ８と、装置機構部の動作を制御する制御用コンピュータ９とを備える。さらに、その他に対象領域を有する基板をＸＹ方向（水平方向）に移動させるＸＹステージ１０と、ＸＹステージ１０上で基板を保持するチャック部１１と、観察光学系２や塗布機構部５をＺ方向（垂直方向）に移動させるＺステージ１２などが設けられている。

ＸＹステージ１０は、塗布機構部５によってインクを対象領域に塗布する際や、観察光学系２によって基板の表面を観察する際などに、基板を適切な位置に相対移動させるために用いられる。図１に示したＸＹステージ１０は、２つの一軸ステージを直角方向に重ねた構成を有している。ただし、このＸＹステージ１０は、観察光学系２や塗布機構部５に対して基板を相対的に移動させることができるものであればよく、図１に示すＸＹステージ１０の構成に限定されるものではない。基板サイズが大きい場合には、Ｘ軸方向とＹ軸方向にそれぞれ独立して移動可能なガントリ型のＸＹステージを用いてもよい。

図２（Ａ）は、図１に示した塗布機構部５に含まれる塗布ユニット２０の構成を示す断面図である。図２（Ａ）において、塗布ユニット２０は、その底に第１の孔２１ａが開口され、インク２２が注入された容器２１と、第２の孔２３ａが開口され、容器２１を密封する蓋２３と、第１および第２の孔２１ａ，２３ａと略同じ径を有する塗布針２４とを含む。塗布針２４の先端部は、第２の孔２３ａを貫通してインク２２に浸漬される。

図３は、塗布針２４と容器２１の部分を拡大した図であり、容器２１の底に開口された第１の孔２１ａと、その蓋２３に開口された第２の孔２３ａと、塗布針２４との寸法関係を表したものである。第１の孔２１ａの径をＤｄとし、第２の孔２３ａの径をＤｕとし、塗布針２４の径をＤとすると、ＤｄとＤｕはＤよりも大きく、Ｄｄ＞Ｄｕ＞Ｄの関係にある。なお、この関係式は、塗布針２４が段付ではなく、ストレートのタイプの場合に成り立つ。

また、第１の孔２１ａの径Ｄｄと塗布針２４の径Ｄとの差の半分（片側隙間）をΔｄとし、第２の孔２３ａの径Ｄｕと塗布針２４の径Ｄとの差の半分（片側隙間）をΔｕとすると、Δｄ＞Δｕの関係にあり、蓋２３に開口された第２の孔２３ａと塗布針２４との隙間よりも、容器２１の底に開口された第１の孔２１ａと塗布針２４との隙間の方が大きく設定されている。このため、第２の孔２３ａと塗布針２４で容器２１の姿勢を保つことができ、さらに、塗布針２４が第２の孔２３ａの内面に接触した状態にあっても、塗布針２４が第１の孔２１ａの内面に接触しないため、第１の孔２１ａの磨耗による変形を抑制できる。したがって、塗布針２４の先端部２４ａに付着するインク２２の液量が変化しないので安定した塗布が可能となる。

図２に戻って、塗布針２４の基端部は塗布針固定板２５に固定支持される。塗布針固定板２５は直動案内部材２６のスライド部２６ｂに固定され、直動案内部材２６のレール部２６ａは支持台２９に固定される。直動案内部材２６は、レール部２６ａとスライド部２６ｂの間に転動体（ボールなど）を介在させた転がり案内の構成を有し、レール部２６ａとスライド部２６ｂとは極軽い力で自在に直線運動することが可能なリニアガイドとなっている。塗布精度を向上するために、軽い予圧を与える場合もある。

直動案内部材２６の上下端にはそれぞれストッパ２７，２８が設けられ、スライド部２６ｂがレール部２６ａから抜け出ることを防止する。なお、直動案内部材２６にストッパ機能が内蔵されていれば、ストッパ２７，２８は無くてもよい。

支持台２９には、出力軸３０ａを上方に向けてエアシリンダ３０が設けられる。エアシリンダ３０の出力軸３０ａの先端には、先端にピン３１ａを固着した駆動板３１が水平に固定されており、出力軸３０ａと一体となって上下動する。ピン３１ａは、図２（Ｂ）に示すように、塗布針固定板２５に設けた切り欠き部２５ａの下方から接して、エアシリンダ３０の出力軸３０ａの上下動により、塗布針固定板２５を上下に移動させる機能を持つ。

容器２１は、たとえば、ポリプロピレン樹脂、フッ素樹脂、ポリアセタール樹脂等の樹脂からなり、容器２１の側部には突起部２１ｂが設けられている。この突起部２１ｂには、磁性体のピン３２が突起部２１ｂから上方に突出するように固着される。容器２１は射出成形により作成してもよく、この場合、ピン３２は射出成形時に一体成形することも可能である。

また、直動案内部材２６を固定する支持台２９の下端面には磁石３３が固着される。容器２１に固着されたピン３２の上端面を磁石３３の下端面に吸着させることで、容器２１を支持台２９に１点で吊り下げた状態で支持するとともに、蓋２３に開口された第２の孔２３ａに塗布針２４を貫通させると、その隙間Δｕは小さいため、容器２１は所定位置に保持される。また、容器２１の底に開口した第１の孔２１ａと塗布針２４との隙間ΔｄをΔｕよりも十分大きく設定することで、塗布針２４は、第１の孔２１ａに接触することなく上下動することが可能となる。たとえば、Δｄ＝２００μｍ、Δｕ＝１００μｍに設定する。

塗布針２４が容器２１の蓋２３に開口した第２の孔２３ａに挿入されれば、容器２１の姿勢は塗布針２４と第２の孔２３ａによりある程度拘束され、容器２１の姿勢が決まり、その姿勢を保持する。

容器２１の底に開口した第１の孔２１ａと塗布針２４とが接触しないため、ダストの発生を防止することができ、インク２２中へのダストの侵入を抑制することができる。また、容器２１は磁石３３と容器２１に固着したピン３２の吸引力で１面支持されているだけであり、塗布針２４と第２の孔２３ａとが接触しても、容器２１の固定方法には調心性があるため、塗布針２４に与える影響は少ない。ピン３２と磁石３３とが接する面はほぼ平らで、それらは３ｍｍ前後の直径である。なお、第１の孔２１ａの中心と第２の孔２３ａとの中心を結ぶ基準線が、塗布針２４の中心線とほぼ一致するように、ピン３２と磁石３３の接触面が設定される。

図４（Ａ）〜（Ｄ）は、図１〜図３で示したインク塗布装置１を使用して基板３５の表面の対象領域３５ａにインク２２を塗布する工程を示す図である。塗布機構部５は、塗布ユニット２０をＺ軸方向（垂直方向、塗布針２４の長さ方向）に下降および上昇させる副Ｚステージ３４を含む。副Ｚステージ３４は、Ｚ軸方向に伸縮する駆動軸３４ａを有し、駆動軸３４ａの先端部が支持台２９の上端部に固定されている。副Ｚステージ３４は、Ｚ軸方向の座標を有し、駆動軸３４ａを任意の第１座標から任意の第２座標まで所望の速度で移動させる機能を有する。まず、図４（Ａ）に示すように、ＸＹステージ１０およびＺステージ１２を用いて塗布ユニット２０と基板３５を相対移動させ、基板３５の対象領域３５ａの上方に塗布針２４の先端を配置する。

次に図４（Ｂ）に示すように、エアシリンダ３０の出力軸３０ａを下方（図では、出力軸３０ａを引き込む方向）に移動させ、出力軸３０ａと一体となって移動する駆動板３１を下方に移動させる。駆動板３１の先端に固着したピン３１ａは、塗布針固定板２５に設けた切り欠き部２５ａに下方から接しており、駆動板３１の下降により塗布針固定板２５は直動案内部材２６に沿って下方に移動する。それに合わせて塗布針２４も下方に移動し、容器２１の底に開口された第１の孔２１ａから塗布針２４の先端部２４ａが突出する。この状態で、塗布針２４の先端部２４ａにはインク２２が付着しており、塗布できる状態となる。このとき、塗布針２４の先端は対象領域３５ａの真上に配置され、塗布針２４の先端と対象領域３５ａの表面との間隔は所定の距離に設定されている。つまり、対象領域３５ａの上方の予め定められた位置に塗布針２４の先端が配置される。

その後、図４（Ｃ）に示すように、副Ｚステージ３４を用いて塗布ユニット２０全体を所定の速度で下降させ、インク２２が付着した塗布針２４の先端を基板３５の対象領域３５ａに接触させる。これにより、塗布針先端部２４ａのインク２２が対象領域３５ａに塗布され、インク層２２ａが形成される。

なお、塗布針２４の先端が対象領域３５ａに接触した後に継続して塗布ユニット２０を下降させてもスライド部２６ｂがレール部２６ａに沿って上方に退避するので、塗布針２４の先端には過大な負荷が加わらない。そのため、塗布時に基板３５に加えられる荷重は、スライド部２６ｂと、塗布針固定板２５と、塗布針２４の合成重量となり、たとえば、約１０ｇ前後と軽荷重である。

塗布針２４の先端を一定時間、対象領域３５ａに接触させた後、図４（Ｄ）に示すように、エアシリンダ３０の出力軸３０ａを上方（図では、出力軸３０ａを突出させる方向）に移動させ、塗布針２４の先端部２４ａを容器２１のインク２２中に浸漬した状態に戻すとともに、副Ｚステージ３４の駆動軸３４ａを上方に移動させて塗布ユニット２０全体を上方に移動させ、１回の塗布動作が終了する。

なお、ここでは塗布ユニット２０の下降を副Ｚステージ３４によって行なっているが、その代わりに観察光学系２を搭載したＺステージ１２によって行なってもよい。

このような塗布装置１を使用し、複数のインク層２２ａを積層して厚膜を作成する場合、単に図４（Ａ）〜（Ｄ）で示した塗布工程を繰り返すと、インク層２２ａを塗布する毎に塗布針２４の先端からインク層２２ａを介して対象領域３５ａ（たとえばＭＥＭＳの機構部）に衝撃が印加され、その衝撃によって対象領域３５ａが破損する恐れがある。

そこで本実施の形態によるインク塗布方法では、図４（Ｂ）で示した予め定められた位置から対象領域３５ａに向けて塗布針２４を下降させる距離（下降量）ｄを、実行した塗布工程の回数に応じて減少させ、塗布針２４の先端からインク層２２ａを介して対象領域３５ａに印加される衝撃を緩和する。

図４（Ｂ）では、容器２１の底に開口された第１の孔２１ａから塗布針２４の先端部２４ａが突出し、先端部２４ａにインク２２が付着し、塗布針２４の先端が対象領域３５ａの表面の上方の予め定められた位置に配置された状態を示した。図５（Ａ）は、図４（Ｂ）のうちのインク２２が付着した塗布針２４の先端部２４ａを示している。このとき、副Ｚステージ３４のＺ軸方向の座標が０に較正される。副Ｚステージ３４の座標の正方向は、塗布針２４を下降させる方向に設定されている。

また、この状態における塗布針２４の先端と対象領域３５ａの表面との間の距離ｄ０は予め測定された既知の値であり、ホストコンピュータ８に記憶されている。観察光学系２などを用いて塗布針２４の先端と基板３５の表面との距離を調整し、塗布針２４の先端と基板３５の表面とが略接触するときにおける副Ｚステージ３４のＺ軸方向の座標から上記の距離ｄ０を求め、ホストコンピュータ８に記憶させる。また、塗布針２４の長さや基板３５の厚さにはばらつきがあるので、距離ｄ０は適宜補正される。

第１回目の塗布工程では、図４（Ｃ）で示したように、副Ｚステージ３４を制御し、インク２２が付着した塗布針２４の先端を第１の距離ｄ１だけ下降させ、一定時間待機する。この場合は、図５（Ｂ）に示すように、塗布針２４の先端と対象領域３５ａの表面との間にインク層２２ａが形成される。第１層目のインク層２２ａの膜厚をα１とすると、ｄ１＝ｄ０−α１である。α１は、予め実験によって求められた既知の値であり、ホストコンピュータ８に記憶されている。この塗布工程では、塗布針２４の先端が対象領域３５ａに直接衝突しないので、塗布針２４の先端からインク層２２ａを介して対象領域３５ａに印加される衝撃を最小限に抑制することができる。

第２回目の塗布工程では、図４（Ｃ）で示したように、副Ｚステージ３４を制御し、インク２２が付着した塗布針２４の先端を第１の距離ｄ１よりも小さな第２の距離ｄ２だけ下降させ、一定時間待機する。この場合は、図５（Ｃ）に示すように、塗布針２４の先端と対象領域３５ａの表面との間に２つのインク層２２ａが積層される。第２層目のインク層２２ａの膜厚をα２とすると、ｄ２＝ｄ０−α１−α２＝ｄ１−α２である。α２は、予め実験によって求められた既知の値であり、ホストコンピュータ８に記憶されている。この第２回目の塗布工程では、塗布針２４の下降量ｄ２を第１回目の塗布工程における下降量ｄ１よりも第２層目のインク層２２ａの膜厚α２分だけ小さくするので、塗布針２４の先端からインク層２２ａを介して対象領域３５ａに印加される衝撃を最小限に抑制することができる。

第３回目の塗布工程では、図４（Ｃ）で示したように、副Ｚステージ３４を制御し、インク２２が付着した塗布針２４の先端を第２の距離ｄ２よりも小さな第３の距離ｄ３だけ下降させ、一定時間待機する。この場合は、図５（Ｄ）に示すように、塗布針２４の先端と対象領域３５ａの表面との間に３つのインク層２２ａが積層される。第３層目のインク層２２ａの膜厚をα３とすると、ｄ３＝ｄ０−α１−α２−α３＝ｄ２−α３である。α３は、予め実験によって求められた既知の値であり、ホストコンピュータ８に記憶されている。この第３回目の塗布工程では、塗布針２４の下降量ｄ３を第２回目の塗布工程における下降量ｄ２よりも第３層目のインク層２２ａの膜厚α３分だけ小さくするので、塗布針２４の先端からインク層２２ａを介して対象領域３５ａに印加される衝撃を最小限に抑制することができる。

以上のように、本実施の形態では、実行した塗布工程の回数が増大するに従って塗布針２４の下降量ｄを減少させるので、インク塗布時に塗布針２４の先端からインク層２２ａを介して対象領域３５ａに印加される衝撃を緩和することができる。したがって、基板３５の対象領域３５ａ（たとえばＭＥＭＳの機構部）を破損させることなく粘度の高いインク２２を厚く塗布することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１パターン修正装置、２観察光学系、３モニタ、４カット用レーザ部、５塗布機構部、６基板加熱部、７画像処理部、８ホストコンピュータ、９制御用コンピュータ、１０ＸＹステージ、１１チャック部、１２Ｚステージ、２０塗布ユニット、２１容器、２１ａ第１の孔、２２インク、２３蓋、２３ａ第２の孔、２４塗布針、２４ａ先端部、２５塗布針固定板、２５ａ切り欠き部、２６直動案内部材、２６ａレール部、２６ｂスライド部、２７，２８ストッパ、２９支持台、３０エアシリンダ、３０ａ出力軸、３１駆動板、３１ａ，３２ピン、３３磁石、３５基板、３５ａ対象領域。

Claims

塗布針の先端部に液状材料を付着させ、対象物の上方の予め定められた位置に前記塗布針を配置し、前記塗布針を下降および上昇させて前記対象物に前記液状材料を塗布し、前記液状材料からなる液状材料層を形成する工程を複数回実行し、複数の前記液状材料層を積層する塗布方法において、
実行した前記工程の回数が増大するに従って、前記予め定められた位置から前記対象物に向けて前記塗布針を下降させる距離を減少させる、塗布方法。
今回の前記工程において前記塗布針を下降させる距離は、前回の前記工程において前記塗布針を下降させた距離よりも前回の前記工程で形成された前記液状材料層の厚さ分だけ小さい、請求項１に記載の塗布方法。
その底に孔が開口され、前記液状材料が注入された容器と、
その先端部が前記孔と略同じ径を有する前記塗布針とを備え、
前記塗布針を下降させ、前記塗布針の先端部を前記孔から突出させて前記先端部に前記液状材料を付着させるとともに前記塗布針を前記予め定められた位置に配置する、請求項１または請求項２に記載の塗布方法。
塗布針の先端部に液状材料を付着させる塗布ユニットと、
前記塗布ユニットと対象物を相対移動させて前記対象物の上方の予め定められた位置に前記塗布針の先端を配置する位置決め装置と、
前記塗布針を下降および上昇させる第１の駆動装置と、
前記塗布ユニットおよび前記第１の駆動装置を制御して前記対象物に前記液状材料を塗布し、前記液状材料からなる液状材料層を形成する工程を複数回実行し、複数の前記液状材料層を積層する制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記第１の駆動装置を制御し、実行した前記工程の回数が増大するに従って、前記予め定められた位置から前記対象物に向けて前記塗布針を下降させる距離を減少させる、塗布装置。
前記制御装置は、今回の前記工程において前記塗布針を下降させる距離を、前回の前記工程において前記塗布針を下降させた距離よりも前回の前記工程で形成された前記液状材料層の厚さ分だけ減少させる、請求項４に記載の塗布装置。
前記塗布ユニットは、
その底に孔が開口され、前記液状材料が注入された容器と、
その先端部が前記孔と略同じ径を有する前記塗布針と、
前記塗布針を下降および上昇させる第２の駆動装置とを含み、
前記制御装置は、前記第２の駆動装置を制御して前記塗布針を下降させ、前記塗布針の先端部を前記孔から突出させて前記先端部に前記液状材料を付着させる、請求項４または請求項５に記載の塗布装置。