JPWO2010146928A1 - 基板用塗布装置 - Google Patents

Abstract

スリットノズルコータでの塗布において、塗布開始部および塗布終了部に生じる膜厚不均一領域を低減することが可能な基板用塗布装置を提供する。基板用塗布装置（１０）は、スライダ駆動用モータ（４）、ポンプ（８）、吐出状態量計測部（８２）、および制御部（５）を少なくとも備える。スライダ駆動用モータ（４）は、基板（１００）に対してスリットノズル（１）を設定された速度にて相対的に走査させる。ポンプ（８）は、スリットノズル（１）に対する塗布液の供給量を制御する。吐出状態量計測部（８２）は、スリットノズル（１）の先端からの塗布液の吐出状態を表す状態量を計測するように構成される。制御部（５）は、ポンプ（８）に供給した制御情報と、吐出状態量計測部（８２）から供給される計測情報との差分を示す差分情報に基づいて、差分を打ち消すようにスライダ駆動用モータ（４）に供給する制御情報を補正する。

Description

本発明は、ガラス基板等の板状の基板に対してノズルを相対的に一方向に走査させ、ノズルからレジスト液等の塗布液を吐出して基板の塗布面に塗布液を塗布する基板用塗布装置に関する。

ガラス基板等の板状の基板の表面に塗布液を塗布する場合、スリット状のノズルを、基板の表面との間に間隙を設けた状態で、スリットに直交する所定の走査方向に沿って、基板の表面に対して相対的に走査させる基板用塗布装置が用いられる。

基板の表面に所望の厚さで塗布液を均一に塗布するためには、ノズルの先端と基板の表面との間における塗布液のビート形状を適正にする必要がある。また、塗布開始部および塗布終了部に生じる膜厚不均一領域の大きさを可能な限り低減することが重要である。

例えば、従来の基板用塗布装置の中には、塗布開始時のビード形成に要する吐出量や基板の待機時間を調節することで、塗布開始部における膜厚の不均一領域を低減させるように構成されたものが存在する（例えば、特許文献１参照。）。また、この基板用塗布装置では、通常よりも手前の位置にてポンプを停止したり、ポンプからノズルに供給される塗布液の総容積を制御したりすることによって、塗布終了時における膜厚の不均一領域を低減させるようにしている。

特開２００５−３０５４２６号公報

しかしながら、塗布開始部および塗布終了部で膜厚が不均一となる原因の１つとして、ポンプに対して適用する制御内容と、実際のポンプの動作との間に差分が生じることが挙げられる。このため、上述の特許文献１に係る技術のように、ポンプに対して適用する制御内容を工夫したとしても、その制御内容と実際のポンプの動作との間に差分が生じている限り、塗布開始部および塗布終了部における膜厚の不均一を解消することは困難であると言える。

また、塗布開始部および塗布終了部で膜厚が不均一となる他の原因として、スリットノズルからの塗布液の供給（圧力・流量）と基板の相対移動とのバランスが正しく取れないことが挙げられる。そして、スリットノズルからの塗布液の供給（圧力・流量）と基板の相対移動とのバランスが取れていない状態では、例えば減圧機構の最適な作動タイミングを決定することが困難になる等、他のユニットの制御にも悪影響を与える虞があった。

この発明の目的は、スリットノズルコータでの塗布において、塗布開始部および塗布終了部に生じる膜厚不均一領域を低減することが可能な基板用塗布装置を提供することである。

この発明に係る基板用塗布装置は、板状の基板に対してスリットノズルを相対的に一方向に走査させ、スリットノズルから塗布液を吐出して基板の塗布面に塗布液を塗布するように構成される。この基板用塗布装置は、走査部、供給量制御部、吐出状態量計測部、および制御部を少なくとも備える。

走査部は、基板に対してスリットノズルを設定された速度にて相対的に走査させる。供給量制御部は、スリットノズルに対する塗布液の供給量を制御する。吐出状態量計測部は、スリットノズルの先端からの塗布液の吐出状態を表す状態量を計測するように構成される。

制御部は、吐出状態量計測部からの計測情報に基づいて走査部および供給量制御部を制御するように構成される。制御部は、供給量制御部に供給した制御情報と、吐出状態量計測部から供給される計測情報との差分を示す差分情報に基づいて、差分を打ち消すように走査部に供給する制御情報を補正する。

この発明によれば、スリットノズルコータでの塗布において、塗布開始部および塗布終了部に生じる膜厚不均一領域を低減することが可能になる。

この発明の実施形態に係る基板用塗布装置の概略の構成を示す図である。 基板用塗布装置の制御部の処理手順を示すフローチャートである。 時間経過に伴う吐出速度および吐出圧の変化状況の一例を示す図である。 加速区間および減速区間における時間−圧力データの正規化を示す図である。 指令軌道生成ステップによって得られる軌道の一例を示す図である。 調圧チャンバのオン／オフ制御の基になる限界速度を説明する図である。 本願発明の不均一領域低減に関する効果を示す図である。 本願発明の塗布速度向上に関する効果を示す図である。

図１に示すように、この発明の実施形態に係る基板用塗布装置１０は、スリットノズル１、スライダ２、モータドライバ３、スライダ駆動モータ４、モータドライバ６、ポンプ８、吐出状態量計測部８２、調圧チャンバ９、バルブドライバ７、および制御部５を備えている。

スリットノズル１は、矢印Ｘ方向に平行に延びるように底面に設けられたスリットから塗布液を吐出する。スライダ２は、上面にて板状の基板１００を支持するように構成される。スライダ２は、塗布処理時に、モータドライバ３に駆動されるスライダ駆動モータ４によって、矢印Ｙ方向に移動するように構成される。

ポンプ８は、モータドライバ６に駆動されるモータ（図示省略）の回転により、図示しないタンク内の塗布液をスリットノズル１に設けられたチャンバ内に供給する。塗布液は、スリットノズル１でチャンバに充填された後にノズルに供給される。スリットノズル１からの塗布液の吐出量は、ポンプ８からの塗布液の供給量によって制御させる。ポンプ８は、塗布液の吐出量を厳密に制御できるプランジャ型またはシリンジ型の定量ポンプである。

吐出状態量計測部８２は、スリットノズル１の先端からの塗布液の吐出状態を表す状態量（例：吐出圧力、吐出流量）を計測するように構成されている。スリットノズル１の吐出状態を計測する際には、配管経路内もしくはノズル内部の圧力を圧力計にて計測するか、または配管経路内もしくはノズル内部の流量を流量計によって検出することが好ましい。この実施形態では、吐出状態量計測部８２は、塗布液の吐出圧力を計測可能な圧力計および塗布液の吐出流量を計測可能な流量計を備えるように構成されているが、圧力計または流量計のいずれか一方のみによって吐出状態量計測部８２を構成することは可能である。

調圧チャンバ９は、スリットノズル１における矢印Ｙ方向の逆側に、スリットノズル１に近接するように配置される。調圧チャンバ９は、スリットノズル１と基板１００の表面との間の気圧を制御するように構成される。調圧チャンバ９は、加圧バルブおよび減圧バルブの動作により、スリットノズル１と基板１００の表面との間の気圧を調整する。

制御部５は、モータドライバ３、モータドライバ６、バルブドライバ７、吐出状態量計測部８２、および記憶部５１に接続されており、これらの動作を統括的に制御するように構成される。制御部５は、吐出状態量計測部８２から供給されるデータを記憶部５１に記憶するとともに、このデータを演算することによって指令軌道データを作成する。制御部５は、作成した指令駆動データに基づいてモータドライバ３、モータドライバ６、およびバルブドライバ７を制御する。そして、モータドライバ３は、指令軌道データに応じた電力でスライダ駆動モータ４を駆動し、モータドライバ６は、指令軌道データに応じた電力でポンプ８のモータを駆動し、バルブドライバ７は、指令軌道データに応じて調圧チャンバ９の加圧バルブまたは減圧バルブを開閉する。

図２を用いて、吐膜時における制御部５の動作手順の一例を説明する。塗膜時には、ビード形成処理、塗膜形成処理、および液切り処理の３つの処理が実行される。基板用塗布装置１０は、調圧チャンバ９によってスリットノズル１先端付近の圧力を制御し、かつ、その圧力制御と、ポンプ８およびスライダ駆動モータ４の制御と、を同期させることでビード形成処理と液切り処理を最適化するように構成されている。以下、具体的に説明する。

まず、制御部５は指令軌道設定ステップを実行する（Ｓ１）。Ｓ１のステップにおいて、制御部５は、ポンプ８の塗布動作条件として、最大吐出速度Ｖｐ、加速区間Ｔａ、減速区間Ｔｄ、および一定吐出区間Ｔｐを規定し、図３（Ａ）に示すようなポンプ軸（モータ）制御の指令軌道を決定する。ここで、一定吐出区間ＴｐはＳ５のスライダ軸の指令軌道生成ステップの結果によって決定されるものであるため、ここでは仮のデフォルト値を一定吐出区間Ｔｐとして設定する。

続いて、制御部５は、吐出圧変化計測ステップに移行する（Ｓ２）。ここでは、Ｓ１の指令軌道設定ステップで求められた指令軌道を実際に使って実際にポンプ８を動作させ、図３（Ｂ）に示すように、その時の吐出圧変化を計測する。

図３において、矢印Ｔｗは、薬液配管経路の抵抗に起因して発生する無駄時間を表している。また、図３（Ｂ）に示すように、加速区間Ｔａ′および減速区間Ｔｄ′においてポンプ吐出機構に起因する非線形応答が発生している。

続いて、制御部５は、加速区間Ｔａ′および減速区間Ｔｄ′における吐出圧のノイズ除去および正規化を行う（Ｓ３）。Ｓ３のステップでは、図４（Ａ）および図４（Ｂ）に示すように、一定圧力に到達するまでの加速区間Ｔａ′および減速指令開始から吐出圧がゼロに達するまでの減速区間Ｔｄ′における時間−圧力データを抽出し、ノイズ除去および正規化を行う。

ここで、ノイズ除去および正規化について簡単に説明する。まず、Ｓ３のステップにおける「ノイズ除去」とは、測定した吐出圧変化データに含まれるノイズ成分を取り除くための処理である。具体的にこの実施形態では、サンプリング周期１ｋＨｚで圧力変化を測定後、１００Ｈｚのローパスフィルタを適用して測定データのノイズ成分を除去した。ローパスフィルタとしては、測定データを数値的にデジタル処理する方法でも良く、また、適切な電気回路を測定端子間に接続してアナログ処理する方法でも良い。また、得られた圧力変化曲線を、スプライン補間などを使って平滑化する方法により、データ中に含まれる特異点や不連続な変化を除去しても良い。

一方、ステップＳ３における「正規化」について説明すると、測定された吐出圧データの「絶対値」は、使用する吐出ポンプの性能や、塗布液の物性によって変化することがある。しかし、Ｓ４のステップ以降の指令軌道生成において、この「絶対値」は重要な情報ではなく、吐出圧の（吐出開始から一定吐出速度に達するまでの）「時間変化」の情報のみが得られれば十分である。よって、Ｓ４のステップ以降の計算処理において吐出圧の絶対値情報を無視させて手順を汎用化させるために、吐出圧変化のデータを予め０から１までの数値範囲に収まるよう単位変換しておくことが好ましく、この実施形態ではこの手法を採用している（図４（Ａ）および図４（Ｂ）のグラフの縦軸のスケールを参照。）。

続いて、制御部５は、スライダ軸の指令軌道生成ステップに移行する（Ｓ４）。Ｓ４のステップでは、制御部５は、図５（Ａ）に示すように、最高移動速度Ｖｓを規定し、正規化曲線をスライダ軸の加速部分および減速部分に適用し、所定の塗布長となるよう定速移動区間を調整する。さらに、図５（Ｂ）に示すように、制御部５は、スライダ軸の指令軌道に同期するように、ポンプ軸の一定吐出区間Ｔｐを決定する。

一般に、ポンプ８よりスライダ２（基板の相対移動機構）の方が制御応答性が高いので、駆動軸の補正はスライダ２を移動させるスライダ駆動モータ４に対して行うのが好ましい。

続いて、制御部５は、調圧チャンバ９の減圧バルブのオン／オフ切換制御ステップに移行する（Ｓ５）。Ｓ５のステップでは、制御部５は、図６に示すように、スライダ軸の指令軌道生成ステップで得られたスライダ速度指令軌道において、指令速度が次式で与えられる「限界速度Ｖｍ」を超える区間を求め、この区間の開始時刻Ｔｓおよび終了時刻Ｔｅに減圧バルブのオン／オフ切換制御を行う。

上の式において、Ｖｓは補正後のスライダ２の走査速度、σは表面張力、μは塗布液の粘度、ｈは目標ウェット膜厚、Ｈはスリットノズル１と基板１００との間隔である。

なお、上記の限界速度の算出式は、一般に「Higginsの塗布限界式」として知られているものであり、スリットノズルを使った塗布方式において、「理想的なビードを形成した状態で、所定の膜厚を得るための塗布が実現可能な条件」を規定するために用いられるものである（例えば、B.G.Higgins et al., Chem. Eng. Sci., 35, 673-682 (1980) 参照。）。

減圧機構の適用は、上述の限界速度に基づいて適切に調圧チャンバ９の減圧バルブのオン／オフ切換制御を行うことが好ましい。その理由は、スライダの速度が十分に遅くて限界速度を下回る条件にて減圧機構を作動させると、ビード形成に悪影響を及ぼす可能性があるからである。

その後、制御部５は、Ｓ４のステップにて決定した各軸の指令軌道の内容と、Ｓ５のステップにて決定した減圧バルブのオン／オフ切換制御の内容とを参照しつつ、モータドライバ３、モータドライバ６、およびバルブドライバ７を制御しつつ基板１００に対する塗布処理を実行する（Ｓ６）。

上述のＳ１〜Ｓ６のステップでは、塗布圧力または塗布流量の時間変化を計測することで、吐出ポンプの駆動に用いるモータへの指令出力信号と、スリットノズル１先端から塗布液吐出変化の差分情報を正確に捉えることが可能になる（Ｓ２のステップ）。そして、この差分情報を相殺するように駆動軸の指令を補正することで、塗布開始時および塗布終了時の膜厚不均一領域を大幅に低減することが可能なる（Ｓ４のステップ）。

また、従来は、吐出ポンプの持つ非線形性、つまり駆動モータへの指令に対して吐出機構がリニアに応答しない特性によって、塗布理論に基づく安定塗布条件（ビード形成の可否等）を見極めることが困難であったが、本発明の構成を適用することで吐出状況をモータ指令信号から正確に把握することが可能になる。その結果、塗布理論上の限界条件（スライダ２の移動速度がしきい値以上になる条件）を正確に検出し、適切なタイミングで減圧機構を作動させることで高速塗布が可能となる。

なお、上述のステップＳ１〜Ｓ６に加えて、塗布開始部および塗布終了部での膜厚均一性を分析することが好ましい。もし、塗布開始部および塗布終了部での膜厚均一性が十分に良好でない場合には、上述のステップＳ１〜Ｓ６を繰り返して実行することによって制御条件を最適化すると良い。

上述のステップＳ１〜Ｓ６によりビード形成および液切りを最適化することが可能となる。その結果、図７（Ａ）に示す従来の塗膜の不均一領域の長さＬ１に比較すると、図７（Ｂ）に示す本実施形態に係る塗膜の不均一領域の長さＬ２が著しく減少していることが分かる。具体的には、従来の塗膜の不均一領域の長さＬ１が約３０ｍｍであるのに対して、本実施形態に係る塗膜の不均一領域の長さＬ２は５ｍｍにまで減少しており、塗布開始部および塗布終了部での膜厚不均一領域が約６分の１に低減している。

また、図８に示すように、基板用塗布装置１０は、従来よりも高速で塗布を行うことが可能になる。従来技術では、塗布速度Ｖｓが２００ｍｍ／ｓｅｃに達したあたりから一部膜切れが発生し、塗布速度Ｖｓが２５０ｍｍ／ｓｅｃになると適正に塗布を行うことが不可能であったが、基板用塗布装置１０では、塗布速度が２５０ｍｍ／ｓｅｃであっても良好に塗布を行うことが可能である。

さらに、最適な液切り処理によって、ノズル先端の液保持状態を良くすることができる。それによって、次期ビード形成時に安定したビードをもたらすことができる。そして、間欠塗布（パターン塗布）を行う場合であっても、塗工の合間に必要とされていた予備塗布処理（プライミング）を省略することが可能となる。また、液切り処理を最適にすることで連続して安定したビードを形成することができる。

上述の実施形態の説明は、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、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、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 スリットノズル
２ スライダ
３ モータドライバ
４ スライダ駆動モータ
５ 制御部
６ モータドライバ
７ バルブドライバ
８ ポンプ
９ 調圧チャンバ
１０ 基板用塗布装置
８２ 吐出状態量計測部
１００ 基板

制御部５は、モータドライバ３、モータドライバ６、バルブドライバ７、吐出状態量計測部８２、および記憶部５１に接続されており、これらの動作を統括的に制御するように構成される。制御部５は、吐出状態量計測部８２から供給されるデータを記憶部５１に記憶するとともに、このデータを演算することによって指令軌道データを作成する。制御部５は、作成した指令軌道データに基づいてモータドライバ３、モータドライバ６、およびバルブドライバ７を制御する。そして、モータドライバ３は、指令軌道データに応じた電力でスライダ駆動モータ４を駆動し、モータドライバ６は、指令軌道データに応じた電力でポンプ８のモータを駆動し、バルブドライバ７は、指令軌道データに応じて調圧チャンバ９の加圧バルブまたは減圧バルブを開閉する。

続いて、制御部５は、調圧チャンバ９の減圧バルブのオン／オフ切換制御ステップに移行する（Ｓ５）。Ｓ５のステップでは、制御部５は、図６に示すように、スライダ軸の指令軌道生成ステップで得られたスライダ速度指令軌道において、指令速度（すなわち、補正後のスライダ２の操作速度Ｖｓ）が次式で与えられる「限界速度Ｖｍ」以上となる区間を求め、この区間の開始時刻Ｔｓおよび終了時刻Ｔｅに減圧バルブのオン／オフ切換制御を行う。

上の式において、σは表面張力、μは塗布液の粘度、ｈは目標ウェット膜厚、Ｈはスリットノズル１と基板１００との間隔である。

Claims (4)

1. 板状の基板に対してスリットノズルを相対的に一方向に走査させ、前記スリットノズルから塗布液を吐出して前記基板の塗布面に塗布液を塗布するように構成された基板用塗布装置であって、
   前記基板に対して前記スリットノズルを設定された速度にて相対的に走査させる走査部と、
   前記スリットノズルに対する塗布液の供給量を制御する供給量制御部と、
   スリットノズルの先端からの塗布液の吐出状態を表す状態量を計測するように構成された吐出状態量計測部と、
   前記吐出状態量計測部からの計測情報に基づいて前記走査部および供給量制御部を制御するように構成された制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記供給量制御部に供給した制御情報と、前記吐出状態量計測部から供給される計測情報との差分を示す差分情報に基づいて、前記差分を打ち消すように前記走査部に供給する制御情報を補正する
   基板用塗布装置。
2. 供給量制御部は、塗布液の吐出圧力を計測可能な圧力計、または塗布液の吐出流量を計測可能な流量計の少なくともいずれかを備えた請求項１に記載の基板用塗布装置。
3. 前記スリットノズルと前記基板との間の圧力を減殺させることによって塗布ビード形状を変化するように構成された減圧部をさらに備え、
   前記制御部は、前記補正後の走査部の走査速度に基づいて前記減圧部の動作を制御する請求項２に記載の基板用塗布装置。
4. 前記制御部は、前記補正後の走査部の走査速度Ｖｓが、表面張力をσ、塗布液の粘度をμ、目標ウェット膜厚をｈ、前記スリットノズルと前記基板との間隔Ｈをとしたときに、以下の式で表される限界速度Ｖｍ以上になるときに前記減圧部を作動させつつ塗布を実行する請求項３に記載の基板用塗布装置。
   

   

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