JP5307358B2 - 塗布装置 - Google Patents

Description

本発明は、塗布ヘッドに設けた圧電素子の駆動により、塗布ヘッド内の溶液をノズルから吐出して塗布する塗布装置及び方法に関する。

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エハ等の基板に機能性薄膜を形成する成膜プロセスがある。このプロセスでは、塗布ヘッドに設けた圧電素子の駆動により、塗布ヘッド内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上面にこの溶液を塗布す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。

従来の塗布装置では、溶液内の溶質成分が固化する等により該溶液内に生じた粒子、又は溶液内に侵入した気泡等の異物がノズルの目つまりを生じさせることがある。これにより、圧電素子を駆動してもノズルから溶液が吐出されない吐出抜けや、ノズルから吐出された溶液がノズル面から垂直に吐出されないミスディレクションをひき起こすおそれがある。

特許文献１には、ノズル内の気泡を、ノズル内に溶液を強制的に供給し、この溶液の流れの勢いで除去することが記載されている。
特開2004-223356号公報

しかしながら、従来の方法では、ノズルに生じたしつこい目つまりを除去できない。

本発明の課題は、ノズルに生じた目つまりを確実に除去することにある。

本発明は、水平に支持されるベースと、このベース上にて移動可能に配置され上面にて基板を保持する搬送テーブルと、この搬送テーブルの搬送経路に配置され、前記搬送テーブルに保持された前記基板に対し溶液を塗布する塗布ヘッドとを有し、前記塗布ヘッドは、複数のノズルと、これらのノズルにそれぞれ対応する圧電素子と、この圧電素子の駆動によって前記ノズルから吐出される前記溶液を溜める液室と、この液室に対して第一の開閉弁を介して前記溶液を供給する給液管、この液室に対して第二の開閉弁を介して前記溶液を回収する回収管とを備え、前記圧電素子の駆動により、前記塗布ヘッド内の溶液を前記ノズルから吐出させて前記基板に塗布する塗布装置において、
前記塗布ヘッドのノズル出口が開口しているノズル面を前記溶液の溶質を溶解する溶剤を収容する溶剤槽内の前記溶剤に浸漬させた状態で、しかも前記第一の開閉弁は開、前記第二の開閉弁は閉の状態で、前記複数のノズルのうち選択されたノズルに対応する前記圧電素子を、前記基板に対する溶液の塗布段階での周波数よりも高い周波数で駆動させる制御装置を有するようにしたものである。

請求項３の発明は、複数のノズルと、これらのノズルにそれぞれ対応する圧電素子とを備えた塗布ヘッドを用い、前記圧電素子の駆動により、前記塗布ヘッド内の溶液を前記ノズルから吐出させて塗布する塗布方法において、
前記塗布ヘッドのノズル出口が開口しているノズル面を、前記溶剤の溶質を溶解する溶剤に浸漬させ、この状態で、前記複数のノズルのうち選択されたノズルに対応する前記圧電素子を塗布段階での周波数よりも高い周波数で駆動するようにしたものである。

請求項４の発明は、請求項３の発明において更に、前記ノズルからの溶液の不吐出を検出し、
この検出の結果、不吐出が生じたノズルが有った場合に、前記塗布ヘッドのノズル出口が開口しているノズル面を前記溶剤に浸漬させた状態で、前記不吐出が生じたノズルに対応する前記圧電素子を塗布段階での周波数よりも高い周波数で駆動させるようにしたものである。

本発明によれば、ノズルに生じた目つまりを確実に除去し、基板に対する溶液の塗布を精度良く行なうことが可能となる。よって、溶液の塗布により基板上に薄膜を形成する場合には、その薄膜を均一に形成することができ、製品品質を向上させることができる。

図１は塗布装置を示す正面図、図２は図１の要部拡大図、図３は塗布ヘッドを示す断面図、図４は図３のIV−IV線に沿う断面図、図５は塗布ヘッドを溶剤に浸漬した状態を示す模式図、図６は塗布ヘッドから溶液を吐出する状態を示す模式図である。

図１に示す塗布装置はほぼ直方体状のベース１を備えている。このベース１の下面の所定位置にはそれぞれ脚２が設けられており、これら脚２によって上記ベース１を水平に支持している。

上記ベース１の上面の幅方向両端部にはそれぞれ載置板３（一方のみ図示）が長手方向に沿って設けられている。これら載置板３の上面にはそれぞれ第１のレール部材４が長手方向に沿って設けられている。これら第１のレール部材４の上面には、テーブルとしての搬送テーブル５がその下面の幅方向両側に平行に設けられた一対の受け部材６をスライド可能に係合させて支持されている。つまり、搬送テーブル５は上記ベース１上で、上記第１のレール部材４に沿うＸ方向（搬送テーブル５の上面（水平面）に沿う一方向）に移動可能となっている。

上記ベース１の長手方向一端には駆動手段としての第１のＸ駆動源７が設けられている。この第１のＸ駆動源７は、上記搬送テーブル５の下面に設けられたナット体（図示せず）に組み合わされたねじ軸７ａを回転駆動する。

それによって、上記搬送テーブル５は図１に矢印で示すＸ方向に沿って駆動されるようになっている。この搬送テーブル５の上面には、液晶表示装置に用いられるガラス製の基板Ｗが供給位置決めされている。尚、上記基板Ｗは、上記搬送テーブル５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。

上記ベース１の長手方向中途部には上記一対のレール部材４を跨ぐ門型状の支持体８が立設されている。この支持体８の一側面の上部には取付け板９が上記ベース１の幅方向に沿って架設されている。この取付け板９には、インクジェット方式によって機能性薄膜である、例えば配向膜等を形成する溶液を液滴状に噴射する複数の塗布ヘッド１２が上記Ｘ方向と交差するＹ方向（水平面に沿い、かつ上記一方向に直交する方向）に沿って配置されている。この実施の形態では、例えば３つ塗布ヘッド１２が千鳥状に配置されている。

図３と図４に示すように、上記塗布ヘッド１２はヘッド本体１８を備えている。ヘッド本体１８は筒状に形成され、その下面開口は可撓板１９によって閉塞されている。この可撓板１９はノズルプレート２１によって覆われており、このノズルプレート２１と上記可撓板１９との間には複数の液室２２が形成されている。

各液室２２は、ノズルプレート２１内に形成された主管部２１Ａに枝管部２１Ｂを介してそれぞれ連通していて、上記主管部２１Ａから上記枝管部２１Ｂを介して溶液が各液室２２に供給される。主管部２１Ａは、一端が後述する給液孔２３に接続され、他端が後述する回収孔２７に接続される。

上記ヘッド本体１８の長手方向一端部には上記液室２２に連通する上記給液孔２３が形成され、この給液孔２３には開閉弁２３Ｂを備えた給液管２３Ａ（図３参照）が接続されている。この給液孔２３から上記液室２２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２２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２１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２４が穿設されている。各ノズル２４は各液室２２に連通している。上記可撓板１９の上面には、図３に示すように上記各ノズル２４にそれぞれ対向して複数の圧電素子２５が設けられている。

尚、基板Ｗを搬送テーブル５によってＸ方向に搬送する代わりに、塗布ヘッド１２が設けられた支持体８をＸ方向に駆動するようにしても良い。

各圧電素子２５は上記ヘッド本体１８内に設けられた駆動回路部（不図示）によって駆動電圧が供給される。それによって、圧電素子２５は伸縮し、可撓板１９を部分的に変形させるから、その圧電素子２５に対向位置するノズル２４から溶液が液滴となって吐出され、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、液滴状の溶液が行列状に配列された塗布パターンが形成される。そして、この塗布パターンは、液滴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。

尚、圧電素子２５に印加する電圧の強さを変えて圧電素子２５の作動量を制御すれば、各圧電素子２５が対向するノズル２４からの溶液の吐出量、つまり液滴の大きさを変えることができる。

上記ヘッド本体１８の長手方向他端部には上記液室２２に連通する上記回収孔２７が形成され、この回収孔２７には開閉弁２７Ｂを備えた回収管２７Ａ（図５参照）が接続されている。上記給液孔２３から液室２２に供給された溶液は、上記回収孔２７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１２は上記液室２２に供給された溶液をノズル２４から吐出させるだけでなく、上記液室２２を通じて上記回収孔２７から回収することが可能となっている。

図２に示すように、上記搬送テーブル５の上記塗布ヘッド１２側に位置する一端面の下端部には載置板３１が水平に支持されている。この載置板３１の上面にはＹ方向に所定間隔で離間した一対の第２のレール部材３２（１つのみ図示）がＸ方向に沿って敷設されている。

上記第２のレール部材３２にはＸ可動体３３がＸ方向に沿って移動可能に設けられている。このＸ可動体３３には軸線をＸ方向に沿って配置されたねじ軸３４が組み合わされている。このねじ軸３４は上記搬送テーブル５に形成された空間部５ａに配置されたパルスモータ等の第２のＸ駆動源３５によって回転駆動されるようになっている。それによって、上記Ｘ可動体３３は上記載置板３１上でＸ方向に沿って駆動されるようになっている。

上記Ｘ可動体３３にはシリンダ等のＺ駆動源３６が軸線を垂直にして配置されている。このＺ駆動源３６の駆動軸３６ａには平板状のＺ可動体３７が設けられている。このＺ可動体３７は上記Ｚ駆動源３６によってＺ方向である、上下方向に駆動されるようになっている。

尚、図２はＺ駆動源３６の駆動軸３６ａによってＺ可動体３７が後述するブレード３９による塗布ヘッド１２におけるノズル面１２Ａの払拭開始位置に位置付けられた状態を示している。

上記Ｚ可動体３７には収容槽３８と溶剤槽５１がＸ方向に沿って並設されている。収容槽３８にはゴム等の弾性部材によって形成された平板状のブレード３９が板面を垂直にするとともに上端部を突出させて設けられている。このブレード３９はＹ方向に沿って配置された３つの塗布ヘッド１２に対応する長さ寸法に設定されている。

そして、図２に示す如く、上記ブレード３９の高さを、Ｚ駆動源３６によってその上部が塗布ヘッド１２の下面に接触する高さに設定しておけば、搬送テーブル５を往復駆動することで、上記ブレード３９が塗布ヘッド１２の下面を通過したとき、その塗布ヘッド１２の下面を擦ることで、その下面に付着した溶液を除去することができる。

上記溶剤槽５１は、ノズル内異物除去手段５０を構成するものであり、塗布ヘッド１２が吐出する溶液の溶質を溶解する溶剤を収容する。溶剤槽５１は、千鳥配置された３つの塗布ヘッド１２のノズル面１２Ａ（ノズルブレード２１の下面であって、各ノズル２４の出口が開口している面）を一度に浸漬させることができる大きさに形成されている。

上述の塗布装置は、第１のＸ駆動源７、駆動回路部、第２のＸ駆動源３５、Ｚ駆動源３６等を駆動制御し、塗布装置の動作を統括制御する制御装置４０を有する。

このように構成された塗布装置によれば、オペレータ等によりノズル内異物除去手段５０の作動を選択する操作がなされた場合、制御装置が以下(1)〜(3)の動作を実行する。

(1)搬送テーブル５を塗布ヘッド１２が設けられた支持体８から外れた位置で停止させたならば、第２のＸ駆動源３５を作動させてＸ可動体３３をＸ方向に駆動し、Ｚ可動体３７に設けられた溶剤槽５１が塗布ヘッド１２の下面に対向するよう位置決めする（図２に示す位置関係）。尚、溶剤槽５１には溶剤Ｌが収容されている。次いで、Ｚ駆動源３６を作動させてＺ可動体３７とともに溶剤槽５１を図５に示す如く、塗布ヘッド１２のノズル面１２Ａが溶剤槽５１内の溶剤Ｌに浸漬する位置まで上昇させる。この状態で、塗布ヘッド１２の各圧電素子２５を駆動回路部２６によって、基板Ｗに対する溶液の塗布段階の周波数（例えば4kHz）よりも概ね4〜8倍の高周波（例えば15〜30kHz）で長時間（例えば10〜20分間）連続的に駆動させる。

このとき、塗布ヘッド１２の給液管２３Ａに介装されている開閉弁２３Ｂは開かれて塗布ヘッド１２の液室２２に溶液を供給可能とし、回収管２７Ａに介装されている開閉弁２７Ｂは閉じられ、塗布ヘッド１２は吐出可能状態に設定されている。

これにより、圧電素子２５が生成する、塗布段階よりも高周波の振動エネルギーが、溶液を媒体としてノズル２４内に生じた異物（固化した溶質成分、塵、又は気泡等）に伝達され、この高周波振動の衝撃によってノズル２４内の異物をノズル２４の孔径以下に粉砕し、ノズル２４の内面から隔離して溶剤槽５１の側にはじき出して除去する。あるいは、塗布ヘッド１２のノズル面１２Ａを溶剤槽５１内の溶剤に図５に示すように所定の深さで浸漬させ、この状態で圧電素子２５を駆動させると、溶液槽５１内の溶剤Ｌの液面とノズル面１２Ａとの間の高低差によってノズル２４先端に生じる溶剤Ｌの圧力と圧電素子２５の駆動とによる揚水作用によって、ノズル２４内に溶剤を吸い上げるから、この溶剤がノズル２４内の異物を溶解したり、攪拌してノズル２４内から除去する。このとき、塗布ヘッド１２のノズル面１２Ａを溶剤槽５１内の溶剤に浸漬させていて外気に臨ませていないから、圧電素子２５を高周波で駆動させている間においてもノズル２４内に外気を吸い上げることがなく、新たな気泡による目つまりを生ずることを防止できる。従って、ノズル２４に生じた目つまりを迅速確実に除去できる。

そして、塗布ヘッド１２のノズル面１２Ａを溶剤槽５１内の溶剤に浸漬させる状態で、圧電素子２５を塗布段階の周波数の４〜８倍の周波数で駆動することにより、ノズル内の異物を確実に粉砕できる。

即ち、塗布段階の周波数の４〜８倍の周波数を用いた場合、異物を効果的に粉砕するに要する圧電素子２５の振動による衝撃力を充分に得ることができ、かつ、塗布段階の周波数よりも高い周波数での駆動による圧電素子２５の機械的負荷の増大を防止し、キャビテーションによる気泡の発生を抑制することができる。

尚、溶剤槽５１には溶剤供給管５１Ａと溶剤排出管５１Ｂが接続され、溶剤槽５１の溶剤の液面高さを供給管５１Ａから供給される新規溶剤により常に一定の高さ（設定された高さ）に維持するとともに、ノズル２４から除去された異物を含んで汚れた溶剤を排出管５１Ｂにより例えば設定された時間間隔毎に排出する。

このようにすることで、塗布ヘッド１２のノズル面１２Ａを確実に溶剤に浸漬させることができると共に、ノズル２４内から除去された異物による溶剤槽５１内の溶剤Ｌの汚染を防止できる。そのため、溶剤槽５１内の溶剤Ｌを常に良好な状態に保つことができ、ノズル２４の目つまりを安定して解消することができる。

また、圧電素子２５を高周波で駆動させている間、ノズル面１２Ａは溶剤槽５１内の溶剤Ｌに浸漬されて塞がれた状態となっているから、溶剤Ｌがノズル２４からの溶液の吐出抵抗となり、圧電素子２５を高周波で駆動させた際、ノズル２４内から溶液槽５１内への溶剤の吐出が抑制される。そのため、機能性薄膜を形成する溶液の無駄な消費が抑制できる。

(2)次に、Ｚ駆動源３６を作動させてＺ可動体３７とともに溶剤槽５１を下降させ、塗布ヘッド１２のノズル面１２Ａを溶剤槽５１内の溶剤Ｌから離隔させる。この状態で、図６に示す如く、塗布ヘッド１２の各圧電素子２５を駆動回路部２６によって駆動し、基板Ｗに対する溶液の塗布段階の周波数（例えば4kHz）と概ね同じ周波数で各圧電素子２５を駆動し、塗布ヘッド１２内の溶液をノズル２４から吐出させる。塗布ヘッド１２は前述の吐出可能状態に設定されている。

これにより、前述(1)によりノズル２４内面から隔離等された後に未だノズル２４内に残存している異物をノズル２４外に確実に追い出すことができる。また、前述(1)により溶剤槽５１内の溶剤がノズル２４内に吸い上げられた場合であっても、このことにより濃度変化したノズル２４内の溶液を吐出し、溶液の給液管２３Ａから塗布ヘッド１２に供給される新鮮な溶液と置換することができる。

(3)次に、ブレード４１を図２に示す払拭開始位置に位置付け、塗布ヘッド１２を吐出停止状態に設定し、塗布ヘッド１２のノズル面１２Ａにブレード４１を摺接させる。塗布ヘッド１２のノズル面１２Ａに付着している溶剤を拭き取る。

これにより、溶剤槽５１内の溶剤に浸漬されていた塗布ヘッド１２のノズル面１２Ａに付着して残存していた溶剤を除去できるから、その後、基板Ｗに塗布される溶液に溶剤が混入することを防止できる。

尚、上述の実施の形態における(1)に示す動作において、全ての圧電素子２５を同時に高周波で駆動させる例で説明したが、これに限らず、目つまりを生じたノズルに対応する圧電素子２５のみ、或いは、目つまりを生じたノズルとそのノズルに近接して位置するいくつかのノズルに対応する圧電素子２５のみを選択的に駆動させるようにしても良い。

また、上述の(1)〜(3)に示す動作を、オペレータによる選択によって実行する例で説明したが、これに限らず、制御装置４０による判定により実行させるようにしても良い。即ち、ノズル２４からの溶液の不吐出を検出するための検出装置を設け、搬送テーブル５に対する基板Ｗの搬出・搬入を行なっている間に検出装置によって不吐出を生じたノズルの有無の検出を行ない、この結果、不吐出のノズルが有ると制御装置４０が判定した場合に、上述の(1)〜(3)に示す動作を実行する。

また、上述の(2)の動作は、圧電素子２５の駆動に代えて、給液管２３Ａ側から溶液を圧送することで行なっても良い。溶液の圧送は、給液管２３Ａに溶液を送る供給タンク内に加圧された窒素等の気体を供給することで押し出す加圧圧送手段を用いて行なうことができる。このとき、開閉弁２７Ｂは閉じておく。このように、加圧圧送手段を用いて溶液をノズル２４から吐出させる場合、溶液がノズル２４から途切れることなく連続して吐出されるので、圧電素子２５の駆動による場合に比べて溶液を多くの流量で吐出させることができる。そのため、ノズル２４内に残存している異物の追い出しや新鮮な溶液との置換を迅速に行なうことができ、稼働率を向上させることができる。また、上述の(1)の動作による圧電素子２５の高周波駆動によって塗布ヘッド１２の温度が上昇した場合でも、加圧圧送手段によって溶液を塗布ヘッド１２内に流通させることによる冷却効果で、昇温した塗布ヘッド１２を冷却することが可能である。

また、溶液槽５１に、溶液槽５１内の溶剤Ｌに超音波振動を印加する超音波発振器を取り付け、上述の(1)に示す動作と並行して溶液槽５１内の溶剤Ｌに超音波振動を付与するようにしても良い。このようにすることにより、溶剤Ｌを介してノズル内に詰まった異物に溶剤Ｌを介して超音波振動が伝播するので、異物の除去効果を向上させることができる。

図１は塗布装置を示す正面図である。 図２は図１の要部拡大図である。 図３は塗布ヘッドを示す断面図である。 図４は図３のIV−IV線に沿う断面図である。 図５は塗布ヘッドを溶剤に浸漬した状態を示す模式図である。 図６は塗布ヘッドから溶液を吐出する状態を示す模式図である。

符号の説明

１２ 塗布ヘッド
１２Ａ ノズル面
２４ ノズル
２５ 圧電素子
４１ ブレード（拭き取り手段）
５０ ノズル内異物除去手段
５１ 溶剤槽

Claims (2)

1. 水平に支持されるベースと、このベース上にて移動可能に配置され上面にて基板を保持する搬送テーブルと、この搬送テーブルの搬送経路に配置され、前記搬送テーブルに保持された前記基板に対し溶液を塗布する塗布ヘッドとを有し、前記塗布ヘッドは、複数のノズルと、これらのノズルにそれぞれ対応する圧電素子と、この圧電素子の駆動によって前記ノズルから吐出される前記溶液を溜める液室と、この液室に対して第一の開閉弁を介して前記溶液を供給する給液管、この液室に対して第二の開閉弁を介して前記溶液を回収する回収管とを備え、前記圧電素子の駆動により、前記塗布ヘッド内の溶液を前記ノズルから吐出させて前記基板に塗布する塗布装置において、
   前記塗布ヘッドのノズル出口が開口しているノズル面を前記溶液の溶質を溶解する溶剤を収容する溶剤槽内の前記溶剤に浸漬させた状態で、しかも前記第一の開閉弁は開、前記第二の開閉弁は閉の状態で、前記複数のノズルのうち選択されたノズルに対応する前記圧電素子を、前記基板に対する溶液の塗布段階での周波数よりも高い周波数で駆動させる制御装置を有することを特徴とする塗布装置。
2. 前記ノズルからの溶液の不吐出を検出する検出装置を更に有し、
   前記制御装置は、検出装置による検出の結果、不吐出が生じたノズルが有ると判定した場合に、前記ノズル面を前記溶剤槽内の溶剤に浸漬させた状態で、前記不吐出が生じたノズルに対応する前記圧電素子を塗布段階での周波数よりも高い周波数で駆動させることを特徴とする請求項１に記載の塗布装置。

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