(57)【要約】【課題】従来の成膜方法であるスパッタ法、転写方式に替わり、インクジェット方式を用いて大面積の薄膜を効率良く形成すること。【解決手段】インクジェットにより吐出した液体材料の着弾径Ｄで決まる円で基板表面を埋め尽くし、この円の中心に液滴を配置するようにインクジェットにより液滴を配置することにより、液滴同士が連結しムラの無い液膜を形成し、この液膜を乾燥、焼成し所望の薄膜を形成する。さらに着弾径Ｄで決まる円で基板面上を効率良く埋め尽くす配置を条件式で与える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
インクジェット方式によって液体材料を基板上に塗布、乾燥、焼成し薄膜を形成する方法において、インクジェットにより液体材料を基板上に吐出し、基板上で円形に広がった液滴の直径をＤとし、この直径Ｄの円の組み合わせで隙間が無く円を配置し埋め尽くした円の中心に液滴を配置することにより液膜を形成し、この液膜を乾燥、焼成して薄膜を形成することを特徴とする薄膜形成方法。
【請求項２】
請求項１に記載の薄膜形成方法において、インクジェット方式により液滴を吐出して基板上を効率的に埋め尽くし配置する方法として、等間隔に複数のノズルが設けられたインクジェットヘッドにおいてノズルピッチをＰ2とし、ノズルから吐出された液体材料が基板上で円形に広がった直径をＤとし、さらにインクジェットヘッドのノズルの中心を結ぶ直線がインクジェットヘッドと基板の走査方向に対する傾きをθ1とし、インクジェットヘッドの基板に対する走査方向の吐出ピッチをＰ1としたとき、下記式(a)(b)を満足する様に各変数Ｄ，Ｐ2，Ｐ1の値を定めて液滴を配置することを特徴とする請求項１記載の薄膜形成方法。
【数１】
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【請求項３】
請求項２記載の薄膜形成方法を用いて作成した薄膜を用いたことを特徴とする電子機器の製造方法。
【請求項４】
請求項２記載の薄膜形成方法を用いて作成した薄膜を用いたことを特徴とする電子機器。
【請求項５】
請求項２記載の液滴配置方法を制御装置に内臓し、この液滴配置方法により液膜を形成することを特徴とするインクジェット装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上に液滴を吐出し、この液滴により形成した液膜を乾燥、焼成して薄膜を形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶表示装置に代表されるフラットパネルディスプレイは、大型化、低価格化が急速に進んでいる。
【０００３】
図１２は液晶表示装置の構造を説明する断面図である。液晶表示装置は、大きく分けてTFT基板1202とCF基板1201に分けられる。TFT基板1201とCF基板1202の間には基板間のギャップを保つためのスペーサ1204があり、ギャップには液晶1205が充填されている。TFT基板1202にはガラス基板1206の上層1207に図示しないゲート配線、ソースドレイン配線、TFT、画素ITO等が形成されており、さらにこの上には配向膜1208が形成されている。
【０００４】
CF基板1201にはガラス基板1209上の上層1210に図示しないブラックマトリクス、カラーフィルタ、平坦化膜等が形成されさらに、この上には対向電極である透明導電膜膜1211が形成されている。
【０００５】
透明導電膜1211の上には配向膜1212が形成されている。さらにTFT基板とCF基板の表面には偏光板1213が貼り付けられている。
【０００６】
上記構造においては薄膜を形成するプロセスが多用されている。
【０００７】
特に配線、透明導電膜等は真空装置であるスパッタ装置を用いて成膜した後フォトリソを用いてパターニングしている。また配向膜は配向膜液を、転写法を用いて基板上に転写した後ベークして形成している。
【０００８】
スパッタ装置による成膜では、基板の大型化に伴うスパッタ装置の大型化、高価格化と材料使用効率の悪さが課題である。
【０００９】
配向膜の成膜では、転写ローラを用いて配向膜液を転写するため、基板の大型化による転写ローラの大型化、ローラの接触による基板上への異物の付着、製品サイズが変わった場合の機種変更に時間が掛かる等の課題がある。
【００１０】
これらの課題に対応した新たな成膜方式の開発が望まれており、この様なニーズに対して非接触で、オンデマンド性の高いインクジェット法を用いて機能性インク材料により成膜を行う方法が検討されている。
【００１１】
特開2004-146796号、特開2004-290959号公報にはインクジェット方式を用いて膜パターンを形成する方法が記載されている。
【００１２】
【特許文献１】特開2004-146796号公報
【特許文献２】特開2004-290959号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
インクジェット方式は、スパッタ装置のように巨大な真空チャンバを必要としないため基板の大型化に対応しやすく、オンデマンド性が高く非接触であるため成膜方式としても優れた点を持っている。
【００１４】
引用文献１、２に開示の従来技術においてはインクジェットを用いた膜パターンの形成について記述されている。しかし大面積の薄膜を効率良く形成する方法については述べられていない。
【００１５】
本発明の目的は、これまでの真空装置、転写方式に替わり、インクジェット方式を用いた成膜方法と成膜装置及び本成膜方法を用いて形成される薄膜を用いた電気光学装置を得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
定ピッチで一列に並んだ複数のノズルを有すインクジェットヘッドを用いて、目的とする薄膜を形成するための液体材料を吐出する。ノズルから所定時間間隔で前記液体材料からなる液滴を吐出しながら、インクジェットヘッドを基板に対し相対的に走査する。これにより基板上にはマトリクス状に液滴が並ぶ。液滴は、基板の表面状態と液滴の物性を適当に制御すれば、接触角と液滴の体積で決まる直径で円形に広がる。ノズルピッチとノズルの走査速度、吐出時間間隔を適切に選べば円形に広がった液滴同士は連結し、一体となり基板上で液膜を形成する。液膜をムラ無く形成する方法は下記の通りである。
【００１７】
薄膜を形成するための液体材料の着弾径Ｄで決まる円で基板表面を埋め尽くし、この円の中心に液滴を配置するようにインクジェットにより液滴を配置する。これにより液滴同士が連結しムラの無い液膜を形成できる。この液膜を乾燥、焼成し所望の薄膜を形成する。
【００１８】
また本発明は、着弾径で形成される直径Ｄの円で、基板上を効率良く埋め尽くす方法を下記のとおりとする薄膜形成方法。
【００１９】
複数のノズルを有するインクジェットヘッドのノズルピッチをＰ2とし、ピッチＰ2と直径Ｄの関係が
Ｐ2＜Ｄ    ・・・・（a）
となるようにインクジェットヘッドの選択、或いは基板表面処理、或いは液物性を調整する。さらに走査方向に対する吐出間隔をＰ1とする。ノズルは一般的にインクの吐出ピッチを調整するために走査方向に対し角度をθ1傾けている。以上の構成でまずノズル列から基板上に１列液滴を吐出する。
【００２０】
次に下記（b）式に示す条件に従って吐出ピッチＰ2を決め,次の液滴を吐出する。これを繰り返すことによって液滴を隙間無く配置する。
【００２１】
【数２】
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【００２２】
また本発明は、前記薄膜形成方法を用いて作成した薄膜を用いたことを特徴とする電子機器の製造方法。
【００２３】
また本発明は、前記薄膜形成方法を用いて作成した薄膜を用いたことを特徴とする電子機器。
【００２４】
また本発明は、着弾径で形成される直径Ｄの円で、基板上を効率良く埋め尽くす前記方法を、制御装置に内臓し、この液滴配置方法により液膜を形成することを特徴とするインクジェット装置。
【発明の効果】
【００２５】
本発明では、従来真空装置で行われていた成膜をインクジェット装置による液体材料の塗布と焼成により可能となるため、装置コストの低減が可能となる。
【００２６】
転写法で行われていた成膜に対しては、非接触化による品質向上、CADデータの直接利用による機種切り替え時間の短縮等の効果がある。
【００２７】
また液滴の配置方法を効率良く行えるため材料使用効率が高くスループットの高い成膜が可能となる。
【００２８】
さらに定量的な液滴配置設計が可能となるためインクジェットによる成膜条件設計が効率良く行える。
【００２９】
上記効果により成膜に関わる設備コストの削減、スループット向上、品質向上による歩留まり向上により液晶表示装置等の製造に関わるコストを低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
本発明の実施例をこれまでの検討結果を含めながら説明する。
【００３１】
図２は、インクジェット方式による液滴吐出方法を説明するためのインクジェット装置201の構成図を示す。図２において202は基板、203は基板を搭載し移動する為のテーブル、204はインクジェットヘッド、205はインジェットヘッド204とテーブル203を制御するための制御装置。基板202はテーブル203に対して真空吸着等により固定されている。インジェットヘッド204には、図示しない複数個のノズルをピッチＰ2で、１列有している。ノズルからは液滴207を所定信号に従って吐出する。テーブル203は図示しないエンコーダを有し、テーブルの移動に伴い、所定距離毎にパルス206を発生する構成になっている。
【００３２】
本構成のインクジェット装置201の動作について説明する。
【００３３】
インクジェットヘッド204は固定されておりテーブル203が矢印208の方向に走査する。テーブル203の移動に伴いエンコーダからはパルスが発生し、このパルスのタイミングでノズルから液滴が吐出する。
【００３４】
この結果、図３に示す格子の交点301に対応する位置にマトリクス状に液滴を滴下可能となる。図３の格子において横軸の単位はノズルのピッチＰ2、縦軸の単位はテーブルの走査により発生するパルスの間に進む距離Ｐ1である。交点301に対し吐出可能であるが、吐出のON,OFFは、制御装置205内のデータにより決まる。インクジェットによって形成可能なパターン解像度はノズルのピッチＰ2とテーブル走査方向の滴下ピッチＰ1で決まる。
【００３５】
ノズル方向に対して解像度を上げたい場合には、ヘッドをノズル列方向に移動し、ピッチＰ2の中間に液滴を滴下する。
【００３６】
このインクジェット吐出によって形成可能な膜の幅Ｗはノズル数をｎとするとピッチＰ2×（ｎ−１）で表される範囲になる。吐出幅Ｗを増やしたい場合はノズルを必要個数並べればよい。
【００３７】
上記構成のインクジェット装置を用いて薄膜を形成するために行った検討内容について説明する。
【００３８】
図４に、インクジェットにより基板401上に液体材料を１滴吐出し、着弾した状態を示す。着弾液滴を402に示す。インクジェット方式で液滴を吐出する場合、液滴径は数十μｍと小さいため基板上に着弾したの液体の形状を決める要因は、基板表面の位置による表面エネルギのばらつき、液体の表面張力、基板と液体間の濡れ性である。吐出する液体に対し表面を適切に調整することにより図４に示すようなほぼ真円の着弾形状が得られる。
【００３９】
図３に示す格子を縦横等ピッチの正方格子とした場合の着弾液滴は図５（1）に示すようになる。液膜を形成する場合これら着弾した液滴同士が連結し、表面張力の作用で平坦化することにより液膜が形成されると考えられる。図５（1）において液膜を形成する単位を考えると図５（2）に示すように４個の着弾液滴の連結状態を考えることで一般化できる。
【００４０】
４個の着弾液滴の連結状態は、図６の表に示す５種類の状態に分類できる。各々の状態は、連結状態と、液滴間のピッチＰと着弾径Ｄの関係式で表している。状態No1は着弾した液滴同士が離れている状態を表し、状態No2は接触した状態、No3は液滴同士がオーバラップを有する状態、状態No4はNo3における液滴間中央の隙間601が無くなる状態、No5は液滴間の中央602で液滴がオーバラップする状態を表す。これらの状態に対し連結の境界状態であるNo2とNo4を除いたNo１、No3、No5に対して実際の液膜の形成状況を確認するための実験を行った。図７に、連結状態に対応した実験結果の観察写真を表す。吐出に使用した液体は有機溶媒にナノ粒子を分散したものであり粘度、表面張力などはインクジェット用に調整したものである。また基板も実験前に清浄化し、有機汚染除去を行ったものを使用した。液滴の着弾状態は図４と同等な真円に近い状態を示す。
【００４１】
状態No１の結果において701に示す形状は着弾位置に残った着弾跡で、全体として吐出位置を反映したムラを呈している。状態No3の結果においてマトリクス状に並んだ薄い点702は図６、状態No3の中央の隙間601がムラとなって残ったものである。状態No5の結果では規則的なムラは発生しておらずほぼ一様な液膜が形成されている。
【００４２】
以上の結果からムラの無い一様な液膜を形成する条件は、図６で示される着弾時の液滴円（以降着弾円と称す）で構成される円の組み合わせにおいて状態No3に示す液滴間の隙間601が生じないことである。従って、ムラの生じない液膜形成を正方ピッチで行う場合の吐出ピッチと直径Ｄの着弾円の配置条件は、下記式（ｃ）で表される。
【００４３】
【数３】
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【００４４】
着弾円によって平面を埋め尽くす方法として正方ピッチ以外の配置条件を検討すると、図８に示すような配置条件も存在する。そこで着弾円によって隙間無く埋め尽くすための一般的な配置条件を求めた。
【００４５】
インクジェットで吐出を行うことを条件として一般化を行った。図９（1）はインクジェットヘッドノズルの並びの一部を取り出した模式図を表す。901はノズルを示し、矢印900はヘッドと基板が相対的に移動する方向を示している。複数のノズル901の列は、移動方向に対してθ1傾いている。図９(2)は図９(1)のノズル列によって形成される着弾円列を示す。図１は、この着弾円列の中から液膜を構成する要素として４個の組み合わせを取り出したものである。
【００４６】
図１において901、902で示される着弾円は図９（2）で示される着弾中心906の方向に沿って吐出される液滴列の２個の着弾円を示している。903、904で示される円は、着弾中心906の次に吐出される吐出位置中心907の方向に沿って吐出される液滴列の２個の着弾円を示している。これら901〜904の４個の着弾円が隙間無く配置できる条件を求めると式103、104の組み合わせで表すことが出来る。図１においてＤは着弾径、Ｐ2はノズルピッチ、Ｐ1は吐出ピッチを表す。
【００４７】
図１において式103は着弾円901、902が重なりを持ち、着弾円の交点101が存在する条件である。式104は着弾円901,902の交点101を着弾円904の内側に重ね合わせる条件である。図の対称性より、着弾円903、904の交点102が着弾円901の内側に配置される条件にもなっている。式103、104の条件により着弾円を配置することにより隙間無く平面を埋め尽くすことが出来る。
【００４８】
次に式103,104の条件を用いた成膜の実施例について説明する。
【００４９】
図１０に成膜プロセスフローを示す。基板にはガラス基板を用いる。まず基板表面を清浄にし、さらに紫外線照射により基板表面の有機汚染を除去する。基板表面の汚染除去方法としてはプラズマ処理、稀フッ酸などのガラスをエッチングする処理等でも良い。
【００５０】
次に成膜に用いる液体材料を、インクジェットで吐出し基板上での着弾径Ｄを求める。ノズルピッチＰ2はインクジェットヘッドを選択することによって決まる値である。まず着弾径ＤとノズルピッチＰ2が、Ｄ＜Ｐ2の関係にあるかチェックする。この関係を満たさない場合は着弾径を大きくするかノズルピッチの小さいヘッドを選択する。着弾径を大きくする方法としてはピエゾ電圧を高くし吐出量を多くするか、基板に対する液体材料の濡れ性を高くする等の方法がある。インクジェット吐出では、移動方向に対する吐出ピッチを調整するためにノズルを角度θ1傾ける。Ｄ，Ｐ2，θ1の値より式（b）を用いて吐出ピッチＰ1の値を求める。ここで求めた吐出ピッチＰ1の値は端数を持つ場合が多い。またインクジェット装置における吐出ピッチの値は装置側の移動分解能の値で決まっている。従って実際の吐出ピッチＰ1Mは、式（ｂ）で求めたＰ1よりも小さい移動分解能の整数倍の値とする。
【００５１】
具体的な例として着弾径Ｄ＝240μm、ノズルピッチＰ2＝200μm、ノズルの傾きθ＝20°としてＰ1を求めると193.07μmとなる。ノズルの移動分解能を10μmとするとＰ1Mは190μm以下となる。Ｐ1Mを190μm、170μmの２種類について求めた着弾円の配置状態を図１１(1)(2)に示す。図はスケールの比を厳密に合わせ描いている。
【００５２】
Ｐ1Mが190μmの場合と170μmを比べると190μmのオーバラップ部1101が170μmのオーバラップ部1102に比べ小さく、Ｐ1Mが190μmの場合、着弾径Ｄのばらつき、吐出位置精度等によってはオーバラップしない場合も生じる可能性がある。従って各種誤差を考慮して着弾円がオーバラップするよう余裕を持ってＰ1Mを定める必要がある。
【００５３】
上記ピッチＰ1Mで吐出し、基板上に液滴を配置する。配置された液滴は塗布領域全面を覆う。
【００５４】
着弾直後は凹凸が存在するが、液面は表面張力により数分で（液体材料の種類による）平坦な液膜が形成される。
【００５５】
乾燥によって溶媒を蒸発させた後、必要な温度で焼成することによって薄膜が完成する。
【００５６】
本発明を用いることにより着弾円のオーバラップ量を確認しながら液体材料を塗布することが可能となるため無駄にオーバラップ量を大きくすることが無くなり効率の良い液滴配置が可能となる。これによりムラの無い高品質な膜を、効率よく形成可能である。
【００５７】
図１２に示す液晶ディスプレイの構造においてTFT基板に形成される（図示しない）ゲート配線、ソースドレイン配線、画素電極はスパッタ法によって成膜した後フォトリソ法によりパターンを形成している。配向膜は配向膜液を塗布した後ベークして形成している。CF基板の画素電極、配向膜についても同様である。
【００５８】
ゲート、ソース、ドレイン等の配線材料の代表的なものはスパッタ法ではCr、Al、Tiなどであるが、導電膜を形成するための液体材料としては溶媒中にAｇナノ粒子を分散したものがある。具体的にはアルバックマテリアル製Agナノメタルインクが有る。この材料は塗布し適切な条件で焼成することによって配線材として利用可能な導電性薄膜を形成することが可能でありフォトリソ法を用いてパターニングすることも可能である。
【００５９】
透明導電膜に関してはスパッタ法ではITOを多く用いており、液体材料としてもナノサイズのITO微粒子を溶媒中に分散したものや、ITO等の透明導電材料の前駆体（加熱や光照射などでITOとなるもの）などがある。これらの液体材料は塗布、乾燥し適切な条件で焼成を行うことによってスパッタ法に近い透明導電膜が得られフォトリソ法によってパターニングすることによって画素電極を形成することが可能である。
【００６０】
また配向膜は液体材料を用いて成膜しており、インクジェット塗布に適した物性に調整することによって塗布可能となるため、同等な配向膜を形成することが可能である。
【００６１】
上記した液晶表示装置における薄膜は図１０に示すプロセスに従って成膜が可能である。
【００６２】
また、液晶表示装置に限らず、PDP、電子ペーパ、太陽電池等のデバイス構造として大面積の薄膜をプロセス中で成膜して、利用する電子機器の製造に用いることが出来る。
【００６３】
インクジェット装置は、図２に示す様な構成となっているため、インクジェットヘッドからの液滴吐出を基板の走査と同期して行うことができる。制御装置に上記(ｂ)式に従って前記Ｐ1及びＰ1Mを演算する機能を内蔵し、この演算結果によって走査ピッチをＰ1Mに制御することが可能な構成とすることによって液体材料で形成できる着弾円によって効率的に塗布領域全面を覆うことの出来るインクジェット装置を構成できる。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明による薄膜形成方法はインクジェットを用いて、ムラの無い薄膜を効率良く形成する方法を提供するものであり、液体材料で形成可能な薄膜を応用する全ての製品に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の液滴配置方法に関わる説明図と関係式。
【図２】インクジェット方式を説明する構成図。
【図３】インクジェットによる液滴吐出位置の説明図。
【図４】インクジェットにより基板上に吐出された液滴。
【図５】インクジェットの複数ノズルから基板上に吐出された液滴の状態を示す説明図。
【図６】基板上に吐出された液滴の連結関係の関係図と関係式を示す表。
【図７】図６の連結関係に関する実験結果。
【図８】基板上に吐出された液滴の連結関係（正方ピッチ以外の状態）。
【図９】インクジェットヘッドノズル配置と吐出結果位置の関係を表す模式図。
【図１０】本発明の液滴配置による成膜プロセスフロー。
【図１１】本発明の液滴配置方法による液滴配置図。
【図１２】液晶表示装置の構造を説明する断面図。
【符号の説明】
【００６６】
103、104…式、202…基板、204…インジェットヘッド、205…制御装置、402…着弾液滴、901〜904…着弾円。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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