(57)【要約】【課題】微量の液体を高精度に塗布するための液体材料塗布装置に関し、特に１ｐＬ以下の塗布量をディスペンサー方式によって塗布するのに好適な液体塗布技術を提供する。【解決手段】ディスペンサーノズル先端の内径を細くし、ノズル内の液体が形成する２つの界面に接する気体の圧力を等しくすることにより、ノズル先端の液面位置が安定するようにし、該ノズル先端の液面位置が安定した状態で、ノズル内部の液体に、ノズル後端から高精度に制御されたパルス状の圧力を加えることにより、ノズル内の液体を被塗布物上に塗布し、さらに塗布後において適切なタイミングでノズルを上昇させるよう、液体塗布装置を構成する。【選択図】図１
2012024704.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に供給された液体を、その先端から吐出する管状のノズルと、
前記ノズルの後端に連通し、ノズル内部の液体を加圧するためのパルス状の圧力を発生する圧力発生手段と、
ノズル先端と被塗布物間の距離を調整する距離調整手段と、
ノズル先端から液体を吐出した後、ノズルを被塗布物から離すタイミングを制御するタイミング制御手段と、
前記ノズルの先端と後端の雰囲気の圧力を等しくする圧力調整手段とを備え、
前記ノズルは、先端のノズル内径をｄ１とし、先端と後端の間であって液体を貯える部分のノズル内径をｄ２とした場合、ｄ２よりｄ１が小さいものである液体塗布装置。
【請求項２】
請求項１に記載の液体塗布装置であって、
前記圧力調整手段は、前記圧力発生手段からの高い圧力が前記ノズル後端に連通する状態と、前記ノズル先端の雰囲気の圧力と等しい圧力が前記ノズル後端に連通する状態とを切り替える３ポートバルブを含むことを特徴とする液体塗布装置。
【請求項３】
請求項１に記載の液体塗布装置であって、
ノズル先端と被塗布物間の距離を、ノズルの側面方向からの画像情報を用いて検出する画像距離検出手段を備え、
前記距離調整手段が、前記画像距離検出手段で検出した距離に基づいて、ノズル先端と被塗布物間の距離を調整することを特徴とする液体塗布装置。
【請求項４】
請求項１に記載の液体塗布装置であって、
ノズル先端と被塗布物間の距離を検出する距離検出センサを備え、
前記距離調整手段が、前記距離検出センサで検出した距離に基づいて、ノズル先端と被塗布物間の距離を調整することを特徴とする液体塗布装置。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４の内いずれか１項に記載の液体塗布装置であって、
ノズル内の液体の温度を調整可能な温度調整手段を備えることを特徴とする液体塗布装置。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５の内いずれか１項に記載の液体塗布装置であって、
１回の塗布量を測定する塗布量測定手段と、
前記塗布量測定手段で測定された塗布量と所定の目標塗布量とに基づき、塗布時におけるパルス圧力値、パルス加圧時間を含む装置制御条件を決定する制御装置とを備えることを特徴とする液体塗布装置。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６の内いずれか１項に記載の液体塗布装置であって、
前記タイミング制御手段のノズルを被塗布物から離すタイミングを制御することにより、ノズルから１度に吐出する液体の吐出量を制御することを特徴とする液体塗布装置。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７の内いずれか１項に記載の液体塗布装置であって、、
前記ノズル内部に１回で供給された液体を用いて、ノズルから複数回の吐出を行なうことを特徴とする液体塗布装置。
【請求項９】
中空のノズルの先端から液体を塗布する液体塗布方法であって、
前記ノズルの中空部分に液体を供給する給液工程と、
前記ノズルの後端側の気体の圧力を上昇させ、前記液体の一部である液滴を前記ノズル先端から射出する液滴射出工程と、
前記液滴射出の後に、前記ノズル後端側の気体の圧力を、前記液滴射出工程前の圧力に戻す圧力降下工程と、
前記液滴射出工程から次の液滴射出工程までの間に、前記ノズルを液体射出対象から遠ざけてから近づける距離制御工程を含み、
前記液滴射出工程と前記圧力降下工程と前記距離制御工程とを、１回の液滴の射出ごとに繰り返すことを特徴とする液体塗布方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の液体塗布方法であって、気体を内包し前記ノズルの後端側に連通する圧力調整室を使用するものであり、前記圧力調整室は、前記ノズルへ連通するときの通気抵抗よりも大きな通気抵抗で圧力調整室外部へ連通する開放穴を有しており、
前記液滴射出工程において、該圧力調整室室内の気体を加圧することにより、前記ノズル後端側の気体の圧力上昇を行い、
前記圧力降下工程において、前記圧力調整室の開放穴から気体を外部へ流出させることにより、前記ノズル後端側の気体の圧力を、前記液滴射出工程前の圧力に戻すことを特徴とする液体塗布方法。
【請求項１１】
請求項９又は請求項１０に記載の液体塗布方法であって、
前記液滴射出工程前の前記ノズル後端側の気体の圧力は、大気圧であることを特徴とする液体塗布方法。
【請求項１２】
請求項９ないし請求項１１のいずれかに記載の液体塗布方法であって、
前記ノズル内の中空部分の内径が、先端側に行くほど徐々に小さくなっていることを特徴とする液体塗布方法。
【請求項１３】
請求項９ないし請求項１２のいずれかに記載の液体塗布方法であって、
前記液滴射出工程から次の液滴射出工程までの間に、前記ノズルを液体射出対象から遠ざけてから近づける距離制御工程を含むことを特徴とする液体塗布方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体を高精度に塗布するための液体材料塗布技術に関し、特に１ｐL（ピコリットル）以下の微量の塗布量を、ディスペンサー方式によって塗布するのに好適な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＣＤ（Liquid Crystal Display：液晶ディスプレイ）の配線形成プロセスや、カラーフィルタ等の製造プロセスにおいては、微量な機能性液体材料の塗布によって、局所の微細な欠陥修正が行われている。
また、現在、ＦＰＤ（Flat Panel Display）、太陽電池、有機ＥＬ（Electro  Luminescence）等の製造プロセスを対象として、環境負荷製造コスト低減を目的とした、印刷技術を応用した製造プロセスの開発が行われており、このようなプロセスにおいては、プロセス上で発生した欠陥の修正において、液体を微量で高精度に塗布することが必須になると考えられる。これらのプロセスにおけるパターン幅の最小値は、マイクロメートルオーダであり、これに対応した液体の塗布修正には、塗布量として１ピコリットル以下の塗布量制御が必要である。
【０００３】
特許文献１に示す液体材料供給装置は、一端が毛管部分であるディスペンサーノズルを用いた、揮発成分を含む液体材料の塗布装置であるが、ピコリットル以下の精度で塗布量制御するための構造、方法については述べられていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２６８５１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、ピコリットル以下の液体を確実に塗布可能で、かつ構造が簡単な液体塗布技術を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するため、本発明の液体塗布技術は、ディスペンサーノズル先端の内径を細くし、ノズル内の液体が形成する２つの界面に接する気体の圧力を互いに等しくすることにより、ノズル先端の液面位置が安定するようにし、該ノズル先端の液面位置が安定した状態で、ノズル内部の液体に、ノズル後端から高精度に制御されたパルス状の圧力を加えることにより、ノズル内の液体を被塗布物上に塗布し、さらに塗布後において適切なタイミングでノズルを上昇させるものである。
本発明の液体塗布装置の代表的な構成は、例えば次のとおりである。すなわち、
内部に供給された液体を、その先端から吐出する管状のノズルと、
前記ノズルの後端に連通し、ノズル内部の液体を加圧するためのパルス状の圧力を発生する圧力発生手段と、
ノズル先端と被塗布物間の距離を調整する距離調整手段と、
ノズル先端から液体を吐出した後、ノズルを被塗布物から離すタイミングを制御するタイミング制御手段と、
前記ノズルの先端と後端の雰囲気の圧力を等しくする圧力調整手段とを備え、
前記ノズルは、先端のノズル内径をｄ１とし、先端と後端の間であって液体を貯える部分のノズル内径をｄ２とした場合、ｄ２よりｄ１が小さいものである液体塗布装置。
【発明の効果】
【０００７】
上述した本発明の液体塗布技術によれば、１ｐＬ以下の微量の液体を対象被塗布物上に塗布することが可能となる。これにより、マイクロメートルオーダの微小領域に対する塗布が必要となる修正や、微小部品の組立てなどが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１実施例の構成を示す模式図である。
【図２】第１実施例の動作フローである。
【図３】第１実施例に係る塗布動作の説明図である。
【図４】第１実施例に係る塗布動作の説明図である。
【図５】第１実施例に係る塗布動作の説明図である。
【図６】第１実施例に係る塗布動作の説明図である。
【図７】毛管現象の説明図である。
【図８】ノズル内液体の釣り合い状態に関する説明図である。
【図９】ノズル内液体の釣り合い状態に関する説明図である。
【図１０】ノズル内液体の釣り合い状態に関する説明図である。
【図１１】ノズル内液体の釣り合い状態に関する説明図である。
【図１２】第１実施例における圧力調整室の構成図である。
【図１３】圧力調整室の機能の説明図である。
【図１４】第１実施例による塗布結果データである。
【図１５】第２実施例の構成を示す模式図である。
【図１６】第３実施例の構成を示す模式図である。
【図１７】第４実施例の構成を示す模式図である。
【図１８】第５実施例の構成を示す模式図である。
【図１９】第６実施例を説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（第１実施例）
以下、本発明の第１実施例に係る液体塗布装置について、図を用いて説明する。図１は、本発明の第１実施例の構成を示す模式図である。図１において、１はガラス管で形成したノズルであり、先端から液体を被塗布物に対して塗布するものである。ノズル１は、先端が尖ったテーパ形状をなしている直管であり、ノズル１の先端部の外径は３０μｍ、内径は１０μｍ程度である。ノズル１の後端は、外形が１〜２ｍｍ、内径が０．５〜１ｍｍ程度である。２は、ノズル１を保持し、ノズル１の後端とチューブ３を連結するためのノズルホルダである。
【００１０】
３は、柔軟性のあるプラスチック等の材料で作られたチューブである。チューブ３は、ノズルホルダ２と圧力調整室４とを連結している。圧力調整室４は、ノズル１内に充填された液体に対して、パルス状の圧力を発生するための機構である。圧力調整室４は、配管９によって２ポートのバルブ５と連結されている。バルブ５は、配管９によって圧力制御手段６と連結されており、後述する制御部３０の制御により、圧力制御手段６から圧力調整室４へ送られる圧縮空気を通過させる状態と、圧縮空気を通過させない状態とを切り替えるものである。圧力制御手段６は、圧縮空気源８から送られる圧縮空気の圧力を所定の値に制御するもので、例えば、一般的にエア回路で用いられているエアレギュレータ（減圧弁）である。圧力制御手段６は、配管９によってエアフィルタ７と連結されている。エアフィルタ７は、圧縮空気源８から送られる圧縮空気中の異物を除去するものである。エアフィルタ７は、配管９によって圧縮空気源８と連結されている。
【００１１】
ノズルホルダ２は、ノズル１の高さを調整するためのＺステージ１０に固定されている。Ｚステージ１０はＺ軸架台１１に固定され、Ｚ軸架台１１はベース１２に固定されている。したがって、ノズル１は、Ｚステージ１０の昇降動作（Ｚ方向動作）に伴って、昇降動作する。
【００１２】
液体の塗布対象（被塗布物）である基板２０は、ＸＹステージ２１上に、図示しない真空吸着等の手段により固定されている。ＸＹステージ２１は、ベース１２に固定されている。ＸＹステージ２１上には、塗布液体２２を収容する容器２３が固定されている。したがって、ＸＹステージ２１をＸＹ方向（水平の縦横方向）に動作させることにより、ノズル１と基板２０のＸＹ方向の位置関係が変化する。
したがって、Ｚステージ１０の昇降動作とＸＹステージ２１のＸＹ方向動作により、ノズル１の先端を容器２３内に入れてノズル１内に液体を貯え、その後、基板２０上の所望の位置に、ノズル１内の液体を塗布することが可能となる。
【００１３】
２７は、Ｚステージ１０の上下方向の位置や、速度を制御し駆動するためのＺ軸コントローラである。２８は、ノズルの上昇遅延時間を制御する遅延制御手段であり、ノズル１による液体の塗布後のノズル上昇タイミングを制御する。遅延制御手段２８は、Ｚ軸コントローラ２７に含まれるように構成してもよい。また、遅延制御手段２８とＺ軸コントローラ２７を、制御装置３０に含まれるように構成してもよい。Ｚ軸コントローラ２７には、遅延制御手段２８が接続されている。３０は制御装置であり、バルブ５、圧力制御手段６、ＸＹステージ２１、遅延制御手段２８等の本実施例に係る液体塗布装置の各構成部に接続されており、バルブ５、圧力制御手段６、ＸＹステージ２１、遅延制御手段２８等の本実施例に係る液体塗布装置の各構成部を、所定の液体塗布動作順序に基づき動作するよう制御する。また、制御装置３０は、操作者からの指示を受け付ける操作部（不図示）と、各種データ等を記憶する記憶部（不図示）を備えている。
【００１４】
２４は、ノズル１と基板２０の間隔等の位置関係を把握するために、ノズル１と基板２０の間近くの拡大画像を取得して表示可能な、ノズル観察手段である。本実施例では、ノズル観察手段２４は、ノズル１と基板２０の間近くの拡大画像を取得するカメラ２５と、その拡大画像を表示するモニタ２６から構成され、ノズル間隔確認手段として例示されている。
【００１５】
第１実施例では、圧力調整室４、バルブ５、圧力制御手段６、エアフィルタ７、圧縮空気源８等により、パルス状の圧力を発生する圧力発生手段が構成される。また、Ｚステージ１０、Ｚ軸コントローラ２７等により、ノズル先端と被塗布物間の距離を調整する距離調整手段が構成される。また、遅延制御手段２８等により、ノズルを被塗布物から離すタイミングを制御するタイミング制御手段が構成される。また、圧力調整室４等により、ノズルの先端と後端の雰囲気の圧力を等しくする圧力調整手段が構成される。また、ノズル観察手段２４等により、ノズル先端と被塗布物間の距離を、ノズルの側面方向からの画像情報を用いて検出する画像距離検出手段が構成される。
【００１６】
上記構成による液体の塗布方法について、図２の動作フローや、図３ないし図６を用いて説明する。図２は、第１実施例の動作フローである。図３ないし図６は、第１実施例に係る塗布動作の説明図である。
まず、ノズル１内へ塗布液を供給するため、ノズル１を、塗布液２２を収容した容器２３の上方に位置決めする（図２のステップＳ１）。この位置決めは、操作者による操作部からの指示により、制御装置３０が、Ｚステージ１０やＸＹステージ２１を制御して動作させることにより行う。次に、Ｚステージ１０を下降させてノズル１を下降し、図３に示すように、ノズル１の先端を容器２３の液中に浸漬する（ステップＳ２）。ノズル１内は、微細な管状であるため、毛細管現象により、液体２２はノズル１の管内を上昇しノズル１内に給液される（ステップＳ３）。
ノズル１内に所定量給液後、Ｚステージ１０を上昇させてノズル１を上昇する（ステップＳ４）。次に、ＸＹステージ２１により、基板２０の塗布位置に対してノズル１のＸＹ方向の位置を合わせる（ステップＳ５）。その後、Ｚステージ１０によりノズル１を下降する（ステップＳ６）。
【００１７】
ノズル１の先端を、操作者がノズル観察手段２４により観察しながら、操作部からＺステージ１０への制御入力を行い、基板２０に対して、図４に示すように、数マイクロメートルの間隙Ｇの位置にノズル１の先端を位置決め、あるいは当接する。この状態で、操作者が操作部から、ノズル１内の液体２２を吐出させるための指示を行うと、制御装置３０がバルブ５を開けるよう制御し、ノズル１内の液体２２にパルス状の圧力３４が加えられる（ステップＳ７）。その結果、図５に示すように、ノズル１の先端から液体２２が突出して基板２０に接触して濡れ、ノズル１と基板２０間が液体で繋がったブリッジ状態３５が形成される。このとき、制御装置３０から、前記パルス状の圧力３４を加えるタイミングと同時に、遅延制御手段２８に対してＺステージ１０を上昇させる上昇トリガ信号を出しているので、遅延制御手段２８に設定された遅延時間の経過後（ステップＳ８）、Ｚ軸コントローラ２７がノズル１を所定の高さ分上昇させる（ステップＳ９）。これにより、図６に示すように、ノズル１と基板２０間を繋ぐブリッジ状態３５が切れ、基板２０上に液体２２が塗布されて、塗布動作は終了する。
【００１８】
次に、上記第１実施例の構造と塗布方法において、１ｐＬ以下の塗布量を実現するための、本発明の３つの特徴について説明する。
本発明の第１の特徴は、ノズルの先端および該先端と反対側の後端を、ともに同圧の雰囲気とする、例えば大気開放状態とすることによる、ノズルの先端における液面位置の安定性である。本発明の第１の特徴を、図７〜図１１を用いて説明する。図７は毛管現象の説明図であり、容器２３内の液体２２に細管４０の先端を浸漬し、毛管現象により、細管４０内の液面４１が上昇している状態を表す。毛管現象は、液体が管内で濡れて凹面状になることで、液体と大気との界面４１の直下４２における圧力Ｐ１が大気圧Ｐ０よりも下がるため、管内の液面が上昇する現象である。微細な円管内部の界面４１の形状は、曲率半径Ｒの球面の一部をなすと考えられる。この場合、液体の表面張力をγとすると、界面直下の圧力Ｐ１は、下記（式１）で表される。
【００１９】
【数１】
2012024704.tif 000003
また、曲率半径Ｒは、管内壁と液面の接触角をθ、管内径をｄとすれば
【００２０】
【数２】
2012024704.tif 000004
で表される。接触角θは、管内径ｄに無関係であり、液体の性質と管の表面状態で決まる。
（式１）と（式１）から、圧力Ｐ１は、接触角θと管内径ｄの関係（式３）で表すことができる。
【００２１】
【数３】
2012024704.tif 000005
ここで、管内の液面の上昇量ｈは、圧力差Ｐ１−Ｐ０に比例する。このため、接触角θが同じならば、管の内径ｄが小さいほど圧力差が大きくなり、上昇量ｈは大きくなる。
【００２２】
図８に、ノズル１内に液体２２が供給された状態を示す。図８は、ノズル内液体の釣り合い状態に関する説明図であり、ノズル１の先端と後端は、大気に対して開放された状態である。この状態において、図８に示すように、ノズル１内の液体は、ノズル先端４５側に寄った状態で安定する。この状態では、ノズル１の先端部４５とノズル管内上方４６の２箇所に、それぞれ界面４７，４８が存在する。界面４７における管の内径をｄ１、界面４８における管の内径をｄ２とする。前述したように、ｄ１は１０μｍ程度、ｄ２は０．５〜１ｍｍ程度であるので、ｄ１は、ｄ２の1／５０〜1／１００程度である。このように、ノズル先端の内径の方が細くなっている。
なお、図８では、ノズル１の内径は、先端に近づくほど小さくなるテーパ状であるが、テーパ状に限られず、段差のある階段状でもよい。ノズル１の内径をテーパ状にすると、階段状に比べ、ノズル１内の液体が先端方向に移動しやすいという利点がある。
【００２３】
この状態において、内部の液体は静止状態にあり、２箇所の界面４７と４８における液内部４９，５０の圧力は、釣り合った状態にある。これは、ノズル内の界面４７と４８における圧力が等しく釣り合っていることを表しており、さらに（式１）より両界面の曲率Ｒが等しくなっていることがわかる。
界面４８の曲率半径Ｒは、管路中にあるため、（式２）で示すように、接触角θと管径ｄで決まる。一方、ノズル先端における界面４７は、図９のノズル先端拡大図に示すように、ノズル先端内面のエッジ５１を起点として、界面４８と等しい曲率半径を有し、界面４８と逆向きの凹面が形成されている。界面４７では、管内径ｄ１が界面４８の管内径ｄ２よりも小さいが、エッジ５１の作用により、界面４８と等しい曲率半径となる。したがって、（式１）より、界面４７と４８における圧力が等しくなり釣り合う。
【００２４】
次に、このようなノズル１内の液体において、ノズル先端部の液面位置４７が常に安定することを説明する。例えば、図１０に示すように、ノズル先端の液界面４７が、ノズル先端部４５よりも上昇した場合を仮定すると、液界面４７は管内壁と接触角θで接触する。この場合、界面４７と４８の接触角θはほぼ等しいため、（式３）より、管内径が小さいノズル先端ほど圧力が低くなる。ノズル先端４５における内径が最も小さくなっているため、界面４７は、ノズル先端４５方向に移動する。
また、図１１に示すように、ノズル先端から液体がわずかに突き出した状態を仮定すると、突き出した部分５２の内部では、圧力は正圧（大気圧より大きい圧力）になるため、液体にはノズル内部に引き込む方向に力が働く。したがって、ノズル先端における液面位置は、圧力の釣り合いにより、図９に示す位置で安定する。このため、図３〜図６に示す塗布動作を行っても、ノズル先端における液面位置は、自立的に常に安定して、釣り合いの位置に戻る。ただし、この様な状態が成り立つ条件としては、表面張力に比べてノズル内の液重量が無視できるほど小さいことと、ノズル内の液体に外力が加わらないことが必要である。
【００２５】
次に、本発明の第２の特徴について説明する。第２の特徴は、ノズル内の液体に対してパルス状の圧力を加えるための圧力発生機構である。図１２に、第１実施例の圧力調整室４の構造を示す。図１２は、第１実施例における圧力調整室４の構成図である。圧力調整室４は、本実施例では、箱状の閉じた空間６１に開放穴６２を設け、ノズルホルダ２とバルブ５に、それぞれチューブ３と配管９で繋がった構造である。空間６１の体積は、２００ｍｍ３程度、開放穴６２の直径は０．８ｍｍである。
【００２６】
圧力調整室４の機能について説明する。図１３は、圧力調整室４の機能の説明図であり、バルブ５に対する制御装置３０からの制御信号波形７１と、圧力調整室４における圧力応答波形７２を示す。横軸は時間（ｍｓ）である。制御信号７１は、電圧５Ｖのときバルブ５を開き、０Ｖのときバルブ５を閉じるものであり、図１３では、２０ｍｓの間、バルブ５を開く制御信号を示す。
バルブ５が開く前は、圧力調整室４内の気体は大気圧であるが、バルブ５が開くと、圧縮空気が配管９を通って圧力調整室４に流入する。このとき、圧力調整室４に繋がっているチューブ３はノズル１の後端に繋がっており、ノズル１は、内部に液体２２が充填されているため、チューブ３は塞がった状態になっている。
圧縮空気は、圧力調整室４に流入すると、開放穴６２から圧力調整室４の外部へ抜けるが、開放穴６２はオリフィスとして作用し空気が通過する通気抵抗が大きいため、圧力調整室４の内部圧力は、ノズル先端から液体を吐出可能な供給圧力まで、短時間で急速に上昇する。このように、開放穴６２は、圧力調整室４からノズル１へ連通するときの通気抵抗よりも大きな通気抵抗で、圧力調整室外部へ連通する。約２０ｍｓの後、バルブ５が閉じられると、圧縮空気が流入しなくなるため、圧力調整室４内部の圧縮空気は開放穴６２から抜け、圧力調整室４の内部圧力は急速に低下し、圧力調整室４外部の雰囲気である大気の圧力と等しくなる。このようにして、パルス状の高圧気体を、ノズル１の後端に加えることができる。
【００２７】
図１３に示すように、圧力調整室４における圧力応答波形７２は、バルブ５に対する制御装置３０からの制御信号波形７１に比べて、形状は鈍っており、また５ｍｓ程度の遅れはあるが、良好な応答特性を示している。このように、本実施例によれば、単純な構成で応答性の良好なパルス状圧力発生器を構成できることがわかる。また、本実施例の方式の利点は、開放穴６２により通常は大気に開放されていることにより、ノズル１内の液体に、大気圧以外の力が加わり難い状態になっていることである。もし開放されていない場合は、例えば、内部の空気がわずかな温度変動の影響を受けるだけで熱膨張による圧力変動が発生し、ノズル内の液体に力が加わるため、ノズル先端での液面が安定しない。
なお、本実施例では、圧力調整室４外部の雰囲気を大気としたが、大気に限られるものではなく、ノズル先端と後端の雰囲気が同圧であればよい。
【００２８】
本発明の第３の特徴は、ノズル内の液体に対してパルス状の圧力を加えた後、ノズル上昇タイミングを制御してノズルを上昇させることである。本実施例では、ノズル１内の液体にパルスエア（パルス状の高圧気体）を加圧後、遅延制御手段２８によって、ノズル上昇タイミングを制御する。
図５、図６に示すように、ノズル１内の液体２２に対してパルス状の圧力を加えて、ノズル１内の液体２２を基板へ吐出した後、ノズル１を上昇させるが、この上昇タイミングが液体の塗布量に影響する。例えば、パルスエア加圧後、ノズル１の上昇タイミングが遅れた場合、図５に示す状態では界面４８の影響により液体内部は負圧になるため、基板上に塗布された液体がノズル１内に吸引され、塗布不良が発生する。また、ノズル上昇タイミングが早すぎると、塗布量が不足する。したがって、ノズル上昇タイミングを制御することにより、ノズル１からの１回あたりの吐出量を制御することができる。
【００２９】
ノズル１内の液体２２は、パルスエア加圧されノズル１内を移動しノズル１先端から塗布されるが、液体の移動速度は物性の影響を受け、特に粘度の影響を強く受ける。粘度が高いほど移動し難いため、パルス状エア加圧による圧力応答が遅くなる。このため、粘度の高い液体ほど、ノズル上昇時間を遅延することが必要になる。このように、液体の物性に応じて、遅延制御手段２８の遅延時間の設定値を適切に決める必要がある。このため、液物性、塗布条件（パルスエア圧力、加圧時間（つまり、バルブ５の開放時間）、ノズル径等）、遅延時間を因子とする塗布実験から、塗布量を制御するための適正遅延時間を求めてデータベース化し、このデータベースを遅延制御手段２８が参照し、制御することにより、適切な遅延時間制御を行うように構成することが可能となる。
【００３０】
図１４に、第１実施例による塗布結果を示す。図１４は、パラメータを、バルブ５の開放時間３０ｍｓおよび５０ｍｓの２つとし、各パラメータにおいて、パルスエア圧力を６０ｋＰａ、８０ｋＰａ、１００ｋＰａと変えて実験を行った結果である。図１４において、縦軸はノズル１先端からの塗布液の体積（ｐＬ）であり、横軸はパルスエアの印加圧力値である。また、８０はバルブ５の開放時間が３０ｍｓの場合であり、８１はバルブ５の開放時間が５０ｍｓの場合である。液体の粘度は、３０ｍＰａ.ｓ（パスカル・秒）、ノズル上昇遅延時間は、１００ｍｓの条件、つまり、バルブ５の開放開始から１００ｍｓ後にノズル上昇を開始する条件で行った。圧力印加時間３０ｍｓの塗布結果のグラフ８０では、ノズル１先端からの塗布量は、パルスエア印加圧力６０〜１００ｋＰａにおいて、パルスエア印加圧力にほぼ比例し、０．６〜１．４ｐＬであった。圧力印加時間５０ｍｓの塗布結果のグラフ８１では、ノズル１先端からの塗布量は、パルスエア印加圧力６０〜１００ｋＰａにおいて、パルスエア印加圧力に比例し、１〜２．７ｐＬであった。以上の結果より、第１実施例の構成によって、１ｐＬ以下の液体の塗布量を制御して塗布可能であり、かつ塗布量は、印加圧力値と圧力印加時間で制御可能であるといえる。
したがって、ノズル１内に液体を１度供給した後、液体を供給することなく、複数回、ノズル１から液体を塗布することもできる。
【００３１】
（第２実施例）
第２実施例について、図１５を用いて説明する。図１５は、第２実施例の構成を示す模式図であり、図１の第１実施例における、圧力調整室４と２ポートバルブ５の代わりに、３ポートバルブ９０で構成したものである。３ポートバルブ９０以外は、図１の第１実施例と同じなので、説明を省略する。
３ポートバルブ９０は、チューブ３によりノズルホルダ２と連結され、配管９により圧力制御手段６と連結されている。３ポートバルブ９０は、さらに大気開放口９１に連結されている。３ポートバルブ９０は、ノズルホルダ２と圧力制御手段６とを連通させる第１の状態（高圧力状態）と、ノズルホルダ２と大気開放口９１とを連通させる第２の状態（低圧力状態）のうち、いずれか一方の状態に切り替えるものである。３ポートバルブ９０を第１の状態（高圧力状態）にした場合は、チューブ３とノズルホルダ２を介してノズル１内を加圧し、第２の状態（低圧力状態）にした場合は、ノズル１内への加圧が弱まるので、ノズル１内の液体２２に対して、パルス状のパルスエア加圧が可能となる。また、塗布時以外の待機状態においては、３ポートバルブ９０を第２の状態（低圧力状態）にすることにより、ノズル１の先端と反対側の後端が大気開放状態となり、ノズル１への毛管作用による液供給など、第１実施例と同様な機能を達成できる。但し、２ポートバルブに比べて、３ポートバルブの切り替え応答時間は多少遅くなるが、この点を考慮して遅延制御手段２８の遅延時間を設定すればよい。
第２実施例では、圧力発生手段からの高い圧力が前記ノズル内に連通する状態と、ノズル先端の雰囲気の圧力と等しい圧力が前記ノズル内に連通する状態とを切り替える３ポートバルブ９０等により、圧力調整手段が構成される。
【００３２】
（第３実施例）
第３実施例について、図１６を用いて説明する。図１６は、第３実施例の構成を示す模式図であり、図１の第１実施例におけるノズル１の観察手段２４の代わりに、ノズル１と基板２０間の距離を検出する画像距離検出手段９５で構成したものである。画像距離検出手段９５以外は、図１の第１実施例と同じなので、説明を省略する。画像距離検出手段９５は、画像処理に適した光学観察系を有する撮像手段９６と、撮像手段９６で得られた画像を処理し、ノズル１と基板２０間の距離や、当接状態を制御データとして取得するための画像解析手段９７により構成される。画像距離検出手段９５からのデータをもとに、制御装置３０により、バルブ５によるパルスエア圧力制御と、ノズル１のＺ方向駆動と、ＸＹステージ２１のＸＹ方向駆動とを同期制御することによって、塗布動作の自動化が可能となる。つまり、ノズル１への給液動作、ノズル１の基板２０への接近動作、ノズル１からの液体吐出動作、液体吐出後のノズル１の上昇動作を、制御装置３０により制御して、自動化することができる。
【００３３】
（第４実施例）
第４実施例について、図１７を用いて説明する。図１７は、第４実施例の構成を示す模式図であり、図１６における画像距離検出手段９５の代わりに、画像以外の方法による非画像距離検出手段１０３を用い、非画像距離検出手段１０３を、距離検出センサ１００と、センサアンプ１０１等で構成する。非画像距離検出手段１０３以外は、図１６の第３実施例と同じなので、説明を省略する。距離センサ１００は、ノズル１の動作と同期した動作とするために、Ｚステージ１０にブラケット１０２により固定される。距離センサ１００の検出部とノズル１の先端４５の位置関係は、予めキャリブレーション（調整）しておき、距離センサ１００からの信号に基づき、制御装置３０が、Ｚ軸コントローラ２７とＺステージ１０を介して、ノズル先端位置４５の上下位置を制御する。また、制御装置３０は、ＸＹステージ２１のＸＹ方向駆動を制御する。
距離センサ１００としては、塗布対象基板２０の種類によるが、静電容量検出方式、エアマイクロ方式、電気マイクロ方式、レーザ反射光検出方式、光学式距離検出方式、光ファイバの戻り光検出方式、渦電流検出方式等の公知の高精度な検出方式を採用することができる。
なお、第４実施例においても、第３実施例と同様に、ノズル１への給液動作、ノズル１の基板２０への接近動作、ノズル１からの液体吐出動作、液体吐出後のノズル１の上昇動作を、制御装置３０により制御して、自動化することができる。
【００３４】
（第５実施例）
第５実施例について、図１８を用いて説明する。図１８は、第５実施例の構成を示す模式図であり、図１の第１実施例に対して、ノズル１内の液体の温度を制御するために、温度制御素子１０５と温度制御用アンプ１０６を追加し、温度制御素子１０５と温度制御用アンプ１０６を、制御装置３０で制御可能な構成としたものである。温度制御素子１０５と温度制御用アンプ１０６、および温度制御素子１０５と温度制御用アンプ１０６に対する制御装置３０の制御機能以外は、図１の第１実施例と同じなので、説明を省略する。
温度制御素子１０５には、ノズル１表面の温度検出手段（不図示）が組み込まれている。温度制御素子１０５としては、例えば、ヒータあるいはペルチェ素子で構成し、加熱および冷却可能な構成とする。
このような構成により、ノズル１内の液体の温度が制御可能となる。微量塗布の挙動には、液体の粘性が大きく影響する。粘性は温度により大きく変化するため、温度を制御することにより塗布量を制御することが可能となる。
第５実施例では、温度制御素子１０５等により、温度調整手段が構成される。
【００３５】
（第６実施例）
第６実施例について、図１９を用いて説明する。第６実施例では、第１実施例から第５実施例において、図１９に示す塗布量の校正フローを実現するための仕組みを、制御装置３０に組み込む。図１９は、第６実施例を説明するフローチャートである。本実施例によって、塗布量を校正し、塗布量ばらつきを低減することが可能となる。
【００３６】
以下、図１９に示す塗布量の校正フローについて説明する。
まず、操作員が、制御装置３０の操作部から制御装置３０の記憶部に、塗布量の目標値と目標塗布量に対する許容ばらつき量となる許容偏差を設定する（図１９のステップＳ２１）。次に、操作員が、制御装置３０の操作部から制御装置３０の記憶部に、塗布液の物性、ノズル１の形状（ノズル先端内径、長さ）、対象基板情報（基板２０の濡れ性、電気特性、表面状態等）等の塗布条件を設定する（ステップＳ２２）。次に、制御装置３０が制御装置３０の記憶部に、前記設定した塗布条件に対して目標塗布量を実現するための、パルス圧力、パルス加圧時間、温度などの装置制御条件を設定する（ステップＳ２３）。この設定には、予め塗布量と、塗布条件、制御条件に関して、傾向がわかる程度の相関データを有するデータベース１１０を設けておき、これを参照して設定する構造とする。次に、対象基板２０上に液体塗布を実施し（ステップＳ２４）、図示しない塗布量測定手段によって塗布量を測定する（ステップＳ２５）。
【００３７】
塗布量の測定方法としては、制御装置３０は、例えば、塗布した液体の側面像を、図１６に示すようなカメラ９６によって取得し、該取得した液体の側面像に基づいて、塗布量を演算することによって求めることができる。塗布した液体は微量であるため、表面張力の作用により欠球形状を形成する場合が多いので、この性質を利用して側面像から体積を計算することが可能である。
また、塗布対象表面と塗布液体との接触角を、予め接触角計などで測定しておけば、塗布後の液体を上方からカメラで撮影した画像を利用して体積を求めることが可能である。表面張力の作用により液体は円形になるため、円形に広がった液体の直径を求め、これと、接触角と、塗布液が欠球形状を形成する関係から、塗布液の体積を求めることができる。
【００３８】
制御装置３０は、塗布量測定手段によって測定された塗布量と目標値との差を求め、目標偏差値と比較判定し（ステップＳ２６）、目標許容偏差よりも大きければ制御条件を調整し（ステップＳ２７）、再度塗布、測定、判定を繰り返す（ステップＳ２４〜Ｓ２７）。
【００３９】
塗布量制御条件の調整においては、本実施例では、制御装置３０は、加圧時間、パルス圧力、ノズル温度（液体温度）を制御する。制御方法としては、加圧時間とパルス圧力が塗布量にほぼ比例するため、これらの値を増減することによって、塗布量を制御可能である。液体の粘度が高くなると、加圧時間とパルス圧力の制御のみでは、装置のスループットを低下させずに塗布量を制御することが困難となる場合が生じる。このような場合は、ノズル温度を上昇することによって液体の粘度を下げて、加圧時間とパルス圧力を制御することにより、塗布量を制御することができる。
制御装置３０は、以上のような方法で塗布量の制御を行い、許容偏差よりも小さくなれば、校正を終了する（ステップＳ２８）。
【００４０】
制御装置３０は、この校正で得られた制御条件を、データベース１１０に情報として追加する。これにより、校正動作を繰り返すことで、データベース１１０を精密化し、制御条件設定の精度が向上する。塗布対象液体は、微量であるため周囲温度の影響を受け粘度が変化する、あるいは液中の成分が反応し、物性が時間とともに変化することも考えられるが、定期的に校正を実施することにより、液の状態が変化しても目標塗布量からのばらつきを抑えることが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明による液体塗布技術により、これまで困難であった微量液体の高精度塗布が可能となる。これにより、今後発展が期待されるプリンタブルエレクトロ二クス等の塗布応用プロセスにおける塗布欠陥修正や、またマイクロメートルオーダの塗布を必要とするＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical Systems）部品同士の組み立てのような、微細部品接合への応用が期待できる。
【００４２】
本明細書には、少なくとも次の発明が含まれる。すなわち、第１の発明は、
内部に供給された液体を、その先端から吐出する管状のノズルと、
前記ノズルの後端に連通し、ノズル内部の液体を加圧するためのパルス状の圧力を発生する圧力発生手段と、
ノズル先端と被塗布物間の距離を調整する距離調整手段と、
ノズル先端から液体を吐出した後、ノズルを被塗布物から離すタイミングを制御するタイミング制御手段と、
前記ノズルの先端と後端の雰囲気の圧力を等しくする圧力調整手段とを備え、
前記ノズルは、先端のノズル内径をｄ１とし、先端と後端の間であって液体を貯える部分のノズル内径をｄ２とした場合、ｄ２よりｄ１が小さいものである液体塗布装置。
【００４３】
第２の発明は、前記第１の発明の液体塗布装置であって、
前記圧力調整手段は、前記圧力発生手段からの高い圧力が前記ノズル後端に連通する状態と、前記ノズル先端の雰囲気の圧力と等しい圧力が前記ノズル後端に連通する状態とを切り替える３ポートバルブを含むことを特徴とする液体塗布装置。
【００４４】
第３の発明は、前記第１の発明の液体塗布装置であって、
ノズル先端と被塗布物間の距離を、ノズルの側面方向からの画像情報を用いて検出する画像距離検出手段を備え、
前記距離調整手段が、前記画像距離検出手段で検出した距離に基づいて、ノズル先端と被塗布物間の距離を調整することを特徴とする液体塗布装置。
【００４５】
第４の発明は、前記第１の発明の液体塗布装置であって、
ノズル先端と被塗布物間の距離を検出する距離検出センサを備え、
前記距離調整手段が、前記距離検出センサで検出した距離に基づいて、ノズル先端と被塗布物間の距離を調整することを特徴とする液体塗布装置。
【００４６】
第５の発明は、前記第１の発明ないし第４の発明の液体塗布装置であって、
ノズル内の液体の温度を調整可能な温度調整手段を備えることを特徴とする液体塗布装置。
【００４７】
第６の発明は、前記第１の発明ないし第５の発明の液体塗布装置であって、
１回の塗布量を測定する塗布量測定手段と、
前記塗布量測定手段で測定された塗布量と所定の目標塗布量とに基づき、塗布時におけるパルス圧力値、パルス加圧時間を含む装置制御条件を決定する制御装置とを備えることを特徴とする液体塗布装置。
【００４８】
第７の発明は、前記第１の発明ないし第６の発明の液体塗布装置であって、
前記圧力発生手段の発生するパルス状の圧力の印加圧力値又は圧力印加時間、あるいは、前記タイミング制御手段のノズルを被塗布物から離すタイミングを制御することにより、ノズルから１度に吐出する液体の吐出量を制御することを特徴とする液体塗布装置。
【００４９】
第８の発明は、
前記ノズル内部に１回で供給された液体を用いて、ノズルから複数回の吐出を行なうことを特徴とする液体塗布装置。
【００５０】
第９の発明は、
中空のノズルの先端から液体を塗布する液体塗布方法であって、
前記ノズルの中空部分に液体を供給する給液工程と、
前記ノズルの後端側の気体の圧力を上昇させ、前記液体の一部である液滴を前記ノズル先端から射出する液滴射出工程と、
前記液滴射出の後に、前記ノズル後端側の気体の圧力を、前記液滴射出工程前の圧力に戻す圧力降下工程と、
前記液滴射出工程から次の液滴射出工程までの間に、前記ノズルを液体射出対象から遠ざけてから近づける距離制御工程を含み、
前記液滴射出工程と前記圧力降下工程と前記距離制御工程とを、１回の液滴の射出ごとに繰り返すことを特徴とする液体塗布方法。
【００５１】
第１０の発明は、前記第９の発明の液体塗布方法であって、気体を内包し前記ノズルの後端側に連通する圧力調整室を使用するものであり、前記圧力調整室は、前記ノズルへ連通するときの通気抵抗よりも大きな通気抵抗で圧力調整室外部へ連通する開放穴を有しており、
前記液滴射出工程において、該圧力調整室室内の気体を加圧することにより、前記ノズル後端側の気体の圧力上昇を行い、
前記圧力降下工程において、前記圧力調整室の開放穴から気体を外部へ流出させることにより、前記ノズル後端側の気体の圧力を、前記液滴射出工程前の圧力に戻すことを特徴とする液体塗布方法。
【００５２】
第１１の発明は、前記第９の発明または前記第１０の発明の液体塗布方法であって、
前記液滴射出工程前の前記ノズル後端側の気体の圧力は、大気圧であることを特徴とする液体塗布方法。
【００５３】
第１２の発明は、前記第９の発明ないし前記第１１の発明の液体塗布方法であって、
前記ノズル内の中空部分の内径が、先端側に行くほど徐々に小さくなっていることを特徴とする液体塗布方法。
【符号の説明】
【００５４】
１…ノズル、２…ノズルホルダ、３…チューブ、４…圧力調整室、５…バルブ、６…圧力制御手段、７…エアフィルタ、８…圧縮空気源、９…配管、１０…Ｚステージ、１１…架台、１２…ベース、２０…基板、２１…ＸＹステージ、２２…液体、２３…容器、２４…ノズル観察手段、２５…カメラ、２６…モニタ、２７…Ｚ軸コントローラ、２８…遅延制御手段、３０…制御装置、４７、４８…界面、６２…開放穴、９０…３ポートバルブ、９１…大気開放口、９５…画像距離検出手段、９６…撮像手段、９７…画像解析手段、１００…距離検出センサ、１０１…センサアンプ、１０２…ブラケット、１０５…温度制御素子、１０６…温度制御用アンプ、１１０…データベース。
【図１】
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【図２】
2012024704.tif 000007
【図３】
2012024704.tif 000008
【図４】
2012024704.tif 000009
【図５】
2012024704.tif 000010
【図６】
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【図７】
2012024704.tif 000012
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2012024704.tif 000016
【図１２】
2012024704.tif 000017
【図１３】
2012024704.tif 000018
【図１４】
2012024704.tif 000019
【図１５】
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【図１６】
2012024704.tif 000021
【図１７】
2012024704.tif 000022
【図１８】
2012024704.tif 000023
【図１９】
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