(57)【要約】【課題】本発明は、減圧下でインクジェットヘッドから基板上に材料溶液を吐出塗布して薄膜を形成する際に、膜厚の均一性を実現すると共に、吐出塗布の機能を損なうことなく各構成を簡潔に実装した薄膜形成装置を提供することを目的とするものである。【解決手段】本発明は、一定間隔で形成された複数のノズルから材料溶液を吐出して基板に塗布する複数のインクジェットヘッドと、前記インクジェットヘッドにノズル面と液面との水頭差を利用して材料溶液を供給する塗布溶液収納容器と、前記基板を載置し水平に移動させる基板搬送テーブルと、前記インクジェットヘッド及び塗布溶液収納容器及び基板搬送テーブルを収容する減圧手段を備えた減圧室とからなり、前記インクジェットヘッドに直接接続された前記塗布溶液収納容器を同じ減圧環境下に置くことを特徴とする薄膜形成装置の構成とした。【選択図】図１
2009165951.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一定間隔で形成された複数のノズルから材料溶液を吐出して基板に塗布する複数のインクジェットヘッドと、
前記インクジェットヘッドにノズル面と液面との水頭差を利用して材料溶液を供給する塗布溶液収納容器と、
前記基板を載置し水平に移動させる基板搬送テーブルと、
前記インクジェットヘッドの吐出を制御するインクジェットヘッドコントローラ及び前記基板搬送テーブルを移動させると共に位置を検出してフィードバック制御するステージコントローラを有するシステム制御装置と、
前記インクジェットヘッド及び塗布溶液収納容器及び基板搬送テーブルを収容する減圧手段を備えた減圧室とからなり、
前記インクジェットヘッドに直接接続された前記塗布溶液収納容器を同じ減圧環境下に置くことを特徴とする薄膜形成装置。
【請求項２】
減圧室内の圧力が大気圧（１０１．３ｋＰａ）から水の飽和蒸気圧である３．１ｋＰａの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜形成装置。
【請求項３】
塗布溶液収納容器の液面レベルを検知し、前記塗布溶液収納容器を昇降させることにより、インクジェットヘッドのノズル面と塗布溶液収納容器の液面の水頭差を一定に維持する水頭差調整機構を設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の薄膜形成装置。
【請求項４】
塗布溶液収納容器をインクジェットヘッドより高い位置に設置し、電空レギュレータでインクジェットヘッドと塗布溶液収納容器の間にマイナスの微差圧を生じさせる微差圧調整機構を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の薄膜形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インクジェットヘッドを用いて基板上に薄膜を吐出塗布形成する薄膜形成装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
各種の半導体装置や表示素子等は、様々な薄膜で構成されており、近年、飛躍的な伸びを示している液晶表示素子の中で、最も重要な薄膜と考えられているものとしては、配向膜などが挙げられる。
【０００３】
薄型化、大型化、且つ低消費電力という大きな長所を有する液晶表示装置は、携帯電話、パーソナルコンピュータ、又は薄型テレビジョン等において主流に用いられ、大きな発展を遂げている。
【０００４】
液晶表示素子は、電極が形成された２枚の基板の間に液晶組成物を挟持し、２つの電極間に電圧を印加することによって、液晶の分子配列に捩れを起こし、バックライトからの光を直進させたり、遮ったりするスイッチング現象を利用して、偏光板、及びカラーフィルタとの組合せで画像を表示する。
【０００５】
配向膜は、液晶分子の配列に変化を生じるさせるためのトリガとして機能する。尚、液晶分子を一方向に配列するために、液晶分子の分子軸と配向膜とが成すプレチルト角を予め与えておく必要がある。
【０００６】
具体的には、基板に配向膜を塗布した後、特定の布で特定の方向に軽く摩擦するラビング処理を施すことにより、配向膜の表面に液晶分子の配列が捩れる際の起点となる核が形成される。
【０００７】
両基板の電極間に電圧を印加すれば、一定方向の液晶の分子配列が実現する。意図した表示を実現するためには、配向膜の役割は極めて重要であり、薄膜の基本特性である膜厚や組成の均一性が強く望まれている。
【０００８】
また、液晶の分子配列の状況は、画面の明るさや視野角の広さ等の表示性能と深い関係にあり、これらの特性改善のために、横電界方式配向（ＩＰＳ）や垂直配向（ＶＡ）が提案され、それに応じた配向膜材料が開発されている。この配向膜材料を基板に塗布し、大面積で薄く均一に成膜することが重要な課題となっている。
【０００９】
従来の液晶表示素子の配向膜形成は、特許文献１に記載のオフセット印刷（フレキソ印刷）による方法が一般的である。アニロックスローラ上に展開された配向膜材料をドクタローラで均一な厚さにし、版胴上に設けた印刷版に転写した後、基板表面に転写し、乾燥工程及び焼成工程を経ることで、配向膜が形成される。
【特許文献１】特開昭５４−２１８６２号公報
【００１０】
液晶表示素子は、年々基板が大型化しており、従来の印刷方法では印刷版が設けられた版胴をクリーンルーム内で交換することが非常に困難で、さらに材料損失も大きいため、特許文献２に記載されているように、配向膜材料をノズルから噴射して基板表面に塗布し、展開、乾燥及び焼成のプロセスを経て配向膜を形成するインクジェット方式の配向膜形成方法も提案されている。
【特許文献２】特開２００３−８０１３０号公報
【００１１】
図１０は、従来の薄膜形成装置の概要を示す図である。薄膜形成装置１ｂは、基板３を固定する基板搬送テーブル４を有し、基板搬送テーブル４の上方に、複数のインクジェットヘッド９をヘッドブラケット２ａに配置したヘッド２が門型フレーム２ｅに支えられて設けられる。
【００１２】
各インクジェットヘッド９の下面には複数のノズル９ａが存在し、塗布溶液収納容器２ｃから塗布溶液供給配管２ｄを介して供給した材料溶液９ｄを吐出する。尚、各ノズル９ａの液滴吐出方向は、基板３の表面に対して垂直である。
【００１３】
テーブル移動用アクチュエータ６ａで基板搬送テーブル４を水平に移動させ、基板搬送テーブル４上の基板３の移動量とインクジェットヘッド９からの吐出量を調整しながら塗布動作が行われる。
【００１４】
基板搬送テーブル４は、ステージコントローラ１０ｆにより高精度な位置決めが行われる。位置検出器６ｂで基板搬送テーブル４の位置を取得し、ステージコントローラ１０ｆにフィードバックすることにより、正確な位置となるように制御される。
【００１５】
所定の方向に所定の速度で搬送される基板３の表面に、各インクジェットヘッド９から吐出され、球状のドットとして着弾した材料溶液９ｄを、展開、乾燥、及び焼成することで配向膜が形成される。
【００１６】
尚、塗布動作における基板３の進行については、インクジェットヘッド９の位置を固定し基板搬送テーブル４を水平移動させる直接移動の方法と、基板搬送テーブル４の位置を固定しインクジェットヘッド９を水平移動させる間接移動の方法とがある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
オフセット印刷による液晶表示素子の配向膜形成における問題点解決のために提案されたインクジェットヘッドを用いた非接触方式の形成方法においては、配向膜材料の使用効率や版換えに関する課題は解決されている。
【００１８】
しかしながら、配向膜の膜厚の均一性確保という点では、大きな課題がある。従来のインクジェット方式の配向膜形成方法は、常圧（大気圧）下で行われており、インクジェット方式に使われる液滴が極微量であるため、吐出後の液滴の飛行軌跡が周囲雰囲気の気流の影響を受けやすく、基板への着弾位置のばらつきに直結する。
【００１９】
インクジェットヘッドと基板とのギャップをできるだけ狭くして、吐出時の運動エネルギーが減衰しないようにすることで、着弾位置の精度確保を維持できるが、大型化した基板に対してはギャップに裕度がなくなり、基板上に形成される配向膜の膜厚変動の大きな要因となる。
【００２０】
着弾位置精度は、インクジェットヘッドと基板の相対移動速度が変動した場合や、ノズルの噴射タイミングがずれた場合にも起こるが、インクジェット方式による配向膜形成方法は基板上に一液滴で形成されるドットを拡散展開して大面積の薄膜を得る方法であるため、ドットの位置ずれは膜厚変動の大きな要因となる。
【００２１】
また、インクジェットヘッドは、半導体と同様の微細なプロセスで製造されており、デバイスの主要な部分を占める流路を材料溶液が円滑に通るためには、材料溶液の流体特性として粘度の制約がある。さらに、ノズルから１個の液滴を噴射するためには、材料溶液自体の表面張力の制約がある。
【００２２】
尚、現在、産業用として用いられているインクジェットヘッドに関しては、粘度が５〜１５ｍＰａ・ｓ程度、表面張力が２５〜４５ｍＮ／ｍ程度である。
【００２３】
配向膜材料の場合は、主成分であるポリイミドは非常に安定した高分子材料であり、溶解し難いので、溶剤としてγ−ブチルラクトン、Ｎ−メチルピロリドン、又はブチルセロソルブ等を大量に用いて、低粘度にして噴射塗布を行う。
【００２４】
溶剤を添加した材料溶液が基板上に着弾すると、溶剤の蒸発と液体としての拡散展開が同時に起こり、最終的に半乾燥状態になったところで物質の移動は止まるが、相対的に比重が大きいポリイミドの分子は拡散して端部に行くため、端部の膜厚が非常に大きくなるコーヒーステイン現象が生じる。
【００２５】
薄膜形成を目的としたプロセスにおいて、塗布領域の周縁部での膜厚の異常な増大は、液晶表示素子の製造では致命的なトラブルとなるため、端部の盛り上がりは避けなければならない重要な課題である。
【００２６】
インクジェットによる薄膜形成方法において、均一性が高い膜厚分布を得る手段として、大気圧よりも低い減圧環境下でインクジェット塗布を行うことが有効である。ただし、薄膜形成装置で安定した吐出塗布を行うためには、インクジェットヘッドのノズル面と塗布溶液収納容器の液面の水頭差に注意する必要がある。
【００２７】
図１１は、インクジェットヘッドのノズル面と塗布溶液収納容器の液面レベルとの水頭差について示した図である。
【００２８】
インクジェット塗布装置に多用される剪断型のインクジェットヘッド９は、ノズル９ａの直前までピエゾ素子による変形吐出機構が接近しているため、インクジェットヘッド９のノズル９ａ面は、塗布溶液収納容器２ｃ内の材料溶液９ｄの液面よりも高くする。
【００２９】
尚、材料溶液９ｄの液面がインクジェットヘッド９のノズル９ａ面よりも高いと、材料溶液９ｄがノズル９ａ面で拘束されることがなく、染みだしてしまう。また、材料溶液９ｄの液面が必要以上に下がってしまうと、ピエゾ素子のポンプ作用が及ばなくなり、吐出塗布されなくなる。
【００３０】
水頭差を確保する際に、インクジェットヘッドの移動や基板搬送テーブルの移動を妨げないように配慮すると、供給配管系が冗長になりやすく、減圧下で薄膜形成装置を実装する際には大きな課題となる。
【００３１】
そこで、本発明は、減圧下でインクジェットヘッドから基板上に材料溶液を吐出塗布して薄膜を形成する際に、膜厚の均一性を実現すると共に、吐出塗布の機能を損なうことなく各構成を簡潔に実装した薄膜形成装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００３２】
液滴となってインクジェットヘッドを飛び出した材料溶液は、基板に着弾した後、基板表面に拡散展開するが、材料溶液が持つ運動エネルギーと基板面に対する摩擦抵抗とのバランスが取れたところで拡散展開は止まる。
【００３３】
拡散過程において、材料溶液の表面から溶剤等の揮発分が蒸発し続ける。尚、蒸発挙動が最も盛んに行われるのは、液滴の先端部の自由表面である。
【００３４】
この領域の蒸発が加速されると、液滴の中心部から端部に向かって材料溶液を供給するために、マランゴニ流と呼ばれる流れが生じる。この流れの繰り返しにより、端部に濃度の高い領域が生じ、結果として膜厚が非常に大きくなる。
【００３５】
図１２は、インクジェットヘッドから吐出した液滴が基板上に展開し、最終的な液滴断面形状に及ぼす減圧度の影響について示した図である。
【００３６】
図１２の上段のように、材料溶液の流動と溶剤の蒸発乾燥が同時に起こる。材料溶液の基板上での拡散展開は、液滴の持つ運動エネルギーと基板の表面状態により決まるが、溶剤の蒸発は減圧の程度により沸点が変わるので、全体の流れが制御される。
【００３７】
大気中における成膜挙動１３と減圧下における成膜挙動１３ａを比較すると、図１２の下段のように、最終的な表面形状は減圧度合いによって大きく変わる。
【００３８】
材料溶液の拡散と溶剤等の揮発分の蒸発を、減圧手段を用いて制御することにより、インクジェット吐出による液滴の繋がりで薄膜を形成する際に、コーヒーステイン現象や膜厚むら等が解消され、平坦度に優れた均一な膜厚を実現することができる。
【００３９】
また、塗布溶液収納容器からインクジェットヘッドへの材料溶液の供給は、重力を考慮した水頭差を利用する。
【００４０】
塗布溶液収納容器の液面、及びインクジェットヘッドのノズル面は大気開放された状態で、水頭差に相当する重力とインクジェットヘッドの管路を含む配管抵抗を平衡させ、吐出休止時には材料溶液がノズルから出ないようにし、吐出動作時にはインクジェットヘッドのアクチュエータに呼応して材料溶液を滞ることなく供給する。
【００４１】
図１３は、吐出前段階におけるノズル先端での溶液メニスカスの形状に影響を及ぼす水頭差の状態について示した図である。
【００４２】
水頭差適正１４であればメニスカス９ｅの形状は最適であり、水頭差過剰１４ａだと材料溶液９ｄが後退したメニスカス９ｅとなり、水頭差不足１４ｂだとノズル９ａから液垂れ９ｆを生じる。
【００４３】
そのため、インクジェットヘッド９のノズル９ａ吐出口での材料溶液９ｄのメニスカス９ｅ形状が最適となるように、水頭差を設定する必要がある。尚、大気圧中では、インクジェットヘッド９のノズル９ａ面に対して、材料溶液９ｄの液面を１００ｍｍ程度低くする。
【００４４】
減圧下では、インクジェットヘッドに直結する塗布溶液収納容器が減圧室の外部に設置されると、減圧室内外で圧力差を生じ、これを水頭差でカバーすることは困難であるので、塗布溶液収納容器は減圧室内部に入れる。尚、塗布溶液収納容器に材料溶液を補充する塗布溶液補充用タンク等まで含める必要はない。
【００４５】
次に、インクジェットの噴射塗布動作を円滑に行うためには、減圧環境下でどのノズルからも液滴が吐出できることが要求される。また、インクジェットの安定吐出のためには、インクジェットヘッドや配管供給系の目詰まり等がないことが必要である。
【００４６】
インクジェットヘッドを含む材料溶液の供給系において、外部からの空気の流入による気泡混入や、内部からの気泡発生は、圧力遮断を引き起こし、安定した吐出ができなくなる。尚、外部からの気泡混入は、シール等の対応で防止可能である。
【００４７】
内部からの気泡発生については、材料溶液の中に含まれている溶剤が、減圧環境下で沸点が降下することにより、蒸発しやすくなり、気泡発生が加速されたり、材料溶液に最初から内在していた水分、保管時に吸収された水分、又は配管系やインクジェットヘッドの流路壁面に結露した水分などが、減圧により蒸発する可能性もある。
【００４８】
図１４は、液晶配向膜の溶剤成分と水の蒸気圧を示すグラフである。配向膜を形成するのに用いられる溶剤成分としては、ＮＭＰ、ブチルセロソルブ、γ−ブチルラクトンなどがある。
【００４９】
蒸気圧線図１５は、液体の温度と蒸気圧の関係を示すＡｎｔｉｏｎｅの式から求めたものであり、減圧沸騰の影響は、材料溶液に含まれる溶剤よりも、材料溶液等に内在する水分の影響の方が著しい。
【００５０】
４７ｋＰａの減圧度では水の平衡温度は約８０℃、７．４ｋＰａでは約４０℃まで低下しており、標準的な室温である２５℃において減圧して水分が気化する下限は３．１６９ｋＰａである。
【００５１】
インクジェットヘッドの流路内部の表面状態にも依るが、大気圧と下限値の範囲内で減圧して動作を行えば、安定吐出を実現することができる。
【００５２】
次に、大気環境下でインクジェットヘッドを構成する全ノズルが滞りなく吐出するためには、材料溶液を押す空気の力と水頭差に相当する材料溶液の重量の和と、ノズルから材料溶液を出さないように押し留める力と材料溶液の移動に伴う管路抵抗の和との差圧を適正にする必要があり、インクジェットヘッド、塗布溶液配管系及び塗布環境条件が決まると、水頭差を最適化することが安定吐出の要件となる。
【００５３】
減圧環境下においても、材料溶液を出そうとする力と押し留めようとする力の差を適正に維持すれば、安定吐出が可能である。インクジェット吐出動作を安定して持続させるためには、需要である材料溶液の吐出と、供給である材料溶液の補給とのバランスを常に保つ必要がある。
【００５４】
材料溶液の使用に伴う液面の低下状況を検知し、減少量に見合う材料溶液を供給する。液面を計測する装置としては、光学式のもの、フロート等を用いる機械式のもの、音波を用いるもの等がある。
【００５５】
減圧室に塗布溶液収納容器が入っている状況においては、塗布溶液収納容器を保持している設置移動ステージを上下に移動できる機構を取り付ける。
【００５６】
次に、インクジェットヘッドのノズル面と基板のギャップは通常１ｍｍ以下であるので、マイナスの水頭差を確保するために、塗布溶液収納容器は基板を保持している基板搬送テーブルの面より下に設置する必要がある。
【００５７】
広い領域を塗布する場合には、インクジェットヘッドと基板のうち少なくとも一方を移動させながら行う必要があるが、塗布材料収納容器を基板搬送テーブルの可動範囲内には設置できないため、塗布溶液供給配管を長く取らなければならない。
【００５８】
そのため、塗布材料収納容器をインクジェットヘッドの上部近傍に配置すれば、塗布溶液供給配管も短くでき、整然とした薄膜形成装置を構成することができる。
【００５９】
それと共に、電空レギュレータを用いた微差圧調整機構を導入し、水頭差の影響に関してマイナスであったものをプラス側にシフトさせる。その結果、材料溶液供給上の問題を解決した上に、インクジェットヘッドと塗布材料収納容器を近接でき、効率的な実装が可能となる。
【発明の効果】
【００６０】
インクジェット吐出を減圧環境下で行うため、吐出された液滴が基板面に沿って溶剤の蒸発を伴いながら拡散展開した際に、端部での盛り上がりも少なくなり、スムーズに隣接する液滴と合流させることができる。その結果、膜厚のばらつきが小さい平滑な表面形状を有する薄膜を形成することができる。
【００６１】
塗布溶液収納容器を減圧室内に設置することにより、インクジェットヘッドのノズル面との相対的な水頭差は、大気圧中と同様な取扱いをすることができ、薄膜形成装置の小型化を実現することができる。
【００６２】
減圧雰囲気の減圧度の下限を制限することにより、インクジェットヘッドの配管内部や送液配管中の気泡の発生を抑えることができ、安定吐出の信頼性を向上させることができる。
【００６３】
インクジェットヘッドのノズル面と塗布溶液収納容器の液面との水頭差は、許容幅の範囲内であれば安定して液滴の吐出が可能であるが、環境温度、環境湿度、又は振動等の影響も考慮に入れて、材料溶液が消費されて液面が下がったら、材料溶液を補充して最適な水頭差を維持することにより、インクジェット吐出を安定して行うことができる。
【００６４】
最適な水頭差を確保するために塗布溶液収納容器とインクジェットヘッドを繋ぐ配管系が冗長化してしまうのを、インクジェットヘッドの直上に塗布溶液収納容器を取り付け、微差圧調整機構を設けて水頭差を調整することで解消することができる。これにより、薄膜形成装置の小型化及び簡素化が実現でき、配管長が短くなったことで信頼性も向上させることができる。
【００６５】
材料溶液には、溶剤を添加することで揮発性有機化合物（ＶＯＣ）等が含まれているが、薄膜形成装置は減圧室で完全に仕切られており、真空ポンプで排気した後、ＶＯＣの吸着除去装置で除去するので、環境に対して十分に配慮することができる。
【００６６】
本発明は、液晶を始めとする各種の表示素子を構成する機能薄膜の製造や、半導体装置の各種薄膜の製造に適用可能であり、従来のスパッタ法やＣＶＤ法等に比べて、塗布材料の利用効率やスループットに優れている上に、極めて安価に提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６７】
以下に、添付図面に基づいて、本発明である薄膜形成装置について詳細に説明する。尚、液晶表示素子の最も重要な機能薄膜である配向膜を例とし、材料溶液として配向膜溶液を使用する場合で説明する。
【００６８】
図１は、本発明である薄膜形成装置の概要を示す図である。薄膜形成装置１は、ヘッド２、塗布溶液収納容器２ｃ、基板搬送テーブル４、及び減圧室７等からなる。
【００６９】
ヘッド２は、ヘッドブラケット２ａに複数のインクジェットヘッド９を配置したもので、門型フレーム２ｅにより中空に保持され、ヘッド昇降用アクチュエータ２ｂで上下移動させることができる。
【００７０】
各インクジェットヘッド９には、材料溶液９ｄの液滴を吐出するために、複数のノズル９ａが一定間隔で直線状に下方に向けて形成され、また、材料溶液９ｄを供給するために、塗布溶液収納容器２ｃから延びて分岐した塗布溶液供給配管２ｄが接続される。
【００７１】
基板搬送テーブル４は、材料溶液９ｄを塗布する基板３を載せ、基板３を水平移動させるための台である。尚、基板３は、大気圧中での処理であれば真空吸着法を用いることができるが、減圧環境下であるため、基板吸着用の静電チャック４ａにより基板搬送テーブル４に固定する。
【００７２】
また、基板３の搬入又は搬出時に基板搬送テーブル４を上方に持ち上げることができるように、リフトピン機構５ａを備えたステージ５の上に基板搬送テーブル４を載せることもできる。
【００７３】
基板搬送テーブル４は、テーブル移動用アクチュエータ６ａでガイドレール６に沿って前後に移動させることができる。位置検出器６ｂで基板搬送テーブル４の位置を測定して、移動量を適正に制御することも可能である。
【００７４】
テーブル移動用アクチュエータ６ａは、通常、サーボモータが用いられ、ボールネジを介してステージ５に接続されるが、低発塵が要求される場合には、リニアモータを用いることもできる。
【００７５】
ヘッド２、塗布溶液収納容器２ｃ及び基板搬送テーブル４は、密閉された減圧室７内において、ベースフレーム７ａ上に配設される。ヘッド２は、門型フレーム２ｅをベースフレーム７ａに固定することで支え、基板搬送テーブル４は、ガイドレール６をベースフレーム７ａを敷いて設置する。
【００７６】
尚、ヘッド２の各インクジェットヘッド９は、圧力を利用して材料溶液９ｄを供給するので、各インクジェットヘッド９と直接接続される塗布溶液収納容器２ｃは、同じ圧力環境下に置く必要がある。
【００７７】
また、減圧室７の外には、減圧室７を減圧するための真空排気ポンプ７ｂと、揮発性有機化合物（ＶＯＣ）を除去するための揮発性溶剤吸着処理装置７ｃが設置される。
【００７８】
図２は、本発明である薄膜形成装置で配向膜を形成した液晶表示素子の断面構造を示す図である。
【００７９】
液晶パネル８は、薄膜形成装置１で配向膜８ａを塗布した基板３を用いて製造した液晶表示素子である。前面モジュールと液晶層と後面モジュールとからなり、後方のバックライトから光を照射すると、画像を映し出すことができる。
【００８０】
前面モジュールの基板３に塗布した配向膜８ａと後面モジュールの基板３に塗布した配向膜８ａを向かい合わせて、間に液晶分子を充填して液晶層を作り、対向電極と画素電極に電圧を印加することで液晶分子の配列の向きを変え、偏光板と組み合わせることにより、透過する光のＯＮ／ＯＦＦを行う。また、カラーフィルタを介して光の色を変える。
【００８１】
図３は、本発明である薄膜形成装置で１パス塗布を行う場合に擬似的な長尺ラインを構成したヘッドのレイアウトを示す平面図及び正面図である。尚、上段がヘッド２の平面図で、下段がヘッド２の正面図である。
【００８２】
インクジェットヘッド９は、ピエゾ素子をベースにしており、材料溶液供給口９ｂから各ノズル９ａに材料溶液９ｄを流す流路が形成される。流路に電圧を印加すると圧電効果により流路形状が伸縮しポンプとして機能するので、液滴をノズルから吐出させることができる。
【００８３】
１列分の塗布を行うためにインクジェットヘッド９を長手方向に並べたインクジェットヘッド列にするが、インクジェットヘッド列は２列用意し、各列を平行にして、１列目のインクジェットヘッド９と２列目のインクジェットヘッド９とが互い違いとなるように配置する。
【００８４】
尚、１列目のインクジェットヘッド９と２列目右方にあるインクジェットヘッド９とは、１列目の右端のノズル９ａと２列目の左端のノズル９ａの位置を合わせ、１列目のインクジェットヘッド９と２列目左方にあるインクジェットヘッド９とは、１列目の左端のノズル９ａと２列目の右端のノズル９ａの位置を合わせる。
【００８５】
１列ではインクジェットヘッド９間の非ノズル領域をカバーすることができないが、２列互い違いにして補うことで等間隔のノズルピッチを実現することができ、時間差をおいて２列のインクジェットヘッド列を擬似的に１本のライン状のヘッド２として機能させることができる。
【００８６】
各インクジェットヘッド９の材料溶液供給口９ｂには塗布溶液供給配管２ｄが接続され、ノズル９ａから材料溶液９ｄが吐出されると、塗布溶液収納容器２ｃからインクジェットヘッド９内に材料溶液９ｄが供給される。
【００８７】
各インクジェットヘッド９は、ヘッドコントローラ接続ケーブル９ｃによりシステム制御装置１０に接続され、ノズル９ａからの材料溶液９ｄの吐出が制御される。
【００８８】
図４は、本発明である薄膜形成装置の塗布動作における制御構造を示す図である。システム制御装置１０は、インクジェットヘッドコントローラ１０ａ、制御用コンピュータ１０ｅ、ステージコントローラ１０ｆ、及び減圧制御１０ｇ等からなる。
【００８９】
インクジェットヘッドコントローラ１０ａは、ヘッド駆動部１０ｂ、メモリ部１０ｃ、及び制御部１０ｄ等からなり、各インクジェットヘッド９の動作を制御する。
【００９０】
制御用コンピュータ１０ｅは、塗布動作の制御アルゴリズムが組まれたプログラムを実行する装置であり、まず吐出塗布ピッチと塗布パターン情報（塗布開始位置、塗布終了位置、塗布パターン形状等）が設定される。
【００９１】
塗布パターン形状は、ビットマップ等のデータで作成される。各ドットをインクジェットヘッド９のノズル９ａに対応させたりすることで、吐出が制御できる。尚、設定されたビットマップデータはメモリ部１０ｃに送られる。
【００９２】
制御用コンピュータ１０ｅから制御部１０ｄに塗布開始信号が送られると、制御部１０ｄは、ステージコントローラ１０ｆからエンコーダパルスを受ける度に、それをトリガ信号としてヘッド駆動部１０ｂ及びメモリ部１０ｃに動作指示を出す。
【００９３】
メモリ部１０ｃは、ビットマップデータから１回の塗布動作で必要な塗布パターン形状のデータをヘッド駆動部１０ｂに送る。即ち、インクジェットヘッド列が２列ある場合は、２列分のデータを送る。
【００９４】
ヘッド駆動部１０ｂは、塗布パターン形状のデータを基に、各インクジェットヘッド９にヘッド駆動信号を送る。インクジェットヘッド列が２列ある場合は、１列目のヘッド駆動信号を送った後、時間を置いて２列目のヘッド駆動信号を送る。
【００９５】
各インクジェットヘッド９において、塗布パターン形状に応じてノズル９ａから基板３に対して材料溶液９ｄが吐出される。基板３は移動することから、１列目が吐出された後、２列目が１列目の空きを埋めるように吐出され、１列分が均等に塗布される。
【００９６】
また、制御用コンピュータ１０ｅは、塗布開始と同時に、又は位置決めフィードバック制御する際に、ステージコントローラ１０ｆに対し、基板３の移動を制御するための指令データ（移動開始信号、塗布開始位置、塗布終了位置等）を送る。
【００９７】
ステージコントローラ１０ｆは、テーブル移動用アクチュエータ６ａを動作させて所定の速度で基板搬送テーブル４を移動させると共に、塗布開始位置から塗布終了位置まで定期的にエンコーダパルスを制御部１０ｄに送る。
【００９８】
基板搬送テーブル４が移動すると、定期的に位置検出器６ｂで基板搬送テーブル４の位置を取得して、基板搬送テーブル４の速度を算出し、ステージコントローラ１０ｆを介して制御用コンピュータ１０ｅに送る。
【００９９】
制御用コンピュータ１０ｅは、基板搬送テーブル４の移動速度が適正であるか判断し、速すぎたり遅すぎたりした場合には、ステージコントローラ１０ｆに移動速度を調整するように促すことで、フィードバック制御する。
【０１００】
インクジェットヘッド９の吐出を管理するインクジェットヘッドコントローラ１０ａと、基板搬送テーブル４の移動を管理するステージコントローラ１０ｆの関係を、適切に制御することにより、基板３に均一な薄膜を塗布形成することが可能となる。
【０１０１】
また、制御用コンピュータ１０ｅは、減圧室７内の減圧制御１０ｇも行う。塗布動作を減圧環境下で行うことにより、液滴が基板３に着弾した後の拡散展開中の蒸発を制御し、膜厚分布を均一にすることができる。
【実施例１】
【０１０２】
図５は、本発明である薄膜形成装置の減圧室における制御構造を示す図である。薄膜形成装置１を収容した減圧室７内を大気圧より低い圧力にして塗布動作を行う。
【０１０３】
減圧室７には真空シール７ｄが施され、減圧室７の減圧度を測定し圧力変動を検知する真空ゲージ７ｅが設置される。その他、圧力調整用の弁や大気開放用の弁も設けられ、フィルタを介して窒素を取り込むことができる。
【０１０４】
減圧室７内を減圧するために真空排気ポンプ７ｂを接続するが、低真空度で圧力レベルを一定に保つために、減圧室７と真空排気ポンプ７ｂの間に可変圧力調整弁７ｉを設け、微小な圧力変動に対する制御を行う。
【０１０５】
減圧室７の圧力が上がり、それを真空ゲージ７ｅが検知すると、圧力検知信号がシーケンサ７ｆに入力される。シーケンサ７ｆは、通信手段７ｇを介して、サーボアンプ７ｈに指令を出し、可変圧力調整弁７ｉの開閉を制御するサーボモータ７ｊを操作し、可変圧力調整弁７ｉを開く。
【０１０６】
減圧室７の圧力が設定値に達すると、シーケンサ７ｆの指令により、サーボアンプ７ｈが可変圧力調整弁７ｉを閉じると共に、リーク弁７ｋを開放して、減圧室７内の圧力を設定値に保つ。
【０１０７】
着弾した材料溶液９ｄの拡散展開と材料溶液９ｄ中の溶剤の蒸発が形成される薄膜の膜厚に与える影響が最適となる減圧度が決まれば、常に減圧室７を最適圧力に設定することができる。
【実施例２】
【０１０８】
本発明のインクジェット塗布においては、塗布溶液収納容器２ｃと各インクジェットヘッド９を塗布溶液供給配管２ｄで連結し、塗布溶液収納容器２ｃの液面レベルとインクジェットヘッド９のノズル９ａ面との水頭差により重力を利用して自然供給する。
【０１０９】
剪断型のインクジェットヘッド９を用い、大気圧下でインクジェット塗布を行う場合、塗布溶液収納容器２ｃの液面レベルがインクジェットヘッド９のノズル９ａ面より約１００ｍｍ低く設定すると良好な吐出が行われる。
【０１１０】
尚、塗布溶液収納容器２ｃの液面の方を適度に低くすることで、インクジェットヘッド９のメニスカス９ｅを適正にすることができる。液面が高くなると液漏れが生じやすくなり、液面が低すぎると吐出不能になりやすくなる。
【０１１１】
また、インクジェットヘッド９が減圧室７内で、塗布溶液収納容器２ｃが減圧室７外にあると、１０ｍ以上の非常に大きい水頭差を確保する必要が生じ、装置を構成することが困難となるため、塗布溶液収納容器２ｃも減圧室７内に設置する。
【０１１２】
大気圧下で材料溶液９ｄの供給が良好でも、減圧環境下に置くと、沸点が降下するため、内在する水分が気化しやすくなり、気化した又は内在する気体は圧力に反比例して体積を増大させるので、塗布溶液供給配管２ｄ内に材料溶液９ｄの不連続部分が発生して、安定した吐出が不可能となる。
【０１１３】
そこで、減圧室７の減圧度を、薄膜形成装置１が設置されるクリーンルーム等の常温（２５℃）での水の飽和蒸気圧（３．１ｋＰａ）以上、大気圧（１０１．３ｋＰａ）以下の範囲で設定することにより、内在する水分が気化し気泡が発生するのを防止することができる。尚、温度条件が異なれば、それに応じて下限（水の飽和蒸気圧）も変動させる。
【実施例３】
【０１１４】
図６は、本発明である薄膜形成装置で塗布溶液収納容器の液面レベルとインクジェットヘッドのノズル面との水頭差を最適に保つ機構を示す図である。
【０１１５】
インクジェット吐出は圧力伝達が重要であるが、インクジェットヘッド９は、減圧環境下に置かれるので、水頭差による自然供給を行うためには、塗布溶液収納容器２ｃも減圧室７内に置いて、同じ環境下で行う必要がある。
【０１１６】
水頭差の許容範囲は上下約１０ｍｍの幅があるが、材料溶液９ｄは消費されるので、液面は徐々に下がる。そこで、薄膜形成装置１に水頭差調整機構１１を設ける。
【０１１７】
減圧室７内に、移動ステージ１１ｂを垂直方向に移動させることができる収納容器昇降用アクチュエータ１１ａを設置し、移動ステージ１１ｂに塗布溶液収納容器２ｃを載置する。
【０１１８】
また、塗布溶液収納容器２ｃを挟むように液面監視センサ１１ｃを取り付ける。液面レベルの低下を検知すると、収納容器昇降用アクチュエータ１１ａにより塗布溶液収納容器２ｃを上昇させて、常に一定の水頭差を維持する。
【０１１９】
材料溶液９ｄの不足を補うために、減圧室７の外に補充用タンク１１ｄを設け、塗布動作の中断時等に、補充用ポンプ１１ｅで塗布溶液収納容器２ｃに材料溶液９ｄを送るようにすることもできる。
【実施例４】
【０１２０】
図７は、本発明である薄膜形成装置で塗布溶液収納容器をインクジェットヘッドよりも上方に配置し、配管系統を効率化した構成を示す図である。
【０１２１】
水頭差の設定値は、インクジェットヘッド９のノズル９ａ面における静止状態での材料溶液９ｄに掛かる力の釣合いから求められ、塗布溶液収納容器２ｃの液面はノズル９ａ面によりも最適設定値だけ低くする必要がある。
【０１２２】
しかし、インクジェットヘッド９と基板３の塗布ギャップは、通常約０．５ｍｍであるため、塗布溶液収納容器２ｃを基板搬送テーブル４上に置くことはできないし、インクジェットヘッド９よりも高い位置に置くこともできない。
【０１２３】
そのため、基板搬送テーブル４の可動範囲外であるかなり離れた位置に塗布溶液収納容器２ｃを設置すると、塗布溶液供給配管２ｄが非常に長くなり、配管抵抗も増大してしまう。
【０１２４】
そこで、薄膜形成装置１ａでは、塗布溶液供給配管２ｄを短く整然と配置し、塗布溶液収納容器２ｃをインクジェットヘッド９よりも高い位置に設置できるように微差圧調整機構１２を設けて信頼性を確保する。
【０１２５】
微差圧調整機構１２は、電空レギュレータ１２ａを用いて、塗布溶液収納容器２ｃが高い位置にあっても、インクジェットヘッド９と塗布溶液収納容器２ｃの間にマイナスの微差圧を生じさせる。
【０１２６】
図８は、本発明である薄膜形成装置に設置した電空レギュレータの制御構造を示す図である。電空レギュレータ１２ａは、排気弁１２ｂと給気弁１２ｃを有し、設定圧力により両者を使い分けることで、昇圧にも降圧にも対応することができる。
【０１２７】
例えば、制御回路１２ｉに昇圧の入力信号が入ると、給気用電磁弁１２ｄは開き、排気用電磁弁１２ｅは閉じて、給気の一部が給気用電磁弁１２ｄを通してパイロット室１２ｆに送られる。パイロット室１２ｆの圧力が上昇し、ダイヤフラム１２ｇの上面に作用すると、ダイヤフラム１２ｇと連動する給気弁１２ｃが開き、給気による加圧が出力圧力となる。
【０１２８】
一方、制御回路１２ｉに減圧の入力信号が入ると、給気用電磁弁１２ｄは閉じ、排気用電磁弁１２ｅは開いて、パイロット室１２ｆから排気が行われる。パイロット室１２ｆの圧力が下がることで、ダイヤフラム１２ｇと連動する排気弁１２ｂが開き、排気による減圧が出力圧力となる。
【０１２９】
図９は、本発明である薄膜形成装置の電空レギュレータの出力圧力を一定値に収束させる制御を実現させるブロック図である。
【０１３０】
電空レギュレータ１２ａで一連の動作を行ったら、圧力検出センサ１２ｈでパイロット室１２ｆの内部圧力を検出し、制御回路１２ｉにフィードバックすることにより、入力信号に比例した出力圧力になるまで繰り返し動作を実行する。
【０１３１】
尚、電空レギュレータ１２ａは、直列又は並列に多段的に設置することにより、精度を向上させたりすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１３２】
【図１】本発明である薄膜形成装置の概要を示す図である。
【図２】本発明である薄膜形成装置で配向膜を形成した液晶表示素子の断面構造を示す図である。
【図３】本発明である薄膜形成装置で１パス塗布を行う場合に擬似的な長尺ラインを構成したヘッドのレイアウトを示す平面図及び正面図である。
【図４】本発明である薄膜形成装置の塗布動作における制御構造を示す図である。
【図５】本発明である薄膜形成装置の減圧室における制御構造を示す図である。
【図６】本発明である薄膜形成装置で塗布溶液収納容器の液面レベルとインクジェットヘッドのノズル面との水頭差を最適に保つ機構を示す図である。
【図７】本発明である薄膜形成装置で塗布溶液収納容器をインクジェットヘッドよりも上方に配置し、配管系統を効率化した構成を示す図である。
【図８】本発明である薄膜形成装置に設置した電空レギュレータの制御構造を示す図である。
【図９】本発明である薄膜形成装置の電空レギュレータの出力圧力を一定値に収束させる制御を実現させるブロック図である。
【図１０】従来の薄膜形成装置の概要を示す図である。
【図１１】インクジェットヘッドのノズル面と塗布溶液収納容器の液面レベルとの水頭差について示した図である。
【図１２】インクジェットヘッドから吐出した液滴が基板上に展開し、最終的な液滴断面形状に及ぼす減圧度の影響について示した図である。
【図１３】吐出前段階におけるノズル先端での溶液メニスカスの形状に影響を及ぼす水頭差の状態について示した図である。
【図１４】液晶配向膜の溶剤成分と水の蒸気圧を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１３３】
１        薄膜形成装置
１ａ      薄膜形成装置
１ｂ      薄膜形成装置
２        ヘッド
２ａ      ヘッドブラケット
２ｂ      ヘッド昇降用アクチュエータ
２ｃ      塗布溶液収納容器
２ｄ      塗布溶液供給配管
２ｅ      門型フレーム
３        基板
４        基板搬送テーブル
４ａ      静電チャック
５        ステージ
５ａ      リフトピン機構
６        ガイドレール
６ａ      テーブル移動用アクチュエータ
６ｂ      位置検出器
７        減圧室
７ａ      ベースフレーム
７ｂ      真空排気ポンプ
７ｃ      揮発性溶剤吸着処理装置
７ｄ      真空シール
７ｅ      真空ゲージ
７ｆ      シーケンサ
７ｇ      通信手段
７ｈ      サーボアンプ
７ｉ      可変圧力調整弁
７ｊ      サーボモータ
７ｋ      リーク弁
８        液晶パネル
８ａ      配向膜
９        インクジェットヘッド
９ａ      ノズル
９ｂ      材料溶液供給口
９ｃ      ヘッドコントローラ接続ケーブル
９ｄ      材料溶液
９ｅ      メニスカス
９ｆ      液垂れ
１０        システム制御装置
１０ａ      インクジェットヘッドコントローラ
１０ｂ      ヘッド駆動部
１０ｃ      メモリ部
１０ｄ      制御部
１０ｅ      制御用コンピュータ
１０ｆ      ステージコントローラ
１０ｇ      減圧制御
１１        水頭差調整機構
１１ａ      収納容器昇降用アクチュエータ
１１ｂ      移動ステージ
１１ｃ      液面監視センサ
１１ｄ      補充用タンク
１１ｅ      補充用ポンプ
１２        微差圧調整機構
１２ａ      電空レギュレータ
１２ｂ      排気弁
１２ｃ      給気弁
１２ｄ      給気用電磁弁
１２ｅ      排気用電磁弁
１２ｆ      パイロット室
１２ｇ      ダイヤフラム
１２ｈ      圧力検出センサ
１２ｉ      制御回路
１３        大気中における成膜挙動
１３ａ      減圧下における成膜挙動
１４        水頭差適正
１４ａ      水頭差過剰
１４ｂ      水頭差不足
１５        蒸気圧線図
【図１】
2009165951.tif 000003
【図２】
2009165951.tif 000004
【図３】
2009165951.tif 000005
【図４】
2009165951.tif 000006
【図５】
2009165951.tif 000007
【図６】
2009165951.tif 000008
【図７】
2009165951.tif 000009
【図８】
2009165951.tif 000010
【図９】
2009165951.tif 000011
【図１０】
2009165951.tif 000012
【図１１】
2009165951.tif 000013
【図１２】
2009165951.tif 000014
【図１３】
2009165951.tif 000015
【図１４】
2009165951.tif 000016