JP2003344014A - 精密位置合わせ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、視認度の高いマーカをワークにとり
つけ、ワークの目的にあわせて微細な加工ができるパタ
ーン認識を利用するものである。 【解決手段】本発明では、発光素子のプレート（液晶表
示基板）２７がステージ１９、２４上にセットされ、基
板２７のパターンを制御してスポッティングする場所を
マーキング（点灯）させる。点灯させた位置を集光レン
ズ１８を介して撮像素子１７によって画像情報として、
メモリ上に順番に格納する。格納されたメモリ上の画像
データのパターンとあらかじめ取り込まれたパターンと
の照合を行い、そのパターンがマッチするように、モー
ションコントロール部２１よりXステージモータ２６とY
ステージモータ２３を駆動させるために各電源ドライバ
駆動２５、２２に指示を送信する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発光素子によって
形成されたパターンを画像認識により検出して位置合わ
せをする装置に関する。本発明は、DNA、１塩基置換に
よる遺伝子の多型性を用いたSNPチップ（マイクロアレ
ー）の製造などに利用することができる。あるいは、表
示装置のカラーフィルタや透明電極（たとえばインジウ
ムティンオキサイドITO）パターンやプリント回路板の
パターンの配線の修正のためのレーザリペア装置、シリ
コンやガラスプレート上の微細穴に生体細胞や核や精子
等を冷凍保存するための省エネ方保存小型チップ、感光
レジストの微細加工装置、レーザ描画装置、レーザスキ
ャナ装置、ミニラボ写真プリント装置、レーザピンセッ
ト装置、細胞や核に刺すマイクロニードルを移動位置決
めするための装置、レーザ工作加工装置、レーザマーキ
ング装置、蛍光等発光する生体や化学物質の位置のナノ
レベル検出装置、μ-TAS（マイクロ分析器）やμ化学ファ
クトリ用の溝加工や部品組立て用位置決め装置へ利用する
ことが可能である。

【０００２】

【従来の技術】μマシンやDNA、SNPチップ（マイクロア
レー）において今後集積度が要求される。現在は、たと
えばDNAチップでは数十マイクロ角〜数百マイクロ角の
スポットが１cm角上に1万個程度埋め込まれている。人
間の遺伝子の数は３万５千個程度あるといわれているの
で、２００×２００スポット程度が１平方cm角におさま
るようなものが好ましい。現在は、作製時のコストが高
くチップ１個あたりの単価が非常に高いとされており、
またオーダメードだとより高コストになる。この主原因
は、アレイ作製→ハイブリダイゼーション→発光パター
ンの判別という工程の中で、精密なスポットを配列させ
る作製工程のタクトタイムと精密度が集積化を進める上
でのネックとなっている。DNAチップのワーク（すわな
ち基板）上へ、精密にスポッタ先端を位置あわせする技
術が必要であるが、現状では位置あわせのためのメカト
ロ精度にたよる傾向が今後ますます高くなる。

【０００３】ところで、通常マイクロ以下のステージ制
御をする場合はステージの移動量や現在地を直接把握す
るために、磁気目盛りや光学目盛りやレーザ干渉などを
利用した測長器をステージにとりつけ、測長器からの信
号をモーションコントロール部にフィードバックするフ
ルクローズド制御をとらなければ位置制御はほとんど不
可能である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、ステージのコ
ントロールを精密に行っても、たとえばワークの熱膨張
との差による誤差が生じたりすると、ワークの定位置を
たえずおさえることがフルクローズド制御と言えどもで
きない。そのため、熱膨張率の近い材質を使うとか温度
補償を行うための環境センサを別途もうけるとか対症療
法的に複雑化ないし制約が生じる。また、ワークそれぞ
れの個体差は当然発生するので、ワークの個体差にあわ
せてステージの制御位置を設定する必要があるので自動
化による歩留まり上、この点がもっとも大きな問題とな
る。ワークづくりそのものに同等の精度が要求される等
現実的ではない。

【０００５】また、1軸駆動モータを採用すると当然XY
の2軸のモータが必要となり、必然的に測長器は複数
（たとえばXYΘなど）が必要とされる。そのため誤差は
必然的に累積されるのでアライメント精度がより厳しく
なり高コスト化は避けられない。したがって本来、直接
ワークそのものを観測しながらそのワークの希望する位
置に合わせるのが理想的であるし、その位置情報を制御
系に与えるなら、ワークの位置あわせそのものを精密に
行うことが可能である。したがって歩留まりの向上は当
然期待できる。

【０００６】半導体やバイオチップなどの集積度の高い
ものを製作する場合は、ステージに載せたワークを2次
元的にとらえるのがもっともコストパフォーマンスにと
んだ方法である。そのため、最近マシンビジョン方式が
さかんに採りいれられようとしている。対象物への照明
の照射方法を工夫をしたり、目標を確認しやすいくふう
をしたりされているが視認度の高い解決方法がなかっ
た。また、パターンをコード化して管理するというデー
タベースを新たに考慮しなければならなかった。

【０００７】本発明は、このように視認度の高いマーカ
（画像処理においてエンハンス等の処理をまったく必要
としないコントラストの高いマーカ）をワークにとりつ
け、ワークの目的にあわせて微細な加工ができるパター
ンマッチングのためのパターン画像認識を利用すること
を目的とする。すなわち、従来の高価な測長スケールを
全く必要としないより高精度なフルクローズド制御装置
とそれを用いて製作したワークを実現することが目的で
ある。

【０００８】たとえば、ＤＮＡ等のバイオチップや化学
マイクロ工場チップにおいて半導体技術と同じように単
位面積あたりの集積密度が高くなればなるほど、１枚か
らとれるチップの数が増えるため、ローコスト化にはス
ポット密度を高くすることは当然要求される。また、基
板１枚１枚の加工後（たとえばスポッティング）の良否
判定もパターン認識で自動確認検査しながら進めること
で生産性も向上してコストにはメリットがでる。ところ
で、これまでのＤＮＡアレイの基本は一枚チップ上に複
数遺伝子をスポットして，解析を行うことであった。最
近は特定遺伝子に対して複数試料の遺伝子解析を行える
技術をも必要だと考えられている。このような技術は臨
床において遺伝子多型（ＳＮＰ）と病気の発病の因果を
知ることになることが考えられる。

【０００９】すなわち DNAチップの現在の検査工程が
変わって、スポット１つ１つにそれぞれ異なったハイブ
リダイゼーションを行うことで診断時間の短縮化が要求
されることも考えられるので、スポットと同様の位置に
ハイブリダイゼーションを行う位置決めが必要とされる
可能性もある。 これらは、従来は診断用の電軸のXYス
テージ等のメカトロ精度に頼らざるを得なかったが、現
実にはワークの診断基板の各々の個体差にあわせた位置
あわせ精度が重要となっている。

【００１０】同様に小型化学実験室等に必要とされる実
験用プレートにもいろいろな試薬を決められた位置に正
確にスポットする技術が必要となってくるので、プレー
ト個々のカスタマイズや再現性の高い生産性向上のため
にはワークそのものの位置を各々精密に判定して処理
し、メカトロ本体のステージに頼らない構造の方が望ま
しいとされている。すわなち、基板上に誘導灯を点灯さ
せて、その位置に正確に加工プローブを着地させるよう
なことを行う。

【００１１】そのためには、ワークのスポット部分をス
ポッタの任意の位置（たとえば中央に）位置あわせする
技術とスポッティング後の状態を良否を判別する技術を
兼ね備えた方法がもっとも望ましい。そのようにすれば
メカトロステージの保守や校正等のわずらわしさはなく
なり、作製装置自体の精度要求が軽減されて製作コスト
が格段に軽減できる。たとえば、メカトロステージをサ
ブマイクロ程度の精度で制御するにはかならず従来は光
学式ないし磁気式スケールの指示値を読み取りそれをメ
カトロに返すためのエンコーダが必要であったがそれが
不要となる。特にμDNAチップやＭＥＭＳ応用の化学フ
ァクトリの生産基板には必ず２次元（XY）のステージの
移動が要求されるので、スケール付きメカトロ系が２組
必要で非常に高価なものとなっていた。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するに
は、マシンビジョン等で使用されるパターン認識による
モーションコントロールがもっとも適切である。ワーク
各々を撮像装置（CCDカメラや赤外線ビジコンカメラ
等）によってとらえて、細部の位置を認識しながら、ス
テージを駆動させて、位置を制御することでメカトロの
負担は軽減され、またファクトリ用の基板そのものの精
密度があがり歩留まりがよくなる結果、システムコスト
とランニングコストが大幅にさげることが可能となる。
しかし、パターン認識を利用して任意の位置を正確に合
わせるためには、基板上に任意の位置を知らせるパター
ンをライブで表示する必要がある。また精密度と認識速
度を向上させるためには、エンファンス（増幅）等の画
像処理を必要としないような視認度の高い標識（マーキ
ング）が必要とされる。

【００１３】このような課題を解決するため、本発明
は、発光素子によって所定パターンを形成する手段と、
形成されたパターンを認識する手段と、認識手段によっ
て認識された位置に基づき発光素子を所定位置に移動さ
せる移動手段とを備えた精密位置合わせ装置からなる。
また、認識手段により認識した発光素子の絶対位置（絶
対座標）と認識上の発光素子の位置から見た位置から目
標位置を決定する手段をさらに兼ね備えた。ここで、認
識手段としては、例えば、ＣＣＤカメラや赤外線ビジコ
ンカメラ等の撮像装置を挙げることができるが、これら
に限定されない。また、発光素子はアレー上に配列され
て、それぞれが独立に点灯乃至、部分的にあるいは全体
が同時点灯する機能を持つような機能を有する。ここ
で、発光素子は、例えば電気的、化学的、光、磁気的に
励起されてその際に電気光学効果を生じる液晶、電子ペ
ーパに用いられれるコロイド粒子、あるいは蛍光を発す
るエレクトロルミネッセンス素子、燐光を発する素子、
またはレーザスポットや光シャッタアレー等のプロジェ
クタ素子によって光のスポットを表示させる素子等を用
いることができる。このような発光素子を用いることに
より、視認度が非常に高いので精密な位置あわせが可能
である。また、みずから発光するので照明をあてずにス
ポッティングやその他の試薬による描画結果を実時間で
確認することが可能である。また、DNAチップなどの場
合は、プレートそのものが発光させることができるので
蛍光や燐光の光源にもなる。あるいは発光箇所を任意に
指定することができるので指定された場所の発光パター
ンの認識のみをすることで診断作業性を格段にあげるこ
とも可能である。各スポットに照射する蛍光の励起光の
波長をカラーフィルタ等を使うことも可能である。ま
た、パターン認識そのものを軸においた設計であるの
で、チップの作製→ハイブリダイゼーション→蛍光パタ
ーン認識それぞれにカスタムメイドが可能になりかつ１
つの装置で全工程を行うことができるオールインワン装
置の実現が可能になる。

【００１４】この液晶基板であるが、底面にはバックラ
イト光源があり下部ガラス基板、液晶層、上部ガラス等
の基板からなる。上部ガラス基板には、DNAオリゴなど
がスポッティングされるために接触角（濡れ性）の調整
をするためのカップリング剤等による表面処理などの前
処理がなされていたり、耐薬品性のためのフッ素コーテ
ィングがなされていてもかなわない。あるいはガラス基
板にそのような耐薬品性があったりあるいは赤外光をよ
く通す材質や紫外光をよく通す材質であってもよい。ま
た、上部基板に直接、μみぞ等のエッチング処理がなさ
たものをつかってもいいし、ピットのアレイのようなく
ぼみのマトリクスをすでに作製されたような感光性のガ
ラス基材のものであってもよい。いずれにしても上部下
部基板の裏側には、液晶を駆動させるための１対の電極
が設置されている。

【００１５】また、この電極部分のうち上部基板の液晶
界面側には遮光を目的としたクロム蒸着や金印刷等のパ
ターンニングがほどこされていてもかまわない。また、
液晶表示基板を駆動させるために、配線が基板にとりつ
けてなくともかなわない。リードピンがステージ側にセ
ットされており液晶表示基板のITO端子や金属端子にス
テージ固定時にコンタクトがとれるような構造であって
もかまわないし、液晶基板そのものに表示駆動ICや光源
駆動IC等が実装されたチップオンガラス（COG）タイプ
のものであってもよい。また、今後ワイヤレス化が進む
ため、受信装置のついたＩＣをガラス基板に設けてもか
まわない。そのような液晶表示パネルをカードかないし
スティック化して、装置ドライブに挿入して、メカステ
ージ制御が始まり、そのスティックがバイオチップ等に
変換されるような構成でもかまわない。

【００１６】ここでは液晶を例にあげて説明したが、今
後電子励起発光、エレクトロルミネッセンス、電子励起
燐光、レーザダイオード、発光ダイオード（LED）を利
用した有機・無機素材や電子励起燐光素材などのより視
認性の高い材料を用いても基本的に同じような使い方を
すれば目的を達成することができる。また、本発明の精
密位置合わせ装置は、DNA、SNP評価チップアレイ作製、
検査装置、表示装置のカラーフィルタや透明電極（たと
えばインジウムティンオキサイドITO）パターンやプリ
ント回路板のパターンの配線の修正のためのレーザリペ
ア装置、シリコンやガラスプレート上の微細穴に生体細
胞や核や精子等を冷凍保存するための省エネ方保存小型
チップ装置、感光レジストの微細加工装置、レーザ描画
装置、レーザスキャナ装置、ミニラボ写真プリント装
置、レーザピンセット装置、細胞や核に刺すマイクロニ
ードルを移動位置決めするための装置、レーザ工作加工
装置、レーザマーキング装置、蛍光等発光する生体や化
学物質の位置のナノレベル検出装置、μ-TAS（マイクロ
分析器）やμ化学ファクトリ用の溝加工や部品組立て用
位置決め装置に利用できる。

【００１７】

【発明の実施の形態】マイクロファクトリ用基板は図１
のような構造になっている。図２に装置構成を示す。以
下の説明で「パターン」とは液晶で表示される形状をさ
し、ピクセルとは、この液晶の表示パターンを撮像素子
で捕らえて画像アナログ信号をデジタル化した画像認識
データが画像メモリ上（マトリクス）にストアされた中
の１画素を指す。マイクロファクトリ用基板１０は、上
部基板６と下部基板９の間に液晶８が挟まれて構成され
ている。上部基板６にはクロム蒸着や金印刷部７によっ
て遮光部２と光透過部１によって十字型のパターンが形
成されている。透過部１にあたるところには導電性コー
ティング層５のところに透明の電極ITO（インジウムテ
ィンオキサイド）が形成されてクロム蒸着や金印刷部７
と電気的に接触した状態になっている。

【００１８】対極にあたる電極は下部基板９の上層にIT
Oによって各セグメント４が形成されており、これによ
って各任意のパターンをリード線３によって選択通電さ
せることができるようになっている。通電によって上下
基板にはさまれた液晶８が駆動して図１の基板の底面に
設置させたバックライト（図示せず）の光を透過させて
点灯させることでそのパターンが点灯できるようにな
る。

【００１９】図１のマイクロファクトリ基板１０と同じ
プレート２７が図２の装置のステージ１９、２４上にセ
ットされる。装置制御部１３にCPU１６から指制御信号
を送信し液晶表示基板２７のパターンを制御してスポッ
ティングする場所をマーキング（点灯）させる。点灯位
置はパターンのセンターにあたる画像メモリのピクセル
座標を入力する方法でもいいし、もともと走査する（順
次点灯させる）順番やタイミングをストアしていてもか
まわないし、タブレットやキータッチパネル１１などで
実際にプレート２７、CRT１２を見ながら、ポインタで
指定した位置を点灯させるような描画機構を設けてもか
まわない。

【００２０】点灯させた位置を集光レンズ１８を介して
撮像素子１７によって画像情報として、1画素ごとに明
るさ強度を電圧に変換し、連続したアナログ電圧信号と
して出カしたものを、画像取り込みボード２０が、A/D
変換器によって連続したアナログ電圧信号を時間軸で分
割し、デジタル信号に変換しメモリ上に順番に格納す
る。格納されたメモリ上の画像データのパターンとあら
かじめ取り込まれたパターンとの照合を行い、そのパタ
ーンがマッチするように、モーションコントロール部２
１よりXステージモータ２６とYステージモータ２３を駆
動させるために各電源ドライバ駆動２５、２２に指示を
送信する。パターンが視野中央に設置されたことをカメ
ラ１７によって確認して後スポッタ１５に制御部１４を
介して指示を送信してポイントされる。

【００２１】パターンの具体的な認識が、図３に示した
フローチャートによって処理をする。図４に液晶パター
ンと画像ピクセルの関係を示す。すなわち複数のピクセ
ル３１からなるエリア（たてよこのピクセルの集団）３
２を決めて、エリア３２中に形成された液晶パターン３
０（図４）を選択する。画像メモリ上にはこのエリア３
２の画像情報がストアされている。おのおののピクセル
３１はそれぞれ２５６諧調の数値が割り当てられてい
る。エリア３２を選択し決定するとは、たて×よこ×各
ピクセルの諧調度の３次元データをメモリに取り込むこ
とを指す。このデータと同じものを６４０×４８０ピク
セル中の画像全体中からある認識率でマッチするエリア
を探しだしてたとえばそのエリアのセンタの座標を決定
する。

【００２２】そして、そのセンターの座標３３と６４０
×４８０のピクセルマトリクスの目標位置たとえば中央
座標（３４０,２４０）までの距離を算出する。その距
離をあらかじめ校正しておいた１ピクセルあたり距離か
らステージ上の物理長を換算、置き換えてモーションコ
ントロール部（図２の２１）に距離を送信してモータを
動作させるパルスをモーションコントロール部２１より
ドライバ２２にさらに送信する。それによりステージが
目的位置にパターンがくるように移動する。

【００２３】モーションコントロール部２１からドライ
バに送信されるパルスのミスカウントがあり目的位置に
到達しない場合は再度、目標とパターンとの相対距離を
ライブでモニターして最終的におちつくまでパターン認
識→モータ微動が繰り返される。位置決めができた時点
で図３ではスポッティングが行われる。

【００２４】ところで図２に示した撮像装置１７は視認
度があがるようであれば感度波長を変えてもかまわな
い。たとえば赤外線ビジコンカメラ等を用いてもかまわ
ないし、CCDにインテンシファイヤ（光倍増管）をとり
つけてもよい。熱画像カメラによってステージをコント
ロールしてもかまわない。また高速シャッタカメラを用
いたり、ハイスピードカメラのような高速フレームレー
トにのものを用いてメカ制御しても制限はない。たとえ
ばビジコンカメラを用いれば、スポッティングの状態が
より鮮明に確認できる場合があるので波長フィルタを自
動交換すれば、位置制御と検査が同時に可能である。液
晶によって近赤外光のオンオフが可能であるから、バッ
クライトに近赤外LED光源を用いてもかまわない。場合
によっては、液晶を用いずにエレクトロルミネッセンス
（EL）を使った有機・無機材料を用いても任意のパター
ンや位置が点灯できるのでかまわない。もちろん、蛍光
の励起光を発する発光体マトリクスによる位置制御方式
でもかまわない。

【００２５】あるいは反射ミラーアレーを利用してプロ
ジェクタのようにステージ上のワークに光を照射投影す
る方法でスポットをパターン認識する方法でもよい。現
在もっとも発光パターンの微細化が可能なのでは液晶表
示パネルといわれており、5μｍ角のパターン（セグメ
ント）まで可能である。今後、発光表示素子の微細化が
すすめばそれを利用することが可能である。

【００２６】

【発明の効果】制御精度が点から見ると、従来の方式の
場合、エンコーダの１目盛りずつの測長結果がモータ移
動のパルス数に相当するので目盛り間に相当なばらつき
があるとモータにおくるパルスとメモリから読む測長結
果の値がちぐはぐとなるので、ところによってハンチン
グが大きいところが生じて制御位置がさだまらないとこ
ろがでてくる。メカを停止させても繰り返し制御精度は
著しく劣化することは避けられない。一方、本発明であ
れば、撮像素子の１ピクセルが側長目盛りに相当する。
認識するパターン間の距離にばらつきが生じても、測長
誤差には反映されない。最近のCCDの各画素間の誤差は
コンマ数％であるから、画像メモリーにストアされる視
野の１ピクセルが１マイクロの場合、誤差は数ナノメー
タとなる。したがって、ハンチングは限りなく小さくで
きる。

【００２７】また、ある光学倍率を設定したのち、レー
ザヘテロダイン等で精密に測定した距離と撮像素子との
関係を一度、計算すれば校正は完了したことになる。し
たがってパターンを認識するエリア内の相対的位置関係
（パターンの形状に依存し、たとえば重心位置等）がノ
イズ（ハンチング）リミットとなりパターン間の距離の
ばらつきはハンチングや精度劣化の原因とはならないの
でパターン間の校正も不要となる。応用面から触れる
と、たとえばDNAチップを例にあげるとハイブリダイゼ
ーションを個々にスポットできるような精密位置あわせ
が非常に簡単にできる。任意の位置の蛍光を励起できる
ので、DNAチップのドットパターンマッチングの簡略化
が可能である。さらに一連の作業が同一装置ないででき
るため、作業効率がよく、オールインワンで管理できる
ので装置コストや導入コストが格段に軽減できる。以上
のことから、本発明を採用すれば、従来コスト高のひと
つの原因となっていたロータリーエンコーダやリニアエ
ンコーダといったものをステージに設置することなく非
常に精密なステージ等の位置決めが可能となる。

【００２８】また、従来のパターン認識を用いた延長上
の技術では、認識させるパターンをあらかじめメモリし
ておかねば位置決めの目的は達成できないのでマッチン
グ精度をあげるためパターンが必然的に複雑化するが、
本件は単一のパターンのみで絶対位置を指定してメカト
ロ制御する方法であるため、これまでにないアブソリュ
ートなフルクローズド制御が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のマイクロファクトリ基板の構成図

【図２】装置全体の構成図

【図３】フローチャート図

【図４】液晶パターンと画像ピクセルの関係図

【符号の説明】

１：光透過部 ２：遮光部 ３：リード線 ４：各セグメント ６：上部基板 ８：液晶 ９：下部基板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA03 AA20 BB02 FF04 JJ03 JJ09 JJ26 PP12 QQ03 QQ24 QQ38 RR03 UU05

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】発光素子によって所定パターンを形成する
   手段と、形成されたパターンを認識する手段と、認識手
   段によって認識された位置に基づき発光素子を所定位置
   に移動させる移動手段とを備えた精密位置合わせ装置。
2. 【請求項２】認識手段により認識した発光素子の絶対位
   置（絶対座標）と認識上の発光素子の位置から見た位置
   から目標位置を決定する手段をさらに兼ね備えた請求項
   １記載の精密位置合わせ装置。
3. 【請求項３】 発光素子がアレー上に配列されて、それ
   ぞれが独立に点灯乃至、部分的にあるいは全体が同時点
   灯する機能を持つような機能を有する請求項１乃至２記
   載の精密位置合わせ装置。
4. 【請求項４】発光素子が、電気的、化学的、光、磁気的
   に励起されてその際に電気光学効果を生じる液晶、電子
   ペーパに用いられれるコロイド粒子、あるいは蛍光を発
   するエレクトロルミネッセンス素子、燐光を発する素
   子、またはレーザスポットや光シャッタアレー等のプロ
   ジェクタ素子によって光のスポットを表示させる素子等
   からなる請求項１乃至３記載の精密位置合わせ装置。
5. 【請求項５】請求項１乃至４記載の精密位置合わせ装置
   を用いたDNA、SNP評価チップアレイ作製、検査装置、表
   示装置のカラーフィルタや透明電極（たとえばインジウ
   ムティンオキサイドITO）パターンやプリント回路板の
   パターンの配線の修正のためのレーザリペア装置、シリ
   コンやガラスプレート上の微細穴に生体細胞や核や精子
   等を冷凍保存するための省エネ方保存小型チップ装置、
   感光レジストの微細加工装置、レーザ描画装置、レーザ
   スキャナ装置、ミニラボ写真プリント装置、レーザピン
   セット装置、細胞や核に刺すマイクロニードルを移動位
   置決めするための装置、レーザ工作加工装置、レーザマ
   ーキング装置、蛍光等発光する生体や化学物質の位置の
   ナノレベル検出装置、μ-TAS（マイクロ分析器）やμ化
   学ファクトリ用の溝加工や部品組立て用位置決め装置。