JP2007079220A

JP2007079220A - 直接描画装置

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Publication number: JP2007079220A
Application number: JP2005268248A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Miyatake; 勤宮武
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2005-09-15
Filing date: 2005-09-15
Publication date: 2007-03-29
Anticipated expiration: 2025-09-15
Also published as: JP4603451B2

Abstract

【課題】描画対象物と、発光画素アレイとの位置合せを容易に行うことが可能な直接描画装置を提供する。
【解決手段】基台にＸＹ直交座標系が画定されている。可動台が、基台に対して少なくともＸ軸方向に移動可能に支持されている。可動台に描画対象物が保持される。露光光源が、可動台に保持された描画対象物に対向する。露光光源は、Ｘ軸に交差する方向に配列する発光画素を含む。各発光画素から放射された光が、可動台に保持された描画対象物の表面に入射する。可動台に固定された入射位置検出器が、発光画素から放射された光を受光し、光の入射位置を計測する。撮像装置が、可動台に保持された描画対象物に形成されたマーク、及び入射位置検出器を撮像し、ＸＹ座標系における位置を計測する。
【選択図】図１

Description

本発明は、直接描画装置に関し、特にプリント基板上に形成されたフォトレジスト膜に回路パターンを直接描画することができる直接描画装置に関する。

プリント基板上のフォトレジスト膜に回路パターンを描画する方法として、回路パターンが形成されたフォトマスクを用いた密着露光、縮小投影露光、近接露光等が知られている。プリント基板の少量多品種化が進むと、プリント基板の種類ごとにフォトマスクを作製しなければならない。このため、フォトマスクを用いない直接描画法が注目されている。

下記の特許文献１に開示されているフォトレジストパターン直接描画装置について説明する。アレイ状に配置された端面発光型エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）素子を有する露光光源が、基板の上方に配置されている。制御回路により、各ＥＬ素子の発光をオンオフ制御する。各ＥＬ素子から放射された光が、集光光学系により基板上に照射される。

露光光源及び基板の一方を、ＥＬ素子が配列した方向と直交する方向に移動させながら、各ＥＬ素子の発光をオンオフ制御することにより、所望のパターンを描画することができる。

特開平５−８０５２４号公報

直接描画装置でプリント基板に描画する際には、プリント基板とＥＬ素子アレイとの位置合せを行う必要がある。

本発明の目的は、描画対象物と、発光画素アレイとの位置合せを容易に行うことが可能な直接描画装置を提供することである。

本発明の一観点によれば、ＸＹ直交座標系を画定する基台と、前記基台に、少なくともＸ軸方向に移動可能に支持され、描画対象物を保持する可動台と、前記可動台に保持された描画対象物に対向し、Ｘ軸に交差する方向に発光画素が配列し、各発光画素から放射された光を、該可動台に保持された描画対象物の表面に入射させる露光光源と、前記可動台に固定され、前記発光画素から放射された光を受光し、光の入射位置を計測する入射位置検出器と、前記可動台に保持された描画対象物に形成されたマーク、及び前記入射位置検出器を撮像し、ＸＹ座標系における位置を計測する撮像装置とを有する直接描画装置が提供される。

撮像装置で入射位置検出器を観測することにより、可動台に固定された座標系とＸＹ座標系とを関連付けることができる。撮像装置で描画対象物上のマークを観測することにより、可動台に固定された座標系における描画対象物の位置を算出することができる。

図１Ａ及び図１Ｂに、それぞれ第１の実施例による直接描画装置の正面図及び平面図を示す。基台１の上に、可動台２が取り付けられている。可動台２の上に、描画対象物１０、例えばプリント基板が保持されている。可動台２に保持されたプリント基板１０の表面に平行な面をＸＹ面とし、基台１に固定されたＸＹＺ直交座標系を定義する。

可動台２は、移動機構８によりＸ軸方向及びＹ軸方向に移動することができる。移動機構８は、制御装置４により制御される。可動台２に保持されたプリント基板１０の上方に、露光光源３が配置されている。露光光源３は、Ｙ軸に平行な方向に並んだ多数の発光画素を含む。基台１に対して、露光光源３の相対位置が固定されている。発光画素から放射された光が、可動台２に保持された描画対象物１０の表面の所定の位置に入射する。発光画素から放射された光が入射する領域を「集光領域」と呼ぶこととする。集光領域は、描画対象物１０の表面において、Ｙ軸に平行な方向に配列する。露光光源３の詳細な構造については、後に図２Ａ及び図２Ｂを参照して説明する。

可動台２の上面に、集光位置検出器６が固定されている。可動台２に固定されたＵＶ直交座標系を定義する。Ｕ軸及びＶ軸は、それぞれＸ軸及びＹ軸に平行である。集光位置検出器６は、露光光源３の発光画素から放射された光を受光することにより、実際に光が入射する位置を計測することができる。集光位置検出器６として、例えば４分割フォトディテクタを用いることができる。

可動台２の上方に、ＣＣＤカメラ等からなる撮像装置７が配置されている。撮像装置７は、基台１に対する相対位置が固定されており、描画対象物１０に形成されている位置合せ用のマークを観察することにより、その位置を計測する。さらに、集光位置検出器６を撮像装置７の視野内に配置することにより、集光位置検出器６の位置を計測することができる。

集光位置検出器６及び撮像装置７による検出結果が、制御装置４に入力される。制御装置４は、集光位置検出器６及び撮像装置７から入力された検出結果、及び予め与えられている画像データに基づいて、移動機構８を制御するとともに、露光光源３を構成する複数の発光画素の発光のタイミング制御を行う。

冷却装置５が、露光光源３に熱的に結合しており、露光光源３を冷却する。冷却装置５内に冷媒の流路が形成されている。冷媒導入路５ａから、冷却装置５内の流路に冷媒が導入され、流路を流れた冷媒が、冷媒排出路５ｂを通って排出される。

図２Ａに、露光光源３及び描画対象物１０の部分断面図を示す。露光光源３は、発光画素アレイ３０、遮光マスク３２、及び集光光学系３４を含んで構成される。発光画素アレイ３０は、Ｙ軸に平行な仮想直線に沿って配置された多数の発光画素３１を含む。発光画素３１の各々は、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）やＥＬ素子で構成され、その発光波長は紫外域である。

発光画素３１から放射された光の経路上に、遮光マスク３２が配置されている。遮光マスク３２には、発光画素３１に対応した開口３３が形成されている。

図２Ｂに、発光画素３１と開口３３との位置関係を示す。Ｚ軸に平行な視線で見たとき、開口３３は発光画素３１よりも小さく、開口３３の各々は、対応する発光画素３１に内包される位置に配置されている。発光画素３１から放射された光の一部が、その発光画素３１に対応する開口３３を通過し、残りの成分は、遮光マスク３２により遮光される。また、開口３３内の全領域を、対応する発光画素３１から放射された光が通過する。

図２Ａに戻って説明を続ける。集光光学系３４が、遮光マスク３２と描画対象物１０との間に配置されている。集光光学系３４は、遮光マスク３２に形成された開口３３の正立等倍像を、描画対象物１０の表面に形成する。開口３３が正方形である場合、その大きさによっては、解像限界により頂点が丸みを帯び、円形に近い像が形成される場合がある。集光光学系３４として、例えばＺ軸に平行な中心軸を持つ多数のセルフォックレンズがＸＹ面に平行な面に沿って２次元的に配置されたセルフォックレンズアレイを用いることができる。

描画対象物１０は、樹脂製のコア基板１０Ａ、銅箔１０Ｂ、及び感光膜１０Ｃがこの順番に積層された積層構造を有する。感光膜１０Ｃは、例えばドライフィルム（ＤＦ）レジスト、ソルダーレジスト等で形成される。感光膜１０Ｃのうち、開口３３の等倍像が形成された領域が感光し、潜像が形成される。

図１Ａ及び図１Ｂに示したＸＹステージ２をＸ軸方向に移動させながら、描画すべき画像データに基づいて発光画素３１を発光させることにより、感光膜１０Ｃに、描画すべき画像の潜像を形成することができる。潜像が形成された感光膜１０Ｃを現像することにより、感光膜１０Ｃからなる画像（パターン）が形成される。

開口３３の等倍像は、Ｙ軸方向に離散的に分布する。このため、Ｘ軸方向に１回移動させただけでは、Ｙ軸方向に連続するパターンを描画することができない。描画対象物１０をＹ軸方向に、開口３３のＹ軸方向に関する寸法分だけ移動させ、その位置でＸ軸方向に移動させながら、２回目の描画を行う。Ｙ軸方向への移動と、Ｘ軸方向へ移動させながらの描画とを繰り返すことにより、Ｙ軸方向に連続したパターンを描画することができる。

第１の実施例では、描画対象物１０の表面における画素（ドット）の大きさは、遮光マスク３２に形成されている開口３３の大きさにより決定される。開口３３が発光画素３１よりも小さいため、遮光マスク３２を配置しない場合に比べて、描画される画像の画素を小さくすることができる。これにより、画像のドット密度を高めることが可能になる。

図３に、集光位置検出器６の概略平面図を示す。集光位置検出器６の上面に、ＲＳ直交座標系を定義する。ＲＳ直交座標系の第１〜第４象限に、それぞれ第１〜第４の受光領域５０ａ〜５０ｄが配置されている。第１〜第４の受光領域５０ａ〜５０ｄの各々は、例えば１つの辺がＲ軸に平行な正方形である。第１〜第４の受光領域５０ａ〜５０ｄは、Ｒ軸及びＳ軸に関して線対象であり、かつ原点Ｆに関して４回回転対称性を持つ。Ｒ軸またはＳ軸を挟んで相互に隣り合う受光領域の間隔をＷとする。第１〜第４の受光領域５０ａ〜５０ｄは、独立に受光量を計測することができる。集光位置検出器６は、その上面が、描画対象物１０の表面と同じ高さになり、かつＲ軸がＸ軸に平行になり、Ｓ軸がＹ軸に平行になるように、可動台２に固定されている。

集光位置検出器６を、図２Ａに示した１つの発光画素３１の直下に配置すると、集光位置検出器６の上面の一部に、発光画素３１から放射された光が入射し、ほぼ円形の集光領域５１が形成される。集光領域５１の中心が、ＲＳ座標の原点Ｆに一致するとき、第１〜第４の受光領域５０ａ〜５０ｄで計測される光量はすべて等しくなる。集光領域５１の中心が原点Ｆからずれると、第１〜第４の受光領域５０ａ〜５０ｄで計測される光量にばらつきが生ずる。第１〜第４の受光領域５０ａ〜５０ｄのうち少なくとも３個の受光領域で光量が計測された場合、計測された光量に基づいて、集光領域５１の位置ずれの大きさとずれの方向とを求めることができる。

集光領域５１の位置ずれを検出するために、集光位置検出器６として、間隔Ｗが少なくとも集光領域５１の直径よりも狭いものを用いる必要がある。また、ずれの検出精度を高めるために、間隔Ｗが、集光領域５１の直径の５０％以下のものを使用することが好ましい。

図１Ａに示した制御装置４の機能について説明する。制御装置４には、描画すべき画像データが記憶されている。ＸＹステージ２を制御して、集光位置検出器６を１つの発光画素３１の直下に配置させる。その発光画素３１を発光させ、集光位置検出器６による受光量の計測結果を受信する。この計測結果から、当該発光画素３１から放射された光の集光領域の中心位置を計測することができる。

図４に、プリント基板１０の平面図を示す。プリント基板１０の表面に、ローカルなＰＱ座標系が定義されている。プリント基板１０に歪が無い時、Ｐ軸とＱ軸とは相互に直交する。Ｐ軸とＱ軸との交点（原点）をＧとする。プリント基板１０の四隅近傍に、それぞれ位置合せ用のマーク４０ａ〜４０ｄが形成されている。プリント基板１０に描画すべき画像の画像データが、ＰＱ座標系を用いて定義されている。

図５及び図６を参照して、制御装置４に記憶された画像データに対応する画像を、プリント基板１０の所望の位置に描画する方法について説明する。

図５に、ＸＹ座標、ＵＶ座標、及びＰＱ座標の関係を示す。可動台２をＸ軸方向及びＹ軸方向に移動させると、ＸＹ座標系に対してＵＶ座標系がＸ軸方向及びＹ軸方向に並進移動する。理想的には、Ｐ軸がＵ軸と平行になるように、プリント基板１０が可動台６に保持される。実際には、機械的精度の限界により、Ｐ軸とＵ軸とは平行にならない。

撮像装置７の視野の中心をＸＹ座標の原点Ｃとし、集光位置検出器６の中心をＵＶ座標の原点Ｆとする。露光光源３の複数の発光画素のうち１つを代表画素と定め、この代表画素から放射された光の集光位置を、代表集光位置Ｒ_０とする。代表画素以外のｉ番目の発光画素から放射された光の集光位置Ｒ（ｉ）と、代表集光位置Ｒ_０との関係は予め分かっている。プリント基板１０上のＰＱ座標で定義された点Ｔと、集光位置Ｒ（ｉ）との位置関係がわかれば、発光画素から放射された光を点Ｔの位置に入射させることができる。すなわち、プリント基板１０に、ＰＱ座標で定義された画像を描画することができる。

図６に、描画方法のフローチャートを示す。まず、ステップＳ１において、集光位置検出器６が撮像装置７の視野内に収まるように、可動台２を移動させる。撮像装置７で集光位置検出器６を観測する。集光位置検出器６を構成する４分割フォトディテクタの受光面は、図３に示したように、４つの受光領域５０ａ〜５０ｄに区分されているため、受光面の画像解析を行うことにより、集光位置検出器６の原点Ｆの位置を検出することができる。

ＸＹ座標に固定された撮像装置７で、ＵＶ座標に固定された集光位置検出器６の原点Ｆの位置を検出することにより、ＸＹ座標系とＵＶ座標系との位置を相互に関連付ける情報（以下、「ＸＹ−ＵＶ関連情報」という。）が得られる。このＸＹ−ＵＶ関連情報に基づいて、ＵＶ座標で定義された特定の点を、ＸＹ座標で定義された特定の位置に移動させることができる。逆に、撮像装置７でＵＶ座標上の被観測点を観測して得られたＸＹ座標から、その被観測点のＵＶ座標を求めることができる。

次に、ステップＳ２において、集光位置検出器６を代表画素の直下に移動させ、代表画素を発光させる。集光位置検出器６で代表集光位置Ｒ_０の位置を計測する。この計測結果と、ＸＹ−ＵＶ関連情報とにより、代表集光位置Ｒ_０をＸＹ座標で表すことができる。

ステップＳ３において、プリント基板１０を可動台２の上に載置し、固定する。これにより、ＰＱ座標系がＵＶ座標系に対して固定される。

ステップＳ４において、プリント基板１０の１つの位置合せ用マーク４０ａを撮像装置７の視野内に移動させる。位置合せ用マーク４０ａの画像解析を行うことにより、位置合せ用マーク４０ａの位置を計測する。プリント基板１０上の４個の位置合せ用マーク４０ａ〜４０ｄのうち少なくとも３個のマーク、例えば位置合せ用マーク４０ａ〜４０ｃの位置を計測する。

ステップＳ５において、ステップＳ４で計測された結果と、ＸＹ−ＵＶ関連情報とにより、位置合せ用マーク４０ａ〜４０ｃのＵＶ座標を得る。３個の位置合せ用マーク４０ａ〜４０ｃのＵＶ座標から、プリント基板１０の位置及び姿勢を示す情報を取得する。プリント基板１０の位置及び姿勢を示す情報は、例えば、基板伸縮量（ｒ_Ｐ，ｒ_Ｑ）、基板残渣回転量θ_Ｕ、基板直交度ω_Ｕ、原点ＧのＵＶ座標（Ｑ_Ｕ，Ｑ_Ｖ）を含む。ここで、基板伸縮量ｒ_Ｐは、プリント基板１０上の２点のＰ軸方向の長さの測定値を、その長さの設計値で除した値である。基板伸縮量ｒ_Ｑは、プリント基板１０上の２点のＱ軸方向の長さの測定値を、その長さの設計値で除した値である。

基板残渣回転量θ_Ｕは、Ｐ軸とＵ軸とのなす角の大きさである。基板直交度ω_Ｕは、位置合せ用マークの位置の測定結果から算出したＱ軸方向が、Ｐ軸に直交する方向からずれた角度であり、両者が直交する時に０°になる。基板１０のこれらの位置情報及び姿勢情報により、ＰＱ座標系とＵＶ座標系とを関連付けることができる。

プリント基板１０上のある点ＴのＰＱ座標を（Ｔ_Ｐ，Ｔ_Ｑ）とする。ＰＱ座標系の原点ＧのＵＶ座標を（Ｇ_Ｕ，Ｇ_Ｖ）とすると、点ＴのＵＶ座標（Ｔ_Ｕ，Ｔ_Ｖ）は下記の式で表される。

式（１）に示すように、プリント基板１０の位置及び姿勢を示す情報、及びプリント基板１０上の点ＴのＰＱ座標から、点ＴのＵＶ座標が算出される。プリント基板１０上に描画すべき画像の画像データはＰＱ座標で表されている。式（１）を適用することにより、この画像データをＵＶ座標で表す。

ステップＳ６において、ステップＳ５で得られた画像データのＵＶ座標に基づいて、描画を行う。一例として、プリント基板１０上の点Ｔに、１画素分のドットを形成する場合を説明する。まず、ＰＱ座標の基準点、例えば原点ＧのＹ軸方向の位置が代表集光位置Ｒ_０のＹ座標に一致するように、可動台２を移動させる。なお、必ずしも原点Ｇを基準点として選択する必要はなく、他の点を基準点としてもよい。

Ｘ軸方向に関して、点Ｔが代表集光位置Ｒ_０のＸ座標と一致するように、可動台２をＸ軸方向に移動させる。この状態で、点ＴのＶ座標に対応する位置の発光画素を発光させる。これにより、点Ｔの位置にドットを形成することができる。

プリント基板１０をＸ軸方向に移動させながら、ＵＶ座標で表された画像データに基づいてドットを形成すべき位置の発光画素を発光させる。これにより、プリント基板１０に２次元の画像を描画することができる。

ステップＳ７において、未処理の基板があるか否かを判定する。未処理の基板がある場合には、ステップＳ３に戻り、未処理の基板の処理を行う。未処理の基板がない場合には、処理を終了する。

上記実施例による方法では、可動台２に固定したプリント基板１０の位置及び姿勢を計測し、プリント基板１０の所望の位置に所望の画像を描画することができる。

次に、第２の実施例について説明する。第１の実施例では、図１Ａ及び図１Ｂに示した集光位置検出器６で、露光光源３の代表画素から放射された光の集光位置のみを検出したが、第２の実施例では、代表画素以外にもう一つの第２の代表画素から放射された光の集光位置（第２の代表集光位置）も検出する。第２の代表集光位置の検出は、第１の代表集光位置を検出した後、可動台２をＹ軸方向に移動させて集光位置検出器６を第２の代表画素の直下に配置することにより行うことができる。

少なくとも２つの集光位置を検出することにより、発光画素アレイの位置のみならず、その姿勢及び歪を求めることができる。例えば、露光光源３が発熱すると、熱膨張により発光画素のピッチが広がる。歪が許容限界を超えた場合には、歪が許容限界以下になるまで露光光源３を冷却することにより、歪の少ない画像を描画することができる。

次に、第３の実施例について説明する。第１の実施例では、図１Ａ及び図１Ｂに示したように、可動台２をＸ方向及びＹ方向の２次元方向に移動させた。第３の実施例では、可動台２はＸ軸方向にのみ移動可能である。その代わりに、撮像装置７をＹ軸方向に移動させる移動機構が設けられている。撮像装置７をＹ軸方向に移動させることにより、プリント基板１０の表面上の任意の位置に形成されたマークを検出することができる。

集光位置検出器６は、Ｙ軸方向に関して、露光光源３の代表画素と同じ位置に配置されている。このため、可動台２をＹ軸方向に移動させなくても、代表集光位置を検出することができる。第２の実施例で説明したように、第２の代表画素から放射された光の集光位置を検出する場合には、第２の代表画素の位置にも集光位置検出器を配置すればよい。

次に、第４の実施例について説明する。第１の実施例では、発光画素３１がＹ軸方向に配列していたが、必ずしも発光画素３１の配列方向がＹ軸に平行である必要はなく、Ｘ軸と交差する方向であればよい。例えば、Ｙ軸に対して斜め方向に配列する構成としてもよい。Ｙ軸に対して斜めに配列させると、画素ピッチのＹ軸方向成分が、実際の画素ピッチよりも狭くなる。このため、描画時にプリント基板１０をＸ軸方向に往復させる回数を減らすことができる。相互に隣り合う画素が、Ｙ軸方向に関して部分的に重なるかまたは接する場合には、プリント基板１０をＸ軸方向に１回移動させるだけで、全面に描画することができる。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

図１Ａは、第１の実施例による直接描画装置の正面図であり、図１Ｂは、その平面図である。図２Ａは、第１の実施例による直接描画装置の露光光源及び描画対象物の断面図であり、図２Ｂは、発光画素と開口との位置関係を示す図である。集光位置検出器の平面図である。プリント基板の平面図である。基台に固定されたＸＹ座標系、可動台に固定されたＵＶ座標系、及びプリント基板に固定されたＰＱ座標系の関係を示す線図である。実施例による直接描画装置を用いてプリント基板に描画を行う方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１基台
２ＸＹステージ
３露光光源
４制御装置
５冷却装置
６集光位置検出器
７撮像装置
８移動機構
１０プルント基板（描画対象物）
３０発光画素アレイ
３１発光画素
３２遮光マスク
３３開口
３４集光光学系
５０ａ〜５０ｄ受光領域
５１集光領域

Claims

ＸＹ直交座標系を画定する基台と、
前記基台に、少なくともＸ軸方向に移動可能に支持され、描画対象物を保持する可動台と、
前記可動台に保持された描画対象物に対向し、Ｘ軸に交差する方向に発光画素が配列し、各発光画素から放射された光を、該可動台に保持された描画対象物の表面に入射させる露光光源と、
前記可動台に固定され、前記発光画素から放射された光を受光し、光の入射位置を計測する入射位置検出器と、
前記可動台に保持された描画対象物に形成されたマーク、及び前記入射位置検出器を撮像し、ＸＹ座標系における位置を計測する撮像装置と
を有する直接描画装置。
前記入射位置検出器が、４分割フォトディテクタを含む請求項１に記載の直接描画装置。
さらに、描画すべき画像データが記憶され、前記可動台の移動、前記露光光源の発光画素の発光を制御すると共に、前記入射位置検出器及び前記撮像装置から計測結果を受信する制御装置を有し、
該制御装置は、前記集光位置検出器が前記撮像装置の視野内に入るように前記可動台を移動させ、該撮像装置により得られた該集光位置検出器の位置情報から、前記可動台に固定されたＵＶ座標系と、前記ＸＹ座標系とを関連付けるＸＹ−ＵＶ関連情報を算出する請求項１または２に記載の直接描画装置。
前記制御装置は、前記露光光源を構成する複数の発光画素から選択された少なくとも１つの代表発光画素から放射された光が入射する位置に、前記集光位置検出器が配置されるように前記可動台を移動させ、該代表発光画素から放射された光の入射位置を計測し、計測結果と、前記ＸＹ−ＵＶ関連情報とに基づいて、該代表発光画素から放射された光の入射位置のＸＹ座標を算出する請求項３に記載の直接描画装置。
前記制御装置は、前記可動台に保持された描画対象物上のマークが、前記撮像装置の視野内に入るように前記可動台を移動させ、該撮像装置により得られた該マークの位置情報、及び前記ＸＹ−ＵＶ関連情報に基づいて、前記画像データをＵＶ座標で表す請求項３または４に記載の直接描画装置。
前記制御装置は、前記可動台をＸ軸方向に移動させながら、ＵＶ座標で表された画像データに基づいて前記露光光源の発光画素を発光させることにより、該可動台に保持された描画対象物に描画を行う請求項５に記載の直接描画装置。