JP2007085809A - 微小突起物の高さ測定装置及び高さ測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】微小突起物の高さ測定を、共焦点方式により簡単な構成で、かつ光学系の焦点位置の移動距離を小さくして短時間で行う。
【解決手段】ピエゾ素子５０により光学ユニットの対物レンズ２４を上下に移動して光学ユニットの焦点位置を移動しながら、白色光をテーブルに搭載された基板１の表面へ垂直に照射し、基板１の表面からの反射光を集光し、集光した反射光をピンホールを通して受光し、受光した反射光の強度の変化から、基板１の表面の微小突起物の高さを検出する。高さセンサー３０を用いて基板１を搭載するテーブルの基板搭載面の高さを予め検出し、検出結果に基づいて、テーブルに搭載された基板１の表面に対して光学ユニットの高さを調節する。テーブルの基板搭載面のうねりにより基板１の表面の高さが均一でなくても、光学ユニットの焦点位置の移動を、基板１の表面から常に一定の距離において開始することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば液晶ディスプレイ装置のパネル基板に形成されたフォトスペーサや周辺パターン等の微小突起物の高さを測定する高さ測定装置及び高さ測定方法に係り、特に共焦点方式により簡単な構成で微小突起物の高さを測定する高さ測定装置及び高さ測定方法に関する。

液晶ディスプレイ装置のパネル基板は、ＴＦＴ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）基板とカラーフィルタ基板との間に液晶を封入して構成されている。ＴＦＴ基板には各画素の駆動用電極となるＴＦＴアレイが形成され、カラーフィルタ基板には各画素を仕切るブラックマトリクス及び各画素を構成するＲＧＢのカラーフィルタ部が形成される。そして、両基板間のスペーサとして、フォトスペーサと呼ばれる複数の突起物が、どちらか一方又は両方の基板に設けられる。フォトスペーサの高さは、一般に１〜５μｍ程度である。

ＴＦＴ基板とカラーフィルタ基板との間に封入される液晶の厚さを一定にするためには、複数のフォトスペーサの高さを均一にしなければならない。従来、フォトスペーサの高さを測定する方法及び装置として、例えば、特許文献１に記載のものがある。
特開２００４−２０２０２号公報

フォトスペーサ等の微小突起物の高さを従来よりも簡単な構成で測定するため、ピンホールを用いた共焦点方式が提案されている。共焦点方式は、光学系の焦点位置を移動しながら、白色光を基板の表面へ垂直に照射し、基板の表面からの反射光を集光し、集光した反射光をピンホールを通して受光し、受光した反射光の強度の変化から、基板の表面の微小突起物の高さを検出するものである。ピンホールを通して受光される反射光の強度は、光学系の焦点位置が基板の表面又は微小突起物の上面に合っているときにそれぞれ大きくなるので、反射光の強度が大きくなる光学系の焦点位置から、微小突起物の高さを測定することができる。

基板が大型化する程、測定時に基板の表面の高さを均一にすることが難しくなる。このため、共焦点方式で光学系の焦点位置が必ず基板の表面及び微小突起物の上面を含む範囲を移動する様にするためには、焦点位置の移動距離を大きくする必要があり、測定時間が長くなる。

特に、光学系の焦点位置の移動には、ピエゾ素子を用いて光学系の対物レンズを移動するのが便利であるが、ピエゾ素子は動作範囲が短いので、ピエゾ素子による対物レンズの移動を複数回行う必要があり、測定時間が長くなる。

本発明の課題は、微小突起物の高さ測定を、共焦点方式により簡単な構成で、かつ光学系の焦点位置の移動距離を小さくして短時間で行うことである。

本発明の微小突起物の高さ測定装置は、基板を搭載するテーブルと、白色光源と、白色光源からの白色光をテーブルに搭載された基板の表面へ垂直に照射し、基板の表面からの反射光を集光するレンズと、レンズで集光した反射光をピンホールを通して受光する受光素子とを含む光学系と、テーブルの基板搭載面の高さを検出する検出手段と、検出手段の検出結果に基づいて、テーブルに搭載された基板の表面に対して光学系の高さを調節する光学系高さ調節手段と、レンズを上下に移動して光学系の焦点位置を移動する焦点位置移動手段と、焦点位置移動手段により光学系の焦点位置を移動しながら受光素子により受光した反射光の強度の変化から、基板の表面の微小突起物の高さを検出する処理手段とを備えたものである。

また、本発明の微小突起物の高さ測定方法は、基板を搭載するテーブルの基板搭載面の高さを予め検出し、検出結果に基づいて、テーブルに搭載された基板の表面に対して光学系の高さを調節した後、光学系のレンズを上下に移動して光学系の焦点位置を移動しながら、白色光をテーブルに搭載された基板の表面へ垂直に照射し、基板の表面からの反射光を集光し、集光した反射光をピンホールを通して受光し、受光した反射光の強度の変化から、基板の表面の微小突起物の高さを検出するものである。

基板を搭載するテーブルの基板搭載面の高さを予め検出し、検出結果に基づいて、テーブルに搭載された基板の表面に対して光学系の高さを調節するので、テーブルの基板搭載面のうねりにより基板の表面の高さが均一でなくても、光学系の焦点位置の移動が、基板の表面から常に一定の距離において開始される。従って、光学系の焦点位置の移動距離が小さく済み、測定時間が短くなる。

特に、ピエゾ素子を用いて光学系のレンズを移動することにより光学系の焦点位置を移動する場合、ピエゾ素子によるレンズの移動を複数回行う必要がなく、測定時間が短くなる。

本発明によれば、基板を搭載するテーブルの基板搭載面の高さを予め検出し、検出結果に基づいて、テーブルに搭載された基板の表面に対して光学系の高さを調節することによって、テーブルの基板搭載面のうねりにより基板の表面の高さが均一でなくても、光学系の焦点位置の移動を、基板の表面から常に一定の距離において開始することができる。従って、微小突起物の高さ測定を、共焦点方式により簡単な構成で、かつ光学系の焦点位置の移動距離を小さくして短時間で行うことができる。

図１（ａ）は本発明の一実施の形態による高さ測定装置の上面図、図１（ｂ）は同側面図である。また、図２は、本発明の一実施の形態による高さ測定装置の概略構成を示す図である。本実施の形態は、基板の表面に形成されたフォトスペーサの高さを測定する高さ測定装置の例を示している。高さ測定装置は、テーブル１０、ベース１１、Ｘガイド１２、Ｘ移動ベース１３、Ｙガイド１４、Ｙ移動ベース１５、昇降ベース１６、ボールねじ１７、Ｚガイド１８、アーム１９、光学ユニット、高さセンサー３０、モータ４０、モータ駆動回路４１、ピエゾ素子５０、ピエゾ素子駆動回路５１、信号変換回路６０、信号処理回路７０、及びＣＰＵ８０を含んで構成されている。

図１（ａ），（ｂ）において、表面に測定対象のフォトスペーサが形成された基板１が、ベース１１上のテーブル１０に搭載されている。テーブル１０は、その基板搭載面に基板１を真空吸着して固定する。テーブル１０は、基板搭載面ができるだけ平坦になる様に構成されているが、基板搭載面のうねりを完全に無くすことは困難であり、基板搭載面のうねりにより基板１の表面の高さが均一にならない。

白色光源２１及びＣＣＤカメラ２８を含む後述する光学ユニットが、Ｙ移動ベース１５にＺ方向へ移動可能に搭載されている。Ｙ移動ベース１５は、図示しないボールねじ等の移動機構により、Ｘ移動ベース１３上に設置されたＹガイド１４に沿ってＹ方向へ移動する。Ｘ移動ベース１３は、図示しないボールねじ等の移動機構により、ベース１１上に設置されたＸガイド１２に沿ってＸ方向へ移動する。Ｘ移動ベース１３のＸ方向への移動及びＹ移動ベース１５のＹ方向への移動によって、光学ユニットがテーブル１０に搭載された基板１の各測定点の上方へ移動し、また後述する高さセンサー３０が各測定点に対応するテーブル１０の基板搭載面上の位置へ移動する。

なお、本実施の形態では光学ユニットが１つだけ設けられているが、光学ユニットを複数設けてもよい。また、光学ユニットを移動する代わりに、基板１を搭載するテーブル１０をＸＹ方向へ移動することにより、基板１と光学ユニットとを相対的に移動してもよい。

図３は、光学ユニットの外観図である。また、図４は、光学ユニットの概略構成を示す図である。光学ユニットは、白色光源２１、集光レンズ２２、ハーフミラー２３、対物レンズ２４、収束レンズ２５、ピンホール２６、結像レンズ２７、及びＣＣＤカメラ２８を含んで構成されている。

図４において、白色光源２１は、例えばメタルハラルドランプから成り、白色光を発生する。集光レンズ２２は、白色光源２１からの白色光を集光し、ハーフミラー２３は、集光レンズ２２で集光された白色光を反射する。対物レンズ２４は、ハーフミラー２３で反射された白色光を収束させ、基板１の表面へ垂直に照射する。

対物レンズ２４は、基板１の表面からの反射光を集光し、収束レンズ２５は、対物レンズ２４で集光されハーフミラー２３を透過した反射光を収束させる。このとき、対物レンズ２４の焦点と収束レンズ２５の焦点とは共役の位置にあり、ピンホール２６は、収束レンズ２５の焦点に位置している。結像レンズ２７は、ピンホール２６を通過した反射光をＣＣＤカメラ２８の受光面に結像させる。

図２及び図３において、対物レンズ２４にはピエゾ素子５０が取り付けられており、対物レンズ２４は、ピエゾ素子５０によって、Ｚ方向へ上下に移動する。図２において、ピエゾ素子駆動回路５１は、ＣＰＵ８０の制御により、ピエゾ素子５０に電圧を印加してピエゾ素子５０を駆動する。対物レンズ２４のＺ方向への移動によって、光学ユニットの焦点位置がＺ方向に移動する。

図２及び図３において、昇降ベース１６から伸びるアーム１９には、高さセンサー３０が取り付けられている。高さセンサー３０は、接触式の高さセンサーであって、テーブル１０の基板搭載面に接触してその高さを測定する。図２において、ＣＰＵ８０は、高さセンサー３０の検出信号を入力し、またモータ駆動回路４１及びピエゾ駆動回路５１を制御する。

図２及び図３において、白色光源２１及びＣＣＤカメラ２８を含む光学ユニットは、昇降ベース１６に固定されている。図２において、昇降ベース１６にはボールねじ１７が取り付けられており、昇降ベース１６は、ボールねじ１７により、Ｙ移動ベース１５上に設置されたＺガイド１８に沿ってＺ方向へ移動する。モータ駆動回路４１は、ＣＰＵ８０の制御により、ボールネジ１７に接続されたモータ４０を駆動する。昇降ベース１６のＺ方向への移動によって、高さセンサー３０によるテーブル１０の基板搭載面の高さ測定が行われ、またテーブル１０に搭載された基板１の表面に対する光学ユニットの高さ調節が行われる。

図２において、ＣＣＤカメラ２８は、受光面で受光した反射光の強度に応じた検出信号を信号変換回路６０へ出力する。信号変換回路６０は、ＣＣＤカメラ２８の検出信号をディジタル信号に変換して、信号処理回路７０へ出力する。信号処理回路７０は、信号変換回路６０から入力したディジタル信号を処理して、後述する様に基板１の表面のフォトスペーサの高さを検出する。

以下、本発明の一実施の形態による高さ検出方法について説明する。図５は、本発明の一実施の形態による高さ測定方法を示すフローチャートである。まず、基板１をテーブル１０に搭載する前に、基板１の各測定点に対応するテーブル１０の基板搭載面上の位置において、高さセンサー３０を用いて、テーブル１０の基板搭載面の高さを検出する（ステップ１０１）。次いで、基板１をテーブル１０に搭載した後、ステップ１０１の検出結果に基づいて、一番目の測定点について、基板１の表面に対して光学ユニットの高さを調節する（ステップ１０２）。そして、ピエゾ素子５０により対物レンズ２４をＺ方向へ移動して光学ユニットの焦点位置を移動しながら、フォトスペーサの高さ測定を行う（ステップ１０３）。最後に、全ての測定点の測定が終了したか否か判断し(ステップ１０４)、終了していなければステップ１０２〜１０３を繰り返す。

図６及び図７は、光学ユニットの動作を説明する図である。以下、光学ユニットの焦点位置を、図面の上方向、即ち基板１の表面からフォトスペーサ２の上面の方向へ移動しながら測定を行う場合を例に説明する。図６（ａ）及び図７（ａ）は、光学ユニットの焦点位置が基板１の表面に合っている状態を示し、このとき対物レンズ２４は基板１の表面からａの距離にある。一方、図６（ｂ）及び図７（ｂ）は、光学ユニットの焦点位置がフォトスペーサ２の上面に合っている状態を示し、このとき対物レンズ２４は基板１の表面からｂの距離にある。

光学ユニットの焦点位置が基板１の表面に合っている場合、図６（ａ）に示す様に、基板１の表面で反射された反射光のほとんどは、ピンホール２６を通過し、ＣＣＤカメラ２８で受光される。これに対し、図７（ａ）に示す様に、フォトスペーサ２の上面で反射された反射光のほとんどは、ピンホール２６を通過できず、ＣＣＤカメラ２８で受光されない。

一方、光学ユニットの焦点位置がフォトスペーサ２の上面に合っている場合、図６（ｂ）に示す様に、基板１の表面で反射された反射光のほとんどは、ピンホール２６を通過できず、ＣＣＤカメラ２８で受光されない。これに対し、図７
（ｂ）に示す様に、フォトスペーサ２の上面で反射された反射光のほとんどは、ピンホール２６を通過し、ＣＣＤカメラ２８で受光される。

図８は、本発明の一実施の形態による高さ測定方法を説明する図である。図８に示す様に、ＣＣＤカメラ２８で受光される反射光の強度は、対物レンズ２４が基板１の表面からａ及びｂの距離に来たときに大きくなる。信号処理回路７０は、信号変換回路６０からのディジタル信号を処理して、ＣＣＤカメラ２８の検出信号が大きくなるａ及びｂの距離を検出し、それらの差（ｂ−ａ）をフォトスペーサ２の高さとして検出する。

以上説明した実施の形態によれば、基板１を搭載するテーブル１０の基板搭載面の高さを予め検出し、検出結果に基づいて、テーブル１０に搭載された基板１の表面に対して光学ユニットの高さを調節することによって、テーブル１０の基板搭載面のうねりにより基板１の表面の高さが均一でなくても、光学ユニットの焦点位置の移動を、基板１の表面から常に一定の距離において開始することができる。従って、フォトスペーサ２の高さ測定を、共焦点方式により簡単な構成で、かつ光学ユニットの焦点位置の移動距離を小さくして短時間で行うことができる。

本発明は、フォトスペーサの高さ測定に限らず、基板上に形成されたパターン等の様々な微小突起物の高さ測定に適用することができる。

図１（ａ）は本発明の一実施の形態による高さ測定装置の上面図、図１（ｂ）は同側面図である。 本発明の一実施の形態による高さ測定装置の概略構成を示す図である。 光学ユニットの外観図である。 光学ユニットの概略構成を示す図である。 本発明の一実施の形態による高さ測定方法を示すフローチャートである。 光学ユニットの動作を説明する図である。 光学ユニットの動作を説明する図である。 本発明の一実施の形態による高さ測定方法を説明する図である。

符号の説明

１ 基板
１０ テーブル
１１ ベース
１２ Ｘガイド
１３ Ｘ移動ベース
１４ Ｙガイド
１５ Ｙ移動ベース
１６ 昇降ベース
１７ ボールねじ
１８ Ｚガイド
１９ アーム
２１ 白色光源
２２ 集光レンズ
２３ ハーフミラー
２４ 対物レンズ
２５ 収束レンズ
２６ ピンホール
２７ 結像レンズ
２８ ＣＣＤカメラ
３０ 高さセンサー
４０ モータ
４１ モータ駆動回路
５０ ピエゾ素子
５１ ピエゾ素子駆動回路
６０ 信号変換回路
７０ 信号処理回路
８０ ＣＰＵ

Claims (4)

1. 基板を搭載するテーブルと、
   白色光源と、該白色光源からの白色光を前記テーブルに搭載された基板の表面へ垂直に照射し、基板の表面からの反射光を集光するレンズと、該レンズで集光した反射光をピンホールを通して受光する受光素子とを含む光学系と、
   前記テーブルの基板搭載面の高さを検出する検出手段と、
   前記検出手段の検出結果に基づいて、前記テーブルに搭載された基板の表面に対して前記光学系の高さを調節する光学系高さ調節手段と、
   前記レンズを上下に移動して前記光学系の焦点位置を移動する焦点位置移動手段と、
   前記焦点位置移動手段により前記光学系の焦点位置を移動しながら前記受光素子により受光した反射光の強度の変化から、基板の表面の微小突起物の高さを検出する処理手段とを備えたことを特徴とする微小突起物の高さ測定装置。
2. 前記焦点位置移動手段はピエゾ素子を含むことを特徴とする請求項１に記載の微小突起物の高さ測定装置。
3. 基板を搭載するテーブルの基板搭載面の高さを予め検出し、
   検出結果に基づいて、テーブルに搭載された基板の表面に対して光学系の高さを調節した後、
   光学系のレンズを上下に移動して光学系の焦点位置を移動しながら、白色光をテーブルに搭載された基板の表面へ垂直に照射し、基板の表面からの反射光を集光し、集光した反射光をピンホールを通して受光し、
   受光した反射光の強度の変化から、基板の表面の微小突起物の高さを検出することを特徴とする微小突起物の高さ測定方法。
4. ピエゾ素子を用いて光学系のレンズを移動することを特徴とする請求項３に記載の微小突起物の高さ測定方法。

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