JP2007163296A - 液晶パネルの基板間隔調整用スペーサの高さ測定方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スペーサの形状にかかわらず、比較的広範囲にわたって、しかも高精度に基板間隔調整用スペーサの高さを測定することが可能な液晶パネルの基板間隔調整用スペーサの高さ測定方法及びその測定装置を提供する。
【解決手段】一対の基板間に間隔調整用のスペーサを介設すると共に、両基板間に液晶を封入した液晶パネルにおいて、一方の基板１１の表面側に間隔調整用のスペーサ２１を配置した状態において、計測用透明板１４をスペーサ２１上に載置する。計測用透明板１４をスペーサ２１に押圧接触させる。計測用透明板１４の載置面と基板１１の表面との隙間距離を光学的手段１２を利用して測定することで基板１１の表面上のスペーサ２１の高さを求める。
【選択図】図１

Description

この発明は、液晶パネルの基板間隔調整用スペーサの高さ測定方法及び装置に関するものである。

液晶パネルの製造においては、一枚のガラス基板上にＴＦＴアレイが形成されてＴＦＴ基板となる。もう一枚のガラス基板上にはマイクロ・カラーフィルタ・アレイが形成されてカラーフィルタ基板となる。どちらの基板も最後にはラビング処理され、二枚のガラス基板を重ねて張り合わせて隙間に液晶物質を封入する。この際、液晶物質の厚さは、完成されたディスプレィパネルの光学特性に大きな影響を及ぼすため、基板間の隙間は決められた間隔でできるだけ均一にする必要がある。そのために通常は、３〜５ミクロンメートル程度の高さを有するスペーサを基板間に介設し、その間隔が均一になるように規制している（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。上記スペーサとしては、カラーフィルタ基板あるいはＴＦＴ基板上にフォトリソグラフィ技術によって樹脂製スペーサを形成する方法と、透明な樹脂製の粉体（ビーズスペーサ）を散布あるいは固着する方法とがある。

従来、スペーサのような突起形状の高さを測定する方法として、大別すると触針式測定方法と非接触式測定方法とがある。触針式としては百ミクロンメートル程度以下の極微小な範囲の凹凸情報を得るためのＡＦＭ（原子間力顕微鏡）が知られている。これは探針（カンチレバー）の先端をサンプル表面上にスキャンし、その凹凸情報を電気的信号に変換して計測する方法である。サンプルと探針（カンチレバー）の間に働く微小な力（原子間力）を検出することによりオングストロームオーダの分解能で凹凸情報を得ることができるものであり、触針式とはいっても非破壊測定を可能とする。しかしながらこの方法は探針を二次元的にスキャンするために数分の測定時間を必要とすることと、破損や摩耗による探針先端の形状変化の影響を受ける欠点がある。

また非接触方式としては、光を利用した顕微鏡型の三次元計測器が良く知られており、走査型共焦点レーザ顕微鏡、あるいは走査型白色干渉計等が挙げられる。走査型共焦点レーザ顕微鏡の基本原理は、点光源から出射した光が対物レンズでサンプルの一点に集光され、反射した光は同じ光路を戻ってビームスプリッタにより分離されてピンホールに集光される。この光強度が最大となる位置が焦点面となり、Ｚ軸を走査してＸＹ各点の焦点位置の読みとり値を高さデータとして三次元計測が可能になる。また、走査型白色干渉計は白色光を光源としたミラウ、マイケルソン等の等距離干渉計を利用する。対物レンズに入射した光をビームスプリッタにより、一方を光学基準面へ、他方をサンプル表面へ偏光して出射させる。すると光学基準面およびサンプル面から反射した光が結合し、干渉を発生する。対物レンズをＺ軸方向に走査して干渉強度の最大値を焦点位置とし、ＸＹ各点の焦点位置読みとり値から三次元計測を可能とする。かかる測定器は数秒以内の短い測定時間でサブミクロンメートルから数百ミクロンメートルの凹凸形状が測定可能であり、測定領域もサブミクロンメートルから数ミリメートルオーダーが可能のため、スペーサの形状・高さ測定には概して適していると言える。
特開２００４−２４５９５２号公報 特開２００５−２４２３１０号公報

しかしながらスペーサの頂点部は、常に平坦形状であるとは限らない。例えば、ビーズスペーサのような球状の場合は、光学的な手法によると入射した光が頂点部のごく限られた狭い面積以外は斜め方向に反射してしまい、頂点の高さを測定できうる有効な部分は限りなく小さい。従って頂点部の高さデータを安定して得ることは困難になる。また実際にガラス上に形成されたスペーサは百ミクロンメートル以上離れた間隔で配置されるため、これらの測定機を用いてスペーサ形状を直接測定する場合は測定視野の限界から一度に一点の測定しか行うことができないが、無数に配置されたスペーサを全て測定するのは非現実的な時間を必要とするため、１枚のサンプル基板で数十点のスペーサを測定しているのが現状である。しかし一点の高さを測定しても、高さが異常に大きく問題となるスペーサの存在を見いだすことはできない。特に複数個のビーズを固着してスペーサを形成する方法においては、ビーズが２段以上に積み重なった場合は致命的な不良になるが、ある１点を抽出して測定しても、その周囲に存在する不良スペーサは検出できないことになる。

ところで、実際にカラーフィルタ基板とＴＦＴ基板を張り合わせて液晶物質を注入した状態においては二枚のガラス間に大気による圧力が加わる。スペーサが樹脂製である場合は、頂点部は押圧力を受けたとき、その材質は適度な弾性を持つので変形した状態になる。これにより製造技術等に起因する個々のスペーサ高さのバラツキは適切な弾性変形と相まって、面全体としてうまく補償されることになる。
しかしながら液晶製造においてスペーサの高さを測定する工程はカラーフィルタ基板あるいはＴＦＴ基板の製造過程で行うため、そのままではスペーサは張り合わせによる押圧が無い無変形状態である。従って従来の測定方法で高さを測定しても、その結果が実際に張り合わせ後のガラスの隙間と等しくならない。

この発明は、上記従来の欠点を解決するためになされたものであって、その目的は、スペーサの形状にかかわらず、比較的広範囲にわたって、しかも高精度に基板間隔調整用スペーサの高さを測定することが可能な液晶パネルの基板間隔調整用スペーサの高さ測定方法及びその測定装置を提供することにある。

さらに具体的にいうと、液晶用カラーフィルタ基板あるいはＴＦＴ基板に形成したスペーサの高さを計測するとき、従来の光学的手法では測定できない頂点形状が平坦ではない球状のスペーサを測定可能とすることを目的とする。また、従来の方法では、無数に配置されたスペーサの中で一点の高さを測定してもその周囲に存在する高さが異常に大きいスペーサの存在を見いだすことはできないが、本願では、多数のスペーサの中に存在する異常な高さを持った不良スペーサを一度の測定で検出可能にすることを目的とする。さらに、ビーズを固着してスペーサを形成するような方法を採用する場合には、無数に配置されたスペーサの中から一部のビーズが２段以上に重さなった不良の検出を可能にすることを目的とする。またさらに、スペーサが弾性を持ったものであるような場合には、スペーサが張り合わせられた後の押圧により変形したのと同じ状態で高さを測定できるようにすることを目的とする。

そこで請求項１の液晶パネルの基板間隔調整用スペーサの高さ測定方法は、一対の基板間に間隔調整用のスペーサを介設すると共に、両基板間に液晶を封入した液晶パネルにおいて、一方の基板１１の表面側に間隔調整用のスペーサ２１を配置した状態において、計測用透明板１４をスペーサ２１上に載置し、計測用透明板１４の載置面と基板１１の表面との隙間距離を光学的手段１２を利用して測定することで基板１１の表面上のスペーサ２１の高さを求めることを特徴としている。また、請求項３の液晶パネルの基板間隔調整用スペーサの高さ測定装置は、一対の基板間に間隔調整用のスペーサを介設すると共に、両基板間に液晶を封入した液晶パネルにおいて、一方の基板１１の表面側に間隔調整用のスペーサ２１を配置した状態において、基板１１の表面上のスペーサ２１の高さを求める高さ測定装置であって、スペーサ２１上に載置される計測用透明板１４と、計測用透明板１４の載置面と基板１１の表面との隙間距離を測定する光学的手段１２とを有することを特徴としている。

請求項２の液晶パネルの基板間隔調整用スペーサの高さ測定方法は、上記計測用透明板１４を上記スペーサ２１に押圧接触させることを特徴としている。請求項４の液晶パネルの基板間隔調整用スペーサの高さ測定装置は、上記計測用透明板１４を上記スペーサ２１に押圧接触させる押圧手段３１、４１を有することを特徴としている。

請求項１の液晶パネルの基板間隔調整用スペーサの高さ測定方法、及び請求項３の液晶パネルの基板間隔調整用スペーサの高さ測定装置は、スペーサが配列された基板上に、所定の面積を有する計測用透明板を載置すると、スペーサで規制された隙間が生じることになり、基板の表面と計測用透明板の載置面との距離を光学手段で測定することでスペーサの高さを測定する方法及び装置である。計測用透明板の載置面下には一様に分布した数十個以上のスペーサが存在し、基板間の間隔は、その中で高さが最も大きな数個のスペーサで隙間が決まることになるが、その隙間が異常値の場合は不良として判断することができる。一点のスペーサだけを測定するのに比較して、異常な高さの不良検出の確率が著しく向上する。また、スペーサの頂点が球状であって、従来の光学手段では頂点の高さを検出するのが困難な問題に対し、計測用透明板を用いた場合には、スペーサの頂点で基板と計測用透明板との隙間ができることから、スペーサのいかなる形状にもかかわらずに高さを測定することが可能になる。

請求項２の液晶パネルの基板間隔調整用スペーサの高さ測定方法、及び請求項４の液晶パネルの基板間隔調整用スペーサの高さ測定装置によれば、計測用透明板に、押圧手段により、重りを付加して加重したり、あるいは計測用ガラス板をバネ等で押しつけるなどしたりすると、押圧力が調整され、実際にカラーフィルタ基板とＴＦＴ基板を張り合わせて液晶物質を封入した状態のように、大気圧によってスペーサ加わる押圧力と等しくすることができる。その状態で基板と計測用透明板との隙間を測定すると、押圧力によってスペーサが変形した状態の高さを測定できることになる。特に、スペーサが弾性を持った樹脂で作られている場合は、加重を変化させながらで隙間を測定することで変形によるスペーサ高さの変化を測定することが可能になる。

この発明によれば、液晶パネルの製造工程において、カラーフィルタ基板あるいはＴＦＴ基板に形成したスペーサの高さ測定を簡易なシステム構成で行うことができる。また計測用ガラス板でスペーサに押圧を加えると、後工程で行われるカラーフィルタ基板とＴＦＴ基板を張り合わせたのと同じ形状状態でのスペーサの高さを測定することが可能になる。

次に、この発明の液晶パネルの基板間隔調整用スペーサの高さ測定方法及びその装置の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。図１は液晶パネルの基板間隔調整用スペーサの高さ測定装置の全体簡略図であり、このスペーサの高さ測定装置は、カラーフィルタ基板あるいはＴＦＴ基板上に形成されたスペーサの高さを測定する方法を実施するものとして、被測定基板の上に計測用ガラス板を載せ、二枚のガラス間の隙間を測定してスペーサの高さを知る方法を実施する装置である。

図１において、１は、装置本体のアームを示しており、アーム１の下部には、試料台１０が配置されている。また、アーム１の先端部には、検出部（光学的検出手段）１２取り付られ、この検知部１２の直下の位置には、計測用ガラス板１４が配置されている。計測用ガラス板１４は、筒状の計測用ガラス板ホルダ１３に固着されている。また、上記アーム１には、上下動機構１５が設けられ、この上下動機構１５によって、ガラス板支持アーム１６が上下方向に駆動されるようなっている。そして、このガラス板支持アーム１６に、上記計測用ガラス板ホルダ１３が、支持されている。この場合、計測用ガラス板ホルダ１３は、ガラス板支持アーム１６に吊下げ状態で、かつ上方へは移動自在に支持されている。

一方、上記試料台１０には、カラーフィルタ基板あるいはＴＦＴ基板のようなサンプル基板１１が載置されている。上記検知部１２は、指定された測定位置に移動可能である。そして、所定の位置において、上下動機構１５によってガラス板支持アーム１６を下降させていくと、計測用ガラス板１４もサンプル基板１１の表面に垂直に降りていく。計測用ガラス板１４がサンプル基板１１と接触した状態からさらにガラス板支持アーム１６を下降させると、図２に示すように、計測用ガラス板ホルダ１３はそれ以上は下降せず、計測用ガラス板ホルダ１３は、ガラス板支持アーム１６と分離される。サンプル基板１１の表面には５ミクロンメートル程度の高さのスペーサ２１が形成されており、これが計測用ガラス板１４とサンプル基板１１の隙間を規制する。計測用ガラス板１４が分離され、サンプル基板１１に自重で載置された状態では、計測用ガラス板ホルダ１３と計測用ガラス板１４の重量は軽いため、スペーサ２１の一個あたりに加わる荷重は極めて小さい。このような低荷重状態においては、計測用ガラス板１４の面内で最も高い数点のスペーサ２１によって隙間が決まることになる。

そこで図３に示すように、計測用ガラス板１４に、押圧手段として重り３１を取り付けて、重りの重量でもって計測用ガラス板１４を、上記スペーサ２１に押圧接触させる。この場合、重り３１の重量を調整することで、実際にカラーフィルタ基板とＴＦＴ基板を張り合わせて液晶物質を封入した後にスペーサ２１に加わる押圧と等しくすることができる。このように押圧力を作用させることによって、スペーサ２１が変形した状態での高さを測定することが可能である。重り３１は、その中央部に、測定光路が通るように孔を設けた形態にしておく。

また荷重を加える別の押圧手段として、図４示すように、バネ４１を設けて計測用ガラス板１４を押しつける手段も考えられる。バネ押し機構４２はエアーあるいはモーターなどで駆動するＺ軸ステージ４３であり、それを下降させてバネ４１を押すとスライダー機構４４に取り付けられた計測用ガラス板１４がスペーサ２１に押圧力を与える。そこでバネ押し機構４２のストローク量を制御することで計測用ガラス板１４がサンプル基板１１へ与える押圧力を調整することが可能になる。

次にサンプル基板１１の上面と計測用ガラス板１４の下面の距離を測定するには、構造上からして必然的に非接触の測定になるため、光学的な検出方法が必要になる。測定方法として挙げられるものとして従来から知られている白色光による光干渉の原理を応用したものがあり、膜厚や形状測定に広く利用されている。あるいはレーザー光を用いるなどして焦点位置を検出する方法が利用できる。

白色光による干渉を利用した実施例としていくつかある。例えば、走査型白色干渉計は白色光を光源としたミラウ、マイケルソン等の等距離干渉計を利用する。対物レンズに入射した光をビームスプリッタにより、一方を光学基準面へ、他方をサンプル表面へ偏光して出射させる。すると光学基準面およびサンプル面から反射した光が結合し、干渉を発生する。対物レンズをＺ軸方向に走査して干渉強度が最大のときに焦点位置となる。サンプル表面と参照ガラス板下面で生じた２点の干渉ピーク位置を検出することでサンプルと参照板ガラスの距離を求めることができる。

分光分析による方法は、垂直あるいは斜め方向からサンプルに白色光を入射し、サンプル基板と膜面から反射して合成された干渉スペクトラムを高速フーリエ変換等によって解析し、膜厚を求めるものである。

また、エリプソメータとして一般的に知られている測定対象物に偏光を入射し、その反射光の偏光状態の変化を測定することで膜厚を測定する方法も適用が可能である。

また、複屈折性プリズムを用いた白色干渉方式においても適用が可能である。
図５には、ウォラストンプリズム５１を用いた白色干渉光による偏光干渉方式の測定原理を示す。白色光源５２からの光束はビームスプリッタ５３で反射し、対物レンズ５４によって集光されて出射する。計測用ガラス板１４の下面とサンプル基板１１上面の隙間をｄ、その間の屈折率をｎとすると、計測用ガラス板１４の下面とサンプル基板１１上面から２ｎｄの光路差を持つ二つの波面が反射してくるが、隙間は空気で満たされているので屈折率ｎ＝１となる。これらの波面はウォラストンプリズム５１の結晶軸に対して４５度方向の偏光軸をもつ偏光板５５に入射し、紙面に平行、および垂直な等強度の偏光成分に分割される。これらの波面のうち紙面に平行な成分はウォラストンプリズム５１中で屈折し、＋θだけティルトして出ていく。また紙面に垂直な成分はその逆になり−θだけティルトして出ていく。これらの波面が偏光板５６を通過すると、波面同志が交差する場所の近傍で干渉を起こして、図６に示すような２本の白色干渉縞を生じる。この白色干渉縞を、結像レンズ５７で集光してからＣＣＤカメラ５８に入射させ、画像処理装置５９に画像を取り込む。白色干渉縞の生じる位置は試料の光学的厚さ２ｎｄに比例することになり、白色干渉縞の間隔を画像処理装置５９によって、例えば干渉縞波形を積分したエンベロープのピークあるいは干渉縞のパターンマッチングなどから計測用ガラス板１４の下面とサンプル基板１１上面との距離ｄを検出する。

ガラスの距離を測定する別の方法として、分光光度計を用いる方法もある。また、レーザを用いた方法例として、共焦点光学系が挙げられる。レーザ光が対物レンズを通してサンプルに照射され、対物レンズの焦点距離とサンプルが一致したときにピンホールを通過する光量が最大になる。対物レンズを上下させるとサンプル表面と参照ガラス板下面にレーザ光の焦点位置があることからピンホールを通過した光量は２点にピークを生じる。各ピーク位置とレンズを上下移動させた距離からサンプルと参照板ガラスの距離を求めることができる。ピンホール光学系と同類でナイフエッジ法と呼ばれる検出方法も応用が可能である。

なお、二枚のガラスの距離を測定する方法は上述例にのみ限定されるものではないが、本発明の要旨である計測用ガラス板１４を用いてスペーサ２１を測定する手段を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

以上にこの発明の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。例えば、上記実施の形態では、計測用透明板として、ガラス板１４を用いているが、合成樹脂製透明板等の他材質の透明、あるいは半透明板を使用することが可能である。また、上記においては、押圧手段（重り３１、バネ４１）を用いており、もちろんこのように押圧手段３１、４１を用いるのが好ましいが、場合によっては、押圧手段を使用せずに実施することもある。

この発明の液晶パネルの基板間隔調整用スペーサの高さ測定装置及び方法の一実施形態の概要を説明するための構成図である。 計測用ガラス板をスペーサの上に載せた状態を模式的に示す模式図である。 計測用ガラス板に押圧手段としての重りを付加した状態を示す概略構成図である。 計測用ガラス板を押圧手段としてのバネで押圧する状態を示す概略構成図である。 ウォラストンプリズムを用いた白色干渉光による偏光干渉光学系を示す構成図である。 ＣＣＤカメラ上の１走査ラインで観察される白色干渉縞強度を示す模式図である。

符号の説明

１１・・サンプル基板、１２・・検出部（光学的検出手段）、１４・・計測用ガラス板、２１・・スペーサ、３１・・重り、４１・・バネ

Claims (4)

1. 一対の基板間に間隔調整用のスペーサを介設すると共に、両基板間に液晶を封入した液晶パネルにおいて、一方の基板（１１）の表面側に間隔調整用のスペーサ（２１）を配置した状態において、計測用透明板（１４）をスペーサ（２１）上に載置し、計測用透明板（１４）の載置面と基板（１１）の表面との隙間距離を光学的手段（１２）を利用して測定することで基板（１１）の表面上のスペーサ（２１）の高さを求めることを特徴とする液晶パネルの基板間隔調整用スペーサの高さ測定方法。
2. 上記計測用透明板（１４）を上記スペーサ（２１）に押圧接触させることを特徴とする請求項１の液晶パネルの基板間隔調整用スペーサの高さ測定方法。
3. 一対の基板間に間隔調整用のスペーサを介設すると共に、両基板間に液晶を封入した液晶パネルにおいて、一方の基板（１１）の表面側に間隔調整用のスペーサ（２１）を配置した状態において、基板（１１）の表面上のスペーサ（２１）の高さを求める高さ測定装置であって、スペーサ（２１）上に載置される計測用透明板（１４）と、計測用透明板（１４）の載置面と基板（１１）の表面との隙間距離を測定する光学的手段（１２）とを有することを特徴とする液晶パネルの基板間隔調整用スペーサの高さ測定装置。
4. 上記計測用透明板（１４）を上記スペーサ（２１）に押圧接触させる押圧手段（３１）（４１）を有することを特徴とする請求項３の液晶パネルの基板間隔調整用スペーサの高さ測定装置。