JP2016031524A - アライメントシステム - Google Patents

Abstract

【課題】許容誤差を考慮した高精度な位置合わせを容易に行うことができるアライメントシステムを提供する。【解決手段】物体の画像を取得する撮像部２を備え、第１の基材Ｗ１に設けられた第１のアライメントマークＭ１と第２の基材Ｗ２に設けられた第２のアライメントマークＭ２の画像を撮像部２が同時に取り込み、当該画像をデジタル処理した結果をもとに第１の基材Ｗ１と第２の基材Ｗ２との位置合わせを行うアライメントシステム１であり、第２のアライメントマークＭ２は、第１のアライメントマークＭ１の全周にわたって所定の間隔を有して第１のアライメントマークＭ１を囲む形状を有しており、前記所定の間隔は、第１の基材Ｗ１と第２の基材Ｗ２との位置合わせにおいて許容される誤差寸法と同等であり、撮像部２の分解能は、前記所定の間隔の３倍以上である。【選択図】図１

Description

本発明は、２枚の基材の各々に設けられたアライメントマークを利用して両基材の位置合わせを行うアライメントシステムに関するものである。

たとえば液晶ディスプレイの製造工程において、最終製品として正常に機能するためには、カラーフィルタ基材とＴＦＴ基材とを貼り合わせる際に基材同士の高精度な位置合わせ（アライメント）が必要であり、製品によってはカラーフィルター上にタッチセンサー機能を有する機材を貼り合わせる必要が有る。また、液晶ディスプレイ以外にも貼り合わせ工程を有する機能製品は数多く存在する。

下記特許文献１では、２つの回路基板に各々に設けられたアライメントマークの形状について、片方のアライメントマークがもう片方のアライメントマークを囲む形状を有する例が示されているアライメントシステムが示されている。これにより、片方のアライメントマークがもう片方のアライメントマークを囲む状態となった際に両基材の位置合わせが完了したと判断することが出来る。

特開２０１１−１２６６６号公報

ここで、一般にアライメントシステムにおいては位置公差（許容誤差）が設けられていて、当該公差以内であればアライメント結果に位置ずれが生じていてもアライメントが完了していると判定される必要があるが、上記システム例を代表とする従来のアライメントシステムにおいては、実際に公差を考慮したアライメントは不可能かまたは非常に手間の掛かるものであり、アライメントに時間をかけるかまたは必要以上に精密な測定システムを使用していた。具体的には、両アライメントマーク間の間隔が狭い場合、公差内になるまで位置合わせするために公差以上の精度を必要とするため、位置合わせが困難となっていた。逆に、両アライメントマーク間の間隔が広過ぎる場合、上記の状態になったとしても両基材の重ね合わせの精度は許容誤差の範囲内である確証は得られず、アライメント後の位置ずれを別途計測し計算する必要があり、たとえば上記の状態の画像から隙間の寸法を解析して、位置ずれが許容誤差を超えている部分が無いかどうかを検証するステップを加えることによって初めて両アライメントマークの位置ずれが許容範囲内であることを確認できるため、位置合わせは困難となっていた。

本発明は、上記の問題点を鑑みてなされたものであり、許容誤差を考慮した高精度な位置合わせを容易に行うことができるアライメントシステムを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために本発明のアライメントシステムは、物体の画像を取得する撮像部を備え、第１の基材に設けられた第１のアライメントマークと第２の基材に設けられた第２のアライメントマークの画像を前記撮像部が同時に取り込み、当該画像をデジタル処理した結果をもとに前記第１の基材と前記第２の基材との位置合わせを行うアライメントシステムであり、前記第２のアライメントマークは、前記第１のアライメントマークの全周にわたって所定の間隔を有して前記第１のアライメントマークを囲む形状を有しており、前記所定の間隔は、前記第１の基材と前記第２の基材との位置合わせにおいて許容される誤差寸法と同等であり、前記撮像部の分解能は、前記所定の間隔の３倍以上であることを特徴としている。

上記アライメントシステムによれば、許容誤差を考慮した高精度な位置合わせを容易に行うことができる。具体的には、第１のアライメントマークと第２のアライメントマークとの間隔が位置合わせにおいて許容される誤差寸法と同等であることにより、第１のアライメントマークの全周にわたって第２のアライメントマークとの間に隙間があればすなわち両基材の位置ずれは許容誤差寸法内であることを示す。したがって、撮像部により両アライメントマークの画像を取得して、第１のアライメントマークの全周にわたって第２のアライメントマークとの間に隙間があるか否かを確認することのみにより、両基材の位置ずれが許容誤差寸法内か否かを容易に判断することができる。また、撮像部の分解能が前記所定の間隔の３倍以上であることにより、第１のアライメントマークと第２のアライメントマークとの間の隙間が僅かであっても、撮像部で十分認識することができる。

また、前記撮像部は、物体側テレセントリック光学系を備えることが好ましい。

こうすることにより、カメラとの光軸方向の距離が互いに異なる第１のアライメントマークと第２のアライメントマークの両方に対して等しい倍率で撮像することができるため、第１のアライメントマークの全周にわたって第２のアライメントマークとの間に隙間があるか否かを正確に確認することができる。

本発明のアライメントシステムによれば、許容誤差を考慮した高精度な位置合わせを容易に行うことができる。

本発明の一実施形態におけるアライメントシステムを示す概略図である。 本実施形態におけるアライメントマークである。 両基材の位置合わせにおいて位置ずれが生じている場合の両アライメントマークの位置関係である。 カメラが撮像したアライメントマークの画像である。 両基材の位置ずれが許容誤差内で無い場合のアライメントマークの画像である。 複数のアライメントマークを用いた位置補正の一つの例を示す模式図である。 複数のアライメントマークを用いた位置補正の他の例を示す模式図である。

本発明に係る実施の形態を図面を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施形態におけるアライメントシステム１の概略図である。

アライメントシステム１は、撮像部２、吸着ステージ３、吸着ステージ４および制御部５を有しており、吸着ステージ３が第１の基材Ｗ１を保持し、吸着ステージ４が第２の基材Ｗ２を保持し、第１の基材Ｗ１と第２の基材Ｗ２が重なり合った状態で、第１の基材Ｗ１に設けられた第１のアライメントマークＭ１と第２の基材Ｗ２に設けられた第２のアライメントマークＭ２の画像を撮像部２が同時に取得する。この画像を制御部５がデジタル解析して第１の基材Ｗ１と第２の基材Ｗ２の位置ずれが許容誤差内か否かを判断し、許容誤差内に収まるまで吸着ステージ３と吸着ステージ４とを制御部５が相対移動させることにより第１の基材Ｗ１と第２の基材Ｗ２とを相対移動させることによって、第１の基材Ｗ１と第２の基材Ｗ２の位置合わせ（アライメント）を行う。

なお、本実施形態では撮像部２の光軸方向（図中の一点鎖線の延在方向）をＺ軸方向（鉛直方向）とし、Ｚ軸と垂直な水平面上に互いに直交する方向であるＸ軸方向とＹ軸方向を設けているものとする。

撮像部２は、カメラ１１と物体側レンズ１２および図示しない像側レンズとを有している。カメラ１１はデジタルカメラであり、ＣＭＯＳ、ＣＣＤなどのイメージセンサを有し、撮像した画像をイメージセンサの画素単位の情報として制御部５へ送信する。

また、カメラ１１と撮像対象（第１の基材Ｗ１や第２の基材Ｗ２）の間には、物体側レンズ１２が設けられ、また、物体側レンズ１２の後焦点位置には絞り１３が設けられており、物体側テレセントリック光学系を構築している。位置合わせ時に撮像部２が撮像する第１のアライメントマークＭ１と第２のアライメントマークＭ２は、それぞれ別の基材に設けられたマークであるため、カメラ１１との光軸方向の距離が互いに異なる。そこで、このように撮像部２がテレセントリック光学系を備えていることにより、物体側レンズ１２から撮像対象までの光線の画角がゼロとなる（光軸と並行な光となる）ため、カメラ１１との光軸方向の距離が互いに異なる第１のアライメントマークＭ１と第２のアライメントマークＭ２の両方に対して等しい倍率の画像を取得することができる。

また、第１の基材Ｗ１と第２の基材Ｗ２の位置合わせにおいて許容できる誤差が小さい場合にも第１のアライメントマークＭ１と第２のアライメントマークＭ２を撮像して問題無く位置合わせができるようにするために、アライメントマークの画像をイメージセンサ部で拡大出来る様、撮像部２は全体として拡大光学系として構成されている。

また、撮像部２は図示しない照明をさらに有し、この照明は、撮像時に基材またはアライメントマークが影を形成しないように同軸照明が望ましい。

吸着ステージ３は第１の基材Ｗ１を上方から吸着保持するステージであり、図示しない駆動部を備え、制御部５により駆動部が制御されて位置合わせ時には第１の基材Ｗ１とともにＸ軸方向およびＹ軸方向に移動することができる。

ここで、第１の基材Ｗ１は、たとえばカラーフィルタが形成されたガラス基板またはであり、カラーフィルタの形成面を下向きに保持されて、第２の基材Ｗ２と重ね合わされる。この第１の基材Ｗ１の端部には第１のアライメントマークＭ１が形成されている。なお、図１に示すように、位置合わせ時はこの第１の基材Ｗ１が第２の基材Ｗ２よりもカメラ１１に近い方に配置され、第１の基材Ｗ１越しに第２のアライメントマークＭ２を撮像する必要があるため、少なくとも第１のアライメントマークＭ１近傍では、第１の基材Ｗ１は透明もしくは透明に近い必要がある。

吸着ステージ４は第２の基材Ｗ２を下方から吸着保持するステージであり、図示しない駆動部を備え、制御部５により駆動部が制御されて位置合わせ時には第２の基材Ｗ２とともにＸ軸方向およびＹ軸方向に移動することができる。これにより、位置合わせが完了するまで第１の基材Ｗ１と第２の基材Ｗ２とを相対移動させることができる。なお、本実施形態では吸着ステージ３も吸着ステージ４も駆動するようにしているが、片方の吸着ステージを固定とし、もう片方の吸着ステージのみ駆動させるようにしても良い。

ここで、第２の基材Ｗ２は、たとえばＴＦＴ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が形成されたガラス基板であり、ＴＦＴの形成面を上向きに保持されて、第１の基材Ｗ１と重ね合わされる。この第２の基材Ｗ２の端部において、重ね合わせ時に第１のアライメントマークＭ１と対向する箇所には、第２のアライメントマークＭ２が形成されている。

制御部５は、ＣＰＵおよびＲＡＭやＲＯＭを有するコンピュータであり、カメラ１１とケーブルを介して連結されており、カメラ１１で取得された画像データを自身に取り込み、自身の記憶装置に記憶する。また、制御部５は解析装置も有しており、位置決め動作時にカメラ１１が取得したアライメントマークＭ１とアライメントマークＭ２の画像をデジタル処理して画像の各画素の輝度情報などを確認し、位置合わせ状態の良否を判定する。

また、制御部５は、吸着ステージ３および吸着ステージ４の駆動部ともケーブルを介して連結されており、各吸着ステージの移動を制御することが可能であり、第１の基材Ｗ１と第２の基材Ｗ２を重ね合わせるために両吸着ステージを移動させるだけでなく、上記の解析結果から両基材間の位置ずれが許容誤差を超え、位置合わせ状態が未完と判断された場合には、この解析結果から算出されるずれ量分、両基材を相対移動させるように制御する。

次に、本実施形態における両アライメントマークを撮像部２の光軸方向（Ｚ軸方向）から見た図を図２に示す。ここで、図２（ａ）は第１のアライメントマークＭ１と第２のアライメントマークＭ２を別々に見た場合の図であり、図２（ｂ）は位置合わせ時に両アライメントマークを同時に見た場合の図である。

図２（ａ）に示す通り、本実施形態における第１のアライメントマークＭ１は中実の円形状、第２のアライメントマークＭ２は中空の円形状となっている。また、第２のアライメントマークＭ２の内径（中空部の径）は、第１のアライメントマークＭ１の径より大きい。

これらアライメントマークは、第１の基材Ｗ１と第２の基材Ｗ２が精度良く重ね合わさっている場合（ずれ量がゼロである場合、本実施形態では両アライメントマークの中心が一致した場合）は、図２（ｂ）に示す通り第２のアライメントマークＭ２が第１のアライメントマークＭ１の全周にわたって所定の間隔（図２（ｂ）中の間隔ｄ）を有して第１のアライメントマークＭ１を囲む状態となる。そして、この間隔ｄは、第１の基材Ｗ１と第２の基材Ｗ２との位置合わせにおいて許容される誤差寸法と同等となるように設定されている。

このような形状を両アライメントマークが有している場合、第１の基材Ｗ１と第２の基材Ｗ２との位置合わせにおいて位置ずれが生じていても、許容誤差の範囲内であれば、第２のアライメントマークＭ２に対する第１のアライメントマークＭ１のずれ量は、図２（ｂ）の状態と比較して寸法ｄより小さいため、どの方向に位置ずれが生じていたとしても、図３（ａ）に示すように第１のアライメントマークＭ１の全周にわたって隙間が存在する状態が維持される。これに対し、第１の基材Ｗ１と第２の基材Ｗ２との位置合わせの際の位置ずれが許容誤差の範囲を超えた場合、どの方向に位置ずれが生じていたとしても、図３（ｂ）に示すように第１のアライメントマークＭ１と第２のアライメントマークＭ２とが重なる部分が生じ、第１のアライメントマークＭ１の全周にわたって隙間が存在する状態が成立しなくなる。

したがって、第１のアライメントマークＭ１の全周にわたって隙間が存在しているか否かを確認することのみによって、その時点における第１の基材Ｗ１と第２の基材Ｗ２との位置合わせの位置ずれが許容誤差の範囲内であるのか否かを容易に確認することが可能であり、本実施形態では、カメラ１１が撮像した両アライメントマークの画像を解析することより、第１のアライメントマークＭ１の全周にわたって隙間が存在しているか否かを確認する。

なお、前述の通り、本実施形態では第１のアライメントマークＭ１は中実の円形状、第２のアライメントマークＭ２は中空の円形状としているが、これに限らず、位置合わせにおいて許容される誤差寸法と同等の隙間を設けて片方のアライメントマークがもう片方のアライメントマークを囲むことができるような関係を両アライメントマークを有していれば、第１のアライメントマークＭ１と第２のアライメントマークＭ２がどのような形状であっても本発明の効果を得ることができる。

次に、カメラ１１が撮像する両アライメントマークの画像について、図４に示す。

前述の通り、本実施形態では撮像部２では物体側レンズ１２、絞り１３を用いてテレセントリック光学系を形成しており、カメラ１１との光軸方向の距離が互いに異なる第１のアライメントマークＭ１と第２のアライメントマークＭ２の両方に対して等しい倍率の画像を取得する。

また、アライメントマークの画像をカメラ１１が拡大イメージとして取得するように撮像部２は拡大光学系として構成され、第１の基材Ｗ１と第２の基材Ｗ２の位置合わせにおいて許容できる誤差が小さい場合にも第１のアライメントマークＭ１と第２のアライメントマークＭ２を撮像した画像から両アライメント間の隙間の有無を検出できるようにしている。具体的には、拡大されてカメラ１１に取り込まれたアライメントマークＭ１の画像ＩＭ１とアライメントマークＭ２の画像ＩＭ２との間には、各アライメントマークと同じ倍率で拡大された隙間の画像が存在するのに対し、実際の隙間が位置合わせの許容誤差寸法（間隔ｄ）であった場合の隙間の画像の幅が画素Ｐの３個分以上（３画素分以上）に相当するようにしている。すなわち、撮像部２の分解能を位置合わせにおける許容誤差寸法の３倍以上にしている。

さらに具体的には、たとえばＣＭＯＳセンサの分解能は現時点で等倍で１ｕｍ程度であり、２つの基材を許容誤差０．５ｕｍで位置合わせする必要がある場合には、６倍以上の拡大を撮像部２で行う必要がある。

カメラ１１によって撮像された画像が制御部５で解析されて隙間の有無を判断する際、たとえばデジタル処理された画像の各画素の輝度情報をもとに、各画素の位置が隙間に相当するものなのかそれ以外のものなのかを判断する手法が用いられる。ここで、ある画素がアライメントマークと隙間の境界部分に相当するものであった場合、この画素の輝度は、隙間における輝度とそれ以外における輝度の中間値となり、この画素が隙間と判定されるかどうかが不安定となる。そうなると、撮像部２の分解能が位置合わせにおける許容誤差寸法の１倍や２倍程度では、実際にはアライメントマークＭ１の外周にわたって隙間があるにも関わらず、その隙間を検出できない部分が発生して位置合わせ未完と判定されるおそれがある。そのため、本実施形態では撮像部２の分解能を位置合わせにおける許容誤差寸法の３倍以上にし、最低限の確度で隙間を検出できるようにしている。なお、撮像部２の分解能は高ければ高いほど隙間の検出精度は良くなるため、３倍よりも５倍、５倍よりも１０倍の方がより好ましい。

次に、両基材の位置ずれが許容誤差内で無かった場合の位置合わせの補正について、図５を用いて説明する。なお、この例において、撮像部２の分解能を位置合わせにおける許容誤差寸法の３倍とし、両基材の位置ずれがゼロであった場合の両アライメントマークの隙間は３画素に相当するようにしている。

図５は、両基材の位置ずれが許容誤差を超える内で無い場合の両アライメントマークの画像であるが、アライメントマークＭ１の画像ＩＭ１が右方向にずれ、アライメントマークＭ２の画像ＩＭ２と重なっている。この場合、画像ＩＭ１が左方向にシフトするように両基材を相対移動させれば良いのだが、どの程度相対移動させれば良いかを計算する際は、両画像が重なっている方向の１８０度反対側の方向の隙間の大きさから検討すれば良い。

この例では、重なっている部分の反対側の隙間の幅は画素Ｐの８個分（８画素分）であるため、画像ＩＭ１が５画素分左方向にシフトするように位置補正すれば左右方向に関して画像ＩＭ１が画像ＩＭ２の中央におさまって位置ずれをゼロにすることができる。このようにすることにより、補正計算を容易でかつ正確に行うことができる。なお、補正計算の方法はこの方式に限らず、たとえば単純に重なっている部分の反対側の隙間の幅の半分だけシフトさせるという動作を繰り返し、画像ＩＭ１が完全に画像ＩＭ２に囲まれるように位置補正するようにしても良い。

また、画像ＩＭ１と画像ＩＭ２との間に隙間があるかどうかの解析は、画像全体において行うことにより正確に両基材の位置合わせの良否を判断出来るが、解析の負担を軽減するために、たとえば４５度おきなどのように、解析する方向を限定し、それら方向の全体で両画像に隙間があるかどうかを解析するようにしても良い。この場合、隙間が検出できなかった方向があれば、その方向と１８０度反対側の方向に画像ＩＭ１がシフトするように位置補正を行えば良い。また、隙間が検出できなかった方向が複数あれば、それらの方向の中央の方向に対して位置補正を行っても良いし、１８０度反対側の方向の隙間がもっとも大きい方向に対してまずは位置補正を行うようにしても良い。

また、第１の基材Ｗ１および第２の基材Ｗ２がそれぞれ２つずつ第１のアライメントマークＭ１（第１のアライメントマークＭ１１、第１のアライメントマークＭ１２とする）および第２のアライメントマークＭ２（第２のアライメントマークＭ２１、第２のアライメントマークＭ２２とする）を有している場合、両基材の角度補正を含めた位置補正を行うことができる。具体的には、たとえば図６（ａ）に示すように第１のアライメントマークＭ１１、第１のアライメントマークＭ１２、第２のアライメントマークＭ２１、第２のアライメントマークＭ２２の配置が確認された場合に、図６（ｂ）に示すように第１のアライメントマークＭ１１と第２のアライメントマークＭ２１との組み合わせにおいて上記の位置合わせをまず完了させ、この位置合わせが完了した状態を維持したまま、第１のアライメントマークＭ１２と第２のアライメントマークＭ２２との組み合わせにおいて第１のアライメントマークＭ１２が第２アライメントマークＭ２２に囲まれる状態となるように第１の基材Ｗ１もしくは第２の基材Ｍ２を回転させることにより、図６（ｃ）に示すように両基材の角度補正を行うことができる。そのほかにも、図７（ａ）に示すように第１のアライメントマークＭ１１、第１のアライメントマークＭ１２、第２のアライメントマークＭ２１、第２のアライメントマークＭ２２の配置が確認された場合に、図７（ｂ）に示すように第１のアライメントマークＭ１１と第１のアライメントマークＭ１２を結ぶ線分と第２のアライメントマークＭ２１と第２のアライメントマークＭ２２を結ぶ線分とが平行になるように第１の基材Ｗ１もしくは第２の基材Ｍ２を回転させ、その後少なくとも一方の第１のアライメントマークＭ１と第２のアライメントマークＭ２との組み合わせにおいて上記の位置合わせを完了させることによっても、図７（ｃ）に示すように両基材の角度補正を行うことができる。

以上のアライメントシステムにより、許容誤差を考慮した高精度な位置合わせを容易に行うことができる。

なお、本発明の実施例はアライメントマークが円形の場合について記述しているが、アライメントマークの形状については、本発明の趣旨にかなう限り、任意の形状にすることが可能である。たとえば、正方形または長方形のアライメントマークとしても構わない。この場合、両アライメントマークの隙間は線分と線分の間に形成されるため、アライメントマークが円形の場合において曲線と曲線の間に両アライメントマークの隙間が形成されるときよりも寸法の計算が容易になる場合がある。また、両アライメントマークがどの程度角度ずれを有しているかを容易に把握でき、両基材の角度補正を容易に行うことができる。

また本発明の適用範囲は、実施例の液晶パネルに留まらず、タッチセンサー、電子ブックなど透明または半透明基材を貼り合わせて構成されたものについては全て適用可能である。

１ アライメントシステム
２ 撮像部
３ 吸着ステージ
４ 吸着ステージ
５ 制御部
１１ カメラ
１２ 物体側レンズ
１３ 絞り
ＩＭ１ 画像
ＩＭ２ 画像
Ｍ１ 第１のアライメントマーク
Ｍ２ 第２のアライメントマーク
Ｍ１１ 第１のアライメントマーク
Ｍ１２ 第１のアライメントマーク
Ｍ２１ 第２のアライメントマーク
Ｍ２２ 第２のアライメントマーク
Ｐ 画素
Ｗ１ 第１の基材
Ｗ２ 第２の基材

Claims (2)

1. 物体の画像を取得する撮像部を備え、第１の基材に設けられた第１のアライメントマークと第２の基材に設けられた第２のアライメントマークの画像を前記撮像部が同時に取り込み、当該画像をデジタル処理した結果をもとに前記第１の基材と前記第２の基材との位置合わせを行うアライメントシステムであり、
   前記第２のアライメントマークは、前記第１のアライメントマークの全周にわたって所定の間隔を有して前記第１のアライメントマークを囲む形状を有しており、
   前記所定の間隔は、前記第１の基材と前記第２の基材との位置合わせにおいて許容される誤差寸法と同等であり、
   前記撮像部の分解能は、前記所定の間隔の３倍以上であることを特徴とする、アライメントシステム。
2. 前記撮像部は、物体側テレセントリック光学系を備えることを特徴とする、請求項１に記載のアライメントシステム。

Images