JP2017116401A

JP2017116401A - 基板位置調整装置および基板位置調整方法

Info

Publication number: JP2017116401A
Application number: JP2015251927A
Authority: JP
Inventors: 幸平中村; Kohei Nakamura
Original assignee: Toppan Printing Co Ltd
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2015-12-24
Filing date: 2015-12-24
Publication date: 2017-06-29

Abstract

【課題】表面に同形状の窪みパターンが等間隔で配置された基板に形成された窪みパターンの位置検出を正確に実施可能な機能を備えており、その位置情報から基板を指定位置へ位置調整を行うことができる基板位置調整装置を提供すること。
【解決手段】窪みパターン位置検出手段３０と、基板１０を載置するためのステージ２０とを備えており、窪みパターン位置検出手段は、高さ測定機構３１と、ステージの平面に沿って移動可能な測定位置移動機構３２と、測定位置検出機構３３と、窪みパターン１１の段差エッジ１２を検出し、配置されているべき位置との差を算出するための窪みパターン位置演算手段３４とを備え、ステージは、基板を固定するための基板保持手段２１と、基板の平面に沿って任意の座標に移動可能であり、回転する方向に角度調整が可能である基板位置調整手段２２と、を備えていることを特徴とする基板位置調整装置１００。
【選択図】図１

Description

本発明は、表面に同形状の窪みパターンが等間隔で配置された基板において、窪みパターン部分の位置及び角度の検出と、検出した情報に基づいて基板の位置調整を行う装置に関するものである。

基板や製品用トレイ等(以下基板と記載)に対して、部品や製品を移載する装置において、より高精度に移載するには、部品や製品を移載すべき基板の位置調整が重要となる。表面に窪みパターンが等間隔で配置された基板である場合には、窪みパターンの位置情報を取得して、窪みパターンの位置を調整する方法が知られている。この窪みパターンの位置情報を取得するために用いられる手段の一つとして、パターンマッチングやエッジ検出といった画像処理が挙げられる。画像処理による位置検出では、基板をステージ上へ保持し、上方から撮像することによって、窪みパターンの位置情報を取得している。

しかしながら、画像処理を用いた位置検出では、基板の厚さや窪みパターンの形状・深さの変化によって、撮像の条件を調整する必要があり、撮像領域の中央に窪みパターンを捉えている場合と、撮像領域の端で窪みパターンを捉えている場合とで、検出される形状や位置に差異が生じる可能性がある。

このような事から、基板の厚さや窪みパターンの形状・深さが異なる多様な窪みパターンが配置された基板に対して、窪みパターンの位置検出を正確に行うためには、窪みパターンの形状をはっきりと撮像できるよう光源の条件を設定するか、窪みパターンが撮像領域の中央に来るように、画像センサ、もしくは基板の位置を移動させる機構が必要となる。また、基板の厚みが大きく変わった場合においても、画像センサのフォーカスを調整する必要がある。このように、画像処理によって窪みパターンの位置を正確に検出するには、調整項目が多く、多様な基板を対象とした場合には、対応するのが困難であった。

このような技術に関する先行技術について調査したが、上記の問題を解決できる技術を見出す事はできなかった。類似する技術としては、例えば特許文献１に、基板の表面に形成された凹部の検査方法として撮像カメラを使用して、略基板表面に平行な照明光を用いて撮像した画像（１）と、平行より大きな角度からの照明光を用いて撮像した画像（２）を用いて画像処理することにより、凹部の輪郭を捉えることにより、凹部の位置を特定する技術が開示されている。
しかしながら、この技術においては取得した画像を画像処理することによって画像として凹部の位置を特定する技術であるため、高い精度で、正確に位置情報を取得するには限界がある。

特許第５６０３１８１号公報

上記事情を鑑み、本発明が解決しようとする課題は、表面に同形状の窪みパターンが等間隔で配置された基板の厚さや窪みパターンの形状・深さが異なる多様な基板であっても、正確に窪みパターンの位置検出が可能な機能を備えており、その位置情報から窪みパターンを指定位置へ位置調整を行うことができる基板位置調整装置および窪みパターン位置調整方法を提供することである。

上記の課題を解決する手段として、本発明の請求項１に記載の発明は、表面に同形状の窪みパターンが等間隔で配置された基板をステージに載置した後、所定の位置に位置合わせする基板位置調整装置であって、
窪みパターンが基板上に配置されている位置を検出する窪みパターン位置検出手段と、
基板を載置し、基板の位置を調整するステージと、を備えており、
窪みパターン位置検出手段は、
基板の表面の高さを測定する高さ測定機構と、
その高さ測定機構をステージの上方で保持し、ステージの平面に平行な平面に沿って移動可能な測定位置移動機構と、
高さ測定機構が基板の表面の高さを測定した基板上の位置を検出する測定位置検出機構と、
高さ測定機構と測定位置検出機構が取得した情報に基づき、窪みパターンの段差エッジを検出し、また窪みパターンが配置されているべき位置との差を算出する窪みパターン位置演算手段と、を備えており、
ステージは、
基板を載置し固定する基板保持手段と、
基板保持手段を保持し、基板保持手段を、基板の平面に沿ってその平面内の任意の座標に移動可能であり、且つその平面内で回転する方向に角度調整が可能である基板位置調整手段と、を備えていることを特徴とする基板位置調整装置である。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の基板位置調整装置を使用した基板位置調整方法であって、
前記窪みパターンの位置を検出する工程と、
前記窪みパターンの中心点を検出する工程と、
前記窪みパターンが基準座標系：Ｘ軸となす角度を検出する工程と、
これらの工程によって取得した情報に基づき、前記基板に対する、窪みパターンが配列する方向とＸ軸とがなす角度を調整する工程と、を備えており、
前記窪みパターンの位置を検出する工程は、前記基板の表面の高さを平行な複数の高さ情報取得位置に沿って測定することによって、基準座標系：Ｘ軸方向と基準座標系：Ｙ軸方向に沿って、それぞれの方向の基板高さ情報を取得し、それらの情報からＸ軸方向とＹ軸方向の段差の位置を示す段差エッジ検出情報と、をそれぞれ取得する工程であり、
前記窪みパターンの中心点を検出する工程は、前記窪みパターンの位置を検出する工程で取得した段差エッジ検出情報について、複数の高さ情報取得位置にて、窪みパターンに乗り下がる段差エッジと乗り上がる段差エッジの間の距離を測定し、それらの中点を結んだ中心線をＸ軸方向とＹ軸方向で取得し、それらの中心線の交点を窪みパターンの中心点とする工程であり、
前記窪みパターンが配列する方向と基準座標系：Ｘ軸とがなす角度を検出する工程は、複数の窪みパターンの中心点を比較することによって、基板上に配列された窪みパターンの中で、基準座標系：Ｘ軸に対して基板の平面内で平行または直交する方向に配列する２箇所以上の窪みパターンの中心点を結び、窪みパターンの配列方向と基準座標系：Ｘ軸との角度差を窪みパターン配列角度として算出する工程であり、
前記基板に対する、窪みパターンの配列の位置とＸ軸となす角度を調整する工程は、窪みパターン中心点と窪みパターン配列角度より、指定した位置調整目標点への位置調整量として、Ｘ方向調整量とＹ方向調整量と回転方向調整量とを算出し、それらの調整量に基づいて、窪みパターン中心点を位置調整目標点に移動させることによって基板の位置調整を行う工程であることを特徴とする基板位置調整方法である。

本発明によれば、表面に同形状の窪みパターンが等間隔で配置された基板の高さ情報を取得し、窪みパターンの段差エッジから窪みパターンの中心点を算出することができる。また、窪みパターンの中心点を２点以上検出することで、窪みパターンの配列方向を算出することができる。そして指定位置に対して窪みパターンの位置を移動する事が可能となる。これにより、対象となる前記基板材質や色、窪みパターンの外形や深さが変化した場合でも、自動的に指定位置へ位置調整が可能となる。

本発明の実施形態にかかる、基板位置調整装置の構成例を模式的に示した図である。高さ測定機構による段差エッジ位置検出にかかる、高さ情報の取得と段差エッジ検出の処理プロセスを模式的に示した図である。傾いた状態で四角形の窪みパターンの中心点を段差エッジの位置情報から取得する処理プロセスの一例を示した図である。円形の窪みパターンの中心点を段差エッジの位置情報から取得する処理プロセスの一例を示した図である。窪みパターンが基板上で基板端面と平行でない配置で位置調整を行う場合の、窪みパターン配列の角度情報を取得する処理プロセスの一例を示した図である。窪みパターンの位置情報から、位置調整目標点まで基板を移動させる際の動作を模式的に示した図である。

以下に、本発明の実施の形態に係る、基板位置調整装置の詳細を図面に基づいて説明する。ただし、図面は本発明を説明するための一例として示した模式的なものであり、装置構成、各部材の寸法や寸法の比率などはこれらに限定するものではない。

図１は、本発明の基板位置調整装置１００の構成例を示す概略図である。図1に示した基板位置調整装置１００は、表面に同形状の窪みパターン１１が等間隔で配置された基板１０の位置調整装置であって、位置調整対象となる基板１０を載置するステージ２０を有しており、このステージ２０は、前記ステージ２０に載置された基板１０をステージ２０上で固定し保持する基板保持手段２１と、保持された基板１０の位置調整を行う基板位置調整手段２２と、を備えている。

ステージ２０の上方にはステージ２０上に保持された基板１０の高さ情報を取得することで、基板表面の窪みパターン１１の位置情報を取得する窪みパターン位置検出手段３０を備えている。

該窪みパターン位置検出手段３０は、高さ測定機構３１と、該高さ測定機構３１の測定位置を移動させる測定位置移動機構３２と、該測定位置移動機構３２が備える測定位置情報を取得する測定位置検出機構３３によって、ステージ２０上で保持された基板１０における表面の高さを、高さ情報取得位置５０に沿って測定する（図２参照）。

測定して取得した情報に基づき、窪みパターン位置演算手段３４によって、窪みパターン１１の位置情報を取得し、窪みパターン１１の位置情報に基づき、後述する基板１０の位置調整量７０（図６参照）を算出し、該位置調整量７０に従って基板位置調整手段２２によって位置調整を行う機能を備えている。

ステージ２０が備える基板保持手段２１はスルーホールの吸着プレートや多孔質プレートなどのエア吸着を用いたものや、機械的な固定用クランプを用いたもの、微粘着の膜を
備えるプレートを用いたものなど、ステージ２０上の基板１０がステージ２０上で保持され、基板１０が固定されステージ２０から浮き上がらないものであれば良い。

ステージ２０が備える基板位置調整手段２２は、ボールネジや台形ネジを用いた直動機構と回転テーブルを組み合わせたＸＹθテーブルや、リニアアクチュエーアを併用したものなど、基板１０を水平方向及び回転方向へ位置決めができるものであれば良い。

高さ測定機構３１は、接触式の測定方法や、非接触の測定方法であるスポットで測定するレーザー変位計や、ライン上の高さを測定可能なライン状のレーザーを用いる変位計などがあるが、基板１０上で高さ情報を取得できるものであれば使用可能であるが、本発明においては、より高い精度で高さ情報を取得できる、スポット型の小さいレーザー変位計を用いるのが望ましい。

測定位置移動機構３２は、リニアアクチュエーアを用いたものや、多関節のロボット、パラレルリンクロボットなど、ステージ２０の上方でステージ１０の平面と平行に、高さ測定機構３１を移動させることが可能なものであれば良い。

測定位置検出機構３３は、リニアエンコーダなどの直線動作を直接検出するものや、ロータリーエンコーダなど回転角度から位置検出を行うものなど、インクリメンタル型、アブソリュート型を問わず、高さ測定機構３１の移動量を取得可能であれば良い。

図２は、図１に示した本発明の基板位置調整装置１００が備える、窪みパターン位置検出手段３０の窪みパターン１１の位置検出の手順を模式的に示す概略図である。

図１に示した窪みパターン位置検出手段３０が備える高さ測定機構３１と、該高さ測定機構３１の測定位置を移動させる測定位置移動機構３２と、該測定位置移動機構３２が備える測定位置情報を取得する測定位置検出機構３３によって、ステージ２０上で保持された基板１０の表面の高さを、Ｘ軸方向とＹ軸方向について、互いに平行な複数の高さ情報取得位置５０に沿って測定し、Ｘ軸方向基板高さ情報５１とＹ軸方向基板高さ情報５３を取得する。

取得したそれぞれの情報からＸ軸方向段差エッジ検出情報５２とＹ軸方向段差エッジ検出情報５４を取得する。そして取得したそれらの段差エッジ検出情報に基づき、窪みパターンの位置情報を取得する機能を備えている。

図３、４は、図１に示した本発明の基板位置調整装置１００が備える、窪みパターン位置検出手段３０の、窪みパターン１３、１４の中心点１５を検出するための処理手順を模式的に示す概略図である。

窪みパターン１３、１４上を基準座標系：Ｘ軸４２と基準座標系：Ｙ軸４３の方向ごとに、それぞれ２箇所以上の高さ情報取得位置５０に沿ってそれぞれ段差エッジ１２の検出を行い、検出された段差エッジの窪みパターン１３、１４へ乗り下がる段差エッジ１２と、窪みから乗り上がる段差エッジ１２の間の距離を測定し、その中点を結んだ中心線をＸ軸とＹ軸方向で取得し、その中心線の交点を、窪みパターン中心点１５として検出する機能を備えている。なお、図３は窪みパターン１３が四角形の場合、図４は窪みパターン１４が円形の場合、を例示している。

図５は、窪みパターン１１の中心点を複数比較し、窪みパターンの配列方向が基準座標系：Ｘ軸４２と比較して傾いている角度を検出する処理手順を模式的に示す概略図である。基板位置調整装置１００は窪みパターンごとの中心点を検出し、基板１０上に配列された四角形窪みパターン１３の中で、基準座標系：Ｘ軸４２に対して基板１０の平面内で平行もしくは直交する方向に配列する列の２箇所以上の四角形窪みパターン１３の中心点を結び、窪みパターンの配列方向と基準座標系：Ｘ軸４２との角度差を窪みパターン配列角度６０として算出する機能を備えている。

図６は、図１に示した窪みパターン位置検出手段３０によって得られた位置調整量７０に基づき、指定位置へ移動させる基板位置調整手段２２の動作を模式的に示した概略図である。
窪みパターン位置検出手段３０によって、窪みパターン１１の窪みパターン中心点１５と窪みパターン配列角度６０（図５参照）より、指定した位置調整目標点４４への位置調整量７０として、それぞれ、Ｘ軸方向調整量７１、Ｙ軸方向調整量７２、回転方向調整量７３を算出する。このようにして算出した位置調整量７０に基づいて、基板位置調整手段２２によって基板１０を移動させ、位置調整目標点４４へ窪みパターン中心点１５を移動させ位置調整を行う。

＜実施例１＞
以下、本発明の実施例について具体的に図１、３、４、５、６を用いて説明する。
本実施例においては、基板保持手段２１を備えたステージ２０上に表面に同形状の窪みパターンが等間隔で配置された基板１０を設置し位置調整動作を行った。
基板１０の表面を窪みパターン位置検出手段３０が備える高さ測定機構３１で高さ情報取得位置５０に沿って高さ情報を取得する。
その測定位置情報から窪みパターンの段差エッジ１２を検出する。
該段差エッジ１２の位置情報から、窪みパターンの中心点１５を取得した結果に基づき、窪みパターン位置演算手段３４により演算処理することにより、位置調整目標点４４までのＸ軸方向調整量７１とＹ軸方向調整量７２と回転方向調整量７３を算出する。
その結果に従って、ステージ２０に備えた基板位置調整手段２２を動作させ、指定した窪みパターン中心点１５を位置調整目標点４４へ移動させて評価を行った。

評価方法として、基板１０に配置された窪みパターン中心点１５が、位置調整目標点４４に対して、±０．１ｍｍの誤差範囲内へ位置調整され、窪みパターンの配列角度６０が、基準座標系：Ｘ軸４２に対して、基板１０の平面内で平行となる角度まで調整されたかを確認した。
評価に用いた基板１０の種類は、四角形窪みパターン１３で深さ１ｍｍの物と、円形窪みパターン１４で深さ０．５ｍｍの物、２種類に対して位置調整を実施した。

高さ測定機構３１は、窪みパターンの表面形状を正確にとらえるために、窪みパターンのサイズよりも、スポット幅の小さいレーザー変位計を用いて窪みパターンの位置検出を行った。

高さ測定機構３１の位置を移動する為の測定位置移動機構３２は、ボールねじを用いた直動機構を使用し、その駆動部にはロータリーエンコーダを搭載した。これにより、精密な測定機器の移動と測定位置情報の取得を行った。

本実施の形態に係る基板位置調整装置１００は、表面に同形状の窪みパターンが等間隔で配置された基板１０であれば、窪みパターンの位置検出が実現でき、その位置情報から窪みパターンの位置調整を行うことが可能である。また、窪みパターンの形状や窪みの深さが異なる別種の基板においても同様に、位置調整目標点４４に対し±０．１ｍｍの誤差範囲内において位置調整が可能である。

本発明は、窪みパターンのある基板の窪み部分へ部品等を位置調整して挿入する場合において、部品等を挿入される側となる基板やトレイ等の位置調整に利用できる。

１０…基板
１１…窪みパターン
１２…段差エッジ
１３…四角形窪みパターン
１４…円形窪みパターン
１５…窪みパターン中心点
２０…ステージ
２１…基板保持手段
２２…基板位置調整手段
３０…窪みパターン位置検出手段
３１…高さ測定機構
３２…測定位置移動機構
３３…測定位置検出機構
３４…窪みパターン位置演算手段
４１…基準座標系
４２…基準座標系：X軸
４３…基準座標系：Y軸
４４…位置調整目標点
５０…高さ情報取得位置
５１…X軸方向基板高さ情報
５２…X軸方向段差エッジ検出情報
５３…Y軸方向基板高さ情報
５４…Y軸方向段差エッジ検出情報
６０…窪みパターン配列角度
７０…位置調整量
７１…Ｘ軸方向調整量
７２…Ｙ軸方向調整量
７３…回転方向調整量
１００…基板位置調整装置

Claims

表面に同形状の窪みパターンが等間隔で配置された基板をステージに載置した後、所定の位置に位置合わせする基板位置調整装置であって、
窪みパターンが基板上に配置されている位置を検出する窪みパターン位置検出手段と、
基板を載置し、基板の位置を調整するステージと、を備えており、
窪みパターン位置検出手段は、
基板の表面の高さを測定する高さ測定機構と、
その高さ測定機構をステージの上方で保持し、ステージの平面に平行な平面に沿って移動可能な測定位置移動機構と、
高さ測定機構が基板の表面の高さを測定した基板上の位置を検出する測定位置検出機構と、
高さ測定機構と測定位置検出機構が取得した情報に基づき、窪みパターンの段差エッジを検出し、また窪みパターンが配置されているべき位置との差を算出する窪みパターン位置演算手段と、を備えており、
ステージは、
基板を載置し固定する基板保持手段と、
基板保持手段を保持し、基板保持手段を、基板の平面に沿ってその平面内の任意の座標に移動可能であり、且つその平面内で回転する方向に角度調整が可能である基板位置調整手段と、を備えていることを特徴とする基板位置調整装置。
請求項１に記載の基板位置調整装置を使用した基板位置調整方法であって、
前記窪みパターンの位置を検出する工程と、
前記窪みパターンの中心点を検出する工程と、
前記窪みパターンが基準座標系：Ｘ軸となす角度を検出する工程と、
これらの工程によって取得した情報に基づき、前記基板に対する、窪みパターンが配列する方向とＸ軸とがなす角度を調整する工程と、を備えており、
前記窪みパターンの位置を検出する工程は、前記基板の表面の高さを平行な複数の高さ情報取得位置に沿って測定することによって、基準座標系：Ｘ軸方向と基準座標系：Ｙ軸方向に沿って、それぞれの方向の基板高さ情報を取得し、それらの情報からＸ軸方向とＹ軸方向の段差の位置を示す段差エッジ検出情報と、をそれぞれ取得する工程であり、
前記窪みパターンの中心点を検出する工程は、前記窪みパターンの位置を検出する工程で取得した段差エッジ検出情報について、複数の高さ情報取得位置にて、窪みパターンに乗り下がる段差エッジと乗り上がる段差エッジの間の距離を測定し、それらの中点を結んだ中心線をＸ軸方向とＹ軸方向で取得し、それらの中心線の交点を窪みパターンの中心点とする工程であり、
前記窪みパターンが配列する方向と基準座標系：Ｘ軸とがなす角度を検出する工程は、複数の窪みパターンの中心点を比較することによって、基板上に配列された窪みパターンの中で、基準座標系：Ｘ軸に対して基板の平面内で平行または直交する方向に配列する２箇所以上の窪みパターンの中心点を結び、窪みパターンの配列方向と基準座標系：Ｘ軸との角度差を窪みパターン配列角度として算出する工程であり、
前記基板に対する、窪みパターンの配列の位置とＸ軸となす角度を調整する工程は、窪みパターン中心点と窪みパターン配列角度より、指定した位置調整目標点への位置調整量として、Ｘ方向調整量とＹ方向調整量と回転方向調整量とを算出し、それらの調整量に基づいて、窪みパターン中心点を位置調整目標点に移動させることによって基板の位置調整を行う工程であることを特徴とする基板位置調整方法。