JP2017156354A - 液体吐出ノズルの間隔検出方法および液体吐出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液体吐出ノズルのノズル先端の実像と対象面に映るノズル先端の鏡像との間の距離に基づき実際のノズル先端と対象面の間隔を検出する間隔検出方法を用いることが出来ない場合にも、当該間隔を検出可能な液体吐出装置を提供すること。
【解決手段】液体吐出装置は、液体吐出ノズルのノズル先端部の実像２ｂ１および鏡像２ｂ２を撮像し、これらの間の距離Ｇ１に基づき、実際のノズルギャップを検出する。鏡像２ｂ２が不鮮明で画像認識できない場合等においては、液体吐出ノズルのノズル先端縁から離れた位置に形成した間隔検出用のインジケーターの実像３１ａおよび鏡像３１ｂの間の距離Ｇ３を測定し、この距離Ｇ３に基づきノズルギャップを検出する。
【選択図】図５

Description

本発明は、液体吐出ノズルと液体吐出対象物の対象面との間の間隔を検出する液体吐出ノズルの間隔検出方法、および当該方法により間隔を検出する液体吐出装置に関する。

特許文献１には、液体吐出ノズルを用いて液晶パネル用のカラーフィルタ基板、集積回路用の半導体基板等の表面に微細な電極パターン、配線パターン等を描画する観察光学系付き液体吐出装置が提案されている。このような液体吐出装置では、液体吐出ノズルと描画対象の基板表面との間の間隔を正確に制御する必要がある。間隔が変動すると、液体吐出ノズルによって精度良く描画を行うことができない。そこで、描画部分の間隔をリアルタイムに検出しながら精度良く描画を行うことが望ましい。

特許文献２には、塗布器の塗液の吐出口面と被塗布部材の被塗布面との間の間隔を精度良く測定するための間隔測定方法が提案されている。この間隔測定方法では、吐出口面の端部の実像と、被塗布面上における吐出口面の端部の反射像とを撮像し、これらの実像と反射像の間の長さを測定し、これに基づき、実際の吐出口面と被塗布面との間の間隔を算出している。

国際公開第２０１２／１４０６８９号 特開２０１３−１４８４０８号公報

特許文献２において提案されている方法を用いれば、液体吐出ノズルと、液体の吐出位置における対象面との間の間隔を、精度良く検出することができる。この方法では、対象面に液体吐出ノズルのノズル先端が鮮明に映ることを前提としている。また、得られた液体吐出ノズルのノズル先端の実像および鏡像において、それらのノズル先端縁を確実に画像認識できることを前提としている。

しかしながら、照明光の光量、液体吐出ノズルの素材・表面性状、対象面の面性状等によっては、液体吐出ノズルのノズル先端を観察する観察光学系によって、鮮明なノズル先端の鏡像を取得できない場合がある。

また、微細描画の場合にはノズル先端と対象面とは微小間隔で対峙している。ノズル先端から吐出した液体が対象面に付着する過程において、ノズル先端と対象面の間において繋がった状態が形成される。この状態でノズル先端の実像および鏡像を観察した場合に、それらの像におけるノズル先端縁を画像認識できない場合がある。

本発明の課題は、上記のように従来の間隔測定方法に用いることができない場合であっても、ノズル先端と対象面との間の間隔を検出可能な液体吐出ノズルの間隔検出方法および、当該方法により間隔を検出する液体吐出装置を提供することにある。

また、本発明の液体吐出ノズルの間隔検出方法は、
液体吐出ノズルのノズル先端部の実像と、当該液体吐出ノズルに対峙する液体吐出対象物の対象面に映る前記ノズル先端部の鏡像とを撮像し、
撮像した前記ノズル先端部のノズル先端縁の実像および鏡像の間の距離に基づき、前記ノズル先端縁と前記対象面の間の間隔を検出し、
前記液体吐出ノズルから吐出される吐出液体が障害となって、撮像した前記ノズル先端部のノズル先端縁を画像解析により識別できない場合には、
前記ノズル先端部のノズル先端縁の実像および鏡像の間の距離の代わりに、前記液体吐出ノズルにおけるノズル先端縁から外れた位置に形成されている間隔検出用のインジケーターの実像および鏡像の間の距離を測定し、
前記距離に基づき、前記ノズル先端縁と前記対象面との間の間隔を検出することを特徴としている。

本発明によれば、ノズル先端縁と対象面の間において吐出液体が繋がった状態となっている場合においても、インジケーターの実像と鏡像の間の距離に基づき、液体吐出ノズルと対象面の間の間隔を検出できる。また、インジケーターを反射率の高い塗料等を用いて形成しておくことが望ましい。このようにすれば、照明光の光量、液体吐出ノズルの素材・表面性状、対象面の面性状等によって、鮮明なノズル先端部の鏡像を取得できない場合においても、インジケーターの鮮明な鏡像、すなわち、精度良く画像認識可能な鏡像を取得できる。

次に、本発明の液体吐出装置は、
液体吐出ノズルと、
前記液体吐出ノズルにおけるノズル先端縁から離れた部位に形成したインジケーターと、
液体吐出対象の対象面を備えた対象物を、前記対象面が前記液体吐出ノズルに対峙する状態に載せるワークテーブルと、
前記ワークテーブルに載せた前記対象物の前記対象面および当該対象面に対峙する前記液体吐出ノズルに対して、前記対象面および前記液体吐出ノズルのノズル中心軸線の双方に対して斜めの方向から照明光を照射する斜め照明光学系と、
前記照明光によって照射された前記液体吐出ノズルの前記インジケーターの像および、前記対象面に映る前記インジケーターの鏡像を観察するノズル観察光学系と、
前記ノズル観察光学系によって観察される前記インジケーターの実像および鏡像の間の距離を測定し、当該距離に基づき、前記液体吐出ノズルのノズル先端縁から前記対象面までの間隔を検出する第１画像処理部とを有していることを特徴としている。

ここで、上記構成の液体吐出装置は、前記斜め照明光学系によって前記対象面に照射された照明光の正反射光成分を回帰反射させる対向ミラーを有し、前記斜め照明光学系と前記ノズル観察光学系は同軸上に配置されていることが望ましい。

このようにすれば、斜め照明光学系とノズル観察光学系を、吐出液体観察光学系および液体吐出ノズルに対して同一の側に同軸に配置できる。よって、装置構成の小型化、コンパクト化を図ることができる。

また、液体吐出装置は、前記観察光学系によって観察される前記ノズル先端の実像および鏡像の間の距離を測定し、当該距離に基づき、前記ノズル先端と前記対象面の間の間隔を検出する第２画像処理部と、前記間隔の算出を、前記第１画像処理部および前記第２画像処理部のうちの少なくともいずれか一方によって行なわせる制御部とを有していることが望ましい。

さらに、液体吐出装置は、前記液体吐出ノズルのノズル中心軸線を中心光軸とし、前記対象面に吐出された液体の状態を観察する吐出液体観察光学系を有していることが望ましい。

本発明の参考例に係る液体吐出装置の基本構成を示す概略構成図である。 図１の液体吐出装置の主要部を示す概略構成図である。 図２の液体吐出装置のノズルギャップ検出動作を示す説明図である。 本発明の実施の形態に係る液体吐出装置の主要部を示す概略構成図である。 図４の液体吐出装置のノズルギャップ検出動作を示す説明図である。 液体吐出装置の変形例を示す説明図である。 液体吐出装置の変形例を示す説明図である。

まず、本発明の参考例に係る液体吐出装置を説明し、次に、本発明を適用した液体吐出装置の実施の形態を説明する。

［参考例］
図１は本発明の参考例に係る液体吐出装置の基本構成を示す概略構成図であり、図２は当該液体吐出装置の主要部を示す概略構成図である。液体吐出装置は、例えば、カラーフィルタ基板、半導体基板等の基板（吐出対象物）の基板表面（対象面）に形成されている配線パターンの欠陥等を補修するために用いられる。

図１を参照して液体吐出装置１の基本構成を説明する。液体吐出装置１は、配線パターン形成用の液体を微小液滴として吐出する液体吐出ノズル２（以下、単に「ノズル２」と呼ぶ場合もある。）を備えている。ノズル２には液体供給管３を介して不図示の液体供給源から液体が供給される。ノズル２からの微小液滴の吐出機構としては各種の公知の機構を採用できる。

ノズル２の下側には、ワークテーブル４が配置されている。ワークテーブル４には、液体吐出対象物である基板５が載せられる。ワークテーブル４上の基板５は、その液体吐出
対象面である基板表面５ａが、ノズル２のノズル先端面２ａに対して所定の間隔（以下、これを「ノズルギャップ」と呼ぶ場合もある。）で対峙する。本例では、基板表面５ａが水平となるように基板５が配置され、ノズル２はそのノズル中心軸線２Ａが垂直となるように配置されている。

ノズル２はギャップ制御用のＺステージ６に搭載されており、Ｚステージ６はＺステージコントローラ７によってノズル中心軸線２Ａに沿った方向、本例では上下方向に液体吐出ノズル２を移動させる。ノズル２の駆動制御、Ｚステージコントローラ７の駆動制御等の各部の駆動制御は、ノズルギャップ算出用の第１画像処理部８および第２画像処理部９を備えた制御部１０によって行われる。

ノズル２には、同軸に吐出液体観察光学系１１が配置されている。すなわち、吐出液体観察光学系１１は、ノズル中心軸線２Ａを中心光軸とする光学系であり、基板表面５ａに吐出された液体の画像を対物レンズ１２を介して観察カメラ１３によって拡大観察可能である。観察カメラ１３に取り込まれた画像は、制御部１０における吐出液体の体積等の算出用の第３画像処理部１４に供給され、吐出液体の体積等に基づき、ノズルギャップ等の調整が行われる。

次に、液体吐出装置１は照明光学系１５を備えている。照明光学系１５は、ワークテーブル４に載せた基板５の基板表面５ａおよびノズル２に対して、基板表面５ａおよびノズル中心軸線２Ａの双方に対して斜め上方から照明光を照射する斜め照明光学系である。照明光学系１５の照明光源からの照明光は、ビームスプリッター１６によって鉛直方向の下方に直角に折り曲げられた後に、偏向ミラー１７によって基板表面５ａおよびノズル２に向けて斜め下方に向けられ、これらを照射する。

また、液体吐出装置１は照明光学系１５の照明光軸と同軸の観察光軸を備えたノズル観察光学系１８を備えている。ノズル観察光学系１８は、ノズル２および基板表面５ａに照射された照明光Ｌ１の正反射光成分を回帰反射させる対向ミラー１９を備え、回帰反射光Ｌｒにより、ノズル２の背面透過光観察（暗視野観察）が可能である。ノズル２のノズル先端部２ｂの実像および基板表面５ａに映るノズル先端部２ｂの鏡像が、対物レンズ２０を介して観察カメラ２１によって観察される。

観察カメラ２１で観察されるノズル先端部２ｂの実像および鏡像は、制御部１０の第２画像処理部９に供給される。第２画像処理部９は、ノズル先端部２ｂの実像および鏡像におけるノズル先端面２ａ（ノズル先端縁）の間の距離を画像処理によって測定し、この距離に基づき、実際のノズル先端面２ａと基板表面５ａとの間の間隔、すなわち、ノズルギャップＧを検出する。

ここで、ノズル観察光学系１８として、ノズル中心軸線２Ａを中心として異なる位置に２組の観察光学系を配置してもよい。この場合には、吐出液体観察光学系１１と、２組のノズル観察光学系とによって、基板表面５ａに吐出された液滴を同時に観察して、制御部１０の第３画像処理部１４において、液滴の高さ、直径等の形状、体積等を算出し、これに基づき、液滴の吐出量制御を行うことができる。

液体吐出装置１は、上記構成に加えて、図２に示すマーカー光結像照射光学系２２を備えている。図２を参照して説明すると、マーカー光結像照射光学系２２は、基板表面５ａに対して、ノズル中心軸線２Ａを中心光軸とするマーカー光Ｌ２を結像照射する。マーカー光結像照射光学系２２は、光源２３および吐出液体観察光学系１１の光路上に、光軸に対して４５度の角度に傾斜配置したビームスプリッター２４を備えている。光源２３からの射出されるマーカー光Ｌ２は、ビームスプリッター２４によって吐出液体観察光学系１
１の光軸に沿った方向に偏向され、吐出液体観察光学系１１の対物レンズ１２を介して基板表面５ａ上に所定径の光スポットＳとして結像する。

ノズル観察光学系１８は、ノズル２のノズル先端部２ｂの像、および、基板表面５ａに結像するマーカー光Ｌ２の光スポットＳの像を、同一視野内で同時観察可能である。制御部１０の第１画像処理部８では、ノズル観察光学系１８によって観察されるノズル先端部２ｂのノズル先端面２ａから光スポットＳまでの距離を測定し、当該距離に基づき、ノズルギャップＧを検出する。

ここで、ビームスプリッター２４は、移動ステージ２５に搭載されている。移動ステージ２５は、ビームスプリッター２４を、その姿勢を維持したまま、吐出液体観察光学系１１の光軸に対して直交する方向に移動させることが可能である。ビームスプリッター２４を移動させると、マーカー光の基板表面５ａ上におけるマーカー光Ｌ２の光スポットＳの位置を移動させることができる。

図３は液体吐出装置１のノズルギャップ検出動作の例を示す説明図である。ノズル観察光学系１８では、通常は、図３（ａ）に示すように、ノズル先端部２ｂの実像２ｂ１と、基板表面５ａに映るノズル先端部２ｂの鏡像２ｂ２が観察される。この場合には、制御部１０は、第２画像処理部９によりノズルギャップＧを検出する。すなわち、ノズル観察光学系１８によって観察されるノズル先端面の実像２ａ１および鏡像２ａ２の間の距離Ｇ１を測定し、当該距離に基づき、実際のノズル先端面２ａから基板表面５ａまでの間の間隔（ノズルギャップ）Ｇを算出する。また、制御部１０は、ノズルギャップＧが一定となるように、ギャップ制御用のＺステージ６によってノズル２の高さを調整する。

ここで、図３（ｂ）に示すように、ノズル先端部２ｂの鏡像２ｂ２が鮮明でない場合、あるいは、鏡像２ｂ２を観察できない場合がある。例えば、基板表面５ａの反射状態によっては、鏡像２ｂ２を画像解析によって認識できず、それらの距離を測定できない場合がある。この場合には、制御部１０はマーカー光結像照射光学系２２を駆動して、基板表面５ａ上における液体吐出位置に微細径の光スポットＳを照射する。そして、第１画像処理部８によって、観察されるノズル先端部２ｂの実像２ｂ１のノズル先端面の実像２ａ１と光スポットＳの像Ｓ１までの距離Ｇ２を測定し、この距離Ｇ２に基づき、ノズルギャップＧを検出する。

また、図３（ｃ）に示すように、ノズル先端面２ａと基板表面５ａの間に、ノズル２から吐出した液滴Ｐが繋がった状態になることがある。微細な配線パターン等の描画においては、ノズルギャップＧは微小間隔に保持されるので、描画中においては、ノズル先端面２ａと基板表面５ａの間に吐出された液滴Ｐが繋がった状態になることがある。この場合には、観察画像において、ノズル先端面の実像２ａ１、鏡像２ａ２の位置を画像解析により認識できない場合がある。また、基板表面５ａ上における液体吐出位置に形成される位置にある液滴Ｐが障害となって、当該位置に形成されるマーカー光Ｌ２の光スポットＳの画像Ｓ１を認識できない、あるいは、認識が困難なことがある。

このような場合には、制御部１０は、移動ステージ２５を駆動してビームスプリッター２４を移動させ、光スポットＳの形成位置を、液体吐出位置からシフトした位置に移動させる。これにより、光スポットＳの像Ｓ１を確実に画像認識することができるので、第１画像処理部８によってノズルギャップＧを精度良く検出できる。

［実施の形態］
次に、図４は本発明の実施の形態に係る液体吐出装置１Ａの主要部を示す概略構成図である。液体吐出装置１Ａは、上記の参考例に係る液体吐出装置１において、マーカー光結像照射光学系２２を配置する代わりに、図４に示すように、ノズル２の外周面にノズルギャップ検出用のインジケーター３１を付けてある。

インジケーター３１は、ノズル先端部２ｂにおけるノズル先端面２ａから離れた位置において、ノズル２の外周面部分を１周する状態に形成した帯状のものである。インジケーター３１として、例えば、視認性の高い色付きの塗料、反射率の高い塗料などを用いることができる。

なお、これ以外の構成は、図１に示す構成と同様である。図４においては対応する部位には同一の符号を付してある。

図５は液体吐出装置１Ａのノズルギャップ検出動作を示す説明図である。図５（ａ）に示すように、ノズル観察光学系１８によって観察されるノズル先端部２ｂの実像２ｂ１および鏡像２ｂ２には、インジケーター３１の実像３１ａおよび鏡像３１ｂが鮮明に画像認識される。制御部１０の第１画像処理部８では、これらのインジケーター３１の実像３１ａと鏡像３１ｂの間の距離Ｇ３を測定し、当該距離Ｇ３に基づき、ノズルギャップＧを検出する。

このようにすれば、図５（ｂ）に示すように、ノズル先端部２ｂと基板表面５ａの間に吐出液滴Ｐが繋がっている場合においても、ノズル先端部２ｂから離れた位置にあるインジケーター３１の実像３１ａおよび鏡像３１ｂを、吐出液滴Ｐの像に邪魔されることなく、明確に画像認識できる。また、基板表面５ａの状態によっては鮮明なノズル先端部２ｂの鏡像を観察できない場合があるが、インジケーター３１は視認性の高い塗料等の素材を用いて形成されているので、鮮明なインジケーター３１の実像３１ａおよび鏡像３１ｂを得ることができる。よって、ノズルギャップＧを確実に検出できる。

なお、本例においても、制御部１０に第２画像処理部９を配置し、ノズル先端部２ｂの鮮明な鏡像が得られる場合には、ノズル先端面２ａの実像と鏡像の距離を測定し、この距離に基づきノズルギャップＧを算出するようにしてもよい。

［その他の実施の形態］
図６は上記の液体吐出装置１、１Ａの変形例を示す概略構成図である。この図に示す液体吐出装置１Ｂは、ノズル観察光学系１８に入射する反射光Ｌｒと照明光Ｌ１を分離し、鮮明な像をノズル観察光学系１８において撮像できるようにしたものである。

そのために、非偏光光である照明光Ｌ１を、第１偏光子４１を介して直線偏光光として射出する。対向ミラー１９の手前に１／４波長板４２を配置し、対向ミラー１９で反射して戻る直線偏光光である回帰反射光Ｌｒの偏光方向を９０度回転させる。回帰反射光Ｌｒは、偏向ミラー１７で反射した後は、ビームスプリッター１６を透過して第２偏光子４３を介してノズル観察光学系１８の対物レンズ２０に入射する。第２偏光子４３によって、回帰反射光Ｌｒのみが対物レンズ２０に向かう。よって、不要な光成分を除去でき、鮮明なノズル先端部２ｂの実像および鏡像を観察できる。

なお、これ以外の構成は、液体吐出装置１あるいは１Ａと同一のであるので、説明を省略し、図６においては対応する部位には同一の符号を付してある。

次に、図７は、上記の液体吐出装置１、１Ａ、１Ｂにおける照明光学系１５およびノズル観察光学系１８の変形例を示す説明図である。

この図を参照して説明すると、照明光学系１５およびノズル観察光学系１８が一体の光学系ユニット５１として構成されている。また、光学系ユニット５１は、ノズル２のノズル中心軸線２Ａを中心として、旋回可能な状態に配置されている。光学系ユニット５１の外周側の部位には、光学系ユニット５１を旋回させるための旋回機構５２が配置されている。制御部１０は、旋回機構５２を駆動制御して、光学系ユニット５１を所定の旋回位置に旋回させて位置決めする。

基板表面５ａに凹凸がある場合には、一方の側から基板表面５ａ上の液体吐出位置を観察した場合に、基板表面５ａの凸部が邪魔になって液体吐出位置の部分を観察できない場合がある。このような場合に、光学系ユニット５１を旋回させて異なる方向から液体吐出位置を観察することにより、当該液体吐出位置を確実に観察できるようになる。

なお、複数組、例えば２組の光学系ユニット５１を、ノズル２を中心として異なる角度位置に固定配置し、これらの光学系ユニット５１を選択して用いることも可能である。また、複数組の光学系ユニット５１を、ノズル２を中心として旋回可能に配置することも可能である。

１、１Ａ、１Ｂ 液体吐出装置
２ 液体吐出ノズル
２ａ ノズル先端面
２ａ１ ノズル先端面の実像
２ａ２ ノズル先端面の鏡像
２ｂ ノズル先端部
２ｂ１ ノズル先端部の実像
２ｂ２ ノズル先端部の鏡像
２Ａ ノズル中心軸線
３ 液体供給管
４ ワークテーブル
５ 基板
５ａ 基板表面
６ Ｚステージ
７ Ｚステージコントローラ
８ 第１画像処理部
９ 第２画像処理部
１０ 制御部
１１ 吐出液体観察光学系
１２ 対物レンズ
１３ 観察カメラ
１４ 第３画像処理部
１５ 照明光学系
１６ ビームスプリッター
１７ 偏向ミラー
１８ ノズル観察光学系
１９ 対向ミラー
２０ 対物レンズ
２１ 観察カメラ
２２ マーカー光結像照射光学系
２３ 光源
２４ ビームスプリッター
２５ 移動ステージ
３１ インジケーター
３１ａ 実像
３１ｂ 鏡像
４１ 第１偏光子
４２ １／４波長板
４３ 第２偏光子
５１ 光学系ユニット
５２ 旋回機構
Ｌ１ 照明光
Ｌｒ 回帰反射光
Ｌ２ マーカー光
Ｓ 光スポット
Ｓ１ 光スポットの実像
Ｇ ノズルギャップ
Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３ 距離
Ｐ 液滴

Claims (5)

1. 液体吐出ノズルのノズル先端部の実像と、当該液体吐出ノズルに対峙する液体吐出対象の対象面に映る前記ノズル先端部の鏡像とを撮像し、
   撮像した前記ノズル先端部のノズル先端縁の実像および鏡像の間の距離に基づき、前記ノズル先端縁と前記対象面の間の間隔を検出し、
   前記液体吐出ノズルから吐出される吐出液体が障害となって、撮像した前記ノズル先端部のノズル先端縁を画像解析により識別できない場合には、
   前記ノズル先端部のノズル先端縁の実像および鏡像の間の距離の代わりに、前記液体吐出ノズルにおけるノズル先端縁から外れた位置に形成されている間隔検出用のインジケーターの実像および鏡像の間の距離を測定し、
   前記距離に基づき、前記ノズル先端縁と前記対象面との間の間隔を検出する、
   ことを特徴とする液体吐出ノズルの間隔検出方法。
2. 液体吐出ノズルと、
   前記液体吐出ノズルにおけるノズル先端縁から離れた部位に形成したインジケーターと、
   液体吐出対象の対象面を備えた対象物を、前記対象面が前記液体吐出ノズルに対峙する状態に載せるワークテーブルと、
   前記ワークテーブルに載せた前記対象物の前記対象面および当該対象面に対峙する前記液体吐出ノズルに対して、前記対象面および前記液体吐出ノズルのノズル中心軸線の双方に対して斜めの方向から照明光を照射する斜め照明光学系と、
   前記照明光によって照射された前記液体吐出ノズルの前記インジケーターの像および、前記対象面に映る前記インジケーターの鏡像を観察するノズル観察光学系と、
   前記ノズル観察光学系によって観察される前記インジケーターの実像および鏡像の間の距離を測定し、当該距離に基づき、前記液体吐出ノズルのノズル先端縁から前記対象面までの間隔を検出する第１画像処理部と、
   を有していることを特徴とする液体吐出装置。
3. 請求項２において、
   前記斜め照明光学系によって前記対象面に照射された照明光の正反射光成分を回帰反射させる対向ミラーを有し、
   前記斜め照明光学系と前記ノズル観察光学系は同軸上に配置されている、
   液体吐出装置。
4. 請求項２または３において、
   前記ノズル観察光学系によって観察される前記ノズル先端縁の実像および鏡像の間の距離を測定し、当該距離に基づき、前記ノズル先端縁と前記対象面の間の間隔を検出する第２画像処理部と、
   前記間隔の算出を、前記第１画像処理部および前記第２画像処理部のうちの少なくともいずれか一方によって行なわせる制御部と、を有している液体吐出装置。
5. 請求項２ないし４のうちのいずれか一つの項において、
   前記液体吐出ノズルのノズル中心軸線を中心光軸とし、前記対象面に吐出された液体の状態を観察する吐出液体観察光学系を有している、
   液体吐出装置。