JP2019060683A - 塗布液滴の特性評価装置 - Google Patents

Abstract

【課題】乾燥過程における塗布液滴の経時三次元形状変化を正確に捉え、当該塗布液滴が有する特性を評価する特性評価装置を提供する。【解決手段】塗布液滴ＬＱの時間経過に伴う乾燥過程における三次元形状変化を捉えることで塗布液滴が有する特性を評価する特性評価装置１であって、複数波長による光干渉法を用いて塗布液滴の三次元形状を測定する液滴形状測定部と、液滴形状測定部で測定した塗布液滴の三次元形状と、塗布液滴の三次元形状を測定した時刻とを紐付けた、経時液滴形状を記録する経時液滴形状記録部と、経時液滴形状記録部に記録された、測定時刻の異なる複数の経時液滴形状に基づいて、塗布液滴が有する特性を評価する特性評価部とを備えた。【選択図】図１

Description

本発明は、インクジェットやディスペンサ等で塗布された液滴（つまり、塗布液滴）の時間経過に伴う乾燥過程における三次元形状変化を捉えることで当該塗布液滴が有する特性を評価する特性評価装置に関するものである。

液晶ディスプレイのカラーフィルタやプリンタブルエレクトロニクスの配線などは、インクジェットやディスペンサ等を用いて所望のパターンで塗布された液滴を乾燥させることで、所定パターンの塗布皮膜や配線などが形成されている。

そして、これら塗布液滴を乾燥させた後の塗布皮膜や配線の膜厚均一化や側面垂直性の向上が求められている。そのためには、塗布液滴の乾燥過程における動的な三次元形状変化を正確に捉え、塗布条件や塗布材料に反映することが重要である。

特開２０１４−２１１３９５号公報 特開２０１３−１４５２２９号公報

北川、大槻，「干渉色画像解析による透明膜の広視野膜厚分布測定装置の開発」，精密工学会誌，2013年11月，第79巻，第11号，1078-1082頁

レーザビームをスキャンさせて凹凸形状を測る技術では、液滴の乾燥速度が速い場合にはそのスキャン中に液滴形状が変化してしまい、塗布液滴の形状を正確に測定できない。

一方、塗布液滴をエリアセンサカメラで上方から平面視して撮像する技術では、平面視したときの形状（円形か楕円かなど）や寸法（直径など）は把握できるが、垂直方向の膜厚分布が分からない。

一方、特許文献１に示す様な位相測定法では、干渉縞による位相接続で膜厚を算出するため、液滴輪郭部などの急峻な膜厚変化部分は干渉縞が過密になり正しく位相を測定できない。また、ピエゾ鏡を移動させながら位相測定をしているため、液滴の乾燥速度が速い場合にはその移動時間中に液滴形状が変化してしまい、塗布液滴の形状を正確に測定できない。

一方、特許文献２では、フィルム製造プロセスにおいて連続走行するフィルムシートの膜厚をオンライン計測することに適用可能な旨が記載されており、非特許文献１では、シリコンウエハ上のシリコン酸化膜の膜厚、ニュートンリング板の空気間隙、シャボン膜の膜厚を測定できる旨が記載されているが、塗布液滴の乾燥過程における動的な三次元形状変化を捉え、当該塗布液滴が有する特性が評価できることまでは言及されていない。

そこで本発明は、乾燥過程における塗布液滴の経時三次元形状変化を正確に捉え、当該塗布液滴が有する特性を評価する特性評価装置を提供することを目的とする。

以上の課題を解決するために、本発明に係る一態様は、
塗布液滴の時間経過に伴う乾燥過程における三次元形状変化を捉えることで当該塗布液滴が有する特性を評価する特性評価装置であって、
複数波長による光干渉法を用いて当該塗布液滴の三次元形状を測定する液滴形状測定部と、
液滴形状測定部で測定した塗布液滴の三次元形状と、当該塗布液滴の三次元形状を測定した時刻とを紐付けた、経時液滴形状を記録する経時液滴形状記録部と、
経時液滴形状記録部に記録された、測定時刻の異なる複数の経時液滴形状に基づいて、当該塗布液滴が有する特性を評価する特性評価部とを備えた、
塗布液滴の特性評価装置である。

このような態様によれば、高速で塗布液滴の三次元形状の測定ができるため、当該塗布液滴の乾燥過程における三次元形状の変化を正確に捉えることが可能となる。そのうえ、広域モデル適合法により、塗布液滴を撮像した干渉色画像から校正を行う（いわゆる、セルフキャリブレーションを行う）ため、各色情報と膜厚値との関係づけの校正が不要であり、青・緑・赤色の３波長を用いれば、２０ｎｍないし８μｍ程度の幅広い膜厚レンジで、塗布液滴の三次元形状の測定が可能となる。

乾燥過程における塗布液滴の経時三次元形状変化を正確に捉え、当該塗布液滴が有する特性を評価することができる。

本発明を具現化する形態の一例の全体構成を示す概略図である。 本発明を具現化する形態の一例における各機器のつながりを示す機能ブロック図である。 液滴形状測定部に入力される干渉色画像の一例を示す画像図である。 膜厚分布の測定結果を二次元分布で表した画像の一例を示す画像図である。 膜厚分布の測定結果を三次元的に表した画像の一例を示す画像図である。 Ｘ方向およびＹ方向の膜厚分布の測定結果プロファイルの一例を示す画像図である。 干渉色画像および膜厚分布のＸ方向プロファイルの、経時変化を表した画像の一例を示す画像図である。

以下に、本発明を実施するための形態について、図を用いながら説明する。なお各図では、水平方向をｘ方向、ｙ方向と表現し、ｘｙ平面に垂直な方向（つまり、重力方向）をｚ方向と表現する。また、重力に逆らう方向を上、重力がはたらく方向を下と表現する。

図１は、本発明を具現化する形態の一例の全体構成を示す概略図である。
図２は、本発明を具現化する形態の一例における各機器のつながりを示す機能ブロック図である。

本発明に係る特性評価装置１は、基板Ｗ上に塗布された液滴（以下、塗布液滴）ＬＱの時間経過に伴う乾燥過程における三次元形状変化を捉えることで当該塗布液滴ＬＱが有する特性を評価するものである。
具体的には、特性評価装置１は、光源部７、画像撮像部８、コンピュータ部９、表示部１０等を備えて構成されている。

光源部７は、基板Ｗ上に塗布された塗布液滴ＬＱに向けて少なくとも３種類の波長の光Ｌ１を照射するものである。具体的には、光源部７は、照明ユニット７０と、照明用電源７５を備えている。

照明ユニット７０は、干渉色画像の撮像に必要な、少なくとも３種類の波長の光を発するものである。具体的には、照明ユニット７０は、白色ランプ７０と、反射板７１と、３波長帯域フィルタ７２を備えている。白色ランプ７０は、青色：４７０ｎｍ、緑色：５６０ｎｍ、赤色：６００ｎｍを含む広い帯域（いわゆる、ブロードな波長帯域）の光を放出するものであり、具体的にはハロゲンランプが例示できる。反射板７１は、白色ランプ７０から放出された可視光を反射し、外部に照射する光Ｌ１の量を増やすものである。３波長帯域フィルタ７２は、白色ランプ７０から放出された光のうち、少なくとも３種類の波長成分（ここでは、青色・緑色・赤色を例示する）を通過させ、それ以外の波長成分を減衰させるものである。より具体的には、３波長帯域フィルタ７２は、ガラスや石英基板の表面に複数の薄膜が形成されたバンドパスフィルターで構成されている。

照明用電源７５は、照明ユニット７０の白色ランプ７０に対して、発光に必要な電力を供給するものである。

画像撮像部８は、塗布液滴ＬＱで反射された光Ｌ３を、上方からカラーカメラ８０にて干渉色画像として撮像するものである。具体的には、画像撮像部８は、カラーカメラ８０と、レンズユニット８１を備えている。なお、ここで言う、塗布液滴ＬＱで反射された光Ｌ３とは、塗布液滴ＬＱの表面で反射した光（いわゆる、表面反射光）と、塗布液滴ＬＱと基板Ｗとの界面で反射した光（いわゆる、裏面反射光）とが合成されたもの（つまり、干渉光）である。

カラーカメラ８０は、撮像されたカラー画像に対応した映像信号（アナログ信号）や映像データ（デジタル信号）を外部に出力するものであり、カラーフィルタ８５と、撮像素子８６を備えている。

レンズユニット８１は、塗布液滴ＬＱの像を、カラーカメラ８０の撮像素子８６に結像させるものである。また、本実施例におけるレンズユニット８１は、光源７から照射された光を、撮像対象に向けて照射する役割も併せ持ち、照明光を撮像光軸と同じ（つまり、同軸落斜方式）にすることができる。具体的には、レンズユニット８１は、ハーフミラー８２、対物レンズ８３、結像レンズ８４を備えている。そのため、レンズユニット８１は、光源部７から照射された光Ｌ１を、ハーフミラー８２で反射させて照明光Ｌ２として測定対象領域Rに照射し、塗布液滴ＬＱで反射された光Ｌ３のうち、対物レンズ８３とハーフミラー８２を通過した光Ｌ４を結像レンズ８４にてカラーカメラ８０の撮像素子８６に結像させることができる。

コンピュータ部９は、信号やデータの入力や出力、データの記憶、入力または記憶されたデータに対する演算処理のほか、画像の入力や記憶、これら画像に対する画像処理、画像処理に基づく判定処理や画像変換処理、判定結果や画像処理後の画像の出力などを行うものである。具体的には、コンピュータ部９は、入力部、情報記録部、数値演算処理部、画像処理部、出力部を備えている。より具体的には、コンピュータ部９は、画像処理機能を備えたコンピュータ（ハードウェア）とその実行プログラム（ソフトウェア）により構成されている。また、コンピュータ部９は、キーボードやマウス、トラックパッドなどの情報入力デバイスを備え、後述する表示部１０と接続されている。

コンピュータ部９は、画像記録部１１、液滴形状測定部１２、経時液滴形状記録部１３、特性評価部１４を備えている。

画像記録部１１は、画像撮像部８で撮像された干渉色画像を記録するものである。具体的には、画像記録部１１は、コンピュータ部９の情報記録部（例えば、ハードディスクなどの磁気記録媒体や、半導体メモリーなど）で構成されている。

液滴形状測定部１２は、複数波長による光干渉法を用いて塗布液滴ＬＱの三次元形状を測定するものである。具体的には、液滴形状測定部１２は、画像記録部１１に記録された干渉色画像より、各点の膜厚を測定して塗布液滴ＬＱの膜厚分布を測定し、三次元形状を測定するものである。各点の膜厚測定方法は、その点の色情報から少なくとも３種類の波長の光毎に色分離して輝度値を算出し、当該輝度値から波長毎の位相を算出し、当該波長毎の位相から複数の膜厚候補を算出し、当該算出された複数の膜厚候補から膜厚値を推定するものである。より具体的には、液滴形状測定部１２は、コンピュータ部９の画像処理部や数値演算処理部（ハードウェア）と、その実行プログラム（ソフトウェア）で構成されている。

そのため、コンピュータ部９は、画像撮像部８から出力された映像信号（アナログ信号）や映像データ（デジタル信号）が入力されると、実行プログラムに基づいて、所定の画像処理を行ったり、画像記録部１１に画像を保存したり、画像記録部１１から画像を読み出したり、液滴形状測定部１２にて所定の画像処理や数値演算処理をしたりして、塗布液滴ＬＱの膜厚分布を算出（つまり、測定）し、塗布液滴ＬＱの三次元形状を算出（つまり、測定）することができる。

具体的には、液滴形状測定部１２は、特許文献２に記載されているような干渉縞モデル適合による波長推定処理を、画像内の各点に対して行うことで、（つまり、複数波長による光干渉法を用いて）膜厚分布を測定し、塗布液滴ＬＱの三次元形状を測定するものである。

より具体的には、液滴形状測定部１２は、複数の波長の単色光を含む照明光を測定対象である透明膜に照射し、透明膜の表面の反射光と裏面の反射光により生成される干渉色画像から１点以上の選択点をｎ点選択し、ｎ点の選択点の内の点番号ｉに対応する波長番号ｊの干渉輝度信号に、波長番号ｊの波長λ（ｊ）を既知とし、波長番号ｊの平均輝度ａ（ｊ）、干渉変調度ｂ（ｊ）、および点番号ｉの膜厚ｔ（ｉ）のすべて、あるいは、一部を未知パラメータとし、残りを既知パラメータとして、点番号ｉに対応する波長番号ｊの輝度ｇ（ｉ，ｊ）が、次式
ｇ（ｉ，ｊ）＝ａ（ｊ）［１＋ｂ（ｊ）×ｃｏｓ｛４πｔ（ｉ）/λ（ｊ）｝］
で表される干渉縞モデルを適合することにより、未知パラメータを求める処理（つまり、膜厚推定演算処理）を行う。

さらに、干渉色画像内の任意の点番号ｋに関し、先に得られて既知の波長番号ｊの平均輝度ａ（ｊ）および干渉変調度ｂ（ｊ）と、点番号ｋの各波長の輝度ｇ（ｋ，ｊ）とから、点番号ｋにおける波長番号ｊの位相φ（ｋ，ｊ）を、次式
φ（ｋ，ｊ）＝ｃｏｓ^−１［｛ｇ（ｋ，ｊ）／ａ（ｊ）−１｝／ｂ（ｊ）］
により求め、得られた当該波長毎の位相から、当該波長毎に複数の膜厚候補を求め、当該波長どうしの複数の膜厚候補を突き合わせて最も合致する膜厚ｔ（ｋ）を求める処理（つまり、膜厚推定演算処理）を行う。

図３は、液滴形状測定部１２に入力される干渉色画像の一例を示す画像図である。図３には、塗布液滴ＬＱの干渉色画像が示されている。なお画像図には、本来カラー情報も含まれるが、添付図面としての制約上、白黒の濃淡にて表現したもので代用する（以下同様）。

経時液滴形状記録部１３は、経時液滴形状を記録するものである。ここで言う「経時液滴形状」とは、液滴形状測定部１２で測定した塗布液滴ＬＱの三次元形状と、当該塗布液滴ＬＱの三次元形状を測定した時刻とを紐付けたものである。

具体的には、経時液滴形状は、塗布液滴ＬＱの三次元形状を示すデータ（いわゆる、ボディ）と、当該塗布液滴ＬＱの三次元形状を測定した時刻データ（いわゆる、ヘッダ）とが紐付けされたデータ構造をしている。

特性評価部１４は、経時液滴形状記録部１３に記録された、測定時刻の異なる複数の前記経時液滴形状に基づいて、塗布液滴ＬＱが有する特性を評価するものである。

具体的には、特性評価部１４は、経時液滴形状に基づいて下述の項目等を算出（つまり、塗布液滴ＬＱが有する特性を評価）する。
・測定時刻Ｔ１，Ｔ２における、塗布液滴ＬＱの体積Ｖ１，Ｖ２
・測定時刻Ｔ１，Ｔ２における、塗布液滴ＬＱの表面積Ｓ１，Ｓ２
・測定時刻Ｔ１，Ｔ２間の蒸発量：Ｖ２−Ｖ１
・単位時間当たりの蒸発量：例えば、（Ｖ２−Ｖ１）／（Ｔ２−Ｔ１）
・単位時間当たりで単位面積当たりの蒸発量（すなわち、蒸発速度Ｊ）
：例えばＪ＝（Ｖ２−Ｖ１）／（Ｔ２−Ｔ１）／｛（Ｓ１＋Ｓ２）／２｝
・ペクレ数：塗布液滴ＬＱの半径Ｒ×蒸発速度Ｊ／溶質拡散定数Ｄ
なお、溶質拡散定数Ｄは、塗布液の材料に依る定数であり、液滴内溶質のモル体積、液滴内溶媒の粘度、分子量、会合度から算出できる。

表示部１０は、インフォメーションディスプレイ、表示モニタとも呼ばれ、コンピュータ部９から出力された映像信号が入力されると、映像信号に対応して文字や図形情報などが表示されるものである。具体的には、表示部１０は、下述の様な画像や情報等を表示する。
・画像記録部１１に記録された干渉色画像のうち、選択された干渉色画像
・液滴形状測定部１２で測定された塗布液滴ＬＱの膜厚分布を二次元分布で表した画像
・液滴形状測定部１２で測定された塗布液滴ＬＱの膜厚分布を三次元的に表した画像
・経時液滴形状記録部１３に記録された塗布液滴ＬＱの膜厚分布を二次元または三次元的に表した画像を、測定時刻順に並べたもの
・異なる測定時刻の塗布液滴ＬＱの断面プロファイルを重ね合わせたもの
・塗布液滴ＬＱが有する特性

図４は、膜厚分布の測定結果を二次元分布で表した画像の一例を示す画像図である。

図５は、膜厚分布の測定結果を三次元的に表した画像の一例を示す画像図である。

図６は、Ｘ方向およびＹ方向の膜厚分布の測定結果プロファイルの一例を示す画像図である。

図７は、干渉色画像および膜厚分布のＸ方向プロファイルの、経時変化を表した画像の一例を示す画像図である。図７に示す画像は、塗布液滴ＬＱを吐出させて５分経過後、９分経過後、１３分経過後、１７分経過後における、干渉色画像ならびに、塗布液滴ＬＱのＸ方向プロファイル画像を並べたものである。

本発明に係る特性評価装置１は、この様な構成をしているため、高速で塗布液滴ＬＱの三次元形状の測定ができ、塗布液滴ＬＱの乾燥過程における三次元形状の変化を正確に捉えるが可能となる。このとき、光源部７から青色・緑色・赤色の３種類の波長を含んだ光を照射することで、塗布液滴ＬＱの膜厚が２０ｎｍないし８μｍ程度の幅広い膜厚レンジでも、膜厚分布を測定することができる。

［別の形態］
なお上述では、塗布液滴ＬＱが１つの場合について詳細な説明を行ったが、複数の塗布液滴ＬＱを１つの観察視野内に収め、これら塗布液滴ＬＱについて一度に膜厚分布を測定し、特性評価部１３は、これら塗布液滴ＬＱが有する特性を一度に評価する構成であっても良い。

［光源部の変形例］
光源部７を構成する白色ランプ７０は、上述のハロゲンランプに限らず、メタルハライドランプ、キセノンランプ、水銀ランプ、白色ＬＥＤなどで構成しても良い。

また、光源部７を構成する３波長帯域フィルタ７２は、上述のような白色ランプ７０とハーフミラー８２の間に配置された構成に限らず、対物レンズ８３と塗布液滴ＬＱの間、ハーフミラー８２と結像レンズ８４の間、結像レンズ８４と撮像カメラ８０の間などに配置した構成としても良い。

また光源部７は、上述のような白色ランプ７０と、反射板７１と、３波長帯域フィルタ７２を備えた構成に限らず、青色に発光するＬＥＤと、緑色に発光するＬＥＤと、赤色に発光するＬＥＤとを備えた発光ユニットを備えた構成としても良い。この場合、各色のＬＥＤは、１個ずつないし複数備えた構成とし、照明用電源は、各ＬＥＤに所定の直流電圧と電流を供給する構成としておく。或いは、各色で発光するＬＥＤに代えて、各色で発光するレーザダイオードまたは３波長が同時発光するレーザダイオードと、そのレーザダイオードを駆動させる電源を備えた構成としても良い。

また上述では、光源部７として、青色：４７０ｎｍ、緑色：５６０ｎｍ、赤色：６００ｎｍの３種類の波長の光を照射する構成を例示した。しかし、本発明に係る光源部は、このような構成に限定されず、一部又は全部を他の波長の光に代えた構成としても良い。この場合、光源部から照射される他の波長の光としては、近赤外線の光、橙色の光、青緑色の光などが例示できる。また、光源部７から照射される光の波長は、全部で４種類としても良いし、それ以上の種類としても良い。

１ 特性評価装置
７ 光源部
８ 画像撮像部
９ コンピュータ部
１０ 表示部
１１ 画像記録部
１２ 液滴形状測定部
１３ 経時液滴形状記録部
１４ 特性評価部
７０ 白色ランプ
７２ ３波長帯域フィルタ
７５ 照明用電源
８０ 撮像カメラ
８１ レンズユニット
８２ ハーフミラー
８３ 対物レンズ
８４ 結像レンズ
８５ カラーフィルタ
８６ 撮像素子
Ｆ 膜厚の測定対象領域
Ｌ１ 光源部から照射された光
Ｌ２ 膜厚の測定対象領域に照射された光
Ｌ３ 膜厚の測定対象領域から反射された光（干渉光）
Ｌ４ ハーフミラーを通過した光（撮像される干渉光）
Ｗ 基板

Claims (3)

1. 塗布液滴の時間経過に伴う乾燥過程における三次元形状変化を捉えることで当該塗布液滴が有する特性を評価する特性評価装置であって、
   複数波長による光干渉法を用いて前記塗布液滴の三次元形状を測定する液滴形状測定部と、
   前記液滴形状測定部で測定した前記塗布液滴の三次元形状と、当該塗布液滴の三次元形状を測定した時刻とを紐付けた、経時液滴形状を記録する経時液滴形状記録部と、
   前記経時液滴形状記録部に記録された、前記測定時刻の異なる複数の前記経時液滴形状に基づいて、当該塗布液滴が有する特性を評価する特性評価部とを備えた、
   塗布液滴の特性評価装置。
2. 前記液滴形状測定部は、複数の塗布液滴について一度に膜厚分布を測定し、
   前記特性評価部は、これら塗布液滴が有する特性を一度に評価する
   ことを特徴とする、請求項１に記載の塗布液滴の特性評価装置。
3. 前記塗布液滴が有する特性の評価項目として、蒸発速度、ペクレ数のうち少なくとも１つを算出する
   ことを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の塗布液滴の特性評価装置。

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