JP4424165B2

JP4424165B2 - 液滴塗布装置

Info

Publication number: JP4424165B2
Application number: JP2004329935A
Authority: JP
Inventors: 浩二弘中; 淳三浦
Original assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Current assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Priority date: 2004-11-15
Filing date: 2004-11-15
Publication date: 2010-03-03
Anticipated expiration: 2024-11-15
Also published as: JP2006136836A

Description

本発明は、シート状のフィルムや薄いフィルム、ガラス基板へ液滴を塗布する塗布装置に係り、特に、吐出された液滴が濡れ広がった形状を計測する液量計測方法、及び計測装置を備えた塗布装置に関する。

エレクトロニクスにおけるガラス基板やフィルム表面へ吐出される液適量及び、薄膜製作時は、常に正確な量を任意の位置に塗布することが要求されている。そのため、1回の液滴塗布量と液滴塗布量のバラツキ、及び液滴塗布位置を把握して塗布条件を設定する必要があり、塗布状態をリアルタイムに計測しながら塗布タイミングを計る必要がある。また、液滴の濡れ広がって行くときの形状、拡散速度等を把握し、塗布むらや段差の対策を図っていく必要がある。

しかしながら、一般的に塗布する基板表面は、均一な濡れ広がりを考慮し表面の改質を行っている場合が多く塗布した液剤は、瞬時に基板表面に濡れ広がり、揮発性の高い液滴では瞬時に乾燥し塗布した液適量を正確に計測することが困難な場合があった。

例えば、基板表面への塗布パターンが数点設定され隣合う液滴と連結される場合、液滴塗布タイミングや拡散速度によっては、液滴の隆起状態が異なり塗布むら等が生じることがある。また、液適量のばらつきによっても濡れ広がり量が異なり塗布むらや段差を生じやすくなる。

液滴の濡れ広がり状態を把握し最適な塗布条件を導き出すと共に、自動運転中の液滴塗布時においても、常に塗布状態の状態をチェックし、所定の塗布量であることを確認し歩留まりを向上させると共に後工程への作業効率の低下を防ぐ必要がある。

従来より、液滴計測方法としては、光切断方式としてレーザー光によって基板の表面上の液滴を切断して、切断した部分をカメラによって側方から撮影し、その映像を観察することによって切断された部分の面積を算出する方法や、検出対象物にレーザー及び光スポットを投射し検出対象物からの反射光の位置や角度により段差を計測する変位計測装置によって液滴高さを計測する方法が知られている。

また、特許文献１においては、基板表面上に濡れ広がった液滴の面積を計測し、計測した面積と接触角度と称す基板上に滴下された液滴と基板が接触する位置から液滴の曲線に接線引いたときのなす角度として、接触角度を５度以下のときに基づき前記液滴の体積を求める方法が提案されている。

また、数滴の液滴を採取して重量を計測し、計測結果より液滴個数で割ることで１滴あたりの体積を算出している。

特開２００３−２５４８１０号公報

しかしながら、レーザー光による光切断方式や変位計測では、レーザー光を投射したスポット領域(点)、線領域のみの計測であるため、広い範囲の液滴面を見るためには、レーザ光を走査しなければならない動作と時間を要する。そのため、液滴の拡散速度によっては、濡れ広がっていく様子を計測することができない。レーザーの走査時間・走査範囲によっては、隣合う液滴が連結する際の状態をリアルタイムに確認し計測することができないため、塗布むらの生じる状況を確認することができない。

また、接触角度の小さい液滴の場合、光の切断箇所の境界が明確でなく、液滴高さを高精度に計測することがでず濡れ広がり状態を目視することができない。また、濡れ広がる時に生じる外周箇所に生じる隆起状態を高精度に計測することができない。
また、計測対象となる液滴が、透明インクや黒色等を有する着色インクであった場合、レーザー光の波長によっては反射し難いという問題もあるため、誤検知となりやすい。

特許文献１は、接触角度が５度以下に制限されていることや、物の計測ではなく平面的な計測そのものであり、接触角度を指標とし高さを直接計測していない。そのため、計測対象となる液滴の粘度状態や基板表面の濡れ性能によって、体積算出用の変換テーブルを作り直す必要が考えられる。濡れ広がる液滴形状が常に一定のときに限定され、液滴形状が変形したときや盛り上がった時には、誤差を生じやすい。

また、数滴の液滴を採取し、重さを計測し液滴個数で割ることで、１滴あたりの体積を算出する方法においては、ばらつきを含んだ平均値であり１滴あたりの体積とはいえない。

そこで、本発明の目的は、自動運転中においても、液滴状態を監視することにより常にある一定の塗布量で任意の位置に塗布することが可能であり、歩留まりを向上させるとともに後工程への作業効率の低下を防ぐことが可能となる液滴塗布装置を実現する。

基板上の塗布位置に対して設定された液滴量で塗布する液滴塗布手段と、前記液滴塗布手段によって塗布されている液滴状態をカメラにより撮像する手段と、撮像した画像より液滴状態を検出する手段と、液滴塗布時の塗布時間、エアー圧、バキューム圧、電圧等を制御する塗布量コントロール手段と、この液滴塗布手段と撮像手段を移動させる手段を備え、液滴状態をカメラにより撮像する手段が、白色の干渉であり撮像画像の干渉色計測を用いて、液滴高さ勾配の変化位置別に面積と高さデータより液滴の体積を求め、液滴の濡れ広がり状態、液適量、隣合う液滴の連結状態を監視し、常に塗布条件が一定となるように、前記液滴制御手段によってコントロールする構成とした。

本発明は、塗布状態を干渉ユニットに取り付けられている撮像カメラにより撮像し、撮像画像全面に対して、基板上に濡れ広がっていく液滴の外郭計測、等高線高さ計測、及び液滴の拡散速度や体積を確認する。これら条件より、最適な塗布条件、例えば、必要な液滴回数、１回の液適量及び、シリンジにおいては、塗布時間、エアー圧条件をインクジェットにおいては、電圧の振幅量を調整し、設計値通りの塗布量となるように調整することが可能となる。また、自動運転中においても、常に塗布形状を計測することにより、次の塗布動作において不足が予測される場合には、不足量を基板に塗布することができるフィードバック制御を保持し、逆に塗布途中に過剰状態が計測された場合は、次の塗布動作において過剰となった液敵量分が少なくなるように制御することにより、正確な液適量を塗布することが可能となる。

また、可視化が難しい基板や液滴材料であっても、例えば、透明な液滴であっても、基板の色、反射率、透明材料であっても観測手段などを適宜選択することなく容易に計測を行うことが可能となる。

液適量を、常に正確な量で任意の位置に正確に塗布するためには、１回の液滴塗布の特性となる塗布位置、塗布量を把握しておく必要がある。また、液滴塗布時、及び液滴塗布直後の液滴の状態を画像に取り込む必要がある。そのため、塗布装置内に計測装置を組み込む必要がある。本発明では、透明な液滴であっても、反射率が数％あれば、干渉画像と輝度値により２次元の形状計測と液滴の高さ・体積を計測できることが判った。そこで、画像情報から、１回の液滴塗布の特性を把握し塗布条件にフィードバックする方法と装置を提案するものである。

以下図面を用いて本発明の一実施例を説明する。図１に本発明の液滴塗布装置の一実施例の側面図を示す。

図１では、ガラス基板上に数点の塗布を行う例として説明する。本発明では、液滴の塗布にシリンジを採用している。このシリンジヘッド１は、液滴塗布を行うヘッド部である。シリンジヘッド１は、ディスペンスの基本機能を備え、塗出量を制御するための制御ユニット２により空気圧調整、吐出時間調整等によりコントロールすることが可能である。また、液滴塗布装置としては、インクジェット方式、及びスプレー方式でもよい。

撮像手段は、画像を撮像するための撮像カメラ３と、干渉ユニット４から構成されている。撮像カメラ３は、ＣＣＤカラーカメラとしＲＧＢデータを取り込むことができる。撮像素子としては、ＣＭＯＳであってもよく、高速撮像が可能な高速度カメラや、暗電流を抑えるために冷却機能を持ったＣＣＤカメラとしてもよい。

本発明の干渉ユニット４は、微分干渉を採用し、各種レンズ、フィルタ、１００Ｗハロゲン光を有する高輝度照明から構成されている。微分干渉は、標本表面の傷やわずかな凹凸の観察に、ノマルスキープリズムを用いた偏光型微分干渉計であり、特にＩＣパターンや金属表面、微生物などの観察に適した顕微鏡計測として周知の通りである。

図２に微分干渉計の原理図を示す。ハロゲン光源２１を出た白色光は、ポラライザー２２で直線偏光成分が抽出され、ハーフミラー２３で反射され、ノマルスキープリズム２４に入射する。ノマルスキープリズム２４は、Wollanstonプリズムの作用に依存しており、１軸結晶、例えば、水晶を精密にカットし、研磨後に張り合わせたものである。ノマルスキープリズム２４に入射した光は、振動方向が互いに垂直で一定距離だけ横にずれた２つの直線偏光を得る。この２つの直線偏光が交わる点に、対物レンズ２５の後側焦点を一致させると２光束を落射させたことになる。これらが対物面（測定面）２７で反射され再びプリズム２４に入射し一般に楕円偏光となってプリズム２４を出る。これをアナライザ２６に通すと結像面で干渉によって光の強度分布による像が得られる。

また、ハロゲン光源２１が白色光の場合、波長の整数倍の光路差に相当する２光束波は、アナライザ２６を通過する時に干渉で打ち消しあい、残りの波長を加えた干渉色が出現する。従って、結像面では変形波の各点での光路差に応じた干渉色が得られる。これにより、干渉色相をカラースケールと比較し、光路差長に変換して計測することが可能となる。また、ノマルスキープリズム２４を取り外すことにより、簡易偏光画像を得ることができ、ポリマー液剤等の配向等を確認することもできる。

図３に示すように、ガラス基板７上の液滴３１を撮像カメラ３で撮像し、そのデータを画像解析装置５へ送る。画像解析装置５では、送られてきたデータから、液滴の面積３２や、等高線計測３３や、体積計算等を行う。また、撮像画像の画質調整として色相、明度、彩度を操作することが可能となっている。なお、図示していないが、ガラス基板７の下側に干渉ユニット４を配置し、液滴を塗布状態をガラス基板を介して透過撮像を行ってもよい。

また、干渉ユニット４としては、２光束白色干渉計でもよい。図４に示すように２光束白色干渉計は、測定対象物の表面４１からの反射光と参照面４２からの反射光とを干渉させて得られる干渉縞に基づいて測定対象物の三次元表面形状を測定する手段であり、非接触、高精度且つ高速の形状測定が可能な装置として知られている。干渉計においては、対物レンズ４３そのものがミラウ干渉計等の光路干渉計になっており、ハーフミラー４４で光を分岐し、被測定面４１、内部参照鏡４２で反射し、再びハーフミラー４４上で結合する光路差が等しい時に干渉を生じる光軸設計となっている。光源としては、白色光源４５を利用するか、単色光としてバンドパスフィルタ４６を採用し、単波長５２０ｎｍとしている。図示していなが、干渉縞は対物レンズを垂直走査駆動部（ピエゾ素子）により、光軸方向に垂直駆動しながらカメラ３で収集し、得られた干渉縞の情報を高さ等高線情報の検出に使用する。

図１に示すように、液滴を塗布するシリンジヘッド１、干渉ユニット４は、各々門型のフレーム６に取り付けられ、鉛直方向及び横方向の移動が可能となっている。シリンジヘッド１においては、ガラス基板７上面の液滴塗布高さへの移動が可能であり、干渉ユニット４は、焦点調整用に鉛直方向に移動可能となっている。また、干渉ユニット４は、シリンジヘッド１からの塗布状態を撮像するために、シリンジヘッド１方向に回転可能な機構を設けている。

門型フレーム６下には、Ｘ、Ｙ、回転方向に移動可能なＸＹθテーブル８が設けられている。ＸＹθテーブル８上面にガラス基板７を配置可能な機構となっている。ガラス基板７は、ＸＹθテーブル８内に設けられた真空吸着ユニットにより真空吸着固定される。

また、ＸＹθテーブル８横には、液滴塗布状態を確認するためのダミー基板９を搭載する領域が設けてある。ダミー基板９は、１００×１００ｍｍ程度の透明なガラス基板でよく、実際のガラス基板と同様な濡れ性能、ガラス基板厚さを有し表面は、十分きれいに洗浄されているものとする。

塗出量を制御するための制御ユニット２、画像解析装置５、テーブル制御を統括的にコントロールするためのコントローラ１１を設置し、図示ししていないデータを記憶するためのメモリー、図示ししていないデータを入力するためのキーボード、データを表示するためのディスプレ１０から構成されている。

次に、それぞれの装置の動作の詳細を説明する。

まず、シリンジヘッド１内に液剤を入れる。シリンジヘッド１へ溶剤を供給するための溶剤供給タンク（図示していない）が準備されている時は、供給タンク内に溶剤を入れ、ポンプによりシリンジヘッド１に液剤が供給される構造としてもよい。液剤の種類に制限はなく、ポリミド、液晶、及び無色、半透明な材料で反射率数％でも良い。

液滴塗布評価テスト（塗布条件実験）においては、初めにシリンジヘッド１の下にダミー基板９が位置するようにＸＹθテーブル８を移動し、ダミー基板９上にシリンジヘッド１から液滴の塗布を行う。次に干渉ユニット４の下にダミー基板９上に塗布した液滴が位置するようにＸＹθテーブル８を移動させ、撮像カメラ３により液滴状態の干渉画像を撮像する。微分干渉色に関しては、前述のように液滴上面に干渉色を撮像することができる。

画像解析装置５では、干渉色より液滴の等高線を検出すると同時に面積を算出する。等高線算出は、干渉色相をカラースケールと比較し光路差長に変換することで求めることができる。また、予め光路差と干渉色の光路差テーブルを作成しておき液滴の勾配量を求めてもよい。形状計測においては、カラー別に等高線を抽出すると同時に、色相を用いたエッジ抽出により液滴の面積を求める。よって、体積は、分割した等高線領域分を計測し加算していくことで、１滴の体積を計測することができる。また、本処理を、繰り返し行うことで塗布する液適量のばらつき、偏差等を計測してもよい。また、ヘッドが多数取り付けられている場合は、ヘッド別に前記データを計測してもよい。

塗布条件実験（ダミー基板上での計測）により算出及び計測したデータを基に、必要な液滴量に対する液滴塗布回数、及び１回の液適量条件となるエアー圧、バキューム圧及び塗布時間を調整する。

例えば、1回の液適量が１０ｐｌ仕様にもかかわらず、塗布条件実験結果において、１３ｐｌが計測された場合、設定値に補正値“−３ｐｌ”を加味してもよい。また、ばらつきを考慮し、補正データに重み付けを行ってもよい。また、当初予定していた位置まで濡れ広がらなかったことが塗布条件実験結果によって確認された場合、任意の濡れ広がり位置となるように吐出速度を調整し、任意の濡れ広がり性能が確認されるまで、塗布条件実験を繰り返してもよい。

次に自動時の液滴塗布状態の監視方法について説明する。

塗布条件実験より得た塗布条件を考慮し、ガラス基板７のどこの位置にどの程度の液適量を塗布するかの情報をコントローラ内のメモリーに記憶する。

ガラス基板７は、手動及び搬送ロボットによりＸＹθテーブル８上面に配置し、真空吸着によりＸＹθテーブル８上面に保持し自動運転前の準備を行う。

自動運転では、コントローラ内のメモリーに記憶されている液滴塗布位置にガラス基板７が位置するようにＸＹθテーブル８を移動させる。もし、基板上面にアライメントマークが設けられている場合は、塗布位置移動前にアライメントマークを認識し塗布位置補正データを計算し、移動位置データに加味する。

塗布位置移動完了後、シリンジヘッド１をガラス基板７方向の下方向に移動させ、液滴の塗布を開始する。

液適量の制御は、予めコントローラ１１内のメモリーに記憶されているデータをもとに空気圧調整、吐出時間調整等によりコントロールする。この時、シリンジヘッド１から塗布される液滴の濡れ広がる状態を干渉ユニット４を介して撮像カメラ３によりモニタリングする。撮像開始のタイミングは、塗布開始のタイミングと同時とし、撮像間隔は、任意に調整することが可能となっている。本実施においては、６枚／Ｓとし液滴の濡れ広がって行く状況をモニタリングし液滴状況を確認する。

図５に撮像画像を示す。図５（ａ）は、液滴の濡れ広がって行く状況を説明する図であり、ガラス基板７上への液滴３１を塗布後、シリンジヘッド１を上昇せしめて液滴の濡れ広がる状況を時系列的に示している。
図５（ｂ）は、その時の干渉ユニット４を介して撮像された画像から、液滴３１の高さ情報を計測して表示した図である。横軸に液滴３１の位置、縦軸に高さを示すものである。図５（ｃ）は、液滴３１の面積と干渉色、干渉縞を等高線で示した図である。

撮像画像は、ディスプレ１０に表示すると共に、画像解析装置５により形態の勾配及び形状を計測し、コントローラ１１内のメモリーに保存する。勾配の計測方法は、ニュートンのカラースケールから光路差を読み取ってもよく、また、光路差と干渉色の光路差テーブルを作成し液滴の勾配量を計測してもよい。

また、形状計測においては、カラー別に等高線を抽出すると同時に色相を用いたエッジ抽出により液滴の面積を求める。

本処理は、干渉ユニット４をシリンジヘッド１方向に傾けた時の撮像方法を説明するものであり、塗布状態を斜め上方より計測するため、コントローラ内のメモリーに保存されている液適量とは異なっている。図５（ｃ）に計測した勾配量と面積を示す。モニタリング間隔１７０ｍｓで変化する液滴形状より液滴拡散速度を計測する。

塗布終了後、次の塗布位置への移動を行い、前述の計測処理を繰り返して行く。この時、前回計測した液滴の勾配、面積データと今回計測したデータを比較する。例えば、液滴が濡れ広がる際の液滴面積、勾配を比較する。もし、計測結果が予めコントローラ１１内のメモリーに保存されている液滴データよりも不足している場合は、次の塗布ステップにおいて不足量分を付加した塗布量とする。逆に、過剰の場合は、過剰分の塗布量を減らす。また、塗布した液滴中心が塗布位置から極端にずれている場合は、次の塗布位置においてずれ量を補正する。この時、補正データに重み付けを加えてもよい。

また、干渉ユニット４をシリンジヘッド１方向に傾けない場合は、塗布終了後に液滴形状全体を計測し、液滴体積を計算する。そして、次の塗布ステップにおいて、計測結果が予めコントローラ１１内のメモリーに保存されている液滴データよりも不足している場合は、次の塗布ステップにおいて不足量分を付加した塗布量とする。逆に、過剰の場合は、過剰分の塗布量を減らす。また、塗布した液滴中心が塗布位置から極端にずれている場合は、次の塗布位置においてずれ量を補正してもよい。

以上詳記したように本発明によれば、実際に塗布可能な液滴体積を予め計測し、必要な液適量に対して必要となる液適量回数を算出し、それに基づいて塗布制御する。更に自動運転中においても、液滴状態を監視し、補正を行う。これにより常にある一定の塗布量で任意の位置に塗布することが可能であり、歩留まりを向上させると共に後工程への作業効率の低下を防ぐことが可能となる。

液滴塗布装置の構成を示す図である。微分干渉計の原理図を示す図である。ガラス基板上の液滴の面積や等高線計測を示す図である。２光束白色干渉計を示す図である。液滴の濡れ広がって行く状況を示す図である。

符号の説明

１…シリンジヘッド、２…シリンジ制御ユニット、３…撮像カメラ、４…干渉ユニット、５…画像解析装置、６…門型フレーム、７…ガラス基板、８…ＸＹθテーブル、９…ダミー基板、１１…コントローラ、１０…ディスプレ、２１…ハロゲン光源、２２…ポラライザー、２３…ハーフミラー、２４…ノマルスキープリズム、２５…対物レンズ、２６…アナライザー、２７…対物面、３１…液滴、３２…面積、３３…等高線計測、３４…ガラス基板、４１…測定対象物の表面、４２…参照面、４３…対物レンズ、４４…ハーフミラー、４５…白色光源、４６…バンドパスフィルタ。

Claims

基板上の塗布位置に対して設定された液滴量で塗布する液滴塗布手段と、前記液滴塗布手段によって塗布されている液滴状態をカメラにより撮像し、撮像した画像より液滴状態を検出する手段と、液滴塗布時の塗布時間、エアー圧、バキューム圧、電圧等を制御するコントロール手段と、前記液滴塗布手段とカメラとを移動させる手段を備えた液滴塗布装置において、
前記カメラの前に干渉ユニットを設けた撮像手段と、前記撮像手段が撮像した干渉色画像を用いて、液滴の高さと面積、及び体積を求める画像解析手段を設け、前記コントロール手段が前記画像解析手段で求めた液滴のデータに基いて塗布条件を設定することを特徴とする液滴塗布装置。
請求項１に記載の液滴塗布装置において、
前記撮像手段により、液滴塗布時の液滴の濡れ広がり状態、液適量、隣合う液滴の連結状態を撮像し、その撮像結果に基づいて常に塗布条件が一定となるように前記コントロール手段によって制御することを特徴とする液滴塗布装置。