JP6025265B2 - 透明基板における欠陥を定量化する方法 - Google Patents

Description

本発明は、透明基板、特に板ガラスの欠陥を検出して定量化するシステム、方法及び装置に関する。

近年、主に世界的規模の市場における液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）テレビの人気と受け入れにより、板ガラス等の透明基板のムラ欠陥の検出が大きく注目されている。従って、この業界は、現在、厳密なＬＣＤモードの仕様に準拠する基板を供給しつつ、ますます増加する量的な要求を満たすという課題に直面している。一般的に、ストリーク（線）、コード（すじ）、表面不連続性等の欠陥は、人間の検査員によって手作業の方法で検出される。しかし、これらの現行の検出技術では、現在の用途の仕様が要求する精度レベルは達成できない。

例えば、ＬＣＤ用ガラスにおけるストリーク及びすじの属性は、視覚的な検査で観察され得る物理的な異常である。これらは、一般的に、ガラス延伸方向の長さ方向に延びる面の突出又は窪みとして現われる、くっきりとした「微細表面」不連続性からなる。ストリーク状欠陥は、一般的に単一の孤立した線として現れ、すじ状欠陥は、数ミリメートル間隔の複数の線で構成される。すじ状欠陥は、一般的に、数ミリメートルの周期を有する、数ナノメートルという微細な光路長（ＯＰＬ）のばらつきで構成される。厚さ又は屈折率のばらつきから生じるこれらの微細なばらつきは、一般的にレンズ効果と呼ばれる効果によって、画面上の光の強度を変調する。ガラス表面上のストリークは、セルギャップの厚さのばらつきを生じさせることにより、最終製品のパネルの光学特性に影響する。

現在は、すじ及びストリークを特徴付けるために、手作業による検査が行われている。例えば、液晶ディスプレイに用いられるガラス基板のすじ及びストリーク等の欠陥の検出では、陰影法を用いて欠陥を検出している。この方法によれば、板ガラス（一般的に約１メートルの幅×２メートルの長さ）が、自由に回転するＬ字形ブラケットスタンドに取り付けられ、キセノン光源で照らされる。光源は、板ガラス全体を照らすために発散する。検査員は、白いスクリーン上でガラスの陰影を目視する。スクリーン上で、欠陥は、コントラストの一次元の線として現われる。線の方向は、例えば、板ガラスが製造されるダウンドロー装置で板ガラスが延伸される方向と平行である。欠陥が識別されたら、検査員は、板ガラス中の欠陥領域の横に限度見本を保持し、白板上でそれらの像を比較して、そのストリークが明るいか又は暗いかを判定する。しかし、それぞれ異なるＬＣＤモードに対して提案されている新たなストリークの仕様は、２０ｎｍ（ＩＰＳモード）、３０ｎｍ（ＶＡモード）及び４０ｎｍ（ＴＮ）である。現行の技術は手作業であるため、作業員は、そのような密な間隔のストリークの高さ（即ち、２０、３０及び４０ｎｍのストリーク高さ）を見分けることができない。

ＬＣＤ用ガラスのストリークを定量化するための既に開発されている別の手法は、コリメートされたレーザビームを用いるものであり、レーザビームはガラスの片面に向けられ、ガラスの反対側の面から出て光検出器上に結像される。ガラスのストリーク状欠陥は、レーザビームの位相変調を生じさせ、回折格子のような光学的影響を生じる。回折されたビームは、ガラスを伝搬する際に建設的及び破壊的に干渉し、光検出器上で、ストリークの大きさに依存する光の強度のばらつきを生じる。しかし、光検出器によって観察される正味の強度のばらつきは、板ガラスの両面におけるストリークの大きさの平均の関数である。従って、特に非対称のストリークを有する板ガラスについては、この技術では片面のストリークの大きさは提供されない。

更に、ストリーク状欠陥を測定するために既に用いられている別の手法は、面接触型プロフィロメータを用いるものである。しかし、面接触型プロフィロメータを使用して、業界で定められた許容可能な高さまでのストリーク状欠陥を測定する能力には、限定がある。

表面不連続性は、ガラスの本体に埋め込まれた内包物である。これらの内包物は、固体又は気体の、シリカ若しくは白金、又は気泡であり得る。大きな内包物、又はガラス表面に近い内包物は、表面から突出する表面の凹凸又は不連続性を生じ得る。この業界では、最終製品のＬＣＤパネルに望ましくない画素のブロックが生じることから、このような内包物のサイズが問題となる。しかし、ストリークの高さの問題と同様に、内包物の高さを知ることは、このような欠陥が最終製品のＬＣＤパネルにおいて目に見える局所的なセルギャップの厚さのばらつきを生じ得ることから、重要になり得る。現在、製造において、埋め込まれたシリカや白金の内包物等といった表面不連続性の高さを定量化する方法は存在しない。

特に手作業の方法を用いた場合には、すじ及びストリーク状欠陥の再現性があり且つ信頼性の高い目視検査は非常に困難であることがわかっており、今日の業界標準を満たすのに必要なレベルの精度を達成することはできなかった。従って、ますます高まる業界の要求を満たすことができる、透明基板の一次元の光路長のばらつきを測定可能な装置、システム、及び／又は方法を提供することが望ましい。

本発明は、板ガラス等の透明基板の表面に発生し得る表面欠陥、具体的にはムラ欠陥の位置及び大きさを識別して定量化する方法を提供する。

具体的には、本方法は、上面及び底面を有する平面状の透明基板を供給する工程を含む。平面状の透明な表面の上面の少なくとも一部の表面トポグラフィーが測定され、サブナノメートルレベルの精度を有する三次元上面プロファイルが取得される。この表面プロファイル測定から、三次元上面プロファイルにおける、所定の許容範囲より大きい大きさを有する１つ以上の表面ばらつきの存在を識別して定量化することができる。

１つの態様では、本発明の方法は、光干渉法を用いて、表面トポグラフィーの測定値を取得する。光干渉法を数学的アルゴリズムと組み合わせて用いることにより、本発明は更に、従来の測定技術の全体的な測定の再現性を低下させていたデータ解析中の作業員ごとの主観性を解消することができる。本発明の方法の再現性の向上と精度の向上との組合せにより、特定の基板の表面欠陥を検出して定量化するためのより信頼性の高い方法が可能になる。

本発明の更なる態様は、部分的には以下の詳細な説明及び添付のいずれかの請求項で述べられ、部分的には以下の詳細な説明から導出され、又は、本発明を実施することによって知ることができる。上述の概括的な説明及び以下の詳細な説明は、どちらも例示的且つ説明的なものに過ぎず、開示される発明及び／又は特許請求される発明を限定するものではないことを理解されたい。

以下の本発明の説明は、本発明を現在わかっている最良の実施形態で実施可能とする教示として提供されるものである。この目的で、当業者には、本発明の有益な結果を依然として享受しながら、本願明細書に記載される様々な実施形態に対して多くの変更がなされ得ることが認識されよう。本発明の特徴の一部を選択して他の特徴を用いなければ、本発明の利益の所望の一部が得られることも自明である。従って、本発明に対する多くの変形及び適応を行うことが可能であり、特定の状況ではそれが望ましい場合もあり得、それらも本発明の一部であることが当業者には認識されよう。従って、以下の説明は本発明の原理を説明するために提供されるものであり、本発明を限定するものではない。

本願明細書で用いる単数形（英文の「a」「an」及び「the」）は、特に明記しない限り複数の場合も含むものとする。従って、例えば「撮像装置」という場合には、特に明記しない限り、２つ以上のそのような撮像装置を有する実施形態も包含する。

本願明細書において、範囲は特定の１つの値に「約」を付した形態、及び／又はもう１つの特定の値に「約」を付した形態で表現され得る。このような範囲が表現された場合、別の実施形態では、その特定の１つの値から、及び／又はもう１つの特定の値までが含まれる。同様に、値が「ほぼ」という先行詞を用いて近似で表現された場合には、その特定の値が別の実施形態を構成するものとして理解される。更に、各範囲の端点は、他方の端点との関係において、及び他方の端点とは独立して有意なものであると理解される。

上記に要約したように、本発明は、平面状の透明基板、特に、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）で用いられるような板ガラス材料の欠陥を定量化する方法を提供する。本方法による検出及び／又は定量化の対象となり得る具体的な欠陥としては、ストリーク、すじ及び表面不連続性等といったムラ欠陥が挙げられるが、これらに限定されない。この目的で、当業者には認識されるように、「ムラ」とは欠陥という意味の日本語の用語であり、ディスプレイ業界において、液晶ディスプレイの視覚的欠陥を記述するために従来から用いられている。このようなストリーク、すじ及び表面不連続性のようなムラ欠陥が存在すると、ＬＣＤセルギャップの厚さが不均一になり得ると共に、ディスプレイ装置に目に見える光の強度のばらつきが生じ得る。人の目で見たとき、この光の分布のばらつきは、ガラスパネルの欠陥領域とその周囲の正常な領域との間のコントラストのばらつきを生じ得る。

本願明細書で用いるストリーク状欠陥とは、一般的に、ガラス延伸方向の長さ方向に延びる面の突出又は窪みとして現われる「微細表面」不連続性のことである。ストリーク状欠陥は、一般的に単一の孤立した線として現れ、すじ状欠陥は、数ミリメートル間隔の複数の線で構成される。厚さ又は屈折率のばらつきから生じるこれらの微細なばらつきは、一般的にレンズ効果と呼ばれる効果によって、画面上の光の強度を変調し得る。

本願明細書で用いる表面不連続性欠陥とは、基板表面のシリカ及び／又は白金等の内包物を指し、それらを含む。

本発明の方法は、まず、上面及びその反対側の底面を有する平面状の透明基板を供給することを含み、この基板は、上述のように、１つの態様では板ガラス材料であり得る。基板は、任意の所望のサイズ、形状及び／又は厚さを有し得る。次に、基板の三次元上面プロファイルを取得するために、平面状の透明基板の上面の少なくとも一部の表面トポグラフィーが測定される。表面トポグラフィーは、三次元表面トポグラフィーの測定値を取得するのに適した任意の従来技術を用いて取得できる。例えば、１つの態様では、上面の表面トポグラフィーは、光干渉法を用いて取得できる。更に、別の態様では、光干渉計は、０．１ｎｍまでの分解能で表面トポグラフィーを測定する能力を有することが望ましい。基板の表面トポグラフィーを取得するのに適した例示的な市販の光干渉計は、Ｚｙｇｏ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（米国コネチカット州ミドルフィールド）から入手可能なＺｙｇｏ ＮｅｗＶｉｅｗ６２００光学プロフィロメータであるが、これに限定されない。Ｚｙｇｏ ＮｅｗＶｉｅｗ６２００は、白色光干渉法を用いて、試験される表面の三次元画像を生成する高精細顕微鏡である。電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラ上に収集された光干渉計のデータは、欠陥を検査されている表面トポグラフィーを表すナノメートル〜マイクロメートルスケールの高解像度三次元表面マップを生成するために処理される。

三次元表面トポグラフィーデータが取得されたら、この表面トポグラフィーデータを用いて、三次元表面プロファイルにおける、所定の許容範囲より大きい大きさを有する１つ以上の表面ばらつきを識別し、平面状の透明基板の上面における１つ以上の表面欠陥の存在を検出及び／又は定量化することができる。特に、表面マップが生成されたら、測定データに二次多項式を適用して、ストリーク性欠陥又は表面不連続性欠陥の高さ及び幅を計算することができる。１つの態様では、取得されたプロファイルを横断する特定の距離当たりの表面トポグラフィーの変化率に対応する、プロファイルの第１及び第２の導関数を計算できる。これらの導関数プロファイルから問題の欠陥の最大値及び最小値、及びこれによって欠陥の高さを決定できる。

欠陥の位置及び大きさ（本願明細書では「山」及び「谷」と呼ぶ）を決定するために用いられ得る例示的なアルゴリズムは、Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ（米国テキサス州オースチン）から市販されているＰｅａｋ Ｄｅｔｅｃｔｏｒアルゴリズムである。これらのアルゴリズムは、表面トポグラフィーのプロットから取得されたデータ点の逐次群に二次多項式を適合させ、この適合を、設定された閾値レベルに対してテストするものである。具体的には、取得された表面トポグラフィーの所与の断面が、Ｘ−Ｚ軸プロファイルデータについて解析される。このプロファイルデータは、まず、プロファイルに従来の最小二乗線形近似回帰モデルを適用することにより、残っている傾斜がなくなるように水平化される。プロファイルデータを水平化した後、プロファイルデータにわたって第１の導関数の移動窓の計算が適用される。任意のサイズ移動窓が適用され得るが、１つの態様では、４ｍｍ幅の窓サイズを用いるのが好ましい。次に、第１の導関数の計算から取得されたプロファイルデータに、第２の導関数の移動窓が適用される。次に、この第２の導関数のプロットの「山」及び「谷」の変曲点の大きさを用いて、ストリークが表面の窪みであるか又は突出であるかを決定できる。第１の導関数のプロットの「山」及び「谷」の変曲点を調べることにより、この決定を検証することもできる。次に、第１の導関数のプロットの「山」及び「谷」の変曲点を用いて、識別されたストリークの最大偏差位置を決定する。更に、第２の導関数のプロットの「山」及び「谷」の変曲点を用いて、プロファイルのＸ軸位置を決定し、これは、ストリークの大きさを計算するためのベースラインを設定するために用いられる。

１つ以上のストリークのパラメータを定量化するための上述の処理を用いて、表面不連続性の大きさを定量化することもできる。しかし、別の態様では、表面不連続性を計算するための簡略化された処理を用いることができる。具体的には、対象の表面不連続性欠陥上及びその周囲の表面トポグラフィーデータを集めることで、比較的フラットな背景プロファイルデータを生成できる。従って、例示的な抽出処理によれば、まず、表面不連続性の山の大きさを決定できる。次に、この山の大きさの両側で、プロファイルの大きさが最小となる位置を決定できる。次に、これらの点を用いて線形近似を行い、プロファイルデータからサブトラクトすることで、表面不連続性の大きさを定量化することができる。

本発明の方法は、サブナノメートルレベルの精度を有する光学プロフィロメータを用いることにより、ほぼ５ｎｍほどの微小な大きさを有する１つ以上の表面欠陥を識別して定量化することができる。従って、１つの態様では、本発明の方法は、５ｎｍ以上の大きさを有する１つ以上の表面欠陥を識別して定量化することができる。更に、本方法は、５ｎｍ〜１００ｎｍの範囲の大きさを有する欠陥を識別して定量化するために用いられ得る。更に、本方法によって達成されるより高いレベルの処理は、従来のデータ解析で生じる作業員ごとの主観性を解消することができる。その結果、本発明は更に、向上した再現性及び精度を提供する。

尚、本発明の方法を実施する際に、Ｚｙｇｏ ＮｅｗＶｉｅｗ６２００等の光干渉計は、基板の片面の表面トポグラフィーを、基板の反対側の面のトポグラフィーの影響を受けずに測定することができる。これとは対照的に、欠陥を識別するための従来の技術は、基板を透過する光に依存し、欠陥の平均値を計算するものであり、高さに対する個々の面の寄与を分けることはできなかった。この従来技術の短所は、基板の両面の欠陥の大きさが非対称である場合には、より厄介な問題となり得る。従って、従来技術を用いると、誤った「良好な」結果が取得される可能性がある。

最後に、本発明を特定の例示的且つ具体的な実施形態に関して説明したが、本発明はこのような実施形態に限定されるものと見なされるべきではなく、添付の特許請求の範囲で定められる本発明の広い精神及び範囲から逸脱することなく、多くの変形が可能であることが理解されるべきである。

Claims (8)

1. 平面状の透明なガラス基板におけるムラ欠陥を定量化する方法であって、
   上面及び底面を有する平面状の透明なガラス基板を供給する工程と、
   サブナノメートルレベルの精度を有する三次元上面プロファイルを取得するために、前記平面状の透明なガラス基板の前記上面の少なくとも一部の表面トポグラフィーを光干渉法により測定する工程と、
   前記平面状の透明なガラス基板の前記上面における１つ以上のムラ欠陥を定量化するために、前記三次元上面プロファイルにおける、５ｎｍ〜１００ｎｍの範囲の高さを有する１つ以上の前記ムラ欠陥を識別する工程と、
   を備え、
   １つ以上の前記ムラ欠陥を識別する前記工程の前に、まず、前記三次元上面プロファイルを横断する選択された距離に対する前記表面トポグラフィーの変化率に対応する、前記三次元上面プロファイルの第１の導関数および第２の導関数が計算され、該決定された第１および第２の導関数のプロファイルから、前記識別される１つ以上の前記ムラ欠陥の表面の高さ方向における位置の最大値、最小値、およびこれらの値の差から求められる前記ムラ欠陥の表面の前記高さ方向における位置に関する最大偏差である高さが決定され、その際、前記第１の導関数を計算するために、前記表面トポグラフィーの測定から得られたプロファイルデータに第１の移動窓が適用され、前記第２の導関数を計算するために、前記第１の導関数の計算から得られたプロファイルデータに第２の移動窓が適用されることを特徴とする方法。
2. 前記平面状の透明なガラス基板が、ダウンドロー装置で製造されたもの、かつ、液晶ディスプレイに用いられるものであることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記ムラ欠陥は、ストリーク状欠陥、すじ状欠陥、または表面不連続性欠陥を含むものであり、液晶ディスプレイのセルギャップの厚さを不均一にさせると共に、前記ディスプレイ装置に目に見える光の強度のばらつきを生じさせるものであることを特徴とする請求項２記載の方法。
4. 前記ムラ欠陥が、ストリーク及び／又は表面不連続性を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
5. 前記識別されたムラ欠陥が、前記ガラス基板中のシリカ及び／又は白金の内包物を含む表面不連続性欠陥であることを特徴とする請求項４記載の方法。
6. 前記識別されたムラ欠陥がストリーク状欠陥であり、前記ダウンドロー装置によるガラス延伸方向へ延びる、面の突出及び／又は窪みを含むことを特徴とする請求項２記載の方法。
7. 前記ガラス基板の前記上面の前記１つ以上のムラ欠陥の識別が、前記ガラス基板の前記底面による影響を受けずに行われることを特徴とする請求項１記載の方法。
8. 前記第１の移動窓の幅が４ｍｍであることを特徴とする請求項１記載の方法。