JP6123579B2 - 加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、カルコパイライト系薄膜太陽電池などの製造に用いる加工装置に関し、特に、薄膜層の一部を除去してパターニングを行う加工装置に関する。

ＣＩＳ（ＣｕＩｎＳｅ_２）やＣＩＧＳ（Ｃｕ（Ｉｎ_１−ｘＧａ_ｘ）Ｓｅ_２）といったカルコパイライト系薄膜太陽電池は、例えば、ソーダガラスなどのガラス基板に、裏面電極となるモリブデン（Ｍｏ）膜をスパッタリングで成膜し、係るモリブデン膜の上に、ＣＩＳもしくはＣＩＧＳからなるｐ型の光吸収層、ＣｄＳからなる高抵抗バッファ層、ＩＴＯなどからなるn型の酸化物透明導電膜（ＴＣＯ）層を、それぞれに適した成膜法で順次に成膜することによって作製される。

ただし、係る製造プロセスの途中において、基板上に形成された複数の太陽電池セル間の絶縁を確保するために、先に形成された薄膜層の一部を直線状に除去して絶縁用の（セル分離用の）加工溝（加工痕）を形成するパターニング加工が行われる。係るパターニング加工には、ガラス基板上に形成されたＭｏ層をパターニングするＰ１工程と、Ｐ１工程の後、Ｍｏ層上に形成されたＣＩＧＳ光吸収層をパターニングするＰ２工程と、Ｐ２工程の後、ＣＩＧＳ光吸収層上に形成されたＴＣＯ層をパターニングするＰ３工程とがある。

このうち、Ｐ１工程はレーザー光により行われるが、Ｐ２、Ｐ３工程はパターニングツールとも称される溝加工ツールによってメカニカルに行われるのが一般的である。係るメカニカルスクライビングにおいては、通常、溝加工ツールの先端部に設けられた刃先を基板に接触させた状態で溝加工ツールを基板に対して水平に相対移動させることにより、溝加工ツールが接触した部分の薄膜層を除去することで、基板に加工溝を形成する。

しかしながら、基板は必ずしも平坦ではなく、多少の反りや撓みを有することがある。それゆえ、単に刃先の高さを一定に保って溝加工ツールを相対移動させるだけでは、刃先と基板との接触が十分ではなく、あるいは刃先が基板に全く接触せず、加工溝を良好に形成できない箇所が生じ得る。そのため、反りや撓みのある基板に対応すべく、あらかじめ基板の凹凸（高さ位置分布）を測定しておき、係る凹凸に従ってツールの高さ位置を違えることにより基板とツールとの高さ方向における相対的な位置関係を一定に保って加工を行う態様が、従来より周知である。

あるいは、加工溝の加工精度を高めるべく、溝加工ツールが基板に与える力が一定に保たれるように制御を行いつつ加工を行う装置もすでに公知である（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示された装置においては、溝加工ツールを保持するスクライブヘッドに、溝加工ツールを加圧するエアシリンダが設けられており、刃先が基板を押圧する力が一定となるように、エアシリンダが溝加工ツールに与える力が調整される。これにより、直線的できれいな加工溝が形成されるようになっている。

また、水平に配置された柱状のガイドを囲驍する態様にてスライダ（可動体）を設け、該スライダの内部からガイドの表面に向けて流体を噴出させることでスライダを浮揚させ、スライダをガイドに沿って非接触状態で支持、案内する直動軸受構造であって、スライダに、案内用の流体噴出口とは別に、異物パージ用の流体噴出口を設けたものもすでに公知である（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１１−１５５１５１号公報 特開２００６−２２６４０２号公報

溝加工ツールにより基板表面に加工溝を形成する場合、理想的には、薄膜層を所望の加工溝の幅で除去するのに最低限必要な力が、基板に対する刃先の相対移動方向において刃先から基板に（より詳細には、刃先と接触する薄膜層に）加わればよい。基板に対し必要以上の力が加わると、溝加工で除去しようとする薄膜層の下のＭｏ層を損傷させたり、溝加工ツールを不必要に摩耗させたりするため好ましくない。また、係る相対移動方向に直交する方向（以下、直交方向）において刃先から基板に作用する力は、直接に加工に利用される力ではないので、加工が確実に実現される限りにおいて、できるだけ小さいことが望ましい。

ただし、その一方で、溝加工ツールに不要な摩擦力が作用すると、刃先から基板に不要に大きな力が作用してしまったり、あるいは、基板と刃先との接触状態が不十分となって、確実な加工が実現されない場合がある。

さらには、基板表面に凹凸がある場合には、溝加工ツールを基板に対して相対移動させつつ、係る凹凸に速やかに追随させることが必要となる。それゆえ、溝加工ツールの鉛直方向への動作（案内）には迅速性や精密性が求められる。

係る案内のための機構には、ボールネジ機構その他種々の機構を適用し得るが、特に、特許文献２に開示されているようないわゆる静圧案内機構は、原理上、摺動抵抗が生じないことから、迅速性や精密性を必要とする動作には適していると考えられる。

しかしながら、溝加工ツールによる加工においては加工くずなどのパーティクル（異物）が生じやすい一方、静圧案内機構の場合、ガイドと可動体の間にパーティクルが侵入してしまうと、両者の非接触状態が良好に保たれなくなり、良好な加工が行えなくなるという問題がある。それゆえ、静圧案内機構を採用する場合、ガイドと可動体の間隙へのパーティクルの侵入を防ぐための措置が必要となる。

特許文献２には可動体内部から異物除去用のエアを噴出させることで異物の侵入を抑制する、いわゆるエアパージ構造を採用した直動軸受が開示されているが、係る態様は、装置構成が複雑になり、また、小型化しにくいという問題がある。あるいは、ガイドと可動体の間隙部分と外部との間をラビリンス構造として、パーティクルが入り込みにくくするという態様も考えられるが、余計なスペースが必要であり、小型化しにくいという点ではエアパージ構造と同様である。

また、ガイドと可動体の間隙位置を、基板の表面からの飛散物が届かない程度にまでが遠ざけるようにする、という対応も考えられるが、係る場合、溝加工ツールの先端と静圧案内機構との距離が大きくなるため、溝加工ツールが基板から受けるモーメントが大きくなりすぎて、基板表面に対する追随性が悪くなってしまい、結果的に溝加工が良好に行い得ないという問題もある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、所望の加工溝を確実に形成することができる加工装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、薄膜層が形成された基板の前記薄膜層の一部を除去して前記基板に溝を形成する、パターニング加工を行う加工装置であって、先端に刃先を備えるパターニングツールと、鉛直方向に長手方向を有する第１の部分を有し、前記刃先を鉛直下方に向けた状態を保って前記パターニングツールを前記第１の部分の下端部において保持するパターニングヘッドと、前記パターニングヘッドを鉛直方向において付勢する付勢手段と、前記パターニングヘッドの自重をキャンセルする自重キャンセル手段と、前記パターニングヘッドの前記第１の部分の一部を囲驍するガイド部を有するとともに、前記パターニングヘッドの前記第１の部分の表面に設けられた複数の噴出孔のそれぞれから前記ガイド部の対向する面に向けてエアを噴出することにより、前記パターニングヘッドを前記ガイド部に対し非接触な状態にて保持しつつ前記ガイド部に沿って鉛直方向に案内する静圧案内手段と、前記パターニングヘッドの前記第１の部分の下方に、前記ガイド部との間に所定の間隙を有するように設けられてなるパーティクルガードと、を備え、前記静圧案内手段が前記パターニングヘッドを前記鉛直方向に案内する際に、前記パーティクルガードと前記ガイド部との間から前記エアを噴出させるようにした、ことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載の加工装置であって、前記パーティクルガードの下端部の位置が、前記ガイド部の下端部の位置よりも前記基板に近い、ことを特徴とする。

請求項３の発明は、前記パーティクルガードが、前記パターニングヘッドが傾斜姿勢にあるときにも前記ガイド部との間に間隙が存在するように設けられる、ことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の加工装置であって、前記パーティクルガードが、前記パターニングヘッドの前記パターニングツールを保持する部分を囲驍するように設けられる、ことを特徴とする。

請求項１ないし請求項４の発明によれば、静圧案内機構を備えることで、基板に対しパターニング加工を行う際の基板の表面凹凸に対するパターニングツールの追随性、もしくは、パターニングツールが基板に対して与える押圧力（付勢力）の安定性が、良好に確保されるようになっているとともに、静圧案内を実現しているパーティクルガードとガイド部との間からエアを噴出させるようにすることで、エアパージ機構やラビリンス構造などいった複雑な構成を採用せずとも、静圧案内機構を構成するガイド部とパターニングヘッドとの間隙にパーティクルが入り込むことが好適に防止される。

加工装置１００の構成を概略的に示す斜視図である。 加工装置１００に備わるパターニングヘッド８の近傍部分を拡大した側面図ＹＺ側面図である。 加工装置１００に備わるパターニングヘッド８の近傍部分を拡大したＺＸ断面図である。 加工装置１００の機能的構成を示すブロック図である。 加工装置１００において静圧案内機構を構成するパターニングヘッド８の垂直部８ａとガイド７ｃとの要部外観斜視図である。 垂直部８ａのみの要部外観斜視図である。 垂直部８ａに設けられたエア噴出機構８ｃの構成を概略的に示す斜視図である。 垂直部８ａを通る加工装置１００のＺＸ要部断面図である。

＜装置構成と基本動作＞
図１は、本発明の実施の形態に係る加工装置１００の構成を概略的に示す斜視図である。図２、図３は、加工装置１００に備わるパターニングヘッド（スクライブヘッド）８の近傍部分を拡大した２つの側面図（ＹＺ側面図およびＺＸ断面図）である。図４は、加工装置１００の機能的構成を示すブロック図である。

本実施の形態に係る加工装置１００は、概略的にいえば、ガラスなどの下地基板上に薄膜層を形成してなる加工対象基板（以下、単に基板とも称する）Ｗの薄膜層を部分的に除去する加工を行う装置である。例えば、加工装置１００は、ＣＩＳ（ＣｕＩｎＳｅ_２）やＣＩＧＳ（Ｃｕ（Ｉｎ_１−ｘＧａ_ｘ）Ｓｅ_２）といったカルコパイライト系薄膜太陽電池の製造プロセスにおいて、いわゆるＰ２工程に使用することが出来る。

なお、Ｐ２工程までのカルコパイライト系薄膜太陽電池の代表的な製造プロセスは、以下の工程を含んでいる。加工装置１００は、このうちの工程iv)に好適な装置である。

i）ガラス基板の上にＭｏ層を形成する；
ii）複数の太陽電池セル間の絶縁を確保するために、レーザー光の照射によってＭｏ層を直線状に除去することにより複数の直線状の加工溝（Ｐ１ライン）を形成するパターニング加工を行う（Ｐ１工程）；
iii）Ｐ１ラインが形成されたＭｏ層の上にＣＩＧＳ光吸収層を形成する；
iv）Ｐ１ラインから一定距離を保ちつつパターニングツールを移動させてＣＩＧＳ光吸収層を除去することにより、Ｐ１ラインに沿った（Ｐ１ラインの形状に倣った）複数の直線状の加工溝（Ｐ２ライン）を形成するパターニング加工を行う（Ｐ２工程）。

本実施の形態に係る加工装置１００は、基台１の上に、ステージ２と、ヘッド移動機構３とを主として備える。なお、図１においては、詳細を後述するパターニングツール（スクライブツール）１０による加工方向をＸ軸方向、水平面内においてＸ軸方向と直交する方向をＹ軸方向、鉛直方向をＺ軸方向とする右手系のＸＹＺ座標を付している。

ステージ２は、ガラスからなり、その上面に基板Ｗを固定できるようになっている。ステージ２に対する基板Ｗの固定は、ステージ２の上面に設けられた図示しない吸引孔を含む公知の吸引手段２ａ（図４）によって実現される。また、ステージ２は、例えばボールネジ機構やリニアモータ機構などの図１においては図示しない公知の駆動手段２ｂ（図４）によってＸ軸方向に進退自在とされてなる。本実施の形態に係る加工装置１００においては、係るステージ２のＸ軸方向の移動によって、パターニングツール１０によるＸ軸方向への加工が実現される。

ヘッド移動機構３は、Ｙ軸方向およびＺ軸方向におけるパターニングヘッド８の移動を担う部位である。ヘッド移動機構３は、Ｙ軸方向において互いに離間する１対の支柱４（４ａ、４ｂ）と、支柱４ａ、４ｂによって支持されることによってステージ２の上方においてＹ軸方向に延在するガイドバー５と、Ｙ軸方向に移動自在なＹ軸移動部６と、Ｚ軸方向に移動自在なＺ軸粗動部７と、Ｚ軸粗動部７に保持されたパターニングヘッド８とを主として備える。

Ｙ軸移動部６は、概略、ＹＺ平面に平行な板状をなしており、Ｘ軸方向負側の面に設けられた一対の被ガイド部６ａ、６ｂがガイドバー５に設けられた一対のガイド５ａ、５ｂに案内されることによってＹ軸方向に移動自在とされてなる。また、Ｙ軸移動部６は、Ｘ軸方向正側の面に一対のガイドバー６ｃ、６ｄを備える。

Ｚ軸粗動部７は、概略、ＹＺ平面に平行な板状をなしており、そのＸ軸方向負側の面に設けられた一対の被ガイド部７ａ、７ｂが、Ｚ軸方向に延在する態様にてＹ軸移動部６に設けられた一対のガイドバー６ｃ、６ｄに案内されることによってＺ軸方向に移動自在とされてなる。

Ｚ軸方向におけるＺ軸粗動部７の動作はボールネジ機構により実現される。すなわち、Ｚ軸方向に延在させて設けられたボールねじ７ｄがモータ７ｅによって駆動されることで、一対の被ガイド部７ａ、７ｂが一対のガイドバー６ｃ、６ｄによってＺ軸方向に案内される。

また、Ｚ軸粗動部７のＸ軸方向正側の面には、Ｚ軸方向に延在する貫通孔７ｈを有するガイド７ｃが付設されてなる。ガイド７ｃは、後述するように、パターニングヘッド８の動作をＺ軸方向に制限するために設けられてなる。

なお、図２および図３においては図示を省略するが、同様に、Ｙ軸方向におけるＹ軸移動部６の動作も、モータ６ｅ（図４）を有するボールネジ機構により実現される。

パターニングヘッド８は、概略、ＺＹ平面に平行でＺ軸方向に長手方向を有する矩形状の垂直部８ａとＸＹ平面に平行でＹ軸方向に長手方向を有する矩形状の水平部８ｂとを有しており、かつ、ＹＺ側面視において、Ｌ字状をなしている。垂直部８ａの下端部分にはパターニングツール１０を保持するツールホルダ８ｈが着脱自在に付設されてなる。なお、後述するように、パターニングヘッド８は、傾斜姿勢を採ることがあり、その際には垂直部８ａは必ずしも垂直状態ではなく、水平部８ｂは必ずしも水平状態ではないが、係る状態の場合も、便宜上、両部分をそれぞれ垂直部８ａおよび水平部８ｂと称することとする。

垂直部８ａは、そのＸＹ断面が矩形状をなしている。また、垂直部８ａは、そのＺ軸方向において、水平部８ｂと接合されてなる上端側近傍を除いた部分が、Ｚ軸粗動部７に付設されてなるガイド７ｃの貫通孔７ｈに、非接触状態で挿嵌されてなる。換言すれば、垂直部８ａは、微小な間隙Δ１（図５、図８参照）を介してガイド７ｃに囲驍されてなる。係る間隙Δ１は５μｍ〜２０μｍ程度であるのが好ましい。

このような構成および配置関係を有するパターニングヘッド８の垂直部８ａとＺ軸粗動部７のガイド７ｃとは、静圧案内機構を構成してなる。すなわち、垂直部８ａとガイド７ｃとは、垂直部８ａからのエアの噴出に伴い発生する静圧によって互いに非接触状態を保ちつつ、パターニングヘッド８の動作をＺ軸方向に制限するようになっている。図２および図３においては詳細な図示を省略するが、垂直部８ａのガイド７ｃに囲驍された部分のうち、両図において斜線を付してなる範囲に、エア供給源１５（図４）から供給されるエア（空気）を垂直部８ａから貫通孔７ｈに向けて噴出するエア噴出機構８ｃが設けられてなる。なお、パターニングヘッド８のＺ軸方向における動作範囲は図示しないストッパーによって一定の範囲に制限されてなる。

一方、水平部８ｂの上方には、最下端部に押圧部９ａを有するエアシリンダ９が設けられており、エアシリンダ９が加圧することで、押圧部９ａがパターニングヘッド８の水平部８ｂを上方からＺ軸負方向へと押圧するようになっている。係る態様にて押圧部９ａがパターニングヘッド８を押圧することで、パターニングツール１０が基板Ｗに与える力が調整できるようになっている。エアシリンダ９の加圧状態は、電空レギュレータ１４（図４）によって制御される。

なお、本実施の形態に係る加工装置１００において実現される、エアシリンダ９の押圧部９ａがパターニングヘッド８を押圧する動作は、あくまでパターニングヘッド８を付勢する動作の一態様である。それゆえ、エアシリンダ９は付勢手段の一態様であって、エアシリンダ９がパターニングヘッド８に与える押圧力は、上位概念的にいえば、パターニングヘッド８を付勢する付勢力である。

さらに、水平部８ｂには、Ｚ軸粗動部７との間に自重キャンセルバネ８ｄが設けられている。自重キャンセルバネ８ｄは、Ｚ軸方向に延在する態様にて設けられており、パターニングヘッド８に対しＺ軸正方向に力（弾性力）を加えることで、パターニングツール１０、ツールホルダ８ｈ、およびパーティクルガード８ｇを含めたパターニングヘッド８の自重（Ｚ軸負方向に作用する重力）をキャンセルするようになっている。

また、パターニングヘッド８には、垂直部８ａの下端部分からＺ軸負方向に向けて、ツールホルダ８ｈの周囲を囲驍する態様にて、筒状のパーティクルガード８ｇが設けられてなる。パーティクルガード８ｇは、加工によって発生した加工くずを初めとするパーティクルが、静圧案内機構を構成するガイド７ｃとパターニングヘッド８の垂直部８ａとの間隙Δ１に入り込むことを防止する目的で設けられてなる。パーティクルガード８ｇの詳細については後述する。

なお、図１ないし図３においては、一のＺ軸粗動部７に対し一のパターニングヘッド８（およびエアシリンダ９）を設けた構成を例示しているが、一のＺ軸粗動部７に対し、Ｙ軸方向に列設させる態様にて複数のパターニングヘッド８を設ける態様であってもよい。

パターニングツール１０の一方端側には刃先１０ａが形成されてなる。刃先１０ａはパターニングツール１０の本体部分と一体に形成されている。刃先１０ａの幅は、形成しようとする加工溝の幅によっても異なるが、数十μｍ〜数百μｍ程度が好適である。

パターニングツール１０は種々の形状を取り得る。例えば、刃先１０ａに向かうに従って先細となる形状などが好適な一例である。

また、図示は省略するが、ヘッド移動機構３にはさらに、レーザー変位計が設けられる。例えば、レーザー変位計は、Ｚ軸粗動部７のＸ軸方向正側の面に付設された保持アームに保持されることによって、Ｘ軸方向においてパターニングツール１０よりも前方（正側）となる位置に配置されるのが好適である。レーザー変位計は、基板Ｗを載置したステージ２がＸ軸方向を移動する間に、基板Ｗの表面の表面形状変化を、換言すれば、局所的な凹凸（高さ位置）変化を断続的もしくは連続的に計測するために設けられる。レーザー変位計により取得されたデータ（複数の形状計測位置と当該位置における基板Ｗの高さ位置とのデータセット）は、形状データ１３ｃとして記憶部１３に記憶される（図４）。レーザー変位計としては、公知のものを適用可能である。

一方、図４に示すように、加工装置１００は、コントローラ１１と、電空レギュレータ１４と、エア供給源１５と、入力操作部２１と、表示部２２とをさらに備える。

コントローラ１１は、加工装置１００における種々の動作や演算等を担う。コントローラ１１は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭなどのコンピュータハードウェアにより実現される機能的構成要素として、加工制御部１２を備える。

またコントローラ１１は、例えばハードディスクなどからなる記憶媒体である記憶部１３を備える。記憶部１３には、加工装置１００を動作させるためのプログラム１３ａと、個々の加工を行う際の加工条件が記述された加工レシピ１３ｂと、基板Ｗの表面形状（高さ位置）のデータである形状データ１３ｃと、加工時にエアシリンダ９の押圧部９ａがパターニングヘッド８を押圧する力である押圧力を記述した押圧力データ１３ｄとが主に記憶される。プログラム１３ａがＣＰＵにおいて実行されることにより、機能的構成要素としての加工制御部１２が実現され、該加工制御部１２が機能することによって、加工装置１００の種々の動作が実現される。

加工制御部１２は、吸引手段２ａによる基板Ｗの吸引固定、駆動手段２ｂによるステージ２の移動、モータ６ｅ、７ｅによるＹ軸移動部６やＺ軸粗動部７の移動、エアシリンダ９によるパターニングヘッド８の押圧動作、エア噴出機構８ｃにおけるエア噴出動作、あるいはさらに、レーザー変位計による基板Ｗの計測など、基板Ｗに対する加工処理動作全般の制御を担う。

形状データ１３ｃは、レーザー変位計によって取得される、基板Ｗの表面の局所的な高さ位置が記述されたデータである。また、押圧力データ１３ｄは、基板Ｗを加工する際に押圧部９ａがパターニングヘッド８に与える押圧力の大きさが記述されたデータである。押圧力は、一定値として定められる態様であってもよいし、Ｘ軸に対する関数として定められる態様であってもよい。後者の場合、押圧力を、形状データ１３ｃに基づいて特定される、基板Ｗの局所的な表面形状の違いに応じて局所位置ごとに違えるようにすることも可能である。

そして、電空レギュレータ１４は、押圧部９ａがパターニングヘッド８に与える押圧力を押圧力データ１３ｄに基づいて制御する。

エア供給源１５は、静圧案内機構において垂直部８ａをガイド７ｃに対して非接触状態に保つべく、垂直部８ａから噴出させるためのエアを供給する部位である。

入力操作部２１は、加工装置１００のオペレータが加工装置１００に対して種々の操作指示やデータを入力するためのインターフェースである。また、表示部２２は、加工装置１００の処理メニューや動作状況などを表示するためのものである。なお、入力操作部２１と表示部２２がタッチパネルなどによって構成されることにより、一体化されていてもよい。

以上のような構成を有する加工装置１００においては、概略、加工レシピ１３ｂの記述内容に基づく加工制御部１２の制御によって、ステージ２に基板Ｗを吸引固定させ、かつ、パターニングツール１０の先端に備わる刃先１０ａを基板Ｗの表面に接触（当接）させた状態で、あらかじめ取得あるいは設定された形状データ１３ｃや押圧力データ１３ｄの記述内容に従って、ステージ２をＸ軸方向に移動させることにより、つまりは、パターニングツール１０を基板Ｗに対してＸ軸方向に相対的に移動させることにより、当接部分の薄膜層を剥離除去して基板Ｗに対しＸ軸方向に沿った直線状の加工溝を形成することが出来る。

例えば、パターニングヘッド８をＹ軸方向に所定ピッチで移動させる都度、ステージ２をＸ軸方向に移動させることによって、互いに平行かつ真直な直線状の複数の加工溝を形成することが出来る。

また、形成予定ラインの形状が曲線的である場合には、Ｘ軸方向へのステージ２の移動に、パターニングヘッド８のＹ軸方向への移動が重畳されるようになっていてもよい。

なお、加工を行っている間のパターニングツール１０と基板Ｗとの接触状態の維持は、エアシリンダ９による押圧によってパターニングヘッド８をＺ軸方向に動作させる（上下動させる）ことによって実現される。係る場合においては、両者のＺ軸方向における相対的な位置関係が一定に保たれるように、エアシリンダ９が与える押圧力が形状データ１３ｃに従って調整されてもよいし、押圧力をあらかじめ押圧力データ１３ｄに記述されてなる大きさで保たれるようになっていてもよい。

一方、パターニングヘッド８の水平方向における保持は、静圧案内機構によって実現される。すなわち、パターニングヘッド８は、ガイド７ｃに対し非接触な状態を保ちつつ保持されてなる。

＜静圧案内機構＞
次に、本実施の形態に係る加工装置１００が備える静圧案内機構の詳細について説明する。図５は、加工装置１００において静圧案内機構を構成するパターニングヘッド８の垂直部８ａとガイド７ｃとの要部外観斜視図である。図６は、垂直部８ａのみの要部外観斜視図である。図７は、垂直部８ａに設けられたエア噴出機構８ｃの構成を概略的に示す斜視図である。図８は、垂直部８ａを通る加工装置１００のＺＸ要部断面図である。

図５に示すように、パターニングヘッド８の垂直部８ａは、その周囲をガイド７ｃに囲驍されてなる。ただし、垂直部８ａの上端側は露出しており、その露出部分のＸ軸方向負側には、垂直部８ａの内部にエア供給源１５から供給されるエアを導入する供給孔Ｈ０が設けられてなる。供給孔Ｈ０には、他方端をエア供給源１５に接続されてなる図示しない供給管が接続される。

また、図６および図７に示すように、パターニングヘッド８の垂直部８ａのガイド７ｃに囲驍されてなる部分には、複数の噴出孔Ｈ１ａ〜Ｈ１ｈ、Ｈ２ａ〜Ｈ２ｈ、Ｈ３ａ〜Ｈ３ｈが設けられてなる。ただし、図７においては、噴出孔は黒い点として表現している。また、図７に示すように、それぞれの噴出孔は、垂直部８ａの内部で流路Ｆによって供給孔Ｈ０と接続されてなる。ただし、図７においては図示の簡単のため、流路Ｆは一点鎖線として表現している。これら供給孔Ｈ０、噴出孔Ｈ１ａ〜Ｈ１ｈ、Ｈ２ａ〜Ｈ２ｈ、Ｈ３ａ〜Ｈ３ｈ、および、流路Ｆが、垂直部８ａにおいてエア噴出機構８ｃを構成している。供給孔Ｈ０、噴出孔Ｈ１ａ〜Ｈ１ｈ、Ｈ２ａ〜Ｈ２ｈ、Ｈ３ａ〜Ｈ３ｈ、および、流路Ｆの径（内径）は、０．０１ｍｍ〜数ｍｍ程度が好適である。

図６および図７に示すように、本実施の形態においては、噴出孔は３段に分けて設けられている。Ｚ軸方向正側（供給孔Ｈ０に近い側）より１段目には噴出孔Ｈ１ａ〜Ｈ１ｈが設けられており、２段目には噴出孔Ｈ２ａ〜Ｈ２ｈが設けられて、３段目には噴出孔Ｈ３ａ〜Ｈ３ｈが設けられている。

また、噴出孔Ｈ１ａ、Ｈ２ａ、Ｈ３ａは、垂直部８ａのＸ軸方向負側の面８ａ１に設けられており、噴出孔Ｈ１ｂ、Ｈ１ｃ、Ｈ１ｄ、Ｈ２ｂ、Ｈ２ｃ、Ｈ２ｄ、Ｈ３ｂ、Ｈ３ｃ、Ｈ３ｄは、垂直部８ａのＹ軸方向正側の面８ａ２に設けられており、噴出孔Ｈ１ｅ、Ｈ２ｅ、Ｈ３ｅは、垂直部８ａのＸ軸方向正側の面８ａ３に設けられており、噴出孔Ｈ１ｆ、Ｈ１ｇ、Ｈ１ｈ、Ｈ２ｆ、Ｈ２ｇ、Ｈ２ｈ、Ｈ３ｆ、Ｈ３ｇ、Ｈ３ｈは、垂直部８ａのＹ軸方向負側の面８ａ４に設けられている。

係る噴出孔の配置は、垂直部８ａのＺ軸方向に沿った４つの面８ａ１〜８ａ４の大きさに応じて定められればよい。図６および図７に例示する本実施の形態に係る加工装置１００においては、垂直部８ａのＸ軸方向に垂直な面８ａ１および面８ａ３はＹ軸方向に垂直な面８ａ２および面８ａ４よりも小さい（細い）ことに、つまりは、垂直部８ａが上面視（ＸＹ平面視）でＸ軸方向に長手方向を有する細長い長方形状となっていることに対応して、面８ａ１および面８ａ３には噴出孔が各段１つずつのみ設けられてなり、面８ａ２および面８ａ４には噴出孔が各段３つずつ設けられてなる。垂直部８ａの形状によっては、各面に異なる個数の噴出孔が設けられてもよい。

エア噴出機構８ｃにおいては、エア供給源１５より供給されるエアが、ＸＹ正負方向に向けて、より具体的には、各方向において垂直部８ａと対向するガイド７ｃの貫通孔７ｈの内壁面に向けて、噴出される。このとき、供給孔Ｈ０を通じて供給されるエアの流量は全ての噴出孔で同じである。係る状態において垂直部８ａとガイド７ｃとの間に発生する静圧によって（それぞれの噴出孔と対向するガイド７ｃの貫通孔７ｈの内面との間に発生する静圧のバランスによって）、垂直部８ａが貫通孔７ｈと非接触な状態を保ちつつ保持される状態が実現される。

係る構成のエア噴出機構８ｃを備えることにより、本実施の形態に係る加工装置１００においては、パターニングヘッド８の垂直部８ａとガイド７ｃとの間に発生させた静圧によって、パターニングヘッド８は絶えずガイド７ｃと非接触な状態に保たれる。それゆえ、加工の際にパターニングヘッド８がＺ軸方向に上下動する場合であっても、パターニングヘッド８とガイド７ｃとの間にガイド７ｃとの間で摩擦が生じることはなく、それゆえ、パターニングツール１０の基板Ｗの表面凹凸に対する追随性、もしくは、パターニングツール１０が基板Ｗに対して与える押圧力（付勢力）の安定性が、良好に確保されるようになっている。

なお、加工時においては、垂直部８ａに対し、刃先１０ａと基板Ｗとの間に作用する摩擦力に起因したトルクがＺＸ面内に沿って作用した結果として、垂直部８ａが傾斜姿勢となることがあるが、係る場合においても、パターニングヘッド８とガイド７ｃとを非接触な状態に保つことは可能である。

＜パーティクルガード＞
次に、加工装置１００に備わるパーティクルガード８ｇについて説明する。上述のように、パーティクルガード８ｇは、パーティクルが、静圧案内機構を構成するガイド７ｃとパターニングヘッド８の垂直部８ａとの間隙Δ１に入り込むことを防止する目的で設けられてなる、ツールホルダ８ｈを囲驍する筒状の部材である。仮に、係る間隙Δ１にパーティクルが入り込んでパターニングヘッド８およびガイド７ｃに付着すると、両者が非接触状態を保てず、基板Ｗの凹凸に追随してパターニングヘッド８を上下動させることが困難となり、良好な加工が行われなくなる。本実施の形態に係る加工装置１００においては、パーティクルガード８ｇを備えることで、係る不具合の発生が防止されてなる。

具体的には、パーティクルガード８ｇは、パターニングヘッド８がその可動範囲の最上位置にあるときに、図８に示すように、その下端部がガイド７ｃとの下端部よりもＺ軸負方向に所定距離Δｈだけ突出するように設けられる。換言すれば、パーティクルガード８ｇは、その下端部の位置が、ガイド７ｃの下端部の位置よりもステージ２に（基板Ｗに）近くなるように設けられる。

また、パーティクルガード８ｇは、パターニングヘッド８の垂直部８ａの下端部からＺ軸負方向に向けて、ガイド７ｃとの間に所定の間隙Δ２を保つ態様にて設けられる。なお、図８においては図示の簡単のため、パターニングヘッド８の垂直部８ａが垂直姿勢を有する場合を例示しているが、パーティクルガード８ｇは、垂直部８ａが傾斜姿勢にある場合においても間隙Δ２が存在するように設けられる。ただし、垂直姿勢のときと傾斜姿勢のときとで間隙Δ２の大きさは異なっていてもよい。また、図８においては、垂直部８ａとガイド７ｃとの間隙Δ１と、パーティクルガード８ｇとガイド７ｃとの間隙Δ２とを、同じ大きさであるように図示しているが、これは必須の態様ではない。

パーティクルガード８ｇが備わっていることで、パターニングヘッド８の垂直部８ａとガイド７ｃとの間に静圧が発生している状態においては、矢印ＡＲ１にて示すように、Ｚ軸負方向にエアの流れが生じ、当該エアは垂直部８ａとガイド７ｃとの間から噴出する。係るエアの流れが存在することで、パターニングツール１０による加工によって基板Ｗから飛散する加工くずなどのパーティクルが、垂直部８ａとガイド７ｃとの間隙Δ１に入り込むことが好適に防止される。すなわち、本実施の形態に係る加工装置１００においては、筒状のパーティクルガード８ｇという簡単な構成要素をパターニングヘッド８の下方に設けてＺ軸負方向へのエアの流れを生じさせることで、エアパージ機構やラビリンス構造などいった複雑な構成を採用せずとも、静圧案内機構を構成するガイド７ｃとパターニングヘッド８の垂直部８ａとの間隙Δ１にパーティクルが入り込むことが、好適に防止されてなる。

また、余分なスペースを必要としないことから、パターニングヘッド８の小型化にも対応が可能である。

なお、静圧案内機構の間隙Δ１への入り込みとして主に問題となるのは、下方からの加工くずの入り込みであると考えられるが、静圧発生状態にいては、垂直部８ａの上方に向けてもエアの流れが生じていることから、加工装置１００においては、垂直部８ａの上方からのパーティクルの混入も好適に抑制されてなる。

パーティクルガード８ｇの構成材料としては、種々のものが適用可能である。例えば、樹脂や真鍮、スズ系のロウ材などの比較的軟らかい材料で形成する態様であってもよいし、ＳＵＳなどの金属や、セラミックスなどの比較的硬い材料にて形成する態様であってもよい。前者の場合、いったん付着したパーティクルが脱離しがたいことや、パーティクルが付着したものを交換清掃することが容易などのメリットがある。後者の場合、パーティクルが付着しがたい、というメリットがある。あるいは、生産性を考慮し、硬質アルマイトが表面に施されたアルミ材にてパーティクルガード８ｇを構成し、定期的に清掃する態様であってもよい。

以上、説明したように、本実施の形態に係る加工装置においては、下方にパターニングツールを備えたパターニングヘッドを、ガイドとの間に発生させた静圧によってガイドに対し非接触な状態でＺ軸方向に上下動させるようにすることで、基板に対しパターニング加工を行う際の基板の表面凹凸に対するパターニングツールの追随性、もしくは、パターニングツールが基板に対して与える押圧力（付勢力）の安定性が、良好に確保されるようになっているとともに、パターニングヘッドの下方に、ガイドとの間に間隙が形成されるようにパーティクルガードを設けることによって静圧案内時にＺ軸負方向へのエアの流れを生じさせてガイド部とパーティクルガードの間からエアを噴出させるようにすることで、エアパージ機構やラビリンス構造などいった複雑な構成を採用せずとも、静圧案内機構を構成するガイドとパターニングヘッドとの間隙にパーティクルが入り込むことが好適に防止されてなる。

１ 基台
２ ステージ
３ ヘッド移動機構
６ Ｙ軸移動部
７ Ｚ軸粗動部
７ｃ ガイド
８ パターニングヘッド
８ｃ エア噴出機構
８ｄ 自重キャンセルバネ
８ｈ ツールホルダ
８ｇ パーティクルガード
９ エアシリンダ
９ａ 押圧部
１０ パターニングツール
１０ａ 刃先
１１ コントローラ
１００ 加工装置
Ｆ （エア噴出機構の）流路
Ｈ１ａ〜Ｈ１ｈ、Ｈ２ａ〜Ｈ２ｈ、Ｈ３ａ〜Ｈ３ｈ 噴出孔
Ｗ 基板

Claims (4)

1. 薄膜層が形成された基板の前記薄膜層の一部を除去して前記基板に溝を形成する、パターニング加工を行う加工装置であって、
   先端に刃先を備えるパターニングツールと、
   鉛直方向に長手方向を有する第１の部分を有し、前記刃先を鉛直下方に向けた状態を保って前記パターニングツールを前記第１の部分の下端部において保持するパターニングヘッドと、
   前記パターニングヘッドを鉛直方向において付勢する付勢手段と、
   前記パターニングヘッドの自重をキャンセルする自重キャンセル手段と、
   前記パターニングヘッドの前記第１の部分の一部を囲驍するガイド部を有するとともに、前記パターニングヘッドの前記第１の部分の表面に設けられた複数の噴出孔のそれぞれから前記ガイド部の対向する面に向けてエアを噴出することにより、前記パターニングヘッドを前記ガイド部に対し非接触な状態にて保持しつつ前記ガイド部に沿って鉛直方向に案内する静圧案内手段と、
   前記パターニングヘッドの前記第１の部分の下方に、前記ガイド部との間に所定の間隙を有するように設けられてなるパーティクルガードと、
   を備え、
   前記静圧案内手段が前記パターニングヘッドを前記鉛直方向に案内する際に、前記パーティクルガードと前記ガイド部との間から前記エアを噴出させるようにした、
   ことを特徴とする加工装置。
2. 請求項１に記載の加工装置であって、
   前記パーティクルガードの下端部の位置が、前記ガイド部の下端部の位置よりも前記基板に近い、
   ことを特徴とする加工装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の加工装置であって、
   前記パーティクルガードが、前記パターニングヘッドが傾斜姿勢にあるときにも前記ガイド部との間に間隙が存在するように設けられる、
   ことを特徴とする加工装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の加工装置であって、
   前記パーティクルガードが、前記パターニングヘッドの前記パターニングツールを保持する部分を囲驍するように設けられる、
   ことを特徴とする加工装置。

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