JP6723648B2

JP6723648B2 - 位置検出装置及び位置検出方法

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Publication number: JP6723648B2
Application number: JP2016146855A
Authority: JP
Inventors: 裕司岡本
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2016-07-27
Filing date: 2016-07-27
Publication date: 2020-07-15
Anticipated expiration: 2036-07-27
Also published as: JP2018017562A; TWI681265B; KR20180012710A; CN107662415B; TW201804266A; CN107662415A; KR102320369B1

Description

本発明は、位置検出装置及び位置検出方法に関する。

基板に対して描画や加工を行う際に、基板に形成されたアライメントマークを用いて基板の位置決めを行う技術が知られている。基板の両面に描画や加工を行う場合には、表裏の描画位置や加工位置を相互に合わせることが望まれる。基板の内層にアライメントマークを埋め込み、両面から１つのアライメントマークを検出することにより、表裏両面で位置決めを行うことができる。

内層のアライメントマークを両面から検出する方法として、強い光を当ててアライメントマークを浮き上がらせる方法、及びアライメントマークが露出するまで座ぐり加工を行う方法が考えられる。

下記の特許文献１に、基板の角部付近を撮像して得られた画像データに基づいて基板の位置決めを行うスクリーン印刷技術が開示されている。

特開２０１４−２０５２８６号公報

内層にアライメントマークが形成されていない基板に対しては、アライメントマークを両面から検出して基板の位置決めを行う方法を適用することができない。特許文献１には、基板の片面のみで位置決めを行う技術が開示されているがが、両面において位置決めを行う技術は開示されていない。

本発明の目的は、基板の両面において基板の位置決めを行うことができる位置検出装置及び位置検出方法を提供することである。

本発明の一観点によると、
基板を支持する支持部と、
前記支持部に支持された前記基板を撮像する少なくとも１つの撮像装置と、
処理部と
を有し、
前記処理部は、
前記支持部に支持された前記基板の角部を前記撮像装置の１つで撮像して得られた第１の画像に基づいて前記角部の位置情報を求め、
表裏反転されて前記支持部に支持された前記基板の前記角部を前記撮像装置の１つで撮像して得られた第２の画像と、前記第１の画像と、前記第１の画像に基づいて求められた前記角部の位置情報と、前記第１の画像及び前記第２の画像の一方を鏡像変換した画像と他方の画像とのパターンマッチングを行った結果とに基づいて、表裏反転された前記基板の前記角部の位置情報を求める位置検出装置が提供される。

本発明の他の観点によると、
基板の角部を、前記基板の第１の面側から撮像して第１の画像を取得し、
前記第１の画像に基づいて前記基板の前記第１の面側から見たときの前記角部の位置情報を求め、
前記基板の前記角部を前記第１の面とは反対側の第２の面側から撮像して第２の画像を取得し、
前記第１の画像と、前記第２の画像と、前記第１の画像に基づいて求められた前記基板の前記角部の位置情報と、前記第１の画像及び前記第２の画像の一方を鏡像変換した画像と他方の画像とのパターンマッチングを行った結果とに基づいて、前記基板の前記第２の面側から見たときの前記角部の位置情報を求める位置検出方法が提供される。

基板の角部を撮像して得られた第１の画像、表裏反転された基板の同一の角部を撮像して得られた第２の画像、及び第１の画像に基づいて求められた基板の位置情報に基づいて、表裏反転された前記基板の位置情報を求めるため、基板の両面において角部を共通の基準点とすることができる。第１の画像と第２の画像とを別々に画像解析して角部の位置を検出する方法に比べて、基板の両面における共通の基準点のずれを少なくすることができる。

図１Ａは、実施例による位置検出装置の概略斜視図であり、図１Ｂは、基板の表裏を反転させる手順を示す図であり、図１Ｃは、実施例による位置検出装置の基板反転後の概略斜視図である。図２Ａは、基板の角部及びその周囲の第１の画像の一例を示す図であり、図２Ｂは、基板の角部及びその周囲の第２の画像の一例を示す図である。図３は、第１の画像と第２の画像とに基づいて、基板の角部の位置を検出する方法を説明するための図である。図４は、マッチングエラーが生じる例を説明するための図である。図５Ａ及び図５Ｂは、それぞれ撮像装置によって撮像される基板内の一部分の断面図である。図６は、他の実施例による膜形成装置の概略正面図である。図７は、図６に支援した実施例で用いられる基板の平面図であり、図７Ｂは、図７Ａの一点鎖線７Ｂ−７Ｂにおける断面図である。図８は、図６に支援した実施例で用いられる基板にエッチング用のレジストパターンを形成する方法のフローチャートである。

図１Ａ〜図４を参照して実施例による位置検出装置及び位置検出方法について説明する。

図１Ａは、実施例による位置検出装置の概略斜視図である。本実施例による位置検出装置は、支持部１０、撮像装置１１Ａ、１１Ｂ、処理部１２、及び記憶部１３を含む。支持部１０は、その上面（支持面）に処理対象の基板５０を支持する。撮像装置１１Ａは支持部１０の支持面上の撮像範囲１５Ａ内を撮像し、画像データを取得する。撮像装置１１Ｂは支持部１０の支持面上の他の範囲を撮像し、画像データを取得する。処理部１２が記憶部１３に格納されている処理プログラムを実行することにより、位置検出の機能が実現される。記憶部１３には、処理プログラムの他に、撮像装置１１Ａ、１１Ｂで取得された画像データや、処理部１２の処理結果である座標データ等が格納される。基板５０の平面形状は、複数の角部を持つ。

次に、図１Ａに示した位置検出装置を用いて基板５０の位置を検出する方法について説明する。

まず、図１Ａに示すように、基板５０を支持部１０の支持面に支持させ、１つの角部５１が撮像範囲１５Ａに納まるように基板５０と撮像装置１１Ａとの相対位置を調整する。この調整では、処理部１２からの指令により、支持部１０を移動させてもよいし、撮像装置１１Ａを移動させてもよい。この状態で、撮像装置１１Ａが基板５０の角部５１を含む領域を撮像する。処理部１２は、撮像装置１１Ａで取得された画像（以下、第１の画像５５という。）を取り込む。処理部１２は、撮像装置１１Ａから取り込んだ第１の画像５５の画像データを記憶部１３に格納する。

図２Ａに、第１の画像５５の一例を示す。第１の画像５５は、基板５０の角部５１を内部に含んでいる。処理部１２（図１Ａ）は、第１の画像５５の画像解析を行うことにより、撮像範囲１５Ａ内における角部５１の位置を検出する。以下、位置検出手順の一例について説明する。

処理部１２は、まず、基板５０の輪郭を抽出する。その後、角部５１を挟む一対の縁をそれぞれ直線で近似する。近似により得られた２本の直線の交点の座標を角部５１の座標とする。角部５１の座標、及び支持部１０と撮像装置１１Ａとの相対位置関係とに基づいて、角部５１の位置情報（例えば、支持部１０に対して固定されたアライメント座標系における座標）を求める。同様に少なくとももう一つ角部の位置情報を求めることにより、基板５０の面内方向に関する位置及び姿勢を決定する。処理部１２（図１Ａ）は、算出された角部５１及びその他の角部の位置情報を記憶部１３（図１Ａ）に格納する。

基板５０の位置及び姿勢を決定した後、基板５０の上方を向いている面（以下、第１の面という。）に対して処理を行う。この処理は、例えば、所望のパターンを有する膜を形成する処理である。

次に、図１Ｂに示すように、基板５０の表裏を反転させて支持部１０の支持面に支持させる。これにより、基板５０の第１の面とは反対側の第２の面が上方を向く。

図１Ｃに示すように、基板５０の角部５１が撮像装置１１Ｂの撮像範囲１５Ｂに納まるように基板５０と撮像装置１１Ｂとの相対位置を調整する。この調整では、処理部１２からの指令により、支持部１０を移動させてもよいし、撮像装置１１Ｂを移動させてもよい。この状態で、撮像装置１１Ｂが基板５０の角部５１を含む領域を撮像する。処理部１２は、撮像装置１１Ｂで取得された画像（以下、第２の画像５６という。）を取り込む。

図２Ｂに、撮像装置１１Ｂで撮像された第２の画像５６の一例を示す。第２の画像５６は、基板５０の角部５１及びその周囲を含んでいる。図２Ａに示した第１の画像５５では、基板５０が画像全体の左下の領域に現れていたが、図２Ｂに示した例では、基板５０が表裏反転されているため、基板５０が画像全体の右下の領域に現れている。

処理部１２は、第１の画像５５（図２Ａ）、第２の画像５６（図２Ｂ）、及び第１の画像５５内の基板５０の角部５１の座標に基づいて、第２の画像５６内における角部５１の座標を求める。以下、図３を参照して、表裏反転された基板５０の角部５１の位置情報を求める方法について説明する。

図３に示すように、第１の画像５５を鏡像変換することにより第１の反転画像５５ａを得る。第１の反転画像５５ａから、基板５０及び角部５１を含む一部の画像を切り出してテンプレート５５ｂを得る。第２の画像５６とテンプレート５５ｂとのパターンマッチングを行う。類似度が最大となるときのテンプレート５５ｂにおける角部５１の座標に基づいて、第２の画像５６内の角部５１の座標を算出する。テンプレート５５ｂにおける角部５１の座標は、図２Ａを参照して説明した方法で算出済である。

第２の画像５６における角部５１の座標から、角部５１の位置情報（例えば、アライメント座標系における座標）を求める。同様に、少なくとももう一つの角部の位置情報を求めることにより、表裏反転させた基板５０の位置及び姿勢を決定する。

基板５０のアライメント座標系における位置及び姿勢を決定した後、基板５０の上方を向いている第２の面に対して処理を行う。この処理は、例えば、所望のパターンを有する膜を形成する処理である。

次に、図４を参照して、マッチングエラーが生じ得る例について説明する。

図４に示すように、第１の画像５５において基板５０が占める領域の面積が第２の画像５６において基板５０が占める領域の面積より大きい場合、第２の画像５６における基板５０が占める領域に、テンプレート５５ｂが収まらなくなる。このため、パターンマッチング処理において、類似度の高い解が得られなくなり、マッチングエラーが発生する。

マッチングエラーが発生した場合には、処理部１２（図１Ｃ）が支持部１０及び撮像装置１１Ｂの少なくとも一方を移動させて、第２の画像５６（図２Ｂ）において基板５０が占める割合を大きくする。その後、図３に示したパターンマッチング方法を実行することにより、パターンマッチング処理において正常な解を得ることができる。

次に、図１Ａ〜図５Ｂに示した実施例による位置検出装置及び位置検出方法の優れた効果について説明する。

本実施例では、基板５０の第１の面に対する処理と第２の面に対する処理とを行う際に、共通の角部５１等をアライメント基準点として用いて位置決めを行う。このため、第１の面に形成する膜と第２の面に形成する膜との位置合わせを行うことができる。基板５０にはアライメントマークを形成する必要がない。

基板５０の縁は、幾何学的に厳密な直線であるとは限らない。このため、例えば図２Ａに示した第１の画像５５内の基板５０の輪郭線を直線近似して角部５１の座標を求める場合、輪郭線の長さが異なると、算出された角部５１の座標も異なってしまう可能性がある。図２Ｂに示した第２の画像５６内の基板５０の輪郭線の交点に基づいて求まる角部５１と、図２Ａの第１の画像５５内の基板５０の輪郭線の交点に基づいて求まる角部５１とは、基板５０上の同一点にならない可能性が出てくる。両者が同一点ではない場合、第１の面に対して処理を行うときの基準位置となる角部５１と、第２の面に対して処理を行うときの基準位置となる角部５１とが、厳密に一致しないことになる。その結果、第１の面に形成する膜と第２の面に形成する膜との相対的位置関係が目標とする関係からずれてしまう。

上記実施例では、図２Ｂに示した第２の画像５６内の基板５０の角部５１の座標を求める際に、図３に示したように第１の画像５５と第２の画像５６とに基づくパターンマッチング手法を用いる。より詳細には、第２の画像５６の角部５１の座標を、第２の画像５６の輪郭線の交点の座標から求めるのではなく、第１の画像５５の輪郭線の交点の座標と、パターンマッチング結果とに基づいて求める。このため、基板５０の表裏の反転を行う前後において、画像解析により決定される角部５１が基板５０上のほぼ同一点であることが保証される。これにより、第１の面に形成する膜と第２の面に形成する膜との位置ずれを抑制することができる。

次に、図５Ａ及び図５Ｂを参照して、撮像装置１１Ａ、１１Ｂの好ましい被写界深度について説明する。図５Ａ及び図５Ｂは、それぞれ撮像装置１１Ａ、１１Ｂによって撮像される基板５０内の一部分の断面図である。

図５Ａ及び図５Ｂに示すように、基板５０の端面５７は必ずしも両側の表面に対して垂直であるとは限らない。図５Ａに示した例では、撮像装置１１Ａの撮像範囲１５Ａ（図１Ａ）内の端面５７が斜め下方を向くように傾斜している。この基板５０の表裏を反転させると、撮像装置１１Ｂの撮像範囲１５Ｂ（図１Ｃ）内の端面５７は斜め上方を向くこととなる。撮像装置１１Ａ及び１１Ｂは、支持部１０に支持された基板５０の上面及び下面の両方を被写界深度ＤＦの範囲内に含む。

このように被写界深度ＤＦを設定することにより、基板５０の表裏を反転させても、常に撮像装置１１Ａ、１１Ｂで最も外周の縁にピントを合わせることができる。これにより、第１の画像５５から求まる角部５１と、第１の画像５５と第２の画像５６とに基づくパターンマッチング処理によって求まる角部５１とが、ほぼ同一点であることが保証される。

次に、上記実施例の種々の変形例について説明する。

上記実施例では、図１Ａに示した撮像工程で第１の画像５５（図２Ａ）を取得する撮像装置１１Ａ、及び図１Ｃに示した撮像工程で第２の画像５６（図２Ｂ）を取得する撮像装置１１Ｂを準備した。２つの撮像装置１１Ａ、１１Ｂを準備する代わりに１つの撮像装置１１Ａを移動させることにより、１つの撮像装置１１Ａで第１の画像５５（図２Ａ）と第２の画像５６（図２Ｂ）とを取得してもよい。

また、上記実施例では、図３に示したパターンマッチング処理において、第１の画像５５を反転（鏡像変換）させ、第２の画像５６からテンプレート５６ａを切り出したが、第１の画像５５を反転させることなく、第２の画像５６を反転させて、反転させた第２の画像からテンプレートを切り出してもよい。その他に、第１の画像５５からテンプレートを切り出し、このテンプレートと第２の画像５６を反転させた画像とのパターンマッチング処理を行ってもよいし、第１の画像５５を反転させた画像からテンプレートを切り出し、このテンプレートと第２の画像５６とのパターンマッチング処理を行ってもよい。

上記実施例では、基板５０の少なくとも２つの角部の位置情報を得ることにより、基板５０の位置及び姿勢を求めたが、３か所以上の角部の位置情報を求めてもよい。位置検出対象の角部を増やすことにより、位置検出の精度を高めることができる。

上記実施例では、図２Ａに示した第１の画像５５内における基板５０の角部５１の座標を求める際に、基板５０の輪郭線を検出したが、その他に、第１の画像５５と参照画像とのパターンマッチング処理を行って角部５１の座標を求めてもよい。

上記実施例では、図５Ａ及び図５Ｂに示したように、撮像装置１１Ａ、１１Ｂとして、被写界深度ＤＦの範囲内に基板５０の上面と下面とが納まるような特性を持つものを用いた。この構成に代えて、撮像装置１１Ａ、１１Ｂとして、被写界深度ＤＦが基板５０の厚さより浅く、オートフォーカス機能を持ったものを用いてもよい。基板５０の端面が傾斜している場合、より外側の縁にオートフォーカスするように撮像装置１１Ａ、１１Ｂを制御すればよい。

次に、図６〜図８を参照して、他の実施例について説明する。以下の実施例では、図１Ａ〜図５Ｂに示した実施例による位置検出装置がインクジェット型の膜形成装置に適用される。

図６は、本実施例による膜形成装置の概略正面図である。基台２０に移動機構２１を介してステージ２３が支持されている。ステージ２３は、図１Ａ及び図１Ｃに示した実施例の支持部１０に相当する。ステージ２３の上面（支持面）に基板５０が支持される。移動機構２１は、ステージ２３を支持面に平行な２次元方向に移動させることにより、基板５０を２次元方向に移動させることができる。移動機構２１及びステージ２３に、例えばＸＹステージを用いることができる。通常、ステージ２３の支持面は水平に保たれる。

ステージ２３に支持された基板５０の上方に複数のインクジェットヘッド２６及び複数の撮像装置１１Ａ、１１Ｂが配置されている。インクジェットヘッド２６及び撮像装置１１Ａ、１１Ｂは、門型フレーム２４により基台２０に支持されている。撮像装置１１Ａ、１１Ｂは、それぞれ昇降機構１６Ａ、１６Ｂにより昇降可能である。インクジェットヘッド２６の各々に複数のノズル孔が設けられている。ノズル孔から基板５０に向けて膜材料の液滴が吐出される。撮像装置１１Ａ、１１Ｂは、ステージ２３に支持された基板５０の一部分を撮像し、取得された２次元画像の画像データを制御装置３０に送信する。制御装置３０が、図１Ａ、図１Ｃに示した実施例の処理部１２の機能を有する。さらに、制御装置３０は、昇降機構１６Ａ、１６Ｂを制御して撮像装置１１Ａ、１１Ｂを昇降させることにより、撮像装置１１Ａ、１１Ｂのピント位置を調整することができる。

基板５０に付着した液状の膜材料を硬化させることにより膜を形成することができる。膜材料として、光硬化性の樹脂、熱硬化性の樹脂等を用いることができる。インクジェットヘッド２６の側方に、基板５０に付着した膜材料を硬化させる光源または熱源が配置されている。

制御装置３０が移動機構２１によるステージ２３の移動、及びインクジェットヘッド２６のノズル孔からの膜材料の吐出を制御する。制御装置３０は記憶装置３１を含み、記憶装置３１に、形成すべき膜のパターンデータが格納されている。制御装置３０がパターンデータに基づいて移動機構２１及びインクジェットヘッド２６を制御することにより、基板５０に所望のパターンの膜を形成することができる。

入力装置３５から制御装置３０に、種々のコマンドやデータが入力される。入力装置３５には、例えばキーボード、ポインティングデバイス、ＵＳＢポート、通信装置等が用いられる。出力装置３６に、膜形成装置の動作に関する種々の情報が出力される。出力装置３６には、例えば液晶ディスプレイ、スピーカ、ＵＳＢポート、通信装置等が用いられる。

次に、図７Ａ及び図７Ｂを参照して処理対象の基板５０について説明する。

図７Ａは、基板５０の平面図であり、図７Ｂは、図７Ａの一点鎖線７Ｂ−７Ｂにおける断面図である。基板５０は絶縁性の支持基板６１と、その両面に設けられた導電膜６２、６３を含む。支持基板６１として、例えばセラミック基板が用いられる。導電膜６２、６３として、例えば銅箔が用いられる。導電膜６２、６３の外周は支持基板６１の外周よりもやや内側に配置されており、支持基板６１の表面には、支持基板６１の縁の近傍（外周線の内側）に導電膜６２、６３が設けられていない枠状の領域が確保されている。

次に、図８を参照して基板５０にエッチング用のレジストパターンを形成する方法について説明する。

図８は、基板５０にエッチング用のレジストパターンを形成する方法のフローチャートである。まず、ステップＳ１において基板５０をステージ２３の保持面に置き、真空チャック等で固定する。ステップＳ２において、基板５０の位置を検出する。この工程では、図１Ａ及び図２Ａを参照して説明した方法と同様の方法で基板５０の位置検出を行う。

次に、ステップＳ３において、基板５０を移動させながらインクジェットヘッド２６（図６）からレジスト材料を吐出させて、基板５０の上方を向く面（第１の面）にレジストパターンを形成する。

ステップＳ４において、ステージ２３に支持されている基板５０の表裏を反転させる。ステップＳ５において、基板５０の位置を検出する。この検出工程では、図１Ｃ及び図３を参照して説明した方法、すなわちパターンマッチング処理を利用する方法を適用する。ステップＳ６において、基板５０を移動させながらインクジェットヘッド２６（図６）からレジスト材料を吐出させて、基板５０の上方を向く面（第２の面）にレジストパターンを形成する。その後、レジストパターンをエッチングマスクとして用いて、導電膜６２、６３をエッチングする。エッチング後、レジストパターンを除去する。

基板５０の第１の面に対する処理と第２の面に対する処理とで、共通の角部を位置決めの基準として用いるため、第１の面及び第２の面に形成するレジストパターンを相互に高精度に位置合わせすることができる。

次に、撮像装置１１Ａ、１１Ｂの被写界深度が基板５０の厚さより浅い場合について説明する。図５Ａに示したように基板５０の端面が傾斜している場合、より外側の縁にピントを合わせるために、基板５０の上面を被写界深度の範囲に収めなければならない。図５Ｂに示したように基板５０の端面が傾斜している場合には、基板５０の下面を被写界深度の範囲に収めなければならない。制御装置３０は、基板５０のより外側の縁が被写界深度の範囲に収まるように、昇降機構１６Ａ、１６Ｂを制御する。これにより、図５Ａ、図５Ｂのいずれの場合でも、基板５０のより外側の縁にピントを合わせることができる。このように、制御装置３０、及び昇降機構１６Ａ、１６Ｂは、撮像装置１１Ａ、１１Ｂを基板５０の上面及び下面の縁のうち、より外側に位置する縁にフォーカスさせるオートフォーカス機構として機能する。

上述の各実施例は例示であり、異なる実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。複数の実施例の同様の構成による同様の作用効果については実施例ごとには逐次言及しない。さらに、本発明は上述の実施例に制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

１０支持部
１１Ａ、１１Ｂ撮像装置
１２処理部
１３記憶部
１５Ａ、１５Ｂ撮像範囲
１６Ａ、１６Ｂ昇降機構
２０基台
２１移動機構
２３ステージ
２４門型フレーム
２６インクジェットヘッド
３０制御装置
３１記憶装置
３５入力装置
３６出力装置
５０基板
５１基板の角部
５５基板の角部及びその周囲の画像（第１の画像）
５５ａ第１の反転画像
５５ｂテンプレート
５６基板の角部及びその周囲の画像（第２の画像）
５７端面
６１支持基板
６２、６３導電膜
ＤＦ被写界深度

Claims

基板を支持する支持部と、
前記支持部に支持された前記基板を撮像する少なくとも１つの撮像装置と、
処理部と
を有し、
前記処理部は、
前記支持部に支持された前記基板の角部を前記撮像装置の１つで撮像して得られた第１の画像に基づいて前記角部の位置情報を求め、
表裏反転されて前記支持部に支持された前記基板の前記角部を前記撮像装置の１つで撮像して得られた第２の画像と、前記第１の画像と、前記第１の画像に基づいて求められた前記角部の位置情報と、前記第１の画像及び前記第２の画像の一方を鏡像変換した画像と他方の画像とのパターンマッチングを行った結果とに基づいて、表裏反転された前記基板の前記角部の位置情報を求める位置検出装置。
前記撮像装置は、前記支持部に支持された前記基板の上面及び下面の両方を被写界深度の範囲内に含む請求項１に記載の位置検出装置。
さらに、撮像装置を基板の上面及び下面の縁のうち、より外側に位置する縁にフォーカスさせるオートフォーカス機構を有する請求項１に記載の位置検出装置。
前記第１の画像及び前記第２の画像は、前記基板の前記角部を内部に含む領域の画像である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の位置検出装置。
基板の角部を、前記基板の第１の面側から撮像して第１の画像を取得し、
前記第１の画像に基づいて前記基板の前記第１の面側から見たときの前記角部の位置情報を求め、
前記基板の前記角部を前記第１の面とは反対側の第２の面側から撮像して第２の画像を取得し、
前記第１の画像と、前記第２の画像と、前記第１の画像に基づいて求められた前記基板の前記角部の位置情報と、前記第１の画像及び前記第２の画像の一方を鏡像変換した画像と他方の画像とのパターンマッチングを行った結果とに基づいて、前記基板の前記第２の面側から見たときの前記角部の位置情報を求める位置検出方法。