JPH02298095A - 直接描画装置における基板表面計測方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、ノズルと基板とを相対移動させながら、ノ
ズルから厚膜回路形成用ペーストを吐出させて基板上に
厚膜回路を形成するようにした直接描画装置における基
板表面計測方法に関する。

（従来の技術〕 直接描画装置を用いてアルミナ基板等の耐熱性セラミッ
ク基板上に厚膜回路形成用ペースト（以下「ペースト」
という）を吐出させて所定の回路を描画した後、これを
高温焼成して厚膜回路パターンを形成することが行われ
ている。

そして、ノズルから吐出するペーストの種類によって導
電体、抵抗体、絶縁体等の種々の形状の厚膜を形成する
ことができる。

このような厚膜回路形成技術は、ハイブリッドＩＣの製
造に用いられており、高密度化、多層化の要求に応じて
絶縁体を挾んで複数の導体パターンを多層に積層する構
造のものが多用されている。

直接描画装置を用いて厚膜回路を形成するには、回路を
形成しようとする基板をＸ、Ｙ方向に移動可能なＸＹテ
ーブル上に固設し、この基板に垂直に上下に移動可能な
ペースト吐出用ノズルを設け、ノズルからペーストを吐
出しなからＸＹテーブルを予め定められたプログラムに
応じて数値制御して移動させることによって行うことが
できる。

その際、ノズルと基板との距離は数十ミクロン程度に維
持することが要求され、それよりも距離が小さくなると
形成される回路の膜厚が薄くなり、逆に大きくなると描
画ラインが途中で切れたり蛇行したりして、いずれも描
画品質が低下する。

一方、基板の素材となるセラミック板は、１インチ当り
甚だしい場合には８０μｍ近くの反りを有し、また、す
でにパターンが描画あるいは印刷されている基板では、
そのパターンが導体である場合には１０〜２０μｍ、ガ
ラス等の絶縁体である場合には４０〜５０μｍの厚みが
生じている。

したがって、このような基板に厚膜回路を描画するため
には、従来、レーザ光を利用した光学的な高さセンサを
設け、実際の描画に先立ってこの高さセンサを走査し、
基板表面の高さを全面に亘って所定のピッチで測定して
各部の高さデータをマイクロコンピュータのＲＡＭ内に
格納し、描画時に基板の凹凸状態に応じてノズルを上下
させて描画するようにしている。

第７図は、レーザスポット光を用いた三角測量方式の高
さセンサの測距原理を示すものである。

この高さセンサ１０は、小型で高出力の半導体レーザ１
１と、高分解能で高速応答性を有する半導体装置検出器
（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ　５ｅｎｓｉｔｉｖｅ　Ｄｅｖｉｃ
ｅ　：以下ｒＰＳＤＪという）１２とを組合わせたもの
であり、光源である半導体レーザ１１からのレーザ光を
投光レンズ１３によって集光して、測定すべき基板１上
にスポット光ｆ１として照射し、基板１からの反射光ｆ
２を、投光レンズ１３から所定の間隔を置いて配設した
受光レンズ１４によってＰＳＤ１２の受光面上の一点に
集光して受光させる構造になっている。

そして、基板１の矢示方向の変位によって、受光レンズ
１４で集光される反射光ｆ２の角度Ｏが変化するため、
ＰＳＤ１２上の集光スポットの重心位置、すなわち受光
位置Ｘがそれに比例して変位する。この受光位置Ｘは、
ＰＳＤ１２によって容易に検出することができる。

いま、投光レンズ１３と受光レンズ１４どの光軸間隔を
ｄ、受光レンズ１４とＰＳＤＩ２との間隔をＦとすると
、基板１までの距離りを次式によって求めることができ
る。

Ｌ＝ｄ　−Ｆ／Ｘ　　　　　　　　（１）〔発明が解決
しようとする課題〕 しかしながら、このような従来の直接描画装置における
基板表面計測方法にあって、基板上にすでに厚膜回路パ
ターンが形成されている場合には、そのパターンを形成
するベースＩ−の素材によって、基板表面の実際の高さ
計測値にその素材特有の誤差を生じ、このような実測値
をそのまま描画時の高さ制御データとして用いると、必
ずしも所期の描画品質が得られない場合があった。

すなわち、第８図に示すようにセラミックの素材からな
る基板１の表面１ａに例えば金、銀、白金、銀パラジウ
ム、銅等の金属を多量に含んだ導体パターン１０１と絶
縁ガラスからなる絶縁体パターン１０２を形成した場合
、基板表面１ａとそれぞれのパターン１０１，１０２の
表面１０１ａ。

１０２ａとの高さ計測値は図で仮想線Ｓ′で示すように
実際の表面状態（実線Ｓで示す）とは異なる結果となる
。

その理由は次のように考えられる。

導体パターン１０１の表面は極めて密で且つ平坦である
ので、第７図に示した高さセンサ１０の半導体レーザ１
１からのレーザ光はす入てその表面Ｉｏｔａから反射し
てＰＳＤ１２に達し、パターン表面１０１ａの実際の高
さＬは前述の（１）式を用いて求めることができる。

これに対し、基板１の表面１ａは細かな凹凸があって投
光されたレーザ光の一部は表面１ａの最高部から反射す
るが、他の多くはそれより低い部分から反射するので、
ＰＳＤＩ２上の集光スポットの重心位置は表面１ａの最
高部より低い面に対応する位置となり、実際の高さより
低い値が計測される。

また、絶縁体パターン１０２の場合は、素材である絶縁
ガラスの厚さが４０〜５０μＩと極めて薄く、着色ガラ
スであってもほぼ透明とみなし得るので、投光されたレ
ーザ光の入射角がガラスの臨界角（約４２度）より小さ
い場合には、パターン１０２の表面１０２ａと裏面１０
２ｂでの反射光が共にＰＳＤ１２に入射し、その集光ス
ポットの重心位置は、表面１０２ａより低い面に対応す
る位置となり、この場合にも実際の高さより低い値が計
測される。

したがって、パターンの形成されていない基板上に新た
に厚膜回路パターンを描画する場合には、高さ計測値を
一様に補正すればよいので問題が生じないが、すでに厚
膜回路パターンが形成されている場合には、そのパター
ンの素材に応じて実測した高さデータの補正量を変化さ
せなければならないという問題点があった。

この発明は、このような従来の問題点を解決し、基板上
に形成されたパターンの素材を自動的に識別し、その素
材に応じて高さデータを補正し得る直接描画装置におけ
る基板表面計測方法を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するため、この発明による直接描画装
置における基板表面計測方法は、ノズルと基板とを相対
移動させながら、予め高さセンサによって計測した基板
表面の高さデータに基いてノズルの高さを制御し、ノズ
ルからペーストを吐出させて基板上に厚膜回路を形成す
る直接描画装置において、上記高さセンサによって基板
の全表面を走査してその高さと共に反射光強度を計測し
、計測した反射光強度に応じて高さデータを、補正する
ものである。

また、高さ計測に先立ち、基板をほぼ全面に亘って走査
して複数点の反射光強度を計測し、その反射光強度の分
布状態により所定の高さ補正量を設定した後、基板の全
表面を再走査してその高さと共に反射光強度を計測し、
その反射光強度に対応する上記高さ補正量により計測し
た高さデータを補正することも可能である。

〔作　用〕

上記のような方法により、基板全表面の高さと共にその
反射光強度が計測される。

この反射光強度は、基板及び基板上に形成したパターン
の素材によってそれぞれ特定の領域内に収束することが
確認されているので、反射光強度からその素材を識別し
、予め各素材毎に実測された所定の高さ補正量を知るこ
とができる。

したがって、その補正量によって実測した高さデータを
補正してノズルを上下させるようにすれば、常に高品質
な厚膜回路パターンを描画することが可能になる。

また、高さ計測に゛先立ち、基板のほぼ全面に亘る複数
点の反射光強度を計測すれば、基板素材やペーストのロ
ット間の変動や経時変化、あるいは高さセンサの性能低
下等の理由により、反射光強度やその分布状態が高低い
ずれかの方向ヘシフトした場合にも、各素材の種類を識
別して高さデータを正確に補正することができる。

〔実施例〕

以下、添付図面の第１図乃至第６図を参照してこの発明
の詳細な説明する。

まず、第２図及び第３図によってこの発明に用いる直接
描画装置の概略を説明する。

第２図は直接描画装置の構成を示す斜視図であり、基板
１は、Ｘ、Ｙ方向に移動し得るｘｙ子テーブル上の所定
の位置に複数の位置決めピンで位置決めして固定されて
いる。

このＸＹテーブル２に対して垂直にインクペン３のノズ
ル４が配設され、モータ５によってＸＹ平面に重直なＺ
軸方向に駐動されるリニアスライダ６に保持されてノズ
ル４から基板１上にペースト７を吐出する。

装置固定部には、前述の高さセンサ１０が固設され、基
板１の高さを計測してその表面の凹凸を検出すると共に
、基板１の表面の反射光強度を計測することができ、Ｘ
Ｙテーブル２上にはこれに対応して高さデータ較正用の
光量基準片８を設けている。

第３図は上記直接描画装置の制御系を含むシステム構成
図であり、高さセンサ１０は第７図に示したものとほぼ
同様であるが、この実施例では投光Ｉノンズ１３及び受
光レンズ１４の基板１側に偏光フィルタ１５．１６をそ
れぞれの偏光軸を平行にして設け、外光による誤作動を
防止している。

そして、半導体レーザ１１からのレーザ光が投光レンズ
１３．偏光フィルタ１５を通って基板１に照射され、そ
の反射光が、偏光フィルタ１日。

受光レンズ１４を通ってＰＳＤ１２上に集光スポットと
して結像する。

ＰＳＤ１２は、その集光スポットの重心位置にその強度
に応じた電荷が発生し、その電荷による光電流の電流値
ｔｌ　Ｔ　Ｌ２が両端の電極までの距離に逆比例して出
力される。

したがって、基板１からの反射光による集光スポットの
重心位置がＰＳＤ１２の中央にある時には電流値ｔ１．
ｉ２が等しくなり、また基板１の表面と異なる高さの面
で反射された場合には、その結像点が中央からずれるの
で、そのずれ量に従って電流値Ｌ１ｐ４．２に差が生じ
る。

この時、基板１からの高さ方向の距離は（ｉｌ−ｉｚ）
／　（ｉｘ　＋ｉｚ）に比例し、ＰＳＤＩ２が受ける反
射光強度に応じた光量は（ｔｘ＋ｉｚ）に比例するので
、演算部１８．１７により距離データ及び光量データを
求めることができる。

一方、基板１を固定したＸＹテーブル２は、モータコン
トローラドライバ９によって制御されるモータ２ａ、　
２ｂに駆動されてＸ、Ｙ方向に移動し、このモータコン
トローラドライバ９によりノズル４を上下方向に駆動す
るモータ５も制御され、そのモータコントローラドライ
バ９はマイクロコンピュータ（以下「マイコン」と略称
する）２０によって制御される。

また、演算部１７．１８によって得られた光量データ及
び距離データは、１１０部２１を介してマイコン２０に
入力され、そこで後述するようにその光量データにより
距離データ（高さデータ）の補正が行われる。

そのため、ＸＹテーブル２のＸＹ方向の移動により、基
板１と相対的に移動する高さセンサ１０が基板１をライ
ン状に走査して得られる光量データ及び距離データが順
次マイコン２０内のＲＡＭに格納される。

大容量のＲＡＭあるいはハードディスク等によるメモリ
３０は、マイコン２０によって補正された高さデータを
格納する距離データマツプ格納部３１と１図示しない外
部コントローラから入力される描画データを格納する描
画データ格納部３２として使用され、ここに格納された
描画データがマイコン２０に読み込まれ、そのＸＹテー
ブル・インクベンコントロールモータ制御機ｆ７Ｉによ
り、ＸＹテーブル２の移動データ並びにインクベン３を
上下させるモータ５の制御データを処理して、そのデー
タをモータコントローラドライバ９に出力してインクベ
ン３を所定の高さに保持しながら基板１を移動させ、ノ
ズル４から基板１上にペースト７を吐出させて描画が行
われる。

なお、ノズル４からのペーストの吐出は空気圧等によっ
て制御するが、従来と同様であるのでここでは説明を省
略する。

次に、このような構成からなるこの実施例のマイコン２
０による基板表面計測処理を、第１図に示すフロー図に
従って第４図乃至第６図も参照しながら説明する。

まずステップ１で、第４図に矢示Ａで示すようにＸＹテ
ーブル２を駆動して、高さセンサ１０により基板１の表
面をほぼ全面に亘って所定のピッチで走査し、多数点（
例えば５０＋ｌ１ｌＩｌ角で２，５００点）の反射光強
度データ（光量データ）を収集（サンプリング）して内
部のＲＡＭに一時記憶する。なお、この時は高さデータ
は取得しない。

ステップ２では、この収集した反射光強度データ群の最
大値と最小値を求め、その間をｎ個（例えば３０個）に
等分する。

ステップ３では、集取した多数の反射光強度データを強
度レベル別にｎランクに分類し、その各ランクのデータ
数すなわち発生頻度Ｆを反射光強度順に並べて第５図に
示すようなヒストグラムを作成する。

このようにすると、第５図から分るように発生頻度Ｆの
高い山の部分が複数箇所（図では３箇所）に現れ、実験
の結果、これらが例えばセラミック素地、絶縁ガラス及
び導体にそれぞれ対応することが確認されている。

なお、これらの処理はソフトウェアを用いてマイコン２
０で行われるので、このようなヒストグラムを作成して
使用者に提示することは必ずしも必要としない。

ステップ４では、このようにして作成したヒストグラム
の山と山との間の谷間Ｔｔ　＋　ＴＺ　ｒ・・・・・・
を見つけてこれを材質の識別データとして記憶する。

この過程において１通常基板１に形成されている厚膜回
路パターンは、導体パターンと＃＠縁ガラスとである場
合が多いので、これに基板１の素材であるセラミック素
地を加えた３者を識別できればよく、第５図に示すよう
に谷間はＴ　１　＋　Ｔ　２の２点が検出できれば充分
である。

次に、ステップ５で高さセンサ１０により基板１の全表
面をステップ１より小さい所定のピッチで走査して、高
さデータと反射光強度データを同時に計測する。

そして、ステップ６で、反射光強度Ｔが第５図のヒスト
グラムのいずれの領域にあるか、すなわち、Ｔ＜Ｔｘ　
＋Ｔ１＜Ｔ＜ＴＺ　、ＴＺ　＜Ｔのいずれに相当するか
によって、予めマイコン２０のＲＯＭ内に格納されてい
るその各領域すなわち材質に対応する補正量を用いて高
さデータを補正し、その補正した高さデータをメモリ３
０の距離データマツプ格納部３１に格納する。

最後に、そのメモリ３０に格納した補正後の高さデータ
を用いて、モータコントローラドライバ９によりＸＹテ
ーブル２を移動させると同時にモータ５の回転を制御し
、ノズル４を上下動させて描画を行う。

ここで、ステップ５．６における高さデータ補正につい
て第６図に示す例に従って詳細に説明する。

同図で上段に示すように、セラミック素材からなる基板
１の表面１ａには、貴金属を多量に含む導体パターン１
０１と絶縁ガラスからなる絶縁体パターン１０２とが形
成されているものとする。

ステップ５において、ＸＹテーブル２を離動して、高さ
センサ１０で基板１の全表面を走査して反射光強度Ｔと
高さＨとを計測して同図の中段及び下段に示すような実
測曲線ｔ、ｈを得る。

この中段に示す反射光強度Ｔの線図に反射光強度ＴＩ及
びＴＺに相当する線を引くと、実測曲線ｔには、反射光
強度ＴがＴ＜Ｔｌ　、Ｔｔ　＜Ｔ＜ＴＺ　、ＴＺ　＜Ｔ
の３領域が存在し、予め実測されたデータから、Ｔ＜Ｔ
Ｉの領域は基板１の素材であるセラミック素地からの反
射域、Ｔｌ　＜Ｔ＜ＴＺの領域は絶縁体パターン１０２
の素材である絶縁ガラスからの反射域、ＴＺ　＜Ｔの領
域は導体パターン１０１からの反射域であると判断され
る。

そして、これらの各領域で実測した高さデータに対応す
る補正量は、予め実験により求めてマイコン２０のＲＯ
Ｍ内に格納しておく。

例えば、導体パターンの場合を基準値Ｏとして、セラミ
ック素地の場合は＋５０μｍ、ｉｎ体パターンの場合は
＋４０μ通の補正値を格納しておけば、マイコン２０内
で直ちに実測高さデータをその補正値だけ補正して補正
データｈ′を得ることができ、その補正データをメモリ
３０内の距離データマツプ格納部３１に格納する。

これにより、ステップ７ではその格納した補正後の高さ
データを用いてノズル４を上下させて描画することがで
きる。

なお、上記の実施例においては、セラミック素　。

材の基板上に形成されるパターンとして最も一般的な導
体パターンと絶縁体パターンを例にとって説明したが、
これ以外の形成可能な素材についての反射光強度とその
補正量もすべてマイコン２０のＲＯＭ内に格納して、高
さセンサ１０による反射光強度計測により自動的に補正
量を選択して、あるいは特殊な材質の場合には使用者が
図示しないキーボード等からＩ１０部２１を通じて入力
する補正値により、実測した高さデータを補正すること
も可能である。

また、上記実施例では、高さセンサによる基板全表面の
高さ測定に先立ち、ステップ１〜４で基板表面の複数点
の反射光強度を計測してヒストグラムを作成し、こわに
より各部の材質を識別してそれぞれの補正量を選択する
ようにしたが、基板に形成されているパターンの材質が
常用されているものであって、その反射光強度の分布域
が予め判明している場合には、この過程は必ずしも必要
とするものではない。

〔発明の効果〕

以上述べたように、この発明によれば基板の凹凸を計測
する高さセンサにより、高さと共にその反射光強度を計
測するので、計測した反射光強度により基板及びその表
面に形成されたパターンの材質を識別して、それぞれの
材質毎に適正な補正値で高さデータを補正することがで
き、その補正した高さデータを用いてノズルを上下動さ
せることにより、ノズルと基板表面との間隔を常に適正
に保って高品質な描画パターンを形成することが可能に
なる。

また、高さデータの検出に先立ち、基板全面の多数箇所
の反射光強度を計測して、その分布状態により反射光強
度に対する補正量を設定することにより、基板素材やペ
ース１−の四ツ１−間変動や経時変化、あるいは高さセ
ンサの性能低下等の理由により、反射光強度やその分布
状態がシフトした場合にも、高さデータを正確に補正す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による基板表面計測処理の
フロー図、 第２図はこの発明を適用した直接描画装置の外観を示す
斜視図、 第３図は同じくその制御系を含むシステム構成図、第４
図は同じくその高さセンサによる基板表面計測状態を示
す拡大斜視図、 第５図は基板表面の反射光強度の分布状態を例示するヒ
ストグラム、 第６図は高さセンサにより計測した反射光強度と高さデ
ータ補正量との関係を示す線図、第７図は高さセンサの
潤距原理を示す説明図。 第８図は基板表面の断面形状と実測した高さデータとの
関係を示す線図である。 １・・・基板　　　　　　　２・・・ＸＹテーブル３・
・・インクベン　　　　４・・・ノズル７・・・ペース
ト　　　　　１０・・・高さセンサ２０・・・マイクロ
コンピュータ ３０・・・メモリ　　　　　１０１・・・導体パターン
１０２・・・絶縁体パターン ′ｓ４図 第６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　ノズルと基板とを相対移動させながら、予め高さセ
   ンサによつて計測した基板表面の高さデータに基づいて
   ノズルの高さを制御し、ノズルからペーストを吐出させ
   て基板上に厚膜回路を形成する直接描画装置において、 前記高さセンサによつて前記基板の全表面を走査してそ
   の高さと共に反射光強度を計測し、計測した反射光強度
   に応じて高さデータを補正することを特徴とする基板表
   面計測方法。 ２　ノズルと基板とを相対移動させながら、予め高さセ
   ンサによつて計測した基板表面の高さデータに基づいて
   ノズルの高さを制御し、ノズルからペーストを吐出させ
   て基板上に厚膜回路を形成する直接描画装置において、 前記高さセンサによつて前記基板をほぼ全面に亘つて走
   査して多数点の反射光強度を計測し、その反射光強度の
   分布状態により所定の高さ補正量を設定した後、前記基
   板の全表面を再走査してその高さと共に反射光強度を計
   測し、その反射光強度に対応する前記高さ補正量により
   、計測した高さデータを補正することを特徴とする基板
   表面計測方法。