JPH0795623B2

JPH0795623B2 - 直接描画装置における基板表面計測方法

Info

Publication number: JPH0795623B2
Application number: JP1119885A
Authority: JP
Inventors: 克彦田口
Original assignee: ジューキ株式会社
Priority date: 1989-05-12
Filing date: 1989-05-12
Publication date: 1995-10-11
Anticipated expiration: 2010-10-11
Also published as: JPH02298095A

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ツ
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つて導
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、ハイブリツド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
ながら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つて行うことができ
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ツク板は、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。

したがつて、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、実際の描画に先立つてこの高さセンサを走査し、
基板表面の高さを全面に亘つて所定のピツチで測定して
各部の高さデータをマイクロコンピユータの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、レーザスポツ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11
と、高分解能で高速応答性を有する半導体位置検出器
（Position Sensitive Device:以下「PSD」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によつて集光して、測定
すべき基板１上にスポツト光f₁として照射し、基板１か
らの反射光f₂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によつてPSD12の受光面上の一点
に集光して受光させる構造になつている。

そして、基板１の矢示方向の変位によつて、受光レンズ
14で集光される反射光f₂の角度θが変化するため、PSD1
2上の集光スポツトの重心位置、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
よつ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との光軸間隔をd,受
光レンズ14とPSD12との間隔をＦとすると、基板１まで
の距離Ｌを次式によつ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つて、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
するペーストの素材によつて、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つた。

すなわち、第８図に示すようにセラミツクの素材からな
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11から
のレーザ光はすべてその表面101a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は細かな凹凸があつて投光
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、PS
D12上の集光スポツ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40〜50μｍと極めて薄く、着色ガラスであ
つ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102bでの反射光が共
にPSD12に入射し、その集光スポツトの重心位置は、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。

したがつて、パターンの形成されていない基板上に新た
な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つた。

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〕

この発明は上記の目的を達成するため、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ける基板表面計測方法にお
いて、上記高さセンサによつて上記基板の全表面を走査
してその高さデータと反射光強度データを同時に収集
し、収集した反射光強度データが基板上に形成されたパ
ターンの各素材に対応して強度レベル別に分割される複
数の領域のいずれに該当するかを識別し、識別された領
域に対応して予め設定された高さデータ補正量に応じて
上記高さデータを補正する直接描画装置における基板表
面計測方法を提供するものである。

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ける基板表
面計測方法において、上記高さセンサによつて上記基板
表面をほぼ全面に亘つて走査して多数点の反射光強度デ
ータを収集し、収集した反射光強度データを上記基板上
に形成されたパターンの各素材に対応して強度レベル別
に複数の領域に分割しそれぞれの領域の高さデータ補正
量を設定した後、上記高さセンサによつて上記基板の全
表面を再走査してその高さデータと反射光強度データを
同時に収集し、その反射光強度データに対応する上記高
さデータ補正量に応じて上記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、基板全表面の高さデータと共
にその反射光強度データが収集される。

この反射光強度データは、基板及び基板上に形成したパ
ターンの素材によつ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、反射光強度データからその
素材を識別し、予め各素材毎に実測された所定の高さデ
ータ補正量を知ることができる。

したがつて、その高さデータ補正量によつて実測した高
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
の反射光強度データを収集すれば、基板素材やペースト
のロツ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、反射光強度データやその分布状
態が高低いずれかの方向へ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
の実施例を説明する。

まず、第２図及び第３図によつ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テーブル２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によつてXY平面に垂直なＺ軸方
向に駆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、XY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レンズ13及び受光レン
ズ14の基板１側に偏光フイルタ15,16をそれぞれ偏光軸
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1
3、偏光フイルタ15を通つて基板１に照射され、その反
射光が、偏光フイルタ16,受光レンズ14を通つてPSD12上
に集光スポツトとして結像する。

PSD12は、その集光スポツ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i₁,i
₂が両端の電極までの距離に逆比例して出力される。

したがつて、基板１からの反射光による集光スポツトの
重心位置がPSD12の中央にある時には電流値i₁,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
れ量に従つて電流値i₁,i₂に差が生じる。

この時、基板１からの高さ方向の距離は（i₁−i₂）／
（i₁＋i₂）に比例し、PSD12が受ける反射光強度に応じ
た光量は（i₁＋i₂）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によつ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
クロコンピユータ（以下「マイコン」と略称する）20に
よつて制御される。

また、演算部17,18によつて得られた光量データ及び距
離データは、I/O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あるいはハードデイスク等によるメモリ30
は、マイコン20によつ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、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・インクペ
ンコントロールモータ制御機能により、XYテーブル２の
移動データ並びにインクペン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に出力してインクペン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つ
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20
による基板表面計測処理を、第１図に示すフロー図に従
つて第４図乃至第６図も参照しながら説明する。

まずステツプ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
ほぼ全面に亘つて所定のピツチで走査し、多数点（例え
ば50mm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。

ステツプ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。

ステツプ３では、集収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、実際
の結果、これらが例えばセラミツク素地，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エアを用いてマイコン20
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。

ステツプ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T₁,T₂,……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、通常基板１に形成されている厚膜回
路パターンは、導体パターンと絶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ツク素地
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T₁,T₂の２点が検出できれば充分である。

次に、ステツプ５で高さセンサ10により基板１の全表面
をステツプ１より小さい所定のピツチで走査して、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、ステツプ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＜T₁,T₁
＜Ｔ＜T₂,T₂＜Ｔのいずれに相当するかによつて、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30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、ステツプ5,6における高さデータ補正について
第６図に示す例に従つて詳細に説明する。

同図で上段に示すように、セラミツ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101
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。

ステツプ５において、XYテーブル２を駆動して、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T₁及び
T₂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＜T₁,T₁＜Ｔ＜T₂,T₂＜Ｔの３領域が存在し、予め
実測されたデータから、Ｔ＜T₁の領域は基板１の素材で
あるセラミツク素地からの反射域、T₁＜Ｔ＜T₂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、T₂＜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ROM内
に格納しておく。

例えば、導体パターンの場合を基準値０として、セラミ
ツク素地の場合は＋50μｍ、絶縁体パターンの場合は＋
40μｍ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、ステツプ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、セラミツク素材の基板
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つて説明したが、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I/O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、ステツプ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、これに
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つて、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、高さデータと共にその反射光強
度データを収集するので、収集した反射光強度データに
より基板及びその表面に形成されたパターンの素材を識
別して、それぞれの素材毎に適正な高さデータ補正値で
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つて高品質な描画パ
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
の反射光強度データを収集して、その分布状態により反
射光強度データに対する補正量を設定することにより、
基板素材やペーストのロツト間変動や経時変化、あるい
は高さセンサの性能低下等の理由により、反射光強度デ
ータ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図は高さセンサの測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……インクペン、４……ノズル７……ペースト、10……高さセンサ 20……マイクロコンピユータ 30……メモリ、101……導体パターン 102……絶縁体パターン

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項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
おける基板表面計測方法において、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
の高さデータと反射光強度データを同時に収集し、収集
した反射光強度データが基板上に形成されたパターンの
各素材に対応して強度レベル別に分割される複数の領域
のいずれに該当するかを識別し、識別された領域に対応
して予め設定された高さデータ補正量に応じて前記高さ
データを補正することを特徴とする直接描画装置におけ
る基板表面計測方法。
【請求項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
おける基板表面計測方法において、前記高さセンサによつて前記基板表面をほぼ全面に亘つ
て走査して多数点の反射光強度データを収集し、収集し
た反射光強度データを前記基板上に形成されたパターン
の各素材に対応して強度レベル別に複数の領域に分割し
それぞれの領域の高さデータ補正量を設定した後、前記
高さセンサによつて前記基板の全表面を再走査してその
高さデータと反射光強度データを同時に収集し、その反
射光強度データに対応する前記高さデータ補正量に応じ
て前記高さデータを補正することを特徴とする直接描画
装置における基板表面計測方法。