CN109541892A - 曝光方法以及曝光装置 - Google Patents

Abstract

一种曝光方法以及曝光装置。提供一种能够实现比曝光装置的曝光位置的定位精度高的曝光位置精度的曝光方法。曝光方法包括以下步骤：(1)根据曝光掩模和工件的相对的位置关系来计算工件上的曝光位置；(2)将即使曝光位置偏离工件上的目标曝光位置也容许图案的投影的范围设定为曝光位置范围；(3)执行如下的曝光控制：在所述曝光位置进入所述曝光位置范围的情况下向曝光掩模照射曝光光，在所述曝光位置偏离曝光位置范围的情况下使曝光光停止，其中，使用曝光光的所述曝光控制来将曝光掩模上的图案投影到工件上。

Description

曝光方法以及曝光装置

技术领域

本发明涉及一种使用了光刻技术的半导体、标尺等的制造技术。

背景技术

通常，基于曝光装置的工件上的曝光位置的精度由曝光装置的定位精度决定。因此，曝光装置构成为使用能够降低摩擦力的非接触的空气静压引导或使用能够提高进给机构的刚性的直线电动机来获得高的定位精度。

与电路图案的细微化对应地，光刻技术逐年进步，但曝光装置的定位精度的水平提高却逐年变得困难重重。

在非专利文献1中介绍了一种基于曝光中的台的位置的概率分布来评价定位精度的评价方法，作为使曝光位置的定位精度劣化的主要原因，第一个列举的是在曝光中存在微小振动。另外，存在以下倾向：曝光时间越短，定位精度越差。这被设为使曝光位置的定位精度劣化的第二个主要原因、即步进动作后的残余振动的影响。

在专利文献1中，关于曝光装置的控制方法，提出了如下一种方法：即使在曝光装置的残余振动中，也对于工件实现在准确的位置处的曝光。专利文献1的曝光装置具备：作为移动体的曝光单元、检测曝光单元的位置的位置传感器以及基于来自该位置传感器的信号来设定曝光单元的曝光开始时间的控制电路。控制电路预测曝光单元的残余振动中的位置与目标位置交叉的定时，以从该定时起倒回需要的曝光时间的一半时间后开始曝光的方式设定曝光开始时间。由此，以曝光的目标位置为中心设定曝光时间。换句话说，在经过曝光时间的一半时间的定时，曝光单元通过目标位置。由此，说明即使在残余振动中也能够进行针对工件上的目标位置的曝光。

专利文献1：日本特开2006-216852号公报

非专利文献1：“ステッパの新露光方式と位置決め技術的改新：步进器的新曝光方式与定位技术的革新”，精密工学会志，Vol.61(1995)No.12，P1676-1680

发明内容

发明要解决的问题

在专利文献1记载的控制方法中，在经过曝光时间的一半时间的定时，正在进行残余振动的曝光单元通过工件上的目标位置，因此即使在残余振动中也能够在目标位置曝光。但是，曝光单元的残余振动根据装置的状态(个体差异、温度/经年变化等)发生变化，因此曝光范围与残余振动的振幅、频率的变化相应地变宽或变窄。

发明人致力于提高基于曝光装置的曝光位置的精度，使得曝光装置无论以怎样的方式受到包括残余振动在内的定位的影响，该曝光位置都进入规定范围内。即，本发明的目的在于，提供一种无论以怎样的方式受到包括曝光装置的残余振动在内的定位的影响、都能够以比曝光装置的定位精度高的水平使曝光位置进入工件上的规定范围的曝光方法以及曝光装置。

用于解决问题的方案

(1)基于曝光掩模、工件间的位置关系的曝光控制的方法

为了解决上述问题，本发明所涉及的曝光方法是一种使用曝光光将曝光掩模上的图案投影到工件上的曝光方法，该曝光方法的特征在于，包括以下步骤：

曝光位置计算步骤，根据所述曝光掩模和所述工件的相对的位置关系来计算工件上的曝光位置；

曝光位置范围设定步骤，将所述工件上的包括目标曝光位置的规定的范围设定为曝光位置范围，该规定的范围是即使所述曝光位置偏离所述目标曝光位置也容许所述图案的投影的范围；以及

曝光控制步骤，根据曝光控制信号执行曝光控制，所述曝光控制信号在所述曝光位置计算步骤中计算出的所述曝光位置进入在所述曝光位置范围设定步骤中设定的所述曝光位置范围的情况下，指示执行曝光光向所述曝光掩模的照射，在所述曝光位置偏离所述曝光位置范围的情况下，指示停止所述曝光光的照射，

其中，使用所述曝光控制来使曝光光照射规定的曝光时间。

在此，优选的是，用一维的坐标、二维的坐标或三维的坐标来表示所述曝光掩模的位置的信息和所述工件的位置的信息，

利用与所述曝光掩模及所述工件相同的维数或该维数以下的维数的坐标来设定所述曝光位置范围的信息。

优选的是，在所述曝光位置计算步骤中，按规定的计算周期计算所述曝光位置，并且基于到当前为止的曝光位置的时间序列信息来计算设定时间后的估计曝光位置，

在所述曝光控制步骤中，基于所述曝光位置和所述估计曝光位置中的至少一方执行曝光控制。

优选的是，在所述曝光位置计算步骤中，在计算所述设定时间后的估计曝光位置时，利用基于到当前为止的曝光位置的时间序列信息的该曝光位置的速度，或者利用该曝光位置的速度和加速度这两方。

优选的是，在所述曝光位置计算步骤中，

设为按规定的计算周期计算所述曝光位置，

在基于到当前为止的所述曝光掩模和所述工件的各位置的时间序列信息分别求出设定时间后的所述曝光掩模和所述工件的各估计位置之后，计算所述设定时间后的估计曝光位置，

在所述曝光控制步骤中，基于所述曝光位置和所述估计曝光位置中的至少一方来执行所述曝光控制。

优选的是，在所述曝光位置计算步骤中，

在分别求出所述设定时间后的所述曝光掩模和所述工件的各估计位置时，

利用基于到当前为止的所述曝光掩模和所述工件的各位置的时间序列信息的、该曝光掩模和该工件的速度，或者利用该曝光掩模和该工件的速度和加速度这两方。

(2)谋取由与位置控制的组合得到的效果的曝光控制的方法

优选的是，本发明所涉及的曝光方法还具备位置控制步骤，在该位置控制步骤中，每隔规定的采样时间对所述曝光掩模和所述工件的各位置进行位置控制，

在执行所述曝光位置计算步骤的期间内，至少执行所述位置控制步骤，

在所述曝光位置计算步骤中，优选使用状态观测器(observer)计算所述曝光位置和所述估计曝光位置，该状态观测器接收在所述位置控制步骤中使用的所述曝光掩模和所述工件的各位置控制信号以及所述曝光掩模的位置及所述工件的位置的时间序列信息来作为输入值。

(3)基于曝光掩模与工件间的位置及姿势的关系的曝光控制的方法

优选的是，在本发明所涉及的曝光方法中，

在所述曝光位置计算步骤中还包括：根据所述曝光掩模和所述工件的相对的姿势关系来计算工件上的曝光方向，

在所述曝光位置范围设定步骤中还包括：将所述工件上的包括目标曝光方向的规定的范围设定为曝光方向范围，该规定的范围是即使所述曝光方向偏离所述目标曝光方向也容许所述图案的投影的范围，

在所述曝光控制步骤中，在所述曝光位置进入所述曝光位置范围且所述曝光方向进入所述曝光方向范围的情况下，执行所述曝光光的照射。

在此，优选的是，所述曝光掩模的位置和姿势的信息以及所述工件的位置和姿势的信息分别用最大6自由度的信息来表示，

分别利用与所述曝光掩模及所述工件相同的自由度或比所述曝光掩模和所述工件的自由度低的自由度的信息来设定所述曝光位置范围和所述曝光方向范围的信息。

优选的是，在所述曝光位置计算步骤中，按规定的计算周期(Δt)计算所述曝光位置和所述曝光方向，进一步基于到当前为止的曝光位置和曝光方向的时间序列信息来计算设定时间后的估计曝光位置和估计曝光方向，

在所述曝光控制步骤中，基于所述曝光位置、所述曝光方向、所述估计曝光位置以及所述估计曝光方向中的至少一个来执行所述曝光控制。

另外，优选的是，在所述曝光位置计算步骤中，

在计算所述设定时间后的估计曝光方向时，利用基于到当前为止的曝光方向的时间序列信息的曝光方向变化速度或者利用该曝光方向变化速度和曝光方向变化加速度。

另外，优选的是，在所述曝光位置计算步骤中，

设为按规定的计算周期(Δt)计算所述曝光方向，

在基于到当前为止的所述曝光掩模和所述工件的各姿势的时间序列信息分别求出设定时间后的所述曝光掩模和所述工件的各估计姿势之后，计算所述设定时间后的估计曝光方向，

在所述曝光控制步骤中，基于所述曝光位置、所述曝光方向、所述估计曝光位置以及所述估计曝光方向中的至少一个来执行曝光控制。

另外，优选的是，在所述曝光位置计算步骤中，

在分别求出所述设定时间后的所述曝光掩模和所述工件的各估计姿势时，

利用基于到当前为止的所述曝光掩模和所述工件的各姿势的时间序列信息的、该曝光掩模和该工件的各姿势变化速度，或者利用该曝光掩模和该工件的各姿势变化速度和加速度这两方。

(4)谋求由与位置控制及姿势控制的组合得到的效果的曝光控制的方法

优选的是，在本发明所涉及的曝光方法中，

在所述位置控制步骤中，进一步每隔所述采样时间对所述曝光掩模和所述工件的各姿势进行姿势控制，

另外，在所述曝光位置计算步骤中，

使用所述状态观测器(observer)来计算所述曝光方向和所述估计曝光方向，所述状态观测器接收在所述位置控制步骤中使用的所述曝光掩模和所述工件的各姿势控制信号以及所述曝光掩模及所述工件的各姿势的时间序列信息来作为输入值。

(5)考虑了从检测出曝光掩模、工件的位置起直到曝光光的停止为止的处理时间的曝光控制的方法

在本发明所涉及的曝光方法中，优选的是，

将从检测出所述曝光掩模和所述工件的位置起直到曝光光的停止为止所需的时间设为处理时间(Td)，

在所述曝光位置计算步骤中，

将对所述计算周期(Δt)加上所述处理时间(Td)得到的时间确定为所述设定时间，来计算该设定时间后的估计曝光位置或计算估计曝光位置和估计曝光方向。

(6)引入了曝光异常判断的曝光控制的方法

优选的是，本发明所涉及的曝光方法还具备以下步骤：

曝光时间累计步骤，根据所述曝光控制信号来累计曝光光的照射时间，从而计算累计曝光时间；以及

曝光异常判断步骤，将在所述累计曝光时间达到所述规定的曝光时间之前从开始累计起的时间超过设定的曝光完成等待时间的上限的情况判断为曝光异常。

(7)曝光装置

本发明所涉及的曝光装置构成为具备：曝光光源；曝光掩模，其处于接受来自所述曝光光源的曝光光的位置；投影透镜，其将所述曝光掩模上的图案投影到工件上；检测器，其检测所述曝光掩模和所述工件的相对的位置关系；移动台，其使所述曝光掩模和所述工件相对地移动以使所述工件上的曝光位置发生变化；以及控制单元，其至少控制所述曝光光源的照射、停止，该曝光装置的特征在于，

所述控制单元具有：

曝光位置计算部，其根据所述曝光掩模和所述工件的相对的位置关系来计算工件上的曝光位置；

曝光位置范围设定部，其将所述工件上的包括目标曝光位置的规定的范围设定为曝光位置范围，该规定的范围是即使所述曝光位置偏离所述目标曝光位置也容许所述图案的投影的范围；以及

曝光控制部，其根据曝光控制信号来执行曝光控制，所述曝光控制信号在由所述曝光位置计算部计算出的所述曝光位置进入由所述曝光位置范围设定部设定的所述曝光位置范围的情况下，指示所述曝光光源执行向所述曝光掩模照射曝光光的动作，在所述曝光位置偏离所述曝光位置范围的情况下，指示所述曝光光源停止所述曝光光的照射，

所述曝光装置使用所述曝光控制使曝光光照射规定的曝光时间。

在此，优选的是，所述控制单元还具备位置控制部，

该位置控制部每隔规定的采样时间对所述曝光掩模和所述工件的各位置进行位置控制，

在所述曝光位置计算部执行动作的期间内，至少所述位置控制被执行，

所述曝光位置计算部包括状态观测器(observer)，该状态观测器接收在所述位置控制部中使用的所述曝光掩模和所述工件的各位置控制信号以及所述曝光掩模的位置及所述工件的位置的时间序列信息来作为输入值，从而计算所述曝光位置和所述估计曝光位置。

发明的效果

根据本发明的过程，计算曝光机的曝光位置或估计曝光位置，控制曝光光源的照射/停止，使得在曝光位置或估计曝光位置的计算值处于工件上的规定范围的情况下照射曝光光。因而，无论以怎样的方式受到包括曝光装置的残余振动等在内的定位的影响，都能够以比曝光装置的定位精度高的水平使曝光位置进入工件上的规定范围。

附图说明

图1是表示本发明的第一实施方式所涉及的曝光装置的框图。

图2是表示工件上的目标曝光位置、曝光位置、曝光位置范围的关系例的示意图。

图3是示出所述实施方式中的与曝光位置的变动相应的曝光控制信号的图。

图4是表示本发明的第二实施方式所涉及的曝光装置的框图。

图5是针对所述实施方式中的估计曝光位置的计算方法示出多个例子的图。

图6是用于说明在当前位置的控制中、受到计算时间以及点亮/熄灭延迟时间的影响而向曝光位置范围外照射的照射时间变长的曝光控制信号的图。

图7是用于说明所述实施方式的利用了估计位置的曝光控制方法的图。

图8是用于说明作为所述实施方式的变形例进一步考虑了计算时间以及点亮/熄灭延迟时间的曝光控制方法的图。

图9是表示本发明的第三实施方式所涉及的曝光装置的框图。

图10是表示工件上的曝光位置的分布的直方图的图。

图11是用于说明本发明的第四实施方式所涉及的曝光方法的图，是示出曝光完成等待时间的上限与累计曝光时间的关系的图。

附图标记说明

10：曝光装置；11：曝光掩模；12：工件；20：曝光光源；30：掩模移动台；40：投影透镜；50：工件移动台；60、160：控制单元；63、163：曝光位置计算部；64、164：曝光位置范围设定部；65、165：曝光控制部；70：位置控制部。

具体实施方式

以下，基于附图来说明本发明的实施方式。

<第一实施方式>

图1是本实施方式所涉及的曝光装置的框图。该曝光装置10一边进行步进移动动作，一边在工件上的各目标曝光位置处确定图案的缩小像，在对工件移动台进行了定位的状态下一个部位一个部位地执行曝光。在本说明书中，将以下叙述的曝光光的光轴设为Z轴来进行使用了X-Y-Z正交坐标系的说明。

曝光装置10具备沿着曝光光的光轴排列的曝光光源20、掩模移动台30、投影透镜40以及工件移动台50，并且曝光装置10利用信号线连接于控制单元60。

曝光光源20将激光等作为曝光光来进行照射。

掩模移动台30包括固定引导件31和可动台32，使载置于可动台32的曝光掩模11沿着与曝光光的光轴正交的Y方向进行移动。由此，掩模移动台30能够改变受到来自曝光光源20的曝光光的照射的曝光掩模11的位置。在可动台32的中央形成有使曝光光通过的孔、切口。在本实施方式中，作为可动台32的驱动单元，采用直线电动机，另外，在可动台32与固定引导件31之间的引导面上设置有空气引导件来作为引导件单元，但这些驱动单元和引导件单元也能够应用其它机械要素。

另外，对掩模移动台30设置有用于检测可动台31的位置的位移传感器33，该检测信号被输入到控制单元60。也可以应用激光干涉仪等来作为位移传感器33。

在曝光掩模11上形成有半导体电路图案、液晶元件图案、用于直线编码器等的标尺图案等期望的图案。

投影透镜40具有将曝光掩模11的图案的缩小像投影到工件12上的作用。来自曝光光源20的曝光光在被照射到曝光掩模11的图案之后，被投影透镜40会聚，从而在涂布有光致抗蚀剂等的工件表面形成图案的潜像。此外，在将本发明应用于对等倍的图案进行投影的曝光装置的情况下，使用省略了该投影透镜40的曝光装置。另外，来自曝光光源20的曝光光并不限于平行光束。例如，也存在向曝光掩模11照射朝向某点收敛的曝光光的情况，也能够省略上述的投影透镜40。

工件移动台50包括固定引导件51和可动台52，使载置于可动台52的工件12向与曝光光的光轴正交的Y方向断续地移动。由此，将图案的投影位置依次对准在工件12上设定的多个目标曝光位置。也就是说，工件移动台50作为使作为曝光对象物的工件12进行步进移动的步进移动台发挥功能。在本实施方式中，作为可动台52的驱动单元，采用直线电动机，另外，在可动台52与固定引导件51之间的引导面上设置有空气引导件来作为引导件单元，但这些驱动单元和引导件单元也能够应用其它机械要素。

另外，对掩模移动台50设置有用于检测可动台52的位置的位移传感器53，该检测信号被输入到控制单元60。能够应用激光干涉仪等来作为位移传感器。

以下，详细地叙述在本发明中负责特征性的曝光控制的控制单元60。

控制单元60针对来自各位移传感器33、53的检测信号的输入，输出用于切换曝光光源20的照射的执行/停止的曝光控制信号。为此，控制单元60具有掩模位置检测部61、工件位置检测部62、曝光位置计算部63、曝光位置范围设定部64以及曝光控制部65。

掩模位置检测部61和工件位置检测部62将来自各位移传感器33、53的检测信号作为曝光掩模11和工件12的各位置的信息，来提供给曝光位置计算部63。由此，曝光位置计算部63能够获得曝光掩模11和工件12的相对的位置关系的信息。

曝光位置计算部63根据曝光掩模11和工件12的相对的位置关系来具体地计算工件上的曝光位置，并将该曝光位置的信息提供给曝光控制部65。

曝光位置范围设定部64具有以下功能：将工件上的包括目标曝光位置的规定的范围设定为曝光位置范围，该规定的范围是即使曝光位置偏离目标曝光位置也容许图案的投影的范围。使用图2说明曝光位置范围的设定方法的一例。图2的(A)～(C)是表示工件表面的同一微小区域的放大图。在图2的(A)的微小区域中示出某个图案的目标曝光位置1。将点C1设为该目标曝光位置1的中心。在图2的(B)中，将以用虚线示出的目标曝光位置1为目标来实际投影出的图案的位置作为曝光位置2用实线示出。将点C2设为该曝光位置2的中心。

使曝光位置2与目标曝光位置1完全一致在技术上困难又不现实。因此，将如下的曝光位置2的范围预先设定为曝光位置范围，该曝光位置2的范围是被判断为即使如图2的(B)那样稍微偏离目标曝光位置1、对图案形成的质量造成的影响也小的范围。在图2的(C)中，将曝光位置范围3表示为用粗线围成的范围。图2是在X-Y平面二维地设定了曝光位置范围3的例子。

由曝光位置范围设定部64设定的曝光位置范围的信息被提供给曝光控制部65。

图1的曝光控制部65使用来自曝光位置计算部63的曝光位置的信息和来自曝光位置范围设定部64的曝光位置范围的信息，向曝光光源20输出曝光控制信号。在曝光位置进入曝光位置范围的情况下，曝光控制信号成为执行曝光光的照射的指令信号(照射信号)。在曝光位置偏离曝光位置范围的情况下，曝光控制信号成为停止曝光光的照射的指令信号(停止信号)。而且，在曝光位置再次进入曝光位置范围的情况下，曝光控制信号成为重新开始曝光光的照射的指令信号(照射信号)。

在此，能够利用使用了运算放大器、比较器等的模拟电路来构成控制单元60的各结构要素。也能够利用CPU、DSP等数字运算装置来构建控制单元60的各结构要素。在数字结构的情况下，制作如下的程序即可：通过中断处理来按预先决定的周期或者按设定的周期计算曝光位置。另外，也可以将FPGA之类的设备用作数字电路的硬件，执行同样的处理来实现。

作为曝光光源20的结构的一例，可以考虑LED、半导体激光器等光源与控制该光源的电路的组合。光源控制用的电路接收来自控制单元60的曝光控制信号，来控制曝光光的照射/停止。在使用灯(lamp)等难以高速地进行点亮/熄灭的切换的光源的情况下，也可以对曝光光源20设置使用了快门、光学元件等的高速切换机构，来实现曝光光的照射/停止的控制。

在图3中表示通过本实施方式的曝光控制使曝光控制信号与工件上的曝光位置的变动连动的情形的一例。如果使用本实施方式的曝光装置10执行这种曝光控制，则在曝光位置偏离了曝光位置范围的情况下，使曝光光停止，因此仅向曝光位置范围的内侧照射曝光光。其结果，无论以怎样的方式受到包括步进移动后的残余振动在内的定位的影响，都能够使曝光位置进入工件上的规定范围。另外，并不限于残余振动，即使在定位的稳定状态下，本实施方式的曝光控制也有效地发挥功能。

为了简化说明，在图1中，关于掩模移动台30和工件移动台50等机构部的结构，也包括位移传感器33、53在内，仅设为Y方向的结构。同样地，在图3中也是，示出了与Y方向的一维的位置有关的曝光位置、曝光位置范围以及曝光控制信号。

然而，在实际的曝光装置中，关于曝光掩模和工件，在空间上最大6自由度的状态(位置和姿势的微小振动等)被视为问题。因此，本实施方式的曝光位置范围也设定为最大6自由度，由此能够实现曝光位置的高精度化。作为该情况下的曝光装置的结构，针对曝光掩模的位置和姿势以能够进行最大6自由度的检测的方式配置位移传感器即可。针对工件的位置和姿势也同样地以能够进行最大6自由度的检测的方式配置位移传感器即可。

例如，也可以将曝光掩模的位置的信息和工件的位置的信息设为一维的坐标、二维的坐标或三维的坐标数据来进行处理。而且，利用与曝光掩模及工件相同的维数或该维数以下的维数的坐标来设定曝光位置范围的信息。

作为一例，在使由X方向的纵条纹形成的纵条纹图案沿横向(Y方向)进行步进移动来使该纵条纹图案在工件上依次曝光的情况下，仅在横向上设定曝光位置范围，纵条纹图案的纵向的曝光位置范围的容许范围足够大，因此不需要进行曝光控制，有时省略纵向的曝光位置范围的设定。

另一方面，关于曝光位置的检测，即使在同样的纵条纹图案的曝光的情况下，有时也需要进行正交的两个方向的位置检测。这是由于，例如在应沿正交的两个方向配置的传感器存在无法忽略的配置角度误差的情况下或者在装置的机构上纵向的位置对横向的位置造成影响的情况下，如果不是除了进行横向的位置检测以外还进行纵向的位置检测，则由于曝光位置的纵向的位置导致在横向上产生误差。

此外，关于姿势的检测，只要能够检测曝光掩模、工件的倾斜即可，因此并不限于位移传感器，也可以采用倾斜检测传感器。

为了步进移动动作，掩模移动台30和工件移动台50中的一方具有至少一个方向的机构即可。但是，为了进行高度的位置控制、姿势控制，也可以增设其它方向的移动台，或者增设用于姿势控制的倾动台等。

在普通的曝光装置中，需要使二维平面上(X-Y平面上)的曝光位置和与平面正交的方向的光学系统的焦点距离(相当于Z方向的曝光位置)收敛到适当的曝光位置范围内。另外，通过使曝光图案面的方向(横摆/俯仰/翻滚(yaw/pitch/roll))收敛到适当的曝光方向范围内，不仅能够使曝光中心在工件上正确地曝光，还能够使整个曝光图案在工件上正确地曝光。此外，也存在以下情况：根据曝光装置的结构、所采用的机构部的结构，很明确地曝光装置的位置和曝光方向收敛于容许范围。在这种情况下，也可以适当省略用于曝光控制信号的自由度。

在本实施方式中，根据曝光掩模11和工件12的各位置计算工件上的曝光位置，进行曝光光源20的照射/停止的控制，使得仅在曝光位置处于被指定的曝光位置范围内的情况下照射曝光光。由此，能够实现比曝光装置10的定位精度高的水平的曝光位置精度。

由此，能够向预先设定的指定范围内照射曝光光。另外，能够既不像专利文献1那样根据需要的曝光时间决定曝光范围，也不受工件的振动周期、振动振幅左右地任意地设定需要的曝光时间。

另外，通过使用本实施方式的方法，即使由于地震、其它外部干扰导致工件上的曝光位置暂时处于曝光位置范围外，也能够通过使曝光光停止来防止曝光不良。

<第二实施方式>

图4是表示第二实施方式所涉及的曝光装置的控制单元160的结构的框图。没有图示的结构与第一实施方式的曝光装置10相同。控制单元160使用能够每隔采样时间(Δt)进行曝光位置计算的数字装置构成。如果使用该数字装置，则能够使用到当前为止的曝光位置的信息来估计某个设定时间后的曝光位置，并基于估计曝光位置来控制曝光光的投射/停止。

当考虑曝光位置如图5那样变化的情况时，曝光控制部离散地控制曝光光，因此在曝光位置范围的外侧的曝光位置(图5的X(n+1)的位置)处终于能够使曝光光停止。虽然已经存在曝光位置偏离曝光位置范围的期间，但在下一个曝光位置计算的定时(X(n+1)的位置)之前仍继续照射曝光光。这是由按采样周期进行处理的离散系统导致的问题，通常通过缩短采样周期来缩短曝光位置范围的外侧的曝光光的照射时间。

在本实施方式中，作为不缩短采样周期就能够减少这种曝光位置的误差的方法，引入了以下方法：图4的曝光位置计算部163基于到当前为止的位置的时间序列信息来求出位置的速度，或者求出位置的速度和加速度，计算采样时间(Δt)后的估计曝光位置，曝光控制部165使用该估计曝光位置来控制曝光光的投射/停止。

通过假定为曝光位置在采样时间(Δt)的期间进行匀速运动，能够如下面的式(1)那样使用位置的速度V(n)来表示估计曝光位置(图5的Xa(n+1)的位置)。作为最初的例子，说明根据曝光位置的时间序列信息求出Xa(n+1)的解的方法。

Xa(n+1)＝X(n)+V(n)·Δt···(1)

在此，当利用后退差分法求出时刻n的速度时，为：

V(n)＝(X(n)-X(n-1))/Δt···(2)。

当将式(2)代入式(1)时，得到：

Xa(n+1)＝X(n)+(X(n)-X(n-1))/Δt·Δt

Xa(n+1)＝2·X(n)-X(n-1)···(3)。

同样地，通过假定为曝光位置在采样时间(Δt)的期间进行匀加速度运动，能够如下面的式(4)那样使用位置的速度V(n)和加速度α(n)来表示估计曝光位置(图5的Xb(n+1)的位置)。作为第二个例子，说明根据曝光位置的时间序列信息求出Xb(n+1)的解的方法。

Xb(n+1)＝X(n)+V(n)·Δt+1/2·α(n)·Δt²···(4)

在此，当利用速度的后退差分法求出时刻n的加速度时，为：

α(n)＝(V(n)-V(n-1))/Δt···(5)

V(n-1)＝(X(n-1)-X(n-2))/Δt···(6)。

当将式(2)、式(6)代入式(5)时，为：

α(n)＝((X(n)-X(n-1))/Δt-(X(n-1)-X(n-2))/Δt)/Δt

α(n)＝(X(n)-X(n-1)-(X(n-1)-X(n-2)))/Δt²

α(n)＝(X(n)-2·X(n-1)+X(n-2))/Δt²···(7)。

当将式(2)、式(7)代入式(4)时，得到：

Xb(n+1)＝X(n)+(X(n)-X(n-1))/Δt·Δt

+1/2·(X(n)-2·X(n-1)+X(n-2))/Δt²·Δt²

Xb(n+1)＝2·X(n)-X(n-1)+1/2·(X(n)-2·X(n-1)+X(n-2))

Xb(n+1)＝2.5·X(n)-2·X(n-1)+1/2·X(n-2)···(8)。

在上述的两个例子中，能够根据到当前为止的位置的时间序列信息，使用泰勒展开的方法并在一阶的情况下使用速度、在二阶的情况下使用速度和加速度来计算估计曝光位置。同样地，也能够使用高阶的泰勒展开和高阶的微分值计算估计曝光位置。

另外，在上述的例子中，使用后退差分求出了数值微分值，但作为其它方法，也可以通过双线性变换等在数字滤波器中使用的各种方法来求出任意阶数的数值微分值。

如果是本实施方式的曝光控制，则能够根据曝光掩模11的位置、工件12的位置计算曝光位置，能够根据到当前为止的曝光位置的时间序列信息来预先计算设定时间后、例如采样时间(Δt)后的估计曝光位置。

应用该方法，能够在根据到当前为止的曝光掩模的位置、工件的位置的各时间序列信息求出采样时间(Δt)后的曝光掩模的估计位置、工件的估计位置之后，基于这些估计位置预先计算估计曝光位置，能够使向曝光位置范围的外侧照射的照射时间缩短。

但是，在上述的例子中，在曝光位置计算中仅考虑了每隔采样时间(Δt)进行计算的离散系统的问题，没有考虑从曝光掩模11的位置、工件12的位置的输入定时起直到曝光光源20的曝光光的停止完成为止所需的处理时间(Td)。

使用图6对该处理时间(Td)进行说明。设为工件上的曝光位置例如以描绘如用图6的曲线表示的轨迹的方式变化。因此，理想的是，希望在曝光位置的曲线与曝光位置范围的下限的交点的定时将曝光控制信号从照射切换为停止。在图6中用时间t-1与时间t之间的点划线形式的线表示该理想的切换定时。

在实际的曝光控制中，计算每隔采样时间(Δt)的以X(n-2)、X(n-1)、X(n)、X(n+1)表示的曝光位置。根据第一实施方式(图1的控制单元60)中的基于当前的曝光位置的曝光控制，例如在时间t，控制单元60读取来自各位移传感器33、53的检测值，并计算曝光位置X(n)。然后，将曝光位置X(n)与曝光位置范围进行比较，向曝光光源20发出照射或停止的曝光控制信号。但是，在这种基于当前的曝光位置的曝光控制中，曝光的停止处理进一步延迟了从由控制单元60读取检测值到输出曝光控制信号的时间(计算时间)与从曝光光源20接收停止的曝光控制信号起到使曝光的停止完成为止的时间(熄灭延迟时间)的合计时间。在本说明书中将该合计时间称为处理时间(Td)。

接着，使用图7对本实施方式的基于估计曝光位置Xa(n)的曝光控制进行说明。在图7中，除了图6的曝光位置X(n)以外，用白圆表示通过匀速运动的式(3)计算的估计曝光位置Xa(n)，用虚线表示将这些估计位置连接的线。例如，在时间t-1的处理中，在计算基于检测值的曝光位置X(n-1)的同时，将到当前为止的曝光位置(X(n-2)、X(n-1))的信息代入式(3)来计算设定时间(采样时间Δt)后的估计曝光位置Xa(n)。其结果，在时间t-1的处理中，进行基于之后的时间t的估计曝光位置Xa(n)的曝光位置的判断，在该情况下，由于估计曝光位置Xa(n)处于曝光位置范围的外侧，因此能够在从时间t-1起经过上述处理时间(Td)的定时使曝光的停止完成。在图7中用虚线表示这种基于估计曝光位置Xa(n)的曝光控制信号。

并且，作为本实施方式的变形例，使用图8说明进一步提高曝光位置精度的方法。在图8中，与图7同样地通过匀速运动计算出估计曝光位置，但其设定时间不同。即，在图7中将采样时间(Δt)设为设定时间，但在图8中，将对采样时间(Δt)加上所述处理时间(Td)得到的时间(Δt+Td)预先设定为设定时间。

在该情况下，能够如下面的式(9)那样使用位置的速度V(n)来表示估计曝光位置(图8的Xa(n+1+Td)的位置)。

Xa(n+1+Td)＝X(n)+V(n)·(Δt+Td)···(9)

在此，设为Td＝k·Δt(其中，0<k)。

Xa(n+1+Td)＝X(n)+V(n)·(Δt+k·Δt)···(10)

当将式(2)代入式(10)时，得到：

Xa(n+1+Td)＝X(n)+(X(n)-X(n-1))/Δt·(Δt+k·Δt)

Xa(n+1+Td)＝X(n)+(X(n)-X(n-1))/Δt·Δt·(1+k)

Xa(n+1+Td)＝X(n)+(X(n)-X(n-1))·(1+k)

Xa(n+1+Td)＝X(n)+X(n)·(1+k)-X(n-1)·(1+k)

Xa(n+1+Td)＝X(n)·(2+k)-X(n-1)·(1+k)···(11)。

通过这样，基于式(11)计算设定时间(Δt+Td)后的估计曝光位置Xa(n+1+Td)。由此，能够使用曝光光源20实际停止照射曝光光时的估计曝光位置来控制曝光光的投射/停止，因此能够进行更高精度的曝光控制。

图8的方法在使用直到曝光光停止为止的处理时间(Td)比较长的光源的情况下特别有效。该方法在处理时间(Td)比采样时间(Δt)长的情况下特别有效。

此外，在图7中示出基于X(n)AND Xa(n)的曝光控制的例子，在图8中示出基于X(n)AND Xa(n+Td)的曝光控制的例子。在该控制方法中，使用通过AND(与)条件将基于当前位置X(n)的曝光控制信号与基于估计曝光位置Xa(n)或Xa(n+Td)的曝光控制信号进行组合得到的控制信号。在该基于AND条件的控制信号中，如果两个曝光控制信号(X(n)以及Xa(n)或Xa(n+Td))双方为“照射”，则为“照射”，如果至少一方为“停止”，则为“停止”。

在基于估计曝光位置Xa(n)或Xa(n+Td)的曝光控制中，存在当使曝光光从停止向照射切换时在比基于当前位置X(n)的曝光控制提前的定时重新开始曝光的情况，有可能产生对曝光位置范围的外侧进行照射的期间。因此，通过使用基于AND条件的控制信号，首先，在使曝光停止时，能够在利用了估计位置的早的定时切换为“停止”，在之后的重新开始曝光时，能够在曝光位置进入曝光位置范围的内侧之后将曝光控制信号切换为“照射”。作为结果，在本例中，能够避免对曝光位置范围的外侧进行照射。

作为根据到当前为止的位置的时间序列信息计算估计曝光位置的方法，也可以采用普通的外推的方法。例如，能够根据到当前为止的位置的多个时间序列信息，利用最小二乘法等求出与时间序列信息相符的直线、抛物线(2次函数)，并计算设定时间后的时刻的估计曝光位置。

在如本实施方式那样使用每隔采样时间进行曝光位置计算的数字装置的情况下，通过根据位置的时间序列信息或者位置和姿势的各时间序列信息计算估计曝光位置，能够防止向指定范围外照射曝光光。

在使用每隔采样时间进行曝光位置计算的数字装置的情况下，根据位置(和姿势)的时间序列信息求出位置(和姿势)的速度或者求出速度和加速度，来计算下一个获取周期时的估计曝光位置，由此能够减少由于直到下一个获取周期为止的期间的曝光位置的变化而向指定范围外照射曝光光的情况。

<第三实施方式>

图9是第三实施方式所涉及的曝光装置的框图。对与第二实施方式的曝光装置/曝光控制相同的事项省略图示和说明。

如图9那样，本实施方式的控制单元260包括用于曝光掩模和工件的各位置控制的位置控制部70的结构。在这些位置控制中，每隔规定的采样时间(Δt)控制曝光掩模和工件的各位置。然后，在利用控制单元260执行曝光位置的计算的期间，至少执行了曝光掩模和工件的各位置控制。即，位置控制部70的曝光掩模控制部71向曝光掩模机构部72输出使曝光掩模的目标位置与位置检测值的差变小那样的位置控制信号，来对曝光掩模机构部72进行驱动控制。同样地，位置控制部70的工件控制部73向工件机构部74输出使工件的目标位置与位置检测值的差变小那样的位置控制信号，来对工件机构部74进行驱动控制。

另外，作为曝光位置计算部163，设置有能够求出曝光掩模和工件的各曝光位置的状态观测器(observer)。如果使用状态观测器，则能够根据曝光掩模和工件的各位置控制信号以及曝光掩模和工件的各位置的时间序列信息来计算曝光位置和估计曝光位置。而且，计算出的曝光位置和估计曝光位置的信息是使用状态观测器得到的状态量，因此作为其普通的优点和特征，带来以下效果：计算值的稳定性优异，计算误差的收敛快。

此外，虽然在图9中没有图示，但控制单元260中也可以包括用于曝光掩模和工件的各位置控制的结构以及用于曝光掩模和工件的各姿势控制的结构这两方。另外，作为曝光位置计算部163，也可以设置能够求出曝光位置和曝光方向这两方的状态观测器(observer)。

另外，如果使用状态观测器，则能够根据曝光掩模和工件的各位置控制信号、曝光掩模和工件的各姿势控制信号、曝光掩模和工件的各位置以及曝光掩模和工件的各姿势的时间序列信息来计算曝光位置和曝光方向。而且，计算出的曝光位置和曝光方向的各信息是使用状态观测器得到的状态量，因此作为其普通的优点和特征，带来以下效果：曝光位置和曝光方向的各计算值的稳定性优异，计算误差的收敛快。

<第四实施方式>

可以认为在控制曝光掩模和工件的各位置来进行定位控制的情况下，被正确地调整后的PI控制系统中的曝光位置成为如图10的曝光位置的分布那样的正态分布。例如，当将曝光位置范围设定为图10的曝光位置分布的标准偏差±σ时，曝光控制信号成为以约68.3％的频度执行曝光光的照射的指令信号(照射信号)。

在认为曝光位置分布为如图10那样的正态分布的情况下，如果设定曝光位置范围，则能够大概计算曝光控制信号的照射时间的比例。另外，即使不是正态分布，在曝光位置分布的再现性高的情况下，也能够根据实测出的曝光位置分布来通过计算求出照射时间的比例。

图11是用时间序列示出执行了第四实施方式所涉及的曝光控制的情况下的控制状态的图。此外，对于与上述的各实施方式的曝光装置/曝光控制相同的事项省略了图示和说明。

在本实施方式中，使用曝光使能信号设定了曝光完成等待时间的上限。另外，通过设定曝光所需的曝光时间(也称为照射时间)和对该曝光所需时间乘以基于曝光时间的比例的规定的安全率得到的值，能够进行曝光的异常监视。另外，关于曝光完成等待时间上限的设定，也存在以下方法：设定对在同一条件下实测出的曝光所需时间乘以规定的安全率得到的值。

图11示出了对曝光使能信号设定了曝光完成等待时间的上限的情况下的曝光位置、曝光控制信号、累计曝光时间以及设定累计曝光时间的一例。在该例中，在曝光完成等待时间的上限以内完成曝光，但在假如在曝光完成等待时间的上限以内没有完成曝光的情况下，判断为曝光异常，产生错误。由此，能够进行曝光的异常监视。

本申请主张2017年09月22日申请的日本专利申请2017-182352号的优先权，将该优先权的内容编入本申请中。

Claims (15)

1.一种曝光方法，使用曝光光将曝光掩模上的图案投影到工件上，该曝光方法的特征在于，包括以下步骤：

曝光位置计算步骤，根据所述曝光掩模和所述工件的相对的位置关系来计算工件上的曝光位置；

曝光位置范围设定步骤，将所述工件上的包括目标曝光位置的规定的范围设定为曝光位置范围，该规定的范围是即使所述曝光位置偏离所述目标曝光位置也容许所述图案的投影的范围；以及

曝光控制步骤，根据曝光控制信号来执行曝光控制，所述曝光控制信号在所述曝光位置计算步骤中计算出的所述曝光位置进入在所述曝光位置范围设定步骤中设定的所述曝光位置范围的情况下，指示执行曝光光向所述曝光掩模的照射，在所述曝光位置偏离所述曝光位置范围的情况下，指示停止所述曝光光的照射，

其中，使用所述曝光控制使曝光光照射规定的曝光时间。

2.根据权利要求1所述的曝光方法，其特征在于，

用一维的坐标、二维的坐标或三维的坐标来表示所述曝光掩模的位置的信息和所述工件的位置的信息，

利用与所述曝光掩模及所述工件相同的维数或者该维数以下的维数的坐标来设定所述曝光位置范围的信息。

3.根据权利要求1所述的曝光方法，其特征在于，

在所述曝光位置计算步骤中，按规定的计算周期(Δt)计算所述曝光位置，并且基于到当前为止的曝光位置的时间序列信息来计算设定时间后的估计曝光位置，

在所述曝光控制步骤中，基于所述曝光位置和所述估计曝光位置中的至少一方来执行曝光控制。

4.根据权利要求3所述的曝光方法，其特征在于，

在所述曝光位置计算步骤中，在计算所述设定时间后的估计曝光位置时，利用基于到当前为止的曝光位置的时间序列信息的该曝光位置的速度，或者利用该曝光位置的速度和加速度这两方。

5.根据权利要求3所述的曝光方法，其特征在于，

还具备位置控制步骤，在该位置控制步骤中，每隔规定的采样时间对所述曝光掩模和所述工件的各位置进行位置控制，

在执行所述曝光位置计算步骤的期间内，至少执行所述位置控制步骤，

在所述曝光位置计算步骤中，使用状态观测器来计算所述曝光位置和所述估计曝光位置，该状态观测器接收在所述位置控制步骤中使用的所述曝光掩模和所述工件的各位置控制信号以及所述曝光掩模的位置及所述工件的位置的时间序列信息来作为输入值。

6.根据权利要求3所述的曝光方法，其特征在于，

将从检测出所述曝光掩模和所述工件的位置起直到曝光光的停止为止所需的时间设为处理时间(Td)，

在所述曝光位置计算步骤中，

将对所述计算周期(Δt)加上所述处理时间(Td)得到的时间确定为设定时间，来计算该设定时间后的估计曝光位置。

7.根据权利要求1所述的曝光方法，其特征在于，

在所述曝光位置计算步骤中，

设为按规定的计算周期(Δt)计算所述曝光位置，

在基于到当前为止的所述曝光掩模和所述工件的各位置的时间序列信息分别求出设定时间后的所述曝光掩模和所述工件的各估计位置之后，计算所述设定时间后的估计曝光位置，

在所述曝光控制步骤中，基于所述曝光位置和所述估计曝光位置中的至少一方来执行所述曝光控制。

8.根据权利要求7所述的曝光方法，其特征在于，

在所述曝光位置计算步骤中，

在分别求出所述设定时间后的所述曝光掩模和所述工件的各估计位置时，

利用基于到当前为止的所述曝光掩模和所述工件的各位置的时间序列信息的、该曝光掩模和该工件的速度，或者利用该曝光掩模和该工件的速度和加速度这两方。

9.根据权利要求7所述的曝光方法，其特征在于，

还具备位置控制步骤，在该位置控制步骤中，每隔规定的采样时间对所述曝光掩模和所述工件的各位置进行位置控制，

在执行所述曝光位置计算步骤的期间内，至少执行所述位置控制步骤，

在所述曝光位置计算步骤中，使用状态观测器来计算所述曝光位置和所述估计曝光位置，该状态观测器接收在所述位置控制步骤中使用的所述曝光掩模和所述工件的各位置控制信号以及所述曝光掩模的位置及所述工件的位置的时间序列信息来作为输入值。

10.根据权利要求7所述的曝光方法，其特征在于，

将从检测出所述曝光掩模和所述工件的位置起直到曝光光的停止为止所需的时间设为处理时间(Td)，

在所述曝光位置计算步骤中，

将对所述计算周期(Δt)加上所述处理时间(Td)得到的时间确定为设定时间，来计算该设定时间后的估计曝光位置。

11.根据权利要求1所述的曝光方法，其特征在于，

在所述曝光位置计算步骤中还包括：根据所述曝光掩模和所述工件的相对的姿势关系来计算工件上的曝光方向，

在所述曝光位置范围设定步骤中还包括：将所述工件上的包括目标曝光方向的规定的范围设定为曝光方向范围，该规定的范围是即使所述曝光方向偏离所述目标曝光方向也容许所述图案的投影的范围，

在所述曝光控制步骤中，在所述曝光位置进入所述曝光位置范围且所述曝光方向进入所述曝光方向范围的情况下，执行所述曝光光的照射。

12.根据权利要求11所述的曝光方法，其特征在于，

将从检测出所述曝光掩模和所述工件的位置起直到曝光光的停止为止所需的时间设为处理时间(Td)，

在所述曝光位置计算步骤中，

按规定的计算周期(Δt)计算所述曝光位置，

将对所述计算周期(Δt)加上所述处理时间(Td)得到的时间确定为设定时间，来计算该设定时间后的估计曝光位置或者计算估计曝光位置和估计曝光方向。

13.根据权利要求1所述的曝光方法，其特征在于，还具备：

曝光时间累计步骤，根据所述曝光控制信号来对曝光光的照射时间进行累计，从而计算累计曝光时间；以及

曝光异常判断步骤，将在所述累计曝光时间达到所述规定的曝光时间之前从开始累计起的时间超过设定的曝光完成等待时间的上限的情况判断为曝光异常。

14.一种曝光装置，构成为具备：曝光光源；曝光掩模，其处于接受来自所述曝光光源的曝光光的位置；投影透镜，其将所述曝光掩模上的图案投影到工件上；检测器，其检测所述曝光掩模和所述工件的相对的位置关系；移动台，其使所述曝光掩模和所述工件相对地移动以使所述工件上的曝光位置发生变化；以及控制单元，其至少控制所述曝光光源的照射、停止，该曝光装置的特征在于，

所述控制单元具备：

曝光位置计算部，其根据所述曝光掩模和所述工件的相对的位置关系来计算工件上的曝光位置；

曝光位置范围设定部，其将所述工件上的包括目标曝光位置的规定的范围设定为曝光位置范围，该规定的范围是即使所述曝光位置偏离所述目标曝光位置也容许所述图案的投影的范围；以及

曝光控制部，其根据曝光控制信号来执行曝光控制，所述曝光控制信号在由所述曝光位置计算部计算出的所述曝光位置进入由所述曝光位置范围设定部设定的所述曝光位置范围的情况下，指示所述曝光光源执行曝光光向所述曝光掩模的照射，在所述曝光位置偏离所述曝光位置范围的情况下，指示所述曝光光源停止所述曝光光的照射，

所述曝光装置使用所述曝光控制使曝光光照射规定的曝光时间。

15.根据权利要求14所述的曝光装置，其特征在于，

所述控制单元还具备位置控制部，该位置控制部每隔规定的采样时间对所述曝光掩模和所述工件的各位置进行位置控制，

在所述曝光位置计算部执行动作的期间内，至少所述位置控制被执行，

所述曝光位置计算部包括状态观测器，该状态观测器接收在所述位置控制部中使用的所述曝光掩模和所述工件的各位置控制信号以及所述曝光掩模的位置及所述工件的位置的时间序列信息来作为输入值，从而计算所述曝光位置。