JP2009145494A - 焦点位置検出方法および描画装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成によって正確に焦点位置を検出し、高精度のパターンを形成する。
【解決手段】描画装置において投影光学系の焦点位置を検出する場合、ＣＣＤラインセンサ６０を角度αだけ傾斜させた状態で描画テーブル１８に搭載する。そして、コントラストが繰り返される焦点検出用パターンを、ＣＣＤラインセンサ６０の受光面６０Ａに投影する。検出される一連の画像信号に基づき、投影光学系の焦点位置を検出する。焦点位置が検出されると、描画テーブル１８の位置が調整する。
【選択図】図４

Description

本発明は、基板などにパターンを形成可能な露光装置、描画装置に関し、特に、照明光を基板へ導く光学系の焦点位置検出方法に関する。

電子回路基板等の被描画体の製造工程では、フォトレジスト等の感光材料を塗布し、あるいは貼り付けた被描画体に対してパターンを形成するための描画処理が行われる。描画装置としては、ＬＣＤ、ＤＭＤ（Digital Micro-mirror Device）などマイクロミラーなどのセル（空間光変調素子）をマトリクス状に２次元配列させた空間光変調器を使用する描画装置が知られている。そこでは、各セルを制御することによって光源からの照明光を変調する。空間光変調器を経由した光は、投影光学系を通り、これによって描画パターンが被描画体の露光面に結像される。

露光面を投影光学系の焦点面と一致させるため、描画処理を行う前に、基板を搭載する描画テーブルを位置調整する。高解像度のパターン形成には描画テーブルを精度よく位置調整する必要があるため、従来では、基板の位置を光軸方向へ徐々にシフトさせながら試験用パターンを基板に投影し、形成されたパターンを視認しながら、あるいは反射光のコントラストを計測しながら最も解像度の高いパターンを選び出す。そして、そのパターンの得られた位置を焦点位置として定め、テーブルを位置調整する。一方、受光素子を１次元あるいは２次元的に配列させた光検出装置を仮の焦点位置に置き、結像位置と焦点位置とのズレを検出する方法も知られている（例えば、特許文献１、２参照）。
特開平１０−２２７９７１号公報 特開２００３−２３３１９９号公報

紫外線など特定波長の光を照射する描画装置では、高解像度のパターンを得るため、基板を正確な焦点位置に設置することがきわめて重要である。しかしながら、従来の手作業を伴う焦点位置検出方法では、焦点位置検出作業に労力を伴い、作業に時間がかかる。また、テーブルを光軸方向に徐々に移動させながら検出を行うので、正確な焦点位置の検出が難しい。

一方、特許文献１、２に記載された光検出器を描画装置に組み込むことは、スペースおよびコスト面で問題がある。特許文献１のように、結像面の共役位置に受光素子を配列させるには、ハーフミラーを光路上に配置しなければならず、描画処理時には障害となってしまう。

本発明の焦点位置検出方法は、ＤＭＤを備えた描画装置、ステッパーなどの露光装置といった投影光学系を備えたパターン形成装置の焦点位置検出方法である。焦点位置検出方法では、まず、複数の受光素子（光電セル）を配列させた焦点検出デバイスを、その受光面が投影光学系の焦点面に対して傾斜するように露光エリアへ配置する。複数の投影光学系が露光装置に配置されている場合、その１つの投影エリアに焦点検出デバイスを配置すればよい。例えば焦点検出デバイスは、傾斜する受光面と投影光学系の焦点面が交差するように、描画テーブルに配置すればよい。焦点検出デバイスとしては、例えばＣＣＤラインセンサ、２次元ＣＣＤセンサなどが用いられる。

焦点検出デバイスが配置されると、コントラストの繰り返されるパターンである焦点検出用パターンを、投影光学系を介して受光面に投影する。焦点検出用パターンとしては、コントラストが受光素子の配列方向に沿って規則的に（例えば一定間隔で）垂直線が繰り返されるバーコード状のようなパターン（ここでは、万線パターンという）を用いればよい。この場合、受光素子のピッチよりもパターンのピッチが大きく、かつ空間周波数が解像度限界に近い周波数となるように定められる。例えば、白黒を等間隔で並べた万線パターンが用いられる。この場合、描画装置では、焦点検出用パターンに対応する描画データを入力し、また、露光装置では、専用のマスク、レチクルを配置すればよい。

焦点検出用パターンが投影されると、受光面全体には繰り返しコントラストのあるパターンが結像される。焦点位置においてＭＴＦの値が最も高く、焦点位置から離れるに従ってＭＴＦの値が小さくなることから、パターン全体の中で、最もコントラストがある、すなわち最も解像度の高い部分の像が、投影光学系の焦点面上の像に相当する。本発明では、複数の受光素子から一連の画像信号が読み出されると、読み出された一連の画像信号から、投影光学系の焦点位置を検出する。例えば、一連の画像信号の中で最もコントラスト差のある合焦状態に応じた画像信号を検出し、合焦状態に応じた画像信号を出力する受光素子の配列位置と、受光面の傾斜角とに基づいて、投影光学系の焦点位置を検出する。

このように、焦点検出デバイスの受光面を斜めに配置し、コントラストのあるパターンを投影することによって、受光面に投影されるパターン像全体の中で、一部分が合焦状態になる。この合焦部分にある受光素子の位置と、受光面の傾斜角度とに基づいて、投影光学系の焦点位置が求められる。焦点位置が検出された場合、検出された焦点位置に基づいて、被描画体の搭載される描画テーブルの投影光学系に対する相対的位置を調整してもよい。

本発明の描画装置は、複数の空間光変調素子から構成される光変調器と、光変調器を経由した照明光を被描画体へ投影する投影光学系と、複数の受光素子を配列させた焦点検出デバイスが搭載される描画テーブルと、光変調器を制御し、投影光学系の焦点面に対して傾斜した焦点検出デバイスの受光面に焦点検出用パターンを投影する描画制御手段と、複数の受光素子から読み出される一連の画像信号に基づいて、焦点位置を検出する焦点位置検出手段とを備えたことを特徴とする。検出された焦点位置に基づいて、描画テーブルの位置を調整する焦点位置調整手段を設けてもよい。

本発明によれば、簡易な構成によって正確に焦点位置を検出し、高精度のパターンを形成することができる。

以下では、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

図１は、本実施形態である描画装置を模式的に示した斜視図である。図２は、露光ヘッドの概略的断面図である。

描画装置１０は、フォトレジスト等の感光材料を表面に形成した基板ＳＷへ光を照射することによってパターンを形成する装置であって、ゲート状構造体１２、基台１４を備える。基台１４には、描画テーブル１８を支持するＸ−Ｙステージ駆動機構（ここでは、図示せず）が搭載され、描画テーブル１８上に基板ＳＷが設置されている。

ゲート状構造体１２には、基板ＳＷの表面に回路パターンを形成する８つの露光ヘッド２０_１〜２０_８が設けられ、各露光ヘッドは、第１及び第２の照明光学系、露光ユニット、投影光学系（ここでは図示せず）を備える。また、ゲート状構造体１２の上部には、２つの光源ユニット１６Ａ、１６Ｂが向かい合うように配置され、光源ユニット１６Ａが露光ヘッド２０_１〜２０_４、光源ユニット１６Ｂが２０_５〜２０_８へ照明光を送る。

矩形状の基板ＳＷは、例えばシリコンウェハ、ドライフィルム、ガラス基板などの電子回路用基板であり、プリベイク処理、フォトレジストの塗布等の処理が施されたブランクスの状態で描画テーブル１８に搭載される。互いに直交なＸ−Ｙ座標系が描画テーブル１８に対して規定されており、描画テーブル１８はＸ，Ｙ方向に沿って移動可能である。ここでは、Ｙ方向の負の方向が走査方向として規定される。また、後述するように、描画テーブル１８はＸ−Ｙ平面に垂直な方向にも移動可能である。

図２には、露光ユニット２０_１の内部構成が概略的に図示されており、露光ユニット２０_１は、第１の照明光学系（図示せず）、第２の照明光学系２２、ＤＭＤ（Digital Micro-mirror Device）２４、投影光学系２６を備える。第２の照明光学系２２が、ゲート状構造体１２から描画テーブル１８に平行に突出する支持板１９の上に配置される一方、結像光学系２６は基板ＳＷの上方に配置される。そして、ＤＭＤ２４、ミラー２５、光学系２７が第２の照明光学系２２と投影光学系２６との間に配置されている。

光源１６Ａは、超高圧水銀ランプ（図示せず）を備えた光源であり、ランプから放射された照明光の一部ＩＬは、露光ユニット２０_１に応じた第１の照明光学系へ導かれる。第１の照明光学系は、ランプから放射された拡散光を光強度が均一な平行光束にする。平行光束となった照明光は第２の照明光学系２２へ入射し、照明光は所定の光量、および露光に適した所定の光束形状となって、ミラー２５、光学系２７を介してＤＭＤ２４へ導かれる。

ＤＭＤ２４は、数μｍ〜数十μｍの微小矩形状マイクロミラーをマトリクス状に２次元配列させた光変調器であり、ここでは、１０２４×７６８のマイクロミラーから構成される。各マイクロミラーは、静電界作用により回転変動し、光源からのビームを基板ＳＷの露光面方向へ反射させる第１の姿勢（ＯＮ状態）と、露光面外の方向へ反射させる第２の姿勢（ＯＦＦ状態）いずれかの姿勢で位置決めされ、制御信号に従って姿勢が切り替えられる。

ＤＭＤ２４では各マイクロミラーがそれぞれ選択的にＯＮ／ＯＦＦ制御され、ＯＮ状態のマイクロミラー上で反射した光は、投影光学系２６を通り、基板ＳＷに照射する。これにより、所定のパターンが基板ＳＷの露光面に結像される。基板ＳＷに照射される光は、各マイクロミラーにおいて選択的に反射された光の光束から構成され、露光面上に形成すべき回路パターンに応じた照明光となる。すべてのマイクロミラーがＯＮ状態である場合、基板ＳＷ上には、所定サイズを有する矩形状の投影スポットＥＡが規定される（以下では、この投影領域を露光エリアという）。

露光方式としては、例えばステップ＆リピート方式による多重露光方式が適用され、描画テーブル１８は間欠的にＹ方向に沿って移動する。露光エリアＥＡが走査方向に沿って相対移動するのに伴い、パターンが走査方向に沿って基板ＳＷに形成される。露光ヘッド２０_２〜２０_８においても、同様な露光動作が実行される。走査方向に垂直なＸ方向に沿って一列に並んだ露光ヘッド２０_１〜２０_８は、描画テーブル１８が走査方向に沿って移動するのに伴い、基板ＳＷを全体的に露光する。

図３は、描画装置１０に設けられた描画制御部のブロック図である。

描画制御部３０は、外部のワークステーション（図示せず）と接続され、システムコントロール回路３２を備える。システムコントロール回路３２は描画処理を制御し、ＤＭＤ駆動回路３４、読み出しアドレス制御回路３７、描画テーブル制御回路３８など各回路へ制御信号を出力する。描画処理を制御するプログラムは、あらかじめシステムコントロール回路３２内のＲＯＭ（図示せず）に格納されている。

ラスタ変換回路３６は、パターンデータを描画用イメージデータであるラスタデータに変換する。ラスタデータは、各露光ヘッドのＤＭＤに対して生成され、バッファメモリ３８に格納される。バッファメモリ３８に格納されていたラスタデータは、露光動作に合わせてＤＭＤ駆動回路３４へ送られる。ラスタデータのバッファメモリ３８からの読み出し、ＤＭＤ駆動回路３４への書き込みタイミングは、読み出しアドレス制御回路３７によって制御される。

描画テーブル制御回路３８は、駆動回路４４へ制御信号を出力してＸ−Ｙステージ機構、Ｚ方向機構４７の移動を制御する。Ｚ方向機構４７は、描画テーブル１８をＸ−Ｙ平面に垂直なＺ方向へ調整するための機構であり、投影光学系２６の焦点面に従って描画テーブル１８がＺ方向に移動する。なお、投影光学系２６は、その光軸がＺ方向と平行になるように取り付けられている。

位置検出センサ４８は、描画テーブル１８の位置を検出することによって露光エリアＥＡの相対的位置を検出する。また、位置検出センサ４８は、Ｚ方向に沿った描画テーブル１８の位置も検出可能である。システムコントロール回路３２は、描画テーブル制御回路４２を介して検出する露光エリアＥＡの相対的位置に基づき、ＤＭＤ駆動回路３４、読み出しアドレス制御回路３７等を制御する。

ＤＭＤ駆動回路３４は、すべてのＤＭＤのマイクロミラーに対するラスタデータを格納するビットマップメモリを備え、ラスタデータを各ＤＭＤへ選択的に出力する。露光エリアの相対位置に応じたラスタデータがバッファメモリ３８から送られてくると、描画タイミングを合わせるクロックパルス信号に同期しながら、マイクロミラーを制御する描画信号が各ＤＭＤへ出力される。これにより、各ＤＭＤのマイクロミラーはＯＮ／ＯＦＦ制御される。

本実施形態における描画装置１０は、焦点検出用のＣＣＤラインセンサ６０を接続することが可能である。描画処理前に焦点位置を検出するとき、ＣＣＤラインセンサ６０が描画テーブル１８に搭載され、投影光学系２４の露光エリアに収まるように描画テーブル１８がＸ−Ｙ方向に沿って位置調整する。そして、システムコントロール回路３２のＲＯＭにあらかじめ格納された焦点検出用パターンが読み出され、ラスタデータがＤＭＤ駆動回路３４へ送られる。これにより、焦点検出用パターンがＣＣＤラインセンサ６０に投影される。

システムコントロール回路３２は、ＣＣＤラインセンサ６０から読み出される画像信号に基づいて、投影光学系２６のＺ方向に沿った焦点位置を検出する。検出された焦点位置に基づき、描画テーブル制御回路４２は、Ｚ方向機構４７を駆動し、投影光学系２６の焦点面を基板ＳＷの露光面と一致させる。なお、基板ＳＷの厚さはあらかじめ定められているものとする。

図４は、焦点位置を検出する時のＣＣＤラインセンサ６０の配置を示した図である。

投影光学系２６の焦点距離はあらかじめ定められており、描画テーブル１８のＺ方向に沿った位置は、焦点距離に合わせて調整されている。しかしながら、組立誤差などにより、実際にパターンを投影しながら正確な焦点位置を確認しなければならない。また、稼働中に焦点位置がずれた場合にも、焦点位置を再度検出する必要がある。本実施形態では、以下のように焦点位置を求める。

まず、ＣＣＤラインセンサ６０が描画装置１０の描画処理部３０と接続される。そして、ＣＣＤラインセンサ６０は、投影光学系２６の下方に配置され、その受光面６０ＡはＸ方向、あるいはＹ方向に沿って平行に位置決めされる。また、ＣＣＤラインセンサ６０の一端は、直方体のバー６２の上に載せられる。これにより、ＣＣＤラインセンサ６０は、所定角度αだけ描画テーブル１８に対して傾斜する。ここでは、角度αは、１〜２度に定められる。また、バー６２のサイズおよびＣＣＤラインセンサ６０の寸法を考慮し、受光面の中心位置Ｒが基準露光面ＴＭに載るように、描画テーブル１８の位置があらかじめ調整されている。ここで、基準露光面ＴＭは、焦点距離から予定される仮の焦点面を表す。

図５は、ＣＣＤラインセンサ６０に投影するパターンを示した図である。焦点検出用パターンＭは、等間隔で一方向に受光素子の配列方向に対して垂直な線が並ぶ白黒縞模様のパターン（以下では、万線パターンという）であり、ＣＣＤラインセンサ６０の受光素子のピッチより大きなピッチで、白黒パターンが繰り返し並ぶ。例えば、ＣＣＤラインセンサ６０において、幅５ｍｍ、長さ４０ｍｍのサイズである受光面６０Ａに受光素子が５０μｍピッチで配列する場合、万線パターンＭは、ピッチ０．０５ｍｍ、線幅０．０５ｍｍによる全幅５ｍｍによるパターンに設定される。

図５に示すように、投影光学系２６を通してＣＣＤラインセンサ６０に投影する万線パターンＭは、受光面６０Ａ全体に渡っている。万線パターンＭは、線部分Ｑ１とスペース部分Ｑ２が交互に続くため、繰り返しコントラストのあるパターンになっている。このような万線パターンＭによってＣＣＤラインセンサ６０から検出される画像信号は、高周波成分の信号によって構成される。

上述したように、ＣＣＤラインセンサ６０の受光面６０Ａは、描画テーブル１８の基準露光面ＴＭ、すなわち投影光学系２６の焦点面に対して傾斜している。そして、焦点面が受光面６０Ａと交差するようにＣＣＤラインセンサ６０が配置されている。したがって、万線パターンＭを受光面６０Ａ全体に投影した場合、万線パターンＭの中で最もコントラストのある部分が焦点位置に該当する。すなわち、最も振幅の大きい信号を出力する受光素子の位置が、Ｚ方向に沿った焦点面ＦＰの位置に相当する。図５には、受光面６０Ａの位置Ａ〜Ｅにおける受光素子の受光量を示した図である。図５では、位置Ｂで最もコントラストのある像が形成され、位置Ｂが焦点位置になる。

システムコントロール回路３２は、ＣＣＤ６０から出力される一連の画像信号の中で最も振幅の大きい、すなわちＭＴＦ値の高い信号を検出し、その高周波成分の信号から焦点位置を算出する。そして、その信号を出力する受光素子（図５ではＢの位置）の位置を求める。ここでは、最も振幅の大きい信号を出力するあるレンジ内の一連の受光素子から、その中心付近にある受光素子の位置を求める。

ＣＣＤラインセンサ６０の傾斜角α、および描画テーブル１８のＺ方向に沿った位置情報は、あらかじめ入力されている。また、ここでは、基準露光面ＴＭと受光面６０が交差する場所は、配列された受光素子の中心位置になるようにＣＣＤラインセンサ６０が設置されている。合焦状態に応じた受光素子の位置までの距離をＬ（図５参照）とした場合、基準平面ＴＭからの変位ΔＵは、Ｌｓｉｎαとなる。

これによって焦点面ＦＰの位置、すなわち焦点位置が検出される。描画処理を行うとき、基板ＳＷの露光面が焦点面ＦＰと一致するように、基板の厚さおよび焦点位置に基づいて、描画テーブル１８が位置調整される。

図６は、感度倍率を示した図である。Ｚ方向に沿った焦点位置の移動Ａ１と、ＣＣＤラインセンサ６０の受光面６０Ａに沿った焦点位置の移動Ａ２の比は、感度倍率ｋとして以下の式で表される。

ｋ＝Ａ２／Ａ１ ・・・・（１）

ＣＣＤラインセンサ６０を傾斜させることによって、焦点位置がＺ方向に微小距離ずれたとしても、ＣＣＤラインセンサ６０の受光面６０Ａでは、大きな距離によるずれ量が検出される。その結果、投影光学系２４の焦点位置を高い精度で検出することができる。

このように本実施形態によれば、焦点位置を検出する場合、ＣＣＤラインセンサ６０が角度αだけ傾斜させた状態で描画テーブル１８に搭載され、繰り返しコントラストのある焦点検出用パターンＭがＣＣＤラインセンサ６０の受光面６０Ａに投影される。そして、検出される一連の画像信号に基づき、投影光学系２６の焦点位置が検出される。焦点位置が検出されると、描画テーブル１８の位置が調整され、これによって高精度のパターンが露光面に形成される。

単にＣＣＤラインセンサ６０を傾斜配置させるだけで正確な焦点位置を検出することができ、また、稼働中においても焦点位置を検出することができる。また、描画装置が焦点検出用パターンＭを形成するので、ＣＣＤラインセンサの特性などに合わせてパターンを変更することができ、焦点検出に最適なパターンを投影することが可能である。

ＣＣＤラインセンサを基板の上に配置してもよい。また、ＣＣＤラインセンサ以外の光検デバイスを用いてもよい。焦点検出用パターンとしては、万線パターンの線幅、ピッチなどを変更し、コントラストの程度を調整してもよく、さらに、万線パターン以外でコントラストのある規則的なパターンを用いてもよい。バー６２の形状は任意であり、受光面の傾斜角度が調整できるようにバー６２を構成してもよい。また、ＣＣＤラインセンサ６０の受光面があらかじめ傾斜するようにＣＣＤラインセンサ６０を構成してもよい。

本実施形態では、描画装置１０が自動的に焦点位置を検出し、描画テーブル１８の位置を自動調整するように構成されているが、焦点位置だけを自動検出し、マニュアル操作によって描画テーブル１８を位置調整してもよい。さらに、描画装置１０以外のプロセッサ（ＰＣなど）をＣＣＤラインセンサ６０に接続し、プロセッサにおいて焦点位置を検出するように構成してもよい。

本実施形態である描画装置を模式的に示した斜視図である。 露光ヘッドの概略的断面図である。 描画装置に設けられた描画制御部のブロック図である。 焦点位置を検出する時のＣＣＤラインセンサの配置を示した図である。 ＣＣＤラインセンサに投影するパターンを示した図である。 感度倍率を示した図である。

符号の説明

１０ 描画装置
１８ 描画テーブル
２０_１〜２０_８ 露光ヘッド
２４ ＤＭＤ（露光ユニット）
２６ 投影光学系
３０ 描画制御部
３２ システムコントロール回路
３４ ＤＭＤ駆動回路
３６ ラスタ変換回路
４２ 描画テーブル制御回路
４６ Ｘ−Ｙステージ機構
４７ Ｚ方向機構
６０ ＣＣＤラインセンサ（焦点検出装置）
６０Ａ 受光面
６２ バー
ＳＷ 基板（被描画体）
ＥＡ 露光エリア
Ｍ 万線パターン（焦点検出用パターン）
ＦＰ 焦点面
ＴＭ 基準露光面

Claims (6)

1. 投影光学系を備えたパターン形成装置の焦点位置検出方法であって、
   複数の受光素子を配列させた焦点検出デバイスを、その受光面が前記投影光学系の焦点面に対して傾斜するように露光エリアへ配置し、
   コントラストの繰り返される焦点検出用パターンを、前記投影光学系を介して前記受光面に投影し、
   前記複数の受光素子から読み出される一連の画像信号から、前記投影光学系の焦点位置を検出する焦点位置検出方法。
2. 前記焦点検出用パターンが、万線パターンであることを特徴とする請求項１に記載の焦点位置検出方法。
3. 前記一連の画像信号の中で最もコントラスト差のある合焦状態に応じた画像信号を検出し、
   合焦状態に応じた画像信号を出力する受光素子の配列位置と、前記受光面の傾斜角とに基づいて、前記投影光学系の焦点位置を検出する請求項１乃至２に記載の焦点位置検出方法。
4. 前記焦点検出デバイスが、ＣＣＤセンサであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の焦点位置検出方法。
5. 検出された焦点位置に基づいて、前記被描画体の搭載される描画テーブルの前記投影光学系に対する相対的位置を調整することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の焦点位置検出方法。
6. 複数の空間光変調素子から構成される光変調器と、
   前記光変調器を経由した照明光を被描画体へ投影する投影光学系と、
   複数の受光素子を配列させた焦点検出デバイスが搭載される描画テーブルと、
   前記光変調器を制御し、前記投影光学系の焦点面に対して傾斜する前記焦点検出デバイスの受光面に焦点検出用パターンを投影する描画制御手段と、
   前記複数の受光素子から読み出される一連の画像信号に基づいて、焦点位置を検出する焦点位置検出手段と
   を備えたことを特徴とする描画装置。
   

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