JP2010183028A - パターン描画装置およびパターン描画方法 - Google Patents

Abstract

【課題】描画光の波長とは異なる波長の観察光により描画用の光学系を介して対象物上のアライメントマークの位置を高精度に検出する。
【解決手段】パターン描画装置では、描画対象である基板の対象面上のアライメントマークが描画光の波長とは異なる波長の観察光により描画用の光学系を介して撮像部１５にて撮像され、マーク像強度分布３１１として記憶部３１に記憶される。また、パターン描画装置の記憶部３１には、対象面の高さに点光源を配置した場合に撮像部１５にて取得される点像強度分布３１３が記憶されている。マーク像強度分布３１１および点像強度分布３１３を用いて演算部３２の像回復部３２１にて像回復が行われ、アライメントマークを示すマーク強度分布３１２が取得される。これにより、対象物上のアライメントマークの位置が高精度に検出される。
【選択図】図３

Description

本発明は、光を照射することにより対象物にパターンを描画する技術に関連する。

従来より、半導体基板や表示装置用の基板（以下、単に「基板」という。）上に塗布された感光材料に光を照射することにより基板に対するパターンの描画が行われている。このようなパターンの描画の際には、描画されるパターンの高精細化に伴い、基板と光学系との位置合わせの精度の向上が求められる。

基板の位置合わせ方法の１つとして、描画用の光学系とは別に位置合わせ用の光学系を用いるオフアクシス方式があり、特許文献１ないし４では、描画用の投影光学系とは異なる光学系であるオフアクシス・アライメント系を用いてウエハ上のアライメントマークを検出する露光装置が開示されている。

特開２００７−１８０１０１号公報 特開２００６−１００３０４号公報 特開２００３−２１８０２４号公報 特開２００２−１４００５号公報

ところで、オフアクシス方式による基板の位置合わせでは、描画用の描画光学系と観察用の観察光学系とが異なるため、描画光学系と観察光学系との相対的な位置を高精度に調整することが必要となる。一方、位置合わせの他の方法として、描画用の光学系の少なくとも一部をアライメントマークの観察用としても利用する方式（以下、ＴＴＬ（Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｔｈｅ Ｌｅｎｓ）方式」という。）を検討した場合、ＴＴＬ方式では同一の光学系が描画および観察に用いられるため、光学系の構成の簡素化が実現される。しかし、描画光と観察光とは波長が異なる場合が実際には多い。これは例えば、描画光には波長帯の狭い紫外光等が用いられることが多く、また、観察光には波長帯の広い可視光が用いられることが多いためである。このように観察光と描画光とに異なる波長の光を用いる場合、光学系は描画光の波長を基準に設計および調整が行われる。そのため、観察光に対する結像性能が十分に得られないことが多く、位置合わせの精度が低下してしまう。

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、描画光の波長とは異なる波長の観察光により描画用の光学系を介して対象物上のアライメントマークの位置を高精度に検出することを主たる目的としている。

請求項１に記載の発明は、光を照射することにより対象物にパターンを描画するパターン描画装置であって、対象物を保持する保持部と、パターン描画用の描画光を出射する主光源と、前記対象物に対向するとともに前記描画光を前記対象物へと導く対物光学系と、前記描画光とは異なる波長の観察光を出射する補助光源と、前記対物光学系を経由して前記対象物へと導かれて前記対象物にて反射された前記観察光を前記対物光学系を介して受光することにより、前記対象物上のアライメントマークの像を示すマーク像強度分布を取得する撮像部と、前記対象物上に点光源が配置された場合に前記撮像部にて得られる点像強度分布を記憶する記憶部と、前記点像強度分布を用いて前記マーク像強度分布の像回復を行うことにより、前記対象物上の前記アライメントマークを示すマーク強度分布を取得し、前記マーク強度分布に基づいて前記アライメントマークの位置を検出する演算部とを備える。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のパターン描画装置であって、前記記憶部が、前記対象物上において高さ方向に異なる複数の位置に点光源を配置した場合に前記撮像部にて得られる複数の点像強度分布を記憶し、前記演算部が、前記複数の点像強度分布を用いて前記マーク像強度分布の像回復を行うことにより複数のマーク強度分布を取得し、前記複数のマーク強度分布のうち前記アライメントマークを最も適切に示すものを特定することにより前記アライメントマークの高さを求める。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のパターン描画装置であって、前記複数の点像強度分布が、第１の絞り状態に対応する複数の第１点像強度分布と、前記第１の絞り状態よりも絞りを開いた第２の絞り状態に対応する複数の第２点像強度分布とを含み、前記複数の第２点像強度分布が、前記複数の第１点像強度分布よりも前記対象物上における高さ方向の間隔が小さい複数の位置に対応し、前記撮像部が、前記第１の絞り状態に対応する第１のマーク像強度分布と、前記第２の絞り状態に対応する第２のマーク像強度分布とを取得し、前記演算部が、前記複数の第１点像強度分布を用いて前記第１のマーク像強度分布の像回復を行うことにより複数の第１マーク強度分布を取得し、前記複数の第１マーク強度分布のうち前記アライメントマークを最も適切に示すものを特定することにより前記アライメントマークの第１の高さを求め、前記複数の第２点像強度分布のうち前記アライメントマークの前記第１の高さ近傍の複数の高さに対応するものを用いて前記第２の絞り状態に対応する前記第２のマーク像強度分布の像回復を行うことにより複数の第２マーク強度分布を取得し、前記複数の第２マーク強度分布のうち前記アライメントマークを最も適切に示すものを特定することにより前記第１の高さよりも精度の高い第２の高さを求める。

請求項４に記載の発明は、請求項２または３に記載のパターン描画装置であって、前記対物光学系の光軸に垂直な方向に前記保持部を前記対物光学系に対して相対的に移動する移動機構をさらに備え、前記撮像部が、前記対象物上の複数のアライメントマークを順次撮像し、前記演算部が、前記複数のアライメントマークのそれぞれの高さを求める。

請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載のパターン描画装置であって、前記描画光が紫外線であり、前記観察光が可視光である。

請求項６に記載の発明は、光を照射することにより対象物にパターンを描画するパターン描画方法であって、ａ）パターン描画用の描画光とは波長が異なる観察光を、対象物に対向するとともに前記描画光を前記対象物へと導く対物光学系を介して前記対象物に照射する工程と、ｂ）前記対象物にて反射された前記観察光を前記対物光学系を介して撮像部にて受光することにより、前記対象物上のアライメントマークの像を示すマーク像強度分布を取得する工程と、ｃ）前記対象物上に点光源が配置された場合に前記撮像部にて得られる点像強度分布を用いて前記マーク像強度分布の像回復を行うことにより、前記対象物上の前記アライメントマークを示すマーク強度分布を取得する工程と、ｄ）前記マーク強度分布に基づいて前記アライメントマークの位置を検出する工程と、ｅ）前記アライメントマークの前記位置に基づいて前記対物光学系に対する前記対象物の位置合わせを行う工程と、ｆ）前記対物光学系を介して前記描画光を前記対象物に照射することにより前記対象物にパターンを描画する工程とを備える。

本発明によれば、描画光の波長とは異なる波長の観察光により描画用の対物光学系を介して対象物上のアライメントマークの位置を高精度に検出することができる。請求項２の発明では、アライメントマークの高さを取得することができ、請求項３の発明では、アライメントマークの高さを短時間に高い精度にて求めることができる。また、請求項４の発明では、対象物の表面の高さのばらつきを検出することができる。

第１の実施の形態に係るパターン描画装置を示す図である。 アライメントマークの平面図である。 制御部の機能構成を示すブロック図である。 パターンの描画の流れを示す図である。 マーク像強度分布の例を示す図である。 点像強度分布の例を示す図である。 マーク強度分布の例を示す図である。 アライメントマークの位置の検出の流れを示す図である。 第２の実施の形態に係る制御部の機能構成を示すブロック図である。 パターンの描画の流れを示す図である。

図１は本発明の第１の実施の形態に係るパターン描画装置１の構成を示す図である。パターン描画装置１はマスク露光装置であり、光を照射することによりフォトマスク２に設けられたパターンが対象物である半導体基板９（以下、単に「基板９」という。）上に投影される。また、描画の対象となる基板９の対象面９１上には、基板９の水平位置合わせの基準となる複数のアライメントマーク９１１が設けられており、図１では１つのアライメントマーク９１１のみを誇張して示している。なお、基板９の位置合わせに利用可能であれば、基板９上に設けられたマーク以外のパターンがアライメントマークとして利用されてもよい。

パターン描画装置１はパターン描画用の描画光を出射する主光源１１、描画光をフォトマスク２へと導く描画光導入光学系１２、フォトマスク２を保持するマスク保持部１６、フォトマスク２と基板９との間に位置して基板９に対向する対物光学系１７、基板９を保持する保持部１８、保持部１８を移動する移動機構１９、および、各種演算処理を行うＣＰＵや各種情報を記憶するメモリ等により構成されてパターン描画装置１の各部の制御を行う図示省略の制御部を備える。対象面９１上には感光材料の層が形成されており、パターン描画装置１では、フォトマスク２に設けられたパターンが描画光により基板９上に縮小投影されて基板９上の感光材料が感光することにより、対象面９１上にパターンが描画される。

また、パターン描画装置１は観察光を出射する補助光源１３、観察光をフォトマスク２へと導く観察用補助光学系１４、並びに、観察用補助光学系１４および対物光学系１７を介してアライメントマーク９１１の像を取得する撮像部１５をさらに備え、対物光学系１７に対する基板９の水平位置合わせのために、これらの構成によりアライメントマーク９１１の観察が行われる。

パターン描画装置１の主光源１１は描画光として紫外線を出射するレーザであり、主光源１１から発せられた描画光は描画光導入光学系１２に入射し、フォトマスク２へと導かれる。マスク保持部１６は水平なＸＹ平面に平行な平板状であり、マスク保持部１６の中央部には描画光および観察光を通過させるための開口１６１が設けられる。フォトマスク２は描画すべきパターンの形状となっているパターン開口２１、および、観察光が通過する観察用開口２２を有し、パターン開口２１および観察用開口２２は共にマスク保持部１６の開口１６１に重なっている。なお、観察用開口２２はフォトマスク２の隅に設けられる。また、フォトマスク２を通過した描画光および観察光を基板９へと導く対物光学系１７は複数のレンズおよび絞り１７１を有し、対物光学系１７の光軸はＸＹ平面に垂直なＺ方向に平行となっている。

基板９は保持部１８上にＸＹ平面に平行に保持され、保持部１８は移動機構１９上に取り付けられる。移動機構１９は保持部１８をＸ方向およびＹ方向に移動する水平移動機構１９１、並びに、水平移動機構１９１および保持部１８を高さ方向であるＺ方向に移動する昇降機構１９２を有し、Ｚ方向を向く軸を中心に保持部１８を回転する図示省略の回転機構をさらに有する。

補助光源１３には発光ダイオードやハロゲンランプ等が用いられ、可視光が観察光として出射される。観察用補助光学系１４はビームスプリッタ１４１およびミラー１４２を有し、補助光源１３から出射された観察光がビームスプリッタ１４１およびミラー１４２にて反射されて既述のように観察用開口２２および対物光学系１７を経由して基板９に導かれる。そして、基板９にて反射された観察光の一部は対物光学系１７および観察用開口２２を介して観察用補助光学系１４へと導かれ、ミラー１４２に反射されてビームスプリッタ１４１を透過して撮像部１５にて受光される。対象面９１と撮像部１５の撮像面とは光学的にほぼ共役とされる。

図２は基板９のアライメントマーク９１１を例示する平面図であり、アライメントマーク９１１は十字となっている。対象面９１にはパターンが描画される予定の複数の照射領域が設けられており、アライメントマーク９１１は各照射領域に対して所定の位置に正確に形成されている。なお、１つの照射領域に対して１つのアライメントマーク９１１が設けられてもよく、複数の照射領域に対して１つのアライメントマーク９１１が設けられてもよい。また、アライメントマーク９１１は十字状のものには限定されず、他の形状であってもよい。

図３はパターン描画装置１の制御部３の機能構成をパターン描画装置１の他の構成と共に示すブロック図である。図３に示すように、制御部３は各種情報を記憶する記憶部３１、各種の演算を行う演算部３２、および、移動機構１９の移動を制御する移動制御部３３を有し、演算部３２は撮像部１５にて取得された画像のぼけの修正（以下、「像回復」という。）を行う像回復部３２１、像回復が行われた画像からアライメントマーク９１１の高さ（すなわち、高さ方向の位置）を求める高さ取得部３２２、並びに、水平位置合わせおよびフォーカス調整における基板９の適切な移動量を求めるずれ量算出部３２３を有する。

図４はパターン描画装置１による基板９へのパターンの描画の流れを示す図である。パターンの描画では、まず、基板９の水平位置合わせおよびフォーカス調整のために、観察光が図１に示すように対象面９１上の１つのアライメントマーク９１１に照射される（ステップＳ１１）。そして、基板９にて反射された観察光の一部が撮像部１５にて受光されることにより（すなわち、撮像部１５がアライメントマーク９１１を撮像することにより）、アライメントマーク９１１の像を示す光の強度分布（以下、「マーク像強度分布」という。）が取得される（ステップＳ１２）。マーク像強度分布は、図３中に符号３１１を付して示すように２次元の強度分布を示すデータとして記憶部３１に記憶される。ただし、対物光学系１７は描画光の波長に合わせて設計されるため、描画光とは異なる波長の観察光によるマーク像強度分布３１１は不鮮明なものとなる。

マーク像強度分布３１１が取得されると、像回復部３２１にて行われる後述の演算により像回復が行われ、さらに、高さ取得部３２２およびずれ量算出部３２３によりアライメントマーク９１１の水平方向の位置および高さを示す情報が取得される（ステップＳ１３）。移動制御部３３は水平方向および高さ方向のずれ量に基づいて移動機構１９を制御し、基板９の照射領域の水平位置合わせおよび高さ合わせ（すなわち、フォーカス調整）を行う（ステップＳ１４）。基板９の水平位置合わせおよびフォーカス調整が完了すると、対物光学系１７を介して描画光が基板９に照射されることによりフォトマスク２のパターンが基板９の１つの照射領域に描画される（ステップＳ１５）。

次の照射領域に描画が行われる際には、移動機構１９により基板９が水平方向に移動されて照射領域が変更され、撮像部１５により新たな照射領域に対応するマーク像強度分布３１１が取得される（ステップＳ１１，Ｓ１２）。さらに、演算部３２により、変更後の照射領域に対するアライメントマーク９１１の水平方向の位置および高さが検出される（ステップＳ１３）。変更後の照射領域に対しても基板９の照射領域の水平位置合わせおよびフォーカス調整が行われ、描画光によりパターンが描画される（ステップＳ１４，Ｓ１５）。ステップＳ１１〜Ｓ１５は基板９の全ての照射領域に対してパターンの描画が行われるまで繰り返される。これにより、演算部３２により複数のアライメントマーク９１１のそれぞれの高さが求められることとなり、パターン描画装置１では、基板９が有する厚さのむら、反り、傾き等による対象面９１の高さのばらつきを検出することも可能とされる。

次に、図４のステップＳ１３にて行われる像回復の原理について説明する。図５はマーク像強度分布３１１の例であり、図５に示すようにマーク像強度分布３１１は不鮮明となっている。以下では、撮像部１５に取得されたマーク像強度分布３１１における対象面９１のＸ方向およびＹ方向に対応する座標をそれぞれｘおよびｙとして、図５のマーク像強度分布３１１を示す関数をｉ（ｘ，ｙ）と表す。また、アライメントマーク９１１から撮像部１５へと導かれる光のアライメントマーク９１１の位置における強度分布を示す関数を、撮像部１５における座標に対応づけてｓ（ｘ，ｙ）と表す。ｓ（ｘ，ｙ）は撮像部１５における、ぼけが無い理想的なアライメントマーク９１１の像に等しい。

さらに、パターン描画装置１の対象面９１から撮像部１５に至る光学系により決定されるぼけ関数をｈ（ｘ，ｙ）とすると、ｉ（ｘ，ｙ）は数１に示すようにｓ（ｘ，ｙ）とｈ（ｘ，ｙ）とのコンボリューションとして表される。また、数２はξおよびηを二次元の周波数空間を示す変数として数１をフーリエ変換したものであり、Ｉ（ξ，η）、Ｓ（ξ，η）およびＨ（ξ，η）はそれぞれｉ（ｘ，ｙ）、ｓ（ｘ，ｙ）およびｈ（ｘ，ｙ）をフーリエ変換したものを表す。

一方、基板９上において点光源を配置した場合に撮像部１５にて得られる像の強度分布（以下、「点像強度分布」という。）を示す点像広がり関数（Ｐｏｉｎｔ Ｓｐｒｅａｄ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）もぼけ関数ｈ（ｘ、ｙ）と同様に対象面９１から撮像部１５に至るまでの光学系により決定される。図６は点像強度分布３１３の例であり、図６に示すように、点像強度分布３１３は点光源の位置に対応する点の周辺に像が広がったものとなる。

数２においてｓ（ｘ，ｙ）を点光源とした場合、ｓ（ｘ，ｙ）をフーリエ変換したＳ（ξ，η）は１となる。したがって、点像広がり関数をｐ（ｘ，ｙ）と表し、フーリエ変換をＦにて表すと、数３に示すように、ｐ（ｘ，ｙ）をフーリエ変換したものはＨ（ξ，η）と等しくなる。

点光源の高さが一定の場合には、ＸＹ平面内のいずれの位置においても点光源の広がりが同様であるとみなしてＦ｛ｐ（ｘ，ｙ）｝を数２のＨ（ξ，η）に代入すると、逆フーリエ変換をＦ^−１として理想的な像ｓ（ｘ，ｙ）は数４にて表される。したがって、数４に基づいてｐ（ｘ，ｙ）およびｉ（ｘ，ｙ）を用いてデコンボリューション演算を行うことによりｓ（ｘ，ｙ）が求められる（すなわち、像回復が行われる）。

図７は図５および図６に示すマーク像強度分布３１１および点像強度分布３１３を用いた像回復により求められた強度分布（以下、「マーク強度分布」という。）の例を示す図であり、図７に示すマーク強度分布３１２は、図５のマーク像強度分布３１１のぼけが修正されてアライメントマーク９１１を示すものとなっている。

次に、図４のステップＳ１３におけるアライメントマーク９１１の位置の検出について説明する。図８はアライメントマーク９１１の位置の検出の流れを示す図である。図３に示すように、制御部３の記憶部３１には図１の基板９上において高さ方向（Ｚ方向）に異なる複数の位置に点光源を配置した場合に撮像部１５にて得られる複数の点像強度分布３１３が予め記憶されており、像回復が行われる際には、まず、点光源の１つの高さに対応する１つの点像強度分布３１３が選択される（ステップＳ１３１）。点像強度分布３１３は観察用補助光学系１４および対物光学系１７の設計値に基づく計算、または、ピンホール等の点光源を基板９の位置に配置した測定を予め行うことにより求められている。点像強度分布３１３は点光源の高さをパラメータとする関数として記憶されてもよく、この場合、ステップＳ１３１では点像強度分布３１３を表す関数のパラメータに値が代入される。

点像強度分布３１３が選択されると、点像強度分布３１３およびマーク像強度分布３１１が演算部３２の像回復部３２１に入力され、像回復部３２１では数４に基づいて像回復が行われる（ステップＳ１３２）。像回復部３２１により求められたｓ（ｘ，ｙ）は選択された点像強度分布３１３に対応するマーク強度分布３１２として記憶部３１に記憶される（ステップＳ１３３）。

続いて、全ての点像強度分布３１３について像回復が行われたか否かが確認され（ステップＳ１３４）、完了していない場合には異なる高さに位置する点光源に対応する点像強度分布３１３が選択される（ステップＳ１３１）。そして、マーク像強度分布３１１および新たに選択された点像強度分布３１３を用いた像回復が行われ（ステップＳ１３２）、求められたマーク強度分布３１２が記憶部３１に記憶される（ステップＳ１３３）。全ての高さに位置する点光源に対応する点像強度分布３１３を用いて計算が行われるまで、マーク強度分布３１２の取得および記憶が繰り返され（ステップＳ１３１〜Ｓ１３３）、複数のマーク強度分布３１２が取得される。

複数のマーク強度分布３１２はそれぞれ画像データとして高さ取得部３２２に入力され、高さ取得部３２２では、画像データが示す画素の階調数の最大値であるＩ_ｍａｘおよび最小値であるＩ_ｍｉｎがそれぞれ取得される。さらに、（（Ｉ_ｍａｘ−Ｉ_ｍｉｎ）／（Ｉ_ｍａｘ＋Ｉ_ｍｉｎ））により階調数の差を利用したマーク強度分布３１２のコントラストが求められる。全てのマーク強度分布３１２のコントラストが求められると、最も高いコントラストを有するマーク強度分布３１２が最も適切な像回復によるものと判定される。換言すれば、複数のマーク強度分布３１２のうちアライメントマーク９１１を最も適切に示すマーク強度分布３１２が特定される（ステップＳ１３５）。さらに、アライメントマーク９１１を最も適切に示すマーク強度分布３１２の像回復に用いられた点像強度分布３１３から、元の点光源の高さがアライメントマーク９１１の高さとして求められる。

像回復が行われると、図３に示すように、マーク強度分布３１２およびアライメントマーク９１１の高さが演算部３２のずれ量算出部３２３に入力される。ずれ量算出部３２３ではマーク強度分布３１２に基づいてアライメントマーク９１１の水平方向における正確な位置が検出され、所望の位置からの基板９のずれ量がさらに求められる（ステップＳ１３６）。また、ずれ量算出部３２３では、アライメントマーク９１１の高さに基づいて基板９の高さ方向のずれ量も求められ、水平方向のずれ量と共に移動制御部３３に入力される。そして、既述のようにずれ量に基づいて図４に示すステップＳ１４以降の処理が行われる。

なお、複数のマーク強度分布３１２のコントラストを求める方法は、上記のもの以外であってもよく、コントラストが高いほど画像が明瞭であり画素の階調数の変化が急激であることから、微分処理が行われてもよい。この場合、例えば、各マーク強度分布３１２の画像データに対して、差分、Ｒｏｂｅｒｔｓオペレータ、Ｓｏｂｅｌオペレータ等による処理が行われ、画素の階調数のｘ方向における変化量ｆ_ｘおよびｙ方向における変化量ｆ_ｙが取得される。さらに、取得された変化量の強さが（（ｆ_ｘ ^２＋ｆ_ｙ ^２）^１／２）や（｜ｆ_ｘ｜＋｜ｆ_ｙ｜）等により求められ、変化量の強さに基づいてコントラストが求められる。また、画素値のヒストグラムの形状に基づいてコントラストが求められてもよく、この場合、例えば、ヒストグラムが平坦であるほどコントラストが高い画像であると判定される。

図８のステップＳ１３５では、アライメントマーク９１１を最も適切に示すマーク強度分布３１２を特定するために、マーク強度分布３１２のコントラストを比較する方法以外の方法が用いられてもよい。例えば、記憶部３１が正確なアライメントマーク９１１を示す参照画像を予め記憶しており、参照画像と各マーク強度分布３１２との類似度を求めるパターンマッチングを行うことによりアライメントマーク９１１を最も適切に示すマーク強度分布３１２が特定されてもよい。この場合、高さ取得部３２２では各マーク強度分布３１２と参照画像との類似度を示す相関係数が計算され、複数のマーク強度分布３１２の中から、相関係数が最も高いマーク強度分布３１２がアライメントマーク９１１を最も適切に示すものとして特定される。また、高さ取得部３２２により行われる類似度の計算は、相関係数によるもの以外にも、例えば、ＳＳＤＡ（Ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ Ｓｉｍｉｌａｒｉｔｙ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）や最小二乗マッチングが用いられてもよい。さらに、マーク強度分布３１２を画像処理して特徴点を抽出し、特徴点の位置関係を用いることにより類似度が求められてもよい。

また、アライメントマーク９１１を最も適切に示すマーク強度分布３１２およびその近傍の高さに対応する複数のマーク強度分布３１２のコントラストや類似度を補間することにより、アライメントマーク９１１のより精度の高い高さが求められてもよい（第２の実施の形態に係る第１の高さおよび第２の高さおいても同様）。すなわち、複数のマーク強度分布３１２のうちアライメントマーク９１１を最も適切に示すものを特定することによりアライメントマーク９１１の高さが求められるのであれば、アライメントマーク９１１の高さはアライメントマーク９１１を最も適切に示すマーク強度分布３１２を含む複数のマーク強度分布３１２に基づいて求められてよい。

以上に説明したように、第１の実施の形態に係るパターン描画装置１では、演算部３２が複数の点像強度分布３１３を用いてマーク像強度分布３１１の像回復を行うことにより複数のマーク強度分布３１２が取得され、その中からアライメントマーク９１１を最も適切に示すマーク強度分布３１２が特定される。これにより、描画光の波長とは異なる波長の光を観察光として用いて描画用の対物光学系１７を介して基板９上のアライメントマーク９１１の位置を高精度に検出することができる。また、検出されたアライメントマーク９１１の位置から求められた基板９の水平方向のずれ量に基づいて、水平移動機構１９１により基板９の対物光学系１７に対する水平位置合わせを行うことができる。さらに、アライメントマーク９１１の高さを取得することができ、昇降機構１９２によりフォーカス調整を行うことができる。

パターン描画装置１では、撮像部１５が基板９上の複数のアライメントマーク９１１を順次撮像するとともに、演算部３２が複数のアライメントマーク９１１のそれぞれの高さを求めることにより、対象面９１の高さのばらつきを検出することも実現される。

基板９の位置合わせが水平位置合わせのみであり、基板９を高さ方向に移動する必要がない場合は、高さ方向において１つの点像強度分布３１３のみが用いられてもよい。この場合においても、演算部３２が１つの点像強度分布３１３を用いてマーク像強度分布３１１の像回復を行うことによりマーク強度分布３１２が取得され、マーク強度分布３１２に基づいて基板９上のアライメントマーク９１１の水平位置を高精度に検出することができる。

次に、第２の実施の形態に係るパターン描画装置について説明する。図９は第２の実施の形態に係るパターン描画装置における制御部３ａの機能構成をパターン描画装置の他の構成と共に示すブロック図であり、制御部３ａを除くパターン描画装置の構成は図１に示すパターン描画装置１と同様とされる。図９に示す制御部３ａは、図３の制御部３と比較して、図１に示す対物光学系１７の開口数を決定する絞り１７１（を駆動する機構）の制御を行う絞り制御部３４をさらに有し、記憶部３１に記憶される情報が絞り１７１の状態に対応付けられ、他の構成は同様とされる。

以下の説明では、絞り制御部３４の制御により絞り１７１（の開口）が小さく開いた状態を「第１の絞り状態」と呼び、第１の絞り状態よりも絞りが開いた状態を「第２の絞り状態」と呼ぶ。また、記憶部３１には複数の第１点像強度分布３１３ａと、複数の第２点像強度分布３１３ｂとが記憶されるが、図９ではそれぞれ１つのみ示している。第１点像強度分布３１３ａおよび第２点像強度分布３１３ｂは、それぞれ第１の絞り状態および第２の絞り状態に対応し、予め設計値に基づく計算または点光源を用いた実際の測定により求められている。第２の絞り状態では第１の絞り状態よりも被写界深度が浅くなるため、第２点像強度分布３１３ｂとしては第１点像強度分布３１３ａよりも高さ方向の間隔が小さい複数の位置に対応するものが準備される。すなわち、高さ方向における一定の範囲内において間隔を開けて点光源が順次配置された場合に取得される点像強度分布が複数の第１点像強度分布として準備され、同じ範囲に密に点光源が順次配置された場合に取得される点像強度分布が複数の第２点像強度分布として準備される。

図１０は第２の実施の形態に係るパターン描画装置による基板９へのパターンの描画の流れを示す図である。パターンの描画では、まず、図１および図９に示すように、絞り制御部３４により対物光学系１７の絞り１７１（の開口）が小さくされて絞り１７１が第１の絞り状態とされ（ステップＳ２１）、観察光が対象面９１上の１つのアライメントマーク９１１に照射される（ステップＳ２２）。基板９にて反射された観察光の一部が撮像部１５にて受光されることにより、図９に示すように、第１の絞り状態に対応するアライメントマーク９１１の像を示す第１マーク像強度分布３１１ａが取得されて記憶部３１に記憶される（ステップＳ２３）。

次に、演算部３２の像回復部３２１により複数の第１点像強度分布３１３ａを用いて第１マーク像強度分布３１１ａの像回復が図８と同様の処理により行われ、複数の第１マーク強度分布３１２ａが取得される（ステップＳ１３１〜Ｓ１３４）。さらに、複数の第１マーク強度分布３１２ａのコントラストが求められ、コントラストの比較によりアライメントマーク９１１を最も適切に示す第１マーク強度分布３１２ａが特定される（ステップＳ１３５）。高さ取得部３２２では、第１の絞り状態に対応するアライメントマーク９１１の高さを示す第１の高さが求められる（ステップＳ２４）。なお、特定された第１マーク強度分布３１２ａに対しては図８のステップＳ１３６は行われない。

第１の高さが求められると、絞り制御部３４により絞り１７１（の開口）が大きくされて絞り１７１が第２の絞り状態とされる（ステップＳ２５，Ｓ２６）。そして、観察光が対象面９１に照射され、図９に示すように、第２の絞り状態に対応するアライメントマーク９１１の像を示す第２マーク像強度分布３１１ｂが取得されて記憶部３１に記憶される（ステップＳ２２，Ｓ２３）。

像回復部３２１は、第２マーク像強度分布３１１ｂおよび複数の第２点像強度分布３１３ｂを用いて図８と同様の処理により像回復を行って第２マーク強度分布３１２ｂを取得する（ステップＳ１３１〜Ｓ１３４）。このとき、第１の高さ近傍の複数の高さに対応する第２点像強度分布３１３ｂのみが用いられる。高さ取得部３２２では、複数の第２マーク強度分布３１２ｂのコントラストを比較することにより、アライメントマーク９１１を最も適切に示す第２マーク強度分布３１２ｂが特定される（ステップＳ１３５）。これにより、アライメントマーク９１１の第１の高さよりも精度の高い第２の高さが取得される。

第２マーク強度分布３１２ｂおよび第２の高さは演算部３２のずれ量算出部３２３に入力され、ずれ量算出部３２３では、第２マーク強度分布３１２ｂに基づいてアライメントマーク９１１の水平方向の位置が検出され（ステップＳ１３６）、所望の位置からの基板９の水平方向のずれ量が求められる。さらに、ずれ量算出部３２３により第２の高さに基づいて所望の位置からの基板９の高さ方向のずれ量も求められる。

水平方向および高さ方向のずれ量は移動制御部３３に入力され、第１の実施の形態と同様に、移動制御部３３および移動機構１９により、基板９の照射領域の水平位置合わせおよび高さ位置合わせ（すなわち、フォーカス調整）が行われ（ステップＳ２７）、描画光によりパターンが基板９の１つの照射領域に描画される（ステップＳ２８）。

次の照射領域に描画が行われる際には、移動機構１９により基板９が水平方向に移動されて照射領域が変更され、絞り制御部３４により絞り１７１が第１の絞り状態とされる（ステップＳ２１）。そして、ステップＳ２２〜Ｓ２４が行われてアライメントマーク９１１を最も適切に示す第１マーク強度分布３１２ａおよび第１の高さが取得される。次に、絞り１７１がが第２の絞り状態とされ（ステップＳ２５，Ｓ２６）、ステップＳ２２〜Ｓ２４が行われてアライメントマーク９１１を最も適切に示す第２マーク強度分布３１２ｂおよび第２の高さが取得され、基板９の水平方向および高さ方向のずれ量が求められる。その後、ずれ量に基づいて基板９の水平位置合わせおよびフォーカス調整が行われ、照射領域にパターンが描画される（ステップＳ２７，Ｓ２８）。

ステップＳ２１〜Ｓ２８は基板９の全ての照射領域について繰り返され、基板９上の複数のアライメントマーク９１１のそれぞれの高さが求められる。これにより、基板９が有する厚さむら、反り、傾き等による対象面９１の高さのばらつきを検出することが実現される。

第２の実施の形態に係るパターン描画装置１においても、描画光の波長とは異なる波長の光を観察光として用いて描画用の対物光学系１７を介してアライメントマーク９１１の位置を高精度に検出することができる。また、検出されたアライメントマーク９１１の位置から基板９の水平位置合わせを高精度に行うことができる。さらに、アライメントマーク９１１の高さを取得することによりフォーカス調整を行うことができる。

第２の実施の形態における像回復では、複数の第１点像強度分布３１３ａと複数の第２点像強度分布３１３ｂとを含む複数の点像強度分布が準備され、第１の絞り状態において求められた第１の高さに基づいて限定された複数の第２点像強度分布３１３ｂを用いて第２の絞り状態における像回復が行われる。これにより、全ての第２点像強度分布３１３ｂを用いて像回復を行う場合に比べて演算量を削減することができ、アライメントマーク９１１の高精度の高さを短時間に求めることができる。

以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

例えば、描画光は紫外線には限定されず、基板９に付与された感光材料が感光する波長であれば他の波長の光であってもよい。同様に、観察光も可視光には限定されず他の波長の光が用いられてもよい。

基板９の水平位置合わせおよびフォーカス調整は、基板９および保持部１８が対物光学系１７および観察用補助光学系１４に対して相対的に移動するのであれば、対物光学系１７や観察用補助光学系１４が移動されてもよい。さらに、フォーカス調整は対物光学系１７の内部機構により行われてもよい。

マーク強度分布３１２の取得の際には、図８のステップＳ１３１〜Ｓ１３５の順番は適宜入れ替えられてよい。例えば、１つのマーク強度分布３１２を取得する毎にコントラストが求められたり、参照画像との類似度が求められてもよい。また、図１０のステップＳ２１〜Ｓ２６の順番も適宜入れ替えられてよく、例えば、第１の絞り状態および第２の絞り状態におけるマーク像強度分布の取得の順序が照射領域毎に逆とされてもよい。すなわち、先の照射領域に対する１回目のステップＳ２３の完了時に対物光学系１７が第２の絞り状態にある場合、後の照射領域に対する１回目のステップＳ２３が第２の絞り状態にて行われる。この場合、第１マーク像強度分布３１１ａおよび第２マーク像強度分布３１１ｂを取得した後にステップＳ２４が行われる。これにより、絞り１７１の動作回数を少なくして、パターン描画に要する時間を短縮することができる。

また、第２の実施の形態において、第２の絞り状態よりもさらに絞り１７１を小さくした第３の絞り状態にて第２の絞り状態と同様の処理を行い、アライメントマークのさらに高精度な水平位置および高さが段階的に効率よく求められてもよい。

パターン描画装置１はマスク露光装置以外のものであってもよい。例えば、変調された光がガルバノミラー等の偏向器により偏向されつつ対象物に照射される直描装置であってもよい。パターン描画装置１は、半導体基板以外に、プリント基板、フォトマスクや表示装置等に用いられるガラス基板等にパターンを描画する装置であってもよい。

１ パターン描画装置
３，３ａ 制御部
９ 半導体基板
１１ 主光源
１３ 補助光源
１５ 撮像部
１７ 対物光学系
１８ 保持部
１９ 移動機構
３１ 記憶部
３２ 演算部
９１ 対象面
１７１ 絞り
３１１ マーク像強度分布
３１１ａ 第１マーク像強度分布
３１１ｂ 第２マーク像強度分布
３１２ マーク強度分布
３１２ａ 第１マーク強度分布
３１２ｂ 第２マーク強度分布
３１３ 点像強度分布
３１３ａ 第１点像強度分布
３１３ｂ 第２点像強度分布
９１１ アライメントマーク
Ｓ１１〜Ｓ１５，Ｓ２１〜Ｓ２８，Ｓ１３１〜Ｓ１３６ ステップ

Claims (6)

1. 光を照射することにより対象物にパターンを描画するパターン描画装置であって、
   対象物を保持する保持部と、
   パターン描画用の描画光を出射する主光源と、
   前記対象物に対向するとともに前記描画光を前記対象物へと導く対物光学系と、
   前記描画光とは異なる波長の観察光を出射する補助光源と、
   前記対物光学系を経由して前記対象物へと導かれて前記対象物にて反射された前記観察光を前記対物光学系を介して受光することにより、前記対象物上のアライメントマークの像を示すマーク像強度分布を取得する撮像部と、
   前記対象物上に点光源が配置された場合に前記撮像部にて得られる点像強度分布を記憶する記憶部と、
   前記点像強度分布を用いて前記マーク像強度分布の像回復を行うことにより、前記対象物上の前記アライメントマークを示すマーク強度分布を取得し、前記マーク強度分布に基づいて前記アライメントマークの位置を検出する演算部と、
   を備えることを特徴とするパターン描画装置。
2. 請求項１に記載のパターン描画装置であって、
   前記記憶部が、前記対象物上において高さ方向に異なる複数の位置に点光源を配置した場合に前記撮像部にて得られる複数の点像強度分布を記憶し、
   前記演算部が、前記複数の点像強度分布を用いて前記マーク像強度分布の像回復を行うことにより複数のマーク強度分布を取得し、前記複数のマーク強度分布のうち前記アライメントマークを最も適切に示すものを特定することにより前記アライメントマークの高さを求めることを特徴とするパターン描画装置。
3. 請求項２に記載のパターン描画装置であって、
   前記複数の点像強度分布が、第１の絞り状態に対応する複数の第１点像強度分布と、前記第１の絞り状態よりも絞りを開いた第２の絞り状態に対応する複数の第２点像強度分布とを含み、前記複数の第２点像強度分布が、前記複数の第１点像強度分布よりも前記対象物上における高さ方向の間隔が小さい複数の位置に対応し、
   前記撮像部が、前記第１の絞り状態に対応する第１のマーク像強度分布と、前記第２の絞り状態に対応する第２のマーク像強度分布とを取得し、
   前記演算部が、
   前記複数の第１点像強度分布を用いて前記第１のマーク像強度分布の像回復を行うことにより複数の第１マーク強度分布を取得し、前記複数の第１マーク強度分布のうち前記アライメントマークを最も適切に示すものを特定することにより前記アライメントマークの第１の高さを求め、
   前記複数の第２点像強度分布のうち前記アライメントマークの前記第１の高さ近傍の複数の高さに対応するものを用いて前記第２の絞り状態に対応する前記第２のマーク像強度分布の像回復を行うことにより複数の第２マーク強度分布を取得し、前記複数の第２マーク強度分布のうち前記アライメントマークを最も適切に示すものを特定することにより前記第１の高さよりも精度の高い第２の高さを求めることを特徴とするパターン描画装置。
4. 請求項２または３に記載のパターン描画装置であって、
   前記対物光学系の光軸に垂直な方向に前記保持部を前記対物光学系に対して相対的に移動する移動機構をさらに備え、
   前記撮像部が、前記対象物上の複数のアライメントマークを順次撮像し、
   前記演算部が、前記複数のアライメントマークのそれぞれの高さを求めることを特徴とするパターン描画装置。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載のパターン描画装置であって、
   前記描画光が紫外線であり、前記観察光が可視光であることを特徴とするパターン描画装置。
6. 光を照射することにより対象物にパターンを描画するパターン描画方法であって、
   ａ）パターン描画用の描画光とは波長が異なる観察光を、対象物に対向するとともに前記描画光を前記対象物へと導く対物光学系を介して前記対象物に照射する工程と、
   ｂ）前記対象物にて反射された前記観察光を前記対物光学系を介して撮像部にて受光することにより、前記対象物上のアライメントマークの像を示すマーク像強度分布を取得する工程と、
   ｃ）前記対象物上に点光源が配置された場合に前記撮像部にて得られる点像強度分布を用いて前記マーク像強度分布の像回復を行うことにより、前記対象物上の前記アライメントマークを示すマーク強度分布を取得する工程と、
   ｄ）前記マーク強度分布に基づいて前記アライメントマークの位置を検出する工程と、
   ｅ）前記アライメントマークの前記位置に基づいて前記対物光学系に対する前記対象物の位置合わせを行う工程と、
   ｆ）前記対物光学系を介して前記描画光を前記対象物に照射することにより前記対象物にパターンを描画する工程と、
   を備えることを特徴とするパターン描画方法。

Images