JP2019056875A - 露光方法および露光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】露光装置の露光位置の位置決め精度よりも高い露光位置精度を実現することが可能な露光方法を提供すること。【解決手段】露光方法は、（１）露光マスクおよびワークの相対的な位置関係からワーク上の露光位置を算出するステップと、（２）ワーク上の目標露光位置から露光位置が外れていてもパターンの投影が許容される範囲を露光位置範囲として設定するステップと、（３）前記露光位置が前記露光位置範囲に入っている場合に露光マスクへ露光光を照射し、前記露光位置が露光位置範囲から外れた場合には露光光を停止するという露光制御を実行するステップと、を備え、露光光の前記露光制御を用いて露光マスク上のパターンをワークに投影する。【選択図】 図１

Description

本発明は、フォトリソグラフィ技術を用いた半導体やスケール等の製造技術に関する。

通常、露光装置によるワーク上の露光位置の精度は、露光装置の位置決め精度によって決まる。このため、露光装置は、摩擦力を低減できる非接触の空気静圧案内を用いたり、送り機構の剛性を高められるリニアモータを用いたりして、高い位置決め精度が得られるように構成されている。

半導体の微細化に対応してフォトリソグラフィ技術は年々進歩しているが、露光装置の位置決め精度のレベルアップは年々難しくなりつつある。

非特許文献１には、露光中のステージの位置の確率分布による位置決め精度の評価手法が紹介されており、露光位置の位置決め精度を悪化させる要因として、１つ目に、露光中に微小振動があることが挙げられている。また、露光時間が短いほど位置決め精度が悪くなるという傾向がある。これは、露光位置の位置決め精度を悪化させる要因の２つ目であるステッピング動作後の残留振動の影響とされている。

特許文献１には、露光装置の制御方法に関して、露光装置の残留振動中でもワークに対して正確な位置での露光を実現する方法が提案されている。特許文献１の露光装置は、移動体としての露光ユニットと、露光ユニットの位置を検出する位置センサと、この位置センサからの信号に基づいて露光ユニットの露光開始時間を設定する制御回路と、を備えている。制御回路は、露光ユニットの残留振動中の位置が目標位置と交差するタイミングを予測し、設定した露光時間の半分の時間だけそのタイミングから遡って露光を開始するように、露光開始時間を設定する。これにより、露光の目標位置を中心に露光時間が配置される。言い換えると、露光時間の半分が経過するタイミングで、露光ユニットが目標位置を通過することになる。これによって、残留振動中でもワーク上の目標位置に対する露光が可能になる、と説明されている。

特開２００６‐２１６８５２号公報

「ステッパの新露光方式と位置決め技術の改新」、精密工学会誌、Ｖｏｌ．６１（１９９５）Ｎｏ．１２、Ｐ１６７６−１６８０

特許文献１記載の制御方法では、露光時間の半分が経過するタイミングで、残留振動している露光ユニットがワーク上の目標位置を通過するので、残留振動中でも目標位置に露光することができる。しかし、露光ユニットの残留振動は装置の状態（個体差や、温度/経年変化等）によって変化するので、残留振動の振幅や、周波数の変化に応じて露光範囲が広くなったり狭くなったりする。

発明者は、露光装置が残留振動を含む位置決めの影響をどのように受けたとしても、その露光位置が所定範囲に入るように、露光装置による露光位置の精度向上に努めた。すなわち、本発明の目的は、露光装置の残留振動を含む位置決めの影響をどのように受けたとしても、露光装置の位置決め精度よりも高いレベルで、露光位置をワーク上の所定範囲に入れることが可能な露光方法および露光装置を提供することにある。

（１）露光マスク、ワーク間の位置関係に基づく露光制御の手法

上記の課題を解決するため、本発明に係る露光方法は、
露光光を用いて露光マスク上のパターンをワークに投影する露光方法であって、
前記露光マスクおよび前記ワークの相対的な位置関係からワーク上の露光位置を算出する露光位置算出ステップと、
前記ワーク上の目標露光位置を含む所定の範囲であって、前記目標露光位置から前記露光位置が外れていても前記パターンの投影が許容される範囲を、露光位置範囲として設定する露光位置範囲設定ステップと、
前記露光位置算出ステップで算出された前記露光位置が前記露光位置範囲設定ステップで設定された前記露光位置範囲に入っている場合に前記露光マスクへの露光光の照射を実行し、前記露光位置が前記露光位置範囲から外れた場合には前記露光光の照射を停止する、露光制御信号により露光制御を実行する露光制御ステップを備え、前記露光制御を用いて所定の露光時間、露光光を照射することを特徴とする。

ここで、前記露光マスクの位置の情報、および、前記ワークの位置の情報が、１次元の座標、２次元の座標、または、３次元の座標で表され、
前記露光位置範囲の情報が、前記露光マスクおよび前記ワークと同じ次元、もしくはそれ以下の次元の座標で設定される、ことが好ましい。

前記露光位置算出ステップでは、前記露光位置を所定の算出周期毎に算出し、さらに現在までの露光位置の時系列情報に基づいて設定時間後の推定露光位置を算出し、
前記露光制御ステップでは、前記露光位置または、前記推定露光位置の少なくとも一方に基づいて露光制御を実行する、ことが好ましい。

前記露光位置算出ステップでは、前記設定時間後の推定露光位置を算出する際、現在までの露光位置の時系列情報に基づく速度を利用する、または、速度および加速度の両方を利用する、ことが好ましい。

前記露光位置算出ステップでは、
前記露光位置が所定の算出周期毎に算出されるものとして、
設定時間後の前記露光マスクおよび前記ワークの各推定位置を、現在までの前記露光マスクおよび前記ワークの各位置の時系列情報に基づいてそれぞれ求めた後、前記設定時間後の推定露光位置を算出し、
前記露光制御ステップでは、前記露光位置または、前記推定露光位置の少なくとも一方に基づいて前記露光制御を実行する、ことが好ましい。

前記露光位置算出ステップでは、
前記設定時間後の前記露光マスクおよび前記ワークの各推定位置をそれぞれ求める際、
現在までの前記露光マスクおよび前記ワークの各位置の時系列情報に基づく、該露光マスクおよび該ワークの速度を利用する、または、該露光マスクおよび該ワークの速度および加速度の両方を利用する、ことが好ましい。

（２）位置制御との組合せによる効果を狙った露光制御の手法

本発明に係る露光方法は、さらに、前記露光マスクおよび前記ワークの各位置を所定のサンプリング時間毎に位置制御する位置制御ステップを備え、
前記露光位置算出ステップの実行期間中は、少なくとも、前記位置制御ステップが実行され、
前記露光位置算出ステップでは、前記位置制御ステップで用いる前記露光マスクおよび前記ワークの各位置制御信号と、前記露光マスクの位置および、前記ワークの位置の時系列情報と、を入力とする状態観測器（オブザーバー）を用いて、前記露光位置および、前記推定露光位置を算出する、ことが好ましい。

（３）露光マスク、ワーク間の位置および姿勢の関係に基づく露光制御の手法

本発明に係る露光方法において、
前記露光位置算出ステップには、さらに、前記露光マスクおよび前記ワークの相対的な姿勢の関係からワーク上の露光面姿勢を算出することが含まれ、
前記露光位置範囲設定ステップには、さらに、前記ワーク上の目標露光面姿勢を含む所定の範囲であって、前記目標露光面姿勢から前記露光面姿勢が外れていても前記パターンの投影が許容される範囲を、露光面姿勢範囲として設定することが含まれ、
前記露光制御ステップでは、前記露光位置が前記露光位置範囲に入っていて、かつ、前記露光面姿勢が前記露光面姿勢範囲に入っている場合に、前記露光光の照射が実行される、ことが好ましい。

ここで、前記露光マスクの位置および姿勢の各情報、ならびに、前記ワークの位置および姿勢の各情報が、最大６自由度の情報で表され、
前記露光位置範囲および前記露光面姿勢範囲の各情報が、それぞれ前記露光マスクおよび前記ワークと同じ自由度、もしくはそれ以下の自由度の情報で設定される、ことが好ましい。

前記露光位置算出ステップでは、前記露光位置および前記露光面姿勢を所定の算出周期毎に算出し、さらに現在までの露光位置および露光面姿勢の時系列情報に基づいて設定時間後の推定露光位置および推定露光面姿勢を算出し、
前記露光制御ステップでは、前記露光位置、前記露光面姿勢、前記推定露光位置および前記推定露光面姿勢のうちの少なくとも一つに基づいて前記露光制御を実行する、ことが好ましい。

前記露光位置算出ステップでは、また、
前記設定時間後の推定姿勢位置を算出する際、現在までの露光面姿勢の時系列情報に基づく姿勢変化速度を利用する、または、該姿勢変化速度および加速度を利用する、ことが好ましい。

前記露光位置算出ステップでは、また、
前記露光面姿勢が所定の算出周期毎に算出されるものとして、
設定時間後の前記露光マスクおよび前記ワークの各推定姿勢を、現在までの前記露光マスクおよび前記ワークの各姿勢の時系列情報に基づいてそれぞれ求めた後、前記設定時間後の推定露光面姿勢を算出し、
前記露光制御ステップでは、前記露光位置、前記露光面姿勢、前記推定露光位置および前記推定露光面姿勢のうちの少なくとも１つに基づいて露光制御を実行する、ことが好ましい。

前記露光位置算出ステップでは、また、
前記設定時間後の前記露光マスクおよび前記ワークの各推定姿勢をそれぞれ求める際、
現在までの前記露光マスクおよび前記ワークの各姿勢の時系列情報に基づく、該露光マスクおよび該ワークの各姿勢変化速度を利用する、または、該露光マスクおよび該ワークの各姿勢変化速度および加速度の両方を利用する、ことが好ましい。

（４）位置制御および姿勢制御との組合せによる効果を狙った露光制御の手法

本発明に係る露光方法において、
前記位置制御ステップでは、さらに、前記露光マスクおよび前記ワークの各姿勢を前記サンプリング時間毎に姿勢制御し、
前記露光位置算出ステップでは、また、
前記位置制御ステップで用いる前記露光マスクおよび前記ワークの各姿勢制御信号と、前記露光マスクおよび前記ワークの各姿勢の時系列情報とを入力とする前記状態観測器（オブザーバー）を用いて、前記露光面姿勢および、前記推定露光面姿勢を算出する、ことが好ましい。

（５）露光マスクやワークの位置の検出から露光光の停止までの処理時間を考慮した露光制御の手法

本発明に係る露光方法において、
前記露光マスクおよび前記ワークの位置の検出から露光光の停止までに必要な時間を処理時間（Td）として、
前記露光位置算出ステップでは、
前記算出周期（Δt）に前記処理時間（Td）を加えた時間を前記設定時間に定めて、該設定時間後の推定露光位置、または、推定露光位置と推定露光面姿勢を算出する、ことが好ましい。

（６）露光異常判断を取り入れた露光制御の手法

本発明に係る露光方法は、さらに
前記露光制御信号から露光光の照射時間を積算して積算露光時間を算出する露光時間積算ステップと、
前記積算露光時間が前記所定の露光時間に達する前に設定した露光待ち時間の上限を超えた場合を、露光異常と判断する露光異常判断ステップと、
を備える、ことが好ましい。

（７）露光装置

本発明に係る露光装置は、露光光源と、前記露光光源からの露光光を受ける位置にある露光マスクと、ワークに前記露光マスク上のパターンを投影する投影レンズと、前記露光マスクおよび前記ワークの相対的な位置関係を検出する検出器と、前記ワーク上の露光位置を変化させるために前記露光マスクおよび前記ワークを相対的に移動させる移動台と、少なくとも前記露光光源の照射、停止を制御する制御ユニットと、を備えて構成された露光装置であって、
前記制御ユニットは、
前記露光マスクおよび前記ワークの相対的な位置関係からワーク上の露光位置を算出する露光位置算出部と、
前記ワーク上の目標露光位置を含む所定の範囲であって、前記目標露光位置から前記露光位置が外れていても前記パターンの投影が許容される範囲を、露光位置範囲として設定する露光位置範囲設定部と、
前記露光位置算出部で算出された前記露光位置が前記露光位置範囲設定部で設定された前記露光位置範囲に入っている場合に前記露光光源に前記露光マスクへの露光光の照射を実行し、前記露光位置が前記露光位置範囲から外れた場合には前記露光光源に前記露光光の照射を停止する露光制御信号により露光制御を実行する露光制御部と、を有して、前記露光制御を用いて所定の露光時間、露光光を照射する、ことを特徴とする。

ここで、前記制御ユニットは、さらに、
前記露光マスクおよび前記ワークの各位置を所定のサンプリング時間毎に位置制御する位置制御部を備え、
前記露光位置算出部の実行期間中は、少なくとも、前記位置制御部が実行され、
前記露光位置算出部は、前記位置制御部で用いる前記露光マスクおよび前記ワークの各位置制御信号と、前記露光マスクの位置および、前記ワークの位置の時系列情報とを入力して、前記露光位置および、前記推定露光位置を算出する状態観測器（オブザーバー）からなる、ことが好ましい。

本発明の手順によれば、露光機の露光位置または推定露光位置が算出され、露光位置または推定露光位置の算出値がワーク上の所定範囲にある場合に露光光を照射するように、露光光源の照射／停止が制御される。従って、露光装置の残留振動などを含む位置決めの影響をどのように受けたとしても、露光装置の位置決め精度よりも高いレベルで、露光位置をワーク上の所定範囲に入れることが可能になった。

本発明の第一実施形態に係る露光装置を示すブロック線図。 ワーク上の目標露光位置、露光位置、露光位置範囲の関係例を示す模式図。 前記実施形態での露光位置の変動に応じた露光制御信号を示した図。 本発明の第二実施形態に係る露光装置を示すブロック線図。 前記実施形態での推定露光位置の算出方法について複数の例を示した図。 現在位置による制御では、計算時間および点灯／消灯遅れ時間の影響を受けて、露光位置範囲外への照射時間が長くなってしまうことを説明するための露光制御信号の図。 前記実施形態の推定位置を利用した露光制御方法を説明するための図。 前記実施形態の変形例として更に計算時間および点灯／消灯遅れ時間を考慮した露光制御方法を説明するための図。 本発明の第三実施形態に係る露光装置を示すブロック線図。 ワーク上の露光位置の分布を表わすヒストグラムの図。 本発明の第四実施形態に係る露光方法を説明するための図であり、露光待ち時間の上限と積算露光時間との関係を示した図。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
＜第一実施形態＞
図１は、本実施形態に係る露光装置のブロック線図である。この露光装置１０は、ステッピング移動動作を行いつつ、ワーク上の各目標露光位置にパターンの縮小像を定めて、ワーク移動台を位置決めした状態で１箇所ずつ露光を実行する。本書では、以下に述べる露光光の光軸をＺ軸として、Ｘ‐Ｙ‐Ｚ直交座標系を用いた説明を行う。

露光装置１０は、露光光の光軸に沿って配列された露光光源２０、マスク移動台３０、投影レンズ４０、および、ワーク移動台５０を備え、さらに、信号線で制御ユニット６０に接続されている。

露光光源２０は、レーザ光などを露光光として照射する。

マスク移動台３０は、固定ガイド３１と可動テーブル３２とから構成され、可動テーブル３２に載せた露光マスク１１を露光光の光軸に直交するＹ方向に移動させる。これにより、マスク移動台３０は、露光光源２０からの露光光の照射を受ける露光マスク１１の位置を変えることができる。可動テーブル３２の中央には露光光を通過させる孔や切欠きが形成されている。本実施形態では、可動テーブル３２の駆動手段としてリニアモータが採用され、また、固定ガイド３１との案内面にガイド手段としてエアーガイドが設けられているが、これらの駆動手段およびガイド手段には他の機械要素の適用も可能である。

また、マスク移動台３０には、可動テーブル３１の位置を検出する変位センサ３３が設けられ、この検出信号は制御ユニット６０に入力される。レーザ干渉計等を変位センサ３３として適用してもよい。

露光マスク１１上には、半導体回路パターン、液晶素子パターン、リニアエンコーダなどに使われるスケールパターンなど、所望のパターンが形成されている。

投影レンズ４０には、ワーク１２に露光マスク１１のパターンの縮小像を投影する役目がある。露光光源２０からの露光光は、露光マスク１１のパターンに照射された後、投影レンズ４０で集光されて、フォトレジストなどが塗布されたワーク表面にパターンの潜像を形成する。なお、等倍のパターンを投影する露光装置に本発明を適用する場合は、この投影レンズ４０を省略した露光装置を用いることになる。また、露光光源２０からの露光光は平行光束に限られるものではない。例えば、ある点に向かって収束する露光光を露光マスク１１に照射する場合もあり、上記の投影レンズ４０を省くこともできる。

ワーク移動台５０は、固定ガイド５１と可動テーブル５２とから構成され、可動テーブル５２に載せたワーク１２を露光光の光軸に直交するＹ方向へ、断続的に移動させる。これによって、ワーク１２上に設定された複数の目標露光位置に対し、パターンの投影位置が順番にアライメントされる。つまり、ワーク移動台５０は、露光対象物であるワーク１２をステッピング移動させるステッピング移動台として機能する。本実施形態では、可動テーブル５２の駆動手段としてリニアモータが採用され、また、固定ガイド５１との案内面にガイド手段としてエアーガイドが設けられているが、これらの駆動手段およびガイド手段には他の機械要素の適用も可能である。

また、ワーク移動台５０には、可動テーブル５２の位置を検出する変位センサ５３が設けられ、この検出信号は制御ユニット６０に入力される。レーザ干渉計等を変位センサとして適用できる。

以下、本発明において特徴的な露光制御を担う制御ユニット６０について詳述する。

制御ユニット６０は、各変位センサ３３，５３からの検出信号の入力に対して、露光光源２０の照射の実行／停止を切り換える露光制御信号を出力する。そのために、制御ユニット６０は、マスク位置検出部６１、ワーク位置検出部６２、露光位置算出部６３、露光位置範囲設定部６４および露光制御部６５を有している。

マスク位置検出部６１およびワーク位置検出部６２は、各変位センサ３３，５３からの検出信号を、露光マスク１１およびワーク１２の各位置の情報として、露光位置算出部６３に与える。これによって、露光位置算出部６３は、露光マスク１１およびワーク１２の相対的な位置関係の情報を得ることができる。

露光位置算出部６３は、露光マスク１１およびワーク１２の相対的な位置関係からワーク上の露光位置を具体的に算出し、その露光位置の情報を露光制御部６５に与える。

露光位置範囲設定部６４は、ワーク上の目標露光位置を含む所定の範囲であって、目標露光位置から露光位置が外れていてもパターンの投影が許容される範囲を、露光位置範囲として設定する機能を持つ。図２を用いて露光位置範囲の設定方法の一例を説明する。図２の（Ａ）〜（Ｃ）は、ワーク表面の同一の微小領域を示す拡大図である。図２（Ａ）の微小領域に、或るパターンの目標露光位置１が示されている。点Ｃ１を、その目標露光位置１の中心とする。図２（Ｂ）には、破線で示した目標露光位置１を狙って、実際に投影されたパターンの位置が露光位置２として実線で示されている。点Ｃ２を、その露光位置２の中心とする。

目標露光位置１に対して露光位置２を完全に一致させることは技術的に困難で現実的ではない。そこで、図２（Ｂ）のように目標露光位置１から僅かに外れていてもパターン形成の品質に与える影響が小さいと判断されるような露光位置２の範囲を、露光位置範囲として予め設定しておく。図２（Ｃ）に露光位置範囲３を太線で囲んだ範囲として示した。図２は、露光位置範囲３をＸ‐Ｙ平面の２次元で設定した例である。
露光位置範囲設定部６４で設定された露光位置範囲の情報は、露光制御部６５に与えられる。

図１の露光制御部６５は、露光位置算出部６３からの露光位置の情報と、露光位置範囲設定部６４からの露光位置範囲の情報とを用いて、露光光源２０に向けて露光制御信号を出力する。露光位置が露光位置範囲に入っている場合は、露光制御信号が露光光の照射を実行する指令信号（照射信号）になる。露光位置が露光位置範囲から外れた場合は、露光制御信号が露光光の照射を停止する指令信号（停止信号）になる。そして、露光位置が露光位置範囲に再び入った場合は、露光制御信号が露光光の照射を再開する指令信号（照射信号）になる。

ここで、制御ユニット６０の各構成要素を、オペアンプや、コンパレータ等を用いたアナログ回路で構成することができる。ＣＰＵや、ＤＳＰ等のデジタル演算装置によって構築することもできる。デジタル構成の場合は、割り込み処理により、予め決められた周期毎に、又は、設定した周期毎に、露光位置を算出するようなプログラムを作成するとよい。また、ＦＰＧＡのようなデバイスを用いて、デジタル回路のハードウェアとして、同様の処理を実行して実現させてもよい。

露光光源２０の構成の一例としては、ＬＥＤや半導体レーザ等の光源と、それを制御する電気回路との組合せが考えられる。制御ユニット６０からの露光制御信号を光源制御用の電気回路が受けて、露光光の照射／停止を制御する。ランプなど高速での点灯／消灯の切り換えが難しい光源を用いる場合は、露光光源２０にシャッターや光学素子等を用いた高速切り換え機構を設けて、露光光の照射／停止の制御を実現してもよい。

図３に、本実施形態の露光制御によって、ワーク上の露光位置の変動に露光制御信号が連動する様子の一例を示す。本実施形態の露光装置１０を用いて、このような露光制御を実行すれば、露光位置が露光位置範囲から外れた場合に、露光光が停止されるので、露光位置範囲の内側にだけ露光光が照射されることになる。その結果、ステッピング移動後の残留振動を含む位置決めの影響をどのように受けたとしても、露光位置をワーク上の所定範囲に入れることができる。また、残留振動に限らず、位置決めの定常状態においても、本実施形態の露光制御が有効に機能する。

説明を単純化させるため、図１では、マスク移動台３０およびワーク移動台５０などの機構部の構成について、変位センサ３３，５３も含めて、Ｙ方向のみの構成にしている。同様に、図３でも、Ｙ方向の１次元の位置に関する露光位置、露光位置範囲、および、露光制御信号を示している。

しかしながら、実際の露光装置では、露光マスクおよびワークに関して、空間的に最大６自由度の状態（位置と姿勢の微小振動など）が問題視されている。そのため、本実施形態の露光位置範囲も最大６自由度の設定とすることで、露光位置の高精度化が可能になる。その場合の露光装置の構成としては、露光マスクの位置および姿勢について最大６自由度の検出ができるように、変位センサを配置するとよい。ワークの位置および姿勢についても同様に最大６自由度の検出ができるように、変位センサを配置するとよい。
例えば、露光マスクの位置の情報、および、ワークの位置の情報を、１次元の座標、２次元の座標、または、３次元の座標データとして扱ってもよい。そして、露光位置範囲の情報が、露光マスクおよびワークと同じ次元、もしくはそれ以下の次元の座標で設定される。

一例として、Ｘ方向の縦縞からなる縦縞パターンを横方向（Ｙ方向）にステッピング移動させて、その縦縞パターンをワーク上に順次露光する場合、露光位置範囲は横方向だけを設定し、縦縞パターンの縦方向の露光位置範囲はその許容範囲が十分に大きいため、露光制御が不要となり、その設定を省くことがある。
一方、同様の縦縞パターンの露光の場合でも、露光位置の検出は、直交する２方向の位置検出が必要になることがある。例えば、直交２方向に配置されるべきセンサに無視できない配置角度誤差がある場合や、装置の機構上、縦方向の位置が、横方向の位置に影響を与える場合には、横方向に加えて縦方向の位置検出も行わないと、露光位置の縦方向の位置によって、横方向に誤差が発生するからである。

なお、姿勢の検出については、露光マスクやワークの傾きを検出できればよいので、変位センサに限らず、傾き検出センサを採用してもよい。

ステッピング移動動作のためには、マスク移動台３０もしくは、ワーク移動台５０の一方、少なくとも１方向の機構があればよい。しかし、高度な位置制御や姿勢制御を行うために、他の方向の移動台を増設したり、姿勢制御のための傾動台などを増設したりしてもよい。

一般的な露光装置では、２次元平面上（Ｘ‐Ｙ平面上）の露光位置と、平面直交方向の光学系の焦点距離（Ｚ方向の露光位置に相当する）と、を適切な露光位置範囲内に収める必要がある。また、露光パターン面の姿勢（ヨー／ピッチ／ロール）を適切な露光面姿勢範囲内に収めることで、露光中心だけでなく、露光パターン全体をワークに正しく露光させることが可能になる。なお、露光装置の構成や、採用する機構部の構成によっては、その位置および姿勢が許容範囲に収まることが明らかな場合もある。そのような場合には、適宜露光制御信号に用いる自由度を省略してもよい。

本実施形態では、露光マスク１１とワーク１２の各位置からワーク上の露光位置を算出して、露光位置が指定された露光位置範囲内にある場合のみ、露光光を照射するように露光光源２０の照射／停止の制御が行われる。よって、露光装置１０の位置決め精度より高いレベルの露光位置精度が実現される。
これによって、露光光をあらかじめ設定した指定範囲内に照射することができる。また、特許文献１のように、必要な露光時間によって、露光範囲が決定されることもなく、必要な露光時間をワークの振動周期や振動振幅に左右されずに、任意に設定することができるようになった。
また、本実施形態の方法を用いることで、地震や、その他外乱によって、一時的にワーク上の露光位置が、露光位置範囲外になったとしても、露光光を停止することによって、露光不良を防ぐことができる。

＜第二実施形態＞
図４は、第二実施形態に係る露光装置の制御ユニット１６０の構成を示すブロック線図である。図示されていない構成については、第一実施形態の露光装置１０と共通する。制御ユニット１６０は、露光位置算出をサンプリング時間（Δt）毎に行うことが可能なデジタル装置を用いて構成されている。これを用いれば、現在までの露光位置の情報を使って、ある設定時間後の露光位置を推定し、推定露光位置に基づいて露光光の投射／停止を制御することができる。
図５のように露光位置が変化する場合を考えると、露光制御部は、離散的に露光光を制御するため、露光位置範囲の外側の露光位置（図５の X(n+1) の位置）において、ようやく露光光を停止させることができる。既に、露光位置が露光位置範囲から外れている期間が存在するのに、次の露光位置算出のタイミング（X(n+1) の位置）までは、露光光の照射が続いてしまう。これは、サンプリング周期毎に処理を行う離散系であることによる問題であり、通常は、サンプリング周期を短くすることで、露光位置範囲の外側での露光光の照射時間を短縮する。

本実施形態では、サンプリング周期を短くすることなく、このような露光位置の誤差を低減させる方法として、図４の露光位置算出部１６３が現在までの位置の時系列情報に基づいて、位置の速度を求めて、または、位置の速度および加速度を求めて、サンプリング時間（Δt）後の推定露光位置を算出し、露光制御部１６５がこの推定露光位置を用いて露光光の投射・停止を制御する方法を取り入れた。

露光位置がサンプリング時間（Δt）の間、等速運動をすると仮定することで、推定露光位置（図５の Xa(n+1) の位置）を、次の式（１）のように位置の速度 V(n) を用いて表わすことができる。最初の例として、露光位置の時系列情報から、Xa(n+1)の解を求める方法を説明する。
Xa(n+1) = X(n) + V(n)・Δt ・・・（１）
ここで、時刻 n の速度を後退差分法で求めると、
V(n) = ( X(n) - X(n-1) ) / Δt ・・・（２）
となる。式（１）に式（２）を代入すると、
Xa(n+1) = X(n) + ( X(n) - X(n-1) ) / Δt・Δt
Xa(n+1) = 2・X(n) - X(n-1) ・・・（３）
が得られる。

同様に、露光位置がサンプリング時間（Δt）の間、等加速度運動をすると仮定することで、推定露光位置（図５の Xb(n+1) の位置）を、次の式（４）のように位置の速度 V(n) と加速度α(n) を用いて表わすことができる。２つ目の例として、露光位置の時系列情報から、Xb(n+1) の解を求める方法を説明する。
Xb(n+1) = X(n) + V(n)・Δt + 1/2・α(n)・Δt^２ ・・・（４）
ここで、時刻ｎの加速度を速度の後退差分法で求めると、
α(n) = ( V(n) - V(n-1) ) / Δt ・・・（５）
V(n-1) = ( X(n-1) - X(n-2) ) / Δt ・・・（６）
となる。式（５）に式（２）、式（６）を代入すると、
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) ) ) / Δt^２
α(n) = ( X(n) - 2・X(n-1) + X(n-2) ) / Δt^２ ・・・（７）
となる。式（４）に式（２）、式（７）を代入すると、
Xb(n+1) = X(n) + ( X(n) - X(n-1) ) / Δt・Δt
+ 1/2・( X(n) - 2・X(n-1) + X(n-2) ) / Δt^２・Δt^２
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）
が得られる。

上記の二つの例では、現在までの位置の時系列情報から、テーラー展開の手法を用いて、１次の場合は速度を用いて、２次の場合は速度と加速度を用いて、推定露光位置を算出できた。同様に、テーラー展開の高次の微分値を用いて、推定露光位置を算出することもできる。

また、上記の例では、後退差分を用いて、数値微分値を求めたが、他の方法として、双一次変換など、デジタルフィルタで用いられる各種手法により、任意の次数の数値微分値を求めてもよい。

本実施形態の露光制御であれば、露光マスク１１の位置や、ワーク１２の位置から、露光位置を算出して、現在までの露光位置の時系列情報から、設定時間後における、例えばサンプリング時間（Δt）後における、推定露光位置を前もって算出することができる。

これを応用して、現在までの露光マスクの位置や、ワークの位置の各時系列情報から、サンプリング時間（Δt）後の露光マスクの推定位置や、ワークの推定位置を求めた後に、それらに基づいて推定露光位置を前もって算出することもでき、露光位置範囲の外側への照射時間を短縮させることができる。

但し、上記の例では、露光位置算出において、サンプリング時間（Δt）毎に行う離散系の問題だけを考慮していて、露光マスク１１の位置やワーク１２の位置の入力タイミングから、露光光源２０による露光光の停止完了までに要する処理時間（Td）については考慮されていない。
この処理時間（Td）について図６を使って説明する。ワーク上の露光位置が、例えば、図６の曲線で示すような軌跡を描いて変化するものとする。よって、理想的には、露光位置の曲線と露光位置範囲の下限との交点のタイミングで、露光制御信号を照射から停止に切り換えたい。この理想の切り換えタイミングを、図６では時間t-1 と時間t との間の一点鎖線のラインで示す。

実際の露光制御では、サンプリング時間（Δt）毎の X(n-2), X(n-1), X(n), X(n+1) で表される露光位置が算出される。第一実施形態（図１の制御ユニット６０）における現在の露光位置に基づく露光制御によると、例えば時間t において、制御ユニット６０が各変位センサ３３，５３からの検出値を読み取り、露光位置 X(n) を算出する。そして、露光位置 X(n) と露光位置範囲とを比較して、露光光源２０に対して照射または停止の露光制御信号を発する。しかし、このような現在の露光位置に基づく露光制御では、制御ユニット６０による検出値の読み取りから露光制御信号の出力までの時間（計算時間）と、露光光源２０が停止の露光制御信号を受けてから露光の停止を完了させるまでの時間（消灯遅れ時間）との合計時間だけ、更に露光の停止処理が遅れてしまうことになる。この合計時間を本書では処理時間（Td）と呼んでいる。

次に、本実施形態の推定露光位置 Xa(n) による露光制御について、図７を用いて説明する。図７では、図６の露光位置 X(n) に加えて、等速運動の式（３）により算出される推定露光位置 Xa(n) を白丸で示し、これらの推定位置をつなぐ線を破線で示す。例えば、時間t-1 での処理では、検出値に基づく露光位置 X(n-1) が算出されると同時に、設定時間（サンプリング時間 Δt）後の推定露光位置 Xa(n) が、現在までの露光位置（X(n-2), X(n-1)）の情報を式（３）に代入して算出される。この結果、時間 t-1 での処理において、次の時間 t における推定露光位置 Xa(n) に基づく露光位置の判断がなされ、この場合は、推定露光位置 Xa(n) が露光位置範囲の外側になることから、時間 t-1 から上記の処理時間（Td）だけ後のタイミングで、露光の停止を完了させることができる。このような推定露光位置 Xa(n) による露光制御信号を図７では破線で示す。

更に本実施形態の変形例として、露光位置精度をより高める方法について、図８を用いて説明する。図８では、図７と同様に、等速運動によって推定露光位置を算出しているが、その設定時間が異なっている。すなわち、図７ではサンプリング時間（Δt）を設定時間としているが、図８では、サンプリング時間（Δt）に、前記処理時間（Td）を加えた時間（Δt+Td）を設定時間として予め設定する。

この場合、推定露光位置（図８の Xa(n+1+Td) の位置）を、次の式（９）のように位置の速度 V(n) を用いて表わすことができる。
Xa(n+1+Td) = X(n) + V(n)・(Δt+Td) ・・・（９）
ここで、Td=ｋ・Δt （但し、0 < ｋ ）とする。
Xa(n+1+Td) = X(n) + V(n)・(Δt + ｋ・Δt) ・・・（１０）
式（１０）に式（２）を代入すると、
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）
が得られる。

このようにして、設定時間（Δt + Td）後の推定露光位置 Xa(n+1+Td) が、式（１１）に基づいて算出される。これにより、実際に露光光源２０が露光光の照射を停止する時の推定露光位置を用いて露光光の投射・停止を制御することができるので、より精度の高い露光制御が可能になる。

図８の方法は、露光光の停止までの処理時間（Td）が比較的長い光源を用いる場合に特に有効である。処理時間（Td）が、サンプリング時間（Δt）よりも長い場合もある。

なお、図７に X(n) AND Xa(n)、図８に、X(n) AND Xa(n+Td) による露光制御の例を示した。この制御方法では、現在位置 X(n) による露光制御信号と、推定露光位置 Xa(n) または Xa(n+Td) による露光制御信号とを AND 条件によって組み合わせた制御信号を用いる。この AND 条件による制御信号では、２つの露光制御信号（ X(n) と、Xa(n) または Xa(n+Td) ）の両方が「照射」であれば、「照射」となり、少なくとも一方が「停止」であれば、「停止」になる。

推定露光位置 Xa(n) または Xa(n+Td) による露光制御では、露光光を停止から照射へ切り換える際に、現在位置 X(n) による露光制御よりも早いタイミングで露光が再開してしまう場合があり、露光位置範囲の外側を照射してしまう期間が生じ得る。そこで、AND 条件による制御信号を用いることで、まず、露光を停止させる際は、推定位置を利用した早いタイミングでの「停止」への切り換えが可能で、その後の露光の再開の際は、露光位置が露光位置範囲の内側に入ってから、露光制御信号を「照射」に切り換えることが可能となる。結果として、本例では、露光位置範囲の外側を照射しない様にできる。

現在までの位置の時系列情報から、推定露光位置を算出する方法として、一般的な外挿の手法を採用してもよい。例えば、現在までの位置の複数の時系列情報から、それに当てはまる直線や、放物線（２次関数）を最小自乗法等で求めて、設定時間後の時刻における推定露光位置を算出することができる。

本実施形態のように露光位置算出をサンプリング時間毎に行うデジタル装置を用いる場合は、位置の時系列情報、または、位置および姿勢の各時系列情報から、推定露光位置を算出することで、指定範囲外に露光光を照射することを防ぐことができるようになった。

露光位置算出をサンプリング時間毎に行うデジタル装置を用いる場合に、位置（および姿勢）の時系列情報から、位置（および姿勢）の速度を求めて、または、速度および加速度を求めて、次の取得周期時の推定露光位置を算出することで、次の取得周期までの間の露光位置の変化によって、指定範囲外に露光光が照射されることを低減させることができる。

＜第三実施形態＞
図９は、第三実施形態に係る露光装置のブロック線図である。第二実施形態の露光装置・露光制御と共通する事項については図示および説明を省略している。

図９のように、本実施形態の制御ユニット２６０は、露光マスクおよびワークの各位置制御のための位置制御部７０の構成を含んでいる。これらの位置制御では、露光マスクおよびワークの各位置を所定のサンプリング時間（Δt）毎に制御する。そして、制御ユニット２６０で露光位置の算出が実行される間は、少なくとも、露光マスクおよびワークの各位置制御が実行されている。すなわち、位置制御部７０の露光マスク制御部７１は、露光マスクの目標位置と位置検出値との差分を小さくするような位置制御信号を露光マスク機構部７２に出力して、これを駆動制御する。同様に、位置制御部７０のワーク制御部７３は、ワークの目標位置と位置検出値との差分を小さくするような位置制御信号をワーク機構部７４に出力して、これを駆動制御する。

また、露光位置算出部１６３として、露光マスクおよびワークの各露光位置を求めることが可能なオブザーバー（状態観測器）が設けられている。オブザーバーを用いれば、露光マスクおよびワークの各位置制御信号と、露光マスクおよびワークの各位置の時系列情報とから、露光位置および、推定露光位置を算出することができる。しかも、算出した露光位置および、推定露光位置の情報は、オブザーバーを用いて得られる状態量であるから、その一般的な利点および特徴として、算出値の安定性に優れ、算出誤差の収束が速い、という効果をもたらす。

なお、図９には図示していないが、制御ユニット２６０に、露光マスクおよびワークの各位置制御のための構成、および、露光マスクおよびワークの各姿勢制御のための構成の両方を含めてもよい。また、露光位置算出部１６３として、露光位置と露光面姿勢の両方を求めることが可能なオブザーバー（状態観測器）を設けてもよい。

また、オブザーバーを用いれば、露光マスクおよびワークの各位置制御信号、露光マスクおよびワークの各姿勢制御信号、露光マスクとワークの各位置、および、露光マスクとワークの各姿勢の時系列情報から、露光位置および露光面姿勢を算出することができる。しかも、算出した露光位置及び露光面姿勢の各情報は、オブザーバーを用いて得られる状態量であるから、その一般的な利点および特徴として、露光位置および露光面姿勢の各算出値の安定性に優れ、算出誤差の収束が速い、という効果をもたらす。

＜第四実施形態＞
露光マスクとワークの各位置を制御して位置決め制御を行う場合、正しく調整されたＰＩ制御系での露光位置は、図１０の露光位置の分布に示されるような正規分布になると考えられる。例えば、露光位置範囲を図１０の露光位置分布の標準偏差±σとして設定すると、露光制御信号は、約６８．３％の頻度で露光光の照射を実行する指令信号（照射信号）になる。

露光位置分布が図１０のような正規分布と考えられる場合に、露光位置範囲を設定すると、露光制御信号の照射時間の割合を概算できる。また、正規分布でなくても、露光位置分布の再現性が高い場合は、実測した露光位置分布から、照射時間の割合を計算によって求めることができる。

図１１は、第四実施形態に係る露光制御を実行した場合の制御状態を時系列で表した図である。なお、前述の各実施形態の露光装置・露光制御と共通する事項については図示および説明を省略している。

本実施形態では、露光イネーブル信号を用いて、露光待ち時間の上限を設定している。また、露光に必要な露光時間（照射時間とも呼ぶ）と、露光時間の割合を基に所定の安全率をかけた値を設定することで、露光の異常監視を行うことが出来る。また、露光待ち時間上限は、同一条件下で実測した露光所要時間に所定の安全率をかけた値を設定する方法もある。

図１１は、露光イネーブル信号に露光待ち時間の上限を設定した場合の露光位置と露光制御信号、積算露光時間、設定積算露光時間の一例を示している。この例では、露光待ち時間の上限以内に露光が完了するが、仮に、露光待ち時間の上限以内に露光が完了しない場合は、露光異常と判断して、エラーを発生させるようになっている。これによって、露光の異常監視を行うことができる。

１０ 露光装置
１１ 露光マスク
１２ ワーク
２０ 露光光源
３０ マスク移動台
４０ 投影レンズ
５０ ワーク移動台
６０，１６０ 制御ユニット
６３，１６３ 露光位置算出部
６４，１６４ 露光位置範囲設定部
６５，１６５ 露光制御部
７０ 位置制御部

Claims (12)

1. 露光光を用いて露光マスク上のパターンをワークに投影する露光方法であって、
   前記露光マスクおよび前記ワークの相対的な位置関係からワーク上の露光位置を算出する露光位置算出ステップと、
   前記ワーク上の目標露光位置を含む所定の範囲であって、前記目標露光位置から前記露光位置が外れていても前記パターンの投影が許容される範囲を、露光位置範囲として設定する露光位置範囲設定ステップと、
   前記露光位置算出ステップで算出された前記露光位置が前記露光位置範囲設定ステップで設定された前記露光位置範囲に入っている場合に前記露光マスクへの露光光の照射を実行し、前記露光位置が前記露光位置範囲から外れた場合には前記露光光の照射を停止する、露光制御信号により露光制御を実行する露光制御ステップを備え、前記露光制御を用いて所定の露光時間、露光光を照射することを特徴とする露光方法。
2. 請求項１記載の露光方法において、
   前記露光マスクの位置の情報、および、前記ワークの位置の情報が、１次元の座標、２次元の座標、または、３次元の座標で表され、
   前記露光位置範囲の情報が、前記露光マスクおよび前記ワークと同じ次元、もしくはそれ以下の次元の座標で設定される、ことを特徴とする露光方法。
3. 請求項１または２記載の露光方法において、
   前記露光位置算出ステップでは、前記露光位置を所定の算出周期毎に算出し、さらに現在までの露光位置の時系列情報に基づいて設定時間後の推定露光位置を算出し、
   前記露光制御ステップでは、前記露光位置または、前記推定露光位置の少なくとも一方に基づいて露光制御を実行する、ことを特徴とする露光方法。
4. 請求項３記載の露光方法において、
   前記露光位置算出ステップでは、前記設定時間後の推定露光位置を算出する際、現在までの露光位置の時系列情報に基づく速度を利用する、または、速度および加速度の両方を利用する、ことを特徴とする露光方法。
5. 請求項１または２記載の露光方法において、
   前記露光位置算出ステップでは、
   前記露光位置が所定の算出周期毎に算出されるものとして、
   設定時間後の前記露光マスクおよび前記ワークの各推定位置を、現在までの前記露光マスクおよび前記ワークの各位置の時系列情報に基づいてそれぞれ求めた後、前記設定時間後の推定露光位置を算出し、
   前記露光制御ステップでは、前記露光位置または、前記推定露光位置の少なくとも一方に基づいて前記露光制御を実行する、ことを特徴とする露光方法。
6. 請求項５記載の露光方法において、
   前記露光位置算出ステップでは、
   前記設定時間後の前記露光マスクおよび前記ワークの各推定位置をそれぞれ求める際、
   現在までの前記露光マスクおよび前記ワークの各位置の時系列情報に基づく、該露光マスクおよび該ワークの速度を利用する、または、該露光マスクおよび該ワークの速度および加速度の両方を利用する、
   ことを特徴とする露光方法。
7. 請求項３から６のいずれかに記載の露光方法において、さらに、
   前記露光マスクおよび前記ワークの各位置を所定のサンプリング時間毎に位置制御する位置制御ステップを備え、
   前記露光位置算出ステップの実行期間中は、少なくとも、前記位置制御ステップが実行され、
   前記露光位置算出ステップでは、前記位置制御ステップで用いる前記露光マスクおよび前記ワークの各位置制御信号と、前記露光マスクの位置および、前記ワークの位置の時系列情報と、を入力とする状態観測器（オブザーバー）を用いて、前記露光位置および、前記推定露光位置を算出する、ことを特徴とする露光方法。
8. 請求項１から７のいずれかに記載の露光方法において、
   前記露光位置算出ステップには、さらに、前記露光マスクおよび前記ワークの相対的な姿勢の関係からワーク上の露光面姿勢を算出することが含まれ、
   前記露光位置範囲設定ステップには、さらに、前記ワーク上の目標露光面姿勢を含む所定の範囲であって、前記目標露光面姿勢から前記露光面姿勢が外れていても前記パターンの投影が許容される範囲を、露光面姿勢範囲として設定することが含まれ、
   前記露光制御ステップでは、前記露光位置が前記露光位置範囲に入っていて、かつ、前記露光面姿勢が前記露光面姿勢範囲に入っている場合に、前記露光光の照射が実行される、ことを特徴とする露光方法。
9. 請求項３から８のいずれかに記載の露光方法において、
   前記露光マスクおよび前記ワークの位置の検出から露光光の停止までに必要な時間を処理時間（Td）として、
   前記露光位置算出ステップでは、
   前記算出周期（Δt）に前記処理時間（Td）を加えた時間を設定時間に定めて、該設定時間後の推定露光位置、または、推定露光位置と推定露光面姿勢を算出する、ことを特徴とする露光方法。
10. 請求項１から９のいずれかに記載の露光方法において、さらに、
    前記露光制御信号から露光光の照射時間を積算して積算露光時間を算出する露光時間積算ステップと、
    前記積算露光時間が前記所定の露光時間に達する前に設定した露光待ち時間の上限を超えた場合を、露光異常と判断する露光異常判断ステップと、を備えることを特徴とする露光方法。
11. 露光光源と、前記露光光源からの露光光を受ける位置にある露光マスクと、ワークに前記露光マスク上のパターンを投影する投影レンズと、前記露光マスクおよび前記ワークの相対的な位置関係を検出する検出器と、前記ワーク上の露光位置を変化させるために前記露光マスクおよび前記ワークを相対的に移動させる移動台と、少なくとも前記露光光源の照射、停止を制御する制御ユニットと、を備えて構成された露光装置であって、
    前記制御ユニットは、
    前記露光マスクおよび前記ワークの相対的な位置関係からワーク上の露光位置を算出する露光位置算出部と、
    前記ワーク上の目標露光位置を含む所定の範囲であって、前記目標露光位置から前記露光位置が外れていても前記パターンの投影が許容される範囲を、露光位置範囲として設定する露光位置範囲設定部と、
    前記露光位置算出部で算出された前記露光位置が前記露光位置範囲設定部で設定された前記露光位置範囲に入っている場合に前記露光光源が前記露光マスクへの露光光の照射を実行し、前記露光位置が前記露光位置範囲から外れた場合には前記露光光源が前記露光光の照射を停止する露光制御信号により露光制御を実行する露光制御部と、を有して、前記露光制御を用いて所定の露光時間、露光光を照射することを特徴とする露光装置。
12. 請求項１１記載の露光装置において、
    前記制御ユニットは、さらに、
    前記露光マスクおよび前記ワークの各位置を所定のサンプリング時間毎に位置制御する位置制御部を備え、
    前記露光位置算出部の実行期間中は、少なくとも、前記位置制御が実行され、
    前記露光位置算出部は、前記位置制御部で用いる前記露光マスクおよび前記ワークの各位置制御信号と、前記露光マスクの位置および、前記ワークの位置の時系列情報とを入力して、前記露光位置および、前記推定露光位置を算出する状態観測器（オブザーバー）からなる、ことを特徴とする露光装置。

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