JP2022039596A - アライメント装置、露光装置およびアライメント方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アライメントマークを示す画像において保持面の表面模様が映り込む場合に、基板の位置ずれ量を精度よく取得する。【解決手段】アライメント装置のステージ１０では、アライメントマーク９１１が形成された一の主面９１が保持面１１と対向した状態で基板９が保持面１１により保持される。撮像部４０では、ステージ１０上の基板９の他の主面９２に向けて、基板９を透過可能な波長の光を出射するとともに、保持面１１からの当該光の反射光を受光することにより、アライメントマーク９１１と共に保持面１１の表面模様を示すマーク撮像画像が取得される。画像処理部では、マーク撮像画像が示す保持面１１の領域の表面模様を示す参照画像とマーク撮像画像とを比較することにより、マーク撮像画像において表面模様を低減した処理済み画像が生成される。位置ずれ量取得部では、処理済み画像に基づいて基板９の位置ずれ量が精度よく取得される。【選択図】図３

Description

本発明は、アライメント技術および露光装置に関する。

近年、スマートフォンや小型ＩＯＴ機器の台頭により、高性能な半導体デバイスを容積の小さい筐体に格納することへの要望が強くなってきている。このため、デバイスの小サイズ化の一方式として、半導体デバイス製造用の基板（ウエハ）において、集積回路が形成された第１主面とは反対側の第２主面を研磨して基板を薄くし、第２主面から配線を行うことで実装面積を削減するプロセスが提案されている。具体的には、基板において集積回路が形成された第１主面を支持基板に張り合わせ、第１主面とは反対側の第２主面を研磨して基板が薄くされる。その後、露光等により第２主面にパターンを形成し、第１主面上に位置する集積回路の電極に対して第２主面側から配線を行うことによりデバイスの小型化が実現される。

上記プロセスでは、第１主面上の集積回路に対して電気的に接続される配線パターンを、第２主面の適切な位置に露光するために、第２主面への露光の際に、第１主面上の集積回路に対して、正しくアライメントを行う技術が必要になる。例えば、特許文献１の装置では、ステージ上の基板の両主面側に撮像部を配置することにより、基板においてアライメントマークが形成された主面が上側および下側のいずれを向く場合でも、位置合わせが可能とされる。また、特許文献２では、Ｓｉ基板が、赤外光（波長１０００ｎｍ以上）に対して透過性を有することを利用して、ステージ上の基板の下面側のアライメントマークを基板の上面側から観察する方法について記載されている。

特開平９－３１２２４８号公報 特開２０１４－８５１２３号公報

ところで、特許文献１の装置では、撮像部の個数が多くなり、これらの位置合わせの調整が煩雑になるとともに、部品数の増加により装置の製造コストが増大する。また、ステージ側（基板の下面側）に設けられる撮像部では、構造上の制約により一定範囲のみが撮像可能であるため、基板上においてアライメントマークが配置可能な位置が大きく制限され、様々な種類のデバイスの製造に対応することが困難となる。

一方、特許文献２のように、基板を透過可能な波長の光を利用する場合、ステージ上の基板の下面側のアライメントマークを基板の上面側に設けられた撮像部から観察することが可能となる。しかしながら、基板とステージとの間の支持基板が薄い場合や支持基板を用いない場合等には、撮像部により取得される画像において、ステージの保持面の表面模様が映り込むことがある。このような画像では、表面模様の影響により、アライメントマークの位置（例えば、重心）を正確に特定することが困難となり、基板の位置ずれ量を精度よく取得することができない場合がある。

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、アライメントマークを示す画像において保持面の表面模様が映り込む場合に、基板の位置ずれ量を精度よく取得することを目的としている。

請求項１に記載の発明は、アライメント装置であって、基板の一の主面にアライメントマークが形成されており、前記主面が保持面と対向した状態で前記保持面により前記基板を保持可能なステージと、前記ステージ上に前記基板が保持された状態で、前記ステージ上の前記基板の他の主面に向けて、前記基板を透過可能な波長の光を出射するとともに、前記保持面からの前記光の反射光を受光することにより、前記アライメントマークと共に前記保持面の表面模様を示すマーク撮像画像を取得する撮像部と、前記マーク撮像画像が示す前記保持面の領域の前記表面模様を少なくとも示す参照画像と前記マーク撮像画像とを比較することにより、または、前記表面模様が周期的である場合に前記マーク撮像画像において前記表面模様の周波数成分を除去することにより、前記マーク撮像画像において前記表面模様を低減した処理済み画像を生成する画像処理部と、前記処理済み画像に基づいて前記基板の位置ずれ量を取得する位置ずれ量取得部とを備える。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のアライメント装置であって、前記参照画像が、前記保持面を撮像した画像であり、前記処理済み画像が、前記参照画像と前記マーク撮像画像との差を示す。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のアライメント装置であって、前記保持面を示す画像を記憶する画像記憶部をさらに備える。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のアライメント装置であって、前記基板上における前記アライメントマークの位置を示すマーク位置情報に基づいて、前記画像記憶部から、前記アライメントマークの位置に対応する前記保持面の領域を示す画像を前記参照画像として取得する画像検索部をさらに備える。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載のアライメント装置であって、前記ステージを前記撮像部に対して相対的に移動する移動機構と、前記撮像部および前記移動機構を制御する制御部とをさらに備え、前記画像検索部が前記参照画像を取得不能である場合に、前記制御部が、前記撮像部および前記移動機構を制御することにより、前記アライメントマークの位置に対応する前記保持面の領域を示す画像が、前記参照画像として取得される。

請求項６に記載の発明は、請求項３ないし５のいずれか１つに記載のアライメント装置であって、前記保持面に垂直な方向における複数の位置にフォーカス位置を設定しつつ、前記撮像部により前記保持面を撮像した画像群が前記画像記憶部に記憶されており、前記参照画像が、前記画像群のうち、前記マーク撮像画像の取得時におけるフォーカス位置と最も近似するフォーカス位置にて撮像した画像である、または、前記表面模様のコントラストが前記マーク撮像画像と最も近似する画像である。

請求項７に記載の発明は、請求項２ないし６のいずれか１つに記載のアライメント装置であって、前記参照画像が、前記撮像部により取得される多階調の画像に所定の処理を施した画像であり、前記マーク撮像画像における前記アライメントマークの周囲の背景領域について、前記参照画像と前記マーク撮像画像との明度及びコントラストの少なくとも一方の差が、前記所定の処理前の画像と前記マーク撮像画像との前記差よりも小さい。

請求項８に記載の発明は、請求項１ないし７のいずれか１つに記載のアライメント装置であって、前記基板上における前記アライメントマークの位置を示すマーク位置情報に基づいて、前記撮像部により前記マーク撮像画像が取得され、前記マーク撮像画像と前記参照画像との差を示す指標値が所定値よりも大きい場合に、前記画像処理部が、前記マーク撮像画像および前記参照画像に対して所定の位置合わせ処理を行い、相対位置が合わせられた前記マーク撮像画像および前記参照画像から前記処理済み画像を生成する。

請求項９に記載の発明は、露光装置であって、請求項１ないし８のいずれか１つに記載のアライメント装置と、基板にパターンを露光する露光部とを備える。

請求項１０に記載の発明は、アライメント方法であって、基板の一の主面にアライメントマークが形成されており、前記主面がステージの保持面と対向した状態で前記保持面により前記基板を保持する工程と、撮像部により前記ステージ上の前記基板の他の主面に向けて、前記基板を透過可能な波長の光を出射するとともに、前記保持面からの前記光の反射光を受光することにより、前記アライメントマークと共に前記保持面の表面模様を示すマーク撮像画像を取得する工程と、前記マーク撮像画像が示す前記保持面の領域の前記表面模様を少なくとも示す参照画像と前記マーク撮像画像とを比較することにより、または、前記表面模様が周期的である場合に前記マーク撮像画像において前記表面模様の周波数成分を除去することにより、前記マーク撮像画像において前記表面模様を低減した処理済み画像を生成する工程と、前記処理済み画像に基づいて前記基板の位置ずれ量を取得する工程とを備える。

本発明によれば、アライメントマークを示す画像において保持面の表面模様が映り込む場合に、基板の位置ずれ量を精度よく取得することができる。

露光装置の側面図である。 露光装置の平面図である。 撮像部およびステージを示す図である。 ステージ上の基板を示す図でる。 マーク撮像画像を示す図である。 アライメント装置の機能構成を示すブロック図である。 基板にパターンを露光する動作の流れを示す図である。 基板にパターンを露光する動作の流れを示す図である。 参照画像を示す図である。 処理済み画像を示す図である。 マーク撮像画像を示す図である。 参照画像を示す図である。 処理済み画像を示す図である。 マーク撮像画像を示す図である。 参照画像を示す図である。 処理済み画像を示す図である。 処理済み画像を示す図である。 撮像部およびステージを示す図である。 保持面画像を取得する動作を説明するための図である。 マーク撮像画像を示す図である。 パワースペクトル画像を示す図である。 フィルタリングを施したパワースペクトル画像を示す図である。 処理済み画像を示す図である。

図１および図２は、本発明の一の実施の形態に係る露光装置１の構成を示す図である。図１は、露光装置１の側面図であり、図２は、露光装置１の平面図である。図１および図２では、互いに直交する３つの方向をＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向として矢印にて示している（他の図において同様）。図１の例では、Ｘ方向およびＹ方向は水平方向であり、Ｚ方向は鉛直方向である。以下の説明では、Ｚ方向を「上下方向」と呼ぶが、露光装置１の設計によっては、Ｚ方向が鉛直方向に対して傾斜した方向等であってもよい。

露光装置１は、半導体基板等の基板９において、感光材料が設けられた一の主面に対して、空間変調された光を照射してパターンを描画する描画装置である。本実施の形態における基板９は、Ｓｉ（ケイ素）により形成された円形の半導体基板であり、集積回路が形成された第１主面９１と、第１主面９１とは反対側の第２主面９２とを備える。後述するように、露光装置１では、第２主面９２が上方（（＋Ｚ）方向）を向いた状態で、基板９が保持される。第２主面９２には感光材料が設けられており、露光装置１により第２主面９２にパターンが描画（露光）される。

露光装置１は、本体部１００と、基板収納カセット９０と、制御ユニット６０とを備える。本体部１００では、本体フレーム１０１により形成される空間の内部に露光装置１の主たる構成が配置される。基板収納カセット９０は、本体フレーム１０１よりも（＋Ｙ）側において本体部１００に近接して配置される。制御ユニット６０は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、記憶装置等がバスラインを介して相互に接続された一般的なコンピュータを含む。制御ユニット６０は、本体フレーム１０１の外側に配置され、本体部１００の各構成と電気的に接続される。制御ユニット６０には、露光装置１の外部装置であるパターン設計装置（図示省略）も電気的に接続される。制御ユニット６０は、本体部１００の各構成およびパターン設計装置と通信可能である。制御ユニット６０は、露光装置１の全体制御を担う。

本体部１００は、基板９にパターンを露光する露光部１１０と、基板９の搬送を行う搬送ロボット１２０とを備える。搬送ロボット１２０は、露光部１１０よりも（＋Ｙ）側に配置され、露光部１１０と基板収納カセット９０との間で基板９の受け渡しを行う。具体的には、搬送ロボット１２０は、基板収納カセット９０に収納される未処理の基板９を基板収納カセット９０から取り出し、露光部１１０に渡す。未処理の基板９とは、第２主面９２に対する露光装置１による露光が未実施の基板９である。また、搬送ロボット１２０は、露光部１１０において露光が施された処理済みの基板９を露光部１１０から受け取り、基板収納カセット９０に戻す。図２の例では、基板収納カセット９０は、未処理の基板９を収納する第１の収納部と、処理済みの基板９を収納する第２の収納部とを有する。

露光部１１０は、基台１３０により支持される。露光部１１０は、ステージ１０と、ステージ移動機構２０と、位置計測部３０と、撮像部（アライメントカメラ）４０と、光学ヘッド部５０とを備える。ステージ１０は、基板９を水平姿勢にて保持可能な保持面１１を有する。保持面１１は、ステージ１０の上面である。保持面１１には、例えば複数の吸引溝（図示省略）が形成されている。ステージ１０上に載置される基板９は、複数の吸引溝にて吸引されて保持面１１上に吸着保持される。ステージ１０上の基板９では、集積回路が形成された第１主面９１が下方を向き、感光材料が設けられた第２主面９２が上方を向く。このように、第１主面９１が保持面１１と対向した状態で保持面１１により基板９が保持される。ステージ１０は、例えばセラミックや金属により形成される。ステージ１０上の基板９は、静電吸着やメカニカルチャック等により保持面１１上に保持されてもよい。

ステージ移動機構２０は、基台１３０上に設けられ、回転機構２１と、支持プレート２２と、副走査機構２３と、ベースプレート２４と、主走査機構２５とを備える。回転機構２１は、ステージ１０の内部に設けられたモータを有し、Ｚ方向に平行な回転軸を中心としてステージ１０を回転させる。支持プレート２２は、ステージ１０を回転可能に支持する。副走査機構２３は、例えばリニアモータとガイドレールとを有し、支持プレート２２を副走査方向であるＸ方向に移動させる。ベースプレート２４は、副走査機構２３を介して支持プレート２２を支持する。主走査機構２５は、例えばリニアモータとガイドレールとを有し、ベースプレート２４を主走査方向であるＹ方向に移動させる。回転機構２１、副走査機構２３および主走査機構２５では、他の種類の駆動源が利用されてもよい。

位置計測部３０は、基台１３０や光学ヘッド部５０に対して固定された位置に設けられる。位置計測部３０は、レーザ光出射部、ビームスプリッタ、干渉計等を有し、レーザ光の干渉を利用してステージ１０の位置を計測する。位置計測部３０による計測結果（ステージ１０の位置）は、制御ユニット６０に出力される。制御ユニット６０では、当該計測結果を用いて、ステージ移動機構２０の制御等が行われる。

基台１３０上には、ヘッド支持部１４０が設けられる。ヘッド支持部１４０は、２本の脚部材１４１と、２本の脚部材１４２と、１本の梁部材１４３と、１本の梁部材１４４とを備える。脚部材１４１，１４２は、基台１３０から上方に向かって延びる。２本の脚部材１４１は、Ｙ方向における基台１３０の中央近傍において、Ｘ方向における基台１３０の両端部にそれぞれ配置される。２本の脚部材１４２は、基台１３０の（－Ｙ）側の端部において、Ｘ方向における基台１３０の両端部にそれぞれ配置される。梁部材１４３，１４４は、Ｘ方向に延びる。梁部材１４３は、２本の脚部材１４１の頂部の間を接続する。梁部材１４４は、２本の脚部材１４２の頂部の間を接続する。梁部材１４３の（－Ｙ）側には、撮像部４０が撮像部昇降機構４６を介して取り付けられる。撮像部昇降機構４６により、撮像部４０が上下方向（Ｚ方向）に移動可能である。撮像部４０の詳細については後述する。

光学ヘッド部５０は、梁部材１４３の（＋Ｙ）側に取り付けられる。光学ヘッド部５０は、基板９の第２主面９２に向かって露光用のパルス光を照射する光照射部である。光学ヘッド部５０は、照明光学系５３を介して１つのレーザ発振器５４に接続される。また、レーザ発振器５４には、レーザ駆動部５５が接続される。レーザ駆動部５５を駆動させると、レーザ発振器５４からパルス光が出射され、当該パルス光が照明光学系５３を介して光学ヘッド部５０の内部に導入される。

光学ヘッド部５０には、光学系および空間光変調器等が設けられる。空間光変調器では、複数の変調素子が配列される。光学ヘッド部５０の内部に導入されたパルス光は、空間光変調器により空間変調され、第２主面９２上の感光材料（レジスト層）に照射される。空間光変調器としては、例えば、回折格子型の空間光変調器であるグレーティングライトバルブ（ＧＬＶ）等が例示される。露光用のパルス光は、第２主面９２上の感光材料を感光させるものであればよく、例えば紫外線である。光学ヘッド部５０では、露光用の光として連続光が利用されてもよい。

露光装置１では、ステージ１０を主走査方向に連続的に移動しつつ、制御ユニット６０が描画データに従って空間光変調器を制御することにより、第２主面９２上においてＹ方向に延びる帯状領域にパターンが露光される。Ｘ方向における帯状領域の幅だけ基板９を副走査方向に移動した後、上記と同様にしてＹ方向に延びる帯状領域にパターンが露光される。このようにして、基板９を副走査方向に間欠的に移動しつつ、主走査方向への連続移動（帯状領域へのパターンの露光）を繰り返すことにより、第２主面９２のおよそ全体にパターンが露光される。

図３は、撮像部４０およびステージ１０を示す図である。図３に示すように、撮像部４０は、照明部４１と、光学系４２と、撮像デバイス４３とを備える。照明部４１は、基板９を透過可能な波長の照明光を出射する。照明光は、例えば赤外線（ＩＲ）であり、第２主面９２上の感光材料を感光させない。照明光は、基板９を透過可能な他の波長の光であってもよい。光学系４２は、対物レンズを有し、照明光は対物レンズを介して下方に向けて出射される。対物レンズの光軸Ｊ１は、例えばＺ方向に平行である。撮像部４０の下方にステージ１０が配置された状態では、照明光は基板９を透過してステージ１０の保持面１１に照射され、保持面１１おいて反射する。保持面１１からの照明光の反射光は、対物レンズに入射し、光学系４２により撮像デバイス４３に導かれる。撮像デバイス４３では、ＣＣＤまたはＣＭＯＳ等の撮像素子が配列されており、当該反射光を受光することにより、画像が取得される。当該画像のデータは、制御ユニット６０に出力される。撮像部４０の構造は適宜変更されてよい。

図４は、ステージ１０上の基板９を示す図である。既述のように、基板９の第１主面９１（図３参照）には集積回路が形成されており、当該第１主面９１が保持面１１に対向する。第１主面９１には、集積回路と共に複数のアライメントマーク９１１が形成されており、複数のアライメントマーク９１１も保持面１１に対向する。図４では、複数のアライメントマーク９１１を破線の矩形にて示している。各アライメントマーク９１１の形状は、十字型等、任意に変更されてよく、第１主面９１上のアライメントマーク９１１の個数も適宜変更されてよい。

本実施の形態では、複数のアライメントマーク９１１が、基板９の本体とは異なる材料（例えば、基板９よりも照明光を透過させない材料）により形成される。アライメントマーク９１１は、基板９の表面を削ることにより形成されてもよい。後述の処理では、複数のアライメントマーク９１１が撮像部４０の下方に順に配置される。換言すると、撮像部４０による撮像領域Ｒ１（図４中に細線の矩形にて示す。）が、各アライメントマーク９１１と重ねられる。これにより、図５に示すように、当該アライメントマーク９１１を示すマーク撮像画像８１が取得される。例えば、マーク撮像画像８１は、多階調の画像である。マーク撮像画像８１には、保持面１１の表面模様８６１が映り込む。保持面１１の表面模様８６１は、保持面１１の凹凸や、ステージ１０を形成する材料の結晶粒等に起因する。

図６は、アライメント装置７の機能構成を示すブロック図である。アライメント装置７は、露光装置１の一部である。アライメント装置７は、既述のステージ１０と、ステージ移動機構２０と、撮像部４０と、撮像部昇降機構４６とを備える。ステージ１０、ステージ移動機構２０、撮像部４０および撮像部昇降機構４６は、露光部１１０およびアライメント装置７により共有されている。アライメント装置７は、制御部７１と、画像検索部７２と、画像処理部７３と、位置ずれ量取得部７４と、画像記憶部７５とをさらに備える。制御部７１、画像検索部７２、画像処理部７３および位置ずれ量取得部７４は、制御ユニット６０のコンピュータが所定のプログラムを実行することにより実現される。これらの機能の一部または全部が、専用の電気回路により実現されてもよい。画像記憶部７５は、当該コンピュータのメモリまたは記憶装置により実現される。図６では、制御ユニット６０が有するレシピ記憶部６１も示している。

アライメント装置７による後述の処理では、複数のマーク撮像画像８１が取得され、各マーク撮像画像８１において表面模様８６１（図５参照）を低減した処理済み画像が生成される。そして、複数の処理済み画像に基づいて基板９の位置情報および形状情報が取得される。基板９の位置情報は、ステージ１０の保持面１１上の所定の基準位置に対する基板９のＸ方向およびＹ方向の位置ずれ量、並びに、保持面１１に沿う所定の基準方向に対する基板９の傾き角度を含む。基板９の形状情報は、基板９のひずみ等の変形情報を含む。以下、アライメント装置７による処理を含む、露光装置１の動作について説明する。

図７Ａおよび図７Ｂは、露光装置１が基板９にパターンを露光する動作の流れを示す図である。図１および図２の露光装置１が基板９にパターンを露光する際には、まず、未処理の基板９を収容した基板収納カセット９０が準備されて、露光装置１に取り付けられる。続いて、制御ユニット６０に設けられた操作部（例えば、マウスまたはキーボード等の入力部）を用いて、図６のレシピ記憶部６１に記憶された複数のレシピ６１１から、未処理の基板９に対して実行すべきパターンの露光を示すレシピ６１１が作業者により選択される（ステップＳ１０）。本実施の形態におけるレシピ６１１は、アライメント情報と、光学ヘッド部５０によるパターンの露光時に利用される各種情報とを含む。アライメント情報は、およそアライメントマーク９１１のみを示すマーク登録画像と、撮像部４０によりマーク撮像画像８１を取得する際に利用されるオフセット量と、基板９の第１主面９１における複数のアライメントマーク９１１の位置（例えば、重心座標）を示すマーク位置情報とを含む。

続いて、アライメント装置７の制御部７１では、選択されたレシピ６１１のマーク位置情報が示す複数のアライメントマーク９１１の位置のうち、一のアライメントマーク９１１の位置が選択され、画像検索部７２に入力される。すなわち、複数のアライメントマーク９１１から一のアライメントマーク９１１が選択アライメントマーク９１１として選択され、選択アライメントマーク９１１の位置が画像検索部７２に入力される（ステップＳ１１）。このようにして、選択アライメントマーク９１１の位置をキーとして、画像検索部７２への問い合わせが行われる。画像検索部７２では、選択アライメントマーク９１１の位置に基づいて、画像記憶部７５に対して画像の検索が行われる。

アライメント装置７では、ステージ１０の保持面１１上の複数の位置が撮像部４０により予め撮像され、各画像が保持面画像７５１として画像記憶部７５に記憶されている。各保持面画像７５１は、保持面１１の表面模様８６１を示す多階調の画像データであり、当該保持面画像７５１が示す保持面１１上の位置も当該保持面画像７５１に関連付けられている。ここで、ステージ１０に対する基板９の位置ずれおよび傾きが生じておらず、かつ、基板９の変形が生じていない状態で、基板９がステージ１０上に保持されていると仮定した場合に、当該基板９のアライメントマーク９１１と重なる保持面１１上の位置（座標）を、「アライメントマーク９１１の保持面１１上の設計位置」と呼ぶ。各保持面画像７５１が示す保持面１１上の位置は、いずれかのレシピ６１１のマーク位置情報が示すアライメントマーク９１１の位置に対応し、当該アライメントマーク９１１の保持面１１上の設計位置である。例えば、当該保持面画像７５１の中央が、当該アライメントマーク９１１の保持面１１上の設計位置を示す。

画像検索部７２では、画像記憶部７５に含まれる複数の保持面画像７５１において、選択アライメントマーク９１１の保持面１１上の設計位置と略同じ位置（当該設計位置から所定の微小範囲内の位置を含む。）を撮像した保持面画像７５１が検索される。当該保持面画像７５１が存在する場合（ステップＳ１２）、当該保持面画像７５１が選択アライメントマーク９１１に対する参照画像として特定され、画像処理部７３に出力される（ステップＳ１３）。

選択アライメントマーク９１１の保持面１１上の設計位置と略同じ位置を撮像した保持面画像７５１が画像記憶部７５に存在しない場合には（ステップＳ１２）、画像検索部７２から制御部７１に対して選択アライメントマーク９１１に対する参照画像が取得不能である旨の信号が出力される。この場合、制御部７１の制御により、選択アライメントマーク９１１の保持面１１上の設計位置が撮像される。

詳細には、まず、選択アライメントマーク９１１の保持面１１上の設計位置が撮像部４０の下方に配置される。このとき、ステージ１０上に基板９は載置されていない。また、図示省略の高さ測定部が、上下方向における保持面１１の高さを測定し、撮像部昇降機構４６が撮像部４０を昇降することにより、撮像部４０のフォーカス位置が保持面１１に配置される。撮像部４０のフォーカス位置は、対物レンズの光軸Ｊ１（図３参照）上において撮像デバイス４３の撮像面と光学的に共役な位置である。そして、撮像部４０により保持面１１が撮像され、保持面１１を示す画像が取得される。当該画像は、選択アライメントマーク９１１に対する参照画像として画像処理部７３に出力される（ステップＳ１４）。また、当該画像は、当該画像が示す保持面１１上の位置を関連付けた状態で、新たな保持面画像７５１として画像記憶部７５に記憶される。なお、画像記憶部７５に既に記憶されている保持面画像７５１も、撮像部４０のフォーカス位置を保持面１１に配置した状態で取得された画像である。

上記ステップＳ１１～Ｓ１４の処理は、選択されたレシピ６１１のマーク位置情報が示す全てのアライメントマーク９１１を選択アライメントマーク９１１として順次選択しつつ繰り返される（ステップＳ１５）。これにより、画像処理部７３において、全てのアライメントマーク９１１に対して参照画像が準備される。

続いて、図１および図２の搬送ロボット１２０により、基板収納カセット９０から未処理の基板９が取り出され、搬送ロボット１２０の近傍に配置されたステージ１０上に載置される。このとき、基板９の外縁に設けられた切り欠き部（例えば、ノッチ、オリエンテーションフラット等）を用いて、基板９が保持面１１上の基準位置にて基準方向に沿うように配置される。これにより、ステージ１０上の基板９の位置ずれおよび傾きが過度に大きくなることが防止される。ステージ１０では、アライメントマーク９１１が形成された第１主面９１が保持面１１と直接的に対向する（接触する）。基板９は保持面１１により吸着保持される（ステップＳ１６）。

保持面１１により基板９が保持されると、制御部７１では、選択されたレシピ６１１のマーク位置情報が示す複数のアライメントマーク９１１のうち、一のアライメントマーク９１１が、位置ずれ量の取得対象のアライメントマーク９１１（以下、「対象アライメントマーク９１１」という。）として選択される（ステップＳ１７）。そして、対象アライメントマーク９１１の位置が取得され、画像処理部７３に出力される。

また、対象アライメントマーク９１１の保持面１１上の設計位置が撮像部４０の下方に配置され、図３の撮像部４０によりステージ１０上の基板９が撮像される（ステップＳ１８）。詳細には、撮像部４０による基板９の撮像では、まず、図示省略の高さ測定部が、上下方向における基板９の第２主面９２（図３の上方を向く主面）の高さを測定し、撮像部昇降機構４６が撮像部４０を昇降することにより、撮像部４０のフォーカス位置が第２主面９２上の位置Ｐ１０（以下、「上面位置Ｐ１０」という。）に配置される。図３では、フォーカス位置が上面位置Ｐ１０に配置された状態の撮像部４０を実線にて示している。

レシピ６１１に含まれる既述のオフセット量は、アライメントマーク９１１を撮像する際にフォーカス位置を上面位置Ｐ１０からステージ１０側にずらすべき距離であり、典型的には、基板９の厚さに近似する。撮像部４０のフォーカス位置が上面位置Ｐ１０に配置された後、撮像部昇降機構４６が撮像部４０をオフセット量だけ下降することにより、撮像部４０のフォーカス位置が第１主面９１近傍の位置Ｐ１１に配置される。図３では、フォーカス位置が位置Ｐ１１に配置された状態の撮像部４０を二点鎖線にて示している。

その後、撮像部４０から基板９の第２主面９２に向けて照明光が出射される。基板９を透過して保持面１１に到達した照明光は、保持面１１おいて反射する。本実施の形態では、照明光は、アライメントマーク９１１で反射しない（吸収される）。保持面１１からの照明光の反射光は撮像デバイス４３により受光される。これにより、図５に示すように、対象アライメントマーク９１１のマーク撮像画像８１が取得される。このとき、保持面１１が撮像部４０の被写界深度に含まれる、または、被写界深度の外側極近傍に位置する。したがって、マーク撮像画像８１では、対象アライメントマーク９１１の周囲の領域８６０（以下、「背景領域８６０」という。）に保持面１１の表面模様８６１が現れる。マーク撮像画像８１は、画像処理部７３に出力される。

図８は、対象アライメントマーク９１１に対する参照画像８２を示す図である。既述のように、ステップＳ１３またはステップＳ１４により、対象アライメントマーク９１１に対する参照画像８２が既に準備されている。画像処理部７３では、対象アライメントマーク９１１のマーク撮像画像８１と、対象アライメントマーク９１１に対する参照画像８２との差分画像が処理済み画像として生成される（ステップＳ１９）。本実施の形態では、マーク撮像画像８１および参照画像８２の双方が、アライメントマーク９１１の保持面１１上の設計位置を撮像部４０により撮像したものであり、両画像が示す保持面１１の領域は略同じである。

図９は、対象アライメントマーク９１１に対する処理済み画像８３を示す図である。図９では、図５のマーク撮像画像８１が示す保持面１１の領域と、図８の参照画像８２が示す保持面１１の領域とが完全に一致する場合に得られる、理想的な処理済み画像８３を示している。図９の処理済み画像８３は、マーク撮像画像８１の各画素の画素値から参照画像８２の同じ位置の画素値を引いて得た符号付きの差分画像を、マーク撮像画像８１および参照画像８２と同じ階調数にて示す画像である。差分画像において、背景領域８６０に相当する部分の画素値は、マーク撮像画像８１の背景領域８６０と参照画像８２の背景領域８６０の差分から得られるが、理想的には差分が小さいため、画素値は限りなく０に近くなる。また、差分画像において、対象アライメントマーク９１１に相当する部分では、基本的に、マーク撮像画像８１におけるアライメントマーク９１１の明るさとステージ画像の明るさとの差分に依存した値が画素値として得られる。本実施の形態では、照明光がアライメントマーク９１１で反射しない（吸収される）ため、マーク撮像画像８１においてアライメントマーク９１１は黒く見えることになり、差分画像における対象アライメントマーク９１１に相当する部分の多くの画素値は負の値を取ることになる。この差分画像をマーク撮像画像８１及び参照画像８２と同じ階調数で表示すると、差分画像における対象アライメントマーク９１１に相当する部分の画素値に対して、差分画像における背景領域８６０に相当する部分の画素値は相対的に大きな値であるため、処理済み画像８３上では、マーク部分（マーク撮像画像８１と参照画像８２を重ねた際に、対象アライメントマーク９１１と重なる領域であり、以下、「マーク対応領域８３６」という。）が黒に近い色で表現され、背景部分が白く表現される。その結果、図９に示すような、マーク撮像画像８１における表面模様８６１が除去された画像を得ることができる。

実際には、マーク撮像画像８１が示す保持面１１の領域と、参照画像８２が示す保持面１１の領域とが、縦方向および横方向に僅かに（例えば数μｍ）ずれる場合がある。図１０Ａおよび図１０Ｂに示す例では、図１０Ａのマーク撮像画像８１が示す保持面１１の領域と、図１０Ｂの参照画像８２が示す保持面１１の領域とが僅かにずれており、この場合、図１０Ｃに示すように、処理済み画像８３では、背景領域８６０の明度（画素値の平均）が図９の処理済み画像８３に比べて小さく（暗く）なる。

しかしながら、処理済み画像８３の背景領域８６０では、マーク対応領域８３６と同程度に画素値が小さい領域（黒い領域）がほとんど存在せず、図１０Ａのマーク撮像画像８１に比べて、背景領域８６０における画素値のばらつきが小さい。したがって、図１０Ｃの処理済み画像８３では、マーク撮像画像８１における表面模様８６１が低減されている。例えば、処理済み画像８３およびマーク撮像画像８１のそれぞれを、画素値の最小値が０となり、最大値が１となるように正規化した場合に、処理済み画像８３における背景領域８６０の画素値のばらつき（例えば、標準偏差）、または、背景領域８６０のコントラスト（例えば、最大画素値と最小画素値との差や、Michelsonコントラスト等）が、マーク撮像画像８１よりも小さくなっていれば、マーク撮像画像８１において表面模様８６１を低減した処理済み画像８３が生成されているといえる。

図１１Ａないし図１１Ｃは、マーク撮像画像８１、参照画像８２および処理済み画像８３の他の例を示す図である。図１１Ａに示すマーク撮像画像８１では、アライメントマーク９１１および表面模様８６１の双方にフォーカスが合った状態であるのに対し、図１１Ｂに示す参照画像８２では、表面模様８６１がぼけた状態である。この場合、図１１Ｃに示す処理済み画像８３では、背景領域８６０の明度が図９の処理済み画像８３に比べて小さく（暗く）なる。しかしながら、処理済み画像８３の背景領域８６０では、マーク対応領域８３６と同程度に画素値が小さい領域がほとんど存在せず、図１１Ａのマーク撮像画像８１に比べて、背景領域８６０における画素値のばらつきが小さい。したがって、図１１Ｃの処理済み画像８３では、マーク撮像画像８１における表面模様８６１が低減されている。

図１２は、処理済み画像８３のさらに他の例を示す図である。図１２では、図１０Ａおよび図１０Ｂに示す例と同様に、マーク撮像画像８１が示す保持面１１の領域と、参照画像８２が示す保持面１１の領域とがずれており、さらに、図１１Ｂの例と同様に、参照画像８２の表面模様８６１がぼけた状態である場合に得られる処理済み画像８３を示している。処理済み画像８３の背景領域８６０では、マーク対応領域８３６と同程度に画素値が小さい領域がほとんど存在せず、背景領域８６０における画素値のばらつきが小さい。図１２の処理済み画像８３においても、マーク撮像画像８１における表面模様８６１が低減されている。

処理済み画像８３は、符号付きの差分画像以外に、マーク撮像画像８１の各画素の画素値と参照画像８２の同じ位置の画素値との差の絶対値を示す画像であってもよい。また、処理済み画像８３は、マーク撮像画像８１の各画素の画素値と参照画像８２の同じ位置の画素値との比を示す画像であってもよい。処理済み画像８３は、マーク撮像画像８１と参照画像８２とを比較する様々な手法により生成されてよい。

処理済み画像８３は、画像処理部７３から位置ずれ量取得部７４に出力される。位置ずれ量取得部７４では、ステージ１０上の基板９の対象アライメントマーク９１１について、保持面１１上の設計位置に対するＸ方向およびＹ方向の位置ずれ量が、処理済み画像８３に基づいて取得される（ステップＳ２０）。位置ずれ量の取得では、例えば、選択されたレシピ６１１に含まれるマーク登録画像が利用される。マーク登録画像は、およそ対象アライメントマーク９１１のみを示す画像であり、パターンマッチング等の手法を用いて処理済み画像８３中の対象アライメントマーク９１１の位置（例えば、重心）が特定される。そして、処理済み画像８３において、対象アライメントマーク９１１の位置と、対象アライメントマーク９１１の保持面１１上の設計位置に相当する位置との間の位置ずれ量が取得される。

上記ステップＳ１７～Ｓ２０の処理は、選択されたレシピ６１１のマーク位置情報が示す複数のアライメントマーク９１１を対象アライメントマーク９１１として順次選択しつつ繰り返される（ステップＳ２１）。全てのアライメントマーク９１１の位置ずれ量が取得されると、位置ずれ量取得部７４では、これらのアライメントマーク９１１の位置ずれ量を用いて、基板９の位置情報および形状情報が取得される（ステップＳ２２）。既述のように、基板９の位置情報は、ステージ１０に対する基板９の位置ずれ量および傾き角度を含む。基板９の形状情報は、基板９のひずみ等の変形情報を含む。なお、基板９の位置ずれ量のみを求める場合には、１つのアライメントマーク９１１の位置ずれ量がそのまま基板９の位置ずれ量とされてもよい。

露光装置１では、基板９の位置情報および形状情報を用いて、基板９の第２主面９２にパターンが露光される（ステップＳ２３）。パターンの露光では、光学ヘッド部５０の空間光変調器の制御に利用される描画データが生成される。描画データの生成では、例えば、基板９の位置情報および形状情報を用いてベクトル形式の設計データが補正される。すなわち、ステージ１０に対する基板９の位置ずれ量および傾き角度、並びに、基板９の変形に合わせて、設計データが示すパターンの位置、傾きおよび形状が調整される。そして、補正済みの設計データに対してＲＩＰ処理を行うことにより、ラスタ形式の描画データが生成される。このようにして、ステージ１０上の基板９の位置ずれ量および傾き角度、および、基板９の変形に合わせて生成（補正）された描画データが準備される。パターンの露光では、例えば、ステージ１０を主走査方向に連続的に移動する主走査と、ステージ１０を副走査方向に間欠的に移動する副走査とが繰り返される。また、主走査では、描画データに従って光学ヘッド部５０の空間光変調器が制御される。なお、描画データの生成においては、ベクトル形式の設計データを補正する代わりに、ラスタ形式の描画データを補正してもよいし、露光処理の際に、ステージ１０の走査や光学ヘッド部５０の空間変調器の制御タイミングに対して、基板９の位置情報及び形状情報に基づき調整を加えてもよい。

第２主面９２に対するパターンの露光が完了すると、搬送ロボット１２０により、処理済みの基板９がステージ１０から取り出され、基板収納カセット９０に収容される（ステップＳ２４）。これにより、当該基板９にパターンを露光する動作が完了する。実際には、基板収納カセット９０に収容される他の未処理の基板９に対してステップＳ１６～Ｓ２４の処理が繰り返される。上記動作では、ステップＳ１１～Ｓ２２における基板９の位置情報等の取得に係る処理、および、ステップＳ２３における設計データの補正（描画データの生成）が、アライメント処理となる。図７Ａおよび図７Ｂの処理は、支持基板９６が設けられた基板９（後述の図１３参照）に対して行われてもよい。

保持面画像７５１は、基板９に対してパターンの露光を行わない待機時間に取得され、画像記憶部７５に記憶されてもよい。例えば、待機時間において、レシピ記憶部６１に記憶された各レシピ６１１のマーク位置情報が制御部７１により取得される。続いて、上記ステップＳ１２と同様に、マーク位置情報が示す各アライメントマーク９１１の保持面１１上の設計位置と略同じ位置を撮像した保持面画像７５１が、画像記憶部７５に存在するか否かが画像検索部７２により確認される。このような保持面画像７５１が画像記憶部７５に存在しない場合には、ステップＳ１４と同様に、当該アライメントマーク９１１の保持面１１上の設計位置が撮像部４０により撮像され、新たな保持面画像７５１として画像記憶部７５に記憶される。これにより、図７Ａおよび図７Ｂの動作において、ステップＳ１４における保持面１１の撮像が行われることを回避することができ、パターンの露光に係る上記動作を効率よく行うことが可能となる。

以上に説明したように、アライメント装置７のステージ１０では、アライメントマーク９１１が形成された第１主面９１が保持面１１と対向した状態で基板９が保持面１１により保持される。また、撮像部４０では、ステージ１０上の基板９の第２主面９２に向けて、基板９を透過可能な波長の光を出射するとともに、保持面１１からの当該光の反射光を受光することにより、アライメントマーク９１１と共に保持面１１の表面模様８６１を示すマーク撮像画像８１が取得される。

ここで、マーク撮像画像８１に基づいて位置ずれ量を取得する比較例の処理を想定する。図５、図１０Ａおよび図１１Ａのマーク撮像画像８１では、アライメントマーク９１１の周囲の背景領域８６０における画素値のばらつきが大きく、アライメントマーク９１１と同様に画素値が小さい領域（黒い領域）が、表面模様８６１の一部として多数存在している。このようなマーク撮像画像８１では、表面模様８６１の影響により、位置ずれ量取得部７４においてアライメントマーク９１１の位置（例えば、重心）を正確に特定することが困難となる場合がある。この場合、基板９の位置ずれ量を精度よく取得することができず、第１主面９１の集積回路に合わせて、第２主面９２にパターンを精度よく露光することができなくなる。

これに対し、図６のアライメント装置７、並びに、図７Ａおよび図７Ｂのアライメント方法では、マーク撮像画像８１が示す保持面１１の領域の表面模様８６１を示す参照画像８２とマーク撮像画像８１とを比較することにより、マーク撮像画像８１において表面模様８６１を低減した処理済み画像８３が生成される。そして、処理済み画像８３に基づいて基板９の位置ずれ量が取得される。その結果、アライメントマーク９１１を示す画像において保持面１１の表面模様８６１が映り込む場合であっても、基板９の位置ずれ量を精度よく取得することができる。また、上記アライメント装置７と、露光部１１０とを有する露光装置１では、基板９の位置ずれ量を用いてパターンを精度よく露光することができる。

アライメント装置７では、保持面１１を示す画像（保持面画像７５１）を記憶する画像記憶部７５が設けられることにより、参照画像８２を迅速に準備することができる。画像検索部７２では、アライメントマーク９１１の位置を示すマーク位置情報に基づいて、画像記憶部７５から、当該アライメントマーク９１１の位置に対応する保持面１１の領域を示す画像が参照画像８２として取得される。これにより、参照画像８２を容易に準備することができる。

また、画像検索部７２が画像記憶部７５から参照画像８２を取得不能である場合に、制御部７１が、撮像部４０およびステージ移動機構２０を制御することにより、アライメントマーク９１１の位置に対応する保持面１１の領域を示す画像が、参照画像８２として取得される。これにより、参照画像８２を確実に準備することができる。画像処理部７３では、マーク撮像画像８１と、保持面１１を撮像した参照画像８２との差を示す画像が、処理済み画像８３として生成される。このように、画像処理部７３では、処理済み画像８３を容易に生成することができる。

アライメント処理では、既述のように、各アライメントマーク９１１の保持面１１上の設計位置を撮像することによりマーク撮像画像８１および参照画像８２が取得されるため、典型的には、マーク撮像画像８１が示す保持面１１の領域と、参照画像８２が示す保持面１１の領域とがほぼ一致する。しかしながら、ステージ移動機構２０によるステージ１０の移動の誤差等により、マーク撮像画像８１が示す保持面１１の領域と、参照画像８２が示す保持面１１の領域とのずれが大きくなる場合がある。このような場合には、処理済み画像８３の生成前に、所定の位置合わせ処理が行われることが好ましい。

例えば、画像処理部７３により、処理済み画像８３を生成する際に、マーク撮像画像８１の各画素の画素値と参照画像８２の同じ位置の画素値との差の絶対値が求められ、全ての画素における当該差の絶対値の和が、マーク撮像画像８１と参照画像８２との差を示す指標値として取得される。当該指標値は、全ての画素における当該差の絶対値の平均値等であってもよく、マーク撮像画像８１と参照画像８２との差を示す他の種類の値であってもよい。

当該指標値が所定値以下である場合には、マーク撮像画像８１が示す保持面１１の領域と、参照画像８２が示す保持面１１の領域とのずれが小さいと判定され、上述のステップＳ１９の処理と同様にして（すなわち、位置合わせ処理を行うことなく）、処理済み画像８３が生成される。当該指標値が所定値よりも大きい場合には、当該ずれが大きいと判定され、マーク撮像画像８１および参照画像８２に対して所定の位置合わせ処理が行われる。

位置合わせ処理の一例では、参照画像８２をマーク撮像画像８１に対して上下方向および左右方向にずらして、両画像を複数の相対位置に配置しつつ上記指標値が取得される。各方向にずらす量（画素数）の上限は適宜決定される。そして、複数の相対位置における複数の指標値のうち、最小となる指標値が得られた相対位置にマーク撮像画像８１および参照画像８２が配置される。これにより、マーク撮像画像８１および参照画像８２の相対位置が合わせられる。その後、相対位置が合わせられたマーク撮像画像８１および参照画像８２から、上述のステップＳ１９の処理と同様にして処理済み画像８３が生成される。位置合わせ処理では、上下方向および左右方向のみならず、両画像を回転方向にもずらして、上記指標値が取得されてもよい。また、位置合わせ処理では、マーク撮像画像８１を参照画像８２に対して上下方向及び左右方向にずらすことで、マーク撮像画像８１と参照画像８２の相対位置を合わせてもよい。この場合は、処理済み画像８３を作成後、マーク撮像画像８１をずらした分が相殺されるようにマーク対応領域８３６の位置を補正すればよい。他の公知の手法が用いられてもよい。

以上のように、好ましいアライメント処理では、マーク撮像画像８１と参照画像８２との差を示す指標値が所定値よりも大きい場合に、マーク撮像画像８１および参照画像８２に対して所定の位置合わせ処理が行われる。そして、相対位置が合わせられたマーク撮像画像８１および参照画像８２から処理済み画像８３が生成される。このように、マーク撮像画像８１が示す保持面１１の領域と、参照画像８２が示す保持面１１の領域とのずれが大きい場合に、位置合わせ処理を行うことにより、適切な処理済み画像８３を生成することができる。その結果、基板９の位置ずれ量を精度よく取得することができる。

上記位置合わせ処理を行う場合に、マーク撮像画像８１が示す領域の大きさよりも十分に大きい領域を示す保持面画像７５１が準備されてもよい。この場合、例えば、各アライメントマーク９１１の保持面１１上の設計位置を中心とする領域が撮像部４０により撮像され、続いて、当該領域の周辺領域が撮像される。その後、これらの画像が互いに連結され、１つの保持面画像７５１として画像記憶部７５に記憶される。これにより、位置合わせ処理において、マーク撮像画像８１および参照画像８２（保持面画像７５１）を複数の相対位置に配置した際に、マーク撮像画像８１の全体を参照画像８２に重ねて、上記指標値を取得することが可能となる。処理済み画像８３の生成では、参照画像８２において、位置合わせ後のマーク撮像画像８１と重なる部分が切り出されて利用される。

なお、マーク撮像画像８１が示す領域の大きさと、参照画像８２が示す領域の大きさとが同じである場合でも、位置合わせ処理において、例えば、両画像が重ならない領域を無視することにより、上記指標値を適切に取得することが可能である。また、位置合わせ処理は、マーク撮像画像８１および参照画像８２の一部の領域のみを利用して行われてもよい。

次に、露光装置１におけるアライメント処理の他の例について説明する。本処理例では、図１３に示すように、アライメントマーク９１１が形成された第１主面９１に支持基板９６が貼り合わされた基板９が、ステージ１０上に載置される。第１主面９１は、支持基板９６を介して間接的に保持面１１と対向する。この場合も、第１主面９１が保持面１１に対向した状態で、保持面１１により基板９が保持されていると捉えられる。支持基板９６は、例えば基板９と同様の材料により形成されるため、撮像部４０の照明部４１から出射される照明光は、基板９および支持基板９６を透過する。支持基板９６は、撮像部４０からの照明光を透過させるものであるならば、基板９とは異なる材料にて形成されてもよい。

既述のように、マーク撮像画像８１を取得する際には、撮像部４０のフォーカス位置が上面位置Ｐ１０（第２主面９２上の位置）に配置された後、レシピ６１１に含まれる既述のオフセット量だけ撮像部昇降機構４６が撮像部４０を下降することにより、撮像部４０のフォーカス位置が第１主面９１近傍の位置Ｐ１１に配置される。そして、撮像部４０により撮像が行われ、マーク撮像画像８１が取得される。このとき、基板９に貼り合わされた支持基板９６は比較的薄く、保持面１１が撮像部４０の被写界深度の外側近傍に位置するため、マーク撮像画像８１の背景領域８６０では、表面模様８６１がぼけた状態となる。本処理例では、後述するように、ぼけた状態の表面模様８６１に適した参照画像８２が利用される。

図１４は、保持面画像７５１を取得する動作を説明するための図である。本処理例では、アライメントマーク９１１の保持面１１上の設計位置に対して、複数の保持面画像７５１が取得される。具体的には、高さ測定部が、上下方向における保持面１１の位置を測定し、撮像部昇降機構４６が撮像部４０を昇降することにより、撮像部４０のフォーカス位置が保持面１１上の位置Ｐ２０に配置される。この状態において、撮像部４０により保持面１１を示す保持面画像７５１が取得される。続いて、撮像部昇降機構４６が撮像部４０を上昇することにより、フォーカス位置が保持面１１から上方に所定距離だけ離れた位置Ｐ２１に配置される。そして、撮像部４０により保持面１１を示す保持面画像７５１が取得される。

このように、アライメントマーク９１１の保持面１１上の設計位置に対して、保持面１１に垂直な上下方向における複数の位置Ｐ２０～Ｐ２３にフォーカス位置を設定しつつ、撮像部４０により複数の保持面画像７５１が取得される。保持面１１から複数の位置Ｐ２１～Ｐ２３までの距離は互いに相違する。各設計位置に対して取得される複数の保持面画像７５１は、画像群として画像記憶部７５に記憶される。当該複数の保持面画像７５１には、画像取得時におけるフォーカス位置の高さがそれぞれ関連付けられる。

本処理例では、一のアライメントマーク９１１が選択アライメントマーク９１１として選択された後（図７Ａ：ステップＳ１１）、画像検索部７２により、選択アライメントマーク９１１の保持面１１上の設計位置と略同じ位置を撮像した画像群が、画像記憶部７５において検索される。当該画像群が存在する場合（ステップＳ１２）、当該画像群が選択アライメントマーク９１１に対する参照画像の候補として特定され、画像処理部７３に出力される（ステップＳ１３）。

選択アライメントマーク９１１の保持面１１上の設計位置と略同じ位置を撮像した画像群が画像記憶部７５に存在しない場合には（ステップＳ１２）、画像検索部７２から制御部７１に対して、選択アライメントマーク９１１に対する参照画像の候補が取得不能である旨が出力される。この場合、制御部７１がステージ移動機構２０および撮像部４０を制御することにより、選択アライメントマーク９１１の保持面１１上の設計位置が撮像部４０の下方に配置され、保持面１１が撮像される。このとき、上述の画像群を取得する動作と同様に、保持面１１に垂直な上下方向における複数の位置にフォーカス位置を設定しつつ、撮像部４０により複数の画像が取得される。当該複数の画像は、画像群として扱われ、画像取得時におけるフォーカス位置の高さがそれぞれ関連付けられる。当該画像群は、選択アライメントマーク９１１に対する参照画像の候補として画像処理部７３に出力される（ステップＳ１４）。また、当該画像群は、画像記憶部７５に記憶（登録）される。

全てのアライメントマーク９１１に対して参照画像の候補が特定されると（ステップＳ１５）、基板９が保持面１１により保持される（図７Ｂ：ステップＳ１６）。対象アライメントマーク９１１が選択された後（ステップＳ１７）、対象アライメントマーク９１１が撮像されてマーク撮像画像８１が取得される（ステップＳ１８）。対象アライメントマーク９１１の撮像では、図１３を参照して説明したように、撮像部４０のフォーカス位置が第１主面９１近傍の位置Ｐ１１に配置され、保持面１１から上方に離れる。その結果、マーク撮像画像８１の背景領域８６０では、表面模様８６１がぼけた状態となる。

画像処理部７３では、対象アライメントマーク９１１に対して特定された参照画像の候補（画像群）のうち、マーク撮像画像８１の取得時におけるフォーカス位置と最も近似するフォーカス位置にて撮像した画像が参照画像８２として選択される。これにより、マーク撮像画像８１の背景領域８６０における表面模様８６１のぼけの状態と、参照画像８２における表面模様８６１のぼけの状態とが近似する。そして、マーク撮像画像８１と参照画像８２とを比較することにより、処理済み画像８３が生成される（ステップＳ１９）。処理済み画像８３では、マーク撮像画像８１における表面模様８６１が低減される。

処理済み画像８３が生成されると、位置ずれ量取得部７４では、処理済み画像８３に基づいて対象アライメントマーク９１１の位置ずれ量が取得される（ステップＳ２０）。上記ステップＳ１７～Ｓ２０の処理が繰り返され、全てのアライメントマーク９１１の位置ずれ量が取得されると（ステップＳ２１）、これらのアライメントマーク９１１の位置ずれ量を用いて、基板９の位置情報および形状情報が取得される（ステップＳ２２）。露光装置１では、基板９の位置情報および形状情報を用いて、基板９の第２主面９２にパターンが露光される（ステップＳ２３）。

以上に説明したように、図６のアライメント装置７、並びに、図７Ａおよび図７Ｂのアライメント方法では、保持面１１に垂直な方向における複数の位置にフォーカス位置を設定しつつ、撮像部４０により保持面１１を撮像した画像群が画像記憶部７５に記憶される。また、処理済み画像８３を生成する際に、画像群のうち、マーク撮像画像８１の取得時におけるフォーカス位置と最も近似するフォーカス位置にて撮像した画像が参照画像８２として利用される。これにより、マーク撮像画像８１における表面模様８６１とぼけの状態が近似した適切な参照画像８２を用いて、処理済み画像８３を精度よく生成することができる。その結果、基板９の位置ずれ量を精度よく取得することができる。

支持基板９６または基板９の屈折率等によっては、画像群のうち、マーク撮像画像８１の取得時におけるフォーカス位置と最も近似するフォーカス位置にて撮像した画像と、表面模様８６１のぼけの状態がマーク撮像画像８１の背景領域８６０と最も近似する画像とが相違する場合がある。このような場合、表面模様８６１のぼけの状態を表面模様８６１のコントラスト（例えば、最大画素値と最小画素値との差や、Michelsonコントラスト等）で数値化し、画像群のうち表面模様８６１のコントラストがマーク撮像画像８１と最も近似する画像が、参照画像８２として選択されることが好ましい。これにより、マーク撮像画像８１における表面模様８６１とぼけの状態が近似した適切な参照画像８２を用いて、表面模様８６１を低減した処理済み画像８３を精度よく生成することができる。

異なるフォーカス位置にて取得された画像群から参照画像を選択する上記処理は、支持基板９６が設けられない基板９に対して行われてもよい。例えば、第１主面９１に形成されるパターンの高さが大きい場合等には、マーク撮像画像８１を取得する際に、保持面１１が撮像部４０の被写界深度の外側近傍に位置し、マーク撮像画像８１の背景領域８６０において表面模様８６１がぼけた状態となることがある。この場合も、上記処理により、適切な参照画像８２を用いて、処理済み画像８３を精度よく生成することができる。

上記処理例では、異なるフォーカス位置にて取得された画像群から、マーク撮像画像８１における表面模様８６１とぼけの状態が近似した参照画像８２が選択されるが、参照画像８２は、保持面１１を示す１つの画像に対して所定の処理を施すことにより生成されてもよい。

例えば、撮像部４０のフォーカス位置を一の位置（例えば、保持面１１上の位置Ｐ２０）に配置した状態で、撮像部４０により保持面１１を示す多階調の画像が取得される。そして、当該画像に対して、マーク撮像画像８１における表面模様８６１のぼけの状態に合わせた度合いのぼかし処理（例えば、平滑化処理）を施すことにより、参照画像８２が生成される。この場合、背景領域８６０について、当該参照画像８２とマーク撮像画像８１とのコントラストの差の絶対値が、ぼかし処理前の画像とマーク撮像画像８１とのコントラストの差の絶対値よりも小さくなる。すなわち、ぼかし処理前の画像と比較して、参照画像８２における表面模様８６１のぼけの状態が、マーク撮像画像８１に近似する。

また、ステップＳ１３において特定される画像や、ステップＳ１４において取得される画像は、ステージ１０にいずれの基板も保持されていない状態において撮像部４０により保持面１１を撮像した画像である。一方、マーク撮像画像８１は、撮像部４０から出射される照明光が、基板９、または、基板９および支持基板９６を透過することにより取得される画像である。したがって、照明光の基板９または支持基板９６における透過率によっては、マーク撮像画像８１の背景領域８６０における明度が、ステップＳ１３，Ｓ１４における上記画像よりも大幅に小さくなる（暗くなる）ことがある。

この場合には、基板９が保持されていない保持面１１を撮像した上記画像に対して、マーク撮像画像８１における表面模様８６１の明度に合わせた明度補正（変換）処理を施すことにより、参照画像８２が生成される。これにより、背景領域８６０について、当該参照画像８２とマーク撮像画像８１との明度の差の絶対値が、明度補正前の画像とマーク撮像画像８１との明度の差の絶対値よりも小さくなる。すなわち、明度補正前の画像と比較して、参照画像８２における表面模様８６１の明度が、マーク撮像画像８１に近似する。なお、当該画像に対して、明度補正と共に、ぼかし処理が施されてもよい。また、異なるフォーカス位置にて取得された画像群に対して、明度補正等が施されてもよい。

以上のように、図６のアライメント装置７、並びに、図７Ａおよび図７Ｂのアライメント方法では、参照画像８２が、撮像部４０により取得される多階調の画像に所定の処理を施した画像であってもよい。この場合、当該処理により、背景領域８６０について、参照画像８２とマーク撮像画像８１との明度及びコントラストの少なくとも一方の差が、当該処理前の画像とマーク撮像画像８１との当該差よりも小さくされる。これにより、マーク撮像画像８１における表面模様８６１と、ぼけの状態または明るさが近似した適切な参照画像８２を用いて、表面模様８６１を低減した処理済み画像８３を精度よく生成することが可能となる。

アライメント装置７では、例えば、アライメントマーク９１１が形成されていない基板をステージ１０上に載置し、当該基板を介して撮像部４０により保持面１１を撮像した画像（または、当該画像に所定の処理を施した画像）が、参照画像８２として利用されてもよい。この場合も、背景領域８６０について、参照画像８２とマーク撮像画像８１との明度の差を小さくすることが可能である。

上記アライメント装置７、露光装置１、および、アライメント方法では様々な変形が可能である。

アライメント装置７では、保持面１１のおよそ全体を分割した複数の領域をそれぞれ示す複数の保持面画像７５１（または複数の画像群）が画像記憶部７５に記憶されてもよい。この場合、各保持面画像７５１が示す領域の範囲を示す情報が、当該保持面画像７５１に対して関連付けられる。ステップＳ１２，Ｓ１３において参照画像８２を取得する際には、選択アライメントマーク９１１の保持面１１上の設計位置を中心とし、かつ、撮像部４０の撮像領域Ｒ１（マーク撮像画像８１）と略同じ大きさの領域の範囲が求められる。続いて、当該領域と重なる全ての保持面画像７５１が特定され、これらの保持面画像７５１を互いに連結した１つの画像が生成される。そして、当該画像において当該領域の部分が切り出され、参照画像８２として扱われる。このように、参照画像８２は複数の保持面画像７５１から生成されてもよい。

撮像部４０において、基板９を透過可能な複数種類の波長の照明光を出射する照明部が設けられてもよい。このような撮像部４０により、異なる波長の照明光を用いて取得した２つの画像（アライメントマーク９１１と共に表面模様８６１を示す２つの画像）において、アライメントマーク９１１と背景領域８６０との見え方（例えば、明度の差）が互いに相違するときには、当該２つの画像を比較する（例えば、差分画像を生成する）ことにより、表面模様８６１を低減した処理済み画像８３が生成可能である。この場合、当該２つの画像の一方がマーク撮像画像８１であり、他方が参照画像８２であるといえる。

以上のように、参照画像８２は、アライメントマーク９１１を含んでいてもよい。換言すると、参照画像８２は、マーク撮像画像８１が示す保持面１１の領域の表面模様８６１を少なくとも示す画像であればよい。アライメントマーク９１１と背景領域８６０との見え方が互いに相違する２つの画像は、撮像部４０において、照明光の出射方向（基板９に対する入射角）が異なる複数の照明部を設けることにより取得されてもよく、また、異なる２つの撮像部により取得されてもよい。

保持面１１の表面模様８６１が周期的である場合には、マーク撮像画像８１のみを用いて処理済み画像８３が生成されてもよい。例えば、図１５Ａに示すマーク撮像画像８１のように、アライメントマーク９１１の周囲の背景領域８６０において、互いに略平行な多数の直線が一定の間隔を空けて配列される表面模様８６１が形成されている場合、当該マーク撮像画像８１にＦＦＴ変換を施すことにより、図１５Ｂに示すパワースペクトル画像８４が取得される。

続いて、図１５Ｂのパワースペクトル画像８４において、表面模様８６１の周波数成分に相当する領域にフィルタリングを施すことにより、図１５Ｃに示すパワースペクトル画像８５が得られる。そして、図１５Ｃのパワースペクトル画像８５に対して逆ＦＦＴ変換を施すことにより、図１５Ｄに示す処理済み画像８３が得られる。図１５Ｄの処理済み画像８３では、マーク撮像画像８１における表面模様８６１が低減されている。以上のように、保持面１１の表面模様８６１が周期的である場合には、マーク撮像画像８１において表面模様８６１の周波数成分を除去することにより、表面模様８６１を低減した処理済み画像８３を生成することも可能である。これにより、基板９の位置ずれ量を精度よく取得することができる。

アライメント装置７の設計によっては、画像記憶部７５が省略されてもよい。この場合、アライメント処理において、各アライメントマーク９１１に対して図７ＡのステップＳ１４の処理が行われ（保持面１１が撮像され）、参照画像８２が取得される。

上記実施の形態では、マーク位置情報に基づいて撮像部４０によりマーク撮像画像８１が取得されるが、操作者がステージ１０の移動量を入力する等、マーク位置情報を用いることなくマーク撮像画像８１が取得されてもよい。

露光装置１では、ステージ１０を昇降する昇降機構を設けることにより、保持面１１に対する撮像部４０のフォーカス位置が変更されてもよい。また、撮像部４０および光学ヘッド部５０をＸ方向およびＹ方向に移動する移動機構が設けられてもよく、ステージ１０は、移動機構により、撮像部４０および光学ヘッド部５０に対してＸ方向およびＹ方向に相対的に移動すればよい。

上記実施の形態では、露光装置１が直接描画装置である場合について説明したが、露光装置１の露光部１１０は、マスク等に形成されたパターンを基板９に投影して、パターンを露光するものであってもよい。

パターンが露光される基板９は、半導体基板以外であってよく、例えばガラス基板やプリント基板等であってもよい。基板９を透過可能な照明光の波長は、基板９の種類に合わせて適宜変更されてよい。

上記アライメント装置７は、露光装置１から独立して利用されてもよい。

上記実施の形態および各変形例における構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わされてよい。

１ 露光装置
７ アライメント装置
９ 基板
１０ ステージ
１１ 保持面
２０ ステージ移動機構
４０ 撮像部
７１ 制御部
７２ 画像検索部
７３ 画像処理部
７４ 位置ずれ量取得部
７５ 画像記憶部
８１ マーク撮像画像
８２ 参照画像
８３ 処理済み画像
９１ 第１主面
９２ 第２主面
１１０ 露光部
７５１ 保持面画像
８６０ 背景領域
８６１ 表面模様
９１１ アライメントマーク
Ｓ１０～Ｓ２４ ステップ

Claims (10)

1. アライメント装置であって、
   基板の一の主面にアライメントマークが形成されており、前記主面が保持面と対向した状態で前記保持面により前記基板を保持可能なステージと、
   前記ステージ上に前記基板が保持された状態で、前記ステージ上の前記基板の他の主面に向けて、前記基板を透過可能な波長の光を出射するとともに、前記保持面からの前記光の反射光を受光することにより、前記アライメントマークと共に前記保持面の表面模様を示すマーク撮像画像を取得する撮像部と、
   前記マーク撮像画像が示す前記保持面の領域の前記表面模様を少なくとも示す参照画像と前記マーク撮像画像とを比較することにより、または、前記表面模様が周期的である場合に前記マーク撮像画像において前記表面模様の周波数成分を除去することにより、前記マーク撮像画像において前記表面模様を低減した処理済み画像を生成する画像処理部と、
   前記処理済み画像に基づいて前記基板の位置ずれ量を取得する位置ずれ量取得部と、
   を備えることを特徴とするアライメント装置。
2. 請求項１に記載のアライメント装置であって、
   前記参照画像が、前記保持面を撮像した画像であり、
   前記処理済み画像が、前記参照画像と前記マーク撮像画像との差を示すことを特徴とするアライメント装置。
3. 請求項２に記載のアライメント装置であって、
   前記保持面を示す画像を記憶する画像記憶部をさらに備えることを特徴とするアライメント装置。
4. 請求項３に記載のアライメント装置であって、
   前記基板上における前記アライメントマークの位置を示すマーク位置情報に基づいて、前記画像記憶部から、前記アライメントマークの位置に対応する前記保持面の領域を示す画像を前記参照画像として取得する画像検索部をさらに備えることを特徴とするアライメント装置。
5. 請求項４に記載のアライメント装置であって、
   前記ステージを前記撮像部に対して相対的に移動する移動機構と、
   前記撮像部および前記移動機構を制御する制御部と、
   をさらに備え、
   前記画像検索部が前記参照画像を取得不能である場合に、前記制御部が、前記撮像部および前記移動機構を制御することにより、前記アライメントマークの位置に対応する前記保持面の領域を示す画像が、前記参照画像として取得されることを特徴とするアライメント装置。
6. 請求項３ないし５のいずれか１つに記載のアライメント装置であって、
   前記保持面に垂直な方向における複数の位置にフォーカス位置を設定しつつ、前記撮像部により前記保持面を撮像した画像群が前記画像記憶部に記憶されており、
   前記参照画像が、前記画像群のうち、前記マーク撮像画像の取得時におけるフォーカス位置と最も近似するフォーカス位置にて撮像した画像である、または、前記表面模様のコントラストが前記マーク撮像画像と最も近似する画像であることを特徴とするアライメント装置。
7. 請求項２ないし６のいずれか１つに記載のアライメント装置であって、
   前記参照画像が、前記撮像部により取得される多階調の画像に所定の処理を施した画像であり、
   前記マーク撮像画像における前記アライメントマークの周囲の背景領域について、前記参照画像と前記マーク撮像画像との明度及びコントラストの少なくとも一方の差が、前記所定の処理前の画像と前記マーク撮像画像との前記差よりも小さいことを特徴とするアライメント装置。
8. 請求項１ないし７のいずれか１つに記載のアライメント装置であって、
   前記基板上における前記アライメントマークの位置を示すマーク位置情報に基づいて、前記撮像部により前記マーク撮像画像が取得され、
   前記マーク撮像画像と前記参照画像との差を示す指標値が所定値よりも大きい場合に、前記画像処理部が、前記マーク撮像画像および前記参照画像に対して所定の位置合わせ処理を行い、相対位置が合わせられた前記マーク撮像画像および前記参照画像から前記処理済み画像を生成することを特徴とするアライメント装置。
9. 露光装置であって、
   請求項１ないし８のいずれか１つに記載のアライメント装置と、
   基板にパターンを露光する露光部と、
   を備えることを特徴とする露光装置。
10. アライメント方法であって、
    基板の一の主面にアライメントマークが形成されており、前記主面がステージの保持面と対向した状態で前記保持面により前記基板を保持する工程と、
    撮像部により前記ステージ上の前記基板の他の主面に向けて、前記基板を透過可能な波長の光を出射するとともに、前記保持面からの前記光の反射光を受光することにより、前記アライメントマークと共に前記保持面の表面模様を示すマーク撮像画像を取得する工程と、
    前記マーク撮像画像が示す前記保持面の領域の前記表面模様を少なくとも示す参照画像と前記マーク撮像画像とを比較することにより、または、前記表面模様が周期的である場合に前記マーク撮像画像において前記表面模様の周波数成分を除去することにより、前記マーク撮像画像において前記表面模様を低減した処理済み画像を生成する工程と、
    前記処理済み画像に基づいて前記基板の位置ずれ量を取得する工程と、
    を備えることを特徴とするアライメント方法。

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