JP5420942B2 - パターン描画装置およびパターン描画方法 - Google Patents

Description

本発明は、基板上にパターンを描画する技術に関連する。

従来より、プリント配線基板や半導体基板、表示装置用のガラス基板等では、配線や回路等の複数層のパターンが積層される。各層のパターンが形成される工程には、予め形成されたレジスト膜に光を照射してパターンを描画する工程が含まれる。このとき、下層のパターンが形成される際の外力や内部応力等により基板には変形が生じている。したがって、レジスト膜に最下層以外のパターンを描画する際には、下層パターンとの正確な位置合わせが必要となる。特に、描画されるパターンの高精細化に伴い、下層のパターンの歪みに合わせて描画を行う技術は重要となる。

特許文献１では、任意方向に歪みが生じたプリント配線板に対し、位置決め穴の実際の位置を示す位置情報を取得する画像記録装置が開示されている。画像記録装置では、位置情報に基づいて配線パターン画像を示すラスタデータが仮想的に分割され、プリント配線板に歪みがないものと想定したときの対応する分割領域と整合するようにラスタデータが幾何学的に変換される。そして、変換後のラスタデータに基づいて、画像が記録ヘッドによりプリント配線板に記録される。

特許文献２では、基板の変形度合いに合わせてガーバデータを補正して補正ラスタデータに変換し、補正ラスタデータをさらに検査装置に出力する露光装置が開示されている。露光装置の露光部は補正ラスタデータに基づいて基板を露光し、検査装置は配線パターンが形成された基板をスキャンしたスキャンデータと補正ラスタデータとに基づいて露光された配線パターンの欠陥を検査する。

特開２００５−３７９１１号公報 特開２００６−３５００１２号公報

ところで、基板の変形は基板内で一様ではなく、場所により変形の度合いや方向等が異なる。したがって、特許文献１および２に示されるように、測定された基板の変形に合わせてパターンが幾何学的な補間により補正される場合、測定点を十分に多く設けないと描画されるパターンを基板の変形に正確に合わせることができない。また、測定点の数を多くするには物理的な限界があり、測定時間も増大する。

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、基板の歪みに高精度に合わせつつパターンを描画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、基板上にパターンを描画するパターン描画装置であって、歪んだ基板上に設けられた複数のマークの位置をマーク検出位置として取得するマーク位置取得部と、前記基板が歪む前の前記複数のマークの位置であるマーク参照位置から前記マーク検出位置への変位を拘束条件として前記基板の歪みを有限要素法を用いて解析することにより、前記マーク参照位置が存在する領域中の前記マーク参照位置とは異なる補間参照位置における変位を求める演算部と、前記基板の歪みによる前記マーク参照位置および前記補間参照位置の変位に従って、前記基板上にパターンを歪ませつつ描画する描画部とを備え、前記基板上において、前記マーク位置取得部により取得される前記マーク検出位置の密度が高い領域と低い領域とが存在する。

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、前記マーク参照位置および前記補間参照位置が、前記基板に歪みが存在しないと仮定した場合の前記基板上の位置である。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載のパターン描画装置であって、前記描画部が、変調された光を走査しつつ前記基板に照射することにより前記基板上にパターンを描画する。

請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載のパターン描画装置であって、前記基板が、プリント配線基板、ガラス基板または半導体基板である。

請求項５に記載の発明は、基板上にパターンを描画するパターン描画方法であって、ａ）歪んだ基板上に設けられた複数のマークの位置をマーク検出位置として取得する工程と、ｂ）前記基板が歪む前の前記複数のマークの位置であるマーク参照位置から前記マーク検出位置への変位を拘束条件として前記基板の歪みを有限要素法を用いて解析することにより、前記マーク参照位置が存在する領域中の前記マーク参照位置とは異なる補間参照位置における変位を求める工程と、ｃ）前記基板の歪みによる前記マーク参照位置および前記補間参照位置の変位に従って、前記基板上にパターンを歪ませつつ描画する工程とを備え、前記基板上において、前記ａ）工程にて取得される前記マーク検出位置の密度が高い領域と低い領域とが存在する。

本発明によれば、有限要素法を用いて基板の歪みを求めることにより、基板の歪みに高精度に合わせつつパターンを描画することができる。また、特定の位置で高い精度にて変位を求める必要がある場合にマークの位置の検出回数の増大を抑制することができる。

パターン描画装置の構成を示す図である。 制御部の機能構成を示すブロック図である。 パターン描画装置の動作の流れを示す図である。 変形前の基板を例示する図である。 変形後の基板を例示する図である。 描画データに歪補正が行われる様子を示す図である。 基板上のマーク参照位置および評価点を示す図である。 基板上のマーク参照位置および評価点を示す図である。 マーク検出位置の数と補間算出位置との関係を示す図である。

図１は本発明の一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。図１では装置の内部構造を示すために装置の一部を破線にて示している。パターン描画装置１は、フォトレジスト膜が形成されたプリント配線基板である基板９を保持するステージ２、ステージ２を図１中のＹ方向へと移動するステージ移動機構３１、光ビームを基板９に向けて出射する描画ヘッド４、描画ヘッド４を図１中のＸ方向へと移動する描画ヘッド移動機構３２、基板９に設けられたマークを撮像する撮像部６、および、描画ヘッド４に入力される描画用のデータを生成する制御部５を備える。パターン描画装置１はいわゆる直描装置であり、パターン描画装置１により基板９上に回路等のパターンが直接描画される。

描画ヘッド４は、光を出射するランプである光源４１、および、姿勢が個別に変更可能な複数の微小ミラーが配列されたＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）４２を有し、微小ミラー群により光源４１からの光ビームが反射されることにより空間変調された光ビームが導き出される。

具体的には、光源４１から出射された光はミラー４３１およびレンズ４３２により光量調整フィルタ４４へと導かれ、光量調整フィルタ４４において、光ビームが所望の光量に調整される。光量調整フィルタ４４を透過した光ビームはロッドインテグレータ４３３、レンズ４３４およびミラー４３５を介してミラー４３６へ導かれ、ミラー４３６は光ビームを集光させつつＤＭＤ４２へと導く。光ビームは所定の入射角（例えば、２４度）でＤＭＤ４２の微小ミラー群に均一に照射される。

ＯＮ状態に対応する姿勢にある微小ミラーからの反射光のみにより形成される空間変調された光ビームはズームレンズ４３７へと入射し、ズームレンズ４３７により倍率が調整されてミラー４３８を介して投影レンズ４３９へと導かれる。投影レンズ４３９からの光ビームは微小ミラー群に対して光学的に共役な基板９上の領域へと照射される。

ステージ２はリニアモータであるステージ移動機構３１の移動体側に固定されており、制御部５がステージ移動機構３１を制御することにより、微小ミラー群からの光が照射される光照射領域がフォトレジスト膜上を図１中のＹ方向に相対的に移動する。すなわち、光照射領域は描画ヘッド４に対して相対的に固定され、基板９の移動により光照射領域が基板９上を移動する。

描画ヘッド４は描画ヘッド移動機構３２の移動体側に固定され、光照射領域の主走査方向（図１中のＹ方向）に対して垂直な副走査方向（Ｘ方向）に間欠的に移動する。すなわち、主走査が終了する毎に描画ヘッド移動機構３２は次の主走査の開始位置へと描画ヘッド４をＸ方向に移動させる。描画ヘッド４、ステージ移動機構３１および描画ヘッド移動機構３２等により、パターンを基板９上に描画する描画部が構成される。

図２は制御部５の機能構成を示すブロック図である。制御部５は各種情報を記憶する記憶部５１、演算処理を行う演算部５２、パターン描画装置１の各部の制御を行う描画制御部５３を備える。記憶部５１には描画されるパターンを示すベクトルデータである描画データ５１１が記憶される。演算部５２は描画データ５１１をラスタデータに変換するラスタ変換部５２１、基板９上のマークの位置を求めるマーク位置算出部５２２、基板９の変形を求める変位取得部５２３、有限要素法（Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ）により基板９の構造解析を行うＦＥＭ演算部５２４、および、描画データ５１１に歪補正を行う歪補正部５２５を有する。

図３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。基板９には下層のパターンが既に形成されており、次のパターンを形成するための感光材料であるフォトレジスト膜が最上層に形成されている。基板９は下層のパターンの形成時に、外力や熱等の影響により僅かに歪んでいる。

まず、図１および図２に示すステージ移動機構３１および描画ヘッド移動機構３２により、基板９上の下層のパターンが有するマークが撮像部６の下方へと移動され、撮像部６によりマークの画像（以下、「マーク画像」という。）が取得される。マーク画像の取得は基板９上の全てのマーク、または、必要なマークに対して順次行われる。なお、マークは、いわゆるアライメントマークには限定されず、マークとして機能するものであればパターンの他の部分であってもよい。例えば、マークは回路の一部であってもよい。

マーク画像は、マーク位置算出部５２２へと送られ、マーク位置算出部５２２ではマーク画像が示すマークの中心と、ステージ移動機構３１および描画ヘッド移動機構３２からの位置情報とにより、基板９に対するマークの位置が正確に求められる（ステップＳ１１）。このように、パターン描画装置１では、撮像部６およびマーク位置算出部５２２が、マークの位置（以下、「マーク検出位置」という。）を取得するマーク位置取得部として機能する。

次に、変位取得部５２３にマーク検出位置および描画データ５１１が入力され、描画データ５１１が示す設計上のマークの位置とマーク検出位置との差、すなわち、基板９の歪みによるマークの変位が取得される（ステップＳ１２）。設計上のマークの位置は基板９が歪む前のマークの位置であり、以下、「マーク参照位置」という。

図４および図５はマークが変位する様子を簡略化して示す図である。図４では基板９が歪む前のマークの位置であるマーク参照位置９１１を黒い丸にて示しており、マーク参照位置９１１を細線にて結んでいる。多くの場合、実際のマークは不規則に配置される。白い丸はマーク参照位置９１１の間に位置する補間参照位置９２１であり、詳細については後述する。図５は歪んだ後の基板９を示す図であり、基板９が歪んだ後のマークの位置であるマーク検出位置９１２を黒い四角にて示し、補間参照位置９２１の変位後の位置９２２を白い四角にて示している。実際には、基板９の変形は微小であり、図５では変形を誇張して示している。変位取得部５２３では、マーク参照位置９１１からマーク検出位置９１２への変位（以下、「測定変位」という。）が取得される。

測定変位はＦＥＭ演算部５２４に入力され、ＦＥＭ演算部５２４では有限要素法を用いて構造解析が行われる。具体的には、パターンが描画される領域が、図４に示すマーク参照位置９１１および補間参照位置９２１を節点に含む多数の要素へと分割され、各要素の要素剛性マトリクスが生成され、基板９の全体に対応する全体剛性マトリクスが生成される。そして、概念的には、全体剛性マトリクスをＫ、全体の変位ベクトルをＵ、全体の荷重ベクトルをＦとして、全体方程式（ＫＵ＝Ｆ）が作成され、測定変位を拘束条件として全体方程式が解かれることにより、全体の変位ベクトルＵが求められる。これにより、図４に示すように、マーク参照位置９１１が存在する領域中（すなわち、マーク参照位置９１１に囲まれる領域中）のマーク参照位置９１１とは異なる補間参照位置９２１の変位および変位後の位置９２２（以下、「補間算出位置」という。）が求められる（ステップＳ１３）。なお、同時に、基板９における内部応力も求められる。

一方、描画データ５１１はラスタ変換部５２１によりラスタ変換され、ラスタ変換された描画データが歪補正部５２５に入力される。歪補正部５２５にはマーク検出位置９１２および補間算出位置９２２も入力され、これらの位置に基づいてパターンを歪ませる歪補正が行われる（ステップＳ１４）。

その後、歪補正が行われた描画データに従って、描画制御部５３により図１および図２に示すＤＭＤ４２、ステージ移動機構３１および描画ヘッド移動機構３２が制御され、基板９上に歪んだパターンが描画される（ステップＳ１５）。具体的には、描画データに従ってＤＭＤ４２の各微小ミラーが傾くことにより空間変調された光ビームが生成され、光ビームの変調に同期して、ステージ移動機構３１による照射領域の主走査、および、描画ヘッド移動機構３２による照射領域の副走査が行われる。

図６は、ラスタ変換後の描画データに歪補正が行われる様子を示す図である。図６では、歪補正前の描画データが示すパターン７１（以下、「元パターン」という。）を破線にて示し、歪補正後の描画データが示すパターン７２（以下、「補正済パターン７２」という。）を実線にて示す。元パターン７１の格子点は、図４に示すマーク参照位置９１１または補間参照位置９２１に対応し、補正済パターン７２の格子点は、図５に示すマーク検出位置９１２または補間算出位置９２２に対応する。

元パターン７１では、互いに隣接する４つの格子点を結ぶことにより補正の単位となる元ブロック７１１が定められており、補正済パターン７２では変位後の格子点を結ぶことにより補正済ブロック７２１が定められる。そして、元ブロック７１１内の各描画位置の補正後の位置が、補正済ブロック７２１の４つの格子点の変位を線形に補間することにより求められる（より高度な幾何学的補間が行われてもよい。）。これにより、例えば、元パターン７１にて符号７１２を付す直線が、ブロック単位で折れ曲がる折れ線７２２へと変形される。

なお、歪補正は、ラスタデータの変換ではなく、生成されたラスタデータを記憶するメモリからの読み出しアドレスを補正することにより行われてもよい。これにより、歪補正後のラスタデータを記憶する必要がなくなり、メモリ空間を有効に利用することができる。

また、ＣＡＤデータであるベクトルデータに歪補正を行う場合は基板毎にラスタ変換が必要になるが、パターン描画装置１ではラスタ変換（ＲＩＰ（Ｒａｓｔｅｒ Ｉｍａｇｅ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ））された同一のデータに対して描画時の歪補正が行われるため、描画時の演算量を削減することができる。

次に、従来の線形補間ではなく有限要素解析を利用することにより、パターンを適切に補正することができることを示すために行った評価作業について説明する。図７は基板９上の元ブロックの配列を示す図であり、黒丸にて示す格子点がマーク参照位置９１１を示し、他の格子点が補間参照位置９２１を示す。評価作業では、まず、準備作業として位置９３１，９３２に矢印にて示す力加わったと仮定して有限要素解析を行い、マーク参照位置９１１および評価点９４１の計算上の変位後の位置（以下、「評価点９４１の理想変位位置」という。）が求められた。図７においてマーク参照位置９１１が配列される領域の一辺の長さはＸ方向およびＹ方向共に５００ｍｍであり、左下の格子点には位置および回転の変位がないものとした。

次に、上記演算により求められた計算上のマーク検出位置を用いて、補間参照位置９２１の１つである評価点９４１の変位が従来の線形補間および有限要素解析を用いて求められた。有限要素解析では、荷重が未知である条件において、各マーク検出位置から導かれるマーク参照位置９１１の変位を拘束条件として解析が行われ、評価点９４１の変位が求められた。その結果、線形補間では、評価点９４１の変位後の位置は、理想変位位置からＸ方向に（＋１．４２７５４（ｍｍ））、Ｙ方向に（−０．６９８７０（ｍｍ））相違し、有限要素解析では、Ｘ方向に（−０．００００１（ｍｍ））、Ｙ方向に（−０．００００１（ｍｍ））相違する結果が得られた。

以上の評価作業にて示されるように、線形補間に比べて有限要素解析を用いることにより、補間参照位置９２１の変位を正確に求めることができる。これにより、図３のステップＳ１１にて取得されるマーク検出位置９１２（図５参照）の数が少ない場合であっても補間算出位置９２２を正確に求めることができ、短時間にマーク検出位置９１２を取得して描画データの補正を適切に行うことができる。その結果、基板９の歪みに高精度に合わせつつパターンを描画することが実現される。

次に、基板９上において特に正確に変位を求める必要がある補間参照位置９２１が存在する場合のパターン描画装置１の動作について説明する。図８はマーク参照位置９１１および評価点９４１を示す図であり、図８では符号９１１ａ，９１１ｂ，９１１ｃを付す位置もマーク参照位置とされる。図８に示す例では、荷重が与えられる位置は図７と同様であり、マーク参照位置９１１の間隔は図７よりも狭い。

基板９では、評価点９４１に位置する補間参照位置９２１の変位を正確に求める必要がある場合を例示しており、この場合においてもパターン描画装置１の動作は図３と同様である。換言すれば、変位を正確に求める必要がある補間参照位置９２１が存在する場合は、当該補間参照位置９２１近傍がマーク検出位置の密度が高い領域とされ、その他の領域ではマーク検出位置の密度が低くされる。その結果、マーク検出位置の数を極端に増加させることなく、重要な補間参照位置９２１の変位を速やかに求めることができる。

図９は、マーク検出位置の数と、有限要素解析により求められたＸ方向およびＹ方向における補間算出位置との関係を示す図である。図９において、符号９５０は評価点９４１の理想変位位置を示し、符号９５１は図８におけるマーク参照位置９１１に対応するマーク検出位置から有限要素解析により求められた評価点９４１の位置を示し、符号９５１ａはマーク参照位置９１１，９１１ａに対応するマーク検出位置から求められた評価点９４１の位置を示し、符号９５１ｂはマーク参照位置９１１，９１１ａ，９１１ｂから求められた評価点９４１の位置を示し、符号９５１ｃはマーク参照位置９１１，９１１ａ，９１１ｂ，９１１ｃから求められた評価点９４１の位置を示す。ただし、図９におけるＸ座標およびＹ座標はオフセットされている。図９に示すように、補間参照位置９２１の１つである評価点９４１の周囲においてマーク検出位置の密度が高くされることにより、評価点９４１の変位の精度が大幅に向上することが判る。換言すれば、特定の位置で高い精度にて変位を求める必要がある場合におけるマークの位置の検出回数の増大を抑制することができる。

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、様々な変形が可能である。

例えば、上記実施の形態では、マーク参照位置９１１および補間参照位置９２１は基板９に歪みが存在しないと仮定した場合（歪みが存在しないとみなす場合を含む。）の基板９上の位置とされるが、マーク参照位置９１１は既に歪んでいる基板９におけるマークの位置とされてもよい。この場合、既に歪んでいる基板９の内部応力が解析等により既知であれば、有限要素解析時にその内部応力の一部が拘束条件として利用されてもよい。

パターン描画装置１によるパターンの描画は、フォトレジスト膜への光の照射には限定されず、他の感光材料への光の照射や電子ビームの照射によるものであってもよい。また、歪補正が施されたパターンが一括露光により描画されてもよく、歪補正を反映しつつ微小なパターン要素が繰り返し描画されてもよい。感光材料に走査されつつ照射される変調された光はＤＭＤにより空間変調されたもの以外に、ＧＬＶ（Ｇｒａｔｉｎｇ Ｌｉｇｈｔ Ｖａｌｖｅ）により変調された光や複数のＬＥＤからの光であってもよい。また、光の走査はポリゴンミラーやガルバノミラー等により行われてもよい。

上記実施の形態では歪補正時に参照される補間参照位置９２１は有限要素解析における節点とされるが、節点での変位を補間することにより、任意の位置を補間参照位置９２１とすることも可能である。

パターン描画装置１にてパターンが描画される基板９は、液晶表示装置、有機ＥＬ表示装置用等のガラス基板や半導体基板等であってもよい。

１ パターン描画装置
４ 描画ヘッド
５ 演算部
６ 撮像部
９ 基板
３１ ステージ移動機構
３２ 描画ヘッド移動機構
５２２ マーク位置算出部
５２３ 変位取得部
５２４ ＦＥＭ演算部
５２５ 歪補正部
９１１，９１１ａ〜９１１ｃ マーク参照位置
９１２ マーク検出位置
９２１ 補間参照位置
９２２ 補間算出位置
Ｓ１１〜Ｓ１５ ステップ

Claims (5)

1. 基板上にパターンを描画するパターン描画装置であって、
   歪んだ基板上に設けられた複数のマークの位置をマーク検出位置として取得するマーク位置取得部と、
   前記基板が歪む前の前記複数のマークの位置であるマーク参照位置から前記マーク検出位置への変位を拘束条件として前記基板の歪みを有限要素法を用いて解析することにより、前記マーク参照位置が存在する領域中の前記マーク参照位置とは異なる補間参照位置における変位を求める演算部と、
   前記基板の歪みによる前記マーク参照位置および前記補間参照位置の変位に従って、前記基板上にパターンを歪ませつつ描画する描画部と、
   を備え、
   前記基板上において、前記マーク位置取得部により取得される前記マーク検出位置の密度が高い領域と低い領域とが存在す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、
   前記マーク参照位置および前記補間参照位置が、前記基板に歪みが存在しないと仮定した場合の前記基板上の位置であることを特徴とするパターン描画装置。
3. 請求項１または２に記載のパターン描画装置であって、
   前記描画部が、変調された光を走査しつつ前記基板に照射することにより前記基板上にパターンを描画することを特徴とするパターン描画装置。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載のパターン描画装置であって、
   前記基板が、プリント配線基板、ガラス基板または半導体基板であることを特徴とするパターン描画装置。
5. 基板上にパターンを描画するパターン描画方法であって、
   ａ）歪んだ基板上に設けられた複数のマークの位置をマーク検出位置として取得する工程と、
   ｂ）前記基板が歪む前の前記複数のマークの位置であるマーク参照位置から前記マーク検出位置への変位を拘束条件として前記基板の歪みを有限要素法を用いて解析することにより、前記マーク参照位置が存在する領域中の前記マーク参照位置とは異なる補間参照位置における変位を求める工程と、
   ｃ）前記基板の歪みによる前記マーク参照位置および前記補間参照位置の変位に従って、前記基板上にパターンを歪ませつつ描画する工程と、
   を備え、
   前記基板上において、前記ａ）工程にて取得される前記マーク検出位置の密度が高い領域と低い領域とが存在することを特徴とするパターン描画方法。

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