JP5691264B2 - 露光装置 - Google Patents

Description

本発明は、カラーフィルタ基板を製造する際にフォトマスクと被露光基板のアライメントに要する時間を低減する技術に関する。

カラーフィルター基板を製造する工程は、ガラス基板にレジストを塗布し、フォトマスクに合わせて紫外線を照射し現像することで、ガラス基板上にレジストパターンを形成するフォトリソ工程がほとんどで、例えば、ブラックマトリクス作成工程、赤、青、緑の着色画素工程、フォトスペーサー作成工程等を挙げることができる。

露光装置の一例としては、表面にレジストを塗布したガラス基板に対してフォトマスクを介して紫外線を照射することで、所定パターンにレジストを感光させるプロキシミティ方式の露光装置がある（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。この他、電子線を照射する電子線露光方式もある。

本発明は、フォトマスクパターンを被露光ガラス基板上のレジストに転写する際のアライメント方法に係わるので、以下に、図１（ａ）と（ｂ）を参照してフォトマスクとガラス基板の位置合わせ方法を説明する。

フォトマスク１と被露光ガラス基板６（以下、単にガラス基板とも記す。）には、アライメントマーク３，４というものが存在する。アライメントマークとは、フォトマスクパターンに対して、ガラス基板の位置が合っているかどうかを確認するために使用するマークで、通常は、ガラス基板の上下左右に複数個設けられる。

フォトマスクのアライメントマーク３とガラス基板側のアライメントマーク４は、撮像カメラ付顕微鏡２（以下、単にカメラと記す。）で画像認識され、取得された画像データから互いのマークのセンターが特定されると基準点から距離などがコンピュターを使用して計算できる。
通常は、その後ガラス基板６を載置したステージ５のＸ，Ｙ方向の移動量がコンピュータで算出され、ステージ５が所定の移動量だけ機械的に動かされて、最終的に左右（上下）のマーク中心を全て一致させることで、フォトマスク１とガラス基板６の位置の合わせ込みが達成される。このフォトマスク１とガラス基板６の位置合わせを正確にすればするほど、フォトマスク１に描かれたパターンをガラス基板６側へ正確に転写することが可能となる。

次に、図２（ａ）に記載のアライメントマークを例にフォトマスクとガラス基板の位置合わせ制御の流れについて説明する。フォトマスク側が井桁のアライメントマーク３、ガラス基板側が十字のアライメントマーク４となっている。マーク位置は、図２（ｂ）に示すように基板長手方向の端部に形成されている。他の形状のアライメントマークでも位置合わせの仕方は基本的には同じである。

先ず、各マークの中心座標の算出方法について説明する。図３（ａ）に示すように、カメラによって、フォトマスクとガラス基板のアライメントマーク３，４は、一つの画像データとして画像処理装置に取り込まれる。フォトマスクに対してガラス基板の位置が一定程度合っている場合、取り込まれた視野内の画像データには、フォトマスクの井形マーク３と、ガラス基板の十字マーク４の両方が存在する。

図３（ｂ）、（ｃ）のようにディジタル化された画像データから、定法により井形マーク３の中心座標及び十字マーク４の中心座標を算出することができる。座標原点（基準点）は、露光装置の支持台上のいずれかの位置に固定しておく。取り込んだ画像には、1画素あたり濃淡を表わす２５６階調（白→２５５、黒→０）のデータが格納されている。画像の画素値（０〜２５５階調）をＸ方向（左から右）へ走査した場合に、マークのライン部分は黒色であることから、３本の波形が立ち並ぶディジタル化された濃度分布で表現される。同様に、Ｙ方向（上から下）についても３本の波形が立ち並ぶ濃度分布となる。

この濃度分布から、井形マーク中心が算出できる。濃度分布を所定のスライスレベルで切ると、各波形におけるスライスレベル断面の両端は、黒いライン線の両端を表していることになる。これより、黒いライン線の両端座標の中点が、井形を構成する縦線の中心座標と判断する。井形を構成する左側の縦線中心座標をＸ１、右側の縦線中心座標をＸ３と定める。又、Ｙ方向についても、同様の方法で濃度分布を所定のスライスレベルで切り、井形を構成する上側の横線中点座標であるＹ１、下側の横線中点座標であるＹ３を定める。最後に、Ｘ１とＸ３の中心線と、Ｙ１とＹ３の中心線の交点を算出することで井形マークの中心座標（Ｘ０、Ｙ０）を基準点からの座標として決定することができる。一方ガラス基板に対してはＸ、Ｙ方向共に、濃度分布における２番目の波形の中心座標（Ｘ２、Ｙ２）が十字マークの中心となる。

上記の手法で算出された井形マークの中心（Ｘ０、Ｙ０）に対して、十字マークの中心（Ｘ２、Ｙ２）が一致、又は、許容範囲と定めた範囲に収まるまで、ガラス基板を載せたステージを、画像認識→移動量算出→移動→画像認識→移動量算出→移動・・・・・を繰り返して、２つの中心座標を合わせ込む制御がマークアライメント制御である。最終的に、基板の左右で、２つのマークの中心がマークアライメント制御によって一致していることをもって、フォトマスクとガラス基板の位置が合わせこまれたと判断する。

上記の処理において、マークアライメント完了を判断する基準値が、アライメント許容差設定である。この許容差には、後述するように３種類が存在し、所望の精度に合わせて適宜設定される。

一般には、ガラス基板投入時に、左右のカメラで検出した各マークにおいて、３つの実測演算値が、所定のアライメント許容差近傍となった場合に、上述のアライメント操作が遂行され、あまりにかけ離れた場合には露光装置搬入系や画像認識系の条件再設定がなされ、再試行される。
尚、基本的にフォトマスクは移動しないため、井形マーク中心座標は演算上では同じ位置である。

ところで、近年カラーフィルターは、ブラックマトリックス（以下、ＢＭと記す。）の細線化が進んでおり、ＢＭパターンを基準として、それに対する赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）画素の重ね合わせやフォトスペーサーの設置位置で高い精度が要求されている。したがって、ＢＭパターンに対するアライメント時の許容差設定値を狭くして他のパターンの位置精度を高くする必要がある。

しかし、ガラス基板が載置されているステージを移動させるために使用しているアクチュエータの駆動精度、ガラス基板のステージへの受け渡し位置精度、カメラの画像読取精度といったハード的な制限により、アライメント許容差設定値を小さくしていくと、許容値内にアライメントマークが収まるまでに、アライメント動作と移動動作の回数が増加してしまうという問題がある。アライメント処理と移動の回数が増加してしまうと、装置タクトが遅延してしまい、生産性を阻害する要因となる。

新しいロットで生産を開始する時には、作業者が手動で井形マークと十字マークの位置合わせ（ティーチング）を行う。このとき、作業者は目視により、十字マークの中心が井形マークの中心付近となるように、ステージを動かしつつカメラのピント調整等をかけて、ステージの初期位置を決定し、後続する基板がそこにくるように制御情報を設定する。後続するガラス基板がステージに搭載される場合には、こうして決定したステージ初期位置にステージが移動すれば、フォトマスクの井形マーク中心とガラス基板の十字マークの中心は近い位置にくるはずである。

しかし、実際には、ガラス基板をステージに搭載した１回目の画像読み込みでは、井形マークの中央に十字マークが入ってこないのが普通である。この原因は、前述したステージへのガラス基板の受け渡し精度、ガラス基板の位置決め精度、生産工程途中における温度変化に起因する、ＢＭパターンの形状変化等が原因と考えられる。

図６（ａ）は、ガラス基板でマークアライメント処理を行ったときの、十字マーク中心座標の推移を井形マークの中心に対してプロットしたものである。初期位置から、概ね４回のステージ移動を実行して、十字マーク中心がマスク中心座標に一致していることが分かる。重ね合わせの高い位置精度を求められる中で、露光装置のアライメント回数増加により装置タクトが遅延するのは極めて大きな問題である。

特開平６−１１０１３３号公報 特開２００７−１４０１１７号公報

そこで、本発明は、露光装置のステージ上に被露光ガラス基板を搭載してから、フォトマスクとガラス基板のアライメントとが終了するまでに、当該ガラス基板、すなわち基板の搭載されたステージを移動させる回数を低減する手段を備えた露光装置を提供することとした。

上記の課題を達成するための請求項１に記載の発明は、少なくとも、被露光基板を載置するステージと、該ステージを移動するための位置情報を保存するメモリーと、該ステージを該位置情報に基づいて移動するためのアクチュエータと、フォトマスクと被露光基板の２つのアライメントマークの画像を読み取るカメラと、該画像を使用して位置情報を保存・算出する機構とを備え、該フォトマスクと該被露光基板を位置合わせした上で該被露光用基板を露光する露光装置であって、（１）該ステージに被露光基板が載置されると、（２）該メモリーに保存されている所定枚数のガラス基板の該移動履歴のデータから該初期位置の算出を行い、該メモリーに保存し、（３）該ステージ移動機構が、該メモリーに予め保存されている設置すべき初期位置に該ステージを移動し、（４）移動後の該フォトマスクと該被露光基板の２つのアライメントマークの位置を該カメラで得た画像から認識し、（５）該位置情報を保存・算出する機構が、該２つのアライメントマーク間の距離を計算し、（６）該２つのアライメントマークが重なるようにするために必要な移動距離を計算し、（７）該ステージ移動機構により、該移動距離だけ該ステージを移動し、（８）アライメントマークの画像を取得し、移動後の該ステージの位置を算出し、（９）該算出した位置を該メモリーに保存し、（１０） 該２つのアライメントマーク間の距離が所定の許容差内に収まらない場合は、（４）〜（９）の手順を繰り返し、（１１）該２つのアライメントマークの距離が所定の許容差内に収まった場合は、該被露光基板に露光処理を行うことを特徴とする露光装置としたものである。

請求項２に記載の発明は、前記被露光基板の初期位置を算出する方法が、所定の範囲内にある保存された位置情報の算術平均値とすることを特徴とする請求項１に記載の露光装置としたものである。

本発明によると、ガラス基板が搭載されたステージの初期位置を、フォトマスクにとって好適な所定の位置（フォトマスクのアライメントマークと同一視野内）に予め接近させて置くことができる。その結果、アライメント終了までのカメラ撮像回数とステージ（ガラス基板）の移動回数を低減（場合によっては１回に）することができ、露光装置タクトタイムの短縮が達成される。
また、ステージの初期位置が、パターニングしている工程（例えば、ブラックマトリクス工程）で、パターンの経時変化（投入ロットによるＢＭパターンのトータルピッチ変化、環境の変化に起因するパターン変動）等が起きて大きく変動した場合でも、自動的に好ましい別の初期位置に戻すフィードバックが作用するという効果がる。

露光装置のアライメントマーク読取り機構の一例を説明する斜視図（ａ）と断面視の図（ｂ）である。 アライメントマークの形状（ａ）と基板上の位置を説明する上面視の図（ｂ）である。 アライメントマークの重なり具合と画像の濃淡を模式的に説明する図である。 従来技術におけるアライメント工程のフロー図である。 本発明におけるアライメント工程のフロー図である。 アライメントが達成されるまでのアライメントマークが移動していく様子を説明する図である。（ａ）従来方法、（ｂ）本発明。

以下に、本発明の概要を図面を参照して説明する。

プロキシミティー露光方式の露光装置は、少なくとも、露光用紫外線光源、露光光をフォトマスクに均一に照射するための楕円ミラー、反射ミラー、レンズ、コリメーションミラー等から構成される光線制御機構、フォトマスクを固定する支持台、被露光基板を載置するステージ、ステージを位置制御情報に基づいて移動するためのステージ位置調節機構、フォトマスクと被露光基板のアライメントマークを画像認識し、該画像情報等を使用して位置制御情報を保存・算出する機構とを備えている。この他、多種多様なデータを保存するメモリー、演算素子、ＣＰＵ等のハードウエア、ソフトウエアからなり、ステージや画像取得装置等に備わる駆動部（アクチュエータ等）は多数のＣＰＵにより制御されている。

このような露光装置システムの中で、本発明は、被露光ガラス基板上に設けられているアライメントマークとフォトマスクに形成されたアライメントマークとを、ガラス基板側を機械的に段階的に移動させつつ重ね合わせる工程をより効率化するための工程フローに関わるものである。すなわち、このアライメント工程において、一番重要なアライメント工程が開始される最初の基板位置をどのようにして決めるかということに関する。この初期位置は、前述した様々な要因からばらつくことが避けられず、もし到達地点からあまりに隔たった初期位置となると、その後のアライメント工程に多大な影響を及ぼすことになる。

その要点は、ガラス基板の初期位置をばらつくままに任せておくのではなく、その基板が処理される前に先立って露光処理がされたガラス基板の移動履歴を参酌し、統計的手法を加味して当該基板の初期位置を強制的に決めようというものである。

そこで、先ず従来のアライメント工程に係る工程フローについて図４を用いて説明する。十字のアライメントマークがガラス基板の左右端部に形成され、さらにＢＭ用レジスト層が基板中央に形成された後、搬送路を回流してきたガラス基板は、先ず露光装置のステージに搭載されるとともに所定の初期位置に載置される（図４（Ａ））。

その後、ガラス基板のアライメントマーク上方に備えられたカメラによりガラス基板とフォトマスクのアライメントマークが画像として読み取られる。２つのアライメントマークが離れすぎて視野に入らない場合には自動的に顕微鏡（カメラ）の倍率を下げるか、テーブル位置を微調整してから読み込まれ、アライメントマークの基準位置からの距離とアライメントマークを重なるようにするために必要なテーブルの移動距離がＸ方向，Ｙ方向ごとに算出される（図４（Ｂ））。

次に、ステージの制御部に上記データが送られると、アクチュエータが駆動され算出された移動距離だけステージが移動する。次に、再びカメラによりアライメントマークが読み込まれ、二つのアライメントマーク間の距離が計算され、左右のアライメントマーク部について所定の許容差に収まっているか計算される（図４（Ｄ））。許容差内に収まっていない場合には前記工程が繰り返され、収まった場合にはアライメント工程は終了し露光が開始される（図４（Ｅ））。露光が終了すれば、ガラス基板は露光装置外に搬出され、次の基板が露光装置のステージに搭載される（図４（Ａ））。

許容差は、以下のように設定してある。カメラで取得した画像解析から算出した井桁マーク中心（Ｘ０、Ｙ０）から十字マーク中心（Ｘ２、Ｙ２）までのＸ，Ｙ方向の距離をそれぞれＬＸ、ＲＸ、ＬＹ、ＲＹとすると、
｜ＬＸ｜≦アライメント許容差Ｘ（予め設定した値）
｜ＲＸ｜≦アライメント許容差Ｘ（予め設定した値）
｜ＬＹ｜≦アライメント許容差Ｙ（予め設定した値）
｜ＲＹ｜≦アライメント許容差Ｙ（予め設定した値）
｜｜ＬＸ｜−｜ＲＸ｜｜≦アライメント許容差Ｓ（予め設定した値）
という条件である。ここでＲ，Ｌは基板の左右方向にアライメントマークがあることを示す。より精度をあげるために、アライメントマークが左右だけでなく、上下、隅とか２箇所以上設定されることもある。

目標値との差がステージ移動距離として設定されているにもかかわらず、一度の画像取得と移動でアライメントが達成できないのは、主としてアクチュエータの機械精度、顕微鏡の観察の位置検出精度に問題があるためである。別の原因としては、ステージの初期位置の設定時の誤差がある。ロットの最初やトラブル後の最初の基板に対しては、初期位置や動作条件をカメラを使って手動で算出し、装置側に設定してから基板を流すことになるが、ここに個人差や設定ミスが入り込む余地があって、これを後々まで引きずることになる。

いずれにしても、アクチュエータが、数値上では所定距離だけステージを動かしたつもりでも、実際には動いていないということである。また、基板の一方のアライメントをとると他方に影響を与えることもある。かかる次第であるから、アライメントは許容差内に向かって一歩ずつ漸近していくことになる。この漸近の様子を示したのが図６（ａ）である。
この図は、許容差を３μｍとした場合であるが、概ね、４回の移動で十字マークが井桁マークの中心に一致するという結果であった。図中、◆、△、□、○、＋ の印は、井桁マークを原点とした場合の、１回目、２回目、３回目、４回目、５回目の移動後の十字マークのＸＹ面上の位置である。

これに対し本発明になるアライメント工程のフローを図５に示した。従来法との大きな違いは太い黒枠で囲った部分の処理が追加されていることである。本発明の場合には、ガラス基板は、ステージに搭載される都度、予め設置すべき初期位置が算出されて保存されているメモリーを参照して当該位置に移動させられる。手動で決められた設定位置に常に移動させられるわけではない。

参照するメモリーに保存された位置情報は、装置内で計算されるか所定の値に強制的にセットされる。先立って処理されたガラス基板は、その位置が移動した直後にはアライメントマークがカメラで画像認識され、その位置が移動履歴として所定のメモリーに保存されている（図５（Ｃ））。これから露光すべきガラス基板の初期位置は、当該基板の直前までに露光処理された所定毎数のガラス基板についての移動履歴のデータから算出される（図５（Ｆ））。算出の仕方は、許容差内のデータか許容差外であってもある範囲内に収まる位置データをピックアップして算術平均をとった値を使用するのが望ましい。平均のとり方は、ソフトウエアー的には、合理性を失わない限り如何様にも設定可能である。

このようにすると、ロット変更時や再試行の場合の最初の数枚のガラス基板については、取得した初期位置のデータが無いか少ない。この場合には、予め、参照予定のメモリーに経験的だが合理的な初期位置数値を強制的にセットしておくか、従来技術のように手動で実測した数値をメモリーに入れておいてアライメント処理を遂行する。この最初の場合には、個人差や設定ミスが入り込む余地があるが、ガラス基板を処理すると急速に収束する。
その後は、基板を処理するごとに新しい初期位置とその後の移動位置のデータが追加されていくので、それらのデータが逐次的に初期位置決定に使用されることになる。初期位置が決まれば、その後は従来法と同じような手順で、基板左右のアライメントマークが許容差内に収まるまで、画像認識と移動操作が繰り返され、途中の移動後の位置データは全てメモリーに保存されることになる（図５（Ｃ））。

本発明によりアライメントを行った場合のアライメントマークの収束の様子を図６（ｂ）に示した。許容差を３μｍとした場合であるが、概ね、２回の移動で十字マークが井桁マークの中心に一致するという結果であった。

１、フォトマスク
２、撮像カメラ付顕微鏡
３、フォトマスクのアライメントマーク
４、基板側のアライメントマーク
５、ステージ
６、ガラス基板
７、支持台
８、フォトマスク押えバー
９、マスクパターン

Claims (2)

1. 少なくとも、
   被露光基板を載置するステージと、
   該ステージを移動するための位置情報を保存するメモリーと、
   該ステージを該位置情報に基づいて移動するためのアクチュエータと、
   フォトマスクと被露光基板の２つのアライメントマークの画像を読み取るカメラと、
   該画像を使用して位置情報を保存・算出する機構とを備え、
   該フォトマスクと該被露光基板を位置合わせした上で該被露光用基板を露光する露光装置であって、
   （１）該ステージに被露光基板が載置されると、
   （２）該メモリーに保存されている所定枚数のガラス基板の該移動履歴のデータから該初期位置の算出を行い、該メモリーに保存し、
   （３）該ステージ移動機構が、該メモリーに予め保存されている設置すべき初期位置に該ステージを移動し、
   （４）移動後の該フォトマスクと該被露光基板の２つのアライメントマークの位置を該カメラで得た画像から認識し、
   （５）該位置情報を保存・算出する機構が、該２つのアライメントマーク間の距離を計算し、
   （６）該２つのアライメントマークが重なるようにするために必要な移動距離を計算し、
   （７）該ステージ移動機構により、該移動距離だけ該ステージを移動し、
   （８）アライメントマークの画像を取得し、移動後の該ステージの位置を算出し、
   （９）該算出した位置を該メモリーに保存し、
   （１０） 該２つのアライメントマーク間の距離が所定の許容差内に収まらない場合は、（４）〜（９）の手順を繰り返し、
   （１１）該２つのアライメントマークの距離が所定の許容差内に収まった場合は、該被露光基板に露光処理を行うことを特徴とする露光装置。
2. 前記被露光基板の初期位置を算出する方法が、所定の範囲内にある保存された位置情報の算術平均値とすることを特徴とする請求項１に記載の露光装置。