JP5699468B2 - 投影レンズとワーク間の距離調整方法 - Google Patents

Description

本発明は、プリント基板や液晶パネル用のガラス基板等を露光する露光装置の、投影レンズからワーク表面までの距離を、投影レンズの焦点距離と一致するように調整する距離調整方法に関する。

図８に、プリント基板や液晶パネルなどの製造工程において、配線等のパターン形成に用いられる露光装置の構成の一例を示す。
露光装置は、主に、光照射部１０、パターンを形成したマスクＭ、このマスクＭを保持するマスクステージ２０、露光処理を行うプリント基板や液晶パネルなどのワークＷを保持するワークステージ４０、マスクＭに形成されたパターンをワークステージ４０上のワークＷに投影する投影レンズ３０、マスクＭとワークＷに形成されているアライメントマークを検出するアライメント顕微鏡５０を備える。

なお、投影レンズを備えず、マスクとワークを近接させて露光を行うプロキシミティ露光装置もある。
光照射部１０は、紫外線を含む光を放射する光源であるランプ１１、ランプ１１からの光を反射するミラー１２などを備える。
ワークＷは例えばプリント基板である。ワークステージ４０はワークステージ駆動機構４１により、同図左右手前奥方向（ＸＹ方向）、上下方向（Ｚ方向）、ＸＹ平面の回転方向（θ方向）に移動する。

続いて、露光装置の動作について説明する。
まず、ワークステージ４０に表面にレジストが塗布されたワークＷが置かれる。
アライメント顕微鏡５０により、マスクＭとワークＷに形成されているアライメントマークが検出され、マスクＭとワークＷの位置合せが行われる。

また、投影レンズ３０からワークＷの表面までの距離が測定され、投影レンズ３０からワークＷの表面までの距離が投影レンズ３０の焦点距離になるように（ワークＷの表面が投影レンズ３０の焦点位置になるように）、ワークステージ４０の上下方向（Ｚ方向）の位置が調整される。
その後、光照射部１０から露光光がマスクＭを介してワークＷに照射される。ワークＷにマスクＭに形成されているパターンが転写される。

投影レンズ３０からワークＷ表面までの距離が投影レンズ３０の焦点距離と一致していないと、ワークＷに投影されるマスクパターンの投影像がぼけてしまうので露光精度が低下する。投影レンズ３０からワークＷ表面までの距離は、ワークＷの厚さや塗布されるレジストの膜厚によって違いが生じる。そのため、ワークが交換されるたびに測定を行い、調整を行う必要がある。

投影レンズ３０からワークＷ表面までの距離の測定ができれば、ワークＷ表面が投影レンズ３０の焦点位置になるように、ワークステージ４０を上下方向（Ｚ方向）に移動する。
なお、投影レンズを用いず、マスクとワークを近接させて露光を行う、プロキシミティ露光装置においても同様の測定と調整が行われる。

プロキシミティ露光装置の場合は、マスクとワークの間隔があらかじめ設定された露光間隙（プロキシミティギャップ）になるように、マスク表面とワーク表面の間隔を測定し、マスクまたはワークを上下方向に移動する。

特許文献１には、基板（ワーク）の高さ（即ちマスクとワークの間隔）を測定する計測装置を備えたプロキシミティ露光装置が示されている。同公報においては、基板の高さを測定する方法として、次の2つの方法が示されている。

一つは、マスクステージに設けた計測装置により基板の表面高さを測定し、測定した表面高さがプロキシミティギャップになるようにフォトマスクを上下するという方法である。
もう一つは、マスクステージに設けた計測装置によりワークステージの表面高さを測定し、また、基板にレジストを塗布するコーターに設けた計測装置によりレジストを塗布した基板の厚さを測定し、それぞれの計測装置で測定したデータに基づき、投影レンズとワークの高さの差がプロキシミティギャップになるようにフォトマスクを上下するという方法である。

特許文献1に記載の露光装置はプロキシミティ露光装置であるが、投影露光装置においても、同様の測定を行い、投影レンズからワーク表面までの距離を調整している。
図９と図１０を用いて説明する。
図９は、投影レンズに取り付けた距離測定センサにより、投影レンズからワーク表面までの距離を調整する動作を示す図である。
同図（ａ）に示すように、投影レンズ３０に設けた距離測定用センサＳにより、投影レンズ３０からワークＷの表面までの距離Ｌｗを測定する。
次に同図（ｂ）に示すように、測定した投影レンズ３０からワークＷの表面までの距離Ｌｗが、あらかじめ求められている投影レンズ３０の焦点距離ＤｆになるようにワークＷ（ワークステージ４０）を上下する。

図１０は、投影レンズとコーターに設けた距離測定用センサにより、投影レンズからワーク表面までの距離を調整する動作を示す図である。
同図（ａ）に示すように、投影レンズ３０に設けた距離測定用センサＳ１により、投影レンズ３０からワークステージ４０の表面までの距離Ｌｓを測定する。
また、同図（ｂ）に示すように、ワークＷにレジストを塗布するコーター６０に、レジストを塗布したワークＷの厚さＷｔを測定する厚さ測定装置Ｓ２を設け、ワークの厚さＷｔを測定する。
そして、同図（ｃ）に示すように、投影レンズ３０からワークステージ４０の表面までの距離ＬｓからワークＷの厚さＷｔを引いた値が、投影レンズ３０の焦点距離Ｄｆになるように、にワークＷ（ワークステージ４０）を上下する。

特許第４３４６９１６号公報

上記のような距離を測定する距離測定用センサとして、レーザ測長器（レーザ式の変位センサ）を使用することが一般に行われている。レーザ測長器は、半導体レーザからのレーザ光を対象物に向けて出射し、反射したレーザ光を受光して距離を測定する。
しかしながら、われわれは、レーザ測長器を使用して投影レンズとワークの表面を測定するうちに、次のような問題が生じることを見出した。

上記したように、投影レンズからワーク表面までの距離は、ワークの厚さや塗布されるレジストの膜厚によって違いが生じるので、ワークが交換されるたびに測定を行う。そのため、レーザ測長器は、露光処理が始まると少なくとも１ロットの処理が終わるまで連続的に動作する。

プリント基板に配線パターン等を形成する露光装置の場合、２０枚から３０枚のプリント基板（ワーク）を１ロットとして処理する。１ロットの処理時間は１時間から２時間程度かかる。したがって、レーザ測長器は、１時間から２時間に渡って連続的に動作する。
レーザ測長器を、このような時間にわたって連続的に使用していると、レーザ測長器の変位センサが加熱し、測定値が（距離は変わっていないのに）徐々に変化していくことがわかった。

測定値の変化、即ち測定誤差は、一例として、１時間で１０μｍ程度である。
測定値に１０μｍ程度の誤差が生じると、ワークの表面の位置が投影レンズの焦点位置に対して１０μmずれることになり、場合によっては、ワーク表面の位置が投影レンズの焦点深度から外れ、所望の露光精度が得られないことがある。
即ち、上記のように、投影レンズに設けた距離測定用センサによりワークの表面までの距離を測定し、測定した距離が投影レンズの焦点距離になるようにワーク（ワークステージ）を上下する方法は、投影レンズとワーク表面までの距離を調整する方法として適切ではないということが分かった。

また、露光装置とコーターに距離測定用センサを設け、それぞれの距離測定用センサにより、投影レンズからワークステージの表面までの距離と、レジストつき基板（ワーク）の厚さ測定し、２つの測定値の差から、ワークの表面が投影レンズの焦点位置になるようにワーク（ワークステージ）を上下する方法でも、露光装置に設けた距離測定用センサとコーターに設けた距離測定用センサの両方に誤差が生じるので、同様に、所望の露光精度が得られないことがあり、投影レンズとワーク表面までの距離を調整する方法として適切ではない。

距離測定用センサに生じる誤差をキャンセルするためには、露光装置内に投影レンズに対する上下方向（Ｚ方向）の位置（距離）が決められた基準点を設けておき、定期的に距離測定用センサが移動して基準点の距離を測定し、距離測定用センサに生じている誤差を求めて差し引くという方法が考えられる。
しかし、このような方法では、露光装置は、露光処理工程中に、距離測定用センサが基準点に移動して測定するという動作を行うことになり、露光処理全体にかかる時間が長くなる。

以上より、本発明は距離測定用センサを用いて投影レンズとワークとの間隔を測定し、ワークを投影レンズの焦点位置に配置する、露光装置の投影レンズとワーク間の距離調整方法において、距離測定用センサの測定値に生じる誤差の問題をなくし、露光処理全体にかかる時間も長くすることなく、投影レンズからワークの表面までの距離を投影レンズの焦点距離に正しく調整（設定）できるようにすることを目的とする。

上記課題を解決するため本発明は、投影レンズからワークステージ表面までの距離の測定値（Ｌｓ）と、投影レンズからワークステージ上のワークの表面までの距離の測定値（Ｌｗ）を、一つの距離測定用センサ（レーザ測長器）で測定する。

投影レンズからワークステージ表面までの距離の測定値（Ｌｓ）と投影レンズからワークステージ上のワークの表面までの距離の測定値（Ｌｗ）の差は、即ちワークの厚さの測定値（Ｗｔ）であるが、ここで、投影レンズからワークステージ表面までの距離の測定値（Ｌｓ）と投影レンズからワークステージ上のワークの表面までの距離の測定値（Ｌｗ）は、一つの同じセンサで測定した値であるので、差し引くことにより、距離測定用センサ（レーザ測長器）に生じた誤差も差し引かれ、したがって、得られるワークの厚さの測定値（Ｗｔ）は、距離測定用センサ（レーザ測長器）に発生している誤差が相殺（キャンセル）された値になる。

そこで、投影レンズからワークの表面までの距離を、次のような手順で、投影レンズの焦点距離に調整（設定）する。
露光装置の製造段階で、露光実験を行い、投影レンズの焦点距離（Ｄｆ）を求める。
投影レンズからワークステージの表面までの距離が上記焦点距離（Ｄｆ）になるように、ワークステージの上下（Ｚ）方向位置を調整し、その位置をワークステージの上下（Ｚ）方向の原点位置（Ｓ０）として、装置の制御部に記憶する。

投影レンズの鏡筒に取り付けた距離測定用センサ（レーザ測長器）で、投影レンズからワークステージ表面までの距離の測定値（Ｌｓ）を測定する。
同じ距離測定用センサで、投影レンズからワーク表面までの距離の測定値（Ｌｗ）を測定する。
上記で得た投影レンズからワークステージ表面までの距離の測定値（Ｌｓ）から投影レンズからワーク表面までの距離の測定値（Ｌｗ）を引いてワークの厚さの測定値（Ｗｔ）を求める。
ワークステージを、原点位置（Ｓ０）から、ワークの厚さの測定値（Ｗｔ）だけ上下（Ｚ）方向に移動する。

本発明によれば、１つの距離測定用センサにより測定した２つの測定値を差し引くことにより得られた誤差を含まないワークの厚さ（Ｗｔ）と、あらかじめ投影レンズの焦点位置を原点位置（Ｓ０）としたワークステージの位置とに基づいて、投影レンズからワークの表面までの距離を調整する。
したがって、距離測定用センサ（レーザ測長器）の測定値に生じる誤差の影響を受けることなく、投影レンズからワークの表面までの距離を投影レンズの焦点距離に調整（設定）できる。

また、露光処理工程中に、距離測定用センサが基準点に移動して測定するという動作は不要であり、露光処理全体にかかる時間が長くなることを防ぐことができる。

本発明の、投影レンズからワーク表面までの距離を調整（設定）する第一の実施例の動作を説明する図（その１）である。 本発明の、投影レンズからワーク表面までの距離を調整（設定）する第一の実施例の動作を説明する図（その２）である。 本発明の、投影レンズからワーク表面までの距離を調整（設定）する第一の実施例の動作を説明する図（その３）である。 本発明の、投影レンズからワーク表面までの距離を調整（設定）する第一の実施例の動作を説明する図（その４）である。 本発明の、投影レンズからワーク表面までの距離を調整（設定）する第二の実施例の動作を説明する図（その１）である。 本発明の、投影レンズからワーク表面までの距離を調整（設定）する第二の実施例の動作を説明する図（その２）である。 本発明の、投影レンズからワーク表面までの距離を調整（設定）する第二の実施例の動作を説明する図（その３）である。 露光装置の構成の一例を示す図である。 投影レンズに取り付けた距離測定センサにより、投影レンズからワーク表面までの距離を調整する動作を示す図である。 投影レンズとコーターに設けた距離測定用センサにより、投影レンズからワーク表面までの距離を調整する動作を示す図である。

本発明の露光装置の構成は、基本的には図８に示す装置の構成と同じであり、装置の構成についての説明は省略する。
図１から図４は、図８に示した露光装置の露光部の拡大図である。これら図を用いて、本発明の、投影レンズからワーク表面までの距離を調整（設定）する第一の実施例の動作を説明する。
距離測定用センサＳは、投影レンズ３０の鏡筒、または鏡筒を支持するフレーム（架台）に取り付けられている。また、距離測定用センサＳは市販のレーザ測長器（レーザ式変位センサ）を使用している。

距離測定用センサ（レーザ測長器）Ｓが測定した対象物までの距離（測定値）は、露光装置の制御部７０に送られ記憶される。なお、本実施例においては、距離測定用センサ（レーザ測長器）Ｓが測定した対象物までの距離（測定値）は、投影レンズ３０から該対象物までの距離と等しいとする。

また、ワークステージ４０はワークステージ駆動機構４１により、同図左右手前奥方向（ＸＹ方向）、上下方向（Ｚ方向）、ＸＹ平面の回転方向（θ方向）に移動する。ワークステージ駆動機構４１の動作は制御部７０により制御され、ワークステージ４０の位置は制御部７０に記憶される。

図１（ａ）：露光装置を組み立てる段階で、ワークのサンプルの露光実験を行い、投影レンズ３０の焦点距離Ｄｆを求める。そして投影レンズ３０からワークステージ４０の表面までの距離が、上記焦点距離Ｄｆになるように、ワークステージ４０の上下（Ｚ）方向の位置を調整し、その位置をワークステージ４０の上下（Ｚ）方向の原点位置Ｓ０として、露光装置の制御部７０に記憶する。
図１（ｂ）：露光装置で露光処理を始めるにあたり、まず、投影レンズ３０に設けた距離測定用センサ（レーザ測長器）Ｓにより、投影レンズ３０からワークステージ４０表面までの距離Ｌｓを測定し、その値を制御部７０に記憶する。

図２（ｃ）：不図示の搬送装置により、ワークＷをワークステージ４０上に載置する。
ワークステージ４０が移動し、ワークＷの露光する位置が距離測定用センサＳの下に来る。
距離測定用センサＳにより、投影レンズ３０からワークＷ表面までの距離Ｌｗを測定し、その値を制御部７０に記憶する。
図２（ｄ）：制御部７０は、投影レンズ３０からワークステージ４０表面までの距離Ｌｓから投影レンズ３０からワークＷ表面までの距離Ｌｗを引き、その差であるワークＷの厚さＷｔを求める。

現在のワークステージ４０の位置Ｓ０は、投影レンズ３０の焦点距離Ｄｆであるので、ワークステージ４０をＳ０の位置からワークの厚さＷｔの距離だけ下降させれば、投影レンズ３０からワークＷ表面までの距離は、投影レンズ３０の焦点距離Ｄｆと等しくなる。
制御部７０は、ワークステージ駆動機構４１によりワークステージ４０を、ワークＷの厚さＷｔ分下降（移動）させる。制御部７０は、下降（移動）後のワークステージ４０の位置（Ｓ０+Ｗｔ）を記憶する。

ここで、距離測定用センサＳによる測定値に、温度上昇による誤差が生じていたとしても、同じセンサで測定した２つの測定値ＬｓとＬｗを引き算するので、その結果得られるワークの厚さＷｔの値は誤差が相殺されたものとなる。
露光装置は、マスクＭとワークＷ位置合せを行った後、ワークＷ（ワークステージ４０）の上下方向（Ｚ）方向については、上記の位置（Ｓ０+Ｗｔ）を維持して露光を行う。
ワークＷの露光処理が終われば、不図示の搬送装置により、ワークＷがワークステージ４０から搬出される。

この時、ワークステージ４０は、再度原点位置Ｓ０に戻っても良いが、戻らなくても良い。本例では戻らない場合について説明する。

図３（ｅ）：ワークステージ４０にワークＷがない状態で、距離測定用センサＳは投影レンズ３０からワークステージ４０表面までの距離Ｌｓ２を測定し、その値を制御部７０に記憶する。
図３（ｆ）：第２のワークＷがワークステージ４０上に載置される。距離測定用センサＳで、投影レンズ３０からワークＷ表面までの距離Ｌｗ２を測定し、その値を制御部７０に記憶する。

図４（ｇ）：制御部７０は、投影レンズ３０からワークステージ４０表面までの距離Ｌｓ２から投影レンズ３０からワークＷ表面までの距離Ｌｗ２を引いて、第２のワークＷの厚さＷｔ２を計算する。
塗布されるレジストの厚さはワークごとに微妙に異なることがある。そのため、第２のワークの厚さＷｔ２は、先の（第１の）ワークの厚さＷｔと異なる場合がある。

制御部７０は、現在のワークステージの位置（Ｓ０+Ｗｔ）を記憶している。制御部７０は第２のワークの厚さＷｔ２と第１のワークの厚さＷｔの差ΔＷｔを計算し、その差ΔＷｔ分だけワークステージ４０を、現在のワークステージの位置（Ｓ０+Ｗｔ）から上または下に移動させる。

これにより、投影レンズ３０から第２のワークＷ表面までの距離が、投影レンズ３０の焦点距離Ｄｆと等しくなる。制御部７０はワークステージ４０の移動後の位置を記憶する。
露光装置は、マスクＭとワークＷ位置合せを行った後、ワークＷ（ワークステージ４０）の上下方向（Ｚ）方向については、この位置を保持して露光を行う。
第２のワークＷの露光処理が終われば、不図示の搬送装置により、第２のワークＷがワークステージ４０から搬出される。３枚目のワーク以降、上記の手順を繰り返す。

続いて、図５から図７を用いて、本発明の、投影レンズからワーク表面までの距離を調整（設定）する第二の実施例の動作を説明する。
本実施例は、１枚のワークに複数の露光領域が形成されている場合である。
例えばレジストがソルダーレジストと呼ばれるものの場合、１枚のワークの面内で、例えばワークの中央付近と周辺部とでは±１０μｍ〜±１５μｍの厚さのばらつきが生じることがある。このような場合、１つのワーク内であっても、露光領域ごとにワークの厚さを測定する。

図５（ａ）：上記第一の実施例と同様に、露光装置の製造段階で、投影レンズ３０の焦点距離Ｄｆを求める。そして、投影レンズ３０からワークステージ４０の表面までの距離が、上記焦点距離Ｄｆになるように、ワークステージ４０の上下（Ｚ）方向位置を調整する。その位置をワークステージ４０の上下（Ｚ）方向の原点位置Ｓ０として、露光装置の制御部７０に記憶する。
また、露光処理を始めるにあたり、投影レンズ３０に設けた距離測定用センサ（レーザ測長器）Ｓにより、投影レンズ３０からワークステージ４０表面までの距離Ｌｓ１を測定し、その値を制御部７０に記憶する。

図５（ｂ）：不図示の搬送装置により、複数の露光領域が形成されたワークＷをワークステージ４０上に載置する。
ワークステージ４０が移動し、ワークに形成されている第１の露光領域１０１がセンサの下に来る。
距離測定用センサＳにより、投影レンズ３０から第１の露光領域１０１の表面までの距離Ｌｗ１を測定し、その値を制御部７０に記憶する。なお、図５においては、ワークＷは露光領域による厚さの違いを強調して示している。

図６（ｃ）：制御部７０は、投影レンズ３０からワークステージ４０表面までの距離Ｌｓ１から投影レンズ３０から第１の露光領域の表面までの距離Ｌｗ１を引き、第１の露光領域のワークの厚さＷｔ１を計算する。
現在のワークステージ４０の位置Ｓ０は、投影レンズ３０の焦点距離Ｄｆであるので、ワークステージ４０をＳ０の位置からワークの厚さＷｔ１の距離だけ下降させれば、投影レンズ３０から第１の露光領域の表面までの距離は、投影レンズ３０の焦点距離Ｄｆと等しくなる。
制御部７０は、ワークステージ駆動機構４１によりワークステージ４０を、ワークの厚さＷｔ１分下降（移動）させる。制御部はワークステージの位置（Ｓ０+Ｗｔ１）を記憶する。

露光装置は、マスクＭとワークＷの第１の露光領域１０１との位置合せを行った後、ワークＷ（ワークステージ４０）の上下方向（Ｚ）方向については、この位置を保持して第１の露光領域１０１の露光を行う。
図６（ｄ）：ワークＷの第1の露光領域１０１の露光が終わると、ワークステージ４０が移動し、距離測定用センサＳは、ワークステージ４０のワークＷ置かれていない部分で、再度投影レンズ３０からワークステージ４０表面までの距離Ｌｓ２を測定し、その値を制御部７０に記憶する。
図７（ｅ）：Ｌｓ２測定後、ワークステージが移動し、ワークＷの第２の露光領域が距離測定用センサＳの下に来る。

距離測定用センサＳは、投影レンズ３０から第２の露光領域の表面までの距離Ｌｗ２を測定し、その値を制御部に記憶する。
図７（ｆ）：制御部７０は、投影レンズ３０からワークステージ４０表面までの距離Ｌｓ２から投影レンズ３０から第２の露光領域の表面までの距離Ｌｗ２を引き、第２の露光領域のワークの厚さＷｔ２を計算する。

制御部７０は、現在のワークステージの位置（Ｓ０+Ｗｔ１）を記憶している。制御部７０は、第２の露光領域のワーク厚さＷｔ２と第１の露光領域のワーク厚さＷｔ１の差ΔＷｔを計算し、その差ΔＷｔ分だけワークステージ４０を、現在のワークステージの位置（Ｓ０+Ｗｔ１）から上または下に移動させる。

これにより、投影レンズ３０から第２の露光領域の表面までの距離は、投影レンズ３０の焦点距離Ｄｆと等しくなる。制御部７０はワークステージの現在の位置を記憶する。
露光装置は、マスクＭとワークＷの第２の露光領域との位置合せを行った後、ワークＷ（ワークステージ４０）の上下方向（Ｚ）方向については、この位置を保持して第２の露光領域１０２の露光を行う。

第３の露光領域以降、上記の手順を繰り返す。即ち、投影レンズ３０からワークステージ４０表面までの距離Ｌｓ３と、投影レンズ３０からワークＷの第３の露光領域の表面までの距離Ｌｗ３を測定し、両者の差から第３の露光領域のワーク厚さＷｔ３を計算する。
第２の露光領域のワーク厚さＷｔ２と第３の露光領域のワーク厚さＷｔ３の差ΔＷｔを計算し、その差ΔＷｔ分だけワークステージ４０を上下方向に移動し、第３の露光領域の露光を行う。

１０ 光照射部
１１ ランプ
１２ ミラー
２０ マスクステージ
３０ 投影レンズ
４０ ワークステージ
４１ ワークステージ駆動機構
５０ アライメント顕微鏡
７０ 制御部
Ｍ マスク
Ｗ ワーク
Ｒ レジスト
Ｓ 距離測定用センサ（レーザ測長器）

Claims (1)

1. ワークステージに載置されたワークの表面から投影レンズまでの距離を距離測定用センサを用いて測定し、投影レンズからワーク表面までの距離が投影レンズの焦点距離と一致するように調整する投影レンズとワーク間の距離調整方法において、
   投影レンズの焦点位置をワークステージの上下方向の原点位置（Ｓ０）とする第１の工程と、
   前記距離測定用センサとしてレーザ測長器を用い、一つの該レーザ測長器により、前記投影レンズから前記ワークステージの表面までの距離の測定値（Ｌｓ）と、該投影レンズから該ワークステージに載置したワークの表面までの距離の測定値（Ｌｗ）とを測定する第２の工程と、
   上記で測定した該投影レンズから該ワークステージの表面までの距離の測定値（Ｌｓ）から該投影レンズから該ワークステージに載置した前記ワークの表面までの距離の測定値（Ｌｗ）を減じて、
   該ワークの厚さの測定値（Ｗｔ）を求める第３の工程と、
   前記ワークステージの原点位置（Ｓ０）から、上記第2の工程で求めた前記ワークの厚さの測定値（Ｗｔ）分だけ前記ワークステージを上下方向に移動させ、前記投影レンズから該ワークの表面までの距離の測定値を該投影レンズの焦点距離と一致させる第４の工程とを備えたことを特徴とする投影レンズとワーク間の距離調整方法。

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