JP5890139B2 - Drawing apparatus and focus adjustment method thereof - Google Patents

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Description

この発明は、基板表面に対して光ビームを照射して描画する描画装置、および該描画装置の焦点調整方法に関するものである。   The present invention relates to a drawing apparatus that draws light by irradiating a substrate surface with a light beam, and a focus adjustment method of the drawing apparatus.

ステージに載置された基板の表面に光ビームを収束させて描画を行う描画装置においては、光ビームを基板表面に正しく収束させるための収束光学系の焦点調整が必要である。しかしながら、描画を行いながら焦点が合っているか否かを同時に検出することが難しいため、収束光学系に対する基板の相対的な位置を収束光学系の焦点位置に応じてフィードバック制御することにより間接的に焦点調整を行うオートフォーカス技術が提案されている。   In a drawing apparatus that performs drawing by focusing a light beam on the surface of a substrate placed on a stage, it is necessary to adjust the focus of a converging optical system in order to correctly focus the light beam on the surface of the substrate. However, since it is difficult to simultaneously detect whether or not the image is in focus while performing drawing, the relative position of the substrate with respect to the converging optical system is indirectly controlled by feedback control according to the focal position of the converging optical system. An autofocus technique for adjusting the focus has been proposed.

例えば特許文献1に記載の技術では、描画用レーザビームが照射される基板表面にその光軸に対して斜め方向から別の光を照射するとともに基板からの反射光を受光し、描画ヘッドと基板表面との距離に応じて反射光の受光位置が変化することを利用して、基板に対する描画ヘッドの高さを調整することで焦点調整を行っている。   For example, in the technique disclosed in Patent Document 1, the surface of the substrate irradiated with the drawing laser beam is irradiated with another light from an oblique direction with respect to the optical axis, and the reflected light from the substrate is received. Focus adjustment is performed by adjusting the height of the drawing head with respect to the substrate by utilizing the fact that the light receiving position of the reflected light changes according to the distance from the surface.

また例えば、特許文献2に記載の技術では、描画ヘッドからのレーザ光の投影面を挟んで描画ヘッドの反対側に設けたCCDセンサによって投影面における収束光学像を検出し、像のコントラストを最大化するようにフォーカシングレンズの位置を調整することで、レーザ光を投影面上で収束させるようにしている。   Further, for example, in the technique described in Patent Document 2, a convergent optical image on the projection surface is detected by a CCD sensor provided on the opposite side of the drawing head across the projection surface of the laser beam from the drawing head, and the contrast of the image is maximized. The position of the focusing lens is adjusted so that the laser beam converges on the projection surface.

特開平9−318869号公報(例えば、段落0048)JP-A-9-318869 (for example, paragraph 0048) 特開2009−246165号公報(例えば、図2)JP 2009-246165 A (for example, FIG. 2)

特許文献1に記載の技術では、描画ヘッドの収束光学系の焦点位置が変動しないことが前提となっている。すなわち、描画ヘッドと基板との距離を予め定められた値に維持するような制御が行われる。しかしながら、実際には収束光学系の焦点位置にはばらつきや経時変化があるため、単に描画ヘッドと基板との距離を一定に維持する制御では、必ずしも焦点位置を基板表面に一致させることができるとは限らない。   The technique described in Patent Document 1 is based on the premise that the focal position of the focusing optical system of the drawing head does not vary. That is, control is performed such that the distance between the drawing head and the substrate is maintained at a predetermined value. However, since the focal position of the converging optical system actually varies and changes with time, the focal position can always be made to coincide with the substrate surface by simply maintaining a constant distance between the drawing head and the substrate. Is not limited.

また特許文献2に記載の技術では、経時変化を含んだ実際の収束光学系の焦点位置を把握することが可能であるが、基板への描画時におけるフォーカス制御については特許文献2には記載されていない。このため、描画時の焦点位置を基板表面に一致させることが可能であるか否かについては不明である。また、予め設定された投影面上での観察を行っていることから、例えば基板の厚さが変化した場合に対応するためには、特許文献2に開示されない構成が別途必要であると考えられる。   The technique described in Patent Document 2 can grasp the actual focal position of the converging optical system including changes over time. However, the focus control at the time of drawing on the substrate is described in Patent Document 2. Not. For this reason, it is unclear whether or not the focal position at the time of drawing can be matched with the substrate surface. In addition, since observation is performed on a preset projection plane, for example, a configuration that is not disclosed in Patent Document 2 is considered necessary in order to cope with a case where the thickness of the substrate changes. .

このように、収束光学系の経時変化にも対応しつつ描画時の基板表面に収束光学系の焦点位置を適正に調整するという点において、上記従来技術は改良の余地が残されている。特に、異なる厚さの基板にも対応することのできる焦点調整技術は現時点では確立されているとは言えない。   As described above, there is room for improvement in the conventional technique in that the focal position of the converging optical system is appropriately adjusted on the surface of the substrate at the time of drawing while accommodating the temporal change of the converging optical system. In particular, it cannot be said that a focus adjustment technique capable of dealing with substrates having different thicknesses has been established at present.

この発明は上記課題に鑑みなされたものであり、基板表面に対して光ビームを照射して描画する描画装置、およびその焦点調整方法において、収束光学系の経時変化に対応することができ、しかも描画時の基板表面に収束光学系の焦点位置を適正に調整することのできる技術を提供することを第1の目的とする。また、異なる厚さの基板に対応して、それぞれの基板表面に収束光学系の焦点位置を適正に調整することのできる技術を提供することを第2の目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and in a drawing apparatus for drawing by irradiating a light beam onto a substrate surface and a focus adjustment method thereof, it is possible to cope with a change with time of a converging optical system, and It is a first object of the present invention to provide a technique capable of appropriately adjusting the focal position of the converging optical system on the substrate surface during drawing. It is a second object of the present invention to provide a technique capable of appropriately adjusting the focal position of the converging optical system on the surface of each substrate corresponding to substrates having different thicknesses.

この発明にかかる描画装置は、上記第1および第2の目的を達成するため、基板を水平状態に載置可能なステージと、光源からの光を前記基板表面に略鉛直方向から収束させる収束光学系を有し、収束された光ビームにより前記基板表面に描画する描画手段と、前記描画手段からの前記光ビームの照射位置を、前記ステージに載置される前記基板に対して水平方向に相対移動させる移動手段と、前記ステージに載置される前記基板上とは異なる位置で前記光ビームを受光する観察受光面を有し、該観察受光面に入射した光学像を観察する観察手段と、前記観察受光面の鉛直方向位置を変化させる観察高さ変更手段と、前記観察高さ変更手段により鉛直方向位置が前記ステージに載置される前記基板表面の鉛直方向位置と略等しく設定された前記観察受光面に対して前記描画手段からの前記光ビームが照射された状態で、前記観察手段により観察される光学像に基づいて前記収束光学系の鉛直方向における焦点位置を調整する焦点調整手段と、焦点位置が調整された前記収束光学系と前記観察受光面との鉛直方向距離を検出し基準距離として記憶するとともに、前記描画手段による前記基板表面への描画の際に前記収束光学系と前記光ビームが照射される前記基板表面との鉛直方向距離を描画時距離として検出する距離検出手段と、前記ステージに載置される前記基板表面に設けられた基準部を撮像して前記基板と前記光ビームの照射位置との水平方向における相対位置を検出する位置検出手段とを備え、前記位置検出手段の鉛直方向における焦点位置が、前記基準距離が検出された時の前記観察受光面の鉛直方向位置に一致し、前記焦点調整手段は、前記描画手段による前記基板表面への描画の際、前記描画時距離と前記基準距離とに基づいて前記収束光学系の鉛直方向における焦点位置を調整することを特徴としている。 In order to achieve the first and second objects, a drawing apparatus according to the present invention has a stage on which a substrate can be placed in a horizontal state, and convergence optics for converging light from a light source on the substrate surface from a substantially vertical direction. A drawing means for drawing on the surface of the substrate with a converged light beam, and an irradiation position of the light beam from the drawing means relative to the substrate placed on the stage in a horizontal direction. A moving means for moving; an observation light receiving surface for receiving the light beam at a position different from the position of the substrate placed on the stage; and an observation means for observing an optical image incident on the observation light receiving surface; Observation height changing means for changing the vertical position of the observation light receiving surface, and before the vertical position is set substantially equal to the vertical position of the substrate surface placed on the stage by the observation height changing means A focus adjusting unit that adjusts a focus position in a vertical direction of the converging optical system based on an optical image observed by the observation unit in a state where the light beam from the drawing unit is irradiated on the observation light receiving surface; Detecting a vertical distance between the focusing optical system whose focal position has been adjusted and the observation light receiving surface and storing it as a reference distance, and at the time of drawing on the substrate surface by the drawing means, Distance detecting means for detecting a vertical distance from the substrate surface irradiated with the light beam as a drawing distance, and imaging a reference portion provided on the substrate surface placed on the stage, the substrate and the substrate and a position detecting means for detecting a relative position in the horizontal direction of the irradiation position of the light beam, the focal position in the vertical direction of the position detecting means, wherein the reference distance is detected Match of the vertical position of the observation light receiving surface, the focus adjusting means, the time by the drawing on the substrate surface rendering means, the drawing time distance between the reference distance and the vertical of the converging optical system based on It is characterized by adjusting the focal position in the direction.

また、この発明にかかる焦点調整方法は、上記第1および第2の目的を達成するため、基板を水平状態に載置可能なステージと、光源からの光を前記基板表面に略鉛直方向から収束させる収束光学系を有し収束された光ビームにより前記基板表面に描画する描画手段と、前記描画手段からの前記光ビームの照射位置を、前記ステージに載置される前記基板に対して水平方向に相対移動させる移動手段と、前記描画装置が前記ステージに載置される前記基板表面に設けられた基準部を撮像して前記基板と前記光ビームの照射位置との水平方向における相対位置を検出する位置検出手段と、を有する描画装置の焦点調整方法において、水平方向位置が前記ステージに載置される前記基板上とは異なり、かつ鉛直方向位置が前記ステージに載置される前記基板表面の鉛直方向位置と略等しい位置に観察受光面を設定する基準設定工程と、前記観察受光面に入射させた前記光ビームの光学像を観察し、該光学像が最も小さくなるように、前記収束光学系の鉛直方向における焦点位置を調整する事前焦点調整工程と、焦点位置調整後の前記収束光学系と前記観察受光面との鉛直方向距離を基準距離として記憶する記憶工程と、前記ステージに載置した前記基板の表面に前記光ビームを照射して描画を行うとともに、該光ビームが照射される前記基板表面と前記収束光学系との鉛直方向距離を検出し、その検出結果と前記基準距離とに基づいて、前記収束光学系の焦点位置を前記基板表面に合わせる描画時焦点調整工程とを備え、前記位置検出手段の鉛直方向における焦点位置と、前記基準設定工程で設定される前記観察受光面の鉛直方向位置とを一致させることを特徴としている。なお、ここで「光学像が最も小さくなる」とは、光ビームが最も絞られて像のコントラストが最大となる状態のことである。 In addition, in order to achieve the first and second objects, the focus adjustment method according to the present invention converges the light from the light source on the substrate surface from a substantially vertical direction, and a stage on which the substrate can be placed in a horizontal state. A drawing unit having a focusing optical system for drawing on the surface of the substrate by the converged light beam, and an irradiation position of the light beam from the drawing unit in a horizontal direction with respect to the substrate placed on the stage A moving means for relatively moving the image and a reference portion provided on the surface of the substrate on which the drawing apparatus is placed on the stage to detect a relative position in the horizontal direction between the substrate and the irradiation position of the light beam a focus adjusting method of the drawing apparatus having a position detecting means, for, unlike on the substrate where the horizontal position is placed on the stage, and vertical position is placed on the stage A reference setting step of setting the observation light receiving surface at a position substantially equal to the vertical position of the substrate surface, and observing the optical image of the light beam incident on the observation light receiving surface so that the optical image becomes the smallest A pre-focus adjustment step for adjusting a focal position in the vertical direction of the convergence optical system; a storage step for storing a vertical distance between the convergence optical system after the focus position adjustment and the observation light receiving surface as a reference distance; Drawing is performed by irradiating the surface of the substrate placed on a stage with the light beam, and detecting a vertical distance between the surface of the substrate irradiated with the light beam and the converging optical system; based on said reference distance, the focal position of the converging optical system and a rendering time focusing step of bringing the substrate surface, and the focal position in the vertical direction of the position detecting means, said reference setting It is characterized in that to match the vertical position of the observation light receiving surface set in extent. Here, “the optical image is the smallest” means a state in which the light beam is most narrowed and the contrast of the image is maximized.

このように構成された発明では、特許文献2に記載の技術と同様に、観察受光面に結ぶ光ビームの光学像を観察して収束光学系の焦点位置が調整される。それに加えて、観察受光面の鉛直方向位置が変更可能となっており、ステージ上の基板表面と略同一の鉛直方向位置に設定されるととともに、収束光学系の焦点位置が観察受光面上に調整されたときの収束光学系と観察受光面との鉛直方向距離が基準距離として記憶される。そして、描画手段による基板表面への描画の際には、その時の収束光学系と基板表面との距離(描画時距離)と基準距離とに基づいて収束光学系の焦点位置が調整される。これにより、上記第1および第2の目的が達成される。   In the invention configured as described above, the focal position of the converging optical system is adjusted by observing the optical image of the light beam connected to the observation light receiving surface, as in the technique described in Patent Document 2. In addition, the vertical position of the observation light receiving surface can be changed, and the vertical position of the observation light receiving surface is set to be substantially the same as the substrate surface on the stage. The vertical distance between the convergent optical system and the observation light receiving surface when adjusted is stored as a reference distance. When drawing on the substrate surface by the drawing means, the focal position of the converging optical system is adjusted based on the distance (drawing distance) between the converging optical system and the substrate surface at that time and the reference distance. Thereby, the first and second objects are achieved.

より具体的には次の通りである。まず、描画時の収束光学系と基板表面との距離を検出して収束光学系の焦点位置を調整するという技術は特許文献1にも記載されている。しかしながら特許文献1に記載の技術では、本発明の基準距離に対応する目標焦点位置に、収束光学系の実際の焦点位置を反映させる手段がなかった。これに対して本発明では、観察受光面における観察により実際の収束光学系における焦点位置を調整し、そのときの収束光学系と観察受光面との距離を基準距離として設定している。そのため、この基準距離を基にして描画時の焦点位置の調整を行うことで、焦点位置を基板表面に一致させることが可能である。また、距離検出手段および収束光学系の特性に経時変化があっても、上記のような動作を行うことでその時点の特性に応じた基準距離が設定されて焦点調整が行われるため、装置の経時変化にも対応することができる。これにより、第1の目的が達成される。   More specifically, it is as follows. First, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-228561 describes a technique of adjusting the focal position of the converging optical system by detecting the distance between the converging optical system and the substrate surface at the time of drawing. However, in the technique described in Patent Document 1, there is no means for reflecting the actual focal position of the converging optical system at the target focal position corresponding to the reference distance of the present invention. On the other hand, in the present invention, the focal position in the actual converging optical system is adjusted by observation on the observation light receiving surface, and the distance between the converging optical system and the observation light receiving surface at that time is set as the reference distance. Therefore, the focal position can be matched with the substrate surface by adjusting the focal position at the time of drawing based on the reference distance. Further, even if the characteristics of the distance detecting means and the convergence optical system change with time, the reference distance corresponding to the characteristics at that time is set and the focus adjustment is performed by performing the operation as described above. It is possible to deal with changes with time. Thereby, the first object is achieved.

また、このような基準距離の設定を、鉛直方向において基板表面と略同一の位置に設けられた観察受光面を用いて行い、しかも観察受光面の鉛直方向位置が可変であるため、基板の厚さが変わって基板表面の鉛直方向位置が変化した場合でも、その位置に合わせて的確に焦点位置を設定することができる。これにより、第2の目的が達成される。さらに、ステージに載置される基板表面に設けられた基準部を撮像して基板と光ビームの照射位置との水平方向における相対位置を検出する位置検出手段を備え、位置検出手段の鉛直方向における焦点位置が、基準距離が検出された時の観察受光面の鉛直方向位置に一致するように構成されることで、基板と光ビームの照射位置との水平方向における位置合わせ、すなわちアライメント調整が可能である。そして、位置検出手段の焦点位置を基準距離が検出された時の観察受光面の鉛直方向位置に合わせることにより、位置検出手段、焦点調整手段および距離検出手段が全て観察受光面を介して統一された基準に基づいて動作することとなるので、これらが連携して行う描画動作をより高精度に制御することができる。 Further, such setting of the reference distance, performed using the observation light receiving surface provided on the substantially same position as the substrate surface in the vertical direction, and since the vertical position of the observation light receiving surface is variable, the thickness of the substrate Even when the vertical position of the substrate surface changes due to changes in the position, the focal position can be accurately set according to the position. Thereby, the second object is achieved. In addition, the image sensor includes a position detection unit that detects a relative position in the horizontal direction between the substrate and the irradiation position of the light beam by imaging a reference portion provided on the surface of the substrate placed on the stage. By configuring the focal position to match the vertical position of the observation light receiving surface when the reference distance is detected, horizontal alignment between the substrate and the irradiation position of the light beam, that is, alignment adjustment is possible. It is. Then, by aligning the focal position of the position detection means with the vertical position of the observation light receiving surface when the reference distance is detected, the position detection means, the focus adjustment means and the distance detection means are all unified through the observation light reception surface. Therefore, the drawing operation performed in cooperation with each other can be controlled with higher accuracy.

上記発明にかかる描画装置では、例えば、観察受光面が光ビームに対する透過性を有する材料で形成され、観察手段は観察受光面の光学像を光ビームの入射方向とは反対側から観察するように構成されてもよい。このようにすると、光ビームの光軸上で光学像を観察することが可能となり、その大きさを精度よく検出することができるので、焦点位置の調整を高精度に行うことが可能である。   In the drawing apparatus according to the invention, for example, the observation light receiving surface is formed of a material having transparency to the light beam, and the observation means observes the optical image of the observation light reception surface from the side opposite to the incident direction of the light beam. It may be configured. In this way, an optical image can be observed on the optical axis of the light beam, and the size can be detected with high accuracy, so that the focal position can be adjusted with high accuracy.

また、例えば、距離検出手段は、光ビームが照射される基板表面に、光ビームの入射方向とは異なる方向から光を照射する照射部と、該光が基板表面で反射してなる反射光学像を受光する受光部とを備え、受光部に受光された反射光学像の位置に基づいて収束光学系と基板表面との距離を検出するものであってもよい。このようにすると、収束光学系と基板表面との距離が受光部に入射する反射光学像の位置に反映されるため、これを検出することで、収束光学系と基板表面との距離を把握することが可能である。また、同じ構成により観察受光面からの反射光学像を受光することで、収束光学系と観察受光面との距離についても同様に求めることができる。   In addition, for example, the distance detection unit includes an irradiation unit that irradiates light on a substrate surface irradiated with a light beam from a direction different from the incident direction of the light beam, and a reflected optical image formed by reflecting the light on the substrate surface. And a light receiving unit that detects the distance between the converging optical system and the substrate surface based on the position of the reflected optical image received by the light receiving unit. In this case, the distance between the converging optical system and the substrate surface is reflected in the position of the reflected optical image incident on the light receiving unit. By detecting this, the distance between the converging optical system and the substrate surface is grasped. It is possible. In addition, by receiving the reflected optical image from the observation light receiving surface with the same configuration, the distance between the converging optical system and the observation light receiving surface can be similarly obtained.

また例えば、観察受光面に、位置検出手段の焦点位置を調整するための基準パターンが設けられていてもよい。このようにすることで、観察受光面上の基準パターンを用いて位置検出手段の焦点位置を調整するのと同時に上記した焦点調整手段と距離検出手段との共通の基準設定を行うことができるので、描画前の調整動作を効率よく行うことができる。 Further, for example, a reference pattern for adjusting the focal position of the position detecting means may be provided on the observation light receiving surface. By doing so, it is possible to adjust the focal position of the position detecting means using the reference pattern on the observation light receiving surface, and at the same time, the common reference setting for the focus adjusting means and the distance detecting means can be performed. Thus, the adjustment operation before drawing can be performed efficiently.

これらの描画装置では、例えば、収束光学系は鉛直方向に移動可能なフォーカシングレンズを備え、焦点調整手段はフォーカシングレンズの鉛直方向位置を制御するようにしてもよい。これにより光源や収束光学系の全体を動かす必要がなく、また位置制御の精度向上を図ることができる。   In these drawing apparatuses, for example, the converging optical system may include a focusing lens that can move in the vertical direction, and the focus adjustment unit may control the vertical position of the focusing lens. As a result, it is not necessary to move the entire light source and the converging optical system, and the accuracy of position control can be improved.

また、この発明にかかる焦点調整方法では、例えば、描画時焦点調整工程では、事前調整工程で設定した焦点位置を、検出結果と基準距離との差に対応した距離だけ変更した位置に、収束光学系の焦点位置を調整するようにしてもよい。こうすることで、描画時の収束光学系と基板表面との距離と基準距離との差をキャンセルするように焦点位置を変更して、光ビームを基板表面に収束させることができる。   In the focus adjustment method according to the present invention, for example, in the focus adjustment step during drawing, the focus position set in the pre-adjustment step is changed to a position changed by a distance corresponding to the difference between the detection result and the reference distance. The focal position of the system may be adjusted. By doing so, the focal position can be changed so as to cancel the difference between the distance between the converging optical system and the substrate surface at the time of drawing and the reference distance, and the light beam can be converged on the substrate surface.

また例えば、観察受光面に基準パターンを設け、位置検出手段により基準パターンを撮像してその結果に基づき焦点位置の調整を行うようにしてもよい。 Further, for example, a reference pattern may be provided on the observation light receiving surface, the reference pattern may be imaged by the position detection means, and the focus position may be adjusted based on the result.

これらの場合において、例えば、位置検出手段の鉛直方向における焦点位置を基準設定工程で設定される観察受光面の鉛直方向位置と一致させたときの位置検出手段と観察受光面との距離を記憶しておくようにしてもよい。この距離は、収束光学系の焦点調整における基準距離と同様、位置検出手段における焦点調整のための基準となるものである。したがって、これを基準距離とともに記憶しておくことで、収束光学系と位置検出手段との鉛直方向における相対的な位置関係を把握しながら各部の制御を行うことができる。また、例えば描画対象となる基板の厚みに変動があった場合、その変動分を加味した制御を収束光学系と位置検出手段とのそれぞれに対して実行することが可能となる。   In these cases, for example, the distance between the position detection means and the observation light receiving surface when the focus position in the vertical direction of the position detection means matches the vertical position of the observation light receiving surface set in the reference setting step is stored. You may make it leave. This distance is a reference for focus adjustment in the position detection means, as is the reference distance in focus adjustment of the converging optical system. Therefore, by storing this together with the reference distance, each part can be controlled while grasping the relative positional relationship in the vertical direction between the converging optical system and the position detecting means. Further, for example, when there is a change in the thickness of the substrate to be drawn, it is possible to execute control taking the change into each of the convergent optical system and the position detection unit.

また、これらの焦点調整方法において、第1の基板に対して描画手段による描画を行った後、第1の基板と異なる第2の基板に対して描画手段による描画を行うとき、例えば、それらの基板が同じ厚さであれば第2の基板に対する基準設定工程、事前焦点調整工程および記憶工程を省略し、第1の基板における基準距離を用いて描画時焦点調整工程を実行する一方、異なる厚さであれば第2の基板に対して基準設定工程、事前焦点調整工程、記憶工程および描画時焦点調整工程を実行するようにしてもよい。   Further, in these focus adjustment methods, after drawing by the drawing unit on the first substrate, when drawing by the drawing unit on the second substrate different from the first substrate, for example, If the substrates have the same thickness, the reference setting step, the pre-focus adjustment step, and the storage step for the second substrate are omitted, and the drawing focus adjustment step is executed using the reference distance in the first substrate, while different thicknesses are used. In this case, the reference setting process, the pre-focus adjustment process, the storage process, and the drawing focus adjustment process may be executed on the second substrate.

複数の基板に対して前後して描画を行う場合、基板の厚さが同じであれば鉛直方向の調整結果を変更する必要がないので、後の基板については焦点位置の調整を省くことで、スループットの向上を図ることが可能である。一方、厚さが異なる場合、改めて上記の動作を行うことにより、その時点の装置の状態が反映された調整が行われるので、装置の経時変化にも対応して、安定して高精度の描画を行うことが可能である。   When drawing back and forth with respect to a plurality of substrates, if the substrate thickness is the same, there is no need to change the adjustment result in the vertical direction. Throughput can be improved. On the other hand, if the thickness is different, the above operation is performed again, and the adjustment that reflects the state of the device at that time is performed. Therefore, stable and highly accurate drawing can be performed in response to changes in the device over time. Can be done.

本発明によれば、鉛直方向において基板表面と略同一の位置に設けた観察受光面に結ぶ光ビームの光学像に基づき収束光学系の焦点調整を行うとともに、その時の収束光学系と観察受光面との距離を基準距離として記憶しておき、基板表面への描画時には、収束光学系と基板表面との距離と、基準距離とに基づいて収束光学系の焦点位置を調整する。これにより、収束光学系や位置検出手段の特性の経時変化によらず、描画時の収束光学系の焦点位置を安定して基板表面に一致させることができる。   According to the present invention, the focusing optical system is adjusted based on the optical image of the light beam connected to the observation light receiving surface provided at substantially the same position as the substrate surface in the vertical direction, and the convergence optical system and the observation light receiving surface at that time are adjusted. Is stored as a reference distance, and at the time of drawing on the substrate surface, the focal position of the convergence optical system is adjusted based on the distance between the convergence optical system and the substrate surface and the reference distance. Thereby, the focal position of the converging optical system at the time of drawing can be made to coincide with the substrate surface stably regardless of changes in the characteristics of the converging optical system and the position detecting means with time.

本発明にかかるパターン描画装置の一実施形態を示す正面図である。It is a front view showing one embodiment of a pattern drawing device concerning the present invention. 図1のパターン描画装置の平面図である。It is a top view of the pattern drawing apparatus of FIG. 光学ヘッド40aの構成をより詳しく示す図である。It is a figure which shows the structure of the optical head 40a in more detail. キャリブレーションを行うための構成を示す図である。It is a figure which shows the structure for performing a calibration. アライメントユニットの詳細構成を示す図である。It is a figure which shows the detailed structure of an alignment unit. この装置におけるキャリブレーション動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the calibration operation | movement in this apparatus. 図6の動作における工程の一部を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically a part of process in the operation | movement of FIG. 描画時のフォーカス調整動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the focus adjustment operation | movement at the time of drawing. 描画時のフォーカス調整動作を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the focus adjustment operation | movement at the time of drawing.

図1は、本発明にかかるパターン描画装置の一実施形態を示す正面図である。また、図2は図1のパターン描画装置の平面図である。パターン描画装置100は、レジスト等の感光材料の層が形成された基板Wの上面に光を照射して、パターンを描画する装置である。なお、基板Wは、半導体基板、プリント基板、カラーフィルタ用基板、液晶表示装置やプラズマ表示装置に具備されるフラットパネルディスプレイ用ガラス基板、光ディスク用基板などの各種基板のいずれでもよい。図示例では円形の半導体基板の表面に形成された下層パターンに重ねて上層パターンが描画される。   FIG. 1 is a front view showing an embodiment of a pattern drawing apparatus according to the present invention. FIG. 2 is a plan view of the pattern drawing apparatus of FIG. The pattern drawing apparatus 100 is an apparatus that draws a pattern by irradiating light on the upper surface of a substrate W on which a layer of a photosensitive material such as a resist is formed. The substrate W may be any of various substrates such as a semiconductor substrate, a printed substrate, a color filter substrate, a glass substrate for a flat panel display provided in a liquid crystal display device or a plasma display device, and an optical disk substrate. In the illustrated example, the upper layer pattern is drawn so as to overlap the lower layer pattern formed on the surface of the circular semiconductor substrate.

パターン描画装置100は、本体フレーム101で構成される骨格の天井面および周囲面にカバーパネル(図示省略)が取り付けられることによって形成される本体内部と、本体フレーム101の外側である本体外部とに、各種の構成要素を配置した構成となっている。   The pattern drawing apparatus 100 includes an inside of the main body formed by attaching cover panels (not shown) to the ceiling surface and the peripheral surface of the skeleton composed of the main body frame 101, and an outside of the main body that is outside the main body frame 101. The various components are arranged.

パターン描画装置100の本体内部は、処理領域102と受け渡し領域103とに区分されている。これらの領域のうち処理領域102には、主として、ステージ10、ステージ移動機構20、ステージ位置計測部30、光学ユニット40、アライメントユニット60が配置される。一方、受け渡し領域103には、処理領域102に対する基板Wの搬出入を行う搬送ロボットなどの搬送装置70が配置される。   The main body of the pattern drawing apparatus 100 is divided into a processing area 102 and a delivery area 103. Among these areas, the stage 10, the stage moving mechanism 20, the stage position measuring unit 30, the optical unit 40, and the alignment unit 60 are mainly arranged in the processing area 102. On the other hand, in the transfer area 103, a transfer device 70 such as a transfer robot for transferring the substrate W to and from the processing area 102 is arranged.

また、パターン描画装置100の本体外部には、アライメントユニット60に照明光を供給する照明ユニット61が配置される。また、同本体外部には、パターン描画装置100が備える装置各部と電気的に接続されて、これら各部の動作を制御する制御部90が配置される。   Further, an illumination unit 61 that supplies illumination light to the alignment unit 60 is disposed outside the main body of the pattern drawing apparatus 100. In addition, a control unit 90 that is electrically connected to each unit of the pattern drawing apparatus 100 and controls the operation of each unit is disposed outside the main body.

なお、パターン描画装置100の本体外部で、受け渡し領域103に隣接する位置には、カセットCを載置するためのカセット載置部104が配置される。また、カセット載置部104に対応し、本体内部の受け渡し領域103に配置された搬送装置70は、カセット載置部104に載置されたカセットCに収容された未処理の基板Wを取り出して処理領域102に搬入(ローディング)するとともに、処理領域102から処理済みに基板Wを搬出(アンローディング)してカセットCに収容する。カセット載置部104に対するカセットCの受け渡しは、図示しない外部搬送装置によって行われる。この未処理基板Wのローディング処理および処理済基板Wのアンローディング処理は制御部90からの指示に応じて搬送装置70が動作することで行われる。   In addition, a cassette placement unit 104 for placing the cassette C is disposed outside the main body of the pattern drawing apparatus 100 at a position adjacent to the transfer area 103. Further, the transfer device 70 corresponding to the cassette placement unit 104 and disposed in the transfer area 103 inside the main body takes out the unprocessed substrate W accommodated in the cassette C placed on the cassette placement unit 104. The substrate W is loaded into the processing region 102 (loading), and the substrate W is unloaded from the processing region 102 and is stored in the cassette C. Delivery of the cassette C to the cassette mounting unit 104 is performed by an external transport device (not shown). The loading process of the unprocessed substrate W and the unloading process of the processed substrate W are performed by operating the transfer device 70 in accordance with an instruction from the control unit 90.

ステージ10は、平板状の外形を有し、その上面に基板Wを水平姿勢に載置して保持する保持部である。ステージ10の上面には、複数の吸引孔(図示省略)が形成されており、この吸引孔に負圧(吸引圧)を付与することによって、ステージ10上に載置された基板Wをステージ10の上面に固定保持することができるようになっている。そして、ステージ10はステージ移動機構20により移動させられる。   The stage 10 has a flat outer shape, and is a holding unit that places and holds the substrate W in a horizontal posture on the upper surface thereof. A plurality of suction holes (not shown) are formed on the upper surface of the stage 10, and by applying a negative pressure (suction pressure) to the suction holes, the substrate W placed on the stage 10 is placed on the stage 10. It can be fixedly held on the upper surface of the. Then, the stage 10 is moved by the stage moving mechanism 20.

ステージ移動機構20は、ステージ10を主走査方向(Y軸方向)、副走査方向(X軸方向)、及び回転方向(Z軸周りの回転方向(θ軸方向))に移動させる機構である。ステージ移動機構20は、ステージ10を回転可能に支持する支持プレート22を支持するベースプレート24と、支持プレート22を副走査方向に移動させる副走査機構23と、ベースプレート24を主走査方向に移動させる主走査機構25とを備える。副走査機構23および主走査機構25は、制御部90からの指示に応じてステージ10を移動させる。   The stage moving mechanism 20 is a mechanism that moves the stage 10 in the main scanning direction (Y-axis direction), the sub-scanning direction (X-axis direction), and the rotation direction (rotation direction around the Z axis (θ-axis direction)). The stage moving mechanism 20 includes a base plate 24 that supports a support plate 22 that rotatably supports the stage 10, a sub-scanning mechanism 23 that moves the support plate 22 in the sub-scanning direction, and a main plate that moves the base plate 24 in the main scanning direction. And a scanning mechanism 25. The sub scanning mechanism 23 and the main scanning mechanism 25 move the stage 10 in accordance with an instruction from the control unit 90.

副走査機構23は、支持プレート22の下面に取り付けられた図示しない移動子とベースプレート24の上面に敷設された図示しない固定子とにより構成されたリニアモータ23aを有している。また、支持プレート22とベースプレート24との間には、副走査方向に延びる一対のガイド部23bが設けられている。このため、リニアモータ23aを動作させると、ベースプレート24上のガイド部23bに沿って支持プレート22が副走査方向Xに移動する。   The sub-scanning mechanism 23 includes a linear motor 23 a configured by a moving element (not shown) attached to the lower surface of the support plate 22 and a stator (not shown) laid on the upper surface of the base plate 24. In addition, a pair of guide portions 23 b extending in the sub-scanning direction is provided between the support plate 22 and the base plate 24. For this reason, when the linear motor 23 a is operated, the support plate 22 moves in the sub-scanning direction X along the guide portion 23 b on the base plate 24.

主走査機構25は、ベースプレート24の下面に取り付けられた移動子とパターン描画装置100の基台106上に敷設された固定子とにより構成されたリニアモ−タ25aを有している。また、ベースプレート24と基台106との間には、主走査方向に延びる一対のガイド部25bが設けられている。このため、リニアモータ25aを動作させると、基台106上のガイド部25bに沿ってベースプレート24が主走査方向Yに移動する。   The main scanning mechanism 25 has a linear motor 25 a composed of a mover attached to the lower surface of the base plate 24 and a stator laid on the base 106 of the pattern drawing apparatus 100. A pair of guide portions 25b extending in the main scanning direction is provided between the base plate 24 and the base 106. Therefore, when the linear motor 25 a is operated, the base plate 24 moves in the main scanning direction Y along the guide portion 25 b on the base 106.

ステージ位置計測部30は、ステージ10の位置を計測する機構である。ステージ位置計測部30は、制御部90と電気的に接続されており、制御部90からの指示に応じてステージ10の位置を計測する。ステージ位置計測部30は、例えばステージ10に向けてレーザ光を照射し、その反射光と出射光との干渉を利用して、ステージ10の位置を計測する機構により構成されているが、その構成動作はこれに限定されるものではない。この実施形態では、ステージ位置計測部30は、レーザ光を出射する出射部31と、ビームスプリッタ32と、ビームベンダ33と、第1干渉計34と、第2干渉計35とを備える。これら出射部31、各干渉計34、35は、制御部90と電気的に接続されており、制御部90からの指示に応じてステージ10の位置を計測する。   The stage position measurement unit 30 is a mechanism that measures the position of the stage 10. The stage position measurement unit 30 is electrically connected to the control unit 90 and measures the position of the stage 10 in accordance with an instruction from the control unit 90. The stage position measurement unit 30 is configured by a mechanism that irradiates a laser beam toward the stage 10 and measures the position of the stage 10 by using interference between the reflected light and the emitted light, for example. The operation is not limited to this. In this embodiment, the stage position measurement unit 30 includes an emission unit 31 that emits laser light, a beam splitter 32, a beam bender 33, a first interferometer 34, and a second interferometer 35. The emission unit 31 and the interferometers 34 and 35 are electrically connected to the control unit 90 and measure the position of the stage 10 in accordance with an instruction from the control unit 90.

出射部31から出射されたレーザ光は、まずビームスプリッタ32に入射し、ビームベンダ33に向かう第1分岐光と、第2干渉計35に向かう第2分岐光とに分岐される。第1分岐光は、ビームベンダ33により反射され、第1干渉計34に入射するとともに、第1干渉計34からステージ10の第1の部位に照射される。そして、第1の部位で反射した第1分岐光が、再び第1干渉計34へと入射する。第1干渉計34は、ステージ10の第1の部位に向かう第1分岐光と第1の部位で反射された第1分岐光との干渉に基づいて第1の部位の位置に対応した位置パラメータを計測する。   The laser light emitted from the emission unit 31 first enters the beam splitter 32 and is branched into first branched light that goes to the beam bender 33 and second branched light that goes to the second interferometer 35. The first branched light is reflected by the beam bender 33, enters the first interferometer 34, and is irradiated from the first interferometer 34 to the first portion of the stage 10. Then, the first branched light reflected by the first part is incident on the first interferometer 34 again. The first interferometer 34 is a positional parameter corresponding to the position of the first part based on the interference between the first branched light traveling toward the first part of the stage 10 and the first branched light reflected by the first part. Measure.

一方、第2分岐光は、第2干渉計35に入射するとともに、第2干渉計35からステージ10の第2の部位(ただし、第2の部位は、第1の部位とは異なる位置である。)に照射される。そして、第2の部位で反射した第2分岐光が、再び第2干渉計35へ入射する。第2干渉計35は、ステージ10の第2の部位に向かう第2分岐光とステージ10の第2の部位で反射された第2分岐光との干渉に基づいて第2の部位の位置に対応した位置パラメータを計測する。   On the other hand, the second branched light is incident on the second interferometer 35 and the second part of the stage 10 from the second interferometer 35 (however, the second part is a position different from the first part. .). Then, the second branched light reflected by the second part is incident on the second interferometer 35 again. The second interferometer 35 corresponds to the position of the second part based on the interference between the second branched light traveling toward the second part of the stage 10 and the second branched light reflected by the second part of the stage 10. The measured position parameter is measured.

制御部90は、第1干渉計34および第2干渉計35の各々から、ステージ10の第1の部位の位置に対応した位置パラメータ及びステージ10の第2の部位の位置に対応した位置パラメータを取得する。そして、取得した各位置パラメータに基づいて、ステージ10の位置を算出する。   The control unit 90 obtains a position parameter corresponding to the position of the first part of the stage 10 and a position parameter corresponding to the position of the second part of the stage 10 from each of the first interferometer 34 and the second interferometer 35. get. Then, the position of the stage 10 is calculated based on each acquired position parameter.

アライメントユニット60は、基板Wの上面に形成された図示しないアライメントマークを撮像する。アライメントユニット60は、鏡筒、対物レンズ、およびCCDイメージセンサを有するアライメントカメラ601を備える。アライメントカメラ601が備えるCCDイメージセンサは、例えばエリアイメージセンサ(二次元イメージセンサ)により構成される。また、アライメントユニット60は、図示しない昇降機構によって所定の範囲内で昇降可能に支持されている。   The alignment unit 60 images an alignment mark (not shown) formed on the upper surface of the substrate W. The alignment unit 60 includes an alignment camera 601 having a lens barrel, an objective lens, and a CCD image sensor. The CCD image sensor provided in the alignment camera 601 is constituted by, for example, an area image sensor (two-dimensional image sensor). The alignment unit 60 is supported by a lifting mechanism (not shown) so as to be lifted and lowered within a predetermined range.

照明ユニット61は、鏡筒とファイバ601を介して接続され、アライメントユニット60に対して照明用の光を供給する。照明ユニット61から延びるファイバ601によって導かれる光は、アライメントカメラ601の鏡筒を介して基板Wの上面に導かれ、その反射光は、対物レンズを介してCCDイメージセンサで受光される。これによって、基板Wの上面が撮像されて撮像データが取得されることになる。アライメントカメラ601は制御部90の画像処理部と電気的に接続されており、制御部90からの指示に応じて撮像データを取得し、取得した撮像データを制御部90に送信する。   The illumination unit 61 is connected to the lens barrel via the fiber 601 and supplies illumination light to the alignment unit 60. The light guided by the fiber 601 extending from the illumination unit 61 is guided to the upper surface of the substrate W through the lens barrel of the alignment camera 601, and the reflected light is received by the CCD image sensor through the objective lens. As a result, the upper surface of the substrate W is imaged and image data is acquired. The alignment camera 601 is electrically connected to the image processing unit of the control unit 90, acquires imaging data in accordance with an instruction from the control unit 90, and transmits the acquired imaging data to the control unit 90.

アライメントカメラ601から与えられる撮像データに基づき制御部90は、基板Wの基準位置に設けられた基準マークを検出して光学ユニット40と基板Wとの相対位置を位置決めするアライメント処理を行う。そして、光学ユニット40から描画パターンに応じて変調された光ビームを基板Wの所定位置に照射することでパターン描画を行う。   Based on the imaging data provided from the alignment camera 601, the control unit 90 detects the reference mark provided at the reference position of the substrate W and performs an alignment process for positioning the relative position between the optical unit 40 and the substrate W. Then, pattern writing is performed by irradiating a predetermined position of the substrate W with a light beam modulated according to the drawing pattern from the optical unit 40.

本実施形態では、光学ユニット40は、2つの光学ヘッド40a、40bを有している。光学ヘッド40a、40bはともに同一構成を有しており、光照射部から与えられるレーザ光を描画パターンに対応するストリップデータに基づき変調する。ここでは、図1を参照しつつ光学ヘッド40aに関連する構成について説明するが、光学ヘッド40bについても同様に構成されている。なお、光学ヘッドの設置数はこれに限定されず任意である。   In the present embodiment, the optical unit 40 includes two optical heads 40a and 40b. The optical heads 40a and 40b both have the same configuration, and modulate the laser light supplied from the light irradiation unit based on strip data corresponding to the drawing pattern. Here, the configuration related to the optical head 40a will be described with reference to FIG. 1, but the optical head 40b is configured similarly. The number of optical heads installed is not limited to this and is arbitrary.

光照射部41は、レーザ駆動部411、レーザ発振器412および照明光学系413を有している。この光照射部41では、レーザ駆動部411の作動によりレーザ発振器412からレーザ光が出射され、照明光学系413を介して光学ヘッド40aに導入される。この光学ヘッド40aには、光変調素子が設けられており、ストリップデータに基づきレーザ光を変調する。そして、光学ヘッド40aは変調レーザ光を光学ヘッド40aの直下位置で移動している基板Wに対して落射することでステージ10に保持された基板Wを露光してパターンを描画する。これによって、未処理基板Wに形成されている下層パターンに対して上層パターン(描画パターン)が重ねて描画される。   The light irradiation unit 41 includes a laser driving unit 411, a laser oscillator 412, and an illumination optical system 413. In the light irradiation unit 41, laser light is emitted from the laser oscillator 412 by the operation of the laser driving unit 411, and is introduced into the optical head 40 a via the illumination optical system 413. The optical head 40a is provided with a light modulation element, and modulates the laser light based on the strip data. Then, the optical head 40a exposes the substrate W held on the stage 10 by directing the modulated laser light onto the substrate W moving immediately below the optical head 40a, thereby drawing a pattern. As a result, the upper layer pattern (drawing pattern) is drawn over the lower layer pattern formed on the unprocessed substrate W.

図3は光学ヘッド40aの構成をより詳しく示す図である。なお、もう1つの光学ヘッド40bの構成も同一である。光学ヘッド40aは、回折格子型の空間光変調器を有する光変調ユニット421を備えている。レーザ発振器412からのレーザ光Lは、照明光学系413およびミラー422により、その反射面の法線が光軸に対して傾斜して配置される光変調ユニット421へ導かれる。   FIG. 3 is a diagram showing the configuration of the optical head 40a in more detail. The configuration of the other optical head 40b is also the same. The optical head 40a includes a light modulation unit 421 having a diffraction grating type spatial light modulator. The laser light L from the laser oscillator 412 is guided by the illumination optical system 413 and the mirror 422 to the light modulation unit 421 in which the normal line of the reflection surface thereof is inclined with respect to the optical axis.

このとき、レーザ発振器412からの入射光は照明光学系413により強度分布が均一な線状の光(光束断面が線状の光)とされ、空間光変調器421上の変調動作の有効領域に照射される。空間光変調器421では、制御部90からの制御指令に基づいてミラー422からの光が空間変調され、光軸に沿って投影光学系430のレンズへと入射する。   At this time, the incident light from the laser oscillator 412 is converted into linear light (light having a cross section of the light beam) having a uniform intensity distribution by the illumination optical system 413, and enters the effective region of the modulation operation on the spatial light modulator 421. Irradiated. In the spatial light modulator 421, the light from the mirror 422 is spatially modulated based on a control command from the control unit 90 and is incident on the lens of the projection optical system 430 along the optical axis.

投影光学系430のレンズを通過した光はズームレンズへ導かれ、フォーカシングレンズ431を介して所定の倍率にて基板W上へ導かれる。フォーカシングレンズ431はフォーカス駆動機構432に取り付けられており、フォーカス駆動機構432は制御部90のフォーカス制御部901からの制御指令に応じてフォーカシングレンズ431を鉛直軸(Z軸)に沿って昇降させて、フォーカシングレンズ431から出射される光ビームを基板Wの表面Sに収束させる。   The light that has passed through the lens of the projection optical system 430 is guided to the zoom lens and is guided onto the substrate W through the focusing lens 431 at a predetermined magnification. The focusing lens 431 is attached to the focus drive mechanism 432, and the focus drive mechanism 432 moves the focusing lens 431 up and down along the vertical axis (Z axis) in response to a control command from the focus control unit 901 of the control unit 90. The light beam emitted from the focusing lens 431 is converged on the surface S of the substrate W.

また、光学ヘッド40aの筺体下部には、オートフォーカス部として、例えばレーザダイオード(LD)を光源とし制御部90のLD駆動部902からの制御信号に応じて基板Wの表面Sに向けて光を照射する照射部441と、該照射光の基板表面Sからの反射光を受光する例えばCMOSセンサや一次元CCDイメージセンサからなるイメージセンサ442とが設けられている。   In addition, under the housing of the optical head 40a, as an autofocus unit, for example, a laser diode (LD) is used as a light source, and light is directed toward the surface S of the substrate W in accordance with a control signal from the LD drive unit 902 of the control unit 90. An irradiation unit 441 that irradiates and an image sensor 442 that includes, for example, a CMOS sensor or a one-dimensional CCD image sensor that receives reflected light from the substrate surface S of the irradiation light is provided.

ここで、光学ヘッド40aと基板表面Sとの距離が変動した場合を考える。図において実線矢印で示すように基板表面Sが光学ヘッド40aから遠ざかったとき、あるいは破線矢印で示すように基板表面Sが光学ヘッド40aに接近したとき、基板表面Sからの反射光の光路がそれぞれ実線矢印および破線矢印で示す方向に変化し、イメージセンサ442の各受光位置における受光量も変動する。すなわち、イメージセンサ442における受光量のピーク位置が、それぞれ実線矢印および破線矢印で示すように変化する。オートフォーカス部はこれを利用して光学ヘッド40aと基板表面Sとの距離を検出する。   Here, consider a case where the distance between the optical head 40a and the substrate surface S varies. In the figure, when the substrate surface S moves away from the optical head 40a as shown by a solid line arrow or when the substrate surface S approaches the optical head 40a as shown by a broken line arrow, the optical path of the reflected light from the substrate surface S is respectively It changes in the direction shown by the solid line arrow and the broken line arrow, and the received light amount at each light receiving position of the image sensor 442 also varies. That is, the peak position of the received light amount in the image sensor 442 changes as indicated by solid line arrows and broken line arrows, respectively. The autofocus unit uses this to detect the distance between the optical head 40a and the substrate surface S.

具体的には、制御部90の距離検出部903が、イメージセンサ442から出力される信号を受信し、これを光学ヘッド40aと基板表面Sとの距離に対応する情報としてフォーカス制御に利用する。また、該情報を必要に応じて記憶部904に記憶させる。なお、光学ヘッド40aと基板表面Sとの距離に対応する情報としては、イメージセンサ442の出力信号から該距離を算出した結果であってもよく、またイメージセンサ442における受光量のピーク位置そのものであってもよい。これらは1対1に対応しているからである。   Specifically, the distance detection unit 903 of the control unit 90 receives a signal output from the image sensor 442, and uses this for focus control as information corresponding to the distance between the optical head 40a and the substrate surface S. Further, the information is stored in the storage unit 904 as necessary. The information corresponding to the distance between the optical head 40a and the substrate surface S may be the result of calculating the distance from the output signal of the image sensor 442, or the peak position itself of the amount of light received by the image sensor 442. There may be. This is because these correspond one-to-one.

光学ヘッド40aと基板表面Sとの距離が変動すると、フォーカシングレンズ431から出射される光ビームの焦点位置が基板表面Sからずれ、描画パターンの分解能が低下する。これを防止するため、フォーカス制御部901がフォーカス駆動機構432を制御してフォーカシングレンズ431を上下させることで、焦点位置のずれを防止する。イメージセンサ442の出力信号を用いたフィードバック制御を行うことで、基板表面Sの鉛直方向の位置変動に追随してフォーカシングレンズ431の焦点位置を上下に移動させ、光ビームを基板表面Sに安定的に収束させることができる。   When the distance between the optical head 40a and the substrate surface S varies, the focal position of the light beam emitted from the focusing lens 431 deviates from the substrate surface S, and the resolution of the drawing pattern decreases. In order to prevent this, the focus control unit 901 controls the focus drive mechanism 432 to move the focusing lens 431 up and down, thereby preventing the focus position from being shifted. By performing feedback control using the output signal of the image sensor 442, the focal position of the focusing lens 431 is moved up and down following the vertical position fluctuation of the substrate surface S, and the light beam is stably directed to the substrate surface S. Can be converged to.

上記のオートフォーカス動作を効果的に機能させるためには、フォーカシングレンズ431の焦点が基板表面Sに合っているときの光学ヘッド40aと基板表面Sとの距離を予め把握しておく必要がある。この距離は短期的にはあまり変化しないが、装置を長期間使用するにつれて経時的な変動を生じる。これを補正するためのキャリブレーションのための構成について、次に説明する。   In order to make the above autofocus operation function effectively, it is necessary to know in advance the distance between the optical head 40a and the substrate surface S when the focusing lens 431 is focused on the substrate surface S. This distance does not change much in the short term, but it varies over time as the device is used for a long time. Next, a configuration for calibration for correcting this will be described.

図4はキャリブレーションを行うための構成を示す図である。図4(a)に示すように、ステージ10の側方には、光学ヘッド40a,40bから出射される光ビームを受光しその光学像を観察するための観察光学系80が設けられている。観察光学系80は、例えば石英ガラスにより平板状に形成された透明のダミー基板801が略水平に設けられている。ダミー基板801の表面(上面801a)には、図4(b)に示すように、基準マスクパターン802が形成されており、後述するようにアライメントユニット60のフォーカス調整に用いられる。   FIG. 4 is a diagram showing a configuration for performing calibration. As shown in FIG. 4A, an observation optical system 80 for receiving the light beam emitted from the optical heads 40a and 40b and observing the optical image is provided on the side of the stage 10. In the observation optical system 80, for example, a transparent dummy substrate 801 formed in a flat plate shape from quartz glass is provided substantially horizontally. As shown in FIG. 4B, a reference mask pattern 802 is formed on the surface (upper surface 801a) of the dummy substrate 801, and is used for focus adjustment of the alignment unit 60 as described later.

ダミー基板801の下方、すなわちダミー基板801を挟んで光学ヘッド40a,40bとは反対側に、例えば二次元CCDイメージセンサからなる撮像部と入射光を収束させる光学系とを有する観察用カメラ803が設けられる。ダミー基板801と観察用カメラ803はそれぞれケース804に取り付けられて一体化されており、観察用カメラ803の光学系の焦点位置は、ダミー基板801の上面801aに合うように調整されている。   An observation camera 803 having an imaging unit composed of, for example, a two-dimensional CCD image sensor and an optical system for converging incident light is provided below the dummy substrate 801, that is, on the opposite side to the optical heads 40a and 40b across the dummy substrate 801. Provided. The dummy substrate 801 and the observation camera 803 are respectively attached to and integrated with the case 804, and the focal position of the optical system of the observation camera 803 is adjusted to match the upper surface 801 a of the dummy substrate 801.

ケース804は支持プレート22に立設された支持フレーム805によって昇降自在に支持されており、制御部90の観察系制御部920と、適宜の駆動機構を有する観察系昇降機構806によりその鉛直方向位置が制御される。すなわち、観察光学系80のダミー基板801と観察用カメラ803とは一体として、水平方向にはステージ10と一体的に移動する一方、鉛直方向にはステージ10とは独立して昇降移動可能となっている。   The case 804 is supported by a support frame 805 erected on the support plate 22 so as to be movable up and down, and its vertical position is adjusted by an observation system control unit 920 of the control unit 90 and an observation system lift mechanism 806 having an appropriate drive mechanism. Is controlled. That is, the dummy substrate 801 and the observation camera 803 of the observation optical system 80 are integrally moved with the stage 10 in the horizontal direction, and can be moved up and down independently of the stage 10 in the vertical direction. ing.

観察光学系80が光学ヘッド40a(または40b)の直下に位置決めされるとともに、ダミー基板801の上面801aがステージ10に載置される基板Wの上面Sと略同一位置に位置決めされた状態で、観察用カメラ803は光学ヘッド40aからダミー基板上面801aに入射し結像する光学像を撮像する。その出力信号は制御部90の画像処理部910によってデータ処理される。フォーカス制御部901によりフォーカシングレンズ431の鉛直方向位置を変化させながら観察用カメラ803による撮像を行い、光学像が最も小さくなるように(像のコントラストが最大となるように)、フォーカシングレンズ431の鉛直方向位置を設定する。これにより、フォーカシングレンズ431の焦点がダミー基板上面801aに合わせられる。このときの光学ヘッド40aとダミー基板上面801aとの距離を「基準距離」として、距離検出部903は基準距離に対応する情報を記憶部904に記憶させる。   While the observation optical system 80 is positioned immediately below the optical head 40a (or 40b) and the upper surface 801a of the dummy substrate 801 is positioned at substantially the same position as the upper surface S of the substrate W placed on the stage 10, The observation camera 803 picks up an optical image that is incident on the dummy substrate upper surface 801a from the optical head 40a and forms an image. The output signal is subjected to data processing by the image processing unit 910 of the control unit 90. The focus control unit 901 changes the vertical position of the focusing lens 431 while taking an image with the observation camera 803 so that the optical image becomes the smallest (so that the contrast of the image is maximized). Set the direction position. As a result, the focusing lens 431 is focused on the upper surface 801a of the dummy substrate. At this time, the distance between the optical head 40a and the dummy substrate upper surface 801a is set as a “reference distance”, and the distance detection unit 903 stores information corresponding to the reference distance in the storage unit 904.

以後の描画動作では、光学ヘッド40aと対向する基板表面Sとの間の距離と、上記の基準距離との比較に基づきフォーカシングレンズ431の位置を制御することで、焦点位置を安定して基板表面Sに合わせることができる。また、このキャリブレーション動作を所定のタイミングで定期的に行うことで、投影光学系430の経時変化にも対応して、長期にわたり安定的に焦点位置の調整を行うことができる。   In subsequent drawing operations, the position of the focusing lens 431 is controlled based on a comparison between the distance between the optical head 40a and the substrate surface S facing the optical head 40a and the above-described reference distance. S can be adjusted. In addition, by periodically performing this calibration operation at a predetermined timing, it is possible to stably adjust the focal position over a long period of time in response to the temporal change of the projection optical system 430.

図5はアライメントユニットの詳細構成を示す図である。図では、アライメントユニット60との対比のために、光学ヘッド40aのオートフォーカス部を併記している。アライメントユニット60は、基板表面の基準マークを検出して光学ヘッド40aとステージ10または基板Wとの水平方向位置を把握し、また観察光学系80の基準マスクパターン802を検出してアライメントユニット60のフォーカス調整を行うものである。   FIG. 5 is a diagram showing a detailed configuration of the alignment unit. In the figure, for comparison with the alignment unit 60, an autofocus portion of the optical head 40a is also shown. The alignment unit 60 detects the reference mark on the substrate surface to grasp the horizontal position between the optical head 40 a and the stage 10 or the substrate W, and detects the reference mask pattern 802 of the observation optical system 80 to detect the alignment unit 60. Focus adjustment is performed.

図5に示すように、アライメントユニット60は、基板表面Sを撮像するアライメントカメラ601を備えるとともに、オートフォーカス部として、光学ヘッド40aに設けられた照射部441と同等の機能を有する照射部641、および、光学ヘッド40aに設けられた受光部442と同等の機能を有する受光部642を備えている。そして、光学ヘッド40aのオートフォーカス部と同様、制御部90に設けられた距離検出部906が受光部642の出力に基づいてアライメントカメラ601と基板表面Sとの距離を検出し、フォーカス制御部930が、アライメントカメラ601の焦点位置を基板表面Sと一致させるべくアライメントユニット60の鉛直方向位置を制御する。   As shown in FIG. 5, the alignment unit 60 includes an alignment camera 601 that images the substrate surface S, and an irradiating unit 641 having the same function as the irradiating unit 441 provided in the optical head 40 a as an autofocus unit. In addition, a light receiving unit 642 having a function equivalent to that of the light receiving unit 442 provided in the optical head 40a is provided. Similar to the autofocus unit of the optical head 40a, the distance detection unit 906 provided in the control unit 90 detects the distance between the alignment camera 601 and the substrate surface S based on the output of the light receiving unit 642, and the focus control unit 930. However, the vertical position of the alignment unit 60 is controlled so that the focal position of the alignment camera 601 coincides with the substrate surface S.

この場合においても、アライメントカメラ601の焦点合わせのための基準となる距離の情報が必要であり、その距離は経時的に変化する可能性がある。そこで、観察光学系80のダミー基板上面801aに基準マスクパターン802を利用する。すなわち、観察光学系80をアライメントユニット60の直下に位置決めし、アライメントカメラ601が撮像した基準マスクパターン802を画像処理部910がデータ処理し、パターンが最も鮮明となる時のアライメントカメラ601とダミー基板上面801aとの距離を検出し基準として記憶しておくことで、アライメントカメラ601のオートフォーカス動作が可能となる。また、上記動作を定期的に行うことで、アライメントカメラ601の特性の経時変化にも対応して、長期的に安定したオートフォーカス動作を行うことができる。   Even in this case, information on a distance that serves as a reference for the alignment of the alignment camera 601 is necessary, and the distance may change over time. Therefore, the reference mask pattern 802 is used on the upper surface 801a of the dummy substrate of the observation optical system 80. That is, the observation optical system 80 is positioned directly below the alignment unit 60, the image processing unit 910 performs data processing on the reference mask pattern 802 captured by the alignment camera 601, and the alignment camera 601 and the dummy substrate when the pattern becomes the clearest By detecting the distance from the upper surface 801a and storing it as a reference, the autofocus operation of the alignment camera 601 becomes possible. Further, by periodically performing the above operation, it is possible to perform a stable autofocus operation over a long period of time in response to a change in characteristics of the alignment camera 601 over time.

ここまで、個々のユニットごとの制御動作の原理について分説した。次に、上記原理に基づく、このパターン描画装置100全体でのキャリブレーション動作について説明する。以下に説明するキャリブレーション処理を実行すると、光学ヘッド40a,40bおよびアライメントユニット60のそれぞれについて焦点位置の調整を行うことができるとともに、光学ヘッド40a,40bとアライメントユニット60との鉛直方向(Z軸方向)における焦点位置が同一の基準に基づいて相対的に調整されることで、パターン描画装置100を最良の状態で動作させることが可能となる。   So far, the principle of control operation for each unit has been described. Next, a calibration operation in the entire pattern drawing apparatus 100 based on the above principle will be described. When the calibration process described below is executed, the focal position can be adjusted for each of the optical heads 40a and 40b and the alignment unit 60, and the vertical direction (Z-axis) between the optical heads 40a and 40b and the alignment unit 60 can be adjusted. The pattern drawing apparatus 100 can be operated in the best state by relatively adjusting the focal position in (direction) based on the same reference.

図6はこの装置におけるキャリブレーション動作を示すフローチャートである。また、図7は図6の動作における工程の一部を模式的に示す図である。このキャリブレーション動作は、例えば装置の起動直後や定期的なタイミング(例えば1日1回)で、基板Wが装置に搬入される前に実行される動作である。   FIG. 6 is a flowchart showing the calibration operation in this apparatus. FIG. 7 is a diagram schematically showing a part of the process in the operation of FIG. This calibration operation is an operation that is performed, for example, immediately after activation of the apparatus or at a regular timing (for example, once a day) and before the substrate W is carried into the apparatus.

最初に、アライメントカメラ601の初期位置を設定する。具体的には、搬入される予定の基板Wの厚さに応じて、ステージ10上で想定される基板表面Sの鉛直方向位置に焦点位置が合うように、アライメントカメラ601の上下方向位置をセットする(ステップS101)。図7(a)に示すように、この時点で基板Wは搬入されていないため、その位置決めは概略のものであってよい。   First, the initial position of the alignment camera 601 is set. Specifically, the vertical position of the alignment camera 601 is set so that the focal position matches the vertical position of the substrate surface S assumed on the stage 10 according to the thickness of the substrate W to be loaded. (Step S101). As shown in FIG. 7A, since the substrate W has not been carried in at this time, the positioning may be approximate.

続いて、ステージ10を移動させて観察光学系80をアライメントユニット60の直下に移動させ(ステップS102)、観察光学系80のダミー基板上面801aをアライメントカメラ601の焦点位置に一致させる(ステップS103)。具体的には、図7(b)に示すように、ダミー基板上面801aに形成された基準マスクパターン802をアライメントカメラ601で撮像しながら観察系昇降機構806により観察光学系80のケース804を昇降させ、基準マスクパターン802の像が最も鮮明となるときの位置に、ケース804を位置決めする。   Subsequently, the stage 10 is moved to move the observation optical system 80 directly below the alignment unit 60 (step S102), and the upper surface 801a of the dummy substrate of the observation optical system 80 is matched with the focal position of the alignment camera 601 (step S103). . Specifically, as shown in FIG. 7B, the case 804 of the observation optical system 80 is moved up and down by the observation system lifting mechanism 806 while imaging the reference mask pattern 802 formed on the upper surface 801a of the dummy substrate with the alignment camera 601. Then, the case 804 is positioned at a position where the image of the reference mask pattern 802 is the clearest.

これにより、ダミー基板上面801aの鉛直方向位置が後に搬入される基板の表面Sの位置と略一致し、かつ、その位置にアライメントカメラ601の焦点が合った状態となる。そこで、この時のアライメントカメラ601とダミー基板上面801aとの距離を基準とするべく、オートフォーカス部(AF部)の受光部642の出力から該距離に関する情報を求めて記憶部904に記憶させておく(ステップS104)。以後、描画時のアライメントカメラ601のフォーカス調整はこの距離を基準にして行われる。その具体的方法は前記した通りである。   As a result, the vertical position of the upper surface 801a of the dummy substrate substantially coincides with the position of the surface S of the substrate to be loaded later, and the alignment camera 601 is in focus at that position. Therefore, in order to use the distance between the alignment camera 601 and the dummy substrate upper surface 801a as a reference, information on the distance is obtained from the output of the light receiving unit 642 of the autofocus unit (AF unit) and stored in the storage unit 904. (Step S104). Thereafter, the focus adjustment of the alignment camera 601 at the time of drawing is performed based on this distance. The specific method is as described above.

なお、このキャリブレーション動作におけるダミー基板上面801aの位置設定は概略のものであり、ステージ10に載置される基板表面Sの位置と完全に一致しているとは限らない。しかしながら、上記の動作によってアライメントカメラ601の焦点位置とそれに対応するオートフォーカス部の距離に関する情報とが対応付けられているため、実際にステージ10に載置された基板表面Sの位置がダミー基板上面801aの位置と多少ずれていたとしても、その位置へ焦点を合わせることは可能である。しかしながら、ダミー基板上面801aの位置が描画時の基板表面Sの位置と大きくずれた状態でキャリブレーションを行うと、描画時における基板表面Sがフォーカス調整範囲から外れてしまうおそれがある。この意味において、ダミー基板上面801aの鉛直方向位置を、想定される基板表面Sの位置に合わせてキャリブレーションを行うことが有効である。この点については以下の光学ヘッドのキャリブレーションにおいても同様である。   Note that the position setting of the dummy substrate upper surface 801a in this calibration operation is approximate, and does not always completely coincide with the position of the substrate surface S placed on the stage 10. However, since the focal position of the alignment camera 601 and the information related to the distance of the autofocus unit corresponding thereto are associated by the above operation, the position of the substrate surface S actually placed on the stage 10 is the upper surface of the dummy substrate. Even if it is slightly deviated from the position 801a, it is possible to focus on that position. However, if calibration is performed in a state where the position of the dummy substrate upper surface 801a is largely deviated from the position of the substrate surface S at the time of drawing, the substrate surface S at the time of drawing may be out of the focus adjustment range. In this sense, it is effective to perform calibration by matching the vertical position of the dummy substrate upper surface 801a with the assumed position of the substrate surface S. This also applies to the following calibration of the optical head.

次に、光学ヘッド40a,40bのフォーカス調整を行う。ここでは光学ヘッド40aについての動作を例示するが、光学ヘッド40bについての動作も同一である。まず光学ヘッド40aの直下に観察光学系80を移動位置決めする(ステップS105)。そして、図7(c)に示すように、投影光学系430のフォーカシングレンズ431を通してダミー基板上面801aに入射するレーザ光の光学像を観察用カメラ803で観察しながらフォーカシングレンズ431の鉛直方向位置を変化させて、その光学像のスポットサイズが最も小さくなるときの位置に、フォーカシングレンズ431の位置を設定する(ステップS106)。   Next, focus adjustment of the optical heads 40a and 40b is performed. Although the operation for the optical head 40a is illustrated here, the operation for the optical head 40b is the same. First, the observation optical system 80 is moved and positioned directly below the optical head 40a (step S105). Then, as shown in FIG. 7C, the vertical position of the focusing lens 431 is determined while observing the optical image of the laser light incident on the dummy substrate upper surface 801a through the focusing lens 431 of the projection optical system 430 with the observation camera 803. By changing, the position of the focusing lens 431 is set to the position where the spot size of the optical image becomes the smallest (step S106).

これにより、投影光学系430の焦点がダミー基板上面801aに合わせられる。そして、この時の光学ヘッド40aとダミー基板上面801aとの距離を基準距離として、受光部422の出力から該基準距離に関する情報を求めて記憶部904に記憶させる(ステップS107)。以後、描画時の投影光学系430のフォーカス調整はこの基準距離に基づいて行われる。その具体的な方法は先に原理を説明した通りであるが、本実施形態に即してさらに詳しく説明する。   Thereby, the projection optical system 430 is focused on the dummy substrate upper surface 801a. Then, using the distance between the optical head 40a and the dummy substrate upper surface 801a at this time as a reference distance, information on the reference distance is obtained from the output of the light receiving unit 422 and stored in the storage unit 904 (step S107). Thereafter, the focus adjustment of the projection optical system 430 at the time of drawing is performed based on this reference distance. The specific method is as described above in principle, but will be described in more detail in accordance with the present embodiment.

図8は描画時のフォーカス調整動作を示すフローチャートである。図3に示したように、描画時においては光学ヘッド40aは基板表面Sに対向している。この状態で、オートフォーカス部(AF部)の受光部442からの出力に基づき、光学ヘッド40aと基板表面Sとの距離に関する情報を求め(ステップS201)、記憶部904に記憶された基準距離との差を求める(ステップS202)。ここで、両者に差がなければ焦点は基板表面Sに合っているので変更の必要はないが、差がある場合、焦点位置が基板表面Sからずれているため、その差を是正する。具体的には、上記距離の差をなくす方向にフォーカシングレンズ431を移動させるべく、その駆動量(例えば上下方向へのフォーカシングレンズ431の移動距離、それを実現する駆動モータのパルス数など)を算出し(ステップS203)、算出された駆動量の分だけフォーカシングレンズ431を上方または下方に移動させる(ステップS204)。以上の動作を描画が終了するまで継続して行う(ステップS205)。   FIG. 8 is a flowchart showing the focus adjustment operation during drawing. As shown in FIG. 3, the optical head 40a faces the substrate surface S at the time of drawing. In this state, information on the distance between the optical head 40a and the substrate surface S is obtained based on the output from the light receiving unit 442 of the autofocus unit (AF unit) (step S201), and the reference distance stored in the storage unit 904 and Is obtained (step S202). Here, if there is no difference between the two, the focal point is in alignment with the substrate surface S and there is no need to change it. However, if there is a difference, the focal point position is offset from the substrate surface S, and the difference is corrected. Specifically, in order to move the focusing lens 431 in a direction that eliminates the above difference in distance, the driving amount (for example, the moving distance of the focusing lens 431 in the vertical direction, the number of pulses of the driving motor that realizes the driving distance) is calculated. Then (step S203), the focusing lens 431 is moved upward or downward by the calculated drive amount (step S204). The above operation is continued until drawing is completed (step S205).

図9は描画時のフォーカス調整動作を模式的に示す図である。図9(a)に示すように、光学ヘッド40aの適宜の基準位置(この例では下端)と基板表面Sとの距離を符号D1により表す。また、フォーカス調整のためのフォーカシングレンズ431の駆動量(この例では鉛直方向への移動距離)を符号D2により表す。距離D1については、光学ヘッド40aの下端から基板表面Sに向かう方向を正方向とする。駆動量D2については、フォーカシングレンズ431を上方に、つまり基板表面Sから離間する方向を正方向とする。   FIG. 9 is a diagram schematically showing a focus adjustment operation at the time of drawing. As shown in FIG. 9A, the distance between an appropriate reference position (in this example, the lower end) of the optical head 40a and the substrate surface S is represented by reference numeral D1. Further, the driving amount of the focusing lens 431 for focus adjustment (in this example, the movement distance in the vertical direction) is represented by the symbol D2. Regarding the distance D1, the direction from the lower end of the optical head 40a toward the substrate surface S is the positive direction. With respect to the driving amount D2, the focusing lens 431 is set upward, that is, the direction away from the substrate surface S is the positive direction.

先のキャリブレーション動作の結果、距離D1が基準距離と一致していれば、投影光学系430の焦点は基板表面Sに合っているといえる。したがって、このときの駆動量D2はゼロ、すなわちフォーカシングレンズ431の鉛直方向位置はキャリブレーション動作によって設定された位置に維持される。一方、距離D1が基準距離よりも大きい場合には、駆動量D2を負の値に設定する、つまりフォーカシングレンズ431を下向きに移動させることにより、焦点のずれを解消する。逆に、距離D1が基準距離よりも小さいときには、駆動量D2を正の値に設定してフォーカシングレンズ431を上向きに移動させ、焦点のずれを解消する。距離D1の基準距離からの乖離量が大きいほどフォーカシングレンズ431の駆動量D2も大きくなる。このようにして、投影光学系430の焦点位置は基板表面Sに安定的に維持される。   If the distance D1 coincides with the reference distance as a result of the previous calibration operation, it can be said that the projection optical system 430 is focused on the substrate surface S. Accordingly, the driving amount D2 at this time is zero, that is, the vertical position of the focusing lens 431 is maintained at the position set by the calibration operation. On the other hand, when the distance D1 is greater than the reference distance, the drive amount D2 is set to a negative value, that is, the focusing lens 431 is moved downward to eliminate the focus shift. On the other hand, when the distance D1 is smaller than the reference distance, the driving amount D2 is set to a positive value and the focusing lens 431 is moved upward to eliminate the focus shift. The greater the deviation of the distance D1 from the reference distance, the greater the driving amount D2 of the focusing lens 431. In this way, the focal position of the projection optical system 430 is stably maintained on the substrate surface S.

以上のように、この実施形態では、ダミー基板801と観察用カメラ803とを有する観察光学系80において、ダミー基板801および観察用カメラ803を一体的に鉛直方向に移動可能とする。そして、キャリブレーション動作では、ダミー基板801の上面801aをステージ10に載置される基板Wの表面Sの想定位置に位置決めした状態で、光学ヘッド40aからの光ビームをダミー基板上面801aに入射させ、これを観察用カメラ803で観察して光学像が最も小さくなるように、フォーカシングレンズ431の鉛直方向位置を設定する。またこのときのオートフォーカス部の出力から求めた基準距離に関する情報を記憶しておき、描画時にはこの基準距離と、オートフォーカス部の出力から求めた光学ヘッド40aと基板表面Sとの距離とに基づいて、フォーカス調整を行う。オートフォーカス部および投影光学系430の経時変化により基準距離が変動した場合でも、このようなキャリブレーションを行うことでその時点の基準距離が設定されそれに基づくフォーカス調整が行われるので、装置の経時変化にも対応して長期的に安定な、しかも高精度のフォーカス調整が可能である。   As described above, in this embodiment, in the observation optical system 80 having the dummy substrate 801 and the observation camera 803, the dummy substrate 801 and the observation camera 803 are integrally movable in the vertical direction. In the calibration operation, a light beam from the optical head 40a is incident on the dummy substrate upper surface 801a in a state where the upper surface 801a of the dummy substrate 801 is positioned at an assumed position on the surface S of the substrate W placed on the stage 10. The vertical position of the focusing lens 431 is set so that the optical image becomes the smallest by observing this with the observation camera 803. Information on the reference distance obtained from the output of the autofocus unit at this time is stored, and based on the reference distance and the distance between the optical head 40a and the substrate surface S obtained from the output of the autofocus unit at the time of drawing. Adjust the focus. Even if the reference distance fluctuates due to changes in the autofocus unit and the projection optical system 430 with time, the reference distance at that time is set by performing such calibration, and focus adjustment based on the reference distance is performed. In addition, it is possible to adjust the focus with high accuracy and long-term stability.

また、上記と同じ位置に設定されたダミー基板801の上面801aに形成された基準マスクパターン802を用いてアライメントユニット60のフォーカス調整も行うことで、光学ヘッド40aの焦点位置とアライメントユニット60の焦点位置との鉛直方向の相対的な位置関係が、共通の位置基準であるダミー基板上面801aを介して関連付けられる。このため、本来独立に制御される2つのユニットの連携を図ることが可能である。これにより、パターン描画装置100を最良の状態で動作させることが可能となる。   Further, the focus adjustment of the alignment unit 60 is also performed using the reference mask pattern 802 formed on the upper surface 801a of the dummy substrate 801 set at the same position as above, so that the focal position of the optical head 40a and the focus of the alignment unit 60 are adjusted. The relative positional relationship in the vertical direction with the position is associated through the dummy substrate upper surface 801a, which is a common position reference. For this reason, it is possible to achieve cooperation between two units that are originally controlled independently. Thereby, the pattern drawing apparatus 100 can be operated in the best state.

そして、光学ヘッド40aおよびアライメントユニット60の鉛直方向の位置基準となるダミー基板上面801aを、ステージ10に載置される基板Wの表面位置に応じて昇降可能としているので、種々の厚みを有する基板Wに対して、高精度で安定したフォーカス調整を行うことが可能である。   Since the upper surface 801a of the dummy substrate, which serves as a vertical position reference for the optical head 40a and the alignment unit 60, can be raised and lowered according to the surface position of the substrate W placed on the stage 10, the substrate has various thicknesses. It is possible to perform highly accurate and stable focus adjustment for W.

すなわち、所定の厚さを有する第1の基板に対応したキャリブレーション動作および描画動作を行った後、次の基板が同じ厚さを有するものであれば、新たにキャリブレーション動作を行うことなく、先の基板についてのキャリブレーション動作の結果を用いて描画動作を行うことができる。新たなキャリブレーション動作は、例えば基板の処理枚数や動作時間等が一定値に達したときなど、所定の間隔で定期的に行えばよい。   That is, after performing the calibration operation and the drawing operation corresponding to the first substrate having a predetermined thickness, if the next substrate has the same thickness, without performing a new calibration operation, A drawing operation can be performed using the result of the calibration operation for the previous substrate. The new calibration operation may be performed periodically at predetermined intervals, for example, when the number of processed substrates, the operation time, etc. reach a certain value.

一方、先の基板とは厚さの異なる第2の基板に対して描画動作を行う場合には、その基板の厚さに対応して新たにキャリブレーションを行い基準距離を再設定することで、第2の基板についても同じように、描画時のフォーカス調整を高精度にしかも安定して行うことが可能となる。   On the other hand, when performing a drawing operation on a second substrate having a different thickness from the previous substrate, a new calibration is performed according to the thickness of the substrate and the reference distance is reset, Similarly for the second substrate, the focus adjustment at the time of drawing can be performed with high accuracy and stability.

以上説明したように、この実施形態では、光学ヘッド40a,40bと、光照射部41とが一体として本発明の「描画手段」として機能している。このうちレーザ発振器412が本発明の「光源」として機能する一方、投影光学系430が本発明の「収束光学系」として機能している。   As described above, in this embodiment, the optical heads 40a and 40b and the light irradiation unit 41 function as a “drawing unit” of the present invention. Among these, the laser oscillator 412 functions as the “light source” of the present invention, while the projection optical system 430 functions as the “converging optical system” of the present invention.

また、この実施形態では、ステージ移動機構20が本発明の「移動手段」として機能している。また、この実施形態では、観察光学系80が本発明の「観察手段」として機能しており、ダミー基板801の上面801aが本発明の「観察光学面」に相当している。そして、基準マスクパターン802が本発明の「基準パターン」に相当している。また、観察系昇降機構806および観察系制御部920が一体として本発明の「観察高さ変更手段」として機能している。   In this embodiment, the stage moving mechanism 20 functions as the “moving means” of the present invention. In this embodiment, the observation optical system 80 functions as the “observation means” of the present invention, and the upper surface 801a of the dummy substrate 801 corresponds to the “observation optical surface” of the present invention. The reference mask pattern 802 corresponds to the “reference pattern” of the present invention. Further, the observation system lifting mechanism 806 and the observation system control unit 920 function as the “observation height changing unit” of the present invention as a unit.

また、この実施形態では、フォーカス制御部901およびフォーカス駆動機構432が一体として本発明の「焦点調整手段」として機能している。また、オートフォーカス部を構成する照射部441、受光部442が一体として本発明の「距離検出手段」として機能している。さらに、この実施形態では、アライメントユニット60が本発明の「位置検出手段」として機能している。   In this embodiment, the focus control unit 901 and the focus drive mechanism 432 function as a “focus adjustment unit” of the present invention. Further, the irradiation unit 441 and the light receiving unit 442 constituting the autofocus unit integrally function as the “distance detection unit” of the present invention. Furthermore, in this embodiment, the alignment unit 60 functions as the “position detecting means” of the present invention.

また、図6に示すこの実施形態のキャリブレーション動作においては、ステップS103が本発明の「基準設定工程」に相当しており、ステップS106が「事前焦点調整工程」に相当する。また、ステップS107が本発明の「記憶工程」に相当している。また、図8のステップS201ないしS204が、本発明の「描画時焦点調整工程」に相当している。   In the calibration operation of this embodiment shown in FIG. 6, step S103 corresponds to the “reference setting step” of the present invention, and step S106 corresponds to the “pre-focus adjustment step”. Step S107 corresponds to the “storage process” of the present invention. Further, steps S201 to S204 in FIG. 8 correspond to the “focus adjustment step during drawing” of the present invention.

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、上記実施形態のキャリブレーション動作では、光学ヘッド40a(40b)のキャリブレーションとアライメントユニット60のキャリブレーションとを合わせて行っているが、これに限定されず、描画のための収束光学系について行う焦点調整動作に対してのみ、本発明が適用されてもよい。   The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications other than those described above can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, in the calibration operation of the above embodiment, the calibration of the optical head 40a (40b) and the calibration of the alignment unit 60 are performed together. The present invention may be applied only to the focus adjustment operation to be performed.

また、上記実施形態のキャリブレーション動作では、アライメントカメラ601の焦点位置が基板表面Sの想定位置となるようにアライメントユニット60の鉛直方向位置を設定し、それに合わせてダミー基板上面801aの位置を設定することでダミー基板上面801aの概略位置を基板表面Sの位置に設定している。しかしながら、これに限定されるものではなく、例えばまずダミー基板上面801aの位置を設定してから、これに焦点が合うようにアライメントユニット60の位置調整を行うようにしてもよい。   In the calibration operation of the above embodiment, the vertical position of the alignment unit 60 is set so that the focus position of the alignment camera 601 is the assumed position of the substrate surface S, and the position of the dummy substrate upper surface 801a is set accordingly. Thus, the approximate position of the dummy substrate upper surface 801a is set to the position of the substrate surface S. However, the present invention is not limited to this. For example, the position of the upper surface 801a of the dummy substrate may be set first, and then the position of the alignment unit 60 may be adjusted so as to be focused.

また、上記実施形態のアライメントユニット60および光学ヘッド40a,40におけるオートフォーカス部は、基板表面Sに対して光を照射するともにその反射光を受光し、反射像の位置によって距離検出を行うものであるが、距離検出の手段はこれに限定されるものではなく任意の手段を適用可能である。   In addition, the autofocus unit in the alignment unit 60 and the optical heads 40a and 40 in the above embodiment irradiates the substrate surface S with light and receives the reflected light, and detects the distance based on the position of the reflected image. However, the distance detection means is not limited to this, and any means can be applied.

また、上記実施形態のパターン描画装置100は、回折格子を用いた空間変調器421により光ビームを変調してパターン描画を行う装置であるが、光ビームの変調方式はこれに限定されず、任意の変調方式を用いる描画装置に対して、本発明を適用することが可能である。   The pattern drawing apparatus 100 of the above embodiment is an apparatus that performs pattern drawing by modulating a light beam with a spatial modulator 421 using a diffraction grating. However, the modulation method of the light beam is not limited to this, and is arbitrary. It is possible to apply the present invention to a drawing apparatus that uses this modulation method.

本発明は、基板表面に光ビームを収束させて描画を行う描画装置全般に適用することができる。処理対象となる基板としては、半導体基板、プリント基板、カラーフィルタ用基板、液晶表示装置やプラズマ表示装置に具備されるフラットパネルディスプレイ用ガラス基板、光ディスク用基板など各種のものを用いることが可能である。   The present invention can be applied to any drawing apparatus that performs drawing by focusing a light beam on the surface of a substrate. As a substrate to be processed, various substrates such as a semiconductor substrate, a printed substrate, a color filter substrate, a glass substrate for a flat panel display provided in a liquid crystal display device or a plasma display device, and an optical disk substrate can be used. is there.

10 ステージ
20 ステージ移動機構(移動手段)
40a,40b 光学ヘッド(描画手段)
41 光照射部(描画手段)
60 アライメントユニット(位置検出手段)
80 観察光学系(観察手段)
412 レーザ発振器(光源、描画手段)
430 投影光学系(収束光学系、描画手段)
432 フォーカス駆動機構(焦点調整手段)
441 照射部(距離検出手段)
442 受光部(距離検出手段)
801a (ダミー基板801の)上面(観察光学面)
802 基準マスクパターン(基準パターン)
806 観察系昇降機構(観察高さ変更手段)
901 フォーカス制御部(焦点調整手段)
920 観察系制御部(観察高さ変更手段)
S 基板表面
S103 基準設定工程
S106 事前焦点調整工程
S107 記憶工程
S201〜S204 描画時焦点調整工程
W 基板
10 stage 20 stage moving mechanism (moving means)
40a, 40b Optical head (drawing means)
41 Light irradiation part (drawing means)
60 Alignment unit (position detection means)
80 Observation optical system (observation means)
412 Laser oscillator (light source, drawing means)
430 Projection optical system (convergence optical system, drawing means)
432 Focus drive mechanism (focus adjustment means)
441 Irradiation unit (distance detection means)
442 Light-receiving part (distance detection means)
801a (Dummy substrate 801) upper surface (observation optical surface)
802 Reference mask pattern (reference pattern)
806 Observation system lifting mechanism (observation height changing means)
901 Focus control unit (focus adjustment means)
920 Observation system control unit (observation height changing means)
S Substrate surface S103 Reference setting step S106 Prefocus adjustment step S107 Storage step S201 to S204 Drawing focus adjustment step W substrate

Claims (10)

基板を水平状態に載置可能なステージと、
光源からの光を前記基板表面に略鉛直方向から収束させる収束光学系を有し、収束された光ビームにより前記基板表面に描画する描画手段と、
前記描画手段からの前記光ビームの照射位置を、前記ステージに載置される前記基板に対して水平方向に相対移動させる移動手段と、
前記ステージに載置される前記基板上とは異なる位置で前記光ビームを受光する観察受光面を有し、該観察受光面に入射した光学像を観察する観察手段と、
前記観察受光面の鉛直方向位置を変化させる観察高さ変更手段と、
前記観察高さ変更手段により鉛直方向位置が前記ステージに載置される前記基板表面の鉛直方向位置と略等しく設定された前記観察受光面に対して前記描画手段からの前記光ビームが照射された状態で、前記観察手段により観察される光学像に基づいて前記収束光学系の鉛直方向における焦点位置を調整する焦点調整手段と、
焦点位置が調整された前記収束光学系と前記観察受光面との鉛直方向距離を検出し基準距離として記憶するとともに、前記描画手段による前記基板表面への描画の際に前記収束光学系と前記光ビームが照射される前記基板表面との鉛直方向距離を描画時距離として検出する距離検出手段と
前記ステージに載置される前記基板表面に設けられた基準部を撮像して前記基板と前記光ビームの照射位置との水平方向における相対位置を検出する位置検出手段と
を備え、
前記位置検出手段の鉛直方向における焦点位置が、前記基準距離が検出された時の前記観察受光面の鉛直方向位置に一致し、
前記焦点調整手段は、前記描画手段による前記基板表面への描画の際、前記描画時距離と前記基準距離とに基づいて前記収束光学系の鉛直方向における焦点位置を調整する
ことを特徴とする描画装置。
A stage on which the substrate can be placed horizontally;
A drawing unit that has a converging optical system for converging light from a light source on the substrate surface from a substantially vertical direction, and drawing on the substrate surface by a converged light beam;
Moving means for moving the irradiation position of the light beam from the drawing means in a horizontal direction relative to the substrate placed on the stage;
An observation light receiving surface for receiving the light beam at a position different from the position of the substrate placed on the stage, and an observation means for observing an optical image incident on the observation light receiving surface;
Observation height changing means for changing the vertical position of the observation light receiving surface;
The light beam from the drawing unit is irradiated onto the observation light receiving surface whose vertical position is set substantially equal to the vertical position of the substrate surface placed on the stage by the observation height changing unit. In a state, a focus adjustment unit that adjusts a focus position in the vertical direction of the convergent optical system based on an optical image observed by the observation unit;
A vertical distance between the converging optical system whose focal position is adjusted and the observation light receiving surface is detected and stored as a reference distance, and the converging optical system and the light are drawn when drawing on the substrate surface by the drawing means. Distance detecting means for detecting a vertical distance from the substrate surface irradiated with the beam as a drawing time distance ;
Position detecting means for detecting a relative position in the horizontal direction between the substrate and the irradiation position of the light beam by imaging a reference portion provided on the surface of the substrate placed on the stage ;
The focal position in the vertical direction of the position detection means coincides with the vertical position of the observation light receiving surface when the reference distance is detected,
The focus adjustment means adjusts a focus position in a vertical direction of the convergent optical system based on the drawing distance and the reference distance when drawing on the substrate surface by the drawing means. apparatus.
前記観察受光面が前記光ビームに対する透過性を有する材料で形成され、前記観察手段は前記観察受光面の前記光学像を前記光ビームの入射方向とは反対側から観察する請求項1に記載の描画装置。   The observation light-receiving surface is formed of a material having transparency to the light beam, and the observation unit observes the optical image of the observation light-receiving surface from a side opposite to the incident direction of the light beam. Drawing device. 前記距離検出手段は、前記光ビームが照射される前記基板表面に、前記光ビームの入射方向とは異なる方向から光を照射する照射部と、該光が前記基板表面で反射してなる反射光学像を受光する受光部とを備え、前記受光部に受光された前記反射光学像の位置に基づいて前記収束光学系と前記基板表面との距離を検出する請求項1または2に記載の描画装置。   The distance detecting means includes an irradiation unit that irradiates light on the substrate surface irradiated with the light beam from a direction different from the incident direction of the light beam, and reflective optics formed by reflecting the light on the substrate surface. The drawing apparatus according to claim 1, further comprising: a light receiving unit that receives an image, and detecting a distance between the convergent optical system and the substrate surface based on a position of the reflected optical image received by the light receiving unit. . 前記観察受光面に、前記位置検出手段の焦点位置を調整するための基準パターンが設けられている請求項1ないし3のいずれかに記載の描画装置。 The drawing apparatus according to claim 1, wherein a reference pattern for adjusting a focal position of the position detecting unit is provided on the observation light receiving surface. 前記収束光学系は鉛直方向に移動可能なフォーカシングレンズを備え、前記焦点調整手段は前記フォーカシングレンズの鉛直方向位置を制御する請求項1ないしのいずれかに記載の描画装置。 The converging optical system comprises a possible focusing lens moves in a vertical direction, the focal point adjusting means drawing device according to any one of claims 1 to 4 for controlling the vertical position of the focusing lens. 基板を水平状態に載置可能なステージと、光源からの光を前記基板表面に略鉛直方向から収束させる収束光学系を有し収束された光ビームにより前記基板表面に描画する描画手段と、前記描画手段からの前記光ビームの照射位置を、前記ステージに載置される前記基板に対して水平方向に相対移動させる移動手段と、前記描画装置が前記ステージに載置される前記基板表面に設けられた基準部を撮像して前記基板と前記光ビームの照射位置との水平方向における相対位置を検出する位置検出手段と、を有する描画装置の焦点調整方法において、
水平方向位置が前記ステージに載置される前記基板上とは異なり、かつ鉛直方向位置が前記ステージに載置される前記基板表面の鉛直方向位置と略等しい位置に観察受光面を設定する基準設定工程と、
前記観察受光面に入射させた前記光ビームの光学像を観察し、該光学像が最も小さくなるように、前記収束光学系の鉛直方向における焦点位置を調整する事前焦点調整工程と、
焦点位置調整後の前記収束光学系と前記観察受光面との鉛直方向距離を基準距離として記憶する記憶工程と、
前記ステージに載置した前記基板の表面に前記光ビームを照射して描画を行うとともに、該光ビームが照射される前記基板表面と前記収束光学系との鉛直方向距離を検出し、その検出結果と前記基準距離とに基づいて、前記収束光学系の焦点位置を前記基板表面に合わせる描画時焦点調整工程と
を備え
前記位置検出手段の鉛直方向における焦点位置と、前記基準設定工程で設定される前記観察受光面の鉛直方向位置とを一致させることを特徴とする焦点調整方法。
A stage capable of placing the substrate in a horizontal state; a drawing means for drawing on the substrate surface by a converged light beam having a converging optical system for converging light from the light source on the substrate surface from a substantially vertical direction; and A moving means for moving the irradiation position of the light beam from the drawing means relative to the substrate placed on the stage in a horizontal direction; and the drawing apparatus provided on the substrate surface on which the stage is placed. In a focus adjustment method for a drawing apparatus , the image sensor includes a position detection unit that images a reference portion and detects a relative position in a horizontal direction between the substrate and the irradiation position of the light beam .
Reference setting for setting the observation light receiving surface at a position where the horizontal position is different from that on the substrate placed on the stage and the vertical position is substantially equal to the vertical position of the substrate surface placed on the stage Process,
A pre-focus adjustment step of observing an optical image of the light beam incident on the observation light-receiving surface and adjusting a focus position in the vertical direction of the convergent optical system so that the optical image is minimized;
A storage step of storing a vertical distance between the convergent optical system after the focus position adjustment and the observation light receiving surface as a reference distance;
Drawing is performed by irradiating the surface of the substrate placed on the stage with the light beam, and detecting a vertical distance between the surface of the substrate irradiated with the light beam and the converging optical system. wherein based on the reference distance, the focal position of the converging optical system and a rendering time focusing step of bringing the substrate surface and,
A focus adjustment method, characterized in that a focus position in a vertical direction of the position detection means is matched with a vertical position of the observation light receiving surface set in the reference setting step .
前記描画時焦点調整工程では、前記事前調整工程で設定した前記焦点位置を、前記検出結果と前記基準距離との差に対応した距離だけ変更した位置に、前記収束光学系の焦点位置を調整する請求項に記載の焦点調整方法。 In the drawing focus adjustment step, the focus position of the convergence optical system is adjusted to a position where the focus position set in the pre-adjustment step is changed by a distance corresponding to the difference between the detection result and the reference distance. The focus adjustment method according to claim 6 . 前記観察受光面に基準パターンを設け、前記位置検出手段により前記基準パターンを撮像してその結果に基づき前記位置検出手段の焦点位置を調整する請求項6または7に記載の焦点調整方法。 8. The focus adjustment method according to claim 6 , wherein a reference pattern is provided on the observation light receiving surface, the reference pattern is imaged by the position detection means, and a focal position of the position detection means is adjusted based on the result. 前記位置検出手段の鉛直方向における焦点位置を前記基準設定工程で設定される前記観察受光面の鉛直方向位置と一致させたときの、前記位置検出手段と前記観察受光面との距離を記憶する請求項6ないし8のいずれかに記載の焦点調整方法。 The distance between the position detection unit and the observation light receiving surface when the focus position in the vertical direction of the position detection unit matches the vertical position of the observation light reception surface set in the reference setting step is stored. Item 9. The focus adjustment method according to any one of Items 6 to 8 . 第1の基板に対して前記描画手段による描画を行った後、前記第1の基板と異なる第2の基板に対して前記描画手段による描画を行うとき、
前記第1の基板と前記第2の基板が同じ厚さであれば前記第2の基板に対する前記基準設定工程、前記事前焦点調整工程および前記記憶工程を省略し、前記第1の基板における前記基準距離を用いて前記描画時焦点調整工程を実行する一方、
前記第1の基板と前記第2の基板が異なる厚さであれば前記第2の基板に対して前記基準設定工程、前記事前焦点調整工程、前記記憶工程および前記描画時焦点調整工程を実行する請求項ないしのいずれかに記載の焦点調整方法。
After performing drawing by the drawing unit on the first substrate, and performing drawing by the drawing unit on a second substrate different from the first substrate,
If the first substrate and the second substrate have the same thickness, the reference setting step, the pre-focus adjustment step, and the storage step for the second substrate are omitted, and the first substrate and the second substrate are omitted. While performing the drawing focus adjustment step using a reference distance,
If the first substrate and the second substrate have different thicknesses, the reference setting step, the pre-focus adjustment step, the storage step, and the drawing focus adjustment step are performed on the second substrate. focus adjustment method according to any of claims 6 to 9.
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