JP6129579B2 - 露光装置 - Google Patents

Description

本発明は、光変調素子アレイを用いてパターンを形成するマスクレス露光装置に関し、特に、基板等に投影されるパターンの位置検出に関する。

マスクレス露光装置では、基板が搭載されるステージを走査方向に沿って移動させながら、ＤＭＤ（Digital Micro-mirror Device）などの光変調素子アレイによってパターン光を基板に投影する。そこでは、ステージに載せられた基板上における投影エリア（露光エリア）の位置を検出し、その位置に応じたパターン光を投影するように、２次元状に配列されたマイクロミラーなど光変調素子を制御する。

マイクロメータのオーダーで微細パターンを形成する場合、基板の位置を正確に検出し、パターン光を位置ずれなく投影する必要がある。しかしながら、ＤＭＤの温度変化などに起因して、パターン光の投影位置にずれが生じ、パターン形成位置に誤差が生じることがある。

これを防ぐため、フォトダイオードなどの光センサをステージ脇に複数配置し、ステージを走査しながら位置検出用のパターンを光センサに投影する。検出される露光位置と、あらかじめ用意された基準となる位置情報とを比較することで、露光位置を補正する（例えば、特許文献１参照）。

一方、ステージなどの可動体の位置を精度よく検出するため、２つの光センサの光量変化から基準位置を検出する方法が知られている（特許文献２参照）。そこでは、エンコーダの原点位置、すなわち基準位置を検出するため、走査方向に沿って対称的に位置をずらした１対のフォトダイオードが配置される。

スリットの形成されたスケールを移動させることによって、位置検出用のスリット光がフォトダイオード対の上を通過する。このとき検出される光量変化において、２つのフォトセンサの光量が互いに等しくなる位置を、基準位置として検出する。

特開２００８−１３４３７０号公報 特開平１０−９０００８号公報

フォトダイオードのサイズは、パターン分解能に比べて大きい。また、フォトダイオードの感光特性にはそれぞれ個体差がある。したがって、同じ光強度でパターンを投影しても、検出される光量は微妙に相違する。また、照度ムラなどによって投影する光が瞬間的に不安定になることもあり、高精度に露光位置を検出することが難しい。

したがって、マスクレス露光装置において、フォトダイオードなどのフォトセンサを用いた正確な位置検出が求められる。

本発明の露光装置は、複数の光変調素子をマトリクス状に配列した光変調素子アレイと、光変調素子アレイによる露光エリアを被描画体に対して相対移動させる走査部と、露光エリアが通過するように配置される複数のフォトセンサを有する位置検出部と、複数の光変調素子を制御し、パターン光を被描画体に投影する露光動作制御部とを備える。

複数のフォトセンサは、被描画体を保持するステージ（テーブル）の上面あるいは側面、内部などに設けることが可能である。また、ステージと一体的に設けることも可能であり、取り外し可能に装着することもできる。

描画位置補正を行う場合、本発明の露光動作制御部は、所定間隔で走査方向に並び、各パターン幅が、フォトセンサ幅よりも小さく、フォトセンサ間隔よりも大きい位置検出パターン列の光を投影可能である。これにより、ステージが移動すると、１つの位置検出パターンがフォトセンサを通過するとき、輝度信号レベルが増加、一定、減少をたどる。それとともに、１つの位置検出パターンの光が隣り合うフォトセンサを通過する間にその隣り合うフォトセンサから出力される互いの輝度信号レベルのグラフにおいて、交差する部分が生じる。

フォトセンサの配置間隔、パターン列のパターン間隔などは、任意に設定可能である。複数のフォトセンサを、走査方向に沿って一定間隔に配置し、位置検出パターン列を、一定間隔で並んだ位置検出パターンで構成することが可能である。パターン列の各パターンの形状も任意であり、フォトセンサが各位置検出パターンの通過を個別に検知可能な形状であればよい。例えば、バー状のパターンを走査方向に並べたパターン列の光を投影可能である。

本発明では、位置検出部が、１つの位置検出パターンの光が隣り合うフォトセンサを通過する間にその隣り合うフォトセンサから出力される輝度信号のレベルが等しくなる露光位置を検出し、位置検出パターン列の光の通過に伴って一連の露光位置を時系列に検出する。ここでの露光位置は、所定の位置検出パターンのステージ上での相対位置を表し、例えば、ステージに規定された走査方向に沿う位置座標で表される。

検出される露光位置の数は、フォトセンサの数、パターン列のパターン個数に従う。少なくとも、同一の場所で複数回検出される。また、３つ以上のフォトセンサを設置し、位置検出パターン列を、２つ以上の位置検出パターンによって構成することが可能である。この場合、各位置検出パターンが複数の隣接センサ間で検出されるとともに、同じ隣接センサ間で、パターン列通過により複数の露光位置が検出される。

複数の露光位置を検出することにより、照度ムラ、フォトセンサの個体差などに影響されない位置補正を行うことが可能である。例えば、露光装置に、検出される一連の露光位置と、あらかじめ定められた標準露光位置とに基づいて、露光基準位置を補正する補正部を備えればよい。ここで、標準露光位置は、例えば描画データ上で定められた位置座標によって表すことが可能である。また、露光基準位置としては、例えば、描画開始位置などが定められる。

位置補正については、検出されるそれぞれの露光位置と目標となる標準露光位置との差を求め、加算／加重平均値などの代表的な補正値を算出することが可能である。あるいは、検出される一連の露光位置から代表的な露光位置を算出することも可能である。

位置検出部は様々な構成を採用することが可能であり、複数のフォトセンサからの輝度信号を露光装置の制御部で検出してもよく、あるいは、その前段階で位置検出部、位置算出部を設けてもよい。輝度信号レベルが一致するタイミングを正確に検出するため、例えば位置検出部は、輝度信号の等しくなるタイミングでパルス信号を発生するパルス信号生成部と、検出されたパルス信号に応じて露光位置を算出する位置算出部を備える。

パルス信号生成部、位置検出部の配置構成は様々な構成が可能である。例えば、複数の露光ヘッドを設け、各露光ヘッドに対し位置補正を行う場合、パルス信号生成部をステージに設けることが可能である。

一連の露光位置をパルス信号によって検出する場合、パルス信号が同時に発生することを防ぐのが好ましい。したがって、検出露光動作制御部は、検出される一連のパルス信号を互いに異なるタイミングで発生させるように、位置検出パターン列の光を投影させてもよい。例えば、露光動作制御部が、ほぼ一定の時間間隔で一連のパルス信号が発生するように、所定のパターンピッチで位置検出パターン列の光を投影することができる。

本発明の他の局面における露光装置は、単一の位置検出パターン列の光を投影する。露光装置は、複数の光変調素子をマトリクス状に配列した光変調素子アレイと、光変調素子アレイによる露光エリアを被描画体に対して相対移動させる走査部と、露光エリアが通過するように配置される複数のフォトセンサを有する位置検出部と、複数の光変調素子を制御し、パターン光を被描画体に投影する露光動作制御部とを備え、露光動作制御部が、パターン幅が、フォトセンサ幅よりも小さく、フォトセンサ間隔よりも大きい単一の位置検出パターンの光を投影し、位置検出部が、位置検出パターンの光が隣り合うフォトセンサを通過する間にその隣り合うフォトセンサから出力される輝度信号のレベルが等しくなる露光位置を検出し、位置検出パターンの光の通過に伴って一連の露光位置を時系列に検出する。

本発明の他の態様における露光方法は、複数の光変調素子をマトリクス状に配列した光変調素子アレイによる露光エリアを、露光エリアが通過するように配置された複数のフォトセンサを配置させた被描画体に対し相対移動させ、所定間隔で走査方向に並び、各パターン幅が、フォトセンサ幅よりも小さく、フォトセンサ間隔よりも大きい位置検出パターン列の光を投影し、１つの位置検出パターンの光が隣り合うフォトセンサを通過する間にその隣り合うフォトセンサから出力される輝度信号のレベルが等しくなる露光位置を検出し、位置検出パターン列の光の通過に伴って一連の露光位置を時系列に検出する。

本発明の他の態様における露光方法は、複数の光変調素子をマトリクス状に配列した光変調素子アレイによる露光エリアを、露光エリアが通過するように配置される複数のフォトセンサを配置させた被描画体に対し相対移動させ、パターン幅が、フォトセンサ幅よりも小さく、フォトセンサ間隔よりも大きい単一の位置検出パターンの光を投影し、位置検出パターンの光が隣り合うフォトセンサを通過する間にその隣り合うフォトセンサから出力される輝度信号のレベルが等しくなる露光位置を検出し、位置検出パターンの光の通過に伴って一連の露光位置を時系列に検出する。

本発明によれば、マスクレス露光装置において、正確にパターン形成位置を検出することができる。

第１の実施形態である露光装置の概略的斜視図である。 露光装置の概略的ブロック図である。 フォトセンサ群と位置検出パターン列を示した図である。 フォトセンサとパターンの幅を示した図である。 フォトセンサに入射する光の光量変化を示した図である。 隣接するフォトセンサの光量変化を示した図である。 パルス信号の出力タイミングを時系列的に示した図である。 第２の実施形態におけるフォトセンサ群と位置検出パターンを示した図である。

以下では、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

図１は、第１の実施形態である露光装置の概略的斜視図である。図２は、露光装置の概略的ブロック図である。

露光装置（描画装置）１０は、フォトレジストなどの感光材料を塗布、あるいは貼り付けた基板Ｗへ光を照射することによってパターンを形成するマスクレス露光装置であり、描画部１３が基台１４に搭載されている。

基台１４には、基板Ｗを搭載するステージ１２が走査方向に沿って移動可能に設置されている。ステージ駆動機構１５は、主走査方向Ｘ、副走査方向Ｙに沿ってステージ１２を移動させることができる。

露光装置１０は、パターン光を投影する複数の露光ヘッドを備えており、ここでは１つの露光ヘッド１８のみ図示している。露光ヘッド１８は、ＤＭＤ２２、照明光学系、結像光学系（いずれも図示せず）を備えており、他の露光ヘッドも同様に構成されている。光源２０は、例えば放電ランプ（図示せず）によって構成され、光源駆動部２１によって駆動される。

ベクタデータなどで構成されるＣＡＤ／ＣＡＭデータが露光装置１０へ入力されると、ベクタデータがラスタ変換回路２６に送られ、ベクタデータがラスタデータに変換される。生成されたラスタデータは、バッファメモリ（図示せず）に一時的に格納された後、ＤＭＤ駆動回路２４へ送られる。

ＤＭＤ２２は、微小マイクロミラーを２次元配列させた光変調素子アレイ（光変調器）であり、各マイクロミラーは、姿勢を変化させることによって光の反射方向を選択的に切り替える。ＤＭＤ駆動回路２４によって各ミラーが姿勢制御されることにより、パターンに応じた光が、結像光学系を通じて基板Ｗの表面に投影される。

ステージ駆動機構１５は、コントローラ３０からの制御信号に従い、ステージ１２を移動させる。位置検出部２８は、ステージ１２の端部付近に設置されており、複数のフォトセンサから構成されるフォトセンサ群ＰＤ、およびパルス信号発生部２９を備えている。位置計算部２７は、位置検出部２８から送られてくる信号に基づき、露光位置、すなわち基板Ｗの位置を算出する。

露光動作中、描画ステージ１２は、走査方向Ｘに沿って一定速度で移動する。ＤＭＤ２２全体による投影エリア（以下、露光エリアという）は、基板Ｗの移動に伴って基板Ｗ上を相対的に移動する。露光動作は所定の露光ピッチに従って行なわれ、露光ピッチに合わせてマイクロミラーがパターン光を投影するように制御される。

ＤＭＤ２２の各マイクロミラーの制御タイミングを露光エリアの相対位置に従って調整することにより、露光エリアの位置に描くべきパターンの光が順次投影される。そして、露光ヘッド１８を含めた複数の露光ヘッドにより基板Ｗ全体を描画することによって、基板Ｗ全体にパターンが形成される。

なお、露光方式としては、一定速度で移動する連続移動方式だけでなく、間欠的に移動するステップ＆リピートも可能である。また、露光ショット時の投影エリアを部分的に重ねる多重露光（オーバラップ露光）も可能である。

露光動作を始める前段階においては、パターンを正確な位置に形成するため、露光開始位置に関する補正処理が行われる。ステージ１２を一定速度で移動させながら、位置検出用のパターンの光を投影する。コントローラ３０は、位置計算部２７から送られてくる位置情報に基づき、露光開始位置を補正する。

以下、図３〜７を用いて、露光位置の検出および補正について説明する。

図３は、フォトセンサ群と位置検出パターン列を示した図である。図４は、フォトセンサとパターンの幅を示した図である。図５は、フォトセンサに入射する光の光量変化を示した図である。

フォトセンサ群ＰＤは、Ｎ個のフォトセンサＰ１、Ｐ２、・・・、ＰＮから構成されており、配列ピッチＴの等間隔で走査方向に配列されている。一方、位置検出パターン列ＬＰは、走査方向に関して垂直な一連のバー状パターンＬ１、Ｌ２、Ｌ３、・・・ＬＭから構成される。Ｍ個のパターンＬ１、Ｌ２、Ｌ３、・・・ＬＭは、パターンピッチＪで等間隔に並ぶ。

パターンＬ１、Ｌ２、Ｌ３、・・ＬＭそれぞれのパターン幅Ｋは、フォトセンサ幅Ｚよりも短い。そのため、１つの先頭位置にあるパターンＬ１が１つのフォトセンサを走査中通過するとき、フォトセンサＰ１、Ｐ２と通過するとき、フォトセンサＰ１とフォトセンサＰ２から出力される輝度信号のレベル、すなわちフォトセンサの受光量は、図５に示すように増加、一定、減少を順次辿る。

詳述すると、１つのパターンＬ１の移動によってパターンＬ１の一部がフォトセンサＰ１上に移動するのに伴い、フォトセンサＰ１の光量は増加していく。パターンＬ１全体がフォトセンサＰ１上に位置する間、フォトセンサＰ１の検出する光量は最大光量で一定となる。そして、パターンＬ１の移動先端側がフォトセンサＰ１を超え、フォトセンサＰ１、Ｐ２の間へ移動するのに伴い、フォトセンサＰ１の光量は低下していく。

走査方向に関してフォトセンサＰ１の隣に位置するフォトセンサＰ２においても、同じように光量は増加、一定、減少を辿る。この光量変化は、フォトセンサＰ１に対し、パターンピッチＴに応じた期間だけ遅れて生じる。一方、パターンＬ１の幅Ｋは、隣り合うフォトセンサ間隔Ｂよりも大きい。そのため、パターンＬ１がフォトセンサＰ１、Ｐ２の間を通過する間、フォトセンサＰ１の光量減少、フォトセンサＰ２の光量増加が重なる期間Ｑが生じる（図５参照）。

そして、この期間ＱにおいてフォトセンサＰ１、Ｐ２の光量が一致する位置、地点を、露光位置として検出する。具体的には、パルス信号発生部２９において、光量一致のタイミングでパルス信号が発生し、パターンＬ１の位置、すなわち基板Ｗの位置が検出される。これによって、フォトセンササイズ幅Ｚ以下であるオーダーを要求される露光位置を検知することができる。

パターンＬ１が通過するときに光量一致点を検出した後、続いて順次通過するパターンＬ２、Ｌ３、・・ＬＭに対しても、光量一致点を検出する。その結果、フォイトセンサＰ１、Ｐの２間では、Ｍ回の露光位置が検出される。

さらに、フォトセンサＰ１、Ｐ２だけでなく、隣接するフォトセンサＰｊ、Ｐｊ＋１（１≦ｊ≦Ｎ−１）の間においても、光量一致点を露光位置として検出する。したがって、Ｎ個のフォトセンサＰ１、Ｐ２、・・・、ＰＮ上を、Ｍ個のパターンＬ１、Ｌ２、・・ＬＭが通過するとき、（Ｎ−１）×Ｍ回露光位置が検出される。すなわち、（Ｎ−１）個あるフォトセンサの隙間において、それぞれＭ回露光位置が検出される。

図６は、隣接するフォトセンサＰ１、Ｐ２の光量変化を示した図である。図７は、パルス信号の出力タイミングを時系列的に示した図である。

位置検出パターン列ＬのパターンピッチＪは、以下の式を満たすように定められている。ただし、Ｔはフォトセンサピッチ、ＳＡは検出される総パルス数、Ｍはパターン数、Ｎはフォトセンサ数Ｎを表す。

Ｊ＝Ｔ／Ｍ＋Ｔ
ＳＡ＝（Ｎ−１）Ｍ ・・・（１）

このようにパターンピッチＪを設定することにより、互いに隣り合うフォトセンサ間で出力される一連のパルス信号の出力タイミングが重ならず、ほぼ一定間隔で時系列的に出力される。図６には、パルスピッチＰＳで出力されるパルス信号が図示されている。

そして、出力される一連のパルス信号に基づき、露光位置の演算、露光開始位置の補正が実行される。カウンタ、ラッチ回路などを含む位置計算部２７では、ステージ１２の移動速度、エンコーダ信号等に基づき、時系列的に順次出力される一連のパルス信号から、各パターンの露光位置、すなわち基板上におけるＸ位置座標が算出される。

コントローラ３０では、各パルス信号から算出される露光位置に対し、あらかじめ設定された標準露光位置との差を順次算出する。標準露光位置としては、（Ｎ−１）個ある隣接フォトセンサ間の中間地点の位置座標が、あらかじめ記憶、設定されている。

検出されるすべての露光位置座標に対して補正値を算出した後、その平均値が求められる。この平均値によって、露光開始位置が補正される。実際の描画処理を行うとき、露光開始タイミングを補正値だけシフトさせて描画を開始する。ここでは、複数の露光ヘッドそれぞれに対し、露光開始位置が基板Ｗの基準位置として補正される。

このように本実施形態によれば、複数のフォトセンサＰ１〜ＰＮを走査方向Ｘに沿って等間隔に配列させた位置検出部２８がステージ１２に設置されており、走査方向Ｘに沿って等間隔で配列したバー状／スリット状パターンＬ１〜ＬＭから成る位置検出パターン列Ｌが、走査時に投影される。そして、パターン列通過の間、互いに隣接するフォトセンサの受光量が等しくなる位置が露光位置として時系列に検出され、検出される（Ｎ−１）×Ｍ個の露光位置に基づき、基準位置が補正される。

走査方向に並ぶ複数のフォトセンサにパターン列を投影することによって、多数の場所で露光位置を検出するとともに、同一地点においても多数の露光位置を検出する。これにより、パターン光の照度ムラ、外乱による光量変動の影響、あるいは、フォトセンサの個体差（フォトセンサの出力特性の相違）、経時変化などといった影響を受けることなく、正確な露光位置の検出を、一度の走査で行うことができる。また、フォトセンササイズ、フォトセンサ間隔の極小化などデバイス構造上困難であってコストのかかる構成を用いなくても、精度ある露光位置を検出することができる。

パルス信号発生によって露光位置を検出するため、ステージ上において検出部の構成を簡素化できる。特に、複数の露光ヘッドを配置させた場合、各露光ヘッドにおいてパルス信号を発生させ、位置計算部を単一回路として設けることが可能であり、位置検出部の構成を簡素化できる。さらに、時系列的に出力されるパルス信号が同時、もしくは重なって出力しないようにパターンピッチ等を設定しているため、数多くの露光位置を検出することが可能となる。

パターン列のパターン数、パターン形状、フォトセンサ数は任意である。異なるフォトセンサ間で複数回露光位置を検出することを考慮すれば、２つ以上のパターンから成るパターン列を構成し、３つ以上のフォトセンサでフォトセンサ群を構成すればよい。また、フォトセンサについては、取り外し可能に配置する構成にしてもよい。

位置検出パターンの形状、パターンピッチ、フォトセンサピッチ、フォトセンサ幅、パターン幅においても、各パターン通過時において、隣り合うフォトセンサの間で光量変化が生じ、光量一致点が抽出できるように設定すればよい。すなわち、パターン幅がフォトセンサ幅よりも小さく、隣接フォトセンサ間の距離よりも大きくなるようにすればよい。

露光位置の算出については、検出される一連の露光位置から平均値などの代表的露光位置を先に算出し、平均値と標準値との差に基づいて露光開始位置を補正するように構成してもよい。パルス信号発生以外の構成によって光量が等しくなる露光位置を検出するように構成することも可能である。

次に、図８を用いて、第２の実施形態について説明する。第２の実施形態では、１つのバー状パターンが位置検出パターンとして用いられる。

図８は、第２の実施形態におけるフォトセンサ群と位置検出パターンを示した図である。

図８に示すように、Ｎ個のフォトセンサＰ１〜ＰＮから成るフォトセンサ群ＰＤに対し、パターン幅Ｋの位置検出パターンＬを投影する。ただし、Ｎ≧３とする。これにより、隣接するフォトセンサ間において光量が等しくなる露光位置が（Ｎ−１）だけ検出される。そして、検出された露光位置とあらかじめ設定された標準となるＮ−１個の露光位置との差に基づき、描画開始位置が補正される。このような構成によっても、異なる場所での複数回の露光位置検出によって正確に露光位置を補正することができる。

１０ 露光装置
２２ ＤＭＤ（光変調素子アレイ）
２８ 位置検出部
３０ コントローラ

Claims (10)

1. 複数の光変調素子をマトリクス状に配列した光変調素子アレイと、
   前記光変調素子アレイによる露光エリアを被描画体に対して相対移動させる走査部と、
   前記露光エリアが通過するように配置される複数のフォトセンサを有する位置検出部と、
   前記複数の光変調素子を制御し、パターン光を前記被描画体に投影する露光動作制御部とを備え、
   前記露光動作制御部が、所定間隔で走査方向に並び、各パターン幅が、フォトセンサ幅よりも小さく、フォトセンサ間隔よりも大きい位置検出パターン列の光を投影し、
   前記位置検出部が、１つの位置検出パターンの光が隣り合うフォトセンサを通過する間にその隣り合うフォトセンサから出力される輝度信号のレベルが等しくなる露光位置を検出し、位置検出パターン列の光の通過に伴って一連の露光位置を時系列に検出することを特徴とする露光装置。
2. 前記複数のフォトセンサが、３つ以上のフォトセンサで構成され、
   前記位置検出パターン列が、２つ以上の位置検出パターンによって構成されることを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
3. 前記位置検出部が、
   輝度信号の等しくなるタイミングでパルス信号を発生するパルス信号生成部と、
   検出されたパルス信号に応じて露光位置を算出する位置算出部と
   を備えたことを特徴とする請求項１乃至２のいずれかに記載の露光装置。
4. 前記パルス信号生成部が、前記ステージに設けられていることを特徴とする請求項３に記載の露光装置。
5. 前記露光動作制御部が、検出される一連のパルス信号を互いに異なるタイミングで発生させるように、位置検出パターン列の光を投影することを特徴とする請求項３乃至４のいずれかに記載の露光装置。
6. 前記露光動作制御部が、ほぼ一定の時間間隔で一連のパルス信号が発生するように、所定のパターンピッチで位置検出パターン列の光を投影することを特徴とする請求項５に記載の露光装置。
7. 前記複数のフォトセンサが、走査方向に沿って一定間隔に配置され、
   前記位置検出パターン列が、一定間隔で並んだ位置検出パターンで構成されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の露光装置。
8. 前記複数のフォトセンサが、前記被描画体の搭載されるステージに一体的に設けられていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の露光装置。
9. 検出された前記一連の露光位置と、あらかじめ定められた標準露光位置とに基づいて、露光基準位置を補正する補正部をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の露光装置。
10. 複数の光変調素子をマトリクス状に配列した光変調素子アレイによる露光エリアを、前記露光エリアが通過するように配置された複数のフォトセンサを配置させた被描画体に対し相対移動させ、
    所定間隔で走査方向に並び、各パターン幅が、フォトセンサ幅よりも小さく、フォトセンサ間隔よりも大きい位置検出パターン列の光を投影し、
    １つの位置検出パターンの光が隣り合うフォトセンサを通過する間にその隣り合うフォトセンサから出力される輝度信号のレベルが等しくなる露光位置を検出し、位置検出パターン列の光の通過に伴って一連の露光位置を時系列に検出することを特徴とする露光位置検出方法。
    

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