KR101339546B1 - 묘화 장치 및 그 초점 조정 방법 - Google Patents

Abstract

관찰 광학계(80)의 더미 기판(801)과 관찰용 카메라(803)를 일체적으로 승강 가능하게 한다. 더미 기판(801)의 상면(801a)을 스테이지(10)상의 기판(W)의 표면(S)과 대략 동일한 높이로 설정하고, 관찰용 카메라(803)에 의해 관찰되는 더미 기판 상면(801a)에서의 묘화 광학상이 가장 작아지도록, 광학 헤드(40a)의 포커싱 렌즈(431)의 위치를 조정한다. 이 때의 광학 헤드(431)와 더미 기판 상면(801a)의 거리를 기준 거리로서, 오토 포커스부(441, 442)에 의한 오토 포커스 동작을 실행한다.

Description

묘화 장치 및 그 초점 조정 방법{DRAWING APPARATUS AND FOCUS ADJUSTING METHOD OF THE DRAWING APPARATUS}

이 발명은, 기판 표면에 광 빔을 조사하여 묘화(描畵)를 행하는 묘화 장치, 및 상기 묘화 장치의 초점 조정 방법에 관한 것이다.

스테이지에 재치(載置)된 기판의 표면에 광 빔을 수속(收束)시켜서 묘화를 행하는 묘화 장치에 있어서, 광 빔을 기판 표면에 올바르게 수속시키기 위한 수속 광학계의 초점 조정이 필요하다. 그렇지만, 묘화를 행하면서 초점이 맞고 있는지 아닌지를 동시에 검출하는 것은 어렵다. 그 때문에, 수속 광학계에 대한 기판의 상대적인 위치를 수속 광학계의 초점 위치에 따라 피드백 제어함으로써, 간접적으로 초점 조정을 행하는 오토 포커스 기술이 제안되어 있다.

예를 들면 특허 문헌 1에 기재된 기술에서는, 묘화용 레이저 빔이 조사되는 기판 표면에 그 광축에 대하여 경사 방향으로부터 다른 빛을 조사하는 것과 동시에 기판으로부터의 반사광을 수광한다. 그리고, 묘화 헤드와 기판 표면의 거리에 따라 반사광의 수광 위치가 변화하는 것을 이용하여, 기판에 대한 묘화 헤드의 높이를 조정하는 것으로 초점 조정을 행하고 있다.

또한 예를 들면, 특허 문헌 2에 기재된 기술에서는, 묘화 헤드로부터의 레이저광의 투영면을 좁게 하여 묘화 헤드의 반대 측에 설치된 CCD 센서에 의해서 투영면에 있어서의 수속 광학상을 검출한다. 그리고, 상(像)의 콘트라스트(contrast)를 최대화하도록 포커싱(focusing) 렌즈의 위치를 조정함으로써, 레이저광을 투영면 상으로 수속시키도록 하고 있다.

[특허문헌 1] 특개평 9-318839호 공보(예로써, 단락 0048) [특허문헌 2] 특개 2009-246165호 공보(예로써, 도 2)

특허 문헌 1에 기재된 기술에서는, 묘화 헤드의 수속 광학계의 초점 위치가 변동하지 않는 것이 전제가 되고 있다. 즉, 묘화 헤드와 기판과의 거리를 미리 정해진 값으로 유지하도록 제어가 행해진다. 그렇지만, 실제로는 수속 광학계의 초점 위치에는 편차나 경시변화(經時變化)가 있기 때문에, 단순히 묘화 헤드와 기판과의 거리를 일정하게 유지하는 제어로는, 반드시 초점 위치를 기판 표면에 일치시킬 수 있다고 할 수 없다.

또한 특허 문헌 2에 기재된 기술에서는, 경시 변화를 포함한 실제의 수속 광학계의 초점 위치를 파악하는 것이 가능하지만, 기판의 묘화시에 있어서 포커스 제어에 대해서는 특허 문헌 2에는 기재되지 않았다. 이 때문에, 묘화시의 초점 위치를 기판 표면에 일치시키는 것이 가능한지 아닌지에 대해서는 불명확하다. 또한 미리 설정된 투영면 상에서의 관찰을 행하고 있는 것부터, 예를 들면 기판의 두께가 변화했을 경우에 대응하기 위해서는, 특허 문헌 2에 개시되지 않는 구성이 별도로 필요하다고 생각할 수 있다.

이와 같이, 수속 광학계의 경시 변화에도 대응하면서 묘화 시의 기판 표면에 수속 광학계의 초점위치를 적정하게 조정한다고 하는 점에 있어서, 상기 종래 기술은 개량의 여지가 남아 있다. 특히, 다른 두께의 기판에도 대응할 수 있는 초점 조정 기술은, 현시점에서는 확립되어 있다고는 말할 수 없다.

본 발명은 상기 과제에 비추어 고려된 것이며, 기판 표면에 대해 광 빔을 조사하여 묘화하는 묘화 장치, 및 그 초점 조정 방법에 있어서, 수속 광학계의 경시 변화에 대응하는 것이 가능하고, 또한 묘화시에 수속 광학계의 초점 위치를 기판 표면에 적정하게 조정하는 것이 가능한 기술을 제공하는 것을 제1 목적으로 한다. 또한, 다른 두께의 기판에 대응하여, 각각의 기판 표면에 수속 광학계의 초점 위치를 적정하게 조정할 수 있는 기술을 제공하는 것을 제2 목적으로 한다.

본 발명에 관한 묘화 장치는, 상기 제1 및 제2 목적을 달성하기 위해, 기판을 수평 상태로 재치 가능한 스테이지와, 광원으로부터의 빛을 연직(鉛直) 방향에서 상기 기판 표면에 수속(收束)시키는 수속 광학계를 가지고, 수속된 광 빔에 의해 상기 기판 표면에 묘화(描畵)하는 묘화수단과, 상기 묘화수단으로부터의 상기 광 빔의 조사 위치를, 상기 스테이지에 재치된 상기 기판에 대해 수평 방향으로 상대 이동시키는 이동수단과, 상기 기판 상(上)과는 다른 위치에서 상기 광 빔을 수광하는 관찰 수광면(觀察 受光面)을 가지고, 해당 관찰 수광면에 입사한 광학상을 관찰하는 관찰 수단과, 상기 관찰 수광면의 연직 방향 위치를 변화시키는 관찰높이 변경수단과, 상기 관찰 수단에 의해 관찰되는 광학상에 근거하여 상기 수속 광학계의 연직 방향에 있어서의 초점위치를 조정하는 초점조정수단과, 상기 수속 광학계와 상기 관찰 수광면의 연직 방향 거리, 및, 상기 수속 광학계와 상기 기판 표면의 연직 방향 거리를 각각 검출하는 거리 검출 수단을 구비하고, 상기 관찰높이 변경수단이 상기 관찰 수광면의 연직 방향 위치를 상기 기판 표면의 연직 방향 위치와 동일하게 설정하고, 또한 해당 관찰 수광면에 대해서 상기 묘화수단으로부터 상기 광 빔을 조사한 상태에서, 상기 초점 조정 수단이 상기 광학상에 근거하여 상기 수속 광학계의 초점 위치를 조정하며, 상기 거리 검출 수단은, 초점 위치가 조정된 상기 수속 광학계와 상기 관찰 수광면의 연직 방향 거리를 기준 거리로서 검출해 두고, 상기 묘화수단에 의한 상기 기판 표면의 묘화 시에는, 상기 거리 검출 수단이 상기 수속 광학계와 상기 광 빔이 조사되는 상기 기판 표면의 연직 방향 거리를 묘화시거리(描畵時距離)로서 검출하며, 해당 묘화시거리와 상기 기준 거리에 근거하여 상기 초점 조정 수단이 상기 수속 광학계의 연직 방향에 있어서의 초점 위치를 조정하는 것을 특징으로 하고 있다.

또한, 본 발명에 관한 초점 조정 방법은, 상기 제1 및 제2 목적을 달성하기 위해, 기판을 수평 상태로 재치 가능한 스테이지와, 광원으로부터의 빛을 상기 기판 표면에 연직(鉛直) 방향에서 수속(收束)시키는 수속 광학계를 가지고 수속된 광 빔에 의해 상기 기판 표면에 묘화(描畵)하는 묘화수단과, 상기 묘화수단으로부터의 상기 광 빔의 조사 위치를, 상기 스테이지에 재치되는 상기 기판에 대해 수평 방향으로 상대 이동시키는 이동수단을 가지는 묘화 장치의 초점 조정 방법에 있어서, 수평 방향 위치가 상기 스테이지에 재치되는 상기 기판 상(上)과는 다르고, 또한 연직 방향 위치가 상기 스테이지에 재치되는 상기 기판 표면의 연직 방향 위치와 같은 위치에 관찰 수광면(觀察 受光面)을 설정하는 기준 설정 공정과, 상기 관찰 수광면에 입사시킨 상기 광 빔의 광학상을 관찰하고, 해당 광학상이 가장 작게 되도록, 상기 수속 광학계의 연직 방향에 있어서의 초점 위치를 조정하는 사전(事前) 초점 조정 공정과, 초점 위치 조정 후의 상기 수속 광학계와 상기 관찰 수광면의 연직 방향 거리를 기준 거리로서 기억하는 기억 공정과, 상기 스테이지에 재치한 상기 기판의 표면에 상기 광 빔을 조사하여 묘화를 행하는 것과 동시에, 해당 광 빔이 조사되는 상기 기판 표면과 상기 수속 광학계의 연직 방향 거리를 검출하고, 그 검출 결과와 상기 기준 거리에 근거하여, 상기 수속 광학계의 초점 위치를 상기 기판 표면에 맞추는 묘화시(描畵時) 초점조정 공정을 구비하는 것을 특징으로 하고 있다. 또한, 여기서 「광학상이 가장 작게 된다」는 것은, 광 빔이 가장 좁혀져 상의 콘트라스트가 최대가 되는 상태이다.

이와 같이 구성된 발명에서는, 특허 문헌 2에 기재된 기술과 같이, 관찰 수광면에 수속해 광 빔의 광학상을 관찰하여 수속 광학계의 초점 위치가 조정된다. 거기에 더하여, 관찰 수광면의 연직 방향 위치가 변경 가능하게 되어 있고, 스테이지 상의 기판 표면과 대략 동일한 연직 방향 위치로 설정됨과 동시에, 수속 광학계의 초점 위치가 관찰 수광면 상에 조정되었을 때의 수속 광학계와 관찰 수광면의 연직 방향 거리가 기준 거리로 된다. 그리고, 묘화수단에 의한 기판 표면의 묘화 시에는, 그 때의 수속 광학계와 기판 표면의 거리(묘화시 거리)와 기준거리에 근거하여 수속 광학계의 초점 위치가 조정된다. 이것에 의해, 상기 제1 및 제2 목적을 달성된다.

보다 구체적으로는 다음과 같다. 우선, 묘화시의 수속 광학계와 기판 표면의 거리를 검출하여 수속 광학계의 초점 위치를 조정한다고 하는 기술은 특허 문헌 1에도 기재되어 있다. 그러나 특허 문헌 1에 기재된 기술에서는, 본 발명의 기준 거리에 대응하는 목표 초점 위치에, 수속 광학계의 실제의 초점 위치를 반영시키는 수단이 없었다. 이것에 대해 본 발명에서는, 관찰 수광면에 있어서의 관찰에 의해 실제의 수속 광학계에 있어서의 초점 위치를 조정하여, 그 때의 수속 광학계와 관찰 수광면의 거리를 기준 거리로서 설정하고 있다. 그 때문에, 이 기준 거리를 근거로 하여 묘화시의 초점 위치의 조정을 행함으로써, 초점 위치를 기판 표면에 일치시키는 것이 가능하다. 또한 거리 검출 수단 및 수속 광학계의 특성에 경시 변화가 있어도, 상기와 같은 동작을 행하는 것으로 그 시점의 특성에 따른 기준 거리가 설정되어 초점 조정이 행해지므로, 장치의 경시 변화에도 대응할 수 있다. 이것에 의해, 제1 목적이 달성된다.

또한, 이러한 기준 거리의 설정을, 연직 방향에 있어서 기판 표면과 대략 동일한 위치에 설치된 관찰 광학면을 이용하여 행하고, 또한 관찰 광학면의 연직 방향 위치가 가변하기 때문에, 기판의 두께가 바뀌어 기판 표면의 연직 방향 위치가 변화했을 경우에도, 그 위치에 맞추어 정확하게 초점 위치를 설정할 수 있다. 이것에 의해, 제2 목적이 달성된다.

상기 발명에 관한 묘화 장치에서는, 예를 들면, 관찰 수광면이 광 빔에 대한 투과성을 갖는 재료로 형성되고, 관찰 수단은 관찰 수광면의 광학상을 광 빔의 입사 방향과는 반대측으로부터 관찰하도록 구성되어도 좋다. 이와 같이 하면, 광 빔의 광축상에서 광학상을 관찰하는 것이 가능해져, 그 크기를 정밀도 높게 검출할 수 있으므로, 초점 위치의 조정을 고정밀도로 행하는 것이 가능하다.

또한, 예를 들면, 거리 검출 수단은, 광 빔이 조사되는 기판 표면에, 광 빔의 입사방향과는 다른 방향에서 빛을 조사하는 조사부와, 해당 빛이 기판 표면에서 반사해서 이루어지는 반사 광학상를 수광하는 수광부를 구비하고, 수광부에 수광된 반사광학상의 위치에 근거하여 수속 광학계와 기판 표면과의 거리를 검출하는 것이어도 좋다. 이와 같이 하면, 수속 광학계와 기판표면의 거리가 수광부에 입사하는 반사 광학상의 위치에 반영되기 때문에, 이것을 검출하는 것으로, 수속 광학계와 기판 표면과의 거리를 파악하는 것이 가능하다. 또한, 같은 구성에 의해 관찰 수광면으로부터의 반사 광학상을 수광하는 것으로, 수속 광학계와 관찰 수광면의 거리에 있어서도 동일하게 구할 수 있다.

또한 예를 들면, 스테이지에 재치되는 기판 표면에 설치된 기준부를 촬상하여 기판과 광 빔의 조사 위치와의 수평 방향에 있어서의 상대 위치를 검출하는 위치 검출 수단을 구비하고, 위치 검출 수단의 연직 방향에 있어서의 초점 위치가, 기준 거리가 검출되었을 때의 관찰 수광면의 연직 방향 위치에 일치하도록 구성되어도 좋다. 이러한 위치 검출 수단을 설치하는 것으로, 기판과 광 빔의 조사 위치와의 수평 방향에 있어서의 위치 맞춤, 즉 얼라이먼트(alignment) 조정이 가능하다. 그리고, 위치 검출 수단의 초점 위치를 기준 거리가 검출되었을 때의 관찰 수광면의 연직 방향 위치에 맞춤으로써, 위치 검출 수단, 초점 조정 수단 및 거리 검출 수단이 모두 관찰 수광면을 통하여 통일된 기준에 근거하여 동작하게 되므로, 이것들이 연휴(連携)하여 행하는 묘화 동작을 보다 고정밀도로 제어할 수 있다.

이 경우, 예를 들면, 관찰 수광면에, 위치 검출 수단의 초점 위치를 조정하기 위한 기준패턴이 설치되어 있어도 좋다. 이와 같이 함으로써, 관찰 수광면 상의 기준 패턴을 이용하여 위치 검출 수단의 초점 위치를 조정하는 것과 동시에, 상기한 초점 조정 수단과 거리 검출 수단의 공통의 기준 설정을 행할 수 있으므로, 묘화 전(前)의 조정 동작을 효율 좋게 행하는 것이 가능하다.

이러한 묘화 장치에서는, 예를 들면, 수속 광학계는 연직 방향으로 이동 가능한 포커싱 렌즈를 구비하고, 초점 조정 수단은 포커싱 렌즈의 연직 방향 위치를 제어하도록 해도 좋다. 이것에 의해 광원이나 수속 광학계의 전체를 움직일 필요가 없고, 또한 위치 제어의 정밀도 향상을 도모할 수 있다.

또한 본 발명에 관한 초점 조정 방법에서는, 예를 들면, 묘화시 초점 조정 공정에서는, 사전조정공정으로 설정한 초점 위치로부터 검출 결과와 기준 거리의 차이에 대응한 거리만 이동(시프트; shift)시킨 위치에, 수속 광학계의 초점 위치를 조정하도록 해도 좋다. 이렇게 함으로써, 묘화시의 수속 광학계와 기판 표면과의 거리와 기준 거리의 차이를 캘리브레이션(calibration)하도록 초점 위치를 변경하고, 광 빔을 기판 표면에 수속시킬 수 있다.

또한 예를 들면, 묘화 장치가, 스테이지에 재치되는 기판 표면에 설치된 기준부를 촬상하여 기판과 광 빔의 조사 위치의 수평 방향에 있어서의 상대 위치를 검출하는 위치 검출 수단을 구비한 경우, 위치 검출 수단의 연직 방향에 있어서의 초점 위치와, 기준 설정 공정으로 설정되는 관찰 수광면의 연직 방향 위치를 일치시키도록 해도 좋다. 이렇게 함으로써, 상기한 것처럼, 수평 방향의 위치 맞춤과 연직 방향의 초점 위치 조정을 동일한 기준에 근거하여 행하는 것이 가능하므로, 묘화의 정밀도 향상을 도모할 수 있다.

이 경우에도, 예를 들면, 관찰 수광면에 기준 패턴을 설치하고, 위치 검출 수단에 의해 기준패턴을 촬상하여 그 결과에 근거하여 초점 위치의 조정을 행하도록 하여도 좋다.

이러한 경우에 있어서, 예를 들면, 위치 검출 수단의 연직 방향에 있어서의 초점 위치를 기준 설정 공정으로 설정되는 관찰 수광면의 연직 방향 위치와 일치시켰을 때의 위치 검출 수단과 관찰 수광면의 거리를 기억해 두도록 하여도 좋다. 이 거리는, 수속 광학계의 초점 조정에 있어서의 기준 거리와 같이, 위치 검출 수단에 있어서의 초점 조정을 위한 기준이 되는 것이다. 하지만, 이것을 기준 거리와 함께 기억해 두는 것으로, 수속 광학계와 위치 검출 수단의 연직방향에 있어서의 상대적인 위치 관계를 파악하면서 각 부(部)의 제어를 행할 수 있다. 또한 예를 들면 묘화 대상이 되는 기판의 두께에 변동이 있는 경우, 그 변동분을 가미(加味)한 제어를 수속 광학계와 위치 검출 수단의 각각에 대하여 실행하는 것이 가능해진다.

또한 이러한 초점 조정 방법에 있어서, 제1 기판에 대해 묘화수단에 의한 묘화를 행한 후, 제1 기판과 다른 제2 기판에 대해 묘화수단에 의한 묘화를 행할 때, 예를 들면, 그러한 기판이 같은 두께이면 제2 기판에 대한 기준 설정 공정, 사전초점조정공정 및, 기억 공정을 생략하고, 제1 기판에 있어서의 기준 거리를 이용하여 묘화시 초점 조정 공정을 실행하는 한편, 다른 두께이면 제2 기판에 대해 기준 설정 공정, 사전 초점 조정 공정, 기억공정 및 묘화시 초점 조정 공정을 실행하도록 하여도 좋다.

복수의 기판에 대해 전후(前後)하여 묘화를 행하는 경우, 기판의 두께가 같으면 연직 방향의 조정결과를 변경할 필요가 없기 때문에, 후의 기판에 대해서는 초점 위치의 조정을 생략하는 것으로, 스르풋(Throughput)의 향상을 도모하는 것이 가능하다. 한편, 두께가 다른 경우, 다시 상기의 동작을 행함으로써, 그 시점의 장치 상태가 반영된 조정이 행해지므로, 장치의 경시 변화에도 대응하여, 안정되게 고정밀도의 묘화를 행하는 것이 가능하다.

본 발명에 의하면, 연직 방향에 있어서 기판 표면과 대략 동일한 위치에 설치된 관찰 수광면에 묶인 광 빔의 광학상에 근거하여 수속 광학계의 초점 조정을 행하는 것과 동시에, 그 때의 수속 광학계와 관찰 수광면의 거리를 기준 거리로서, 기판 표면의 묘화시에는, 수속 광학계와 기판 표면의 거리와, 기준 거리에 근거하여 수속 광학계의 초점 위치를 조정한다. 이것에 의해, 수속 광학계나 위치 검출 수단의 특성의 경시 변화에 의하지 않고, 묘화시 수속 광학계의 초점 위치를 안정되게 기판 표면에 일치시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 관한 패턴 묘화 장치의 일실시 형태를 나타내는 정면도이다.
도 2는 도 1의 패턴 묘화 장치의 상면도이다.
도 3은 광학 헤드(40a)의 구성을 보다 자세하게 나타내는 도이다.
도 4는 캘리브레이션을 행하기 위한 구성을 나타내는 도이다.
도 5는 얼라이먼트 유닛의 상세 구성을 나타내는 도이다.
도 6은 본 장치에 있어서의 캘리브레이션(calibration) 동작을 나타내는 플로차트(flow chart)이다.
도 7은 도 6의 동작에 있어서 공정의 일부를 모식적으로 나타내는 도이다.
도 8은 묘화시의 포커스 조정 동작을 나타내는 플로차트(flow chart)이다.
도 9는 묘화시의 포커스 조정 동작을 모식적으로 나타내는 도이다.

도 1은, 본 발명에 관한 패턴 묘화 장치의 일실시 형태를 나타내는 정면도이다. 또한 도 2는 도 1의 패턴 묘화 장치의 상면도이다. 패턴 묘화 장치(100)는, 레지스터(resist) 등의 감광 재료의 층이 형성된 기판(W)의 상면에 빛을 조사하여 패턴을 묘화하는 장치이다. 또한 기판(W)은, 반도체 기판, 프린트 기판, 컬러 필터용 기판, 액정표시장치나 플라즈마 표시장치에 구비되는 플랫 패널 디스플레이용 유리 기판, 광디스크용 기판 등의 각종 기판 중 어느 하나여도 좋다. 도시된 예에서는 원형의 반도체 기판의 표면에 형성된 하층 패턴에 겹쳐서 상층 패턴이 묘화된다.

패턴 묘화 장치(100)은, 본체 프레임(101)으로 구성되는 골격의 천정면 및 주위 면에 커버 패널(도시 생략)이 설치되는 것에 의해 형성되는 본체 내부와, 본체 프레임(101)의 외측인 본체 외부에, 각종의 구성요소를 배치한 구성으로 되어 있다.

패턴 묘화 장치(100)의 본체 내부는, 처리 영역(102)과 수수(授受)영역(103)으로 구분되어 있다. 이러한 영역 중 처리 영역(102)에는, 주로, 스테이지(10), 스테이지 이동기구(20), 스테이지 위치 계측부(30), 광학 유닛(40), 얼라이먼트 유닛(60)이 배치된다. 한편, 수수 영역(103)에는, 처리 영역(102)에 대한 기판(W)의 반출입을 행하는 반송 로봇 등의 반송 장치(70)가 배치된다.

또한 패턴 묘화 장치(100)의 본체 외부에는, 얼라이먼트 유닛(60)에 조명빛을 공급하는 조명 유닛(61)이 배치된다. 또한 동일 본체 외부에는, 패턴 묘화 장치(100)가 구비되는 장치 각 부와 전기적으로 접속되어, 이들 각 부의 동작을 제어하는 제어부(90)가 배치된다.

또한 패턴 묘화 장치(100)의 본체 외부에서, 수수 영역(103)에 인접하는 위치에는, 카셋트(C)를 재치하기 위한 카셋트 재치부(104)가 배치된다. 또한 카셋트 재치부(104)에 대응하여, 본체 내부의 수수 영역(103)에 배치된 반송 장치(70)는, 카셋트 재치부(104)에 재치된 카셋트(C)에 수용된 미처리의 기판(W)을 꺼내서 처리 영역(102)에 반입(로딩)하는 것과 동시에, 처리 영역(102)으로부터 처리필(濟; finish)된 기판(W)을 반출(언로딩)하여 카셋트(C)에 수용한다. 카셋트 재치부(104)에 대한 카세트(C)의 수수(授受)는, 도시하지 않는 외부 반송 장치에 의해서 행해진다. 이 미처리 기판(W)의 로딩 처리 및 처리필 기판(W)의 언로딩 처리는 제어부(90)으로부터의 지시에 따라 반송 장치(70)가 동작하는 것으로 행해진다.

스테이지(10)는, 평판 모양의 외형을 가지고, 그 상면에 기판(W)를 수평 자세로 재치하여 보관 유지하는 유지부이다. 스테이지(10)의 상면에는, 복수의 흡인공(吸引孔)(도시 생략)이 형성되어 있고, 이 흡인공에 부압(흡인압)을 부여하는 것에 의해서, 스테이지(10)상에 재치된 기판(W)을 스테이지(10)의 상면에 고정 보관 유지할 수 있게 되어 있다. 그리고, 스테이지(10)는 스테이지 이동기구(20)에 의해 이동한다.

스테이지 이동기구(20)는, 스테이지(10)를 주 주사방향(Y축방향), 부 주사방향(X축 방향), 및 회전 방향(Z축 주위의 회전 방향(θ축방향))으로 이동시키는 기구이다. 스테이지 이동기구(20)는, 스테이지(10)를 회전 가능하게 지지하는 지지 플레이트(22)를 지지하는 베이스 플레이트(24)와, 지지 플레이트(22)를 부주사 방향으로 이동시키는 부주사 기구(23)와, 베이스 플레이트(24)를 주주사 방향으로 이동시키는 주주사 기구(25)를 구비한다. 부주사 기구(23) 및 주주사 기구(25)는, 제어부(90)로부터의 지시에 따라 스테이지(10)를 이동시킨다.

부주사 기구(23)는, 지지 플레이트(22)의 하면에 설치된 도시하지 않는 이동자(移動子)와 베이스 플레이트(24)의 상면에 부설된 도시하지 않는 고정자에 의해 구성된 리니어 모터(23a)를 가지고 있다. 또한 지지 플레이트(22)와 베이스 플레이트(24)의 사이에는, 부주사 방향으로 연장되는 한 쌍의 가이드부(23b)가 설치되어 있다. 이 때문에, 리니어 모터(23a)를 동작시키면, 베이스 플레이트(24)상의 가이드부(23b)에 따라 지지 플레이트(22)가 부주사 방향 X로 이동한다.

주주사 기구(25)는, 베이스 플레이트(24)의 하면에 설치된 이동자와 패턴 묘화 장치(100)의 기대(基台)(106) 상에 부설된 고정자에 의해 구성된 리니어 모터(25a)를 가지고 있다. 또한 베이스 플레이트(24)와 기대(106)의 사이에는, 주주사 방향으로 연장되는 1쌍의 가이드부(25b)가 설치되어 있다. 이 때문에, 리니어 모터(25a)를 동작시키면, 기대(106) 상의 가이드부(25b)를 따라서 베이스 플레이트(24)가 주주사 방향 Y로 이동한다.

스테이지 위치 계측부(30)는, 스테이지(10)의 위치를 계측하는 기구이다. 스테이지 위치 계측부(30)는, 제어부(90)와 전기적으로 접속되어 있고, 제어부(90)로부터의 지시에 따라 스테이지(10)의 위치를 계측한다. 스테이지 위치 계측부(30)는, 예를 들면 스테이지(10)을 향해서 레이저광을 조사하고, 그 반사광과 출사광의 간섭을 이용하여, 스테이지(10)의 위치를 계측하는 기구에 의해 구성되고 있지만, 그 구성 동작은 이것에 한정되는 것은 아니다. 이 실시 형태에서는, 스테이지 위치 계측부(30)는, 레이저광을 출사하는 출사부(31)와, 빔 스플리터(32)와, 빔 벤더(33)와, 제1 간섭계(34)와, 제2 간섭계(35)를 구비한다. 이들 출사부(31), 각 간섭계(34, 35)는, 제어부(90)와 전기적으로 접속되어 있고 제어부(90)로부터의 지시에 따라 스테이지(10)의 위치를 계측한다.

출사부(31)로부터 출사된 레이저광은, 우선 빔 스플리터(32)에 입사하여, 빔 벤더(33)로 향하는 제1 분기광과, 제2 간섭계(35)로 향하는 제2 분기광으로 분기된다. 제1 분기광은, 빔 벤더(33)에 의해 반사되고, 제1 간섭계(34)에 입사하는 것과 동시에, 제1 간섭계(34)로부터 스테이지(10)의 제1 부위에 조사된다. 그리고, 제1 부위에서 반사한 제1 분기광이, 다시 제1 간섭계(34)로 입사한다. 제1 간섭계(34)는, 스테이지(10)의 제1 부위로 향하는 제1 분기광과 제1 부위에서 반사된 제1 분기광의 간섭에 근거하여 제1 부위의 위치에 대응한 위치 파라미터를 계측한다.

한편, 제2 분기광은, 제2 간섭계(35)로 입사하는 것과 동시에, 제2 간섭계(35)로부터 스테이지(10)의 제2 부위(단, 제2 부위는, 제1 부위와는 다른 위치이다.)로 조사된다. 그리고, 제2 부위에서 반사한 제2 분기광이, 다시 제2 간섭계(35)로 입사한다. 제2 간섭계(35)는, 스테이지(10)의 제2 부위로 향하는 제2 분기광과 스테이지(10)의 제2 부위에서 반사된 제2 분기광과의 간섭에 근거하여 제2 부위의 위치에 대응한 위치 파라미터를 계측한다.

제어부(90)는, 제1 간섭계(34) 및 제2 간섭계(35)의 각각으로부터, 스테이지(10)의 제1 부위의 위치에 대응한 위치 파라미터 및 스테이지(10)의 제2 부위의 위치에 대응한 위치 파라미터를 취득한다. 그리고, 취득한 각 위치 파라미터에 근거하여, 스테이지(10)의 위치를 산출한다.

얼라이먼트 유닛(60)은, 기판(W)의 상면에 형성된 도시되지 않는 얼라이먼트마크를 촬상한다. 얼라이먼트 유닛(60)은, 경통(鏡筒), 대물렌즈, 및 CCD 이미지센서를 가지는 얼라이먼트 카메라(601)을 구비한다. 얼라이먼트 카메라(601)가 구비되는 CCD 이미지 센서는, 예를 들면 에리어(area) 이미지 센서(이차원 이미지 센서)에 의해 구성된다. 또한 얼라이먼트 유닛(60)은, 도시하지 않는 승강기구에 의해서 소정의 범위내에서 승강 가능하게 지지되어 있다.

조명 유닛(61)은, 경통(鏡筒)과 파이버(fiber)(611)을 통하여 접속되고, 얼라이먼트 유닛(60)에 대해서 조명용의 빛을 공급한다. 조명 유닛(61)으로부터 연장되는 파이버(611)에 의해 이끌리는 빛은, 얼라이먼트 카메라(601)의 경통을 통하여 기판(W)의 상면으로 이끌리고, 그 반사광은, 대물렌즈를 통하여 CCD 이미지 센서로 수광된다. 이것에 의해서, 기판(W)의 상면이 촬상되어 촬상 데이터가 취득되게 된다. 얼라이먼트 카메라(601)는 제어부(90)의 화상 처리부와 전기적으로 접속되어 있고, 제어부(90)로부터의 지시에 따라 촬상 데이터를 취득하여, 취득한 촬상 데이터를 제어부(90)로 송신한다.

얼라이먼트 카메라(601)로부터 주어지는 촬상 데이터에 근거하여 제어부(90)는, 기판(W)의 기준 위치에 설치된 기준 마크(얼라이먼트 마크)를 검출하여 광학 유닛(40)과 기판(W)의 상대 위치를 위치 결정하는 얼라이먼트 처리를 행한다. 그리고, 광학 유닛(40)으로부터 묘화 패턴에 따라 변조된 광 빔을 기판(W)의 소정 위치에 조사하는 것으로 패턴 묘화를 행한다.

본 실시 형태에서는, 광학 유닛(40)은, 2개의 광학 헤드(40a, 40b)를 가지고 있다. 광학 헤드(40a, 40b)는 모두 동일한 구성을 가지고 있고, 광조사부로부터 주어지는 레이저광을 묘화 패턴에 대응하는 스트립 데이터(strip data)에 근거하여 변조한다. 여기에서는, 도 1을 참조하면서, 광학 헤드(40a)에 관련하는 구성에 대해 설명하지만, 광학 헤드(40b)에 있어서도 동일하게 구성되어 있다. 또한 광학 헤드의 설치수는 이것에 한정되지 않고 임의적이다.

광조사부(41)는, 레이저 구동부(411), 레이저 발진기(412) 및 조명 광학계(413)를 가지고 있다. 이 광조사부(41)에서는, 레이저 구동부(411)의 작동에 의해 레이저 발진기(412)로부터 레이저광이 출사되고, 조명 광학계(413)를 통하여 광학 헤드(40a)에 도입된다. 이 광학 헤드(40a)에는, 광변조 소자가 설치되어 있고, 스트립 데이터(strip data)에 근거하여 레이저광을 변조한다. 그리고, 광학 헤드(40a)는 변조 레이저광을 광학 헤드(40a)의 직하(直下) 위치에서 이동하고 있는 기판(W)에 대하여 낙사(落射)함으로써 스테이지(10)에 보관 유지된 기판(W)을 노광하여 패턴을 묘화 한다. 이것에 의해, 미처리 기판(W)에 형성되어 있는 하층 패턴에 대하여 상층 패턴(묘화 패턴)이 겹쳐서 묘화 된다.

도 3은 광학 헤드(40a)의 구성을 보다 자세하게 나타내는 도이다. 또한 또 하나의 광학 헤드(40b)의 구성도 동일하다. 광학 헤드(40a)는, 회절 격자형의 공간광변조기를 가지는 광변조 유닛(421)을 구비하고 있다. 레이저 발진기(412)로부터의 레이저광(L)은, 조명 광학계(413) 및 미러(mirror)(422)에 의해, 그 반사면의 법선이 광축에 대해서 경사지게 배치되는 광변조 유닛(421)으로 이끌린다.

이 때, 레이저 발진기(412)로부터의 입사광은 조명 광학계(413)에 의해 강도 분포가 균일한 선상의 빛(광속 단면이 선모양의 빛)으로 되고, 공간광변조기(421)상의 변조 동작의 유효 영역에 조사된다. 공간광변조기(421)에서는, 제어부(90)로부터의 제어 지령(指令)에 근거하여 미러(422)로부터의 빛이 공간 변조되고, 변조된 빛은 투영 광학계(430)의 렌즈로 그 광축을 따라 입사한다.

투영 광학계(430)의 렌즈를 통과한 빛은 줌 렌즈로 이끌려, 포커싱 렌즈(431)를 통해 소정의 배율에서 기판(W)의 표면(S)으로 이끌린다. 포커싱 렌즈(431)는 포커스 구동 기구(432)에 설치되어 있다. 포커스 구동 기구(432)는 제어부(90)의 포커스 제어부(901)로부터의 제어 지령에 따라 포커싱렌즈(431)를 연직축(Z축)을 따라 승강시켜, 포커싱 렌즈(431)로부터 출사되는 광빔을 기판(W)의 표면(S)에 수속시킨다.

또한 광학 헤드(40a)의 케이스(筐體) 하부에는, 오토 포커스부로서, 예를 들면 레이저 다이오드(LD)를 광원으로 하고 제어부(90)의 LD 구동부(902)로부터의 제어 신호에 따라 기판(W)의 표면(S)를 향해서 빛을 조사하는 조사부(441)와, 해당 조사광의 기판 표면(S)으로부터의 반사광을 수광하는 예를 들면 CMOS 센서나 일차원 CCD 이미지 센서로 이루어진 이미지 센서(442)가 설치되어 있다.

여기서, 광학 헤드(40a)와 기판 표면(S)의 거리가 변동했을 경우를 고려한다. 도 3에 있어서, 화살표 A1으로 나타내는 바와 같이, 기판 표면(S)이 광학 헤드(40a)로부터 멀어졌을 때, 혹은 화살표 A2로 나타내는 바와 같이, 기판 표면(S)이 광학 헤드(40a)에 접근했을 때, 기판 표면(S)으로부터의 반사광의 광로가 각각 화살표 A3 및 화살표 A4로 나타내는 방향으로 변화하고, 이미지 센서(442)의 각 수광 위치에 있어서의 수광량도 변동한다. 즉, 이미지 센서(442)에 있어서의 수광량의 피크 위치가, 각각 화살표 A5 및 화살표 A6로 나타내는 바와 같이 변화한다. 오토 포커스부는 이것을 이용하여 광학 헤드(40a)와 기판 표면(S)의 거리를 검출한다.

구체적으로는, 제어부(90)의 거리 검출부(903)가, 이미지 센서(442)로부터 출력되는 신호를 수신하고, 이것을 광학 헤드(40a)와 기판 표면(S)의 거리에 대응하는 정보로서 포커스 제어에 이용한다. 또한 해당 정보를 필요에 따라서 기억부(904)로 기억시킨다. 또한 광학 헤드(40a)와 기판 표면(S)의 거리에 대응하는 정보로서는, 이미지 센서(442)의 출력 신호로부터 해당 거리를 산출한 결과여도 좋고, 또한 이미지 센서(442)에 있어서의 수광량의 피크 위치 그 자체여도 좋다. 이것들은 1대 1로 대응하고 있기 때문이다.

광학 헤드(40a)와 기판 표면(S)와의 거리가 변동하면, 포커싱 렌즈(431)로부터 출사되는 광 빔의 초점 위치가 기판 표면(S)으로부터 어긋나, 묘화 패턴의 분해능이 저하한다. 이것을 방지하기 위해, 포커스 제어부(901)가 포커스 구동 기구(432)를 제어하여, 포커싱 렌즈(431)를 (화살표 A7 방향 또는 화살표 A8 방향으로) 상하(이동)시키는 것으로 초점 위치의 차이(어긋남)를 방지한다. 이미지 센서(442)의 출력 신호를 이용한 피드백 제어를 행함으로써, 기판 표면(S)의 연직 방향의 위치 변동으로 추종(追隨)하여 포커싱 렌즈(431)의 초점 위치를 상하로 이동시켜, 광 빔을 기판 표면(S)에 안정적으로 수속시키는 것이 가능하다.

상기의 오토 포커스 동작을 효과적으로 기능시키기 위해서는, 포커싱 렌즈(431)의 초점이 기판 표면(S)에 맞고 있을 때의 광학 헤드(40a)와 기판 표면(S)의 거리를 미리 파악해 둘 필요가 있다. 이 거리는 단기적으로는 별로 변화하지 않지만, 장치를 장기간 사용함에 따라 경시적인 변동을 일으킨다. 이것을 보정하기 위해 캘리브레이션하기 위한 구성에 대해서, 다음으로 설명한다.

도 4(a)는 캘리브레이션을 행하기 위한 구성을 나타내는 도이다. 또한 도 4(b)는 기준 마스크 패턴의 일례를 나타내는 도이다. 도 4(a)에 나타내는 바와 같이, 스테이지(10)의 측면에는, 광학 헤드(40a, 40b)로부터 출사되는 광 빔을 수광하고 그 광학상을 관찰하기 위한 관찰 광학계(80)가 설치되어 있다. 관찰 광학계(80)는, 예를 들면 석영 유리에 의해 평판 모양으로 형성된 투명의 더미 기판(801)이 대략 수평으로 설치되어 있다. 더미 기판(801)의 표면(상면 801a)에는, 도 4(b)에 나타내는 바와 같이, 기준 마스크 패턴(802)이 형성되어 있고, 후술하는 바와 같이 얼라이먼트 유닛(60)의 포커스 조정에 이용된다.

더미 기판(801)의 하부, 즉 더미 기판(801)을 끼워서 광학 헤드(40a, 40b)와는 반대 측에, 예를 들면 이차원 CCD 이미지 센서로 이루어진 촬상부와 입사광을 수속시키는 광학계를 가지는 관찰용 카메라(803)가 설치된다. 더미 기판(801)과 관찰용 카메라(803)는 각각 케이스(804)에 장착되어 일체화되어 있고, 관찰용 카메라(803)의 광학계의 초점 위치는, 더미 기판(801)의 상면(801a)에 맞도록 조정되어 있다.

케이스(804)는 지지 플레이트(22)에 입설된 지지 프레임(805)에 의해 승강 자재로 지지되어 있고, 제어부(90)의 관찰계 제어부(920)와, 적당한 구동 기구를 가지는 관찰계 승강기구(806)에 의해 그 연직 방향 위치가 제어된다. 즉, 관찰 광학계(80)의 더미 기판(801)과 관찰용 카메라(803)는 일체로서, 수평 방향으로는 스테이지(10)와 일체적으로 이동하는 한편, 연직 방향으로는 스테이지(10)와는 독립적으로 승강 이동 가능하게 되어 있다.

관찰 광학계(80)가 광학 헤드(40a)(또는 40b)의 직하(直下)에 위치 결정되고, 또한더미 기판(801)의 상면(801a)이 스테이지(10)에 재치되는 기판(W)의 상면(S)과 대략 동일 위치에 위치 결정된 상태로, 관찰용 카메라(803)는 광학 헤드(40a)로부터 더미 기판 상면(801a)에 입사하여 결상(結像)하는 광학상을 촬상한다. 그 출력 신호는 제어부(90)의 화상 처리부(910)에 의해서 데이터 처리된다. 포커스 제어부(901)에 의해 포커싱렌즈(431)의 연직 방향 위치를 변화시키면서 관찰용 카메라(803)에 의한 촬상을 행하고, 광학상이 가장 작게 되도록(상의 콘트라스트가 최대가 되도록), 포커싱 렌즈(431)의 연직 방향 위치를 설정한다. 이것에 의해, 포커싱 렌즈(431)의 초점이 더미 기판 상면(801a)에 맞추어진다. 이 때의 광학 헤드(40a)와 더미 기판 상면(801a)의 거리를 「기준 거리」로서, 거리 검출부(903)는 기준 거리에 대응하는 정보를 기억부(904)에 기억시킨다.

이후의 묘화 동작으로는, 광학 헤드(40a)와 대향하는 기판 표면(S) 사이의 거리와, 상기의 기준 거리와의 비교에 근거하여 포커싱 렌즈(431)의 위치를 제어함으로써, 초점위치를 안정되게 기판 표면(S)에 맞출 수 있다. 또한 이 캘리브레이션 동작을 소정의 타이밍에서 정기적으로 행함으로써, 투영 광학계(430)의 경시 변화에도 대응하여, 장기간에 걸쳐 안정적으로 초점 위치의 조정을 행할 수 있다.

도 5는 얼라이먼트 유닛의 상세 구성을 나타내는 도이다. 도에서는, 얼라이먼트 유닛(60)과의 대비를 위해, 광학 헤드(40a)의 오토 포커스부를 병기(倂記)하고 있다. 얼라이먼트 유닛(60)은, 기판 표면의 기준 마크를 검출하여 광학 헤드(40a)와 스테이지(10) 또는 기판(W)과의 수평 방향 위치를 파악하고, 또한 관찰 광학계(80)의 기준 마스크 패턴(802)을 검출하여 얼라이먼트 유닛(60)의 포커스 조정을 행하는 것이다.

도 5에 나타내는 바와 같이, 얼라이먼트 유닛(60)은, 기판 표면(S)를 촬상하는 얼라이먼트 카메라(601)을 구비하는 것과 함께, 오토 포커스부로서 광학 헤드(40a)에 설치된 조사부(441)와 동등한 기능을 가지는 조사부(641), 및, 광학 헤드(40a)에 설치된 수광부(442)와 동등한 기능을 가지는 수광부(642)를 구비하고 있다. 그리고, 광학 헤드(40a)의 오토 포커스부와 같이, 제어부(90)에 설치된 거리 검출부(906)가 수광부(642)의 출력에 근거하여 얼라이먼트 카메라(601)와 기판 표면(S)의 거리를 검출하고, 포커스 제어부(930)가, 얼라이먼트 카메라(601)의 초점 위치를 기판 표면(S)과 일치시켜야 할 얼라이먼트 유닛(60)의 연직 방향 위치를 제어한다.

이 경우에 있어서도, 얼라이먼트 카메라(601)의 초점 맞춤을 위한 기준이 되는 거리의 정보가 필요하고, 그 거리는 경시적으로 변화할 가능성이 있다. 거기서, 관찰 광학계(80)의 더미 기판 상면(801a)에 형성된 기준 마스크 패턴(802)를 이용한다. 즉, 관찰 광학계(80)를 얼라이먼트 유닛(60)의 직하에 위치 결정하여 얼라이먼트 카메라(601)가 촬상한 기준 마스크 패턴(802)의 화상을 화상 처리부(910)가 데이터 처리하고, 패턴이 가장 선명해질 때의 얼라이먼트 카메라(601)와 더미 기판 상면(801a)의 거리를 검출하여 기준으로서 기억해 둔다. 이 거리를 기준으로 하여 얼라이먼트 카메라(601)의 오토 포커스 동작이 가능해진다. 또한 상기 동작을 정기적으로 행함으로써, 얼라이먼트 카메라(601)의 특성의 경시 변화에도 대응하여, 장기적으로 안정된 오토 포커스 동작을 행할 수 있다.

여기까지, 개개의 유닛마다의 제어동작 원리에 대해 나누어 설명했다. 다음으로, 상기 원리에 기초하여, 이 패턴 묘화 장치(100) 전체에서의 캘리브레이션 동작에 대해 설명한다. 이하에 설명하는 캘리브레이션 처리를 실행하면, 광학 헤드(40a, 40b) 및 얼라이먼트 유닛(60)의 각각에 있어서 초점 위치의 조정을 행할 수 있음과 동시에, 광학 헤드(40a, 40b)와 얼라이먼트 유닛(60)의 연직 방향(Z축방향)에 있어서의 초점 위치가 동일한 기준에 근거하여 상대적으로 조정됨으로써, 패턴 묘화 장치(100)를 최선의 상태로 동작시키는 것이 가능해진다.

도 6은 본 장치에 있어서의 캘리브레이션 동작을 나타내는 플로차트(flow chart)이다. 또한 도 7(a) 내지 7(c)은 도 6의 동작에 있어서의 공정의 일부를 모식적으로 나타내는 도이다. 이 캘리브레이션 동작은, 예를 들면 장치의 기동 직후나 정기적인 타이밍(예를 들면 1일 1회)으로, 기판(W)이 장치에 반입되기 전에 실행되는 동작이다.

최초로, 얼라이먼트 카메라(601)의 초기 위치를 설정한다. 구체적으로는, 반입되는 예정 기판(W)의 두께에 따라서, 스테이지(10) 상(上)에서 상정(想定)되는 기판 표면(S)의 연직 방향 위치에 초점위치가 맞도록, 얼라이먼트 카메라(601)의 상하 방향 위치를 세팅한다(스텝 S101). 도 7(a)에 나타내는 바와 같이, 이 시점에서 기판(W)은 반입되어 있지 않기 때문에, 그 위치 결정은 개략적이어도 좋다.

이어서, 스테이지(10)을 이동시켜 관찰 광학계(80)를 얼라이먼트 유닛(60)의 직하(直下)로 이동시키고(스텝 S102), 관찰 광학계(80)의 더미 기판 상면(801a)을 얼라이먼트 카메라(601)의 초점 위치에 일치시킨다(스텝 S103). 구체적으로는, 도 7(b)에 나타내는 바와 같이, 더미 기판 상면(801a)에 형성된 기준 마스크 패턴(802)을 얼라이먼트 카메라(601)로 촬상하면서 관찰계 승강기구(806)에 의해 관찰 광학계(80)의 케이스(804)를 승강시켜, 기준 마스크 패턴(802)의 상이 가장 선명해질 때의 위치로, 케이스(804)를 위치 결정한다.

이것에 의해, 더미 기판 상면(801a)의 연직 방향 위치가 후에 반입되는 기판 표면(S)의 위치와 대략 일치하고, 또한, 그 위치에 얼라이먼트 카메라(601)의 초점이 맞는 상태가 된다. 거기서, 이 때의 얼라이먼트 카메라(601)와 더미 기판 상면(801a)의 거리를 기준으로 하고자, 오토 포커스부(AF부)의 수광부(642)의 출력으로부터 해당 거리에 관한 정보를 구하여 기억부(904)에 기억시켜 놓는다(스텝 S104). 이후, 묘화 시의 얼라이먼트 카메라(601)의 포커스 조정은 이 거리를 기준으로 하여 행해진다. 그 구체적인 방법은 상기한 대로이다.

또한 이 캘리브레이션 동작에 있어서의 더미 기판 상면(801a)의 위치 설정은 개략적이며, 스테이지(10)에 재치되는 기판 표면(S)의 위치와 완전하게 일치하고 있다고는 할 수 없다. 그렇지만, 상기의 동작에 의해 얼라이먼트 카메라(601)의 초점 위치와 그것에 대응하는 오토 포커스부의 거리에 관한 정보가 대응되고 있기 때문에, 실제로 스테이지(10)에 재치된 기판 표면(S)의 위치가 더미 기판 상면(801a)의 위치와 다소 어긋나 있다고 해도, 그 위치에 초점을 맞추는 것은 가능하다. 그러나, 더미 기판 상면(801a)의 위치가 묘화시의 기판 표면(S)의 위치와 크게 어긋난 상태로 캘리브레이션을 행하면, 묘화시에 있어서 기판 표면(S)이 포커스 조정 범위로부터 벗어날 우려가 있다. 이런 의미에서, 더미 기판 상면(801a)의 연직 방향 위치를, 상정되는 기판표면(S)의 위치에 맞추어 캘리브레이션를 행하는 것이 유효하다. 이 점에 대해서는 이하의 광학 헤드의 캘리브레이션에 대해서도 동일하다.

다음으로, 광학 헤드(40a, 40b)의 포커스 조정을 행한다. 여기에서는 광학 헤드(40a)에 대한 동작을 예시하지만, 광학 헤드(40b)에 대한 동작도 동일하다. 우선 광학헤드(40a)의 직하(直下)로 관찰 광학계(80)를 이동 위치 결정 한다(스텝 S105). 그리고, 도 7(c)에 나타내는 바와 같이, 투영 광학계(430)의 포커싱 렌즈(431)를 통해 더미 기판 상면(801a)에 입사하는 레이저광의 광학상을 관찰용 카메라(803)로 관찰하면서 포커싱 렌즈(431)의 연직 방향 위치를 변화시킨다. 그 광학상의 스폿 사이즈(spot size)가 가장 작아질 때의 위치에, 포커싱 렌즈(431)의 위치를 설정한다(스텝 S106).

이것에 의해, 투영 광학계(430)의 초점이 더미 기판 상면(801a)에 맞추어진다. 그리고, 이 때의 광학 헤드(40a)와 더미 기판 상면(801a)의 거리를 기준 거리로 하여, 수광부(422)의 출력으로부터 해당 기준 거리에 관한 정보를 구하여 기억부(904)에 기억시킨다(스텝 S107). 이후, 묘화시의 투영 광학계(430)의 포커스 조정은 이 기준 거리에 근거하여 행해진다. 그 구체적인 방법은 앞서 원리를 설명한 대로이지만, 본 실시 형태에 입각해서 더 자세하게 설명한다.

도 8은 묘화시의 포커스 조정 동작을 나타내는 플로차트이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 묘화시에 있어서는 광학 헤드(40a)는 기판 표면(S)에 대향하고 있다. 이 상태에서, 오토 포커스부(AF부)의 수광부(442)로부터의 출력에 근거하여, 광학 헤드(40a)와 기판 표면(S)의 거리에 관한 정보를 구하고(스텝 S201), 기억부(904)에 기억된 기준거리와의 차를 구한다(스텝 S202). 여기서, 광학 헤드(40a)와 기판 표면(S)의 거리와 기준 거리의 사이에 차이가 없으면 초점은 기판 표면(S)에 맞고 있으므로 변경이 필요하지 않지만, 차이가 있는 경우, 초점 위치가 기판 표면(S)으로부터 어긋나 있기 때문에, 그 차이를 시정(是正)한다. 구체적으로는, 상기 거리의 차이를 없애는 방향으로 포커싱 렌즈(431)을 이동시키고자, 그 구동량(예를 들면 상하 방향으로의 포커싱 렌즈(431)의 이동거리, 그것을 실현하는 구동 모터의 펄스수 등)을 산출하고(스텝 S203), 산출된 구동량 분만큼 포커싱 렌즈(431)를 위쪽 또는 아래쪽으로 이동시킨다(스텝 S204). 이상의 동작을 묘화가 종료할 때까지 계속하여 행한다(스텝 S205).

도 9(a) 및 9(b)는 묘화시의 포커스 조정 동작을 모식적으로 나타내는 도이다. 도9(a)에 나타내는 바와 같이, 광학 헤드(40a)의 적당한 기준 위치(이 예에서는 하단)와 기판 표면(S)의 거리를 부호 D1으로 표시한다. 또한 포커스 조정을 위한 포커싱 렌즈(431)의 구동량(이 예에서는 연직 방향으로의 이동거리)을 부호 D2로 표시한다. 거리 D1에 대해서는, 광학 헤드(40a)의 하단으로부터 기판 표면(S)으로 향하는 방향을 정방향으로 한다. 구동량 D2에 대해서는, 포커싱 렌즈(431)를 위쪽으로, 즉 기판 표면(S)으로부터 이간(離間)하는 방향을 정방향으로 한다.

앞의 캘리브레이션 동작의 결과, 거리 D1가 기준 거리와 일치하고 있으면, 투영 광학계(430)의 초점은 기판 표면(S)에 맞고 있다고 할 수 있다. 따라서, 도 9(b)에 나타내는 바와 같이, 이 때의 구동량 D2은 제로, 즉 포커싱 렌즈(431)의 연직 방향 위치는 캘리브레이션 동작에 의해서 설정된 위치로 유지된다. 한편, 거리 D1가 기준거리보다 큰 경우에는, 구동량 D2를 음(負)의 값으로 설정한다, 즉 포커싱 렌즈(431)를 아래쪽으로 이동시키는 것에 의해, 초점의 차이를 해소한다. 반대로, 거리 D1가 기준거리보다 작을 때에는, 구동량 D2를 양(正)의 값으로 설정하여 포커싱 렌즈(431)를 위쪽으로 이동시켜, 초점의 차이를 해소한다. 거리 D1의 기준 거리로부터의 괴리(乖離)량이 커지면 포커싱 렌즈(431)의 구동량 D2도 커진다. 이와 같이 하여, 투영 광학계(430)의 초점 위치는 기판 표면(S)에 안정적으로 유지된다.

이상과 같이, 이 실시 형태에서는, 더미 기판(801)과 관찰용 카메라(803)를 갖는 관찰 광학계(80)에 있어서, 더미 기판(801) 및 관찰용 카메라(803)를 일체적으로 연직방향으로 이동 가능하게 한다. 그리고, 캘리브레이션 동작에서는, 더미 기판(801)의 상면(801a)을 스테이지(10)에 재치되는 기판(W)의 표면(S)의 상정 위치에 위치 결정한 상태로, 광학 헤드(40a)로부터의 광 빔을 더미 기판 상면(801a)에 입사시킨다. 이것을 관찰용 카메라(803)로 관찰하여 광학상이 가장 작아지도록, 포커싱 렌즈(431)의 연직방향 위치를 설정한다. 또한 이 때의 오토 포커스부의 출력으로부터 구한 기준 거리에 관한 정보를 기억해 놓고, 묘화시에는 이 기준 거리와, 오토 포커스부의 출력으로부터 구한 광학 헤드(40a)와 기판 표면(S)의 거리에 근거하여, 포커스 조정을 행한다. 이와 같은 구성에서는, 오토 포커스부 및 투영 광학계(430)의 경시 변화에 의해 기준거리가 변동했을 경우에서도, 캘리브레이션를 행함으로써 그 시점의 기준 거리가 설정되고 거기에 기초하여 포커스 조정이 행해지므로, 장치의 경시 변화에도 대응하여 장기적으로 안정되고, 게다가 고정밀도의 포커스 조정이 가능하다.

또한 상기와 같은 위치에 설정된 더미 기판(801)의 상면(801a)에 형성된 기준 마스크 패턴(802)을 이용하여 얼라이먼트 유닛(60)의 포커스 조정도 행한다. 이렇게 함으로써, 광학 헤드(40a)의 초점 위치와 얼라이먼트 유닛(60)의 초점 위치와의 연직방향의 상대적인 위치 관계가, 공통의 위치 기준인 더미 기판 상면(801a)을 통해 관련시킬 수 있다. 이 때문에, 본래 독립으로 제어되는 2개의 유닛의 연휴(連携)를 도모하는 것이 가능하다. 이것에 의해, 패턴 묘화 장치(100)를 최선의 상태로 동작시키는 것이 가능하게 된다.

그리고, 광학 헤드(40a) 및 얼라이먼트 유닛(60)의 연직 방향의 위치 기준으로 되는 더미 기판 상면(801a)을, 스테이지(10)에 재치되는 기판(W)의 표면 위치에 따라 승강 가능하게 하고 있다. 그 때문에, 여러 가지의 두께를 가지는 기판(W)에 대하여, 고정밀도로 안정된 포커스 조정을 행하는 것이 가능하다.

즉, 소정의 두께를 가지는 제1 기판에 대응한 캘리브레이션 동작 및 묘화동작을 행한 후, 다음의 기판이 같은 두께를 가지는 것이면, 새롭게 캘리브레이션 동작을 행하지 않고, 앞선 기판에 대한 캘리브레이션 동작의 결과를 이용하여 묘화동작을 행할 수 있다. 새로운 캘리브레이션 동작은, 예를 들면 기판의 처리 매수(枚數)나 동작시간 등이 일정치에 도달한 때 등, 소정의 간격으로 정기적으로 행하면 좋다.

한편, 앞선 기판과는 두께가 다른 제2 기판에 대하여 묘화 동작을 행하는 경우에는, 그 기판의 두께에 대응하여 새롭게 캘리브레이션를 행하고 기준 거리를 재설정함으로써, 제2 기판에 대해서도 동일하게, 묘화시의 포커스 조정을 고정밀도로 하면서도 안정되게 행하는 것이 가능해진다.

이상 설명한 것처럼, 이 실시 형태에서는, 광학 헤드(40a, 40b)와, 광조사부(41)가 일체로서, 본 발명의 「묘화수단」으로 기능을 하고 있다. 이 중 레이저 발진기(412) 가 본 발명의 「광원」으로 기능을 하는 한편, 투영 광학계(430)가 본 발명의 「수속 광학계」로 기능을 하고 있다.

또한 이 실시 형태에서는, 스테이지 이동기구(20)가 본 발명의 「이동수단」으로서 기능을 하고 있다. 또한 이 실시 형태에서는, 관찰 광학계(80)가 본 발명의 「관찰 수단」으로서 기능을 하고 있고, 더미 기판(801)의 상면(801a)이 본 발명의 「관찰 광학면」에 해당되고 있다. 그리고, 기준 마스크 패턴(802)가 본 발명의 「기준 패턴」에 해당되고 있다. 또한 관찰계 승강기구(806) 및 관찰계 제어부(920)가 일체로하여 본 발명의 「관찰 높이 변경수단」으로서 기능을 하고 있다.

또한, 이 실시 형태에서는, 포커스 제어부(901) 및 포커스 구동 기구(432)가 일체로서 본 발명의 「초점 조정 수단」으로 기능을 하고 있다. 또한 오토 포커스부를 구성하는 조사부(441), 수광부(442)가 일체로서 본 발명의 「거리 검출 수단」으로 기능을 하고 있다. 게다가 이 실시 형태에서는, 얼라이먼트 유닛(60)이 본 발명의 「위치 검출 수단」으로서 기능을 하고 있다.

또한, 도 6에 나타내는 이 실시 형태의 캘리브레이션 동작에 대해서는, 스텝 S103이 본 발명의 「기준 설정 공정」에 해당되고, 스텝 S106이 「사전 초점 조정공정」에 해당된다. 또한 스텝 S107가 본 발명의 「기억 공정」에 해당되고 있다. 또한 도 8의 스텝 S201 내지 S204가, 본 발명의 「묘화시 초점 조정 공정」에 해당되고 있다.

또한 본 발명은 상기한 실시 형태로 한정되는 것이 아니고, 그 취지를 벗어나지 않는 한 상술한 것 이외에 다양한 변경을 행하는 것이 가능하다. 예로는, 상기 실시형태의 캘리브레이션 동작에서는, 광학 헤드(40a, 40b)의 캘리브레이션과 얼라이먼트 유닛(60)의 캘리브레이션를 맞추어서 행하고 있지만, 이것에 한정되지 않고, 묘화를 위한 수속 광학계에 있어서 행하는 초점 조정 동작에 대해서만, 본 발명이 적용되어도 좋다.

또한 상기 실시 형태의 캘리브레이션 동작에서는, 얼라이먼트 카메라(601)의 초점 위치가 기판 표면(S)의 상정 위치가 되도록 얼라이먼트 유닛(60)의 연직 방향 위치를 설정하고, 거기에 맞추어 더미 기판 상면(801a)의 위치를 설정함으로써 더미 기판 상면(801a)의 개략 위치를 기판 표면(S)의 위치로 설정하고 있다. 그렇지만, 이것으로 한정되지 않고, 예를 들면 우선 더미 기판 상면(801a)의 위치를 설정하고 나서, 이것에 초점이 맞도록 얼라이먼트 유닛(60)의 위치 조정을 행하도록 하여도 좋다.

또한 상기 실시 형태의 얼라이먼트 유닛(60) 및 광학 헤드(40a, 40b)에 있어서의 오토 포커스부는, 기판 표면(S)에 대하여 빛을 조사하는 것과 함께 그 반사광을 수광하고, 반사상의 위치에 의해 거리 검출을 행하는 것이지만, 거리 검출의 수단은 이것에 한정되는 것이 아니며 임의의 수단이 적용 가능하다.

또한 상기 실시 형태의 패턴 묘화 장치(100)은, 회절 격자를 이용한 공간 변조기(421)에 의해 광 빔을 변조하여 패턴 묘화를 행하는 장치이지만, 광 빔의 변조 방식은 이것에 한정되지 않고, 임의의 변조 방식을 이용하는 묘화 장치에 따라, 본 발명을 적용하는 것이 가능하다.

본 발명은, 기판 표면에 광 빔을 수속시키고 묘화를 행하는 묘화 장치에 전반적으로 적용하는 것이 가능하다. 처리 대상이 되는 기판으로서는, 반도체 기판, 프린트 기판, 컬러 필터용 기판, 액정표시장치나 플라즈마 표시장치에 구비되는 플랫 패널 디스플레이용 유리기판, 광디스크용 기판 등 각종의 것을 이용하는 것이 가능하다.

10 스테이지
20 스테이지 이동기구(이동수단)
40a, 40b 광학헤드(묘화수단)
41 광조사부(묘화수단)
60 얼라이먼트 유닛(위치 검출 수단)
80 관찰 광학계(관찰 수단)
412 레이저 발진기(광원, 묘화수단)
430 투영 광학계(수속 광학계, 묘화수단)
432 포커스 구동 기구(초점 조정 수단)
441 조사부(거리 검출 수단)
442 수광부(거리 검출 수단)
801a (더미 기판(801)의) 상면(관찰 광학면)
802 기준 마스크 패턴(기준 패턴)
806 관찰계 승강기구(관찰 높이 변경 수단)
901 포커스 제어부(초점 조정 수단)
920 관찰계 제어부(관찰 높이 변경 수단)
S 기판 표면
S103 기준 설정 공정
S106 사전 초점 조정 공정
S107 기억 공정
S201~S204 묘화시 초점 조정 공정
W 기판

Claims (12)

1. 기판을 수평 상태로 재치(載置) 가능한 스테이지와,
   광원으로부터의 빛을 연직(鉛直) 방향에서 상기 기판 표면에 수속(收束)시키는 수속 광학계를 가지고, 수속된 광 빔에 의해 상기 기판 표면에 묘화(描畵)하는 묘화수단과,
   상기 묘화수단으로부터의 상기 광 빔의 조사 위치를, 상기 스테이지에 재치된 상기 기판에 대해 수평 방향으로 상대 이동(相對移動)시키는 이동수단과,
   상기 기판 상(上)과는 다른 위치에서 상기 광 빔을 수광하는 관찰 수광면(觀察 受光面)을 가지고, 해당 관찰 수광면에 입사한 광학상을 관찰하는 관찰 수단과,
   상기 관찰 수광면의 연직 방향 위치를 변화시키는 관찰높이 변경수단과,
   상기 관찰 수단에 의해 관찰되는 광학상에 근거하여 상기 수속 광학계의 연직 방향에 있어서의 초점위치를 조정하는 초점조정수단과,
   상기 수속 광학계와 상기 관찰 수광면의 연직 방향 거리, 및, 상기 수속 광학계와 상기 기판 표면의 연직 방향 거리를 각각 검출하는 거리 검출 수단을 구비하고,
   상기 관찰높이 변경수단이 상기 관찰 수광면의 연직 방향 위치를 상기 기판 표면의 연직 방향 위치와 동일하게 설정하고, 또한 해당 관찰 수광면에 대해서 상기 묘화수단으로부터 상기 광 빔을 조사한 상태에서, 상기 초점 조정 수단이 상기 광학상에 근거하여 상기 수속 광학계의 초점 위치를 조정하며,
   상기 거리 검출 수단은, 초점 위치가 조정된 상기 수속 광학계와 상기 관찰 수광면의 연직 방향 거리를 기준 거리로서 검출해 두고,
   상기 묘화수단에 의한 상기 기판 표면의 묘화 시에는, 상기 거리 검출 수단이 상기 수속 광학계와 상기 광 빔이 조사되는 상기 기판 표면의 연직 방향 거리를 묘화시거리(描畵時距離)로서 검출하며, 해당 묘화시거리와 상기 기준 거리에 근거하여 상기 초점 조정 수단이 상기 수속 광학계의 연직 방향에 있어서의 초점 위치를 조정하는 것을 특징으로 하는 묘화 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 관찰 수광면이 상기 광 빔에 대한 투과성을 가지는 재료로 형성되고, 상기 관찰 수단은 상기 관찰 수광면의 상기 광학상을 상기 광 빔의 입사 방향과는 반대측으로부터 관찰하는 묘화 장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 거리 검출 수단은, 상기 광 빔이 조사되는 상기 기판 표면에, 상기 광 빔의 입사 방향과는 다른 방향으로부터 빛을 조사하는 조사부와, 해당 빛이 상기 기판 표면에서 반사하여 이루어지는 반사 광학상을 수광하는 수광부를 구비하여, 상기 수광부에 수광된 상기 반사 광학상의 위치에 근거하여 상기 수속 광학계와 상기 기판 표면의 거리를 검출하는 묘화 장치.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 스테이지에 재치되는 상기 기판 표면에 설치된 기준부를 촬상하여 상기 기판과 상기 광 빔의 조사 위치의 수평 방향에 있어서의 상대 위치를 검출하는 위치 검출 수단을 구비하여, 상기 위치 검출 수단의 연직 방향에 있어서의 초점 위치가, 상기 기준 거리가 검출되었을 때의 상기 관찰 수광면의 연직 방향 위치에 일치하는 묘화 장치.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 관찰 수광면에, 상기 위치 검출 수단의 초점 위치를 조정하기 위한 기준 패턴이 설치되어 있는 묘화 장치.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 수속 광학계는 연직 방향으로 이동 가능한 포커싱(focusing) 렌즈를 구비하고, 상기 초점 조정수단은 상기 포커싱 렌즈의 연직 방향 위치를 제어하는 묘화 장치.
7. 기판을 수평 상태로 재치 가능한 스테이지와, 광원으로부터의 빛을 상기 기판 표면에 연직(鉛直) 방향에서 수속(收束)시키는 수속 광학계를 가지고 수속된 광 빔에 의해 상기 기판 표면에 묘화(描畵)하는 묘화수단과, 상기 묘화수단으로부터의 상기 광 빔의 조사 위치를, 상기 스테이지에 재치되는 상기 기판에 대해 수평 방향으로 상대 이동시키는 이동수단을 가지는 묘화 장치의 초점 조정 방법으로서,
   수평 방향 위치가 상기 스테이지에 재치되는 상기 기판 상(上)과는 다르고, 또한 연직 방향 위치가 상기 스테이지에 재치되는 상기 기판 표면의 연직 방향 위치와 같은 위치에 관찰 수광면(觀察 受光面)을 설정하는 기준 설정 공정과,
   상기 관찰 수광면에 입사시킨 상기 광 빔의 광학상을 관찰하고, 해당 광학상이 가장 작게 되도록, 상기 수속 광학계의 연직 방향에 있어서의 초점 위치를 조정하는 사전(事前) 초점 조정 공정과,
   초점 위치 조정 후의 상기 수속 광학계와 상기 관찰 수광면의 연직 방향 거리를 기준 거리로서 기억하는 기억 공정과,
   상기 스테이지에 재치한 상기 기판의 표면에 상기 광 빔을 조사하여 묘화를 행하는 것과 동시에, 해당 광 빔이 조사되는 상기 기판 표면과 상기 수속 광학계의 연직 방향 거리를 검출하고, 그 검출 결과와 상기 기준 거리에 근거하여, 상기 수속 광학계의 초점 위치를 상기 기판 표면에 맞추는 묘화시(描畵時) 초점조정 공정
   을 구비하는 것을 특징으로 하는 초점 조정 방법.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 묘화시 초점조정 공정에서는, 상기 사전 조정 공정에서 설정한 상기 초점 위치로부터 상기 검출 결과와 상기 기준 거리의 차(差)에 대응한 거리만 이동(shift) 시킨 위치로, 상기 수속 광학계의 초점위치를 조정하는 초점 조정 방법.
9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
   상기 묘화 장치가 상기 스테이지에 재치되는 상기 기판 표면에 설치된 기준부를 촬상하여 상기 기판과 상기 광 빔의 조사 위치와의 수평 방향에 있어서 상대 위치를 검출하는 위치 검출수단을 구비하는 것이며,
   상기 위치 검출수단의 연직 방향에 있어서의 초점 위치와, 상기 기준 설정 공정에서 설정되는 상기 관찰 수광면의 연직방향 위치를 일치시키는 초점 조정 방법.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 관찰 수광면에 기준 패턴을 설치하고, 상기 위치 검출수단에 의해 상기 기준 패턴을 촬상하고 그 결과에 근거하여 상기 위치 검출수단의 초점 위치를 조정하는 초점 조정 방법.
11. 제 9 항에 있어서,
    상기 위치 검출수단의 연직 방향에 있어서의 초점 위치를 상기 기준 설정 공정에서 설정되는 상기 관찰 수광면의 연직방향 위치와 일치시켰을 때의, 상기 위치 검출 수단과 상기 관찰 수광면의 거리를 기억하는 초점 조정 방법.
12. 제 7 항에 있어서,
    제1 기판에 대하여 상기 묘화수단에 의한 묘화를 행한 후, 상기 제1 기판과 다른 제2 기판에 대하여 상기 묘화수단에 의한 묘화를 행할 때,
    상기 제1 기판과 상기 제2 기판이 같은 두께이면 상기 제2 기판에 대한 상기 기준 설정 공정, 상기 사전 초점 조정 공정 및 상기 기억 공정을 생략하고, 상기 제1 기판에 있어서의 상기 기준 거리를 이용하여 상기 묘화시 초점 조정 공정을 실행하는 한편,
    상기 제1 기판과 상기 제2 기판이 다른 두께이면 상기 제2 기판에 대하여 상기 기준설정 공정, 상기 사전 초점 조정 공정, 상기 기억 공정 및 상기 묘화시 초점 조정 공정을 실행하는 초점 조정 방법.

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