WO2015145864A1 - 位置ずれ検出方法、位置ずれ検出装置、描画装置および基板検査装置 - Google Patents

位置ずれ検出方法、位置ずれ検出装置、描画装置および基板検査装置 Download PDF

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WO2015145864A1
WO2015145864A1 PCT/JP2014/080460 JP2014080460W WO2015145864A1 WO 2015145864 A1 WO2015145864 A1 WO 2015145864A1 JP 2014080460 W JP2014080460 W JP 2014080460W WO 2015145864 A1 WO2015145864 A1 WO 2015145864A1
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image
substrate
pattern
detection method
patterns
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PCT/JP2014/080460
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中井　一博
Original Assignee
株式会社Ｓｃｒｅｅｎホールディングス
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    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
    • G01N21/95—Investigating the presence of flaws or contamination characterised by the material or shape of the object to be examined
    • G01N21/956—Inspecting patterns on the surface of objects
    • G—PHYSICS
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    • G01N21/9501—Semiconductor wafers
    • G—PHYSICS
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    • H01L21/68—Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere for positioning, orientation or alignment
    • H01L21/681—Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere for positioning, orientation or alignment using optical controlling means

Definitions

  • the present invention utilizes a positional deviation detection technique for determining a rotational positional deviation amount with respect to the reference direction of the surface of the substrate, which is positioned so that a cutout portion such as an orientation flat or a notch faces a reference direction, and the positional deviation detection technique.
  • the present invention relates to a drawing apparatus and a substrate inspection apparatus.
  • LSI Large Scale Integrated Circuit
  • substrate a semiconductor substrate
  • LSI Large Scale Integrated Circuit
  • the drawing apparatus described in Patent Document 1 the substrate is transported to a pre-alignment unit and pre-alignment processing is performed.
  • pre-alignment processing the position of a notch (notch, orientation flat, etc.) of the substrate placed on the mounting table is detected by a sensor, and the mounting table is rotated so that the notch is directed in a predetermined direction. Is done by.
  • the substrate placed on the placement table is aligned in the reference direction.
  • the pre-aligned substrate is transferred to the stage.
  • a plurality of alignment marks on the substrate are imaged by a camera, and a deviation amount between the mark position and the position on the design data is detected.
  • light is irradiated from the optical head to the substrate on the stage while relatively moving the stage and the optical head, and a pattern is drawn on the substrate.
  • the pre-alignment process executed by the apparatus described in Patent Document 1 merely positions the substrate with respect to the reference direction based on the notch, and is already formed on the surface of the substrate, particularly on the surface.
  • the pattern is not positioned with respect to the reference direction.
  • the alignment mark may not enter the field of view of the camera.
  • the second layer may be drawn on the first layer already formed on the substrate using the drawing device, but the pre-alignment accuracy in the device for forming the first layer is poor, and the notch portion of the substrate Pattern formation based on the above may not be performed.
  • the pattern of the first layer is formed so as to be displaced from the reference direction in the rotation direction. That is, a rotational position shift may occur. Therefore, it may be difficult to capture the alignment mark included in the first layer with a camera.
  • a substrate in which a glass wafer with a notch is bonded to an Si wafer on which an element (device) is formed using an adhesive.
  • the substrate is formed on the Si wafer. Since there is no positional relationship between the pattern and the notch of the glass wafer, there is no guarantee that the alignment mark on the Si wafer can be imaged by the camera even if the accuracy of the pre-alignment process is improved.
  • the rotational position of the substrate relative to the reference direction may occur.
  • a semiconductor wafer having a diameter of 300 [mm] is used as the substrate
  • the rotation position of the semiconductor wafer is deviated by an angle of 0.05 [°] from the reference direction
  • a position of about 250 [ ⁇ m] at the periphery of the semiconductor wafer It will be shifted.
  • the rotational position of the substrate such as a semiconductor wafer positioned relative to the reference direction If deviation occurs, it is difficult to perform accurate substrate inspection satisfactorily.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and it is possible to accurately obtain the rotational positional deviation amount with respect to the reference direction of the surface of the substrate, which is positioned so that the cutout portion provided in the outer peripheral portion faces the reference direction. It is an object of the present invention to provide a positional deviation detection technique that can be performed and an apparatus that performs high-precision drawing processing and accurate substrate inspection using the positional deviation detection technique.
  • a first aspect of the present invention is a positional deviation detection method for obtaining a rotational positional deviation amount with respect to a reference direction of a surface of a substrate, which is positioned so that a notch portion provided on an outer peripheral portion faces a reference direction.
  • a first step of acquiring a partial image of the surface a second step of acquiring a plurality of patterns included in the partial image, and selecting a plurality of pattern pairs from the plurality of patterns, and the distance between the patterns among the plurality of pattern pairs
  • a second aspect of the present invention is a positional deviation detection device for obtaining a rotational positional deviation amount with respect to the reference direction of the surface of the substrate, which is positioned so that the cutout portion provided in the outer peripheral portion faces the reference direction.
  • An imaging unit that partially images the surface of the substrate, and a detection unit that obtains a rotational displacement amount based on a partial image of the surface of the substrate imaged by the imaging unit, and the detection unit includes a plurality of detection units included in the partial image
  • the pattern acquisition unit for acquiring the pattern, and selecting a plurality of pattern pairs from the plurality of patterns acquired by the pattern acquisition unit and obtaining a plurality of equal pitch pairs in which the distance between the patterns is equal among the plurality of pattern pairs, For each equal pitch pair, the rotation angles of the two patterns with respect to the reference direction are obtained based on the positional information of the two patterns constituting the equal pitch pair. It is characterized by having a calculation unit for determining the translocation shift amount.
  • the substrate is received by the holding means, and the drawing is performed by irradiating light to the substrate while being held by the holding means, with the notch provided in the outer peripheral portion positioned in the reference direction.
  • a drawing misalignment apparatus having the same configuration as the misregistration detecting apparatus described above, and a holding means centering on a rotation axis extending parallel to the surface normal of the surface of the substrate held by the holding means.
  • the substrate is received by the holding means, which is positioned so that the cutout portion provided in the outer peripheral portion faces the reference direction, and the surface of the substrate is imaged and inspected while being held by the holding means.
  • a substrate inspection apparatus having the same configuration as the above-described displacement detection apparatus, and a holding means centering on a rotation axis extending parallel to the surface normal of the surface of the substrate held by the holding means Rotating means for rotating the substrate and control for correcting the rotational position of the substrate held by the holding means by controlling the rotating means based on the rotational displacement amount obtained by the displacement detecting means before imaging the surface of the substrate. Means.
  • a partial image of the surface of the substrate positioned with respect to the reference direction based on the notch is acquired. Then, based on the plurality of patterns included in the partial image, the rotational position deviation amount of the substrate with respect to the reference direction is detected. More specifically, a plurality of pattern pairs are selected from the plurality of patterns, a plurality of equal pitch pairs having the same distance between the patterns are obtained from the plurality of pattern pairs, and the equal pitch pairs are configured for each equal pitch pair. Based on the positional information of the two patterns, the rotation angles of the two patterns with respect to the reference direction are obtained, and the rotational position deviation amount is obtained from the plurality of rotation angles. For this reason, the rotational position deviation amount is accurately obtained.
  • FIG. 1 It is a front view which shows 1st Embodiment of the drawing apparatus equipped with the rotation position shift detection apparatus concerning this invention. It is a top view of the drawing apparatus of FIG. It is a block diagram which shows the electrical structure of the drawing apparatus of FIG. It is a perspective view which shows schematic structure of a pre-alignment unit.
  • 3 is a flowchart showing a pattern drawing operation by the drawing apparatus of FIG. 1. It is a figure which shows typically the operation
  • FIG. 1 is a front view showing a first embodiment of a drawing apparatus equipped with a rotational displacement detection device according to the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view of the drawing apparatus of FIG.
  • FIG. 3 is a block diagram showing an electrical configuration of the drawing apparatus of FIG.
  • the drawing apparatus is an apparatus for drawing a pattern by transporting a substrate W such as a semiconductor wafer subjected to pre-alignment processing to the processing stage 1 and irradiating the surface of the substrate W with light while holding the substrate W on the processing stage 1. is there.
  • a substrate W such as a semiconductor wafer subjected to pre-alignment processing
  • the image processing unit and the data creation unit, and the drawing operation which are the main components of the apparatus, will be described in detail.
  • the drawing apparatus includes an exposure unit 100, a pre-alignment unit 200, a transport unit 300, an image processing unit 400, and a data creation unit 500.
  • the main components of the exposure unit 100, the pre-alignment unit 200, and the transport unit 300 are formed by attaching cover panels (not shown) to the ceiling surface and the peripheral surface of the skeleton formed by the main body frame 601. Placed inside the main body.
  • the inside of the main body of the drawing apparatus is divided into a processing area 602 and a delivery area 603.
  • the processing area 602 mainly includes a processing stage 1, a stage moving unit 2, a stage position measuring unit 3, an optical unit 4, and an alignment unit 5 that are the main components of the exposure unit 100.
  • the exposure control unit 6 of the exposure unit 100 controls each part of the exposure unit 100 to expose the light beam onto the substrate W and draw a pattern.
  • the pre-alignment unit 200 and the transport unit 300 are arranged in the delivery area 603 as shown in FIG.
  • the pre-alignment unit 200 performs pre-alignment processing.
  • the transfer unit 300 includes a transfer robot 301 that loads and unloads the substrate W with respect to the processing region 602.
  • an illumination unit 7 for supplying illumination light to the alignment unit 5 is arranged outside the main body of the drawing apparatus as shown in FIG. Although not shown in FIGS. 1 and 2, the exposure control unit 6, the image processing unit 400, and the data creation unit 500 are disposed outside the main body.
  • a carrier placement portion 604 for placing the carrier C is disposed outside the main body of the drawing apparatus at a position adjacent to the transfer area 603. Then, the transfer robot 301 accesses the carrier C, the pre-alignment unit 200 and the processing stage 1 and transfers the substrate W as follows. That is, the transfer robot 301 takes out the unprocessed substrate W accommodated in the carrier C placed on the carrier placement unit 604 and carries it into the pre-alignment unit 200.
  • the pre-alignment unit 200 performs pre-alignment processing and positions the substrate W so that a notch Wa (see FIGS. 2 and 4) formed on the outer periphery of the substrate W faces a preset reference direction.
  • the substrate W thus subjected to the pre-alignment process is transported from the pre-alignment unit 200 to the processing stage 1 to perform drawing. Then, after the drawing is finished, the drawing-processed substrate W is carried out from the processing stage 1 to the carrier C.
  • the processing stage 1 is a holding unit that has a flat plate-like outer shape and places and holds the substrate W in a horizontal posture on the upper surface thereof.
  • a plurality of suction holes are formed on the upper surface of the processing stage 1, and a negative pressure (suction pressure) is applied to the suction holes so that the substrate W placed on the processing stage 1 is removed. It can be fixedly held on the upper surface of the processing stage 1. Then, the processing stage 1 is moved by the stage moving unit 2.
  • the stage moving unit 2 is a mechanism that moves the processing stage 1 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 ( ⁇ -axis direction)).
  • the stage moving unit 2 includes a rotation mechanism 21 that rotates the processing stage 1 about the vertical axis Z on the support plate 22, a base plate 24 that supports the support plate 22, and a sub-movement that moves the support plate 22 in the sub-scanning direction X.
  • a scanning mechanism 23 and a main scanning mechanism 25 that moves the base plate 24 in the main scanning direction Y are provided.
  • the sub-scanning mechanism 23 and the main scanning mechanism 25 move the processing stage 1 in response to an instruction from the exposure control unit 6.
  • 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.
  • 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.
  • the main scanning mechanism 25 has a linear motor 25a composed of a mover attached to the lower surface of the base plate 24 and a stator laid on the base 8 of the drawing apparatus.
  • a pair of guide portions 25 b extending in the main scanning direction is provided between the base plate 24 and the base 8. For this reason, 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 606.
  • the stage position measuring unit 3 is a mechanism that measures the position of the processing stage 1.
  • the stage position measurement unit 3 is electrically connected to the exposure control unit 6 and measures the position of the processing stage 1 in accordance with an instruction from the exposure control unit 6.
  • the stage position measurement unit 3 is configured by a mechanism that measures the position of the processing stage 1 by irradiating laser light toward the processing stage 1 and using interference between the reflected light and the emitted light, for example.
  • the configuration operation is not limited to this.
  • the stage position measurement unit 3 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 exposure control unit 6 and measure the position of the processing stage 1 in accordance with an instruction from the exposure control unit 6.
  • the laser light emitted from the emitting unit 31 first enters the beam splitter 32 and is branched into first branched light that is directed to the beam bender 33 and second branched light that is directed 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 part of the processing stage 1.
  • the first branched light reflected by the first part is incident on the first interferometer 34 again.
  • the first interferometer 34 is a position corresponding to the position of the first part based on the interference between the first branched light traveling toward the first part of the processing stage 1 and the first branched light reflected by the first part. Measure parameters.
  • the second branched light is incident on the second interferometer 35 and the second part of the processing stage 1 from the second interferometer 35 (however, the second part is at 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 is configured so that the position of the second part is based on the interference between the second branched light traveling toward the second part of the processing stage 1 and the second branched light reflected by the second part of the processing stage 1. The position parameter corresponding to is measured.
  • the exposure controller 6 corresponds to the position parameter corresponding to the position of the first part of the processing stage 1 and the position of the second part of the processing stage 1 from each of the first interferometer 34 and the second interferometer 35. Get the position parameter. Then, based on each acquired position parameter, the exposure control unit 6 calculates the position of the processing stage 1.
  • the optical unit 4 has 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 41 based on drawing data corresponding to a pattern described by CAD data.
  • 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.
  • the light irradiation unit 41 includes a laser driving unit 411, a laser oscillator 412, and an illumination optical system 413.
  • 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 drawing data. Then, the optical head 40a exposes the surface of the substrate W held on the processing stage 1 by directing the modulated laser beam onto the substrate W moving at a position immediately below the optical head 40a, thereby drawing a pattern. As a result, the pattern described by the CAD data is drawn on the surface of the substrate W in an overlapping manner.
  • the alignment unit 5 images an alignment mark (not shown) formed on the surface of the substrate W.
  • the alignment unit 5 includes an imaging unit 51 having a lens barrel, an objective lens, and a CCD (Charge-Coupled Device) image sensor.
  • an area image sensor two-dimensional image sensor
  • the alignment part 5 is supported by the raising / lowering mechanism which is not shown in figure so that raising / lowering is possible within a predetermined range.
  • the illumination unit 7 is connected to the lens barrel via a fiber 71 and supplies illumination light to the alignment unit 5.
  • the light guided by the fiber 71 extending from the illumination unit 7 is guided to the upper surface of the substrate W through the lens barrel of the imaging unit 51, and the reflected light is received by the CCD image sensor through the objective lens.
  • the imaging unit 51 is electrically connected to the mark position measurement unit 52, and outputs the acquired imaging data to the mark position measurement unit 52.
  • the mark position measurement unit 52 obtains the coordinate position of the alignment mark based on the imaging data and outputs it to the exposure control unit 6.
  • FIG. 4 is a perspective view illustrating a schematic configuration of the pre-alignment unit.
  • the pre-alignment unit 200 has a long plate-like base portion 210 extending in the Y direction. At one end portion of the base portion 210, a turntable 220 is rotatably attached.
  • the turntable 220 has an upper surface that supports the substrate W that has been transported by the transport robot 301.
  • a plurality of suction holes are formed on the upper surface of the turntable 220. By sucking each suction hole by a suction means (not shown), the substrate W is sucked on the turntable 220. Retained.
  • the rotary table 220 is connected to the rotary shaft of the motor 230 and receives the rotational driving force from the motor 230 and rotates around the Z axis while holding the substrate W.
  • a notch detection portion 240 is provided so as to be movable in the radial direction (Y direction) of the substrate W held on the rotary table 220.
  • the notch detector 240 has a light projecting element and a light receiving element which are not shown.
  • a detection driving unit 250 is connected to the notch detection unit 240 and moves the notch detection unit 240 in the Y direction according to the wafer size of the substrate W. That is, when the wafer size is 200 [mm], it is moved in the (+ Y) direction and positioned at the first position, so that the light path from the light projecting element to the light receiving element intersects with the peripheral edge of the substrate W.
  • the detection unit 240 is positioned.
  • the notch detector 240 is positioned so that the optical path intersects the peripheral edge of the substrate W by moving in the ( ⁇ Y) direction and positioning at the second position. .
  • the notch detection unit 240 can perform notch detection for any wafer size. That is, the notch detection unit 240 outputs a notch detection signal at the timing when the notch Wa is positioned on the optical path.
  • the pre-alignment unit 200 controls the rotation of the rotary table 220 based on the output timing of the notch detection signal, so that, for example, as shown in FIGS. 2 and 4, the notch Wa is rotated to the ( ⁇ X) direction.
  • the substrate W is positioned on the substrate (pre-alignment process).
  • the notch Wa corresponds to an example of the “notch” of the present invention
  • the ( ⁇ X) direction corresponds to the “reference direction” of the present invention.
  • substrate W based on a notch detection is known, description is abbreviate
  • notch detection is performed using transmitted light as described above, but notch detection may be performed using reflected light.
  • the imaging camera 260 is disposed above the peripheral edge of the substrate W held horizontally on the rotary table 220 on the opposite side of the notch detector 240 with the rotary table 220 interposed therebetween. A part of the surface of the substrate W can be imaged.
  • the camera driver 270 is also provided for the imaging camera 260 so as to correspond to two types of wafer sizes, similarly to the notch detector 240.
  • the camera driving unit 270 has a function of moving the imaging camera 260 in the radial direction (Y direction) of the substrate W held on the rotary table 220.
  • the camera driving unit 270 moves the imaging camera 260.
  • the imaging camera 260 is moved in the (+ Y) direction when it is moved in the ( ⁇ Y) direction and when the distance is 300 [mm]. As a result, an image of the peripheral portion of the surface of the substrate W is captured by the imaging camera 260.
  • the imaging region by the imaging camera 260 is not limited to the surface peripheral region of the substrate W, but in the present embodiment, an image of the surface peripheral region is captured for the following reason. That is, the reason is that the peripheral portion is more easily affected by the rotational positional deviation than the central portion, and the detection accuracy of the rotational positional deviation amount obtained as described later can be improved. Further, as described later, it is desirable to acquire a relatively wide imaging region in order to use a statistical method using an image captured by the imaging camera 260. In this embodiment, the magnification of the imaging camera 260 is set to a low magnification. Is set to 0.5 times. An image captured by the imaging camera 260, that is, a partial image of the surface of the substrate W (hereinafter referred to as “partial image”) is sent from the pre-alignment unit 200 to the image processing unit 400.
  • partial image An image captured by the imaging camera 260, that is, a partial image of the surface of the substrate W (hereinafter referred to as “partial image”) is sent
  • Image processing unit 400 performs image processing on the imaging result of the imaging camera 260 and is arranged in an electrical rack (not shown) together with the exposure control unit 6.
  • the image processing unit 400 stores the partial image transmitted from the imaging camera 260 in an image memory (not shown).
  • the image processing unit 400 includes a template matching unit 410 and a correction angle calculation unit 420, and each unit executes the following processing.
  • the correction angle calculation unit 420 has a function of obtaining the rotational position deviation amount of the surface of the substrate W with respect to the reference direction based on the plurality of patterns acquired by the template matching unit 410 and outputting this as a correction angle. The detailed calculation operation will be described later in detail.
  • the data creation unit 500 includes a computer having a CPU (Central Processing Unit), a storage unit 510, and the like, and is arranged in the electrical rack together with the exposure control unit 6 and the image processing unit 400.
  • the data creation unit 520, the alignment coordinate deriving unit 530, and the rasterizing unit 540 are realized by the CPU in the data creation unit 500 performing arithmetic processing according to a predetermined program.
  • the pattern to be drawn superimposed on the surface of the substrate W is described in vector format design data generated by an external CAD or the like, and when the design data is input to the data creation unit 500, It is written and stored in the storage unit 510. Then, the data creation unit 520 corrects the design data 511 to create corrected design data, which is sent to the alignment coordinate deriving unit 530 and the rasterizing unit 540.
  • the alignment coordinate deriving unit 530 derives the coordinates of the alignment mark included in the correction design data and transmits them to the exposure control unit 6. In response to this, the exposure control unit 6 executes alignment processing by the alignment unit 5.
  • the rasterization unit 540 rasterizes the correction design data in parallel with the alignment mark coordinate deriving process by the alignment coordinate deriving unit 530 and the alignment process by the exposure control unit 6 to generate run-length data (drawing data) 512 to store the data. Save to 510.
  • run-length data 512 is output from the storage unit 510 to the exposure control unit 6, and pattern drawing on the surface of the substrate W is executed according to the run-length data 512. .
  • the wafer size of the substrate W is 300 [mm]
  • the notch detector 240 and the imaging camera 260 are previously positioned at a position corresponding to 300 [mm] as shown in FIG. Has been.
  • the movement of the notch detection unit 240 and the imaging camera 260 is executed at the timing when the switching is performed from 300 [mm] to 200 [mm].
  • FIG. 5 is a flowchart showing a pattern drawing operation by the drawing apparatus of FIG.
  • FIG. 6 is a diagram schematically showing an operation of acquiring a plurality of patterns from a partial image on the surface of the substrate.
  • the transport robot 301 unloads the substrate W from the carrier C mounted on the carrier mounting unit 604 and transports the substrate W to the rotary table 220 of the pre-alignment unit 200 (step S1). Then, the rotary table 220 rotates at least once or more, and the notch detection unit 240 detects the notch Wa and outputs a notch detection signal during the rotation.
  • the pre-alignment unit 200 acquires the rotation angle of the notch Wa based on the timing at which the notch detection signal is output, and further rotates the turntable 220 until the notch Wa faces the reference direction ( ⁇ X). Thereby, the alignment using the notch Wa, that is, the pre-alignment process is completed (step S2).
  • a part of the surface of the substrate W on which the imaging camera 260 has been pre-aligned that is, a partial image WI is captured and written in the image memory of the image processing unit 400 (step S3).
  • An example of the partial image WI thus stored in the image memory is shown in the column (a) of FIG.
  • the transfer robot 301 receives the substrate W from the turntable 220 and then starts to transfer the substrate W to the processing stage 1 (step S4). Then, during the substrate transport operation, the image processing unit 400 performs various image processing and arithmetic processing to calculate the correction angle ⁇ (step S5), and outputs it to the exposure control unit 6 of the exposure unit 100. .
  • FIG. 7 is a flowchart showing the correction angle calculation operation.
  • This correction angle calculation operation is executed by the correction angle calculation unit 420 as follows.
  • template matching processing is first executed to acquire a pattern from the partial image WI (step S51).
  • FIG. 8 is a flowchart showing the template matching operation.
  • FIG. 9 is a diagram showing an example of the centroid set obtained by the template matching operation.
  • the template matching operation will be described with reference to FIGS. 6, 8, and 9.
  • a pattern that is periodically repeated by template matching that is, a loop that acquires a periodic pattern from the partial image WI, that is, a matching loop to go into.
  • a part of the partial image WI is acquired as the reference image RI (n) (step S512).
  • the size of the reference image RI (n) can be set to an arbitrary size smaller than the partial image WI.
  • column (b) in FIG. 5 it is preferable to set one image of the partial images WI divided into 15 ⁇ 15 to 20 ⁇ 20 as the reference image RI (n).
  • step S513 template matching, which has been frequently used in the past, is performed on the entire partial image WI using the reference image RI (n) as a template image (step S513). Then, the center of gravity is obtained for each of the matched regions, and the coordinate data of the center of gravity is obtained as position information of the center of gravity of the periodic pattern, and stored in a data memory (not shown) provided in the image processing unit 400 (step S514).
  • a total of i matching regions MR1, MR2,..., MRi are extracted and their centroids g1, g2,. y1), (x2, y2),..., (xi, yi) are stored in the data memory.
  • the center-of-gravity set G composed of a plurality of center-of-gravity position information is written in the data memory as a set of periodic pattern position information.
  • the number of centroids is a constant value GN, for example, 20 or more, and the calculation accuracy of the correction angle can be sufficiently ensured (“NO” in step S515), matching is performed. Exit the loop and end the template matching process.
  • step S5 if the number of centroids is less than a certain value GN (“YES” in step S515), the matching count value n is incremented by “1” (step S516), and then the reference image RI (n) is acquired.
  • the template matching and the center of gravity calculation / storage are repeated. That is, a template image is sequentially shifted within the range of the partial image WI, and template matching processing is performed to obtain a matching image (periodic pattern).
  • step S53 the following calculations (steps S53 to S55) are performed for each of the i centroids g1, g2,. That is, the distance from the center of gravity gm to another center of gravity (hereinafter referred to as “distance between centers of gravity”) is calculated (step S53). Then, based on the distance between the centroids, the nearest centroid gmn closest to the centroid gm is detected (step S54), and the data center is associated with the centroid gm and the near center of gravity gmn and the distance Lm between the centroids gm and gmn. (Step S55). Thus, for example, as shown in FIG. 10, a proximity point set N in which the center of gravity g, the proximity center of gravity gn, and the distance L between centers of gravity are associated is obtained, and the process exits the proximity point calculation loop.
  • step S56 the proximity point set N is read from the data memory. Then, a histogram is created using the distance L between the centers of gravity as a key (step S57).
  • a histogram is created using the distance L between the centers of gravity as a key (step S57).
  • the center-to-center distance L having the largest number of appearances is derived from the histogram (step S58), and the data included in the mode Lmd, that is, the center of gravity g, the proximity center of gravity gn, and the center of gravity.
  • the distance L is extracted from the proximity point set N and stored in the data memory (step S59). In this way, for example, as shown in FIG. 12, the nearest neighbor set MN in which the center of gravity g, the proximity center of gravity gn, and the distance L between centers of gravity included in the mode Lmd are associated is obtained. However, “angle ⁇ ” in FIG. 12 has not been obtained at this time, and is not stored in the data memory.
  • the nearest contact point set MN is read from the data memory.
  • the angle ⁇ is calculated for each piece of data (centroid g, proximity centroid gn) constituting the closest contact set MN.
  • This angle ⁇ is the rotation angle of a pair of adjacent patterns composed of a pattern PT having a center of gravity g (see column (c) in FIG. 6) and a pattern PTn having a center of gravity gn (see column (c) in FIG. 6).
  • the angle defined by the virtual line VL from the center of gravity g to the near center of gravity gn and the reference direction ( ⁇ X) is defined.
  • step S62 When the angle ⁇ is obtained for each piece of data of the nearest point set MN, a histogram is created using the angle ⁇ as a key (step S62). An example of this is shown in FIG. 13, and when the periodic pattern is formed in a matrix in the X and Y directions as shown in FIG. 6, the angle ⁇ is around 0 °, 90 °, 180 °, and 270 °. concentrate.
  • the rotational position shift of the surface of the substrate W does not occur with respect to the reference direction ( ⁇ X), and the existing pattern on the surface of the substrate W is positioned with respect to the reference direction ( ⁇ X) by the pre-alignment process.
  • the number of angles ⁇ shows peaks at 0 °, 90 °, 180 °, and 270 °.
  • the number peak of the angle is shifted by the rotational misalignment amount.
  • the average value of the differences ⁇ A (0), ⁇ A (90), ⁇ A (180), ⁇ A (270) is the rotational displacement amount of the surface of the substrate W with respect to the reference direction ( ⁇ X), and this is used as the correction angle ⁇ . Obtained (step S65).
  • the correction angle ⁇ is given from the image processing unit 400 to the exposure control unit 6. Then, as shown in FIG. 5, until the pre-aligned substrate W is placed on the processing stage 1, the exposure control unit 6 issues a command to rotate the processing stage 1 by an angle ( ⁇ ). 21 to be operated (step S6). As a result, the processing stage 1 is rotated by an angle ( ⁇ ) before the transfer robot 301 places the substrate W on the processing stage 1, and the substrate W is received at the angular posture.
  • the exposure control unit 6 rotates the processing stage 1 by an angle ⁇ . Is given to the rotating mechanism 21 to operate (step S8). Thereby, the substrate W is rotated by the correction angle ⁇ , and the rotational position deviation of the surface of the substrate W with respect to the reference direction ( ⁇ X) is eliminated. Subsequently, alignment processing is performed. That is, the processing stage 1 is moved to a position immediately below the imaging unit 51 by the stage moving unit 2, and the alignment marks are sequentially positioned at the imageable positions of the imaging unit 51, and mark imaging by the imaging unit 51 is executed.
  • the image signal output from the imaging unit 51 is processed by the mark position measurement unit 52, and the position of the alignment mark on the processing stage 1 is accurately obtained. Then, based on these measurement position information, the rotation mechanism 21 is operated, and the processing stage 1 is slightly rotated about an axis parallel to the surface normal of the surface of the substrate W, that is, a vertical axis, to pattern the surface of the substrate W. Align to the appropriate orientation. The alignment may be performed after the processing stage 1 is moved to a position directly below the optical heads 40a and 40b.
  • the exposure control unit 6 makes a data request to the data creation unit 500, and performs pattern drawing on the surface of the substrate W according to the run length data 512 read from the storage unit 510 (step S9).
  • the substrate W is rotated by an amount corresponding to the rotational displacement, so that the alignment mark on the substrate W is not changed during the alignment process. It can enter into the imaging area of the imaging part 51, and can perform an alignment process reliably. Therefore, it is possible to reduce time loss due to misreading of the alignment mark and perform efficient drawing processing.
  • a partial image WI that is, the reference image RI (n) is used as a matching image, and it is not necessary to prepare a matching image in advance.
  • the reference image RI (n + 1) is switched to the acquisition of the periodic pattern from the partial image WI. For this reason, it can respond appropriately to various substrates and has high versatility.
  • the reference images RI (n) and RI (n + 1) correspond to examples of the “first image” and the “second image” of the present invention, respectively.
  • the rotational position deviation amount can be obtained with high accuracy, and as a result, the drawing accuracy is improved.
  • FIG. 14 is a block diagram showing a second embodiment of a drawing apparatus equipped with the rotational displacement detection device according to the present invention, and shows an electrical configuration.
  • FIG. 15 is a flowchart showing a pattern extraction process for extracting a periodic pattern from a partial image.
  • FIG. 16 is a diagram schematically showing an operation of acquiring a periodic pattern from a partial image in the second embodiment.
  • the second embodiment is greatly different from the first embodiment in the method of acquiring the position information of the periodic pattern from the partial image WI. That is, in the first embodiment, the periodic pattern is acquired from the partial image WI by the template matching process by the template matching unit 410.
  • the second embodiment a periodic pattern is acquired from the partial image WI using a binarization process and a labeling process.
  • Other configurations and operations are basically the same as those in the first embodiment. Therefore, in the following description, it demonstrates centering around difference, attaches
  • the image processing unit 400 includes a binarization processing unit 430, a labeling unit 440, and an isolated extraction processing unit 450 in addition to the correction angle calculation unit 420.
  • the binarization processing unit 430 receives an image taken by the imaging camera 260, for example, the partial image WI shown in the column (a) of FIG. 16, the binarization processing unit 430 binarizes the partial image WI, for example, FIG. A binary image BI shown in the column is generated (step S517).
  • the labeling unit 440 When the labeling unit 440 receives the binary image BI, the labeling unit 440 gives a label to the binary image BI (step S518).
  • a number of known techniques have been proposed for the labeling process, and the present embodiment employs one of the 8-neighbor search methods, but other methods such as a 4-neighbor search method are used. Also good.
  • the binary image BI may be run-length to generate a plurality of runs, and labels may be assigned to the plurality of runs.
  • the isolated extraction processing unit 450 extracts an isolated pattern IP (column (c) in FIG. 16) having a predetermined size or less from the labeled image (step S159).
  • Each isolated pattern IP corresponds to a periodic pattern in the partial image WI, and a labeled image PI including these isolated patterns IP is given to the correction angle calculation unit 420.
  • the correction angle calculation unit 420 obtains the center of gravity g of the isolated pattern IP for each isolated pattern IP in the labeled image PI and obtains the coordinate data of the center of gravity g as position information of the center of gravity of the periodic pattern, and the image processing unit.
  • the data is stored in a data memory (not shown) provided in 400 (step S520).
  • the centroid set G exists in the data memory as a set of periodic pattern position information.
  • the amount of rotational position deviation of the surface of the substrate W is calculated as the correction angle ⁇ in the same manner as in the first embodiment, and is given to the exposure controller 6.
  • the periodic pattern is obtained from the partial image WI using the binarization process and the labeling process, and the surface of the substrate W with respect to the reference direction ( ⁇ X) is obtained based on these periodic patterns.
  • the amount of rotational position deviation is detected. Therefore, the same effect as the first embodiment can be obtained.
  • the notch Wa formed in the outer peripheral portion of the disk-shaped substrate W corresponds to an example of the “notch portion” of the present invention.
  • the present invention can be applied to a substrate on which an orientation flat is formed as a notch.
  • step S3 corresponds to an example of the “first process” of the present invention
  • step S511 to S516 corresponds to an example of the “second step” of the present invention
  • steps S511 to S566 corresponds to an example of the “third step” of the present invention
  • steps S60 and S61 correspond to an example of the “fourth step” of the present invention
  • S65 corresponds to an example of the “fifth step” of the present invention.
  • the value GN corresponds to an example of “the minimum number necessary for obtaining the rotation angle” of the present invention.
  • a histogram created using the distance between the centers of gravity as a key corresponds to an example of the “first histogram” of the present invention
  • a histogram created using the angle as a key corresponds to an example of the “second histogram” of the present invention.
  • the two patterns having the centroids g and gn constituting the proximity point set N correspond to examples of the “pattern pair” and “proximity pattern pair” of the present invention, and the centroids g and gn constituting the closest contact set MN.
  • the two patterns each having the above correspond to an example of “equal pitch pair” of the present invention.
  • the angle ⁇ corresponds to an example of “an angle of two patterns with respect to a reference direction” in the present invention.
  • the imaging camera 260 and the image processing unit 400 function as the “imaging unit” and the “detection unit” of the present invention, respectively, and the “position shift detection device” and the “position shift detection unit” of the present invention constitute these.
  • the processing stage 1, the rotation mechanism 21, and the exposure control unit 6 correspond to examples of the “holding unit”, “rotating unit”, and “control unit” of the present invention, respectively.
  • the reference image RI (n) is acquired as a template image at an arbitrary position within the range of the partial image WI.
  • the user can select a template image (hereinafter referred to as “compatible template image”) that matches the substrate W. It may be stored in advance in a memory such as an image memory and the template matching process may be performed using this. Further, an image of an area including one or a plurality of isolated patterns in an image obtained by executing the binarization process and the labeling process executed in the second embodiment is obtained as the matching template image, and this is used. Template matching processing may be performed. In these cases, the following effects can be obtained.
  • the reference image RI (n) is acquired as a template image at an arbitrary position within the range of the partial image WI. For this reason, when the template matching process is performed using the first reference image RI (1) as a template image, there is a possibility that GN or more periodic patterns cannot be acquired from the partial image WI. Therefore, in the first embodiment, the periodic pattern is acquired while switching the template image with the reference images RI (2), RI (3),... Until GN or more periodic patterns are acquired in consideration of this point. It is repeating. As a result, it may take time to calculate the correction angle ⁇ . On the other hand, by using the matching template image, it is possible to acquire GN or more periodic patterns from the partial image WI by one template matching process. As a result, the time required to acquire the periodic pattern from the partial image WI can be minimized.
  • the template matching process (steps S511 to S516) is executed in the first embodiment, and the pattern extraction process (steps S517 to S520) is executed in the second embodiment.
  • steps S511 to S566 are executed in the first embodiment
  • the pattern extraction process (steps S517 to S520) is executed in the second embodiment.
  • these steps may be combined. That is, a template matching process and a pattern extraction process may be prepared in advance, and one of the template matching process and the pattern extraction process may be selectively performed according to the type of periodic pattern.
  • the “second step” of the present invention is executed by one of the template matching step and the pattern extraction step, but when only a periodic pattern less than the value GN can be acquired, the other is added. You may comprise. Accordingly, the “second step” of the present invention can be reliably and satisfactorily performed regardless of the type of the periodic pattern.
  • the partial image WI is acquired by one imaging process by the imaging camera 260, but the number of imaging is not limited to one, and may be executed a plurality of times. That is, each time the surface of the substrate W is imaged, the camera driving unit 270 may move the imaging camera 260 by one shot to image the adjacent area, and an image obtained by connecting these imaging areas is used as the partial image WI. It may be used. As a result, it is possible to detect the rotational positional deviation of the surface of the substrate W using the relatively wide partial image WI, and to improve the accuracy of the positional deviation detection.
  • the positional deviation detection method and apparatus according to the present invention are applied to a drawing apparatus, but the application target is not limited to this.
  • an apparatus that receives a substrate by a holding means and is positioned so that a notch provided in the outer peripheral portion faces a reference direction, and performs a predetermined process on the substrate while being held by the holding means for example, the surface of the substrate
  • the present invention can also be applied to a substrate inspection apparatus that images and inspects the substrate.
  • a plurality of patterns are obtained from partial images of the surface of the substrate that are positioned so that the cutout portions provided in the outer peripheral portion face the reference direction, and the substrate is obtained from these patterns. Since the rotational position deviation amount is detected, the rotational position deviation amount can be accurately obtained.
  • a highly accurate drawing process can be performed by using the misregistration detection technique in the drawing apparatus. Further. An accurate inspection can be performed by applying the positional deviation detection technique to the substrate inspection apparatus.
  • the present invention is equipped with a positional deviation detection method and apparatus for obtaining a rotational positional deviation amount with respect to the reference direction of the surface of the substrate, which is positioned so that a cutout portion provided in the outer peripheral portion faces the reference direction, and a positional deviation detection apparatus.
  • the present invention is suitable for a drawing apparatus that draws a new pattern on the surface of the substrate and a substrate inspection apparatus that images and inspects the surface of the substrate.

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Abstract

　外周部に設けられた切欠部が基準方向を向くように位置決めされた、基板の表面の基準方向に対する回転位置ずれ量を正確に求めることができる位置ずれ検出技術、ならびに当該位置ずれ検出技術を用いて高精度な描画処理や正確な基板検査を行う。 【解決手段】基板の表面の部分画像を取得する第１工程と、部分画像に含まれる複数のパターンを取得する第２工程と、複数のパターンからパターン対を複数個選定し、複数のパターン対のうちパターン間の距離が互いに等しい複数の等ピッチ対を求める第３工程と、等ピッチ対毎に、当該等ピッチ対を構成する２つのパターンの位置情報に基づいて基準方向に対する２つのパターンの回転角を求める第４工程と、第４工程で求められた複数の回転角から回転位置ずれ量を求める第５工程とを備える。

Description

位置ずれ検出方法、位置ずれ検出装置、描画装置および基板検査装置
　この発明は、オリエンテーションフラットやノッチなどの切欠部が基準方向を向くように位置決めされた、基板の表面の上記基準方向に対する回転位置ずれ量を求める位置ずれ検出技術、ならびに当該位置ずれ検出技術を利用する描画装置および基板検査装置に関するものである。
　近年、半導体基板（以下単に「基板」という）に形成されるＬＳＩ（Large Scale Integrated Circuit）の高集積化に伴い、光ビームを照射してパターンを描画する描画装置が利用されている。例えば特許文献１に記載の描画装置では、基板をプリアライメント部に搬送し、プリアライメント処理を行う。このプリアライメント処理は、載置台に載置された基板の切欠部（ノッチやオリエンテーションフラットなど）の位置をセンサで検出し、当該切欠部が定められた方向を向くように載置台を回転させることによって行われる。これによって、載置台に載置された基板は基準方向に位置合わせされる。これに続いて、プリアライメント処理済みの基板をステージに搬送する。そして、基板上の複数のアライメントマークをカメラで撮像し、そのマーク位置と設計データ上の位置とのずれ量を検出する。そのずれ量を考慮した上でステージと光学ヘッドとを相対移動させながら光学ヘッドからステージ上の基板に対して光を照射して基板にパターンを描画する。
特開２０１３－１３８１００号公報
　ところで、上記特許文献１に記載の装置で実行されるプリアライメント処理は、切欠部に基づき基板を基準方向に対して位置決めしているにすぎず、基板の表面、特に当該表面上に既に形成されているパターンを基準方向に対して位置決めするものではない。そのため、上記アライメントマークがカメラの視野に入らないことがあった。例えば基板上に既に形成されている第１レイヤに対して上記描画装置を用いて第２レイヤを描画する場合があるが、第１レイヤを形成する装置におけるプリアライメント精度が悪く、基板の切欠部を基準したパターン形成が行われないことがある。この場合、プリアライメント処理を行ったとしても、第１レイヤのパターンは基準方向から回転方向に位置ずれして形成されている。つまり回転位置ずれが発生することがある。したがって、第１レイヤに含まれるアライメントマークをカメラにより撮像することが困難となることがある。
　また、描画装置によるパターン形成の対象として、素子（デバイス）が形成されたＳｉウエハに対して接着剤を用いてノッチ付ガラスウエハを接着した基板があるが、当該基板の場合Ｓｉウエハに形成されているパターンと、ガラスウエハのノッチには何の位置関係も存在しないため、プリアライメント処理の精度を向上させたとしても、Ｓｉウエハ上のアライメントマークをカメラにより撮像できる保証はどこにもない。
　このようにプリアライメント処理によって基板を基準方向に対して位置決めしたとしても、基準方向に対する基板の回転位置ずれが発生することがある。例えば直径が３００[ｍｍ］の半導体ウエハを上記基板とする場合、半導体ウエハの回転位置が基準方向から角度０．０５[゜]だけずれると、半導体ウエハの周縁部では２５０[μｍ]程度の位置ずれになってしまう。その結果、半導体ウエハに既に形成されているパターンに別のパターンを正確に描画するのが困難となっている。また、半導体ウエハに既に形成されているパターンの形状異常（ショート、断線など）やウエハ表面の異物検出を行う基板検査装置においても、基準方向に対して位置決めされた半導体ウエハ等の基板に回転位置ずれが発生していると、正確な基板検査を良好に行うことは困難である。
　この発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、外周部に設けられた切欠部が基準方向を向くように位置決めされた、基板の表面の基準方向に対する回転位置ずれ量を正確に求めることができる位置ずれ検出技術、ならびに当該位置ずれ検出技術を用いて高精度な描画処理や正確な基板検査を行う装置を提供することを目的とする。
　この発明の第１態様は、外周部に設けられた切欠部が基準方向を向くように位置決めされた、基板の表面の基準方向に対する回転位置ずれ量を求める位置ずれ検出方法であって、基板の表面の部分画像を取得する第１工程と、部分画像に含まれる複数のパターンを取得する第２工程と、複数のパターンからパターン対を複数個選定し、複数のパターン対のうちパターン間の距離が互いに等しい複数の等ピッチ対を求める第３工程と、等ピッチ対毎に、当該等ピッチ対を構成する２つのパターンの位置情報に基づいて基準方向に対する２つのパターンの回転角を求める第４工程と、第４工程で求められた複数の回転角から回転位置ずれ量を求める第５工程とを備えることを特徴としている。
　また、この発明の第２態様は、外周部に設けられた切欠部が基準方向を向くように位置決めされた、基板の表面の基準方向に対する回転位置ずれ量を求める位置ずれ検出装置であって、基板の表面を部分的に撮像する撮像手段と、撮像部によって撮像された基板の表面の部分画像に基づいて回転位置ずれ量を求める検出手段とを備え、検出手段は、部分画像に含まれる複数のパターンを取得するパターン取得部と、パターン取得部により取得された複数のパターンからパターン対を複数個選定するとともに複数のパターン対のうちパターン間の距離が互いに等しい複数の等ピッチ対を求め、等ピッチ対毎に当該等ピッチ対を構成する２つのパターンの位置情報に基づいて基準方向に対する２つのパターンの回転角を求め、複数の回転角から回転位置ずれ量を求める算出部とを有することを特徴としている。
　また、この発明の第３態様は、外周部に設けられた切欠部が基準方向を向くように位置決めされた、基板を保持手段で受け取り、保持手段により保持したまま基板に光を照射して描画する描画装置であって、上記した位置ずれ検出装置と同一の構成を有する位置ずれ検出手段と、保持手段により保持される基板の表面の面法線と平行に延びる回転軸を中心として保持手段を回転させる回転手段と、光による描画前に、位置ずれ検出手段で求められた回転位置ずれ量に基づいて回転手段を制御して保持手段に保持される基板の回転位置を補正する制御手段とを備えることを特徴としている。
　さらに、この発明の第４態様は、外周部に設けられた切欠部が基準方向を向くように位置決めされた、基板を保持手段で受け取り、保持手段により保持したまま基板の表面を撮像して検査する基板検査装置であって、上記した位置ずれ検出装置と同一の構成を有する位置ずれ検出手段と、保持手段により保持される基板の表面の面法線と平行に延びる回転軸を中心として保持手段を回転させる回転手段と、基板の表面の撮像前に、位置ずれ検出手段で求められた回転位置ずれ量に基づいて回転手段を制御して保持手段に保持される基板の回転位置を補正する制御手段とを備えることを特徴としている。
　このように構成された発明では、切欠部に基づいて基準方向に対して位置決めされた基板の表面の部分画像が取得される。そして、当該部分画像に含まれる複数のパターンに基づいて基準方向に対する基板の回転位置ずれ量が検出される。より詳しくは、上記複数のパターンからパターン対を複数個選定するとともに複数のパターン対のうちパターン間の距離が互いに等しい複数の等ピッチ対を求め、等ピッチ対毎に当該等ピッチ対を構成する２つのパターンの位置情報に基づいて基準方向に対する２つのパターンの回転角を求め、複数の回転角から回転位置ずれ量を求めている。このため、回転位置ずれ量が正確に求められる。
本発明にかかる回転位置ずれ検出装置を装備する描画装置の第１実施形態を示す正面図である。 図１の描画装置の平面図である。 図１の描画装置の電気的構成を示すブロック図である。 プリアライメントユニットの概略構成を示す斜視図である。 図１の描画装置によるパターンの描画動作を示すフローチャートである。 基板の表面の部分画像から複数のパターンを取得する動作を模式的に示す図である。 補正角算出動作を示すフローチャートである。 テンプレートマッチング動作を示すフローチャートである。 テンプレートマッチング動作により得られる重心集合の一例を示す図である。 近接点集合の一例を示す図である。 重心間距離をキーとするヒストグラムの一例を示す図である。 最近接点集合の一例を示す図である。 角度をキーとするヒストグラムの一例を示す図である。 本発明にかかる回転位置ずれ検出装置を装備する描画装置の第２実施形態を示すブロック図である。 部分画像から周期パターンを抽出するパターン抽出処理を示すフローチャートである。 第２実施形態における部分画像からの周期パターンの取得動作を模式的に示す図である。
　図１は本発明にかかる回転位置ずれ検出装置を装備する描画装置の第１実施形態を示す正面図である。図２は図１の描画装置の平面図である。図３は図１の描画装置の電気的構成を示すブロック図である。描画装置は、プリアライメント処理された半導体ウエハなどの基板Ｗを処理ステージ１に搬送し、当該処理ステージ１で基板Ｗを保持したまま光を基板Ｗの表面に照射してパターンを描画する装置である。以下においては、装置の全体構成を説明した後、装置の主要構成である露光ユニット、プリアライメントユニット、画像処理ユニットおよびデータ作成ユニットの構成、ならびに描画動作について詳述する。
　Ａ．全体構成
　描画装置は、露光ユニット１００、プリアライメントユニット２００、搬送ユニット３００、画像処理ユニット４００およびデータ作成ユニット５００を有している。そして、これらのうち露光ユニット１００、プリアライメントユニット２００および搬送ユニット３００の主要構成要素が、本体フレーム６０１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に配置されている。
　描画装置の本体内部は、処理領域６０２と受け渡し領域６０３とに区分されている。これらの領域のうち処理領域６０２には、主として、露光ユニット１００の主要構成である処理ステージ１、ステージ移動部２、ステージ位置計測部３、光学ユニット４、アライメント部５が配置されている。そして、露光ユニット１００の露光制御部６が露光ユニット１００の各部を制御することで光ビームを基板Ｗに露光してパターンを描画する。一方、受け渡し領域６０３には、図２に示すようにプリアライメントユニット２００および搬送ユニット３００が配置されている。プリアライメントユニット２００は、プリアライメント処理を行う。また、搬送ユニット３００は処理領域６０２に対する基板Ｗの搬出入を行う搬送ロボット３０１を有している。
　また、描画装置の本体外部には、図１に示すようにアライメント部５に照明光を供給する照明部７が配置される。また、図１および図２への図示を省略しているが、同本体外部には上記露光制御部６、画像処理ユニット４００およびデータ作成ユニット５００が配置されている。
　さらに、描画装置の本体外部で、受け渡し領域６０３に隣接する位置には、キャリアＣを載置するためのキャリア載置部６０４が配置される。そして、搬送ロボット３０１がキャリアＣ、プリアライメントユニット２００および処理ステージ１にアクセスして基板Ｗを次のように搬送する。つまり、搬送ロボット３０１は、キャリア載置部６０４に載置されたキャリアＣに収容された未処理の基板Ｗを取り出し、プリアライメントユニット２００に搬入する。このプリアライメントユニット２００は、プリアライメント処理を行って基板Ｗの外周部に形成されるノッチＷａ（図２、図４参照）が予め設定した基準方向に向くように基板Ｗを位置決めする。こうしてプリアライメント処理を受けた基板Ｗを当該プリアライメントユニット２００から処理ステージ１に搬送し、描画を行う。そして、描画終了後に描画処理済の基板Ｗを処理ステージ１からキャリアＣに搬出する。
　Ｂ．露光ユニット１００の構成
　処理ステージ１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。処理ステージ１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、処理ステージ１上に載置された基板Ｗを処理ステージ１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、処理ステージ１はステージ移動部２により移動される。
　ステージ移動部２は、処理ステージ１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。ステージ移動部２は、支持プレート２２上で処理ステージ１を鉛直軸Ｚ回りに微小回転させる回転機構２１と、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Ｘ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Ｙ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は露光制御部６からの指示に応じて処理ステージ１を移動させる。
　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。
　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描画装置の基台８上に敷設された固定子とにより構成されたリニアモータ２５ａを有している。また、ベースプレート２４と基台８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６０６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。
　ステージ位置計測部３は、処理ステージ１の位置を計測する機構である。ステージ位置計測部３は、露光制御部６と電気的に接続されており、露光制御部６からの指示に応じて処理ステージ１の位置を計測する。ステージ位置計測部３は、例えば処理ステージ１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、処理ステージ１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３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、露光制御部６と電気的に接続されており、露光制御部６からの指示に応じて処理ステージ１の位置を計測する。
　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から処理ステージ１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、処理ステージ１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。
　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から処理ステージ１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、処理ステージ１の第２の部位に向かう第２分岐光と処理ステージ１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。
　露光制御部６は、第１干渉計３４および第２干渉計３５の各々から、処理ステージ１の第１の部位の位置に対応した位置パラメータ及び処理ステージ１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、露光制御部６は処理ステージ１の位置を算出する。
　光学ユニット４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４１から与えられるレーザ光をＣＡＤデータで記述されたパターンに対応する描画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。
　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、描画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処理ステージ１に保持された基板Ｗの表面を露光してパターンを描画する。これによって、基板Ｗの表面に対してＣＡＤデータで記述されたパターンが重ねて描画される。
　アライメント部５は基板Ｗの表面に形成されるアライメントマーク（図示省略）を撮像する。アライメント部５は、鏡筒、対物レンズ、およびＣＣＤ(Charge Coupled Device)イメージセンサを有する撮像部５１を備える。本実施形態では、ＣＣＤイメージセンサとしてエリアイメージセンサ（二次元イメージセンサ）を用いているが、これに限定されるものではない。また、アライメント部５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。
　照明部７は鏡筒とファイバ７１を介して接続され、アライメント部５に対して照明用の光を供給する。照明部７から延びるファイバ７１によって導かれる光は、撮像部５１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。撮像部５１はマーク位置計測部５２と電気的に接続されており、取得した撮像データをマーク位置計測部５２に出力する。マーク位置計測部５２は当該撮像データに基づいてアライメントマークの座標位置を求め、露光制御部６に出力する。
　Ｃ．プリアライメントユニット２００の構成
　図４はプリアライメントユニットの概略構成を例示する斜視図である。プリアライメントユニット２００はＹ方向に延設された長尺プレート状のベース部２１０を有している。このベース部２１０の一方端部では、回転テーブル２２０が回転自在に取り付けられている。この回転テーブル２２０は搬送ロボット３０１によって搬送されてきた基板Ｗを支持する上面を有している。この回転テーブル２２０の上面には、複数の吸引孔（図示省略）が形成されており、図示を省略する吸引手段によって各吸引孔を吸引することで、基板Ｗが回転テーブル２２０上で吸着されて保持される。また、回転テーブル２２０はモータ２３０の回転軸に連結されており、モータ２３０からの回転駆動力を受けて、基板Ｗを保持しつつＺ軸周りに回転する。
　また、ベース部２１０の他方端部では、ノッチ検出部２４０が回転テーブル２２０に保持される基板Ｗの径方向（Ｙ方向）に移動自在に設けられている。このノッチ検出部２４０は図示を省略する投光素子および受光素子を有している。また、ノッチ検出部２４０には、検出駆動部２５０が接続されており、基板Ｗのウエハサイズに応じてノッチ検出部２４０をＹ方向に移動させる。つまり、ウエハサイズが２００[ｍｍ]のときには（＋Ｙ）方向に移動させて第１ポジションに位置決めすることで、投光素子から受光素子に向かう光経路が基板Ｗの周縁部と交差するようにノッチ検出部２４０を位置させる。一方、ウエハサイズが３００[ｍｍ]のときには（－Ｙ）方向に移動させて第２ポジションに位置決めすることで、上記光経路が基板Ｗの周縁部と交差するようにノッチ検出部２４０を位置させる。こうして、いずれのウエハサイズにおいても、ノッチ検出部２４０によりノッチ検出を行うことが可能となっている。すなわち、上記光経路上にノッチＷａが位置するタイミングでノッチ検出部２４０からノッチ検出信号を出力する。そして、プリアライメントユニット２００はノッチ検出信号の出力タイミングに基づいて回転テーブル２２０の回転を制御することで、例えば図２や図４に示すようにノッチＷａを（－Ｘ）方向に向けた回転位置に基板Ｗを位置決めする（プリアライメント処理）。このように、本実施形態ではノッチＷａが本発明の「切欠部」の一例に相当し、（－Ｘ）方向が本発明の「基準方向」に相当している。なお、ノッチ検出に基づく基板Ｗの回転位置決め方法については周知であるため、ここでは説明を省略する。また、本実施形態では上記したように透過光によってノッチ検出を行っているが、反射光を用いてノッチ検出を行うように構成してもよい。
　ここで、ノッチＷａに基づく位置決めを行ったとしても、既述したように、基板Ｗ上に既に形成されているパターンが必ずしも基準方向に対して正確に位置決めされているわけではなく、基板Ｗが基準方向に対して基板Ｗの回転方向に位置ずれを起こしている、つまり回転位置ずれが発生していることがある。そこで、本実施形態では基準方向に位置決めされた基板Ｗの回転位置ずれ量を検出するために、プリアライメントユニット２００には撮像カメラ２６０が設けられている。
　撮像カメラ２６０は、図４に示すように、回転テーブル２２０を挟んでノッチ検出部２４０の反対側で回転テーブル２２０上に水平に保持された基板Ｗの周縁部の上方位置に配置されており、基板Ｗの表面の一部領域を撮像可能となっている。
　また本実施形態では、撮像カメラ２６０についても、ノッチ検出部２４０と同様に２種類のウエハサイズに対応すべく、カメラ駆動部２７０が設けられている。このカメラ駆動部２７０は、撮像カメラ２６０を回転テーブル２２０に保持される基板Ｗの径方向（Ｙ方向）に移動させる機能を有しており、ウエハサイズが２００［ｍｍ］のときには撮像カメラ２６０を（－Ｙ）方向に移動させ、また３００［ｍｍ］のときには撮像カメラ２６０を（＋Ｙ）方向に移動させる。これによって、基板Ｗの表面のうち周縁部の画像が撮像カメラ２６０によって撮像される。なお、撮像カメラ２６０による撮像領域は基板Ｗの表面周縁領域に限定されるものではないが、次の理由から本実施形態では表面周縁領域の画像を撮像している。すなわち、当該理由は、中心部よりも周縁部の方が回転位置ずれの影響を強く受け易く、後述するようにして求める回転位置ずれ量の検出精度を高めることができるからである。また、後述するように撮像カメラ２６０により撮像した画像を用いて統計的な手法を用いるために撮像領域を比較的広く取得するのが望ましく、本実施形態では撮像カメラ２６０の倍率を低倍、具体的な０．５倍に設定している。そして、この撮像カメラ２６０で撮像された画像、つまり基板Ｗの表面の一部画像（以下「部分画像」という）はプリアライメントユニット２００から画像処理ユニット４００に送られる。
　Ｄ．画像処理ユニット４００
　画像処理ユニット４００は撮像カメラ２６０の撮像結果に対して画像処理を実行するものであり、露光制御部６とともに電装ラック（図示省略）内に配置されている。画像処理ユニット４００は、撮像カメラ２６０から送信されてくる部分画像を画像メモリ（図示省略）に記憶する。また、画像処理ユニット４００はテンプレートマッチング部４１０および補正角算出部４２０を備えており、各部で以下の処理を実行する。
　テンプレートマッチング部４１０は、部分画像に含まれる複数のパターンを取得するパターン取得部として機能するものであり、部分画像の一部をテンプレート像として取得した後、部分画像のうちテンプレート像とマッチングするマッチング像を上記パターンとして取得する。なお、その詳しいパターン取得動作については後で詳述する。
　補正角算出部４２０は、テンプレートマッチング部４１０で取得された複数のパターンに基づいて基準方向に対する基板Ｗの表面の回転位置ずれ量を求め、これを補正角として出力する機能を有している。なお、その詳しい算出動作についても後で詳述する。
　Ｅ．データ作成ユニット５００
　データ作成ユニット５００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）や記憶部５１０等を有するコンピュータで構成されており、露光制御部６、画像処理ユニット４００とともに電装ラック内に配置されている。また、データ作成ユニット５００内のＣＰＵが所定のプログラムに従って演算処理することにより、データ作成部５２０、アライメント座標導出部５３０およびラスタライズ部５４０が実現される。本実施形態では、基板Ｗの表面に重ね合わせて描画するパターンは外部のＣＡＤ等により生成されたベクトル形式の設計データで記述されており、その設計データがデータ作成ユニット５００に入力されると、記憶部５１０に書き込まれて保存される。そして、データ作成部５２０が設計データ５１１を補正して補正設計データを作成し、アライメント座標導出部５３０およびラスタライズ部５４０に送る。
　アライメント座標導出部５３０は上記補正設計データに含まれるアライメントマークの座標を導出し、露光制御部６に送信する。これを受けて露光制御部６はアライメント部５によるアライメント処理を実行する。
　ラスタライズ部５４０は、アライメント座標導出部５３０によるアライメントマークの座標導出処理および露光制御部６によるアライメント処理と並行して補正設計データをラスタライズしてランレングスデータ（描画データ）５１２を生成して記憶部５１０に保存する。そして、露光制御部６からのデータ要求に応じてランレングスデータ５１２が記憶部５１０から露光制御部６に出力され、当該ランレングスデータ５１２にしがたって基板Ｗの表面へのパターン描画が実行される。
　Ｆ．描画動作
　次に、上記のように構成された描画装置によるパターン描画動作について図５ないし図１３を参照しつつ詳述する。なお、ここでは、基板Ｗのウエハサイズは３００［ｍｍ］であり、これに対応して予めノッチ検出部２４０および撮像カメラ２６０は、図４に示すように３００［ｍｍ］に対応する位置に位置決めされている。もちろん、２００［ｍｍ］サイズの基板Ｗに対して描画処理を行う場合には、３００［ｍｍ］から２００［ｍｍ］に切り替わるタイミングでノッチ検出部２４０および撮像カメラ２６０の移動が実行される。
　図５は図１の描画装置によるパターンの描画動作を示すフローチャートである。また、図６は基板の表面の部分画像から複数のパターンを取得する動作を模式的に示す図である。この描画装置では、搬送ロボット３０１がキャリア載置部６０４に載置されたキャリアＣから基板Ｗを搬出し、プリアライメントユニット２００の回転テーブル２２０に搬送する（ステップＳ１）。すると、回転テーブル２２０が少なくとも１回転以上回転し、その回転中にノッチ検出部２４０がノッチＷａを検出してノッチ検出信号を出力する。そして、プリアライメントユニット２００では、ノッチ検出信号が出力されたタイミングに基づいてノッチＷａの回転角度を取得し、当該ノッチＷａが基準方向（－Ｘ）を向くまで回転テーブル２２０をさらに回転させる。これによって、ノッチＷａを用いた位置合せ、つまりプリアライメント処理が完了する（ステップＳ２）。
　また、プリアライメントユニット２００では、撮像カメラ２６０がプリアライメントされた基板Ｗの表面の一部、つまり部分画像ＷＩを撮像し、画像処理ユニット４００の画像メモリに書き込む（ステップＳ３）。こうして画像メモリに記憶された部分画像ＷＩの一例が図６の（ａ）欄に示されている。
　プリアライメント処理および部分画像の取得が完了すると、搬送ロボット３０１が回転テーブル２２０から基板Ｗを受け取った後、当該基板Ｗの処理ステージ１への搬送を開始する（ステップＳ４）。そして、基板搬送動作を行っている間に、画像処理ユニット４００は種々の画像処理および演算処理を行って補正角θの算出を行い（ステップＳ５）、露光ユニット１００の露光制御部６に出力する。
　図７は補正角算出動作を示すフローチャートである。この補正角算出動作は補正角算出部４２０により以下のように実行される。この補正角算出動作では、まずテンプレートマッチング処理が実行されて部分画像ＷＩからのパターンの取得が実行される（ステップＳ５１）。
　図８はテンプレートマッチング動作を示すフローチャートである。また、図９はテンプレートマッチング動作により得られる重心集合の一例を示す図である。以下、図６、図８および図９を参照しつつテンプレートマッチング動作について説明する。テンプレートマッチング工程では、マッチングカウント値ｎを初期値「１」に設定した（ステップＳ５１１）後で、テンプレートマッチングにより周期的に繰り返されるパターン、つまり周期パターンを部分画像ＷＩから取得するループ、つまりマッチングループに入る。
　このマッチングループでは、まず部分画像ＷＩの一部を基準画像ＲＩ（ｎ）として取得する（ステップＳ５１２）。ここで、基準画像ＲＩ（ｎ）のサイズは部分画像ＷＩより小さい任意のサイズに設定することができる。ただし、後述するように補正角を算出するにあたって統計的な手法を用いる点および基板搬送中に補正角の算出および処理ステージ１の回転動作を行う点を考慮すると、例えば図６の（ｂ）欄に示すように、部分画像ＷＩを１５×１５～２０×２０に分割したうちの１つの画像を基準画像ＲＩ（ｎ）とするのが好適である。
　次に、図６の（ｃ）欄に示すように基準画像ＲＩ（ｎ）をテンプレート像として部分画像ＷＩ全体に対して従来より多用されているテンプレートマッチングを行う（ステップＳ５１３）。そして、マッチングした領域の各々について、重心を求めるとともに当該重心の座標データを周期パターンの重心の位置情報として求め、画像処理ユニット４００に設けられるデータメモリ（図示省略）に記憶する（ステップＳ５１４）。例えば図６の（ｄ）欄では、合計ｉ個のマッチング領域ＭＲ１、ＭＲ２、…、ＭＲｉが抽出されるとともに、それらの重心ｇ１、ｇ２、…、ｇｉが求められ、各々の位置情報（ｘ１，ｙ１）、（ｘ２，ｙ２）、…、（ｘｉ，ｙｉ）がデータメモリに記憶される。こうして複数の重心の位置情報からなる重心集合Ｇが周期パターンの位置情報の集合体としてデータメモリに書き込まれる。
　ここで、本実施形態では、テンプレートマッチングを行うためのテンプレート像を予め記憶しておくのではなく、部分画像ＷＩから任意に抽出した基準画像ＲＩ（ｎ）をテンプレート像として用いる。このため、基準画像ＲＩ（ｎ）が周期パターンの全部あるいは一部を含んだ像でテンプレート像として有効に機能する場合には、比較的数多くの重心ｇが得られる。これに対し、基準画像ＲＩ（ｎ）が周期パターンを含まず、あるいは含んでも微小でありテンプレート像として有効に機能しない場合には、取得される重心の数は急激に減少し、後述する補正角の算出が難しくなる。そこで、本実施形態では、重心の数が一定の値ＧＮ、例えば２０個以上であり、補正角の算出精度を十分に確保することが可能な場合（ステップＳ５１５で「ＮＯ」）には、マッチングループを抜けてテンプレートマッチング処理を終了する。
　一方、重心の数が一定の値ＧＮ未満である場合（ステップＳ５１５で「ＹＥＳ」）には、マッチングカウント値ｎを「１」だけインクリメントした（ステップＳ５１６）後で基準画像ＲＩ（ｎ）の取得、テンプレートマッチングおよび重心の算出・記憶を繰り返す。つまり、部分画像ＷＩの範囲内でテンプレート像を順次ずらしてテンプレートマッチング処理を行ってマッチング像（周期パターン）を取得する。
　このテンプレートマッチング動作（ステップＳ５１）により重心集合Ｇが求まると、図７に示すように、次のステップＳ５２では、重心集合Ｇをデータメモリから読み出す。そして、重心集合Ｇを構成する位置情報に基づいて各重心について近接する重心および重心間距離を算出する近接点算出ループに入る。
　この近接点算出ループでは、ｉ個の重心ｇ１、ｇ２、…、ｇｉの各々について以下の計算（ステップＳ５３～Ｓ５５）を実行する。つまり、重心ｇｍから他の重心までの距離（以下「重心間距離」という）をそれぞれ算出する（ステップＳ５３）。そして、それらの重心間距離に基づいて重心ｇｍに最も近接する近接重心ｇｍｎを検出し（ステップＳ５４）、重心ｇｍに対して当該近接重心ｇｍｎならびに重心ｇｍ、ｇｍｎの距離Ｌｍを対応付けてデータメモリに記憶する（ステップＳ５５）。こうして、例えば図１０に示すように、重心ｇ、近接重心ｇｎおよび重心間距離Ｌが関連付けられた近接点集合Ｎが得られ、近接点算出ループから抜ける。
　次のステップＳ５６では、近接点集合Ｎをデータメモリから読み出す。そして、重心間距離Ｌをキーとしてヒストグラムを作成する（ステップＳ５７）。その一例が図１１である。
　それに続いて、ヒストグラムから最も出現個数の多い重心間距離Ｌ、つまりモード（最頻値）Ｌｍｄを導出し（ステップＳ５８）、さらに当該モードＬｍｄに含まれるデータ、つまり重心ｇ、近接重心ｇｎおよび重心間距離Ｌを近接点集合Ｎから抽出し、データメモリに記憶する（ステップＳ５９）。こうして、例えば図１２に示すように、モードＬｍｄに含まれる重心ｇ、近接重心ｇｎおよび重心間距離Ｌが関連付けられた最近接点集合ＭＮが得られる。ただし、この時点では図１２中の「角度θ」は求められておらず、データメモリにも記憶されていない。
　次のステップＳ６０では、最近接点集合ＭＮをデータメモリから読み出す。そして、最近接点集合ＭＮを構成する各データ（重心ｇ、近接重心ｇｎ）について角度θを算出する。この角度θは、重心ｇを有するパターンＰＴ（図６の（ｃ）欄参照）と近接重心ｇｎを有するパターンＰＴｎ（図６の（ｃ）欄参照）とで構成される近接パターン対の回転角に相当し、本実施形態では例えば図６の（ｄ）欄に示すように重心ｇから近接重心ｇｎに向かう仮想直線ＶＬが基準方向（－Ｘ）となす角度と定義している。
　最近接点集合ＭＮの各データについて角度θが求められると、角度θをキーとしてヒストグラムを作成する（ステップＳ６２）。その一例が図１３であり、図６に示すように周期パターンがＸ方向およびＹ方向にマトリックス状に形成されている場合には、角度θは０゜、９０゜、１８０゜、２７０゜付近に集中する。ここで、基準方向（－Ｘ）に対して基板Ｗの表面の回転位置ずれが発生しておらず、プリアライメント処理によって基板Ｗの表面に既設のパターンが基準方向（－Ｘ）に対して位置合せされている場合には、角度θの個数は０゜、９０゜、１８０゜、２７０゜でピークを示す。一方、プリアライメント処理によって基板Ｗの表面が基準方向（－Ｘ）に対して回転位置ずれを起こしている場合、角度の個数ピークは回転位置ずれ量だけシフトする。そこで、本実施形態では、上記ヒストグラムから角度の最頻値、つまりモードＡｍｄ（０）、Ａｍｄ（９０）、Ａｍｄ（１８０）、Ａｍｄ（２７０）を求める（ステップＳ６３）とともに、それぞれの０゜、９０゜、１８０゜、２７０゜との差分ΔＡ（０）、ΔＡ（９０）、ΔＡ（１８０）、ΔＡ（２７０）、つまり
　ΔＡ（０）＝Ａｍｄ（０）－０
　ΔＡ（９０）＝Ａｍｄ（９０）－９０
　ΔＡ（１８０）＝Ａｍｄ（１８０）－１８０
　ΔＡ（２７０）＝Ａｍｄ（２７０）－２７０
を求める（ステップＳ６４）。さらに差分ΔＡ（０）、ΔＡ（９０）、ΔＡ（１８０）、ΔＡ（２７０）の平均値を基準方向（－Ｘ）に対する基板Ｗの表面の回転位置ずれ量であり、これを補正角θとして求める（ステップＳ６５）。
　こうして補正角θが求まると、画像処理ユニット４００から補正角θが露光制御部６に与えられる。そして、図５に示すようにプリアライメント処理済みの基板Ｗが処理ステージ１に載置されるまでに、露光制御部６は角度（－θ）だけ処理ステージ１を回転させる旨の指令を回転機構２１に与えて作動させる（ステップＳ６）。これにより、搬送ロボット３０１が基板Ｗを処理ステージ１に載置する前に処理ステージ１は角度（－θ）だけ回転しており、その角度姿勢で基板Ｗを受け取ることとなる。
　そして、搬送ロボット３０１により基板Ｗが処理ステージ１に載置されて基板Ｗのローディング動作が完了する（ステップＳ７で「ＹＥＳ」）と、露光制御部６は角度θだけ処理ステージ１を回転させる旨の指令を回転機構２１に与えて作動させる（ステップＳ８）。これにより、基板Ｗは補正角θだけ回転し、基準方向（－Ｘ）に対する基板Ｗの表面の回転位置ずれが解消される。それに続いて、アライメント処理を行う。すなわち、ステージ移動部２により処理ステージ１が撮像部５１の直下位置に移動して各アライメントマークを順番に撮像部５１の撮像可能位置に位置決めし、撮像部５１によるマーク撮像が実行される。この撮像部５１から出力される画像信号はマーク位置計測部５２により処理され、アライメントマークの処理ステージ１上の位置が正確に求められる。そして、これらの計測位置情報に基づき回転機構２１が作動して処理ステージ１を基板Ｗの表面の面法線と平行な軸、つまり鉛直軸回りに微小回転させて基板Ｗの表面をパターン描画に適した向きにアライメント（位置合わせ）する。なお、処理ステージ１を光学ヘッド４０ａ、４０ｂの直下位置に移動させた後で当該アライメントを行ってもよい。
　アライメント処理が完了すると、露光制御部６はデータ作成ユニット５００に対してデータ要求を行い、記憶部５１０から読み出されるランレングスデータ５１２にしがたって基板Ｗの表面に対するパターン描画を行う（ステップＳ９）。
　以上のように、本実施形態では、プリアライメント処理によって基板ＷはノッチＷａを基準方向（－Ｘ）に向けた状態で位置決めされるが、さらに当該基板Ｗの表面の部分画像ＷＩを取得し、当該部分画像ＷＩに含まれる周期パターンに基づいて基準方向（－Ｘ）に対する基板Ｗの表面の回転位置ずれ量を検出している。したがって、基板Ｗの表面の基準方向（－Ｘ）に対する回転位置ずれ量を正確に求めることができる。なお、この作用効果は、基板Ｗの表面がノッチＷａに対して一定精度で位置合せされている場合はもちろんのこと、基板Ｗの表面に既設のパターンがノッチＷａに対して正確に位置合せされていない場合、貼り合わせ基板（＝Ｓｉウエハ＋接着剤＋ノッチ付ガラスウエハ）のように基板Ｗの表面がノッチＷａに対して何の位置関係も存在しない場合などにおいても好適に発揮される。
　また、処理ステージ１に基板Ｗを載置した状態でアライメント処理を行う前に、基板Ｗを回転位置ずれ量に相当する分だけ回転させているため、上記アライメント処理時に基板Ｗ上のアライメントマークが撮像部５１の撮像領域に入り、アライメント処理を確実に行うことができる。そのため、アライメントマークの読取ミスに起因する時間ロスを削減することができ、効率的な描画処理を行うことができる。
　また、上記実施形態では、プリアライメントユニット２００から処理ステージ１に基板Ｗを搬送している間に、補正角θを算出しているため、タクトタイムに影響を与えることなく、上記作用効果が得られる。
　また、上記実施形態では、部分画像ＷＩの一部の画像、つまり基準画像ＲＩ（ｎ）をマッチング像として用いており、予めマッチング像を準備する必要がない。また、基準画像ＲＩ（ｎ）がマッチング像として適切でないと判断した（ステップＳ５１５）際に、基準画像ＲＩ（ｎ＋１）に切り替えて部分画像ＷＩからの周期パターンの取得を再試行している。このため、種々の基板に対して適切に対応することができ、高い汎用性を有する。なお、この場合、基準画像ＲＩ（ｎ）、ＲＩ（ｎ＋１）がそれぞれ本発明の「第１画像」および「第２画像」の一例に相当している。
　また、上記実施形態では、最近接点集合ＭＮや回転位置ずれ量を求める際にヒストグラムを利用した統計的手法を用いているため、部分画像ＷＩからの周期パターンの取得誤差やノイズなどの影響を抑制して回転位置ずれ量を精度良く求めることができ、その結果、描画精度も向上する。
　図１４は本発明にかかる回転位置ずれ検出装置を装備する描画装置の第２実施形態を示すブロック図であり、電気的構成を示している。また、図１５は部分画像から周期パターンを抽出するパターン抽出処理を示すフローチャートである。さらに、図１６は第２実施形態における部分画像からの周期パターンの取得動作を模式的に示す図である。この第２実施形態が第１実施形態と大きく相違する点は部分画像ＷＩから周期パターンの位置情報を取得する方法である。つまり、第１実施形態では、テンプレートマッチング部４１０によるテンプレートマッチング処理によって部分画像ＷＩから周期パターンを取得している。これに対し、第２実施形態では二値化処理およびラベリング処理を利用して部分画像ＷＩからの周期パターンの取得を行う。なお、それ以外の構成および動作は基本的に第１実施形態と同一である。したがって、以下の説明においては、相違点を中心に説明し、同一構成については同一符号を付して説明を省略する。
　第２実施形態では、画像処理ユニット４００は、補正角算出部４２０以外に、二値化処理部４３０、ラベリング部４４０および孤立抽出処理部４５０を有している。二値化処理部４３０は、撮像カメラ２６０で撮影された画像、例えば図１６の（ａ）欄に示す部分画像ＷＩを受け取ると、当該部分画像ＷＩを二値化し、例えば図１６の（ｂ）欄に示す二値画像ＢＩを生成する（ステップＳ５１７）。
　ラベリング部４４０は二値画像ＢＩを受け取ると、当該二値画像ＢＩに対してラベルを付与する（ステップＳ５１８）。なお、ラベリング処理についは従来周知技術が数多く提案されており、本実施形態においてはそのうちの一つである８近傍探索方式を採用しているが、その他の方式、例えば４近傍探索方式を用いてもよい。また、二値画像ＢＩをランレングス化して複数のランを生成し、当該複数のランに対してラベルを付与してもよい。
　孤立抽出処理部４５０はラベリング処理された画像から一定の大きさ以下の孤立パターンＩＰ（図１６の（ｃ）欄）を抽出する（ステップＳ１５９）。各孤立パターンＩＰは部分画像ＷＩ内の周期パターンに相当しており、これらの孤立パターンＩＰが含まれるラベリング済画像ＰＩを補正角算出部４２０に与える。
　そして、補正角算出部４２０は、ラベリング済画像ＰＩ中の孤立パターンＩＰ毎に、孤立パターンＩＰの重心ｇを求めるとともに当該重心ｇの座標データを周期パターンの重心の位置情報として求め、画像処理ユニット４００に設けられるデータメモリ（図示省略）に記憶する（ステップＳ５２０）。こうして、第１実施形態と同様に、重心集合Ｇが周期パターンの位置情報の集合体としてデータメモリに存在する。なお、それ以降については、第１実施形態と同様にして基板Ｗの表面の回転位置ずれ量を補正角θとして算出し、露光制御部６に与える。
　以上のように、第２実施形態では、二値化処理およびラベリング処理を用いて部分画像ＷＩから周期パターンを取得し、これらの周期パターンに基づいて基準方向（－Ｘ）に対する基板Ｗの表面の回転位置ずれ量を検出している。したがって、第１実施形態と同様の作用効果が得られる。
　このように上記した実施形態では、円盤形状の基板Ｗの外周部に形成されたノッチＷａが本発明の「切欠部」の一例に相当しているが、本発明の適用対象は当該基板Ｗに限定されるものではなく、切欠部としてオリエンテーションフラットが形成された基板についても本発明を適用することができる。
　また、基板Ｗの部分画像ＷＩの取得工程（ステップＳ３）が本発明の「第１工程」の一例に相当し、テンプレートマッチング工程（ステップＳ５１１～Ｓ５１６）およびパターン抽出工程（ステップＳ５１７～Ｓ５２０）が本発明の「第２工程」の一例に相当している。また、補正角算出工程のうち、ステップＳ５３～Ｓ５９が本発明の「第３工程」の一例に相当し、ステップＳ６０、Ｓ６１が本発明の「第４工程」の一例に相当し、ステップＳ６２～Ｓ６５が本発明の「第５工程」の一例に相当している。
　また、値ＧＮが本発明の「回転角を求めるのに必要となる最小個数」の一例に相当している。また、重心間距離をキーとして作成されるヒストグラムが本発明の「第１ヒストグラム」の一例に相当し、角度をキーとして作成されるヒストグラムが本発明の「第２ヒストグラム」の一例に相当している。また、近接点集合Ｎを構成する重心ｇ、ｇｎをそれぞれ有する２つのパターンが本発明の「パターン対」や「近接パターン対」の一例に相当し、最近接点集合ＭＮを構成する重心ｇ、ｇｎをそれぞれ有する２つのパターンが本発明の「等ピッチ対」の一例に相当している。また、角度θが本発明の「基準方向に対する２つのパターンの角度」の一例に相当している。
　さらに、撮像カメラ２６０および画像処理ユニット４００がそれぞれ本発明の「撮像手段」および「検出手段」として機能しており、これらによって本発明の「位置ずれ検出装置」および「位置ずれ検出手段」が構成されている。また、図１に示す描画装置では、処理ステージ１、回転機構２１、露光制御部６がそれぞれ本発明の「保持手段」、「回転手段」および「制御手段」の一例に相当している。
　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。例えば第１実施形態では部分画像ＷＩの範囲の任意位置で基準画像ＲＩ（ｎ）をテンプレート像として取得しているが、基板Ｗに適合するテンプレート像（以下「適合テンプレート像」という）をユーザが予め画像メモリなどのメモリに記憶しておき、これを用いてテンプレートマッチング処理を行ってもよい。また、第２実施形態で実行した二値化処理およびラベリング処理を実行して得られた画像内において１または複数の孤立パターンが含まれる領域の画像を上記適合テンプレート像として求め、これを用いてテンプレートマッチング処理を行ってもよい。これらの場合には、次の作用効果が得られる。
　第１実施形態では部分画像ＷＩの範囲の任意位置で基準画像ＲＩ（ｎ）をテンプレート像として取得している。このため、最初の基準画像ＲＩ（１）をテンプレート像として用いてテンプレートマッチング処理を行った場合に、ＧＮ個以上の周期パターンを部分画像ＷＩから取得することができない可能性がある。そこで、第１実施形態では、この点を考慮してＧＮ個以上の周期パターンを取得されるまで、基準画像ＲＩ（２）、ＲＩ（３）、…とテンプレート像を切り替えながら周期パターンの取得を繰り返している。その結果、補正角θを算出するまでに時間を要することがある。これに対し、適合テンプレート像を用いることで、１回のテンプレートマッチング処理によってＧＮ個以上の周期パターンを部分画像ＷＩから取得することが可能となる。その結果、部分画像ＷＩからの周期パターンの取得に要する時間を最短化することができる。
　また、本発明の「第２工程」を実行するために、第１実施形態ではテンプレートマッチング工程（ステップＳ５１１～Ｓ５１６）を実行し、第２実施形態ではパターン抽出工程（ステップＳ５１７～Ｓ５２０）を実行しているが、これらの工程を組み合わせてもよい。つまり、予めテンプレートマッチング工程およびパターン抽出工程を準備しておき、周期パターンの種類に応じてテンプレートマッチング工程およびパターン抽出工程のうちの一方を選択的行うように構成してもよい。また、テンプレートマッチング工程およびパターン抽出工程のうちの一方により本発明の「第２工程」を実行したが、値ＧＮ未満の周期パターンしか取得することができなかった場合に、他方を追加実施するように構成してもよい。これによって、周期パターンの種類にかかわらず、本発明の「第２工程」を確実に、しかも良好に行うことができる。
　また、上記実施形態では、撮像カメラ２６０による１回の撮像処理によって部分画像ＷＩを取得しているが、撮像回数は１回に限定されるものではなく、複数回実行してもよい。すなわち、基板Ｗの表面を撮像するたびにカメラ駆動部２７０によって撮像カメラ２６０を１ショット分移動させ、隣の領域を撮像してもよく、これらの撮像領域を繋ぎ合わせた画像を部分画像ＷＩとして用いてもよい。これにより比較的広い部分画像ＷＩを用いて基板Ｗの表面の回転位置ずれを検出することができ、位置ずれ検出の精度を高めることができる。
　さらに、上記実施形態では、本発明にかかる位置ずれ検出方法および装置を描画装置に適用しているが、その適用対象はこれに限定されるものではない。例えば、外周部に設けられた切欠部が基準方向を向くように位置決めされた、基板を保持手段で受け取り、当該保持手段により保持したまま基板に対して所定の処理を施す装置、例えば基板の表面を撮像して検査する基板検査装置に対しても本発明を適用することができる。
　以上のように、本発明によれば、外周部に設けられた切欠部が基準方向を向くように位置決めされた、基板の表面の部分画像から複数のパターンを取得し、これらのパターンから基板の回転位置ずれ量を検出しているため、回転位置ずれ量を正確に求めることができる。また、当該位置ずれ検出技術を描画装置で利用することで高精度な描画処理を行うことができる。さらに。当該位置ずれ検出技術を基板検査装置に適用することで正確な検査を行うことができる。
　この発明は、外周部に設けられた切欠部が基準方向を向くように位置決めされた、基板の表面の前記基準方向に対する回転位置ずれ量を求める位置ずれ検出方法および装置、位置ずれ検出装置を装備して基板の表面に新たなパターンを描画する描画装置や基板の表面を撮像して検査する基板検査装置全般に好適である。
　１…処理ステージ
　２１…回転機構
　５１…撮像部
　２００…プリアライメントユニット
　２４０…ノッチ検出部
　２６０…撮像カメラ
　４００…画像処理ユニット
　４１０…テンプレートマッチング部
　４２０…補正角算出部
　４３０…二値化処理部
　４４０…ラベリング部
　４５０…孤立抽出処理部
　ＢＩ…二値画像
　ＩＰ…孤立パターン
　ＰＩ…ラベリング済画像
　ＲＩ（ｎ）…基準画像
　ＷＩ…部分画像
　ＶＬ…仮想直線
　Ｗａ…ノッチ
　ｇ，ｇ１，ｇ２，ｇｍ，ｇｎ…重心
　ｇｎ，ｇｍｎ…近接重心
　Ｌｍｄ…モード
　Ｌ…重心間距離
　Ｗ…基板
　θ…補正角，角度

Claims (16)

  1. 　外周部に設けられた切欠部が基準方向を向くように位置決めされた、基板の表面の前記基準方向に対する回転位置ずれ量を求める位置ずれ検出方法であって、
    　前記基板の表面の部分画像を取得する第１工程と、
    　前記部分画像に含まれる複数のパターンを取得する第２工程と、
    　前記複数のパターンからパターン対を複数個選定し、前記複数のパターン対のうちパターン間の距離が互いに等しい複数の等ピッチ対を求める第３工程と、
    　前記等ピッチ対毎に、当該等ピッチ対を構成する２つのパターンの位置情報に基づいて前記基準方向に対する前記２つのパターンの回転角を求める第４工程と、
    　前記第４工程で求められた複数の回転角から前記回転位置ずれ量を求める第５工程と
    を備えることを特徴とする位置ずれ検出方法。
  2. 　請求項１に記載の位置ずれ検出方法であって、
    　前記第２工程は、
    　前記部分画像の一部をテンプレート像として取得する工程と、
    　前記部分画像のうち前記テンプレート像とマッチングするマッチング像を前記パターンとして取得する工程と
    を有する位置ずれ検出方法。
  3. 　請求項２に記載の位置ずれ検出方法であって、
    　前記第２工程は、前記テンプレート像を前記部分画像の範囲内で順次ずらしてマッチングして前記マッチング像を取得する位置ずれ検出方法。
  4. 　請求項３に記載の位置ずれ検出方法であって、
    　前記第２工程は、
    　前記テンプレート像として前記部分画像のうち第１画像を取得するとともに前記第１画像を用いたマッチングによって取得された前記マッチング像の数が、前記回転角を求めるのに必要となる最小個数未満であるとき、
    　前記部分画像のうち前記第１画像と異なる第２画像を前記テンプレート像として取得し、前記第２画像を用いたマッチングによってマッチング像を取得する位置ずれ検出方法。
  5. 　請求項２ないし４のいずれか一項に記載の位置ずれ検出方法であって、
    　前記第２工程は、
    　前記部分画像を二値化して二値画像を取得する工程と、
    　前記二値画像に対してラベリング処理を施してラベリング済画像を取得する工程と
    を有し、
    　前記ラベリング済画像のうち孤立した像が存在する領域の画像を前記テンプレート像として取得する位置ずれ検出方法。
  6. 　請求項５に記載の位置ずれ検出方法であって、
    　前記領域には複数の孤立した像が含まれる位置ずれ検出方法。
  7. 　請求項１に記載の位置ずれ検出方法であって、
    　前記第２工程は、
    　前記部分画像を二値化して二値画像を取得する工程と、
    　前記二値画像に対してラベリング処理を施してラベリング済画像を取得する工程と、
    　前記ラベリング済画像のうち孤立した像を前記パターンとして抽出する工程と
    を有する位置ずれ検出方法。
  8. 　請求項１に記載の位置ずれ検出方法であって、
    　前記第２工程は、
    　前記部分画像の一部をテンプレート像として取得した後で前記部分画像のうち前記テンプレート像とマッチングするマッチング像を前記パターンとして取得するテンプレートマッチング工程と、
    　前記部分画像を二値化して得られる二値画像に対してラベリング処理を施してラベリング済画像を取得した後で前記ラベリング済画像のうち孤立した像を前記パターンとして抽出するパターン抽出工程と
    を有し、前記テンプレートマッチング工程およびパターン抽出工程のうち少なくとも一方を実行する位置ずれ検出方法。
  9. 　請求項８に記載の位置ずれ検出方法であって、
    　前記第２工程は、前記テンプレートマッチング工程を実行して得られる前記パターンの数が前記回転角を求めるのに必要となる最小個数未満であるとき、前記パターン抽出工程を実行する位置ずれ検出方法。
  10. 　請求項１ないし９のいずれか一項に記載の位置ずれ検出方法であって、
    　前記各パターンの重心を前記位置情報として算出する工程を有する位置ずれ検出方法。
  11. 　請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の位置ずれ検出方法であって、
    　前記第３工程は、
    　前記パターン毎に、当該パターンから最も近接する他のパターンを選定するとともに当該他のパターンとで構成される近接パターン対におけるパターン間の距離を求める工程と、
    　前記各近接パターン対におけるパターン間の距離から第１ヒストグラムを作成し、前記第１ヒストグラムから最頻値を求める工程と、
    　前記複数の近接パターン対のうちパターン間の距離が前記最頻値と一致する近接パターン対を前記等ピッチ対として選定する工程と
    を有する位置ずれ検出方法。
  12. 　請求項１ないし１１のいずれか一項に記載の位置ずれ検出方法であって、
    　前記第４工程は、前記等ピッチ対毎に、当該等ピッチ対を構成する２つのパターンを結ぶ仮想直線の前記基準方向に対する傾きにより前記回転角を求める工程を有する位置ずれ検出方法。
  13. 　請求項１２に記載の位置ずれ検出方法であって、
    　前記第４工程は、前記各等ピッチ対における回転角から第２ヒストグラムを作成し、前記第２ヒストグラムから最頻値を前記回転角として求める工程である位置ずれ検出方法。
  14. 　外周部に設けられた切欠部が基準方向を向くように位置決めされた、基板の表面の前記基準方向に対する回転位置ずれ量を求める位置ずれ検出装置であって、
    　前記基板の表面を部分的に撮像する撮像手段と、
    　撮像手段によって撮像された前記基板の表面の部分画像に基づいて前記回転位置ずれ量を求める検出手段とを備え、
    　前記検出手段は、
    　前記部分画像に含まれる複数のパターンを取得するパターン取得部と、
    　前記パターン取得部により取得された複数のパターンからパターン対を複数個選定するとともに前記複数のパターン対のうちパターン間の距離が互いに等しい複数の等ピッチ対を求め、前記等ピッチ対毎に当該等ピッチ対を構成する２つのパターンの位置情報に基づいて前記基準方向に対する前記２つのパターンの回転角を求め、前記複数の回転角から前記回転位置ずれ量を求める算出部と
    を有することを特徴とする位置ずれ検出装置。
  15. 　外周部に設けられた切欠部が基準方向を向くように位置決めされた、基板を保持手段で受け取り、前記保持手段により保持したまま前記基板に光を照射して描画する描画装置であって、
    　請求項１４に記載の位置ずれ検出装置と同一の構成を有する位置ずれ検出手段と、
    　前記保持手段により保持される前記基板の表面の面法線と平行に延びる回転軸を中心として前記保持手段を回転させる回転手段と、
    　前記光による描画前に、前記位置ずれ検出手段で求められた前記回転位置ずれ量に基づいて前記回転手段を制御して前記保持手段に保持される前記基板の回転位置を補正する制御手段と
    を備えることを特徴とする描画装置。
  16. 　外周部に設けられた切欠部が基準方向を向くように位置決めされた、基板を保持手段で受け取り、前記保持手段により保持したまま前記基板の表面を撮像して検査する基板検査装置であって、
    　請求項１４に記載の位置ずれ検出装置と同一の構成を有する位置ずれ検出手段と、
    　前記保持手段により保持される前記基板の表面の面法線と平行に延びる回転軸を中心として前記保持手段を回転させる回転手段と、
    　前記基板の表面の撮像前に、前記位置ずれ検出手段で求められた前記回転位置ずれ量に基づいて前記回転手段を制御して前記保持手段に保持される前記基板の回転位置を補正する制御手段と
    を備えることを特徴とする基板検査装置。
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