JP4361763B2 - 露光装置および露光方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は例えば液晶表示パネルの製造において露光用基板の感光面を選択的に露光する露光装置および露光方法に関し、特に平坦性を確保することが難しいガラス基板等を主体とする露光用基板に適用される露光装置および露光方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶表示パネルの製造では、一般にフォトリソグラフィ技術が画素内の電極（スイッチング素子のゲート、ソース、ドレインなど）、コンタクトホール、配線などを基板上に形成するために用いられる。この場合、感光性レジスト膜が例えばガラス基板上に堆積されたクロムやアルミ等の材料からなる金属膜上に塗布され、フォトマスクを用いて選択的に露光され、さらに露光部分を除去することによりレジストパターンとして現像される。金属膜はこのレジストパターンをマスクとして用いたエッチング等により加工され、電極や配線として残される。尚、金属膜とこれを覆う感光性レジスト膜とを合計した厚さは基板の厚さに対して極めて僅かであり、以降の説明において感光性レジスト膜を露光用基板の感光面として取り扱う。
【０００３】
上述の露光用基板は一般に複数の液晶表示パネルを設けることが可能な大きさを有し、フォトマスクは露光用基板の感光面を等面積で占有してマトリクス状に配置される複数のパネル用感光面の各々に対して共通に用いられる。露光処理では、フォトマスクの露光パターンが一般にレンズプロジェクション、ミラープロジェクション等により各パネル用感光面に対して投影される。この露光処理は露光用基板およびフォトマスクの位置を固定して露光パターンの投影を行うステップ・アンド・リピート方式や、露光用基板およびフォトマスクの位置を変化させながら露光パターンの投影を行うステップ・アンド・スキャン方式の露光装置を用いて行われる。
【０００４】
ステップ・アンド・スキャン方式の露光装置では、フォトマスクおよび露光用基板が互いに同期して水平に移動可能なマスクステージおよび基板ステージにそれぞれ載置され、照明光学系が光源からの光源光を所定の光束サイズに絞ってフォトマスクに照射し、投影光学系がフォトマスクの透過光である露光パターンをパネル用感光面に投影する。ここで、露光パターンの投影範囲はパネル用感光面に対して光源光の光束サイズに対応して設定される露光フィールドによって制限される。この露光フィールドの位置はマスクステージおよび基板ステージの移動に伴ってシフトし、これによりパネル用感光面全体を走査する。投影光学系が露光パターンを倒立像として結像する構造である場合には、マスクステージおよび基板ステージの両方が互いに逆向きに移動する。これに対して、投影光学系が露光パターンを正立像として結像する構造である場合には、マスクステージおよび基板ステージの両方が同じ向きに移動する。
【０００５】
また、露光装置は露光中に少なくとも露光フィールドを投影光学系の焦点深度内に維持するために露光用基板の高さ（レベル）および傾き（チルト）調整を連続的に行うように構成される。
【０００６】
露光用基板に関しては、上述した複数の液晶表示パネルを得るために十分な大きさを必要とし、光透過性であることも望まれている。従って、液晶表示パネルの製造では、ガラス基板が一般的に用いられる。このガラス基板は比較的安価であり、このガラス基板上に配置される半導体薄膜に薄膜トランジスタを形成することもできる。しかしながら、ガラス基板の場合、半導体分野で一般的なシリコン基板のように均一な厚さで製造することが極めて困難である。従って、感光面のレジスト膜はガラス基板の不均一な厚さのために起伏する。
【０００７】
従来、ガラス基板に特有な厚さ分布がその製造過程で生じることが知られている。また、この厚さ分布に適合するミラープロジェクション式の露光方法も提案されている（例えば特許文献１参照）。特許文献１では、製造時に溶融ガラスを引き出す方向に沿って生じる「厚さムラ」、「反り」や「うねり」などの凹凸によってガラス基板の平坦性が失われることが述べられている。そこで、この文献の露光機は投影光学系の焦点深度が小さい場合でもフォーカスマージンを確保できるように「反り」や「うねり」の方向に一致させた走査方向に沿って逐次フォーカスを合わせながら露光を行う。逐次フォーカスに関する詳しい記述は省略されているが、少なくとも基板の高さ調整を行って、露光中常に基板上の感光面にフォーカスを合わせた状態に保つものと考えられる。
【０００８】
尚、本発明者の分析結果によると、「反り」や「うねり」は特許文献１に開示されるガラスの引き出し方向ではなく、ガラス引出口の温度分布に依存してガラスの引き出し方向とほぼ直交する方向において生じることを確認した。ガラスの引き出し方向においては、むしろ均一な厚さが得られる。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００１−３６０８８
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
半導体装置の製造では、上述のステップ・アンド・スキャン方式露光装置が例えばシリコン基板の感光面を露光するために用いられる。シリコン基板はガラス基板に比べて厚さの均一性が高く、基板ステージに載せた状態において表面の平坦性に優れているが、全体に渡るわずかな丸みや反りを持っている。露光装置はこのような丸みや反りの影響を受けずに常に投影光学系の焦点深度内に露光フィールドとなる感光面を収めるために基板の高さおよび傾き調整を実時間フォーカス（逐次フォーカス）制御として行っている。特許文献１は、液晶表示パネルの製造においてガラス基板上の感光面を選択的に露光するミラープロジェクション方式の露光装置にこのような実時間フォーカス制御を適用したものである。
【００１１】
しかし、平坦性を確保することが難しいガラス基板の高さや傾きの調整を実時間フォーカス制御として行う場合、アクチュエータ等によってガラス基板を頻繁に昇降させなくてはならないため、これに伴うアクチュエータの駆動負荷を無視することができない。また、現在主流のシリコン基板は直径３００ｍｍの円形状である。これに対して量産段階のガラス基板は最小で５５０ｍｍ×６５０ｍｍ、通常１０００ｍｍ×１０００ｍｍを超えるような大きさの矩形状である。このように大きなガラス基板の昇降量はアクチュエータの駆動負荷をさらに増大させ、フォーカス制御の実時間性や露光フィールドの移動に対するフォーカス制御の追従性に悪影響を及ぼす。
【００１２】
すなわち、特許文献１の露光装置は、実時間フォーカス制御によって露光パターンを信頼性よくガラス基板上の感光面に結像することを意図するが、実時間性を損なわずに露光フィールドの移動に正しく追従したフォーカス制御を行うことが難しく、このフォーカス制御を実現できたとしても制御構成が大変大掛かりになることが避けられない。
【００１３】
本発明の目的は、露光中に露光用基板の傾きおよび高さを実時間調整する必要のない露光装置および露光方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、特定方向において凹凸を有する露光用基板に露光パターンを投影光学系により照射して露光する露光装置であって、投影光学系による照射範囲をこの投影光学系の許容露光深度の範囲内で選択し、露光用基板面上で特定方向に移動する照射範囲移動手段と、照射範囲を特定方向に直交する方向に移動させて露光する露光手段とを備える露光装置が提供される。
【００１５】
また、本発明によれば、特定方向において凹凸を有する露光用基板に露光パターンを照射光学系により照射して露光する露光方法であって、照射光学系による照射範囲をこの照射光学系の許容露光深度の範囲内で選択し、露光用基板面上で特定方向に移動させる照射範囲移動工程と、照射範囲を特定方向に直交する方向に移動させて露光する露光工程とを備える露光方法が提供される。
【００１６】
これら露光装置および露光方法において、投影光学系による露光パターンの照射範囲がこの投影光学系の許容露光深度の範囲内で選択され、特定方向に直交する方向に移動する。この場合、特定方向において凹凸が露光用基板に存在しても、露光パターンの照射範囲に投影光学系の許容露光深度に適合する平坦性を得ることができるため、高い信頼性で露光パターンをこの照射範囲に照射できる。また、このような照射範囲が選択されることことにより、傾きおよび高さの調整を予め行うことが可能になる。すなわち、照射範囲での露光に先立って、この露光用基板が調整機構により投影光学系の許容露光深度内に設置されれば、露光中に例えば露光用基板の傾きおよび高さを実時間調整する必要がない。
【００１７】
また、本発明によれば、特定方向において感光面に凹凸を有する露光用基板を載置する基板ステージと、露光用基板の感光面を選択的に露光する露光パターンを照射する照射部と、基板ステージに載置された露光用基板と照射部の許容露光深度内の基準露光面との傾きおよび高さの関係を調整する調整機構と、基板ステージに載置された露光用基板の感光面の起伏分布を検出し、複数の感光エリアが許容露光深度の範囲に高低差を収めるエリア幅で特定方向に並ぶように露光用基板の感光面を区分し、調整機構によって各感光エリアを許容露光深度内に設定して照射部から各感光エリアに露光パターンの対応部分を照射させる制御部とを備える露光装置が提供される。
【００１８】
また本発明によれば、特定方向において感光面に凹凸を有する露光用基板を載置する基板ステージと、基板ステージに載置された露光用基板の感光面を選択的に露光する露光パターンを照射する照射部と、基板ステージに載置された露光用基板と照射部の許容露光深度内の基準露光面との傾きおよび高さの関係を調整する調整機構とを用いる露光方法であって、基板ステージに載置された露光用基板の感光面の起伏分布を検出し、複数の感光エリアが許容露光深度の範囲に高低差を収めるエリア幅で特定方向に並ぶように露光用基板の感光面を区分し、調整機構によって各感光エリアを許容露光深度内に設置した状態で照射部から各感光エリアに露光パターンの対応部分を照射させる露光方法が提供される。
【００１９】
これら露光装置および露光方法において、露光用基板の感光面は、複数の感光エリアが照射部の焦点深度のような許容露光深度の範囲に高低差を収めるエリア幅で特定方向に並ぶように区分される。この場合、特定方向に連続するうねりが露光用基板の感光面に存在しても、それぞれの感光エリアに照射部の許容露光深度に適合する平坦性を得ることができるため、各感光エリアに高い信頼性で露光パターンを照射できる。また、露光用基板の感光面が上述のように区分されたことにより、傾きおよび高さの調整を感光エリア単位に行うことが可能になる。すなわち、各感光エリアの露光に先立って、この感光エリアが調整機構により照射部の許容露光深度内に設置されれば、露光中に例えば露光用基板の傾きおよび高さを実時間調整する必要がない。
【００２０】
特定方向において凹凸を有する露光用基板とは、例えば方形状基板とすると図５、６に示すように凹凸が形成されている方向、即ちＸ軸方向が特定方向である。投影光学系の許容露光深度とは、例えば投影光学系の焦点深度に依存するものであって、露光パターンを露光するための許容される距離範囲である。投影光学系による照射範囲とは、投影光学系により照射される範囲である。特定方向とは、露光用基板が有する露光面の凹凸が形成されている方向であり、この露光面の凹凸は、露光用基板表面の凹凸や基板の厚さムラによるもので、うねり、起伏分布などの形状である。また、照射部の許容露光深度とは、投影光学系の焦点深度に限られず、例えばホログラム技術を用いた露光方式での光路長や、その他の要因に依存して設定されるものである。さらに、複数の感光エリアは感光面を区分して得られるもので、これら感光エリア相互のエリア幅は特定方向において可変である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態に係るステップ・アンド・スキャン方式の露光装置について添付図面を参照して説明する。この露光装置は例えば液晶表示パネルの製造においてフォトリソグラフィ技術により電極や配線を形成する場合に露光用基板の感光面を選択的に露光するために用いられる。
【００２２】
図１は露光装置の外観を示し、図２は図１に示す露光装置の回路構成を示す。この露光装置は、露光用基板Ｐを載置する基板ステージ１１、露光用基板Ｐの向きに対応した向きでフォトマスクＭを載置するマスクステージ１２、基板ステージ１１に載置された露光用基板Ｐの感光面ＳにフォトマスクＭに対応する露光パターンを投影する照射部１３、基板ステージ１１に載置された露光用基板Ｐと照射部１３の許容露光深度内の基準露光面との傾きおよび高さの関係を調整する調整機構１４、およびこれらの全体的な動作を制御する制御部１５を備える。
【００２３】
露光用基板Ｐは、例えば図３に示すように、ガラス基板１、ガラス基板１上に堆積されるクロムやアルミ等の材料からなる金属膜２、およびこの金属膜２を覆い感光面Ｓとして形成される感光性レジスト膜３で構成される。ガラス基板１はガラス引出口から溶融されたガラスを引き出すフュージョン法やフロート法等の典型的な製造方法で製造され、複数の液晶表示パネルを設けることが可能な大きさを有する。図１および図２に示す露光装置を用いた露光後、感光性レジスト膜３は露光部分を除去することによりレジストパターンとして現像され、金属膜２はこのレジストパターンをマスクとして用いたエッチング等により加工され、電極や配線として残される。
【００２４】
図４はガラス基板１の厚さ分布の例を示す。この例は、ガラス引出口となる幅０．７ｍｍのスリットに対して直交する方向にガラスを引き出して製造されたガラス基板１の厚さをスリット方向において測定した結果である。このガラス基板１の厚さは１００から２００ｍｍ程度の間隔で周期的に最大値または最小値となり、最大値および最小値の差に相当するピーク・トゥ・ピーク値は１０μｍ程度になる。ガラス基板１の厚さ分布はこのようスリット方向において不均一となる。また、ガラス基板１の厚さ分布はスリット方向に直交するガラス引き出し方向においてほぼ均一になることが確認されている。このようなガラス基板１を用いた露光用基板Ｐを基板ステージ１１に載置した場合、このガラス基板１の厚さ分布が図４に示すようにほぼそのまま露光用基板Ｐの感光面Ｓに反映され、上述のスリット方向に一致する特定方向において連続する凹凸、例えばうねりを生じる。図５では、特定方向がＸ軸方向に設定されている。
【００２５】
少なくともフュージョン法およびフロート法では、厚さの最大値および最小値の間隔に多少の違いがあるものの、厚さ分布が製造時の引き出し方向とほぼ直交する方向において不均一になるというほぼ同様な結果を確認した。
【００２６】
図１および図２に示す露光装置では、基板ステージ１１が水平な支持板１１Ａに調整部１４を介して固定され、露光用基板Ｐを載置して支持板１１Ａと一緒に二次元平面において互いに直交するＸ軸方向およびＹ軸方向に移動可能である。露光用基板Ｐは上述の特定方向をＸ軸方向に一致させて基板ステージ１１に載置される。マスクステージ１２は基板ステージ１１の上方に配置される水平な支持板１２Ａに支持部材１２Ｂを介して固定され、露光用基板Ｐの向きに対応した向きでフォトマスクＭを載置して支持板１２Ａと一緒に二次元平面においてＸ軸方向およびＹ軸方向に移動可能である。また、マスクステージ１２はフォトマスクＭの端部を支持するように開口され、支持板１２Ａはマスクステージ１２に載置されたフォトマスクＭに対向するように配置される開口ＯＰを有する。フォトマスクＭは露光用基板Ｐの感光面Ｓを等面積で占有してマトリクス状に配置される複数のパネル用感光面の各々を選択的に露光するために共通に用いられる。
【００２７】
照射部１３は光源１６、照明光学系１７、および投影光学系１８を含む。光源１６は感光性レジスト膜３が感度を有する波長の光を出力する。例えば高圧水銀ランプやＫｒＦエキシマレーザ光源から光源光を発生し、照明光学系１７は光源１６からの光源光をマスクステージ１２に載置されたフォトマスクＭに照射する。投影光学系１８はフォトマスクＭの透過光である露光パターンを基板ステージ１１側に投影する。また、基板ステージ１１およびマスクステージ１２の少なくとも一方は露光用基板ＰとフォトマスクＭとの二次元的な位置合わせのためにステージ駆動部１９によって駆動され、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に移動する。
【００２８】
調整機構１４は基板ステージ１１に載置された露光用基板Ｐの高さ（レベル）および傾き（チルト）を投影光学系１８の許容露光深度内の基準露光面、すなわち焦点深度内の焦点面に対して調整するフォーカシング制御を行う。露光用基板Ｐの感光面Ｓが調整機構１４により投影光学系１８の焦点深度内に設置されると、露光パターンがこの感光面Ｓに画像として結像される。上述の調整機構１４は例えば基板ステージ１１の４隅を上述の焦点面に対して垂直なＺ軸方向において昇降する４個のアクチュエータ１４Ａにより構成される。各アクチュエータ１４Ａは上下に伸縮する圧電素子からなり、基板ステージ１１の支持部材を兼ねる。
【００２９】
照射部１３および調整機構１４は制御部１５によって制御される。制御部１５は、基板ステージ１１に載置された露光用基板Ｐの感光面Ｓの位置レベルを検出する位置検出部２１と、この位置検出部２１の出力信号から基板ステージ１１に載置された露光用基板Ｐの感光面Ｓの起伏分布を検出し、複数の感光エリアＳＢが投影光学系１８の焦点深度の範囲に高低差を収めるエリア幅で図６に示すように上述の特定方向（＝Ｘ軸方向）に並ぶように露光用基板Ｐの感光面Ｓを区分し、各感光エリアＳＢ毎に調整機構１４によって感光エリアＳＢを焦点深度内に設定して照射部１３から感光エリアＳＢに露光パターンの対応部分を投影させるコンピュータ２２とを含む。位置検出部２１は露光用基板ＰとフォトマスクＭと位置合わせ後に露光用基板Ｐの感光面Ｓの位置レベルを複数のポイントで検出する。
【００３０】
位置検出部２１は、例えば露光用基板Ｐの感光面Ｓに斜めからレーザ光を照射するように配置される半導体レーザ２１Ａと、この感光面Ｓで正反射しレンズを介して結像する反射光を受光する位置検出素子(ＰＳＤ：Position Sensitive Device)２１Ｂとを含む。尚、半導体レーザ２１Ａからのレーザ光は投影光学系１８の結像可能な範囲を基準として感光面Ｓの一定範囲に照射されるものである。さらにこのレーザ光は、露光パターンの光エネルギーに比べて十分小さく、波長域も露光波長と異なるように選定されているため、感光面Ｓのレジスト膜３がこのレーザ光によって実質的に露光されることはない。位置検出素子２１Ｂは異なる２点での光強度に対応する信号を出力する一対の信号出力電極を有する。コンピュータ２２はこれら出力電極からの出力電流をＡ／Ｄ変換により電流値データに変換し、これらデータの電流値の比から反射光の結像位置（焦点位置）を求め、位置検出素子２１Ｂの電気的中心位置からの方向と距離によって露光用基板Ｐの感光面Ｓの起伏分布として変位方向および変位量を求める。また、各感光エリアＳＢに対するフォーカス制御として、コンピュータ２２はこの感光エリアＳＢの起伏分布に基づいて露光用基板Ｐのレベリング量およびチルト量を決定し、４個のアクチュエータ１４Ａの伸縮方向および伸縮量を求め、伸縮方向および伸縮量に対応する極性および大きさの電圧をこれらアクチュエータ１４Ａの圧電素子に同時に出力する。
【００３１】
照明光学系１５は光源光を例えば長方形に整形する可変絞りを含む。この可変絞りは整形された光源光の光束サイズに対応する露光窓ＷをフォトマスクＭに対して設定し、露光窓Ｗは図６に示すような露光フィールドＦを露光パターンの照射範囲として各感光エリアＳＢに対して設定する。
【００３２】
各感光エリアＳＢの露光では、コンピュータ２２が上述の特定方向に一致するＸ軸方向において感光エリアＳＢのエリア幅に対応する露光フィールドＦを設定するよう照明光学系１５の可変絞りを調整し、このＸ軸方向（特定方向）に直交するＹ軸方向において露光フィールドＦを連続的に移動させるようにステージ駆動部１９を制御する。この制御により、ステージ駆動部１９は基板ステージ１１およびマスクステージ１４の両方を同期して移動させる。ここで、投影光学系１５は露光パターンの倒立像を結像する構造となっている。このため、基板ステージ１１およびマスクステージ１４はそれぞれ図１の矢印Ａ，Ｂで示すようにＹ軸方向において互いに逆向きに移動する。これにより、露光フィールドＦが基板ステージ１１およびマスクステージ１４の移動に伴ってシフトし、感光エリアＳＢをＹ軸方向において全体的に走査する。もし、投影光学系１５が露光パターンの正立像を結像する構造である場合には、基板ステージ１１およびマスクステージ１４の両方がＹ軸方向において同じ逆向きに移動する必要がある。
【００３３】
尚、上述の位置検出部２１の構成では、露光用基板Ｐが位置検出部２１に対して相対的に移動する必要がある。このため、コンピュータ２２は露光用基板ＰとフォトマスクＭと位置合わせ後においてステージ駆動部１９により基板ステージ１１をＹ軸方向において移動させ、露光用基板Ｐの感光面Ｓの一定範囲について得られる位置検出部２１の出力信号から露光用基板Ｐの起伏分布を検出し、１感光エリアＳＢのエリア幅を決定し、この感光エリアＳＢの露光中にこの感光エリアに隣接する一定範囲について起伏分布を検出して次の感光エリアＳＢのエリア幅を決定するように構成されている。尚、基板ステージ１１は露光用基板Ｐの感光面Ｓ全体について予め起伏分布を検出するためにＸ軸方向およびＹ軸方向の各々において移動されてもよい。
【００３４】
次に、露光用基板Ｐの感光面Ｓの区分形式についてさらに説明する。複数の感光エリアＳＢが特定方向に並ぶように露光用基板Ｐの感光面Ｓを区分する場合において、各感光エリアＳＢのエリア幅は投影光学系１８の焦点深度の範囲に図７に示す高低差ｄに収めるように決定される必要がある。図７では、露光用基板Ｐの感光面Ｓの起伏分布を測定した結果が曲面で示される。感光エリアＳＢの高低差ｄが焦点深度の範囲を超えてしまうと、露光用基板Ｐの高さ調整を行っても感光エリアＳＢの全域に対して焦点を合わせることができないため、その一部が焦点ずれによってぼけた露光パターンにより露光される結果となる。上述の条件を満足できれば、各感光エリアＳＢのエリア幅は全て共通の値であってもよい。しかし、この場合には、エリア幅が比較的狭くなってしまい、感光エリア数（露光フィールド数）を増大させることになる。この増大は、露光フィールドＦによって露光用基板Ｐの感光面Ｓを走査する走査回数の増大を意味することから露光処理時間を短縮する上で好ましくない。他方、各感光エリアＳＢ毎に高低差ｄを投影光学系１８の焦点深度の範囲に等しくするようなエリア幅を設定することにより感光エリア数を不必要に増大させることを防止できる。露光フィールドＦの幅は少なくともＸ軸方向において各感光エリアＳＢのエリア幅に対応して変更される。
【００３５】
このような考察に基づき、コンピュータ２２は調整機構１４によって各感光エリアＳＢを投影光学系１８の基準露光面、すなわち焦点面に略平行な向きにして最大のエリア幅を設定するように構成されている。調整機構１４はこのコンピュータ２２によって制御され、露光用基板Ｐの感光面Ｓの起伏分布を検出するために露光用基板Ｐ全体の傾きおよび高さの大まかな調整を行うことに加えて、各感光エリアＳＢの露光に先立って感光エリアＳＢの傾きおよび高さを補正するための調整を行うことになる。
ここで、露光用基板Ｐの感光面ＳがＸ軸方向において例えば図８に示すような投影光学系１８の焦点深度の範囲より大きい高低差ｄの領域を含む場合について考える。この高低差ｄが投影光学系１８の焦点深度の範囲を越えていても、調整機構１４によって露光用基板Ｐの傾きおよび高さを投影光学系１８の焦点深度を基準にして調整すれば、この領域の高低差ｄは図９に示すように投影光学系１８の焦点深度の範囲内に収めることが可能となる。露光用基板Ｐの傾きおよび高さの調整では、露光用基板Ｐが例えば図８において矢印で示す方向に動かされる。このとき、投影光学系１８による露光用基板Ｐの照射範囲は、投影光学系１８の焦点深度内にある。換言すれば、投影光学系１８による照射範囲は、投影光学系１８の許容露光深度内にある。
【００３６】
従って、各感光エリアＳＢをこのような領域単位に設定することによりエリア幅を最大化できる。図８および図９では、露光用基板Ｐの感光面Ｓの起伏分布を一露光フィールドについて測定した結果が曲線で示される。図８において、高低差ｄは投影光学系１８の焦点深度の範囲よりも大きい状態を示している。
【００３７】
感光面Ｓの起伏分布の検出結果に基づいて感光エリアＳＢのエリア幅を具体的に決定する場合、コンピュータ２２は露光フィールドＦの位置および幅をまず最小の初期値に設定し、この露光フィールドＦをＹ軸方向にシフトさせる走査（スキャン）によって一度に露光される感光面Ｓの範囲を感光エリアＳＢに設定し、調整機構１４によってこの感光エリアＳＢに対して図９に示すような傾きおよび高さ調整を行ったときの高低差ｄを算出し、この算出結果の高低差ｄを露光装置の仕様である投影光学系１８の焦点深度と比較する。もし高低差ｄがこの焦点深度より小さければ、露光フィールドＦの幅を一定の増分で増大させて上述の計算を繰り返す。このようにして、高低差ｄが投影光学系１８の焦点深度を越えない最大値になると、これを露光フィールドＦの幅として決定する。実際には、投影光学系１８の構成に依存して、露光フィールドＦの幅を計算により得られた最大値よりも小さな値にする必要が生じることもある。いずれにしても、露光用基板Ｐのレベリング量、チルト量はこうして決定された露光フィールドＦの幅に基づいて求められる。
【００３８】
ここで、調整機構１４は各感光エリアＳＢの最高レベルＬ１と最低レベルＬ２との中点Ｌ３であるレベリング基準点を投影光学系１８の焦点面に合わせるようにして感光エリアＳＢを投影光学系１８の焦点面に略平行な向きに設定する。この結果、露光フィールドＦは図６に示すように露光用基板Ｐの感光面Ｓにおいて各感光エリアＳＢにほぼ正対する向きに設定され、感光面Ｓの変曲部に位置する感光エリアＳＢに対して狭い幅になるものの、この変曲部周辺の比較的なだらかな部分に位置する感光エリアＳＢに対して広い幅になる。
【００３９】
次に、上述の露光装置を使用して露光用基板Ｐの全面を露光する露光方法を説明する。露光用基板Ｐがロボットハンドリングにより基板ステージ１１に載置されると、基板ステージ１１が二次元的に移動され、これによりこの露光用基板Ｐをマスクステージ１２上のフォトマスクＭに対して位置合わせをし、この位置をコンピュータ２２のメモリ領域に記憶する。続いて、調整機構１４が露光用基板Ｐの感光面Ｓの起伏分布を検出するために露光用基板Ｐ全体の傾きおよび高さを大まかに調整する。この後、基板ステージ１１がＹ軸方向に移動され、位置検出部１４がこの間に露光用基板Ｐの感光面Ｓの位置レベルを一定範囲において検出し、感光面Ｓの起伏分布を検出して、コンピュータ２２のメモリ領域に記憶する。コンピュータ２２はこの検出された起伏分布に基づいて最初の感光エリアＳＢのエリア幅を決定して、コンピュータ２２の記憶領域に記憶する。照明光学系１７の可変絞りは露光フィールドＦの幅をこのエリア幅に設定するように調整される。コンピュータ２２はさらに調整機構１４によってこの感光エリアＳＢの傾きおよび高さを投影光学系１８の焦点面に対して調整し、この後ステージ駆動部１６によって基板ステージ１１およびマスクステージ１４をそれぞれ図１の矢印Ａ，Ｂで示すようにＹ軸方向において相対的に移動、例えば互いに逆向きに移動（ステップ）させる。これにより、露光フィールドＦが基板ステージ１１およびマスクステージ１４の移動に伴ってシフトし、感光エリアＳＢをＹ軸方向において全体的に走査（スキャン）する。感光エリアＳＢ全体はこの走査中にフォトマスクＭを介して照射される露光パターンによって選択的に露光される。
【００４０】
他方、位置検出部１４はこの露光中にこの感光エリアＳＢに隣接する一定範囲において露光用基板Ｐの感光面Ｓの位置レベルを検出し、コンピュータ２２はこの検出結果に基づいて次の感光エリアＳＢのエリア幅を決定し、照明光学系１３の可変絞りを調整することにより露光フィールドＦの幅をこの感光エリアＳＢのエリア幅に等しく設定する。コンピュータ２２はさらに調整機構１４によってこの感光エリアＳＢの傾きおよび高さを投影光学系１８の焦点面に対して調整し、この後ステージ駆動部１９によって露光フィールドＦを次の感光エリアＳＢにステップさせるように基板ステージ１１およびマスクステージ１２を予め定められた一定距離だけＸ軸方向に移動（ステップ）させる。基板ステージ１１およびマスクステージ１４はこの後それぞれ図１の矢印Ａ，Ｂで示すようにＹ軸方向において相対的に互いに逆向きに再び移動（スキャン）する。以降、露光フィールドＦによる各感光エリアＳＢのスキャンおよびステップが上述の制御とともに繰り返され、感光面Ｓ全体の露光を完了するまで続けられる。調整機構１４は各感光エリアＳＢの露光完了に伴って露光フィールドＦをステップさせる期間を利用して次の感光エリアＳＢの傾きおよび高さ調整を行い、この調整を各感光エリアＳＢの露光中に行うことはない。
【００４１】
ちなみに、露光フィールドＦは露光パターンの照射範囲、すなわち露光範囲を広げて生産性を高めるためにできるだけ大きな幅に設定されることが好ましい。しかしながら、実際には投影光学系１８におけるレンズの製造限界によって、露光フィールドＦの形状および大きさは制限される。現在、製造可能なレンズの口径は３５０ｍｍ程度までであり、露光フィールドＦの幅は、露光波長や解像度にもよるが上述の条件で１００から１５０ｍｍ程度となる。しかしながら、製造技術の発達によって徐々にレンズの大口径化も進んでいるため、露光フィールドＦの幅はさらに広くできるものと考えられる。
【００４２】
また、本実施形態のように、露光フィールドＦを長方形とした場合は、Ｙ軸方向の短辺はＸ軸方向の長辺の１／５から１／３程度が望ましい。細くスリット状に整形することも可能であるが、光源１６からの光源光を有効に利用するためには絞り込む必要があり、このための光学系が複雑になる。露光フィールドＦは長方形状の他、長六角形状、長楕円形状であってもよい。露光フィールドＦの長さは、各スキャン位置によって異なり、投影光学系１８の許容露光範囲によって定められる。起伏分布を求めたとき、各スキャン位置での露光フィールドＦの長さが自動的に求められる。図５に示すような露光用基板Ｐでは、例えば頂部３２、谷部３３、これら頂部３２および谷部３３間の山腹部３４について、露光フィールドＦを異なる長さに設定することができる。山腹部３４は、図８に示すように露光用基板Ｐの高さ、傾きを変更することにより１つの露光フィールドＦにより露光することができるようになる。
【００４３】
近年では、照射部１３の焦点深度、具体的には投影光学系１８の焦点深度が高解像度化の進展に伴って浅くなり、実質的な技術限界に近づいている。解像度（線幅）Ｒおよび焦点深度ＤＯＦは次に示す式（１）および式（２）によって表される。
【００４４】
Ｒ＝ｋ_１×λ／ＮＡ … （１）
ＤＯＦ＝±ｋ_２×λ／ＮＡ^２ … （２）
ここで、ｋ_１およびｋ_２は感光性レジスト膜材料等のプロセス条件に依存する定数であり、λは露光波長であり、ＮＡはレンズ開口数である。これら式（１）および式（２）から、焦点深度ＤＯＦは露光における解像度（線幅）Ｒと次に示す式（３）のような関係にあることがわかる。
【００４５】
ＤＯＦ＝±ｋ_２／ｋ_１ ^２×Ｒ^２／λ … （３）
露光用基板Ｐの感光面Ｓは露光フィールドＦの全範囲において式（３）で決まる焦点深度ＤＯＦの範囲に収める必要がある。もし感光面Ｓが焦点深度ＤＯＦの範囲から外れると、完全な結像が得られないので、適正なレジストパターンを形成することができない。現在、液晶表示パネルの量産に用いられる露光装置では、解像度Ｒが最高で１．５μｍ程度である。例えば、解像度Ｒ＝１．５μｍ、露光波長λ＝０．３６５μｍ（水銀ランプからのｉ線）、ｋ_１＝０．６、ｋ_２＝０．５の場合、焦点深度ＤＯＦは式（３）によりＤＯＦ＝±８．６μｍとなり、これを全体の範囲に換算すると１７．２μｍとなる。露光処理はレンズ収差などの影響を受けるため、この影響を見込んだ露光装置側の許容焦点深度は一般に換算値の半分、すなわち８．６μｍになる。この場合、露光用基板Ｐには、８．６μｍ以下の平坦性が要求される。
【００４６】
今後、液晶表示パネルの高精細化が進み、より高い解像度Ｒが求められるようになると、焦点深度ＤＯＦの範囲はますます狭くなる。例えば解像度Ｒ＝１．５μｍ、露光波長λ＝０．３６５μｍ（水銀ランプからのｉ線）、ｋ_１＝０．６、ｋ_２＝０．５を同じにした場合、焦点深度ＤＯＦは式（３）によりＤＯＦ＝±３．８μｍとなり、これを全体の範囲に換算すると７．６μｍとなる。露光用基板Ｐには、許容焦点深度（ＤＯＦ／２）、すなわち３．８μｍ以下の平坦性が要求される。
【００４７】
また、解像度Ｒ＝０．５μｍ、露光波長λ＝０．２４８μｍ（ＫｒＦエキシマレーザ）、ｋ_１＝０．５、ｋ_２＝０．５（ｋ_１およびｋ_２：ＫｒＦ使用時に一般的とされる値）の場合、焦点深度ＤＯＦは式（３）によりＤＯＦ＝±２．０μｍとなり、これを全体の範囲に換算すると４．０μｍとなる。露光用基板Ｐには、許容焦点深度（ＤＯＦ／２）、すなわち２．０μｍ以下の平坦性が要求される。
【００４８】
以上をまとめると、基板平坦性は解像度Ｒ＝１．５μｍのときに８．６μｍ以下であり、解像度Ｒ＝１．０μｍのときに３．８μｍ以下であり、解像度Ｒ＝０．５μｍのときに２．０μｍ以下であることが期待される。
【００４９】
これに対して、露光用基板Ｐにおいて、ガラス基板１の厚さは既に述べたように１００から２００mm程度の間隔で周期的に最大値または最小値となり、最大値および最小値の差に相当するピーク・トゥ・ピーク値は１０μm程度になる。従って、スループットを向上させるために同時に露光される感光面Ｓの露光範囲を広げると、この露光範囲の高低差が実際に許容される焦点深度を越えてしまい、適正な解像度が得られないことになる。露光範囲を７０ｍｍ×２０ｍｍとすると、７から８μｍの程度の高低差が生じるため、解像度Ｒ＝１．５μｍでしか露光できない。解像度Ｒ＝１．０μｍおよび解像度Ｒ＝０．５μｍでは、露光不能である。ガラス基板の平坦性は最近において徐々に改善されてきているが、短期間に大幅に改善されることを期待できない。
【００５０】
本実施形態によれば、このような状況にも対処することができる。すなわち、露光用基板Ｐの感光面Ｓは、複数の感光エリアＳＢが照射部１３の焦点深度の範囲に高低差を収めるエリア幅で特定方向に並ぶように区分される。この場合、特定方向に連続する凹凸が露光用基板Ｐの感光面Ｓに存在しても、それぞれの感光エリアＳＢに照射部１３の焦点深度に適合する平坦性を得ることができるため、各感光エリアＳＢに高い信頼性で露光パターンを結像できる。また、露光用基板Ｐの感光面Ｓが上述のように区分されたことにより、傾きおよび高さの調整を感光エリアＳＢ単位に行うことが可能になる。すなわち、各感光エリアＳＢの露光に先立って、この感光エリアＳＢが調整機構１４により照射部１３の焦点深度内に設置されれば、露光中に例えば露光用基板Ｐの傾きおよび高さを実時間調整する実時間フォーカシング制御の必要がない。これは、技術的な困難さを解消するだけでなく、露光装置の製品化期間の短縮および製造コストの低減を可能にする。また、露光用基板Ｐは特定方向に連続する凹凸の周期の大きいガラス基板１を用いて構成されているため、特定方向に直交する方向において感光面Ｓを走査して一括露光する露光フィールドの幅を広げることにより露光処理のスループットを向上させることができる。
【００５１】
尚、本発明は上述の実施形態に限定されず、その要旨を逸脱しない範囲で様々に変形可能である。
【００５２】
例えば複数のアクチュエータ１４Ａはフォトマスクの高さおよび傾きを投影光学系１８の許容露光深度内の基準露光面、すなわち焦点深度内の焦点面に対して調整するフォーカシング制御を行うために例えばマスクステージ１２の４隅を上述の焦点面に対して垂直なＺ軸方向において昇降するよう変更されてもよい。また、アクチュエータ１４Ａは圧電素子に限定されず、ソレノイドのように磁気を利用して伸縮するものあるいは静電気を利用して伸縮するものに置き換えてもよい。
【００５３】
位置検出部２１は、感光面Ｓの位置レベルを検出するために反射光を利用しているが、これ以外に、光の干渉を利用するもの、あるいは触針を利用するものに置き換えてもよい。また、半導体レーザ２１はレジスト膜３を感光させることのない光強度および波長の光を発生する発光ダイオード（ＬＥＤ）に置き換えてもよい。
【００５４】
上述の実施形態の露光装置は露光パターンを露光用基板Ｐの感光面Ｓに投影する露光方式であるが、本発明はこの露光方式以外に例えばホログラム技術を用いた露光方式にも適用できる。
【００５５】
また、上述の実施形態の露光装置は露光用基板およびフォトマスクの位置を変化させながら露光パターンの投影を行って露光フィールドＦを連続的に移動させるステップ・アンド・スキャン方式であるが、本発明は露光用基板ＰおよびフォトマスクＭの位置を固定した状態で露光パターンの投影を行って露光フィールドＦを逐次的に移動させるステップ・アンド・リピート方式にも適用できる。
【００５６】
また、露光用基板Ｐは平坦性を確保することが難しいガラス基板を用いて構成されるが、厚さ変動が特定方向において大きいという特徴を有する基板であれば、例えばプラスチック基板などにガラス基板を置き換えてもよい。
【００５７】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、露光中に露光用基板の傾きおよび高さを実時間調整する必要のない露光装置および露光方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態に係る露光装置の外観を概略的に示す図である。
【図２】 図１に示す露光装置の回路構成を示す図である。
【図３】 図１に示す基板ステージに載置される露光用基板の構造を示す断面図である。
【図４】 図３に示すガラス基板の厚さ分布をガラス引き出し方向に直交する方向において示すグラフである。
【図５】 図３に示す露光用基板の感光面の起伏分布を示すグラフである。
【図６】 図１および図２に示す露光装置の露光形式を説明するための図である。
【図７】 図１に示す基板ステージに載置された露光用基板の感光面の向きを変化させない場合にＸ軸方向において設定される露光フィールドの幅を示す図である。
【図８】 図１および図２に示す投影光学系の焦点深度の範囲を超える高低差にある露光用基板の感光面の一領域をＸ軸方向において示す図である。
【図９】 図８に示す感光面の一領域について露光用基板の傾きおよび高さを投影光学系の焦点面に対して調整した場合の高低差を示す図である。
【符号の説明】
１…ガラス基板、２…金属膜、３…感光性レジスト膜、１１…基板ステージ、１１Ａ…支持板、１２…マスクステージ、１２Ａ…支持板、１２Ｂ…支持部材、１３…照射部、１４…調整機構、１４Ａ…アクチュエータ、１５…制御部、１６…光源、１７…照明光学系、１８…投影光学系、１９…ステージ駆動部、２１…位置検出部、２１Ａ…半導体レーザ、２１Ｂ…位置検出素子、２２…コンピュータ、Ｐ…露光用基板、Ｓ…感光面、Ｍ…フォトマスク，Ｗ…露光窓、ＳＢ…感光エリア、Ｆ…露光フィールド

Claims (18)

1. 特定方向において凹凸を有する露光用基板に露光パターンを投影光学系により照射して露光する露光装置であって、前記特定方向において前記露光用基板の基板面の起伏を予め検出して前記露光用基板の傾きおよび高さを調整することにより位置レベルの高低差が前記投影光学系の許容露光深度の範囲を越えないエリア幅を決定しこのエリア幅を前記投影光学系による照射範囲として設定する照射範囲設定手段と、前記照射範囲設定手段によって設定された前記照射範囲において前記露光用基板を露光する露光手段とを備え、前記照射範囲設定手段は前記露光手段による露光の完了に伴って前記特定方向において前記照射範囲に隣接する次の照射範囲を設定するために前記露光用基板の傾きおよび高さを再度調整することを特徴とする露光装置。
2. 前記照射範囲設定手段は、前記エリア幅に対応する露光フィールドを前記照射範囲の一部として設定し、前記露光用基板を露光する走査として前記特定方向に直交する方向に前記露光フィールドを連続的あるいは逐次的に移動させることを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
3. 前記露光フィールドは、前記凹凸の山腹部、山頂部および谷部のいずれかに割り当てられることを特徴とする請求項２に記載の露光装置。
4. 前記照射範囲設定手段は、前記露光用基板を露光する走査の期間において前記露光用基板の傾きおよび高さを維持することを特徴とする請求項２に記載の露光装置。
5. 特定方向において感光面に凹凸を有する露光用基板を載置する基板ステージと、前記露光用基板の感光面を選択的に露光する露光パターンを照射する照射部と、前記基板ステージに載置された前記露光用基板の傾きおよび高さを前記照射部の許容露光深度内の基準露光面に対して調整する調整機構と、前記特定方向において前記露光用基板の感光面の起伏を予め検出して前記調整機構で前記露光用基板の傾きおよび高さを調整することにより位置レベルの高低差が前記許容露光深度の範囲を越えないエリア幅を決定しこのエリア幅の感光エリアを設定し、前記照射部から前記露光パターンの対応部分を照射させて前記感光エリアを露光し、この露光の完了に伴って前記特定方向において前記感光エリアに隣接する次の感光エリアを設定するために前記露光用基板の傾きおよび高さを再度調整させる制御部とを備えることを特徴とする露光装置。
6. 前記制御部は前記エリア幅に対応する露光フィールドを前記照射範囲の一部として設定し、前記感光エリアを露光する走査として前記特定方向に直交する方向において前記露光フィールドを連続的あるいは逐次的に移動させることを特徴とする請求項５に記載の露光装置。
7. 前記制御部は前記調整機構によって前記感光エリアを前記基準露光面に略平行な向きにして最大のエリア幅を設定することを特徴とする請求項５または６に記載の露光装置。
8. 前記照射部は前記許容露光深度と等価な焦点深度を有し前記基準露光面と等価な焦点面に露光パターンを結像する投影光学系を含むことを特徴とする請求項５に記載の露光装置。
9. 前記露光用基板は、前記特定方向が製造時の引き出し方向に直交する方向にほぼ一致するガラス基板を含むことを特徴とすることを特徴とする請求項５に記載の露光装置。
10. 特定方向において凹凸を有する露光用基板に露光パターンを投影光学系により照射して露光する露光方法であって、前記特定方向において前記露光用基板の基板面の起伏を予め検出して前記露光用基板の傾きおよび高さを調整することにより位置レベルの高低差が前記投影光学系の許容露光深度の範囲を越えないエリア幅を決定しこのエリア幅を前記投影光学系による照射範囲として設定する設定工程と、前記照射範囲において前記露光用基板を露光する露光工程と、前記露光工程の完了に伴って前記特定方向において前記照射範囲に隣接する次の照射範囲を設定するために前記露光用基板の傾きおよび高さを再度調整する調整工程とを備えることを特徴とする露光方法。
11. 前記照射範囲の一部として、前記凹凸の山腹部、山頂部および谷部のいずれかに割り当てられる露光フィールドを設定することを特徴とする請求項１０に記載の露光方法。
12. 前記露光用基板を露光する走査として前記特定方向に直交する方向において前記露光フィールドを移動させ、前記露光用基板を露光する走査の期間において前記露光用基板の傾きおよび高さを維持することを特徴とする請求項１１に記載の露光方法。
13. 前記投影光学系によりステップ・アンド・スキャン方式で露光パターンを照射して前記露光用基板の全面を露光する際に、前記露光フィールドを前記特定方向において移動させるステップ期間において前記露光用基板の傾きおよび高さを調整することを特徴とする請求項１２に記載の露光方法。
14. 特定方向において感光面に凹凸を有する露光用基板を載置する基板ステージと、前記基板ステージに載置された前記露光用基板の感光面を選択的に露光する露光パターンを照射する照射部と、前記基板ステージに載置された前記露光用基板の傾きおよび高さを前記照射部の許容露光深度内の基準露光面に対して調整する調整機構とからなる露光装置を用いて前記露光用基板を露光する露光方法であって、前記特定方向において前記露光用基板の感光面の起伏分布を予め検出して前記調整機構で前記露光用基板の傾きおよび高さを調整することにより位置レベルの高低差が前記許容露光深度の範囲を越えないエリア幅の感光エリアを設定する設定工程と、前記照射部から前記露光パターンの対応部分を照射させて前記感光エリアを露光させる露光工程と、この露光の完了に伴って前記特定方向において隣接する次の感光エリアを設定するために前記露光用基板の高さおよび傾きを再度調整させる調整工程とを備えることを特徴とする露光方法。
15. 前記エリア幅に対応する露光フィールドを前記照射範囲の一部として設定し、前記感光エリアを露光する走査として前記特定方向に直交する方向において前記露光フィールドを連続的あるいは逐次的に移動させることを特徴とする請求項１４に記載の露光方法。
16. 前記調整機構によって前記感光エリアを前記基準露光面に略平行な向きにして最大のエリア幅を設定することを特徴とする請求項１４または１５に記載の露光方法。
17. 前記照射部は前記許容露光深度と等価な焦点深度を有し前記基準露光面と等価な焦点面に露光パターンを結像する投影光学系を含むことを特徴とする請求項１４に記載の露光方法。
18. 前記露光用基板は、前記特定方向が製造時の引き出し方向に直交する方向にほぼ一致するガラス基板を含むことを特徴とする請求項１４に記載の露光方法。

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