(57)【要約】【課題】  より転写位置精度の高いＳＰＬ装置を実現する。【解決手段】  複数のプローブを用いてパターンを描画するパターニング装置において、マルチプローブヘッドを複数搭載する。また、プローブが劣化した場合、マルチプローブを一体で交換する。さらに、装置上で個々のプローブの特性の補正計測を行う。また、アライメント計測時と描画時とでプローブヘッドの姿勢を一定に保つ。【選択図】図１
2006108301.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれカンチレバーに搭載された複数のプローブを用いて基板上にパターンを描画するパターニング装置であって、
前記カンチレバーと前記プローブと前記複数のカンチレバーを保持する保持部材とを一体化してなるマルチプローブユニットと、該マルチプローブユニットを当該パターニング装置に対して脱着する交換手段とを有することを特徴とするパターニング装置。
【請求項２】
前記交換手段が、前記基板を前記プローブに対して位置決めする基板位置決め手段に搭載されていることを特徴とする請求項１に記載のパターニング装置。
【請求項３】
前記マルチプローブユニットの交換時および搬送、保管時に前記プローブを覆うカバーを有することを特徴とする請求項１または２に記載のパターニング装置。
【請求項４】
複数のプローブを用いて基板上にパターンを描画するパターニング装置であって、
前記プローブの劣化判定手段を有することを特徴とするパターニング装置。
【請求項５】
前記複数のプローブはそれぞれカンチレバーに搭載されており、前記劣化判定手段は、前記カンチレバーの固有振動数の変化を計測する手段であることを特徴とする請求項４に記載のパターニング装置。
【請求項６】
前記劣化判定手段は、前記プローブを導電性の平面を有する部材に接触させ、電圧を印加した時の電圧値と電流値の関係を測定する手段であることを特徴とする請求項５に記載のパターニング装置。
【請求項７】
複数のプローブを用いて基板上にパターンを描画するパターニング装置であって、
前記複数の各プローブをプローブ軸と平行な方向に位置決め駆動する手段と、基準平面を有する部材と、前記位置決め駆動する手段により前記複数の各プローブを駆動して全プローブの先端を前記基準平面に接触させたときの前記位置決め駆動する手段による各プローブの駆動量を計測する手段とを有することを特徴とするパターニング装置。
【請求項８】
複数のプローブを用いてパターンを基板上に描画するパターンニング装置であって、
複数のプローブからなるプローブアレイを一体で位置決めするステージと、
前記各プローブにより前記基板に所定の位置計測パターンを描画し、前記ステージを移動した後、描画された各パターンをそれぞれ描画したプローブ以外のプローブで計測することにより描画面と平行な方向における各プローブの理想位置からのずれを算出する位置検出手段を有することを特徴とするパターニング装置。
【請求項９】
前記各プローブの理想位置からのずれに応じて、各プローブへの描画データを補正する手段をさらに有することを特徴とする請求項８に記載のパターニング装置。
【請求項１０】
アライメントスコープをさらに備え、該アライメントスコープと前記プローブまたはカンチレバーを保持する部材とが一体で保持されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載のパターニング装置。
【請求項１１】
前記プローブまたはカンチレバーを保持する部材に、前記基板との相対位置を計測するための位置計測マークを形成されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載のパターニング装置。
【請求項１２】
アライメント計測時とパターン描画時にプローブの姿勢が一定であることを特徴とする請求項１０または１１に記載のパターニング装置。
【請求項１３】
複数のカンチレバーのそれぞれに搭載されたプローブを用いてパターンを描画するパターニング装置において、
カンチレバーが二股に分かれて、それぞれの先端部にプローブが配されており、一方のプローブで描画を行い、他方のプローブで計測を行うことを特徴とするパターニング装置。
【請求項１４】
複数のプローブを用いてパターンを基板上に描画するパターンニング方法であって、
前記複数のプローブのうち、一部のプローブでアライメント計測を行うと同時に、残りのプローブで描画を行うことを特徴とするパターニング方法。
【請求項１５】
複数のプローブを用いて基板上に描画されたパターンを検査するパターン検査方法であって、
前記パターンを描画後または描画中に、描画されたパターンを前記複数のプローブの全部または一部で計測して、検査することを特徴とするパターン検査方法。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれかに記載のパターニング装置を用いて感光性の基板を露光する工程と、露光した前記基板を現像する工程とを有することを特徴とするデバイス製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、探針を用いたパターニング装置に関する。このようなパターニング装置は、例えば、ＩＣやＬＳＩ等の半導体チップ、液晶パネル等の表示素子、磁気ヘッド等の検出素子、およびＣＣＤ等の撮像素子といった各種デバイスを製造する際の露光装置として用いられる。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体集積回路の高密度、高速化に伴い、集積回路のパターン線幅が縮小され、半導体製造方法にも一層の高性能化が求められている。このため、半導体製造工程中のリソグラフィ工程のうちレジストパターンの形成に用いる露光装置にも、ＫｒＦレーザ（２４８ｎｍ）、ＡｒＦレーザ（１９３ｎｍ）、Ｆ２レーザ（１５７ｎｍ）、ＥＵＶやＸ線（０．２〜１．５ｎｍ）などの短い露光波長を利用したステッパが開発されている。
しかし、最も解像度が高いＥＵＶ露光装置においても、解像限界は２０ｎｍ程度とされており、それ以降のリソグラフィ技術については不透明な状況である。
【０００３】
その中で、解像度において、非常に優れた技術として、走査型プローブを用いた露光技術がある。一般には、Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｐｒｏｂｅ  Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ（以降ＳＰＬと略して表記する）と言われる技術で、本来は顕微鏡として開発されたＳＴＭやＡＦＭの探針を用いて微細なパターニングを行うものである。マスクを用いないマスクレス露光装置である。
【０００４】
ＳＰＬのパターニング原理は、レジスト露光、材料の選択酸化、熱変形など様々な方法が提案されている。このうち、半導体集積回路のパターニングに用いる場合には、従来のリソグラフィとプロセスが同一であることから、レジスト露光が最も適していると考えられる。ＳＰＬのレジスト露光は、プローブを走査しながら、プローブ先端から電流を流すことによって、レジストを露光するものである。技術的な詳細については、非特許文献１に記載されている。
【０００５】
図２２にＳＰＬの露光装置の基本構成を示した。２００１は、露光されるレジストであり、ウエハ２００２の上に塗布されたものである。２００３は、ウエハステージであり、パターニングのためにウエハ２００２を走査する役割と、ウエハ２００２を描画位置まで移動する役割を持つ。２００４は、レジストを露光するための電流を発生させるための電源であり、＋極はウエハ２００２へ、−極はプローブ２００５に接続されている。２００５は、プローブであり、先端が非常に鋭利な形状となっており、先端部から電子を放出し、レジストを感光させるものである。２００６は、カンチレバーであり、プローブ２００５がレジストに接近もしくは接触したときに撓むことで力や変位を制御するものである。
【０００６】
２００７はカンチレバーの上面の変位を計測する変位センサである。一般的なＡＦＭ（原子間力顕微鏡）では、光梃や干渉計などが用いられている。２００８は、アクチュエータであり、プローブ２００５をレジスト２００１に接近させるための役割を持つ。２００９はコントローラであり、変位センサ２００７からの出力に応じて、アクチュエータ２００８へ駆動指令を送り、常にプローブ２００５のレジスト２００１への接触状態を一定に保つ役割を持っている。露光は、プローブを接触させながら、所望のパターンを描くようにウエハステージ２００３を移動することによって行う。
【０００７】
ＳＰＬは、解像度に関しては非常に能力が高く、２０ｎｍ以下の描画への適用が期待される。大気中での露光が可能であるため、ＥＵＶ露光装置などに必要な真空雰囲気の作成が不要であることや、蛍石などの高価な材料を用いたレンズからなる光学系も不要であるので、従来のリソグラフィー装置に比べて、低コストであること利点もある。
【０００８】
しかし、プローブが物理的に移動しながらパターニングを行うため、一本のプローブで描画できる速度は非常に遅いという欠点がある。そのため、一台の装置内に複数のプローブを並列に設置し、同時描画することで、生産性を向上させるという提案がされている。例えば１万本以上のプローブを２次元的に配列し、同時に描画を行うものである。走査は、ウエハを走査させることになる。各プローブは、所定のパターンがウエハ面に描かれるようにそれぞれ独立に制御される。
【０００９】
プローブを多数並列に並べる場合、各プローブの特性のばらつきや、位置のばらつきの補正をする必要がある。
特性のばらつきに関しては、特許文献１に記載されている。マルチプローブを用いたＡＦＭに関する提案で、プローブ間の計測特性のばらつきを補正するために、プローブの変位量とアクチュエータの指令値との補正を行う補正用回路を内蔵するというものである。マルチプローブの位置のばらつきに関しては、特許文献２に、個々のプローブの位置を補正する機構を有するマルチプローブ装置が提案されている。
【非特許文献１】「Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｐｒｏｂｅ  Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ，  Ｈｙｏｎｇｓｏｋ  Ｔ．  Ｓｏｈ他著，Ｋｌｕｕｗｅｒ  Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ刊」
【特許文献１】特開平０６−１９５７７７号公報
【特許文献２】特登録３０５３９７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
半導体集積回路パターンを形成する場合、パターン描画は、予めパターン描画されている下地パターンに対して、精密な位置合わせ（アライメント）を行う必要がある。ＳＰＬを用いた描画に対しても同様に高精密なアライメントが要求される。ＳＰＬの場合は、プローブの先端の位置と、ウエハの下地パターンの位置を正確に計測し、さらに位置を精密に制御しながら、走査することになる。
【００１１】
また、ＬＳＩ製造に関しては、歩留まりがコストに反映されるため、描画装置には、描画エラーのない高い信頼性が要求される。特に原版（マスク）を持たないマスクレス露光装置にとっては、重要な課題である。また、マルチプローブ化によって、一万本程度のプローブを並列に制御する場合、全てのプローブが正常に駆動していることが要求されるため、プローブの劣化、故障の判定も重要な課題となる。
【００１２】
ＳＰＬ装置は、描画を行うプローブがウエハのほぼ接触する位置に配置されるため、プローブの駆動機構およびその駆動機構を支える部材がウエハステージの上面を覆う構造となってしまう。マルチプローブアレイ交換等の装置のメンテナンスは、非常に狭い空間で行わなくてはならず、非常に作業性が悪くなってしまうという問題点もある。
【００１３】
個々のプローブの特性にばらつきがあると、プローブ毎に描画するパターンに差が生じてしまうという問題についても、従来例（特許文献１）は、補正のために基準試料を装置内へ搬入しているため、基準試料の保持状態のばらつきが補正値の誤差要因となってしまうため、改善の余地が残されている。また、プローブの配置の設計値からのずれがある場合の補正手段として、従来例（特許文献２）に記載の方法は、非常にマルチプローブアレイの構成が複雑化するため、製作、集積化が困難であるという問題がある。
本発明は、上述の従来例における問題点を解消することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の課題を解決するために、本発明に係る第１のパターニング装置は、それぞれカンチレバーに搭載された複数のプローブを用いて基板上にパターンを描画するパターニング装置であって、前記カンチレバーと前記プローブと前記複数のカンチレバーを保持する保持部材とを一体化してなるマルチプローブユニットと、該マルチプローブユニットを当該パターニング装置に対して脱着する交換手段とを有することを特徴とする。前記交換手段は、前記基板を前記プローブに対して位置決めする基板位置決め手段に搭載することが好ましい。また、マルチプローブユニットの交換時および搬送、保管時に前記プローブを覆うカバーを有することが好ましい。
【００１５】
本発明に係る第２のパターニング装置は、複数のプローブを用いてパターンを描画するパターニング装置であって、前記プローブの劣化判定手段を有することを特徴とする。劣化判定手段は、例えばプローブを導電性の平面を有する部材に接触させて電圧を印加した時の電圧値と電流値の関係を測定する手段である。また、プローブをそれぞれカンチレバーに搭載する場合は、カンチレバーの固有振動数の変化を計測する手段であってもよい。
【００１６】
本発明に係る第３のパターニング装置は、複数のプローブを用いてパターンを描画するパターニング装置であって、前記複数の各プローブをプローブ軸と平行な方向に位置決め駆動する手段と、基準平面を有する部材と、前記位置決め駆動する手段により前記複数の各プローブを駆動して全プローブの先端を前記基準平面に接触させたときの前記位置決め駆動する手段による各プローブの駆動量を計測する手段とを有することを特徴とする。
【００１７】
本発明に係る第４のパターニング装置は、複数のプローブを用いてパターンを基板上に描画するパターンニング装置であって、複数のプローブからなるプローブアレイを一体で位置決めするステージと、前記各プローブにより前記基板に所定の位置計測パターンを描画し、前記ステージを移動した後、描画された各パターンをそれぞれ描画したプローブ以外のプローブで計測することにより描画面と平行な方向における各プローブの理想位置または設計上の位置からのずれを算出する位置検出手段を有することを特徴とする。計測された位置ずれは、例えば各プローブへの描画データを補正するために用いられる。
【００１８】
上記のパターニング装置は、アライメントスコープをさらに備え、該アライメントスコープと前記プローブまたはカンチレバーを保持する部材とが一体で保持されていること、または前記プローブまたはカンチレバーを保持する部材に、前記基板との相対位置を計測するための位置計測マークを形成されていることが好ましい。この場合、アライメント計測時とパターン描画時にプローブの姿勢を一定とすることが好ましい。
を特徴とする請求項１０または１１に記載のパターニング装置。
【００１９】
本発明に係る第５のパターニング装置は、複数のカンチレバーのそれぞれに搭載されたプローブを用いてパターンを描画するパターニング装置において、カンチレバーが二股に分かれて、それぞれの先端部にプローブが配されており、一方のプローブで描画を行い、他方のプローブで計測を行うことを特徴とする。
【００２０】
本発明に係るパターニング方法は、複数のプローブを用いてパターンを基板上に描画するパターンニング方法であって、前記複数のプローブのうち、一部のプローブでアライメント計測を行うと同時に、残りのプローブで描画を行うことを特徴とする。
また、本発明に係るパターン検査方法は、複数のプローブを用いて基板上に描画されたパターンを検査するパターン検査方法であって、前記パターンを描画後または描画中に、描画されたパターンを前記複数のプローブの全部または一部で計測して、検査することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、半導体集積回路製造に適したＳＰＬ装置の実現が可能となる。
【実施例】
【００２２】
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。
図１に本発明の一実施例に係るＳＰＬ装置の主要構成部分の概略図を示した。同図のＳＰＬ装置は、装置内に多数のプローブを並列に配したマルチプローブ装置であり、同時に多数のプローブで並行的に描画を行うものである。装置構成を順に説明する。ウエハの位置決め、走査を行う下側の部分と、プローブが設置され、位置、および姿勢の制御を行う上側の部分からなる。
【００２３】
図１において、２はプローブヘッドであり、フレーム１１２に固定されており、先端部は、ウエハ１０１に接触もしくは非常に接近した状態の複数のプローブである。１０１はウエハであり、表面にはレジストが塗布されており、電流によって感光することでパターニングされる。１０２は、ウエハ１０１を真空吸着手段等によって保持するウエハチャックである。ウエハチャック１０２上には、多数のプローブの先端の高さ（Ｚ位置）を補正するときに使用する基準平面１０４と基準マーク１０５も設置されている。ウエハチャック１０２はウエハステージ１０３上に搭載されており、ウエハは、Ｘ、Ｙ、Ｚ、および各軸周りの回転方向の６軸に位置制御可能である。１１１は、定盤であり、ウエハステージ１０３など装置全体を支えている。
【００２４】
４はウエハステージ１０３に搭載されているヘッド交換ユニットである。ヘッド交換ユニット４は、プローブヘッド２に搭載されているプローブアレイユニット３を自動的に交換するためのものである。ウエハステージ１０３とプローブヘッド２の間の空間は非常に狭く、プローブが劣化もしくは故障し、交換が必要になった場合、人の手での交換作業は容易ではない。そのためヘッド交換ユニット４が搭載されている。プローブヘッド２の直下を自由に移動可能なウエハステージ１０３上に搭載することで、駆動機構の追加を最小限に留めている。
【００２５】
ヘッド交換ユニット４の構成を以下に説明する。３はプローブアレイユニットであり、プローブヘッド２に搭載されているものと同じものである。ここでは、説明のために示しているが、通常はプローブアレイユニット３の無い空の状態である。７０１は、カバーである。プローブアレイユニット３の下面は、プローブが多数配置されているが、個々のプローブは非常に微細であり、外力によって簡単に破損してしまう。そのため、プローブアレイユニット３を搬送する時は、カバー７０１がプローブを保護するために設置される。１０７は、駆動機構であり、プローブアレイユニット３をヘッドに取り付ける際にラッチ機構を駆動するものである。１０８は、昇降機構であり、プローブアレイユニッ３をプローブヘッド２に取り付ける際に上下するための機構である。
【００２６】
１０９は各プローブヘッドや電源ユニット１１０を制御する中央制御装置である。電源ユニット１１０は、露光に必要な電流を発生させるためのものである。言うまでもないが、電源の＋極はウエハ１０１もしくはウエハ上に形成されている電気伝導層に繋がっている。
【００２７】
図２にプローブヘッド２の詳細を示した。プローブヘッド２は装置内に複数搭載されている。そのうちの一つを示している。構成を順に説明する。プローブヘッド２は、プローブアレイユニット３、ユニット保持部２１１、ヘッド位置決め機構５、アライメントスコープ２０４等からなる。プローブアレイユニット３は、一体で取り外し可能であり、ユニット保持部２１１に取り付けられている。プローブアレイユニット３には、複数のプローブ２０１が配されており、それぞれのプローブ２０１は、カンチレバー２０２およびZ微動機構２１２を介して、ベース２０３に設置されている。
【００２８】
アライメントスコープ２０４は、ユニット保持部２１１に一体で固定されている。一体であるので、プローブアレイユニット３との相対的な位置関係は不変である。５はヘッド位置決め機構であり、ユニット保持部２１１に配されているアライメントスコープ２０４、プローブアレイユニット３の位置、姿勢を変えるためのものであり、フレーム１１２に固定されている。フレーム側から順に構成を説明する。フレーム１１２に直接搭載されているのは、第一回転ステージ２０５であり、図中のＹ軸周りの回転方向に可動である。第一回転ステージ２０５には、第一Zチルトステージ２０６が搭載されている。Ｚチルトステージは、Ｚ方向の並進と、Ｘ軸回りとＹ軸回りの回転方向の姿勢を変える。第一Ｚチルトステージ２０６にはＸステージ２０７、Ｙステージ２０８が搭載されている。その上には第二回転ステージ２０９が搭載されている。その第二回転ステージ２０９の上には、第二Ｚチルトステージ２１０が搭載されており、その上にユニット保持部２１１が搭載されている。各部の役割について説明をする。
【００２９】
プローブ２０１は、先端が非常の尖った針であり、先端から電子を放出し、レジストにパターンを描画するためのものである。２０２はカンチレバーであり、プローブのＺ方向の変位や力を計測する役割を持つ。カンチレバー内部には、カンチレバーのたわみを検出するための歪みセンサが内蔵されており、その値が中央制御装置１０９（図１）に送られ、位置制御に使用されている。Ｚ微動機構２１２は個々のプローブ２０１のＺ位置を変えるためのものである。描画を行うウエハ１０１の表面形状は、全体の傾きはウエハステージ１０３で姿勢制御することでウエハステージの走り方向のＸＹ平面に対して、平行に合わせることが出来るが、局所的なうねりについては取り去ることが出来ない。そのためウエハ表面形状に合わせて一本一本のプローブのＺ位置をＺ微動機構２１２によって制御する。プローブ２０１、カンチレバー２０２、Ｚ微動機構２１２からなる部分は、ＡＦＭ、ＳＴＭ（走査型トンネル顕微鏡）と同等な構成となっており、描画だけでなく表面形状の観察も行うことが可能となっている。
【００３０】
ヘッド位置決め機構５の各部の役割は、以下の通りである。Ｘステージ２０７およびＹステージ２０８はそれぞれのプローブアレイユニット３の相対位置を変えるために必要なものである。図３に示したように、各ヘッドが同じパターンを描くようにショット配置に合わせて移動するためである。第一回転ステージ２０５はＸステージ２０７とＹステージ２０８の走り方向がウエハステージ１０３の走り方向に一致するように調整する役割を持っている。Ｘステージ２０７、Ｙステージ２０８、ウエハステージ１０３は装置に組み付けられた後は、取り外し取り付けは行わない。そのため、装置組み付け後Ｘステージ２０７、Ｙステージ２０８の走り方向とウエハステージの走り方向を一度調整するだけでよいことになる。しかし、経時変化する可能性もあるため、本装置には、第一回転ステージ２０５が搭載されている。
【００３１】
第一Ｚチルトステージ２０６も経時変化等に対応するためのものである。経時変化等がなければ、第一回転ステージ２０５と同様に装置組み付け時に一度調整すれば駆動することは無い。Ｘステージ２０７、Ｙステージ２０８の走り方向のＸＹ平面が、ウエハステージ１０３の走り方向のＸＹ平面と一致するように調整するためのものである。第二Ｚチルトステージ２１０は、プローブ２０１の先端部を結んで出来る平面が、Ｘステージ２０７、Ｙステージ２０８からなるＸＹ平面に平行になるように調整するためのものである。プローブアレイユニット３の交換の度に、第二Ｚチルトステージ２１０を駆動して平行合わせを行う。第二回転ステージ２０９も同様にＸステージ２０７とＹステージ２０８の走り方向とプローブの配置の座標が一致するように回転位置を調整するものである。詳細は、後述する。
【００３２】
次に複数のヘッドでウエハを描画する手順について説明する。
図３にプローブヘッド２の配置とウエハの描画エリアを示した。この例は、９つのプローブヘッドが搭載されており、同時に一枚のウエハを描画する装置である。描画に先立ち、各プローブヘッド２は、描画の開始位置（図３の３０１の位置）へ移動する。
【００３３】
図３において、１０１は、ウエハである。３０１は１つのプローブアレイユニットが描画するエリアであり、この範囲のなかにプローブが例えば１００×１００＝１００００本配置されている。３０２はショットであり、光露光装置でレチクルに描画されているパターンに相当し、ステッパでは１回の露光で転写できる範囲である。３０３は一つのヘッドが描画を担当する領域である。一つのヘッドは４つのショットを描画することになる。描画中にヘッドの位置は固定されており、ウエハステージ１０３が移動することによってウエハ上をプローブが走査する。
【００３４】
図４にプローブアレイが描画を行う様子を概念的に示した。図はプローブアレイの極一部を抜き出して描いたもので、９本分を示している。黒丸４０１はプローブの先端位置を表している。４０２は一本のプローブが描画する範囲を示している。４０３は描画グリッドを表している。描画グリッドは、装置の最小位置決め単位である。ここでは、説明のためにプローブ間のグリッド数を７個としたが実際の装置ではプローブ間は１００μｍ程度ありグリッドサイズは１０ｎｍ程度である。図は左上から描画を開始し、横方向に走査し、２列目を逆に戻っている様子を示す。矢印が通過した部分のグリッドが描画済みであることを表している。ここでの描画済みという意味は電流を流してレジストを露光したという意味ではなく、その位置の走査が終わったという意味であり、それぞれのプローブ毎に描画パターンは異なる。
【００３５】
プローブ描画範囲４０２の描画が終了すると、ウエハステージは隣のプローブ描画領域（図３点線で示したヘッド領域、符号３０１’）へステップ移動し、その領域を描画する。逐次上記の動作を繰り返し、プローブ描画範囲４０２（ヘッド領域３０１）の描画をウエハ全面に対して実行するとウエハ１０１の全面のパターニングが終了する。図３からも明らかではあるが、ヘッドの相対位置は不変であり、９個のヘッドが正方格子状に配置されているので、円形のウエハを描画する場合、ウエハの領域の外にヘッドが位置してしまう場合がある。ウエハからプローブが外れる位置の時は、該当するプローブは露光動作を停止する。
【００３６】
次にプローブの劣化判定および交換について説明する。
磨耗や不純物の付着などによる特性の変化など、プローブは使用していくと劣化してしまう。また、接触、もしくは非常に近づいて描画を行うため、予測しがたい理由によって、プローブが衝突して破損してしまうという可能性もある。その場合は、プローブを交換する必要がある。
本発明のＳＰＬ装置は、プローブの劣化を判定する機能を有しており、定期的に計測を行うことで、マルチプローブヘッドの交換時期を判断している。
【００３７】
劣化判定の手段を説明する。ＳＰＬはプローブと基板もしくはレジストの下に塗布された電気伝導層に電圧を印加することで描画するものであり、電圧の増加に伴って電流も増加する。図５に電圧と電流の関係を表すグラフを示した。実線が正常な場合を示す。プローブ先端部が磨耗するなどして抵抗が増加すると、電圧に対して電流が流れ難くなる。定期的に電流と電圧の関係を計測し、変化を記録しておくことで劣化判定を行う。図中の破線は劣化した状態を表す。予め決めた値より変化量が大きくなった時、劣化したと判断されうる。装置に新しいプローブアレイユニット３を搭載した場合、まず上記の電圧と電流の関係を計測する。計測には、同じ物性値を有する基準シリコン単結晶ウエハを用いてもよいし、基準面１０４を用いても良い。      
【００３８】
カンチレバー２０１についても、劣化判定を行う機能を有している。装置へプローブアレイユニットを最初に搭載した時に、Ｚ微動機構２１２により、各カンチレバーを振動させる。その時の変位量をカンチレバー内の歪みセンサ（不図示）によって計測し、各カンチレバーの固有振動数を計測して、値を不図示のデータ記録装置に記憶する。具体的には、振動数を掃引して、振幅を計測し、振幅がピークになる位置が固有振動数である。図６に計測の結果を表すグラフを示した。実線が初期状態を表し、破線が経時変化後を表している。劣化判定は、この変化量が設定された値より大きくなった時に、劣化したと判断される。
【００３９】
マルチプローブアレイ３の交換について説明する。
図７にプローブアレイユニット３が搬送、保管されるときの状態を示した。搬送時は、上述のようにカバー７０１がプローブ部分を覆い、衝撃等によってプローブが破壊されるの防いでいる。図中７０２は、プローブアレイユニット３を装置に装着する時に使用されるラッチ部である。
【００４０】
図８にヘッド交換ユニット４がプローブアレイユニット３を交換している状態を示した。プローブアレイユニット３の取り付けを行っている状態もしくは、取り外しを行っている状態である。以下にプローブアレイユニット３の交換の順序を示す。交換動作は、中央制御装置１０９（図１）で管理、制御されるため、自動で行われる。
【００４１】
初期状態では、ヘッド交換ユニット４内には、空のカバー７０１があるだけである。その状態から、ウエハステージ１０３が駆動され、ヘッド交換ユニット４がプローブヘッド２の真下へ移動する。その後、昇降機構１０８が上昇し、カバー７０１とプローブアレイユニット３のベース２０３がと勘合する位置で停止する。次に、駆動機構１０７がラッチ部７０２（図７）を動かすことにより、プローブアレイユニット３がユニット保持部から遊離した状態となる。その後、昇降機構１０８が下降し、ウエハステージ１０３が駆動され、装置の端へ移動する。この状態で、取り外されたプローブヘッド３がカバー７０１と一体で、装置外へ不図示の搬送手段、例えば搬送ロボットや人の手によって取り出される。その後、新しいプローブアレイユニット３がヘッド交換ユニット４へ載置される。再びウエハステージ１０３がプローブヘッド２の真下へ移動し、昇降機構１０８が駆動され、プローブアレイユニット３がユニット保持部２１１へ取り付けられる位置で停止する。この状態で駆動機構１０７が駆動され、ラッチ部７０２が動き、ユニット保持部２１１にプローブアレイユニット３が保持されると同時に、カバー７０１とプローブアレイユニットが遊離する。その後、昇降機構１０８が下降し、ウエハステージ１０３は所定の位置へ戻る。もしくは、カバー７０２を装置外へ取り出すため、装置の端へ移動する。以上の順序でプローブヘッドの交換が行われる。
【００４２】
プローブアレイユニット３の上面には、図７に示したように、コンタクト３０４が多数配置されている。対向したユニット保持部２１１の取り付け面にも同様にコンタクト（不図示）が設置されており、ラッチ部７０２が駆動されるだけで、装置と多数のプローブを繋ぐ配線は完了する。また、ラッチ機構は、カバー７０２とプローブアレイユニット３との結合する機構と、プローブアレイユニット３とユニット保持部２１１との遊離する機構とが連動している。
【００４３】
プローブアレイユニット３が交換された時などには、各種の補正が必要となる。プローブの配列が設計値からずれている場合など、描画しようとしているパターンと実際にウエハに描画されるパターンが部分的にずれてしまうからである。また、プローブの先端の位置が揃っていない場合、基板に接触できないプローブが発生してしまうような事態も考えられる。
【００４４】
補正の順序は以下の通りに行う
（１）プローブ先端位置補正
（２）プローブ配列とＸステージ２０７、Ｙステージ２０８の走り方向の補正
（３）Ｘステージ２０７、Ｙステージ２０８の走り方向とウエハステージ１０３の走り方向の合わせ（必須ではない）
（４）プローブアレイの配列の設計値からのずれ計測
（５）プローブヘッドの他のプローブヘッドとの距離の補正
【００４５】
図９にプローブのＺ位置を揃えるための計測をしている状態を示した。図中、基準平面１０４は表面が非常に精度良く研磨された平面であり、ウエハステージ１０３に搭載されているウエハチャック面に設置されている。ウエハステージ１０３を駆動して、基準平面１０４をプローブの直下に移動させる。基準平面１０４の表面は、ウエハステージ１０３の走り方向のＸＹ平面と平行に位置決めされている。この状態でヘッド位置決め機構５（図２参照）の第二Ｚチルトステージ２１０を駆動することで、プローブアレイユニットをＺ方向に駆動し、プローブを基準平面１０４に接触させる。接触は、各プローブのカンチレバー２０２が撓むことで検出できる。全てのカンチレバーの撓み量がもっとも小さくなるように第二Ｚチルトステージ２１０を駆動することで、プローブ先端の面を基準平面と平行にする。次に、個々のＺ微動機構２１２を駆動することで、カンチレバー２０２の撓み量をすべて同じにする。このときの個々のＺ微動機構２１２の駆動量の差をオフセット値として装置は保持する。オフセット量を全てのプローブの駆動時に反映することで、プローブ先端の位置を常に正確に維持できるようになる。上記の例では、プローブのＺ微動機構２１２の位置にオフセットを持つ場合を説明したが、ヘッド内部に面矯正機構を有し、基準平面にプローブ先端を合わせる構成としても良い。
【００４６】
次に、プローブの配列とヘッド位置決め機構５のＸステージ２０７およびＹステージ２０８からなる座標系との姿勢合わせについて説明する。プローブアレイユニット３は、交換前と交換後で全く同じ姿勢で設置されるとは限らないため、プローブアレイユニット３をプローブヘッドに装着後にプローブの配列をＸＹステージの走り方向とを、第二回転ステージ２０９を駆動することで一致させる。以下に手順を説明する。
【００４７】
図１０（ａ）にプローブの配列とＸステージ２０７の走り方向とのずれを計測する様子を示した。装置内にレジストを塗布したウエハを搬入し、図中の破線で示した位置で描画を行う。走査を行わず、その場で露光動作（電流を流す）を行えば、プローブの配列の位置に応じて、図中の“×”で表した位置に、点が描画される。描画動作を行った後、一旦プローブをウエハから離し、Ｘステージ２０７を駆動して、プローブアレイを図中の“計測時”と示した位置に移動する。例えば、プローブアレイの一番右端のプローブが描画した位置がプローブヘッドの一番左端のプローブが計測する位置になる様に移動する。そこで、先に描画したパターンを今度は、プローブによって計測する。計測は、プローブが先に描画したパターンの位置の周囲を走査するようにウエハステージを駆動することで行う。走査が完了したら、ウエハステージは元の位置へ戻る。先に述べたように、本発明に係るＳＰＬ装置は、ＡＦＭやＳＴＭと同等な機能を有しているので、ＡＦＭまたはＳＴＭとして、描画されたパターンを計測することは容易である。この場合は、レジストを塗布したウエハに描画した後に現像を経ることなく計測を行っているが、レジストは、感光することによって体積変化を生じるため、パターンの計測は可能である。シリコンウエハを用いて、選択酸化を利用しても同様である。Ｓｉは、酸化すると体積が倍程度に膨張するため、描画後のすぐにＡＦＭ、ＳＴＭで計測をすることが出来る。
【００４８】
図１０（ａ）に話を戻す。図中“計測時”と示したＸステージ位置でのプローブ（黒丸で表した）と基板上に描かれた点（“×”で表した）との位置は一致しない。プローブの配列とＸステージ２０７の座標がずれているからである。ずれ量の計測結果に基づいて座標の回転量を算出する。例えば、プローブ間の距離をＬ、ずれ量の計測結果をΔとすると、回転量ωは、
ω＝Δ／２Ｌ
と計算される。
【００４９】
計算結果に基づいて、第二回転ステージ２０９を駆動して、ずれ量を補正する。回転方向のずれが補正された状態を図１０（ｂ）に示した。回転位置が一致しているため、ヘッドを移動すると、描画された位置とプローブ位置が一致する。Ｘステージ２０７とＹステージ２０８は直角に位置合わせされて装置に組みつけられているので、一軸のみ計測することで回転を合わせることが可能であるが、Ｘステージ２０７およびＹステージ２０８の両方で計測を行うことでより高精度な補正が可能になる。また、上記例では、プローブの右端と左端を用いたが、何点も計測し、平均値を求めれば、プローブ配列のばらつき（設計値からのずれ）が平均化され、さらに高精度な補正が可能になることも言うまでもない。
【００５０】
上記の補正時に、仮に、Ｘステージ２０７およびＹステージ２０８の走り方向とウエハステージの走り方向が完全に一致していなくても十分高精度な計測が可能である。ウエハステージ１０３とヘッド位置決め機構５の座標系との位置合わせ手段については、後述する。
【００５１】
上記では、レジストを塗布したウエハを使用して、プローブの配列とＸステージ２０７、Ｙステージ２０８との走り方向の座標を合わせる方法を説明したが、次に、基準マーク１０５を用いた方法を説明する。図１１（ａ）、（ｂ）に示したように、基準マーク１０５にはＸ方向の位置を計測するためのｘマーク１１０２とＹ方向の位置を計測するためのｙマーク１１０１が配置されている。それぞれ棒状のパターンをしている。ｘマーク１１０２はＹ軸に平行に、ｙマーク１１０１はＸ軸に平行に配置されているので、プローブを走査することでＸ位置、Ｙ位置の計測が可能となっている。なお、図中の座標系（Ｘｂ，Ｙｂ）は、Ｘステージ２０７およびＹステージ２０８の走り方向を表し、座標系（Ｘａ，Ｙａ）は、プローブアレイの配列を表している。
【００５２】
ずれ量の計測手順を示す。図１１（ａ）の“右側で計測”と示した位置で、基準マーク１０５を右下のプローブ位置に移動して、その領域を走査することによって、プローブのｘ位置とｙ位置をウエハステージ１０３の座標系で計測する。図では、ｙマーク１１０１を用いてＹ方向の座標を計測している様子を示した。次にヘッド位置決め機構５のＸステージ２０７を駆動して、右下のプローブの位置に左下プローブが概略一致する位置へ移動する。移動した状態を図１１（ｂ）に示した。破線で示したのは図１１（ａ）の位置である。図中に示したように、プローブの配列とＸステージ２０７の走り方向が一致していないため、位置がずれている。この位置のプローブの座標を先ほどと同様な手順で計測し、計測結果から、ヘッドが移動する前と後での位置の差を算出する。位置の差を、右下のプローブと左下のプローブ間の距離で除すれば、座標系の回転ずれ量が算出される。算出されたずれ量に基づいて、第二回転ステージ２０９を駆動することで補正する。
【００５３】
多くのプローブに対して同様な計測を行って、平均化することによって、より高精度な補正が可能となることは言うまでも無い。また、仮に、Ｘステージ２０７、Ｙステージ２０８の走り方向とウエハステージの走り方向が完全に一致していなくても十分高精度な計測が可能である。
プローブの配列とヘッド位置決め機構５の駆動方向との位置ずれ補正の方法を二通り示したが、どちらの方法を用いてもよい。
【００５４】
図１２（ａ）および図１２（ｂ）にウエハステージの走り方向の座標とヘッド位置決め機構５のＸステージ２０７、Ｙステージ２０８の走り方向の座標とのずれの補正方法を説明する図を示した。ウエハステージ座標とヘッド位置決め機構の座標系は、装置の組立時に一度調整を行えば、その後は積極的に変化させることはない。しかし、変時変化などによって、位置がずれてしまった場合に補正が必要となる場合がある。
この補正方法は、プローブアレイ配列の座標系（Ｘａ，Ｙａ，Ｚａ）とＸステージ２０７、Ｙステージ２０８の走り方向の座標系（Ｘｂ，Ｙｂ，Ｚｂ）の回転方向が一致していることが前提となっている。補正の手順を以下に述べる。
【００５５】
装置内へレジストを塗布したウエハを搬入し、プローブアレイで描画を行った後、ウエハステージ１０３を移動させ、その後、描画を行ったプローブとは別のプローブで計測を行うことで、座標系のずれを計測するものである。図１２（ａ）の実線が描かれた位置は、プローブアレイである。破線で示し、“描画”と示したものは、プローブアレイで点を描画した後、ウエハステージ１０３をＸ方向に移動させた後の状態を示している。図１２（ａ）の例は、プローブアレイの右端で描画されたパターンをプローブアレイの左端のプローブで位置計測を行うものである。座標系が一致していれば、描画位置とプローブ位置が一致するはずである。位置のずれ量の計測結果から、補正駆動量を算出し、第一回転ステージ２０５を駆動することで補正を行う。図１２（ｂ）に補正後の状態を示した。具体的には、位置ずれ量を計測するプローブと描画を行ったプローブ間の距離の２倍の値で除した値が回転量となる。
【００５６】
次に、レジストを塗布したウエハを使用しない方法について説明をする。
図１３（ａ）および図１３（ｂ）に基準マーク１０５を使用した方法を説明する図を示した。まず、図１３（ａ）に示したように、プローブアレイの左端のプローブの位置を計測する。つまり、左端のプローブで基準マーク１０５を走査し、ウエハステージ座標基準でそれらのプローブの位置を計測する。次にウエハステージ１０３をＸ方向に駆動して基準マーク１０５を図１３（ｂ）に示した位置まで移動し、右端のプローブの位置を計測する。ウエハステージ１０３の座標系での２点の位置のずれ量からプローブアレイとウエハステージとの走りの座標のずれ量が算出できる。具体的な算出手段は、上記のウエハを使用した方式を同じである。算出されたずれ量に基づいて、第一回転ステージ２０５を駆動することで両者の座標の回転方向を一致させる。上記の補正手段は、プローブアレイとウエハステージ１０３の座標との間の座標を合わせているので、予めヘッド位置決め機構５の走り方向とプローブアレイの配列の座標系が一致していることが必要である。
【００５７】
繰り返しになるが、この補正は、プローブアレイユニット３の交換毎に行う必要は無い。本来一度調整されれば、積極的に変化させることは無いからである。例えば、週に一回など定期的に計測を行い、もしずれが発生していた場合に補正を行えばよい。
【００５８】
次に、プローブアレイの個々の配置位置の設計値からのずれについて説明を行う。図１４にプローブアレイ内の個々のプローブの位置ずれの様子を示す。図１４（a）の点線は、プローブの配置の設計値である。位置は、ウエハステージ１０３の座標系に回転方向が一致しており、それぞれのプローブの間隔は、ｘ方向、ｙ方向ともに間隔ｐで正方格子状に配置されている。実際のプローブの座標は、黒丸で表している。プローブの設計上の位置（点線の交点）の座標を（Ｘｍ，ｎ，Ｙｍ，ｎ）と表す。符号ｍ，ｎは、左からｍ番目、下からｎ番目のプローブを表すと定義する。また、各プローブの設計値からのずれ量を（ΔＸｍ，ｎ，ΔＹｍ，ｎ）で表す（図１４（ｂ））。個々のプローブの位置ずれ量は非常に小さいものであるが、描画時には設計値からのずれ量を反映して、描画を行う。具体的には、パターンデータを描画制御データに変換する際に、実際のプローブの座標に基づいて描画データを作成する。個々のプローブ位置が設計値の位置になるように位置補正を行うためには、プローブアレイユニット内部の個々のプローブに２軸の移動機構を内蔵する必要があり、プローブ集積化の妨げとなるため、現実的ではないからである。
【００５９】
各プローブの設計値からの位置ずれ量の計測手段を以下に説明する。
レジストを塗布したウエハを装置へ搬入し、プローブアレイで描画を行う。具体的には、プローブによって、電流を流すことでレジストを露光する（図１５（ａ））。走査は行わない。この結果、レジストには、プローブの配列座標に従って二次元配列の点が描画される。レジストに露光による体積変化の大きなものを使用すると良い。描画した後、プローブアレイの配列の間隔ｐだけウエハステージ１０３を駆動する。図１５（ｂ）に示した位置である。描画パターンの配列とプローブアレイとが１ピッチずれた状態となる。この位置で描画パターンの位置の計測を行う。つまり、右隣のプローブで描画した点をそれぞれのプローブが位置計測することになる。計測は、ウエハステージ１０３を駆動し走査し、レジスト面の形状を計測することで行う。言うまでもないが、必ずしもレジストを用いなければならないわけではなく、Ｓｉの選択的酸化など、描画によって、表面形状が変化する方法であれば良い。
【００６０】
さて、次に計測した結果から、各プローブの座標のずれ量を算出する手順について説明する。
各プローブの座標は、
【００６１】
【数１】
2006108301.tif 000003
となり、Ｘ方向に１ピッチ（距離ｐ）ずらした状態で、描画された位置を計測した結果をＸｘｍ，ｎ，Ｙｘｍ，ｎと定義すると、
【００６２】
【数２】
2006108301.tif 000004
さらに式を操作すると、
【００６３】
【数３】
2006108301.tif 000005
となり、各プローブのずれ量が算出される。しかし、この式のΔｘ１，ｍとΔｙ１，ｍは未知である。この未知の値を求めるために、Ｙ方向へ１ピッチ（距離ｐ）ずらして計測を行う。先ほどの計測は、Ｘ方向に１ピッチずらして計測を行ったが、今度はＹ方向に１ピッチずらして計測を行う。計測は、ずらす方向が違うだけでその他の動作、作業は全く同じである。
【００６４】
計測結果をＸｙｍ，ｎ，Ｙｙｍ，ｎと定義すると、計測結果は以下の式で表される。
【００６５】
【数４】
2006108301.tif 000006
式を操作すると、次の式を得る。
【００６６】
【数５】
2006108301.tif 000007
式（２）に  ｍ＝１を代入すると
【００６７】
【数６】
2006108301.tif 000008
例えば、プローブアレイの右下のプローブ（図１４参照）を位置基準とすると、Δｘ１，１とΔｙ１，１は共に０である。よって、上の式は、
【００６８】
【数７】
2006108301.tif 000009
となる。式（３）を式（１）に代入すると、
【００６９】
【数８】
2006108301.tif 000010
となる。この式に計測データを代入することで、プローブアレイ内の全プローブのＸＹ位置の設計値からのずれ量が算出できる。以上の結果、プローブアレイの右下のプローブ（図１４参照）の位置を基準とした時の、全プローブの設計値からのずれ量が計測、算出できる。以上の手順は、装置内の中央制御装置によって自動的に行う。
【００７０】
判明した各プローブの位置ずれ量は、装置内に保存される。パターンデータを各プローブの制御データへ変換する際に利用され、各プローブのずれ量を反映した制御データを生成し、描画を行う。そのため、プローブの配置が設計値に対してずれていても、描画位置精度を高く保つことが可能となっている。
装置外に別途計測装置を準備し、プローブアレイの配列の設計値からのずれ量の計測を行って、計測結果のみをデータを装置に取り込む方法でも同様な効果を得ることができるが、上記した方法は、描画装置の機能のみを利用することで補正を可能としている。
【００７１】
次に、複数のプローブヘッドの相対位置関係を補正するための方法について説明をする。
図１６（ａ）にプローブヘッドを２機示した。プローブヘッドＡとプローブヘッドＢは装置に搭載されている複数のプローブヘッドのうち隣り合ったものである。手順を説明する。予め夫々のプローブヘッドはＸステージ２０７、Ｙステージ２０８を駆動して所定の位置に位置決めされている。次に装置内にレジストを塗布したウエハを搬入し、プローブヘッドＡで走査を行わずプローブアレイで点を描画する。その後プローブヘッドＡとプローブヘッドＢの相対距離だけウエハステージ１０３を駆動して、プローブヘッドＡが描画したパターンがプローブヘッドＢの直下になる様に移動する。次に、プローブヘッドＢのプローブを用いてウエハ上のパターン計測を行う。具体的には、ウエハステージ１０３が微小範囲走査することによって、プローブヘッドＢのプローブ基準で、プローブヘッドＡの描画パターン位置を計測する。計測は、すべてのプローブ位置について行って、平均値を求めることによって、計測精度が向上する。
【００７２】
プローブヘッドＡとプローブヘッドＢのＸＹ位置座標がウエハステージ１０３のＸＹ座標位置と一致していれば、プローブヘッドＡの描画パターンはプローブヘッドＢのプローブ位置と全く一致するはずである。もし、位置ずれがあれば、その値をプローブヘッドのＸステージ２０７、Ｙステージ２０８の原点位置を変えることによって補正する。以上の手順によって、ウエハステージ座標基準でプローブヘッドＡ、プローブヘッドＢの位置が一致する。よって、ウエハ描画時におのおのヘッドが描画を行っても位置ずれを生じない。
【００７３】
ここでは、説明のためにプローブヘッドＡとプローブヘッドＢのそれぞれのプローブ位置については、完全に設計値通りの位置にあるものとして説明を行ったが、実際にはプローブアレイ同士の配列のばらつきがある。配列のばらつきについては、上述の配列ずれ計測の結果を反映して計測値に対して補正を行えばよい。また、ある特定のプローブ（例えば、右下のプローブ）に注目して、そのプローブに対してのみ、描画、計測を行っても良い。この場合は、計測精度を向上させるために、複数回計測を繰り返し、精度向上を図っても良い。上記説明は、２機のプローブヘッドについて一方を描画、他方を計測に特化したものであるが、３機以上プローブヘッドが並んでいる場合は、中央のプローブは描画と計測を行うことで計測を効率良く行うことができる。また、一つのヘッドで描画を行い、その描画パターンを他の全てのプローブヘッド位置へ順に移動して計測を行うことによっても、各プローブヘッドの相対位置ずれを計測することができる。
【００７４】
次に、半導体集積回路パターンを描画する上で重要な機能であるアライメントについて説明を行う。すでに述べたように、半導体集積回路を製造する時には、下地パターンに対して精密な位置合わせを行わなくてはならない。
図２に示したように、本ＳＰＬ装置のプローブヘッド２にはアライメントスコープ（図２、符号２０４）が配置されている。プローブヘッド２毎にアライメントマークの位置計測を行い、その結果に基づいてＸステージ２０７、Ｙステージ２０８の位置補正を行う。描画は、ウエハステージ１０３を駆動し、各プローブヘッド２が同時にウエハ上面を走査することによって行われるが、アライメント計測の結果をウエハステージ１０３の座標に反映しても良い。アライメントのシーケンスは、以下のとおりである。
【００７５】
各プローブヘッド２は、パターン設計上の配置に予め移動した状態で、さらにウエハ１０１との接触を避けるため、プローブアレイはＺ方向上側に移動した状態で、ウエハ１０１を搬入する。ウエハステージ１０３を駆動して、アライメントスコープ２０４の直下にウエハステージ１０３を移動する。各プローブヘッド２は、基本的にウエハ１０３内の別ショットを露光するため、違うショットの同じ位置（アライメントマーク）を計測することになる。それぞれの計測結果に基づいて、ウエハのＸＹおよびＺ軸回りの回転をウエハステージ１０３が補正をする。さらに、各プローブヘッド２の位置のばらつきをヘッドのＸステージ２０７、Ｙステージ２０８が移動することで補正を行う。その後は、ウエハステージ１０３が移動して描画を開始する。
【００７６】
図１７（ａ）にアライメント計測時のヘッドの姿勢を示した。アライメントスコープ２０４はヘッドと一体になっており、ヘッド位置決め機構により、プローブアレイユニットと一体で位置、姿勢が調整される。アライメント計測時には、プローブヘッドは水平状態（ウエハステージの走りのＸＹ平面に平行）となっている。図１７（ａ）に示したように、ウエハ１０１の表面は微視的に見ればうねりが存在する。描画を行う時に、このウエハ表面のうねりに合わせて、ヘッドの姿勢を変える場合を図１７（ｂ）に示した。図に示したように、プローブアレイの回転中心がプローブ先端と一致していない場合には、プローブヘッド２が回転すると、描画位置がずれてしまうことになる。そのため、本ＳＰＬ装置は、図１７（ｃ）に示したように、アライメント計測時の姿勢を維持したまま、描画動作を行う。アライメント計測時の姿勢を維持したまま、Ｚ方向のみウエハ側に移動することによって、プローブヘッド２の姿勢変化に起因した位置エラーをなくしている。プローブヘッド２の姿勢を変えないため、各プローブのＺ微動機構２１２がウエハのうねりを吸収するために、Ｚ方向に移動する。そのために、十分なＺストロークをZ微動機構は有して
いる。
【００７７】
図１８にアライメント計測系の別の構成を示した。既に説明をしている構成部材については、同じ符号を付してあり、特にここでは説明しない。図１８は一つのプローブヘッドの周辺を示したものである。この構成は、アライメントスコープ２０４がプローブアレイとは別体にフレーム１１２に設置されている。さらにプローブアレイユニット２０３には、アライメント計測用のヘッドＡＡマーク１８０２が配置されている。ヘッドＡＡマーク１８０２と対向したウエハ１０１の表面には、ウエハＡＡマーク１８０１が配されており、アライメントスコープ２０４は、ウエハＡＡマーク１８０１とヘッドＡＡマーク１８０２との相対位置関係を計測することが可能となっている。計測原理としては、ウエハＡＡマーク１８０１とヘッドＡＡマーク１８０２ともにフレネルレンズによって構成し、アライメントスコープからレーザ光を照射し、２つのマークから返ってきた光の位置計測を行うことでアライメント計測を行う方法などが利用される。１８０３は、透過窓であり、アライメントスコープ２０４からの光を通すために、レーザ光に対して透明な部材で形成されている。ヘッドＡＡマーク１８０２は、透過窓１８０３の表面にパターン形成されている。
【００７８】
１８０４は、スコープ用ステージであり、プローブヘッドの移動に伴って、ヘッドＡＡマーク１８０２に合わせて、アライメントスコープ２０４を移動させる働きを有している。アライメントスコープ２０４は一つのヘッドに対して複数あっても良いし、一つでもよい。図１８には、ヘッド１機に対して、２機のアライメントスコープ２０４を搭載し、それぞれＸ方向、Ｙ方向の位置計測をする例を示した。アライメントスコープ２０４を１機のみ搭載する場合は、アライメント計測時にスコープ２０４がＸ方向計測時とＹ方向計測時に移動することになる。
【００７９】
以上の構成により、アライメントを行う。この構成の場合、構成部材が増えるため、装置コストが上昇してしまうというデメリットがあるが、アライメント計測をヘッドとは別体に固定されたアライメントスコープ２０４によって行うため、アライメント計測の光軸が安定するため計測精度が向上するというメリットがある。また、上述のように、プローブアレイユニット３にヘッドＡＡマーク１８０２が形成されているため、予め各プローブとマークの相対位置を正確に計測してあれば、プローブアレイユニット３を交換したときに、プローブアレイの配列とＸステージ２０７、Ｙステージ２０８との走り方向との姿勢合わせを、アライメントスコープ２０４を用いて行うことが出来る点もメリットである。
【００８０】
次にさらに重ね合せ精度向上の手段について、説明する。図１９（ａ）を用いて、走査描画するときの走り方向（つまりウエハのパターンの走り）とプローブアレイとの位置補正手段について説明する。ＳＰＬ装置は、既に述べた通り、全く同じ構成のままＡＦＭまたはＡＴＭとして機能するため、計測を行いながら描画を行うことが可能である。図中の黒丸はプローブの位置を表し、四角は走り補正マーク１９０１を表している。走り補正マーク１９０１は、下地ウエハの下層パターンを描画する時に同時に形成されているもので、下地の回路パターンの位置と同じ精度で配列されている。配置されている位置は、例えば半導体集積回路パターンの間（ショット間のスクライブライン上）であり、３次元的な形状をしており、計測が可能なものである。プローブの一部（図１９（ａ）の場合は、最上列のプローブ）は、描画を行わず、走り補正マーク１９０１の計測を行う。走り補正マーク１９０１の例を図１９（ｂ）に示した。矢印は、走査される方向である。正方形のパターンを千鳥状に配置し、境をプローブが通過するものである。走り方向がずれた場合、計測値が変化するため、ずれていることが分かり、走り方向が補正可能となる。具体的には、ヘッド位置決め機構のＹステージの位置を微調整することで実施される。常に、プローブアレイが走り補正マーク１９０１を計測できるわけではない。計測可能な場合のみ走り補正を行い、その他の場合は、その走りの値をそのまま適用する。
以上述べたように、プローブアレイの一部を用いて、スクライブライン上などに形成された走り補正マークを計測し、走りを補正することによって、より局所的な重ね合せ精度が向上する。
【００８１】
次に、ＳＰＬ装置の描画パターンの信頼性について述べる。ＥＢ直接描画装置などマスクレス露光装置には共通の課題である。レチクルなどの原版を持ち、そのパターンをウエハ面に投影露光する装置の場合、レチクルが完全に作成できていれば、ウエハ面へ転写されるパターンはほぼ完全に転写される。そのため、ウエハの露光後の検査は、抜き出し検査のみで十分である。しかし、原版を持たず、全てのパターンをプローブで直接レジストを感光しながら走査しながらパターンを描画する場合、制御エラーに起因した欠陥は全てのパターンに全くランダムに発生する可能性がある。そのため、描画の信頼性は、原版を転写する装置に比べ非常に高いものが要求されることになる。
【００８２】
ＳＰＬ装置において、パターンの信頼性を向上させる手段について説明をする。マルチプローブで走査する領域を増やし、ウエハ面の領域を２本のプローブが走査するように、重なりを設け、描画済みの領域は次のプローブが計測を行うことで、描画エラーを発見する方法である。図２０に描画と計測の様子を示した。図中の黒丸および白丸はプローブの配置を、小さな正方形は描画グリッドを、破線の大きな正方形で囲まれた領域は、一本のプローブが描画を行う領域を表している。図４で示した露光シーケンスでは、一本のプローブが描画領域を一度走査するのみであったが、この場合は、走査する距離を倍にとり、一列描画を行ったのち、折り返さず、そのまま隣の領域へ進み、今度は計測を行う。
【００８３】
上述したように、レジストは電子線で感光された状態では、体積変化を起こすため、表面形状が変化する。そのため、表面の凹凸形状から描画されているかどうかの判断は可能である。隣の領域の一列を計測し終わったら、次の列へ移動し、描画を開始する。描画と計測を順に繰返すことによって、描画と同時にパターンの検証を行うことが出来る。計測した結果と、所望のパターンデータとを比較し、描画エラーが発見された場合は、露光すべきグリッドが未露光のときは、再度露光を行うことで、修正が可能である。一方、露光すべきでないグリッドが誤って露光されていたときは、修正は不可能である。修正不可能なショットについては、装置は，エラーを明示することで、オペレータが以降の対処を行うことを容易としている。
【００８４】
上記の例では、プローブアレイ内の他のプローブでパターンの計測を行っていたが、図２０に示すようなプローブを使用しても良い。図２１は、Ｚ微動機構２１２に、先端が分かれた先割れカンチレバー２１３を装着し、それぞれの先端にプローブ２０１を配したものである。一方のプローブ（図中では、左側）が描画行い他方（図中では右側）が計測を行っている例である。先割れカンチレバー２１３の先端部にはそれぞれ歪みゲージが内蔵されている。Ｚ微動機構２１２は、ウエハ表面に合わせて駆動されるものであるが、この場合の描画用プローブと計測用プローブは非常に近接して設置が可能であるため、個々にＺ微動機構を有する必要はなく、一体でＺ方向に駆動される。その結果、非常に小型、かつ、より信頼性の高い描画装置を実現できる。
【００８５】
［半導体デバイスの製造プロセスの実施例］
次に、この露光装置を利用した半導体デバイスの製造プロセスを説明する。
図２３は微小デバイス（ＩＣやＬＳＩ等の半導体チップ、液晶パネル、ＣＣＤ、薄膜磁気ヘッド、マイクロマシン等）の製造のフローを示す。
ステップ１（回路設計）では半導体デバイスの回路設計を行う。ステップ２（露光制御データ変換）では設計した回路パターンに基づいて露光装置の露光制御データを作成する。
一方、ステップ３（ウエハ製造）ではシリコン等の材料を用いてウエハを製造する。ステップ４（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、上記用意した露光制御データが入力された露光装置とウエハを用いて、リソグラフィ技術によってウエハ上に実際の回路を形成する。
次のステップ５（組み立て）は後工程と呼ばれ、ステップ４によって作製されたウエハを用いて半導体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の組み立て工程を含む。ステップ６（検査）ではステップ５で作製された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行う。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、ステップ７でこれを出荷する。
【００８６】
上記ステップ４のウエハプロセスは以下のステップを有する。ウエハの表面を酸化させる酸化ステップ、ウエハ表面に絶縁膜を成膜するＣＶＤステップ、ウエハ上に電極を蒸着によって形成する電極形成ステップ、ウエハにイオンを打ち込むイオン打ち込みステップ、ウエハに感光剤を塗布するレジスト処理ステップ、上記のＳＰＬ装置によって回路パターンをレジスト処理ステップ後のウエハに焼付露光する露光ステップ、露光ステップで露光したウエハを現像する現像ステップ、現像ステップで現像したレジスト像以外の部分を削り取るエッチングステップ、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除くレジスト剥離ステップ。これらのステップを繰り返し行うことによって、ウエハ上に多重に回路パターンを形成する。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】本発明の第１の実施例に係るＳＰＬ装置の主要部概略図である。
【図２】図１のプローブヘッド構成を説明する図である。
【図３】図２のプローブヘッドの配置例を示す図である。
【図４】図１の装置においてプローブが描画する様子を表す図である。
【図５】プローブの電流と電圧の関係を説明する図である。
【図６】カンチレバーの固有振動数の変化を示す図である。
【図７】図１の装置におけるプローブアレイユニット保管状態を示す図である。
【図８】図１の装置におけるヘッド交換ユニットの動きを説明する図である。
【図９】図１の装置におけるプローブＺ位置を揃えるための動作を説明する図である。
【図１０】Ｘステージ走り方向とプローブの配列のずれを表す図（ａ）およびＸステージ走り方向とプローブの配列が合った状態を表す図（ｂ）である。
【図１１】プローブ配列方向を基準マークを用いて計測する様子状態を表した図（ａ）およびＸステージ走り方向とプローブの配列が合った状態を表す図（ｂ）である。
【図１２】ウエハステージ走り方向とＸステージ走り方向のずれを表す図（ａ）およびウエハステージ走り方向とＸステージ走り方向が合った状態を表す図（ｂ）である。
【図１３】Ｘステージ走り方向のずれを基準マークで計測する状態を表す図（ａ）およびウエハステージ走り方向とＸステージ走り方向が合った状態を表す図（ｂ）である。
【図１４】プローブ配置が設計値からのずれを説明する図である。
【図１５】プローブずれ計測を説明する図（ａ）およびプローブを１ピッチずらして計測する様子を説明する図（ｂ）である。
【図１６】プローブ相対位置ずれを説明する図（ａ）およびプローブ相対位置ずれの計測を説明する図（ｂ）である。
【図１７】アライメント計測の説明をする図（ａ）、位置エラーを説明する図（ｂ）および描画する様子を説明する図（ｃ）である。
【図１８】もう一つのアライメント計測系を説明する図である。
【図１９】走り補正を説明する図（ａ）および走り補正マークを説明する図（ｂ）である。
【図２０】描画しながら計測する様子を説明する図である。
【図２１】二股カンチレバーを説明する図である。
【図２２】従来例を説明する図である。
【図２３】デバイスの製造プロセスのフローを説明する図である。
【符号の説明】
【００８８】
２：プローブヘッド
３：プローブアレイユニット
５：ヘッド位置決め気候
１０１：ウエハ
１０３：ウエハステージ
２０１：プローブ
２０２：カンチレバー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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