JP5002211B2

JP5002211B2 - インプリント装置およびインプリント方法

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Publication number: JP5002211B2
Application number: JP2006213637A
Authority: JP
Inventors: 信人末平; 淳一関; 正男真島
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2005-08-12
Filing date: 2006-08-04
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2026-08-04
Also published as: JP2007073939A

Description

本発明は、モールドに形成されたパターンをワーク（被加工部材）に転写するインプリント装置およびインプリント方法に関する。

近年、モールドに形成された微細なパターンを、樹脂や金属等のワークにインプリントする微細加工技術が開発され、注目を集めている。
この技術は数ｎｍオーダーの分解能を持つためナノインプリントあるいはナノエンボッシングなどと呼ばれている。
また、立体構造をウエハレベルで一括加工可能なため、フォトニッククリスタル等の光学素子、μ−ＴＡＳ（ＭｉｃｒｏＴｏｔａｌＡｎａｌｙｓｉｓＳｙｓｔｅｍ）、バイオチップの製造技術等として幅広い分野への応用が期待されている。

半導体製造技術にインプリント加工を適用することは、非特許文献１に記載されている。
具体的には、半導体ウェハのような基板上に光硬化性樹脂が形成されたワークに対して、光硬化性樹脂に所望のパターンが形成されたモールドを押し当て、さらに加圧し、紫外光を照射することで樹脂を硬化させる。
これにより、樹脂にパターンがインプリントされる。そして、この樹脂をマスクとしてエッチング等を行うことにより、基板へのパターン転写が可能となる。
ＳｔｅｐｈａｎＹ．Ｃｈｏｕｅｔ．ａｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ，Ｖｏｌ．６７，Ｉｓｓｕｅ２１，ｐｐ．３１１４−３１１６（１９９５）

前述したように、上記インプリント加工は半導体製造技術として有望視されている。そして、昨今の高精細な微細加工に対する要求がより一層高まる中、インプリント精度の更なる改良が求められている。

本発明は、上記課題に鑑み、インプリント精度の向上を図るインプリント装置およびインプリント方法を提供することを目的とするものである。

本発明は上記課題を解決するため、つぎのように構成したインプリント装置、インプリント方法およびインプリント用モールドを提供するものである。
本発明のインプリント装置は、モールドに形成されたパターンを基板上に形成された樹脂にインプリントするインプリント装置であって、
樹脂を硬化させるための光を照射する光源、
前記光源からの光照射によって生じる前記樹脂の状態を反映した物理量を計測するための計測手段、
前記計測手段から得られた情報に基づいて、前記モールドと前記基板の空間的位置関係、あるいは、前記光源からの光量を制御するための制御手段を有することを特徴とする。
ここで、樹脂の状態を反映した物理量の例としては、樹脂の光学特性（屈折率、反射率、吸収率、消衰係数等）が挙げられる。
また、樹脂を硬化させるために光照射を行うと、樹脂の体積が変化するため、モールドと基板間の距離、樹脂の膜厚、モールドへの荷重も樹脂の状態を反映した物理量であるといえる。
また、モールドと基板の空間的位置関係とは、モールドと基板間の距離、面内方向におけるモールドと基板の位置関係、基板に対するモールドの角度のことをいう。
また、本発明のインプリント装置は、前記計測手段から得られた物理量が、前記樹脂の光学特性、前記モールドと前記基板間の距離、前記樹脂の膜厚、前記モールドへの荷重であることを特徴とする。
また、本発明のインプリント装置は、前記計測手段が、光干渉計、エリプソメータ、反射率計、分光光度計の少なくともいずれか一つを含むことを特徴とする。また、本発明のインプリント装置は、前記計測手段が、光干渉計を含み、前記樹脂の屈折率および前記モールドと前記基板間の距離を計測可能に構成されていることを特徴とする。
また、本発明のインプリント装置は、前記計測手段が、計測に用いるための計測用光源を有していることを特徴とする。
また、本発明のインプリント装置は、前記樹脂の光学特性を計測するための参照データ、または、計測した物理量を記憶させておく記憶部を有することを特徴とする。
また、本発明のインプリント方法は、モールドに形成されたパターンを基板上の樹脂にインプリントする方法であって、
前記基板上の前記樹脂に光を照射する光照射工程、
前記光照射工程による樹脂の状態を反映した物理量を計測する計測工程、
前記計測工程で得られた情報に基づいて、前記モールドと前記基板との空間的位置関係、あるいは、前記樹脂に照射される光量を制御する制御工程と、
を有することを特徴とする。
また、本発明のインプリント方法は、前記計測工程が、前記物理量を解析システムを用いて解析する工程を含むことを特徴とする。
また、本発明のインプリント方法は、前記計測工程が、前記光照射工程による樹脂の状態を反映した物理量を経時的に計測する計測工程であることを特徴とする。
また、本発明のインプリント方法は、前記計測工程が、インプリント用のパターンが形成された領域とは別の領域を計測することを特徴とする。
また、本発明のインプリント方法は、前記計測工程が、インプリント用パターンの深さよりも深いパターンを用いて計測することを特徴とする。

本発明によれば、インプリント精度の向上を図るインプリント装置およびインプリント方法を実現することができる。

本発明を実施するための最良の形態を、実施例により説明する。なお、以下で、モールドと基板間の距離とはモールドの加工面側の最表面と基板の被加工面側の最表面との距離とする。

図１に、本実施例におけるインプリント装置の制御システムを説明するフローチャートを示す。
図１（ａ）のフローチャートは、光照射による樹脂の状態を反映した種々の物理量を計測して、光量を制御する場合を示すものである。
一方、図１（ｂ）のフローチャートは、光照射による樹脂の状態を反映した種々の物理量を計測して、光量、および、モールドと基板の空間的位置関係としてのモールドと基板間の距離を制御する場合を示すものである。

図１（ａ）の場合では、光源から光照射を開始した後に、計測（１）を行う。
計測（１）では、樹脂の状態を反映した物理量を計測する。
ここで、樹脂の状態を反映した物理量としての、樹脂の光学特性、モールドと基板間の距離、樹脂の膜厚は、後述する光計測システム等を用いることによって計測することができる。
また、樹脂の状態を反映した物理量としてのモールドへの荷重もロードセル（荷重変換器）等を用いることによって計測することができる。
次に、上記計測（１）を行った後、上記計測した物理量が条件（１）を満たしていれば、光量の制御を行う。
例えば、最初は強い光量で光照射を行い、樹脂の屈折率が光照射とともに変化し、屈折率が所定の値に到達した場合には、その光照射の光量を弱くするということができる。
この場合、強い光量で光照射することにより、樹脂の大部分を短時間で硬化させ、樹脂の流動性を抑制することができる。
そして、その後に光量を弱くするという制御を行うことにより主に未硬化の樹脂の流動により緩和させ、均一な厚みに樹脂を硬化させることができる。
更に詳しく説明すれば、モールドのパターンは一様でなく疎密があり、樹脂は光照射によって膨張または収縮を起こす。
その結果、応力が発生し、モールドを離型した後にその応力を緩和するように変形する場合があり、パターンの形状精度が悪くなる。従って、このような光量制御を行うことによって、インプリント精度の向上を図ることができる。
上記条件（１）の判断に続くステップにおいて、終了条件を満たしていれば光照射を終了し、終了条件を満たしていない場合には、上記計測（１）のステップに戻って、上記した各ステップを繰り返す。
ここで、終了条件としては、所定の時間が経過した場合や、一定時間屈折率の変化がなくなった場合が挙げられる。
なお、条件（１）の所定の値は、第１の屈折率、第２の屈折率等のように複数個設定し、条件（１）、光量制御、計測（１）というループの回数に応じて適宜所定の値を選択するように構成してもよい。
また、上記では計測に基づき、光量のみを制御したが、本発明ではモールドと基板間の距離のみを制御してもよい。さらに、両方を同時に制御しても良い。
また、一度計測した物理量は再現性のある場合が多いことから、樹脂の状態を反映した物理量の時間的な変化を計測し、以後のプロセスにおいて計測（１）を経過時間、条件（１）を所望の物理量になった経過時間とすることができる。
また、計測するための機構をインプリント装置外に有し、予め物理量を計測しておき、そのデータを元にインプリント装置を制御することも可能である。この場合にはインプリント装置内に必ずしも計測手段は必要ないこととなる。
光量の制御方法としては、光源のパワーを制御する方法、モールドと光源の間にフィルターやシャッターを挟む方法等がある。フィルターやシャッターを使う場合には、インプリント装置にフィルターやシャッターを搭載できる機構を用いる。また、フィルターはモールドの構成によって光の透過率を部分的に変えるようにしても良い。

図１（ｂ）の場合、まず光源から光照射を開始した後に、樹脂の光学特性を計測する。そして、樹脂の光学特性が条件（２）を満たしていれば、光量を制御する。
その後、光量の制御に続くステップ、あるいは上記条件（２）を満たしていないとの判断に続くステップにおいて、モールドと基板間の距離を計測する。次に、この距離が条件（３）を満たしていれば、モールドと基板間の距離の制御を行う。
そして、上記条件（３）の判断に続くステップにおいて、終了条件を満たしていれば光照射を終了し、終了条件を満たしていない場合には、上記計測（２）のステップに戻って、上記した各ステップを繰り返す。
例えば、条件（２）で樹脂の屈折率が所定の値になった場合には、上述のように光量を小さくする制御を行う。
この状態で樹脂には微視的に硬化している部分としていない部分が存在しており、流動性は抑制されているが変形は可能な状態である。
次に、樹脂に光を照射した結果、樹脂の膜厚が厚くなり、条件（３）でモールドと基板間の距離が所定の値になった場合には、この距離を小さくするようにモールドを樹脂に対して押圧するという制御をすることができる。
逆に、膜厚が薄くなり、距離が所定の値になった場合には、この距離を大きくするという制御をすることができる。このような制御を行うことにより、樹脂の厚さを所望の厚さに形成することができ、インプリントの精度を向上させることができる。
なお、上記フローチャートでは、光量を制御した後にモールドと基板間の距離を制御しているが、モールドと基板間の距離を制御した後に光量を制御してもよい。また、光学特性の計測とモールドと基板間の距離の計測は別の計測手段で行ってもよいし、同じ計測手段であってもよい。

別の例として、条件（２）における所定の値を、樹脂が完全に硬化していない状態を示す屈折率に設定する。
そして、この条件を満たした場合には、モールドと基板が離れるように制御する。
その後、樹脂を硬化させるための光照射の光量を強くするという制御をする。このような構成とすれば、樹脂が完全に硬化していない状態であるためモールドを樹脂から容易に離すことができる。
したがって、離型する際に樹脂に加わる力が小さくなるため、樹脂の変形を抑制することができ、インプリントの精度を向上させることができる。

つぎに、インプリントの基板にモールドのパターンを転写するプロセスについて説明する。
図２に、モールドの構造を基板に転写するプロセスを説明する図を示す。
図２において、２０１はモールド、２０２は基板、２０３は光硬化性樹脂、２０４はモールドのパターン、２０５は光源からの光である。
ここで、モールド２０１としては、石英、パイレックス（登録商標）、サファイアなど光を透過する物質が使われる。モールドには加工用のモールドのパターン２０４が形成されている。
また、基板２０２としては、Ｓｉウェハ等の半導体ウェハ、樹脂板、ガラス基板が主として用いられる。

まず、基板２０２に光硬化性樹脂２０３を塗布する。
モールド２０１と基板２０２の位置合わせを行う。モールド２０１を基板２０２および光硬化性樹脂２０３に近づけ、光硬化性樹脂２０３に接触させる。
次に、光２０５を照射し、光硬化性樹脂２０３を硬化させる。
この過程では光量またはモールドと基板の空間的位置関係を制御する。そして、モールド２０１を基板２０２から遠ざけるとモールドのパターンが光硬化性樹脂２０３に転写されている。
その後、光硬化性樹脂２０３をマスク層としてエッチングを行うことによりモールドのパターン２０４を基板２０２に転写する。
最後に光硬化性樹脂２０３を取り除くと基板２０２にモールドのパターン２０４が形成される。

つぎに、本発明を適用したインプリント装置において、樹脂の状態を反映した物理量の測定に光計測システムを用いた構成について説明する。
図３に、本実施例における光計測手段を備えたインプリント装置の構成を示す。
図３において、３０１は露光光源、３０２は光計測システム、３０３は制御システム、３０４はワーク加圧機構、３０５はＸＹ移動機構、３１５はワーク保持部である。
ここで、光計測システム３０２は、計測用光源３０６、解析システム３０７、顕微鏡３０８、ビームスプリッター３０９、撮像素子３１０、分光器３１１により構成されている。
また、３１２はモールド、３１３は光硬化性樹脂、３１４は基板である。

光計測システム３０２は、光硬化性樹脂の光学特性（屈折率ｎ、消失係数ｋ等）、モールドと基板間の距離、基板上の光硬化性樹脂の膜厚などを計測するためのものである。
光計測システム３０２としては、光干渉計、エリプソメータ、反射率計、分光光度計等によって構成することができる。
さらに、複数の計測システムを有し、それぞれ別の物理量を計測しても良い。
以下、光計測システム３０２として光干渉計を採用した場合について説明する。

計測用光源３０６は、幅広いスペクトル（２００〜８００ｎｍ）を持つランプや可視光領域（４００〜８００ｎｍ）および数本のレーザービーム等を用いる。
計測用光源３０６から出た光は、ビームスプリッター３０９、モールド３１２を通過し、基板３１４に到達する。
この光はモールド３１２の表面や基板３１４の表面、光硬化性樹脂３１３で反射しそれらが互いに干渉する。この光は再度ビームスプリッター３０９を通過し、分光器３１１で分光される。
そして、撮像素子３１０によってそれぞれの波長の強度データに置き換えられ、解析システム３０７で解析される。
この解析の方法の詳細については、後に説明する。光計測システム３０２で計測された光硬化性樹脂の光学特性、モールドと基板間の距離情報等は、制御システム３０３にフィードバックされる。

つぎに上記解析システム３０７での解析方法について説明する。
撮像素子によって得られた波長の強度データからフーリエ変換等の計算手法を用いることによって、モールドと基板間の距離、樹脂の膜厚を決めることができる。
また、あらかじめモールドと基板間の距離、光硬化性樹脂の膜厚データおよび光学特性から計算される強度データを解析システムに記憶させることができる。
このデータを参照データとして計測された強度データと比較することによって計算することもできる。更に、これらを組み合わせる方法も採用できる。

計算量を減らすため、モールドと基板間の距離を近づける場合には光学特性に変化がないとすることができる。
また、光照射をする場合にはモールドと基板の距離に変化がないとする手法を用いることができる。
さらに、光硬化性樹脂の光学特性の波長依存性や光学特性の照度依存性を記憶させておくことにより、計算量を減らすことができる。
また、モールドと基板間距離を制御するモーターのエンコーダーや基板の厚み、モールドの厚みの情報等から、より少ない計算量にすることができる。

以下、解析手法としてフーリエ変換を使う方法の一例を、図４を用いて説明する。
図４（ａ）はモールドと光硬化性樹脂の間にギャップがある場合の、フーリエ変換後における計測光の強度と光学的膜厚の関係を示す図である。
また、図４（ｂ）はモールドが光硬化樹脂に接した場合の、フーリエ変換後における計測光の強度と光学的膜厚の関係を示す図である。
図４（ａ）において、４０１はモールド、４０２は光硬化性樹脂、４０３は基板、４０４は計測光である。モールド４０１としては、以下で詳述する光学特性を計測するのに好適なモールドを使用してもよい。

ここでは、図４（ａ）に示すように、モールド４０１と基板４０３の間に厚みｄ_２，屈折率ｎ_２の光硬化性樹脂４０２があり、モールドと光硬化性樹脂の間にはギャップｄ_１，屈折率ｎ_１があるとする。
このときの計測光の強度データをフーリエ変換すると、モールド表面と光硬化性樹脂表面との間の光学距離ｎ_１ｄ_１、光硬化性樹脂表面と基板との間の光学距離ｎ_２ｄ_２、モールドと基板との間の光学距離ｎ_１ｄ_１＋ｎ_２ｄ_２にピークが現れる。
ここで、ｎ_１，ｎ_２は解析システムに記憶させた値を用いることによりｄ_１，ｄ_２を計算することができる。
一方、図４（ｂ）に示すように、モールドが光硬化性樹脂に接した場合には、ｎ_２ｄ_２位置にピークが出る。光照射後はｄ_２がほぼ一定であることから、これによりｎ_２の変化を測定することができる。
以上説明したように、光計測システム３０２として光干渉計を用いた場合には、光硬化性樹脂の光学特性、モールドと基板間の距離、樹脂の膜厚を同一の計測装置によって計測することが可能である。
これにより、インプリント装置の構成を簡便にすることができる。
なお、物理量として、荷重を測定する場合は、ワーク保持部３１５とワーク加圧機構３０４の間のロードセル（不図示）を用いることができる。

以下、本発明を適用したインプリント装置またはインプリント方法において、好適に使用できるモールドについて説明する。
光硬化性樹脂のＳ／Ｎの高い光学特性の計測を行うには、ある程度の光硬化性樹脂の膜厚が必要である。
しかし、モールドのパターンを樹脂にインプリントした後に生じる残膜が薄く形成される場合がある。
そこで、本発明に好適に用いることのできるモールドでは、加工用のパターンが形成された領域とは別の領域に計測用のパターンを追加した。
図５（ａ）は、加工用のモールドのパターン５０２が形成された領域とは別の領域に、このパターン５０２よりも深い計測用のパターン５０３を追加したモールドを示したものである。
なお、この計測用のパターン５０３の深さは光の波長（１／４）より深い構造とする。
また、図５（ｂ）に示すように、モールド５０１に設けられた加工用のパターン５０２が形成された領域とは別の領域に硬化度合いを知るためのパターン５０４を追加することができる。
このパターン５０４を用いて計測を行えば、全体の硬化度合いを計測するよりも短時間で評価を行うことができる。

モールド５０１としては、石英、パイレックス（登録商標）、サファイア等の光を透過する物質を使う。
また、その表面は、光リソグラフィー、ＥＢリソグラフィー、ＦＩＢ、Ｘ線リソグラフィー等により微細加工を施す。
また、Ｎｉ電鋳等でそのレプリカを取ることによって加工してもよい。

本発明に係るインプリント装置の制御システムの一例を説明するフローチャートである。（ａ）は計測する物理量が種々の物理量による場合のフローチャート、（ｂ）は計測する物理量が、例えば光硬化樹脂の光学特性による場合のフローチャートである。モールドのパターンを基板に転写するプロセスを説明する図である。本発明に係るインプリント装置の計測システムとして光計測システムを用いた場合の一例を説明する図である。本発明に係るインプリント装置の計測手段に設けられた解析システムでの解析の一例として、フーリエ変換を説明する図である。（ａ）はモールドと光硬化樹脂の間にギャップがある場合の、フーリエ変換における計測光の強度と光学的膜厚の関係を示す図、（ｂ）はモールドが光硬化樹脂に接した場合の、フーリエ変換における計測光の強度と光学的膜厚の関係を示す図である。本発明に係るインプリント用モールドの一例を説明する図である。

符号の説明

２０１：モールド
２０２：基板
２０３：光硬化樹脂
２０４：加工用構造
２０５：光源からの光
３０１：露光光源
３０２：光計測システム
３０３：制御システム
３０４：ワーク加圧機構
３０５：ＸＹ移動機構
３０６：計測用光源
３０７：解析システム
３０８：顕微鏡
３０９：ビームスプリッター
３１０：撮像素子
３１１：分光器
３１２：モールド
３１３：光硬化樹脂
３１４：基板
３１５：ワーク保持部
４０１：モールド
４０２：光硬化樹脂
４０３：基板
４０４：計測光

Claims

モールドに形成されたパターンを基板上に形成された樹脂にインプリントするインプリント装置であって、
樹脂を硬化させるための光を照射する光源、
前記光源からの光照射によって生じる前記樹脂の状態を反映した物理量を計測するための計測手段、
前記計測手段から得られた情報に基づいて、前記モールドと前記基板の空間的位置関係、あるいは、前記光源からの光量を制御するための制御手段を有することを特徴とするインプリント装置。
前記計測手段から得られた物理量は、前記樹脂の光学特性、前記モールドと前記基板間の距離、前記樹脂の膜厚、前記モールドへの荷重、のうちの少なくともいずれか一つを含むことを特徴とする請求項１に記載のインプリント装置。
前記計測手段は、光干渉計、エリプソメータ、反射率計、分光光度計の少なくともいずれか一つを含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のインプリント装置。
前記計測手段は、光干渉計を含み、前記樹脂の屈折率および前記モールドと前記基板間の距離を計測可能に構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載のインプリント装置。
前記計測手段は、計測に用いるための計測用光源を有していることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載のインプリント装置。
前記インプリント装置は、前記樹脂の光学特性を計測するための参照データ、または、計測した物理量を記憶させておく記憶部を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載のインプリント装置。
モールドに形成されたパターンを基板上の樹脂にインプリントする方法であって、
前記基板上の前記樹脂に光を照射する光照射工程、
前記光照射工程による樹脂の状態を反映した物理量を計測する計測工程、
前記計測工程で得られた情報に基づいて、前記モールドと前記基板との空間的位置関係、あるいは、前記樹脂に照射される光量を制御する制御工程と、
を有することを特徴とするインプリント方法。
前記計測工程は、前記物理量を解析システムを用いて解析する工程を含むことを特徴とする請求項７に記載のインプリント方法。
前記計測工程は、前記光照射工程による樹脂の状態を反映した物理量を経時的に計測する計測工程であることを特徴とする請求項７または請求項８に記載のインプリント方法。
前記計測工程は、インプリント用のパターンが形成された領域とは別の領域を計測することを特徴とする請求項７から９のいずれか一つに記載のインプリント方法。
前記計測工程は、インプリント用パターンの深さよりも深いパターンを用いて計測することを特徴とする請求項７から１０のいずれか一つに記載のインプリント方法。