JP5539011B2 - インプリント装置、検出装置、位置合わせ装置、及び物品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、インプリント装置、検出装置、位置合わせ装置、及び物品の製造方法に関する。

インプリント技術は、磁気記憶媒体や半導体デバイスの量産向けナノリソグラフィ技術の一つとして実用化されつつある。インプリント装置は、微細パタ−ンが形成された型を原版として、シリコンウエハやガラスプレ−ト等の基板上に塗布した樹脂（インプリント材）に型を押し付けてパタ−ンを転写することで微細パタ−ンを形成する。このとき、型と基板との位置合わせのために、型に形成されたマークと基板に形成されたマークとの相対位置を計測する検出器が用いられる。特に、両者のマークにより発生するモアレ縞（モアレ信号）を用いた計測器は、簡易な光学系で高い計測精度を出すことができるため有用である。

特表２００８−５０９８２５公報

基板に形成されるマークは基板の表面に剥き出しになっていることは少なく、マークの上部に層構造がある場合、マークの位置を検出するための検出光が薄膜干渉等によって弱まり、検出器がモアレ縞を検出できなくなることがあった。そこで、本発明は、型および基板に形成されたマークにより生じるモアレ縞の検出に有利なインプリント装置を提供することを例示的目的とする。

本発明の１つの側面は、第１マークと第２マークを用いて基板と型との位置合わせを行い、前記基板上のインプリント材に前記型を用いてパターンを形成するインプリント装置であって、前記第１マークおよび前記第２マークを斜入射照明し、前記第１マークおよび前記第２マークからの回折光を検出する検出器と、前記検出器の光軸の角度を調整する調整部と、を備え、前記第２マークは、前記型のパターン面に平行でかつ互いに直交する第１軸および第２軸にそれぞれ沿う第１方向および第２方向の双方に格子ピッチを有する格子パターンを含み、前記第１マークには、前記第１方向に格子ピッチを有する格子パターンを含み、前記第１マークと前記第２マークとの前記第１方向の格子ピッチは互いに異なり、前記検出器は、撮像素子と、前記第１マークの格子と前記第２マークの格子で回折された光によって前記撮像素子の撮像面にモアレ縞を形成する光学系と、を備え、前記調整部は、前記第１軸および前記第２軸に直交する第３軸からの角度を調整する、ことを特徴とする。

本発明によれば、例えば、型および基板に形成されたマークにより生じるモアレ縞の検出に有利なインプリント装置を提供することができる。

インプリント装置を示した図である。 第１実施形態の検出器を示した図である。 モアレ信号を用いた計測手法を示した図である。 入射光と回折光との関係を示した図である。 第１実施形態における検出の手法を示した図である。 型および基板の間隔と検出器の傾斜角度との関係を示した図である。 第１実施形態の検出器の別例を示した図である。 型と基板とのギャップと検出結果との関係を示した図である。 第２実施形態における回折光を示した図である。 第３実施形態の検出器を示した図である。

〔第１実施形態〕
図１を用いて、第１実施形態の検出器を組み込んだインプリント装置を説明する。インプリント装置は、基板ステージ１３に保持された基板１に樹脂（未硬化樹脂またはインプリント材）を塗布し、当該樹脂に型２のパターン面を押し付けて当該樹脂を硬化するインプリント処理を行う。型２は、支持体（インプリントヘッド）３に保持されている。インプリントヘッド３内には、型２に形成されたマーク４（第１マーク）と基板１上に形成されたマーク５（第２マーク）とを光学的に観察することで両者の相対位置関係を検出する検出器（スコープ）６が配置されている。スコープ６が少し傾いているのは、インプリント処理を行うときに樹脂を硬化させるための露光光を装置上方から照明するのに必要な露光光の光路を確保するためである。スコープ６の光軸の角度は駆動機構およびその制御部を含む調整部１２によって調整されうる。スコープ６は、ハ−フプリズム７などを用いて、不図示の光源から射出された光をマーク４およびマーク５に斜入射させる（図２）。マーク４を透過しマーク５で回折されマーク４を再度透過した光によって、モアレ縞が撮像素子８の撮像面に形成される。処理部１１は、モアレ縞の信号（モアレ信号）からマーク４とマーク５とのｙ方向における相対位置関係を演算し、処理部１１の演算結果に応じて型２と基板１とのｙ方向の相対位置が調整される。図２では、ｙ軸に沿うｙ方向を位置の計測方向、ｘ軸に沿うｘ方向を非計測方向としている。ｘ軸、ｙ軸はそれぞれ、型２のパターン面に平行でかつ互いに直交する第１軸、第２軸であり、ｘ方向およびｙ方向がそれぞれ第１方向および第２方向である。

図３を用いて、モアレ信号による計測について説明する。３Ａ，３Ｂとして示される格子ピッチの異なる格子パターンを含む２種類のマーク４，マーク５を用意する。これらのマーク４，５を重ねると、３Ｃのような明暗の縞模様が生じる。この縞模様がモアレ信号である。モアレ信号は、２つのマーク４，５の相対位置関係によって明暗の位置が変化する。例えば、片方を少しだけずらしてやると、３Ｃで示されるモアレ信号は、３Ｄで示されるモアレ信号に変化する。モアレ信号は、２つのマーク４，５の実際の位置ずれ量を拡大し、大きな明暗縞として発生するため、スコープ６は、その解像力が低くても、２つのマーク４，５の相対位置関係を精度良く計測することができる。

インプリント装置で用いるスコープ６は、前記したようにその光軸を少し傾けるため、マーク４，５がともに図３Ａ，３Ｂに示されるような一方向に広がるように格子が形成されたマークでは、スコープ６に照明光が返ってこない。そこで、基板１上のマーク５は、３Ｅとして示されるような、ｘ方向およびｙ方向の双方に広がるように格子が形成されたマークとされる。基板１上のマーク５を３Ｅのチェッカーボード状とすることによって、スコープ６をｘｚ平面内（第１軸に垂直な面内）でｚ軸（第３軸）に対して傾けても、モアレ信号を得ることができる。

回折角βは以下の式１で表される（図４Ａ参照）。ここで、ｄはマーク５のｘ方向の格子ピッチ、αはマーク５に対する入射角、λはマーク５に入射する光の波長、ｎは回折次数（１、２、３・・・の自然数）を示す。
ｄ（ｓｉｎα±ｓｉｎβ）＝ｎλ・・・（１）

ところで、本実施形態の検出器６は、マーク４に斜入射される光の照明系を含み、照明系の光軸と検出器６の結像光学系の光軸（検出器の光軸）とが同軸であるとする。そこで、スコープ６の光軸のｚ軸（第３軸）からの角度（傾斜角度）をθとすると、θ＝α＝βとなり、スコープ６の傾斜角度θは式２で表される（図４Ｂ参照)。
θ＝ｓｉｎ^−１（ｎλ／２ｄ）・・・（２）
したがって、スコープ６の傾斜角度θは基板１のマーク５の格子ピッチｄと斜入射照明光の波長λとで決まる。

次に、基板の上に形成された積層構造に対するスコープ６の対応力について述べる。基板１のマーク５は表面に剥き出しになっていることは少なく、数層から数十層の積層構造の内部に構成されている場合が多い。マーク５の上部に透明な物質からなる層がある場合、照明光の波長によっては照明光がマーク５から返ってこないことがある（所謂薄膜干渉）。このとき、照明光の波長を変えてやれば、薄膜干渉の条件から外れ、マーク５を観察することが可能となる。これに基づき、スコープ６で観察する場合も照明光の波長λを可変とし、積層構造に応じて最もよく検出できる条件を設定する。それと同時に、式２に示す条件に基づき、スコープ６の傾斜角度を可変とし、照明光の波長λとマーク５のｘ方向の格子ピッチｄから導かれる回折角となるようにスコープ６を駆動機構（調整部１２）により駆動し、計測信号を取得する。

計測手法を図５に示す。スコープ６の傾斜角度を変更するタイミングとしては、スコープ６の照明光の波長λを変更した場合や、モアレ信号の強度が低下した場合等が考えられる (５−１)。なお、照明光はハロゲンランプのような広帯域に波長を持つ光源を用いてバンドパスフィルタなどで所望の波長帯域を切り出しても良いし、ＬＥＤのような単色光の光源を切り替えても良い。照明光の波長λとマーク５のｘ方向の格子ピッチｄが既知である場合、スコープ６の傾斜角度θは、前述した式２より自動的に算出されるので、その算出結果に基づいて傾斜角度を設定する(５−３)。マーク４の格子の周期ｄは予めマーク情報として調整部１２内に入力しておけば良い。最適な傾斜角度に設定されたスコープ６は、型２のマーク４と基板１のマーク５との相対位置の計測を行う (５−４)。

照明光の波長λとマーク５の格子ピッチｄとのうち少なくとも片方が不明な場合、式２を用いてスコープ６の傾斜角度θを求めることが出来ない。そこで、マーク４とマーク５とから生成されるモアレ縞を観察しながら傾斜角度θを変更し（５−５）、モアレ縞の視認性が許容値を超える傾斜角度を見つける(５−５)。傾斜角度を決定するための視認性の指標としては、モアレ縞の信号の振幅、強度、レンジ、コントラストが挙げられる。以上により、最適な傾斜角度に設定されたスコープ６は、型２のマーク４と基板１のマーク５との相対位置の計測を行う (５−４)。

図６Ａに示すように、マーク４とマーク５とのｚ方向の間隔が狭ければ、スコープ６の傾斜角度を変更しても、スコープ６は２つのマーク４，５をほぼ同じ位置で計測することができる。しかし、２つのマーク４，５の間隔が広ければ、スコープ６の光軸上に２つのマーク４，５がないと計測できない（図６Ｂ）。そこで、マーク４とマーク５とのｚ方向の間隔をｇ、スコープ６の傾斜角度をθとすると、スコープ６でマーク４，５を同時に検出するために、基板ステ−ジをｘ方向に式３で示されるxだけシフト駆動させる必要がある(図６Ｃ)。
ｘ＝ｇ×ｔａｎθ・・・（３）

また、２つのマーク４，５のｚ方向の間隔が変化すると、スコープ６の光軸を計測方向の軸（ｙ軸）の回りに傾けている為、マーク４とマーク５とのスコープ６の視野における非計測方向（ｘ方向）の相対位置が変化してしまう。そのため、従来は、マーク４，５の相対位置が変化しても、マーク４，５が重なるように大きいマークを構成していた。例えば、図６Ｄから型２と基板１のｚ方向の間隔を狭めた場合、図６Ｅに示すように、スコープ６から見るとマーク５が非計測方向（ｘ方向）でシフトしているように見える。そこで、マーク４，５のｚ方向の間隔に応じてスコープ６の傾斜角度を変えてやることで、マーク４とマーク５を同時に計測することができる。このときスコープ６の傾斜角度だけ変えると式２を満たさなくなる。そこで、スコープの傾斜角度θの変更にあわせて、式２を満たすように波長λを変化させて、最適な計測条件とすればよい。これにより、マーク４，５の大きさを大きくすることなく、型２と基板１のｚ方向の間隔を変化させても計測を良好に行うことが可能となる。スコープ６の傾斜角度を変更可能とすることによって、マークに対して設計自由度を与えることができる。従来では、スコープ６の傾斜角度が固定されていた為、マーク５の格子ピッチｄを大きく変えることが出来なかった。しかし、ユ−ザ−が、より細かい格子ピッチｄで小さなマークを所望した場合、スコープ６の傾斜角度θを変えることで対応可能である。

以上までの説明では、マーク４，５を照明する照明系と結像光学系とが単一のスコープに構成されていた。しかし、照明系と結像光学系とはそれぞれ別のスコープに分離することもできる。図７に、照明系をスコープ６から分離した第１実施形態の別例を示す。別例では、照明系９から照射した照明光が、基板１上のマーク５を照明し、その回折光がスコープ６へ入射し、撮像素子８で結像している。このときも式１は成立する。例えば、照明系９の傾斜角度（照明光の入射角）αと照明光の波長λ、マーク５の格子ピッチｄが決定された場合、必然的にスコープ６の傾斜角度θも以下の式４に示すように決定される。
θ＝±ｓｉｎ^−１｛（ｎλ／ｄ）−ｓｉｎα｝・・・（４）
また、逆も成立し、スコープ６の傾斜角度θと照明光の波長λ、マーク５の格子ピッチｄが決定された場合、必然的に照明系９の傾斜角度αも決定される。以上のように照明系９の傾斜角度α、スコープ６の傾斜角度θ、照明光の波長λ、マークの格子ピッチｄのうち、３つが決まれば必然的に残りの一つも決まる。不明な数値が複数個以上である場合には、可変項目である照明系９の傾斜角度α、スコープ６の傾斜角度θ、照明光の波長λを変更し最適な計測条件を探索すればよい。

スコープ６の傾斜角度を変化させるにあたり、調整部１２内の駆動機構の取り付け誤差や駆動誤差等により想定外の傾きがｙ軸とスコープ６の光軸とを含む平面（ｙ−ｚ平面）内において発生しうる。この為、スコープ６によって計測された型２および基板１（２つのマーク４，５）の計測方向（ｙ方向）の相対位置（シフト量）の計測には、型２および基板１（２つのマーク４，５）のｚ方向の間隔（ギャップ）に依存する誤差が生じうる。図８Ａに、マーク４，５のｙ方向の相対位置の計測値がｚ方向のギャップに依存することを示す模式図を示す。ここで、当該傾きによってテレセン度が悪化してしまうと、マーク４とマーク５とのギャップによって計測値が変化してしまう。図８Ａでは、マーク４，５のギャップがｇ１〜ｇ３まで変化する様子を示している。このときのスコープ６により計測されたマーク４，５の相対位置は、図８Ｂに示すように、マーク４，５のギャップによって変化する。そこで、定期的に（例えば、傾斜角度の変更毎や計測前などに）、焦点深度内でマーク４，５のギャップを変化させ、複数ギャップ量でのマーク５のシフト量を計測することで、マーク４，５のギャップと計測される相対位置の変化量との関係を求める。型２と基板１のｚ方向の間隔は不図示の干渉計等で計測している。その為、マーク４，５のギャップと当該変化量との関係が既知であれば、スコープ６の傾斜によって発生する当該変化量がギャップ量から見積もられ、これをオフセットとして加味することで計測結果を補正することができる。以上により、マーク４とマーク５との相対位置をスコープ６の良好な状態（視認性の良好な状態）で計測することができる。

〔第２実施形態〕
図９に基づいて第２実施形態の検出器について説明する。広い波長範囲に強度を持つ広帯域光を照射すると、基板上のマーク５が回折格子のような性能を示し、波長毎に異なる角度で回折する。図９はこれを示しており、回折角は式１、式２又は式４に基づく。回折光の波長λはλ１＜λ２＜λ３である。そこで、照明光に広帯域光を用いるときは、マーク部分に照明光を当て、マーク４とマーク５からのモアレ信号を計測しながら傾斜角度θを駆動し、最も計測に適した波長並びに傾斜角度を見つける。最適な傾斜角度の指標としては、モアレ信号の強度やコントラストなどが挙げられる。本実施形態の計測手法は、第１実施形態と同様である。

〔第３実施形態〕
つぎに、図１０に基づいて第３実施形態の検出器について説明する。図１０は型２のマーク４単体を計測するためのスコープ６を示している。このスコープ６は第１実施形態のスコープと同じものを使っても良いし、別途専用のスコープを用意しても良い。インプリント処理における型２の押し付け時及び離型時に型２に力が加えられるため、型２がインプリントヘッド３に対してずれる可能性が懸念されている。そこで、型２の位置をリアルタイムで計測することが求められている。図１０の型２には、ウエハ１上のマーク５との位置合わせを行う為のマーク４と型２の位置を計測する為のマーク４’とが形成されている。マーク４，４’はピッチを変えることで、計測時に最適な回折角が異なるように設計されている。

計測手法としては、マーク４’を直接画像や信号強度として計測しても良い。また、図１０の基準マーク１０をスコープ６内部でマーク４’と光学的に共役な位置に構成し、マーク４’の像が基準マーク１０上に結像されることにより両者の相対位置から発生するモアレ信号で計測しても良い。このとき、基板１上にマーク５が存在するため、マーク４’との相対位置によりモアレ信号が発生する。これは、マーク４’単体を計測するには、邪魔になってしまう。そこで、スコープ６の傾斜角度を可変とし、マーク５とのモアレ信号が発生しない傾斜角度にスコープ６を設定してマーク４’単体を計測する。そのためには、式１〜４に相当しないスコープ６の傾斜角度や照明光の波長を取ればよい。もしくは、スコープ６や別途専用のスコープにて傾斜角度や照明光の波長を変更し、最もマーク４’とマーク５とから発生するモアレ信号が小さくなる位置を探しても良い。以上により、型２のマーク単体の位置計測を行うことができる。

［物品の製造方法］
物品としてのデバイス（半導体集積回路素子、液晶表示素子等）の製造方法は、前述したインプリント装置を用いて基板（基板、ガラスプレート、フィルム状基板等）にパターンを転写（形成）するステップを含む。さらに、パターンを転写された前記基板をエッチングするステップを含みうる。なお、パターンドメディア（記録媒体）や光学素子などの他の物品を製造する場合には、エッチングステップの代わりに、パターンを転写された前記基板を加工する他の加工ステップを含みうる。
以上、本発明の実施の形態を説明してきたが、本発明はこれらの実施の形態に限定されず、その要旨の範囲内において様々な変形及び変更が可能である。

Claims (13)

1. 第１マークと第２マークを用いて基板と型との位置合わせを行い、前記基板上のインプリント材に前記型を用いてパターンを形成するインプリント装置であって、
   前記第１マークおよび前記第２マークを斜入射照明し、前記第１マークおよび前記第２マークからの回折光を検出する検出器と、
   前記検出器の光軸の角度を調整する調整部と、
   を備え、
   前記第２マークは、前記型のパターン面に平行でかつ互いに直交する第１軸および第２軸にそれぞれ沿う第１方向および第２方向の双方に格子ピッチを有する格子パターンを含み、
   前記第１マークには、前記第１方向に格子ピッチを有する格子パターンを含み、
   前記第１マークと前記第２マークとの前記第１方向の格子ピッチは互いに異なり、
   前記検出器は、撮像素子と、前記第１マークの格子と前記第２マークの格子で回折された光によって前記撮像素子の撮像面にモアレ縞を形成する光学系と、を備え、
   前記調整部は、前記第１軸および前記第２軸に直交する第３軸からの角度を調整する、
   ことを特徴とするインプリント装置。
2. 前記調整部は、前記撮像面に形成されるモアレ縞の視認性が許容範囲内となるように前記検出器の光軸の角度を調節する、ことを特徴とする請求項１に記載のインプリント装置。
3. 前記調整部は、前記第３軸と前記第２軸とを含む面内における前記検出器の光軸の前記第３軸からの角度を調整する、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のインプリント装置。
4. 前記第２マークに斜入射される光の波長をλ、前記第２マークに対する入射角をα、前記第２マークの前記第２方向の格子ピッチをｄ、ｎを自然数、前記検出器の光軸の前記第３軸からの角度をθとするとき、
   前記調整部は、θ＝±ｓｉｎ^−１｛（ｎλ／ｄ）−ｓｉｎα｝を満たすように前記検出器の光軸の前記第３軸からの角度を調整する、ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のインプリント装置。
5. 前記検出器は、前記第１マークに斜入射する光を前記第１マークに射出する照明系を備え、
   前記照明系の光軸が前記検出器の光軸と同軸に構成され、前記第２マークに斜入射される光の波長をλ、前記第２マークの前記第２方向の格子ピッチをｄ、ｎを自然数、前記検出器の光軸の前記第３軸からの角度をθとするとき、
   前記調整部は、θ＝ｓｉｎ^−１（ｎλ／２ｄ）を満たすように前記検出器の光軸の前記第３軸からの角度を調整する、ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のインプリント装置。
6. 前記モアレ縞の視認性を表す指標が、前記モアレ縞の信号の振幅、強度、レンジまたはコントラストを含む、ことを特徴とする請求項２に記載のインプリント装置。
7. 前記検出器は、前記撮像面に形成されたモアレ縞の情報に基づいて前記第１方向における前記第１マークと前記第２マークとの相対位置を求める処理部を含み、
   前記処理部により求められた相対位置に応じて、前記第１方向における前記型と前記基板との相対位置が調整される、ことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のインプリント装置。
8. 前記処理部は、前記第３軸に沿う方向における前記第１マークと前記第２マークとの間隔を示す情報にさらに基づいて、前記第１方向における前記第１マークと前記第２マークとの相対位置を求める、ことを特徴とする請求項７に記載のインプリント装置。
9. 前記検出器は、前記第１マークおよび前記第２マークを斜入射照明する照明系を含み、
   前記照明系は、互いに波長が異なる複数の光源を含み、前記複数の光源を切り替えて照明することができることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のインプリント装置。
10. 前記調整部は、前記第１マークに斜入射照明される光の波長に応じて前記検出器の光軸の角度を変更する、ことを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載のインプリント装置。
11. 請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載のインプリント装置を用いてパターンを基板上に形成する工程と、
    前記工程で前記パターンを形成された基板を加工する工程と、
    を含む、ことを特徴とする物品の製造方法。
12. 第１マークと第２マークを用いて、前記第１マークと前記第２マークとの相対位置を検出する検出装置であって、
    前記第１マークおよび前記第２マークを斜入射照明し、前記第１マークおよび前記第２マークからの回折光を検出する検出器と、
    前記検出器の光軸の角度を調整する調整部と、
    を備え、
    前記第２マークは、互いに直交する第１軸および第２軸にそれぞれ沿う第１方向および第２方向の双方に格子ピッチを有する格子パターンを含み、
    前記第１マークには、前記第１方向に格子ピッチを有する格子パターンを含み、
    前記第１マークと前記第２マークとの前記第１方向の格子ピッチは互いに異なり、
    前記検出器は、撮像素子と、前記第１マークの格子と前記第２マークの格子で回折された光によって前記撮像素子の撮像面にモアレ縞を形成する光学系と、
    を備え、
    前記調整部は、前記第１軸および前記第２軸に直交する第３軸に対して、前記検出器の光軸の角度を調整する、ことを特徴とする検出装置。
13. 前記第１マークが設けられた第１物体と、前記第２マークが設けられた第２物体とを位置合わせする位置合わせ装置であって、
    前記第１マークと前記第２マークを検出する、請求項１２に記載の検出装置を備え、
    前記検出装置が検出した前記第１マークと前記第２マークとに基づいて、前記第１物体と前記第２物体との位置合わせをすることを特徴とする位置合わせ装置。

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