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JP5268239B2 - パターン形成装置、パターン形成方法 - Google Patents

パターン形成装置、パターン形成方法 Download PDF

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Description

本発明は、モールドとワーク（被加工部材）を合わせて、モールドの形状をワークに転写するパターン形成装置、パターン形成方法に関する。
近年において、非特許文献１に紹介されているように、モールド上の凹凸パターンによる微細構造を半導体、ガラス、樹脂や金属等のワークに加圧転写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、数ナノメートル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。
この技術は、半導体製造に加え、立体構造をウェハレベルで一括加工することが可能となる。
そのため、フォトニッククリスタル等の光学素子、μ−ＴＡＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ）、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。
このようなナノインプリントによるパターン形成技術では、例えば、半導体製造技術等に用いるに際し、つぎのようにしてモールド上の微細構造をワークに転写する。
まず、ワークを構成する被加工部材である基板（例えば半導体ウエハ）上に光硬化型の樹脂層を形成する。
つぎに、樹脂層に所望の凹凸パターンによる微細構造が形成されたモールドを押し当てて加圧し、紫外線を照射することで樹脂を硬化させる。これにより樹脂層に上記モールド上の微細構造が転写される。
この樹脂層をマスクとしてエッチング等を行うことにより、上記基板へ上記モールドの微細構造が形成される。
以上のインプリント技術において、モールド上の凹凸パターンによる微細構造を転写するに際し、転写精度を高めて高精細な微細加工を行うため、モールドと上記被加工部材である基板間の距離（ギャップ）の計測が必要となる。
そのため、特許文献１では、モールドの基板側にある加工面を含む第１の表面に対し、それより後退した位置に第２の表面を設け、この第２の表面と基板表面との間のギャップを計測する方法が開示されている。
また、モールドと基板の面内位置計測を行うためには、別の構成の光学系が必要であることが開示されている。ここでは、面内位置計測により得られたデーターをもとにモールドと基板との相対的位置を許容値以下に合わせるための、面内位置合わせを実施している。
なお、面内とはモールドの加工面に対して水平なある平面で、面内位置はＸＹθを用いて表される。この時モールドと基板の距離（ギャップ）はＺを用いて表される。
米国特許第６６９６２２０号明細書 Ｓｔｅｐｈａｎ Ｙ．Ｃｈｏｕ ｅｔ．ａｌ．， Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ，Ｖｏｌ．６７，Ｉｓｓｕｅ ２１，ｐｐ． ３１１４−３１１６（１９９５）
昨今の高精細な微細加工に対する要求が高まる中、上記ナノインプリントによる転写精度に対しても更なる向上が求められている。
しかしながら、上記特許文献１等に開示されているギャップを計測する方法等では、このような要求に対して必ずしも満足の得られるものではない。
これらについて、更に説明すると、ナノインプリントの加圧に際し、モールドの基板側にある第１の表面と基板の表面のギャップがなくなり完全に接触することが望ましい。
これは従来の光露光機において現像後に不要部分のレジストが完全に剥離しているのが望ましいことに相当する。
しかしながら、ナノインプリントでは完全に接触することは難しく残膜層と呼ばれる層が残る。
この残膜層の厚みにばらつきが生じると、一括転写方式においてウエハ間はもちろんのこと、ステップアンドリピート方式においてはチップ間でも凹凸にばらつきが発生し、転写精度が損なわれる。
このため、上記特許文献１では、前述したようにモールドと上記被加工部材である基板間のギャップを計測する方法の提案がなされているが、この計測方法では、つぎに説明するように、正確なギャップの計測を行うことが困難である。
これを、図７を用いて説明する。モールド７０１は、第１の表面７０２、第２の表面７０３を有する凸型の構造をしている。
それらの面の距離７０５は、何らかの手段で既知のものとなっている。
７０４は基板、７０６は第１の表面と基板の距離、７０７は計測領域である。
ところで上記特許文献１では、第２の表面と基板表面の距離を計測することにより、第１の表面と基板の距離が計測波長の４分の１波長以下になっても計測できるとされている。
しかしながら、このギャップを計測する方法では、第２の表面に対向する位置に、第１の表面が無いことから、第１の表面と第２の表面の距離を、第１の表面と基板の距離を計測する光軸と同じにすることは難しい。
これは、パターン形成時の応力等による歪みや熱等による膨張が起こるナノインプリントにおいて重大である。
すなわち、第２の表面と基板表面の距離がわかったとしても、第１の表面と基板表面の正確な距離とはならない場合がある。
また、モールドと基板の距離計測を行う光学系と面内位置計測を行う光学系は別の構成となっている。特にナノインプリントはステッパー等の縮小露光と異なりモールドと加工パターンの大きさが１：１になるパターン形成装置である。
そのため、モールドの裏面より後方の位置においては空間的制約条件がステッパー等と比較して厳しくなる。
例えば、モールドの加工面のパターン領域は２６×３３ｍｍで、光学系に使われる対物レンズはφ２０ｍｍ程度で、それらの大きさは同じオーダーである。
距離計測を行う光学系と面内位置計測を行う光学系が別であれば、それらを同時に配置することは難しくなる。
そのような状態においては、温度変化や振動等によりモールドと基板の位置がずれることによる距離計測の誤差を防ぐことは難しい。
本発明は、上記課題に鑑み、モールドの転写パターンが形成された加工面を含む表面と、被加工部材である基板との間の空間的位置関係を正確に計測することが可能となるパターン形成装置、パターン形成方法の提供を目的とする。
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パターン形成装置、パターン形成方法を提供するものである。
本発明は、モールドと被加工部材とを合わせて、モールドの加工面に形成されたパターンを、前記被加工部材に転写するパターン形成装置を、つぎのように構成する。
すなわち、前記モールドの加工面から後退した位置にあり、且つ前記モールドの加工面と対向した計測基準面を介し、前記計測基準面と前記基板表面との間の距離を計測する。
そして、前記計測基準面と前記加工面の間の厚みと前記計測結果に基づいて、前記モールドの加工面と前記基板表面との間の距離を計測可能に構成した距離計測機構を有することを特徴としている。
前記距離計測機構は、
前記モールドの加工面と前記基板表面との間の距離を計測するために用いる距離計測用の光源と、
前記光源からの光を前記計測基準面と前記基板表面間に導くと共に、それらの反射光を分光器に導く光学系と、を備え、
前記距離計測機構の光学系は、反射前の光と反射後の光の両方が共通の光学系を 透過するように構成され、かつ、前記モールドと前記被加工部材の、面内の位置合わせを行うための光学系と同軸に構成されている。
また、本発明のパターン形成装置は、前記距離計測機構が、前記計測したデーター、モールドや樹脂層の屈折率を記憶させる記憶手段を備えていることを特徴としている。
また、本発明のパターン形成装置は、前記分光器は、前記光学系に導かれた光を分光することを特徴としている。
また、本発明のパターン形成装置は、前記距離計測用の光源が、ブロードバンド光を放出する光源であることを特徴としている。
また、本発明のパターン形成装置は、モールドと被加工部材を合わせて、モールドの加工面に形成されたパターンを、前記被加工部材に転写するパターン形成装置をつぎのように構成する。
すなわち、前記モールドの加工面から後退した位置にあり、且つ前記モールドの加工面と対向した計測基準面を介し、前記計測基準面と前記基板表面との間の距離を計測する。
そして、前記計測基準面と加工面の間の厚みと前記計測結果に基づいて、前記モールドの加工面と前記基板表面との間の距離を計測する距離計測機構を有している。
そして、前記距離計測機構は、ブロードバンド光を放出する光源である第１の光源と、該第１の光源と異なる第２の光源を有し、
前記加工面と基板表面に設けられた樹脂層表面が離れている状態において前記第１の光源による計測を行い、
前記加工面と基板表面に設けられた樹脂層表面が接触している状態において前記第２の光源による計測を行って、前記モールドの加工面と前記基板表面との間の距離を計測可能に構成したことを特徴としている。
また、本発明のパターン形成装置は、前記光学系は、前記計測基準面と基板までの距離よりコヒーレンス長の長い計測系であることを特徴としている。
また、本発明のパターン形成方法は、モールドと被加工部材を合わせて、モールドの加工面に形成されたパターンを、前記被加工部材に転写するパターン形成方法であって、
前記モールドの加工面から後退した位置にあり、且つ前記モールドの加工面と対向した計測基準面を介し、前記計測基準面と前記被加工部材を構成する基板表面との間の距離を計測し、
前記計測基準面と前記加工面の間の厚みと前記計測結果に基づいて、前記モールドの加工面と前記基板表面との間の距離を計測する距離計測工程を有し、
前記距離計測工程は、
ブロードバンド光を用い、前記加工面と基板表面に設けられた樹脂層表面が離れている状態において計測を行うブロードバンド光による計測工程と、
レーザー光を用い、前記加工面と基板表面に設けられた樹脂層表面を接触させた状態において計測を行うレーザー光による計測工程と、
ブロードバンド光による計測工程によって得た計測結果と、レーザー光による計測工程によって得た計測結果に基づいて、加工面と前記基板表面との間の距離を得る工程と、を含むことを特徴している。
また、本発明のパターン形成装置は、前記被加工部材は、前記基板表面に樹脂層を設けていることを特徴としている。
また、本発明のパターン形成装置は、前記モールドまたは前記被加工部材を、相対的に動かし加圧することにより転写することを特徴としている。
また、本発明のパターン形成装置は、前記距離計測と前記面内位置計測を行う光学系の開口数が異なることを特徴としている。
また、本発明のパターン形成装置は、前記距離計測機構の光学倍率と面内位置計測の光学倍率が異なることを特徴としている。
また、本発明は上記したブロードバンド光が、キセノン光源またはハロゲン光源であることを特徴としている。
本発明によれば、モールドの転写パターンが形成された加工面を含む表面と、被加工部材である基板との間の空間的な位置関係を正確に計測することが可能となる。
また、面内位置計測を同時に行うことにより、距離計測を行う領域がずれないように制御し、さらに高精度の計測が可能となる。
これにより、高精細な加工が可能となるパターン形成装置、パターン形成方法を実現することができる。
上記構成によれば、モールドの転写パターンが形成された加工面を含む表面と、被加工部材である基板との間の空間的な位置関係を保持できるため正確に計測することが可能となる。
それは、上記した従来例とは異なり、上記したようにモールドの加工面と対向した位置に計測域を構成したことで、モールドの加工表面と基板表面の距離を同軸で測定可能とされていることによる。
このような構成によれば、モールドの表面と基板表面が樹脂に接触した状態にあっても、モールドの加工表面と基板表面の距離を直接測定することができる。
その結果、残膜層の膜厚の制御が正確におこなうことができ、所望の深さのパターンを得ることが容易になる。
また、このような構成によれば、モールドにパターン形成時の応力等による歪みや熱等による膨張が起こった場合においても、モールドの厚みを測った同じ光軸でモールドの表面と基板表面の距離を正確に測定することができる。
その結果、残膜層の膜厚を正確に制御可能となり、エッチング時のエッチング時間を正確に計算することができ、所望の深さのパターンを得ることができる。
また、以上の技術は、半導体製造技術、フォトニッククリスタル等の光学素子やμ−ＴＡＳ等のバイオチップの製造技術等として利用することができる。
以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１においては、本発明を適用したパターン形成装置の構成例について説明する。
図１に、本実施例１におけるパターン形成装置の構成例を示す。
図１において、１０１は露光光源、１０２はモールド保持部、１０３はワーク保持部、１０４はワーク加圧機構、１０５は面内移動機構である。
１０６は光学系、１０７は計測用光源、１０８はビームスプリッター、１０９は分光器、１１０は撮像素子、１１１は解析機構である。１１２はインプリント制御機構である。
１１３はモールド、１１４は光硬化樹脂、１１５は基板である。
本実施例のパターン形成装置は、露光光源１０１、モールド保持部１０２、ワーク保持部１０３、ワーク加圧機構１０４、面内移動機構１０５、インプリント制御機構１１２、ギャップ計測機構、等により構成される。
ここで、ワークとは被加工部材を構成する光硬化樹脂の塗布された基板である。モールド保持部１０２は、真空チャック方式等によってモールド１１３のチャッキングを行う。
ワークは面内移動機構１０５により所望の位置に移動することができ、ワーク加圧機構１０４によりワークの高さの調整および加圧を行うことができる。
なお、ワーク加圧機構１０４はエンコーダーによって高さ方向の位置をモニターすることができる。
このエンコーダーの精度は１００ｎｍ以下であることが望ましい。ワークの位置移動、加圧、露光等の制御はインプリント制御機構１１２によって行う。
また、ここでは省略されているが、面内の位置合わせを行うための検出系なども備えている。
基板１１５はモールド１１３に対向する位置に置かれ、基板には光硬化樹脂１１４が塗布されている。
なお、ここでの塗布方法はスピンコート法である。
つぎに、本実施例のギャップ計測機構について説明する。
本実施例のギャップ計測機構は、光学系１０６、計測用光源１０７、ビームスプリッター１０８、分光器１０９、撮像素子１１０、解析機構１１１を有している。
ここで、計測用光源１０７は、例えば４００ｎｍ−８００ｎｍのブロードバンド光等の光を出す光源で構成されている。
計測用光源１０７から出た光は光学系１０６を通り、モールド１１３、光硬化樹脂１１４、基板１１５に到達する。
この光はモールド１１３、光硬化樹脂１１４、基板１１５の間で干渉し、その干渉光は光学系１０６に戻り、分光器１０９に到達する。
分光器１０９によって分光された光は、撮像素子１１０により観察される。撮像素子１１０はラインセンサーなどである。
解析機構１１１は屈折率や計測したデーターを予め記憶する記憶デバイスを備え、さらに、撮像素子１１０からの信号の処理を行う。
なお、ギャップ計測機構と面内の位置合わせを行うための検出系を同軸にすることもできる。
ここで、光学系に更なるビームスプリッターを設けることにより、ギャップ計測を行う光学系、面内の位置合わせを行う光学系に分岐させる。
この方法により、面内およびギャップの計測をそれぞれ独立にするより少ない光学系で行うことができる。
つぎに、光の干渉により膜の厚みやギャップの距離を測定する原理について説明する。
まず、ナローバンド（狭帯域）の光源を使う方法について説明する。
このような光源として、レーザー、ＬＥＤ等がある。またブロードバンド光源にフィルターを用いても良い。
ここで薄膜の厚さをｄ、屈折率をｎとしたときに、薄膜の両端で反射した光が干渉した場合を考える。
強度が小さくなる波数ｋmoおよび波長λmoは任意の整数ｍを用いて次の関係式を満たす。なお、ここで波数は単位長さあたりの波の数とする。
Figure 0005268239
また、強度が大きくなる波数ｋmeおよび波長λmeは次の関係式を満たす。
Figure 0005268239
このように、強度は波数および波長によって周期的に変わる。
従って、光の強度は半波長分の距離ごとに周期的に変化する。
例えば波長６００ｎｍ，ｎ＝１．５であれば、周期は２００ｎｍとなる。
この周期以上の距離を測定するには例えば精度１００ｎｍ程度のエンコーダーを用いる。さらに、モールド表面と基板表面の初期位置が合わせて１００ｎｍ以内の誤差であれば、
モールドと基板の絶対的な距離を測定することができる。
つぎに、本実施例の計測用光源１０７のように、ブロードバンド（広帯域）の光源を用いることで、膜の厚さやギャップの距離の絶対値を求める方法について説明する。なお、このような光源として、ハロゲン光源やキセノン光源等がある。
図２に、１層の膜において、屈折率および厚みがそれぞれ異なっている時の波数に対する強度の模式図を示す。
図２（ａ）は山と谷が計測波数内に３つある状態、図２（ｂ）は山と谷が計測波数内に２つある状態、図２（ｃ）は山と谷が計測波数内に１つしかない状態を示す図である。
屈折率はそれぞれｎa、ｎb、ｎc、膜の厚さはそれぞれｄa、ｄb、ｄcである。２０１、２０２は近接する山と山の間隔でそれぞれ１／２ｎaｄa、１／２ｎbｄbである。２０３は近接する山と谷で１／４ｎcｄcである。
この結果、フーリエ変換などの周波数解析、山と谷や山と山のピーク検出から光学距離ｎｄを計算することができることが分かる。
なお、計測できる波数の最小値をｋL＝１／λL、最大値をｋM＝１／λMとする。屈折率は説明を簡単にするために波長に依存しないものとする。
また、ここでは例えば上端を透過して、下端で反射した光が上端、下端で再度反射して出てくるような多重反射の影響も考慮しない。
ここで具体的な数値例をあげると例えばｄa＝８００ｎｍ，ｄb＝５００ｎｍ，ｄc＝３００ｎｍでｎ＝１．４，ｋL＝１／４００，ｋM＝１／８００とした場合である。
この方法においては膜の厚さが薄くなるほど山と谷の数が減っていく。
この場合測定できる厚さの最小はｍ＝０の時で以下の式で表される。
Figure 0005268239
先ほどの数値例を適用すると７１ｎｍが最小である。
つぎに、２層の場合を考える。この場合、それぞれの端面で反射する。例えば２層の厚さがｄa，ｄbであるとし、十分帯域の広い光を用いれば、図２（ａ）、（ｂ）のスペクトルに定数を乗じた和が得られる。
これを周波数解析することによってｎaｄa，ｎbｄb，ｎaｄa＋ｎbｄbの３通りの位置にピークが発生する。
さらに、３層の場合は図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のスペクトルの和で、周波数解析をすることによりｎaｄa，ｎbｄb，ｎcｄc，ｎaｄa＋ｎbｄb，ｎbｄb＋ｎcｄc，ｎaｄa＋ｎbｄb＋ｎcｄcの６通りのピークが現れる。なお、計測波長の光学距離に換算して４分の１波長より短い距離を計測する場合には、前もって計算した値と比較することによって測定することが可能である。さらに、計測方法はエリプソメトリーを使う方法であってもよい。
つぎに、本実施例のギャップ計測方法について説明する。
この方法に好適な条件はモールドの裏面から基板の表面までの光学距離が光のコヒーレンス長より短いことである。なおコヒーレンス長は以下の式で与えられる。
Figure 0005268239
例えば、つぎのような式であれば、コヒーレンス長は１６ｍｍになる。モールドの厚さが６ｍｍであれば、十分この条件を満たしている。
Figure 0005268239
ここで、モールドと基板の位置と干渉光の関係について説明する。
図３に、本実施例におけるモールドの裏面を使って測定する方法を説明する。
モールドに入射したブロードバンド光はモールドの裏面３０１、モールド第１の表面３０２、樹脂表面３０３、基板表面３０４で反射する。
そして、それぞれが干渉３０５し計測系へ戻る。
図３（ａ）はモールドと樹脂が接触していない状態である。ここでモールドの裏面−モールド第１の表面距離ｄ1、モールド第１の表面−樹脂表面距離ｄ2、樹脂表面−基板表面距離ｄ3とする。
この場合干渉光を分光し周波数解析を行うとｎ1ｄ1，ｎ2ｄ2，ｎ3ｄ3，ｎ1ｄ1＋ｎ2ｄ2，ｎ2ｄ2＋ｎ3ｄ3，ｎ1ｄ1＋ｎ2ｄ2＋ｎ3ｄ3の６通りのピークが現れる。ここでモールド、空気、光硬化樹脂の屈折率は加圧中に変化しないので予め記憶させたデーターを必要な時に参照する。
この結果ｄ1，ｄ2，ｄ3をそれぞれ計算することができる。
図３（ｂ）はモールドと樹脂が接触している場合である。
このとき、モールドと樹脂の屈折率が近いためモールドの加工面において反射がほとんど起こらない。この場合ｎ1ｄ1＋ｎ3ｄ3にピークが現れる。
つぎに、モールドを基板に近づけながら計測するシーケンスを説明する。
まず、モールド裏面と基板表面の距離がコヒーレンス長以上である位置で、モールドの厚さｄ1を計測し解析機構に記憶させる。次にワーク加圧機構で近づけていく。この間、モールドと基板の距離のモニターはワーク加圧機構のエンコーダーで行う。
つぎに、コヒーレンス長以内でかつ樹脂に接触していない領域までモールドと基板を近づける。
この領域では周波数解析によりｄ1，ｄ2，ｄ3を計算することができる。
したがって、モールド第１の表面と基板表面の距離はｄ2＋ｄ3である。
さらに近づけていき、モールドと樹脂が接触した状態になる。
この領域ではピークがｎ1ｄ1＋ｎ3ｄ3に現れる。
ここで、予め計測したｎ1ｄ1を減算することによってｄ3を計算することができ、この値がモールド第１の表面と基板表面の距離を得ることができる。
なお、予めｎ1ｄ1を計測した光軸とモールドと基板の間隔を近づけていくときに計測する光軸とが同じであるため、精度の高い結果を得ることが可能である。
また、本実施例のシーケンスにおいて、モールドの第１の表面と基板表面が接してない場合、ｄ2のみ変化するためｎ1ｄ1，ｎ3ｄ3，の成分を減算することによって計算を簡略化することができる。
さらにまた、光源の強度スペクトルはフラットではない。そのため予め強度スペクトルを取っておき、計測光のスペクトルと強度スペクトルで除算することにより規格化をすることができる。その結果さらに精度の高い周波数解析を行うことができる。
さらに、ギャップ計測機構を３本以上備えることによりモールドと基板の傾きを検出でき、モールドと基板の平行度を合わせることが可能になる。
また、モールドと基板の平行度を合わせる別の方法として光学系を面内に駆動する駆動機構を設けることによって、計測光を面内に移動しながらギャップを計測することができる。例えば原点、Ｘ方向に移動した点、Ｙ方向に移動した点にてそれぞれギャップを計測する。
この結果、モールドと基板の傾きを検出することができ、平行度を合わせることが可能である。
本実施例のパターン形成装置におけるモールドの構成を図４に示す。
４０１はモールド本体を形成している第１の透明部材である。
この透明部材は、つぎのような部材等によることができる。
Figure 0005268239
図４（ａ）は、モールドの第１の表面とモールドの第１の裏面が対向している点線で囲んだ位置に計測域がある場合の形態を示す図である。
図４（ａ）において、４０２はモールドの第１の表面、４０３はモールドの第１の裏面、４０４はモールドの第２の表面である。
モールドの第２の表面４０４は第１の表面４０２より裏面側に後退した位置にある。
また、４０６の点線で囲んだ領域はギャップの計測領域である。
また、図４（ｂ）は、第１の表面と第２の裏面が対向している点線で囲んだ位置に計測域がある場合である。
図４（ｂ）において、４０５はモールドの第２の裏面であり、第１の裏面４０３よりモールドの第１の表面４０２側にある。
この構成は、コヒーレンス長が図４（ａ）のモールドの表面と裏面の距離より短い場合に有効である。
また、図４（ｃ）は、図４（ｂ）の別の形態であり、点線で囲んだ計測域の部分が窪んでいる位置に構成されている。
また、図４（ｄ）は、第１の透明部材と第２の透明部材からなる構成である。
図４（ｄ）において、４０７は第２の透明部材であり、４０８は第２の透明部材と第１の透明部材の境界を示す。
第１の透明部材と第２の透明部材では屈折率が異なっており、かつ光硬化樹脂のそれとも異なっている。
この時の第２の透明部材は、つぎのような部材等によることができる。
Figure 0005268239
計測域は第１の表面４０２と透明部材の境界面４０８が対向している位置にある。
この構成では第２の透明部材の厚みは、光学距離で計測波長の４分の１以上の長さである。
図４（ｅ）は、図４（ｄ）の別の形態であり、第２の透明部材４０７に第１の表面４０２と第２の表面４０４が含まれる場合である。
なお、計測域の第１の表面、第２の裏面、当面部材間の境界面は平面であることがより望ましい。
［実施例２］
実施例２においては、実施例１とは異なりコヒーレンス長がモールドの厚みより短い時に好適な構成例について説明する。
図５に、本実施例における第１の透明部材と第２の透明部材を有するモールドで測定する方法を説明する図を示す。
実施例１との共通部分の説明は省略し、差異のある部分についてのみ説明する。図５において、５０１はモールド第１の表面、５０２は透明部材間の境界面、５０３は樹脂表面、５０４は基板表面、５０５はブロードバンド光による干渉である。
本実施例の実施例１との差異は、コヒーレンス長がモールドの厚みより短い時に適用され
ることである。
例えば、つぎのような式であれば、コヒーレンス長は３．２ｍｍである。
Figure 0005268239
このような場合は、図４（ｄ）、（ｅ）のようなモールドを使うことが有効であり、この時の検出の方法について、つぎに説明する。なお、計測可能な範囲は第２の裏面４０５から基板の距離または透明部材間の境界面４０８から基板の距離がコヒーレンス長以内のところである。
ここで、モールドと基板の位置と干渉光の関係について説明する。
モールドに入射したブロードバンド光はモールドにおける上記境界面５０２、樹脂表面５０３、基板表面５０４で反射する。
それぞれが干渉５０５し計測系へ戻る。
図５（ａ）はモールドと樹脂が接触していない状態である。
ただし、モールドの第１の表面−境界面距離ｄ1、モールドの第１の表面−樹脂表面距離ｄ2、樹脂表面−基板表面距離ｄ3である。
この場合干渉光を分光し周波数解析を行うと実施例１と同様にｎ1ｄ1，ｎ2ｄ2，ｎ3ｄ3，ｎ1ｄ1＋ｎ2ｄ2，ｎ2ｄ2＋ｎ3ｄ3，ｎ1ｄ1＋ｎ2ｄ2＋ｎ3ｄ3の６通りのピークが現れる。
これらのピークから屈折率のデーターを参照することによってｄ1，ｄ2，ｄ3をそれぞれ計算することができる。
したがって、モールド第１の表面と基板表面の距離はｄ2＋ｄ3である。
図５（ｂ）はモールドと樹脂が接触している場合である。
このときモールドと樹脂の屈折率が違うためモールドの第１の表面においても反射が起こる。したがって、ピークはｎ1ｄ1＋ｎ3ｄ3に現れる。
ここで、予め計測したｎ1ｄ1を減算することによってｄ3を計算することができ、この計算により得た値がモールド第１の表面と基板表面の距離となる。
［実施例３］
実施例３においては、実施例１、実施例２と異なり、コヒーレンス長がモールドの厚みより短く、かつモールドに第２の透明部材を設けることができない時に好適な構成例について説明する。
図６に、本実施例における樹脂に接触する前後で異なる光源を用いる測定方法を説明する図を示す。
実施例１、２との共通部分の説明は省略し、差異のある部分についてのみ説明する。
図６において、６０２はモールド第１の表面、６０３は樹脂表面、６０４は基板表面である。また、６０５はブロードバンド光による干渉、６０６はレーザーによる干渉を示している。
本実施例と実施例１、実施例２との差異は、コヒーレンス長がモールドの厚みより短く、かつモールドに第２の透明部材を設けることができない時に適用されることである。
このような場合には、図４（ａ）のようなモールドが用いられる。
ここで、モールドと基板の位置と干渉光の関係について説明する。
モールドに入射したブロードバンド光はモールドの裏面６０１、モールドの第１の表面６０２、樹脂表面６０３、基板表面６０４で反射する。
それぞれが干渉６０５し計測系へ戻る。図６（ａ）はモールドと樹脂が接触していない状態である。
干渉光を分光し周波数解析を行うとｎ2ｄ2，ｎ3ｄ3，ｎ2ｄ2＋ｎ3ｄ3の３通りのピークが現れる。
これは実施例１と異なるが、これはモールドの厚みがコヒーレンス長より長いためモール
ドの厚さの干渉を検出できないからである。
これらのピークから屈折率のデーターを参照することによってｄ2，ｄ3をそれぞれ計算することができる。
したがって、モールド第１の表面と基板表面の距離はｄ2＋ｄ3である。この計測方法は樹脂に接触するまでこの計測をすることができ、接触した位置をｄcとする。
図６（ｂ）はモールドと樹脂が接触している場合である。
この状態ではコヒーレンス長の長いレーザー光によるモールド裏面の反射と基板表面の干渉光を観察する。モールドが基板表面に近づくにつれ、この干渉光の強度は正弦波的に変化する。レーザー光の波長をλとすれば、その周期はλ／２ｎとなる。
したがって、周波数の強度および強度の山の数をカウントすることによって移動距離Ｌを測定することができる。
この結果モールドの第１の表面と基板表面の距離はｄc−Ｌで与えられる。
［実施例４］
実施例４においては、モールド加工面と基板表面の距離計測（Ｚ）および面内位置計測（ＸＹθ）を行う光学系の一部を同軸にした構成例について説明する。図８（ａ）は本実施例の光学系で、撮像素子８０１、光源８０２、第１の結像系８０５、分光器８１０等からなる。
光源から出た光は第１のビームスプリッター８０９、第１の結像光学系をとおり、モールド８０６および基板８０７に到達する。モールド及び基板で反射した光は第１の結像光学系に戻る。
第２のビームスプリッター８０８に到達した光はそれぞれ距離計測用の集光部８０３および面内位置計測用の撮像素子に分岐される。
集光部に到達した光はファイバー等の導波路によって分光器に到達する。また、撮像素子および集光部は第１の結像系の焦点付近における情報が結像する位置である。
なお、基板から第２のビームスプリッターまでの光軸８０４を距離計測系および面内位置計測系で共有している。
特に、ナノインプリントではモールドと加工パターンの大きさが１：１になる方法である。そのためモールドの裏面より後方には空間を十分確保することが難しいという制約がある。
すなわち、距離計測を行う光学系と面内位置計測を行う光学系が別であれば、これらを同時にモールドの裏面より後方に配置することは難しいのはもちろんのこと、距離計測と面内位置計測を同時に測定を行うことも難しい。
そのような状態においては、温度変化や振動等によりモールドと基板の位置がずれることによる距離計測の誤差を防ぐことは難しい。一方光学系を共有することによってその制約を回避できる。
図８（ｂ）に距離計測系の開口数（ＮＡ）と面内位置計測系のＮＡを変えるための構成を示す。
第２のビームスプリッターから集光部までの間に絞り８１１を有する構成である。
面内位置計測においてはＮＡが高いほど光学系の分解能が高くなり、位置計測の精度が上がる。一方距離計測においては、収差の影響を排除するためにＮＡを小さくする方が有利な場合がある。このような時に有効な構成である。
図８（ｃ）に距離計測系の光学倍率と面内位置計測系の光学倍率を変えるための構成を示す。
第２のビームスプリッターから撮像素子までの間に第２の結像光学系８１２を有する。
面内計測においては、倍率が高いほど高精度の位置計測ができる場合がある。
一方距離計測系は収差の影響を排除するためＮＡは小さく、かつ光学系は少ない方が良い。このようなときに有利である。
図８（ｄ）はモールド加工面と基板表面の傾き計測を行うための構成である。
結像位置において、集光部を光軸に対し垂直な平面で移動するための駆動機構を有する構成である。
集光部を平面移動させながら距離計測を行うことによってモールド加工面と基板表面の傾きを検出することができる。
ここで、集光部の構造を図９で説明する。
集光部はファイバー９０１および保持部材９０２から成り立っている。保持部材は不要な反射を抑える反射防止膜が施されている。
また、テーパーをつけて測定部に戻らないようにしていてもよい。
図９（ｂ）は複数の開口９０３を有する部材９０４である。
図８（ａ）において集光部８０３とビームスプリッター８０８の間で、かつ像面に複数の開口部材を配置する。
直接開口部に複数のファイバーをつけて情報を捕らえ、それらを切り換えることによって、面内の複数の位置における距離を計測することが可能となる。この結果モールド加工面と基板表面の傾きを計算することができる。
モールド加工面と基板表面の距離計測および面内位置計測を同時に行うための空間的位置計測マーク領域について説明する。
なお、座標は図面のように紙面の裏から表の方向をｚ軸の正方向とし、光学系を通して観察した時の破線１００４で囲まれた領域が光学系の視野である。
図１０（ａ）はモールドと基板がほぼ所望の相対する位置にある。
空間的位置計測マーク領域は距離計測領域と面内位置計測領域からなる。まず、第１の距離計測領域１００３について説明する。距離計測領域は点線で示される領域で、ここでは光学系の視野の中心位置である。
次に、面内位置計測領域１００５について説明する。
モールドマークは複数のモールドマーク構成要素１００１がｘ方向に並んでおり、基板マークは複数の基板マークの構成要素１００２がモールドマーク構成要素の間に並んでいる。
なお、モールドマークの構成要素と基板マークの構成要素の間隔が等間隔になった時にモールドと基板の面内位置が合ったと判断される。
この空間的位置計測マーク領域においては加工面の面内方向（ｘ軸）と加工面に垂直な方向（ｚ軸）の２軸の位置合わせが可能となる。
図１０（ｂ）は図１０（ａ）におけるＡＡ’位置における断面図である。
モールドマークは凸構造の構成要素１００６からなり、基板マークは凹構造の構成要素１００７からなっている例である。
距離計測域において、モールドの加工面側はマークの凸構造と同じ高さであり、基板の表面側はマークの凸構造と同じ高さである。したがって特に境界領域が設けられていない。
図１０（ｃ）は図１０（ａ）におけるＡＡ’位置における断面図が、図１０（ｂ）に対してモールドの凸構造と基板の凸構造が逆の場合である。
なお、両方凸構造であっても良いし、両方凹構造であっても良い。
また、距離計測域においてはモールド側、基板側、共に凹構造であっても良いしどちらかが凹構造であっても良い。
図１０（ｄ）は距離計測領域と面内位置計測領域の一部が共有している構成１０１０となっている。
図１０（ｅ）は面内位置計測を２次元で行うことができるマークの構成である。距離計測を視野の中心で行える構成となっており、３軸の計測ができ、さらに、周囲１０１１の部分で距離計測を行うことによって、モールドの加工面と基板の表面の傾きを計測することができる。
次に、モールド加工面と基板表面の距離計測および面内位置計測を同時に行うための手順について説明する。
図１１（ａ）は、図１０（ａ）や図１０（ｄ）のマークの構成を用いて面内位置制御と距離制御の手順を示すものである。
３次元で位置合わせを行う場合には、このようなマークおよび光学系が２箇所以上ある。
まず、Ｓ１−１の工程にてモールドを基板に近づける。この時モーターのエンコーダーなどを用いる粗動で、例えばモールド加工面と基板表面の距離を数十マイクロメートル程度に設定する。
Ｓ１−２の工程でマークを選択する。Ｓ１−３の工程で距離計測を行い、Ｓ１−４の工程で条件（１）を満たすかどうか判定する。
条件（１）は所望の距離に対して数ナノメートル以内の誤差であることなどである。
条件（１）を満たさない場合はＳ１−５の工程で距離制御を行う。条件（１）満たすとＳ１−６の工程の面内位置計測を行う。Ｓ１−７の工程で、条件（２）を満たすかどうかを判定する。この時の条件とは数ナノメートル以内の誤差であるなどである。
条件（２）を満たさない場合はＳ１−８の工程で面内位置制御を行う。条件（２）を満たす場合はＳ１−９の工程で条件（３）の判定を行う。
このときの条件としては、例えば、つぎの（ａ）乃至（ｃ）などの条件とすることができる。
（ａ）全てのマークを測定していない。
（ｂ）全てのマークを測定し、さらにモールドを近づける必要がある。
（ｃ）全てのマークを測定し、モールドの加工面と基板の表面の距離が最終的な値に到達した。
（ａ）の場合はＳ１−２に進み別のマークの測定を行う。
（ｂ）の場合はＳ１−１０へ進みモールドの加工面と基板表面の距離を近づける。このときの距離は数百〜数十ｎｍ程度の微動である。
（ｃ）の場合は終了である。
図１１（ｂ）は図１０（ｅ）のようなマークを用い、３次元の位置合わせを一つのマークと一つの光学系で行う工程を示す。
まず、Ｓ２−１の移動（１）により図１１（ａ）と同様モールドを基板に近づける。
次に、Ｓ２−２の工程で距離を計測する。このときの距離計測は複数箇所である。
次に、Ｓ２−３の工程において、モールドの加工面と基板表面の傾きを計算する。
次に、Ｓ２−４の工程において、判定を行う。この時の条件（１）は距離および傾きが数ナノメートル以内であることなどである。
なお、条件を満たさない場合は、Ｓ２−５の工程において、距離制御を行う。これに対して、条件を満たす場合はＳ２−６の工程へ進む。
Ｓ２−７の工程において、条件（２）の判定を行う。この時の条件は面内の誤差が数ナノメートル以内であることである。
この条件を満たさない場合は、Ｓ２−８の面内位置制御を行う。
条件を満たす場合は、Ｓ２−９の工程において、条件（３）の判定を行う。この時の条件はモールドの加工面と基板表面の距離が最終的な距離であるかどうかである。
これらを満たす場合は終了し、満たさない場合はＳ２−１１へ進みモールドの加工面と基板表面の距離を近づける。
なお、２次元のマークであっても複数個のマークで、複数個の光学系で観察することによってさらに精度を上げることができる。
本発明の実施例１におけるパターン形成装置の構成例を示す図。 本発明の実施例１におけるブロードバンドの光源を用いた際の測定の原理を説明する屈折率および厚みがそれぞれ異なっている時の波数に対する強度を示す模式図。（ａ）は山と谷が計測波数内に３つある状態を示す図。（ｂ）は山と谷が計測波数内に２つある状態を示す図。（ｃ）は山と谷が計測波数内に１つしかない状態を示す図。 本発明の実施例１におけるモールドの裏面を使って測定する方法を説明する図。（ａ）はモールドの第１の表面と樹脂表面が離れている状態を示す図。（ｂ）はモールドの第１の表面と樹脂表面が接触している状態を示す図。 本発明の実施例１のパターン形成装置におけるモールドの構成を説明する図。（ａ）はモールドの第１の表面と第１の裏面の対向する点線で囲んだ位置に計測域がある場合を示す図。（ｂ）はモールドの第１の表面と第２の裏面の対向する点線で囲んだ位置に計測域がある場合を示す図。（ｃ）は（ｂ）の別の形態を示す図。（ｄ）は第１の透明部材と第２の透明部材からなる場合を示す図。（ｅ）は（ｄ）の別の形態を示す図。 本発明の実施例２における第１の透明部材と第２の透明部材を有するモールドで測定する方法を説明する図。（ａ）はモールドの第１の表面と樹脂表面が離れている状態を示す図。（ｂ）はモールドの第１の表面と樹脂表面が接触している状態を示す図。 本発明の実施例３における樹脂に接触する前後で異なる光源を用いる測定方法を説明する図。（ａ）はモールドの第１の表面と樹脂表面が離れている状態を示す図。（ｂ）はモールドの第１の表面と樹脂表面が接触している状態を示す図。 特許文献１による従来の方法を説明する図。 本発明の実施例４における光学系の構成を説明する図。（ａ）は面内位置計測と距離計測の光学系が光学的に等価である構成を示す図。（ｂ）は距離計測の光学系に絞りがある構成を示す図。（ｃ）は面内位置計測に第２の結像光学系がある構成を示す図。（ｄ）は距離計測の光学系に光軸に対して垂直な方向に駆動できる機構がある構成を示す図。 本発明の実施例４における集光部を示す図。（ａ）はファイバーおよび保持部を示す図。（ｂ）は複数の開口がある部材を示す図。 本発明の実施例４における位置合わせマークを光学系で観察した状態を示す図。（ａ）は距離計測領域を視野の中心、面内位置計測を別の領域にあるマーク領域の構成を示す図。（ｂ）は（ａ）におけるＡＡ’断面図。（ｃ）は（ａ）におけるＡＡ’断面図で（ｂ）と別の形態を示す図。（ｄ）は面内位置計測の一部と距離計測計測を同じ領域で行うマーク領域の構成を示す図。（ｅ）は３次元の位置計測を行うマークの構成を示す図。 本発明の実施例４における位置合わせを行うための手順を示す図。（ａ）は複数個のマークで３軸の位置制御を行う手順を説明する図。（ｂ）は一つのマークで３軸の位置制御を行う手順を説明する図。
符号の説明
１０１：露光光源
１０２：モールド保持部
１０３：ワーク保持部
１０４：ワーク加圧機構
１０５：面内移動機構
１０６：光学系
１０７：計測用光源
１０８：ビームスプリッター
１０９：分光器
１１０：撮像素子
１１１：解析機構
１１２：インプリント制御機構
１１３：モールド
１１４：光硬化樹脂
１１５：基板
２０１：近接する山と山の間隔１／２ｎaｄa
２０２：近接する山と山の間隔１／２ｎbｄb
２０３：近接する山と谷の間隔１／４ｎcｄc
３０１：モールド裏面、
３０２：モールド第１の表面
３０３：樹脂表面
３０４：基板表面
３０５：ブロードバンド光による干渉
４０１：モールド第１の透明部材
４０２：モールド第１の表面
４０３：モールド第１の裏面
４０４：モールド第２の表面
４０５：モールド第２の裏面
４０６：計測領域
４０７：モールド第２の透明部材
４０８：透明部材間の境界面
５０１：モールド第１の表面
５０２：透明部材間の境界面
５０３：樹脂表面
５０４：基板表面
５０５：ブロードバンド光による干渉
６０１：モールドの裏面
６０２：モールド第１の表面
６０３：樹脂表面
６０４：基板表面
６０５：ブロードバンド光による干渉
６０６：レーザーによる干渉
７０１：モールド
７０２：第１の表面
７０３：第２の表面
７０４：基板
７０５：第１の表面と第２の表面の距離
７０６：第１の表面と基板の距離
７０７：計測領域８０１：撮像素子
８０２：光源
８０３：集光部
８０４：光軸
８０５：第１の結像光学系
８０６：モールド
８０７：基板
８０８：第１のビームスプリッター
８０９：第２のビームスプリッター
８１０：分光器
８１１：絞り
８１２：第２の結像光学系
８１３：集光部駆動機構
９０１：ファイバー
９０２：ファイバー保持部
９０３：開口
９０４：複数の開口のある部材
１００１：モールドマークの構成要素
１００２：基板マークの構成要素
１００３：第１の距離計測領域
１００４：顕微鏡観察領域
１００５：面内位置計測領域
１００６：凸構造のモールドマークの構成要素
１００７：凹構造の基板マークの構成要素
１００８：凹構造のモールドマークの構成要素
１００９：凸構造の基板マークの構成要素
１０１０：第２の距離計測領域
１０１１：第３の距離計測領域

Claims (12)

  1. モールドと被加工部材とを合わせて、モールドの加工面に形成されたパターンを、前記被加工部材に転写するパターン形成装置であって、
    前記モールドの加工面から後退した位置にあり、且つ前記モールドの加工面と対向した計測基準面を介し、前記計測基準面と前記被加工部材を構成する基板表面との間の距離を計測し、
    前記計測基準面と前記加工面の間の厚みと前記計測結果に基づいて、前記モールドの加工面と前記基板表面との間の距離を計測可能に構成した距離計測機構を有し、
    前記距離計測機構は、
    前記モールドの加工面と前記基板表面との間の距離を計測するために用いる距離計測用の光源と、
    前記光源からの光を前記計測基準面と前記基板表面間に導くと共に、それらの反射光を分光器に導く光学系と、を備え、
    前記距離計測機構の光学系は、反射前の光と反射後の光の両方が共通の光学系を透過するように構成され、かつ、前記モールドと前記被加工部材の、面内の位置合わせを行うための光学系と同軸に構成されていることを特徴とするパターン形成装置。
  2. 前記距離計測機構は、前記計測したデーター、モールドや樹脂層の屈折率を記憶させる記憶手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載のパターン形成装置。
  3. 前記分光器は、前記光学系に導かれた光を分光することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のパターン形成装置。
  4. 前記距離計測用の光源は、ブロードバンド光を放出する光源であることを特徴とする請求項１に記載のパターン形成装置。
  5. モールドと被加工部材とを合わせて、モールドの加工面に形成されたパターンを、前記被加工部材に転写するパターン形成装置であって、
    前記モールドの加工面から後退した位置にあり、且つ前記モールドの加工面と対向した計測基準面を介し、前記計測基準面と前記被加工部材を構成する基板表面との間の距離を計測し、
    前記計測基準面と前記加工面の間の厚みと前記計測結果に基づいて、前記モールドの加工面と前記基板表面との間の距離を計測可能に構成した距離計測機構を有し、
    前記距離計測機構は、ブロードバンド光を放出する光源である第１の光源と、該第１の光源と異なる第２の光源を有し、
    前記加工面と基板表面に設けられた樹脂層表面が離れている状態において前記第１の光源による計測を行い、
    前記加工面と基板表面に設けられた樹脂層表面が接触している状態において前記第２の光源による計測を行って、前記モールドの加工面と前記基板表面との間の距離を計測可能に構成したことを特徴とするパターン形成装置。
  6. 前記光学系は、前記計測基準面と基板までの距離よりコヒーレンス長の長い計測系であることを特徴とする請求項１に記載のパターン形成装置。
  7. モールドと被加工部材を合わせて、モールドの加工面に形成されたパターンを、前記被加工部材に転写するパターン形成方法であって、
    前記モールドの加工面から後退した位置にあり、且つ前記モールドの加工面と対向した計測基準面を介し、前記計測基準面と前記被加工部材を構成する基板表面との間の距離を計測し、
    前記計測基準面と前記加工面の間の厚みと前記計測結果に基づいて、前記モールドの加工面と前記基板表面との間の距離を計測する距離計測工程を有し、
    前記距離計測工程は、
    ブロードバンド光を用い、前記加工面と基板表面に設けられた樹脂層表面が離れている状態において計測を行うブロードバンド光による計測工程と、
    レーザー光を用い、前記加工面と基板表面に設けられた樹脂層表面を接触させた状態において計測を行うレーザー光による計測工程と、
    ブロードバンド光による計測工程によって得た計測結果と、レーザー光による計測工程によって得た計測結果に基づいて、加工面と前記基板表面との間の距離を得る工程と、
    を含むことを特徴とするパターン形成方法。
  8. 前記被加工部材は、前記基板表面に樹脂層を設けていることを特徴とする請求項１に記載のパターン形成装置。
  9. 前記モールドまたは前記被加工部材を、相対的に動かし加圧することにより転写することを特徴とする請求項１に記載のパターン形成装置。
  10. 前記距離計測と前記面内位置計測を行う光学系の開口数が異なることを特徴とする請求項１に記載のパターン形成装置。
  11. 前記距離計測機構の光学倍率と面内位置計測の光学倍率が異なることを特徴とする請求項１に記載のパターン形成装置。
  12. 請求項４または請求項５に記載のブロードバンド光が、キセノン光源またはハロゲン光源であることを特徴とするパターン形成装置。
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