CN101772733B - 纳米压印工艺中用于衬底的对齐系统和方法 - Google Patents

纳米压印工艺中用于衬底的对齐系统和方法 Download PDF

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Abstract

一种透明的压印模板模具配置有包围有效压印区的光栅。光栅与有效区同时制造，从而相对于光栅准确限定有效区。在工具坐标中，衬底被定位于模板模具之下。传感器系统产生光能束并仅在特定的角窗处接收反射能量，而且它用于定位模板模具。扫描传感器系统以在工具坐标中定位衬底和光栅。以此方式，在工具坐标中相对于衬底确定模板模具的相对位置。然后相对于模板模具准确定位衬底。该系统可用于跟踪相对于衬底的压印图案位置，并确定图案与衬底的同心性。

Description

纳米压印工艺中用于衬底的对齐系统和方法
技术领域
本发明的领域一般涉及结构的纳米制造。
背景信息
纳米制造涉及制造非常小的结构，例如制造具有纳米或更小量级的部件的结构。纳米制造已经具有相当大影响力的一个领域是集成电路加工领域。随着半导体加工产业继续争取更大生产率同时增多在衬底上形成的每单位面积的电路，纳米制造变得越来越重要。纳米制造提供更好的工艺控制，同时允许所形成结构的最小特征尺寸继续减小。已经采用纳米制造的其它开发领域包括生物技术、光技术、机械系统等。
一种示例性的纳米制造技术通常称为压印光刻。示例性的压印光刻工艺在多个出版物中都有详细描述，诸如题为“用于将部件设置在衬底上以复制尺寸变化性最小的部件的方法和模具(Method and a Mold to ArrangeFeatures on a Substrate to Replicate Features having Minimal DimensionalVariability)”的被提交为美国专利申请10/264,960的美国专利申请公开2004/0065976、题为“在衬底上形成层以便于计量标准制造的方法(Methodof Forming a Layer on a Substrate to Facilitate Fabrication of MetrologyStandards)”的被提交为美国专利申请10/264,926的美国专利申请公开2004/0065252、以及题为“用于压印光刻工艺的功能图案化材料(FunctionalPatterning Material for Imprint Lithography Processes)”的美国专利6,936,194，以上专利或申请均转让给本发明的受让人，而且通过引用结合在本文中。
在上述美国专利申请公开和美国专利中的每一个中公开的压印光刻技术包括在可聚合层中形成凹凸图案，并将对应于该凹凸图案的图案转移到下面的衬底中。该衬底可被定位在可动平台上，以获得期望位置以便于其图案化。为此，采用了与衬底隔开的模板，且在模板与衬底之间存在可成形的液体。该液体被固化以在其中形成所记录图案的固化层，该图案符合与液体接触的模板的表面的形状。然后将模板与固化层分开，从而模板和衬底被分隔开。然后对衬底和固化层进行加工，以将对应于固化层中图案的凹凸图案转移到衬底中。
概述
一种用于将透明压印模板模具与衬底对齐的系统包括扫描传感器系统，该扫描传感器系统产生光能束，并被配置成仅接收从检测面反射的出现在相对于衬底表面的角窗(angular window)内的光能的部分。这些光栅被设置成包围对应于压印模板的有效区。这些光栅具有检测面，这些检测面具有对应于预定尺寸增量的间距，从而能确定位置。该系统还包括用于在由工具坐标确定的透明模板模具下定位衬底的工具定位系统。该系统具有设置在传感器系统与衬底之间的定位平台，该定位平台被配置成相对于衬底的表面定位压印模板模具的有效区。
该系统具有用于产生控制信号的控制器，这些控制信号用于定位衬底和传感器系统。传感器信号响应于所接收的从模板或衬底反射或散射的光能的变化。
首先，公开了一种在平台坐标框架中定位和定向模板的方法。模板具有带有可压印部件的有效区。模板上的光栅与压印部件同时产生，因而相对于压印部件准确定位。光栅可由连续的线或多段线组成。传感器系统产生光能束，且被配置成仅接收在相对于测量面的表面的小角窗中的光能部分。在控制器中处理传感器信号以在工具坐标中定位该模板。
在另一实施例中，当测量光束经由反射面——该反射面倾斜以引导反射光束到达传感器的接收器——被反射时，同一光传感器可定位衬底的边缘。当衬底的边缘阻挡返回光束时，接收器处的光能改变，这表明衬底边缘的位置。可确定衬底的中心位置和衬底ID的直径。
在另一实施例中，公开了一种用于在平台坐标框架中定位/定向压印衬底的相似的系统/方法。衬底包含用具有匹配光栅的模板压印之后的光栅。衬底上的光栅具有对应于模板的间距的相同间距。通过收集来自衬底光栅的光能，可使用用于该模板的同一传感器来定位/定向该衬底。通过测量压印光栅在衬底上的位置和取向，可使用光栅相对于衬底的误差来补偿后续压印的定中心误差和定向误差。可调节针对定中心误差的补偿，从而可将衬底上的压印部件偏置到预定方向。
附图简述
图1是具有与衬底分隔开的模具的光刻系统的简化侧视图；
图2是图1中所示的其上具有图案化层的衬底的侧视图；
图3A示出具有包围有效区的添加光栅的模板；
图3B示出根据本文中实施例照射到图3A模板上的光栅背侧的来自传感器系统的光束；
图3C示出图3B中的传感器的示例性波形；
图4A示出根据本文中实施例的当光束跨越衬底边缘并照射到夹盘的斜面上时的图3B的传感器系统；
图4B示出当传感器系统跨越衬底边缘扫描时的图4A中的传感器的示例性波形；
图5示出横跨衬底边缘上的斜面扫描的传感器系统；
图6A示出在原位对齐测量方案中的横跨衬底上压印的光栅和横跨衬底边缘和夹盘斜面扫描传感器系统；
图6B示出适用于确定压印图案在衬底上的相对位置的测量；
图7A是用于本文中实施例的方法步骤的流程图；以及
图7B是用于本文中另一实施例的附加方法步骤的流程图。
详细描述
图1示出被配置成在衬底12上形成凹凸图案的系统10。衬底12可耦合至衬底夹盘14。如图所示，衬底夹盘14是真空夹盘，然而，如题为“用于压印光刻工艺的高精度定向对准和间隙控制平台(High-PrecisionOrientation Alignment and Gap Control Stages for Imprint LithographyProcesses)”的美国专利6,873,087中所描述的那样，衬底夹盘14可以是任何夹盘，包括但不限于真空型、扣针型、凹槽型或电磁夹盘，上述专利通过引用结合于此。衬底12和衬底夹盘14可由平台16支承。此外，平台16、衬底12以及衬底夹盘14可定位在基座(未示出)上。平台16可提供围绕X和Y轴的运动。
与衬底12分隔开的是图案化装置17。图案化装置17包括具有台面20的模板18，该台面20从模板18向衬底12延伸，而且其上具有图案化表面22。此外，台面20可被称为模具20。台面20还可被称为纳米压印模具20。在另一实施例中，模板18实质上可以没有模具20。模板18和/或模具20可由包括但不限于以下材料形成：熔融石英、石英、硅、有机聚合物、硅氧烷聚合物、硼硅玻璃、碳氟聚合物、金属以及硬化蓝宝石。如图所示，图案化表面22包括由多个分开的凹部24和凸部26限定的部件。然而，在又一实施例中，图案化表面22可以基本光滑和/或平坦。图案化表面22可限定原始图案，该原始图案形成要在衬底12上形成的图案的基础。模板18可耦合至从包括但不限于真空型、扣针型、沟槽型或电磁型夹盘的一组夹盘中选择的模板夹盘28，如题为“用于压印光刻工艺的高精度定向对准和间隙控制平台(High-Precision Orientation Alignment and Gap Control Stagesfor Imprint Lithography Processes)”的美国专利6,873,087中所描述的那样。此外，模板夹盘28可耦合至压印头30以便于模板18的移动，从而便于模具20的移动。在以下详细描述中，为了简化描述，模板18和模具或台面20可被称为模板模具。
系统10还包括流体分配系统32。流体分配系统32被配置成在衬底12上沉积聚合材料34。系统10可包括任意数量的流体分配器，而流体分配系统32本身可包括多个分配单元。可使用例如滴液法、旋涂法、浸涂法、化学汽相沉积(CVD)、物理汽相沉积(PVD)、薄膜沉积、厚膜沉积等任何已知技术在衬底12上定位聚合材料34。通常，在将模具20移至衬底12的预定接近度之前，在衬底12上设置聚合材料34，从而在模具20与衬底12之间构建一期望体积。然而，可设计聚合材料34的量的大小，从而当将模具20定位至衬底20的期望接近度时，期望体积被填充。
参考图1和图2，系统10还包括能量40的源38，该源38耦合以沿路径42引导能量40。压印头30和平台16被配置成叠加在模具20和衬底12之上，并将它们设置在路径42中。压印头30、平台16或这二者改变模具20与衬底12之间的距离，以在模具20与衬底12之间限定可由聚合材料34填充的期望体积。在用聚合材料34填充期望体积之后，源38产生能量40(例如宽带紫外辐射)以使聚合材料34固化和/或交联，从而使其符合衬底12的表面44、图案化表面22的形状，并在衬底12上限定图案化层46。
图案化层46可包括残余层48以及示为凸部50和凹部52的多个部件。系统10可由处理器54管理，该处理器54与平台16、压印头30、流体分配系统32以及源38数据通信，其中处理器54基于存储器56中所存储的计算机可读程序运行。
在题为“在压印光刻工艺期间形成不连续膜(Formation ofDiscontinuous Films During an Imprint Lithography Process)”的美国专利6,932,934、题为“分步重复压印光刻工艺(Step and Repeat ImprintLithography Processes)”的美国专利7,077,992、题为“正色调双层压印光刻方法(Positive Tone Bi-Layer Imprint Lithography Method)”的美国专利7,179,396以及题为“采用压印光刻形成阶梯状结构的方法(Method ofForming Stepped Structures Employing Imprint Lithography)”的美国专利7,396,475中提到的压印光刻工艺和系统中可进一步采用上述系统，上述申请均通过引用结合于此。在另一实施例中，在例如光刻(包括G线、I线、248nm、193nm、157nm以及13.2-13.4nm的多个波长)、接触光刻、电子束光刻、x射线光刻、离子束光刻以及原子束光刻等任一种已知技术中可采用上述系统。
本发明便于检测压印工具、尤其是图案化的介质压印工具上的透明模板模具。通常，图案化需要几微米的同心对齐。这需要能确定模板有效区与衬底在工具平台坐标之间的在几微米之内的相对位置的系统和方法。相对于模板18边缘放置模具20的糟糕的精度进一步使达到该系统需求复杂化(即不能使用模板18的边缘来确定模板18的有效区的位置)。而且，模板18被放置成其有效区正对晶片夹盘14(向下)，这限制了能在耦合至模板18时检测模具20的传感器的放置。因此，需要一种能在查看其无效侧时检测模板、并在不将模板18的边缘用作基准的情况下确定其在工具平台坐标中的位置的系统。同样，为了检测衬底12，可仅使用衬底12的边缘或切面作为基准。
另一个相关问题是检测压印图案与衬底12的同心对准中的误差。这样的后压印测量提供用于更新衬底12的中心位置的关键数据。需要在加工期间在工具中执行在线(in-line)后压印测量。
图3A是具有压印模具(例如模具20)的模板301的表面图，该模具具有有效区303。在本实施例中，在有效区303周围形成圆形光栅302。在压印模具(例如模具20)的制造期间，在与有效区相同的一侧上形成光栅302。图3B是发射器307和传感器304的侧视图，为简化起见以下将它们称为传感器系统315。发射器307和传感器304相对于平行于表面308的表面的法线以一定角度定位。来自发射器307的光穿透透明模板模具，从而入射到光栅302的背侧。当入射光从光栅的井309移动至峰310时，从光栅反射的光变化。当入射光在井309中时，光栅的边缘与反射光干涉，而当入射光照射峰310时，光栅的边缘不与反射光干涉。光栅302被形成为具有精确的间距，从而电信号在与距离参数成比例的时刻具有电压转变。因此，传感器304和发射器307被定位成使仅某些角窗处的反射光到达传感器304。图3C示出具有峰322和谷321的电压波形320，该波形是当光栅的“齿”使发射器307的光束305通过时接收反射光306的传感器304所产生的波形的典型。所示脉冲的宽度与光栅“齿”的物理宽度或间距成比例。
图4A示出发射器307和传感器304相对于衬底401和夹盘402的侧视图。在本实施例中，入射光305和反射光306与衬底401和夹盘402的边缘相互作用。夹盘402可配置有反射斜面或切面403，该斜面或切面确保反射光306在通过衬底401的边缘时未命中传感器304。以此方式，通过到达传感器304的反射光的急剧减少可检测衬底401的边缘。
图4B示出当在衬底401的边缘上扫描传感器系统315并照射在夹盘402上时传感器304所产生的示例性波形410。电平412表示当光305从衬底401反射时的传感器信号，而电平411表示当光305照射在夹盘402的表面403上时的传感器信号。
图5示出衬底401的边缘配置有切面501的实施例。在本实施例中，当在衬底401的边缘上扫描传感器系统315时，将会有信号变化。切面501的倾角会使入射光305采取改变的路径306，这导致入射到传感器304上的光更少。
图6A示出其中光栅302以及有效区被压印为压印光栅601的实施例。一旦定位了衬底401的边缘就能扫描传感器系统315，直到定位光栅301的第一“齿”。以此方式，可确定模板301相对于衬底401的边缘的位置。在该情况下，可使用传感器系统315相对于衬底的边缘定位压印部件的位置。在衬底和光栅的边缘的测量期间，传感器的位置保持不变。
图6B示出具有内边缘603以及外边缘(未示出)的成形衬底602。可从衬底的内边缘横跨光栅601扫描传感器系统315。同样，可横跨光栅对衬底的外边缘进行扫描。在本说明中，进行了四次测量(d1-d4)，每个正交轴上各两次。以此方式，可确定衬底602的压印图案同心性。
本发明通过提供用于确定模板301和衬底401在平台中的位置坐标的方法解决了该问题。在模板制造工艺期间，在预定位置处向模板301中蚀刻用于模板位置检测的一组光栅302。因为该组光栅302与有效区一起制造，所以可将它们用作为基准以确定模板301有效区的位置。根据初始θ(角)对齐要求，这些光栅302可以是矩形或圆形。光栅302具有基于入射激光束(发射器307)的波长和该激光束的入射角而设计的特定间距。基于激光束307的光斑大小和系统所需的位置灵敏度来设置光栅302的大小。系统涉及在模板301和衬底401的路径上放置激光发射器307和光电检测器304。光电检测器304被放置成仅接收以特定角反射的光306。模板301被放置在装载机构上，而且由检测传感器下面的X-Y平台移动。光电检测器304被配置成当激光束306不在光栅302上时给出空信号，然而，当激光307入射在光栅302上时，一阶衍射光(306)将入射在光伏检测器304上，从而给出电信号。该信号可用于确定模板301在XY平台(例如图1中的16)或工具坐标中的位置。在衍射模式下，当光束306远离衬底401的边缘时，将不会在传感器304上检测到返回光306的强度，然而，当光束306在衬底401的边缘上时，该边缘将会将返回光306引导至传感器304。
在另一实施例中，在晶片夹盘402上在激光发射器307与光电检测器304之间设置了小斜面403。该反射面403的倾斜量等于光源与检测器之间的角的一半。当衬底401被放置在夹盘402上时，内边缘将与斜面403交迭。在该实施例中，当光束305在晶片夹盘402上时，来自发射器307的光束305被完全反射到检测器304中。当扫描束305命中衬底401的边缘时，该束305被阻挡或引导到不同的角(束306)，从而没有光到达光电检测器。信号410的急剧下降(斜率412)可用于检测衬底401的边缘。
模板301和衬底401的传感器可以是相同的单元，这样还起到去除了当对模板301和衬底401使用了不同的两组传感器时所需的校准过程的作用。
当模板光栅302被压印到衬底401上时，复制出的光栅601可提供模板301相对于衬底401的定中心信息。同一传感器系统315现在可检测两个基准：压印光栅601和衬底401的边缘。
图7A和7B是本实施例中所包含的方法步骤。在步骤701，在透明模具和衬底上放置传感器系统。该传感器系统产生光能束，且被配置成仅接收从检测面反射到角窗中的光能部分。该传感器系统还响应于所接收的从透明模板模具和衬底的检测面反射的光能的变化产生传感器信号。在步骤702，响应于控制信号定位该透明模板模具，以在工具坐标中定位该透明模板模具。该透明模板模具具有带有被光栅包围的可压印部件的有效区，这些光栅在对应于预定尺寸增量的间距处具有检测面。在步骤703，响应于控制信号定位衬底以在工具坐标中定位衬底。该衬底具有被配置为检测面的边缘。在步骤704，在控制器中处理这些传感器信号以在工具坐标中相对于衬底定位透明模板模具。在步骤705，产生控制信号，从而在工具坐标中相对于透明模板模具精确地定位衬底。
在另一实施例中包含了附加步骤。在步骤706，在衬底上压印光栅和有效区的图案。在步骤707，传感器系统扫描衬底上的光栅和有效区的压印图案，从而从对应于衬底边缘的检测面和压印光栅上的检测面产生传感器信号。在步骤708，在控制器中处理传感器信号，以相对于衬底的边缘在工具坐标中定位压印图案，以确定有效区与衬底的同心性以便于工艺控制。
可通过处理器54控制图7A-7B中所需的步骤以根据本发明的实施例在系统10上运行。可将这些工艺步骤作为程序步骤存储在计算机系统中的存储器56中。
本发明的上述实施例是示例性的。可对上述公开内容进行许多改变和修改，同时保持在本发明的范围内。因此，本发明的范围不应受到上述描述限制，而应当参照所附权利要求及其等价物的完整范围来确定。

Claims (18)

1.一种用于将模板模具与衬底对齐的系统，包括：
设置在所述模板模具和所述衬底之上的传感器系统，所述传感器系统包括发射器和传感器，所述发射器产生光能束，所述传感器被配置成仅接收从所述衬底和所述模板模具的检测面以一角度反射的光能部分；
设置在所述模板模具的有效区周围的光栅，其中所述有效区具有压印部件，其中所述光栅按预定的间距具有检测面，所述预定的间距基于所产生的光束的波长与入射角，使得从所述检测面以所述角度反射的光被所述传感器检测；以及
夹持所述衬底的夹盘，所述夹盘配置有一反射斜面，所述反射斜面确保反射光在通过衬底边缘时未命中所述传感器从而使得通过到达所述传感器的反射光的减少来检测所述衬底边缘。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括工具定位系统，所述工具定位系统用于响应于衬底控制信号在工具坐标中相对于所述模板模具定位所述衬底。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，还包括设置在所述传感器系统与所述衬底之间的定位平台，所述定位平台被配置成响应于模板控制信号在所述工具坐标中相对于所述衬底的表面定位所述模板模具的有效区。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，还包括控制器，所述控制器用于响应于所述传感器系统产生的信号产生所述衬底和模板控制信号、并相对于所述传感器系统定位所述衬底和模板模具，所述传感器系统产生的信号响应于从所述光栅和所述衬底的检测面接收的光能的变化。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，在形成所述模板模具的有效区的压印部件的同时将所述光栅形成为所述模板模具上的压印部件。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述发射器包括激光发射器，所述发射器所产生的光能束是激光，并且所述传感器包括对所述激光的频率敏感的光检测器。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述激光发射器和光检测器相对定位成仅使在预定的角度内从检测面反射的激光照射在所述光检测器上。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光栅被配置为具有对应于预定距离参数的间距的一串平行的等距分开的矩形峰和谷。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，在将所述有效区的部件压印在所述衬底上的同时将所述光栅压印在所述衬底上。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，通过扫描所述衬底上所压印的光栅，相对于所述衬底的边缘定位所述衬底上的所述压印有效区。
11.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述传感器系统沿穿过所述衬底的中心的正交轴双向扫描具有压印光栅的所述衬底，以确定所述压印有效区相对于所述衬底的边缘的同心性。
12.一种用于将模板模具与衬底对齐的方法，包括：
在所述模板模具和所述衬底上放置传感器系统，所述传感器系统包括发射器和传感器，所述发射器产生光能束，所述传感器被配置成仅接收从所述衬底和所述模板模具的检测面以一角度反射的光能部分，其中所述传感器系统响应于所接收到的从所述模板模具和所述衬底的所述检测面反射的光能的变化产生传感器信号；
响应于控制信号定位所述模板模具，以将所述模板模具定位在工具坐标中，其中所述模板模具具有带有被光栅包围的压印部件的有效区，所述光栅按预定的间距具有检测面，所述预定的间距基于所产生的光束的波长与入射角，使得从所述检测面以所述角度反射的光被所述传感器检测；
在夹盘中夹持所述衬底，所述夹盘配置有一反射斜面，所述反射斜面确保反射光在通过衬底边缘时未命中所述传感器从而使得通过到达所述传感器的反射光的减少来检测所述衬底边缘；
响应于控制信号定位所述衬底以将所述衬底定位在工具坐标中，其中所述衬底的边缘被配置成检测面；
在控制器中处理所述传感器信号，以在工具坐标中相对于所述衬底定位所述模板模具；以及
产生所述控制信号，从而在所述工具坐标中相对于所述模板模具准确地定位所述衬底。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括：
在所述衬底上压印所述光栅和所述有效区的图案；
利用所述传感器系统扫描所述衬底上的所述光栅和所述有效区的压印图案，从而从对应于所述衬底边缘的检测面和所述压印光栅上的检测面产生传感器信号；以及
在所述控制器中处理所述传感器信号，以相对于所述衬底的所述边缘在工具坐标中定位所述压印图案，以确定所述有效区与所述衬底的同心性从而便于工艺控制。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，在形成所述模板模具的有效区的压印部件的同时将所述光栅形成为所述模板模具上的压印部件。
15.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述发射器包括激光发射器，所述发射器所产生的光能束是激光，并且所述传感器包括对所述激光的频率敏感的光检测器。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述激光发射器和光检测器相对定位成仅使从检测面反射到预定角窗中的激光照射在所述光检测器上。
17.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述光栅被配置为具有对应于预定距离参数的间距的一串平行的等距分开的矩形峰和谷。
18.如权利要求12所述的方法，其特征在于，在压印所述有效区的部件的同时将所述光栅压印在所述衬底上。
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