JP2007200953A - パターン形成方法およびパターン形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ナノインプリント技術を用いたパターン形成においては、金型とパターン転写する基板との接触が避けられない。接触，押し付けの工程で樹脂膜が不安定に変形することに伴い、位置ずれを生じる。更に、接触，押し付け工程において、被転写基板との間の平行度が確保されない場合、転写後の樹脂に厚さムラが生じ、結果としてパターンエッチング不良が生じる。
【解決手段】本発明は、凹凸形状のパターンが形成された金型を樹脂膜が塗布された基板に押し付けてパターンを形成するナノインプリントを用いたパターン形成方法において、該樹脂膜を塗布した基板の裏面に形成されたアライメントマークの位置を検出することによって、該金型と該樹脂膜が塗布された基板との相対的な位置合わせを行う工程を含むことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明はナノインプリント技術を用いたパターン形成方法及びパターン形成装置に関する。特に、ナノインプリント技術を用いたパターン形成におけるアライメント精度を向上させるのに好適なマーク位置検出方式、及び同方法を利用した微細パターン形成装置に関する。

近年、半導体集積回路は微細化，集積化が進んでおり、その微細加工を実現するためのパターン転写技術としてフォトリソグラフィ装置の高精度化が進められてきた。しかし、加工寸法が光露光の光源の波長に近づき、リソグラフィ技術も限界に近づいてきた。そのため、さらなる微細化，高精度化を進めるために、リソグラフィ技術に代わり、荷電粒子線装置の一種である電子線描画装置が用いられるようになった。

電子線を用いたパターン形成は、ｉ線，エキシマレーザー等の光源を用いたパターン形成における一括露光方法とは異なり、マスクパターンを描画していく方法をとるため、描画するパターンが多ければ多いほど露光（描画）時間がかかり、パターン形成に時間がかかることが欠点とされている。そのため、メモリ容量が２５６メガ，１ギガ，４ギガと、集積度が飛躍的に高まるにつれ、その分パターン形成時間も飛躍的に長くなることになり、スループットが著しく劣ることが懸念される。そこで、電子ビーム描画装置の高速化のために、各種形状のマスクを組み合わせそれらに一括して電子ビームを照射して複雑な形状の電子ビームを形成する一括図形照射法の開発が進められている。この結果、パターンの微細化が進められる一方で、電子線描画装置を大型化，複雑化が必須となり、装置コストが高くなるという欠点があった。

これに対し、微細なパターン形成を低コストで行うための技術が下記特許文献１及び２などにおいて開示されている。これは、基板上に形成したいパターンと同じパターンの凹凸を有する金型を、被転写基板表面に形成されたレジスト膜層に対して型押しすることで所定のパターンを転写するものであり、特に特許文献２記載のナノインプリント技術によれば、シリコンウェハを金型として用い、２５ナノメートル以下の微細構造を転写により形成可能であるとしている。

米国特許５,２５９,９２６号公報 米国特許５,７７２,９０５号公報

半導体集積回路等の微細パターンを形成する場合には、ステージ上に載置された基板のパターン位置を正確に検出した上で、例えば原画パターンの形成されたレティクル等との間で精密な位置合わせ（アライメント）を行うことが必要である。アライメント精度は、半導体デバイスの高集積化に伴うパターンの微細化により、一層高いアライメント精度が必要となる。例えば、３２ｎｍノードのパターンを形成するには、１０ｎｍ以下の誤差で精密なアライメントを行うことが要求される。

ナノインプリント技術を用いたパターン形成においては、パターンを転写する基板の表面に樹脂を塗布した後に、パターン原画の形成された金型と基板とを接触，押し付けた上で、加熱、あるいは、紫外線照射を行う必要がある。従来のリソグラフィ装置では、パターン原画の形成されたレティクルとパターンを形成する基板は、非接触に保持された状態で光学的、あるいは、描画して転写されるので、アライメントする際の接触に伴う位置決め誤差要因はない。一方、ナノインプリントでは、原理的に接触が避けられないため、今までにない問題となる。接触，押し付けの工程で樹脂膜が不安定に変形することに伴い、位置検出に用いる光線が不均一に屈折して位置検出誤差を生じたり、押し付け方向と異なる方向に外力が働き、位置ずれを生じるといった問題が挙げられる。

更に、接触，押し付け工程において、被転写基板との間の平行度が確保されない場合、転写後の樹脂に厚さムラが生じ、結果としてパターンエッチング不良が生じる。

本発明が解決しようとする課題は、ナノインプリントを用いて半導体デバイス製造工程におけるパターン形成を行う際のアライメントを１０ｎｍ以下の位置合わせ誤差をもって、正確に実行可能で、かつ、均一な樹脂厚でパターン形成可能なパターン形成装置を提供することである。

本発明は、凹凸形状のパターンが形成された金型を樹脂膜が塗布された基板に押し付けてパターンを形成するナノインプリントを用いたパターン形成方法において、該樹脂膜を塗布した基板の裏面に形成されたアライメントマークの位置を検出することによって、該金型と該樹脂膜が塗布された基板との相対的な位置合わせを行う工程を含むパターン形成方法を特徴とする。また、金型と樹脂膜が塗布された基板との間の距離を測定する工程と、金型と樹脂膜が塗布された基板が接触する直前で停止する工程と、金型と樹脂膜が塗布された基板とのパターンを形成する面内における相対的な位置を位置合わせする工程と、前記相対位置を保持したまま金型を樹脂膜が塗布された基板に押し付ける工程とを含むことを特徴とする。ここで、金型と樹脂膜が塗布された基板との間の距離を測定する工程では、レーザを光源としたビームを一定周期のピッチで該金型上に形成されたラインアンドスペースパターンであるアライメントマークを照明し、該アライメントマークから生じる反射回折光のうち、０次回折光を用いて該金型の該樹脂を塗布された基板との距離を計測することが好ましい。

また、本発明は、凹凸形状のパターンが形成された金型を樹脂膜が塗布された基板に押し付けてパターンを形成するナノインプリントを用いたパターン形成装置において、金型を樹脂膜が塗布された基板に押し付ける手段と、該樹脂を塗布した基板の裏面に形成したアライメントマークを位置検出することによって、該金型と該樹脂膜が塗布された基板とのパターンを形成する面内における相対的な位置合わせを行う手段とを有するパターン形成装置を特徴とする。

本発明を用いることにより、高精度にアライメントを行え、かつ、均一な樹脂厚でパターン形成可能なナノインプリントによる微細パターン形成方法、および、装置を得ることができる。

はじめに図２を用いてナノインプリントによるパターン形成手順について説明する。この図は、光硬化型樹脂を用いた場合の配線パターン形成方法を模式的に説明する図である。ウェハ１には、配線パターン１４が形成されている。その表面に上層の配線膜１５を形成し、さらに、光硬化型樹脂２を塗布する（Ｉ）。次に、パターンが形成された金型１２をウェハ１上方から接近させ、接触する前に、金型１２とウェハ１の位置合わせ（アライメント）をした後に、両者を相対的に押し付けてパターンを形成する（II）。金型１２は、石英でできており、光を透過する。金型１２を押し付けた後に、金型１２背面から紫外線を照射して光硬化型樹脂膜２を硬化させる(III) 。金型１２を除去し、凹パターンの底に残るベース層を除去すると、樹脂パターン１６が形成されている（IV）。この樹脂パターン１６をマスクとして下地の配線膜をエッチングすれば配線パターン１７が形成される（Ｖ）。

以上の手順を実行可能な本発明の実施例を、図１を用いて説明する。図１は、ナノインプリントを用いた半導体デバイス製造用のパターン形成装置、すなわち、リソグラフィ装置の基本構成を示している。パターンを転写するウェハ１表面には樹脂が塗布され、ステージ３に保持される。このステージ３は、図の一軸方向（Ｘ）のほか、紙面に垂直な方向（Ｙ）と、ＸＹ面内の回転（ＹＡＷ）の位置決めが可能な機構を備えている。ステージ３の位置は、レーザ測長器４により計測され、ステージ駆動手段により所定の位置に移動される。

また、ステージ３の上方には、ウェハ１に転写するパターンが形成された金型１２を搭載した金型ステージ１１が設置されている。金型ステージ１１は、上下方向（Ｚ）に位置決めが可能な構成をとっており、ウェハ基板までの距離を測定できるＺセンサ１３と、ウェハ１と接触後の荷重を測定可能な荷重センサ（図示せず）を備えている。Ｚセンサ１３としては、レーザ測長器，静電容量型ギャップセンサ等を用いることができる。また、金型ステージの複数の位置にＺセンサを設けることにより、金型と基板との平行度を確保しながら金型を基板に押し付けることができる。

金型１２は、透明な基板、例えば、石英やガラスでできており、光を透過するようになっている。また、ウェハ１と金型１２のサイズは、同じでもよいし、金型１２のサイズをウェハ１の数分の一としてもよい。数分の一とした場合は、従来のステッパ装置のようにステップ移動しながらパターンを転写して、ウェハ全面にパターンを形成することになる。

さらに上方には、水銀ランプ１０ａが備えられており、破線で示す光路をたどり照明光学系１０ｂを透過して並行光に変換した照明光が、金型１２を透過して光硬化型樹脂膜２を照明する。この照明は、図示しないシャッタにより露光量や露光時間を制御できる。

このステージ３の下方には、ウェハ１裏面に形成された裏面アライメントマーク７の位置を検出する裏面位置検出器６ａ，６ｂがある。この裏面位置検出器６は、装置基準位置に固定されており、装置基準の絶対位置を測定する。一方、ステージ３上方には、金型のパターン形成面の位置を検出する金型位置検出器８ａ，８ｂがある。この金型位置検出器８ａ，８ｂは、金型が下降してウェハ１と接触する直前、例えば、１０μｍ上空で停止した位置から、接触するまでの領域において金型１２の表面に予め形成されている金型アライメントマーク１２ｂの位置を金型位置検出器８ａ，８ｂを用いて測定できる。検出可能な位置は、金型の面内方向に加え、高さ方向についても可能なものである。本位置検出手段８ａ，８ｂの構成と機能については、後述する。さらに、この金型位置検出器８ａ，
８ｂは、装置の基準位置に固定されており、金型の装置基準の絶対位置を測定する。また、ウェハ１は、Ｓｉ基板に限らず、ＧａＡｓ基板，ガラス基板、またはプラスチック基板であっても良い。

裏面位置検出器６と金型位置検出器８は、それぞれ独立した位置検出器であるため、基準位置を校正する必要がある。校正用チップ９は、その校正のために用いる手段である。本チップの構成，機能に関する詳細は、後述する。

次に、主要な機能の詳細について説明する。まず、ウェハ裏面位置検出器６ａ，６ｂについて説明する。図３に示すように、ウェハ１が設定基準面から角度θだけ傾いている状態においては、ウェハ裏面に設けられた裏面アライメントマーク７の実際の位置（基準位置からの距離δ）と該裏面アライメントマーク７に対応するウェハ表面上の真の位置（基準位置からの距離ω）との間には、ウェハ１の厚さをｄとした場合、ｄsinθ なるずれが生じることになる。したがって、該裏面アライメントマーク７の実際の位置（距離δ）を検出して、その検出値をそのままウェハ表面上での真の位置(距離ω)とする場合には、当然のことながら、位置検出誤差εが生じることとなる。例えば、ウェハの厚さｄを６００μｍ、ウェハの傾き角θを５秒とすると、誤差量εは、約１５ｎｍとなる。この値は、
１０ｎｍというような厳しいアライメント精度が要求されるような場合においては、もはや無視できない。そこで、この誤差量εを相殺するような偏差分ΔＥを位置検出値に含むような、裏面位置検出器６ａ，６ｂを用いて、ウェハ裏面に設けられた裏面アライメントマーク７の見かけ上の位置（δ＋ΔＥ）を検出し、この見かけ上の位置がウェハ表面における真の位置（ω）を表わすようにする。すなわち、裏面位置検出器６ａ，６ｂによる見かけ上のマーク位置検出結果（δ＋ΔＥ）が裏面アライメントマーク７に対応するウェハ表面上での真の位置（ω）と等しくなるように、つまり、
ω＝δ＋ΔＥ ………（１）
なる関係が成立するように、上記の裏面位置検出器６ａ，６ｂの各種パラメータを予め選定しておくのである。式(１)の右辺第２項のΔＥが、裏面位置検出器６ａ，６ｂによる位置検出値に含まれる偏差分であり、この偏差分がウェハの傾き角θの変化に対応して変化する（つまり、ΔＥ＝−ε＝−ｄ・sinθ なる関係で変化する）ことによって、ウェハの傾き角の如何によらず、常に、ウェハの傾きに起因して生じる誤差εを相殺し、結果的に、ウェハ裏面に設けられたマーク位置を検出することによって、該マーク位置に対応するウェハ表面上の真の位置を正確に求めることができるようになる。

図３の下側に、上記したウェハの傾きに起因して生じる位置検出誤差εを相殺するような偏差分ΔＥを検出値に含むような位置検出器の一構成例を示し、その位置検出原理について、説明する。図３において、波長λなる２本の光ビーム１８ａ，１８ｂによってウェハ裏面上の裏面アライメントマーク７を照明した時に得られる回折光の位相は、裏面アライメントマーク７の位置δと両照明光の照明位置Ａ，Ｂ間での基準面に垂直方向に測った間隔ｈとに依存して変化する。両照明光間の間隔をＬ、ウェハの厚さをｄとしたとき、上記の照明位置間間隔ｈとウェハの傾き角θとの間には、図３より、
θ＝tan^-1(ｈ／Ｌ)≒ｈ／Ｌ ………（２）
なる関係式が成り立つ。また、ウェハの傾きによる裏面アライメントマーク７の位置δとウェハ表面の真の位置ωとの間のずれ量εに依存する位相差相当分φ(ε)は、裏面アライメントマーク７のピッチをＰとして、
φ(ε)＝４πε／Ｐ ………（３）
となる。一方、ウェハの傾き角θの関数である照明位置間間隔ｈに起因する位相差相当分
φ（ΔＥ）は、図３に示した幾何学的関係からして、検出光の波長λと照明位置間間隔ｈに対して、次式で表わされる。

φ(ΔＥ)＝４πｈ／λ ………（４）
つまり、式（３）で表わされる位相変化分φ(ε)と式（４）で表わされる位相変化分
φ(ΔＥ)とが等しくなるように、裏面アライメントマーク７のピッチＰと両検出光間の間隔Ｌを予め選定しておけば、任意のウェハ傾き角における位相ずれを相殺してやることができる。そこで、上記の関係を満足させるような検出光間隔Ｌについて、式（１）〜式
（４）を連立させて解くと、
Ｌ＝λ・ｄ／Ｐ ………（５）
なる解が得られる。例えば、マークのピッチＰを６μｍ、ウェハの厚さｄを６００μｍ、検出光波長λを６３３ｎｍとすると、ビーム間隔Ｌを６３.３μｍ とすれば良いことがわかる。そして、このビーム間隔Ｌは、ウォラストンプリズム２０のビーム分離角度ξと対物レンズ１９の焦点距離ｆとによって決められる。つまり、必要なビーム間隔Ｌが既知の場合には、次式によってビーム分離角度ξが決定される。

ξ＝１／(２ｆ) ………（６）
すなわち、このような分離角度ξを有するウォラストンプリズムを用いれば良いことになる。

さて、位置ωを求めるには、二点Ａ，Ｂを照明する光の位相差φを検出すればよい。この検出方法について説明する。

波長がわずかに異なる二つの周波数（ν₁，ν₂）の光を直線偏光の形で出射するレーザ光源２３を用いる。該光源からの光ビーム４５は、ビームスプリッタ２２により二つに分割される。分割された一方の光ビームは偏光子２５に入射して、そこでヘテロダイン干渉を生じる。この干渉光を光検出器２６によって検出することによって、基準となる参照信号Ｓr が得られる。分割された他方のビームは、ウォラストンプリズム２０に入射し、そこで、Ｐ偏光（周波数ν₁）のビーム１８ａとＳ偏光（周波数ν₂）のビーム１８ｂとに分離される。分離されたビーム１８ａ，１８ｂは、対物レンズ１９によって並行ビームに変換され、それぞれ試料裏面上の二点Ａ，Ｂを照射する。両ビームの照射点Ａ，Ｂ間の間隔はＬである。このとき、照射点Ａ，Ｂから生じる回折光のうち、−１次光３０ａ，３１ａと＋１次光３０ｂ，３１ｂのみに着目すると、これら１次回折光の位相は、すでに述べたように、裏面アライメントマーク７の位置と試料１の傾き角とによって変化する。この位相変化分φは、同図の下方に示すように、光検出器２６からの参照信号Ｓr と検出器２９からの検出信号Ｓd との位相差として求めることができる。＋１次回折光３０ａ，３０ｂと−１次回折光３０ａ，３１ｂとは、対物レンズ１９により平行ビームとされ、フーリェ変換面において偏光ビームスプリッタ２１を用いることによって、一方の照射点からの＋１次回折光（例えば、照射点Ｂからの＋１次回折光３１ｂ）と他方の照射点からの−１次回折光（例えば、照射点Ａからの−１次回折光３０ａ）とを選び取る。この選び取ったビーム３１ｂと３０ａを集光レンズ２４によって集光し、両ビームが交差する点にウォラストンプリズム２７を置くことによってヘテロダイン干渉を生じさせ、この干渉光を偏光子２８を介して光検出器２９により検出する。得られる信号は、図３の左下に示すように、検出信号Ｓd と参照信号Ｓr であり、これらの間の位相差φは、
φ＝４π／Ｐ（δ＋ε） ………（７）
ということになり、仮にウェハが傾いた場合においても、この位相差φを検出すればウェハ裏面の位置を検出しながら、ウェハ表面の正しい位置が検出できることになる。

このようにすることによって、敢えてウェハ１の傾き角を検出するための傾き検出器を設けること無くして、ウェハ裏面上に設けられたマークの位置を検出して、ウェハ表面上における所望のパターン形成位置を精度良く求めることが可能となる。

なお、上記の裏面アライメントマーク７の形成方法としては、通常のエッチングを用いて段差を形成してもよいが、レーザマーカを利用する簡便な方法もある。

次に、金型位置検出器８ａ，８ｂの機能について説明する。図５に示したように、金型位置検出器８ａ，８ｂは、金型ステージ１１がパターン転写位置近傍に来たときに金型の面内方向の位置検出が可能となる。この位置で焦点が合うような検出光学系を適用した例を図６を用いて説明する。金型の転写パターン１２ａが形成されている表面の一部に金型アライメントマーク１２ｂを形成する。この金型アライメントマーク１２ｂは、光学的にコントラストを高く取れるようにクロム膜を蒸着して形成してある。形状は、図６に示すようなライン＆スペースパターンが望ましい。照明光にはＨｅＮｅレーザ（波長６３３
ｎｍ）の光を用いる。図１０に示すように、金型アライメントマーク１２ｂから生じる反射±１次回折光のみを空間フィルタ４４により選択して集光し、金型位置検出器８ａ，
８ｂに備えられた撮像センサ(図７参照)の受像面上にこの金型アライメントマーク１２ｂの光学像３２が結像する。さらに、この撮像センサには、基準面３３があり、この面から光学像３２までの距離ｘを検出することにより、金型アライメントマーク１２ｂの絶対位置検出が可能となる。例えば、金型アライメントマークのラインを１μｍ、スペースを１μｍ（ピッチ２μｍ）、ラインを５本とすれば、数ｎｍの分解能の絶対位置検出が可能な設計ができる。なお、本金型位置検出では、転写する転写パターン１２ａと金型アライメントマーク１２ｂは、同一平面上に存在するので、ウェハ裏面位置検出のように、金型
１２の厚さの影響を受けることはない。

次に、金型の高さ方向の位置検出方法について図９，図１０を用いて説明する。位置検出光にＨｅＮｅレーザ波長６３３ｎｍの光を用いる。この光は、平行ビームとして出射され、金型アライメントマーク１２ｂを落射照明する。このマークからの回折光のうち、正反射する０次回折光４２を用いる。この０次回折光は、空間フィルタ４４により選択される。この反射０次回折光は、干渉計４１により参照光と干渉して光検出器４０により金型アライメントマーク１２ｂの高さ位置が位置検出器８ａの基準位置に対して検出される。

金型アライメントマーク１２ｂには、位置検出光が透過しないように反射膜が形成されており、下方にあるウェハ基板等からの反射光の影響を排除している。このような構成をとることにより、金型位置検出器８ａひとつで金型の面内方向の位置と、高さ方向位置の二つの情報が得られるという効果がある。反射膜の材料は、マークと同じクロムでもよいし、その他の金属でもよい。

本金型位置検出器８は、金型上に最低３箇所設けられており、三つの異なる位置での金型の高さ情報より、金型の傾きを制御し、ウェハ基板に対して平行に上下動することができる。こうすることにより、ウェハ基板上に塗布される樹脂の影響を受けることなく金型をウェハに押し付けることができるので、押し付けむらによる樹脂膜へのパターン形成むらを低減できる。

次にステージ３の上面にある校正用チップ９の機能について説明する。本チップは、裏面位置検出器６ａ，６ｂと金型位置検出器８ａ，８ｂとの相対位置を構成するために備えたチップである。本チップの厚さは、ウェハ１と実質的に同じであり、表面には、金型用アライメントマーク９ａが形成され、裏面には、裏面アライメントマーク９ｂが形成されている。さらに、この校正用チップ９は、図１，図４，図５に記載のようにステージ３の所定の位置に固定されている。

まず、この校正用チップ９の使用方法について図４を用いて説明する。金型１２をロードする前に、裏面位置検出器６ａ，６ｂと金型位置検出器８ａ，８ｂの位置測定可能な領域にステージ３を移動して停止させる。この状態で、校正用チップに形成された上下二つのマーク９ａ，９ｂをそれぞれの位置検出器６ａ，８ａを用いて基準位置からの距離として位置を測定する。各測定値、例えば、金型位置検出器８ａの検出位置Ｃと裏面位置検出器６ａの検出位置Ｄを等しくするように校正して、金型位置検出器８ａと裏面位置検出器６ａの校正を行う。図４では装置左側の位置検出器を校正する様子を示しているが、他の位置検出器に対してもこの校正の後にステージを右側の位置検出器の領域に合わせて、同様の方法により校正すればよい。

次に金型位置検出器８ａの高さ方向位置検出値の校正方法について説明する。パターン形成装置にウェハ基板と同じ厚さのダミー基板４３をロードし、金型を下げて行きながら、高さ位置検出器１３を用いて金型の高さ方向の位置を検出する。金型がダミー基板と接触したら、金型位置検出器８ａの高さ方向の値を検出して、この位置を接触位置として記憶することにより、校正が行える。実際の転写の際には、ウェハ基板上には樹脂が塗布されていることから、高さ位置検出器１３は、正確な位置を検出できず、問題となるが、本発明によれば、樹脂の影響を受けず、精密な高さ位置を検出でき、望ましい。

以上述べてきたナノインプリントによる半導体デバイスのパターン形成方法、及び、その方法を実行するためのリソグラフィ装置の各機能を用いてパターン形成する手順について、さらに詳しく説明する。

まず、ナノインプリントを用いたパターン形成装置の電源を投入し、装置を立ち上げる。図４に示すように、金型１２をロードする前に、各位置検出器、すなわち、金型用位置検出器８ａ，８ｂ、裏面位置検出器６ａ，６ｂの校正を行う。この校正方法は、既に述べたとおりである。

次に、図１に示すように、金型１２と、配線パターン１４の上に配線膜１５と光硬化型樹脂を所定の膜厚で塗布したウェハ１をロードする。このウェハ１の裏面には、位置検出用の裏面アライメントマーク７が予め形成されている。マークの形状は、既に述べたように所定の形状を有するライン＆スペースパターンが望ましい。この裏面アライメントマーク７は、所定の間隔を持って形成されており、ステージのウェハチャックに設けられた開口４６の位置に合わせて載置する。

次に、ウェハステージ３を所定の位置に移動した後に金型１２をウェハ１上方から接近させ、金型位置検出器８の高さ位置検出機能を用いて、金型１２がウェハ最上面に形成された光硬化型樹脂膜２と接触する直前、例えば、１０μｍ程度上空で一旦停止する。この状態で、金型位置検出器８ａ，８ｂと裏面位置検出器６ａ，６ｂを用いて金型１２とウェハ１の相対位置を所定の関係にアライメントする。この相対位置を保持したまま、金型
１２をウェハ１に、図示しない荷重センサの出力を利用し、所定の押し付け力を保持したまま押し付ける。

その後、最上部にある水銀ランプ１０のシャッタを開放して所定の露光量を持って、金型１２を通してパターンを露光した後、金型１２を上部に引き上げて樹脂パターン１６を形成する。

ここで、加圧方法に関して、上述した複数のＺセンサを設ける方法とは異なる次の方法を用いてもよい。図８に図示するように金型ステージ１１、と紫外線を透過するガラス製のビューポート３９に仕切られた金型上部チャンバ３４、と金型ステージ１１よりも下の部分に配置されたエリアであるステージチャンバ３５を設け、これらエリアに真空ポンプ
３８に接続した真空ライン３６が取り付けられた装置を用いることで圧力差による加圧を実現する。具体的には、はじめにバルブ３７ａを閉じ、バルブ３７ｂ開いた状態で金型上部チャンバ３４とステージチャンバ３５を脱気の後、位置合わせを行い、金型ステージ
１１を下降させる。次にバルブ３７ｂを閉じ、バルブ３７ａを開放することで金型上部の上部チャンバ３４とステージチャンバ３５間に圧力差が生じ金型上部前面に大気圧が印加される。この様にすることで金型上部前面に均等に圧力が印加され、金型のたわみなどにより生ずる転写樹脂の厚さムラが解消される。ここでは大気圧を印加したが、代わりに高圧のガスを導入してもよい。

金型１２がウェハ１より小さい場合、次の位置へステージ３をステップ移動して、金型１２をウェハ１上方から接近させ、Ｚセンサ１３を用いて、金型１２がウェハ最上面に形成された光硬化型樹脂膜２と接触する直前、例えば、１０μｍ程度上空で一旦停止する。この状態で、金型位置検出器８ａ，８ｂと裏面位置検出器６ａ，６ｂを用いて金型１２とウェハ１の相対位置を所定の関係にアライメントする。この相対位置を保持したまま、金型１２をウェハ１に、図示しない荷重センサの出力を利用し、所定の押し付け力を保持したまま押し付ける。以上の動作をウェハ１全面にパターン転写するまで繰り返す。

その後、この樹脂パターン１６をマスクとして下地の配線膜をエッチングすれば配線パターン１７が形成される。

以上、述べてきたようにナノインプリントを半導体デバイスの製造工程のひとつであるリソグラフィに適用するに当り問題となるアライメント誤差は、ウェハ１の表面に形成される樹脂膜と金型の接触に伴う、樹脂の不均一な屈折率分布による位置検出誤差や、樹脂が押し付けられて面内に広がるに伴って発生する面内方向の力による不均一な位置ずれが主要因である。本実施例で説明したウェハ裏面アライメントと、金型のアライメント方式を用いて相対的なアライメントを行い、相対位置を保持したまま両者を押し付けてパターンを形成することにより、上述のアライメント誤差の問題を解決することができる。

さらに、金型１２が光学的に不透明な場合、金型位置検出器８に裏面位置検出器６と同様な基板の傾きキャンセル機能を設ければよいことは、敢えて詳細を述べなくても明らかである。

本実施例のパターン形成装置を用いて製造するデバイスは、半導体の他にも適用することができる。例えば、最近盛んに検討されている３次元フォトニック結晶は、周期的な構造に、それを乱す人為的な構造を含ませることにより、発光特性を制御できるという特性を持たせることができる（応用物理学会誌、第７４巻、２月号、ｐ１４７〜ｐ１５９）。このような３次元構造物を製造する技術として用いることができる。しかも、従来のリソグラフィ技術を用いるよりはるかに安価にできることから、産業上の応用効果は大きいといえる。

本発明のパターン形成装置の概略構成を説明する図。 ナノインプリントを用いてパターンを形成する方法を説明する図。 本発明のウェハ裏面アライメント方法を説明する図。 本発明を用いたアライメントの校正方法を説明する図。 本発明を用いたパターン形成方法を説明する図。 本発明の金型アライメントマークを説明する図。 本発明の金型アライメントマークの位置検出方法を説明する図。 本発明の圧力差により加圧する方法を説明する図。 本発明の金型位置検出器を説明する図。 本発明の金型位置検出器の高さ方向における校正方法を説明する図。

符号の説明

１…ウェハ、２…光硬化型樹脂膜、３…ステージ、４…レーザ測長器、５…ステージ駆動手段、６…ウェハ裏面位置検出器、７…ウェハ裏面アライメントマーク、８…金型位置検出器、９…校正チップ、１０…照明光学系、１１…金型ステージ、１２…金型、１２ａ…転写パターン、１２ｂ…金型アライメントマーク、１３…Ｚセンサ、１４，１７…配線パターン、１５…配線材料膜、１６…樹脂パターン、１８…裏面膜照明光、１９…対物レンズ、２０，２７…ウォラストンプリズム、２１，２２…偏光ビームスプリッタ、２３…レーザ光源、２４…集光レンズ、２５，２８…偏光子、２６，２９，４０…光検出器、
３０…Ａ点から発生する１次回折光、３１…Ｂ点から発生する１次回折光、３２…金型アライメントマークの光学像、３３…金型位置検出器の撮像面に形成された基準面、３４…金型上部チャンバ、３５…ステージチャンバ、３６…真空ライン、３７ａ，３７ｂ…バルブ、３８…真空ポンプ、３９…ビューポート、４１…干渉計、４２…０次回折光、４３…ダミー基板、４４…空間フィルタ。

Claims (19)

1. 凹凸形状のパターンが形成された金型を樹脂膜が塗布された基板に押し付けてパターンを形成するナノインプリントを用いたパターン形成方法において、該樹脂膜を塗布した基板の裏面に形成されたアライメントマークの位置を検出することによって、該金型と該樹脂膜が塗布された基板との相対的な位置合わせを行う工程を含むことを特徴とするパターン形成方法。
2. 請求項１に記載のパターン形成方法において、
   金型と樹脂膜が塗布された基板との間の距離を測定する工程と、
   金型と樹脂膜が塗布された基板が接触する直前で停止する工程と、
   金型と樹脂膜が塗布された基板とのパターンを形成する面内における相対的な位置を位置合わせする工程と、
   前記相対位置を保持したまま金型を樹脂膜が塗布された基板に押し付ける工程と、
   を含むことを特徴とするパターン形成方法。
3. 請求項２に記載のパターン形成方法において、金型と樹脂膜が塗布された基板との間の距離を測定する工程で、レーザを光源としたビームを一定周期のピッチで該金型上に形成されたラインアンドスペースパターンであるアライメントマークを照明し、該アライメントマークから生じる反射回折光のうち、０次回折光を用いて該金型の該樹脂を塗布された基板との距離を計測することを特徴とするパターン形成方法。
4. 請求項１に記載のパターン形成方法において、
   複数の位置で金型と樹脂膜が塗布された基板間との距離を測定する工程と、
   金型と樹脂膜が塗布された基板が接触する直前で停止する工程と、
   金型と樹脂膜が塗布された基板のパターンを形成する面内における相対位置を所定の関係に位置合わせする工程と、
   前記相対位置を保持しかつ、複数の位置で測定された金型と基板との距離に基づき金型と基板の平行を確保し、金型を樹脂膜が塗布された基板に押し付ける工程と、
   を含むことを特徴とするパターン形成方法。
5. 請求項１に記載のパターン形成方法において、金型上下の圧力差により、基板に対して金型を加圧することを特徴とするパターン形成方法。
6. 請求項１に記載のパターン形成方法において、基板の裏面に形成されたアライメントマークの少なくとも２点に照明した光の位相差を求めることにより、基板の裏面位置に対応する基板の表面位置を検出することを特徴とするパターン形成方法。
7. 凹凸形状のパターンが形成された金型を樹脂膜が塗布された基板に押し付けてパターンを形成するナノインプリントを用いたパターン形成装置において、金型を樹脂膜が塗布された基板に押し付ける手段と、該樹脂を塗布した基板の裏面に形成したアライメントマークを位置検出することによって、該金型と該樹脂膜が塗布された基板とのパターンを形成する面内における相対的な位置合わせを行う手段とを有することを特徴とするパターン形成装置。
8. 請求項７に記載のパターン形成装置において、金型と樹脂膜が塗布された基板との間の距離を測定する手段と、該金型を樹脂膜が塗布された基板のパターンを形成する面内における相対位置を保持したまま荷重を加える手段を備えたことを特徴とするパターン形成装置。
9. 請求項８に記載のパターン形成装置において、金型と樹脂膜が塗布された基板との間の距離を測定する手段を複数箇所有し、金型と樹脂膜が塗布された基板とが平行な状態で、かつ、該金型を樹脂膜が塗布された基板のパターンを形成する面内における相対位置を保持したまま荷重を加える手段を備えたことを特徴とするパターン形成装置。
10. 請求項７に記載のパターン形成装置において、前記金型を樹脂膜が塗布された基板に押し付ける手段として、金型上下の圧力差により加圧することを特徴とするパターン形成装置。
11. 凹凸形状のパターンが形成された金型を樹脂膜が塗布された基板に押し付けてパターンを形成するパターン形成装置において、
    樹脂膜が塗布された基板を保持するための基板ステージと、基板ステージを所定の位置に移動可能なステージ駆動手段と、金型を保持するための金型ステージと、
    樹脂を塗布した基板の裏面に形成されたアライメントマークの位置を検出する裏面位置検出器と、金型のパターン形成面の位置を検出する金型位置検出器とを備え、裏面検出器及び金型位置検出器の検出結果に基づき基板と金型との相対的な位置を位置合わせする手段を有することを特徴とするパターン形成装置。
12. 請求項１１に記載のパターン形成装置において、金型位置検出器が金型の高さ方向に対する位置検出機能を有することを特徴とするパターン形成装置。
13. 請求項１１に記載のパターン形成装置において、金型に位置合わせ用のアライメントマークを有し、該金型を透過して該アライメントマークを光学的に検知でき、該アライメントマークからの反射光が該アライメントマークから実質的に反射され、該アライメントマークを透過しないことを特徴とするパターン形成装置。
14. 請求項１３に記載のパターン形成装置において、金型に形成されたアライメントマークがラインアンドスペースパターンであることを特徴とするパターン形成装置。
15. 請求項１３に記載のパターン形成装置において、金型に形成されたアライメントマークに反射膜が形成されていることを特徴とするパターン形成装置。
16. 請求項１１に記載のパターン形成装置において、該金型位置検出器が、位置検出光を金型に照明する手段と、照明された位置検出光に対して金型に形成されたアライメントマークから反射される回折光のうち、±１次回折光のみを選択する空間フィルタと、０次回折光のみを選択する空間フィルタと、±１次回折光と０次回折光とを異なる光検知手段に導く光学素子とを備えることを特徴とするパターン形成装置。
17. 請求項１１に記載のパターン形成装置において、裏面位置検出器と金型位置検出器の基準位置を構成するための校正用チップを有することを特徴とするパターン形成装置。
18. 請求項１１に記載のパターン形成装置において、金型上下に配置された金型上部チャンバとステージチャンバとを備え、上下チャンバ間の圧力差を利用して金型を基板に押し付ける手段を有することを特徴とするパターン形成装置。
19. 請求項１１に記載のパターン形成装置において、複数の箇所で金型と基板間のギャップを測定する手段と、ギャップ位置制御手段と、荷重制御手段とを備えることを特徴とするパターン形成装置。
    
    

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