JP4968470B2

JP4968470B2 - 周期構造測定方法及びその方法を用いた周期構造測定装置

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Publication number: JP4968470B2
Application number: JP2007265145A
Authority: JP
Inventors: 英明森田; 宏之長沼
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 2007-10-11
Filing date: 2007-10-11
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2027-10-11
Also published as: JP2009092580A

Description

本発明は、周期構造体が有する微細周期構造の形状を光学的に測定する周期構造測定方法及び周期構造測定装置に関し、特にナノインプリントにより形成された微細周期構造の形状を光学的に測定する際の周期構造測定方法及びその方法を用いた周期構造測定装置に関する。

近年、光学関連素子、バイオチップの製造のためにナノインプリント技術を用いることが提案されている。これは、金型に刻み込んだ寸法が数十nm〜数百nmの周期構造を有する凹凸パターン形状を、基板上に塗布した樹脂材料に押し付けて当該形状を転写する技術である。このような転写の工程は数分で終了し、同じ形状の部品を短時間で大量に作り出すことができる、というメリットを有している。ナノインプリント技術で使う金型は通常、電子線露光技術とエッチング技術を使って作る。

ナノインプリント技術で製造された部品を評価する場合には、測定するパターンの寸法が数十nm〜数百nm程度と微細であり、光学顕微鏡やレーザ顕微鏡では十分な分解能が得られないため、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いてそのパターン寸法を測定するという手法が採用されている。

しかしながら、走査型電子顕微鏡による測定では、断面形状を観察するために試料を切断しなければならず、破壊検査が実施できない試料については測定ができないという問題があった。また、非破壊で表面状態を観察する測長用電子顕微鏡を使用する場合においては、深さ方向の情報が得られないために正確な形状を測定することが困難であった。さらに電子顕微鏡を使用する場合においては、真空中に試料を装填しなければならないため、測定に長時間を要する作業となっており、量産製造工程への適用に関して十分とは言えないという問題があった。

そこで、例えば特許文献１（特開平１１−２１１４２１号公報）には、一定の方向に一定のピッチにて複数本の線を配置したラインアンドスペースパターンの前記各々の線の線幅を測定する線幅測定装置において、前記パターンに偏光光を入射し、前記パターンからの反射光の偏光状態を測定することによって、前記パターンで反射する際に生じる前記偏光光の偏光状態の変化量を測定し、該偏光状態の変化量に基づいて、前記線幅を測定することを特徴とする線幅測定装置が開示されている。
特開平１１−２１１４２１号公報

特許文献１に記載の技術は周期構造体が入射光の偏光方向に依存した複屈折特性を有する特徴を利用しており、非破壊で周期構造の線幅が測定できる点において一応の効果を奏している。しかしながら、前記ナノインプリント技術で製造された部品を評価する場合には、パターンに熱応力や機械的な応力が加わったり、装置によってはパターンを形成する場所に金型を直接位置合わせできなかったりするために、パターンの加工寸法や精度などがリソグラフィ技術を用いて製造された部品よりも劣る、というデメリットが存在する。

上記のような加工精度の問題のために、ナノインプリント技術による部品では、周期構造が形成されるベース部の表面または界面が一様に傾いていることが考えられるが、このような傾きが存在すると、測定値を適正にフィッティングすることが不可能となる、という問題があった。

本発明は以上のような課題を解決するためのもので、請求項１に係る発明は、周期構造部と、該周期構造部と同じ材料で形成されるベース部と、からなる周期構造体の表面に測定光を入射し、前記周期構造体からの回折光に基づいて形状を測定する周期構造測定方法であって、周期構造体の周期のオーダーの波長を有する測定光を前記周期構造体に対して入射し、前記周期構造体からの回折光強度の波長依存性であるスペクトルの測定値を測定し、前記周期構造部の深さ、デューティ比、および前記ベース部の厚さ分布を仮定してスペクトルの計算値を算出し、前記スペクトルの測定値と前記スペクトルの計算値との誤差を算出し、該算出した誤差が予め定められた許容範囲内になったときの前記スペクトルの計算値を算出する際に仮定した前記周期構造部の深さ、デューティ比、および前記ベース部の厚さ分布を出力し、前記スペクトルの計算値を算出する際には、前記周期構造体の測定エリアを複数の領域に分割し、分割された領域毎のベース部の厚さに基づいて、領域毎のスペクトルの計算値を算出し、前記領域毎のスペクトルの計算値を平均することによって、前記周期構造体の測定エリアの全領域のスペクトルの計算値を算出することを特徴とする。

また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の周期構造測定方法において、前記領域毎のスペクトルの計算値を平均する際には単純平均を用いることを特徴とする。

また、請求項３に係る発明は、請求項１に記載の周期構造測定方法において、前記領域毎のスペクトルの計算値を平均する際には加重平均を用いることを特徴とする。

また、請求項４に係る発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の周期構造測定方法において、スペクトルの計算値はＲＣＷＡ法によって算出することを特徴とする。

また、請求項５に係る発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の周期構造測定方法において、該算出した誤差が予め定められた許容範囲内になったと判定するための手法として遺伝的アルゴリズムを用いたことを特徴とする。

また、請求項６に係る発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の周期構造測定方法において、該算出した誤差が予め定められた許容範囲内になったと判定するための手法として共役傾斜法を用いたことを特徴とする。

また、請求項７に係る発明は、請求項１乃至請求項６のいずれかの周期構造測定方法を用いることを特徴とする周期構造測定装置である。

本発明の実施の形態に係る周期構造測定方法及びその方法を用いた周期構造測定装置によれば、ナノインプリント技術によって製造された部品を非破壊で測定する際に、周期構造が形成されるベース部の表面または界面が一様に傾いている場合でも、測定値を適正にフィッティングすることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の実施の形態に係る周期構造測定装置の主要構成を模式的に示す図であり、図２は本発明の実施の形態に係る周期構造測定装置の測定対象である周期構造体の上面を模式的に示す図であり、図３は本発明の実施の形態に係る周期構造測定装置の測定対象である周期構造体の断面を模式的に示す図である。

なお、本実施形態では反射光を利用した例で説明するが、本発明は透過光についても適用することが可能である。すなわち、本発明は周期構造体からの回折光全般について適用することできる。

図１乃至図３において、１は試料台、２は測定用光源、３は光検出器、４は計算機、１０は周期構造体、２０は基板、３０はナノインプリント層をそれぞれ示している。

本実施形態は、図１を参照すると、試料を設置する試料台１と、周期構造体の周期のオーダーの波長を供給するハロゲンランプやキセノンランプ等の測定用光源２と、試料に斜め４５°に測定光を入射させ、試料からの反射光を分光して測定する光検出器３、光検出器３で測定されたデータを処理する計算機４とから構成され、光検出器３で試料からの反射光の反射光強度の波長依存性を測定して、計算機４で測定された反射光の反射光強度の波長依存性を解析することで周期構造を測定する。さらに、測定する領域が狭い場合には、対物レンズ５を設ける。

本実施形態が測定対象とする周期構造体１０は、模式的には図２及び図３に示されるものであり、シリコンなどの基板２０と、この基板２０上にナノインプリント技術によって形成された樹脂製のナノインプリント層３０とから構成されている。周期構造体１０におけるナノインプリント層３０は、金型に刻み込んだ寸法が数十nm〜数百nmの周期構造を有する凹凸パターン形状を、基板２０上に塗布した樹脂材料に押し付けて当該形状を転写して形成されるものである。このようにして形成される周期構造体１０は、例えば光学関連素子、バイオチップとして利用することができる。

周期構造体１０におけるナノインプリント層３０は、図３に示すようにベース部とその上に形成される周期構造部とを定義することができる。ナノインプリント層３０では、ベース部の表面または界面が、一様に傾いていることが考えられ、このような傾きが存在すると、測定値を適正にフィッティングすることが従来の方法では不可能となる。

そこで、本実施形態においては、ナノインプリント層３０におけるベース部表面の傾きをモデル化することによって周期構造体の特性を評価する。より具体的には、図３に示すように、周期構造体10の測定エリアの一端部におけるベース部の厚さをＤｍａｘとし、他の一端部におけるベース部の厚さをＤｍｉｎとする。

計算の便宜のために、周期構造体10の測定エリアを図２に示すようなＲ１、Ｒ２、Ｒ３、・・・、ＲN-2、ＲN-1、ＲNのN個の単位領域に分割して、Ｒｋにおけるベース部の厚さDｋは、
Ｄｋ＝Ｄｍｉｎ＋（Ｄｍａｘ−Ｄｍｉｎ）（２ｋ−１）／（２Ｎ）・・・（１）
によって求めることとする。すなわち、単位領域内でのベース部の傾斜についてまでは考慮しないこととする。

このようにＲ１、Ｒ２、Ｒ３、・・・、ＲN-2、ＲN-1、ＲNのN個の単位領域に分割して、領域Ｒ１（ベース部の厚さD１）による反射スペクトル値、領域Ｒ２（ベース部の厚さD２）による反射スペクトル値、・・・領域ＲＮ（ベース部の厚さDＮ）による反射スペクトル値を計算して、これらの平均をとることによって周期構造体10の測定エリアの反射スペクトル値を得るようにする。

また、周期構造部における周期や深さについては、図２に示す周期構造体10の測定エリアの全領域で一定であるものと仮定する。図３に示すように周期構造部の深さをｄとし、周期構造部の凸部の幅をｗ、周期構造部の凸部と凹部とを含めた１周期分の幅をΛとする。ここで、周期構造部のデューティー比ｆを、
ｆ＝ｗ／Λ ・・・（２）
によって定義する。

本実施形態では、上記のように定義される各（ｆ，ｄ，Ｄｋ）の組を調整して、測定値に対する最適なフィッティングを実施するものである。

以上のように構成された本発明の実施の形態に係る装置における周期構造測定方法について説明する。図４は本発明の実施の形態に係る周期構造測定装置における測定処理のフローチャートを示す図である。

図４において、ステップＳ１００で測定処理が開始されると続いてステップＳ１０１に進む。ステップＳ１０１では、反射スペクトルの測定を行う。このステップで測定された反射スペクトルの測定値は計算機４に取り込まれて利用される。

ステップＳ１０２では、周期構造部の深さd、デューティ比f、およびベース部の厚さ分布の初期値設定が行われる。ベース部の厚さ分布については、前述したようにＤｍａｘ、Ｄｍｉｎ、Ｎのパラメータによって設定を行う。

ステップＳ１０３では、計算機４で反射スペクトルの計算を実行する。反射スペクトルの波長分散は、例えば２５０〜４５０ｎｍの範囲で計算する。ここで、計算の手法としては、Ｍａｘｗｅｌｌの方程式を用いて、規則的なパターンからの回折光の電界、磁界、強度を解く、Ｍｏｈａｒａｍ（Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．，Ｖｏｌ．１２，Ｎｏ．５，Ｍａｙ１９９５１０７７−１０８６）らのＲＣＷＡ（Ｒｉｇｏｒｏｕｓｃｏｕｐｌｅｄ−ｗａｖｅａｎａｌｙｓｉｓ）法などを用いている。

また、Ｒ１の単位領域によって計算される反射スペクトル値Ｓ１、Ｒ２の単位領域によって計算される反射スペクトル値Ｓ２、・・・ＲＮの単位領域によって計算される反射スペクトル値ＳNの計N個の反射スペクトル値の単純平均をとることによって周期構造体10の測定エリアの計算値とする。

ステップＳ１０４では、計算機４によって、ステップＳ１０１で得られた測定値と、ステップＳ１０３で得られた計算値との誤差の計算を実行する。ここでは、誤差として、差分の二乗和を用いているが、差分の絶対値の和を用いても良いし、そのほかの誤差を用いても良い。

ステップＳ１０５では、ステップＳ１０４で計算された測定値と計算値との差分の二乗和が許容範囲内であるか否かが判定される。ここで、二乗和が許容範囲内であるか否かを判定するための手法としては、局所解におちいりにくい遺伝的アルゴリズムを用いた後に、共役傾斜法を用いる手法が望ましい。ただ、本発明は、二乗和が許容範囲内であるか否かを判定するための手法として、遺伝的アルゴリズムのみを用いてもよいし、或いは共役傾斜法のみを用いてもよいし、或いはさらに他の手法を用いても実現することが可能である。

ステップＳ１０５における判定の結果がＹＥＳであるときにはステップＳ１０６に進み、ステップＳ１０５における判定の結果がＮＯであるときにはステップＳ１０７に進む。

ステップＳ１０６では、計算機４で周期構造部の深さｄ、デューティ比ｆ、およびベース部の厚さ分布（Ｄｍａｘ、Ｄｍｉｎ、Ｎ）を、計算機４のディスプレイ（不図示）などに出力する。

ステップＳ１０７では、計算機４で周期構造部の深さｄ、デューティ比ｆ、およびベース部の厚さ分布（Ｄｍａｘ、Ｄｍｉｎ、Ｎ）の設定値を変更して、ステップＳ１０３に進む。

ステップＳ１０８では、測定処理を終了する。

以上のような本発明の周期構造測定方法及びその方法を用いた周期構造測定装置によれば、ナノインプリント技術によって製造された部品を非破壊で測定する際に、周期構造が形成されるベース部の表面または界面が一様に傾いている場合でも、測定値を適正にフィッティングすることが可能となる。

次に、本発明の他の実施形態について説明する。図５は本発明の他の実施の形態に係る周期構造測定装置の測定対象である周期構造体の上面を模式的に示す図である。この図５に対応する周期構造体の断面構造は、図３と同様のものを仮定している。

先の実施形態は、周期構造体10の測定エリアの一辺に平行な方向にベース部の厚さ分布が存在するものと仮定したものであるが、本実施形態では周期構造体10の測定エリアの対角線方向にベース部の厚さ分布が存在するものと仮定している。

本実施形態では、周期構造体10の測定エリアを図２に示すようなＲ１、Ｒ２、Ｒ３、・・・、ＲN-2、ＲN-1、ＲNのN個の単位領域に分割して、それぞれの領域による反射スペクトル値を計算する。そして、本発明の他の実施形態の場合には、ステップＳ１０３においては、Ｒ１の単位領域によって計算される反射スペクトル値Ｓ１、Ｒ２の単位領域によって計算される反射スペクトル値Ｓ２、・・・ＲＮの単位領域によって計算される反射スペクトル値ＳNの計N個の反射スペクトル値の加重平均をとることによって周期構造体10の測定エリアの全領域の計算値とする。

以上のような他の実施形態によれば、先の実施形態より精密なフィッティングを行うことができるようになる。

次に、本発明の実施例について説明する。実施例においては、第１の実施形態で説明したモデルを利用している。材料は、ナノインプリント層がＵＶ硬化型樹脂，基板がシリコン基板で、屈折率はそれぞれ波長に応じた値を用いている。また、実施例においては周期構造体10の測定エリアを５つの単位領域に分割して計算を実行している。すなわち、先のステップＳ１０３におけるフィッティングの際の計算データは、Ｎ＝５でｋ＝１，２，３，４，５で求めたスペクトル値を単純平均したものを用いた。表１は、測定値と本実施形態による方法で求めた最適値との比較を示すものである。

表中、本発明による２種類の最適値には次の（Ａ）、（Ｂ）のような相違がある。

（Ａ）フィッティングにおいて、ローカルミニマムに陥らないようにグローバルな探索法である遺伝的アルゴリズム（ＧＡ）を用い、それである許容範囲内に収束した値が「遺伝的アルゴリズム適用」の欄に示される最適値である。

（Ｂ）また、フィッティングにおいて、まずローカルミニマムに陥らないようにグローバルな探索法である遺伝的アルゴリズム（ＧＡ）を用い、それである許容範囲内に収束した後に、ローカルな探索法である共役傾斜法を用いて収束させた値が表の「遺伝的アルゴリズム適用後共役傾斜法適用」の欄に示される最適値である。

目標として、各寸法パラメータともシミュレーションの寸法の１０％以内を想定しており、それ以内の充分な収束を得ることができたものと判断することができる。

図６は本発明の実施の形態に係る周期構造測定方法で求めた測定値と最適値とを示すグラフである。図６に示すグラフにおいては、測定値のカーブ、先の（Ａ）のフィッティングによる「遺伝的アルゴリズム適用（Ｎ＝５）」のカーブ、先の（Ｂ）のフィッティングによる「遺伝的アルゴリズム適用後、共役傾斜法適用（Ｎ＝５）」のカーブ、先の「遺伝的アルゴリズム適用後、共役傾斜法適用（N＝５）」と周期構造部の深さｄ，デューティ比ｆなどは同じ条件で、Ｎのみを変更してＮ＝１とした「遺伝的アルゴリズム適用後、共役傾斜法適用（N＝１）」のカーブが示されている。

図６にも示されるように、遺伝的アルゴリズム（ＧＡ）のみでも実測データに近い最適値を得ることが可能であるが、遺伝的アルゴリズム（ＧＡ）適用後、ローカルな探索法を用いることでさらに近い実測データに近いスペクトル値が得られているのが分かる。なお、前者は時間が掛かるため二乗和の許容範囲を後者より大きくして早めに収束した結果であって、許容範囲を小さくして時間を掛ければ、後者と同様の精度が得られると考えられる。

また、図６によれば、先の（Ａ）、（Ｂ）による最適値カーブのいずれも、周期構造体10の測定エリアを単位領域に分割せずに求めた従来の手法によるカーブに比べて、測定値データに十分近いことを理解することができる。

以上、本発明の実施の形態に係る周期構造測定方法及びその方法を用いた周期構造測定装置によれば、ナノインプリント技術によって製造された部品を非破壊で測定する際に、周期構造が形成されるベース部の表面または界面が一様に傾いている場合でも、測定値を適正にフィッティングすることが可能となる。

本発明の実施の形態に係る周期構造測定装置の主要構成を模式的に示す図である。本発明の実施の形態に係る周期構造測定装置の測定対象である周期構造体の上面を模式的に示す図である。本発明の実施の形態に係る周期構造測定装置の測定対象である周期構造体の断面を模式的に示す図である。本発明の実施の形態に係る周期構造測定装置における測定処理のフローチャートを示す図である。本発明の他の実施の形態に係る周期構造測定装置の測定対象である周期構造体の上面を模式的に示す図である。本発明の実施の形態に係る周期構造測定方法で求めた測定値と最適値とを示すグラフである。

符号の説明

１・・・試料台、２・・・測定用光源、３・・・光検出器、４・・・計算機、１０・・・周期構造体、２０・・・基板、３０・・・ナノインプリント層

Claims

周期構造部と、該周期構造部と同じ材料で形成されるベース部と、からなる周期構造体の表面に測定光を入射し、前記周期構造体からの回折光に基づいて形状を測定する周期構造測定方法であって、
周期構造体の周期のオーダーの波長を有する測定光を前記周期構造体に対して入射し、
前記周期構造体からの回折光強度の波長依存性であるスペクトルの測定値を測定し、
前記周期構造部の深さ、デューティ比、および前記ベース部の厚さ分布を仮定してスペクトルの計算値を算出し、
前記スペクトルの測定値と前記スペクトルの計算値との誤差を算出し、
該算出した誤差が予め定められた許容範囲内になったときの前記スペクトルの計算値を算出する際に仮定した前記周期構造部の深さ、デューティ比、および前記ベース部の厚さ分布を出力し、
前記スペクトルの計算値を算出する際には、
前記周期構造体の測定エリアを複数の領域に分割し、分割された領域毎のベース部の厚さに基づいて、領域毎のスペクトルの計算値を算出し、
前記領域毎のスペクトルの計算値を平均することによって、前記周期構造体の測定エリアの全領域のスペクトルの計算値を算出することを特徴とする周期構造測定方法。
前記領域毎のスペクトルの計算値を平均する際には単純平均を用いることを特徴とする請求項１に記載の周期構造測定方法。
前記領域毎のスペクトルの計算値を平均する際には加重平均を用いることを特徴とする請求項１に記載の周期構造測定方法。
スペクトルの計算値はＲＣＷＡ法によって算出することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の周期構造測定方法。
該算出した誤差が予め定められた許容範囲内になったと判定するための手法として遺伝的アルゴリズムを用いたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の周期構造測定方法。
該算出した誤差が予め定められた許容範囲内になったと判定するための手法として共役傾斜法を用いたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の周期構造測定方法。
請求項１乃至請求項６のいずれかの周期構造測定方法を用いることを特徴とする周期構造測定装置。