CN101292195A - 压印装置、压印方法和压印模具 - Google Patents

Abstract

一种将提供给模具的图案压印到衬底或衬底上的元件上的压印装置，包括：光源，其用光辐照与所述衬底相对布置的所述模具的表面和所述衬底的表面；光学***，其用于将来自所述光源的光导引到所述模具的表面和所述衬底的表面并且将来自这些表面的反射光导引到分光镜；分光镜，其用于将所述光学***导引的反射光散射成光谱；和分析器，其用于分析所述模具的表面和所述衬底的表面之间的距离。所述分析器通过测量所述模具的表面和在远离所述模具的表面的位置形成的表面之间的距离计算所述模具的表面和所述衬底的表面之间的距离。

Description

压印装置、压印方法和压印模具

技术领域

本发明涉及用于将提供给模具的图案压印到衬底或衬底上的元件上的压印装置和压印方法，并且也涉及压印模具。

背景技术

近年来，如Stephan Y.Chou等人在Appl.Phys.Lett.，第67卷，第21期，第3114-3116页(1995)中所提出的，一种用于将设在模具上的精细图案转印到半导体、玻璃、树脂、金属或类似物上的技术已被开发并且受到关注。该技术被称为纳米压印或纳米压纹，原因是它具有大约几纳米的分辨能力。通过利用该技术，可以同时处理晶片级的三维结构。为此，希望该技术应用于诸如光子晶体这样的光学设备的生产技术和诸如μ-TAS(微全分析***)和生物芯片这样的结构的生产技术。

在使用这样的纳米压印的处理技术中，当它用于例如半导体制造技术等中时，模具上的精细图案以下列方式被转印到衬底或衬底上的元件上。

首先，在衬底(例如半导体晶片)上，形成可光致固化树脂材料层。

然后，将预期图案形成于其上的模具压靠在树脂层上，之后用紫外射线辐照以固化树脂材料。结果，形成于模具上的图案被转印到树脂层上。

其后，通过使用树脂层作为掩模实施蚀刻，由此在衬底上形成模具的图案。

在压印技术中转印形成于模具上的图案期间，为了通过提高转印精度实施高分辨率精细处理，必须测量模具和衬底之间的距离(间隙)。

美国专利No.6,696,220 B2描述了一种通过干涉仪测量模具和衬底之间的间隙的方法。US 6,696,220 B2也公开了一种间隙测量方法，其能够通过适当地设计模具的形状测量间隙，即使所述间隙(距离)为用干涉仪进行测量的光的波长的1/4或以下的距离。该间隙测量方法将参考图8进行描述。

在模具701的第一表面702和衬底的表面704之间的距离706为测量波长的1/4或以下的情况下，难以通过干涉仪精确测量距离706。在US 6,696,220 B2描述的间隙测量方法中，测量区设在与形成第一表面702的位置不同的位置。在测量区中，另外提供第二表面703。通过这样的构造，当第二表面703和衬底表面704之间的距离为测量波长的1/4或以上时，可以测量第二表面703和衬底表面704之间的距离。为此，通过事先测量第一表面702和第二表面703之间的距离705，能够测量距离706的值，即使该距离为测量波长的1/4或以下。

顺便提一句，在日益需要高分辨率精细处理的当今，在上述纳米压印中关于压印精度需要进一步提高。

然而，在US 6,696,220 B2中公开的间隙测量方法不一定满足这样的需要。

更具体而言，第一表面702和第二表面703之间的距离705不能被测量，原因是这些表面不彼此相对。因此，距离705和第二表面703和衬底表面704之间的距离需要通过除使用干涉仪的方法之外的方法进行测量。然而，当这两个距离通过除使用干涉仪的方法之外的方法测量时，产生了这样的问题，即容易发生测量误差。

进一步地，US 6,696,220 B2也描述了需要在构造上与用于实施模具和衬底之间的距离测量的光学***不同的光学***以便执行模具和衬底的平面内位置的测量。在US 6,696,220 B2所述的方法中，基于通过平面内位置测量获得的数据实施平面内对准。顺便提一句，术语“平面内”关于平行于模具的处理表面的平面被使用，并且平面内位置由X，Y和θ表示。进一步地，模具和衬底之间的距离(间隙)由Z表示。

使用纳米压印的装置是这样一种处理装置，即模具和压印图案之间的尺寸比为1∶1，不同于诸如步进器或类似物的用于减少曝光的装置。为此，在离模具的后表面的后向位置，空间约束条件与步进器或类似物的情况相比要苛刻。例如，模具的处理表面处的图案区为26×36mm并且用于光学***中的物镜具有大约20mm的直径，使得这些尺寸属于相同数量级。

因此，如US 6,696,220 B2中所述，当独立地提供用于实施距离测量的光学***和用于实施平面内位置测量的光学***时，难以将这些光学***一起布置在相同区域中。为此，存在的问题是由于温度变化、振动等而难以防止由模具和衬底之间的位置偏差导致的距离测量误差。

发明内容

本发明的目标是解决上述问题。

本发明的具体目标是提供能够更精确地测量模具表面和衬底表面之间的距离(间隙)的压印装置、压印方法和压印模具。

根据本发明的一个方面，提供了一种将提供给模具的图案压印到衬底或衬底上的元件上的压印装置，所述压印装置包括：

光源，其用光辐照与所述衬底相对布置的所述模具的表面和所述衬底的表面；

光学***，其用于将来自所述光源的光导引到所述模具的表面和所述衬底的表面并且将来自这些表面的反射光导引到分光镜；

分光镜，其用于将所述光学***导引的反射光散射成光谱；和

分析器，其用于分析所述模具的表面和所述衬底的表面之间的距离；

其中所述分析器通过测量所述模具的表面和在远离所述模具的表面的位置形成的表面之间的距离计算所述模具的表面和所述衬底的表面之间的距离。

根据本发明的另一方面，提供了一种将提供给模具的图案压印到衬底或衬底上的元件上的压印方法，所述压印方法包括：

第一测量步骤，其通过光学测量方法测量所述模具的表面和在远离所述模具的表面的位置形成的表面之间的距离；

第二测量步骤，其通过光学测量方法测量在远离所述模具的表面的位置形成的所述表面和所述衬底的表面之间的距离；和

计算步骤，其通过从在第二测量步骤中测量的距离减去在第一测量步骤中测量的距离计算所述模具的表面和所述衬底的表面之间的距离。

根据本发明的进一步方面，提供了一种用在包括光学测量设备的压印装置中的模具，其包括：

构成所述模具的表面的第一元件；和

折射率不同于第一元件的第二元件；

其中第一元件具有用于光学测量的光的波长的1/4或以上的光学厚度。

根据本发明的更进一步方面，提供了一种将提供给模具的图案压印到衬底或衬底上的元件上的压印装置，所述压印装置包括：

光源，其用光辐照与所述衬底相对布置的所述模具的表面和所述衬底的表面；

第一光学***，其用于将来自所述光源的光导引到所述模具的表面和所述衬底的表面并且将来自这些表面的反射光导引到分光镜以测量所述模具的表面和所述衬底的表面之间的距离；和

第二光学***，其用于将来自所述光源的光导引到所述模具的表面和所述衬底的表面并且将来自这些表面的反射光导引到图像拾取设备以测量所述模具的表面和所述衬底的表面的平面内位置；

其中第一光学***和第二光学***共用它们的光轴的一部分。

通过考虑结合附图的本发明的优选实施例的以下描述将更显而易见本发明的这些和其他目标、特征和优点。

附图说明

图1是显示用在本发明的实施例1中的压印装置的构造例子的示意图。

图2(a)-2(c)是当宽带光源用在本发明的实施例1中时用于示出测量原理的示意图，其中图2(a)显示了在测量波数范围中有三个波峰和三个波谷的状态，图2(b)显示了在测量波数范围中有两个波峰和两个波谷的状态，图2(c)显示了在测量波数范围中只有一个波峰和一个波谷的状态。

图3(a)和3(b)是用于示出在本发明的实施例1中使用模具的后表面的测量方法的示意图，其中图3(a)显示了模具的第一表面和树脂材料的表面被定位成彼此分离的状态，图3(b)显示了模具的第一表面和树脂材料表面彼此接触的状态。

图4(a)-4(c)是显示用在本发明的实施例1中的压印装置中的模具的构造的示意图，其中图4(a)显示了测量区(406)范围从模具的第一表面到模具的第一后表面的情况，图4(b)显示了测量区范围从模具的第一表面到模具的第二后表面的情况，图4(c)显示了图4(b)的构造的另一例子。

图5(a)和5(b)是显示用在本发明的实施例2中的压印装置中的模具的构造的示意图，其中图5(a)显示了模具由第一元件和第二元件构造的情况，图5(b)显示了图5(a)中所示的模具的另一实施例。

图6(a)和6(b)是用于示出在本发明的实施例2中使用包括第一透明元件和第二透明元件的模具的间隙测量方法的示意图，其中图6(a)显示了模具的第一表面和树脂材料的表面彼此分离的状态，图6(b)显示了模具的第一表面和树脂材料表面彼此接触的状态。

图7(a)和7(b)是用于示出在本发明的实施例3中在与树脂材料接触之前和之后使用不同光源的间隙测量方法，其中图7(a)显示了模具的第一表面和树脂材料的表面彼此分离的状态，图7(b)显示了模具的第一表面和树脂材料表面彼此接触的状态。

图8是显示美国专利No.6,696,220中所述的常规实施例的示意图。

图9(a)-9(d)是用于示出本发明的实施例4中的光学***的构造的示意图，其中图9(a)显示了用于测量平面内位置的光学***和用于测量距离的光学***的一部分彼此同轴的构造，图9(b)显示了用于测量距离的光学***包括隔膜的构造，图9(c)显示了用于测量平面内位置的光学***包括第二成像光学***的构造，图9(d)显示了用于测量距离的光学***具有能够沿垂直于光轴的方向被驱动的机构的构造。

图10(a)和10(b)是显示本发明的实施例4中的会聚部分的示意图，其中图10(a)显示了光纤和保持部分，图10(b)显示了带有多个开口的元件。

图11(a)-11(e)是显示通过本发明的实施例4中的光学***观察到的对准标记的状态的示意图，其中图11(a)显示了包括在视野中心处的距离测量区和在另一部分处的平面内位置测量区的标记区的构造，图11(b)是沿着图11(a)中所示的AA’线获得的截面图，图11(c)是沿着图11(a)中所示的AA’线获得的截面图并且显示了不同于图11(b)中所示的实施例，图11(d)显示了包括实施距离测量和一部分平面内位置测量的区域的标记区的构造，图11(e)显示了用于实施三维位置测量的标记的构造。

图12(a)和12(b)是显示在本发明的实施例4中用于实施对准的操作序列的流程图，其中图12(a)显示了用多个标记实施三轴位置控制的序列，图12(b)显示了用单一标记实施三轴位置控制的序列。

具体实施方式

(实施例1)

在实施例1中，将描述根据本发明的压印装置的构造例子。

图1显示了实施例1中的压印装置的构造例子。

参考图1，压印装置包括曝光光源101、模具保持部分102、加工件保持部分103、加工件加压机构104、平面内移动机构105、光学***106、测量光源107、光束分离器108、分光镜109、图像拾取设备110、分析器111、压印控制机构112、模具113、可光致固化树脂材料114和衬底115。

模具保持部分102通过真空卡夹法或类似方法实施模具13的卡夹。加工件或工件通过平面内移动机构105可移动到预期位置。加工件加压机构104能够调节加工件的高度和对加工件施加压力。

顺便说一句，加工件加压机构104沿高度方向的位置可以由编码器监视。编码器可以理想地具有100nm或以下的精度。相对于加工件的位置移动、压力施加和曝光的控制由压印控制机构112实施。

进一步地，压印装置也可以包括用于实施平面内对准的检测***(未显示)。

衬底115布置在与模具113相对的位置并且在衬底115上施加可光致固化树脂材料114。顺便说一句，作为模具的图案将转印到其上的元件的材料，它并不限于可光致固化树脂材料，而是也可以是热固性树脂材料、有机SOG(玻璃面板***)材料、无机SOG材料等。

接着，将描述该实施例中的间隙测量机构。

该实施例中的间隙测量机构包括光学***106、测量光源107、光束分离器108、分光镜109、图像拾取设备110和分析器111。

测量光源107由发出例如400nm-800nm的宽带光的光源构成。

从测量光源107发出的光穿过光学***106到达模具113、可光致固化树脂材料114和衬底115。所述光在模具113、可光致固化树脂材料114和衬底115之中干涉。干涉光然后返回光学***106到达分光镜109。分光镜109散射的光通过诸如线传感器的图像拾取设备110进行观察。

分析器111包括用于事先存储折射率和测量数据的存储设备并且执行来自图像拾取设备的信号的处理。

在这里，通过将附加的光束分离器提供给光学***，也可以将光学***分成用于实施间隙测量的光学***和用于实施平面内对准(位置调节)的光学***。结果，可以通过较少的光学***独立地实施平面内对准和间隙测量。

接着，将描述薄膜厚度和间隙距离的测量原理。首先，将描述使用窄带光源的方法。

作为这样的光源，有激光、LED等。进一步地，也可以使用带有滤波器的宽带光源。

在这里，薄膜具有厚度d和折射率n，考虑在薄膜的两个端表面反射光的情况。

在光的强度减小的情况下，波数k_mo和波长λ_mo由使用任一整数m的下列关系表示。

$k_{\mathrm{mo}}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{mo}}}=\frac{2m+1}{4\mathrm{nd}}$

进一步地，在光的强度增加的情况下，波数k_me和波长λ_me由使用整数m的下列关系表示。

$k_{\mathrm{me}}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{me}}}=\frac{m}{2\mathrm{nd}}$

如上所述，光强度根据波数和波长周期性地改变，使得它对于与波长的一半对应的每个距离都周期性地变化。例如，当测量波长为600nm并且折射率n为1.5时，光强度的变化周期为200nm。

为了测量小于该周期的距离，例如，编码器具有大约100nm的精度。进一步地，当模具表面和衬底表面的初始位置的误差总和在100nm以内时，可以测量模具和衬底之间的绝对距离。

接着，在该实施例中的测量光源107的情况下，将描述通过使用宽带光源确定薄膜的厚度和间隙的绝对距离的方法。作为宽带光源，可以使用卤素光源、氙光源等。

图2(a)-2(c)是当各自折射率和各自薄膜厚度彼此不同时显示波数和光强度之间的关系的示意图。

图2(a)显示了在测量波数(范围)中有三个波峰和三个波谷的状态。图2(b)显示了在测量波数中有两个波峰和两个波谷的状态。图2(c)显示了在测量波数中有单一波峰和单一波谷的状态。

图2(a)-2(c)中的薄膜分别具有折射率n_a、n_b和n_c，并且分别具有厚度d_a、d_b和d_c。在图2(a)和2(b)中，参考数字201和202表示相邻波峰之间的距离并且分别为1/2n_ad_a和1/2n_bd_b。在图2(c)中，参考数字203表示相邻波峰和波谷之间的距离并且为1/4n_cd_c。基于这些值，可以通过频率分析例如傅立叶变换和相对于波峰和波峰或波峰和波谷的峰值检测计算光学长度(距离)nd。

可测量波数的最小值被视为k_L＝1/λ_L并且可测量波数的最大值被视为k_M＝1/λ_M。进一步地，为了简化说明假设折射率并不取决于波长。也不考虑使得穿过上端的光在下端反射然后再次在上端和下端反射以离开薄膜的多次反射的影响。

例如，作为具体数值例子，可以考虑d_a＝800nm，d_b＝500nm，d_c＝300nm，n＝1.4，k_L＝1/400，和k_M＝1/800的情况。

在该实施例的方法中，当薄膜的厚度变小时波峰和波谷的数目减小，使得当m＝0时获得可测量最小厚度d_min并且由下列公式表示。

$d_{\min }=\frac{1}{4n{k}_M}=\frac{{\mathrm{\λ}}_L}{4n}$

当上述数值例子中的值应用于公式中时，可测量最小厚度为71nm。

接着，当考虑薄膜由两层组成时，光在相应端表面被反射。例如，当两层分别具有厚度d_a和d_b时，乘以常数的图2(a)的光谱和乘以常数的图2(b)的光谱的总和通过使用具有足够宽的频带的光获得。

通过使用光谱的总和实施频率分析，在三个位置n_ad_a、n_bd_b和n_ad_a+n_bd_b处产生峰值。

进一步地，在薄膜由三层形成的情况下，通过使用图2(a)、2(b)和2(c)的光谱的总和实施频率分析，峰值出现在六个位置n_ad_a、n_bd_b、n_cd_c、n_ad_a+n_bd_b、n_bd_b+n_cd_c和n_ad_a+n_bd_b+n_cd_c。

顺便说一句，在该实施例中，光学干涉测量法用作测量方法，但是也可以使用利用椭圆光度法的方法。在使用椭圆光度法的方法中，观察入射光和反射光的极化状态以获得薄膜厚度、模具和衬底之间的距离等。

接着，将描述该实施例中的间隙测量方法。

该方法的应用条件是从模具的后表面到衬底的前表面的光学长度短于光的相干长度。当光学长度长于相干长度时，在模具的后表面和衬底的前表面处反射的光不会彼此干涉，因而是不可测量的。

顺便说一句，相干长度L可以由下列公式表示：

$L=\frac{c}{\mathrm{\δf}}=\frac{{\mathrm{\λ}}_1{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_2}$

其中c表示光速，of表示频率，δf表示频谱宽度。顺便说一句，该公式由c＝fλ修改。进一步地，λ1表示光谱中的最大波长，λ2表示光谱中的最小波长。

例如，当λ1和λ2近似等于400nm并且λ1-λ2＝0.01nm时，相干长度为16nm。在该情况下，当模具具有6mm的厚度时，模具厚度小于相干长度，因此允许间隙(模具和衬底之间的距离)的测量。

接着，将描述模具和衬底的位置和干涉光(相干光)之间的关系。

图3(a)是显示模具和树脂材料不彼此接触的状态的示意图。在该状态中，宽带光进入模具并且在模具的后表面301、模具的第一表面302、树脂材料表面303和衬底表面304处反射。各自的反射光如参考数字305所示彼此干涉并且返回测量***。

在这里，模具的后表面和模具的第一表面(图案形成于那里)之间的距离被视为d₁，模具的第一衬底和树脂材料表面之间的距离被视为d₂，树脂材料表面和衬底表面之间的距离被视为d₃。

在该情况下，当干涉光被散射并且受到频率分析时，峰值出现在六个位置n₁d₁、n₂d₂、n₃d₃、n₁d₁+n₂d₂、n₂d₂+n₃d₃和n₁d₁+n₂d₂+n₃d₃，其中n₁表示模具的折射率，n₂表示空气的折射率，n₃表示可光致固化树脂材料的折射率。

假设在压印期间这些折射率不变化，可以通过计算获得距离d₁、d₂和d₃。顺便说一句，这些折射率可以事先存储在压印装置的存储器中并且可以被适当参照。

图3(b)是显示模具和树脂材料彼此接触的状态的示意图。

在该情况下，模具和树脂材料的折射率彼此接近，使得在形成图案的表面处的反射很少发生。为此，峰值出现在位置n₁d₁+n₃d₃。

接着，将描述在使模具靠近衬底的同时测量间隙(模具和衬底之间)的序列。

首先，在模具后表面和衬底表面之间的距离为相干长度或以上的位置，测量和存储模具的厚度。然后，通过波长压缩机构使模具靠近衬底。通过波长压缩机构的编码器实施模具和衬底之间的距离的监视。当使模具进一步靠近衬底时，将模具放置成与衬底接触。在该接触状态中，峰值出现在位置n₁d₁+n₃d₃。

通过从值n₁d₁+n₃d₃减去事先测量的n₁d₁，可以计算d₃。结果，可以确定衬底表面和形成图案的表面之间的距离。

通过使用该实施例中所述的方法，事先受到n₁d₁的测量的光轴与在模具接近衬底期间受到距离的测量的光轴相同。为此，可以高精度地确定图案形成衬底和衬底表面之间的距离。

当可以高精度地控制图案形成衬底和衬底表面之间的距离时，还可以高精度地控制由衬底上的树脂材料形成的残余薄膜层的厚度。结果，还可以在后续蚀刻过程中提高图案转印到衬底上的精度。

进一步地，在构成模具表面的材料的折射率的值接近树脂材料的折射率的情况下，当模具和树脂材料彼此接触时，从它们之间的边界表面难以获得反射光谱。为此，在模具后表面或类似物未受到测量的常规方法中，难以测量图案形成表面和衬底表面之间的距离。然而在该实施例中，模具的后表面也受到测量，使得即使在模具和衬底彼此接触的情况下也可以测量模具表面和衬底表面之间的距离。

光源的强度谱不是平的，还优选的是事先测量强度谱并且通过执行测量光的光谱和强度谱之间的分割实施归一化。结果，可以以更高精度实施频率分析。

进一步地，还优选的是间隙测量机构设在三个或三个以上部分处。结果，可以检测模具和衬底之间的倾度，使得还可以调节模具和衬底之间的平行度。

作为调节模具和衬底之间的平行度的另一方法，用于沿平面内方向驱动光学***的驱动机构也是优选的。结果，可以在沿平面内方向移动测量光的同时测量间隙。例如通过在原点、沿X方向移动的点和沿Y方向移动的点处测量间隙，可以检测模具和衬底之间的倾度。结果，可以调节平行度。

在图4(a)-4(c)中显示了该实施例中模具的构造。在这些图中，第一元件401构成模具的主体并且由透明材料例如石英玻璃(n：近似等于1.5)或蓝宝石(n：近似等于1.8)形成。

图4(a)显示了使用模具前表面402和模具后表面403作为测量表面的模具构造。矩形区406是受到测量的测量区。

图4(b)显示了使用位于模具前表面402和模具后表面403之间的表面405代替模具后表面403作为测量表面的模具构造。与图4(a)类似，矩形区406是受到测量的测量区。该构造在图案形成表面402和模具后表面403之间的距离长于相干长度的情况下是有效的。然而在该情况下，图案形成表面402和表面405之间的距离需要短于相干长度。

图4(c)显示了图4(b)的另一实施例，矩形测量区406位于凹陷部分处。

顺便说一句，模具前表面、模具后表面403和表面405可以理想地是平表面。

(实施例2)

在实施例2中，将描述使用两个元件之间的边界表面作为测量表面的模具和使用该模具的测量方法。该实施例是有用的，原因在于即使在相干长度短于模具厚度的情况下它也适用。

图5(a)显示了使用两个元件之间的边界表面作为测量表面的模具构造。该模具由第一元件401和第二模具407构成。这些第一元件401和第二元件407之间的边界表面由参考数字408指示。进一步地，第一元件401、第二元件407和可光致固化树脂材料由折射率不同的材料构成。

作为用于第二元件407的材料，可以使用氧化钛(n：近似等于2.4)、ITO(n：近似等于2)、氮化硅(n：近似等于2)等。进一步地，以光学长度表示，第二元件407的厚度可以理想地为测量波长的1/4或以上。

图5(b)显示了图5(a)的另一实施例。在该实施例中，不仅突出部而且邻近该突出部的部分由第二元件407形成。

顺便说一句，第一元件401和第二元件407之间的边界表面可以理想地是平表面。

接着，将描述使用该实施例的模具测量间隙(模具和衬底之间)的方法。与实施例1相同的部分将省略说明。

图6(a)显示了模具和树脂材料不彼此接触的状态。图6(a)中所示的表面包括模具表面501、第一元件和第二元件之间的边界表面502、树脂材料表面503和衬底表面504。进入模具的宽带光在边界表面502、树脂材料表面503和衬底表面504处被反射并且各自的反射光彼此干涉并返回测量***。

在这里，模具表面501和边界表面502之间的距离被视为d₁，模具表面501和树脂材料表面503之间的距离被视为d₂，树脂材料表面503和衬底表面之间的距离被视为d₃。

当干涉光被散射并且受到频率分析时，峰值出现在六个位置n₁d₁、n₂d₂、n₃d₃、n₁d₁+n₂d₂、n₂d₂+n₃d₃和n₁d₁+n₂d₂+n₃d₃。通过从这些峰值中参考折射率数据，可以计算d₁、d₂和d₃。在该情况下，图案形成表面和衬底表面之间的距离为d₂+d₃。

图6(b)显示了模具和树脂材料彼此接触的状态。在模具和树脂材料折射率不同的情况下，导致反射也发生在模具表面和衬底表面之间的边界表面。因此，峰值出现在位置n₁d₁+n₃d₃。通过从该值减去预先测量的n₁d₁，可以计算d₃。结果，可以确定图案形成表面和衬底表面之间的距离。

(实施例3)

在实施例1中，描述了在宽带光的相干长度长于模具厚度的情况下通过利用模具后表面作为测量表面测量模具厚度以计算模具表面和衬底表面之间的距离。

进一步地，在实施例2中，描述了即使在宽带光的相干长度短于模具厚度的情况下也可以通过使用两个元件之间的边界表面作为测量表面计算模具表面和衬底表面之间的距离。

然而在这些实施例中，在宽带光的相干长度短于模具厚度并且第二元件不能提供给模具的情况下，存在这样的问题，即，模具表面和衬底表面之间的距离不能被测量。

在实施例3中，将描述解决这种问题的测量方法。

图7(a)是显示模具与树脂材料的非接触状态的示意图。进入模具的宽带光在模具后表面601、模具前表面602、树脂材料表面603和衬底表面604处被反射。各自的反射光如参考数字605所示彼此干涉并且返回测量***。

当干涉光被散射并且受到频率分析时，峰值出现在三个位置n₂d₂、n₃d₃和n₂d₂+n₃d₃。在实施例1中，出现六个峰值，然而在实施例3中，只出现三个峰值。这是因为在实施例3中模具厚度大于宽带光的相干长度。

通过从这三个峰值中参考折射率数据，可以分别计算距离d₂和d₃。在该实施例中，模具表面和衬底表面之间的距离为d₂+d₃。执行测量方法直到模具接触衬底。当模具和衬底彼此接触时模具表面和衬底表面之间的距离被视为dc。

图7(b)是显示模具与树脂材料的接触状态的示意图。在该状态中，进入模具的光从宽带光变为激光。与宽带光相比，激光具有更长的相干长度。为此，在模具后表面和衬底表面之间的距离短于激光的相干长度的情况下，激光在模具后表面601和衬底表面604处被反射并且各自的反射光如参考数字606所示彼此干涉。

当模具接近衬底表面时，干涉光的强度正弦地变化。更具体而言，当激光的波长被视为λ时，激光的周期为λ/2n。因此，可以通过计算频率的强度和强度的峰值数目测量移动距离L。通过实施如上所述的测量，可以通过公式：dc-L计算模具表面和衬底表面之间的距离。

顺便说一句，在以上描述中，从宽带光变化为激光在模具表面与树脂材料接触期间实施，但是也可以在与树脂材料接触之前实施。

该实施例中的压印方法的特征在于通过用第一频带的光实施辐照来测量模具表面和衬底表面之间的距离的第一测量步骤，通过将辐照光从第一频带的光变为窄于第一频带的第二频带的光并且用第二频带的光实施辐照来测量模具的移动距离的第二测量步骤，和通过从第一测量步骤中测量的距离减去第二测量步骤中测量的距离来计算模具表面和衬底表面之间的距离的步骤。

进一步地，该实施例中的压印装置包括：用于测量模具表面和衬底表面之间的距离并且具有第一频带的第一光源，具有窄于第一频带的第二频带的第二光源，用于将来自第一光源和第二光源的光导引到模具表面和衬底表面并且将反射光导引到分光镜的光学***，用于散射被光学***导引的光的分光镜，和用于分析模具表面和衬底表面之间的距离的分析器。所述分析器的特征在于从通过使用第一光源实施辐照获得的模具表面和衬底表面之间的距离和通过使用第二光源实施辐照获得的模具的移动距离来计算模具表面和衬底表面之间的距离。

(实施例4)

在实施例4中，将描述用于实施模具表面和衬底表面之间的距离测量(Z)和平面内位置测量(XYθ)的光学***的一部分同轴布置的构造实施例。

图9(a)显示了该实施例中的光学***。从光源802发出的光穿过第一光束分离器809和第一成像光学器件805到达模具806和衬底807。由模具和衬底反射的光返回第一成像光学器件805。另一方面，穿过第一光束分离器809到达第二光束分离器808的光分别沿朝向用于距离测量的光会聚部分803和用于平面内位置测量的图像拾取设备801的方向分叉。到达光会聚部分803的光通过波导(例如光纤或类似物)到达分光镜810。

图像拾取设备801和光会聚部分803位于第一成像光学器件805的焦点的邻域中的信息形成图像的位置。顺便说一句，从衬底807到第二光束分离器808的光轴804由距离测量***和平面内位置测量***共用。特别地，纳米压印是模具和处理图案具有1∶1的尺寸比的方法。为此，存在限制因素使得难以充分保证模具的后表面之后的空间。换句话说，当用于实施距离测量的光学***和用于实施平面内位置测量的光学***分别准备时，不仅难以将这些光学***一起放置在模具的后表面之后，而且难以同时实施距离测量和平面内位置测量。在这样的状态中，难以防止由于温度变化、振动等导致的模具和衬底之间的位置偏差而造成的距离测量的误差。另一方面，在该实施例中，光学***被共用，使得可以消除上述限制因素。

图9(b)显示了用于改变距离测量***的数值孔径(NA)和平面内位置测量***的NA的构造。该构造包括布置在第二光束分离器808和光会聚部分803之间的隔膜811。在平面内位置测量中，更大的NA提供更高的分辨率和更高的位置测量精度。另一方面，在距离测量中，更小的NA对于消除象差的影响可能是有利的。在该情况下，该实施例的构造是有效的。

图9(c)显示了用于改变距离测量***的光学放大率和平面内位置测量***的光学放大率的构造。第二成像光学器件812布置在第二光束分离器808和图像拾取设备801之间。在平面内位置测量中，更高的放大率可以允许更高精度的位置测量。另一方面，优选的是距离测量***具有小的NA和较少的光学***以便消除象差的影响。在该情况下，该实施例的构造是有效的。

图9(d)显示了用于实施模具表面和衬底表面之间的倾度的测量的构造。在该实施例的构造中，用于沿垂直于光轴的平面方向移动光会聚部分803的驱动机构813布置在成像位置。通过在沿平面方向移动光会聚部分803的同时实施距离测量，可以检测模具表面和衬底表面之间的倾度。

在这里，将参考图10(a)和10(b)描述光会聚部分803的结构。在图10(a)中，光会聚部分803由光纤901和保持元件802构成。也可以围绕保持元件902设置用于抑制不必要的反射的防反射薄膜。进一步地，保持元件902的形状也可以是锥形以便不使光返回测量部分。

图10(b)显示了带有多个开口903的元件904。在图像表面带有多个开口的元件布置在图9(a)中所示的光会聚部分803和第二光束分离器808之间。通过在开口提供多个光纤并切换开口，可以在多个平面内位置处测量距离。结果，可以计算模具表面和衬底表面之间的倾度。

接着，参考图11(a)-11(c)，将描述用于同时执行模具表面和衬底表面之间的距离测量和平面内位置测量的空间位置测量标记区。在这些图中，z轴的正向被视为沿如图11(a)中所示在图面上从后侧到前侧的方向。进一步地，由虚线指示的圆形区1004是通过光学***观察到的视野。

图11(a)是显示模具和衬底位于基本预期相对位置的状态的示意图。空间位置测量标记区由第一距离测量区1003和平面内位置测量区1005构成。第一距离测量区1003对应于光学***的视野的中心位置。在平面内位置测量区1005中，布置了多个模具标记构成元件1001和多个衬底标记构成元件1002。多个模具标记构成元件1001沿x方向布置并且多个衬底标记构成元件布置在相邻模具标记构成元件之间。顺便说一句，当模具标记构成元件1001和相邻衬底标记构成元件之间的间隔等于相邻间隔时，确定模具和衬底的平面内位置对准。在空间位置测量标记区中，可以沿着沿模具表面的平面内方向(x轴)和垂直于平面内方向的方向(z轴)的两个轴实施位置对准。

图11(b)是沿着图11(a)中所示的AA’线获得的截面图。模具标记由具有突出结构的构成元件1006构成并且衬底标记由具有凹陷结构的构成元件1007构成。在距离测量区中，模具表面处于与标记的突出结构的顶表面相同的高度水平并且衬底表面处于与标记的突出结构的顶表面相同的高度水平，使得不特别地提供边界区。

图11(c)是沿着图11(a)中所示的AA’线获得的另一截面图，其中模具的突出结构和衬底的凹陷结构相对于图11(b)的情况成相反关系。顺便说一句，这些结构都可以是突出结构或凹陷结构。

进一步地，在距离测量区中，模具标记和衬底标记之一或两者也可以具有凹陷结构。

图11(d)显示了第二距离测量区1010和平面内位置测量区1005的一部分彼此重叠的构造。

图11(e)显示了能够实施三维平面内位置测量的标记的构造。根据该构造，距离测量可以在三条轴上视野的中心处实施。进一步地，通过在周边部分1011实施距离测量，可以测量模具表面和衬底表面之间的倾度。

接着，将描述用于同时实施模具表面和衬底表面之间的距离测量和平面内位置测量的序列。

图12(a)是显示使用图11(a)和11(d)中所示的标记构造进行平面内位置控制和距离控制的序列的流程图。在实施三维位置对准的情况下，标记和光学***这种组合设在两个或两个以上位置。

首先，在步骤S1-1，使模具靠近衬底。在该情况下，模具处理表面和衬底表面之间的距离通过使用马达的编码器或类似物进行粗调节而设置为例如大约几十微米。在步骤S1-2中，选择标记。在步骤S1-3中，实施距离测量，在步骤S1-4中，确定是否满足条件(1)。条件(1)例如是相对于预期距离的距离误差在几纳米内。当不满足条件(1)时，在步骤S1-5中实施距离控制。当满足条件(1)时，在步骤S1-6中实施平面内位置测量。在步骤S1-7中，确定是否满足条件(2)。条件(2)例如是位置误差在几纳米内。当不满足条件(2)时，在步骤S1-8中实施平面内位置控制。当满足条件(2)时，在步骤S1-9中确定条件(3)。条件(3)例如包括(a)所有标记未测量到，(b)作为所有标记的测量的结果，必须进一步使模具靠近衬底，和(c)作为所有标记的测量的结果，模具处理表面和衬底之间的距离达到终值。在(a)的情况下，序列进入步骤S1-2，在该步骤中实施另一标记的测量。在(b)的情况下，序列进入步骤S1-10，在该步骤中模具处理表面和衬底表面之间的距离通过微小运动减小，使得距离的减小从几十nm到几百nm。在(c)的情况下，序列结束。

图12(b)是显示通过单一标记和单一光学***实施三维位置对准的序列的流程图。

首先，在步骤S2-1中，类似于图12(a)的情况，通过移动(1)使模具靠近衬底。接着，在步骤S2-2中，测量它们之间的距离。该距离测量在多个位置实施。在步骤S2-3中，计算模具处理表面和衬底表面之间的倾度。在步骤S2-4中，确定距离和倾度误差在几纳米内的条件(1)。当不满足条件(1)时，在步骤S2-5中实施距离控制。当满足条件(1)时，在步骤S2-6中实施平面内位置测量。在步骤S2-7中，确定平面内位置误差在几纳米内的条件(2)。当不满足条件(2)时，在步骤S2-8中实施平面内位置控制。当满足条件(2)时，在步骤S2-9中确定条件(3)。条件(3)是模具处理表面和衬底表面之间的距离是否是最终距离。当满足条件(3)时，序列结束。当不满足条件(3)时，序列进入步骤S2-11，在该步骤中减小模具处理表面和衬底表面之间的距离。顺便说一句，即使在使用二维标记的情况下，也可以借助于多个光学***通过观察多个标记进一步提高精度。

工业实用性

根据本发明，可以提供能够更精确地测量模具表面和衬底表面之间的距离的压印装置、压印方法和压印模具。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种将提供给模具的图案压印到衬底或衬底上的元件上的压印装置，所述压印装置包括：

光源，其用光辐照与所述衬底相对布置的所述模具的表面和所述衬底的表面；

光学***，其用于将来自所述光源的光导引到所述模具的表面和所述衬底的表面并且将来自这些表面的反射光导引到分光镜；

分光镜，其用于将所述光学***导引的反射光散射成光谱；和

图像传感器，其用于观察所述分光镜散射的光；

分析器，其基于所述图像传感器获得的信息分析所述模具的表面和所述衬底的表面之间的距离；

其中所述分析器基于从所述光源发出并且由所述模具的表面和在远离所述模具的表面的位置形成的表面反射的光获得的信息分析作为所述模具的表面和在远离所述模具的表面的位置形成的所述表面之间的距离的第一距离；

其中所述分析器基于从所述光源发出并且由在远离所述模具的表面的位置形成的所述表面和所述衬底的表面反射的光获得的信息分析作为在远离所述模具的表面的位置形成的所述表面和所述衬底的表面之间的距离的第二距离；并且

其中所述分析器通过从第二距离减去第一距离计算所述模具的表面和所述衬底的表面之间的距离。

2.根据权利要求1所述的装置，其中在远离所述模具的表面的位置形成的所述表面是所述模具的后表面。

3.根据权利要求1所述的装置，其中在远离所述模具的表面的位置形成的所述表面设在所述模具的表面和所述模具的后表面之间。

4.根据权利要求1所述的装置，其中在远离所述模具的表面的位置形成的所述表面是构成所述模具的表面的第一元件和包括折射率与第一元件的材料不同的材料的第二元件之间的界面。

5.一种将提供给模具的图案压印到衬底或衬底上的元件上的压印方法，所述压印方法包括：

第一测量步骤，其通过光学测量方法测量所述模具的表面和在远离所述模具的表面的位置形成的表面之间的距离；

第二测量步骤，其通过光学测量方法测量在远离所述模具的表面的位置形成的所述表面和所述衬底的表面之间的距离；和

计算步骤，其通过从在所述第二测量步骤中测量的距离减去在所述第一测量步骤中测量的距离计算所述模具的表面和所述衬底的表面之间的距离。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述第一测量步骤中的光学测量方法和所述第二测量步骤中的光学测量方法使用相同的光轴。

7.根据权利要求5所述的方法，其中在远离所述模具的表面的位置形成的所述表面是所述模具的后表面。

8.根据权利要求5所述的方法，其中在远离所述模具的表面的位置形成的所述表面设在所述模具的表面和所述模具的后表面之间。

9.根据权利要求5所述的方法，其中在远离所述模具的表面的位置形成的所述表面是构成所述模具的表面的第一元件和包括折射率与第一元件的材料不同的材料的第二元件之间的界面。

10.根据权利要求5所述的方法，其中在所述第一和第二步骤中的光学测量方法使用光学干涉仪。

11.一种用在根据权利要求1所述的压印装置中的模具，其包括：

构成所述模具的表面的第一元件；和

折射率不同于所述第一元件的第二元件；

其中所述第一元件具有用于光学测量的光的波长的1/4或以上的光学厚度。

12.一种通过使用压印方法生产结构的工艺，其包括：

根据权利要求5所述的压印方法。

13.一种将提供给模具的图案压印到衬底或衬底上的元件上的压印装置，所述压印装置包括：

光源，其用光辐照与所述衬底相对布置的所述模具的表面和所述衬底的表面；

第一光学***，其用于将来自所述光源的光导引到所述模具的表面和所述衬底的表面并且将来自这些表面的反射光导引到分光镜以测量所述模具的表面和所述衬底的表面之间的距离；和

第二光学***，其用于将来自所述光源的光导引到所述模具的表面和所述衬底的表面并且将来自这些表面的反射光导引到图像拾取设备以测量所述模具的表面和所述衬底的表面的平面内位置；

其中所述第一光学***和所述第二光学***共用它们的光轴的一部分。

14.根据权利要求13所述的装置，其中所述第二光学***具有大于所述第一光学***的数值孔径。

15.根据权利要求13所述的装置，其中所述第二光学***具有大于所述第一光学***的放大率。

16.一种通过使用压印装置生产结构的工艺，其包括：

使用根据权利要求13所述的压印装置。

Claims (15)

1.一种将提供给模具的图案压印到衬底或衬底上的元件上的压印装置，所述压印装置包括：

光源，其用光辐照与所述衬底相对布置的所述模具的表面和所述衬底的表面；

光学***，其用于将来自所述光源的光导引到所述模具的表面和所述衬底的表面并且将来自这些表面的反射光导引到分光镜；

分光镜，其用于将所述光学***导引的反射光散射成光谱；和

分析器，其用于分析所述模具的表面和所述衬底的表面之间的距离；

其中所述分析器通过测量所述模具的表面和在远离所述模具的表面的位置形成的表面之间的距离计算所述模具的表面和所述衬底的表面之间的距离。

2.根据权利要求1所述的装置，其中在远离所述模具的表面的位置形成的所述表面是所述模具的后表面。

3.根据权利要求1所述的装置，其中在远离所述模具的表面的位置形成的所述表面设在所述模具的表面和所述模具的后表面之间。

4.根据权利要求1所述的装置，其中在远离所述模具的表面的位置形成的所述表面是构成所述模具的表面的第一元件和包括折射率与第一元件的材料不同的材料的第二元件之间的界面。

5.一种将提供给模具的图案压印到衬底或衬底上的元件上的压印方法，所述压印方法包括：

第一测量步骤，其通过光学测量方法测量所述模具的表面和在远离所述模具的表面的位置形成的表面之间的距离；

第二测量步骤，其通过光学测量方法测量在远离所述模具的表面的位置形成的所述表面和所述衬底的表面之间的距离；和

计算步骤，其通过从在所述第二测量步骤中测量的距离减去在所述第一测量步骤中测量的距离计算所述模具的表面和所述衬底的表面之间的距离。

6.根据权利要求5所述的方法，其中在远离所述模具的表面的位置形成的所述表面是所述模具的后表面。

7.根据权利要求5所述的方法，其中在远离所述模具的表面的位置形成的所述表面设在所述模具的表面和所述模具的后表面之间。

8.根据权利要求5所述的方法，其中在远离所述模具的表面的位置形成的所述表面是构成所述模具的表面的第一元件和包括折射率与第一元件的材料不同的材料的第二元件之间的界面。

9.根据权利要求5所述的方法，其中在所述第一和第二步骤中的光学测量方法使用光学干涉仪。

10.一种用在包括光学测量设备的压印装置中的模具，其包括：

构成所述模具的表面的第一元件；和

折射率不同于所述第一元件的第二元件；

其中所述第一元件具有用于光学测量的光的波长的1/4或以上的光学厚度。

11.一种通过使用压印方法生产结构的工艺，其包括：

根据权利要求5所述的压印方法。

12.一种将提供给模具的图案压印到衬底或衬底上的元件上的压印装置，所述压印装置包括：

光源，其用光辐照与所述衬底相对布置的所述模具的表面和所述衬底的表面；

第一光学***，其用于将来自所述光源的光导引到所述模具的表面和所述衬底的表面并且将来自这些表面的反射光导引到分光镜以测量所述模具的表面和所述衬底的表面之间的距离；和

第二光学***，其用于将来自所述光源的光导引到所述模具的表面和所述衬底的表面并且将来自这些表面的反射光导引到图像拾取设备以测量所述模具的表面和所述衬底的表面的平面内位置；

其中所述第一光学***和所述第二光学***共用它们的光轴的一部分。

13.根据权利要求12所述的装置，其中所述第二光学***具有大于所述第一光学***的数值孔径。

14.根据权利要求12所述的装置，其中所述第二光学***具有大于所述第一光学***的放大率。

15.一种通过使用压印装置生产结构的工艺，其包括：

使用根据权利要求12所述的压印装置。

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