光刻胶光学性质的光谱椭偏测量方法研究.docx

光刻胶光学性质的光谱椭偏测量方法争论刘文德;陈赤;陈熙;于靖;郑春弟;王煜【摘 要】利用相调制型光谱椭偏仪争论了光刻胶光学常数的测量方法,针对测量过程中光刻胶曝光把握优化了测量方案和仪器参数.对常见的 S9912 正型光刻胶,给出了曝光前后 275650 nm 波段的光学常数.并承受动态椭偏法测量了所需波长下曝光前的光学常数.试验结果说明:该测量方法适用于光刻胶在紫外-可见-红外宽波段的光学性质争论,在光刻模拟、型光刻胶材料研制及其光学性质表征等领域有重要有用价值.%By means of phase-modulated ellipsometer, the method for measuring optical constants of photoresist is described. The test scheme and instrument parameters for testing process of photoresist are optimized. For commonly used positive S9912 photoresist,the optical constants for 275 -650 run before/after the exposure are measured,and the dynamic ellipsometry is used to obtain the values before the exposure at wavelengths of interest The experimental results indicate;the method provided is applicable for the research of photoresist in UV-VIS-NIR spectral range and may find important application in the optical lithography simulation,the development and characterization of new-type photoresist materials.【期刊名称】计量学报【年(卷),期】2023(032)004【总页数】4 页(P381-384)【关键词】计量学;光刻胶;曝光;光学常数;光谱椭偏法【作 者】刘文德;陈赤;陈熙;于靖;郑春弟;王煜【作者单位】中国计量科学争论院,北京 100013;中国计量科学争论院,北京100013;中国科学院半导体争论所纳米光电子试验室,北京 100083;中国计量科学争论院,北京 100013;中国计量科学争论院,北京 100013;中国计量科学争论院,北京100013【正文语种】中 文【中图分类】TB961 引 言光谱椭偏法作为一种在薄膜材料体系应用广泛的综合参数测量方法，通过测量 2 正交偏振重量光的反射系数之比，获得光偏振态随波长的变化，从而反演材料构造状态信息1，包括膜厚、光学常数(折射率 n 和消光系数 k)。利用光谱椭偏法表征光刻胶的光学常数可为光刻工艺与数值模拟供给重要的工艺参数。例如，设计抗反射层减小光刻胶薄膜层内光干预造成的曝光变形，特别是利用数值建模来模拟材料光学性质、设计、反演构造参数，以及一些特别的光刻工艺，都需要建立在猎取光刻胶的光学常数的根底之上，以便为一些特别的光刻工艺效劳25。本文争论了一类光谱椭偏仪用于光刻胶光学性质争论的测量和分析方法。试验承受相调制型光谱椭偏仪，通过精度较高的光谱扫描方式猎取椭偏谱，单色仪位于检偏器后、探测器之前，所以入射到光刻胶的是白光，全波段探测过程中光刻胶的曝光将导致结果失真。通过滤光片的恰当运用，在光刻胶不敏感波段获得薄膜厚度，并优化光源光强、波段范围等得到所关心波段范围光刻胶曝光前后的光学常数，利用动态椭偏得到所关心波长下光刻胶的准确光学常数。2 椭偏原理和测量方案承受 Horiba Jobin Yvon 公司生产的相调制型光谱椭偏仪(UVISELTM NIR，原理见图 1)光谱范围掩盖 0.64.8 eV。椭偏法测量薄膜外表反射光的 p 和 s 偏振重量反射系数(rp 和 rs)之比，即：(1)其中， 分别为椭偏角为 p、s 偏振重量相位。通过调制频率为 50 kHz 的相调制器，对样品外表反射椭圆偏振光调制，得到随时间变化的探测信号： I(t)I0+Is sin (Am sin t+0)+Ic cos(Am sin t+0) (2)式中：相调制器的调制幅度 Am 和 0(与晶体双折射特性有关)由校准过程确定。I0 为信号直流重量，Is 和 Ic 为信号沟通重量，3 者均为椭偏角(，)、起偏器光轴方向角 P、调制器光轴方向角 M、检偏器光轴方向角 A 的函数。 A 与 M 之差值固定为 45°，M=0°，P=45°，这时 Is= sin (2) sin 和 Ic= sin (2)cos 。建立适当的薄膜材料的构造、色散模型，对(Is，Ic)光谱进展非线性拟合，使如下拟合度参数最小化：(3)其中，N 为测量的波长点数；i=1，2,，N，标记不同波长点；F 为模型可调参数个数；上标 exp 和 cal 分别表示试验值和计算值。图 1 相调制型光谱椭偏法测量原理图依据光刻胶对特定波长范围光敏感的特性，在光源和起偏器之间插入截止波长在530 nm 四周、长波透过率平坦的滤光片。测量 5602 000 nm(或 0.62.2 eV)样品外表某点的椭偏谱，以 Cauchy 模型拟合出该点厚度。然后去掉滤光片，利用小光阑降低光强，测量光刻胶短波段(275650 nm)的光谱。数据分析建立在“空气-薄膜-衬底”的模型根底上1,在厚度已测定时，可以从 2 个椭偏角得到光学常数。3 仪器状态测试和试验结果分析对试验用单晶 Si 衬底使用 V(H2SO4):V(H2O2)=4:1 溶液煮沸清洗外表杂质，接着用氢氟酸溶液去除外表氧化层，经氮气吹干，外表脱水枯燥处理制成样片。以经稀释的 S9912 光刻胶(稀释体积比为 1:1)均匀涂覆，以 5 000 r/min 的转速甩胶40 s，而后放入 90 烘箱前烘 20 min，完成薄膜样品制备。测试时关闭全部环境光源，防止外界光源启动光刻胶的曝光过程。针对热氧化硅薄膜进展动态椭偏测试。积分时间设为 200 ms；探测光束在测量开始后持续照耀样品。结果显示，300 s 持续测量时间内，椭偏角根本围绕均值振荡， 标准偏差分别为 0.014°和 0.011°，说明仪器状态稳定，可对光刻胶曝光过程进展动态测量。在 800 nm 波特长比照滤光片抑制光刻胶曝光的效果，如图 2 所示， 图 2(a)、图 2(b)加滤光片，图 2(c)、图 2(d)不加滤光片。不加滤光片时 的变化显著，而 的变化均不显著，但从图 2(c)看出，前 100 s 快速下降，然后缓慢上升，这与图 2(d)变化趋势相对应，故与加滤光片的情形仍有本质区分，图 2(a)。因此，滤光片确实抑制了曝光的发生， 对光刻胶的变化更敏感。加滤光片时间刻胶在较长时间后仍可观看到确定变化，但不明显，由于以下的光学常数测量时间相对较短(约 100 s)，故无视其影响。图 2 单波长(800 nm)椭偏角测试结果图 3 曝光前后样品#1 和样品#2 光学常数计算值在同样工艺条件下制备 2 片光刻胶薄膜样品(#1，#2)，图 3 为 2 个样品在 275650nm 波段曝光前后测试结果，n、k 则为样品#1 和#2 所得 n、k 之差。选择这一波段是由于在该波段已针对曝光需要(如 365 nm、436 nm)进展了光敏特性优化，特别是 300450 nm 波段，图 3 的消光系数即k 值显示出明显的光刻胶漂白过程。由曝光前测得的厚度，再利用动态椭偏法测得曝光开头时刻光刻胶的椭偏数据，可以直接解出所需波长下的光学常数，如表 1 所示(其中 325 nm 为文献5 中所用曝光波长)，325 nm 和 436 nm 所得光学常数值比较接近，而 365 nm 时的值相差较大。其中，样品#2 承受另一组仪器设置即调制器角度 M=-45°，这时Is 与式(2)一样，而 Ic 则为=cos(2)取代。通过比较得出，由(Is，Ic)只能将 确定到0°，45°区间，在 =45°不灵敏度；而由(Is，)则可将 确定在0°，90°之间，=45°不会引起上述问题。表 1 光刻胶光学常数波长/nm#1#2 厚度/nm(n，k)厚度/nm(n， k)3252936(1735，00357)2995(1739，00352)3652940(1713，00317)2972 (1706，00354) 4362941(1689，00224)2998(1692，00228)注：*M=- 45°样品#1 的(，)=(41.989°，79.702°)(M=0°)，样品#2 的(，)=(43.258°，75.706°)(M=-45°)，可见样品#2 的测量结果更可信。这里涉及的仪器灵敏度问题， 将结合进一步试验和数据具体探讨。4 结 论在相调制光谱椭偏仪上争论了光刻胶薄膜光学性质的测量方法，承受滤光片关心测量解决了常见的分光设备后置给测量带来的困难，经不同样品测量和分析说明，本文供给的测量方法与结果牢靠性良好。通过对测量方案、仪器参数进展优化，给出了特定波段光刻胶曝光前后光学常数；利用动态椭偏法得到给定波长下较准确的光学常数。本文后续工作将连续在滤光片、曝光量等方面对光刻胶进展争论；此外， 还将深入争论动态椭偏法在其他方面的应用，其中一个很重要的领域是阿伏加德罗常数工程6硅球外表层腐蚀、再生过程中的争论，动态椭偏法能给出外表氧化层组分、粗糙度等的变化状况。参考文献1 蓝闽波，等，纳米材料测试技术M.上海：华东理工大学出版社，2023，163- 177.2 Zaidi S H，Rrueck S R.High aspect-ratio holographic photoresist gratingsJ.Applied Optics，1988，27(14)：2999-3002. 3Schattenburg M L,Aucoin R J,et al.Optically matched trilevel resist process for nanostructure fabricationJ.Journal of Vacuum Science & Technology B，1995，13(6)：3007-3011.4 Carvalho E J， Alves M A R， Braga E S， et al.SiO2 single layer for reduction of the standing wave effects in the interference lithography of deep photoresist structures on SiJ.Microelectronics Journal，2023， 37(11)：1265-1270.5 Chen X， Fan Z C， Zhang J， et al.Pseudo-Rhombus-Shaped Subwavelength Crossed Gratings of GaAs for Broadband AntireflectionJ.Chinese Physics Letters，2023，27(12)：99-101.6 罗志勇.质量自然基准的争论进展及进展方向J.计量学报，2023，25(2)：138- 141.