CN103048377A - 极紫外（euv）光刻胶超高真空热处理检测装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种极紫外光刻胶超高真空加热处理的检测装置与方法，该装置操作简便，可以在实验室用于极紫外光刻胶配方工艺筛选，提供所考察的极紫外光刻胶的真空加热产气情况。利用本发明装置和检测方法，可以同时得到真空加热情况下产生气体的速率和总的产气量以及每种气体的分压。通过这些数据，可以确定在真空加热情况下极紫外光刻胶所产生的气体的种类和数量，为极紫外光刻胶的材料和配方筛选提供重要的实验数据。

Description

极紫外(EUV)光刻胶超高真空热处理检测装置与方法

技术领域

本发明涉及极紫外(EUV)光刻胶的性能检测装置，尤其涉及非光照情况下极紫外光刻胶材料在超高真空情况下进行热处理的检测装置与方法，该检测装置可以衡量在超高真空下极紫外光刻胶的热稳定性能与真空产气情况。 

背景技术

随着国际微电子工业的迅猛发展，作为微电子技术发展中最为关键的基础材料之一的高档光刻胶也经历了迅速发展的过程。按照曝光波长，光刻胶已经历了436nm、365nm、248nm、193nm四个发展阶段。现在国际上浸没式193nm光刻胶的研究已经扩展到32nm光刻节点的集成电路中。随着光刻节点的不断降低，对光刻技术的要求也越来越高，22nm及以下光刻节点的集成电路对193nm光刻的物理极限产生很大的挑战，需要更新一代的曝光设备和光刻胶材料。按照最新版国际半导体技术路线图(Intemational Technology Roadmap for Semiconductors，ITRS)，极紫外光刻(Extreme UV Lithography)将成为下一代光刻(Next Generation Lithography)的最佳候选方案，将是用来解决22nm及以下光刻节点方案的最可能的途径。 

极紫外光刻是在极紫外光(13.5nm)的照射下在超高真空条件下进行的光刻过程。极紫外光的光子能量很高，在这样高能量光子的照射下，要求与之配套使用的极紫外光刻胶不能产生过多的分解，因为分解所产生的残余气体将会对光刻设备中的光学器件产生污染，影响设备的使用和光刻过程的顺利进行。 

极紫外光刻胶和极紫外光刻机目前均处在研发阶段，还没有成熟的工业化产品出现。国外已经有极紫外光刻机的模型机开始投入到极紫外光刻的研发中，这种模型机的价格在数千万美元，为了不对昂贵的极紫外光刻系统产生污染，需要对组成光刻胶的各种材料的物理化学性能进行全面的衡量与考察。 

极紫外光刻胶除了一般光刻胶在分辨率、灵敏度等方面的一系列性能要求外，还必须考虑到EUV光刻的高真空环境和高精度光学设备对材料的要求，所得到的材料需要在使用过程中不能对高真空环境和高精度光学设备产生污染损伤作用。 

为了系统全面了解在高真空条件下光刻胶主体材料和各种辅助材料在加热处理前后的气体产生情况，合理配置真空系统与超高真空系统，将所产生的气体迅速排出，最大限度地减少对高精度光学元器件的污染，我们研制了一套能够检测高真空状态下光刻胶的组成材料在超高真空条件下加热处理时的气体释放的检测装置，并建立了使用该装置进行光刻胶性能的检测方法。该装置可以 进行极紫外光刻胶经过热处理过程的基本物理化学性能的检测，适用于进行EUV光刻胶研发中材料的初步筛选。 

发明内容

本发明提供一种极紫外光刻胶超高真空加热处理的检测装置。 

本发明还提供一种极紫外光刻胶超高真空加热处理所产生的残余气体的检测方法。 

本发明还提供极紫外光刻胶超高真空加热处理所产生的残余气体的定量检测方法。 

根据本发明，所述极紫外光刻胶超高真空加热处理检测装置包括真空系统、加热系统、质谱系统，中心控制系统，所述中心控制系统通过电脑来集中控制真空系统、加热系统、质谱系统，进行数据采集与计算。其中，所述加热系统位于真空系统内，质谱系统与真空系统相连。 

所述真空系统包括样品检测腔和真空泵组，样品检测腔与真空泵组相连，在所述样品检测腔与真空泵组之间优选使用插板阀，用于样品检测腔与真空泵组的隔离与连接。该真空泵组优选使用能够实现样品检测腔10^-5-10^-7Pa的超高真空的真空泵组，尤其是进行极紫外光刻胶的真空要求，例如使用无油干泵、分子泵、离子泵。 

所述样品检测腔还进一步包括真空检测设备，特别是超高真空检测设备，优选使用高精度的真空规，提供系统的真空度及其变化情况，并通过显示装置和电脑连接，进行检测和控制，并用以气体释放总量的检测。 

所述样品检测腔还进一步包括一个可开关的进样口，用于样品的加入，所述样品检测腔还优选包括监视窗口，用于对样品的观测。 

所述加热系统位于样品检测腔内，包括加热台和温度控制装置，所述温度控制装置用于对样品检测腔内样品周围的温度检测和控制以及实现热台的程序升温与温度保持，温度控制装置与中心控制电脑进行连接与控制。所述加热台优选采用高精度程序控制热台。 

所述质谱系统与样品检测腔相连，包括质谱检测器，对样品检测腔中的气体成分及其成分变化情况进行分析。优选用高分辨率的质谱系统作为残余气体分析，得到气体的种类。可以根据腔内气体的总量，通过电脑控制的质谱系统分析计算，得到每种气体的分压。通过计算可以得到检测腔内气体的种类和每种气体的含量。 

进一步地，所述真空系统优选还包括样品置换腔，所述样品置换腔分别与样品检测腔和真空泵组相连。为保证样品检测腔的真空度，更换样品优选在样品置换腔中进行，更换完毕后将样品置换腔抽真空到一定程度后将样品转移到样品检测腔。所述样品检测腔与样品置换腔之间连有样品传动机构，优选使用磁力杆样品输运装置，用于将样品在样品置换腔和样品检测腔间的运送。进一步的优选使用插板阀，将样品置换腔和样品检测腔隔离与连接。该阀门在将样 品从样品置换腔运送到样品检测腔中时，或由样品检测腔运送到样品置换腔时打开，其它时间均保持关闭，以保证检测腔的真空度。所述样品置换腔与真空泵组之间优选使用插板阀，用于样品置换腔与真空泵组的隔离与连接。 

所述样品置换腔进一步还包括真空检测设备，特别是超高真空检测设备，优选使用高精度的真空规，提供系统的真空度。 

所述样品置换腔进一步还包括一个可开关的进样口，用于样品的加入。所述样品置换腔还优选包括监视窗口，用于对样品的观测。 

所述样品置换腔和样品检测腔的形状可以为多种形状，如圆柱体、长方体等等，优选为圆柱体。 

采用本发明的检测装置进行检测，可以获得光刻胶样品在超高真空加热情况下所产生的残余气体的情况，主要用于检测所述残余气体的种类和数量。 

在加热处理下，光刻胶的总产气量与真空系统的抽气速度、加热处理前后腔内总压强的变化等因素有关。文献(J.J.Santillan，S.Kobayashi，T.Itani.Japanese Journal of Applied Physics.2008，47，4922-4925.)给出在极紫外光光照情况下光刻胶产生残余气体的情况，对上述文献中的计算方法进行修正后，可以确定加热情况下光刻胶产生气体的速率N_R(molecules·cm^-2·s^-1)和总的产气量N_D(molecules·cm^-2)。 

$N_R=\frac{\mathrm{\Δ}{P}_{\max }{S}_e}{A}\frac{N_a}{\mathrm{RT}}---\left(1\right)$

$N_D=\frac{\underset{i=t_s}{\overset{t_D}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{P}_i{S}_e\mathrm{\Δt}}{A}\frac{N_a}{\mathrm{RT}}---\left(2\right)$

其中，ΔP_max是加热情况下腔内压强的最大升高值(Pa)，S_e是真空泵组的抽气速率(m³·s^-1)，N_a是阿佛加德罗常数(molecules)，ΔP_i是在起始检测时间t_s(s)到终止检测时间t_D(s)之间腔内特定时刻i时的真空度(Pa)，Δt是加热时间(s)，A是光刻胶样品的表面积(cm²)，R为气体常数(Pa·m^-3·K^-1)，T为温度(K)。 

本发明的极紫外光刻胶超高真空加热处理所产生的残余气体的检测方法，包括使用本发明的极紫外光刻胶超高真空加热处理的检测装置进行检测。具体步骤包括：进样，抽真空到一定真空度(优选等于或低于10^-5Pa)，之后对样品进行加热，在加热的同时开启质谱检测器实时采集样品。在加热过程中，中心控制电脑记录如下数据：腔内压强的最大升高值ΔP_max(Pa)，任一时间下腔内压强的实时变化ΔP_i(Pa)，腔内的温度T(K)，真空泵组的抽气速率S_e(m³·s^-1)，加热时间Δt(s)，光刻胶样品的表面积A(cm²)，并且通过上述公式(1)和公式(2)的函数关系计算得到加热产生气体的速率N_R(molecules·cm^-2·s^-1)和总的产气量N_D(molecules·cm^-2)。另外，通过质谱软件实时分析所产生的气体的种类，在得到不同气体的种类后，该质谱软件可以同时得到每种气体的分压P_i(Pa)，根据分压与总压P_t(Pa)，通过公式(3)可以得到不同气体的摩尔百分组成n_i(％)。 

$n_i=\frac{P_i}{P_t}---\left(3\right)$

上述数据采集及公式(1)、(2)、(3)所进行的计算通过电脑控制进行实时监测、记录并显示出来，实现本发明的极紫外光刻胶超高真空加热处理检测装置的快速、简易的操作过程。 

进一步的，本发明的检测方法优选包括将样品加入到样品置换腔，将样品置换腔抽真空到一定程度后将样品转移到样品检测腔，再进一步将样品检测腔抽真空至一定真空度。 

本发明的检测装置优选配置快速响应质谱，可以在10ms内确定所产生的气体的种类，与装置中配置的真空检测设备协同，可以确定每种气体的分压，计算得到该气体在总残余气体中的百分含量。 

通过本发明的检测装置，可以得到在高真空检测腔中光刻胶加热时产生气体的实时状况，这些数据是衡量光刻胶性能的重要参数，是进行光刻胶配方设计的必不可少的数据。按照本发明的极紫外光刻胶超高真空加热处理检测装置，可以实时监测极紫外光刻胶超高真空加热处理所产生的残余气体的种类和数量，是实验室进行光刻胶研究的重要实验装置，是进行极紫外光刻胶研究的重要辅助设备。主要用于极紫外光刻胶在超高真空下热处理时光刻胶的性能检测，包括在超高真空下光刻胶主体材料和各种辅助材料的挥发性能、加热处理前后这些光刻胶组成材料的化学与物理变化等，对超高真空下组成材料加热前后释放的气体进行定性与定量研究。 

本发明将为合理设计真空系统、及时将所产生的小分子气体排出、最大限度地减少由于光刻胶在真空状态下分解产生的气体对光学器件的污染等提供重要的参考依据，为极紫外光刻胶的后继研发和使用提供明确的实验参数。 

值得特别指出的是，基于本发明的指导思想，对本发明装置进行少量改造或更换某个组件的位置对本发明装置的功能没有根本性突破，这些变动也应视为本发明的衍生产品，受到本发明的当然保护。 

附图说明

图1.极紫外光刻胶超高真空加热处理检测装置的原理图。 

其中附图标记简要说明如下： 

1-样品检测腔；2-真空泵组；3-真空规；4-质谱检测器；5-程序控制加热台；6-监视窗口；7-插板阀；8-磁力杆样品输运装置；9-样品置换腔；10-中心控制电脑。 

具体实施方式

下面参照附图1对本发明作详细说明，但是本领域技术人员了解，所述附图仅是便于理解本发明，而非对本发明的限制，在阅读本发明说明书的基础上， 作出的任何变型或改变，都不会背离本发明的精神和范围。 

本发明的检测装置包括样品检测腔1、样品置换腔9、真空泵组2、质谱检测器4、磁力杆样品输送装置8、中心控制电脑10。所述样品检测腔1包括两组插板阀7，一组用于将样品检测腔1和样品置换腔9隔离与连接，该阀门在将样品从样品检测腔1输运到样品置换腔9时，或从样品置换腔9输运到样品检测腔1时打开，其它时间均保持关闭，以保证检测腔的真空度；另一组用于样品检测腔1与真空泵组2的隔离与连接。所述样品置换腔9包括一组插板阀7，用于样品置换腔9与真空泵组2的隔离与连接。所述样品检测腔1的内部安装有高精度程序控制加热台5，其连有温度控制装置，该温度控制装置由中心控制电脑10控制，用于对检测腔内样品周围的温度检测和控制以及实现热台的程序升温与温度保持。所述热台上具有磁力传动杆的导轨，旋涂有光刻胶的硅片通过磁力传动杆从样品置换腔9运送至样品检测腔1，经由所述导轨放置在程序控制加热台5的中心部位。所述样品检测腔1和样品置换腔9均安装有高精度真空规3，提供系统的真空度及其变化情况，并通过显示装置和电脑连接。所述样品检测腔1和样品置换腔9均包括监视窗口6。所述样品检测腔1和样品置换腔9均设有上开盖，通过法兰连接并在上盖上配有观察窗。 

所述真空泵组2配备了无油干泵、分子泵、离子泵，可以实现样品检测腔10^-6-10^-7Pa的超高真空，尤其是进行极紫外光刻胶的真空要求。 

所述质谱检测器4与样品检测腔1相连，用于分析样品检测腔中的气体成分及其成分变化情况。选用高分辨率的质谱系统作为残余气体分析，可以在10ms内分析得到气体的种类。可以根据腔内气体的总量，通过电脑控制的质谱系统分析计算，得到每种气体的分压。通过计算可以得到检测腔内气体的种类和每种气体的含量。 

所述中心控制电脑10用于集中控制真空系统、加热系统、质谱系统，并进行数据采集与计算。 

本发明检测装置所使用的极紫外光刻胶是典型配方极紫外光刻胶，特丁氧基羰基保护的杂多酚作为主体材料，以三氟甲基磺酸三苯基硫鎓盐作为光致产酸剂，以三正辛基胺作为有机胺防扩散剂，按一定比例复配，溶解在丙二醇甲醚醋酸酯溶剂中，过滤，通过匀胶机旋涂于经过处理的1英寸硅片表面，干燥处理。 

打开样品置换腔9的上开盖，将旋涂有光刻胶的硅片放置于样品置换腔9中的磁力传动装置上，关闭上开盖，打开样品置换腔9与真空泵组2之间的插板阀7，按顺序打开真空泵组2(无油干泵、分子泵、离子泵)，通过放置于样品置换腔上的真空规3实时监控样品置换腔9的真空度变化。 

当样品置换腔9与样品检测腔1的压强平衡后，打开样品置换腔9与样品检测腔1间的插板阀7，通过磁力杆样品输运装置8将硅片样品转移到样品检测腔1内的程序控制加热台5上，关闭样品置换腔9与样品检测腔1之间的插板阀7以及样品置换腔9与真空泵组2之间的插板阀7，打开样品检测腔1与真空 泵组2之间的插板阀7，当样品检测腔1中的真空度达到10^-5Pa时，开启程序控制加热台5，加热样品，分别通过高精度真空规3、程序控制加热台5记录加热情况下腔内压强的最大升高值ΔP_max(Pa)，任一时间下腔内压强的实时变化ΔP_i(Pa)，样品检测腔的温度T(K)。同时记录真空泵组的抽气速率S_e(m³·s^-1)，加热时间Δt(s)，光刻胶样品的表面积A(cm²)。通过公式(1)和公式(2)计算得到加热产生气体的速率N_R(molecules·cm^-2·s^-1)和总的产气量N_D(molecules·cm^-2)。 

当开启程序控制加热台5时，开启质谱检测器4实时采集样品，通过质谱软件实时分析所产生的气体的种类。在得到不同气体的种类后，该质谱软件可以同时得到每种气体的分压P_i(Pa)，根据分压与总压P_t(Pa)的不同通过公式(3)可以得到不同气体的摩尔百分组成n_i(％)。 

上述数据采集及公式(1)、(2)、(3)所进行的计算通过电脑控制进行实时监测、记录并显示出来，实现本发明的极紫外光刻胶超高真空加热处理检测装置的快速、简易的操作过程。 

为实现该检测装置的快捷、实时的操作特点，中心控制电脑10承担了集中控制真空系统、加热系统、质谱系统，并进行数据采集与计算的所有功能。具体工作方式为：(一)对真空系统的控制。中心控制电脑集中控制三个插板阀7的开关，根据实际需要进行打开或闭合。同时，样品检测腔1和样品置换腔9上的高精度真空规3的真空读数也通过中心控制电脑显示，并给出实时变化曲线。(二)对加热系统的控制。程序控制加热台5是通过中心控制电脑来实现程序控制升温、保持的操作控制过程，并实时记录样品检测腔中的温度变化，给出温度变化曲线。(三)对质谱系统的控制。质谱检测器4可以实现样品检测腔中残余气体的实时检测，检测得到的数据通过中心电脑处理，给出气体的分子量，与质谱数据库对比得到气体的种类。针对每一种残余气体，质谱检测器可以实现该种气体的分压检测，据此可以得到每种气体的摩尔百分含量。(四)对产生气体的速率N_R和总的产气量N_D的计算与显示。中心控制电脑记录如下数据：加热情况下样品检测腔1内压强的最大升高值ΔP_max(Pa)，在起始检测时间t_s(s)到终止检测时间t_D(s)之间腔内特定时刻的真空度ΔP_i(Pa)，样品检测腔1的温度T(K)，真空泵组2的抽气速率S_e(m³·s^-1)，加热时间Δt(s)，光刻胶样品的表面积A(cm²)。中心控制电脑通过公式(1)和公式(2)的函数关系计算得到加热产生气体的速率N_R(molecules·cm^-2·s^-1)和总的产气量N_D(molecules·cm^-2)，并给出这两个参数变化的实时曲线。 

Claims (10)

1.一种极紫外光刻胶超高真空加热处理的检测装置，其特征在于：包括真空系统、加热系统、质谱系统、中心控制系统，所述加热系统位于真空系统内，质谱系统与真空系统相连，所述中心控制系统通过电脑来集中控制真空系统、加热系统、质谱系统，进行数据采集与计算。

2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于：所述真空系统包括样品检测腔、真空泵组(优选包括无油干泵、分子泵、离子泵)，在所述样品检测腔和真空泵组之间优选使用插板阀，用于样品检测腔与真空泵组的隔离与连接，所述样品检测腔优选包括真空检测设备(如高精度真空规)。

3.根据权利要求2所述的检测装置，其特征在于：所述加热系统位于样品检测腔内，包括加热台和温度控制装置，所述加热台优选采用高精度程序控制热台，所述质谱系统与样品检测腔相连，包括质谱检测器。

4.根据权利要求2-3任一项所述的检测装置，其特征在于：所述真空系统还包括样品置换腔，所述样品置换腔分别与样品检测腔和真空泵组相连，在所述样品置换腔与样品检测腔之间优选使用插板阀，用于样品检测腔与样品置换腔的隔离与连接，所述样品置换腔优选包括真空检测设备，例如高精度真空规。

5.根据权利要求4所述的检测装置，其特征在于：所述样品置换腔与样品检测腔的连接优选使用磁力杆样品输运装置。

6.根据权利要求4-5任一项所述的检测装置，其特征在于：在所述样品置换腔与真空泵组之间还包括插板阀，用于样品置换腔与真空泵组的隔离与连接，所述样品置换腔还包括样品进样口。

7.一种极紫外光刻胶超高真空加热处理所产生的残余气体的检测方法，其特征在于：使用如权利要求1-6任一项所述的检测装置进行检测。

8.根据权利要求7所述的检测方法，通过公式(1)和公式(2)来确定加热产生气体的速率N_R(molecules·cm^-2·s^-1)和总的产气量N_D(molecules.cm^-2)，

$N_R=\frac{\mathrm{\Δ}{P}_{\max }{S}_e}{A}\frac{N_a}{\mathrm{RT}}---\left(1\right)$

$N_D=\frac{\underset{i=t_s}{\overset{t_D}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{P}_i{S}_e\mathrm{\Δt}}{A}\frac{N_a}{\mathrm{RT}}---\left(2\right)$

其中，ΔP_max是加热情况下腔内压强的最大升高值(Pa)，S_e是真空泵组的抽气速率(m³·s^-1)，N_a是阿佛加德罗常数(molecules)，ΔP_i是在起始检测时间t_s(s)到终止检测时间t_D(s)之间腔内特定时刻i时的真空度(Pa)，Δt是加热时间(s)，A是光刻胶样品的表面积(cm²)，R为气体常数(Pa.m^-3·K^-1)，T为温度(K)。

9.根据权利要求7所述的检测方法，极紫外光刻胶超高真空加热处理所产生的残余气体的种类由质谱系统进行确定，所产生的不同残余气体的数量，通过公式(3)得到不同气体的摩尔百分组成，

$n_i=\frac{P_i}{P_t}---\left(3\right)$

其中，P_i是某一种气体的分压(Pa)，P_t是腔中的总压(Pa)，n_i是所检测得到的这种气体的摩尔百分组成(％)。

10.权利要求1-6任一项所述的检测装置用于检测极紫外光刻胶超高真空加热处理所产生的残余气体，用于极紫外光刻胶配方工艺的筛选。

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