CN103376288A - 极紫外光刻胶曝光检测装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光刻胶超高真空极紫外曝光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基础性能参数与真空曝光产气情况。利用本发明装置和检测方法，可以同时得到真空曝光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，可以确定在真空曝光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

极紫外光刻胶曝光检测装置与方法

技术领域

本发明涉及极紫外(EUV)光刻胶的性能检测装置，尤其涉及极紫外光照情况下光刻胶材料在超高真空下进行曝光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性能与气体产生情况。

背景技术

微电子工业在过去的几十年经过了飞速的发展，随着光刻装备与技术的不断发展，大规模集成电路和超大规模集成电路逐渐成为整个装备制造业的基础，其中光刻是集成电路生产中最重要的工序之一。目前，光刻的成本占整个集成电路成本的三分之一以上，随着光刻工艺越来越精细，光刻所占的成本有继续提高的趋势。

光刻胶是进行光刻的最重要的基本材料，光刻胶主要是由成膜主体材料、感光剂(光致产酸剂)、各种助剂和溶剂组成。按照曝光波长，光刻胶经历了436nm、365nm、248nm、193nm四个阶段。从二十世纪八十年代化学增幅光刻胶出现以来，主流光刻胶都是在以光致产酸剂作为感光剂的基础上发展起来的，并在实际应用中不断发展与提高。随着193nm光刻设备的日趋成熟，在现有设备的基础上可以得到更小的光刻节点。随着光刻节点的不断降低，对光刻技术的要求也越来越高，对特征尺寸要求更小的光刻对物理极限产生很大的挑战，对更新一代的曝光设备和光刻胶材料提出了新的要求。

按照国际半导体技术发展路线图(International Technology Roadmap for Semiconductors)，极紫外光刻(Extreme UV Lithography，EUV光刻)被认为是下一代光刻的最佳候选方案，并已经确认采用13.5nm的极紫外光作为曝光光源。在高能量的极紫外光照射下，光刻胶及其组合物的产气情况将是衡量光刻胶能否投入使用的关键因素。这就需要在进行光刻胶研究过程中，对光刻胶在极紫外光照射下产生气体的情况进行评估，检测光刻胶在EUV光照产生气体的种类和数量，指导光刻胶主体材料设计与配方设计，尽量选用气体产生符合光刻工艺的光刻胶主体材料与配方，同时，可以合理配置真空系统，将光刻过程所产生的气体及时排出，保证光刻工艺的顺利进行。

在申请号为201110315017.2的中国专利中，给出光刻胶在真空加热情况下产生气体的速率、总的产气量以及每种气体的百分含量，本专利是在上述专利的基础上进行的，其区别在于上述专利没有引入13.5nm的极紫外光，本发明重点在于在13.5nm的极紫外光照射下，光刻胶及其组合物的曝光及在高真空状态下产生气体的情况。

为了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极紫外光照射下的气体产生情况，合理配置真空系统，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，本发明装置能够检测高真空状态下光刻胶及其组合物在极紫外光照射下的气体释放情况，并建立了使用该装置进行光刻胶性能的检测方法。

本发明装置可以进行极紫外光刻胶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

本发明提供了一种光刻胶在极紫外光照射下曝光检测装置。

本发明还提供了一种光刻胶在极紫外光照射下曝光产气检测装置。

本发明还提供一种光刻胶超高真空环境中极紫外光照射下所产生的残余气体的检测方法。

本发明还提供一种光刻胶超高真空环境中极紫外光照射下所产生的残余气体的定量检测方法。

根据本发明，所述光刻胶在极紫外光照射下曝光检测装置包括真空系统、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、质谱系统，进行数据采集与计算。所述检测装置设有极紫外光接口。

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。该真空泵组优选包括无油干泵、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的真空要求。

所述样品检测腔通过极紫外光接口与极紫外光源连接，在所述极紫外光接口和检测样品之间设有光栅，极紫外光通过光栅发生干涉，在光刻胶样品上产生干涉条纹，用以衡量光刻胶的应用性能。所述样品检测腔内设有温度检测装置，用以记录腔体内的温度。

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进样窗口和监视窗口，用于样品的加入和对样品的观测。

所述质谱系统包括质谱检测器，进行样品检测腔中的气体成分分析及成分变化情况。优选使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。

所述样品置换腔进一步还包括进样窗口和监视窗口，用于样品的加入以及对样品的观测。

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环境下进行极紫外光照射的曝光图案及所产生的残余气体的情况，可以用以衡量光刻胶的光刻性能，还可以用于检测所述残余气体的种类和数量。

在极紫外光照射下，由于极紫外光具有较高的能量，光刻胶及其组分可能全部或部分分解成小分子化合物，这些小分子化合物在超高真空中可以呈气体存在。光刻胶的总产气量与真空系统的抽气速度、光刻胶的结构、极紫外光照射前后腔内总压强的变化等因素有关。参照申请号为201110315017.2的中国专利的检测方法，给出在极紫外光光照情况下光刻胶产生残余气体的情况，可以确定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(6.022x10²³molecules·mol^-1)，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是极紫外(EUV)光照时间(s)，A是光刻胶样品的曝光面积(cm²)，R为气体常数(8.314Pa·m³·K^-1·mol^-1)，T为温度(K)。

本发明的光刻胶在极紫外光照射下所产生的残余气体的检测方法，包括使用本发明的光刻胶超高真空中极紫外光照射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)，对样品进行极紫外光照射曝光，在曝光的同时开启质谱检测器实时采集腔内气体样品。在曝光过程中，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)，曝光时间Δt(s)，光刻胶样品的曝光面积A(cm²)，并通过上述公式(1)和公式(2)的函数关系计算得到曝光产生气体的速率N_R(molecules·cm^-2·s^-1)和总的产气量N_D(molecules·cm^-2)。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，实现本发明的光刻胶超高真空曝光处理检测装置的快速、简易的操作过程。

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，可以得到光刻胶在极紫外光照下的曝光图案，可以得到在高真空检测腔中光刻胶曝光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。按照本发明的光刻胶超高真空曝光处理检测装置，可以实时监测极紫外光刻胶超高真空曝光处理所产生的残余气体的种类和数量，是进行极紫外光刻胶研究的重要辅助设备。本发明装置主要用于极紫外光刻胶在超高真空下曝光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、曝光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曝光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曝光处理检测装置的原理图。

其中附图标记说明如下：

1-样品检测腔；2-真空泵组；3-真空规；4-质谱检测器；5-样品台；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；11-极紫外光接口；12-光栅

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的内部安装有固定的样品台5，通过极紫外光接口11导入极紫外光，当极紫外光经过光栅12时，在光刻胶样品表面产生特定的干涉图案。所述样品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样品台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均设有上开盖，通过法兰连接并在上盖上配有观察窗。所述样品检测腔1和样品置换腔9还包括监视窗口6。所述样品检测腔1内设有温度检测装置，用以记录腔体内的温度。

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、质谱系统，并进行数据采集与计算。

采用申请号为201210070713.6的中国发明专利的光刻胶组合物，通过匀胶机旋涂于经过疏水处理的2英寸硅片表面，干燥处理得到旋涂有极紫外光刻胶的硅片。

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内的样品台5上，关闭样品置换腔9与样品检测腔1间的插板阀7以及样品置换腔9与真空泵组2间的插板阀7，打开样品检测腔1与真空泵组2间的插板阀7，当样品检测腔1中的真空度达到10^-5Pa时，通过外部控制阀从极紫外光接口11导入极紫外光，通过光栅12发生干涉后在光刻胶样品上选择性曝光。通过高精度真空规3记录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)，通过温度检测装置记录样品检测腔的温度T(K)。同时记录真空泵组的抽气速率S_e(m³·s^-1)，曝光时间Δt(s)，光刻胶样品的曝光面积A(cm²)。通过公式(1)和公式(2)计算得到曝光产生气体的速率N_R(molecules·cm^-2·s^-1)和总的产气量N_D(molecules·cm^-2)。

当导入极紫外光时，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，实现本发明的光刻胶超高真空极紫外曝光处理检测装置的快速、简易的操作过程。

旋涂于硅片上的光刻胶样品经EUV干涉曝光后，经过通常的烘烤、显影、干燥等光刻程序，通过对曝光图案的分析，可以用作衡量光刻胶的应用性能。

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、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。(三)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：曝光情况下样品检测腔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)，曝光时间Δt(s)，光刻胶样品的曝光面积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曝光产生气体的速率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 (11)

1.一种光刻胶超高真空极紫外曝光处理的检测装置，其特征在于：包括真空系统、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、质谱系统，进行数据采集与计算，所述检测装置设有极紫外光接口。

2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于：在所述极紫外光接口和检测样品之间设有光栅。

3.根据权利要求1-2任一项所述的检测装置，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)。

4.根据权利要求3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窗口。

7.一种光刻胶超高真空极紫外曝光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)来确定曝光产生气体的速率N_R(molecules·cm^-2·s^-1)和总的产气量N_D(molecules·cm^-2)，

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

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

其中，ΔP_max是极紫外曝光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(6.022x10²³molecules·mol^-1)，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是曝光时间(s)，A是光刻胶样品的曝光面积(cm²)，R为气体常数(8.314Pa·m³·K^-1·mol^-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曝光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.根据权利要求1-6任一项所述的检测装置的用途，通过对EUV曝光图案的分析，用于极紫外光刻胶光刻性能评价。

11.权利要求1-6任一项所述的检测装置用于检测光刻胶超高真空加曝光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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