CN112129237B - 基于石英晶体微天平评估光刻胶光刻效率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于石英晶体微天平评估光刻胶光刻效率的方法，首先将光刻胶通过QCM芯片，光刻胶黏附于芯片表面上；然后将附有光刻胶的芯片置于的透光模块中，选用照射光源对芯片表面的光刻胶进行曝光处理，同时采集QCM的信号的变化，利用信号发生变化的时刻与曝光处理之间的时间长度来确定光刻胶的敏感度；利用信号发生变化的时刻与信号变为恒定的时刻之间的时间长度来分析光刻胶的对比度。此测量方法简单便捷，可以对光刻胶的对比度以及敏感度做到实时动态评估。
Description
技术领域
本发明涉及仪器检测技术领域，尤其是基于石英晶体微天平评估光刻胶光刻效率的方法。
背景技术
石英晶体微天平(Quartz crystal microbalance，简称QCM)是一种利用石英晶体压电效应检测表面质量变化的仪器；当外部施加一个电场时，晶体会产生机械振动，当石英晶体的厚度为电极的机械振荡波半波长奇数倍时就会发生共振，关于真空中其共振频率变化(Δfn)与面均质量变化的关系由Sauerbrey方程可以得到。
其中n＝1，3，5，7，9，11，13时，fn与Δfn是n阶的频率及其变化值，c是常数，对于AT切割的5MHz的QCM芯片来说，约为17.7ng Hz-1cm-2；QCM被广泛应用于化学、物理、生物、医学和表面科学等研究领域中，用以进行气体、液体的成分分析以及微质量的测量、薄膜厚度进行检测等。此外，QCM在真空镀膜领域作为在线厚度监测设备已取得巨大的成功，在表面质量检测和化学检测方面也得到了广泛的应用。
光刻胶，又称光致抗蚀剂，具有光化学敏感性，在光的照射下溶解度发生变化，一般以液态涂覆在半导体、导体等基片表面上，曝光烘烤后成固态，它可以实现从掩膜版到基片上的图形转移，在后续的处理工序中保护基片不受侵蚀，是微细加工技术中的关键材料。它是集成电路制造的关键材料，主要应用于分立器件、集成电路IC、平板显示FPD、LCD、PDP、LED等。
光刻胶的技术复杂，品种较多。根据其化学反应机理和显影原理，可分正性胶和负性胶两类。对某些溶剂是不可溶的，经光照后变成可溶物质的即为正性胶；当正性光致抗蚀剂暴露于紫外线下时，会发生其物理和化学性质的变化，这是由材料的复数折射率的某些变化所引起的。曝光过程中的变化取决于材料吸收的能量。光照后形成不可溶物质的是负性胶。最常见的正型光刻胶是由光敏化合物(PAC)命名为重氮萘醌(DNQ)和基质材料组成。
对于正性光刻胶对比度传统的测量方法是通过在基板上涂一层光刻胶，测定胶的厚度，然后给光刻胶一个短时间的均匀曝光，接着进行一定条件的显影，测定显影后的膜厚。不断增加曝光剂量，测定显影后的残膜量，归一化所剩的光刻胶的厚度，画出残膜率随曝光量或者对数的对比度曲线。当光刻胶开始发生化学反应的最低曝光能量为D0，去掉所有光刻胶所需的最低能量剂量以D100表示，曝光量＝光强(MW/CM2)*曝光时间(S)。对比度为γ＝1/log10(D100/D10)相当于曝光量对数曲线的斜率。典型的正性光刻胶的对比度在2～4左右，光刻胶的对比度曲线不是固定的，与实验条件中的显影、前烘、曝光波长、后烘有关。
衡量光刻胶的性能参数有很多，如对比度、敏感度等。对比度指光刻胶从曝光区到非曝光区过渡的陡度。对比度越好，形成图形的侧壁越陡峭，分辨率越好；敏感度指光刻胶上产生一个良好的图形所需一定波长光的最小能量值或最小曝光量，单位为mJ/cm2。光刻胶的敏感性对于波长更短的深紫外光(DUV)、极深紫外光(EUV)等尤为重要；抗蚀性指光刻胶必须保持它的粘附性，在后续的刻蚀工序中保护衬底表面。耐热稳定性、抗刻蚀能力和抗离子轰击能力。此外，粘滞性黏度，粘附性，表面张力都是评估光刻胶的参数指标。
传统光刻胶评估方式通过测量D0值即可以表明正性光刻胶的敏感度，D0越小说明测量的光刻胶的敏感度越高。此方法的不足之处在于操作复杂，需要将光刻胶固定基底上然后记录在给定不同的曝光量下所引起的光刻胶的溶解度，需要多次重复试验，测量残膜量厚度的过程复杂也不易操作，不能做到实时的评估。传统的评价光刻胶对比度的方法是一个耗时且昂贵的过程，涉及到许多繁琐的操作，如旋涂、光刻胶薄膜的烘烤、光刻胶的曝光以及光刻胶厚度和反射率的测量，通常只有在一定条件下才能给出准确的测定结果。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种基于石英晶体微天平评估光刻胶光刻效率的方法；在原有QCM平台上，通过QCM可以实现对光刻胶敏感度以及对比度的实时动态评估。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种基于石英晶体微天平评估光刻胶光刻效率的方法，其特征在于，
首先将光刻胶通过QCM芯片，光刻胶黏附于芯片表面上；然后将附有光刻胶的芯片置于的透光模块中，选用照射光源对芯片表面的光刻胶进行曝光处理，同时采集QCM的信号的变化，利用信号发生变化的时刻与曝光处理之间的时间长度来确定光刻胶的敏感度；利用信号发生变化的时刻与信号变为恒定的时刻之间的时间长度来分析光刻胶的对比度。
进一步地，所采集的QCM的信号为共振频率△F的信号变化，以从曝光处理起始时刻t1到QCM的共振频率曲线发生变化再次稳定后的时刻t3之间的时间长度△T来确定光刻胶的敏感度；
QCM的共振频率曲线开始发生变化的t2时刻的曝光能量为D0，从t2时刻起到QCM的共振频率曲线不再发生变化的时刻t3的曝光能量为D100，通过D0、D100计算光刻胶的对比度。
进一步地，所采集的QCM的信号为能量耗散△D的信号变化；以从曝光处理起始时刻t1到QCM的能量耗散曲线开始发生变化的时刻t2之间的时间长度△T来确定光刻胶的敏感度；
QCM的能量耗散曲线开始发生变化的t2时刻的曝光能量为D0，从t2时刻起到QCM的能量耗散曲线不再发生变化的时刻t3的曝光能量为D100，通过D0、D100计算光刻胶的对比度。
进一步地，光刻胶的灵敏度S＝D100＝光强*△T。
进一步地，光刻胶的对比度的计算公式为：γ＝1/log10(D100/D0)。
进一步地，所述照射光源为紫外光(UV)、深紫外光(DUV)或极深紫外光(EUV)。
传统光刻胶评估方式通过测量D0值即可以表明正性光刻胶的敏感度，D0越小说明测量的光刻胶的敏感度越高。此方法的不足之处在于操作复杂，需要将光刻胶固定基底上然后记录在给定不同的曝光量下所引起的光刻胶的溶解度，需要多次重复试验，测量残膜量厚度的过程复杂也不易操作，不能做到实时的评估。传统的评价光刻胶对比度的方法是一个耗时且昂贵的过程，涉及到许多繁琐的操作，如旋涂、光刻胶薄膜的烘烤、光刻胶的曝光以及光刻胶厚度和反射率的测量，通常只有在一定条件下才能给出准确的测定结果。利用紫外光(UV)、深紫外光(DUV)或极深紫外光(EUV)对光刻胶进行曝光处理。由于紫外光的处理，正向光刻胶溶解，负性胶体则固化，沉积在芯片表面的正性光刻胶可溶性增强，所以在QCM的信号输出能够实时光测到共振频率(△F)、能量耗散(△D)的信号变化。通过计算从曝光处理起始时间t1到共振频率、能量耗散开始发生变化的时间t2的差值△T即可以说明光刻胶的敏感度，△T越小说明光刻胶的敏感度越高，t2即为传统方法中的测量点D0；直至共振频率值、能量耗散不再变化说明在曝光时间内光刻胶已经全部溶解t3，即传统测试方法中的D100，此时可以停止实验，通过比较D0和D100之间的差值可以有效的反应出光刻胶的对比度。此测量方法简单便捷，可以对光刻胶的对比度以及敏感度做到实时动态评估。
附图说明
图1为基于石英晶体微天平评估光刻胶光刻效率的方法，利用紫外光对光刻胶进行降解时引起共振频率(△F)和能量耗散信号(△D)变化的实时动态检测。
图2为利用紫外光对光刻胶进行降解时引起共振频率的实时变化曲线。
图3为利用紫外光对光刻胶进行降解时引起能量耗散的实时变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
实施例1：
将光刻胶固定于芯片上，利用365nm紫外光进行光降解处理，使得固化在芯片表明的正向光刻胶AZ1518溶解而脱离芯片表面，如图1中(a)所示。采集QCM中共振频率(△F)和能量耗散(△D)的变化，实时动态监控紫外光对光刻胶的降解效率，从而有效的评估光刻胶的敏感度以及对比度。
具体步骤如下：
步骤一：将QCM芯片放于紫外臭氧清洗机中30分钟，然后用去离子水和乙醇进行清洗后氮气吹干干燥；带有天窗的QCM用去离子水和乙醇进行清洗后氮气吹干干燥。
步骤二：光刻胶的固定；在避光条件下，将光刻胶AZ1518通过QCM芯片上，光刻胶黏附于芯片表面上，形成一个胶体薄层；然后将固定有的QCM芯片同样在避光条件下置于带有窗口的透光模块中。
步骤三：将黏附有AZ1518光刻胶的QCM芯片置于QCM模块中，启动QCM设备后待QCM频率曲线达到稳定状态，即基线状态。选择365nm的紫外光光源，打开紫外光，紫外光透过透光模块的窗口对光刻胶进行曝光。分别记录QCM芯片的共振频率的实时变化曲线以及能量耗散的实时变化曲线，分别如图2、图3所示。
图2所示的为UV照射光刻胶溶解过程中的QCM芯片的共振频率变化曲线。从UV照射光刻胶t1点到达t2点后光刻胶开始溶解，共振频率上升。到达t3点光刻胶已经完全溶解，共振频率不再发生正向变化，此时可以停止实验。
从UV开始照射的时刻t1到频率从发生变化后重新稳定的时刻t3的时间差值△T即说明光刻胶的敏感度，△T越小说明光刻胶的敏感度越高。
t2即为传统方法中的测量点D0；直至频率值不再发生变化说明在UV照射范围的光刻胶已经全部溶解，即传统测试方法中的D100，通过比较D0和D100之间的差值可以有效的反应出光刻胶的对比度。
从UV照射光刻胶时刻t1经过4.65min后到达时刻t2后频率开始变化，说明光刻胶开始溶解，t1与t3之间时间段△T越小说明光刻胶的敏感度越高。由时刻t2开始共振频率急剧变化，接着频率信号的改变逐渐减缓直至信号不再发生变化到达时刻t3，时刻t2到t3期间，光刻胶已经完全溶解，自t1至t3历时9.54min。由于QCM的灵敏度较高，信号的微小变化都可以捕捉到,这也是较传统的方法来测量残膜率的优势所在。
对比度γ＝1/log10(D100/D0)，
其中D0和D100分别对应光刻胶刚开始溶解(t2)和完全溶解时刻(t3)的曝光量，曝光量＝光强(MW/CM2)*曝光时间(s)。本实施例中，光强为20MW/CM2，观察从UV开始照射t1到频率开始发生变化的时间t2的时间差值△T即可以说明光刻胶的敏感度，△T越小说明光刻胶的敏感度越高；从t1直至频率曲线从发生变化后重新稳定的时刻t3之间的时间差值即传统测试方法中的D100，利用t1＝0秒t2＝279秒和t3＝572秒，计算D0和D100并进而计算出光刻胶的对比度。
故
D0＝20MW/CM2*279s＝5580EV
D100＝20MW/CM2*572s＝11440EV
γ＝1/log10(D100/D0)＝3.23
图3为本实施例UV照射光刻胶溶解的能量耗散变化：从UV照射光刻胶t1点到达t2点后光刻胶开始溶解，耗散信号下降。到达t3点光刻胶已经完全溶解，耗散信号不再发生正向变化。
对比图2和图3，能量耗散和频率信号同步发生，可同样利用t1＝0秒、t2＝279秒和t3＝572秒，计算D0和D100并进而计算出该光刻胶的对比度。
故
D0＝20MW/CM2*279s＝5580EV
D100＝20MW/CM2*572s＝11440EV
γ＝1/log10(D100/D0)＝3.23
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种基于石英晶体微天平评估光刻胶光刻效率的方法，其特征在于，
首先将光刻胶通过QCM芯片，光刻胶黏附于芯片表面上；然后将附有光刻胶的芯片置于的透光模块中，选用照射光源对芯片表面的光刻胶进行曝光处理，同时采集QCM的信号的变化，利用信号发生变化的时刻与曝光处理之间的时间长度来确定光刻胶的灵敏度；
所述灵敏度通过所采集的QCM的信号为共振频率△F的信号变化，以从曝光处理起始时刻t1到QCM的共振频率曲线开始发生变化再次稳定后的时刻 t3之间的时间长度△T来确定；或者：通过所采集的QCM的信号为能量耗散△D的信号变化；以从曝光处理起始时刻t1到QCM的能量耗散曲线开始发生变化的时刻 t2之间的时间长度△T来确定；
利用信号发生变化的时刻与信号变为恒定的时刻之间的时间长度来分析光刻胶的对比度，
所述对比度通过QCM的共振频率曲线开始发生变化的t2时刻的曝光能量为D0，从t2时刻起到QCM的共振频率曲线不再发生变化的时刻t3的曝光能量为D100，通过D0、D100计算获得；或者，通过QCM的能量耗散曲线开始发生变化的t2时刻的曝光能量为D0， 从t2时刻起到QCM的能量耗散曲线不再发生变化的时刻t3的曝光能量为D100，通过D0、D100计算获得；
所述照射光源为紫外光（UV）、深紫外光（DUV）或极深紫外光（EUV）。
2. 根据权利要求1所述的基于石英晶体微天平评估光刻胶光刻效率的方法，其特征在于，光刻胶的灵敏度S= D100=光强*△T。
3.根据权利要求1所述的基于石英晶体微天平评估光刻胶光刻效率的方法，其特征在于，光刻胶的对比度的计算公式为：
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