CN114324258B - 一种光刻胶特性参数的测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光刻胶特性参数的测量装置及方法，测量装置包括光源，滤光片，聚光镜，扩束镜，衰减片，涂有光刻胶的基片，第一光电探测器，第二光电探测器，夹持工具和计算机，从光源发射的光经滤光片过滤后通过准直扩束系统照射到衰减片上，经过衰减片的光照射到涂有光刻胶的基片上，衰减片和涂有光刻胶的基片放置在基片夹持工具上，光通过夹持工具的窗口后分别照射到第一光电探测器和第二光电探测器上，第一光电探测器、第二光电探测器收集光强变化的信号传输到计算机上，通过光强的分析可以计算出光刻胶的特性参数。本发明可以同时测量有胶的部分和无胶部分在光照射时的光强变化，进而求出光刻胶的特性参数。
Description
技术领域
本发明属于半导体制造领域中光刻胶特性参数测量领域，具体涉及一种光刻胶特性参数的测量装置及方法。
背景技术
在半导体制造领域中，光刻曝光方法是一种重要的加工方法，在这种方法中，光刻胶起到了重要的作用。光刻胶又称光致抗蚀剂，是一种对光敏感的混合液体，光刻胶可以通过光化学反应，经曝光、显影等光刻工序将所需要的微细图形从光罩(掩模版)转移到待加工基片上。
光致抗蚀剂是一种主要由碳、氢等元素组成的高分子光敏化合物。光刻时,根据具体要求将抗蚀剂和有机溶剂配成胶状液体,也称为光刻胶。根据抗蚀剂在曝光前后溶解特性的变化,可以分为正性抗蚀剂和负性抗蚀剂两种。
光刻图形传递抗蚀剂上的基本原理是：光经曝光系统照射到抗蚀剂表面上,抗蚀剂中受光照部分的感光性物质吸收光能,发生光化学反应,使其在显影液中的溶解特性发生了改变,显影后即可获得抗蚀剂浮雕轮廓。
正性抗蚀剂一般由三部分组成：基质树脂(Base Resin)、有机溶剂(solvents),光敏混合物(PhotoActive Compound)。其中基质树脂R作为成膜载体,具有良好的碱溶性。而PAC作为抑制剂能抑制树脂在显影液中的溶解,但它吸收光能后会发生分解,其生成物又作为促进剂能加快树脂在显影液中的溶解,所以光敏混合物PAC在抗蚀剂中具有很重要的作用。
常用正性抗蚀剂的光敏混合物以重氮萘醌化合物(DNQ)为主,成膜载体为酚醛树脂。曝光前，酚醛树脂的羟基与DNQ通过氢键作用，形成了稳定的六元环结构，抑制了树脂的溶解。当曝光时，在光化学反应过程中,光敏化合物重氮萘醌因吸收紫外光而发生光化学反应，DNQ的六元环结构被破坏，重氮萘醌失去一分子氮,同时分子空间结构发生重排,使不溶于水的重氮萘醌转化为茚酮。茚酮在碱性显影水溶液中发生反应,生成可溶性的羧酸盐并被溶解掉,而没有被曝光的抗蚀剂区域,因不易溶解仍保留下来。光刻过程正是利用了抗蚀剂的这种溶解特性实现了掩模图形向抗蚀剂图形的转移。
研究抗蚀剂曝光过程时，主要侧重讨论在曝光过程中抗蚀剂内部各点的光强分布以及光敏混合物(photo active compound，PAC)的光化学反应而导致的PAC浓度分布，以期建立抗蚀剂的PAC浓度分布对曝光光强的响应模型，并为最终确定显影后的抗蚀剂图形轮廓奠定基础。
根据Lambert经验定律和光化学反应动力学原理，Dill曾对抗蚀剂吸收和反应的过程进行过描述。建立了为人们所熟知的Dill曝光模型。
式中：I-抗蚀剂内部的光强分布，m1-PAC浓度分布，C-抗蚀剂中PAC的分解常数，α--抗蚀剂的光吸收系数。
根据Beer定律，对于薄抗蚀剂，α与其组成成份的浓度近似成线性关系：
α＝a1m1(z，t)+a2m2(z，t)+
a3m3(z，t)a4m1(z，t)
其中a1、a2、a3、a4分别为PAC、树脂、反应生成物及溶剂的摩尔吸收常数；
m1(z，t)、m2(z，t)、m3(z，t)、m4(z，t)分别为t时刻抗蚀剂表面下z处的PAC、树脂、反应生成物及溶剂的摩尔浓度。
由于树脂、溶剂在曝光过程中浓度不变，即m2(z，t)＝m20，m4(z，t)＝m40，且实验表明1mol抑制剂PAC光化学反应后分解生成1mol生成物，即m3(z，t)＝m10-m1(z，t)，所以吸收系数α可改写成：
α＝AM+B
其中为归一化PAC浓度值。
在抗蚀剂曝光前，M(z，0)＝1；充分曝光后，PAC完全分解，M(z，0)＝0。
A＝(a1-a3)m10
B＝a2m20+a3m10+a4m40
代入前面的Dill模型，得到：
其中：I—抗蚀剂内部的光强分布，M—PAC浓度百分比，A—光敏材料的吸收系数，B—不参与光化学反应的光刻胶吸收系数，C—表示光刻胶的光敏系数。
初始条件(曝光前)：
M(z,0)＝1
I(z,0)＝I0exp[-(A+B)z]
边界条件(光刻胶-空气界面)：
I(0,t)＝I0
M(0,t)＝exp(-I0Ct)
Dill通过抗蚀剂的光强透射率与曝光剂量的对应关系，提出了通过监测光刻胶透过率测量曝光参数的方法。曝光参数A、B、C与抗蚀剂光强透过率的关系：
其中：d为抗蚀剂的厚度，Tr(0)是未曝光时抗蚀剂的光强透射率，Tr(∞)是完全曝光后抗蚀剂的透射率，I0是入射光光强。
从光刻胶曝光的原理可以看出，通过测量光刻胶的曝光时的光强透过率的变化，可以计算出光刻胶的A、B、C参数，从而建立曝光模型。
在本发明中，与传统技术相比加入了一个三层的夹持工具装置，通过将待测基片一半涂胶，一半不涂胶的方式，将探测器同时测量光强的变化，提高了测量的重复性等精度，夹持工具装置染黑处理，仅留小孔，隔离了外界杂散光，提高了环境光扰动对测量的影响。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种光刻胶特性参数的测量装置及方法，以实现提高光刻胶特性参数的测量。
为达成所述目的，本发明提供一种光刻胶特性参数的测量装置，包括：光源、滤光片、聚光镜、扩束镜、衰减片、涂有光刻胶的基片、第一光电探测器、第二光电探测器、夹持工具、计算机；
光源，用于发出激光作为照明光源；
滤光片，用于过滤光源的不同波长的光；
聚光镜，用于收集光源经过滤光片后的光；
扩束镜，用于聚光镜会聚的点光源的光变为平行光；
衰减片，用于调节照射到基片上的光强；
涂有光刻胶的基片，其为测试对象；
第一光电探测器，用于测量基片上没有光刻胶的部分的透射光强；
第二光电探测器，用于测量基片上涂有光刻胶的部分的透射光强；
夹持工具，夹持工具上安装有衰减片、涂有光刻胶的基片、第一光电探测器、第二光电探测器；
计算机，用于收集第一光电探测器和第二光电探测器的信号；
其中：滤光片放置在光源的出光口，聚光镜放置在滤光片后面，扩束镜同时放置在聚光镜的后焦点，衰减片放置在扩束镜后面，涂有光刻胶的基片放置在衰减片后面，其中滤光片、聚光镜、扩束镜、衰减片的中心都在同一光轴上，第一光电探测器、第二光电探测器放置在涂有光刻胶的基片后面，夹持工装内部分为三层，第一层放置衰减片，第二层放置涂有光刻胶的基片，第三层放置第一光电探测器和第二光电探测器；计算机分别与第一光电探测器和第二光电探测器连接。
进一步地，所述光源可以用单光谱光源也可以用多光谱光源。
进一步地，所述滤光片可以用棱镜分光，也可以用镀膜分光。
进一步地，所述衰减片可以用固定衰减片，也可以用连续可调衰减片。
进一步地，所述涂有光刻胶的基片一半有胶，一半没有胶。
进一步地，所述夹持工具内部分为三层，第一层放置衰减片，第二层放置涂有光刻胶的基片，第三层放置第一光电探测器和第二光电探测器。第一层放置衰减片可以放置一片也可以放置多片，第二层放置涂有光刻胶的基片位置底部开有两个测试窗口，第三层放置放置第一光电探测器和第二光电探测器的位置有一个孔洞，用于将数据线引出，同时夹持工具染黑处理。
为达成所述目的，本发明提供一种光刻胶特性参数的检测方法，该检测方法利用光电探测器测量光刻胶曝光时的透过的光强变化，计算光刻胶的特性参数，具体检测步骤如下：
步骤S1：将涂有光刻胶的基片放置在夹持工具上；光源发射的光经过滤光片，光束滤光后经过聚光镜，聚光镜会聚光后再经过扩束镜进行扩束，扩束过的光经过一个衰减片，光经过衰减片透射后照射到带有光刻胶的基片上；带有光刻胶的基片一半有胶，一半没有胶，第一光电探测器放在没胶的部分下面，第二光电探测器放在有胶的部分下面，第一光电探测器和第二光电探测器和计算机连接。
步骤S2：通过连续测量曝光过程中的透过率变化曲线，根据公式计算曝光模型参数。
其中：d为抗蚀剂的厚度，抗蚀剂即为光刻胶，Tr(0)是未曝光时抗蚀剂的光强透射率，Tr(∞)是完全曝光后抗蚀剂的透射率，由第二光电探测器在未曝光状态和完全曝光后的测量结果给出，I0是入射光光强，由第一光电探测器的测量结果给出。
本发明的有益效果：加入一个特殊的支撑结构-夹持工具。支撑结构上同时有衰减片，带有光刻胶的基片，和光电探测器，可以同时测量有胶的部分和无胶部分在光照射时的光强变化，相对分步测量，提高了测量精度。测量装置中仅留小孔，隔离了外界杂散光，提高了环境光扰动对测量的影响。
附图说明
图1为本发明一种光刻胶特性参数的测量装置的结构示意图；
图2为本发明涂有光刻胶的基片一半有胶，一半没有胶示意图
图3为夹持工具内部结构示意图；
图4为夹持工具第一层放置衰减片的示意图；
图5为夹持工具第二层放置涂有光刻胶的基片的示意图；
图6为本发明的光刻胶特性参数测量的过程流程图。
图中，1为光源，2为滤光片，3为聚光镜，4为扩束镜，5为衰减片，6为涂有光刻胶的基片，7为第一光电探测器，8为第二光电探测器，9为夹持工具，10为计算机。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，本发明一种光刻胶特性参数的测量装置的结构示意图，包括光源1、滤光片2、聚光镜3、扩束镜4、衰减片5、涂有光刻胶的基片6、第一光电探测器7、第二光电探测器8、夹持工具9和计算机10。其中：
滤光片2放置在光源1的出光口，聚光镜3放置在滤光片2后面，扩束镜4同时放置在聚光镜3的后焦点，衰减片5放置在扩束镜4后面，涂有光刻胶的基片6放置在衰减片5后面，其中滤光片2、聚光镜3、扩束镜4、衰减片5的中心都在同一光轴上，第一光电探测器7、第二光电探测器8放置在涂有光刻胶的基片6后面，夹持工装9内部分为三层，第一层放置衰减片5，第二层放置涂有光刻胶的基片6，第三层放置第一光电探测器7和第二光电探测器8；计算机10分别与第一光电探测器7和第二光电探测器8连接。
光源1，用于发出激光作为照明光源；滤光片2，过滤光源1的不同波长的光；聚光镜3，用于收集光源1经过滤光片2后的光；扩束镜4，用于聚光镜3会聚的点光源的光变为平行光；衰减片5，用于调节照射到基片上的光强；涂有光刻胶的基片6，测试对象；第一光电探测器7，用于测量基片上没有光刻胶的部分的透射光强；第二光电探测器8，用于测量基片上涂有光刻胶的部分的透射光强；夹持工具9，夹持工具上安装有衰减片5、涂有光刻胶的基片6、第一光电探测器7、第二光电探测器8；计算机10，用于收集第一光电探测器7和第二光电探测器8的信号；
所述光源1可以用单光谱光源也可以用多光谱光源。
所述滤光片2可以用棱镜分光，也可以用镀膜分光。
所述衰减片5可以用固定衰减片，也可以用连续可调衰减片。
所述涂有光刻胶的基片6一半有胶，一半没有胶。
所述夹持工具9内部分为三层，第一层放置衰减片5，第二层放置涂有光刻胶的基片6，第三层放置第一光电探测器7和第二光电探测器8。
所述的夹持工具9，第一层放置衰减片可以放置一片也可以放置多片，如图4所示。
所述的夹持工具9，第二层放置涂有光刻胶的基片6位置底部开有两个测试窗口，如图5所示。
所述的夹持工具9，第三层放置放置第一光电探测器7和第二光电探测器8的位置有一个孔洞，用于将数据线引出，同时夹持工具9染黑处理。
在测量时采用图1所示的测量装置，光源1发射的光经过滤光片2，光束滤光后经过聚光镜3，聚光镜3会聚光后再经过扩束镜4进行扩束，扩束过的光经过一个衰减片5，衰减片5放置位置如图4所示，图4中，虚线为衰减片5，在夹持工具9第一层，中间方框部分为透光部分，光经过衰减片5透射后照射到带有光刻胶的基片6上，带有光刻胶的基片如图2所示，图中最下方为带有光刻胶的基片6，带有光刻胶的基片6上面左边为带有光刻胶的部分，右边为没有光刻胶的部分；带有光刻胶的基片6一半有胶，一半没有胶，图5中表示了带有光刻胶的基片6放置位置，途中虚线为带有光刻胶的基片6放置位置，在带有光刻胶的基片6的下方有两个透光窗口；第一光电探测器7放在没胶的部分下面，第二光电探测器8放在有胶的部分下面，第一光电探测器7和第二光电探测器8和计算机10连接，夹持工具9的结构如图3所示，通过连续测量曝光过程中的透过率变化曲线，根据公式计算曝光模型参数。
图6示出本发明光刻胶特性参数的的检测方法过程流程图，具体步骤如下：
步骤S1：将涂有光刻胶的基片6放置在夹持工具9上；光源1发射的光经过滤光片2，光束滤光后经过聚光镜3，聚光镜3会聚光后再经过扩束镜4进行扩束，扩束过的光经过一个衰减片5，光经过衰减片5透射后照射到带有光刻胶的基片6上；带有光刻胶的基片6一半有胶，一半没有胶，第一光电探测器7放在没胶的部分下面，第二光电探测器8放在有胶的部分下面，第一光电探测器7和第二光电探测器8和计算机10连接。
步骤S2：通过连续测量曝光过程中的透过率变化曲线，根据公式计算曝光模型参数。
其中：d为抗蚀剂的厚度，抗蚀剂即为光刻胶，Tr(0)是未曝光时抗蚀剂的光强透射率，Tr(∞)是完全曝光后抗蚀剂的透射率，由第二光电探测器8在未曝光状态和完全曝光后的测量结果给出，I0是入射光光强，由第一光电探测器7的测量结果给出。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种光刻胶特性参数的测量装置，其特征在于，该装置包括：光源(1)、滤光片(2)、聚光镜(3)、扩束镜(4)、衰减片(5)、涂有光刻胶的基片(6)、第一光电探测器(7)、第二光电探测器(8)、夹持工具(9)和计算机(10)；
所述的光源(1)，用于发出激光作为照明光源；
所述的滤光片(2)，用于过滤光源(1)的不同波长的光；
所述的聚光镜(3)，用于收集光源(1)经过滤光片(2)后的光；
所述的扩束镜(4)，用于聚光镜(3)会聚的点光源的光变为平行光；
所述的衰减片(5)，用于调节照射到所述的涂有光刻胶的基片(6)上的光强；
所述的涂有光刻胶的基片(6)，其为测试对象；
所述的第一光电探测器(7)，用于测量所述的涂有光刻胶的基片(6)上没有光刻胶的部分的透射光强；
所述的第二光电探测器(8)，用于测量所述的涂有光刻胶的基片(6)上涂有光刻胶的部分的透射光强；
所述的夹持工具(9)，其上安装有衰减片(5)、涂有光刻胶的基片(6)、第一光电探测器(7)、第二光电探测器(8)；
所述的计算机(10)，用于收集第一光电探测器(7)和第二光电探测器(8)的信号；
其中：滤光片(2)放置在光源(1)的出光口，聚光镜(3)放置在滤光片(2)后面，扩束镜(4)同时放置在聚光镜(3)的后焦点，衰减片(5)放置在扩束镜(4)后面，涂有光刻胶的基片(6)放置在衰减片(5)后面，其中滤光片(2)、聚光镜(3)、扩束镜(4)、衰减片(5)的中心都在同一光轴上，第一光电探测器(7)、第二光电探测器(8)放置在涂有光刻胶的基片(6)后面，夹持工装(9)内部分为三层，第一层放置衰减片(5)，第二层放置涂有光刻胶的基片(6)，第三层放置第一光电探测器(7)和第二光电探测器(8)；计算机(10)分别与第一光电探测器(7)和第二光电探测器(8)连接。
2.根据权利要求1所述的光刻胶特性参数的测量装置，其特征在于：所述光源(1)可以用单光谱光源也可以用多光谱光源。
3.根据权利要求1所述的光刻胶特性参数的测量装置，其特征在于：所述滤光片(2)可以用棱镜分光，也可以用镀膜分光。
4.根据权利要求1所述的光刻胶特性参数的测量装置，其特征在于：所述衰减片(5)可以用固定衰减片，也可以用连续可调衰减片。
5.根据权利要求1所述的光刻胶特性参数的测量装置，其特征在于：所述涂有光刻胶的基片(6)一半有胶，一半没有胶。
6.根据权利要求1所述的光刻胶特性参数的测量装置，其特征在于：所述夹持工具(9)内部分为三层，第一层放置衰减片(5)，第二层放置涂有光刻胶的基片(6)，第三层放置第一光电探测器(7)和第二光电探测器(8)。
7.根据权利要求6所述的光刻胶特性参数的测量装置，其特征在于：所述的夹持工具(9)，第一层放置衰减片可以放置一片也可以放置多片。
8.根据权利要求6所述的光刻胶特性参数的测量装置，其特征在于：所述的夹持工具(9)，第二层放置涂有光刻胶的基片(6)位置底部开有两个测试窗口。
9.根据权利要求6所述的光刻胶特性参数的测量装置，其特征在于：所述的夹持工具(9)，第三层放置放置第一光电探测器(7)和第二光电探测器(8)的位置有一个孔洞，用于将数据线引出，同时夹持工具(9)染黑处理。
10.一种光刻胶特性参数的检测方法，该检测方法使用权利要求1至9任一项所述的测量装置，其特征在于：该检测方法利用光电探测器测量光刻胶曝光时的透过的光强变化，计算光刻胶的特性参数，具体检测步骤如下：
步骤S1：将涂有光刻胶的基片(6)放置在夹持工具(9)上；光源(1)发射的光经过滤光片(2)，光束滤光后经过聚光镜(3)，聚光镜(3)会聚光后再经过扩束镜(4)进行扩束，扩束过的光经过一个衰减片(5)，光经过衰减片(5)透射后照射到带有光刻胶的基片(6)上；带有光刻胶的基片(6)一半有胶，一半没有胶，第一光电探测器(7)放在没胶的部分下面，第二光电探测器(8)放在有胶的部分下面，第一光电探测器(7)和第二光电探测器(8)和计算机(10)连接，
步骤S2：通过连续测量曝光过程中的透过率变化曲线，根据公式计算曝光模型A，B，C参数：
其中：d为抗蚀剂的厚度，抗蚀剂即为光刻胶，Tr(0)是未曝光时抗蚀剂的光强透射率，Tr(∞)是完全曝光后抗蚀剂的透射率，由第二光电探测器(8)在未曝光状态和完全曝光后的测量结果给出，I0是入射光光强，由第一光电探测器(7)的测量结果给出。
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