（光学工程专业论文）光刻工艺中的曲面胶厚检测.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 随着光刻工艺的不断发展，平面激光直写技术日趋成熟，凸面激光直写技术 成为了光刻新的发展方向。国内长春光机所，国外夫朗和费学院都在凸面激光直 写技术上取得了一定的成就。因此，曲面光刻胶层厚度分布的测量成为了一个重 要的课题，也是本文的研究方向。本文介绍了光谱反射率法测量曲面光刻胶层厚 度分布研究情况，其中包括了测量的原理，各个实验光路的构建，实验的实施及 数据的分析。 光谱反射率法测量曲面光刻胶层的厚度分布，通过激光照射胶层表面，用光 功率计或面阵c c d 等测量工具记录光强变化，计算机处理数据，实现对光刻胶 层厚度的检测。整个实验系统由激光光源、光学元件、测量元件、计算机四个部 分组成。 课题的研究从平面光刻胶层入手，到曲面光刻胶层。本文详细介绍了平面透 射法，平面反射法，凸面逐点法的研究及曲面全场法的初步实验。针对平面光刻 胶层基底性质的不同，进行了平面透射法和平面反射法研究，实验得到了理想的 数据，验证了光谱反射率法测量光刻胶层厚度分布理论的可行性。通过研究发现 凸面光刻胶层在理论上就是不均匀的，根据凸面光刻胶层的结构特点，进行了凸 面逐点测量法的研究工作，得到凸面光刻胶层的厚度分布情况，对误差进行了分 析讨论，提出了提高精度的方法。在凸面逐点法的基础上，进行了曲面全场法的 初步研究工作，构建曲面全场法的测量光路，得到了较为理想的实验数据，为后 续实验打下一定基础。 本课题首次针对平面光刻胶层和凸面光刻胶层的厚度分布，提出了一种可行 的测量方法，并通过实验验证了这种光谱反射率法测量光刻胶层厚度分布的理 论，得到了理想的光刻胶层厚度分布情况。 关键词：光刻，激光直写，光谱反射率法，光刻胶，厚度分布 i i i 浙江大学硕一l j 学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fl i t h o g r a p h y , l a s e rd i r e c tw r i t i n go np l a n a rs u r f a c e h a sm a t u r e d ，a n dl a s e rd i r e c tw r i t i n go ns p h e r i c a ls u r f a c eh a sb e e nt h en e wd i r e c t i o n c h a n g c h u ni n s t i t u t eo fo p t i c s ，f i n em e c h a n i c sa n dp h y s i c s ，a n df r a u n h o f e ri n s t i t u t e h a v em a d es o m ea c h i e v e m e n t so nt h et e c h n o l o g yo fl a s e rw r i t i n go nc o n v e xs u r f a c e m e a s u r i n gt h et h i c k n e s so fp h o t o r e s i s to ns p h e r i c a ls u r f a c eb e c o m e sa ni m p o r t a n t i s s u e ，a n di sa l s ot h ed i r e c t i o no ft h i ss t u d y t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h es t u d yo fs p e c t r a l r e f l e c t i v i t ym e t h o dm e a s u r i n gt h et h i c k n e s so fp h o t o r e s i s to ns p h e r i c a ls u r f a c e ， i n c l u d e so fm e a s u r e m e n tp r i n c i p l e ，t h eb u i l do fv a r i o u se x p e r i m e n to p t i c a lp a t h ， e x p e r i m e n ti m p l e m e n t a t i o na n dd a t aa n a l y s i s s p e c t r a lr e f l e c t i v i t ym e t h o dm e a s u r i n gt h et h i c k n e s so fp h o t o r e s i s to ns p h e r i c a l s u r f a c e ，t h r o u g hl a s e ri r r a d i a t et h es u r f a c el a y e r , u s i n go p t i c a lp o w e rm e t e ro r m e a s u r i n gt o o l ss u c ha sc c dr e c o r d st h el i g h ti n t e n s i t yc h a n g e s ，t h ec o m p u t e r p r o c e s s i n gd a t at oa c h i e v et h et h i c k n e s so fp h o t o r e s i s tt e s t i n g e x p e r i m e n ts y s t e m i n c l u d e so fl a s e r , o p t i c a ld e v i c e s ，m e a s u r i n gd e v i c e sa n dc o m p u t e r r e s e a r c hp r o j e c t sf r o mp h o t o r e s i s to np l a n a rs u r f a c et op h o t o r e s i s to ns p h e r i c a l s u r f a c e t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h er e s e a r c ho fp l a n a rt r a n s m i s s i o nm e t h o d ，p l a n a r r e f l e c t i o nm e t h o d ，s p h e r i c a lp o i n tm e t h o d ，a n dt h ep r e l i m i n a r ye x p e r i m e n to fw h o l e s p h e r i c a ls u r f a c em e t h o d t h ed i f f e r e n tc h a r a c t e r sa b o u ts u b s t r a t eo fp h o t o r e s i s t p l a n a rl a y e r , c a r r i e do u tt h er e s e a r c ho fp l a n a rt r a n s m i s s i o nm e t h o d ，p l a n a rr e f l e c t i o n m e t h o d ，e x p e r i m e n t a ld a t ah a v eb e e ni d e a lt ov e r i 匆t h es p e c t r a lr e f l e c t i v i t ym e t h o do f p h o t o r e s i s tl a y e rt h i c k n e s sd i s t r i b u t i o nt h e o r yi sf e a s i b l e t h r o u g ht h es t u d y , w eh a v e f o u n dt h a t ，c o n v e xp h o t o r e s i s t l a y e ri s u n e v e ni n t h e o r y a c c o r d i n gt o t h e c h a r a c t e r i s t i c so fc o n v e xp h o t o r e s i s tl a y e r , c a r r i e do u tt h er e s e a r c ho fs p h e r i c a lp o i n t m e t h o d ，g e tt h ec o n v e xp h o t o r e s i s tl a y e rt h i c k n e s sd i s t r i b u t i o n ，a n a l y z e d a n d d i s c u s s e dt h ee r r o r , g i v et h em e t h o do fi m p r o v ep r e c i s i o n b a s eo nt h es t u d yo f s p h e r i c a lp o i n tm e t h o d ，c a r r i e do u tt h ep r e l i m i n a r yr e s e a r c ho fw h o l es p h e r i c a l v 浙江大学硕士学位论文 s u r f a c em e t h o d ，b u i l dt h el i g h tp a t ho fw h o l es p h e r i c a ls u r f a c e ，g e ts o m ei d e a l e x p e r i m e n t a ld a t a ，a n dp u tac e r t a i nf o u n d a t i o nf o rf o l l o w - u pe x p e r i m e n t s t h i sp a p e rf i r s tp r e s e n t san e wa n dp r a c t i c a lm e a s u r e m e n to fm e a s u r i n gt h e t h i c k n e s so nt h ep l a n a ra n ds p h e r i c a ls u r f a c e ，w h i c hh a sb e e nv e r i f i e db ye x p e r i m e n t a n da l s og e tt h et h i c k n e s sd i s t r i b u t i o no f p h o t o r e s i s t k e y w o r d s ：l i t h o g r a p h y , l a s e rd i r e c tw r i t i n g ，s p e c t r a lr e f l e c t i v i t ym e t h o d ，p h o t o r e s i s t ， t h i c k n e s sd i s t r i b u t i o n v i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝婆盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：张春晖签字同期：2 0 1 0 年1 月5 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：张春晖导师签名：梁宜勇 签字日期： 2 0 1 0 年 1 月 5日签字日期：2 0 1 0 年1 月5 日 浙江火学硕- j ：学位论文 致谢 值此论文完成之际，回顾两年半的硕士研究与生活，不仅感慨良多。在两年 中，我得到了导师和同学的支持与帮助，让我受益匪浅。 本论文的研究工作是在梁宜勇副教授，杨国光教授的悉心指导下完成的，从 论文的选题、研究的思路、实验的设计与实现到论文的撰写，无不倾注了老师的 心血和关怀。我的导师梁老师，睿智、谦逊，学术功底深厚，工作刻苦认真，在 我两年半的学 - - j 研究中给予我细心的教导及巨大的帮助，在此，对梁老师表示深 深的谢意。杨老师德高望重，学识渊博，治学严谨，虽已年过古稀，仍思维年轻， 很有远见，在我的研究中，给予了建设性的意见，对杨老师表示敬意。 衷心感谢白剑老师在微光学上对我的教导，感谢侯西云老师，侯昌伦老师， 徐建峰老师，左丹薇老师，汪凯威老师对我研究上的帮助。 衷心感谢陈龙江博士、田丰博士、罗剑波博士在硕士研究生期间对我科研上 的帮助，对我的研究给予了很大的支持，祝学业顺利，前程似锦。 感谢实验室的吴字、娄迪，肖潇、张巍、牛爽等博士，杨涛、阎传文、耿煜、 余磊、薛峰、邱宝伟、王涛等硕士，李遥、赵双双、周巧芬、禹果、梁靖宇等师 弟师妹，是大家让我的硕士生活丰富多彩，充满了活力和快乐，我会永远记住这 段美好的时光。在感谢的同时，此祝大家学 - - j 工作顺利，前程似锦。 最后要感谢的是我的父母对我的养育及教导，没有他们的支持和关怀就没有 我的一切，还要感谢奶奶和天上的爷爷，从小在爷爷奶奶身边长大，感谢两位老 人对我的养育和智育之思。 浙江人学硕仁学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 光刻技术是半导体产业中的关键技术，随着半导体产业的发展，对光刻技术 的要求进一步提高，光刻线条的分辨率已向几十个纳米的级别迈进【l 】。2 0 世纪 8 0 年代，随着大规模集成电路的发展，激光直写技术应运而出。激光直写技术 的产生，使光学元件的制备进入了一个新的台阶【2 】【3 1 。激光直写技术可在光刻胶 上直接制作多台阶，从而制造出连续浮雕结构的光学元件。随着技术的发展，制 造曲面微结构器件的技术应运而生，如金刚石车床加工、软光刻、曲面激光直写 等，其中，曲面激光直写在图形精度、材料选择性、制造成本等方面有综合优势， 故成为最具价值的曲面微结构制造技术。德国的夫朗和费学院( f r a u n h o f e r i n s t i t u t e ) 及我国的长春光机所先后在国际会议及o p t i c se x p r e s s 刊物上发表曲面 激光直写技术的研究进展及成果【4 】【5 】【6 】o 在曲面激光直写技术中，因为光源强度的变化与光刻胶上所刻的线条宽度和 深度的变化为非线性关系，而且光刻胶的厚度分布决定了到曝光量的分布，而环 境变化对于连续位相和光刻胶灰化的影响7 】【引，都需要准确测量光刻胶的厚度， 所以在该光刻工艺过程中，需要掌握光刻胶厚度的信息，以便更好的控制曝光量。 测量得到光刻胶厚度分布后，设定曝光值，从而得到预期的三维浮雕微结构。 在光刻工艺中，光刻胶厚度的测量并没有特定的方法。传统的方式，通过光 刻胶供应商提供的旋涂的转速及胶厚的关系和实验人员个人的经验来判断光刻 胶的厚度。由于实验中，光刻胶往往要被稀释后使用，这样，光凭经验及资料仅 能大致判断光刻胶的厚度范围，不能得到准确的厚度信息。通过一定的方法得到 所要刻画胶层的厚度分布，可以更好的确定光源的强度分布。再通过改变曝光量 的不同，得到曝光量与刻画线条宽度和深度的关系。这样，便使制作高精度的连 续浮雕结构成为可能，从而为进一步制作三维结构创造了条件。 渐太学硕士学位论文 1 2 研究现状 由于光刻肢的特性，从日前研究现状来看，没有专门的光刻胶胶层厚度检测 的方法，但在薄膜厚度检测中，有台阶仪法，椭圆偏振法，棱镜耦合法，干涉等 方法。 1 2 1 台阶仪法 台阶仪又称表面轮廓仪，见图1 - 1 ，是一种精确测量物体表面徽观轮廓的精 密仪器。它通过探针在被测物表面的扫描，由于被测表面的高低起伏从而使得探 针随着样品表面高低起伏，通过台阶仪内部的激光反射悬臂粱系统其计算系统， 测量出被测物表面的轮廓 图1 - 1d e k t a k - 3 型表面轮廓仅 当光刻殷经过曝光，显影，定型工序后，可通过台阶仪测量出光刻线条的宽 度和深度。但因为其原理为物理接触武测量，虽然精度很高，达到纳米级别，但 却在一定程度上破环了胶层表面，对于后期刻蚀工序造成了一定的影响所以， 测量过后的胶层将不具有继续试验的价值。这就说明了台阶仪不适合用于光刻肢 厚度的测量 浙江大学顿学位论文 1 2 2 椭圊倔振法 田l - 2 m 2 0 0 0 型辅倡仪 椭圆偏振j 圭通过一束光投影到被测物体表面，测量入射光与反射光偏振状态 的变化，来获得薄膜的厚度和折射率州1 0 1 ”，见圈i 2 椭偏方程： = 留p 扩= f ( d ，h ， ，月。，口， ) r 5 方程( 1 - 1 ) 中，r p ，分别表示薄膜对光的平行分量和垂直分量的反射率， 犯称为椭偏参量田此可见，光的平行分量和垂直分量的反射率的c 匕值是薄膜 厚度d ，薄膜折射率玑，基底折射率儿，空气折射率，入射角目和波长a 的 函数若方程中“，”a ，口，z 已知，测出非a ，便可求的薄膜厚度d 和薄膜折 射率肌 浙江大学硕t 学位论文 测量方法主要有消光法和光度法两种。测量原理如图1 3 ： s 8 图1 3 椭偏法测量原理图 图a 为反射式消光法，图b 为反射式光度法。 图中，l 是光源，p 是起偏器，q 为1 4 波片， s 为被测样本，a 为检偏器，d 为探测器。 椭偏法测量精度很高，厚度精度可达到纳米级别。但是影响测量精度的因素 很多，如入射角，光学元件的质量，样品表面状态等。光学元件p ，a ，q 的质 万 量，波片快慢轴的相位差不严格为2 ，则光路中存在补偿的偏差4 ，1 4 波片快 轴与入射面夹角不严格为4 5 。，存在偏差晚，最后起偏器和检偏器还存在零点误 差邵和一，这些都为测量结果产生了影响【9 】。此外，由于光刻胶有感光特性， 这就减小了光源波长选择的范围，从而影响了测量精度。 1 2 3 棱镜耦合法 棱镜祸合法是通过在薄膜样品放置一块耦合棱镜，将入射光导入被测薄膜， 检测和分析不同入射角的反射光，确定波导膜耦合角，从而求得薄膜的厚度和折 射率的一种接触式方法【10 1 ，原理见图1 4 。 4 浙江大学硕上学位论文 图1 - 4 棱镜耦合法 l 光源；r 1 、r 2 反射镜；a 衰减片；f 滤光器；q 1 4 波片； p 偏振片；d 探测器；g 棱镜；c 耦合头；s c 转盘；f l 薄膜样品 波导模式特征方程： 朋( ，z 多一n m 2 ) 2 = ( m + 1 ) 万 m = s i n 秒c o ss + ( ；一s i n2 秒) 2s i ns ( 1 - 2 ) ( 1 3 ) 公式( 1 - 2 ) ，( 1 - 3 ) 中，七为波数，m 为模数，n m 为m 阶导模的有效折射 率，伊，占，p 分别为耦合角，棱镜角和棱镜折射率。若测得两个以上耦合模式的 耦合角，便可求出d 和玑。棱镜耦合法虽有较高的精度，但为接触式测量，破 坏胶层表面，不适合胶厚检测。 浙江人学硕十学位论文 1 2 4 激光干涉法 激光干涉法是激光光束通过显微物镜汇聚在薄膜上，光线经过薄膜上下表面 反射在c c d 接收器上发生干涉，显示出干涉条纹，其原理如图1 - 5 所示【l 。 薄膜 图1 - 5 激光干涉法示意图1 1 1 激光通过显微物镜汇聚在薄膜上，分别从薄膜上下表面反射回的光在距薄膜 为l 的观察面上发生干涉，c c d 接收干涉条纹。初始入射角设为4 5 0 ，使测量系 统安装方便，而且使入射光束与第一束反射光束相互垂直，简化后续的计算程序。 通过对干涉条纹进行处理，找到薄膜厚度h 与干涉条纹周期t 之间相对简单的关 系，以此求出薄膜的厚度分布情况。 激光干涉法的特点是测量方法简单，计算快速，可以测量1 0 1 0 0 , u r n 范围内 的薄膜，很适合用于工业生产的在线监测。但其有测量精度不高的缺点，精度只 在微米级别。 上面介绍了几种测量薄膜厚度的方法，各有特点。但因为光刻胶其使用的特 点，必须要采用非接触测量的方法。同时，又因其感光的特性，测量光源的选择 范围被缩小。所以上述方法除椭偏法外均不太适合胶厚检测。椭偏法可在一定程 度上测量平面光刻胶的厚度，但随着工艺的进步，已经要求在曲面上旋涂光刻胶 6 浙江大学硕 = 学位论文 制作结构，这就要求测量曲面光刻胶的厚度分布。此时，椭偏法也不能保证测量 精度，无法测量曲面胶厚。同时也没有特定的方法测量凸面胶层的厚度。 1 3 本课题研究目的 激光直写中，为了获得预期的微结构图形，必须了解曲面基底的胶层及胶厚 分布，否则最终的三维浮雕微结构将不可预测，因此曲面胶层的全场检测成为必 须要解决的问题。此外，常用的旋涂法制备的曲面胶层分布在理论上既是不均匀 的，并且不均匀性与基底的曲率相关。 本课题试图寻找一种适合于光刻胶厚度测量的专用方法，基于光刻胶的物理 及化学特性，在不破坏胶层的情况下，了解光刻胶厚度分布，为激光直写工艺中 动态补偿曝光量做出贡献，从而得到理想的三维微结构。 1 4 本课题研究内容 本课题是国家自然科学基金( 6 0 6 7 8 0 3 7 ) 及航天基金( 2 0 0 7 0 1 1 2 0 0 1 ) 资助 项目，在浙江大学现代光学仪器国家重点实验室的激光直写课题下进行，主要的 研究内容包括： 1 、光刻胶对不同光谱的光线，曝光特性不同，针对光刻胶的这一特点，以 不破坏光刻胶层为目的，采用红光激光照射被检样品表面，通过测量光刻胶层的 透射率或者反射率，测量光刻胶层的厚度，以此达到光刻胶层厚度分布的研究。 2 、因光刻胶的使用条件不同，甩胶的基底分为透明与非透明两种情况，平 面光刻胶层厚度，针对不同性质的基底，透明介质进行平面透射法研究，非透明 介质进行平面反射法的研究。 3 、曲面( 凸面) 光刻胶层，在理论上就有不均匀性，针对凸面光刻胶层的 结构特点，采用激光沿凸面球心方向入射的光路设计思路，达到测量胶层厚度的 目的，进而进行凸面逐点扫描法的研究。 4 、凸面逐点扫描法在时间及空间上一定的限制，主要不能一次得到光刻胶 层全场的厚度分布，采用面光源照射凸面光刻胶层，通过面阵c c d 采集光线能 7 浙江人学硕j ：学位论文 量，进行凸面全场法测量研究的初步工作。 8 浙江人学硕十学位论文 第二章光刻工艺及检测方法 本章主要介绍光刻工艺的基本流程及光刻胶的特性，从而为制定检测方法定 下基础。针对光刻胶的物理及化学特性，在光刻工艺的基本流程中选择合适的时 刻采用合适的方法实现光刻胶层厚度的测量。 2 1 光刻工艺 光刻指的是将图形转移到一个平面的任意复制过程。传统光刻工艺是利用成 像和光制光刻胶在基地上图形化，本质是以投影方法把掩模上的大规模集成电路 器件的结构图形“刻”在涂有光刻胶的基底上【1 2 】。光刻工艺师目前唯一能够在基底 上制作亚微米图形的技术【1 3 】。光刻主要用来制作掩模板、大规模集成电路等。传 统光刻工艺的原理简单：将对光敏感的光刻胶涂在基底上，在表面形成一层薄膜， 之后使用掩模板，掩模板上包含所要制作的特定层的图形信息，曝光光源透过掩 模板照射在光刻胶上，光刻胶选择性的曝光，受到光照的光刻胶相应部分发生光 化学反应，其内部结构发生变化，在显影液中光刻胶感光部分与未感光部分的溶 解速度不同，光照后易溶解的光刻胶成为正胶，反之，处于阴影处更容易溶解的 光刻胶称为负胶，显影时两种光刻胶具有相反的效应，从而在基底上产生原版本 的图案( 正胶) 或与原版本透光性恰好相反的图案( 负胶) 。利用剩余的光刻胶 图形做保护膜，对基底表面没有光刻胶覆盖的区域进行刻蚀或离子注入，从而把 光刻胶上的图形转移到基底表面的薄膜上去，再去除光刻胶后，基底上就得到永 久的图案【1 4 】。光刻工艺流程包括：基片处理、旋转涂胶、曝光前烘、对准曝光、 曝光后烘、定影显影、坚膜后烘、图形检查8 个步骤。光刻工艺各个步骤统一为 一个整体，各个环节密不可分，一个步骤出现偏差都会导致最终光刻结果的失败。 2 2 激光直写 2 0 世纪8 0 年代，随着大规模集成电路的发展，激光直写技术应运而生。在 国外，美国、德国等国家已经成功研制出二元激光直写设备。在国内，中科院长 春光机所、浙江大学等学校在激光直写技术方向的研究也取得了一定的进展 渐丈学碰i 也论史 【q 【旧。平面激光直写技术的不断成熟，使研究的方向向曲面激光直 德国的夫朗和费学院及国内的长春光机所先后的曲面激光直写技术 定的进展，并在国际会议及刊物上发表了相应曲文章。浙江大学曲面 术的研究正在进行中，奉课题的研究就是曲面激光直写技术研究中 日曲面激光直写技术在曲面微结构器件的制作上具有图形精度， 翩造成本等多方面的优势，因此得到了较快的发展 圈2 - 1 澈光直写技术研究曩置 图2 - l 为浙江大学激光直写技术研究的实验装置。激光直写技玮 点，同时也存在机械误差、光学邻近效应、激光功率的控1 1 4 等问题 光学临近效应，激光功率的控制问题都与光刻胶相关的曝光量的控鼬 1 9 脚了解光刻胶层的厚度分布，对于改善激光直写技术的精度璃 极的意义，特别在曲面镀结构制作上，有着重大的贡献。 2 3 光刻胶 光刻胶又称光致抗蚀荆。由感光树鹰、增光剂和滓剂三种成分盎 浙江大学硕七学位论文 定光谱的光敏感的混合液体。光刻胶是利用光化学反应进行图形转移的媒体，一 类应用广泛的精细化学品【2 1 1 。光刻胶的主要作用就是作为抗蚀剂保护基片表面， 通过光照形成图案，再通过刻蚀将图案转移到基底上，从而加工出需要的微结构 图形。光刻胶按光化学反应的性质划分可分为正型胶和负型胶2 2 1 ，其区别在于正 型胶受光照部分易发生光化学反应，负型胶受光照部分不易发生光化学反应，二 者的结果正好相反。光刻胶的主要特性包括：粘附性，灵敏度，对比度，抗刻蚀 性，曝光宽容度，分辨能力等 2 3 1 。 ( 1 ) 粘附性 粘附性指光刻胶与基底之间粘附的牢固程度，它会直接影响到光刻的质量， 同时它也是光刻胶本身质量的指标之一。影响光刻胶粘附性的因素很多，如光刻 胶本身的质量、基底材料表面的状态、基底材料的性质等。 ( 2 ) 灵敏度 灵敏度是衡量曝光速度的指标，通常指在光刻胶表面制作一个理想的图形所 需要的一定波长的光的最小能量值，这个能量值被称为曝光量。光刻胶本身的特 性以及光刻胶层的厚度分布，决定了最终曝光量的设定。在曲面激光直写中，需 要动态补偿曝光量，这样了解光刻胶层的厚度分布便对于曝光量的设定提供了有 效的依据。 ( 3 ) 对比度 对比度指光刻胶曝光后，显影液与曝光和未曝光的光刻胶的反应速率。 - 3 对 比度较高时，曝光量在显影曲线临界位置处的轻微的变化就会引起显影反应速度 的变化，从而使曝光区与非曝光区的界限分明，图案轮廓清晰。良好的对比度的 光刻胶能制作出高质量的图形。 ( 4 ) 抗刻蚀性 抗刻蚀性是指刻蚀光刻胶的速率与刻蚀基底材料的速率之比。光刻胶作为离 子体刻蚀的掩膜，需要有较高的抗刻蚀性。 ( 5 ) 曝光宽容度 浙江大学硕上学位论文 光刻胶在偏离最佳曝光量的情况下，曝光图形的线宽变化较小，光刻胶具有 较大的曝光量宽度。 ( 6 ) 分辨能力 光刻胶的分辨能力是指使用光刻胶时所能得到的微结构图形的最小尺寸，一 般用每毫米内能刻蚀出的可分辨的最多线条数来表示。它一个综合指标，表明光 刻胶所能达到的工艺水平，决定了光刻胶的使用范围。 光刻胶按感光特性有i 线光刻胶，g 线光刻胶和h 线光刻胶，i 线光刻胶曝 光波长为紫外波长3 6 5 纳米，g 线光刻胶曝光波长为4 3 6 纳米，h 线光刻胶曝光 波长为4 0 5 纳米。 了解光刻胶的上述性质，选择一种非光刻胶敏感的区域的波长的激光测量光 刻胶层的厚度分布。 2 4 测量原理 课题研究从平面胶层入手，因光刻胶的诸多特性，尤其是感光特性，选取光 刻胶非感光区域的红光激光器为测量光源。在光刻工艺中，光刻胶层均是单层膜， 所以用激光照射胶层表面时，其光路图如图2 - 2 所示。 光线以吼角度入射，n o 为空气折射率，已知为1 ，l 为未知胶层折射率，力g 为已知的玻璃介质折射率，h 为要测量的胶层厚度。 浙江大学硕上学位论文 图2 - 2 激光照射光路图 由于光刻胶层都在几个微米以下，吸收量极小，不计薄膜和基底玻璃介质的 吸收，当光源正入射时，单层膜的反射比为2 q ： p = ( n 0 - n g ) 2 c o s 2 害+ ( n o 刀n g 一刀) 2s i n 2 害么，zz ( n 0 - n g ) 2 c o s 2 害+ ( 盟n 训2s i n z ( 2 - 91 ) 么 r1 、 其中万是相继两束光光程差引起的相位差， 万：孥砌c o s0 ，秒= 0 见 。 上胶后的整个基片，光线总透射比为f f = 丁l f 2 ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) m h 工洲 一| | 船 浙江人学硕上学位论文 其中，r 1 为胶膜透射比， p = 1 一z 1 ， r 2 为光线通过基片介质下表面的透射比，正入射时， 铲r n _ 生o _ l t 2 = 1 一p 2 ， ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 由上述公式可知，光刻胶层的厚度h 和折射率n 构成相位差万，而万又与光 刻胶的反射比p 有关联。这样，光刻胶的厚度 和折射率，z 便与单层膜的反射比 p 构成非线性关系，只要测量得到不同波长下的两个光刻胶层的反射比p ，就可 以得到光刻胶的厚度h 和折射率，l ，从而达到项目的要求。 2 5 平面胶层 选用波长为6 3 2 8 纳米和波长为6 7 1 纳米的红光激光器为光源，垂直照射上 胶后的玻璃基片，用光功率计分别测量未加基片的激光功率和加基片后的透射光 或者反射光功率。当基片透明时，不同波长的光源透射比不同，计算出两个光源 各自的透射比f ，应用公式( 2 3 ) ，公式( 2 - 4 ) ，公式( 2 5 ) 和公式( 2 - 6 ) 求 出两个不同的胶层反射比p 。当基片不透明时，不同波长的光源反射比也不同， 可通过比例计算出两个反射比p ，或在得知薄膜折射率的情况下，用单光谱照明， 即可求得该薄膜厚度。再应用公式( 2 1 ) ，公式( 2 - 2 ) ，可列出两个含有未知数 n ，l 的方程。求解方程，即可得到光刻胶层厚度h 和折射率疗。 1 4 浙江人学硕十学位论文 2 6 凸面胶层 从平面胶层扩展到凸面胶层，当光线入射到凸面胶层时，光路图见图2 3 ： 图2 - 3 凸面胶层光路l 光线照射到胶层表面，一部分光线反射，另一部分光线入射到胶层中，在胶 层基底界面发生二次反射，再一部分光线入射到基底中。发生二次反射的光线从 光刻胶层出射后，沿着与在空气光刻胶界面反射的光线不同的方向传播。这样， 采集光线强度时，就有一定的困难。 图2 _ 4 凸面胶层光路2 胶聆 浙江大学硕上学位论文 当光线沿基片圆心的方向入射时，如图2 4 ，从光刻胶基底界面反射回的光 线将沿入射光路原路返回，而从基底空气界面反射的光线将从另一个方向射出。 这样只要分离开同路的入射光线和反射光线，再通过计算就能够得到光刻胶层的 反射比p ，使用两种不同波长光源，如上述测量原理就能够得到该点的胶层厚度 h o 1 6 浙江大学硕 学位论文 第三章平面光刻胶厚度测量 课题的研究，从平面光刻胶层入手。光刻工艺主要包括基片处理、旋转涂胶、 曝光前烘、对准曝光、曝光后烘、显影定影、坚膜烘焙、图形检查8 个步骤。根 据课题的需要，我们在曝光前烘步骤后对光刻胶进行测量。应用波长为6 3 2 8 n m 和6 7 1 n m 的红光激光器为光源，对于光刻胶不产生曝光效应，使光刻胶在测量 后具有继续使用的价值。 3 1 样品制备 本课题研究采用a z 4 6 2 0 正型光刻胶，特性为：2 5 。c 粘度4 0 0 m p a ，转速范围 1 0 0 0 5 0 0 0 r p m 时所得胶厚1 6 1 5 4 9 m 。 s p i ns p e e d ( r p m ) 一舶一卜， 图3 1 ：生产厂家提供的a z p 4 6 2 0 厚胶膜厚随转速变化曲线 图3 - 1 为生产厂家提供的a z p 4 6 2 0 光刻胶原胶随转速变化的曲线，由曲线 可知，在一定的转速下，我们只能知道光刻胶的大致厚度范围，并不能了解光刻 胶层准确的厚度分布，所以要测量光刻胶层的厚度分布。实验采用1 ：4 稀释( 原 胶与稀释剂的比例为1 ：4 ) ，以3 0 0 0 r m 旋转涂胶4 0 秒，经反复实验，得到光 刻胶层的厚度在5 0 0 n m l l a m 之间。被检样品的制备具体情况如下： 浙江人学硕 ：学位论文 3 1 1 基片处理 基片处理包括清洗、烘烤步骤。基片处理是光刻工艺中的重要环节。光刻工 艺中基片上的沾污物会造成光刻胶与基片的粘附性差，从而导致涂层不均匀或产 生针孔，在后续工序中产生漂移等问题【2 5 】。光刻胶与基片之间的粘附程度直接影 响到光刻和热熔的精度。如果粘附程度不够好，则光刻显影时图形的几何尺寸会 发生变化，腐蚀使则会发生漂胶和钻蚀等现象，直接影响微结构的质量。影响光 刻胶与基片粘附关系的因素有很多，一般基片表面有灰尘、油脂、掺杂离子、未 除尽的光刻胶等杂质存在，使光刻胶与基片表面接触不紧密，粘附程度低。因此， 在清洗过程中，针对不同的杂质，采用不同的化学试剂进行。我的实验采用丙酮 作清洗剂。丙酮为一种有机溶剂，有强挥发性，可以有效的清洗基片表面的杂质 并带走基片的水分。另外一个对光刻胶粘附性产生影响的因素是基片表面的性 质。绝大多数光刻胶中的聚合物均是疏水的，液态光刻胶中虽然含有侵润能力较 好的溶剂，但经过前烘后，基片上只存在固态聚合物，所以在亲水性的表面上使 用疏水性的聚合物时，将会影响实验结果。使基底表面更加疏水，有热处理和涂 覆有机化合物两种办法。 本实验采用k 9 玻璃材料的基底，厚度4 8 m m ，半径2 5 m m ，在超净室中进 行，首先将基片放入到培养皿中，用丙酮试剂进行表面擦拭，待丙酮挥发一定时 间后，将玻璃基片放入到9 0 c 的烘箱中干燥1 5 分钟。因为固态玻璃本身是疏水 的，所以不需要高温烘焙增强其疏水性。 3 1 2 旋转涂胶 毒 基片处理工序结束后，对基片进行上胶工序。上胶方法有旋转涂胶，喷涂等 方式，我们实验中采用旋转涂胶的方式。实验中采用a z 4 6 2 0 正型光刻胶，用稀 释剂4 比光刻胶1 比例稀释。 旋转涂胶是光刻胶标准的涂胶方法，首先静止滴胶，使光刻胶覆盖基底表面， 之后再低速旋胶，使光刻胶在基底表面均匀铺开，最后高速旋胶，得到所需要的 光刻胶层。在静止滴胶中，滴胶量不仅取决于基片的大小，还取决于光刻胶的黏 浙江大学颂学位论文 度，粘度越小的光刻胶，滴胶量就越小，得到越薄的胶层厚度 滴胶旋涂过程及结果如田3 2 ： a ) 滴胶旋( b ) 旋胶结果( b ) 转速与时间的关 图3 - 2 旋转涂胶 旋转潦胶，胶层由中心沿半径方向厚度有小量降低，造向边沿线速度越大 提速越快，洛剂挥发开始耐较慢而造成了此现象 “) 圈3 - 3 甩胶机 浙江大学硕上学位论文 旋涂过程，有边沿卷边和边圈现象等缺陷。这些缺陷，对于非接触曝光来说， 会造成线条展宽现象，边沿卷边对于线条的展宽影响尤为严重。在实验过程中， 初期经常遇到卷边现象，虽然对于胶厚测量的影响不大，但对于后期光刻，产生 了巨大的影响。在旋转涂胶过程中，高速旋转使大部分光刻胶飞离基片表面，仅 有少部分光刻胶留在基片上。但如果降低旋涂的转速，基片夹具的阻挡和光刻胶 的挥发带来的黏度增加，都会使光刻胶层边缘的厚度增加，有时胶层边缘厚度是 胶层中心厚度的几倍，这明显不能满足实验的要求。在实验中，通常采用静止滴 胶，低速匀胶，后快速进入高速旋胶的方法。首先滴胶过程使光刻胶覆盖全基片 表面，在低速下旋转数秒，之后甩胶机在几秒内加速到3 0 0 0 r m ，4 0 秒后，停止 旋涂过程。旋涂过程结束后，要用镊子夹持被检基片进行前烘过程。镊子夹持基 片相比其他工具夹持基片，能使基片边缘的受力面积减小，尽可能的避免基片上 胶层边缘光刻胶的堆积现象，得到满意的旋转涂胶效果。 3 1 3 曝光前烘 在本课题研究中，因为实验光路的缘故( 后面章节中将介绍) ，暂时不能实现 光刻胶的在线监测。在监测过程中，需要使被检基片垂直放置数秒，如果不进行 前烘，就会影响光刻胶层的分布，这样就要求基片经过曝光前烘过程后进行测量， 以保证被检样品能够继续使用，顺利进入光刻工艺的下一道工序。 前烘的目的是为了光刻胶中部分溶剂及水分，并使光刻胶与基底之间的附着 更加的紧密，在光刻后续工艺流程中能够经受的起畸变的力。液态光刻胶，溶剂 的成分占6 5 8 5 【2 5 1 。甩胶过程后，胶层面为附着在基底上的薄膜，在胶层中， 仍然有1 0 一2 0 的溶剂处在液体状态【2 6 1 ，较为容易沾染灰尘。通过高温烘焙， 使光刻胶中的溶剂挥发，含量降低，从而降低沾染灰尘的概率【2 7 1 。此外，在高速 旋涂的过程中，光刻胶层产生了应力现象，它使光刻胶分层的趋势增加。前烘可 以减小这种应力，提高光刻胶的粘附性能和减小光刻胶的分层趋势。前烘过程， 因溶剂的挥发，光刻胶层的厚度会减小1 0 一2 0 。光刻胶中溶剂的含量也会影 响到后续显影工序的效果，所以温度和时间的控制尤为重要。 本课题的研究，在9 0 c 烘箱中前烘3 0 分钟。 浙江人学硕十学位论文 3 2 测量光路构建 依据光刻胶的特点，实验在具有安全黄光照明的实验室内进行，测量光源选 择红光激光器。当被检样品的基片为透明的k 9 玻璃时，实验测量光路示意图见 图3 4 ： 图3 _ 4 平面透射法测量光路 率计 实验选择6 3 2 8 n m 的氦氖激光器及6 7 1 n m 的半导体激光器作为光源。光阑 的作用是在测量过程中，同一时刻只允许一束激光通过。首先，光路调节，将两 个光阑都打开，使两激光器照射在分光棱镜1 上，调节两激光器的位置，使激光 器的出射光线在同一方向，同一位置上。光功率计放在光路中，位置固定。测量 过程中，待两激光器输出稳定后，用光阑调节两激光器的光线。未加入待检基片， 通过光功率计记录下两激光器各自的光功率o t ，：。把基片放在图3 4 光路所示的 位置，光线垂直入射胶层表面。分别打开两激光器，通过光功率计记录光线通过 基片后的光功率i i ，i ：。则，r ，2 ，- ，f ，2 ，： 。f ，分别为两激光器出射 光线在被检样品上的透射比。测量得到两激光器的透射比，便可求出光刻胶层的 厚度h 和折射率n 。 浙江人学硕j ：学位论文 当被检样品的基底为非透明时，测量光路示意图见图3 5 ： 入 图3 - 5 反射法测量光路 底 因为胶层的折射率不会因胶层的厚度而发生变化，由透射法测量结果及椭偏 仪的测量可知胶层的折射率，这样反射法测量用一个激光器。激光器光线照射在 分光棱镜2 上，透射光线照射在被检样品上，在被检样品上反射后再次经过分光 棱镜2 后，照射在光功率计上。 首先，将未上胶的基片放入到光路中，用光功率计记录激光器的光功率， 这时的激光功率是从未上胶表面反射回来的激光的功率。将基片上胶后，再次放 入光路中，前后两次，使基片在径向及轴向均处在同一位置处。用光功率计记录 激光器的光功率j l ，这时的激光功率是从上胶表面反射回来的激光的功率。因 为前后两次，激光均经过同样的路径，由光功率计采集，又因为分光棱镜在光度 变化很小的情况下，可以认为是线性良好的，所以分光棱镜2 对于前后两次激光 强度的影响是相同效果的。前后两次光线，一次是在空气基底界面反射，一次是 在胶层处反射，则两个光功率计测量的光强比值便是胶层反射比与基底反射比的 比值，即 浙江大学硬学位论文 i ip i ld 2 ( 3 - 1 ) p 为所求的胶层反射比，p 2 为已知的基底的反射比。由此，可以算出肢层 的反射 匕，从而得出光刻胶层的厚度h 。 测量实际光路如图3 - 6 ： 圉3 缶平面授射法实际检测光路 浙江大学硕l 学位论文 3 3 实验数据 基片甩胶前烘后，因边缘有卷边情况，所以测量时，测量点选在基片的中间 环带部分，5 r a m 4 6 d b 曝光方式：帧曝光 曝光时间：1 5 0 0 0 0 s 2 s 可编程方式：图像尺寸，亮度增益、帧数、曝光时问 相机的基本数据满足了实验条件的要求 实验采用稀释过的a z 7 0 1 光刘胶，k 9 玻璃，r 为5 0 0 m m ，f 为2 5 m m 的 基片。在甩胶机上3 0 0 0 r r a i n 甩肢3 0 秒，9 0 前烘3 0 分钟，得到被检样品。实 验捡涮完成后，对被检样品进行照相，图像如图5 4 ： 图5 4 被拴样品 浙扛大学碰十学位论女 5 2 实验数据 本次试验，a z 7 0 1 光刻胶的折射率通过光刻胶供应商提供的数据及实验的测 定，为1 5 8 。所以使用单一光源，对光刻胶进行测量。固光刻胶在甩胶阶段，甩 胶速度为已知，可以大致判断光刻肢的厚度分布，通过测量后，得到光刻胶准确 的厚度分布信息。 实验依旧在暗室下进行，基片上胶前，取得一副图像，基片上胶后，再取得 一副图像。两图像见圈5 - 5 图5 - 6 田5 - 5 基片上肢前反射图 浙江大学碗学位论文 一 囤5 - 6 基片上肢后反射圈 由两幅图像很难看出其r b g 值的差别，通过m a t l a b 软件处理后，读出 两幅图像的r g b 值，再