了得網工業技術_光刻膠材料評測技術——從酚醛樹脂光刻膠到最新的EUV光刻膠

內容簡介

光刻膠是微電子技術中微細圖形加工的關鍵材料之一，在模擬半導體、發光二極管、微機電繫統、太陽能光伏、微流道和生物芯片、光電子器件/光子器件中都有重要的應用。本書從光刻技術基礎知識出發，繫統介紹了多種類型光刻膠應用工藝、評測技術。具體包括光刻膠塗布、曝光工藝、曝光後烘烤和顯影技術，以及g線和i線光刻膠、KrF和ArF光刻膠、ArF浸沒式光刻膠、EUV光刻膠等的特征、應用工藝及評測技術，希望對國內的研究人員有很好的啟發和指導意義。

作者簡介

無

第1章光刻技術概述001
參考文獻007

第2章光刻膠的塗覆008
2.1光刻膠塗覆裝置008
2.1.1絲網印刷塗覆法008
2.1.2旋塗法008
2.1.3滾塗法010
2.1.4膜壓法010
2.1.5浸塗法010
2.1.6噴塗法012
2.2旋塗工藝013
2.2.1旋塗工藝流程013
2.2.2旋塗工藝影響因素015
2.3HMDS處理021
2.3.1HMDS處理原理021
2.3.2HMDS處理效果021
2.4預烘烤024
2.5膜厚評測026
2.5.1用高低差測量膜厚（數微米～500μm）026
2.5.2光譜反射儀測量膜厚（50nm～300μm）026
2.5.3橢圓偏光計（橢偏計）測量膜厚（1nm～2μm）028
參考文獻029

第3章曝光技術030
3.1曝光設備概述030
3.1.1接觸式對準曝光030
3.1.2近距離對準曝光031
3.1.3鏡面投影曝光031
3.1.4縮小的投影曝光繫統—步進曝光機033
3.2曝光原理035
3.2.1近距離曝光的光學原理035
3.2.2步進曝光機的光學原理037
3.2.3獲得高分辨率的方法039
3.3光刻膠的感光原理和ABC參數041
參考文獻044

第4章曝光後烘烤（PEB）和顯影技術045
4.1曝光後烘烤概述045
4.2PEB中感光劑的熱分解047
4.3PEB法測定感光劑擴散長度048
4.3.1通過測量顯影速度計算感光劑的擴散長度049
4.3.2結果及分析053
4.3.3小結059
4.4表面難溶性參數的計算及評測059
4.4.1引言059
4.4.2顯影速度測量裝置的高精度化059
4.4.3表面難溶性參數的計算061
4.4.4表面難溶性參數的測量062
4.4.5小結064
4.5顯影技術064
4.5.1浸漬顯影064
4.5.2噴霧顯影065
4.5.3旋覆浸潤顯影065
4.5.4緩供液旋覆浸潤顯影067
參考文獻069

第5章g線和i線光刻膠（酚醛樹脂光刻膠）評測技術071
5.1酚醛樹脂光刻膠概述071
5.1.1簡介071
5.1.2高分辨率要求072
5.2利用光刻模擬對酚醛樹脂光刻膠進行評測077
5.2.1簡介077
5.2.2光刻模擬技術078
5.2.3參數的實測和模擬082
5.2.4小結094
5.3利用模擬進行工藝優化095
5.3.1簡介095
5.3.2實驗與結果095
5.3.3模擬研究097
5.3.4分析與討論100
5.3.5小結101
參考文獻101

第6章KrF和ArF光刻膠評測技術103
6.1KrF光刻膠103
6.2化學增幅型光刻膠的脫保護反應106
6.2.1實驗裝置107
6.2.2傳統模型的問題以及對Spence模型的探討108
6.2.3實驗與結果110
6.2.4新脫保護反應模型的提出和對脫保護反應的分析113
6.2.5小結117
6.3曝光過程光刻膠的脫氣117
6.3.1利用QCM觀察曝光過程光刻膠質量變化118
6.3.2利用GC-MS分析曝光過程光刻膠的脫氣119
6.3.3利用FT-IR觀察曝光過程的脫保護反應121
6.3.4實驗與結果121
6.3.5小結127
6.4ArF光刻膠127
6.5PAG的產酸反應131
6.5.1實驗裝置132
6.5.2實驗與結果133
6.5.3分析與討論135
6.5.4小結138
6.6ArF光刻膠曝光過程的脫氣138
6.6.1脫氣收集設備和方法139
6.6.2實驗與結果140
6.6.3分析與討論145
6.6.4小結146
6.7光刻膠在顯影過程中的溶脹146
6.7.1實驗儀器147
6.7.2減少熱衝擊148
6.7.3實驗與結果149
6.7.4可重復性151
6.7.5TBAH顯影劑的溶脹行為152
6.7.6小結154
6.8通過香豆素添加法分析PAG的產酸反應154
6.8.1實驗過程155
6.8.2結果和討論158
6.8.3小結162
參考文獻162

第7章ArF浸沒式光刻膠和雙重圖形化（DP）工藝評測技術166
7.1ArF浸沒式曝光技術166
7.2浸沒式曝光過程的評測—水滲入光刻膠膜與感光度變化169
7.2.1浸沒式曝光反應分析設備170
7.2.2浸沒式曝光的光刻膠材料評測172
7.2.3實驗與結果173
7.2.4小結179
7.3浸沒式曝光過程的評價—對溶出的評測179
7.3.1WEXA-2繫統和采樣方法179
7.3.2分析方法182
7.3.3分析繫統可靠性驗證186
7.3.4實驗與結果188
7.3.5小結190
7.4浸沒式DP曝光技術191
7.4.1LLE方法192
7.4.2雙重圖形工藝的評測194
7.4.3小結195
參考文獻195

第8章EUV光刻膠評測技術197
8.1EUV曝光技術197
8.2利用光刻模擬軟件評估EUV光刻膠200
8.2.1繫統配置200
8.2.2實驗與結果202
8.2.3模擬分析204
8.2.4小結206
8.3EUV光刻膠的脫保護反應207
8.3.1傳統方法的問題207
8.3.2與EUVL對應的新型脫保護反應分析裝置209
8.3.3實驗與結果211
8.3.4小結214
8.4EUV光刻膠脫氣評測214
8.4.1脫氣評估裝置概述215
8.4.2脫氣評估裝置EUVOM-9000216
8.4.3小結220
參考文獻220

第9章納米壓印工藝的優化及評測技術222
9.1使用光固化樹脂進行納米壓印的工藝優化和評測222
9.1.1簡介222
9.1.2實驗設備223
9.1.3預曝光工藝（PEP）223
9.1.4實驗與結果224
9.1.5預曝光方法的影響226
9.1.6分析與討論229
9.1.7小結230
9.2使用光和熱固化樹脂進行納米壓印的工藝優化和評測231
9.2.1引言231
9.2.2SU-8壓印存在的問題231
9.2.3工藝條件優化233
9.2.4實驗過程238
9.2.5小結241
9.3無需脫模工藝的復制轉印技術241
9.3.1簡介241
9.3.2制作復制模具（MXL模板）241
9.3.3復制轉印實驗243
9.3.4實驗結果244
9.3.5復制轉印的尺寸限制246
9.3.6小結247
9.4納微米混合結構的一次轉印技術247
9.4.1簡介247
9.4.2納米壓印機LTNIP-2000248
9.4.3實驗與結果250
9.4.4小結253
參考文獻253

前言

譯者前言
與關口先生相識良久，他精力旺盛，穿梭於歐美、中國及日本國內，永遠行程滿滿地參加各種學術會議、講演、授課以及與供應商的交流。偶爾我們相約在酒館，海闊天空地閑聊，從沒想到我們在專業上會有深度的交集。關口先生自從就職於光刻機的先驅GCA公司以來，四十年如一日，專注於光刻評測領域，在光刻材料的各種光刻相關的物理化學性質的分析評測方面開創了諸多的技術和方法，並開發出相關設備，是該領域國際知名專家。
在我過往的工作中，更多地涉足於半導體各種工藝過程。直到2017年，公司決定立項開始光刻膠的研究，時任總經理的我，作為項目總負責人，光刻膠的研發管理成為了我的重點工作。關口先生為我們公司的工程師們進行各種光刻基本技術的培訓，為我搜集、提供各種書籍、技術資料以及各種光刻研發信息，給了我很多幫助。尤其他10年前所著《フォトレジスト材料の?u価：ノボラックレジストから最新EUVレジストまで》一書對我幫助甚大。
光刻膠的研發艱難，首先要進行單體設計、樹脂合成及配方調制，調配好的樣品需要用昂貴的量產光刻機對其進行曝光測試，根據曝光結果再調整工藝、配方、樹脂及單體設計，制備樣品再測試。這個過程一再重復，耗費大量的時間、精力和財力。整個研發就像面對一個黑箱，依靠不斷的大量資源投入纔取得點滴進步。一個前輩曾提到為了一款光刻膠在Intel上線，前後測試了一千多個配方，其困難程度由此可見一斑。
計算光刻作為光刻研究的一個重要分支，通過建模及模擬給光刻研發及量產做出了重要的支撐。特別是AI研究取得突飛猛進的今天，虛擬（模擬）研究的重要性和可能性一再被提出。實際操作中，計算光刻對於光刻膠實際研發目前幫助不大。關口先生在長期的研發實踐中，通過開發各種與光刻材料和光刻相關的光學、化學及物理性能測試設備，測得各種光刻材料的基本性能。這些性能的測試深刻揭示了光刻反應的本質，從而為光刻膠的研發提供了有力幫助。他同時用實測所得的一繫列重要參數與計算光刻相結合，提出了虛擬光刻膠研發方法。這為光刻膠的研發節約了大量的資源，尤其是寶貴的時間。在學習本書及實踐過程中，我深感方法的有效性及所取得的數據對光刻膠研發的重要性，也就萌生了將本書翻譯成中文以幫助國內同行的想法。與關口先生商榷後，深得他的贊同和支持，遂決定付之行動，開始了翻譯工作。
誰知道，知易譯難！本人讀起來很好理解的內容，準確地用合適的術語表達出來並且要保持高度的一致性，對於一個沒經過專業翻譯訓練，同時在光刻技術、光刻材料領域也是半路出家的我，就像是一個行走不便的人，要登一座險峻的高山，其艱辛程度可想可知。翻譯這本二百多頁的書居然花了我兩年多的時間。除了工作忙，出差多之類的借口外，也就是對完成翻譯的難度及自身能力不足的預估不夠。想想開始時的勇氣，也真可謂“無知者無畏”。
值此當今世界正經歷百年未有之大變局，關鍵的核心技術是要不來、買不來、討不來的，而核心技術的發展和突破就必須打好扎實的基礎。我在知天命之年後，上海新陽給予了我涉足半導體光刻技術、光刻材料這樣一個艱深領域研究的平臺，能夠參與到無論是夯實基礎，還是前沿探索的工作中，都實感榮幸。
上海新陽是國內集成電路關鍵工藝材料企業，其自主創新研發的電子電鍍和電子清洗核心技術與產品，可以覆蓋芯片銅互連與刻蝕清洗90～14納米各技術節點，滿足芯片邏輯、模擬及存儲各種電路產品互連與清洗工藝材料需求。2017年，在光刻膠還遠遠沒有成為熱門話題之前，公司董事長王福祥高瞻遠矚，從公司戰略發展的角度出發，堅定地啟動了光刻膠研發的項目。歷經數年，公司自主研發的半導體高端光刻膠也取得快速發展，KrF光刻膠已有部分品類實現產業化，ArF及ArFi有部分品類獲得客戶高度認可的光學數據，在客戶產線上驗證測試進展順利。我作為參與者，十分榮幸地見證了上海新陽這一發展過程。主攻ArF、KrF光刻膠的同時，在嘗試一些光刻前沿領域如EUV、DSA及NIL相關材料研發方面，很幸運都得到了王董事長的鼎力支持。
輻射化學、光敏材料方面的資深專家北京化工大學的聶峻教授，朱曉群教授對本書的翻譯也給予了很大幫助，尤其是聶教授在百忙之中為我改稿及作序，在此我對聶教授、朱教授深表感謝！
翻譯及改正的工作投入了大量的時間，很感謝過程中家人的幫助和理解。
本書的翻譯還得到各方各面的幫助，在此一並致謝！
希望本書的出版能如初衷，對國內從事光刻材料研究的同行在基礎物性探索，模擬光刻研究方面起到些許作用，譯者將感到無比欣慰。鋻於翻譯水平有限，還請讀者多加批評與指正，誠惶誠恐，在此恭候！多謝！

方書農
上海新陽半導體材料股份有限公司
2023年12月

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