在浸沒式光刻技術(shù)中，為提升分辨率而在鏡頭與晶圓間引入液體介質(zhì)（如去離子水或高折射率液體），卻引發(fā)了光刻膠與液體間復(fù)雜的物理化學(xué)相互作用，成為制約工藝穩(wěn)定性的關(guān)鍵問題。光刻膠在接觸水后會發(fā)生吸水膨脹，導(dǎo)致厚度顯著增加（約7%）并伴隨折射率下降（約-0.4%），且吸水行為受膠體年齡與后處理工藝影響，在表面呈現(xiàn)非均勻分布。此外，液體還可能萃取光刻膠中的光酸產(chǎn)生劑等組分，不僅影響膠層性能，還可能污染光學(xué)系統(tǒng)。Flexfilm全光譜橢偏儀可以非接觸對薄膜的厚度與折射率的高精度表征，廣泛應(yīng)用于薄膜材料、半導(dǎo)體和表面科學(xué)等領(lǐng)域。

本研究采用原位光譜橢偏儀、真空紫外橢偏儀及成像橢偏儀，系統(tǒng)研究光刻膠的液體吸收特性。實(shí)驗發(fā)現(xiàn)140nm厚光刻膠浸水超70分鐘后厚度增約7%，水分吸收率不足2%（體積分?jǐn)?shù)），折射率降約0.4%，而成像橢偏儀可檢測到1秒級水分吸收，且吸收均勻性與光刻膠狀態(tài)、處理工藝相關(guān)；高折射率液體（JSRHIL-001）則未被光刻膠明顯吸收，為實(shí)時監(jiān)測與工藝優(yōu)化提供了有效的檢測手段。

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橢偏儀的原理

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橢偏儀通過分析反射光偏振態(tài)的變化，獲取樣品的微觀結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性信息。通常，測量值以橢偏參數(shù)?和Ψ表示，這些參數(shù)與p偏振光和s偏振光的菲涅耳反射系數(shù)rp和rs相關(guān)。p分量和s分量的反射系數(shù)定義如下：

橢偏參數(shù)?和Ψ與p分量和s分量的相位及振幅相關(guān)，其關(guān)系為：

自德魯?shù)绿岢鰴E偏儀原理以來，隨著光譜范圍的擴(kuò)大和多種工作原理的發(fā)展，已出現(xiàn)數(shù)百種不同類型的橢偏儀技術(shù)。得益于電子技術(shù)的進(jìn)步，橢偏儀還新增了實(shí)時檢測和成像等功能。本研究采用多種橢偏儀探究水分吸收對光刻膠的影響。

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原位光譜橢偏儀系統(tǒng)

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系統(tǒng)的組成元件包括：（1）氘燈和鹵素?zé)艄庠矗?）固定偏振片（3）液槽（4）旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器（5）檢偏器（6）多通道探測器（7）紫外窗口

該系統(tǒng)由旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器型實(shí)時光譜橢偏儀和用于原位水分吸收測量的液槽組成。將光刻膠置于液槽中，槽內(nèi)填充去離子水（DI 水）或高折射率液體（JSR_HIL-001）。由于液體的折射率與光刻膠接近，若在液體中進(jìn)行測量，橢偏儀的靈敏度會降低。因此，在光刻膠與液體接觸一段時間后，降低液體液面，使橢偏測量在空氣中進(jìn)行。

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真空紫外多通道橢偏儀系統(tǒng)

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為研究193nm附近的光學(xué)特性，需要使用能夠覆蓋深紫外光譜范圍的橢偏儀。本研究研發(fā)了真空紫外光譜橢偏儀，通過氮?dú)獯祾呖蓽y量低至150nm及以下的光譜。該系統(tǒng)配備多通道探測器，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時測量，其組成包括氘燈、旋轉(zhuǎn)鎂偏振片、固定檢偏器和真空紫外靈敏度增強(qiáng)的多通道探測器，光路通過氮?dú)獯祾呋蛘婵粘闅鈱?shí)現(xiàn)空氣排空。

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成像橢偏儀系統(tǒng)

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系統(tǒng)組成元件包括：（1）單色光源2）漫射器（3）濾光片（4）偏振片（5）旋轉(zhuǎn) 1/4 波片（6）快門（7）固定檢偏器（8）顯微鏡（9）二維CCD探測器

近年來，多種類型的成像橢偏儀被研發(fā)出來，主要用于生物材料的無標(biāo)記成像。大多數(shù)設(shè)計基于零橢偏儀類型，而本研究研發(fā)的是光度橢偏儀類型，以便將測量數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)光譜橢偏儀的結(jié)果進(jìn)行對比。是一款具有表面微觀分辨率的單波長橢偏儀，可利用傳統(tǒng)分析方法生成橢偏參數(shù)（?, Ψ）或厚度、光學(xué)特性等處理參數(shù)的二維圖像。通過成像橢偏儀，能夠獲得水分吸收區(qū)域與無水區(qū)域之間的對比度。

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結(jié)果與討論

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原位光譜橢偏儀測量結(jié)果

光刻膠在去離子水中不同時間的原位（?, Ψ）橢偏光譜圖

可以觀察到，隨著光刻膠在去離子水中浸泡時間的延長，橢偏光譜的峰值出現(xiàn)明顯紅移。這一現(xiàn)象的核心原因是光刻膠吸收水分后發(fā)生溶脹，導(dǎo)致厚度增加。通過單層光學(xué)模型與有效介質(zhì)近似分析，定量得出：光刻膠在水中暴露 60 分鐘后，厚度從初始的 141nm 增至 150nm。

光刻膠在去離子水中的浸泡時間與厚度關(guān)系圖

進(jìn)一步直觀展示了光刻膠厚度隨浸泡時間的變化規(guī)律：在浸泡 1 小時達(dá)到飽和狀態(tài)前，光刻膠持續(xù)吸收水分，厚度呈穩(wěn)步增長趨勢。

光刻膠在高折射率液體中不同時間的原位（?, Ψ）橢偏光譜圖

當(dāng)使用高折射率液體（JSR-HIL 001，193nm 處折射率 n=1.64）進(jìn)行平行實(shí)驗時，測量結(jié)果顯示，所有不同浸泡時間的橢偏光譜幾乎完全重疊，未觀察到明顯的峰值偏移或強(qiáng)度變化，表明光刻膠與該高折射率液體之間幾乎無相互作用。

真空紫外橢偏儀測量結(jié)果

光刻膠在高折射率液體（虛線）和去離子水（虛線）中浸泡 40 分鐘后的（?, Ψ）橢偏光譜圖

為深入探究 193nm 波長處的光學(xué)特性，采用真空紫外多通道光譜橢偏儀進(jìn)行快速數(shù)據(jù)采集。結(jié)果顯示，光刻膠在高折射率液體中浸泡 40 分鐘后的橢偏光譜（虛線），與新鮮光刻膠的光譜（實(shí)線）幾乎完全重疊；而在去離子水中浸泡 40 分鐘后的光譜（虛線）則出現(xiàn)明顯差異。

定量分析表明，高折射率液體在高達(dá) 6.75eV（對應(yīng)波長 183.5nm）的能量范圍內(nèi)，未對光刻膠的光學(xué)特性產(chǎn)生任何影響；而經(jīng)去離子水浸泡的光刻膠，通過有效介質(zhì)近似估算得出水分含量約為 2%（體積分?jǐn)?shù)），這直接導(dǎo)致其在 193nm 處的折射率從 1.700 降至 1.694，降幅約 0.4%（本分析基于水分在光刻膠網(wǎng)絡(luò)中均勻分布的假設(shè)）。

成像橢偏儀測量結(jié)果

光刻膠與去離子水分別接觸1秒（左圖）和 10秒（右圖）后的?圖像

成像橢偏儀能夠提供更為直觀的可視化結(jié)果。實(shí)驗采用的操作流程為：利用微平移臺將樣品一側(cè)短時間浸入液體，隨后用氮?dú)獯蹈?，通過對比接觸水與未接觸水區(qū)域的橢偏圖像，分析水分吸收行為。結(jié)果顯示盡管浸泡時間極短，但兩張圖像中均能清晰分辨出接觸區(qū)域與非接觸區(qū)域的分界線。

需要說明的是，成像橢偏儀基于單波長測量原理，數(shù)據(jù)分析存在一定局限性，但結(jié)合光譜橢偏儀的定量結(jié)果，可實(shí)現(xiàn)半定量分析。以左側(cè)圖像為例，中間的灰色區(qū)域?qū)?yīng)接觸水 1 秒的區(qū)域，而白色區(qū)域因平移臺微米級的多次旋轉(zhuǎn)，實(shí)際接觸水時間超過 1 秒。這一結(jié)果表明，成像橢偏儀能夠捕捉到光刻膠在極短時間內(nèi)的水分吸收行為，且圖像中的對比度可直接作為水印存在的表征信號。

光刻膠與高折射率液體分別接觸1秒（左圖）和10秒（右圖）后的?圖像

對高折射率液體的成像測量結(jié)果與預(yù)期一致：不同接觸時間的圖像中，接觸區(qū)域與非接觸區(qū)域未出現(xiàn)任何對比度差異，進(jìn)一步證實(shí)光刻膠對該液體無明顯吸收。

帶有頂部抗反射涂層（TARC）的光刻膠與去離子水分別接觸1秒（左圖）和10秒（右圖）后的?圖像

將成像橢偏儀應(yīng)用于頂部帶有抗反射涂層（ARC）的光刻膠樣品，結(jié)果顯示接觸水后涂層區(qū)域出現(xiàn)顯著的圖像變化。目前尚無法明確判定這種變化是源于水分吸附還是涂層蝕刻，但可以確定的是，水與抗反射涂層之間發(fā)生了強(qiáng)烈相互作用。

原子力顯微鏡（AFM）表征結(jié)果顯示，接觸水后的抗反射涂層表面粗糙度顯著增加，這可能是由于涂層材料部分溶解到水中；同時，結(jié)果顯示觀察到的強(qiáng)烈變形也可能與界面應(yīng)力相關(guān)：涂層與光刻膠在水分吸收過程中的溶脹率差異，可能導(dǎo)致界面產(chǎn)生應(yīng)力集中，進(jìn)而引發(fā)變形。這一復(fù)雜現(xiàn)象的內(nèi)在機(jī)制仍需后續(xù)進(jìn)一步研究。

本研究通過多種橢偏儀技術(shù)的協(xié)同應(yīng)用，全面探究了水和高折射率液體（JSR HIL-001）對 193nm 光刻膠的作用效應(yīng)。核心結(jié)論如下：

原位光譜橢偏儀證實(shí)，光刻膠與水接觸時會發(fā)生持續(xù)約 1 小時的溶脹現(xiàn)象，最終厚度增長約 7%，而與高折射率液體接觸時無明顯物理變化；

真空紫外橢偏儀精準(zhǔn)表征了 193nm 波長處的光學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)水分吸收導(dǎo)致光刻膠折射率小幅下降 0.4%，高折射率液體則對其光學(xué)特性無影響；

成像橢偏儀展現(xiàn)出極高的檢測靈敏度，能夠捕捉到光刻膠與水僅 1 秒接觸后的水分吸收信號，是檢測浸沒式光刻水印缺陷的有效工具；

帶有頂部抗反射涂層的光刻膠與水接觸后出現(xiàn)顯著界面變化，其機(jī)制需進(jìn)一步研究。

Flexfilm全光譜橢偏儀

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全光譜橢偏儀擁有高靈敏度探測單元和光譜橢偏儀分析軟件，專門用于測量和分析光伏領(lǐng)域中單層或多層納米薄膜的層構(gòu)參數(shù)（如厚度）和物理參數(shù)（如折射率n、消光系數(shù)k）

• 先進(jìn)的旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器測量技術(shù)：無測量死角問題。
• 粗糙絨面納米薄膜的高靈敏測量：先進(jìn)的光能量增強(qiáng)技術(shù)，高信噪比的探測技術(shù)。
• 秒級的全光譜測量速度：全光譜測量典型5-10秒。
• 原子層量級的檢測靈敏度：測量精度可達(dá)0.05nm。

Flexfilm全光譜橢偏儀能非破壞、非接觸地原位精確測量超薄圖案化薄膜的厚度、折射率,結(jié)合費(fèi)曼儀器全流程薄膜測量技術(shù)，助力半導(dǎo)體薄膜材料領(lǐng)域的高質(zhì)量發(fā)展。