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使用FTP测量微米级光刻胶等有机物膜厚
2011-06-02      来源:东方集成      文:马强
未经东方集成同意,不得转载!
概要:本文主要介绍光刻胶薄膜膜厚的测量方法,并简单的介绍了有机物薄膜的制备方法。

一、光刻胶的制备:
1)硅衬底的清洗:使用化学湿法清洗或氮气吹扫,清洁后的表面可能含有一定的水份,保持在50摄氏度烘烤去水、或放置在氮气净化过的干燥箱内,使硅衬底表面干燥。
2)涂底胶:有资料介绍,在涂布光刻胶前,通过涂底胶的方法,增加表面粘附能力。
3)将溶剂稀释的有机物,通过旋涂设备将光刻胶涂覆在硅衬底上(工艺旋转速度和时间固定)
3)软烤:使用热垫板,将光刻胶薄膜加热,使溶剂蒸发,并增加光刻胶附着力。
4) 硬烤:曝光后烘烤光刻胶,使光刻胶进一步硬化,使未曝光部分光刻胶较难溶解。

二、光刻胶薄膜的厚度一般为微米量级,比如1-5微米。
1)因激光椭偏仪适用于测量薄膜,如40nm---800nm,且厚度的测量具有周期性,所以,如无法准确判断薄膜的大概厚度,即无法保证测量结果落在正确的周期内。
2)光刻胶的膜厚,可以使用光谱椭偏仪或者FTP反射干涉式膜厚测量仪。两者的差别,主要是价格和光谱范围。光谱椭偏仪的价格比较高,FTP的价格比较低。
注:测量前,需要确认光刻胶的感光光谱范围、光刻胶的感光能量;并且保证测量时间内,比如30秒,光刻胶不会受测量光源强度和光谱范围影响,而固化。而在这点上,SENTECH的光谱椭偏仪,因为使用了自动切换光纤+步进检偏器回程差补偿+光谱仪+CCD的方式测量,可以保证快速测量。相对于使用PMT的单波长光谱扫描式椭偏仪,具有更快的速度。
3)这里主要介绍使用FTP(反射干涉式膜厚测量仪)测量的步骤,因为FTP的价格低廉,操作简单,更适用于小型实验室、生产线的使用。且FTP的光谱范围不需要考虑光刻胶感光。
A、FTPadv-1不含独立光源,使用用户处的三目显微镜内置光源,典型光斑尺寸80μm(物镜放大倍数为10倍时)。亮度、光源稳定性、可用光谱范围由显微镜决定。
FTPadv-2含独立光源,光斑直径大约2mm,也可以集成到工艺设备的样品上,作传感器使用。
膜厚测量范围:50nm--20μm
光谱范围:450...920nm
测量时间:300ms
功能齐全的软件版本
下拉菜单典型应用列表
材料库基于光谱椭偏仪材料库
专业软件(选件)可提供n、k测量
图1:FTPadv-1图2:FTPadv-2 


B. FTP材料库内的典型光刻胶和有机物材料库,如AZ光刻胶、PMMA光刻胶、聚酰亚胺等。

图3:光刻胶和有机物材料库列表
C.针对未知的光刻胶或有机物,需要先知道材料的光学常数:折射率n和消光系数k。
通常,使用He-Ne激光器633 nm的折射率n和消光系数k。
未知材料,需要先使用SENTECH光谱椭偏仪SE800(280nm-850nm), 测量出折射率和消光系数。

序号工艺折射率消光系数
1软烤N0 = 1.532
N1 = 24.2
N2 = 77
K0=0
K1=0
K2=0
2硬烤N0 = 1.532
N1 = 57.3
N2 = 24
K0=0
K1=0
K2=0

表1:软烤和硬烤后光刻胶光学表征参数的测量结果
注:这里使用柯西模型建模,测量折射率和消光系数。


图4:柯西色散模型
D. FTPadv的校准:
---参考样品的测量:确定入射光光强。
注:长期放置在空气中的硅片,表面会有一层自然氧化物,膜厚大约2nm。


图5. 使用硅片测量得到的参考反射光强
---背景光测量:确定背景光强度。


图6. 使用标样测量背景光强度
E、建立模型:建立好膜层结构、并输入测量得到的折射率和消光系数。

F、进入测量界面,点击测量:
注:本文为离线编辑,未包含蓝色测量光强。



图7:光刻胶测量
G、结果分析:
软烤和硬烤后的光刻胶折射率相差0.003;膜厚相差33.7nm。
----通常,我们认为,折射率相差0.01,即可区分两种材料。
即光刻胶本身的性质在软烤和硬烤两种工艺下,并未显著改变。
注:折射率受环境温度影响,常规的实验室测量环境为23+/-2℃。
----而光刻胶膜厚的偏差33.7nm,主要受光刻胶旋涂时的均匀度影响。
因FTP测量400nmSiO2/Si标准片,测量准确度为1nm,重复性为0.3nm。

三、结论:FTP因具有简单、准确、直观、价格低廉等特点,适于监测光刻胶等微米级透明有机物。
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