光刻胶常规测试手段

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2022-07-02   环球过滤分离技术网   guolvfenlitech6


光刻胶是微电子领域微细加工的核心上游材料，电子化学品材料的制高点。当前全球光刻胶生产制造主要被日本JSR、东京应化、信越化学、日本住友化学、美国陶氏化学和韩国东进等制造商所垄断，尤其在高分辨率的KrF和ArF光刻胶领域，其核心技术基本由美国和日本制造商所掌握。
以半导体制造用的光刻胶市场为例，随着半导体的集成度提升，因半导体制造用的光刻胶纯度要求高，半导体对高性能半导 体光刻胶提出了更高的要求。
当前日本住友化学、东京应化，美国陶氏化学等制造商掌握超过90%的半导体光刻胶市场，而在制造技术先进的KrF、ArF和EUV光刻胶领域占据50%以上的市场，中国本土企业在光刻胶市场的份额较低，与国外光刻胶制造商仍存在差距。受益于中国政府颁布的利好政策，中国光刻胶制造商加大了光刻胶的研发力度。
目前致力于高端光刻胶国产化的企业主要有晶瑞化学、北京科华、南大光电、上海新阳等。在国产光刻胶研发进程中，测试手段不可缺少，笔者整理出以下光刻胶常规测试手段：
一、分子量（GPC）原理：凝胶渗透色谱利用体积排阻的分离机理，通过具有分子筛性质的固定相，用来分离相对分子质量较小的物质，同时分析分子体积不同、具有相同化学性质的高分子同系物。当样品从色谱柱中洗脱出来，使用一个或者多个检测器对其进行检测，通过传统校正曲线、通用校正曲线，通过三检测联用，结合浓度检测器、粘度检测器和光散射检测器，得到不同物理参数的分布。应用：用GPC可以测定光刻胶交联度和分子量。厂商：日本岛津、美国安捷伦、PE、赛默飞等。
二、粘度（旋转粘度计）原理：旋转式粘度计的原理是将进入待测流体中的物体旋转，或者是维持物体静止，而使物体周围的流体作旋转流动时，由于存在剪应力作用，这些流体中的物体将会受到粘性力矩的作用。假若保证旋转等条件相同，此时粘性力矩的大小将随着流体的粘度的变化而变化，通过测量粘性力矩的大小，即可按照粘度公式求出流体的粘度。应用：测定光刻胶溶液的粘度。厂商：美国Brookfield，瑞士安东帕等。
三、固含量（固含量测试仪）原理：目前光刻胶的固含量是通过加热称重测试的，将一定质量的试样在一定温度下常压干燥一定时间，以加热后的试样质量与加热前试样质量的百分比表示含固量。应用：测定光刻胶中的固含量。厂商：厦门莱斯德，深芬仪器等。四、水分含量（卡尔费休水分仪，库伦法）原理：卡氏库伦法测定水含量是一种电化学的方法。卡尔费休的基本原理是利用碘氧化二氧化硫时需一定量的水参加，反应式为：I2 + SO2 + 3C5H5N + H2O → 2C5H5NHI + C5H5NSO3C5H5NSO3 + CH3OH → C5H5N·HSO4CH31）步反应是与水作用，第二步反应是使1）步的生成物砒啶三氧化硫络合物与甲醇反应，以促进2）步反应的进行。卡尔费休水分测定仪滴定过程由两端加上电源的双铂电极跟踪，卡尔费休水分测定仪从去极化的双铂电极所得到的电流信号来控制滴定。当溶液中只有碘化物存在时，电极极化无电流通过，而当达到滴定终点时（水反应完毕），溶液中游离碘存在，使电极去极化，电流骤增，使一个电极上的碘（Iˉ）被氧化，而另一个电极上同样量的碘（I2）被还原，此时根据所消耗的卡尔费休试剂量即可计算出样品中的含水量。应用：测定光刻胶溶液中的水分含量。厂商：瑞士万通，梅特勒-托利多等。五、金属离子浓度（电感耦合等离子体质谱仪ICP-MS）原理：分析样品通常以溶液的气溶胶形式引入氩气流中，然后进入由射频能量激发的处于大气压下的氩等离子体中心区；等离子的高温使样品去溶剂化、汽化解离和电离；部分等离子体经过不同的压力区进入真空系统，在真空系统内，正离子被拉出并按其质荷比分离；检测器将离子转化为电子脉冲，然后由积分测量线路计数。简单来讲，原子化→将原子化的原子大部分转化为离子→离子按照质荷比分离→计算各种离子的数目。应用：半导体对光刻胶金属离子含量要求为ppt级，利用质谱可检测出药液或光刻胶中的金属离子含量。厂商：美国安捷伦、PE、赛默飞等六、颗粒数（液体颗粒度仪LPC）原理：光散射发生时，通过进口喷嘴引入的样品与光照射，然后粒子通过光。当粒子通过光时，光探测器探测的光变小，光电探测器探测散射光并转换成电信号。从而，电信号的大小代表颗粒大小，散射光的频率代表颗粒计数，如果样品是液体，则使用由熔融石英或蓝宝石制成的颗粒检测池（流池）。应用：半导体对光刻胶中颗粒数有着严格要求，利用液体颗粒度仪可测试光刻胶中各尺寸颗粒数量。（最小粒径可测70nm）厂商：日本Rion。七、折射率和消光系数（n、k值）（光谱椭偏仪）原理：一束自然光经偏振器变成偏振光，再经过1/4波长波片使它变成椭圆偏振光入射在待测膜上，经样品反射后，反射光的偏振状态发生变化。通过检测这种变化，便可推算出待测样品的膜厚与折射率。应用：测光刻胶n、k值及膜厚。厂商：美国J.A. Woollam，德国SENTECH，法国Horiba，武汉颐光等。八、膜厚测试（反射光谱式膜厚仪）原理：通过测量样品不同波长下的反射率，分析样品的反射光谱和波长构成的函数，从而得到膜厚、膜层和基底的折射率和消光系数。反射率R为与材料n、k和厚度d以及光波长 有关的函数，经过测量可得R- 曲线，从而求得厚度d及其他参数。通过测量薄膜界面反射光的光谱，可以计算出薄膜的厚度：应用：测光刻胶整面膜厚mapping及n、k值（对已知n、k材料，测试速度快，操作简单）。厂商：美国KLA-Filmetrics等。九、接触角（接触角测试仪）原理：接触角测量仪，主要用于测量液体对固体的接触角，即液体对固体的浸润性。用接触角测量仪本身附带的注射器针头将一滴待测液体滴在基质上。液滴会贴附在基质表面上并投射出一个阴影。投影屏幕千分计会使用光学放大作用将影像投射到屏幕上以进行测量。应用：测量表面接触角，判定光刻胶涂布前后表面的亲疏水性。厂商：德国KRUSS，瑞典Biolin等。除了以上常规测试手段，光刻胶生产出来后需要经过半导体产线的一系列验证，如曝光性能测试，曝光前后CD量测以及抗刻蚀能力测试等。随着政府投入的加大以及企业研发能力的提升，相信国产高端光刻胶一定可以替代进口，受制于人的日子总会过去的！

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