mr-EBL 6000.5是一种环氧树脂基化学放大负性光刻胶，对电子束和紫外光均具有感光能力。Flexfilm费曼仪器探针式台阶仪可以实现表面微观特征的精准表征与关键参数的定量测量，精确测定样品的表面台阶高度与膜厚，为材料质量把控和生产效率提升提供数据支撑。
本研究其在i线步进式光刻和电子束光刻中的工艺参数，并将两种曝光方式用于同一光刻胶层的层内混合曝光。实验考察旋涂膜厚、曝光剂量、后曝光烘烤、曝光后延迟和最小特征尺寸，采用探针式台阶仪、椭偏仪和临界尺寸扫描电子显微镜进行厚度与图形尺寸表征。
实验方法
实验使用500 nm厚的 mr-EBL 6000.5 光刻胶。标准硅基底先在200 ℃下脱水烘烤30 min，再进行旋涂。光刻胶用量为3.5 mL，旋涂转速3000 rpm，时间120 s。软烘温度为120 ℃，时间180 s。软烘后光刻胶平均厚度为521 nm，标准偏差为3.9 nm。旋涂曲线采用探针式台阶仪测量；3000 rpm条件下的晶圆膜厚分布采用椭偏仪测量。
a）mr-EBL 6000.5负性光刻胶旋涂曲线；软烘后采用探针式台阶仪测量。b）3000 rpm条件下的光刻胶膜厚热图；软烘后采用椭偏仪测量
曝光采用i线步进式光刻和电子束光刻两种方式。i线步进式光刻设备的临界尺寸极限为350 nm，焦距固定为0 μm；电子束光刻采用成形束方式，加速电压为50 kV。最终工艺采用i线曝光剂量420 mJ/cm²、电子束曝光剂量1.75 μC/cm²。显影时间为60 s，显影后使用异丙醇和去离子水冲洗。后曝光烘烤最终确定为90 ℃、60 s。
光子集成电路芯片版图及典型光子集成电路结构，包括波导、耦合结构和环形谐振器；硅基底表面覆盖1 μm SiO₂和450 nm Si₃N₄
实验采用光子集成电路版图评价光刻结果。一个设计区域包含72个光子集成电路。单个结构包括两个耦合结构、900 nm宽的波导和环形谐振器，波导长度为2500 μm，环形谐振器与波导之间的间隙为1000 nm。耦合结构包含400 nm栅格和800 nm方形孔。硅基底表面覆盖1 μm SiO₂和450 nm Si₃N₄。图形尺寸采用临界尺寸扫描电子显微镜测量。
i-line 步进式光刻分辨率
光子集成电路中环形谐振器宽度、波导宽度和间隙宽度随i线曝光剂量变化的结构尺寸
i线曝光剂量设置在390–450 mJ/cm²范围内，分别测量环形谐振器宽度、波导宽度和间隙宽度。环形谐振器和波导宽度随曝光剂量增加而增大。440 mJ/cm²对应的数据偏离整体变化规律，被作者归为误差数据。420 mJ/cm²时，环形谐振器和波导宽度最接近设计值900 nm，环形谐振器与波导之间的间隙约为1000 nm，因此确定420 mJ/cm²为后续实验的i线曝光剂量。
采用i线步进式光刻、曝光剂量420 mJ/cm²制备的300–600 nm不同尺寸音叉结构SEM图像
在420 mJ/cm²条件下制备不同尺寸的音叉结构，并采用临界尺寸扫描电子显微镜测量。300 nm目标尺寸的音叉结构实际宽度为241 nm，低于步进式光刻的350 nm临界尺寸极限。
小尺寸结构还表现出较低的显影后残余光刻胶厚度。本文将其与曝光区域获得的光量及光刻胶交联程度联系起来：掩模上的小尺寸结构透过的光量较少，较低的后曝光烘烤温度又会降低交联程度，因此显影后的残余光刻胶厚度下降。
PEB对光刻胶厚度的影响
后曝光烘烤（PEB）的温度和时间会影响光刻胶图形尺寸以及显影后的残余厚度。mr-EBL 6000.5在曝光过程中由光引发剂产生阳离子，这些阳离子参与后曝光烘烤阶段的化学放大交联反应。曝光结束后，阳离子可能因扩散、挥发或受到大气碱性污染物中和而损失。曝光与后曝光烘烤之间的延迟时间过长，会降低后续交联程度。
原工艺建议后曝光烘烤条件为120 ℃、5 min。实验发现，该条件下环形谐振器与波导之间仍存在交联光刻胶残留。将后曝光烘烤调整为90 ℃、1 min后，图形间隙以及耦合结构方孔中的交联残留明显减少，但显影后的光刻胶图形厚度也有所降低。
采用i线步进式光刻、曝光剂量420 mJ/cm²制备的音叉结构显影后残余光刻胶厚度；a）曝光24 h后进行后曝光烘烤；b）曝光后立即进行后曝光烘烤
本研究使用4片6英寸硅晶圆进行曝光后延迟实验。4片晶圆均涂覆500 nm光刻胶，其中两片采用i线曝光，剂量420 mJ/cm²；另外两片采用电子束曝光，剂量范围1.5–4.5 μC/cm²，步进0.25 μC/cm²。每种曝光方式分别设置曝光后立即进行后曝光烘烤，以及延迟24 h后进行后曝光烘烤。显影后的残余光刻胶厚度采用探针式台阶仪测量。
3000 rpm旋涂、初始光刻胶厚度521 nm条件下，不同后曝光烘烤条件显影后的残余光刻胶厚度；a）电子束曝光条件下残余厚度随曝光剂量变化；b）i线曝光剂量420 mJ/cm²时，残余厚度随晶圆位置变化
电子束曝光条件下，1.75 μC/cm²剂量对应的波导在曝光后立即进行后曝光烘烤，显影后残余光刻胶厚度为360 nm；延迟24 h后再进行后曝光烘烤，厚度降至225 nm，下降135 nm。i线曝光样品也呈现相同变化，在晶圆平坦区域、半径位置和中心位置进行测量时，立即后曝光烘烤与延迟24 h之间的残余厚度差至少为120 nm。
音叉结构的测试结果也显示出明显的延迟效应。初始厚度为521 nm时，曝光后立即进行后曝光烘烤，显影后的残余光刻胶厚度保持在500 nm以上；延迟24 h后，厚度下降约200 nm至300 nm。对于300 nm音叉结构，延迟24 h后残余厚度低于50 nm；立即进行后曝光烘烤时，该结构的最低残余厚度仍高于200 nm。由于光刻胶还可作为刻蚀掩膜，显影后的残余高度是工艺评价中的关键参数。
电子束光刻分辨率
采用1.75 μC/cm²曝光剂量制备的200 nm、250 nm和500 nm方形及线/空间结构SEM图像，结构节距均为1:1
电子束光刻（EBL）分辨率通过方形和线/空间结构进行评价，结构节距为1:1，特征尺寸分别为500 nm、250 nm和200 nm。实验在521 nm厚光刻胶上采用1.75 μC/cm²曝光剂量。
随着特征尺寸减小，方形结构逐渐出现圆角，实际尺寸略小于设计尺寸。当尺寸低于200 nm时，尤其在更小尺寸下，方形结构无法保持均匀形貌，线与空间之间出现交联光刻胶残留。因此，在500 nm厚光刻胶条件下，该光刻胶不适合加工低于200 nm的特征尺寸。
对于小尺寸结构，还需要根据版图和光刻胶条件确定合适的邻近效应校正参数，以减少耦合结构中图形之间的交联残留。
层内混合曝光工艺
层内混合曝光（ILM&M）将至少两种曝光技术用于同一光刻胶层。本文将较小结构交由电子束光刻，将较大结构交由i线步进式光刻，从而减少电子束逐点写入大尺寸结构带来的曝光时间。
层内混合曝光工艺结果：a）加工完成的6英寸晶圆，包含150个芯粒；b）一个制备完成的光子集成电路显微镜图像；c）拼接区域SEM图像，左侧为电子束曝光区域，右侧为i线步进式光刻区域
优化后的工艺参数被应用于6英寸晶圆。每片晶圆包含150个芯粒，每个芯粒包含72个光子集成电路。晶圆首先形成对准标记，使两种曝光设备能够完成位置对准。框架、波导和环形谐振器采用i线步进式光刻，波导旁的耦合结构采用电子束光刻。
层内混合曝光后，电子束曝光区域与i线曝光区域能够在同一光刻胶层完成拼接。单独使用电子束光刻加工整片晶圆约需14 h；采用层内混合曝光后，电子束曝光时间为2.5 h，i线曝光时间为3 min。
本研究完成了mr-EBL 6000.5在i线步进式光刻和电子束光刻中的工艺参数表征。3000 rpm旋涂并软烘后，光刻胶平均厚度为521 nm，标准偏差为3.9 nm。i线曝光剂量在390–450 mJ/cm²范围内进行比较，420 mJ/cm²得到的图形尺寸最接近设计值。后曝光烘烤从120 ℃、5 min调整至90 ℃、1 min后，图形间交联残留减少。曝光后延迟对残余光刻胶厚度影响明显。电子束曝光剂量1.75 μC/cm²时，波导残余厚度由立即后曝光烘烤时的360 nm降至延迟24 h后的225 nm；音叉结构在延迟24 h后也出现明显的厚度下降，300 nm结构的残余厚度低于50 nm。在521 nm厚光刻胶条件下，电子束光刻可以形成200 nm及以上的结构；低于200 nm后，方形结构均匀性下降，线/空间之间出现交联残留。最终采用层内混合曝光，将电子束光刻用于小尺寸耦合结构，将i线步进式光刻用于框架、波导和环形谐振器。整片晶圆加工时间由单独电子束光刻的14 h缩短至2.5 h电子束曝光加3 min i线曝光。
FlexFilm费曼仪器探针式台阶仪
在半导体、光伏、LED、MEMS器件、材料等领域，表面台阶高度、膜厚的准确测量具有十分重要的价值，尤其是台阶高度是一个重要的参数，对各种薄膜台阶参数的精确、快速测定和控制，是保证材料质量、提高生产效率的重要手段。
✔ 配备500W像素高分辨率彩色摄像机
✔ 亚埃级分辨率，台阶高度重复性1nm
✔ 360°旋转θ平台结合Z轴升降平台
✔ 超微力恒力传感器保证无接触损伤精准测量
费曼仪器作为国内领先的薄膜厚度测量技术解决方案提供商，Flexfilm探针式台阶仪可以对薄膜表面台阶高度、膜厚进行准确测量，保证材料质量、提高生产效率。
原文参考：《Characterization of negative tone photoresist mr-EBL 6000.5 for i-line stepper and electron beam lithography for the Intra-Level Mix & Match Approach》
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