在浸沒式光刻技術中，為提升分辨率而在鏡頭與晶圓間引入液體介質（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雜的物理化學相互作用，成為制約工藝穩(wěn)定性的關鍵問題。光刻膠在接觸水后會發(fā)生吸水膨脹，導致厚度顯著增加（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，在表面呈現非均勻分布。此外，液體還可能萃取光刻膠中的光酸產生劑等組分，不僅影響膠層性能，還可能污染光學系統(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，廣泛應用于薄膜材料、半導體和表面科學等領域。

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。實驗發(fā)現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%（體積分數），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；高折射率液體（JSRHIL-001）則未被光刻膠明顯吸收，為實時監(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，獲取樣品的微觀結構和光學特性信息。通常，測量值以橢偏參數?和Ψ表示，這些參數與p偏振光和s偏振光的菲涅耳反射系數rp和rs相關。p分量和s分量的反射系數定義如下：

橢偏參數?和Ψ與p分量和s分量的相位及振幅相關，其關系為：

自德魯德提出橢偏儀原理以來，隨著光譜范圍的擴大和多種工作原理的發(fā)展，已出現數百種不同類型的橢偏儀技術。得益于電子技術的進步，橢偏儀還新增了實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）氘燈和鹵素燈光源（2）固定偏振片（3）液槽（4）旋轉補償器（5）檢偏器（6）多通道探測器（7）紫外窗口

該系統(tǒng)由旋轉補償器型實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，通過氮氣吹掃可測量低至150nm及以下的光譜。該系統(tǒng)配備多通道探測器，能夠實現實時測量，其組成包括氘燈、旋轉鎂偏振片、固定檢偏器和真空紫外靈敏度增強的多通道探測器，光路通過氮氣吹掃或真空抽氣實現空氣排空。

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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 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記成像。大多數設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，以便將測量數據與傳統(tǒng)光譜橢偏儀的結果進行對比。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（?, Ψ）或厚度、光學特性等處理參數的二維圖像。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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結果與討論

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原位光譜橢偏儀測量結果

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明顯紅移。這一現象的核心原因是光刻膠吸收水分后發(fā)生溶脹，導致厚度增加。通過單層光學模型與有效介質近似分析，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系圖

進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

當使用高折射率液體（JSR-HIL 001，193nm 處折射率 n=1.64）進行平行實驗時，測量結果顯示，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 波長處的光學特性，采用真空紫外多通道光譜橢偏儀進行快速數據采集。結果顯示，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）則出現明顯差異。

定量分析表明，高折射率液體在高達 6.75eV（對應波長 183.5nm）的能量范圍內，未對光刻膠的光學特性產生任何影響；而經去離子水浸泡的光刻膠，通過有效介質近似估算得出水分含量約為 2%（體積分數），這直接導致其在 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絡中均勻分布的假設）。

成像橢偏儀測量結果

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果。實驗采用的操作流程為：利用微平移臺將樣品一側短時間浸入液體，隨后用氮氣吹干，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，數據分析存在一定局限性，但結合光譜橢偏儀的定量結果，可實現半定量分析。以左側圖像為例，中間的灰色區(qū)域對應接觸水 1 秒的區(qū)域，而白色區(qū)域因平移臺微米級的多次旋轉，實際接觸水時間超過 1 秒。這一結果表明，成像橢偏儀能夠捕捉到光刻膠在極短時間內的水分吸收行為，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果與預期一致：不同接觸時間的圖像中，接觸區(qū)域與非接觸區(qū)域未出現任何對比度差異，進一步證實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

將成像橢偏儀應用于頂部帶有抗反射涂層（ARC）的光刻膠樣品，結果顯示接觸水后涂層區(qū)域出現顯著的圖像變化。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)生了強烈相互作用。

原子力顯微鏡（AFM）表征結果顯示，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，結果顯示觀察到的強烈變形也可能與界面應力相關：涂層與光刻膠在水分吸收過程中的溶脹率差異，可能導致界面產生應力集中，進而引發(fā)變形。這一復雜現象的內在機制仍需后續(xù)進一步研究。

本研究通過多種橢偏儀技術的協(xié)同應用，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。核心結論如下：

原位光譜橢偏儀證實，光刻膠與水接觸時會發(fā)生持續(xù)約 1 小時的溶脹現象，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表征了 193nm 波長處的光學特性，發(fā)現水分吸收導致光刻膠折射率小幅下降 0.4%，高折射率液體則對其光學特性無影響；

成像橢偏儀展現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顯著界面變化，其機制需進一步研究。

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域中單層或多層納米薄膜的層構參數（如厚度）和物理參數（如折射率n、消光系數k）

• 先進的旋轉補償器測量技術：無測量死角問題。
• 粗糙絨面納米薄膜的高靈敏測量：先進的光能量增強技術，高信噪比的探測技術。
• 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,結合費曼儀器全流程薄膜測量技術，助力半導體薄膜材料領域的高質量發(fā)展。