随着半导体制程线宽的不断缩小，目前制程可达10nm以下，其中光刻材料的开发，如DUV、EB、EUV、DSA光刻材料。因而，对光刻胶工艺和材料的计量需求变得越来越迫切，以揭示控制图案化线条的结构线宽、化学信息变化和线边缘粗糙度LER随机效应。因此，一种能够以纳米级空间分辨率监测细微化学变化的工具将是理解光化学和最终光刻胶结构之间关系的理想工具。

本文介绍了一种相对较新的纳米级技术，称为光诱导力纳米红外显微镜（PiFM-IR），它结合了原子力显微镜（AFM）和红外光谱，具有低于5nm的空间分辨率。通过利用的可调谐宽带红外激光器（可调谐范围为~550至>4000 cm-1，在整个范围内具有~3cm-1的光谱宽度），可以获得与本体FTIR光谱一致的真正纳米级的PiFM红外光谱。由于具有良好的可重复性，即使在超薄薄膜上，PiFM-IR光谱也可用于监测细微的化学变化。

• 化学放大光刻胶曝光分析
  在t-BOC光刻胶的曝光中，曝光和未曝光的掩模区域之间会出现形貌差异。PiFM-IR结果表明形貌变化与红外活动相关，曝光前后峰位置偏移了6cm-1。1280 cm−1处的强信号可以用来试别未曝光区域，而1514 cm−1峰为曝光区域。
  

对于45 nm特征尺寸曝光样品，PiFM-IR提供了结果更明确的图像（与AFM形貌相比）。由于光刻胶曝光严重不足，仅导致聚合物发生微小变化。由45 nm特征在形貌中无法分辨，但通过1760cm-1处特征峰信号的降低，PiFM-IR能够从这些特征中检测到微小的化学变化。

• EUV光刻胶不同曝光剂量的研究
  单纯通过AFM形貌变化来比较不同剂量的曝光效果是非常困难的，PiFM-IR不受形貌的影响，可以清楚地表明60mJ/cm2的剂量是不够的，进而来进一步分析合适的曝光剂量。
  

PiFM-IR可以检测电子束和EUV胶曝光前后相对应的化学变化。对于具有明显lR特征的光刻胶，基于化学变化的图像要比基于形貌变化的图像敏感得多。在金属氧化物EUV光刻胶上观察到了化学特征随剂量变化的趋势，并将在图案化样品中进一步研究。

• 电子束光刻胶对比度研究
  

在这篇文章中，展示了仅与样品局部折射率有关的，基于对比度的PiFM高分辨率纳米成像，有望用于纳米级尺度的光学响应材料设计，获得了优于10nm的成像横向分辨率，并优化了对比度差异的形成机理。
结果显示，TiO2图形区域在λ=532nm下的折射率为ZEP电子束光刻胶区域的≈1.6倍，而TiO2区域的PiFM信号是ZEP电子束光刻胶区域的≈0.8×，其特点为折射率较高的区域（TiO2区域）获得了较低的PiFM信号。

• DSA光刻材料组分分析
  半导体行业一直依赖于光刻技术的进步，以继续缩小集成电路的特征尺寸的特征。极紫外光刻技术(EUV)已被预测为取代193nm的光刻技术制备10nm以下线宽图案，但技术和经济方面的挑战推迟了它的广泛实施。但技术和经济上的挑战推迟了它的大规模实施。因此，业界一直在寻求替代的解决方案，实现更小的特征图案。
  导向自组装(Directed Self-Assembly, DSA)是一种潜力的图形化工艺，通过分子自组装实现高分辨图案化，可打破传统光刻的衍射极限，有望在下一代光刻技术中得到应用，该技术即嵌段共聚物（BCPs）由于热力学不相容而发生微相分离现象，在一条件下进行可控自组装，进而得到定向排列的BCPs薄膜。与其他技术相比，DSA无需光源和掩模版，具有低成本、高分辨率和高产率的优势，。
  

作者介绍了DSA（导向自组装）PS-b-P2VP通过EUV-IL(极紫外干涉光刻技术)的制造过程，使用PiFM-IR在不同的波段分别对PS和P2VP进行选择性成像，并和同时得出的形貌图像进行对比，通过下方的彩色条纹表明，BCP中的PS位于形貌的顶部，同时也可以在PiFM-IR图像中发现外来污染物的存在。

• DSA光刻材料LER研究
  

聚苯乙烯-b-聚甲基丙烯酸甲酯（PS-b-PMMA）是用于DSA的标准材料，因为它易于组装，而且在开发使用PS-b-PMMA的DSA工艺以实现大批量生产方面已经取得了重大进展。不幸的是，PS-b-PMMA由于其较小的Flory-Huggins相互作用参数（χeff），不能用于10纳米以下的特征图案。因此，需要有一种材料能够图案化更小的特征，并解决突出的问题，如缺陷密度和线边缘粗糙度。为了研究（χeff）和LER的关系，作者通过PiFM-IR和RSoXR测试结果表明，添加离子液体可以增加蚀刻比和χeff可以有效的降低LER，特别是在10纳米以下周期的特征尺寸中。

• 液浸式成像

作者报告了个中红外纳米光谱成像技术，该技术在水环境中保持了纳米级的灵敏度和空间分辨率。当样品和扫描探头浸泡在水中时，仍能保持纳米级的灵敏度和空间分辨率。这种方法克服了包括水吸收和散射以及悬臂振动的机械阻尼。论文中进一步展示了20至50nm厚的聚合物样品的光谱和成像，其空间分辨率为25nm。

总结

• PiFM-IR可以实现5nm分辨率的化学信息成像，用来研究光刻胶结构和曝光前后化学变化，从而更好的了解光化学反应机理，优化光刻工艺参数；

• PiFM也提供散射式扫描近场光学显微镜（s-SNOM）功能，用于光学相位的测量，用来研究材料的光学响应；

• PiFM可以实现中红外波段的液浸式测量，可用于浸没式光刻胶研究。

参考文献：

1. PiFM study of latent EUV in t-BOC chemically amplified resist in collaboration with G. Wallraff, M. Sanchez, H. Truong – IBM Almaden

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3. Jin M, Lu F, Belkin M A. High-sensitivity infrared vibrational nanospectroscopy in water[J]. Light: Science & Applications, 2017, 6(7): e17096-e17096.

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Vista One Platform:

Molecular Vista Inc.，Vista IR

Visible ~ IR chemical imaging and spectroscopy, E-field imaging, photovoltage/current imaging with sub-10 nm spatial resolution. Also being combined with Confocal Raman, PL imaging and other kinds of far field spectroscopy and optical microscopy.