专利名称：碱性水溶液中非离子型表面活性剂的浓度的测量方法
背景本发明涉及用于测定碱性水溶液中非离子型表面活性剂的浓度的有效且精确的方法。碱性水溶液，例如显影剂，作为显象工艺的化学组分广泛用于光刻(蚀)法，特别是在制造集成电路中。显影剂与光致抗蚀剂相互作用，在基片上刻划出图像。这些显影剂含有碱的水溶液，有时还含有表面活性剂。显影剂中的表面活性剂，常常是希望有的，尤其是非离子型表面活性剂，因为它们赋予了水相和光致抗蚀剂涂层之间的可湿润度，而且可以改善光致抗蚀剂的光刻性能。表面活性剂的化学组成及浓度对显影剂的效能和显影图像的质量及再现性是决定性的。因此，建立一种能够准确测定显影剂中非离子型表面活性剂的浓度的分析方法非常重要。
光致抗蚀剂对本领域的技术人员来讲是非常熟悉的。一般来讲，它们必须对光敏感以使在其中可以形成图形，而且，它们必须选择性地承受住随后的腐蚀或其它加工，以使图形可以传至下面的基片。今天，集成电路制造中使用的主要光致抗蚀剂体系是线型酚醛清漆／重氮基萘醌混合物。在正像光致抗蚀剂中使用的种类的重氮基萘醌通常是通过萘醌二叠氮磺酰氯与酚类化合物的反应形成的。因此形成的反应产物可能包括萘醌(1，2)二叠氮(5)-磺酰基、萘醌(1，2)二叠氮(4)-磺酰基，萘醌(2，1)二叠氮(5)-磺酰基或萘醌(2，1)二叠氮4-磺酰基自由基，或其混合基。当然，因此合成的磺酸酯可能包括任何合适的酚类化合物的残基。这些二叠氮类是溶于有机溶剂，但不是非常可溶于水的相当缺乏极性的有机分子。一暴露于光，重氮基萘醌感光化合物即按照本领域技术人员已知的机理形成极性的溶于碱的羧酸。因此，用含水碱作为显影剂，暴露的感光化合物是相对可溶的，而未暴露的感光化合物是相对不溶的；产生溶解性差异，这是形成图像的基础。
然而，仅仅改变感光化合物的溶解性是不够的，更确切地说，整个光致抗蚀剂混合物必须改变其溶解性。因此，感光(光敏)化合物与粘结剂用树脂的相互作用同样是重要的需要考虑的问题，尤其是它的吸收光谱。相应地，正像光致抗蚀剂组合物通常包括线型酚醛清漆类或有时诸如聚(4-羟基苯乙烯)之类的羟基苯乙烯聚合物的酚-醛树脂。其它聚合性组分，包括苯乙烯、甲基苯乙烯、苯乙烯-马来酸酐组分与前述的混合，也可以使用。通常，参见USP 4，732，836和4，863，827以获取关于正像光致抗蚀剂的进一步的信息，这里，将它们引入本文供参考。
在光致抗蚀剂的显象中非常重要的是显影剂组成和显影剂方法的选择，因为显影是集成电路生产过程的关键方面。含有不同类型表面活性剂的显影剂在本领域是已知的，使用表面活性剂赋予显影过程某些预期的性质，例如显象过程之后底片的可湿润性、清洁性，光致抗蚀剂的光刻性能的改善等。显影剂中使用的一种特殊类型的表面活性剂是非离子型，特别是环氧乙烷和环氧丙烷的嵌段共聚物。也可以使用其它非离子型表面活性剂，例如乙氧基化醇类，乙氧基化烷基酚类和氟化高聚物。在Schwalm等人的USP 5，039，595中，描述了以杂环羟烷基化合物作为碱的另一种含水显影剂，这里，将该专利引入供参考。在595专利中指出，可以使用下述表面活性剂壬基苯氧基聚(乙烯氧基)-乙醇、辛基苯氧基聚(乙烯氧基)-乙醇或商品氟化表面活性剂(第4栏，45-51行)。
不仅表面活性剂的化学组成影响光致抗蚀剂的显影过程，而且表面活性剂的浓度也影响光致抗蚀剂的显影过程。因此，能够控制非离子型表面活性剂的浓度并按照顾客的要求制造它是关键性的。本专利涉及精确地离析并定量测定含水碱性显影剂中的非离子型表面活性剂的新方法。
用于非离子型聚合物的离析和分光光度分析的方法，特别是那些依赖于钴化合物与聚醚键络合的能力的方法是已知的。当将硝酸钴与硫氰酸铵的溶液，这里叫作硫氰酸钴溶液，加入到表面活性剂中时，形成着色染料，这可以用分光光度计监测。本发明人发现，当非离子型聚醚表面活性剂存在于碱性溶液中时，这些方法行不通，用于光刻蚀法的显影剂也是如此。现有技术，具体来讲，BASF程序(100，Cherry Hill路，Parsippany，New Jersey 07054)，“检测水和废水的标准方法”(5540B&D节，美国公共卫生协会(American Public HealthAssociation)，1015第15街。NW，华盛顿DC 20005)和“实验室生物降解和环境研究中的非离子型表面活性剂的分析方法”(《环境科学与技术》，Enviromental Science and Technology第11卷，1167，1997)，建议通过富集从固体形式的溶液中离析表面活性剂，然后将它再溶解在有机溶剂中，形成可以进一步用分光光度计测定的钴络合物。这种方法很麻烦，涉及许多步骤，包括鼓氮、将表面活性剂收集在乳酸乙酯中、蒸发表面活性剂至干燥和将表面活性剂溶于二氯甲烷中。每个步骤都会显著地增加测量的误差。而且，必须使用大量显影剂以提供能够可靠定量的固体表面活性剂的量，尤其是在只有少量表面活性剂存在于显影剂中的情况下。因此，从制造质量控制的角度来讲，非常希望有一种要求步骤的简化及最简化的方法。参考“离析的大鼠肝灌注体系中测定的Pluronic F-68的比色分析”(《分析化学》，Analytical Chemistry，第187卷，54，1990)，公开了一种分析方法，其中，干燥Pluronic F68表面活性剂的水溶液，得到表面活性剂，溶于水，形成表面活性剂的钴络合物，加入乳酸乙酯，将沉淀的染料溶于丙酮，用分光光度计分析该染料以给出表面活性剂的浓度。这也是有许多步骤的技术，特别是固体表面活性剂的不希望的离析步骤，而且误差的倾向增加。而且，这种技术建议向水溶中加入硫氰酸钴，对碱性溶液发现这样是不合适的。
由于现有技术提出的冗长的步骤，开发了一种新的简单方法，本专利公开了提取并定量表示碱性水溶液中的非离子型聚合物的有效且可再现的方法。
概述本发明的目的是提供测量碱性水溶液中非离子型表面活性剂的浓度水平的方法，其中，该方法给出了准确定量的测量，而且，其中，该方法包含最低限度的复杂性，以便于可以产生好的准确度，而且成本经济。
本发明是用于测定碱性水溶液中非离子型表面活性剂的量的新方法，该方法包括a)向碱性水溶液中加入有机溶剂，将非离子型表面活性剂从碱性水溶液萃取到有机溶剂中；b)分离含有非离子型表面活性剂的有机相；c)向有机相中加入络合剂溶液，将其保存足够长的时间，以使络合剂与非离子型表面活性剂充分反应，形成着色染料；d)测定着色染料的吸收，从而测定碱性水溶液中非离子型表面活性剂的量。
本发明优选使用二氯甲烷作为有机溶剂，硫氰酸钴作为络合剂。硫氰酸钴与表面活性剂的加合物的保存时间，如果优选的话，大于30分钟。叙述本发明涉及测量碱性水溶液，尤其是显影剂中的非离子型表面活性剂浓度的方法。光刻法中使用的显影剂通常包含碱的水溶液，例如四烷基氢氧化铵、氢氧化钠、氢氧化钾等等。许多类型的表面活性剂加入到显影剂中，因为表面活性剂赋予显影剂有用的性能，例如显影后基片的可湿润性、清洁性和光致抗蚀剂光刻性能的改善。已经发现，非离子型表面活性剂尤其有用，因为已知它们是低泡的，具有良好的冷水溶解性和低临界胶束浓度。环氧乙烷和环氧丙烷共聚物、氟化、乙氧基化和硅氧烷表面活性剂尤其有用。也已发现，表面活性剂的浓度必须保持在特定范围内，以使显影剂的所希望的性能得以维持，正是因为这个原因，开发了新方法来准确测定碱性溶液中表面活性剂的浓度。
通过实验发现，如果把硫氰酸钴溶液直接加到含有显影剂的表面活性剂中，那么，由于显影剂的强碱性条件，形成不能定量分析的沉淀物。通过鼓泡或者蒸发从显影剂中离析固体形式的表面活性剂，由于这些方法固有的困难，认为是不合理的，尤其是对低含量表面活性剂而言。本发明的新方法是更简单的方法，包括加入有机溶剂，将表面活性剂萃取入有机相，除去水相，向有机相中直接加入硫氰酸钴溶液，测定形成的染料的吸收，并由此计算表面活性剂的浓度。表面活性剂与钴化合物形成络合物，给出可以定量分析的鲜明的着色染料，以给出表面活性剂的实际浓度。通常，在碱性水溶液中含有已知浓度的同样表面活性剂的标准样品与需要测定其浓度的样品一起操作，校正曲线确定未知样品中表面活性剂的准确浓度。正是在本发明的范围内，可以使用除硫氰酸钴以外的络合剂，只要它们能够与非离子型表面活性剂形成着色络合物。可以使用其它的钴盐或其它过渡金属盐类。
通过向由去离子水和碱制备的水性碱性显影剂中加入已知量的表面活性剂，制得了校准样品。碱可以是氢氧化钠或氢氧化钾，但优选四甲基氢氧化铵或胆碱(chorine)。显影剂中碱的浓度通常为1％～5％(重量)，优选2～3％(重量)。校准样品优选含有在未知样品范围内的表面活性剂量。例如，如果未知物估计的表面活性剂浓度为200ppm，那么，校准样品的范围可以为0～2500ppm(以表面活性剂计)。
在多数情况下，在加入有机溶剂之前，把象氯化钠或氯化钾的盐加入到样品中。已知该盐降低表面活性剂的发泡能力，并使表面活性剂的离析更容易，可以使用已知起到这些作用的任何盐。一旦盐已经溶解，为萃取表面活性剂向溶液中加入有机溶剂。虽然萃取次数由所用的表面活性剂类型和溶剂量确定，但是发现，少量重复萃取，优选三次可给出好的结果。可以使用的溶剂是那些在从水相萃取表面活性剂中有效且不与水相混合的溶剂。发现有效的一种特定溶剂是二氯甲烷，不过也可以使用其它溶剂，象二甲苯、甲苯和乙酸丁酯。
一旦完成表面活性剂向有机相的萃取，除去水相，并将萃取剂混合。然后向萃取剂中加入硫氰酸钴水溶液。在加入硫氰酸钴之前除去碱性水溶液，可以防止形成钴-表面活性剂染料时的任何干扰。出人意料地发现，加入硫氰酸钴溶液和测定染料的吸光度之间的时间对测试的准确性是关键的。数据表明，在获得稳定的吸光系数读数之前，需要最少30分钟，优选1～2小时的保存时间。
使用紫外分光光度计优选在峰最大值测量染料络合物的吸光度。钴络合物在大约318nm或大约620nm处给出吸收峰。从标准样品浓度对吸收本领的曲线得到校正曲线。然后，该曲线可用于给出未知表面活性剂浓度的样品的准确浓度。
下面的具体实施例将提供制备并利用本发明的组合物的方法的详细说明。然而，这些实施例并不是要在任何方面限制或约束本发明的范围，不应认为是仅仅为实施本发明而提供的必须使用的条件、参数或值。
实施例1(对比)在250ml分液漏斗中，制备了含有溶于去离子(DI)水的5ml的1000ppm Noigen EP 120A表面活性剂(从Dai-lchi Kogyo Seiyaku有限公司得到，7F，Shin Kyoto Center Building，Karasuma Nishiiur，Shiokojidori，Shimogyo-ku，Kyoto，KYO 600，日本)、50ml AZ_300MIF显影剂(四甲基氢氧化铵水溶液，从Clariant公司得到，AZ_电子材料，70 Meister Ave．，Somerville，NJ 08876)和50ml DI水的溶液。
在250ml分液漏斗中溶解20g氯化钠。在100ml水中，混合208g硫氰酸铵与93g硝酸钴六水合物，制备了硫氰酸钴溶液，将10ml该溶液加入到上述漏斗中。立即形成沉淀物，该沉淀物使进一步的分析不准确，所以，此方法失败。
实施例2制备了含有100mg Tetronic_701表面活性剂(从BASF公司得到，100，Cherry山路，Parsippany，新泽西07054)和100ml去离子(DI)水的储备溶液。用0．5、2．5和5ml该储备溶液制备了三个校准样品，用50ml AZ_300MIF显影剂(四甲基氢氧化铵水溶液，从Clariant公司得到，AZ_电子材料，70Meister Ave．，Somerville，NJ 08876)稀释，将50mlDI水加入到250ml分液漏斗中。
在每个分液漏斗中溶解20g氯化钠。通过向漏斗中加入10ml二氯甲烷，从每个溶液中萃取表面活性剂，振荡，然后，分离二氯甲烷并放入25ml烧瓶中。先后用另10ml和另5ml二氯甲烷重复上述操作。所有二氯甲烷都收集在25ml烧瓶中，用二氯甲烷补充加注至25ml标记。对所有样品重复上述萃取步骤。在100ml水中混合208g硫氰酸铵与93g硝酸钴六水合物，制备了硫氰酸钴溶液，将1ml该溶液加入到每个烧瓶中。将溶液放置30分钟，溶液变色。除去上部水层，将溶液放置2小时。用紫外分光光度计在620nm处测定所有样品的吸收。绘制标准样品的吸收并计算。通常，大于0．8的相关系数表明浓度和吸收之间良好的相关性，可以用于确定表面活性剂样品的未知浓度。
对其它非离子型表面活性剂重复上述操作，不同表面活性剂的结果示于表1中。表示良好相关系数的数据说明，本发明的新测试方法可以用于准确分析碱性水溶液中的表面活性剂浓度。
表1测试的表面活性剂的评价
Pluronic_和Tetronic_是BASF公司(100，Cherry山路，Parsippany，New Jersey 07054)的商标。
Macol_是PPG Industries(3938，Porett Dr，Gurnee，IIIinois60031)的商标。
Fluorad FC-170C购自3M公司(3M Center Building，223，St．Paul，MN 55144)。
Surfvnol_是Air Products and Chemical Co．(7201 HamiltonBoulevard，Allentown，PA 18195)的商标。
Hodag购自Calgene Chemical Co．，7247 North Central ParkAvenue，Skokie，IL 60076。
Emery 6706购自Henkel Corp．，5051 Estecreek Drive，Cincinnati，OH 45232。
Noigen EP-120A购自Dai-lchi Kogyo Seiyaku Co．，Ltd．，7F ShinKyoto Center Building，Karasuma Nishiiru，Shiokojidori，Shimogyo-ku，Kyoto，KYO 600，日本。
实施例3进行实验以确定AZ_300MIF显影剂中Tetronic_701表面活性剂的未知浓度。向50ml AZ_300MIF显影剂中加入大约3．75ml 1000ppmTetronic_701表面活性剂的去离子(DI)水溶液。如实施例2中，用校准样品和用附加的未知样品进行实验。结果示于下面表2中。
表权利要求
1．一种测定碱性水溶液中非离子型表面活性剂的量的方法，该方法包括a)向碱性水溶液中加入有机溶剂，将非离子型表面活性剂从碱性水溶液萃取到有机溶剂中；b)分离含有非离子型表面活性剂的有机相；c)向有机相中加入络合剂溶液，将其保存足够长时间，以使络合剂与非离子型表面活性剂充分反应，形成着色染料；d)测定着色染料的吸收，由此测定碱性水溶液中非离子型表面活性剂的量。
2．根据权利要求1的方法，其中的络合剂是硫氰酸钴溶液。
3．根据权利要求2的方法，其中的硫氰酸钴是通过在水中混合硫氰酸铵与硝酸钴六水合物而形成的。
4．根据权利要求1的方法，其中，在加入有机溶剂之前，将盐加入到碱性水溶液中。
5．根据权利要求1的方法，其中的盐选自氯化钠和氯化钾。
6．根据权利要求1的方法，其中的碱性水溶液包含非离子型表面活性剂、水和选自四烷基氢氧化铵、胆碱、氢氧化钠及氢氧化钾的碱。
7．根据权利要求1的方法，其中的有机溶剂选自二氯甲烷、甲苯和二甲苯。
8．根据权利要求1的方法，其中的保存时间大于30分钟。
9．根据权利要求1的方法，其中的表面活性剂是聚醚表面活性剂。
10．根据权利要求1的方法，其中的表面活性剂是环氧乙烷和环氧丙烷共聚物、乙氧基化表面活性剂、氟化／聚氧乙烯表面活性剂、聚醚硅氧烷表面活性剂。
全文摘要
本发明是精确测定碱性水溶液中非离子型表面活性剂浓度的方法。该方法包括:将表面活性剂萃取到有机溶剂中,分离溶剂,形成着色络合物,该络合物可以定量测定以给出表面活性剂的实际浓度。
文档编号G01N31/22GK1292089SQ99803296
公开日2001年4月18日 申请日期1999年1月15日 优先权日1998年1月28日
发明者R·霍尔特, J·E·奥伯兰德, E·B·冈萨雷斯, P·L·兰克, M·F·Y·卡林达斯 申请人:克拉里安特国际有限公司