光刻胶形貌异常的成因与控制

本文将介绍光刻胶形貌异常的原因，以及解决手段。

线宽均匀性关注的是图形尺寸的一致性，而光刻胶形貌则关注图形本身的截面形状是否正常。在实际工艺中，光刻胶形貌异常会直接影响后续刻蚀或离子注入的图形转移质量，因此识别和控制这些异常至关重要。

侧墙倾斜角

侧墙倾斜角指的是光刻胶侧壁偏离垂直方向的程度。产生倾斜角的一般原因是进入光刻胶底部的光比顶部的光弱，这是由于光刻胶对光的吸收造成的。解决的方法一般通过减小光刻胶对光的吸收，同时提高光刻胶对光的灵敏度。这可以通过增加光敏感成分的添加量以及增加光酸在去保护反应中的催化作用来实现。侧墙角度会对刻蚀产生一定影响，严重时会将侧墙角度转移到被刻蚀的衬底材料中。

驻波效应

驻波效应是光刻胶形貌异常中常见的一种。当光刻胶涂敷在具有高反射率的衬底上时，入射光与从衬底反射回来的光发生干涉，在光刻胶厚度方向上形成周期性的光强分布。曝光后，这种周期性的光强分布会转化为光刻胶侧壁上的波浪状起伏。解决驻波效应的方法包括增加抗反射层、适当提高光敏感剂的扩散（如通过提高后烘的温度或者时间来增加光酸的扩散）。

底部站脚与底部内切

底部站脚是指光刻胶底部出现向外扩展的残留，形状像站立的脚。底部站脚一般是由于光刻胶与衬底之间的酸碱不平衡造成的。如果衬底相对偏碱性或者亲水性，光酸会被中和或者被吸收到衬底中去，造成光刻胶底部去保护反应打折扣。解决该问题的思路一般有增加衬底的酸性、提高光刻胶以及抗反射层的曝光前烘焙温度，以限制光酸在光刻胶中的扩散和扩散到衬底中去。不过限制了扩散也会影响到其他性能，如图形的粗糙度、对焦深度等。

底部内切与底部站脚相反，内切是由于光刻胶底部的酸性较高，底部的去保护反应比其他地方更强，导致底部光刻胶溶解过多。解决思路正好与站脚相反，需要降低底部的酸性或减少光酸在底部的聚集。

T型顶与顶部变圆

T型顶是指光刻胶顶部出现横向扩展，形成类似字母T的形状。T型顶是由于工厂空气中的碱性成分，如氨气、氨水、胺类有机化合物，对光刻胶顶部的渗透中和了一部分光酸，导致顶部局部线宽变大，严重时会导致线条粘连。解决方法是严格控制光刻区的空气碱含量，通常要小于20ppb（十亿分之一），而且尽量缩短曝光后到后烘的时间。

顶部变圆则是指光刻胶顶部的方角变得圆滑。一般是由于在光刻胶顶部照射到的光强比较大，而当光刻胶的显影对比度不太高时，这部分增加的光会导致增加的溶解率，于是造成顶部变圆。

线条边缘粗糙度

线条边缘粗糙度是指光刻胶线条边缘的不平滑程度，表现为边缘的随机起伏。它一般由以下几个因素造成：光刻胶的固有粗糙程度，由光刻胶的分子量大小、分子量的大小分布以及光酸产生剂的浓度相关；光刻胶的显影溶解率随光强增加的对比度，溶解率随光强变化在阈值能量附近变化越陡峭，则由于部分显影导致的粗糙程度越小；光刻胶的灵敏度，光刻胶越是不依赖曝光后烘焙，线宽的粗糙程度有可能越大；光刻像的对比度或者能量宽裕度，对比度越大，图形边缘部分显影的区域就越窄，粗糙程度就越低。

对于化学放大的光刻胶，每一个光化学反应生成的光酸分子会以生成点为圆心，扩散长度为半径的范围内进行去保护催化反应。一般来讲，对于193纳米光刻胶，扩散长度在5至30纳米范围内，扩散长度越长，在像对比度不变的情况下，图形粗糙程度越好。不过，在分辨极限附近，扩散长度的增加会导致空间像对比度的下降，而空间像对比度的下降也会导致图形粗糙程度的增加。

高宽比与图形倾倒

高宽比是指光刻胶图形的高度与宽度之比。高宽比之所以被讨论，是由于在显影过程中，显影液、去离子水等在显影完成后的光刻胶图形当中会产生由表面张力形成的横向拉力。对于密集图形，由于两边的拉力大致相当，问题不是太大。但是对于密集图形边缘的图形，如果高宽比较大，便会受到单边的拉力。加上显影过程当中较高速旋转的扰动，图形可能发生倾倒。实验表明，一般高宽比在3:1以上会比较危险。

底部残留

底部残留是指显影后光刻胶底部仍有残留物未被完全清除。底部残留的原因一般为底部光刻胶对光的吸收不够，而造成的部分显影现象。为了提高光刻胶的分辨率，需要尽量减少光酸的扩散长度，而由于光酸扩散带来的空间显影均匀化便减少了，这样空间的粗糙程度加大了。底部残留一般可以通过优化照明条件、掩膜版线宽偏置以及烘焙温度和时间，以提高空间像对比度，提高单位面积的曝光量来减少。

 光刻胶形貌异常的成因涉及光刻胶材料、衬底表面状态、曝光条件、显影工艺以及环境气氛等多个方面。在实际工艺中，通常需要根据具体的异常形貌特征，结合工艺历史和检测数据，逐一排查可能的成因。‍