椭偏仪在光刻领域抗反射涂层中的应用

随着微电子技术的快速发展，光刻工艺不断追求更高的分辨率。在这一过程中，光刻胶和光刻技术起到了关键作用。光刻胶是一种感光高分子材料，用于将掩膜版上的精细图案转移到基体上。随着曝光波长从紫外全谱逐步缩短到深紫外、极紫外甚至电子束，图案分辨率显著提升，但也带来了负面效应，其中最突出的是基体表面反射引起的驻波效应。驻波效应会导致光刻胶侧壁出现波浪状缺陷，影响关键尺寸的均一性和图案清晰度。

本研究引入了抗反射涂层。其中，底部抗反射涂层相比顶部抗反射涂层在抑制驻波、摆动和凹缺效应方面效果更佳，因此成为主流方案。Flexfilm费曼仪器全光谱椭偏仪可以非接触对薄膜的厚度与折射率的高精度表征，广泛应用于薄膜材料、半导体和表面科学等领域，在材料光学特性分析领域具有重要地位。

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底部抗反射涂层的原理

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光刻技术的工艺原理图

BARC是在光刻胶与基体之间加入的一层材料，能有效吸收反射光或通过干涉相消降低反射率，从而改善关键尺寸均匀性，减少图案缺陷。

基本原理：BARC通过吸光基团吸收紫外光，同时利用反射光的相消干涉，显著降低基体反射率，从而消除驻波效应。

椭偏仪工作原理：在BARC材料的研究和工艺控制中，光谱椭偏仪是一种不可或缺的表征工具。该仪器通过测量偏振光在BARC薄膜表面反射前后偏振态的变化（通常表示为Ψ和Δ），结合光学模型拟合，可以精确获得BARC薄膜在曝光波长（如248nm、193nm等）下的折射率（n）和消光系数（k），同时测定薄膜厚度。这些光学常数直接决定了BARC的抗反射性能，只有当n和k满足特定匹配条件时，才能将基体反射率降至最低。因此，在BARC配方开发和工艺优化中，研究人员普遍采用光谱椭偏仪来快速评估不同聚合物组成、吸光基团含量和固化条件对薄膜光学参数的影响。

驻波效应引起光刻胶侧壁的波纹现象

根据组成，BARC分为无机和有机两类。
 

无机BARC（如氮化钛、非晶硅等）通过气相沉积制备，性能可调但工艺复杂、刻蚀困难；
 

有机BARC通过旋涂有机聚合物制备，工艺简单、易刻蚀，应用更广。

按高分子与吸光基团的结合方式，BARC可分为混合型（物理共混，易相分离）、主链型（吸光基团在主链上，种类有限）和接枝型（吸光基团接枝到主链，结构可控，是主流设计）。

BARC的去除工艺主要有两种：刻蚀型（干法显影）和碱溶型（湿法显影）。

刻蚀型采用等离子体刻蚀，工艺成熟但设备复杂；

碱溶型可溶于显影液，无需单独刻蚀，操作简便、成本低，但需解决烘焙条件、溶解速率和显影残渣等问题。

优异BARC应满足：不溶于光刻胶溶剂、抗反射效率高、热稳定性好、去除工艺简便、经济环保。

涂覆和未涂覆BARC的反射光路图

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刻蚀型底部抗反射涂层

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刻蚀型BARC主要通过等离子体去除。近年来的研究包括：Takei S等开发的基于葡聚糖酯聚合物的BARC，适用于45nm以下节点；Deshpande S V等制备的非自交联和自交联型BARC，其中自交联型无需额外交联剂，可将193nm处反射率降至零；Kim S J等合成的含醚氧基团的四元共聚物BARC，刻蚀性能改善，附着力强。不同曝光波长下需选择不同吸光基团，如248nm常用萘、蒽，193nm常用苯、萘、蒽、含硫芳基等。

刻蚀型和碱溶型BARC工艺步骤图

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碱溶型底部抗反射涂层

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碱溶型DBARC可溶于显影液，避免刻蚀步骤，是研究热点。根据反应类型分为交联型（交联后解交联）和非交联型（聚合物链断裂）；根据光敏性分为光敏性（自身含PAG）和非光敏性（依赖上层光刻胶的酸扩散）；根据用途分为正性光刻胶用和负性光刻胶用。

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正性光刻胶用DBARC

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典型机理：含羟基聚合物与乙烯基醚交联剂在高温下交联，不溶于光刻胶溶剂；曝光后，PAG催化解交联，在碱性显影液中溶解。Ramil-Marcelo L等制备的线性三元共聚物DBARC分辨率达150nm。进一步采用超支化聚合物，可实现自交联/解交联，分辨率提高至120nm，并降低线边缘粗糙度。杨国强等利用分子玻璃化合物制备的DBARC，无需刻蚀，适用于365nm、248nm、193nm光刻工艺，可有效消除驻波效应。针对显影残渣问题，Washburn C等指出适宜的烘焙和显影时间是关键；Nakasugi S等开发了含氮芳香族交联剂，可防止残渣形成，得到垂直截面的光刻胶图案。

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负性光刻胶用DBARC

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负性光刻胶用DBARC含有羟基（提供交联点）、芳香族苯环（吸收光线）和羧酸（提供显影性）。工艺上，DBARC成膜后不溶于光刻胶溶剂；曝光区域在PAG作用下发生交联，降低溶解度；未曝光区域与光刻胶一同溶于显影液。Liu S等合成的三元共聚物NDBARC适用于248nm负性光刻胶。Chen K J等进一步开发了三元嵌段共聚物NDBARC及组合物，对100～400nm紫外光均有强吸收，适合注入级刻蚀。

本文系统总结了BARC的分类、原理、工艺及研究进展，重点介绍了刻蚀型与碱溶型BARC，特别是正性和负性光刻胶用DBARC的最新成果。光谱椭偏仪作为BARC薄膜光学性能表征的核心工具，在材料筛选、工艺优化和质量控制中发挥着不可替代的作用。未来，随着集成电路特征尺寸向20nm以下发展，BARC的发展方向是：与光刻胶匹配性好、抗反射效率高、综合性能优异、制备工艺简单、经济环保。同时，符合绿色化学要求的环境友好型BARC也将具有重要应用前景。光谱椭偏仪将继续在高精度、宽光谱、在线监测等方向上助力BARC技术的进步。

Flexfilm费曼仪器全光谱椭偏仪

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Flexfilm费曼仪器全光谱椭偏仪拥有高灵敏度探测单元和光谱椭偏仪分析软件，专门用于测量和分析光伏领域中单层或多层纳米薄膜的层构参数（如厚度）和物理参数（如折射率n、消光系数k）

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