引言
在现代半导体制造中，为减小关键尺寸 (CD) 并提高单位面积的晶体管密度，亚波长光刻技术已成为必然选择 。随着特征尺寸缩小至远低于曝光光源波长的水平，光反射、薄膜干涉和衍射等光学现象会严重降低图形化保真度 [P1, P3]。在光刻过程中，穿过光刻胶的光线会与下方高反射率的衬底（如硅、金属或硅化物）相互作用，产生严重的干涉效应 。这种干涉表现为驻波效应和 CD 波动（即“摆动效应”），从而削弱了光刻工艺窗口 [P1, P3]。
为了解决这些光学限制，底部抗反射涂层 (BARC) 作为一种关键的材料解决方案被引入 。BARC 层位于高反射衬底与光刻胶之间，能够抑制不必要的背反射，从而增强 CD 控制，改善焦深 (DOF)，并扩大整体曝光容限 [P1, P3]。如今，BARC 技术在各种光刻模式中不可或缺，实现了从深紫外 (DUV) 到多层浸没式光刻方案的先进制程图形化 [P1, P2, P4]。
物理与机制
波干涉与摆动效应
BARC 的基本物理基础源于薄膜光学、电磁波传播及光吸收理论 [P1, P3, T2]。当单色光波入射到包含光刻胶和反射衬底的多层堆叠结构时，会在每个材料界面发生多次内部反射 。这些反射波的叠加会在光刻胶层内产生强度驻波图案，导致局部曝光剂量随深度呈周期性变化 [P1, P3]。
当光刻胶厚度随地形变化时，该现象会导致 CD 振荡，这种行为可通过 Brunner 摆动比方程进行定量建模 ：
$$S = 4 \sqrt{R_s R_r} e^{-\alpha D}$$
其中 $S$ 为光刻胶摆动比（代表 CD 随光刻胶厚度变化的幅度），$R_r$ 为光刻胶/空气或顶部抗反射涂层界面的反射率，$R_s$ 为衬底/光刻胶界面的反射率，$\alpha$ 为光刻胶吸收系数，$D$ 为光刻胶膜厚 。为了最小化摆动比 $S$ 并实现均匀的图形化，工艺工程师必须最小化光刻胶底部界面的反射率 $R_s$ [P1, P3]。
光学常数与光衰减
BARC 材料通过两种协同的光学途径抑制反射：破坏性薄膜干涉和体材料光吸收 [P1, P3]。BARC 层光学性能由其复折射率决定：
$$\tilde{n} = n - ik$$
其中 $n$ 代表折射率实部（影响相位偏移和折射角），$k$ 代表消光系数（折射率虚部，决定光吸收） [P1, P3]。吸收系数 $\alpha$ 与消光系数 $k$ 及曝光波长 $\lambda$ 的关系如下 ：
$$k = \frac{\alpha \lambda}{4\pi}$$
使用 BARC 薄膜时，反射率由体吸收和干涉共同决定 。BARC 堆叠的总反射可分解为两个分量：吸收反射衰减项 $R_1$ 和薄膜干涉反射项 $R_2$，表示为 ：
$$R_1 \sim e^{-2 k_b T_b}$$
$$R_2 \sim e^{-2 k_b T_b} \sin\left(\frac{4 \pi n_b T_b}{\lambda}\right)$$
其中 $T_b$ 为 BARC 层厚度，$n_b$ 为 BARC 折射率实部，$k_b$ 为 BARC 消光系数 。通过协同优化折射率实部 $n_b$、消光系数 $k_b$ 和薄膜厚度 $T_b$，源自衬底的反射光通过体吸收被衰减，而从 BARC/光刻胶界面反射的光则与从 BARC/衬底界面返回的光发生破坏性干涉 [P1, P3, P4]。
对于更先进的多层或梯度折射率堆叠，光学行为通过电磁波特征矩阵进行评估 。多层堆叠的总反射率 $R$ 表示为 ：
$$R = \left| \frac{N_0 B - C}{N_0 B + C} \right|^2$$
其中 $N_0$ 为入射介质的复折射率，特征矩阵元素 $B$ 和 $C$ 由各单层矩阵的乘积决定 ：
$$\begin{pmatrix} B \ C \end{pmatrix} = \prod_{r=1}^{M} \begin{pmatrix} \cos \delta_r & i \sin \delta_r / N_r \ i N_r \sin \delta_r & \cos \delta_r \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 1 \ N_{sub} \end{pmatrix}$$
此处，$N_r = n_r - i k_r$ 代表第 $r$ 层材料的复折射率，$N_{sub}$ 为衬底复折射率，$\delta_r$ 为第 $r$ 层的光学相位厚度 。利用这种矩阵形式设计具有梯度光学常数的 BARC，可以实现界面处的折射率平滑匹配，从而最小化边界反射 。
工艺原理
材料分类与沉积
BARC 材料大体分为两类：有机旋涂式 BARC 和无机化学气相沉积 (CVD) BARC [P1, P4]。
- 有机 BARC：这类材料由功能化有光吸收染料基团（生色团）和热交联剂的聚合物骨架组成 [P1, P2]。通过旋涂工艺沉积，在预先存在的地形上提供极佳的局部平坦化 [P1, P3]。
- 无机 BARC：由氮氧化硅或氮化钛等材料组成，通过等离子体增强化学气相沉积 (PECVD) 或物理气相沉积 (PVD) 沉积 。这些涂层具有极佳的共形覆盖能力，并可在干法刻蚀期间兼作硬掩模 。
热固化与交联动力学
有机 BARC 旋涂后需要进行高温烘烤（固化工艺） [P1, P2]。此步骤有多种化学目的：
1 （工程实践）。溶剂蒸发：热能将有机浇铸溶剂挥发，以稳定薄膜密度 （工程实践）。 2. 聚合物交联：加热激活 BARC 配方中的热产酸剂或交联催化剂 。这会引发交联反应，形成稳固的三维共价聚合物网络 。
该交联网络在后续涂覆的光刻胶溶剂系统中具有化学不溶性 。若因烘烤温度或时间不足导致交联密度过低，光刻胶与 BARC 界面会发生互混，从而破坏光刻轮廓 [P1, P2]。反之，过度的热预算会降解染料生色团，改变目标 $k$ 值并降低反射率控制能力 。
工艺参数的定向交互
为优化光刻结果，必须定向平衡多个参数：
- 染料浓度与 消光系数 ($k$)：增加聚合物骨架内的生色团染料浓度会定向提高消光系数 $k$，从而增强吸收 。然而，过高的染料负载量会降低聚合物的干法刻蚀速率 。
- 转速与厚度：更高的旋涂转速会导致更薄的 BARC 薄膜 。必须精确调节膜厚以匹配破坏性干涉最大化的相位匹配厚度节点 [P1, P3]。
- 刻蚀选择比：在随后的干法刻蚀工艺中，必须打开 BARC 层以将光刻胶图案转移至衬底 [P3, T1]。由于此步骤中部分光刻胶会被消耗，因此需要 BARC 相对于光刻胶具有较高的刻蚀速率，以最大限度减少光刻胶损失 [P1, P3]。
挑战与失效模式
光刻胶互混与界面轮廓
BARC 集成中最关键的失效模式之一是界面化学不兼容 [P1, P2]。由于化学放大抗蚀剂 (CAR) 系统依赖光产酸来催化溶解度变化，光刻胶/BARC 边界处的任何化学干扰都会改变最终的 CD 轮廓 。
- 底部拖尾 (Footing)：如果 BARC 材料含有碱性残留物，这些污染物会中和界面处的光产酸 。因此，光刻胶在显影液中保持不溶，形成称为“底部拖尾”的喇叭口基底 。
- 底部切割 (Undercutting)：如果 BARC 表面酸性过强，多余的酸会扩散进入光刻胶底部，导致局部曝光过度，形成“底部切割”轮廓，这可能导致图形坍塌 。
残留与缺陷
在显影和开槽刻蚀步骤中光刻胶或 BARC 清除不完全会导致“残留” 。这种残留物在随后的衬底刻蚀中充当微掩模，从而产生线边缘粗糙度 (LER) 或微桥接缺陷 。残留通常是由于曝光剂量不足、局部交联均匀性差或各层间显影速率不匹配造成的 [P2, P3]。
地形引起厚度变化
在具有复杂三维特征的衬底上，旋涂有机 BARC 表现出平坦化特性，导致密集区、孤立区和平坦区之间的厚度差异 。由于破坏性干涉的相位条件直接取决于厚度，这些局部厚度变化会导致反射率的局部波动 [P1, P3]。这会破坏晶圆上的 CD 均匀性并限制可用工艺窗口 （工程实践）。为减轻此问题，通常在涂覆 BARC 前利用化学机械平坦化进行高级平坦化处理 。
技术节点演进
[28nm 节点：单层 BARC] ---> [14nm 节点：三层 BARC 堆叠] ---> [7nm 节点及以后：EUV / 超薄底层]
28nm 平面节点
在 28nm 平面工艺中，光刻主要依赖单次曝光的 193 nm 浸没式 (ArFi) 光刻 [P3, P4]。反射控制通过单层有机旋涂式 BARC 材料成功实现，该材料为当时使用的较厚光刻胶掩模提供了足够的平坦化效果和可接受的刻蚀选择比 [P1, P3]。
14nm FinFET 节点
随着向 14nm FinFET 节点的过渡，高度非平面的鳍式场效应晶体管架构带来了严重的地形诱导反射问题 （工程实践）。单层 BARC 已无法同时满足足够的平坦化需求以及防止刻蚀期间图形坍塌的薄轮廓要求 。这推动了三层图形化方案的采用 ：
- 旋涂碳层 (SOC)：一层厚实的富碳底层，旨在平坦化高深宽比地形 （工程实践）。
- 硅硬掩模 (SiHM)：沉积在 SOC 上方的薄型富硅中间层，提供极佳的刻蚀选择比 （工程实践）。
- 底部抗反射涂层：直接位于超薄光刻胶下方的薄型优化 BARC 层，用于管理光学反射 [P1, P4]。
7nm 节点及以后
在 7nm FinFET 及之后节点，极紫外 (EUV) 光刻（波长 13.5 nm）的引入从根本上改变了反射机制 （工程实践）。与 DUV 光不同，EUV 光不存在传统的薄膜干涉反射问题，因为衬底的 EUV 反射率极低 。
然而，底层涂层在这些 10 nm 以下节点依然至关重要 。在 EUV 中，它们主要充当附着力促进剂、除气阻挡层和二次电子发生器以增强光刻胶灵敏度，同时仍提供最低限度的背反射抑制，以控制局部光学变化 。
相关工艺
衬底预处理与化学准备
在 BARC 涂覆前，衬底需经过化学清洗和六甲基二硅氮烷 (HMDS) 等附着力促进剂的蒸气预处理，以确保薄膜润湿均匀并防止旋涂期间剥离 。
干法刻蚀集成
光刻胶曝光显影后，必须使用反应离子干法刻蚀执行 BARC 打开步骤 [P3, T1]。此步骤必须具有高度各向异性，以便垂直转移光刻胶图案而不产生横向腐蚀 。根据 BARC 的有机或无机属性，选择高选择性化学品（例如氧气或氟碳基等离子体） （工程实践）。
背照式成像与 TSV 图形化
BARC 集成在先进封装和光学传感器制造中也至关重要 [A1, A2]。例如，在背照式 CMOS 图像传感器 (BSI) 中，BARC 层形成在衬底减薄后的背面，以最大限度减少传感器工作期间的光学串扰和光反射 [A1, A2]。此外，在 3D 堆叠架构的高深宽比硅通孔 (TSV) 刻蚀过程中，BARC 层被用于抑制金属接触垫的背反射，防止出现严重的光学凹槽缺陷 [A1, A2]。
未来展望
随着半导体行业向 High-NA EUV 光刻推进，光刻胶厚度的物理限制要求使用超薄图形化堆叠以避免深宽比引起的图形坍塌 。这催生了对下一代多功能底层材料的迫切需求 。
未来的研究正聚焦于使用原子层沉积 (ALD) 沉积厚度控制在亚纳米级别的超薄、高共形无机 BARC 和硬掩模层 。这些基于 ALD 的薄膜具有极佳的刻蚀抗性与高度均匀的光学常数，满足了环绕栅极 (GAA) 纳米片集成和未来分子级图形化的严苛要求 。