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光刻的三个基本要素，光刻机、光刻胶、光刻版。通过三者的搭配，我们可以得到想要的任意图案，但是在实际的工艺过程中会发现，光刻胶在图形化后侧壁往往不是垂直的，正性光刻胶通常为钝角，而负性光刻胶通常为锐角，如图1所示。

图1 正胶和负胶侧壁倾斜效果图

为什么会产生这种现象，主要原因与以下几个因素有关：

一、光

1、光的衍射

光的衍射是指光线遇到障碍物或狭缝时，会绕过障碍物传播的现象。那么紫外光在通过光刻掩模上的开口时，光线则会发生衍射，导致光强分布在掩模边缘附近弯曲。其示意图如图2所示，衍射的影响范围可以参考如下公式：

其中θ为入射中心传播方向与衍射图样的第一个最小值之间的夹角。通过计算得出夹角角度后，再通过光刻胶的厚度可以粗略的计算衍射的影响范围。

图2 光衍射原理图

我们以常规接触式光刻为例，光衍射的影响示意图可参考图3，当光经过掩膜板后形成了光的衍射，导致光强分布从中心向边缘逐渐减弱，使得光刻胶顶部接收到的光范围大，所以造成了光刻胶顶部过曝光，而底部基本不受影响，使得显影后图案的边缘部分不是清晰的直线，而是呈现一定的梯度，最终导致侧壁倾斜。

图3 接触式光刻衍射效应的影响

2、光的散射和散射    

光线在通过介质时，由于光刻板及光刻胶厚度等介质的不均匀性或颗粒的存在而发生的方向改变。在紫外光线进入光刻胶后，由于光刻胶内部的颗粒或不均匀性发生散射。这种散射会导致光线在光刻胶中的传播路径改变，使光强分布进一步复杂化，影响图案的精度和侧壁的垂直度。

此外，部分光线穿过光刻胶后，到达底层材料（例如硅晶圆）并发生反射。反射光再次进入光刻胶时，会与入射光发生干涉，形成复杂的光强分布图案。这种干涉效应导致曝光光强在光刻胶内的分布不均匀，使侧壁的垂直度受到影响，如图4所示。

图4 光刻中光反射示意图

所以，为了提高光刻时的精确度，有时为了减少底层反射的影响，会在光刻胶下方添加抗反射涂层（ARC）。ARC可以减少反射光的强度，从而减小反射光对曝光图案的干扰，提高图案的精度和侧壁的垂直度。

二、光刻胶    

我们通过观察可以发现，大部分的光刻胶是有颜色的，虽然不同光刻胶的吸光度不同，但是由于其厚度的原因，光刻胶在曝光过程中对光的吸收不是均匀的。光在穿透光刻胶时，其强度逐渐衰减，导致光刻胶上层受到的曝光强度高于下层，如图5所示，最终使得光刻胶的上层会被完全曝光和溶解，而下层的曝光不足，所以通常在曝光时需要增加曝光剂量，进一步增加了光衍射、反射、散射产生的影响。

图5 光强随光刻胶厚度变化的示意图

三、显影过程的影响

在显影过程中，显影剂会溶解曝光区域的光刻胶。由于光刻胶的曝光程度从上到下逐渐减弱，显影剂在上层更容易侵蚀，而下层因为曝光不足，相对难以溶解。这种差异导致光刻胶的侧壁呈现梯度的侵蚀效果，从而形成非垂直的侧壁。此外，显影剂在光刻胶表面的流动受表面张力和毛细作用影响，会导致溶解过程的不均匀性，进一步影响侧壁的垂直度。

光的衍射、散射和反射以及光刻胶、显影液的共同作用最终导致光刻胶的侧壁不垂直。