01/簡介
3D NAND、3D IC等立體集成電路的高密度堆疊需求，推動光刻圖形向三維立體化深度演進，傳統二維模型已難以適配厚掩模深度衍射及偏振態三維演化的復雜物理過程。高數值孔徑（NA>1）光刻系統下，厚掩模的多層結構引發光場多次反射與耦合衍射，疊加三維偏振像差的視場-深度耦合效應，導致關鍵尺寸均勻性（CDU）與側壁傾斜度控制精度驟降。
計算三維嚴格矢量成像模型是破解該瓶頸的核心理論工具，其對厚掩模衍射機制的精準建模與三維偏振像差的定量表征，直接決定立體圖形光刻保真度。本文聚焦厚掩模衍射下的光刻成像理論內核，深挖三維矢量模型中偏振像差的作用機理，為先進三維制程光刻精度提升提供關鍵理論支撐。
全局坐標系示意圖
02/厚掩模衍射下的光刻成像理論
在三維矢量成像模型中，掩模圖形結構尺寸接近甚至小于照明光的波長，基爾霍夫薄掩模近似不能準確描述光刻成像性能。利用基爾霍夫近似和嚴格電磁場理論模型得到的掩模衍射近場分布如圖所示。
利用基爾霍夫近似和嚴格電磁場理論模型得到的掩模衍射近場分布
三維厚掩模效應會顯著影響光刻成像性能，必須嚴格求解麥克斯韋方程組，準確獲得三維厚掩模衍射場分布，進而獲得嚴格矢量成像。
而掩模的衍射遠場（也就是投影物鏡入瞳處的電場分布），是多核心參數協同作用的結果：它關聯了平面波的傳播距離、方向余弦，也和三維厚掩模的衍射遠場（由掩模照明角度、自身結構與材料等參數決定）、投影物鏡的透射率函數，以及入射到掩模的平面波函數緊密相關——這一電場分布，正是厚掩模光刻成像的核心基礎輸入。
這套厚掩模衍射下的光刻成像理論，是先進制程中厚掩模場景“高精準光刻”的核心認知支撐，為厚掩模光刻的優化與落地提供了清晰的理論依據。
03/三維矢量成像模型中的三維偏振像差
在三維矢量成像模型中，光學系統入瞳面到出瞳面之間各級衍射光偏振態的變化可用的三維偏振追跡矩陣描述。
物鏡光瞳面上所有坐標點的三維偏振追跡矩陣組成三維偏振像差，可通過光線追跡程序獲取。三維偏振像差獲取程序將整個光瞳離散為網格點，追跡得到所有網格點對應光瞳坐標點的三維偏振追跡矩陣。例如，當光瞳在、兩個方向均離散為個網格點時，光瞳面上每隔1/N個光瞳半徑均有一網格點。網格化的三維偏振像差獲取方法示意圖如圖所示，程序可得到所有光瞳坐標為
的光瞳坐標點的三維偏振追跡矩陣，并存儲到文件中。
網格化的三維偏振像差獲取方法示意圖
?某級次衍射光的光瞳坐標(fx,fy)可能恰好位于一個網格點，也可能不位于一個網格點處。當需要某級衍射光(fx,fy)對應的三維偏振追跡矩陣Pfx,fy時，如果(fx,fy)恰好是一個網格點，直接用該點的三維偏振追跡矩陣，關聯物方與像方的矢量。
?當(fx,fy)不在一個網格點上，與(fx,fy)最相近的網格點位置在(fm,fn)，則(fx,fy)光瞳坐標點對應的三維偏振追跡矩陣Pfx,fy與相鄰網格點(fm,fn)對應的三維偏振追跡矩陣Pfm,fn相等。
?在網格點不夠多的情況下，各級衍射光在光瞳面上的坐標(fx,fy)和采樣點坐標(fm,fn)之間的差異造成兩個三維偏振追跡矩陣Pfx,fy和Pfm,fn之間存在差異，從而導致成像結果存在誤差。在網格點足夠多的情況下，該誤差可以忽略不計。
04/先進技術與未來發展方向
厚掩模衍射精準建模技術突破了傳統薄掩模近似瓶頸，基于嚴格耦合波分析（RCWA）與時域有限差分（FDTD）方法，構建厚掩模多層結構的電磁散射模型，通過旋轉變換與維度縮減算法降低計算開銷，實現掩模吸收層散射效應的精確表征，在14nm以下節點將衍射近場預測誤差控制在5%以內。針對EUV光刻高寬比掩模，開發多材質耦合衍射模型，解決Ta吸收層深度衍射帶來的成像畸變問題。
三維偏振像差調控技術通過建立“視場-深度”二維偏振像差映射模型，采用瓊斯矩陣張量表征偏振態的三維演化規律，結合全視場多目標優化算法，實現偏振像差的定量分離與動態校正。創新偏振-光瞳協同優化策略，在3D NAND堆疊圖形中，將偏振像差導致的CD偏差從12nm降至3nm以內。
此外，面向3nm及以下節點，構建EUV光刻專屬三維矢量模型，深化極紫外光與多層掩模的矢量相互作用機制研究。針對垂直堆疊結構，開發“深度-偏振-劑量”多維度耦合優化模型，實現亞納米級CD均勻性控制。
通過推進AI與物理驅動建模的深度融合，利用Transformer架構捕捉三維光場長距離依賴關系，結合FPGA硬件加速實現毫秒級動態光場仿真。探索數字孿生技術應用，搭建光刻過程虛實映射系統，實現三維模型參數的實時自適應調整。
