光刻成像技術的案例
光刻技術第4期 | 光刻成像理論
01/簡介
光刻成像理論的演進與物鏡NA發展緊密耦合。半導體工藝早期，光刻系統以低數值孔徑（NA<1）為特征，光的傳播與成像可通過標量光刻成像理論精準描述，其核心是將光場視為標量、忽略偏振特性，該簡化在低NA場景下誤差極小且能降低模型復雜度，為早期光刻技術產業化奠定理論基礎。
此階段技術研發圍繞“標量計算光刻成像RET”展開，基于瑞利-索末菲衍射模型等標量模型，結合光源優化、OPC等逆向算法，通過調整光源強度、修正掩模邊緣等補償光學鄰近效應，實現關鍵尺寸（CD）精準控制，例如90nm-45nm節點中，標量計算光刻通過添加SRAF拓寬工藝窗口，滿足當時芯片制造需求。
隨著工藝進入28nm及以下節點，為突破衍射極限，光刻系統采用高數值孔徑（NA>1）浸沒式設計，通過填充高折射率（n≈1.44）液體將有效NA提升至1.35以上。此時光的偏振特性影響不可忽略，高NA下光場在物鏡邊緣傳播方向與光軸夾角增大，不同偏振態光的衍射效率和傳播特性存在差異，標量理論“忽略偏振”的假設會導致成像誤差劇增，無法滿足CD均勻性要求，這一瓶頸直接推動光刻成像理論從“標量”向“矢量”范式轉換，矢量光刻成像理論隨之產生。
02/矢量成像模型
二維矢量光刻成像模型聚焦平面圖形的高保真成像，主要應用于邏輯芯片的二維關鍵圖形（如柵極、接觸孔陣列）。它在局部坐標系和全局坐標系下分別構建理論框架，局部坐標系以單個圖形單元為原點，可簡化局部光場計算，實現單個圖形 CD 均勻性與邊緣精度的精細優化；全局坐標系以整個曝光視場為基準，能分析全視場偏振像差的空間分布差異，實現全視場二維圖形成像均勻性的全局優化。
展開 光刻技術第5期 | 二維矢量光刻成像
01/簡介
光刻技術，作為半導體芯片制造的“靈魂工序”，直接決定芯片的制程精度與性能上限，更是全球半導體產業競爭的核心制高點。當制程節點邁入5nm及以下的精微領域，芯片關鍵尺寸已逼近原子級別，傳統標量成像理論因無法精準捕捉光的偏振特性對成像精度的影響，已難以滿足關鍵尺寸均勻性（CDU）的嚴苛要求，制程升級陷入瓶頸。
在此背景下，二維矢量光刻成像模型應勢而生，憑借對矢量光場與偏振像差的精準把控，成功突破衍射極限，成為先進邏輯芯片制造的核心技術支撐，為7nm、5nm乃至3nm制程的落地注入強勁動力，推動半導體產業實現跨越式發展。
矢量光刻成像模型
二維矢量光刻成像流程簡潔高效且精準可控，每一步都經過嚴苛的技術打磨：光源經定制化照明系統進行勻光、偏振調控后，均勻照射在高精度掩模上，掩模上的二維圖形會對入射光進行選擇性衍射；衍射出的光進入高數值孔徑物鏡系統后，系統會在入瞳與出瞳處通過特殊光學結構完成偏振態、相位及振幅的精準調控，濾除無效雜光，保留有效成像光；最終，經過調控的光在硅片像面精準匯聚，實現高保真成像。
整個過程中，掩模圖形的最終成像光強，由不同照明出瞳點照射形成的像光強疊加而成，這種疊加機制確保了即使在大視場曝光場景下，圖形的邊緣精度與內部均勻性也能得到雙重保障，有效避免了傳統光刻中“邊緣模糊、中心失真”的問題。
02/構造模型
1.物方衍射遠場：
采用傅里葉變換技術，將掩模表面復雜的光場分布轉化為物方衍射遠場Efar，分離不同偏振方向的光場分量特征。而近場光場的形成直接與入射照明光的偏振態有關，通過提前調控照明光偏振方向，可針對性強化關鍵圖形的光場信號。
展開 光刻技術第6期 | 三維嚴格矢量光刻成像
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。
展開 光刻技術第7期 | 二維與三維矢量成像模型對比-零波像差雙遠心成像
光刻成像模型中x-y坐標系和i-j坐標系示意圖
在二維矢量成像模型中，光瞳面的瓊斯矩陣（二維形式）可以轉換為3×3的矩陣（適配三維分析）：只需借助入瞳側轉換矩陣T?與出瞳側轉換矩陣T?，將這兩個矩陣與瓊斯矩陣依次結合，即可得到對應的三維矩陣。
而這兩個轉換矩陣的參數，由入瞳、出瞳處衍射光的方向余弦決定（比如入瞳的α?、β?、γ?，出瞳的α?、β?、γ?）——這些方向信息是實現二維到三維矩陣轉換的關鍵支撐。
坐標系一致性與矩陣等價條件
?物方坐標系一致性：若光刻成像模型中各級次衍射光從物面到入瞳面的i-j坐標系，與光線追跡中對應光線在第一個面前的i-j坐標系一致，則Oo與To相等；否則不相等。
?像方坐標系一致性：若各級次衍射光從出瞳面到像面的i-j坐標系，與光線追跡中對應光線在最后一個面后的i-j坐標系一致，則Oi與Ti相等；否則不相等。
零像差雙遠心物鏡下的一致性
當采用零像差雙遠心物鏡時，二維矢量成像模型的假設成立：
?成像模型中入瞳面各級衍射光傳播方向與光線追跡中對應光線在第一個面前的傳播方向相同；
?出瞳面各級衍射光傳播方向與光線追跡中對應光線在最后一個面后的傳播方向相同。
因此，成像模型中各級次衍射光在物方和像方的i-j坐標系，與光線追跡中對應光線的i-j坐標系相同，即Oo與To、Oi與Ti相等，三維矢量成像模型和二維矢量成像模型仿真結果相同。
03/先進技術與未來發展方向
1. 先進制程與新光源適配升級
面向3nm及以下節點，開發EUV光刻雙遠心物鏡適配的三維矢量模型，深化極紫外光與遠心偏振光路的耦合作用機制研究。針對高NA雙遠心物鏡（NA>1.5），構建“遠心度-偏振態-深度衍射”多物理量耦合模型，解決超高清三維圖形的成像畸變問題。
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光刻技術第8期 | 二維與三維矢量成像模型對比-零波像差非雙遠心成像
當物鏡所成像不在無限遠處時，光線經過出瞳面后，其傳播方向在 z 軸上的方向余弦可以表示為：由橫向方向余弦（kx,ky）推導得出的平方根形式，具體會關聯到像面與出瞳面的位置參數（α?、α?、β?、β?）。
而在偏振光學的計算中，三維偏振光線矩陣與瓊斯矩陣之間，可通過入射光學系統的瓊斯矩陣（J）、入瞳面偏振矩陣（O?）、出瞳面偏振矩陣（O?）的運算來實現轉換。
先進技術與未來發展方向
面向3nm及以下節點，開發EUV非雙遠心適配模型，深化極紫外光與矢量光場耦合機制研究；結合Transformer架構與FPGA加速，實現毫秒級動態光場仿真，搭建數字孿生系統實時調整參數；跨場景拓展：拓展至生物芯片、量子芯片光刻，構建多材質適配模型，支撐全鏈路工藝優化。
展開 光刻技術第15期 | 矢量SMO數值計算與分析-最佳焦面處的成像性能
01/簡介
隨著集成電路制程向先進節點迭代，光刻成像的焦面精度對圖形保真度的影響愈發顯著，最佳焦面處的成像性能直接決定芯片制造良率。光源-掩模協同優化（SMO）作為分辨率增強核心技術，其矢量模型因能精準刻畫偏振、三維掩模衍射等效應，成為先進制程優化的關鍵工具，而數值計算的精度與分析深度則是發揮其效能的核心前提。
本文聚焦最佳焦面成像性能，通過搭建標準化仿真條件，開展矢量SMO數值計算；結合多維度性能指標對比仿真結果，明確不同SMO技術的適配場景；基于批量測試驗證技術穩定性，最終形成系統的矢量SMO數值計算與性能評估體系，為先進光刻工藝優化提供支撐。
02/仿真條件
密集線條（CD=45nm，占空比1:1）、193nm波長、NA=1.2浸沒式光刻、Y偏振照明，所有掩模尺寸為4020nm4020nm，掩模上的像素尺寸為20nm20nm。迭代總次數為150次。
03/仿真結果及其性能指標對比
采用密集線條作為目標圖形的仿真結果，并對比SO、MO、SISMO、SESMO、HSMO五種不同的RET。圖中第一列為光源圖形，從黑色到白色代表[0,1]的連續光強區間；第二列為掩模圖形，黑色和白色分別代表阻光區域和透光區域；第三列為光刻膠中的成像。
圖(b)為目標圖形。圖形是CD=45mm，占空比為1：1的密集線條圖形。
下圖展示了不同技術對密集線條圖形的仿真結果，通過PAE（成像誤差）指標對比各技術的成像保真度提升效果。
各技術中，HSMO的PAE最低，成像保真度提升效果最顯著。
展開 光刻技術第9期 | 二維與三維矢量成像模型對比-含相差物鏡的應用
在上述仿真條件下，利用三維矢量成像模型計算空間像的相對強度分布，并與二維矢量成像模型計算的空間像相對強度分布對比。二維和三維矢量成像模型仿真結果的差異如圖所示。
二維和三維矢量成像模型仿真結果的差異
結論：在某些仿真條件下，兩模型仿真結果差異并不明顯。
03/先進技術與未來發展方向
針對球差、彗差及偏振像差等，構建“像差-矢量光場-深度衍射”耦合模型，采用瓊斯矩陣與澤尼克多項式聯合表征像差介導的偏振演化，結合嚴格耦合波分析（RCWA）精準計算厚掩模衍射，14nm節點三維圖形CD預測誤差可以≤3.5nm；開發像差權重動態分配算法，聚焦高影響像差區域優化，通過光源-掩模-像差協同調控，可以將像差導致的CD偏差從15nm降至4nm。
展開 GLAD：光刻成像系統的建模
光源被成像到中繼鏡的光瞳中。光束在物體掩模處會聚，在中繼透鏡的光瞳處形成點像。在中繼透鏡的瞳孔處，多條條紋圖案將形成一個中心波瓣和側波瓣。如下圖所示：
概述
三柵條圖樣的部分相干成像
模擬結果
本例介紹了如何采用全局衍射分析對部分相干進行建模。如上圖所示，整體裝置是一個科勒照明系統，其中有一個聚光元件能夠將非相干光源的光進入轉像透鏡的孔徑中。在一個經典的科勒照明系統中，點光源通過一個聚光鏡成像在轉像系統的光瞳中。光源照亮物體掩膜面，并在最后的成像面上得到適當的放大。為了對光束合理采樣，光源放在物的共軛點處，這樣在光源面上，點光源將是有一定維度的，而不是像理想點光源那樣，會引起混沌。對一個具有一定尺寸的光源，它所成的像就是部分相干的。如果光源足夠大，大到可以填滿轉像透鏡的孔徑的話，所成的像將是非相干的。
系統描述
?
部分通過旁瓣會產生部分解析
?
寬條產生較窄的旁瓣，更容易通過中繼入口瞳孔
?
窄條產生寬的旁瓣，僅部分通過中繼入口瞳孔
?
掩模上的條形圖案在中繼瞳孔中產生旁瓣
展開 GLAD：光刻成像系統的建模
光源被成像到中繼鏡的光瞳中。光束在物體掩模處會聚，在中繼透鏡的光瞳處形成點像。在中繼透鏡的瞳孔處，多條條紋圖案將形成一個中心波瓣和側波瓣。如下圖所示：
? 掩模上的條形圖案在中繼瞳孔中產生旁瓣
? 窄條產生寬的旁瓣，僅部分通過中繼入口瞳孔
? 寬條產生較窄的旁瓣，更容易通過中繼入口瞳孔
? 部分通過旁瓣會產生部分解析
系統描述
本例介紹了如何采用全局衍射分析對部分相干進行建模。如上圖所示，整體裝置是一個科勒照明系統，其中有一個聚光元件能夠將非相干光源的光進入轉像透鏡的孔徑中。在一個經典的科勒照明系統中，點光源通過一個聚光鏡成像在轉像系統的光瞳中。光源照亮物體掩膜面，并在最后的成像面上得到適當的放大。為了對光束合理采樣，光源放在物的共軛點處，這樣在光源面上，點光源將是有一定維度的，而不是像理想點光源那樣，會引起混沌。對一個具有一定尺寸的光源，它所成的像就是部分相干的。如果光源足夠大，大到可以填滿轉像透鏡的孔徑的話，所成的像將是非相干的。
模擬結果
三柵條圖樣的部分相干成像
兩組七柵條圖樣建模對比
展開 GLAD：光刻成像系統的建模
光源被成像到中繼鏡的光瞳中。光束在物體掩模處會聚，在中繼透鏡的光瞳處形成點像。在中繼透鏡的瞳孔處，多條條紋圖案將形成一個中心波瓣和側波瓣。如下圖所示：
? 掩模上的條形圖案在中繼瞳孔中產生旁瓣
? 窄條產生寬的旁瓣，僅部分通過中繼入口瞳孔
? 寬條產生較窄的旁瓣，更容易通過中繼入口瞳孔
? 部分通過旁瓣會產生部分解析
系統描述
本例介紹了如何采用全局衍射分析對部分相干進行建模。如上圖所示，整體裝置是一個科勒照明系統，其中有一個聚光元件能夠將非相干光源的光進入轉像透鏡的孔徑中。在一個經典的科勒照明系統中，點光源通過一個聚光鏡成像在轉像系統的光瞳中。光源照亮物體掩膜面，并在最后的成像面上得到適當的放大。為了對光束合理采樣，光源放在物的共軛點處，這樣在光源面上，點光源將是有一定維度的，而不是像理想點光源那樣，會引起混沌。對一個具有一定尺寸的光源，它所成的像就是部分相干的。如果光源足夠大，大到可以填滿轉像透鏡的孔徑的話，所成的像將是非相干的。
模擬結果
三柵條圖樣的部分相干成像
兩組七柵條圖樣建模對比
展開 光刻技術第2期 | 光刻中的OPC技術
SRAF的應用效果高度依賴參數控制：輔助圖形的放置位置需避開主圖形關鍵區域，尺寸需嚴格匹配光刻系統特性，避免因光照干擾導致主圖形失真。通過合理設計SRAF，可有效改善不同圖形密度下的曝光一致性，減少稀疏圖形與密集圖形的成像差異，是提升整體光刻性能、保障芯片全域圖形質量的重要技術補充。
04/OPC的工作原理與主要方法
OPC的核心工作原理是通過對掩模版布局的精準調整，補償光刻過程中光線的非理想傳播特性。其核心邏輯為“偏差預測-反向修正”：借助專業軟件計算仿真，提前預判光刻曝光后晶圓上可能出現的圖形偏差，再根據預判結果對原始掩模圖形進行反向修正，最終使晶圓上的實際成像結果盡可能貼合設計目標。
從技術演進來看，OPC主要形成了兩種核心修正方法：
一是基于規則的修正。該方法依賴工程師預先制定的固定修正規則表，針對特定圖形尺寸、線間距等場景自動匹配修正方案。其優勢在于操作簡便、計算效率高，在早期技術節點（圖形結構相對簡單）中得到廣泛應用，但隨著芯片圖形復雜度提升，固定規則難以覆蓋所有失真場景，修正精度逐漸無法滿足需求。
二是基于模型的修正。作為當前先進技術節點的主流方法，它通過構建完整的光刻工藝仿真模型，對光源、光學系統、光刻膠顯影等全流程進行模擬，以邊緣放置誤差（EPE）為核心評價指標開展迭代修正——通過反復調整掩模圖形并仿真驗證，持續縮小實際圖形與設計圖形的EPE，最終實現高精度圖形還原，完美適配復雜圖形與先進制程的需求。
展開 
光刻技術第1期 | 計算光刻技術介紹
從技術發展脈絡來看，OPC技術已完成從“基于規則”到“基于模型”的迭代升級。早期基于規則的OPC技術，主要依賴工程師預設的固定規則表對特定圖形進行標準化修正，這種方式雖操作簡便，但面對復雜圖形時校正精度有限，難以適配特征尺寸不斷縮小的工藝需求。而當前主流的基于模型的OPC技術，通過構建完整的光刻系統仿真體系實現了精度突破——其不僅建立了涵蓋光源、鏡頭、掩膜等核心要素的光學成像模型，還融入了光刻膠曝光、顯影全過程的物理化學模型，通過軟件仿真模擬光刻全流程，從而實現對圖形誤差的精準預測與校正。
該技術的核心體系涵蓋光學成像物理仿真、光學鄰近效應校正以及光源-掩膜協同優化等關鍵技術。其作用機制在于，通過專業軟件對光刻系統的核心元素（包括光源、掩膜版、光學鏡頭等）進行精準模擬與參數優化，從技術層面助力光刻機突破硬件限制，更精準地刻蝕芯片的微小結構。最終，這一技術不僅實現了光刻分辨率的顯著提升，還有效保障了芯片生產的良率，為集成電路向更小特征尺寸發展提供了核心支撐。上述兩項關鍵技術與光學成像物理仿真等技術相互協同，形成“模擬-優化-校正”的完整技術鏈條。通過專業軟件對光刻系統光源、掩膜版、光學鏡頭等核心元素進行全流程精準模擬與參數優化，從軟件層面突破光刻機硬件性能限制，助力其更精準地刻蝕芯片微小結構，最終實現光刻分辨率與芯片生產良率的雙重提升，為集成電路向更小特征尺寸迭代提供核心技術支撐。
03/先進技術與未來發展方向
反向光刻技術（ILT）是計算光刻的前沿發展方向，其核心邏輯是在既定工藝條件下，以光刻目標圖形為已知量，反向求解適配的掩膜圖形。與傳統技術僅修正設計圖形不同，ILT直接以晶圓需實現的圖形為目標，通過復雜數學計算反演生成理想掩膜圖形，可顯著提升成像對比度。
展開 光刻技術第3期 | 光刻中的SMO技術
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</figure><p><br></p><p class="ql-align-justify"><br></p><p class="ql-align-justify"><br></p><p><strong>02/SMO的基本概念與必要性</strong></p><p><br></p><p>光源掩模協同優化（SMO）是面向極小尺寸圖形光刻的核心分辨率增強技術，核心目標是通過同步優化光刻工藝中的光源與掩模參數，改善超小尺寸技術節點的光刻工藝窗口與光學成像表現。</p><p><br></p><p>在28納米及以上技術節點，光刻工藝通常采用環形、雙極型等固定形狀光源，光學鄰近效應校正（OPC）技術僅需基于既定光源對掩模形狀進行修正，即可滿足工藝需求。但當技術節點推進至14納米及以下時，圖形尺寸逼近193納米浸沒式光刻的物理極限，傳統固定光源已無法提供足夠工藝窗口，此時SMO技術成為破解這一瓶頸的有效方案。
展開 是DUV光刻機！ASML澄清中芯國際批量購買協議：只與DUV光刻技術有關，細說DUV和EUV光刻區別
當然除了浸潤式光刻和多重曝光，還有很多技術可以幫助進一步減小半導體制造工藝中的關鍵尺寸。但是比起用各種技術優化，直接更換光源會有較大的提升
，即從波長為193nm的DUV光刻機換成波長大致為13.5nm的EUV光刻機。
一臺光刻機由上萬個部件組成，有人形容稱這是一種集合了數學、光學、流體力學、高分子物理與化學、表面物理與化學、精密儀器、機械、自動化、軟件、圖像識別領域頂尖技術的產物。
在全球范圍內，光刻機市場幾乎被 3 家廠商瓜分：荷蘭的阿斯麥（ASML）、日本的尼康（Nikon）和佳能（Canon）。
在這 3 家中，ASML 又是當之無愧的一哥。據中銀國際報告，阿斯麥全球市場市占率高達 89%，其余兩家的份額分別是 8% 和 3%，加起來僅有 11%。在 EUV 光刻機市場中，ASML 的市占率則是100%。
雖然目前中國對于光刻機的制造幾乎還在起步階段。但近年來，國家加大了對半導體行業的投入。
2019 年 4 月，武漢光電國家研究中心甘棕松團隊，采用二束激光，在自研的光刻膠上，突破光束衍射極限的限制，并使用遠場光學的辦法，光刻出最小 9nm 線寬的線段。
2020 年初，中科院對外宣稱已經攻克了 2nm 工藝的難題，相關研究成果已經發布到國際微電子器件領域的期刊當中。
展開 光刻技術第21期 | BCS計算光刻理論
01/簡介
隨著集成電路制程持續向3nm及以下節點突破，光刻系統中的光學衍射、掩模三維效應與光致抗蝕劑非線性響應形成強耦合，使光源-掩模優化、光學鄰近校正等核心環節面臨“精度-效率-魯棒性”三重挑戰。
傳統線性壓縮感知技術因難以刻畫光刻系統的復雜非線性映射，優化結果易出現工藝窗口收縮；經典貝葉斯方法雖具備統計建模優勢，但固定先驗分布無法適配多樣化光刻圖形，導致最優信號估計精度不足。在此背景下，融合貝葉斯統計與壓縮感知的BCS（Bayesian Compressed Sensing）計算光刻理論應運而生，成為破解上述瓶頸的關鍵理論支撐。
BCS計算光刻理論的核心優勢在于通過統計建模與稀疏優化的協同，實現光刻系統的精準調控，其技術體系圍繞三大關鍵模塊構建：BCS問題模型作為理論基礎，通過融入光刻物理機理建立稀疏信號與觀測數據的關聯，突破線性模型的適配局限；
先驗分布與邊緣概率密度建模為統計推斷提供依據，動態適配不同圖形特征的稀疏性規律，提升模型魯棒性；最優信號估計與迭代優化則為工程化求解提供路徑，通過高效迭代算法實現精度與效率的平衡。本文聚焦BCS計算光刻理論體系，系統解析各核心模塊的構建邏輯與內在關聯，闡明其在光刻優化中的作用機理，為先進計算光刻技術的工程化應用提供理論支撐。
在先進制程光刻的光源優化中，貝葉斯壓縮感知（BCS）光源優化技術是實現“少測量、高精度、易制造”光源的核心支撐——它以概率統計與先驗約束為核心，讓光源信號的重構既高效又貼合實際工藝需求。
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