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光掩模光掩模，也叫半導(dǎo)體光罩，是半導(dǎo)體光刻工藝中的高精密工具，主要由基板和不透光材料組成，起到光刻機(jī)與大硅片的橋梁和紐帶作用。從規(guī)模看，光掩膜僅約占芯片總成本的13%，其價(jià)值遠(yuǎn)低于占比38%的硅片，關(guān)注度更是與硅片相去甚遠(yuǎn)。但小小的光掩膜價(jià)值卻非比尋常，它不僅是芯片制造中必不可少的核心材料之一，其質(zhì)量的好壞更是直接決定芯片最終的性能。全球領(lǐng)先的光掩模制造商的總部也大多設(shè)在日本。

點(diǎn)擊藍(lán)字 關(guān)注我們 01/簡(jiǎn)介隨著集成電路制程向3nm及以下先進(jìn)節(jié)點(diǎn)演進(jìn)，光刻成像系統(tǒng)中的光學(xué)衍射、掩模三維效應(yīng)與光致抗蝕劑非線性響應(yīng)相互疊加，使光源-掩模協(xié)同優(yōu)化（SMO）成為保障圖形保真度與芯片良率的核心技術(shù)。

01/簡(jiǎn)介隨著集成電路制程向3nm及以下節(jié)點(diǎn)突破，光刻系統(tǒng)的光學(xué)畸變、掩模三維衍射及光致抗蝕劑非線性響應(yīng)等效應(yīng)疊加，使光源-掩模協(xié)同優(yōu)化（SMO）成為保障成像精度的核心技術(shù)。

這套厚掩模衍射下的光刻成像理論，是先進(jìn)制程中厚掩模場(chǎng)景“高精準(zhǔn)光刻”的核心認(rèn)知支撐，為厚掩模光刻的優(yōu)化與落地提供了清晰的理論依據(jù)。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(xué)系統(tǒng)入瞳面到出瞳面之間各級(jí)衍射光偏振態(tài)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(biāo)點(diǎn)的三維偏振追跡矩陣組成三維偏振像差，可通過(guò)光線追跡程序獲取。

這允許統(tǒng)一設(shè)置2D和3D的掩模模擬項(xiàng)目。由于光線從基板下方進(jìn)入，光線的傳輸方向?yàn)?Z方向。 相位分布如下圖所示： 相移區(qū)域的影響清晰可見，導(dǎo)致開口上方光束的180度相位差。同時(shí)光場(chǎng)的S和P分量也顯示出相位差：

這允許統(tǒng)一設(shè)置2D和3D的掩模模擬項(xiàng)目。由于光線從基板下方進(jìn)入，光線的傳輸方向?yàn)?Z方向。 相位分布如下圖所示： 相移區(qū)域的影響清晰可見，導(dǎo)致開口上方光束的180度相位差。同時(shí)光場(chǎng)的S和P分量也顯示出相位差：

優(yōu)化后的入耦合光柵為鋸齒形結(jié)構(gòu)，鍍銀層后非偏振光平均衍射效率達(dá)0.747，為整個(gè)波導(dǎo)系統(tǒng)提供了高效的光耦合能力。圖4 （a）入射耦合光柵結(jié)構(gòu)示意圖；（b）入射耦合光柵衍射耦合效率Zemax精準(zhǔn)驗(yàn)證隨機(jī)掩模光柵的成像性能在隨機(jī)掩模光柵的設(shè)計(jì)中，掩模的隨機(jī)分布是否會(huì)影響成像質(zhì)量，是方案可行性的關(guān)鍵驗(yàn)證點(diǎn)。

而近場(chǎng)光場(chǎng)的形成直接與入射照明光的偏振態(tài)有關(guān)，通過(guò)提前調(diào)控照明光偏振方向，可針對(duì)性強(qiáng)化關(guān)鍵圖形的光場(chǎng)信號(hào)。這一技術(shù)使掩模光場(chǎng)的捕捉精度達(dá)到0.1nm級(jí)別，即使面對(duì)納米級(jí)的掩模圖形細(xì)節(jié)，也能完整保留光場(chǎng)特征，為后續(xù)成像奠定了極致精準(zhǔn)的基礎(chǔ)。

因此，無(wú)掩模光刻的發(fā)展方向之一就是對(duì)“數(shù)字掩模”的空間光場(chǎng)進(jìn)行像素化的多自由度(如振幅、相位、偏振、空間位置等)調(diào)制，并且結(jié)合已有的移相掩模、光學(xué)臨近修正、多重曝光技術(shù)、反演計(jì)算光刻技術(shù)等分辨增強(qiáng)技術(shù)，在增強(qiáng)打印分辨率的同時(shí)提高圖形制備的保真度并減小光刻圖形的畸變。圖14 微納3D打印的最小線間距結(jié)構(gòu)。

同時(shí)光場(chǎng)的S和P分量也顯示出相位差:在項(xiàng)目文件中，設(shè)置傅里葉變換后處理，得到掩模的透射衍射階數(shù):

二維矢量成像模型雖能滿足平面圖形的偏振態(tài)表征需求，卻因忽略深度方向光場(chǎng)耦合與厚掩模衍射效應(yīng)，無(wú)法適配三維堆疊圖形的成像預(yù)測(cè)。三維矢量成像模型通過(guò)全空間矢量光場(chǎng)建模，可精準(zhǔn)捕捉雙遠(yuǎn)心光路下三維偏振演化與深度衍射規(guī)律，成為破解該瓶頸的關(guān)鍵。本文以零波像差雙遠(yuǎn)心成像為視角，對(duì)比二維與三維矢量模型的適配性差異，重點(diǎn)聚焦三維模型的應(yīng)用機(jī)理，為先進(jìn)三維制程光刻精度提升提供理論支撐。

然而，當(dāng)優(yōu)化對(duì)象轉(zhuǎn)向掩模時(shí)，線性CS理論的局限性愈發(fā)凸顯——掩模圖形的像素級(jí)調(diào)控與光刻成像之間存在顯著的非線性映射關(guān)系，這種非線性源于掩模三維衍射、光致抗蝕劑化學(xué)反應(yīng)等多物理效應(yīng)疊加，導(dǎo)致線性模型難以精準(zhǔn)刻畫優(yōu)化目標(biāo)與掩模參數(shù)的關(guān)聯(lián)，直接影響OPC的校正精度與SMO的協(xié)同優(yōu)化效能。

這反過(guò)來(lái)將需要在屏蔽抗蝕劑和底層材料、光掩模技術(shù)和計(jì)量方面取得進(jìn)步。 過(guò)去五年來(lái)，兩家公司一直在技術(shù)上合作：ASML、imec 將 EUV 光刻技術(shù)提升到高數(shù)值孔徑。

同時(shí)光場(chǎng)的S和P分量也顯示出相位差:在項(xiàng)目文件中，設(shè)置傅里葉變換后處理，得到掩模的透射衍射階數(shù):

在光刻工藝中，光刻機(jī)光學(xué)系統(tǒng)本身存在一定局限性，加之光路傳播過(guò)程中不可避免地會(huì)發(fā)生衍射與干涉現(xiàn)象，導(dǎo)致曝光在晶圓上的圖形與掩模版原始設(shè)計(jì)圖形出現(xiàn)明顯偏差。常見的失真表現(xiàn)包括線端縮短、線寬變窄、直角圖形被圓化等。

圖中第一列為光源圖形，從黑色到白色代表[0,1]的連續(xù)光強(qiáng)區(qū)間；第二列為掩模圖形，黑色和白色分別代表阻光區(qū)域和透光區(qū)域；第三列為光刻膠中的成像。圖(b)為目標(biāo)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(shù)對(duì)密集線條圖形的仿真結(jié)果，通過(guò)PAE（成像誤差）指標(biāo)對(duì)比各技術(shù)的成像保真度提升效果。

以下分別采用SD算法和CG為例，說(shuō)明HSMO的優(yōu)化流程： 采用SD算法的HSMO流程圖 采用CG算法的HSMO流程圖04/光源后處理（提升可制造性）像素化SMO技術(shù)能夠?qū)γ總€(gè)光源點(diǎn)的光強(qiáng)進(jìn)行優(yōu)化，雖然具有較高的優(yōu)化自由度，但也會(huì)導(dǎo)致光源圖形較為復(fù)雜。研究表明，當(dāng)光源的光瞳填充率過(guò)大時(shí)會(huì)減小光刻PW。

矢量成像模型憑借對(duì)光場(chǎng)偏振態(tài)、矢量傳播及復(fù)雜界面相互作用的精準(zhǔn)刻畫，成為先進(jìn)制程OPC技術(shù)的核心支撐，而矢量OPC優(yōu)化算法的性能則直接決定了掩模修正的精度、效率及最終光刻良率，其技術(shù)突破已成為集成電路制造領(lǐng)域的關(guān)鍵研究課題。

模擬結(jié)果2 擴(kuò)散器系統(tǒng)產(chǎn)生的光圖樣強(qiáng)度分布傳輸器提取2 雙擊光路徑圖中的Stored Transmission打開編輯對(duì)話框傳輸器(transmission)提取2 點(diǎn)擊Show按鈕顯示光路中的transmission.

二維矢量成像模型雖能表征平面圖形偏振態(tài)，卻因忽略深度光場(chǎng)耦合、厚掩模衍射及視場(chǎng)-深度耦合效應(yīng)，無(wú)法精準(zhǔn)預(yù)測(cè)三維圖形成像質(zhì)量。三維矢量成像模型通過(guò)全空間矢量光場(chǎng)建模，可精準(zhǔn)捕捉非雙遠(yuǎn)心光路下三維偏振演化與深度衍射規(guī)律，成為破解瓶頸的關(guān)鍵。本文以零波像差非雙遠(yuǎn)心成像為視角，對(duì)比二維與三維模型適配性，重點(diǎn)聚焦三維模型應(yīng)用機(jī)理，為先進(jìn)三維制程光刻精度提升提供支撐。