计算光刻技术的发展

计算光刻 (Computational Lithography)技术是指利用计算机辅助技术来增强光刻工艺中图形转移保真度的一种方法，它是分辦率增强技术(ResolutionEnhancement Technology，RET)的延伸，其关键技术主要包括光学成像物理仿真、光学邻近效应校正 (Optical Proximity Correction,OPC)、光源-掩模协同优化 (Source-Mask Optimization， SMO） 等。三种计算光刻技术的对比见表。

光刻技术	光刻成 像物理仿真	光学邻近效应校正	光源—掩膜协同优化
核心模型	衍射/干涉成像模型	快速成像模型	混合模型
输入量	光刻机及光刻工艺各相关参数	掩膜版图	光瞳填充参数 初始掩膜版图
输出量	光刻成像效果	修正的掩膜版图	优化的光瞳填充参数 修正后掩膜版图
用途	涉及并调整光刻机参数 优化光刻工艺参数	补偿图形失真	增大工艺窗口

双曝光和多次曝光技术中所需要的图形分割和组合计算也被纳人广义的OPC 技术范畴。计算光刻技术通过光刻仿真计算等方法预测目标硅片上形成的图形，再反馈调整和优化掩模版图形及光刻工艺条件，其目标是结合光刻设备及工艺状况将电路设计图形更真实地转移到硅片上。计算光刻技术在 DFM(Design for Manufacturability）或 DTCO ( Design and Technology Co-oplimization)中发择着巨大的作用。

光刻成像物理仿真是指利用 Abbe 成像模型，通过依次计算掩模衍射、光瞳调制、干涉成像，仿真最终光刻效果的技术。其中，光刻机的各项技术参数（如离焦、波像差、偏振等）、光刻胶的光学参数（如膜系构成、各层的折射率和吸收系数等）都表达在一个统一的瞳面方程中，用于计算光瞳调制效果。将各项工艺参数（如光化学反应参数、显影参数等）加载到光刻胶上的空间光强分布中，从而计算出最终的工艺效果。在光刻机的开发过程中，光刻成像物理仿真可用于设备参数的设计优化，指导性能调试；在光刻工艺的开发过程中，光刻成像物理仿真常用于确定量产工艺的设备、工艺初始参数配置，并在配置参数的优化过程中进行光刻效果的趋势分析。

光学邻近效应校正（OPC）技术是一种用于修正光刻后图形缺陷和变形的光刻增强技术，也是目前在集成电路制造中广泛应用的分辨率增强技术。当半导体器件最小线宽接近光源波长时，由于光学邻近效应的影响，光刻后转移到硅片上的图形相对掩模版的图形存在变形和缺陷，如尺寸缩短、线顶端缩短、边角圆化等，而且这种效应随工艺节点的微缩越来越严重。光学邻近效应校正技术使用计算机仿真计算修改掩模版图形，使得转移到硅片上的图形逼近目标图形。

OPC 技术的原理是，将光刻形成的最终图形与设计图形进行对比，对因邻近效应而产生的图形缺陷和变形在掩模版制作过程中进行相应的补偿，并建立补偿规则库或补偿模型。在更先进的技术中还要考虑刻蚀的影响，经过多次的补偿迭代，使得最终在晶圆上形成的物理图形与设计图形或目标图形尽量接近，以保证器件和电路的正常工作。建立补偿规则库的方式被称为基于规则的 OPC (Rule-based OPC)技术，一般应用于0.18um 及之前的技术代；建立补偿模型的方式被称为基于模型的 OPC (Model-based OPC)技术，一般应用于 0.13um 及之后的技术代。

光源-掩模协同优化技术采用类似于光线追踪算法的思路，从需要成型的目标图像进行反推计算，以获得所需的最佳掩模版图形和光源配置方案。该技术利用精确的成像模型，计算不同光瞳填充参数及掩模版图修正量下的光刻成像效果，通过对光瞳填充参数及掩模版图的优化调整，增大光刻工艺窗口。在实施过程中，光刻成像物理仿真技术及光学邻近效应校正技术被结合使用，分别对光曈填充参数及掩模版图修正量对最终光刻效果的影响，通过多次迭代，得到总体最优的光瞳填充参数及掩模版图修正量，在提高光刻成像对比度的同时，补偿图形失真，最终增大光刻工艺窗口。

计算光刻的发展使得现有的深紫外浸没式光刻机极限能够突破业界此前的预测。目前看来，至少可满足 14~10um 技术代的光刻需求，为 EUV 光刻技术更为成熟争取了时间。计算光刻技术提高了光刻工艺的分辦率及图像保真性，但也给电路设计带来了更多限制，使得设计规则 （Design Rules），更为复杂。此外，计算光刻在集成电路制造技术研发过程中的计算量非常大，需要用到大量的EDA 软件和 CPU 硬件资源，为了开发一代 14nm 以下节点的工艺技术，制造企业必须建立一个类似超级计算中心的计算光刻平台。

审核编辑：彭静