1 北京理工大学光电学院，光电成像与系统教育部重点实验室，北京 100081
2 中国科学院微电子研究所先导工艺研发中心，北京 100029
3 中国科学院大学微电子学院，北京 100049
光刻是将集成电路器件的结构图形从掩模转移到硅片或其他半导体基片表面上的工艺过程，是实现高端芯片量产的关键技术。在摩尔定律的推动下，光刻技术跨越了90~7 nm及以下的多个工艺节点，逐步逼近其分辨率的物理极限。同时，光刻系统的衍射受限特性，以及各类系统像差、误差和工艺偏差，都会严重影响光刻成像精度。此时，必须采用计算光刻技术来提高光刻成像分辨率和图形保真度。计算光刻是涉及光学、半导体技术、计算科学、图像与信号处理、材料科学、信息学等多个专业的交叉研究领域。它以光学成像和工艺建模为基础，采用数学方法对光刻成像过程进行全链路的仿真与优化，实现成像误差的高精度补偿，能够有效提升工艺窗口和芯片制造良率，降低光刻工艺的研发周期与成本，目前已成为高端芯片制程的核心环节之一。本文首先简单介绍了计算光刻的前身，即传统的分辨率增强技术，在此基础上介绍了计算光刻的基本原理、模型和算法。之后对光学邻近效应校正、光源优化和光源掩模联合优化三种常用的计算光刻技术进行了综述，总结了相关的研究进展、成果和应用。最后，阐述了计算光刻当前所面临的需求与挑战，并讨论了最新技术进展和未来发展方向。
激光与光电子学进展
2022, 59(9): 0922008
1 中国科学院 上海光学精密机械研究所 信息光学与光电技术试验室, 上海 201800
2 中国科学院大学, 北京 100049
扫描狭缝是步进扫描光刻机中控制曝光剂量的重要单元, 而扫描狭缝产生过大的刀口半影会影响曝光性能。首先, 根据步进扫描光刻机照明原理, 通过分析掩模面上光强分布与扫描狭缝刀口厚度及位置的相对关系, 推导出掩模面上刀口半影宽度的计算公式, 同时针对数值孔径NA为0.75的光刻机照明系统模型分别对非共面和共面扫描狭缝在掩模面上的刀口半影进行仿真分析; 研制了一种四刀口共面的高精度扫描狭缝装置, 不仅满足步进扫描光刻机的同步性能需求, 并且有效减小了X向和Y向的刀口半影; 最后对所研制的扫描狭缝动态性能以及掩模面上实际刀口半影进行了测试。结果表明, 当最大扫描速度达到470 mm/s时, 扫描刀口动态跟随误差始终在±30 μm 以内, 同时两个方向的刀口半影均不超过0.5 mm, 满足90 nm分辨率步进扫描光刻机的需求。
光学光刻 步进扫描 扫描狭缝 同步 刀口半影 photolithography step-and-scan scanning slit synchronization penumbra of blades edge
1 中国科学院光电技术研究所应用光学研究室, 四川 成都 610209
2 中国科学院大学, 北京 100049
离轴照明(OAI)作为一种重要的分辨力增强技术(RET)，不仅可以提高光刻分辨力，而且对焦深(DOF)也有一定程度地改善。针对特定的掩模图形，采用何种离轴照明模式能最大程度地改善光刻成像性能是主要研究的内容。通过优化设计的方法来获得最佳照明模式，采用的优化算法为最速下降法，采用的评价函数为光刻工艺窗口。工艺窗口包含三个方面的信息：成像精确度、曝光度、焦深。通过空间像性能对这三个方面分别做了描述，并将这三个函数加权得到综合评价函数，这种描述方法避免了复杂的光刻胶模型，评价函数值能快速准确地被求解。求解不同权值下的最佳照明模式及该照明模式对应的实际工艺窗口大小，结果表明，空间像性能描述的评价函数能较好地反映实际工艺窗口的性能，合理选择权值，优化得到的照明模式对工艺窗口性能有较大改善作用。
成像系统 光学光刻 离轴照明 光源优化 激光与光电子学进展
2015, 52(10): 101101
1 中国科学院上海光学精密机械研究所, 上海 201800
2 中国科学院大学, 北京 100049
深紫外(DUV)光刻机照明系统普遍采用衍射光学元件(DOE)实现光瞳整形。根据光刻机的指标要求，衍射光学元件应具有高衍射效率和高均匀性的特点。传统的相位恢复算法如Gerchberg-Saxton (GS)及其改进算法，一般只能通过降低均匀性来提高衍射效率，无法得到最优的解。而全局优化算法如模拟退火法、遗传基因法等需要大量的计算时间，难以实现像素数目多的深紫外DOE 的设计。为了克服上述困难，提出了一种基于GS的混合梯度下降算法，在迭代过程中对每次迭代的振幅进行加权反馈修正，在加快收敛速度的同时，减少误差，同时实现高效率和高信噪比。利用该算法对光刻需要的传统、四极照明光瞳、定制照明光瞳的DOE 进行了设计，结果表明，实现传统和四极照明光瞳的16阶量化相位DOE 的衍射效率均超过92%, 而非均匀性分别为3.98%和2.3%。实现定制照明光瞳的DOE 的衍射效率为91%，图形恢复误差为5.8%。该方法为获得高性能深紫外DOE 提供一条可行的途径。
光学设计 光学光刻 光瞳整形 衍射光学元件设计 部分相干光
1 西南科技大学理学院, 四川 绵阳 621010
2 四川大学物理科学与技术学院, 四川 成都 610065
随着器件特征尺寸的不断减小，传统光刻技术的加工分辨率受限于衍射极限已接近使用化技术的理论极限且成本过高。无掩模光刻技术是解决掩模价格不断攀升而引起成本过高的一种潜在方案，以成本低、灵活性高、制作周期短的特点在微纳加工、掩模直写、小批量集成电路的制作等方面有着广泛的应用。基于空间光调制器的无掩模光学光刻技术在提高分辨率和产出率方面取得了一定的进展，理论和实验上均取得了较好的效果。详细归纳介绍了基于空间光调制器的无掩模光学光刻技术的原理、特点以及研究进展。
光学制造 无掩模光学光刻 空间光调制器 波带片阵列光刻 表面等离子体激元 激光与光电子学进展
2012, 49(7): 070006
1 中国科学院电工研究所, 北京 100080
2 中国科学院研究生院, 北京 100039
3 北京理工大学, 北京 100081
在高数值孔径光学光刻中,成像光入射角分布在较大范围内,传统的单底层抗反膜不足以控制抗蚀剂衬底界面反射率(衬底反射率)。考虑照明光源形状以及掩模的影响,提出了一种新的双层底层抗反膜优化方法,依据各级衍射光光强求衬底反射率的最小权重平均值来配置膜层。针对传统掩模、衰减相移掩模以及交替相移掩模的情况,用该方法优化双层底层抗反膜。结果表明,如果成像时进入物镜光瞳的高阶光越多,高阶光光强越大,则掩模对底层抗反膜优化的影响越大。在某些成像条件下,如使用交替相移掩模实现成像,有必要在底层抗反膜优化中考虑掩模的影响。
光学光刻 衬底反射率 底层抗反膜(BARC) 高数值孔径
1 中国科学院电工研究所, 北京 100080
2 中国科学院研究生院, 北京 100039
3 北京理工大学, 北京 100081
高数值孔径光学光刻中,成像光分布在较大的入射角范围内,传统顶层抗反膜优化方法只对垂直光来减小光刻胶上表面反射率,难以保证光在整个入射角范围实现反射率最小。提出全入射角范围顶层抗反膜优化方法,即在入射角范围内实现光刻胶顶层抗反膜空气(或浸没液体)界面的最小平均反射率,并优化顶层抗反膜参量。结果表明,该方法能减小薄膜干涉引起的成像线宽(CD)变化,有效控制成像摇摆效应,增大顶层抗反膜透射率,提高横电和横磁偏振光透射率之比,从而提高扫描曝光系统的生产率,进一步改善成像衬比度。
光学光刻 摇摆线效应 高数值孔径 顶层抗反膜
1 中国科学院电工研究所, 北京 100083
2 中国科学院研究生院, 北京 100039
离轴照明和衰减型相移掩模作为重要的分辨力增强技术,不仅可以提高光刻的分辨力,同时还可以改善成像焦深,扩大光刻工艺窗口, 实现65～32 nm分辨成像。从频谱的角度分析了离轴照明和衰减型相移掩模对成像系统交叉传递函数和像场空间频率分布的影响,研究这两种技术的物理光学本质,由此进一步优化光学成像系统设计、分辨力增强技术和确定设备使用的参量。对分辨力增强技术的频谱分析研究表明,分辨力增强技术通过调整像场频谱分布,改善了光学光刻的图形质量。对于65 nm密集图形,离轴照明和相移掩模结合后可以使成像衬比度最高达到0.948,工艺窗口在5%曝光范围内焦深达到0.51 μm。
成像系统 光学光刻 分辨力增强技术 频谱分析
1 中国科学院光电技术研究所,微细加工光学技术国家重点实验室,四川,成都,610209
2 中国工程物理研究院电子工程研究所,中国,绵阳,621900
成像干涉光刻技术(IIL)具有干涉光刻技术(IL)的高分辨力和光学光刻技术(OL)产生任意形状集成电路特征图形的能力.在IIL中,按掩模图形的不同空间频率成份分区曝光,并使其在抗蚀剂基片上非相干叠加,得到高分辨抗蚀剂图形.本文在研究一般三次曝光IIL原理基础上,提出采用沿X轴正、负方向以及沿Y轴正、负方向偏置的双向偏置照明,分别曝光+X方向、-X方向、+Y方向、-Y方向的高空间频率分量并与垂直于掩模方向的低空间频率分量曝光相结合的五次曝光IIL.理论和计算模拟表明,该方法可以提高图形对比度和分辨力,并减小因调焦误差引起的图形横向位移误差,有利于改善抗蚀剂图形质量.
光学光刻 干涉光刻 成像干涉光刻 分辨力增强技术 双向偏置照明
1 四川大学物理系,成都,610064
2 中国科学院光电技术研究所微细加工光学技术国家重点实验室,成都,610209
基于部分相干成像和分数傅里叶变换,提出在投影光刻系统中,利用分数域滤波改善光刻图形质量的新方法.理论和模拟分析表明:在曝光成像系统中的适当位置加入分数域滤波器,能增强滤波操作的灵活性和效果,可更有效地改善光刻图形质量,为提高曝光系统的分辨力提供一种新的有效选择.
分数傅里叶域滤波 光学光刻 部分相干成像 瞳孔滤波
