2.6 计算光刻

光刻工艺过程可以用光学和化学模型，借助数学公式来描述。光照射在掩模版上发生衍射，衍射级被投影透镜收集并会聚在光刻胶表面，这一成像过程是一个光学过程；投影在光刻胶上的图案激发光化学反应，烘烤后导致光刻胶局部可溶于显影液，这是化学过程。计算光刻就是使用计算机来模拟、仿真这些光学和化学过程，从理论上探索增大光刻分辨率和工艺窗口的途径，指导工艺参数的优化 ^［11］ 。

计算光刻起源于20世纪80年代，一直是作为一种辅助工具而存在。从180 nm技术节点起，器件上最小线宽开始小于曝光波长，因此OPC必不可少，成为掩模版图案处理中的一个关键步骤。

计算光刻通常包括OPC、光源掩模协同优化（source mask optimization，SMO）技术、多重曝光技术（multiple patterning technology，MPT）、反演光刻技术（inverse lithography technology，ILT）四大技术，利用计算机建模、仿真和数据分析等手段，来预测、校正、优化和验证光刻工艺在一系列图案、工艺和系统条件下的成像性能。

OPC是一种通过调整光刻掩模版上透光区域图案的拓扑结构，或者在掩模版上添加细小的亚分辨辅助图案，使得在光刻胶中的成像结果尽量接近理想图案的技术。OPC技术也是一种通过改变掩模版透射光的振幅，进而对光刻系统成像质量的下降进行补偿的一种技术 ^［12］ 。

SMO仿真计算的基本原理与基于模型的OPC类似。对掩模版图案的边缘做移动，计算其与晶圆上目标图案的偏差，即边缘放置误差。在优化时模型中故意引入曝光剂量、聚焦度、掩模版上图案尺寸的扰动，计算这些扰动导致的晶圆上的像边缘放置误差。评价函数和优化都是基于边缘放置误差实现的。SMO计算出的结果，不仅包含一个像素化的光源，而且包括对输入设计做的OPC。由于光照参数和掩模版上的图案可以同时变化，优化计算的结果可能不是唯一的 ^［11］ 。

ILT也叫逆向光刻技术、反向光刻技术，是以晶圆上要实现的图案为目标，反演计算出掩模版上所需要图案的算法。即将OPC或SMO的过程看作逆向处理的问题，将光刻后的目标图案设为理想的成像结果，根据已知成像结果和成像系统空间像的变换模型，反演计算出掩模版图案 ^［13］ 。

多重曝光技术（MPT）是近几年来讨论最多的一种技术，以下展开具体介绍。

集成电路设计发展到超深亚微米，其特征尺寸越来越小，并趋近于曝光系统的理论极限，光刻后晶圆表面的成像将产生严重的畸变，即产生光学邻近效应（optical proximity effect）。随着光刻技术面临更高要求和挑战，人们提出了浸没式光刻（immersion lithography）、离轴照明（off axis illumination）、PSM等各种分辨率增强技术来改善成像质量，增强分辨率。

当前主流的数值孔径为1.35的193 nm浸没式光刻机能够提供36～40 nm的半周期分辨率，可以满足28 nm逻辑技术节点的要求，如果小于该尺寸，就需要双重曝光甚至多重曝光技术。

MPT主要有光刻-刻蚀-光刻-刻蚀（litho-etch-litho-etch，LELE）、光刻-固化-光刻-刻蚀（litho-freeze-litho-etch，LFLE），以及自对准双重图案化（self aligned double patterning，SADP）/自对准四重图案化（self aligned quadruple patterning，SAQP）。

（1）LELE：具体步骤包括第一步光刻、第一步刻蚀、对准及第二步光刻、第二步刻蚀、第三步刻蚀。把原来一层光刻图案拆分到两个或多个掩模版上，实现了图案密度的叠加。

（2）LFLE：具体步骤为第一步光刻、固化、对准及第二步光刻、第一步刻蚀、第二步刻蚀，相比LELE少了一道刻蚀工序，降低一些制造成本和风险。

（3）SADP/SAQP：SADP是一种替代传统LELE方法的双重图案化工艺。通过侧墙自对准工艺的双重图案化技术方案，即通过一次光刻和刻蚀工艺形成轴心图案，然后在侧墙通过ALD和刻蚀工艺形成侧墙图案，去除轴心层（即牺牲层），形成了周期减半的侧墙硬掩模版图案。SAQP是在SADP的基础上再重复一次沉积和去除，形成尺寸和周期更小的图案。

上述几种多重曝光技术的基本流程如图2-37所示。