01/简介
3D NAND、3D IC等立体集成电路的高密度堆叠需求，推动光刻图形向三维立体化深度演进，传统二维模型已难以适配厚掩模深度衍射及偏振态三维演化的复杂物理过程。高数值孔径（NA>1）光刻系统下，厚掩模的多层结构引发光场多次反射与耦合衍射，叠加三维偏振像差的视场-深度耦合效应，导致关键尺寸均匀性（CDU）与侧壁倾斜度控制精度骤降。
计算三维严格矢量成像模型是破解该瓶颈的核心理论工具，其对厚掩模衍射机制的精准建模与三维偏振像差的定量表征，直接决定立体图形光刻保真度。本文聚焦厚掩模衍射下的光刻成像理论内核，深挖三维矢量模型中偏振像差的作用机理，为先进三维制程光刻精度提升提供关键理论支撑。
全局坐标系示意图
02/厚掩模衍射下的光刻成像理论
在三维矢量成像模型中，掩模图形结构尺寸接近甚至小于照明光的波长，基尔霍夫薄掩模近似不能准确描述光刻成像性能。利用基尔霍夫近似和严格电磁场理论模型得到的掩模衍射近场分布如图所示。
利用基尔霍夫近似和严格电磁场理论模型得到的掩模衍射近场分布
三维厚掩模效应会显著影响光刻成像性能，必须严格求解麦克斯韦方程组，准确获得三维厚掩模衍射场分布，进而获得严格矢量成像。
而掩模的衍射远场（也就是投影物镜入瞳处的电场分布），是多核心参数协同作用的结果：它关联了平面波的传播距离、方向余弦，也和三维厚掩模的衍射远场（由掩模照明角度、自身结构与材料等参数决定）、投影物镜的透射率函数，以及入射到掩模的平面波函数紧密相关——这一电场分布，正是厚掩模光刻成像的核心基础输入。
这套厚掩模衍射下的光刻成像理论，是先进制程中厚掩模场景“高精准光刻”的核心认知支撑，为厚掩模光刻的优化与落地提供了清晰的理论依据。
03/三维矢量成像模型中的三维偏振像差
在三维矢量成像模型中，光学系统入瞳面到出瞳面之间各级衍射光偏振态的变化可用的三维偏振追迹矩阵描述。
物镜光瞳面上所有坐标点的三维偏振追迹矩阵组成三维偏振像差，可通过光线追迹程序获取。三维偏振像差获取程序将整个光瞳离散为网格点，追迹得到所有网格点对应光瞳坐标点的三维偏振追迹矩阵。例如，当光瞳在、两个方向均离散为个网格点时，光瞳面上每隔1/N个光瞳半径均有一网格点。网格化的三维偏振像差获取方法示意图如图所示，程序可得到所有光瞳坐标为
的光瞳坐标点的三维偏振追迹矩阵，并存储到文件中。
网格化的三维偏振像差获取方法示意图
•某级次衍射光的光瞳坐标(fx,fy)可能恰好位于一个网格点，也可能不位于一个网格点处。当需要某级衍射光(fx,fy)对应的三维偏振追迹矩阵Pfx,fy时，如果(fx,fy)恰好是一个网格点，直接用该点的三维偏振追迹矩阵，关联物方与像方的矢量。
•当(fx,fy)不在一个网格点上，与(fx,fy)最相近的网格点位置在(fm,fn)，则(fx,fy)光瞳坐标点对应的三维偏振追迹矩阵Pfx,fy与相邻网格点(fm,fn)对应的三维偏振追迹矩阵Pfm,fn相等。
•在网格点不够多的情况下，各级衍射光在光瞳面上的坐标(fx,fy)和采样点坐标(fm,fn)之间的差异造成两个三维偏振追迹矩阵Pfx,fy和Pfm,fn之间存在差异，从而导致成像结果存在误差。在网格点足够多的情况下，该误差可以忽略不计。
04/先进技术与未来发展方向
厚掩模衍射精准建模技术突破了传统薄掩模近似瓶颈，基于严格耦合波分析（RCWA）与时域有限差分（FDTD）方法，构建厚掩模多层结构的电磁散射模型，通过旋转变换与维度缩减算法降低计算开销，实现掩模吸收层散射效应的精确表征，在14nm以下节点将衍射近场预测误差控制在5%以内。针对EUV光刻高宽比掩模，开发多材质耦合衍射模型，解决Ta吸收层深度衍射带来的成像畸变问题。
三维偏振像差调控技术通过建立“视场-深度”二维偏振像差映射模型，采用琼斯矩阵张量表征偏振态的三维演化规律，结合全视场多目标优化算法，实现偏振像差的定量分离与动态校正。创新偏振-光瞳协同优化策略，在3D NAND堆叠图形中，将偏振像差导致的CD偏差从12nm降至3nm以内。
此外，面向3nm及以下节点，构建EUV光刻专属三维矢量模型，深化极紫外光与多层掩模的矢量相互作用机制研究。针对垂直堆叠结构，开发“深度-偏振-剂量”多维度耦合优化模型，实现亚纳米级CD均匀性控制。
通过推进AI与物理驱动建模的深度融合，利用Transformer架构捕捉三维光场长距离依赖关系，结合FPGA硬件加速实现毫秒级动态光场仿真。探索数字孪生技术应用，搭建光刻过程虚实映射系统，实现三维模型参数的实时自适应调整。
2025年12月5日 16:04
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