本文旨在介绍一项关于光掩模制造过程模拟与修正方法的研究。该研究由来自杜邦光掩模公司（DuPont Photomasks）、法国原子能和替代能源委员会电子与信息技术实验室（CEA/Leti）以及明导国际（Mentor Graphics Corporation）的研究团队共同完成，发表于2002年SPIE（国际光学工程学会）主办的第21届BACUS光掩模技术年会论文集上，收录于《Proceedings of SPIE》第4562卷。研究聚焦于半导体制造中一个关键环节——光掩模的制造过程，并探讨其对后续晶圆光刻成像质量的影响。
学术背景 本研究属于半导体制造与计算光刻领域。随着集成电路特征尺寸的不断缩小，光学邻近效应修正（Optical Proximity Correction, OPC）技术变得至关重要，用于修正因光的衍射和干涉效应导致的图形失真。然而，传统OPC策略通常基于理想的光掩模图形进行模拟和修正，忽略了掩模制造过程本身引入的误差。当时，高分辨率的50 keV可变形状电子束（Variable Shaped Beam, VSB）掩模写入系统虽然保真度高，但写入速度慢、成本高昂；而高吞吐量的激光掩模写入系统（如Alta 3700）虽在产能上有优势，但其光学锐度有限，会导致掩模图形出现明显的角部圆化（Corner Rounding, CR）和线端缩短（Line-End Shortening, LES）等误差。这些掩模上的“掩模邻近效应”会传递到晶圆光刻中，使得基于理想数据库的OPC策略无法完全补偿，导致晶圆上的光刻性能不佳。因此，研究团队提出并评估了一种将掩模成像误差与晶圆光刻误差分开考虑的新方法，旨在开发一个能够模拟整个掩模制造过程（包括激光写入、抗蚀剂和干法刻蚀）的模型，并研究其在晶圆光刻模拟中的影响。
详细工作流程 本研究包含五个主要阶段：掩模工艺模型的建立与验证、模型与实验数据的比较、晶圆光刻模拟对比、结果分析以及结论展望。研究对象主要包括为研究CR和LES而设计的特定测试图形（如十字形和“S”形图案），尺寸范围在80纳米至150纳米（晶圆尺度），这些图形被制备在掩模上，并用于后续的测量和模拟验证。
第一阶段：建立用于Alta 3700写入工具的“步进机模型” 研究团队首先利用Prolith软件模拟了Alta 3700激光掩模写入工具的高斯光束叠加模型。他们发现，掩模上的激光写入误差（如角部圆化和线端缩短）与硅片光刻中的光学传递退化现象相似。因此，他们创新性地尝试使用硅片光刻的“步进机模型”（包含波长、数值孔径NA、部分相干因子Sigma、离焦等参数）来近似模拟365纳米波长的Alta写入过程。通过将高斯光束模型与步进机模型的模拟结果进行对比（针对150纳米接触孔图形），他们找到了一组能够较好匹配的光学参数：波长=365纳米，NA=0.8，Sigma=0.99，离焦=-0.65微米，缩小倍率=1。这个模型被称为“原始光学模型”。
第二阶段：利用Calibre软件进行光学模型调优与掩模工艺模型创建 接下来，研究团队使用Mentor Graphics的Calibre工具套件来构建和优化掩模工艺模型。他们将上一步确定的“原始光学模型”参数（波长、NA、Sigma）输入Calibre，并将掩模抗蚀剂厚度（550纳米）和通过实验数据拟合得到的优化离焦起始值（-0.6210微米）也纳入模型。这个模型默认使用“完美抗蚀剂”模型，打印阈值固定为0.3。为了更精确地模拟实际掩模制造过程，他们引入了两种抗蚀剂模型进行优化：恒定阈值模型和可变阈值模型。通过测量掩模上Mentor测试图形的关键尺寸，他们利用实验数据对这两种模型进行了校准。其中，可变阈值模型能够根据光强和光强梯度调整阈值，理论上能更好地模拟整个掩模工艺（包括写入、抗蚀剂和刻蚀）的综合效应。
第三阶段：模型与扫描电镜图像的比较验证 为了验证所建立的Calibre掩模工艺模型的准确性，研究团队获取了掩模上测试图形（十字和“S”形）的扫描电镜图像。由于充电效应影响测量，他们采用了一种图像叠加比较的方法：调整模拟图像的宽度与SEM图像的宽度一致，然后进行视觉叠加对比。对比结果显示，无论是使用恒定阈值模型还是可变阈值模型，经过实验数据优化的Calibre“硅片式”掩模模型模拟出的图形轮廓，都比原始的Alta高斯光束模型模拟结果更接近实际的SEM图像，尤其是在最小的80纳米“S”形图案上，这种优势更为明显。对于120纳米图案，几种模型的结果都尚可接受。基于此，研究团队认为经过实验数据优化的Calibre模型（特别是使用可变阈值抗蚀剂模型的版本）得到了验证，并将其用于后续分析。
第四阶段：193纳米光刻模拟对比 在建立了可靠的掩模工艺模型后，研究团队进行了关键的对比实验。他们使用Calibre创建了两个未经优化的193纳米光刻光学模型（模型A：NA=0.6， Sigma=0.65；模型B：NA=0.63， Sigma=0.7），分别对两种输入进行空中成像模拟：1）基于原始的、理想的4倍版图数据库；2）基于前述Calibre掩模工艺模型模拟输出的、已包含掩模制造误差的1倍尺度GDS文件。然后，他们对比了这两种情况下模拟出的193纳米光刻图像。
主要结果 对模拟结果的详细测量和分析揭示了显著差异。以120纳米线宽的“S”形图案和线条为例，在使用193纳米模型A（NA=0.6， Sigma=0.65）的情况下： * 对于“S”形图案：基于原始数据库的193纳米模拟，其线端缩短（LES）比数据库原始尺寸减少了18.7%，图形面积增加了14.2%。而基于掩模模型模拟结果的193纳米模拟，其LES减少了33.0%，面积仅增加了1.7%。两者在LES上的差异约为14%。 * 对于120纳米线条：基于原始数据库的模拟，LES为9.7%，CD（线宽）偏差为+2.5%（变宽）。而基于掩模模型的模拟，LES达到17.2%，CD偏差为-17.5%（变窄）。两者在CD上的差异高达约15%。
这些数据清楚地表明，在晶圆光刻模拟中是否考虑掩模工艺误差，会导致最终预测的图像（特别是线端缩短和关键尺寸）产生巨大差别。基于理想数据库的模拟会低估掩模误差带来的影响，从而导致OPC修正不足。
结论 本研究成功地开发并验证了一种创建掩模工艺模型的方法论。该方法利用Calibre平台，将一个365纳米波长的步进机模型适配到激光掩模写入过程，并通过实验数据校准，使其能够模拟包含写入、抗蚀剂和刻蚀效应的完整掩模制造链。研究证明，该模型模拟出的图形形状与实际的SEM图像吻合良好。
更重要的是，通过对比基于数据库和基于掩模模型的两步光刻模拟，本研究有力地论证了在晶圆光刻建模和OPC修正中单独考虑掩模贡献的必要性。忽略掩模误差会导致对晶圆成像结果的错误预测，进而使OPC修正策略失效。本研究为后续实现“两步法”OPC流程——即先进行独立的掩模工艺修正（Mask Process Correction, MPC），再进行传统的基于晶圆光刻的OPC——奠定了方法论基础。这种方法有望更精确地补偿整个成像链中的误差，提升先进技术节点的光刻性能。
研究亮点 1. 方法创新性：创造性地将用于硅片光刻模拟的“步进机模型”和Calibre OPC工具套件，应用于激光掩模写入过程的模拟，实现了掩模制造过程的快速、全芯片级仿真。 2. 流程分离的价值验证：通过严谨的对比实验，首次量化了在193纳米光刻模拟中，忽略掩模制造误差与包含掩模误差所导致的成像预测差异（CD和LES误差可达15%以上），为“两步法”OPC/MPC流程的必要性提供了直接证据。 3. 跨领域工具应用：成功地将主要用于晶圆光刻模拟和OPC的商业软件（Mentor Graphics Calibre）扩展到掩模制造领域，展示了其灵活性和强大功能，为产业界提供了一种可行的工程解决方案。 4. 实证与模拟结合：研究不仅依赖于软件模拟，还通过实际掩模制备、SEM图像比对和关键尺寸测量来验证和校准模型，确保了模型的可靠性和实用性。
其他有价值内容 论文最后提到，为了进一步提高模型精度，尤其是对线端缩短和角部圆化的拟合，团队计划采用Calibre中更高级的可变阈值抗蚀剂扩展模型（VTRE），但这需要更精确的实验测量数据。此外，他们正在开发一种基于图像匹配的量化方法来更客观地评估模拟准确性。这些工作指明了模型后续优化的方向。本研究是杜邦光掩模公司与CEA/Leti联合开发协议的一部分，体现了产业界与学术界合作解决实际制造挑战的有效模式。