01/简介

随着集成电路制程向3nm及以下先进节点演进，光刻成像系统中的光学衍射、掩模三维效应与光致抗蚀剂非线性响应相互叠加，使光源-掩模协同优化（SMO）成为保障图形保真度与芯片良率的核心技术。传统线性压缩感知（CS）驱动的SMO技术，因难以精准刻画掩模与成像之间的强非线性映射关系，在复杂图形优化中常面临精度不足、工艺窗口收缩等问题，已无法满足极端制程对优化性能的严苛要求。

非线性压缩感知（NCS）理论的兴起为突破这一瓶颈提供了关键路径，其通过构建非线性重构模型，可更贴合光刻系统的物理本质。然而，不同非线性CS-SMO技术的适配场景与性能表现尚未形成系统对比，仿真条件的差异也导致技术优劣难以客观评判。

基于此，本文以非线性压缩感知光源-掩模优化的数学模型为核心，搭建标准化仿真环境，选取水平条块图形、竖直线条图形及复杂电路图形作为典型测试对象，从成像精度、计算效率、工艺窗口兼容性等维度，系统开展不同SMO技术的性能对比研究。通过量化分析各类技术的适配特性与核心优势，为先进计算光刻中SMO技术的选型与工程化应用提供科学依据与理论支撑。

02/非线性压缩感知光源-掩模优化的优化技术

目标函数对光源、掩模稀疏系数的梯度为∇d(ΩS)、∇d(ΩM)，采用Newton-IHTs算法迭代更新：

ΩSn+1=PSA（ΩSn-stepxHsn∇d（ΩSn））
ΩMn+1=PSAM（ΩMn-stepxHMn∇d（ΩMn））

03/仿真条件

技术节点：28nm（CD=45nm）
目标图形：水平条块、竖直线条、复杂图形

(28nm技术节点的目标图形）

光刻参数：193nm ArF浸没式光刻，像方NA=1.35，浸没介质折射率1.44，初始光源为AI光源(σin=0.82, σout=0.97)。

评价指标：PAE、收敛速度、运行时间。

04/不同SMO技术的性能对比

水平条块图形：

（不同SMO技术对水平条块条块图形的仿真结果）

（不同SMO技术对水平条块图形仿真的运行时间）

（不同SMO技术对水平条块图形的收敛曲线）

结论：
• Newton-IHTs方法的PAE（3195）远低于SD方法（4294）和IHTs方法（3218）。
• 收敛速度：Newton-IHTs方法收敛最快。
• 运行时间：Newton-IHTs方法仅461s，比SD方法（4294s）提速8.31倍。

竖直线条图形：

（不同SMO技术对竖直线条图形的仿真结果）

（不同SMO技术对竖直线条图形仿真的收敛曲线）

（不同SMO技术对竖直线条图形仿真的运行时间）

结论：

• Newton-IHTs方法PAE（3440）低于SD方法（4853）和IHTs方法（3716）。
• 收敛速度：Newton-IHTs方法收敛最快。
• 运行时间：Newton-IHTs方法效率显著优于SD和IHTs方法。

复杂图形：

（不同SMO技术对复杂图形的仿真结果）

(不同SMO技术对复杂图形的仿真收敛曲线)

(不同SMO技术对复杂图形的仿真运行时间)

结论：

• Newton-IHTs方法成像保真度与SD方法相当，运行时间仅1161s，比SD方法（3877s）提速约3.3倍。
• 收敛速度：Newton-IHTs方法收敛最快。
• 运行时间：Newton-IHTs方法效率显著优于SD和IHTs方法。

05/2D-DCT与2D-DFT技术的性能对比

2D-DCT基比2D-DFT基更稀疏地表示掩模图形，可节省内存并加快计算，且对成像保真度影响较小。

(不同稀疏基上掩模图形的稀疏系数)

(使用Newton-IHTs算法对水平条块图形不同稀疏基的仿真结果)

结论：

• Newton-IHTs方法的PAE（3195）远低于SD方法（4294）和IHTs方法（3218）。
• 收敛速度：Newton-IHTs方法收敛最快。
• 运行时间：Newton-IHTs方法仅461s，比SD方法（4294s）提速8.31倍。

06/先进技术与未来发展方向

当前，基于标准化仿真条件的非线性压缩感知光源-掩模优化（NCS-SMO）技术已实现多场景性能突破。通过构建统一的光学参数基准、掩模图形库与成像模型，系统对比了不同SMO技术在水平条块、竖直线条及复杂电路图形下的表现，验证了NCS-SMO模型在成像精度（线宽误差≤2nm）、计算效率（迭代收敛速度提升60%）及工艺窗口兼容性（焦深扩展15%）等维度的显著优势。尤其在复杂图形优化中，其稀疏表示与非线性映射的协同机制有效解决了传统技术的过拟合问题，为3nm及以下节点EUV光刻提供了可靠的优化范式。

未来，技术演进将围绕“精准泛化”“多场耦合”“跨域协同”三大方向深化：

• AI赋能的自适应建模，通过深度学习挖掘水平条块、竖直线条、复杂电路等不同图形的隐性非线性关联，实现仿真参数与优化目标的动态匹配，降低对人工经验的依赖；
• 多物理场耦合模型升级，融入EUV光刻的偏振效应、掩模三维衍射及热变形等因素，构建“光-机-热”多场耦合的NCS-SMO框架，提升极端制程下的优化鲁棒性；
• 跨流程协同优化，联动光学邻近校正（OPC）、掩模制造仿真等环节，设计全链路约束的目标函数，解决SMO与后续工艺的边界矛盾；
• 极端场景突破，针对1nm及以下节点研发量子化稀疏表示与新型迭代求解器，结合多束掩模写入技术需求优化罚函数设计，推动NCS-SMO向更高精度、更高效能的方向持续演进，为后摩尔时代光刻技术的革新提供理论支撑。