光刻模型的物理近似与参数校准
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光刻模型的预测能力同时取决于物理方程、输入参数和数值求解精度。Maxwell 方程可以在给定几何、材料和边界条件下描述电磁传播,但实际设备和掩模的参数需要量测,光刻胶及刻蚀还需要额外的材料模型。因此,严谨光学求解与工艺模型校准承担不同任务。
Abbe、Hopkins 与 SOCS 主要改变部分相干成像的计算组织;标量、薄掩模和局部平移不变假设决定物理描述的范围;像差、偏振、三维掩模与杂散光则增加响应的物理维度。本文沿这些层次讨论模型近似、参数补偿和独立验证,重点区分数值收敛与晶圆预测能力。
电磁问题的输入与数值收敛
考虑固定波长、线性、各向同性、非磁材料中的电磁场。在没有体源的计算区域,频域 Maxwell 方程可以写成
\[\nabla\times\nabla\times\mathbf E-k_0^2\varepsilon_r(\mathbf r)\mathbf E=0.\]其中 $\mathbf E$ 为复电场,$k_0=2\pi/\lambda_0$,$\lambda_0$ 为真空波长,$\varepsilon_r$ 是随位置变化的复相对介电常数。几何、材料、入射场和边界条件确定以后,才构成一个可求解的问题。
版图定义设计轮廓,严谨掩模求解还需要厚度、侧壁、圆角及材料光学常数。这些输入共同决定预测衍射场。
有限元 FEM(Finite Element Method)、严格耦合波分析 RCWA(Rigorous Coupled-Wave Analysis)、时域有限差分 FDTD(Finite-Difference Time-Domain)等方法,可以数值求解相应电磁问题。工程上称它们为 rigorous,强调对所选电磁模型的严谨处理。计算仍需要有限网格、有限模态或有限区域,结果也要做收敛检查。
一项三维深紫外 DUV(Deep Ultraviolet)掩模研究同时讨论了有限元计算、衍射结果的收敛和实验空中像比较[5]。同年的一项极紫外 EUV(Extreme Ultraviolet)掩模研究,则把严谨有限元与散射测量结合起来,反演掩模几何参数[6]。
两项工作放在一起,恰好说明了严格求解与拟合的关系。给定几何后,可以精确地计算响应;真实几何尚不确定时,还要用测量去约束输入。继续加密网格,能够减小数值误差,却不会自动修正一个填错的侧壁角。
光学建模需要分别验证物理近似、设备与掩模的输入参数,以及数值收敛。三类误差需要不同的验证证据。
当任务进入光学邻近效应修正,也就是 OPC(Optical Proximity Correction),还会遇到第四个要求。边缘要反复移动,移动以后又要重新预测图像。一个局部结构可以承受的严谨求解成本,放到大量版图和多轮迭代中,可能就承担不起。
快速模型由此开始做取舍。
在薄掩模近似下,以二维复透过率 $M(x,y)$ 压缩三维结构,出射场由入射场逐点相乘得到
\[E_{\mathrm{out}}(x,y)=M(x,y)E_{\mathrm{in}}(x,y).\]“复数”保留了振幅与相位。开口、遮光和移相区域可以有不同的数值。“逐点相乘”则是更强的假设。它把结构内的传播和耦合,压缩成了每个位置的局部响应。
再暂时采用标量场,并把物镜看作局部线性、平移不变的系统。线性意味着输入场相加,输出场也相加;平移不变意味着图形平移以后,输出只做相应平移。在这些条件下,一个照明方向的成像可以用卷积表示。
初级推导还常采用近轴近似,简化传播角度依赖。薄掩模省略结构细节,标量模型省略电场方向,近轴近似限制角度处理,局部平移不变则允许同一个成像核在一小块区域复用。它们是四个需要分别检查的条件。
至此,光学模型已经包含近似。即使后面的傅里叶变换算得完全准确,也只是在准确求解这套简化后的问题。
相位干涉与强度非线性
在一维双光束模型中,仅保留两束衍射波并移除不影响强度的公共相位,像面场写为
\[e(x)=a_0+a_1e^{i(2\pi f x+\phi)}.\]$a_0$、$a_1$ 是非负振幅,$f$ 是两束波横向空间频率之差,$\phi$ 是相对相位。暂时省略统一的比例系数,光强就是
\[I(x)=a_0^2+a_1^2+2a_0a_1\cos(2\pi f x+\phi).\]前两项给出平均背景,最后一项形成明暗起伏。条纹周期为 $1/\lvert f\rvert$。如果只剩一束无限延伸的平面波,强度就是常数;两束波之间的干涉,才在这个例子里产生空间图案。
图中的峰值与谷值分别是最大光强 $I_{\max}$ 和最小光强 $I_{\min}$。条纹对比度为
\[V=\frac{I_{\max}-I_{\min}}{I_{\max}+I_{\min}}.\]亮暗起伏越弱,$V$ 越接近零。偏振和散射均可改变条纹调制度,具体影响见后文。
该结果可用于分析相位误差与邻近耦合。
保持 $a_0$、$a_1$ 不变而改变相对相位 $\phi$,条纹将沿横向移动。因此,相位误差可以直接传递为图像位置误差。
两块掩模区域产生的复电场可以线性叠加,总强度中仍包含相互干涉项。分别成像后相加强度会遗漏这些项,邻近几何由此影响局部印刷结果。
物镜在这里承担的工作,是选择哪些衍射波能够参与叠加,并改变它们的振幅和相位。用 NA(Numerical Aperture)表示数值孔径,在统一到像方的横向频率坐标中,理想圆形光瞳的通光条件可以写成 $\lvert\mathbf f+\mathbf s\rvert\le NA/\lambda_0$。$\mathbf s$ 表示照明方向带来的频谱偏移。
离轴照明改变的正是这个偏移。一个原本在光瞳外的衍射级次,可能因此进入光瞳。判断分辨能力时,要看哪些波被接收、它们的频率差和干涉对比度,再看胶能否形成可用轮廓。光瞳截止频率本身还不是最终可印刷线宽。
部分相干源点积分
扩展照明需要对多个入射方向的贡献作统计组合。
在常用的照明模型中,不同光源点彼此不相干。对测量时间做平均时,源点之间的场交叉项消失,因此应当叠加强度。可对同一个源点,它照亮掩模后产生的各衍射级次仍然相干,必须先叠加电场。
部分相干成像先保留单个源点内部的衍射干涉,再对互不相干源点的强度求和。
令 $S(\mathbf s)$ 为非负光源权重,$P$ 为光瞳函数,$\widehat M$ 为掩模频谱,则 Abbe 形式为
\[e_{\mathbf s}(\mathbf x)=\mathcal F^{-1}\!\left[\widehat M(\mathbf f)P(\mathbf f+\mathbf s)\right](\mathbf x),\] \[I(\mathbf x)=\int S(\mathbf s)|e_{\mathbf s}(\mathbf x)|^2\,\mathrm d\mathbf s.\]第一式省略了不影响强度的源点相关载波相位。直观地看,就是对每个照明方向各算一张相干图,再按光源权重相加。
图示 4f 光路中,输入场 $U(x,y)$ 经第一片透镜形成频谱,在傅里叶平面改变振幅或相位,再由第二片透镜组成输出。横向波矢 $k_x,k_y$ 是空间频率的 $2\pi$ 倍,图中距离 $f$ 表示焦距。这一原理图描述单个相干通道,部分相干成像还需要对各源点强度求和。
源点之间的统计独立并不消除每个源点内部的掩模相位关系。一般部分相干成像需要保留这些频率交叉项,单一强度卷积不足以完整描述。
对于共用光源与物镜的大量掩模计算,源点积分中的系统响应可以预先合并,再供不同版图复用。
Hopkins 频率耦合表示
Hopkins 的部分相干表述[2],可以从刚才的两波干涉直接理解。两束波的强度里出现一个交叉项;当掩模有许多频率时,就要把所有频率对的贡献加起来。
把 Abbe 公式中的模平方展开,并先对光源积分,得到
\[I(\mathbf x)=\iint\widehat M(\mathbf f_1)\widehat M^*(\mathbf f_2)\,T(\mathbf f_1,\mathbf f_2)e^{i2\pi(\mathbf f_1-\mathbf f_2)\cdot\mathbf x}\,\mathrm d\mathbf f_1\mathrm d\mathbf f_2,\]其中
\[T(\mathbf f_1,\mathbf f_2)=\int S(\mathbf s)P(\mathbf f_1+\mathbf s)P^*(\mathbf f_2+\mathbf s)\,\mathrm d\mathbf s.\]传输交叉系数 TCC,回答的就是两份掩模频率在这套照明和光瞳下,能以多大权重、什么相位关系共同贡献图像。
离散形式中,$f_1=f_2$ 的对角项给出单频强度贡献,$f_1\ne f_2$ 的交叉项携带空间振荡。双光束的余弦条纹是这一频率配对结构的特例。
光源、光瞳和焦点等条件固定时,TCC 就能提前计算,供不同掩模复用。
Abbe 与 Hopkins 在上述一致假设下等价,原因也由此明确了。它们保留同样的交叉项,只是改变了积分顺序。改用 Hopkins,不会自动改善薄掩模近似,也不会损失原本的部分相干物理。
SOCS 的算子截断
TCC 的直接存储成本随频率离散维数的平方增长。二维掩模的 $\mathbf f_1$、$\mathbf f_2$ 各有两个分量,TCC 是四维函数。将频率离散并展平成索引后,可以将其表示为矩阵 $T$。
离散 TCC 的非负相干分解来自其 Gram 矩阵结构。
对一个离散源点,把各频率上的光瞳值排成列向量 $\mathbf p_s$,将源权重与积分权重合入 $w_s\ge0$,则
\[T=\sum_s w_s\mathbf p_s\mathbf p_s^\dagger,\qquad w_s\ge0.\]符号 $\dagger$ 表示共轭转置。每个源点贡献一个外积,所有外积按非负权重相加。于是对任意向量 $\mathbf v$,都有
\[\mathbf v^\dagger T\mathbf v=\sum_s w_s|\mathbf p_s^\dagger\mathbf v|^2\ge0.\]由此可知 $T$ 是厄米半正定矩阵,其特征值可以取为非负数。这里的非负性来自强度的统计结构,并非额外拟合出来的限制。
将 $T$ 做特征分解,再把特征向量变回空间域,便得到相干系统求和 SOCS
\[I(\mathbf x)=\sum_{k=1}^{N}\lambda_k|(h_k*M)(\mathbf x)|^2,\qquad\lambda_k\ge0.\]$h_k$ 是成像核,$\lambda_k\ge0$ 是相应权重,星号表示卷积。各通道对掩模作场卷积、取模平方,再按权重叠加强度。
源点求和原本就有这个形状。SOCS 进一步换到另一组数学模态,让相近、重复的响应尽量集中到少数重要模态中。一个 SOCS 模态通常混合了多个源点的信息,不能把它直接认作一束实际照明光。
单个相干源点产生的 $T$ 至多为秩一,只需要一个非零模态。源点增多时,独立模态数可能增加,但不会必然等于采样点数。不同源点的响应可以高度相关。这是压缩可能有效的原因,也说明“总用几个核就够了”没有普遍保证。
这条分解路线有更早的理论基础。1990 年代,研究者讨论了部分相干系统的最优相干近似[3],随后又详细展开 SOCS 的数值实现,将其用于快速 OPC 计算[4]。
保留全部离散模态时,SOCS 与同一张离散 TCC 等价。按特征值大小只留下前 $K$ 个模态,才在这一步引入截断近似。
在保持原有归一化、不重新校准的前提下,丢掉的图像贡献为
\[I(\mathbf x)-I_K(\mathbf x)=\sum_{k>K}\lambda_k|(h_k*M)(\mathbf x)|^2\ge0.\]这个式子给出了一个实用结论。单纯删除这些非负模态贡献,会使该模型的光强逐点不增。但它没有说明边缘会统一向哪个方向移动,更没有包含输入不准、薄掩模失效等其他误差。
小特征值对应的模态误差还取决于掩模对该模态的投影。累计特征值占比描述算子表示,具体图形的边缘精度则需要直接验证。
光强误差可通过阈值边缘的一阶响应传播为位置误差。
假设边缘沿法向坐标 $x$ 满足 $I(x)=T$,$T$ 是一个固定曝光条件下的清除阈值。光强有小误差 $\delta I$,阈值有小变化 $\delta T$,将新边缘处的光强做一阶展开
\[I(x)+(\partial_n I)\delta x+\delta I\approx T+\delta T.\]消去原来的 $I(x)=T$,就得到
\[\delta x\approx\frac{\delta T-\delta I}{\partial_n I}.\]阈值不变时,分子为 $-\delta I$。只要局部梯度非零、扰动足够小,同样的强度误差在较缓的边坡上就会造成更大的位置误差。
例如,在一个理想化量纲算例中,归一化光强误差为 0.01,边坡为每纳米 0.01 时,位置误差约为 1 纳米;边坡降到每纳米 0.002,位置误差就约为 5 纳米。这些数值不代表某台设备,只展示分母怎样放大误差。
核数收敛需要在目标图形、焦点和边缘位置上检查。平均强度误差无法单独表征最坏边缘偏移;当边坡接近零时,一阶近似失效,阈值轮廓还可能出现或消失。
增加 SOCS 核改善已有光学算子的数值表示;物理模型中省略的效应需要另行建模。
像差、偏振、三维掩模与杂散光
不同设备效应需要在对应的前向环节建模。
像差与波前相位
双光束模型中,相对相位 $\phi$ 的变化导致条纹平移。物镜像差则对不同衍射分量施加与光瞳位置相关的相位变化。
将光瞳写成
\[P(\mathbf f)=A(\mathbf f)\exp\!\left[i\frac{2\pi}{\lambda_0}W(\mathbf f)\right].\]$A$ 描述光瞳范围及振幅透过率,$W$ 是以长度表示的波前光程差。离焦和像差可以按一致的约定进入相位,像差常用 Zernike 多项式展开[9]。
把这个光瞳代入 TCC,交叉项中的相位由两处波前的差 $W(\mathbf f_1+\mathbf s)-W(\mathbf f_2+\mathbf s)$ 决定。这正是两束波相对相位的推广。
由此还能得到一个简单但重要的结论。如果所有光瞳位置都加上同一个常数光程,差值会抵消,强度图保持不变。这种整体相位常称为 piston。仅靠这里的强度成像数据,无法识别它。
这已经是一个参数可识别性的例子。方程允许写入一个参数,不代表实验一定能从输出里测出它。其他像差参数即使能够影响图像,也需要适当图形和测量条件才能区分。
实际加像差,通常应修改光瞳,再更新 TCC 或成像核。若已经丢失相位,只在最终强度图上添加一张固定补偿图,通常无法对所有掩模恢复同样的干涉变化。截断 Zernike 展开还会带来另一层表示误差,它与 SOCS 截断发生在不同位置。
偏振与矢量干涉
偏振决定电场方向及矢量内积。即使两束光的标量振幅和相位相同,不同偏振关系也可能产生不同干涉。
矢量电场的交叉项为
\[|\mathbf E_1+\mathbf E_2|^2=|\mathbf E_1|^2+|\mathbf E_2|^2+2\operatorname{Re}(\mathbf E_1\cdot\mathbf E_2^*).\]对于线偏振波,若两个电场方向平行,方向重叠因子为一;若方向正交,内积为零,交叉项消失。在两波例子里,这意味着两束光各自的强度可以不变,而明暗起伏发生变化。
高 NA 包含较大的传播角度。电磁波的电场又必须满足与传播方向相关的约束,因此各衍射波的电场方向不能一概当成平行。两束平面波的横电 TE(Transverse Electric)、横磁 TM(Transverse Magnetic)偏振成像就是一个具体例子,它展示了方向关系怎样影响对比度[1]。
这里的 $\lvert\mathbf E\rvert^2$ 用来说明场强及局部各向同性吸收中的干涉结构;一般高 NA 能流还要按完整电磁场定义处理。实际矢量模型需要跟踪场分量、偏振变换和光源的偏振统计。
偏振与像差因此改变了干涉的不同部分。像差改变相对相位,偏振改变方向重叠及相关的传播响应。对于前面的两波图案,一个可能移动条纹,另一个可能压低起伏。给整幅标量图乘一个亮度系数,不能同时恢复平均背景与调制度。
三维掩模与照明角度依赖
经典薄掩模使用同一个 $M(x,y)$ 服务于所有照明方向。真实掩模具有厚度、侧壁和材料界面,光从不同方向入射,结构内的传播和散射都会变化。透过或反射后的各级次振幅、相位、偏振,也就可能随入射条件改变。
为了看出它怎样影响算法,可以把严谨求解获得、去掉入射载波后的等效出射频谱记作 $\widehat M_{\mathbf s}$。标量示意式随之变成
\[I(\mathbf x)=\int S(\mathbf s)\left|\mathcal F^{-1}\!\left[\widehat M_{\mathbf s}(\mathbf f)P(\mathbf f+\mathbf s)\right](\mathbf x)\right|^2\,\mathrm d\mathbf s.\]这个记号只表示随角度变化的响应,并未假定它仍是局部薄掩模透过率。下标 $\mathbf s$ 表示照明角度依赖。展开模平方以后,掩模响应也留在光源积分里面,无法再原样提到积分外。
这就解释了为什么掩模三维效应会影响经典 TCC 的复用方式。此前能把光源与光瞳提前合并,依赖于所有源点共享同一份掩模描述;角度依赖破坏了这层简单分离。
可以逐源点使用严谨响应,也可以对角度依赖分组或展开,建立更多通道,再推导新的快速表示。2025 年一项兼容三维掩模的全矢量 Hopkins 工作,就结合了角度相关掩模响应、矢量传播和多维 TCC[7]。
这条前沿与早期理论有直接联系。沿用频率交叉项的组织方式,同时扩大需要保留的响应维度,再寻找可计算的压缩方法。模型复杂度的增加,是为了容纳此前省略的物理相关性。
杂散光与长程耦合
散射杂光(flare)引入较大空间范围的背景耦合。
有一部分光通过散射形成较宽的光晕。早期研究已经用镜头散射光晕来估计不同掩模带来的 flare,并讨论了测量方法[8]。
用能量归一化的线性散射近似,可写成
\[I_{\mathrm{eff}}=(1-\eta)I_0+\eta(K_f*I_0).\]$\eta$ 为散射通道的能量比例,$K_f$ 是积分为一的宽核。这个式子假设相应散射可在强度层面作局部平移不变的处理。
对周期条纹 $I_0=\bar I+B\cos(2\pi f x)$,若宽散射核对多个周期平均,卷积项接近 $\bar I$,于是
\[I_{\mathrm{eff}}\approx\overline I+(1-\eta)B\cos(2\pi f x).\]平均强度保持,明暗起伏降低。局部亮区的一部分能量被分散到了更大范围。这解释了为什么 flare 会降低对比度,也解释了为什么它与布局上下文有关。
若周围是大片透光区,宽核带来的背景可能较高;换成大片遮光区,背景又可能变化。单独一条线的局部几何完全相同,也不保证背景光相同。真实设备还可能需要空间依赖的散射模型,并要避免与其他已计入的散射重复计算。
成像表示与物理模型的分工
光源给定入射条件,掩模决定出射波,光瞳改变传播波的振幅与相位,矢量及相干关系决定它们怎样形成强度,散射再按相应物理模型参与能量分布。Abbe、Hopkins 和 SOCS,则在给定假设下组织或压缩这些计算。
这条链也串起了相关方法的发展。1953 年的 Hopkins 理论组织频率间的交叉项,1990 年代的相干近似与 SOCS 工作推动快速计算,三维电磁求解和矢量处理不断提高物理描述能力,近年的方法再把这些更复杂的响应带回可加速的成像框架。几条路线长期并行,旧的表示方法也会被扩展。
| 一次模型改动 | 它解决的问题 | 它本身不能保证的事 |
|---|---|---|
| 加密严谨求解网格 | 给定电磁问题的数值收敛 | 输入几何与材料真实准确 |
| 增加 SOCS 核 | 更完整地表示已有算子 | 自动包含被省略的偏振或厚度效应 |
| 加入像差与偏振 | 保留相位、方向相关的干涉变化 | 参数已经被实验唯一确定 |
| 加入掩模三维响应 | 保留结构及入射角依赖 | 仍可原样使用经典薄掩模分离 |
| 加入散射模型 | 描述光晕及布局背景影响 | 一个固定背景值适用于所有布局 |
上述模型仍依赖真实的设备与工艺参数。
设备波前、光源分布、掩模材料和几何、散射分布,都要通过测量或反演确定。真实参数的量测、校准与独立预测检验,必须与方程求解一起完成。Mack 对校准方法的研究讨论了输入误差和稳健回归,说明这一步需要观测模型与统计假设。[10]
不同参数可能在有限数据上产生相似作用。偏振变化和 flare 都可能压低某个条纹的调制度;光强的偏差也可能被清除阈值的变化部分抵消。根据边缘响应公式,若一个校准点上 $\delta T$ 接近 $\delta I$,边缘位置几乎不动。
关键尺寸 CD(Critical Dimension)的低拟合残差可能来自参数补偿,不能单独证明各物理模块的精度。一旦换成另一种 pitch、方向、焦点或周围布局,这种补偿关系就可能失效。
这也是实验设计有价值的地方。改变图形方向,有助于观察方向相关响应;改变焦点,能够暴露相位与传播差异;改变大范围透光背景,可以检验散射影响。再结合独立设备测量和没有参与拟合的图形,才有机会区分几种竞争解释。这些实验增加约束,但也不能保证所有参数都唯一可识别。
模型评价应分别检查数值收敛与独立预测能力。固定输入,增加网格、源点采样和核数,检查求解是否稳定;固定校准结果,再检查它能否预测新图形和新条件。前者确认数值计算,后者检验物理描述及参数的适用范围。
严格求解所能保证的,是在给定方程、输入和边界条件下,把数值误差控制到足够小。工程模型选择哪些近似,取决于需要保留的物理和能够承担的计算成本。真实参数需要测量与校准,而校准结果能否用于其他图形,还要通过独立数据检验。这几件事共同决定了一个光刻模型能预测什么。
从光学分布走到晶圆轮廓,还必须说明材料响应。本文使用的阈值关系,把吸收、反应、扩散和显影压缩成了一个边缘判据。它便于计算,却有自己的适用范围。即使光场已经算准,这层近似仍可能成为轮廓误差的来源。
新增模型项需要明确对应掩模响应、传播干涉或强度—轮廓映射中的哪一环节,并由相应数据约束其参数。改善校准残差与提高独立条件下的预测精度是两种不同结果,模型扩展应以后者检验。
参数补偿与可辨识性
把第 $i$ 个量测写成 $y_i=g_i(\boldsymbol\theta)+\epsilon_i$,其中 $\boldsymbol\theta$ 包括需要估计的物理与紧凑模型参数,$\epsilon_i$ 包括随机量测误差。最简单的加权校准为
\[\widehat{\boldsymbol\theta}=\arg\min_{\boldsymbol\theta} \sum_i\frac{[y_i-g_i(\boldsymbol\theta)]^2}{\sigma_i^2} +\lambda R(\boldsymbol\theta).\]只有在独立、近似高斯且方差已知等条件下,这个二次损失才直接对应常见的最大似然解释。SEM contour 上相邻点的误差往往相关;同一个 die 的 focus 和 dose 也可能共同漂移,不能把密集采样点全当成独立数据。[10][11]
以前文阈值 $D I=T$ 为例。如果同时把光强的整体尺度乘 $a$、把阈值也乘 $a$,轮廓完全不变。只观测轮廓时,这两个尺度不能分别被确定。这是结构性的不可识别性,增加同类 CD 点不会解决它。必须固定归一化约定,或者引入独立剂量、吸收率或清除阈值数据。
实际问题还存在近似不可识别。局部线性化为
\[\begin{aligned} \Delta\mathbf y&\approx J\Delta\boldsymbol\theta, \\ J_{ij}&=\frac{\partial g_i}{\partial\theta_j}. \end{aligned}\]对经过量测噪声归一化的 Jacobian 做奇异值分解 $W^{1/2}J=U\Sigma V^\mathsf T$。若某个奇异值很小,对应的参数组合明显变化,量测预测却几乎不动。拟合器仍能返回一个数值,但这个数值可能随初值、样本或微小噪声大幅变化。
拟合得到的有效扩散长度可能同时吸收光学模糊、电子传播、PEB(后曝光烘烤)与计量模糊,不能据此独立确定材料的扩散系数。只有实验能把这些来源区分开,物理命名才具有对应的辨识证据。多组 NA、pitch 和 feature 共同校准一组参数,是增加区分力的一条公开研究路线。[12]
实验设计可以据此有目的地展开,而不是只追求点数。改变 pitch 检验频率依赖,旋转图形检验方向依赖,改变焦点检验相位相关响应,改变远处明暗背景检验长程 flare,PEB split 检验反应扩散,mask bias split 检验掩模误差传递。每个 split 都应配合重复曝光或重复量测,先估计噪声,才知道观察到的差别是否超出噪声水平。
正则化通过限制非物理参数、惩罚核振荡或保持稀疏性抑制不稳定方向,其约束来自先验或工程偏好。如果不同先验在相近训练残差下给出不同外推结果,应将这种分歧计入模型不确定性。
模型扩展的独立验证
第一步先固定物理输入,检查纯数值误差。源点采样、像面网格、计算区域和 SOCS 模态都要分别收敛;只改变一个因素,比较空中像、EPE(边缘放置误差)和优化梯度。如果模型是 ILT(逆光刻技术)的内循环,梯度误差同样可能改变最终掩模。前向图像看起来接近,并不保证优化方向已经稳定。
第二步再估计参数,并且把调参用的数据与最终检验数据分开。相邻的 clip、同一重复 cell 的不同 gauge、同一 FEM 中强相关的样本若随机拆分到训练和验证两边,会夸大泛化表现。更严格的 holdout 可以按图形家族、整片 wafer 或某个 process split 分组;具体分组应服从最终要预测的新情况。
第三步看残差的结构。总体 RMS 是 $\sqrt{N^{-1}\sum_i r_i^2}$,它会被大量容易样本主导。应同时看各 pitch、方向、二维图形、焦点与剂量分箱的均值、尾部、最大 EPE 和失败类别。假如线端持续向同一方向偏,而大多数长直边拟合很好,平均 RMS 的下降没有消除这个系统误差。
第四步进行模型比较。基础模型与扩展模型必须使用同一量测定义、同一数据拆分、同一数值精度。比较独立验证误差是否改善、参数是否稳定,以及整个多条件验证的运行时间是否可接受。光学新增项若只在训练集有效,需要继续判断它是吸收量测偏差,还是提供了可迁移的物理响应。[10][11]
观测模型还需要描述测量仪器与轮廓提取的响应:
\[\mathbf y_{\mathrm{SEM}} =\mathcal H\!\left(\mathcal F(M;\boldsymbol\theta);\boldsymbol\phi\right) +\boldsymbol\epsilon,\]$\mathcal F$ 预测物理轮廓,$\mathcal H$ 表示 SEM 成像、扫描、边缘抽取和 CD 定义,$\boldsymbol\phi$ 是计量参数。若把 SEM 量测值直接当成没有偏差的真实边界,材料模型就可能替计量模型背负误差。Mack 等在 metrology-aware calibration 中把这层观测关系显式纳入,说明“晶圆数据”也需要一条可检验的产生链。[11]
模型发布应记录固定输入下的数值误差、约束参数的独立信息,以及未参与拟合的验证图形和工艺范围。严谨电磁求解、紧凑表示与实验校准的结果,需要在同一误差预算内评价。
参考文献与图片出处
教材支持基础光学;原始论文支持相应的计算和校准方法。文中的两波展开、半正定证明、局部边缘误差和奇异值分析为明确假设下的推导。网页访问日期均为 2026-10-25。
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