Вычислительная литография: на стыке физики, химии и алгоритмов

Руководить секцией «Школа НИИМЭ вычислительной литографии» ШМУ форума «Микроэлектроника 2025» будут В. В. Иванов и А. В. Шишлянников. Приводим их ответы на вопросы корреспондента пресс-службы Форума.

Вычислительная литография – это область, в которой встречаются физика, химия и компьютерные науки. Она помогает преодолевать фундаментальные ограничения традиционной фотолитографии и открывает дорогу к созданию структур с топологическими нормами в несколько нанометров. Здесь формируются цифровые двойники технологических процессов, применяются алгоритмы искусственного интеллекта, моделируются оптические явления и разрабатываются новые материалы для фотошаблонов.

На секции №2 «Школа НИИМЭ вычислительной литографии» Школы молодых учёных Форума «Микроэлектроника 2025» будут обсуждаться именно эти задачи. Руководители секции – Владимир Викторович Иванов, специалист в области вычислительной литографии, проектирования и моделирования фотошаблонов с использованием методов машинного обучения, и Антон Валерьевич Шишлянников, эксперт в сфере литографических материалов и моделирования физико-химических процессов формирования изображения. Вместе они представляют два ключевых направления, без которых невозможно развитие современной литографии: интеллектуальные алгоритмы и глубокое понимание материалов.

Перед началом работы секции мы встретились с руководителями и обсудили, какие вызовы стоят перед отраслью и как вычислительная литография помогает технологам, инженерам и исследователям двигаться вперёд.

На вопросы отвечали руководители секции: В. В. Иванов и А. В. Шишлянников

Там, где компьютерные науки, физика и химия сплетаются вместе, образуя «процессные» САПР, рождаются передовые проекты микроэлектроники. Они реализуются с помощью алгоритмов вычислительной литографии, потому что по мере создания структур с высокой топологической плотностью меняются материалы и шаблоны для литографических процессов. Владимир Викторович, обсуждая тему вычислительной литографии, каждый автор находит свои особенности, подмечает свои уникальные детали, предлагает свои кейсы. Какие вопросы будут рассмотрены на секции №2 «Школа НИИМЭ вычислительной литографии» в дни работы Школы молодых учёных форума «Микроэлектроника 2025»?
На секции №2 «Школа НИИМЭ вычислительной литографии» будет рассмотрен широкий спектр вопросов: от фундаментальных физических исследований и разработки новых инструментов моделирования (особенно с использованием ИИ) до практической реализации методов коррекции, метрологии и контроля материалов в современных и перспективных литографических процессах.

На каких технологических этапах создания микроэлектронных приборов наиболее востребованы алгоритмы вычислительной литографии?

Наибольшая востребованность алгоритмов вычислительной литографии сосредоточена на этапах:

• проектирования и подготовки фотошаблонов,
• настройки и оптимизации литографического процесса.

Именно здесь они решают ключевую задачу: преодоление фундаментальных физических ограничений для переноса изображения с фотошаблона на кремниевую пластину с необходимой точностью и воспроизводимостью.

Какие инструменты вычислительной литографии Вам наиболее интересны: управление шаблонами масок с помощью оптической коррекции близости (OPC), программа оптимизации МАСКА-ИСТОЧНИК (SMO), тестирование на основе моделей (MPT) или технология обратной литографии (ILT)?

Все эти инструменты интересны и не исключают, а дополняют друг друга. Часто на одном и том же техпроцессе используются: SMO для определения оптимального источника и базовых подходов к коррекции; ILT для самых критичных и сложных слоёв или участков чипа; OPC (на основе правил или моделей – MB-OPC) для основной части маски, возможно, с использованием результатов ILT/SMO; MPT на всех этапах для верификации OPC/ILT и выявления hotspots.

Как изменяются алгоритмы DFM (Design for Manufacturing) по мере углубления нашего понимания физических процессов, происходящих при создании структур с высокой топологической плотностью?

DFM-алгоритмы используются в вычислительной литографии для оптимизации процесса проектирования интегральных схем (ИС) с учётом их технологичности. Принципиально новой физики не появляется, но наше понимание переходит на качественно новый уровень – от знания отдельных явлений к созданию комплексных цифровых двойников всего технологического процесса. Алгоритмы DFM эволюционируют, чтобы управлять сложными взаимосвязями между этапами проектирования (дизайном) и изготовления (manufacturing) и извлекать максимум из существующих физических принципов.

Можно ли использовать методы вычислительной литографии для проектирования новых материалов для фотошаблонов?

Да, методы вычислительной литографии используются для проектирования новых материалов фотошаблонов, хотя это и не их основная историческая функция. Они позволяют:

• предсказывать оптические свойства новых материалов;
• оптимизировать состав и геометрию масочных стеков;
• оценивать влияние материала на итоговое качество печати и процессное окно;
• сокращать время и стоимость разработки за счёт уменьшения числа «слепых» экспериментальных итераций.

Можно ли спроектировать такую маску, чтобы она была устойчива к изменениям фокуса?

Возможно подобрать в комплексе фотошаблон, рисунок, материалы, оборудование и его настроечные параметры так, чтобы рисунок в процессе проекционной фотолитографии отображался в некоторых допусках с определённой глубиной фокуса. Это, наверное, и есть основная задача вычислительной литографии.

Вообще, наверное, логично думать, что для улучшения глубины фокусировки модифицировать стоит не только и не столько фотошаблон, а по большей части – систему формирования изображения. Мы же имеем дело по сути с классической проекцией, пока, увы, не изобретено ничего более подходящего для формирования резистивной маски в техпроцессе производства ИС. Соответственно, у этого способа имеется ряд серьёзных ограничений, которые могут быть медленно и постепенно в какой-то степени преодолены за пусть высокую, но, тем не менее, приемлемую цену. Не надо ждать чудес.

Как смена длины волны источника излучения влияет на изменение принципов формирования изображения, заложенных в программе OPC?

Принципы формирования изображения не меняются. Меняются методы моделирования при уменьшении длины волны. Более точные методы могут понадобиться, например, в тех случаях, когда размеры отображаемых элементов рисунка менее 2λ, а толщина маскирующего слоя на фотошаблоне при этом сравнима с λ/2. Тогда становится невозможно пренебречь дифракцией на топографии шаблона и просто предположить, что функция пропускания – это идеальная «тень» нанесённого на фотошаблон рисунка (граничное условие Кирхгофа). При значениях числовой апертуры более 0.6 коэффициенты пропускания для разных типов поляризации излучения уже не могут считаться одинаковыми, что требует векторного описания дифракционных явлений. Поэтому более точный расчёт процесса формирования дифракционных порядков изображения требует решения уравнений Максвелла для заданных материалов, учёта особенностей трёхмерной геометрии фотошаблона и конкретной падающей световой волны.

Как можно моделировать последствия изменений физических условий, сопровождающих проведение технологических процессов, например, изменение температуры проявления резиста или времени проявления?

Для этого существуют т. н. «полные» модели формирования фоторезистивной маски, основанные в том числе на уравнениях фотохимии, кинетики, катализа и т. д.
«Полное» моделирование описывает, с некоторой степенью подробности, все этапы формирования фоторезистивной маски – от нанесения плёнок резистивного стека до экспонирования и проявления маски, пред- и постэкспозиционных термообработок и т. д. Оно реализовано, как правило, в так называемых «процессных» САПР (KLA Prolith, GenISys Lab, Synopsys SLitho, Panoramic Hyperlith и др.), используемых при отработке технологических процессов фотолитографии, например, для подбора оптимальных параметров литографического стека, формы осветителя и т. п.

Основным процессом, рассматриваемым при «полном» моделировании формирования фоторезистивной маски, является преобразование оптического изображения в скрытое (то есть кинетика фотохимической реакции). Разрушение фоточувствительной составляющей при засветке и последующей термообработке приводит к резкому увеличению растворимости резистивной плёнки в щелочных растворах. Далее моделируется процесс растворения, то есть проявления.

Дайте, пожалуйста, совет – как создать библиотеку, которая ускорит вычислительную литографию?

Очевидно, путём программной реализации более эффективного алгоритма решения какой-либо из её задач. Задач очень много. Ключевое – библиотека должна быть не просто «быстрой», а архитектурно адаптированной под специфику литографии.

Какие вычислительные требования программного обеспечения являются, на ваш взгляд, основными для вычислительной литографии?

Для задач, связанных с обсчётом полноразмерной топологии, вычислительная литография предъявляет экстремальные требования; почти все алгоритмы OPC, ILT, моделирование распараллеливаются, но по-разному: ILТ требует массового параллелизма GPU, а геометрические операции в OPC лучше на CPU. Нужен не обычный «компьютер», а суперкомпьютерные кластеры, специально сконфигурированные под экстремально сложные и ресурсоёмкие задачи проектирования масок.

Для каких производителей, мелкосерийных или крупносерийных, важна масштабируемость вычислительной литографии?

Масштабируемость вычислительной литографии критически важна, в первую очередь, для крупносерийных производителей. Хотя и мелкосерийные разработчики могут от неё зависеть в специфических случаях, например, при работе с EUV-литографией или сложными топологиями. Но чаще они используют компромиссные решения: облака, open-source.

Основной тренд – даже мелкие производители вынуждены масштабироваться при переходе на узлы < 10 нм из-за сложности технологий обратной литографии (ILT) и EUV-литографии.

Вот мы и приблизились к той границе, за которой начинается власть литографии в экстремальном ультрафиолете (EUV), и в беседу вступает Шишлянников Антон Валерьевич.

Литография в экстремальном ультрафиолете (EUV) начала разрабатываться во второй половине 90-х годов прошлого века, и лишь спустя почти 20 лет Samsung в 2018 году выпустил микросхему, созданную с применением данной технологии. В её основе лежит лазерно-плазменный источник излучения, принцип работы которого строится вокруг генератора микрокапель олова, который подаёт олово с высокой частотой (в первых промышленных машинах с частотой 50 кГц). Далее лазер на основе СО2 испускает пре-импульс, тем самым превращая исходную каплю олова в своеобразный блин, и далее, уже более мощный импульс бьёт в этот блин и зажигает плазму, которая излучает на длине волны 13.5 нм. То есть можно утверждать, что теорема о существовании подобного источника излучения была доказана, и он активно применяется в промышленных литографах фирмы ASML. Отдельно стоит отметить, что в разработке этого литографа принимали участие наши соотечественники из Института спектроскопии (ИСАН) и Института физики микроструктур (ИФМ РАН), которые сумели разработать источники на основе расплавленного олова и на основе ксенона с длиной волны 11.2 нм; кроме этого, именно сотрудники ИФМ РАН разработали рентгеновские зеркала для уникальных литографов ASML. Однако перспектива использования того или иного источника в основе готового литографа сопряжена с рядом факторов: сама по себе разработка литографа для экстремального ультрафиолета затрагивает много иных направлений разработок (фотошаблоны, резисты, позиционирование, совмещение, предметный столик, зеркала и др.), что совокупно требует большого объёма наукоёмких исследований и кооперации ряда компетентных коллективов и организаций, и, как следствие, длительного времени выхода готовой машины на рынок. Меньшая длина волны «ксенонового» источника в сравнении с «оловянным», вкупе с отсутствием необходимости дополнительной очистки внутренней камеры литографа от остатков олова, делает источник излучения на основе ксенона более перспективным в использовании, однако окончательный выбор будет основываться на возможности его интеграции в реальную машину и обеспечении воспроизводимости его функциональных характеристик для нужд микроэлектронной отрасли.

При снижении топологических норм особая роль отводится значению особо чистых материалов. К каким материалам относится это понятие?

Особо чистые материалы – такие материалы, как специальная жидкая химия, специальные газы, комплектующие, которые используются при разработке ИС. Современные технологии микроэлектроники предъявляют особые требования к материалам в части:

• концентрация металлов относительно основного вещества;
• допустимый уровень загрязнений в точке подачи большинства жидкостей и газов;
• требования по отсутствию молекулярных загрязнений в воздушной среде чистой комнаты.

Разработка особо чистых материалов напрямую связана со смежными направлениями: разработка и аттестация методик измерений параметров, разработка материалов для специальной технологической тары и оснастки, производство транспортной и потребительской тары для химических материалов, прекурсоров и газов, создание соответствующей инфраструктуры.

Первоочередными продуктами в данной области являются:

• литографические материалы (фоторезисты, антиотражающие покрытия) и их компоненты;
• органические и неорганические материалы;
• суспензии для ХМП;
• полимерные конструкционные материалы и изделия из них;
• фильтровальные материалы.

Приглашаем всех заинтересованных участников ШМУ присоединиться к работе секции «Школа НИИМЭ вычислительной литографии».

***

Организаторами форума «Микроэлектроника 2025» выступают АО «НИИМЭ» и АО «НИИМА «Прогресс» при поддержке Министерства промышленности и торговли Российской Федерации, Министерства науки и высшего образования Российской Федерации. Генеральные партнёры – НИЦ «Курчатовский институт», Государственная корпорация по атомной энергии «Росатом», Фонд перспективных исследований (ФПИ). Стратегический партнёр – Группа компаний «Элемент». Официальный партнёр – ОАО «РЖД». Инновационные партнёры – Холдинг «Швабе», ООО «Лазерный Центр», Многопрофильный ИТ-Холдинг «Национальная компьютерная корпорация», ООО «Т8», АО «Крафтвэй корпорэйшн ПЛС». Стратегический информационный партнёр – Генеральное информационное агентство «ТАСС». Образовательный партнёр – Университет «Сириус». Спортивный партнёр – НИУ МИЭТ. Партнёры – ООО «ХайТэк», ООО «НМ-Тех», АО «Корпорация Роботов»,Т1 Интеграция, АО НИИТМ, АО «Концерн ВКО «Алмаз – Антей», АО «Уральское проектно-конструкторское бюро «Деталь», НИЯУ МИФИ, АО «Сигналтек», АО «Нанотроника», Российский научный фонд, АО «НПЦ «РПК», Группа компаний «Остек», Консорциум робототехники и систем интеллектуального управления, ООО «ФОРМ». Генеральный информационный партнёр – АО «РИЦ «ТЕХНОСФЕРА». Оператор Форума – Агентство деловых коммуникаций «ПрофКонференции».