多重图形化
Multiple Patterning（MP）也称 多重光刻、双重图形、double patterning、LELE、SADP、SAQP、SAMP
把一次曝光无法分辨的目标版图拆成多次独立成像，或用心轴与间隔层进行空间倍频，再通过套刻、刻蚀和切割重组为最终图形。
速览
约 1 分钟多重图形化不是把同一张图重复曝光。LELE把彼此过近的图形分到不同掩模并分别光刻刻蚀；SADP则只光刻较疏的心轴，用共形薄膜侧壁形成更密的间隔层图形。它们都能绕开单次曝光的周期极限，但代价分别转移到套刻与图形拆分，或沉积、刻蚀和切割工艺。
系统理解
约 3 分钟当193nm浸没式曝光的波长和NA无法继续缩放时，单次曝光只能稳定传递有限空间频率。多重图形化先把高密度目标转换为每次曝光都可分辨的低密度子图，再把各子图在硬掩模或薄膜侧壁中合成。双重曝光LLE在同一层胶上叠加两次空间像，对光学对比度和胶的非线性要求很高；LFLE先固化第一层胶；LELE和LELELE则用硬掩模保存每次光刻结果，适应复杂二维图形但引入独立曝光之间的套刻和CD差异。
版图拆分本质上是带距离约束的图着色。小于工艺允许间距的图形必须使用不同颜色；奇数冲突环不能直接二着色，只能增加掩模、在线段上引入缝合，或修改设计。缝合区同时受到两次成像、线端缩进、套刻和刻蚀影响，补偿不足会颈缩，过量会桥连。拆分结果必须先完成每张掩模的OPC/SMO，再在全工艺窗口内做跨掩模验证；如果拆分本身无解，OPC无法代替设计修改。
SADP使用光刻和trim形成心轴，以ALD共形沉积间隔层，回刻后去除心轴，留下周期减半的侧壁图形；重复这一流程得到SAQP或更高倍频。正图形线宽主要由间隔层厚度决定，因此自对准消除了相邻侧壁之间的大部分曝光套刻误差，但心轴CD、间隔层厚度、材料选择比、热预算、回刻和切割掩模仍会产生不同的间距族与系统偏差。最终路线必须按图形规则性、套刻能力、材料栈、工序数量、缺陷、产能和良率共同选择。
位于OPC与掩模数据准备之后、实际曝光与多次刻蚀之间，并连接对准套刻、ALD、硬掩模、CMP和设计规则。
公式提示
关键参数
| 参数 | 单位 | 含义 |
|---|---|---|
| Pitch / Half-pitch | nm | 目标图形周期及其一半，是选择单次或多重图形路线的基本尺度 |
| OL | nm | 不同独立光刻子图之间的套刻偏差 |
| CDmandrel | nm | SADP心轴线宽，主要影响两类间距的奇偶差 |
| Tspacer | nm | 共形间隔层厚度，决定自对准正图形线宽 |
| Pitch walk | nm | 不同图形族因套刻、CD和刻蚀差异产生的局部周期交替偏差 |
| Conflict / Stitch | — | 版图着色中的约束冲突数量和为消除冲突引入的缝合点数量 |
常见误区
- 认为把同一图形错开半周期曝光两次就一定能超过衍射极限，忽略空间像线性叠加可能变成均匀剂量
- 认为LELE只是多做一次曝光，忽略每个子图还需要独立OPC、刻蚀、套刻和全窗口验证
- 把SADP的自对准理解为所有套刻误差为零，忽略心轴、cut/pad掩模和前后层仍需对准
- 认为图形拆分总能由EDA自动完成，忽略奇环、缝合热点和必须回到设计规则的无解冲突
- 只控制正图形CD，忽略反图形间距还受套刻、心轴CD、间隔层厚度和刻蚀偏置影响
- 认为倍频次数越多越先进，忽略工序、材料选择性、缺陷机会、产能和成本会同步增加
工程深入
16 条结论从单次极限到工艺路线
图形拆分与设计可解性
自对准倍频与材料集成
SADP正图形CD由间隔层厚度定义，反图形仍分成两类
间隔层线宽主要等于共形沉积厚度；心轴位置形成的间距近似等于心轴CD，两个相邻心轴之间的间距则由原周期减去心轴CD和两倍间隔层厚度得到，因此自对准没有消除奇偶间距差。12
CDₛₚₐcₑᵣ ≈ Tₛₚₐcₑᵣ；S₁ ≈ CDₘₐₙdᵣₑₗ；S₂ ≈ P − CDₘₐₙdᵣₑₗ − 2Tₛₚₐcₑᵣ
- Tₛₚₐcₑᵣ
- 间隔层侧壁厚度，单位 nm
- CDₘₐₙdᵣₑₗ
- 心轴线宽，单位 nm
- P
- 心轴掩模周期，单位 nm
- S₁,S₂
- 两类交替间距，单位 nm
成立条件 公式忽略侧壁角、回刻偏置和最终刻蚀偏置；心轴胶形和trim会传入第一类间距，沉积厚度与微负载会传入线宽和第二类间距
误差预算、验证与路线选择
出处
2 本教材 · 4 处引用- 1
衍射极限附近的光刻工艺
- 第 18 章 18.1–18.3.2，第 586–590 页 支持：多重图形化把单次成像极限转换为多条可制造子链；错开半周期重复曝光不必然产生半周期图形；LLE、LFLE、LELE和SADP以不同介质保存第一次图形；LELE拆分本质上是带距离约束的图着色；奇数冲突环不能直接二着色；缝合以局部双重成像换取全局可分解性；拆分必须先于逐掩模OPC并由晶圆窗口验证；两套图形的系统差会形成CD双峰与pitch walk
- 第 18 章 18.4–18.6，第 591–595 页 支持：规则密集图形和复杂二维图形需要不同路线；SADP用心轴侧壁把一次光刻的空间频率加倍；SADP正图形CD由间隔层厚度定义，反图形仍分成两类；SAQP重复侧壁成像，但误差族也随倍频分裂；mandrel、cut和pad共同定义SADP最终版图；LELE反图形CD同时承担两次CD与套刻误差；SADP的关键控制量来自材料选择性、热预算和共形性；路线选择要最小化单位合格图形的系统代价
- 2
超大规模集成电路先进光刻理论与应用
- 第 10 章 10.1–10.4，第 443–463 页 支持：多重图形化把单次成像极限转换为多条可制造子链；错开半周期重复曝光不必然产生半周期图形；LLE、LFLE、LELE和SADP以不同介质保存第一次图形；LELE反图形CD同时承担两次CD与套刻误差；两套图形的系统差会形成CD双峰与pitch walk
- 第 10 章 10.5–10.7，第 464–490 页 支持：规则密集图形和复杂二维图形需要不同路线；LELE拆分本质上是带距离约束的图着色；奇数冲突环不能直接二着色；缝合以局部双重成像换取全局可分解性；拆分必须先于逐掩模OPC并由晶圆窗口验证；SADP用心轴侧壁把一次光刻的空间频率加倍；SADP正图形CD由间隔层厚度定义，反图形仍分成两类；SAQP重复侧壁成像，但误差族也随倍频分裂；mandrel、cut和pad共同定义SADP最终版图；SADP的关键控制量来自材料选择性、热预算和共形性；路线选择要最小化单位合格图形的系统代价