Вишеструко патернирање (или мултипатернирање, од енгл. ) класа је технологија за производњу интегрисаних кола (ИК), развијена за фотолитографију ради повећања густине елемената. Очекује се да ће бити неопходна за 10 nm и 7 nm технолошке процесе полупроводника, као и за напредније. Претпоставка је да једно литографско излагање можда неће бити довољно да обезбеди одговарајућу резолуцију. Због тога би била потребна додатна излагања, или би позиционирање шаблона коришћењем бочних зидова угравираних елемената (употребом одстојника) било неопходно.
мини|десно|300px|Различите технике за вишеструко патернирањеГоре: Дељење елемената у групе (овде су приказане 3), при чему се свака патернира различитом маскомСредина: Употреба одстојника за генерисање додатних засебних елемената у празнинамаДоле: Употреба елемента супротног поларитета за сечење (мали прекид) већ постојећих елемената
Чак и када једно излагање има довољну резолуцију, додатне маске су имплементиране ради бољег квалитета патернирања, као што је Интел урадио за сечење линија на свом 45nm процесуИнтел 45nm HKMG или ТСМЦ на свом 28nm процесу.ТСМЦ 28nm cutpoly Чак и за литографију електронским снопом, једно излагање делује недовољно на полукораку од ~10 nm, те стога захтева двоструко патернирање.
Литографију двоструког патернирања први пут су демонстрирали 1983. године Д. Ц. Фландерс и Н. Н. Ефремов. Од тада је развијено неколико техника двоструког патернирања, као што су самопоравнавајуће двоструко патернирање (САДП) и искључиво литографски приступ двоструком патернирању.
Двоструко патернирање корака пионирски је применио Гуртеџ Синг Санду из компаније Мајкрон технолоџи током 2000-их, што је довело до развоја класе 30-nm NAND флеш меморије. Вишеструко патернирање од тада је широко прихваћено од стране произвођача NAND флеш меморија и меморија са случајним приступом широм света.
Ситуације које захтевају вишеструко патернирање Постоји низ ситуација које доводе до потребе за вишеструким патернирањем.
Корак испод границе резолуције мини|лево|300px|Стохастички дефекти ограничавају ЕУВ резолуцију. Стохастички дефекти су озбиљнији код гушћих корака; при кораку од 36 nm стопа дефеката не пада испод ~1e-9. Контактни шаблони имају озбиљну дефектност при већим димензијама. Најочигледнији случај који захтева вишеструко патернирање је када је корак елемента испод границе резолуције оптичког пројекционог система. За систем са нумеричком апертуром NA и таласном дужином λ, било који корак мањи од 0,5 λ/NA не би био решив у једном излагању плочице. Граница резолуције такође може потицати од стохастичких ефеката, као у случају ЕУВ литографије. Сходно томе, ширина линије од 20 nm и даље захтева ЕУВ двоструко патернирање, због веће дефектности при већим корацима.
Дводимензионално заокругљивање шаблона мини|лево|200px|Дводимензионално заокругљивање шаблона. Дводимензионални густи шаблони формирани од неколико интерферирајућих зрака увек су озбиљно заокругљени. Добро је познато да су густи дводимензионални шаблони, који се формирају од интерференције два или три зрака дуж једног правца, као код квадруполног или QUASAR осветљења, подложни значајном заокругљивању, посебно на кривинама и угловима. Радијус заокругљивања угла је већи од минималног корака (~0,7 λ/NA).R. L. Jones and J. D. Byers, Proc. SPIE 5040, 1035 (2003). Ово такође доприноси стварању критичних тачака (hot spots) за величине елемената од ~0,4 λ/NA или мање.S. Kobayashi et al., Proc. SPIE 6521, 65210B (2007). Из тог разлога, предност је прво дефинисати линијске шаблоне, а затим сходно томе исећи сегменте из таквих линија.R. Kotb et al., Proc. SPIE 10583, 1058321 (2018). Ово захтева додатна излагања. Сами облици резова могу бити округли, што захтева високу прецизност постављања.L. T.-N. Wang et al., Proc. SPIE 9781, 97810B (2016).
Компромис између врха линије и ширине линије Заокругљивање врхова линија природно доводи до компромиса између смањења ширине линије (тј. ширине врха линије) и смањења празнине између насупрот окренутих врхова. Како се ширина линије смањује, радијус врха се смањује. Када је врх линије већ мањи од функције ширења тачке (k1~0,6–0,7), врх линије се природно повлачи уназад,C. A. Mack, Proc. SPIE 4226, 83 (2000). повећавајући празнину између насупрот окренутих врхова. Функција ширења тачке такође ограничава решиву удаљеност између центара врхова линија (моделованих као кругови). Ово заузврат доводи до компромиса између смањења ширине ћелије и смањења висине ћелије. Овај компромис се избегава додавањем маске за сечење/скраћивање (погледати дискусију испод). Стога, за 7nm процес циљан ЕУВ-ом, са ширином металне линије од 18 nm (k1=0,44 за λ=13,5 nm, NA=0,33), празнина између врхова линија мања од 25 nm (k1=0,61) значи да ЕУВ једноструко патернирање није довољно; неопходно је друго излагање за сечење.
Различити делови распореда који захтевају различита осветљења мини|лево|350px|Различити елементи захтевају различита осветљења. Различити елементи у истом распореду (као што је означено различитим бојама) могли би захтевати различита осветљења, а самим тим и различита излагања. Док се хоризонталне и вертикалне линије могу решити заједничким квадруполним осветљењем (плаво), оријентације под углом од 45 степени би биле угрожене, јер захтевају потпуно другачије квадруполно осветљење (црвено). Следствено томе, да би се укључили сви ови случајеви, била би потребна засебна излагања.
Када шаблони укључују величине елемената близу границе резолуције, уобичајено је да различити распореди таквих елемената захтевају специфична осветљења како би били одштампани.C. T. Bodendorf, Proc. SPIE 5992, 599224 (2005).
Најосновнији пример су хоризонталне густе линије наспрам вертикалних линија (полукорак < 0,35 λ/NA), где прве захтевају диполно осветљење север-југ, док друге захтевају диполно осветљење исток-запад. Ако се користе оба типа (познато и као унакрсно квадруполно C-Quad осветљење), неодговарајући дипол деградира слику одговарајуће оријентације линије.M. Burkhardt et al., Proc. SPIE 6520, 65200K (2007). Већи кораци до λ/NA могу имати и хоризонталне и вертикалне линије које су прилагођене квадруполном или QUASAR осветљењу, али су дијагонално постављени елементи и елементи у облику лакта деградирани.E. Hendrickx et al., Proc. SPIE 6924, 69240L (2008).W. N. Partlo et al., Prof. SPIE 1927, 137 (1993).
У DRAM-у, матрица и периферија се излажу при различитим условима осветљења. На пример, матрица би могла бити изложена диполним осветљењем, док би периферија могла користити прстенасто осветљење.T. Winkler et al., Proc. SPIE 5754, 1169 (2005). Ова ситуација важи за било који скуп шаблона (полукорак < 0,5 λ/NA) са различитим корацима или различитим распоредима елемената, нпр. правоугаоне матрице наспрам степенастих матрица.Y. Chen et al., J. Vac. Sci. & Tech. B 35, 06G601 (2017).K. Tsujita et al., Proc. SPIE 6520, 652036 (2007).T. Winkler et al., Proc. SPIE 5754, 1169 (2005).K. Tian et al., Proc. SPIE 7274, 72740C (2009). Сваки од појединачних шаблона је решив, али једно осветљење се не може користити истовремено за све њих. Минимални корак може захтевати осветљење које је штетно за двоструки минимални корак са дефокусом.DRAM Periphery Metal Patterning Pitch IncompatibilitiesA Forbidden Pitch Combination at Advanced Lithography Nodes
Укључивање како изолованих тако и густих елемената је добро познат пример патернирања више корака. Помоћни елементи испод резолуције (SRAFs) дизајнирани су да омогуће патернирање изолованих елемената када се користи осветљење прилагођено густим елементима. Међутим, не могу се покрити сви распони корака. Конкретно, полугусте елементе може бити тешко укључити.F. M. Schellenberg et al., DAC 2001,Adoption of OPC and the Impact on Design and Layout.V. Wiaux et al., Proc. SPIE 5040, 270 (2003).
Специфичан пример: матрице отвора мини|десно|350px|Осветљења специфична за матрицу. Различите конфигурације матрица захтевају различита и међусобно искључива осветљења. Да би се сви ови захтеви задовољили, била би потребна различита излагања са различитим осветљењима. За специфичан случај матрица отвора (минимални полукорак < 0,6 λ/NA), три добро позната случаја захтевају три потпуно различита осветљења. Регуларна матрица генерално захтева Quasar осветљење, док иста матрица ротирана за 45 степени резултира шаховском матрицом која захтева C-quad осветљење. Различито од оба случаја, матрица са симетријом блиском троугластој или хексагоналној захтева хексаполно осветљење.B. Bilski et al., Proc. SPIE 10466, 1046605 (2017).
Шаблони са више корака мини|лево|200px|ОПЦ критична тачка. Недовољан простор (црвени регион) за помоћне елементе који би подржали 2x минимални корак метала (MMP) у присуству 1x MMP је забрањен. мини|лево|200px|Шаблони са некомпатибилним осветљењима. Осветљења прилагођена одређеним деловима шаблона са више корака могу деградирати друге аспекте. Овде плаве локације имају користи од минималног корака линије, док црвене локације имају користи од прекида линија, али не и од минималног корака линије. Понекад шаблон елемената инхерентно садржи више од једног корака, а штавише, ови кораци су некомпатибилни до те мере да ниједно осветљење не може истовремено задовољавајуће приказати оба корака. Уобичајен пример, поново из DRAM-а, јесте шаблон у облику цигле који дефинише активне регије матрице.Самсунг 80nm DRAMWhen Lithography Requires Multiple Patterning: Avoiding Analog Distortions in the Resist Layer Поред уског корака активних регија, ту је и корак између раздвајања или прекида активних регија, који се разликује од корака уског дела у истом правцу. Када је уски корак < λ/NA (али и даље > 0,5 λ/NA), не може се приказати истовремено са двоструким кораком због фокусних ограничења овог другог. Селективно гравирање, заједно са САДП-ом или САКП-ом (описано у наставку), тренутно је најбољи приступ за постизање истовременог патернирања оба корака.Feature-selective etching in SAQP for sub-20nm patterning
Мала одступања од интерференције 2 зрака Интерференциони шаблон два зрака (полукорак <0,5 λ/NA) формира скуп правилно распоређених линија. Прекиди у таквим линијама, нпр. шаблони у облику цигле, представљају одступања од интерференционог шаблона. Оваква одступања генерално не доминирају шаблоном и стога представљају мала одступања. Ова одступања су недовољна да у потпуности пониште конструктивну или деструктивну интерференцију основног регуларног линијског шаблона; често настају бочни режњеви.N. Singh and M. Mukherjee-Roy, Proc. SPIE vol. 4691, 1054 (2002).J. Garofalo et al., J. Vac. Sci. & Tech. B 11, 2651 (1993). Празнине на крајевима линија лако се премошћују под диполним осветљењем.T. Matsuda et al., Proc. SPIE 7973, 797316 (2011). Стога је неопходно још једно излагање маске (обично названо маска за сечење) да би се линијски шаблон поузданије прекинуо.
Сечење линија мини|200px|Лоше поравнање облика за сечење може довести до електричних проблема као што су варничење и варијације отпора контакта. Најранија имплементација вишеструког патернирања укључивала је сечење линија. Ово се први пут десило за Интелов 45nm процес, за корак гејта од 160 nm.Intel Technology Journal 45nm issue Коришћење друге маске за сечење линија које су дефинисане првом маском не помаже директно у повећању густине елемената. Уместо тога, омогућава дефинисање елемената, нпр. шаблона у облику цигле, који се заснивају на линијама распоређеним на минималном кораку, посебно када су линије близу границе резолуције и када су генерисане раније поменутом интерференцијом два зрака. Интерференција два зрака и даље доминира дифракционим шаблоном. У ствари, у одсуству засебног излагања за сечење, празнина између крајева линија минималног корака биће неприхватљиво велика.How Line Cuts Became Necessarily Separate Steps in LithographyM. Eurlings et al., Proc. SPIE 4404, 266 (2001). Ово је последица заокругљивања које произилази из смањених просторних фреквенција.Vanishing of Half the Fourier Coefficients in Staggered Arrays