EDA軟件之——OPC軟件

EDA軟件之——OPC軟件

近年的芯片投資熱也把EDA軟件徹底帶火了，看看最近上市的華大九天(SZ:301269)市值已經超過700億。從她的招股書來看華大九天的經營數字并不靚麗，一個業績并不怎么樣的新股為什么會得到資金追捧？無非因為EDA概念。華大九天官方的介紹：主要從事用于集成電路設想與制造的EDA工具軟件開發、銷售及相關服務業務。公司主要產品包括模仿電路設想全流程EDA工具系統、數字電路設想EDA工具、平板顯示電路設想全流程EDA工具系統和晶圓制造EDA工具等EDA工具軟件，并環繞相關領域提供技術開發服務。

大家明白芯片完整產業鏈包括設想、制造、封裝、測試等階段，每個階段全流程都要用到各種EDA軟件，大家從華大九天的招股書可以看到她的軟件產品有十幾種，側重于芯片的設想階段，她的模仿電路設想全流程EDA工具系統包括原理圖編輯工具、版圖編輯工具、電路仿真工具、物理驗證工具、寄生參數提取工具和可靠性分析工具等，招股書介紹的比較具體，就不贅述了，大家有愛好去下載招股書細看。

這里介紹常用于晶圓制造階段的一種EDA軟件——OPC軟件。大家明白光刻（lithography）是集成電路制造中最重要的步驟，是目前最主要的在晶圓上制作亞微米和納米精度圖形的技術。光刻是利用光化學反應（Photo-Chemical Reaction，PCR）原理把制備在掩模上的圖形通過光刻投影系統轉印至晶圓上的過程。光照射在掩模上發生衍射，衍射級被投影透鏡搜集并會聚在光刻膠表面，這一成像過程是一個光學過程；投影在光刻膠上的圖像激發光化學反應，烘烤后導致光刻膠局部可溶于顯影液，這是化學過程。如此說來，光刻包括光學和化學過程。

光刻比較抽象，為幫忙理解，這里用一個不是特殊嚴謹但很形象的例子來說明：光刻過程有點像過去膠卷照相年代的彩色照片沖印過程，彩照沖印是先有底片（類似光刻的掩模），光源照射底片將底片的圖像信息通過光學系統投射到相紙上，相紙曝光后經顯影定影烘干就成了照片。當然晶圓光刻過程要復雜得多，也要精密得多，但過程有點像。

計算光刻技術其實就是利用軟件和高性能計算，來模仿仿真光刻過程中的光學和化學過程，或者說是模仿光學鄰近效應修正（Optical Proximity Correction，OPC），從理論上試探增大最小可辨別特征尺寸（Minimum Resolvable Feature size，MRF）和工藝窗口（Process Window，PW）的途徑，指點工藝參數的優化。

伴著工藝的不斷進步，設想尺寸不斷縮小，器件中最小線寬開始小于曝光波長，越來越逼近光刻投影系統的極限，光的衍射效應變得越來越明顯，導致最終對設想圖形產生光學影像退化，實際形成的光刻圖案相對于掩模版上的圖案發生嚴峻畸變，比如晶圓表面成像相對于原始版圖會出現拐角處圓化、線端縮短、線條寬度變窄等嚴峻的不一致，最終在硅片上經過光刻形成的實際圖形和設想圖形不同，這種現象稱為光學鄰近效應（Optical Proximity Effect，OPE）。OPC軟件的作用就是用來對OPE做矯正。

詳細來說，計算光刻技術除了光學鄰近效應校正（Optical Proximity Correction，OPC），還有光源 - 掩模協同優化技術（Source Mask Optimization，SMO）、多重圖形技術（Multi Patterning Technology，MPT）、反演光刻技術（Inverse Lithography Technique，ILT）、離軸照明（Off Axis Illumination，OAI）、亞辨別率輔助圖形（Sub-Resolution Assist Feature，SRAF），也包括有效填補（dummy fill）、工藝變化帶寬（Process Variation band，PV-band）分析、邊緣放置誤差（Edge Placement Error，EPE）改善，等等。

前文提到，在光刻過程中會產生光學鄰近效應，為了修正光學鄰近效應，便產生了光學鄰近效應修正技術（OPC）。伴著工藝的進一步發展，光學臨近效應修正已經成為光刻圖形處理的要害步驟，變得必不可少。

光學鄰近效應校正可以算是最早的計算光刻技術。前文說到，當晶圓上的線寬小于曝光波長時，必須對掩模上的圖形做光學鄰近效應修正。光學鄰近效應修正中應用了一種被稱為圖像分割（Fracturing）的技術，將需要成像的圖形劃分成很多小塊，并且利用衍射光束之間的相互干涉效應，在掩模板上將需要成像的圖形的外形進行一些改變，并在轉角等處添加或減少一些小塊圖形，這樣就可以利用衍射效應來消退最終在晶圓上成型的圖像轉角等邊緣處可能出現的圖像邊緣缺陷。

光學鄰近效應校正有兩種，一是早期基于規則的 OPC（Rule-Based OPC，RB-OPC），二是現在基于模型的 OPC（Model-Based OPC，MB-OPC）。

RB-OPC 首先于 0.25μm 技術節點被引入光刻工藝中，由于其簡樸和計算快速的特點被廣泛運用。然而這種辦法需要人為制定 OPC 規則，OPC 軟件根據事先確定的規則對設想圖形做光學鄰近效應修正。這種辦法的要害是修正規則，它規定了如何對各種曝光圖形進行修正。其形式與內容會極大的影響 OPC 數據處理的效率和修正的精度。修正規則是從大量試驗數據中歸納出來的，伴著計算技術的發展，修正規則也可以通過計算的辦法產生。修正規則都是在肯定照明條件下產生的。假如工藝條件發生了變化，這些修正規則必須重新修訂。

伴著光學畸變加劇，這些規則變得極為龐雜而難以延續，必須在結合 RB-OPC 的情景下引入 MB-OPC，并讓 MB-OPC 承擔主要的修正職責。

MB-OPC 從 90nm 技術節點開始被廣泛應用，運用光學模型和光刻膠化學反應模型來計算出曝光后的圖形。MB-OPC 通過光學仿真設立精確的計算模型，然后調整圖形的邊沿不斷仿真迭代，直到逼近目標圖形。

MB-OPC 的流程更加復雜，對計算資源的需求呈指數級別增長。光刻工程師還運用一些專用的測試圖形曝光，搜集晶圓上的數據，用來修正軟件里的模型，使之計算出的結果和實際盡量吻合。顯然試驗數據越多，模型擬合越精確。但是太多的測試圖形會使得晶圓數據的搜集量太大。因此，測試圖形的設想十分要害。

伴著器件尺寸向 10nm 以下發展，各種不常見的物理現象層出不窮。例如從掩模表面散射的電磁波需要更嚴格地建模（Mask 3D 效應），以示意掩模版表面立體結構對光衍射的影響。OPC 工程師不僅要考慮光學畸變，還要考慮光刻膠工藝（Resist 3D 效應）的影響，例如烘烤和顯影。這時的 OPC 已經不再是單純的數據處理，而是綜合考慮物理、化學、光學、高性能計算的跨學科應用，使得完成 OPC 的 EDA 工具也十分復雜。此時，工程師的經驗在計算光刻解決方案部署過程中起十分要害的作用，它們將決定解決方案的效能和效率，進而影響到整個節點工藝的成敗。

說到底，光學臨近效應修正技術就是掩模優化（Mask Optimization，MO），根據已定的光源，通過修正掩模外形來改善圖形的光學表現。

目前海內廠商已經有OPC軟件在25nm產線得到驗證，28/14nm的邏輯芯片的消費驗證正在進行中。

$華大九天(SZ301269)$$C廣立微(SZ301095)$$概倫電子(SH688206)$

來源:雪球-歐登哥