专访东方晶源俞宗强：独树一帜的计算光刻方案

近日，第七届国际先进光刻技术研讨会在浙江丽水成功举办，会议吸引了众多专家学者以及企业的积极参与。今年论坛报告的各大主题较往年也有所不同，围绕EUV的报告数量明显增多，此外计算光刻也成为了今天光刻行业的焦点。

根据市场侧统计，2022年计算光刻市场的规模约为10亿美元左右。当前，计算光刻软件产品核心供应商为ASML、Siemens EDA、Synopsys等国际厂商，而中国的计算光刻产业还处于初期阶段。虽然如此，但中国的部分计算光刻企业和传统路线不太一样，技术方式上已取得突破并进行了大量量产应用，未来实现市场领先也未为不可。

为此，与非网在大会期间采访到了东方晶源董事长兼CTO俞宗强博士，就计算光刻的必要性、基于分段和基于像素的掩模优化方式对比，以及计算光刻的国产化进程进行了深度探讨。

图 | 东方晶源董事长兼CTO俞宗强博士

为什么芯片制造需要计算光刻？

首先，我们来看一下什么是光刻。光刻是芯片制造的最关键步骤之一，过程采用类似照相机的原理，光刻机发出的光通过具有图形的掩模版对涂有光刻胶的晶圆曝光成像，然后通过刻蚀将图形转移到晶圆的出来的过程。

早期的光刻环节不需要计算光刻，好比用一支很细的笔（光刻分辨率）去写一个很粗的字（图形），怎么写都是对的，但是随着工艺节点越来越小，现在就像是在用粗笔写细字，难度大大增加。

我们知道，光刻分辨率是光刻曝光系统最重要的技术指标，它代表了投影光学系统在晶圆上可实现的最小线宽。根据瑞利第一公式：可知，投影式光刻机分辨率是由光源波长、数值孔径、光刻工艺系数共同决定的。波长越短、物镜的数值孔径越大，光刻分辨率就越小。

但当工艺节点变小，光刻的线宽越来越窄，掩模版的漏光区需要做得越来越窄，而光源波长又相对固定，此时就意味着光要通过很窄的细缝，产生的衍射效应越来越强，导致在将图形转移到晶圆上会产生失真。事实上，当工艺制程达到90nm以下时，这个衍射像差就变得不可忽略了。

而计算光刻（核心产品OPC，Optical Proximity Correction）就是用计算的方式，作为前馈去补偿这些失真。具体来讲，就是通过模拟光刻过程中的光学和化学反应，预测出芯片上图形在晶圆上的实际形态，并根据预测结果对掩模图形进行调整。可以说，计算光刻是芯片制程不断向前推进的重要保证，已成为制造芯片的不可或缺的最关键技术之一。

相比基于分段的方式，基于像素的掩模优化方式会是更优选择吗？

传统的计算光刻都是segmentation base或者dissection base的，具体来讲就是把掩膜上的polygon分成非常小的一段，每一段都是一个变量，可以沿着法线通过变形实现掩膜图形的调优。

如果以苹果M系列芯片为例，它的晶体管数量已经达到了上千亿，每个晶体管又由多个线路（polygon）组成 每个polygon现在又被分成许多小段，可以看到计算光刻面对的变量数目非常惊人，是在十万亿这个量级。所以对计算光刻工具或者厂商来说，最大的挑战就是如何在规定的时间内高质量地完成这项工作。当前，行业内的要求是在24小时左右完成一张完整的掩膜优化计算。

因此，做好计算光刻的前提有两点，第一点是你的模型一定要足够简化，否则要处理体量如此庞大的变量，不管是存储还是运行都会受不了；第二点是必须可以加速，也就是要有好的并行处理能力。

提到加速和并行计算能力，当前我们的第一反应就是GPU加速卡，或许是出于同样的思考方向，我们看到东方晶源采用的计算光刻路线是和传统方式完全不一样的。

根据俞宗强博士的介绍：“东方晶源采用的是像素化的方法来做计算光刻，而非传统的把线分成许多小段，这样能给出更充分的优化结果。但在采用像素化方法下，不管是有图形还是没图形的地方都会存在变量，这意味着它的变量总量将达到传统方法的50~200倍，甚至更多。但在半导体市场中，时间就是金钱，没有客户会愿意多花50倍以上的时间，所以硬件加速更是势在必行。”

据悉，东方晶源从产品研发之初就采用的是CPU+GPU的混合超算架构以及开放式的软件架构，核心功能采用CUDA技术加速，从技术路线上明显有别于或者领先于市场上的同类产品的。目前，东方晶源基于像素的全掩模优化解决方案已经具备完整的功能链条，包括精确地制程仿真、DRC、SBAR、OPC、LRC、DPT和SMO等，并在产线上实现了基于反向光刻技术（ILT）的全芯片掩模优化应用。

话说回来，采用像素化的方法相对传统的模式有什么好处呢？其中最重要的一点就是，在光刻过程中由于光衍射，会在不想要的地方出来一个图像，Extral，但又没法轻易消除，那怎么办呢？这时候就需要做一个很小的图形（SRAF）既把不必要的光挡住，又不至于在硅片上印出不必要的图形，那么这个SRAF到底要放在哪里？如果采用传统的方式，那就只能靠经验和尝试，但是如果采用的是像素化的方式，就会根据需要自动计算出来实现快速和准确，这也是一个优势。

写在最后

目前，东方晶源基于像素的全掩模优化解决方案已经具备完整的功能链条，包括精确地制程仿真、DRC、SBAR、OPC、LRC、DPT和SMO等，并通过GPU加速在产线上实现了基于反向光刻技术（ILT）的全芯片掩模优化应用。值得一提的是，截至目前，东方晶源已经有累计超过5000张产品掩模（production mask）设计和制造经验，在国内遥遥领先。