專訪東方晶源俞宗強：獨樹一幟的計算光刻方案

近日，第七屆國際先進光刻技術(shù)研討會在浙江麗水成功舉辦，會議吸引了眾多專家學(xué)者以及企業(yè)的積極參與。今年論壇報告的各大主題較往年也有所不同，圍繞EUV的報告數(shù)量明顯增多，此外計算光刻也成為了今天光刻行業(yè)的焦點。

根據(jù)市場側(cè)統(tǒng)計，2022年計算光刻市場的規(guī)模約為10億美元左右。當(dāng)前，計算光刻軟件產(chǎn)品核心供應(yīng)商為ASML、Siemens EDA、Synopsys等國際廠商，而中國的計算光刻產(chǎn)業(yè)還處于初期階段。雖然如此，但中國的部分計算光刻企業(yè)和傳統(tǒng)路線不太一樣，技術(shù)方式上已取得突破并進行了大量量產(chǎn)應(yīng)用，未來實現(xiàn)市場領(lǐng)先也未為不可。

為此，與非網(wǎng)在大會期間采訪到了東方晶源董事長兼CTO俞宗強博士，就計算光刻的必要性、基于分段和基于像素的掩模優(yōu)化方式對比，以及計算光刻的國產(chǎn)化進程進行了深度探討。

圖 | 東方晶源董事長兼CTO俞宗強博士

為什么芯片制造需要計算光刻？

首先，我們來看一下什么是光刻。光刻是芯片制造的最關(guān)鍵步驟之一，過程采用類似照相機的原理，光刻機發(fā)出的光通過具有圖形的掩模版對涂有光刻膠的晶圓曝光成像，然后通過刻蝕將圖形轉(zhuǎn)移到晶圓的出來的過程。

早期的光刻環(huán)節(jié)不需要計算光刻，好比用一支很細的筆（光刻分辨率）去寫一個很粗的字（圖形），怎么寫都是對的，但是隨著工藝節(jié)點越來越小，現(xiàn)在就像是在用粗筆寫細字，難度大大增加。

我們知道，光刻分辨率是光刻曝光系統(tǒng)最重要的技術(shù)指標(biāo)，它代表了投影光學(xué)系統(tǒng)在晶圓上可實現(xiàn)的最小線寬。根據(jù)瑞利第一公式：可知，投影式光刻機分辨率是由光源波長、數(shù)值孔徑、光刻工藝系數(shù)共同決定的。波長越短、物鏡的數(shù)值孔徑越大，光刻分辨率就越小。

但當(dāng)工藝節(jié)點變小，光刻的線寬越來越窄，掩模版的漏光區(qū)需要做得越來越窄，而光源波長又相對固定，此時就意味著光要通過很窄的細縫，產(chǎn)生的衍射效應(yīng)越來越強，導(dǎo)致在將圖形轉(zhuǎn)移到晶圓上會產(chǎn)生失真。事實上，當(dāng)工藝制程達到90nm以下時，這個衍射像差就變得不可忽略了。

而計算光刻（核心產(chǎn)品OPC，Optical Proximity Correction）就是用計算的方式，作為前饋去補償這些失真。具體來講，就是通過模擬光刻過程中的光學(xué)和化學(xué)反應(yīng)，預(yù)測出芯片上圖形在晶圓上的實際形態(tài)，并根據(jù)預(yù)測結(jié)果對掩模圖形進行調(diào)整?？梢哉f，計算光刻是芯片制程不斷向前推進的重要保證，已成為制造芯片的不可或缺的最關(guān)鍵技術(shù)之一。

相比基于分段的方式，基于像素的掩模優(yōu)化方式會是更優(yōu)選擇嗎？

傳統(tǒng)的計算光刻都是segmentation base或者dissection base的，具體來講就是把掩膜上的polygon分成非常小的一段，每一段都是一個變量，可以沿著法線通過變形實現(xiàn)掩膜圖形的調(diào)優(yōu)。

如果以蘋果M系列芯片為例，它的晶體管數(shù)量已經(jīng)達到了上千億，每個晶體管又由多個線路（polygon）組成 每個polygon現(xiàn)在又被分成許多小段，可以看到計算光刻面對的變量數(shù)目非常驚人，是在十萬億這個量級。所以對計算光刻工具或者廠商來說，最大的挑戰(zhàn)就是如何在規(guī)定的時間內(nèi)高質(zhì)量地完成這項工作。當(dāng)前，行業(yè)內(nèi)的要求是在24小時左右完成一張完整的掩膜優(yōu)化計算。

因此，做好計算光刻的前提有兩點，第一點是你的模型一定要足夠簡化，否則要處理體量如此龐大的變量，不管是存儲還是運行都會受不了；第二點是必須可以加速，也就是要有好的并行處理能力。

提到加速和并行計算能力，當(dāng)前我們的第一反應(yīng)就是GPU加速卡，或許是出于同樣的思考方向，我們看到東方晶源采用的計算光刻路線是和傳統(tǒng)方式完全不一樣的。

根據(jù)俞宗強博士的介紹：“東方晶源采用的是像素化的方法來做計算光刻，而非傳統(tǒng)的把線分成許多小段，這樣能給出更充分的優(yōu)化結(jié)果。但在采用像素化方法下，不管是有圖形還是沒圖形的地方都會存在變量，這意味著它的變量總量將達到傳統(tǒng)方法的50~200倍，甚至更多。但在半導(dǎo)體市場中，時間就是金錢，沒有客戶會愿意多花50倍以上的時間，所以硬件加速更是勢在必行?！?/p>

據(jù)悉，東方晶源從產(chǎn)品研發(fā)之初就采用的是CPU+GPU的混合超算架構(gòu)以及開放式的軟件架構(gòu)，核心功能采用CUDA技術(shù)加速，從技術(shù)路線上明顯有別于或者領(lǐng)先于市場上的同類產(chǎn)品的。目前，東方晶源基于像素的全掩模優(yōu)化解決方案已經(jīng)具備完整的功能鏈條，包括精確地制程仿真、DRC、SBAR、OPC、LRC、DPT和SMO等，并在產(chǎn)線上實現(xiàn)了基于反向光刻技術(shù)（ILT）的全芯片掩模優(yōu)化應(yīng)用。

話說回來，采用像素化的方法相對傳統(tǒng)的模式有什么好處呢？其中最重要的一點就是，在光刻過程中由于光衍射，會在不想要的地方出來一個圖像，Extral，但又沒法輕易消除，那怎么辦呢？這時候就需要做一個很小的圖形（SRAF）既把不必要的光擋住，又不至于在硅片上印出不必要的圖形，那么這個SRAF到底要放在哪里？如果采用傳統(tǒng)的方式，那就只能靠經(jīng)驗和嘗試，但是如果采用的是像素化的方式，就會根據(jù)需要自動計算出來實現(xiàn)快速和準(zhǔn)確，這也是一個優(yōu)勢。

寫在最后

目前，東方晶源基于像素的全掩模優(yōu)化解決方案已經(jīng)具備完整的功能鏈條，包括精確地制程仿真、DRC、SBAR、OPC、LRC、DPT和SMO等，并通過GPU加速在產(chǎn)線上實現(xiàn)了基于反向光刻技術(shù)（ILT）的全芯片掩模優(yōu)化應(yīng)用。值得一提的是，截至目前，東方晶源已經(jīng)有累計超過5000張產(chǎn)品掩模（production mask）設(shè)計和制造經(jīng)驗，在國內(nèi)遙遙領(lǐng)先。