1.2萬(wàn)
近日，第七屆國(guó)際先進(jìn)光刻技術(shù)研討會(huì)在浙江麗水成功舉辦，會(huì)議吸引了眾多專(zhuān)家學(xué)者以及企業(yè)的積極參與。今年論壇報(bào)告的各大主題較往年也有所不同，圍繞EUV的報(bào)告數(shù)量明顯增多，此外計(jì)算光刻也成為了今天光刻行業(yè)的焦點(diǎn)。
根據(jù)市場(chǎng)側(cè)統(tǒng)計(jì)，2022年計(jì)算光刻市場(chǎng)的規(guī)模約為10億美元左右。當(dāng)前，計(jì)算光刻軟件產(chǎn)品核心供應(yīng)商為ASML、Siemens EDA、Synopsys等國(guó)際廠商，而中國(guó)的計(jì)算光刻產(chǎn)業(yè)還處于初期階段。雖然如此，但中國(guó)的部分計(jì)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(jìn)行了大量量產(chǎn)應(yīng)用，未來(lái)實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)領(lǐng)先也未為不可。
為此，與非網(wǎng)在大會(huì)期間采訪到了東方晶源董事長(zhǎng)兼CTO俞宗強(qiáng)博士，就計(jì)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(duì)比，以及計(jì)算光刻的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程進(jìn)行了深度探討。
圖 | 東方晶源董事長(zhǎng)兼CTO俞宗強(qiáng)博士
為什么芯片制造需要計(jì)算光刻？
首先，我們來(lái)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(guò)程采用類(lèi)似照相機(jī)的原理，光刻機(jī)發(fā)出的光通過(guò)具有圖形的掩模版對(duì)涂有光刻膠的晶圓曝光成像，然后通過(guò)刻蝕將圖形轉(zhuǎn)移到晶圓的出來(lái)的過(guò)程。
早期的光刻環(huán)節(jié)不需要計(jì)算光刻，好比用一支很細(xì)的筆（光刻分辨率）去寫(xiě)一個(gè)很粗的字（圖形），怎么寫(xiě)都是對(duì)的，但是隨著工藝節(jié)點(diǎn)越來(lái)越小，現(xiàn)在就像是在用粗筆寫(xiě)細(xì)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(shí)現(xiàn)的最小線寬。根據(jù)瑞利第一公式：可知，投影式光刻機(jī)分辨率是由光源波長(zhǎng)、數(shù)值孔徑、光刻工藝系數(shù)共同決定的。波長(zhǎng)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(diǎn)變小，光刻的線寬越來(lái)越窄，掩模版的漏光區(qū)需要做得越來(lái)越窄，而光源波長(zhǎng)又相對(duì)固定，此時(shí)就意味著光要通過(guò)很窄的細(xì)縫，產(chǎn)生的衍射效應(yīng)越來(lái)越強(qiáng)，導(dǎo)致在將圖形轉(zhuǎn)移到晶圓上會(huì)產(chǎn)生失真。事實(shí)上，當(dāng)工藝制程達(dá)到90nm以下時(shí)，這個(gè)衍射像差就變得不可忽略了。
而計(jì)算光刻（核心產(chǎn)品OPC，Optical Proximity Correction）就是用計(jì)算的方式，作為前饋去補(bǔ)償這些失真。具體來(lái)講，就是通過(guò)模擬光刻過(guò)程中的光學(xué)和化學(xué)反應(yīng)，預(yù)測(cè)出芯片上圖形在晶圓上的實(shí)際形態(tài)，并根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)掩模圖形進(jìn)行調(diào)整?？梢哉f(shuō)，計(jì)算光刻是芯片制程不斷向前推進(jìn)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(huì)是更優(yōu)選擇嗎？
傳統(tǒng)的計(jì)算光刻都是segmentation base或者dissection base的，具體來(lái)講就是把掩膜上的polygon分成非常小的一段，每一段都是一個(gè)變量，可以沿著法線通過(guò)變形實(shí)現(xiàn)掩膜圖形的調(diào)優(yōu)。
如果以蘋(píng)果M系列芯片為例，它的晶體管數(shù)量已經(jīng)達(dá)到了上千億，每個(gè)晶體管又由多個(gè)線路（polygon）組成 每個(gè)polygon現(xiàn)在又被分成許多小段，可以看到計(jì)算光刻面對(duì)的變量數(shù)目非常驚人，是在十萬(wàn)億這個(gè)量級(jí)。所以對(duì)計(jì)算光刻工具或者廠商來(lái)說(shuō)，最大的挑戰(zhàn)就是如何在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)高質(zhì)量地完成這項(xiàng)工作。當(dāng)前，行業(yè)內(nèi)的要求是在24小時(shí)左右完成一張完整的掩膜優(yōu)化計(jì)算。
因此，做好計(jì)算光刻的前提有兩點(diǎn)，第一點(diǎn)是你的模型一定要足夠簡(jiǎn)化，否則要處理體量如此龐大的變量，不管是存儲(chǔ)還是運(yùn)行都會(huì)受不了；第二點(diǎn)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(jì)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(jì)算光刻路線是和傳統(tǒng)方式完全不一樣的。
根據(jù)俞宗強(qiáng)博士的介紹：“東方晶源采用的是像素化的方法來(lái)做計(jì)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(méi)圖形的地方都會(huì)存在變量，這意味著它的變量總量將達(dá)到傳統(tǒng)方法的50~200倍，甚至更多。但在半導(dǎo)體市場(chǎng)中，時(shí)間就是金錢(qián)，沒(méi)有客戶會(huì)愿意多花50倍以上的時(shí)間，所以硬件加速更是勢(shì)在必行。”
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(kāi)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(chǎng)上的同類(lèi)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(shí)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(shuō)回來(lái)，采用像素化的方法相對(duì)傳統(tǒng)的模式有什么好處呢？其中最重要的一點(diǎn)就是，在光刻過(guò)程中由于光衍射，會(huì)在不想要的地方出來(lái)一個(gè)圖像，Extral，但又沒(méi)法輕易消除，那怎么辦呢？這時(shí)候就需要做一個(gè)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(gè)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(yàn)和嘗試，但是如果采用的是像素化的方式，就會(huì)根據(jù)需要自動(dòng)計(jì)算出來(lái)實(shí)現(xiàn)快速和準(zhǔn)確，這也是一個(gè)優(yōu)勢(shì)。
寫(xiě)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(guò)GPU加速在產(chǎn)線上實(shí)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(jì)超過(guò)5000張產(chǎn)品掩模（production mask）設(shè)計(jì)和制造經(jīng)驗(yàn)，在國(guó)內(nèi)遙遙領(lǐng)先。
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