EDA软件之——OPC软件

EDA软件之——OPC软件

近年的芯片投资热也把EDA软件彻底带火了，看看最近上市的华大九天(SZ:301269)市值已经超过700亿。从她的招股书来看华大九天的经营数字并不靓丽，一个业绩并不怎么样的新股为什么会得到资金追捧？无非因为EDA概念。华大九天官方的介绍：主要从事用于集成电路设想与制造的EDA工具软件开发、销售及相关服务业务。公司主要产品包括模仿电路设想全流程EDA工具系统、数字电路设想EDA工具、平板显示电路设想全流程EDA工具系统和晶圆制造EDA工具等EDA工具软件，并环绕相关领域提供技术开发服务。

大家明白芯片完整产业链包括设想、制造、封装、测试等阶段，每个阶段全流程都要用到各种EDA软件，大家从华大九天的招股书可以看到她的软件产品有十几种，侧重于芯片的设想阶段，她的模仿电路设想全流程EDA工具系统包括原理图编辑工具、版图编辑工具、电路仿真工具、物理验证工具、寄生参数提取工具和可靠性分析工具等，招股书介绍的比较具体，就不赘述了，大家有爱好去下载招股书细看。

这里介绍常用于晶圆制造阶段的一种EDA软件——OPC软件。大家明白光刻（lithography）是集成电路制造中最重要的步骤，是目前最主要的在晶圆上制作亚微米和纳米精度图形的技术。光刻是利用光化学反应（Photo-Chemical Reaction，PCR）原理把制备在掩模上的图形通过光刻投影系统转印至晶圆上的过程。光照射在掩模上发生衍射，衍射级被投影透镜搜集并会聚在光刻胶表面，这一成像过程是一个光学过程；投影在光刻胶上的图像激发光化学反应，烘烤后导致光刻胶局部可溶于显影液，这是化学过程。如此说来，光刻包括光学和化学过程。

光刻比较抽象，为帮忙理解，这里用一个不是特殊严谨但很形象的例子来说明：光刻过程有点像过去胶卷照相年代的彩色照片冲印过程，彩照冲印是先有底片（类似光刻的掩模），光源照射底片将底片的图像信息通过光学系统投射到相纸上，相纸曝光后经显影定影烘干就成了照片。当然晶圆光刻过程要复杂得多，也要精密得多，但过程有点像。

计算光刻技术其实就是利用软件和高性能计算，来模仿仿真光刻过程中的光学和化学过程，或者说是模仿光学邻近效应修正（Optical Proximity Correction，OPC），从理论上试探增大最小可辨别特征尺寸（Minimum Resolvable Feature size，MRF）和工艺窗口（Process Window，PW）的途径，指点工艺参数的优化。

伴着工艺的不断进步，设想尺寸不断缩小，器件中最小线宽开始小于曝光波长，越来越逼近光刻投影系统的极限，光的衍射效应变得越来越明显，导致最终对设想图形产生光学影像退化，实际形成的光刻图案相对于掩模版上的图案发生严峻畸变，比如晶圆表面成像相对于原始版图会出现拐角处圆化、线端缩短、线条宽度变窄等严峻的不一致，最终在硅片上经过光刻形成的实际图形和设想图形不同，这种现象称为光学邻近效应（Optical Proximity Effect，OPE）。OPC软件的作用就是用来对OPE做矫正。

详细来说，计算光刻技术除了光学邻近效应校正（Optical Proximity Correction，OPC），还有光源 - 掩模协同优化技术（Source Mask Optimization，SMO）、多重图形技术（Multi Patterning Technology，MPT）、反演光刻技术（Inverse Lithography Technique，ILT）、离轴照明（Off Axis Illumination，OAI）、亚辨别率辅助图形（Sub-Resolution Assist Feature，SRAF），也包括有效填补（dummy fill）、工艺变化带宽（Process Variation band，PV-band）分析、边缘放置误差（Edge Placement Error，EPE）改善，等等。

前文提到，在光刻过程中会产生光学邻近效应，为了修正光学邻近效应，便产生了光学邻近效应修正技术（OPC）。伴着工艺的进一步发展，光学临近效应修正已经成为光刻图形处理的要害步骤，变得必不可少。

光学邻近效应校正可以算是最早的计算光刻技术。前文说到，当晶圆上的线宽小于曝光波长时，必须对掩模上的图形做光学邻近效应修正。光学邻近效应修正中应用了一种被称为图像分割（Fracturing）的技术，将需要成像的图形划分成很多小块，并且利用衍射光束之间的相互干涉效应，在掩模板上将需要成像的图形的外形进行一些改变，并在转角等处添加或减少一些小块图形，这样就可以利用衍射效应来消退最终在晶圆上成型的图像转角等边缘处可能出现的图像边缘缺陷。

光学邻近效应校正有两种，一是早期基于规则的 OPC（Rule-Based OPC，RB-OPC），二是现在基于模型的 OPC（Model-Based OPC，MB-OPC）。

RB-OPC 首先于 0.25μm 技术节点被引入光刻工艺中，由于其简朴和计算快速的特点被广泛运用。然而这种办法需要人为制定 OPC 规则，OPC 软件根据事先确定的规则对设想图形做光学邻近效应修正。这种办法的要害是修正规则，它规定了如何对各种曝光图形进行修正。其形式与内容会极大的影响 OPC 数据处理的效率和修正的精度。修正规则是从大量试验数据中归纳出来的，伴着计算技术的发展，修正规则也可以通过计算的办法产生。修正规则都是在肯定照明条件下产生的。假如工艺条件发生了变化，这些修正规则必须重新修订。

伴着光学畸变加剧，这些规则变得极为庞杂而难以延续，必须在结合 RB-OPC 的情景下引入 MB-OPC，并让 MB-OPC 承担主要的修正职责。

MB-OPC 从 90nm 技术节点开始被广泛应用，运用光学模型和光刻胶化学反应模型来计算出曝光后的图形。MB-OPC 通过光学仿真设立精确的计算模型，然后调整图形的边沿不断仿真迭代，直到逼近目标图形。

MB-OPC 的流程更加复杂，对计算资源的需求呈指数级别增长。光刻工程师还运用一些专用的测试图形曝光，搜集晶圆上的数据，用来修正软件里的模型，使之计算出的结果和实际尽量吻合。显然试验数据越多，模型拟合越精确。但是太多的测试图形会使得晶圆数据的搜集量太大。因此，测试图形的设想十分要害。

伴着器件尺寸向 10nm 以下发展，各种不常见的物理现象层出不穷。例如从掩模表面散射的电磁波需要更严格地建模（Mask 3D 效应），以示意掩模版表面立体结构对光衍射的影响。OPC 工程师不仅要考虑光学畸变，还要考虑光刻胶工艺（Resist 3D 效应）的影响，例如烘烤和显影。这时的 OPC 已经不再是单纯的数据处理，而是综合考虑物理、化学、光学、高性能计算的跨学科应用，使得完成 OPC 的 EDA 工具也十分复杂。此时，工程师的经验在计算光刻解决方案部署过程中起十分要害的作用，它们将决定解决方案的效能和效率，进而影响到整个节点工艺的成败。

说到底，光学临近效应修正技术就是掩模优化（Mask Optimization，MO），根据已定的光源，通过修正掩模外形来改善图形的光学表现。

目前海内厂商已经有OPC软件在25nm产线得到验证，28/14nm的逻辑芯片的消费验证正在进行中。

$华大九天(SZ301269)$$C广立微(SZ301095)$$概伦电子(SH688206)$

来源:雪球-欧登哥