前段時間我們推送了光刻機詳解第一篇：恐怖的光源系統，詳細介紹了EUV光源系統的組成及發展，今天繼續光路調整及OPC軟體介紹。
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光學鄰近效應
（Optical Proximity Effect, OPE）
1.1、OPE的定義
隨著晶片尺寸不斷縮小，達到0.13um及其以下工藝節點，使用的光刻波長（193nm）已經遠大於CD，這使得衍射、幹涉等所謂的光學臨近效應形成致命問題。
光學鄰近效應（OpticalProximity Effect, OPE）是指由於部分相干成像過程中的非線性空間濾波，像強度頻譜的能量分布和位相分布相對理想像頻譜有一定畸變，並最終大大降低了成像質量。
光學鄰近效應
圖案邊角畸變的原因：理想的像強度頻譜分布取決於掩模上的線條的特徵尺寸、形狀和分布規律，其中邊角或細銳的線條為頻譜提供較多的高頻成份，但由於衍射受限，這些高頻成分不能夠經過系統到達實際空間像面對應的邊角處，這必將導致空間像在邊角處的光強分布失配，造成實際空間像線條邊角處的圓化或畸變。
例如，空間像線尾縮短的原因：在亞微米光刻中，線條的高頻成份較多，而線條的尾部的高頻成份相對來說就更多了一些。因此，成像系統的非線性濾波必將濾掉到達像面線尾部的大部分能量，僅一部分零頻光能參與線尾的成像，線條尾部空間像的邊緣襯度將大大下降，這是造成線尾縮短的一個重要原因。
Pattern成像失真示意圖
所以，OPE使得晶片上的圖形和掩模上的圖形差別較大，例如，線條寬度變窄、窄線條短點收縮、圖形拐角處變圓滑等。隨著掩膜版上圖形尺寸的縮小，這種相鄰圖形之間的幹涉和衍射效應更加明顯，曝光後圖形的偏差更大。
典型的光學鄰近效應
如上圖所示，投影系統的孔徑和鏡頭的大小和形狀均會造成一部分來自掩膜版（Mask）的特徵信息損失，導致了失真。
1.2、OPE導致的具體問題
在半導體圖形中，主要包含了：密集線（Dense Line）/密集線隙（Dense Space）、孤立線（Isolated Line）/孤立線隙（IsolatedSpace）、接觸孔（Contact Hole）、轉角圖案（CornerPattern）和T-型圖案（T-type Pattern）等。
★密集線：多組單線段所組成，線與線之間會有相等的間距，同時會有密集縫隙的存在。當工藝製程的線寬越來越小之後，也代表著密集線之間的間距越來越小。因此，在光的衍射和幹涉的影響下，光學成像之後的OPE也就越嚴重，最終容易發生橋接線的問題。
★孤立線：為一般常見的單一線段，同時會有孤立縫隙。周圍一定的距離內不會有其他物體的存在。因為光的衍射和幹涉問題，所以在光學成像之後一樣會有光學鄰近效應的問題。
★接觸孔：主要用於連接其他layer的孔。因為光的衍射和幹涉的問題，所以在光學成像之後一樣會有光學鄰近效應的問題。
布局圖中常用的圖案
此外，當上述幾個基礎電路圖型遇到光學鄰近效應時，有可能會造成
關鍵尺寸偏差（Critical Dimension Offset）、接線架橋（Line Bridging）、線端縮短（Line-end Shorting）、方角鈍化（Corner Rounding）的各類型形變失真的影響。
★關鍵尺寸偏差（Critical Dimension Offset）：因為製程中光的衍射和幹涉的問題造成光學鄰近效應，導致電路圖型的關鍵尺寸有所偏差。
★接線架橋（Line Bridging）：當在製程中的電路圖形的線段越密集，再經過光學鄰近效應，會導致電路圖型的線與線之間產生原先不存在的線段，就像搭了一座橋一樣將鄰近的線段連接起來。
★線端縮短（Line-end Shorting）：一般線段在光學製程中最常發生的影響，一條線段的端點在經過製程中衍射光造成的光學鄰近效應後，會造成該線段端點的地方縮短的現象。
★方角鈍化（Corner Rounding）：因為光學鄰近效應，造成了方形的四個尖角產生鈍化的現象。
OPE下各類電路圖案的失真變形
這些失真如果不糾正，可能大大改變生產出來的電路的電氣性能。光學鄰近校正通過移動掩模版上圖形的邊緣或添加額外的多邊形來糾正這些錯誤。根據寬度和間距約束（即基於規則的OPC），或者是通過使用緊湊的模型動態仿真(即基於模型的OPC)的結果預先計算出一個查找表，根據這個查找表來決定怎樣移動圖案的邊緣，找到最好的解決方案。OPC的目標是儘可能的使矽片上生產出的電路與原始的電路一致。
因此，為了解決此些問題，人為地對掩膜版（Mask）上的圖形進行修改即光學鄰近效應校正OPC（optical proximity correction），以抵消這種稜角鈍化或者線寬變細變粗的偏差，使得曝光後的圖形符合設計要求。
對mask做圖案校正&修改
02
光學鄰近效應的校正方法
光學鄰近效應的校正是通過對Mask的修正，最大可能的解決這些Photo後的圖形Variation，各大廠商使用計算機輔助軟體工具進行。
與OPC一起使用的方法還有移相掩膜（PSM）、離軸曝光技術（Off Axis Illumination）、亞解析度輔助圖形技術（SRAF）等。基本方法就是直接修改Design house出來的圖形，然後再交給掩膜版廠商製作掩膜版。
例如，將line end上修改成hammer head之類的圖形，諸如此類。這個修正的迭代過程就叫OPC技術。
2.1、基於經驗的光學鄰近效應修正法
基於經驗的光學臨近效應修正（Rule-based OPC）的關鍵是修正規則。此規則規定了如何對各種曝光圖形進行修正。它的形式和內容會極大地影響OPC數據處理效率和修正精度。
這項技術主要依賴的是以往晶片製造過程中，工程師修改的經驗法則，並將之建立成資料庫。
在之後的應用方法是以查表法的形式將對應的數據模組塊一一替換，其中對應的方法主要依照線與線之間的間隙與線本身的線寬，來與周圍各個線段的相互比對，進而由查表法的方式得知可以對應替換的是哪個應該加粗或者減細的線段，來達到校正掩膜版的目的。
由於基於經驗的光學臨近效應修正法是採用已建好備用替換線段模組的方式，因此優點是速度快，缺點是掩膜版修改後的準確度比較低。
經驗法則光學鄰近效應修正
對於一維圖形，修正規則就是增加或削減設計的線寬；二維圖形的修正規則相對複雜，例如如何修正圖形拐角和如何修正線條端點。
修正規則也可以用計算的辦法來產生，截取設計中最關鍵的部分，輸入到一個專用軟體中，對軟體計算出的修正進行分析就可以寫出較好的修正規則。
不管修正規則是如何產生的，他們都必須經過試驗驗證。而且，修正規則都是在一定的光刻工藝條件下產生的。如果工藝參數變化了，這些修正規則必須要重新修訂。
基於經驗的光學臨近效應修正法被廣泛應用於250和180nm技術節點，到了130nm節點，規則的確定已經非常困難，精度差強人意。目前通行的做法是把一些簡單的修正規則寫到設計手冊中去，這樣設計出的圖形已經包含了一部分OPC，既節省了軟體的運行時間，也提高了修正的可靠性。
2.2、基於模型的光學鄰近效應校正法
隨著矽片尺寸越來越大，需要校正的光學鄰近效應已經不容易用經驗法來計算了。取而代之的是必須依靠龐大的計算機輔助設計軟體來進行。這就是基於模型的光學鄰近效應修正（Model-based OPC），它使用嚴格的光學模型和光刻膠光化學反應模型來計算曝光後的圖形。
邊緣放置誤差（EPE）
修正軟體首先把設計圖形的邊緣識別出來，讓每一個邊緣可以自由移動。軟體計算出曝光後的圖形並和設計的圖形對比，它們之間的差別稱之為邊緣放置誤差（EPE），是用來衡量修正質量的指標。修正軟體在運行時移動邊緣位置，並計算出對應的邊緣放置誤差。這個過程不斷反覆，直到計算出的邊緣放置誤差達到可以接受的值。
邊緣放置誤差的定義
基於模型的光學鄰近效應校正法從90nm 技術節點開始被廣泛使用，比基於經驗的修正更精確。這種方法的關鍵是建立精確的光刻模型，包括光學模型和光刻膠模型。一層設計有上千萬個圖形。一個好的模型不僅要求精度高，而且要求計算速度快，所以伺服器的投入又是一筆錢，即使是fabless。
為了減少邊緣移動的任意性，降低運算量，邊緣上點的位置只能在一個固定的柵格上移動。顯然，柵格越小，修正的精度越高，但運算量也就越大。小柵格修正還使用圖形邊緣更加零碎，增加了製造掩膜版的成本。
因此，其優點是準確度較高，缺點是模擬所需時間成本極高（一層圖形估計需要幾天的計算時間），此外需要龐大的資料量。所以，基於模型的光學鄰近修正的關鍵是建立精確的光刻模型，包括光學模型和光刻膠模型。一層設計有上千萬個圖形。一個好的模型不僅要求精度高，而且要求計算速度快。
OPC模型修正後及其曝光結果
如上圖，在沒有修正的情況下，計算出的曝光圖形和原始設計要求的相差很大；而修正後的圖形被做了很多修改，計算出的曝光圖形就和設計的要求很接近了。
2.3、曝光輔助圖形（Sub-Resolution Assist Feature,SRAF）
一個設計中通常既有密集分布的圖形（如等間距線條），也有稀疏的圖形（如獨立的線條）。
理論和實驗結果都清楚地表明，密集分布圖形的光刻工藝窗口與稀疏圖形的光刻工藝窗口是不一樣的，這就導致了共同的工藝窗口偏小。適用於密集圖形曝光的光照條件並不適合稀疏圖形的曝光。
因此，在設計中添加曝光輔助圖形可以解決這一技術難題。所謂曝光輔助圖形是一些很細小的圖形，它們被放置在稀疏設計圖形的周圍，使稀疏圖形在光學的角度上看像密集圖形。這些輔助圖形的最小尺寸必須小於光刻機的解析度。
曝光輔助圖形（1）
在曝光時，它們只對光線起散射作用，而不應該在光刻膠上形成圖像。因此，曝光輔助圖形也叫亞解析度的輔助圖形（Sub-Resolution Assist Feature,SRAF）。亞解析度輔助圖形最早於90nm 節點時被引入，幾乎和基於模型的OPC同時引入。
曝光輔助圖形（2）
SRAF和光刻工藝條件密不可分。如果工藝參數改變了，這些規則就要重新產生並驗證。
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OPC軟體的發展與相關信息
3.1、OPC軟體市場狀態
OPC軟體作為電子設計自動化（EDA）軟體的一個分支類型，市場基本被國外EDA公司佔有，國內廠商很難突破。
一般國內大小晶片廠商採購不同供應商的光刻機設備，而配套使用的OPC軟體的選擇範圍更小，主要由ASML旗下的Brion、被西門子收購的明導（Mentor）以及新思科技（Synopsys）這三家國外企業提供。
目前國內OPC市場被外國企業壟斷，國內用戶完全沒有議價能力。根據各種辦法測算得出，國內在光學修正軟體上每年所支付的授權費約為3億美元，並會隨著產能的進一步擴大呈現快速增長的趨勢。
OPC軟體與光刻設備沒有綁定，光刻機的能力越強，對OPC的要求就相對較低，但考慮光刻設備昂貴的成本因素，一般都會使用OPC軟體，可以擠壓光刻機的性能，拉近半代工藝的差距。
OPC軟體從0.18微米開始已經需要使用，隨著技術節點的推進所需要的軟體版本越高，使用的模型不一樣，軟體的價格也越來也貴。一般來說，能達到45納米修正要求的OPC軟體已經處於國際先進水平。
每個晶片廠商都會因一些歷史原因而對OPC軟體有傾向性的選擇，除了要求性能更好、更多的是希望成本更低，否則更換供應商的願望會比較低，而且更換的過程中需要投入很多技術人員進行驗證，這是一個漫長的過程。
比如，中芯國際就是使用明導與新思的OPC軟體。流片費用包括光罩和OPC費用，其中OPC費用佔大部分。28nm流片費為70-80萬美金每次，14nm每次則需要200萬美金。
此外一般來說，OPC軟體的授權費用根據每年代工廠TapeOut的數量、研發的需求來確定，生產量越高OPC的採購量也越高，籤約周期為3年，時間越長價格越低。
模型精度方面，涉及到光學、物理和化學等領域的專業計算，是一個負責的系統工程，是OPC軟體的技術難點，一般是大學科研機構研究出來後賣給大公司，加入到軟體的引擎中，根據實際數據再做優化。
光學模型不涉及智慧財產權，關鍵是其中的參數，使用較少的參數並且達到更優的效果和更快的速度是軟體性能的體現。
採購方面，Foundry會對伺服器成本、軟體價格、腳本語言難易程度以及售後服務等因素進行綜合考慮，根據自身情況不同而定，但都會有內部會有嚴格篩選的標準，比如考慮技術實現是否有優勢，商業上的售後服務，快速解決問題的能力等。
對於光學修正軟體的採購和更換，廠家主要根據技術節點和工藝進行考慮，可分為兩個產品線，一個是成熟工藝的替換，另一個是先進位程的研發。
前者來說，參數提取比較容易，作為一個降低成本的方案來替換已有的軟體，但由於是在生產過程中導入，OPC軟體供應商需要降低售價，降價部分作為更換OPC軟體的風險費用。
後者而言，參數提取比較難，評估項目多，周期較長，通過之後是逐步導入而非一次性更換，一般導入期為一年以上，但因為是在研發的過程中已經介入，日後的採購會變得順理成章。
3.2、Brion by ASML
Brion是一家由華人創辦的光學檢測公司，不僅成功地利用「計算光刻」解決了深亞微米和納米級半導體製造中所面臨的各種難題，包括高精度建模、器件設計的檢查與修正等，通過與光刻機巨頭ASML的技術銜接與創新，極大地擴展了光刻製造的容許度及對應的市場，與ASML一起攜手實現半導體製造技術的跨越式發展。2017年，在收購Brion後，ASML的光刻機如虎添翼。
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Director of Engineering Xiaolong Zhang at Brion
3.3、明導by西門子（Mentor by Siemens）
立於1981年的明導是一家從事電子設計自動化的跨國公司。創立於1981年，總部位於美國俄勒岡州的威爾森維爾，在全球範圍大約有4400名僱員，在國內OPC市場上佔據主導地位。
西門子（Siemens）與EDA供應商明導國際（Mentor Graphics）在2017年3完成合併，目標指向數字工廠策略。在合併Mentor之後，Siemens在數字工廠市場的佔有率，從2017財務年度第一季時的4%，在2018財務年度的第二季增加到20% 。
Mentor的製造工具套件名字叫：CALIBRE系列，提供解析度增強（RET）所需的數據處理的無縫集成，例如相移掩模（PSM），散射條（SB）和光學鄰近校正（OPC），以及掩模規則檢查，掩模寫入器過程修正和數據格式轉換都在一次批量運行中完成。
明導的解決方案基於通用的分層資料庫和幾何處理引擎，提供諸如圖層派生，鏡像，縮放，旋轉，平面化填充以及全局和選擇性大小調整等功能。
Calibration of OPC Models by Mentor
3.4、新思科技（Synopsys）
1987年成立的Synopsys，正如公司的英文組合（Synthesis optimization systems）一樣，在邏輯綜合市場幾乎沒有競爭對手。新思總部設在美國加利福尼亞州，超過60家分公司分布在北美、歐洲、亞洲。新思科技1995年進入中國市場，建立了上海、北京兩個研發中心，整合了200多位研發人員，近5年銷售額平均增長率超過50%。
印度工程師關於OPC的講解（in spicy English ：））
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結語
以上三家均擁有自主研發的光學修正軟體及配套的光刻設備，市場佔有量呈現出交替現象，2016年是市場份額最高的是阿斯麥的Brion，主要是跟英特爾公司籤訂了一個十年大單。
而明導國際在中國大陸市場目前是一家獨大的，新思科技則在臺積電等佔有很大的份額，全球市場來說，三家各有優勢。此外，除了OPC技術外，為解決OPE問題，其他的技術也應運而生。
4.1、光源和掩模版的優化（SMO）
自由形式光照的實現使得系統能夠計算光照條件，根據每個節點晶片設計的特點，用來確定在這個節點所需要的光刻機的光源，所以軟體供應商在其OPC軟體基礎上增加了SMO軟體包。SMO已經被廣泛應用於20nm 及以下技術節點，也一般只在22納米及以下節點有可能需要使用。但有些晶片廠也將其用於28nm節點，以解決一些特殊困難的曝光。
4.2、反演光刻技術（ILT）
與OPC目的一樣，但思路不同，主要是把要在矽片上實現的圖形作為目標，通過複雜的反演數學計算得到一個理想的掩模版圖形。
ILT是一種新的光學修正技術，修正效果比傳統的OPC要好，但技術難度很大，對於整個晶片的修正計算量極為龐大，運算速度比OPC要慢幾個數量級。目前據傳Intel在10納米節點使用了自己研發的一個簡單的反演光刻技術（所達到的光刻解析度就已超過了臺積電和三星7納米的解析度），但還有很多關鍵的技術問題沒有解決。目前市面上還沒有可以工業應用的反演光刻軟體。
SMO和ILT技術，將在後面的文內做介紹。
參考資料
[1]. 韋亞一，超大規模集成電路先進光刻理論與應用，科學出版社
[2]. 酷愛健身的VC，卡住半導體晶片脖子的光刻，不光只有機，還有OPC，創投邏輯公眾號
[3]. 姜文峰，EUV系統SMO技術和OPC技術的特點，光刻人的世界公眾號