前段时间我们推送了光刻机详解第一篇：恐怖的光源系统，详细介绍了EUV光源系统的组成及发展，今天继续光路调整及OPC软件介绍。
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光学邻近效应
（OpticalProximityEffect,OPE）
1.1、OPE的定义
随着芯片尺寸不断缩小，达到0.13um及其以下工艺节点，使用的光刻波长（nm）已经远大于CD，这使得衍射、干涉等所谓的光学临近效应形成致命问题。
光学邻近效应（OpticalProximityEffect,OPE）是指由于部分相干成像过程中的非线性空间滤波，像强度频谱的能量分布和位相分布相对理想像频谱有一定畸变，并最终大大降低了成像质量。
光学邻近效应
图案边角畸变的原因：理想的像强度频谱分布取决于掩模上的线条的特征尺寸、形状和分布规律，其中边角或细锐的线条为频谱提供较多的高频成份，但由于衍射受限，这些高频成分不能够经过系统到达实际空间像面对应的边角处，这必将导致空间像在边角处的光强分布失配，造成实际空间像线条边角处的圆化或畸变。
例如，空间像线尾缩短的原因：在亚微米光刻中，线条的高频成份较多，而线条的尾部的高频成份相对来说就更多了一些。因此，成像系统的非线性滤波必将滤掉到达像面线尾部的大部分能量，仅一部分零频光能参与线尾的成像，线条尾部空间像的边缘衬度将大大下降，这是造成线尾缩短的一个重要原因。
Pattern成像失真示意图
所以，OPE使得芯片上的图形和掩模上的图形差别较大，例如，线条宽度变窄、窄线条短点收缩、图形拐角处变圆滑等。随着掩膜版上图形尺寸的缩小，这种相邻图形之间的干涉和衍射效应更加明显，曝光后图形的偏差更大。
典型的光学邻近效应
如上图所示，投影系统的孔径和镜头的大小和形状均会造成一部分来自掩膜版（Mask）的特征信息损失，导致了失真。
1.2、OPE导致的具体问题
在半导体图形中，主要包含了：密集线（DenseLine）/密集线隙（DenseSpace）、孤立线（IsolatedLine）/孤立线隙（IsolatedSpace）、接触孔（ContactHole）、转角图案（CornerPattern）和T-型图案（T-typePattern）等。
★密集线：多组单线段所组成，线与线之间会有相等的间距，同时会有密集缝隙的存在。当工艺制程的线宽越来越小之后，也代表着密集线之间的间距越来越小。因此，在光的衍射和干涉的影响下，光学成像之后的OPE也就越严重，最终容易发生桥接线的问题。
★孤立线：为一般常见的单一线段，同时会有孤立缝隙。周围一定的距离内不会有其他物体的存在。因为光的衍射和干涉问题，所以在光学成像之后一样会有光学邻近效应的问题。
★接触孔：主要用于连接其他layer的孔。因为光的衍射和干涉的问题，所以在光学成像之后一样会有光学邻近效应的问题。
布局图中常用的图案
此外，当上述几个基础电路图型遇到光学邻近效应时，有可能会造成
关键尺寸偏差（CriticalDimensionOffset）、接线架桥（LineBridging）、线端缩短（Line-endShorting）、方角钝化（CornerRounding）的各类型形变失真的影响。
★关键尺寸偏差（CriticalDimensionOffset）：因为制程中光的衍射和干涉的问题造成光学邻近效应，导致电路图型的关键尺寸有所偏差。
★接线架桥（LineBridging）：当在制程中的电路图形的线段越密集，再经过光学邻近效应，会导致电路图型的线与线之间产生原先不存在的线段，就像搭了一座桥一样将邻近的线段连接起来。
★线端缩短（Line-endShorting）：一般线段在光学制程中最常发生的影响，一条线段的端点在经过制程中衍射光造成的光学邻近效应后，会造成该线段端点的地方缩短的现象。
★方角钝化（CornerRounding）：因为光学邻近效应，造成了方形的四个尖角产生钝化的现象。
OPE下各类电路图案的失真变形
这些失真如果不纠正，可能大大改变生产出来的电路的电气性能。光学邻近校正通过移动掩模版上图形的边缘或添加额外的多边形来纠正这些错误。根据宽度和间距约束（即基于规则的OPC），或者是通过使用紧凑的模型动态仿真(即基于模型的OPC)的结果预先计算出一个查找表，根据这个查找表来决定怎样移动图案的边缘，找到最好的解决方案。OPC的目标是尽可能的使硅片上生产出的电路与原始的电路一致。
因此，为了解决此些问题，人为地对掩膜版（Mask）上的图形进行修改即光学邻近效应校正OPC（opticalproximitycorrection），以抵消这种棱角钝化或者线宽变细变粗的偏差，使得曝光后的图形符合设计要求。
对mask做图案校正修改
02
光学邻近效应的校正方法
光学邻近效应的校正是通过对Mask的修正，最大可能的解决这些Photo后的图形Variation，各大厂商使用计算机辅助软件工具进行。
与OPC一起使用的方法还有移相掩膜（PSM）、离轴曝光技术（OffAxisIllumination）、亚分辨率辅助图形技术（SRAF）等。基本方法就是直接修改Designhouse出来的图形，然后再交给掩膜版厂商制作掩膜版。
例如，将lineend上修改成hammerhead之类的图形，诸如此类。这个修正的迭代过程就叫OPC技术。
2.1、基于经验的光学邻近效应修正法
基于经验的光学临近效应修正（Rule-basedOPC）的关键是修正规则。此规则规定了如何对各种曝光图形进行修正。它的形式和内容会极大地影响OPC数据处理效率和修正精度。
这项技术主要依赖的是以往芯片制造过程中，工程师修改的经验法则，并将之建立成资料库。
在之后的应用方法是以查表法的形式将对应的数据模组块一一替换，其中对应的方法主要依照线与线之间的间隙与线本身的线宽，来与周围各个线段的相互比对，进而由查表法的方式得知可以对应替换的是哪个应该加粗或者减细的线段，来达到校正掩膜版的目的。
由于基于经验的光学临近效应修正法是采用已建好备用替换线段模组的方式，因此优点是速度快，缺点是掩膜版修改后的准确度比较低。
经验法则光学邻近效应修正
对于一维图形，修正规则就是增加或削减设计的线宽；二维图形的修正规则相对复杂，例如如何修正图形拐角和如何修正线条端点。
修正规则也可以用计算的办法来产生，截取设计中最关键的部分，输入到一个专用软件中，对软件计算出的修正进行分析就可以写出较好的修正规则。
不管修正规则是如何产生的，他们都必须经过试验验证。而且，修正规则都是在一定的光刻工艺条件下产生的。如果工艺参数变化了，这些修正规则必须要重新修订。
基于经验的光学临近效应修正法被广泛应用于和nm技术节点，到了nm节点，规则的确定已经非常困难，精度差强人意。目前通行的做法是把一些简单的修正规则写到设计手册中去，这样设计出的图形已经包含了一部分OPC，既节省了软件的运行时间，也提高了修正的可靠性。
2.2、基于模型的光学邻近效应校正法
随着硅片尺寸越来越大，需要校正的光学邻近效应已经不容易用经验法来计算了。取而代之的是必须依靠庞大的计算机辅助设计软件来进行。这就是基于模型的光学邻近效应修正（Model-basedOPC），它使用严格的光学模型和光刻胶光化学反应模型来计算曝光后的图形。
边缘放置误差（EPE）
修正软件首先把设计图形的边缘识别出来，让每一个边缘可以自由移动。软件计算出曝光后的图形并和设计的图形对比，它们之间的差别称之为边缘放置误差（EPE），是用来衡量修正质量的指标。修正软件在运行时移动边缘位置，并计算出对应的边缘放置误差。这个过程不断反复，直到计算出的边缘放置误差达到可以接受的值。
边缘放置误差的定义
基于模型的光学邻近效应校正法从90nm技术节点开始被广泛使用，比基于经验的修正更精确。这种方法的关键是建立精确的光刻模型，包括光学模型和光刻胶模型。一层设计有上千万个图形。一个好的模型不仅要求精度高，而且要求计算速度快，所以服务器的投入又是一笔钱，即使是fabless。
为了减少边缘移动的任意性，降低运算量，边缘上点的位置只能在一个固定的栅格上移动。显然，栅格越小，修正的精度越高，但运算量也就越大。小栅格修正还使用图形边缘更加零碎，增加了制造掩膜版的成本。
因此，其优点是准确度较高，缺点是模拟所需时间成本极高（一层图形估计需要几天的计算时间），此外需要庞大的资料量。所以，基于模型的光学邻近修正的关键是建立精确的光刻模型，包括光学模型和光刻胶模型。一层设计有上千万个图形。一个好的模型不仅要求精度高，而且要求计算速度快。
OPC模型修正后及其曝光结果
如上图，在没有修正的情况下，计算出的曝光图形和原始设计要求的相差很大；而修正后的图形被做了很多修改，计算出的曝光图形就和设计的要求很接近了。
2.3、曝光辅助图形（Sub-ResolutionAssistFeature,SRAF）
一个设计中通常既有密集分布的图形（如等间距线条），也有稀疏的图形（如独立的线条）。
理论和实验结果都清楚地表明，密集分布图形的光刻工艺窗口与稀疏图形的光刻工艺窗口是不一样的，这就导致了共同的工艺窗口偏小。适用于密集图形曝光的光照条件并不适合稀疏图形的曝光。
因此，在设计中添加曝光辅助图形可以解决这一技术难题。所谓曝光辅助图形是一些很细小的图形，它们被放置在稀疏设计图形的周围，使稀疏图形在光学的角度上看像密集图形。这些辅助图形的最小尺寸必须小于光刻机的分辨率。
曝光辅助图形（1）
在曝光时，它们只对光线起散射作用，而不应该在光刻胶上形成图像。因此，曝光辅助图形也叫亚分辨率的辅助图形（Sub-ResolutionAssistFeature,SRAF）。亚分辨率辅助图形最早于90nm节点时被引入，几乎和基于模型的OPC同时引入。
曝光辅助图形（2）
SRAF和光刻工艺条件密不可分。如果工艺参数改变了，这些规则就要重新产生并验证。
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OPC软件的发展与相关信息
3.1、OPC软件市场状态
OPC软件作为电子设计自动化（EDA）软件的一个分支类型，市场基本被国外EDA公司占有，国内厂商很难突破。
一般国内大小芯片厂商采购不同供应商的光刻机设备，而配套使用的OPC软件的选择范围更小，主要由ASML旗下的Brion、被西门子收购的明导（Mentor）以及新思科技（Synopsys）这三家国外企业提供。
目前国内OPC市场被外国企业垄断，国内用户完全没有议价能力。根据各种办法测算得出，国内在光学修正软件上每年所支付的授权费约为3亿美元，并会随着产能的进一步扩大呈现快速增长的趋势。
OPC软件与光刻设备没有绑定，光刻机的能力越强，对OPC的要求就相对较低，但考虑光刻设备昂贵的成本因素，一般都会使用OPC软件，可以挤压光刻机的性能，拉近半代工艺的差距。
OPC软件从0.18微米开始已经需要使用，随着技术节点的推进所需要的软件版本越高，使用的模型不一样，软件的价格也越来也贵。一般来说，能达到45纳米修正要求的OPC软件已经处于国际先进水平。
每个芯片厂商都会因一些历史原因而对OPC软件有倾向性的选择，除了要求性能更好、更多的是希望成本更低，否则更换供应商的愿望会比较低，而且更换的过程中需要投入很多技术人员进行验证，这是一个漫长的过程。
比如，中芯国际就是使用明导与新思的OPC软件。流片费用包括光罩和OPC费用，其中OPC费用占大部分。28nm流片费为70-80万美金每次，14nm每次则需要万美金。
此外一般来说，OPC软件的授权费用根据每年代工厂TapeOut的数量、研发的需求来确定，生产量越高OPC的采购量也越高，签约周期为3年，时间越长价格越低。
模型精度方面，涉及到光学、物理和化学等领域的专业计算，是一个负责的系统工程，是OPC软件的技术难点，一般是大学科研机构研究出来后卖给大公司，加入到软件的引擎中，根据实际数据再做优化。
光学模型不涉及知识产权，关键是其中的参数，使用较少的参数并且达到更优的效果和更快的速度是软件性能的体现。
采购方面，Foundry会对服务器成本、软件价格、脚本语言难易程度以及售后服务等因素进行综合考虑，根据自身情况不同而定，但都会有内部会有严格筛选的标准，比如考虑技术实现是否有优势，商业上的售后服务，快速解决问题的能力等。
对于光学修正软件的采购和更换，厂家主要根据技术节点和工艺进行考虑，可分为两个产品线，一个是成熟工艺的替换，另一个是先进制程的研发。
前者来说，参数提取比较容易，作为一个降低成本的方案来替换已有的软件，但由于是在生产过程中导入，OPC软件供应商需要降低售价，降价部分作为更换OPC软件的风险费用。
后者而言，参数提取比较难，评估项目多，周期较长，通过之后是逐步导入而非一次性更换，一般导入期为一年以上，但因为是在研发的过程中已经介入，日后的采购会变得顺理成章。
3.2、BrionbyASML
Brion是一家由华人创办的光学检测公司，不仅成功地利用“计算光刻”解决了深亚微米和纳米级半导体制造中所面临的各种难题，包括高精度建模、器件设计的检查与修正等，通过与光刻机巨头ASML的技术衔接与创新，极大地扩展了光刻制造的容许度及对应的市场，与ASML一起携手实现半导体制造技术的跨越式发展。年，在收购Brion后，ASML的光刻机如虎添翼。
02:03DirectorofEngineeringXiaolongZhangatBrion
3.3、明导by西门子（MentorbySiemens）
立于年的明导是一家从事电子设计自动化的跨国公司。创立于年，总部位于美国俄勒冈州的威尔森维尔，在全球范围大约有名雇员，在国内OPC市场上占据主导地位。
西门子（Siemens）与EDA供应商明导国际（MentorGraphics）在年3完成合并，目标指向数字工厂策略。在合并Mentor之后，Siemens在数字工厂市场的占有率，从财务年度第一季时的4%，在财务年度的第二季增加到20%。
Mentor的制造工具套件名字叫：CALIBRE系列，提供分辨率增强（RET）所需的数据处理的无缝集成，例如相移掩模（PSM），散射条（SB）和光学邻近校正（OPC），以及掩模规则检查，掩模写入器过程修正和数据格式转换都在一次批量运行中完成。
明导的解决方案基于通用的分层数据库和几何处理引擎，提供诸如图层派生，镜像，缩放，旋转，平面化填充以及全局和选择性大小调整等功能。
CalibrationofOPCModelsbyMentor
3.4、新思科技（Synopsys）
年成立的Synopsys，正如公司的英文组合（Synthesisoptimizationsystems）一样，在逻辑综合市场几乎没有竞争对手。新思总部设在美国加利福尼亚州，超过60家分公司分布在北美、欧洲、亚洲。新思科技年进入中国市场，建立了上海、北京两个研发中心，整合了多位研发人员，近5年销售额平均增长率超过50%。
印度工程师关于OPC的讲解（inspicyEnglish：））
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结语
以上三家均拥有自主研发的光学修正软件及配套的光刻设备，市场占有量呈现出交替现象，年是市场份额最高的是阿斯麦的Brion，主要是跟英特尔公司签订了一个十年大单。
而明导国际在中国大陆市场目前是一家独大的，新思科技则在台积电等占有很大的份额，全球市场来说，三家各有优势。此外，除了OPC技术外，为解决OPE问题，其他的技术也应运而生。
4.1、光源和掩模版的优化（SMO）
自由形式光照的实现使得系统能够计算光照条件，根据每个节点芯片设计的特点，用来确定在这个节点所需要的光刻机的光源，所以软件供应商在其OPC软件基础上增加了SMO软件包。SMO已经被广泛应用于20nm及以下技术节点，也一般只在22纳米及以下节点有可能需要使用。但有些芯片厂也将其用于28nm节点，以解决一些特殊困难的曝光。
4.2、反演光刻技术（ILT）
与OPC目的一样，但思路不同，主要是把要在硅片上实现的图形作为目标，通过复杂的反演数学计算得到一个理想的掩模版图形。
ILT是一种新的光学修正技术，修正效果比传统的OPC要好，但技术难度很大，对于整个芯片的修正计算量极为庞大，运算速度比OPC要慢几个数量级。目前据传Intel在10纳米节点使用了自己研发的一个简单的反演光刻技术（所达到的光刻分辨率就已超过了台积电和三星7纳米的分辨率），但还有很多关键的技术问题没有解决。目前市面上还没有可以工业应用的反演光刻软件。
SMO和ILT技术，将在后面的文内做介绍。
参考资料
[1].韦亚一，超大规模集成电路先进光刻理论与应用，科学出版社
[2].酷爱健身的VC，卡住半导体芯片脖子的光刻，不光只有机，还有OPC，创投逻辑