樂趣探索不一樣的計算光刻

時光飛逝、夏日漸長，暌違已久的光刻小講堂終于再次開課啦！在之前的小講堂中，我們聚焦光刻行業的基礎原理、工藝流程、環境、設備等，依次為大家介紹了芯片與5G、芯片之誕生、***外殼的功能、***的“內陷”等硬核知識，也帶領大家沿著光路，揭開了***的光源及照明和投影物鏡系統的神秘面紗，最終與浸潤式光刻系統交手，打卡了第一段神秘旅程！

一路走來，我們很高興看到有越來越多的小伙伴加入了聽講隊伍，共享求知的樂趣，探索光刻的世界。我們也知道很多小伙伴早就搬好板凳排排坐，對ASML“鐵三角”組合之軟件部分的計算光刻內容翹首以盼啦！這不，新學期新氣象，光刻小講堂如約而至！大家掌聲歡迎本期主題嘉賓：ASML的軟件俠——計算光刻！

當線寬越做越窄

之前的小講堂有介紹過，光刻過程就好比用照相機拍照，將掩模版上的芯片設計版圖曝光到晶圓上，從而制造出微小的電路結構。ASML***的鏡片組使用極其精密的加工手段制造，使得最終像差被控制在納米級別，才能穩定地通過曝光印刷微電路。

ASML將***內部透鏡組的像差優化到極小，可以保證同一個圖形在芯片的不同地方都能得到幾乎一樣的穩定成像。

可是，只要***足夠精密，就一定能將電路圖準確地曝光出來嗎？并不！一次曝光會將海量的微電路圖形在晶圓上進行成像，這些微電路圖形不僅尺寸都很小，長相還千差萬別各不相同。

圖片1. ***像差極小，同一個圖樣在曝光區域的不同地方會呈現穩定的（差距很小的）曝光結果。

隨著摩爾定律不斷向前發展，芯片電路結構越來越小、越來越精細，晶體管上的最小結構甚至已經小于了***光學系統的成像極限。曝光過程中，掩模版上的圖形會產生光學衍射并干擾鄰近圖形的曝光質量，我們稱之為光學鄰近效應。不同的圖形，各自會面臨的光學鄰近效應也大不相同，使得成像會發生不同程度的畸變。如果不修正這些畸變，我們只能在晶圓上穩定地獲得大量畸變圖形，使得最終電路結構報廢，不可用。

光學鄰近效應導致的畸變

圖片2 不同圖形面臨不同的光學畸變

早期線寬較大的時候，光學鄰近效應帶來的畸變比較輕微，工程師們可以基于經驗手動對掩模版進行調整，比如說一根線路如果因為畸變而變小，那可以在制作掩模版的時候把它加粗一些，使得最終成像在晶圓上的線條在畸變縮小后仍然可以回復到和原始芯片設計的一致，這就是我們常說的光學鄰近效應修正。

圖片3 典型的光學鄰近效應修正

//光學鄰近效應

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漲知識

如果我們將光刻看作是射擊打靶，雖然子彈出膛后會受到重力影響下落并偏離靶心，只要槍管足夠精確穩定，那么每次子彈發射的彈道就同樣是穩定的。神射手們只需要校正瞄準，就能做到槍槍十環。

在光刻過程中，極致的***硬件就如同最精準的槍管，配合上做好光學鄰近效應修正的射手，就能又快又好得將芯片電路曝光出來。

時至今日，一塊芯片上的圖形豐富程度可以輕松達到上億量級，線寬越做越小，使得圖形之間的間隔也越來越接近成像系統的極限，并帶來遠超以往的畸變。工程師之前依靠經驗來修正的方式已經行不通了。人類必須借助計算光刻手段，結合先進的算法與大規模計算集群對掩模版上的每一處圖形進行精確地修正，才能最終成功在晶圓上獲得高質量的芯片版圖成像。

那么，問題來了。

什么是計算光刻

計算光刻的概念其實很簡單，得益于高質量的***透鏡組，任何一個圖形，在芯片上發生的光學鄰近效應畸變都是穩定的。因此我們能夠進行精準地模擬仿真，獲知掩模版上對應的圖形經過曝光成像后會產生出什么樣的曝光結果，發生多大的畸變。只要我們對畸變的預測足夠精準，我們就可以計算出畸變后的曝光結果離曝光目標（芯片版圖設計）差距有多大。

圖片4 計算光刻模型預測成像效果

a) 晶圓上的真實成像，b)計算光刻仿真預測

基于此，計算光刻軟件能針對性得對每一個圖形進行光學鄰近效應修正，根據預測出的畸變大小，相應地將掩模放大、縮小一個合適的尺寸。

圖片5

通常來說，一次調整還不足以將畸變壓縮到足夠小，所以我們還可以使用多次迭代來獲得極致的優化。每調整一次便重新預測成像結果，并觀察仿真結果來指導下一次調節方向，最終使得得成像符合預期。

Fig.6 光學鄰近效應修正過程的動畫

因為這一切都是來自仿真計算，只需要花費計算機算力就能迭代出高質量掩模設計，從而為客戶節省下大量時間與成本。

審核編輯 ：李倩