在半导体制造领域，计算光刻技术是推动芯片制程不断突破的关键因素之一。随着集成电路的尺寸不断缩小，计算光刻技术应运而生，成为提升光刻精度和芯片性能的重要手段。在国内尖端光刻设备受限的背景下，其重要性更是不言而喻。
在这一技术革新的浪潮中，东方晶源以其前瞻性的布局和强大的研发能力，成为推动计算光刻技术发展的先锋，以及国内半导体制造行业实现技术飞跃的关键力量。
从基于规则、模型到基于ILT，计算光刻进入3.0时代
光刻是将集成电路器件的结构图形从掩膜转移到硅片或其他半导体基片表面上的工艺过程，是实现芯片制造的关键技术。在摩尔定律的推动下，集成电路的尺寸不断缩小，光刻技术同样逐步逼近其分辨率的物理极限，同时光刻系统的衍射受限特性，以及各类系统像差、误差和工艺偏差，导致图案模糊或失真，严重影响光刻成像精度。
在此背景下，计算光刻技术应运而生，它基于光学成像和光刻工艺模型，采用数学方法对光刻系统参数和工艺参数进行独立或综合优化设计，通过计算机模拟和优化光刻过程，能够预测和改善光刻过程中的成像效果，补偿因衍射或光学、抗蚀剂和蚀刻邻近效应而导致的各种图像误差，从而提高芯片制造的良率和性能。计算光刻技术的发展对于实现集成电路更小的特征尺寸、更高的集成度和更好的性能至关重要。
进入0.18um工艺节点以后，就需要采用计算光刻来提升光刻系统的成像性能。从诞生至今，计算光刻的发展经历了三个阶段。首先是基于规则的OPC（光学邻近校正），早期的计算光刻技术依赖于经验和规则，通过预先设定的规则库对光刻掩膜进行调整，以补偿光刻过程中的各种误差。随后，随着技术的发展，基于物理模型的OPC技术取代了基于规则的方法，通过数学模型来预测光刻过程，提高了光刻精度和效率。现在，计算光刻技术已经进入基于ILT（反向光刻技术）的3.0时代。
东方晶源EDA软件研发负责人丁明博士指出，ILT技术基于精准的光刻数学模型，从目标芯片图形出发，逆向推导获得最优化掩膜图形，极大地提升优化的灵活性和精准度，更能满足先进制程对图形精度的苛刻需求。在工艺制程不断缩微的征途中，ILT技术无疑将是提升制造良率的关键技术。
“相比传统光刻技术，ILT的优势在于，第一，无需提前建立曝光辅助图形规则，通常这一过程非常耗时、复杂； 第二，ILT基于实际的物理过程模型并以制造良率为目标驱动，获得的掩膜结果更为精准；第三，ILT掩膜优化自由度更高，采用更为先进的优化算法，获得的优化解更优。”丁博士表示。
不过他也指出，这项技术起源于2000年左右，虽然已有超过20年历史，但是一直以来尚未突破广泛量产应用的诸多挑战。一是ILT计算光刻所需计算量庞大，无法被量产采用。二是传统计算光刻方法在28nm及以上工艺节点，相对成熟，用户切换到ILT技术的意愿性不强。三是复杂掩膜制造难度大。
“ILT的计算过程比传统OPC更为复杂，计算时间要长出许多，尤其是芯片制程逐渐来到10nm及以下，图形密度增加且光刻工艺更为复杂，计算所需的时间也越来越长，对于芯片制造商是一个巨大的负担。”丁博士表示，“同时ILT技术得到的初始理想掩膜结果需要转换为可制造的掩膜图形。这就需要对所生成的掩膜复杂度进行控制，保证掩膜的可制造性，不可避免会对优化质量或者说光刻性能有所牺牲。因此在掩膜复杂度和光刻性能的平衡上也是需要认真考虑的一个现实问题。”
显然，随着人工智能、高性能计算芯片等驱动工艺制程继续向前，ILT已经成为行业发展的必然选择。丁博士认为，鉴于国际上对EUV光刻在2nm工艺制程时必须引入ILT达成一致共识，而国内在尖端光刻设备受限的情况下，对ILT的迫切性更高，因此国内ILT计算光刻时代将会提前到来。
突破技术难点，东方晶源ILT解决方案再革新
东方晶源作为专注于集成电路制造良率管理的企业，在制造端EDA方面取得了诸多傲人的成绩，围绕计算光刻环节，旗下PanGen®平台已经形成八个产品矩阵，包括精确的制程仿真、DRC、SBAR、OPC、LRC、DPT、SMO、DMC，具备完整的计算光刻相关EDA工具链条，产品体系完备，技术成熟。目前已通过国内各主流逻辑、存储芯片制造厂商验证并投入大规模使用，量产掩膜超6000张，工艺覆盖90~1x纳米节点。
在计算光刻领域，丁博士指出，东方晶源自公司创立以来就前瞻性地围绕ILT进行研究，在国内率先实现了全芯片级别的基于ILT技术的掩膜优化。面对当前国内工艺制程的迫切需求，近期东方晶源ILT解决方案又成功攻克众多技术难题，包括优化收敛性、结果一致性、人工智能加速、掩膜复杂度重整化等，目前正在国内各大存储、逻辑晶圆厂商加紧验证。
东方晶源ILT解决方案创新之处以及优势体现在：
第一，支持矩形图形（Rectangle）、曼哈顿图形（Manhattan）以及未来曲线图形（Curvilinear）等不同复杂度掩膜设计，适应不同客户及应用场景需求。
第二，基于独创的混合图形图像优化算法，控制ILT优化变量数目，提升优化效率；同时对理想优化掩膜结果进行物理性约束，提升优化质量。
图 1 人工智能赋能东方晶源全芯片ILT解决方案
图 2 PanGen ILT®支持生成不同复杂度的掩膜图形
第三，领先地采用CPU+GPU的混合超算架构以及开放式的软件架构，核心计算模块采用CUDA进行加速，结合自研的booster加速算法使得全芯片ILT成为现实。与此同时，引入人工智能技术，进一步提升东方晶源全新产品PanGen ILT®解决方案计算效率，实现更好的收敛结果以及更好的掩膜一致性。其深度学习模型预测结果与ILT计算结果相似度高达95%，同时获得几十倍的提速。
图 3 PanGen ILT®结果相比传统OPC结果工艺窗口增大超过10%
丁博士表示，东方晶源革新后的全芯片ILT解决方案完整验证预计将于今年底完成，从目前已获得的部分验证结果来看，对于客户关注的关键点位，其在工艺窗口及成像质量等方面均有较为明显的改善。另外，除了前沿工艺节点，ILT技术在成熟制程中也可实现工艺开发流程的加速，降低对各种复杂工艺规则建立的依赖，减少工艺研制中的试验轮次，提高工艺开发的效率和准确性。
随着半导体工艺继续演进，在人工智能和云计算的发展推动下，ILT技术也将更为全面地走向AI based ILT，在效率和性能上的优势更加突显。与此同时，结合云计算，通过“上云”进一步加速ILT的广泛运用，也将为中小型芯片设计与制造企业提供更为经济和灵活的解决方案。
当前的ILT技术积累可以应用于更先进的制程节点，当然更先进的制程节点将会带来更大的挑战。丁博士指出，首先是优化变量的增加将会使ILT的计算量剧增；其次对掩膜复杂度要求会进一步提高，曲线图形将会广泛采用，需要更高效的曲线掩膜存储及表征优化技术；最后需要支持各种不断涌现的新型工艺。
“随着国内半导体制造技术的不断进步，东方晶源的ILT技术将继续引领计算光刻技术的变革，推动整个行业进入更加精准、高效的3.0时代。”丁博士强调，“未来ILT进一步完善方向包括：第一，充分利用算力发展的红利，充分挖掘释放计算潜能；第二，联合硬件厂商针对ILT实现定制化加速；第三，探索更为高效的算法，提升优化收敛速度和掩膜结果质量。”
结语
经过20多年的发展，ILT技术终于迎来了大规模量产的转折点，这得益于人工智能技术的兴起和关键算力水平的显著提升。这些进步使得ILT技术在全芯片应用中的部署变得切实可行，为未来半导体工艺的持续进步提供了关键动力。
面对国际市场的垄断和出口限制，以及国内在起步时间、资金投入和技术积累方面的不足，国内计算光刻技术，特别是ILT技术的自主研发尤为迫切。作为国内计算光刻技术的先驱和领导者，东方晶源在ILT领域的最新突破，为国内先进半导体制造工艺的快速发展注入了新的动力。在计算光刻3.0时代，东方晶源的技术将成为中国半导体产业链自主可控和自立自强的关键支撑技术之一。
