光学邻近校正技术专利现状.pdf

中国科技信息 2024 年第 3 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2024-46-专利分析在芯片制造过程中，光刻工艺是非常重要的一环，其通过光学曝光将光掩模（Photo Mask）的图形精确地转移至光刻胶上，然后在图案化光刻胶的保护下进行离子注入、刻蚀等。实现光掩模图形的精准转移是光刻工艺的重中之重，这也常常成为决定芯片制造能否成功的关键所在。然而，随着光掩模图形特征尺寸的不断微缩，在特征尺寸接近曝光波长时，由于光的衍射和干涉，曝光得到的图形和光掩模图形之间将存在较大的差异，即产生光学邻近效应。光学邻近校正（Optical Proximity Correction，OPC）技术可以通过对光掩模图形进行调整以使曝光得到的实际图形与原始设计的图形尽量接近，目前，对光掩模进行 OPC 处理在芯片制造工艺中已必不可少。本文从专利的角度出发，在 incoPat 数据库中利用中外文关键词及分类号对 OPC 技术的专利申请进行检索，检索关键词和分类号包括：光学邻近，校正，规则，模型，曝光辅助图形，光源掩模协同优化，反演光刻技术，OPC，rule，model，sraf，smo，ilt，G03F1/36，G03F17/50，G06F30/398 等，检索截至 2023 年 11 月19 日。通过对检索结果进行去噪、去重及合并同族共获得专利申请 3 032 项。基于以上数据从全球以及主要国家专利申请趋势、专利申请地域分布、主要申请人排名、专利转让趋势以及技术发展路线等方面对 OPC 专利技术进行分析。专利申请量趋势和地域分析 本节统计了 OPC 技术专利申请的全球申请趋势和地域分布情况，并对主要国家的申请趋势进行对比研究，以了解该技术领域的发展状况。图 1 显示了 OPC 技术的全球专利申请趋势，从图中可以看出，OPC 技术的发展分为三个阶段。19951999 年为 OPC 技术的初期发展阶段，由于当时芯片制造工艺处在180nm 工艺节点以上，芯片制造对 OPC 的需求并不迫切，专利申请量缓慢增长且整体上处于较低水平。从 2000 年开始，对光掩模进行光学邻近校正已必不可少，相关专利申请的数量快速增加，并于 2007 年达到最高的 191 项，OPC技术进入快速发展阶段。在 2008 年以后，随着全球经济的周期性波动，OPC 技术的专利申请量呈现波动态势，并在整体上维持于较高水平。在这一波动发展时期，传统 OPC技术已经逐渐成熟，新型 OPC 技术有所发展但并没实现突破性进展。随着芯片制造工艺的不断演进，光掩模图形复杂行业曲线开放度创新度生态度检索量持续度可替代度影响力行业关联度本文针对 OPC 技术，对相关专利申请的申请量趋势、地域分布情况、全球主要申请人排名、中美转让的专利申请趋势和技术发展路线等进行了梳理与分析，指出中国主要芯片制造企业在 OPC 技术方面进行了大量的专利布局，但其 OPC 技术服务主要来自国外，存在供应链相对单一的风险。中国 OPC技术服务商的专利申请量较低，面临技术实力相对落后、专利布局相对薄弱和市场份额被严重挤压的严峻挑战。通过加强与具有技术优势的高校和科研院所开展研发合作并积极借鉴国外先进的专利运作经验，将有利于中国创新主体快速增强技术实力和开展专利布局。面临如何兼顾高处理精度和低处理时间的挑战，将 AI 技术的引入 OPC为该领域的技术突破带来了希望。本文数据翔实，观点明确，在 OPC 技术领域具有借鉴意义。光学邻近校正技术专利现状马泽宇 刘振玲 张思秘马泽宇 刘振玲 张思秘国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心马泽宇，知识产权师。刘振玲，副研究员。张思秘，副研究员。-47-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2024中国科技信息 2024 年第 3 期专利分析度不断攀升。与之相应的，OPC 处理的数据量和处理时间出现几何级的提升。如何在获得良好 OPC 处理精度的同时尽量缩短处理时间成为本领域技术人员的普遍追求。图 2 显示了 OPC 技术专利申请的地域分布，从图中各国家和地区专利申请量占比情况可以看出，美国专利申请量占比最大，中国排名第二，占比分别为 32%和 28%。韩国、中国台湾地区和日本属于第二集团，位列第 3 名，占比分别为 13%，12%和 11%。欧洲地区的专利申请量占比排名垫底，明显低于前述国家和地区。美国和中国的专利申请量超过第二集团中各国家和地区申请量的两倍以上，是OPC 技术最重要的目标市场。图 1 还显示了 OPC 技术中美专利申请趋势。美国的专利申请量在经过 1999 年以前的初期发展阶段之后从 2000开始进入快速发展阶段，并于 2005 年达到阶段高点。在20052014 年期间，美国 OPC 技术进入稳定发展阶段，专利申请量持续维持在高位，并在全球半导体行业较为繁荣的 2013 年达到最高水平。在 2014 年以后，美国 OPC 技术的发展逐渐走向成熟，相关专利申请的数量不断减低。中国的专利申请量在 2001 年以前均处于较低水平，在从2002年开始出现明显的提升之后保持稳定。在2017年以后，中国 OPC 技术的专利申请量再次出现迅速增加。通过对比发现，中美两国的 OPC 技术专利申请趋势具有明显不同的特点。美国的 OPC 技术发展较早，具有先发优势，但在后期专利申请量呈下降态势。中国在 OPC 技术方面的发展相对较晚，但后期专利申请量明显增加，呈追赶并超越的态势。这与两国在半导体技术领域综合实力以及两国相关产业发展支持政策的不同有着密切的关系。主要申请人分析通过对 OPC 技术专利申请的申请人进行统计，获得全球前 15 名主要申请人的排名情况，如图 3 所示。在前 15 名主要申请人中，美国申请人有 5 位，分别为新思科技、格罗方德、D2S，IBM 和楷登科技。与 OPC 技术美国专利申请量全球最高一致，在前 15 名主要申请人中美国申请人所占席位最多，这表明美国在该技术领域拥有领先的技术实力。上述 5 位申请人不仅包括 OPC 技术服务供应商，还包括芯片制造企业。韩国、中国和中国台湾地区的主要申请人数量相对次之，且均为芯片制造企业。荷兰、德国、日本的申请人数量相对较少，均只有 1 位。排名前 15 的主要申请人主要包括芯片制造企业和 OPC技术服务商。在芯片制造企业中，华虹集团和中芯国际分别以 261 项和 244 项的申请量领衔第一集团，台积电、格罗方德、联华电子、三星集团和海士力半导体也拥有较高的申请量，依次位列第二集团。东芝和东部高科的申请量相对较少，排名较为靠后。各芯片制造企业均对 OPC 技术的专利布局十分重视，其中，中国的华虹集团和中芯国际具有较高的专利申请量，这有利于其在 OPC 技术领域处于较好的竞争位置。在 OPC 技术服务商中，荷兰的 ASML 不仅能够提供高端光刻机还能提供配套的 OPC 技术服务，其以 263项的申请量排名第一，在 OPC 技术领域居于强势地位。美国的新思科技和德国的西门子 EDA 分别以 187 项和 125 项的申请量位列其后。上述三家企业拥有领先的技术优势，并几乎垄断了 OPC 软件的全球市场份额。另外，美国的 D2S和楷登科技也跻身全球前 15 名主要申请人中，具有不错的技术实力。在 OPC 技术全球前 15 名主要申请人的名单中，中国的 OPC 技术服务商无一上榜。OPC 软件的中国市场份额也基本上被西门子EDA、新思科技和ASML垄断。可以看出，在 OPC 技术服务方面，中国创新主体面临技术实力相对落后、专利布局相对薄弱和市场份额被严重挤压的严峻挑战。对于中国芯片制造企业而言，其 OPC 技术服务的供应商主要来自国外企业，这存在 OPC 技术服务供应链较为单一的风险。专利转让情况分析专利的转让情况是反映专利价值的一项重要指标，其一定程度上体现了专利成果的转化运用程度。创新主体可以通过专利权转让获得经济收入，专利受让方可以通过受让专利权快速完成专利布局，构筑专利壁垒。一般情况下，越是市场竞争激烈、市场空间大的技术领域，专利转让越活跃；越是市场价值巨大、专利特性优异的专利或专利申请，越容易被转让或收购。通过对国家和地区专利的转让情况进行分析，可以了解该国家和地区的技术产出状况和交易能力。图 4 显示了中国和美国被转让专利的分布趋势。美国被图 2 OPC 技术专利申请的地域分布图 1 OPC 技术全球及中美申请量趋势中国科技信息 2024 年第 3 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2024-48-专利分析转让专利的分布趋势和美国专利申请趋势基本一致，在各个阶段均有较高比例的专利发生转让。中国被转让专利的数量远低于美国转让专利的数量。和中国专利申请量在后期快速增长并超越美国不同，中国被转让的专利数量在后期并未呈现上升趋势。由此可以看出，美国的创新主体不仅注重技术研发，还非常重视进行专利技术的收储。这对其快速构建专利壁垒，建立市场竞争优势，并最终获得垄断性的市场份额有着巨大的帮助。中国创新主体则较为偏重技术的自主研发，在专利收储及运营方面显得较为薄弱。这一方面可能是因为中国创新主体受限于技术及经济实力，难以开展大量的专利收储活动，另一方面与其专利运营能力较弱有关。面对技术发展相对落后的不利局面，加强具有技术优势的高校和科研院所与企业的合作有着重要意义。一方面，有助于企业快速获得创新技术，另一方面，有利于将高校和科研院所专利成果的转化利用。中国创新主体在加强技术研发的同时，可以积极借鉴国外的先进专利运营手段以快速进行专利布局，缩小差距。OPC技术发展路线OPC 技术主要包括基于规则的 OPC 技术、基于模型的 OPC 技术、亚分辨率辅助图形技术、光源掩模协同优化（SMO）技术和反演光刻（ILT）技术。图 5 显示了上述各技术分支的专利申请趋势。基于规则的 OPC 技术根据以往芯片制造过程中工程师进行光掩模修改的经验来建立规则库，通过查表的方式在规则库中获得替换数据模组块，然后对待校正图形进行一一替换，从而实现对光掩模图形的校正。因其具有处理速度快的优点，在 OPC 技术发展初期，基于规则的 OPC 技术受到人们欢迎，具有相对较高的申请量。但是随着芯片制造工艺水平的不断提高，基于规则的 OPC 技术逐渐难以满足人们对 OPC 处理精度的要求，人们逐渐将研发重心转移到基于模型的 OPC 技术上，基于规则的 OPC 技术的专利申请量从 2000 年开始被超越。随着新的芯片制造工艺节点下对处理精度要求的不断提高以及该项技术的不断发展成熟，在图 4 中美两国的专利申请转让趋势图 3 全球主要申请人排名2007 年之后，相关专利申请的数量呈现下降态势。基于模型的 OPC 技术利用光刻计算模型来计算曝光后的图形，通过不断重复调整光掩模的边缘位置并计算对应的曝光图形，直到逼近理想的图形，从而获得校正后的光掩模图形。该项技术具有处理精度相对较高的优点，随着芯片制造来到130nm及以下工艺节点，逐渐成为人们的研究重点。由于计算机技术的不断进步，相关专利的申请量从 2000 年开始迅速增加，并于 2007 年达到最高的 132 项。虽然在2008 年以后受全球经济周期的影响，相关专利的申请量出现了波动，但是由于不断发展的芯片制造工艺对光掩模处理精度提出新的要求，基于模型的 OPC 技术依然保持较高的技术产出，成为各 OPC 技术中的重心。光掩模中常常同时包括稀疏图形和密集图形，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，可以通过在稀疏图形的附近设置仅起光散射作用而不在光刻胶上形成图像的亚分辨率辅助图形来克服上述技术问题。从图 5 中可以看出，亚分辨率辅助图形技术在较早的时期已经出现，相-49-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2024中国科技信息 2024 年第 3 期专利分析关专利的申请量在早期不断提升。由于人们一直面临着如何在新的芯片制造工艺下快速、准确地设置辅助图形的挑战，在 2001 年以后，该项技术长期保持有稳定的产出。SMO 技术通过对光掩模图形和光源进行协同优化可以获得适合于设计图形的定制化像素化光源和与之对应的优化光掩模图形的组合，因而能够进一步提高光学邻近校正的精确度。相关的专利申请最早出现于 2004 年，但其专利申请量在早期一直处于较低水平。随着芯片制造工艺来到 20nm及以下工艺节点，SMO 技术的专利申请量从 2010 年开始出现了明显的提升。由于引入了像素化光源的优化步骤，需要大量的迭代计算，这导致该项技术的发展和广泛应用受到限制。ILT 技术以要实现的图形为目标，通过复杂的反演计算得到理想的掩模图形。与传统光掩模的像素由微小的曼哈顿图形组成不同，ILT 技术计算得到的掩模图形包含曲线形状，更加自由，能够进一步提高掩模的精确度，可以被用于 10nm 及以下工艺节点。ILT 技术的专利申请最早出现于2006 年，但是和 SMO 技术一样，由于所需计算量大，计算时间长，该项技术的发展较为缓慢。但是从 2019 年开始，得益于 AI 技术的发展，ILT 技术获得人们更多的重视，其专利申请量出现明显的增加。通过对 OPC 技术路线发展脉络进行梳理可以发现，随着芯片制造工艺的不断发展，光掩模图形的复杂度显著提升。与之相对应，OPC 处理的数据量和处理时间也大幅提高。近年来，在满足先进工艺节点下 OPC 精度要求的同时有效提高计算效率，减少计算时间成为 OPC 技术的关键挑战。随着人工智能（AI）技术的不断发展，人们逐渐开始将各种图 5 OPC 技术各技术分支专利申请趋势AI 技术比如机器学习，神经网络技术等应用于 OPC 技术领域，以期实现技术突破。如图 5 所示，引入 AI 技术的 OPC专利申请最早出现于 2014 年，在 2017 年之后相关专利的申请量出现迅速提升，并于 2020 年达到最高值。受 AI 技术应用的影响，从 2017 年开始 OPC 技术专利申请量整体上也出现了明显的回升。结语本文以 OPC 专利技术为研究对象，分析了全球申请量总体趋势和专利申请的地域分布情况，并重点对比分析了中美专利申请量趋势，随后统计了该领域在全球主要申请人排名，分析了中美转让的专利申请趋势，并对 OPC 技术的发展路线进行了梳理。通过以上分析可以看出，与美国相比，中国 OPC 技术的发展相对滞后，技术实力与之存在较大差距。中国主要芯片制造企业在 OPC 技术方面进行了大量的专利布局，但其 OPC 技术服务主要来自国外，存在供应链相对单一的风险。中国 OPC 技术服务商无一进入全球前 15名的重要申请人名单，面临技术实力相对落后、专利布局相对薄弱和市场份额被严重挤压的严峻挑战。在 OPC 技术领域，中国转让的专利数量一直远低于美国转让的专利数量，专利运作能力明显较弱。加强与具有技术优势的高校和科研院所的研发合作，以及积极借鉴国外先进的专利运作经验，将有助于相关创新主体快速增强技术实力和开展专利布局。随着芯片制造工艺的不断发展，OPC 技术面临如何兼顾高处理精度和低处理时间的挑战，AI 技术的引入为该领域的技术突破带来了希望。