（机械工程专业论文）掩模传输系统应用软件的设计与实现.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 掩模传输系统是光刻机的重要组成分系统，主要承担掩模版的存贮、传输、定位和 交换等工作，能够避免人与掩模版直接接触而对掩模版造成损害。随着集成电路的发展， 电路集成度大大提高，工艺层大幅度增多，在光刻机中要求的掩模版数量也相应增多， 从而对掩模传输系统的效率、可靠性等要求也更加严格。为确保实现掩模传输系统的各 项功能、性能要求，在对掩模传输系统软件进行设计开发时，就必须以软件工程的理论 方法为指导，保证掩模传输系统软件的质量。 论文首先简要说明了光刻机的工作原理，以及传输系统在光剡机中所起作用，介绍 了光刻机的国外发展趋势和世界各国对光刻机研制开发的重视，论述了光刻机的国内发 展现状和我国进行l o o n m 步进扫描光刻机研发的必要性和迫切性，提出了进行本课题研 究的意义。 在研究中本文首先对掩模传输系统软件进行了需求分析。论述了掩模传输系统的组 成及电控架构。采用结构化分析方法，对系统的数据流自顶向下逐层分解，建立了肌 系统的数据模型。研究确定了r h 系统的所有软件功能、性能及接口要求，明确了系统 界面需求。在需求分析基础上，论文对掩模传输系统软件进行了概要设计和详细设计。 概要设计中，分析确定了r h 系统软件的总体架构和系统的分层结构图，说明了分层结 构图中各模块的功能及模块问调用关系。进行详细设计时，重点讨论了删、r h p p 、 r h p r 模块的实现细节。最后本文论述了r h 系统软件的系统测试过程，列举了采用黑盒 测试法设计的部分测试用例。通过软件测试，可以帮助软件开发人员修改和完善r h 系 统软件，从而提高了r h 系统软件的可靠性以及软件的开发质量。 通过本课题研究完成了对掩模传输系统软什的设计开发，掌握了进行r h 系统软 件设计开发的科学方法，同时为其他工程应用软件的开发者提供了可参考的方法，不但 可以保证掩模传输系统应用软件的质量，推动掩模传输系统的设计制造，而且对推进我 国l o o n m 步进扫描投影光刻机的研发，也具有积极作用。 关键词：掩模传输软件工程机械手版库预对准掩模版 华中科技大学硕士学位论文 a b s tr a c t r e t i c l eh a n d l i n g ( r h ) s y s t e m , i n c l u d i n gr e t i c l em a n a g e m e n t ，r e t i c l ed e l i v e r y , r e t i c l e e x c h a n g ea n ds oo n , w h i c hc a na v o i dm a nt ot o u c hr e t i c l ed i r e c t l y , i so n eo ft h em o s t i m p o r t a n tp a r t si nl i t h o g r a ph y w i t ht h ed e v e l o p m e n to f i n t e g r a t e dc i r c u i t ，c i r c u i t r yb e c o m i n g m o r ea n dm o r ed e n s ea n dh a v i n gm o r ea n dm o r ep h o t ol e v e l s ，c o r r e s p o n d i n g l yt h em o u n t so f r e t i c l ei n c r e a s i n gl a r g e l yi nl i t h o g r a p h y , t h e r ea r es t r i c tr e q m r e m e n t sf o rt h ee f f i c i e n c ya n d r e l i a b i l i t yt or hs y s t e mm e e t i n gw i t ha 1 1o ff u n o t i o na n dp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t so fr h s y s t e ma n dg e t t i n gh i g hq u a l i t yo fs o l , w a r e , w es h o u l db a s e do nt h et h e o r yo fs o f t w a r e e n g i n e e r i n gd u r i n gt h ed e s i g no f r hs o f t w a r e a t 丘r s lt h et h e s i si n t r o d u c e sb r i e f l yt h ep r i n c i p l eo fl i t h o g r a p h ya n db a s i cf u n c t i o n so f r hs y s t e m , t h e ni n t r o d u c e st h et r e n do fl i t h n g r a p h ya n dp o i n t so u tt h es t a n d p o i n ta b o u tt h e l i t h o g r a p hd e v e l o p m e n ti no t h e rc o u n t r i e s o p p o s i t e l y , a s o u rc o u n t r yh a sl a r g eg a pw i t h o t h e r sf o rh i g hl e v e ll i t h o g r a p hd e s i g n , i ti sn e c e s s a r ya n du r g e n tf o ru st od e v e l o p1 0 0 n a n o m e t e rs t e pa n ds c a n n e rw i t hh i g hp e r f o r n l a n c za u t o m a t i cr e t i c l eh a n d l i n gs y s t e m i na d d i t i o n , t h et e x ta n a l y z e st h ee l e m e n tp e r f o r m a n c es p e c i f i c a t i o nf o rr hs e t , r a r e f i r s t l y , t h et e x td e s c r i b e st h ec o m p o n e n t sa n de l e e t i l e a ls t r u e t u r eo fr 1 s 3 ，s t e m , s e c o n d l y d e c o m p o s et h ed a t af l o wd i a g r a mo f r hs y s t e mf r o mt o pt od o w na n dd e s i g nt h ed a t am o d e l f o rr hs o f t w a r ew i t ha r c h i t e c t u r ea n a l y s i sm e t h o da n dt h e nt h i st e x tm a k e si tc l e a rt oa l lo f f u n c t i o n , p e r f o r m a n c ea n di n t e r f a c er e q u i r e m e n t sf o rr hs y s t e 札i n c l u d i n gu s e ri n t e r f a e n r e q u i r e m e n ta 1 5 0 b a s e do nt h er e q u i r e m e n t sm e n t i o n e da b e v e ，g e n e r a ld e s i g na n dd e t a i l e d d e s i g na r ed e s c r i b e di nt h et e x t d u r i n gg e n e r a ld e s i g n , t h ew h o l es o f t w a r ea r c h i t e c t u r ea n d h i e r a r c h i c a ls t r u c t u r ea r ed e m o n s t r a t e da n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nd i f i e r e n tm o d u l e si nt h e h i e r a r e h i c a ls t r u n t u r ei sd e s c r i b e da l s 0a n dd u r i n gd e t a i l e dd e s i g n , o n l yr h a m ，r h p i , r rm o d u l e sa l ei n t r o d u c e di nd e t a i l i n c l u d i n ga l g o r i t h m , p s e u d oc o d ea n df l o wc h a r t d i a g r a m f i n a l l y , s o m es o f t w a r et e s tp r o c e s s e sa r ei n t r o d t i c e di nt h et e x t s u c ha st h et e s t c a s e sb a s e do nb l a c kb o xt e s tm e t h o d b ya n a l y z i n gt h er e s u l to f t e s t i ti su s e f u lf o rs o f t w a r e d e s i g n e rt oi m p r o v et h eq u a l i t yo f t h er h s o f t w a r e a c c o r d i n gt ot h ew h o l ep r o c e s so fr hs o f t w a r ed e v e l o p m e n ti nt h i st e x t i ti sp r o v e d t h a ts o f t w a r ee n g i n e e r i n gi sg o o dw a yf o re n g i n e e r i n gs o f t w a r ed e s i g na n dd e v e l o p m e n t i ti s n o t o n l yg u a r a n t e e d t h eq u a l i t yo fr is o f t w a r e , b u ta l s ob e n e f i tt ot h ed e s i g na n d m a n u f a c t u r eo f r h s y s t e m k e yw o r d s ：r e t i c l eh a n d l i n g s o f t w a r ee n g i n e e r i n ga r l n s l i b r a r yp r e a l i g n r e t i c l e 独创性声明 本人声明所盛交的擎位论文最我个人在导师的指导下进行的研究工作及取 得羲研究畿票。尽我所麓，除文中己攮弱；| 瘸豹蠢容井，本论文不包含任何其他 人或集体已经发寝或撰写过的研究成果。对本文的研究做出赁献的个人和集体， 均己在文中| 噩明确方式标明。本人完全意识劐奉声懿豁法簿结果蛊本人承担。 学键论文作者签名：蒿窖 巨期：矽06 年，o 月2 - 6 围 学位论文版权使用授极书 本学虚论文作者完垒了解学校有关保留、使用攀位论文的规定，即：学校帮 投傈留并离国家裔关部门或机构送交论文酾复印侔和电子舨，允许论文被耍阋和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分冈窖编入有关数掇 瘁进行检索，可以采用影印、缩印藏扫描等复制手段保存和犯编本攀位论文。 镰密口，在年解糍后透冀本授权书。 本论文满于， 不保密翻 ( 请在以上方摇盎打“”) 举虚论文唪看签名：葛窘 量期：册口6 年f 口胃彩云 指孕教师签襄 易t 破 官期：占巍，4 胃j 巨 华中科技大学硕士学位论文 1绪论 1 1 课题的来源、目的、意义 1 1 1 课题来源 本课题来源于国家“十五”期间“8 6 3 ”计划重大专项 1 0 0 n m 步进扫描投影光刻 机。内容为1 0 0 n m 步进扫描投影光刻机的掩模传输系统的应用软件开发。 投影光刻机的目的是将掩模版上的图形，以4 ：1 的比例精确地复制在晶圆上。4 ：1 的投影比例是投影物镜本身的属性决定的。光刻机的工作原理类似于照相机。掩模版上 的图形可以看作是要拍照的对象，光刻机可以看作是照相机，而晶圆上的抗蚀剂就是底 片了。当d u v ( 1 9 3 r i m 波长光源) 的光线照射并透过掩模版时，通过投影物镜将掩模 版上的图形缩小并聚焦在晶圆的抗蚀剂上，被光线照射到的抗蚀剂就会发生化学反应。 然后将晶圆放到溶剂中进行显影，刻蚀、掺杂，薄膜生长等一系列工艺，就可以得到集 成电路了。投影光刻机的曝光原理简图如图1 1 所示。 光源 掩横版 掩横台( 掩模台中f 碰l 域采 用透田材料，如石英) 晶四 一工件台 图卜l 光刻机的曝光原理简图 目前使用的大部分光刻机被称为步进重复光刻机。这是因为在步进重复光刻机中， 曝光时，是在同一时刻对整个视场进行曝光，如上图1 2 所示。而在步进扫描光刻机中， 曝光时，照明系统的光源是通过一个狭缝照射在掩模版上，掩模版以设定的速度移动， 同时，投影物镜下方的晶圆朝相反的方向以1 4 的速度移动。由于投影物镜的投影原理， 以及投影物镜本身的投影比例为4 ：1 ，所以晶圆要以1 4 的速度相对掩模版反向移动， 如上图1 3 所示。由于整个视场在曝光时，要进行扫描动作，而在进行下一次曝光时， 华中科技大学硕士学位论文 要通过步进方式移动到下一个曝光位置，因此这种机型的光刻机被称为步进扫描光刻机 】侧。 二二二二二二 整瑚眺 毫= = ：= = = 二= = 二= = 二= 盈 步进扫描光嘉帆 视岛 笛2 3 m m 闰1 2 步进重复光刻机曝光视场图1 - 3 步进扫描光刻机曝光视场 1 0 0 r i m 步进扫描光刻机由1 2 个分系统构成，这些分系统分别是；激光光源分系统、 均匀照明分系统、投影镜头分系统、工作台掩模台分系统、调平调焦分系统、自动对准 分系统、硅片传输分系统、掩模传输分系统、机械框架分系统、环境控制分系统、整机 控制分系统、整机软件分系统。掩模传输分系统( 简称r hr e t i c l eh a n d l i n gs y s t e m ) ， 是其中的一个重要分系统。 掩模传输系统在设备中主要完成对掩模版的管理，包括对掩模版的上版、下版、预 对准和状态查询，以及对版盒的锁定、解锁等工作，它能够避免人与掩模版直接接触而 对掩模版造成损害( 如对掩模版的静电损害e s n e l e c t r os t a t i cd i s c h a r g e 、颗粒污染和 人为误操作等) 。上版时，r h 系统按照指令从s m i f ( s t a n d a r dm e c h a n i c a l ( n t e r f a c e ) 标准版盒中，正确选择指定掩模版将掩模版送至粗预对准单元进行粗预对准，然后将 掩模版传送到掩模台上方交接版位置，这时先进行精细预对准，然后将掩模版交接到掩 模台上。下版时则按照指令要求，从掩模台上将掩模版送回到该掩模版原来所在版盒 的版槽中。 掩模版传输系统不是独立于主体，而是与整机有机的结合在一起，在工艺流程中起 着很重要的作用。随着集成电路的迅速发展，电路集成度大大提高，工艺层大幅度增多， 在光刻机中所要求得掩模版数量也相应增多，从而对掩模传输系统的效率、可靠性等要 求也越来越高。 1 1 2 课题目的 本课题的目的是研制出具有自主知识产权的1 0 0 n m 步进扫描投影光刻机，从而发展 f 一 华中科技大学硕士学位论文 和完善我国集成电路装备的相关学科，促进我国集成电路产业的发展与精细加工技术的 进一步提高，以缩小同国际先进水平的差距。 1 1 3 课题意义 从整个半导体设备制造领域来看，l o o n m 步进扫描投影光刻机充分体现了现代科技 前沿的发展与综合，涉及到多学科知识交叉运用，是典型的光、机、电、气一体化产品， 各项技术指标代表了半导体设备制造领域的世界最高技术水平，在国内则是前所未有的 高度，涉及到高速高精度运动控制技术和光学预对准技术以及超精密机械设计与加工技 术等一系列尖端技术。对 二国内相关的研究力量，实现定位精度从业微米级向纳米级的 推进无疑是技术上的一次巨大飞跃，是一次追赶世界先进水平的机遇。 掩模传输分系统是光刻机的重要组成分系统，主要承担掩模版的存贮、传输、定位 和交换等工作，避免人与掩模版的直接接触而造成污染。 在半导体设备制造领域，掩模传输系统属于e f e m ( e q u i p m e n tf r o n t e n dm o d u l e 设 备前端模块) ，在国内，对于掩模传输系统的设计制造还处于空白，因此研究与开发掩模 传输系统的软硬件控制系统，解决其中的关键技术难题，必将推进l o o n m 步进扫描投影 光刻机的研发，对推动我国微电子产业及半导体设备制造业的发展亦具积极意义。 1 2 光刻机的国内外发展现状 1 2 1 光刻机的国外发展现状 从第一个晶体管问世算起，半导体技术的发展已有多半个世纪了，现在它仍保持着 强劲的发展态势，继续遵循m o o r e 定律( 摩尔定律) 即芯片集成度1 8 个月翻一番，每 三年器件尺寸缩小07 倍的速度发展。以大尺寸、细线宽、高精度、高效率、低成本为 目标的i c ( 即集成电路) 生产，对半导体设备带来前所未有的挑战。 半导体设备的更新换代，推动半导体工艺、半导体产品及整个电子装备的更新换代。 因此，从本质上讲，半导体设备不仅支撑集成电路产业的发展，同时也支撑整个电子信 息产业的发展。 半导体设备包括前道设备、后道设备、材料制各设备、制版设备等。前道设备包括 光刻机、刻蚀机、离子注入机等，后道设备有划片机、键合机、粘片机、i c 编带机等 ( i c 指i m e g r a t e dc i r c u i t ，集成电路) ，材料制备没备则是指单晶炉、切片机、磨片机等。 在所有半导体设备中，最为关键的是前道微细加工设备，而前道微细加工技术的核心， 则是实现超微图形成像的光刻技术，它是推动集成电路产业发展的主要驱动力1 3 j 。 目前，光刻技术主要有光学光刻、极紫外光刻、x 射线光刻、电子束光刻、纳米压 华中科技大学硕士学位论文 印光刻等 4 1 。 光学光刻是通过光学系统以投影方法，将掩模上的大规模集成电路器件的结构图形 曝光在涂有光刻胶的晶圆上。自8 0 年代以来，光学光刻技术在不断向前发展。8 0 年代 初期的光学光刻技术采用g - l i n e ( 4 3 6 n m 波长光源) 步进光刻机，其光刻的分辨率为l u r e 。 9 0 年代k r f 准分子激光( 2 4 8 n m 波长光源) 光刻机实现了o 2 5 u m 光刻分辨率，而采用 了分辨率增强技术的2 4 8 n m 光刻机可实现0 1 8 u m 和0 1 3 u m 光刻分辨率。目前，用a r f 准分子激光( 1 9 3 r i m 波长光源) 步进扫描光刻机已经实现9 0 h m 光刻分辨率，标志着半 导体制造业已进入9 0 h m 工艺时代。由于1 9 3 n m 曝光技术的不断推进，浸液式1 9 3 r i m 光刻技术现在己成功进入6 5 n m 光刻分辨率的开发阶段，并仍有潜力向4 5 r i m 延伸 p l 【6 l 【7 1 口】【9 l 【1 0 】1 1 1 】。对于1 9 3 n m 以后的1 5 7 r i m 光刻技术( f 2 准分子激光光源) 而言，由于 制约1 5 7 n m 光刻的主要技术障碍，如光学镜头材料，抗蚀剂、污染控制等难题已基本 排除，从而使1 5 7 r i m 曝光设备的开发也逐步走向实用化。1 5 7 a m 光刻机已经可以用于 6 5 n m 、4 5 n m 器件的开发，通过选择较为理想的浸没液体，浸液式1 5 7 r t m 光刻技术将完 、全有可能进入3 2 n m 分辨率的半导体制造领域【1 3 】【1 4 1 1 1 “。 由于i c 工艺的飞速提高，如何实现7 0 r i m 及以下工艺水平的光刻成了i c 产业关注 的焦点，为此，美、日及欧洲等国纷纷投入巨资研发不同于上述传统光学光刻的下一代 光刻机( 即n g l ，n e x tg e n e r a t i o nl i t h o g r a p h y ) 。前面提到过的极紫外光刻机、x 射线 光刻机、电子束直写光刻机、纳米压印光刻机部属于下一代光刻机。 极紫外光刻机采用波长为l o 一1 4 n m 的极紫外光作光源。由于光学系统的材料对 1 3 r i m 波长具有很强的吸收作用，其光学系统必须采用反射形式。极紫外光刻被认为是 最具有发展前景的n g l t “】【7 1 ”1 。x 射线光刻机光源波长约为l n m 。由于它易于实现高 分辨率曝光，所以自从x 射线光刻技术在7 0 年代被发明以来，就受到人们广泛的重视 ”。电子束直写光刻机采用高能电子束对晶圆上的光刻胶进行曝光，它可以接受图形数 据直接在晶圆上进行成像曝光，不需要掩模版，因此就省去了复杂的掩模版制作过程， 从而比其他方法更具灵活性。但是电子束直写光刻机的生产率很低，这一点限制了它的 使用。纳米压印光刻由美国大学的c h o us y 于1 9 9 5 年发明，它是通过压模的方法实现 纳米结构的批量复制。纳米压印光刻机既继承了电子束直写光刻的高分辨率特点( 目前 纳米压印的分辨率己经达到l o n m ) 又保留了传统光学光刻技术大批量生产的优势，因 此纳米压印光刻技术一诞生就以其高分辨率、高产率和低成本引起各国科学家和产业界 的兴趣和重视。但是纳米压印光刻也还很不成熟，它面临的最大技术难题是多层图形的 套刻对准1 2 0 1 1 2 1 】1 2 2 】【“。如图1 4 所示，是未来产业化光刻设备的技术方案预测： 4 华中科技大学硕士学位论文 图1 4 未来产业化光刻设备的技术方案预测 总之，未来光刻技术的发展将是多元化的，随应用领域的不同会有所不同【2 4 】。但是 2 0 多年来作为集成电路制造业主流的曝光技术，还是光学光刻技术。现在，光学光 刻技术还在不断创新，它一再突破人们预期的曝光极限，为摩尔定律的向前推进而孜孜 不懈地努力着。 1 2 2 光刻机的国内发展状况 目前我国有1 0 家主要的设备企业和研究机构，从事i c 装备的研究与开发，其研究 方向和研发产品涉及前道设备、后道设备、材料制备设备等领域，并已形成一定层次的 产品研发能力和相应的技术积累。但是，由于长期以来在集成电路装备发展战略上的问 题，我国集成电路装备技术水平与国外存在较大差距。目前，我国自主i c 装备在整机 水平上落后发达国家4 代，单元技术水平差1 2 代，在传统光刻技术上是较为落后的。 随着我国i c 产业越来越受到重视，国家制定并实施了“七五”、“八五”、“九五”、 “十五”计划，及“9 0 8 ”、“9 0 9 ”i c 重大工程，先后建起多条国有、中外合资、外商 独资的i c 生产线，这些工厂的兴建和发展，极大地促进了国内i c 设备市场的不断扩大。 虽然国内合资公司引进的i c 生产线已达到o 2 5 u r n 水平，中芯国际在2 0 0 2 年9 月 华中科技大学硕士学位论文 又成功实现了0 1 8 u r n 试流片，引进设备的水平仅落后国外一至二代，但是引进生长线 在引进和使用时受到较为严格的限制，而且今后可能遭受到更为严厉的封锁， 面临光刻技术在国际的迅猛发展和先进国家在该领域对中国的出口限制，中国大量 的半导体芯片代工厂使用落后设备，消耗大量资源和能源，换取微薄利润。无法实现高 端设计的产品化，就无法研制和生产满足国家战略需求和国防需求的产品。因此，我国 跟踪和跨越发展的步伐需要加快，高技术领域的跨越式发展离不开研究开发的积累，先 进光刻技术研究队伍和领域有待尽快壮大和发展9 l 【l 】。 目前我国基本具备提供08 - l u r e 光刻机生产样机的能力，己完成o 5 u r n 步进重复 光刻机样机的开发，正在进行l o o n m 分辨率a r f 准分子激光( 1 9 3 n m 波长光源) 步进 扫描光亥4 机的研发。l o o n m 步进扫描投影光刻机的研发，是国家“十五”期间“8 6 3 ” 重大专项科研攻关项目，是科技部、上海市与上电集团共同投资进行的高难度重大项目。 现在，该项目正在大规模产学研攻关中，一些难度极高的部件采取国际合作形式，目前 正处于分系统验收、内外配套件集成总装阶段，有望在今年底完成。 1 1 3 论文主要工作 1 31 掩模传输系统的软件需求分析 需求分析是软件开发时期的第1 个阶段，也是关系到软件开发成败的关键步骤。 在对掩模传输系统应用软件进行需求分析时，首先应对r h 系统的硬件架构和主要 功能有较深入的了解，在此基础上要全面理解对r t t 系统的各项需求，对其中概念模糊 的需求还要澄清，并确定这样的需求是否可以采纳。通过对r i t 系统应用软件的需求分 析，来明确系统的全部功能需求、性能需求以及r h 系统运行环境要求等，然后形成 r h 系统软件需求规格说明书( s r s - - s o f l w a r er e q u i r e m e n ts p e c i f i c a t i o n ) ，其中包含的 内容有：需求概述、数据定义、功能需求、性能需求和设计需求等。 1 3 ，2 掩模传输系统的软件设计 软件设计的总体目标是根据从需求分析得到的软件需求规格说明书，确定最恰当的 实现软件功能、性能要求的软件系统结构，实现算法和数据结构。按照结构化设计方法， 通常将软件设计分为概要设计和详细设计两个阶段。 在进行r h 系统应用软件的概要设计时，采用分层图来描述p d - i 系统软件的总体结 构。分层图中的每个矩形框可以看作一个功能模块，每个模块能完成一个相对独立的特 定子功能。分层图中的层次关系代表了模块间的一定调用关系，如上层模块可调用下层 模块，但是下层模块不能对上层模块进行调用。r h 系统应用软件详细设计阶段的主要 6 华中科技大学硕士学位论文 工作是，在概要设计的基础上，对每个模块都进行足够详细的过程描述，包括确定模块 中各个函数的功能、接口、数据结构等，对于较复杂的函数，还要确定其算法。 l 3 3 掩模传输系统的软件测试 软件测试是软件质量保证的关键元素，代表了软件分析、设计和编码的最终检查。 测试是软件生命周期的非常重要的环节，无论怎样强调它的重要性都不过分。 对r h 系统应用软件所做的测试，包括单元测试、集成测试和系统测试。论文主要 讨论系统测试。进行系统测试时，采用黑盒测试法，对r h 系统软件的每个外部接口函 数，都设计了若干测试用例，检测软件中存在的错误和缺陷。在实际测试中，发现了一 些开发人员难以想到的错误和缺陷，这有助于软件开发人员修改和完善r h 系统软件， 说明通过软件测试，可以提高r h 系统软件的可靠性和软件开发的质量。 7 华中科技大学硕士学位论文 2 掩模传输系统的软件需求分析 需求分析是软件开发时期的第一个阶段。由于开发人员熟悉计算机但不熟悉应用领 域的业务，用户熟悉应用领域的业务但不熟悉计算机，因此对于同一个问题，开发人员 和用户之间可能存在认识上的差异。在需求分析阶段，通过开发人员与用户之间的广泛 交流，不断澄清一些模糊的概念，最终形成一个完整、清晰、一致的需求说明。可以说， 需求分析的好坏将直接影响到所开发软件的成败口”。 需求分析主要是确定待开发软件的功能、性能、数据等要求。具体说包括以下几点： ( 1 ) 系统的数据描述：如分层的数据流图、数据词典和小说明等； ( 2 ) 系统的功能要求：列出软件系统必须完成的所有功能； ( 3 ) 系统的性能要求：如响应时间、吞吐量、处理时间、对贮存和外存的限制等； ( 4 ) 安全性、可靠性方面的要求； ( 5 ) 系统的运行要求：如对硬件、支撑软件、数据通信接口等的要求； ( 6 ) 异常处理要求：在运行过程中出现异常情况时，应采取的行动及提示信息等： ( 7 ) 系统界面要求：系统从外部输入哪些数据，向外部输出哪些数据等； ( 8 ) 将来可能提出的要求：主要是为将来可能的扩充和修改作准备2 6 1 1 2 7 1 1 2 8 j 1 2 9 。 2 1 掩模传输系统简介 2 ，1 1 掩模传输系统的组成 图2 - 1 掩模传输系统在整机框架中的位置 掩模传输系统位于光刻机的左前侧，如图2 - 1 所示。掩模传输系统在整机中完成对 华中科技大学硕士学位论文 掩模版的存贮、传输、定位和交换等功能时，主要是通过以下组成单元来实现： ( 1 ) 版库单元( 共有2 个，每个版库中能存贮6 块掩模版) ； ( 2 ) 机械手单元( 机械手上安装有版叉) ： ( 3 ) 气动控制单元； ( 4 ) 传感器和执行器单元( 包含粗预对准单元) 。 掩模传输系统的结构简图如图2 - 2 所示： 2 1 1 1 版库单元 图2 - 2 机械手结构简闰 图2 - 3 版库结构简图 版库单元位于掩模传输分系统的转臂上，该单元包括两个版库( l i b r a r y ) ，版库的 结构简图如图2 3 所示。两个版库的组成是完全相同的，均由标准的s m i f ( s t a n d a r d 9 华中科技大学硕士学位论文 m e c h a n i c a li n t e r f a c e ) 端口、版盒( 盒底) 存在传感器、版盒锁放电机、升降电机、升 降台、掩模版存在传感器、掩模版放置错误传感器等组成。每个s m i f 端口可放置一个 s m i f 版盒一个版盒最多能够容纳6 块掩模版。 版盒盒底存在传感器用于检测s m i f 端口上，是否放置有s m i f 版盒。锁放电机用 于锁定或解锁版盒的盒盖。锁定版盒时，盒盖与盒底解锁，同时盒盖锁定在s m i f 端口 上，版盒盒底落在升降台上，可由升降台带动，做上下运动；解锁版盒时，版盒盒盖从 s m i f 端口处解锁，同时锁定在版盒盒底上，这时整个版盒可从s m i f 端i _ = | 拿下来。 当版盒锁定在s m i f 端口，版库升降台托着版盒盒底，从零位( 将版库升降台的最 高位定为升降台的零位) 向下降低时，掩模版存在传感器探测各版槽中掩模版是否存在， 并将版盒中掩模版的存量情况保存下来。当升降台向上升高回零位时，掩模版放置错误 传感器探测各版槽中掩模版位黄是否放置错误，如果某个掩模版伸出版槽过多，那么升 降台将立即停止移动，这样可以防止碰撞到掩模版，如图2 - 4 所示。 掩瀵腹放置正确 掩攮| 鬏救置错误 掩攘版存在侉盛蔷 掩摸版放置错溪降摩嚣 图2 _ 4 掩模版在版槽中的放置 版库单元的主要作用是存贮掩模版，配合掩模传输系统的其他单元完成掩模版的上 版、下版等功能。 2 1 1 1 2 机械手单元 机械手单元安装在掩模传输系统的基架平台上。如图2 5 所示，机械手是一个h 形 的导轨结构。机械手单元有2 个x 向导轨( x l 和x 2 ) ，1 个y 向导轨。y 向导轨通过 2 个滑块安装在x 向导轨上，版叉通过z 模块安装在y 导轨上，z 模块可在y 导轨上 滑动，同时z 模块本身有一个z 向导轨，这样z 模块还能带动版叉在z 向做上下移动。 由于机械手有2 个x 向导轨，所以版叉可以在r z 方向旋转。由此，版叉可以进行的运 动有：( 1 ) x 向移动；( 2 ) y 向移动；( 3 ) z 向移动；( 4 ) r z 方向旋转。 o 华中科技大学硕士学位论文 表示正跟位侍雇黯 一表示负限位侍辱器 口袭示零位传癌器 图2 - 5 机械手结构简图 如图2 - 5 所示，在x l 、x 2 、y 、z 轴上都安装有光棚尺、正限位传感器、负限位传 感器和零位传感器。各个轴通过步进电机驱动来进行移动，通过光栅尺反馈位置信息： 正限位传感器和负限位传感器用来检测机械手各个轴的移动是否超出合法位雹，如果超 出合法位置，则机械手将立即停止移动；各轴的零位传感器用于机械手回零位。 版曼推杆 图2 - 6 版叉结构简图 机械手上安装的版叉的结构简图如图2 - 6 所示，版叉上有推杆，推杆可作伸缩运动， 在传输掩模版时，推杆伸出，将掩模版夹紧在版叉上，以保证掩模版的安全。版叉上有 2 个掩模版固定支脚和2 个掩模版活动支脚。版叉通过3 个支脚来承放掩模版。分别是： 版叉前方的2 个固定支脚和活动支脚中的右支脚。活动支脚中的左支脚是有弹性的，它 的强度足以防止掩模版倾斜，但不足以支撑掩模版。活动支脚中的左支脚保证掩模版在 传输过程中，总是由3 个支脚来支撑，并且可以防止掩模版在版叉上的振动，这样将有 华中科技大学硕士学位论文 助于减少颗粒的产生，有助于防止掩模版被污染。 机械手是r h 系统的主要组成单元机械手在r h 系统内运动。有一定的移动范围 和位置，为了方便灵活、安全可靠地控制机械手的运动，应该对机械手的移动位置进行 区域划分，并对这些位置区域进行命名。机械手的位置区域图，如图2 7 所示。 y i 1 停靠位 2 l3 1 ； i 22 23 2 ； 非法医 调整区 1 3 机械手车位 2 33 3； 蓐库2 月涝 旌i g j t - 方 租预对准位 1 42 43 4 i 颤痒2 非法医辩l i ! x 图2 7 机械手区域图 图中各命名含义如下： ( 1 ) 停靠区：上版后，机械手停留在停靠区；( 2 ) 上版位；机械手与掩模台交接版 的位置；( 3 ) 非法区：机械手正常运行时，不应移动到该区域；( 4 ) 调整区：上版时， 机械手在此调整高度；( 5 ) 机械手零位：机械手各个轴的零位；( 6 ) 版库2 前方：2 号 版库前；( 7 ) 版库1 前方：1 号版库前；( 8 ) 粗预对准位：在该位置对掩模版进行粗预 对准；( 9 ) 版库2 ：2 号版库内，即机械手从版库2 中取版的位置：( 1 0 ) 版库1 ：l 号 版库内，即机械手从版库l 中取版的位置。 2 1 1 3 气动单元 气动单元的主要任务是对版叉上的推杆和掩模版活动支脚进行控制。推杆是一个活 塞结构，是由压缩气控制的，对压缩气的通断将引起推杆的伸缩。通过调节压缩气比例 阀，可以调整推杆伸缩的力度大小和伸缩的快慢。活动支脚由2 路真空控制，当左路真 空打开、右路真空关闭时，活动支脚伸出；反之，当左路真空关闭，右路真空打开时， 活动支脚收缩，2 路真空度的值可以由真空流量计来读取。 华中科技大学硕士学位论文 2 1 ，i 4 传感器和执行器单元 传感器和执行器单元主要任务是：( 1 ) 读取各传感器的值；( 2 ) 设置各执行器。 粗顸对准单元虽然有相对独立的功能，但是由于粗预对准单元由2 个l e d 光源( 即 执行器) 和2 个四象限探测器( 即传感器) 组成，所以粗预对准单元被包含在传感器和 执行器单元。 上版时，机械手从版库中取出指定的掩模版，在将掩模版送到掩模台上之前，需要 在粗预对准单元对掩模版进行粗预对准，以便保证每次上版时，掩模版的重复定位精度 能够达到l u m 。 粗预对准单元的原理简图如图2 - 8 所示。预对准时，通过l e d ( 1 i g h te m i t t i n gd i o d e ) 光源照明掩模版，掩模版上的两个预对准标记分别成像在两个四象限探测器上。每个四 象限探测器有四个象限，每个象限根据接受到的光能量强度会产生不同强度的电流。根 据两个四象限探测器的各个象限的电流强度，可以计算出掩模版与理想位置的偏差，从 而确定掩模版在x 轴和y 轴的补偿值，然后通过机械手的移动来纠正掩模版的偏差。 煳1 喝伊煽。 2 1 2 掩模传输系统的电控架构 图2 - 8 粗预对准原理图 图2 - 9 掩模传输系统电气连线简图 华中科技大学硕士学位论文 掩模传输系统的电气连线简图，如图2 - 9 所示，图中： ( 1 ) r i - i 系统的c p u 采用研华工控机。 ( 2 ) 光刻机的总控计算机是s u n 工作站。由于r h 系统是光刻机的一个分系统， 所以r h 系统的c p u 要能够接受并响应s u n 工作站的指令。如图2 - 9 所示，r h 工控 机与s u n 工作站之间通过以太网连接。 ( 3 ) 在r h 系统正常运行时，除了要与s u n 工作站进行指令交互以外，还要与掩 模台分系统( r e t i c l es t a g es y s t e m , 以下简称r s 分系统) 进行指令交互。r h 系统工控机 与r s 系统c p u 之间也通过以太网连接。 ( 4 ) p d - i 系统工控机与版库单元通过r s 2 3 2 串口连接；与机械手单元也通过r s 2 3 2 串口连接；与气动单元通过p c i 总线和r s 2 3 2 串口连接；与传感器和执行器单元通过 p c i 总线和r s 2 3 2 串口连接。 2 2 掩模传输系统的需求概述 根据1 0 0 r i m 步进扫描投影光刻机掩模传输分系统技术任务书和1 0 0 r i m 步进扫 描投影光刻机掩模传输分系统技术协议，在与整机组专家和相关技术人员进行多次深 入细致的沟通后，确认了r h 系统的主要功能、性能、接口需求如下： ( 1 ) r h 系统的主要功能是完成对掩模版的管理，包括：将掩模版上舨到掩模台； 在上版的过程中，对掩模版进行预对准；将掩模台上的掩模版下版到版库中；在 版库中对掩模版进行存贮、识别等。 ( 2 ) r h 分系统的主要性能指标有：上版时间、下版时间、预对准精度等。 ( 3 ) r i d 系统安装到整机上后，与以下2 个分系统之间进行指令的交互：s u n 工 作站；r s 分系统。r h 分系统与这2 个分系统之间的接口均为以太网，通讯协议为 t c p i p 协议。 下面将详细讨论k h 系统需求分析的主要内容，包括k l - i 系统的数据描述、功能需 求、性能需求和运行要求。 2 3 掩模传输系统的数据描述 2 31 掩模传输系统的数据流图 采用软件工程理论中的结构化分析方法，来确定r i - i 系统的数据流图。结构化分析 方法是一种面向数据流的需求分析方法，适用于分析大型数据处理系统，是一种实用的 方法，现已得到广泛的使用。 ( 1 ) 根据结构化分析方法，首先将r h 系统工控机看作一个大的加工，根据以上对 1 4 华中科技大学硕士学位论文 r h 系统功能和接口的分析，可以知道r i - i 系统c p u 外界的源缩有： s u n 工作站( 运行上层软件) ； r s 分系统c p u ； 版库单元( 运行下层软件) ： 机械手单元( 运行下层软件) ； 气动单元( 运行下层软件) ； 传感器执行器单元( 运行下层软件) ，该单元包括粗预对准单元。 由此，可以画出r i t 系统的输入和输出图，即顶层图，也可称为上下文图，如图 2 1 0 所示。 艋片膏， 韧持纯鹱摩 罄蛐箍痒 麓库圄零 掩媾麓拍是指专 鬻辟相戈指 掩模传辘 分系缆 c p u 气功膏奇 f 韧始纯南辛 姊出，噻 q 腱* 推扦 坤出，孵h 搐动土并i 肇球诚敏精* 镬封准村鬻 图2 - 1 0r h 系统上下文图 ( 2 ) 将顶层图中的“掩模传输分系统c p u ”( 即掩模传输系统应用软件) 进行分解， 分解为主任务分配层( d i s p a t c hl e v e l ) 、应用层软件( a p p l i c a t i o nl e v e l ) 、外设层软件 ( p c 邱h e r a ll e v e l ) 、f o 层软件( i n p u t o u t p u tl e v e l ) 、和辅助支持软件( 包括数据管理 模块r h d b 和错误处理模块r h e r 等) ，使顶层图中的输入数据流经过以上6 个加工后， 华中科技大学硕士学位论文 仍然变换为顶层图的输出数据流。这样，就得到了r h 系统0 层图，如图2 1 i 所示。 圈2 1 1r h 系统0 层图 在0 层图中根据抽象和分解的原则。采用自顶向下逐步求精的分析方法，将r h 系统软件分为4 层： l e v e l0 ( lo ) ：主任务分配层( d i s p a t c hl e v e l ) ，主要处理来自s u n 工作站外部 接口的指令，对这些指令进行分类识别，然后向应用层下发指令。 l e v e li ( l1 ) ：a p p l i c a t i o n l e v e l ，应用层。应用层处理来自r h 系统主任务的各 类指令，将这些指令转换为外设层的指令，然后向外设层( 或i o 层) 下发指令。应用 层软件还处理与r s 分系统的指令交互。 应用层接受到的来自主任务分发层的指令大致可以分为： 口通用指令( g e n e r a lr e q u e s t s ) ； 口掩模版相关的指令( r e t i c l er e l a t e dr e q u e s t s ) ； 口版盒相关的指令(