（机械工程专业论文）投影步进光刻机主控软件研究与开发.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 以微电子技术为基础、集成电路为核心的信息产业是目前国际上的朝阳产业，在 国民经济中所占比重和影响越来越大。在国防科技方面，集成电路技术己成为高科技尖 端武器装备最为基本的基础支撑技术。集成电路产业的高速发展和技术进步，首先源于 光学光刻技术的发展。分步投影光刻机是集成电路生产中最为关键的工艺设备，只有高 水平的分步投影光刻机，才能生产高水平的集成电路。随着我国经济的不断发展，国内 的电子行业也随着全球电子行业突飞猛进，尤其微电子行业更是前所未有。西方国家长 期将分步投影光刻机列为重要的战略物资，所以研制国产的分步投影光刻机是解决我国 电子行业受制于人的唯一途径。 本文就国产光刻机的主控软件作了如下的分析研究： 1 ) 论文分析了国内外投影光刻机的发展历程和现状，参考大量国内外文献，研究 了相关的光刻机资料，较为详尽的分析了光刻机软件面临的情况，提出了国内光刻机开 发的一套控制应用软件开发思路。 2 ) 根据对这些问题的分析，描述了光刻机软件的需求分析，通过对光刻机用途的 阐述，详细说明了软件的设计需求和功能定义。实现了0 5 微米投影步进光刻机的主控 软件功能以及相关辅助软件的功能。对光刻机中难度较大的对准模块进行了原理论述和 软件算法实现等功能的详细论述。 3 ) 通过0 5 微米投影步进光刻机研制的成果，解决了国产分步投影光刻机主控软件 的空白，为目前正在研制的“8 6 3 ”项目0 1 微米扫描光刻机的主控软件研制提供了基 础和研发经验，为早日实现国产光刻机产业化奠定了基础。 本文最后还展望了本课题的发展和今后的光刻机软件研究重点。 关键词：光刻技术对准技术 坐标阵列掩模 光刻机主控软件激光步进对准 硅片 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ee l e c t r o n i ci n f o r m a t i o ni n d u s t r yw h i c hi sb a s e do nm i c r o - e l e c t r o n i c t a k e si ca si t s c o l eh a sb e e nar e c e n t l yh o ti n d u s t r y i ta c c o u n t sm o r ea n dm o r ei ng d pi no n ec o u n t r y i c h a sb e c o m et h eb a s i cu n d e r l y i n gi n f r a s t r u c t u r ef o rt h eh i g h - t e c hw e a p o n sa n de q u i p m e n ti n t h en a t i o n a ld e f e n s ef i e l d t h eh i 出s p e e dd e v e l o p m e n t so f i ci n d u s t r ya r em a i n l yb a s e do n t h ed e v e l o p m e n to fo p t i c sl i t h o g r a p h y t h es t e p p e rl i t h o g r a p hi st h ek e ye q u i p m e n to fi c p r o d u c t i o n o n l yt h eh i g hl e v e lo fs t e p p e rl i t h o g r a p hc a np r o d u c et h eh i 曲l e v e li c a l o n g w i t l le c o n o m i cd e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r y , t h ee l e c t r o n i ci n d u s t r yd e v e l o p sv e r yq u i c k l y w e s t e r nc o u n t r i e sl i s ts t e p p e ra st h ei m p o r t a n tm i l i t a r yr e s o u r c e ，s or e s e a r c ho u rs t e p p e r l i t h o g r a p hi st h ew a y o f n o tb ec o n t r o l l e db yt h eo t h e rc o u n t r y t h i sp a p e rd i s c u s s e st h em a i ns o f t w a r eo f s t e p p e rl i t h o g r a p h ： 1 ) t h ep a p e ra n a l y z e st h ec o n d i t i o na n dr e s e a r c hw a yo f o u rc o u n t r ya n dt h eo t h e rc o u n t r y , r e f e r e n c e dal o to fl i t e r a t u r e ，r e s e a r c h e dt h ec o r r e l a t i v ei n f o r m a t i o no fs t e p p e rl i t h o g r a p h ，a n d a n a l y z e st h ep r o b l e mo fo u rs t e p p e rl i t h o g r a p h ；e d u c et h ed e v e l o p e dw a yo ft h es o f t w a r eo f o u rs t e p p e rl i t h o g r a p h 2 、t h r o u g ha n a l y z e st h i sp r o b l e m , t h ep a p e rd e s c r i b e st h er e q u i r e m e n to ft h es t e p p e r l i t h o g r a p h , a n de x p a t i a t et h ep u r p o s eo ft h es t e p p e rl i t h o g r a p h , e x p l a i n sa n dd e f i n e st h e f u n c t i o no f t h es t e p p e rl i t h o g r a p h r e s e a r c h e dt h em a i ns o f t w a r ea n da s s i s t a n ts o f t w a r eo f t h e o 5 u ms t e p p e rl i t h o g r a p h d i s c u st h et h e o r y s o f t w a r ea r i t h m e t i ca n df u n c t i o no ft h e a l i g n m e n to f t h es t e p p e rl i t h o g r a p h 3 、t h r o u g ht h es o f t w a r eo ft h eo 5 u ms t e p p e rl i t h o g r a p h , s o l v e dt h eb a s i cs o f t w a r eo ft h e s t e p p e rl i t h o g r a p ho f0 1 1 1 c o u n t r y ，p r o v i d e st h ef o u n d a t i o na n dr e s e a r c he x p e r i e n c eo ft h e m a i ns o f t w a r ef o ro 1u n ls t e p p e ra n ds c a n n e ro f “8 6 3 ”p r o j e c t t h ep a p e re x p e c t a t i o nt h ed e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c hs t r e s so f t h i sp r o j e c ti nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：l i t h o g r a p h ya l i g n m e n ts t e p p e rs o r w a r e l a s e rs t e pa l i g n m e n tc o o r d i n a t ea r r a yr e t i c l ew a f e r n 独创性声明 y 1 0 1 7 6 3 5 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除文中己标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：罢嘀净勿 日期：枷占年，p 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 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内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密囱 ( 请在以上方框内打“、，”) 学位论文作者签名：关醇刁指导教师签名：芬f 疋 r 暑期：立“年f 口月j 6 巨日期：砂z 年，9 月，。已 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 本课题来源于中国电子科技集团公司第四十五研究所b g 一1 0 5 投影步进光刻机开发 项目。 本课题的目的是要研制出具有自主知识产权的投影步进光刻机，能够实现从而发展 和完善我国微电子装备的相关学科并促进我们微电子产业的发展，逐步缩小并赶上与国 外微电子行业的差距。 在整个半导体制造领域，光刻机是最重要、最复杂的核心关键设备之一，光刻机直 接体现了一个国家的制造技术水平与加工能力，而软件系统是光刻机的灵魂。光刻机软 件是围绕整个光刻机功能和厂家加工工艺的要求来构架编制的。 由于西方和一些发达国家对发展中国家的限制，我国的半导体光刻机设备一直处于 落后人家2 0 - 3 0 年的差距，为了能够提高我国的综合国力，国家不惜财力对光刻机进行 了大量的投入，目前正在研n o 1 微米的扫描光刻机，这次软件的研制成功，将大大提 高国产光刻机的整体水平【”。 1 2 国内外研究与应用现状 1 2 1 国内的研究概况 随着我国经济的不断发展，国内的电子行业也随着全球电子行业突飞猛进，尤其 微电子行业更是前所未有，逐步由实验室向生产线快速发展，已成为国内增长最快的领 域之一。 我国的半导体加工水平还落后世界其它发达国家，近几年我国加大了微电子的投资 力度，逐渐形成了“长三角”、“珠三角”和“环渤海”等微电子加工链，但是许多先 进的生产线上关键设备都采用国外的设备，主要是国内设备满足不了其加工水平。目前 国内有许多半导体设备生产厂家，但是象投影光刻机等这样的关键设备厂商寥寥无几， 就起原因主要是技术难度大，开发成本高，开发时间长等许多因素的制约，所以投影光 华中科技大学硕士学位论文 刻机设备市场在国内的前景非常广阔【2 】。 我国在上世纪六七十年代就开始了投影光刻机的研制，中国电子科技集团公司第四 十五研究所成功研制了“精缩照相机”及二型“图形发生器”、“全自动光刻机”和 “b g 1 0 2 ”，在九十年代中期成功研制了“b g - 1 0 5 ”型分步投影光刻机，在国内光刻机 的研发方面取得了明显的进步，其线宽达到了0 5 um ，具有自动对准等先进功能。 目 前正在研制o 1 u m 的扫描光刻机。 1 2 2 国外的研究概况 随着电子行业产品的不断更新和大量的电子产品上市，电子元器件的需求逐日剧增， 所以需要元器件厂商对产品的性能和价格要求就越来越严，主要是芯片的集成度越来越 高，所以芯片的曝光线宽越来越细微，芯片曝光线宽水平已小于0 1 3 肛m ，而研制水平已 达到了9 0 n m 及以下，所以对半导体加工设备关键之一的光刻机就要求越来越高。从生产 者来说，降低成本提高生产率是提高经济效益的关键之一，所以现在的生产厂家都增大 了晶圆尺寸和芯片尺寸。因此，设备厂家便以提高曝光线宽和增大曝光视场来满足微电 子加工厂商的需求。目前步进扫描光刻机曝光像场尺寸已达2 6 3 4 m ，线宽小于9 0 n m ， 国际上最具影响力的有荷兰的a s m l 、日本的n i k o n 和c a n o n 公司已研制出满足上述要求的 光刻机，其中，a s m l 的技术处于领先，其集成度和设计理念都达到了世界领先l j j 。 目前各厂商的软件设计的主要思想都是围绕用户的曝光要求而展开的，但是各自厂 家根据自己硬件和设计理念的不同，就形成一套自己的软件系统，国外的厂家的光刻机 软件在其机器领域内相当成熟和完善。目前日本n i k o n 公司的光刻机从1 9 8 5 年推出 n s r - 1 5 0 5 g 3 a 投影步进光刻机于市场，到目前推出其扫描光刻机，其软件功能都非常强 大，其中它的s t e p p e r 采用i e e e 4 8 8g p i b 总线标准a s m l 光刻机采用s u n 工作站，以太网总 线控制，各个单元都有自检系统，能够测出各个板子的目前状态，包括温度等参数h 。 1 3 本文主要研究内容 本文主要研究投影步进光刻机的软件及其对准技术应用问题。对国内外的投影光刻 机的技术发展和研究成果做了研究分析，通过对国内研制的b g - 1 0 5 步进光刻机的软件 功能和相关的技术进行描述，控制软件采用v b 高级软件和汇编语言实现主控机和单 片机的编程。控制软件总体设计采用i e e e 4 8 8 总线通讯方式，通过g p i b 总线来在两台 2 华中科技大学硕士学位论文 或多台设备之间进行数据传输。这种控制只有一个控制器在一个时间段内有控制命令 权，所以能够有效的查询所操作的过程是否实现，能够及时的反馈错误故障信息和暂停 后续进程。 本文从以下五个部分进行介绍： 第一部分：绪论，从总体上论述投影光刻机在国民生产中的作用和技术发展，目前国 内的研究进展和国外的研究情况，通过了解国内外的差距，更能够体现目i i 在这个领域 上的研究意义 第二部分：需求分析和功能定义，根据光刻机的特点，对光刻机的主要功能模块的 需求分析和功能进行了说明。 第三部分：概要设计，对软件的开发语言及总线结构进行了分析，通过对开发语言 优缺点的论述，最后选择用v b 来开发主控软件。从计算机系统及总线结构和g p i b 总 线特性来介绍开发命令的格式，最后对主要的功能模块给出了软件设计流程。 第四部分：对准模块的设计，研究和介绍了光刻机中难度较大的对准过程及算法， 通过介绍对准的作用和对准方法，重点介绍了b g l 0 5 型投影步进光刻机的对准过程和 e g a ( e n h a n e eg l o b a la l i g n m e n t ) 对准算法设计。 第五部分：系统的开发与实现，通过对b g l 0 5 型投影步进光刻机的主控软件功能介 绍，说明了各部分的功能和实现的方法。 第六部分：总结了本文的工作并对以后的光刻机软件及对准作了展望。 华中科技大学硕士学位论文 2 需求分析和功能定义 光刻机软件需求分析是进行光刻机软件设计的出发点，也是光刻机软件研制开发完 成后进行光刻机软件验收的依据。光刻机软件需求分析包括软件描述和功能需求等。 2 1 主控软件描述 2 1 1 软件用户描述 光刻机主控软件用户包括操作工程师、工艺工程师、维护工程师和厂家工程师四个 层次。 1 ) 操作工程师模块 操作工程师能够进行光刻机基本操作，定义光刻机曝光工作流程，完成掩模硅片套 刻曝光。 2 ) 工艺工程师模块 工艺工程师能够进行光刻工艺试验，优化光刻工艺参数。 3 ) 维护工程师模块 维护工程师能够对光刻机进行周期性标定测试，编辑修改光刻机机器常数，保持光 刻机最佳工作状态。 4 ) 厂家工程师模块 厂家工程师能够利用光刻机调试和测试功能，使得光刻机性能指标达到出厂验收要 求。 2 1 2 主控软件系统描述 光刻机软件系统采用整机软件和分系统软件的主从式工作原理( 如图2 1 所示) ：整 机软件通过命令调用分系统软件功能模块满足光刻机软件用户需求；整机软件通过反馈 信息监控各分系统软件工作状态。 4 华中科技大学硕士学位论文 2 2 功能需求 光刻机 总体功能和 l 总体技术指标 l光刻机 整机软件 i 光刻机 分系统软件 图2 1 光刻机软件系统工作原理 光刻机软件核心功能为掩模硅片曝光，其它功能都是围绕着掩模硅片曝光功能展开 的。 2 2 1 功能结构 光刻机软件功能需求主要包括：选择工艺文件、设置掩模、执行流程、机器调整、 参数设置、编辑工艺文件、系统维护和帮助功能等。 2 2 2 功能流程 光刻机软件功能流程包括选择工艺文件模块、设置掩模模块、执行流程模块、机器 调整模块、参数设置模块、编辑工艺文件模块、系统维护模块和帮助功能模块八个功能 流程模块。 1 ) 选择工艺文件模块 选择工艺文件是进行曝光工艺流程的基本步骤，只有选择正确的工艺文件才能做出 预想的曝光图形。 光刻机软件操作工程师在进行工作时，首先要选择一个已经编辑好的工艺流程文 件，选择工艺文件模块工作流程包括用户注册、开机初始化、工作流程定义获取机器常 数、获取工艺参数、获取工作文件等功能。 华中科技大学硕士学位论文 2 ) 设置掩模模块 ( 1 ) 掩模上下版 掩模上下版功能包括掩模上版、掩模注册管理、掩模颗粒检测、掩模预对准、掩 模状态监测和掩模下版等功能。 ( 2 ) 硅片上下片 硅片上下片功能包括硅片上片、硅片换片、硅片机械预对准、硅片质量检测、硅片 计数、硅片状态监测和硅片下片等。 ( 3 ) 掩模硅片对准 掩模硅片对准功能包括掩模对准、硅片对准、工件台对准和对准控制算法等 3 ) 执行流程模块 ( 1 ) 掩模硅片曝光 掩模硅片曝光功能包括曝光场位置规划、曝光场位置校正、曝光剂量计算、掩模位 置规划、掩模步进位置、掩模调焦调乎、硅片步进位置规划、硅片步进位置、硅片粗调 测量、硅片粗调控制、硅片精调测量、硅片精调控制、照明方式设置、投影物镜设置、 曝光剂量控制等功能。 ( 2 ) 整场调焦调平 硅片整场调焦调平功能包括硅片测量位置、硅片粗调测量、硅片粗调控制、硅片 精调测量和硅片精调控制等。 ( 3 ) 工作报告 光刻机正常工作过程中将自动生成工作报告，记录下光刻工艺参数和光刻工作流程 执行情况等相关信息。 4 ) 机器调整模块 机器调整模块是针对特定的曝光图形要求，通过工艺实验确定的最佳工艺参数，包 括一些比例、正交、旋转、偏移等工艺参数，可以编辑工艺参数和保存工艺参数等功能， 为光刻机正常工作做好准备。 初始参数设置用于光刻机生产厂家在光刻机出厂时设置机器常数和工艺常数初始 值，包括编辑初始参数和保存初始参数等功能 5 ) 参数设置模块 参数设置模块是厂家工程师在调机或用户维修工程师在对机器维护后对一些常数 和工艺参数进行修改保存，保证机器工作的精度。机器常数设置根据光刻机周期性维护 6 华中科技大学硕士学位论文 的标定测试结果，软件自动或用户手动修改光刻机机器常数，保证光刻机的最佳工作状 态，包括编辑机器常数、自动更新机器常数和保存机器常数等功能，为光刻机正常工作 做好准备。 6 ) 编辑工艺文件模块 编辑工艺文件模块是用户根据需要定义掩模硅片套刻曝光流程，包括新建工作流 程、编辑工作流程和保存工作流程等功能，为光刻机正常工作做好准备。 编辑工艺包括定义片子的大小，曝光阵列的分布，图形对准的选点，对准参数和对 准坐标的标定等曝光所需的参数定义 7 ) 系统维护模块 光刻机软件操作工程师工作流程，新增光刻机维护和机器常数设置功能。 ( 1 ) 光刻机分系统维护 光刻机维护功能用于对光刻机进行周期性维护，保持光刻机最佳工作状态，测试得 到光刻机机器常数，作为机器常数设置的依据，包括曝光分系统维护、掩模台工件台维 护、对准分系统维护、调焦调平分系统维护、掩模传输分系统维护和硅片传输分系统维 护等功能。 ( 2 ) 光刻工艺试验 光刻机软件工艺试验是通过特定的光刻工艺流程，并对光刻工艺试验结果进行分析判 断，寻求得到最优化的光刻工艺参数，作为工艺参数设置的依据，包括光刻分辨力工艺 实验、套刻精度工艺实验和生产率工艺实验等功能。 ( 3 ) 光刻机分系统调试 光刻机调试是在光刻机维修过程中通过软件对光刻机各个分系统以及整机进行调 试，主要是监测光刻机整机以及各个分系统动作流程、提取相关信号和数据信息，进行 光刻机各个分系统以及整机的相应调试，主要有：曝光分系统调试、掩模台工件台调试、 对准分系统调试、掩模传输分系统调试、硅片传输分系统调试、整机框架调试、环境控 制分系统调试和光刻机整机调试等。 i ) 曝光分系统调试 曝光分系统调试包括激光器调试、照明系统调试和投影物镜调试3 个相对独立的功 能模块，每个功能模块都有诊断测试和单步操作两个方面的功能。 激光器调试功能包括：激光中心波长稳定性测试、激光波长调谐范围测试、激光光 谱测试、激光脉冲频率测试、激光脉冲能量测试、激光脉冲能量稳定性测试和激光脉冲 7 华中科技大学硕士学位论文 脉宽测试等诊断测试功能；激光中心波长设置、激光脉冲频率设置、激光脉冲能量设置 等单步操作功能。 投影物镜调试功能包括：投影物镜驱动性能测试和投影物镜驱动电机温度测试等诊 断测试功能；投影物镜像差控制和投影物镜数值孔径设置等单步操作功能。 i i ) 掩模台工件台调试 掩模台工件台调试包括掩模台调试、工件台调试和调焦调平测试调试3 个相对独立 的功能模块，每个功能模块都有诊断测试和单步操作两个方面的功能。 i i i ) 对准分系统调试 对准分系统调试包括同轴对准调试和离轴对准调试2 个相对独立的功能模块，每个 功能模块都有诊断测试和单步操作两个方面的功能。 i v ) 掩模传输分系统调试 掩模传输分系统调试有诊断测试和单步操作两个方面的功能。 掩模传输分系统调试功能包括：掩模传输真空性能测试和掩模预对准信号测试等诊 断测试功能；版库运动、版机械手运动、掩模到条码扫描位置、掩模条码扫描、掩模到 预对准位置、掩模预对准、掩模上承版台、掩模下承片台和掩模回库等单步操作。 v ) 硅片传输分系统调试 硅片传输分系统调试有诊断测试和单步操作两个方面的功能。 硅片传输分系统调试功能包括：硅片传输真空性能测试、硅片定心定向信号测试和 硅片光学预对准信号测试等诊断测试功能；片盒运动、送片手运动、片机械手运送片、 硅片定心定向操作、片叉交换片操作、送片手真空操作、片机械手真空操作和片叉真空 操作等单步操作。 v i ) 整机框架调试 整机框架调试包括：位置传感器输出测试、水平位置漂移测试、传递函数测试和前 馈性能测试等诊断测试功能。 v ii ) 光刻机整机联合调试 光刻机整机调试包括：照明相干因子测试、照明强度和均匀性测试、同步扫描性能 测试、套刻精度测试、生产效率测试等诊断测试功能；分系统初始化、掩模上版、掩模 下版、硅片上片、硅片下片、硅片整场调焦调平、掩模对准、硅片对准、工件台对准、 单步操作功能。 ( 4 ) 光刻机测试维护 华中科技大学硕士学位论文 光刻机测试是在光刻机研制以及光刻机维修过程中通过软件对光刻机的各个分系 统以及整机性能测试，测试结果满足光刻机性能指标要求则可以通过验收出厂，测试结 果不能满足光刻机性能指标要求则需要重新进行光刻机调试工作，直到测试结果满足光 刻机性能指标要求为止。光刻机主要测试功能：照明和剂量控制、成像性能、成像畸变、 调焦调平、套刻性能、生产率、掩模交换时间、成像质量控制、批处理流程等。 8 ) 帮助功能模块 ( 1 ) 状态实时显示 实时显示是在光刻机软件运行过程中，通过文字和图形等形式，显示用户需要了解 的信息，包括系统运行状态显示、掩模硅片传输状态显示、掩模台工件台状态显示、曝 光状态显示、环境状态显示和警告出错信息显示 i ) 系统运行状态显示 系统运行状态显示功能用于显示光刻机当前正在进行什么操作，让用户了解光刻机 当前的运行状态；显示下一步可能的操作提示与建议，智能化地协助用户选择正确的操 作。 i i ) 掩模硅片传输状态显示 掩模硅片传输状态显示功能用于显示掩模在掩模传输系统中的位置，以及硅片在硅 片传输系统中的位置，包括掩模传输状态显示和硅片传输状态显示。 i i i ) 掩模台工件台状态显示 掩模台工件台状态显示功能用于显示掩模台和工件台当日口位置信息及其运动状态， 包括掩模台状态显示和工件台状态显示。 i v ) 曝光状态显示 曝光状态显示用于显示硅片上曝光场图形阵列，以及各个曝光场图形是否已经曝 光、正在曝光、或者尚未曝光等相关信息。 v ) 警告出错信息显示 警告出错显示用于显示光刻机运行过程中可能出现的所有警告信息和出错信息，包 括警告信息显示和出错信息显示。 ( 2 ) 在线帮助 在线帮助用于帮助用户通过光刻机软件使用、操作和维护光刻机，包括：在线帮助 信息、错误代码查询、光刻机术语中英文对照及解释、软件版本版权及系统配置信息。 ( 3 ) 错误代码查询 用户在工作或维护的时候，可以通过软件来查询下层各分系统出现的故障和错误代 9 华中科技大学硕士学位论文 码的具体意义，可以很快地帮助用户来判断问题和提出解决问题的方法。 ( 4 ) 退出关机 光刻机软件关机退出是为光刻机正常关机做好准备：照明系统关机准备、投影物镜 关机准备、掩模台关机准备、工件台关机准备、调焦调平测量关机准备、同轴对准关机 准备、离轴对准关机准备、掩模传输系统关机准备、硅片传输系统关机准备、整机框架 关机准备、环境控制系统关机准备、整机控制关机准备和整机软件关机准备等。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 3 1 开发语言的选择 3 概要设计 在开发软件上采用v i s u a lb a s i c ，v i s u a lb a s i c 是一种非常流行的软件开发语言，使 用v i s u a lb a s i c 最大的好处是它是一种非常流行的语言，它简单、易学、易用和有非常 广泛的懂得b a s i c 语言的用户群基础，即使对不熟识v i s u a lb a s i c 的软件工程师，要熟 悉它也可以轻易找到大量有关的出版物和资料【”。 v i s u a lb a s i c 本身拥有一些能支持过程和函数的特性，例如，它具有强大的界面编 制功能。v i s u a lb a s i c 的s h e l l 函数和s e n d k e y s 函数可以启动一个应用程序和操作它的 图形用户界面，用v i s u a lb a s i c 可以编写所需要的一些脚本程序，例如，装载一个独立 应用程序。v i s u a lb a s i c 中集成的可视化数据管理器可以直接连接一个数据库并查看它 的数据结构。此外，v i s u a lb a s i c 还可以用来测试一些后台操作的应用程序，例如，可 以编写一些脚本存取初始化文件( i n i 文件) 和w i n d o w s 注册表。从v i s u a lb a s i c 中访 问w i n d o w s 的应用程序接e l ( a _ p i ) 对操纵受控应用程序和报告一些重要信息都是非 常有效的，而且v i s u a lb a s i c 语言比当前其他的编程语言花更少的时间去掌握和有更高 的编程效率，适合要求快速建立控制脚本的自动化工作需要。 在v i s u a l b a s i c 中有众多的向导和模板可以使用。例如数据窗体向导，它可以创建 一个能连接a c c e s s 或o d b c 数据库的数据窗口，该数据窗口可以设置成单独地查看单 个记录或者用表格形式批量浏览数据记录，因而可以实现一个能快速定制而又易于使用 的用来检查数据库内容的工具。窗体模板不但可以快速创建一个标准的窗口，而且能同 时伴随着这些窗口产生源代码，这些自动产生的代码可以部分或全部应用到为自己而定 制的窗口中，这对提高编程效率是非常有用的。此外，一些其他的向导如数据对象向导， a c t i v e x 控件窗口向导都可以实现花费最少的编码工作量去创建和配置一些有用的过 程对象伸j 。 由此可见，v i s u a lb a s i c6 0 由于其强大的功能，易学易用，有广泛用户群基础等优 点而成为一些图形交互强的设备控制软件的开发环境工具之一。 华中科技大学硕士学位论文 3 2 计算机系统及总线结构 3 。2 1 i l - 算规系统 主机采用研华工控机，c p u 为i n t e lp i i2 6 6 ，通过g p i b 总线与从机通信。从机采用7 个8 0 8 6 鲍1 6 缎单板穰实现各荦元子系统的控稍，著采焉2 个d s p 3 2 0 专门焉予辩准数 字信号的高速处理；主机操作系统采用w i n d o w s9 8 中文版；主机软件采用图形汉字界 螽，具有工艺文件翻建、工艺流程藏行、机器常数管璎、机器辅助谖整、e g a 对准算 法、工慧参数管理、自动故障检测、整机初始化、机器维修维护等功能；从机对于对象 的控隶程序及数学模型谶亿与荜板梳存储器中，实现对对象的耪密控翩褫敌障稔溅，并 通过g p i b 总线与主机进行参数传递，接受控制指令。通过g p i b 总线的分布式计算机 控制技术、v i s u a lb a s i c 开发环境下的大型系统软侔编秘技术、分步投影光刻襁i 工艺软 件技术及精度误差的软 牛补偿技术等都是用在b g 1 0 5 上的先进技术。 3 。2 2g p - i b 总线结搀特牲 壅3 1 茬翻糕图 g p - i b 接口总线共2 4 根，其中8 根数据线( d i o i d i o s ) ，用来双向异步，互锁 缝传送信息。主要传送绞霹信怠或设备僖惠，每次传送一个字节豁需要逶行三线挂钩过 程；3 根挂钩线，分别是d a v ( 数据有效线) 、n r f d ( 朱准备好接收数据线) 和n d a c ( 数据朱收到线) ；5 穰管理线，a t n ( 注意线) 、i f c ( 蔟日消除线) 、r e n ( 远控 j 华中科技大学硕士学位论文 可能线) 、s r q ( 服务请求线) 和e o i ( 结束或识别线) ；最后是8 根地线。这些线在 实际中有一定用法要求，并且g p i b 均采用负逻辑，数据线中均采用标准a s c i i 码川。 检测系统中信号线为d 1 0 1 d i o8 ，e o i ，d a v ，n r f d ，n d a c ，i f c ，a t n ， r e n 。与从机的连接如图3 2 所示。 到其它设备 r _ 、 图3 2i e e e 4 8 8 总线结构 3 3 软件主要功能模块概要设计 3 , 3 1 光刻机整机软件 制 光刻机软件功能主要包括( 如图3 3 所示) ：开机关机、系统集成、参数优化、参数 设置、曝光功能和辅助功能等 华中科技大学硕士学位论文 图3 3 光刻机主控软件主要功能 1 4 华中科技大学硕士学位论文 3 3 2 光刻机软件主要模块设计 3 3 2 1 选择工艺文件 选择工艺文件模块是管理用户工艺文件和厂家的调试文件，是进行曝光工艺流程的 基本步骤，只有选择正确的工艺文件才能做出预想的曝光图形。 i 输入p r o c e s sn a m e i l 输入p r o g r a mn a m e j l装载p p 程序到内存 图3 4 选择工艺文件流程 3 3 2 2 选择设置掩模 选择设置掩模可以装载掩模和对掩模进行对准等功能，可以在上版的时候检测版的 颗粒度污染和版的i d 识别。 华中科技大学硕士学位论文 图3 5 选择设置掩模流程 3 3 2 3 下载掩模和硅片 对机器内的掩模和硅片进行人工移出，保证硅片和掩模的完整性和防污染等功能。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 图3 6 下载掩模和硅片流程 3 3 2 4 执行曝光流程 在准备好掩模和硅片的情况下，通过执行曝光流程模块来进行对硅片曝光，这是光 刻机的主流程，通过一些开关量和设置保证曝光各项功能的顺利实现。 华中科技大学硕士学位论文 图3 7 执行曝光流程 1 8 华中科技大学硕士学位论文 3 3 2 5 显示单元状态 在设备工作或检修的时候，可以通过显示个单元的状态来查看目前机器的工作状 态。 图3 8 显示单元状态流程 3 3 2 6 调整系统参数 系统参数是光刻机的一些基准参数的修改和调整的地方，机器在调试和维护的时候 就可以对机器的一些补偿量和坐标进行修改和重新设置。 1 9 华中科技大学硕士学位论文 图3 9 调整系统参数流程 华中科技大学硕士学位论文 3 3 2 7 编辑工艺文件参数 每一个曝光流程都是严格按照工艺要求进行曝光的，所以在曝光之前，要对这一次 的曝光工艺文件进行编辑，对主要的参数文件要依据掩模版图来设置。 图3 1 0 编辑工艺文件参数流程 华中科技大学硕士学位论文 4 对准模块的软件设计 4 1 光刻机对准模块的软件设计 光刻机对准软件模块是光刻机主控软件中比较重要的模块，它的对准算法和对准流 程设计的好坏将直接影响光刻机多层曝光的质量和光刻机的工作效率，下面对成功应用 于中国电子科技集团公司第四十五研究所研制的b g l 0 5 型光刻机上的对准系统和软件 算法作一设计说明。 b g l 0 5 型光刻机对准是根据对准测量系统测量并记录每个对准标记位置计算出基线 ( b a s e l i n e ) 位置，然后依据基线位置计算掩模与硅片位置的相对误差；根据多个标记 位置测量数据，计算硅片上每个图形的精确相对位置误差，最后依给出的算法进行实施 套刻的步进，完成图形精度的最终要求。掩模硅片自动对准过程分硅片对准、工件台对 准和掩模对准3 个步骤：硅片对准和工件台对准是由离轴对准系统完成；掩模对准是由 同轴对准系统完成【 l o l ，其对准图示如图4 1 图4 1 对准示意图 华中科技大学硕士学位论文 硅片对准采用激光对准系统对硅片标记进行对准，包括片子装载预对准、片子0 量检测、多个对准点对准和计算片子四种变形量，最后重新计算坐标并分布新阵列i l l - 1 3 】。 4 2 对准数据的e g a 算法设计 掩模硅片自动对准算法的目的是利用掩模硅片自动对准结果，确定掩模硅片相互位 置关系。掩模硅片自动对准算法就是决定机器坐标系( m c s ) 、掩模坐标系( r c s ) 、硅 片坐标系( w c s ) 相互的位置关系，然后将硅片上每个c h i p 的套刻坐标值由硅片坐标 系转化到机器坐标系，从而建立套刻时工件台的步进模型，进行步进套刻完成掩模图案 转移。硅片对准模型确定硅片上曝光图形阵列在工件台激光干涉仪基准坐标系中的位置 坐标；工件台对准模型建立起硅片上曝光图形阵列与掩模上曝光图形之间的相互关系； 掩模对准模型确定掩模上曝光图形在工件台干涉仪基准坐标系中的位置关系；最后利用 前面三个对准模型结果，得到掩模中心以及硅片每一个曝光场中心位于投影物镜光轴上 时【1 4 1 6 1 。 4 2 1 实际坐标阵列与理论坐标阵列关系 假定硅片存在平移、缩放、旋转和正交，则实际坐标阵列和理论坐标阵列间存在关 系【1 7 2 0 】： 锗瞄蹦鬈等 一料嘲+ 翻 = 。r 掣x x 。c o s 口- r x ( c o s o x t a n c a + s i n 8 ) s i n 0r y ( - s i n s x t a n a 7 + c o s 0 豺圈o y ， l 掣ii 咖li = b 一篙卯 + 翻 ( 4 一1 ) 式中：( f 。，f ”) 为实际坐标阵列；( d 。，d y n ) 为理论坐标阵列；( r x ，r y ) 为 硅片坐标系在x 方向和y 方向缩放系数，即硅片上两点间在x 方向和y 方向实际测量长 度和理论值之比，该误差主要来自于硅片光刻工艺影响；0 为硅片坐标系相对于工件 台坐标系旋转角，即硅片上全场对准基准标记连线相对于工件台x 方向激光干涉仪光 轴夹角，该误差主要来自于硅片上片定位；u 为工件台坐标系坐标正交误差，即工件 华中科技大学硕士学位论文 台x 方向和y 方向激光干涉仪光轴方向夹角相对于9 0 。的偏差，该误差主要来自于工件 台激光干涉仪安装；( 0 。，o ，) 为硅片坐标系相对于工件台坐标系平移量，由对准系统 和工件台定位系统共同决定，该误差主要来自于硅片上片定位和工件台归零复位。另外 考虑到和均为微小量，因此进行了相应的线性简化。简化式( 4 1 ) 可以表示为矩阵形 式：f n _ a + d n + o 其中： 砌= d n = 止i h a l l 圳盎口一r x 砂( a , 枷 ， 。= 翻 ( 4 - 2 ) 4 2 2 利用最d - - 乘法标定坐标糸糸数 硅片增强全场对准过程首先是利用增强全场对准标记的对准测量结果，标定确定硅 片坐标系和工件台坐标系间相互关系的系数，使得增强全场对准标记根据标定结果计算 得到的实际坐标阵列和理论坐标阵列值在最小二乘法意义上最小之6 】： e = ( 踟) 2 + ( 跏) 2 = ( 而一晟+ ( 劢- f y n ) 2 ”2 1 ”2 1 ”2 1“2 1 ( 4 3 1 = ( 啊。x d x n a 1 2 d x n o x ) 2 + ( 勋一口：lx d y n 一口2 2 d y n o y ) 2 n = ln = l 式中：( e x n ，e y n ) 表示硅片上对准标记位置误差；( f 。，fy n ) 表示硅片上对准标记 位置测量值；( f 。，f 。) 表示硅片上对准标记根据坐标标定结果由理论坐标阵列计算得 到的实际坐标阵列位置值；m 为全场对准标记数目。系数( o 。，o 。) 表示硅片相对于 工件台的整体平移量，可以通过计算硅片上每个对准标记平移量的平均值得到： ( 磊一d x n ) y ( 可n - d y n ) o x = 生一 ，o y = 坐l 一 ( 4 - 4 ) m 为得到硅片上对准标记位置误差在最：b - - 乘法意义上的最小值，应有对( 4 2 ) 式分别 求a l l 、a 1 2 、a 2 1 和a 2 2 的偏导值等于零。通过坐标阵列的转化关系可计算出a l l 、a 1 2 、 a 2 1 和a 2 2 的表达式。将计算得到的( a l l ，a 1 2 ，a 2 1 ，a 2 2 ，o x ，o y ) 代入f n = a + d n + o 中，则可以根据硅片上曝光图形的理论阵列坐标值计算得到实际阵列坐标值 2 7 - 3 2 l 。另外 翎习 rl r【 华中科技大学硕士学位论文 依据：a 1 1 = r x ，a 1 2 = - r x ( c a ) + 0 ) ，a 2 1 = r y + 0 ，a 2 2 = r y 所以有： r x = a l l ，砂= a 挖，0 = a 2 l a 2 2 ，国= 一a 2 l a 2 2 一a 1 2 a 趋 ( 4 - 5 ) 4 2 3 计算四种变形量的主要软件代码 函数体：c a l c u l a t e _ e g a 。s o r 0 f o r i = lt o e g a _ n e x p e c t p o s i t i o n x ( i ) = ( e x p e c t _ c 0 ) 一1 ) + rfb a s i c _ s t e p _ x r f - b a s i c d i a m t e r 2 e x p e c t p o s i t i o n y ( i ) = ( e x p e c t _ r ( i ) - 1 ) + r _ 只- b a s i c _ s t e p _ _ y - rfb a s i c d i a m t e r ，2 a a l l = a a l l + e x p e c t p o s i t i o n x ( i ) “2 a a l 2 = a a l 2 + e x p e c t p o s i t i o n x ( i ) + e x p e e t p o s i t i o n y ( i ) a a l 3 = a a l 3 + e x p e c t p o s i t i o n x ( i ) a a 2 2 = a a 2 2 e x p e c t p o s i t i o n y ( i ) “2 a a 2 3 = a a 2 3 + e x p e c t p o s i t i o n y ( i ) a b x l l = a b x l l + e x p e c t p o s i t i o n x ( i ) + d e l t a x ( i ) a b x 2 1 = a b x 2 1 + e x p e c t p o s i t i o n y ( i ) + d e l t a x ( i ) a b x 3 1 = a b x 3 1 + d e l t a x ( i ) a b y ll = a b y ll + e x p e c t p o s i t i o n x ( i ) + d e l t a y ( i ) a b y 2