无掩膜光刻图形的数据提取技术

无掩膜光刻图形的数据提取技术信息技术产业的日益发展需要集成电路的不断进步，作为集成电路制作的主要方法，光刻技术也在不断地寻求突破。近年来，空间光调制器(SLM,SpatialLightModulator)无掩膜光刻技术在微电子及相关领域的得到了广泛关注。空间光调制器无掩膜光刻作为数字投影光刻技术以SLM为图形发生器，可便捷、灵敏、并行、低成本和高速的产生曝光图形。因其在高分辨集成电路制作上的极大优势，SLM无掩膜光刻技术已经成为国际光刻系统制造领域的重要研究内容，也有可能成为下一代微纳加工的一个重要技术。本论文以介绍SLM无掩膜光刻的原理为基础，分析了SLM无掩膜光刻系统的组成，重点研究了无掩膜光刻图形的数据提取技术，并设计了系统的数据提取软件。研究内容包括：.对光刻技术的发展进行简单的介绍，分析了几种无掩膜光刻技术，着重介绍SLM无掩膜光刻的成像原理和作为数字掩膜的数字微镜(DMD，DigitalMicromirrorDevice)器件,并阐述无掩膜光刻机中数据提取的重要意义以及研究方向。.分析掩膜版图的几种常用格式和每种版图格式的具体参数，为数据提取奠定基础。.数据提取软件包括两部分，分别是对掩膜图形进行灰度调制和生成曝光所用的数据。掩膜图形的灰度调制分为三个步骤，首先对DXF格式的图形进行数据提取；再根据得到的数据通过软件生成与DXF格式的图形一样的矢量图；最后对再现的矢量图形运用栅格化法，生成灰度图形，实现图形的灰度调制。根据基于数字微镜的无掩膜光刻技术的原理和曝光方式的不同，对曝光图形进行晶圆分布和图形分割，生成曝光所用的图形数据。关键词：SLM无掩膜光刻数据提取灰度调制TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"第一章绪论 3\o"CurrentDocument"研究背景 3\o"CurrentDocument"无掩膜刻蚀技术的简介 5\o"CurrentDocument"数字微镜器件（DMD）简介 9\o"CurrentDocument"SLM无掩膜光刻技术的发展历程 10\o"CurrentDocument"图形数据的处理和转换 11\o"CurrentDocument"研究的工作 12\o"CurrentDocument"本章小结 13第二章掩膜图形格式介绍 12\o"CurrentDocument"DXF文件格式介绍 12DXF格式文件的结构 12DXF格式文件的表示方法 13DXF格式文件的打开 14DXF格式文件的保存 14GDSII文件格式介绍 15Gerber文件格式介绍 16\o"CurrentDocument"本章小结 16\o"CurrentDocument"第三章图形数据转换软件的设计 18\o"CurrentDocument"应用软件 18\o"CurrentDocument"数据转换软件的整体结构 18\o"CurrentDocument"DXF格式的图形坐标点分析 19\o"CurrentDocument"数据提取算法 20\o"CurrentDocument"图形再现和对比 21\o"CurrentDocument"本章小结 22\o"CurrentDocument"第四章灰度图形的生成 23\o"CurrentDocument"确定灰度值 23生成灰度图形实验结果 26\o"CurrentDocument"本章小结 30\o"CurrentDocument"第五章晶圆分布和图形分割 31\o"CurrentDocument"晶圆布局 31\o"CurrentDocument"图形分割方法 32\o"CurrentDocument"本章小结 36\o"CurrentDocument"第六章总结和展望 37\o"CurrentDocument"本文总结 37\o"CurrentDocument"课题展望 37第一章绪论研究背景随着信息技术的不断发展，电子产品已在极大程度上改变了我们的日常生活。小到日常用品手机、计算机，大到飞机、航天器，这些都依赖于集成电路芯片，它是电子设备的关键所在。长期以来，对集成电路芯片集成度的提高一直是人们努力的目标。它从50年代诞生至今，短短几十年，已经从单个晶体管的生成发展到超大规模的水平，晶体管达到一万到十万个，精度达到纳米级别。当下，不断发展的战略性新兴产业如三网融合、互联网、云计算等，将在计算机、网络通信之后作为新动力推动集成电路产业的发展。集成电路市场规模还在不断地扩大，朝着甚大规模集成电路前进。集成电路的高速发展主要应归功于微细加工技术水平的提高，光刻技术作为集成电路制作过程中的一项关键技术，极大程度上影响微电子产业的发展。光刻是由英文单词lithography翻译而来，是指集成电路制造中利用光学-化学反应原理和化学、物理刻蚀方法，将电路图形传递到单晶表面或者介质层上，形成有效图形窗口或者功能图形的工艺技术，因为其原理类似于平板印刷术所以使用单词lithography表示，并且传统的刻蚀技术都是利用光源作为曝光源，所以都简单翻译为光刻。而光刻技术发展至今，已从传统的刻蚀技术使用光源作为曝光源发展到应用电子束，微离子束和X射线等作为曝光源，我们在这里不能将其笼统的翻译成光刻技术，对这些技术，应翻译为刻蚀技术，当然光刻技术也是刻蚀技术中的一种。光刻技术由1798年起源的石板印刷术发展而来，并从上世纪50年代开始用于集成电路的制造，它经由接触式曝光，接近式曝光、分步重复投影式曝光发展到现在广泛应用的扫描投影式曝光［1］。这些光刻技术基本原理为：光源经过光学系统照射到设计好的掩膜上，将掩膜图形成像在涂有抗蚀剂的硅片上。抗蚀剂经过曝光之后，通过显影技术可在抗蚀剂上获得与掩膜图形相同的图形，再通过刻蚀将图形传递到硅片上，实现掩膜图形到硅片图形的转换。以上的光刻技术都是基于掩膜来传递图形信息的光刻技术，除此之外，光刻技术还包括无掩膜的光刻技术。无掩膜光刻技术则采用各种替代品代替掩膜板来进行光刻。文章下面会详细介绍几种无掩膜的光刻技术。戈登摩尔（GordonMoore,Intel公司创始人之一）在1964年提出了摩尔定律,这条定律表示集成电路的集成度将会每18个月增加一倍。集成电路的发展目前为止，一直遵循着这条定律，据估计这条定律还将持续到2020年以后。集成电路不断发展必伴随着微细加工产业的不断创新，作为微细加工产业中的核心技术，光刻技术不仅对半导体工业的发展做出了巨大贡献，同时也将制约着半导体产业的发展和半导体器件的性能。分辨率极限是指加工的线条的特征尺寸能到达的极限值，因为特征尺寸如果接近分辨率极限时，图像的分辨率会大大降低，影响了光刻质量。从二十世纪80年代起，人们就开始预言光刻的分辨率极限，认为光刻的极限分辨率为0.5微米。但人们使用了各种办法来提高光刻的生命力，从不断缩短曝光源的工作波长到研制生产大视场、大数值孔径的光学成像透镜，以及围绕着改善成像质量及提高分辨率所采取的诸多技术等，使得光学曝光技术仍然占据集成电路加工的主流地位，突破了0.5微米的极限⑵。但这次0.5微米极限的突破，并没有让人们打消光学光刻已达到分辨率极限的想法，直到现在仍然有光学光刻已达到分辨率极限的说法。然而还有人对光学光刻的未来抱有信心，他们研究出了许多分辨率增强技术，这些技术的使用有效的推动了现有光刻技术的发展。但是对于纳米级别的尺寸，掩膜的数据量会急剧增加。分辨率极高的掩膜，所需费用大幅增加，且制作效率非常低下，检测和修补的难度也加大，商品化的成本太高，制约着许多新技术的大规模使用。目前，制作0.13」.的光掩膜每套价格在70-80万美元，制作90nm光掩膜每套价格超过150万美元，详情如图1-1所示。此外，掩膜制作周期长，一般会超过24小时，使得客户难以承担。传统光刻技术越走越艰难，现在正处于一个关键的阶段。掩膜制作产业的发展可能在一定的时期内无法跟上光刻技术发展的要求。在光刻中如何降低掩膜成本，已经成为热门的话题，在这种背景下，无掩膜光刻就进入了人们的视线中。版S封电11袅鼠种背景下，无掩膜光刻就进入了人们的视线中。版S封电11袅鼠14.4M?5I-Su1S0 130 90 65 45 32 22尺寸（umj图1-1制作掩膜的费用无掩膜刻蚀技术的简介无掩膜刻蚀技术是一类不采用掩膜板的刻蚀技术。无掩膜刻蚀技术大体包括两类，分别是(1)带电粒子无掩膜刻蚀(ChargedParticleMasklessLithography,CPML2)，如电子束刻蚀技术，离子束刻蚀技术等；(2)无掩膜光刻技术(OpticalMasklessLithography,OML2),如空间光调制器SLM(SpatialLightModulator)无掩膜光刻技术、激光直写(LDW)、衍射光学元件光刻技术(如波带片光刻，ZonePlatArrayLithography)、干涉光刻技术(OL)、点墨法光刻技术(DPL)、扫描探针光刻技术(SPL)等等［3］。下面简单介绍几种无掩膜刻蚀技术，并对各种无掩膜刻蚀技术的优缺点进行比较。.带电粒子无掩膜刻蚀技术，包括电子束刻蚀技术和离子束刻蚀技术。电子束刻蚀技术也被称为电子束曝光技术，它是在电子显微镜的基础上发展而来的，其研究和发展始于20世纪60年代初⑷。电子束刻蚀技术一般有两种类型：投影式和直写式。电子束投影式刻蚀技术是用高精度的电子透镜系统将通过掩膜图形的电子束平行地缩小入射到涂有抗蚀剂的衬底上，这需要特制的掩膜板。电子束投影式技术发展还不完善，并且属于有掩膜的刻蚀技术，在这里不做过多讲解。电子束直写式技术不需要价格昂贵并且制作时间长的掩膜，它能直接将会聚的电子束斑打在表面涂有抗蚀剂的衬底上⑸。它的原理图如图1-2所示：图1-2电子束直写技术原理电子枪发射电子束，通过束闸和电子透镜后投射到衬底上。这里的衬底表面使用的抗蚀剂为电子束专用的抗蚀剂，是由甲基异丁基酮带性溶剂中的含氢硅酸盐类树脂所构成。光阑设定好电子束的会聚角和电子束电流，然后通过电子透镜的静电力或是磁力来改变电子束的运动⑸。电子透镜类似光学透镜，由于存在球差和色差的关系,会限制束斑的大小和会聚角的范围。整个装置都需要在真空的状态下工作。除上述原理图中的各个装置，还包括计算机，图形发生器和控制系统，计算机将所需图形数据送到图形发生器，图形发生器通过控制束闸和束偏转器来实现电子束的移动，从而在工件上描画出图形。电子束直写技术的优点是它具有高灵活性和高分辨率，可以直接在抗蚀剂上写出图形。但它也存在一些缺点如生产效率低，电子的散射易造成邻近效应。此外还存在一些问题，如电子束产出率的可延展性，它的稳定性和可靠性，电子束的精确定位，电子束源的稳定性和它带来的剂量准确性，噪声问题等等。并且随着关键尺寸的减小，噪声问题会变的更加的突出。与电子束刻蚀技术原理相似的是离子束刻蚀技术，它是利用离子束直接在工件上描画图形或转印图形的曝光形式。离子束刻蚀技术也有直写式和投影式两大类。由于离子本身的质量远大于电子，所以离子束刻蚀技术的分辨率比电子束的分辨率高，且产生的邻近效应也可以忽略不计，并且具有高灵敏度。不过在大规模生产中，离子束刻蚀技术仍存在对准技术等难题。电子束直写技术与离子束直写技术都只适用于小批量器件的制备和研发。.干涉光刻技术，它是利用激光束的干涉原理，使用双光束、多光束进行一次曝光多次曝光产生周期图形。干涉光刻能制作的周期性图形包括光栅、柱阵图形、孔阵、点阵等，可满足某些特定应用场合的要求［6］干涉光刻可用一般光刻光源和抗蚀剂，无需采用掩膜和价格昂贵的光刻镜头，比较便宜。图1-3为干涉光刻技术的原理图，其中01和02分别为两束平面波的入射角，在衬底上产生了垂直于x轴的光栅，其光强分布为I(x)=2111+coskx(sin01+sin02)]=21{1+cos[2兀x(sin01+sin02)/入]}0=210[1+cos(2兀x/d)]其中d八/(sin01+sin02)；d、九、10分别表示光栅周期、曝光波长和每束平面波的强度。6图1-3：干涉光刻技术原理使用双光束干涉光刻可产生正弦光栅，采用一定方式进行多次重迭曝光能得到任意的正弦波相加之和，产生多种周期性结构，如圆孔阵列或椭圆形孔阵等。它的优点是使用相对简单且价格低廉的装置就能在大视场内，使各个位置都具有高分辨率，大焦深，高图形调制度。干涉光刻技术的缺点是干涉条纹的相对光强和相对相位难以控制。在工业生产中也存在一定的难度，无法大规模的投入使用。.波带片阵列光刻（ZPAL），是通过菲涅尔波带片将垂直入射的平行激光束聚焦到硅片表面，入射激光束的光强分布由空间光调制器进行调制，在硅片的表面获得不同能量的聚焦光斑⑺。ZPAL的实验系统如下图1-4所示，该系统有四个关键部分，分别为扫描工件台，波带片阵列，空间光调制器和光源。聚焦光束扫描「件台图1-4：ZPAL结构示意图波带片具有衍射聚焦的性质，在平行的相干光束通过空间光调制器和滤镜组的控制入射到波带片阵列上后，光束会以点阵焦斑的形式聚集到基板上，同时扫描工件台进行扫描运动，就可在光刻胶上形成任意的图形结构。用空间光调制器来控制点阵的变化，一个空间光调制器控制一个微小单元，相当于很多直写系统同时工作。这个系统用波带片取代了传统的光学光刻中价格昂贵的光学物镜，节约了成本。波带片阵列光刻技术的生产效率要比其它无掩膜刻蚀方法高出很多，也体现了无掩膜刻蚀的灵活性。但是，波带片阵列光刻技术也同时存在着几点不足，如高精度的波带片制作难度高，以至于波带片光刻技术无法达到很高的分辨率，它同时还会受高阶衍射焦点的影响，使光刻的对比度下降，这就需要设置互补阻挡层，增加了波带片阵列的制作难度[8].空间光调制器(SLM)无掩膜光刻技术是使用空间光调制器代替传统的掩膜板进行光刻的技术。空间光调制器是对光波的光场分布进行调制的元件，它含有许多独立单元，这些独立单元在空间上排列成一维或二维阵列，并且都可以独立地受控于光学信号或电学信号。空间光调制器的“像素”(pixel)就是指这些独立的微镜。空间光调制器读出光有不同的读出方式，因此可以把它的类型分为反射型和透射型。空间光调制器是反射式微镜系统(Micromirrors)，它是基于MEMS技术发展而来的。在光刻中常用到两种类型的微镜，一种是倾斜型微镜，包括连续倾斜型，和只倾斜一定角度的微镜；另一种为活塞型微镜。本文中研究的SLM无掩膜光刻技术采用的空间光调制器是目前最先进的空间光调制器DMD(DigitalMicromirrorDevice)，它是只倾斜一定角度的数字微反射镜器件，并且是电寻址的空间光调制器。DMD优点有高分辨率、高对比度、高光学效率、易集成等，可提高信号的灵敏度。由MicronicLasersystemsAB公司推出的sigma7100，SLM无掩膜光刻系统原理图如图1-5所示：图1-5SLM无掩膜光刻系统(sigma7100)示意图作为一种源于传统光学光刻技术的新技术，SLM无掩膜光刻的曝光成像的基本原理类似于传统投影光刻，区别在于，SLM无掩膜光刻使用空间光调制器来代替掩膜板，空间光调制器可对入射光进行调制，得到带有图形信息的光束后投影曝光。上图中由计算机处理的图形信息控制空间光调制器的开和关，脉冲激光器发射激光通过分光镜入射到空间光调制器上，反射带有图形信息的光束，通过物镜之后在晶圆上曝光，使用干涉仪控制工作台来达到精确定位［9］。SLM无掩膜光刻技术保有了传统投影光刻的诸多优点，如可使用分辨率增强技术等。空间光调制器为数字化的可编程控制器件，理论上它可通过分析基片光场分布的数字信息，来实时优化和控制下一时刻数字图形的结构，得到高质量的光刻图形，所以也可以把SLM无掩膜光刻技术称为数字光刻技术［3］。前三种方法，不管是带电粒子无掩膜刻蚀还是无掩膜光刻技术，都是对目前光刻问题的一种有效尝试，在小规模生产上能起到很大的作用，但无法满足工业上大规模生产的要求，无法推广使用这些技术。而且这些技术除了本身存在的一些生产率低下等问题，还要另外搭建曝光系统和相应的设施，增加了成本。SLM无掩膜光刻具有更高的转换效率，图形改变灵活，可以以较低成本得到任意图形。对比有掩膜的光刻技术来说，因为掩膜在多次使用后会造成损坏，所以在单块掩膜所加工晶圆较少的条件下，SLM无掩膜光刻可以降低成本。并且SLM无掩膜光刻技术可以在原有的设备基础上升级改造，使它具有更大的优势。几种无掩膜刻蚀技术的优缺点总结如表1-1所示：表1-1各种无掩膜刻蚀技术对比名称特点带电粒子无掩膜光刻干涉光刻波带片阵列光刻SLM无掩膜光刻优点分辨率高，灵活性高分辨率高，焦深大图形改变灵活图形改变灵活，成本低缺点生产效率低，成本高制作的图形结构简单波带片制作难度高，分辨率低光刻视场有限综合各种无掩膜刻蚀技术对比的结果，我们把本次课题的研究重点定为SLM无掩膜光刻技术。数字微镜器件(DMD)简介数字微镜器件(DMD)是SLM无掩膜光刻技术中最重要的器件，所以需要了解它的工作原理和性能。数字微镜器件(DigitalMicromirrorDevice，DMD)是美国德州仪器(TexasInstruments,TI)公司于1987年开发的一种MEMS(MicroElectromechanicalSystem，微机电系统)产品，采用MEMS的工艺使反射微镜阵列还有CMOSSRAM集成在同一块芯片上，主要结构包括微镜片、驱动电路以及随机存储器。目前一片DMD芯片上可集成近百万个可倾斜的微反射镜，靠其转动来成像。DMD成像系统具有高分辨率、高对比度、高亮度、高可靠性、数字控制、易于对准和响应时间短等优点，目前DMD主要应用还是在于数字成像及数字投影技术(DigitalLightProcessing,DLP)［10］。常用的DMD有1024x768个微镜，每个独立的微镜单元是16微米X16微米的方形，相邻的镜片中心的距离有17微米，每一个独立的微镜代表图像中的一个像素。对于DMD生产商来说，它也不断的在提前MD的性能，目前生产的DMD间距已经能达到13.7微米，这使得它的成本也降低了。DMD的应用覆盖了许多产业，包括液晶显示，宽带应用，全息术和数据存储等[11],现在人们也开始把DMD应用于无掩膜光刻技术中。图1-6为微反射镜的结构：DMD基本工作DMD基本工作原理为：每一个微镜的地址电极上连接上电压，这时对应的镜片与地址电极之间将产生一个静电吸引，镜片会发生倾斜，直到接触到有着相同电压的着陆点电极为止，镜片将以机电方式固定在该位置上。每一个微镜单元对应有3个稳态分别为不偏转、偏转+12°和偏转一12°。微镜不偏转则对应于无控制电压信号；微镜偏转+12°和一12°分别对应于控制信号处于两种电压状态，用二进制表示即为“1”和“0”，屏幕上的像素点也相应呈现亮和暗两种状态。当微镜片偏转到+12°或一12°这两种状态后，因为受限于它的机械结构和控制电压序列，会稳定在该位置不变等待下一个电压序列到来。微镜状态间的转换效率非常高，一般转换速度可达微秒量级。DMD的每个独立的微镜单元都是一个可绕镜轴转动的镜片，光束照射到DMD发生反射，则反射光的出射角度随着微镜位置的改变而发生变化，这就是把微反射镜看作一个光开关的原因。SLM无掩膜光刻系统中用DMD代替掩膜工作时，需要把每个像素点的图形信息变为二进制数字信息，这些二进制数字信息作为控制信号输入到随机存储器中,在驱动电路的驱使下微镜通过上下偏转12度来对光束进行反射，得到带有图形信息的光束。光脉冲持续时间的长短相当于不同的曝光量，抗蚀剂经过显影后将得到连续的图形轮廓。SLM无掩膜光刻技术的发展历程从90年代末期开始，国外许多公司和研究机构都开始对无掩膜光刻技术进行研究，并取得了显著的成果。瑞典MicronicLasersystemsAB公司推出在空间光调制器和数据通道技术领域的专利产品后，它和荷兰ASML公司及德国FraunhoferInstitutePhotonicMicrosystems(IPMS)先后开发了Sigma系列无掩模光刻机和omega系列无掩模光刻机[12,13],而Sigma从Sigma7100开始，现在己经发展到sigma7700并投入商用，这一设备可延伸到22nm工艺节点，主要用于光刻掩膜的10制造。omega也发展到omega6800,可达到130nm的线宽。到2000年后，公开了很多关于无掩膜光刻的专利，其中专利申请最多的为荷兰的ASML公司，它相继在美国、欧洲、日本、中国等国家申请了专利。例如2004年它在中国就申请了“使用空间光调制器阵列的无掩膜光刻系统和方法”的专利(CN1573561)。该系统中包括了照明系统，空间光调制器(5匕乂)，目标物和控制器，其中空间光调制器可以将照明系统的发射的光束形成图案，之后把带有图形信息的光传递给目标物。1996年德国Fraunhofer实验室R.Sehmarm等人完成了0.6微米的光刻线条的刻蚀［14］。他们采用变形微镜和100:1的投影透镜来实现这一突破。1999年和2003年日本Takahashi和Setoyama等人及美国Ballsemiconductor公司先后根据DMD开发光刻系统，实现了50微米和1.5微米的线条［15］，日本有些学者后来还开展了制作微光学元件的实验。由于目前广泛使用的是反射型的微镜系列，容易应用到EUV极紫外光刻技术中去，美国的一些学者已经对这项技术进行了理论的分析并申请了专利［16］。由于SLM无掩模光学光刻技术存在的潜在能力，美国国防部高级研究计划局(DARPA)在2004年9月投资950万美元，并选中朗讯贝尔实验室在四年内开发无掩膜光刻技术，并用于设计、开发并演示基于MEMS的空间光调制器(SLM)［17］。贝尔实验室将要开发的MEMSSLM技术中使用的空间光调制器需包含比目前的空间光调制器多10倍的可移动微镜，而且每个微镜比现在的微镜要小5倍，运行速度达到现在的10倍。这意味着下一代刻蚀技术将能够实现50nm的特征尺寸。目前国内集成电路产业规模小，自给率不足20%，国内市场中使用的集成电路产品主要还是依赖于进口，面对这一现状，国家从20世纪90年代后期就开始大力支持发展集成电路产业。虽然取得了一定的成果，但与其他国家相比，我国的集成电路制造业还是处于落后地位。在对无掩膜光刻技术的研究方面，国内无掩膜光刻机的现有研究主要集中于电子束刻蚀技术，对于SLM无掩膜光学光刻技术，我国的研究刚刚起步。因此系统的开发SLM无掩膜光刻技术，得到国内自主研发的SLM无掩膜光刻机具有十分重要的意义。图形数据的处理和转换SLM无掩膜光刻的原理就是使用DMD代替传统的掩膜板，这就需要将掩膜的图形信息通过计算机传递到DMD上，而传统的掩膜图形，虽然也是由计算机绘制而成，但是设计图形软件所绘制的图形一般都是矢量图形，这些图形信息不能直接用于SLM无掩膜光刻系统中，我们需要把这些矢量图形的信息转换为SLM无掩膜光刻系统可用的位图图形数据，为后期的光刻进行前期数据准备。11由于生产集成电路的需要，出现了各式各样的集成电路设计软件，它们具备强大的集成电路设计功能，可以实现从逻辑原理图到版图的整个工序过程。但是，传统的集成电路设计软件的图形数据输出格式无法直接使用，为了实现SLM无掩膜光刻机自动化的要求，必须通过图形数据的格式转换来得到满足无掩膜光刻机需要的数据格式。本文研究的主要内容即把常用的掩膜图形格式转换成可供SLM无掩膜光刻机使用的数据信息，并生成待曝光图形。常用的掩膜图形格式为DXF、GDSII、Gerber格式。DXF(DrawingInter-changeFile)格式是AUTOCAD提供的一种图形数据文件格式，是可以在Windows和乂2揄3卜平台上运行的廉价CAD软件。它主要用于光学、微机械和器件平面图的设计、绘制，是掩膜图形最主要的图形格式，因此也作为本次设计的主要研究对象。GDSH(GraphicDataStation11)为二进制格式文件，最初由GE公司Calma分部开发而后由CadenceDesign所拥有的。GDSII作为集成电路版图设计领域内最常用的图形数据格式，是各专业半导体公司之间最常使用的交换数据格式。Gerber格式为二维矢量图像文件格式，是线路板行业图像转换的标准格式。线路板行业图像文件集合了线路板(线路层、阻焊层、字符层等)图像及铳、钻数据的文档格式。Gerber格式现在由Ucamco公司所有，它最初是由Gerber系统公司开发的，Ucamco公司还在不断的对Gerber格式进行不断地改进。这三种文件格式都是矢量图格式，一般是基于计算机图形学的处理算法，根据几何特性来绘制图形，它可以是一个点或一条线，其数据结构的基础记录都是图形特征在二维空间的坐标，如图形的顶点坐标，线端点坐标。这种矢量图的格式是不能直接用于SLM无掩膜光刻机，所以需要对图形的数据信息进行提取，进一步生成可用的灰度图以及二值图，因此就需要数据转换软件。本课题采用matlab来进行这种数据转换软件的编译。目前国外商品化的光刻机都有与之配套的完善的数据转换软件。国内虽然20世界八十年代开始研究数据转换软件，但大部分只是理论算法，没有进行系统实现，且算法也不具备通用性，商品化的软件亦不存在。本课题研究的是设计SLM无掩膜光刻系统的数据转换软件，即要结合空间光调制器(DMD)的特性来进行软件设计，实现数据的提取及处理。研究的工作本文主要研究SLM无掩膜光刻中的数据转换软件技术，需要把常用掩膜图形数据即矢量图数据信息，转换为计算机可操作数据，是实现光刻系统自动化进程的关键一步。设计主要采用Matlab软件来进行编程，目标是能够读取DXF、GDSII、12Gerber图形文件内的图形数据，并对数据进行处理，生成灰度图和应用于DMD的二值图形信息。第一章为绪论，主要介绍光刻发展历史，几种无掩膜光刻技术的原理和比较，指出图形数据提取的研究意义。第二章为各种掩膜图形的格式的具体介绍。第三章为图形数据转换软件的整体设计思路并根据DXF格式的图形信息在Matlab软件中再现图形。第四章对得到的图形数据进行处理，完成图形的灰度化。第五章是灰度化后的图形数据处理：芯片的布局和图形的分割，生成与DMD匹配的图形信息。第六章是总结。本章小结本章介绍了光刻的历史及现状，分析了下一代刻蚀技术中的几种无掩膜刻蚀技术的原理及发展进行介绍。面对光刻出现的问题，提出了未来的解决方向，明确了本文的研究任务是SLM无掩膜光刻技术，并对其中涉及的重要器件DMD进行简介，而且结合集成电路版图的几种常用格式说明了图形格式转换技术在SLM无掩膜光刻系统中的意义。13第二章掩膜图形格式介绍在掩膜图形的设计领域中有很多软件供开发人员使用。每种设计软件都有自己图形格式，这些图形格式所存储的图形都是矢量图，它存储的图形数据都是每个图形的起始点和终点的位置信息，而对DMD的每个微镜来说，它在传递图形信息时代表的是一个像素点，所以矢量图不能直接用于SLM无掩膜光刻系统，需要把矢量图转换成位图格式。因此我们要建立一种新型的IC版图数据转换软件，把IC版图文件如DXF、GDSII,Gerber格式的数据信息提取出来，生成适合DMD的图形信息，即知道每个微镜所对应的灰度值。要完成这个软件的设计，首先我们就要了解需要处理的版图文件格式。下面对这三种版图格式进行详细的介绍。DXF文件格式介绍DXF格式文件的结构DXF（DrawingInter-changeFile）是由Autodesk公司开发的，主要作用是在AutoCAD和其它软件间实现数据交换的CAD数据文件格式。它是矢量数据格式，包括ASCII格式和二进制格式两种类型；ASCII具有较好的可读性，但所占内存比较大；二进制格式则占有内存小并且读取速度快［18。现在最流行的CAD系统就是AutoCAD软件，所以作为数据交换的主要格式，DXF也被广泛使用，成为公认的标准。DXF文件可以在绝大多数CAD系统上运行。DXF是一种采用标记数据的方法来表示图形文件中所包含的全部信息的图形格式。标记数据是指在用一组值表示一个数据元素，以一个称为组码的整数开始，组码的值用来表明其后数据元素的类型，同时指出数据元素的含意。实际上，DXF文件格式可用来表示图形文件中所有用户指定的信息。在AutoLISP和ARX这两种应用程序中使用的DXF格式虽然在某些数据组上与上述格式有些细小的差别，但基本都与上述格式相同。DXF文件是由代码和关联值对构成的。一个完整的DXF格式文件是以下列结构组成的。其顺序和功能为：（1）标题段（HEADER）：包含有关图形的基本信息，记录AutoCAD系统的所有标题变量的当前值以及当前状态，每个参数都包含一个变量名称及其关联的值；类（CLASSES）段：包含应用程序内部定义的类的信息，类定义在类的层次结构中是固定不变的，在应用程序的数据库BLOCKS,ENTITIES和OBJECTS这三段中会出现类的实例；表段（TABLES）：定义了以下几种符号表，分别为APPID（应用程序标识表）；DIMSTYLE（标注样式表）；BLOCK_RECORD（块参照表）；LTYPE（线12第二章掩模图形格式介绍型表）；LAYER（图层表）；STYLE（文字样式表）；VIEW（视图表）；UCS（用户坐标系表）；VPORT（视口配置表），各个表又包含可变数目的表项；块段（BLOCKS）：定义了每一个块的各种属性，包括块名、块的种类、块所在图层名、块的插入基点和组成该块的所有成员；实体段（ENTITIES）：在这段中记录了所有几何元素的属性，包括它的名称、线型名、所在图层的名称、基面高度、颜色号、厚度和有关的几何数据；OBJECTS段：存储文件中的非图形对象。但是这些非图像信息的属性不包括图元、符号表记录和符号表；THUMBNAILIMAGE段，这段含有图形的预览图像数据信息，此段是可选段；（8）文件结束（EOF）：标识文件结束［19。DXF格式文件的表示方法由于DXF文件格式非常充分的考虑了接口程序的设计需要，能方便地提取出使用者关心的信息，便于对DXF文件中的数据进行处理。DXF格式的文件中每一个段的结构都是基本相同的，只在具体的功能上有一些差别。DXF格式的文件中每一段都包含若干个组，其中每个组在DXF文件中占的行数都是两行。组的第一行均为组代码，用一个非0的正整数表示，代表一种数据类型，它的含义在AutoCAD软件的系统当中都是规定好的。组的第二行为组值，相当于数据元素的值，组代码所制定的类型决定了组值采用的格式。一组组代码和组值就表示了一个数据的含义以及这个数据的具体数值。每个段除了定义其元素的组代码和值，最后都是由特定的两行开始，以及特定的两行结束。表示开始的两行是组代码为0，之后跟一个字符串SECTION；表示结束的两行是组代码0和字符串ENDSEC。主要的组代码和它的含义如下表2-1所示。表2-1：DXF文件组代码及含义组代码含义组代码含义0标识一个事物的开始30-37Z坐标值1一个文本，如字符串的值等39实体的厚度（固定的）2名字，如段、表、块的名字40-48高度、宽度、距离等3-4字符型数据的值，如线型说明49重复性的值5实体描述字（固定的）50-58角度值6线型名（固定的）62颜色号（固定的）7字样名（固定的）66实体的跟随标记（固定的）138图层名（固定的）67当前是模型空间还是图纸空间9标题变量名（固定的）210X方向分量10-18X坐标值220Y方向分量20-28Y坐标值230Z方向分量在CAD图形系统内规定了每种数据类型的代码，组代码在使用和阅读时需要准确了解它的含义。组值为具体的数值，二者结合起来表示一个数据的含义和值。举例说明，如代码10单独占一行，则代表之后的值是一个点的X坐标，如果其第二行的值如5.6745,则得知这个点X坐标的具体数值，二者结合表示一点，其X坐标值为5.6745。在阅读DXF文件时，参照表2-1可以方便的读出各个参数的意义。在实际应用中，我们不需要对复杂的DXF文件进行完整的读取，因为DXF文件中的许多项都是可以忽略的，我们只需要提取有用的信息，如每层的颜色和线型，每个图形的信息及图形所在的层的信息等。DXF文件在层表、块段和实体段中分别说明了上述信息。只要在应用时提取这三段就可以得到相应几何图形的各种参数。DXF格式文件的打开下面介绍的是两种DXF格式文件的打开方式：第一种为直接用AutoCAD软件打开，可以直接查看和编译这个DXF格式文件所对应的图形；另一种是用电脑中的记事本直接打开，这一种方法虽然不能看出这个DXF所表示的图形，但是在用记事本打开后，通过了解里面的代码，我们也可以读出这个DXF格式文件中的主要信息，知道这个文件中图形的各个坐标。2.1.4DXF格式文件的保存DXF文件的保存要比它的读取难度大，并且数据量大。要对各个段所包含的信息进行保存，这些信息数据量大，录入时很容易出错，而任何信息的遗漏或错误都有可能导致DXF格式的不完整，就无法用AutoCAD打开。在录入各个字段的信息时，首先要知道DXF格式的二进制格式的组码和组码值，通过用AutoCAD建立1个空文件，然后保存为AutoCAD的DXF格式文件，然后用文本文档打开，就可以得到。接下来就是把信息写进去，每个段的信息都应该写在该段的类里面的SAVE函数里，在写的信息的时候要注意不漏掉任何1个组码，否则可能导致结果不正确。公共字段的信息录入完后，要对具体图元进行保存。DXF格式文件中包含有一些基本的图元，如直线、虚线、射线、点、椭圆、圆、样条曲线等等。在CDxfSaver类里有一个负责调用绘制各个图元的专用函数即saveEntities（DxfFile）函数。对于一14第二章掩模图形格式介绍个具体的图元，在绘制以及保存的时候需要将它的各个参数和前面的读图元时的函数参数保持一致，同时每个参数代表的含义也要一致，不需要在这里重新定义新的参数。GDSII文件格式介绍GDSII,也就是CalmaStreamFormat,是目前最流行的集成电路版图设计格式，也是描述语言通用标准格式。GDSII是Calma公司（通用电气公司的子公司）的注册商标，GDSII一直随着Calma的CAD系统的发展在不断更新，但它一直保持向下兼容的特性，所以对任何GDSII文件来说，它都不会作废。但由于GDSII文件是二进制格式，这样的文件格式是无法用文本编辑器查看的，所以GDSII文件的可读性差，下面将简要的分析它的结构。GDSII文件中数据的主要组成形式是模块结构（STRUCTURE,也可称之为单元），每个模块包含一定数量的几何图形，这里称之为图素（ELEMENT）,还包含多层次的模块参数。一jGDSII文件中的数据全部是由一连串的数据块链接而成，这些数据块分别定义了各个数据的参数。包括整体的文件头和文件尾，各个模块的模块结构头和结构名以及结构尾，以及具体的图形的信息包括图素头和一系列参数。每个数据块都是由很多个字节组成，并且在一个数据块中的总字节数必须是偶数，对于总字节数不是偶数的数据块就需要在最后以空字节（00）凑成偶数，根据这个原理，数据块包含的字节最少要有4个，例如文件尾以00040400结束。单个数据块的前4个字节分别定义了数据块的大小以及功能，具体规定为前两个字节定义了数据块总共包含的字节数，后两个字节定义了此数据块的功能，最后是其他的数据参数，不同的功能对应的参数的类型不同，数据采用整数值表示［20。名称说明以ASCII字符串表示。GDSII文件头部分包括文件头、库文件头、文件库名、参考文件、字体、属性、备份文件数、格式、掩摸、掩摸结束、单位，这十一个部分。各参数的具体含义为：HEADER（文件头），它定义了GDSII的版本，由双字节整数表示；BGNLIB（库文件头），它定义了GDSII文件最后一次修改的时间和读取时间，由12个双字节整数表示；LIBNAME（文件库名），是ASCII字符串表示；余下八个参数为可选的参数（REFLIBS；FONTS；ATTRTABLE；GENERATElONS；FORMAT；MASK；ENDMASKS）这些参数在具体应用时可根据需要来出现或不出现；单位参数UNITS,它由两个浮点数表示，分别定义了单个内部单位代表的用户设定单位个数以及单个用户设定单位表示多少微米。对于浮点型的数据参数，在GDSII中是由8个字节表示，第一位表示这个浮点数的数值符号：0表正，1表负；字节的后面7位用来表示指数，指数的范围为-64〜+63,指数值自身也是区分正负值的，所以指15数的阶码的表示形式要采用1000000+指数，这就使得指数数值增加了64,所以在计算的时候要减去1000000；尾数用小数点后面的7个字节来表示。还有模块结构参数(STRUCTURE)。每个模块结构头包括两个参数：一个是BGNSTR(模块结构头)，定义了模块创建的日期以及最后一次修改的日期；另一个是STRNAME(模块结构名)，定义了模块的名称。模块结构中还包括图素参数。图素一共有七种，分别是填充多边形(Boundary)；阵列(ArrayReference)；带一定宽度的线条(Path)；模块插入属性(ReferenceStructure)；电路拓扑点(Node)；文字(Text)；框架结构(Box它对IC没有意义，这里可以不考虑)［21］。在所有的图素中，前四种图素更为常用，下面具体介绍这四种图形元素：(1)填充多边形：这是GDSII图素中最主要的一种图素。它的数据是以BOUNDARY开头，定义图素为填充多边形，之后是两个可选项ELFLAGS和PLEX，这两项经常缺省，接下来是用来定义层号的LAYER，数据类型(DATATYPE)以及坐标定义(XY)等参数。层名的数据参数类型是整数，每个数值代表的层的类型由设计者设定。坐标(XY)定义多边形端点的坐标值，多边形必须是闭合图形，所以第一个点和最后一个点的坐标是一样的，坐标限额为200个点。(2)带一定宽度的线条：它规定了版图中线的宽度和路径。(3)模块插入：定义插入模块的属性。(4)模块阵列：定义了插入模块的参数，包括它的名称和坐标。Gerber文件格式介绍Gerber格式是线路板行业中用于图像转换的标准格式，它是一种含有X，Y坐标和附加命令的软件结构。现存Gerber有两个版本：扩展Gerber即RS-274X，含XYDATAD-CODE也定义在该文件内，被普遍使用；标准Gerber即RS-274D，含XYDATA不含D-CODE文件，客户应给出相应的D-CODE文件，它是老版本，正逐渐被废弃并被RS-274X所取代。RS-274X(又称X-Gerber格式，或者扩展的Gerber格式)是二维矢量图像描述格式，这个版本现在是线路板行业中图像描述的标准格式，它也是ASCII格式的文件，可读性好，文件中包含了控制码和坐标信息，组成图像的元素是在特定位置画好外形的线和Flash，正性和负性图形对象可以组合［22］。它完成了对线路板各层图像信息的描述，具有线路板构成图像需要的所有元素，并且不需要扩展文件。本章小结本章详细的讲解了三种常用的IC版图常用格式，可以看出GDSII和Gerber图形信息都较为复杂，不易转换。但是有简易的版图格式转换软件，可以完成GDSII、16第二章掩模图形格式介绍Gerber和DXF格式的相互转换。所以本次课题就把其它文件格式先转化为DXF格式的文件，再对生成的DXF格式文件进行后续的编程处理。17第三章 图形数据转换软件的设计本课题研究的SLM无掩膜光刻机的软件部分是基于MATLAB软件来编写完成的，软件包括对图形进行再现，灰度化处理和晶圆的图形分布和图形分割。应用软件MATLAB软件将数据结构、编程特性和图形用户界面非常完美的结合到了一起，其核心为数组和矩阵，在MATLAB中，数据用数组的形式来表示和存储。MATLAB作为一种高级科学计算软件，它可进行算法的开发，快速的数值计算，大规模数据的分析且数据可视化以及具有交互式应用的开发环境。MATLAB有以下几个特点：（1）高效的数值计算和符号计算功能，简化用户的计算任务；（2）具有完备的图形处理功能，数据可视化；（3）用户界面简洁，自然化的编程语言，即使是初学者也能轻松学习和掌握;（4）集成了大量的应用工具箱（例如信号处理工具箱和通信工具箱等），方便实用的处理工具提高了工作效率［23。MATLAB包括控制语句、数据结构、函数、输入和输出以及面向对象编程等特点，它是一个高级的阵列型语言。用户可选择在命令窗口中直接输入语句，并快速执行命令，如果语句较多，则可先编写好一个或多个应用程序（M文件）后再执行文件。MATLAB语言是以C++语言为基础开发的，因此它的语法具有C++语言的语法特征，并且更加简单，数学表达式的编程算法更接近与平常的书写格式，易于学习。MATLAB语言具有可移植性好、可拓展性极强的特点，这也使它的应用领域更为广泛。本次课题涉及到大量的图形的处理，采用MATLAB能够利用它强大的图形处理功能，对结果能实时掌握。因为MATLAB中是以数组和矩阵形式来进行数据的存储和处理，在接下来的数据提取中，每一个图形的数据信息都存在一个数组内，方便读取信息。数据转换软件的整体结构数据转换软件主要分为三个部分，分别为图形再现，图形灰度化处理和晶圆的图形分布和图形分割。图形再现是根据DXF格式的文件的特点，提取出图形的顶点坐标值，在matlab中，再画出图形，这一步主要是把图形的信息导入到matlab中，它再现的图形，也仍然是矢量图。图形灰度化处理是对得到的图形数据进行处理，生成灰度图形。具体实现方法，18第三章图形坐标的提取和再现本次课题采用了两种方法，分别为逐点判断法和栅格化法，并比较了两种方法的结果。晶圆的图形分布和图形分割是根据SLM无掩膜光刻技术的特点，确定晶圆上每个位置的图形信息，并根据曝光方法来进行图形的分割处理，曝光方法为步进式和扫描式曝光。DXF格式的图形坐标点分析上一章我们了解到IC版图的几种比较流行的图形格式，特别是了解了DXF图形的结构，确定了研究的重点是对DXF图形格式的数据信息进行提取，即读取出DXF格式的图形中的所有多线段画的图形的坐标点信息，而这些坐标点信息都存储在DXF格式文件中的实体段（ENTITIES）部分，所以对图形坐标的提取的关键是首先提取DXF文件中的实体段部分，之后再逐个提取每个具体图形的坐标点信息，利用该DXF文件中所有图形的坐标点在MATLAB软件环境中再现掩膜图形。再现的图形，因为没有进行灰度化处理，所以依然是矢量图。对于掩膜的IC版图图形来说，它是由大量多线段画成的图形，多线段图形即为多条线连接而成的图形。对掩膜图形来说，这些多线段图形都是封闭的图形，封闭图形与非封闭图形如图3-1所示:图3-1：封闭图形介绍掩膜图形都是由上图中右侧的封闭图形组成，由多线段绘制而成，每个多线段绘制的图形自始至终是一个整体，也就是一个图元，可以进行整体的拉伸和平移，以及填充。上图中的多边形内部即填充为白色，而不封闭的图形则不能进行填充。封闭图形使图形的曝光区域和非曝光区域区分明显。分析掩膜的DXF格式的文件，一个完整的掩膜图形大概包括五万个小图形，数据量非常大。DXF格式存储的文件是矢量图，所存储的都是图形的顶点坐标值。在DXF文件中对于每一个多线段图形来说，数据开头都会有‘AcDbployline它往下四行的位置，如果是‘1’则表明图形是封闭的，接着是每个顶点的坐标值，10下面是X值，20下面是丫值，如果有Z值则会出现30，然后是Z的值。本文中采用的掩膜图形都是二维的图形，所以没有Z值，只需提取图形的X值和Y值，19在提取时注意，一组多线段的坐标数据中，第一个点的坐标和最后一个点的坐标是一致的。数据提取算法坐标数据提取算法首先要确定掩膜图形中有多少个多线段图形，以此确定数组的个数。由于存储的是每个顶点坐标的坐标值，所以要再对每个图形进行一组X、Y的坐标值的提取，提取时先提取X值的数据，找到起始点X值，之后数值按规律提取，每个X坐标值之间相差两行。提取完X值之后再对所有Y值的数据进行提取，同样首先确定起始点Y值，之后再每隔两行提取一个Y值。完成一个图形的一组提取之后，再提取下一个图形，直到遍历整个文件，确定每个图形的坐标值都提取完毕，就结束数据提取。具体的程序流程图如图3-2所示。开始20是否遍历所有图形判断是否存在AcDbploylineYesNoNoYes导入dxf文件数据多线段的顶点总数确定多线段总数提取X开始20是否遍历所有图形判断是否存在AcDbploylineYesNoNoYes导入dxf文件数据多线段的顶点总数确定多线段总数提取X值坐标提取丫值坐标再现图形结束第三章图形坐标的提取和再现图3-2：程序设计流程图按照上述流程图编写程序，运行之后能够得到一组数据，每一个多边形数据单独存放在一个数组内部。得到的数据信息与DXF文件内的数据信息做对比，检验数据正确与否。因为多边形的起始点和终点是同一点，在查看数据的时候也要注意检查多边形是否封闭。图形再现和对比根据得到的图形坐标点数据，我们现在可以在MATLAB中再现图形。运行此部分程序，在MATLAB中得到的图形与AutoCAD中打开的DXF图形做对比，如图3-3所示:（a） （b）（a） （b）图3-3整体掩膜图形（a）matlab中生成的图形;（b）AutoCAD打开的DXF文件上图3-3所示的掩膜图形，它是很多组图形组成，每组图形结构相同。因为图形个数非常的多，如果将信息全部显示出来，就是上面的图形效果，不能清晰的看到每个小部分的具体样式，必须放大后才能看清楚。取一组图形放大后为图3-4所示：OD50GDOD50GD(b)图3-4放大后的图形。(a)MATLAB中生成的图形；AutoCAD打开的掩膜图形根据图形的对比可以看出，掩膜图像可以在MATLAB中正确的再现，且坐标值正确。放大后的图形细节也能清晰的显示。而且对于掩膜数据来说，此次编译的程序能够使得数据量大的掩膜图形在MATLAB中再现。当然，处理的图形数据量越大，则需要的运行时间就越长，对于上面的5万数据量的全部图形信息的掩膜图形，需要大概20分钟。而如果只有局部一小部分的掩膜图形，例如3-4的图形，则只需要1-2秒。虽然MATLAB能够提供直接转存为位图格式，但是由于数据量很大，上图中的掩膜图形必须放大才能清楚显示具体图形样式，由于直接转存成位图格式的文件，分辨率比较低，只能看到图3-3所示的图形，图形再放大后，不能看清每个位置的图形，这样会丢失很多信息，不能进行后续的处理，所以不能采用直接转存的方法，需要通过对图形进行灰度处理的方式，得到每个位置的灰度值，从而得到位图格式的文件。3.6本章小结本章讲述了数据转换软件的结构，并实现了对DXF格式的图形的坐标值的提取和再现，通过在matlab中再现的图形与原图比较可得知图形数据提取正确。不过，再现图形仍然是矢量图形，还需对得到的数据进行灰度化处理，生成需要的位图格式图形。22第四章灰度图形的生成第四章灰度图形的生成介绍怎样生成灰度图像之前，首先需要了解下什么是灰度图像，它是数字图像的一种，数字图像又称数码图像或数位图像，是由模拟图像数字化得到的、以像素为基本元素的、可以用数字计算机或数字电路存储和处理的图像。像素（或称为像元，Pixel）是数字图像的基本组成部分，在模拟图像变成数字图像时需要把连续的空间离散化，得到的数字图像就由许多的点组成，这些点就是像素点。每个像素具有整数形式的位置坐标来表示它所在的行（长）和列（宽），同时每个像素都具有整数灰度值或颜色值。像素在计算机中一般是以二维整数数组的形式保存的。灰度图像（GrayScaleImage），也被称为灰阶图像，这类图像中每个像素都具有灰度值，一般有0（黑）到2Q（白）个灰度值。0-2Q之间表示不同的灰度级，一般取值为0-255。灰度级指的是黑白显示器中所显示的图像像素点的亮暗差别，灰度级越多，图像层次越清楚，图像也越逼真。在第三章我们已经能够在MATLAB中得到矢量图形，它与转换前的IC版图图形信息一致，在本章主要对MATLAB中得到的矢量图形进行后续的处理，得到灰度图形。确定灰度值对于生成灰度图形，最重要的是确定每个位置的灰度值。此次设计的软件主要采取两种确定灰度值的方法，并对两种方法进行编程，比较这两种方法的优缺点。两种方法分别是逐点判断法和栅格化法。逐点判断法得到的图形为二值图形，即灰度值只用0和1表示，通过判断每个点是否在多线段内部来确定灰度值。栅格化法是先对图形划分栅格，计算栅格内部图形面积与栅格面积的比值，以此确定灰度值。下面详细讲解两种方法。.逐点判断法。需要把整幅图中每个点逐一提取出来，确认是否在多线段的内部，因为多线段图形有很多个，每一组多线段数据都存在一个数组里面，对每个点的判断要遍历所有的图形，运算量较大。逐点判断法主要结合MATLAB本身所带的函数inpolygon，这个函数的主要作用就是判断点是否在多线段图形的内部，如果点在多线段内部，则返回值为1，点不在多线段内部就返回零，所以这种方法确定的图形，都是二值图形。23

4-1逐点判断法确定图形灰度值流程图首先确定起始点位置，把图形的边界值找到，得到边界的最大值和最小值，之后对点进行判断。遍历完所有点之后，生成二维矩阵。得到一副二值图形。.栅格化法，它的原理是对图形划分栅格区域，定栅格区域的灰度值，每个栅格相当于一个像素。这种方法使栅格的边界大小直接决定了生成的灰度图的分辨率。具体栅格化法的流程图如4-2所示：24

第四章灰度图形的生成4-2栅格化法确定图形灰度值流程图栅格化法包括两个步骤，第一是栅格划分，确定栅格的边界，每个栅格起始位置。第二是灰度值确定，具体方法为面积法。（1）栅格划分对图形的栅格划分，可以选择对整幅图进行整体的划分，也可以对其中每个25独立的图形进行划分。由于对整个图形进行划分，在后续的使用面积法确定灰度值时需要极大的计算量，影响运行速度，所以本课题选用对每个独立的小图形进行栅格划分。栅格的大小必须要小于图形的边界。如果栅格太大，则图形的分辨率会大大的降低，影响光刻的质量。具体的划分方法为，对每一个多线段图形，单独提取出来，从左上角开始以边长为w的正方形进行划分，在运行程序时，w可以随意的更改。分栅格的时候，同时要记录每个栅格的坐标信息，对后续的灰度值确定非常重要。(2)定灰度值一一面积法面积法原理：根据图形与栅格的交点，计算出相交图形的有效面积的大小，得到不同的灰度值，相交面积越大，则灰度值越高。具体的原理图如4-3所示：4-3面积法原理图此图黄色部分是一个多边形图形，蓝色网格即根据图形大小确定的栅格，红色圆圈表示栅格和图形的交点。根据这些交点来计算每个小栅格内图形的面积，用al表示，而每个小栅格的面积用S表示。灰度级为2Q，灰度级根据定义都为2的整倍数，则每个小栅格的灰度值L的计算公式即可确定为L=a1/S*2八Q-1(a1W0)。根据此公式循环计算每个小栅格的灰度值。确定每个小栅格的灰度值，再对每个网格内部的点进行判断，确定每个栅格的内部的点是否在相交图形内部，如果点在图形内部，则这个点的灰度值等于L,以此来确定点的灰度值。而不在图形内部的点，要把这个点的灰度值赋值为0,确定每个点对应的灰度值后可得到灰度值的二维分布矩阵。之后以图形的形式输出二维矩阵，得到灰度图形。4.2生成灰度图形实验结果26第四章灰度图形的生成.逐点判断法的效果图如图4-4所示:20 40 60SO1001231401601802002204-4逐点判断法得到的灰度图形对于逐点判断法，得到的灰度二维矩阵只有0跟1两个灰度值，也称为二值图像，它能很清晰的得到图形边界。在实际应用中，为了得到较长的曝光时间，也可以对得到的灰度值为1的像素位置进行灰度值的增加，改变成2Q。但是，上图是简单的多线段图形，对于复杂的多线段图形，逐点判断法就不能够得出图形。如下图4-5所示：（a） （b）图4-5（a）复杂的掩膜图形；（b）逐点判断法得到的图形对于复杂图形，逐点判断法无法准确得到图形内部形状，它把图形（a）中红线画的矩形区域内部所有的点都确定为图形内部的点，这就造成了“）中白色区域，图形灰度化后得到的是错误图形，所以不能作为通用的方法。但是对于简单的图形，逐点判断法能得到的图形具有高分辨率和清晰的边界。2.栅格化法的效果图，栅格化法需要设定图形的灰度级和栅格的边长。设定Q=8,则灰度值为0〜255,栅格的边长w=10nm，大小为10*10nm2,则效果如图4-6所示：274-6栅格化法得到的灰度图形4-6栅格化法得到的灰度图形栅格化法能够正确的得到矢量图对应的灰度图，而栅格大小的确定影响了图形的分辨率，下面图4-7为设置不同栅格的尺寸时所得到的图形:（b形的分辨率，下面图4-7为设置不同栅格的尺寸时所得到的图形:（b）栅格为1*1nm2（a）栅格为7*7nm24-7不同尺寸的栅格得到的图形可以看出当栅格越小的时候，图形的边界越清晰，分辨率越高。但是当栅格为1*1nm2的时候，运行速度是79s，而当栅格为10*10nm2时，运行速度不到2s。当栅格划分的越细则速度势必要上升。这个在实际应用中可根据实际需要来确定栅格的尺寸。对于上述图形，最左边的多线段画的矩形，表示芯片上的最小的线宽，它的宽度为1.56nm，所以当栅格取1*1nm2时，能够比较清晰的得到它的图形，当栅格尺寸比较大时，不能够得到它清晰的边界。对于复杂的掩膜图形，栅格法也能得到不失真的图形，例如4-5中的掩膜图形，它用栅格化法得到的图形效果如下图所示：28

第四章灰度图形的生成4-8栅格化法得到的灰度图形对复杂的图形，栅格化法仍能很好的得到灰度图形，图4-8中栅格的大小为10*10nm2,灰度图的边界比较清晰。在对复杂图形的灰度化处理上，明显栅格法优于逐点判断法。除了栅格的尺寸对图形质量有影响外，灰度等级的设定也会影响图形的质量，灰度级可以理解为是数字图像的量化等级，灰度级高，图形越精细，用于光刻的话，对于图形的边缘效果越好；灰度级过低，会导致图形边缘有锯齿出现。当Q设置为4时，灰度值的范围为0〜15,当Q设置为2时，灰度值范围为0〜3,设置栅格的尺寸为10*10nm2,最后生成的灰度图结果如图4-9所示：（a）Q为2时得到的图形 （b）Q为4时得到的图形4-9不同灰度级得到的图形当灰度级为2时，得到的灰度图就失去了意义，图形信息丢失严重。灰度值为4的时候，边缘不清晰，有些信息也丢失了，影响光刻的质量。294.3本章小结本章介绍了两种把图形转化成灰度图形的方法，分别是逐点判断法和栅格化法，对于逐点判断法，能得到高分辨率的二值图形，图形边缘非常清晰，但是不能处理复杂的图形。栅格化法，能够处理复杂图形，同时栅格化法也有两个参数影响图形的分辨率，分别是栅格的尺寸和灰度等级的确定。图形分辨率能根据栅格的细化来进行提高，灰度等级越高图形边界越清晰。30第五章晶圆分布和图形分割第五章晶圆分布和图形分割整个SLM无掩膜光刻系统不仅要有图形信息，还要知道在光刻过程中，图形信息在晶圆上的对应位置。因为SLM无掩膜光刻系统是基于数字微镜DMD的无掩膜光刻技术，受DMD的尺寸限制，单次刻蚀面积只有1024pixel*768pixel，而图形信息数据量大，尺寸远大于DMD的尺寸，所以光刻过程中不能一次性的把所有的信息都输入给DMD,还要对图形进行分割，具体分割方法根据曝光方式来确定。在光刻过程中由于环境的干扰，以及工件台精确定位缺陷等因素的影响会使图形发生拼接线条的错位、交叠、包裹等现象。这就要求再图形分割时还要考虑图形的拼接问题，对图像进行预处理。晶圆布局对于投影光刻系统来说，晶圆（wafer）是生产集成电路所必备的载体，多指单晶硅圆片。图形成像在wafer上，最大只有26*33mm一块，这一块就叫做曝光视场（filed），一个field包含多个周期性的die，die可理解为一个集成芯片，它是一个功能完整的芯片。在传统光刻系统工作中，^afer上会将各field的位置规划出来，成为fieldmap，激光工作台是按照加5的大小来对wafer进行移动，移动一次就曝光一次光，之后再移动再曝光，直到覆盖整片wafer，所以一个wafer上大约有100左右的field。对于无掩膜光刻而言，由于其镜头视场可能小于一个die，因此这里没有投影光刻中的die和field的界限。对整个wafer来说，它是一个图形的集合，那么对于无掩膜光刻而言，在wafer的哪个位置需要形成什么样的图形是必需要知道的信息，这一步称为wafermapping，即将DMD的区域映射到wafer上的各图形上。选择Wafer的尺寸直径为300mm，以图3-4中的掩膜图形为基本单元，作为一个die的内部信息，每jdie的尺寸长为33mm，宽26mm。因为每jdie为一个矩形并必须在圆形的内部，所以wafermapping的实质是圆内接矩形，之后从每个矩形的起始点开始，存储灰度数据。通过此方法，我们可以准确的知道，在晶圆上每个点的灰度值。对未来图形的检测，修改提供了方便。针对wafermapping的具体步骤如下：1.确定wafer的半径R和中心点坐标（0，0）并画圆。因为^atlab没有集成画圆的函数，需要自己编写代码。这就要求在知道半径和中心点的基础上，还要确定角度是0到2n2.从坐标（-R，R）到（R,-R）处开始画矩形，并对每个矩形进行编号。整个圆形都要被矩形覆盖；3.提取出在圆内部的矩形，记录这些矩形的编号，每个矩形都有自己的位置信息，这些也就是每一个die的位置信息；4.把die信息存储到晶片对应位置上。具体效果图如图5-1所示：31

x10* xH图5-1确定晶圆内的die位置矩形如果有一点位置不在圆内，那这个矩形就要舍弃。挑选出来的矩形都有编号，可以更方便寻找位置。确定位置后就要把die的数据存储到这个位置。存储后的图形为5-2所示：图5-2带有图形信息的wafer经过把图形信息储存到wafer对应位置上，则每一个位置的灰度值就可以得知。因为图3-4的掩膜图形尺寸非常的小，需要放大到很多倍才能看到。安放在晶圆上的所有图形的集合就是待曝光的图形。图形分割方法SLM无掩膜光刻系统在进行曝光时，有两种方法，一种是扫描曝光，一种