專利名稱：一種步進掃描投影光刻機多總線時序同步控制方法
技術領域：
本發(fā)明屬于光刻機控制系統(tǒng)領域，尤其涉及步進掃描投影光刻機多總線時序的同步控制方法。
背景技術：
光刻是集成電路加工過程中最關鍵的工序，因此光刻機是集成電路加工過程中最關鍵的設備。國外早在多年前就已提出下一代光刻的概念，并對極紫外線光刻、電子束投影光刻、離子束投影光刻等技術進行了大量的研究，但由于工藝、生產效率、成本等諸多原因，這些技術目前仍然難以實用化。目前占市場主導地位的仍然是深紫外線投影光刻設備。
當前，絕大多數(shù)投入使用的是步進重復光刻機。步進重復光刻機采用一次成像技術，為了增大像場要求更大直徑的透鏡系統(tǒng)作為支撐，但這一要求遇到了技術方面和經濟方面的雙重制約，從而限制了步進重復光刻機向更高精度、更大尺寸的芯片加工方向發(fā)展。于是產生了一種新型的光刻機——步進掃描投影光刻機。步進掃描光刻機的曝光過程與步進重復光刻機有所不同。光束通過一個狹縫并透過照明系統(tǒng)投影到掩模面上，掩模以設定的勻速通過這束光。同時，硅片在透鏡的下方以相反方向運動。這種步進掃描光刻機與步進重復光刻機相比，具有更低的變形和更大面積的像場；同時，承載硅片的工件臺和承載掩模的掩模臺都能夠實現(xiàn)高速運動，使得步進掃描光刻機具有很高的生產率，從而更好地滿足了市場對半導體芯片加工的需求。
步進掃描投影光刻機的基本原理見圖1，圖1為像場與狹縫曝光區(qū)域示意圖，區(qū)域10為像場，其范圍大于普通的步進重復光刻機，步進重復光刻機像場通常為22*22mm2，步進掃描光刻機可達到26*33mm2，陰影所示區(qū)域11為狹縫曝光區(qū)域。圖2為步進掃描投影光刻機工作狀態(tài)示意圖，步進掃描光刻機在執(zhí)行曝光掃描時，首先將硅片27上待曝光的區(qū)域移動到透鏡22的下方，硅片放在工件臺21上，并在曝光過程中保持勻速運動。這個運動與掩模臺23上的掩模26和掃描狹縫單元24的運動部分在時間上和位置上是嚴格同步的，同時硅片表面在曝光過程中一直保持在透鏡22的最佳焦平面內。照明系統(tǒng)25在工件臺21和掩模臺23以指定速度到達指定位置時，被同步觸發(fā)并開始提供曝光所需的光劑量28。
步進掃描光刻機通過掩模臺23與工件臺21相對同步運動的方式，并與照明等其它子模塊協(xié)同工作，實現(xiàn)曝光動作。由于套刻精度、關鍵尺寸等決定曝光質量的因素，要求光刻機中參與曝光的各個子模塊在動作時序上精確同步。
步進掃描光刻機與步進重復光刻機相比，需要更加注意同步的問題，這是因為(1)對所有涉及的子模塊，掃描必須在相同的時間段內完成。具體來說，工件臺和掩模臺必須在完全相同的時間段內通過事先規(guī)劃好的軌跡；照明系統(tǒng)必須在相同的時間段內提供均勻分布的正確劑量；狹縫控制系統(tǒng)必須與掩模臺同步地打開和關閉它的狹縫。
(2)對于所有涉及的子模塊，掃描的起始時刻和結束時刻必須相同。具體而言，工件臺和掩模臺必須在照明系統(tǒng)開始提供曝光劑量的時刻，以正確的速度到達正確的位置。
通過以上的分析可以得出，對于曝光掃描同步，要求所有涉及的子模塊必須在掃描時序上取得嚴格一致。
另外，參與曝光的子模塊需要一段時間為實際掃描做準備，這個時間段稱為準備時間，主要用于激光器預充電以及工件臺和掩模臺開始加速最終達到并保持在指定的速度。實際掃描時間是指照明系統(tǒng)提供光源、同時工件臺和掩模臺以勻速運動、硅片均勻曝光、完成曝光動作所需的時間。
因此，光刻機中一次掃描是由準備階段和實際掃描階段構成的。
由于生產率和性能的要求，一次掃描結束后應能夠直接進入到下一次掃描，而在兩次掃描中間不出現(xiàn)停頓，這樣的掃描稱為連續(xù)曝光掃描。為了實現(xiàn)連續(xù)曝光掃描，要求在進行當前掃描的同時能夠為下一次掃描準備必需的信息。連續(xù)曝光掃描中，下一次掃描的準備時間和實際掃描時間需要根據(jù)當前掃描的信息獲得，因此系統(tǒng)只能超前一步規(guī)劃；同時，連續(xù)曝光同步掃描過程中，由于外部條件的變化需要應用先前完成的掃描信息修正后續(xù)的曝光參數(shù)。
從以上的分析可以得出如下結論實現(xiàn)連續(xù)曝光掃描同步控制，需要特定的機制保證掃描過程中涉及的控制單元的在時間上是嚴格同步的；為了保證各個控制單元間的同步信號誤差嚴格控制在允許的范圍內，需要同步控制體系在時間上進行精準的控制。

發(fā)明內容
本發(fā)明需要解決的技術問題在于提供一種步進掃描投影光刻機多總線時序同步的控制方法，以使得同步控制體系在時間上進行精確控制，從而實現(xiàn)多總線時序的同步控制。
同步總線控制器是實時同步控制過程的核心，為所有掃描曝光涉及的控制單元提供統(tǒng)一的時間基準。曝光控制軟件通過工控機CPU板的VME總線接口把掃描參數(shù)傳遞給同步總線控制器，同步總線控制器按照工控機CPU板指定的參數(shù)，通過多總線的同步控制體系，實現(xiàn)對各個控制單元的精準同步控制。
本發(fā)明的技術方案包括以下步驟(10)上位機軟件通過用戶輸入和設置將曝光參數(shù)輸出到包含同步總線控制器的工件臺掩模臺實時操作系統(tǒng)中。
(11)工件臺掩模臺實時操作系統(tǒng)把曝光參數(shù)轉換成各種所需的同步控制關系。
(12)工件臺掩模臺實時操作系統(tǒng)通過VME總線把同步控制關系傳送給同步總線控制器。
(13)同步總線控制器按照給定的同步控制關系轉換成實際的同步數(shù)據(jù)總線信號，保證激光計數(shù)卡和運功控制卡的伺服間隔同步和狀態(tài)同步。
(14)同步總線控制器按照給定的同步控制關系轉換成實際的外部同步信號，保證曝光照明控制系統(tǒng)和對準控制系統(tǒng)的狀態(tài)同步。
(15)運動控制卡接收到同步控制器的伺服間隔同步和狀態(tài)同步信號，產生中斷給運動控制卡的高速數(shù)據(jù)處理芯片進行實時同步處理和伺服控制處理。運動控制卡以伺服間隔作為伺服采樣周期。
(16)運動控制卡接收到同步總線控制器的伺服間隔同步信號和狀態(tài)同步信號，分別轉換成光纖觸發(fā)信號(TRGGER)和狀態(tài)信號，發(fā)送給下層I/O控制板，保證下層I/O控制板伺服間隔同步和狀態(tài)同步。
(17)運動控制卡接收到同步總線控制器的伺服間隔同步信號和狀態(tài)同步信號，分別轉換成光纖觸發(fā)信號(TRGGER)和狀態(tài)信號，發(fā)送給調平調焦控制系統(tǒng)和對準控制系統(tǒng)，保證這兩個分系統(tǒng)的伺服間隔同步和狀態(tài)同步。
(18)下層I/O控制板、對準控制系統(tǒng)和調平調焦控制系統(tǒng)接收到伺服間隔同步和狀態(tài)同步信號，觸發(fā)高速數(shù)據(jù)處理芯片進行實時同步處理。
上述操作系統(tǒng)可以是Vxworks pSOS，RTLinux，WinCE，OSE實時操作系統(tǒng)。
上述高速數(shù)據(jù)處理芯片可以是DSP芯片、FPGA芯片、ARM芯片或者PPC芯片。
上述上位機可以是工作站或者工控PC機。
本發(fā)明的有益效果是，由于以同步總線數(shù)據(jù)傳輸周期作為嚴格的時間控制基準，通過有效的多總線時序同步控制方法，嚴格控制各個同步信號的觸發(fā)時間，從而實現(xiàn)了各個控制單元之間信號的實時和同步。


圖1為步進掃描光刻機曝光像場和掃描狹縫示意圖；圖2為步進掃描投影光刻機曝光掃描基本原理圖；圖3為多總線時序同步控制體系的結構框圖；圖4為同步數(shù)據(jù)總線和外部同步信號框圖；圖5為光纖通訊數(shù)據(jù)發(fā)送模塊結構圖；圖6為光纖通訊數(shù)據(jù)接收模塊結構圖；圖7為多總線時序同步控制體系應用于掃描同步控制過程框圖。
具體實施例方式
步進掃描投影光刻機是一個非常復雜的控制系統(tǒng)，以同步總線控制器為核心的控制系統(tǒng)中，存在著多種控制總線，為了使各個連接不同總線的控制單元實現(xiàn)嚴格的同步控制，必須由一種多總線時序同步控制體系來實現(xiàn)。
多總線時序同步控制體系的結構框圖如圖3所示。同步總線控制器是步進掃描投影光刻機同步控制的核心控制器。當參與同步掃描過程的所有分系統(tǒng)在曝光控制軟件下協(xié)商好之后，同步總線控制器實施整個掃描過程控制單元上的實時同步控制，多總線時序同步控制體系可保證控制單元的實時控制。
同步總線控制器通過同步數(shù)據(jù)總線機制，實現(xiàn)對工件臺運動控制卡、掩模臺運動控制卡、對準運動控制卡、工件臺激光計數(shù)卡、掩模臺激光計數(shù)卡的同步控制。同步總線控制器通過外部同步信號時序實現(xiàn)對曝光照明控制系統(tǒng)、對準控制系統(tǒng)的同步控制。
運動控制卡把從同步總線控制器得到的同步控制信號轉換成光纖通訊協(xié)議實時地轉發(fā)給下層I/O控制板，保證下層I/O控制板在時間上保持同步。同時運動控制卡同樣通過光纖通訊把同步信號實時地轉發(fā)給調平調焦控制系統(tǒng)和對準控制系統(tǒng)，保證其在時間上的同步。
步進掃描投影光刻機參與同步控制的總線有SDB同步數(shù)據(jù)總線、外部同步信號和光纖通訊，其中(1)同步數(shù)據(jù)總線由同步總線控制器控制，運動控制卡、激光計數(shù)卡參與到同步數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)傳輸過程中，如圖4所示。同步總線控制器在控制數(shù)據(jù)交換的同時，每個伺服間隔向運動控制卡發(fā)送同步狀態(tài)信號，保證所有運動控制卡在伺服控制過程中伺服間隔和狀態(tài)的同步。伺服間隔就是運動控制的伺服采樣周期；(2)外部同步信號由同步總線控制器控制，如圖4所示，一個信號表示一個同步含義。在曝光的過程中，外部同步信號保證了曝光照明控制系統(tǒng)、對準控制系統(tǒng)和工件臺掩模臺在時間上的同步；(3)光纖通訊由運動控制卡控制，如圖5所示(圖中#發(fā)送優(yōu)先級比＊高)，通過傳輸協(xié)議模塊TRIGGER COMMAND子模塊，把同步數(shù)據(jù)總線發(fā)送的伺服間隔同步信號一同步數(shù)據(jù)總線中斷，轉換成光纖觸發(fā)(TRIGGER)信號，同時DSP處理器響應同步數(shù)據(jù)總線中斷，把當前狀態(tài)通過發(fā)送數(shù)據(jù)幀子模塊轉換成數(shù)據(jù)幀信號，經過光纖FPGA發(fā)送模塊和光纖發(fā)送芯片轉發(fā)給下層I/O控制板、對準控制系統(tǒng)和調平調焦控制系統(tǒng)。光纖觸發(fā)信號(TRIGGER)是高優(yōu)先級搶占式信號，具有最高的實時性。光纖通訊的接收端如圖6所示(圖中#發(fā)送優(yōu)先級比＊高)，通過光纖接收芯片和光纖FPGA接收模塊，得到光纖觸發(fā)信號和數(shù)據(jù)幀信號分別給接收TRIGGER COMMAND子模塊和接收數(shù)據(jù)幀子模塊。接收TRIGGER COMMAND子模塊在接收到光纖觸發(fā)信號(TRIGGER)信號后，馬上產生一個強實時的觸發(fā)信號(TRIGGER COMMAND到達)，來觸發(fā)對應的實時性操作，同時DSP處理器把接收到的狀態(tài)信號進行狀態(tài)同步處理，保證了伺服間隔的同步和狀態(tài)的同步。
為更好的理解本發(fā)明，以圖7為最佳實施例更詳細地說明本發(fā)明所提出的方法。
如圖7所示，控制系統(tǒng)由上位機、工控機CPU板、同步總線控制器、運動控制卡、激光計數(shù)卡以及對準控制系統(tǒng)、曝光照明控制系統(tǒng)組成。
上位機采用工作站或工控PC機，應用Unix或Windows等操作系統(tǒng)；工控機CPU板采用如Vxworks、pSOS、RTLinux、WinCE或者OSE實時操作系統(tǒng)；上位機與工控機CPU板通過工業(yè)以太網通信方式互連。工控機CPU板和同步總線控制器、運動控制卡、激光計數(shù)卡之間采用VME總線連接在一起，以便進行實時內部信息交換。同步總線控制器、運動控制卡、激光計數(shù)卡之間采用自定義的同步數(shù)據(jù)總線SDB進行數(shù)據(jù)交換。同步總線控制器和對準控制系統(tǒng)、曝光照明控制系統(tǒng)之間的連接采用RS422或RS485差分信號進行連接。光纖通訊使用光纖線進行連接。同步總線控制器、運動控制卡、激光計數(shù)卡等使用的核心芯片是FPGA、DSP等。曝光控制軟件模塊位于上位機；掃描控制軟件模塊位于工控機CPU板。
為了實現(xiàn)多總線的時序同步控制，同步總線控制器通過同步數(shù)據(jù)總線實時向工件臺運動控制卡、掩模臺運動控制卡和對準運動控制卡發(fā)布同步信息，同步總線控制器同時通過外部同步信號向對準控制系統(tǒng)和曝光照明控制系統(tǒng)發(fā)送同步信息，以嚴格保證連續(xù)曝光掃描控制中工件臺、掩模臺、曝光劑量以及狹縫運動是完全同步的。運動控制卡接收到同步總線控制器的伺服間隔同步信號和狀態(tài)同步信號，分別綜合成光纖觸發(fā)信號(TRGGER)和狀態(tài)信號，發(fā)送給下層I/O控制板、對準控制系統(tǒng)和調平調焦控制系統(tǒng)，保證下層I/O控制板、對準控制系統(tǒng)和調平調焦控制系統(tǒng)的伺服間隔同步和狀態(tài)同步。
首先，位于上位機的曝光控制軟件模塊通過工業(yè)以太網把曝光參數(shù)發(fā)送到工控機CPU板；工控機CPU板接收到曝光參數(shù)后，通過工控機CPU板的Vxworks操作系統(tǒng)，調用同步驅動模塊，把相應的同步控制參數(shù)傳輸?shù)酵娇偩€控制器；而工控機CPU板通過調用同步驅動模塊啟動同步總線控制器；同步總線控制器再通知運動控制卡和激光計數(shù)卡，告知當前的狀態(tài)進入準備掃描階段，工件臺開始向掃描起點運動；同步總線控制器輸出掃描狹縫可動刀片的同步信號指示掃描狹縫刀片1開始運動。同步總線控制器同時輸出激光器預充電信號，指示第一個光脈沖的高壓電容充電，此時同步總線控制器控制的準備掃描階段完成；然后，同步總線控制器向工控機CPU板請求中斷，通知工控機CPU板當前準備掃描階段完成，于是同步總線控制器通知運動控制卡和激光計數(shù)卡，當前的狀態(tài)進入實際掃描階段，并輸出激光曝光同步信號，指示曝光照明控制系統(tǒng)產生激光脈沖，激光器繼續(xù)保持充電狀態(tài)；而運動控制卡按照掃描階段的要求，完成掃描運動控制；同時，運動控制卡把伺服間隔同步信號通過光纖通訊發(fā)送給下層I/O控制板、調平調焦控制系統(tǒng)和對準控制系統(tǒng)，以保證伺服同步和狀態(tài)同步，并通知進入實際掃描狀態(tài)，完成掃描運動控制，伺服間隔的采樣周期為1000us、800us、500us、400us、250us或者200us。
完成掃描運動控制后，同步總線控制器輸出刀片同步信號指示掃描狹縫刀片2開始運動，此時，同步總線控制器的實際掃描階段完成，于是同步總線控制器向工控機CPU板請求中斷，通知工控機CPU板當前實際掃描階段完成；然后，如果是連續(xù)掃描，則同步總線控制器返回到準備掃描階段循環(huán)，否則，通知運動控制卡、激光計數(shù)卡進入空閑狀態(tài)，并且運動控制卡通知下層I/O控制板、調平調焦控制系統(tǒng)和對準控制系統(tǒng)進入空閑狀態(tài)。
權利要求
1.一種步進掃描投影光刻機多總線時序同步控制方法，其特征在于包括以下步驟(1)上位機軟件通過用戶輸入和設置將曝光參數(shù)輸出到包含同步總線控制器的工件臺掩模臺實時操作系統(tǒng)中。(2)工件臺掩模臺實時操作系統(tǒng)把曝光參數(shù)轉換成各種所需的同步控制關系。(3)工件臺掩模臺實時操作系統(tǒng)通過VME總線把同步控制關系傳送給同步總線控制器。(4)同步總線控制器按照給定的同步控制關系轉換成實際的同步數(shù)據(jù)總線信號，保證激光計數(shù)卡和運功控制卡的伺服間隔同步和狀態(tài)同步。(5)同步總線控制器按照給定的同步控制關系轉換成實際的外部同步信號，保證曝光照明控制系統(tǒng)和對準控制系統(tǒng)的狀態(tài)同步。(6)運動控制卡接收到同步控制器的伺服間隔同步和狀態(tài)同步信號，產生中斷給運動控制卡的高速數(shù)據(jù)處理芯片進行實時同步處理和伺服控制處理。運動控制卡以伺服間隔作為伺服采樣周期。(7)運動控制卡接收到同步總線控制器的伺服間隔同步信號和狀態(tài)同步信號，分別轉換成光纖觸發(fā)信號(TRGGER)和狀態(tài)信號，發(fā)送給下層I/O控制板，保證下層I/O控制板伺服間隔同步和狀態(tài)同步。(8)運動控制卡接收到同步總線控制器的伺服間隔同步信號和狀態(tài)同步信號，分別轉換成光纖觸發(fā)信號(TRGGER)和狀態(tài)信號，發(fā)送給調平調焦控制系統(tǒng)和對準控制系統(tǒng)，保證這兩個分系統(tǒng)的伺服間隔同步和狀態(tài)同步。(9)下層I/O控制板、對準控制系統(tǒng)和調平調焦控制系統(tǒng)接收到伺服間隔同步和狀態(tài)同步信號，觸發(fā)高速數(shù)據(jù)處理芯片進行實時同步處理。
2.如權利要求1所述的步進掃描投影光刻機多總線時序同步控制方法，其特征在于所述操作系統(tǒng)為Vxworks、pSOS，、RTLinux，、WinCE和OSE實時操作系統(tǒng)之一。
3.如權利要求1所述的步進掃描投影光刻機多總線時序同步控制方法，其特征在于所述伺服間隔的采樣周期為1000us，800us，500us，400us，250us，200us之一。
4.如權利要求1所述的步進掃描投影光刻機多總線時序同步控制方法，其特征在于所述各種所需的同步控制關系包括同步數(shù)據(jù)總線同步，外部同步信號同步，伺服間隔同步，系統(tǒng)狀態(tài)同步。
5.如權利要求1所述的步進掃描投影光刻機多總線時序同步控制方法，其特征在于所述高速數(shù)據(jù)處理芯片可以是DSP芯片，F(xiàn)PGA芯片，ARM芯片，PPC芯片之一。
6.如權利要求1所述的步進掃描投影光刻機多總線時序同步控制方法，其特征在于所述上位機可以采用工作站或工控PC機。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種步進掃描投影光刻機多總線時序同步控制方法，通過同步總線控制器為所有掃描曝光涉及的控制單元提供統(tǒng)一的時間基準。曝光控制軟件通過工控機CPU板的VME總線接口把掃描參數(shù)傳遞給同步總線控制器，同步總線控制器按照工控機CPU板指定的參數(shù)，通過多總線的同步控制體系，實現(xiàn)對各個控制單元的精準同步控制。其有益效果是可嚴格控制各個同步信號的觸發(fā)時間，從而實現(xiàn)了各個控制單元之間信號的實時和同步。
文檔編號G06F13/42GK1786825SQ20051011111
公開日2006年6月14日 申請日期2005年12月2日 優(yōu)先權日2005年12月2日
發(fā)明者池峰, 陳勇輝, 韋學志, 裴辛哲 申請人:上海微電子裝備有限公司