CN100485535C - 步进扫描投影光刻机同步控制器 - Google Patents

Abstract

一种同步总线控制器，使用内部自定义同步总线和外部同步信号，以同步总线的最小时间单元数据传输周期作为同步时间基准，通过数据传输周期FIFO队列和“时间-命令”FIFO队列产生精准的时间控制点，实现步进扫描投影光刻机各个子模块之间的严格同步过程。本发明还提供了用于实现同步总线控制器功能的步进扫描投影光刻机同步控制系统，包括上位机、工控机CPU板、运动控制卡、激光计数卡、对准控制系统和照明控制系统，同步总线控制器通过同步总线实时向运动控制卡发布同步信息，并同时向对准控制系统和照明控制系统发送同步触发信号，以保证连续曝光扫描控制中工件台、掩模台、曝光剂量以及狭缝运动完全同步。

Description

步进扫描投影光刻机同步控制器

本发明是申请号为200510023858.0、申请日为2005年2月5日的发明专利申请“步进扫描投影光刻机同步总线控制器及同步控制系统”的分案申请。

技术领域

本发明涉及步进扫描投影光刻机同步控制技术，特别是一种步进扫描投影光刻机同步控制器。

背景技术

步进扫描光刻机中，曝光过程与步进重复光刻机有所不同。光束通过一个狭缝并透过照明系统投影到掩模面上，掩模以设定的匀速通过这束光。同时，硅片在透镜的下方以相反方向运动。这种步进扫描光刻机与步进重复光刻机相比，具有更低的变形和更大面积的像场；同时，承载硅片的工件台和承载掩模的掩模台都能够实现高速运动，使得步进扫描光刻机具有很高的生产率，从而更好地满足了市场对半导体芯片加工的需求。

步进扫描投影光刻机的基本原理见图1，图1(a)为像场与狭缝曝光区域示意图，区域10为像场，其范围大于普通的步进重复光刻机，步进重复光刻机像场通常为22*22mm²，步进扫描光刻机可达到26*33mm²，阴影所示区域11为狭缝曝光区域。图1(b)为步进扫描投影光刻机工作状态示意图，步进扫描光刻机在执行曝光扫描时，首先将硅片27上待曝光的区域移动到透镜22的下方，硅片放在工件台21上，并在曝光过程中保持匀速运动。这个运动与掩模台23上的掩模26和扫描狭缝单元24的运动部分在时间上和位置上是严格同步的，同时硅片表面在曝光过程中一直保持在透镜22的最佳焦平面内。照明系统25在工件台21和掩模台23以指定速度到达指定位置时，被同步触发并开始提供曝光所需的光剂量28。

步进扫描光刻机通过掩模台23与工件台21相对同步运动的方式，并与照明等其它子模块协同工作，实现曝光动作。由于套刻精度、关键尺寸等决定曝光质量的因素，要求光刻机中参与曝光的各个子模块在动作时序上精确同步。

步进扫描光刻机与步进重复光刻机相比，需要更加注意同步的问题，这是因为：

(1)对所有涉及的子模块，扫描必须在相同的时间段内完成。具体来说，工件台和掩模台必须在完全相同的时间段内通过事先规划好的轨迹；照明系统必须在相同的时间段内提供均匀分布的正确剂量；狭缝控制系统必须与掩模台同步地打开和关闭它的狭缝。

(2)对于所有涉及的子模块，扫描的起始时刻和结束时刻必须相同。具体而言，工件台和掩模台必须在照明系统开始提供曝光剂量的时刻，以正确的速度到达正确的位置。

通过以上的分析可以得出，对于曝光扫描同步，要求所有涉及的子模块必须在扫描时序上取得严格一致。

另外，参与曝光的子模块需要一段时间为实际扫描做准备，这个时间段称为准备时间，主要用于激光器预充电以及工件台和掩模台开始加速最终达到并保持在指定的速度。实际扫描时间是指照明系统提供光源、同时工件台和掩模台以匀速运动、硅片均匀曝光、完成曝光动作所需的时间。

因此，光刻机中一次扫描是由准备阶段和实际扫描阶段构成的。

由于生产率和性能的要求，一次扫描结束后应能够直接进入到下一次扫描，而在两次扫描中间不出现停顿，这样的扫描称为连续曝光扫描。为了实现连续曝光扫描，要求在进行当前扫描的同时能够为下一次扫描准备必需的信息。连续曝光扫描中，下一次扫描的准备时间和实际扫描时间需要根据当前扫描的信息获得，因此系统只能超前一步规划；同时，连续曝光同步扫描过程中，由于外部条件的变化需要应用先前完成的扫描信息修正后续的曝光参数。

从以上的分析可以得出如下结论：实现连续曝光扫描同步控制，需要特定的机制保证扫描过程中涉及的子模块的动作是严格同步的；为了保证各个子模块间的同步信号误差严格控制在允许的范围内，需要同步控制器在时间上进行精准的控制。

发明内容

本发明的目的是提供一种同步总线控制器及同步控制系统，实现了步进扫描投影光刻机曝光扫描的同步信号控制。以同步总线数据传输作为时间基准，通过同步总线的最小时间单元，严格控制各个信号的时间点，从而实现各个子模块之间信号的实时和同步。

为实现上述目的，本发明是这样实现的：

一种步进扫描投影光刻机同步总线控制器，其特征在于：它通过三类同步信号实现内部和外部分系统的同步：①同步状态广播，②单线同步信号，③同步触发信号，其中：

同步状态广播，是在同步广播数据传输周期中向同步总线提供当前的扫描状态；

单线同步信号是一种外同步信号，用以同步与同步总线控制器不在同一个VME机箱内的外部控制板卡，应用于对照明控制系统和对准控制系统的同步；

同步触发信号是连续的周期触发脉冲，用以同步外部分系统与激光计数卡的采样时刻密切相关的同步动作，并且以激光计数卡采样时刻作为时基。

一种步进扫描投影光刻机同步控制系统，由上位机、工控机CPU板、上述的同步总线控制器、运动控制卡、激光计数卡以及对准控制系统、照明控制系统组成。

该上位机与工控机CPU板通过工业以太网通信方式互连。

该工控机CPU板和同步总线控制器、运动控制卡、激光计数卡之间采用VME总线连接在一起。

该同步总线控制器、运动控制卡、激光计数卡之间采用自定义的同步总线SDB进行数据交换。

该同步总线控制器和对准控制系统、照明控制系统之间的连接采用485差分信号线进行连接。

该同步总线控制器、运动控制卡、激光计数卡使用的核心芯片是FPGA、DSP。

曝光控制软件模块位于上位机；扫描控制软件模块工控机CPU板。

该上位机采用工作站或工控PC机，应用Unix或Windwos等操作系统。

该工控机CPU板采用VxWorks或pSOS或RTLinux或WinCE实时操作系统。

附图说明

图1(a)是步进扫描光刻机曝光像场和扫描狭缝。

图1(b)是步进扫描投影光刻机曝光扫描基本原理。

图2是同步总线控制器在扫描同步控制系统中的结构框图。

图3是同步总线数据传输逻辑框图。

图4是数据传输序元结构图。

图5是连续序元的运行机制示意图。

图6是同步状态广播信号触发示意图。

图7是数据传输序元和同步信号的协调控制示意图。

图8是同步信号的产生机制示意图。

图9是同步总线控制器应用于扫描同步控制过程示意图。

具体实施方式

同步总线控制器是步进扫描投影光刻机同步控制的核心控制器。当参与同步扫描过程的所有分系统在曝光控制软件下协商好之后，同步总线控制器实施整个扫描过程的硬件上的实时同步控制。

同步控制过程的结构框图如图2所示，其中，同步总线控制器是实时同步控制过程的核心，为所有扫描曝光涉及的子模块和运动控制卡提供统一的时间基准。曝光控制软件通过工控机CPU板的VME总线接口把扫描参数传递给同步总线控制器，同步总线控制器按照工控机CPU板指定的参数，对工件台运动控制卡、掩膜台运动控制卡、工件台激光计数卡、掩膜台激光计数卡、对准控制系统、照明控制系统进行同步控制，在精准的时间点输出相应的同步控制信号。

同步总线控制器和工控机CPU板的VME总线接口提供的操作方式有A24、D16、RMW Slave、D08(O)、I(1～6)ROAK Interrupter。其功能包括工控机CPU板主动访问同步总线控制器的寄存器以及同步总线控制器以VME总线中断形式主动通知工控机CPU板。同步总线控制器的中断分为时间中断和命令中断，时间中断指定时器超时报告扫描状态，命令中断指命令开始时报告出错信息。

同步总线控制器的功能是控制同步总线的数据交换、产生同步状态广播信号、产生外部同步控制信号、采集同步扫描过程的出错信息。

同步总线的数据交换机制如图3所示，同步总线数据交换有总线控制器、数据提供方和数据读取方参与，一次数据交换成为一次数据传输周期(Cycle)，其步骤为：

1.总线控制方指定唯一数据提供方地址，并输出数据锁存等控制信号

2.根据指定的地址，数据提供方输出数据到同步总线

3.需要数据的读取方(允许多个总线设备)从同步总线上读取数据同步总线的时间单元分为数据传输周期(Cycle)、数据传输序元(Sequence)和数据传输间隔(Interval)三个级别。

一个数据传输序元(Sequence)由多个数据传输周期(Cycle)以一个循环FIFO队列的方式组成。其中的每个数据传输周期的数据交换参与方及数据交换内容可编程设置，并且事先通知所有参与方。图4描述了一个数据传输序元的结构。

数据传输周期分为激光计数卡位置采样数据传输周期、同步广播数据传输周期、运动控制卡同步状态数据传输周期和运动控制卡运动控制数据传输周期。

空闲传输周期是一类特殊的传输周期，它不做任何事情，如果有效数据传输周期总时间小于每个序元的固定时间，用一些空闲传输周期补充。当数据传输序元有效时，如子系统不处于空闲状态，同步总线上始终存在连续的数据传输序元，每个序元的时间在同步总线控制器初始化时固定。

连续序元控制由一个循环FIFO队列和一个序元器组成。FIFO队列中的每一项描述了一个数据传输周期的属性，队列长度等于已定义的序元中的周期数。数据传输序元负责将每个数据传输周期的地址和控制信号输出到同步总线。图5描述了连续序元的控制机制。

一个数据传输周期可以在每个序元中均执行，也可以每隔一定数目的序元执行一次，称之为序元传输间隔(Interval)。不同的扫描类型决定了不同的序元传输间隔。存在三种序元传输间隔：

1.零序元传输间隔：即数据传输周期在每个序元均执行

2.伺服序元传输间隔：适用于曝光扫描过程

3.对准序元传输间隔：适用于对准扫描过程

一个数据传输周期可以在伺服序元中有效，也可以同时在对准序元中有效。例如：激光计数卡位置采样数据传输周期，它在伺服序元用于工件台的运动控制，在对准序元中用于对准定位算法。

同步总线控制器通过三类同步信号实现内部和外部分系统的同步：

1.同步状态广播

2.单线同步信号

3.同步触发信号

同步状态广播用以与同步总线控制器在同一个VME机箱内的控制板卡，又称之为内同步信号。

同步总线控制器在同步广播数据传输周期中向同步总线提供当前的扫描状态。需要同步的同步总线设备(运动控制卡)检查同步总线控制器的扫描状态及自身的扫描状态。如果两者一致，设备返回“同步正常”信号；如果状态不一致，将导致同步状态错，设备返回“同步错误”信号。

同步状态广播的同步总线地址对应于所有运动控制卡的DPRAM的中断产生地址。对中断产生地址的写操作将对运动控制卡的处理器产生中断，运动控制卡根据当前的扫描状态可以明确中断的含义。中断的频率即为运动控制采样频率。

图6描述了内同步信号反映的扫描状态变化。

单线同步信号用以同步与同步总线控制器不在同一个VME机箱内的外部控制板卡，是一种外同步信号，应用于对照明控制系统和对准控制系统的同步。它传输三类状态信息：

1.同步总线控制器的扫描状态

2.外部分系统自身需要的同步状态

3.外部分系统输出的错误信号

同步触发信号是连续的周期触发脉冲，用以同步外部分系统与激光计数卡的采样时刻密切相关的同步动作，并且以激光计数卡采样时刻作为时基，即要求能够严格控制同步触发信号相对于激光计数卡采样时刻的偏差，保证相对于数据传输周期的同步性。

同步触发信号主要用于对准扫描过程的采样同步，不带状态信息，由同步总线控制器发出的每个同步触发信号对应了一次光能量信号采样。

为保证同步触发信号相对于数据传输周期的同步性，需要通过序元传输间隔建立同步触发信号和数据传输周期的关系。同步触发信号属性包括：

1.同步触发信号周期：对准序元传输间隔

2.信号有效时所在的序元及数据传输周期号：相对于激光计数卡采样时刻的偏差，且必小于同步触发信号周期

3.同步触发信号脉冲的个数：同步触发信号的持续时间

序元传输间隔和数据传输周期的时间固定，激光计数卡位置采样在激光计数卡位置采样数据传输周期中进行，因此同步触发信号的产生时刻相对于激光计数卡位置采样时刻的偏差可以严格控制。

序元和同步信号存在密切联系，构成同步总线控制器的主功能模块，如图7所示。同步信号中，同步状态广播内部同步信号，经由同步总线产生；单线同步信号和同步触发信号属于外部同步信号，经由外同步接口产生。

同步信号的产生通过“时间-命令”FIFO队列及命令寄存器实现，如图8所示。其中：

1.FIFO队列中的命令顺序执行，时间表示命令有效的持续时间，命令表示一种同步信号的产生，它反映了当前的扫描状态；

2.队列中的所有命令执行完成后，同步总线控制器将根据相应的系统状态执行命令寄存器中的命令；

3.命令队列的执行由外部命令显式启动。

时间是定时计数器的设置值，它为伺服序元传输间隔的整数倍，每个伺服序元传输间隔递减。

同步总线控制器在数据传输序元中，实时采集运动控制卡和激光计数卡的出错信息，并在必要时通知控制程序，终止扫描过程。同步总线控制器本身不产生出错信息，采集到的出错信息将导致同步总线控制器的内部状态变化。

运动控制卡的出错信息在运动控制卡同步状态数据传输周期中传输。激光计数卡的测量错误由激光计数卡错误信号线传输。此外，同步扫描过程中，对准控制系统和照明控制系统的出错信息由单线同步信号传输给同步总线控制器。

从上面描述的过程可以看出，使用同步总线控制器可以有效的实现系统内部和系统之间的同步控制，并且充分保证了同步控制信号的实时性。

本发明实现的同步总线控制器，可以在步进扫描光刻机中获得如下效果：

(1)实现了曝光扫描过程中多个子模块的精准同步控制；

(2)实现了曝光扫描的可靠性，进而提高了生产效率。

(3)实现了工控机CPU板对同步扫描的实时过程控制

为更好的理解本发明，应用本发明的同步控制过程，我们提出了一个具体的实施例，实现扫描投影光刻各个子模块之间同步控制，本发明的保护范围不限于本实施例确定的范围。

如图9所示，控制系统由上位机、工控机CPU板、同步总线控制器、运动控制卡、激光计数卡以及对准控制系统、照明控制系统组成。

上位机采用工作站或工控PC机，应用Unix或Windwos等操作系统；工控机CPU板采用VxWorks或pSOS或RTLinux或WinCE实时操作系统；上位机与工控机CPU板通过工业以太网通信方式互连。工控机CPU板和同步总线控制器、运动控制卡、激光计数卡之间采用VME总线连接在一起，以便进行实时内部信息交换。同步总线控制器、运动控制卡、激光计数卡之间采用自定义的同步总线SDB进行数据交换。同步总线控制器和对准控制系统、照明控制系统之间的连接采用485差分信号线进行连接。同步总线控制器、运动控制卡、激光计数卡使用的核心芯片是FPGA、DSP等。曝光控制软件模块位于上位机；扫描控制软件模块位于工控机CPU板。

为了实现同步控制，同步总线控制器通过同步总线实时向工件台运动控制卡和掩模台运动控制卡发布同步信息，同步总线控制器同时通过外部同步信号向对准控制系统和照明控制系统发送同步信息，以严格保证连续曝光扫描控制中工件台、掩模体、剂量供给以及狭缝运动是完全同步的。

基于上述制作的同步总线控制器，结合进扫描光刻机连续曝光扫描同步控制，具体步骤如下：

StepA：位于上位机的曝光控制软件模块通过以太网把曝光参数发送到工控机CPU板。

Step B：工控机CPU板接收到曝光参数，通过工控机CPU板的Vxworks操作系统，调用同步驱动模块，把相应的同步总线控制器的数据传输周期放入FIFO队列中，同时把“时间-命令”参数放入“时间-命令”FIFO队列中。

Step C：工控机CPU板通过调用同步驱动模块启动同步总线控制器。

Step D：同步总线控制器通知运动控制卡和激光计数卡，当前的状态进入准备扫描阶段，工件台向扫描起点运动。

Step E：同步总线控制器输出刀片同步信号指示VS刀片Y0开始运动。

Step F：同步总线控制器输出激光器预充电信号，指示第一个光脉冲的高压电容充电。

Step G：同步总线控制器控制的准备扫描阶段完成，同步总线控制器向工控机CPU板请求中断，通知工控机CPU板当前准备扫描阶段完成。

Step H：同步总线控制器通知运动控制卡和激光计数卡，当前的状态进入实际扫描阶段。并输出激光曝光同步信号，指示照明控制系统产生激光脉冲。激光器继续保持充电状态。

Step I：同步总线控制器输出刀片同步信号指示VS刀片Y1开始运动。

Step J：同步总线控制器的实际扫描阶段完成，同步总线控制器向工控机CPU板请求中断，通知工控机CPU板当前实际扫描阶段完成。

Step K：如果是连续扫描返回Step D，否则到Step L。

Step L：同步总线控制器通知运动控制卡、激光计数卡进入空闲状态。

Claims (8)

1、一种步进扫描投影光刻机同步控制器，其特征在于：该同步控制器为步进扫描投影光刻机同步控制系统提供统一的时间基准，该步进扫描投影光刻机同步控制系统包括上位机、工控机CPU板、同步总线控制器、运动控制卡、激光计数卡以及对准控制系统、照明控制系统；

曝光控制软件模块位于所述的上位机；扫描控制软件模块位于所述的工控机CPU板；所述的工控机CPU板采用实时操作系统；所述的上位机与所述的工控机CPU板通过工业以太网互连；所述的工控机CPU板和所述的同步总线控制器、运动控制卡、激光计数卡之间采用VME总线连接在一起；所述的同步总线控制器、运动控制卡、激光计数卡之间采用同步总线SDB进行数据交换。

2、根据权利要求1所述的步进扫描投影光刻机同步控制器，其特征在于：所述同步总线控制器是实时同步控制过程的核心，为所有扫描曝光涉及的子模块和运动控制卡提供统一的时间基准。

3、根据权利要求1或2所述的步进扫描投影光刻机同步控制器，其特征在于：所述的同步总线控制器和所述的对准控制系统、照明控制系统之间采用485差分信号线进行连接。

4、根据权利要求1所述的步进扫描投影光刻机同步控制器，其特征在于所述的上位机采用工作站或工控PC机，应用Unix或Windows操作系统。

5、根据权利要求1所述的步进扫描投影光刻机同步控制器，其特征在于所述的工控机CPU板采用VxWorks或pSOS或RTLinux或WinCE实时操作系统。

6、根据权利要求1或2所述的步进扫描投影光刻机同步控制器，其特征在于所述的同步总线控制器、运动控制卡、激光计数卡使用的核心芯片是FPGA芯片或DSP芯片。

7、据权利要求1或2所述的步进扫描投影光刻机同步控制器，其特征在于所述的运动控制卡包括工件台运动控制卡和掩膜台运动控制卡。

8、据权利要求1或2所述的步进扫描投影光刻机同步控制器，其特征在于所述的激光计数卡包括工件台激光计数卡和掩膜台激光计数卡。

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