CN101329773A - 光刻机抗蚀剂成像仿真三维交互显示方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光刻机抗蚀剂成像仿真三维交互显示方法，本方法首先根据掩模图形进行空间像强度分布计算，得到抗蚀剂成像仿真数据，再对成像仿真数据进行重新排列，通过光照强度与深度转换模型将成像仿真结果变为三维模型点云数据，并通过基于图形处理器的连续层次方法进行硅晶圆表面抗蚀剂地形的细节处理和渲染计算，实现仿真结果的三维(3D)实时绘制和实时交互式漫游。本发明实现集成电路芯片设计中光刻仿真数据在三维空间中的实时可观察性和交互性。

Description

光刻机抗蚀剂成像仿真三维交互显示方法

技术领域

本发明提供一种光刻机抗蚀剂成像仿真数据三维交互显示方法，属于微电子光刻技术模拟过程技术领域与虚拟现实技术领域。

背景技术

光刻是大规模集成电路制造的关键环节，是互补性氧化金属半导体(CMOS)和片上系统(SOC)制造的关键工艺，随着大规模集成电路进入纳米时代，光刻技术变得越来越复杂，光刻仿真能够帮助半导体技术人员模拟光刻工艺，缩短开发周期、提高产品质量。是版图设计的必要工具。

光刻过程仿真基本上包含空间像强度分布、曝光、后烘、刻蚀，其中抗蚀剂的刻蚀过程仿真是耗时最多的一个步骤，也是关键的一步。抗蚀剂刻蚀工艺又分为三个过程：光通过成像系统、抗蚀剂曝光以及抗蚀剂的显影。近年来，人们在抗蚀剂成像仿真研究方面做了大量的工作，如美国加州大学伯克利分校开发的光刻仿真系统SPLAT(Simulation of Projection Lens Aberrations via TCCs)参见文献(付萍，王国雄，史峥.一种基于SPLAT的离轴照明成像算法的研究与实现[J].微电子学，2003 03180-183)，以及Yoshikazu Hirai研究的X光刻仿真系统，可参考文献(YoshikazuHirai，Sadik Hafzovic.Validation of X-Ray Lithography and DevelopmentSimulation System for Moving Mask Deep X-Ray Lithography[J].Journal ofMicroelectromechanical Systems(S1057-7157)，2006，vol.15，159-168)等。面对仿真后生成的海量数据，如何将光刻仿真结果直观、形象地呈现在技术人员面前成为光刻仿真软件面临的一项挑战。目前大部分光刻仿真系统利用二维图形显示技术实现光刻仿真结果的交互显示。而将仿真结果建成结构模型，并利用大规模场景实时漫游技术对晶圆上的抗蚀剂图形进行三维实时绘制已成为可能，光刻仿真数据三维可视化已经成为当前SOC设计的研究热点。

光刻仿真软件领域比较著名的三家公司KLA-Tencor公司，Synopsys公司，ASML公司都推出了光刻仿真产品。KLA-Tencor公司的PROLITH光刻仿真软件在业界具有很高的市场占有率，它集成了先进的三维仿真套件，可以将仿真结果立体显示，但是不具备大规模硅晶片表面场景绘制和实时漫游功能，只是停留在静态仿真阶段。Synopsys公司的Solid-C具有专门的三维编辑器，用于分析光刻仿真结果，但其只能对硅晶片进行局部的分析，无法在整个硅晶片上进行实时结构查看和漫游。ASML公司的MaskTool LithoCruiser主要利用二维图形来显示仿真结果。

卡内基梅隆大学的Metropole-3D，参见文献(DC Cole，E Barouch，EW Conrad，M Yeung.Using Advanced Simulation to Aid Microlithography Development[J]，Proceedings of the IEEE(S0018-9219).2001.vol 89，1194-1215)对曝光以及显影进行了三维(3D)仿真，但这些系统都未对成像系统生成的光照强度信息进行三维(3D)仿真。加州大学伯克利分校的SAMPLE-3D，参见文献(ZF Zhou，QA Huang.erc.A Novel 2D Dynamic Cellular Automata Model for Photoresist Etching ProcessSimulation[J]，.Journal of Micromechanics and Microengineering(SO960-1317)2005.15652-662)利用三维可视化技术进行半导体硅晶片光刻成像系统仿真，但他们的研究只停留在静态仿真，采用的是MATLAB工具对芯片结构进行观察，有采用虚拟现实理论与算法实现半导体硅晶片的动态仿真。

综上所述，现有光刻仿真软件利用二维图形显示仿真结果，部分产品可对仿真结果实现三维可视化，但只是停留在三维静态仿真阶段，没有利用虚拟现实理论和方法实现硅晶片的三维动态仿真的方法。另外，对光刻成像系统的三维仿真的方法也是空白。

发明内容

需要解决的技术问题：

本发明的目的在于提供一种光刻机抗蚀剂成像仿真三维交互显示方法，能解决抗蚀剂成像仿真结果的三维可视化问题。解决现有技术没有对成像系统生成的光照强度信息进行三维(3D)仿真和无法进行抗蚀剂图案动态交互式显示的问题。实现设计人员在光刻中对掩模版图案进行三维可视化交互设计。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

本发明首先根据掩模图形进行空间像强度分布计算，得到抗蚀剂成像仿真数据，再对成像仿真数据进行重新排序，通过光照强度与深度转换模型将成像仿真结果转变为三维模型点云数据。并通过基于GPU(图形处理器)的连续层次细节(CLOD)方法进行硅晶圆表面抗蚀剂地形的细节处理和渲染计算，实现仿真结果的三维(3D)实时绘制和实时交互式漫游。其具体操作步骤如下：

(1)光刻机与掩模版的参数输入，输入的参数包括光刻机的曝光波长、投影光学镜头数值孔径、相干因子，离焦、特征尺寸以及掩模版的尺寸和形状。

(2)抗蚀剂成像仿真，根据目前主流的光学光刻技术，对投影式光刻机成像进行仿真，即模拟光刻机的光学照明系统把掩模上的版图转移到涂有抗蚀剂的硅片表面上，得到晶圆平面上一组密集采样点的光强分布。

(3)光照强度数据排序，经过光源透过掩模在硅晶圆抗蚀剂上成像仿真模拟后，会产生大量光照强度数据，对这些数据进行重新排序，以便于对晶圆表面的抗蚀剂图形进行三维(3D)建模。

(4)光照强度与深度转换，光刻光学成像仿真输出结果为光照强度信息，为了实现数据的三维可视化，建立光照强度与深度转换模型，将光照强度转换为三维模型的深度，形成三维点云数据。

(5)三维建模与实时渲染，本发明采用三角形网格蒙片法对三维模型深度数据进行处理，逐点构造三维网格，形成三维结构模型。为了减少抗蚀剂三维模型的三角形面片数，增加交互显示时的每秒帧数，提高实时性和互动性，通过采用基于(图形处理器)GPU的连续层次细节技术(CLOD)。

(6)抗蚀剂图案三维交互式漫游，通过三维图形显示程序设置实现第一人称视点的三维实时显示效果。交互式控制包括视线的前进、后退、旋转、平移、仰视及俯视等，实现三维场景实时漫游。

上述的抗蚀剂图案三维交互式漫游可实现第三人称视点的三维实时显示效果，交互式控制包括抗蚀剂图案三维模型的旋转、前后左右平移、仰视及俯视。

本发明与背景技术相比具有的有益效果是：

本发明实现集成电路芯片设计中光刻仿真数据在三维空间中的实时可观察性和交互性。

1、与现有技术不同，本发明在虚拟环境中实现超大规模半导体硅晶片光刻系统光学成像仿真数据在要求精度下的全三维结构场景的实时仿真和漫游。为集成电路芯片设计的光刻仿真提供一个更直观的效能分析手段和工具。

2、本发明解决现有技术没有对成像系统生成的光照强度信息进行三维仿真和无法进行抗蚀剂图案动态交互式显示的问题。本发明解决了抗蚀剂成像仿真结果的三维可视化问题。

3、与传统的利用二维图像显示仿真结果的方法相比，本发明对仿真结果的分析更加直观，便于从多个角度观察仿真结果，并可实现硅晶圆实时漫游。可通过控制视点远近，实现对仿真结果形成的三维图形进行多分辨率分析以及版图的交互式设计。

附图说明

图1是本发明方法的流程图。

图2是光照强度值排列顺序图。

图3是基于图形处理器(GPU)的连续层次细节(CLOD)算法。其中图(a)是晶圆的不同细节层次图，图(b)为三角形面片划分图；

图4为实现连续层次细节时二个细节层次之间的连接；

图5为交互式漫游控制原理图；

图6为需要仿真的掩模图形；

图7为片上系统(SOC)光刻成像仿真系统三维可视化结果图。其中图(a)为正视图，图(b)为侧视图，图(c)为连续层次细节层次结构。

具体实施方式

本发明的一个优选实施例结合附图说明如下：

本实施例给出一种针对集成芯片高精度要求的大规模结构场景全三维实时漫游和仿真的方法。整体流程包括，用光刻仿真算法进行光照成像仿真，对成像仿真数据进行重新排序，通过光照强度与深度转换模型将成像仿真结果转变为三维模型点云数据。采用三角形网格蒙片法对点云数据进行处理，逐点构造三维网格，基于图形处理器(GPU)进行连续层次细节(CLOD)处理，实现仿真结果的三维实时绘制。实现抗蚀剂图案三维实时交互式虚拟场景漫游，如图1所示。具体操作步骤如下：

(1)光刻机与掩模版的参数输入

根据所使用的光刻机，输入其曝光波长、投影光学镜头数值孔径、离焦、相干因子、需要光刻的特征尺寸。同时输入掩模图案的尺寸和形状，掩模图案形状由矩形图案组合表示，将掩模图案分解成多个矩形，矩形之间可重叠，输入矩形的左下角横、纵坐标，同时输入其长度可描述掩模形状，本优选例中掩模形状如图6所示。

(2)刻蚀剂成像仿真

模拟光刻机以掩模图形作为原像，通过成像透镜组，在硅片表面成像这一过程，光学成像系统模型可视为纯光学系统模型。参数包括曝光波长、投影光学镜头数值孔径、相干因子。利用在当今光刻光学仿真器中普遍采用的Hopkins方法，用来实现投射曝光模型。

Hopkins理论描述的光学成像系统可表示为：

$I(f,g)={\∫\∫}_{-\∞}^{\∞}T(f_1,g_1,{f+f}_1,{g+g}_1)F(f_1,g_1)F^{*}(f+f_1,g+g_1)d{f}_{1}d{g}_1---\left(1\right)$

I(x，y)＝F^-1{I(f，g)}(2)

式中，‘^*’表示复共轭，I(f，g)为空间光强I(x，y)经过二维傅立叶变换的频域值，其中x，y是物平面内点的坐标，F(f，g)为掩模的傅里叶变换，T(f₁，g₁，f+f₁，g+g₁)为传输交叉系数(Transmission Cross Coefficients TCC)，也可称为透射交叉系数，其表达式为：

$T(f_{1,}{g}_1,f_2,g_2)={\∫\∫}_{-\∞}^{\∞}J(f,g)K({f+f}_1,{g+g}_1)K^{*}(f+f_2,g+g_2)\mathrm{df}\mathrm{dg}---\left(3\right)$

式中，J(f，g)为光源的互强度函数，K(f，g)为成像系统的频率响应函数。

采用Hopkins方法，对于具有固定光源、数值孔径、离焦以及具有其它像差的光刻光学系统可以用确定的TCC来描述。对于一种光刻工艺，其TCC是一定的。光学成像系统的系统函数式(3)中J(f，g)和K(f，g)的表达式分别如下：

$J(f,g)=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}^2}{{\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;\mathrm{\&sigma;}}^2\&CenterDot;{\mathrm{NA}}^2}$ $f^2+g^2<{\left(\frac{\mathrm{\&sigma;}\&CenterDot;\mathrm{NA}}{\mathrm{\&lambda;}}\right)}^2$

J(f，g)＝0 $f^{2+}{g}^2{\&GreaterEqual;\left(\frac{\mathrm{\&sigma;}\&CenterDot;\mathrm{NA}}{\mathrm{\&lambda;}}\right)}^2---\left(4\right)$

K(f，g)＝1 $f^2+g^2<{\left(\frac{\mathrm{NA}}{\mathrm{\&lambda;}\&CenterDot;M}\right)}^2$

K(f，g)＝0 $f^2+g^2\&GreaterEqual;{\left(\frac{\mathrm{NA}}{\mathrm{\&lambda;}\&CenterDot;M}\right)}^2---\left(5\right)$

TCC是以光刻机的成像光源波长(λ)、数值孔径(NA)、放大系数(M)和光源相干系数(σ)等作为主要的参数的。并且，通过在函数K(f，g)中引入相位因子

可以模拟离焦。这是一个以掩模图形为输入，以TCC为系统函数，硅片表面图像为输出的系统。同一光刻工艺，TCC只需要计算一次，在不同掩模情况下进行空间成像仿真时可以重复使用。根据特征尺寸可以输出不同密度的采样点光强分布。

(3)光照强度数据排序

经过光源透过掩模在硅晶圆抗蚀剂上成像仿真模拟后，会产生大量光照强度数据，对晶圆表面的抗蚀剂图形进行三维(3D)建模时需要对这些数据进行排序。光刻光照成像仿真输出文档第一行说明光罩大小。其格式为-x，x，-y，y。表示在硅晶圆平面上宽度(X轴)范围是从-x到x；长度(Y轴)范围是从-y到y。其单位为微米。

第一行数据说明本次SPLAT能仿真的硅晶圆面积为2x×2y(μm²)。

输出文档第二行说明仿真结果的数据量，其格式为w，l，表示硅晶圆X、Y轴方向分别由w、l个点表示。也就是说SPLAT对2x×2y(μm²)大小的硅晶圆进行仿真，结果将由wXl个点的光照强度值表示，仿真结果分辨率R定义为：

$R=\frac{2x\&CenterDot;2y}{(w-1)\&CenterDot;(l-1)}{\mathrm{\&mu;m}}^2---\left(6\right)$

输出文档从第三行开始表示wXl个点的光照强度信息，每8笔数据为一行。

其排列顺序如下：从晶圆左下角开始的光照强度信息为第一笔数据，然后依次从左向右，从下向上排列，直至右上角为最后一笔数据。如图2所示(左侧表格为数据格式)。

将输出文档第三行以后数据依次排列，其光照强度信息依次排列结果为：

v_(l-1)w，v_(l-1)(w+1)，…，v_1w，…，v_kw+1，v_kw+2，…，v_2kw，…，v₁，v₂，…，v_w

其中：k＝l-1，l-2，…，0(7)

在对抗蚀剂图形进行三维(3D)建模时，如果按此顺序进行图形绘制，形成的三维(3D)图形就是真实图形的倒像。所以必须对数据重新排序，使从晶圆片左上角开始的光照强度信息为第一笔数据，然后依次从左向右，从上向五排列，直至右下角为最后一笔数据。如式(8)所示。

v₁，v₂，…，v_w，…，v_kw+1，v_kw+2，…，v_2kw，…，v_(l-1)w，v_(l-1)(w+1)，…，v_1w，

其中：k＝0，2，…，l-1(8)

自动排序算法对输出数据进行重新排序的算法如下：

初始化仿真数组Data[]，用于存放SPLAT生成的仿真结果；

初始化转换数组TData[]，用于存放转换数据；

仿真数组序号s＝0；

转换数组序号t＝0；

for晶圆纵向点数为l-1到0；

   for晶圆横向点数为0到w-1；

        t＝纵向点数*w+横向点数；

        TData[t]＝Data[s]；

        s＝s+1；

           end；

       end；

通过上述方法即实现了光照成像仿真数据的重新排序。

(4)光照强度与深度转换模型

为了实现仿真数据的三维可视化，需要建立光照强度与深度转换模型，将光照成像仿真生成照强度信息转换为深度值。设硅晶圆上某点的光照强度值为I(x，y)，(x，y)为该点在硅晶圆上的坐标。为了得到光照强度信息的立体图，需要将光照强度转换为三维模型的深度，由于仿真输出的光照强度值与最终形成的晶圆表面凹凸深度成线性关系，得出光照强度与深度值转换模型为：

d(x，y)＝dip·λ·I(x，y)+e    (9)

其中d(x，y)为晶圆表面深度值，λ为转换系数，e为修正系数。λ、e与光刻设备性质有关。dip为显影系数，与光刻胶的性质有关。考虑到成像的后续过程使用负性光刻胶，光照强度值大的区域会凸起，而使用正性光刻胶时则会凹下，为了使光刻成像仿真形成的三维图形便于实际应用，设负显影时dip≥0，正显影时为dip＜0。在使用一定的光刻设备、光刻胶性质稳定的情况下，λ、e、dip为衡定值。仿真输出的光照强度值精确到小数点后五位，这里单精度浮点数表示深度值，在转换模型中由于浮点数的舍入误差，转换误差为±0.00001，对形成三维模型的误差仅为万分之一，所以转换模型精度可满足三维显示需要。

(5)三维建模与实时渲染

通过光照强度与深度转换模型，光刻成像体仿真输出数据被转换成点云数据，本发明采用三角形网格蒙片法对点云数据进行处理，逐点构造三维(3D)网格，利用大规模场景漫游技术实时互动地展示三维(3D)仿真结果。为实现实时漫游，采用基于(图形处理器)GPU的连续层次细节(CLOD)技术，随着视点与模型距离，动态合并或分裂三角形，在离视点近处采用最精细模型，而在远离视点处进行三角形动态合并，以减少三角形绘制数量，降低CPU和内存资源消耗。在进行CLOD处理时，三维模型采用均匀网格划分。同时，使用基于地形分片索引层次划分，具体层次划分由地形分片(Patch)根据距视点的距离而定。最大层次细节数直接依赖于地形分片的大小。LOD级数n为0时包括全部的索引，在这种情况下将以最大细节来绘制所有三角形。每级LOD一步一步进行升级。每级合并2ⁿ顶点来产生索引，即LOD为1时，合并二顶点，当LOD是2时，合并四顶点。当LOD是3是，则合并八顶点。但是合并顶点数不能大于地形分片尺寸，例如当地形分片为5而LOD级数是3时，要求算法产生索引的方法为：每2³，也就是8个顶点产生一个索引。但这对于尺寸为5的地形分片是不可行的。因为地形分片大小为5时，LOD上限是2，即2²，所以这时只能采用每4个顶点一个索引的方法。晶圆表面三维模型的精度因视点的远近而有所不同。本发明中CLOD共三级，离视点最近的区域LOD＝0时，三角形顶点密度与采样点密度一致，误差为特征尺寸大小。技术人员可以在通过控制视点运动，在近处观察晶圆表面的细节；而距视点稍远处区域LOD＝1，二个采样点动态合并成一个，误差为二倍特征尺寸。如图3所示，其中图3(a)是晶圆的不同细节层次图，左上角为分辨率最高时的层次细节，中间部分为二个采样点合并后的几何面片结构，右下部为四个顶点合并后的效果。图3(b)为以上三个细节层次的三角形网格划分图，通过三角形网格可建立晶圆表面三维模型；为了使晶圆表面不因三角形合并过多而变形，LOD最大级别为2，误差为特征尺寸的四倍。可满足光刻设计人员要求，同时从整体上减少了三角形面片的绘制数量，提高了绘制效率。图4为LOD＝0与LOD＝1两个层次交界处的三角形网格结构，这里采用三角形剖分方式来进行连接，从而消除不同层次细节之间可能产生的裂缝，形成的三角形面片能无缝拟合、平滑连接、较好地表现晶圆表面结构。

(6)抗蚀剂三维图案交互式漫游

通过三维建模与实时渲染，抗蚀剂成像仿真形成的图案以立体形式出现在光刻设计人员面前，这里通过建立交互式漫游控制机制对场景管理对晶圆三维模型中的结点进行管理，同时设计消息响应机制对键盘和鼠标的输入进行响应，引导视点的运动，如图4所示。交互式控制包括视线的前进、后退、前后左右旋转、前后左右平移、仰视及俯视等，可通过交互式控制，实现第一人称视点的前进、后退、左右旋转、左右平移、仰视及俯视等方法实现抗蚀剂图案三维(3D)交互式漫游。

对图6所示的掩模图案利用光刻机抗蚀剂成像仿真三维交互显示方法进行光照成像仿真、成像仿真数据重新排序、三维模型点云数据转换、构造三维网格模型以及三维交互式漫游显示，最终结果如图7所示，其中图7(a)、(b)、(c)分别为控制视点从两个不同角度观察的实时三维(3D)仿真结果。图7(a)为正视图，图7(b)为侧视图。图7(c)为包括不同层次细节LOD＝1、2、3的晶圆表面连续层次结构三维视图，在不损失精度的条件下表现抗蚀剂成像的仿真结果。

Claims (2)

1、一种光刻机抗蚀剂成像仿真数据三维交互显示方法，其特征在于具体操作步骤如下：

a.光刻机与掩模版的参数输入，输入的参数包括光刻机的曝光波长、投影光学镜头数值孔径、相干因子，离焦、特征尺寸以及掩模版的尺寸和形状；

b.抗蚀剂成像仿真，根据目前主流的光学光刻技术，对投影式光刻机成像进行仿真，即模拟光刻机的光学照明系统把掩模上的版图转移到涂有抗蚀剂的硅片表面上，得到晶圆平面上一组密集采样点的光强分布；

c.光照强度数据排序，经过光源透过掩模在硅晶圆抗蚀剂上成像仿真模拟后，会产生大量光照强度数据，对这些数据进行重新排序，以便于对晶圆表面的抗蚀剂图形进行三维建模；

d.光照强度与深度转换，光刻光学成像仿真输出结果为光照强度信息，为了实现数据的三维可视化，建立光照强度与深度转换模型，将光照强度转换为三维模型的深度，形成三维点云数据；

e.三维建模与实时渲染，采用三角形网格蒙片法对三维模型深度数据进行处理，逐点构造三维网格，形成三维结构模型；为了减少抗蚀剂三维模型的三角形面片数，增加交互显示时的每秒帧数，提高实时性和互动性，通过采用基于图形处理器GPU的连续层次细节技术CLOD；

f.抗蚀剂图案三维交互式漫游，通过三维图形显示程序设置实现第一人称视点的三维实时显示效果。交互式控制包括视点的前进、后退、旋转、平移、仰视及俯视，实现三维场景实时漫游。

2、根据权利要求1所述的光刻机抗蚀剂成像仿真数据三维交互显示方法，其特征在于：所述三维抗蚀剂图案三维交互式漫游可实现第三人称视点的三维实时显示效果；交互式控制包括抗蚀剂图案三维模型的旋转、左右平移、仰视及俯视。

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