CN102147575B - 一种应用于直写式光刻机的灰阶曝光的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于直写式光刻机的灰阶曝光的方法。本发明利用FPGA按特定结构读取内存中的按特定结构存储的数据，并根据触发信号控制图形发生器显示，用于实现移动曝光过程中对待曝光区域中每个像素点曝光次数的控制。本发明利用计算机学科中的二进制权值展开方式结合内存分区域读取的方法，使待曝光区域的每个像素点曝光次数得到控制，并给出了使每个待曝光像素点在移动过程中都按二进制权值展开方式进行曝光的方法。本发明对内存的接口带宽要求仅为相当于一个DMD视场像素点个数的单色位图的大小乘以刷新率。并可实现在DMD有缺陷像素点的情况下，待曝光区域的每个像素依然可控制。

Description

一种应用于直写式光刻机的灰阶曝光的方法

技术领域

本发明涉及光刻机曝光控制领域，具体为一种利用FPGA的应用于直写式光刻机的灰阶曝光的方法。

背景技术

直写式光刻机是半导体生产过程中的必需设备，直写式光刻机设备中对曝光过程中每个像素点曝光次数的控制非常重要，据此可实现诸如亚像素曝光等各种技术。但现有技术的曝光过程对于硬件内存的带宽要求较高，且曝光次数不易控制。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用于直写式光刻机的灰阶曝光的方法，以解决现有技术的曝光过程对内存带宽要求较高，且曝光次数不易控制的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种应用于直写式光刻机的灰阶曝光的方法，利用FPGA实现，其特征在于：包括以下步骤：

(1)首先将FPGA中用于存储灰阶图形数据的存储器划分为N个相同大小的区域，N表示灰阶图形灰阶的阶数；

(2)利用FPGA分别提取用来表示灰阶图形数据的二进制码的每一位，并依次形成与灰阶图形像素点分布一致的N张单色图形数据，然后将N张单色图形数据分别存储到存储器各个区域中；

(3)当待曝光器件与图形发生器所反射的激光光束相对位置移动了一个曝光像素点时，更新一次图形发生器的图形显示，同时，FPGA分别从存储器的每个区域读取行的曝光数据形成一张与图形发生器像素分布一致的像素数据，并控制图形发生器显示。

所述的一种应用于直写式光刻机的灰阶曝光的方法，其特征在于：所述图形发生器为用于直写式光刻机的空间光调制器，其由像素点组成，且每个像素点可单独控制是否反射激光光束。

所述的一种应用于直写式光刻机的灰阶曝光的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，图形发生器的图形显示更新方式为：将FPGA的各个存储器的区域中的行地址加一，并从新的行地址开始读取数据，图形发生器的单色图形数据由各个存储器的区域按规定数目行数据组成。

所述的一种应用于直写式光刻机的灰阶曝光的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，FPGA从存储器的每个区域读取的行数不同，存储灰阶图形数据二进制值的某一位数据的区域就对应读取这一位对应的二进制权值，位(N-n)所对应的分区应该读取2^N-n行数据，其中N为灰阶值，n为二进制位。

所述的一种应用于直写式光刻机的灰阶曝光的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，行是指图形发生器中与扫描运动方向垂直的一行像素点的集合，扫描运动方向是指曝光过程中图形发生器与待曝光器件的相对运动方向。

本发明中，利用FPGA将灰阶图形数据按位提取并按区域存储到存储器。具体是指将灰阶数据的二进制表示的每一位单独提取，并形成与灰阶图形像素点分布一样的单色图形数据，分别存储到各个存储区区域。当待曝光器件与图形发生器所反射的激光光束相对位置移动了一个曝光像素点时，更新一次图形发生器。具体的更新方式为：将行地址加一，并从新的行地址开始读取数据，图形发生器的单色图形数据由各个存储区域按规定数目行数据组成的。每个区域读取的行数不一样。具体为：存储灰阶数据二进制值的某一位数据的区域就对应读取这一位对应的二进制权值。例如：位(N-n)所对应的分区应该读取2^N-n行数据(N为灰阶值，n为二进制位)。读取使用的行地址在每个分区都有效，并且每读取一行数据地址需要加一。这样，当图形发生器的投影完全经过某一待曝光器件的像素点后，该像素将正好曝光该点需要曝光的次数。

本发明公是利用计算机科学中二进制权值表示方法，结合扫描曝光中对每个像素点曝光次数的可控制要求得出的，是用FPGA按规则读取存储器中的数据并根据触发信号来刷新图形发生器的显示来实现的。本发明公可降低曝光过程对内存的带宽要求，并实现曝光次数的控制。

附图说明

图1是与本发明相关的一个光学曝光系统的模型图。

图2是图形发生器与待曝光器件在工作时候的相对运动图。

图3是经过待曝光器件上某个像素点的投影所对应的图形发生器的像素点分布。

图4是灰阶数据按二进制展开的示意图，其中：

图4a是灰阶为N的数的二进制展开示意图，图4b是一个4位二进制数的展开示意图，图4c是一个4位二进制数10的展开示意图。

图5是图形发生器投影与待曝光器件的运动及曝光图。

图6是推导图形发生器显示图形规则的示意图。

图7是存储器分区域规则图。

图8是存储器分区域读取规则图。

图9是图形发生器显示二进制展开式图形的像素分布图，其中：

图9a为依次排开时的分布图，图9b为对称排列时的分布图。

具体实施方式

如图1所示。图1所示为一个光学曝光系统的模型，光源发出的光束经过光路到达图形发生器，经过图形发生器反射后变成与图形发生器上对应的图形的光束，该光束经过光路到达待曝光的器件表面，利用化学反应将待曝光器件的表面腐蚀成相应的图形。扫描式曝光系统是指图形发生器与待曝光器件之间做相对运动，达到曝光整个待曝光器件的目的。

如图2所示。图2示意了扫描曝光过程中图形发生器与待曝光器件的运动过程。图中，A是待曝光器件，B是图形发生器，C是待曝光器件上某一像素点(与图形发生器一个像素点的投影大小相等)，D是依次在曝光过程中经过C点图形发生器像素点，E是曝光时待曝光器件相对图形发生器的运动方向。

如图3所示。图3是曝光结束后经过待曝光器件上的其中一个曝光像素点P的图形发生器所有像素点的分布。其中，A是待曝光器件，B是图形发生器，C是待曝光器件上某一像素点(与图形发生器一个像素点的投影大小相等)，D是依次在曝光过程中经过C点图形发生器像素点，E是曝光时待曝光器件相对图形发生器的运动方向。可见是这个像素点对应图形发生器的像素点所在的那一列像素点。该列所有像素点的光学投影随着图形发生器与待曝光器件之间的相对运动依次经过该像素点，因此可以控制图形发生器每个像素点的投影经过该像素时是否打开来控制总盖像素点总的曝光次数。

如图4所示。图4是计算机科学中二进制表示的各个位所代表的权值展开示意，图中是个4位的二进制数的权值展开。如果某一二进制位为1则其对应权值的个数则全部计数，反之则不计数。因此可以表示自然界的十进制数。将其利用在扫描曝光系统中则是：按待曝光器件上某一像素点应该曝光的次数的值的二进制展开来控制每次经过待曝光器件上某一像素点的图形发生器的投影的有无就可以控制总的曝光次数。

下面描述一个a*b像素阵列的图形发生器被用来曝光一个c*d的待曝光器件的情况。其中a＝2^N-1-1，N为待曝光器件上每个像素点所要曝光的次数的灰阶值，也就是最大能曝光a＝2^N-1-1次。定义与相对运动方向一致的像素方向为列，与运动方向垂直的像素方向为行。分别用矩阵表示上述像素阵列。

$E=\left(\begin{array}{cccc}{e}_{11}& e_{12}& \·\·\·& e_{1a}\\ e_{21}& e_{22}& \·\·\·& e_{2a}\\ \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·\\ e_{b1}& e_{b2}& \·\·\·& e_{\mathrm{ba}}\end{array}\right)$

E矩阵表示图形发生器的像素矩阵。元素值表示是否反射曝光光束到待曝光器件。1表示反射，0表示不反射。

$F=\left(\begin{array}{cccc}{f}_{11}& f_{12}& \·\·\·& f_{1c}\\ f_{21}& f_{22}& \·\·\·& f_{2c}\\ \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·\\ f_{d1}& f_{d2}& \·\·\·& f_{\mathrm{dc}}\end{array}\right)$ $P(N-n)=\left(\begin{array}{cccc}{P}_{11}& P_{12}& \·\·\·& P_{1c}\\ P_{21}& P_{22}& \·\·\·& P_{2c}\\ \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·\\ P_{d1}& P_{d2}& \·\·\·& P_{\mathrm{dc}}\end{array}\right)$

F矩阵表示待曝光器件的像素矩阵。元素值表示在该像素点需要曝光的次数。

如图5所示。图5示意了曝光过程，图中，E是图形发生器在待曝光器件上的投影，F表示待曝光器件，

表示图形发生器的投影的像素点，

表示待曝光器件的像素点，表示完成曝光区域的像素点；0号过程示意了开始工作前，E和F的相对位置；1号过程示意了E和F刚接触瞬间的相对位置；2号过程示意了E已经有一个行像素点进入F后的位置关系；3号过程示意了E已经有二行像素点进入F后的位置关系；4号过程示意图了E已经有三行像素点进入F后的位置关系；5号过程示意了F已经有二行像素点曝光结束的位置关系。图中利用图形发生器的投影(以下简称投影)与待曝光器件的相对运动过程。每次投影移动一个像素点触发一次图形发生器更新。图5截取其中几个触发更新的时刻，来说明了运动曝光的过程。每次触发都会使图形发生器显示的图形按运动方向偏移一行，以保证图形与运动中(相对运动)的待曝光器件保持同步。

为了使每个待曝光像素点再投影完全经过该点后曝光的次数与需要曝光到曝光器件的灰阶图形中相应的像素点的灰阶值相同，使用将灰阶值按二进制展开成(2^N-1)位并根据触发依次按每一位值在图形发生器的某列上显示，该列是待曝光的像素点的上依次经过的投影像素列对应的图形发生器的列(图3说明了这种情况)。二进制展开在上文已经说明，图4示意了这种展开。

如图6所示。图6示意了运动曝光过程中，图形发生器的各个列读取待曝光灰阶图形数据的规则，目的是为了使投影经过待曝光器件的每个像素点后留下的显示规则是统一的，该规则也就是图中的A，可以看出A是按二进制展开方式显示的。图中的B就是图形发生器读取灰阶图形数据的规则。可以看出B也是按二进制展开方式的。因为与运动方向垂直的图形发生器每个列的投影经过待曝光器件上的像素点时的触发以及显示规则都是一样的。因此图中的横坐标是按列位单位的，也即图中的“待曝光器件的列”标识。下面是对图6的注释。

1、触发次数是指图形发生器投影与待曝光区域相对移动一个像素后触发更新一次图形发生器，从1开始计数；

2、待曝光行编号是指待曝光器件的像素行编号，从1开始计数，第一行先接触到图形发生器的投影；

3、该表格的内容的意义：每次触发所在待曝光行需要读取的灰阶数值的二进制的位数；

4、N表示灰阶值，行列交点的元素值(N-n)表示灰阶数值的二进制位的值，(N-1)表示最高位的值，(N-N)表示最低位；

5、A表示某一待曝光器件像素行所经过的曝光数据，可以看出是二进制展开式，且每行一样。

6、B表示为了满足A每一待曝光器件像素行都是按同一规则，所需要的显示规则。可以看出，该规则也是按二进制展开。

7、像C这样的触发次数，因为图形发生器的投影还未完全进入待曝光器件(区域)，所以图形发生器并不是所有的像素点都显示，未进入曝光区域的需要关闭。

如图7所示。图中，N表示需要曝光图形的灰阶数；n为一个变量，范围1≤n≤N；F矩阵表示待曝光图形的灰度图形，F矩阵的每个元素表示一个待曝光像素点，每个元素值代表该像素点的灰度值；P(N-n)表示一个矩阵，该矩阵从F矩阵分解得出，(N-n)为一个变量，表示有N个P矩阵；P_ij(N-n)表示P(N-n)矩阵的P_ij元素；f_ij ^(N-n)表示F矩阵的f_ij ⁽元素的二进制位的第(N-n)位，(N-1)为最高位。为了适应上述的图形发生器读取数据规则，将存储待曝光灰阶图形数据存储器进行分区域处理。图7所示为灰阶图形数据分解为单色图形数据并按规则存储到各个分区的过程。灰阶图形数据的存储器分区域存储方法是指：将存储器划分为N个相同大小的区域，N表示灰阶的阶数。用灰阶图形数据每个像素点的灰度值的二进制表示的其中一位取出来生成新的单色图形数据，依次可形成N张单色图形数据。将这些单色图形数据依次存储到每个存储器分区中。

如图8所示。图8示意了图形数据的读取方法，图中D为图形发生器的行像素宽度。图形数据读取方法是指从存储器的每个分区域读取一些行的曝光数据形成一张与图形发生器一样像素分布的像素数据，并控制图形发生器显示，每个分区应该读取的数据量(像素行数)与该分区所存储的灰阶图形数据的二进制位有关。位(N-n)所对应的分区应该读取2^N-n行数据(N为灰阶值，n为二进制位)。

如图9所示。图9示意了图形数据在图形发生器上的分布，可以看出只要读取规则满足要求，则每个分区读取出来的数据在图形发生器上的分布是任意的。原因可以通过图6得出，该图中将每个待曝光器件的行的二进制位曝光顺序改变就可以改变图形发生器上数据的分布。图9示意了按行数由多到少分布以及以中心行为对称的分布两种情况。

Claims (5)

1.一种应用于直写式光刻机的灰阶曝光的方法，利用FPGA实现，其特征在于：包括以下步骤：

(1)首先将FPGA中用于存储灰阶图形数据的存储器划分为N个相同大小的区域，N表示灰阶图形灰阶的阶数；

(2)利用FPGA分别提取用来表示灰阶图形数据的二进制码的每一位，并依次形成与灰阶图形像素点分布一致的N张单色图形数据，然后将N张单色图形数据分别存储到存储器各个区域中；

(3)当待曝光器件与图形发生器所反射的激光光束相对位置移动了一个曝光像素点时，更新一次图形发生器的图形显示，同时，FPGA分别从存储器的每个区域读取行的曝光数据形成一张与图形发生器像素分布一致的像素数据，并控制图形发生器显示。

2.根据权利要求1所述的一种应用于直写式光刻机的灰阶曝光的方法，其特征在于：所述图形发生器为用于直写式光刻机的空间光调制器，其由像素点组成，且每个像素点可单独控制是否反射激光光束。

3.根据权利要求1所述的一种应用于直写式光刻机的灰阶曝光的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，图形发生器的图形显示更新方式为：将FPGA的各个存储器的区域中的行地址加一，并从新的行地址开始读取数据，图形发生器的单色图形数据由各个存储器的区域按规定数目行数据组成。

4.根据权利要求1所述的一种应用于直写式光刻机的灰阶曝光的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，FPGA从存储器的每个区域读取的行数不同，存储灰阶图形数据二进制值的某一位数据的区域就对应读取这一位对应的二进制权值，位(N-n)所对应的分区应该读取2^N-n行数据，其中N为灰阶值，n为二进制位。

5.根据权利要求1所述的一种应用于直写式光刻机的灰阶曝光的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，行是指图形发生器中与扫描运动方向垂直的一行像素点的集合，扫描运动方向是指曝光过程中图形发生器与待曝光器件的相对运动方向。

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