CN1259691C

CN1259691C - 步进扫描光刻机连续扫描同步控制方法和系统

Info

Publication number: CN1259691C
Application number: CN 200410066384
Authority: CN
Inventors: 刘世元; 裴辛哲; 周畅; 陈勇辉
Original assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Current assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Priority date: 2004-09-15
Filing date: 2004-09-15
Publication date: 2006-06-14
Anticipated expiration: 2024-09-15
Also published as: CN1588235A

Abstract

本发明首先提供了一种步进扫描投影光刻机同步控制方法，该方法基于谈判机制和队列机制，谈判机制用于当前扫描执行阶段获得下一次扫描所需的参数；队列机制则将谈判获得的下一次扫描参数放入子模块的扫描队列中，以保证多次扫描能够连续执行，通过这两种机制的有机结合，从而实现光刻机系统的连续曝光扫描同步控制。本发明还提供了用于实现上述方法的步进扫描投影光刻机同步控制系统，该系统包括上位机和若干个子系统，同步控制卡通过内部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，并同时向照明控制单元的剂量控制卡和狭缝运动控制卡发送同步触发命令，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

步进扫描光刻机连续扫描同步控制方法和系统

技术领域

本发明涉及一种步进扫描投影光刻机同步控制方法和系统，更进一步而言，涉及一种基于谈判机制和队列机制的步进扫描投影光刻机连续曝光扫描控制方法，以及一个由曝光控制模块、扫描控制模块和各个子控制模块组成的、利用各个子控制模块之间实时接口协同工作、实现上述控制方法的步进扫描投影光刻机控制系统。

背景技术

光刻机是集成电路加工过程中最关键的设备。国外早在多年前就已提出下一代光刻的概念，并对极紫外线光刻、电子束投影光刻、离子束投影光刻等技术进行了大量的研究，但由于工艺、生产效率、成本等诸多原因，这些技术目前仍然难以完全实用化。目前占市场主导地位的仍然是深紫外线投影光刻设备。

当前，绝大多数投入使用的是步进重复光刻机。步进重复光刻机中，整个像场同时曝光。这种系统容易设计和实现。随着市场不断提高对大尺寸、细线宽、高精度、高效率、低成本集成电路生产的需求，对半导体设备带来了前所未有的挑战。步进重复光刻机采用一次成像技术，为了增大像场要求更大直径的透镜系统作为支撑，但这一要求遇到了技术因素和经济因素的双重制约，从而限制了步进重复光刻机向更高精度、更大尺寸的芯片加工方向发展。

在这种情况下，科研人员开发了一种新型的光刻机——步进扫描投影光刻机。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：为了能够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；同时，扫描应以连续的方式实现。

发明内容

本发明提供了一种基于谈判机制和队列机制的步进扫描投影光刻机连续曝光扫描控制方法。本方法通过一个由曝光控制模块、扫描控制模块以及各子系统控制模块组成的、利用各个模块之间实时接口协同工作的控制系统来实现。

实现上述方法的控制系统结构框图如图2所示。其中，同步控制卡为所有扫描曝光涉及的子模块运动控制卡提供统一的时钟。曝光控制模块31完成曝光参数的合成，并将合成的曝光参数下发给扫描控制模块32。扫描控制模块32应用谈判机制与工件台控制模块33、掩模台控制模块34、同步控制模块35、狭缝控制模块36、剂量控制模块37进行谈判，以获得下一次扫描所需的扫描参数，然后应用队列机制将谈判结果在相应的工件台运动控制卡、掩模台运动控制卡、同步控制卡、狭缝运动控制卡以及剂量控制卡的存储设备中排队。此后，同步控制卡同时触发各运动控制卡，进而各运动控制卡利用各自队列中的扫描参数驱动相应的设备实现连续曝光扫描同步控制。

下面给出单次曝光扫描与连续曝光扫描的示意图，见图3，并在此基础上描述扫描过程的时序分解以及各时序段完成的功能。

从图3可以看出，单次扫描是由扫描准备阶段、实际扫描阶段和扫描结束阶段构成的，而连续曝光扫描是由第1次扫描准备阶段、实际扫描阶段加第2次扫描准备阶段、实际扫描阶段加第3次扫描准备阶段、实际扫描阶段以及扫描结束阶段构成的。连续曝光扫描中，当前扫描的实际扫描完成后，直接进入下一次扫描的准备阶段，两次扫描中间没有结束这个阶段，从而使得多次扫描实现连续化。

另外，为了实现连续曝光扫描，要求下一次扫描所需的参数，必须在当前扫描的实际扫描阶段结束前已经确定，并且存储在同步扫描曝光涉及的子模块的存储队列中。

根据上面的分析，针对扫描参数的确定以及存储，分别提出谈判机制和队列机制，通过这两种机制的有机结合，实现光刻机的连续曝光扫描同步控制。

由于连续曝光扫描中，下一次扫描参数必须在当前扫描执行的过程中确定，因此扫描过程是由两个并行的阶段构成的，即扫描定义阶段和扫描执行阶段。

在扫描定义阶段，扫描控制模块与掩模台、工件台、狭缝和剂量控制模块就下一次扫描参数进行谈判，获得子模块各自的扫描准备时间和实际扫描时间，在此基础上确定一组优化的参数，这组参数将用于所有涉及的子模块。这个谈判过程必须在当前扫描结束前完成。

在扫描执行阶段，真正执行一次扫描。工件台和掩模台处于运动状态、狭缝与掩模台同步运动、照明系统提供曝光光源等。在这个阶段，子模块之间的同步对各个子模块施加了非常严格的实时要求，因此只能通过高速硬件板卡和固件来实现。

具体的步进扫描光刻机连续曝光扫描同步控制系统中，曝光控制模块31包含有用于读取并存储曝光参数序列的存储部件，扫描控制模块32和各子模块都包含有用于存储扫描队列的存储部件。

扫描参数和控制信息在系统中流转顺序为：首先在曝光控制模块31中合成曝光参数，扫描控制模块32接收曝光参数并存入扫描控制队列，扫描控制模块32与各子模块谈判后，将谈判的结果应用队列机制存入各子模块的扫描队列。

步进扫描光刻机进行连续曝光扫描工作时，扫描控制模块32可在当前扫描执行的同时，与掩模台控制模块34、工件台控制模块33、狭缝控制模块36、剂量控制模块37就下一次扫描参数进行谈判，得到一组优化参数，放入子模块的扫描队列中，然后将同步信息连同控制信息一起放入同步控制模块的扫描队列中。

在上述过程中，体现了队列机制和谈判机制的运用，下面从控制方法的角度对控制过程再一次进行描述。

谈判机制用于当前扫描执行阶段获得下一次扫描所需的参数；队列机制则将谈判获得的下一次扫描参数放入子模块的扫描队列中，以保证多次扫描能够连续执行。通过这两种机制的有机结合，从而实现光刻机系统的连续曝光扫描同步控制。基于提出的谈判机制和队列机制的连续曝光扫描同步控制示意图见图4。具体说明如下：

Step A：曝光控制模块首先从曝光参数文件中取出前4个曝光参数，放入它的队列中，此时扫描控制模块与子模块的扫描队列中没有参数。

Step B：曝光控制模块首先将前3个曝光参数下发到扫描控制模块的队列中，并从合成的曝光参数文件中将第5到第7个曝光参数放入队列。此时子模块驱动程序队列没有参数。

Step C：扫描控制模块从它的参数队列中取出第1个曝光参数与各个子模块进行谈判，确定第1次扫描所需的准备时间和实际扫描时间，并将确定的谈判结果放入各个子模块驱动程序的队列中，并将同步信息和控制信息放入同步控制模块，之后通知同步控制模块开始扫描。

Step D：各个子模块在同步控制模块的指导下开始扫描，同时扫描控制模块从它的参数队列中取出第2次曝光参数与所涉及的各个子模块进行谈判。

Step E：各个子模块在执行第1次扫描的同时，第2次谈判的结果被放入子模块驱动程序的队列中。扫描控制模块等待第1次扫描结束。

Step F：第1次扫描完毕后，子模块在同步控制模块的指导下马上执行第2次扫描，并将第1次扫描结果返回曝光控制模块，用来修正第4次曝光参数。同时，扫描控制模块就第3次扫描与各个子模块进行谈判。

Step G：在第2次扫描执行的同时，扫描控制模块将通过谈判确定的第3次扫描参数放入子模块驱动程序的队列中。同时，曝光控制模块读入第8次曝光参数并将修正的第4次曝光参数下发放入扫描控制模块的队列中。扫描控制模块等待第2次扫描结束。

Step H：子模块完成第2次扫描，并立即执行第3次扫描。扫描结果返回到曝光控制模块，用来修正第5次曝光参数。同时，扫描控制模块就第4次扫描与涉及的各个子模块进行谈判。

从上面描述的过程可以看出，应用提出的谈判机制和队列机制，多次扫描曝光可以连续执行，并且同步控制模块保证了各个子模块的多次扫描曝光可以连续执行，并且同步控制模块保证了各个子模块的同步动作。

本发明提出的谈判机制、队列机制和控制系统，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确同步控制；

(2)实现了曝光扫描的连续化，进而提高了生产效率。

附图说明

图1：a步进扫描光刻机曝光像场和扫描狭缝；

b步进扫描投影光刻机曝光扫描基本原理；

图2：连续曝光扫描同步控制系统功能框图；

图3：单次曝光扫描与连续曝光扫描示意图；

图4：连续曝光扫描同步控制的谈判机制和队列机制；

图5：连续曝光扫描同步控制系统结构。

具体实施方式

为更好的理解本发明，应用本发明提出的谈判机制、排队机制以及同步控制系统结构，我们提出一个具体实施例，以实现步进扫描投影光刻机的连续曝光扫描同步控制，本发明的保护范围不限于本实施例确定的范围。

如图5所示，作为一个最佳实施例，控制系统由上位机100和若干分系统控制单元组成。上位机100采用工作站或工控PC机，应用Unix或Windwos等操作系统；分系统控制单元的主控CPU板，如工WinCE等实时操作系统；上位机100与分系统控制单元通过工业以太网、工业现场总线等通信方式互连。分系统控制单元内部板卡之间，如工件台掩模台控制单元110内部的第一主控CPU板111、工件台运动控制卡113、掩模台运动控制卡114、同步控制卡之间115，以及照明控制单元120内部的第二主控CPU板121、剂量控制卡123和狭缝运动控制卡122，采用内部总线形式如PCI，VME，Compact PCI，VXI，PXI，PC104，GPIB，USB等相互连接在一起，以便进行实时内部信息交换。分系统控制单元内部的主控CPU板采用符合上述总线标准的通用或专用CPU板，其它板卡如工件台运动控制卡113、掩模台运动控制卡114、同步控制卡115、剂量控制卡123、狭缝运动控制卡122为特殊设计的硬件板卡，其核心芯片采用微处理器、DSP、FPGA/CPLD等。

曝光控制模块101位于上位机100；扫描控制模块112、工件台控制模块113、掩模台控制模块114和同步控制模块115位于工件台掩模台控制单元110的第一主控CPU板111内；剂量控制模块123、狭缝控制模块122位于照明控制单元120的第二主控CPU板121内。

为了实现同步控制，同步控制卡通过内部总线实时向工件台运动控制卡117和掩模台运动控制卡114发布同步信息；同时，通过高速串口连接、直接电气连接等方式向照明控制单元120的剂量控制卡123和狭缝运动控制卡122发送同步触发命令。需求强调的是，同步控制卡118同时向工件台运动控制卡116、掩模台运动控制卡117以及向剂量控制卡125和狭缝运动控制卡124发送同步信息，以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。

基于上述构建的控制系统平台，结合并应用本发明提出的谈判机制和队列机制可实现步进扫描光刻机连续曝光扫描同步控制，具体步骤如下：

Step A：位于上位机100的曝光控制模块101首先从曝光参数文件中取出前4个曝光参数，放入它的队列中，此时扫描控制模块112与子模块的扫描队列中没有参数。

Step B：曝光控制模块首先将前3个曝光参数下发到工件台掩模台控制单元110的扫描控制模块的队列中，并从合成的曝光参数文件中将第5到第7个曝光参数放入队列。此时子模块驱动程序队列没有参数。

Step C：扫描控制模块112从它的参数队列中取出第1个曝光参数与工件台控制模块113、掩模台控制模块114以及照明控制单元120的剂量控制模块123和狭缝控制模块122进行谈判，确定第1次扫描所需的准备时间和实际扫描时间，将确定的谈判结果放入各个子模块驱动程序的队列中，并将同步信息和控制信息放入同步控制模块118，之后通知同步控制模块115开始扫描。

Step D：各个子模块在同步控制模块118的指导下开始扫描，同时扫描控制模块112从它的参数队列中取出第2次曝光参数与所涉及的各个子模块进行谈判。

Step E：各个子模块在执行第1次扫描的同时，第2次谈判的结果被放入子模块驱动程序的队列中。扫描控制模块112等待第1次扫描结束。

Step F：第1次扫描完毕后，子模块在同步控制模块118的指导下马上执行第2次扫描，并将第1次扫描结果返回曝光控制模块，用来修正第4次曝光参数。同时，扫描控制模块112就第3次扫描与各个子模块进行谈判。

Step G：在第2次扫描执行的同时，扫描控制模块112将通过谈判确定的第3次扫描参数放入子模块驱动程序的队列中。同时，曝光控制模块101读入第8次曝光参数并将修正的第4次曝光参数下发放入扫描控制模块112的队列中。扫描控制模块等待第2次扫描结束。

Step H：子模块完成第2次扫描，并立即执行第3次扫描。扫描结果返回到曝光控制模块101，用来修正第5次曝光参数。同时，扫描控制模块112就第4次扫描与涉及的各个子模块进行谈判。

Claims

1.一种步进扫描光刻机连续扫描同步控制系统，其特征在于，包括：

上位机(100)，包括一个曝光控制模块(101)；

工件台掩模台控制单元(110)，包括第一主控CPU板(111)，工件台运动控制卡(116)，掩模台运动控制卡(117)，同步控制卡(118)；所述第一主控CPU板(111)上有扫描控制模块(112)，工件台控制模块(113)，掩模台控制模块(114)，同步控制模块(115)；所述第一主控CPU板(111)与所述工件台运动控制卡(116)，所述掩模台运动控制卡(117)，所述同步控制卡(118)通过内部总线相连接；

照明控制单元(120)，包括第二主控CPU板(121)，狭缝运动控制模块(124)，剂量控制卡(125)；所述第二主控CPU版(121)上有狭缝控制模块(122)，剂量控制模块(123)；所述第二主控CPU板(121)与所述狭缝运动控制卡(124)，所述剂量控制卡(125)通过内部总线相连接；所述同步控制卡(118)通过内部总线实时向所述工件台运动控制卡(116)和所述掩模台运动控制卡(117)发布同步信息，同时向所述照明控制单元(120)的所述剂量控制卡(125)和所述狭缝运动控制卡(124)发送同步触发命令。

2.如权利要求1所述的步进扫描光刻机连续扫描同步控制系统，其特征在于，所述上位机(100)采用工作站。

3.如权利要求1所述的步进扫描光刻机连续扫描同步控制系统，其特征在于，所述上位机(100)采用工控PC机。

4.如权利要求2或3所述的步进扫描光刻机连续扫描同步控制系统，其特征在于，所述上位机(100)采用Unix操作系统或采用Windows操作系统。

5.如权利要求4所述的步进扫描光刻机连续扫描同步控制系统，其特征在于，所述上位机(100)与所述工件台掩模台控制单元(110)和所述照明控制单元(120)通过工业以太网相连接或通过工业现场总线相连接。

6.如权利要求5所述的步进扫描光刻机连续扫描同步控制系统，其特征在于，所述工件台掩模台控制单元(110)和所述照明控制单元(120)采用实时操作系统。

7.如权利要求6所述的步进扫描光刻机连续扫描同步控制系统，其特征在于，所述实时操作系统为VxWorks或pSOS或RTLinux或WinCE。

8.如权利要求7所述的步进扫描光刻机连续扫描同步控制系统，其特征在于，所述工件台掩模台控制单元(110)和所述照明控制单元(120)内部板卡之间采用内部总线形式相连接，以便进行实时内部信息交换。

9.如权利要求8所述的步进扫描光刻机连续扫描同步控制系统，其特征在于，所述内部总线形式为PCI或VME或CompactPCI或VXI或PXI或PC104或GPIB或USB或特殊设计的自定义总线。

10.如权利要求9所述的步进扫描光刻机连续扫描同步控制系统，其特征在于，所述第一主控CPU板(111)和所述第二主控CPU板(121)采用符合相应总线标准的CPU板。

11.如权利要求10所述的步进扫描光刻机连续扫描同步控制系统，其特征在于，所述工件台运动控制卡(116)，所述掩模台运动控制卡(117)，所述同步控制卡(118)，所述剂量控制卡(125)，所述狭缝运动控制卡(124)为特殊设计的硬件板卡。

12.如权利要求11所述的步进扫描光刻机连续扫描同步控制系统，其特征在于，所述特殊设计的硬件板卡采用微处理器核心芯片。

13.如权利要求11所述的步进扫描光刻机连续扫描同步控制系统，其特征在于，所述特殊设计的硬件板卡采用DSP核心芯片。

14.如权利要求11所述的步进扫描光刻机连续扫描同步控制系统，其特征在于，所述特殊设计的硬件板卡采用FPGA/CPLD核心芯片。

15.一种步进扫描光刻机连续扫描同步控制方法，其特征在于，该方法基于谈判机制和队列机制，谈判机制用于当前扫描执行阶段获得下一次扫描所需的参数；队列机制则将谈判获得的下一次扫描参数放入子模块的扫描队列中，以保证多次扫描能够连续执行，通过这两种机制的有机结合，从而实现光刻机系统的连续曝光扫描同步控制；读取和控制步骤为：

第一步，曝光控制模块首先从曝光参数文件中取出前四个曝光参数，放入曝光参数队列中；

第二步，所述曝光控制模块首先将前三个曝光参数下发到扫描控制模块中的扫描控制队列中，并从合成的曝光参数文件中将第五到第七个曝光参数放入曝光参数队列；

第三步，扫描控制模块从扫描控制队列中取出第一个曝光参数与各个子系统进行谈判，确定第一次扫描所需的准备时间和实际扫描时间，并将确定的谈判结果放入子系统驱动程序队列中，之后通知所述扫描控制模块开始扫描；

第四步，各个子系统在所述控制模块的指导下开始扫描，所述扫描控制模块从扫描控制队列中取出第二次曝光参数与所涉及的各个子系统进行谈判；

第五步，各个子系统在执行第一次扫描的同时，第二次谈判的结果被放入子系统驱动程序队列中；所述扫描控制模块等待第一次扫描结束；

第六步，第一次扫描完毕后，子系统在所述扫描控制模块的指导下马上执行第二次扫描，并将第一次扫描结果返回所述曝光控制模块，用来修正第四次曝光参数；同时，所述扫描控制模块就第三次扫描与各个子系统进行谈判；

第七步，在第二次扫描执行的同时，所述扫描控制模块将通过谈判确定的第三次扫描参数放入子系统驱动程序队列中；同时，所述曝光控制模块读入第八次曝光参数并将修正的第四次曝光参数下发放入扫描控制队列中；扫描控制模块等待第二次扫描结束；

第八步，子系统完成第二次扫描，并立即执行第三次扫描；扫描结果返回到所述曝光控制模块，用来修正第五次曝光参数；同时，所述扫描控制模块就第四次扫描与涉及的各个子系统进行谈判。