CN1648890A - 步进扫描投影光刻机的高速同步广播总线及总线平台 - Google Patents

Abstract

一种步进扫描投影光刻机的高速同步广播总线，包括非复用的控制信号线、地址信号线和数据信号线。本发明还提供了用于实现上述总线技术的步进扫描投影光刻机的同步控制总线平台。该平台由一个总线控制器、多个位置数据采集卡、多个运动控制卡组成，它基于同步广播、地址循环队列和计数器翻转机制。在控制系统工作过程中，总线控制器一方面通过连续的循环地址广播的方式来同步各总线从设备；另一方面，在与某次循环节拍相应的设定总线周期，总线控制器还可以触发外部同步对象的同步操作。同步广播总线的所有从设备都按照相同的时间基准并行工作。这样就保证了整个控制系统能够严格的同步工作，完成同步数据传输、同步数据处理和同步实时控制功能。

Description

步进扫描投影光刻机的高速同步广播总线及总线平台

技术领域

本发明涉及一种基于同步广播、地址循环队列和计数器翻转机制的同步总线技术，特别是一种步进扫描投影光刻机的高速同步广播总线及总线平台。

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。

另外，随着蚀刻线宽的不断缩小，迫使未来的光刻系统需要进一步提高对准精度，保证光刻工艺中的套刻精度，以实现更大的器件集成密度和减少单个芯片使用的硅片面积，降低芯片的生产成本。

所以，步进扫描投影光刻机的主要任务是实现高精度硅片对准和高精度硅片曝光过程。为达至这些目标，在对准和曝光这两个工艺过程中，都涉及到运动控制系统对工件台和掩模台(图2)运动的精确同步控制。

以曝光工艺为例。光刻机在执行曝光扫描时，首先将硅片上待曝光的区域移动到透镜的下方，硅片放在工件台上，并在曝光过程中保持匀速运动。这个运动与掩模台上的掩模和扫描狭缝单元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的最佳焦平面内。照明系统在工件台和掩模台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。

步进扫描光刻机通过掩模台与工件台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。

为实现上述运动控制，工件台运动控制需要有x，Rx，y，Ry，z，Rz六个自由度，掩模台运动控制同样需要x，Rx，y，Ry，z，Rz六个自由度，每一个自由度都有对应的位置传感器和运动控制器。而为实现高精度的运动控制，不同自由度控制的运动控制器需要其它自由度的位置信息，这样在光刻机工件台掩模台控制系统的每一个伺服周期内都有大量的位置数据交换过程。同时由于系统工作过程中各模块严格同步的需要，这种数据交换和运动控制必须是严格同步的。所以，要实现纳米级控制精度，需要同时进行多路位置数据采集、并同时进行位置数据的传输和处理，这就是引入同步广播总线的技术背景。

发明内容

本发明的目的是提供了一种步进扫描投影光刻机的高速同步广播数据总线及总线平台，它基于同步广播、地址循环队列和计数器翻转机制的同步总线技术，保证了整个控制系统能够严格的同步工作，完成同步数据传输、同步数据处理和同步实时控制功能。

本发明是这样实现的：

一种步进扫描投影光刻机的高速同步广播总线，包括控制信号线、地址信号线和数据信号线，其特征在于：它是一种同步广播总线。

一种基于上述高速同步广播总线的总线平台，由一块主控CPU卡、一块同步总线控制卡、多块位置数据采集卡、多块运动控制卡组成。

该主控CPU卡、同步总线控制卡、位置数据采集卡、运动控制卡组均集成到一个机箱的同一背板上。

该主控CPU板与同步控制卡、位置数据采集卡、运动控制卡通过通讯总线进行通信，通讯总线可以采用PCI或VME或Compact PCI总线协议形式。

该同步总线控制卡核心控制逻辑可采用FPGA/CPLD来实现。

该位置数据采集卡采用AD转换芯片、滤波电路和FPGA、FIFO存储器来实现。

该运动控制卡主要电路可以利用数字信号处理器、FPGA、Flash ROM、SRAM来实现。

该主控CPU板采用VxWorks或pSOS或RTLinux实时操作系统。

附图说明

图1是工件台和掩模台结构示意图。

图2是同步广播总线平台示意图。

图3是同步总线控制卡的同步控制逻辑示意图。

图4是同步广播总线的时序层次。

图5是位置数据采集卡的的同步控制逻辑示意图。

图6是运动控制卡的的同步控制逻辑示意图。

图7是工件台掩模台控制系统结构示意图。

具体实施方式

本发明的同步广播总线包括控制信号线、地址信号线和数据信号线。其基本特点是：

1)同步广播总线是一种非复用总线，也既是说，使用分别的地址信号线和数据信号线来同时传输地址信息和数据信息；

2)称为同步总线是因为在数据提供方和数据接收方之间没有握手信号，总线传输由一块总线控制卡统一控制，总线上其它任合一块板卡都不会影响总线传输周期的时序；

3)称为广播总线是因为总线传输时，由总线控制卡提供地址和控制信号，总线上一块板卡提供数据输出，而其余的板卡存储该数据。

实现上述架构的总线平台如图2所示，在同步广播总线平台中，同步总线控制卡为所有的位置采集卡提供采样时钟基准；负责按照控制节拍设定，在每一个伺服周期内控制位置数据采集卡同步锁存位置信息，并通过同步广播总线将多路位置信息依次传输到运动控制卡，还通过同步广播总线在运动控制卡之间进行位置信息的交换；当完成数据交换工作后，同步总线控制卡还通过同步广播总线向运动控制卡发布同步控制命令，启动运动控制卡同步进行位置信息处理和运动控制。

位置数据采集卡在同步总线控制卡提供的采样时钟下进行连续位置信息采样工作，一旦同步总线控制卡触发位置采集卡锁定输出数据，位置数据采集卡将保持输出数据不变，并且所有的位置采集卡锁定的都是同一时刻的位置信息，直到同步总线控制卡撤销该触发信号。在输出数据保持不变的过程中，同步总线控制卡就通过同步广播总线把位置数据从一块位置采集卡同时传送到多块运动控制卡，这样依次读取，可以完成所有位置采集卡位置信息到运动控制卡的同步传输。

运动控制卡在同步总线控制卡的控制下从同步广播总线上读取来自位置采集卡的位置数据，放入卡上的双端口存储器中；当接收完这些位置数据之后，在同步总线控制卡的控制下，还可以把来自一块运动控制卡的其它位置数据通过同步广播总线传输到其它的运动控制卡中。完成所有的位置数据传输之后，同步总线控制卡会在同步广播总线上发布同步状态命令，运动控制卡接到该命令时，即开始进行数据处理和运动控制等工作。

对应于运动控制系统的一个伺服周期，需要多次位置数据交换，同步总线控制卡正是通过同步广播总线提供了与运动控制规划伺服周期相应的周期数据传输控制，所以满足了光刻机控制系统工件台和掩模台同步高精度运动控制目标。

为了说明同步广播总线技术及其总线平台，首先需要对同步总线控制卡、位置数据采集卡和运动控制卡的同步结构进行说明。

如图3是同步总线控制卡的同步控制逻辑示意图，同步广播总线地址FIFO中放置了需要按时序要求进行数据交换的位置数据采集卡和运动控制卡的地址，同步总线控制卡在同步广播总线上广播一个地址时，只有被寻址的位置数据采集卡、运动控制卡提供数据，其余的运动控制卡存储数据；一个数据交换对应于同步广播总线的一个总线周期；当系统控制环路要完成一个控制节拍，要涉及多组数据的交换，这样每一组数据交换就可以利用一个同步广播总线地址序列来对应，这样的数据交换就构成同步广播总线的一个序元；系统控制环路的一个控制节拍里多组数据(即多个序元)的数据交换对应的是若干个同步广播总线地址序列，完成一个控制节拍所需要的所有数据交换就对应于同步广播总线的一个伺服间隔，一个控制节拍对应于系统控制轨迹的一个点。

实际上，控制环路的数据交换是周期性的，因此采用循环地址序列可以实现这样的周期性数据交换过程。

通过计数器可以控制循环的次数，这样可以实现连续的系统控制轨迹；当计数器计数值为0时，命令FIFO和时间FIFO将向各自的控制寄存器加载新的值，同时，计数器也按照时间控制寄存器加载新的计数值，这即是计数器翻转机制。

由于同步总线控制卡需要同步系统中的许多设备，根据时序规划可以得到对应于同步总线控制卡控制节拍的同步时间点和需要同步的目标设备，采用命令FIFO中的命令规定同步时间点上需要同步的目标设备及其同步方式，一条命令可以对处于相同同步时间点的多个目标设备进行同步；与命令FIFO一条命令相应的是时间FIFO的一个计数器值，该计数器值对应于命令所持续的伺服间隔的个数，这样可以实现对时间段的同步(当伺服间隔＝1时，对于低速同步目标来讲，也可以看作是一个时间点)。

除了要实现连续的轨迹控制，实际的系统还需要处理不同的控制器状态，比如空闲、运行、错误处理等，与状态相对应的时序层次是总线过程，每一个总线过程对应于控制系统的一个工作状态。

同步广播总线的时序层次如图4所示。

当按照时序规划完成在同步总线控制卡中的总线填充(设置地址循环队列和命令队列、时间队列称为总线填充)，通过通讯总线(图3中未示出)就可以启动时序控制或停止时序运行(调用不同的总线过程)，同时当同步总线控制卡收集到来自目标设备的错误/状态信息时，也可以按照设定要求停止时序运行(错误状态)，并通过通讯总线向上位机或相关处理器平台报告系统错误/状态信息。

如图5是位置数据采集卡的的同步控制逻辑示意图。

位置数据采集卡的同步控制结构比较简单，得到同步总线控制卡的采样触发信号后，位置数据采集卡开始按照选定的采样频率(由采样时钟控制)把外部传感器信号转换为数字信号，并存入FIFO队列，并以同样的频率更新输出寄存器内的数据；当收到同步总线控制卡的锁存信号后，位置数据采集卡输出寄存器停止更新进入保持状态；同步总线控制卡会在此后的总线周期内从该寄存器中读出数据，同时所有的运动控制卡同时读取该数据。对于多块位置数据采集卡，由同步总线控制器通过同步广播对应的地址序列来完成将位置数据采集卡中的数据传输到运动控制卡中的过程。

当位置数据采集卡出现FIFO溢出或其它错误的情况，可以利用位置数据采集卡状态信号来告知同步总线控制器错误/状态信息。

如图6是运动控制卡的的同步控制逻辑示意图。

比较特殊的是，运动控制卡采取双端口存储器的中断触发机制来实现与系统的同步。在每个控制节拍的开始同步总线控制卡首先把该节拍所需传输(从位置数据采集卡→运动控制卡)或交换(从运动控制卡→运动控制卡)的数据通过同步广播总线的地址广播序列完成；紧接着，利用一个总线周期，同步总线控制卡在同步广播总线上广播一个特殊的地址，该地址映射到双端口存储器的中断触发地址，因而对该地址的写操作将触发双端口存储器产生运动控制卡内的信号处理器中断，所有的运动控制卡的处理器同时响应该中断，同时对双端口存储器中的新数据进行处理，并将处理后产生的控制数据下发给各自负责的驱动器等被控对象，由此实现同步总线控制卡对运动控制卡的同步控制。

从上面的描述的同步广播总线控制机制可见，应用同步广播、地址循环队列和计数器翻转机制，可以保证工件台掩模台控制系统对工件台和掩模台多自由度运动控制的连续和同步控制。

本发明所提出的同步广播、地址循环队列和计数器翻转机制以及相应的总线实现平台，可以在步进扫描光刻机中获得如下效果：

(1)实现对工件台掩模台位置信息的同步采样；

(2)实现对工件台掩模台位置信息的同步传输；

(3)实现对工件台掩模台不同自由度的运动控制卡的同步控制。

为更好的理解本发明，应用本发明提出的同步广播总线技术及总线平台，我们提出一个具体实施例，以实现步进扫描投影光刻机的工件台和掩模台的同步连续运动控制，本发明的保护范围不限于本实施例确定的范围。

如图7所示，作为一个最佳实施例，工件台掩模台控制系统由一块主控CPU卡(图中的通讯总线控制卡)、一块同步总线控制卡、多块位置数据采集卡、多块运动控制卡组成，上述板卡均集成到一个机箱的同一背板上。主控CPU板采用VxWorks，pSOS，RTLinux等实时操作系统；主控CPU板与同步控制卡、位置数据采集卡、运动控制卡通过通讯总线进行通信，通讯总线可以采用PCI、VME，Compact PCI等总线协议形式；除经通讯总线与主控CPU板相连外，同步总线控制卡、位置数据采集卡和运动控制卡通过本发明所提出的同步广播总线连接，以完成实时位置数据的同步传输和处理；同步总线控制卡核心控制逻辑可采用FPGA/CPLD实现；位置数据采集卡可以采用AD转换芯片、滤波电路和FPGA、FIFO存储器来实现；运动控制卡主要电路可以利用数字信号处理器、FPGA、FlashROM、SRAM等来实现。具体工作过程说明如下：

STEP A：为了实现同步数据传输和同步控制，首先通过主控CPU卡向同步总线控制卡、位置数据采集卡、运动控制卡下载初始化参数，并对同步总线控制卡进行时序参数设置(设置地址循环队列、命令队列、时间队列等)；

STEP B：当完成系统初始化和控制参数设置后，由主控CPU卡启动同步总线控制卡的同步控制逻辑(同步总线广播、地址循环队列和计数器翻转)。

STEP C：在同步总线控制卡的控制下，利用一个总线序元广播一段连续的总线地址，每一个总线地址对应一个位置采集卡的输出寄存器，这样可以将每一个位置数据采集卡的位置信息依次按照控制节拍在固定的时刻和固定的时间内广播到所有的运动控制卡，运动控制卡之间的数据交换也是按同样的方法实现，

STEP D：同时在该伺服间隔内，其余的时间(间隔里剩下的其余序元)用于位置数据处理和运动控制，计数器的计数值对应着伺服间隔的循环次数，时间队列的所有时间值的总和对应着伺服控制轨迹的点数，所以可以实现工件台和掩模台的连续运动轨迹控制；

STEP E：通过计数器翻转机制可以实现对诸如同步实时位置数据锁存等不同类型的同步控制功能，每次计数器翻转时，新的同步命令被加载到同步触发信号接口，从而触发外部目标设备同步动作，比如协调光刻机曝光控制单元在正确的运动位置进行曝光动作等。

综上所述，基于同步广播总线技术及总线平台的工件台掩模台运动控制系统可以实现严格的同步数据传输、处理和控制算法的执行，进而满足光刻机曝光、对准等工艺过程对运动控制精度的严格要求。

Claims (8)

1、一种步进扫描投影光刻机的高速同步广播总线，包括控制信号线、地址信号线和数据信号线，其特征在于：它是一种非复用总线。

2、一种基于如权利要求1所述高速同步广播总线的总线平台，由一块主控CPU卡、一块同步总线控制卡、多块位置数据采集卡、多块运动控制卡组成。

3、根据权利要求2所述的总线平台，其特征在于：该主控CPU卡、同步总线控制卡、位置数据采集卡、运动控制卡组均集成到一个机箱的同一背板上。

4、根据权利要求2所述的总线平台，其特征在于：该主控CPU板与同步控制卡、位置数据采集卡、运动控制卡通过通讯总线进行通信，通讯总线可以采用PCI或VME或Compact PCI总线协议形式。

5、根据权利要求2所述的总线平台，其特征在于：该同步总线控制卡核心控制逻辑可采用FPGA/CPLD来实现。

6、根据权利要求2所述的总线平台，其特征在于：该位置数据采集卡采用AD转换芯片、滤波电路和FPGA、FIFO存储器来实现。

7、根据权利要求2所述的总线平台，其特征在于：该运动控制卡主要电路可以利用数字信号处理器、FPGA、Flash ROM、SRAM来实现。

8、根据权利要求2或3或4或5或6或7所述的总线平台，其特征在于：该主控CPU板采用VxWorks或pSOS或RTLinux实时操作系统。

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