步進掃描投影光刻機同步控制系統的制作方法

專利名稱：步進掃描投影光刻機同步控制系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及步進掃描投影光刻機控制技術，尤其涉及一種步進掃描投影光刻 機同步控制系統。
技術背景步進掃描光刻機中，曝光過程與步進重復光刻機有所不同。光束通過一個狹 縫并透過照明系統投影到掩模面上，掩模以設定的勻速通過這束光。同時，硅片 在透鏡的下方以相反方向運動。這種步進掃描光刻機與步進重復光刻機相比，具 有更低的變形和更大面積的像場；同時，承載硅片的工件臺和承載掩模的掩模臺 都能夠實現高速運動，使得步進掃描光刻機具有很高的生產率，從而更好地滿足 了市場對半導體芯片加工的需求。步進掃描投影光刻機的基本原理見圖1，圖l(a)為像場與狹縫曝光區域示意 圖，區域10為像場，其范圍大于普通的步進重復光刻機，步進重復光刻機像場 通常為22*22皿2，步進掃描光刻機可達到26*33mm2，陰影所示區域11為狹縫 曝光區域。圖l(b)為步進掃描投影光刻機工作狀態示意圖，步進掃描光刻機在執 行曝光掃描時，首先將硅片27上待曝光的區域移動到透鏡22的下方，硅片放在 工件臺21上，并在曝光過程中保持勻速運動。這個運動與掩模臺23上的掩模 26和掃描狹縫單元24的運動部分在時間上和位置上是嚴格同步的，同時硅片表 面在曝光過程中一直保持在透鏡22的最佳焦平面內。照明系統25在工件臺21 和掩模臺23以指定速度到達指定位置時，被同步觸發并開始提供曝光所需的光 劑量28。步進掃描光刻機通過掩模臺23與工件臺21相對同步運動的方式，并與照明 等其它子模塊協同工作，實現曝光動作。由于套刻精度、關鍵尺寸等決定曝光質 量的因素，要求光刻機中參與曝光的各個子模塊在動作時序上精確同步。步進掃描光刻機與步進重復光刻機相比，需要更加注意同步的問題，這是因為(1)對所有涉及的子模塊，掃描必須在相同的時間段內完成。具體來說，工
件臺和掩模臺必須在完全相同的時間段內通過事先規劃好的軌跡；照明系統必須 在相同的時間段內提供均勻分布的正確劑量；狹縫控制系統必須與掩模臺同步地 打開和關閉它的狹縫。(2)對于所有涉及的子模塊，掃描的起始時刻和結束時刻必須相同。具體而言， 工件臺和掩模臺必須在照明系統開始提供曝光劑量的時刻，以正確的速度到達正 確的位置。通過以上的分析可以得出，對于曝光掃描同步，要求所有涉及的子模塊必須 在掃描時序上取得嚴格一致。另外，參與曝光的子模塊需要一段時間為實際掃描做準備，這個時間段稱為 準備時間，主要用于激光器預充電以及工件臺和掩模臺開始加速最終達到并保持 在指定的速度。實際掃描時間是指照明系統提供光源、同時工件臺和掩模臺以勻 速運動、硅片均勻曝光、完成曝光動作所需的時間。因此，光刻機中一次掃描是由準備階段和實際掃描階段構成的。由于生產率和性能的要求， 一次掃描結束后應能夠直接進入到下一次掃描， 而在兩次掃描中間不出現停頓，這樣的掃描稱為連續曝光掃描。為了實現連續曝 光掃描，要求在進行當前掃描的同時能夠為下一次掃描準備必需的信息。連續曝 光掃描中，下一次掃描的準備時間和實際掃描時間需要根據當前掃描的信息獲得， 因此系統只能超前一步規劃；同時，連續曝光同步掃描過程中，由于外部條件的 變化需要應用先前完成的掃描信息修正后續的曝光參數。從以上的分析可以得出如下結論實現連續曝光掃描同步控制，需要特定的 機制保證掃描過程中涉及的子模塊的動作是嚴格同步的；為了保證各個子模塊間 的同步信號誤差嚴格控制在允許的范圍內，需要同步控制器在時間上進行精準的 控制。 發明內容本發明的目的是提供一種同步總線控制器及同步控制系統，實現了步進掃描 投影光刻機曝光掃描的同步信號控制。以同步總線數據傳輸作為時間基準，通過 同步總線的最小時間單元，嚴格控制各個信號的時間點，從而實現各個子模塊之 間信號的實時和同步。為實現上述目的，本發明是這樣實現的一種步進掃描投影光刻機同步總線控制器，其特征在于它通過三類同步信 號實現內部和外部分系統的同步①同步狀態廣播，②單線同步信號，(D同步觸
發信號，其中同步狀態廣播，是在同步廣播數據傳輸周期中向同步總線提供當前的掃描狀態；單線同步信號是一種外同步信號，用以同步與同步總線控制器不在同一個 VME機箱內的外部控制板卡，應用于對照明控制系統和對準控制系統的同步；同步觸發信號是連續的周期觸發脈沖，用以同步外部分系統與激光計數卡的 采樣時刻密切相關的同步動作，并且以激光計數卡采樣時刻作為時基。一種步進掃描投影光刻機同步控制系統，由上位機、工控機CPU板、上述的 同步總線控制器、運動控制卡、激光計數卡以及對準控制系統、照明控制系統組 成。該上位機與工控機CPU板通過工業以太網通信方式互連。 該工控機CPU板和同步總線控制器、運動控制卡、激光計數卡之間采用VME 總線連接在一起。該同步總線控制器、運動控制卡、激光計數卡之間采用自定義的同步總線SDB 進行數據交換。該同步總線控制器和對準控制系統、照明控制系統之間的連接采用485差分 信號線進行連接。該同步總線控制器、運動控制卡、激光計數卡使用的核心芯片是FPGA、 DSP。 曝光控制軟件模塊位于上位機；掃描控制軟件模塊工控機CPU板。 該上位機采用工作站或工控PC機，應用Unix或Windwos等操作系統。 該工控機CPU板采用VxWorks或pSOS或RTLinux或WinCE實時操作系統。


圖1 (a)是步進掃描光刻機曝光像場和掃描狹縫。圖1 (b)是步進掃描投影光刻機曝光掃描基本原理。圖2是同步總線控制器在掃描同步控制系統中的結構框圖。圖3是同步總線數據傳輸邏輯框圖。圖4是數據傳輸序元結構圖。圖5是連續序元的運行機制示意圖。圖6是同步狀態廣播信號觸發示意圖。圖7是數據傳輸序元和同步信號的協調控制示意圖。圖8是同步信號的產生機制示意圖。6 圖9是同步總線控制器應用于掃描同步控制過程示意圖。
具體實施方式
同步總線控制器是步進掃描投影光刻機同步控制的核心控制器。當參與同步 掃描過程的所有分系統在曝光控制軟件下協商好之后，同步總線控制器實施整個 掃描過程的硬件上的實時同步控制。同步控制過程的結構框圖如圖2所示，其中，同步總線控制器是實時同步控 制過程的核心，為所有掃描曝光涉及的子模塊和運動控制卡提供統一的時間基準。 曝光控制軟件通過工控機CPU板的VME總線接口把掃描參數傳遞給同步總線控 制器，同步總線控制器按照工控機CPU板指定的參數，對工件臺運動控制卡、掩 膜臺運動控制卡、工件臺激光計數卡、掩膜臺激光計數卡、對準控制系統、照明 控制系統進行同步控制，在精準的時間點輸出相應的同步控制信號。同步總線控制器和工控機CPU板的VME總線接口提供的操作方式有A24、 D16、 RMW Slave、 DOS (0)、 I (1~6) ROAK Interrupted其功能包括工控機 CPU板主動訪問同步總線控制器的寄存器以及同步總線控制器以VME總線中斷 形式主動通知工控機CPU板。同步總線控制器的中斷分為時間中斷和命令中斷， 時間中斷指定時器超時報告掃描狀態，命令中斷指命令開始時報告出錯信息。同步總線控制器的功能是控制同步總線的數據交換、產生同步狀態廣播信號、 產生外部同步控制信號、采集同步掃描過程的出錯信息。同步總線的數據交換機制如圖3所示，同步總線數據交換有總線控制器、數 據提供方和數據讀取方參與， 一次數據交換成為一次數據傳輸周期(Cycle),其步 驟為1. 總線控制方指定唯一數據提供方地址，并輸出數據鎖存等控制信號2. 根據指定的地址，數據提供方輸出數據到同步總線3. 需要數據的讀取方(允許多個總線設備)從同步總線上讀取數據 同步總線的時間單元分為數據傳輸周期.(Cycle)、數據傳輸序元(Sequence)和數據傳輸間隔(Interval)三個級別。一個數據傳輸序元(Sequence)由多個數據傳輸周期(Cycle)以一個循環FIFO 隊列的方式組成。其中的每個數據傳輸周期的數據交換參與方及數據交換內容可 編程設置，并且事先通知所有參與方。圖4描述了一個數據傳輸序元的結構。數據傳輸周期分為激光計數卡位置采樣數據傳輸周期、同步廣播數據傳輸周 期、運動控制卡同步狀態數據傳輸周期和運動控制卡運動控制數據傳輸周期。
空閑傳輸周期是一類特殊的傳輸周期，它不做任何事情，如果有效數據傳輸 周期總時間小于每個序元的固定時間，用一些空閑傳輸周期補充。當數據傳輸序 元有效時，如子系統不處于空閑狀態，同步總線上始終存在連續的數據傳輸序元， 每個序元的時間在同步總線控制器初始化時固定。連續序元控制由一個循環FIFO隊列和一個序元器組成。FIFO隊列中的每一 項描述了一個數據傳輸周期的屬性，隊列長度等于已定義的序元中的周期數。數 據傳輸序元負責將每個數據傳輸周期的地址和控制信號輸出到同步總線。圖5描 述了連續序元的控制機制。一個數據傳輸周期可以在每個序元中均執行，也可以每隔一定數目的序元執 行一次，稱之為序元傳輸間隔(Interval)。不同的掃描類型決定了不同的序元傳輸 間隔。存在三種序元傳輸間隔1. 零序元傳輸間隔即數據傳輸周期在每個序元均執行2. 伺服序元傳輸間隔適用于曝光掃描過程3. 對準序元傳輸間隔適用于對準掃描過程一個數據傳輸周期可以在伺服序元中有效，也可以同時在對準序元中有效。例如激光計數卡位置采樣數據傳輸周期，它在伺服序元用于工件臺的運動控制， 在對準序元中用于對準定位算法。同步總線控制器通過三類同步信號實現內部和外部分系統的同步1. 同步狀態廣播2. 單線同步信號3. 同步觸發信號同步狀態廣播用以與同步總線控制器在同一個VME機箱內的控制板卡，又稱 之為內同步信號。同步總線控制器在同步廣播數據傳輸周期中向同步總線提供當前的掃描狀 態。需要同步的同步總線設備(運動控制卡)檢査同步總線控制器的掃描狀態及自身 的掃描狀態。如果兩者一致，設備返回"同步正常"信號；如果狀態不一致，將導致同步狀態錯，設備返回"同步錯誤"信號。同步狀態廣播的同步總線地址對應于所有運動控制卡的DPRAM的中斷產生 地址。對中斷產生地址的寫操作將對運動控制卡的處理器產生中斷，運動控制卡 根據當前的掃描狀態可以明確中斷的含義。中斷的頻率即為運動控制采樣頻率。圖6描述了內同步信號反映的掃描狀態變化。
單線同步信號用以同步與同步總線控制器不在同一個VME機箱內的外部控 制板卡，是一種外同步信號，應用于對照明控制系統和對準控制系統的同步。它傳輸三類狀態信息1. 同步總線控制器的掃描狀態2. 外部分系統自身需要的同步狀態3. 外部分系統輸出的錯誤信號同步觸發信號是連續的周期觸發脈沖，用以同步外部分系統與激光計數卡的 采樣時刻密切相關的同步動作，并且以激光計數卡采樣時刻作為時基，即要求能 夠嚴格控制同步觸發信號相對于激光計數卡采樣時刻的偏差，保證相對于數據傳 輸周期的同步性。同步觸發信號主要用于對準掃描過程的采樣同步，不帶狀態信息，由同步總 線控制器發出的每個同步觸發信號對應了一次光能量信號采樣。為保證同步觸發信號相對于數據傳輸周期的同步性，需要通過序元傳輸間隔建立同步觸發信號和數據傳輸周期的關系。同步觸發信號屬性包括1. 同步觸發信號周期對準序元傳輸間隔2. 信號有效時所在的序元及數據傳輸周期號相對于激光計數卡采樣時刻的 偏差，且必小于同步觸發信號周期3. 同步觸發信號脈沖的個數同步觸發信號的持續時間序元傳輸間隔和數據傳輸周期的時間固定，激光計數卡位置采樣在激光計數 卡位置采樣數據傳輸周期中進行，因此同步觸發信號的產生時刻相對于激光計數 卡位置采樣時刻的偏差可以嚴格控制。序元和同步信號存在密切聯系，構成同步總線控制器的主功能模塊，如圖7 所示。同步信號中，同步狀態廣播內部同步信號，經由同步總線產生；單線同步 信號和同步觸發信號屬于外部同步信號，經由外同步接口產生。同步信號的產生通過"時間-命令"FIFO隊列及命令寄存器實現，如圖8所示。 其中1. FIFO隊列中的命令順序執行，時間表示命令有效的持續時間，命令表示 一種同步信號的產生，它反映了當前的掃描狀態；2. 隊列中的所有命令執行完成后，同步總線控制器將根據相應的系統狀態執 行命令寄存器中的命令；3. 命令隊列的執行由外部命令顯式啟動。 時間是定時計數器的設置值，它為伺服序元傳輸間隔的整數倍，每個伺服序 元傳輸間隔遞減。同步總線控制器在數據傳輸序元中，實時采集運動控制卡和激光計數卡的出 錯信息，并在必要時通知控制程序，終止掃描過程。同步總線控制器本身不產生 出錯信息，采集到的出錯信息將導致同步總線控制器的內部狀態變化。運動控制卡的出錯信息在運動控制卡同步狀態數據傳輸周期中傳輸。激光計 數卡的測量錯誤由激光計數卡錯誤信號線傳輸。此外，同步掃描過程中，對準控 制系統和照明控制系統的出錯信息由單線同步信號傳輸給同步總線控制器。從上面描述的過程可以看出，使用同步總線控制器可以有效的實現系統內部 和系統之間的同步控制，并且充分保證了同步控制信號的實時性。 *本發明實現的同步總線控制器，可以在步進掃描光刻機中獲得如下效果(1) 實現了曝光掃描過程中多個子模塊的精準同步控制；(2) 實現了曝光掃描的可靠性，進而提高了生產效率。(3) 實現了工控機CPU板對同步掃描的實時過程控制為更好的理解本發明，應用本發明的同步控制過程，我們提出了一個具體的 實施例，實現掃描投影光刻各個子模塊之間同步控制，本發明的保護范圍不限于 本實施例確定的范圍。如圖9所示，控制系統由上位機、工控機CPU板、同步總線控制器、運動控 制卡、激光計數卡以及對準控制系統、照明控制系統組成。上位機采用工作站或工控PC機，應用Unix或Windwos等操作系統；工控機 CPU板采用VxWorks或pSOS或RTLinux或WinCE實時操作系統；上位機與工 控機CPU板通過工業以太網通信方式互連。工控機CPU板和同步總線控制器、運 動控制卡、激光計數卡之間采用VME總線連接在一起，以便進行實時內部信息交 換。同步總線控制器、運動控制卡、激光計數卡之間采用自定義的同步總線SDB 進行數據交換。同步總線控制器和對準控制系統、照明控制系統之間的連接采用 485差分信號線進行連接。同步總線控制器、運動控制卡、激光計數卡使用的核 心芯片是FPGA、 DSP等。曝光控制軟件模塊位于上位機；掃描控制軟件模塊位于 工控機CPU板。為了實現同步控制，同步總線控制器通過同步總線實時向工件臺運動控制卡 和掩模臺運動控制卡發布同步信息，同步總線控制器同時通過外部同步信號向對 準控制系統和照明控制系統發送同步信息，以嚴格保證連續曝光掃描控制中工件
臺、掩模體、劑量供給以及狹縫運動是完全同步的。基于上述制作的同步總線控制器，結合進掃描光刻機連續曝光掃描同步控制， 具體步驟如下StepA:位于上位機的曝光控制軟件模塊通過以太網把曝光參數發送到工控機 CPU板。StepB:工控機CPU板接收到曝光參數，通過工控機CPU板的Vxworks操作 系統，調用同步驅動模塊，把相應的同步總線控制器的數據傳輸周期放入FIFO隊 列中，同時把"時間-命令"參數放入"時間-命令"FIFO隊列中。StepC:工控機CPU板通過調用同步驅動模塊啟動同步總線控制器。 StepD:同步總線控制器通知運動控制卡和激光計數卡，當前的狀態進入準備 掃描階段，工件臺向掃描起點運動。StepE:同步總線控制器輸出刀片同步信號指示VS刀片Y0開始運動。 StepF:同步總線控制器輸出激光器預充電信號，指示第一個光脈沖的高壓電 容充電。StepG:同步總線控制器控制的準備掃描階段完成，同步總線控制器向工控機CPU板請求中斷，通知工控機CPU板當前準備掃描階段完成。StepH:同步總線控制器通知運動控制卡和激光計數卡，當前的狀態進入實際掃描階段。并輸出激光曝光同步信號，指示照明控制系統產生激光脈沖。激光器繼續保持充電狀態。Stepl:同步總線控制器輸出刀片同歩信號指示VS刀片Yl開始運動。 StepJ:同步總線控制器的實際掃描階段完成，同步總線控制器向工控機CPU板請求中斷，通知工控機CPU板當前實際掃描階段完成。 Step K:如果是連續掃描返回Step D，否則到Step L。 StepL:同步總線控制器通知運動控制卡、激光計數卡進入空閑狀態。
權利要求
1、一種步進掃描投影光刻機同步控制系統，包括上位機、工控機CPU板、同步總線控制器、運動控制卡、激光計數卡以及對準控制系統、照明控制系統，上位機與工控機CPU板通過工業以太網通信方式互連，工控機CPU板通過VME總線與同步總線控制器、運動控制卡和激光計數卡連接，同步總線控制器、運動控制卡、激光計數卡之間總線連接，系統內設有的掃描控制模塊和曝光控制軟件用于控制光刻機的曝光與掃描工作，其特征在于所述的同步總線控制器分別和對準控制系統、照明控制系統用485差分信號線進行連接。
2、 如權利要求1所述的步進掃描投影光刻機同步控制系統，其 特征在于所述的同步總線控制器、運動控制卡、激光計數卡之間采 用同步總線進行數據交換。
3、 如權利要求2所述的步進掃描投影光刻機同步控制系統，其 特征在于所述的運動控制卡和激光計數卡之間的數據交換以同步總 線數據傳輸作為時間基準，同步總線控制器通過同步總線的最小時間 單元，控制數據傳輸的時間點。
4、 如權利要求1所述的步進掃描投影光刻機同步控制系統，其特征在于所述的同步總線控制器、運動控制卡、激光計數卡使用的芯片是FPGA和/或DSP。
5、 如權利要求1所述的步進掃描投影光刻機同步控制系統，其特征在于所述的曝光控制軟件模塊位于上位機。
6、 如權利要求1所述的步進掃描投影光刻機同步控制系統，其 特征在于所述的掃描控制軟件模塊位于工控機CPU板。
全文摘要
一種步進掃描投影光刻機同步控制系統，包括上位機、工控機CPU板、同步總線控制器、運動控制卡、激光計數卡以及對準控制系統、照明控制系統，其中同步總線控制器和對準控制系統、照明控制系統之間用485差分信號線進行連接，而同步總線控制器、運動控制卡、激光計數卡之間采用同步總線進行數據交換。本發明的步進掃描投影光刻機同步控制系統以運動控制卡和激光計數卡之間的數據交換以同步總線數據傳輸作為時間基準，同步總線控制器通過同步總線的最小時間單元，控制數據傳輸的時間點，從而實現步進掃描投影光刻機各個子模塊之間的嚴格同步過程。
文檔編號G03F7/20GK101149566SQ20071016501
公開日2008年3月26日 申請日期2005年2月5日 優先權日2005年2月5日
發明者劉世元, 暢 周, 蜂 池, 陳勇輝, 韋學志 申請人:上海微電子裝備有限公司