专利名称：一种步进扫描投影光刻机多总线时序同步控制方法
技术领域：
本发明属于光刻机控制系统领域，尤其涉及步进扫描投影光刻机多总线时序的同步控制方法。
背景技术：
光刻是集成电路加工过程中最关键的工序，因此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方面和经济方面的双重制约，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。于是产生了一种新型的光刻机——步进扫描投影光刻机。步进扫描光刻机的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2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控制单元的在时间上是严格同步的；为了保证各个控制单元间的同步信号误差严格控制在允许的范围内，需要同步控制体系在时间上进行精准的控制。
发明内容
本发明需要解决的技术问题在于提供一种步进扫描投影光刻机多总线时序同步的控制方法，以使得同步控制体系在时间上进行精确控制，从而实现多总线时序的同步控制。
同步总线控制器是实时同步控制过程的核心，为所有扫描曝光涉及的控制单元提供统一的时间基准。曝光控制软件通过工控机CPU板的VME总线接口把扫描参数传递给同步总线控制器，同步总线控制器按照工控机CPU板指定的参数，通过多总线的同步控制体系，实现对各个控制单元的精准同步控制。
本发明的技术方案包括以下步骤(10)上位机软件通过用户输入和设置将曝光参数输出到包含同步总线控制器的工件台掩模台实时操作系统中。
(11)工件台掩模台实时操作系统把曝光参数转换成各种所需的同步控制关系。
(12)工件台掩模台实时操作系统通过VME总线把同步控制关系传送给同步总线控制器。
(13)同步总线控制器按照给定的同步控制关系转换成实际的同步数据总线信号，保证激光计数卡和运功控制卡的伺服间隔同步和状态同步。
(14)同步总线控制器按照给定的同步控制关系转换成实际的外部同步信号，保证曝光照明控制系统和对准控制系统的状态同步。
(15)运动控制卡接收到同步控制器的伺服间隔同步和状态同步信号，产生中断给运动控制卡的高速数据处理芯片进行实时同步处理和伺服控制处理。运动控制卡以伺服间隔作为伺服采样周期。
(16)运动控制卡接收到同步总线控制器的伺服间隔同步信号和状态同步信号，分别转换成光纤触发信号(TRGGER)和状态信号，发送给下层I/O控制板，保证下层I/O控制板伺服间隔同步和状态同步。
(17)运动控制卡接收到同步总线控制器的伺服间隔同步信号和状态同步信号，分别转换成光纤触发信号(TRGGER)和状态信号，发送给调平调焦控制系统和对准控制系统，保证这两个分系统的伺服间隔同步和状态同步。
(18)下层I/O控制板、对准控制系统和调平调焦控制系统接收到伺服间隔同步和状态同步信号，触发高速数据处理芯片进行实时同步处理。
上述操作系统可以是Vxworks pSOS，RTLinux，WinCE，OSE实时操作系统。
上述高速数据处理芯片可以是DSP芯片、FPGA芯片、ARM芯片或者PPC芯片。
上述上位机可以是工作站或者工控PC机。
本发明的有益效果是，由于以同步总线数据传输周期作为严格的时间控制基准，通过有效的多总线时序同步控制方法，严格控制各个同步信号的触发时间，从而实现了各个控制单元之间信号的实时和同步。
图1为步进扫描光刻机曝光像场和扫描狭缝示意图；图2为步进扫描投影光刻机曝光扫描基本原理图；图3为多总线时序同步控制体系的结构框图；图4为同步数据总线和外部同步信号框图；图5为光纤通讯数据发送模块结构图；图6为光纤通讯数据接收模块结构图；图7为多总线时序同步控制体系应用于扫描同步控制过程框图。
具体实施例方式
步进扫描投影光刻机是一个非常复杂的控制系统，以同步总线控制器为核心的控制系统中，存在着多种控制总线，为了使各个连接不同总线的控制单元实现严格的同步控制，必须由一种多总线时序同步控制体系来实现。
多总线时序同步控制体系的结构框图如图3所示。同步总线控制器是步进扫描投影光刻机同步控制的核心控制器。当参与同步扫描过程的所有分系统在曝光控制软件下协商好之后，同步总线控制器实施整个扫描过程控制单元上的实时同步控制，多总线时序同步控制体系可保证控制单元的实时控制。
同步总线控制器通过同步数据总线机制，实现对工件台运动控制卡、掩模台运动控制卡、对准运动控制卡、工件台激光计数卡、掩模台激光计数卡的同步控制。同步总线控制器通过外部同步信号时序实现对曝光照明控制系统、对准控制系统的同步控制。
运动控制卡把从同步总线控制器得到的同步控制信号转换成光纤通讯协议实时地转发给下层I/O控制板，保证下层I/O控制板在时间上保持同步。同时运动控制卡同样通过光纤通讯把同步信号实时地转发给调平调焦控制系统和对准控制系统，保证其在时间上的同步。
步进扫描投影光刻机参与同步控制的总线有SDB同步数据总线、外部同步信号和光纤通讯，其中(1)同步数据总线由同步总线控制器控制，运动控制卡、激光计数卡参与到同步数据总线的数据传输过程中，如图4所示。同步总线控制器在控制数据交换的同时，每个伺服间隔向运动控制卡发送同步状态信号，保证所有运动控制卡在伺服控制过程中伺服间隔和状态的同步。伺服间隔就是运动控制的伺服采样周期；(2)外部同步信号由同步总线控制器控制，如图4所示，一个信号表示一个同步含义。在曝光的过程中，外部同步信号保证了曝光照明控制系统、对准控制系统和工件台掩模台在时间上的同步；(3)光纤通讯由运动控制卡控制，如图5所示(图中#发送优先级比＊高)，通过传输协议模块TRIGGER COMMAND子模块，把同步数据总线发送的伺服间隔同步信号一同步数据总线中断，转换成光纤触发(TRIGGER)信号，同时DSP处理器响应同步数据总线中断，把当前状态通过发送数据帧子模块转换成数据帧信号，经过光纤FPGA发送模块和光纤发送芯片转发给下层I/O控制板、对准控制系统和调平调焦控制系统。光纤触发信号(TRIGGER)是高优先级抢占式信号，具有最高的实时性。光纤通讯的接收端如图6所示(图中#发送优先级比＊高)，通过光纤接收芯片和光纤FPGA接收模块，得到光纤触发信号和数据帧信号分别给接收TRIGGER COMMAND子模块和接收数据帧子模块。接收TRIGGER COMMAND子模块在接收到光纤触发信号(TRIGGER)信号后，马上产生一个强实时的触发信号(TRIGGER COMMAND到达)，来触发对应的实时性操作，同时DSP处理器把接收到的状态信号进行状态同步处理，保证了伺服间隔的同步和状态的同步。
为更好的理解本发明，以图7为最佳实施例更详细地说明本发明所提出的方法。
如图7所示，控制系统由上位机、工控机CPU板、同步总线控制器、运动控制卡、激光计数卡以及对准控制系统、曝光照明控制系统组成。
上位机采用工作站或工控PC机，应用Unix或Windows等操作系统；工控机CPU板采用如Vxworks、pSOS、RTLinux、WinCE或者OSE实时操作系统；上位机与工控机CPU板通过工业以太网通信方式互连。工控机CPU板和同步总线控制器、运动控制卡、激光计数卡之间采用VME总线连接在一起，以便进行实时内部信息交换。同步总线控制器、运动控制卡、激光计数卡之间采用自定义的同步数据总线SDB进行数据交换。同步总线控制器和对准控制系统、曝光照明控制系统之间的连接采用RS422或RS485差分信号进行连接。光纤通讯使用光纤线进行连接。同步总线控制器、运动控制卡、激光计数卡等使用的核心芯片是FPGA、DSP等。曝光控制软件模块位于上位机；扫描控制软件模块位于工控机CPU板。
为了实现多总线的时序同步控制，同步总线控制器通过同步数据总线实时向工件台运动控制卡、掩模台运动控制卡和对准运动控制卡发布同步信息，同步总线控制器同时通过外部同步信号向对准控制系统和曝光照明控制系统发送同步信息，以严格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是完全同步的。运动控制卡接收到同步总线控制器的伺服间隔同步信号和状态同步信号，分别综合成光纤触发信号(TRGGER)和状态信号，发送给下层I/O控制板、对准控制系统和调平调焦控制系统，保证下层I/O控制板、对准控制系统和调平调焦控制系统的伺服间隔同步和状态同步。
首先，位于上位机的曝光控制软件模块通过工业以太网把曝光参数发送到工控机CPU板；工控机CPU板接收到曝光参数后，通过工控机CPU板的Vxworks操作系统，调用同步驱动模块，把相应的同步控制参数传输到同步总线控制器；而工控机CPU板通过调用同步驱动模块启动同步总线控制器；同步总线控制器再通知运动控制卡和激光计数卡，告知当前的状态进入准备扫描阶段，工件台开始向扫描起点运动；同步总线控制器输出扫描狭缝可动刀片的同步信号指示扫描狭缝刀片1开始运动。同步总线控制器同时输出激光器预充电信号，指示第一个光脉冲的高压电容充电，此时同步总线控制器控制的准备扫描阶段完成；然后，同步总线控制器向工控机CPU板请求中断，通知工控机CPU板当前准备扫描阶段完成，于是同步总线控制器通知运动控制卡和激光计数卡，当前的状态进入实际扫描阶段，并输出激光曝光同步信号，指示曝光照明控制系统产生激光脉冲，激光器继续保持充电状态；而运动控制卡按照扫描阶段的要求，完成扫描运动控制；同时，运动控制卡把伺服间隔同步信号通过光纤通讯发送给下层I/O控制板、调平调焦控制系统和对准控制系统，以保证伺服同步和状态同步，并通知进入实际扫描状态，完成扫描运动控制，伺服间隔的采样周期为1000us、800us、500us、400us、250us或者200us。
完成扫描运动控制后，同步总线控制器输出刀片同步信号指示扫描狭缝刀片2开始运动，此时，同步总线控制器的实际扫描阶段完成，于是同步总线控制器向工控机CPU板请求中断，通知工控机CPU板当前实际扫描阶段完成；然后，如果是连续扫描，则同步总线控制器返回到准备扫描阶段循环，否则，通知运动控制卡、激光计数卡进入空闲状态，并且运动控制卡通知下层I/O控制板、调平调焦控制系统和对准控制系统进入空闲状态。
权利要求
1.一种步进扫描投影光刻机多总线时序同步控制方法，其特征在于包括以下步骤(1)上位机软件通过用户输入和设置将曝光参数输出到包含同步总线控制器的工件台掩模台实时操作系统中。(2)工件台掩模台实时操作系统把曝光参数转换成各种所需的同步控制关系。(3)工件台掩模台实时操作系统通过VME总线把同步控制关系传送给同步总线控制器。(4)同步总线控制器按照给定的同步控制关系转换成实际的同步数据总线信号，保证激光计数卡和运功控制卡的伺服间隔同步和状态同步。(5)同步总线控制器按照给定的同步控制关系转换成实际的外部同步信号，保证曝光照明控制系统和对准控制系统的状态同步。(6)运动控制卡接收到同步控制器的伺服间隔同步和状态同步信号，产生中断给运动控制卡的高速数据处理芯片进行实时同步处理和伺服控制处理。运动控制卡以伺服间隔作为伺服采样周期。(7)运动控制卡接收到同步总线控制器的伺服间隔同步信号和状态同步信号，分别转换成光纤触发信号(TRGGER)和状态信号，发送给下层I/O控制板，保证下层I/O控制板伺服间隔同步和状态同步。(8)运动控制卡接收到同步总线控制器的伺服间隔同步信号和状态同步信号，分别转换成光纤触发信号(TRGGER)和状态信号，发送给调平调焦控制系统和对准控制系统，保证这两个分系统的伺服间隔同步和状态同步。(9)下层I/O控制板、对准控制系统和调平调焦控制系统接收到伺服间隔同步和状态同步信号，触发高速数据处理芯片进行实时同步处理。
2.如权利要求1所述的步进扫描投影光刻机多总线时序同步控制方法，其特征在于所述操作系统为Vxworks、pSOS，、RTLinux，、WinCE和OSE实时操作系统之一。
3.如权利要求1所述的步进扫描投影光刻机多总线时序同步控制方法，其特征在于所述伺服间隔的采样周期为1000us，800us，500us，400us，250us，200us之一。
4.如权利要求1所述的步进扫描投影光刻机多总线时序同步控制方法，其特征在于所述各种所需的同步控制关系包括同步数据总线同步，外部同步信号同步，伺服间隔同步，系统状态同步。
5.如权利要求1所述的步进扫描投影光刻机多总线时序同步控制方法，其特征在于所述高速数据处理芯片可以是DSP芯片，FPGA芯片，ARM芯片，PPC芯片之一。
6.如权利要求1所述的步进扫描投影光刻机多总线时序同步控制方法，其特征在于所述上位机可以采用工作站或工控PC机。
全文摘要
本发明公开了一种步进扫描投影光刻机多总线时序同步控制方法，通过同步总线控制器为所有扫描曝光涉及的控制单元提供统一的时间基准。曝光控制软件通过工控机CPU板的VME总线接口把扫描参数传递给同步总线控制器，同步总线控制器按照工控机CPU板指定的参数，通过多总线的同步控制体系，实现对各个控制单元的精准同步控制。其有益效果是可严格控制各个同步信号的触发时间，从而实现了各个控制单元之间信号的实时和同步。
文档编号G06F13/42GK1786825SQ20051011111
公开日2006年6月14日 申请日期2005年12月2日 优先权日2005年12月2日
发明者池峰, 陈勇辉, 韦学志, 裴辛哲 申请人:上海微电子装备有限公司