集成電路曝光文件自動(dòng)編輯系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

胡立業(yè)

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所 河北省石家莊市 050051）

隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和科技產(chǎn)品的推廣普及，集成電路（IC）芯片已成為賦能各行各業(yè)必不可少的基本要素。在IC 芯片制造的整個(gè)過程中，光刻一直都是至關(guān)重要的技術(shù)環(huán)節(jié)。光刻技術(shù)是指在特定波長(zhǎng)光線的輻照作用下，讓涂敷在晶片表面的光刻膠發(fā)生有選擇性的局部曝光，從而將掩膜版上的圖案以特定的比例轉(zhuǎn)移到晶片上的一種技術(shù)。由于光刻技術(shù)的水平直接決定著IC 芯片中各種微細(xì)結(jié)構(gòu)制作精度的高低，進(jìn)而決定著芯片產(chǎn)品多種性能指標(biāo)的優(yōu)劣，光刻技術(shù)持續(xù)改進(jìn)、不斷升級(jí)的腳步從來(lái)都沒有停歇過。與此同時(shí)，光刻工藝的效率和穩(wěn)定性，也直接決定著整條IC 芯片生產(chǎn)線的產(chǎn)能和成熟度。因此，如何才能讓現(xiàn)有光刻工藝變得更加順暢、更加可控，一直都是許多業(yè)內(nèi)人士非常感興趣的話題。

1 曝光文件簡(jiǎn)介與相關(guān)需求

近些年來(lái)，在IC 芯片制造領(lǐng)域，應(yīng)用最為廣泛的光刻技術(shù)是步進(jìn)式投影光刻[1-2]。這種光刻技術(shù)，最能滿足絕大多數(shù)成熟IC 芯片大批量生產(chǎn)的需要，而且也是許多新型IC 芯片批量化試生產(chǎn)時(shí)最受青睞的選擇。這種光刻技術(shù)，作為一種半自動(dòng)化或全自動(dòng)化的曝光技術(shù)，通常都離不開一種用于指導(dǎo)和輔助曝光過程順利進(jìn)行的重要文件，即：曝光文件（Exposure File)。這種文件是一種二進(jìn)制文件，通常只以電子文件的形式存在，并且需要被存儲(chǔ)到光刻設(shè)備工作站硬盤的特定路徑下，以便于隨時(shí)調(diào)取和使用。

曝光文件重要性的集中體現(xiàn)就是：對(duì)于任何一個(gè)批次的IC 芯片產(chǎn)品，與之相對(duì)應(yīng)的曝光文件都不僅決定著它們的結(jié)構(gòu)和形貌，同時(shí)也決定著它們的功能和性能——在IC 芯片制造過程中，曝光文件是一種必不可少的數(shù)字要素。

曝光文件與IC 芯片的關(guān)系，非常類似于攜帶著各種遺傳信息的基因組與新生嬰兒的關(guān)系。之所以這么說，是因?yàn)椋涸谄毓馕募兴鎯?chǔ)的信息，無(wú)論是用于控制光刻設(shè)備，還是用于指導(dǎo)操作者，進(jìn)而確保高質(zhì)量地完成相應(yīng)的光刻工藝，都起著非常重要的作用。以下三點(diǎn)可以更具體地說明曝光文件在實(shí)際生產(chǎn)中的必要性和重要性：

（1）合格的曝光文件是進(jìn)行各種IC 芯片產(chǎn)品光刻工藝的基本前提。在使用步進(jìn)式投影光刻設(shè)備對(duì)IC 晶片進(jìn)行光刻工藝前，必須確保已經(jīng)準(zhǔn)備好了相應(yīng)的曝光文件，而且還必須是沒有包含錯(cuò)誤信息的曝光文件。因?yàn)槠毓馕募械膬?nèi)容如果有誤，輕則會(huì)因?yàn)槌鲥e(cuò)而不得不啟動(dòng)返工流程，重則會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品的批次性報(bào)廢。

（2）各種IC 芯片產(chǎn)品之間的差異性，都需要在相應(yīng)的曝光文件中有所體現(xiàn)。由于要加工的IC 芯片產(chǎn)品不同，所需曝光文件中的許多具體內(nèi)容也往往不同。在曝光文件中，通常已經(jīng)設(shè)定了多種曝光參數(shù)，例如：曝光強(qiáng)度、曝光時(shí)間、曝光模式，等等。另外，針對(duì)具體的某一道光刻工藝，在曝光文件中，還需要預(yù)先設(shè)定好將要使用哪塊或哪幾塊掩膜版來(lái)完成光刻。不僅如此，曝光文件中還必須包含這些信息：將要使用的那些掩膜版圖案分別位于哪些掩膜版上的具體什么位置，以及它們的長(zhǎng)寬等精確數(shù)據(jù)。此外，曝光文件中還包含著許多其他的重要內(nèi)容，由于篇幅限制，就不在此處一一贅述了。

（3）在曝光文件中，往往還會(huì)包含一些文字說明或符號(hào)提示等內(nèi)容。這些內(nèi)容，不僅可以幫助操作者避免一些操作錯(cuò)誤，以此來(lái)確保優(yōu)質(zhì)而高效地完成光刻工藝。還有一些內(nèi)容還可以讓曝光文件管理起來(lái)更加方便，或者可以讓某些工藝問題的排查工作變得更加快捷。

因?yàn)樯鲜龅脑?，在IC 芯片工藝線上，任何一種需要用到步進(jìn)式投影光刻的IC 芯片產(chǎn)品，都對(duì)應(yīng)著一個(gè)或者一組曝光文件。要制造多少種IC 芯片產(chǎn)品，就需要提前編制多少與之相應(yīng)的曝光文件。而且，隨著眾多產(chǎn)品的快速迭代和不斷改進(jìn)，與之相應(yīng)曝光文件也都必須及時(shí)完成相應(yīng)內(nèi)容的更新。如果做不到這一點(diǎn)，新一個(gè)批次的IC 芯片的性能就不大可能比上一個(gè)批次的更好。

如果將來(lái)IC芯片產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)任務(wù)迅猛增加，卻還繼續(xù)沿用傳統(tǒng)的做法——以純手工的方式在海量的曝光文件中逐一錄入或修改巨量的相關(guān)數(shù)據(jù)，工作量將會(huì)非常的大。在這種情況下，不僅曝光文件編輯任務(wù)被完成的及時(shí)性會(huì)難以控制,而且曝光文件中各種各樣的人為錯(cuò)誤也定會(huì)明顯增多。因此，需要找到一套速度更快而且不易出錯(cuò)的曝光文件編制工具，以確保此類任務(wù)能被快速、及時(shí)、高質(zhì)量地完成。

2 自動(dòng)編輯系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在總體思路方面，參考和借鑒了《國(guó)家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南（2021版）》中的基本原則和建設(shè)思路[3]。

在自動(dòng)編輯系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方面，考慮到光刻設(shè)備工作站已經(jīng)沒有剩余的通訊端口，同時(shí)也不支持自編軟件的運(yùn)行，只能通過鍵盤和鼠標(biāo)來(lái)完成預(yù)定的操作任務(wù)，本系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)最終采用了自制硬件與主控計(jì)算機(jī)和受控計(jì)算機(jī)相結(jié)合、自制硬件與自制軟件相結(jié)合、改由機(jī)器完全代替操作者人工操作鍵盤和鼠標(biāo)完成預(yù)定編輯任務(wù)的總體方案。

為了更好地滿足實(shí)際需求，本系統(tǒng)需要集“系統(tǒng)性能自檢”功能、“曝光文件新編”功能、“曝光文件更新”功能，以及“原始數(shù)據(jù)資料自動(dòng)匯總和整理”功能和“曝光文件細(xì)化模板自動(dòng)選擇”功能等多種功能于一體，且應(yīng)具有使用方法簡(jiǎn)單、編輯速度快、出錯(cuò)率低等突出特點(diǎn)。

搭建并實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的大體思路是：由主控計(jì)算機(jī)來(lái)完成原始數(shù)據(jù)及資料的自動(dòng)匯總和整理，并根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果的關(guān)鍵內(nèi)容給出推薦選項(xiàng)或自動(dòng)選擇最合適當(dāng)前產(chǎn)品的的曝光文件細(xì)化模板以及將其重新命名為當(dāng)前產(chǎn)品或器件名；然后將轉(zhuǎn)碼后的數(shù)據(jù)信號(hào)自動(dòng)發(fā)送給受控計(jì)算機(jī)（即：光刻設(shè)備工作站，一臺(tái)工控機(jī)），以完成曝光文件的預(yù)定編輯任務(wù)。更具體一點(diǎn)來(lái)說：在使用本系統(tǒng)時(shí)，只需在受控計(jì)算機(jī)上使用自帶的工業(yè)軟件打開那一個(gè)被系統(tǒng)推送或自動(dòng)選擇的曝光文件，然后在主控計(jì)算機(jī)上點(diǎn)擊一下數(shù)據(jù)發(fā)送按鈕，即可。接下來(lái)，當(dāng)前產(chǎn)品所有需要用到的數(shù)據(jù)都會(huì)通過自制硬件對(duì)受控計(jì)算機(jī)鍵盤的自動(dòng)操作，快速而精準(zhǔn)地將特定數(shù)據(jù)逐一填寫到受控計(jì)算機(jī)上曝光文件編輯界面中的相應(yīng)位置，直到完成對(duì)該曝光文件預(yù)定的數(shù)據(jù)錄入任務(wù)或數(shù)據(jù)修改任務(wù)。在此過程中，當(dāng)需要滾動(dòng)屏幕或切換內(nèi)容界面時(shí)，主控計(jì)算機(jī)會(huì)在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)自動(dòng)向受控計(jì)算機(jī)發(fā)送相應(yīng)的指令來(lái)完成這些操作，以確保自動(dòng)編輯不被中斷。本系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)圖，如圖1 所示。

圖1：自動(dòng)編輯系統(tǒng)的硬件（含自制硬件）的原理結(jié)構(gòu)圖

2.1 自動(dòng)編輯系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的硬件，除了主控計(jì)算機(jī)和受控計(jì)算機(jī)外，還包括一套自制硬件。自制硬件的設(shè)計(jì)以其主要功能為導(dǎo)向，即：從主控計(jì)算機(jī)獲取所需數(shù)據(jù)和操作指令，并對(duì)這些指令進(jìn)行編碼處理，然后經(jīng)由光刻設(shè)備工作站的鍵盤電路，將所需數(shù)據(jù)和操作指令自動(dòng)發(fā)送給光刻設(shè)備工作站的主機(jī)。

自制硬件只能以自制的方式獲得，因?yàn)闊o(wú)法購(gòu)買到具有相同功能的現(xiàn)有商品。將自制硬件裝配完成后，直接與主控計(jì)算機(jī)和受控計(jì)算機(jī)相連接，完成本硬件系統(tǒng)的組裝后，加電即可使用。

本系統(tǒng)自制硬件的原理結(jié)構(gòu)圖，如圖1 中虛線方框內(nèi)部的那一部分所示。

在自制硬件的元器件選用方面，除了使用高可靠性的基礎(chǔ)元器件，如：二極管、三極管、電容、電阻等之外，還需要使用高可靠性且高靈敏度的光傳感器組成陣列來(lái)隔離控制帶有消弧電路的微型繼電器陣列，以避免自制硬件與主控計(jì)算機(jī)之間、自制硬件與受控計(jì)算機(jī)之間的相互干擾。

在自制硬件的元器件裝配方面，需要著重做好以下幾點(diǎn)：

（1）嚴(yán)格遵守有關(guān)靜電防護(hù)的相關(guān)規(guī)定，避免在裝配過程中對(duì)靜電敏感器件造成靜電硬損傷和靜電軟損傷。

（2）需對(duì)所有焊點(diǎn)進(jìn)行質(zhì)量控制，避免漏焊、虛焊、焊料熔融不充分、焊料浸潤(rùn)不良、焊盤受熱時(shí)間過長(zhǎng)等工藝問題的發(fā)生。

（3）在組裝信號(hào)編碼電路時(shí)，需要嚴(yán)格按照裝配圖依照預(yù)定順序、逐一完成眾多導(dǎo)線的連接，以免出現(xiàn)連接錯(cuò)誤。

（4）在焊接鍍金元器件或接插件時(shí)，必須預(yù)先進(jìn)行充分的去金處理，以免埋下“金脆”隱患。

除了以上所述之外，為了便于抓握取放和日常使用，同時(shí)實(shí)現(xiàn)電路防塵和器件遮光，自制硬件的所有組件都需要被安裝在一塊基板上，并且用不透光且具有足夠強(qiáng)度和韌性的外殼將這些組件保護(hù)起來(lái)。

2.2 自動(dòng)編輯系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的軟件，由一套光刻設(shè)備工作站（即：受控計(jì)算機(jī)）所附帶的曝光文件編輯軟件和一套自編軟件構(gòu)成。

對(duì)于曝光文件編輯軟件，只需確保它能夠正常運(yùn)行，并對(duì)其主要功能和使用方法有足夠全面且深入的了解或掌握即可。

自編軟件，一方面承擔(dān)著自制硬件驅(qū)動(dòng)程序的角色，另一方面用于對(duì)自制硬件發(fā)送指令和數(shù)據(jù)，同時(shí)還可以實(shí)時(shí)監(jiān)控自制硬件的工作狀態(tài)。自編軟件也無(wú)現(xiàn)成可用，只能自己編寫。它由一系列使用VB 編程語(yǔ)言編寫的具有特定功能的代碼模塊組成。它們主要包括：“系統(tǒng)性能自檢”模塊、“原始數(shù)據(jù)資料自動(dòng)匯總”模塊、“原始數(shù)據(jù)資料自動(dòng)整理” 模塊、“曝光文件細(xì)化模板自動(dòng)選擇”模塊、“數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理”模塊、“數(shù)據(jù)信號(hào)發(fā)送”模塊。本系統(tǒng)自制軟件的原理結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

自編軟件中的自動(dòng)編輯速度調(diào)節(jié)代碼，如下：

3 主要功能簡(jiǎn)介

本自動(dòng)編輯系統(tǒng)的主要功能如下：“系統(tǒng)性能自檢”功能、“原始數(shù)據(jù)自動(dòng)匯總和整理”功能、“曝光文件細(xì)化模板自動(dòng)選擇”功能、“曝光文件新編”功能、“曝光文件更新”功能。它們的簡(jiǎn)介如下：

（1）系統(tǒng)性能自檢：用來(lái)預(yù)先驗(yàn)證系統(tǒng)性能是否正常，即：檢查由主控計(jì)算機(jī)發(fā)出的所有種類的數(shù)據(jù)指令和操作指令，能否全被受控計(jì)算機(jī)成功接收或執(zhí)行。

（2）原始數(shù)據(jù)自動(dòng)匯總和整理：所需的原始數(shù)據(jù)通常零散地分布于多份掩膜版數(shù)據(jù)文件中。一般情況下，每份掩膜版數(shù)據(jù)文件中都既包含與當(dāng)前產(chǎn)品有關(guān)的數(shù)據(jù)，也包含一些與當(dāng)前產(chǎn)品無(wú)關(guān)的數(shù)據(jù)。本功能用于自動(dòng)匯總和整理所需掩膜版數(shù)據(jù)文件中所有與當(dāng)前產(chǎn)品有關(guān)的數(shù)據(jù)，并將它們按照相應(yīng)圖形層光刻工藝的先后進(jìn)行自動(dòng)排序，以便于后續(xù)使用。

（3）曝光文件細(xì)化模板自動(dòng)選擇：為了最大程度減少編輯曝光文件的工作量，需要制作并使用曝光文件細(xì)化模板。因?yàn)樵谶@些曝光文件細(xì)化模板中，已經(jīng)根據(jù)各種常見工藝細(xì)化分類的具體情況，預(yù)先設(shè)置了最適合該種情況的所有參數(shù)，以及預(yù)先完成了所有相對(duì)固定數(shù)據(jù)的填寫。所以，充分利用這些模板，也是一種提升效率的有效途徑。

（4）曝光文件新編：本功能主要用來(lái)為新產(chǎn)品（即：尚未進(jìn)行流片的產(chǎn)品）編制曝光文件，或者用來(lái)為IC工藝線上的已有產(chǎn)品重新編制全新的曝光文件。后一種情況，需要將其曝光文件中的所有目標(biāo)內(nèi)容全部重新編輯一遍，也就是以處理新產(chǎn)品曝光文件的方式來(lái)進(jìn)行處理。

（5）曝光文件更新：本功能專門用于已有產(chǎn)品的曝光文件中部分內(nèi)容的更新，而無(wú)需將所有目標(biāo)內(nèi)容重新編輯一遍的情況。許多正處于研發(fā)階段的產(chǎn)品，會(huì)在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)處于不斷迭代和持續(xù)改進(jìn)的狀態(tài)，而及時(shí)更新與之相應(yīng)的曝光文件是非常必要的事情。

4 實(shí)際應(yīng)用效果

為了詳細(xì)了解和實(shí)踐檢驗(yàn)本自動(dòng)編輯系統(tǒng)在曝光文件編輯效率方面的提升情況，特意選擇了一類工藝復(fù)雜程度中等的IC 產(chǎn)品，然后以對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方式（手工編輯與自動(dòng)編輯），對(duì)此類產(chǎn)品的曝光文件進(jìn)行了編輯，并采集了相應(yīng)的耗時(shí)數(shù)據(jù)。

得到了耗時(shí)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，如圖3 所示。

圖3：使用自動(dòng)編輯系統(tǒng)前后編輯曝光文件的耗時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)比

圖3 給出了50 個(gè)相同復(fù)雜程度曝光文件在應(yīng)用本系統(tǒng)前后完成編輯的耗時(shí)數(shù)據(jù)折線圖。其中，前5 個(gè)曝光文件采用了手工編輯的方式，后面的45 個(gè)曝光文件使用了自動(dòng)編輯的方式?？梢?，在使用本系統(tǒng)后，曝光文件的編輯效率顯著提升。計(jì)算結(jié)果顯示，編輯單個(gè)曝光文件的平均耗時(shí)縮短了55.64%。除此之外，在降低編輯曝光文件的出錯(cuò)率方面，迄今為止還尚未出現(xiàn)因?yàn)槭褂帽鞠到y(tǒng)而產(chǎn)生的編輯錯(cuò)誤問題——實(shí)現(xiàn)了“零出錯(cuò)率”。

5 結(jié)論

本文針對(duì)集成電路（IC）曝光文件手工編輯“效率低、易出錯(cuò)”問題，通過將現(xiàn)已掌握的電子電路技術(shù)、計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)和計(jì)算機(jī)編程技術(shù)與現(xiàn)有光刻技術(shù)相融合，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種用于曝光文件自動(dòng)編輯的系統(tǒng)。本系統(tǒng)不僅可以大幅提高曝光文件的編輯速度，而且還可以顯著降低曝光文件的編輯出錯(cuò)率。該系統(tǒng)在被投入實(shí)際應(yīng)用以來(lái)，獲得了相當(dāng)不錯(cuò)的效果，達(dá)到了設(shè)計(jì)時(shí)的預(yù)期目的。