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，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，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法購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。

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)。自編軟件也無現(xiàn)成可用，只能自己編寫。它由一系列使用VB 編程語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。可見，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，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。