基于VME总线的步进扫描光刻机的同步控制系统及该系统的同步控制方法

摘要

基于VME总线的步进扫描光刻机的同步控制系统及该系统的同步控制方法，本发明具体涉及基于VME总线的步进扫描光刻机的同步控制系统及该系统的同步控制方法。它为了解决步进扫描光刻机曝光过程中的同步误差大，光刻效率低的问题。本发明的上位机与下位机通过以太网连接，同步控制组件通过VME64标准总线与下位机连接，同步控制组件通过VME64自定义协议总线与激光计数组件和运动控制组件连接，同步控制组件的网口通过网线与下位机的网口连接，VME总线包括VME64自定义协议总线和VME64标准总线。本发明达到了控制和减小步进扫描过程中的同步误差，提高光刻效率的目的。本发明适用于扫描光刻机领域。

说明书

技术领域

本发明涉及一种同步控制系统，具体涉及基于VME总线的步进扫描光刻机的同步控制 系统及该系统的同步控制方法。

背景技术

集成电路的发展主要依靠半导体制造装备的发展，随着技术的进步，硅片的集成度不 断提高，对线宽的要求越来越高。现阶段，光刻已经成为极大规模集成电路的核心技术， 对电路的集成化水平起决定性作用。光刻机是一项融合了许多科技领域的最新研究成果的 一项战略任务。

随着硅片尺寸的增大，同时要求具有高分辨率和大视场，在原有的工作模式下物镜的 设计成本非常高。步进扫描的工作模式可以降低对物镜的要求。要得到较好的成像质量， 对工件台和掩模台的运动控制系统的定位精度和同步精度都提出了更高的要求。因此，工 件台和掩模台的控制技术称为了光刻机的核心技术之一。

发明内容

本发明的目的是为了解决步进扫描光刻机曝光过程中的同步误差大，光刻效率低的问 题，从而提出了基于VME总线的步进扫描光刻机的同步控制系统及该系统的同步控制方 法。

基于VME总线的步进扫描光刻机的同步控制系统，它包括上位机、下位机、激光计数 组件、同步控制组件、运动控制组件和VME总线，所述的运动控制组件由工件台控制器和 掩模台控制器组成，

所述的VME总线包括VME64自定义协议总线和VME64标准总线，所述的VME64自定义 协议总线是P2/J2口的用户自定义接口，该用户自定义接口包括7位激光计数组件的地址 总线、36位激光计数组件的数据总线、2个激光计数组件的采样信号线、1位激光计数组 件的时钟信号线、6位激光计数组件的状态传输信号线、1位运动控制组件的数据读取信 号线、48位运动控制组件的数据总线、激光计数组件的参考信号线和运动控制组件的状 态信号线，

所述的上位机与下位机通过以太网连接，同步控制组件通过VME64标准总线与下位机 连接，同步控制组件通过VME64自定义协议总线与激光计数组件和运动控制组件连接，该 同步控制组件的网口通过网线与下位机的网口连接。

基于VME总线的步进扫描光刻机的同步控制系统的同步控制方法为：通过对激光计数 组件测量的信息进行解耦获得被控工件台当前位置数据，采用输入的位置指令中的位置数 据与被控工件台当前位置数据相减获得工件台的位置误差数据，该工件台位置误差数据输 入至工件台控制器；

将输入的位置指令中的位置数据乘4获得掩模台控制位置数据，通过对激光计数组件 测量的信息解耦获得被控掩模台当前位置数据，将该掩模台控制位置数据与被控掩模台当 前位置数据相减获得掩模台位置误差数据，该掩模台位置误差数据输入至掩模台控制器；

将工件台位置误差数据减去掩模台位置误差数据的四分之一获得同步位置误差数据， 该同步位置误差数据输入至同步控制组件，并经过该组件内的同步控制算法处理获得下一 个控制周期的工件台控制指令的修正数据和掩模台控制指令的修正数据，将工件台控制指 令的修正数据通过VME64自定义协议总线发送给工件台控制器，将掩模台控制指令的修正 数据通过VME64自定义协议总线发送给掩模台控制器；

工件台控制器根据输入的工件台位置误差数据和工件台控制指令的修正数据获得工 件台下一个控制周期的控制指令，并将该控制指令发送给被控工件台的驱动部件，用于驱 动被控工件台运动；

掩模台控制器根据输入的掩模台位置误差数据和掩模台控制指令的修正数据获得掩 模台下一个控制周期的控制指令，并将该控制指令发送给被控掩模台的驱动部件，用于驱 动被控掩模台运动；

将上述被控掩模台的当前位置数据的四分之一与被控工件台的当前位置数据相减获 得工件台和掩模台的同步位置误差数据，该同步位置误差输出给下位机。

本发明提供基于VME总线的步进扫描光刻机的同步控制系统及该系统的同步控制方 法，通过同步控制组件产生的步进扫描光刻机曝光过程中各个子系统的调度协调信号，接 收激光计数组件传递过来的原始采样数据并将其解耦为运动控制组件可用的位置信息，达 到了控制和减小步进扫描过程中的同步误差，提高光刻效率的目的。

附图说明

图1是基于VME总线的步进扫描光刻机的同步控制系统的基本原理示意图；

图2是基于VME总线的步进扫描光刻机的同步控制系统总体结构图；

图3是同步控制卡a的硬件结构图；

图4是同步控制卡b的硬件结构图；

图5是控制周期示意图；

图6是同步控制组件4、运动控制组件5和激光计数组件3的数据传输简图；

图7是基于VME总线的步进扫描光刻机的同步控制系统的同步控制方法的控制框图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1具体说明本实施方式，基于VME总线的步进扫描光刻机的 同步控制系统，它包括上位机1、下位机2、激光计数组件3、同步控制组件4、运动控制 组件5和VME总线，所述的运动控制组件5由工件台控制器和掩模台控制器组成，

所述的VME总线包括VME64自定义协议总线和VME64标准总线，所述的VME64自定义 协议总线是P2/J2口的用户自定义接口，该用户自定义接口包括7位激光计数组件3的地 址总线、36位激光计数组件3的数据总线、2个激光计数组件3的采样信号线、1位激光 计数组件3的时钟信号线、6位激光计数组件3的状态传输信号线、1位运动控制组件5 的数据读取信号线、48位运动控制组件5的数据总线、激光计数组件3的参考底信号线 和运动控制组件5的状态信号线，

所述的上位机1与下位机2通过以太网连接，同步控制组件4通过VME64标准总线与 下位机2连接，同步控制组件4通过VME64自定义协议总线与激光计数组件3和运动控制 组件5连接，该同步控制组件4的网口通过网线与下位机2的网口连接。

同步控制组件4是步进扫描光刻机同步控制的核心控制器。当光刻机进行曝光扫描 时，各个子系统准备就绪后，由同步控制组件4实施整个扫描曝光过程的同步控制。

具体实施方式二、结合图1具体说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述 的基于VME总线的步进扫描光刻机的同步控制系统的区别在于，它还包括信号采集组件6， 同步控制组件4通过VME64自定义总线与信号采集组件6连接。

具体实施方式三、结合图1具体说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述 的基于VME总线的步进扫描光刻机的同步控制系统的区别在于，它还包括对准控制器7、 调平调焦控制器8、狭缝控制器9、照明控制器10、剂量控制器11和高阶像控制器12， 同步控制组件4分别通过光纤与对准控制器7、调平调焦控制器8、狭缝控制器9、照明 控制器10、剂量控制器11和高阶像控制器12连接。

具体实施方式四、本实施方式与具体实施方式三所述的基于VME总线的步进扫描光刻 机的同步控制系统的区别在于，所述的同步控制组件4由同步控制卡a和同步控制卡b 两块板卡组成，所述的同步控制卡a包括第一串口4-1-1、第二串口4-1-2、第一光纤口 4-1-3、10/100M网口4-1-4、第三串口4-1-5、第二光纤口4-1-6、SRAM存储模块4-1-7、 DSP同步控制算法模块4-1-8、NVRAM存储模块4-1-9、第一电平转换模块4-1-10、第二 电平转换模块4-1-11、第一VMEP2/J2接口4-1-12、第一VMEP0/J0接口4-1-13、VMEP1/J1 接口4-1-14和FPGA模块4-1-15，所述的FPGA模块4-1-15包括外部数据交换逻辑接口 4-1-15-1和VME接口4-1-15-2，所述的第一串口4-1-1、第二串口4-1-2和第三串口4-1-5 均为RS422串行通信端口；第一串口4-1-1通过双绞线与对准控制器7连接；第二串口 4-1-2通过双绞线与照明控制器10连接；第一光纤口4-1-3通过光纤与对准控制器7连 接；10/100M网口4-1-4通过网线与下位机2连接；第三串口4-1-5通过双绞线与狭缝控 制器9的串行端口连接；第二光纤口4-1-6通过光纤与狭缝控制器9连接；第一VMEP2/J2 接口4-1-12采用自定义VME64总线协议与下位机2连接；VMEP1/J1接口4-1-14采用标 准VME64总线协议与下位机2连接，

所述的外部数据交换逻辑接口4-1-15-1分别与第一串口4-1-1、第二串口4-1-2、第 三串口4-1-5、第一光纤口4-1-3、10/100M网口4-1-4和第二光纤口4-1-6连接，SRAM 存储模块4-1-7的存储数据端与DSP同步控制算法模块4-1-8的存储数据端连接，所述的 DSP同步控制算法模块4-1-8控制算法端与FPGA模块4-1-15的控制算法端连接，所述的 FPGA模块4-1-15的存储端与NVRAM存储模块4-1-9的存储端连接，VME接口4-1-15-2 通过VME64自定义总线分别与第一电平转换模块4-1-10、第二电平转换模块4-1-11和第 一VMEP0/J0接口4-1-13连接，第一电平转换模块4-1-10通过VME64自定义总线与第一 VMEP2/J2接口4-1-12连接，第二电平转换模块4-1-11通过VME64标准总线与VMEP1/J1 接口4-1-14连接；

同步控制卡b包括第四串口4-2-1、第五串口4-2-2、第六串口4-2-3、并行测试口 4-2-4、第三光纤口4-2-5、第四光纤口4-2-6、CPLD模块4-2-7、第二VMEP2/J2接口4-2-8 和第二VMEP0/J0接口4-2-9，所述的第四串口4-2-1、第五串口4-2-2和第六串口4-2-3 均为RS422串行通信端口，第四串口4-2-1与剂量控制器11的串口连接；第五串口4-2-2 与调平调焦控制器8的串口连接；第六串口4-2-3与高阶像控制器12的串口连接；调平 调焦控制器8的光纤接口与第三光纤口4-2-5连接；并行测试口4-2-4为测试口，用于测 试逻辑芯片是否正常工作；第四光纤口4-2-6为备用接口；第二VMEP2/J2接口4-2-8采 用自定义VME64总线协议与下位机2的工控机箱连接；第二VMEP0/J0接口4-2-9通过 VME64自定义总线与第一V MEP0/J0接口4-1-13连接，用于实现同步控制卡a和同步控 制卡b的信息交换，

所述的CPLD模块4-2-7分别与第四串口4-2-1、第五串口4-2-2、第六串口4-2-3 和并行测试口4-2-4连接，CPLD模块4-2-7分别与第三光纤口4-2-5、第四光纤口4-2-6、 第二VMEP2/J2接口4-2-8和第二VMEP0/J0接口4-2-9连接。

下位机采用VME工控机系统，同步控制组件4的同步控制卡a为6U标准板卡，前面 板的接口位置有限，而同步控制组件4需要预留多个接口，所以，利用VME机箱的后面板 位置设计了同步控制组件4的同步控制卡b与同步控制卡a通过VME总线的连接口P0连 接，P0共有17位地线和95位自定义信号线。同步控制卡b是外部协调信号接口的载体， 节省了同步控制卡a的布局空间，提高了接口的灵活性。图3为同步控制卡a的硬件结构 图，图4为同步控制卡b的硬件结构图。

具体实施方式五、结合图7具体说明本实施方式，本实施方式所述的是应用具体实施 方式一所述的基于VME总线的步进扫描光刻机的同步控制系统的同步控制方法为：

通过对激光计数组件测量的信息进行解耦获得被控工件台当前位置数据，采用输入的 位置指令中的位置数据与被控工件台当前位置数据相减获得工件台的位置误差数据，该工 件台位置误差数据输入至工件台控制器；

将输入的位置指令中的位置数据乘4获得掩模台控制位置数据，通过对激光计数组件 测量的信息解耦获得被控掩模台当前位置数据，将该掩模台控制位置数据与被控掩模台当 前位置数据相减获得掩模台位置误差数据，该掩模台位置误差数据输入至掩模台控制器；

将工件台位置误差数据减去掩模台位置误差数据的四分之一获得同步位置误差数据， 该同步位置误差数据输入至同步控制组件，并经过该组件内的同步控制算法处理获得下一 个控制周期的工件台控制指令的修正数据和掩模台控制指令的修正数据，将工件台控制指 令的修正数据通过VME64自定义协议总线发送给工件台控制器，将掩模台控制指令的修正 数据通过VME64自定义协议总线发送给掩模台控制器；

工件台控制器根据输入的工件台位置误差数据和工件台控制指令的修正数据获得工 件台下一个控制周期的控制指令，并将该控制指令发送给被控工件台的驱动部件，用于驱 动被控工件台运动；

掩模台控制器根据输入的掩模台位置误差数据和掩模台控制指令的修正数据获得掩 模台下一个控制周期的控制指令，并将该控制指令发送给被控掩模台的驱动部件，用于驱 动被控掩模台运动；

将上述被控掩模台的当前位置数据的四分之一与被控工件台的当前位置数据相减获 得工件台和掩模台的同步位置误差数据，该同步位置误差输出给下位机，当一定时间内超 出允许范围就产生错误信息。

步进扫描光刻机工作的基本原理见图2所示。掩模台承载有芯片图案的掩模，工件台 则承载待刻的硅片，需要移动至指定的曝光位置，工件台运动至曝光光源下方，同步开启 曝光快门，工件台与掩模台继续匀速相向运动，曝光光源遂将掩模图案投射至硅片上，工 作台运动到指定位置后，曝光光源关闭，完成一次扫描曝光过程。该过程要求掩模台与工 件台严格匀速同步，并保持固定的速度比4∶1(由投影物镜的缩小比例决定)。图中大圆 圈表示整张硅片，每个曝光区域称为一个场，填充方块表示已经曝光完成的场，空白方块 表示尚未曝光的场，虚线小圆圈表示正在进行扫描曝光的场。随着掩模台与工件台在投影 物镜上下的相向运动，硅片上规划的场不断被曝光。

光刻机控制系统总体结构如图1所示。同步控制组件4为控制系统的核心部分，既是 位置反馈中重要的一环，也是同步控制算法的处理单元。同步控制组件4的主要功能是控 制VME总线上的数据交换，产生内部调度信号和外部协调信号，把激光计数组件3发送过 来的原始采样数据解耦为同步控制组件4可用的位置信息，计算曝光过程中工件台和掩模 台的位置误差并通过同步控制算法得出运动控制组件5控制量的修正值，收集错误状态。

同步控制组件4传输的信息主要有：下位机通过VME64标准总线协议向同步控制组件 4传输的曝光扫描数据；同步控制组件4通过VME64自定义协议向下位机发送的内部调度 信号；同步控制组件4采用RS422串行通信端口差分信号向下位机发送的外部协调信号； 激光计数组件3在内部调度信号的作用下采用VME64自定义协议向同步控制组件4发送的 原始采样数据；同步控制组件4在内部调度信号的作用下采用VME64自定义协议向运动控 制组件5发送的解耦后标识位置信息；同步控制组件4采用VME64标准总线协议向下位机 2发送的错误信息。

在200us的同步控制周期中，包括以下几个子周期：计数卡采样周期，计数卡数据传 输周期，计数卡数据解算周期，运动控制组件5数据获取周期，运动控制指令计算周期和 控制指令发送周期和空闲周期。控制周期如图5所示。

激光计数组件3接收到采样指令后开始采样，采样得到的原始数据将锁存到预定的寄 存器中，采样结束，返回原始采样数据锁存信号。五块激光计数组件3在同样的机制下采 样，锁存数据，返回各自的数据锁存信号后，激光计数组件3采样周期结束。

采样周期结束后，数据传输周期开始，同步控制卡根据预定的激光计数组件3地址，依 次读取五块激光计数组件3的原始采样数据，存入同步控制组件4的NVRAM存储模块4-1-9 中。

激光计数组件3原始采样数据经过解算后，变换为运动控制组件5可用的18个位置 信息，即曝光过程中采样时刻工件台和掩模台的实际位置。同步控制组件4在解算后，在 每个位置信息的前面加上对应的字头，用以区别不同的光路数据，命名为标识位置数据， 为一个48位二进制数据。

在运动控制组件5数据传输周期中，同步控制组件4向运动控制组件5发送数据读取 信号并按顺序将18路位置误差信息数据写入VME64P2/J2口自定义同步总线中，11个运 动控制组件5在接收到数据读取信号后，读取自定义并行总线中的数据并存储，18个循 环后，每块运动控制组件5将分别获取到所有的18路位置误差信息数据，运动控制组件 5根据字头，选取当前控制周期中需要的位置误差信息作为闭环控制中的位置反馈量。图 6描述了以上数据流传输方向。

激光计数组件3解算周期结束后，同步控制组件4可以根据当前位置信息和下位机2 发送的工件台和掩模台规划轨迹计算出当前控制周期中的同步控制误差，经过同步误差校 正单元处理后，得出一个修正值，用来修正下一控制周期中的运动控制指令。此修正值可 以减小曝光过程中工件台和掩模台同步误差，提高光刻分辨率和套刻精度。图7描述了上 述控制算法。

运动控制组件5的工件台分为两个工件台，分别是第一工件台和第二工件台。第一工 件台在曝光区域，第二工件台在测量区域，第二工件台上、下硅片，完成调平调焦，对准 等动作，第一工件台完成曝光后，第一工件台和第二工件台换台，第二工件台执行曝光动 作，第一工件台执行上、下硅片，完成调平调焦，对准等动作，循环往复，提高效率。

基于上述的同步控制组件4，结合步进扫描光刻机工作流程，具体步骤如下：

步骤一、上位机1的通信系统将用户输入的曝光参数及工作模式信息通过以太网发送 到下位机2；

步骤二、下位机2接收曝光参数及工作模式信息后，对曝光参数进行参数解析，把上 位机参数变换为曝光参数，已获得曝光准备信号；以供曝光过程中同步控制卡和运动控制 卡调用；

步骤三、下位机2将曝光准备信号发送给同步控制组件4和运动控制组件5，曝光过 程开始准备；

步骤四、同步控制组件4接收到曝光准备信号后向激光计数组件3、运动控制组件5 和信号采集组件6发送曝光启动信号，运动控制组件5接收到曝光启动信号后控制第一工 件台、第二工件台和掩模台向曝光起始位置运动，激光计数组件3接收到曝光启动信号后 向同步控制组件4发送原始采样数据，同步控制组件4对原始采样数据计算得到原始位置 信息，并将位置误差信息发送至运动控制组件5作为位置反馈信息；

步骤五、同步控制组件4向照明控制器10发送激光准备信号，照明控制器10的高压 电容开始充电，准备发出第一个光脉冲；

步骤六、同步控制组件4接收扫描准备完成信号后向下位机2发送请求中断，曝光准 备阶段完成；

步骤七、运动控制组件5控制第一工件台移动到上下片区，完成上片；

步骤八、运动控制组件5控制第一工件台移动到测量区，完成调平调焦及对准参数采 集；

步骤九、运动控制组件5控制第一工件台和第二工件台移动到换台区，完成换台过程；

步骤十、运动控制组件5控制第一工件台进入曝光区，开始曝光过程；运动控制组件 5控制第二工件台进入上下片区，完成下片动作，若需连续曝光，则下片后，进行上片动 作；否则，空台运行；

步骤十一、运动控制组件5控制第一工件台及掩模台开始曝光，每个控制周期中，同 步控制组件4计算同步误差并对运动控制组件5控制指令进行修正，完成曝光过程；

步骤十二、运动控制组件5控制第一工件台和第二工件台进入换台区，完成换台；

步骤十三、运动控制组件5控制第一工件台进入上下片区，完成下片动作；若需连续 曝光，则下片后，进行上片动作；否则，第一工件台控制停止；

步骤十四、运动控制组件5控制第二工件台进入曝光区，如进行连续曝光，则进行步 骤十一，否则，第二工件台控制停止；

步骤十五、同步控制组件4通知运动控制组件5及其他曝光子系统进入空闲状态。