1、学校代码： 学 号： 上海理工大学硕士学位论文无 掩 膜 光 刻 图形的数据提取技术姓 名系 别 光电学院专 业 测试计量技术及仪器研究方向 精密测量指导教师 学位论文完成日期 年 月摘 要信息技术产业的日益发展需要集成电路的不断进步，作为集成电路制作的主要方法，光刻技术也在不断地寻求突破。近年来，空间光调制器（SLM,Spatial Light Modulator）无掩膜光刻技术在微电子及相关领域的得到了广泛关注。空间光调制器无掩膜光刻作为数字投影光刻技术以 SLM 为图形发生器，可便捷、灵敏、并行、低成本和高速的产生曝光图形。因其在高分辨集成电路制作上的极大优势，SLM 无掩膜光刻技术已经
2、成为国际光刻系统制造领域的重要研究内容，也有可能成为下一代微纳加工的一个重要技术。本论文以介绍 SLM 无掩膜光刻的原理为基础，分析了 SLM 无掩膜光刻系统的组成，重点研究了无掩膜光刻图形的数据提取技术，并设计了系统的数据提取软件。研究内容包括：1.对光刻技术的发展进行简单的介绍，分析了几种无掩膜光刻技术，着重介绍 SLM 无掩膜光刻的成像原理和作为数字掩膜的数字微镜（DMD ，Digital Micromirror Device）器件,并阐述无掩膜光刻机中数据提取的重要意义以及研究方向。2.分析掩膜版图的几种常用格式和每种版图格式的具体参数，为数据提取奠定基础。3.数据提取软件包括两部分，
3、分别是对掩膜图形进行灰度调制和生成曝光所用的数据。掩膜图形的灰度调制分为三个步骤，首先对 DXF 格式的图形进行数据提取；再根据得到的数据通过软件生成与 DXF 格式的图形一样的矢量图；最后对再现的矢量图形运用栅格化法，生成灰度图形，实现图形的灰度调制。根据基于数字微镜的无掩膜光刻技术的原理和曝光方式的不同，对曝光图形进行晶圆分布和图形分割，生成曝光所用的图形数据。关键词：SLM 无掩膜光刻 数据提取 灰度调制ABSTRACTThe development of IT industry needs the advance of integrated circuits, as the main
4、method of integrated circuit production, lithography technology are constantly seeking a breakthrough. In recent years, the Spatial Light Modulator（SLM）maskless lithography technology has been widespread attention in microelectronics and related fields. The Spatial Light Modulator as a digital maskl
5、ess lithography lithography techniques ,it use SLM as the pattern generator can be convenient, sensitive, parallel, low-cost and high-speed for exposure pattern. Because of its great advantages in the high-resolution integrated circuit fabrication, SLM maskless lithography technology has become impo
6、rtant research in the fabrication of international lithography systems, it is expected to become the important technology for next generation of micro-nanofabrication. This paper introduce the SLM maskless lithography system based on principles of SLM maskless lithography, depth study for the system
7、 of data extraction software. The study includes:1.The simple introduction of the development about lithography and analysis of several maskless lithography technologies, introduce the imaging theory of SLM maskless lithography and digital micromirror (DMD) device which as a digital mask. Provide a
8、theoretical basis for SLM maskless lithography systems. Explain the significance and research directions of the data extraction technology.2.Analysis of several commonly used formats for mask layout, explain the specific parameters of each layout format, To lay the foundation for the later data extr
9、action.3. There are two parts of data extraction software, Gray modulation for mask and generating the data used to generate exposure. Graying the mask pattern to generate a binary graphics for SLM maskless lithography. There are three steps for graying the pattern, extracting the data of DXF graphi
10、c formats at first, then using Matlab software to generate vector pattern according to the data . Grid technology is used to produce grayscale graphics in the end. According to the principle based on a digital micromirror maskless lithography and the different methods of exposure, get the wafer mapp
11、ing of the graphics and graphic division, generate the graphics data used to generate exposureKeywords: SLM maskless lithography grayscale modulation Data extraction目 录中文摘要ABSTRCT第一章 绪论 .11.1 研究背景 .11.2 无掩膜刻蚀技术的简介 .21.3 数字微镜器件（DMD）简介 .71.4 SLM 无掩膜光刻技术的发展历程 .91.5 图形数据的处理和转换 .101.6 研究的工作 .111.7 本章小结 .
12、11第二章 掩膜图形格式介绍 .122.1 DXF 文件格式介绍 .122.1.1 DXF 格式文件的结构 .122.1.2 DXF 格式文件的表示方法 .132.1.3 DXF 格式文件的打开 .142.1.4 DXF 格式文件的保存 .142.2 GDS文件格式介绍 .152.3 Gerber 文件格式介绍 .172.4 本章小结 .17第三章 图形数据转换软件的设计 .183.1 应用软件 .183.2 数据转换软件的整体结构 .183.3 DXF 格式的图形坐标点分析 .193.4 数据提取算法 .203.5 图形再现和对比 .213.6 本章小结 .22第四章 灰度图形的生成 .23
13、4.1 确定灰度值 .234.2 生成灰度图形实验结果 .264.3 本章小结 .29第五章 晶圆分布和图形分割 .315.1 晶圆布局 .315.2 图形分割方法 .325.3 本章小结 .36第六章 总结和展望 .376.1 本文总结 .376.2 课题展望 .37参考文献 .39在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .41致谢 .42第一张 绪论1第一章 绪论1.1 研究背景随着信息技术的不断发展，电子产品已在极大程度上改变了我们的日常生活。小到日常用品手机、计算机，大到飞机、航天器，这些都依赖于集成电路芯片，它是电子设备的关键所在。长期以来，对集成电路芯片集成度的提高一直是人
14、们努力的目标。它从50年代诞生至今，短短几十年，已经从单个晶体管的生成发展到超大规模的水平，晶体管达到一万到十万个，精度达到纳米级别。当下，不断发展的战略性新兴产业如三网融合、互联网、云计算等，将在计算机、网络通信之后作为新动力推动集成电路产业的发展。集成电路市场规模还在不断地扩大，朝着甚大规模集成电路前进。集成电路的高速发展主要应归功于微细加工技术水平的提高，光刻技术作为集成电路制作过程中的一项关键技术，极大程度上影响微电子产业的发展。光刻是由英文单词lithography翻译而来，是指集成电路制造中利用光学-化学反应原理和化学、物理刻蚀方法，将电路图形传递到单晶表面或者介质层上，形成有效图
15、形窗口或者功能图形的工艺技术，因为其原理类似于平板印刷术所以使用单词lithography 表示，并且传统的刻蚀技术都是利用光源作为曝光源，所以都简单翻译为光刻。而光刻技术发展至今，已从传统的刻蚀技术使用光源作为曝光源发展到应用电子束，微离子束和X射线等作为曝光源，我们在这里不能将其笼统的翻译成光刻技术，对这些技术，应翻译为刻蚀技术，当然光刻技术也是刻蚀技术中的一种。光刻技术由1798年起源的石板印刷术发展而来，并从上世纪50年代开始用于集成电路的制造，它经由接触式曝光，接近式曝光、分步重复投影式曝光发展到现在广泛应用的扫描投影式曝光 1。这些光刻技术基本原理为：光源经过光学系统照射到设计好的
16、掩膜上，将掩膜图形成像在涂有抗蚀剂的硅片上。抗蚀剂经过曝光之后，通过显影技术可在抗蚀剂上获得与掩膜图形相同的图形，再通过刻蚀将图形传递到硅片上，实现掩膜图形到硅片图形的转换。以上的光刻技术都是基于掩膜来传递图形信息的光刻技术，除此之外，光刻技术还包括无掩膜的光刻技术。无掩膜光刻技术则采用各种替代品代替掩膜板来进行光刻。文章下面会详细介绍几种无掩膜的光刻技术。戈登摩尔（Gordon Moore，Intel 公司创始人之一）在 1964年提出了摩尔定律，这条定律表示集成电路的集成度将会每18个月增加一倍。集成电路的发展目前为止，一直遵循着这条定律，据估计这条定律还将持续到2020年以后。集成电路不
17、断发展必伴随着微细加工产业的不断创新，作为微细加工产业中的核心技术，光刻技术不仅对半导体工业的发展做出了巨大贡献，同时也将制约着半导体产业的上海理工大学硕士学位论文2发展和半导体器件的性能。分辨率极限是指加工的线条的特征尺寸能到达的极限值，因为特征尺寸如果接近分辨率极限时，图像的分辨率会大大降低，影响了光刻质量。从二十世纪80年代起，人们就开始预言光刻的分辨率极限，认为光刻的极限分辨率为0.5微米。但人们使用了各种办法来提高光刻的生命力，从不断缩短曝光源的工作波长到研制生产大视场、大数值孔径的光学成像透镜，以及围绕着改善成像质量及提高分辨率所采取的诸多技术等，使得光学曝光技术仍然占据集成电路加
18、工的主流地位，突破了0.5微米的极限 2。但这次0.5微米极限的突破，并没有让人们打消光学光刻已达到分辨率极限的想法，直到现在仍然有光学光刻已达到分辨率极限的说法。然而还有人对光学光刻的未来抱有信心，他们研究出了许多分辨率增强技术，这些技术的使用有效的推动了现有光刻技术的发展。但是对于纳米级别的尺寸，掩膜的数据量会急剧增加。分辨率极高的掩膜，所需费用大幅增加，且制作效率非常低下，检测和修补的难度也加大，商品化的成本太高，制约着许多新技术的大规模使用。目前，制作0.13 的光掩膜每套价格在70-80万美元，制作90nm光掩膜每套价格超过150万美元，详情如图 1-1所示。此外，掩膜制作周期长，一
19、般会超过24小时，使得客户难以承担。传统光刻技术越走越艰难，现在正处于一个关键的阶段。掩膜制作产业的发展可能在一定的时期内无法跟上光刻技术发展的要求。在光刻中如何降低掩膜成本，已经成为热门的话题，在这种背景下，无掩膜光刻就进入了人们的视线中。图1-1 制作掩膜的费用1.2 无掩膜刻蚀技术的简介无掩膜刻蚀技术是一类不采用掩膜板的刻蚀技术。无掩膜刻蚀技术大体包括两类，分别是 (1)带电粒子无掩膜刻蚀(Charged Particle Maskless Lithography，CPML2) ，如电子束刻蚀技术，离子束刻蚀技术等； (2)无掩膜光刻技术(Optical Maskless Lithogr
20、aphy,OML2)，如空间光调制器SLM （Spatial Light Modulator）无掩膜光刻技术、激光直写(LDW)、衍射光学元件光刻技术(如波带第一张 绪论3片光刻，Zone Plat Array Lithography)、干涉光刻技术（OL)、点墨法光刻技术(DPL)、扫描探针光刻技术(SPL)等等 3。下面简单介绍几种无掩膜刻蚀技术，并对各种无掩膜刻蚀技术的优缺点进行比较。1. 带电粒子无掩膜刻蚀技术，包括电子束刻蚀技术和离子束刻蚀技术。电子束刻蚀技术也被称为电子束曝光技术，它是在电子显微镜的基础上发展而来的，其研究和发展始于 20 世纪 60 年代初 4。电子束刻蚀技术一般
21、有两种类型：投影式和直写式。电子束投影式刻蚀技术是用高精度的电子透镜系统将通过掩膜图形的电子束平行地缩小入射到涂有抗蚀剂的衬底上，这需要特制的掩膜板。电子束投影式技术发展还不完善，并且属于有掩膜的刻蚀技术，在这里不做过多讲解。电子束直写式技术不需要价格昂贵并且制作时间长的掩膜，它能直接将会聚的电子束斑打在表面涂有抗蚀剂的衬底上 5。它的原理图如图 1-2 所示：图 1-2 电子束直写技术原理电子枪发射电子束，通过束闸和电子透镜后投射到衬底上。这里的衬底表面使用的抗蚀剂为电子束专用的抗蚀剂，是由甲基异丁基酮带性溶剂中的含氢硅酸盐类树脂所构成。光阑设定好电子束的会聚角和电子束电流，然后通过电子透镜
22、的静电力或是磁力来改变电子束的运动 5。电子透镜类似光学透镜,由于存在球差和色差的关系,会限制束斑的大小和会聚角的范围。整个装置都需要在真空的状态下工作。除上述原理图中的各个装置，还包括计算机，图形发生器和控制系统，计算机将所需图形数据送到图形发生器，图形发生器通过控制束闸和束偏转器来实现电子束的移动，从而在工件上描画出图形。电子束直写技术的优点是它具有高灵活性和高分辨率，可以直接在抗蚀剂上写出图形。但它也存在一些缺点如生产效率低，电子的散射易造成邻近效应。此电子透镜束闸电子枪束偏转器工件光阑上海理工大学硕士学位论文4外还存在一些问题，如电子束产出率的可延展性，它的稳定性和可靠性，电子束的精确
23、定位，电子束源的稳定性和它带来的剂量准确性，噪声问题等等。并且随着关键尺寸的减小，噪声问题会变的更加的突出。与电子束刻蚀技术原理相似的是离子束刻蚀技术，它是利用离子束直接在工件上描画图形或转印图形的曝光形式。离子束刻蚀技术也有直写式和投影式两大类。由于离子本身的质量远大于电子，所以离子束刻蚀技术的分辨率比电子束的分辨率高，且产生的邻近效应也可以忽略不计，并且具有高灵敏度。不过在大规模生产中，离子束刻蚀技术仍存在对准技术等难题。电子束直写技术与离子束直写技术都只适用于小批量器件的制备和研发。2.干涉光刻技术，它是利用激光束的干涉原理,使用双光束、多光束进行一次曝光多次曝光产生周期图形。干涉光刻能
24、制作的周期性图形包括光栅、柱阵图形、孔阵、点阵等, 可满足某些特定应用场合的要求 6。干涉光刻可用一般光刻光源和抗蚀剂,无需采用掩膜和价格昂贵的光刻镜头,比较便宜。图1-3为干涉光刻技术的原理图, 其中 和 分别为两束平面波的入射角, 在衬底上产生了垂12直于 轴的光栅，其光强分布为x00()2cos(insi)/1/)Ikxd其中 ； 、 、 分别表示光栅周期、曝光波长和每束平面2sin/(id0I波的强度。图 1-3：干涉光刻技术原理使用双光束干涉光刻可产生正弦光栅，采用一定方式进行多次重迭曝光能得到任意的正弦波相加之和，产生多种周期性结构，如圆孔阵列或椭圆形孔阵等。它的优点是使用相对简单且价格低廉的装置就能在大视场内，使各个位置都具有高分辨率，大焦深，高图形调制度。干涉光刻技术的缺点是干涉条纹的相对光强和相对相位难以控制。在工业生产中也存在一定的难度，无法大规模的投入使用。
