集成電路曝光文件自動編輯系統設計與實現

胡立業

(中國電子科技集團公司第十三研究所 河北省石家莊市 050051）

隨著全球經濟的快速發展和科技產品的推廣普及，集成電路（IC）芯片已成為賦能各行各業必不可少的基本要素。在IC 芯片制造的整個過程中，光刻一直都是至關重要的技術環節。光刻技術是指在特定波長光線的輻照作用下，讓涂敷在晶片表面的光刻膠發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移到晶片上的一種技術。由于光刻技術的水平直接決定著IC 芯片中各種微細結構制作精度的高低，進而決定著芯片產品多種性能指標的優劣，光刻技術持續改進、不斷升級的腳步從來都沒有停歇過。與此同時，光刻工藝的效率和穩定性，也直接決定著整條IC 芯片生產線的產能和成熟度。因此，如何才能讓現有光刻工藝變得更加順暢、更加可控，一直都是許多業內人士非常感興趣的話題。

1 曝光文件簡介與相關需求

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

曝光文件重要性的集中體現就是：對于任何一個批次的IC 芯片產品，與之相對應的曝光文件都不僅決定著它們的結構和形貌，同時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字要素。

曝光文件與IC 芯片的關系，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系。之所以這么說，是因為：在曝光文件中所存儲的信息，無論是用于控制光刻設備，還是用于指導操作者，進而確保高質量地完成相應的光刻工藝，都起著非常重要的作用。以下三點可以更具體地說明曝光文件在實際生產中的必要性和重要性：

（1）合格的曝光文件是進行各種IC 芯片產品光刻工藝的基本前提。在使用步進式投影光刻設備對IC 晶片進行光刻工藝前，必須確保已經準備好了相應的曝光文件，而且還必須是沒有包含錯誤信息的曝光文件。因為曝光文件中的內容如果有誤，輕則會因為出錯而不得不啟動返工流程，重則會導致產品的批次性報廢。

（2）各種IC 芯片產品之間的差異性，都需要在相應的曝光文件中有所體現。由于要加工的IC 芯片產品不同，所需曝光文件中的許多具體內容也往往不同。在曝光文件中，通常已經設定了多種曝光參數，例如：曝光強度、曝光時間、曝光模式，等等。另外，針對具體的某一道光刻工藝，在曝光文件中，還需要預先設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，以及它們的長寬等精確數據。此外，曝光文件中還包含著許多其他的重要內容，由于篇幅限制，就不在此處一一贅述了。

（3）在曝光文件中，往往還會包含一些文字說明或符號提示等內容。這些內容，不僅可以幫助操作者避免一些操作錯誤，以此來確保優質而高效地完成光刻工藝。還有一些內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。

因為上述的原因，在IC 芯片工藝線上，任何一種需要用到步進式投影光刻的IC 芯片產品，都對應著一個或者一組曝光文件。要制造多少種IC 芯片產品，就需要提前編制多少與之相應的曝光文件。而且，隨著眾多產品的快速迭代和不斷改進，與之相應曝光文件也都必須及時完成相應內容的更新。如果做不到這一點，新一個批次的IC 芯片的性能就不大可能比上一個批次的更好。

如果將來IC芯片產品的研發和生產任務迅猛增加，卻還繼續沿用傳統的做法——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數據，工作量將會非常的大。在這種情況下，不僅曝光文件編輯任務被完成的及時性會難以控制,而且曝光文件中各種各樣的人為錯誤也定會明顯增多。因此，需要找到一套速度更快而且不易出錯的曝光文件編制工具，以確保此類任務能被快速、及時、高質量地完成。

2 自動編輯系統的設計與實現

在總體思路方面，參考和借鑒了《國家智能制造標準體系建設指南（2021版）》中的基本原則和建設思路[3]。

在自動編輯系統的總體設計方面，考慮到光刻設備工作站已經沒有剩余的通訊端口，同時也不支持自編軟件的運行，只能通過鍵盤和鼠標來完成預定的操作任務，本系統的總體設計最終采用了自制硬件與主控計算機和受控計算機相結合、自制硬件與自制軟件相結合、改由機器完全代替操作者人工操作鍵盤和鼠標完成預定編輯任務的總體方案。

為了更好地滿足實際需求，本系統需要集“系統性能自檢”功能、“曝光文件新編”功能、“曝光文件更新”功能，以及“原始數據資料自動匯總和整理”功能和“曝光文件細化模板自動選擇”功能等多種功能于一體，且應具有使用方法簡單、編輯速度快、出錯率低等突出特點。

搭建并實現本系統的大體思路是：由主控計算機來完成原始數據及資料的自動匯總和整理，并根據數據處理結果的關鍵內容給出推薦選項或自動選擇最合適當前產品的的曝光文件細化模板以及將其重新命名為當前產品或器件名；然后將轉碼后的數據信號自動發送給受控計算機（即：光刻設備工作站，一臺工控機），以完成曝光文件的預定編輯任務。更具體一點來說：在使用本系統時，只需在受控計算機上使用自帶的工業軟件打開那一個被系統推送或自動選擇的曝光文件，然后在主控計算機上點擊一下數據發送按鈕，即可。接下來，當前產品所有需要用到的數據都會通過自制硬件對受控計算機鍵盤的自動操作，快速而精準地將特定數據逐一填寫到受控計算機上曝光文件編輯界面中的相應位置，直到完成對該曝光文件預定的數據錄入任務或數據修改任務。在此過程中，當需要滾動屏幕或切換內容界面時，主控計算機會在恰當的時機自動向受控計算機發送相應的指令來完成這些操作，以確保自動編輯不被中斷。本系統的原理結構圖，如圖1 所示。

圖1：自動編輯系統的硬件（含自制硬件）的原理結構圖

2.1 自動編輯系統的硬件設計與實現

本系統的硬件，除了主控計算機和受控計算機外，還包括一套自制硬件。自制硬件的設計以其主要功能為導向，即：從主控計算機獲取所需數據和操作指令，并對這些指令進行編碼處理，然后經由光刻設備工作站的鍵盤電路，將所需數據和操作指令自動發送給光刻設備工作站的主機。

自制硬件只能以自制的方式獲得，因為無法購買到具有相同功能的現有商品。將自制硬件裝配完成后，直接與主控計算機和受控計算機相連接，完成本硬件系統的組裝后，加電即可使用。

本系統自制硬件的原理結構圖，如圖1 中虛線方框內部的那一部分所示。

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算機之間、自制硬件與受控計算機之間的相互干擾。

在自制硬件的元器件裝配方面，需要著重做好以下幾點：

（1）嚴格遵守有關靜電防護的相關規定，避免在裝配過程中對靜電敏感器件造成靜電硬損傷和靜電軟損傷。

（2）需對所有焊點進行質量控制，避免漏焊、虛焊、焊料熔融不充分、焊料浸潤不良、焊盤受熱時間過長等工藝問題的發生。

（3）在組裝信號編碼電路時，需要嚴格按照裝配圖依照預定順序、逐一完成眾多導線的連接，以免出現連接錯誤。

（4）在焊接鍍金元器件或接插件時，必須預先進行充分的去金處理，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，同時實現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度和韌性的外殼將這些組件保護起來。

2.2 自動編輯系統的軟件設計與實現

本系統的軟件，由一套光刻設備工作站（即：受控計算機）所附帶的曝光文件編輯軟件和一套自編軟件構成。

對于曝光文件編輯軟件，只需確保它能夠正常運行，并對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，一方面承擔著自制硬件驅動程序的角色，另一方面用于對自制硬件發送指令和數據，同時還可以實時監控自制硬件的工作狀態。自編軟件也無現成可用，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：“系統性能自檢”模塊、“原始數據資料自動匯總”模塊、“原始數據資料自動整理” 模塊、“曝光文件細化模板自動選擇”模塊、“數據實時處理”模塊、“數據信號發送”模塊。本系統自制軟件的原理結構圖如圖2 所示。

自編軟件中的自動編輯速度調節代碼，如下：

3 主要功能簡介

本自動編輯系統的主要功能如下：“系統性能自檢”功能、“原始數據自動匯總和整理”功能、“曝光文件細化模板自動選擇”功能、“曝光文件新編”功能、“曝光文件更新”功能。它們的簡介如下：

（1）系統性能自檢：用來預先驗證系統性能是否正常，即：檢查由主控計算機發出的所有種類的數據指令和操作指令，能否全被受控計算機成功接收或執行。

（2）原始數據自動匯總和整理：所需的原始數據通常零散地分布于多份掩膜版數據文件中。一般情況下，每份掩膜版數據文件中都既包含與當前產品有關的數據，也包含一些與當前產品無關的數據。本功能用于自動匯總和整理所需掩膜版數據文件中所有與當前產品有關的數據，并將它們按照相應圖形層光刻工藝的先后進行自動排序，以便于后續使用。

（3）曝光文件細化模板自動選擇：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化模板。因為在這些曝光文件細化模板中，已經根據各種常見工藝細化分類的具體情況，預先設置了最適合該種情況的所有參數，以及預先完成了所有相對固定數據的填寫。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品（即：尚未進行流片的產品）編制曝光文件，或者用來為IC工藝線上的已有產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內容全部重新編輯一遍，也就是以處理新產品曝光文件的方式來進行處理。

（5）曝光文件更新：本功能專門用于已有產品的曝光文件中部分內容的更新，而無需將所有目標內容重新編輯一遍的情況。許多正處于研發階段的產品，會在相當長的一段時間內處于不斷迭代和持續改進的狀態，而及時更新與之相應的曝光文件是非常必要的事情。

4 實際應用效果

為了詳細了解和實踐檢驗本自動編輯系統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雜程度中等的IC 產品，然后以對比實驗的方式（手工編輯與自動編輯），對此類產品的曝光文件進行了編輯，并采集了相應的耗時數據。

得到了耗時數據統計結果，如圖3 所示。

圖3：使用自動編輯系統前后編輯曝光文件的耗時數據對比

圖3 給出了50 個相同復雜程度曝光文件在應用本系統前后完成編輯的耗時數據折線圖。其中，前5 個曝光文件采用了手工編輯的方式，后面的45 個曝光文件使用了自動編輯的方式。可見，在使用本系統后，曝光文件的編輯效率顯著提升。計算結果顯示，編輯單個曝光文件的平均耗時縮短了55.64%。除此之外，在降低編輯曝光文件的出錯率方面，迄今為止還尚未出現因為使用本系統而產生的編輯錯誤問題——實現了“零出錯率”。

5 結論

本文針對集成電路（IC）曝光文件手工編輯“效率低、易出錯”問題，通過將現已掌握的電子電路技術、計算機硬件技術和計算機編程技術與現有光刻技術相融合，設計并實現了一種用于曝光文件自動編輯的系統。本系統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率。該系統在被投入實際應用以來，獲得了相當不錯的效果，達到了設計時的預期目的。