CN102566312A - 无掩膜直写式光刻机***中图形数据灰度值的计算方法 - Google Patents

无掩膜直写式光刻机***中图形数据灰度值的计算方法 Download PDF

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卢云君
蒋兴华
李显杰
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Abstract

本发明公开了一种无掩膜直写式光刻机***中图形数据灰度值的计算方法，包括有使用空间光调制器（SLM）作为图形发生器的无掩膜直写式光刻机***，通过对曝光图形的方向进行判断，区分SLM像素中被覆盖的部分和未被覆盖的部分，以梯形为基本单元，计算相应的被覆盖部分的面积大小即为边缘区域的灰度值。本发明通过一种采用面积覆盖的方式来进行图形反走样灰度的精确计算，提高了图形处理的精度，对于规则图形，理论上计算的灰度是就没有任何信息的丢失。而这种灰度处理算法最大优势还在于它的处理速度，相对于子像素填充的方法来计算灰度，本发明采用矢量数据可直接进行计算，大大减小了图形处理过程中数据量，提高了数据处理数据。

Description

无掩膜直写式光刻机***中图形数据灰度值的计算方法
技术领域
本发明涉及半导体行业和印刷电路板行业光刻技术领域，属于光刻机曝光***图形数据的灰度处理方法，特别是使用空间光调制器的直写式光刻机灰度曝光***或者激光直写曝光***（LDI）的数据处理方法。
背景技术
光刻技术是用于在衬底表面上印刷具有特征的构图。这样的衬底可包括用于制造半导体器件、多种集成电路、平面显示器（例如液晶显示器）、印刷电路板、生物芯片、微机械电子芯片、光电子线路芯片等的芯片。
在传统的光刻过程中，基底放置在承载台上，通过处在光刻设备内的曝光装置，将特征构图投射到基底表面。传统的掩膜式光刻机为在基底上制作图形，需要事先准备多个掩膜版（mask）或者菲林。由于特征尺寸的减少以及对于较小特征尺寸的精确公差的原因，这些mask对于生产而言成本很高，耗时很长，使传统的掩膜型晶圆光刻制造成本越来越高，非常昂贵。而传统的采用菲林进行电路板印刷制作由于形变而导致精度下降。
无掩膜（如直接写或数字式等）光刻***相对于使用传统mask或者菲林的方法，可以克服以上在使用mask和菲林所存在的缺陷，在光刻方面提供了许多益处。直写式***使用空间图形发生器（SLM）来代替分划板后者菲林。SLM包括数字微镜***（DMD）或液晶显示器（LCD），SLM包括一个可独立寻址和控制的象素阵列，每个象素可以对透射、反射或衍射的光线产生包括相位、灰度方向或开关状态的调制。
采用空间图形发生器的直写式光刻***主要采用计算机控制图形发生器（SLM）精缩排版曝光。主要问题是分辨率较低，并且受到单位象素的形状和有效通光孔径（fill-in factor）的限制，难以制作连续光滑的图形轮廓。通过采用灰度曝光方式，进行图形边缘曝光能量的灰度调制，可以有效的提高曝光图形的精度和光刻机***的分辨率。灰度曝光需要相应的将光刻设计版图进行解析和处理成灰度模式。灰度处理的精度和速度直接关系到光刻设备的精度和产能。
发明内容
本发明的目的是提供一种直接通过矢量数据进行曝光数据的灰度处理方法，适用于使用空间光调制器作为图形发生器的直写式光刻机灰度曝光***。
本发明的技术方案如下：
    无掩膜直写式光刻机***中图形数据灰度值的计算方法，包括有使用空间光调制器（SLM）作为图形发生器的无掩膜直写式光刻机***，照明光源发出的光经过聚光镜***汇聚、均匀化以后以特定角度入射到SLM上，SLM接收到数字化的灰度数据后，调制SLM的微镜翻转的占空比或微镜重复曝光的次数，实现曝光能量的灰度调制，得到的不同灰阶的曝光能量通过远心成像***成像在基底上；其特征在于：所述基底上的曝光图形分为内部区域、边缘区域，内部区域直接曝光白图，边缘区域由灰度来表示，边缘区域的灰度值由图形相应的矢量数据通过精确计算产生，所述的边缘区域的图形包括直线边缘和弧线边缘，还包括有直线边缘或弧线相交所构成的顶点，边缘区域的灰度值的大小等于曝光图形覆盖SLM像素的面积的大小。
所述的一种无掩膜直写式光刻机***中图形数据灰度值的计算方法，其特征在于：采用反走样算法中利用图形方向来判断SLM像素被覆盖区域和未被覆盖区域，进行灰度值计算的是对应被覆盖部分。
所述的一种无掩膜直写式光刻机***中图形数据灰度值的计算方法，其特征在于：所述曝光图形覆盖SLM像素的面积是以梯形为基本计算单元。
本发明的原理是：本发明通过对曝光图形的方向进行判断，区分SLM像素中被覆盖的部分和未被覆盖的部分，以梯形为基本单元，计算相应的被覆盖部分的面积大小即为边缘区域的灰度值。
本发明的主要益处在于：
本发明通过一种采用面积覆盖的方式来进行图形反走样灰度的精确计算，提高了图形处理的精度，对于规则图形，理论上计算的灰度是就没有任何信息的丢失。而这种灰度处理算法最大优势还在于它的处理速度，相对于子像素填充的方法来计算灰度，本发明采用矢量数据可直接进行计算，大大减小了图形处理过程中数据量，提高了数据处理数据。
附图说明
图1是本发明的***原理结构图。（其中，1、光刻机照明光源，2、光刻机照明光源聚光镜***，3、空间光调制器，4、5、远心投影成像***，6、基底。）
图2是本发明的曝光图形的边缘区域与内部区域的示意图。（其中，7表示内部区域，8表示需要进行处理的边缘区域。）
图3是本发明的曝光图形的一系列像素网格和对应的各条边的示意图。（其中，A、B、C和D分别表示多边形的顶点。）
图4是发明的曝光图形的包含圆弧的一系列像素和对应的圆弧示意图。（其中，弧线和弦之间的部分计算过程中会丢失精度，但远比通常所采用子像素处理方式精度高，也远小于***其他部分的误差，此处可以忽略不计。）
图5是本发明的边缘为直线的曝光图形的结构示意图。（其中，14是三角形，可以看成是其中一条平行边长度退化为零；13是恰好为梯形；15是五边形。）
图6是本发明的曝光图形的多边形的两条相邻边相交的顶点灰度情形的示意图。（其中，16是两条边同在一侧的情形，17是两条边分布在两侧情形。）
图7是超过***实际的分辨率的图形的示意图。
具体实施方式
本发明是利用灰度曝光***，通过调制空间光调制器实现能量灰阶，使基底上能够接收到不同曝光能量大小，使得能量和图形灰度之间存在一一对应关系。
灰度曝光***如图1所示。照明光源1发出的光经过聚光镜***2汇聚、均匀化以后以θ角入射到空间光调制器（SLM）3上，入射光经SLM调制以后通过远心成像***4、5成像在基底6上。将数字化的灰度数据输送至SLM中，通过控制SLM微镜翻转的占空比或者是微镜重复曝光的次数，可以实现曝光能量的灰度调制，在基底6上就可以得到呈现不同灰阶的曝光能量。这些光学能量与基底上的感光物质发生相互作用，然后经过光刻、显影工艺，实现了将设计图形高精度的转移到基底6上。
光刻设计版图需要经过解析、变换、裁剪、栅格、处理等过程，才可供光刻设备识别和使用。在高精度的灰度曝光***中，需要在处理过程中产生相应的灰度数据，而灰度处理算法的优劣直接决定了数据的处理精度和处理速度。本发明提供的是一种利用矢量数据直接计算面积因子的方法来实现灰度数据的快速和高精度处理。
灰度图形数据的形成如图2所示。主要将设计图形区分为图形内部区域7和边缘区域8。内部区域7直接曝光白图，即能量不需要进行灰阶调制。灰度调制的重点是针对边缘区域8，边缘所经过的所有像素均要进行灰度值计算。
图形边缘为直线的灰度处理如图3所示，这可以推广到边缘为直线的任意图形的边缘灰度处理中。图中，9为内部区域，10为边缘区域，凡是顶点A、B、C和D以及边缘区域所经过的未被图形完全覆盖的SLM像素，均需要重新计算其灰度值。
图形边缘为弧线的灰度处理如图4所示，这可以推广到边缘为任意非直线的图形的边缘灰度处理中。图中，11为内部区域，12为边缘区域，以曲线与SLM像素两边的交点为端点，采用两点之间的连线线段代替弧线，进行后续的灰度值计算处理。
总体来说，边缘灰度处理分为顶点灰度处理和斜边灰度处理。特殊情况下，如果图形边缘为曲线，如图4中的情形，则可以把边缘退化成一系列位于SLM像素中的顶点组成的折线段构成。
灰度值的计算采用面积法，即图形覆盖SLM像素面积与实际栅格面积的比率来表示。因此，灰度值计算方法后续全部由面积计算方法替代。
直线边缘的灰度计算主要包含三类图形，即简单直角三角形、梯形和五边形，如图5中14、13和15所示。这三种图形都可以以梯形单元做为计算计算单元。其中，三角形和梯形可以直接由梯形面积公式计算，三角形可以当作其中一平行边退化为零的特殊梯形。对于五边形的情形，可以通过计算与其互补的三角形面积而得到，因而也可以采用梯形作为基本计算单元。
有关顶点灰度的计算，通过采用两次计算矢量相加的方法来实现，如图6所示。过顶点作与底边垂直的线，分别计算两条边与底边所包围的梯形面积。如果分布在辅助垂线的两侧，则最终面积取二者面积之和，图6中16所示为相加的情形；如果两条边所包围的梯形都在这条辅助垂线的一侧，则最终面积取二者面积之差的绝对值，图6中17所示为相减的情形。
在本发明中，有一类图形由于超过了光刻机***的分辨率，如图7所示，灰度可以不予考虑，遇到此类图形可以不予处理。
至此，即完成输入图形数据的灰度处理，结合灰度曝光***，可以实现边缘区域小于空间光调制器物理尺寸的精细图形曝光，提高了曝光图形的精度，增加了图形边缘斜线和圆弧区域的平滑效果。

Claims (3)

1.一种无掩膜直写式光刻机***中图形数据灰度值的计算方法，包括有使用空间光调制器（SLM）作为图形发生器的无掩膜直写式光刻机***，照明光源发出的光经过聚光镜***汇聚、均匀化以后以特定角度入射到SLM上，SLM接收到数字化的灰度数据后，调制SLM的微镜翻转的占空比或微镜重复曝光的次数，实现曝光能量的灰度调制，得到的不同灰阶的曝光能量通过远心成像***成像在基底上；其特征在于：所述基底上的曝光图形分为内部区域、边缘区域，内部区域直接曝光白图，边缘区域由灰度来表示，边缘区域的灰度值由图形相应的矢量数据通过精确计算产生，所述的边缘区域的图形包括直线边缘和弧线边缘，还包括有直线边缘或弧线相交所构成的顶点，边缘区域的灰度值的大小等于曝光图形覆盖SLM像素的面积的大小。
2.根据权利要求1所述的一种无掩膜直写式光刻机***中图形数据灰度值的计算方法，其特征在于：采用反走样算法中利用图形方向来判断SLM像素被覆盖区域和未被覆盖区域，进行灰度值计算的是对应被覆盖部分。
3.根据权利要求1所述的一种无掩膜直写式光刻机***中图形数据灰度值的计算方法，其特征在于：所述曝光图形覆盖SLM像素的面积是以梯形为基本计算单元。
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