胡立业
(中国电子科技集团公司第十三研究所 河北省石家庄市 050051）
随着全球经济的快速发展和科技产品的推广普及，集成电路（IC）芯片已成为赋能各行各业必不可少的基本要素。在IC 芯片制造的整个过程中，光刻一直都是至关重要的技术环节。光刻技术是指在特定波长光线的辐照作用下，让涂敷在晶片表面的光刻胶发生有选择性的局部曝光，从而将掩膜版上的图案以特定的比例转移到晶片上的一种技术。由于光刻技术的水平直接决定着IC 芯片中各种微细结构制作精度的高低，进而决定着芯片产品多种性能指标的优劣，光刻技术持续改进、不断升级的脚步从来都没有停歇过。与此同时，光刻工艺的效率和稳定性，也直接决定着整条IC 芯片生产线的产能和成熟度。因此，如何才能让现有光刻工艺变得更加顺畅、更加可控，一直都是许多业内人士非常感兴趣的话题。
近些年来，在IC 芯片制造领域，应用最为广泛的光刻技术是步进式投影光刻[1-2]。这种光刻技术，最能满足绝大多数成熟IC 芯片大批量生产的需要，而且也是许多新型IC 芯片批量化试生产时最受青睐的选择。这种光刻技术，作为一种半自动化或全自动化的曝光技术，通常都离不开一种用于指导和辅助曝光过程顺利进行的重要文件，即：曝光文件（Exposure File)。这种文件是一种二进制文件，通常只以电子文件的形式存在，并且需要被存储到光刻设备工作站硬盘的特定路径下，以便于随时调取和使用。
曝光文件重要性的集中体现就是：对于任何一个批次的IC 芯片产品，与之相对应的曝光文件都不仅决定着它们的结构和形貌，同时也决定着它们的功能和性能——在IC 芯片制造过程中，曝光文件是一种必不可少的数字要素。
曝光文件与IC 芯片的关系，非常类似于携带着各种遗传信息的基因组与新生婴儿的关系。之所以这么说，是因为：在曝光文件中所存储的信息，无论是用于控制光刻设备，还是用于指导操作者，进而确保高质量地完成相应的光刻工艺，都起着非常重要的作用。以下三点可以更具体地说明曝光文件在实际生产中的必要性和重要性：
（1）合格的曝光文件是进行各种IC 芯片产品光刻工艺的基本前提。在使用步进式投影光刻设备对IC 晶片进行光刻工艺前，必须确保已经准备好了相应的曝光文件，而且还必须是没有包含错误信息的曝光文件。因为曝光文件中的内容如果有误，轻则会因为出错而不得不启动返工流程，重则会导致产品的批次性报废。
（2）各种IC 芯片产品之间的差异性，都需要在相应的曝光文件中有所体现。由于要加工的IC 芯片产品不同，所需曝光文件中的许多具体内容也往往不同。在曝光文件中，通常已经设定了多种曝光参数，例如：曝光强度、曝光时间、曝光模式，等等。另外，针对具体的某一道光刻工艺，在曝光文件中，还需要预先设定好将要使用哪块或哪几块掩膜版来完成光刻。不仅如此，曝光文件中还必须包含这些信息：将要使用的那些掩膜版图案分别位于哪些掩膜版上的具体什么位置，以及它们的长宽等精确数据。此外，曝光文件中还包含着许多其他的重要内容，由于篇幅限制，就不在此处一一赘述了。
（3）在曝光文件中，往往还会包含一些文字说明或符号提示等内容。这些内容，不仅可以帮助操作者避免一些操作错误，以此来确保优质而高效地完成光刻工艺。还有一些内容还可以让曝光文件管理起来更加方便，或者可以让某些工艺问题的排查工作变得更加快捷。
因为上述的原因，在IC 芯片工艺线上，任何一种需要用到步进式投影光刻的IC 芯片产品，都对应着一个或者一组曝光文件。要制造多少种IC 芯片产品，就需要提前编制多少与之相应的曝光文件。而且，随着众多产品的快速迭代和不断改进，与之相应曝光文件也都必须及时完成相应内容的更新。如果做不到这一点，新一个批次的IC 芯片的性能就不大可能比上一个批次的更好。
如果将来IC芯片产品的研发和生产任务迅猛增加，却还继续沿用传统的做法——以纯手工的方式在海量的曝光文件中逐一录入或修改巨量的相关数据，工作量将会非常的大。在这种情况下，不仅曝光文件编辑任务被完成的及时性会难以控制,而且曝光文件中各种各样的人为错误也定会明显增多。因此，需要找到一套速度更快而且不易出错的曝光文件编制工具，以确保此类任务能被快速、及时、高质量地完成。
在总体思路方面，参考和借鉴了《国家智能制造标准体系建设指南（2021版）》中的基本原则和建设思路[3]。
在自动编辑系统的总体设计方面，考虑到光刻设备工作站已经没有剩余的通讯端口，同时也不支持自编软件的运行，只能通过键盘和鼠标来完成预定的操作任务，本系统的总体设计最终采用了自制硬件与主控计算机和受控计算机相结合、自制硬件与自制软件相结合、改由机器完全代替操作者人工操作键盘和鼠标完成预定编辑任务的总体方案。
为了更好地满足实际需求，本系统需要集“系统性能自检”功能、“曝光文件新编”功能、“曝光文件更新”功能，以及“原始数据资料自动汇总和整理”功能和“曝光文件细化模板自动选择”功能等多种功能于一体，且应具有使用方法简单、编辑速度快、出错率低等突出特点。
搭建并实现本系统的大体思路是：由主控计算机来完成原始数据及资料的自动汇总和整理，并根据数据处理结果的关键内容给出推荐选项或自动选择最合适当前产品的的曝光文件细化模板以及将其重新命名为当前产品或器件名；
然后将转码后的数据信号自动发送给受控计算机（即：光刻设备工作站，一台工控机），以完成曝光文件的预定编辑任务。更具体一点来说：在使用本系统时，只需在受控计算机上使用自带的工业软件打开那一个被系统推送或自动选择的曝光文件，然后在主控计算机上点击一下数据发送按钮，即可。接下来，当前产品所有需要用到的数据都会通过自制硬件对受控计算机键盘的自动操作，快速而精准地将特定数据逐一填写到受控计算机上曝光文件编辑界面中的相应位置，直到完成对该曝光文件预定的数据录入任务或数据修改任务。在此过程中，当需要滚动屏幕或切换内容界面时，主控计算机会在恰当的时机自动向受控计算机发送相应的指令来完成这些操作，以确保自动编辑不被中断。本系统的原理结构图，如图1 所示。
图1：自动编辑系统的硬件（含自制硬件）的原理结构图
2.1 自动编辑系统的硬件设计与实现
本系统的硬件，除了主控计算机和受控计算机外，还包括一套自制硬件。自制硬件的设计以其主要功能为导向，即：从主控计算机获取所需数据和操作指令，并对这些指令进行编码处理，然后经由光刻设备工作站的键盘电路，将所需数据和操作指令自动发送给光刻设备工作站的主机。
自制硬件只能以自制的方式获得，因为无法购买到具有相同功能的现有商品。将自制硬件装配完成后，直接与主控计算机和受控计算机相连接，完成本硬件系统的组装后，加电即可使用。
本系统自制硬件的原理结构图，如图1 中虚线方框内部的那一部分所示。
在自制硬件的元器件选用方面，除了使用高可靠性的基础元器件，如：二极管、三极管、电容、电阻等之外，还需要使用高可靠性且高灵敏度的光传感器组成阵列来隔离控制带有消弧电路的微型继电器阵列，以避免自制硬件与主控计算机之间、自制硬件与受控计算机之间的相互干扰。
在自制硬件的元器件装配方面，需要着重做好以下几点：
（1）严格遵守有关静电防护的相关规定，避免在装配过程中对静电敏感器件造成静电硬损伤和静电软损伤。
（2）需对所有焊点进行质量控制，避免漏焊、虚焊、焊料熔融不充分、焊料浸润不良、焊盘受热时间过长等工艺问题的发生。
（3）在组装信号编码电路时，需要严格按照装配图依照预定顺序、逐一完成众多导线的连接，以免出现连接错误。
（4）在焊接镀金元器件或接插件时，必须预先进行充分的去金处理，以免埋下“金脆”隐患。
除了以上所述之外，为了便于抓握取放和日常使用，同时实现电路防尘和器件遮光，自制硬件的所有组件都需要被安装在一块基板上，并且用不透光且具有足够强度和韧性的外壳将这些组件保护起来。
2.2 自动编辑系统的软件设计与实现
本系统的软件，由一套光刻设备工作站（即：受控计算机）所附带的曝光文件编辑软件和一套自编软件构成。
对于曝光文件编辑软件，只需确保它能够正常运行，并对其主要功能和使用方法有足够全面且深入的了解或掌握即可。
自编软件，一方面承担着自制硬件驱动程序的角色，另一方面用于对自制硬件发送指令和数据，同时还可以实时监控自制硬件的工作状态。自编软件也无现成可用，只能自己编写。它由一系列使用VB 编程语言编写的具有特定功能的代码模块组成。它们主要包括：“系统性能自检”模块、“原始数据资料自动汇总”模块、“原始数据资料自动整理” 模块、“曝光文件细化模板自动选择”模块、“数据实时处理”模块、“数据信号发送”模块。本系统自制软件的原理结构图如图2 所示。
自编软件中的自动编辑速度调节代码，如下：
本自动编辑系统的主要功能如下：“系统性能自检”功能、“原始数据自动汇总和整理”功能、“曝光文件细化模板自动选择”功能、“曝光文件新编”功能、“曝光文件更新”功能。它们的简介如下：
（1）系统性能自检：用来预先验证系统性能是否正常，即：检查由主控计算机发出的所有种类的数据指令和操作指令，能否全被受控计算机成功接收或执行。
（2）原始数据自动汇总和整理：所需的原始数据通常零散地分布于多份掩膜版数据文件中。一般情况下，每份掩膜版数据文件中都既包含与当前产品有关的数据，也包含一些与当前产品无关的数据。本功能用于自动汇总和整理所需掩膜版数据文件中所有与当前产品有关的数据，并将它们按照相应图形层光刻工艺的先后进行自动排序，以便于后续使用。
（3）曝光文件细化模板自动选择：为了最大程度减少编辑曝光文件的工作量，需要制作并使用曝光文件细化模板。因为在这些曝光文件细化模板中，已经根据各种常见工艺细化分类的具体情况，预先设置了最适合该种情况的所有参数，以及预先完成了所有相对固定数据的填写。所以，充分利用这些模板，也是一种提升效率的有效途径。
（4）曝光文件新编：本功能主要用来为新产品（即：尚未进行流片的产品）编制曝光文件，或者用来为IC工艺线上的已有产品重新编制全新的曝光文件。后一种情况，需要将其曝光文件中的所有目标内容全部重新编辑一遍，也就是以处理新产品曝光文件的方式来进行处理。
（5）曝光文件更新：本功能专门用于已有产品的曝光文件中部分内容的更新，而无需将所有目标内容重新编辑一遍的情况。许多正处于研发阶段的产品，会在相当长的一段时间内处于不断迭代和持续改进的状态，而及时更新与之相应的曝光文件是非常必要的事情。
为了详细了解和实践检验本自动编辑系统在曝光文件编辑效率方面的提升情况，特意选择了一类工艺复杂程度中等的IC 产品，然后以对比实验的方式（手工编辑与自动编辑），对此类产品的曝光文件进行了编辑，并采集了相应的耗时数据。
得到了耗时数据统计结果，如图3 所示。
图3：使用自动编辑系统前后编辑曝光文件的耗时数据对比
图3 给出了50 个相同复杂程度曝光文件在应用本系统前后完成编辑的耗时数据折线图。其中，前5 个曝光文件采用了手工编辑的方式，后面的45 个曝光文件使用了自动编辑的方式。可见，在使用本系统后，曝光文件的编辑效率显著提升。计算结果显示，编辑单个曝光文件的平均耗时缩短了55.64%。除此之外，在降低编辑曝光文件的出错率方面，迄今为止还尚未出现因为使用本系统而产生的编辑错误问题——实现了“零出错率”。
本文针对集成电路（IC）曝光文件手工编辑“效率低、易出错”问题，通过将现已掌握的电子电路技术、计算机硬件技术和计算机编程技术与现有光刻技术相融合，设计并实现了一种用于曝光文件自动编辑的系统。本系统不仅可以大幅提高曝光文件的编辑速度，而且还可以显著降低曝光文件的编辑出错率。该系统在被投入实际应用以来，获得了相当不错的效果，达到了设计时的预期目的。
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