SOC光刻仿真3D实时显示方法研究

目前大部分光刻仿真系统利用二维图形显示技术实现 光刻仿真结果的交互显示，随着虚拟现实技术的发展，根据
仿真结果建立三维硅晶圆结构模型，并利用大规模场景实时 漫游技术对硅晶圆结构进行 3D 实时绘制已成为可能，光刻 仿真数据三维可视化已经成为当前 SOC 设计的研究热点。 光刻工艺分为三个过程：光通过成像系统、抗蚀剂曝光以及 抗蚀剂的显影。加州大学伯克利分校的 SAMPLE-3D[3]、卡 内基梅隆大学的 Metropole-3D[4]对曝光以及显影进行了 3D 仿真，METRO-3D[5]在晶圆检测方面进行了 3D 仿真。但这 些系统都未对成像系统生成的光照强度信息进行 3D 仿真, 同时大规模海量设计数据的 3D 实时交互式显示目前在国际 上还是空白。
引 言1
光刻是 SOC(System On Chip)制造的关键工艺，随着 SOC 工艺进入纳米时代，光刻技术变得越来越复杂，光刻 仿真能够帮助半导体技术人员模拟光刻工艺，缩短开发周 期、提高产品质量。近年来，人们在光刻仿真研究方面做了 大量的工作，如美国加州大学伯克利分校开发的光刻仿真系 统 SPLAT (Simulation of Projection Lens Aberrations via TCCs) [1]，以及 Yoshikazu Hirai 研究的 X 光刻仿真系统[2]等。面对 仿真后生成的海量数据，如何将光刻仿真结果直观、形象地 呈现在技术人员面前成为光刻仿真软件面临的巨大挑战之 一。采用实时 3D 图形显示技术实现仿真结果三维可视化是 解决该问题的有效途径，其中如何将仿真数据转变为三维图 形数据以及实现这些数据的 3D 交互式实时显示是其中的关 键和难点。
本次 SPLAT 能仿真的硅晶圆面积为 2x2y(µm2)。
输出文档第二行说明仿真结果的数据量，其格式为 w，
l，表示硅晶圆 X、Y 轴方向分别由 w、l 个点表示。也就是
说 SPLAT 对 2x2y(µm2)大小的硅晶圆进行仿真，结果将由 w
X l 个点的光照强度值表示，仿真结果分辨率 R 定义为：
Abstract: Photolithography simulation is the key process of SOC (System on Chip) photolithography fabrication. Based on SPLAT (Simulation of Projection Lens Aberrations via TCCs), an automatic sorting algorithm designed for 3D modeling was introduced in order to re-sort the simulation data of SPLAT output file. In addition, a transformation model that converted light intensity data into deep data was proposed. The light intensity data of SPLAT output file was converted into data with 3D visualization using the transformation model. Experimental results show that both the automatic sorting algorithm and the transformation model are applicable and novel. Besides, the model and algorithm proposed can be further applied to large-scale interactive real-time 3D visualization for SOC data simulation. Key words: photolithography simulation; SOC; SPLAT; 3D visualization
强度值大的区域会凸起，而使用正性光刻胶时则会凹下，为
SPLAT 输出结果为光照强度信息，为了实现数据的三 维可视化，需要建立光照强度与深度转换模型，必须将
SPLAT 输出光照强度信息转换为深度值。设硅晶圆上某点
的光照强度值为 I( x, y)，则：
I( x, y )=F-1 {I ( f, g )}
(4)
+∞ +∞
∫ ∫ I ( f , g) =
T ( f ′ + f , g′ + g, f ′, g′) ×
v1, v2 , …, vw,…, vkw+1 , vkw+2 , …, v2kw,…,v(l-1)w ,
v(l-1)(w+1) , …, v1w ,
其中：k=0, 2, …,l-1
(3)
自动排序算法对输出数据进行重新排序的算法如下：
初始化仿真数组 Data[]，用于存放 SPLAT 生成的仿真结果；
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第 20 卷第 23 期 2008 年 12 月
系统仿真学报
Vol. 20 No. 23 Dec., 2008
度数据，这些值保存在 SPLAT 输出文档(SPLAT output data file)中，并按一定顺序排放。
SPLAT 输出数据格式如表 1 所示：
1列 -x
v1 … v8k+1 …
初始化转换数组 TData[]，用于存放转换数据； 仿真数组序号 s=0； 转换数组序号 t=0; for 晶圆纵向点数为 l-1 到 0；
for 晶圆横向点数为 0 到 w-1; t=纵向点数*w+横向点数;
TData[t]=Data[s]； s=s+1; end; end;
2 光照强度与深度转换模型
v2 , …, vw
其中：k=l-1, l-2, …,0
(2)
在对圆晶片进行 3D 建模时，如果按此顺序进行图形绘
制，形成的 3D 图形就是真实图形的倒像。所以必须对数据
重新排序，使从晶圆片左上角开始的光照强度信息为第一笔
数据，然后依次从左向右，从上向五排列，直至右下角为最
后一笔数据。如式 3 所示。
数据可视化；万旺根(1961-), 男, 江西省南昌人, 博士, 教授, 博ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ，上
海大学 ITS 研究中心常务副主任, 研究方向为科学数据可视化、多媒体
信号处理。
SPLAT[1]是由美国加州大学伯克利分校开发的二维透 射系统仿真程序，其理论基础是部分相干成像 Hopkins 理论。 可模拟出光源透过光罩在硅晶圆上蚀刻后的结果，能仿真高 数值孔径及改进后照明装置下透镜像差、变迹、空间过滤、 聚焦及放大效果。经过 SPLAT 模拟后，会产生大量光照强
光照强度转换为三维模型的深度，根据文献[1]指出的 SPLAT 输出的光照强度值与最终形成的晶圆表面凹凸深度成线性关
系，得出光照强度与深度值转换模型为：
d (x, y) = dip ⋅ λ ⋅ I (x, y) + e
(6)
其中 d(x, y)为晶圆表面深度值，λ 为转换系数，e 为修正系 数。λ、e 与光刻设备性质有关。dip 为显影系数，与光刻胶 的性质有关。考虑到成像的后续过程使用负性光刻胶，光照
表 1 SPLAT 输出数据格式
2 列 3 列 4 列 其他列 最后一列
x
-y
y
w
l
v2
v3
v4
…
v5
………
…
…
v8k+2 v8k+3 v8k+4
…
…
vwj
v8(k+1)
SPLAT 输出文档第一行说明光罩大小。其格式为-x，x，
-y，y。表示在硅晶圆平面上宽度(X 轴)范围是从-x 到 x；长
度(Y 轴)范围是从-y 到 y。其单位为微米。第一行数据说明
强度数值转变为 3D 可视化的深度数据，论文最后设计了 3D 实时图形仿真程序并进行了实验。实
验证明了自动排序算法以及转换模型的正确性和先进性，为超大规模 SOC 数据的 3D 交互式实时
显示奠定了基础。
关键词：光刻仿真；SOC；SPLAT；三维可视化
中图分类号：TP391.9
文献标识码：A
文章编号：1004-731X (2008) 23-6383-04
传统方法通过提取光强等高线[3]的方法用二维图像表示
光刻仿真结果，即得到晶圆平面上一组密集采样点的光强分
布后，对整个面进行搜索得到符合某一光强值所有点的位置，
进而将搜索到的各点连接成一条连续的封闭曲线或一组封闭
曲线组，从而形成一定的图案。但二维图像不够直观，而且
只能提供顶视图。为了得到光照强度信息的立体图，需要将
v1 …
v8k +1 …
v2
v8k + 2 v wl
v8 … v8(k +1)
图 1 光照强度值排列顺序
将 SPLAT 输出文档第三行以后数据依次排列，其光照 强度信息依次排列结果为：
v(l-1)w , v(l-1)(w+1) , …, v1w , …, vkw+1 , vkw+2 , …, v2kw ,…, v1 ,
第 20 卷第 23 期 2008 年 12 月
系 统 仿 真 学 报© Journal of System Simulation
Vol. 20 No. 23 Dec., 2008
SOC 光刻仿真 3D 实时显示方法研究
崔 滨 1，万旺根 1，唐经洲 2，黄 炳 1
(1.上海大学通信与信息工程学院，上海 200072；2.南台科技大学电子工程系，台南 710)
1 自动排序算法
收稿日期：2007-06-03