專利名稱：光刻膠顯影過程三維模擬可視化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供一種光刻膠顯影過程三維模擬可視化方法，屬于微電子光刻技術(shù)仿真技術(shù)領(lǐng) 域與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光刻工藝是指在半導(dǎo)體制作中將在光刻版上的臨時(shí)電路結(jié)構(gòu)復(fù)制到以后要進(jìn)行刻蝕和離 子注入的硅晶片上。光刻過程的步驟一般為首先在二氧化硅為主要成分的芯層材料上面，淀 積一層膠；第二步，使用掩模版對(duì)光刻膠曝光固化，并在光刻膠層上形成固化的與掩模板完 全對(duì)應(yīng)的幾何圖形；第三步，對(duì)光刻膠上圖形顯影，與掩模對(duì)應(yīng)的光刻膠圖形可以使芯層材 料抵抗刻蝕過程；第四步，使用等離子交互技術(shù)，將二氧化硅刻蝕成與光刻膠圖形對(duì)應(yīng)的芯 層形狀；最后進(jìn)行光刻膠層剝離，在已經(jīng)形成的芯層圖形上面淀積上包層。其中對(duì)光刻膠 顯影是光刻工藝的重要環(huán)節(jié)。隨著光刻技術(shù)越來越復(fù)雜，數(shù)百個(gè)不同的工藝參數(shù)超過了人的 處理能力，從而需要模擬真實(shí)工藝來調(diào)整參數(shù)，這就需要進(jìn)行光刻仿真。
光刻過程仿真中，光刻膠顯影模擬是耗時(shí)最多的一個(gè)步驟，也是關(guān)鍵的一步。對(duì)于納米 級(jí)設(shè)備如SOC (片上系統(tǒng))，MEME (微機(jī)電系統(tǒng))，精確的顯影建模與仿真可提高成品率，減 少生產(chǎn)成本。光刻膠顯影模擬可分為三個(gè)步驟光通過成像系統(tǒng)、光刻膠曝光以及光刻膠的 刻蝕。而光刻仿真的三維可視化能夠幫助設(shè)計(jì)者發(fā)現(xiàn)隨時(shí)間變化引起的光刻膠拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變 化，比傳統(tǒng)的二維顯示方法能提供更多的信息。在國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局檢索到的專利"光刻機(jī)抗 蝕劑成像仿真三維交互顯示方法"(申請(qǐng)?zhí)?00710171692.6)對(duì)進(jìn)行光刻膠成像過程進(jìn)行了 模擬，但沒有進(jìn)行顯影過程的仿真。周再發(fā)等提出利用元胞機(jī)方法對(duì)光刻顯影過程進(jìn)行三維 模擬，參見專利"光刻膠三維刻蝕過程模擬的動(dòng)態(tài)元胞自動(dòng)機(jī)方法"(申請(qǐng)?zhí)?200410065791. 2)，但其沒有進(jìn)行三維可視化。
目前三維可視化方法都力圖在效率、精度以及可執(zhí)行性方面進(jìn)行平衡，主要采用幾何網(wǎng) 格方法表現(xiàn)三維模型，這種方法在技術(shù)上容易實(shí)現(xiàn)，但是計(jì)算量大、耗費(fèi)時(shí)間，精度也有一 定限制。另外，渲染管線將大量的工作用于轉(zhuǎn)換和光柵化大量構(gòu)成幾何網(wǎng)格的面片，這些幾 何面片往往不能覆蓋一個(gè)像素，從而造成資源浪費(fèi)。為了突破這些限制，近十年來，人們提 出了基于點(diǎn)的渲染方法用于彌補(bǔ)幾何網(wǎng)格的不足，Rusinkiewicz和Levoy提出基于點(diǎn)的多分 辨率渲染算法，參見文獻(xiàn)(S. Rusinkiewicz and M. Levoy. QSplat: A Multiresolution Point-Rendering System for Large Meshes. Proc. 27th Ann. Conf. Computer Graphics andInteractive Techniques, 2000， pp. 342-352.)，直接對(duì)點(diǎn)進(jìn)行渲染。根據(jù)物體在屏幕上的 大小，渲染適當(dāng)數(shù)量的復(fù)雜幾何曲面的采樣點(diǎn)，使每點(diǎn)覆蓋一個(gè)像素。同時(shí)采用了點(diǎn)的等級(jí) 結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)基于細(xì)節(jié)層次的多分辨率渲染，可進(jìn)行大規(guī)模場景繪制，實(shí)現(xiàn)對(duì)百萬個(gè)點(diǎn)的可視 化。

發(fā)明內(nèi)容
需要解決的技術(shù)問題
本發(fā)明的目的在于提供一種光刻膠顯影過程三維模擬可視化方法，能解決光刻膠顯影過 程的實(shí)時(shí)仿真和三維可視化問題。解決現(xiàn)有技術(shù)沒有對(duì)光刻顯影過程進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)仿真和對(duì) 海量模擬結(jié)果進(jìn)行三維交互顯示問題。實(shí)現(xiàn)了利用三維可視化交互技術(shù)對(duì)光刻顯影工藝進(jìn)行 設(shè)計(jì)、優(yōu)化和調(diào)整。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案
通過服務(wù)器與客戶端的聯(lián)系，在客戶端輸入?yún)?shù)設(shè)置為光刻機(jī)、掩模版、光刻屬性以及 模擬顯影的時(shí)長。服務(wù)器根據(jù)客戶端設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行光通過成像系統(tǒng)、光刻膠曝光以及光刻 膠的刻蝕過程的模擬，計(jì)算光刻膠表面各點(diǎn)隨時(shí)間發(fā)生的位置變化，并通過插值生成致密的 三維點(diǎn)云，然后對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行組織，構(gòu)建層次樹結(jié)構(gòu)多分辨率漸近式的表示光刻膠幾何模 型。最后，通過網(wǎng)絡(luò)流式傳輸方式把模擬結(jié)果送到客戶端實(shí)現(xiàn)光刻顯影過程的三維實(shí)時(shí)繪制 和實(shí)時(shí)交互式操作。其具體操作步驟如下
(1) 光刻機(jī)、掩模版以及光刻膠的參數(shù)輸入。輸入的參數(shù)包括光刻機(jī)的曝光波長、投影 光學(xué)鏡頭數(shù)值孔徑、相干因子、離焦、掩模版的尺寸和形狀、晶圓尺寸、光刻膠厚度、光刻 膠折射系數(shù)以及特定光刻膠的Dill模型和Kim模型參數(shù)。
(2) 光刻膠顯影過程模擬。本發(fā)明將光刻膠顯影模擬分為光通過成像系統(tǒng)、光刻膠曝光 以及光刻膠的刻蝕。根據(jù)目前主流的光學(xué)光刻技術(shù)，對(duì)投影式光刻機(jī)成像進(jìn)行仿真，把掩模 上的版圖轉(zhuǎn)移到光刻膠表面上，得到一組密集采樣點(diǎn)的光強(qiáng)分布；然后通過曝光模型將曝光 的圖案轉(zhuǎn)換為光刻膠內(nèi)部的粒子濃度；最后，利用刻蝕模型產(chǎn)生一個(gè)光刻膠內(nèi)部的三維刻蝕 率矩陣，根據(jù)該矩陣計(jì)算光刻膠表面上各點(diǎn)按該蝕率隨著時(shí)間變化而產(chǎn)生的位移。
(3) 顯影模擬結(jié)果的幾何表示。利用網(wǎng)格插值算法，填補(bǔ)顯影模擬過程中因光刻膠表面 各點(diǎn)移動(dòng)而形成的空隙，將模擬結(jié)果變?yōu)橹旅艿娜S點(diǎn)云數(shù)據(jù)。同時(shí)，有機(jī)組織三維點(diǎn)云數(shù) 據(jù)，構(gòu)建層次樹結(jié)構(gòu)，利用樹的細(xì)節(jié)層次結(jié)構(gòu)多分辨率漸近式的表示光刻膠幾何模型。
(4) 顯影過程三維交互式顯示。光刻膠顯影模擬通過服務(wù)器與客戶端的方式實(shí)現(xiàn)三維交 互式顯示。工藝設(shè)計(jì)人員可在客戶端輸入?yún)?shù)設(shè)置光刻機(jī)、掩模版以及光刻膠屬性，同時(shí)設(shè)定模擬顯影的時(shí)長。服務(wù)器將根據(jù)各參數(shù)進(jìn)行顯影模擬運(yùn)算，并通過網(wǎng)絡(luò)流式傳輸方式把模 擬結(jié)果送到客戶端進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染，將光刻顯影模擬過程以三維立體的形式展示在工藝設(shè)計(jì)人 員面前。
上述步驟(4)顯影過程的三維交互式顯示可實(shí)現(xiàn)第一和第三人稱視點(diǎn)的三維實(shí)時(shí)顯示效 果；交互式控制包括對(duì)光刻膠場景的旋轉(zhuǎn)、左右平移、仰視及俯視。 本發(fā)明與背景技術(shù)相比具有的有益效果是
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)集成電路芯片設(shè)計(jì)中光刻膠顯影過程的仿真以及其在三維虛擬環(huán)境中的實(shí)時(shí) 可觀察性和交互性。
1、與現(xiàn)有技術(shù)不同，本發(fā)明在虛擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)光刻膠顯影模擬過程在要求精度下的大規(guī) 模全三維場景的實(shí)時(shí)交互式顯示。為集成電路芯片設(shè)計(jì)的光刻模擬提供一個(gè)更直觀的效能分 析手段和工具。
2、本發(fā)明解決現(xiàn)有技術(shù)沒有對(duì)光刻膠顯影過程進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)仿真和無法通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行 三維交互式顯示的問題。本發(fā)明解決了光刻仿真結(jié)果的三維可視化問題。
3、與傳統(tǒng)的利用二維圖像顯示光刻膠顯影模擬結(jié)果的方法相比，本發(fā)明對(duì)模擬結(jié)果的分 析更加直觀，便于從多個(gè)角度觀察光刻膠顯影過程，可通過控制視點(diǎn)遠(yuǎn)近，進(jìn)行光刻膠表面 的實(shí)時(shí)漫游，實(shí)現(xiàn)對(duì)光刻膠表面圖形的三維多分辨率分析；另外可對(duì)光刻機(jī)、光刻膠參數(shù)進(jìn) 行調(diào)整并實(shí)時(shí)觀察三維模擬結(jié)果；同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)掩膜版圖案的交互式設(shè)計(jì)。


圖1為光刻膠顯影過程三維模擬可視化方法的流程框圖2為基于網(wǎng)格插值的實(shí)施例，其中圖(a)為插值前的網(wǎng)格，圖(b)為插值后的網(wǎng)格； 圖3為通過服務(wù)器與客戶端聯(lián)系，利用網(wǎng)絡(luò)流式傳輸實(shí)現(xiàn)顯影過程三維交互式的流程具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例結(jié)合

如下
參見圖3，本光刻膠顯影過程三維模擬可視化方法是通過服務(wù)器與客戶端的聯(lián)系，在 客戶端輸入?yún)?shù)為光刻機(jī)、掩膜機(jī)、光刻膠屬性以及模擬顯影的時(shí)長；服務(wù)器根據(jù)客戶端設(shè) 置的參數(shù)進(jìn)行光通過成像系統(tǒng)、光刻膠曝光以及光刻膠的刻蝕過程的模擬，計(jì)算光刻膠表面 各點(diǎn)隨時(shí)間發(fā)生的位置變化，并通過插值生成致密的三維點(diǎn)云，然后對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行組織，
構(gòu)建層次樹結(jié)構(gòu)多分辨率漸進(jìn)式的表面光刻膠的幾何模型；最后，通過網(wǎng)絡(luò)流式傳輸方式把模擬結(jié)果送到客戶端實(shí)現(xiàn)光刻顯影過程的三維實(shí)時(shí)繪制和實(shí)時(shí)交互式操作。流程如圖1所示。 具體操作步驟如下
(1) 光刻機(jī)、掩模版以及光刻膠的參數(shù)輸入
根據(jù)所使用的光刻機(jī)，輸入其曝光波長、投影光學(xué)鏡頭數(shù)值孔徑、離焦、相干因子、需 要光刻的特征尺寸。同時(shí)輸入掩模圖案的尺寸和形狀，掩模圖案形狀由矩形圖案組合表示， 可將掩模圖案分解成多個(gè)矩形，矩形之間可重疊，輸入矩形的左下角橫、縱坐標(biāo)，同時(shí)輸入 其長度可描述掩模形狀。本優(yōu)選例中光刻機(jī)設(shè)置為數(shù)值孔徑0.7、離焦0.1、相干因子 0.7、波長193nm。光刻膠參數(shù)為晶圓尺寸3umX3um,光刻膠厚度1.20咖，襯底折射系數(shù) (1.68, -0.02),抗反射涂層折射系數(shù)(4.73, -0.14)，曝光和顯影模型中，Dill模型參數(shù) 為A= 0.0746um-1， B= 0. 5636 y m_l， C= 0. 041 lcm2/mj， Kim模型:Rl= 0. 23， R2=0. 0016， R3=5.6， R4=0.25， R5= 0.62， R6=0.08。
(2) 光刻膠顯影過程模擬 (2. 1)光通過成像系統(tǒng)仿真
為了進(jìn)行光刻膠曝光和顯影模擬，需要計(jì)算光刻機(jī)通過掩模圖形照射光刻膠，而在其表 面開成的光照強(qiáng)度分布。主要是以掩模圖形作為原像，通過成像透鏡組，在硅片表面成像。 光學(xué)成像系統(tǒng)模型可視為純光學(xué)系統(tǒng)模型。參數(shù)包括曝光波長、投影光學(xué)鏡頭數(shù)值孔徑、相 干因子。利用在當(dāng)今光刻光學(xué)仿真器中普遍采用的霍普金斯(H叩kins)算法，用來實(shí)現(xiàn)光學(xué) 成像模型。光學(xué)成像系統(tǒng)可表示為
<formula>formula see original document page 6</formula>
式中，表示復(fù)共軛，《/，g)為空間光強(qiáng)《x，力經(jīng)過二維傅立葉變換的頻域值，其中 x，y是物平面內(nèi)點(diǎn)的坐標(biāo)，尸(/，g)為掩模的傅里葉變換，7(/1，1 1，/ + /1^ + &)為傳輸交叉 系數(shù)(TCC)，其表達(dá)式為
<formula>formula see original document page 6</formula>其中，A,，g)為光源的互強(qiáng)度函數(shù)，K(,，g)為成像系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)。采用霍 普金斯方法，對(duì)具有固定光源、數(shù)值孔徑、離焦以及具有其它像差的光刻光學(xué)系統(tǒng)可以用確 定的傳輸交叉系數(shù)來描述。傳輸交叉系數(shù)是以光刻機(jī)的成像光源波長(A)、數(shù)值孔徑(NA)、放大系數(shù)(M)和光源相干系數(shù)(")等作為主要的參數(shù)的，對(duì)于特定的光刻工藝，其傳輸交叉系
數(shù)是一定的。并且，通過在函數(shù)^(,，g)中引入相位因子義 可以模擬離焦。這
是一個(gè)以掩模圖形為輸入，以為傳輸交叉系數(shù)為系統(tǒng)函數(shù)，硅片表面圖像為輸出的系統(tǒng)。同 一光刻工藝，傳輸交叉系數(shù)只需要計(jì)算一次，在不同掩模情況下進(jìn)行空間成像仿真時(shí)可以重 復(fù)使用。根據(jù)特征尺寸可以輸出不同密度的采樣點(diǎn)光強(qiáng)分布。 (2. 2)曝光和刻蝕模擬 光刻顯影過程是在光刻膠曝光固化后，利用溶劑對(duì)光刻膠進(jìn)行刻蝕，最后在光刻膠上形 成與掩模對(duì)應(yīng)的圖形。光刻膠顯影是基于光刻膠的曝光計(jì)算的，我們建立曝光模型用于描述 光刻膠的經(jīng)光照后的化學(xué)變化，基于Dill等人提出的ABC算法。光刻顯影模型將曝光的圖案 轉(zhuǎn)換為光刻膠內(nèi)部的粒子濃度，光經(jīng)過掩膜照射，在光刻膠表面形成不同強(qiáng)度分布，這使光 刻膠濃度在各位置也不相同
=-/(;f).MOJ)-C (4)
… 、a0力一5 ,r、 MO， 0 =、'—— (5)
or(z，0二""^" (6)
義
其中M是光刻膠抗蝕性的規(guī)格化濃度，主要描述相關(guān)的光學(xué)抑制性，在任一位置z，時(shí) 間t,在曝光中。A (單位為um—1)， B (單位為um—l), C (單位為cm2/mj)即為不同光
刻膠對(duì)應(yīng)的Dill模型的參數(shù)值，這些參數(shù)是由光刻膠的光學(xué)屬性決定。"",)為吸收常量，
k是衰減系數(shù)，A為曝光波長，I為曝光能量密度.
接下來構(gòu)建光刻膠平面用于刻蝕模擬。該光刻膠平面用一組點(diǎn)云數(shù)據(jù)集描述。利用Kim 模型， 一個(gè)描述整個(gè)光刻膠體的三維刻蝕率矩陣產(chǎn)生了
7 -Z(M,z).及(M) (7)
通過該式抑制劑濃度和光刻膠刻蝕率之間的關(guān)系被表示了出來。其中
) = (1 - M e(A(1-灣)/ & + (M. e(-"1, ) / i 2 ⑧ /(Af, z) = 1 - (1 - (A - (i 5 -及6). M)). e一叫 (9)Rl到R6是Kim模型的參數(shù)。隨著時(shí)間的推移，光刻膠表面上每點(diǎn)的移動(dòng)距離可以通過 Kim模型計(jì)算出來。
Distance = ra/e .7^ (10)
其中2^是顯影過程消耗的時(shí)間。
光刻膠表面每一個(gè)點(diǎn)都有一個(gè)描述其運(yùn)動(dòng)方向的矢量，在顯影之前，每個(gè)矢量都垂直的 指向光刻膠表面的下方。每隔一段時(shí)間，光刻膠表面各點(diǎn)都會(huì)沿著其運(yùn)動(dòng)方向移動(dòng)。移動(dòng)方
向計(jì)算公式基于射線跟蹤算法
A離)A 聊)
其中s是射線的弧長，該射線是光刻膠表面結(jié)點(diǎn)的拋物線。r是結(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)，R是該 結(jié)點(diǎn)所在區(qū)域的刻蝕率。
簡而言之，利用Dill算法和Kim模型，光刻膠上的曝光圖案轉(zhuǎn)換為與位置相關(guān)的刻蝕率。 光刻顯影模擬時(shí)，光刻膠表面上的各點(diǎn)按刻蝕率隨時(shí)間變化而移動(dòng)。
(3)顯影模擬結(jié)果的幾何表示 (3.1)基于網(wǎng)格的差值
當(dāng)光刻膠顯影時(shí)，光刻膠表面上的各點(diǎn)會(huì)按一定的刻蝕率隨時(shí)間變化而移動(dòng)。隨著光刻 膠不斷被刻蝕，光刻膠表面將變得凹凸不平，各點(diǎn)在移動(dòng)過程中的距離也會(huì)拉大。原來排列 緊密的點(diǎn)之間會(huì)產(chǎn)生縫隙。這不僅影響光刻仿真的精度也會(huì)干擾三維可視化的視覺效果。這 就需要對(duì)間距過大的點(diǎn)之間進(jìn)行插值。對(duì)沒有相互聯(lián)系的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，需要進(jìn)行曲面 擬合，這樣不但增加了算法的復(fù)雜度，也使比較消耗時(shí)間。
這里采用網(wǎng)格插值的方法，可以充分利用各點(diǎn)之間的關(guān)系。這里，采用三角形網(wǎng)格進(jìn)行
連接。首先，將顯影前光刻膠表面各點(diǎn)當(dāng)成三角網(wǎng)格的頂點(diǎn)。設(shè)顯影前光刻膠表面的各點(diǎn)均
勻排列在一個(gè)平面上，橫向和縱向的點(diǎn)數(shù)分別為w和l。
除去縱、橫方向的最后一列、排的頂點(diǎn)，可從每一頂點(diǎn)產(chǎn)生兩個(gè)三角形， Trli-vi— vw+i+l~* vw+I (12)
Tr2i=vi— vi+l— vwH+l (13)
i7%,2w，…，(l-l)w, .'.(1—l)w+l, (l-l)w+2，…，Iw
其中vi是各三角形的頂點(diǎn)，w和l是光刻膠表面橫向和縱向點(diǎn)的數(shù)量。
為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格的插值，采用三角形邊的截?cái)嗪秃喜⑺惴?。要在光刻膠表面的網(wǎng)格中插入新的頂點(diǎn)，將網(wǎng)格中原有三角形拆分是一個(gè)重要的步驟。假設(shè)S是網(wǎng)格中三角形的任一邊， Smax是網(wǎng)格邊長的上限，Smin為邊長的下限。當(dāng)S 〉Smax.時(shí)，則表明三角形的邊長超過了 上限，也就是說光刻膠表面有兩點(diǎn)距離過遠(yuǎn)。這時(shí)，就插入新的頂點(diǎn)將邊S分為二段，這里 采用線性插值法將該點(diǎn)將放置在S的中間位置。這樣過長的一邊就被兩條較短的新邊取代， 同時(shí)，幾個(gè)相關(guān)的三角形也將被創(chuàng)建，最后，重新連接幾個(gè)相關(guān)的頂點(diǎn)，更新三角形網(wǎng)格， 這樣就完成了插值。附圖2為一插值實(shí)例，其中圖2(a)為插值前的三角網(wǎng)格，圖2(b)為插 值后的網(wǎng)格。
但是，隨著顯影過程光刻膠表面不斷的進(jìn)行插值，網(wǎng)格上有些區(qū)域的點(diǎn)可能會(huì)過于密集， 造成點(diǎn)與點(diǎn)的距離非常小。過于密集的點(diǎn)將增加顯影模擬時(shí)的計(jì)算量，同時(shí)，過于接近點(diǎn)會(huì) 引發(fā)狹長三角形的產(chǎn)生，從而影響三角形網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)。這就需要利用三角形邊的合并算法， 控制插值點(diǎn)的密度。如果某一三角形邊長過短，即S〈Smin.，就采用邊合并算法刪除與該邊 相連結(jié)的一個(gè)端點(diǎn)，從而控制光刻膠表面點(diǎn)的密度。刪除點(diǎn)時(shí)，如果該邊的其中一端點(diǎn)在邊 界上，則刪除不在邊界上的端點(diǎn)。如果都在邊界上，則刪除任一端點(diǎn)。如果兩端點(diǎn)都不在邊 界上，則刪除靠近光刻膠表面中心的端點(diǎn)。與刪除點(diǎn)相連的點(diǎn)將被連到未刪除的端點(diǎn)上，過 短的邊S也會(huì)被刪除。最后，重新連接相關(guān)各點(diǎn)，更新相關(guān)的三角形。 (3.2)建立點(diǎn)云層次樹結(jié)構(gòu)
傳統(tǒng)的三維可視化方法，是用點(diǎn)和面表現(xiàn)幾何物體。但是當(dāng)三維可視化復(fù)雜場景時(shí)，許 多點(diǎn)和面最終光柵化后不到一個(gè)像素。這樣不但浪費(fèi)資源，而且影響顯示速度。這對(duì)三維可 視化光刻膠顯影仿真生成復(fù)雜場景提出了挑戰(zhàn)。這里采點(diǎn)渲染的方法來實(shí)現(xiàn)光刻膠表面的三 維可視化。本發(fā)明提出一種點(diǎn)云層次樹結(jié)構(gòu)，用于可見性裁剪、細(xì)節(jié)層次控制和渲染。每一 個(gè)層次樹結(jié)點(diǎn)包括結(jié)點(diǎn)包圍球半徑信息、結(jié)點(diǎn)位置、樹結(jié)構(gòu)、法向量值、法向錐尺寸，以及 顏色信息。每個(gè)結(jié)點(diǎn)由21個(gè)字節(jié)描述結(jié)點(diǎn)位置的x， y ，z坐標(biāo)和其包圍球半徑各由32位 浮點(diǎn)數(shù)表示。為了保證精度防止量化誤差，結(jié)點(diǎn)位置和包圍球尺寸值不進(jìn)行量化處理。同時(shí)， 每個(gè)結(jié)點(diǎn)法向量以14位比特量化存儲(chǔ)，法向量碼本對(duì)應(yīng)52X52的六面體網(wǎng)格頂點(diǎn)，使法向
量空間采樣較為均勻，且此密度不會(huì)造成可見的失真，在渲染時(shí)則利用碼本解壓法向量。法 向錐尺寸也通過量化編碼存儲(chǔ)，由2位量化產(chǎn)生4個(gè)值，對(duì)應(yīng)的半錐角正弦函數(shù)值為1/16， 4/ 16， 9/16和1。實(shí)驗(yàn)表明利用這些量化的法向錐進(jìn)行背面裁剪，可剔除百分之九十以上 被未經(jīng)量化的法向錐剔除的結(jié)點(diǎn)。同法向量的編碼一樣，顏色信息也采用絕對(duì)編碼方式，RGB (紅、藍(lán)、綠)量化為7、 6、 7位，總共用20位表示。另外3個(gè)比特表示結(jié)點(diǎn)的樹結(jié)構(gòu)屬性。 其中l(wèi)個(gè)比特用來標(biāo)識(shí)其子結(jié)點(diǎn)是否全為葉子結(jié)點(diǎn)，2個(gè)比特可以表示分枝的4種情況即沒有子結(jié)點(diǎn)，有2個(gè)，3個(gè)，或4個(gè)子節(jié)點(diǎn)，其中只有l(wèi)子結(jié)點(diǎn)是不允許的。
點(diǎn)的層次結(jié)構(gòu)可從構(gòu)成光刻膠表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成的，雖然可以直接利用光刻膠表面的 點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成層次結(jié)構(gòu)，但是計(jì)算這些點(diǎn)的法向量值比較困難。這里借用光刻膠表面插值時(shí) 形成的三角形網(wǎng)格來計(jì)算各點(diǎn)的法向量。層次結(jié)構(gòu)的各結(jié)點(diǎn)由三角形網(wǎng)格上的各個(gè)頂點(diǎn)開始 生成，這些頂點(diǎn)將作為層次結(jié)構(gòu)的葉子結(jié)點(diǎn)。為了避免在渲染時(shí)產(chǎn)生空洞，相鄰頂點(diǎn)包圍球 必須相互接觸，在計(jì)算頂點(diǎn)包圍球大小時(shí)，尋找所有與該頂點(diǎn)相關(guān)三角形，然后比較這些三 角形包圍球大小，該頂點(diǎn)包圍球就等于那個(gè)最大的三角形包圍球。這雖然可能使頂點(diǎn)包圍球 的尺寸過大，但是該算法保證葉子結(jié)點(diǎn)間沒有空洞。 一旦設(shè)定了葉子結(jié)點(diǎn)包圍球尺寸，我們 即建立層次樹結(jié)構(gòu)。建立層次樹的方法為通過順著三角形頂點(diǎn)集包圍盒長軸和短軸方向剖分， 遞歸的計(jì)算四個(gè)子樹，當(dāng)結(jié)構(gòu)樹建立起時(shí)，中間結(jié)點(diǎn)的屬性，比如位置坐標(biāo)、法向量和顏色， 是其下級(jí)結(jié)點(diǎn)屬性的平均值，除葉子結(jié)點(diǎn)以外結(jié)點(diǎn)的屬性都是根據(jù)葉子結(jié)點(diǎn)的各屬性的平均 計(jì)算的。由于整個(gè)結(jié)構(gòu)樹的大小依賴于每個(gè)結(jié)點(diǎn)的分枝情況，考慮到結(jié)構(gòu)樹中所有結(jié)點(diǎn)的分 枝情況，將分枝因子設(shè)為四。這樣就減少了中間結(jié)點(diǎn)的數(shù)目，從而減少了樹的存儲(chǔ)空間。 (3.3)基于點(diǎn)的實(shí)時(shí)渲染 繪制時(shí)根據(jù)建立的點(diǎn)云層次樹結(jié)構(gòu)進(jìn)行搜索和渲染，存儲(chǔ)層次信息的四叉樹是廣度優(yōu)先 的，這樣可實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)層次繪制。廣度優(yōu)先搜索判斷是否現(xiàn)在繪制一個(gè)結(jié)節(jié)或是繼續(xù)向下級(jí)結(jié) 點(diǎn)搜索，這里采用啟發(fā)式算法，根據(jù)結(jié)點(diǎn)包圍球在屏幕上的投影面積大小，決定結(jié)構(gòu)樹該遍 歷多深。也就是說，如果一個(gè)結(jié)點(diǎn)包圍球投影到視平面上超過了門限，則該結(jié)點(diǎn)將被分成幾 個(gè)子結(jié)點(diǎn)。 一旦用戶停止移動(dòng)鼠標(biāo)，就在接連縮小的門限的同時(shí)重新繪制場景，直到門限達(dá) 到一個(gè)像素大小。同時(shí)利用層次樹實(shí)現(xiàn)可見性裁剪，渲染時(shí)遍歷結(jié)構(gòu)樹， 一些看不到的結(jié)點(diǎn) 將不會(huì)繪制，利用可視區(qū)域空間裁切法通過測試每個(gè)結(jié)點(diǎn)包圍球與裁剪面的關(guān)系進(jìn)行可見性 裁剪。如果包圍球在裁剪面外，則該結(jié)點(diǎn)和其所有子孫結(jié)點(diǎn)將不再被遍歷和繪制。如果結(jié)點(diǎn) 的整個(gè)包圍球都在裁剪體內(nèi)，則對(duì)其子孫結(jié)點(diǎn)不再進(jìn)行可視性檢測而直接繪制。另外，在渲 染時(shí)也采用背向面裁剪，根據(jù)結(jié)點(diǎn)的法向量和法向錐進(jìn)行背向面檢測，如果法向錐完全的背 對(duì)視點(diǎn)方向，則該結(jié)點(diǎn)和其子孫結(jié)點(diǎn)將不再被處理。相反，如法向錐完全朝向視點(diǎn)，則其子 孫結(jié)點(diǎn)將不再做背向面檢測，而直接被繪制。
一旦達(dá)到葉子結(jié)點(diǎn)或者判斷應(yīng)該停止向下遍歷，我們利用拋雪球法根據(jù)包圍球繪制結(jié)點(diǎn)。 雪球的大小由結(jié)點(diǎn)的包圍球投影到屏幕上的直徑?jīng)Q定，當(dāng)前繪制的顏色則通過結(jié)點(diǎn)的顏色和 法向量信息快速算出，拋雪球法通過Z緩沖進(jìn)行計(jì)算可有效解決遮擋剔除問題。本發(fā)明將三 維空間中的所有點(diǎn)投影到顯示平面上，將每個(gè)點(diǎn)的顏色、灰度信息投射到顯示平面上的像素中。每個(gè)空間點(diǎn)與一個(gè)足跡函數(shù)相關(guān)。足跡函數(shù)將顏色的權(quán)值分配到鄰近的像素。足跡函數(shù) 通常是平滑的，隨著空間距離的增大而迅速衰減，顯示時(shí)根據(jù)空間點(diǎn)由近及遠(yuǎn)的投影順序進(jìn) 行渲染。同時(shí)通過巻積運(yùn)算，將離散的三維數(shù)據(jù)場重構(gòu)成連續(xù)數(shù)據(jù)的過程。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為 s!'gwa/3D = JJJ^v(" — x， v — <formula>formula see original document page 11</formula> (14)
式中hv為重構(gòu)核；P為三維數(shù)據(jù)場的密度函數(shù)；S為用于采樣的梳狀函數(shù)。 其中足跡函數(shù)可以定義為
<formula>formula see original document page 11</formula>
由于足跡函數(shù)可以在數(shù)據(jù)預(yù)處理時(shí)計(jì)算得到，并存到一個(gè)查找表里，所以當(dāng)計(jì)算一個(gè)采 樣點(diǎn)對(duì)屏幕上的投影時(shí)，可以迅速通過査表進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，求出這個(gè)點(diǎn)對(duì)屏幕的貢獻(xiàn)。該算 法可以高效的處理無結(jié)構(gòu)的點(diǎn)，而與點(diǎn)云層次樹結(jié)構(gòu)相結(jié)合則可更進(jìn)一步提高渲染效果和提 高渲染速度，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遞進(jìn)和多分辨率顯示。 (4)顯影過程三維交互式顯示
由于光刻顯影三維模擬需要大量的運(yùn)算并產(chǎn)生海量仿真數(shù)據(jù)，如果在一臺(tái)主機(jī)上即進(jìn)行 模擬運(yùn)算又進(jìn)行三維顯示將會(huì)降低運(yùn)行速度。而在服務(wù)器上進(jìn)行顯影模擬運(yùn)算同時(shí)在多臺(tái)客 戶端進(jìn)行三維顯示，并利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)是實(shí)現(xiàn)光刻顯影模擬實(shí)時(shí)交互顯示的有效途 徑。該方法可以最大限度利用主機(jī)和網(wǎng)絡(luò)資源，從而降低成本，保證速度與精度。這里將基 于視點(diǎn)的漸近傳輸算法與點(diǎn)云層次樹結(jié)構(gòu)相結(jié)合，采用流式技術(shù)，以客戶端請(qǐng)求顯示光刻膠 表面的可見部分的方式使分辨率從粗糙到精細(xì)漸近變換，實(shí)現(xiàn)邊下載邊顯示，提供可視化良 好的效果。
網(wǎng)絡(luò)流式傳輸?shù)年P(guān)鍵在于在渲染的任何時(shí)候，可以終止向下遞歸調(diào)用點(diǎn)云層次樹。如果 即定結(jié)點(diǎn)的子結(jié)點(diǎn)還沒有從服務(wù)器傳到客戶端，那么就停止向下遞歸調(diào)用。這樣，通過很少 的時(shí)間耗費(fèi)就可以判斷是否應(yīng)在客戶端繪制層次樹的各部分，而為了顯示沒有傳到的數(shù)據(jù)， 對(duì)其在層次樹中已到達(dá)的父結(jié)點(diǎn)進(jìn)行繪制。這樣雖然有可能同時(shí)用不同分辨率表現(xiàn)光刻膠表 面拓?fù)湫螤睿秋@示速度得到了保證，同時(shí)隨著數(shù)據(jù)的逐漸傳入，分辨率會(huì)越來越高。
為了實(shí)現(xiàn)良好的網(wǎng)絡(luò)傳輸控制，建立一個(gè)具有優(yōu)先級(jí)的請(qǐng)求隊(duì)列，隊(duì)列中包括客戶端可 能要求傳輸?shù)囊幌盗泄饪棠z區(qū)域，并提供當(dāng)前的視點(diǎn)的位置。另外，在客戶端設(shè)立一個(gè)單獨(dú) 的線程，向服務(wù)器請(qǐng)求數(shù)據(jù)、監(jiān)聽回應(yīng)同時(shí)在收到數(shù)據(jù)時(shí)更新點(diǎn)云層次樹。通過網(wǎng)絡(luò)傳輸遍
歷結(jié)點(diǎn)并進(jìn)行渲染的算法如下首先遍歷結(jié)點(diǎn)，如果結(jié)點(diǎn)不可見則連同其子樹分支一并不處 理，如果結(jié)點(diǎn)是葉子結(jié)點(diǎn)則進(jìn)行繪制；如果因?yàn)橐朁c(diǎn)過遠(yuǎn)等情況用不著繼續(xù)向下遍歷，則繪制當(dāng)前結(jié)點(diǎn)；如果還需要向下遍歷，但子結(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)還未傳到，將子結(jié)點(diǎn)的樹結(jié)構(gòu)編碼和優(yōu)先 級(jí)送入請(qǐng)求隊(duì)列，如果不屬于以上種情況則遞歸的向下遍歷結(jié)點(diǎn)。如果結(jié)點(diǎn)離開可見范圍， 則對(duì)其的請(qǐng)求將會(huì)從隊(duì)列中清除，以防止系統(tǒng)浪費(fèi)時(shí)間下載用戶看不到的場景。如果請(qǐng)求隊(duì) 列在渲染后已經(jīng)清空了，則說明目前所有可見的結(jié)點(diǎn)已經(jīng)都到達(dá)客戶端了；這種情況下，首 先下載可見部分鄰近的數(shù)據(jù)，然后再從根結(jié)點(diǎn)到葉子結(jié)點(diǎn)的順序下載光刻膠幾何模型其余部 分。在我們的執(zhí)行流式傳輸時(shí)，選擇HTTP/1.1協(xié)議，這樣就可以用流式方法從任何標(biāo)準(zhǔn)的 Web服務(wù)器傳輸幾何模型；而不需要專門設(shè)計(jì)一個(gè)的流媒體服務(wù)器。
工藝設(shè)計(jì)人員可在客戶端輸入?yún)?shù)設(shè)置光刻機(jī)屬性，規(guī)劃掩模版大小和圖案，修改光刻 膠的各參數(shù)并設(shè)定顯影時(shí)間，服務(wù)器將進(jìn)行顯影模擬運(yùn)算，并通過網(wǎng)絡(luò)流式傳輸方式將客戶 端要求顯示的光刻膠區(qū)域送到客戶端進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染，將光刻顯影模擬過程以三維立體的形式 展示在工藝設(shè)計(jì)人員面前，整體流程如圖3所示。這里建立交互式機(jī)制對(duì)光刻膠場景進(jìn)行管 理，對(duì)鍵盤和鼠標(biāo)的輸入進(jìn)行響應(yīng)，引導(dǎo)視點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)。網(wǎng)絡(luò)傳輸控制系統(tǒng)根據(jù)視點(diǎn)位置從服 務(wù)器下載相應(yīng)的結(jié)點(diǎn)進(jìn)行顯示。交互式控制包括視線的前進(jìn)、后退、前后左右旋轉(zhuǎn)、前后左 右平移、仰視及俯視等，實(shí)現(xiàn)光刻膠表面三維交互式顯示。
權(quán)利要求
1、一種光刻膠顯影過程三維模擬可視化方法，其特征在于通過服務(wù)器與客戶端的聯(lián)系，在客戶端輸入?yún)?shù)為光刻機(jī)、掩膜機(jī)、光刻膠屬性以及模擬顯影的時(shí)長；服務(wù)器根據(jù)客戶端設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行光通過成像系統(tǒng)、光刻膠曝光以及光刻膠的刻蝕過程的模擬，計(jì)算光刻膠表面各點(diǎn)隨時(shí)間發(fā)生的位置變化，并通過插值生成致密的三維點(diǎn)云，然后對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行組織，構(gòu)建層次樹結(jié)構(gòu)多分辨率漸進(jìn)式的表面光刻膠的幾何模型；最后，通過網(wǎng)絡(luò)流式傳輸方式把模擬結(jié)果送到客戶端實(shí)現(xiàn)光刻顯影過程的三維實(shí)時(shí)繪制和實(shí)時(shí)交互式操作；其具體操作步驟如下(1)光刻機(jī)、掩模版以及光刻膠的參數(shù)輸入輸入的參數(shù)包括光刻機(jī)的曝光波長、投影光學(xué)鏡頭數(shù)值孔徑、相干因子、離焦、掩模版的尺寸和形狀、晶圓尺寸、光刻膠厚度、光刻膠折射系數(shù)以及特定光刻膠的Dill模型和Kim模型參數(shù)。(2)光刻膠顯影過程模擬將光刻膠顯影模擬分為光通過成像系統(tǒng)、光刻膠曝光以及光刻膠的刻蝕；根據(jù)目前主流的光學(xué)光刻技術(shù)，對(duì)投影式光刻機(jī)成像進(jìn)行仿真，把掩模上的版圖轉(zhuǎn)移到光刻膠表面上，得到一組密集采樣點(diǎn)的光強(qiáng)分布；然后通過曝光模型將曝光的圖案轉(zhuǎn)換為光刻膠內(nèi)部的粒子濃度；最后，利用刻蝕模型產(chǎn)生一個(gè)光刻膠內(nèi)部的三維刻蝕率矩陣，根據(jù)該矩陣計(jì)算光刻膠表面上各點(diǎn)按該蝕率隨著時(shí)間變化而產(chǎn)生的位移；(3)顯影模擬結(jié)果的幾何表示利用網(wǎng)格插值算法，填補(bǔ)顯影模擬過程中因光刻膠表面各點(diǎn)移動(dòng)而形成的空隙，將模擬結(jié)果變?yōu)橹旅艿娜S點(diǎn)云數(shù)據(jù)。同時(shí)，有機(jī)組織三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，構(gòu)建層次樹結(jié)構(gòu)，利用樹的細(xì)節(jié)層次結(jié)構(gòu)多分辨率漸近式的表示光刻膠幾何模型；(4)顯影過程三維交互式顯示光刻膠顯影模擬通過服務(wù)器與客戶端的方式實(shí)現(xiàn)三維交互式顯示，工藝設(shè)計(jì)人員在客戶端輸入?yún)?shù)設(shè)置光刻機(jī)、掩模版以及光刻膠屬性，同時(shí)設(shè)定模擬顯影的時(shí)長；服務(wù)器將根據(jù)各參數(shù)進(jìn)行顯影模擬運(yùn)算，并通過網(wǎng)絡(luò)流式傳輸方式把模擬結(jié)果送到客戶端進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染，將光刻顯影模擬過程以三維立體的形式展示在工藝設(shè)計(jì)人員面前。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的光刻膠顯影過程三維模擬可視化方法，其特征在于所述步驟(4) 顯影過程三維交互式顯示可實(shí)現(xiàn)第一和第三人稱視點(diǎn)的三維實(shí)時(shí)顯示效果；交互式控制包括 對(duì)光刻膠場景的旋轉(zhuǎn)、左右平移、仰視及俯視。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光刻膠顯影過程三維模擬可視化方法，本方法首先根據(jù)掩模圖形進(jìn)行空間像強(qiáng)度分布仿真計(jì)算結(jié)果，得到光刻膠表面曝光強(qiáng)度數(shù)據(jù)。同時(shí)，基于曝光和顯影物理模型，模擬光刻膠在顯影過程中被刻蝕的程度。為了填補(bǔ)顯影模擬過程中光刻膠表面點(diǎn)云移動(dòng)而形成的空隙，引入網(wǎng)格插值算法，將模擬結(jié)果變?yōu)橹旅艿娜S點(diǎn)云數(shù)據(jù)；然后，有機(jī)組織三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，構(gòu)建點(diǎn)云層次樹多分辨率漸近式的表示光刻膠幾何模型；最后，通過服務(wù)器與客戶端的方式，從服務(wù)器將光刻膠模擬數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇蛻舳诉M(jìn)行基于點(diǎn)的渲染計(jì)算，實(shí)現(xiàn)光刻膠顯影模擬結(jié)果的三維實(shí)時(shí)繪制和實(shí)時(shí)交互式顯示。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)集成電路芯片設(shè)計(jì)中光刻顯影模擬過程在三維空間中的實(shí)時(shí)可觀察性和交互性。
文檔編號(hào)G06T17/40GK101587596SQ200910053888
公開日2009年11月25日 申請(qǐng)日期2009年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月26日
發(fā)明者萬旺根, 余小清, 吳永亮, 濱 崔 申請(qǐng)人:上海大學(xué)