應(yīng)用于數(shù)字光刻機(jī)的DMD數(shù)據(jù)處理及控制系統(tǒng)

摘? 要：無掩膜數(shù)字光刻機(jī)已在PCB光刻及半導(dǎo)體光刻領(lǐng)域逐漸開始應(yīng)用，相比傳統(tǒng)掩膜式光刻機(jī)，可縮減光刻流程，節(jié)省光刻成本，使光刻數(shù)據(jù)在線實(shí)時(shí)調(diào)整變得更為簡(jiǎn)單。而DMD（數(shù)字微鏡器件）目前作為數(shù)字光刻機(jī)常用的一種SLM（空間光調(diào)制）圖形發(fā)生器，對(duì)其所需要進(jìn)行的數(shù)據(jù)處理及控制較為關(guān)鍵。會(huì)直接關(guān)系到數(shù)字光刻機(jī)的曝光效率和產(chǎn)能。文章從DMD的驅(qū)動(dòng)控制原理，探討研究DMD在數(shù)字光刻機(jī)中的數(shù)據(jù)處理和控制流程、方法，實(shí)現(xiàn)較高的設(shè)備光刻效率。

關(guān)鍵詞：DMD；數(shù)字光刻；掃描；數(shù)據(jù)處理；控制

中圖分類號(hào)：TP274+.2；TN305.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2023）18-0129-04

DMD Data Processing and Control System Applied in Digital Lithography

CHEN Haiwei

（Jiangsu Yingsu integrated circuit equipment Co.， Ltd.， Wuxi? 214000， China）

Abstract： Maskless digital lithography machine has been gradually applied in PCB lithography and semiconductor lithography fields. Compared with traditional mask lithography machine， it reduces the lithography process， saves the lithography cost， and makes it easier to adjust the lithography data online in real-time. As a SLM pattern generator commonly used in digital lithography， DMD is very important for the required data processing and control. It is directly related to the exposure efficiency and productivity of digital lithography machine. In this paper， from the driving control principle of DMD， the data processing and control process and method of DMD in digital lithography machine are discussed， so as to achieve higher lithography efficiency of equipment.

Keywords： DMD; digital lithography; scan; data process; control

0? 引? 言

數(shù)字微鏡器件（Digital Micromirror Devices， DMD），也稱為空間光調(diào)制器（PLM）。是一種雙穩(wěn)態(tài)空間光調(diào)制器，其由一個(gè)按功能安裝在CMOS存儲(chǔ)單元上的微鏡陣列組成。通過把數(shù)據(jù)寫入位于微鏡下方的存儲(chǔ)單元來獨(dú)立地控制微鏡，以引導(dǎo)反射光[1]。

近些年，作為工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用典型，DMD已較成熟的應(yīng)用于數(shù)字光刻機(jī)中，即利用DMD實(shí)現(xiàn)數(shù)字掩膜，進(jìn)行激光直寫光刻。目前在PCB生產(chǎn)領(lǐng)域已出現(xiàn)逐步替代傳統(tǒng)菲林式曝光機(jī)的趨勢(shì)，在半導(dǎo)體領(lǐng)域也有小范圍的應(yīng)用，主要進(jìn)行掩模版的制作。目前全球PCB用數(shù)字光刻機(jī)出貨量每年在幾百臺(tái)左右。本文著重討論應(yīng)用于數(shù)字光刻機(jī)的DMD控制系統(tǒng)。

1? DMD在數(shù)字光刻機(jī)中的應(yīng)用

在基于DMD的數(shù)字光刻機(jī)中，DMD充當(dāng)了原本掩膜的地位，不用提前制作掩膜，可使用用戶的電子設(shè)計(jì)文件，經(jīng)過簡(jiǎn)單軟件處理轉(zhuǎn)換后，即可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)曝光[2]。當(dāng)待曝光基材出現(xiàn)漲縮等變化時(shí)，也可進(jìn)行實(shí)時(shí)在線測(cè)量調(diào)整，使整個(gè)曝光流程步驟大為簡(jiǎn)化。在數(shù)字光刻機(jī)出現(xiàn)初期，因產(chǎn)能、設(shè)備成本、設(shè)備穩(wěn)定性、自動(dòng)化程度等，無法大批量適用于實(shí)際生產(chǎn)。目前隨著各項(xiàng)相關(guān)技術(shù)項(xiàng)的發(fā)展，數(shù)字光刻機(jī)相比傳統(tǒng)光刻機(jī)的單位生產(chǎn)成本已非常接近，甚至更低。近些年數(shù)字光刻機(jī)已開始大量應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，尤其是PCB光刻。

基于DMD的數(shù)字光刻機(jī)，一般采用單光路或多光路設(shè)計(jì)方案，即一臺(tái)數(shù)字光刻機(jī)包含有單個(gè)DMD及成像光路或多個(gè)DMD及成像光路組成的曝光系統(tǒng)[3]。一般采用雙遠(yuǎn)心鏡頭設(shè)計(jì)，根據(jù)所需解析及分辨率需求采用不同的倍率，或者可以使用MLA（微透鏡陣列）技術(shù)實(shí)現(xiàn)[4]。設(shè)備一般還包括多維精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、對(duì)位系統(tǒng)、標(biāo)定系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、光源系統(tǒng)等。較常用的光源波長為365～405 nm，這與感光材料、解析要求，以及DMD本身的波長承受范圍有關(guān)。

2? DMD驅(qū)動(dòng)控制原理

DMD中的每個(gè)微鏡像素是微鏡面經(jīng)由一個(gè)過孔連接至暗藏在下方的扭轉(zhuǎn)鉸鏈組成的，安裝至由雙CMOS存儲(chǔ)元件形成的存儲(chǔ)單元上，兩個(gè)存儲(chǔ)元件的狀態(tài)不是獨(dú)立的，而是始終互補(bǔ)。如果一個(gè)存儲(chǔ)元件為邏輯1，則另一個(gè)存儲(chǔ)元件為邏輯0，反之亦然。當(dāng)微鏡接收到一個(gè)復(fù)位脈沖時(shí)，會(huì)被短暫釋放，隨后根據(jù)下方CMOS的狀態(tài)重新偏置角度。這允許DMD對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)加載，即在下一個(gè)復(fù)位脈沖信號(hào)到來前，將CMOS數(shù)據(jù)提前加載好[5]。

本文使用目前在數(shù)字光刻機(jī)中較常用的DLP9500型號(hào)DMD為例進(jìn)行研究，分辨率為1 920×1 080，每個(gè)微鏡大小為10.8 ?m，偏轉(zhuǎn)傾角為±12°[6]。每行實(shí)際有2 048個(gè)存儲(chǔ)單元，其中每行的前64個(gè)和后64個(gè)存儲(chǔ)單元上并沒有微鏡安裝，因此每行實(shí)際只有1 920個(gè)微鏡可使用。但在進(jìn)行數(shù)據(jù)加載時(shí)，需要按照2 048位進(jìn)行。如圖1所示，DLP9500型DMD共有A、B、C、D，4組數(shù)據(jù)總線，每組16 bits。因DMD采用DDR雙倍速率傳輸方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送加載，因此每個(gè)時(shí)鐘周期可加載128 bits數(shù)據(jù)，16個(gè)時(shí)鐘周期可完成一行數(shù)據(jù)的加載。四組數(shù)據(jù)按照A、B兩組從一行的第0個(gè)存儲(chǔ)單元開始，至第1 023個(gè)存儲(chǔ)單元結(jié)束，C、D兩組從一行的第1 024個(gè)存儲(chǔ)單元開始，至第2 047個(gè)存儲(chǔ)單元結(jié)束的格式進(jìn)行加載。

針對(duì)DMD的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，為了滿足高速的數(shù)據(jù)處理及傳輸，高可靠性，靈活的可編程性，大多采用FPGA或CPLD作為主要的驅(qū)動(dòng)芯片[7]，來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)DMD工作性能的最大化。

3? 數(shù)字光刻機(jī)中的DMD數(shù)據(jù)處理及控制系統(tǒng)研究

本文采用xilinx的V6系列FPGA作為DLP9500的數(shù)據(jù)處理及控制系統(tǒng)的核心驅(qū)動(dòng)器件，硬件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。其中右側(cè)虛線框中為DLP9500驅(qū)動(dòng)控制所需的配套硬件，統(tǒng)稱為DLPC410芯片組。兩個(gè)DLPA200為DLP9500提供脈沖時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)功能。DLPC410控制器為DMD控制提供高速LVDS數(shù)據(jù)和控制接口，DLPR410則為DLPC410的配置程序PROM。左側(cè)虛線框中為本文設(shè)計(jì)所需求的數(shù)據(jù)處理及控制系統(tǒng)下位機(jī)硬件。包括主要的核心驅(qū)動(dòng)器件FPGA，用于DMD數(shù)據(jù)的快速處理和各類控制信號(hào)的發(fā)出。一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，一般包含兩片2 GB及以上的DDR3。與上位機(jī)進(jìn)行對(duì)接的數(shù)據(jù)及控制信號(hào)傳輸接口，采用速率可達(dá)2.5 GB/s的光纖傳輸。以及用于控制DMD在數(shù)字光刻機(jī)中進(jìn)行掃描曝光時(shí)的觸發(fā)信號(hào)輸入接口。

目前基于DMD的數(shù)字光刻機(jī)，大多采用掃描方式進(jìn)行曝光，即運(yùn)動(dòng)平臺(tái)承載被曝光基板勻速運(yùn)動(dòng)經(jīng)過曝光系統(tǒng)，同時(shí)發(fā)出等間距的位置觸發(fā)信號(hào)（PEG，Position Event Generation），給到DMD作為其復(fù)位脈沖信號(hào)。如圖2所示，為本方案的總體數(shù)據(jù)處理框圖示意。曝光所需的原始文件（GDS、Gerber等）會(huì)先在料號(hào)機(jī)上進(jìn)行待曝光料號(hào)制作，此時(shí)會(huì)將相關(guān)感光材料類型、曝光劑量、基材尺寸等信息一同輸入。曝光料號(hào)隨后在需要曝光時(shí)，由上位機(jī)進(jìn)行加載，同時(shí)加入設(shè)備、對(duì)準(zhǔn)、電控、真空、環(huán)境等信息，生成初始光刻數(shù)據(jù)，通過高速數(shù)據(jù)傳送通道，傳送給下位機(jī)（FPGA）。同時(shí)上位機(jī)根據(jù)料號(hào)信息，控制精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)承載待曝光基板進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入掃描流程。下位機(jī)在接收到初始光刻數(shù)據(jù)及曝光開始信號(hào)后，對(duì)初始光刻數(shù)據(jù)按照DMD的驅(qū)動(dòng)要求進(jìn)行處理，并傳送給DLPC410，同時(shí)接收平臺(tái)所發(fā)出的PEG信號(hào)，一并傳送給DLPC410。在開始掃描時(shí)，電控在得到上位機(jī)命令后，會(huì)同時(shí)控制光源系統(tǒng)開啟UV光，對(duì)DMD進(jìn)行照明。光源系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際的使用需求，一般分為連續(xù)光（光刻精度要求不高的情況），和脈沖光（較高精度要求）。隨后，DLPC410芯片組控制DLP9500根據(jù)所加載數(shù)據(jù)及復(fù)位脈沖信號(hào)，進(jìn)行不斷的微鏡翻轉(zhuǎn)，直至整個(gè)基板掃描光刻結(jié)束。

DLP9500的整個(gè)翻轉(zhuǎn)操作周期如圖3所示。在數(shù)據(jù)加載完成后，發(fā)出復(fù)位脈沖信號(hào)，持續(xù)5 ?s左右的時(shí)間后，一次翻轉(zhuǎn)動(dòng)作會(huì)被啟動(dòng)。微鏡翻轉(zhuǎn)的穩(wěn)定時(shí)間在8 ?s左右。因此在使用DLP9500時(shí)，當(dāng)進(jìn)行全局操作時(shí)，每次翻轉(zhuǎn)需要固定的脈沖復(fù)位信號(hào)發(fā)出時(shí)間和微鏡穩(wěn)定時(shí)間。此時(shí)只能通過改變數(shù)據(jù)加載時(shí)間，即改變所加載行數(shù)數(shù)量來調(diào)整翻轉(zhuǎn)速度。

理論上，在掃描模式下進(jìn)行光刻，只需要使用一行DMD微鏡即可完成。但實(shí)際由于照明光源無法很好地匹配到一行DMD微鏡上，同時(shí)DMD對(duì)能量要求有限制，尤其是405 nm及以下的UV波段光源，不能超過11 W/cm2。如果只使用一行微鏡，則無法充分發(fā)揮DMD的使用效率。另一方面，DMD也允許進(jìn)行任一行數(shù)據(jù)的加載，不需要每次加載整個(gè)DMD數(shù)據(jù)后再進(jìn)行復(fù)位操作。因此，利用以上特點(diǎn)，本方案總體設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)根據(jù)實(shí)際所需求的能量、所需要達(dá)到的最佳掃描速度來進(jìn)行DMD所使用行數(shù)的選取。

例如，目前大多數(shù)字光刻機(jī)一般采用LD（半導(dǎo)體）激光器，多個(gè)LD器件耦合后，加上相關(guān)控制電路、散熱結(jié)構(gòu)等組成[8]。輸出有效光功率在10～30 W左右，經(jīng)過光纖、準(zhǔn)直光路等，會(huì)有95%以上的能量照射到DMD。在本方案中，當(dāng)針對(duì)低感光材料進(jìn)行曝光時(shí)，實(shí)際所需能量非常低，適合采用更高的掃描速度，因此可使用更少的掃描行數(shù)。當(dāng)針對(duì)高感光材料進(jìn)行曝光時(shí)，所需能量非常高，可使用更多的DMD行數(shù)，在DMD可承受的能量密度下，來提升總能量。這樣根據(jù)不同的感光材料，來進(jìn)行實(shí)時(shí)的能量和DMD使用行數(shù)的調(diào)整。如表1所示，在設(shè)計(jì)的照明寬度為1 080行的前提下，相比使用固定的1 080行掃描方案，動(dòng)態(tài)調(diào)整可提升綜合效率50%以上，尤其是在低劑量要求下，可提升掃描速度300%以上。

DLP9500的數(shù)據(jù)加載時(shí)鐘最大頻率為400 MHz，數(shù)據(jù)總位寬為64 Bits，采用DDR雙倍速率數(shù)據(jù)傳輸方式，則需求的數(shù)據(jù)加載速率接近50 GB/s，如果采用上位機(jī)直接傳輸數(shù)據(jù)的方式，很難滿足DMD加載數(shù)據(jù)的最大速率要求。因此上位機(jī)形成的初始光刻數(shù)據(jù)，發(fā)送到下位機(jī)FPGA后，先暫存至DDR3。DDR3采用符合FPGA規(guī)范要求的類型，主頻在533 MHz以上，這樣數(shù)據(jù)速率可覆蓋50 GB/s以上，滿足DMD的數(shù)據(jù)加載需求。

當(dāng)使用多行微鏡進(jìn)行掃描時(shí)，當(dāng)前幀（按照當(dāng)前所設(shè)置的DMD使用行數(shù)所需求的數(shù)據(jù)）與下一幀數(shù)據(jù)的關(guān)系為，在掃描方向上平移了一行數(shù)據(jù)，如圖4所示。因此下一幀所加載數(shù)據(jù)相比上一幀的不同只是更新了一行數(shù)據(jù)，即實(shí)際每一幀數(shù)據(jù)加載時(shí)需要很高的數(shù)據(jù)傳輸加載速率，但所需要更新的數(shù)據(jù)量并不多。每一幀數(shù)據(jù)加載，從DDR3讀取數(shù)據(jù)時(shí)，初始地址只需要更新一行微鏡所需的地址即可。

上位機(jī)在形成初始光刻數(shù)據(jù)，以及向下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，同樣需要一定的時(shí)間。為了進(jìn)一步提高數(shù)字光刻機(jī)的工作效率，根據(jù)曝光數(shù)據(jù)的復(fù)雜程度（數(shù)據(jù)量的多少），采用數(shù)據(jù)邊處理、邊發(fā)送、邊掃描曝光的控制方式。如圖5所示，上位機(jī)在處理一次曝光所需的一部分?jǐn)?shù)據(jù)后，就開始向下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。下位機(jī)FPGA在接收完此部分?jǐn)?shù)據(jù)并暫存至DDR3后，就開始進(jìn)行光刻掃描。在光刻掃描的同時(shí)，上位機(jī)繼續(xù)進(jìn)行剩余部分的數(shù)據(jù)處理及發(fā)送，直至完成整個(gè)曝光流程。這樣處理的另一個(gè)好處是可循環(huán)利用下位機(jī)的DDR3內(nèi)存，已被曝光的數(shù)據(jù)，可被新發(fā)送的數(shù)據(jù)覆蓋替換。因此只需要設(shè)計(jì)一個(gè)合理的DDR3存儲(chǔ)容量，即可完成整個(gè)數(shù)據(jù)的接收存儲(chǔ)，這在較高精度光刻需求中，數(shù)據(jù)量特別大（可達(dá)數(shù)十GB）的情況下更加適用，可以解決整個(gè)曝光數(shù)據(jù)無法被下位機(jī)DDR3一次暫存的問題。

如圖6所示，詳細(xì)介紹上述數(shù)據(jù)邊發(fā)送、邊掃描曝光的下位機(jī)處理方式。因?yàn)镈MD在行加載完成后，需要一個(gè)固定的時(shí)間進(jìn)行翻轉(zhuǎn)動(dòng)作及使微鏡穩(wěn)定，因此將DDR3的操作控制為在DMD翻轉(zhuǎn)周期內(nèi)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的讀寫循環(huán)形式。即當(dāng)DMD進(jìn)行行數(shù)據(jù)加載時(shí)，從DDR3讀出一幀驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)送至DMD。當(dāng)DMD完成行加載，進(jìn)行Reset（脈沖信號(hào)復(fù)位）和等待微鏡穩(wěn)定的時(shí)候，下位機(jī)FPGA從上位機(jī)繼續(xù)接收數(shù)據(jù)，處理后寫入DDR3。此時(shí)雖然每次加載一幀數(shù)據(jù)所需要的數(shù)據(jù)量很大，但實(shí)際只更新了一行數(shù)據(jù)，因此利用Reset和微鏡穩(wěn)定時(shí)間進(jìn)行剩余數(shù)據(jù)的接收和寫入DDR3，完全可以滿足持續(xù)的掃描曝光。這樣可保證曝光數(shù)據(jù)處理效率，無須等待一次曝光所需的所有數(shù)據(jù)處理完畢后再進(jìn)行曝光，使設(shè)備產(chǎn)能最優(yōu)化。在本方案中，普通的曝光數(shù)據(jù)一般可設(shè)置50%掃描閾值，即數(shù)據(jù)處理至50%時(shí)，即可開始啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸和掃描，可使整個(gè)流程節(jié)省1秒以上的時(shí)間，并減少一半的下位機(jī)存儲(chǔ)內(nèi)存。

經(jīng)過上述的數(shù)據(jù)處理及控制方案，可實(shí)現(xiàn)DMD在數(shù)字光刻機(jī)中的掃描曝光應(yīng)用，具備較高的數(shù)據(jù)處理和曝光效率。

4? 結(jié)? 論

本文針對(duì)基于DMD的數(shù)字光刻機(jī)，分析研究了DMD的數(shù)據(jù)處理及控制方法。設(shè)計(jì)了一套數(shù)字光刻的數(shù)據(jù)處理及控制流程。包括DMD的驅(qū)動(dòng)及控制硬件系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)時(shí)的能量和DMD使用行數(shù)的調(diào)整，光刻數(shù)據(jù)邊處理、邊發(fā)送、邊掃描曝光的控制方式等。在數(shù)字光刻機(jī)設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)較高的曝光數(shù)據(jù)處理效率，使設(shè)備產(chǎn)能最優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)：

[1] Texas Instruments. DLP系統(tǒng)光學(xué) [EB/OL].[2023-02-09].https：//www.ti.com.cn/cn/lit/an/zhca631/zhca631.pdf？ts=1689833958623.

[2] 劉志濤. PCB數(shù)字光刻投影光學(xué)設(shè)計(jì)及其掃描與控制技術(shù)研究 [D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2015.

[3] 陳海巍，宋志尚，李顯杰，等.一種多波段光學(xué)曝光系統(tǒng)、設(shè)備及方法：CN109407473B [P].2019-03-01.

[4] CHAN K F，F(xiàn)ENG Z Q，YANG R，et al. High-resolution maskless lithography [J].Journal of Micro/Nanolithography，MEMS，and MOEMS，2003，2（4）：331-340.

[5] Texas Instruments. Introduction to ±12 Degree Orthogonal Digital Micromirror Devices （DMDs） [EB/OL].[2023-02-09].https：//www.ti.com.cn/cn/lit/pdf/dlpa008.

[6] Texas Instruments.DLP9500 DLP? 0.95 1080p 2x LVDS A 型DMD 數(shù)據(jù)表（Rev. E） [EB/OL].[2023-02-09].https：//www.ti.com.cn/cn/lit/gpn/DLP9500.

[7] 朱毖微，梁志毅，喬永征.基于FPGA的DMD驅(qū)動(dòng)控制電路的研究設(shè)計(jì) [J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2010，18（3）：547-550.

[8] 肖燕青，王方江，陳海巍，等.一種激光直寫曝光機(jī)的激光器及激光直寫曝光機(jī)：CN210954612U [P].2020-07-07.

作者簡(jiǎn)介：陳海?。?988.01—），男，漢族，吉林松原人，工程師，本科，主要研究方向：數(shù)字光刻控制技術(shù)。