應用于數字光刻機的DMD數據處理及控制系統

摘? 要：無掩膜數字光刻機已在PCB光刻及半導體光刻領域逐漸開始應用，相比傳統掩膜式光刻機，可縮減光刻流程，節省光刻成本，使光刻數據在線實時調整變得更為簡單。而DMD（數字微鏡器件）目前作為數字光刻機常用的一種SLM（空間光調制）圖形發生器，對其所需要進行的數據處理及控制較為關鍵。會直接關系到數字光刻機的曝光效率和產能。文章從DMD的驅動控制原理，探討研究DMD在數字光刻機中的數據處理和控制流程、方法，實現較高的設備光刻效率。

關鍵詞：DMD；數字光刻；掃描；數據處理；控制

中圖分類號：TP274+.2；TN305.7 文獻標識碼：A 文章編號：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

數字微鏡器件（Digital Micromirror Devices， DMD），也稱為空間光調制器（PLM）。是一種雙穩態空間光調制器，其由一個按功能安裝在CMOS存儲單元上的微鏡陣列組成。通過把數據寫入位于微鏡下方的存儲單元來獨立地控制微鏡，以引導反射光[1]。

近些年，作為工業領域的應用典型，DMD已較成熟的應用于數字光刻機中，即利用DMD實現數字掩膜，進行激光直寫光刻。目前在PCB生產領域已出現逐步替代傳統菲林式曝光機的趨勢，在半導體領域也有小范圍的應用，主要進行掩模版的制作。目前全球PCB用數字光刻機出貨量每年在幾百臺左右。本文著重討論應用于數字光刻機的DMD控制系統。

1? DMD在數字光刻機中的應用

在基于DMD的數字光刻機中，DMD充當了原本掩膜的地位，不用提前制作掩膜，可使用用戶的電子設計文件，經過簡單軟件處理轉換后，即可實現實時曝光[2]。當待曝光基材出現漲縮等變化時，也可進行實時在線測量調整，使整個曝光流程步驟大為簡化。在數字光刻機出現初期，因產能、設備成本、設備穩定性、自動化程度等，無法大批量適用于實際生產。目前隨著各項相關技術項的發展，數字光刻機相比傳統光刻機的單位生產成本已非常接近，甚至更低。近些年數字光刻機已開始大量應用于實際生產中，尤其是PCB光刻。

基于DMD的數字光刻機，一般采用單光路或多光路設計方案，即一臺數字光刻機包含有單個DMD及成像光路或多個DMD及成像光路組成的曝光系統[3]。一般采用雙遠心鏡頭設計，根據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）技術實現[4]。設備一般還包括多維精密運動平臺、對位系統、標定系統、控制系統、光源系統等。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。

2? DMD驅動控制原理

DMD中的每個微鏡像素是微鏡面經由一個過孔連接至暗藏在下方的扭轉鉸鏈組成的，安裝至由雙CMOS存儲元件形成的存儲單元上，兩個存儲元件的狀態不是獨立的，而是始終互補。如果一個存儲元件為邏輯1，則另一個存儲元件為邏輯0，反之亦然。當微鏡接收到一個復位脈沖時，會被短暫釋放，隨后根據下方CMOS的狀態重新偏置角度。這允許DMD對數據進行預加載，即在下一個復位脈沖信號到來前，將CMOS數據提前加載好[5]。

本文使用目前在數字光刻機中較常用的DLP9500型號DMD為例進行研究，分辨率為1 920×1 080，每個微鏡大小為10.8 ?m，偏轉傾角為±12°[6]。每行實際有2 048個存儲單元，其中每行的前64個和后64個存儲單元上并沒有微鏡安裝，因此每行實際只有1 920個微鏡可使用。但在進行數據加載時，需要按照2 048位進行。如圖1所示，DLP9500型DMD共有A、B、C、D，4組數據總線，每組16 bits。因DMD采用DDR雙倍速率傳輸方式進行數據傳送加載，因此每個時鐘周期可加載128 bits數據，16個時鐘周期可完成一行數據的加載。四組數據按照A、B兩組從一行的第0個存儲單元開始，至第1 023個存儲單元結束，C、D兩組從一行的第1 024個存儲單元開始，至第2 047個存儲單元結束的格式進行加載。

針對DMD的驅動控制系統，為了滿足高速的數據處理及傳輸，高可靠性，靈活的可編程性，大多采用FPGA或CPLD作為主要的驅動芯片[7]，來進行數據處理及控制系統的設計，可實現DMD工作性能的最大化。

3? 數字光刻機中的DMD數據處理及控制系統研究

本文采用xilinx的V6系列FPGA作為DLP9500的數據處理及控制系統的核心驅動器件，硬件控制系統設計如圖1所示。其中右側虛線框中為DLP9500驅動控制所需的配套硬件，統稱為DLPC410芯片組。兩個DLPA200為DLP9500提供脈沖時鐘驅動功能。DLPC410控制器為DMD控制提供高速LVDS數據和控制接口，DLPR410則為DLPC410的配置程序PROM。左側虛線框中為本文設計所需求的數據處理及控制系統下位機硬件。包括主要的核心驅動器件FPGA，用于DMD數據的快速處理和各類控制信號的發出。一個數據存儲單元，一般包含兩片2 GB及以上的DDR3。與上位機進行對接的數據及控制信號傳輸接口，采用速率可達2.5 GB/s的光纖傳輸。以及用于控制DMD在數字光刻機中進行掃描曝光時的觸發信號輸入接口。

目前基于DMD的數字光刻機，大多采用掃描方式進行曝光，即運動平臺承載被曝光基板勻速運動經過曝光系統，同時發出等間距的位置觸發信號（PEG，Position Event Generation），給到DMD作為其復位脈沖信號。如圖2所示，為本方案的總體數據處理框圖示意。曝光所需的原始文件（GDS、Gerber等）會先在料號機上進行待曝光料號制作，此時會將相關感光材料類型、曝光劑量、基材尺寸等信息一同輸入。曝光料號隨后在需要曝光時，由上位機進行加載，同時加入設備、對準、電控、真空、環境等信息，生成初始光刻數據，通過高速數據傳送通道，傳送給下位機（FPGA）。同時上位機根據料號信息，控制精密運動平臺承載待曝光基板進行運動，進入掃描流程。下位機在接收到初始光刻數據及曝光開始信號后，對初始光刻數據按照DMD的驅動要求進行處理，并傳送給DLPC410，同時接收平臺所發出的PEG信號，一并傳送給DLPC410。在開始掃描時，電控在得到上位機命令后，會同時控制光源系統開啟UV光，對DMD進行照明。光源系統根據實際的使用需求，一般分為連續光（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根據所加載數據及復位脈沖信號，進行不斷的微鏡翻轉，直至整個基板掃描光刻結束。

DLP9500的整個翻轉操作周期如圖3所示。在數據加載完成后，發出復位脈沖信號，持續5 ?s左右的時間后，一次翻轉動作會被啟動。微鏡翻轉的穩定時間在8 ?s左右。因此在使用DLP9500時，當進行全局操作時，每次翻轉需要固定的脈沖復位信號發出時間和微鏡穩定時間。此時只能通過改變數據加載時間，即改變所加載行數數量來調整翻轉速度。

理論上，在掃描模式下進行光刻，只需要使用一行DMD微鏡即可完成。但實際由于照明光源無法很好地匹配到一行DMD微鏡上，同時DMD對能量要求有限制，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，則無法充分發揮DMD的使用效率。另一方面，DMD也允許進行任一行數據的加載，不需要每次加載整個DMD數據后再進行復位操作。因此，利用以上特點，本方案總體設計時會根據實際所需求的能量、所需要達到的最佳掃描速度來進行DMD所使用行數的選取。

例如，目前大多數字光刻機一般采用LD（半導體）激光器，多個LD器件耦合后，加上相關控制電路、散熱結構等組成[8]。輸出有效光功率在10～30 W左右，經過光纖、準直光路等，會有95%以上的能量照射到DMD。在本方案中，當針對低感光材料進行曝光時，實際所需能量非常低，適合采用更高的掃描速度，因此可使用更少的掃描行數。當針對高感光材料進行曝光時，所需能量非常高，可使用更多的DMD行數，在DMD可承受的能量密度下，來提升總能量。這樣根據不同的感光材料，來進行實時的能量和DMD使用行數的調整。如表1所示，在設計的照明寬度為1 080行的前提下，相比使用固定的1 080行掃描方案，動態調整可提升綜合效率50%以上，尤其是在低劑量要求下，可提升掃描速度300%以上。

DLP9500的數據加載時鐘最大頻率為400 MHz，數據總位寬為64 Bits，采用DDR雙倍速率數據傳輸方式，則需求的數據加載速率接近50 GB/s，如果采用上位機直接傳輸數據的方式，很難滿足DMD加載數據的最大速率要求。因此上位機形成的初始光刻數據，發送到下位機FPGA后，先暫存至DDR3。DDR3采用符合FPGA規范要求的類型，主頻在533 MHz以上，這樣數據速率可覆蓋50 GB/s以上，滿足DMD的數據加載需求。

當使用多行微鏡進行掃描時，當前幀（按照當前所設置的DMD使用行數所需求的數據）與下一幀數據的關系為，在掃描方向上平移了一行數據，如圖4所示。因此下一幀所加載數據相比上一幀的不同只是更新了一行數據，即實際每一幀數據加載時需要很高的數據傳輸加載速率，但所需要更新的數據量并不多。每一幀數據加載，從DDR3讀取數據時，初始地址只需要更新一行微鏡所需的地址即可。

上位機在形成初始光刻數據，以及向下位機進行數據傳輸，同樣需要一定的時間。為了進一步提高數字光刻機的工作效率，根據曝光數據的復雜程度（數據量的多少），采用數據邊處理、邊發送、邊掃描曝光的控制方式。如圖5所示，上位機在處理一次曝光所需的一部分數據后，就開始向下位機進行數據傳輸。下位機FPGA在接收完此部分數據并暫存至DDR3后，就開始進行光刻掃描。在光刻掃描的同時，上位機繼續進行剩余部分的數據處理及發送，直至完成整個曝光流程。這樣處理的另一個好處是可循環利用下位機的DDR3內存，已被曝光的數據，可被新發送的數據覆蓋替換。因此只需要設計一個合理的DDR3存儲容量，即可完成整個數據的接收存儲，這在較高精度光刻需求中，數據量特別大（可達數十GB）的情況下更加適用，可以解決整個曝光數據無法被下位機DDR3一次暫存的問題。

如圖6所示，詳細介紹上述數據邊發送、邊掃描曝光的下位機處理方式。因為DMD在行加載完成后，需要一個固定的時間進行翻轉動作及使微鏡穩定，因此將DDR3的操作控制為在DMD翻轉周期內進行對應的讀寫循環形式。即當DMD進行行數據加載時，從DDR3讀出一幀驅動數據送至DMD。當DMD完成行加載，進行Reset（脈沖信號復位）和等待微鏡穩定的時候，下位機FPGA從上位機繼續接收數據，處理后寫入DDR3。此時雖然每次加載一幀數據所需要的數據量很大，但實際只更新了一行數據，因此利用Reset和微鏡穩定時間進行剩余數據的接收和寫入DDR3，完全可以滿足持續的掃描曝光。這樣可保證曝光數據處理效率，無須等待一次曝光所需的所有數據處理完畢后再進行曝光，使設備產能最優化。在本方案中，普通的曝光數據一般可設置50%掃描閾值，即數據處理至50%時，即可開始啟動數據傳輸和掃描，可使整個流程節省1秒以上的時間，并減少一半的下位機存儲內存。

經過上述的數據處理及控制方案，可實現DMD在數字光刻機中的掃描曝光應用，具備較高的數據處理和曝光效率。

4? 結? 論

本文針對基于DMD的數字光刻機，分析研究了DMD的數據處理及控制方法。設計了一套數字光刻的數據處理及控制流程。包括DMD的驅動及控制硬件系統，進行實時的能量和DMD使用行數的調整，光刻數據邊處理、邊發送、邊掃描曝光的控制方式等。在數字光刻機設備中，實現較高的曝光數據處理效率，使設備產能最優化。

參考文獻：

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

作者簡介：陳海巍（1988.01—），男，漢族，吉林松原人，工程師，本科，主要研究方向：數字光刻控制技術。