应用于数字光刻机的DMD数据处理及控制系统

摘  要：无掩膜数字光刻机已在PCB光刻及半导体光刻领域逐渐开始应用，相比传统掩膜式光刻机，可缩减光刻流程，节省光刻成本，使光刻数据在线实时调整变得更为简单。而DMD（数字微镜器件）目前作为数字光刻机常用的一种SLM（空间光调制）图形发生器，对其所需要进行的数据处理及控制较为关键。会直接关系到数字光刻机的曝光效率和产能。文章从DMD的驱动控制原理，探讨研究DMD在数字光刻机中的数据处理和控制流程、方法，实现较高的设备光刻效率。

关键词：DMD；数字光刻；扫描；数据处理；控制

中图分类号：TP274+.2；TN305.7 文献标识码：A 文章编号：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

數字微镜器件（Digital Micromirror Devices， DMD），也称为空间光调制器（PLM）。是一种双稳态空间光调制器，其由一个按功能安装在CMOS存储单元上的微镜阵列组成。通过把数据写入位于微镜下方的存储单元来独立地控制微镜，以引导反射光[1]。

近些年，作为工业领域的应用典型，DMD已较成熟的应用于数字光刻机中，即利用DMD实现数字掩膜，进行激光直写光刻。目前在PCB生产领域已出现逐步替代传统菲林式曝光机的趋势，在半导体领域也有小范围的应用，主要进行掩模版的制作。目前全球PCB用数字光刻机出货量每年在几百台左右。本文着重讨论应用于数字光刻机的DMD控制系统。

1  DMD在数字光刻机中的应用

在基于DMD的数字光刻机中，DMD充当了原本掩膜的地位，不用提前制作掩膜，可使用用户的电子设计文件，经过简单软件处理转换后，即可实现实时曝光[2]。当待曝光基材出现涨缩等变化时，也可进行实时在线测量调整，使整个曝光流程步骤大为简化。在数字光刻机出现初期，因产能、设备成本、设备稳定性、自动化程度等，无法大批量适用于实际生产。目前随着各项相关技术项的发展，数字光刻机相比传统光刻机的单位生产成本已非常接近，甚至更低。近些年数字光刻机已开始大量应用于实际生产中，尤其是PCB光刻。

基于DMD的数字光刻机，一般采用单光路或多光路设计方案，即一台数字光刻机包含有单个DMD及成像光路或多个DMD及成像光路组成的曝光系统[3]。一般采用双远心镜头设计，根据所需解析及分辨率需求采用不同的倍率，或者可以使用MLA（微透镜阵列）技术实现[4]。设备一般还包括多维精密运动平台、对位系统、标定系统、控制系统、光源系统等。较常用的光源波长为365～405 nm，这与感光材料、解析要求，以及DMD本身的波长承受范围有关。

2  DMD驱动控制原理

DMD中的每个微镜像素是微镜面经由一个过孔连接至暗藏在下方的扭转铰链组成的，安装至由双CMOS存储元件形成的存储单元上，两个存储元件的状态不是独立的，而是始终互补。如果一个存储元件为逻辑1，则另一个存储元件为逻辑0，反之亦然。当微镜接收到一个复位脉冲时，会被短暂释放，随后根据下方CMOS的状态重新偏置角度。这允许DMD对数据进行预加载，即在下一个复位脉冲信号到来前，将CMOS数据提前加载好[5]。

本文使用目前在数字光刻机中较常用的DLP9500型号DMD为例进行研究，分辨率为1 920×1 080，每个微镜大小为10.8 ?m，偏转倾角为±12°[6]。每行实际有2 048个存储单元，其中每行的前64个和后64个存储单元上并没有微镜安装，因此每行实际只有1 920个微镜可使用。但在进行数据加载时，需要按照2 048位进行。如图1所示，DLP9500型DMD共有A、B、C、D，4组数据总线，每组16 bits。因DMD采用DDR双倍速率传输方式进行数据传送加载，因此每个时钟周期可加载128 bits数据，16个时钟周期可完成一行数据的加载。四组数据按照A、B两组从一行的第0个存储单元开始，至第1 023个存储单元结束，C、D两组从一行的第1 024个存储单元开始，至第2 047个存储单元结束的格式进行加载。

针对DMD的驱动控制系统，为了满足高速的数据处理及传输，高可靠性，灵活的可编程性，大多采用FPGA或CPLD作为主要的驱动芯片[7]，来进行数据处理及控制系统的设计，可实现DMD工作性能的最大化。

3  数字光刻机中的DMD数据处理及控制系统研究

本文采用xilinx的V6系列FPGA作为DLP9500的数据处理及控制系统的核心驱动器件，硬件控制系统设计如图1所示。其中右侧虚线框中为DLP9500驱动控制所需的配套硬件，统称为DLPC410芯片组。两个DLPA200为DLP9500提供脉冲时钟驱动功能。DLPC410控制器为DMD控制提供高速LVDS数据和控制接口，DLPR410则为DLPC410的配置程序PROM。左侧虚线框中为本文设计所需求的数据处理及控制系统下位机硬件。包括主要的核心驱动器件FPGA，用于DMD数据的快速处理和各类控制信号的发出。一个数据存储单元，一般包含两片2 GB及以上的DDR3。与上位机进行对接的数据及控制信号传输接口，采用速率可达2.5 GB/s的光纤传输。以及用于控制DMD在数字光刻机中进行扫描曝光时的触发信号输入接口。

目前基于DMD的数字光刻机，大多采用扫描方式进行曝光，即运动平台承载被曝光基板匀速运动经过曝光系统，同时发出等间距的位置触发信号（PEG，Position Event Generation），给到DMD作为其复位脉冲信号。如图2所示，为本方案的总体数据处理框图示意。曝光所需的原始文件（GDS、Gerber等）会先在料号机上进行待曝光料号制作，此时会将相关感光材料类型、曝光剂量、基材尺寸等信息一同输入。曝光料号随后在需要曝光时，由上位机进行加载，同时加入设备、对准、电控、真空、环境等信息，生成初始光刻数据，通过高速数据传送通道，传送给下位机（FPGA）。同时上位机根据料号信息，控制精密运动平台承载待曝光基板进行运动，进入扫描流程。下位机在接收到初始光刻数据及曝光开始信号后，对初始光刻数据按照DMD的驱动要求进行处理，并传送给DLPC410，同时接收平台所发出的PEG信号，一并传送给DLPC410。在开始扫描时，电控在得到上位机命令后，会同时控制光源系统开启UV光，对DMD进行照明。光源系统根据实际的使用需求，一般分为连续光（光刻精度要求不高的情况），和脉冲光（较高精度要求）。随后，DLPC410芯片组控制DLP9500根据所加载数据及复位脉冲信号，进行不断的微镜翻转，直至整个基板扫描光刻结束。

DLP9500的整个翻转操作周期如图3所示。在数据加载完成后，发出复位脉冲信号，持续5 ?s左右的时间后，一次翻转动作会被启动。微镜翻转的稳定时间在8 ?s左右。因此在使用DLP9500时，当进行全局操作时，每次翻转需要固定的脉冲复位信号发出时间和微镜稳定时间。此时只能通过改变数据加载时间，即改变所加载行数数量来调整翻转速度。

理论上，在扫描模式下进行光刻，只需要使用一行DMD微镜即可完成。但实际由于照明光源无法很好地匹配到一行DMD微镜上，同时DMD对能量要求有限制，尤其是405 nm及以下的UV波段光源，不能超过11 W/cm2。如果只使用一行微镜，则无法充分发挥DMD的使用效率。另一方面，DMD也允许进行任一行数据的加载，不需要每次加载整个DMD数据后再进行复位操作。因此，利用以上特点，本方案总体设计时会根据实际所需求的能量、所需要达到的最佳扫描速度来进行DMD所使用行数的选取。

例如，目前大多数字光刻机一般采用LD（半导体）激光器，多个LD器件耦合后，加上相关控制电路、散热结构等组成[8]。输出有效光功率在10～30 W左右，经过光纤、准直光路等，会有95%以上的能量照射到DMD。在本方案中，当针对低感光材料进行曝光时，实际所需能量非常低，适合采用更高的扫描速度，因此可使用更少的扫描行数。当针对高感光材料进行曝光时，所需能量非常高，可使用更多的DMD行数，在DMD可承受的能量密度下，来提升总能量。这样根据不同的感光材料，来进行实时的能量和DMD使用行数的调整。如表1所示，在设计的照明宽度为1 080行的前提下，相比使用固定的1 080行扫描方案，动态调整可提升综合效率50%以上，尤其是在低剂量要求下，可提升扫描速度300%以上。

DLP9500的数据加载时钟最大频率为400 MHz，数据总位宽为64 Bits，采用DDR双倍速率数据传输方式，则需求的数据加载速率接近50 GB/s，如果采用上位机直接传输数据的方式，很难满足DMD加载数据的最大速率要求。因此上位机形成的初始光刻数据，发送到下位机FPGA后，先暂存至DDR3。DDR3采用符合FPGA规范要求的类型，主频在533 MHz以上，这样数据速率可覆盖50 GB/s以上，满足DMD的数据加载需求。

当使用多行微镜进行扫描时，当前帧（按照当前所设置的DMD使用行数所需求的数据）与下一帧数据的关系为，在扫描方向上平移了一行数据，如图4所示。因此下一帧所加载数据相比上一帧的不同只是更新了一行数据，即实际每一帧数据加载时需要很高的数据传输加载速率，但所需要更新的數据量并不多。每一帧数据加载，从DDR3读取数据时，初始地址只需要更新一行微镜所需的地址即可。

上位机在形成初始光刻数据，以及向下位机进行数据传输，同样需要一定的时间。为了进一步提高数字光刻机的工作效率，根据曝光数据的复杂程度（数据量的多少），采用数据边处理、边发送、边扫描曝光的控制方式。如图5所示，上位机在处理一次曝光所需的一部分数据后，就开始向下位机进行数据传输。下位机FPGA在接收完此部分数据并暂存至DDR3后，就开始进行光刻扫描。在光刻扫描的同时，上位机继续进行剩余部分的数据处理及发送，直至完成整个曝光流程。这样处理的另一个好处是可循环利用下位机的DDR3内存，已被曝光的数据，可被新发送的数据覆盖替换。因此只需要设计一个合理的DDR3存储容量，即可完成整个数据的接收存储，这在较高精度光刻需求中，数据量特别大（可达数十GB）的情况下更加适用，可以解决整个曝光数据无法被下位机DDR3一次暂存的问题。

如图6所示，详细介绍上述数据边发送、边扫描曝光的下位机处理方式。因为DMD在行加载完成后，需要一个固定的时间进行翻转动作及使微镜稳定，因此将DDR3的操作控制为在DMD翻转周期内进行对应的读写循环形式。即当DMD进行行数据加载时，从DDR3读出一帧驱动数据送至DMD。当DMD完成行加载，进行Reset（脉冲信号复位）和等待微镜稳定的时候，下位机FPGA从上位机继续接收数据，处理后写入DDR3。此时虽然每次加载一帧数据所需要的数据量很大，但实际只更新了一行数据，因此利用Reset和微镜稳定时间进行剩余数据的接收和写入DDR3，完全可以满足持续的扫描曝光。这样可保证曝光数据处理效率，无须等待一次曝光所需的所有数据处理完毕后再进行曝光，使设备产能最优化。在本方案中，普通的曝光数据一般可设置50%扫描阈值，即数据处理至50%时，即可开始启动数据传输和扫描，可使整个流程节省1秒以上的时间，并减少一半的下位机存储内存。

经过上述的数据处理及控制方案，可实现DMD在数字光刻机中的扫描曝光应用，具备较高的数据处理和曝光效率。

4  结  论

本文针对基于DMD的数字光刻机，分析研究了DMD的数据处理及控制方法。设计了一套数字光刻的数据处理及控制流程。包括DMD的驱动及控制硬件系统，进行实时的能量和DMD使用行数的调整，光刻数据边处理、边发送、边扫描曝光的控制方式等。在数字光刻机设备中，实现较高的曝光数据处理效率，使设备产能最优化。

参考文献：

[1] Texas Instruments. DLP系统光学 [EB/OL].[2023-02-09].https：//www.ti.com.cn/cn/lit/an/zhca631/zhca631.pdf？ts=1689833958623.

[2] 刘志涛. PCB数字光刻投影光学设计及其扫描与控制技术研究 [D].广州：广东工业大学，2015.

[3] 陈海巍，宋志尚，李显杰，等.一种多波段光学曝光系统、设备及方法：CN109407473B [P].2019-03-01.

[4] CHAN K F，FENG 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 數据表（Rev. E） [EB/OL].[2023-02-09].https：//www.ti.com.cn/cn/lit/gpn/DLP9500.

[7] 朱毖微，梁志毅，乔永征.基于FPGA的DMD驱动控制电路的研究设计 [J].计算机测量与控制，2010，18（3）：547-550.

[8] 肖燕青，王方江，陈海巍，等.一种激光直写曝光机的激光器及激光直写曝光机：CN210954612U [P].2020-07-07.

作者简介：陈海巍（1988.01—），男，汉族，吉林松原人，工程师，本科，主要研究方向：数字光刻控制技术。