CN102629081A - 一种基于fpga的dmd数字无掩模光刻机工件台控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的DMD数字无掩模光刻机工件台控制系统，该控制系统通过通讯接口接收主控计算机发送的指令和数据，并按照主机的指令控制工件台进行相应的运动，从而完成实时定位及调焦等过程。其中，工件台定位部分控制工件台进行定位、调焦运动；位置测量部分实时对工件台的位置进行跟踪测量，该测量数据可进一步供工件台控制模块在控制X、Y工件台的定位中使用；为使工件台长期保持正确的坐标关系，系统还建立了坐标原点以保证精密定位工件台系统在长时间工作时坐标原点的精度；为防止工件台在意外情况下失控，导致结构损坏和精度损失，本系统还建立了工件台限位电路。

Description

一种基于FPGA的DMD数字无掩模光刻机工件台控制系统

技术领域

本发明属于工件台控制领域，尤其涉及基于FPGA的DMD数字无掩模光刻机的工件台的控制系统。

背景技术

光刻是集成电路加工过程中最关键的工序，因此光刻机是集成电路加工过程中最关键的设备。

随着器件特征尺寸越变越小，光刻掩模技术已经成为各种光刻技术方法中可解决其应用前景的关键技术。在光刻中如何降低掩模成本，甚至发展不需要昂贵掩模的无掩模光刻技术已成为光刻业界热门的话题。

所谓的数字无掩模光刻技术与传统光刻技术有很大不同，其光刻过程是用计算机优化产生的一系列“虚拟”的数字图形，并控制投影曝光设备把图形一幅幅地投影到基片上。数字无掩模技术的优点在于掩模图形的生产数字化，通过计算机控制一些特殊的空间光调制器(Space Light Modulator，SLM)对入射光进行调制，以取代现有的光学光刻中的掩模。常见的空间光调制器有液晶显示器件(Liquid Crystal Display，LCD)、等离子体显示器件(Plasma Display Panel，PDP)和数字微反射镜器件(Digital Micromirror Device，DMD)等。而DMD是目前唯一的一种大批量生产的纯数字化空间光调制器SLM。因此数字光学无掩模光刻技术的研究都是基于DMD空间光调制器的。

DMD数字无掩模光刻机是一种高精度的光刻工艺设备，包括光学、精密机械、自动控制和计算机等领域的高科技。

DMD数字无掩模光刻机的光机部分是由照明系统1、图形发生系统2、缩小投影物镜3，工件台4组成。该系统的原理图如图1所示，照明系统1发出的光入射到图形发生系统2上，光线经图形发生系统2反射后，通过缩小投影物镜3成像在焦平面上，即可在位于工件台4上的光刻胶表面上形成所需要的图形。

根据应用需求，要在工件台上的不同位置进行刻蚀，这就要求工件台X、Y方向能灵活运动，随意调节。而DMD数字无掩模光刻机每次刻蚀的范围有限，若刻蚀大面积图形，则涉及到图形的拼接问题，要实现高精度的拼接，高精度的工件台运动控制系统也是必不可少的。加之，光刻机在曝光时要求工件台要处在最佳焦面，这就要求工件台要有精密的调焦控制系统。所以高效、高精度的工件台控制系统对提高DMD数字无掩模光刻机的性能显得尤为重要。

发明内容

本发明需要解决的技术问题在于提供一种基于FPGA的DMD数字无掩模光刻机工件台运动控制系统，以实现对DMD数字无掩模光刻机工件台X、Y方向的精确定位以及高精度的调焦控制等。

本发明的技术方案为：

本系统包括与主控计算机进行通讯的通讯接口、工件台定位控制部分、工件台位置测量部分、工件台归零部分、工件台限位电路部分。

作为对本发明的改进，所述通讯接口采用USB2.0接口与主控计算机进行通讯，其功能包括接收主控计算机发送的指令和数据以及向主控计算机发送工件台控制系统的状态数据。

作为对本发明的改进，所述的工件台定位控制部分包括FPGA中的工件台定位模块、X驱动电路、Y驱动电路以及调焦驱动电路；工件台定位模块与X驱动电路、Y驱动电路以及调焦驱动电路之间通过输入输出接口进行连接，X驱动电路、Y驱动电路以及调焦驱动电路直接驱动位于工件台上的电机进行运动。

作为对本发明的改进，所述的工件台位置测量部分包括FPGA中的工件台位置测量模块、X接收器、Y接收器以及光栅测量系统；光栅测量系统中的光栅尺位于工件台上的X、Y方向的导轨上，光栅测量系统与X接收器、Y接收器连接、而X接收器、Y接收器与FPGA中的工件台位置测量模块通过输入输出接口相连接。

作为对本发明的改进，所述的工件台归零电路将归零信号通过输入输出接口传送到FPGA中，控制系统进行归零操作。

作为对本发明的改进，所属的工件台限位电路部分在XY方向的两端分别设有两极限位开关，前一级用于切断控制输入，后一级用于切断控制输出，该限位电路将工件台的状态信息通过输入输出接口传送到FPGA，控制系统进行限位操作。

本发明需要解决的另一技术问题在于提供一种上述基于FPGA的DMD数字无掩模光刻机工件台控制系统的控制流程。

具体控制流程包括以下步骤：

1)工件台控制系统接收到主控计算机发送的合理曝光图形的起始位置和曝光数量以及待曝光的图形光图形加载成功的命令后，工件台控制系统控制开始，并判断是否需要进行归零运动，如果是则控制工件台进行归零运动，如果不是则执行下一步；

2)工件台控制系统通讯接口实时接收主控计算机发送的信息，判断是否终止曝光，如果是则存储数据并结束控制流程，如果不是则执行下一步；

3)工件台控制系统中的工件台定位控制部分通过接收的曝光位置信息，驱动工件台X方向和Y方向的电机转动，从而使工件台运动到指定位置，同时工件台位置测量部分实时计算工件台的位置，作为工件台定位控制部分的控制参数；

4)待工件台运动到指定位置，工件台定位控制部分，驱动调焦电机进行调焦运动，直到工件台处于最佳焦面位置；

5)待工件台运动到最佳焦面位置，主控计算机控制系统进行曝光，并判断曝光是否结束，如果没有结束则继续执行步骤2)，如果曝光结束则存储数据并结束控制流程。

本发明的有益效果是，采用FPGA这种并行处理器取代传统的单片机作为工件台控制系统的主控芯片，处理器内部资源更为丰富。与主控计算机的通讯接口采用USB2.0，比传统的RS232效率更高，接口扩展性好，且便于系统升级。与传统控制中用单片机串行输出相应脉冲驱动工件台进行运动相比，本系统在FPGA中建立工件台定位模块，可以同时输出多路控制脉冲驱动工件台进行相应的运动。传统控制系统将位置测量部分用单独电路进行处理，且读取其中一路数据时另一路数据需要等待，占用系统工作时间；本系统将位置测量部分在处理器内部实现，可并行进行，效率高，可靠性好。

附图说明

图1为DMD数字无掩模光刻机的光机结构原理图；

图2为DMD数字无掩模光刻机的控制系统框图；

图3为FPGA为主控芯片的工件台控制系统原理框图；

图4为工件台控制系统控制流程图；

图5为正向运动输出波形；

图6为反向运动输出波形；

图7为工件台X向位置测量模块示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

DMD数字无掩模光刻机的控制系统包括图像采集卡1、主控计算机及接口2、DMD驱动3、工件台控制系统4以及其他外围设备驱动5，其组成框图如图2所示。

图像采集卡1、主控计算机及接口2、DMD驱动3、工件台控制系统4以及其他外围设备驱动5，上述各部分之间通过控制系统进行协调，以实现整机系统的稳定可靠运行。

控制系统采取主从式进行控制，图像采集卡1直接插在主控计算机的PCI插槽里，这样主控计算机就可以从采集卡中直接获得基片表面反射的掩模图形信息，主控计算机及接口2主要负责接收图像采集卡1采集的信息，并发出指令和数据给DMD驱动3、工件台控制系统4的主控芯片以及其他外围设备驱动5。工件台控制系统4主要负责接受主控计算机发送的指令和数据，并按照主控计算机的指令控制工件台进行相应的运动，进而完成实时定位及调焦等过程。

以FPGA为主控芯片的工件台控制系统原理框图如图3所示，该系统主要实现工件台的运动定位与调焦控制、位置测量、位置限位、位置归零以及接收主控芯片的控制指令等功能。而工件台运动控制系统控制流程图如图4所示。

结合图3和图4，整个控制系统的功能实现方法如下：

1)工件台控制系统的主控芯片FPGA4通过通讯接口1，接收到主控计算机发送的合理曝光图形的起始位置和曝光数量以及待曝光图形加载成功的命令后，工件台控制系统控制开始，并判断是否需要进行归零运动，如果是则控制工件台进行归零运动，在归零过程中，工件台以慢速向零位光栅零点方向运行，在到达零位光栅零点时，光栅零点通过输入输出端口5输出归零信号至工件台主控芯片FPGA4，FPGA4便立即执行软件清零程序和硬件清零程序，使工件台位置测量模块2中的可逆计数器清零，从而确定此次开机后的XY坐标原点；如果不需要归零则执行下一步。

2)工件台控制系统的主控芯片FPGA4通过通讯接口1，实时接收主控计算机发送的信息，判断是否终止曝光，如果是则存储数据并结束控制流程，如果不是则执行下一步。

3)FPGA4中的工件台定位模块3启动，通过输入输出接口5以及X驱动电路11和Y驱动电路12来驱动工件台运动。在工件台运动的过程中，光栅测量系统8将工件台X方向的位置信息通过X接收器6以及输入输出接口5传到FPGA4中的工件台位置测量模块2；同时将工件台Y方向的位置信息通过Y接收器7以及输入输出接口5传到FPGA中的工件台位置测量与显示模块2。工件台位置测量模块2将接收到的位置信息处理后，工件台定位模块3将此信息跟FPGA4接收到的主计算机发送的曝光位置进行比较，以确定工件台是否运动到指定位置。如果没有运动到指定位置，则驱动工件台继续运动，直到工件台运动到指定位置为止。

4)待工件台运动到指定位置后，由工件台定位模块3，通过输入输出接口5以及调焦驱动电路13，驱动工件台进行调焦运动，直到工件台运动到最佳焦面位置。FPGA4通过通讯接口1向主控计算机发送运动到最佳焦面位置的信息。

5)主控计算机接收到工件台运动到最佳焦面位置的信息后，控制光刻机进行曝光，并判断曝光过程是否结束。如果曝光过程没有结束则继续执行步骤2)，工件台运动控制系统进入下一次的曝光进程，如果曝光过程结束则存储数据并结束控制流程。

工件台X、Y方向的位置检测元件均采用光栅，光栅直接利用光电转换原理输出三相方波A、B、Z相。A、B相方波相位差90°，Z相方波用于基准点定位，其逻辑电平都为5V。当A相方波超前B相方波90°时，表示位移方向为正方向，此时输出波形如图5所示；当A相方波滞后B相方波90°时，表示位移方向为反方向，此时输出波形如图6所示。扫描台X向、Y向每位移一段距离均发出一个周期的方波。

因此，工件台的位置检测首先要解决对光栅信号的辨向问题，辨别出X、Y向的位移方向。此外，还要完成将光栅信号转换成工件台定位模块能读取的位置数据，当X向、Y向位移方向为正时，此位置数据递增；当X向、Y向位移方向为负时，此位置数递减，并要保证实时的准确可靠的提供X、Y向的位置数据，作为FPGA精确定位工件台位置的依据。

对X向、Y向检测原理相同，这里只以X向说明位置检测模块的实现。由图5和图6可知，当光栅正向移动时，A相、B相的电平逻辑表现为“00”→“10”→“11”→“01”→“00”序列；当光栅反向移动时，A相、B相的电平逻辑表现为“00”→“01”→“11”→“10”→“00”序列。因此，只要能辨别出这两种序列，就能实现辨向。

在工件台位置测量模块引入FPGA外部时钟，利用其上升沿同时对A相、B相信号采样，这里同样以X向位置测量模块为例，其模块示意图如图7所示。工件台X方向光栅的A、B相的电平逻辑值用二维向量AB_new记之，AB_new通过一级触发器后，记为AB_old，AB_new和AB_old都跟随A相、B相方波信号变化而变化，只是AB_old要滞后AB_new一个采样时钟周期。这样，就可以将AB_old和AB_new进行比较：当AB_old为“00”’时，若AB_new为“10”，即A相超B相前90°，X_CU输出一个负脉冲，X_CD保持为高电平不变；若AB_old为“00”时，AB_new为“01”，即A相滞后B相90°，X_CD输出一个负脉冲，X_CU保持为高电平不变。X向光栅信号变化一个周期，如果A相超B相90°(位移方向为正)，X_CU就会输出4个负脉冲，如果A相滞后B相90°(位移方向为负)，X_CD就会输出4个负脉冲，同时实现了辨向与4细分功能。

此外，为确保工件台在意外情况下失控，以高速冲到某一端的极限位置产生严重碰撞导致结构损坏和精度损失，在X、Y方向的两端分别设有两极限位开关，前一级用于切断控制输入，后一级用于切断控制输出，确保工件台在到达限位位置时基本处于停止状态，有效的保证工件台的精度和结构的安全。

虽然已公开了本发明的优选实施例，但本领域的技术人员将会意识到，在不背弃权利要求书中公开的本发明的范围的情况下，任何各种修改、添加和替换均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于FPGA的DMD数字无掩模光刻机工件台控制系统，其特征在于，该系统包括与主控计算机进行通讯的通讯接口、工件台定位控制部分、工件台位置测量部分、工件台归零部分、工件台限位电路部分。

2.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述的通讯接口采用USB2.0接口与主控计算机进行通讯，其功能包括接收主控计算机发送的指令和数据以及向主控计算机发送工件台控制系统的状态数据。

3.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述的工件台定位控制部分包括FPGA中的工件台定位模块、X驱动电路、Y驱动电路以及调焦驱动电路；工件台定位模块与X驱动电路、Y驱动电路以及调焦驱动电路之间通过输入输出接口进行连接，X驱动电路、Y驱动电路以及调焦驱动电路直接驱动位于工件台上的电机进行运动。

4.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述的工件台位置测量部分包括FPGA中的工件台位置测量模块、X接收器、Y接收器以及光栅测量系统；光栅测量系统中的光栅尺位于工件台上的X、Y方向的导轨上，光栅测量系统与X接收器、Y接收器连接、而X接收器、Y接收器与FPGA中的工件台位置测量模块通过输入输出接口相连接。

5.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，工件台归零电路将归零信号通过输入输出接口传送到FPGA中，控制系统进行归零操作。

6.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，工件台限位电路部分在XY方向的两端分别设有两极限位开关，前一级用于切断控制输入，后一级用于切断控制输出，该限位电路将工件台的状态信息通过输入输出接口传送到FPGA，控制系统进行限位操作。

7.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，整个控制流程包括以下步骤：

1)工件台控制系统接收到主控计算机发送的合理曝光图形的起始位置和曝光数量以及待曝光图形加载成功的命令后，工件台控制系统控制开始，并判断是否需要进行归零运动，如果是，则控制工件台进行归零运动，如果不是则执行下一步；

2)工件台控制系统通讯接口实时接收主控计算机发送的信息，判断是否终止曝光，如果是，则存储数据并结束控制流程，如果不是则执行下一步；

3)工件台控制系统中的工件台定位控制部分通过接收的曝光位置信息，驱动工件台X方向和Y方向的电机转动，从而使工件台运动到指定位置，同时工件台位置测量部分实时计算工件台的位置，作为工件台定位控制部分的控制参数；

4)待工件台运动到指定位置，工件台定位控制部分驱动调焦电机进行调焦运动，直到工件台处于最佳焦面位置；

5)待工件台运动到最佳焦面位置，主控计算机控制系统进行曝光，并判断曝光是否结束，如果没有结束则继续执行步骤2)，如果曝光结束则存储数据并结束控制流程。

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