CN107561876A - 一种新型无掩膜光刻系统及其工艺流程 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型无掩膜光刻系统及其工艺流程，新型无掩膜光刻系统包括料号系统、曝光系统、RIP模块、数据处理系统、位置矫正模块、光源模组、照明系光学组、图形发生器、主控模组、能量矫正模块、投影镜头模组、自动聚焦模组、运动平台模组和对位模组，相对于传统的无掩膜光刻系统，增加了料号系统、RIP模块、位置矫正模块、能量矫正模块、自动聚焦模块和对位模块，提高了系统的精准度和稳定性，改善了产品加工的效率和良率，降低了产品的生产成本，可实现高自动化的大规模生产应用，尤其适用于嵌入工业4.0的生产线，实现智能化、无人化的连续稳定生产作业。

Description

一种新型无掩膜光刻系统及其工艺流程

技术领域：

本发明属于无掩膜光刻曝光系统技术领域，尤其涉及一种新型无掩膜光刻系统及其工艺流程。

背景技术：

光刻技术是当前半导体主流平面加工工艺技术中的一环，其用于在基底表面上形成特定结构的特征图形。无掩膜光刻技术是光刻技术的一个分支，相对于传统掩膜光刻技术，无需额外准备光掩膜作为母版复版曝光，使用图形发生器来代替母版。直接利用图形发生器产生于设计文档一致的特征图形，并通过光学投影技术投影曝光至涂有感光材料的基片表面。

目前无掩膜光刻技术常用的图形发生器主要有以下两种：

一、激光束直写或声光调制法，该种方法是逐点曝光，采用高能激光在光敏感衬底上直接产生图形，缺点是加工速度较慢，单个基片曝光时间长，无法应用于大规模生产，只能用来制作光掩膜版等母版，但相对运营成本又高；

二、反射式器件的空间光调制器，这种方案的缺点是：一方面精度不高，因为平台光栅尺位置信号因为外界环境因素及固定位置的限制，并不能实时体现基片曝光面的运动位置信息。另一方面，能量稳定性差，因为所有的光源随着使用时间的加长都存在衰减的现象，而感光材料及其成像线宽对能量的波动较为敏感，这种方案缺少有效的能量监控，不适合运行效率高、稳定性高的工业化生产需求。再者，设备整体稳定性差，因为无掩膜光刻系统是由控制系统、光学系统和数据流系统三个子系统所构成，其中控制系统指令较少，但要求通信准确率高；而数据流系统，数据处理速度快，需求带宽大，数据错误零容忍。在常规产品案例中，一般将控制系统和数据流系统集成在一个windows系统下，这将对设备稳定性造成极大的障碍。

发明内容：

针对上述问题，本发明要解决的技术问题是提供一种新型无掩膜光刻系统及其工艺流程。

本发明的一种新型无掩膜光刻系统，包括

料号系统，用于将输入的不同 CAD 矢量设计文件格式转换为包含轮廓化无交叠多边形图形的中间数据格式；

曝光系统，用于驱动并分别与 RIP 模块、位置矫正模块、主控模组、运动平台模组和对位模组实现双向通信；

RIP 模块，用于将中间数据格式实时膨胀、偏移和旋转，并转换成条带图形，并将条带图形进行Y 方向拉伸，然后栅格化后形成栅格化的条带点阵图形；

数据处理系统，用于实现条带点阵图形的分块化、图形发生器化、X 方向拉伸和图形发生器帧化；

位置矫正模块，用于实现和曝光系统、数据处理系统、运动平台模组和光源模块的双向数据通信；

光源模组，用于实现和位置矫正模块、主控模组和能量矫正模块的双向通信，并为照明系光学组提供可控稳定的大功率光源；

照明系光学组，用于实现将光源模组提供的大功率光源转换到能够覆盖整个图形发生器有效像素阵列的面光源；

图形发生器，为可独立寻址和控制的像素阵列；

主控模组，用于实现和曝光系统、光源模组、能量矫正模块和自动聚焦模组的双向通信；

能量矫正模块，用于实时在线监控照明系光学组以及定时监控投影镜头模组到感光材料表面的光能量波动，实现驱动光源模组改变出光功率大小及闭环控制；

投影镜头模组，由至少5片光学透镜组成；

自动聚焦模组，用于实现拖动投影镜头模组在与焦面垂直的方向上移动；

运动平台模组，用于实现在曝光系统的驱动下匀速扫描高速运动的指定坐标地点；

对位模组，由至少一个CCD或CMOS相机、一个与CCD或CMOS相机匹配的投影成像镜头、一对导轨，一个联轴器、一个丝杆和一个带有编码器的伺服马达或一对定动子和光栅尺构成。

优选的，所述料号系统中，轮廓化是指将至少两个有相交、相切或包含的图形经过特定规则及精度要求运算成单一的多边形图形，该多边形图形不再与任何同一文件中的其它图形相交、相切或包含。

优选的，所述料号系统中，中间数据格式除包含轮廓化无交叠的多边形图形数据外，还应包含不少于 3 个对位标记的位置信息。

优选的，所述RIP 模块是一块基于 FPGA 开发的包含特定固件程序的嵌入式系统。

优选的，所述RIP 模块中，条带图形是指将完整的中间格式的矢量图形按照扫描方向分割成几个细长型条带，条带图形的数量与图形发生器数量和扫描次数成正比。

优选的，所述RIP 模块中，条带图形进行Y 方向拉伸是指将矢量条带图形的两条平行于扫描方向的边，一边维持不动，将另一边在维持图形边间距不动的情况下向图形发生器与扫描方向夹角的相反方向拖动，使条带图形的非扫描方向的边与扫描方向边所成的夹角与图形发生器与扫描方向的夹角之和为 90 度。

优选的，所述RIP 模块中，栅格化是指将矢量图形按照指定的规则和精度转换成点阵图形的过程。

优选的，所述数据处理系统是一块基于FPGA开发的逻辑功能电路模块。

优选的，所述数据处理系统中，分块化是指将上述行内中心重合的像素点对应的整列按照图形发生器像素点的位置重新排列，然后再移动到下一行，以此循环完成整个垂直扫描方向上的列的重新排布，所述图形发生器化是指将得到的图形发生器对应的第一行直至第N行数据提取并填充到图形发生器对应的MXN的像素点内，所述X方向拉伸是指将得到的MXN的像素阵列数据按照行分割成等数量的行数组，将行数组在列的方向上偏移指定的像素位置，所述图形发生器帧化是指将X方向拉伸后得到的图形按照实际使用的图形发生器像素阵列提取除对应的数据阵列，图形发生器帧化后的像素阵列不大于X方向拉伸后得到的像素阵列。

优选的，所述光源模组为LD或LED等波长小于436nm的半导体光电二极管耦合而成的大功率光源模块，所述耦合为光纤耦合或光棒耦合。

优选的，所述照明系光学组内至少应该包含一组凸透镜和凹透镜以及一个光棒或复眼。

优选的，所述图形发生器为可独立寻址和控制的像素阵列，所述阵列为长方形区域，为M列XN行，其中M和N为整数且M>N。

优选的，所述投影镜头模组中，光学透镜为凸透镜、凹透镜或微透镜阵列。

优选的，所述自动聚焦模组包含至少一个导轨，一个联轴器、一个丝杆、一个带有编码器的伺服马达和一个高精度距离传感器。

优选的，所述运动平台模组至少包含一个X轴、一个Y轴、一个Z轴和一个可驱动3轴以上的驱动控制器构成。

优选的，所述X轴或Y轴由至少一对导轨、一对定动子和一个光栅尺构成，Z轴由至少两对契型模块、两对丝杆、两对联轴器和两个带有编码器的伺服马达构成。

本发明的一种新型无掩膜光刻系统的工艺流程，包括以下步骤：

（1）将客户定制的图形矢量格式输入离线的料号系统生成新料号文件，根据需要将图形矢量格式转换成包含轮廓化无交叠多边形图形的中间数据格式后关联到新料号文件内；

（2）将生成的新料号通过互联网上传到光刻系统上，在曝光系统内选择新料号文件，自动或手动将涂有感光材料的基板上载到真空吸盘上后开始对位曝光流程；

（3）获得对位曝光指令后，将中间数据格式分割成每个图形发生器所需要的条带图形并发送到每个RIP模块内，曝光系统驱动运动平台模组运载基板到投影镜头模组的成像面并扫描曝光起始位置；

（4）RIP模块在获得条带图形后将开始Y方向拉伸、然后栅格化成点阵图形，并推送到对应的数据处理系统后进行扫描曝光；

（5）将整个涂有感光材料的基底表面全部曝光完成后自动或手动更换曝光面或者曝光基片，以进行连续重复生产曝光作业。

优选的，所述感光材料至少包含光引发剂、成型树脂和溶剂。

本发明有益效果：相对于传统的无掩膜光刻系统，本发明涉及的系统增加了料号系统、RIP模块、位置矫正模块、能量矫正模块、自动聚焦模块和对位模块，进一步完善了数据处理系统、曝光系统和光源模块，可实现工艺的高宽容度，高效智能化的生产和生产追溯，提高了系统的精准度和稳定性，改善了产品加工的效率和良率，降低了产品的生产成本，可实现高自动化的大规模生产应用，尤其适用于嵌入工业4.0的生产线，实现智能化、无人化的连续稳定生产作业。

附图说明：

为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。

图1为本发明的逻辑结构图。

图2为本发明的硬件结构图。

图3为本发明的生产工艺流程图。

图4为矢量图形轮廓化的具体算法演示。

图5为图形Y方向拉伸示意图。

图6为图形发生器与扫描轴夹角的定义与计算示意图。

图7为图形栅格化示意图。

图8为图形发生器像素点与栅格化处理精度逻辑关系示意图。

图9为数据分块化的逻辑示意图。

图10为图形数据图形发生器化的逻辑示意图。

图11为图形数据X方向拉伸逻辑示意图。

图12为图形数据图形发生器帧化逻辑示意图。

图13为位置矫正模块信号处理逻辑示意图。

图14为图形发生器扫描速度倍速逻辑。

图15为能量控制采样示意图。

具体实施方式：

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

本发明的目的是提供一种高产能、高可靠性和工艺容忍度较大的无掩膜光刻设备，克服了直写式光刻技术原有的加工效率低下的缺点，整合无掩膜的优势，为丝印、平印、凸印、凹印行业的制版，印刷线路板、平版显示、触摸屏和芯片封装制造行业的曝光，半导体行业的光掩模板制造等加工领域应用提供一种方法。其具体实施方法和原理如下所述：

如图1-15所示，本实施例的一种新型无掩膜光刻系统，包括

料号系统，用于将输入的不同 CAD 矢量设计文件格式转换为包含轮廓化无交叠多边形图形的中间数据格式；

曝光系统，用于驱动并分别与 RIP 模块、位置矫正模块、主控模组、运动平台模组和对位模组实现双向通信；

RIP 模块，用于将中间数据格式实时膨胀、偏移和旋转，并转换成条带图形，并将条带图形进行Y 方向拉伸，然后栅格化后形成栅格化的条带点阵图形；

数据处理系统，用于实现条带点阵图形的分块化、图形发生器化、X 方向拉伸和图形发生器帧化；

位置矫正模块，用于实现和曝光系统、数据处理系统、运动平台模组和光源模块的双向数据通信；

光源模组，用于实现和位置矫正模块、主控模组和能量矫正模块的双向通信，并为照明系光学组提供可控稳定的大功率光源；

照明系光学组，用于实现将光源模组提供的大功率光源转换到能够覆盖整个图形发生器有效像素阵列的面光源；

图形发生器，为可独立寻址和控制的像素阵列；

主控模组，用于实现和曝光系统、光源模组、能量矫正模块和自动聚焦模组的双向通信；

能量矫正模块，用于实时在线监控照明系光学组以及定时监控投影镜头模组到感光材料表面的光能量波动，实现驱动光源模组改变出光功率大小及闭环控制；

投影镜头模组，由至少5片光学透镜组成；

自动聚焦模组，用于实现拖动投影镜头模组在与焦面垂直的方向上移动；

运动平台模组，用于实现在曝光系统的驱动下匀速扫描高速运动的指定坐标地点；

对位模组，由至少一个CCD或CMOS相机、一个与CCD或CMOS相机匹配的投影成像镜头、一对导轨，一个联轴器、一个丝杆和一个带有编码器的伺服马达或一对定动子和光栅尺构成。

具体地，料号系统是一个不依赖于设备硬件的可以运行在微软windows系统的独立软件。该料号系统可输入解析不同行业的不同CAD矢量设计文件格式，包括GDSII、Gerber、ODB++、DPF、DXF和PDF等，同时可输出包含轮廓化无交叠多边形（Polygon）图形的中间数据格式。料号系统内实现的轮廓化是指将至少两个有相交、相切或包含的图形经过特定规则及精度要求运算成单一的多边形图形，该多边形图形不再与任何同一文件中的其它图形相交、相切或包含。料号系统所产生的料号文件除中间数据格式包含的轮廓化无交叠的多边形图形数据外，还应包含不少于3个对位标记的位置信息以及曝光工艺所需的必要信息，包括曝光图形尺寸、基板尺寸、曝光能量等。

具体地，曝光系统是一个能够驱动整个设备硬件有序工作的可以运行在微软windows系统下的独立软件。该曝光系统拥有友善的人机交互界面，可实现驱动并分别与RIP模块、位置矫正模块、主控模组、运动平台模组和对位模组实现双向通信，并将料号系统关联的中间数据格式图形文件推送到RIP模块中。

具体地，RIP模块是一块基于FPGA开发的包含特定固件程序的嵌入式系统，在光刻系统获得对位信息后实现将中间数据格式图形实时膨胀、偏移和旋转并转换成该RIP模块对应的图形发生器所需要的条带图形，并将条形图形Y方向拉伸，然后栅格化。条带图形是指将完整的中间格式的矢量图形按照扫描方向分割成几个细长型条带，条带图形的数量与图形发生器数量和扫描次数成正比。条形图形Y方向拉伸，是指将矢量条带图形的两条平行于扫描方向的边，一边维持不动，将另一边在维持图形边间距不动的情况下向图形发生器与扫描方向夹角的相反方向拖动，使条带图形的非扫描方向的边与扫描方向边所成的夹角与图形发生器与扫描方向的夹角之和为90度。在实际设备案例中，图形发生器的某一边并不会与扫描方向平行，而是与扫描方向呈现一定的夹角，而且图形发生器像素阵列的短边与扫描方向的夹角（锐角）角度要小于像素阵列长边与扫描方向的夹角（锐角）角度，上述的图形发生器与扫描方向的夹角（锐角）定义为图形发生器像素阵列的短边与扫描方向的夹角。栅格化，是指将矢量图形按照指定的规则和精度转换成点阵图形的过程。

具体地，数据处理系统是一块基于FPGA开发的逻辑功能电路模块，可以在获得RIP模块提供的栅格化的条带点阵图形后，实现点阵图形的分块化、图形发生器化、X方向拉伸和图形发生器帧化。光刻系统内，图形发生器的像素对应到投影镜头在感光材料上象面的尺寸不小于图形栅格化处理的精度。将图形发生器的像素阵列按照像素阵列的短边与图形扫描方向重合映射到RIP模块提供的栅格化的条带点阵图形上，并将图形发生器像素的中心与条带点阵图形的像素中心重合，届时在一个垂直于扫描方向的条带点阵图形的像素行内，将有部分条带点阵图形的像素点与图形发生器像素的中心重合，而仍有些不重合。分块化是指将上述行内中心重合的像素点对应的整列（顺应扫描方向上的像素）按照图形发生器像素点的位置重新排列，然后再移动到下一行，以此循环完成整个垂直扫描方向上的列的重新排布。届时，得到的条状图形前面的几列内可以提取出图形发生器对应的第一行数据，后面对应的几列可以提取出图形发生器对应的第二行数据，以此类推。图形发生器化指将得到的图形发生器对应的第一行直至第N行数据提取并填充到图形发生器对应的MXN的像素点内。X方向拉伸指将得到的MXN的像素阵列数据按照行分割成等数量的行数组，将行数组在列的方向上偏移指定的像素位置。图形发生器帧化指将X方向拉伸后得到的图形按照实际使用的图形发生器像素阵列提取除对应的数据阵列。图形发生器帧化后的像素阵列不大于X方向拉伸后得到的像素阵列。

具体地，位置矫正模块实现和曝光系统、数据处理系统、运动平台模组和光源模块的双向数据通信。位置矫正模块在得到曝光系统的相关指令后，能够根据运动平台模组提供的光栅尺位置信号源，结合平台模组精度补偿的mapping数据调整成数据处理系统和光源模块各自所需的同步信号，该同步信号可触发数据处理系统驱动图形发生器反转和激光器的高频开关的同步运作。

具体地，光源模组为LD或LED等波长小于436nm的半导体光电二极管耦合而成的大功率（一般出光功率大于5W）光源模块。该耦合工艺可以是光纤耦合亦或光棒耦合。光源模组可实现和位置矫正模块、主控模组和能量矫正模块的双向通信，并为照明系光学组提供可控稳定的大功率光源。

具体地，照明系光学组可实现由光源模组提供的光源到能够覆盖整个图形发生器有效像素阵列的面光源的光学转换。该照明系光学组内至少应该包含一组凸透镜和凹透镜以及一个光棒或复眼。

具体地，图形发生器为可独立寻址和控制的像素阵列，且系统使用的阵列为长方形区域，为M列XN行（其中M和N为整数且M>N）。该图形发生器应该为类似DMD（美国TI公司）和GLV（美国SLM公司发明，后被日本网屏收购）的空间光调制反射器件。

具体地，主控模组实现和曝光系统、光源模组、能量矫正模块和自动聚焦模组的双向通信。

具体地，能量矫正模块在主控模组的控制下可以实现实时在线监控照明系光学组以及定时监控投影镜头模组到感光材料表面的光能量波动，并可实现驱动光源模块改变出光功率大小实现闭环控制。

具体地，投影镜头模组由至少5片光学透镜组成，该光学透镜可以为凸透镜、凹透镜或微透镜阵列。

具体地，自动聚焦模组可以实现拖动投影镜头模组在与焦面垂直的方向上移动以消除因为带有感光材料基底的表面不平整造成的离焦。该自动聚焦模组包含至少一个导轨，一个联轴器、一个丝杆、一个带有编码器的伺服马达和一个高精度距离传感器。

具体地，运动平台模组可实现在曝光系统的驱动下匀速扫描或高速运动的指定坐标地点。该运动平台模组至少包含一个X轴、一个Y轴、一个Z轴和一个可驱动3轴以上的驱动控制器构成。X或Y轴由至少一对导轨、一对定动子和一个光栅尺构成，Z轴由至少两对契型模块、两对丝杆、两对联轴器和两个带有编码器的伺服马达构成。

具体地，对位模块由至少一个CCD或CMOS相机、一个与CCD或CMOS相机匹配的投影成像镜头、一对导轨，一个联轴器、一个丝杆和一个带有编码器的伺服马达或一对定动子和光栅尺构成。

本实施例的一种新型无掩膜光刻系统的工艺流程，包括以下步骤：

（1）将客户定制的图形矢量格式输入离线的料号系统软件生成新的料号文件，并在料号文件内确认曝光图形尺寸、定义单面或双面曝光、曝光基板尺寸、曝光能量、对位标记数量和每个对位标记位置信息、选择全局对位或局部对位、选择固定涨缩或区间涨缩或自动涨缩，在料号系统软件界面点击确认料号后，料号系统软件自动线下将客户定制的图形矢量格式转换成包含轮廓化无交叠多边形（Polygon）图形的中间数据格式并关联到新料号内；

（2）将生成的新的料号文件通过互联网上传到光刻设备上，在光刻设备内置的曝光系统软件内选择新的料号文件，设定要曝光的图形正片或负片、设定生产料号的基板数量，确认或调整料号里的相关规格参数，在曝光软件界面选择单面或双面曝光模式，自动或手动将涂有感光材料的基板上载到真空吸盘上，点击确认开始对位曝光流程；

（3）在光刻设备获得对位曝光开始指令后，曝光系统软件将料号文件关联的中间数据格式图形推送到RIP模块内，并同时驱动运动平台模组运载基板到对位模组内的CCD或CMOS相机投影镜头下获取基板上对位标记的真实位置信息，然后换算出对应的涨缩系数，并发送到每个RIP模块内。同时，曝光系统软件将驱动运动平台模组运载基板到图形发生器关联的投影镜头模组的成像面和扫描曝光起始位置；

（4）RIP模块在获得涨缩系数后将中间数据格式按照涨缩系数调整图形后分割成每个图形发生器所需要的条带图形，随后开始条带图形Y方向拉伸、然后栅格化成点阵图形，并推送到对应的数据处理系统。数据处理系统将得到的点阵图形进行相应的分块化、图形发生器化、X方向拉伸和图形发生器帧化，然后推送到图形发生器实现帧图形的填充。同时，曝光系统软件将激活位置矫正模块，并通过主控模组通知光源模组、能量矫正模块和自动聚焦模块开始工作。在RIP模块和数据处理模块处理图形数据时，光源模组将打开激光光源；能量矫正模块将实时监控照明系光学组通过光纤传导过来的能量稳定性，以保证曝光图形质量和稳定性；自动聚焦模块实时监控并闭环控制基板到成像焦面的距离；而位置矫正模块将随着运动平台模组的匀速移动矫正位置精度，并把矫正后的位置信号通过特定算法生成数据处理系统和光源模组的触发信号，分别控制图形发生器的图形反转以及光源模组随图形发生器反转同步的高频开关及指定短时间（纳秒级）的点亮，该过程亦被称为扫描曝光；

随着数据处理系统按照位置矫正模块提供的信号触发完成图形发生器以设定频率一帧一帧的图形变更，届时基底上涂有的感光材料随着运动平台模组的带动在激光像素亮灭的差别下发生光化学反应，致使受到光线照射的地方发生交连聚合反应或不发生交连聚合反应，而未受到光线照射的地方反之；

（5）上述扫描曝光在完成一个扫描条带后，运动平台模组在垂直于扫描方向按照预先设定的距离完成一个步进，然后反方向重复以上扫描曝光过程，以此重复以上过程，直至将整个涂有感光材料的基底表面全部曝光完成，即完成一整片基片曝光，运动平台模组将退出至上下料位置以自动或手动更换曝光面或者曝光基片，以进行连续重复生产曝光作业。

具体地，感光材料至少包含光引发剂、成型树脂和溶剂。

具体地，光化学反应指感光材料受紫外光线照射，由其内部的光引发剂吸收紫外光线引发成型树脂的交联反应。

如图1中所示，本发明的无掩膜光刻设备包括料号系统11、曝光系统12、RIP模块13、数据处理系统14、位置矫正模块15、光源模组16、照明系光学组17、图形发生器18、主控模组19、能量矫正模块20、投影镜头模组21、自动聚焦模组22、运动平台模组23和对位模组24构成。该系统由一套或多套数字光学投影镜头组组成，每个数字光学投影镜头组内包含且仅包含一个图形发生器18、一个光源模组16、一个照明系光学组17、一个数据处理系统14、一个投影镜头模组21和一个自动聚焦模组22。

图2揭示了一种基本的无掩膜扫描光刻装置的硬件架构图，该案例系统由两个X轴（步进轴X1和X2）、一个Y轴（扫描轴）、一个Z轴及真空载物平台和大理石龙门构成整个运动平台模组23。其中，两个步进轴相互平行且与Y轴垂直；大理石龙门有一个平行于地面的233面用于固定扫描轴Y轴，两个龙门结构与233面垂直，用于固定两个步进轴X1轴和X2轴。

如图2所示234为扫描轴Y轴，它由两个直线导轨、4个滑块、一个定子、一条光栅尺、一个读数头和固定在Z轴237下面的动子所构成，其中Y轴的定子光栅尺出于精度控制考量固定在两个直线导轨中间，并与直线导轨平行固定在大理石龙门的233面上。235步进轴X1为连接固定对位模组的对位轴，其由两个直线导轨、6或12个滑块、一个定子、一条光栅尺以及固定在三个对位模组24内侧的3个动子和3个读数头所构成，每个对位模组在对应的动子和读数头的控制下可在导轨上自由移动。如图中所示，对位步进轴X1固定在大理石龙门的232面，出于实际使用考量亦可固定在232面所在龙门上的背面。236步进轴X2为连接固定数字光学投影镜头组的曝光轴，其由两个直线导轨、4个滑块、一个定子、一条光栅尺以及固定在投影镜头组固定件内侧的一个动子和一个读数头所构成。如图中所示，曝光步进轴X1固定在大理石龙门的231面。

图2所示的案例系统，将照明系光学组17、图形发生器18、投影镜头模组21和自动聚焦模组22组装成一个独立的子系统，其通过机械固定件固定在X2轴的4个滑块上，并受动子驱动沿着直线导轨在垂直于扫描轴Y轴和平行于对位步进轴X1轴的方向上滑动。

Z轴237和真空载物平台238机械固定在一起。其中，Z为由一组或2组带有自锁定结构的契型结构所构成。

图3揭示了在实际生产过程中，设备具体工艺流程如下：

将客户定制的图形矢量格式输入离线的料号系统11生成新的料号文件，并在料号文件内确认曝光图形尺寸、定义单面或双面曝光、曝光基板尺寸、曝光能量、对位标记数量和每个对位标记位置信息、选择全局对位或局部对位、选择固定涨缩或区间涨缩或自动涨缩，在料号系统11界面点击确认料号后，料号系统11自动线下将客户定制的图形矢量格式转换成包含轮廓化无交叠多边形（Polygon）图形的中间数据格式并关联到新料号内；

将生成的新的料号文件通过互联网上传到光刻设备上，在光刻设备内置的曝光系统12内选择新的料号文件，设定要曝光的图形正片或负片、设定生产料号的基板数量，确认或调整料号里的相关规格参数，在曝光软件界面选择单面或双面曝光模式，自动或手动将涂有感光材料的基板上载到真空吸盘上，点击确认开始对位曝光流程；

在光刻设备获得对位曝光开始指令后，曝光系统12将料号文件关联的中间数据格式图形推送到RIP模块13内，并同时驱动运动平台模组23运载基板到对位模组24内的CCD或CMOS相机投影镜头下获取基板上对位标记的真实位置信息，然后换算出对应的涨缩系数，并发送到每个RIP模块13内。同时，曝光系统12将驱动运动平台模组23运载基板到图形发生器18关联的投影镜头模组21的成像面和扫描曝光起始位置；

RIP模块13在获得涨缩系数后将中间数据格式按照涨缩系数调整图形后分割成每个图形发生器所需要的条带图形，随后开始条带图形Y方向拉伸131、然后栅格化132成点阵图形，并推送到对应的数据处理系统14。数据处理系统14将得到的点阵图形进行相应的分块化141、图形发生器化142、X方向拉伸143和图形发生器帧化144，然后推送到图形发生器18实现帧图形的填充。同时，曝光系统12将激活位置矫正模块15，并通过主控模组19通知光源模组16、能量矫正模块20和自动聚焦模块22开始工作。在RIP模块13和数据处理模块14处理图形数据时，光源模组16将打开激光光源；能量矫正模块20将实时闭环监控照明系光学组17通过光纤传导过来的能量稳定性，以保证曝光图形质量和稳定性；自动聚焦模块22实时监控并闭环控制基板到成像焦面的距离；而位置矫正模块15将随着运动平台模组23的匀速移动矫正位置精度，并把矫正后的位置信号通过特定算法生成数据处理系统14和光源模组16的触发信号，分别控制图形发生器18的图形反转以及光源模组16随图形发生器18反转同步的高频开关及指定短时间（纳秒级）的点亮，该过程亦被称为扫描曝光；

随着数据处理系统14按照位置矫正模块15提供的信号触发完成图形发生器18以设定频率一帧一帧的图形变更，届时基底上涂有的感光材料随着运动平台模组23的带动在激光像素亮灭的差别下发生光化学反应，致使受到光线照射的地方发生交连聚合反应或不发生交连聚合反应，而未受到光线照射的地方反之；

上述扫描曝光在完成一个扫描条带后，运动平台模组23在垂直于扫描方向按照预先设定的距离完成一个步进，然后反方向重复以上扫描曝光过程，以此重复以上过程，直至将整个涂有感光材料的基底表面全部曝光完成，即完成一整片基片曝光，运动平台模组23将退出至上下料位置以自动或手动更换曝光面或者曝光基片，以进行连续重复生产曝光作业。

图4揭示了矢量图形轮廓化的算法，所谓的轮廓化，即将相交、相切或包含的图形经过特定规则及精度要求运算成单一的多边形图形，如图4左上角图形所示31、32为两个相切的图形，经过轮廓化运算变换成33所示的单一多边形图形。图4下部所示34、35为两个相交的图形，经过轮廓化运算变换成36所示的单一多边形图形（相交类似包含）。图4右上角所示37、38为两个不相交的图形，经过轮廓化运算依然保留两个独立的图形。

图5为矢量图形Y方向，拉伸示意图，所谓Y方向拉伸，即将待曝光图形按照扫描方向拉错，即如图所示1311为待曝光图形，Y方向拉伸即保持1315和1314边的宽度不变，将1314边按照角度1317拉伸成1312所示的对应边的样子，届时，1314与1316长度一致，而对应的边与1315发生了角度变化，且变化的1317角度大小与图6所示的θ角度一致。

图6揭示了图形发生器与平台扫描轴方向夹角的数学模型。如图中所示，18为图形发生器，181为图形发生器每个像素对应的图形栅格化像素点，假设图形发生器有16（M）x12（N）个像素阵列，图形发生器与平台扫描轴方向的夹角定义为短边N与平台扫描方向之间所成的锐角θ。

定义：d为图形发生器相邻像素之间的间距（一般典型的图形发生器像素为方形），a为扫描过程中映射到投影面的X方向（非扫描方向）上相邻像素点的间距，c为图形发生器像素与其对应的上下行同列相邻的像素在X方向（非扫描方向）上的间距，k为扫描过程中图形发生器中像素阵列累计映射到投影面同一点的像素数量，D为累计映射到投影面同一点的图形发生器中的相邻像素的间距。

要求N/K必须为正整数。届时，可得到以下数学模型：

a=c=dsinθ;tanθ=k/N;D=c(1+(N/k)2); θ=arctan(k/N)。

图7揭示了图形栅格化的定义，所谓的栅格化即将矢量图形按照特定的精度数字化。如图7所示1321为矢量字母F，其中F内部是填充的，而栅格化即以特定的精度数字像素化，如栅格化后的F为1322图，而1322是由像素点1323在F内填充而成，而特定的精度即为1323像素点的尺寸大小。

图8表达了图形发生器像素点与图形栅格化处理精度的逻辑关系。如图所示，18为图形发生器，182为图形发生器在成像像面的每个像素点，181为图形发生器对应的图形栅格化像素，在本发明中，图形发生器像素点182不小于图形栅格化精度181。

图9揭示数据分块化逻辑。如图所示132为矢量图形Y方向拉伸并栅格化后的一个条带图形，其中181为图形发生器像素阵列对应到条带内的一个像素点，假设图形发生器是一个12X8的阵列，届时，其在条带图形内对应的像素点如132中所示。分块化即将181所在的132图形内的整列（顺应扫描方向上的像素）重新排列到141图形内的第一列，然后181同行内从左往右依次取得对应图形发生器像素点的列排列到141图形第二列至第12列，然后，再移动到下一行，以此循环完成整个垂直扫描方向上的列的重新排布，即得到141图形。届时，得到的141图形前面的13列内可以提取出图形发生器对应的第一行数据，后面对应的13列可以提取出图形发生器对应的第二行数据，以此类推。

图10揭示了图形数据图形发生器化的规则。如141图形为图9所得到的图形，然后将图形发生器对应的第一行数据从141图形前面的13列中提取，第二行数据从141的第二组13列中提取，依次获得前4组数据。第五组数据重新从第一组13列中获得，直至获得第8组数据，即完成了图形数据图形发生器化。

图11揭示了图形数据X方向拉伸的逻辑。如图，X方向拉伸即将图10所得到的图形数据图形发生器化图形以4行为一组，每一组在X方向上回错一位，并删除无效图形183，最终得到X方向拉伸后的数据143。

图12揭示了图形数据图形发生器帧化的逻辑。在实际应用过程中，一般图形发生器的实际像素阵列要大于设备使用的有效数据阵列，以便预留一些空闲像素做数据补偿。如图12所示图形发生器帧化，即将图11所得图形数据X方向拉伸后的图形填充到图形发生器的有效像素阵列内，而其外围填充一些无效数据184。

图13揭示了位置矫正模块的信号处理逻辑，本发明所提的位置矫正模块以光栅尺（Encoder）信号151作为输入信号源，以此信号源为基础结合通过特定标定手段获得的平台补偿数据阵列（Mapping数据）调整输出图形发生器图形驱动信号152，光源脉冲驱动信号153和图形发生器有效区域选择信号154。

实际应用中，151光栅尺信号源一般为典型的方波信号源，而以每一个精度产生一个脉冲信号，如图13中155所示，因平台运行过程中的机械误差、光栅尺监视点与实际曝光应用点不统一等问题造成的平台运动的系统误差将有后续的标定手段标定获得平台补偿数据阵列（mapping数据），届时，将通过改变计量155的个数来实现平台补偿数据阵列作用到图形像素点在基板上的落点。如图中152所示，每个图形发生器翻转信号的上升脉冲之间对应的Encoder信号脉冲数量会有一定变化。

近几年随着LD及LED光源技术和感光材料敏感度的提升，原本无掩膜光刻机技术的瓶颈由光源能量不足转为图形发生器的翻转频率低限制曝光速度，而图形发生器作为半导体器件由于受限于自身数据填充的速度（图形发生器面积越来越大，但像素尺寸越来越小，填充数据量越来越大），很难有质的提升。为了突破图形发生器自身数据填充的速度限制，常规会采用使用更小的图形发生器有效面积，这可以有效缩短数据填充的时间，但因为图形发生器表面单位面积承受的能量极限问题会极大的降低能量利用效率。还有一种更有效的方案为降低扫描方向的数据精度，即图形发生器数据刷新对应的位移精度降低，但这将影响扫描方向的线宽精度，从而易造成横竖线条的差异，不可取。

本发明针对以上问题，提出图形发生器倍速曝光方案（如图14所示）及光源脉冲同步控制技术相结合，一方面通过跳行曝光（N倍速跳N-1行）的模式可大幅的提高图形发生器扫描的极限速度，另一方面通过利用位置矫正模块提供的光源脉冲驱动信号153可与图形发生器的翻转同步触发光源高频开关（一般开关控制频率在50K以上，且关的状态并非给予光源的驱动功率为零，而是如153所示处于大于器件阈值的低功耗输出状态），并有效控制光源的点亮时间（如图13所示153里的Pattern Length），可以兼容实现图形发生器数据刷新的位置精度和极限扫描速度。同时，因为光源的脉冲应用，相对于连续光应用，可提升80%以上的出光功率。

因为运动平台在实际运动过程存在机械累计误差（绝大部分时候应该是运动平台的Yaw值变化），致使在使用多个图形发生器在X方向（非扫描轴）上并排平行扫描时，存在每个数字投影镜头组投影下来的条带图形相对存在一定的累计误差，从而造成每个条带图形之间的图形拼接误差。针对此问题，本发明利用在实际扫描曝光过程中，根据光栅尺的信号输入按照一定的逻辑算法实时调整图形发生器的实际有效区域以实现补偿不同条带的Yaw值变化。该部分具体算法在后续专利中另行讨论。

图14为图形发生扫描速度倍速逻辑，如图所示，通过将图形发生器在扫描轴方向上分割成不同的块，如184、185 和186即为同一数据发生器上不同的块，利用不同块实现跳行曝光，从而打破了图形发生器自身的刷新频率极限，实现扫描速度的速度成倍增加。如图所示，在1倍速模式，只使用图形发生器中184块，然后每曝光一行刷新一次图形发生器投影的数据；在2倍速模式，使用图形发生器中的184和185块，届时，将有184块负责曝光自下而上的1、3、5行，185块负责曝光2、4、6行，因此图形发生器的刷新频率间隔将增大一倍，从而实现在同样的图形发生器刷新频率下扫描速度增加了一倍，提升了产能；同样在3倍速模式下，使用图形发生器中的184、185和186块，届时，将有184块负责曝光自下而上的1、4行，185块负责曝光2、5行，将有186负责曝光3、6行，因此图形发生器的刷新频率间隔将增大2倍，从而实现在同样的图形发生器刷新频率下扫描速度增加了2倍。

以上方案，可打破图形发生器的刷新频率极限，实现较高产能，但变相增加了扫描轴方向的数据分辨率，降低了线宽及位置控制精度，这时可以采用本专利提及的光源脉冲同步控制技术实现在保证精度的同时实现更高产能的曝光，完美解决了倍速扫描带来的缺陷。

图15显示了能量控制采样逻辑的一种实现方式，如图所示，16为光源模组，17为照明系光学组，18为图形发生器，20为能量矫正模块，21为投影镜头组，201为可定期检测21投影镜头组投影到成像面的能量的能量探头，202为实时检测17照明系光学组的激光能量的能量探头，171为实际照明面积，172为图形发生器的有效面积。在实际使用过程中，将由202实时监控到达图形发生器之前的能量并反馈到16的驱动控制器，实现能量的闭环控制；由201按照一定的期限，监控21投影到成像面的能量，防止因为图形发生器后投影镜头组异常造成的能量衰减，基于以上两种监控方式实现了能量的全方面监控，保证了设备的稳定性。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (17)

1.一种新型无掩膜光刻系统，其特征在于：包括

料号系统，用于将输入的不同 CAD 矢量设计文件格式转换为包含轮廓化无交叠多边形图形的中间数据格式；

曝光系统，用于驱动并分别与 RIP 模块、位置矫正模块、主控模组、运动平台模组和对位模组实现双向通信；

RIP 模块，用于将中间数据格式实时膨胀、偏移和旋转，并转换成条带图形，并将条带图形进行Y 方向拉伸，然后栅格化后形成栅格化的条带点阵图形；

数据处理系统，用于实现条带点阵图形的分块化、图形发生器化、X 方向拉伸和图形发生器帧化；

位置矫正模块，用于实现和曝光系统、数据处理系统、运动平台模组和光源模块的双向数据通信；

光源模组，用于实现和位置矫正模块、主控模组和能量矫正模块的双向通信，并为照明系光学组提供可控稳定的大功率光源；

照明系光学组，用于实现将光源模组提供的大功率光源转换到能够覆盖整个图形发生器有效像素阵列的面光源；

图形发生器，为可独立寻址和控制的像素阵列；

主控模组，用于实现和曝光系统、光源模组、能量矫正模块和自动聚焦模组的双向通信；

能量矫正模块，用于实时在线监控照明系光学组以及定时监控投影镜头模组到感光材料表面的光能量波动，实现驱动光源模组改变出光功率大小及闭环控制；

投影镜头模组，由至少5片光学透镜组成；

自动聚焦模组，用于实现拖动投影镜头模组在与焦面垂直的方向上移动；

运动平台模组，用于实现在曝光系统的驱动下匀速扫描高速运动的指定坐标地点；

对位模组，由至少一个CCD或CMOS相机、一个与CCD或CMOS相机匹配的投影成像镜头、一对导轨，一个联轴器、一个丝杆和一个带有编码器的伺服马达或一对定动子和光栅尺构成。

2.根据权利要求1所述的一种新型无掩膜光刻系统，其特征在于：所述料号系统中，轮廓化是指将至少两个有相交、相切或包含的图形经过特定规则及精度要求运算成单一的多边形图形，该多边形图形不再与任何同一文件中的其它图形相交、相切或包含。

3.根据权利要求1所述的一种新型无掩膜光刻系统，其特征在于：所述料号系统中，中间数据格式除包含轮廓化无交叠的多边形图形数据外，还应包含不少于 3 个对位标记的位置信息。

4.根据权利要求1所述的一种新型无掩膜光刻系统，其特征在于：所述RIP 模块及数据处理系统均是基于 FPGA或ASIC 开发的包含特定固件程序的逻辑功能电路模块。

5.根据权利要求1所述的一种新型无掩膜光刻系统，其特征在于：所述RIP 模块中，条带图形是指将完整的中间格式的矢量图形按照扫描方向分割成几个细长型条带，条带图形的数量与图形发生器数量和扫描次数成正比。

6.根据权利要求1所述的一种新型无掩膜光刻系统，其特征在于：所述RIP 模块中，条带图形进行Y 方向拉伸是指将矢量条带图形的两条平行于扫描方向的边，一边维持不动，将另一边在维持图形边间距不动的情况下向图形发生器与扫描方向夹角的相反方向拖动，使条带图形的非扫描方向的边与扫描方向边所成的夹角与图形发生器与扫描方向的夹角之和为 90 度。

7.根据权利要求1所述的一种新型无掩膜光刻系统，其特征在于：所述RIP 模块中，栅格化是指将矢量图形按照指定的规则和精度转换成点阵图形的过程。

8.根据权利要求1所述的一种新型无掩膜光刻系统，其特征在于：所述数据处理系统中，分块化是指将上述行内中心重合的像素点对应的整列按照图形发生器像素点的位置重新排列，然后再移动到下一行，以此循环完成整个垂直扫描方向上的列的重新排布，所述图形发生器化是指将得到的图形发生器对应的第一行直至第N行数据提取并填充到图形发生器对应的MXN的像素点内，所述X方向拉伸是指将得到的MXN的像素阵列数据按照行分割成等数量的行数组，将行数组在列的方向上偏移指定的像素位置，所述图形发生器帧化是指将X方向拉伸后得到的图形按照实际使用的图形发生器像素阵列提取除对应的数据阵列，图形发生器帧化后的像素阵列不大于X方向拉伸后得到的像素阵列。

9.根据权利要求1所述的一种新型无掩膜光刻系统，其特征在于：所述光源模组为LD或LED等波长小于436nm的半导体光电二极管耦合而成的大功率光源模块，所述耦合为光纤耦合或光棒耦合。

10.根据权利要求1所述的一种新型无掩膜光刻系统，其特征在于：所述照明系光学组内至少应该包含一组凸透镜和凹透镜以及一个光棒或复眼。

11.根据权利要求1所述的一种新型无掩膜光刻系统，其特征在于：所述图形发生器为可独立寻址和控制的像素阵列，所述阵列为长方形区域，为M列XN行，其中M和N为整数且M>N。

12.根据权利要求1所述的一种新型无掩膜光刻系统，其特征在于：所述投影镜头模组中，光学透镜为凸透镜、凹透镜或微透镜阵列。

13.根据权利要求1所述的一种新型无掩膜光刻系统，其特征在于：所述自动聚焦模组包含至少一个导轨，一个联轴器、一个丝杆、一个带有编码器的伺服马达和一个高精度距离传感器。

14.根据权利要求1所述的一种新型无掩膜光刻系统，其特征在于：所述运动平台模组至少包含一个X轴、一个Y轴、一个Z轴和一个可驱动3轴以上的驱动控制器构成。

15.根据权利要求14所述的一种新型无掩膜光刻系统，其特征在于：所述X轴或Y轴由至少一对导轨、一对定动子和一个光栅尺构成，Z轴由至少两对契型模块、两对丝杆、两对联轴器和两个带有编码器的伺服马达构成。

16.一种新型无掩膜光刻系统的工艺流程，其特征在于：包括以下步骤：

（1）将客户定制的图形矢量格式输入离线的料号系统生成新料号文件，根据需要将图形矢量格式转换成包含轮廓化无交叠多边形图形的中间数据格式后关联到新料号文件内；

（2）将生成的新料号通过互联网上传到光刻系统上，在曝光系统内选择新料号文件，自动或手动将涂有感光材料的基板上载到真空吸盘上后开始对位曝光流程；

（3）获得对位曝光指令后，将中间数据格式分割成每个图形发生器所需要的条带图形并发送到每个RIP模块内，曝光系统驱动运动平台模组运载基板到投影镜头模组的成像面并扫描曝光起始位置；

（4）RIP模块在获得条带图形后将开始Y方向拉伸、然后栅格化成点阵图形，并推送到对应的数据处理系统后进行扫描曝光；

（5）将整个涂有感光材料的基底表面全部曝光完成后自动或手动更换曝光面或者曝光基片，以进行连续重复生产曝光作业。

17.根据权利要求16所述的一种新型无掩膜光刻系统的工艺流程，其特征在于：所述感光材料至少包含光引发剂、成型树脂和溶剂。