CN116931387B - 一种面向阵列化数字光刻机的光机电控制系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种面向阵列化数字光刻机的光机电控制系统，涉及光刻机技术领域，包括：主控FPGA与多个从控FPGA；所述主控FPGA，用于与工作站以及各所述从控FPGA通讯，将所述工作站发送的曝光指令数据报文转发给所述从控FPGA，以及控制所述从控FPGA执行并行曝光任务；所述从控FPGA，用于根据曝光指令数据执行并行曝光任务；其中，每个所述从控FPGA独立控制c×c×m路激光，且c×c×m×p≥N×N；c×c表示一个逻辑阵列，m为层数，p为所述从控FPGA的个数，N×N表示光纤面阵的大小。应用该光机电控制系统能够有效提升无掩膜光刻机的光刻效率。本申请还公开了一种阵列化数字光刻机，同样具有上述技术效果。

Description

一种面向阵列化数字光刻机的光机电控制系统

技术领域

本申请涉及光刻机技术领域，特别涉及一种面向阵列化数字光刻机的光机电控制系统以及阵列化数字光刻机。

背景技术

光刻是芯片制造最为关键的环节。所谓光刻，即工件台以纳米级精度移动进行逐场曝光，使安放于其上的晶圆“印刷”上预先设计的电路图案的过程。传统的光刻技术具有较高的光刻精度，但掩模版制造成本高、周期长、灵活性差，并不适合大规模生产，且随着器件特征尺寸的减小很难再提高光刻分辨率。因此，无需物理掩模版的无掩模数字光刻技术愈发受到青睐。常用的无掩模数字光刻技术包括电子束光刻、聚焦离子束光刻、干涉光刻、激光直写技术、基于数字微镜器件(Digital Micro-mirror Devices，DMD)的数字光刻技术等。由于目前无掩膜光刻机的芯片制造效率极低，芯片制造仍多采用有掩膜光刻技术。

微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)是光机电、生物、化学等多功能融合的器件，在汽车、医疗、物联网、人工智能等领域得到广泛应用，正成为新兴产业的重要源头。目前，MEMS普遍使用传统光刻机，面临着耗时长、成本高、效率低的问题。因此，在分辨率、一致性、均匀性、平滑性、成本等因素可控的前提下，加速提升无掩模光刻机的光刻效率，以满足MEMS品类多、小批量、快速制作、灵活多变的应用需求，已成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本申请的目的是提供一种面向阵列化数字光刻机的光机电控制系统，能够有效提升无掩膜光刻机的光刻效率。本申请的另一目的是提供一种阵列化数字光刻机，同样具有上述技术效果。

为解决上述技术问题，本申请提供了一种面向阵列化数字光刻机的光机电控制系统，包括：

主控FPGA与多个从控FPGA；

所述主控FPGA，用于与工作站以及各所述从控FPGA通讯，将所述工作站发送的曝光指令数据报文转发给所述从控FPGA，以及控制所述从控FPGA执行并行曝光任务；

所述从控FPGA，用于根据曝光指令数据执行并行曝光任务；其中，每个所述从控FPGA独立控制c×c×m路激光，且c×c×m×p≥N×N；c×c表示一个逻辑阵列的大小，m为层数，p为所述从控FPGA的个数，N×N表示光纤面阵的大小。

可选的，所述从控FPGA具体用于：

根据所述曝光指令数据调制得到c×c×m路PWM方波，以通过所述PWM方波控制恒流源阵列并行输出c×c×m路模拟电流信号，以通过所述模拟电流信号控制激光器的曝光时长。

可选的，所述主控FPGA通过SPI总线向所述从控FPGA转发所述曝光指令数据报文。

可选的，所述主控FPGA通过GPIO引脚控制所述从控FPGA执行并行曝光任务。

可选的，所述主控FPGA还用于：

控制工件台运动；其中，所述工件台包括粗动台与微动台；所述主控FPGA通过向电机驱动器发送微动台运动报文使所述电机驱动器驱动所述微动台运动，通过向所述电机驱动器发送粗动台运动报文使所述电机驱动器驱动所述粗动台运动。

可选的，所述主控FPGA还用于：

接收所述电机驱动器发送的运动反馈报文。

可选的，所述主控FPGA还用于接收所述工作站发送的命令报文，并根据所述命令报文判断是否初始化以及是否控制所述工件台运动。

可选的，所述主控FPGA还用于：

向所述工作站发送请求或反馈报文。

可选的，所述主控FPGA与所述工作站之间的数据报文基于UDP协议进行传输。

为解决上述技术问题，本申请还提供了一种阵列化数字光刻机，所述阵列化数字光刻机包括如上所述的面向阵列化数字光刻机的光机电控制系统。

本申请所提供的面向阵列化数字光刻机的光机电控制系统，包括：主控FPGA与多个从控FPGA；所述主控FPGA，用于与工作站以及各所述从控FPGA通讯，将所述工作站发送的曝光指令数据报文转发给所述从控FPGA，以及控制所述从控FPGA执行并行曝光任务；所述从控FPGA，用于根据曝光指令数据执行并行曝光任务；其中，每个所述从控FPGA独立控制c×c×m路激光，且c×c×m×p≥N×N；c×c表示一个逻辑阵列的大小，m为层数，p为所述从控FPGA的个数，N×N表示光纤面阵的大小。

可见，本申请所提供的面向阵列化数字光刻机的光机电控制系统，采用主从协同控制方式，通过主控FPGA与各从控FPGA协同完成并行曝光任务，可以实现c×c×m×p路激光的控制，能够有效提升无掩膜光刻机的光刻效率，满足MEMS品类多、小批量、快速制作、灵活多变的应用需求，并且可以有效解决高并发与GPIO引脚有限的问题，且具有较高的稳定性、可靠性与可扩展性。

本申请所提供的阵列化数字光刻机同样具有上述技术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例所提供的一种面向阵列化数字光刻机的光机电控制系统的示意图；

图2为本申请实施例所提供的一种阵列化数字光刻机的系统框图；

图3为本申请实施例所提供的一种主从协同控制方案的示意图。

具体实施方式

本申请的核心是提供一种面向阵列化数字光刻机的光机电控制系统，能够有效提升无掩膜光刻机的光刻效率。本申请的另一核心是提供一种阵列化数字光刻机，同样具有上述技术效果。

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

请参考图1，图1为本申请实施例所提供的一种面向阵列化数字光刻机的光机电控制系统的示意图，参考图1所示，光机电控制系统包括：

主控FPGA10与多个从控FPGA20；

所述主控FPGA10，用于与工作站以及各所述从控FPGA20通讯，将所述工作站发送的曝光指令数据报文转发给所述从控FPGA20，以及控制所述从控FPGA20执行并行曝光任务；

所述从控FPGA20，用于根据曝光指令数据执行并行曝光任务；其中，每个所述从控FPGA20独立控制c×c×m路激光，且c×c×m×p≥N×N；c×c表示一个逻辑阵列的大小，m为层数，p为所述从控FPGA20的个数，N×N表示光纤面阵的大小。

传统的激光直写技术是一种无掩模光刻技术，利用单路功率可调的激光束对基片表面的抗蚀材料实施变剂量曝光，显影后便在抗蚀层表面形成要求的图形。激光直写技术的单片写入时间较长，不适合大规模生产制造。鉴于激光直写技术拥有较高的分辨率，本实施例集成设计了一种光纤激光阵列(N×N光纤面阵)，通过并行直写的方式提高光刻加工效率。相较于多电子束、DMD微镜阵列，其能够进一步提升可控性、分辨率、束斑密度、曝光效率等。

参考图2所示，阵列化数字光刻机包括工件台、光学系统、光机电控制系统以及工作站。工件台采用粗微动台叠层结构，包括粗动台与微动台。粗动台用于实现大行程的步进运动。微动台用于实现短行程高精度的扫描运动，并且能够实时地补偿粗动台的定位误差。

光学系统包括阵列光源、光纤面阵以及微透镜阵列。为了能够输出高精度、密集化、阵列化的光斑图像，本实施例将众多单路激光光源集成在一起，形成阵列光源。将阵列光源系统输出的多路激光聚集到一个较小的区域，得到光纤面阵。微透镜阵列的作用是将光纤面阵输出的激光束进行聚焦、匀化等处理。工作站用于提供Die版图设计、版图数据转换、系统控制、数据库等功能。

光机电控制系统的控制对象是工件台与阵列光源。其中，工件台控制的主要性能指标包括：运动精度、定位稳定时长、套刻精度等；阵列光源控制主要包括：光开关阵列通断、能量调控、曝光时长等。

对于N×N光纤面阵，当N较大时，并发较高，光刻效率会更高，而控制器上用来控制光开关阵列的GPIO引脚将会不够用，因此本实施例中光机电控制系统采用主从协同控制设计，能够较好地解决高并发与GPIO引脚有限之间的矛盾，且具有较高的稳定性、可靠性、可扩展性。

具体而言，本实施例中光机电控制系统包括主控FPGA10与多个从控FPGA20。FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)是一种半定制的数字集成电路，具有实时性高、并行处理能力强、灵活性较大等特点。主控FPGA10主要用于与工作站以及从控FPGA20进行实时通信，接收工作站发送的曝光指令数据报文，并将工作站发送的曝光指令数据报文转发给所述从控FPGA20，以及控制所述从控FPGA20执行并行曝光任务。

在一些实施例中，所述主控FPGA10与所述工作站之间的数据报文基于UDP协议进行传输。

具体而言，工作站与主控FPGA10之间可采用千兆以太网接口，支持10Mbps/100Mbps/1000Mbps的通信速率，全双工通信模式。工作站与主控FPGA10之间的数据报文基于UDP(User Datagram Protocol)协议进行传输，数据帧检验采用CRC32校验码。以太网技术采用IEEE 802.3标准，数据报文传输遵循以太网MAC层帧格式。以太网UDP传输数据包格式可定义如表1所示，数据包总长度不超过1526字节。

表1

表1中，前导码默认为0x55，0x55，0x55，0x55，0x55，0x55，0x55。帧起始界定符(Start Frame Delimiter，SFD)默认为0xD5。目标MAC地址即接收端的MAC地址，占用6个字节，包括单播地址、组播地址和广播地址三类。单播地址用于标识唯一的设备，且数据段首字节的最低位为0，如0x00，0x00，0x00，0x11，0x11，0x11；组播地址用于标识同属一组的多个设备，且数据段首字节的最低位为1，如0x01，0x00，0x00，0x11，0x11，0x11；广播地址用于标识同一网段中的所有设备，默认为0xFF，0xFF，0xFF，0xFF，0xFF，0xFF。源MAC地址即发送端的MAC地址，占用6个字节。长度：当这两个字节的值小于0x0600时，代表数据段的长度；反之，则表示协议。例如，0x0800代表IP协议(网际协议)、0x0806代表ARP协议(地址解析协议)等。数据：数据段长度最小为46个字节，最大不超过1500个字节。其中，46字节包括20字节的IP首部、8字节的UDP首部、18字节的填充数据(一般是全0)，剩余的为自定义数据。CRC校验：在数据的尾部加入4个字节的CRC-32校验码，用于检测数据是否存在传输错误。基于上述以太网UDP传输数据包格式，可以在数据段中的自定义部分来制定用户数据报文。

工作站发送的曝光指令数据报文可定义如表2所示，报文长度为1409字节。

表2

从控FPGA20接收并存放曝光指令数据。在主控FPGA10启动并行曝光任务后，从控FPGA20根据曝光指令数据执行并行曝光任务；每个从控FPGA20独立控制c×c×m路激光，从而一共能够实现c×c×m×p路激光控制。c×c表示一个逻辑阵列的大小，m为层数，p为从控FPGA20的个数，c×c×m×p≥N×N。

在一些实施例中，从控FPGA20具体用于：

根据所述曝光指令数据调制得到c×c×m路PWM方波，以通过所述PWM方波控制恒流源阵列并行输出c×c×m路模拟电流信号，以通过所述模拟电流信号控制激光器的曝光时长。

在一些实施例中，所述主控FPGA10通过SPI总线向所述从控FPGA20转发所述曝光指令数据报文。

本实施例中主控FPGA10与从控FPGA20之间采用串行外设接口(SerialPeripheralInterface，SPI)连接。SPI总线是一种全双工、高速、同步的通信总线，属于一主多从接口，采用CS片选来控制主机与从机通信。

主控FPGA10根据从控FPGA20的ID将工作站发送的曝光指令数据报文转发给相应的从控FPGA20。

在一些实施例中，主控FPGA10通过GPIO引脚控制所述从控FPGA20执行并行曝光任务。

本实施例中主控FPGA10与从控FPGA20之间通过GPIO引脚连接，采用推挽输出模式。主控FPGA10通过GPIO引脚向从控FPGA20输出高、低电平来控制从控FPGA20执行并行曝光任务或不执行并行曝光任务。例如，高电平代表曝光，低电平代表不曝光。当主控FPGA10通过GPIO引脚输出高电平时，相应的从控FPGA20执行并行曝光任务。当主控FPGA10通过GPIO引脚输出低电平时，相应的从控FPGA20不执行并行曝光任务。

在一些实施例中，所述主控FPGA10还用于：

控制工件台运动；其中，所述工件台包括粗动台与微动台；所述主控FPGA10通过向电机驱动器发送微动台运动报文使所述电机驱动器驱动所述微动台运动，通过向所述电机驱动器发送粗动台运动报文使所述电机驱动器驱动所述粗动台运动。

本实施例中工件台控制由主控FPGA10实现。工件台包括粗动台与微动台，主控FPGA10向电机驱动器发送粗动台运动报文，电机驱动器根据粗动台运动报文驱动粗动台运动。主控FPGA10向电机驱动器发送微动台运动报文，电机驱动器根据粗动台运动报文驱动微动台运动。

主控FPGA10发送的粗动台运动报文可以定义如表3所示，报文长度为7字节。

表3

主控FPGA10发送的微动台运动报文可定义如表4所示，报文长度为7字节。

表4

在一些实施例中，所述主控FPGA10还用于：

接收所述电机驱动器发送的运动反馈报文。

电机驱动器发送的运动反馈报文可定义如表5所示，报文长度为10字节。

表5

在一些实施例中，所述主控FPGA10还用于接收所述工作站发送的命令报文，并根据所述命令报文判断是否初始化以及是否控制所述工件台运动。

工作站发送的命令报文可定义如表6所示，报文长度为5字节。

表6

在一些实施例中，所述主控FPGA10还用于：

向所述工作站发送请求或反馈报文。

主控FPGA10发送的请求或反馈报文可定义如表6所示，报文长度为5字节。

表7

结合图3所示，以下描述一种主从协同控制的具体实施例：

假设晶圆大小为W英寸，相邻光纤之间的中心距为Lμm。如此，对于N×N光纤面阵，其曝光场面积为(L×N)μm×(L×N)μm。定义工件台的平动运动包含X、Y、Z三个方向，完成一个曝光场大小的移动称之为步进，步长为(L×N)μm；在曝光场内的移动称之为扫描，步长为sμm。其中，每次步进或扫描运动皆称为单步运动，X代表列，Y代表行，Z代表法向。

基于主控FPGA10与从控FPGA20实现的主从协同控制可以包括如下步骤：

Step1：初始化，包括工件台初始位置标定、系统对准、调平调焦、各从控FPGA20接收并存放相应的曝光指令数据、挂起各项事件监听任务等。

Step2：主控FPGA10收到工作站发出的START命令后，触发工件台运动事件。

Step3：主控FPGA10结合工件台要移动的行程大小、当前位置等信息，确定工件台运动属于粗动还是微动，然后再下发XYZ方向上的运动指令报文。

Step4：主控FPGA10根据期望目标、实际反馈等信息，通过智能算法计算出控制量或控制增量，下发给电机驱控器。

Step5：按照粗动指令或微动指令，电机驱控器相应地驱动粗动台或微动台，并通过精密校正技术来保证定位精度。

Step6：当主控FPGA10收到运动完成的反馈信息后，启动并行曝光任务。

Step7：每个从控FPGA20根据当前的曝光指令数据调制出c×c×m路PWM方波来控制恒流源阵列，进而并行输出c×c×m路模拟电流信号，用以控制激光器的曝光时长。p个从控FPGA20能够实现c×c×m×p路的并行曝光任务。

Step8：每个从控FPGA20更新当前的曝光指令数据。

Step9：采用非握手机制，当达到曝光延时后，主控FPGA10认为一次扫描曝光完成。

Step10：工件台在Y方向上移动sμm，重复Step3-Step9，直至移动次后，视为一次行扫描曝光完成，其中/>表示向下取整运算。

Step11：工件台在X方向上移动sμm，重复Step10，完成下一行扫描曝光任务，并依此类推，直至完成第L行扫描曝光任务，视为一个曝光场完成。

Step12：工件台在Y方向上移动(L×N)μm，准备下一个曝光场的曝光任务。

Step13：当预设条件触发时，主控FPGA10采取一些必要的同步策略或补偿措施，以保证定位精度以及系统的可靠性与稳定性等；

Step14：按照Step3-Step13步骤完成下一个曝光场的曝光任务，并依此类推，直至完成个曝光场的曝光任务，视为晶圆表面一行曝光完成。

Step15：工件台在X方向上移动(L×N)μm，再按照上述步骤完成晶圆表面下一行的曝光任务，并依此类推，直至完成整个晶圆表面的曝光，即曝光结束。

综上所述，本申请所提供的面向阵列化数字光刻机的光机电控制系统，采用主从协同控制方式，通过主控FPGA与各从控FPGA协同完成并行曝光任务，可以实现c×c×m×p路激光的控制，能够有效提升无掩膜光刻机的光刻效率，满足MEMS品类多、小批量、快速制作、灵活多变的应用需求，并且可以有效解决高并发与GPIO引脚有限的问题，且具有较高的稳定性、可靠性与可扩展性。

本申请还提供了一种阵列化数字光刻机，包括如上所述的面向阵列化数字光刻机的光机电控制系统。对于本申请所提供的阵列化数字光刻机，参考上述光机电控制系统的实施例即可，在此不再赘述。

说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上对本申请所提供的面向阵列化数字光刻机的光机电控制系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种面向阵列化数字光刻机的光机电控制系统，其特征在于，包括：

主控FPGA与多个从控FPGA；

所述主控FPGA，用于与工作站以及各所述从控FPGA通讯，将所述工作站发送的曝光指令数据报文转发给所述从控FPGA，以及控制所述从控FPGA执行并行曝光任务；

所述从控FPGA，用于根据曝光指令数据执行并行曝光任务；其中，每个所述从控FPGA独立控制c×c×m路激光，且c×c×m×p≥N×N；c×c表示一个逻辑阵列的大小，m为层数，p为所述从控FPGA的个数，N×N表示光纤面阵的大小。

2.根据权利要求1所述的光机电控制系统，其特征在于，所述从控FPGA具体用于：

根据所述曝光指令数据调制得到c×c×m路PWM方波，以通过所述PWM方波控制恒流源阵列并行输出c×c×m路模拟电流信号，以通过所述模拟电流信号控制激光器的曝光时长。

3.根据权利要求1所述的光机电控制系统，其特征在于，所述主控FPGA通过SPI总线向所述从控FPGA转发所述曝光指令数据报文。

4.根据权利要求1所述的光机电控制系统，其特征在于，所述主控FPGA通过GPIO引脚控制所述从控FPGA执行并行曝光任务。

5.根据权利要求1所述的光机电控制系统，其特征在于，所述主控FPGA还用于：

控制工件台运动；其中，所述工件台包括粗动台与微动台；所述主控FPGA通过向电机驱动器发送微动台运动报文使所述电机驱动器驱动所述微动台运动，通过向所述电机驱动器发送粗动台运动报文使所述电机驱动器驱动所述粗动台运动。

6.根据权利要求5所述的光机电控制系统，其特征在于，所述主控FPGA还用于：

接收所述电机驱动器发送的运动反馈报文。

7.根据权利要求5所述的光机电控制系统，其特征在于，所述主控FPGA还用于接收所述工作站发送的命令报文，并根据所述命令报文判断是否初始化以及是否控制所述工件台运动。

8.根据权利要求1所述的光机电控制系统，其特征在于，所述主控FPGA还用于：

向所述工作站发送请求或反馈报文。

9.根据权利要求1所述的光机电控制系统，其特征在于，所述主控FPGA与所述工作站之间的数据报文基于UDP协议进行传输。

10.一种阵列化数字光刻机，其特征在于，所述阵列化数字光刻机包括如权利要求1至9任一项所述的面向阵列化数字光刻机的光机电控制系统。