SE509062C2 - Dataomvandlingsmetod för en laserskrivare med flera strålar för mycket komplexa mikrokolitografiska mönster - Google Patents

Description

20 25 30 35 509 062 2 (namometer) eller mindre. Det har beskrivits i den euro- peiska patentansökan EP 0 467 076 av samma uppfinnare att en kombination av tidsfördröjningar och analog effektmo- dulering kan användas för att uppnå ett godtyckligt litet adressraster. Samma patent beskriver även användning av flera strålar och parallella datavägar för att öka genom- strömningen för skrivsystemet.

För en skrivare med två laserstrålar kan två paral- lella datavägar vara lämpligt, men nuvarande flerstràle- skrivare kan använda upp till 32 strålar och enkel mul- tiplicering av ett enkelstråledataspår skulle vara prak- tiskt omöjligt.

Det finns också en stark önskan att ha olika antal processorer och strålar, speciellt ett mycket större an- tal processorer än strålar. Ett andra behov är att göra systemet enkelt skalbart, så att skrivare för olika app- likationer med olika krav på kapacitet kan konfigureras från standardmoduler och köras med identisk mjukvara.

I den amerikanska patentansökan US 5 533 170 be- skrivs ett flerstràledataspår med hög genomströmning ba- serat pà parallella rasteriserare. Varje rasteriserare, "geometrimotor", omvandlar en ram för mönstret till en pixelmatris där varje pixel har ett gràskalevärde från 0 till 16. Bitmatriserna fördelas till strålkorten via ett bussystem och laddas till ett buffert-RAM-område i varje busskort.

Metoden i US 5 533 170 erfordrar mycket hög behand- lingseffekt. Speciellt måste varje pixel fyllas med dess korrekta värde och sändas till strålkorten för skrivning.

Detta sker med en signalbehandlare och med konventionella ASIC. Skrivsystemet har en skursändningspixelhastighet på 1600 miljoner pixel per sekund, och extremt höga krav ställs på de interna datavägarna. Därför används ett sys- tem med parallella bussar och resultatet är ett komplext, dyrt och oflexibelt system.

Föreliggande uppfinning anvisar en metod för dataom- vandling vilken kan användas vid konfigurationer från en lO 15 20 25 30 35 509 062 3 stråle/en processor till tiotals strålar/hundratals pro- CESSOIQI' .

KORTFATTAD SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN I föreliggande uppfinning uppdelas dataomvandlingen i två steg: först uppdelande av geometrierna i scannings- linjer och förenklande av dem, och sedan avslutande av omvandlingar av scanningslinjerna vid bestämda punkter, dvs i en stràlningsprocessor i drivelektroniken för varje stråle. Idén är att utföra så mycket som möjligt av om- vandlingen vid den senast möjliga punkten, dvs vid strå- larna. Vad som behövs vid ett tidigare steg är att sepa- rera datan för olika strålar och fördela dem, och att förenkla datan nog mycket för att tillse att stràlnings- processorerna alltid kan hantera dataflödet.

Uppfinningen medför fördelar inom tre områden: - det finns ingenstans i systemet av pixelmatris som be- höver fyllas, kraft; - att hålla informationen för strâlningsprocesserna i och därmed sparas àtskillig behandlings- geometrisk form i stället för som en pixelmatris ger en mindre datavolym, vilket gör implementeringen enklare och mer flexibel. Praktiska tester indikerar besparing- ar på 4 - 20 gånger beroende på mönstret; - manipulerandet av den geometriska datan utan fyllnads- operationer är väl lämpad för algoritmiska program kör- da på en allmän konventionell processor, medan den slutliga databehandlingen i strålningskorten àstadkoms bättre med anpassad logik. Användningen av allmänna vanliga processorer medför en stor flexibilitet. Det är möjligt att öka prestandan helt enkelt genom att övergå till snabbare processorer då de blir tillgängliga, och det är enkelt att modifiera eller förbättra algoritmer- na för att följa behoven för tillämpningarna. Vanliga algoritmer för specifika applikationer eller nya in- matningsformat implementeras enkelt. 10 15 20 25 30 35 509 062 4 KORTFATTAD BESKRIVNING AV RITNINGARNA Fig la visar hur en rund form 101 kombinerad med en triangulär form 102 representeras av en pixelmatris 103 med analoga intensiteter (visade som varierad skuggning).

Strålen 104 scannar i parallella linjer 105. Storleken på skrivljuspunkten är större än en pixel, och därför kommer resultatet på skivan att utjämnas till en rund figur.

Fig lb visar samma former som i fig la, men där den geometriska formen uppdelas i segment 106 som härrör sig till olika scanningslinjer.

Fig lc visar samma former som i fig lb, men där seg- menten har ersatts av ett förenklat nytt segment 107, med endast längd och bredd. Såsom i fig la, kommer storleken på punkten att göra den skrivna figuren utjämnad.

Fig ld visar segmenten i fig lc omvandlade till ana- loga värden av stràlningsprocessorn. 202, jesprångsscannade linjer på avståndet 206. Figuren visar Fig 2 visar tre strålar 201, 203 formande lin- att strålarna scannar tre linjer och sedan återgår medan plattformen flyttas fram en sträcka 207 som är lika med tre gånger scanningsavstånden. Det finns fler möjliga av- stånd 205 mellan strålarna, och här visas två gånger scanningsavståndet 206.

Fig 3 visar ett föredraget utförande av uppfinningen med två strålar och två segmentiserare.

Fig 4 visar ett föredraget utförande med tre strålar och fyra segmentiserare.

Fig 5 visar hur data buffertlagras för att tillåta att alla tet i ett annat föredraget utförande med fyra segmentise- komponenter körs kontinuerligt med full kapaci- rare och tre strålar.

FUNKTIONEN HOS UPPFINNINGEN Fig 3 visar ett utförande med två processorer och två strålar som skriver på ett arbetsstycke 301 med an- vändning av en förminsknings- och fokuseringslins 305.

Scanningen och framflyttningen mellan scanningar, ej vi- sade i denna figur, kan åstadkommas medelst plattformen 10 15 20 25 30 35 509 062 5 eller strålarna eller genom en kombination av de två.

Mönstret, fönster 307, beskrivs i den inmatade datan som läses från bandet 308 eller från ett nätverk 309. visat som en figur 306 i ett fyrkantigt Inmatningen kan lagras på ett lokalt massminne 310, kal hårddisk, inmatade datan till segmentiserare 312, exempelvis på en lo- Värddatorn sänder den 313 efter att den av Värddatorn 311. har utfört nödvändig formatkonvertering, skalning, expan- sion av hierarkiska strukturer etc. Den kan hela tiden använda massminnet 310 för mellanlagring. Vidare delar den in datan i fält vilka är passande för längden hos scanningslinjerna och för storleken på databuffertarna i dataspåret. Beroende på komplexiteten hos datan kan fäl- ten väljas till att vara hela skrivningssvepremsor eller en del av svepremsor.

Värddatorn sänder data för varje fält till en av 313, ver skrivas och till den först tillgängliga segmentisera- segmentiserarna 312, typiskt i den ordning de behö- ren. Värddatorn bibehåller en tabell av var data för var- je fält är och dess status.

Segmentiserarna delar datan för varje scanningslinje och formar en lista på geometriska element för varje scanningslinje och en lista på scanningslinjerna 316, 317. Även om funktionen för uppfinningen inte beror på detta, scanningslinje, kan segmentiseraren förenkla geometrierna i varje ta bort alla överlappande geometrier, forma segment vilka är rektanglar med längd och bredd och sortera båda listorna för segmenten och listorna för scanningslinjerna i användningsordningen för den skrivan- de hårdvaran.

Listan med scanningslinjer sänds till linj sprängs- uppdelaren 314, 315 där scanningslinjerna separ~ as bero- ende på vilka strålar de kommer att skrivas av. Nya lin- I fig 3 är listan 317 uppdelad till linjesprångslistor 318 och jesprångslistor för varje stråle sammanställts. 319 vilka sänds till stràlningsbehandlingsenheter, exem- pelvis stràlningsprocessorkort 320, 321, vardera med en 10 l5 20 25 30 35 509 062 6 I strål- ningsbehandlingskorten uppdelas den förenklade geometrin strålningsprocessor 322 och en modulator 323. i scanningslistorna och konverteras till amplitud och tidsmodulering för laserstrålarna. Då strålarna scannar arbetsstycket parallellt sammanställs linjesprångsmönst- ret 324, Eftersom endast ett fält skrivs i taget kan endast 325 åter i det exponerade mönstret. en linjesprångsuppdelare sända data till strålningspro- cessorerna åt gången såsom visas av de kraftiga linjerna från 315 till 320, 321, lagras så att behandlingen i strålningsprocessorerna om inte överföringarna buffert- kopplas bort ifrån datainmatningen.

För ett enkelt fall med ett litet antal strålar kan fördelningen göras av en multiplexor, dvs en logisk krets som accepterar en enda ingående dataström från segmenti- seraren/segmentiserarna och riktar dataobjekten till oli- ka utgångar i enlighet med antingen deras position i strömmen eller etiketter hos dataobjekten.

Fig 3 visar metoden i schematisk form och i en prak- tisk implementering kan detaljer variera, och exempelvis kan de två modulatorerna vara en enda fysisk enhet med två kanaler, varje segmentiserare kan använda en eller flera processorer etc.

FÖREDRAGNA UTFÖRANDEN Ett föredraget utförande av uppfinningen är en tre- strålelaserskrivare för halvledarsubstrat, såsom visas i fig 4. Skrivaren har ett avstånd mellan scanningslinjerna på 0,25 um och en kortaste segmentlängd på 0,25 um. Den maximala omvandlingshastigheten i strålprocessorerna är 60 miljoner segment per sekund och systemet skriver approximativt 60% av den totala tiden. Följaktligen skri- ver systemet 3 * 0,25 um * 0,25 pm * 60% * 60 miljoner = 6,75 mmz/s.

Dataomvandlingsnätverket måste vara dimensionerat för det värsta tänkbara fallet, dvs att hela området fylls med segment med minimal längd, eller så är det möj- ligt att tillföra en ingående datafil, vilken får syste- 10 15 20 25 30 35 509 062 7 met att fungera felaktigt beroende på dataöverlast. Varje strålprocessor har en maximal skurhastighet på 60 miljo- ner segment per sekund och varje segment beskrivs av två databyte. De tre strålprocessorerna har därför en maximal svarande mot 180 - 240 Mb/s maximal ihållande medelhastighet. datakonsumtion på 360 Mb/s, Länkarna mellan linjeuppdelarna och strålprocesso- rerna implementeras som ett kors-kopplat nätverk eller parallella länkar. Varje länk har en överföringshastighet på 180 Mb/s och det visade nätverket kan hela tiden stöd- ja tre samtidiga överföringar. Genommatningen för länkar- na mellan segmentiserarna och strålprocessorerna är 3 * l80 Mb/s = 540 Mb/S i skurhastighet vilket är mer än tillräckligt för det värsta möjliga mönstret innefattande reduktans (overhead). Alternativt kan ett enklare nätverk användas som stöder två eller endast en överföring.

Fig 5 visar hur väl tilltagna buffertar medger att alla komponenterna kan arbeta oberoende av varandra. De kraftiga linjerna visar innevarande dataöverföringar.

(IRl-IR4) för lagring av nya listor som bearbetas och en för lag- Linjeuppdelarna har två utgående buffertar, en ring av tidigare listor som väntar på att överföras till strålprocessorerna. Eftersom segmentiserarna typiskt är långsammare än spåruppdelarna behöver buffertminnet mel- lan S och IR dast vara stort nog att tillåta S det behöver en- och IR inte lagra någon data, att arbeta i ett asynkront tillstånd.

Strålprocessorenheterna har FIFO-buffertar med ut- Fältet n (Fn) rande och läses från alla FIFO samtidigt, från IRl medan IR1 arbetar med Fn+5. rymme för flera fält. skrivs för närva- Fn+1 överförs IR2 och IR3 är ett och FIFO-na för BP2 och BP3 lagrar nog data för att tillse att botten av alla FIFO är respektive två fält före IRl, synkroniserade.

S4 och IR4 har just slutat med Fn+4 och IR4 överför utsignalerna från arbetsbufferten till överföringsbuffer- ten. Samtidigt laddar värddatorn HC ingående data ifrån 10 l5 20 25 30 35 509 062 8 ett nytt fält till S4. en och överföringen av data mer oregelbunden än vad fig 5 I verklig drift är tidsfördelning- kan få en att tro, eftersom fälten tar olika lång tid att behandla och tidsfördelningen baseras på efterfrågan och tillgänglighet. Buffertminnena i fig 5 behöver inte vara fysiskt separata utan kan vara olika områden i samma fy- siska minne, och de kan tilldelas dynamiskt. Processorer- na Pl till P8 kan likaledes vara 8 fysiska processorer, men kan även vara av ett annat antal och kan vara dyna- miskt tilldelade till olika uppgifter.

Fig 5 antar att datan behöver laddas sekventiellt till strålprocessorbuffertarna. Användning av direkt åt- komstskrivning i stället för FIFO skulle medge mindre buffertområden, men till kostnaden av mer programadmi- nistration och mer komplex hantering för värddatorn. I det föredragna utförandet används FIFO.

Ett reellt mönster kommer att ha ett datakrav på åt- minstone 4 gånger mindre än den maximala datahastigheten på 45 - 67 Mb/s. Ett typiskt skrivningsfält är en del av svepremsor med 200 pm bredd och lO mm långt, vilket krä- ver ett absolut maximum på 32 miljoner segment eller 64 Mb data, i praktiken ej mer än 8 miljoner segment eller 16 Mb data eller 5,3 Mb per stråle. 72 Mb buffertminne i strålningsprocessorenheterna (24 Mb i varje enhet) kommer sedan att lagra flera fält såsom visas i fig 5. Ett en- staka fält med för mycket data kommer att göra att FIFO- bufferten fylls upp och genomströmningen kommer att för- loras under ett antal fält, men systemet kommer elegant att återhämta sig. Med ett större antal processorer än strålar behöver den skrivande hårdvaran endast vänta på dataöverföringar, och inte för behandling eftersom de ef- terföljande fälten redan befinner sig i överföringsbuf- fertarna hos IR.

Storleken på fälten kan förändras dynamiskt, så att fältstorlekarna görs mindre för extremt täta mönster och större för mindre täta mönster. 10 l5 20 25 30 35 509 062 9 Även i fall där data till strålprocessorerna endast är rektangulära icke överlappande segment, använder om- vandlingen från geometriska element till tid och kraft i strålprocessorerna en uppsättning regler. Först omvandlas geometrin till hårdvarustöd-tid och kapacitetsuppdelning.

För det andra är linjeariteten mellan effekten i strålen och positionen för kanten endast approximativ. När strå- len är endast något större än avståndet mellan de två scanningslinjerna, är transientfunktionen s-formad och på vissa ljuskänsliga material finns det en ytterligare sän- ka. Därför är det en fördel att göra en empirisk kalibre- ring och lagra kalibreringskurvan som en uppslagningsta- bell. ningslinjen inte är perfekt, är en lagrad geometrisk kor- Vidare, om den geometriska linjeariteten för scan- rigeringstabell till nytta.

Uppfinningen och utförandena uppfyller behovet av ett realtidsdatakonverteringssystem för ett brett fält av tillämpningar, och även så de mest krävande. Specifikt finns det ingen hårdvarugräns för antalet processorer som kan användas i typiska utföranden, eftersom de använder ett korskopplat nätverk, vilket är enklare att utvidga än bussystem. System utformade i enlighet med uppfinningen kan även utvecklas med de hastigt ökande kraven på kapa- citet. Eftersom det är lämpligt att bygga det med stan- dardprocessorer, standarddatorkort och mjukvara i portab- la högnivåspråk, kan det följa den tekniska utvecklingen vilken har givit en tredubbling av hastigheten vartannat år i det förflutna.

Termerna och uttrycken som har använts i den föregå- ende beskrivningen används däri som beskrivningstermer och är inte avsedda som begränsning, och det finns ingen avsikt i användningen av sådana termer och uttryck att utesluta ekvivalenter för särdragen som visats och be- skrivits eller delar därav, då det skall förstås att ra- men för uppfinningen definieras och begränsas endast av de följande patentkraven.

Claims (14)

lO 15 20 25 30 35 509 062 lO PATENTKRAV

1. Metod för snabb och precis skrivning av mycket komplexa mönster på en ljuskänslig yta omfattande stegen att: tillhandahålla åtminstone två modulerade fokuserade laserstrålar som scannar ytan med parallella linje- språngsscanningslinjer; för varje stråle tillhandahålla en strålprocessoren- het med dataomvandlingslogik och organ för modulering av nämnda laserstråle; tillhandahålla inmatningsdata innehållande geometri- erna som skall skrivas på skivan i ett ingående format, exempelvis en lista av polygoner; i ett första omvandlingssteg uppdela inmatningsdatan i skrivfält, exempelvis svepremsor; i ett andra omvandlingssteg indela geometrierna i den uppdelade databasen till scanningslinjer, och för varje scanningslinje generera en scanningslista inne- hållande geometrier som skall skrivas i scanningslinjen, s k segment, och utföra nämnda andra omvandlingssteg i åtminstone två parallella processorer, s k segmenti- serare, verkande simultant men på olika skrivfält; vidare fördela nämnda scanningslistor till strål- processorenheten i enlighet med linjesprångsuppdelningen för scanningslinjerna; och i ett tredje omvandlingssteg omvandla, i nämnda strålprocessorenhet, nämnda scanningslistor med segment till analoga effektmoduleringssekvenser för nämnda laser- strålar.

2. Metod i enlighet med patentkrav 1, varvid segmen- ten i scanningslistorna är förenklade geometriska repre- sentationer av de delar av de ingående geometrierna vilka faller inom scanningslinjen,

3. Metod i enlighet med patentkrav 1 eller 2, varvid segmenten i en scanningslista är icke överlappande.

4. Metod i enlighet med något av föregående 10 15 20 25 30 35 5o9åoe2 ll patentkrav, varvid segmenten i en scanningslista är rek- tanglar med en längd och en bredd.

5. Metod i enlighet med något av föregående patent- krav, varvid segmenten i scanningslistorna är sorterade i ordningen som de skall skrivas av scanningsstrålen.

6. Metod i enlighet med något av föregående patent- krav, varvid omvandlingen i strålprocessorenheterna an- vänder en uppsättning med omvandlingsregler vilka är em- piriskt kalibrerade.

7. Metod i enlighet med något av föregående patent- krav, varvid omvandlingen i strålprocessorenheterna an- vänder åtminstone en tabelluppslagningsfunktion.

8. Metod i enlighet med något av föregående patent- krav, varvid scanningslistorna är fördelade till strål- processorenheterna via ett korskopplat nätverk.

9. Metod i enlighet med något av föregående patent- krav, varvid scanningslistorna fördelas till strålproces- sorenheterna via ett bussystem.

10. Metod i enlighet med något av föregående patent- krav, varvid scanningslistorna fördelas till någon av strålprocessorenheterna med en multiplexer.

11. ll. Metod i enlighet med något av föregående patent- krav, varvid datan sänds genom det andra och tredje om- vandlingssteget utan mellanliggande icke-flyktiga minnen.

12. Metod i enlighet med något av föregående patent- krav, varvid strålkorten har en ingående buffert med ut- rymme för scanningslistor för åtminstone två skrivfält.

13. Metod i enlighet med något av föregående patent- krav, där överföringen mellan segmentiserarna och strål- processorenheten är dubbelt buffertlagrade, i en utgående buffert i segmentiseraren och i en ingående buffert i strålprocessorenheten.

14. Anordning för snabb och precis skrivning av mycket komplexa mönster på en ljuskänslig yta omfattande: åtminstone två modulerade fokuserade laserstràlar scannande ytan i parallella linjesprångsscanningslinjer; 10 15 20 509 062 12 en strålprocessorenhet för varje laserstråle med da- taomvandlingslogik och organ för modulering av nämnda la- serstråle; organ för accepterande av ingående data innehållande geometrierna som skall skrivas på skivan i ett ingående format, exempelvis en lista av polygoner; databehandlingsorgan för att i ett första omvand- lingssteg uppdela den ingående datan i skrivfält, exem- pelvis svepremsor; parallella databehandlingsorgan för att i ett andra omvandlingssteg indela geometrierna i den uppdelade data- för varje scan- basen till scanningslinjer, och generera, ningslinje, en scanningslinje innehållande geometrierna som skall skrivas i scanningslinjen, s k segment; datafördelningsorgan för distribution av nämnda scanningslistor till strålprocessorenheterna i enlighet med linjesprångsuppdelningen för scanningslinjerna; och dataomvandling- och strálmoduleringsorgan i strål- processorenheterna för att, i ett tredje omvandlingssteg, omvandla nämnda scanningslistor med segment till analoga effektmoduleringssekvenser för nämnda laserstràlar.