專利名稱：一種基于fpga的dmd數(shù)字無掩模光刻機工件臺控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于工件臺控制領(lǐng)域，尤其涉及基于FPGA的DMD數(shù)字無掩模光刻機的工件臺的控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
光刻是集成電路加工過程中最關(guān)鍵的工序，因此光刻機是集成電路加工過程中最關(guān)鍵的設(shè)備。隨著器件特征尺寸越變越小，光刻掩模技術(shù)已經(jīng)成為各種光刻技術(shù)方法中可解決其應(yīng)用前景的關(guān)鍵技術(shù)。在光刻中如何降低掩模成本，甚至發(fā)展不需要昂貴掩模的無掩模光刻技術(shù)已成為光刻業(yè)界熱門的話題。所謂的數(shù)字無掩模光刻技術(shù)與傳統(tǒng)光刻技術(shù)有很大不同，其光刻過程是用計算機優(yōu)化產(chǎn)生的一系列“虛擬”的數(shù)字圖形，并控制投影曝光設(shè)備把圖形一幅幅地投影到基片上。數(shù)字無掩模技術(shù)的優(yōu)點在于掩模圖形的生產(chǎn)數(shù)字化，通過計算機控制一些特殊的空間光調(diào)制器(Space Light Modulator, SLM)對入射光進行調(diào)制，以取代現(xiàn)有的光學(xué)光刻中的掩模。常見的空間光調(diào)制器有液晶顯示器件(Liquid Crystal Display, LCD)、等離子體顯不器件(Plasma Display Panel, PDP)和數(shù)字微反射鏡器件(Digital MicromirrorDevice，DMD)等。而DMD是目前唯一的一種大批量生產(chǎn)的純數(shù)字化空間光調(diào)制器SLM。因此數(shù)字光學(xué)無掩模光刻技術(shù)的研究都是基于DMD空間光調(diào)制器的。DMD數(shù)字無掩模光刻機是一種高精度的光刻工藝設(shè)備，包括光學(xué)、精密機械、自動控制和計算機等領(lǐng)域的高科技。DMD數(shù)字無掩模光刻機的光機部分是由照明系統(tǒng)I、圖形發(fā)生系統(tǒng)2、縮小投影物鏡3，工件臺4組成。該系統(tǒng)的原理圖如圖I所示，照明系統(tǒng)I發(fā)出的光入射到圖形發(fā)生系統(tǒng)2上，光線經(jīng)圖形發(fā)生系統(tǒng)2反射后，通過縮小投影物鏡3成像在焦平面上，即可在位于工件臺4上的光刻膠表面上形成所需要的圖形。根據(jù)應(yīng)用需求，要在工件臺上的不同位置進行刻蝕，這就要求工件臺X、Y方向能靈活運動，隨意調(diào)節(jié)。而DMD數(shù)字無掩模光刻機每次刻蝕的范圍有限，若刻蝕大面積圖形，則涉及到圖形的拼接問題，要實現(xiàn)高精度的拼接，高精度的工件臺運動控制系統(tǒng)也是必不可少的。加之，光刻機在曝光時要求工件臺要處在最佳焦面，這就要求工件臺要有精密的調(diào)焦控制系統(tǒng)。所以高效、高精度的工件臺控制系統(tǒng)對提高DMD數(shù)字無掩模光刻機的性能顯得尤為重要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題在于提供一種基于FPGA的DMD數(shù)字無掩模光刻機工件臺運動控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)對DMD數(shù)字無掩模光刻機工件臺X、Y方向的精確定位以及高精度的調(diào)焦控制等。本發(fā)明的技術(shù)方案為
本系統(tǒng)包括與主控計算機進行通訊的通訊接口、工件臺定位控制部分、工件臺位置測量部分、工件臺歸零部分、工件臺限位電路部分。作為對本發(fā)明的改進，所述通訊接口采用USB2. O接口與主控計算機進行通訊，其功能包括接收主控計算機發(fā)送的指令和數(shù)據(jù)以及向主控計算機發(fā)送工件臺控制系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)。作為對本發(fā)明的改進，所述的工件臺定位控制部分包括FPGA中的工件臺定位模塊、X驅(qū)動電路、Y驅(qū)動電路以及調(diào)焦驅(qū)動電路；工件臺定位模塊與X驅(qū)動電路、Y驅(qū)動電路以及調(diào)焦驅(qū)動電路之間通過輸入輸出接口進行連接，X驅(qū)動電路、Y驅(qū)動電路以及調(diào)焦驅(qū)動電路直接驅(qū)動位于工件臺上的電機進行運動。作為對本發(fā)明的改進，所述的工件臺位置測量部分包括FPGA中的工件臺位置測量模塊、X接收器、Y接收器以及光柵測量系統(tǒng)；光柵測量系統(tǒng)中的光柵尺位于工件臺上的X、Y方向的導(dǎo)軌上，光柵測量系統(tǒng)與X接收器、Y接收器連接、而X接收器、Y接收器與FPGA中的工件臺位置測量模塊通過輸入輸出接口相連接。作為對本發(fā)明的改進，所述的工件臺歸零電路將歸零信號通過輸入輸出接口傳送到FPGA中，控制系統(tǒng)進行歸零操作。作為對本發(fā)明的改進，所屬的工件臺限位電路部分在XY方向的兩端分別設(shè)有兩極限位開關(guān)，前一級用于切斷控制輸入，后一級用于切斷控制輸出，該限位電路將工件臺的狀態(tài)信息通過輸入輸出接口傳送到FPGA，控制系統(tǒng)進行限位操作。本發(fā)明需要解決的另一技術(shù)問題在于提供一種上述基于FPGA的DMD數(shù)字無掩模光刻機工件臺控制系統(tǒng)的控制流程。具體控制流程包括以下步驟I)工件臺控制系統(tǒng)接收到主控計算機發(fā)送的合理曝光圖形的起始位置和曝光數(shù)量以及待曝光的圖形光圖形加載成功的命令后，工件臺控制系統(tǒng)控制開始，并判斷是否需要進行歸零運動，如果是則控制工件臺進行歸零運動，如果不是則執(zhí)行下一步；2)工件臺控制系統(tǒng)通訊接口實時接收主控計算機發(fā)送的信息，判斷是否終止曝光，如果是則存儲數(shù)據(jù)并結(jié)束控制流程，如果不是則執(zhí)行下一步；3)工件臺控制系統(tǒng)中的工件臺定位控制部分通過接收的曝光位置信息，驅(qū)動工件臺X方向和Y方向的電機轉(zhuǎn)動，從而使工件臺運動到指定位置，同時工件臺位置測量部分實時計算工件臺的位置，作為工件臺定位控制部分的控制參數(shù)；4)待工件臺運動到指定位置，工件臺定位控制部分，驅(qū)動調(diào)焦電機進行調(diào)焦運動，直到工件臺處于最佳焦面位置；5)待工件臺運動到最佳焦面位置，主控計算機控制系統(tǒng)進行曝光，并判斷曝光是否結(jié)束，如果沒有結(jié)束則繼續(xù)執(zhí)行步驟2)，如果曝光結(jié)束則存儲數(shù)據(jù)并結(jié)束控制流程。本發(fā)明的有益效果是，采用FPGA這種并行處理器取代傳統(tǒng)的單片機作為工件臺控制系統(tǒng)的主控芯片，處理器內(nèi)部資源更為豐富。與主控計算機的通訊接口采用USB2.0，t匕傳統(tǒng)的RS232效率更高，接口擴展性好，且便于系統(tǒng)升級。與傳統(tǒng)控制中用單片機串行輸出相應(yīng)脈沖驅(qū)動工件臺進行運動相比，本系統(tǒng)在FPGA中建立工件臺定位模塊，可以同時輸出多路控制脈沖驅(qū)動工件臺進行相應(yīng)的運動。傳統(tǒng)控制系統(tǒng)將位置測量部分用單獨電路進行處理，且讀取其中一路數(shù)據(jù)時另一路數(shù)據(jù)需要等待，占用系統(tǒng)工作時間；本系統(tǒng)將位置測量、部分在處理器內(nèi)部實現(xiàn)，可并行進行，效率高，可靠性好。


圖I為DMD數(shù)字無掩模光刻機的光機結(jié)構(gòu)原理圖；圖2為DMD數(shù)字無掩模光刻機的控制系統(tǒng)框圖；圖3為FPGA為主控芯片的工件臺控制系統(tǒng)原理框圖；圖4為工件臺控制系統(tǒng)控制流程圖；圖5為正向運動輸出波形；
圖6為反向運動輸出波形；圖7為工件臺X向位置測量模塊示意圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作詳細說明。DMD數(shù)字無掩模光刻機的控制系統(tǒng)包括圖像采集卡I、主控計算機及接口 2、DMD驅(qū)動3、工件臺控制系統(tǒng)4以及其他外圍設(shè)備驅(qū)動5，其組成框圖如圖2所示。圖像采集卡I、主控計算機及接口2、DMD驅(qū)動3、工件臺控制系統(tǒng)4以及其他外圍設(shè)備驅(qū)動5，上述各部分之間通過控制系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)，以實現(xiàn)整機系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行?？刂葡到y(tǒng)采取主從式進行控制，圖像采集卡I直接插在主控計算機的PCI插槽里，這樣主控計算機就可以從采集卡中直接獲得基片表面反射的掩模圖形信息，主控計算機及接口 2主要負責(zé)接收圖像采集卡I采集的信息，并發(fā)出指令和數(shù)據(jù)給DMD驅(qū)動3、工件臺控制系統(tǒng)4的主控芯片以及其他外圍設(shè)備驅(qū)動5。工件臺控制系統(tǒng)4主要負責(zé)接受主控計算機發(fā)送的指令和數(shù)據(jù)，并按照主控計算機的指令控制工件臺進行相應(yīng)的運動，進而完成實時定位及調(diào)焦等過程。以FPGA為主控芯片的工件臺控制系統(tǒng)原理框圖如圖3所示，該系統(tǒng)主要實現(xiàn)工件臺的運動定位與調(diào)焦控制、位置測量、位置限位、位置歸零以及接收主控芯片的控制指令等功能。而工件臺運動控制系統(tǒng)控制流程圖如圖4所示。結(jié)合圖3和圖4，整個控制系統(tǒng)的功能實現(xiàn)方法如下I)工件臺控制系統(tǒng)的主控芯片F(xiàn)PGA4通過通訊接口 1，接收到主控計算機發(fā)送的合理曝光圖形的起始位置和曝光數(shù)量以及待曝光圖形加載成功的命令后，工件臺控制系統(tǒng)控制開始，并判斷是否需要進行歸零運動，如果是則控制工件臺進行歸零運動，在歸零過程中，工件臺以慢速向零位光柵零點方向運行，在到達零位光柵零點時，光柵零點通過輸入輸出端口 5輸出歸零信號至工件臺主控芯片F(xiàn)PGA4，F(xiàn)PGA4便立即執(zhí)行軟件清零程序和硬件清零程序，使工件臺位置測量模塊2中的可逆計數(shù)器清零，從而確定此次開機后的XY坐標(biāo)原點；如果不需要歸零則執(zhí)行下一步。2)工件臺控制系統(tǒng)的主控芯片F(xiàn)PGA4通過通訊接口 1，實時接收主控計算機發(fā)送的信息，判斷是否終止曝光，如果是則存儲數(shù)據(jù)并結(jié)束控制流程，如果不是則執(zhí)行下一步。3)FPGA4中的工件臺定位模塊3啟動，通過輸入輸出接口 5以及X驅(qū)動電路11和Y驅(qū)動電路12來驅(qū)動工件臺運動。在工件臺運動的過程中，光柵測量系統(tǒng)8將工件臺X方向的位置信息通過X接收器6以及輸入輸出接口 5傳到FPGA4中的工件臺位置測量模塊2 ;同時將工件臺Y方向的位置信息通過Y接收器7以及輸入輸出接口 5傳到FPGA中的工件臺位置測量與顯示模塊2。工件臺位置測量模塊2將接收到的位置信息處理后，工件臺定位模塊3將此信息跟FPGA4接收到的主計算機發(fā)送的曝光位置進行比較，以確定工件臺是否運動到指定位置。如果沒有運動到指定位置，則驅(qū)動工件臺繼續(xù)運動，直到工件臺運動到指定位置為止。4)待工件臺運動到指定位置后，由工件臺定位模塊3，通過輸入輸出接口 5以及調(diào)焦驅(qū)動電路13，驅(qū)動工件臺進行調(diào)焦運動，直到工件臺運動到最佳焦面位置。FPGA4通過通訊接口I向主控計算機發(fā)送運動到最佳焦面位置的信息。5)主控計算機接收到工件臺運動到最佳焦面位置的信息后，控制光刻機進行曝光，并判斷曝光過程是否結(jié)束。如果曝光過程沒有結(jié)束則繼續(xù)執(zhí)行步驟2)，工件臺運動控制系統(tǒng)進入下一次的曝光進程，如果曝光過程結(jié)束則存儲數(shù)據(jù)并結(jié)束控制流程。工件臺X、Y方向的位置檢測元件均采用光柵，光柵直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三相方波A、B、Z相。A、B相方波相位差90°，Z相方波用于基準(zhǔn)點定位，其邏輯電平都為5V。 當(dāng)A相方波超前B相方波90°時，表示位移方向為正方向，此時輸出波形如圖5所示；當(dāng)八相方波滯后B相方波90°時,表不位移方向為反方向，此時輸出波形如圖6所不。掃描臺X向、Y向每位移一段距離均發(fā)出一個周期的方波。因此，工件臺的位置檢測首先要解決對光柵信號的辨向問題，辨別出X、Y向的位移方向。此外，還要完成將光柵信號轉(zhuǎn)換成工件臺定位模塊能讀取的位置數(shù)據(jù)，當(dāng)X向、Y向位移方向為正時，此位置數(shù)據(jù)遞增；當(dāng)X向、Y向位移方向為負時，此位置數(shù)遞減，并要保證實時的準(zhǔn)確可靠的提供X、Y向的位置數(shù)據(jù)，作為FPGA精確定位工件臺位置的依據(jù)。對X向、Y向檢測原理相同，這里只以X向說明位置檢測模塊的實現(xiàn)。由圖5和圖6可知，當(dāng)光柵正向移動時，A相、B相的電平邏輯表現(xiàn)為“00”一 “10”一 “11”一 “01”一 “00”序列；當(dāng)光柵反向移動時，A相、B相的電平邏輯表現(xiàn)為“00”一 “01”一 “11”一 “10”一 “00”序列。因此，只要能辨別出這兩種序列，就能實現(xiàn)辨向。在工件臺位置測量模塊引入FPGA外部時鐘，利用其上升沿同時對A相、B相信號采樣，這里同樣以X向位置測量模塊為例，其模塊示意圖如圖7所示。工件臺X方向光柵的A、B相的電平邏輯值用二維向量ABnew記之，ABnew通過一級觸發(fā)器后，記為ABtjld, ABnew和ABtjld都跟隨A相、B相方波信號變化而變化，只是ABtjld要滯后ABmw —個采樣時鐘周期。這樣，就可以將ABold和ABnew進行比較:當(dāng)ABtjld為“00，，，時，若ABnew為“ 10”，即A相超B相前90°，Xcu輸出一個負脈沖，Xcd保持為高電平不變；若ABold為“00”時，ABnew為“01”，即A相滯后B相90°，Xm輸出一個負脈沖，Xeu保持為高電平不變。X向光柵信號變化一個周期，如果A相超B相90° (位移方向為正)，Xai就會輸出4個負脈沖，如果A相滯后B相90° (位移方向為負)，Xm就會輸出4個負脈沖，同時實現(xiàn)了辨向與4細分功能。此外，為確保工件臺在意外情況下失控，以高速沖到某一端的極限位置產(chǎn)生嚴(yán)重碰撞導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞和精度損失，在X、Y方向的兩端分別設(shè)有兩極限位開關(guān)，前一級用于切斷控制輸入，后一級用于切斷控制輸出，確保工件臺在到達限位位置時基本處于停止?fàn)顟B(tài)，有效的保證工件臺的精度和結(jié)構(gòu)的安全。雖然已公開了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會意識到，在不背棄權(quán)利要求書中公開的本發(fā)明的范圍的情況下，任何各種修改、添加和替換均屬于本發(fā)明的保 護范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于FPGA的DMD數(shù)字無掩模光刻機工件臺控制系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括與主控計算機進行通訊的通訊接口、工件臺定位控制部分、工件臺位置測量部分、工件臺歸零部分、工件臺限位電路部分。
2.如權(quán)利要求I所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的通訊接口采用USB2.O接口與主控計算機進行通訊，其功能包括接收主控計算機發(fā)送的指令和數(shù)據(jù)以及向主控計算機發(fā)送工件臺控制系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)。
3.如權(quán)利要求I所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的工件臺定位控制部分包括FPGA中的工件臺定位模塊、X驅(qū)動電路、Y驅(qū)動電路以及調(diào)焦驅(qū)動電路；工件臺定位模塊與X驅(qū)動電路、Y驅(qū)動電路以及調(diào)焦驅(qū)動電路之間通過輸入輸出接口進行連接，X驅(qū)動電路、Y驅(qū)動電路以及調(diào)焦驅(qū)動電路直接驅(qū)動位于工件臺上的電機進行運動。
4.如權(quán)利要求I所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的工件臺位置測量部分包括FPGA中的工件臺位置測量模塊、X接收器、Y接收器以及光柵測量系統(tǒng)；光柵測量系統(tǒng)中的光柵尺位于工件臺上的X、Y方向的導(dǎo)軌上，光柵測量系統(tǒng)與X接收器、Y接收器連接、而X接收器、Y接收器與FPGA中的工件臺位置測量模塊通過輸入輸出接口相連接。
5.如權(quán)利要求I所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，工件臺歸零電路將歸零信號通過輸入輸出接口傳送到FPGA中，控制系統(tǒng)進行歸零操作。
6.如權(quán)利要求I所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，工件臺限位電路部分在XY方向的兩端分別設(shè)有兩極限位開關(guān)，前一級用于切斷控制輸入，后一級用于切斷控制輸出，該限位電路將工件臺的狀態(tài)信息通過輸入輸出接口傳送到FPGA，控制系統(tǒng)進行限位操作。
7.如權(quán)利要求I所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，整個控制流程包括以下步驟 1)工件臺控制系統(tǒng)接收到主控計算機發(fā)送的合理曝光圖形的起始位置和曝光數(shù)量以及待曝光圖形加載成功的命令后，工件臺控制系統(tǒng)控制開始，并判斷是否需要進行歸零運動，如果是，則控制工件臺進行歸零運動，如果不是則執(zhí)行下一步； 2)工件臺控制系統(tǒng)通訊接口實時接收主控計算機發(fā)送的信息，判斷是否終止曝光，如果是，則存儲數(shù)據(jù)并結(jié)束控制流程，如果不是則執(zhí)行下一步； 3)工件臺控制系統(tǒng)中的工件臺定位控制部分通過接收的曝光位置信息，驅(qū)動工件臺X方向和Y方向的電機轉(zhuǎn)動，從而使工件臺運動到指定位置，同時工件臺位置測量部分實時計算工件臺的位置，作為工件臺定位控制部分的控制參數(shù)； 4)待工件臺運動到指定位置，工件臺定位控制部分驅(qū)動調(diào)焦電機進行調(diào)焦運動，直到工件臺處于最佳焦面位置； 5)待工件臺運動到最佳焦面位置，主控計算機控制系統(tǒng)進行曝光，并判斷曝光是否結(jié)束，如果沒有結(jié)束則繼續(xù)執(zhí)行步驟2)，如果曝光結(jié)束則存儲數(shù)據(jù)并結(jié)束控制流程。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于FPGA的DMD數(shù)字無掩模光刻機工件臺控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)通過通訊接口接收主控計算機發(fā)送的指令和數(shù)據(jù)，并按照主機的指令控制工件臺進行相應(yīng)的運動，從而完成實時定位及調(diào)焦等過程。其中，工件臺定位部分控制工件臺進行定位、調(diào)焦運動；位置測量部分實時對工件臺的位置進行跟蹤測量，該測量數(shù)據(jù)可進一步供工件臺控制模塊在控制X、Y工件臺的定位中使用；為使工件臺長期保持正確的坐標(biāo)關(guān)系，系統(tǒng)還建立了坐標(biāo)原點以保證精密定位工件臺系統(tǒng)在長時間工作時坐標(biāo)原點的精度；為防止工件臺在意外情況下失控，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞和精度損失，本系統(tǒng)還建立了工件臺限位電路。
文檔編號G03F7/20GK102629081SQ20121010882
公開日2012年8月8日 申請日期2012年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月13日
發(fā)明者劉旗, 李蘭蘭, 李金龍, 盛壯, 胡松, 趙立新, 馬平 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所