一种基于DMD的扫描式光刻机灰度图像曝光方法与流程

本发明属于无掩模光刻技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于DMD的扫描式光刻机灰度图像曝光方法。

背景技术：

3D光刻技术是近年来光刻领域研究的一个热点，由于需要制作出具有连续表面微结构的复杂器件，3D光刻一般以具有一定灰阶的灰度掩模板为基础，并且灰度等级越高，器件表面的微结构就越平滑。具有灰度的掩模板制作非常复杂，成本也相当昂贵，基于DMD的数字无掩模光刻技术具有以其低成本、高性能的特点也逐渐被应用到3D光刻技术的研究。基于DMD的3D光刻技术的基础是使用DMD进行灰度图像的曝光，实现用DMD来代替传统的灰度掩模。

扫描式DMD曝光采用工件台的运动与图像的滚动显示同步的方式实现大面积曝光，这与传统的步进投影曝光不同，其投影曝光与工件台运动是相结合的。除此之外，由于每个曝光位置是通过多个DMD像素微镜的重叠曝光，因此，可以有效地减小DMD整个幅面的照明不均匀对曝光质量产生的影响，大大改善了曝光的均匀性。

在扫描式曝光工艺中，对于每一个扫描步长而言，DMD都需要滚动刷新一帧灰度曝光图像，这使得DMD曝光图像的数据量非常大，现有的DMD数字光刻系统只能将每一帧灰度曝光图像都要通过通信接口传输到DMD控制器，这种方式下DMD灰度帧频较低，严重限制DMD数字光刻机扫描曝光的工作效率。因此，有必要改善现有处理流程和DMD灰度调制方法，以提升DMD数字光刻系统实现扫描灰度曝光的处理效率。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于DMD的扫描式光刻机灰度图像曝光方法，通过曝光图像对DMD进行基于二元脉冲宽度的灰度调制，来提高DMD灰度曝光帧频和DMD数字光刻机曝光的工作效率，同时缩短调制的基准时间。

为实现上述发明目的，本发明一种基于DMD的扫描式光刻机灰度图像曝光方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、载入待加工灰度图像，由灰度扫描带图像预处理模块对载入的灰度图像进行分割处理；

(1.1)、扩展待加工灰度图像

设待加工灰度图像为一幅分辨率为m×n的N位灰度图像，灰度图像中坐标为(x,y)的像素点对应的像素灰度值为Gray₀(x,y)；

设DMD的分辨率为r×c，其中，r、c分别DMD中微镜阵列的行数和列数，且m＞r,n＞c；

按照如下公式对待加工灰度图像进行扩展：

其中，Gray(x,y)表示扩展后的灰度图像中坐标为(x,y)的像素点对应的像素灰度值；

(1.2)、按公式(2)对扩展后的灰度图像进行分割，得到个大小为(m+2r)×c的灰度扫描带图像；

其中，Gray_i(x,y)代表第i个灰度扫描带图像，是n/c向上取整；

(1.3)、判断最后一个灰度扫描带图像的大小是否为(m+2r)×c，如果大小是，则不处理；如果大小不是，则按照公式(3)进行扩展；

(1.4)、将每个灰度扫描带图像拆分成N个位平面；

第i个灰度扫描带图像拆分成第j个位平面的计算公式为：

Gray_(i,j)(x,y)＝Logical(Gray_i(x,y),j)；j＝0:N-1 (4)

其中，Gray_(i,j)(x,y)表示第i个灰度扫描带图像的第j个位平面的图像数据，Logical(Gray_i(x,y),j)表示第i个灰度扫描带图像Gray_i(x,y)在第j位的逻辑值；

同理，按照公式(4)，拆分出第i个灰度扫描带图像的其余N-1个位平面，以及其余灰度扫描带图像的N个位平面；

(1.5)、将拆分后的每个灰度扫描带图像按照从位平面0到位平面N-1的顺序依次将每个灰度扫描带图像通过通信接口发送到扫描带图像存储模块；

(2)、扫描带图像存储模块按照每个灰度扫描带图像对接收的位平面进行存储；

设D₀表示灰度图像数据在存储器中存储的基地址，D₁表示连续存储c比特的图像数据所占用的内存地址数；

则第i个灰度扫描带图像的第j个位平面在扫描带图像存储模块中的存储方法为：

ADDR(i,j,x,y)＝D₀+[8(m+2r)(i-1)+j(m+2r)+x]D₁ (5)

其中，ADDR(i,j,x,y)表示第i个灰度扫描带图像的第j个位平面的像素点(x,y)所属行在内存中存储的起始地址,每一行灰度扫描带图像数据从行起始地址开始连续存储；

同理，按照公式(5)，存储第i个灰度扫描带图像的其余N-1个位平面，以及其余灰度扫描带图像的N个位平面，完成所有灰度扫描带图像的位平面存储；

(3)、灰度曝光图像处理模块读取存储的灰度扫描带图像，并进行DMD实时灰度曝光图像处理，获得灰度曝光图像的各个位平面子帧；

(3.1)、灰度曝光图像处理模块接收到工作台同步触发信号后，读取存储的第i个灰度扫描带图像，并从位平面0开始，根据当前位平面计数器j的值确定工作台所处位置对应的灰度曝光图像各个位平面的拼接位置：

其中，ADDR₀(i,j)表示处理位平面j时的基地址，i的奇偶性代表扫描的方向，即按照扫描曝光的原理，工件台对相邻的两个扫描带区域曝光时方向是相反的，因此对灰度扫描带图像也要逆向处理；

(3.2)、以t表示收到同步触发信号时当前扫描带区域已经曝光的DMD灰度图像数量，则对工件台当前位置进行曝光时，由图像拼接模块确定进行灰度曝光图像的每个位平面拼接的内存地址为：

(3.3)、在确定当前灰度曝光图像拼接位置之后，开始进行每个位平面的图像刷新操作，并由公式(6)和(7)计算出灰度扫描带图像的像素点(x,y)处每个位平面对应数据的行起始地址为：

(3.4)、在扫描带图像存储模块的突发工作模式下，根据像素点(x,y)所在位平面的行起始地址获取一行灰度扫描带图像数据，并经过c次读取操作后，将曝光图像数据实时加载到DMD，再刷新前一个灰度曝光图像进行曝光的位平面子帧的数据，如此循环处理N次，完成所有灰度扫描带图像的曝光处理；

(4)、根据改进的二元脉冲宽度DMD灰度调制方式，利用DMD灰度调制控制模块控制DMD对灰度图像的各个位平面子帧进行曝光，完成灰度曝光；

(4.1)、实时接收灰度曝光图像处理模块生成的位平面子帧的图像数据，并按行依次加载到对应的DMD微结构的CMOS存储器中；

(4.2)、等待加载完r行数据之后，对DMD执行复位操作，再基于位平面曝光图像信息自动控制DMD微镜阵列快速翻转到与CMOS中存储的信息对应的状态，使位平面曝光图像正确显示在DMD上；

(4.3)、根据当前位平面计数器j的值和可自由设定的参数τ，比较j与τ的大小，对小于τ的当前位平面j的曝光时间进行修正，并对不小于τ的当前位平面j的曝光时间进行控制，使得严格满足二元脉冲宽度调制的要求，从而完成灰度曝光。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明基于DMD的扫描式光刻机灰度图像曝光方法，通过DMD控制器完成灰度曝光图像的分割和拼接，从而高速生成DMD灰度调制实时曝光图像，并根据曝光图像对DMD进行基于二元脉冲宽度的灰度调制，尽量缩短调制基准时间，提高DMD灰度曝光帧频，进而提高DMD数字光刻机曝光的工作效率。

同时，本发明基于DMD的扫描式光刻机灰度图像曝光方法还具有以下有益效果：

(1)、优化DMD灰度曝光控制流程，避免了直接由上位机软件发送实时灰度曝光图像到DMD进行曝光，而是利用存储设备对所有待加工的大面积灰度图像进行缓存；

(2)、通过DMD控制器完成高速实时灰度曝光图像的处理，减少传输数据量，有效地减小通信接口的传输速率对光刻曝光效率的限制；

(3)、改善基于二元脉冲宽度调制的DMD灰度调制算法，减小DMD调制调制的基准时间，提高灰度曝光帧频，提升了DMD无掩模光刻机在进行扫描灰度曝光时的工作效率。

附图说明

图1是本发明基于DMD的扫描式光刻机灰度图像曝光系统原理图；

图2是一种大面积加工扫描曝光方式示意图；

图3是本发明基于DMD的扫描式光刻机灰度曝光图像处理流程图；

图4是改进型8位灰度调制DMD控制时序图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

为了方便描述，先对具体实施方式中出现的相关专业术语进行说明：

DMD(Digital Micromirror Device)：数字微镜器件；

BPWM(Binary Pulse Width Modulation)：二元脉冲宽度调制；

图1是本发明基于DMD的扫描式光刻机灰度图像曝光系统原理图。

在本实施例中，如图1所示，该系统主要包括：灰度扫描带图像预处理模块1、灰度扫描带图像存储模块2、灰度曝光图像处理模块3和基于曝光图像信息的DMD灰度调制模块4；

其中，DMD的控制板的核心控制器以Xilinx Virtex-5型FPGA为例，灰度扫描带图像存储模块2中的存储器以DDR2为例，原始待曝光图像以一幅分辨率为10000×10000的8位灰度图像为例，DMD以0.7"XGA型号为例进行说明，其分辨率为768×1024。除此之外，其它型号的控制器、存储设备、DMD的应用自然也包含在本发明的保护范围之内。

在本实施例中，如图2所示，由于DMD单场曝光的图形大小有限，对硅片进行加工时按照“几”字形扫描方式对图像进行逐行扫描曝光，下面通过PC端上位机软件灰度扫描带图像预处理模块按照以下步骤对一幅10000×10000的8位灰度图待加工图像进行曝光进行详细说明书。

下面结合图1，对本发明一种基于DMD的扫描式光刻机灰度图像曝光方法进行详细说明，包括以下步骤：

S1、载入待加工灰度图像，由灰度扫描带图像预处理模块对载入的灰度图像进行分割处理；

S1.1、扩展待加工灰度图像

如图3所述，设待加工灰度图像为一幅分辨率为m×n的N位灰度图像，灰度图像中坐标为(x,y)的像素点对应的像素灰度值为Gray₀(x,y)；

设DMD的分辨率为r×c，其中，r、c分别DMD中微镜阵列的行数和列数，且m＞r,n＞c；

为处理扫描式曝光工艺中在待刻蚀的基片未完全进入和未完全离开DMD视场时，对于未进入和已离开的部分，DMD需要显示全黑的情况，因此按照如下公式对待加工灰度图像进行扩展：

其中，Gray(x,y)表示扩展后的灰度图像中坐标为(x,y)的像素点对应的像素灰度值；

S1.2、按公式(2)对扩展后的灰度图像进行分割，得到个大小为(m+2r)×c的灰度扫描带图像；

其中，Gray_i(x,y)代表第i个灰度扫描带图像，是n/c向上取整；

在实施例中，得到即10个11536×1024大小的灰度扫描带图像；

S1.3、判断第10个灰度扫描带图像的大小是否为(m+2r)×c，如果大小是，则不处理；如果大小不是，则按照公式(3)进行扩展；

在本实施例中，由于10000不是1024的整数倍，分割得到的最后一个扫描带图像只有784列，不足1024列，与DMD微镜阵列不匹配，所以需要按照公式(3)对最后一个扫描带补充10×1024-10000即240列0：

S1.4、将每个灰度扫描带图像拆分成N个位平面；

为了尽量提高实际光刻过程中DMD灰度曝光的速度，可以在预处理阶段完成位平面拆分，提高后续实时曝光图像处理的速度。第i个灰度扫描带图像拆分成第j个位平面的计算公式为：

Gray_(i,j)(x,y)＝Logical(Gray_i(x,y),j) j＝0:7 (4)

其中，Logical(Gray_i(x,y),j)表示灰度图像数据Gray_i(x,y)在第j位的逻辑值，每个灰度扫描带图像处理成8个位平面，每个位平面都是一帧一位位图图像；

同理，按照公式(4)，拆分出第i个灰度扫描带图像的其余7个位平面，以及其余灰度扫描带图像的8个位平面；

S1.5、将拆分后的每个灰度扫描带图像按照从位平面0到位平面8的顺序依次将每个灰度扫描带图像通过USB接口发送到扫描带图像存储模块。

S2、扫描带图像存储模块按照每个灰度扫描带图像将接收的位平面存储在扩展内存DDR2中；

为了尽量简化后续对曝光图像的处理，提高FPGA的处理速度，灰度图像的存储格式需尽量便于FPGA的读取操作，本实施例中以位平面图像的一行数据作为一组，其中的1024bit从该行的起始地址开始，向高地址依次连续存储。设D₀表示灰度图像数据在存储器中存储的基地址，D₁表示连续存储c比特的图像数据所占用的内存地址数，本实施例中，D₀的值为0x0000，D₁的值为16；

则第i个灰度扫描带图像的第j个位平面在扫描带图像存储模块中的存储方法为：

ADDR(i,j,x,y)＝D₀+[8(m+2r)(i-1)+j(m+2r)+x]D₁ (5)

其中，ADDR(i,j,x,y)表示第i个灰度扫描带图像的第j个位平面的像素点(x,y)所属行在内存中存储的起始地址,i＝1:10,j＝0:7,x＝0:11535，每一行图像数据从从行起始地址开始连续存储；

同理，按照公式(5)，存储第i个灰度扫描带图像的其余7个位平面，以及其余灰度扫描带图像的8个位平面，完成所有灰度扫描带图像的位平面存储。

S3、灰度曝光图像处理模块从DDR2存储器中读取存储的灰度扫描带图像，并进行DMD实时灰度曝光图像处理，获得灰度曝光图像的各个位平面子帧；

S3.1、灰度曝光图像处理模块接收到工作台同步触发信号后，读取存储的第i个灰度扫描带图像，并从位平面0开始，根据当前位平面计数器j的值确定工作台所处位置对应的灰度曝光图像各个位平面的拼接位置：

其中，ADDR₀(i,j)表示处理位平面j时的基地址，i的奇偶性代表扫描的方向，即按照图2中所示扫描曝光的原理，工件台对相邻的两个扫描带区域曝光时方向是相反的，因此对灰度扫描带图像也要逆向处理；

S3.2、以t表示收到同步触发信号时当前扫描带区域已经曝光的DMD灰度图像数量，则对工件台当前位置进行曝光时，由图像拼接模块确定进行灰度曝光图像的每个位平面拼接的内存地址为：

S3.3、在确定当前灰度曝光图像拼接位置之后，由曝光图像刷新模块开始进行每个位平面的图像刷新操作，并由公式(6)和(7)计算出灰度扫描带图像的像素点(x,y)处每个位平面对应数据的行起始地址为：

S3.4、在DDR2存储器的突发工作模式下，根据像素点所在的像素行在DDR2内存中存储的起始地址，即根据像素点(x,y)所在位平面的行起始地址获取一行灰度扫描带图像数据，获取位平面图像的一行数据之后，行计数器递增1，将数据实时加载到DMD，刷前一帧灰度曝光图像进行曝光的位平面子帧的数据；通过行计数器是否等于768来判断灰度曝光图像的一个位平面子帧是否处理完成，如果行计数器小于768，则循环继续处理当前位平面；否则，将行计数器清零，执行下一个位平面子帧的处理；

处理完灰度曝光图像的一个位平面子帧之后，将位平面计数器递增1，如果位平面计数器小于8，则说明当前灰度曝光图像的各个位平面还没有处理完，执行S3.2继续循环处理下一个位平面子帧，如果位平面计数器等于8，则说明当前灰度曝光图像的所有位平面子帧已经处理完成，将位平面计数器清零，将i递增1，等待扫描触发模块接收新的扫描曝光触发信号之后，继续循环处理下一帧灰度扫描带图像，直到所有的灰度扫描带图像曝光处理结束。

S4、根据改进的二元脉冲宽度DMD灰度调制方式，利用DMD灰度调制控制模块控制DMD对灰度图像的各个位平面子帧进行曝光，完成灰度曝光；

在本实施例中，设一个位平面子帧的数据加载的时间取t_load＝30.72μs，对DMD执行复位操作的时间为t_rst＝5μs，微镜翻转到位之后所需要的稳定时间为t_s＝8μs，对整个DMD执行块清零操作的时间为t_c＝0.64μs。

按照如图4所示的BPWM灰度调制DMD控制时序，基于S3中所得的灰度曝光图像数据对DMD进行灰度调制的控制，具体步骤为：

S4.1、实时接收灰度曝光图像处理模块生成的位平面子帧的图像数据，并按行依次加载到对应的DMD微结构的CMOS存储器中；

S4.2、等待加载完r行数据之后，对DMD执行复位操作，再基于位平面曝光图像信息自动控制DMD微镜阵列快速翻转到与CMOS中存储的信息对应的状态，使位平面曝光图像正确显示在DMD上；

S4.3、根据当前位平面计数器j的值和可自由设定的参数τ，比较j与τ的大小，对小于τ的当前位平面j的曝光时间进行修正，并对不小于τ的当前位平面j的曝光时间进行控制，使得严格满足二元脉冲宽度调制的要求，从而完成灰度曝光。

其中，本实施例中，参数τ值为3，对位平面0、位平面1、位平面2和位平面7的曝光时间进行修正，并对其余位平面的曝光时间进行控制，使其满足二元脉冲宽度调制要求的方法为：

对于位平面0，在位平面曝光时间达到DMD微镜最短稳定时间t_s要求之后，采用块清零操作经过时间t_c将整个DMD存储器的数据清除，再对DMD进行复位，控制位平面0的曝光时间为基准时间t₀＝t_s+t_c，并等待再次满足微镜稳定条件之后按照S4.1进行下一个位平面的数据加载；

对于位平面1到2，控制其曝光时间为2^j-1t₀-t_c时，采用块清零操作经过时间t_c将整个DMD存储器的数据清除，再对DMD进行复位，完成对曝光时间的修正，使得位平面的曝光时间满足二元脉冲宽度调制原理的要求，即t(j)＝2^j-1t₀，在经过微镜稳定时间t_s之后开始向DMD加载下一个位平面的数据；

对于位平面3到6，在上一个位平面复位条件满足之后就开始加载图像数据，在复位操作之后直接控制器曝光时间为t(j)＝2^j-1t₀，不需要使用块清零方式进行修正；

对于位平面7，按照位平面3到6的方式进行数据加载，由于在下一帧灰度曝光图像触发之前为了避免其一直曝光，在复位后控制其延迟2⁷t₀-t_c时，使用块清零方式将DMD数据清除，然后对DMD执行复位操作结束位平面7的曝光，使其总的曝光时间为2⁷t₀。

对每一帧灰度曝光图像都按照上述方法对DMD控制进行控制，对于每一帧灰度曝光图像的每个位平面子帧，基于图像信息自动控制DMD微镜阵列快速翻转到正确的位置，图像信息为1的像素点对应的微镜翻转到+12°，图像信息为0的像素点对应的微镜翻转到-12°，再通过对每个位平面子帧曝光时间的修正和控制，使得对每一帧灰度曝光图像的调制都严格满足BPWM的要求，实现整个灰度曝光过程。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。