用于光刻成像的DMD图像曝光方法研究与实现

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光刻技术是半导体行业的基础。随着集成电路器件特征尺寸的不断减小,传统光刻工艺中所需要的掩模版制作成本急剧增加,各类无掩模光刻技术在近年来得到快速发展。基于DMD(Digital Micromirror Device)的数字无掩模光刻使用DMD代替传统光刻掩模版,降低了掩模制作的难度和高昂成本,简化了传统光刻加工的流程,具有效率高、成本低、灵活等优点。通过计算机灵活控制DMD曝光图像进行灰度曝光,可方便实现连续复杂微结构的加工,在3D光刻领域具有传统光刻技术无可比拟的优势,在半导体集成电路、PCB制造、微光学元件加工等行业具有非常好的应用前景。本文围绕DMD数字光刻系统,针对大面积光刻加工中的曝光方式、曝光效率及灰度曝光等问题,提出新的解决方案。首先,研究大面积光刻加工的DMD曝光方式,针对现有DMD数字光刻系统在扫描曝光工作方式下存在的效率低的问题,设计一种DMD高速图像曝光方法,优化扫描曝光的处理流程。通过预存所有图像数据,并在FPGA中完成对曝光图像的处理及对DMD曝光控制方式的优化,实现大面积光刻图像的高速扫描曝光。然后,根据DMD的灰度调制方式,研究使用DMD进行灰度图像曝光的控制算法,改进基于二元脉冲宽度调制的DMD灰度帧频提高方案,并设计一种面向扫描式3D光刻的DMD灰度图像曝光方法,通过软件对灰度图像进行位平面分解,在FPGA中完成对灰度曝光图像的处理和对DMD的灰度调制,实现DMD灰度光刻曝光,并获得较高的灰度帧频。最后在TI DLP4100开发平台中,基于FPGA设计并实现了DMD高速图像曝光方法和灰度图像曝光方法。通过发挥FPGA的高速数据传输和强大的时序控制能力的优势,最大限度利用DMD图像翻转的速度,实现一个高性能的DMD扫描曝光控制器,并应用到实际数字光刻机的开发中。实验结果表明,本文设计的DMD图像曝光方法有效地提高了DMD数字光刻系统的扫描曝光和灰度曝光的速度及工作效率。
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