（高电压与绝缘技术专业论文）以dsp处理器为核心的图形发生器单元图形算法研究.pdf

摘要 本论文主要介绍了基于d s p 处理器的新型图形发生器的单元图形生成算法 尤其是圆形和椭圆等圆锥曲线的生成算法以及应用此类算法所进行的有关d s p 的软件开发。 论文介绍了国内外电子柬曝光技术的发展和图形发生器的工作原理。针对现 有图形发生器存在的问题，对t i 公司的t m s 3 2 0 v c 3 3 功能进行研究、对软件和 硬件的开发进行分析，提出了以d s p 芯片为核心的新型图形发生器的设计方案。 论文还在b r e s e n h a m 算法的基础上，提出了新的单元图形生成算法及填充策 略。该方法通过设置决策函数和迭代增量，判断最接近函数曲线的象索点，从而 得到和函数图形逼近较好的各种曲线图形。这种算法应用于以d s p 芯片为基础 的电子束曝光机图形发生器，可以快速且较好地得出图形单元的各象素点，输出 信号至d a 通过信号转换控制偏转放大器绘制图形。此算法适于硬件完成，简 化了数据处理过程并提高了图形绘制速度和图形精度。 论文着重从图形发生器的软件部分入手，研究了图形发生器的结构和工作原 理，单元图形生成算法以及填充策略的研究和实现是本论文的核心内容。 关键词：电子束曝光、图形发生器、d s p 芯片、软件、图形算法 p r i m i t i v e g e n e r a t i n ga l g o r i t h m f o rn o v e lp a t t e r n g e n e r a t o rw i t hd s p c h i p a sk e y c o m p o n e n t s h a n gt a o ( h i g hv o l t a g et e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yx u e h o n g a b s t r a c t i nt h i s t h e s i s ，w e i n t r o d u c et h e p r i m i t i v e - g e n e r a t i n ga l g o r i t h m a n ds o f t w a r e d e v e l o p m e n to f an o v e l p a r e mg e n e r a t o ri nw h i c hd s pc h i pi sc o n s i d e r e da si t sk e y c o m p o n e n t e s p e c i a l l y t h eg e n e r a t i o na l g o r i t h mo f c o h i c p r i m i t i v e ss u c ha sc i r c l ea n d e l l i p s ei sg i v e n t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h e d e v e l o p m e n t o fe l e c t r o nb e a m l i t h o g r a p h ya r o u n d t h ew o r l d a n db a s i cf u n d a m e n t a l s o f p a a e r ng e n e r a t o r f u r t h e ra n a l y s i sa n d r e s e a r c ht ob o t ht i s t m s 3 2 0 v c 3 3d s pc h i pa n dd e v e l o p m e n to fs o f t w a r ea n dh a r d w a r ei s g i v e n a c c o r d i n gt ot h ee x i s t i n gp r o b l e mo fp a r e mg e n e r a t o r , a st op r o p o s ean o v e lt y p eo f p a t t e r ng e n e r a t o r i nt h i sp a p e r , ap r i m i t i v e g e n e r a t i n ga l g o r i t h ma n df i l l i n gs t r a t e g y , w h i c ha r ea p p l i e d t op a r e mg e n e r a t o ro fe l e c t r o nb e a m l i t h o g r a p h ys y s t e m ，a r ep r o p o s e do n t h eb a s i s o fb r e s e n h a m a l g o r i t h m t h ea l g o r i t h mc a ne s t i m a t et h ep i x e l st h a ta r ec l o s e s t t ot h e c u r v eo ff u n c t i o n b ys e t t i n g d e t e r m i n a t i o nf u n c t i o na n di n c r e m e n t t h ep a t t e r n g e n e r a t o rc a ne l i c i ta l lt h er e l e v a n tp i x e l so ft h ec i r c l ep r i m i t i v ew i t hf a s tr a t e t h e k e yc o m p o n e n t o ft h ep a t t e r ng e n e r a t o ri sd s pt h a tg e n e r a t e ss i g n a l st od a c sa n d c o n t r o l st h ed e f l e c t o rt o g e n e r a t et h ep a t t e r np r i m i t i v e sr e q u i r e dt oc o m p l e t et h e f a b r i c a t i o n 嘶sa l g o r i t h mn o to n l yf i t st h ep e r f o r m a n c eo fh a r d w a r es u c ha sd s p c h i p s a n ds i m p l i f i e st h ed a t a p r o c e s s i n gb u ti m p r o v e st h eg e n e r a t i o ns p e e d a n d p r e c i s i o no f p r i m i t i v e sa sw e l l t h i st h e s i sf o c u s e so nt h es o f t w a r ep a r to f p a a e mg e n e r a t o r a n d a n a l y s e si t ss t r u c t u r e s a n df u n d a m e n t a l s a n d 也er e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no f p r i m i t i v e g e n e r a t i n ga l g o r i t h m a n d f i l l i n gs t r a t e g yi st h e c o r ep a r to f t h i st h e s i s k e yw o r d ：e l e c t r o nb e a ml i t h o g r a p h y , p a t t e r ng e n e r a t o r , d s pc h i p ，s o f t w a r e ， p r i m i t i v e a l g o r i t h m 第一章扫描电子柬曝光技术综述 1 1 引言 第一章扫描电子束曝光技术综述 微电子技术是2 0 世纪新技术革命的主要内容和重要标志，微电子技术的迅 猛发展与广泛应用也促进了一大批高新技术的兴起，同时正深刻影响着人类生活 的各个方面，尤其在进入信息社会后，微电子技术已经成为整个社会发展和进步 的基础。因此，目前各国都投入大量的人力、物力和财力来推动微电子工业的大 规模研究和发展。微电子工业已经成为衡量一个国家科学技术水平的重要标志， 经过半个多世纪的发展，在2 1 世纪微电子技术仍将是各国高薪技术领域竞争的 焦点。 自从美国1 9 5 8 年制造出第一块集成电路以来，集成电路( i c ) 就成为微电 子技术的重要成就，相继经历了小规模集成、中规模集成、大规模集成、超大规 模集成，以及现在的特大规模集成( 每块芯片上刻制了上亿个逻辑单元) 的发展 阶段。集成电路是整个信息产业的基础，集成电路技术在不同年代的发展水平决 定了信息技术的不同发展阶段。随着集成度的提高，器件图形的特征加工尺寸逐 步变细变小。动态随机存储器( d r a m ) 产品己被视为整个半导体工业的技术引 擎。d r a m 技术发展主要是缩小存储单元芯片占有面积和减少单元之间的间隔， 以最小的面积容纳最大数量的存储单元，其特征尺寸的变化如表1 1 所示。 表1 1 动态随机存储器( d r a m ) 的特征加工尺寸发展状况 首批产品上市时间图形线宽尺寸样品容量产品容量 ( 年)( u m )( b i t )( b i t ) 1 9 9 90 。1 81 g2 5 6 m 2 0 0 l0 1 52 gi g 2 0 0 3o 1 34 g1 g 2 0 0 60 1 01 6 g4 g 2 0 0 90 0 76 4 01 6 0 2 0 1 20 0 52 5 6 g1 6 g 微细加工技术是集成电路工业发展和微电子科学研究的关键技术。在集成电 路制造中，微细加工技术主要包括曝光技术( 光刻技术) 、刻蚀技术、溅射掺杂 第一章扫描电子束曝光技术综述 技术、超薄膜形成技术等，其中曝光技术是微细加工技术中的核心技术。 1 2 微细加工技术 微细加工技术是一种制造微小尺寸元器件或薄膜图形的方法，主要有横向微 细加工技术和纵向微细加工技术两种方式。横向微细加工技术是按照器件设计的 要求，在材料的表面上制千乍所需要的各种几何图形；纵向微细加工技术是按照器 件设计的要求在材料的纵深方向制作各种薄膜结构。横向微细加工技术包括图形 设计、图形产生和刻蚀。随着集成电路向v l s i 方向发展，电路图形越来越复杂， 图形设计只能依靠计算机辅助设计来实现。同时随着加工工艺向微细化发展，集 成电路图形线条越来越窄，对曝光技术分辨率的要求越来越高，光学曝光的分辨 率受到光的衍射效应的限制，为了求得更细的线条，必须采用波长更短的电子束、 离子束和x 射线等。目前从最早的光学曝光技术一支独秀，集成电路特征加工 尺寸的不断变小到今天“三束”( 光子束、电子束、离子束) 曝光技术三足鼎立， 曝光技术从理论到实践经历了长足的发展。随着加工线条的缩小，原来采用化学 液体的湿法刻蚀方法已不能满足要求。由于液体刻蚀各向同性，伴随钻蚀作用， 难以刻蚀出完美的细线条。目前采用的是干法刻蚀技术。干法刻蚀技术实际上采 用气体刻蚀( 包含等离子体刻蚀、反应离子刻蚀、离子铣等) 的图形微细加工方 法。纵向微细加工技术包括蒸发、溅射、高压氧化、减压化学气相淀积( 减压 c v d ) 、热扩散、离子注入和退火、气相或液相外延、分子束外延等。利用这些 方法可以做出各种金属薄膜、介质薄膜、多晶体和各种掺杂或不掺杂半导体薄层， 也可以做出多元化合物半导体薄层。 微细加工技术的应用十分广泛，可以对微米及亚微米量级的电子元件或机械 装置进行加工制造。同时微细加工技术极大地促进了集成电路、新型器件和相关 学科的发展。微细加工技术主要有光学曝光微细加工技术、离子束曝光微细加工 技术和电子束曝光微细加工技术。 光学曝光微细加工技术是照射光线通过掩模版( 或掩模板) ，将其上的微细 图形经过放大或缩小复印到半导体晶片上。根据掩模版和衬底的关系可分为接触 式曝光方式和非接触式曝光方式，而非接触式曝光方式又可以分为接近式和投影 式曝光两种方式。为了满足高分辨率图形的光刻要求，出现了更短波长的甚远紫 第一章扫描电子束曝光技术综述 外线( e u v ) 曝光方式和x 射线曝光方式。 离子束曝光是离子柬在微细加工中的一项重要应用，是近几年才发展起来的 - - f 新技术。同电子柬曝光相似，利用原子被离子化后形成的离子束流作为光源， 可对抗蚀剂进行曝光，从而获得微细线条的图形。虽然现在离子束曝光机技术正 处在发展和探索尝试阶段，但其进步很快，已经出现了和电子束曝光技术相对应 的扫描离子束曝光技术和投影离子束曝光技术。 电子束曝光技术是六十年代发展起来的利用电子柬对微细图形进行直接描 画投影复印的图形加工技术。跟光学曝光产生图形一样，电子束曝光也是在有机 聚合物( 电子抗蚀剂) 薄膜上进行的，以获得高分辨率的电子抗蚀图形为目的。 光学曝光中，抗蚀剂图形都是掩模图形的直接转印。而电子束曝光则不同，除了 应用较少的电子柬投影转印掩模图形的曝光方式之外，主要在研究和生产中使用 的是电子柬扫描直接描画微细图形，后者不需要掩模。 传统的光学曝光技术由于受到工作光波长的物理限制，分辨率过低( 光学曝 光的分辨率极限约为o 1 9 z a ) ，而且在大面积硅片遇到硅片变形和调焦等困难， 早已不适应深亚微米级电路的要求。从目前来看，在深亚微米甚至纳米工艺技术 中，电子束曝光技术、e u v 曝光技术和x 射线曝光技术的发展前景较为看好。 表1 2 是这三种曝光技术的性能价格比较。从表中可以看出，电子束曝光技 术不仅可以加工亚微米甚至纳米级的i c 图形，同时满足了特种新型器件需要亚 微米分辨率的加工要求，这些器件包括如单片微波电路、集成光路、声表面波器 件、磁泡存储器、约瑟夫逊器件等等。 综上所述，电子束曝光技术已经成为本世纪微细加工技术的发展方向之。 表1 2 几种纳米曝光技术的性能价格比较 光刻娄型分辨率掩模制造生产率相对造价优缺点 优点； 相对于传统的光刻技术相比，e 1 依赖于掩模，波长小，可以获得更高图形的爿 e u v难高较高 优于0 1 0 r e 率： 缺点： 技术尚不成熟 优点： 依赖于掩模， 1 x 射线波长短( 约为数a ) ，l x 线 难高高 上可以忽略衍射现象： 优于o 1 u m 2 x 射线可以穿透尘埃，因此i 消除因尘埃而引起的图形缺鼯 第一章扫描电子柬曝光技术综述 缺点： 1 x 射线源发射效率低： 2 如何选择反差大的掩模材料也是 x 射线曝光中的难题； 优点： 1 迎合了微电子器件的发展要求； 2 除了直接描画亚微米i c 图形外， 还可以为光学曝光、电子束投影 优于0 1 p m 曝光制作掩模： 电子束较容易高一般 可达0 0 0 8 p m 缺点； 1 电子在刻蚀剂中的散射效应的限 制，亚微米图形的制作必须解决 好临近效应的校正问题： 2 对准精度的限制。 1 3 电子束曝光技术的特点 电子束曝光技术是在微电子技术发展到一定阶段而产生的微细加工专用技 术，并进而促进了微电子技术的发展，使加工精度能够由微米进入亚微米、深亚 微米、纳米级。在实际应用中，电子束曝光一直被看成是器件尺寸缩小到光学曝 光不满足要求时的最佳方案，因此电子束曝光机成为微细加工的关键技术。图 1 1 列出了电子束图形加工的各种曝光方式。 图1 1 电子束加工各种曝光方式 电子束曝光技术需要考虑的问题很多。虽然这门技术在二十世纪六十年代已 经出现，但由于不少因素的影响，使该技术直接为微细图形加工服务推迟到七十 年代。这些问题是图形加工质量、图形加工效率以及成本价格。例如在扫描电子 第一章扫描电子柬曝光技术综述 柬曝光机中，要求电子柬在抗蚀剂上曝光出亚微米分辨率的i c 图形的清晰线条， 否则就不能称之为图形质量高。另一方面必须对电子柬曝光的生产能力提出要 求。解决这些包括电子在抗蚀剂中的散射效应和生产能力的高低在内的因素，就 必须有一个能产生束流大、束斑小、偏转扫描速度快的电子光学系统以及一整套 软件硬件功能灵活的计算机及控制电路系统；此外还有对准系统、测量显示系统 和真空系统等等。因此电子束曝光必须在众多复杂系统的密切配合下进行，事实 上电子柬曝光图形加工技术就是在这些矛盾的协调解决中发展起来的。 电子束曝光技术的显著优点就是分辨率高，容易获得亚微米分辨率的精细图 形。普通光学曝光方法的分辨率由于受光的衍射效应的影响，难以制作亚微米的 线条图形。x 射线谱法虽然可以制作亚微米图形，但是在实际的大批图形曝光中 还不能得到广泛应用。离子束曝光是液态金属离子源发展起来后才兴起的一种曝 光方法，相对技术不太成熟。在目前制造亚微米高分辨率微细图形的过程中，电 子束曝光技术是主要手段。 h 电子具有波粒二相性，德布罗意公式为：p = m p = ；( 1 i ) ， l 则粒子运动的波长公式为： 五= 参= 去羽国； 其中m 、v 、p 、丑为粒子的质量、匀速运动速度、动量、波长，的q 普朗克常数。 考虑能量守恒圭埘v 2 = p 圪，矗= 6 6 2 “o - 2 7 e 唱s ，m = 9 1 1 旷2 7 9 和绝对单位静 电电量e = 4 8 1 0 1 0 c ，得 五2 再h 两。面1 2 2 5 【a ) ( 1 3 ) 考虑相对论效应修正后的电子电压蚱与加速电压吒的关系 一州1 十熹) ， 可以得出相应的波长为： 兄：；! 丝j ( a )( 1 4 ) 4 v o o + o 9 7 8 1 0 1 ) 加谏审。乐一船存1 5 3 0 k v 之间，所以相应波长很短，衍射效应可以忽略不 第一章扫描电子柬曝光技术综述 记。电子柬由于其极短的波长( 疆o o l o 0 0 7 n m ) 和容易用计算机控制，具有良好 的发展前景。它不仅可用于图形的复制，更重要的是它可以用计算机控制直接产 生图形。因此，它是纳米级光刻的基础。 当然电子束曝光技术进一步提高分辨率也受到许多限制。第一是电子抗蚀剂 的限制。第二是电子在抗蚀剂中的背散射效应的限制。电子的背散射效应导致临 近效应的产生，严重影响了图形的分辨率。第三是对准的限制。 电子束光刻系统采用电子束直写方式时，由于电子柬的直径很小，而生产集 成电路的晶圆片又很大( 目前已达到8 一1 2 英寸) ，利用这种方法得到的分辨率 虽然很高，但效率却相对较低，很难适用于大规模批量化生产。最近，朗讯科技 ( l u c e n tt e c h n o l o g s ) 公司研制成功了缩小投影电子束光刻系统 s c a l p e l ，它使用的是一种特殊的散射掩膜版。当高能电子均匀地照射在掩膜 版上时，经过掩膜版上氮化硅膜的电子没有散射，相反经过掩膜版上钨栅韵电子 则发生散射，偏移几个毫微度。然后所有的电子再经过4 ：l 缩小聚焦透镜改变 方向后投影到一个光栅孔上，这个光栅孔只允许那些没有经过散射的电子通过， 这些电子经过第二个透镜后照射到硅片上，重现出散射掩膜版上由氮化硅材料组 成的图案。由于孔阻挡了散射电子的通过，所以在硅片表面可以获得高反差的图 像。这种散射掩膜与其它系统相比的主要优点是不会吸收电子，从而不会因为受 热而使图像变形，同时也可以有效地保护掩膜使之可重复使用。这一技术的研制 成功为电子柬光刻技术用于批量生产提供了可能。 1 4 扫描电子束曝光技术 扫描电子束曝光技术是在二十世纪六十年代在扫描电镜的基础上发展起来 的，经过四十多年的发展，现在已经达到了实用水平。1 9 6 8 年日本电子光学实 验室( j e o l ) 研制出j b x - - 2 a 型扫描电子束曝光机，同年英国剑桥仪器公司 f c a m b r i d g ei n s t r u m e n tc o ) 也生产出e b m f 型电子柬曝光机。到七十年代末就出 现了多种新型的电子束曝光机。n - - - 十世纪九十年代中期，全世界已安装使用的 商用电子束曝光机达3 0 0 多台，大多分布在美国、日本和西欧。 图1 2 是电子束曝光示意图，曝光过程大致如下：电子枪发射电子束，在 2 0 - 5 0 k v 加速电压作用下经过聚焦线圈之后，成为直径为亚微米量级的电子束探 第一章扫描电子柬曝光技术综述 针。这样细电子束在x ，y 两个方向的偏转系统的作用下，在涂有抗蚀剂的硅片 上进行扫描曝光。电子束是一点接一点的形式扫描曝光产生出各种电路线条图形 的。例如，要在抗蚀剂上曝光一个矩形图形，电子束就在计算机的控制下偏转到 这个矩形的起始位置，肋) ，然后一步一步地偏转电子束，实现扫描曝光，直 到这个矩形的终点位置，y ) 为止。当一个矩形图形曝光完毕之后，计算机控 制束闸关掉电子束，等到下个图形数据准备好之后，再打开束闸，然后在偏转 系统的作用下，再进行下一个图形的曝光。当偏转场内的图形全部曝光完毕后， 工件台移动一段距离，电子束开始下一个偏转场的曝光，这样个场一个场地进 行，直到完成整个硅片上的图形曝光。 图1 2 电子柬曝光系统不意图 扫描电子束曝光机按电子束扫描的方式划分，分为矢量扫描和光栅扫描两 类：按其束斑形状划分，又可分为圆形束和矩形束两类，其中每种束斑又分为固 定成形束和可变成形束。可以根据生产的需求和研究目的的不同而研制不同型号 的曝光机，一般来说，致力于精细图形的刻画可采用圆形电子束，束斑直径可达 巾o 0 0 8 9 m ，从而得到精细图形：而为了提高生产效率，则采用成形电子束，在 相同单位时间内曝光更多的图形。 扫描电子束曝光技术主要应用于：( 1 ) o 1 t i m 线宽左右的单平面结构器件， 量子器件、集成光路、低温电子器件、声表面波器件等特殊器件的直接光刻；( 2 ) 】m 线宽以下的多平面结构器件及其光刻掩模：( 3 ) 1 5 m 线宽范围的多掩模 器件，集成开关电路，光学用掩模；( 4 ) 5 1 j m 线宽以上的光学分步重复曝光用的 中间掩模等。 扫描电子束曝光机主要由电子束发射聚焦系统、偏转系统、控制系统等几个 第一章扫描电子束曝光技术综述 部分组成。电子枪是电子束曝光机的电子束源，它的作用是产生一定形状的按一 定方向投射的聚焦电子束。电子枪的要求是高亮度、低能散度、高可靠性、高稳 定度与长寿命。磁透镜聚焦系统将电子枪发射的电子束聚焦到只有几个到几十个 纳米直径电子束斑。偏转系统是电子束曝光机的重要部分，电子束只有在偏转系 统作用下才能按照预先在计算机内设置好的数据进行扫描偏转，在抗蚀齐j 上描画 出微细图形。合理设计偏转系统可以减小各种偏转像差，如偏转畸变等，以获得 高分辨率的曝光效果。电子束曝光系统中常用的有磁偏转器和静电偏转器。电子 柬曝光控制系统如图1 3 所示，主要进行三个方面的控制。第一。对束闸机构的 控制，实现电子束的通断；第二，对偏转系统进行控制，实现电子束的偏转扫描； 第三，对工件台的移动进行控制，实现图形拼接。前两个功能主要通过图形发生 器来实现。图形发生器不仅控制束闸的通断和电子束的偏转，同时还要进行数据 处理和与上位机( 如计算机) 进行通讯。所以说图形发生器是扫描电子束曝光机 的核心部件之一，其执行速度和数据处理结果直接关系到曝光的质量。因此进行 相关的研究和开发对于电子束曝光技术来说都具有重要的意义。 图1 3 扫描电子束曝光设备控制系统贩理囤 第二章课题背景和意义 2 1 课题背景 第二章课题背景、进展和意义 电子束曝光系统是微电子工业和各种微细加工研究与开发所必需的大型精 密设备。图形发生器是该系统中的一个关键部件。它位于计算机和高精度偏转放 大器之间，其主要作用是将计算机送来的单元图形数据进行处理，由图形发生器 中硬件单元依次产生需要曝光的各点x 、y 坐标值。再将这些值经过高速度、高 精度数模转换器( d a c ) 变换成对应的模拟量，驱动偏转放大器以控制电子束 偏转，对掩摸或硅片进行扫描曝光。同时，图形发生器还控制束闸部件以控制电 子束的通断，此外还接收计算机送来的各种校正量( 场畸变、曝光剂量调整、工 作台线性误差等) ，经过数模转换、数据计算后控制电子柬偏转。实现对激光工 作台定位误差、偏转误差和场畸变的校正。 目前国内使用的图形发生器一般采用中小规模集成电路，存在图形运算速度 慢、曝光圆环等曲线靠软件弥补、体积大、效率低、耗电大、工作不稳定、故障 多等闯题；由于采用模拟校正技术更加难以调整，校正精度差、干扰大、难于维 护。 国外的曝光机用的图形发生器大多采用大规模集成电路及数字校正技术，运 算精度高，速度快。近几年，随着数字信号处理技术应用的不断普及，国外开始 将数字信号处理器( d s p ) 作为图形发生器的核心部件，并取得了很大的进展。下 面简要介绍两种应用d s p 的图形发生器方案。 并行d s p 处理器方案 美国劳伦斯伯克力国家实验室( l a w r e n c eb e r k e l e yn a t i o n a ll a b o r a t o r y ) 在 1 9 9 5 年研制出基于并行d s p 处理器t m s 3 2 0 c 4 0 的图形发生器，其主要功能框 图如图2 i 所示。图中由4 个d s p 芯片组成图形发生器的结构( 主从并列式分布) ， 主处理器分别和三个受控处理器通过独立的d m a 通道进行通讯，同时每个受控 处理器拥有各自的存储地址，避免了总线仲裁，同时也实现了最大的输出速率。 第二章课题背景和意义 经过处理后的数据通过串行通讯口发送出去，该数裾被一个多路传输器接收同时 转换成6 4b i t 数据和1 6b i t 控制位，然后在发送给d a c 执行机构。该方案中每 一种图形的处理都由独立的d s p 来完成，还可以通过增加受控处理器来扩充图 形发生器生成图形的种类，易于改进和扩展。 m a s t e r c o n t r o l l e r a r 榔 p r o c e s s o r s 图2 1 并行c 4 0d s p 的图形发生器框图 上述并行结构可靠性很高，但是在开发上存在大量的问题需要解决。同时在 进行新型图形发生器研究中处理速度和生成数据的大小是较为关注的，应该在这 方面注意研究和讨论。 b m 改良图形发生器方案 国际商用机器公司( i b m ) 通过改进原有机型，在1 9 9 7 年研制出的图形发 生器如图2 2 所示，图中主场d a c 输出为1 4 位，子场输出为1 0 位，最高扫描 频率是1 0 m h z 。为了实现曲线填充，在原有的配置上添加了一个双端口r a m 和 d s p 芯片。其中双端口r a m 是在单元存储内存区域( c e l ls t o r a g e m e m o r y a r e a ， c s ) 上新增的。首先微控制器将数据格式读入图形发生器的寄存器的同时相应 的读入到c s 中，这样d s p 和控制器同时对一个曝光数据进行判断，从而决定由 谁来执行此次运算。当进行非曲线运算时，所有操作均有微控制器完成，d s p 在这时处于等待状态：当判断出要进行曲线计算时，微控制器负责计算主场d a c 数据和步进频率，而d s p 则根据读入的参数按照预先设定的曲线算法进行计算， 然后将扫描数据( 如起始点和扫描长度) 存储在双端口r a m 中，完成后发出指 令让微控制器将这些数据发送出去。该图形发生器的常规图形格式需要占用 第_ _ 二章课题背景和意义 1 2 1 6 字节，而曲线图形则需要占用7 0 个字节，凶此需要进行数据压缩以减少 存储占用的空叫和计算速度。 图2 2i b mv s x 图形发生器框图( 其中深色部分显示新增加的硬件) 2 2 图形生成算法的比较 在电子束曝光的实际应用当中，除了直线、矩形、梯形等单元图形的生成外， 随着大量新的应用涌现，例如光电子器件和散射光器件，还要求曝光设备能够生 成曲线图形。而原先固有的算法并不能很好的支持这些应用，下面介绍国外两个 比较新颖而实用的圆环曲线的生成算法，现将其摘录如下： 圆锥曲线单元图形算法( c o n i cp r i m i t i v e a l g o r i t h m ) 此算法由i b m 苏黎世实验室( i b mr e s e a r c hd i v i s i o n ，z u r i c hr e s e a r c h l a b o r a t o r y ) 提出。它对于圆弧曲线的产生提出了一个比较好的方法。 单元图形( 圆弧) 的数学定义为： l ( x ，y ) = c l h , l x 2 + “，y 2 + c h , l x y + d h 3 x + e h a y + 兀，f = 0 第二章课题背景和意义 其中，圪是构成任意圆锥曲线部分的上下两个边界，如下图2 3 ( a ) 所示。 1 圈 舄y o 耐 图2 3 当生成曲线时，仅仅需要计算沿着两条边界h ，l 的点，其他的点可以快速填充。 在图2 3 3 2 位 和两块1 6 k 3 2 的r a m 块组成。 图3 3 t m s 3 2 0 v c 3 3 功能模块框图( 图中深色部分表示t m s 3 2 0 v c 3 3 新增和改进的部分) 第三章图形发生器的构成 控制器单元( c o n t r o l l e ru n j t ) 控制器单元包括中断触发模式( 边沿触发或者电平触发) 管脚、处理器复位 管脚、中断端口、t m s 3 2 0 v c 3 3 的m c b l m p ( 微计算机，微处理器) 工作模式 控制管脚以及两个通用的外部引脚x f o 和x f l 。 时钟单元( c l o c ku n i t ) 1 m s 3 2 0 v c 3 3 提供了两个时钟调整管脚c l k m d 0 和c l k m d l ，通过调整这 两个管脚的电平状态可以将输入时钟进行二分频、一倍频和五倍频变换。 扩展存储器接口单元 t m s 3 2 0 v c 3 3 扩展存储器接口由3 2 位数据总线和2 4 位地址总线组成，允许 和外设直接通讯。同时新增加的瓦面6 e 面j 选址管脚使得对外部地址的管 理更加方便。 串口通讯单元( s e r i a lp o r tu n i t ) t m s 3 2 0 v c 3 3 包括一个可支持8 1 6 2 4 3 2 位数据交换的串行口，它的时钟可 以由内部产生也可由外部提供，串行口的引脚可配置位通用的i o 管脚，特殊的 握手方式可以保证t m s 3 2 0 v c 3 3 和串口同步。 定时器单元( t i t r i e ru n i t ) 两个定时器单元是通用的3 2 位定时器或者事件计数器，具有两种信号方式， 可由内部或外部提供时钟，每个定时器对应有一个1 1 0 管脚，可作为定时器的输 入时钟或输出时钟，可以配置位通用的i o 管脚。 内部外围总线接口单元( i n t e r n a l p e f i p h e r f l b u s i n t e r f a c e u n i t ) t m s 3 2 0 v c 3 3 的外设是通过存储器映射的寄存器对外设总线进行控制，外设 总线由3 2 位数据总线和2 4 位地址总线组成，允许外设直接通讯。t m s 3 2 0 v c 3 3 的外设包括一个串行口和两个定时器。 j t a g 测试单元( 兀1 a gt e s tl o g i cu n i t ) j t a g 测试单元简化了主板级的测试操作。该单元包括一个测试专用端口和 边界扫描寄存器。 3 3 2t m $ 3 2 0 v c 3 3 地址分配 由于t m s 3 2 0 v c 3 3 的地址总线是2 4 位的，因此可以访问多达1 6 m 的3 2 位 塑三量堕堑垄生堡箜塑壁 存储空间，程序、数据和i o 空问都包含在t m s 3 2 0 v c 3 3 这个1 6 m 的空问中。 t m s 3 2 0 v c 3 3 片内自带3 4 k 的存储空问，但是课题中需要进行大量的数据存储 和交换，因此对其扩展了6 4 k x 3 2 b i t 的高速r a m 存储器 0 ；对于直线下方的点，则有 第四章匿形发生器的软件实现 f ( x ，y ) 0 。因此要判断q 在m 的上方还是下方，只要把m 代入，b ，力，判断 符号。可以构造判别式d = f ( m ) = r ( x p + 1 ，y p + 0 5 ) = a ( x p + 1 ) + 6 ( y p + 0 5 ) + c 。 当d o ，则应取尸， 为下一象素。d = - o 时，可以约定取正右方的p j 。我们可以对每一个象素计算判别 式d ，分析其符号以确定下一象素。而且d 是却和蚱的线性函数，可采用增量 计算，提高运算效率。当d 0 时，取正右方象素p ，欲判断下一个象素应取哪 个，可计算吐= f ( x p + 2 ，y p + o 5 ) = a ( x p + 2 ) + b ( y p + o 5 ) + c = d + 口，( 4 2 ) 故d 的增量为a 。而若d o d 的增量为a ，如果d o ，则d 的增量为a + b 。如此最终完成直 线的绘制。程序流程如下图所示。 第四章图形发生器的软件实现 4 3 圆弧和圆环曲线的生成 随着科学技术的发展，有些特殊器件如菲涅尔波带板等集成光栅器件的生产 需要进行圆环栅格曝光，因此图形发生器的研究重点已经放在了图形发生器的圆 环栅格生成技术上。但是圆环的生成算法还有待进一步优化。现有常见的圆生成 算法有这样几种： 1 利用矩形和三角形拼接 此方法是将圆剖分为许多个单元图形拼接的形式，用许多矩形和三角形拼接 表示圆环。其缺点是图形边界粗糙曲线宽度不恒定。如果要保持原设计精 度将产生很大的数据量，增加了曝光处理时间，也会使先期的图形分割更加 困难。 2 极坐标曝光法 采用这种方法，刻写过程按圆弧曲线进行。曝光点坐标值由极坐标变换公式 得出。其缺点是电子束沿曲线运动，每改变一点，x 和y 方向都要移动相 应的偏移量，曝光整体时间延长。而且对于不同半径圆环曝光时，曝光速率 不同。 3 折线近似或梯形拼接 对圆环的外圆用内接多边形逼近，内圆用外切多边形逼近，理论上该多边形 可以和圆接近到任意程度。对于不同精度要求，使用不同边数逼近，可在精 度和计算量之间折衷。 4 实时计数法 其基本思路是电子柬在需要曝光得区域内作直线扫描。同时，微处理器快速 计算出下一条扫描线的两个端点坐标值，并将其送往图形发生器。当前扫描 结束后，图形发生器进行下一条扫描线的扫描，如此重复直到图形结束。 4 3 1 基于d s p 的圆类图彤绘制算法 但是上述算法都有缺点，运算量大，时间长，图形拟和程度不高，还需要更 好的优化算法。b r c s e n h a m 算法是使用非常广泛的扫描转换算法。该算法最初是 为数字绘图仪设计的。b r e s e n h a m 算法可以在己知曲线方程的前提下。通过设定 第四章图形发生器的软件实现 取样点集合，在每一取样步寻找最接近曲线象素的决策参数，确定下一点坐标。 周而复始，可以得到近似曲线所有点的坐标。同样，在生成直线等非圆锥曲线的 过程中，也是在象素中找到与理想图线最近的象素来进行扫描转换。 不失一般性，考虑圆心在原点，半径为r 的第一个四分圆。取( o ，r ) 为起点， 按顺时针方向生成圆，如图4 2 。从这段圆弧的任一点出发，顺时针方向生成圆 时，为了最佳逼近该圆，下一象素的取法只有三种可能的选择：正右方象素，右 下方象素和正下方象素，分别记为风d 和儿如图4 3 。 x 图4 2 第个四分匮 缸i i 盘+ i 功 飞c 净一1 ) d 伍+ l 一1 ) 图t 3 下一象素自仨个饿选者 在这三个象素中，与理想圆弧最为接近者为所求象素。如图4 4 理想圆弧和 这三个候选点之间的关系只有下列五种情况： 1 日、d 、v 全在圆内 2 h 在圆外，d 、矿在圆内 3 d 在圆上，h 在圆外，矿在圆内 4 h 、d 在圆外，v 在圆内 5 打、d 、v 全在圆外 图4 4理想圆弧和三个候选象素的位置关系 上述三点到圆心的距离平方与圆弧上一点到圆心距离平方之差分别为： a 芹= ( x + 1 ) 2 + y 2 一r 2 a d = ( x + 1 ) 2 + ( y 1 ) 2 一r 2 ( 4 5 ) a p = x 2 + ( y 1 ) 2 一r 2 第四章图形发生器的软件实现 在选择最佳逼近该圆的象素时，我们希望只判别误差项的符号。 如果。 0 ，则右下方象素d 在圆内，圆弧与候选点的关系只可能是与 的情形。此时最佳逼近圆弧的象素只可能是日或d 之一。为了确定日和d 哪个 更接近圆弧，令 = h i - i a 。i = 阻1 ) 2 + y 2 一r 2 h ( x + 1 ) 2 + ( y 1 ) 2 - r 2 i ( 4 6 ) ， 若以。 0 ，则圆到右下方象素d 的距离较小，取d 为下 一象素。而当= o 时，二者均可约定取日。 对于情形，日总在圆外，d 总在圆内，因此。0 ，a 。s 0 ，所以可 以简化为 6 矗= a h + d = ( x + 1 ) 2 + y 2 一只2 + ( x + 1 ) 2 + ( y 一1 ) 2 - r 2 = 2 a d + 2 y - i ( 4 7 ) ， 故可根据2 d + 2 y - 1 的符号，判断应取h 或d 。 再考虑情况，此时h 和d 都在圆内，而在这段圆弧上y 是x 的单调递减 函数，所以只能取日为下一象素。又由于此时a o l ；t a d 0 ，因此 2 a d + 2 y 一1 = h + d o 时若0 ，则取日，否则取d ； 当a d 0 ；对于 圆内的点，f ( x ，y ) o 。假设m 是p 1 和n 的中点，目p m ( x ，+ l ，y p - 0 5 ) 。 当f ( m ) 0 时，m 在圆外，说明岛距离圆弧更近，应取巧作为下一象素。当 f ( m ) = 0 时，m 在圆上，在p ，和n 之中任取一个即可，我们约定取b 作为下 一象素。 象素点的判别如图4 6 。因此可以构造判别方程： 若d 0 ，则j d 为下一象素，且下一象素判别函数为 d = ，( x p + 2 ，y p 一0 5 ) = ( x p + 2 ) 2 + ( y p o 5 ) 2 _ r 2 = d + 2 x p + 3 ( 4 8 ) d = 厂( m ) = f ( x p + 1 ，y p - 0 5 ) = ( x p + 1 ) 2 + ( y p - o 5 ) 2 一r 2 ( 4 9 ) 若d 0 ，则为足下一象素，且下一象素判别函数为 d ，( x p + 2 ，y p 1 5 ) = ( x p + 2 ) 2 + ( y p 1 5 ) 2 - - r 2 = d + 2 ( x p y p ) + 5 ( 4 1 0 ) 从而得到决策函数及迭代增量。 y 厂a 。 i 尸 图4 5 圆函数图形图4 6 当前象素与下一象素的候选者 算法的步骤可以概括如下： 1 输入圆半径和圆心( x c ，y 。) ，并得到圆周上的第一点为：( ，儿) = ( 0 ，r ) 第四章图形发生器的软件实现 2 初始的决策参数为：风= 厶。( 1 ，一三) = l + ( ，一言) 2 一，2 则风= = 5 一，或岛= l 一，( ，是整数) 3 在每个矗位置处，从k = o 开始，完成下列检测：假如p 。 0 ，中心在( 0 ，o ) 的圆的下一个点为r + t ( x ，n ) ，且仇“= p i + 2 x + 1 2 y ，其中 2 x 女“= 2 砟+ 2 1 j 2 y k “= 2 y i 一2 4 将每个计算出的象素位置( x ，y ) ，移动到中心在( ，y 。) 的圆路径上，得到 实际坐标值：x = x i - x c ，重复步骤3 、4 ，直到工j ，。 一y 1 ，c x 2 y 时，转折点b 坐标为( 儿) = ( 云，孝r ，工 y 时的算法类似于x y 时的算法。圆周的其他部分可通过对称性同理得出。 4 3 2 椭圆图形的生成算法 在上面所提到的圆生成算法可以推广到一般二次曲线。下面我们讨论利用这 种方法对标准椭圆进行扫描转换。椭圆的方程为f ( x ，_ y ) = 6 2 x 2 + a ：y 2 一a ：b 2 = 0 ， 其中a 为沿x 轴方向的长半轴长度，b 为沿y 轴方向的短半轴长度，a 、6 均为整 数。由于椭圆的对称性，我们只需讨论第一象限的椭圆弧，再进一步把它分为两 部分，以弧上斜率为一1 的点( 即法向量的两个分量相等的点) 作为分界点。 f爵 图4 7 第一象限的椭圆弧 椭圆上任意一觚 处的法向量为( w ) = 篆f + 爹= 2 b z x i + 2 a 2 ，其 中i 和_ ，分别为沿x 轴和y 轴方向的单位向量。在图4 7 中的i 部分，法向量的 第四章图形发生器的软件实现 分量更大，而在部分，法向量的x 分量更大。因此若在当前中点，法向量 ( 2 6 2 ( z p + 1 ) , 2 a 2 ( 蚱- 0 5 ) ) m y 分量比x 分量大，即b 2 ( x p + 1 ) a 2 ( y ，- 0 5 ) 。而 在下一个中点，不等号改变方向，则说明椭圆弧由i 部分转入i i 部分。 与中点画圆法类似，当我们确定一个象素之后，接着在两个候选象