集成电路光刻机精密运动台控制方法

Posted 2022-12-15 深圳信迈科技DSP+ARM+FPGA

集成电路的持续发展推动了信息技术的进步 。 步进扫描式光刻机是集成电路装备中 技术难度最高 、 价格最昂贵的关键设备 。 其中 ， 精密运动台是光刻机最为核心的子系统之一 ， 高速 、 高加速和高精度的要求对控制方法的研究和应用提出了挑战 。 文中对集成电路光刻机 中精密运动台的控制方法进行了综述 。 首先 ， 介绍了面向光刻机工件台或掩模台单一运动台 的前馈反馈复合控制方法 ； 其次 ， 介绍了工件台和掩模台的同步控制方法 ； 最后 ， 介绍了运动台 的主动减振控制方法 。 ０ 引 言 　　 集成 电 路 （ ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ ， ＩＣ ） 领域 的不 断发展 ， 为信息时代的技术进步提供了坚 实基 础 。 依据 ＩＣ 行 业 的摩尔定律 ， ＩＣ 集成 度大 约每 ３ 年 提高 ４ 倍 。 这离不开众多 ＩＣ 装 备起到的关键支 撑作用 ， 尤其是 光 刻 机 ， 是 ＩＣ 装 备中技术难 度 最 高、 价格最昂贵的核心设备 。 对 于 世界上最 高 端 的步进扫描式光 刻 机 ， 目 前 仅 有 荷 兰 ＡＳＭＬ 公 司、 日本 Ｎｉｋｏｎ 公司和 Ｃａｎｏｎ 公司 能 够量产 ， 并 垄断了高 端 光 刻 机 市场 。 光 刻 机 内部结构如图 １ 所示 。

 

光 刻 机 主要由 光 源和照明 系 统 、 投影物镜 系 统和运动 台 系 统 等 分 系 统组成 。 其中 ， 运 动 台 系 统是 光 刻 机 最为核心的分 系 统之一 ， 依据功 能 可 分为承载掩模的掩模台和承载硅片的工 件台两部 分 。 光 刻 机 运 动 台 系 统是 光机电 一体化的产物 。 　　 工 件台模型如图 ２ 所示 。 工 件台由粗 动 和 微动 两部分组成 ， 并且使用亚纳米级精度的激光干涉仪作为位移传感器，使 用精密 运 动 控 制 技术可 实 现亚 纳 米级运 动精度 。 　　 在 光 刻 机 的扫描曝 光 过 程 中 ， 光 线通过照明系统照射到画 有电 路图形的掩模上 ， 掩模台和 工 件台沿事先规划的运 动 轨迹加速运 动 到曝 光 位置， 在 高 速运 动 的同时把掩模的图形通过投影物 镜曝 光 在涂 有光 刻胶的硅片上 ， 完成一个曝 光 场 的曝光 。 然 后 工 件台移 动 到下一个曝 光 场 ， 重复 上述曝 光动 作 ， 直到完成整个硅片上所 有 场的扫 描曝光 。 在 光 刻过 程 中 ， 需要对运 动 台 系 统进行 精密 运 动 控 制 ， 才 能 在所 有 曝 光 场 实 现快速且 精 密的曝 光 。 在 光 刻 机 中 ， 由 于 曝 光 过 程 是在 高 速运 动 中 完成的， 其扫描和定位 精度 直接影响曝 光 的成像 质量和套刻 精度 ， 因而要求扫描和定位 精度 要达 到纳 米级 。 此外 ， 运 动 轨迹的加速 度 和速 度 直接 影响着 光 刻 机 产率 ， 因此对运 动 台加速 度 和速 度等运 动 指标 有 极 高 要求 。 通常 ， 高 速 、 高 加速和 高 精度 三者是相互矛盾的 ， 同时追求运 动 指标和 精度指标 ， 提升 光 刻 机 的曝 光 质量和产率极 具挑战 性 ， 也 对 精 密 运 动 控 制 方 法 提 出 了 更 高 的 要 求 。 １ 前馈和反馈结合的复合控制 １ ． １ 两自由度控制结构 光 刻 机 运 动 台 系 统 是 多 输 入 多 输 出 （Ｍｕｌｔｉｐｌｅ－ＩｎｐｕｔＭｕｌｔｉｐｌｅ － Ｏｕｔｐｕｔ ， ＭＩＭＯ ） 系 统 ， 在进行高精度 运 动 控 制 时 ， 首先需要对多个物理 轴和逻辑轴进行解耦 ， 将其转换为若干个单输入 单输 出 （ Ｓｉｎｇｌｅ－ＩｎｐｕｔＳｉｎｇｌｅ－Ｏｕｔｐｕｔ ， ＳＩＳＯ ） 系 统， 然 后对每个运 动自 由 度 的控 制器 进行独立设 计。 对 于 每个运 动自 由 度 普遍采 用前 馈 与 反馈结 合的两 自 由 度复合 控 制 方法 ， 其控 制 结构如图 ３ 所示。

 

两 自 由 度 控 制 结构包含一个反馈控 制器 Ｃ ｆｂ 和一个前 馈控 制器 Ｃ ｆｆ 。 前 馈控 制器具有超前 特 性 ， 可以利 用 参考轨迹的 已 知信息 实 现运 动 台对 运动 指令的快速跟踪 ， 改善 动 态响 应 ， 缩短稳定时 间。 反馈控 制器 是 基于 跟踪误差设计的 ， 其 目 的 是稳定运动 台 系 统 ， 并提供扰 动 抑 制能 力及鲁棒 性。 １ ． ２ 迭代学习控制 在典型的 前 馈控 制 技术中 ， 光 刻 机 运 动 台被控对象的逆模型被用于 构建 前 馈控 制器 。