光刻机工件台控制系统设计*

1  引言
近年来,在超精密加工、生物工程、半导体加工等领域中,对平台设备的运动控制精度的要求越来越苛刻,超精密运动控制技术也正在受到特别的重视。从 1973 年世界上第一台光刻机诞生以来,光刻技术及光刻机的发展可谓日新月异,突飞猛进。近20年来己连续攻克2μm,1.0μm,0.8μm,0.5μm,0.35μm,0.25μm,0.18μm以及0.15-0.13μm等数道光刻标准线宽难关。特征尺寸为 0.1μm线宽的光刻设备已经投入规模生产[1]。
光刻机是 IC制造业的核心装备,而工件台掩膜台系统又是工件台系统中运动控制的核心组成部分,具有扫描、上下片、定位、调平调焦等一些功能。其运动控制的性能对光刻机的工作效率及精度都有着非常大的影响。近年来光刻机技术发展迅速,对工件台掩膜台系统的性能也越来越高,这就对工件台控制系统的设计提出了很高的要求。
本文内容安排如下:第2部分建立系统对象的数学模型,推导出其传递函数表达式;第3部分给出本系统控制方案设计;第4部分介绍控制系统的仿真与仿真结果;第5部分给出控制系统的误差分析;第6部分为结束语。

2  系统建模
2.1  光刻机控制系统总体简介
光刻机控制系统分为三个部分:工件台I控制系统、工件台II控制系统、掩模台控制系统。控制系统是整个系统的核心部分,包括上位机系统、同步总线控制器、工控机、工件台控制系统、掩模台控制系统、宏微运动控制卡、位置测量单元、线缆台控制系统等几个主要部分。系统的总体如图1所示。

工件台是光刻机的核心部件之一,在光刻机系统中占据着重要的地位,对光刻机的精度和效率有着很大的影响。它应具有高定位精度、高响应速度、良好的动态性能等特点,并且又需要进行大行程运动。所以在设计控制系统时,应该综合考虑这些要求,加以设计。
2.2  工件台电机模型
针对工件台高速度,高精度的要求,大行程电机选择了直线电机。直线电机是一种将电能直接转化为直线运动的机械能的装置,不需要借助其他的中间装置,它把旋转伺服电机展开,定子变成了滑动块,转子变成了一个磁轨,可以看做是一种直线进给的旋转电机。直线电机的机电原理和旋转电机是一样的,所以控制方法也基本一致。但是由于直接做直线运动,所以它有以下几个优点:
1)  结构简单。因为直接可以推动负载做直线运动,而不需要再像旋转电机一样需要中间转换装置,所以大大简化了电机的结构,缩减了成本,使维护更加方便。同时动态性能和定位精度也大大提高。
2)  适合做高速直线运动。因为不存在离心力的限制,所以可以达到较高的速度而不受材料和结构的制约。
3)  易于调节和控制。
4)  适应性强等。
音圈电机(Voice coil motor),是一种新型直线电机。由于其工作原理和扬声器工作原理类似,习惯上称为音圈电机。它具有结构简单、体积小、噪声低、比推力高、加速度大(超过20倍的重力加速度)、响应速度快(毫秒级)、精度高(可达1-5}m)、维护方便、可靠性高等这些优点。
音圈电机的原理和其他电机类似,将通电的导体放在磁场中,根据电流和磁力,产生作用力。
根据音圈电机的工作原理推导出的传递函数框图,如图2。

2.2.1  音圈电机的静态特性
静态特性可由静态时的电压平衡方程和力平衡方程得出。即

式中为电机线圈端电压,为线圈中电流,为气隙磁密平均值,为气隙磁场中的线圈导体长度;为电机的直线运动速度;为电磁力;为电机运动部分的静阻力,由上式推导

2.2.2  音圈电机的动态特性
音圈电机的动态特性是根据动态时电机的电压平衡方程得出的。这时有:

音圈电机的机械特性曲线和调节特性全是线性的。
其中为线圈的电感将上式进行拉式变换得,为运动部分质量:
将上式进行拉式变换得
式中为电机的机电时间常数为电机的电磁时间常数;为电机的速度常数。
根据已知电机参数:

我们计算得到电机传递函数:

3  控制系统设计
3.1  控制系统设计原理图
为提高设备的生产效率,即保证单位时间内光刻产品的台件数和成品率,要求工件台和掩模台各子系统对动态信号有很好的跟踪能力,这就要求系统的频带足够宽,任务书要求定位稳定时间要小于20ms,对应系统带宽要设计到以上。
要想达到这样宽的频带要求首先得从机械设计和元器件入手,机械台体的谐振频率要远离系统的频带应设计在5~10倍的;驱动机构选择直线电机和音圈电机。音圈电机,它以高分辨率、无滞后、高响应、高加速度、高速度、体积小、力特性好、控制方便等特点, 更适用于要求高加速度、高频激励、快速和高精度定位运动系统,其频响也要在1kHz以上;测量元件电容式位移传感器和激光干涉仪响应要在20kHz以上,满足最小分辨率和定位精度及动态精度的要求。
由于系统的带宽很高,所以对噪声以及干扰的抑制带来了很大的问题。对于高频谐振,采用陷波器来抑制。在机械机构上改进,如通过提高结构刚度、减小转动惯量来提高机械谐振频率或通过采用不同材料来提高机械结构阻尼,若转动惯量固定,欲使谐振频率加倍,需将刚度提高四倍,要提高结构阻尼,这就需要框架采用新材料。

控制系统上采用电流、速度和位置三环控制加给定信号顺馈补偿控制的方案,控制系统的结构如图3所示。电流反馈的作用是:在给定信号突然增大(或减小)时提供饱和驱动电流,使电机以最大加速度提速(或降速),同时不产生过流,电流反馈还可以抑制电机的力矩波动,同时增加了系统阻尼和抑制了电源电压波动。使用速度反馈,速度信号可以用状态观测器来获取,最简单的方法是利用位置检测信号差分获得,其主要作用是拓宽系统的频带,提高系统的速率平稳性。位置环控制器非常关键,它直接影响系统的频带、动态跟踪性能和静态精度,系统设计成一级无静差系统,对恒速信号有常值跟踪误差。为提高系统对动态信号的跟踪性能和进一步拓宽系统的频带又不影响系统的稳定性采用顺馈补偿的方法,通过给定信号的一阶差分乘以适当的系数和位置环控制器的输出相加作为速度环的输入。         
3.2  控制算法
数字PID控制是一种普遍采用的控制方法,由于光刻机工件台控制系统对实时性的要求很高,故不能采用智能PID方法。针对常用PID算法的不足之处,本系统采用改进PID控制算法。
考虑到在过程的启动、结束或大幅度增减设定值时,短时间内系统输出会有很大的偏差,会造成PID运算的积分积累,致使算得的控制量超过执行机构可能最大动作范围对应的极限控制量,最终引起系统较大的超调,甚至引起系统振荡。引进积分分离PID控制算法,即保持了积分的作用,有减小超调,是控制性能有了较大的改善。其具体实现为
1. 根据实际情况,设定阈值
2. 当时,采用PD控制,可避免过大的超调,又使系统有较快的响应。
3. 当时,采用PID控制,可保证系统的控制精度。
本系统的改进增量式PID算法流程如图4所示。

4  仿真与结果
工件台、掩模台要求高精度的定位和重复定位精度,所以采用短行程音圈电机和长行程直线电机进行宏微控制。利用激光干涉仪输出作为全局位置反馈,依靠微动台实现高带宽高精度的跟踪和定位:宏动台跟踪微动台。由于系统要求高速、高精度,采用宏动跟踪微动的控制策略仿真框图如图5所示,以工件台扫描方向运动为例,图6给出了工件台在扫描方向上的误差曲线,系统在整个扫描过程,定位误差在20nm以内,理论上满足系统要求。

实际系统中影响系统跟踪精度的因素很多,前面已经提到的系统高频谐振频率、系统各部分对象的参数不确定性、多轴运动过程中不同轴之间的耦合都对系统的物理建模有很大的限制,也进一步影响系统的控制精度。现仅以机械结构摩擦特性为例进行说明,系统的摩擦特性是影响静态精度的重要因素,系统设计中要从各方面入手来减少和抑制摩擦的影响。首先要在气浮导轨设计中近可能地减少摩擦力矩和涡流力矩,第二减少驱动电机的死区非线性,直线电机死区设计在1/1000以内;音圈电机设计在0.3/10000以内。
在控制器设计上采用适当幅度高频振荡信号加在电机的输入端起动动态润滑作用,还可采用摩擦模型估计器预测摩擦干扰实现对系统的摩擦干扰补偿,同时一体化设计三环控制器的参数提高系统的稳定裕度,克服系统的极限环振荡,如图7所示。系统在干扰力矩下的仿真曲线如图8、图9所示。系统此时仍满足控制精度要求,理论上验证了该方法的可行性。

5  光刻机控制系统的误差分析
光刻机控制系统主要有两大部分误差,分别为:动态误差和静态误差,要实现为达到控制系统的精度要求,需要将每部分的误差控制在一定的范围内,下面就工件台主要的系统误差进行分析,概括为以下几点:
动态误差:
(1) 光刻机系统需要一个良好的工作环境,但外界环境不可避免的要发生改变,这就是所谓的外界环境误差,我们要求外界环境给系统带来的误差不得高于3nm;(2) 工件台掩模台均工作在气浮导轨之上,易受摩擦阻力、涡流力矩等影响,误差不可避免,要求其控制在2纳米内;
(3) 控制系统设计成一阶无差系统,跟踪速度信号也存在误差,将其控制在允许的2nm范围内即可。
静态误差:
(1) 传感器受精度限制,必然会有误差,但需小于3nm;
(2) 所有软件指令为实现实时控制,拟采用定点数,有限字长带来舍入误差控制在0.3nm内;
(3) 外界扰动(包括电机的出力波动,电缆、水管、气浮导轨的扰动引起的静态误差)误差影响在3nm之内。
做到以上几点,且留有2nm的误差余量,这样最终的结果将能控制在我们所要求的范围内。

6  结束语
本文针对光刻机工件台对控制系统的性能指标要求,利用改进PID控制算法设计了三闭环控制系统,并进行了宏动跟微动的控制策略仿真,结果表明工件台控制系统达到精度要求,具有很好的实际效果,最后给出了光刻机控制系统的误差分析。

参考文献:
[1]  李艳秋.浸没式ArF光刻最新进展[J].电子工业专用设备.2006.(5):27-28.
[2]  曹来发,朱正堂.中国集成电路现状[J].科技情报开发与经济.2004,14 (2):191.
[3]  朱贻玮.我国 IC 芯片制造线目前状况分析[J].半导体行业.2010.(2):11.
[4]  董吉洪,田兴志,李志来,王明哲.100nm步进扫描投影光刻机工件台、掩模台的发展[J].光机电信息.2004,(5):20-21.
[5] International technology roadmap for semiconductors 2005 edition lithograp hy[Z].http://www.itrs.net/Links/2005ITRS/Litho2005.pdf73.
[6]  周得时.为研制我国自己的分步光刻机(DSW)而拼搏[J].电子工业专用设备1991,20(3):30-33.
[7] Ermst Abbe.Beitr ge Zur.Theorie des Mikroskopsund der mikroskopischen Wahrnehmung[J].Archivfur Mikroskopische Anatomie,1873.(9):413-468.
[8] 汪劲松,朱煜.我国“十五”期间 IC 制造装备的发展战略研究[J].机器人技术与应用.2002,(2):5～6.
[9] F.M.Schellenberg.Resolution Enhancement Technology:Thepast,thepresent,andExtension for the Future[C].Proc.SPIE,2004,5377:1-20.
[10] 隆媛媛.多变量耦合系统的解耦控制设计和仿真[D]广西师范大学,2010.4.
[11] 陈学东,何学明,叶燚玺.超精密气浮定位工作台技术[M].武汉.华中科技大学出版社.2008.2.
[12] 张晓峰.大行程超精密工作台关键技术研究[D].天津大学.2008:2-4.

作者简介:李聪(1988-),男,硕士研究生,从事飞行器控制,高精度伺服控制的研究。