工件臺與掩模臺控制系統(tǒng)若干問題研究.pdf

1、光刻機是一種半導(dǎo)體制造裝備,是芯片生產(chǎn)流程中的關(guān)鍵設(shè)備。193nm步進掃描式光刻機是當(dāng)今國際主流的光刻設(shè)備,同時伴隨著雙工件臺和浸沒式光刻等新型技術(shù),使光刻機的分辨率、套刻精度和產(chǎn)率達到前所未有的程度。工件臺掩模臺分系統(tǒng)是光刻機的重要組成部分,控制系統(tǒng)的品質(zhì)對工件臺和掩模臺的精度、生產(chǎn)效率有很大影響。本文主要針對工件臺和掩模臺控制系統(tǒng)設(shè)計過程中幾個重要的問題進行研究,包括:6自由度動力學(xué)模型,宏-微控制問題,工件臺和掩模臺的同步控制問題

2、,掃描運動和步進運動的軌跡規(guī)劃,雙工件臺換臺問題。
　　首先,建立了工件臺和掩模臺的6自由度動力學(xué)模型。根據(jù)工件臺和掩模臺的實際機械結(jié)構(gòu)和工作特點建立的頻域模型,能夠反映出在多個執(zhí)行電機共同作用下的運動特性,同時體現(xiàn)了硅片曝光區(qū)域不斷變化對模型帶來的影響。與單自由度模型相比,忽略了執(zhí)行電機電氣特性等次要因素,但是模型能夠更準確地描述被控對象的動態(tài)特性和多自由度耦合影響。6自由度動力學(xué)模型具有更高的精度并且符合光刻機的設(shè)計原理和工作

3、特點。
　　其次,針對硅片曝光區(qū)域變化的問題,采用了以微動臺質(zhì)心運動為控制對象的設(shè)計思路,利用芯片與硅片幾何中心的相對位置計算位置參考軌跡的解算矩陣,其優(yōu)點是被控對象的數(shù)學(xué)模型是線性時不變,可以對6個運動自由度分別設(shè)計獨立的單輸入單輸出控制器。工件臺和掩模臺均采用宏動跟蹤微動的宏-微控制結(jié)構(gòu),解決超高精度與大行程運動之間的矛盾,但控制系統(tǒng)設(shè)計的重點是微動控制器。對工件臺和掩模臺分別設(shè)計了位置-速度雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)的PID控制器。針對工件

4、臺存在未建模擾動和電機推力波動問題,提出了一種MIMO滑模變結(jié)構(gòu)控制算法,仿真結(jié)果表明當(dāng)音圈電機推力存在一定的擾動下,工件臺的位置跟蹤精度仍在要求范圍內(nèi)。利用芯片曝光具有重復(fù)性的特點,對掩模臺系統(tǒng)設(shè)計了一種帶有遺忘因子的迭代學(xué)習(xí)算法,并證明學(xué)習(xí)律的收斂性,通過仿真驗證了存在輸入擾動和初始定位偏差情況下迭代學(xué)習(xí)系統(tǒng)的控制效果。
　　再次,研究了工件臺和掩模臺的同步控制問題。分析對比了交叉耦合和主從同步控制方法,根據(jù)工件臺和掩模臺的實

5、際掃描速度和質(zhì)量關(guān)系,選擇以工件臺為主動系統(tǒng),掩模臺為從動系統(tǒng)的主從同步控制結(jié)構(gòu)?；诨Ｗ兘Y(jié)構(gòu)理論提出了一種同步控制算法,用體現(xiàn)掃描運動特點的函數(shù)作為同步偏差系數(shù)設(shè)計時變滑模面,使掩模臺的滑?？刂破髟谄毓鈷呙钑r間段內(nèi)起到減小同步偏差的作用。通過Matlab仿真驗證了滑模同步控制算法的效果并分析了同步偏差和掩模臺控制偏差的關(guān)系?；诘鷮W(xué)習(xí)理論對掩模臺設(shè)計了同步學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)。針對硅片曝光區(qū)域變化引起工件臺掃描方向位置輸出變化的問題,從期

6、望軌跡慢變的角度提出了一種同步學(xué)習(xí)算法,使同步偏差收斂于一個很小的鄰域內(nèi)。仿真結(jié)果表明硅片曝光區(qū)域變化會引起同步偏差有規(guī)律的變化,但是算法的收斂性和同步精度符合要求。
　　最后,對雙工件臺換臺問題和步進掃描運動的軌跡規(guī)劃和控制問題進行了詳細研究。對硅片掃描運動的過程進行分析,給出了109芯片情況下硅片的最短處理時間,以此規(guī)劃了5階S曲線。從縮短步進時間的角度,對工件臺步進運動設(shè)計了時間-沖擊最優(yōu)的改進S曲線。仿真結(jié)果說明,在運動距

7、離相同的情況下改進S曲線比5階S曲線的運動時間更短,運動軌跡平滑并且不會超出執(zhí)行電機的允許范圍。對比了國內(nèi)外幾種典型的雙臺交換方法,對換臺過程中的工件臺運動路徑問題進行分析并且對平動和轉(zhuǎn)動兩種典型換臺方法設(shè)計了最佳的換臺路徑。從控制系統(tǒng)設(shè)計的角度研究了換臺過程的點對點運動問題,提出了時間-沖擊最優(yōu)的工件臺控制算法,在縮短換臺時間的基礎(chǔ)上避免了單純時間最優(yōu)Bang-Bang控制加速度突變的缺點。Matlab仿真給出了各種不同方法的換臺時間