工件臺(tái)與掩模臺(tái)控制系統(tǒng)若干問(wèn)題研究.pdf

1、光刻機(jī)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(jìn)掃描式光刻機(jī)是當(dāng)今國(guó)際主流的光刻設(shè)備,同時(shí)伴隨著雙工件臺(tái)和浸沒(méi)式光刻等新型技術(shù),使光刻機(jī)的分辨率、套刻精度和產(chǎn)率達(dá)到前所未有的程度。工件臺(tái)掩模臺(tái)分系統(tǒng)是光刻機(jī)的重要組成部分,控制系統(tǒng)的品質(zhì)對(duì)工件臺(tái)和掩模臺(tái)的精度、生產(chǎn)效率有很大影響。本文主要針對(duì)工件臺(tái)和掩模臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中幾個(gè)重要的問(wèn)題進(jìn)行研究,包括:6自由度動(dòng)力學(xué)模型,宏-微控制問(wèn)題,工件臺(tái)和掩模臺(tái)的同步控制問(wèn)題

2、,掃描運(yùn)動(dòng)和步進(jìn)運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃,雙工件臺(tái)換臺(tái)問(wèn)題。
　　首先,建立了工件臺(tái)和掩模臺(tái)的6自由度動(dòng)力學(xué)模型。根據(jù)工件臺(tái)和掩模臺(tái)的實(shí)際機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作特點(diǎn)建立的頻域模型,能夠反映出在多個(gè)執(zhí)行電機(jī)共同作用下的運(yùn)動(dòng)特性,同時(shí)體現(xiàn)了硅片曝光區(qū)域不斷變化對(duì)模型帶來(lái)的影響。與單自由度模型相比,忽略了執(zhí)行電機(jī)電氣特性等次要因素,但是模型能夠更準(zhǔn)確地描述被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性和多自由度耦合影響。6自由度動(dòng)力學(xué)模型具有更高的精度并且符合光刻機(jī)的設(shè)計(jì)原理和工作

3、特點(diǎn)。
　　其次,針對(duì)硅片曝光區(qū)域變化的問(wèn)題,采用了以微動(dòng)臺(tái)質(zhì)心運(yùn)動(dòng)為控制對(duì)象的設(shè)計(jì)思路,利用芯片與硅片幾何中心的相對(duì)位置計(jì)算位置參考軌跡的解算矩陣,其優(yōu)點(diǎn)是被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型是線性時(shí)不變,可以對(duì)6個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度分別設(shè)計(jì)獨(dú)立的單輸入單輸出控制器。工件臺(tái)和掩模臺(tái)均采用宏動(dòng)跟蹤微動(dòng)的宏-微控制結(jié)構(gòu),解決超高精度與大行程運(yùn)動(dòng)之間的矛盾,但控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是微動(dòng)控制器。對(duì)工件臺(tái)和掩模臺(tái)分別設(shè)計(jì)了位置-速度雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)的PID控制器。針對(duì)工件

4、臺(tái)存在未建模擾動(dòng)和電機(jī)推力波動(dòng)問(wèn)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(jī)推力存在一定的擾動(dòng)下,工件臺(tái)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(diǎn),對(duì)掩模臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(guò)仿真驗(yàn)證了存在輸入擾動(dòng)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(tái)和掩模臺(tái)的同步控制問(wèn)題。分析對(duì)比了交叉耦合和主從同步控制方法,根據(jù)工件臺(tái)和掩模臺(tái)的實(shí)

5、際掃描速度和質(zhì)量關(guān)系,選擇以工件臺(tái)為主動(dòng)系統(tǒng),掩模臺(tái)為從動(dòng)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(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的函數(shù)作為同步偏差系數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)變滑模面,使掩模臺(tái)的滑模控制器在曝光掃描時(shí)間段內(nèi)起到減小同步偏差的作用。通過(guò)Matlab仿真驗(yàn)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(tái)控制偏差的關(guān)系?；诘鷮W(xué)習(xí)理論對(duì)掩模臺(tái)設(shè)計(jì)了同步學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)。針對(duì)硅片曝光區(qū)域變化引起工件臺(tái)掃描方向位置輸出變化的問(wèn)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(gè)很小的鄰域內(nèi)。仿真結(jié)果表明硅片曝光區(qū)域變化會(huì)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(duì)雙工件臺(tái)換臺(tái)問(wèn)題和步進(jìn)掃描運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃和控制問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)研究。對(duì)硅片掃描運(yùn)動(dòng)的過(guò)程進(jìn)行分析,給出了109芯片情況下硅片的最短處理時(shí)間,以此規(guī)劃了5階S曲線。從縮短步進(jìn)時(shí)間的角度,對(duì)工件臺(tái)步進(jìn)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)了時(shí)間-沖擊最優(yōu)的改進(jìn)S曲線。仿真結(jié)果說(shuō)明,在運(yùn)動(dòng)距

7、離相同的情況下改進(jìn)S曲線比5階S曲線的運(yùn)動(dòng)時(shí)間更短,運(yùn)動(dòng)軌跡平滑并且不會(huì)超出執(zhí)行電機(jī)的允許范圍。對(duì)比了國(guó)內(nèi)外幾種典型的雙臺(tái)交換方法,對(duì)換臺(tái)過(guò)程中的工件臺(tái)運(yùn)動(dòng)路徑問(wèn)題進(jìn)行分析并且對(duì)平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)兩種典型換臺(tái)方法設(shè)計(jì)了最佳的換臺(tái)路徑。從控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度研究了換臺(tái)過(guò)程的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)問(wèn)題,提出了時(shí)間-沖擊最優(yōu)的工件臺(tái)控制算法,在縮短換臺(tái)時(shí)間的基礎(chǔ)上避免了單純時(shí)間最優(yōu)Bang-Bang控制加速度突變的缺點(diǎn)。Matlab仿真給出了各種不同方法的換臺(tái)時(shí)間