外文翻譯--光刻投影鏡頭多閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)

1、<p>　　畢業(yè)設(shè)計(論文)外文資料翻譯</p><p>　　學(xué) 院： 機械工程學(xué)院 </p><p>　　專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 </p><p>　　姓 名： </p>

2、<p>　　學(xué) 號： </p><p>　　指導(dǎo)老師： </p><p>　　附 件： 1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。 </p><p>　　附件1：外文資料翻譯譯文</p><p>　　光刻投影鏡頭多閉環(huán)溫度控制

3、系統(tǒng)</p><p>　　聶宏飛 1，李曉平1，＊，何艷2。</p><p>　　1國家重點實驗室，數(shù)字制造裝備與工藝，華中科技大學(xué),武漢430074，</p><p><b>　　中國大學(xué)</b></p><p>　　2天華學(xué)院，上海師范大學(xué)，上海201815，中國</p><p>　　2008

4、年5月27日收稿； 2009年1月8日修訂； 2009年1月22日定稿；</p><p>　　2009年2月6日電子出版</p><p>　　摘要：圖像質(zhì)量是光學(xué)光刻工具的最重要指標(biāo)之一，尤其易受溫度、振動和投影鏡頭（PL）污染的影響。本地溫度控制的傳統(tǒng)方法更容易引入振動和污染，因此研發(fā)多閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)來控制PL內(nèi)部溫度，并隔離振動和污染的影響。一個新的遠程間接溫度控制（RITC）方案，

5、提出了利用冷卻水循環(huán)完成對PL的間接溫度控制。嵌入溫度控制單元（TCU）的加熱器和冷卻器用于控制冷卻水的溫度，并且，TCU必須遠離PL,以避免震動和污染的影響。一種包含一個內(nèi)部級聯(lián)控制結(jié)構(gòu)（CCS）和一個外部并行串聯(lián)控制結(jié)構(gòu)（PCCS）的新型多閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)被用來防止大慣性，多重遲滯，和RITC系統(tǒng)的多重干擾。一種非線性比例積分（PI）的算法應(yīng)用，進一步提高收斂速度和控制過程的精度。不同的控制回路和算法的對比實驗被用來驗證對控制性能的影響

6、。結(jié)果表明，精度達到0.006℃規(guī)格的多閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)收斂率快，魯棒性強，自我適應(yīng)能力好。該方法已成功地應(yīng)用于光學(xué)光刻工具，制作了臨近尺寸（CD）100納米的模型，其性能令人滿意。</p><p>　　關(guān)鍵詞：投影鏡頭，遠程間接溫度串級控制結(jié)構(gòu)，并行串連控制結(jié)構(gòu)，非線性比例積分（PI）的算法</p><p><b>　　簡 介</b></p><

7、p>　　由于集成電路縮小，更小的臨界尺寸（CD）要求，生產(chǎn)過程的控制越來越嚴(yán)格。作為最重要的制造工藝設(shè)備，先進的光學(xué)光刻工具需要更嚴(yán)格的微控制環(huán)境[1]，如嚴(yán)格控制其溫度、潔凈度、氣壓、濕度等。溫度波動，特別是導(dǎo)致圖像失真和平面圖像轉(zhuǎn)變，成為了光學(xué)光刻工具對圖像質(zhì)量影響的一個關(guān)鍵因素。投影鏡頭(PL)內(nèi)的溫度精度要求一個光刻工具在接近0.01℃制造一個小于100 nm的模型。另外需要PL內(nèi)部溫度收斂率快以降低光刻技術(shù)的所有權(quán)（Co

8、D）的成本. 然而，實現(xiàn)這些目標(biāo)是一個很大的挑戰(zhàn)，因為加熱器和冷卻器控制溫度要求操作遠離PL[2], 否則其性能將被它們的振動和污染所破壞。另一個原因是，PL內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，它包含數(shù)十個鏡頭，會導(dǎo)致幾個小時慣性，所以PL內(nèi)部的溫度反應(yīng)相當(dāng)緩慢，并需要很長時間去調(diào)整適應(yīng)。因此，一個新的結(jié)構(gòu)和控制算法是PL內(nèi)部溫度控制的必要和重要部分。</p><p>　　許多溫度控制結(jié)構(gòu)已經(jīng)被提出了。著名的經(jīng)典方法之一是被廣泛應(yīng)用于

9、簡單或低精度溫度控制系統(tǒng)的單閉環(huán)回路控制結(jié)構(gòu)【3】。當(dāng)被控對象變得更加復(fù)雜或產(chǎn)生分布式干擾時，串級控制結(jié)構(gòu)（CCS）的提出改善了精度和收斂率【4，5】。預(yù)測前饋控制結(jié)構(gòu)已被證明具有更好的滯后系統(tǒng)性能。另一種有效的方法，并行串級控制結(jié)構(gòu)（PCCS），也開發(fā)了具有延遲分布式干擾的系統(tǒng)。但是上述使用方法，很難實現(xiàn)PL內(nèi)部溫度控制的高精確度和快收斂率。</p><p>　　在此，本文提出了一種新的方法，即多閉環(huán)溫度控制系

10、統(tǒng)，含有一個內(nèi)部CCS和一個外部PCCS。本文大致分為四個部分。第一部分解釋了一個遠程間接溫度控制方法的應(yīng)用。第二部分是一個多閉環(huán)回路溫度控制結(jié)構(gòu)的分析。第三部分，一個雙進雙出非線性比例積分（PI）算法的提出用來提高控制過程的收斂速度和精度。在文章的最后一部分，對比實驗驗證了系統(tǒng)的有效性這種顯示，最后，給出了結(jié)論。</p><p>　　2 遠程間接溫度控制方法</p><p>　　為了

11、防止震動和污染影響PL的性能，一個遠程間接溫度控制的方法被提出來控制PL內(nèi)部溫度。不同于傳統(tǒng)的直接加熱和冷卻控制對象的方法，它借助于冷卻水和冷卻套間的熱交換使PL內(nèi)部溫度恒定。冷卻水通過長距離管道由TCU輸送至冷卻外殼。TCU由水箱、溫度傳感器、溫度控制器、加熱器、冷卻器和泵組成。它用于調(diào)節(jié)冷卻水的溫度以達到需求值。TCU和光刻工具放置在不同的潔凈室，如圖1所示。理論上，這種方法屬于開環(huán)結(jié)構(gòu)。</p><p>　

12、　除了PL，其他光刻技術(shù)的部分，如晶圓階段、標(biāo)線的階段、標(biāo)線交接、晶圓移交等，都在操作時產(chǎn)生熱量。TCU中的冷卻水還用于冷卻光刻技術(shù)的其他部件。循環(huán)系統(tǒng)回收冷卻水，節(jié)省最大能量，是很必要的。圖1展示了包括TCU、分離器、冷卻套和管道的循環(huán)系統(tǒng)。從儲水中抽出冷卻水通過管道和分離器進入冷卻套，最后通過合成器、管道和冷卻器流回儲水箱。</p><p>　　對冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的分析表明了影響PL內(nèi)部溫度的三個主要因素：干擾

13、多，遲滯多，還有慣性大。干擾多，包括冷卻水溫度波動，PL內(nèi)部熱量散失，PL和外部介質(zhì)之間的熱交換。冷卻水溫度波動是多種因素造成的，其中包括TCU內(nèi)部自勵溫度震蕩造成的非線性加熱冷卻，管道和周圍氣體之間的熱傳遞，以及光刻工具其他地方產(chǎn)生的熱量。在這個循環(huán)系統(tǒng)中，冷卻水溫度波動達到0.1℃是最差的情形。PL內(nèi)部熱量散失有兩個原因，一個是當(dāng)激光穿過透鏡時，內(nèi)部輻射和導(dǎo)熱交換，另一個是在鏡頭和內(nèi)部凈化氮之間的導(dǎo)熱和對流熱交換。至于激光，它的散熱

14、量大概是15W。PL與外部介質(zhì)之間熱交換來自兩個方面，一方面來自PL與其相鄰零件之間的相互熱交換，另一方面來自PL外部箱體和周圍空氣的導(dǎo)熱和對流熱交換。但是，PL和外部介質(zhì)之間交換的熱量由于其復(fù)雜性，故難以計算。遲滯多主要包括TCU 加熱和冷卻3秒遲滯，冷卻水交換3分鐘遲滯，還有PL和冷卻套間熱交換10分鐘遲滯。此外，PL的復(fù)雜結(jié)構(gòu)導(dǎo)致不平衡熱交換，而由于其體積大導(dǎo)致慣性在和小體積物體相比時，溫度波動較小。</p><

15、;p>　　上述分析表明，僅僅通過開環(huán)結(jié)構(gòu)使PL內(nèi)部溫度控制精度高和收斂速度快是非常難以實現(xiàn)的。此外，在開環(huán)結(jié)構(gòu)中還有很大的穩(wěn)態(tài)誤差。在以下部分中，我們將介紹一個提高PL內(nèi)部溫度控制的控制結(jié)構(gòu)，并解釋如何提高溫度控制精度和收斂率。</p><p><b>　　多閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　多閉環(huán)溫度控制結(jié)構(gòu)由一個內(nèi)部CCS和一個外部PCCS組成。&l

16、t;/p><p>　　3.1 串連控制結(jié)構(gòu)</p><p>　　PL溫度控制的內(nèi)部CCS如圖2所示。有兩個分別帶有兩個控制器的反饋回路。主要回路用來控制PL內(nèi)部的溫度(T1)。 TCU水箱中的冷卻水溫度控制(Tw)形成了第二條回路. 分析這個系統(tǒng)的運作質(zhì)量是很容易。如果PL內(nèi)部溫度偏離期望值(Ts), 嵌入主控制器中的控制算法會通過比較溫度的測量值Tl和期望值Ts之間的偏差而計算一個新的冷卻水

17、溫度設(shè)定值（Tt）。然后，發(fā)送新的設(shè)定值Tt給TCU的溫度控制器。隨后根據(jù)溫度測量值Tw和新的設(shè)定值Tt間的偏差，TCU中的控制算法計算加熱器和冷卻器的輸入值，并對TCU中水箱里的冷卻水進行加熱或者降溫，直到溫度達到新的設(shè)定值。PL內(nèi)部溫度期望設(shè)定值通過一臺機器連續(xù)地給出。Ti 控制回路是一個慢控制回路。Tw控制回路是一個快速控制回路，能快速跟隨主回路設(shè)定值Tt。當(dāng)一個新的設(shè)定值Tt發(fā)送到TCU，它需要幾分鐘時間去調(diào)整TCU水箱中的水溫

18、至設(shè)定值。二次回路具有很強的抗內(nèi)部干擾的能力。此外，還可以減少對主回路非線性和遲滯的影響。</p><p>　　圖3顯示了關(guān)于上述描述串級控制系統(tǒng)的控制原理圖。在下面的圖表和方程式，Gt(s)表示加熱器和冷卻器傳遞函數(shù),Gp(s)表示管道傳遞函數(shù)，Gl(s)表示PL傳遞函數(shù)。Gm(s) Gm(s)表示主控制回路傳遞函數(shù)，Gs(s)表示二次控制回路傳遞函數(shù)。Hm(s) 表示測量設(shè)備主回路傳遞函數(shù)，Hs(s)表示測量

19、設(shè)備二次回路傳遞函數(shù)。表示TCU水箱中冷卻水遲滯，表示通過管道的冷卻水遲滯，表示PL內(nèi)部熱交換遲滯，Nt(s) 表示TCU外部擾動,Np(s)表示管道外擾動,Nc(s)表示PL外部擾動,Nn(s)表示PL內(nèi)部擾動,Rl(s)表示PL內(nèi)部輸入溫度，Rt(s)表示TCU水箱中冷卻水的輸入溫度，C1(s)表示PL內(nèi)的輸出溫度，Ct(s)表示TCU水箱中冷卻水的輸出溫度。</p><p>　　二次回路中的輸入輸出函數(shù)如下

20、所示：</p><p>　　根據(jù)二次回路的穩(wěn)態(tài)，輸出Ct(s)近似等于輸入Rt(s)。因此，主回路的輸入輸出函數(shù)可表示如下：</p><p><b>　　在此</b></p><p>　　早期的研究表明，PL的時間常數(shù)約為4h。傳遞函數(shù)G1(s）為</p><p>　　傳遞函數(shù)Gp(s)為</p><

21、p>　　對于簡單的閉環(huán)系統(tǒng)CCS，很容易消除它的穩(wěn)態(tài)誤差。然而，根據(jù)方程式(2)和（3)，PL 里溫度的收斂率從開始到穩(wěn)態(tài)變慢，因為和的延遲。而且，很難獲得PL里面很精確的溫度，因為和的擾動。在定態(tài)的狀態(tài)之下，由于的作用，當(dāng)瞬時溫度變動超過冷卻水溫度0.1℃時，PL 里的溫度變動超過 0.O 1℃。需要幾個控制周期才達到下一個穩(wěn)定狀態(tài)。因此介紹PCCS來提高控制特性。</p><p>　　3.2 并行串聯(lián)控

22、制結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖4是擴展的PCCS。這個圖省略了操作系統(tǒng)，在系統(tǒng)的框中確定了主要組成環(huán)。與 CCS 相比較，也有兩個控制環(huán)和兩個控制器。一個是PL里溫度的主環(huán)，另一個是結(jié)合處冷卻水溫度的副環(huán)。它們之間的不同是主控制對象和副控制對象之間是并行的。副控制對象的輸出不是主控制對象的輸入。在這個系統(tǒng)中，控制運算法則是主要的控制器根據(jù)和之間的偏差決定一個新的冷卻水的最佳溫度值。然后輔助的控制器中的控制運算法則

23、依照和之間的偏差計算TCU的輸入?？刂骗h(huán)是一個慢的控制環(huán)。控制環(huán)是一個快速控制環(huán)，它過去一直快速的預(yù)測結(jié)合處的冷卻水最佳溫度值。當(dāng)PL內(nèi)的溫度是想要的值時，結(jié)合處冷卻水的溫度就是最佳溫度。這個最佳溫度將會保存為一個常數(shù)。從擾動抑制的觀點看，根據(jù)前饋控制相同的原則來控制輔助環(huán)。他們之間的不同是擾動必須是可測量的前饋結(jié)構(gòu)，而PCCS可應(yīng)用于不可測量的擾動。PCCS的另一個優(yōu)點是它可加速主環(huán)的收斂率。</p><p>

24、　　圖5顯示了上面提到的并行串聯(lián)控制系統(tǒng)的詳細原理圖。在下面的圖表和方程式中，代表結(jié)合處冷卻水的傳遞函數(shù)，代表副控制器的傳遞函數(shù)。代表輔助環(huán)測量裝置的傳遞函數(shù)，代表結(jié)合處冷卻水的輸入溫度，代表結(jié)合處冷卻水的輸出溫度。</p><p>　　副環(huán)的輸入輸出的傳遞函數(shù)如下：</p><p>　　在副環(huán)的穩(wěn)定狀態(tài)下，輸出和輸入近似相等。所以主環(huán)的輸入和輸出的傳遞函數(shù)可以簡化為：</p>

25、<p>　　比較方程（2）（3）和（7），我們可以得出擾動和延遲時間常數(shù)從主環(huán)分離，只有擾動和延遲時間常數(shù)仍在主環(huán)內(nèi)。所以輔助環(huán)獲得了物理結(jié)構(gòu)中互相延遲和互相擾動的分離，且隔離了主控制對象的非線性，互相延遲和互相擾動的影響。這種結(jié)構(gòu)也控制器設(shè)計的困難。即使冷卻水有溫度的變動，他也能通過副控制器補償。因此，PL內(nèi)的溫度控制可具有高精度和快收斂率。</p><p><b>　　非線性比例積分算

26、法</b></p><p>　　為了進一步提高系統(tǒng)的收斂率和精確度，一種具有非線性PI算法的二重輸入和二重輸出智能控制器被設(shè)計出來，如圖六所示。PL里的溫度偏差和結(jié)合處冷卻水的溫度偏差都是控制器的輸入端?？刂破鞯妮敵龆耸荰CU里面冷卻水溫度值和結(jié)合處最佳冷卻水溫度值。</p><p>　　控制器里嵌有智能算法。它包括兩級且根據(jù)理想的動態(tài)響應(yīng)分為五個控制階段。高級算法決定從我們先

27、前介紹的五個階段中選擇[10]。非線性PI算法在低級算法中使用，它將在后面的段落中介紹。</p><p>　　考慮到溫度控制系統(tǒng)的相互擾動特點，PI算法代替了不同比例積分算法（PID），因為不同項目將引起高頻率振動和增加系統(tǒng)穩(wěn)定性誤差。</p><p>　　圖七顯示了非線性PI算法的原理圖，在接下來的圖表和方程中，代表TUC內(nèi)冷卻水的溫度值，代表結(jié)合處最佳冷卻水的溫度值，代表PI控制法對的

28、影響，代表PI控制法對的影響，代表PI控制法對的影響，代表PI控制法對的影響，和代表數(shù)據(jù)融合系數(shù)。</p><p>　　控制算法可以被描述如下：</p><p>　　其中i=1，2，j=1，2，是基本不相關(guān)的增加的PI控制算法：</p><p>　　其中，代表比例系數(shù)，代表積分系數(shù)，代表取樣結(jié)果，和分別代表在k-1和k時刻的控制輸出，e（k-1）和e（k）分別代表（

29、k-1）和k時刻的信號偏差。</p><p>　　數(shù)據(jù)混合系數(shù)由已有的規(guī)則得出。詳細規(guī)則如下：</p><p>　　其中代表由PL內(nèi)溫度的的穩(wěn)態(tài)誤差決定的偏差值，代表由PL內(nèi)溫度的暫態(tài)誤差決定的擾動值，代表由結(jié)合處冷卻水溫度的穩(wěn)態(tài)誤差決定的偏差值，代表由結(jié)合處冷卻水溫度的暫態(tài)誤差決定的擾動值。</p><p>　　根據(jù)已有的規(guī)則和控制過程的輸入信息，可以獲得十六種不

30、同的算法。根據(jù)輸入數(shù)據(jù)控制器可以靈活的選擇任何一種算法。這不僅能提高算法的適應(yīng)性和收縮率，還能增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性和反干擾能力。</p><p>　　實驗驗證控制結(jié)構(gòu)與算法</p><p>　　如圖8所示，建立了一個實驗平臺來驗證該方法的有效性，其中包括一個仿制PL，溫度傳感器，溫度測量系統(tǒng)，TUC，工程計算機，隔熱室，光源等。仿制的PL與實際的PL具有相同的溫度特性。隔熱室模仿光刻表面隔離熱

31、的作用。用一個20W的白熾燈作為暴露光源。三個溫度傳感器具有高精度的負溫度系數(shù)，的校準(zhǔn)精度是用來檢測PL內(nèi)的溫度，結(jié)合處冷卻水的溫度和熱隔離室外環(huán)境的溫度。溫度測量系統(tǒng)由1590模型超溫度計和一個具有分辨率的掃描器組成。TCU配置了的精確度。工程計算機上具有智能算法。</p><p>　　用四個實驗來檢測控制系統(tǒng)和算法：（a）是用開環(huán)結(jié)構(gòu)，（b）使用具有PI算法的CCS，（c）使用具有PI算法的PCCS，（d）使

32、用具有非線性PI算法的PCCS。在這些試驗中理想的PL溫度是22℃，非線性PI算法的參數(shù)是：是0.01℃，是0.005℃，是0.02℃，是0.05℃。</p><p>　　實驗結(jié)果如圖9所示。圖9（a）展示了開環(huán)結(jié)構(gòu)的溫度曲線。正如圖9所示，PL里的溫度在21.75℃穩(wěn)定且沒有達到TCU設(shè)置的22℃.由于開環(huán)系統(tǒng)中存在三個大的穩(wěn)定性誤差，使用閉環(huán)系統(tǒng)是非常必要的。圖9（b）顯示了使用閉環(huán)系統(tǒng)CCS在20小時后代到

33、了穩(wěn)定。圖9（c）顯示了溫度收斂比圖9（b）快，但PL內(nèi)溫度的精確度并沒有得到很大的提高。圖9（d）顯示了具有非線性PI算法的PCCS系統(tǒng)的溫度曲線。它只用了4.5小時達到了穩(wěn)定。即使外部溫度在內(nèi)擺動，PL內(nèi)的溫度仍可以達到的穩(wěn)定性。很明顯新的方法大大的增加了收斂率，精確性和抗干擾能力。</p><p><b>　　6 結(jié)論</b></p><p>　　通過使用閉

34、環(huán)交互系統(tǒng)可以提高光刻PL的溫度控制準(zhǔn)確性。通過分析和實驗揭示了具有PI算法的PCCS系統(tǒng)具有預(yù)測和滾動最優(yōu)的能力。它在收斂率，控制精確性，抗干擾能力方面比開環(huán)結(jié)構(gòu)和閉環(huán)CCS更好。它用于光學(xué)領(lǐng)域生產(chǎn)100nm工具。經(jīng)過簡單的改進，它也可以控制其他的需要遠程遙控的非直接溫度控制，尤其是侵入液體的侵入式光刻等復(fù)雜對象的溫度控制。</p><p><b>　　參 考 文 獻</b></p&

35、gt;<p><b>　　簡 介</b></p><p>　　聶宏飛，生于1978年，目前是中國華中科技大學(xué)機械科學(xué)和工程學(xué)博士。他的研究包括高精度溫度控制，先進的工藝控制等。</p><p>　　李曉平，生于1966年，目前是中國華中科技大學(xué)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授。他于1992年獲得華中科技大學(xué)機械科學(xué)和工程學(xué)碩士。他主要研究是光學(xué)刻錄工具的電子控制。&