CN100384080C - 用于光刻机的数字可调双环电机控制器及其数字调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于光刻机的数字可调双环电机控制器及其数字调节方法，其特征在于，还包括与双环电路连接的数字调节部分，数字调节部分与双环中的各增益参数和积分参数控制连接，以使所述电流环和速度环的增益参数、积分参数和反馈增益数字调节，其中增益参数和反馈增益参数通过数模转化芯片的电阻网络选择进行调节，而积分增益通过选择开关选择不同阻值的电阻而实现数字调节，使得伺服环参数可以获得精确调节，有了更宽的调节范围。

Description

用于光刻机的数字可调双环电机控制器及其数字调节方法

技术领域

本发明属于电机控制领域，尤其涉及光刻机伺服控制中的双环结构的数字可调直流电机控制器。

背景技术

光刻是集成电路加工过程中最关键的工序，因此光刻机是集成电路加工过程中最关键的设备。

目前比较先进的步进扫描投影光刻机的基本原理见图1和图2，图1为像场与狭缝曝光区域示意图，区域10为像场，其范围大于普通的步进重复光刻机，步进重复光刻机像场通常为22*22mm²，步进扫描光刻机可达到26*33mm²，阴影所示区域11为狭缝曝光区域。图2为步进扫描投影光刻机工作状态示意图，步进扫描光刻机在执行曝光扫描时，首先将硅片27上待曝光的区域移动到透镜22的下方，硅片放在工件台21上，并在曝光过程中保持匀速运动。这个运动与掩模台23上的掩模26和扫描狭缝单元24的运动部分在时间上和位置上是严格同步的，同时硅片表面在曝光过程中一直保持在透镜22的最佳焦平面内。照明系统25在工件台21和掩模台23以指定速度到达指定位置时，被同步触发并开始提供曝光所需的光剂量28。

步进扫描光刻机系统可以划分为框架系统、投影镜头系统、照明系统、光源系统、工作台掩模台系统、自动对准系统、调焦调平系统、片子传输系统、掩模版库与传输系统、环境控制系统、移相掩模、整机控制系统，以及整机软件系统。其中，调平调焦系统用于测量曝光场内多点与镜头的距离并调节，保持硅片面与焦平面的垂向控制精度。步进扫描光刻机调平调焦系统位于工件台与掩膜台部分，以工件台为例，其基本结构如图3所示，光学镜头1为固定器件，工件台2需要进行水平运动与垂向运动，调平调焦系统的主要作用就是通过三个直线电机4进行垂向运动，保证硅片水平并且处于光学镜头1的焦平面，位置传感器将位置信息传送到控制器板卡5，然后控制器板卡将位置信息传送到上位机6，上位机6经过计算后将电机设定值下发到控制器板卡5，使得三个电机分别运动，构成一个完整的运动控制系统。

由于工件台2的垂向运动决定了硅片是否处于光学镜头成像焦平面，因而直接决定了置于工件台的硅片曝光质量。对于100nm或更高精度的光刻机而言，保证工件台处于焦平面内需要调平调焦伺服系统具有极高的精度要求。

发明内容

本发明需要解决的技术问题在于提供一种用于光刻机伺服控制的数字可调双环多轴直流电机控制器，以实现了对转速和电流的精确调节、对多轴运动系统的电机驱动控制及光刻机调平调焦系统中的精确定位。

本发明的技术方案为：

包括电流环电路和速度环电路，其特征在于，，所述电流环和速度环的增益参数P、积分参数I和反馈增益数字调节，其中增益参数通过数模转化芯片的电阻网络选择进行调节。

作为对本发明的改进，所述电流环电路包括：比较器、超前滞后环节、增益环节、积分环节、电流传感器、反馈增益环节和反馈滤波环节，增益环节与积分环节构成PI控制器，比较器、超前滞后环节、增益环节、积分环节、电流传感器依次连接，而电流传感器在通过串联的反馈增益环节和反馈滤波环节将信号反馈回比较器。

作为对本发明的改进，所述速度环电路包括：比较器、增益环节、积分环节、反馈增益环节、反馈滤波环节，增益环节与积分环节同样构成PI控制器，比较器、增益环节和积分环节依次连接，然后通过电流环电路及串联的反馈增益环节、反馈滤波环节将信号反馈回比较器。

作为对本发明的改进，控制器中还设置有信号输入和输出环节，可通过检测控制器对注入噪声信号的响应获得控制器的传递函数，传递函数是由系统中输出信号与输入信号的关系决定的，通过对输入信号与输出信号信号在一段频率范围内的幅度与相位关系可以描述出系统的特性，注入的噪声可以是白噪声或扫频信号。控制器可测试的传递函数包括速度环开环传递函数、电流环开环传递函数以及速度环闭环传递函数和电流环闭环传递函数。

作为对本发明的改进，控制器将原多个控制器集成在单个控制器板卡。在光刻机调平调焦系统中，垂向运动主要是由三个直线电机(如图3所示)作为执行器。由于光刻机系统的复杂性和高度集成，因而需要将同一功能的模块集成到一起。

本发明需要解决的另一技术问题在于提供一种上述数字可调双环多轴直流电机控制器的实现方法。

具体技术方案包括以下步骤：

1)控制器接收来自上位机的下发命令，并判断是否工作模式，如果是正常工作模式，则进入伺服环传递函数测试，如果是正常工作状态，则执行步骤2)；

2)上位机下发控制器参数信息，控制器板卡接收到命令后在确定控制器处于正常工作模式后，判断控制器参数是否发生变化，如果发生变换，则将控制器参数下发给控制器电路，如果未发生变化，执行步骤3)；

3)控制器板卡判断速度环的设定值是否变化，如果未发生变化，则返回步骤1)；如果发生变化，则执行步骤4)；

4)上位机下发位置传感器采样命令，控制器板卡接收到命令后，对传感器信息进行采样，然后将采样到的信息上发，上位机根据收到的位置信息，计算出电机下一时刻的转速，并将速度环设定值下发给控制器电路；

5)速度环设定值打破了速度环的平衡，使速度环和电流环做出相应调节，即若速度环调节器未饱和，给定速度设定值Usn，获得速度偏差值Uen，此时Uen不为0，速度环积分环节起作用，Usi增加，因而电流环也获得偏差值Uei，通过电流环的比例积分调节，使电机电压上升，电机转速的增加使Un增加，电机转速Un最终增加到与给定速度设定值Usn相等，由于电流环偏差Uei最终为0，在电机负载未发生变化的情况下需要使Usi有退饱和过程，即速度环会有一定程度超调，控制器的调节最终使电机转速Un与给定速度设定值Usn相等，即速度偏差值重新为0，从而整个控制器达到新的平衡。

本发明的有益效果是，由于电流环和速度环都采用PI串连调节方式，而且P参数与I参数以及反馈增益参数可编程调节，避免了传统电位器或拨码开关的参数调节的繁琐，使得伺服环参数可以获得精确调节，有了更宽的调节范围；同时控制器具有在线测试功能，对于了解系统特性和进一步改进控制器结构具有了可靠的依据。另外将多个PI控制器集成于单个板卡，逻辑信号(数据线、时钟线、使能信号等)共用，与未集成的多个控制器模块相比，减少了驱动器的控制信号；外部接口简化，只需要一个与上位机的接口即可，简化了与上位机的复杂连接线；多个控制器集成于同一板卡，使得每个控制器具有相同的电气特性，并且，更易于实现对多个执行器的同步驱动。从而实现对多轴运动系统的电机驱动控制，适用于光刻机调平调焦系统中的精确定位。

附图说明

图1：步进扫描光刻机曝光像场和扫描狭缝；

图2：步进扫描投影光刻机曝光扫描基本原理；

图3：步进扫描光刻机调平调焦系统基本结构；

图4：调平调焦系统双环控制器基本结构；

图5：电流环结构；

图6：速度环结构；

图7：增益调节中的DAC电阻网络结构；

图8：控制器增益调节等效图；

图9：控制器积分调节等效图；

图10：控制固件算法基本流程。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

双环控制器的基本结构如图4所示，虚线框内为电流环，斜箭头表示对应参数可数字调节。速度环路的调节使直流电机转速Un跟随设定值Usn而变化，并且由于采用了比例积分调节，使得稳态转速无静差，能够对电机负载扰动起抗扰作用。电流环路的调节能够对电网电压扰动起及时抗扰作用，在转速调节过程中，使电机电流跟随其电机给定电压Usi变化，并且当电机电流过大或电机堵转时，及时限制电枢电流最大值，起到快速安全的保护作用。

电流环结构(如图5所示)包括：比较器1、超前滞后环节2、增益环节3、积分环节4、电流传感器5、反馈增益环节6、反馈滤波环节7。比较器通过对电机给定电压Usi与反馈电流Ui的比较，获得电压偏差Uei，当电机负载增大时，Ui变大，由于电机转矩变大引起电机转速Un下降，使得Uen变大，通过Uen的补充，使电机给定电压Usi变大，最终使电流环稳定，即Uei为0，同时Uei的积分作用使电机转速加快，最终Un＝Usn，速度环得到平衡。超前滞后滤波是为了提高相位裕度，提高环路的稳定性。增益环节和积分环节构成了PI环节。电流传感器可以反馈电机的工作电流大小，以构成电流环的反馈回路。反馈增益环节具有可编程特性，通过数字编程选择不同的增益值，可获得对最大电流不同的电机进行电流限定，增加了控制器的灵活性。反馈滤波环节可滤除电机反馈的交流成分，降低电路的噪声。

速度环结构(如图6所示)包括：比较器8、增益环节9、积分环节10、反馈增益环节11、反馈滤波环节12。增益环节与积分环节同样构成PI控制器，使得控制器即发挥了比例调节的快速性，又发挥积分调节的无静差特性，能够满足光刻机调平调焦系统的精度要求。在正常工作时，若速度环调节器未饱和，给定速度设定值Usn，获得速度偏差值Uen，此时Uen不为0，速度环积分环节起作用，Usi增加，因而电流环也获得偏差值Uei，通过电流环的比例积分调节，使电机电压上升，电机转速的增加使Un增加，由于电流环偏差Uei最终为0，在电机负载未发生变化的情况下需要使Usi有退饱和过程，也就是说，速度环会有一定程度的超调，控制器的调节最终使Usn与Un相等。

本发明的控制器参数是数字可调的，具体表现为：

①增益参数的调节是通过DAC芯片(数模转换芯片)的电阻网络选择实现的，芯片的内部结构如图7所示，即对P参数数字可调的等效电路，电阻网络V_IN与I_OUT之间的等效电阻通过DAC芯片进行编程调节。其构成比例环节后的等效电路如图8所示，输出电压公式为：

$V_{\mathrm{out}}=-\frac{R2}{R1}*V_{\mathrm{in}}$ (公式1-1)

图8为DAC芯片(数模转换芯片)的等效电路，R2为该芯片的内部参考电阻，R1为DAC中的电阻网络，通过对该芯片的数字编程，可实现对R1的改变，并且由于采用了芯片的内部电阻，减小了分离器件带来的误差，能够得到更为精确的增益调节；采用数字编程可以使R1具有更大的变化范围，提高了比例调节的灵活性。

②积分参数的等效调节电路如图9所示，即对I参数数字调节的等效电路。图中MUX为模拟选择开关，也可用晶体管或场效应管替代，通过数字控制模拟选择开关，可以选择不同阻值的电阻，如图中R2、R3、R4、R5，通过对不同电阻的选择，从而实现I参数的数字调节，并获得精确的积分时间常数，公式为：

τ＝R*C1 $(\mathrm{\τ}\≥|-\frac{1}{U_{o\max }}\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{u}_i\mathrm{dt}|=|-\frac{\mathrm{Et}}{U_{o\max }}\left|\right)$ (公式1-2)

式中R为模拟选择开关对应的电阻R2.、R3.、R4或R5，括号内的为积分时间常数的限定值，其中，E为阶跃信号的幅值，τ为积分时间常数，其大小决定了积分速度的快慢，由于运算放大器5V供电时的最大输出电压U_omax为有限值(U_omax＝±4.7V左右)，因此，若τ的值太小，则还未达到预定的积分时间t之前，运放已经饱和，输出电压波形会严重失真。所以τ的值必须满足式公式1-2中的限定条件。积分电路的输出端电压为：

$V_{\mathrm{iout}}=-\frac{1}{\mathrm{\τ}}{\∫V}_{\mathrm{iin}}\mathrm{dt}$ (公式1-3)

本发明的控制器充分保证了实际工作时的可靠性。由于光刻机是由多个分系统组成，任何一个环节发生故障都可能造成整个系统的瘫痪甚至损坏。因而，保证系统运行的可靠性和实现运动机构的在线监测是系统不可或缺的因素。作为直接与执行器连接的控制器，更需要充分考虑到可靠性因素。本发明通过对控制器工作状态的采样，使上位机能够实时获得控制器的工作状态，这些状态包括电机工作电流、电机工作电压、速度环与电流环偏差以及电路工作温度。这样，当电机负载过大或电机堵转时，上位机可以通过电机电流信息、电路工作温度信息以及其它异常信息及时做出判断，通过断开继电器使电机做出急停动作，保证控制器和电机不受损坏。

本发明的控制器具有在线测试功能。在控制器中插入了信号输入和信号输出环节，因而通过检测控制器对注入噪声信号的响应，可获得控制器的传递函数，这样，对于了解系统特性和进一步改进控制器结构具有了可靠的依据。控制器可测试的传递函数包括速度环开环传递函数、电流环开环传递函数以及速度环闭环传递函数和电流环闭环传递函数。

本发明的控制器将多个控制器集成在单个控制器板卡。在光刻机调平调焦系统中，垂向运动主要是由三个直线电机(如图3所示)作为执行器。由于光刻机系统的复杂性和高度集成，因而需要将同一功能的模块集成到一起。除了满足光刻机的集成需求，将多个控制器集成到单个板卡还具有以下功能：

①逻辑信号(数据线、时钟线、使能信号等)共用，与未集成的多个控制器模块相比，减少了驱动器的控制信号。

②外部接口简化，只需要一个与上位机的接口即可，简化了与上位机的复杂连接线。

③多个控制器集成于同一板卡，使得每个控制器具有相同的电气特性，并且，更易于实现对多个执行器的同步驱动。

控制器工作模式包括正常工作模式和诊断模式两种，模式的选择也是由编程设定，工作模式是控制器的正常工作状态，诊断模式用于测试环路的传递函数。

正常工作时，控制器的接口包括速度环设定接口和伺服参数设定接口，当上位机向控制器板卡下发速度设定值和伺服参数值后，控制器板卡内的FPGA芯片能够自动向控制器下发数据，使控制器具有相应的参数，FPGA固件流程如图10所示。

此外，控制器板卡还包括位置采样电路、诊断电路和控制器状态采样电路等。

如图3所示，光刻机调平调焦系统中，上位机首先对控制器板卡下发控制器参数，控制器板卡收到命令后，将伺服控制器参数下发，使双环控制器完成参数(包括速度环和电流环PI参数，以及速度环和电流环反馈增益参数)设置，控制器获得了相应的响应特性。然后，上位机下发位置传感器采样信号，控制器板卡收到命令后，根据固件算法流程对位置信息进行采样，并将位置采样信息上发给上位机。上位机根据运动控制算法，计算出下一时刻直流电机的速度设定值并下发给控制器板卡，控制器板卡接收到新命令后，将速度环设定值进行更新，使电机以对应的转速运动。具体步骤如下：

Step1：上位机下发命令，使控制器板卡进入工作模式。

Step2：上位机下发控制器参数信息，控制器板卡接收到命令后，根据图9所示流程，在确定控制器处于正常工作模式后，判断到控制器参数发生变化，所以根据固件算法，将控制器参数下发给控制器电路。

Step3：上位机下发位置传感器采样命令，控制器板卡接收到命令后，根据图10所示流程，对传感器信息进行采样，然后将采样到的信息上发。

Step4：上位机根据收到的位置信息，计算出电机下一时刻的转速，并将速度环设定值下发；控制器板卡判断到速度环设定值发生变化，根据图10流程，下发速度设定值给控制器电路。

Step5：速度环设定值打破了速度环的平衡，使速度环和电流环做出相应调节，即若速度环调节器未饱和，给定速度设定值Usn，获得速度偏差值Uen，此时Uen不为0，速度环积分环节起作用，Usi增加，因而电流环也获得偏差值Uei，通过电流环的比例积分调节，使电机电压上升，电机转速的增加使Un增加，电机转速Un最终增加到与给定速度设定值Usn相等，由于电流环偏差Uei最终为0，在电机负载未发生变化的情况下需要使Usi有退饱和过程，也就是说，速度环会有一定程度的超调，控制器的调节最终使电机转速Un与给定速度设定值Usn相等，即速度偏差值重新为0，所以，最终整个控制器达到新的平衡。

虽然已公开了本发明的优选实施例，但本领域技术人员将会意识到，在不背离权利要求书中公开的本发明的范围的情况下，任何各种修改、添加和替换均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种用于光刻机的数字可调双环电机控制器的数字可调方法，其特征在于包括以下步骤：

1)控制器接收来自上位机的下发命令，并判断是否工作模式，如果是诊断模式，则进入伺服环传递函数测试，如果是正常工作状态，则执行步骤2)；

2)上位机下发控制器参数信息，控制器板卡接收到命令后在确定控制器处于正常工作模式后，判断控制器参数是否发生变化，如果发生变换，则将控制器参数下发给控制器电路，如果未发生变化，执行步骤3)；

3)控制器板卡判断速度环的设定值是否变化，如果未发生变化，则返回步骤1)；如果发生变化，则执行步骤4)；

4)上位机下发位置传感器采样命令，控制器板卡接收到命令后，对传感器信息进行采样，然后将采样到的信息上发，上位机根据收到的位置信息，计算出电机下一时刻的转速，并将速度环设定值下发给控制器电路；

5)速度环设定值打破了速度环的平衡，使速度环和电流环做出相应调节，即若速度环调节器未饱和，给定速度设定值(Usn)，获得速度偏差值(Uen)，此时速度偏差值(Uen)不为0，速度环积分环节起作用，电机给定电压(Usi)增加，因而电流环也获得偏差值(Uei)，通过电流环的比例积分调节，使电机电压上升，使电机转速(Un)增加，电机转速(Un)最终增加到与给定速度设定值(Usn)相等，由于电流环偏差(Uei)最终为0，在电机负载未发生变化的情况下需要使电机给定电压(Usi)有退饱和过程，即速度环会有一定程度超调，控制器的调节最终使电机转速(Un)与给定速度设定值(Usn)相等，即速度偏差值重新为0，从而整个控制器达到新的平衡。

2.如权利要求1所述的数字可调方法，其特征在于，还包括步骤：用电流传感器、温度传感器实时监测电机驱动电路，满足上位机实时显示电机工作状态和数据处理的要求。

3.如权利要求1所述的数字可调方法，其特征在于，还包括：当电机负载过大或电机堵转时，上位机通过电机电流信息、电路工作温度信息及时做出判断，通过断开继电器使电机做出急停动作。

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