CN102200785B

CN102200785B - 基于fpga的孔径光阑控制装置

Info

Publication number: CN102200785B
Application number: CN 201010133808
Authority: CN
Inventors: 贺诚; 徐文; 江潮
Original assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Current assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Priority date: 2010-03-26
Filing date: 2010-03-26
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2030-03-26
Also published as: CN102200785A

Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的孔径光阑控制装置，用于将孔径光阑调整至目标位置，其包括：孔径光阑；驱动电机，连接所述孔径光阑，其用于改变所述孔径光阑的位置；传感器，连接所述孔径光阑，其传感所述孔径光阑的当前位置信息以得到当前位置模拟信号；模数转换器，连接所述传感器，其将所述当前位置模拟信号转换成当前位置数字信号；目标位置设定模块，用于设定所述孔径光阑的目标位置信息并得到目标位置数字信号；FPGA，连接所述模数转换器和所述目标位置设定模块，其根据所述目标位置数字信号和所述当前位置数字信号的差值通过PID算法得到数字控制信号；数模转换器，连接所述FPGA，其将所述数字控制信号转换成模拟控制信号，并输出所述模拟控制信号给所述驱动电机。

Description

基于FPGA的孔径光阑控制装置

技术领域

本发明涉及硅半导体器件技术领域，特别涉及一种基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的孔径光阑控制装置。

背景技术

随着超大规模集成电路的特征尺寸不断缩小，投影光刻技术得到了迅速发展，而提高光刻分辨率是光刻技术的核心。光刻分辨率是指通过光刻设备在硅片表面能曝光的最小特征尺寸，它是光刻设备最重要的性能指标。在光刻设备中，投影物镜的数值孔径(Numerical Aperture，NA值)直接影响光刻分辨率，因此提高NA值的分辨率尤其重要。通常投影物镜内设有位置可调的孔径光阑以实现NA值可变，因此增强孔径光阑控制工作的性能和稳定性就显得十分必要。

现有技术中，对孔径光阑的位置控制通常采用基于MCU或DSP实现PID算法的孔径光阑控制装置。这种使用软件程序解决的控制算法存在程序跑飞或计算机误动作的问题，因此需要手动复位来重启操作，从而容易造成孔径光阑的损毁。此外，基于MCU或DSP的孔径光阑控制装置的工作速度、集成度以及NA值分辨率都还不够。

发明内容

本发明的目的在于提供基于FPGA的孔径光阑控制装置，能够实现PID算法的硬件电路化并将其用于控制孔径光阑的位置，提供了更快的工作速度和更高的集成度，并提高了光刻设备的NA值分辨率。

本发明提供一种基于FPGA的孔径光阑控制装置，用于将孔径光阑调整至目标位置，其包括：孔径光阑；驱动电机，连接所述孔径光阑，其用于改变所述孔径光阑的位置；传感器，连接所述孔径光阑，其传感所述孔径光阑的当前位置信息以得到当前位置模拟信号；模数转换器，连接所述传感器，其将所述当前位置模拟信号转换成当前位置数字信号；目标位置设定模块，用于设定所述孔径光阑的目标位置信息并得到目标位置数字信号；FPGA，连接所述模数转换器和所述目标位置设定模块，其根据所述目标位置数字信号和所述当前位置数字信号的差值通过PID算法得到数字控制信号；数模转换器，连接所述FPGA，其将所述数字控制信号转换成模拟控制信号，并输出所述模拟控制信号给所述驱动电机。

进一步的，所述FPGA中集成有以下模块：异步串行收发模块，其与所述目标位置设定模块实现异步串行数据的收发逻辑；模数转换控制模块，其控制所述模数转换器进行模数转换并获取转换结果；PID运算模块，连接所述异步串行收发模块和所述模数转换器控制模块，其实现PID算法并输出所述数字控制信号；数模转换控制模块，其将所述数字控制信号作为待转换数据提供给所述数模转换器并控制所述数模转换器进行数模转换。

进一步的，所述FPGA为EP2C5Q208C8芯片、EP2C5F256I8芯片、EP2C8F256I8芯片或者EP2C20F256I8芯片。

进一步的，所述模数转换器为AD1674芯片、AD7457芯片、AD7896芯片或者AD7466芯片。

进一步的，所述数模转换器为AD7847芯片、AD5582芯片、AD667芯片或者AD5590芯片。

进一步的，所述目标位置设定模块包括：工作站，用于设定所述孔径光阑的目标位置信息；主控制板，通过以太网连接所述工作站，其将所述目标位置信息转换成以RS232协议发送的目标位置数字信号；RS232电平转换器，连接所述主控制板和所述FPGA，其将RS232协议电平转换成所述FPGA的工作电平。

进一步的，所述RS232电平转换器为MAX3232芯片、MAX3222芯片、MAX3241芯片或者MAX232芯片。

进一步的，在所述数模转换器和所述驱动电机之间还设置有功率放大模块，所述功率放大模块用于放大所述模拟控制信号。

进一步的，所述驱动电机为直流电机。

进一步的，所述PID算法为增量式PID算法。

与现有技术相比，本发明提供的基于FPGA的孔径光阑控制装置，通过采用FPGA来实现PID算法的硬件电路化并将其用于控制孔径光阑的位置，避免了程序跑飞或计算机误动作等问题，也不会对整个控制过程产生影响。另外，该孔径光阑控制装置采用并行处理架构和流水线优化技术，具有更快的工作速度和更高的集成度，并提高了光刻设备的NA值分辨率。

附图说明

图1显示了增量式PID算法结构；

图2为增量式PID算法的数字逻辑实现结构图；

图3为本发明的孔径光阑控制装置的结构框图；

图4为本发明的孔径光阑控制装置的工作状态流程图；

图5为孔径光阑的位置控制示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

首先，本发明中采用的PID算法进行描述。自动控制必须遵循某种控制规律，过程控制中常用的是比例、积分和微分控制规律，简称PID控制。理想的PID控制规律形式如下：

u (t) = \frac{1}{P} {e (t) + \frac{1}{T_{i}} &Integral; e (t) dt + T_{d} \frac{e (t)}{dt}} + M - - - (1)

式中，e(t)-偏差信号，即设定值与测量值之差；

P-比例度；K_p-比例系数，即1/P；

T_i-积分时间常数；T_d-微分时间常数；

M-e＝0时的初始值，由人工调整；

u(t)-控制器输出。

在PID三种作用中，微分作用主要用来减少超调，克服振荡，使系统趋向稳定，加快系统的动作速度，减少超调时间，用来改善系统的动态特性；积分作用作要用来消除静差，改善系统的静态特性；比例作用可对偏差做出及时响应。若能将三种作用的强度配合适当，可以使控制器快速、平稳、准确，从而获得满意的控制效果。

在采样系统中，当采样周期远远小于系统时间常数时，常常把PID控制算式离散化处理，便于用计算机进行控制。设采用周期为T，初始时刻为0，第k次采样的偏差为e_k，控制输出为u_k，把式(1)离散化，用差分方程表示，得出第k次输出量：

u_{k} = K_{p} (e_{k} + \frac{T}{T_{i}} Σ_{j}^{k} e_{j} + T_{d} \frac{e_{k} - e_{k - 1}}{T}) + M - - - (2)

在很多情况下，控制器的控制信号是用来控制步进电机，给出电动或气动执行机构的位置信号。为了增加可靠性以保证执行机构不发生危险，在数学控制系统中，往往采用增量式PID算法：

Δ u_{k} = u_{k} - u_{k - 1} = K_{p} (e_{k} - e_{k - 1}) + K_{p} \frac{T}{T_{i}} e_{k} + K_{p} \frac{T_{d}}{T} (e_{k} - 2 e_{k - 1} + e_{k - 2}) - - - (3)

= A e_{k} + B e_{k - 1} + C e_{k - 2}

式中，

其算法结构如图1所示。

图2是增量式PID算法的数字逻辑实现结构图。其中，REG是寄存器，存储上一次采样的值，例如误差输入值e_k经一次REG后为e_k-1，经两次REG后为e_k-2。同样地，控制器输出u_k经一次REG后为u_k-1。Mul0，Mul1，Mul2是三个具有移位功能的乘法器，可以使用FPGA厂家提供的经过严格测试和优化处理的宏功能模块LPM_MULT(Mul00～Mul02)实现。LPM_MULT是一个可定制位宽的乘法器，在此，定制误差输入值e_k的位宽为16bit，另一常量系数A、B、C为PID控制器的控制参数，位宽为16bit，乘法器输出结果位宽为32bit。利用乘法器的流水线功能，在一个时钟内可完成三个乘法器的运算，加上前、后两个加法器各一个时钟的运算，从给定PID运算模块的输入到输出本次控制量只需3个时钟周期。这种并行处理架构和流水线优化技术具有更快的工作速度、更高的集成度以及较宽的采样处理速率范围，能够适应需要高速采样处理的系统。

下面，请参阅图3，图3为本发明的孔径光阑控制装置的结构框图。如图3所示，该孔径光阑控制装置包括：孔径光阑10；驱动电机15，连接所述孔径光阑10，其用于改变所述孔径光阑10的位置；传感器11，连接所述孔径光阑10，其传感所述孔径光阑10的当前位置信息以得到当前位置模拟信号；模数转换器12，连接所述传感器11，其将所述当前位置模拟信号转换成当前位置数字信号；目标位置设定模块14，用于设定所述孔径光阑10的目标位置信息并得到目标位置数字信号；FPGA 13，连接所述模数转换器12和所述目标位置设定模块14，其根据所述目标位置数字信号和所述当前位置数字信号的差值通过PID算法得到数字控制信号；数模转换器16，连接所述FPGA 13，其将所述数字控制信号转换成模拟控制信号，并输出所述模拟控制信号给所述驱动电机15。这里，在所述数模转换器16和所述驱动电机15之间还可以设置有功率放大模块17，该功率放大模块17用于放大所述模拟控制信号。

根据以上结构，通过目标位置设定模块14得到孔径光阑10的目标位置数字信号，而通过传感器11和模数转换器12得到孔径光阑10的当前位置数字信号，FPGA 13对两者进行比较，其差值经PID算法调整后输出数字控制信号，该数字控制信号经数模转换器16转换成模拟控制信号且由功率放大模块17放大后，驱动电机15改变被控对象孔径光阑10的位置。由此，通过采用FPGA 13来实现PID算法的硬件电路化并将其用于控制孔径光阑10的位置，避免了程序跑飞或计算机误动作等问题，也不会对整个控制过程产生影响。在本实施例中，PID算法优选为增量式PID算法，FPGA 13可以选用EP2C5Q208C8芯片、EP2C5F256I8芯片、EP2C8F256I8芯片或者EP2C20F256I8芯片，模数转换器12可以选用AD1674芯片、AD7457芯片、AD7896芯片或者AD7466芯片，数模转换器16可以选用AD7847芯片、AD5582芯片、AD667芯片或者AD5590芯片，驱动电机15为直流电机。

继续参考图3，在本实施例中，FPGA 13中集成有以下模块：异步串行收发模块(UART)131，其与所述目标位置设定模块14实现异步串行数据的收发逻辑；模数转换控制模块132，其控制所述模数转换器12进行模数转换并获取转换结果；PID运算模块133，连接所述异步串行收发模块131和所述模数转换器控制模块132，其实现PID算法并输出所述数字控制信号；数模转换控制模块134，其将所述数字控制信号作为待转换数据提供给所述数模转换器16并控制所述数模转换器16进行数模转换。这些模块通过用硬件描述语言VHDL或Verilog HDL编程生成。

此外，目标位置设定模块14包括：工作站143，用于设定所述孔径光阑10的目标位置信息；主控制板142，通过以太网连接所述工作站143，其将所述目标位置信息转换成以RS232协议发送的目标位置数字信号；RS232电平转换器141，连接所述主控制板142和所述FPGA 13，其将RS232协议电平转换成所述FPGA 13的工作电平。RS232协议标准规定逻辑1的电平为-15～-3V，逻辑0的电平为+3～+15V。而FPGA 13的输入输出电压通常为0～3.3V，为了与FPGA13供电电压保持一致，必须加电平转换芯片。在本实施例中，RS232电平转换器141可以选用MAX3232芯片、MAX3222芯片、MAX3241芯片或者MAX232芯片。这里，RS232电平转换器141与FPGA 13中的异步串行收发模块131相连。

FPGA 13的时钟信号只有一个clk和一个复位引脚reset，其硬件上的工作频率源于25MHz的有源时钟，该时钟进入FPGA 13后做PLL分频处理。通过对增量式PID算法的优化处理，显著提高了系统的工作速度。模数转换器12的转换速率成为本发明的孔径光阑控制装置运行速度的瓶颈，从而决定了控制装置的伺服周期。在伺服周期要求较短的伺服控制系统中，可以选择更加高速的模数转换器12，以满足伺服系统速度上的要求。

图4是本发明的孔径光阑控制装置的工作状态流程图。初始时，孔径光阑控制装置处于IDLE状态。然后，结合图1，工作站143通过以太网连接主控制板142以下传设置NA值命令，FPGA 13接收命令并对所收命令进行译码，计算输入PID运算模块133的设定值，同时启动模数转换控制模块132，该模数转换控制模块132控制模数转换器12进行模数转换，此时孔径光阑控制装置处于等待ADC转换结束状态。ADC转换结束后，模数转换控制模块132将AD转换结果输入PID运算模块133，孔径光阑控制装置进入执行PID运算状态。三个时钟周期后PID运算模块133输出u_k值给数模转换控制模块134。数模转换控制模块134将u_k作为待转换数据提供给数模转换器16并控制其进行数模转换。数模转换结束，开始DAC输出，送出的电压量进入功率放大模块17，驱动电机15在电流驱动下转动被控对象孔径光阑10，传感器11跟随孔径光阑10移动，并将对应孔径光阑10的位置的电压值提供给模数转换器12，FPGA 13重新启动模数转换控制模块132进入下一轮的计算。直到被控对象孔径光阑10的位置到达目标位置，驱动电机15停止，孔径光阑控制装置回到IDLE状态。

图5是孔径光阑的位置控制示意图。以一次孔径光阑的位置调整过程为例，工作站143下发命令后，驱动电机15从位置0开始，以一定加速度a1正向启动；当转速达到v2时，即转到第p2圈时，以匀速转动；当位置到达第p3圈时，以a1的加速度减速；在第p4圈时，速度刚好为0，驱动电机15停止，并具有保持力矩，此时与p4对应的孔径光阑的位置便是目标位置。

实验表明，基于FPGA的孔径光阑控制装置可以显著提高光刻设备的NA值分辨率(提高至少0.5个数量级)。较以往基于MCU实现的控制装置，MTBF提高1倍甚至更多的数量级。因此，对于提高整机的性能和可靠性起到关键的作用。

综上所述，本发明提供的基于FPGA的孔径光阑控制装置，通过采用FPGA来实现PID算法的硬件电路化并将其用于控制孔径光阑的位置，避免了程序跑飞或计算机误动作等问题，也不会对整个控制过程产生影响。另外，该孔径光阑控制装置采用并行处理架构和流水线优化技术，具有更快的工作速度和更高的集成度，并提高了光刻设备的NA值分辨率。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种基于FPGA的孔径光阑控制装置，用于将孔径光阑调整至目标位置，其特征在于，包括：

孔径光阑；

驱动电机，连接所述孔径光阑，其用于改变所述孔径光阑的位置；

传感器，连接所述孔径光阑，其传感所述孔径光阑的当前位置信息以得到当前位置模拟信号；

模数转换器，连接所述传感器，其将所述当前位置模拟信号转换成当前位置数字信号；

目标位置设定模块，用于设定所述孔径光阑的目标位置信息并得到目标位置数字信号；

FPGA，连接所述模数转换器和所述目标位置设定模块，其根据所述目标位置数字信号和所述当前位置数字信号的差值通过增量式PID算法得到数字控制信号，所述FPGA中集成有以下模块：

异步串行收发模块，其与所述目标位置设定模块实现异步串行数据的收发逻辑；

模数转换控制模块，其控制所述模数转换器进行模数转换并获取转换结果；

PID运算模块，连接所述异步串行收发模块和所述模数转换器控制模块，其实现PID算法并输出所述数字控制信号；

数模转换控制模块，其将所述数字控制信号作为待转换数据提供给所述数模转换器并控制所述数模转换器进行数模转换；

数模转换器，连接所述FPGA，其将所述数字控制信号转换成模拟控制信号，并输出所述模拟控制信号给所述驱动电机。

2.如权利要求1所述的基于FPGA的孔径光阑控制装置，其特征在于，所述FPGA为EP2C5Q208C8芯片、EP2C5F256I8芯片、EP2C8F256I8芯片或者EP2C20F256I8芯片。

3.如权利要求1所述的基于FPGA的孔径光阑控制装置，其特征在于，所述模数转换器为AD1674芯片、AD7457芯片、AD7896芯片或者AD7466芯片。

4.如权利要求1所述的基于FPGA的孔径光阑控制装置，其特征在于，所述数模转换器为AD7847芯片、AD5582芯片、AD667芯片或者AD5590芯片。

5.如权利要求1所述的基于FPGA的孔径光阑控制装置，其特征在于，所述目标位置设定模块包括：

工作站，用于设定所述孔径光阑的目标位置信息；

主控制板，通过以太网连接所述工作站，其将所述目标位置信息转换成以RS232协议发送的目标位置数字信号；

RS232电平转换器，连接所述主控制板和所述FPGA，其将RS232协议电平转换成所述FPGA的工作电平。

6.如权利要求5所述的基于FPGA的孔径光阑控制装置，其特征在于，所述RS232电平转换器为MAX3232芯片、MAX3222芯片、MAX3241芯片或者MAX232芯片。

7.如权利要求1所述的基于FPGA的孔径光阑控制装置，其特征在于，在所述数模转换器和所述驱动电机之间还设置有功率放大模块，所述功率放大模块用于放大所述模拟控制信号。

8.如权利要求1所述的基于FPGA的孔径光阑控制装置，其特征在于，所述驱动电机为直流电机。