CN103135357B - 工件台和掩模台的同步控制方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种工件台和掩模台的同步控制方法，所述工件台和所述掩模台安装在光刻机的整机框架上，包括以下步骤：设定所述工件台和所述掩模台的期望位置信号；获取所述工件台和所述掩模台的实际位置信号；通过所述工件台的期望位置信号和实际位置信号之差，获取所述工件台的伺服误差；通过所述掩模台的期望位置信号和实际位置信号之差，获取所述掩模台的伺服误差；将所述工件台的伺服误差通过一转换环节加入到所述掩模台的力信号处以进行同步。本发明提出的两种同步控制方法相比现有的控制方法，均能有效的提高工件台掩模台各轴同步性能。

Description

工件台和掩模台的同步控制方法及其系统

技术领域

本发明涉及光刻领域，尤其涉及工件台和掩模台的同步控制。

背景技术

光刻设备主要用于集成电路(IC)或其它微型器件的制造。将具有不同掩模图案的多层掩模在精确对准下依次成像在涂覆有光刻胶的硅片上，例如半导体硅片或LCD板。

光刻装置大体上分为两类，一类是步进光刻装置，通过将全部掩模图案一次曝光成像在硅片的一个曝光区域；另一类是扫描光刻装置，通过在扫描方向投影光场的正向或者反向扫描移动将所述的掩模成像于硅片上。

步进扫描光刻机是半导体制造行业的关键设备，在光刻机系统中，工件台和掩模台按照一定的镜头倍率以纳米级精度进行步进和扫描运动，掩模图案通过光栅和透镜，缩小到一定倍率照射到硅片表面，通过掩模台和工件台的同步扫描运动，掩模的完整图案被印在硅片表面上一个芯片的区域内，然后工件台进入下一个芯片区域，开始下一次的扫描曝光，光刻机在步进扫描过程中的成像质量不仅取决于光学系统的质量，还取决于工件台和掩模台的动态定位及动态同步性能，工件台和掩模台的运行精度、速度、加速度以及动态定位和扫描同步性能对其最终生产出的芯片特征尺寸有很大影响。

工件台掩模台的同步控制策略分为两个部分，即静态位置同步和动态位置同步。静态位置同步，为相对静态，主要是针对位移和速度的同步，按照镜头倍率实现扫描过程中严格的位移和速度的同步轨迹规划。动态位置同步，指工件台掩模台扫描过程中，伺服误差的同步，这一过程为伺服过程，所以是动态同步。针对伺服带宽的关系，利用掩模台的高带宽跟随工件台的低带宽测量，稳定时间和同步误差能取得较好的效果，其关键之处在于：只在零速段进行动态位置同步，而在加速段和匀速段，断开动态位置同步信号。

影响位置同步误差的因素包括：工件台掩模台的位置误差，速度波动，电机输出力的波动，电流波动，端部效应，地面振动，负载变化，参数变化以及传感器噪声等等。由于工件台和掩模台受到扰动力的作用，因此，执行器实际输出的位移是由其控制器确定的驱动力和扰动力综合作用的结果，因而造成了实际位移与目标位移的误差，即位置误差。由于掩模台和工件台的位置同步误差是工件台和掩模台实际输出位移的差值，如果不对位置误差进行补偿，工件台掩模台各自的位置误差的累积必然导致同步误差增大。因此，在一定的产率前提下，如何控制和减小位置误差，提高产品的良率，是一个亟需解决的问题。

美国专利US2008239264A1公开了一种光刻装置，该装置提供了这样一种同步控制策略：光刻机曝光过程中，镜头的振动会通过干涉仪传递到工件台和掩模台，将工件台的误差乘以镜头倍率加入到掩模台的伺服误差中，同时将工件台的设定加速度减去其测量加速度的值乘以掩模台质量并乘以镜头倍率减入到掩模台的力信号处，通过将工件台镜头的加速度的差值前馈引入到掩模台的力信号处。

然而，上述专利虽然能够减小同步误差，但不足之处在于，在精密运动装置的控制过程中，考虑到各种振动、噪声等对系统造成的干扰，尤其考虑到对工件台伺服误差对掩摸台的影响，上述专利不够全面控制同步误差的精度。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种适用于高精度步进扫描光刻机工件台掩模台的同步控制方法，控制和减小扫描曝光过程中伺服误差对工件台掩模台的同步控制误差的影响，使得工件台掩模台能够沿着设定的轨迹、速度、加速度指标进行步进扫描运动。

为了达成上述目的，本发明提供了一种工件台和掩模台的同步控制方法，所述工件台和所述掩模台安装在光刻机的整机框架上，包括以下步骤：设定所述工件台和所述掩模台的期望位置信号，所述掩摸台的期望位置信号为所述工件台的期望位置信号除以光刻机的镜头倍率取反；获取所述工件台和所述掩模台的实际位置信号；通过所述工件台的期望位置信号和实际位置信号之差，获取所述工件台的伺服误差；通过所述掩模台的期望位置信号和实际位置信号之差，获取所述掩模台的伺服误差；将所述工件台的伺服误差通过一转换环节加入到所述掩模台的力信号处以进行同步。

进一步，所述转换环节包括：(a)将所述工件台的伺服误差除以光刻机的镜头倍率取反；(b)将(a)变化结果乘以Q(s)/P(s)，其中1/P(s)为所述掩摸台闭环传函的逆模型，Q(s)为一高阶低通滤波器；(c)将(b)变化结果进行两次微分并乘以所述掩摸台的质量。

进一步，还包括将所述工件台的伺服误差除以光刻机的镜头倍率取反，再乘以Q(s)/P(s)加入到所述掩模台的伺服误差信号处以进行同步。

进一步，所述工件台的期望位置信号经过所述工件台的控制模型和机械模型，输出得到所述工件台的实际位置信号，所述工件台的期望位置信号和实际位置信号之差得到所述工件台的伺服误差，所述工件台的伺服误差通过所述工件台的控制模型控制。

进一步，所述掩模台的期望位置信号经过所述掩模台的控制模型和机械模型，输出得到所述掩模台的实际位置信号，所述掩模台的期望位置信号和实际位置信号之差得到所述掩模台的伺服误差，所述掩模台的伺服误差通过所述掩模台的控制模型控制。

进一步，所述工件台的控制模型包括PID控制器和低通滤波器，所述工件台的机械模型包括X向和Y向电机。

进一步，所述掩摸台的控制模型包括PID控制器和低通滤波器，所述掩模台的机械模型包括X向和Y向电机。

进一步，所述工件台和所述掩模台的期望位置信号通过设定点生成器生成。

进一步，所述工件台和所述掩模台的实际位置信号通过干涉仪测量得到。

本发明还提出了一种工件台和掩摸台的同步控制系统，包括：工件台闭环系统和掩摸台闭环系统，所述工件台闭环系统包括前向通道的控制模型、机械模型和反馈通道的测量模型，所述掩摸台闭环系统包括前向通道的控制模型、机械模型和反馈通道的测量模型；所述工件台闭环系统和掩摸台闭环系统分别根据预先设定的工件台和掩摸台的期望位置信号以及工件台和掩摸台的测量模型测得的实际位置信号之差得到工件台和掩摸台的伺服误差，所述工件台和掩摸台的伺服误差分别通过工件台和掩摸台的控制模型转化为力信号，所述力信号分别作用到工件台和掩摸台的机械模型，分别输出得到工件台和掩摸台的位移量；其中，所述掩摸台的期望位置信号为所述工件台的期望位置信号除以光刻机的镜头倍率取反；所述工件台的伺服误差通过一转换环节加入到所述掩模台的力信号处同步。

进一步，所述转换环节包括：(a)将所述工件台的伺服误差除以镜头倍率取反；(b)将(a)变化结果乘以Q(s)/P(s)，其中1/P(s)为所述掩摸台闭环传函的逆模型，Q(s)为一高阶低通滤波器；(c)将(b)变化结果进行两次微分并乘以所述掩摸台的质量。

进一步，所述工件台的控制模型采用PID控制器和低通滤波器的控制结构得到，所述工件台的机械模型通过工件台的执行器及其驱动对象建模得到。

进一步，所述掩模台的控制模型采用PID控制器和低通滤波器的控制结构得到，所述掩模台的机械模型通过掩模台的执行器及其驱动对象建模得到。

进一步，所述工件台和所述掩模台的期望位置信号通过设定点生成器生成。

进一步，所述工件台闭环系统和掩摸台闭环系统的测量模型分别通过干涉仪测量得到工件台和所述掩模台的实际位置信号。

进一步，还包括将所述工件台的伺服误差除以光刻机的镜头倍率取反，再乘以Q(s)/P(s)加入到所述掩模台的伺服误差信号处同步。

本发明提出的两种同步控制方法相比现有的控制方法，均能有效的提高工件台掩模台各轴的同步性能。

附图说明

参考下文较佳实施例的描述以及附图，可最佳地理解本发明及其目的与优点，其中：

图1为现有的同步控制策略架构图；

图2为本发明的控制策略推导结构示意图；

图3为本发明相比图1改进后的实施例1的同步控制策略架构图；

图4是本发明相比图1改进后的实施例2的同步控制策略架构图；

图5是图1、图3、图6对比仿真得出的同步误差MA结构示意图；

图6是图1、图3、图4对比仿真得出的同步误差MSD结构示意图。

具体实施方式

结合本发明实施例的附图，下文将更详细地描述本发明。然而，本发明可以以许多不同的形式实现，并且不应解释为受在此提出之实施例的限制。相反，提出这些实施例是为了达成充分及完整公开，并且使本技术领域的技术人员完全了解本发明的范围。

现参考附图说明根据本发明的工件台和掩模台的同步控制方法的实施例。

图1示出了现有的控制策略图形架构。现有的控制策略中，将工件台的伺服误差e_ws除以镜头倍率2取反加入到掩模台的伺服误差e_rs中，从而进行同步控制。

图2示出了根据本发明实施例的工件台和掩模台的同步控制方法。

如图2所示，首先通过设置定点发生器获取所述工件台的期望位置信号setpoint，所述掩摸台的期望位置信号即为所述工件台的期望位置信号除以镜头倍率2取反。

然后，通过干涉仪IFM分别获取所述工件台和所述掩摸台的实际位置信号y_ws和y_rs。

接着，通过所述工件台的期望位置信号和实际位置信号y_ws之差，获取所述工件台的伺服误差e_ws；通过所述掩模台的期望位置信号和实际位置信号y_rs之差，获取所述掩模台的伺服误差e_rs。

最后，将所述工件台的伺服误差e_ws通过一转换环节加入到所述掩模台的力信号处以进行同步。

为了更好地进行同步，本发明的同步控制方法还对所述工件台的伺服误差e_ws同步到掩摸台的转换环节进行控制，再将其加入到所述力信号。

下文将详述描述对所述转换环节控制。

如图2所示，上面的闭环代表掩摸台，包括所述掩摸台的控制模型的传函G_RS和机械模型的传函M_RS，下面的闭环代表工件台，包括所述工件台的控制模型的传函G_WS和机械模型的传函M_WS。

将工件台的伺服误差e_ws减去掩摸台的伺服误差e_rs除以-2得到同步误差err_syn。假设工件台和掩摸台的输入设定值均为0，但是由于某些干扰造成工件台输出y_ws存在一定的误差e_ws，这样，从工件台误差e_ws到掩摸台输出y_rs的值最佳是-0.5*e_ws，从而使得同步误差err_syn趋于0。根据图2，假设通过对工件台伺服误差e_ws除以镜头倍率2取反，再进行一定变化H(s)，再经两次微分s²并乘以掩摸台质量m_rs引出到掩摸台力信号处。可以得出H(s)和掩摸台的闭环传函P(s)满足：

$P\left(s\right)=\frac{G_{\mathrm{RS}}{M}_{\mathrm{RS}}}{1+G_{\mathrm{RS}}{M}_{\mathrm{RS}}}---\left(1\right)$

$\frac{y\_\mathrm{rs}}{e\_\mathrm{ws}}=-\frac{1}{2}*H\left(s\right)*m_{\mathrm{rs}}{s}^2*\frac{M_{\mathrm{RS}}}{1+G_{\mathrm{RS}}{M}_{\mathrm{RS}}}=-0.5---\left(2\right)$

从而得到理想的H(s)为：

$H\left(s\right)*m_{\mathrm{rs}}{s}^2=\frac{1+G_{\mathrm{RS}}{M}_{\mathrm{RS}}}{M_{\mathrm{RS}}}=\frac{G_{\mathrm{RS}}}{P\left(s\right)}---\left(3\right)$

G_RS由PID和低通滤波器构成：

$G_{\mathrm{RS}}=k_p\frac{\frac{s}{2\mathrm{\π}{f}_d}+1+\frac{2\mathrm{\π}{f}_d}{s}}{{\left(\frac{s}{2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{lwp}}}\right)}^2+2{\mathrm{\β}}_{\mathrm{lwp}}\frac{s}{2\mathrm{\π}{f}_d}+1}---\left(4\right)$

其中，k_p、f_i、f_d分别为PID的比例、积分、微分参数，f_lwp和β_lwp分别为低通滤波器的带宽和阻尼，则得到：

由于有一个高通特性，相位超前，受馈通滤波器不可避免的时延影响，高通特性难以实现。显然，只和掩摸台闭环传函P(s)的逆模型1/P(s)匹配很困难。

因此，引入一个高阶低通滤波器Q(s)实现幅值和相位的性能匹配：

$Q\left(s\right)=k_p\frac{\frac{s}{2\mathrm{\π}{f}_d}+1+\frac{2\mathrm{\π}{f}_d}{s}}{{\left(\frac{s}{2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{lwp}}}\right)}^2+2{\mathrm{\β}}_{\mathrm{lwp}}\frac{s}{2\mathrm{\π}{f}_d}+1}*\frac{1}{m_{\mathrm{rs}}{s}^2}---\left(5\right)$

这样得到：

$H\left(s\right)=\frac{Q\left(s\right)}{P\left(s\right)}---\left(6\right)$

其中，1/P(s)为掩摸台闭环传函的逆模型，Q(s)为三阶及以上的高阶低通滤波器。

图3即为由上述推导，得出所述转换环节的本发明同步控制策略的模型。所述转换环节包括：

(a)将所述工件台的伺服误差除以镜头倍率2取反；本实施例中，所述镜头倍率为2，应理解，所述镜头倍率可为任何可行的数值而不脱离本发明的范围；

(b)将(a)变化结果乘以Q(s)/P(s)，其中1/P(s)为所述掩摸台闭环传函的逆模型，Q(s)为一高阶低通滤波器；

(c)将(b)变化结果进行两次微分并乘以所述掩摸台的质量。

图4为在图3的基础上的更佳实施例，还包括将所述工件台的伺服误差除以镜头倍率2取反，再乘以Q(s)/P(s)加入到所述掩摸台的伺服误差信号处以进行同步。

现描述根据本发明的工件台和掩摸台的同步控制系统。

所述控制系统中，所述工件台的期望位置信号经过所述工件台的控制模型和机械模型，输出得到所述工件台的实际位置信号，所述工件台的期望位置信号和实际位置信号之差得到所述工件台的伺服误差，所述工件台的伺服误差通过所述工件台的控制模型控制。

所述掩模台的期望位置信号经过所述掩模台的控制模型和机械模型，输出得到所述掩模台的实际位置信号，所述掩模台的期望位置信号和实际位置信号之差得到所述掩模台的伺服误差，所述掩模台的伺服误差通过所述掩模台的控制模型控制。

所述掩摸台的期望位置信号为所述工件台的期望位置信号除以光刻机的镜头倍率取反。

所述工件台的伺服误差通过一转换环节加入到所述掩模台的力信号处同步。包括工件台闭环系统和掩摸台闭环系统，所述工件台闭环系统包括前向通道的控制模型、机械模型和反馈通道的测量模型，所述掩摸台闭环系统包括前向通道的控制模型、机械模型和反馈通道的测量模型。

所述工件台闭环系统和掩摸台闭环系统分别根据预先设定的工件台和掩摸台的期望位置信号以及工件台和掩摸台的测量模型测得的实际位置信号之差得到工件台和掩摸台的伺服误差，所述工件台和掩摸台的伺服误差分别通过工件台和掩摸台的控制模型转化为力信号，所述力信号分别作用到工件台和掩摸台的机械模型，分别输出得到工件台和掩摸台的位移量。

本实施例中，所述掩摸台的期望位置信号为所述工件台的期望位置信号除以光刻机的镜头倍率取反。

所述工件台的伺服误差通过一转换环节加入到所述掩模台的力信号处同步。

本实施例中，所述转换环节包括：

(a)将所述工件台的伺服误差除以镜头倍率取反。

(b)将(a)变化结果乘以Q(s)/P(s)，其中1/P(s)为所述掩摸台闭环传函的逆模型，Q(s)为一高阶低通滤波器。

(c)将(b)变化结果进行两次微分并乘以所述掩摸台的质量。

本实施例中，所述工件台的控制模型包括PID控制器和低通滤波器，所述工件台的机械模型包括X向和Y向电机。所述工件台的控制模型采用PID控制器和低通滤波器的控制结构得到，所述工件台的机械模型通过工件台的执行器及其驱动对象建模得到。

本实施例中，所述掩摸台的控制模型包括PID控制器和低通滤波器，所述掩模台的机械模型包括X向和Y向电机。所述掩模台的控制模型采用PID控制器和低通滤波器的控制结构得到，所述掩模台的机械模型通过掩模台的执行器及其驱动对象建模得到。

本实施例中，所述工件台和所述掩模台的期望位置信号通过设定点生成器生成。

本实施例中，所述工件台和所述掩模台工件台闭环系统和掩摸台闭环系统的测量模型实际位置信号分别通过干涉仪测量得到工件台和所述掩模台的实际位置信号。

本实施例中，还包括将所述工件台的伺服误差除以光刻机的镜头倍率取反，再乘以Q(s)/P(s)加入到所述掩模台的伺服误差信号处同步。

现描述采用本发明的同步控制方法的效果。

相比现有技术中只有将工件台的伺服误差e_ws除以镜头倍率2减入到掩模台的伺服误差e_rs中的同步控制策略(控制策略图形架构参照图2所示)，图3和图4对比图2仿真得出工件台掩模台同步误差性能SYN_MA和SYN_MSD如图5-图6所示。同步误差性能SYN_MA和SYN_MSD、掩模台伺服误差性能RS_MA和RS_MSD以及工件台伺服误差性能WS_MA、WS_MSD对比参照下表所示：

		现有技术方案	本发明策略一	本发明策略二
					SYN_MA	mean+3sigma(nm)	-0.725+13.91553	-0.05+10.584	-0.544+7.808
SYN_MSD	mean+3sigma(nm)	43.654+9.476385	42.379+8.959	41.438+7.660
					RS_MA	mean+3sigma(nm)	0.125+3.87146	0.024+3.0039735	0.179+2.2934916
RS_MSD	mean+3sigma(nm)	12.508+2.873988	12.542+2.8346651	12.351+2.4385179
					WS_MA	mean+3sigma(nm)	0.295+6.222697	0.002+4.7495584	0.185+4.0423227
WS_MSD	mean+3sigma(nm)	18.868+3.857913	18.76+3.5393186	18.463+3.6745829

由上表及图5～图6可知本发明提出的两种同步控制方法相比现有的控制方法，均能有效的提高工件台掩模台各轴同步性能。

本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其他形式、结构、布置、比例，以及用其他元件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其他变形和改变。

Claims (8)

1.一种工件台和掩模台的同步控制方法，所述工件台和所述掩模台安装在光刻机的整机框架上，其特征在于：包括以下步骤：

设定所述工件台和所述掩模台的期望位置信号，所述掩模台的期望位置信号为所述工件台的期望位置信号除以光刻机的镜头倍率取反；

获取所述工件台和所述掩模台的实际位置信号；

通过所述工件台的期望位置信号和实际位置信号之差，获取所述工件台的伺服误差；

通过所述掩模台的期望位置信号和实际位置信号之差，获取所述掩模台的伺服误差；

将所述工件台的伺服误差通过一转换环节加入到所述掩模台的力信号处以进行同步；

其中，所述转换环节包括：

(a)将所述工件台的伺服误差除以光刻机的镜头倍率取反；

(b)将(a)变化结果乘以Q(s)/P(s)，其中1/P(s)为所述掩模台闭环传函的逆模型，Q(s)为一高阶低通滤波器；

(c)将(b)变化结果进行两次微分并乘以所述掩模台的质量。

2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于：还包括将所述工件台的伺服误差除以光刻机的镜头倍率取反，再乘以Q(s)/P(s)加入到所述掩模台的伺服误差信号处以进行同步。

3.一种工件台和掩模台的同步控制系统，其特征在于，包括：

工件台闭环系统和掩模台闭环系统，所述工件台闭环系统包括前向通道的控制模型、机械模型和反馈通道的测量模型，所述掩模台闭环系统包括前向通道的控制模型、机械模型和反馈通道的测量模型；

所述工件台闭环系统和掩模台闭环系统分别根据预先设定的工件台和掩模台的期望位置信号以及工件台和掩模台的测量模型测得的实际位置信号之差得到工件台和掩模台的伺服误差，所述工件台和掩模台的伺服误差分别通过工件台和掩模台的控制模型转化为力信号，所述力信号分别作用到工件台和掩模台的机械模型，分别输出得到工件台和掩模台的位移量；

其中，所述掩模台的期望位置信号为所述工件台的期望位置信号除以光刻机的镜头倍率取反；

所述工件台的伺服误差通过一转换环节加入到所述掩模台的力信号处同步；

其中，所述转换环节包括：

(a)将所述工件台的伺服误差除以镜头倍率取反；

(b)将(a)变化结果乘以Q(s)/P(s)，其中1/P(s)为所述掩模台闭环传函的逆模型，Q(s)为一高阶低通滤波器；

(c)将(b)变化结果进行两次微分并乘以所述掩模台的质量。

4.如权利要求3所述的控制系统，其特征在于：所述工件台的控制模型采用PID控制器和低通滤波器的控制结构得到，所述工件台的机械模型通过工件台的执行器及其驱动对象建模得到。

5.如权利要求3所述的控制系统，其特征在于：所述掩模台的控制模型采用PID控制器和低通滤波器的控制结构得到，所述掩模台的机械模型通过掩模台的执行器及其驱动对象建模得到。

6.如权利要求3所述的控制系统，其特征在于：所述工件台和所述掩模台的期望位置信号通过设定点生成器生成。

7.如权利要求3所述的控制系统，其特征在于：所述工件台闭环系统和掩模台闭环系统的测量模型分别通过干涉仪测量得到工件台和所述掩模台的实际位置信号。

8.如权利要求3所述的控制系统，其特征在于：还包括将所述工件台的伺服误差除以光刻机的镜头倍率取反，再乘以Q(s)/P(s)加入到所述掩模台的伺服误差信号处同步。