CN103293861B - 工件台和掩模台的同步控制方法及其系统 - Google Patents

Abstract

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：获取所述工件台的伺服误差和所述掩模台的伺服误差；将所述工件台的伺服误差减去掩模台的伺服误差除以镜头倍率后的差，再乘以掩模台的伺服刚度并乘以镜头倍率，输入到所述掩模台的力信号处，以进行力信号补偿。本发明提出的同步控制策略相比现有的控制方案，在增加了上述补偿步骤后，有效的提高了工件台掩模台各轴同步稳定时间。

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

光刻设备是一种将掩模图形应用到目标硅片上的机器，主要用于集成电路IC或其它微型器件的制造。通过光刻装置，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；针对伺服带宽的关系，扫描机采用的同步策略为掩模台跟随工件台的测量，即利用掩模台的高带宽跟随工件台的低带宽，稳定时间和同步误差能取得较好的效果，其特征在于：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，如何控制和减小光刻机扫描曝光中的同步误差，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，减小了同步误差，最终改善了光刻机的精度。

然而，该专利文献所揭露的技术是一种简单合理的方法，但其不足之处在于，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，该专利不能足够精确地控制误差的精度。

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，本发明的一个方面为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：

设定所述工件台的期望位置信号，所述掩模台的期望位置信号设为0；

测量所述工件台的实际位置信号，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；

测量所述掩模台的实际位置信号，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乘以光刻机的镜头倍率作为减数加入到所述掩模台的伺服误差中同步；

将所述工件台的伺服误差减去所述掩模台的伺服误差除以镜头倍率后的差，再乘以所述掩模台的伺服刚度并乘以镜头倍率作为减数加入到掩模台的力信号处，以进行力信号补偿。

一些实施例中，还包括以下步骤：设定所述工件台的设定加速度；测量所述工件台的测量加速度，通过所述工件台的设定加速度和测量加速度之差，获取所述工件台的加速度误差；将所述工件台的加速度误差乘以镜头倍率再乘以掩模台质量作为减数加入到掩模台的力信号处，以进行力信号补偿。

本发明的另一方面为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实际位置信号位移量，所述工件台和掩摸台的位移量分别经过工件台闭环系统和掩摸台闭环系统的反馈通道的测量模型，得到工件台和掩摸台的实际位置信号，所述工件台和掩摸台的实际位置信号分别反馈到工件台和掩摸台的期望位置信号处；

其中，所述工件台的伺服误差乘以光刻机的镜头倍率作为减数加入到所述掩模台的伺服误差中同步；

所述工件台的伺服误差减去所述掩模台的伺服误差除以镜头倍率后的差，再乘以所述掩模台的伺服刚度并乘以镜头倍率作为减数加入到掩模台的力信号处，以进行力信号补偿。

一些实施例中，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。

一些实施例中，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。

一些实施例中，所述工件台的期望位置信号通过设定点生成器生成，所述掩模台的期望位置信号设为0。

一些实施例中，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。

一些实施例中，还包括将所述工件台的加速度误差乘以镜头倍率再乘以掩模台质量作为减数加入到掩模台的力信号处，以进行力信号补偿。

一些实施例中，所述工件台的加速度误差为所述工件台的设定加速度和测量加速度之差。

一些实施例中，所述工件台的设定加速度通过设定点生成器生成；所述工件台的测量加速度通过加速度传感器测量得到。

本发明提出的同步控制策略相比现有的控制方案，在增加了将工件台的伺服误差减去掩模台的伺服误差除以镜头倍率后的差，再乘以掩模台的伺服刚度并乘以镜头倍率作为减数加入到掩模台力信号处的步骤后，有效的提高了工件台掩模台各轴同步稳定时间。

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示出了现有的同步控制策略架构图；

图2示出了根据本发明实施例1的同步控制策略架构图；

图3示出了根据本发明实施例2的同步控制策略架构图；

图4是图1、图2对比仿真得出的X轴同步误差Syn_X示意图；

图5是图1、图2对比仿真得出的Y轴同步误差Syn_Y示意图；

图6是图1、图2对比仿真得出的Rz轴同步误差Syn_Rz示意图；

图7是图1、图3对比仿真得出的X轴同步误差Syn_X示意图；

图8是图1、图3对比仿真得出的Y轴同步误差Syn_Y示意图；

图9是图1、图3对比仿真得出的Rz轴同步误差Syn_Rz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。

图1示出了现有的同步控制策略架构图。图2示出了根据本发明实施例1的同步控制策略架构图。图3示出了根据本发明实施例2的同步控制策略架构图。

现参考图1～3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。

实施例1中，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设为0。

然后，通过干涉仪IFM分别测量所述工件台和掩摸台的实际位置信号y_ws和y_rs，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，获取所述工件台的伺服误差e_rs；

接着，将所述工件台的伺服误差e_ws乘以光刻机的镜头倍率5作为减数加入到所述掩模台的伺服误差e_rs中同步；

最后，将所述工件台的伺服误差e_ws减去所述掩模台的伺服误差e_rs除以镜头倍率5后的差，再乘以所述掩模台的伺服刚度k_rs并乘以镜头倍率5作为减数加入到掩模台的力信号处，以进行力信号补偿。

关于掩模台伺服刚度，k_rs＝m_rs*(2*π*f)²，其中m_rs为掩模台的质量，f宜选择掩模台带宽和工件台带宽之间的一个值。选择接近掩模台带宽的高带宽，则稳定时间可以减小，但同步误差明显增大。选择接近工件台带宽的低带宽，则稳定时间增大，同步误差基本不变。利用掩模台的高带宽跟随工件台的低带宽，同步策略的稳定时间和同步误差能取得较好的效果。

具体地，本实施例中，通过所述工件台的X向、Y向、Rz向的期望位置信号和X向、Y向、Rz向的实际位置信号之差，分别获取所述工件台的X向、Y向、Rz向的伺服误差。并且，通过所述掩模台的X向、Y向、Rz向的期望位置信号和X向、Y向、Rz向的实际位置信号之差，分别获取所述掩模台的X向、Y向、Rz向的伺服误差。由此，将工件台的X向、Y向、Rz向的伺服误差WS_X、WS_Y、WS_Rz分别减去掩模台的X向、Y向、Rz向的伺服误差RS_X、RS_Y、RS_Rz除以镜头倍率5后的差，再乘以所述掩模台的伺服刚度k_rs并乘以镜头倍率5作为减数加入到掩模台的力信号处，以获得掩摸台X向、Y向、Rz向的力信号补偿。

实施例2在实施例1的基础上，还包括以下步骤：

设定所述工件台的设定加速度setpoint_acc；

测量所述工件台的测量加速度，通过所述工件台的设定加速度setpoint_acc和测量加速度measure_acc之差，获取所述工件台的加速度误差；

将所述工件台的加速度误差乘以镜头倍率5再乘以掩模台质量m_rs作为减数加入到掩模台的力信号处，以进行力信号补偿。

现，描述根据本发明的一种工件台和掩摸台的同步控制系统。

如图2所示，本发明所述的工件台和掩模台的同步控制系统包括：采用PID控制器和低通滤波器的控制结构得到的工件台的控制模型G_WS和掩模台的控制模型G_RS，根据设定频率按照经验规则选取PID控制器参数，并可根据实际测试进行调整；将驱动电机以及控制对象建模得到的工件台的机械模型M_WS和掩模台的机械模型M_RS；工件台转化矩阵，用于将工件台X、Y、Rz逻辑轴的控制作用力转化为实际的物理执行器上的作用力；以及掩模台转化矩阵，用于将掩模台X、Y、Rz逻辑轴的控制作用力转化为实际的物理执行器上的作用力；工件台和掩模台的同步控制系统的X、Y、Rz轴自由度均闭环。

所述工件台的期望位置信号setpoint经过所述工件台的控制模型G_WS和机械模型M_WS，输出得到所述工件台的实际位置信号y_ws，所述工件台的期望位置信号setpoint和实际位置信号y_ws之差得到所述工件台的伺服误差e_ws，所述工件台的伺服误差e_ws通过所述工件台的控制模型G_WS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G_RS和机械模型M_RS，输出得到所述掩模台的实际位置信号y_rs，所述掩模台的期望位置信号和实际位置信号y_rs之差得到所述掩模台的伺服误差e_rs，所述掩模台的伺服误差e_rs通过所述掩模台的控制模型G_RS控制；

所述工件台的伺服误差e_ws乘以光刻机的镜头倍率5作为减数加入到所述掩模台的伺服误差e_rs中；

所述工件台的伺服误差e_ws减去所述掩模台的伺服误差e_rs除以镜头倍率5后的差，再乘以所述掩模台的伺服刚度k_rs并乘以镜头倍率5作为减数加入到掩模台的力信号处，以进行力信号补偿。

所述工件台和掩模台的同步控制系统还包括设定点发生器，分别用于设定工件台X向和Y向的期望位置信号setpoint和加速度信号。

所述工件台和掩模台的同步控制系统还包括干涉仪IFM，用于测量工件台掩模台的X、Y、Rz向的实际位置信号。

工件台和掩模台的质量、给定位移、速度、加速度等相关参数如下表所示：

在工件台和掩模台机械模型的测量环路加入反馈通路噪声(测量系统相关扰动，以位移为单位)，在工件台控制模型和掩模台控制模型的PID调节环路加入前向通路噪声(执行器相关扰动，以力为单位)，约束指标如下表所示：

	掩模台	工件台
			反馈通道噪声(白噪声)	6.87nm	6.87nm
前向通道噪声(白噪声)	0.06N	0.06N

如图3所示，本发明所述的另一种工件台和掩模台的同步控制系统，在图2所示的同步控制系统的基础上，还包括将所述工件台的加速度误差乘以镜头倍率5再乘以掩模台质量m_rs作为减数加入到掩模台的力信号处，以进行力信号补偿。

所述工件台的加速度误差为所述工件台的设定加速度setpoint_acc和测量加速度measure_acc之差。

所述工件台的设定加速度setpoint_acc通过设定点生成器生成；

所述工件台和掩模台的同步控制系统还包括加速度传感器，用于测量所述工件台的测量加速度measure_acc。

现以上述工件台掩模台同步控制系统作为控制对象，描述根据本发明的控制方法的实际操作。工件台掩模台伺服参数(带宽、裕度、加速度前馈)保持不变，时域考察指标(轴稳定误差窗)保持不变。

首先，通过设定点发生器生成工件台X、Y向的期望位置信号setpoint和设定加速度setpoint_acc。

接着通过干涉仪IFM测量工件台和掩模台的X、Y以及Rz的实际位置信号。

此后，将工件台X、Y、Rz三向的伺服误差WS_X、WS_Y、WS_Rz分别乘以镜头倍率作为减数加入到掩模台X、Y、Rz三向的伺服误差RS_X、RS_Y、RS_Rz中。

随后，将工件台X向的伺服误差WS_X减去掩模台X向的伺服误差RS_X除以镜头倍率λ后的差，再乘以掩模台的伺服刚度k_rs并乘以镜头倍率λ作为减数加入到掩模台X向的力信号F_x处；将工件台Y向的伺服误差WS_Y减去掩模台Y向的伺服误差RS_Y除以镜头倍率λ后的差，再乘以掩模台的伺服刚度k_rs并乘以镜头倍率λ作为减数加入到掩模台Y向的力信号F_x处，以进行力信号补偿。

最后，还可以补充一个补偿方案：将工件台各轴的加速度误差乘以镜头倍率5再乘以掩模台质量m_rs作为减数加入到掩模台的力信号处，以进行力信号补偿。

现描述采用本发明的同步控制方法的效果。

实施例1的同步控制策略如图2示，相比现有技术中只有将工件台X、Y、Rz三向的伺服误差WS_X、WS_Y、WS_Rz分别乘以镜头倍率λ作为减数加入到掩模台X、Y、Rz三向的伺服误差RS_X、RS_Y、RS_Rz中的同步控制策略(控制策略图形架构参照图1所示)，图2对比图1仿真得出工件台掩模台X、Y、Rz轴同步误差Syn_X、Syn_Y、Syn_Rz如图4～图6所示。工件台掩模台的同步误差、工件台X、Y、Rz各轴伺服误差WS_X、WS_Y、WS_Rz以及X、Y、Rz各轴伺服误差RS_X、RS_Y、RS_Rz的稳定时间、性能对比参照下表所示：

由上表及图4～图6可知本发明提出的同步控制策略相比现有的控制方案，在增加了将工件台的伺服误差减去掩模台的伺服误差除以镜头倍率后的差，再乘以掩模台的伺服刚度并乘以镜头倍率作为减数加入到掩模台力信号处的步骤后，有效的提高了工件台掩模台各轴同步稳定时间。

实施例2的同步控制策略如图3示，相比现有技术中只有将工件台X、Y、Rz三向的伺服误差WS_X、WS_Y、WS_Rz分别乘以镜头倍率λ作为减数加入到掩模台X、Y、Rz三向的伺服误差RS_X、RS_Y、RS_Rz中的同步控制策略(控制策略图形架构参照图1所示)，图3对比图1仿真得出工件台掩模台X、Y、Rz轴同步误差Syn_X、Syn_Y、Syn_Rz如图7-图9所示。工件台掩模台的同步误差、工件台各轴伺服误差WS_X、WS_Y、WS_Rz以及掩模台各轴伺服误差RS_X、RS_Y、RS_Rz的稳定时间、性能对比参照下表所示：

由上表及图7-图9可知实施例2提出的同步控制策略相比现有的控制方案，在同时增加了将工件台设定加速度减去其测量加速度乘以镜头倍率再乘以掩模台质量作为减数加入到掩模台力信号处，并将工件台伺服误差减去掩模台伺服误差除以镜头倍率后的差，再乘以掩模台的伺服刚度并乘以镜头倍率作为减数加入到掩模台力信号处的步骤后，同样减小了工件台掩模台各轴同步稳定时间，且有效提高了工件台掩模台各轴同步误差的同步运动性能。

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 (10)

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：

设定所述工件台的期望位置信号，所述掩模台的期望位置信号设为0；

测量所述工件台的实际位置信号，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；

测量所述掩模台的实际位置信号，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乘以光刻机的镜头倍率作为减数加入到所述掩模台的伺服误差中同步；

将所述工件台的伺服误差减去所述掩模台的伺服误差除以镜头倍率后的差，再乘以所述掩模台的伺服刚度并乘以镜头倍率作为减数加入到掩模台的力信号处，以进行同步。

2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于：还包括以下步骤：

设定所述工件台的设定加速度；

测量所述工件台的测量加速度，通过所述工件台的设定加速度和测量加速度之差，获取所述工件台的加速度误差；

将所述工件台的加速度误差乘以镜头倍率再乘以掩模台质量作为减数加入到掩模台的力信号处，以进行力信号补偿。

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实际位置信号位移量，所述工件台和掩模台的位移量分别经过工件台闭环系统和掩模台闭环系统的反馈通道的 测量模型，得到工件台和掩模台的实际位置信号，所述工件台和掩模台的实际位置信号分别反馈到工件台和掩模台的期望位置信号处；

其中，所述工件台的伺服误差乘以光刻机的镜头倍率作为减数加入到所述掩模台的伺服误差中同步；

所述工件台的伺服误差减去所述掩模台的伺服误差除以镜头倍率后的差，再乘以所述掩模台的伺服刚度并乘以镜头倍率作为减数加入到掩模台的力信号处，以进行力信号补偿。

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：所述工件台的期望位置信号通过设定点生成器生成，所述掩模台的期望位置信号设为0。

7.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实际位置信号通过干涉仪测量得到。

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加速度误差乘以镜头倍率再乘以掩模台质量作为减数加入到掩模台的力信号处，以进行力信号补偿。

9.如权利要求8所述的控制系统，其特征在于：所述工件台的加速度误差为所述工件台的设定加速度和测量加速度之差。

10.如权利要求9所述的控制系统，其特征在于：所述工件台的设定加速度通过设定点生成器生成；所述工件台的测量加速度通过加速度传感器测量得到。