CN104317167A - 一种光刻投影物镜内部腔室气体环境采集控制系统 - Google Patents

Abstract

一种光刻投影物镜内部腔室气体环境采集控制系统属于光刻投影物镜控制领域，目的在于解决现有技术中由于光刻物镜内部腔室气体环境变化导致光刻精度低、光刻物镜可靠性和稳定性差的问题。本发明的上位机包括人机交互接口和网络接口，环境控制机箱包括机箱背板和固定在机箱背板上的机箱主控卡、气体环境采集卡和气体环境控制卡，上位机的网络接口通过网络接口线路与环境控制机箱的机箱主控卡连接，气体环境采集卡和气体环境控制卡分别通过模拟放大线路与气体环境测量单元和气体环境控制单元连接，光刻投影物镜内部腔室与气体环境控制单元之间通过高纯供给线路和回气线路构成气体回路，气体环境测量单元通过待测气路与光刻投影物镜内部腔室连接。

Description

一种光刻投影物镜内部腔室气体环境采集控制系统

技术领域

本发明属于光刻投影物镜控制领域，具体涉及一种光刻投影物镜内部腔室气体环境采集控制系统。

背景技术

作为大规模集成电路芯片生产的精密光学加工设备的投影光刻机，随着集成电路的集成度的提高，对设备的光刻分辨力要求也越来越高。尽管受整机集成中多个环节和因素的影响，而实际生产中光刻分辨力和线条质量主要由光刻物镜指标决定。

光刻投影物镜需要工作在要求非常苛刻的气体环境中，光刻机内部的发热光源将造成局部区域的温度变化；物镜内部腔室环境的温度、湿度、气压的波动会引起机械结构的热漂移，长时间的曝光，光刻物镜吸热会产生畸变等，使光刻物镜的倍率产生变化而直接影响到线宽的特性；由深紫外准分子激光在空气中传播形成的臭氧污染物会降低气体环境的洁净度，甚至导致光刻物镜内部器件失效。因此，气体环境控制系统是光刻物镜的重要组成部分，是保证光刻精度、光刻物镜可靠性和稳定性的关键环节。

以193nm光刻投影物镜为例，其外部环境一般在22℃～23℃，温度的控制精度至少在±0.1℃，外部气压精度要求在±200Pa。物镜内部腔室气体环境温度变化控制精度需要达到0.05℃以下，气压约为750mbar～1050mbar，精度达到±100Pa，并且实时要求物镜内部腔体与外部环境保持微弱正压差，即内部腔室气体气压微高于外部。

公开号为CN101276150A的中国专利公开了一种步进重复曝光装置，其中包括对于密封腔体内整个曝光装置的循环温度控制系统。该系统采用整体风冷方式通过进风口将外部空气吸入，经过过滤器和温度控制后送风至密封腔体。这种系统采用高效过滤网仅能处理洁净度等级，不能根本解决空气中含氧成分与光刻机物镜内部器件接触会导致氧化失效的问题。与此同时，系统内没有布置压力传感器设备，不能精确判断腔体内所需要维持的正压。

公开号为CN201110787的中国专利公开了一种多路高精度温度采集装置，该装置包括单片机、485通讯部分、422通讯部分以及温度传感器形成采集网络。但由于应用场合单一、传感器精度的限制，以及通讯总线速率较低，不能满足光刻投影物镜超精密气体环境控制系统的要求。

公开号为CN101592527B的中国专利公开了一种多通道温度采集系统，该系统通过调整高精度电流源与传感器工作方式，满足不同类型高精度温度传感器多通道的采集应用。但由于多个行业装备使用温度传感器需要易安装、高速通信、便携采集，其没有形成一个集成方案。

发明内容

本发明的目的在于提出一种光刻投影物镜内部腔室气体环境采集控制系统，解决现有技术中由于光刻物镜内部腔室气体环境变化导致光刻精度低、光刻物镜稳定性差的问题。

为实现上述目的，本发明的一种光刻投影物镜内部腔室气体环境采集控制系统包括上位机、环境控制机箱、气体环境控制单元和气体环境测量单元；

所述上位机包括人机交互接口和网络接口，所述环境控制机箱包括机箱背板和固定在机箱背板上的机箱主控卡、气体环境采集卡和气体环境控制卡，所述上位机的网络接口通过网络接口线路与环境控制机箱的机箱主控卡连接，气体环境采集卡和气体环境控制卡分别通过模拟放大线路与气体环境测量单元和气体环境控制单元连接，光刻投影物镜内部腔室与所述气体环境控制单元之间通过高纯供给线路和回气线路构成气体回路，所述气体环境测量单元通过待测气路与所述光刻投影物镜内部腔室连接。

所述气体环境控制单元包括安全阀、一级减压阀、二级减压阀、过滤器、质量流控制器和纯化器，高纯气体依次经过滤器、一级减压阀、二级减压阀、纯化器、质量流控制器和安全阀处理后经高纯供给线路输送到所述光刻投影物镜内部腔室中。

所述气体环境测量单元通过高精度温度传感器、湿度传感器、相对压力传感器和绝对压力传感器采集待测气路中气体信息并转换为模拟放大信号通过模拟放大信号线路输送至气体环境采集卡。

所述气体环境控制单元和气体环境测量单元与光刻投影物镜之间的距离为2-3m。

所述环境控制机箱选用CompactPCI、VME或PCI-E总线形式，4U、5U或6U高度机架式，带冗余独立供电模块。

所述环境控制机箱与上位机之间通过自定义网络协议帧格式通信；机箱主控卡、气体环境采集卡与气体环境控制卡通过自定义网络协议帧格式通信。

所述自定义网络协议帧格式包含设备号、通道号、命令号、数据个数、协议帧校验、协议数据段部分，其中设备号占1字节空间，通道号占1字节空间，命令号占2字节空间，数据个数占2字节空间，协议帧校验占2字节空间，协议数据段部分每数据占8字节空间，自定义网络协议依靠TCP/IP协议提供可靠地面向连接的网络服务，以8字节格式对齐，小端字节排序。

本发明的有益效果为：本发明的一种光刻投影物镜内部腔室气体环境采集控制系统的上位机利用人机交互接口可视化操作界面通过网络接口与环境控制机箱内部的机箱主控卡相连接。气体环境采集卡和气体环境控制卡选用16位及以上高精度的模拟转换器件，保证转换分辨率。气体环境采集卡采用多路模拟器件与气体环境测量单元相连接，实时采集温度、湿度和压力模拟放大信号。气体环境控制卡采用多路模拟器件与气体环境控制单元相连接，实时反馈温度、湿度和压力控制信号至执行器件减压阀和质量流量控制器，实现对光刻投影物镜内部腔室气体环境的采集和控制。物镜内部腔室在密封状态下，通过充入高纯氮气在一定精度温度控制下吸收热量，并经过压力控制和流量调节，保证与氧气的隔离，循环冷却，保证了光刻物镜光刻精度，提高了光刻物镜可靠性和稳定性。

附图说明

图1为本发明的一种光刻投影物镜内部腔室气体环境采集控制系统结构示意图；

图2为本发明的自定义网络协议帧格式示意图；

图3为本发明的控制指令流程示意图；

图4为本发明的控制指令应答流程示意图；

其中：1、人机交互接口，2、上位机，3、网络接口，4、网络接口线路，5、机箱主控卡，6、机箱背板，7、气体环境采集卡，8、气体环境控制卡，9、环境控制机箱，10、模拟放大线路，11、气体环境控制单元，12、气体环境测量单元，13、光刻投影物镜，14、高纯供给线路，15、待测气路，16、回气线路，17、高纯氮气供给源，18、设备号，19、通道号，20、命令号，21、数据个数，22、协议帧校验，23、协议数据段部分，24、自定义网络协议帧格式。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

参见附图1，本发明的一种光刻投影物镜内部腔室气体环境采集控制系统包括上位机2、环境控制机箱9、气体环境控制单元11和气体环境测量单元12；

所述上位机2包括人机交互接口1和网络接口3，其中人机交互接口1用以使用者通过图形界面实时与气体环境采集控制系统进行交互，该接口通过QT/QWT跨平台高级图形应用程序框架编写；网络接口3用以上位机2与环境控制机箱9之间的高速通信媒介，保证两者在相同的局域网范围内；

所述环境控制机箱9包括机箱背板6和固定在机箱背板6上的机箱主控卡5、气体环境采集卡7和气体环境控制卡8，所述上位机2的网络接口3通过网络接口线路4与环境控制机箱9的机箱主控卡5连接，气体环境采集卡7和气体环境控制卡8分别通过模拟放大线路10与气体环境测量单元12和气体环境控制单元11连接，光刻投影物镜13内部腔室与所述气体环境控制单元11之间通过高纯供给线路14和回气线路16构成气体回路，所述气体环境测量单元12通过待测气路15与所述光刻投影物镜13内部腔室连接。

所述气体环境控制单元11包括安全阀、一级减压阀、二级减压阀、过滤器、质量流控制器和纯化器，高纯气体依次经过滤器、一级减压阀、二级减压阀、纯化器、质量流控制器和安全阀处理后经高纯供给线路14输送到所述光刻投影物镜13内部腔室中。

所述气体环境测量单元12通过高精度温度传感器、湿度传感器、相对压力传感器和绝对压力传感器采集待测气路15中气体信息并转换为模拟放大信号通过模拟放大信号线路输送至气体环境采集卡7。

所述气体环境控制单元11和气体环境测量单元12与光刻投影物镜13之间的距离为2-3m

所述环境控制机箱9选用CompactPCI、VME或PCI-E总线形式，4U、5U或6U高度机架式，带冗余独立供电模块。

所述上位机2利用人机交互接口1可视化操作界面通过网络接口3与环境控制机箱9内部的机箱主控卡5相连接。环境控制机箱9采用4U高工控CPCI总线机箱，以提高便携性和总线传输速率。气体环境采集卡7和气体环境控制卡8选用16位及以上高精度的模拟转换器件，保证转换分辨率。气体环境采集卡7采用多路模拟器件与气体环境测量单元12相连接，实时采集温度、湿度和压力信号，气体环境控制卡8采用多路模拟器件与气体环境控制单元11相连接，实时反馈温度、湿度和压力控制信号至执行器件减压阀和质量流量控制器。

所述光刻投影物镜13内部腔室充入高纯氮气供给源17，所述气体环境控制单元11中的安全阀、减压阀用以限定高纯氮气供给源17的压力在750mbar～1050mbar范围内，并且保证与物镜外部的微正压差。过滤器和纯化器用以满足入口高纯氮气供给源17与回气线路16的纯净度。为避免对物镜内光学器件的机械漂移，质量流量控制器用以严格限制管路内氮气的流速过快，否则会通过智能算法及时反馈限制在0.2L/min以内。

高纯氮气流经气体环境控制单元11，调整处理后经高纯供给线路14充入光刻投影物镜13内部密闭腔体，气体环境测量单元12将经过与激光、光学器件充分接触后的气体环境参量转换成模拟信号，传递至气体环境采集卡7中，实现采集控制。

参见附图2，所述环境控制机箱9与上位机2之间通过自定义网络协议帧格式24通信；机箱主控卡5、气体环境采集卡7与气体环境控制卡8通过自定义网络协议帧格式24通信。

所述自定义网络协议帧格式24包含设备号18、通道号19、命令号20、数据个数21、协议帧校验22、协议数据段部分23，其中设备号18占1字节空间，代表环境控制机箱9内板卡编号；

通道号19占1字节空间，代表功能板卡的各个功能通道，如温度、湿度、相对压力或绝对压力；

命令号20占2字节空间，代表上位机2对气体环境采集卡7、气体环境控制卡8的控制操作形成的命令序号；

数据个数21占2字节空间，代表自定义网络协议帧数据部分个数；

协议帧校验22占2字节空间，代表自定义网络协议帧具备整体校验功能，以判断接收的自定义网络协议帧是否完整；

协议数据段部分23每数据占8字节空间，代表数据最大表示长度为8字节，不足8字节的数据按照8字节长度填充；

自定义网络协议帧格式24，以8字节格式对齐，小端顺序存储。

参见附图3，气体环境采集控制系统控制流程全部由上位机2发起，采用一问一答形式。系统确认初始化参数与连接后，上位机2发起设置或查询命令，该命令由自定义网络协议帧格式24形式组合成上位机2命令协议后，通过传递给机箱主控卡5。

机箱主控卡5程序首先判断套接字连接状态，保证可靠性，若连接中断，则放弃处理。保持连接状态后，接收上位机2命令协议。在校验成功后进行协议解析，首先区分设备号18是否符合环境控制机箱9设定范围，如果存在，进行命令号20解析，否则放弃处理。通过识别命令号20，程序指定驱动调用转发上位机2命令协议其它部分，产生设备号18对应从卡硬件中断，等待响应。

参见附图4，环境控制机箱9内气体环境采集卡7、气体环境控制卡8两类从卡捕获到中断信号后，通过中断服务程序提取上位机2命令协议，并等待命令号20代表操作的执行器件的结果。按照自定义网络协议帧格式24组合应答上位机2命令协议，通过机箱主控卡5转发，人机交互接口1通过可视化图形界面得到准确的控制指令执行结果，至此完成一次气体环境采集控制系统控制流程。

Claims (7)

1.一种光刻投影物镜内部腔室气体环境采集控制系统，其特征在于，包括上位机(2)、环境控制机箱(9)、气体环境控制单元(11)和气体环境测量单元(12)；

所述上位机(2)包括人机交互接口(1)和网络接口(3)，所述环境控制机箱(9)包括机箱背板(6)和固定在机箱背板(6)上的机箱主控卡(5)、气体环境采集卡(7)和气体环境控制卡(8)，所述上位机(2)的网络接口(3)通过网络接口线路(4)与环境控制机箱(9)的机箱主控卡(5)连接，气体环境采集卡(7)和气体环境控制卡(8)分别通过模拟放大线路(10)与气体环境测量单元(12)和气体环境控制单元(11)连接，光刻投影物镜(13)内部腔室与所述气体环境控制单元(11)之间通过高纯供给线路(14)和回气线路(16)构成气体回路，所述气体环境测量单元(12)通过待测气路(15)与所述光刻投影物镜(13)内部腔室连接。

2.根据权利要求1所述的一种光刻投影物镜内部腔室气体环境采集控制系统，其特征在于，所述气体环境控制单元(11)包括安全阀、一级减压阀、二级减压阀、过滤器、质量流控制器和纯化器，高纯气体依次经过滤器、一级减压阀、二级减压阀、纯化器、质量流控制器和安全阀处理后经高纯供给线路(14)输送到所述光刻投影物镜(13)内部腔室中。

3.根据权利要求1所述的一种光刻投影物镜内部腔室气体环境采集控制系统，其特征在于，所述气体环境测量单元(12)通过高精度温度传感器、湿度传感器、相对压力传感器和绝对压力传感器采集待测气路(15)中气体信息并转换为模拟放大信号通过模拟放大信号线路输送至气体环境采集卡(7)。

4.根据权利要求1所述的一种光刻投影物镜内部腔室气体环境采集控制系统，其特征在于，所述气体环境控制单元(11)和气体环境测量单元(12)与光刻投影物镜(13)之间的距离为2-3m。

5.根据权利要求1所述的一种光刻投影物镜内部腔室气体环境采集控制系统，其特征在于，所述环境控制机箱(9)选用CompactPCI、VME或PCI-E总线形式，4U、5U或6U高度机架式，带冗余独立供电模块。

6.根据权利要求1所述的一种光刻投影物镜内部腔室气体环境采集控制系统，其特征在于，所述环境控制机箱(9)与上位机(2)之间通过自定义网络协议帧格式(24)通信；机箱主控卡(5)、气体环境采集卡(7)与气体环境控制卡(8)通过自定义网络协议帧格式(24)通信。

7.根据权利要求6所述的一种光刻投影物镜内部腔室气体环境采集控制系统，其特征在于，所述自定义网络协议帧格式(24)包含设备号(18)、通道号(19)、命令号(20)、数据个数(21)、协议帧校验(22)、协议数据段部分(23)，其中设备号(18)占1字节空间，通道号(19)占1字节空间，命令号(20)占2字节空间，数据个数(21)占2字节空间，协议帧校验(22)占2字节空间，协议数据段部分(23)每数据占8字节空间，自定义网络协议依靠TCP/IP协议提供可靠的面向连接的网络服务，以8字节格式对齐，小端字节排序。