CN105372645A - 一种适用于可变狭缝刀片运动状态检测的装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种适用于可变狭缝刀片运动状态检测的装置，包括：直线方向上可动刀片单元，包括可动刀片和直线导轨，所述可动刀片在所述直线导轨上作直线往复运动；光电测距装置，用于测量所述可动刀片相对所述直线导轨运动的位置；所述光电测距装置包括测量光波发射端、光波接收端和反射器单元；一套所述直线方向上可动刀片单元配套使用一套所述光电测距装置；所述光波发射端和所述光波接收端组成光电测距传感器单元，与所述反射器单元相对应地可互换地分别固定在所述可动刀片上和所述直线导轨上。

Description

一种适用于可变狭缝刀片运动状态检测的装置与方法

技术领域

本发明涉及一种集成电路装备制造领域，尤其涉及一种适用于可变狭缝刀片运动状态检测的装置与方法。

背景技术

可变狭缝是应用在光刻机照明系统中的一种机械装置，其具有四个可动刀片，分别为X方向两个，Y方向两个，其中X方向的刀片可以沿X向运动，Y方向的刀片可以沿Y向运动。通过对X向、Y向刀片的位置及其运动状态的设置，可以对光刻机照明系统的通光尺寸和位置进行设置，以实现对曝光视场大小及位置的控制，从而对掩模上不需要曝光的区域进行遮挡，实现高品质曝光动作，得到完美曝光图像。

可变狭缝（下文简称VS）有两种工作模式：一种是静态曝光；另一种是动态扫描曝光。在静态曝光状态下，根据掩模上需要曝光区域的位置信息，由电机带动VS的4个可动刀片运动到合适的位置进行曝光动作，在曝光过程中，4个可动刀片的位置保持不动。在动态扫描曝光过程中，掩模要实现Y方向匀速扫描，在这种曝光过程下，VS的X方向的刀片在设置到合适的位置后保持不动，而Y向可动刀片则要保持与掩模同步的运动状态（具体Y向刀片的运动速度由Y向刀片和掩模之间的光路缩放比例决定）。由此可以看出，VS刀片运动状态复杂多变，另外，又由于刀片运动要求以很高的速度实现期望运动，同时其误差精度又要求在微米级范围内，因此VS刀片的运动控制任务是一个复杂和高要求的任务，为实现该复杂的任务，需要大量的位置传感器、限位传感器、零位传感器等检测其运动状态的检测装置。

现有技术中VS刀片运动状态检测主要通过以下方式实现：在每个刀片的运动范围的两个极端处，除设有机械限位装置外，还各装有一个电气限位开关。刀片在行程范围内的运动位置由光栅尺（或编码尺）来检测得到。同时为设置刀片的位置，需要有初始基准位置来设置刀片的位置。现有VS运动检测装置为实现这一功能，在两个电气限位传感器之间的固定位置处装有一零位传感器。刀片在执行运动过程中，先回到该零位处，然后根据要求运动到期望位置。这样一来，每个刀片有2个电气限位开关、1个零位传感器、1个光栅尺（或编码尺），四个刀片则共有8个电气限位开关、4个零位传感器、4个光栅尺（或编码尺）。如此数量庞大又复杂的检测设备主要带来以下弊端：

第一，复杂的走线设计问题，VS单元装在照明系统中，非常有限的空间内要考虑如此数量多的传感器的信号线、供电线的走线问题，走线设计的不合理，不仅各类传感器信号之间彼此互相影响，降低检测精度，同时还会对照明系统内其他元器件产生电磁干扰，影响其正常工作。

第二，各类传感器的供电问题，限位开关、零位传感器、光栅此（或编码尺）的供电电压各不相同，这就要求为如此多类型与数量的传感器提供不同电压的供电电源，增加了电气设计难度。

第三，不同传感器占用信号处理通道问题，如此多的传感器势必需要提供大量的信号处理通道，加重了信号处理板卡的负担，增加了功耗。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种供电设计简单，检测精度高，功耗低，占用信号处理通道少的可变狭缝刀片运动状态检测的装置与方法。

为了实现上述发明目的，本发明公开一种适用于可变狭缝刀片运动状态检测的装置，包括：直线方向上可动刀片单元，包括可动刀片和直线导轨，所述可动刀片在所述直线导轨上作直线往复运动；光电测距装置，用于测量所述可动刀片相对所述直线导轨运动的位置；所述光电测距装置包括测量光波发射端、光波接收端和反射器单元；一套所述直线方向上可动刀片单元配套使用一套所述光电测距装置；所述光波发射端和所述光波接收端组成光电测距传感器单元，与所述反射器单元相对应地可互换地分别固定在所述可动刀片上和所述直线导轨上。

更进一步地，所述直线方向上可动刀片单元，包括X方向可动刀片单元和Y方向可动刀片单元；所述X方向可动刀片单元，所述X方向可动刀片沿X作往复运动；所述Y方向可动刀片单元，所述Y方向可动刀片沿Y作往复运动；一套所述光电测距装置内所述光电测距传感器单元包括发射一特定波长光线的发射端和一接收端；一套所述光电测距装置内所述反射器单元反射对应所述发射端发出的特定波长光线反射至所述接收端。

更进一步地，所述发射端为一GaAs二极管。

更进一步地，所述可变狭缝形成至少包括1套所述X方向可动刀片单元和1套所述Y方向可动刀片单元。

更进一步地，所述可变狭缝刀片运动状态检测的装置还包括一框架单元，所述框架单元用于承载所述X方向可动刀片单元、Y方向可动刀片单元、光电测距传感器单元和反射器单元。

更进一步地，所述X向导轨和Y向导轨上均设置电气限位开关。

更进一步地，一套所述光电测距装置内的所述光电测距传感器单元和所述反射器安装位于同一直线上。

本发明还公开一种适用于可变狭缝刀片运动状态检测方法，其特征在于，

步骤一、使一直线方向的可动刀片沿所述直线方向作往复运动；

步骤二、一套所述直线方向上可动刀片单元配套使用一套所述光电测距装置，所述一套光电测距装置包括光电测距传感器单元和反射器单元，所述光电测距传感器单元的发射端和接收端，所述反射器单元包括反射器；

步骤三、在所述直线方向导轨上设置所述发射端和接收端，在所述可动刀片上设置所述反射器；

步骤四、根据所述发射端所发射光束的速度以及所述光束自发射端至接收端的时间，计算所述在直线方向上所述可动刀片的运动信息。

更进一步地，所述运动信息包括速度、距离、加速度和加加速度。

更进一步地，所述同一套光电测距装置内的所述光电测距传感器单元的所述发射端和接收端和所述反射器位于同一直线上。

与现有技术相比较，由于本发明采用4个同类型光电测距传感器来对刀片的运动状态进行检测，相比现有技术多类型、大数量传感器的技术方案，本发明具有结构简单，便于安装与维护保养，同时还具有占有空间小的优点。

与现有技术相比较，本发明所涉及的信号线、电源线更少，可以在有限的空间里实现更好的布局设计，能够达到减小现有技术方案中信号之间的彼此干扰，并能取得降低对其他元器件造成的电磁干扰的卓越效果。

相比现有技术方案需要给多种不同类型传感器分别提供供电电源的情况，本发明采用同类型的光电测距传感器，使用同类型的供电电源，同时数量上也大大减少，相比现有技术方案，具有明显进步效果。

相比现有技术方案中需要处理多路传感器信号，信号处理板卡处于满负荷工作状态或同时需要多块信号处理板卡协同工作的情况，本发明只需处理4路检测信号，大大减少了信号处理板卡的负荷量，节省了资源，同时功耗也得到有效降低。

与现有技术相比较，本发明中的光电测距传感器采用GaAS二极管做光源，无需另配专门的调制器，具有结构紧凑、占用空间小的优点；本发明中光电测距传感器采用光电倍增管作为光电转换单元，同时采用相位法进行距离测算，具有检测精度高的优点。

附图说明

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。

图1是本发明所涉及的适用于可变狭缝刀片运动状态检测的装置的结构示意图；

图2是本发明所涉及的可动刀片运动状态检测的原理示意图；

图3是本发明所涉及的可动刀片位置控制结构图；

图4是本发明所涉及的适用于可变狭缝刀片运动状态检测的装置的另一实施方式。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的一种具体实施例的适用于可变狭缝刀片运动状态检测的装置与方法。然而，应当将本发明理解成并不局限于以下描述的这种实施方式，并且本发明的技术理念可以与其他公知技术或功能与那些公知技术相同的其他技术组合实施。

在以下描述中，为了清楚展示本发明的结构及工作方式，将借助诸多方向性词语进行描述，但是应当将“前”、“后”、“左”、“右”、“外”、“内”、“向外”、“向内”、“上”、“下”等词语理解为方便用语，而不应当理解为限定性词语。此外，在以下描述中所使用的“X向”一词主要指与水平向平行的方向；“Y向”一词主要指与水平向平行，且与X向垂直的方向；“Z向”一词主要指与水平向垂直，且与X、Y向均垂直的方向。

本发明中采用4路光电测距传感器组成的测量系统对VS可动刀片的运动状态进行检测，其结构布局如图1所示。图中，1为VS保护框架，主要用来保护VS单元不易受外界其他系统干扰，同时能够承载VS的重量，保护框架上装有VS单元与外界其他单元连接的电气接口与机械接口。2为X方向可动刀片，可以沿图中所画X方向双箭头的方向，在X方向上往复运动。3为X向导轨，在导轨上装有驱动刀片运动的电机（或其他驱动装置），X向刀片可以沿X向导轨在X方向上往复运动。4为Y方向可动刀片，可以沿图中所画Y方向双箭头的方向，在Y方向上往复运动。5为Y向导轨，在导轨上装有驱动刀片运动的电机（或其他驱动装置），Y向刀片可以沿Y向导轨在Y方向上往复运动。通过X向刀片与Y向刀片的配合，可以实现大小可以调节的开口区域，从而可以对掩模上不需要曝光的区域进行遮挡，提高曝光质量。6为光电测距传感器的发射端与接收端，可以发射特定波长的光线，采用GaAs二极管作为光源、光电倍增管作为光电转换元件、相位法来进行距离计算，四套发射端与接收端6分别装在X向、Y向导轨（或其附近）的固定位置处。7为反射器，用来将发射端发出的载波信号反射回接收端，四套反射器7分别装在四个可动刀片的固定位置处。反射器7和发射端与接收端6的位置一一对应，导轨上（或其附近）的发射端与接收端6发出的载波信号打到装在对应可动刀片固定位置处的反射器7上，反射器7将载波信号反射回接收端，经过计算从而可得刀片的位置与运动状态。

具体的检测方法见图2，下面以单个Y向刀片的为例，详述本发明所采用检测装置的检测原理，X向刀片的检测原理于此类似，只是安装方向不同。图2中，载波的发射端与接收端6装在Y向导轨（或其附近）的固定位置处，相应地，用于反射载波的反射器7装在对应Y向刀片的固定位置处，机械安装时保证6与7在同一直线上，且两者之间不会有其他光束的干扰。则发射端与接收端6与反射器7之间的距离Ｌ由公式（1）得到：

（1），式中c为发射端所发射光束的速度，t为光电测距传感器测量出来的光束从发射到接收期间的时间。其中时间t的测定通过相位法间接测量得到。

图2中，L1、L2分别为可动刀片极限行程范围的两个限位位置点，每当光电测距传感器检测到刀片的位置到达L1或L2，就自动切断驱动刀片运动的电机（或其他驱动装置）的供电，有效保护刀片不与其他机械装置发生碰撞，防止损害发生。设置在两个限位位置L1与L2之间的某一固定位置L0为可动刀片在其行程范围内的零位，可动刀片的运动以此零位为基准，可动刀片在执行运动过程时，先回到零位L0处，然后以绝对增量ΔL来执行位置设置运动，如公式（2）：(2)。

在实际的曝光过程中，根据掩模版上需要曝光的区域，给出VS可动刀片的开口区域大小，具体对应到每片刀片的增量位置ΔL，即图3中的设定值301。如图3中，VS控制器302根据给定的目标位置与反馈回来实际位置的偏差信息进行控制，其控制方式可采用PID控制、神经网络控制、模糊控制、滑模控制、自适应控制等方式，控制算法通过DSP、FPGA、CPLD、ARM或单片机等嵌入式控制器来实现，亦可通过工控机的方式来实现。VS控制器302根据位置误差信息来实行控制，给出控制输出：驱动电流或驱动电压，然后经过功率放大板卡进行信号放大和滤波处理，来驱动电机303（或其他驱动装置）带动可动刀片304运动到刀片的期望位置，完成VS可动刀片开口区域大小的设置。图3中可动刀片304的位置检测装置305即是本发明中所提出的由光电测距传感器组成的刀片运动状态检测装置。可动刀片在运动过程中，该检测装置实时得到由反射器7反射回来的刀片位置信息，经过控制算法分解，即可得到刀片的运动状态信息：距离L、速度V，加速度a，加加速度jerk，这些位置信息通过加载在上文所提的DSP、FPGA等硬件上的PID控制算法、神经网络控制算法等控制算法的实时控制，即可达到对VS可动刀片运动状态的高精度控制，从而提高光刻机的曝光质量。

在另一较佳实施方式中，可以在上述实施例的基础上，在刀片的两个行程限位L1与L2处各自再装一个电气限位开关。以单个刀片为例，如图4中所示，在限位L1、L2处装有两个同类型的电气限位开关8，刀片在沿轨道运动到两个限位处时，不仅从软件识别判断上进行限位实现对机械装置的保护，还从物理电气层上进行限位实现对机械装置的保护。进一步提高了安全性能，VS的4个刀片都按此种方式进行配置，刀片的运动状态检测方法与方案一保持一致。

本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于可变狭缝刀片运动状态检测的装置，其特征在于，包括：

直线方向上可动刀片单元，包括可动刀片和直线导轨，所述可动刀片在所述直线导轨上作直线往复运动；

光电测距装置，用于测量所述可动刀片相对所述直线导轨运动的位置；所述光电测距装置包括测量光波发射端、光波接收端和反射器单元；

一套所述直线方向上可动刀片单元配套使用一套所述光电测距装置；

所述光波发射端和所述光波接收端组成光电测距传感器单元，与所述反射器单元相对应地可互换地分别固定在所述可动刀片上和所述直线导轨上。

2.如权利要求1所述的适用于可变狭缝刀片运动状态检测的装置，其特征在于，

所述直线方向上可动刀片单元，包括X方向可动刀片单元和Y方向可动刀片单元；

所述X方向可动刀片单元，所述X方向可动刀片沿X作往复运动；

所述Y方向可动刀片单元，所述Y方向可动刀片沿Y作往复运动；

一套所述光电测距装置内所述光电测距传感器单元包括发射一特定波长光线的发射端和一接收端；

一套所述光电测距装置内所述反射器单元反射对应所述发射端发出的特定波长光线反射至所述接收端。

3.如权利要求1所述的适用于可变狭缝刀片运动状态检测的装置，其特征在于，所述发射端为一GaAs二极管。

4.如权利要求2所述的适用于可变狭缝刀片运动状态检测的装置，其特征在于，所述可变狭缝形成至少包括1套所述X方向可动刀片单元和1套所述Y方向可动刀片单元。

5.如权利要求1所述的适用于可变狭缝刀片运动状态检测的装置，其特征在于，所述可变狭缝刀片运动状态检测的装置还包括一框架单元，所述框架单元用于承载所述X方向可动刀片单元、Y方向可动刀片单元、光电测距传感器单元和反射器单元。

6.如权利要求2所述的适用于可变狭缝刀片运动状态检测的装置，其特征在于，所述X向导轨和Y向导轨上均设置电气限位开关。

7.如权利要求1所述的适用于可变狭缝刀片运动状态检测的装置，其特征在于，一套所述光电测距装置内的所述光电测距传感器单元和所述反射器安装位于同一直线上。

8.一种适用于可变狭缝刀片运动状态检测方法，其特征在于，

步骤一、使一直线方向的可动刀片沿所述直线方向作往复运动；

步骤二、一套所述直线方向上可动刀片单元配套使用一套所述光电测距装置，所述一套光电测距装置包括光电测距传感器单元和反射器单元，所述光电测距传感器单元的发射端和接收端，所述反射器单元包括反射器；

步骤三、在所述直线方向导轨上设置所述发射端和接收端，在所述可动刀片上设置所述反射器；

步骤四、根据所述发射端所发射光束的速度以及所述光束自发射端至接收端的时间，计算所述在直线方向上所述可动刀片的运动信息。

9.如权利要求8所述适用于可变狭缝刀片运动状态检测方法，其特征在于，所述运动信息包括速度、距离、加速度和加加速度。

10.如权利要求9所述适用于可变狭缝刀片运动状态检测方法，其特征在于，所述同一套光电测距装置内的所述光电测距传感器单元的所述发射端和接收端和所述反射器位于同一直线上。