CN108107681A - 一种光刻投影物镜腔体精密监控装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光刻投影物镜腔体精密监控装置，所述光刻投影物镜腔体精密监控装置包括上位机，工控机，腔体环境控制单元，光刻投影物镜，高纯气体供给源，高纯供给回路，高纯供给线路；所述上位机与所述工控机相连，并可向所述工控机发送指令；所述高纯气体供给源输送至所述腔体环境控制单元中；所述腔体环境控制单元与所述光刻投影物镜之间通过高纯供给回路和高纯供给线路进行连接；所述光刻投影物镜上设置有传感器，所述工控机与所述光刻投影物镜之间通过传感器进行信号反馈；所述工控机与所述腔体环境控制单元之间通过控制信号相连接。本发明提供的光刻投影物镜腔体精密监控装置，在线调试气体循环回路，达到稳定气路压力、控制气路污染等效果，能有效降低环境噪音和振动对光刻投影物镜的影响。

Description

一种光刻投影物镜腔体精密监控装置

技术领域

本发明涉及光刻投影物镜环境控制领域，特别涉及一种光刻投影物镜腔体精密监控装置。

背景技术

作为半导体制造行业超精密光学加工设备的投影光刻机，在市场上更高分辨率、更优成像质量、更小的集成电路芯片特征分辨率的需求下，为保证光刻投影物镜在实际生产中的光刻分辨力和线条质量，已经无法忽视整机中多个环节和因素的影响。

光刻投影物镜需要工作在要求非常苛刻的工艺微环境中，光刻机内部的发热光源将造成局部区域的温度变化；光刻投影物镜腔室光路温度、压力的波动将引起空气折射率的改变和机械结构的热漂移，光刻物镜吸热会产生畸变，引起分辨率和焦深的波动，显著影响成像质量；光刻机内部大量运动部件在进行运动时会产生颗粒污染，必须保证内部气体的ISO3级洁净度控制，且受湿度控制。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，光路的温度稳定性直接影响测试结果精度。其外部环境一般在22℃～23℃范围波动，温度的控制精度至少在±0.1℃，外部气压精度要求在±200Pa。而物镜内部腔室气体环境温度变化控制精度需要控制在22±0.05℃，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，其压力影响纳米级光刻设备0.0228um/MPa。经试验表明，由温度和气压的变化改变激光在气体中的折射率，如果系统抽真空度小于10Pa，此时温度变化控制在0.1℃,压力变化小于0.1Pa时，造成的相位差小于λ/1000。

与此同时，实验室中的振动影响也必须通过隔振平台或者算法进行消除。为了减小对光刻投影物镜的热影响和振动冲击，微环境(温度、压力、湿度等)控制单元不允许安装在与投影光刻机的近距离处，对投影物镜的微环境控制需要采用冷媒远程监控和管理方式，最远距离要求达到20米。传统的工控机由于总线多个模块功能需求和风扇散热需求，工作时系统的总声音级将高达70～80dBA，对使用者和操作环境的影响已经无法忽略。为解决此类影响，遵照ISO 7779标准，使用嵌入式无风扇工控机噪声等级可以降低至35dBA，满足系统功能的扩展性，更加有效兼顾环境振动噪声以及热效应。

发明内容

本发明旨在克服现有技术存在的缺陷，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种光刻投影物镜腔体精密监控装置，所述光刻投影物镜腔体精密监控装置包括上位机，工控机，腔体环境控制单元，光刻投影物镜，高纯气体供给源，高纯供给回路，高纯供给线路；所述上位机与所述工控机相连，并可向所述工控机发送指令；所述高纯气体供给源输送至所述腔体环境控制单元中；所述腔体环境控制单元与所述光刻投影物镜之间通过高纯供给回路和高纯供给线路进行连接；所述光刻投影物镜上设置有传感器，所述工控机与所述光刻投影物镜之间通过传感器进行信号反馈；所述工控机与所述腔体环境控制单元之间通过控制信号相连接。

一些实施例中，所述传感器包括：相对式气体压力传感器和绝对式气体压力传感器。

一些实施例中，所述腔体环境控制单元包括安全阀、初级减压阀、精密减压阀、换热器、过滤器、气体质量流控制器和纯化器，高纯气体依次经过换热器、过滤器、初级减压阀、精密减压阀、纯化器、气体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的内部腔室中。

一些实施例中，所述上位机与所述工控机之间通过远程控制网络进行连接。

一些实施例中，所述工控机为嵌入式无风扇工控机。

一些实施例中，所述所述工控机包括：高速背板，工控主板，环境采集卡，环境控制卡，冗余存储，热备供电模块；所述高速背板将所述工控主板，环境采集卡，环境控制卡，冗余存储和热备供电模块以PCI/PCI-E总线形式进行串联。

一些实施例中，所述工控主板运行多级双重PID闭环控制算法。

一些实施例中，所述工控机与上位机之间通过自定义网络协议帧格式通信。

一些实施例中，所述工控主板、环境采集卡、环境控制卡通过自定义网络协议帧格式通信。

一些实施例中，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、协议帧校验和协议数据段部分。

本发明提供的一种光刻投影物镜腔体精密监控装置，在线调试气体循环回路，达到稳定气路压力、控制气路污染等效果，能有效降低环境噪音和振动对光刻投影物镜的影响。

附图说明

图1为根据本发明一个实施例的光刻投影物镜腔体精密监控装置结构框图；

图2为根据本发明一个实施例的自定义网络协议帧格式示意图；

图3为根据本发明一个实施例的光刻投影物镜腔体精密监控装置中的工控机内部组织示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

本发明提出了一种可实现反射镜宽温度变化适应能力的光刻投影物镜腔体精密监控装置。

如图1-图3所示，所述光刻投影物镜腔体精密监控装置100包括：上位机1，工控机3，腔体环境控制单元5，光刻投影物镜9，高纯气体供给源6，高纯供给回路7，高纯供给线路8；所述上位机1与所述工控机3相连，并可向所述工控机3发送指令；所述高纯气体供给源6输送至所述腔体环境控制单元5中；所述腔体环境控制单元5与所述光刻投影物镜9之间通过高纯供给回路7和高纯供给线路8进行连接；所述光刻投影物镜9上设置有传感器，所述工控机3与所述光刻投影物镜9之间通过传感器进行信号反馈；所述工控机3与所述腔体环境控制单元5之间通过控制信号相连接。

一些实施例中，所述传感器包括：相对式气体压力传感器10和绝对式气体压力传感器11。

一些实施例中，所述腔体环境控制单元5包括安全阀、初级减压阀、精密减压阀、换热器、过滤器、气体质量流控制器和纯化器，高纯气体依次经过换热器、过滤器、初级减压阀、精密减压阀、纯化器、气体质量流控制器和安全阀处理后经高纯供给线路8输送到所述光刻投影物镜9的内部腔室中。

一些实施例中，所述上位机1与所述工控机3之间通过远程控制网络进行连接。

一些实施例中，所述工控机3为嵌入式无风扇工控机3。

一些实施例中，所述所述工控机3包括：高速背板301，工控主板302，环境采集卡303，环境控制卡304，冗余存储305，热备供电模块306；所述高速背板301将所述工控主板302，环境采集卡303，环境控制卡304，冗余存储305和热备供电模块306以PCI/PCI-E总线形式进行串联。

一些实施例中，所述工控主板302运行多级双重PID闭环控制算法。

一些实施例中，所述工控机3与上位机1之间通过自定义网络协议帧格式通信。

一些实施例中，所述工控主板302、环境采集卡303、环境控制卡304通过自定义网络协议帧格式通信。

一些实施例中，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、协议帧校验和协议数据段部分。

下面参考图1至图3的具体实施例来对本发明提供的光刻投影物镜内部腔体精密监控装置进行详细说明.

参见附图1，本发明的一种光刻投影物镜内部腔体精密监控装置包括气体循环回路和串级控制回路；所述气体循环回路包括高纯气体供给源6、腔体环境控制单元5、高纯供给线路8、光刻投影物镜9、入气口14、出气口15、高纯供给回路7；所述串级控制回路包括上位机1、远程控制网络2、嵌入式无风扇工控机3、控制信号4、腔体环境控制单元5、相对式气体压力传感器10、绝对式气体压力传感器11、数字反馈信号12、模拟反馈信号13。其中，诉讼高纯气体供给源提供的是高纯氮气。

所述上位机1通过人机交互接口用以使用者通过图形界面实时与腔体精密监控装置进行交互，该接口通过QT/QWT跨平台高级图形应用程序框架编写；远程控制网络2用以上位机1与嵌入式无风扇工控机3之间的高速通信媒介，保证两者在相同的局域网范围内。

参见附图3，所述嵌入式无风扇工控机3利用高速背板301将工控主板302、环境采集卡303、环境控制卡304、冗余存储305、热备供电模块306以PCI/PCI-E总线形式串联，满足高速通信需求。其中冗余存储305用于将工控主板302存储数据进行镜像，在不影响性能情况下最大限度保证数据冗余可靠性，当工控主板302的存储单元由于负载过大损坏时，冗余存储仍然能不间断提供支持，并保证“热替换”处理。由于投影光刻物镜内微环境需要长时间实时的远程监控管理，热备供电模块306也能够提供持续、稳定、不间断的电源供应，以提供关键设备在特殊应急情况下的自我保护功能。

所述环境采集卡303与布置在光刻投影物镜9关键位置上的相对式气体压力传感器10转换的数字反馈信号12以及绝对式气体压力传感器11转换的模拟反馈信号13相连接。环境控制卡304与腔体环境控制单元5内部执行器件(如质量流控制器、初级减压阀、精密减压阀等)相连接。

所述光刻投影物镜9内部腔室与所述腔体环境控制单元5之间通过高纯供给线路8和高纯供给回路7构成气体循环回路。

所述腔体环境控制单元5包括安全阀、初级减压阀、精密减压阀、换热器、过滤器、气体质量流控制器和纯化器，高纯气体依次经过换热器、过滤器、初级减压阀、精密减压阀、纯化器、气体质量流控制器和安全阀处理后经高纯供给线路8输送到所述光刻投影物镜9内部腔室中。

所述上位机1利用人机交互接口可视化操作界面通过远程控制网络2与嵌入式无风扇工控机3内部的工控主板302相连接。嵌入式无风扇工控机3采用紧凑型坚固机身，缩小机身占用空间，通过高速背板301PCI/PCI-E总线实现高效数据传输，利用无风扇设计有效减少环境噪声、污染和振动影响，同时具备高防尘、抗震保护等级，合理解决传统机架式机箱阵列控制体系带来的问题。环境采集卡303和环境控制卡304选用16位及以上高精度的模拟转换器件，保证转换分辨率。环境采集卡303采用模拟反馈信号13和数字反馈信号12分别与绝对式气体压力传感器11和相对式气体压力传感器10相连接，实时采集投影光刻物镜9腔体湿度、压力等微环境参数，工控主板302运行多级双重PID闭环控制算法，通过控制信号4与腔体环境控制单元5相连接，实时反馈湿度和压力等控制信号至腔体环境控制单元5减压阀和质量流量控制器执行器件，实现对光刻投影物镜9内部腔室气体环境的采集和控制。

所述光刻投影物镜9内部腔室充入高纯气体供给源6，所述腔体环境控制单元5中的安全阀、初级减压阀用以限定高纯气体供给源6的压力在750mbar～1050mbar范围内，并且利用精密减压阀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气体供给源6与高纯供给回路7的纯净度和气体湿度。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，否则会通过工控主板302运行智能算法及时反馈限制在0.2L/min以内。

高纯氮气流经腔体环境控制单元5，调整处理后以高纯供给线路8经入气口14充入光刻投影物镜9内部密闭腔体，相对式气体压力传感器10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数字反馈信号12，绝对式气体压力传感器11转换成模拟反馈信号13，传递至嵌入式无风扇工控机3内环境采集卡303中，实现采集反馈。

参见附图2，所述嵌入式无风扇工控机3与上位机1之间通过自定义网络协议帧格式205通信；工控主板302、环境采集卡303、环境控制卡304通过自定义网络协议帧格式205通信。所述自定义网络协议帧格式205包含设备号201、通道号202、命令号203、数据个数204、协议帧校验206、协议数据段部分27，其中设备号201占1字节空间，代表嵌入式无风扇工控机3内板卡编号，以满足扩展性；通道号202占1字节空间，代表功能板卡的各个功能通道，如温度、湿度、流量、相对气体压力或绝对气体压力；命令号203占2字节空间，代表上位机1对环境采集卡303、环境控制卡304、冗余存储305、热备供电模块306的控制操作形成的命令序号；数据个数204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206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207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205，以字格式对齐，便于存储读取，小端字节排序。

光刻投影物镜腔体精密监控装置控制流程全部由上位机1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1发起设置或查询命令，该命令由自定义网络协议帧格式205形式组合成上位机1命令协议后，通过传递给工控主板302。

工控主板302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1命令协议。在校验成功后进行协议解析，首先区分设备号201是否符合工控主板302设定范围，如果存在，进行命令号203解析，否则放弃处理。通过识别命令号203，程序指定驱动调用转发上位机1命令协议其它部分，产生设备号201对应从卡硬件中断，等待响应。

嵌入式无风扇工控机3内环境采集卡303、环境控制卡304两类从卡捕获到中断信号后，通过中断服务程序提取上位机1命令协议，并等待命令号203代表操作的执行器件的结果。按照自定义网络协议帧格式205组合应答上位机1命令协议，通过工控主板302转发，上位机1内人机交互接口通过可视化图形界面得到准确的控制指令执行结果，至此完成一次光刻投影物镜腔体精密监控装置控制流程。

本发明实施例提供的一种光刻投影物镜内部腔体精密监控装置的上位机利用人机交互接口可视化操作界面通过远程网络与嵌入式无风扇工控机内部的工控主板相连接，降低环境噪声和振动，实现远程监控和管理。嵌入式无风扇工控机内布局冗余存储和热备供电模块，最大程度保证系统关键参数的运行可靠性。环境采集卡和环境控制卡选用16位及以上的模拟转换器件，保证高精度转换分辨率。环境采集卡采用多路模拟反馈信号和数字反馈信号分别与绝对式气体压力传感器和相对式气体压力传感器相连接，实时采集投影光刻物镜腔体湿度、压力等微环境参数，工控主板运行多级PID闭环控制算法，通过控制信号与腔体环境控制单元相连接，实时反馈湿度和压力等控制信号至腔体环境控制单元减压阀和质量流量控制器执行器件，实现对光刻投影物镜内部腔室气体环境的采集和控制。物镜内部腔室在相对密封状态下，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，强制氧气的隔离，循环冷却，保证了光刻物镜光刻精度，提高了光刻物镜的稳定性。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种光刻投影物镜腔体精密监控装置，其特征在于，包括：

上位机，工控机，腔体环境控制单元，光刻投影物镜，高纯气体供给源，高纯供给回路，高纯供给线路；

所述上位机与所述工控机相连，并可向所述工控机发送指令；

所述高纯气体供给源输送至所述腔体环境控制单元中；

所述腔体环境控制单元与所述光刻投影物镜之间通过高纯供给回路和高纯供给线路进行连接；

所述光刻投影物镜上设置有传感器，所述工控机与所述光刻投影物镜之间通过传感器进行信号反馈；

所述工控机与所述腔体环境控制单元之间通过控制信号相连接。

2.根据权利要求1所述的光刻投影物镜腔体精密监控装置，其特征在于，所述传感器包括：相对式气体压力传感器和绝对式气体压力传感器。

3.根据权利要求1所述的光刻投影物镜腔体精密监控装置，其特征在于，所述腔体环境控制单元包括安全阀、初级减压阀、精密减压阀、换热器、过滤器、气体质量流控制器和纯化器，高纯气体依次经过换热器、过滤器、初级减压阀、精密减压阀、纯化器、气体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的内部腔室中。

4.根据权利要求1所述的光刻投影物镜腔体精密监控装置，其特征在于，所述上位机与所述工控机之间通过远程控制网络进行连接。

5.根据权利要求1所述的光刻投影物镜腔体精密监控装置，其特征在于，所述工控机为嵌入式无风扇工控机。

6.根据权利要求1所述的光刻投影物镜腔体精密监控装置，其特征在于，所述所述工控机包括：高速背板，工控主板，环境采集卡，环境控制卡，冗余存储，热备供电模块；

所述高速背板将所述工控主板，环境采集卡，环境控制卡，冗余存储和热备供电模块以PCI/PCI-E总线形式进行串联。

7.根据权利要求6所述的光刻投影物镜腔体精密监控装置，其特征在于，所述工控主板运行多级双重PID闭环控制算法。

8.根据权利要求1所述的光刻投影物镜腔体精密监控装置，其特征在于，所述工控机与上位机之间通过自定义网络协议帧格式通信。

9.根据权利要求1所述的光刻投影物镜腔体精密监控装置，其特征在于，所述工控主板、环境采集卡、环境控制卡通过自定义网络协议帧格式通信。

10.根据权利要求8或9所述的光刻投影物镜腔体精密监控装置，其特征在于，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、协议帧校验和协议数据段部分。