CN108303185A - 一种积分漂零补偿的电路实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是光刻系统中，针对步进扫描方法测量脉冲激光光场，提高探测精度的方法。采用基于差分原理的双积分器补偿方法，在实际电路中选用性能参数一致的器件设计电路，最大限度地抑制积分零漂对检测结果的影响。针对扫描测量这种测量方式，设计了一种同步控制时序的方案，使测量系统能够自动精确地实时触发控制测量。
Description
技术领域
本发明涉及光学投影曝光光刻技术中，针对步进扫描方法测量脉冲激光光场，提高探测精度的方法。
背景技术
光学投影曝光光刻技术是目前集成电路制造中应用最广，发展最为成熟的光刻技术。其原理与照片冲印技术类似，利用光学成像原理，将事先加工好的掩模板上的集成电路图形通过重复曝光的方式转移到硅片上。这里的掩模板相当于照片底片，硅片相当于相纸，与照片冲印一样，都有曝光与显影的过程。掩模板一般是镀铬石英玻璃板，制作掩模板的时候，根据事先设计好的集成电路图形把镀铬层刻蚀成透光与不透光的部分。激光照射到掩模板上把电路图形直接或缩小后投影到硅片上。显影后，再经过刻蚀、扩散、金属沉淀等后续复杂操作制成集成电路芯片。系统其中照明系统必须完成包括激光光束扩束，激光光束的传输与稳定，激光光束整形，照明模式的变换，视场大小与数值孔径NA的控制，以及完成频谱滤波，建立一定水平的相干性等工作。除此以外，照明系统还必须控制曝光剂量，为掩模面提供均匀性照明，所以照明系统均匀性检测至关重要。
其中最主要的消除激光器光脉冲的时间不均匀性影响方面的工作。一般的电路中假设集成运放A为理想运算放大器，可以得出相关输入输出关系。但实际上中电路设计时所使用的集成运放并不是理想的，其增益Aod、输入电阻Rin和共模抑制比KCMR都不能达到无穷大，而且存在输入失调电压UIO、输入失调电流IIO、温度漂移等影响。在积分电路中为了方便，把以上所有因素所造成的误差统称为积分零漂。当输入电压为零时，输出电压只取决于失调因素。目前的消除零漂的方法中，对于光学投影曝光光刻技术中需要的步进扫描探测法，它们均不能满足检测的要求。步进扫描探测需要一个同步控制信号来控制每次探测的激光脉冲数目，每完成一次测量后需要将数据保存到计算机终端，同时在位移台的控制下将探头移动到下一探测点，在下一次测量开始之前需要对上一次测量的结果清零，即：对积分电容放电。“双积分器补偿法”无法完成积分电容的放电操作，但具有电路简单易行的优点。“模拟开关时序控制补偿法”虽然可以在每次测量前对积分电容放电，但是电路设计复杂，特别是开关时序逻辑控制、同步控制难度高，整个测量过程过于繁琐，在测量时间上会大打折扣，无法达到预期设计要求。
发明内容
为了克服以上问题，提出了一种改进型积分电路。改进型积分电路集“双积分器补偿电路”与“模拟开关时序控制补偿电路”优点于一体。
本发明的目的是采用下述技术方案来实现的：
使用两个单刀单掷(SPST)模拟开关S1、S2，S1、S2同步工作，它们的开启与关闭受外部时序信号控制。当同步时序控制信号为高电平时，S1、S2断开放电回路，积分器积分探测，反之则接通放电回路，积分电容放电。同步控制时序由同步控制模块产生，该时序信号与位移台配合完成光场光强的自动测量。
改进型积分器的工作过程为：
系统开机(上电)前S1、S2接通放电回路；
系统开机后，开始测量前，S1、S2接通放电回路，两路积分电路开始积分探测，由于S1、S2 接通了放电回路，因此差分输出电压为零(为了保险起见，在开始测量前对积分电容的放电时间尽可能长)；
开始光强测量(测量由同步控制信号上升沿开启)，S1，S2被触发，放电回路断开，一次积分时间T后(T的长短由时序电路控制，且可调)，可在输出端得到积分光强值；
同步控制信号下降沿到来时，结束一次光强测量，输出电压经过采样保持电路保持，脉冲下降沿触发S1、S2接通放电回路，积分电容放电，使积分初值为零，为下一次测量做准备。脉冲下降沿同时触发产生以AD转换开启信号开启AD转换，转换数据被送到计算机进行后续数据处理；
位移台带动SS探头移动到下一探测位后，等待同步控制信号开启下一次测量，以此重复第三、第四步骤便可以得到扫描探测光强分布。
本发明与现有技术相比有如下优点：
(1)器件选择方面采用高性能运算放大器：与普通的放大器积分电路相比，采用输入失调电压，输入失调电流和输入偏置电流尽量小的高性能运算放大器可以将积分零漂降低一个数量级；
(2)采用双积分器差分输出：这种方式可以将积分零漂再降2-3个数量级，只是在选择两路积分电路器件时要选择性能相近的IC、高精度电阻、泄露电流很小的电容器，同时对多路开关自身内阻进行补偿；
(3)在积分器上加入放电回路：放电回路的断开与闭合由模拟开关控制，而模拟开关的开闭由一定的控制时序来实现。每次测量(任意一点)完成后在下次测量开始之前(探头移动过程中)对前一次测量的电容进行放电。
附图说明
图1双积分器补偿原理图。
图2反馈式补偿方法示意图。
图3改进型积分器的原理图。
图4时序与对应的模拟开关开闭状态图。
图5基于激光脉冲计数器的同步时序设计图。
图6激光脉冲整形原理图
图7控制逻辑设计电路图
图8控制逻辑时序图
具体实施方式
下面结合附图、工作原理对本发明作进一步详细说明。
本发明使用基于差分原理的双积分器补偿方法。双积分器补偿原理主要是使用两路积分器构成积分器组，其中一路对信号进行积分，另一路对地进行积分，最后经过差分电路将两路积分信号相减，其原理如图1所示。
积分器A对输入信号进行积分，输出为：
积分器B对地积分，输入信号为0，输出为：
其中vi(t)为有效信号，δ1、δ2为失调因素与环境噪声所引起的积分误差。减法器的最终输出电压为：
式(4-13)也可表示为：
由于两路积分电路采用完全相同的电路设计，因此其电路特性参数基本相近，δ1、δ2大小相当，Δδ趋于无穷小，因此最终电压输出基本上为有用信号，最大限度的抑制了积分零漂对检测结果的影响。
基于模拟开关时序控制的积分零漂补偿法是一种反馈式补偿方法。电路是由基本积分电路和模拟开关构成的保持电路反馈网络组成。通过对各个开关的闭合控制，利用保持电路记录积分零漂，然后在输入端对零漂进行补偿，图2是其电路原理图。
整个积分零漂补偿过程分为四个步骤：
(1)零漂测量：在零漂测量过程中，K3、K4、K5打开，K1、K2闭合，电路为同相放大器电路。输入端接地，输出电压为失调电压VIO、失调电流IIO所造成的噪声电压，噪声电压被保持电路记录。
(2)零漂补偿：此过程K3、K4打开，K1、K2、K5闭合，通过与Rf等大小的电阻把保持电路保存的噪声电压值补偿到输人端，补偿后输出电压VO接近零。
(3)积分电容清零：K2打开，K1、K3、K4、K5闭合，该过程主要是为积分做准备工作，使积分开始时积分电容上的电压为零。
(4)开始积分：K1、K2、K4打开，K3、K5闭合，电路构成基本积分电路，积分时间常数τ＝RC。
整个零漂的补偿过程是用时序信号对开关K1-K5的开闭控制实现的。时序信号由特定的时序电路产生，也可以通过对专用逻辑芯片编程实现，如FPGA、CPLD等。
图3所示为改进型积分器的原理图，系统工作所需信号的时序与对应的模拟开关开闭状态如图4所示。同步控制时序在具体测量过程中主要控制积分电路中模拟开关S1、S2的开启与关闭，以此来控制放电回路的接入与断开。约定同步控制信号高电平时有效。ST为启动信号，用于开启测量，该信号可由主控芯片的I/O端口控制。SCS为检测系统工作所需同步控制时序信号，用于控制每次测量中的积分与放电操作。为AD转换开启信号，用于开启AD转换。f0为激光脉冲频率，ΔT为一次测量时间，n为一次测量所包含的激光脉冲数目。如图4所示，当主控芯片发出ST时，开启检测过程，同时SCS信号有效，在SCS信号高电平内开关S1、S2断开放电回路，探测器开始积分探测，SCS高电平持续n个激光脉冲周期完成一次测量，探测的电压输出被保存在采样保持电路中。在SCS下降沿触发产生AD 转换信号开启AD转换，同时开关S1、S2接通放电回路，对积分电容放电，准备下一位置测量。在SCS低电平期间完成AD转换、数据通信、数据处理等工作，同时位移台完成扫描运动。在此期间除了开启测量人为控制以外，其他操作均由程序自动实现，可见测量过程中核心控制信号为同步控制信号SCS。
在本发明中，同步控制时序是整个检测系统的关键控制信号，其作用是在每一次探测过程中及时地开启和关闭测量，使两路积分电路同步工作，并保证每次测量过程中参与积分的激光脉冲数目相同，同时使整个测量过程自动化。93nmArF准分子激光的脉冲持续时间很短，同时时序逻辑器件存在不同程度的时间延迟，因此同步控制时序电路设计最需要考虑的是信号的可靠性与时间精度。本发明提出了一种可行的同步控制时序设计方案及其电路设计构架---基于光脉冲计数器的同步控制时序设计。
基于光脉冲计数器的同步控制时序的计数对象是激光脉冲，其电路组成主要包括激光脉冲整形电路，可编程计数器、比较器以及相应的控制信号生成逻辑三大部分。其原理如图 5所示。图中RD为计数器使能端、DBn为所需计数的激光脉冲数，DBn通过EN使能存储在锁存器中，ST同样为测量开启信号，它们均由主控芯片提供。f0为激光脉冲频率，COUout 为计数脉冲输出波形，SCS为最终的同步控制时序，为AD转换启动信号。
193nmArF准分子脉冲激光不同于普通的激光器，其脉宽窄、波长短、功率高、单脉冲能量高，因此，脉冲整形电路的设计具有诸多困难。主要表现在探测器选型困难，以及对整形电路元器件参数要求很高。在高速、宽带宽前置放大电路的设计过程中，需要考虑很多问题，包括放大器的带宽，压摆率(Slew Rate)。同时紫外探测器的响应速率要足够快，响应度足够高，否则无法探测到准确的激光脉冲波形。在这里需要说明的是与之前的SS、ES探头所用的紫外探测器不同，脉冲探测器必须是高速的光电二极管才能生成激光波形。而SS、ES探头在检测中探测的是积分光强，因此所需的紫外探测器不需要较高的响应速度。
这里假设193nm光源的光脉冲脉宽为25ns，前置放大(I/V转换)的放大倍数为50倍，传感器感应电流10mA，那么所需放大器的-3dB带宽至少为：
I/V转换后输出电压为
Vo＝10mA×50＝0.5V
保守估计放大器的电压上升速度约为
为了满足以上要求，选择Analog Devices公司的ADA4817高度运算放大器，其为专用的高速二极管前置放大器，-3dB带宽为1.05G，压摆率达870V/μs。
激光脉冲整形的原理如图6所示：
脉冲探测器位于能量引出装置引出的部分光场中，由于激光器本身设计的局限性，从能量引出模块引出的激光波形不是标准的矩形波，而是呈一定程度的起伏变化。探测器的感应电流经过I/V转换、电压放大，最后通过电压比较器得到标准的激光脉冲波形。
基于光脉冲计数器的同步控制时序的逻辑设计如图7所示，与之对应的时序图如图8 所示。
在这里将激光脉冲翻转(可通过放大倍数为A＝1的反相放大器来实现)，其目的是保证在测量过程中无论何时开启检测使每次检测的激光脉冲个数为恒定值n，避免激光脉冲过窄引起的脉冲丢失现象。触发器Q1的置1端与清0端分别接主控芯片的I/O端口P1.0、P1.1，主控芯片施加给P1.0/P1.1的信号被定义为ST信号，即测量开启信号。Q1的时钟输入端接计数比较器的输出端，其输出信号Counter Out如图所示为一正脉冲，表示一次计数结束(完成一次检测)，通过对Counter Out信号的取反可得到AD转换的开启信号开始测量时，通过主控芯片对触发器D1进行“清0-置1-使能”操作，其对应的ST信号P1.0/P1.1为“10-01-11”，其输出信号Q1使能触发器D2、D3，与激光脉冲进行或运算，输出接D2 的时钟输入端，这样可以保证只有在ST信号有效的情况下激光脉冲才能被检测到。触发器 D2被设置成二分频工作模式，其输出Q2的上升沿触发D3产生同步控制信号SCS。如图8 所示，对激光进行二分频后可以保证SCS信号在第0个激光脉冲结束时有效，因此为了保证探测的脉冲数目为n，须将计数器的计数值设置成n+1，在测量时跳过第一个脉冲。一次测量完成后(计数完成后)，计数器输出端输出Counter Out信号，经过非门产生信号开启 AD转换。同时，主控芯片I/O口判断Counter Out信号是否为1，如果为1表示一次测量完成，程序自动设置ST信号为“清0”状态，待位移台完成位移操作后，ST再次被设置为“置 1-使能”工作状态，进行下一次检测。到此通过以上控制逻辑便产生了用于控制检测系统工作的所有控制信号ST、SCS、
Claims (4)
1.一种积分零漂补偿的电路实现方法，其特征在于，采用基于差分原理的双积分器补偿方法，在实际电路中选用性能参数一致的器件设计电路，最大限度地抑制积分零漂对检测结果的影响，针对扫描测量这种测量方式，设计了一种同步控制时序的方案，使测量系统能够自动精确地实时触发控制测量。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所说的应用差分原理的双积分器探测方法，实现对集成运算放大器零漂噪声的抑制，减少测量误差。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所说的应用模拟开关时序控制的积分零漂补偿法反馈式补偿方法，实现双积分器电路的工作时序控制。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所说的根据设计的同步控制时序设计方案及其电路设计构架，实现针对脉冲激光的该高精度扫描测量系统工作所需的同步控制时序的作法。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180720 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |