CN113474738A - 控制系统、光学系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种开环控制系统(10)，特别用于光学系统(100)，包括：致动器(12)、用于获取致动器(12)的致动器测量数据(15)的测量元件(14)、用于根据致动器测量数据(15)生成用于控制致动器(12)的控制信号(13)的闭环控制单元(20)、以及用于根据所获取的致动器测量数据(15)监控开环控制系统(10)状态的状态监控单元(30)。

Description

控制系统、光学系统和方法

本发明涉及一种控制系统，尤其是用于光学系统或光刻设备的控制系统，涉及一种包括这种控制系统的光学系统以及一种用于操作控制系统的方法。

优先权申请DE 10 2019 201 810.6的内容通过引用整体并入于此。

已知的控制系统包括多个可致动元件，其中可致动元件的精确驱动和/或时序要求严格的驱动对于这种系统的操作通常是重要的。这种控制系统的一个例子是微光刻设备。

微光刻用于生产微结构部件，例如集成电路。使用光刻设备执行微光刻工艺，该光刻设备具有照明系统和投射系统。在这种情况下，借助于照明系统照明的掩模(掩模母版)的像借助于投射系统被投射到基板上，例如被投射到涂覆有光敏层(光致抗蚀剂)并布置在投射系统的像平面中的硅晶片上，以便将掩模结构转印到基板的光敏涂层上。投射系统包括例如多个可致动的光学部件，比如透镜元件或反射镜。

光学部件的故障会导致生产中的意外延迟，从而导致高损失，因此希望尽可能精确地监控系统的状态。监控系统是已知的，其在特定传感器的帮助下监控系统的状态。例如，在比如光刻设备的高度复杂的控制系统的情况下，如果这种系统在真空中操作，则操作条件可能会造成困难，因为作为监控系统一部分的电子部件的冷却是复杂的。因此，系统本身的计算能力通常是有限的，因此并非所有的可用数据都可以被处理以用于监控。

在这种背景下，本发明的目的是提供一种改进的控制系统。

根据第一方面，提出了一种控制系统，特别是用于光学系统的控制系统，其包括致动元件、用于获取致动元件的致动元件测量数据的测量元件、以及用于根据所获取的致动元件测量数据生成用于调节致动元件的调节信号的调节单元。此外，提供了状态监控单元，用于根据所获取的致动元件测量数据来监控控制系统的状态。

所提出的控制系统相对于这种类型的已知系统的优点在于，传统上获取的用于调节目的的致动元件测量数据也用于控制系统的状态监控。因此，可以例如仅基于所获取的致动元件测量数据来监控控制系统的状态，从而可以省去用于监控状态的特定传感器，例如环境传感器。可选地，除了来自现有环境传感器的测量数据外，致动元件测量数据也可用于状态监测。这样就创建了更大的数据库，可以用来更精确地监控控制系统的状态。具体而言，致动元件测量数据可用于预测未来状态，例如在未来变得必要的维护工作，即所谓的预测性维护。这是优选的应用，因为致动元件测量数据具体地是各个致动元件的未处理的原始数据，从该原始数据可以导出各个致动元件的状态而不会破坏该状态。

控制系统尤其是高度复杂的系统，其包括多个待控制的致动元件，例如自动化设备、机器人工厂、大规模工业设备、研究设备或部分研究设备、自主系统、通信系统和/或光刻设备。

在光刻设备包括例如具有多个可控光学元件、特别是微透镜元件阵列和/或微镜阵列的光学系统的情况下，在正在进行的操作期间重要的是，每个光学元件都是精确可控的。光学元件的任何错误位置，无论多么微小，都可能导致分辨率损失和/或曝光误差，这可能对例如由光刻设备制造的微芯片的功能产生不利影响。

特别是在EUV光刻设备的情况下，首先，不再可能使用透射光学元件，其次，投射透镜需要被抽空，使得光束路径在真空中行进。在这些条件下，特别难以操作有源部件，例如微电子部件，因为在操作期间，这些部件在一定程度上产生废热，并且由于真空，该废热不能通过周围介质、特别是空气及其对流消散。此外，可用的结构空间可能有限，因此不容易使用复杂的冷却概念，例如液体冷却布置。因此，在这种条件下，产生尽可能少的废热是有利的，因此，例如在控制系统的这个最内部核心中可用的计算能力是有限的。

控制系统的这个最内部核心在下文中也可以称为最底层或嵌入式系统。在光刻设备的情况下，嵌入式系统可以例如通过真空外壳向外被界定。此外，嵌入式系统可以理解为控制系统的一部分，其中信号处理和/或信号传输是专有的。也就是说，例如，只有嵌入式系统的制造商能够理解该嵌入式系统内生成和/或传输的数据和/或信号。例如，根据特定的、公开的通信协议进行通信的接口可以被视为嵌入式系统的边界。

致动元件尤其包括可致动元件或致动器，例如具有相关接头的微镜阵列中的微镜。致动元件尤其可以在至少一个维度上被设置或调节，例如在一个方向上移位、围绕一轴线倾斜和/或围绕一轴线旋转。在这方面，每个可用的设定尺寸都形成致动元件的自由度。例如，如果设定标尺上的值对于每个自由度是已知的，则明确地定义了致动元件的位置。

特别地，致动元件可通过调节单元设定。调节单元也可以称为电机控制。调节单元例如为控制系统的每个致动元件产生调节信号。如果致动元件具有多个自由度，则可以为每个自由度提供独立的调节信号。根据调节信号，致动元件改变其设置，特别是其位置。举例来说，致动元件具有依赖于电流强度的位置，其中电流强度尤其由依赖于占空比的电流源提供。然后调节单元可以特别地产生占空比作为调节信号。控制系统尤其可以包括多个调节单元。优选地，为待调节的一个或多个致动元件设置相应的调节单元。

控制系统的至少一个致动元件包括被分配的测量元件，该测量元件被配置用于获取致动元件的致动元件测量数据。测量元件例如也可以称为传感器、测量传感器或变送器。测量元件例如根据致动元件相对于特定自由度的位置来获取致动元件测量数据。这种测量元件也可以称为位置传感器，其中位置传感器具有例如nm范围内的空间分辨率。致动元件测量数据特别代表致动元件的实际设置或位置。因此，致动元件测量数据被提供给调节单元作为调节的输入值。

致动元件测量数据可以由测量元件生成为模拟信号或者数字信号。测量元件生成例如时钟频率为10千赫的致动元件测量数据。如果致动元件测量数据生成为模拟信号，该模拟信号可以例如通过模数转换器转换成数字信号，例如该模数转换器的采样率为100千赫。

还可以将单个测量元件分配给多个致动元件。然后，测量元件可以被配置成：为每个分配的致动元件生成致动元件测量数据，并且将所述致动元件测量数据作为单独的信号输出。

状态监控单元被配置用于根据致动元件测量数据监控控制系统的状态。状态监控单元可以用硬件技术和/或软件技术来实现。在以硬件技术实现的情况下，状态监控单元可以实现为例如计算机或微处理器。在以软件技术实现的情况下，状态监控单元可以实现为计算机程序产品、功能、例程、程序代码的一部分或可执行对象。状态监控单元可以全部或部分是嵌入式系统的构成部分，也就是说，是控制系统的最底层。

控制系统的状态可以被理解为表示全局状态，例如控制系统的整体状态，但是也表示单个致动元件或多个致动元件的状态。状态可以被表示为例如参数、一组参数、标量、矢量、张量、标量场、矢量场和/或张量场。该状态还可以包括当前状态和/或未来状态。相应的状态也可以包括或考虑过去的状态。

该状态尤其包括从致动元件测量数据导出的变量。其一个例子是自致动器投入运行以来由致动器覆盖的总路径距离。此外，例如，环境影响，例如激励振动或温度，也可以从致动元件测量数据中推导出来。

状态的监控被理解为尤其意味着状态监控单元确定控制系统的相应状态。“确定”被理解为尤其意味着状态监控单元处理该致动元件测量数据，例如存储它们、分析它们和/或根据致动元件测量数据执行计算。特别地，致动元件测量数据可以用作物理和/或数学模型的输入变量，其中例如获得估计值和/或物理测量变量作为输出变量。特别地，状态监控单元被配置成将以这种方式获得的输出变量输出到另一个单元和/或存储该输出变量。

此外，监控可以理解为意味着状态监控单元将所确定的状态与预期状态和/或预定状态(例如极限值)进行比较。根据该比较，特别地，状态监控单元可生成和输出警报或指示。

优选地，状态监控单元被配置为根据由调节单元生成的调节信号来监控状态。特别地，用于致动元件的调节信号和由分配的测量元件获取的致动元件测量数据可以通过状态监控单元彼此耦合或者彼此关联。根据以这种方式关联的数据，可以特别容易地识别致动元件是否根据原始规格或特性曲线运行。因此，已经可以在早期阶段识别磨损现象，并且因此可以更好地预测和/或计划未来所需的维护措施。

所提出的控制系统的状态尤其可以在没有额外传感器的情况下被监控，并且仅取决于致动元件测量数据，因此可以降低控制系统的复杂性，并且因此可以更简单地构造控制系统，由此可以节省成本。此外，所提出的控制系统具有这样的优点，即使在实现数据的减少之前，状态监控也是基于原始的致动元件测量数据来实现的。

根据控制系统的一个实施例，状态监控单元包括第一处理单元和第二处理单元，第一处理单元用于根据获取的致动元件测量数据或根据获取的致动元件测量数据和生成的调节信号生成预处理状态数据，第二处理单元用于根据预处理状态数据确定控制系统的状态。

特别地，第一处理单元是嵌入式系统的一部分，因此被布置在控制系统的最底层。因此，第一处理单元在空间要求、能量消耗、废热和/或进一步排放方面受到可能严格的要求。第二处理单元优选地布置在控制系统的较高层，相同的严格要求不适用于该较高层。通过状态监控单元的这种划分可以实现的是，一方面，所有原始数据都是可用的或者可以用于状态监控，但是另一方面，可以在嵌入式系统外的下游暂时执行计算密集的评估。

在嵌入式系统中，在最底层的控制系统的持续操作期间生成最大量的原始数据，因为例如致动元件、测量元件和调节单元布置在那里。特别地，单位时间生成的原始数据量，也就是说原始数据速率如此之高，以至于在考虑到技术边界条件的情况下，这不能完全从嵌入式系统转移到外部系统。在某些情况下，技术边界条件是适用于嵌入式系统的严格要求。这还包括例如“向外部的数据传输不能任意扩展”的事实，因为为此所必需的发射机/接收机和线路也必须满足相应的严格要求。因此，用于数据传输的可用带宽可能是有限的。

因此，第一处理单元被特别配置用于预处理原始数据，以便减少从嵌入式系统传输到第二处理单元的数据量。预处理被理解为尤其意味着第一处理单元接收致动元件测量数据和/或调节信号，并执行例如简单的数学运算，比如求平均、梯度、求和、比较和/或乘法。作为第一处理单元预处理的结果，该第一处理单元生成预处理状态数据。预处理状态数据尤其被传送到第二处理单元。预处理后的状态数据尤其具有明显低于原始数据速率的数据速率，例如仅为原始数据速率的10％，优选仅为原始数据速率的1％。

与第一处理单元相比，第二处理单元优选地具有明显更高的计算能力，尤其是时序要求不严格的计算能力，并且被配置为根据预处理状态数据来确定控制系统的状态。为此，第二处理单元可以被配置成存储预处理状态数据，分析它们和/或利用它们进行计算。特别地，预处理状态数据可以用作物理和/或数学模型的输入变量，其中例如获得估计值和/或物理测量变量作为输出变量。特别地，第二处理单元被配置成将以这种方式获得的输出变量输出到另一个单元和/或存储该输出变量。

在实施例中，第二处理单元可以被配置为驱动第一处理单元，使得第一处理单元例如以不同的方式生成预处理状态数据，例如通过不同的计算方法。

根据控制系统的另一个实施例，第一处理单元被配置为连续地获取和处理所获取的致动元件测量数据，特别是与测量元件获取致动元件测量数据同步。

该实施例是有利的，因为这确保了所有致动元件测量数据都用于状态监测。如果数据以数字数据的形式出现，则可以理解为，例如，当生成预处理状态数据时，每个比特、特别是由测量元件或模数转换器生成的每个比特的值被考虑在内。第一处理单元对所获取的致动元件测量数据的采集应该理解为对所获取的致动元件测量数据的接受。“连续地”尤其应该理解为，只要测量元件获取致动元件测量数据，所获取的致动元件测量数据就由第一处理单元以无时间中断的方式获取。在这种情况下，可以在生成预处理状态数据之前，对获取的致动元件测量数据进行部分缓冲。

根据控制系统的另一实施例，第一处理单元被配置成在控制系统正在进行的操作期间、根据所获取的致动元件测量数据生成预处理状态数据。

该实施例是有利的，因为不需要特殊的操作模式，例如测试操作模式来确定和/或监控控制系统的状态。“正在进行的操作”被理解为特别是指控制系统根据提供给该控制系统的标准操作来操作。这尤其可以是生产性操作。

在光刻设备的情况下，正在进行的操作例如是生产操作，其中特别地甚至在曝光期间获取和处理致动元件测量数据和/或调节信号。在这方面，预处理状态数据在操作期间永久生成。

优选地，第二处理单元还被配置成在正在进行的操作期间根据预处理状态数据来确定控制系统的状态。

根据另一实施例，控制系统包括驱动单元，用于根据当前实施的操作程序从多个操作程序中生成致动元件驱动数据。调节单元被配置用于根据致动元件驱动数据生成调节信号，其中第一处理单元被配置用于根据当前实施的操作程序生成预处理状态数据。

驱动单元也可以称为位置控制。驱动单元可以实施为独立单元或者调节单元的一部分。致动元件驱动数据尤其包括每个致动元件的单独目标位置数据。调节单元接收目标位置数据，并将它们转换成用于相应致动元件的相应调节信号。

多个操作程序尤其包括标准操作模式、测试操作模式和/或紧急操作模式。

尤其可以为控制系统的测试提供测试操作模式。测试操作模式对于确定控制系统和/或单独致动元件的状态特别有帮助。测试操作模式可以例如手动和/或自动启动，例如以规则的时间间隔启动。测试操作模式可以在例如生产暂停期间进行。测试操作模式也可以限制在控制系统的特定区域。举例来说，控制系统包括交替活动的两个区域，因为例如一个区域执行预处理，另一个区域执行后处理，使得一个区域分别等待另一个区域。然后，在其中一个区域的空闲阶段，可以对该区域进行测试。

第一处理单元根据相应的操作程序生成预处理状态数据。举例来说，可以规定在正在进行的操作期间根据第一预处理方法生成预处理状态数据，并且在测试操作模式期间根据第二预处理方法生成预处理状态数据。特别地，可以规定预处理状态数据与特定操作程序中的原始数据相同。举例来说，第一处理单元包括缓冲存储装置，其中原始数据被缓冲存储，直到它们被传送到外部。

根据控制系统的另一实施例，该控制系统包括用于获取环境传感器数据的环境传感器，其中第一处理单元被配置用于根据所获取的环境传感器数据生成预处理状态数据。

该实施例特别有利，以便为了监控状态的目的而结合尽可能多的关于控制系统的信息。

环境传感器可以是任何类型的传感器，例如温度、压力、气体、加速度、辐射、电流、电压和/或流量传感器。环境传感器尤其是这样一种传感器，其采集的数据不用于调节由调节单元调节的致动元件。由环境传感器获取的环境传感器数据可以涉及控制系统的一个致动元件、一个测量元件、多个致动或测量元件和/或无源元件。

当生成预处理状态数据时，考虑已经获取的环境传感器数据可能是特别有利的，以使得预处理状态数据的数据速率保持为较低。举例来说，用于预处理的方法可以根据所获取的环境传感器数据来选择。

所获取的环境传感器数据本身可以有利地成为预处理状态数据的一部分，尤其是即使没有被预处理。在这方面，所获取的环境传感器数据可以作为原始数据提供给第二处理单元。

根据控制系统的另一实施例，测量元件被配置成以1千赫至10千赫、优选地至100千赫、更优选地至1兆赫的频率获取致动元件测量数据。

测量元件的采集频率尤其取决于所分配的致动元件的使用目的。在高速应用中，高频率是有利的，其中高采集频率尤其导致高原始数据速率。

根据控制系统的另一实施例，调节单元被配置成生成频率为1千赫至10千赫、优选地至100千赫、更优选地至1兆赫的调节信号。

调节信号的时钟频率尤其取决于由此调节的致动元件的使用目的。在高速应用中，高频是有利的。

优选地，测量元件的采集频率比调节信号的时钟频率大一个数量级。

根据控制系统的另一个实施例，第一处理单元被配置为生成预处理状态数据，该预处理状态数据的数据速率为所获取的致动元件测量数据的数据速率的至多10％，优选至多1％，其中每个单独的所获取的致动元件测量数据都影响预处理状态数据。

该实施例有利地使得：即使在高致动元件测量数据速率和嵌入式系统的有限传输带宽的情况下，在状态监控中也可以考虑获取的所有致动元件测量数据。第一处理单元因此被配置用于降低数据速率，而不丢弃数据。优选地，第一处理单元从获取的致动元件测量数据确定和/或计算特定的导出数据，并将它们作为预处理状态数据输出。

根据控制系统的另一个实施例，第一处理单元被配置用于根据所获取的致动元件测量数据和多个相应致动元件的物理模型来生成预处理状态数据。

物理模型包括例如物理关系和/或物理参数的数学描述。例如，一个简单的模型是由质量、弹簧常数和阻尼项描述的弹簧摆的描述。对于不同的致动元件，可以应用不同的物理模型，这取决于相应的致动元件的类型。

这种物理模型有利地允许从大量数据中确定或导出相应系统的一个或多个特征值，这些值尤其可以具有物理维度或显著性。此外，物理模型可以包括统计方法，使得从值分布出发，例如，可以确定这些分布的矩，例如标准偏差、方差等。

根据控制系统的另一实施例，致动元件包括用于设置元件位置的致动器，特别是洛伦兹致动器，并且测量元件包括用于获取元件位置的位置传感器，特别是干涉仪和/或电荷耦合器件照相机。

优选地，元件(例如光学元件，比如反射镜或透镜元件)的位置可以在横向方向上以至少1μm的精度设置，并且在旋转方向上以至少10μrad的精度设置。位置传感器优选地被配置用于以至少相同的精度、优选地以高10倍的精度获取位置。

致动元件的设置精度越高，测量元件的分辨率也应该越高，并且优选地在量级上至少相等。在当前情况下，位置被理解为意味着例如倾斜、旋转或位移。

举例来说，如果致动元件测量数据具有足够高的空间和/或时间分辨率，则可以从致动元件测量数据中推导出相应致动元件的当前温度。

根据控制系统的另一实施例，调节单元和状态监控单元，特别是第一处理单元，被集成在片上系统(SoC)和/或现场可编程门阵列(FPGA)上，优选地，SoC或FPGA被布置在控制系统的最底层。

控制系统的最底层对应于嵌入式系统。SoCs或FPGAs的优势在于它们可以具有高集成密度，它们具有相对较低的能量需求，并且因此几乎没有废热，然而它们由于特定的编程而具有高计算能力。

根据控制系统的另一实施例，第二处理单元布置在比控制系统的最底层更高的层，其中第一处理单元被配置用于通过数据连接将预处理状态数据传送到第二处理单元。

该实施例的优点在于，与第一处理单元相比，第二处理单元必须遵守关于空间要求和/或能量消耗的明显不太严格的要求。举例来说，该更高的层布置在真空之外。然后可以用空气冷却电子部件，这特别简单。

数据连接优选是屏蔽电磁场干扰的数据线。这可以包括例如电连接，比如双绞线电缆或同轴电缆。数据连接优选地被配置用于串行数据传输，但是也可以使用并行传输协议。

此外，第二处理单元可以具有大的分配的数据存储装置。这样的大数据存储装置包括例如至少100GB的存储空间，优选地至少1TB。优选地，存储空间足够大，使得完整生产阶段的预处理状态数据可以存储在其中。这些数据然后可以被分析，例如也可以在时间下游进行分析。

根据控制系统的另一实施例，第二处理单元被配置成借助于机器学习算法和/或统计评估方法来分析该预处理状态数据。

如果打算识别多种数据中的复杂关系，该实施例尤其有利。举例来说，不同致动元件、致动元件测量数据和/或环境传感器数据之间的相关性可以以这种方式被识别，其可以被考虑以用于进一步的操作。特别地，控制系统的弱点也可以被识别，并在必要时进行纠正。时间位置数据的频谱分析可以提供例如关于共振频率和/或激励的指示，可以因此对其进行调整或避免，以便提高精度。

根据控制系统的另一实施例，状态监控单元被配置成根据监控状态或预处理状态数据来确定控制系统的未来状态，特别是光学系统的故障状态或需要维护的状态。

例如，状态监控单元被配置为基于预处理状态数据执行所谓的预测性维护分析。在这种情况下，基于所获取的数据，特别是致动元件测量数据，实现对未来故障的预测。因此，可以更好地规划所需的维护，特别是将维护整合到正在进行的操作中。此外，可以有针对性地按时获取可能需要的零件。通过这种方法，可以显著降低因突然的运行故障而导致的财务风险。考虑到在所提出的控制系统的情况下可用于状态监测的数据的多样性，与仅使用环境传感器的情况相比，可以更精确地确定控制系统的总体状态、各个单独的致动元件的状态和/或包括多个致动元件的部件的状态。此外，致动元件测量数据总是最新的，因此描述了最新的实际状态，其中例如磨损曲线可从实际状态的时间曲线导出，该曲线可提供关于磨损状态的信息，从而可提供例如关于故障之前剩余的持续时间的信息。

在实施例中，状态监控单元还被配置为根据所确定的未来状态来执行预定动作。

优选地，如果超过或低于与确定的未来状态相关的特定极限值，则状态监控单元输出相应的指示或警告。

状态监控单元还可以被配置为将所确定的状态、特别是所确定的未来状态和/或从其导出的变量输出到例如调节单元和/或位置调节器。然后，这可以被配置为根据从状态监控单元接收的数据来调整调节特性。这可以被称为例如状态自适应调节。特别地，在可致动元件的情况下，调节可以以这样的方式实现，即：如果可能的话，在未来避免伺服电机的特定位置。

根据本发明的第二方面，提出了一种光学系统，特别是光刻设备，其包括根据第一方面的控制系统。

在这种情况下，控制系统尤其包括至少一个用于驱动可控光学元件的致动元件。微反射镜阵列或微透镜元件阵列是可控光学元件的例子。

根据第三方面，提出了一种用于操作根据第一方面的控制系统或根据第二方面的光学系统的方法。在第一方法步骤中，获取致动元件测量数据。在第二方法步骤中，根据获取的致动元件测量数据产生调节信号。在第三方法步骤中，根据所获取的致动元件测量数据来监控控制系统或光学系统的状态。

该方法能够特别有利地利用根据第一方面或实施例之一的控制系统和根据第二方面的光学系统来执行。

该方法可以进一步包括可选的方法步骤：特别地，可以规定，借助于第一处理单元、根据所获取的致动元件测量数据生成预处理状态数据，然后预处理状态数据经由通信连接被传送到第二处理单元，其中第二处理单元根据预处理状态数据确定控制系统的状态。

根据该方法的一个实施例，该方法还包括根据监控状态来维护光学系统。

在当前情况下，“一、一个”不一定被理解为精确到一个元件的限制。相反，也可以提供多个元件，例如两个、三个或更多。这里使用的任何其他数字也不应该理解为对所述数量的元件有限制。相反，向上和向下的数值偏差是可能的，除非有相反的指示。

针对控制系统所描述的实施例和特征经必要修改后适用于所提出的方法，反之亦然。

本发明的其他可能的实施方式还包括上面或下面关于示例性实施例描述的特征或实施例的未明确提及的组合。在这种情况下，本领域的技术人员也将添加个别方面作为对本发明的相应基本形式的改进或补充。

本发明的其他有利配置和方面是从属权利要求的主题，也是下面描述的本发明的示例性实施例的主题。在下文中，将参考附图，基于优选实施例更详细地解释本发明。

图1示出了控制系统的第一实施例的示意框图；

图2示出了控制系统的另一实施例的示意框图；

图3示出了实施为EUV光刻设备的光学系统的第一实施例的示意图；

图4示出了实施为DUV光刻设备的光学系统的第二实施例的示意图；

图5示出了用于操作控制系统的方法的示例性实施例的示意性框图；以及

图6示出了状态监控单元的实施例的示意框图。

相同的元件或具有相同功能的元件在附图中具有相同的附图标记，除非有相反的指示。还应该注意的是，图中的图示不一定是按比例的。

图1示出了控制系统10的第一示例性实施例的示意性框图。控制系统10例如实现为自动化设备，尤其是光刻设备。自动化设备10包括多个致动元件12，例如工具、工具臂、接头、马达等。为了清楚起见，在图1中仅示出了六个致动元件12，并且仅两个所述致动元件设有附图标记。致动元件12尤其可由实施为集成电路的调节单元20调节，特别是包括多核处理器的片上系统、主存储器、闪存以及可选的一个或多个FPGA和模数转换器。调节被理解为尤其意味着调节单元20通过调节信号13驱动相应的致动元件12。调节信号13可以是例如电流信号或者电压信号。调节信号13尤其具有这样的效果，即：致动元件12根据调节信号13改变当前位置，例如移动到不同的位置。尽管调节信号13在图1中显示为一条线，但是调节信号13对于每个致动元件12是独立的。如果致动元件12中的一个具有多个可调节的轴线或自由度，则调节信号13包括用于每个轴线或每个自由度的相应调节信号13。基于致动元件12，调节信号13也可以作为数字数据信号提供。

在图1中，致动元件12具有分配的测量元件14。相应的测量元件14被配置用于获取致动元件测量数据15。致动元件测量数据15包括例如分配的致动元件12的当前位置。如图1的右侧所示，单个测量元件14也可以被配置用于获取多个致动元件12的致动元件测量数据15。测量元件14可以被配置为是例如光学测量装置或电测量装置。可选地，特别地，可以非常精确地确定距离，从而确定位置，例如在nm范围内。测量元件14可以被配置为将致动元件测量数据15作为数字数据流或者模拟电压或电流信号输出。

致动元件测量数据15由相应的测量元件14获取并输出，特别是输出到调节单元20，调节单元20使用致动元件测量数据来调节致动元件12。为此，调节单元20将例如相应致动元件12的预定目标位置与致动元件12的实际位置进行比较，所述实际位置可从致动元件测量数据15中导出。如果目标位置和实际位置不匹配，则调节单元20输出对应的调节信号13，由此被调节的致动元件12调整其位置。

自动化设备10另外包括状态监控单元30。状态监控单元30具体实施为集成电路，特别是包括多核处理器的片上系统、主存储器、闪存以及可选的一个或多个FPGA和模数转换器。与图1中的图示不同，状态监控单元可以与调节单元20一起集成在集成电路中。状态监控单元30被配置为接受所获取的致动元件测量数据15，并根据所述数据确定自动化设备10的状态。自动化设备10的状态包括全局状态、整体状态以及各个致动元件12的状态。该状态包括例如每个致动元件12的当前实际位置。该状态优选地还包括导出的变量或在某个操作持续时间内累积的变量，例如驱动致动元件12的次数、致动元件12的受影响的偏转的总范围，例如覆盖的路径距离，和/或在特定位置的停留分布，所述分布是相对于运动自由度而累积的。

举例来说，状态监控单元30包括存储装置(未示出)，该存储装置被配置为存储先前确定的多个状态，特别是当前确定的状态之前的那些状态。状态监控单元30然后可以获取例如自动化设备10的状态的改变。有利地，状态监控单元30被配置为根据调节信号13来确定自动化设备10的状态。特别地，为此目的，状态监控单元可以将用于特定致动元件12的调节信号13与所获取的相关致动元件12的致动元件测量数据15关链或关联。根据以这种方式链接的数据，可以特别容易地确定例如致动元件12是否以期望和设想的方式对调节信号13做出反应。如果不是这种情况，那么这意味着，例如，致动元件12表现出磨损现象并且必须尽快更换。

图2示出了控制系统10的另一实施例的示意性框图，该控制系统10在此实施为例如光学系统，特别是用于检查光刻制造的结构的验证工具或测试工具。在该示例性实施例中，光学系统10包括被指定为嵌入式系统11的核心区域。在这种情况下，所述嵌入式系统11的特征在于，将在下面列举的所有相关部件都布置在真空外壳(未示出)中。

由于这种布置，出现了与所述部件设计有关的技术边界条件。嵌入式系统11或其部件的冷却尤其成问题，因为不存在作为冷却介质的气体。例如，由电子部件产生的热量因此必须通过固体热桥和/或通过封闭的液体冷却系统散发，这在技术上是复杂的，因为在这样的光学系统10中，结构空间非常有限。此外，液体冷却布置产生的振动可以传递到光学系统，这会导致不期望的分辨率损失。因此，在嵌入式系统11中产生尽可能少的热量是有利的。这主要可以通过降低电子部件的功耗来实现。因此，例如，嵌入式系统中的可用计算能力是有上限的。计算能力的增加可以主要通过提高效率来实现，例如，提高所使用的电子元件的每瓦计算能力。另一方面，希望获取并处理嵌入式系统11的尽可能多的操作数据，以用于例如状态监控的目的。由于在嵌入式系统11中获取的原始数据的多样性，出现了高数据速率，由于所述的限制，该数据速率不能容易地从嵌入式系统11传输出去。

嵌入式系统11尤其包括调节单元20和多个致动元件12，其中只有一个致动元件由附图标记标识。调节单元20被配置用于生成调节信号13，用于调节致动元件12。致动元件12还具有分配的测量元件14，测量元件14被配置用于获取致动元件测量数据15。致动元件测量数据15尤其用于通过调节单元20调节致动元件12。嵌入式系统11还包括被配置用于获取和输出环境传感器数据17的环境传感器16。环境传感器16被配置为是例如温度和加速度传感器。环境传感器16尤其可以包括多个温度检测器(未示出)，用于检测嵌入式系统11内多个位置的局部温度。加速度传感器优选地布置在例如被称为“力框架”的外壳(未示出)上并且检测外壳的振动。另外的加速度传感器可以布置在例如光学元件(未示出)的悬架上并且检测其振动，光学元件特别是反射镜或透镜元件阵列。

在该示例中，嵌入式系统11还包括第一处理单元32。第一处理单元32被配置为接受所获取的致动元件测量数据15，并根据预处理程序对它们进行处理。该预处理的结果是预处理状态数据33。第一处理单元32还接受由环境传感器16获取的环境传感器数据17，并在生成预处理状态数据33时考虑该环境传感器数据17。第一处理单元32将生成的预处理状态数据33传送到第二处理单元34，第二处理单元34布置在嵌入式系统11的外部。第一处理单元32和第二处理单元34一起形成状态监控单元30。

第一处理单元32尤其被配置用于以这样的方式处理所获取的致动元件测量数据15，即：预处理状态数据33的数据速率与致动元件测量数据速率相比显著降低，例如仅为其10％，然而所获取的所有数据都被考虑在内。这可以通过例如平均化(移动平均数)来实现。这里，第一处理单元32同样考虑了环境传感器数据17。特别地，环境传感器数据17也可以作为原始数据成为预处理状态数据33的一部分。

与第一处理单元32相比，嵌入式系统11外部的第二处理单元34具有明显更高的计算能力，为此，该处理单元可以通过例如复杂的方法从预处理状态数据33中确定光学系统10的状态。优选地，第二处理单元34还具有用于存储状态数据的分配的存储装置(未示出)。

基于所确定的状态，可以特别预测光学系统10的各个元件、特别是致动元件12何时会由于磨损而失效。因此，光学系统10的修理或维护可以在早期阶段进行计划，并因此更好地结合到光学系统10的生产操作中，由此可以避免不可预见的生产故障。

图3示出了光学系统100的示意图，其在此实施为EUV光刻设备。EUV光刻设备100包括光束成形和照明系统102以及投射系统104。在这种情况下，EUV代表“极紫外”，表示工作光的波长在0.1纳米到30纳米之间。光束成形和照明系统102以及投射系统104分别设置在真空外壳(未示出)中，其中每个真空外壳借助于抽空装置(未示出)被抽空。真空外壳被机房(未示出)包围，在机房中提供了用于机械移动或设置光学元件的驱动装置。此外，电气控制器等也可以设置在该机房中。

EUV光刻设备100包括EUV光源106A。等离子源(或同步加速器)发射EUV范围(极紫外范围)内的辐射108A，也就是说，例如在5纳米到20纳米的波长范围内，其可以例如被提供作为EUV光源106A。在光束成形和照明系统102中，聚焦EUV辐射108A，并从EUV辐射108A中滤除所需的工作波长。由EUV光源106A生成的EUV辐射108A在空气中具有相对低的透射率，因此光束成形和照明系统102以及投射系统104中的光束引导空间被抽空。

图3所示的光束成形和照明系统102具有五个反射镜110、112、114、116、118。在穿过光束成形和照明系统102之后，EUV辐射108A被引导到光掩模(称为掩模母版)120上。光掩模120同样实施为反射光学元件，并且可以布置在系统102、104的外部。此外，EUV辐射108A可以通过反射镜122被引导到光掩模120上。光掩模120具有借助投射系统104以缩小的方式成像到晶片124等上的结构。

投射系统104与调节单元20和第一处理单元32一起布置在真空外壳中，并与它们一起形成嵌入式系统11。投射系统104(也称为投射镜头)具有从M1到M5的五个反射镜和用于将光掩模120成像到晶片124上的微反射镜阵列M6。在这种情况下，投射系统104的单个反射镜M1至M5可以相对于投射系统104的光轴126对称布置。应当注意的是，EUV光刻设备100的反射镜M1至M5的数量不限于所示的数量。也可以提供更多或更少数量的从M1到M5的反射镜。此外，M1到M5的反射镜通常在它们的前侧弯曲，以用于光束成形。例如，微反射镜阵列M6包括300个独立的微反射镜。每个微反射镜具有两个自由度，这两个自由度是通过关于两个彼此正交的轴线倾斜并且可通过分配的致动器单独设置而给出的。在这方面，每个微反射镜构成具有两个自由度的致动元件12。为了清楚起见，在图3中仅示出了七个微反射镜12，仅一个所述微反射镜由参考符号标识。借助于微反射镜阵列M6，可以调整EUV辐射108A的轮廓，特别是例如可以补偿波前变化，从而可以实现晶片124上光掩模120的分辨率的提高。

布置在投射系统104外部的驱动单元40被配置用于借助于所述驱动单元生成致动元件驱动数据42来控制微反射镜12，所述致动元件驱动数据42被输出并传送到调节单元20。致动元件驱动数据42特别地包括每个微反射镜12的目标位置。

微反射镜12通过调节信号13由调节单元20调节。例如，调节信号13具有10千赫的时钟频率。分配给各个微反射镜12的测量元件14具有例如10千赫的引出时钟频率，也就是说，各个微反射镜12的位置在10千赫下获得，并作为致动元件测量数据15输出。致动元件测量数据15例如在每种情况下都具有32位的信息内容。这导致致动元件测量数据15的数据速率例如为192MB/s或24MB/s。考虑到技术边界条件，如参考图1所述，例如，用于将数据传出嵌入式系统11或传入嵌入式系统11的数据连接可以被限制在例如4MB/s。此外，数据传输的时钟频率可以不同于测量元件14、调节单元20和/或状态监控单元30的第一处理单元32的时钟频率(例如参见图2)。为了能够将获取的致动元件测量数据15整体用于嵌入式系统11外部的状态监控，有必要显著降低数据速率。这是通过第一处理单元32对致动元件测量数据15进行预处理来实现的，第一处理单元32根据所获取的致动元件测量数据15生成预处理状态数据33。由于特别是来自外部控制器(未示出)的、用于调节微反射镜12以及可选的其他可调节元件的控制数据将被传送到嵌入式系统11中，所以整个带宽不可用于传送预处理状态数据33。

因此，第一处理单元32被配置成接收以24MB/s的数据速率获取的致动元件测量数据15，并以至多2.4MB/s的数据速率生成预处理状态数据33。由于在此描述的状态监控相对来说不是关键的，所以这可以在时间上以较低的优先级来执行，从而例如优先传输和/或计算时序要求严格的控制数据，特别是致动元件驱动数据42。为此，预处理状态数据33可以被缓冲存储一小段时间，例如，以便在更大的带宽可用于数据传输的时间点被传输。

第二处理单元34接收预处理状态数据33，并根据所述数据确定EUV光刻设备100的状态，特别是微反射镜阵列M6的微反射镜12的状态。由于所获取的致动元件测量数据15被用作状态监测的基础，可以省去额外的环境传感器16(例如参见图2)。可选地，EUV光刻设备100的状态连同环境传感器16可以以这种方式被显著更精确地监控。

在该示例性实施例中，具有微反射镜12和分配的测量元件14的微反射镜阵列M6、调节单元20、第一处理单元32、第二处理单元34和驱动单元40形成控制系统10。

图4示出了实施为DUV光刻设备的光学系统100的第二实施例的示意图。

DUV光刻设备100包括光束成形和照明系统102以及投射系统104。在这种情况下，DUV代表“深紫外”，表示30纳米到250纳米之间的工作光波长。如已经参照图3描述的，光束成形和照明系统102以及投射系统104可以布置在真空外壳中和/或被具有对应驱动装置的机房包围。

DUV光刻设备100B具有DUV光源106B。举例来说，例如，发射193纳米的DUV范围内的辐射108B的ArF准分子激光器可以被提供作为DUV光源106B。

图4所示的光束成形和照明系统102将DUV辐射108B引导到光掩模120上。光掩模120实施为透射光学元件，并且可以布置在系统102、104的外部。光掩模120具有借助投射系统104以缩小的方式成像到晶片124等上的结构。

投射系统104具有多个透镜元件128和/或反射镜130，用于将光掩模120成像到晶片124上。在这种情况下，投射系统104的单个透镜元件128和/或反射镜130可以相对于投射系统104的光轴126对称布置。应当注意的是，DUV光刻设备100的透镜元件128和反射镜130的数量不限于所示的数量。也可以提供更多或更少数量的透镜元件128和/或反射镜130。此外，反射镜130在其前侧通常是弯曲的，以用于光束成形。

最后一个透镜元件128和晶片124之间的气隙可以由折射率>1的液体介质132代替。液体介质132可以是例如高纯度的水。这种设置也被称为浸没光刻，并且具有增加的光刻分辨率。介质132也可以被称为浸液。

投射系统104与调节单元20和第一处理单元32一起布置在真空外壳中，并且与它们一起形成嵌入式系统11。投射系统104特别包括微透镜元件阵列L1，其包括多个可致动的微透镜元件12，并且与驱动逻辑20、32、34一起形成控制系统10。微透镜元件阵列L1的每个微透镜元件12的位置由分配的测量元件14获取，并以致动元件测量数据15的形式输出给调节单元20，所述调节单元根据所述致动元件测量数据生成并输出用于调节微透镜元件12的调节信号13。

在这种情况下，第一处理单元32与调节单元20一起布置在板上；特别地，可以规定调节单元20和第一处理单元32共享特定资源。第一处理单元32根据获取的致动元件测量数据15和调节信号13生成预处理测量数据33，所述预处理测量数据被传送到位于真空外壳外部的第二处理单元34。借助于第一处理单元32考虑了调节信号13的事实，例如可以获得磨损现象，并且预处理状态数据的数据速率保持为较低。举例来说，微透镜元件12的位置对驱动微透镜元件12的致动器的电流的依赖性可以由第一处理单元32连续确定或监控。如果所确定的依赖性对应于特定的预定依赖性，则致动器没有问题。在这种情况下，可以不生成预处理状态数据33。如果确定了与预定依赖性的偏差和/或依赖性随时间的变化，则可以生成和输出对应的预处理状态数据。因此，这种过程隐含地涉及确定以下事实：如果没有生成和输出预处理状态数据33，则光学系统100或控制系统10的状态是好的或者没问题的。

图5示出了用于操作例如来自图1或图2的控制系统10或者如图3或图4所示的光学系统100的方法的示意框图。

在第一方法步骤S1中，由分配给致动元件12的测量元件14获取致动元件测量数据15。致动元件测量数据15尤其包括表征相应致动元件12的位置的位置传感器数据。所获取的致动元件测量数据15被输出或传送到调节单元20和状态监控单元30。

在第二方法步骤S2中，调节单元20根据致动元件测量数据15生成用于调节致动元件12的调节信号13。这确保了例如相应的致动元件12位于期望的目标位置。根据调节的精度和速度，也可以补偿外部环境影响，例如振荡、振动和/或空气湍流。在光学系统的情况下，这也被称为自适应光学。

在第三方法步骤S3中，状态监控单元30根据获取的致动元件测量数据15监控控制系统10的状态。例如，状态监控单元30确定在控制系统10的操作持续期间由致动元件12覆盖的总距离。这种信息尤其可用于估计致动元件12的剩余预期寿命，并因此更好地计划控制系统10的维护。

除了所示的方法步骤外，该方法可以包括许多进一步的步骤，例如从图1或2中的控制系统10的描述以及从图3或4中的光学系统的描述中显而易见的步骤。就这一点而言，在此描述的方面应该被视为是在此描述的方法步骤的子步骤和/或该方法的附加步骤。

图6示出了状态监控单元30的实施例的示意框图。状态监控单元30可以用于例如图1或2中的控制系统10，或者作为图3或4中的光学系统100的控制系统10的一部分。所示的状态监控单元30包括第一处理单元32和第二处理单元34。优选地，第一处理单元32布置在嵌入式系统11中(参见图2、3或4)，第二处理单元34布置在嵌入式系统11的外部。如参照图1-4所述，状态处理单元30从分配给控制系统10的致动元件12(参见图1-4)中的至少一个测量元件14(参见图1-4)接收致动元件测量数据15。可选地，除此之外，状态处理单元30可以接收由调节单元20生成的调节信号13(参见图1-4)。

在该示例中，第一处理单元32特别被配置成根据所获取的致动元件测量数据15和相应致动元件12的物理模型PM和/或数学模型MM来生成预处理状态数据33。可选地，当生成预处理状态数据33时，可以另外考虑调节信号13。物理模型PM包括例如物理关系和/或物理参数的机械描述。例如，用于实施为磁性致动器的致动元件的这种物理模型PM的一个例子是线圈电流和由此产生的磁场之间的关系，以及由产生的磁场引起的致动器位置的变化，例如热效应也被考虑在内。数学模型MM的一个例子是平均值的形成，其尤其可以包括加权平均值和/或移动平均值。对于不同的致动元件12，根据相应的致动元件12的类型，可以应用不同的物理模型PM和/或数学模型MM。

这种物理模型PM和/或数学模型MM有利地允许从大量数据中确定或导出相应系统的一个或多个特征值，这些值尤其可以具有物理维度或显著性。此外，物理模型PM和/或数学模型MM可以包括统计方法，使得从值分布出发，例如，可以确定这些分布的矩，例如标准偏差、方差等。

尽管已经基于示例性实施例描述了本发明，但是本发明可以以多种方式进行修改。特别地，所描述的状态监控概念可以应用于多种控制系统。特别的优点在于，由测量元件获得的数据被直接使用，特别是完全用于状态监控，而这些数据在常规控制系统中仅用于调节。因此，这些传统系统需要环境传感器来进行状态监控。因此，根据本发明的控制系统的状态可以被更精确地监控，并且也不需要使用环境传感器。

参考标记列表：

10：控制系统

11：嵌入式系统

12：致动元件

13：调节信号

14：测量元件

15：致动元件测量数据

16：环境传感器

17：环境传感器数据

20：调节单元

30：状态监控单元

32：第一处理单元

33：预处理状态数据

34：第二处理单元

40：驱动单元

42：致动元件驱动数据

100：光学系统

102：光束成形和照明系统

104：投射系统

106A：EUV光源

106B：DUV光源

108A：EUV辐射

108B：DUV辐射

110：反射镜

112：反射镜

114：反射镜

116：反射镜

118：反射镜

120：光掩模

122：反射镜

124：晶片

126：光轴

128：透镜元件

130：反射镜

132：介质

L1：微透镜元件阵列

M1：反射镜

M2：反射镜

M3：反射镜

M4：反射镜

M5：反射镜

M6：微反射镜阵列

MM：数学模型

PM：物理模型

S1：方法步骤

S2：方法步骤

S3：方法步骤

Claims (13)

1.一种控制系统(10)，特别用于光学系统(100)，包括:

致动元件(12)，

测量元件(14)，用于获取所述致动元件(12)的致动元件测量数据(15)，

调节单元(20)，用于根据获取的所述致动元件测量数据(15)生成用于调节所述致动元件(12)的调节信号(13)，以及

状态监控单元(30)，用于根据所获取的所述致动元件测量数据(15)监控所述控制系统(10)的状态，其中所述状态监控单元(30)包括:

第一处理单元(32)，用于根据以下生成预处理状态数据(33)：

(i)所获取的所述致动元件测量数据(15)和所述致动元件(12)的物理模型(PM)和/或数学模型(MM)，或者

(ii)所获取的所述致动元件测量数据(15)、所述致动元件(12)的物理模型(PM)和/或数学模型(MM)以及所生成的所述调节信号(13)，以及

第二处理单元(34)，用于根据所述预处理状态数据(33)确定所述控制系统(10)的状态。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述第一处理单元(32)被配置为连续地获取和处理所获取的所述致动元件测量数据(15)，特别是与所述测量元件(14)获取所述致动元件测量数据(15)同步地获取和处理所获取的所述致动元件测量数据(15)。

3.根据权利要求1或2所述的控制系统，其特征在于，所述第一处理单元(32)被配置成在所述控制系统(10)运行期间、基于所获取的所述致动元件测量数据(15)生成所述预处理状态数据(15)。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的控制系统，还包括：驱动单元(40)，用于根据执行的操作程序生成致动元件驱动数据(42)，

其中所述调节单元(20)被配置用于根据所述致动元件驱动数据(42)生成所述调节信号(13)，并且

其中所述第一处理单元(32)被配置用于根据当前执行的操作程序来生成所述预处理状态数据(33)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的控制系统，还包括：环境传感器(16)，用于获取环境传感器数据(17)，

其中所述第一处理单元(32)被配置用于根据所获取的所述环境传感器数据(17)生成所述预处理状态数据(33)。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的控制系统，其中所述测量元件(14)被配置为获取频率为1千赫至10千赫、优选至100千赫、更优选至1兆赫的致动元件测量数据(15)。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的控制系统，其中所述调节单元(20)被配置为生成频率为1千赫至10千赫、优选至100千赫、更优选至1兆赫的调节信号(13)。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的控制系统，其中所述第一处理单元(32)被配置成生成所述预处理状态数据(33)，所述预处理状态数据(33)的数据速率至多为所获取的所述致动元件测量数据(15)的数据速率的10％，优选至多为1％，其中每个单独获取的致动元件测量数据影响所述预处理状态数据(33)。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的控制系统，其中所述致动元件(12)包括用于设定元件位置的致动器，特别是洛伦兹致动器，并且所述测量元件(14)包括用于获取元件位置的位置传感器，特别是干涉仪和/或电荷耦合器件照相机。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的控制系统，其中所述状态监控单元(30)被配置成根据监控状态或预处理状态数据(33)来确定所述控制系统(10)的未来状态，特别是光学系统的故障状态或需要维护的状态。

11.一种光学系统(100)，特别是光刻设备，包括根据权利要求1至10中任一项所述的控制系统(10)。

12.一种用于操作控制系统(10)或光学系统(100)的方法，所述控制系统(10)尤其根据权利要求1至10中任一项所述，所述光学系统(100)尤其根据权利要求11所述，所述方法包括以下步骤：

a)获取致动元件(12)的致动元件测量数据(15)，

b)根据所获取的所述致动元件测量数据(15)生成调节信号(13)，以及

c)根据所述致动元件测量数据(15)监控所述控制系统(10)或所述光学系统(100)的状态，其中根据以下生成预处理状态数据：

(i)所获取的所述致动元件测量数据(15)和所述致动元件(12)的物理模型(PM)和/或数学模型(MM)，或者

(ii)所获取的所述致动元件测量数据(15)、所述致动元件(12)的物理模型(PM)和/或数学模型(MM)以及所生成的所述调节信号(13)，

以及根据所述预处理状态数据(33)确定所述控制系统(10)或所述光学系统(100)的状态。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述光学系统(100)根据所述监控状态来维持。

Images