CN1601386A - 光刻设备、器件制造方法、及由此制造的器件 - Google Patents

Abstract

一种包含可移动物体的光刻设备。这些可移动物体的位置可以用位置控制系统来控制。位置控制系统包含位置控制器(6)、表示为物体滤波器(Ho)的物体、位置反馈电路(22)、以及加速控制系统(34)。加速控制系统(34)包含减法器(8)以及第一电路支路中的第一滤波器(Hf)和第二电路支路中的第二滤波器(Hs)。从位置控制器(6)输出的位置控制器信号(Fp)，被输入到加速控制系统(34)的减法器(8)中。但外部干扰力(Fd)被直接施加在物体(Ho)上。于是，对位置控制器力(Fp)的从减法器(8)的输入到物体(Ho)的加速度的第一传递函数(G1)可以不同于对干扰力(Fd)的从物体(Ho)的输入到物体(Ho)的加速度的第二传递函数(G2)。

Description

光刻设备、器件制造方法、及由此制造的器件

技术领域

本发明涉及到光刻投影设备，它包含：

-至少一个具有质量的可移动物体，确切地说是衬底台或掩模台，以及

-用来控制所述可移动物体的位置的位置控制系统，此位置控制系统包含输出位置控制器力的位置控制器以及将物体确定的实际位置反馈到位置控制器的输入端的位置反馈电路。

背景技术

光刻投影设备通常包含诸如掩模台或衬底台之类的一个或多个可移动的物体。下面将更详细地描述包括任何可移动物体的光刻投影设备。

以下使用的术语“图形化装置”应该广义地理解为能够用来赋予入射辐照束以对应于要在衬底目标部分产生的图形的图形化截面的装置；术语“光阀”也可被用于上下文中。通常，所述图形将对应于产生在目标部分内的诸如集成电路或其它器件之类的器件中的特殊的功能层(见下面)。这种图形化装置包括：

-掩模。掩模的概念在光刻领域中是众所周知的，它包括诸如有二个自由度的、交替相移的、衰减相移的掩模类型以及各种混合掩模类型。根据掩模上的图形，在辐照束中放置这种掩模引起照射到掩模上的射线的选择性透射(在透射掩模的情况下)或反射(在反射掩模的情况下)。在掩模的情况下，支持结构通常是掩模台，它确保掩模能够被保持在入射辐照束中所希望的位置处，并确保能够按需要相对于辐照束被移动；

-可编程的平面镜阵列。这种装置的一个例子是具有粘滞弹性控制层的矩阵可寻址表面和反射表面。这种设备的基本原理是例如，反射表面的被寻址的区域以衍射光的形式反射入射光，而未被寻址的区域以非衍射光的形式反射入射光。利用适当的滤光器，所述非衍射光能够从反射束中被滤掉，仅仅留下衍射光；以这种方式，光束就根据矩阵可寻址表面的寻址图形被图形化。可编程平面镜阵列的一个变通实施方案采用了细小平面镜的矩阵排列，借助于施加适当的局域化电场，或利用压电激励装置，各个细小平面镜能够绕轴各自倾斜。再次各个平面镜是可矩阵寻址的，致使被寻址的平面镜沿不同于未被寻址的平面镜的方向反射入射的辐照束；以这种方式，反射的光束根据矩阵可寻址平面镜的寻址图形被图形化。可以用适当的电子装置来执行所要求的矩阵寻址。在上述的二种情况下，图形化装置都可以包含一个或多个可编程平面镜阵列。例如，从此处列为参考的美国专利US5296891和US 5523193以及PCT专利申请WO 98/38597和WO98/33096中，可以找到有关此处所述的平面镜阵列的进一步信息。在可编程平面镜阵列的情况下，所述支持结构可以被体现为例如可以按需要被固定或可移动的框架或台；以及

-可编程的LCD阵列。此处列为参考的美国专利US 5229872提供了这种构造的一个例子。如上所述，此时的支持结构可以被体现为例如可以按需要被固定或可移动的框架或台。

为简化起见，本文的其余部分在某些地方可以具体地面向涉及掩模和掩模台的例子；但这种情况下讨论的一般原理应该是上面所述图形化装置的更广泛的范围。

光刻投影设备能够被用于例如集成电路(IC)的制造。在这种情况下，图形化装置可以产生对应于IC各个层的电路图形，且此图形能够被成像在已经涂敷有辐照敏感材料(抗蚀剂)层的衬底(硅晶片)上的(例如包含一个或多个管芯的)目标部分上。通常，单个晶片将包含相邻目标部分的整个网络，这些相邻的目标部分经由投影系统每次一个地被相继辐照。在目前采用掩模台上掩模进行图形化的设备中，能够在二种不同类型的机器之间进行区分。在一种光刻投影设备中，借助于将整个掩模图形一举暴露在目标部分上，来辐照各个目标部分；这种设备通常被称为晶片步进机或步进重复设备。在一种变通设备即通常称为步进扫描设备中，借助于沿给定的参考方向(“扫描”方向)在投影束下对掩模图形进行渐进扫描，同时平行或反平行于此方向同步地扫描衬底台，来辐照各个目标部分；通常，由于投影系统会具有倍率系数M(通常小于1)，故衬底台被扫描的速度V将是掩模台被扫描的速度的M倍。从例如此处列为参考的美国专利US6046792中，可以找到有关此处所述光刻装置的进一步信息。

在利用光刻投影设备的制造工艺中，(例如掩模中的)图形被成像在至少部分地被辐照敏感材料(抗蚀剂)覆盖的衬底上。在此成像步骤之前，衬底可以经历各种处理，例如准备工作、抗蚀剂涂敷、以及适度的烘焙。在曝光之后，可以对衬底进行其它处理，例如曝光后烘焙(PEB)、显影、强烘焙、以及成像图形的测量/检查。这一系列处理被用作对器件例如IC的单层进行图形化的基础。这种图形化层然后可以经历诸如腐蚀、离子注入(掺杂)、金属化、氧化、化学机械抛光之类的为完成单层的各种处理。若要求几个层，则对各个新的层必须重复整个处理或其变通处理。最终将在衬底(晶片)上出现一系列器件。然后利用诸如切片或锯开之类的技术，这些器件被彼此分隔开，单个器件从而能够被安装在载体上，连接到插脚等。而且，例如，从此处列为参考的Peter van Zant所著“Microchip Fabrication：APractical Guide to Semicongductor Processing”，第三版，McGraw HillPublishing Co.，1997，ISBN 0-07-067250-4中，能够得到有关这种处理的进一步信息。

为简化起见，以下可以将投影系统称为“透镜”；但此术语应该被广泛地理解为包罗各种类型的投影系统，例如包括折射光学器件、反射器件、以及反射折射系统。辐照系统可能还包括根据用来对辐射投影束进行定向、成形、或控制的这些设计类型中的任何一种而操作的组成部分，且这些组成部分在下面也可以被集体或单独地称为“透镜”。而且，光刻设备可以是具有二个或多个衬底台(和/或二个或多个掩模台)。在这种“多台”装置中，额外的台可以被同时使用，或可以在一个或多个台上进行预备步骤，而一个或多个其它台被用于曝光。例如，在此处列为参考的US 5969441和WO 98/40791中，描述了双台光刻设备。

通常，是为光刻投影设备的一部分的一个或多个可移动的掩模台、一个或多个可移动的衬底台和其它的可移动台、或其它的可移动物体，可以被位置控制系统控制。例如，如欧洲专利No.1265106所公开的那样，物体的位置控制系统通常包含位置控制器和位置反馈电路。所需的位置被馈送到位置控制器，位置控制器计算所要求的物体运动。位置控制器将位置控制力施加到对应于所要求运动的物体上。经由位置反馈电路，位置控制器接收有关物体实际位置的信息。若确定的实际位置偏离于所需的位置，则位置控制器可以改变位置控制力，直至物体到达所需的位置。

实际位置与计算位置的偏离可以由外力引起。例如，在多台光刻设备的情况下，由一个台的加速诱发的空气压力变化，可以导致另一台上的外部干扰力。位置控制系统对外力的灵敏度应该尽可能小，但其它的设计参数和要求限制了降低对外力的灵敏度的可能性。

发明内容

本发明的目的是降低物体位置控制系统对外力的灵敏度，确切地说但不局限于多台光刻投影设备中可移动物体的位置控制系统。

本发明的另一目的是当实现测量以降低物体位置控制系统对外力的灵敏度时，不影响其它的设计参数和要求。

根据本发明，在上述光刻投影设备中达到了这些和其它的目的，其特征在于位置控制系统还包含加速控制系统，它包含

-第一加速电路支路，它包含其中被输入位置控制器力的减法器以及减法器的输出被输入其中且输出要施加到物体的控制力的具有第一增益的第一滤波器；以及

-第二加速电路支路，它包含具有第二增益且加速控制信号被输入其中的第二滤波器，第二电路支路的输出被输入到所述减法器中，以便从位置控制器力中减去第二电路支路的输出。

根据本发明的具有一个或多个位置控制系统的光刻设备有利地采用了经由第二加速电路支路的加速反馈或加速误差前馈。当力被施加在物体上时，物体倾向于加速。于是，当除了位置控制力之外还有外力被施加在物体上时，物体不像位置控制系统所计算的那样加速。利用物体加速或加速误差亦即物体的实际加速度与预期的加速度之间的差别的反馈，可以补偿或至少减小作为外部干扰力的结果的额外加速。

然而，加速控制系统可能引入增益，这也可以影响位置控制力。但借助于在加速控制系统中放置第一滤波器和第二滤波器至少二个滤波器，根据本发明的系统可以被有利地设计成其特性对在不同的输入节点处输入到系统中的力不同。加速控制系统对位置控制力的影响从而可以被区分于加速控制系统对干扰力的影响。

包含在第一加速电路支路中的具有第一增益的第一滤波器，可以被置于位置控制器与物体之间。第二滤波器可以被置于例如物体滤波器的输出亦即实际加速与第一滤波器的输入之间的加速反馈电路中，或被置于例如以加速误差信号作为输入的加速前馈电路中。在各个情况下，输入到第二滤波器中的信号是从实际加速推导得到的信号，并可以被认为是加速控制信号。于是，位置控制器力在被施加到物体之前，但在过滤了的加速信号已经被减法器从中减去之后，被第一滤波器过滤。另一方面，干扰力被直接施加在物体上，导致系统对干扰力的可能不同的传递函数。

请注意，系统对位置控制器力的传递函数是从作为输入节点的减法器8的输入到作为输出的物体的加速度的传递函数。对干扰力的传递函数是从作为输入节点的物体滤波器的输入到作为输出的物体的加速度的传递函数。

施加在物体上的力导致物体加速。加速度的量来自施加到物体的力：此力可以被认为被物体滤波。于是，在系统的示意表示中，物体可以被表示为具有物体增益的一个物体滤波器。

采用根据本发明的加速控制系统的位置控制系统的优点是对于位置控制器力和外力的有区分的传递函数。这一差别使得能够得到降低外力影响而对其它设计参数或要求的影响最小的系统设计。

加速控制系统最好具有对输入到减法器的位置控制器力的第一传递函数以及对直接施加在物体上的干扰力的第二传递函数，第一传递函数基本上等于物体增益，而第二传递函数通常小于物体增益，其中，物体增益基本上等于物体质量的倒数。借助加速控制系统对位置控制力的传递函数等于物体增益，故位置控制系统，特别是位置控制器无须适配额外的加速控制系统。不用此加速控制系统，位置控制器已经经历了物体增益，从而实际上毫无改变。但不用此加速控制系统，干扰力也经历了物体增益，但借助加速控制系统具有小于物体增益的对干扰力的第二传递函数，故经历的物体增益比较小。因此，干扰力造成的物体加速小于不用加速控制系统的。

在本发明的实施方案中，加速控制系统具有选择的回路增益，第一传递函数是

$G1=\frac{1}{m},$

第二传递函数是

$G2=\frac{1}{m+\mathrm{Kl}},$

且回路增益是

Kl＝Kf·Ks。

其中，m是物体的质量，Kl是回路增益，Kf是第一滤波器的第一增益，而Ks是第二滤波器的第二增益。

在包含具有第一和第二传递函数G1和G2的加速控制系统的位置控制系统中，干扰力造成的加速可以被降低到任何随意选择的水平。传递函数G1和G2可以表示响应于各个力的加速度的关系(传递函数作用的各个量即输出，是物体加速度)。位置控制器的传递函数对物体增益被保持恒定，但对干扰力的传递函数可以借助于选择回路增益Kl来选择。任何回路增益Kl都可以被选择，并借助于选择相应的第一增益和第二增益来实现。但应该指出的是，滤波器的设计可能对能够得到的第一增益和第二增益从而对能够得到的回路增益施加限制。

本技术领域的熟练人员能够从给定的传递函数和回路增益推导出适当的第一滤波器和第二滤波器的特性。但为完整起见，给出了适当的增益：适当的第一增益为

$\mathrm{Kf}=1+\frac{\mathrm{Kl}}{m},$ 且

适当的第二增益为

$\mathrm{Ks}=\frac{\mathrm{Kl}}{1+\frac{\mathrm{Kl}}{m}}.$

有利的是，第一传递函数G1基本上不随输入频率变化，而第二传递函数G2随输入频率变化。为了确保系统在所有情况下的稳定性，对干扰力的第二传递函数可以随外加干扰力的频率变化。对于比较高的频率，物体增益Ho例如由于动力学和/或时间延迟而开始例如偏离1/m。因此，为了避免不稳定性，对于比较高的频率，赋予Kl比较小的增益是有利的，因为若Kl和Ho的乘积小于1，则保证了稳定性，而不管相位。结果是对于提高的频率，G2一直增加到1/m。

由于特别是在高频率下可能出现上述的系统不稳定性，故回路增益Kl随频率提高而降低是有利的，导致第二传递函数G2随输入频率提高而提高。借助于提高传递函数，可以接近原来的物体增益。在此情况下，加速控制系统可能不影响在某个频率以上施加到物体的任何力。

在其中第二传递函数G2是输入频率的函数的本发明的一个实施方案中，回路增益Kl由与频率有关的回路滤波器Hl(s)提供，第一滤波器Hf的频率依赖性为

$\mathrm{Hf}\left(s\right)=1+\frac{\mathrm{Hl}\left(s\right)}{m},$

而第二滤波器Hs(s)的频率依赖性为

$\mathrm{Hs}\left(s\right)=\frac{\mathrm{Hl}\left(s\right)}{1+\frac{\mathrm{Hl}\left(s\right)}{m}}.$

为了得到与频率有关的第二传递函数G2，回路增益Kl可以是频率的函数，亦即回路滤波器Hl(s)。结果，由于第一滤波器和第二滤波器可以用所述回路滤波器构成，故第一滤波器和第二滤波器可以成为频率的函数。适当的回路滤波器是二阶低通滤波器或积分电路。

应该指出的是，不管第一滤波器和第二滤波器的频率依赖性如何，第一传递函数仍然基本上等于物体质量的倒数，因而独立于任何频率。

在本发明的一个实施方案中，位置控制系统是一种离散时间系统。这样的数字系统容易设计且节约成本。

在另一实施方案中，位置控制系统至少具有与物体增益串联的过程传递函数延迟Dp＝z^-p以及与第二增益串联的加速反馈电路中的加速测量延迟Da＝z^-q。如上所述，位置控制系统可以在系统中任何地方表现出延迟。此延迟可以被测量、计算、或推导，并随后被模型化和包括在系统设计中。

系统中可能存在的二种重要的延迟是过程传递函数延迟Dp和加速测量延迟Da。过程传递函数延迟Dp表示呈现在位置控制器输出位置控制器力的时刻与物体由于此位置控制器力而加速的时刻之间的总延迟。加速测量延迟Da表示测量物体加速期间出现的任何延迟。

在数字系统中，此二个延迟Dp和Da可以被表示为Dp＝z^-p和Da＝z^-q，并被引入到系统设计中。在这种表示中，p和q不局限于整数。在数字系统设计中引入这二个延迟，导致适当的第一滤波器为：

$\mathrm{Hf}\left(z\right)=1+\mathrm{Hl}\left(z\right)\frac{z^{-(p+q)}}{m},$

且适当的第二滤波器为：

$\mathrm{Hs}\left(z\right)=\frac{\mathrm{Hl}\left(z\right)}{1+\mathrm{Hl}\left(z\right)\frac{z^{-(p+q)}}{m}}.$

虽然结合数字位置控制系统提出并描述了延迟滤波器，但应该理解的是，延迟滤波器同样可以如上所述被包含在模拟位置控制系统中。

虽然各种滤波器已经用其特性加以了描述并在方程中公式化了，但要指出的是，本技术领域熟练人员能够利用在根据本发明的位置控制系统中给出的描述和公式实现各种滤波器。

在本发明的另一情况下，提供了一种有关光刻设备的如上所述的位置控制系统。

根据本发明另一情况，提供了一种器件制造方法，它包含控制至少一个可移动物体确切地说是所述衬底、所述图形化装置、或二者的位置的步骤；其中，控制位置的步骤包含下列步骤：

-将控制力(Fc)施加在所述可移动物体上；

-确定所述可移动物体的实际位置；

-将所述位置反馈到位置控制器(6)的输入端，

其特征是

-用包含在第一加速电路支路中的减法器(8)，从位置控制器力(Fp)减去滤波过的加速控制信号；

-用包含在第一加速电路支路中的具有第一增益(Kf)的第一滤波器(Hf)，对减法器(8)的输出进行滤波；

-确定所述可移动物体的加速；

-用包含在第二加速电路支路中的具有第二增益(Ks)的第二滤波器(Hs)，对加速控制信号进行滤波；

-将第二加速电路支路的输出馈送到包含在第一加速电路支路中的减法器(8)。

虽然在这方面可以具体参照根据本发明的设备在IC制造中的使用，但应该清楚地理解的是，这种设备具有许多其它可能的应用。例如，可以被用于集成光学系统的制造、磁畴存储器的操纵和探测、液晶显示板、薄膜磁头等。熟练的技术人员可以理解的是，在这些变通应用方面，本文中术语“原版”、“晶片”、或“管芯”的任何使用应该被认为分别被更一般的术语“掩模”、“衬底”、以及“目标部分”所代替。

在本文中，术语“辐射”和“光束”被用来包罗所有类型的电磁辐射，包括紫外线(UV)辐射(例如波长为365、248、193、157、或126nm)和远紫外线(EUV)辐射(例如波长为5-20nm)，以及诸如离子束或电子束之类的粒子束。

附图说明

下面参照所附示意图，仅仅用举例的方法，来描述本发明的实施方案，在这些附图中，相应的参考号表示相应的零件，其中：

图1示出了根据本发明实施方案的光刻投影设备；

图2是采用位置反馈的现有技术位置控制系统的示意方框图；

图3是根据本发明的位置控制系统实施方案的示意方框图；

图4A是常规加速控制系统的示意方框图；

图4B是以位置控制力作为输入的根据本发明的加速控制系统的示意方框图；

图4C是以干扰力作为输入的根据本发明的加速控制系统的示意方框图；

图5A是第一滤波器实施方案的示意方框图；

图5B是第二滤波器实施方案的示意方框图；

图5C是根据本发明的位置控制系统实施方案的示意方框图；

图6是本发明的数字实施方案的示意方框图，其中，系统中可能表示的一些滤波器存在延迟；

图7A和7B曲线示出了用图6的数字实施方案得到的过程灵敏度；

图8是采用加速设定点前馈的本发明另一实施方案的示意方框图。

具体实施方式

实施方案1

图1示意地示出了根据本发明一个特定实施方案的光刻投影设备1，此设备包含：

-辐照系统IL，用来馈送辐照投影光束PB。在此特定情况下，辐照系统还包含辐照源LA；

-第一物体台(掩模台)MT，它配备有用来夹持掩模MA(例如原版)的掩模夹具，并被连接到用来准确地相对于部件PL定位掩模的第一定位装置PM；

-第二物体台(衬底台)WT，它配备有用来夹持衬底W(例如涂敷有抗蚀剂的硅晶片)的衬底夹具，并被连接到用来准确地相对于部件PL定位衬底的第二定位装置PW；以及

-投影系统(“透镜”)PL，用来将掩模MA的被辐照部分成像到衬底W的目标部分C(例如包含一个或多个管芯)上。

如此处所述，此设备是透射型的(亦即具有透射掩模)。但通常也可以是例如反射型的(具有反射掩模的)。或者，此设备可以采用另一种图形化装置，例如上面提到的可编程平面镜阵列。

源LA产生辐照束。例如，此光束直接或通过诸如光束扩展器之类的调整装置之后，被馈送到照明系统(照明器)IL中。照明器IL可以包含调节装置，用来设定分布在光束中的强度的外径向范围和/或内径向范围(通常分别称为外σ和内σ)。此外，通常还包含各种其它组成部分，例如积分器和聚光镜。以这种方式，入射在掩模MA上的光束PB具有所希望的均匀性和截面强度分布。

关于图1应该指出的是，源LA可以在光刻投影设备机箱内(如源LA是汞灯的情况下所习见的那样)，但也可以远离光刻投影设备，产生的辐照束被引入到设备中(例如借助于适当的引导平面镜)；此后一种方案在源LA是准分子激光器的情况下习见。本发明和权利要求包罗了这二种方案。

光束PB随后与夹持在掩模台MT上的掩模MA交截。光束PB横越掩模MA之后，通过透镜PL，光束PB被聚焦到衬底W的目标部分C上。借助于第二定位装置PW(以及干涉测量装置IF)，衬底台WT可以被准确地移动，以便例如将不同的目标部分C定位在光束PB的光路中。同样，例如在从掩模信息库机械检索掩模MA之后，或在扫描过程中，第一定位装置PM能够被用来相对于光束PB的光路准确地定位掩模MA。通常，借助于图1中未清楚地示出的长行程模块(粗略定位)和短行程模块(精细定位)来实现物体台MT和WT的运动。但在晶片步进机(与步进扫描设备相反)的情况下，掩模台MT可以仅仅被连接到短行程执行器，或可以被固定。可以利用掩模对准记号M1和M2以及衬底对准记号P1和P2，来对准掩模MA和衬底W。

所示的设备能够被用于二种不同的模式：

1.在步进模式中，掩模台MT被保持基本上不动，而整个掩模图象被一次投影(亦即单个“闪光”)到目标部分C上。衬底台WT然后沿x和/或y方向偏移，致使不同的目标部分C能够被光束PB辐照；以及

2.在扫描模式中，除了给定的目标部分C不在单个“闪光”中被暴露之外，采用了基本上相同的方案。代之以掩模台MT可以速度v沿给定方向移动(所谓“扫描方向”，例如y方向)，致使投影光束PB在掩模图象上扫描；衬底台同时沿相同的方向或相反的方向以速度V＝Mv被移动，其中，M是透镜PL的倍率系数(典型地说，M＝1/4或1/5)。以这种方式，能够曝光比较大的目标部分C而无须损失分辨率。

定位装置PM和PW可以是根据本发明的位置控制系统的实施方案。以下的附图及其描述将致力于这种位置控制系统。首先，为便于理解，以相关于现有技术的位置控制系统来描述位置控制系统的构造和工作。然后提出并描述本发明的实施方案。

图2示出了位置控制系统的现有技术实施方案，它采用了用来控制物体位置的位置反馈。从位置控制系统外部，确定了所希望的绝对位置，并经由设定点输入端2被馈送到位置控制系统。可以从所希望的绝对位置减去测得的被控制物体的实际绝对位置，导致所希望的物体相对运动信号4。然后，所希望的相对运动信号4经由位置控制器输入端被馈送到位置控制器6。位置控制器6是本技术领域熟练人员众所周知的一种器件，能够将运动信号转变为控制信号。例如，位置控制器6可以包含PID控制器、低通滤波器、以及放大器。

由于控制信号以力的形式作用在物体上，故从位置控制器6输出的控制信号可以被称为位置控制器力Fp。此位置控制器力Fp导致在图中被表示为具有物体增益Ko的物体滤波器Ho的物体依赖于物体质量m的加速。除了物体的质量m之外，还可以存在诸如摩擦之类的其它参数，并用物体增益Ko表示，但为简化起见，假设物体增益Ko仅仅依赖于物体的质量。

由于物理定律，物体的速度等于积分器14所示的物体加速度的时间积分。同样，积分器18对速度信号16的积分导致确定的实际位置信号20。此位置信号20经由位置反馈电路22被反馈到位置控制系统的输入。

不仅由位置控制器输出的力Fp，而且还有其它的力可以被施加在物体上。在多台光刻设备的情况下，物体可以是一个台。另一台诱发的空气压力变化可以在所述台上施加外部干扰力。但任何外力由于导致物体不可预期的位移而干扰了位置控制系统。

在图2中，用虚线箭头表示干扰力Fd，因为它不是系统的物理组成部分。但它被包括在图2中，以便示出何处要考虑干扰力Fd被输入系统，因为这是理解本发明的一个重要情况。

本技术领域的熟练人员可以容易地理解图2的位置控制系统通常如何起作用。利用减法器，设定点2处的位置输入被减去确定的亦即计算的或测量的实际位置信号20，导致所希望的运动信号4。根据所希望的运动4，位置控制器6确定力，以便将物体移动到所希望的位置。从位置控制器6输出的力Fp被施加到物体。而且，假设此时要出现的干扰力Fd也被施加到物体。由于位置控制器6施加的力Fp以及干扰力Fd引起的力，物体依赖于用具有等于1/m的物体增益Ko的物体滤波器Ho表示的物体的质量而加速，m是物体的质量。

实际位置信号20本质上等于二重积分的加速信号12。此二重积分由积分器14和18示意地执行。若希望知道加速信号12，则可以直接测量或用相对于时间的二重微分从位置信号20推导。确定的实际位置信号20被反馈到减法器。就得到所希望的运动信号4。但由于干扰力Fd，实际的运动可能不同于意欲从位置控制器6施加的力得到的所希望的运动。于是，位置控制器6需要改变位置控制器力Fp，以便补偿干扰力Fd。

注意，图2不包括任何前馈电路。但实际上可以存在前馈电路。例如，所希望的位置2可以对应于所希望的物体加速度。所希望的物体加速度通常被处理，例如被乘以物体质量，并被加到位置控制器力Fp。依赖于物体特性的细节，也可以存在其它的前馈电路。

图3是采用根据本发明的位置反馈和加速反馈的位置控制系统图。此图包含加速控制系统34。加速控制系统34包含第一和第二加速电路支路。第一电路支路包含减法器8和具有第一增益Kf的第一滤波器Hf。第二电路支路包含具有第二增益Ks的第二滤波器Hs。而且，加速反馈信号28被输入到第二滤波器Hs，且滤波过的加速反馈信号32从第二滤波器Hs被输出，并用减法器8，从位置控制器6输出的位置控制器力Fp中被减去。不是位置控制器力Fp，而是控制力Fc被施加在物体上。控制力Fc由第一滤波器Hf输出。

为了很好地理解加速控制系统34，在描述根据图3的位置控制系统的功能之前，先参照图4A、4B、以及4C。

图4A示出了包含回路增益Kl和物体滤波器Ho的加速控制系统36的一般基本概念。与图2所示的系统相比，增加了回路增益Kl和反馈电路38。此加速以增益Kl/(m+Kl)与位置控制器力Fp相关。此加速以增益1/(m+Kl)与干扰力Fd相关。于是，与没有加速控制系统36的系统相比，位置控制器力Fp导致不同的加速。确切地说，当使Kl与频率有关以便由于Ho中的延迟或动态而减小更高频率的回路增益Kl时，位置控制器力Fp与实际加速之间的关系也成为与频率有关。于是，原来的物体增益1/m被与频率有关的增益代替。位置控制器6难以补偿这一与频率有关的增益。位置控制器6需要为此目的而加以修正，对于位置控制回路的稳定性来说，这是非常困难的。

图4B和4C示出了根据本发明的加速控制系统34，它具有减法器8、具有第一增益Kf的第一滤波器Hf、以及具有第二增益Ks的第二滤波器Hs。图4B示出了仅仅具有位置控制器力Fp作为输入的加速控制系统34。图4C示出了仅仅具有干扰力Fd作为输入的加速控制系统34。图4B和4C的加速控制系统都以物体的实际加速作为输出。

与图2所示系统中位置控制器力Fp引起的加速相比，位置控制器力Fp引起的加速应该不被加速控制系统34改变，亦即增大或衰减。于是，对于输入到减法器8的位置控制器力Fp加速控制系统34的增益应该等于1/m。

对于减法器8的输入的加速控制系统34的增益等于

$K=\frac{\frac{\mathrm{Kf}}{m}}{1+\frac{\mathrm{Kf}\·\mathrm{Kb}}{m}},$

且如上所述应该等于1/m。于是，对第一增益Kf和第二增益Ks的第一限制是：

$\frac{\frac{\mathrm{Kf}}{m}}{1+\frac{\mathrm{Kf}\·\mathrm{Ks}}{m}}=\frac{1}{m}.$

下面参照图4C，干扰力Fd应该以可与图4A引入的回路增益比拟的回路增益Kl被衰减。因为在此情况下第一滤波器Hf和第二滤波器Hs可以被组合并表示为一个滤波器，故实际上，图4C所示的加速控制系统34基本上完全与图4A中的电路相同。于是，回路增益Kl可以代表二个滤波器，从而等于第一增益Kf乘以第二增益Ks：

Kl＝Kf·Ks，

导致对第一增益Kl和第二增益Ks的第二限制。

要指出的是，利用根据本发明的加速控制系统34导致了干扰力Fd引起的加速的衰减，而位置控制器力引起的加速保持不变。

有关图4B和4C所述的二个限制可以被组合，以便得到表示所希望的第一滤波器Hf的第一增益Kf和第二滤波器Hs的第二增益Ks的二个表示式：

$\mathrm{Kf}=1+\frac{\mathrm{Kl}}{m};$

$\mathrm{Ks}=\frac{\mathrm{Kl}}{1+\frac{\mathrm{Kl}}{m}}=\frac{\mathrm{Kl}}{\mathrm{Kf}}.$

图5A示出了具有上述第一滤波器Hf公式化的滤波器特性的滤波器实施方案。此滤波器包含其特性完全相同于物体滤波器Ho的第一滤波器Hf1以及对应于回路滤波器Hl的第二滤波器Hf2，滤波器Hf1和滤波器Hf2都位于前馈支路中。

图5B示出了具有上述第二滤波器Hs公式化的滤波器特性的滤波器实施方案。此滤波器包含其特性完全相同于物体滤波器Ho的第一滤波器Hs1以及对应于回路滤波器Hl的第二滤波器Hs2。第一滤波器Hs1被置于反馈电路支路中。

其特性完全相同于物体滤波器Ho的滤波器Hf1和Hs1，可以是一种计算机装置。这意味着所示滤波器在信号处理装置例如可编程计算机装置中被实现，它接受输入信号，根据滤波器实现的特性(在此情况下完全相同于物体滤波器的特性)而对此信号进行滤波，并输出结果。此外，在众所周知的计算机装置中还可以物理地实现系统的其它零件，或用任何其它类型的信号处理器来实现其它的零件。

图5C示出了根据本发明的位置控制系统的一个实施方案，其中，相关于图5A和5B引入的滤波器被实现在图3所示的采用加速反馈的位置控制系统中。在图5C中，所希望的位置信号在设定点2处被输入到系统。实际的位置信号20从所希望的位置被减去，得到所希望的运动信号4，此运动信号4被输入到位置控制器6。滤波过的实际加速信号32从位置控制器力Fp被减去，并被输入到第一滤波器Hf。现在，第一滤波器Hf的输出是施加到表示为物体滤波器Ho的物体的控制力Fc。实际的加速被馈送到第二滤波器Hs，且如上所述，其输出从位置控制器力Fp被减去。实际的位置信号20可以从实际的加速信号12计算，并被馈送到系统的输入节点亦即设定点2，从输入的所希望的位置被减去。通常，再次如上所述测量位置信号20，并从中可以确定实际的加速。

在所示的位置控制系统中，由于施加在物体上的干扰力而引起的物体的任何意外加速，都被加速反馈系统34在早期阶段补偿。

要指出的是，在此位置控制系统中，仍然存在着普通的滤波器。此时回路滤波器Hl并没有特殊化。加速控制系统被设计成回路滤波器Hl仅仅具有对干扰力Fd的影响，而不反应对任何位置控制器力Fp的影响。因此，可以根据任何适当的滤波器特性来设计回路滤波器。

在本发明的实施方案中，回路滤波器Hl被设计成与频率有关的滤波器，它抑制任何低频干扰力Fd，但使任何高频干扰力不变。在这种实施方案中，回路滤波器Hl可以是一种二阶低通滤波器或积分器。但回路滤波器Hl可以是与频率无关的，从而仅仅是恒定的增益。

图6示出了本发明的另一实施方案。本发明被体现为数字离散时间系统。但如在上述系统中那样，在系统中可以存在延迟。因此，在图6中，二种可能的延迟被包括在位置控制系统中。存在于系统中的第一延迟可以是过程传递函数延迟，亦即从位置控制器输出到物体的实际加速的延迟。第二延迟可以是加速测量延迟。

借助于将物体滤波器Ho修正成包括延迟，过程传递函数延迟被引入到位置控制系统中。在离散的时间，延迟被表示为z^-p，物体滤波器Ho于是成为z^-p/m。加速测量延迟以位于加速控制系统34的反馈支路中的离散延迟滤波器的形式被引入。

加速测量延迟滤波器Da等于z^-q。修正和增加的滤波器导致整个位置控制系统的修正的特性。确切地说，第一增益G1现在改变为z^-p/m，亦即保持与包括延迟的物体增益相同。但包含代表一个或多个延迟的滤波器的数字位置控制系统基本上相似于图3、4A-4C、以及5A-5的位置控制系统起作用。因此，对数字位置控制系统不再赘述。

图7A示出了用图6所述实施方案得到的理论结果，而图7B示出了其实际结果。图7A和7B中的曲线示出了数字实施方案的过程灵敏度与输入干扰力的频率的关系。水平轴上的频率是对数尺度。图7A和7B所示的过程灵敏度是位置回路过程灵敏度，亦即从干扰力Fd到测得的位置误差4的传递函数。

图7A示出了根据本发明的没有加速反馈和有加速反馈的理论过程灵敏度。用虚线52示出了数字现有技术位置控制系统的理论过程灵敏度。用实线54示出了根据本发明的位置控制系统的理论过程灵敏度。实际上，在系统中存在更高阶的动态。1kHz附近的谐振峰来自这种更高阶动态。这些更高阶动态被包括在用来计算这些理论结果的理论模型中。

根据本发明的过程灵敏度相对于现有技术系统的过程灵敏度被明显地降低，特别是对于低的频率。对于10Hz的干扰力，过程灵敏度被降低大约20dB(10倍)。对于高于200Hz但低于1kHz的频率，过程灵敏度稍许增大，而对于高于1kHz的频率，过程灵敏度基本上与现有技术系统相同。

图7B示出了现有技术系统的虚线56和根据本发明的系统的实线58。这些曲线表示测得的数据，因而表示系统的实际位置回路过程灵敏度。现有技术系统和根据本发明的系统二者的过程灵敏度与图7A所示的预期理论过程灵敏度没有明显的差别。注意，在1kHz以上，测量噪声说明了测量的不准确因而无法与理论结果进行合理的比较。于是，根据本发明的系统如所期望的那样起作用。

图8示出了本发明的另一实施方案。相似于第一实施方案，位置控制器6再次对位置设定点与实际位置信号20之间的差别作出反应。除了位置控制器力Fp之外还存在加速设定点前馈信号Aff。此加速设定点前馈信号Aff由具有等于所希望的加速即设定点加速Asp的输入的设定点加速滤波器Ha产生。通常，设定点加速滤波器Ha包括物体增益的倒数，其最简单的形式等于物体的质量m。通常，设定点加速Asp基本上等于设定点2处输入的设定点位置对时间的二阶导数。设定点加速前馈的主要目的是加速物体，使其位置符合所希望的位置，而无须所希望的位置与实际位置失配而使位置控制器6作出反应。因此，加速前馈使得物体有可能紧密遵循其设定点位置而无须对位置控制器6进行输入。

观察到加速设定点前馈信号Aff在与干扰力被直接输入到物体滤波器Ho的可比较的节点处进入系统。在图3所示的实施方案中，加速控制系统34试图减小加速设定点前馈信号Aff的作用。显然，加速设定点前馈信号Aff的作用不应该被减小。

作为变通，加速设定点前馈信号Aff能够被加到位置控制器力Fp。在此情况下，加速控制系统34将不试图降低加速设定点前馈信号Aff的作用。但由于加速设定点前馈信号现在必须通过动态特性比物体滤波器Ho本身更复杂的加速控制系统34，故设定点加速滤波器Ha应该更复杂。因此，使加速设定点前馈信号Aff如图8所示直接作用在物体上是有利的。

借助于不通过第二滤波器Hs反馈实际加速12而是通过第二滤波器Hs来馈送加速误差信号44，可以解决加速控制系统34对加速前馈引起的加速作出反应的问题。在此情况下，仅仅不由加速设定点前馈信号Aff引起的加速被反馈到加速控制系统34中。如图8所示，利用加速误差重构滤波器Hr，从设定点位置2与实际位置20之间的差别来推导加速误差信号44。加速误差重构滤波器Hr通常由二阶微分器组成，此二阶微分器将其输入对时间二次微分。由于此重构滤波器Hr的输出与原来的加速测量信号12的符号差别，故第二滤波器Hs的输出被加到位置控制器力Fp，而不是从中被减去。但本技术领域的熟练人员可以容易地理解的是，利用分立的倒相器执行倒相来修正重构滤波器Hr的输出的符号差别，然后用减法器8减去得到的信号。

虽然上面已经描述了本发明的具体实施方案，但可以理解的是，本发明可以不按照上面所述而被实施。例如，如上所述，可以测量实际位置来代替加速度，然后从测得的位置来计算加速，或可以测量加速和位置二者，使得能够省略其计算装置。而且，特定的滤波器组成部分可以被包括在Hl中，以便应付诸如谐振之类的物体滤波器Ho中的更高阶效应。

而且，虽然涉及到光刻投影设备而已经描述了本发明，但应该理解的是，本发明可以被应用于控制物体位置的任何系统。因此，上面的描述决不是为了限制本发明。

Claims (13)

1.一种光刻投影设备，它包含：

-至少一个具有质量(m)的可移动物体，特别是衬底台或掩模台，以及

-用来控制所述可移动物体的位置的位置控制系统，此位置控制系统包含输出位置控制器力(Fp)的位置控制器(6)以及将物体确定的实际位置(20)反馈到位置控制器(6)的输入端的位置反馈电路(22)，

其特征在于位置控制系统还包含加速控制系统(34)，它包含

-第一加速电路支路，它包含其中被输入位置控制器力(Fp)的减法器(8)以及减法器(8)的输出被输入其中且输出要施加到物体的控制力(Fc)的具有第一增益(Kf)的第一滤波器(Hf)；以及

-第二加速电路支路，它包含具有第二增益(Ks)且加速控制信号被输入其中的第二滤波器(Hs)，第二电路支路的输出被输入到所述减法器(8)中，以便从位置控制器力(Fp)中减去第二电路支路的输出。

2.根据权利要求1的光刻投影设备，其中，加速控制系统具有对输入到减法器(8)的位置控制力(Fp)的第一传递函数(G1)以及对直接施加在物体上的干扰力(Fd)的第二传递函数(G2)，第一传递函数(G1)基本上等于物体的增益(Ko)，而第二传递函数(G2)通常小于物体的增益(Ko)，物体的增益(Ko)基本上等于物体质量的倒数(1/m)。

3.根据权利要求2的光刻投影设备，其中，加速控制系统(34)具有选择的回路增益(Kl)，第一传递函数(G1)是

$G1=\frac{1}{m},$

第二传递函数(G2)是

$G2=\frac{1}{m+\mathrm{Kl}},$

且回路增益(Kl)是

Kl＝Kf·Ks。

4.根据权利要求2或3的光刻投影设备，其中，第一传递函数(G1)基本上不作为输入频率的函数变化，并且其中第二传递函数(G2)作为输入频率的函数变化。

5.根据权利要求4的光刻投影设备，其中，第二传递函数(G2)随输入频率升高而增大。

6.根据权利要求4或5的光刻投影设备，其中，回路增益(Kl)由与频率有关的回路滤波器(Hl(s))提供，第一滤波器(Hf(s))的频率依赖性为

$\mathrm{Hf}\left(s\right)=1+\frac{\mathrm{Hl}\left(s\right)}{m},$

而第二滤波器(Hs(s))的频率依赖性为

$\mathrm{Hs}\left(s\right)=\frac{\mathrm{Hl}\left(s\right)}{1+\frac{\mathrm{Hl}\left(s\right)}{m}}.$

7.根据权利要求6的光刻投影设备，其中，回路滤波器(Hl(s))是二阶低通滤波器。

8.根据权利要求6的光刻投影设备，其中，回路滤波器(Hl(s))是积分器。

9.根据前述任何一个权利要求的光刻投影设备，其特征在于，位置控制系统是一种离散时间系统。

10.根据权利要求9的光刻投影设备，它包含一个或多个延迟，特别是与物体串联的等于z^-p的过程传递函数延迟(Dp)，在第二加速电路支路中与第二滤波器(Hs)串联的等于z^-q的加速测量延迟(Da)，或二者。

11.根据权利要求10的光刻投影设备，其中， $\mathrm{Hf}\left(z\right)=1+\mathrm{Hl}\left(z\right)\frac{z^{-(p+q)}}{m},$ 且

$\mathrm{Hs}\left(z\right)=\frac{\mathrm{Hl}\left(z\right)}{1+\mathrm{Hl}\left(z\right)\frac{z^{-(p+q)}}{m}}.$

12.一种用来控制可移动物体的位置的位置控制系统，此位置控制系统包含输出位置控制器力(Fp)的位置控制器(6)以及将物体确定的实际位置(20)反馈到位置控制器(6)的输入端的位置反馈电路(22)，

其特征在于位置控制系统还包含加速控制系统(34)，它包含

-第一加速电路支路，它包含其中被输入位置控制器力(Fp)的减法器(8)以及具有第一增益(Kf)且减法器(8)的输出被输入其中的第一滤波器(Hf)，第一滤波器(Hf)的输出被施加在物体上；以及

-第二加速电路支路，它包含具有第二增益(Ks)且加速控制信号被输入其中的第二滤波器(Hs)，第二电路支路的输出被输入到所述减法器(8)中以便从位置控制器力(Fp)中减去第二电路支路的输出。

13.一种器件制造方法，它包含控制至少一个可移动物体特别是所述衬底、所述图形化装置、或二者的位置的步骤；其中，控制位置的步骤包含下列步骤：

-将控制力(Fc)施加在所述可移动物体上；

-确定所述可移动物体的实际位置(20)；

-将所述位置(20)反馈到位置控制器(6)的输入端，

其特征是

-用包含在第一加速电路支路中的减法器(8)，从位置控制器(6)输出的位置控制器力(Fp)减去滤波过的加速控制信号；

-用包含在第一加速电路支路中的具有第一增益(Kf)的第一滤波器(Hf)，对减法器(8)的输出进行滤波；

-确定所述可移动物体的加速度；

-用包含在第二加速电路支路中的具有第二增益(Ks)的第二滤波器(Hs)，对加速控制信号进行滤波；以及

-将第二加速电路支路的输出馈送到包含在第一加速电路支路中的减法器(8)。

Images