CN1967386A - 步进扫描光刻机晶片台掩模台同步控制系统 - Google Patents

Abstract

一种步进扫描光刻机晶片台掩模台控制系统，其特征在于：它由主控制模块[13]、晶片台控制模块[12]、掩模台控制模块[10]和同步控制模块[11]组成。本发明采用带有扰动控制器的同步控制降低了扰动对晶片台及掩模台运动精度和稳定性的影响，引入同步控制补偿器，减小了同步误差，并最终改善了光刻机的精度。本发明不仅可以实现扫描曝光过程所需的步进扫描运动，而且能提高机构的精度和稳定性。本发明即适用于光学扫描投影光刻机，可适用于极紫外扫描曝光机，以及其它微细加工设备的同步控制。

Description

步进扫描光刻机晶片台掩模台同步控制系统

技术领域

本发明涉及一种步进扫描光刻机的同步控制系统，特别涉及步进扫描光刻机的晶片台掩模台同步控制系统。

背景技术

步进扫描投影光刻技术是IC光刻加工的一项前沿技术，它利用掩模台和晶片台的同步运动，将掩模上的图形通过微缩光学系统投影到涂有抗蚀剂的晶片上，再经过定型、显影等工艺，最终在晶片上复制出具有缩小倍率的图形。扫描曝光与一次性全部曝光不同，它利用常规窄条狭缝像场的匀速直线扫描来实现大芯片尺寸像场内的连续移动曝光，由于像场均分可减小投影误差及像差；加之扫描中逐个小像场的连续自动调平调焦可充分利用镜头的有效焦深，更好地控制并校正了大像场内晶片的局部不平度并扩大和改善了光刻工艺范围。因而利用步进扫描技术，小像场的镜头可进行大尺寸芯片的光刻，并能提供更好的成像质量。

步进扫描投影光刻机的基本原理见图1。载有掩模3的掩模台4和载有晶片6的晶片台7同时以指定的速度Vr和Vw沿相反方向移动到物镜系统的上方和下方，掩模上特定区域的图形在照明光束2照射下，经过物镜系统5，投影到涂有抗蚀剂的晶片6上，实现掩模图形的转移。

步进扫描投影曝光方式，其光刻机的成像质量不仅取决于光学系统的质量，还取决于晶片台和掩模台的动态定位及动态同步性能，因而对于晶片台、掩模台的运行精度、速度、加速度以及动态定位和扫描同步性能提出了严格的要求。同步误差不仅会导致晶片上图形的变形和错位，而且会降低图形对比度，最终造成光刻图形缺陷。

通常步进扫描光刻机的同步误差由移动平均误差MA和移动标准偏差MSD表示，移动平均偏差即扫描同步偏差的移动平均值，反映了掩特征图形与其理想位置的平均偏差，这一偏差将导致曝光图形的总体错位，在工艺上将主要影响光刻的套刻精度。移动标准偏差即光阑内所有点同步偏差的均方差，反映了因扫描不同步引起位置抖动的均方差，这种由于扫描曝光过程中掩模台晶片台相对位置的高频率变化将导致成像模糊，在工艺上将主要影响光刻的曝光分辨率。MA和MSD定义如下

对芯片上的特殊成像点x，设其同步位置误差为Esyn_i，则移动平均偏差MA为x位于曝光光阑(8mm)中心时光阑内所有点位置偏差的平均值，移动标准偏差MSD为Esyn相对MA值的均方差：

$\mathrm{MA}\left(x\right)=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{Esyn}}_i---\left(1\right)$

$\mathrm{MSD}\left(x\right)=\sqrt{\frac{1}{n}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{({\mathrm{Esyn}}_i-\mathrm{MA})}^2}---\left(2\right)$

式(1)(2)中，n为扫描次数。

从同步扫描精度指标的定义可以看出，MA和MSD均为位置同步误差Esyn统计计算的结果。

影响位置同步误差的因素包括：晶片台掩模台的位置误差，速度波动，电机输出力的波动，振动，负载变化，参数变化以及传感器噪声等。由于晶片台和掩模台受到扰动力的作用，因此，执行器实际输出的位移是由其控制器确定的驱动力和扰动力综合作用的结果，因而造成了实际位移与目标位移的误差，即位置误差。因为掩模台和晶片台的位置同步误差Esyn是晶片台和掩模台实际输出位移的差值，所以，如果不对位置误差进行补偿，晶片台掩模台各自的位置误差的累积必然导致Esyn增大。

下面从步进扫描曝光过程说明同步误差的形成原理。对于进步扫描光刻机，晶片上曝光区域通常被划分为若干个子场，光刻机的扫描曝光是通过对晶片上各子场的连续扫描曝光实现的。掩模台和晶片台从一个子场到另一个子场间的运动为步进运动，到达该子场位置则进行扫描运动。图2a是晶片子场划分的一个例子。该晶片曝光区域被划分为30个子场，图中的数字代表曝光顺序。图2b是第5-7个子场曝光的晶片台运动示意图，以及扫描运动和步进运动晶片台速度曲线。当第5子场曝光结束，晶片台以步进方式运动，以便把第6个子场移动到靠近光轴位置。此时的动作为：加速—>匀速—>减速，经过一段调整时间，对第6子场的扫描开始。扫描的过程也包括：加速—>匀速—>减速。当晶片台运动进入匀速阶段时，曝光开始。在曝光过程中，只有晶片台掩模台的同步误差Esyn小于或等于某一规定值α时，才能得到所需的曝光结果。允许误差α由曝光设备和工艺共同决定。某一子场的扫描位置终点正是下一子场的扫描位置的起始点，因而该子场的位置误差也就自然被带到了下一个子场，再加上下一个子场扫描的位置误差，这样就形成了误差累积。

然而，在大多数步进扫描光刻机中，对于某个场的扫描曝光，如果由于同步误差过大而造成掩模图形没有准确转移到晶片上，一般做法是直接进入下一个场的扫描，而没有对这个场的信息作记录，这样就会降低光刻图形精度，并提高了废品率。所以，对同步误差的控制是提高光刻图形质量的一个关键。另一方面，由于线宽100纳米以下扫描投影光刻的高精度(CD<100nm)和高产率(＞100p/h)要求，系统的扰动已经严重影响到定位及扫描的精度，因而在晶片台掩模台控制系统中应对扰动进行有效抑制。

通常，控制系统利用PID控制器将输入给晶片台或掩模台的位移命令转换成力命令输出。但是，常规PID控制器导致了加速阶段同步误差的累积。美国专利US 5900707提出了一种基于主从控制的晶片台掩模台同步控制方法，其核心是以掩模台跟踪工件台的运动，从而达到降低同步误差的目标。由于控制系统中都包括了加速度传感器，因而增加了设备成本，同时也增加了系统的检测噪声。US6501533提出记录下同步误差超过允许值的“坏场”的信息，以避免对这个场作为后续工艺处理或把这个晶片做为样片，从而节省了时间，提高了产率。但是该专利只是检测出了同步误差超限的“坏场”，而没有采取任何措施减小同步误差，因而可能导致下一个子场的扫描同步误差继续超限，造成了成品质量下降和不必要的浪费。

在一定的产率前提下，如何控制和减小步进扫描光刻机扫描曝光中的同步误差，进而提高产品的良率，是一个急需解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是控制和减小步进扫描光刻机扫描曝光中的同步误差，以及由于电机的电流波动、端部效应、地面振动、负载的变化等原因造成的扰动，提供一种适用于高精度步进扫描光刻机晶片台掩模台的同步控制系统。本发明不仅可以实现扫描曝光过程所需的步进扫描运动，而且能提高机构的精度和稳定性。

本发明晶片台掩模台同步控制系统主要包括主控模块、晶片台控制模块、掩模台控制模块、同步控制模块。主控模块为上层控制模块，其它各模块：晶片台控制模块、掩模台控制模块、同步控制模块之间为并行关系。主控模块负责总体控制，向各模块发出指令，并根据各模块传输回来的信息，决定各模块的启动顺序和分工协调。晶片台控制模块负责晶片台的运动控制，掩模台控制模块负责掩模台运动控制，同步控制模块负责晶片台掩模台的同步协调控制，针对晶片台掩模台同步误差，计算出对应的补偿量，调整二者的运动，以使同步误差限制在允许范围内。本发明根据同步控制策略计算出晶片台掩模台的具体运动参数，并把这些参数传输给晶片台掩模台执行系统，最终使晶片台掩模台完成相应的运动，实现步进扫描曝光功能。

本发明的具体工作过程如下：主控制模块确定扫描目标位移参数和允许误差，并将上述参数传送给晶片台控制模块、掩模台控制模块和同步控制模块。例如给定晶片台目标位移为Yref，则掩模台目标位移为Yref乘以倍缩比(通常为4-5倍)。晶片台控制模块接收到目标位移指令后，其中的晶片台控制器根据位移指令计算出驱动晶片台执行器(直线电机和洛仑兹电机)的驱动力，并把它转换成模拟信号，驱动晶片台执行器运动，使晶片台产生相应的位移。在晶片台运动的同时，掩模台控制模块中的掩模台控制器根据接收到的位移指令计算出掩模台执行器(直线电机和洛仑兹电机)的驱动力，并把它转换成模拟信号，驱动掩模台执行器运动，使掩模台产生相应的位移。

晶片台和掩模粗动台掩模微动台的输出位移分别由三个激光干涉仪检测，把掩模微动台和晶片台的输出位移加以比较，得到位置同步误差Esyn。如果Esyn≤α(α为允许同步位置误差)，则依照前面参数设置执行下一个子场的扫描。如果Esyn＞α则调整晶片台和掩模台控制参数，使Esyn在最短时间内达到规定的误差值。并将调整后的参数存储起来作为下一场扫描的参数。

由于晶片台和掩模台的运动速度和精度要求，必须对系统的扰动加以补偿。晶片台掩模台系统的扰动主要来自地面的振动、电流波动、直线电机的端部效应、摩擦力变化、负载转矩变化等。本发明的晶片台和掩模台控制模块分别考虑了扰动的影响，利用扰动控制器(例如扰动观测器，H∞控制等)对系统内部和外部扰动进行有效抑制和补偿。如果排除扰动的影响，根据执行器的输入驱动力应该能计算出输出位移。所以本发明的扰动控制就是根据输入的驱动力和测量出的实际位移值的差，经过滤波器去除高频噪声后，估计出扰动力的值。

本发明的有益效果是：

1、模块化控制系统设计提高了系统运行速度，增强了系统的灵活性；

2、带有扰动控制器的同步控制降低了内部外部扰动对晶片台及掩模台运动精度和稳定性的影响；

3、本发明利用掩模微动台跟踪晶片台运动，反应速度快，方便调整；

4、掩模台晶片台同步控制补偿器的引入，减小了同步误差，并最终改善了光刻机的精度；

5、本发明既适用于光学扫描投影光刻，又适用于EUVL扫描曝光，以及其它微细加工设备的同步控制。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图1为步进扫描投影光刻机扫描曝光工作原理图。图中：1照明光学系统，2照明光束，3掩模，4掩模台(4a掩模微动台，4b掩模粗动台)，5物镜系统，6晶片，7晶片台(7a晶片微动台，7b晶片粗动台)；

图2a晶片子场划分的方式示意图，图2b步进扫描示意图；

图3为晶片台掩模台同步控制系统结构图。图中：10掩模台控制模块，11同步控制模块，12工件台控制模块，13主控制模块，101主控CPU卡，102运动控制卡，103位置数据采集卡，104同步控制卡，105存储器；

图4为子场扫描曝光流程图；

图5为本发明包括扰动控制器的晶片台掩模台同步控制系统结构示意图。图中：50目标发生器，51掩模粗动台控制器，52掩模粗动台执行器，28a、28b、28c激光干涉仪，53a、53b、53c扰动观测器，54a、54b、54c低通滤波器，55掩模微动控制器，56掩模微动台执行器，57同步补偿器，58晶片台控制器，59晶片台执行器，71a、71b、71c扰动控制器；

图6为扰动观测器原理框图。

具体实施方式

如图3所示，本发明的晶片台掩模台同步控制系统共包括四个模块：主控制模块13，晶片台控制模块12，掩模台控制模块10，同步控制模块11。主控模块13包括主控CPU卡101，其功能是向各模块发出扫描指令，并规定扫描同步误差、扫描速度和加速度等参数。晶片台控制模块12包括：运动控制卡102a，位置数据采集卡103a。前者负责调整晶片台的运动轨迹、速度、加速度，后者负责实时采集晶片台位置信息，并反馈给运动控制卡102a。掩模台控制模块10包括：运动控制卡102b，位置数据采集卡103b。前者负责调整掩模台的运动轨迹、速度、加速度。后者负责实时采集掩模台位置信息，并反馈给运动控制卡102b。同步控制模块11包括：同步控制卡104，存储器105。同步控制卡104负责根据位置数据采集卡102a、102b反馈的晶片台和掩模台位置信息，计算同步误差，并将同步误差与误差允许值进行比较，并根据结果决定下一个子场的扫描参数。确定的同步扫描参数存储在存储器105中。主控制模块与其它三个模块间利用工业总线连接。各模块内部及模块之间采用电缆连接。激光干涉仪103a、103b与同步控制卡104连接，把检测到的位置信息传输给同步控制卡104；同步控制卡104又与运动控制卡102a、102b连接，把调整后的运动参数输入到运动控制卡102a、102b。

下面以单个子场的扫描流程为例说明本发明同步控制方法在扫描曝光过程中的应用。单个子场扫描曝光流程如图5所示。

首先执行步骤S1，主控制模块13进行目标位置设定，并把目标位置及允许同步误差值传递给同步控制模块11，扫描开始；

然后执行步骤S2，同步控制模块11从存储器105中读入扫描参数；

在步骤S3中，晶片台运动控制卡102a、掩模台运动控制卡102b根据接收到的扫描参数，计算驱动晶片台、掩模台所需的驱动力，并驱动晶片台、掩模台分别输出相应的位移；

步骤S4：位置数据采集卡103a、103b控制相应的激光干涉仪进行晶片台、掩模台的输出位置检测，并把位置信息传递给同步控制卡104；

步骤S5：同步控制卡104计算晶片台掩模台的同步误差；

步骤S6：同步控制卡104比较同步误差与允许误差的大小，如果同步误差大于允许误差，则转向S7；否则转向S9；

步骤S7：同步控制卡104对同步误差进行补偿；

步骤S8：同步控制卡104重新生成扫描参数，并把参数存入存储器105，转向S2步骤；

步骤S9：判断扫描结束否？若未结束，则转向S2，否则结束扫描。

晶片上曝光区域通常划分为若干个子场，如此控制掩模台4和晶片台7从一个子场到另一个子场间步进运动，到达下一个子场后进行该子场的连续扫描曝光，直至整个晶片扫描曝光完成。

本发明在子场扫描过程中，对于误差超过允许值的晶片台掩模台控制参数进行了实时调整，并将调整后的满足误差条件的参数存入存储器。所以，进行下一个子场扫描时，就可以调用存储器中的优化的扫描参数，作为晶片台掩模台的驱动参数，这样就避免出现同步误差超限。

图5为本发明包括扰动控制器的晶片台掩模台同步控制系统结构示意图。如图5所示，虚线框内分别为晶片台控制模块12，掩模台控制模块10，同步控制模块11。主控制模块13中的目标发生器50发出位移指令Yref。晶片台控制模块12的接收到位移指令，把它定义为参考位移Rs1，并将Rs1与激光干涉仪28c检测到的位移信息Y1的差Es1作为输入位移传输给晶片台控制器58，晶片台控制器58计算出驱动晶片台所需的原始驱动力信号Cs1。Cs1与扰动观测器53c得到的扰动估计值dh1相减得到修正后的晶片台驱动力信号Cs10，Cs10与晶片台扰动D1相加得到Cs11，并将它输送给晶片台执行器59，驱动晶片台运动。晶片台的运动位移由激光干涉仪28c检测，并反馈给晶片台参考位移及扰动观测器53c，同时将Y1乘以倍缩比β，传递给同步控制模块11。

掩模台控制模块10中，掩模粗动台的输入参考位移Rs2＝β*Yref。其控制结构与晶片台控制模块12相似。Rs2减去掩模粗动台位移Y21，得到位置误差Es2，一方面输入到掩模粗动台控制器51，另一方面作为参考位移输入到掩模微动台控制器55。掩模粗动台控制器51接收到位移指令，把它转换成驱动掩模粗动台的原始力信号Cs2。Cs2与扰动观测器53a得到的扰动估计值dh2相减得到修正后的掩模粗动台驱动力信号Cs20，Cs20与扰动力D2相加后，得到掩模粗动台的驱动力Cs21，并把它输送给掩模粗动台执行器52，驱动掩模粗动台运动。激光干涉仪28a测得掩模粗动台的输出位移Y21，并将Y21反馈给掩模粗动台输入端。

掩模台控制模块10中，掩模微动台4a的主要功能是补偿掩模粗动台4b的位置误差以及晶片台掩模台间的同步误差。掩模微动台的输入位移为Es2。把Es2减去激光干涉仪28b检测到的位移信息Y2，以及同步控制模块11反馈回来的同步误差Csyn的差值作为输入位移传输给掩模微动台控制器55，掩模微动台控制器55接收到位移指令，把它转换成驱动掩模微动台的原始力信号Cs3。Cs3与扰动观测器53b得到的扰动估计值dh3相减得到修正的掩模微动台驱动力信号Cs30，Cs30与扰动力D3相加得到Cs31，作为掩模微动台的驱动力，并将它输送给掩模微动台驱动器56，驱动掩模微动台运动。掩模微动台的运动位移由激光干涉仪28b检测，并反馈给掩模微动台输入端以及扰动观测器53b，同时将Y2传递给同步控制模块11。

同步控制模块11以掩模微动台输出位移Y2和晶片台输出位移Y1*β的差为输入信号，计算晶片台和掩模微动台的位置同步误差Esyn。

Esyn＝Y2-β*Y1                             (3)

同步补偿器57根据Esyn的值确定掩模微动台的误差补偿信号Csyn，并将Csyn反馈给掩模微动台，调整掩模微动台的运动，以减小同步误差。

晶片台7和掩模台4的粗动台驱动器一般是直线电机，微动台驱动器一般是音圈电机或洛仑兹电机。直线电机虽然定位精度很高，但是对环境振动、负载扰动、参数变化等非常敏感，而且直线电机本身也存在着端部效应、电流波动，上述因素都导致了电机输出力和转矩的抖动，最终使定位精度下降。为了提高晶片台掩模台同步控制系统的性能，必须对晶片台掩模台同步控制系统运行过程中出现的各种扰动因素加以抑制和补偿。为抑制扰动，本发明设计了扰动控制器70a、70b、70c。扰动控制器的设计可以有多种选择，如H∞控制器，扰动观测器等。

本发明扰动控制器的具体实施方式采用了扰动观测器技术，这项技术是现代控制系统中常用的一项技术，该技术简单易行，无需对各扰动分别补偿，仅通过对输出位移的测量进行扰动推力估计，并将其反馈给推力环输入实行前馈补偿。扰动观测器能有效抑制参数变化和负载波动等引起的扰动力，使控制系统获得了快速、高精度的位置响应和推力响应，表现了极强的鲁棒性。

扰动观测器原理是：利用被控对象逆模型和实际速度信号，得到假定的控制输入U_f，同实际的控制信号U_d相比较，其差值被认为是干扰的作用。G_n经过低通滤波器Q(s)反馈到输入端，达到扰动补偿的目的。

由于速度、加速度传感器会系统增加系统的噪声，因此本发明选用位置信号和推力信号作为扰动观测器的输入。图6即为等效扰动观测器原理图。由于G_n是G_p的名义模型，由此，可推出扰动估计值：

$\hat{D}=Q\left(s\right)(U_f-U_d)Q\left(s\right)[(D+U_d)\&CenterDot;G_p\left(s\right)\&CenterDot;\frac{1}{s}\&CenterDot;s\&CenterDot;\frac{1}{G_n\left(s\right)}-U_d]=Q{\left(s\right)}_{10}D---\left(4\right)$

将扰动估计值直接反馈至推力输入端便可消除扰动的影响，获得有效的鲁棒控制。在这里Q(s)由一个二阶低通滤波器构成：

$Q\left(s\right)=\frac{T_2}{s^2+T_{1}s+T_2}---\left(5\right)$

由滤波器特征可知，当Q(s)覆盖所有扰动频率范围时，扰动的影响将微乎其微。

Claims (3)

1、一种步进扫描光刻机晶片台掩模台控制系统，其特征在于它由主控制模块[13]、晶片台控制模块[12]、掩模台控制模块[10]和同步控制模块[11]组成；主控模块[13]包括主控CPU卡[101]，其功能是向各模块发出扫描指令，并规定扫描同步误差、扫描速度和加速度等参数；晶片台控制模块[12]包括：运动控制卡[102a]，位置数据采集卡[103a]，前者负责调整晶片台的运动轨迹、速度、加速度，后者负责实时采集晶片台位置信息，并反馈给运动控制卡[102a]；掩模台控制模块[10]包括：运动控制卡[102b]，位置数据采集卡[103b]，前者负责调整掩模台的运动轨迹、速度、加速度，后者负责实时采集掩模台位置信息，并反馈给运动控制卡[102b]；同步控制模块[11]包括：同步控制卡[104]，存储器[105]，同步控制卡[104]负责根据位置数据采集卡[102a]、[102b]反馈的晶片台和掩模台位置信息，计算同步误差，并将同步误差与误差允许值进行比较，根据结果决定下一个子场的扫描参数，确定的同步扫描参数存储在存储器[105]中；主控制模块[13]与其它三个模块间用工业总线连接，各模块内部及模块之间采用电缆连接；激光干涉仪[103a]、[103b]与同步控制卡[104]连接，把检测到的位置信息传输给同步控制卡[104]；同步控制卡[104]又与运动控制卡[102a]、[102b]连接，把调整后的运动参数输入到运动控制卡[[102a]、[102b]。

2、按照权利要求1所述的步进扫描光刻机晶片台掩模台控制系统，其特征在于其控制掩模台[4]和晶片台[7]从一个子场到另一个子场间步进运动，到达该子场后进行连续扫描曝光，直至整个晶片扫描曝光完成；单个子场扫描曝光流程如下：

首先执行步骤S1，主控制模块13进行目标位置设定，并把目标位置及允许同步误差值传递给同步控制模块11，扫描开始；

然后执行步骤S2，同步控制模块11从存储器105中读入扫描参数；

在步骤S3中，晶片台运动控制卡102a、掩模台的运动控制卡102b根据接收到的扫描参数，计算驱动晶片台、掩模台所需的驱动力，并驱动晶片台、掩模台分别输出相应的位移；

步骤S4：位置数据采集卡103a、103b控制相应的激光干涉仪进行晶片台、掩模台的输出位置检测，并把位置信息传递给同步控制卡104；

步骤S5：同步控制卡104计算晶片台掩模台的同步误差；

步骤S6：同步控制卡104比较同步误差与允许误差的大小，如果同步误差大于允许误差，则转向S7；否则转向S9；

步骤S7：同步控制卡104对同步误差进行补偿；

步骤S8：同步控制卡104重新生成扫描参数，并把参数存入存储器105，转向S2步骤；

步骤S9：判断扫描结束否？若未结束，则转向S2，否则结束扫描。

3、按照权利要求1所述的步进扫描光刻机晶片台掩模台控制系统，其特征在于采用同步补偿器[57]对晶片台[7]掩模台[4]的同步误差Esyn进行补偿；采用扰动控制器[70a、70b、70c]对各模块对应控制系统的扰动进行补偿；采用掩模微动台[4a]补偿掩模粗动台[4b]的位置误差及晶片台[7]掩模台[4]间的同步误差Esyn。

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