光刻機(jī)阻尼接口設(shè)計(jì)與測(cè)量系統(tǒng)布局范文

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摘要：提出一種光刻機(jī)物鏡主動(dòng)阻尼接口方案及測(cè)量系統(tǒng)布局方案，采用有限元仿真方法評(píng)估了在工作臺(tái)質(zhì)心變化及動(dòng)態(tài)沖擊狀態(tài)下物鏡內(nèi)部相對(duì)靜變形及動(dòng)態(tài)響應(yīng)滿足指標(biāo)需求；結(jié)合測(cè)量系統(tǒng)布局設(shè)計(jì)了工作臺(tái)水平向及垂直向補(bǔ)償策略，實(shí)現(xiàn)了物鏡至測(cè)量系統(tǒng)間的相對(duì)靜變形及動(dòng)態(tài)響應(yīng)滿足指標(biāo)需求；采用機(jī)電聯(lián)合仿真方法評(píng)估了物鏡主動(dòng)阻尼方案幅值衰減滿足指標(biāo)需求并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物開(kāi)/閉環(huán)傳函測(cè)試驗(yàn)證了仿真的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：光刻機(jī)；主動(dòng)阻尼接口；測(cè)量系統(tǒng)布局

近年來(lái)，半導(dǎo)體精密加工技術(shù)飛速發(fā)展，光刻技術(shù)與設(shè)備的開(kāi)發(fā)成為半導(dǎo)體加工設(shè)備國(guó)產(chǎn)化的重中之重。專用于新一代AM-OLED顯示屏TFT電路制造的光刻機(jī)，多采用步進(jìn)掃描投影曝光方式，隨著玻璃基板尺寸的增加，基于生產(chǎn)效率的約束，所需的掃描視場(chǎng)也越來(lái)越大。光刻機(jī)的簡(jiǎn)化模型如圖1所示，其中，減振器承載部分主要包括內(nèi)部框架、工件臺(tái)、掩模臺(tái)、物鏡、掩模臺(tái)干涉儀、工件臺(tái)干涉儀等，掩模臺(tái)和工件臺(tái)統(tǒng)稱為工作臺(tái)；外部框架承載部分主要包括照明系統(tǒng)、掩模傳輸系統(tǒng)、基板傳輸系統(tǒng)、環(huán)境柜、控制柜等。照射到嚌班基板的光束攜帶掩模版圖案信息，并將復(fù)制玻璃基板的涂敷光刻膠中。工件臺(tái)、掩模臺(tái)的運(yùn)動(dòng)分別根據(jù)工件臺(tái)干涉儀、掩模臺(tái)干涉儀實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行位置閉環(huán)控制。工件臺(tái)、掩模臺(tái)運(yùn)動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生的沖擊和運(yùn)動(dòng)質(zhì)心的變化會(huì)引起物鏡光軸1、2的相對(duì)位置以及光軸1、2相對(duì)于工件臺(tái)干涉儀、掩模臺(tái)干涉儀的相對(duì)位置發(fā)生變化，從而影響物鏡成像性能及整機(jī)套刻指標(biāo)。本文提出一種滿足物鏡和測(cè)量系統(tǒng)接口需求的方案。

1結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型

一般結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型可以描述為：本文的優(yōu)化目標(biāo)就是通過(guò)接口設(shè)計(jì)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)設(shè)備激勵(lì)狀態(tài)下物鏡間的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及因工作臺(tái)質(zhì)心變化產(chǎn)生的靜態(tài)變形滿足指標(biāo)需求，以及在設(shè)備激勵(lì)狀態(tài)下物鏡相對(duì)于工作臺(tái)測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及因工作臺(tái)質(zhì)心變化產(chǎn)生的物鏡相對(duì)于測(cè)量系統(tǒng)的靜態(tài)變形滿足指標(biāo)需求，其約束條件為物鏡接口頻率大于30Hz。用數(shù)學(xué)模型可以表述為：式中，S1(x)為工作臺(tái)質(zhì)心變化產(chǎn)生的物鏡間靜態(tài)變形，Sobj1物鏡間靜態(tài)變形約束指標(biāo)，F(xiàn)1(x)為在設(shè)備激勵(lì)狀態(tài)下物鏡間的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，F(xiàn)obj1為物鏡間動(dòng)態(tài)響應(yīng)約束指標(biāo)。S2(x)為工作臺(tái)質(zhì)心變化產(chǎn)生的物鏡相對(duì)于測(cè)量系統(tǒng)的靜態(tài)變形，Sobj2物鏡相對(duì)于測(cè)量系統(tǒng)的靜態(tài)變形約束指標(biāo)，F(xiàn)2(x)為在設(shè)備激勵(lì)狀態(tài)下物鏡相對(duì)于測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，F(xiàn)obj2為物鏡相對(duì)于測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)約束指標(biāo)，f為物鏡接口模態(tài)。

2方案設(shè)計(jì)及仿真驗(yàn)證

2.1方案設(shè)計(jì)

由于工作臺(tái)高速運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部框架微變形，這種變形影響傳遞到物鏡應(yīng)盡可能小，這樣物鏡采用三點(diǎn)支撐方案。為保證物鏡間相對(duì)位置穩(wěn)定性，物鏡三點(diǎn)接口剛度盡量低。物鏡接口的低剛度必然導(dǎo)致物鏡受到工作臺(tái)沖擊時(shí)，物鏡間的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及物鏡相對(duì)于測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)偏大，物鏡接口采用主動(dòng)阻尼器方案，傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)物鏡微振動(dòng)，通過(guò)執(zhí)行器補(bǔ)償方式壓制振動(dòng)幅值。同時(shí)物鏡接口的低剛度還會(huì)導(dǎo)致測(cè)量系統(tǒng)相對(duì)于物鏡在工作臺(tái)移動(dòng)過(guò)程靜態(tài)變形及瞬時(shí)沖擊響應(yīng)偏大，在測(cè)量系統(tǒng)水平向增加參考光干涉儀，垂直向增加測(cè)量傳感器，如圖2所示。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)參考光干涉儀、物像面垂直向測(cè)量傳感器相對(duì)于物鏡的變化，采用算法補(bǔ)償進(jìn)入工作臺(tái)水平向、垂直向閉環(huán)控制。物鏡主動(dòng)阻尼接口方案原理如圖3所示，主要包括柔性塊、壓電模組。柔性塊的主要作用是支撐負(fù)載、提供垂直向剛度；壓電力傳感器用于測(cè)量物鏡因擺動(dòng)而作用在柔性塊上力的變化，并且要具有足夠的靈敏度；壓電執(zhí)行器用于施加垂直向控制力，補(bǔ)償因振動(dòng)而產(chǎn)生的位移變化。兩個(gè)成45°布置的壓電模組，等效于可以同時(shí)主動(dòng)控制垂直向和水平向兩個(gè)自由度，3個(gè)主動(dòng)柔性塊組成的物鏡主動(dòng)阻尼器能對(duì)物鏡進(jìn)行六自由度的主動(dòng)控制。物鏡主動(dòng)阻尼器的等效模型如4所示：其中Ks表示為壓電模組的等效剛度，Kp為壓電模組的預(yù)緊彈簧剛度，Kf為物鏡接口等效剛度。

2.2物鏡內(nèi)部靜變形有限元仿真驗(yàn)證

光刻機(jī)模型復(fù)雜，為了適應(yīng)有限元計(jì)算及優(yōu)化工作，必須將其簡(jiǎn)化處理，處理后的有限元模型如圖5所示。首先，根據(jù)物鏡質(zhì)量、接口頻率匹配物鏡接口剛度。當(dāng)f=30Hz時(shí)，物鏡接口剛度如表1所示。其次，將物鏡接口剛度設(shè)置在光刻機(jī)有限元簡(jiǎn)化模型的物鏡接口參數(shù)中，計(jì)算物鏡間的靜變形。計(jì)算的工況為工件臺(tái)Chuck處于極限位置（X：400，Y：1300）、掩模臺(tái)處于極限位置（X：0，Y：850）及兩者分別處于零位（X：0，Y：0）狀態(tài)時(shí)，因內(nèi)部世界質(zhì)心變化帶來(lái)的光軸間的相對(duì)變化量（a），計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，滿足需求。

2.3物鏡內(nèi)部動(dòng)態(tài)響應(yīng)有限元仿真驗(yàn)證

對(duì)物鏡輸入內(nèi)部框架加速度功率譜PSD（見(jiàn)圖6），分別對(duì)各個(gè)鏡片的振動(dòng)情況進(jìn)行分析，計(jì)算物鏡內(nèi)部動(dòng)態(tài)響應(yīng)。對(duì)物鏡主動(dòng)阻尼器減振效果提出需求：要求經(jīng)阻尼器衰減后幅值曲線的峰值小于0dB，即相當(dāng)于振動(dòng)幅值放大因子Q=1，根據(jù)阻尼率與放大之間的關(guān)系可以計(jì)算得到等效阻尼率：將對(duì)應(yīng)物鏡接口頻率的阻尼率設(shè)置進(jìn)入有限元模型，仿真計(jì)算物鏡內(nèi)部動(dòng)態(tài)響應(yīng)如表3所示，滿足需求。

2.4物鏡主動(dòng)阻尼減振效果機(jī)電聯(lián)合仿真驗(yàn)證

物鏡主動(dòng)阻尼器共有三組，有6個(gè)傳感器和6個(gè)執(zhí)行器，且相互間具有較強(qiáng)的耦合效應(yīng)，屬于典型的多輸入多輸出控制系統(tǒng)。針對(duì)此特點(diǎn)，采用模態(tài)解耦的方法將傳感器測(cè)量信號(hào)轉(zhuǎn)換為邏輯軸控制參數(shù)，這樣可削弱相互之間的耦合關(guān)系，使每個(gè)邏輯軸上的控制等效于單自由度控制。物鏡主動(dòng)阻尼器機(jī)電仿真模型在MatlabSimulink中搭建，如圖7所示。為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性及對(duì)降低低頻區(qū)性能的影響采用比例+高通+低通的控制策略，仿真計(jì)算的主動(dòng)阻尼器開(kāi)啟閉環(huán)控制后衰減后幅值曲線的峰值小于0dB，如圖8所示，滿足需求。

3實(shí)物測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物測(cè)試驗(yàn)證，物鏡固有頻率處共振峰的峰值明顯下降，37.5Hz處功率譜密度（PSD）降低了12.8dB，43.75Hz處PSD降低約13.4dB，基本實(shí)現(xiàn)了經(jīng)阻尼器衰減后PSD曲線的峰值均在0dB附近或小于0dB，如圖9所示，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)需求。

4結(jié)語(yǔ)

本文提出一種光刻機(jī)物鏡主動(dòng)阻尼接口方案及測(cè)量系統(tǒng)布局方案，實(shí)現(xiàn)了物鏡至測(cè)量系統(tǒng)間的相對(duì)靜變形及動(dòng)態(tài)響應(yīng)滿足指標(biāo)需求。

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作者：葛黎黎 周暢 朱岳彬 單位：上海微電子裝備股份有限公司