機(jī)械專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外文翻譯光刻投影鏡頭多閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)

1、 湖南文理學(xué)院芙蓉學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文資料翻譯學(xué) 院： 機(jī)械工程學(xué)院 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)老師： 附 件： 1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。 指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)： 簽名： 年 月 日附件1：外文資料翻譯譯文光刻投影鏡頭多閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)聶宏飛 1，李曉平1，何艷2。1國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，數(shù)字制造裝備與工藝，華中科技大學(xué),武漢430074，中國(guó)大學(xué)2天華學(xué)院，上海師范大學(xué)，上海201815，中國(guó)2008年5月27日收稿； 2009年1月8日修訂； 2009年1月22日定稿；2009年2月6日電子出版摘要：圖像質(zhì)量是光學(xué)光刻工具的最重要指標(biāo)之一，尤其易受溫度、振

2、動(dòng)和投影鏡頭（pl）污染的影響。本地溫度控制的傳統(tǒng)方法更容易引入振動(dòng)和污染，因此研發(fā)多閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)來(lái)控制pl內(nèi)部溫度，并隔離振動(dòng)和污染的影響。一個(gè)新的遠(yuǎn)程間接溫度控制（ritc）方案，提出了利用冷卻水循環(huán)完成對(duì)pl的間接溫度控制。嵌入溫度控制單元（tcu）的加熱器和冷卻器用于控制冷卻水的溫度，并且，tcu必須遠(yuǎn)離pl,以避免震動(dòng)和污染的影響。一種包含一個(gè)內(nèi)部級(jí)聯(lián)控制結(jié)構(gòu)（ccs）和一個(gè)外部并行串聯(lián)控制結(jié)構(gòu)（pccs）的新型多閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)被用來(lái)防止大慣性，多重遲滯，和ritc系統(tǒng)的多重干擾。一種非線性比例積分（pi）的算法應(yīng)用，進(jìn)一步提高收斂速度和控制過(guò)程的精度。不同的控制回路和算法的對(duì)比實(shí)

3、驗(yàn)被用來(lái)驗(yàn)證對(duì)控制性能的影響。結(jié)果表明，精度達(dá)到0.006規(guī)格的多閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)收斂率快，魯棒性強(qiáng)，自我適應(yīng)能力好。該方法已成功地應(yīng)用于光學(xué)光刻工具，制作了臨近尺寸（cd）100納米的模型，其性能令人滿意。關(guān)鍵詞：投影鏡頭，遠(yuǎn)程間接溫度串級(jí)控制結(jié)構(gòu)，并行串連控制結(jié)構(gòu)，非線性比例積分（pi）的算法1 簡(jiǎn) 介由于集成電路縮小，更小的臨界尺寸（cd）要求，生產(chǎn)過(guò)程的控制越來(lái)越嚴(yán)格。作為最重要的制造工藝設(shè)備，先進(jìn)的光學(xué)光刻工具需要更嚴(yán)格的微控制環(huán)境1，如嚴(yán)格控制其溫度、潔凈度、氣壓、濕度等。溫度波動(dòng)，特別是導(dǎo)致圖像失真和平面圖像轉(zhuǎn)變，成為了光學(xué)光刻工具對(duì)圖像質(zhì)量影響的一個(gè)關(guān)鍵因素。投影鏡頭(pl)內(nèi)

4、的溫度精度要求一個(gè)光刻工具在接近0.01制造一個(gè)小于100 nm的模型。另外需要pl內(nèi)部溫度收斂率快以降低光刻技術(shù)的所有權(quán)（cod）的成本. 然而，實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)，因?yàn)榧訜崞骱屠鋮s器控制溫度要求操作遠(yuǎn)離pl2, 否則其性能將被它們的振動(dòng)和污染所破壞。另一個(gè)原因是，pl內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，它包含數(shù)十個(gè)鏡頭，會(huì)導(dǎo)致幾個(gè)小時(shí)慣性，所以pl內(nèi)部的溫度反應(yīng)相當(dāng)緩慢，并需要很長(zhǎng)時(shí)間去調(diào)整適應(yīng)。因此，一個(gè)新的結(jié)構(gòu)和控制算法是pl內(nèi)部溫度控制的必要和重要部分。許多溫度控制結(jié)構(gòu)已經(jīng)被提出了。著名的經(jīng)典方法之一是被廣泛應(yīng)用于簡(jiǎn)單或低精度溫度控制系統(tǒng)的單閉環(huán)回路控制結(jié)構(gòu)【3】。當(dāng)被控對(duì)象變得更加復(fù)雜或產(chǎn)生分

5、布式干擾時(shí)，串級(jí)控制結(jié)構(gòu)（ccs）的提出改善了精度和收斂率【4，5】。預(yù)測(cè)前饋控制結(jié)構(gòu)已被證明具有更好的滯后系統(tǒng)性能。另一種有效的方法，并行串級(jí)控制結(jié)構(gòu)（pccs），也開(kāi)發(fā)了具有延遲分布式干擾的系統(tǒng)。但是上述使用方法，很難實(shí)現(xiàn)pl內(nèi)部溫度控制的高精確度和快收斂率。在此，本文提出了一種新的方法，即多閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)，含有一個(gè)內(nèi)部ccs和一個(gè)外部pccs。本文大致分為四個(gè)部分。第一部分解釋了一個(gè)遠(yuǎn)程間接溫度控制方法的應(yīng)用。第二部分是一個(gè)多閉環(huán)回路溫度控制結(jié)構(gòu)的分析。第三部分，一個(gè)雙進(jìn)雙出非線性比例積分（pi）算法的提出用來(lái)提高控制過(guò)程的收斂速度和精度。在文章的最后一部分，對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性

6、這種顯示，最后，給出了結(jié)論。2 遠(yuǎn)程間接溫度控制方法為了防止震動(dòng)和污染影響pl的性能，一個(gè)遠(yuǎn)程間接溫度控制的方法被提出來(lái)控制pl內(nèi)部溫度。不同于傳統(tǒng)的直接加熱和冷卻控制對(duì)象的方法，它借助于冷卻水和冷卻套間的熱交換使pl內(nèi)部溫度恒定。冷卻水通過(guò)長(zhǎng)距離管道由tcu輸送至冷卻外殼。tcu由水箱、溫度傳感器、溫度控制器、加熱器、冷卻器和泵組成。它用于調(diào)節(jié)冷卻水的溫度以達(dá)到需求值。tcu和光刻工具放置在不同的潔凈室，如圖1所示。理論上，這種方法屬于開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)。除了pl，其他光刻技術(shù)的部分，如晶圓階段、標(biāo)線的階段、標(biāo)線交接、晶圓移交等，都在操作時(shí)產(chǎn)生熱量。tcu中的冷卻水還用于冷卻光刻技術(shù)的其他部件。循環(huán)系

7、統(tǒng)回收冷卻水，節(jié)省最大能量，是很必要的。圖1展示了包括tcu、分離器、冷卻套和管道的循環(huán)系統(tǒng)。從儲(chǔ)水中抽出冷卻水通過(guò)管道和分離器進(jìn)入冷卻套，最后通過(guò)合成器、管道和冷卻器流回儲(chǔ)水箱。對(duì)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的分析表明了影響pl內(nèi)部溫度的三個(gè)主要因素：干擾多，遲滯多，還有慣性大。干擾多，包括冷卻水溫度波動(dòng)，pl內(nèi)部熱量散失，pl和外部介質(zhì)之間的熱交換。冷卻水溫度波動(dòng)是多種因素造成的，其中包括tcu內(nèi)部自勵(lì)溫度震蕩造成的非線性加熱冷卻，管道和周圍氣體之間的熱傳遞，以及光刻工具其他地方產(chǎn)生的熱量。在這個(gè)循環(huán)系統(tǒng)中，冷卻水溫度波動(dòng)達(dá)到0.1是最差的情形。pl內(nèi)部熱量散失有兩個(gè)原因，一個(gè)是當(dāng)激光穿過(guò)透鏡時(shí)，內(nèi)部輻

8、射和導(dǎo)熱交換，另一個(gè)是在鏡頭和內(nèi)部?jī)艋g的導(dǎo)熱和對(duì)流熱交換。至于激光，它的散熱量大概是15w。pl與外部介質(zhì)之間熱交換來(lái)自兩個(gè)方面，一方面來(lái)自pl與其相鄰零件之間的相互熱交換，另一方面來(lái)自pl外部箱體和周圍空氣的導(dǎo)熱和對(duì)流熱交換。但是，pl和外部介質(zhì)之間交換的熱量由于其復(fù)雜性，故難以計(jì)算。遲滯多主要包括tcu 加熱和冷卻3秒遲滯，冷卻水交換3分鐘遲滯，還有pl和冷卻套間熱交換10分鐘遲滯。此外，pl的復(fù)雜結(jié)構(gòu)導(dǎo)致不平衡熱交換，而由于其體積大導(dǎo)致慣性在和小體積物體相比時(shí)，溫度波動(dòng)較小。上述分析表明，僅僅通過(guò)開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)使pl內(nèi)部溫度控制精度高和收斂速度快是非常難以實(shí)現(xiàn)的。此外，在開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)中還有很

9、大的穩(wěn)態(tài)誤差。在以下部分中，我們將介紹一個(gè)提高pl內(nèi)部溫度控制的控制結(jié)構(gòu)，并解釋如何提高溫度控制精度和收斂率。3 多閉環(huán)控制結(jié)構(gòu) 多閉環(huán)溫度控制結(jié)構(gòu)由一個(gè)內(nèi)部ccs和一個(gè)外部pccs組成。3.1 串連控制結(jié)構(gòu)pl溫度控制的內(nèi)部ccs如圖2所示。有兩個(gè)分別帶有兩個(gè)控制器的反饋回路。主要回路用來(lái)控制pl內(nèi)部的溫度(t1)。 tcu水箱中的冷卻水溫度控制(tw)形成了第二條回路. 分析這個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作質(zhì)量是很容易。如果pl內(nèi)部溫度偏離期望值(ts), 嵌入主控制器中的控制算法會(huì)通過(guò)比較溫度的測(cè)量值tl和期望值ts之間的偏差而計(jì)算一個(gè)新的冷卻水溫度設(shè)定值（tt）。然后，發(fā)送新的設(shè)定值tt給tcu的溫度控

10、制器。隨后根據(jù)溫度測(cè)量值tw和新的設(shè)定值tt間的偏差，tcu中的控制算法計(jì)算加熱器和冷卻器的輸入值，并對(duì)tcu中水箱里的冷卻水進(jìn)行加熱或者降溫，直到溫度達(dá)到新的設(shè)定值。pl內(nèi)部溫度期望設(shè)定值通過(guò)一臺(tái)機(jī)器連續(xù)地給出。ti 控制回路是一個(gè)慢控制回路。tw控制回路是一個(gè)快速控制回路，能快速跟隨主回路設(shè)定值tt。當(dāng)一個(gè)新的設(shè)定值tt發(fā)送到tcu，它需要幾分鐘時(shí)間去調(diào)整tcu水箱中的水溫至設(shè)定值。二次回路具有很強(qiáng)的抗內(nèi)部干擾的能力。此外，還可以減少對(duì)主回路非線性和遲滯的影響。圖3顯示了關(guān)于上述描述串級(jí)控制系統(tǒng)的控制原理圖。在下面的圖表和方程式，gt(s)表示加熱器和冷卻器傳遞函數(shù),gp(s)表示管道傳遞

11、函數(shù)，gl(s)表示pl傳遞函數(shù)。gm(s) gm(s)表示主控制回路傳遞函數(shù)，gs(s)表示二次控制回路傳遞函數(shù)。hm(s) 表示測(cè)量設(shè)備主回路傳遞函數(shù)，hs(s)表示測(cè)量設(shè)備二次回路傳遞函數(shù)。表示tcu水箱中冷卻水遲滯，表示通過(guò)管道的冷卻水遲滯，表示pl內(nèi)部熱交換遲滯，nt(s) 表示tcu外部擾動(dòng),np(s)表示管道外擾動(dòng),nc(s)表示pl外部擾動(dòng),nn(s)表示pl內(nèi)部擾動(dòng),rl(s)表示pl內(nèi)部輸入溫度，rt(s)表示tcu水箱中冷卻水的輸入溫度，c1(s)表示pl內(nèi)的輸出溫度，ct(s)表示tcu水箱中冷卻水的輸出溫度。二次回路中的輸入輸出函數(shù)如下所示：根據(jù)二次回路的穩(wěn)態(tài)，輸出c

12、t(s)近似等于輸入rt(s)。因此，主回路的輸入輸出函數(shù)可表示如下：在此早期的研究表明，pl的時(shí)間常數(shù)約為4h。傳遞函數(shù)g1(s）為傳遞函數(shù)gp(s)為對(duì)于簡(jiǎn)單的閉環(huán)系統(tǒng)ccs，很容易消除它的穩(wěn)態(tài)誤差。然而，根據(jù)方程式(2)和（3)，pl 里溫度的收斂率從開(kāi)始到穩(wěn)態(tài)變慢，因?yàn)楹偷难舆t。而且，很難獲得pl里面很精確的溫度，因?yàn)楹偷臄_動(dòng)。在定態(tài)的狀態(tài)之下，由于的作用，當(dāng)瞬時(shí)溫度變動(dòng)超過(guò)冷卻水溫度0.1時(shí)，pl 里的溫度變動(dòng)超過(guò) 0.o 1。需要幾個(gè)控制周期才達(dá)到下一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。因此介紹pccs來(lái)提高控制特性。3.2 并行串聯(lián)控制結(jié)構(gòu) 圖4是擴(kuò)展的pccs。這個(gè)圖省略了操作系統(tǒng)，在系統(tǒng)的框中確定了

13、主要組成環(huán)。與 ccs 相比較，也有兩個(gè)控制環(huán)和兩個(gè)控制器。一個(gè)是pl里溫度的主環(huán)，另一個(gè)是結(jié)合處冷卻水溫度的副環(huán)。它們之間的不同是主控制對(duì)象和副控制對(duì)象之間是并行的。副控制對(duì)象的輸出不是主控制對(duì)象的輸入。在這個(gè)系統(tǒng)中，控制運(yùn)算法則是主要的控制器根據(jù)和之間的偏差決定一個(gè)新的冷卻水的最佳溫度值。然后輔助的控制器中的控制運(yùn)算法則依照和之間的偏差計(jì)算tcu的輸入?？刂骗h(huán)是一個(gè)慢的控制環(huán)。控制環(huán)是一個(gè)快速控制環(huán)，它過(guò)去一直快速的預(yù)測(cè)結(jié)合處的冷卻水最佳溫度值。當(dāng)pl內(nèi)的溫度是想要的值時(shí)，結(jié)合處冷卻水的溫度就是最佳溫度。這個(gè)最佳溫度將會(huì)保存為一個(gè)常數(shù)。從擾動(dòng)抑制的觀點(diǎn)看，根據(jù)前饋控制相同的原則來(lái)控制輔助環(huán)

14、。他們之間的不同是擾動(dòng)必須是可測(cè)量的前饋結(jié)構(gòu)，而pccs可應(yīng)用于不可測(cè)量的擾動(dòng)。pccs的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它可加速主環(huán)的收斂率。 圖5顯示了上面提到的并行串聯(lián)控制系統(tǒng)的詳細(xì)原理圖。在下面的圖表和方程式中，代表結(jié)合處冷卻水的傳遞函數(shù)，代表副控制器的傳遞函數(shù)。代表輔助環(huán)測(cè)量裝置的傳遞函數(shù)，代表結(jié)合處冷卻水的輸入溫度，代表結(jié)合處冷卻水的輸出溫度。 副環(huán)的輸入輸出的傳遞函數(shù)如下： 在副環(huán)的穩(wěn)定狀態(tài)下，輸出和輸入近似相等。所以主環(huán)的輸入和輸出的傳遞函數(shù)可以簡(jiǎn)化為： 比較方程（2）（3）和（7），我們可以得出擾動(dòng)和延遲時(shí)間常數(shù)從主環(huán)分離，只有擾動(dòng)和延遲時(shí)間常數(shù)仍在主環(huán)內(nèi)。所以輔助環(huán)獲得了物理結(jié)構(gòu)中互相延遲和互

15、相擾動(dòng)的分離，且隔離了主控制對(duì)象的非線性，互相延遲和互相擾動(dòng)的影響。這種結(jié)構(gòu)也控制器設(shè)計(jì)的困難。即使冷卻水有溫度的變動(dòng)，他也能通過(guò)副控制器補(bǔ)償。因此，pl內(nèi)的溫度控制可具有高精度和快收斂率。4 非線性比例積分算法 為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的收斂率和精確度，一種具有非線性pi算法的二重輸入和二重輸出智能控制器被設(shè)計(jì)出來(lái)，如圖六所示。pl里的溫度偏差和結(jié)合處冷卻水的溫度偏差都是控制器的輸入端?？刂破鞯妮敵龆耸莟cu里面冷卻水溫度值和結(jié)合處最佳冷卻水溫度值。 控制器里嵌有智能算法。它包括兩級(jí)且根據(jù)理想的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分為五個(gè)控制階段。高級(jí)算法決定從我們先前介紹的五個(gè)階段中選擇10。非線性pi算法在低級(jí)算法中使用

16、，它將在后面的段落中介紹。 考慮到溫度控制系統(tǒng)的相互擾動(dòng)特點(diǎn)，pi算法代替了不同比例積分算法（pid），因?yàn)椴煌?xiàng)目將引起高頻率振動(dòng)和增加系統(tǒng)穩(wěn)定性誤差。 圖七顯示了非線性pi算法的原理圖，在接下來(lái)的圖表和方程中，代表tuc內(nèi)冷卻水的溫度值，代表結(jié)合處最佳冷卻水的溫度值，代表pi控制法對(duì)的影響，代表pi控制法對(duì)的影響，代表pi控制法對(duì)的影響，代表pi控制法對(duì)的影響，和代表數(shù)據(jù)融合系數(shù)。控制算法可以被描述如下：其中i=1，2，j=1，2，是基本不相關(guān)的增加的pi控制算法： 其中，代表比例系數(shù)，代表積分系數(shù)，代表取樣結(jié)果，和分別代表在k-1和k時(shí)刻的控制輸出，e（k-1）和e（k）分別代表（k-1

17、）和k時(shí)刻的信號(hào)偏差。 數(shù)據(jù)混合系數(shù)由已有的規(guī)則得出。詳細(xì)規(guī)則如下：其中代表由pl內(nèi)溫度的的穩(wěn)態(tài)誤差決定的偏差值，代表由pl內(nèi)溫度的暫態(tài)誤差決定的擾動(dòng)值，代表由結(jié)合處冷卻水溫度的穩(wěn)態(tài)誤差決定的偏差值，代表由結(jié)合處冷卻水溫度的暫態(tài)誤差決定的擾動(dòng)值。根據(jù)已有的規(guī)則和控制過(guò)程的輸入信息，可以獲得十六種不同的算法。根據(jù)輸入數(shù)據(jù)控制器可以靈活的選擇任何一種算法。這不僅能提高算法的適應(yīng)性和收縮率，還能增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和反干擾能力。5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證控制結(jié)構(gòu)與算法如圖8所示，建立了一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來(lái)驗(yàn)證該方法的有效性，其中包括一個(gè)仿制pl，溫度傳感器，溫度測(cè)量系統(tǒng)，tuc，工程計(jì)算機(jī)，隔熱室，光源等。仿制的pl與實(shí)際

18、的pl具有相同的溫度特性。隔熱室模仿光刻表面隔離熱的作用。用一個(gè)20w的白熾燈作為暴露光源。三個(gè)溫度傳感器具有高精度的負(fù)溫度系數(shù)，的校準(zhǔn)精度是用來(lái)檢測(cè)pl內(nèi)的溫度，結(jié)合處冷卻水的溫度和熱隔離室外環(huán)境的溫度。溫度測(cè)量系統(tǒng)由1590模型超溫度計(jì)和一個(gè)具有分辨率的掃描器組成。tcu配置了的精確度。工程計(jì)算機(jī)上具有智能算法。 用四個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)檢測(cè)控制系統(tǒng)和算法：（a）是用開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)，（b）使用具有pi算法的ccs，（c）使用具有pi算法的pccs，（d）使用具有非線性pi算法的pccs。在這些試驗(yàn)中理想的pl溫度是22，非線性pi算法的參數(shù)是：是0.01，是0.005，是0.02，是0.05。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。圖9（a）展示了開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)的溫度曲線。正如圖9所示，pl里的溫度在21.75穩(wěn)定且