光刻機(jī)運(yùn)動(dòng)控制與網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控技術(shù)研究_圖文

1、第47卷 第3期廈門(mén)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版V ol.47 N o.3 2008年5月Journal of Xiam en U niversity (Natural ScienceM ay 2008光刻機(jī)運(yùn)動(dòng)控制與網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控技術(shù)研究黃沿江,郭隱彪*,薛 波(廈門(mén)大學(xué)物理與機(jī)電工程學(xué)院,福建廈門(mén)361005收稿日期:2007-10-12摘要:光刻機(jī)是IC 器件制造的關(guān)鍵設(shè)備之一,其工件臺(tái)的高速度和高定位精度是獲得高質(zhì)量光刻和高效率的重要條件.本文通過(guò)對(duì)光刻機(jī)工件臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度模式、運(yùn)動(dòng)軌跡和定位誤差補(bǔ)償以及現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控技術(shù)的研究,應(yīng)用運(yùn)動(dòng)控制器強(qiáng)大的計(jì)算能力,實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的速度模式和運(yùn)動(dòng)軌跡;應(yīng)

2、用電機(jī)編碼器和直尺光柵作為反饋器件,實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制;應(yīng)用基于T CP /U D P 協(xié)議的遠(yuǎn)程控制和視頻監(jiān)控技術(shù),實(shí)現(xiàn)交互式的遠(yuǎn)程監(jiān)控.在W indow s 操作系統(tǒng)下,用Visaul C+開(kāi)發(fā)工具完成了控制系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)能使工件臺(tái)的定位精度達(dá)到 1 m,并具有較高的工作效率,體現(xiàn)了較高的應(yīng)用價(jià)值.關(guān)鍵詞:運(yùn)動(dòng)控制技術(shù);定位精度;網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控;工件臺(tái)中圖分類號(hào):T H 741 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):0438-0479(200803-0365-05 隨著光刻器件圖形朝線寬縮小化、高密度化、高集成化的方向發(fā)展,光刻機(jī)的整機(jī)性能已經(jīng)成為影響集成電路工業(yè)發(fā)展的主要因素,光刻機(jī)工件

3、臺(tái)的高速度和高定位精度是整機(jī)獲得高質(zhì)量光刻和高效率的重要條件,如何控制工件臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方式和定位精度成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)1.目前國(guó)內(nèi)外高精度光刻機(jī)工件臺(tái)的控制方法主要采用主從式控制器控制、多系統(tǒng)化控制、加減速控制,其優(yōu)點(diǎn)是控制精度高,但控制方式較為復(fù)雜,控制成本高,可移植性不高2-4.現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)(即PC +運(yùn)動(dòng)控制卡技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控技術(shù)是近年來(lái)飛速發(fā)展的新技術(shù),以其控制方式簡(jiǎn)單、成本低、開(kāi)放程度高等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)控制中5.本文結(jié)合現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控技術(shù),提出了一種新的光刻機(jī)工件臺(tái)控制系統(tǒng),以上位計(jì)算機(jī)和多軸運(yùn)動(dòng)控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)工件臺(tái)的全閉環(huán)控制,保證了工件臺(tái)的定位精度;同時(shí)研究了工件臺(tái)

4、的運(yùn)動(dòng)速度模式及遠(yuǎn)程交互式控制技術(shù),提高了工件臺(tái)的工作效率.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是決定光刻器件定位精度的重要內(nèi)容.本文采用IBM -PC 及其兼容機(jī)作為主機(jī),多軸運(yùn)動(dòng)控制卡作為控制核心,交流伺服系統(tǒng)及高精度絲杠作為驅(qū)動(dòng)裝置.服務(wù)器PC 控制多軸運(yùn)動(dòng)控制器,運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)送控制信號(hào)(包括位移、速度、加速度等給伺服驅(qū)動(dòng)器,控制信號(hào)在伺服中處理后控制相應(yīng)的伺服電機(jī),電機(jī)驅(qū)動(dòng)高精度絲杠,從而帶動(dòng)X Y 二軸光刻工件臺(tái),工件臺(tái)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中直尺光柵實(shí)時(shí)采集相對(duì)位置信號(hào)到服務(wù)器PC,將實(shí)際位置與理論位置比較獲得位置誤差,根據(jù)誤差大小進(jìn)行位置補(bǔ)償,從而實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制,控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示.圖1 運(yùn)動(dòng)

5、控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖F ig.1 St ruct ur e of mot ion contro ller網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)可以提高工件臺(tái)控制的靈活性,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的控制和工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示.本文采用紅外CCD 攝像頭作為圖像采集器,VC401P PCI 視頻卡作為圖像處理核心,開(kāi)發(fā)相應(yīng)的軟件實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的交互控制和圖像的實(shí)時(shí)顯示.1.1 運(yùn)動(dòng)控制模式系統(tǒng)使用高性能的伺服運(yùn)動(dòng)控制卡,可以同步控制4個(gè)運(yùn)動(dòng)軸,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng).運(yùn)動(dòng)控制卡采用PCI 總線與PC 相連,數(shù)據(jù)通過(guò)雙端口RAM 在上下位機(jī)間傳送.雙端口RAM是一種特殊的隨機(jī)存儲(chǔ)器,它具有兩組數(shù)據(jù)總線和地址總線,在地址不沖突的情況下兩組總線可以在同一

6、時(shí)間并行地訪問(wèn)不同的存儲(chǔ)器單元,雙端口RAM的這種特殊結(jié)構(gòu)使得上下位機(jī)可以快速地進(jìn)行大規(guī)模數(shù)據(jù)交換,大大提高了主機(jī)與DSP運(yùn)動(dòng)控制卡的并行處理能力,解除了以往主從式系統(tǒng)CPU間通訊的瓶頸.運(yùn)動(dòng)控制卡與PC機(jī)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了優(yōu)勢(shì)互補(bǔ).1.2 伺服控制系統(tǒng)采用交流伺服系統(tǒng),該系統(tǒng)具有控制精度高、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、速度響應(yīng)好、可靠性高等特點(diǎn),通過(guò)電機(jī)編碼器的反饋信息,構(gòu)成內(nèi)部的速度環(huán)和位置環(huán),提高了控制的精度和可靠性;可以根據(jù)不同的機(jī)械結(jié)構(gòu)更改相應(yīng)的補(bǔ)償參數(shù),具有較高的柔性.采用位置控制模式,輸出指令信號(hào)為差動(dòng)脈沖控制信號(hào)和差動(dòng)方向控制信號(hào),有利于位置精度控制.系統(tǒng)的邏輯電路包括限位、報(bào)警信號(hào)的輸入及處理,通用

7、輸入輸出信號(hào)的處理,其主要功能是控制狀態(tài)顯示面板的指示燈及錯(cuò)誤報(bào)警,包括運(yùn)行、曝光、錯(cuò)誤、限位信號(hào)指示燈以及控制曝光快門(mén)的通斷和錯(cuò)誤時(shí)蜂鳴器的報(bào)警.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)穩(wěn)定、可靠的控制軟件是控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高精度、高效率、高穩(wěn)定性的基礎(chǔ).本文在分析了影響運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)精度的因素及硬件設(shè)計(jì)完成后,充分考慮工件臺(tái)的工作效率和使用的方便性,在VC+6.0、固高運(yùn)動(dòng)控制卡庫(kù)函數(shù)和天敏視頻采集卡庫(kù)函數(shù)的基礎(chǔ)上,基于C/S結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)出一套可靠性高、通用性強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)控制及網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控軟件. 集成了用于控圖2 系統(tǒng)軟件的層次結(jié)構(gòu)F ig.2 St ruct ur e of softw are system圖3 系統(tǒng)軟件流程F

8、ig.3 Flow char t of softw are system制運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制軸及采集卡的控制策略,控制器輸出的控制信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)器放大后驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng),其運(yùn)行流程如圖3所示.控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì),由軌跡規(guī)劃,誤差補(bǔ)償,遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控三大模塊組成.軟件界面布局合理,重點(diǎn)突出,層次分明.2.1 軌跡規(guī)劃高速、高精度是當(dāng)前運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)追求的目標(biāo),但這兩者卻是互相制約的,高速就會(huì)產(chǎn)生大的慣性,從而影響定位精度.本文充分利用運(yùn)動(dòng)控制器的計(jì)算能力,在運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)上進(jìn)行精確的軌跡規(guī)劃,從而滿足高速、高精度的要求.這部分包括速度模式的設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)方式的設(shè)計(jì).366廈門(mén)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)

9、版 2008年圖4 速度,加速度曲線F ig.4 Gra ph of speed and acceler ation圖5 工件臺(tái)的運(yùn)動(dòng)軌跡F ig.5 M otion track of w or kplace在進(jìn)行軌跡規(guī)劃算法設(shè)計(jì)時(shí),要求被控對(duì)象盡可能以最大速度、加速度去運(yùn)動(dòng)來(lái)滿足快速性的要求;其次要求能量最省,即電機(jī)的耗散功率最小.在PT P(點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制中,通過(guò)求解能量最優(yōu)可以獲得最佳速度輪廓是拋物線型,但是在實(shí)際應(yīng)用中,拋物線輪廓曲線的產(chǎn)生比較復(fù)雜.從實(shí)用、簡(jiǎn)單性和易獲性角度出發(fā),常使用其它次優(yōu)輪廓來(lái)代替,如梯形速度曲線、S形速度曲線等6.速度曲線越平滑,加速度就越小,慣性也就越小,但是運(yùn)

10、動(dòng)效率就會(huì)變低,本系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)開(kāi)始時(shí)以較大的加速度加速,待速度達(dá)到最大時(shí)就勻速運(yùn)動(dòng),在減速階段采用多級(jí)減速,這樣就能達(dá)到高效率低慣性的目的,其速度、加速度曲線圖如圖4所示.在軟件實(shí)現(xiàn)中,通過(guò)調(diào)用運(yùn)動(dòng)控制卡庫(kù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)速度、加速度、加加速度的設(shè)置.驅(qū)動(dòng)工件臺(tái)運(yùn)動(dòng)的絲杠是影響工件臺(tái)定位精度的一項(xiàng)重要因素.絲杠的螺牙間都會(huì)存在反向間隙,而且這個(gè)間隙的大小是隨機(jī)的,如果沒(méi)考慮,將會(huì)給軟件設(shè)計(jì)帶來(lái)額外的負(fù)擔(dān),所以在工件臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方式設(shè)計(jì)中,要盡量避開(kāi)反向間隙.本系統(tǒng)在設(shè)定運(yùn)動(dòng)原點(diǎn)后, X軸、Y軸分別運(yùn)行一段距離以消除反向間隙,待X 軸、Y軸電機(jī)停穩(wěn)后,快門(mén)打開(kāi),第1個(gè)圖形曝光,然后圖6 誤差補(bǔ)償流程F ig

11、.6 Flow char t of err or compensatio n圖7 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控結(jié)構(gòu)F ig.7 St ruct ur e of net co nt ro l根據(jù)設(shè)定的圖形間距,以上述的速度方式運(yùn)行到第2個(gè)曝光點(diǎn),電機(jī)停穩(wěn)后進(jìn)行曝光,第1行的曝光點(diǎn)全部曝光結(jié)束后,工件臺(tái)沿X軸反向運(yùn)動(dòng)到第1個(gè)曝光點(diǎn),待電機(jī)停穩(wěn)后,工件臺(tái)沿Y軸方向運(yùn)動(dòng)一個(gè)間距,待電機(jī)停穩(wěn)后,快門(mén)打開(kāi)進(jìn)行曝光,這就是第2行的第一個(gè)曝光點(diǎn),工件臺(tái)以這種方式工作至所有圖形曝光結(jié)束,并返回到運(yùn)動(dòng)原點(diǎn),保證了所有版的原點(diǎn)重合,從而提高了套刻精度,運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖5所示.2.2 誤差補(bǔ)償影響工件臺(tái)定位精度的因素有工件臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)精度、

12、伺服電機(jī)的控制精度、運(yùn)動(dòng)速度的設(shè)定以及外部環(huán)境的干擾等等.本系統(tǒng)采用解析度為1 m的直尺光柵實(shí)時(shí)采樣工件臺(tái)的絕對(duì)位置信號(hào),用上位機(jī)軟件進(jìn)行閉環(huán)補(bǔ)償,主要流程如圖6所示.其中n為指定位移的脈沖量,l為電機(jī)編碼器反饋值,m為工作臺(tái)光柵反饋值,k為光柵信號(hào)值和控制脈沖值的比例(根據(jù)脈沖當(dāng)量和機(jī)械結(jié)構(gòu)確定,q為367第3期 黃沿江等:光刻機(jī)運(yùn)動(dòng)控制與網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控技術(shù)研究 表1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置T ab.1 Data setup for experiment sy stem實(shí)驗(yàn)次數(shù)初始坐標(biāo)/ m 個(gè)數(shù)間距/ m 掩膜版數(shù)量曝光時(shí)間/ms(1000,10008 8200033000表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)T ab.2

13、Ex periment data( m掩膜版標(biāo)記第1點(diǎn)第2點(diǎn)第3點(diǎn)第4點(diǎn)第5點(diǎn) 實(shí)驗(yàn)1:掩膜版1第3行(2000,4000(3001,4000(4000,4000(5000,4000(5999,4000 實(shí)驗(yàn)2:掩膜版2第8行(2500,13000(4000,13000(5499,13000(7000,13000(8501,13000 實(shí)驗(yàn)3:掩膜版3第5列(11000,3000(11000,5001(11000,7000(11000,9000(11000,11000 (a(b (c曝光點(diǎn)圖8 誤差數(shù)據(jù)分布圖Fig.8 Char t of er ro r data誤差(單位為 m.伺服系統(tǒng)和運(yùn)

14、動(dòng)控制器構(gòu)成半閉環(huán)結(jié)構(gòu),由運(yùn)動(dòng)控制器采集電機(jī)編碼器的反饋值進(jìn)行補(bǔ)償控制.同時(shí),上位機(jī)采集直尺光柵信號(hào)與命令指定的位置脈沖量比較,當(dāng)誤差大于1 m 或者小于-1 m 的時(shí)候,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償,直到誤差在 1 m 之間.在采用雙閉環(huán)方式進(jìn)行補(bǔ)償控制后,本系統(tǒng)的精度要求達(dá)到了設(shè)計(jì)要求.2.3 遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控為了提高控制系統(tǒng)使用的方便性及減少人為對(duì)光刻機(jī)工作環(huán)境的影響,控制系統(tǒng)基于先進(jìn)的多媒體、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和數(shù)字圖像壓縮技術(shù),開(kāi)發(fā)了遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控子系統(tǒng),其控制結(jié)構(gòu)如圖7所示.軟件由基于T CP 協(xié)議的控制數(shù)據(jù)傳輸子模塊和基于UDP 協(xié)議的視頻數(shù)據(jù)處理子模塊組成.工作時(shí)首先開(kāi)啟服務(wù)器,建立網(wǎng)絡(luò)端與服務(wù)器的連接

15、,在網(wǎng)絡(luò)端輸入相應(yīng)的控制參數(shù),通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸至服務(wù)器,經(jīng)校驗(yàn)后,工件臺(tái)就會(huì)按照網(wǎng)絡(luò)端設(shè)置的參數(shù)運(yùn)動(dòng),完成工作.當(dāng)有出錯(cuò)時(shí),服務(wù)器立即反饋給網(wǎng)絡(luò)端,進(jìn)行出錯(cuò)處理.視頻數(shù)據(jù)的處理在服務(wù)器里完成,然后由發(fā)送模塊將處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)端,網(wǎng)絡(luò)端的接收模塊接收視頻數(shù)據(jù)后進(jìn)行實(shí)時(shí)播放顯示.3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及參數(shù)設(shè)置在原H 93-6/YL 光刻機(jī)保留原機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境的基礎(chǔ)上更新控制系統(tǒng)后的平臺(tái)上進(jìn)行掩膜版制作實(shí)驗(yàn),每組實(shí)驗(yàn)在相同條件下制作3塊掩膜版,通過(guò)光柵數(shù)據(jù)分析檢驗(yàn)其重復(fù)定位精度,并通過(guò)高倍光學(xué)顯微鏡檢驗(yàn)其套刻精度,實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如表1所示.原系統(tǒng)以步進(jìn)電機(jī)通過(guò)齒輪減速箱驅(qū)動(dòng)滾

16、珠絲杠,從而帶動(dòng)工件臺(tái)運(yùn)動(dòng),反饋光柵尺的解析度為1 m,受光刻機(jī)工件臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)精度和光柵尺精度的制約,該工件臺(tái)的最高定位精度只能達(dá)到 1 m.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理上述實(shí)驗(yàn)的所有曝光點(diǎn)數(shù)據(jù),獲得其定位誤差 1 m,表2為部分曝光點(diǎn)的坐標(biāo)值,圖8為誤差分布圖,通過(guò)高倍顯微鏡觀察掩膜版的套刻情況,滿足套刻精度要求.該控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn),其準(zhǔn)確性和可靠性都得到驗(yàn)證,目前已投入正常的使用.368 廈門(mén)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版 2008年4 結(jié) 論參考文獻(xiàn):1 W agner Chr istian.Advance techno lo gy fo r extending opt-ical lithog rap

17、hgJ.P ro c SP IE,2000(4000:344-357.2 Cho ia B J,Sr eenivasana S V.Desig n of or ientation stag esfo r step and flash imprint lithog ra phyJ.P recisio n Eng -i neer ing,2001(25:192-197.3 Fan K C,Chen M J.A 6-degr ee -o f -freedom measurementsystem fo r the accuracy of X -Y st agesJ.Pr ecision Eng -i

18、neer ing,2000(24:15-23.4 劉丹,程兆谷,高海軍,等.步進(jìn)掃描投影光刻機(jī)工件臺(tái)和掩模臺(tái)的進(jìn)展J.激光與光電子學(xué)進(jìn)展,2003(40:14-20.5 趙春紅,秦現(xiàn)生,唐虹.基于PC 的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)研究J.機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2005,9(24:1108-1113.6 M eckl P H ,A restides P B,Wo ods M C.O ptimized S -curve mo tion pr ofiles fo r m inimum residual vibr at ionC P roc of the Amer ican Co ntr ol Conference.N

19、ew Y ork:CRC Pr ess,1998:2627-2631.Research on the Technology of Motion -control andNetwork Monitoring in Wafer StepperHU ANG Yan -jiang,GU O Yin -biao *,XU E Bo(Scho ol of P hy sics and M echanical &Electr ical Engineer ing ,X iamen U niversit y,X iamen 361005,ChinaAbstract:L ithog raphy is one of the key equipments to pr oduce IC.T he high speed and po sitio ning pr ecision of stage is impor tantto g et high quality and efficiency.T he speed mode,tr ack,po sition err or co mpensation of stage,the technolo gy of modern motio n con -t rol a