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光刻机阻尼接口设计与测量系统布局

2019/07/03 阅读:

摘要:提出一种光刻机物镜主动阻尼接口方案及测量系统布局方案,采用有限元仿真方法评估了在工作台质心变化及动态冲击状态下物镜内部相对静变形及动态响应满足指标需求;结合测量系统布局设计了工作台水平向及垂直向补偿策略,实现了物镜至测量系统间的相对静变形及动态响应满足指标需求;采用机电联合仿真方法评估了物镜主动阻尼方案幅值衰减满足指标需求并通过现场实物开/闭环传函测试验证了仿真的准确性。

关键词:光刻机;主动阻尼接口;测量系统布局

近年来,半导体精密加工技术飞速发展,光刻技术与设备的开发成为半导体加工设备国产化的重中之重。专用于新一代AM-OLED显示屏TFT电路制造的光刻机,多采用步进扫描投影曝光方式,随着玻璃基板尺寸的增加,基于生产效率的约束,所需的扫描视场也越来越大。光刻机的简化模型如图1所示,其中,减振器承载部分主要包括内部框架、工件台、掩模台、物镜、掩模台干涉仪、工件台干涉仪等,掩模台和工件台统称为工作台;外部框架承载部分主要包括照明系统、掩模传输系统、基板传输系统、环境柜、控制柜等。照射到哜班基板的光束携带掩模版图案信息,并将复制玻璃基板的涂敷光刻胶中。工件台、掩模台的运动分别根据工件台干涉仪、掩模台干涉仪实时测量数据进行位置闭环控制。工件台、掩模台运动过程产生的冲击和运动质心的变化会引起物镜光轴1、2的相对位置以及光轴1、2相对于工件台干涉仪、掩模台干涉仪的相对位置发生变化,从而影响物镜成像性能及整机套刻指标。本文提出一种满足物镜和测量系统接口需求的方案。

1结构优化的数学模型

一般结构优化问题的数学模型可以描述为:本文的优化目标就是通过接口设计优化,实现设备激励状态下物镜间的动态响应及因工作台质心变化产生的静态变形满足指标需求,以及在设备激励状态下物镜相对于工作台测量系统的动态响应及因工作台质心变化产生的物镜相对于测量系统的静态变形满足指标需求,其约束条件为物镜接口频率大于30Hz。用数学模型可以表述为:式中,S1(x)为工作台质心变化产生的物镜间静态变形,Sobj1物镜间静态变形约束指标,F1(x)为在设备激励状态下物镜间的动态响应,Fobj1为物镜间动态响应约束指标。S2(x)为工作台质心变化产生的物镜相对于测量系统的静态变形,Sobj2物镜相对于测量系统的静态变形约束指标,F2(x)为在设备激励状态下物镜相对于测量系统的动态响应,Fobj2为物镜相对于测量系统的动态响应约束指标,f为物镜接口模态。

2方案设计及仿真验证

2.1方案设计

由于工作台高速运动会导致内部框架微变形,这种变形影响传递到物镜应尽可能小,这样物镜采用三点支撑方案。为保证物镜间相对位置稳定性,物镜三点接口刚度尽量低。物镜接口的低刚度必然导致物镜受到工作台冲击时,物镜间的动态响应以及物镜相对于测量系统的动态响应偏大,物镜接口采用主动阻尼器方案,传感器实时监测物镜微振动,通过执行器补偿方式压制振动幅值。同时物镜接口的低刚度还会导致测量系统相对于物镜在工作台移动过程静态变形及瞬时冲击响应偏大,在测量系统水平向增加参考光干涉仪,垂直向增加测量传感器,如图2所示。实时监测参考光干涉仪、物像面垂直向测量传感器相对于物镜的变化,采用算法补偿进入工作台水平向、垂直向闭环控制。物镜主动阻尼接口方案原理如图3所示,主要包括柔性块、压电模组。柔性块的主要作用是支撑负载、提供垂直向刚度;压电力传感器用于测量物镜因摆动而作用在柔性块上力的变化,并且要具有足够的灵敏度;压电执行器用于施加垂直向控制力,补偿因振动而产生的位移变化。两个成45°布置的压电模组,等效于可以同时主动控制垂直向和水平向两个自由度,3个主动柔性块组成的物镜主动阻尼器能对物镜进行六自由度的主动控制。物镜主动阻尼器的等效模型如4所示:其中Ks表示为压电模组的等效刚度,Kp为压电模组的预紧弹簧刚度,Kf为物镜接口等效刚度。

2.2物镜内部静变形有限元仿真验证

光刻机模型复杂,为了适应有限元计算及优化工作,必须将其简化处理,处理后的有限元模型如图5所示。首先,根据物镜质量、接口频率匹配物镜接口刚度。当f=30Hz时,物镜接口刚度如表1所示。其次,将物镜接口刚度设置在光刻机有限元简化模型的物镜接口参数中,计算物镜间的静变形。计算的工况为工件台Chuck处于极限位置(X:400,Y:1300)、掩模台处于极限位置(X:0,Y:850)及两者分别处于零位(X:0,Y:0)状态时,因内部世界质心变化带来的光轴间的相对变化量(a),计算结果见表2,满足需求。

2.3物镜内部动态响应有限元仿真验证

对物镜输入内部框架加速度功率谱PSD(见图6),分别对各个镜片的振动情况进行分析,计算物镜内部动态响应。对物镜主动阻尼器减振效果提出需求:要求经阻尼器衰减后幅值曲线的峰值小于0dB,即相当于振动幅值放大因子Q=1,根据阻尼率与放大之间的关系可以计算得到等效阻尼率:将对应物镜接口频率的阻尼率设置进入有限元模型,仿真计算物镜内部动态响应如表3所示,满足需求。

2.4物镜主动阻尼减振效果机电联合仿真验证

物镜主动阻尼器共有三组,有6个传感器和6个执行器,且相互间具有较强的耦合效应,属于典型的多输入多输出控制系统。针对此特点,采用模态解耦的方法将传感器测量信号转换为逻辑轴控制参数,这样可削弱相互之间的耦合关系,使每个逻辑轴上的控制等效于单自由度控制。物镜主动阻尼器机电仿真模型在MatlabSimulink中搭建,如图7所示。为保证系统的稳定性及对降低低频区性能的影响采用比例+高通+低通的控制策略,仿真计算的主动阻尼器开启闭环控制后衰减后幅值曲线的峰值小于0dB,如图8所示,满足需求。

3实物测试结果验证

经现场实物测试验证,物镜固有频率处共振峰的峰值明显下降,37.5Hz处功率谱密度(PSD)降低了12.8dB,43.75Hz处PSD降低约13.4dB,基本实现了经阻尼器衰减后PSD曲线的峰值均在0dB附近或小于0dB,如图9所示,满足设计指标需求。

4结语

本文提出一种光刻机物镜主动阻尼接口方案及测量系统布局方案,实现了物镜至测量系统间的相对静变形及动态响应满足指标需求。

参考文献:

[1]陈学东,郭合忠,严天宏,等.光刻机主基板的动态特性分析及优化[J].中国机械工程,2007,18(21):2524-2527.

[2]师汉民.机械振动系统———分析、测试、建模、对策[M].武汉:华中科技大学出版社,2003.

[3]李艳秋.光刻机的演变及今后发展趋势[J].微细加工技术,2003,(2):1-5.

[6]李国平,魏燕定,陈子辰,等.精密设备系统主动隔振的基础理论与技术[J].兵工学报,2004,25(4):462-466.

作者:葛黎黎 周畅 朱岳彬 单位:上海微电子装备股份有限公司

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