張云鵬，謝秀鐲，宋 波，蒲繼祖

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 100176)

非平面直寫式光刻電控系統(tǒng)的研究

張云鵬，謝秀鐲，宋 波，蒲繼祖

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 100176)

闡述一種非平面直寫式光刻的電控系統(tǒng)、工作原理及組成，通過高效的控制方法，提高控制精度，實現(xiàn)工藝要求。

非平面直寫式光刻；振鏡掃描;PID算法；伺服系統(tǒng)

傳統(tǒng)的接觸式光刻工藝和投影式光刻工藝都需要制作掩模版，實現(xiàn)光刻圖形由掩模版到基片的翻刻，適合批量大的半導(dǎo)體產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝，但對于集成電路產(chǎn)品研發(fā)試制則投入成本大，耗費周期長。激光直寫式光刻工藝無需制作掩模板，將聚焦后的激光束直接投射到基片的相應(yīng)位置，實現(xiàn)該處光刻膠感光，與X/Y振鏡掃描系統(tǒng)結(jié)合，通過激光束的擺動實現(xiàn)焦點在工作面的移動，完成整片的光刻工藝，該處涉及的激光直寫式光刻工藝主要用于行波管球面柵網(wǎng)的直寫式光刻工藝。本文設(shè)計了一種非平面直寫式光刻的電控系統(tǒng)，通過高效的控制方法提高激光的定位精度和調(diào)焦精度，實現(xiàn)高速，高精度的非平面光刻工藝要求。

1 電控系統(tǒng)組成及工作原理

電控系統(tǒng)主要是由工控機，激光器，PMAC運動控制卡，自動調(diào)焦光路系統(tǒng)，激光實時自動調(diào)焦系統(tǒng)，X/Y振鏡掃描系統(tǒng)組成。其各系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和驅(qū)動控制均由PMAC運動控制卡完成，驅(qū)動由日本的富士伺服電機驅(qū)動器及其配套電機組成，形成了一個由伺服電機+PMAC運動控制卡形成的伺服系統(tǒng)。電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 非平面直寫式光刻電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

為滿足控制系統(tǒng)功能要求，構(gòu)建了以PMAC運動控制卡為控制核心，與IPC相結(jié)合的IPC+PMAC結(jié)構(gòu)的開放式數(shù)控系統(tǒng)。根據(jù)設(shè)計要求，PMAC運動控制卡選用PMAC2型八軸運動控制卡，上位機選用具有PCI總線的研華IPC610型工業(yè)計算機。

如圖2所示，非平面直寫式光刻首先通過激光器射出光譜寬度為405 nm的激光，激光會通過自動調(diào)焦系統(tǒng)，再經(jīng)過激光實時自動調(diào)焦系統(tǒng)，最終進入X/Y振鏡掃描系統(tǒng)，通過自動調(diào)焦系統(tǒng)和激光實時自動調(diào)焦系統(tǒng)進行調(diào)焦，X/Y振鏡的x向光鏡和y向光鏡配合擺動，改變激光焦點的移動位置，實現(xiàn)焦點在非平面視場中的高精度移動，通過大功率激光的焦點在工作面的移動，完成整片的光刻工藝，本文涉及的激光直寫式光刻工藝主要用于行波管球面柵網(wǎng)的直寫式光刻工藝。

圖2 非平面直寫式光刻工作示意圖

2 電控系統(tǒng)的控制方法

非平面直寫式光刻采用PID控制方法提高電控系統(tǒng)的控制精度。PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)，是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例，積分，微分計算出控制量進行控制。模擬PID控制器的原理框圖如圖3所示，其中r(t)為系統(tǒng)給定值，c(t)為實際輸出，u(t)為控制量。調(diào)節(jié)PID的參數(shù)，可以實現(xiàn)在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，兼顧系統(tǒng)的帶載能力和抗干擾能力，同時在PID控制器中引入了積分項，系統(tǒng)增加了一個零積點，這樣系統(tǒng)階躍響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)誤差為零[4]。

圖3 模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖

PID控制器的輸入輸出關(guān)系為：

式中，e(t)為系統(tǒng)偏差，e(t)=r(t)-c(t)；

Kp為比例系數(shù)；

Ti為積分時間常數(shù)；

TD為微分時間常數(shù)。

比例環(huán)節(jié)：即時成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用以減小偏差。

積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)Ti，Ti越大，積分作用越弱，反之則越強。

微分環(huán)節(jié)：能反應(yīng)偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并能在偏差信號的值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減小調(diào)節(jié)時間。

目前PC控制系統(tǒng)中所使用的是數(shù)字PID控制器，是一種離散的采樣控制。通過將模擬PID表達式中的積分，微分運算用數(shù)值計算方法來逼近，便可實現(xiàn)數(shù)字PID控制。見表1。

表1 模擬PID控制規(guī)律的離散化

數(shù)字PID控制器的差分方程：

目前數(shù)字PID控制器的控制算法通常可以分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法，但是僅有PID控制是遠遠不夠的，因為PID控制是一種反饋控制，既然是反饋控制就一定要有反饋信號，可是從反饋元件得到信號再同命令信號進行比較運算會造成延時。所以現(xiàn)在很多系統(tǒng)引進了前饋控制。采用前饋＋反饋相結(jié)合的控制結(jié)構(gòu)，既可以達到反饋控制對偏差的控制作用，也可以在干擾引起誤差前就對它進行補償，及時消除干擾的影響。PMAC為用戶提供了一個PID位置環(huán)伺服濾波器。即PID＋速度/加速度前饋＋NOTCH濾波的控制環(huán)算法。由于前饋調(diào)節(jié)器不改變系統(tǒng)的穩(wěn)定性，只對被調(diào)量起到補償作用，因此PMAC卡PID控制加入了速度前饋調(diào)節(jié)和加速度前饋調(diào)節(jié)。加速度前饋可以補償被控對象自身慣性所產(chǎn)生的跟隨誤差。而速度前饋能減小微分增益或電機阻尼所引起的跟隨誤差[5][6]。

通過PMAC卡為用戶提供的PEW IN TUNING軟件，可以對PID參數(shù)進行很方便的調(diào)節(jié)，進而獲得理想的控制性能。運行PEW IN軟件后，點擊工具菜單下的PMAC Tuning就會出現(xiàn)如圖4所示的調(diào)節(jié)界面。

圖4 PMAC的PID調(diào)節(jié)界面

在軟件界面中，包含了主要PID參數(shù)：Ix30比例增益，Ix31微分增益，Ix33積分增益，Ix32速度前饋增益，Ix35加速度前饋增益。調(diào)節(jié)PID參數(shù)時，首先應(yīng)該調(diào)P比例增益，即設(shè)Ix30比例增益為2000，Ix31微分增益為0，Ix33積分增益為0，Ix32速度增益為0，Ix35加速度增益為0。

點Position Step選項，在右邊點kill motor after step move選項，在Step move選項里使用默認值Step size（cts）為1 000，Step time（ms）為500，然后點擊Do A Step Move按鈕，就會出現(xiàn)脈沖響應(yīng)曲線，見圖5、圖6所示。圖中曲線1為指令信號，曲線2為實際位置響應(yīng)。

這時將比例增益降低到4 500時，可以看到系統(tǒng)的震蕩消失了，超調(diào)量為零。這時的Ix30比例增益參數(shù)基本滿足要求。

許多放大器接受從控制器送來的速度命令，和從電機傳送來的速度反饋信號通常由一個測速計或幾個旋轉(zhuǎn)變壓器得到。使用這些放大器的電機由放大器閉合他們的速度環(huán)，而不需要使用PMAC速度環(huán)的微分增益，所以我們在PMAC卡上可以不設(shè)置微分增益，Ix31設(shè)為0即可。

圖5 參數(shù)調(diào)節(jié)前系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線

圖6 調(diào)節(jié)比例增益后的階躍響應(yīng)曲線

PMAC卡的積分器有兩種方式可供選擇，由Ix34決定。當(dāng)Ix34設(shè)為1時，積分器在全程都起作用，盡管可以減小跟隨誤差，但是當(dāng)運動結(jié)束時會過沖，并且系統(tǒng)會不穩(wěn)定。當(dāng)Ix34為0時，積分器只在速度為零時起作用。由于PMAC可以調(diào)節(jié)速度前饋和加速度前饋，所以一般Ix34設(shè)為0。這是因為速度前饋和加速度前饋既可以有效的減小跟隨誤差，又不會損失系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

借助PEW IN TUNING軟件，我們可以通過觀察正弦曲線響應(yīng)，調(diào)整速度前饋和加速度前饋，進而減小甚至消除系統(tǒng)跟隨誤差，調(diào)整系統(tǒng)的動態(tài)特性。打開 PEW IN TUNING軟件后，點Parabolic velocity選項，在右邊點kill motor after step move選項，然后點擊Do A Step Move按鈕，就會出現(xiàn)正弦響應(yīng)曲線。曲線1為實際位置曲線，曲線2為跟隨誤差曲線[7]。

前饋參數(shù)的調(diào)整方法和比例增益，積分增益的調(diào)整方法類似。先調(diào)整速度前饋，將Ix35加速度前饋設(shè)置為0，然后從零開始，逐步增加速度前饋。

圖7為參數(shù)調(diào)整前的正弦響應(yīng)曲線，可以看出跟隨誤差在170cts，加大速度前饋，減小阻尼造成的跟隨誤差。

圖8為參數(shù)調(diào)節(jié)后的正弦響應(yīng)曲線，經(jīng)過一系列的調(diào)整，最后將Ix32速度前饋增益設(shè)置為4000，Ix35加速度前饋設(shè)置為4000，得到跟隨誤差小且分布均勻的曲線，基本滿足使用要求。

3 系統(tǒng)誤差分析

圖7 參數(shù)調(diào)節(jié)前正弦波響應(yīng)曲線

圖8 參數(shù)調(diào)節(jié)后正弦波響應(yīng)曲線

經(jīng)過PID控制調(diào)節(jié)后，整個伺服系統(tǒng)的精度達到了使用要求，雖然是閉環(huán)反饋控制，仍然會產(chǎn)生定位精度偏差，經(jīng)總結(jié)和試驗，主要產(chǎn)生3類誤差：一是負載擾動，掃描電機帶動振鏡在告訴旋轉(zhuǎn)的過程中，空氣對鏡片會產(chǎn)生阻力，因為非平面光刻對位置精度要求高，對速度的實時要求較低，因此在位置調(diào)節(jié)中采用PID控制，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的高精確性和高重復(fù)性；二是在運行過程中，掃描電機長時間工作，內(nèi)部溫度升高引起電機參數(shù)變化，通過在電機附近放置溫度傳感器，根據(jù)溫度變化對電機參數(shù)的影響進行反復(fù)試驗，確定有效的溫度反饋控制參數(shù)；三是檢測裝置經(jīng)反饋通道混入系統(tǒng)中引入的誤差，影響了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和精度，因為各反饋環(huán)節(jié)的檢測裝置精度對系統(tǒng)的反饋控制精度有重要的影響，通過提高各位置反饋檢測元件的精度來減小各種反饋誤差的影響。最終效果如圖9所示。

圖9 最終效果示意圖

4 結(jié)束語

非平面直寫式光刻主要是通過紫外激光聚焦點在器件表面上的實時運動，使激光束經(jīng)過器件表面上的光刻膠感光，不用掩模版，直接實現(xiàn)器件圖形的光刻成形。非平面直寫式光刻電控系統(tǒng)的響應(yīng)速度，控制精度可以通過PID參數(shù)的整定得到很大的提高，通過這種調(diào)整，我們可以獲得良好的穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)特性，最終實現(xiàn)工藝要求。

[1] 北京鈞義志成科技發(fā)展有限責(zé)任公司.PMAC用戶手冊[Z].

[2] 楊少辰.對構(gòu)成閉環(huán)振鏡式光學(xué)掃描系統(tǒng)的研究[J].激光與紅外，1997，27(5)：297-300.

[3] 許亞平，陶霞虹.振鏡結(jié)構(gòu)對精度和速度的影響[J].應(yīng)用激光，1998，18(4)：169-170.

[4] Heley M.Principles of Automatic Control.Longman Group Limited[M].1975.

[5] 朱立達，朱春霞，蔡光起.PID調(diào)節(jié)在PMAC運動控制器中的應(yīng)用[J].控制與檢測，2007(2)：50-53.

[6] 劉金琨.先進PID控制及其MATLAB仿真[M].北京：北京電子工業(yè)出版社.2003.

[7] PMAC/PMAC2 Software Reference Manual[Z].DELTA TAU Data Systems.Inc，2003.

Non Planar Direct Write Lithography Research

ZHANG Yunpneg，XIE Xiuzhuo，SONG Bo，PU Jizu

(The 45th Research institute of CETC，Beijing 100176，China)

This paper will elaborate control system of a kind of non planar direct write lithography，introduced the working principle of non planar direct write lithography，the composition of control system，the control method is efficient，and improve the control accuracy，the realization of the process requirements.

Non planar direct write lithography；Galvanometer scanning；PID algorithm；Servo system

TN305.7

B

1004-4507(2015)03-0046-06

張云鵬（1985-），男，遼寧錦州人，畢業(yè)于長春理工大學(xué)，工學(xué)學(xué)士，現(xiàn)主要從事半導(dǎo)體光刻設(shè)備的研究。

2015-02-04