光学光刻中英文对照外文翻译文献

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译文:

光刻投影镜头多闭环温度控制系统

摘要：图像质量是光学光刻工具的最重要指标之一，尤其易受温度、振动和投影镜头（PL）污染的影响。本地温度控制的传统方法更容易引入振动和污染，因此研发

多闭环温度控制系统来控制PL内部温度，并隔离振动和污染的影响。一个新的远程间接温度控制（RITC）方案，提出了利用冷却水循环完成对PL的间接温度控制。嵌入温度控制单元（TCU）的加热器和冷却器用于控制冷却水的温度，并且，TCU必须远离PL,以避免震动和污染的影响。一种包含一个内部级联控制结构（CCS）和一个外部并行串联控制结构（PCCS）的新型多闭环控制结构被用来防止大惯性，多重迟滞，和RITC系统的多重干扰。一种非线性比例积分（PI）的算法应用，进一步提高收敛速度和控制过程的精度。不同的控制回路和算法的对比实验被用来验证对控制性能的影响。结果表明，精度达到0.006℃规格的多闭环温度控制系统收敛率快，鲁棒性强，自我适应能力好。该方法已成功地应用于光学光刻工具，制作了临近尺寸（CD）100纳米的模型，其性能令人满意。

关键词：投影镜头，远程间接温度串级控制结构，并行串连控制结构，非线性比例积分（PI）的算法

1简介

由于集成电路缩小，更小的临界尺寸（CD）要求，生产过程的控制越来越严格。作为最重要的制造工艺设备，先进的光学光刻工具需要更严格的微控制环境[1]，如严格控制其温度、洁净度、气压、湿度等。温度波动，特别是导致图像失真和平面图像转变，成为了光学光刻工具对图像质量影响的一个关键因素。投影镜头(PL)内的温度精度要求一个光刻工具在接近0.01℃制造一个小于100 nm的模型。另外需要PL内部温度收敛率快以降低光刻技术的所有权（CoD）的成本. 然而，实现这些目标是一个很大的挑战，因为加热器和冷却器控制温度要求操作远离PL[2], 否则其性能将被它们的振动和污染所破坏。另一个原因是，PL内部结构复杂，它包含数十个镜头，会导致几个小时惯性，所以PL内部的温度反应相当缓慢，并需要很长时间去调整适应。因此，一个新的结构和控制算法是PL内部温度控制的必要和重要部分。

许多温度控制结构已经被提出了。著名的经典方法之一是被广泛应用于简单或低精度温度控制系统的单闭环回路控制结构【3】。当被控对象变得更加复杂或产生分布式干扰时，串级控制结构（CCS）的提出改善了精度和收敛率【4，5】。预测前馈控制

结构已被证明具有更好的滞后系统性能。另一种有效的方法，并行串级控制结构（PCCS），也开发了具有延迟分布式干扰的系统。但是上述使用方法，很难实现PL 内部温度控制的高精确度和快收敛率。

在此，本文提出了一种新的方法，即多闭环温度控制系统，含有一个内部CCS 和一个外部PCCS。本文大致分为四个部分。第一部分解释了一个远程间接温度控制方法的应用。第二部分是一个多闭环回路温度控制结构的分析。第三部分，一个双进双出非线性比例积分（PI）算法的提出用来提高控制过程的收敛速度和精度。在文章的最后一部分，对比实验验证了系统的有效性这种显示，最后，给出了结论。

2 远程间接温度控制方法

为了防止震动和污染影响PL的性能，一个远程间接温度控制的方法被提出来控制PL内部温度。不同于传统的直接加热和冷却控制对象的方法，它借助于冷却水和冷却套间的热交换使PL内部温度恒定。冷却水通过长距离管道由TCU输送至冷却外壳。TCU由水箱、温度传感器、温度控制器、加热器、冷却器和泵组成。它用于调节冷却水的温度以达到需求值。TCU和光刻工具放置在不同的洁净室，如图1所示。理论上，这种方法属于开环结构。

除了PL，其他光刻技术的部分，如晶圆阶段、标线的阶段、标线交接、晶圆移交等，都在操作时产生热量。TCU中的冷却水还用于冷却光刻技术的其他部件。循环系统回收冷却水，节省最大能量，是很必要的。图1展示了包括TCU、分离器、冷却套和管道的循环系统。从储水中抽出冷却水通过管道和分离器进入冷却套，最后通过合成器、管道和冷却器流回储水箱。

对冷却水循环系统的分析表明了影响PL内部温度的三个主要因素：干扰多，迟滞多，还有惯性大。干扰多，包括冷却水温度波动，PL内部热量散失，PL和外部介质之间的热交换。冷却水温度波动是多种因素造成的，其中包括TCU内部自励温度震荡造成的非线性加热冷却，管道和周围气体之间的热传递，以及光刻工具其他地方产生的热量。在这个循环系统中，冷却水温度波动达到0.1℃是最差的情形。PL内部热量散失有两个原因，一个是当激光穿过透镜时，内部辐射和导热交换，另一个是在镜头和内部净化氮之间的导热和对流热交换。至于激光，它的散热量大概是15W。PL与外部介质之间热交换来自两个方面，一方面来自PL与其相邻零件之间的相互热交换，另一方面来自PL外部箱体和周围空气的导热和对流热交换。但是，PL和外部介质之间交换的热量由于其复杂性，故难以计算。迟滞多主要包括TCU 加热和冷却3秒迟滞，冷却水交换3分钟迟滞，还有PL和冷却套间热交换10分钟迟滞。此外，PL的复杂结构导致不平衡热交换，而由于其体积大导致惯性在和小体积物体相比时，温度波动较小。

上述分析表明，仅仅通过开环结构使PL内部温度控制精度高和收敛速度快是非常难以实现的。此外，在开环结构中还有很大的稳态误差。在以下部分中，我们将介绍一个提高PL内部温度控制的控制结构，并解释如何提高温度控制精度和收敛率。

3多闭环控制结构

多闭环温度控制结构由一个内部CCS和一个外部PCCS组成。

3.1 串连控制结构

PL温度控制的内部CCS如图2所示。有两个分别带有两个控制器的反馈回路。

主要回路用来控制PL内部的温度(T

1)。 TCU水箱中的冷却水温度控制(T

w

)形成了第

二条回路. 分析这个系统的运作质量是很容易。如果PL 内部温度偏离期望值(T s ),

嵌入主控制器中的控制算法会通过比较温度的测量值T l 和期望值T s 之间的偏差而计

算一个新的冷却水温度设定值（T t ）。然后，发送新的设定值T t 给TCU 的温度控制器。

随后根据温度测量值T w 和新的设定值T t 间的偏差，TCU 中的控制算法计算加热器和

冷却器的输入值，并对TCU 中水箱里的冷却水进行加热或者降温，直到温度达到新的设定值。PL 内部温度期望设定值通过一台机器连续地给出。T i 控制回路是一个慢

控制回路。T w 控制回路是一个快速控制回路，能快速跟随主回路设定值T t 。当一个

新的设定值T t 发送到TCU ，它需要几分钟时间去调整TCU 水箱中的水温至设定值。

二次回路具有很强的抗内部干扰的能力。此外，还可以减少对主回路非线性和迟滞的影响。

图3显示了关于上述描述串级控制系统的控制原理图。在下面的图表和方程式，

G t (s)表示加热器和冷却器传递函数,G p (s)表示管道传递函数，G l (s)表示PL 传递函

数。G m (s) G m (s)表示主控制回路传递函数，G s (s)表示二次控制回路传递函数。H m (s)

表示测量设备主回路传递函数，H s (s)表示测量设备二次回路传递函数。表示TCU 水箱中冷却水迟滞，表示通过管道的冷却水迟滞，表示PL 内部热交换迟滞，N t (s)

表示TCU 外部扰动,N p (s)表示管道外扰动,N c (s)表示PL 外部扰动,N n (s)表示PL 内部

扰动,R l (s)表示PL 内部输入温度，R t (s)表示TCU 水箱中冷却水的输入温度，C 1(s)

表示PL 内的输出温度，C t (s)表示TCU 水箱中冷却水的输出温度。