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光刻投影物镜的多闭环温度控制系统

摘要：图像质量是光学光刻工具的重要性能指标之一，其受投影物镜（PL）的温度，振动和污染等因素的影响。传统的局部温度控制方法容易引入振动和污染，多闭环温度控制系统因此被开发用来控制PL内部的温度，并隔离振动和污染的影响。本文提出了一种新的远程间接温度控制（PITC）的方法，即通过循环冷却水来实现对PL的间接温度控制。加热器和冷却器嵌入式温度控制单元（TCU）用于调节冷却水的温度，且必须保证TCU远离PL，以远离振动和污染的影响。本文设计了一种新型多闭环控制结构，该结构由内部串级控制结构（CCS）和外部串级控制结构（PCCS）组成，并采用非线性比例积分（PI）算法进一步提高了控制过程的收敛速度和精度。通过不同控制回路和算法的对比实验，验证了其对控制性能的影响。结果表明，多闭环温度控制系统的精度指标达到0.006℃，收敛速度快，鲁棒性强，自适应能力强。该方法已经成功地应用于生产100nm临界尺寸（CD）图形的光学光刻工具中，其性能令人满意。

关键词：投影物镜；远程间接温度控制；串级控制结构；并联串级控制结构；非线性比例积分（PI）算法

Temperature Control System with Multi-closed Loops for Lithography Projection Lens

NIE Hongfei1, LI Xiaoping1, *, and HE Yan2 1 State Key Laboratory of Digital Manufacturing

（Equipment amp; Technology, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China 2 Tianhua College, Shanghai Normal University, Shanghai 201815, China）

Abstract：Image quality is one of the most important specifications of optical lithography tool and is affected notably by temperature，vibration，and contamination of projection lens（PL）. Traditional method of local temperature control is easier to introduce vibration and contamination，so temperature control system with multi-closed loops is developed to control the temperature inside the PL，and to isolate the influence of vibration and contamination. A new remote indirect-temperature-control（RITC） method is proposed in which cooling water is circulated to perform indirect-temperature-control of the PL. Heater and cooler embedded temperature control unit(TCU) is used to condition the temperature of the cooling water, and the TCU must be kept away from the PL so that the influence of vibration and contamination can be avoided. A new multi-closed loops control structure incorporating an internal cascade control structure(CCS） and an external parallel cascade control structure（PCCS） is designed to prevent large inertia, multi-delay, and multi-disturbance of the RITC system. A nonlinear proportional-integral（PI）algorithm is applied to further enhance the convergence rate and precision of the control process. Contrast experiments of different control loops and algorithms were implemented to verify the impact on the control performance. It is shown that the temperature control system with multi-closed loops reaches a precision specification at plusmn;0.006 ℃ with fast convergence rate, strong robustness, and self-adaptability. This method has been successfully used in an optical lithography tool which produces a pattern of 100 nm critical dimension（CD）, and its performances are satisfactory.

Key words: projection lens, remote indirect-temperature-control, cascade control structure, parallel cascade control structure, nonlinear proportional-integral（PI）algorithm

1引言

随着集成电路外形的不断缩小，对关键尺寸(CD)的要求也越来越高，使得对制造过程的控制也越来越严格。先进的光学光刻工具作为制造过程中最重要的设备，对其所处的微环境（如温度、洁净度、气压、湿度等）要求同样更加严格^[1]。温度波动容易引起图像失真和图像平面偏移，成为影响光学光刻工具成像质量的关键因素之一。投影物镜(PL)内的温度精度要求接近0.01℃，以便光刻工具产生小于100 nm的图案。因此为了降低光刻工具的购置成本，需要提高光刻内部温度的收敛速度。然而，要实现这些目标还有一个很大的挑战，因为控制温度的加热器和冷却器需要在远离PL的地方运行^[2]，否则它们的性能将被振动和污染影响。另一个原因是，PL有一个复杂的内部结构，其中包含数十个镜头，导致几个小时的惯性，所以PL内部的温度响应相当缓慢，需要很长时间来调整。因此，采用一种新的结构和算法来控制PL内的温度是十分必要和有意义的。

许多温度控制结构已经被提出，其中一个著名的经典方法是在简单或较低精度的温度控制系统中广泛使用的单闭环控制结构^[3]。当被控对象变得更加复杂或产生分布扰动时，为了提高精度和收敛速度，提出了串级控制结构(CCS)^[4,5]。前馈预测控制结构对时滞系统具有较好的控制性能^[6]。另一种有效的方法，并行串级控制结构(PCCS)，也被开发用于分布式扰动的延迟系统^[7]，但使用上述方法，很难实现PL内温度的高精度和快速收敛^[8]。

本文提出了一种新的温度控制方法，即采用内部控制和外部控制相结合的多闭环温度控制系统。论文大致分为四个部分。第一部分解释了为什么要使用远程间接温度控制方法。第二部分分析了一种多闭环温度控制结构。第三部分提出了一种双输入双输出非线性比例积分(PI)算法，提高了控制过程的收敛速度和精度。最后，通过对比实验验证了该系统的有效性，并给出了结论。

2远程间接温度控制方法

为了防止振动和污染对PL性能的影响，提出了一种远程间接温度控制方法来控制PL内的温度。与传统方法直接加热和冷却的控制对象不同,它通过冷却水和冷却外壳之间的热交换来稳定PL内部的温度。冷却水通过长距离管道从TCU输送到冷却套管。TCU由水箱、温度传感器、温度控制器、加热器、冷却器和泵组成。它是用来将冷却水的温度调节到一个期望的值。TCU和光刻工具放置在不同的洁净室中，如图1所示。理论上，该方法属于开环结构。

图1 PL远程间接温度控制系统

除了PL，光刻的其他部分，如晶圆台、刻线台、刻线处理和晶圆处理等，在操作过程中也会产生热量。来自TCU的冷却水还用于冷却光刻的其他部分。循环冷却水是循环系统必要的，以节省最大的能源。如图1所示，循环系统由TCU、分流器、组合器、冷却套、管路组成。从水箱中流出的冷却水通过管道和分流器泵入冷却套，最后通过组合器、管道和冷却器回流到水箱中。

通过对循环水系统的分析，得出了影响循环水内温度的三个主要因素:多扰动、多延迟、大惯性。多扰动包括冷却水的温度波动、PL的内部散热、PL与外界介质的热交换。冷却水的温度波动是由多种因素引起的，包括TCU内部非线性加热和冷却引起的自激温度振荡、管道间的传导性传热、环境气体、光刻工具其他部件的发热等。在这种循环系统中，冷却水的温度波动在最坏的情况下达到0.1℃。PL的内热耗散是由两个因素引起的，一是激光通过透镜时的内部辐射和传导传热，二是透镜与内部净化氮气之间的传导对流传热。至于激光，它的散热大约是15w。PL与外界介质之间的热交换有两种方式，一种是PL与其邻近组分之间的相互换热，另一种是PL的外壁与周围气体之间的传导对流换热。然而，由于其复杂性，PL与外界介质之间的热交换很难计算。多延迟主要包括TCU的10秒加热延迟和冷却水路运输3分钟的冷却延迟，以及水套和PL之间热交换的10分钟延迟。此外，复杂结构的PL会导致换热不均匀，最终导致体积大的惯性温度变化比体积小的物体慢。

以上分析表明，光通过开环结构很难实现PL内部温度的高精度和快速收敛，开环结构也存在较大的稳态误差。在接下来的章节中，我们将介绍一种改进的PL内部温度控制结构，并解释如何提高温度控制的精度和收敛速度。

3 多闭环控制结构

多闭环温度控制结构由一个内部控制系统和一个外部控制系统组成。

3.1级联控制结构

PL温度控制的内部CCS如图2所示。有两个反馈回路，分别有两个控制器。主回路由PL内部的温度(T_l)决定，而TCU水箱内冷却水的温度(T_w)构成二次回路，很容易定性地分析该系统的运行情况。如果温度在PL偏离所需的值(T_s)，嵌入到主控制器的控制算法将计算一个新的温度选点值(T_t )冷却水，通过比较测量温度T_l和所需的值之间的偏差T_s。新的选点值T_t发送到TCU的温度控制器，然后根据测得的温度T_w与新的设定值T_t之间的偏差，由TCU中的控制算法计算出加热器和冷却器的输入，将TCU水箱中的冷却水加热或冷却到新的设定值，PL内所需的温度设定值由机器常数给出。T_l控制循环是一个慢速控制循环，T_w控制回路是一种快速控制回路，可以快速跟踪主回路的设定值T_t。当一个新的设置点T_t被发送到TCU时，需要几分钟的时间来调整TCU水箱中的水温到新的设置点值，二次回路对其内部扰动有很强的抑制能力；此外，还可以减小主回路的非线性和延时影响。

图2串级控制结构图

图3详细给出了上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)代表了加热器和冷却器的传递函数，G_p (s)代表了管道的传递函数，和G_l (s)代表了PL的传递函数，G_m(s)代表了主控制器的传递函数和g (s)代表二级控制器的传递函数，H_m(s)表示主回路测量装置的传递函数，H_s(s)表示二次回路测量装置的传递函数。tau;_t代表了冷却水TCU箱的延迟、tau;_p代表了冷却水通过管道的延迟，和tau;_l代表PL内热交换的延迟，N_t(s)代表TCU的外部干扰，N_p(s)代表了管道的外部干扰，N_e(s)代表PL的外部干扰，N_n(s)表示PL内部的扰动，R_l(s)表示PL内部的输入温度，R_t(s)表示TCU箱内冷却水的输入温度，C_{l 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料}

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