步进成像
即使存在上述限制，该系统仍能发挥关键优势。将晶圆步进到新位置后，晶圆台可以等待，直到其位置稳定下来，使剩余误差足够低，然后再打开照明光。步进运动后的 MA 和 MSD 表明系统可用于成像。
图 13 显示了这些值随时间的变化，使用 100 毫秒的曝光时间窗口。图 13(a) 显示了原始伺服误差和缩放加速度设定点，结束于 t = 0.09 s。图 13(b) 显示了 MA 和 MSD 值随时间的变化。请注意，第一个相关的 MA 和 MSD 值可以在 100 毫秒后计算出来。由于 (4) 和 (5) 中的 MA 和 MSD 定义，该值位于图 13 中的 t = 50 毫秒处。可以在加速阶段结束后 50 毫秒，即 t = 0.14 秒时读取与成像相关的第一个 MA 和 MSD 值。图 13(c) 以更精细的垂直刻度显示了这些值。在 6200 nm 处绘制了虚线规格线。可以看出，如果成像过程允许最大 MA 为 200 nm，则可以在 t = 0.3 秒时开始曝光。在间隔 t = 30.3, 0.44 s 内计算的相应 MA 和 MSD 值显示在 t = 0.35 秒处。此时的 MSD 值等于 2 毫米；如果该值与成像过程不兼容，则需要更长的稳定时间。
Scanner
通常为矩形的芯片使用通常为圆形的投影镜头曝光在晶圆上。因此，直径为 32 毫米的镜头场可以曝光 22 *22 毫米的方形芯片。要制造更大的 IC，需要更大的镜头，但这种镜头的价格过高。解决这个问题的方法是采用扫描方式而不是一次性曝光芯片。现在，使用比以前更宽的矩形镜头场，通常为 26 毫米。在扫描方向上，镜头场要小得多，例如 8 或 10 毫米，如图 14 所示。
与上述步进曝光原理不同，在步进扫描方法中，每次曝光都是通过穿过照明的窄缝扫描晶圆来实现的。新的曝光场如图 14 所示。晶圆扫描的长度决定了芯片的高度，通常等于 32 毫米。因此，通过使用步进扫描方法，可以使用相同的投影镜头创建更大的图像。这种称为扫描仪的光刻机于 1997 年左右上市 [6]。从步进机到扫描仪的转变的主要影响如下所述。
为了曝光整个图像，不仅晶圆而且光罩都需要进行扫描运动。由于投影镜头的放大倍数通常为 1/4，因此光罩需要以比晶圆高四倍的扫描速度进行扫描。光罩的运动、晶圆的运动和照明激光的剂量控制需要紧密同步。工具中的其他组件也可能需要同步，例如光罩遮蔽和镜头操纵器。
现在需要在扫描运动期间而不是静止期间具有高定位精度。例如，此要求禁止使用步进机中使用的滚柱轴承。此外，不再可能等到系统稳定后再开始曝光。当晶圆和光罩加速到芯片的起始位置时，两者都必须以所需的精度处于正确的位置，因为等待时间过长会导致芯片曝光不完全。
扫描性能测量
图 15 进一步说明了步进扫描原理在曝光整个晶圆的一部分时的作用。直红色箭头表示晶圆和掩模版的同步恒速运动，如上所述逐渐曝光每个芯片。虚线表示晶圆移动，是将平台带到下一个芯片的新起始位置的步骤。在这些步骤中，光源被关闭。
图 16 显示了扫描过程中平台移动的更详细时序图。图 16(b) 显示了加速度设定点曲线，在本例中是三阶曲线，而不是之前使用的二阶曲线。图 16(a) 显示了速度设定点曲线。在 t = t0 时，加速阶段结束，达到恒定速度。经过一定的稳定时间后，剩余的控制器误差可以降低到可接受的值，芯片中要曝光的第一个点在 t = t1 时进入照明狭缝。在 t = t2 时，芯片上的第一个点再次离开狭缝。在间隔 3t1, t24 内，平台定位误差决定了对叠加和成像的影响。因此，在此第一个间隔内计算出的 MA 和 MSD 值对应于定位误差对芯片中第一个点的影响。在 t = t3 时，芯片的最后一点进入狭缝，最后，在 t = t4 时，芯片再次离开狭缝，使得间隔 3t3, t44 成为需要计算 MA 和 MSD 值的最后一个窗口。因此，平台的总扫描长度等于芯片的长度加上狭缝的高度加上平台稳定所需的长度。在 t = t4 之后，平台再次减速至静止或遵循另一条轨迹，使平台到达下一个芯片的起点。
扫描仪动态架构变化
为了在扫描过程中允许纳米范围的定位误差，需要将反作用力从计量框架或其连接的组件上引开。图 17 显示了修改后的系统。平台执行器不再连接到石头上，而是安装在外部基座上。计量框架再次通过隔离器悬挂在基座上。标线也位于可移动平台上。
通过将线性执行器连接到基座，可能会出现基座振动（例如由基座所连接的地板引起的振动）干扰平台的风险。通过选择 Lorentz 执行器来驱动平台，可以保证基座振动与平台的自然解耦。由于作用在平台上的力仅线性地取决于执行器电流并且与定子运动无关，因此外部振动不会对平台产生力。然而，真正线性的洛伦兹致动器的行程只有约 1 毫米，这对于需要至少 300 毫米平移的平台来说是不够的。这个问题通过引入第二个致动器来解决，该致动器可以以中等微米级精度行进很长的距离，并移动短行程洛伦兹致动器的定子部分。通常线圈部分连接到长行程电机，以避免电缆和冷却软管与精确的短行程系统交叉。
图 18 显示了结合短行程和长行程平台控制器的基本控制方案。包含 Hss 1 s 2 的控制回路表示 1DOF 短行程轴，类似于图 6 中的控制回路之一。包含 Hls1s2 的控制回路表示长行程控制系统。由于控制力解耦，因此可以单独考虑每个轴。
长行程系统需要跟踪短行程系统，以使短行程 Lorentz 执行器的线圈和磁铁保持靠近。为此，传感器测量长行程相对于短行程的相对位置，由图 18 中的“diff”信号指示。该差异用作长行程系统控制器的输入。短行程的位置 xss 可视为长行程系统控制回路的位置参考。长行程控制器 Cls 1 s 2 是针对长行程系统的质量和动力学特性而设计的，没有考虑短行程特性。在长行程开环传递函数中，短行程系统不可见，因为短行程跟踪干涉仪并与长行程分离。
然而，在前馈路径中，必须包括短行程系统的质量，因为除了加速长行程所需的力之外，短行程加速度还会给长行程增加反作用力。
对于晶圆调平，致动器相对于气脚驱动镜块，因此垂直反作用力可以直接进入安静、无振动的地铁框架世界。现在需要在扫描过程中进行调平，利用水平传感器对晶圆高度的测量。现在需要在水平和垂直控制回路之间进行一些耦合。图 19 显示了绕 x 轴的扭矩 Tx 的结果，即平台绕其质心旋转。旋转 x 会导致 y 方向发生不希望的偏移，偏移量为 hlsx。通过在 y 控制器输出上添加力 Fy 5 hls 1 m/Jx 2 Tx，可以校正此偏移。另一个影响是失焦，因此需要额外的力 Fz。这些步骤代表了从步进机中完全独立的水平和垂直控制器到集成 6DOF 控制系统的进展。
通过消除反作用力，如图 8 所示的反作用路径会缩短，并且不再是平台控制器设计的一个因素。这一优势允许更大的带宽和相应的更小的控制器误差。电机到镜块的耦合起着与上述相同的作用，但频率更高，因为它的刚度可能比滚柱轴承高得多。这种更高的刚度将耦合频率从 200 Hz 增加到 400 Hz，带宽也相应地从 30 Hz 增加到 80 Hz。图 20 显示了时域行为的典型示例。这里使用表 3 中的扫描参数。图 20(a) 显示了加速度、速度和位置随时间的变化曲线；图 20(b) 显示了移动过程中的原始控制器误差。垂直虚线表示加速阶段的结束 (t = 0.025 s)。稳定阶段结束 (t = 0.075 s) 和恒速阶段结束 (1 t = 0.243 s) 之间的扫描周期用浅灰色区域表示。稳定后，总扫描长度等于 42 毫米，包括 32 毫米模具长度和 10 毫米狭缝高度。响应设定点加速度变化时，可以看到一些振动行为。这种行为可以归因于所使用的加速度前馈与过程传递函数的实际逆之间的差异，其中包括 400 Hz 的电机共振。
图 21 显示了扫描的 MA 和 MSD 结果。因为本例中的狭缝高度等于 10 mm，扫描速度等于 250 mm/s，所以 MA/MSD 计算的时间窗口等于 40 ms。此窗口是芯片上每个点在照明狭缝中所花费的时间跨度。因此，第一个有用的 MA/MSD 值出现在稳定阶段后的 20 ms 时。图 21(a) 显示了原始控制器误差和设定点加速度的缩放版本；垂直虚线与加速阶段的结束重合。扫描部分再次由浅灰色区域表示。图 21(b) 显示了 MA/MSD 值，灰色区域表示相关值受芯片中第一个和最后一个点的限制。图 21(c) 显示了 (b) 的放大图。可以看出，在芯片的起始处，MA 和 MSD 都约为 10 nm。因此，利用上述系统，可以执行需要MA和MSD值为10nm的成像。
双台扫描仪
大约在 2000 年，半导体制造业要求将晶圆尺寸从直径 200 毫米改为直径 300 毫米，这样每片晶圆上可以放置两倍以上的芯片。与此同时，芯片设计继续缩小，要求台面具有更高的定位精度。这一变化意味着台面必须变得更大以支持 300 毫米晶圆，必须变得更快以保持每小时晶圆数量足够高，并且必须变得更精确以支持更小的最小特征尺寸。
使用上一节中描述的扫描仪布局，这些元素的组合被证明是不可能的。必须创建一种新的架构，使高速移动台面和垂直调平力对计量框架的干扰更小。此外，为了允许使用前馈来减少调平误差，需要在曝光之前测量晶圆表面高度图。最后，需要减少晶圆交换和晶圆对准产生的间接时间，以保持机器的高吞吐量。
解决方案是为系统配备两个晶圆台 [7]。当第一个台曝光晶圆时，第二个台从工具中卸载前一个晶圆，在台上装载新晶圆，对准台上晶圆的水平位置，并测量用于在曝光期间聚焦晶圆的晶圆高度图。当两个台都完成任务后，台面互换，开始新的循环。通过这种方式，通过消除曝光周期的额外时间，可以增加处理的晶圆数量。增加的台面加速度和速度进一步提高了吞吐量。图 22 显示了市售的光刻工具，而图 23 显示了双台面扫描仪的动态布局。
双台扫描仪架构变化
动态架构的一个主要变化是使用平衡质量 [8]。为了避免任何剩余部件由于不完全隔离而被运送到轨道框架，水平反作用力不再施加在基座上。现在，长行程电机定子连接到平衡质量，平衡质量可以通过空气轴承在水平方向上自由移动。台上的力会导致平衡质量沿相反方向运动，与台和平衡质量的质量比成比例。由于平衡质量的质量远高于台，因此其运动较小。
为了防止平衡质量漂移，使用执行器来控制平衡质量位置。图 24 显示了控制方案。移动台所需的力 Fs 作用于平衡质量 mb 上的反作用力。台的位置 xs 和平衡质量的位置 xb 用于计算组合系统的重心 xcog。在图 24 中，xcog 乘以 mb 1 ms 以使用标准控制器设计。只要 xcog 为零，平衡质量控制器就不会采取行动；只有偏差才会对平衡质量产生反作用控制力。同样，由于所有系统的力解耦，每个坐标都可以单独处理。
如图 23 所示，平台浮动的基座不再是孤立的计量框架世界的一部分，而是现在连接到基座框架。为了避免振动进入镜块，现在还使用 Lorentz 致动器来垂直方向，在这些方向上也提供隔离。由于所需的垂直范围小于 1 毫米，因此不需要单独的长行程电机。结果是 6DOF Lorentz 驱动块。
现在，干涉仪在所有自由度上执行平台位置测量，参考光束指向投影镜头。这种方法提供了相对于镜头的位置的直接相对测量。在第二阶段，装载晶圆，并将其表面映射到相对于平台本身的水平和垂直平面上。在平台交换之后，现在位于投影镜头下方的平台通过镜头光学系统与 6DOF 中的标线对齐。在了解了相对于平台的晶圆表面位置和相对于标线的平台位置后，即可开始曝光。
平台的集成 6DOF 控制
我们现在专注于控制配备完整 Lorentz 驱动的 6DOF 平台，这意味着 6DOF 中的力可以施加到镜块上。使用与上述相同的策略，即解耦过程行为，以使交叉项最小化，从而能够使用 6 个 SISO 控制器。该方法依赖于高度的平台线性和解耦；本节重点介绍解耦。图 25 显示了六个 SISO 控制器遇到的流程的主要组件。
工艺构建模块
平台位置使用多个传感器（最常见的是干涉仪）进行测量。每条测量光束都根据环境条件（例如压力和温度）进行校正。此外，机械错位（即指向误差）和镜面不平整度也会逐束校正。所有传感器的校正数据都转换为测量系统中的笛卡尔坐标，从而提供镜头坐标系中的平台位置 xTl 5 1xl yl ul zl xl cl2，其原点位于镜头中心下的焦平面中。此处，u 表示绕 z 轴旋转，x 表示绕 x 轴旋转，c 表示绕 y 轴旋转。
由六个 SISO 控制器确定的控制力也位于镜头坐标中。但是，平台力由短行程执行器施加，短行程执行器相对于平台质心具有固定的位置和驱动方向。由于平台质心与镜头坐标系的原点不重合，因此必须将镜头坐标系中的力 fTl 51FxlFylTzlFzlTxlTyl2 转换为平台坐标系中的力 fTs 51FxsFysTzsFzsTxsTys2。此步骤称为增益调度，因为转换与位置有关。下一步是将平台坐标系中的力转换为各个电机的力 fTm 51Fx1Fy1Fy2Fz1Fz2Fz32。此步骤称为增益平衡，完全由平台中的几何执行器布局决定。这里使用一个 x 执行器和两个 y 执行器，如图 26 所示。
从（19）和（20）可知，平台坐标系中的 x 和 y 力可以通过将平台质量 m 和绕 z 轴的惯性 Jz 乘以透镜坐标系中的相应力来计算，即
平台动力学的影响
与上述步进机和扫描仪的情况一样，电机并非刚性连接到镜块。到目前为止，我们仅考虑了 1DOF 的情况，但为了研究有限刚度对解耦质量以及控制行为的影响，我们需要进行 6DOF 分析。图 26 显示了提供平台力的电机块的基本图片，该电机块通过有限刚度连接到镜块。在 x 和 y 方向上，电机块分别与标称 800 和 900 Hz 共振耦合，而在 z 方向上存在 500 Hz 的频率。扭转模式具有更高的频率。水平方向的控制器带宽增加到 200 Hz，而垂直方向使用 100 Hz 带宽，由第一个共振的较低频率决定。当应用刚体增益调度技术时，会出现图 31 的解耦结果。蓝色曲线显示没有增益调度的 6 3 6 传递函数，而红色曲线显示具有原始增益调度的传递函数，在位置 1x, y) = (150, 150) mm。观察到两个主要影响。
首先，交叉项不再完全减小到零。在某些方向上，施加的力或扭矩到结果位置的原始传递函数显示质量行为具有 2 40 dB/十倍频程的斜率。这些交叉项并没有完全取消，而是出现了刚度行为，其在较低频率下具有平坦的幅度线。其次，现在出现了一些新的交叉项，而没有增益调度则不存在这些交叉项。由于电机连接到平台，Ty 会产生额外的交叉项。
非完美解耦意味着每个控制器都可能受到来自其他运动方向的干扰，控制器需要以足够的干扰抑制来处理这些干扰，以将误差降低到规格范围内。此外，请注意，平台动态行为由其各个动态模式构成，这些模式根据平台的位置而具有不同的权重。例如，两种模式可能是镜块相对于电机的 z 共振和 x 共振。如果 y ≥ 0，则测量的 z 位置主要由 z 模式组成。对于正和负 y 位置，x 模式对测量的 z 位置的贡献具有相反的符号。如图 32 和 33 所示，显示了三个 y 位置的 z 控制器开环的 Bode 和 Nyquist 图。可以看出，与模式相对应的共振频率保持不变，但反共振频率会发生变化，甚至导致 1.8 kHz x 共振时出现 180° 相移。控制器需要能够处理所有可能的传递函数，由于 1.8 kHz 模式的振幅较低，因此在本例中这不是问题。图 34 显示了时域结果，其中可以看到设定点激发的振动以及扫描期间垂直方向的串扰。在这个特定示例中，尽管非精确解耦，MA 和 MSD 值仍在单个纳米范围内。
其他关键控制方面
除了解耦和控制器设计本身，实现精确的平台定位还有几个关键因素。本文将介绍其中一些方面。
干扰抑制
还需要抑制测量系统干扰，例如干涉仪位置测量中出现的镜头振动，以及输入干扰，例如浸没水流引起的噪声或放大器噪声。减少这些干扰源是第一步，之后是具体的控制器设计。由于许多干扰源具有特定的频谱内容，因此频域控制器设计更受青睐。
设定点设计
平台的设定点需要在各个方向上同步，以使晶圆平台和掩模版平台能够同步扫描，从而最大限度地减少晶圆上图像的位置误差。掩模版平台和晶圆平台设定点的相对时间至关重要，因为在扫描速度为 1 m/s 和投影光学长度为 1 m 时，光速会引起 3 nm 的图像位置误差。就所需的定位精度而言，此误差是不可接受的。此外，由位置参考的连续导数的数量定义的设定点阶数决定了其频率内容，从而影响平台响应。特定的设定点设计有助于避免在系统中激发特定的共振。
设定点前馈
到目前为止，我们仅使用加速度前馈，即将指令加速度乘以平台质量以产生前馈力。对于 20 kg 的平台质量和 30 m/s2 的加速度，需要 600 N 来加速平台。前馈增益不匹配会导致控制器错误。在 200 Hz 带宽下，如果前馈的精度为 99.99%，则误差仍为 1 nm。因此，对于 1 nm 的误差，在总共 600 N 中最多允许 60 mN 的前馈力不匹配。不匹配可能是由从计算的控制力到实际平台加速度的路径中的增益偏差引起的，例如放大器增益、电机常数和晶圆质量。
相对于位置参考，不仅幅度，而且应用前馈信号的正确时间也是必不可少的。由于系统中存在时间延迟，因此需要根据位置参考时间补偿前馈时间。此时间延迟主要是由数模转换和控制器算法的计算时间引起的。在 10 kHz 采样系统中，当前馈时间偏离 3 毫秒时，误差仍为 1 nm。前馈幅度和时间会针对每个阶段自动校准。
除了设定点加速度前馈外，还可以使用与位置设定点的高阶导数相关的额外项。Jerk、Snap、Crackle 和 Pop 指的是位置参考的三阶、四阶、五阶和六阶导数 [9]。在前馈路径允许在前馈中构建更好的对象逆。这样，前馈就可以处理平台动态，从而减少反馈控制器需要处理的控制器误差。
其他前馈
平台需要跟踪投影镜头，这是根据其灵敏度函数进行的，因为平台位置是相对于投影镜头测量的。如果有投影镜头的加速度数据，则可以使用此类测量来创建额外的前馈信号。额外的前馈策略包括位置相关的扰动力补偿、平台间前馈和长行程对短行程前馈，以补偿这两者之间的寄生刚度和阻尼。
校准
虽然所有平台都设计为相同，但一些生产公差会导致执行器驱动力方向、电机常数和动态行为等方面的变化。可能需要对这些变量进行单独自动校准，以创建符合其规范的系统。具体来说，增益平衡和增益调度参数、电机增益和线性度、干涉仪光束指向、镜面不平整度以及平台控制器之间的时序差异均会根据机器自动校准。
结论
用于制造 IC 的光学曝光工艺要求晶圆和光罩的定位精度仅为所制造最小特征的一小部分。此最小特征尺寸已从 1994 年的 350 纳米减小到今天的 20 纳米。与此同时，晶圆的表面积增加了一倍，每小时生产的晶圆数量增加了三倍。
光刻工艺要求在每个 IC 曝光期间对晶圆和光罩进行机械定位。平台速度、加速度和定位精度的提高推动了机器吞吐量和图案微缩的进步。平台架构和机器布局通过减少反作用力和外部干扰的影响，创造了一个更清洁、更无振动的环境。平台行为本身与已知非线性的补偿相结合，几乎变成了线性的。采用经典的多重 SISO 控制技术，辅以精心的前馈设计和执行器坐标解耦。频域设计技术能够针对特定扰动频率调整控制器。同时，在设计过程中可以直接预测与设定点曲线应用相关的时域行为。如今，加速度为 20–40 m/s2，晶圆扫描速度为 0.6–1 m/s，稳定时间为几毫秒，和几纳米的定位精度，这些都结合在了适合生产的工业工具中。
由于定位精度要求与制造的 IC 的临界尺寸成比例，未来的系统需要进一步减少定位误差。同时，加速度和扫描速度需要进一步提高，以补偿新技术增加的成本。机电一体化的挑战包括使用平面致动器作为长行程驱动系统和平面编码器进行平台位置测量。临界尺寸减小的下一步将由使用 13.5 nm 辐射波长的极紫外光刻技术实现。这种辐射不会穿过任何材料，包括空气，需要全真空平台和全镜面光学器件来取代折射光学器件。需要开发新的、更先进的控制技术，以进一步提高 IC 功能。
作者信息
Hans Butler 于 1986 年和 1990 年分别在代尔夫特理工大学获得自适应控制硕士和博士学位，并于 1991 年加入 ASML。作为一名控制工程师，他曾负责光刻工具中的多个组件，例如处理器、照明器、投影系统和平台。在机电一体化系统开发部门，他领导的团队负责执行器、光机电一体化，最近还负责动力学、振动隔离和阻尼。目前，他是 ASML 研究员，主要研究领域为动力学和控制。
原文链接
https://www.researchgate.net/figure/Wafer-stage-top-view-The-wafer-table-is-driven-by-three-actuators-two-of-which-drive_fig2_265509162
