光刻步进机和扫描仪是用于制造集成电路 (IC) 的高度复杂的机器。这些设备使用光学系统将石英板上的图案图像（称为光罩）成像到基板（称为晶圆）上的感光层上。圆形晶圆的直径为 200 或 300 毫米，通常由硅制成。由于一个晶圆可以包含许多 IC（通常为 100 个或更多），因此晶圆需要从曝光到曝光重新定位。曝光本身发生在晶圆和光罩的扫描运动过程中。
芯片制造业不断努力在每个 IC 中装入更多功能。这一进步对内存芯片的容量和微处理器的运行速度产生了重大影响。摩尔定律指出，每隔一年半到两年，每个芯片的计算能力就会翻一番，四十年来一直保持不变。图 1 以每 GB NAND 闪存的价格形式显示了消费者所受的影响，在短短十几年间，价格下降了数千倍。最小特征尺寸（表示可在单个 IC 中制造的最小组件）受到成像光的波长、透镜材料的折射率以及最终衬底材料中单个原子的大小的限制。如今，这个最小特征尺寸约为 20 纳米，1 纳米为百万分之一毫米。
从位置控制的角度来看，有三个因素使光刻工具具有挑战性。首先，光刻工具需要精确，以支持正在曝光的 IC 图案的小特征尺寸。在曝光过程中，晶圆和光罩以恒定速度移动。扫描期间允许的位置误差仅为几纳米，仅为最小特征尺寸的一小部分。测量系统、环境调节和控制策略是获得如此高精度的关键要素。
其次，这些机器每小时需要处理大量晶圆。每小时 175 片晶圆的吞吐量并不罕见，但每片晶圆的处理时间仅为 20 秒，即每次曝光 0.2 秒。曝光期间的晶圆扫描速度为 0.6-1 米/秒，这是标准速度。20-40 米/秒2 的高加速度所需的力会引起振动，这与纳米级定位精度相冲突。光罩运动速度通常要快四倍，加速度也相应更高。
最后，由于这些机器用于工业环境中，因此坚固性和可靠性至关重要。功能较小的 IC 可为芯片制造商带来更高的利润，因此需要最新的光刻扫描仪技术。尽早将最新技术推向市场往往与可靠性要求相冲突，因为这项技术通常需要相当长的时间进行优化，这要归功于它的复杂性。此外，由于生产数量众多，光刻工具的设计必须坚固耐用，避免在机器之间进行复杂的手动调整。
表 1 总结了 1994 年至 2011 年期间步进机和扫描仪技术的进展。通过将晶圆直径增加一倍、每小时处理的晶圆数量增加三倍、将最小特征尺寸缩小 17.5 倍，光刻工具每小时生产的位数增加了 2200 倍。
在大多数情况下，晶圆和掩模版运动所需的高速度和加速度是由线性电机产生的，这些电机对支撑结构施加反作用力。这些力可能高达 5000-10,000 N。机器的动态设计必须确保将这些反作用力与位置测量系统和投影光学系统隔离。这些组件中的剩余振动必须得到抑制，其余的振动需要由平台控制系统处理。加速阶段之后，平台需要几毫秒的稳定时间才能达到纳米级的扫描精度。
本文介绍了光刻工具的基本光学原理以及由此产生的定位精度要求。对于三代光刻工具，讨论了机电一体化架构和控制含义。然后，描述了六自由度 (DOF) 平台控制，主要关注执行器力解耦，允许使用经典的单输入、单输出 (SISO) 控制器。
半导体制造中的光刻工艺
在半导体制造中，晶圆上覆盖有一层感光墨水，称为光阻。光刻步进机或扫描仪中的光学系统将光罩图案曝光到晶圆上，从而在抗蚀剂中形成图像。光罩上的图像尺寸是晶圆上投影图像的四倍，因为投影透镜将图像尺寸缩小了四倍。晶圆上一个曝光区域的最大尺寸称为芯片，通常为 26×3×32 毫米；一个芯片可以容纳多个独立的 IC 图像。图 2 显示了光刻工艺的基本图片。
光源产生的光被光学系统的第一部分（称为照明器）捕获。照明器会修改光束的光学特性（例如偏振和瞳孔形状），并将光传输到光罩上。需要单色光来避免光学像差，这种像差是由透镜材料的折射率与波长的相关性引起的。光线穿过光罩后进入投影透镜，在晶圆上形成图像。
为了曝光芯片，需要移动晶圆，将芯片置于透镜下方。然后打开光源，直到晶圆上的光辐射量达到所需剂量。然后定位晶圆以进行下一次曝光，并重复此循环。当晶圆上的所有芯片都曝光后，从光刻工具中取出晶圆，换上新的晶圆。然后对曝光后的晶圆进行几个化学、机械和热处理步骤。完成这些处理步骤后，再次用感光层覆盖晶圆，并将其放入光刻工具中。该工具不一定与曝光前一层的工具相同。然后，在前一个图案的正上方曝光另一个图案，在曝光整个晶圆后，再次从光刻工具中取出晶圆以进行新的工艺步骤。整个循环重复 30-60 次，直到晶圆上的堆叠层组成一个可工作的电子设备。晶圆遇到的所有光刻工具都必须表现相似，以避免芯片功能层之间出现差异。因此，需要进行机器对机器校准，也称为匹配。
与图 2 中示意性描绘的透镜相比，真正的透镜由 10-30 个光学元件组成。晶圆放在平坦的桌面（即晶圆台）上。根据所应用的光源类型，照明波长 l 分别为 365、248、193、157 和最近的 13.5 nm [3]。由于曝光过程受衍射限制，因此较小的波长可以在晶圆上创建较小的图案。较小的结构可以提高芯片中电子电路的密度，从而提高 CPU 处理能力和内存大小。
基本成像
投影光的波长 l 与光罩上的图案间距具有相同的数量级，因此必须考虑衍射效应。假设光罩图案由间隔均匀的线条组成，空间周期为 L，这对于内存芯片尤其如此。光罩充当光栅，将入射光束衍射成给定的角度
其中整数 n 表示出射光路的阶数。并非所有阶数都具有相同的强度。第 0 阶以与入射光相同的角度离开标线，其强度 I0 等于标线上入射光强度的一半。强度的降低是由标线上的线条引起的，这些线条阻挡了一半的入射光。偶数阶的强度等于零；奇数阶的强度等于 1 2/pn 2 I0，如图 3 进一步说明。
衍射阶可以被视为傅立叶级数的组成部分。所有组成部分共同构成强度模式
在光罩层，其中 L 是图案间距，x 是图案中的位置，如图 3 所示。
并非光罩层上的所有衍射级都能被投影镜头捕获并成像到晶圆上。特别是，只有衍射角为 90° 的级数才能被捕获和成像。光罩上的块状图案不会在晶圆上重现为块状图案，因为较高的傅里叶级数被截止。如果镜头只捕获第 0 级和第 6 1 级，则晶圆表面会保留正弦图案，因为傅里叶级数中只有第 0 级和第 6 1 级分量会重新组合。感光抗蚀剂通常在达到某个剂量阈值后突然反应，并将正弦图像转换为抗蚀剂中的块状结构。因此，对第 6 1 级进行成像足以在晶圆上重现线条和空间。如果透镜只捕获 0 阶光并投射到晶圆上，那么晶圆上仅会保留平均强度 I0，图案将不再成像。透镜能够在晶圆上成像的最大角度的正弦称为数值孔径 (NA)。实际极限约为 NA = 0.93。在投影透镜和晶圆之间添加一层水，称为浸没式光刻 [4]，可将 NA 增加水的折射率，在常用的 193 纳米波长下为 1.44。晶圆上成像图案的最小对应间距 L 由 (1) 给出，其中
通过光学系统的改进，最小间距可以减半至 72 纳米。在 IC 制造行业中，通常提到的半间距为 36 纳米。该值是单步曝光工艺中的最小理论临界尺寸。通过使用多重曝光技术，可以制造更小的元件
定位精度规格
图 2 显示了相对于投影透镜固定的标线和晶圆。实际上，标线和晶圆被放置在定位台上，这些定位台是主动控制的。两个定位台中的任何一个的定位误差都会导致投射在晶圆上的图像在水平方向上发生偏移，或导致晶圆表面偏离透镜焦平面。光刻工具的两个规格决定了两个阶段所需的精度。
首先，叠加是光刻工具将两个图像精确地曝光在彼此之上的能力。功能芯片需要所有芯片层相互配合。除了许多其他因素外，叠加还直接受到平台定位精度的影响。曝光期间平台的平均位置误差决定了图像在晶圆上的位置。该测量称为移动平均值 (MA)，定义为
其次，有限的平台定位精度会降低成像过程的质量，因为位置误差会降低对比度，就像在不保持相机静止的情况下拍照一样。这里，曝光期间定位误差的移动标准偏差 (MSD) 是关键指标，
MSD 表示定位误差的高频部分，而 MA 表示误差的低频部分，边界由曝光时间 T 决定。对于 38 纳米半节距光刻，MA 必须限制在 1 纳米左右，而 MSD 必须限制在 7 纳米左右。确切的限制取决于制造工艺特性，例如抗蚀剂特性、图像图案中的重复元素以及线尺寸和空间尺寸之间的比率。
聚焦误差以 MA 和 MSD 的形式表示，z 方向的定位误差（与镜头光轴平行）也会导致成像误差。通常可以允许聚焦误差比水平定位误差大 100倍。
步进机
基本操作
步进机（如图 4 所示）是 1997 年之前使用的主要光刻工具。晶圆上的每个芯片在瞬间曝光，之后晶圆重新定位到下一个芯片位置。此过程重复进行，直到整个晶圆曝光完毕。
投影镜头安装在计量框架（称为 metroframe）上，该框架由连接到底座的气动隔振器支撑，底座固定在地板上。隔振器起弱弹簧的作用，解耦频率在 1 Hz 范围内，可阻止地板振动进入 metroframe。
reticle 位于连接到 metroframe 的台子上。机器人系统提供自动reticle 交换。照明器也连接到 metroframe，提供照明光。只有使用简单的照明源和光学元件才能实现照明器与 metroframe 的连接。准分子激光源和更大、更复杂的照明器无法连接到 metroframe，因此需要连接到外部框架。
在图 4 中，固定晶圆的工作台被称为镜块mirror block，因为镜面侧面可以进行干涉位置测量 (IFM)。干涉仪连接到固定在 metroframe 上的传感器板。假设镜头和传感器板都牢固地连接到 metroframe，干涉仪位置测量相当于镜块相对于投影镜头的相对位置测量。
测量投影镜头下晶圆表面高度和倾斜度的传感器也连接到传感器板。这些传感器需要能够将晶圆表面保持在镜头的焦平面上。请注意，原始晶圆的不平整度以及正在构建的芯片中存在现有层，需要测量和控制晶圆高度。
在图 4 中，镜块由气脚支撑。气脚使镜块能够漂浮在抛光花岗岩石上的一层空气中。提升气脚的加压空气通过软管带入结构中，图中未示出。除了加压空气外，气脚中的一些隔间可能处于真空状态，以增加气脚与石材连接的垂直刚度。水平方向，气脚允许无摩擦运动。
为了使镜块能够水平运动，电机采用 H 型结构。晶圆台由镜块和气脚组成，由电机定子表面上的滚柱轴承水平引导。然后，电机既充当执行器又充当导轨，如图 5 所示。
一个线性电机驱动平台沿 x 方向移动，同时充当滚柱轴承的导向梁。x 电机本身可以通过两个线性 y 电机沿 y 方向移动，也可以绕 z 轴沿旋转方向 u 移动。这些电机还充当 x 电机定子轴承的导向梁。两个 y 电机连接到一个框架（未示出），该框架本身通过阻尼大的粘弹性材料连接到石头。石头悬挂在计量框架下方，通过板簧连接到计量框架。
垂直执行器安装在气脚和镜块之间，允许镜块沿 z 方向移动，以及绕 x 和 y 轴（分别称为 x 和 c）沿旋转方向移动。
动态和控制方面
图 6 显示了水平方向 x、y 和 u 的基本控制方案。这些方向上的平台位置测量由干涉仪执行，在由透镜中心下方的焦点定义的透镜坐标系中进行测量。在图 5 中，可以看到干涉仪光束已经指向透镜中心。由于光束测量的是镜块在晶圆表面下方的位置，因此需要根据旋转 x 和 c 应用位置校正，为此，在较低的高度存在额外的干涉仪光束。这种校正称为阿贝臂校正。
要移动平台，电流通过两个 y 电机和 x 电机。需要将控制力和扭矩 Fx、Fy 和 Tz 转换为单独的执行器电流，以最大限度地减少运动方向之间的串扰。
首先，要沿 y 方向移动平台，电机 y1 和 y2 的力之间的正确平衡取决于实际的 x 位置。如果 x 为 0，如图 5 所示，电机 y1 需要的电流比电机 y2 大。令 l 表示两个 y 电机定子之间的距离。两个电机的力 Fy1 和 Fy2 产生净力 Fy 和平台扭矩 Tz，具体取决于相对于镜头中心的实际 x 位置
在 x 方向上，力 Fx 施加于平台的质心，因此 x 方向上所需的加速度仅需要 x 电机的力。在图 6 中，(9) 显示在由解耦指示的块中。
其次，相对于镜头中心定义 u 方向上的旋转设定点。施加扭矩会使平台相对于其质心旋转。要绕镜头中心旋转，则需要在 x 或 y 方向上施加额外的力。这种解耦形式（链接平台和镜头坐标）称为增益调度，图 6 中未显示，但下面将更详细地描述。
需要将相对于镜头的坐标 (Fx、Fy、Tz) 中的力转换为单个执行器力，并结合测量这些相同坐标中位置的测量系统，以允许使用三个独立的 SISO 控制器。每个控制器本质上都会遇到 1/1 ms2 2 的力学传递函数。然而，这种理想的传递函数受到三种现象的影响。
首先，y 方向的执行器力使 x 电机定子移动，进而加速镜块。该力通过滚柱轴承施加，滚柱轴承在图 5 中表示为弹簧。动态地，通过这些弹簧施加的力会产生共振。
其次，执行器力还会对电机定子产生反作用力。由于电机定子连接到构成隔离计量框架世界的石头，反作用力会在框架和可能的镜头中激发共振。图 7 显示了基本的动态模型。这里，弹簧表示有限刚度，并表示相应的共振频率。
由平台运动激发的框架和镜头中的共振会导致振动，这在平台控制环中可以观察到。图 8 显示了平台作用路径传递函数和平台反应路径传递函数。虽然一般来说，平台反应路径传递函数的振幅比平台作用路径传递函数小得多，但在某些共振频率下，反应路径会影响组合传递函数，从而限制可获得的平台控制带宽。
第三，滚柱轴承在较长距离上几乎无摩擦移动，但当移动较小时，往往会粘在导轨上。在纳米（和微米）区域，轴承充当刚度未知的弹簧，导致传递函数变化很大，如图 9 所示。导向梁和滚柱的机械公差、预紧力和润滑是限制这种摩擦引起的刚度的相关因素。
例如，应用带低通滤波器的 30 Hz 带宽比例积分微分 (PID) 控制器，传递函数
PID 控制器调节为标准类型，其中所需带宽 fbw、积分器频率 fi、微分器频率 fd 和低通滤波器参数 flp 和 zlp 之间的比率由因子 a 确定，如表 2 所示。在本例中，a = 3，zlp = 0.7。较大的 a 值可产生更好的相位裕度，但会降低低频下的干扰抑制。图 10 和 11 分别显示了开环 Bode 和 Nyquist 图。图 11 显示，由于框架共振，特别是在 60 Hz 左右，较大的环路增益可能会造成不稳定性。
除了这个反馈控制器之外，还有一个前馈控制器，如图 6 所示。通过对参考位置进行双重微分获得的设定点加速度乘以平台质量 m 和惯性 J，然后添加到控制器输出。这个前馈力负责平台运动，而不需要控制器输入，它等于位置误差。请注意，平滑位置参考的数字微分不是问题，设定点设计本身就是一个值得关注的有趣主题。
图 12 显示了平台对位置参考变化的时间响应，其中设定点加速度限制为 10 m/s2。图 12(a) 显示了 20 毫米平台运动设定点和实际位置，以及缩放加速度。在这个尺度上，平台准确地遵循其设定点。图 12(b) 显示了控制器误差，在移动过程中该误差在 50 毫米范围内，此后仅缓慢减小。成像误差（定义为晶圆上图像的位置偏差）对应于控制器误差。剩余的差异是由平台反作用力激发的剩余镜头振动和传感器板振动引起的。在这些频率下，由于其 30 Hz 带宽，平台的干扰抑制几乎不存在。
垂直方向的情况也类似。调平引起的垂直力通过气脚施加在石头上。从动态角度来说，气脚可以看作是一种弹簧，其刚度和阻尼取决于气压、真空度和轴承设计。垂直力最终在系统中的作用力与水平力一样大，从而产生类似的框架共振效应。
