用于浸没式光刻浸没头机位姿调节机构的控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于浸没式光刻机浸没头位姿调节机构的控制方法，包括控制系统软件及硬件结构。软件部分包括位姿测量、位姿调节、用户交互和父系统通讯模块；硬件部分包括三自由度并联机构、激光位移传感器、音圈直线电机和控制器。该控制系统为实现安装于运动平台上的浸没头相对于硅片的精确位姿调节。同时能通过用户交互模块实现在线调试；通过与父系统通讯模块，实现系统的工作状态切换，系统参数设置及数据导出等功能；通过防碰撞模块及急停设计保证系统安全可靠运行。本发明特点在于其控制软件采用模块化和多线程的程序设计，保证其稳定性、可扩展性和可移植性；其机械结构通过三自由度并联机构实现，保证了系统的机械刚度和定位精度。
【专利说明】用于浸没式光刻浸没头机位姿调节机构的控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种机构控制方法，特别是涉及一种用于浸没式光刻浸没头机位姿调节机构的软件控制方法。
【背景技术】
[0002]光刻机是制造超大规模集成电路的核心装备之一，现代光刻机以光学光刻为主，它利用光学系统把掩膜版上的图形精确地投影并曝光在涂过光刻胶的硅片上。它包括一个激光光源、一个光学系统、一块由芯片图形组成的投影掩膜版、一个对准系统和一个涂有光敏光刻胶的娃片。
[0003]浸没式光刻(Immers1n Lithography)设备浸没头的娃片调平是通过位姿调节机构实现的。浸没头相对于硅片的垂直向位姿会对浸液流场产生影响，因此，维持浸没头与硅片的相对位姿对维持浸液流场的稳定具有重要的意义。造成浸没头与硅片之间相对位姿改变的原因有:
[0004]1、浸没头通过位姿调节分系统安装到浸没式光刻机主机后，浸没头在垂直向的安装位置会存在一定的误差，这会造成浸没头相对于硅片上表面的位姿不满足工作要求。
[0005]2、在曝光过程中，浸没头相对于工件台是运动的，当运动方向发生改变时，会影响浸没头相对于娃片上表面的位姿。
[0006]3、当硅片进行交换后，新旧硅片上表面形貌的差异会改变浸没头相对于硅片上表面的位姿。
[0007]4、位姿调节机构复位后，当再次运行时，浸没头相对于硅片上表面的位姿可能不满足工作要求。
[0008]浸没式光刻机精度为几十纳米级，为了保证整机精度，相应的对位姿调节精度要求为:浸没头相对于硅片的倾斜角误差小于0.0OOlrad，垂直向高度误差不超过0.005mm。
【发明内容】
[0009]本发明的目的在于提供一种用于浸没式光刻机浸没头位姿调节机构的控制方法，实现浸没头位姿的精确调节，满足浸没式光刻机整机对浸没系统的精度要求。
[0010]本发明采用的技术方案是:
[0011]该控制系统包括控制系统软件及控制系统硬件结构；控制系统软件采用模块化设计，包括位姿测量模块、位姿调节模块、用户交互模块和父系统通讯模块；控制系统硬件结构包括三自由度并联机构、三个激光位移传感器、三个音圈直线电机，三条光栅尺和电机控制器；控制系统软件启动后，光刻机主机通过父系统通讯模块或用户交互模块发出位姿调节指令，使位姿测量模块通过三个激光位移传感器实时获得浸没头位姿，然后位姿调节模块将其与设定位姿进行比较，再通过电机控制器驱动三个音圈直线电机，调节三自由度并联机构，实现浸没头达到设定位姿要求。
[0012]所述位姿测量模块，采用激光位移传感器，测出运动平台上三个定点相对于硅片上表面的高度，测得数据代入到位姿计算模型，从而得到目标执行器的精确位姿。
[0013]所述位姿调节模块，运用位姿测量模块所得到的位姿参数，判断当前位姿是否满足设定要求，若位姿满足，结束位姿调节，若不满足，位姿调节模块通过数学模型计算得到音圈直线电机所需要运行的距离，电机驱动器通过安装在直线电机运动行程范围内的光栅尺进行位置反馈，精确驱动电机运行，使并联机构进行浸没头位姿调节，最终按照精度要求，完成浸没头的位姿调节。
[0014]所述父系统通讯模块，通过开机初始化，和父系统建立通讯连接，控制系统软件通过接收并解析父系统的五种指令代号，进行相应的操作，并返回执行结果，同时当控制系统出现紧急或异常状况时，也能够主动向父系统报告当前运行状态。
[0015]所述其三自由度并联机构，该机构由运动平台、固定平台、三条并联运动支链组成，每条支链均包括两根连杆，一个移动副、一个球副和一个转动副，三条支链以固定平台为始端，各自与其靠近的连杆，一端的移动副能相对于固定平台进行垂直向平动，另一端与靠近运动平台的连杆通过球副首尾相连，实现绕三个轴的相对转动，各支链末端最后通过各自固定在运动平台上的转动副实现并联连接，运动平台相对于固定平台具有三个自由度，三个音圈直线电机分别驱动三个移动副，能实现位姿调节运动。
[0016]本发明具有的有益效果是:
[0017]采用本发明完全能够满足光刻机主机对于浸没头位姿的精度要求。同时系统软件的模块化设计能够保证其可扩展性和可移植性，便于系统升级换代。多线程程序设计能够保证系统软件运行的稳定性及可靠性。控制系统采用并联机构实现位姿调节，能够保证系统的机械刚度和定位精度。最后通过软件的防碰撞及急停设计，保证了控制系统的安全性。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是本发明的控制目标位姿调节机构三维模型图。
[0019]图2是二自由度并联机构不意图。
[0020]图3是软件控制系统程序模块示意图。
[0021]图4是位姿测量流程图。
[0022]图5是位姿调节流程图。
[0023]图6是父系统通讯流程图。
[0024]图7是多线程程序建立过程图。
[0025]图8是急停流程图。
[0026]图中:1.固定平台，2.运动平台，3、9、10.三个激光位移传感器，4、7、12.三个音圈直线电机，5、6、8.三条光栅尺，11.集成电机控制器，13.移动副，14.转动副，15.球副。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
[0028]如图1所示，为浸没式光刻机浸没头位姿调节机构的三维模型图，图2为机构的结构示意图。
[0029]三个音圈直线电机4、7、12固定于固定平台I侧面的同一分布圆上，电机4与电机7间夹角为120°，电机7与电机12间夹角为160°，三个电机为并联机构的动力源；三条光栅尺5、6、8分别固定安装在三个直线电机的上方的行程范围内，用于实时反馈电机位置信息；三个激光位移传感器3、9、10固定安装于运动平台2下表面，分布在同一分布圆上，传感器3与传感器9间的夹角为90°、传感器9与传感器10间的夹角为90°，三个传感器用于浸没头的位姿测量；运动平台2与固定平台I连接通过三个移动副13、三个球副15和三个转动副14依次组成三条运动链连接，实现三个音圈直线电机的直线运动，转化为运动平台的位姿调节运动；集成电机控制器11安装固定在固定平台上。位姿调节过程中，控制系统使通过三个激光位移传感器3、9、10实时获得浸没头位姿，然后通过闭环控制算法，使集成电机控制器11准确驱动三个音圈直线电机4、7、12，经过三条运动链的传递，实现运动平台I上浸没头的位姿调节运动。
[0030]如图2所示，三自由度并联机构具体由运动平台1、固定平台2、三条并联运动支链组成，每条支链均包括两根连杆，一个移动副、一个球副和一个转动副，三条支链以固定平台2为始端，各自与其靠近的连杆，一端的移动副能相对于固定平台2进行垂直向平动，另一端与靠近运动平台I的连杆通过球副首尾相连，实现绕三个轴的相对转动，各支链末端最后通过各自固定在运动平台I上的转动副实现并联连接，运动平台I相对于固定平台2具有三个自由度，三个音圈直线电机分别驱动三个移动副，能实现位姿调节运动。
[0031]如图3所示，控制系统软件采用模块化设计，主要模块包括位姿测量、位姿调节、用户交互、父系统通讯等模块。各个模块具体协调工作过程如下:浸没头位姿调节分系统开始工作，接收来自父系统通讯模块或用户交互模块界面的命令，进行相应的操作响应，响应方式有七种。第一种，当接收到开机命令时，系统先选择初始化参数，进行初始化设置，然后分别进行位姿测量及位姿调节开机自检，最后完成开机命令并记录事件；第二种，当接收到停机命令时，先进行位姿测量，当完成位姿测量，完成停机任务，记录事件；第三种，当接收到待机命令时，先进行位姿测量，再更新当前位姿参数，完成待机操作再记录事件；第四种，当接收到位姿调节命令时，先进行位姿测量，再更新当前位姿参数，然后进行位姿调节，当达到位姿精度要求，完成位姿调节，最后记录该事件；第五种，当系统接收到复位命令时，进行系统复位；第六种，当接收到关机命令时，系统进行关机；第七种，当接收到位姿参数更新命令时，更新位姿目标参数。执行各命令操作时，系统都会自动记录相应事件。以下分别对各个模块具体工作实施方式进行说明。
[0032]如图4所示，位姿测量过程为:在实现位姿测量的过程中实现了软件防碰撞设计。结合图1、图2所示，位姿测量的具体实施过程如下:当系统接收位姿测量命令时，开始对三个激光位移传感器3进行连接，若连接不成功会检查是否进行复位，完成复位会记录本次操作事件，同时报警通知，若连接成功，则读取激光位移传感器的工作状态，若此时激光位移传感器并没有处于正常的工作状态，系统会自动尝试进行复位，同时进行报警，记录事件的操作；如果确定测量系统完全正常工作，再开始进行同步采样，位姿计算，数据记录等，测得的数据一方面用于界面显示或位姿调节，同时通过测量值的大小，对判断机构离浸没头的距离进行判断，是否超出预设范围，从而实现软件防撞功能。
[0033]如图1、图2和图5所示，位姿调节过程为:位姿调节是通过集成电机控制器11驱动三自由度并联机构实现的，当位姿调节模块接收到调节命令后，先判断三个音圈电机的连接是否正常，电机工作状态是否符合要求，若不满足则进行相应的报警和事件记录操作，等待控制系统响应。在状态满足的条件下，位姿调节模块将姿测量模块通过三个激光位移传感器3实时获得浸没头位姿与设定位姿进行比较，再通过控制器驱动三个音圈直线电机12，调节三自由度并联机构，最终实现浸没头达到设定位姿要求。
[0034]如图6所示，父系统通讯过程为:通讯包括接收和发送。接收信息后，通过判断指令代号，执行相应的操作，主要操作包括:切换运行状态，设置系统参数等，其中运行状态有:停机、待机、复位、工作、关机等。发送操作包括:命令执行反馈，比如命令执行成功等，报告故障状态或报警，发送运行数据或当前系统参数设置等。
[0035]如图7所示，多线程实现过程为:程序运行过程中，建立的线程按照优先级由高到低分为五个等级:Highest、Abovenormal、Normal、Belownormal> Lowest。程序启动后，通过入口函数进入程序，然后依次开辟Highest优先级的急停线程、Abovenormal优先级的父系统通讯线程、Normal优先级的调控线程及Belownormal工作线程等。同时在程序初始化时还建立了各种工作状态的后台线程，包括待机、停机、关机等，当控制系统接收到状态切换命令时，相应的后台线程将立刻激活运行。在程序运行过程中，可能涉及到数据导出等操作，程序会临时开辟Lowest优先级的线程，保证不重要的耗时线程不影响其他线程的工作。上述急停流程，【具体实施方式】如图8所示，急停分为三种模式，分别为复位，停止调节，停止测量；不复位，停止调节，停止测量；不复位，停止调节，继续测量。当控制系统接收到急停命令时，根据不同的急停要求进行相应的急停相应。急停时必须保证停止调节，复位操作可以对音圈直线电机、激光位移传感器和机构等的状态复位到默认状态。急停线程可以由用户界面和父系统通过通讯触发，急停线程具有最高优先级，保证程序处于任何状态急停命令都能优先被执行，而避免发生危。
[0036]表I
[0037]
调节前位姿，节后位$高_
-号倾斜角I自转角1.、倾斜角丨自转角1.,调节误差调节误差
--咼度(mm)--咼度(mm) irar1、 /mm、
(rad) (rad)(rad) (rad)(rad) (mm)
10.0008835.2.986300.2715000.00001163.3805480.0993750.0000116-0.00063
20.0010471.4257480.3236250.0Q004032.2931910.0996250.0000403-0.00038
30.0008502.1331420.3311250.00002962.5738750.0991250.0000296-0.00087
40.0007210.4584110.2951250.00003752.2521140.1002500.00003750.00025
50.0007013.6233480.3057500.0000275.3.1513040.0991250.0000275-0.00087
60.0005230.9797320.3403750.00004072.4707820.0992500.0000407-0.00075
70.0005134.1548580.2603750.0Q002453.1974100.0995000.0000245-0.000S0
80.0010424.2052780.3221250.00001966.0992550.1001250.000Q1960.00013
90.0012080.6949970.3354990.00002752.4337590.100125D.00002750.00013
100.0011744.8882440.2321250.00001443.2561980.1008750.00001440.00088
[0038]为验证位姿调节精度满足设计要求，进行了多组实验，实验数据如上表I所示。三自由度位姿调节系统有三个位姿参数，分别为自转角，倾斜角和高度。但只有倾斜角和高度为调节的目标参数。以第一组数据为例，完成位姿调节后，倾斜角调节误差为0.0000116rad,高度调节误差0.00063mm,均远小于浸没头倾斜角误差小于0.0OOlrad,垂直向高度误差不超过0.005mm的光刻机主机对位姿调节精度的要求。表I中其它组数据结果都符合精度要求，所以本发明所述的位姿调节控制系统完全能够满足要求。
【权利要求】
1.一种用于浸没式光刻机浸没头位姿调节机构的控制方法，其特征在于:该控制系统包括控制系统软件及控制系统硬件结构；控制系统软件采用模块化设计，包括位姿测量模块、位姿调节模块、用户交互模块和父系统通讯模块；控制系统硬件结构包括三自由度并联机构、三个激光位移传感器、三个音圈直线电机，三条光栅尺和电机控制器；控制系统软件启动后，光刻机主机通过父系统通讯模块或用户交互模块发出位姿调节指令，使位姿测量模块通过三个激光位移传感器实时获得浸没头位姿，然后位姿调节模块将其与设定位姿进行比较，再通过电机控制器驱动三个音圈直线电机，调节三自由度并联机构，实现浸没头达到设定位姿要求。
2.根据权利要求1所述的一种用于浸没式光刻机浸没头位姿调节机构的控制方法，其特征在于:所述位姿测量模块，采用激光位移传感器，测出运动平台上三个定点相对于硅片上表面的高度，测得数据代入到位姿计算模型，从而得到目标执行器的精确位姿。
3.根据权利要求1所述的一种用于浸没式光刻机浸没头位姿调节机构的控制方法，其特征在于:所述位姿调节模块，运用位姿测量模块所得到的位姿参数，判断当前位姿是否满足设定要求，若位姿满足，结束位姿调节，若不满足，位姿调节模块通过数学模型计算得到音圈直线电机所需要运行的距离，电机驱动器通过安装在直线电机运动行程范围内的光栅尺进行位置反馈，精确驱动电机运行，使并联机构进行浸没头位姿调节，最终按照精度要求，完成浸没头的位姿调节。
4.根据权利要求1所述的一种用于浸没式光刻机浸没头位姿调节机构的控制方法，其特征在于:所述父系统通讯模块，通过开机初始化，和父系统建立通讯连接，控制系统软件通过接收并解析父系统的五种指令代号，进行相应的操作，并返回执行结果，同时当控制系统出现紧急或异常状况时，也能够主动向父系统报告当前运行状态。
5.根据权利要求1所述的一种用于浸没式光刻机浸没头位姿调节机构的控制方法，其特征在于:所述其三自由度并联机构，该机构由运动平台、固定平台、三条并联运动支链组成，每条支链均包括两根连杆，一个移动副、一个球副和一个转动副，三条支链以固定平台为始端，各自与其靠近的连杆，一端的移动副能相对于固定平台进行垂直向平动，另一端与靠近运动平台的连杆通过球副首尾相连，实现绕三个轴的相对转动，各支链末端最后通过各自固定在运动平台上的转动副实现并联连接，运动平台相对于固定平台具有三个自由度，三个音圈直线电机分别驱动三个移动副，能实现位姿调节运动。
【文档编号】G03F7/20GK104199469SQ201410393789
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年8月12日 优先权日:2014年8月12日
【发明者】傅新, 陈文昱, 马同, 余乐贤 申请人:浙江大学