非平面直寫式光刻電控系統的研究

張云鵬，謝秀鐲，宋 波，蒲繼祖

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 100176)

非平面直寫式光刻電控系統的研究

張云鵬，謝秀鐲，宋 波，蒲繼祖

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 100176)

闡述一種非平面直寫式光刻的電控系統、工作原理及組成，通過高效的控制方法，提高控制精度，實現工藝要求。

非平面直寫式光刻；振鏡掃描;PID算法；伺服系統

傳統的接觸式光刻工藝和投影式光刻工藝都需要制作掩模版，實現光刻圖形由掩模版到基片的翻刻，適合批量大的半導體產品的生產工藝，但對于集成電路產品研發試制則投入成本大，耗費周期長。激光直寫式光刻工藝無需制作掩模板，將聚焦后的激光束直接投射到基片的相應位置，實現該處光刻膠感光，與X/Y振鏡掃描系統結合，通過激光束的擺動實現焦點在工作面的移動，完成整片的光刻工藝，該處涉及的激光直寫式光刻工藝主要用于行波管球面柵網的直寫式光刻工藝。本文設計了一種非平面直寫式光刻的電控系統，通過高效的控制方法提高激光的定位精度和調焦精度，實現高速，高精度的非平面光刻工藝要求。

1 電控系統組成及工作原理

電控系統主要是由工控機，激光器，PMAC運動控制卡，自動調焦光路系統，激光實時自動調焦系統，X/Y振鏡掃描系統組成。其各系統數據處理和驅動控制均由PMAC運動控制卡完成，驅動由日本的富士伺服電機驅動器及其配套電機組成，形成了一個由伺服電機+PMAC運動控制卡形成的伺服系統。電控系統結構框圖如圖1所示。

圖1 非平面直寫式光刻電控系統結構框圖

為滿足控制系統功能要求，構建了以PMAC運動控制卡為控制核心，與IPC相結合的IPC+PMAC結構的開放式數控系統。根據設計要求，PMAC運動控制卡選用PMAC2型八軸運動控制卡，上位機選用具有PCI總線的研華IPC610型工業計算機。

如圖2所示，非平面直寫式光刻首先通過激光器射出光譜寬度為405 nm的激光，激光會通過自動調焦系統，再經過激光實時自動調焦系統，最終進入X/Y振鏡掃描系統，通過自動調焦系統和激光實時自動調焦系統進行調焦，X/Y振鏡的x向光鏡和y向光鏡配合擺動，改變激光焦點的移動位置，實現焦點在非平面視場中的高精度移動，通過大功率激光的焦點在工作面的移動，完成整片的光刻工藝，本文涉及的激光直寫式光刻工藝主要用于行波管球面柵網的直寫式光刻工藝。

圖2 非平面直寫式光刻工作示意圖

2 電控系統的控制方法

非平面直寫式光刻采用PID控制方法提高電控系統的控制精度。PID控制，又稱PID調節，是根據系統的誤差，利用比例，積分，微分計算出控制量進行控制。模擬PID控制器的原理框圖如圖3所示，其中r(t)為系統給定值，c(t)為實際輸出，u(t)為控制量。調節PID的參數，可以實現在系統穩定的前提下，兼顧系統的帶載能力和抗干擾能力，同時在PID控制器中引入了積分項，系統增加了一個零積點，這樣系統階躍響應的穩態誤差為零[4]。

圖3 模擬PID控制系統原理框圖

PID控制器的輸入輸出關系為：

式中，e(t)為系統偏差，e(t)=r(t)-c(t)；

Kp為比例系數；

Ti為積分時間常數；

TD為微分時間常數。

比例環節：即時成比例地反應控制系統的偏差信號e(t)，偏差一旦產生，調節器立即產生控制作用以減小偏差。

積分環節：主要用于消除靜差，提高系統的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數Ti，Ti越大，積分作用越弱，反之則越強。

微分環節：能反應偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并能在偏差信號的值變得太大之前，在系統中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統的動作速度，減小調節時間。

目前PC控制系統中所使用的是數字PID控制器，是一種離散的采樣控制。通過將模擬PID表達式中的積分，微分運算用數值計算方法來逼近，便可實現數字PID控制。見表1。

表1 模擬PID控制規律的離散化

數字PID控制器的差分方程：

目前數字PID控制器的控制算法通常可以分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法，但是僅有PID控制是遠遠不夠的，因為PID控制是一種反饋控制，既然是反饋控制就一定要有反饋信號，可是從反饋元件得到信號再同命令信號進行比較運算會造成延時。所以現在很多系統引進了前饋控制。采用前饋＋反饋相結合的控制結構，既可以達到反饋控制對偏差的控制作用，也可以在干擾引起誤差前就對它進行補償，及時消除干擾的影響。PMAC為用戶提供了一個PID位置環伺服濾波器。即PID＋速度/加速度前饋＋NOTCH濾波的控制環算法。由于前饋調節器不改變系統的穩定性，只對被調量起到補償作用，因此PMAC卡PID控制加入了速度前饋調節和加速度前饋調節。加速度前饋可以補償被控對象自身慣性所產生的跟隨誤差。而速度前饋能減小微分增益或電機阻尼所引起的跟隨誤差[5][6]。

通過PMAC卡為用戶提供的PEW IN TUNING軟件，可以對PID參數進行很方便的調節，進而獲得理想的控制性能。運行PEW IN軟件后，點擊工具菜單下的PMAC Tuning就會出現如圖4所示的調節界面。

圖4 PMAC的PID調節界面

在軟件界面中，包含了主要PID參數：Ix30比例增益，Ix31微分增益，Ix33積分增益，Ix32速度前饋增益，Ix35加速度前饋增益。調節PID參數時，首先應該調P比例增益，即設Ix30比例增益為2000，Ix31微分增益為0，Ix33積分增益為0，Ix32速度增益為0，Ix35加速度增益為0。

點Position Step選項，在右邊點kill motor after step move選項，在Step move選項里使用默認值Step size（cts）為1 000，Step time（ms）為500，然后點擊Do A Step Move按鈕，就會出現脈沖響應曲線，見圖5、圖6所示。圖中曲線1為指令信號，曲線2為實際位置響應。

這時將比例增益降低到4 500時，可以看到系統的震蕩消失了，超調量為零。這時的Ix30比例增益參數基本滿足要求。

許多放大器接受從控制器送來的速度命令，和從電機傳送來的速度反饋信號通常由一個測速計或幾個旋轉變壓器得到。使用這些放大器的電機由放大器閉合他們的速度環，而不需要使用PMAC速度環的微分增益，所以我們在PMAC卡上可以不設置微分增益，Ix31設為0即可。

圖5 參數調節前系統階躍響應曲線

圖6 調節比例增益后的階躍響應曲線

PMAC卡的積分器有兩種方式可供選擇，由Ix34決定。當Ix34設為1時，積分器在全程都起作用，盡管可以減小跟隨誤差，但是當運動結束時會過沖，并且系統會不穩定。當Ix34為0時，積分器只在速度為零時起作用。由于PMAC可以調節速度前饋和加速度前饋，所以一般Ix34設為0。這是因為速度前饋和加速度前饋既可以有效的減小跟隨誤差，又不會損失系統的穩定性。

借助PEW IN TUNING軟件，我們可以通過觀察正弦曲線響應，調整速度前饋和加速度前饋，進而減小甚至消除系統跟隨誤差，調整系統的動態特性。打開 PEW IN TUNING軟件后，點Parabolic velocity選項，在右邊點kill motor after step move選項，然后點擊Do A Step Move按鈕，就會出現正弦響應曲線。曲線1為實際位置曲線，曲線2為跟隨誤差曲線[7]。

前饋參數的調整方法和比例增益，積分增益的調整方法類似。先調整速度前饋，將Ix35加速度前饋設置為0，然后從零開始，逐步增加速度前饋。

圖7為參數調整前的正弦響應曲線，可以看出跟隨誤差在170cts，加大速度前饋，減小阻尼造成的跟隨誤差。

圖8為參數調節后的正弦響應曲線，經過一系列的調整，最后將Ix32速度前饋增益設置為4000，Ix35加速度前饋設置為4000，得到跟隨誤差小且分布均勻的曲線，基本滿足使用要求。

3 系統誤差分析

圖7 參數調節前正弦波響應曲線

圖8 參數調節后正弦波響應曲線

經過PID控制調節后，整個伺服系統的精度達到了使用要求，雖然是閉環反饋控制，仍然會產生定位精度偏差，經總結和試驗，主要產生3類誤差：一是負載擾動，掃描電機帶動振鏡在告訴旋轉的過程中，空氣對鏡片會產生阻力，因為非平面光刻對位置精度要求高，對速度的實時要求較低，因此在位置調節中采用PID控制，實現控制系統的高精確性和高重復性；二是在運行過程中，掃描電機長時間工作，內部溫度升高引起電機參數變化，通過在電機附近放置溫度傳感器，根據溫度變化對電機參數的影響進行反復試驗，確定有效的溫度反饋控制參數；三是檢測裝置經反饋通道混入系統中引入的誤差，影響了系統的響應速度和精度，因為各反饋環節的檢測裝置精度對系統的反饋控制精度有重要的影響，通過提高各位置反饋檢測元件的精度來減小各種反饋誤差的影響。最終效果如圖9所示。

圖9 最終效果示意圖

4 結束語

非平面直寫式光刻主要是通過紫外激光聚焦點在器件表面上的實時運動，使激光束經過器件表面上的光刻膠感光，不用掩模版，直接實現器件圖形的光刻成形。非平面直寫式光刻電控系統的響應速度，控制精度可以通過PID參數的整定得到很大的提高，通過這種調整，我們可以獲得良好的穩態性能和動態特性，最終實現工藝要求。

[1] 北京鈞義志成科技發展有限責任公司.PMAC用戶手冊[Z].

[2] 楊少辰.對構成閉環振鏡式光學掃描系統的研究[J].激光與紅外，1997，27(5)：297-300.

[3] 許亞平，陶霞虹.振鏡結構對精度和速度的影響[J].應用激光，1998，18(4)：169-170.

[4] Heley M.Principles of Automatic Control.Longman Group Limited[M].1975.

[5] 朱立達，朱春霞，蔡光起.PID調節在PMAC運動控制器中的應用[J].控制與檢測，2007(2)：50-53.

[6] 劉金琨.先進PID控制及其MATLAB仿真[M].北京：北京電子工業出版社.2003.

[7] PMAC/PMAC2 Software Reference Manual[Z].DELTA TAU Data Systems.Inc，2003.

Non Planar Direct Write Lithography Research

ZHANG Yunpneg，XIE Xiuzhuo，SONG Bo，PU Jizu

(The 45th Research institute of CETC，Beijing 100176，China)

This paper will elaborate control system of a kind of non planar direct write lithography，introduced the working principle of non planar direct write lithography，the composition of control system，the control method is efficient，and improve the control accuracy，the realization of the process requirements.

Non planar direct write lithography；Galvanometer scanning；PID algorithm；Servo system

TN305.7

B

1004-4507(2015)03-0046-06

張云鵬（1985-），男，遼寧錦州人，畢業于長春理工大學，工學學士，現主要從事半導體光刻設備的研究。

2015-02-04