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毕业设计 (论文 )外文资料翻译 学 院： 机械工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 姓 名： 学 号： 指导老师： 附 件： 指导教师评语： 签名： 年 月 日 附件 1：外文资料翻译译文 光刻投影镜头多闭环温度控制系统 聂宏飞 1，李 晓 平 1， ，何 艳 2。 1国家重点实验室，数字制造装备与工艺，华中科技大学 ,武汉 430074， 中国大学 2天华 学院，上海师范大学，上海 201815，中国 2008 年 5月 27 日 收稿 ； 2009 年 1 月 8日 修 订； 2009 年 1月 22 日定稿； 2009 年 2 月 6 日 电子 出 版 摘要： 图像质量是光学光刻工具的最重要指标之一， 尤其易 受温度 、 振动和投影镜头（ 染 的影响 。本地温度 控制的 传统方法更容易引入振动和污染， 因此研发多闭环 温度控制系统来控制 部 温度，并隔离振动和污染 的影响 。一个新的远程间接 温度 控制（ 案 ，提出了 利用 冷却水 循环完成对 间接温度控制 。嵌入温度 控制 单元（ 的 加热器和冷却器 用于控制 冷却水的温度 ，并且， 须远离 避免震动和污染的影响。 一种包 含 一个 内部 级联 控制 结构（ 一个外部 并行 串 联 控制 结构 （ 新 型 多 闭环 控制结构 被用来 防止大惯性， 多重迟滞 ， 和 统的多重干扰。 一种非线性比例积分（ 算法应用，进一步提高收敛速度和控制过程 的 精度。不同的控制回路和算法的对比实验 被用来验证对控制性能的影响。 结果表明，精度达到 规格 的 多闭环温度控制系统收敛 率快 ，鲁棒性强 ，自我适应能力好。 该方法已成功地应用于光学光刻工具，制作了 临近尺寸 （ 100 纳米的 模型 ，其 性能 令人满意。 关键词： 投影镜头，远程间接温度串级控制结构，并行串 连 控制结构，非线性比例积分（ 算法 1 简 介 由于集成电路缩小，更小的临界尺寸（ 求，生产 过程 的控制越来越严格。作为最重要的制造 工艺 设备，先进的光学光刻工具需要更 严格 的微控制环境 1， 如严格控制其温度 、 洁净度 、 气压 、 湿度等 。 温度波动，特别是导致图像失真 和 平面图像转变，成为 了 光学光刻工具对图像质量影响的 一个 关键因素。投影镜头 (的 温度 精度要求一个光刻工具 在接近 制造 一个小于 100 模型 。另外 需要 部温度 收敛 率 快 以降低光刻技术的所有权（ 的成本 . 然而，实现这些目标 是 一个很大的挑战，因为加热器和冷却器 控制温度 要求操作远 离 , 否则其性能 将被它们的 振动和 污染 所破坏 。另一个原因是， 部结构复杂，它 包含数十个镜头 ， 会导致几个小时惯性，所以 部的温度反应相当缓慢， 并 需要 很长时间去调整适应 。 因此，一个 新的结构和控制算法 是 部 温度 控制的必要和重要部分。 许多温度控制结构 已经被提出了。 著名的经典 方法之一是被 广泛应用于 简单或低精度 温度控制 系统的 单闭环回路控制 结构 【 3】 。当被控对象变得更加复 杂或 产生分布式干扰 时， 串级控制结构（ 的 提出改善 了 精度和收敛 率 【 4， 5】 。预测前馈控制结构已被证明具有更好的 滞后 系统性能。另一种有效的方法 ， 并行串级控制结构（ 也 开发了具有 延迟 分布 式干扰的系统 。但 是 上述使用方法，很难实现 制的 高精确度和 快 收敛 率 。 在此， 本文 提出了一种新的方法，即多 闭 环温度控制 系统，含有一个内部 文 大致分为四个 部分。 第一部分解释了一个 远程 间接温度控制方法的应用。 第二部分 是一个 多 闭环回路 温度控制结构 的分析。 第三部分，一个双进 双出非线性比例积分（ 法 的提出用来提高控制过程的收敛速度和精度。 在文章的最后一 部分 ，对比实验验证了系统的有效性 这种显示 ，最后，给出了 结论。 2 远程间接温度控制方法 为了防止 震动和污染影响 一个 远程 间接温度控制 的方法被提出来控制 部温度 。 不同于传统 的 直接加热和冷却控制对象 的方法 ，它 借助于冷却水和冷却套间的热交换使 部温度恒定。 冷却水通过长距离管道由 送 至冷却外壳。 水箱 、 温度传感器 、 温度控制器 、 加热器 、 冷却器 和 泵 组成。 它用于 调节冷却水的温度以达到需求值 。 光刻工具放置在不同的洁净室，如图 1 所示 。 理论上，这种方法属于开 环 结构 。除了 他光刻技术 的部分 ，如晶圆 阶段 、 标线的阶段 、 标线交接 、 晶圆移交等， 都在操作时产生热量 。 的 冷却水还用 于冷却光刻技术的其他部 件 。 循环系统 回收冷却水 ， 节省最大能量 ， 是 很必要的。图 1展示了 包括 离器、冷却 套 和管道 的循环系统。从 储水 中抽出冷却水 通过管道和 分离器进入冷却套 ，最后通过合成器 、 管道和 冷却 器流回储水箱 。 对冷却水循环系统的分析 表明了影响 度的 三个 主要因素 ： 干扰多，迟 滞多， 还有 惯性 大 。干扰 多 ，包括冷却水 温度波动 ， 部热量散失 ， 外部 介质之间的热交换 。冷却水温度波动是多种因素造成的，其中包括 部 自 励温度 震荡造成的 非线性 加热冷却 ， 管道和周围气体之间的热传递 ，以及光刻 工具其他地方产生 的热量 。 在这个循环系统中， 冷却水温度波动 达到 最差的情形 。部热量散失有两个原因 ，一个是 当 激光穿过透镜 时，内部 辐射和 导 热 交换 ，另一个是在镜头和内部净化氮 之间的导热和对流热交换。至于激光，它的散热量大概是 15W。 外部介质之间热交换 来自两个方面 ， 一方面来自 其相邻零件之间的相互热交换，另一方面来自 部箱体和周围空气的导热和对流热交换。 但是， 于其复杂性 ，故 难以计算 。迟滞多 主要包括热和冷却 3秒迟滞，冷却水交换 3分钟迟滞，还有 冷却套间热交换 10 分 钟迟滞。 此外， 复杂结构导致不平衡热交换，而由于 其体积大导致惯性在和小体积物体相比时，温度波动较小。 上述分析表明， 仅仅通过开环结构使 非常难以实 现的。 此外， 在开环结构中 还有 很大的稳态误差。在以下部分中，我们将介绍一个提高 部温度控制的控制结构， 并解释如何提高温度控制精度和收敛 率 。 3 多闭环控制 结构 多闭环温度控制结构由一个内部 一个外部 成。 连 控制结构 图 2 所示。有两个分别带有两个控制器的反馈回路。主要回 路用来控制 部的温度 ( 箱中的冷却水温度控制 (成了第二条回路 . 分析这个系统的运作质量是很容易。如果 部 温度偏离 期望 值 ( 嵌入 主 控制器 中的 控制算法会 通过比较温度的测量值 算一个新的冷却水温度设定值 （ 。 然后，发送新的设定值 温度控制器 。随后根据温度测量 值 的控制算法计算加热器和冷却器的输入值，并对 水箱里的冷却水进行加热或者降温，直到温度达到新的设定值。 部温度期望设定值通过一台 机器连续地给出。 制回路是一个慢控制回路。 快速跟随主回路设定值 当一个新的 设定值 需要几分钟 时间去调整 箱中的水温至设定值。二次回路 具有很强的抗内部干扰的能力。 此外，还可以减少 对主回路 非线性和 迟滞的影响。 图 3显示了 关于 上述 描述 串级控制系统的控制原理图。在下面的图表和方程式，Gt(s)表示加热器和冷却器传递函数 ,Gp(s)表示管道传递函数， Gl(s)表示 Gm(s) Gm(s)表示主控制回路传递函数， Gs(s)表示二次控制回 路传递函数。 Hm(s) 表示测量设备主回路传递函数， Hs(s)表示测量设备二次回路传递函数。 表示 表示通过管道的冷却水迟滞 ， 表示 Nt(s) 表示 Np(s)表示管道外扰动 ,Nc(s)表示 Nn(s)表示 Rl(s)表示 Rt(s)表示 箱中冷却水的输入温度， C1(s)表示 的输出温度， Ct(s)表示 箱中冷却水的输出温度。二次回路中的输入输出函数如下所示： 根据二次回路的稳态，输出 Ct(s)近似等于输入 Rt(s)。因此，主回路的输入输出函数可表示如下： 在此 早期的研究表明， h。传递函数 G1(s） 为 传递函数 Gp(s)为 对于简单的闭环系统 容易消除它的稳态误差。然而，根据方程式 (2)和（ 3)， 温度的收敛率从开始到稳态变慢，因为 和 的延迟。而且，很难获得 为 和 的扰动。在定态的状态之下，由于 的作用， 当瞬时温度变动超过冷却水温度 ， 的温度变动超过 。需要几个控制周期才达到下一个稳定状 态。因此介绍 行串联控制结构 图 4是扩展的 个图省略了操作系统 ，在系统的框中确定了主要组成环。与 比较，也有两个控制环和两个控制器。一个是 一个是结合处冷却水温度的副环。它们之间的不同是主控制对象和副控制对象之间是并行的。 副控制对象的输出不是主控制对象的输入。在这个系统中， 控制运算法则是主要的控制器根据 和 之间的偏差决定一个新的冷却水的最佳温度值。然后辅助的控制器中的控制运算法则依照 和 之间的偏差计算 控制环 是一个慢的控制环。控制环 是一个快速控制环，它过去一直快速的预测结合处的冷却水最佳温度值。当 合处冷却水的温度就是最佳温度。这个最佳温度将会保存为一个常数。从扰动抑制的观点看，根据前馈控制相同的原则来控制辅助环。他们之间的不同是扰动必须是可测量的前馈结构，而 图 5 显示了上面提到的并行串联控制系统的详细原理图。在下面的图表和方程式中， 代表结合处冷却水的传递函数， 代表副控制器的传递函数。代表辅助环测量装置的传递函数， 代表结合处冷却水的输入温度，代表结合处冷却水的输出温度。 副环的输入输出的传递函数如下： 在副环的稳定状态下，输出 和输入 近似相等。所以主环的输入和输出的传递函数可以简化为： 比较方程（ 2）（ 3）和（ 7），我们可以得出扰动 和延迟时间常数从主环分离，只有扰动 和延迟时间常数 仍在主环内。所以辅助环获得了物理结构中互相延迟和互相扰动的分离，且隔离了主控制对象的非线性，互相延迟和互相扰动的影响。这种结构也控制器设计的困难。即使冷却水有温度的 变动，他也能通过副控制器补偿。因此， 的温度控制可具有高精度和快收敛率。 4 非线性比例积分算法 为了进一步提高系统的收敛率和精确度，一种具有非线性 法的二重输入 和二重输出智能控制器被设计出来，如图六所示。 结合处冷却水的温度偏差 都是控制器的输入端。控制器的输出端是 面冷却水温度值和结合处最佳冷却水温度值 。 控制器里嵌有智能算法。它包括两级且根据理想的动态响应分为五个控制阶段。高级算法决定从我们先前介绍的五个阶段中选择 10。非线性 法在低级算法 中使用，它将在后面的段落中介绍。 考虑到温度控制系统的相互扰动特点， 法代替了不同比例积分算法（ 因为不同项目将引起高频率振动和增加系统稳定性误差。 图七显示了非线性 法的原理图，在接下来的图表和方程中， 代表 代表结合处最佳冷却水的温度值， 代表 制法 对的影响， 代表 制法 对 的影响， 代表 制法 对 的影响，代表 制法 对 的影响， 和 代表数据融合系数。 控制算法可以被描述如下： 其中 i=1， 2， j=1， 2， 是基 本不相关的增加的 制算法： 其中， 代表比例系数， 代表积分系数， 代表取样结果， 和 分别代表在 k 时刻的控制输出， e（ e（ k）分别代表（ 数据混合系数由已有的规则得出。详细规则如下： 其中 代表由 温度的的稳态误差决定的偏差值， 代表由 温度的暂态误差决定的扰动值， 代表由结合处冷却水温度的稳态误差决定的偏差值，代表由结合处冷却水温度的暂态误差决定的扰动值。 根据已有的规则和控制过程的输入信息，可以获得十六种不同 的算法。根据输入数据控制器可以灵活的选择任何一种算法。这不仅能提高算法的适应性和收缩率，还能增强系统的稳定性和反干扰能力。 5 实验验证控制结构与算法 如图 8 所示，建立了一个实验平台来验证该方法的有效性，其中包括一个仿制度传感器，温度测量系统， 程计算机，隔热室，光源等。仿制的 L 具有相同的温度特性。隔热室模仿光刻表面隔离热的作用。用一个 20个温度传感器具有高精度的负温度系数， 的校准精度是用来检测 的温度，结合处冷却水的温度和热隔离室外环境的温度 。 温度测量系统由 1590 模型超温度计和一个具有 分辨率的扫描器组成。 精确度。工程计算机上具有智能算法。 用四个实验来检测控制系统和算法：（ a）是用开环结构，（ b）使用具有 法的 c）使用具有 法的 d）使用具有非线性 法的 这些试验中理想的 度是 22，非线性 法的参数是： 是 是 是 实验结果如图 9 所示。图 9（ a）展示了开环结构的温度曲线。正如图 9 所示，的温度在 定且没有达到 置的 22 用闭环系统是非常必要的。图 9（ b）显示了使用闭环系统 0 小时后代到了稳定。图 9（ c）显示了温度收敛比图 9（ b）快，但 温度的精确度并没有得到很大的提高。图 9（ d）显示了具有非线性 法的 统的温度曲线。它只用了 时达到了 稳定。即使外部温度 在内摆动， 的温度仍可以达到 的稳定性。很明显新的方法大大的增加了收敛率，精确性和抗干扰能力。 6 结论 通过使用闭环交互系统可 以提高光刻 过分析和实验揭示了具有 法的 统具有预测和滚动最优的能力。它在收敛率，控制精确性，抗干扰能力方面比开环结构和闭环 好。它用于光学领域生产 100具。经过简单的改进，它也可以控制其他的需要远程遥控的非直接温度控制，尤其是侵入液体的侵入式光刻等复杂对象的温度控制。 参 考 文 献 简 介 聂宏飞，生于 1978 年，目前是中国华中科技大学机械科学和工程学博士。他的研究包括高精度温度控制，先进的工艺控制等。 李晓平，生于 1966 年，目前是中 国华中科技大学科学与技术学院教授。他于 1992年获得华中科技大学机械科学和工程学硕士。他主要研究是光学刻录工具的电子控制。 何艳，生于 1979 年，目前是中国上海大学天华学院的一名老师，她于 2004 年获得武汉大学机械工程硕士。它的主要研究是先进工艺控制。 附件 2：外文原文
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