光刻機掩膜臺微動臺調平控制系統設計

（哈爾濱工業大學 航天學院，哈爾濱 150001）

隨著科學技術的迅速發展，集成電路的需求越來越大，其集成度的要求也越來越高。集成電路的發展對人類的生產生活產生了日新月異的深遠影響。在集成電路飛速發展的過程中，大規模集成電路的制造與生產技術起了至關重要的作用。光刻機作為大規模集成電路的制造設備，通過曝光和顯影工序把集成電路光刻掩模版的版圖圖形轉移到光刻膠上，然后通過刻蝕工藝再轉移到基片（如硅片）上，在基片表面生成微、納米尺度的集成電路圖形層[1]，從而完成集成電路的制造。光刻機掩膜臺作為光刻機重要組成部分，其調平控制對集成電路的生產品質至關重要。本文設計的三自由度掩膜臺控制系統利用電感傳感器和數據采集卡采集的數據，通過DSP處理器實現控制算法對數據的處理，經由驅動模塊完成對掩膜臺的調平控制。該三自由度掩膜臺控制系統應用于國家重大專項02專項子項目“雙工件臺系統樣機的研發”的研制實驗中，并達到了其準確性、穩定性和快速性的性能要求。

1 控制系統總體設計方案

整個控制系統由控制模塊、信號采集模塊、驅動模塊、傳感器和執行機構組成，總體控制系統結構如圖1所示。

圖1 總體控制系統結構框圖Fig.1 Overall control system structure

控制模塊中，主處理器和協處理器分別采用TMS320C6414和EP2S60F102014N芯片，其中主處理器主要負責數據的處理與控制算法的實現，協處理器是一款FPGA，用于接收和發送數據。數據的接收利用自定義RS422協議實現；數據的發送由FPGA經由并串轉換芯片CY7B923和光纖接口收發芯片HBR5302構成的光纖發送模塊實現。

執行機構采用3個位于同一平面的音圈電機，用于實現掩膜臺的調平控制。音圈電機具有高頻響應、精度高、直接驅動等優點，因而被廣泛應用于小行程但高精度的各類系統之中。

信號采集模塊中采用AD7663對傳感器采集的模擬信號進行處理，并通過FPGA芯片，將數據通過RS422串口協議傳送給控制模塊。考慮到對掩膜臺微動臺平面進行控制，安裝3個傳感器，由3塊信號采集卡分別采集數據。

傳感器模塊主要采用瑞士Baumer公司高精度的電感傳感器對各平面對應點的上下位移進行測量，并傳輸給信號采集模塊進行數字化處理。

2 硬件系統設計

2.1 傳感器模塊

位移傳感器采用瑞士Baumer公司的IWFM系列電感傳感器。該傳感器由探頭和基座2部分組成，如圖2所示，探頭固定在掩膜臺體上，基座位于掩膜臺微動臺上，共有3組，測量臺體3點的位移。

同時，需要對傳感器模塊進行標定，根據微動臺行程選取合適的線性區間作為行程區間。標定設備采用PC機、信號采集卡和三維運動平臺，三維運動平臺可向指定方向以1 μm步進運動。如圖3所示，在整個測量范圍中，位置區間［3 000，4 000］mm范圍內線性度較好，滿足測量品質要求。

圖2 微動臺結構示意Fig.2 Micropositioner structure diagram

圖3 電感傳感器位置-AD量曲線Fig.3 Position-AD data diagram of inductive sensor

選取區間［3 000，4 000］mm進行曲線擬合，用于實現數字量與對應位置的轉換，如圖4所示。

圖4 電感傳感器標定曲線Fig.4 Calibration diagram of inductive sensor

擬合結果：

2.2 信號采集模塊

信號采集模塊共包含3塊信號采集卡，分別采集3個音圈電機位置數據，信號采集卡的設計方案如圖5所示。電感傳感器輸出模擬電壓范圍是0 V～10 V，信號經過二階低通濾波之后再由AD7663芯片轉換為數字信號，傳輸給信號采集卡的FPGA，并通過FPGA中自定義通信協議打包數據。

圖5 信號采集過程示意Fig.5 Process of signal acquisition diagram

由于傳感器和信號采集卡周圍環境復雜，為保證傳感器輸出的模擬信號的品質，在信號采集模塊輸入端添加二階壓控低通濾波器。考慮到傳感器信號指標和噪聲頻率范圍，設計二階低通濾波器截止頻率為500 Hz，利用Multisim軟件設計原理圖和仿真波特曲線分別如圖6和圖7所示。仿真結果滿足設計要求。

圖6 濾波電路原理Fig.6 Filter circuit schematic diagram

圖7 濾波電路波特圖Fig.7 Filter circuit bode diagram

信號采集模塊最重要的一個功能就是對采集的模擬信號進行數字轉換。這里使用 ANALOG DEVICE公司的AD7663芯片作為信號采集模塊的AD轉換芯片。AD7663芯片是一款高速16位的數模轉換芯片，單極模擬輸入電壓包含0 V～10 V，支持并行數據傳輸接口，滿足光刻機掩膜臺三自由度控制系統準確性、快速性的指標要求。因而采用AD7663作為信號采集模塊的數模轉換芯片進行高速的數據采集。

信號采集模塊中采用Altera公司的EP2C5Q208 C8N FPGA芯片對AD7663芯片數字化的位移數據按照自定義通信協議進行打包處理，通信協議規定波特率為57600 b/s，設置每組數據包頭為AA 55及CRC校驗以保證數據傳輸的可靠性，并在電平轉換后經RS422串口協議發送至控制模塊。

2.3 驅動電路模塊

考慮到掩膜臺三自由度控制系統的實時性與快速性的控制要求，需要音圈電機響應迅速、定位精確，因而驅動電路芯片采用International Rectifier公司的IR2130芯片。IR2130輸出電壓Vout為10 V～20 V，開關時間ton/off為425 ns，死區時間Deadtime為2.5 μs，而且該芯片內置運算放大器，可以通過外部電流敏感電阻來提供橋電流的模擬反饋[2]。符合控制系統驅動的指標要求。

3 算法設計與實現

作為光刻機掩膜臺三自由度調平控制系統的核心，控制模塊中信號的處理和控制算法的實現對整個系統的穩定性、準確性和快速性等起著至關重要的作用。掩膜臺作為光刻機的一個控制子系統，需要在整個系統的一個控制周期內完成數據處理、控制算法實現和傳輸指令數據等多個任務過程，這就要求處理器擁有強大的計算能力。考慮到以上要求，控制模塊主處理器采用TI公司的TMS320C6414定點 DSP，其主頻可達 1 GHz，峰值加乘運算速度可達8000次/μs，片內RAM為1024 KB，并且TMS320C6414 EMIF模塊為64 bit，可支持更多外部拓展。雖然TMS320C6414沒有控制電機專用的一些模塊，但其強大的計算和擴展能力使得光刻機掩膜臺調平控制的實現成為可能。同時，為了提升控制系統的邏輯計算能力和效率，采用DSP+FPGA的控制結構，將Altera公司的EP2S60F102014N作為協處理器，使控制模塊擁有更強的靈活性，能夠適應多種類型的外部總線[3]。

控制算法依托于 TI公司的 DSP開發環境CCS3.3實現，CCS系列軟件是一款功能強大應用廣泛的DSP開發軟件，可以開發除了3000系列之外的所有系列DSP[4]。控制系統的控制流程如圖8所示。

圖8 控制系統程序流程Fig.8 Program flow chart of control system

控制模塊的通信機制與數據的傳輸對控制系統至關重要。如圖9所示，控制模塊與信號采集模塊之間通過RS422協議串口連接。為保證系統控制的迅速性與同步性，控制模塊的FPGA通過串口向信號采集模塊發送一個5 kHz的時鐘信號，在每個控制周期的上升沿時刻，信號采集模塊將3組打包好的位置數據分別發送給控制模塊FPGA，再存入雙口RAM指定的地址中。同時，控制模塊FPGA會向DSP主處理器發送一個中斷信號，觸發DSP外部中斷，由DSP外部存儲器接口EMIF發出讀信號ReadSig和地址信號Addr1、Addr2、Addr3，分別選通雙口RAM中3組數據地址，并由數據總線讀出數據，供控制算法使用。

圖9 控制模塊數據傳輸示意Fig.9 Data transmission diagram of control module

由3個音圈電機控制掩膜臺微動臺水平度，控制系統存在著輸入與輸出之間的耦合。一個存在著耦合的系統，由于各回路不能分開獨立考慮，所以回路參數的整定要多次進行，但通常很難得到一個滿意的整定結果[5]。考慮到以上問題，需要對音圈電機的位置與力矩的輸出分別進行解耦設計，以實現最佳的控制效果。如圖10所示，在掩膜臺微動臺上建立空間直角坐標系，通過測量得到圖中所需的各項數據，設 3個電機標號分別為 Z1，Z2，Z3，各電機對應 Z向電感傳感器測量位置為 h1，h2，h3，不難得到各傳感器位置坐標和各電機坐標，由不共線的3點可唯一確定1個空間平面的公理，通過解算空間平面方程可以得到控制掩膜臺微動臺所需的三自由度數據：平臺傾角αx、平臺傾角αy和質心高度hz。

圖10 微動臺坐標系及尺寸標注Fig.10 Coordinate frame and size marking diagram of micropositioner

解算結果如下：

其中，M行列式值為

掩膜臺微動臺位置數據經過位置解耦之后，采用改進的PID算法進行整定，并輸出控制量對音圈電機進行控制。在微動臺上單自由度運動是依靠多個電機配合實現的，因此在控制方法上需要先對控制命令進行解耦，轉換成每個電機需要施加的力，再控制電機完成對臺體運動的控制[6]。為保證精確控制的要求，需要對系統控制力矩輸出進行解耦設計。如圖10所示，采用與位置解耦相同的空間坐標系。Z1，Z2，Z33個音圈電機的力矩表達式為

將3個音圈電機力矩按3自由度解耦，得到3個音圈電機解耦后的出力表達矩陣為

4 實驗測試及結果

實驗對整個系統上電，使之正常工作。掩膜臺微動臺三自由度：平臺傾角αx、平臺傾角αy和質心高度hz分別位于給定位置0 rad、0 rad、3.5 mm處。為驗證整個系統的穩定性、快速性和準確性，對微動臺施加一個外界脈沖擾動，響應曲線如圖11～圖13所示。

通過實驗曲線，可以得到系統在受到外界擾動之后，調節時間小于1 s，Z向穩態誤差控制在1 μm以內，αx，αy穩態誤差控制在10-5rad范圍內，各項指標均滿足設計要求。

圖11 微動臺Z向響應曲線Fig.11 Z axis response diagram of micropositioner

圖12 微動臺αx向響應曲線Fig.12 αxaxis response diagram of micropositioner

圖13 微動臺αy向響應曲線Fig.13 αyaxis response diagram of micropositioner

5 結語

本文針對光刻機掩膜臺微動臺調平問題，設計了以TMS320C6414芯片為主控制器，EP2S60F102014N為協控制器的掩膜臺微動臺三自由度調平控制系統，應用改進PID和解耦控制算法實現三自由度的調平控制。實驗數據表明該控制系統滿足穩定性、快速性和準確性的要求。

[1] 周輝，楊海峰.光刻與微納制造技術的研究現狀及展望[J].微納電子技術，2012，49（9）：57-62.

[2] 劉麗麗.音圈電機位置伺服控制系統的研究[D].黑龍江：哈爾濱工業大學，2010.

[3] 杜威.專用多軸運動控制卡及其控制算法的研究[D].黑龍江：哈爾濱工業大學，2012.

[4] 萬明山.TMS320F281X DSP原理及應用實例[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[5] 馬平，楊金芳，崔長春，等.解耦控制的現狀及發展[J].控制工程，2005，12（2）：97-100.

[6] 呂晨.雙工件臺系統的運動和測量系統解耦算法研究[D].黑龍江：哈爾濱工業大學，2012.