集成电路光刻机精密运动台控制方法

集成电路的持续发展推动了信息技术的进步。步进扫描式光刻机是集成电路装备中

技术难度最高、价格最昂贵的关键设备。其中，精密运动台是光刻机最为核心的子系统之一，

高速、高加速和高精度的要求对控制方法的研究和应用提出了挑战。文中对集成电路光刻机

中精密运动台的控制方法进行了综述。首先，介绍了面向光刻机工件台或掩模台单一运动台

的前馈反馈复合控制方法；其次，介绍了工件台和掩模台的同步控制方法；最后，介绍了运动台

的主动减振控制方法。

０引言

集成电路（ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ，ＩＣ）领域的不

断发展，为信息时代的技术进步提供了坚实基础。

依据ＩＣ行业的摩尔定律，ＩＣ集成度大约每３年提高４倍。这离不开众多ＩＣ装备起到的关键支撑作用，尤其是光刻机，是ＩＣ装备中技术难度最高、价格最昂贵的核心设备。对于世界上最高端的步进扫描式光刻机，目前仅有荷兰ＡＳＭＬ公司、日本Ｎｉｋｏｎ公司和Ｃａｎｏｎ公司能够量产，并垄断了高端光刻机市场。

光刻机内部结构如图１所示。

光刻机主要由光源和照明系统、投影物镜系统和运动台系统等分系统组成。其中，运动台系

统是光刻机最为核心的分系统之一，依据功能可分为承载掩模的掩模台和承载硅片的工件台两部

分。光刻机运动台系统是光机电一体化的产物。

工件台模型如图２所示。

工件台由粗动和微动两部分组成，并且使用亚纳米级精度的激光干涉仪作为位移传感器，使

用精密运动控制技术可实现亚纳米级运动精度。

在光刻机的扫描曝光过程中，光线通过照明系统照射到画有电路图形的掩模上，掩模台和工

件台沿事先规划的运动轨迹加速运动到曝光位置，在高速运动的同时把掩模的图形通过投影物

镜曝光在涂有光刻胶的硅片上，完成一个曝光场的曝光。然后工件台移动到下一个曝光场，重复

上述曝光动作，直到完成整个硅片上所有场的扫描曝光。在光刻过程中，需要对运动台系统进行

精密运动控制，才能在所有曝光场实现快速且精密的曝光。

在光刻机中，由于曝光过程是在高速运动中完成的，其扫描和定位精度直接影响曝光的成像

质量和套刻精度，因而要求扫描和定位精度要达到纳米级。此外，运动轨迹的加速度和速度直接

影响着光刻机产率，因此对运动台加速度和速度等运动指标有极高要求。通常，高速、高加速和高

精度三者是相互矛盾的，同时追求运动指标和精度指标，提升光刻机的曝光质量和产率极具挑战

性，也对精密运动控制方法提出了更高的要求。

１前馈和反馈结合的复合控制

１．１两自由度控制结构

光刻机运动台系统是多输入多输出（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ－ＩｎｐｕｔＭｕｌｔｉｐｌｅ

－Ｏｕｔｐｕｔ，ＭＩＭＯ）系统，在进行高精度运动控制时，首先需要对多个物理

轴和逻辑轴进行解耦，将其转换为若干个单输入单输出（Ｓｉｎｇｌｅ－ＩｎｐｕｔＳｉｎｇｌｅ－Ｏｕｔｐｕｔ，ＳＩＳＯ）系统，然后对每个运动自由度的控制器进行独立设计。对于每个运动自由度普遍采用前馈与反馈结合的两自由度复合控制方法，其控制结构如图３所示。

两自由度控制结构包含一个反馈控制器Ｃｆｂ和一个前馈控制器Ｃｆｆ。前馈控制器具有超前特

性，可以利用参考轨迹的已知信息实现运动台对运动指令的快速跟踪，改善动态响应，缩短稳定时间。反馈控制器是基于跟踪误差设计的，其目的是稳定运动台系统，并提供扰动抑制能力及鲁棒性。

１．２迭代学习控制

在典型的前馈控制技术中，光刻机运动台被控对象的逆模型被用于构建前馈控制器。

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