投影光刻机微环境控制关键技术

机械学院科研进展简报

2016年第1期（总第19期）

编辑：科研管理科                        日期：2016年2月20日

投影光刻机微环境控制关键技术

一、项目背景

投影光刻机是集成电路制造的最关键设备之一，其性能直接决定所生产集成电路的特征线宽。随着线宽的减小和套刻精度的不断提高，无论是干式投影光刻机，还是最先进的浸没投影光刻机，温度、气压、净化等环境参数均是影响性能的关键因素。投影物镜是投影光刻机实现成像质量的核心部件，该性能容易受到投影物镜温度、内部气压的影响。浸没光刻机是从干式投影光刻机发展而来，其成像质量不仅受到投影物镜温度、内部气压的影响，而且受到浸液温度的影响。准分子光源为投影光刻机提供曝光所需的准分子激光，其性能在激光产生、传输、照明和成像过程中容易受到温度、气压等影响。

华中科技大学制造装备数字化国家工程研究中心李小平研究员主持的GET创新团队与上海微电子装备有限公司长期合作，从事干式投影光刻机投影物镜温度、气压控制技术的研究；与浙江大学合作，共同研究浸没光刻机的浸液供给与控制技术；与中国科学院光电研究院合作，共同研究准分子激光器的温度和气压控制技术。在投影光刻机微环境技术领域，承担国家科技重大专项项目3项，申请国内发明专利15项，其中授权国内发明专利8项。

二、投影物镜温度控制技术研究及应用

投影物镜工作状态下，其温度和气压的波动将引起空气折射率的改变和结构硬件的应力变形，从而增大像差和恶化成像质量，该技术研究主要解决干式投影物镜温度控制技术难题，实现投影物镜22±0.01℃的长期温度稳定性，并能抑制投影物镜曝光过程中准分子激光照射的热冲击和其工作环境在±2℃变化下的热干扰。

为了减小对投影光刻机的热影响和振动冲击，加热器和制冷器不允许安装在与投影光刻机的近距离处，对投影物镜的温度控制需要采用冷媒远程控制方式，最远距离要求达到20米。同时为了控制使用成本，温度控制系统要求在非恒温环境中工作。这样环境的温度波动是干扰实现投影物镜22±0.01℃的长期温度稳定性的关键因素之一。另一个关键影响因素是投影物镜参与投影光刻机的成像曝光，曝光过程中投影物镜吸收准分子激光产生热影响，抑制吸收准分子激光的热影响是温度控制物理结构和控制算法需要深入研究的内容。

1．多温度对象的温度控制系统结构原理

温度控制系统由控制器、温度控制单元(TCU)、分流板、集流板、投影物镜水套、管道等组成，如图1所示。控制器由非实时控制器和实时控制器构成，非实时控制器共用投影光刻机的上位机，主要进行数据处理和运行温度控制算法，实时控制器对温度、压力和流量等参数采集和处理。温度控制单元(TCU)由加热器、制冷器、水箱、循环泵和控制器构成，能独立对TCU出口温度和流量进行控制。

图1温度控制系统结构示意图

温度控制系统采用超纯水为媒介，流量恒定、控制温度，再通过热交换方式控制投影物镜的温度，温度控制系统只对投影物镜单一点的温度进行精度控制，投影物镜的温度场控制主要是通过换热结构方式实现。除投影物镜外，投影光刻机内部空气温度需要控制在22±0.1℃，还要冷却工件台、掩模台、硅片传输等系统却电机、控制盒等发热，通过每个温度控制对象采用一个温度控制系统，导致温度控制系统异常庞大，该温度控制系统能对多个温度对象同时实施控制。

TCU中的制冷器采用基于热电制冷的半导体制冷器，由于单个半导体制冷片的功率较小，难以满足TCU对制冷功率的要求。为了获得大的制冷功率需要数量较多的制冷片同时工作，采用独特的结构设计和控制方法，解决了制冷片散热和效率等问题，与压缩机制冷方式相比，具有更好的可靠性、寿命，且不产生振动。

2．抗多重干扰及多重时滞的温度控制技术

温度控制单元与光刻机投影物镜最大距离达到20米，这样循环水冷回路中存在影响投影物镜温控性能的三个因素：多重扰动、多重时滞和大惯性。为此，提出了一种内外闭环控制结构，内部串级控制结构如图2所示，外部并行控制结构如图3所示。串级控制由具有快速调节功能副回路和精确控制投影物镜温度的慢速控制回路组成，副回路不仅具有快速跟踪能力，而且对进入其内部的扰动具有很强的抑制能力。同时，它能屏蔽副控对象的非线性和时滞对主控对象的影响。外部并行串级控制与串级控制结构相比，仍然具有两个闭合回路：主回路为投影物镜内部温度环；辅助回路为投影物镜出水口冷却水温度环Tc。所不同的是，主对象和辅助对象是并行的，辅助变量不作为主变量的输入。

图2 串级控制结构图

图 3 并行控制结构图

将系统从启动到稳定的整个过程划分为5个控制模态，内部包含上下两层算法。上层算法利用智能决策实现多模态的选择和切换，下层算法采用非线性PI算法完成各模态精确控温。根据产生式规则和控制过程信息，得到16种不同的PI算法组合。控制能够灵活选择其中一种算法。这样不仅提高了算法的收敛速度和自适应性，而且增强了系统的鲁棒性和抗扰动能力。

3．温度控制系统结构和算法的验证与应用

该温度控制系统结构和算法得到了实验验证，其验证平台如图4所示，由控制器、温度控制单元(TCU)、分流板、集流板、模拟投影物镜、隔热小室、管道等组成，实现了±0.01℃的温度稳定性控制，如图5所示。该技术成果申请发明专利5项，其中授权发明专利4项,在90nm国产ArF投影光刻机中得到了应用（如图6所示）。

图4 投影物镜温度控制系统验证平台

图5投影物镜温度变化实时曲线

图6 90nm国产ArF投影光刻机

三、浸没投影光刻机浸液温度控制技术研究及应用

浸没式光刻机是目前市场上最主流的高端光刻机，单次曝光可以实现优于38nm的分辨率，多次曝光可以实现优于14nm的分辨率。浸没式光刻机由干式投影光刻机演变而来，通过在投影光刻机投影物镜的最后一个镜片与硅片之间填充浸液实现大于1的数值孔径，提高光刻分辨率。由于浸液直接参与成像，并与投影物镜最后一片透镜直接接触，其温度变化直接恶化投影物镜的成像质量。因此，浸液温度的稳定度要求控制在22±0.01℃。与投影物镜一样，浸液会吸收曝光需要的准分子激光，且浸液温度要求采用远程控制方式，最远距离要求达到20米，易受到环境温度的影响。建立精确的浸液温控模型和相应的温度控制算法是浸液温度控制的关键技术。

1．浸液温度控制系统结构原理

图7 浸没温度控制系统简化原理图

根据浸液温控的技术需求和相关约束，设计了一种调节冷却水通过热交换器的流量控制浸液温度稳定性的浸液温控原理，如图7所示。该原理中在浸液控制回路中嵌入流量闭环回路提升浸液流量，提高温度控制外界抗干扰能力，并采用两级热交换器通过控制冷却水流量方式调节浸液温度。

浸液温控系统和浸没净化与控制系统共同构成浸没控制系统，其结构简图如图8所示。浸液温控系统设计为嵌入式和分布式，没有独立的机柜而是分布在PWS(纯水供给系统)和TCS（传输控制系统）中，同时在浸没单元的的入口设置了温度传感器。采用PFA材质的换热器，采用控制流量的方式来控制温度，避免了对处理后纯水的污染，实现了控制的解耦。通过并联两个伺服流量控制阀（IFC），增大冷却水流量的控制范围，采用两个伺服流量阀平稳切换算法实现高精度流量控制。

图 8 浸没控制系统结构简图

2．温度控制模型建立与控制算法设计

高精度、高稳定性温度控制具有时滞、多扰动和非线性特征，为此提出了一种时滞补偿，扰动抑制的串级控制结构模型（如图9所示），以减小时滞和环境扰动对温度控制稳定性的影响。内环的副控制器主要是由一个积分分离PI算法组成，实现了一个快速调节回路，外环的主控制器主要是由分阶段的PID算法组成，实现了一个对出口温度精确调节的回路。基于该模型提出了浸液温控算法，算法主控制器采用阶梯算法，副控制器采用积分分离PI算法，扰动抑制采用前馈算法，时滞补偿采用史密斯预估算法。基于Simulink对温控算法进行了仿真分析，仿真结果表明：该温控算法能有效补偿时滞，减小超调量，并具有较好的抗干扰能力，提高了浸液温控的稳定性。

图9前馈-串级控制结构方块图

3．温度控制系统结构和算法的验证与应用

图10 浸没控制系统样机照片

图11 浸液温度控制实时曲线图

基于上述结构和控制原理研制的样机如图10所示，由PWS(纯水供给系统)和TCS（传输控制系统）构成，温度控制中的热交换器、流量伺服阀、控制器等安装在PWS中。在该样机上对温度控制系统结构和算法进行了验证，实现了浸液22±0.01℃的温度稳定度（如图11所示）。该技术成果申请发明专利5项，其中授权发明专利2项。

四、ArF准分子激光光源温度和气压控制技术研究及应用

ArF光源为光刻机提供曝光成像用的准分子激光，是光刻机最关键的部件之一。在集成电路制造过程中，由于光刻机主机部件与光源远距离分离放置，光源输出光斑形状等原因，光源输出的准分子激光并不能直接用于成像曝光，而需要通过光路传输系统进行转接。ArF光源包含精密光学元件和较长的激光光路，其整机结构简图如图12所示。光源工作过程中，主振荡腔、功率放大腔等模块均会产生大量的热量，需要进行冷却。线宽压窄模块利用光学元件的色散作用进行波长选择，实现光谱线宽压缩。模块内的光栅对温度变化极其敏感，过大的温度变化会引起光栅畸变，因此需要对线宽压窄模块进行精确温度精度控制，精度要求为±0.2℃/5min。ArF激光器中，最常见失效是精密光学元件性能污染后衰减，因此，保护光学元件免受污染，是延长ArF激光器寿命的关键。目前通用的做法是对含有光学元件的模块（即蓝色模块，也包括线宽压窄模块）进行保护气体填充，模块内气压要高于模块外气压，来实现对光学元件的隔离保护与净化。微正压指标需要精确控制到20mBar±4mBar。在光路传输系统中，同样需要保护光学元件和维护输出光斑的稳定性，对光路气压和流场提出了要求。

图12 双腔结构的ArF光源结构简图

1．ArF光源净化及微正压控制技术

1）复杂腔室结构的气体净化技术

ArF光源多个模块内部结构复杂，气体流道极不规则，ArF激光在各个腔室间传输，紊乱的气流会影响光路的传输性能。光学元件是净化的重要对象，由于各光学元件的大小、角度、位置各异，又成为了扰乱气流的重要因素。因此，如何规划各光学元件周围的气流形式，同时不影响ArF激光的传输性能，并尽量设计较少的净化气体消耗量成为一个技术难点。针对上述问题，通过合理简化内腔仿真模型，调整或删除非重要结构特征，研究不同角度、不同流速的气流对光学元件的净化效果，合理布置进排气口来有效解决该问题。

2）腔体精密微正压控制技术

过大的正压差和气压波动均会导致光路中精密光学元件的面形误差和位置误差，同时也会导致光路上气体折射率的变化。因此，在实现前述光路净化的同时，还需要保证气体的微正压控制。两者相互影响，耦合作用。微小正压差和波动控制的难点在于ArF光源的环境气压的持续变化，腔内的气压要不断地进行控制以保持内外的压差要求；同时，ArF光源各腔室的温度场并不均匀，温度的变化也会带来气压的波动。已有的气压控制技术均不能实现如此小的微正压差和波动控制，因此，研究微正气压控制技术是ArF光源需要解决的重大问题。

压力控制方法采用逐级稳压+毛细管降压的方式，实现精密的微压差控制和多个输出。其中调压阀采用自动调节，采用两级压力调节方式，逐步降低出口压力。在各需要控制的腔体配置精密压力传感器来及时反馈压力值，用于监控压力变化来保持精密微压差。

2．ArF光路传输与控制技术

光路传输系统按激光束走向采用首端供气、末端回气的方式，气流随着光路传输方向进行流动。气流供气采用快充和慢充两种模式。系统开启时采用快充方式，快速净化管道，慢充时需要保证内部微正压的环境。气压控制技术沿用光源微正压控制方案。

光路传输系统的设计传输距离一般为3-20米，同时在各个反射节点上要求镜片方便拆卸清洗，因此合理的密封方式选择也是一项重要的设计内容。为了减少保护气体的消耗量，系统要求有尽量好的密封性。为了兼顾各项需求，系统采用了多样化的密封方式。对于不常拆卸的腔体采用密封垫片的端面密封方式，对于管道的端部转接头采用涨紧套作为密封件，对于需要经常拆卸的端部接口采用O型圈径向密封来实现，其集成装置如图13所示。

图13 光路传输系统装置

3．ArF准分子激光光源温度和气压控制技术应用

为了验证ArF光源温度和气压控制技术方案，设计了相关的验证实验。在温度控制方案验证实验中，采用一个带PTC加热器的圆柱形腔体模拟光源中的发热腔体。通过实验测得温度控制指标能达到22.05±0.2℃/5min，其实验效果如图14所示。在气压控制方案验证实验中，采用一个圆柱形空腔模拟光源中的腔体，同时在回气端安装节流阀来模拟大气压的波动。通过实验测得压力控制指标能达到20.3mBbar±1.1mBar，其实验效果如图15所示。

图14 温度控制方案实验结果

图15 微正压控制方案实验结果

（供稿：李小平）

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编者语：

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