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光学平台彻底改善光学系统性能

导读: 光刻及半导体工业目前正处于一个紧要关头。32nm节点在不久的未来即将实现,而下一代用于在硅晶片上刻划更小的、亚30nm尺度的方法还有待研究。IBM公司Almaden研究中心的研究人员正利用其“NEMO”干涉浸没光刻测试装置对该领域进行探索。然而,为了提高光学成像的极限,该装置必须在极为稳定的环境下工

作者:Warren Booth


光刻及半导体工业目前正处于一个紧要关头。32nm节点在不久的未来即将实现,而下一代用于在硅晶片上刻划更小的、亚30nm尺度的方法还有待研究。IBM公司Almaden研究中心的研究人员正利用其“NEMO”干涉浸没光刻测试装置对该领域进行探索。然而,为了提高光学成像的极限,该装置必须在极为稳定的环境下工作。

2006年初,IBM收到了Newport公司开发的新型智能阻尼(iQ)光学平台,当时世界上只有五家买主收到该系统。这一用于支持NEMO的光学平台包括常规的气动地面隔离以及用于提供弯曲稳定性的闭环主动阻尼。刚刚获得的实验结果显示:iQ技术在低频、中频以及高频的振动阻尼可以高达22dB,比传统的被动阻尼系统提高了10倍,并且非常经济高效。因此iQ技术可在更多实验室获得广泛应用,从而将光学准直、成像、设计以及测量提升到一个新的水平。
 


图1. 光学平台共振包括刚体(最低模式)振动以及弯曲(更高模式)振动。刚体运动对大多数光学应用而言影响很小(延迟线是个例外),而弯曲模式——特别是中频段的弯曲模式会对那些较为灵敏的应用产生显著影响。

振动阻尼
被称作SmartTable的主动振动控制平台的制造从对光学平台的动力学性质进行分析开始,该性质由动柔量表征。动柔量是动挠度与动力的比值,它是频率的函数。自由刚体的动柔量与频率的平方成反比,在对数坐标系中由一条直线表示。对动柔量进行绘图可以很方便地估计平台实际行为与刚体行为的差别。最近的研究表明:光学平台的设计受到三个分离的频段(低频、中频及高频)影响,并且最高频率可达几千赫兹。

光学平台的桌腿中装有气动单元,它与平台的材料及设计相结合可以减少环境中的物体(例如人员走动、建筑物内其它设备以及行驶的汽车等)造成的大幅度低频振动。这些外部力会使平台发生刚体运动,这种运动本质上是2维的并且对大多数光学实验不会造成影响。在千赫兹频段的高频振动也不会明显地影响平台的稳定性。然而,造成光学平台表面弯曲的中频共振及弯曲振动会对光学实验的准直造成极大影响(见图1)。

弯曲振动形成的共振通常是由平台表面的负载及环境扰动造成的,典型频率为100~500Hz。可以通过两种方式控制这些振动:使用重调节或宽带阻尼单元对平台进行调整,或者用主动阻尼以抵消现有的弯曲频率。直到最近,调整及宽带方法还是对光学平台共振频率进行衰减的唯一可行途径。但这种方法的问题在于共振频率带会随平台上负载物体的改变而发生变化;此外,另一个缺点是随后的实验可能需要一个不同的(并且未被补偿的)调整区。更好的解决方案是建造一种能够实时感应现有的振动频率、主动对其进行补偿并且不会引入不稳定性的光学平台。

智能阻尼
SmartTable系列光学平台的设计从传统光学平台入手,但不同之处在于:为了达到主动阻尼,平台装有两个iQ阻尼器。当阻尼器与iQ电子控制设备相连接时,电子控制设备就可以确定平台的共振频率,从而使阻尼器能够以较高的动态范围(约为106量级)消除100~500Hz的有害平台共振。这样宽的动态范围使该平台适合在多种现实振动环境中应用——从安静实验室中每秒亚微米振动到半导体制造车间中每秒近毫米的振动。
 


图2. 必须将增益因子k1及k2控制在恰当水平以使阻尼最大并且避免反馈。

必须对主动阻尼进行精心控制以确保反馈不会导致系统不稳定(类似于将麦克风放得离音箱太近时出现的情况),同时还应当确保获得最大的衰减。首先,来自各个嵌入传感器的模拟信号沿着各自的通道进入前置放大器及带通滤波器,这样在进入数字控制器前可以对其进行调整。控制器驱动递归滤波器以补偿制动器的动态响应,并且对相位进行矫正以确保所需频段的位移与力的相位差接近-。这实际上在该频段模拟了粘性阻尼器的行为。
控制器的控制功能包括增益因子k1及k2,它们定义了阻尼性能与系统稳定性之间的折中(见图2)。通常需要使这些增益足够高以获得最大阻尼,从而减小振动。然而,如果增益太大,反馈系统将变得不稳定。最佳增益值取决于负载结构。对于给定的稳定性余量,要想通过解析的方式确定最佳增益值,需要对整套装置(光学平台及负载)以及控制电路建模,这是不切实际的。即使可以建造这种模型,但由于传感器灵敏度及控制器马达常数的变化,以及力学参数和电子元件参数的变化,k1与k2的最佳调节值也会发生变化。

为了克服这一障碍,研究人员采用一种简单的方法对闭环增益进行自适应调节。调节过程分为以下步骤:首先,打开第一路控制通道,关闭第二路。第一路增益保持上升,直到控制器探测到不稳定现象出现为止。然后,增益下调至稳定区。由于采用了等分收敛搜索的方式,这一步将变得更为精确。将增益值存储起来后,对第二路信号重复以上步骤。最后,将两路通道全部打开,使增益正比于存储值上升,直到至少一路通道探测到不稳定现象为止。此后,两路增益值成比例逐步减小,直到两者均处于稳定区。

研究人员同样对该过程采用等分法以提高精度。此外,还要使最终的增益值留有一定的安全系数。反馈环中的宽带滤波器执行控制定律。控制定律可以在工作频段内模拟粘性阻尼器的行为。反馈增益受到上述稳定性需要的限制,不能太大。自动调整的第二部分通过并行使用额外的主共振频率附近的窄带滤波器,可以提高效率并减小信号滤波的副作用。这些窄带滤波器起到移频式动力吸振器的作用。通过分析系统对随机振动的响应,控制器可找出自然频率。采用类似上述增益上升的方法对窄带滤波器的相关增益进行调整,整个自动调整过程由控制固件自动执行并在几秒钟内完成。

自变换量程
为了维持高的信噪比,SmartTable控制系统基于反馈信号均方值可以实现自变换量程。通过驱动将前置放大器设置在所需值的信号,可以实现前置放大器的增益开关。开关方式并不会改变噪声的信号参量、相位及带宽,仅仅会使增益发生变化。低噪声的前置放大器是确保获得高的电信噪比的关键。如果反馈信号已经处于最低增益但仍然背离所需的限制条件,这时系统处于所谓的“振动过载”状态。使用前置放大器中信号限幅探测器生成的误差信号同样可以探测到振动过载状态。使用者会收到振动过载状态通知。然而系统仍然可以在振动过载状态下工作,尽管效率可能会有所差别。

SmartTable iQ系统核心的频率传感技术还有一个优点:控制单元可以通过USB接口与个人电脑通信。这可以显示平台随时间或频率的振动状况,从而有望提供光学系统的额外实验信息。系统配备的软件令使用者不仅可以改变控制器的设置,还可以采用时间或频率格式采集、显示以及存储振动数据。

与定制的调节系统相比,具有自适应调节功能的光学平台质量轻、造价低,其实时阻尼能力可以提供更好的稳定性。此外,它还可以对平台的振动频率进行监测并进行数据采集。

实例研究:浸没光刻
在芯片制造业中,制造一片典型的计算机处理器或存储器芯片需要几十个光刻周期,包括光刻胶曝光(其中投影光学元件将芯片图案成像到半导体晶片上)、显影、刻蚀以及沉积。多年以来,芯片制造业朝着更小电路线宽的方向发展——通过使用更短波长的光、具有更高数值孔径(NA)的透镜,以及最近在末级透镜以及硅晶片之间插入液体(这可以进一步提高数值孔径),可以制造出更小、更快、更便宜的电子元件。
 


图3.NEMO产生的槽宽小于30nm(28.5~29.9nm)的光栅像(俯视图)。

直到目前,人们还不清楚芯片产业是否会对这种光学浸没技术继续改进以获得小于32nm的精细线宽。此外,人们正计划研究另一种迥然不同的制造方法:使用软x射线(也被称为极紫外光)以及特异镜以取代常规的激光以及透镜。该方法价格高昂,可行性还有待证明。此外,由于何时可以采用这一技术制造芯片仍然是个未知数,因此芯片产业需要将现有的光刻技术进行最大限度的改进。

为了探索193nm波长光学浸没光刻技术的理论极限,IBM公司开发了NEMO系统。该工具使用两束相交的激光产生干涉图案,其间距小于现有芯片制造装置所能达到的水平。SmartTable振动控制系统能够感应周围环境及实验自身造成的低频、中频及高频振动,因此有助于NEMO获得具有世界领先水平的性能。该平台使用制动器对这些振动进行主动补偿(与自适应光学系统的工作方式相似,自适应光学系统将闭环反馈与反射镜制动器阵列相结合,可以确保光波前无像差)。

IBM公司Almaden研究中心光刻材料主管Robert Allen及其同事获得的实验结果有助于改写关于光刻技术未来的预言。NEMO光刻系统可以产生宽度小于30nm的等间隔排列的线,这比半导体工业现有的显微光刻制造水平的三分之一还要小(见图3)。Allen称:“我们的目标是最大限度地改进现有的光刻技术,因此芯片产业不需要求助于那些代价高昂的方案,除非不得不这样做。到目前为止,我们的结果有力地证明:在对芯片制造技术进行彻底变革以前,该技术还存在一定的发展空间。”

既然现有方案可以改进光刻技术,下一步是研发高折射率透镜材料以拓展商机。在NEMO实验中,透镜和浸没液体的折射率均为1.6左右,而光刻胶的折射率为1.7。未来的研究旨在开发折射率达到1.9的透镜、浸没液体及光刻胶材料。这将使人们能够获得更小的电路线宽。主动振动控制将是这些研究工作必不可少的组成部分。
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