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畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )外文資料翻譯 學(xué) 院： 機(jī)械工程學(xué)院 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)老師： 附 件： 指導(dǎo)教師評(píng)語： 簽名： 年 月 日 附件 1：外文資料翻譯譯文 光刻投影鏡頭多閉環(huán)溫度控制系統(tǒng) 聶宏飛 1，李 曉 平 1，＊ ，何 艷 2。 1國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，數(shù)字制造裝備與工藝，華中科技大學(xué) ,武漢 430074， 中國大學(xué) 2天華 學(xué)院，上海師范大學(xué)，上海 201815，中國 2008 年 5月 27 日 收稿 ； 2009 年 1 月 8日 修 訂； 2009 年 1月 22 日定稿； 2009 年 2 月 6 日 電子 出 版 摘要： 圖像質(zhì)量是光學(xué)光刻工具的最重要指標(biāo)之一， 尤其易 受溫度 、 振動(dòng)和投影鏡頭（ 染 的影響 。本地溫度 控制的 傳統(tǒng)方法更容易引入振動(dòng)和污染， 因此研發(fā)多閉環(huán) 溫度控制系統(tǒng)來控制 部 溫度，并隔離振動(dòng)和污染 的影響 。一個(gè)新的遠(yuǎn)程間接 溫度 控制（ 案 ，提出了 利用 冷卻水 循環(huán)完成對(duì) 間接溫度控制 。嵌入溫度 控制 單元（ 的 加熱器和冷卻器 用于控制 冷卻水的溫度 ，并且， 須遠(yuǎn)離 避免震動(dòng)和污染的影響。 一種包 含 一個(gè) 內(nèi)部 級(jí)聯(lián) 控制 結(jié)構(gòu)（ 一個(gè)外部 并行 串 聯(lián) 控制 結(jié)構(gòu) （ 新 型 多 閉環(huán) 控制結(jié)構(gòu) 被用來 防止大慣性， 多重遲滯 ， 和 統(tǒng)的多重干擾。 一種非線性比例積分（ 算法應(yīng)用，進(jìn)一步提高收斂速度和控制過程 的 精度。不同的控制回路和算法的對(duì)比實(shí)驗(yàn) 被用來驗(yàn)證對(duì)控制性能的影響。 結(jié)果表明，精度達(dá)到 規(guī)格 的 多閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)收斂 率快 ，魯棒性強(qiáng) ，自我適應(yīng)能力好。 該方法已成功地應(yīng)用于光學(xué)光刻工具，制作了 臨近尺寸 （ 100 納米的 模型 ，其 性能 令人滿意。 關(guān)鍵詞： 投影鏡頭，遠(yuǎn)程間接溫度串級(jí)控制結(jié)構(gòu)，并行串 連 控制結(jié)構(gòu)，非線性比例積分（ 算法 1 簡 介 由于集成電路縮小，更小的臨界尺寸（ 求，生產(chǎn) 過程 的控制越來越嚴(yán)格。作為最重要的制造 工藝 設(shè)備，先進(jìn)的光學(xué)光刻工具需要更 嚴(yán)格 的微控制環(huán)境 [1]， 如嚴(yán)格控制其溫度 、 潔凈度 、 氣壓 、 濕度等 。 溫度波動(dòng)，特別是導(dǎo)致圖像失真 和 平面圖像轉(zhuǎn)變，成為 了 光學(xué)光刻工具對(duì)圖像質(zhì)量影響的 一個(gè) 關(guān)鍵因素。投影鏡頭 (的 溫度 精度要求一個(gè)光刻工具 在接近 制造 一個(gè)小于 100 模型 。另外 需要 部溫度 收斂 率 快 以降低光刻技術(shù)的所有權(quán)（ 的成本 . 然而，實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo) 是 一個(gè)很大的挑戰(zhàn)，因?yàn)榧訜崞骱屠鋮s器 控制溫度 要求操作遠(yuǎn) 離 ], 否則其性能 將被它們的 振動(dòng)和 污染 所破壞 。另一個(gè)原因是， 部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，它 包含數(shù)十個(gè)鏡頭 ， 會(huì)導(dǎo)致幾個(gè)小時(shí)慣性，所以 部的溫度反應(yīng)相當(dāng)緩慢， 并 需要 很長時(shí)間去調(diào)整適應(yīng) 。 因此，一個(gè) 新的結(jié)構(gòu)和控制算法 是 部 溫度 控制的必要和重要部分。 許多溫度控制結(jié)構(gòu) 已經(jīng)被提出了。 著名的經(jīng)典 方法之一是被 廣泛應(yīng)用于 簡單或低精度 溫度控制 系統(tǒng)的 單閉環(huán)回路控制 結(jié)構(gòu) 【 3】 。當(dāng)被控對(duì)象變得更加復(fù) 雜或 產(chǎn)生分布式干擾 時(shí)， 串級(jí)控制結(jié)構(gòu)（ 的 提出改善 了 精度和收斂 率 【 4， 5】 。預(yù)測(cè)前饋控制結(jié)構(gòu)已被證明具有更好的 滯后 系統(tǒng)性能。另一種有效的方法 ， 并行串級(jí)控制結(jié)構(gòu)（ 也 開發(fā)了具有 延遲 分布 式干擾的系統(tǒng) 。但 是 上述使用方法，很難實(shí)現(xiàn) 制的 高精確度和 快 收斂 率 。 在此， 本文 提出了一種新的方法，即多 閉 環(huán)溫度控制 系統(tǒng)，含有一個(gè)內(nèi)部 文 大致分為四個(gè) 部分。 第一部分解釋了一個(gè) 遠(yuǎn)程 間接溫度控制方法的應(yīng)用。 第二部分 是一個(gè) 多 閉環(huán)回路 溫度控制結(jié)構(gòu) 的分析。 第三部分，一個(gè)雙進(jìn) 雙出非線性比例積分（ 法 的提出用來提高控制過程的收斂速度和精度。 在文章的最后一 部分 ，對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性 這種顯示 ，最后，給出了 結(jié)論。 2 遠(yuǎn)程間接溫度控制方法 為了防止 震動(dòng)和污染影響 一個(gè) 遠(yuǎn)程 間接溫度控制 的方法被提出來控制 部溫度 。 不同于傳統(tǒng) 的 直接加熱和冷卻控制對(duì)象 的方法 ，它 借助于冷卻水和冷卻套間的熱交換使 部溫度恒定。 冷卻水通過長距離管道由 送 至冷卻外殼。 水箱 、 溫度傳感器 、 溫度控制器 、 加熱器 、 冷卻器 和 泵 組成。 它用于 調(diào)節(jié)冷卻水的溫度以達(dá)到需求值 。 光刻工具放置在不同的潔凈室，如圖 1 所示 。 理論上，這種方法屬于開 環(huán) 結(jié)構(gòu) 。除了 他光刻技術(shù) 的部分 ，如晶圓 階段 、 標(biāo)線的階段 、 標(biāo)線交接 、 晶圓移交等， 都在操作時(shí)產(chǎn)生熱量 。 的 冷卻水還用 于冷卻光刻技術(shù)的其他部 件 。 循環(huán)系統(tǒng) 回收冷卻水 ， 節(jié)省最大能量 ， 是 很必要的。圖 1展示了 包括 離器、冷卻 套 和管道 的循環(huán)系統(tǒng)。從 儲(chǔ)水 中抽出冷卻水 通過管道和 分離器進(jìn)入冷卻套 ，最后通過合成器 、 管道和 冷卻 器流回儲(chǔ)水箱 。 對(duì)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的分析 表明了影響 度的 三個(gè) 主要因素 ： 干擾多，遲 滯多， 還有 慣性 大 。干擾 多 ，包括冷卻水 溫度波動(dòng) ， 部熱量散失 ， 外部 介質(zhì)之間的熱交換 。冷卻水溫度波動(dòng)是多種因素造成的，其中包括 部 自 勵(lì)溫度 震蕩造成的 非線性 加熱冷卻 ， 管道和周圍氣體之間的熱傳遞 ，以及光刻 工具其他地方產(chǎn)生 的熱量 。 在這個(gè)循環(huán)系統(tǒng)中， 冷卻水溫度波動(dòng) 達(dá)到 最差的情形 。部熱量散失有兩個(gè)原因 ，一個(gè)是 當(dāng) 激光穿過透鏡 時(shí)，內(nèi)部 輻射和 導(dǎo) 熱 交換 ，另一個(gè)是在鏡頭和內(nèi)部凈化氮 之間的導(dǎo)熱和對(duì)流熱交換。至于激光，它的散熱量大概是 15W。 外部介質(zhì)之間熱交換 來自兩個(gè)方面 ， 一方面來自 其相鄰零件之間的相互熱交換，另一方面來自 部箱體和周圍空氣的導(dǎo)熱和對(duì)流熱交換。 但是， 于其復(fù)雜性 ，故 難以計(jì)算 。遲滯多 主要包括熱和冷卻 3秒遲滯，冷卻水交換 3分鐘遲滯，還有 冷卻套間熱交換 10 分 鐘遲滯。 此外， 復(fù)雜結(jié)構(gòu)導(dǎo)致不平衡熱交換，而由于 其體積大導(dǎo)致慣性在和小體積物體相比時(shí)，溫度波動(dòng)較小。 上述分析表明， 僅僅通過開環(huán)結(jié)構(gòu)使 非常難以實(shí) 現(xiàn)的。 此外， 在開環(huán)結(jié)構(gòu)中 還有 很大的穩(wěn)態(tài)誤差。在以下部分中，我們將介紹一個(gè)提高 部溫度控制的控制結(jié)構(gòu)， 并解釋如何提高溫度控制精度和收斂 率 。 3 多閉環(huán)控制 結(jié)構(gòu) 多閉環(huán)溫度控制結(jié)構(gòu)由一個(gè)內(nèi)部 一個(gè)外部 成。 連 控制結(jié)構(gòu) 圖 2 所示。有兩個(gè)分別帶有兩個(gè)控制器的反饋回路。主要回 路用來控制 部的溫度 ( 箱中的冷卻水溫度控制 (成了第二條回路 . 分析這個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作質(zhì)量是很容易。如果 部 溫度偏離 期望 值 ( 嵌入 主 控制器 中的 控制算法會(huì) 通過比較溫度的測(cè)量值 算一個(gè)新的冷卻水溫度設(shè)定值 （ 。 然后，發(fā)送新的設(shè)定值 溫度控制器 。隨后根據(jù)溫度測(cè)量 值 的控制算法計(jì)算加熱器和冷卻器的輸入值，并對(duì) 水箱里的冷卻水進(jìn)行加熱或者降溫，直到溫度達(dá)到新的設(shè)定值。 部溫度期望設(shè)定值通過一臺(tái) 機(jī)器連續(xù)地給出。 制回路是一個(gè)慢控制回路。 快速跟隨主回路設(shè)定值 當(dāng)一個(gè)新的 設(shè)定值 需要幾分鐘 時(shí)間去調(diào)整 箱中的水溫至設(shè)定值。二次回路 具有很強(qiáng)的抗內(nèi)部干擾的能力。 此外，還可以減少 對(duì)主回路 非線性和 遲滯的影響。 圖 3顯示了 關(guān)于 上述 描述 串級(jí)控制系統(tǒng)的控制原理圖。在下面的圖表和方程式，Gt(s)表示加熱器和冷卻器傳遞函數(shù) ,Gp(s)表示管道傳遞函數(shù)， Gl(s)表示 Gm(s) Gm(s)表示主控制回路傳遞函數(shù)， Gs(s)表示二次控制回 路傳遞函數(shù)。 Hm(s) 表示測(cè)量設(shè)備主回路傳遞函數(shù)， Hs(s)表示測(cè)量設(shè)備二次回路傳遞函數(shù)。 表示 表示通過管道的冷卻水遲滯 ， 表示 Nt(s) 表示 Np(s)表示管道外擾動(dòng) ,Nc(s)表示 Nn(s)表示 Rl(s)表示 Rt(s)表示 箱中冷卻水的輸入溫度， C1(s)表示 的輸出溫度， Ct(s)表示 箱中冷卻水的輸出溫度。二次回路中的輸入輸出函數(shù)如下所示： 根據(jù)二次回路的穩(wěn)態(tài)，輸出 Ct(s)近似等于輸入 Rt(s)。因此，主回路的輸入輸出函數(shù)可表示如下： 在此 早期的研究表明， h。傳遞函數(shù) G1(s） 為 傳遞函數(shù) Gp(s)為 對(duì)于簡單的閉環(huán)系統(tǒng) 容易消除它的穩(wěn)態(tài)誤差。然而，根據(jù)方程式 (2)和（ 3)， 溫度的收斂率從開始到穩(wěn)態(tài)變慢，因?yàn)?和 的延遲。而且，很難獲得 為 和 的擾動(dòng)。在定態(tài)的狀態(tài)之下，由于 的作用， 當(dāng)瞬時(shí)溫度變動(dòng)超過冷卻水溫度 ， 的溫度變動(dòng)超過 ℃。需要幾個(gè)控制周期才達(dá)到下一個(gè)穩(wěn)定狀 態(tài)。因此介紹 行串聯(lián)控制結(jié)構(gòu) 圖 4是擴(kuò)展的 個(gè)圖省略了操作系統(tǒng) ，在系統(tǒng)的框中確定了主要組成環(huán)。與 比較，也有兩個(gè)控制環(huán)和兩個(gè)控制器。一個(gè)是 一個(gè)是結(jié)合處冷卻水溫度的副環(huán)。它們之間的不同是主控制對(duì)象和副控制對(duì)象之間是并行的。 副控制對(duì)象的輸出不是主控制對(duì)象的輸入。在這個(gè)系統(tǒng)中， 控制運(yùn)算法則是主要的控制器根據(jù) 和 之間的偏差決定一個(gè)新的冷卻水的最佳溫度值。然后輔助的控制器中的控制運(yùn)算法則依照 和 之間的偏差計(jì)算 控制環(huán) 是一個(gè)慢的控制環(huán)?？刂骗h(huán) 是一個(gè)快速控制環(huán)，它過去一直快速的預(yù)測(cè)結(jié)合處的冷卻水最佳溫度值。當(dāng) 合處冷卻水的溫度就是最佳溫度。這個(gè)最佳溫度將會(huì)保存為一個(gè)常數(shù)。從擾動(dòng)抑制的觀點(diǎn)看，根據(jù)前饋控制相同的原則來控制輔助環(huán)。他們之間的不同是擾動(dòng)必須是可測(cè)量的前饋結(jié)構(gòu)，而 圖 5 顯示了上面提到的并行串聯(lián)控制系統(tǒng)的詳細(xì)原理圖。在下面的圖表和方程式中， 代表結(jié)合處冷卻水的傳遞函數(shù)， 代表副控制器的傳遞函數(shù)。代表輔助環(huán)測(cè)量裝置的傳遞函數(shù)， 代表結(jié)合處冷卻水的輸入溫度，代表結(jié)合處冷卻水的輸出溫度。 副環(huán)的輸入輸出的傳遞函數(shù)如下： 在副環(huán)的穩(wěn)定狀態(tài)下，輸出 和輸入 近似相等。所以主環(huán)的輸入和輸出的傳遞函數(shù)可以簡化為： 比較方程（ 2）（ 3）和（ 7），我們可以得出擾動(dòng) 和延遲時(shí)間常數(shù)從主環(huán)分離，只有擾動(dòng) 和延遲時(shí)間常數(shù) 仍在主環(huán)內(nèi)。所以輔助環(huán)獲得了物理結(jié)構(gòu)中互相延遲和互相擾動(dòng)的分離，且隔離了主控制對(duì)象的非線性，互相延遲和互相擾動(dòng)的影響。這種結(jié)構(gòu)也控制器設(shè)計(jì)的困難。即使冷卻水有溫度的 變動(dòng)，他也能通過副控制器補(bǔ)償。因此， 的溫度控制可具有高精度和快收斂率。 4 非線性比例積分算法 為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的收斂率和精確度，一種具有非線性 法的二重輸入 和二重輸出智能控制器被設(shè)計(jì)出來，如圖六所示。 結(jié)合處冷卻水的溫度偏差 都是控制器的輸入端?？刂破鞯妮敵龆耸?面冷卻水溫度值和結(jié)合處最佳冷卻水溫度值 。 控制器里嵌有智能算法。它包括兩級(jí)且根據(jù)理想的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分為五個(gè)控制階段。高級(jí)算法決定從我們先前介紹的五個(gè)階段中選擇 [10]。非線性 法在低級(jí)算法 中使用，它將在后面的段落中介紹。 考慮到溫度控制系統(tǒng)的相互擾動(dòng)特點(diǎn)， 法代替了不同比例積分算法（ 因?yàn)椴煌?xiàng)目將引起高頻率振動(dòng)和增加系統(tǒng)穩(wěn)定性誤差。 圖七顯示了非線性 法的原理圖，在接下來的圖表和方程中， 代表 代表結(jié)合處最佳冷卻水的溫度值， 代表 制法 對(duì)的影響， 代表 制法 對(duì) 的影響， 代表 制法 對(duì) 的影響，代表 制法 對(duì) 的影響， 和 代表數(shù)據(jù)融合系數(shù)。 控制算法可以被描述如下： 其中 i=1， 2， j=1， 2， 是基 本不相關(guān)的增加的 制算法： 其中， 代表比例系數(shù)， 代表積分系數(shù)， 代表取樣結(jié)果， 和 分別代表在 k 時(shí)刻的控制輸出， e（ e（ k）分別代表（ 數(shù)據(jù)混合系數(shù)由已有的規(guī)則得出。詳細(xì)規(guī)則如下： 其中 代表由 溫度的的穩(wěn)態(tài)誤差決定的偏差值， 代表由 溫度的暫態(tài)誤差決定的擾動(dòng)值， 代表由結(jié)合處冷卻水溫度的穩(wěn)態(tài)誤差決定的偏差值，代表由結(jié)合處冷卻水溫度的暫態(tài)誤差決定的擾動(dòng)值。 根據(jù)已有的規(guī)則和控制過程的輸入信息，可以獲得十六種不同 的算法。根據(jù)輸入數(shù)據(jù)控制器可以靈活的選擇任何一種算法。這不僅能提高算法的適應(yīng)性和收縮率，還能增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和反干擾能力。 5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證控制結(jié)構(gòu)與算法 如圖 8 所示，建立了一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來驗(yàn)證該方法的有效性，其中包括一個(gè)仿制度傳感器，溫度測(cè)量系統(tǒng)， 程計(jì)算機(jī)，隔熱室，光源等。仿制的 L 具有相同的溫度特性。隔熱室模仿光刻表面隔離熱的作用。用一個(gè) 20個(gè)溫度傳感器具有高精度的負(fù)溫度系數(shù)， 的校準(zhǔn)精度是用來檢測(cè) 的溫度，結(jié)合處冷卻水的溫度和熱隔離室外環(huán)境的溫度 。 溫度測(cè)量系統(tǒng)由 1590 模型超溫度計(jì)和一個(gè)具有 分辨率的掃描器組成。 精確度。工程計(jì)算機(jī)上具有智能算法。 用四個(gè)實(shí)驗(yàn)來檢測(cè)控制系統(tǒng)和算法：（ a）是用開環(huán)結(jié)構(gòu)，（ b）使用具有 法的 c）使用具有 法的 d）使用具有非線性 法的 這些試驗(yàn)中理想的 度是 22℃，非線性 法的參數(shù)是： 是 是 是 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 9 所示。圖 9（ a）展示了開環(huán)結(jié)構(gòu)的溫度曲線。正如圖 9 所示，的溫度在 定且沒有達(dá)到 置的 22℃ 用閉環(huán)系統(tǒng)是非常必要的。圖 9（ b）顯示了使用閉環(huán)系統(tǒng) 0 小時(shí)后代到了穩(wěn)定。圖 9（ c）顯示了溫度收斂比圖 9（ b）快，但 溫度的精確度并沒有得到很大的提高。圖 9（ d）顯示了具有非線性 法的 統(tǒng)的溫度曲線。它只用了 時(shí)達(dá)到了 穩(wěn)定。即使外部溫度 在內(nèi)擺動(dòng)， 的溫度仍可以達(dá)到 的穩(wěn)定性。很明顯新的方法大大的增加了收斂率，精確性和抗干擾能力。 6 結(jié)論 通過使用閉環(huán)交互系統(tǒng)可 以提高光刻 過分析和實(shí)驗(yàn)揭示了具有 法的 統(tǒng)具有預(yù)測(cè)和滾動(dòng)最優(yōu)的能力。它在收斂率，控制精確性，抗干擾能力方面比開環(huán)結(jié)構(gòu)和閉環(huán) 好。它用于光學(xué)領(lǐng)域生產(chǎn) 100具。經(jīng)過簡單的改進(jìn)，它也可以控制其他的需要遠(yuǎn)程遙控的非直接溫度控制，尤其是侵入液體的侵入式光刻等復(fù)雜對(duì)象的溫度控制。 參 考 文 獻(xiàn) 簡 介 聶宏飛，生于 1978 年，目前是中國華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)和工程學(xué)博士。他的研究包括高精度溫度控制，先進(jìn)的工藝控制等。 李曉平，生于 1966 年，目前是中 國華中科技大學(xué)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授。他于 1992年獲得華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)和工程學(xué)碩士。他主要研究是光學(xué)刻錄工具的電子控制。 何艷，生于 1979 年，目前是中國上海大學(xué)天華學(xué)院的一名老師，她于 2004 年獲得武漢大學(xué)機(jī)械工程碩士。它的主要研究是先進(jìn)工藝控制。 附件 2：外文原文