电子束曝光过程样片步进定位误差动态补偿系统

摘要

电子束曝光过程样片步进定位误差动态补偿系统，包括CPLD逻辑电路模块(1)、X方向高速光电隔离模块(2)、Y方向高速光电隔离模块(3)、X方向16位高速高精度数模转换模块(4)、Y方向16位高速高精度数模转换模块(5)、X方向输出极性控制模块(6)、Y方向输出极性控制模块(7)、X方向衰减匹配器(8)、Y方向衰减匹配器(9)。电子束曝光过程中样片X方向位置误差信号和Y方向位置误差信号分别通过独立的16位数据线与CPLD逻辑电路模块(1)连接，经过运算和转化，最终在输出端口上得到X方向和Y方向的偏转电压信号。此信号导入到电子束曝光机的偏转线圈控制电路，控制电子束曝光机的聚焦电子束的扫描位置实现对样片步进误差的动态补偿。

说明书

技术领域

本发明涉及电子束曝光过程样片步进定位误差补偿系统。

背景技术

在电子束曝光机的分场拼接曝光过程中，被加工的样片的步进移动距离的准确性决定了场拼接曝光质量的优劣。上述的样片步进距离是在闭环测量控制系统驱动下由样片台沿着曝光场的X和Y方向的运动而获得的。但是由于样片台本身的惯性、机械摩擦以及为了提高生产效率而使用较高的样片台运动速度等原因，样片的实际步进距离和理想的移动距离之间会产生数个微米的偏差。为了解决这个偏差，通常采取两种措施。第一是进一步缩小PID闭环控制过程中目标位置区间。这种办法的缺点是延长了样片定位时间，而且还可能造成整个工件台系统的自激振荡。第二种办法是采用压电陶瓷电机驱动样片台的移动。但是由于摩擦力的存在，上述两种定位方式都会残存一定的定位误差，而且均不能避免由于外界震动干扰或者自激震动引起的定位误差。

发明内容

为了有效地补偿样片步进定位误差，本发明提出了一种独立于样片步进定位控制系统的步进定位误差高速动态补偿系统。它的工作原理是把从位置测量系统传输过来的样片的X方向和Y方向步进定位误差转换为精确的偏置电压信号，叠加到电子束曝光机电子光学系统的X方向和Y方向偏转线圈的偏转电压控制器中。通过这对偏置电压信号对偏转线圈的控制，使电子束斑在样片上的位置发生微小改变，从而实现了对样片步进定位误差的补偿。由于本发明的补偿方法是完全通过高速的控制电路形式处理实现的，所以它具有非常高的补偿速度。因此对外界不规律的机械震动干扰所产生的样片步进定位位置误差也同样能够实现动态补偿的效果。

本发明采用的技术方案如下：

本发明由CPLD逻辑电路模块、X方向高速光电隔离模块、Y方向高速光电隔离模块、X方向16位高速高精度数模转换模块、Y方向16位高速高精度数模转换模块、X方向输出极性控制模块、Y方向输出极性控制模块、X方向衰减匹配器、Y方向衰减匹配器等九个处理模块组成。

本发明9个模块之间的连接方式如下：

X方向步进定位误差信号和Y方向步进定位误差信号分别通过独立的16位数据线与本发明的接口电路CPLD逻辑电路模块的输入数据线XIN0-XIN15以及YIN0-YIN15相连接。X方向高速光电隔离模块的输入数据线XMLD0-XMLD15和CPLD逻辑电路模块的U2输出数据线B0-B15相连接；Y方向高速光电隔离模块的输入数据线YMLD0-YMLD15和CPLD逻辑电路模块的U3输出数据线B0-B15相连接。X方向高速光电隔离模块的输出数据线D0-D15与X方向16位高速高精度数模转换模块的输入数据线XDLB0-XDLB15相连接Y方向高速光电隔离模块的输出数据线D0-D15与Y方向16位高速高精度数模转换模块的输入数据线XDLB0-XDLB15连接。X方向输出极性控制模块的输入端点(X方向同向器的X-SIN和X方向反向器的X-RIN)与16位高速高精度数模转换模块的输出端口X-OUT连接；Y方向输出极性控制模块的输入端(Y方向同向器的Y-SIN和Y方向反向器的Y-RIN)与16位高速高精度数模转换模块的输出端口Y-OUT连接。X方向衰减匹配器的输入端XDEC与X方向输出极性控制模块的输出端XPOUT相连接；Y方向衰减匹配器的输入端YDEC与Y方向输出极性控制模块的输出端YPOUT相连接。

各个模块内部的逻辑连接如下：

在CPLD逻辑电路模块中，从位置测量系统传输过来的X方向步进定位误差信号和Y方向步进定位误差信号分别通过独立的16位数据线与本发明的接口电路CPLD逻辑电路模块中芯片U1的输入数据线XIN0-XIN15以及YIN0-YIN15相连接。U1的输出端数据线XO0-XO15与U2的输入数据线A0-A15连接，U1的输出端数据线YO0-YO15与U3的输入数据线A0-A15连接。U2的输出数据线B0-B15和U3的输出数据线B0-B15作为CPLD逻辑电路模块的X方向和Y方向16位偏移二进制码输出端。

X方向高速光电隔离模块的输入数据线XMLD0-XMLD15和CPLD逻辑电路模块的U2输出数据线B0-B15相连接；Y方向高速光电隔离模块的输入数据线YMLD0-YMLD15和CPLD逻辑电路模块的U3输出数据线B0-B15相连接。X方向和Y方向高速光电隔离模块的输入级的电源连接外部电源EXTV；X方向和Y方向高速光电隔离模块的输出级的电源连接本系统内部电源INV。X方向高速光电隔离模块的输出数据线D0-D15与X方向16位高速高精度数模转换模块的输入数据线XDLB0-XDLB15相连接Y方向高速光电隔离模块的输出数据线D0-D15与Y方向16位高速高精度数模转换模块的输入数据线XDLB0-XDLB15连接。调压器VR1的1端、2端分别和X方向16位高速高精度数模转换模块的Ref in端、Ref out端连接；调压器VR2的1端、2端分别和X方向16位高速高精度数模转换模块的Ref out端、Offset端连接。调压器VR3的1端、2端分别和Y方向16位高速高精度数模转换模块的Ref in端、Ref out端连接；调压器VR4的1端、2端分别和Y方向16位高速高精度数模转换模块的Ref out端、Offset端连接。

X方向输出极性控制模块的输入端点：X方向同向器的X-SIN，X方向反向器的X-RIN与16位高速高精度数模转换模块的输出端口X-OUT连接；Y方向输出极性控制模块的输入端：Y方向同向器的Y-SIN，Y方向反向器的Y-RIN与16位高速高精度数模转换模块的输出端口Y-OUT连接。X方向同向器的输出端X-SOUT与X方向极性选择开关的输入端S相连接X方向反向器的输出端X-ROUT与X方向极性选择开关的输入端R相连接。Y方向同向器的输出端Y-SOUT与Y方向极性选择开关的输入端S相连接；Y方向反向器的输出端Y-ROUT与Y方向极性选择开关的输入端R相连接。

X方向衰减匹配器的输入端XDEC与X方向极性选择器的输出端XPOUT相连接；Y方向衰减匹配器的输入端YDEC与Y方向极性选择器的输出端YPOUT相连接。XDEC信号输入到电阻RX的第一管脚YDEC信号输入到电阻RY的第一管脚。电阻RX的第二管脚与分压器XPM的第一管脚相连接；电阻RY的第二管脚与分压器YPM的第一管脚相连接。分压器XPM的第二管脚和分压器YPM的第二管脚接地。分压器XPM的第三管脚作为本发明的X方向最终输出信号XAIN；分压器YPM的第三管脚作为本发明的Y方向最终输出信号YAIN。

附图说明

图1电子束曝光过程样片步进定位误差动态补偿系统原理图；

图2CPLD逻辑电路模块结构图；

图3X，Y方向高速光电隔离模块结构图；

图4X，Y方向16位高速高精度数模转换模块结构图；

图5X，Y方向输出极性控制模块结构图；

图6X，Y方向衰减匹配器结构图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式详细说明本发明。

如图1所示，本发明由CPLD逻辑电路模块1、X方向高速光电隔离模块2、Y方向高速光电隔离模块3、X方向16位高速高精度数模转换模块4、Y方向16位高速高精度数模转换模块5、X方向输出极性控制模块6、Y方向输出极性控制模块7、X方向衰减匹配器8、Y方向衰减匹配器9等九个处理模块组成。

X方向误差信号和Y方向误差信号是电子束曝光机位置测量系统提供的X方向和Y方向样片步进定位误差信号，都是16位二进制数，其中最高位表示误差符号。X方向步进定位误差信号和Y方向步进定位误差信号分别通过独立的16位数据线与本发明的接口电路CPLD逻辑电路模块1的输入数据线XIN0-XIN15以及YIN0-YIN15相连接。X方向高速光电隔离模块2的输入数据线XMLD0-XMLD15和CPLD逻辑电路模块1的U2输出数据线B0-B15相连接；Y方向高速光电隔离模块3的输入数据线YMLD0-YMLD15和CPLD逻辑电路模块1的U3输出数据线B0-B15相连接。X方向高速光电隔离模块2的输出数据线D0-D15与X方向16位高速高精度数模转换模块4的输入数据线XDLB0-XDLB15相连接；Y方向高速光电隔离模块3的输出数据线D0-D15与Y方向16位高速高精度数模转换模块5的输入数据线XDLB0-XDLB15连接。X方向输出极性控制模块6的输入端点：X方向同向器的X-SIN和X方向反向器的X-RIN与16位高速高精度数模转换模块4的输出端口X-OUT连接；Y方向输出极性控制模块7的输入端：Y方向同向器的Y-SIN和Y方向反向器的Y-RIN与16位高速高精度数模转换模块5的输出端口Y-OUT连接。X方向衰减匹配器8的输入端XDEC与X方向输出极性控制模块6的输出端XPOUT相连接；Y方向衰减匹配器9的输入端YDEC与Y方向输出极性控制模块7的输出端YPOUT相连接。

电子束曝光机位置测量系统提供X方向和Y方向样片步进定位误差信号，经过上面的运算和电路处理后输出，用于补偿样片在X、Y方向步进定位误差的X、Y方向偏置电压输出信号。

图2为CPLD逻辑电路模块1的结构图。在此模块中U1采用XC95144逻辑芯片，U2和U3采用CY74FCT16245芯片。从电子束曝光机位置测量系统传输过来的X方向误差信号和Y方向误差信号分别通过独立的16位数据线与CPLD逻辑电路模块[1]中芯片U 1的数据线XIN0-XIN15以及YIN0-YIN15相连接。U1的输出端数据线XO0-XO15与U2的输入数据线A0-A15连接，U1的输出端数据线YO0-YO15与U3的输入数据线A0-A15连接。U2的输出数据线B0-B15和U3的输出数据线B0-B15作为CPLD逻辑电路模块1的X方向和Y方向16位偏移二进制码输出端。X方向误差信号和Y方向误差信号分别通过独立的16位数据线接入CPLD逻辑电路模块1数据线XIN0-XIN15以及YIN0-YIN15，嵌入在U1中的逻辑程序自动把16位的X、Y方向误差信号变换为符合DAC运算的偏移二进制码。然后把这个X，Y方向的偏移二进制码分别通过CPLD输出数据线XO0-XO15和YO0-YO15传输给U2，U3的输入端A0-A15。U2和U3起到透明传输和提高驱动能力的作用。因此X，Y方向的偏移二进制码通过各自的B0-B15输出给下一级处理电路。

图3是X方向高速光电隔离模块2和Y方向高速光电隔离模块3的结构图。X方向高速光电隔离模块2的输入数据线XMLD0-XMLD15和CPLD逻辑电路模块1的U2输出数据线B0-B15相连接，Y方向高速光电隔离模块3的输入数据线YMLD0-YMLD15和CPLD逻辑电路模块1的U3输出数据线B0-B15相连接。X方向高速光电隔离模块2和Y方向高速光电隔离模块3输入级的电源连接外部电源EXTV，X方向高速光电隔离模块2和Y方向高速光电隔离模块3的输出级的电源连接本系统内部电源INV。X方向高速光电隔离模块2的输出数据线D0-D15与X方向16位高速高精度数模转换模块4的输入数据线XDLB0-XDLB15相连接，Y方向高速光电隔离模块3的输出数据线D0-D15与Y方向16位高速高精度数模转换模块5的输入数据线XDLB0-XDLB15连接。

X方向高速光电隔离模块2和Y方向高速光电隔离模块3采用的是HCPL2530芯片。经过CPLD逻辑电路模块1进行偏移二进制处理后的X、Y方向数据通过16位数据线B0-B15传输到X方向高速光电隔离模块2的输入端XMLD0-XMLD15和Y高速光电隔离模块3的输入端YMLD0-YMLD15。X方向高速光电隔离模块2和Y方向高速光电隔离模块3的输入级的电源连接外部电源EXTV；X方向高速光电隔离模块2和Y方向高速光电隔离模块3的输出级的电源连接本系统内部电源INV。内外电源相互独立可以起到隔离外部电源干扰信号和保护本发明系统电路的作用。经过光电隔离模块后，X、Y方向信号通过各自的数据线D0-D15输出。

图4是X方向16位高速高精度数模转换模块4、Y方向16位高速高精度数模转换模块5的结构图。如图4所示，调压器VR1的1端、2端分别和X方向16位高速高精度数模转换模块4的Ref in端、Ref out端连接，调压器VR2的1端、2端分别和X方向16位高速高精度数模转换模块4的Ref out端、Offset端连接；调压器VR3的1端、2端分别和Y方向16位高速高精度数模转换模块4的Ref in端、Ref out端连接，调压器VR4的1端、2端分别和Y方向16位高速高精度数模转换模块4的Ref out端、Offset端连接。

X方向16位高速高精度数模转换模块4、Y方向16位高速高精度数模转换模块5采用AD669芯片，通过它可以实现双极性±10V的输出，分辨率达到0.3毫伏。X、Y方向隔离模块输出的偏移二进制数据D0-D15通过数据线连接到X方向16位高速高精度数模转换模块4的输入端XDLB0-XDLB15和Y方向16位高速高精度数模转换模块5的输入端YDLB0-YDLB15。VR1起调节X方向数模转换增益的作用。VR1的输入端2连接AD669芯片的Ref out端；VR1的输出端1连接AD669芯片的Ref in端。通过调节VR1中箭头端的位置可以改变Ref in端的参考电压值，达到改变增益的目的。VR2起调节X方向数模转换零点的作用。VR2的输入端1连接AD669芯片的Ref out端；VR2的输出端2连接AD669芯片的Offset端。通过调节VR2中箭头端的位置可以改变Offset端的参考电压值，达到精确调零的目的。图4中VR3、VR4作用和VR1、VR1相同，用来调节Y方向数模转换的增益和零点。通过该数模转换的作用，把输入的X，Y方向偏移二进制数据转换为原始的X，Y方向偏置电压信号，然后分别经过X-OUT和Y-OUT端口输出。

图5是X方向输出极性控制模块6和Y方向输出极性控制模块7的结构图。如图5所示，X方向输出极性控制模块6的输入端点：X方向同向器的X-SIN，X方向反向器的X-RIN与X方向16位高速高精度数模转换模块4的输出端口X-OUT连接；Y方向输出极性控制模块7的输入端：Y方向同向器的Y-SIN，Y方向反向器的Y-RIN与Y方向16位高速高精度数模转换模块5的输出端口Y-OUT连接。X方向同向器的输出端X-SOUT与X方向极性选择开关的输入端S相连接，X方向反向器的输出端X-ROUT与X方向极性选择开关的输入端R相连接。Y方向同向器的输出端Y-SOUT与Y方向极性选择开关的输入端S相连接，Y方向反向器的输出端Y-ROUT与Y方向极性选择开关的输入端R相连接。

图5中的X，Y两路的同向器和反向器均使用低温漂的OP07运放。X，Y方向输入信号分别来自图4所示的X-OUT和Y-OUT。输入信号经过同向器后保持电压极性不变；而经过反向器后电压极性翻转。然后X方向的同向器和反向器输出信号X-SOUT、X-ROUT分别接入X方向极性选择开关的S端和R端；Y方向的同向器和反向器输出信号Y-SOUT、Y-ROUT分别接入Y方向极性选择开关的S端和R端。根据不同的电子束曝光机的样片步进定位需求的误差补偿极性的差异，通过控制方向极性选择开关的状态就可以选择极性相匹配的偏置电压输出。如图5所示，X方向输出极性控制模块的输出端是XPOUT；Y方向输出极性控制模块的输出端是YPOUT。

图6是X方向衰减匹配器8和Y方向衰减匹配器9的结构图。

X方向衰减匹配器8的输入端XDEC与X方向输出极性控制模块6的输出端XPOUT相连接；Y方向衰减匹配器9的输入端YDEC与Y方向输出极性控制模块7的输出端YPOUT相连接。XDEC信号输入到电阻RX的第一管脚，YDEC信号输入到电阻RY的第一管脚；电阻RX的第二管脚与分压器XPM的第一管脚相连接，电阻RY的第二管脚与分压器YPM的第一管脚相连接；分压器XPM的第二管脚和分压器YPM的第二管脚接地，分压器XPM的第三管脚作为X方向最终输出信号XAIN，分压器YPM的第三管脚作为Y方向最终输出信号YAIN。

X、Y方向衰减匹配器采用型号为20圈2K的三端电位器。如图6所示，X、Y方向的输入信号首先分别接入到RX和RY的第一管脚。RX和RY的作用是当X方向衰减匹配器8和Y方向衰减匹配器9中的分压器XPM或YPM的电阻值调到0时，使X方向输出极性控制模块6和Y方向输出极性控制模块7中的运放不会发生因为接地而引起输出电流过大而受到损害。分压器XPM和YPM作用是调节偏置电压信号的幅值，用来和不同尺度的电子束曝光场相匹配。本发明样片步进误差偏置电压信号由分压器XPM第三管脚XAIN和YPM的第三管脚YAIN输出。

本发明工作过程是：X方向误差信号和Y方向误差信号分别通过独立的16位数据线接入CPLD逻辑电路模块后，CPLD内部程序首先判断X，Y方向误差信号的最高位。如果最高位是1，则此方向的16位输入信号将被CPLD逻辑电路模块1全部原样输出给该方向的高速光电隔离模块2、3；如果最高位是0，则此方向的输入信号，除去最高位保持0不变外，其余15位将被CPLD逻辑电路模块1取反后，组成新的16位信号输出给该方向的高速光电隔离模块2、3。这一步实现了样片步进定位误差码向偏移二进制码的转换。X、Y方向16位偏移二进制码经过各自的高速光电隔离模块2、3后进入到本系统的核心模块：X，Y方向16位高速高精度数模转换模块4、5。当输入的16位偏移二进制码的最高位是0时，数模转换模块4、5的芯片AD669输出的转换电压是负的；当输入的16位偏移二进制码的最高位是1时，数模转换模块4、5的芯片AD669输出的转换电压是正的。在数模转换模块4、5里X，Y方向的偏移二进制码被精确转换为带符号的原始X，Y方向偏置电压信号。如果偏置电压信号直接叠加到电子束曝光机的扫描线圈中，会产生补偿极性相反和幅值不匹配的现象。根据不同的电子束曝光机的样片步进定位误差补偿方向来设置输出极性。通过改变X，Y方向输出极性控制模块6、7的极性选择开关状态可以灵活地设置原始X，Y方向偏置电压的输出极性。在输出极性设置好后，下一步是调整X，Y方向衰减匹配器模块的输出。在电子束曝光过程中，曝光场大小的改变必然改变偏置电压和曝光场的尺寸对应关系。通过调整调压器XPM和YPM来改变输出端XAIN，YAIN的偏置电压信号幅值。最终得到符合电子束曝光机需要的样片步进误差补偿的偏置电压信号。

本发明可以应用于各种电子束曝光机的样片步进移动过程中位置误差动态补偿。在正常曝光过程中，本系统对样片步进移动位置误差的动态补偿的频率达到100KHz，补偿分辨率达到1.2nm。本发明可以在电子束曝光机上实现半导体行业中掩模板的曝光制作工艺。同时，本发明亦可应用到其它依靠线圈偏转来实现控制束流进行加工的系统中，如离子束加工系统。