CN108151889A - 一种准分子激光器能量探测器的能量值标定系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供了一种准分子激光器能量探测器的能量值标定系统及方法，采用支持向量回归(SVR)算法，对于标准能量值进行“学习”，从而得到电压值和标准能量值之间的关系，从而对于光电式能量探测器的能量值进行标定，将支持向量回归(SVR)应用于准分子激光器能量探测器的能量值标定中来，从而得到更精确的能量值和更宽的能量探测范围。
Description
技术领域
本发明涉及激光检测领域，特别涉及一种准分子激光器能量探测器的能量值标定系统及方法。
背景技术
193nmArF准分子激光器是一种面向深紫外特征应用的脉冲式气体激光器，具有高重频、大能量、短波长、窄线宽的特点，是优秀的微电子光刻系统用激光光源。
在微电子光刻系统中，准分子激光器的能量稳定性是一个非常重要的指标。准分子激光器的脉冲能量稳定性直接影响着光刻过程中集成电路的关键尺寸均匀性。为了能够精确控制准分子激光器的单脉冲能量，激光器脉冲能量的在线测量是十分必要的。对于脉冲式深紫外激光的测量，通常采用的方法有两种，一种是热释电法，另一种是光电法。由于光刻系统对于准分子激光器的出光效率要求比较高，所以热释电法不适用于在线能量测量。在实际应用中，准分子激光器单脉冲的测量使用的是光电法，即通过分光镜分出很小一部分激光，采用对于深紫外激光感应的光电二极管探测这一部分光的能量来反应这个激光脉冲的能量。
由于光电二极管对深紫外激光感应，所产生的是电信号，我们必须对其进行能量值的标定。传统的标定方法大多采用最小二乘拟合的方法，该方法要求光电二极管工作在线性区间，所以使得光电二极管探测能量范围缩小，同时标定的精度也比较粗糙。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种准分子激光器能量探测器的能量值标定系统及方法，将支持向量回归(SVR)应用于准分子激光器能量探测器的能量值标定中来，从而得到更精确的能量值和更宽的能量探测范围。
第一方面，本发明提供的一种准分子激光器能量探测器的能量值标定方法，所述方法包括：
利用分光镜对准分子激光脉冲进行分光得到透射光及反射光；
利用能量探测器对所述反射光进行激光脉冲的能量进行采集并利用标准能量计对所述透射光进行能量值检测；
调整准分子激光器的高压激励改变所述准分子激光脉冲的出光能量，获取在不同出光能量下所述能量探测器得到的峰值电压和所述标准能量计测得的能量值的对应关系；
利用支持向量回归算法对所述对应关系进行处理得到标定模型。
可选地，所述能量探测器包括毛玻璃、聚光镜以及光电二极管，所述利用能量探测器对所述反射光进行激光脉冲的能量进行采集并利用标准能量计对所述透射光进行能量值检测之前，还包括：
利用所述毛玻璃对所述反射光进行匀化处理；
利用所述聚光镜对匀化处理后的反射光进行聚光，使得反射光收敛到所述光电二极管的接收面内；
所述光电二极管根据接收到的反射光生成脉冲波形，将所述脉冲波形的波形峰值表征所述准分子激光脉冲的能量。
可选地，所述利用支持向量回归算法对所述对应关系进行处理得到标定模型，包括：
利用MATLAB软件和支持向量回归算法对所述对应关系的处理，通过训练得到的标定模型。
可选地，所述反射光和所述透射光的光通量比例值是1：19。
第二方面，本发明提供的一种准分子激光器能量探测器的能量值标定系统，包括分光镜、能量探测器、与所述能量探测器电连接的数据采集卡、标准能量计及工控机，所述工控机分别与所述标准能量计和所述数据采集卡电连接，一束准分子激光脉冲照射在所述分光镜上，通过所述分光镜的分光作用形成透射光和反射光，所述标准能量计采集所述透射光的能量值并输出至所述工控机，所述能量探测器采集所述反射光并通过所述数据采集卡将所述反射光的峰值电压输出至所述工控机，所述工控机利用支持向量回归算法所述峰值电压和所述能量值的对应关系进行处理得到标定模型。
可选地，所述能量探测器包括依次设置的毛玻璃、聚光镜以及光电二极管，所述光电二极管与所述数据采集卡电性连接，所述反射光通过所述毛玻璃进行匀化处理后由所述聚光镜对匀化处理后的反射光进行聚光，使得反射光收敛到所述光电二极管的接收面内，所述光电二极管根据接收到的反射光生成脉冲波形，将所述脉冲波形的波形峰值表征所述准分子激光脉冲的能量。
可选地，所述分光镜的镜面与所述能量探测器互成45度夹角，所述分光镜的镜面与所述标准能量计互成45度夹角。
本发明实施例提供了一种准分子激光器能量探测器的能量值标定系统及方法，采用支持向量回归(SVR)算法，对于标准能量值进行“学习”，从而得到电压值和标准能量值之间的关系，从而对于光电式能量探测器的能量值进行标定，将支持向量回归(SVR)应用于准分子激光器能量探测器的能量值标定中来，从而得到更精确的能量值和更宽的能量探测范围。
附图说明
图1是本发明实施例中准分子激光器能量探测器的能量值标定系统的光路结构示意图；
图2是本发明实施例中准分子激光器能量探测器的能量值标定系统的的能量探测器内部光路结构示意图；
图3是本发明实施例中准分子激光器能量探测器的能量值标定系统的实验方案示意图；
图4是本发明实施例中准分子激光器能量探测器的能量值标定系统的SVR基本原理示意图；
图5是本发明实施例中准分子激光器能量探测器的能量值标定系统的利用SVR算法对实验数据训练所得到的能量探测器所获取的电压信号峰值与激光器能量值对应关系模型；
图6是本发明实施例中准分子激光器能量探测器的能量值标定系统的验证精确度结果的示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本发明提供的一种准分子激光器能量探测器的能量值标定方法，所述方法包括：
利用分光镜对准分子激光脉冲进行分光得到透射光及反射光；
利用能量探测器对所述反射光进行激光脉冲的能量进行采集并利用标准能量计对所述透射光进行能量值检测；
调整准分子激光器的高压激励改变所述准分子激光脉冲的出光能量，获取在不同出光能量下所述能量探测器得到的峰值电压和所述标准能量计测得的能量值的对应关系；
利用支持向量回归算法对所述对应关系进行处理得到标定模型。
可选地，所述能量探测器包括毛玻璃、聚光镜以及光电二极管，所述利用能量探测器对所述反射光进行激光脉冲的能量进行采集并利用标准能量计对所述透射光进行能量值检测之前，还包括：
利用所述毛玻璃对所述反射光进行匀化处理；
利用所述聚光镜对匀化处理后的反射光进行聚光，使得反射光收敛到所述光电二极管的接收面内；
所述光电二极管根据接收到的反射光生成脉冲波形，将所述脉冲波形的波形峰值表征所述准分子激光脉冲的能量。
所述利用支持向量回归算法对所述对应关系进行处理得到标定模型，包括：
利用MATLAB软件进行编程实现支持向量回归算法对所述对应关系的处理，通过训练得到的标定模型。
可选地，所述反射光和所述透射光的光通量比例值是1：19，即准分子激光脉冲经过分光镜分光后，将95％的光透射，用于工作，5％的光反射，用于能量探测，当然，还可以选择其他比例进行分光，可以根据需要灵活选择，对此不做限定。
如图1所示，对应地，本发明提供的一种准分子激光器能量探测器的能量值标定系统，包括分光镜、能量探测器、与所述能量探测器电连接的数据采集卡、标准能量计及工控机，所述工控机分别与所述标准能量计和所述数据采集卡电连接，一束准分子激光脉冲照射在所述分光镜上，通过所述分光镜的分光作用形成透射光和反射光，所述标准能量计采集所述透射光的能量值并输出至所述工控机，所述能量探测器采集所述反射光并通过所述数据采集卡将所述反射光的峰值电压输出至所述工控机，所述工控机利用支持向量回归算法所述峰值电压和所述能量值的对应关系进行处理得到标定模型。
如图2所示，所述能量探测器包括依次设置的毛玻璃、聚光镜以及光电二极管，所述光电二极管与所述数据采集卡电性连接，所述反射光通过所述毛玻璃进行匀化处理后由所述聚光镜对匀化处理后的反射光进行聚光，使得反射光收敛到所述光电二极管的接收面内，所述光电二极管根据接收到的反射光生成脉冲波形，将所述脉冲波形的波形峰值表征所述准分子激光脉冲的能量。
可以理解的是，为了便于分光镜分光，所述分光镜的镜面与所述能量探测器互成45度夹角，所述分光镜的镜面与所述标准能量计互成45度夹角。
结合图1所示，探测激光器能量的目的是更好的控制激光器出光能量，得到良好的能量稳定性，所以这种检测必须是在线的，在探测激光器能量的同时不能影响激光器的出光工作，准分子激光脉冲经过分光镜分光后，将95％的光透射，用于工作，5％的光反射，用于能量探测，这样即不影响激光器工作，又不影响激光器单脉冲能量的在线测量。
如图2所示，展示了能量探测器的内部光学设计，能量探测器的光学模块由毛玻璃，聚光镜和光电二极管组成。由于从光路反射出来的光是一个相对于光电二极管的接收面是一个很大的光斑，其均匀性不好，为了使光电二极管接受的光更好的反应激光器的单脉冲能量，首先使激光通过毛玻璃，对光进行匀化，然后再通过聚光镜聚光，使光收敛到光电二极管的接受面内。
光电二极管接收的激光脉冲，经后端信号转换电路形成一个脉冲波形，通过数据采集卡采集，将脉冲波形采集到工控机中，可以采用最简单的峰值提取法，用提取到的波形峰值(即峰值电压)表征该激光脉冲的能量。
以Pi表示一个波形信息的采样点，其中i＝1,2,…,N。则取波形的峰值为Vp＝max{p0,p1,p2…pN}。我们用Vp表征该激光脉冲的能量值。如何将Vp这个电压值和激光脉冲能量相对应，这就涉及到能量值的标定方法。
如图3所示，在激光脉冲能量标定时，首先应该考虑能量探测器测得的脉冲的峰值电压如何和相应的能量相对应。采用光电能量探测器和标准热释电能量探测器同步采集的方法，保证能量探测器探测到的电压和标准热释电能量探测器探测到的能量一一对应。通过分光镜将准分子激光器出来的激光脉冲进行分光，5％的光用于能量探测器的测量，95％的光用于标准热释电能量计进行能量的标准值得测量。其中用于能量标准值测量的这95％的光就是在实际工作时，激光器用于工作的光，也就是所设计的能量探测器所要对应的能量值。当实验系统开始采集时，将对能量探测器和标准的能量计发出一个同步信号，使得能量探测器和标准能量计同步采集，以保证两个仪器采集到的脉冲的信号一一对应，两个仪器得到的数据通过工控机采集并存储起来。
在实验过程中我们通过改变激光器的高压激励，来改变激光器的出光能量。从而得到在不同能量下能量探测器所得到的峰值电压和标准能量计测得的能量值的对应关系。标准能量计测得的能量表示为Jj，能量探测器探测到的峰值电压表示为Vpj，其中j＝1,2,3,…,n，表示测得一系列的脉冲。从而我们可以得到一个对应关系的集合{(Vpj,Jj)|j＝1,2,…,N}。
下面介绍如何对得到的这个对应关系集合进行处理，得到标准能量值和能量探测器探测到的峰值电压的对应关系。在这个过程中，我们采用一种深度学习的方法，支持向量回归(SVR，Support Vector Regression)算法。
如图4所示，支持向量回归算法(SVR)来源于支持向量机。支持向量机(SVM)工作原理基于Vapnik和Chervonenkis提出的VC维理论，是基于概论学习提出的。SVM应用在回归问题上被称为SVR。SVR被用作通过将现有数据映射到线性高维空间来寻找一个序列(xi,yi)(i＝1,2,...,N)输入与输出的非线性对应关系。SVR理论线性代数中的任何一个非线性关系都可以用高维的线性关系描述的理论。在二维空间内变量之间的回归关系为非线性的，那么我们一定可以找到一个高维空间，在这个高维空间中其回归关系为线性的，可以用一个线性超平面表示。
设一个序列(xi,yi)(i＝1,2,...,N)，xi∈Rd,yi∈R，这个序列中xi和yi为非线性对应关系。则一定存在一个高维Rh,xi到这个空间的映射关系表示为在这个高维空间中和yi为线性对应关系，即存在高维空间中有如下对应关系：
在本发明中，我们可以通过实验得到一个能量探测器探测到的峰值电压和标准能量计测得能量的对应关系的数据集合{(Vpj,Jj)|j＝1,2,…,N}，其对应关系由经验可知在能量变化的大范围内是非线性的。则存在一个高维空间Rh，Vpj到该空间的映射关系设为在这个高维空间中和Jj的映射关系为线性的，即存在对应关系：
在ε-SVR理论中,设定最小相对误差为2％，参数W和b的求取通过下式进行：
其中C为正则化常数，设z＝f(Vpj)-Jj，为ε不敏感损失函数，其定义如下：
引入松弛变量ξj,可将上式重新写为：
限制条件为
该问题为一个凸优化问题，利用拉格朗日乘子法解决上面的最优问题。引入拉格朗日乘子，由拉格朗日乘子法可以得到上式的拉格朗日函数
再令对w，b，ξj,的偏导数为零可得：
得到SVR的对偶问题
约束条件为:
求解此优化问题，解得：
则
即其中为核函数。
任何符合Mercer条件的函数都可以认为是核函数。SVR学得的模型可以表示成核函数的线性组合。核函数能够反应是从非线性学习空间向线性学习空间的转换。所以在SVR中只需指定核函数，不需要关心从低维空间到高维空间的映射关系。在本发明中采用的是gamma函数作为核函数，得到的f(Vpj)为能量探测器采集到的峰值电压和标准能量之间的标定模型。
如图5所示，采集一个数据集合{(Jj,Vpj)|j＝1,2,…,N}，利用MATLAB中编程实现SVR学习算法，通过训练得到的关系模型，密集的点为采集到的数据集合，线性分布的点为训练出的模型。
如图6所示，再以同样的方法采集一个数据集合{(Ji,Vpi)|i＝1,2,…,N}，通过上面训练出来的模型，用峰值电压Vpi推算出激光器的出光能量将这个值与标准的能量值Ji比较，密集的点表示采集到的数据集合，线性分布的点表示通过能量探测器采集到的峰值电压通过模型推算出来的激光器能量值。通过数值分析可知，通过SVR算法标定好的能量值和标准的能量值的相对均方差为1.91％，符合能量探测器设计的需求。
本发明实施例提供了一种准分子激光器能量探测器的能量值标定系统及方法，采用支持向量回归(SVR)算法，对于标准能量值进行“学习”，从而得到电压值和标准能量值之间的关系，从而对于光电式能量探测器的能量值进行标定，将支持向量回归(SVR)应用于准分子激光器能量探测器的能量值标定中来，从而得到更精确的能量值和更宽的能量探测范围。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁盘或光盘等。
以上对本发明所提供的一种准分子激光器能量探测器的能量值标定系统及方法进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (7)
1.一种准分子激光器能量探测器的能量值标定方法，其特征在于，所述方法包括：
利用分光镜对准分子激光脉冲进行分光得到透射光及反射光；
利用能量探测器对所述反射光进行激光脉冲的能量进行采集并利用标准能量计对所述透射光进行能量值检测；
调整准分子激光器的高压激励改变所述准分子激光脉冲的出光能量，获取在不同出光能量下所述能量探测器得到的峰值电压和所述标准能量计测得的能量值的对应关系；
利用支持向量回归算法对所述对应关系进行处理得到标定模型。
2.根据权利要求1所述的准分子激光器能量探测器的能量值标定方法，其特征在于，所述能量探测器包括毛玻璃、聚光镜以及光电二极管，所述利用能量探测器对所述反射光进行激光脉冲的能量进行采集并利用标准能量计对所述透射光进行能量值检测之前，还包括：
利用所述毛玻璃对所述反射光进行匀化处理；
利用所述聚光镜对匀化处理后的反射光进行聚光，使得反射光收敛到所述光电二极管的接收面内；
所述光电二极管根据接收到的反射光生成脉冲波形，将所述脉冲波形的波形峰值表征所述准分子激光脉冲的能量。
3.根据权利要求1所述的准分子激光器能量探测器的能量值标定方法，其特征在于，所述利用支持向量回归算法对所述对应关系进行处理得到标定模型，包括：
利用MATLAB软件和支持向量回归算法对所述对应关系的处理，通过训练得到的标定模型。
4.根据权利要求1所述的准分子激光器能量探测器的能量值标定方法，其特征在于，所述反射光和所述透射光的光通量比例值是1：19。
5.一种准分子激光器能量探测器的能量值标定系统，其特征在于，包括分光镜、能量探测器、与所述能量探测器电连接的数据采集卡、标准能量计及工控机，所述工控机分别与所述标准能量计和所述数据采集卡电连接，一束准分子激光脉冲照射在所述分光镜上，通过所述分光镜的分光作用形成透射光和反射光，所述标准能量计采集所述透射光的能量值并输出至所述工控机，所述能量探测器采集所述反射光并通过所述数据采集卡将所述反射光的峰值电压输出至所述工控机，所述工控机利用支持向量回归算法所述峰值电压和所述能量值的对应关系进行处理得到标定模型。
6.根据权利要求5所述的准分子激光器能量探测器的能量值标定系统，其特征在于，所述能量探测器包括依次设置的毛玻璃、聚光镜以及光电二极管，所述光电二极管与所述数据采集卡电性连接，所述反射光通过所述毛玻璃进行匀化处理后由所述聚光镜对匀化处理后的反射光进行聚光，使得反射光收敛到所述光电二极管的接收面内，所述光电二极管根据接收到的反射光生成脉冲波形，将所述脉冲波形的波形峰值表征所述准分子激光脉冲的能量。
7.根据权利要求5所述的准分子激光器能量探测器的能量值标定系统，其特征在于，所述分光镜的镜面与所述能量探测器互成45度夹角，所述分光镜的镜面与所述标准能量计互成45度夹角。
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| CN (1) | CN108151889B (zh) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109638629A (zh) * | 2019-02-19 | 2019-04-16 | 北京科益虹源光电技术有限公司 | 一种准分子激光脉冲能量稳定性控制方法及系统 |
| CN111325373A (zh) * | 2018-12-13 | 2020-06-23 | 汉能移动能源控股集团有限公司 | 一种发电量的预测方法及其系统 |
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| CN102708569A (zh) * | 2012-05-15 | 2012-10-03 | 东华大学 | 基于svm模型的单目红外图像深度估计方法 |
| CN205826269U (zh) * | 2016-06-22 | 2016-12-21 | 中国科学院光电研究院 | 一种准分子激光器绝对波长标定和校准装置 |
-
2017
- 2017-12-01 CN CN201711245937.5A patent/CN108151889B/zh active Active
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