CN113471805A - 提高激光器波长稳定性的控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种提高激光器波长稳定性的控制方法及装置；其中，所述提高激光器波长稳定性的控制方法包括：确定激光器当前波长a和目标波长b；以及根据激光器当前波长a和目标波长b分段控制电机运转，从而提高激光器波长稳定性。本公开提高激光器波长稳定性的控制方法及装置，在激光器波长靠近目标波长过程中，分段选择相应参数，从而控制电机转动使得激光器波长快速有效的达到稳定状态。

Description

提高激光器波长稳定性的控制方法及装置

技术领域

本公开涉及激光技术领域，具体涉及一种提高激光器波长稳定性的控制方法及装置。

背景技术

准分子激光器是一种波长处于紫外波段的脉冲气体激光器，其工作物质由惰性气体(氖气、氩气、氪气、氙气等)和卤族元素(氟、氯、溴等)形成。在基态时，呈两种原子气体混合状，被短脉冲电流激发到高能级时生成化合物，化合物的每个分子由两种气体各贡献一个原子组成，呈准分子态。当电子从高能级跃迁到低能级时辐射出紫外激光。

最常见的准分子激光器有氟化氩(ArF)、氟化氪(KrF)和氯化氙(XeCl)等，其中心波长分别为193nm、248nm和308nm，因其能量大、波长短，因而是半导体光刻的理想光源。在曝光过程中，准分子激光器中心波长的变化会引起光刻机成像面的位置变化，从而引起曝光线条变宽，芯片的良品率下降。为了得到稳定的中心波长，准分子激光器中通常都设有在线检测模块，当检测模块检测到激光器的中心波长变化时，将变化量传递给激光器系统，系统根据变化量大小调整激光器的输出波长，以保证激光器输出稳定中心波长的光束。

现有通过Fabry-Perot标准具(以下简称FP标准具)法提高测量精度及稳定性从而提高激光器输出波长稳定性的方法。FP标准具法是一种常用的测量激光器中心波长的方法，具体的，激光器经过FP标准后，产生干涉条纹，根据干涉条纹峰值的位置，得到入射激光器的中心波长。但是，中心波长的测量精度容易受温度压力等环境参数的变化所影响，当温度压力或者FP内部材料释放气体时，FP标准具的间距d以及内部气体的折射率就会发生改变，从而使FP标准具测量的中心波长发生漂移，影响激光器中心波长测量的精度和稳定度。为了提高中心波长的测量精度，CYMER公司提出了两种方法来提高FP标准具的稳定性：方法一是将FP标准具放在一个真空容器中，这样就避免了环境温度和气压的变化对FP标准具的影响。但是真空很难长时间维持，因此在长时间测量时中心波长时就会存在漂移。方法二是将FP标准具放在充满缓存气体(如氮气)的恒温容器中，但该方法依然无法克服激光器在开机时由冷到热的温度变化，而且恒温容器也存在一定的温度变化，因此激光器中心波长的测量精度以及波长稳定性无法有效保证。

综上，现有的激光器中心波长调节方案及测量方案无法有效的提高激光器波长稳定性。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述问题，本公开的主要目的在于提供一种提高激光器波长稳定性的控制方法及装置，以便解决上述问题的至少之一。

(二)技术方案

为了达到上述目的，作为本公开的一个方面，提供了一种提高激光器波长稳定性的控制方法，包括：

确定激光器当前波长a和目标波长b；以及

根据激光器当前波长a和目标波长b分段控制电机运转，从而提高激光器波长稳定性。

进一步的，所述根据激光器当前波长a和目标波长b分段控制电机运转包括：

若a-b≥d，则控制所述电机转动p1步；

若d＞a-b≥e，则控制所述电机转动p2步；

其中，p1＞p2，d为第一阈值，e为第二阈值。

进一步的，p1＝k(a-b)；

p2＝k(a-b)/2：

其中，k为1单位波长所对应的电机步进单位系数。

进一步的，所述根据激光器当前波长a和目标波长b分段控制电机运转还包括：

若e＞a-b＞c，则按照PID控制所述电机运转，其中c为第三阈值。

进一步的，所述根据激光器当前波长a和目标波长b分段控制电机运转还包括：

若|a-b|≤c，则控制所述电机保持当前状态。

进一步的，在a-b＞c时，控制电机正转，若激光器波长趋于目标波长，则在a-b＜-c时，控制电机反转；否则在a-b＞c时，控制电机反转，在a-b＜-c时，控制电机正转。

进一步的，在所述根据激光器当前波长a和目标波长b分段控制电机运转之前还包括：确定所述电机步进步数是否超过步数阈值，若超过则控制电机不动，反之根据所述当前波长a和目标波长b分段控制电机运转。

作为本公开的另一个方面，提供了一种激光器波长稳定性控制装置，包括光栅模块、弹簧、丝杠、反射镜、光学棱镜模块组、主控单元及外置电机；其中，所述光栅模块、弹簧、丝杠、反射镜、光学棱镜模块组设置于一壳体内，所述电机设置于所述壳体外；所述反射镜与所述弹簧连接；所述丝杠一端与所述壳体连接，另一端与所述反射镜连接；所述电机用于驱动所述丝杠前后移动；所述主控单元用于根据所述激光器当前波长a和目标波长b分段控制电机运转；通过所述电机运转带动所述丝杠移动以使所述反射镜动作，从而调节激光器波长。

进一步的，所述主控单元用于在a-b≥d时控制所述电机转动k(a-b)步，在d＞a-b≥e时控制所述电机转动k(a-b)/2步；

其中，d为第一阈值，e为第二阈值，k为1单位波长对应电机步进单位系数。

进一步的，所述主控单元还用于在e＞a-b＞c时按照PID控制所述电机运转，在|a-b|≤c时，则控制所述电机保持当前状态；其中，c为第三阈值。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开提高激光器波长稳定性的控制方法及装置至少具有以下有益效果其中之一：

(1)本公开提高激光器(特别是光刻用准分子激光器)中心波长稳定性的控制方法，在激光器波长靠近目标波长过程中，分段选择相应参数，从而控制电机转动使得激光器波长快速有效的达到稳定状态。

(2)采用本公开控制方法，在a-b≥d时，则控制所述电机转动k(a-b)步；在d＞a-b≥e时，则控制所述电机转动k(a-b)/2步；在e＞a-b＞c时，按照PID控制所述电机运转；由此可以使激光器中心波长稳定度比现有的方案至少提高一倍。

附图说明

图1为本公开控制方法流程图。

图2为本公开实施例提高激光器波长稳定性的控制装置结构示意图。

图3为本公开实施例控制方法流程图。

图4为本公开实施例分段控制流程图。

<符号说明>

1-光栅模块、2-反射镜固定弹簧、3-外置电机驱动器、4-丝杠、5-反射镜、6-光学棱镜模块组、7-壳体。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。

本公开提出一种提高激光器波长稳定性的控制方法，如图1所示，所述提高激光器波长稳定性的控制方法包括：

确定激光器当前波长a和目标波长b；以及

根据激光器当前波长a和目标波长b分段控制电机运转，从而提高激光器波长稳定性。其中，通过所述电机运转调节光学模块从而改变激光器波长。也就是说，本公开方法根据激光器当前波长a和目标波长b分段选择相应参数对电机运转进行分段控制，从而对激光器的输出波长进行调节，使激光器的输出波长趋于目标波长，提高激光器波长稳定性。

本公开提高激光器(特别是光刻用准分子激光器)中心波长稳定性的控制方法，在激光器波长靠近目标波长过程中，通过分段控制电机转动使得激光器波长快速有效的达到稳定状态。

具体的，所述根据激光器当前波长a和目标波长b分段控制电机运转包括：若a-b≥d，则控制所述电机转动p1步；若d＞a-b≥e，则控制所述电机转动p2步；其中，p1＞p2，d为第一阈值，e为第二阈值。

与现有激光器中心波长调节方法相比，本公开在当前波长a和目标波长b差距不同时，采取大量程调节和小量程调节两种不同的控制方案，由此能更快速、精确的达到设定目标波长，大大提高了调节时间与稳定度。

优选的，p1＝k(a-b)；p2＝k(a-b)/2；由此可以较好的满足时间要求，同时避免在调整到目标位置后来回震荡，提高了稳定性。

其中，k为单位波长所对应的电机步进单位系数，优选的，k为1pm(皮米)波长所对应的电机步进单位系数。

此外，若e＞a-b＞c，则按照PID控制所述电机运转，其中c为第三阈值。若|a-b|≤c，则控制所述电机保持当前状态。

具体的，在a-b＞c时，控制电机正转，若激光器波长趋于目标波长，则在a-b＜-c时，控制电机反转；否则在a-b＞c时，控制电机反转，在a-b＜-c时，控制电机正转。

本公开还提出一种提高激光器波长稳定性的控制装置，包括光栅模块、弹簧、电机、丝杠、反射镜、光学棱镜模块组及主控单元；其中，所述光栅模块、弹簧、丝杠、反射镜、光学棱镜模块组设置于一壳体内，所述电机设置于所述壳体外，所述弹簧一端与所述壳体连接，另一端与所述反射镜连接；所述丝杠一端与所述电机连接，另一端与所述反射镜连接；所述电机用于驱动所述丝杠前后移动；所述主控单元用于根据所述激光器当前波长a和目标波长b分段控制电机运转；通过所述电机运转带动所述丝杠移动以使所述反射镜动作，从而调节激光器波长。

具体的，所述主控单元用于在a-b≥d时控制所述电机转动k(a-b)步，在d＞a-b≥e时控制所述电机转动k(a-b)/2步；其中，d为第一阈值，e为第二阈值，k为1pm波长对应电机步进单位系数。

此外，所述主控单元还用于在e＞a-b＞c时按照PID控制所述电机运转，在|a-b|≤c时，则控制所述电机保持当前状态；其中，c为第三阈值。

本公开激光器在波长调节过程中，可以使激光器波长快速有效的达到稳定状态。

下面结合附图2-4详细介绍本公开实施例。

为便于理解，此处先简单介绍提高激光器波长稳定性的控制装置。如图2所示，所述装置通常包括：光栅模块1、反射镜固定弹簧2、丝杠4、反射镜5、光学棱镜模块组6、主控单元(未图示)及电机驱动器3。其中，所述光栅模块1、反射镜固定弹簧2、丝杠4、反射镜5、光学棱镜模块组6设置于一壳体7内，所述电机驱动器3设置于所述壳体7外(也即外置电机)，所述弹簧一端与所述壳体连接，另一端与所述反射镜连接；所述丝杠一端与所述电机连接，另一端与所述反射镜连接；所述电机用于驱动所述丝杠前后移动；所述主控单元用于分段控制所述电机运转；通过所述电机运转带动所述丝杠移动以使所述反射镜动作，从而调节激光器波长。具体的，若激光器中心波长处于波长设定范围内，且当前波长与目标波长间距在设定阈值范围内则主控单元控制电机保持当前状态；若激光器中心波长未处于波长设定范围内，且当前波长与目标波长间距超过设定阈值时则主控单元控制驱动电机转动，电机转动进一步带动丝杠移动；若丝杠前进，则推动反射镜以一支点转动；若丝杠后移，则弹簧将反射镜以同一支点拉回。概括来说，也即通过控制电机运转改变光学模块(包括光栅、反射镜、棱镜)状态从而调节激光器输出波长。

如图3所示，本实施例激光器波长调节过程具体如下：采集激光器当前波长a并获取激光器目标波长b；若激光器当前波长在波长设定范围且当前波长与目标波长间距在设定阈值范围内(a介于b-c～b+c之间)内，即|a-b|≤c，则控制所述电机保持当前状态；否则开始调节，控制电机开始运转。上式中，c为一设定阈值(阈值c的大小影响波长稳定性，可根据设备指标要求酌情选择，阈值c太小会相应的牺牲调节时间)。若a-b＞c，则控制电机正转(电机转动方向与实际波长变化有关，如果电机正转，激光器波长趋于目标波长则将正转设为设定方向，而如果电机反转，激光器波长趋于目标波长则将反转设为设定方向，此处假定正转为设定方向)。根据k，可得步数(a-b)×k，若所述电机步进步数不超过步数阈值(主要起保护作用，步数阈值可合理设置)，则所述主控单元按照如图4所示的控制流程控制电机驱动器执行转动步数，直至电机转动停止，该控制循环完成，继续下个循环；若a-b＜-c，电机反转，具体流程与电机正转原理一致，经过多个控制循环，使得采集波长与目标波长一致。

如前所述，若所述主控单元计算确定所述电机正转步数在阈值范围内，则所述主控单元按照如图4所示的控制方法控制电机驱动器执行转动步数，具体如下(电机反转与正转原理类似)：

开始进入控制循环，所述主控单元判断a-b≥d，式中，d为大量程调节阈值，如果此式为真，则所述主控单元控制电机转动k(a-b)步；如果此式为假，同时判断a-b≥e，式中，e为小量程调节阈值，如果此式为真，则主控单元控制电机转动k(a-b)/2步，k为单位波长对应电机步进单位系数，如果此式为假，主控单元按照PID模块控制电机输出(此处PID模块为LabVIEW提供的专门模块，可根据具体调试情况选择P、I、D参数)，该控制循环结束。经过几次循环可使当前波长稳定的调控到目标波长。k为单位波长对应电机步进单位系数；优选的，k为1pm波长所对应的电机步进单位系数。

其中，阈值c、d、e可根据实际调节精度和稳定度及调节时间来设定。

本公开提高激光器(特别是光刻用准分子激光器)中心波长稳定性的控制方法，在激光器波长靠近目标波长过程中，分段选择相应参数，从而控制电机转动使得激光器波长快速有效的达到稳定状态。采用本公开控制方法可以使激光器中心波长稳定度比现有的方法至少提高一倍。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

再者，单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种提高激光器波长稳定性的控制方法，其特征在于，包括：

确定激光器当前波长a和目标波长b；以及

根据激光器当前波长a和目标波长b分段控制电机运转，从而提高激光器波长稳定性。

2.根据权利要求1所述的提高激光器波长稳定性的控制方法，其特征在于，所述根据激光器当前波长a和目标波长b分段控制电机运转包括：

若a-b≥d，则控制所述电机转动p1步；

若d＞a-b≥e，则控制所述电机转动p2步；

其中，p1＞p2，d为第一阈值，e为第二阈值。

3.根据权利要求2所述的提高激光器波长稳定性的控制方法，其特征在于，

p1＝k(a-b)；

p2＝k(a-b)/2；

其中，k为1单位波长所对应的电机步进单位系数。

4.根据权利要求2所述的提高激光器波长稳定性的控制方法，其特征在于，所述根据激光器当前波长a和目标波长b分段控制电机运转还包括：

若e＞a-b＞c，则按照PID控制所述电机运转，其中c为第三阈值。

5.根据权利要求4所述的提高激光器波长稳定性的控制方法，其特征在于，所述根据激光器当前波长a和目标波长b分段控制电机运转还包括：

若|a-b|≤c，则控制所述电机保持当前状态。

6.根据权利要求2所述的提高激光器波长稳定性的控制方法，其特征在于，在a-b＞c时，控制电机正转，若激光器波长趋于目标波长，则在a-b＜-c时，控制电机反转；否则在a-b＞c时，控制电机反转，在a-b＜-c时，控制电机正转。

7.根据权利要求2所述的提高激光器波长稳定性的控制方法，其特征在于，在所述根据激光器当前波长a和目标波长b分段控制电机运转之前还包括：确定所述电机步进步数是否超过步数阈值，若超过则控制电机不动，反之根据所述当前波长a和目标波长b分段控制电机运转。

8.一种提高激光器波长稳定性的控制装置，其特征在于，包括光栅模块、弹簧、丝杠、反射镜、光学棱镜模块组、主控单元及电机；其中，所述光栅模块、弹簧、丝杠、反射镜、光学棱镜模块组设置于一壳体内，所述电机设置于所述壳体外；所述反射镜与所述弹簧连接；所述丝杠一端与所述壳体连接，另一端与所述反射镜连接；所述电机用于驱动所述丝杠前后移动；所述主控单元用于根据所述激光器当前波长a和目标波长b分段控制电机运转；通过所述电机运转带动所述丝杠移动以使所述反射镜动作，从而调节激光器波长。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，

所述主控单元用于在a-b≥d时控制所述电机转动k(a-b)步，在d＞a-b≥e时控制所述电机转动k(a-b)/2步；

其中，d为第一阈值，e为第二阈值，k为1单位波长对应电机步进单位系数。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，

所述主控单元还用于在e＞a-b＞c时按照PID控制所述电机运转，在|a-b|≤c时，则控制所述电机保持当前状态；其中，c为第三阈值。

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