CN113783097A - 双腔激光器能量的控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双腔激光器能量的控制方法及系统。该控制方法包括如下步骤：获取实际输出的综合激光能量；根据综合激光能量和目标激光能量，得到能量误差；根据能量误差以及猝发信号的属性，进行比例积分计算，得到待调节值；将待调节值解耦为对应于双腔室的两个控制变量，并将控制变量分别输出给双腔室的激光激发执行机构；激光激发执行机构根据控制变量，输出激光能量，更新综合激光能量；重复上述过程，直至出光结束。该控制方法实现了激光器两个腔体的综合能量的调节，能获得更大的激光能量调控范围。
Description
技术领域
本发明涉及一种双腔激光器能量的控制方法，同时涉及一种双腔激光器 能量的控制系统，属于激光技术领域。
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，准分子激光 器的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)组成，在基态时，为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， 成准分子态。当电子从高能级跃迁到低能级时辐射出激光。
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，因其激光能量大、波长短， 是半导体光刻的理想光源。在曝光过程中，准分子激光器激光能量变化会引 起激光装置出光稳定性，从而引起曝光线条不均匀，导致芯片的良品率下降。
为了得到稳定的输出激光能量，准分子激光器中通常会设置在线激光能 量测量模块，当激光能量测量模块测到激光器的出光口激光能量，会将激光 能量传递给激光器系统中激光能量调节装置，该激光能量调节装置根据激光 能量变化调整激光器的输出激光能量，以保证激光器输出激光能量的稳定。
激光器可以工作在连续模式和burst(猝发)模式。尤其是在光刻领域， 为适应光刻对象的位置调整，激光器一般设置为猝发模式，该模式下脉冲频 率恒定、且每隔n个脉冲就会暂停一段时间。例如，200脉冲间隔50ms，即 表示每间隔50ms就发出200个脉冲，以此反复。激光猝发模式的出光如图 1A所示，每一方框示出的脉冲集合为一组激光脉冲组(一个猝发信号burst)， 脉冲组之间会有停歇间隔。猝发信号状态下激光能量为非线性变化，同样条 件下脉冲位置不同、出光能力不同。图1B示出了图1A中一个猝发信号的所 有脉冲能量分布。激光器的气体状态变化、温度变化、机构灵敏度等条件的 不同，脉冲激光能量稳定性也会受到显著的影响。事实上，激光器出光激光 能量有一定的随机性，如图1A中所示。
双腔激光器是具有两个腔室的激光器，双腔激光器的出光激光能量和双 腔电压状态的关系如图1C所示。在现有应用中，为了满足PID单输入单输 出的特性、保持激光能量稳定性，双腔激光器往往只调节单个腔体的激光能 量，由图1C可知单腔控制方法存在调节范围不足，不能充分发挥双腔激光 器的腔体配合优势。
发明内容
本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种双腔激光器能量的控制方 法。
本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种双腔激光器能量的控制系 统。
为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：
根据本发明实施例的第一方面，提供一种双腔激光器能量的控制方法， 包括如下步骤：
获取实际输出的综合激光能量；
根据所述综合激光能量和目标激光能量，得到能量误差；
根据所述能量误差以及猝发信号的属性，进行比例积分计算，得到待调 节值；
将所述待调节值解耦为对应于双腔室的两个控制变量，并将所述控制变 量分别输出给双腔室的激光激发执行机构；
所述激光激发执行机构根据所述控制变量，输出激光能量，更新所述综 合激光能量；
重复上述过程，直至出光结束。
其中较优地，根据能量误差以及猝发信号的属性，进行比例积分计算， 得到待调节值的步骤中，包括：
对脉冲进行计数；以及，根据计数：
对第一脉冲进行单一闭环控制调节；
对非第一脉冲进行双闭环控制调节。
其中较优地，能量误差计算为：
ej＝Et-Erj
其中，
ej为第j个猝发信号下的第一脉冲误差；
Et为所述目标激光能量；
Erj为第j个猝发信号下的第一脉冲激光能量测量值；
对所述第一脉冲进行单一闭环控制调节的步骤中，根据前一个猝发信号、 当前猝发信号的第一脉冲激光能量测量值的比例积分值，计算后一个猝发信 号的第一脉冲控制输出值，比例积分公式为：
G4(j+1)(e)＝Kp(ej-ej-1)+Kiej
其中，
G4(j+1)(e)为第j+1个猝发信号下的第一脉冲控制输出值；
Kp为增量式PI的比例项系数，Kp的取值范围为1～200；
Ki为增量式PI的积分项系数，Ki的取值范围为1～200。
其中较优地，能量误差计算为：
ek＝Et-Erk
其中，
ek为当前猝发信号内第k个脉冲误差；
Et为目标激光能量；
Erk为当前猝发信号内第k个脉冲激光能量测量值；
对所述非第一脉冲进行双闭环控制调节的步骤中，根据前一个脉冲、当 前脉冲的激光能量测量值的比例积分值，计算后一个脉冲的控制输出值，包 括：
通过剂量比例积分进行控制：
剂量计算公式为:
其中，
Dk(e)为剂量；
N为剂量目标数量值；
剂量比例积分公式为：
G1(k+1)(e)＝Kp(Dk(e)-Dk-1(e))+KiDk(e)
其中，
G1(k+1)(e)为当前猝发信号内第k+1个脉冲控制输出值；
Kp为变增益增量式PI的比例项系数，Kp的取值范围为0～200；
Ki为变增益增量式PI的积分项系数，Ki的取值范围为0～200；
k为猝发信号内脉冲位置。
其中较优地，对所述非第一脉冲进行双闭环控制调节的步骤中，还包括， 通过扰动前馈进行控制：
扰动前馈公式为：
G2k(e)＝Krek
其中，
G2k(e)为当前猝发信号内第k个脉冲扰动前馈输出；
Kr为扰动系数，与当前猝发信号内第k个脉冲误差相关，Kr的取值范围 为1～200。
其中较优地，比例项系数Kp、积分项系数Ki和扰动系数Kr计算方法为：
测定出光能力，出光能力dvde的定义为：
其中，
dvde为出光能力；
ΔV为电压增量；
ΔE为出光激光能量增量；
拟合Kp、Ki和Kr为所述出光能力的一次多项式或二次多项式：
Kp＝f(dvde)
Ki＝g(dvde)
Kr＝h(dvde)
其中，一次多项式的拟合公式为：
a*(dvde)+b
其中，
a的取值范围为1～2；
b的取值范围为50～200；
二次多项式的拟合公式为：
c*(dvde*dvde)+d*(dvde)+e
其中，
c的取值范围为0～2；
d的取值范围为100～200；
e的取值范围为50～500。
其中较优地，所述出光能力dvde的等效公式为：
其中，
n为猝发信号内脉冲总个数；
j为猝发信号的位置；
i为猝发信号内脉冲的位置；
a0为一阶低通滤波系数；
V为脉冲电压；
E为脉冲能量；
dvdej为第j个猝发信号结束后
的值。
其中较优地，将所述待调节值解耦为对应于双腔室的两个控制变量的步 骤中，包括如下子步骤：
计算双腔室的单步激光能量倍率；则有：
M＝PA/PB
其中，
M为单步激光能量倍率；
将双腔室的出光能力dvde大者设为A、小者设为B；
A的单步激光能量为PA，B的单步激光能量为PB；
M、NA和NB均为大于1的整数；
计算激光能量调节基数，则有：
Base＝(NL×10/NH)+OVERLAP×10
其中，
Base为调节基数；
“/”表示整除；
OVERLAP为回退步数；
A的变化范围为NA步，B的变化范围为NB步，比较NA和NB的大小， 数值较小者设为高位NH，数值较大者设为低位NL；
根据每一腔室的出光能力变化范围大小设置调配量，则有：
HV_NH＝ΔHV×10/Base
HV_NL＝ΔHV-HV_NH×N
其中，
将双腔室中出光能力变化范围较小的一个腔室设置为第一调配量， HV_NH为第一调配量输出；
将双腔室中出光能力变化范围较大的另一个腔室为设置为第二调配量， HV_NL为第二调配量输出。
根据本发明实施例的第二方面，提供一种双腔激光器能量的控制系统， 包括：
获取单元，用于获取实际输出的综合激光能量；
计算单元，用于根据所述综合激光能量和目标激光能量，得到能量误差；
调配单元，用于根据所述能量误差以及猝发信号的属性，进行比例积分 计算，得到待调节值；
解耦单元，用于将所述待调节值解耦为对应于双腔室的两个控制变量， 并将所述控制变量分别输出给双腔室的激光激发执行机构；
所述激光激发执行机构根据所述控制变量，输出激光能量，更新所述综 合激光能量。
其中较优地，包括计数器，用于对脉冲进行计数；
在所述调配单元中，包括：
第一闭环控制器，用于根据计数，对第一脉冲进行单一闭环控制调节；
第二闭环控制器，用于根据计数，对非第一脉冲进行双闭环控制调节。 其中较优地，在所述计算单元中，能量误差计算为：
ej＝Et-Erj
其中，
ej为第j个猝发信号下的第一脉冲误差；
Et为所述目标激光能量；
Erj为第j个猝发信号下的第一脉冲激光能量测量值；
在所述第一闭环控制器中，根据前一个猝发信号、当前猝发信号的第一 脉冲激光能量测量值的比例积分值，计算后一个猝发信号的第一脉冲控制输 出值，比例积分公式为：
G4(j+1)(e)＝Kp(ej-ej-1)+Kiej
其中，
G4(j+1)(e)为第j+1个猝发信号下的第一脉冲控制输出值；
Kp为增量式PI的比例项系数，Kp的取值范围为1～200；
Ki为增量式PI的积分项系数，Ki的取值范围为1～200。
其中较优地，在所述计算单元中，能量误差计算为：
ek＝Et-Erk
其中，
ek为当前猝发信号内第k个脉冲误差；
Et为目标激光能量；
Erk为当前猝发信号内第k个脉冲激光能量测量值；
在所述第二闭环控制器中，根据前一个脉冲、当前脉冲的激光能量测量 值的比例积分值，计算后一个脉冲的控制输出值，包括：
通过剂量比例积分进行控制：
剂量计算公式为:
其中，
Dk(e)为剂量；
N为剂量目标数量值；
剂量比例积分公式为：
G1(k+1)(e)＝Kp(Dk(e)-Dk-1(e))+KiDk(e)
其中，
G1(k+1)(e)为当前猝发信号内第k+1个脉冲控制输出值；
Kp为变增益增量式PI的比例项系数，Kp的取值范围为0～200；
Ki为变增益增量式PI的积分项系数，Ki的取值范围为0～200；
k为猝发信号内脉冲位置。
其中较优地，在所述第二闭环控制器中，还包括，通过扰动前馈进行控 制：
扰动前馈公式为：
G2k(e)＝Krek
其中，
G2k(e)为当前猝发信号内第k个脉冲扰动前馈输出；
Kr为扰动系数，与当前猝发信号内第k个脉冲误差相关，Kr的取值范围 为1～200。
其中较优地，在所述调配单元中，比例项系数Kp、积分项系数Ki和扰动 系数Kr计算方法为：
测定出光能力，出光能力dvde的定义为：
其中，
dvde为出光能力；
ΔV为电压增量；
ΔE为出光激光能量增量；
拟合Kp、Ki和Kr为所述出光能力的一次多项式或二次多项式：
Kp＝f(dvde)
Ki＝g(dvde)
Kr＝h(dvde)
其中，一次多项式的拟合公式为：
a*(dvde)+b
其中，
a的取值范围为1～2；
b的取值范围为50～200；
二次多项式的拟合公式为：
c*(dvde*dvde)+d*(dvde)+e
其中，
c的取值范围为0～2；
d的取值范围为100～200；
e的取值范围为50～500。
其中较优地，在所述调配单元中，所述出光能力dvde的等效公式为：
其中，
n为猝发信号内脉冲总个数；
j为猝发信号的位置；
i为猝发信号内脉冲的位置；
a0为一阶低通滤波系数；
V为脉冲电压；
E为脉冲能量；
dvdej为第j个猝发信号结束后
的值。
其中较优地，在所述解耦单元中，包括：
倍率计算器41，用于计算双腔室的单步激光能量倍率；则有：
M＝PA/PB
其中，
M为单步激光能量倍率；
将双腔室的出光能力dvde大者设为A、小者设为B；
A的单步激光能量为PA，B的单步激光能量为PB；
M、NA和NB均为大于1的整数；
位级分配器，用于计算激光能量调节基数，则有：
Base＝(NL×10/NH)+OVERLAP×10
其中，
Base为调节基数；
“/”表示整除；
A的变化范围为NA步，B的变化范围为NB步，比较NA和NB的大小， 数值较小者设为高位NH，数值较大者设为低位NL；
OVERLAP为回退步数；
控制量配置器，用于根据每一腔室的出光能力变化范围大小设置调配量， 则有：
HV_NH＝ΔHV×10/Base
HV_NL＝ΔHV-HV_NH×N
其中，
将双腔室中出光能力变化范围较小的一个腔室设置为第一调配量， HV_NH为第一调配量输出；
将双腔室中出光能力变化范围较大的另一个腔室为设置为第二调配量， HV_NL为第二调配量输出。
与现有技术相比，本发明所提供的双腔激光器能量的控制方法及相应的 控制系统实现了激光器两个腔体的综合能量的调节，可以获得更大的激光能 量调控范围，特别适用于光刻机应用。
附图说明
图1A为激光器在猝发模式下猝发信号示意图；
图1B为图1A中一个猝发信号的放大示意图；
图1C为双腔激光器中两个腔室的出光能量特性示意图；
图2为本发明实施例1中双腔激光器能量的控制方法的流程图；
图3A为图2中步骤S3)的流程示意图；
图3B为调配周期示意图；
图4为本发明实施例2中双腔激光器能量的控制系统的结构框图；
图5A为本发明实施例2中对应对第一脉冲控制的控制原理图；
图5B为本发明实施例2中对应对非第一脉冲控制的控制原理图；
图6为本发明实施例4中激光装置的结构示意图；
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具 体实施方式对本发明双腔激光器能量的控制方法及双腔激光器能量的控制 装置、存储介质、激光装置作进一步详细描述。
<第一实施例>
为了加大激光能量调节范围，同时保证输出激光能量的稳定性，本申请 提出一种双腔激光器能量的控制方法，该控制方法在激光能量调节过程中， 采用变增益比例积分PI控制方式，并通过激光能量解耦算法实现能量解耦， 对双腔激光器两个腔体的激光能量输出进行调配，从而扩展双腔激光能量调 节范围，同时使得最终输出的激光能量的稳定性得到保证，尤其适用于光刻 用的准分子激光器控制。
如图2所示，该双腔激光器能量的控制方法，在激光能量调节过程中包 括如下步骤：
步骤S1)：获取实际输出的综合激光能量。
在该步骤中，通过传感器获取实际输出的综合激光能量。综合激光能量 即激光器双腔室输出的激光能量总和，也就是传感器实际测得的激光能量测 量值。
在该步骤之前，还包括：设置目标激光能量的步骤，这里的设置目标激 光能量可以由用户设定或修改。这里应该理解的是，在一个工艺周期可以仅 进行一次设置目标激光能量；或者，可以根据实际的工艺需求，在一个工艺 周期进行多次设置，或者在多个工艺周期仅进行一次设置，这里不做限定。
步骤S2)：根据综合激光能量和目标激光能量，得到能量误差。
在该步骤中，能量误差为目标激光能量与激光能量测量值之差。根据脉 冲位置的不同，激光能量测量值可以为第一脉冲激光能量测量值或非第一脉 冲激光能量测量值。
步骤S3)：根据能量误差以及猝发信号的属性，进行比例积分计算，得 到待调节值。
其中，猝发信号的属性至少包括脉冲出现顺序/位置、脉冲间隔时间。
在该步骤中，根据能量误差以及猝发信号的属性，进行比例积分计算， 得到待调节值的步骤中，如图3A所示，包括如下子步骤：
步骤S31)：对脉冲进行计数。
参考图3A，在激光激发过程中，脉冲到来时，脉冲计数开始累加。猝发 信号内第一个脉冲信号的能量值(图1B中的①所指)和同一猝发信号内的 其他脉冲的能量值的差异明显，需进行单独控制。因此，首先根据能量值， 判断脉冲是否第一脉冲。
根据判断结果，当脉冲计数为猝发信号内第一脉冲(参考图1B中①所 指)时，采用第一方案控制(单一闭环控制)；否则，当脉冲计数为猝发信 号内非第一脉冲(参考图1B中的①以外所指)时，采用第二方案控制(双 闭环控制)。
为对第一方案和第二方案进行区别，分别采用不同的字母标识猝发信号 顺序以及猝发信号内的脉冲顺序，在第一方案中采用j表示猝发信号顺序位置 (第j个猝发信号)，采用k表示猝发信号内脉冲信号位置(第k个脉冲)。 以下将进行具体说明。
步骤S32)：根据计数，对第一脉冲进行单一闭环控制调节。
在第一方案的单一闭环控制调节中，信号位置用j表示：
能量误差计算如下：
ej＝Et-Erj (1)
其中，
ej为第j个猝发信号下的第一脉冲误差；
Et为目标激光能量；
Erj为第j个猝发信号下的第一脉冲激光能量测量值。
作为有且仅有的单一闭环通道，根据前一个猝发信号、当前猝发信号的 第一脉冲激光能量测量值的比例积分值，计算后一个猝发信号的第一脉冲控 制输出值。比例积分公式如下：
G4(j+1)(e)＝Kp(ej-ej-1)+Kiej (2)
其中，
G4(j+1)(e)为第j+1个(即后一个)猝发信号的第一脉冲控制输出值，例 如图1A中②所指的猝发信号是第一个，③所指猝发信号为第四个；这里不 是依次计算脉冲，而是猝发信号之间有个时间间隔，以便于通过第一脉冲来 控制下一个猝发信号的第一脉冲；
Kp为增量式PI的比例项系数，Kp的取值范围为1～200；
Ki为增量式PI的积分项系数，Ki的取值范围为1～100。
步骤S33)：根据计数，对非第一脉冲进行双闭环控制调节。
在第二方案的双闭环控制调节中，猝发信号的脉冲位置用k表示：
能量误差计算如下：
ek＝Et-Erk (3)
其中，
ek为当前猝发信号内第k个脉冲误差；
Et为目标激光能量；
Erk为当前猝发信号内第k个脉冲激光能量测量值。
作为双闭环通道的第一闭环通道，根据前一个脉冲、当前脉冲的激光能 量测量值的比例积分值，计算后一个脉冲的控制输出值，包括：
通过剂量比例积分进行控制：
剂量计算公式如下:
其中，
Dk(e)为剂量；
N为剂量目标数量值。
剂量比例积分公式如下：
G1(k+1)(e)＝Kp(Dk(e)-Dk-1(e))+KiDk(e) (5)
其中，
G1(k+1)(e)为当前猝发信号内第k+1个脉冲控制输出值；
Kp为变增益增量式PI的比例项系数，Kp的取值范围为0～200；
Ki为变增益增量式PI的积分项系数，Ki的取值范围为0～200；
k为猝发信号内脉冲位置；
作为双闭环通道的第二闭环通道，还包括扰动前馈控制：
扰动前馈公式如下：
G2k(e)＝Krek (6)
其中，
G2k(e)为当前猝发信号内第k个脉冲扰动前馈输出；
Kr为扰动系数，与当前猝发信号内第k个脉冲误差相关，Kr的取值范围 为1～200。
由图1C中的出光激光能量曲线可知系统是非线性的，即不同电压下的 出光能力不同。比例项系数Kp、积分项系数Ki和扰动系统Kr均可自动调整以 增强非线性系统的稳定性，这种方法称为变增益PI控制。变增益增量式PI 控制的Kp、Ki和扰动系数Kr三个系数计算方法为：
通过实验测定出光能力dvde，并进行拟合比例项系数Kp、积分项系数K 和扰动系统Kr等三个系数之间的关系，实验结果显示上述系数均为dvde的一 次多项式或二次多项式。
其中，出光能力dvde的定义为：
其中，
ΔV为电压增量；
ΔE为出光激光能量增量。
第二方案的控制对象非第一脉冲为非线性系统，采用变增益法能获得更 精确的控制，变增量方程式如下：
Kp＝f(dvde) (8)
Ki＝g(dvde) (9)
Kr＝h(dvde) (10)
根据实验测试数据，一次多项式的拟合公式为：
a*(dvde)+b (11)
其中，a的取值范围为1～2，b的取值范围为50～200；
二次多项式的拟合公式为：
c*(dvde*dvde)+d*(dvde)+e (12)
其中，
c的取值范围为0～2；
d的取值范围为100～200；
e的取值范围为50～500。
实际应用中，为了减小扰动，dvde计算需要进行等效处理，具体处理如 下：猝发信号内的同一位置脉冲在相邻猝发信号间的设定电压增量和出光激 光能量增量之比，并取其一个猝发信号内的均值，再经过一阶低通滤波器得 到，出光能力dvde，每个猝发信号更新一次。出光能力dvde等效公式如下：
其中，
n为猝发信号内脉冲总个数；
j为猝发信号的位置；
i为猝发信号内脉冲的位置；
a0为一阶低通滤波系数；
V为脉冲电压；
E为脉冲能量；
dvdej为第j个猝发信号结束后的dvde(定义见公式7
)值。
在第二方案中，双闭环控制的待调节值的输出结果为剂量比例积分与扰 动前馈之和，即G1(k+1)(e)+G2k(e)。
待调节值计算得到后，不管是对第一脉冲还是非第一脉冲，调配周期结 束，开始下一个调配周期。也就是说，参考图3B，在定时器和计数器的作用 下，在相邻脉冲信号的间隔时间满足条件(例如>20ms)后，即判断猝发信 号结束，对每一猝发信号的脉冲计数清零，开始新的调配周期；否则，则调 控周期结束。
步骤S4)：将待调节值解耦为对应于双腔室的两个控制变量，并将控制 变量分别输出给双腔室的激光激发执行机构。
激光器具有两个腔室，每一腔室均具有独立的激光激发执行机构，双腔 的激光执行机构接收的控制量是电压。
在该步骤中，将待调节值解耦为对应于双腔室的两个控制变量，可以实 现对两个腔室分别的、独立的控制。具体的，将第一方法的输出和第二方法 的输出均设为ΔHV，需要经过激光能量解耦分解为两个输出控制信号以分别 对激光器的双腔进行控制。
在将待调节值解耦为对应于双腔室的两个控制变量，并将控制变量分别 输出给双腔室的激光激发执行机构的步骤中。在该步骤中，对第一腔室H1 和第二腔室H2的控制变量，通过类似于进制计算的方式进行解耦，具体说 明如下：
H1、H2采用步数控制，接收整型数据；H1、H2出光能力dvde不同。出 光能力即物体将受激发时吸收的能量转换为光能的能力，是表征发光体功能 的重要参量。
步骤S41)：计算双腔室的单步激光能量倍率。
将H1、H2的出光能力dvde大者设为A，A的单步激光能量为PA；出光能 力dvde小者设为B，B的单步激光能量为PB。根据单步激光能量，则有：
M＝PA/PB (14)
其中，
M为单步激光能量倍率；
M、NA和NB均为大于1的整数。
步骤S42)：计算激光能量调节基数。
A的变化范围为NA步，B的变化范围为NB步，比较NA和NB的大小， 数值较小者设为高位NH，数值较大者设为低位NL，精确到10位，计算激光 能量调节基数，调节基数为中间变量，则有：
Base＝(NL×10/NH)+OVERLAP×10 (15)
其中，
Base为调节基数；
“/”表示整除；
OVERLAP为回退步数，当H1、H2的出光能力不同时，其中一个增长一步， 另一个需要回退步数OVERLAP。
步骤S43)：根据每一腔室的出光能力变化范围大小设置调配量。
在调节基数的基础上，计算得到双腔室的两个控制变量，以在后续的控 制过程中将调配量转换得到适合对激光激发执行机构进行实际控制的变量， 实现激光输出控制。
将双腔室中出光能力变化范围较小的一个腔室设置为第一调配量，将双 腔室中出光能力变化范围较大的另一个腔室为设置为第二调配量，则有：
HV_NH＝ΔHV×10/Base (16)
HV_NL＝ΔHV-HV_NH×N (17)
其中，
HV_NH为第一调配量输出；
HV_NL为第二调配量输出。
也就是说，当H1的出光能力变化范围小于H2，则HV_NH为H1输入， HV_NL为H2输入；
当H1的出光能力变化范围大于H2，则HV_NH为H2输入，HV_NL为H1输 入。
步骤S5)：激光激发执行机构根据控制变量，输出激光能量，更新综合 激光能量。
在该步骤中，激光器每一腔室中的激光激发执行机构均根据调配量输出 激光能量，两个腔室中的激光能量之和为激光器的总能量。
步骤S6)：重复上述过程，直至出光结束。
重复上述步骤S1)至步骤S5)，直至用户控制激光器停止出光。
采用该控制方法，对双腔激光器进行出光能量范围测试，测试结果如下 表所示：
表1双腔激光器出光能量范围实验数据
| 型号 | 单腔可变控制 | 双腔协调控制 |
| M1 | 18.5～23.2mJ | 7.5～32.0mJ |
| M2 | 10.3～15.2mJ | 6.0～19.5mJ |
| M3 | 6.8～12.9mJ | 5.0～20.0mJ |
从表1可见，与现有技术的单腔可变控制方法相比，该双腔协调控制方 法的出光能量的调控范围更广。
在该双腔激光器能量的控制方法中，根据猝发信号的属性，通过单一闭 环控制调节(单通道)或双闭环控制调节(双通道)的闭环控制，输出单一 的待调节值变量；进而将该单一待调节值变量通过解耦方法解耦为两个变量， 分别输出给双腔室的两个激光激发执行机构，从而产生稳定的输出激光。
该控制方法目前已经在多台双腔激光器上进行了运行测试，结果显示调 节范围与稳定度均得到了极大提高。
<第二实施例>
本实施例提供一种双腔激光器能量的控制系统，对应实现实施例1的双 腔激光器能量的控制方法。
一种双腔激光器能量的控制系统，如图4所示，包括：
获取单元1，用于获取实际输出的综合激光能量；
计算单元2，用于根据综合激光能量和目标激光能量，得到能量误差；
调配单元3，用于根据能量误差以及猝发信号的属性，进行比例积分计 算，得到待调节值；
解耦单元4，用于将待调节值解耦为对应于双腔室的两个控制变量，并 将控制变量分别输出给双腔室的激光激发执行机构；
激光激发执行机构根据控制变量，输出激光能量，更新综合激光能量。
该双腔激光器能量的控制系统包括计数器，用于对脉冲进行计数；
在调配单元3中，包括：
第一闭环控制器31，用于根据计数，对第一脉冲进行单一闭环控制调节；
第二闭环控制器32，用于根据计数，对非第一脉冲进行双闭环控制调节。 如图5A所示，对第一脉冲，在计算单元2中，能量误差计算为：
ej＝Et-Erj
其中，
ej为第j个猝发信号下的第一脉冲误差；
Et为目标激光能量；
Erj为第j个猝发信号下的第一脉冲激光能量测量值；
在第一闭环控制器31中，根据前一个猝发信号、当前猝发信号的第一 脉冲激光能量测量值的比例积分值，计算后一个猝发信号的第一脉冲控制输 出值，比例积分公式为：
G4(j+1)(e)＝Kp(ej-ej-1)+Kiej
其中，
G4(j+1)(e)为第j+1个猝发信号下的第一脉冲控制输出值；
Kp为增量式PI的比例项系数，Kp的取值范围为1～200；
Ki为增量式PI的积分项系数，Ki的取值范围为1～200。
对非对第一脉冲，在计算单元2中，能量误差计算为：
ek＝Et-Erk
其中，
ek为当前猝发信号内第k个脉冲误差；
Et为目标激光能量；
Erk为当前猝发信号内第k个脉冲激光能量测量值；
如图5B所示，在第二闭环控制器32中，根据前一个脉冲、当前脉冲的 激光能量测量值的比例积分值，计算后一个脉冲的控制输出值，包括：
通过剂量比例积分进行控制：
剂量计算公式为:
其中，
Dk(e)为剂量；
N为剂量目标数量值；
剂量比例积分公式为：
G1(k+1)(e)＝Kp(Dk(e)-Dk-1(e))+KiDk(e)
其中，
G1(k+1)(e)为当前猝发信号内第k+1个脉冲控制输出值；
Kp为变增益增量式PI的比例项系数，Kp的取值范围为0～200；
Ki为变增益增量式PI的积分项系数，Ki的取值范围为0～200；
k为猝发信号内脉冲位置。
其中较优地，在第二闭环控制器32中，还包括，通过扰动前馈进行控 制：
扰动前馈公式为：
G2k(e)＝Krek
其中，
G2k(e)为当前猝发信号内第k个脉冲扰动前馈输出；
Kr为扰动系数，与当前猝发信号内第k个脉冲误差相关，Kr的取值范围 为1～200。
其中，在调配单元3中，比例项系数Kp、积分项系数Ki和扰动系数Kr计 算方法为：
测定出光能力，出光能力dvde的定义为：
其中，
dvde为出光能力；
ΔV为电压增量；
ΔE为出光激光能量增量；
拟合Kp、Ki和Kr为出光能力的一次多项式或二次多项式：
Kp＝f(dvde)
Ki＝g(dvde)
Kr＝h((dvde)
其中，一次多项式的拟合公式为：
a*(dvde)+b
其中，
a的取值范围为1～2；
b的取值范围为50～200；
二次多项式的拟合公式为：
c*(dvde*dvde)+d*(dvde)+e
其中，
c的取值范围为0～2；
d的取值范围为100～200；
e的取值范围为50～500。
进一步其中较优地，在调配单元3中，出光能力dvde的等效公式为：
其中，
n为猝发信号内脉冲总个数；
j为猝发信号的位置；
i为猝发信号内脉冲的位置；
a0为一阶低通滤波系数；
V为脉冲电压；
E为脉冲能量；
dvdej为第j个猝发信号结束后
的值。
如图4所示，在解耦单元4中，包括：
倍率计算器，用于计算双腔室的单步激光能量倍率；则有：
M＝PA/PB
其中，
M为单步激光能量倍率；
将双腔室的出光能力dvde大者设为A、小者设为B；
A的单步激光能量为PA，B的单步激光能量为PB；
M、NA和NB均为大于1的整数；
位级分配器42，用于计算激光能量调节基数，则有：
Base＝(NL×10/NH)+OVERLAP×10
其中，
Base为调节基数；
“/”表示整除；
A的变化范围为NA步，B的变化范围为NB步，比较NA和NB的大小， 数值较小者设为高位NH，数值较大者设为低位NL；
OVERLAP为回退步数；
控制量配置器43，用于根据每一腔室的出光能力变化范围大小设置调配 量，则有：
HV_NH＝ΔHV×10/Base
HV_NL＝ΔHV-HV_NH×N
其中，将双腔室中出光能力变化范围较小的一个腔室设置为第一调配量， HV_NH为第一调配量输出；
将双腔室中出光能力变化范围较大的另一个腔室为设置为第二调配量， HV_NL为第二调配量输出。进而，将第一调配量传输到第一激光激发执行机 构，将第二调配量传输到第二激光激发执行机构，实现激光的综合输出。
<第三实施例>
本实施例提供一种存储介质，其中存储有多条指令，适用于双腔激光器 能量的控制，由处理器加载并执行：
获取实际输出的综合激光能量；
根据综合激光能量和目标激光能量，得到能量误差；
根据能量误差以及猝发信号的属性，进行比例积分计算，得到待调节值；
将待调节值解耦为对应于双腔室的两个控制变量，并将控制变量分别输 出给双腔室的激光激发执行机构；
激光激发执行机构根据控制变量，输出激光能量，从而更新综合激光能 量；
重复上述过程，直至出光结束。
本实施例示出的存储介质可以为控制系统的硬盘或存储单元，其上存储 有计算机程序(即程序产品)，计算机程序在被处理器运行时，会实现上述 控制方法实施方式中所记载的各步骤，例如闭环控制、dvde计算、解耦方法 等。各步骤的具体实现方式可参考实施例1，在此不再重复说明。
需要说明的是，存储介质的例子还可以包括，但不限于相变内存(PRAM)、 静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机 存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、 快闪记忆体或其他光学、磁性存储介质，在此不再一一赘述。
本实施例提供的存储介质上存储有实施例1提供的双腔激光器能量的控 制方法的实现程序，无需改变双腔激光器的硬件结构，仅对控制软件逻辑进 行更新。
<第四实施例>
本实施例提供一种激光装置，包括实施例2中的双腔激光器能量的控制 系统。
如图6所示，该激光装置包括脉冲产生器101、激光能量采集器102、 双腔激光器能量的控制系统103、两个独立激光激发执行机构104，等。
该激光装置由于采用了双腔激光器能量的控制系统，具备更大的激光能 量调控范围和稳定的输出激光能量，特别适用于光刻机应用。
上面对本发明所提供的双腔激光器能量的控制方法及系统进行了详细的 说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质内容的前提下对 它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相 应的法律责任。
Claims (10)
1.一种双腔激光器能量的控制方法，其特征在于包括如下步骤：
获取实际输出的综合激光能量；
根据所述综合激光能量和目标激光能量，得到能量误差；
根据所述能量误差以及猝发信号的属性，进行比例积分计算，得到待调节值；
将所述待调节值解耦为对应于双腔室的两个控制变量，并将所述控制变量分别输出给双腔室的激光激发执行机构；
所述激光激发执行机构根据所述控制变量，输出激光能量，更新所述综合激光能量；
重复上述过程，直至出光结束。
2.如权利要求1所述的双腔激光器能量的控制方法，其特征在于，根据能量误差以及猝发信号的属性，进行比例积分计算，得到待调节值的步骤中，包括：
对脉冲进行计数；以及，根据计数：
对第一脉冲进行单一闭环控制调节；
对非第一脉冲进行双闭环控制调节。
3.如权利要求2所述的双腔激光器能量的控制方法，其特征在于能量误差计算为：
ej＝Et-Erj
其中，
ej为第j个猝发信号下的第一脉冲误差；
Et为所述目标激光能量；
Erj为第j个猝发信号下的第一脉冲激光能量测量值；
对所述第一脉冲进行单一闭环控制调节的步骤中，根据前一个猝发信号、当前猝发信号的第一脉冲激光能量测量值的比例积分值，计算后一个猝发信号的第一脉冲控制输出值，比例积分公式为：
G4(j+1)(e)＝Kp(ej-ej-1)+Kiej
其中，
G4(j+1)(e)为第j+1个猝发信号下的第一脉冲控制输出值；
Kp为增量式PI的比例项系数，Kp的取值范围为1～200；
Ki为增量式PI的积分项系数，Ki的取值范围为1～200。
4.如权利要求2所述的双腔激光器能量的控制方法，其特征在于能量误差计算为：
ek＝Et-Erk
其中，
ek为当前猝发信号内第k个脉冲误差；
Et为目标激光能量；
Erk为当前猝发信号内第k个脉冲激光能量测量值；
对所述非第一脉冲进行双闭环控制调节的步骤中，根据前一个脉冲、当前脉冲的激光能量测量值的比例积分值，计算后一个脉冲的控制输出值，包括：
通过剂量比例积分进行控制：
剂量计算公式为:
其中，
Dk(e)为剂量；
N为剂量目标数量值。
5.如权利要求2所述的双腔激光器能量的控制方法，其特征在于，
剂量比例积分公式为：
G1(k+1)(e)＝Kp(Dk(e)-Dk-1(e))+KiDk(e)
其中，
G1(k+1)(e)为当前猝发信号内第k+1个脉冲控制输出值；
Kp为变增益增量式PI的比例项系数，Kp的取值范围为0～200；
Ki为变增益增量式PI的积分项系数，Ki的取值范围为0～200；
k为猝发信号内脉冲位置。
6.如权利要求4所述的双腔激光器能量的控制方法，其特征在于对所述非第一脉冲进行双闭环控制调节的步骤中，还包括，通过扰动前馈进行控制：
扰动前馈公式为：
G2k(e)＝Krek
其中，
G2k(e)为当前猝发信号内第k个脉冲扰动前馈输出；
Kr为扰动系数，与当前猝发信号内第k个脉冲误差相关，Kr的取值范围为l～200。
7.如权利要求3～6中任意一项所述的双腔激光器能量的控制方法，其特征在于，比例项系数Kp、积分项系数Ki和扰动系数Kr计算方法为：
测定出光能力，出光能力dvde的定义为：
其中，
dvde为出光能力；
ΔV为电压增量；
ΔE为出光激光能量增量；
拟合Kp、Ki和Kr为所述出光能力的一次多项式或二次多项式：
Kp＝f(dvde)
Ki＝g(dvde)
Kr＝h(dvde)
其中，一次多项式的拟合公式为：
a*(dvde)+b
其中，
a的取值范围为1～2；
b的取值范围为50～200；
二次多项式的拟合公式为：
c*(dvde*dvde)+d*(dvde)+e
其中，
c的取值范围为0～2；
d的取值范围为100～200；
e的取值范围为50～500。
8.如权利要求7所述的双腔激光器能量的控制方法，其特征在于，所述出光能力dvde的等效公式为：
其中，
n为猝发信号内脉冲总个数；
j为猝发信号的位置；
i为猝发信号内脉冲的位置；
a0为一阶低通滤波系数；
V为脉冲电压；
E为脉冲能量；
dvdej为第j个猝发信号结束后
的值。
9.如权利要求1所述的双腔激光器能量的控制方法，其特征在于，将所述待调节值解耦为对应于双腔室的两个控制变量的步骤中，包括如下子步骤：
计算双腔室的单步激光能量倍率；则有：
M＝PA/PB
其中，
M为单步激光能量倍率；
将双腔室的出光能力dvde大者设为A、小者设为B；
A的单步激光能量为PA，B的单步激光能量为PB；
M、NA和NB均为大于1的整数；
计算激光能量调节基数，则：
Base＝(NL×10/NH)+OVERLAP×10
其中，
Base为调节基数；
“/”表示整除；
OVERLAP为回退步数；
A的变化范围为NA步，B的变化范围为NB步，比较NA和NB的大小，数值较小者设为高位NH，数值较大者设为低位NL；
根据每一腔室的出光能力变化范围大小设置调配量，则有：
HV_NH＝ΔHV×10/Base
HV_NL＝ΔHV-HV_NH×N
其中，
将双腔室中出光能力变化范围较小的一个腔室设置为第一调配量，HV_NH为第一调配量输出；
将双腔室中出光能力变化范围较大的另一个腔室为设置为第二调配量，HV_NL为第二调配量输出。
10.一种双腔激光器能量的控制系统，其特征在于包括：
获取单元，用于获取实际输出的综合激光能量；
计算单元，用于根据所述综合激光能量和目标激光能量，得到能量误差；
调配单元，用于根据所述能量误差以及猝发信号的属性，进行比例积分计算，得到待调节值；
解耦单元，用于将所述待调节值解耦为对应于双腔室的两个控制变量，并将所述控制变量分别输出给双腔室的激光激发执行机构；
所述激光激发执行机构根据所述控制变量，输出激光能量，更新所述综合激光能量。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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