CN116819908A - 一种激光系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光刻激光技术领域，公开了一种激光系统及控制方法，采用脉冲电流直接控制第一半导体激光器和第二半导体激光器输出激光脉冲的重复频率与脉冲宽度，从而能够自由调整最终输出的第三脉冲光的脉冲重复频率与脉冲宽度，在光刻技术中，激光脉冲的重复频率与脉冲宽度是影响激光单脉冲能量与峰值功率的重要因素，因此本发明能够在光刻过程中调节重复频率与脉冲宽度，满足光刻需求，并且通过控制脉冲电流改变种子光的脉冲宽度与脉冲重复频率来满足功率的需求，降低了系统复杂程度。

Description

一种激光系统及控制方法

技术领域

本发明涉及光刻激光技术领域，具体涉及一种激光系统及控制方法。

背景技术

随着半导体集成电路向更精细化和更高集成化发展，对光刻机曝光装置的分辨率提出了更高的要求。激光器作为光刻机的曝光光源，是整个光刻系统中最核心的部件之一，其中心波长决定了光刻机所能清晰刻蚀的最小图像尺寸，也就是光刻机的最大分辨率。因此，为了有效提高光刻机的分辨率，曝光用的激光光源正向更小的波长发展。目前，光刻领域的主流激光器光源的输出波长主要为KrF248nm和ArF193nm。

液浸式光刻技术的出现进一步提高了光刻分辨率，所谓液浸式光刻，是指在曝光镜头和硅片之间充满水或其他液体介质代替空气，通过增大介质折射率来提高投影物镜的数值孔径，从而提高曝光分辨力的一种技术，液浸式光刻已经成为当前的主要光刻技术。在使用ArF193nm激光装置作为曝光光源进行液浸式曝光的情况下，照射到硅片的光波长等效为134nm，很大程度上进一步提高了光刻机的分辨率。固气混合激光器在保证激光大功率输出的同时兼顾了高的光束质量，固气混合激光器使用光束质量较好的固体激光器作为种子光，然后在ArF准分子激光器中进行功率放大，最终得到高功率高光束质量的193nm的高品质激光。

目前，相关技术中提供了一种193nm激光光源的制造方法，其中包括一个193nm固体激光产生装置，该装置使用1030nm的半导体激光器光源作为种子光，再使用半导体光放大器（Semiconductor Optical Amplifier，SOA）产生1030nm脉冲光后对1030nm的光进行四倍频，然后与另一个半导体激光器和SOA产生的1554nm的脉冲光进行和频，最终产生193.4nm的激光。

激光脉冲宽度与重复频率是激光光刻技术的两大重要指标。在实际光刻的过程中，所需的激光单脉冲能量与脉冲激光的峰值功率不是一成不变的，需要根据光刻过程中的实际情况做出调整以满足光刻需求，而激光脉冲的重复频率与脉冲宽度是影响激光单脉冲能量与峰值功率的重要因素，因此，在光刻过程中也需要对激光脉冲的重复频率与脉冲宽度进行自由调节。但是，现有技术无法实现激光脉冲宽度与重复频率的自由调整。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种激光系统及控制方法，可以克服现有技术中激光脉冲宽度与重复频率不能自由调节的技术问题。

本发明第一方面提供一种激光系统，用于光刻曝光装置，包括：第一脉冲光产生装置，包括第一半导体激光器和第一驱动装置，所述第一驱动装置用于输出第一脉冲电流，通过所述第一脉冲电流驱动所述第一半导体激光器生成第一脉冲光；第一光放大器，用于对所述第一脉冲光进行放大；第二脉冲光产生装置，包括第二半导体激光器和第二驱动装置，所述第二驱动装置用于输出第二脉冲电流，通过所述第二脉冲电流驱动所述第二半导体激光器生成第二脉冲光；第二光放大器，用于对所述第二脉冲光进行放大；波长转换单元，用于将所述第一脉冲光和所述第二脉冲光进行转换得到第三脉冲光；目标参数单元，用于接收输入的所述第三脉冲光的目标脉冲参数，所述目标脉冲参数包括目标重复频率和目标脉冲宽度；控制单元，用于接收所述目标参数单元发送的目标脉冲参数，根据所述目标脉冲参数控制所述第一驱动装置调节所述第一脉冲电流的重复频率和脉冲宽度，以及根据所述目标脉冲参数控制所述第二驱动装置调节所述第二脉冲电流的重复频率和脉冲宽度。

可选地，所述第一光放大器包括第一激励光源、第二激励光源以及依次设置在所述第一脉冲光的输出光路上的第一波分复用器、第一增益光纤、第一隔离器、第二分色镜和固体放大器，所述第一波分复用器用于将所述第一激励光源输出的光和第一脉冲光输入到所述第一增益光纤，所述第二分色镜用于将所述第二激励光源输出的光以及经过所述第一隔离器的第一脉冲光输入到所述固体放大器。

可选地，所述第二光放大器包括第三激励光源以及依次设置在所述第二脉冲光的输出光路上的第二波分复用器、第二增益光纤和第二隔离器，所述第二波分复用器用于将所述第三激励光源输出的光和所述第二脉冲光输入到所述第二增益光纤，所述第二脉冲光经过所述第二隔离器输出后进入所述波长转换单元。

可选地，所述目标脉冲参数还包括目标脉冲能量，所述控制单元根据所述目标脉冲能量控制所述第一激励光源、所述第二激励光源和所述第三激励光源输出的光的能量。

可选地，所述波长转换单元包括依次设置在所述第一光放大器输出的光的光路上的LBO晶体、第一CLBO晶体、第四分色镜、第二CLBO晶体和第三CLBO晶体，所述第四分色镜将经过所述第一CLBO晶体的光透射进入所述第二CLBO晶体，并将经过所述第二光放大器放大后的所述第二脉冲光反射进入所述第二CLBO晶体。

可选地，所述第一脉冲光产生装置还包括第一脉冲监视器，所述第二脉冲光产生装置还包括第二脉冲监视器，激光系统还包括第三脉冲监视器；所述第一脉冲监视器用于监测所述第一脉冲光的第一脉冲参数；所述第二脉冲监视器用于监测所述第二脉冲光的第二脉冲参数；所述第三脉冲监视器用于监测所述第三脉冲光的十三脉冲参数；

其中，所述第一脉冲参数和所述第二脉冲参数均包括重复频率、脉冲宽度、波长和脉冲能量；

所述第三脉冲参数均包括重复频率、脉冲宽度和脉冲能量。

可选地，所述目标脉冲参数还包括目标波长，所述控制单元根据所述目标波长控制所述第二驱动装置调节所述第二脉冲电流的电流大小。

可选地，所述第三脉冲监视器包括基准激光器、光纤耦合器和光电探测器，所述光纤耦合器用于将所述基准激光器输出的基准光束和待监测的脉冲光输入到所述光电探测器，所述光电探测器将基准光束和待监测的脉冲光形成的拍频信号输入至所述控制单元，所述控制单元将所述拍频信号输入至储备池计算待监测的脉冲光的波长与预设波长的波长差，并根据所述波长差控制所述第二驱动装置调节所述第二脉冲电流的电流大小，所述第一脉冲监视器和所述第二脉冲监视器的结构相同。

本发明第二方面提供一种激光控制方法，应用于如本发明第一方面提供的激光系统，包括：接收输入的第三脉冲光的目标脉冲参数，所述目标脉冲参数包括目标重复频率和目标脉冲宽度；根据所述目标脉冲参数控制第一驱动装置调节第一脉冲电流的重复频率和脉冲宽度，以及根据所述目标脉冲参数控制第二驱动装置调节第二脉冲电流的重复频率和脉冲宽度。

可选地，所述激光控制方法还包括：接收基准光束和待监测的脉冲光形成的拍频信号；将所述拍频信号在时间上排序后输入到储备池与输出权重矩阵相乘获得输出标签值；根据所述输出标签值确定待监测的脉冲光的波长与预设波长的波长差；根据所述波长差控制所述第二驱动装置调节所述第二脉冲电流的电流大小，通过调节所述第二脉冲电流的电流大小来调整所述第二脉冲光的波长；其中，所述储备池的训练过程包括：将不同波长下的待监测的脉冲光与基准光束得到的拍频信号作为训练信号并为所述训练信号设置预设标签值；将所述训练信号在时间上进行排序得到一维时间信号；将所述一维时间信号输入至储备池计算得到输出信息的输出状态；采用线性回归方法计算所述输出状态和所述预设标签值之间的输出权重矩阵。

本发明的一种激光系统及控制方法，至少具有如下有益效果：

本发明的一种激光系统及控制方法中，第一脉冲光产生装置包括第一半导体激光器和第一驱动装置，第二脉冲光产生装置包括第二半导体激光器和第二驱动装置，当需要改变最终输出的第三脉冲光的激光单脉冲能量与脉冲激光的峰值功率时，只需要通过目标参数单元输入目标脉冲参数，即目标重复频率和目标脉冲宽度，控制单元根据所述目标脉冲参数控制所述第一驱动装置调节所述第一脉冲电流的重复频率和脉冲宽度从而调节第一脉冲光的重复频率和脉冲宽度，以及根据所述目标脉冲参数控制所述第二驱动装置调节所述第二脉冲电流的重复频率和脉冲宽度从而调节第二脉冲光的重复频率和脉冲宽度，而由于第三脉冲光是由第一脉冲光和第二脉冲光转换得到，对第一脉冲光和第二脉冲光的重复频率和脉冲宽度进行调节，也即能够实现对第三脉冲光的重复频率和脉冲宽度的调节，进而改变最终输出的第三脉冲光的激光单脉冲能量与脉冲激光的峰值功率。本发明采用脉冲电流直接控制第一半导体激光器和第二半导体激光器输出激光脉冲的重复频率与脉冲宽度，从而能够自由调整最终输出的第三脉冲光的脉冲重复频率与脉冲宽度，并且通过控制脉冲电流改变种子光的脉冲宽度与脉冲重复频率来满足功率的需求，降低了系统复杂程度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的激光系统的结构示意图；

图2为本发明实施例的脉冲电流和脉冲光的对应示意图；

图3为本发明实施例的第二脉冲监视器的结构示意图

图4为本发明实施例的激光控制方法的流程图；

图5为本发明实施例的三个示例性信号的波形图；

图6为本发明实施例的三个示例性信号的标签示意图；

附图标记说明：

10-第一脉冲光产生装置；111-第一半导体激光器；112-第一分色镜；113-第一脉冲监视器；114-第一驱动装置；20-第二脉冲光产生装置；211-第二半导体激光器；212-第二分色镜；213-第二脉冲监视器；214-第二驱动装置；30-第一光放大器；311-第一激励光源；312-第一波分复用器；313-第一增益光纤；314-第一隔离器；315-第三分色镜；316-第二激励光源；317-固体放大器；40-第二光放大器；411-第三激励光源；412-第二波分复用器；413-第二增益光纤；414-第二隔离器；50-波长转换单元；511-LBO晶体；512-第一CLBO晶体；513-第四分色镜；514-第二CLBO晶体；515-第三CLBO晶体；11-第五分色镜；12-第二反射镜；13-第三脉冲监视器；14-控制单元；15-目标参数单元；16-第一反射镜。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

目前，193nm激光光源是光刻机中应用最为广泛的光源，193nm激光可以由1550nm波段的红外激光和1030nm波段的红外激光进行非线性变换获得。目前，可以通过监测输出光的脉冲能量并改变脉冲激励光源的功率大小，但是，在实际光刻的过程中，所需的激光单脉冲能量与脉冲激光的峰值功率不是一成不变的，而相关技术不能实现单脉冲能量与峰值功率的自由调节，也不能实现脉冲宽度与脉冲重复频率的调节，基于此，本发明实施例提出一种激光系统，通过控制脉冲电流改变种子光的脉冲宽度与脉冲重复频率来满足功率的需求。

如图1所示，本发明实施例提供一种激光系统，用于光刻曝光装置，包括：第一脉冲光产生装置10，包括第一半导体激光器111和第一驱动装置114，第一驱动装置114用于输出第一脉冲电流，通过第一脉冲电流驱动第一半导体激光器111生成第一脉冲光；第一光放大器30，用于对第一脉冲光进行放大；第二脉冲光产生装置20，包括第二半导体激光器211和第二驱动装置214，第二驱动装置214用于输出第二脉冲电流，通过第二脉冲电流驱动第二半导体激光器211生成第二脉冲光；第二光放大器40，用于对第二脉冲光进行放大；波长转换单元50，用于将放大后的第一脉冲光和放大后的第二脉冲光进行转换得到第三脉冲光；目标参数单元15，用于接收输入的第三脉冲光的目标脉冲参数，目标脉冲参数包括目标重复频率和目标脉冲宽度；控制单元14，用于接收目标参数单元15发送的目标脉冲参数，根据目标脉冲参数控制第一驱动装置114调节第一脉冲电流的重复频率和脉冲宽度，以及根据目标脉冲参数控制第二驱动装置214调节第二脉冲电流的重复频率和脉冲宽度。

具体地，第一半导体激光器111和第二半导体激光器211均采用分布式反馈(Distributed Feedback Laser，DFB)激光器。DFB激光器产生的脉冲光和输入其的脉冲电流具有相互对应的脉冲宽度和重复频率，如图2所示，输入其的脉冲电流的重复频率越大，脉冲宽度越大，则DFB激光器产生的脉冲光的重复频率越大，脉冲宽度越大，即脉冲电流和脉冲光具有一一对应关系。

第一半导体激光器111产生的第一脉冲光的波长为1030nm，第二半导体激光器211生成的第二脉冲光的波长为1554nm，1030nm的第一脉冲光和1554nm的第二脉冲光进行波长转换单元50进行倍频以及和频变换后得到波长约为193.4nm的第三脉冲光。

第一驱动装置114用于输出重复频率和脉冲宽度可调节的第一脉冲电流，通过第一脉冲电流控制第一半导体激光器111生成第一脉冲光。

第二驱动装置214用于输出重复频率和脉冲宽度可调节的第二脉冲电流，通过第二脉冲电流控制第二半导体激光器211生成第一脉冲光。

目标参数单元15主要用于接收输入的第三脉冲光的目标脉冲参数，可以采用键盘、鼠标、触摸屏等作为输入设备。

控制单元14可采用可编程逻辑控制器、单片机、集成处理器等。

本发明实施例的一种激光系统的工作原理为：

工作人员通过目标参数单元15，输入第三脉冲光的目标脉冲参数，包括目标重复频率和目标脉冲宽度，控制单元14根据波长转换单元50的转换过程将目标重复频率和目标脉冲宽度进行分解得到第一脉冲光对应的第一子目标重复频率和第一子目标脉冲宽度以及第二脉冲光对应的第二子目标重复频率和第二子目标脉冲宽度，然后控制单元14将第一子目标重复频率和第一子目标脉冲宽度发送至第一驱动装置114，第一驱动装置114基于第一子目标重复频率和第一子目标脉冲宽度调节第一脉冲电流的重复频率和脉冲宽度，从而改变第一脉冲光的重复频率和脉冲宽度，控制单元14将第二子目标重复频率和第二子目标脉冲宽度发送至第二驱动装置214，第一驱动装置114基于第二子目标重复频率和第二子目标脉冲宽度调节第二脉冲电流的重复频率和脉冲宽度，从而改变第二脉冲光的重复频率和脉冲宽度，利用脉冲电流和脉冲光的对应关系，通过改变脉冲电流就能改变脉冲光。而由于第三脉冲光是由第一脉冲光和第二脉冲光转换得到，对第一脉冲光和第二脉冲光的重复频率和脉冲宽度进行调节，也即能够实现对第三脉冲光的重复频率和脉冲宽度的调节，从而得到满足目标重复频率和目标脉冲宽度的第三脉冲光。在光刻技术中，激光单脉冲能量与脉冲激光的峰值功率在光刻过程中需要根据需求变动，激光脉冲的重复频率与脉冲宽度是影响激光单脉冲能量与峰值功率的重要因素，因此本发明能够在光刻过程中调节激光单脉冲能量与脉冲激光的峰值功率，满足光刻需求。

本发明的激光系统，第一脉冲光产生装置10包括第一半导体激光器111和第一驱动装置114，第二脉冲光产生装置20包括第二半导体激光器211和第二驱动装置214，当需要改变最终输出的第三脉冲光的激光单脉冲能量与脉冲激光的峰值功率时，只需要通过目标参数单元15输入目标脉冲参数，即目标重复频率和目标脉冲宽度，控制单元14根据目标脉冲参数控制第一驱动装置114调节第一脉冲电流的重复频率和脉冲宽度从而调节第一脉冲光的重复频率和脉冲宽度，以及根据目标脉冲参数控制第二驱动装置214调节第二脉冲电流的重复频率和脉冲宽度从而调节第二脉冲光的重复频率和脉冲宽度，而由于第三脉冲光是由第一脉冲光和第二脉冲光转换得到，对第一脉冲光和第二脉冲光的重复频率和脉冲宽度进行调节，也即能够实现对第三脉冲光的重复频率和脉冲宽度的调节，进而改变最终输出的第三脉冲光的激光单脉冲能量与脉冲激光的峰值功率，本发明采用脉冲电流直接控制第一半导体激光器111和第二半导体激光器211输出激光脉冲的重复频率与脉冲宽度，从而能够自由调整最终输出的第三脉冲光的脉冲重复频率与脉冲宽度，并且通过控制脉冲电流改变种子光的脉冲宽度与脉冲重复频率来满足功率的需求，降低了系统复杂程度。

在一些可选实施例中，第一光放大器30包括第一激励光源311、第二激励光源316以及依次设置在第一脉冲光的输出光路上的第一波分复用器312、第一增益光纤313、第一隔离器314、第三分色镜315和固体放大器317，第一波分复用器312用于将第一激励光源311输出的光和第一脉冲光输入到第一增益光纤313，第三分色镜315用于将第二激励光源316输出的光以及经过第一隔离器314的第一脉冲光输入到固体放大器317。

具体地，第一激励光源311和第二激励光源316输出的光为泵浦光，目的是为了使第一增益光纤313和固体放大器317达到光放大条件。

第一波分复用器312能够将第一激励光源311输出的泵浦光和第一脉冲光输入到第一增益光纤313进行放大。

第一增益光纤313为掺镱光纤，即掺杂Yb3+离子的增益光纤，掺镱光纤在泵浦光的激励下能对第一脉冲光进行放大。

第四分色镜513能够高透过第一脉冲光，高反射第二激励光源316出射的泵浦光，将第一脉冲光和第二激励光源316出射的泵浦光输入到固体放大器317放大。

第一隔离器314用来防止有光反射对第一半导体激光器111造成损伤。

在一些可选实施例中，第二光放大器40包括第三激励光源411以及依次设置在第二脉冲光的输出光路上的第二波分复用器412、第二增益光纤413和第二隔离器414，第二波分复用器412用于将第三激励光源411输出的光和第二脉冲光输入到第二增益光纤413，第二脉冲光经过第二隔离器414输出后进入波长转换单元50。

具体地，第三激励光源411输出的光为泵浦光，目的是为了使第二增益光纤413达到光放大条件。

第二增益光纤413为掺铒光纤，即掺杂Er3 +离子的增益光纤，掺铒光纤在第三激励光源411输出的泵浦光的激励下能对第二脉冲光进行放大。

第二波分复用器412用于将第二激励光源316输出的泵浦光和第二脉冲光输入到第二增益光纤413进行光放大。

第二隔离器414用来防止有光反射对第二半导体激光器211造成损伤。

在一些可选实施例中，波长转换单元50包括依次设置在第一光放大器30输出的光的光路上的LBO晶体511、第一CLBO晶体512、第四分色镜513、第二CLBO晶体514和第三CLBO晶体515，第四分色镜513将经过第一CLBO晶体512的光透射进入第二CLBO晶体514，并将经过第二光放大器40放大后的第二脉冲光反射进入第二CLBO晶体514。

具体地， LBO晶体511又称三硼酸锂倍频晶体，是大功率紫外倍频晶体，具有宽的透光波段，高的损伤阈值，大的接受角。CLBO晶体又称六硼酸铯锂倍频晶体，能够对激光进行四倍频、和频等转换。

放大后的第一脉冲光经过LBO晶体511后输出波长为515nm的脉冲光，然后经过第一CLBO晶体512进行四倍频输出波长为257.5nm的脉冲光。第二脉冲光产生装置20产生用来和频的波长为1554nm的第二脉冲光，第二脉冲光经过第二光放大器40放大后经过第一反射镜16反射至第四分色镜513，第四分色镜513能够高透过257.5nm的脉冲光并高反射放大后的第二脉冲光，将这两个脉冲光发射到第二CLBO晶体514进行和频，产生波长为220.9nm的脉冲光，220.9nm的脉冲光与透过第二CLBO晶体514的257.5nm的脉冲光通过第三CLBO晶体515进行和频后最终产生波长约为193.4nm的第三脉冲光。

在一些可选实施例中，第一脉冲光产生装置10还包括第一脉冲监视器113，第二脉冲光产生装置20还包括第二脉冲监视器213，激光系统还包括第三脉冲监视器13；第一脉冲监视器113用于监测第一脉冲光的第一脉冲参数；第二脉冲监视器213用于监测第二脉冲光的第二脉冲参数；第三脉冲监视器13用于监测第三脉冲光的第三脉冲参数；其中，第一脉冲参数和第二脉冲参数均包括重复频率、脉冲宽度、波长和脉冲能量；第三脉冲参数均包括重复频率、脉冲宽度和脉冲能量。

具体地，第一脉冲光产生装置10中设有第一分色镜112，第一分色镜112设置在第一半导体激光器111的输出光路上，将第一半导体激光器111输出的第一脉冲光部分反射到第一脉冲监视器113，通过第一脉冲监视器113监测第一脉冲光的重复频率、脉冲宽度、波长和脉冲能量。

第二脉冲光产生装置20中设有第二分色镜212，第二分色镜212设置在第二半导体激光器211的输出光路上，将第二半导体激光器211输出的第二脉冲光部分反射到第二脉冲监视器213，通过第二脉冲监视器213监测第二脉冲光的重复频率、脉冲宽度、波长和脉冲能量。

本发明实施例的激光系统还设置第五分色镜11，第五分色镜11将第三脉冲光部分透射到第二反射镜12上，通过第二反射镜12将部分第三脉冲光反射到第三脉冲监视器13上，第三脉冲监视器13监测第三脉冲光的重复频率、脉冲宽度、波长和脉冲能量，并将检测到的值发送至控制单元14。

在一些可选实施例中，目标脉冲参数还包括目标脉冲能量，控制单元14根据目标脉冲能量控制第一激励光源311、第二激励光源316和第三激励光源411输出的光的能量。

具体地，第三脉冲监视器13可以监测产生的第三脉冲光的脉冲能量、重复频率与脉冲宽度，并将监测数据发送至控制单元14，控制单元14监测的数据与输入的目标脉冲参数的偏差，若数据偏差符合要求，则输出波长为193.4nm的第三脉冲激光，若数据偏差超出允许范围，控制单元14发送指令给第一激励光源311、第二激励光源316、第三激励光源411，通过调整第一激励光源311、第二激励光源316、第三激励光源411的能量来改变第一增益光纤313、第二增益光纤413和固体放大器317的增益从而调整脉冲能量。

在一些可选实施例中，目标脉冲参数还包括目标波长，控制单元14根据目标波长控制第二驱动装置214调节第二脉冲电流的电流大小。

具体地，本实施例分别采用第一脉冲电流和第二脉冲电流驱动第一半导体激光器111和第二半导体激光器211来实现脉冲输出，通过第一脉冲电流和第二脉冲电流的电流大小就能改变第一脉冲光和第二脉冲光的波长，进而改变第三脉冲光的波长。

由于第二脉冲光只需要经过第二六硼酸铯锂倍频晶体514和第三六硼酸铯锂倍频晶体515，而第一脉冲光需要经过LBO晶体511、第一六硼酸铯锂倍频晶体512、第四分色镜513、第二六硼酸铯锂倍频晶体514和第三六硼酸铯锂倍频晶体515，因此只调节第二脉冲光的波长时，只需要调节第二六硼酸铯锂倍频晶体514和第三六硼酸铯锂倍频晶体515的激光入射角度以使第二脉冲光进入，以实现相位匹配从而达到最高的波长转换效率，调节更加方便。因此，本发明实施例采用只调节第二脉冲电流的电流大小，进而调节第二脉冲光的波长，进而调节第三脉冲光的波长的方式实现波长调节。

示例性地，第一脉冲光的中心波长保持不变，当目标中心波长需要改变时，只需要改变第二驱动装置214的第二脉冲电流的大小，第二脉冲光的波长与目标波长/>之间的关系为：

其中，c为光速，为第一半导体激光器111的输出波长，在本实施例中/>固定为1030nm。

由于在该实施例中第二脉冲光的中心波长会发生改变，因此在第二脉冲光的波长进行大幅度改变后，需要调整第二六硼酸铯锂倍频晶体514和第三六硼酸铯锂倍频晶体515的入射角度以满足相位匹配，从而实现最大的波长转换效率。在其他实施例中，也可以通过改变第一脉冲电流的大小实现调节第三脉冲光的波长，但是在此时需要调节LBO晶体511、第一六硼酸铯锂倍频晶体512、第二六硼酸铯锂倍频晶体514和第三六硼酸铯锂倍频晶体515的入射角度以满足相位匹配。

为了使第二脉冲光与第一脉冲光能够接近同时入射到第二六硼酸铯锂倍频晶体514，控制单元14将同步信号Tr发送到第一驱动装置114和第二驱动装置214，第一驱动装置114和第二驱动装置214根据同步信号Tr输出驱动电流。

当目标脉冲能量改变后，通过改变第一激励光源311、第二激励光源316和第三激励光源411输出光能来调整第一脉冲光与第二脉冲光的脉冲能量，进而改变第三脉冲光的脉冲能量，当最终输出的波长为193.4nm的第三脉冲光的脉冲能量与目标脉冲能量/>之差小于/>时，停止调整第一激励光源311、第二激励光源316和第三激励光源411输出的光能。

本发明实施例在调节第一脉冲光、第二脉冲光和第三脉冲光的波长、重复频率和脉冲宽度时，通过第一脉冲监视器113、第二脉冲监视器213和第三脉冲监视器13实时监测第一脉冲光、第二脉冲光和第三脉冲光的波长、重复频率和脉冲宽度，并使得第一脉冲光、第二脉冲光和第三脉冲光的目标值和监测值相等或差值小于设定阈值。

示例性地，第一脉冲监视器113监测第一脉冲光的实际输出波长、脉冲宽度/>与重复频率/>，当第一脉冲光实际输出参数与第一子目标波长/>、第一子目标重复频率、第一子目标脉冲宽度/>之间的差值大于设定阈值/>、/>与/>时，第一驱动装置114装置将改变其产生的第一脉冲电流的大小、脉冲重复频率与脉冲宽度来调整实际输出波长、脉冲宽度/>与重复频率/>，直至实际参数与目标参数之间的差值小于/>、/>与/>后，输出第一脉冲光。

第二脉冲光产生装置20与第一脉冲光产生装置10结构、功能与工作原理一致。

在一可选实施例中，如图3所示，第二脉冲监视器213包括基准激光器、光纤耦合器和光电探测器，光纤耦合器用于将基准激光器输出的基准光束和待监测的脉冲光输入到光电探测器，光电探测器将基准光束和待监测的脉冲光形成的拍频信号输入至控制单元14，控制单元14将拍频信号输入至储备池计算待监测的脉冲光的波长，并根据待监测的脉冲光的波长控制第二驱动装置214调节第二脉冲电流的电流大小，第一脉冲监视器113和第二脉冲监视器213的结构相同。

具体地，基准激光器输出的光的波长为约193nm，基准激光器输出的光为连续光输出，如果为脉冲光输出则需要基准激光器与第二脉冲光之间同步。基准脉冲光和第二冲光经过光电探测器进行光电转换后会产生和频频率为（f1+f2）和差频频率为(f1-f2)的两个微波信号，其中，f1和f2为两个输入光的波长，但通常（f1+f2）已经超出了光电探测器的探测带宽，只能探测到频率为(f1-f2)的信号，即拍频信号。光电探测器将基准光束和待监测的脉冲光形成的拍频信号输入至控制单元14，控制单元14将拍频信号输入至储备池计算待监测的脉冲光的波长与预设波长的波长差，预设波长为通过目标参数单元15输入的第二脉冲光的目标波长，根据该波长差控制第二驱动装置214调节第二脉冲电流的电流大小，第一脉冲监视器113和第二脉冲监视器213的结构相同，且其工作原理也相同，区别仅在于基准激光器输出的基准脉冲光的波长不一样，第三脉冲监视器13和第二脉冲监视器213的区别在于不需要储备池监测波长，因此在此不再赘述。

本发明实施例采用储备池监测波长，相比现有的傅里叶变换监测波长，计算过程更加简化，能够降低系统的计算量。

本发明实施例还提供一种激光控制方法，应用于如上述实施例提供的激光系统，如图4所示，该激光控制方法包括：

步骤S401，接收输入的第三脉冲光的目标脉冲参数，目标脉冲参数包括目标重复频率和目标脉冲宽度；

步骤S402，根据目标脉冲参数控制第一驱动装置114调节第一脉冲电流的重复频率和脉冲宽度，以及根据目标脉冲参数控制第二驱动装置214调节第二脉冲电流的重复频率和脉冲宽度。

本发明实施例的控制方法，采用脉冲电流直接控制第一半导体激光器111和第二半导体激光器211输出激光脉冲的重复频率与脉冲宽度，从而能够自由调整最终输出的第三脉冲光的脉冲重复频率与脉冲宽度，在光刻技术中，激光脉冲的重复频率与脉冲宽度是影响激光单脉冲能量与峰值功率的重要因素，因此本发明能够在光刻过程中调节激光单脉冲能量与脉冲激光的峰值功率，满足光刻需求。并且通过控制脉冲电流改变种子光的脉冲宽度与脉冲重复频率来满足功率的需求，降低了系统复杂程度。

在一些实施例中，激光控制方法还包括：

接收基准光束和待监测的脉冲光形成的拍频信号；

将拍频信号在时间上排序后输入到储备池与输出权重矩阵相乘获得输出标签值；

根据输出标签值确定待监测的脉冲光的波长与预设波长的波长差；

根据波长差控制第二驱动装置214调节第二脉冲电流的电流大小，通过调节所述第二脉冲电流的电流大小来调整所述第二脉冲光的波长；

其中，储备池的训练过程包括：将不同波长下的待监测的脉冲光与基准光束得到的拍频信号作为训练信号并为训练信号设置预设标签值；将训练信号在时间上进行排序得到一维时间信号；将一维时间信号输入至储备池计算得到输出信息的输出状态；采用线性回归方法计算输出状态和预设标签值之间的输出权重矩阵。

具体地，待监测的脉冲光包括第一脉冲光和第二脉冲光，预设波长为第一脉冲光和第二脉冲光对应的目标波长。下面以第二冲光为例介绍储备池工作原理。储备池分为输入层，储备池和输出层三个部分，且储备池计算分为训练阶段与测试阶段两个部分，将不同波长下的待监测的脉冲光与基准光束得到的拍频信号取一部分作为训练信号，示例性地，取20%作为训练信号。在进行训练之前，需要对不同波长下得到的拍频信号设置预设标签值，预设标签值/>用不同的阿拉伯数字表示。首先将需要训练的信号在时间上排列得到一维时间信号/>，然后将该一维时间信号/>与预先设置好的传递矩阵/>相乘作为储备池的输入信号，/>为[0,1]内的随机值。然后，输入信号与储备池的映射矩阵/>相乘，与储备池的自身属性有关。在输出层输出当前输入信号的输出状态，储备池具有记忆功能，当前输出信息的输出状态会反馈回到输入层，并与下一个输入信号结合并作为整体输入到储备池中，并开始下一轮的状态更新。储备池中输出信息的输出状态/>更新的过程可以通过理论表示为：

其中，是非线性变换系数,/>是泄露率，取值为[0,1]，代表储备池先前状态对当前状态的影响，/>和/>分别是传递矩阵和映射矩阵。经过多次反馈并计算输出状态/>后，/>和/>之间可以使用线性回归计算得到输出权重矩阵/>。至此，储备池完成了训练阶段。

在训练完成后，进入测试或实时监测阶段，接收基准光束和待监测的脉冲光形成的拍频信号，将拍频信号在时间上排序后输入到储备池，与得到的输出权重矩阵相乘得到输出标签值/>。输出标签值/>与预设标签值/>一一对应。储备池的输出可以表示为：

通过训练前设定的波长和预设标签值的关系，可以实现对波形的分类，根据最终输出的输出标签值/>分类出不同的波长。在本发明实施例中，设定最终输出的第二脉冲光的实际波长/>与目标波长/>之间的差值为/>，在波长差小于/>的范围内，通过光电探测器探测得到该范围内的所有拍频信号的波形，并通过储备池计算对所有波形进行训练。训练结束后，只有满足波长偏差小于/>时，测试阶段才会出现输出标签值/>等于预设标签值/>，通过结果是否为预设标签值/>来判断实际波长偏差是否小于/>。

下面示例性说明储备池用于波长监测的原理。

如图5和图6所示，当第二脉冲光实际输出波长与目标输出波长之差分别为时，第一光电探测器输出的信号分别为a，b，c。将信号a，b，c设置为在时间上连续，在训练之前将三个示例性信号的预设标签值分别设置为1，2，3，将最终计算结果显示的输出标签值和预设标签值表示的波长差进行对照就可以实现波长差/>的计算。从而根据波长差/>控制第二驱动装置214调节第二脉冲电流的电流大小，改变最终输出的脉冲光的输出波长。

本发明实施例采用储备池监测波长，相比现有的傅里叶变换监测波长，计算过程更加简化，能够降低波长监测的计算量，提高计算效率。

本发明实施例的激光系统可以作为曝光设备的组成部分，应用于芯片制备工艺中，以实现对硅衬底上针对光刻胶层的曝光操作，确保光刻质量，显著提高光刻良率和效率。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种激光系统，用于光刻曝光装置，其特征在于，包括：

第一脉冲光产生装置（10），包括第一半导体激光器（111）和第一驱动装置（114），所述第一驱动装置（114）用于输出第一脉冲电流，通过所述第一脉冲电流驱动所述第一半导体激光器（111）生成第一脉冲光；

第一光放大器（30），用于对所述第一脉冲光进行放大；

第二脉冲光产生装置（20），包括第二半导体激光器（211）和第二驱动装置（214），所述第二驱动装置（214）用于输出第二脉冲电流，通过所述第二脉冲电流驱动所述第二半导体激光器（211）生成第二脉冲光；

第二光放大器（40），用于对所述第二脉冲光进行放大；

波长转换单元（50），用于将放大后的所述第一脉冲光和放大后的所述第二脉冲光进行转换得到第三脉冲光；

目标参数单元（15），用于接收输入的所述第三脉冲光的目标脉冲参数，所述目标脉冲参数包括目标重复频率和目标脉冲宽度；

控制单元（14），用于接收所述目标参数单元（15）发送的所述目标脉冲参数，根据所述目标脉冲参数控制所述第一驱动装置（114）调节所述第一脉冲电流的重复频率和脉冲宽度，以及根据所述目标脉冲参数控制所述第二驱动装置（214）调节所述第二脉冲电流的重复频率和脉冲宽度。

2.根据权利要求1所述的激光系统，其特征在于，所述第一光放大器（30）包括第一激励光源（311）、第二激励光源（316）以及依次设置在所述第一脉冲光的输出光路上的第一波分复用器（312）、第一增益光纤（313）、第一隔离器（314）、第三分色镜（315）和固体放大器（317），所述第一波分复用器（312）用于将所述第一激励光源（311）输出的光和第一脉冲光输入到所述第一增益光纤（313），所述第三分色镜（315）用于将所述第二激励光源（316）输出的光以及经过所述第一隔离器（314）的第一脉冲光输入到所述固体放大器（317）。

3.根据权利要求2所述的激光系统，其特征在于，所述第二光放大器（40）包括第三激励光源（411）以及依次设置在所述第二脉冲光的输出光路上的第二波分复用器（412）、第二增益光纤（413）和第二隔离器（414），所述第二波分复用器（412）用于将所述第三激励光源（411）输出的光和所述第二脉冲光输入到所述第二增益光纤（413），所述第二脉冲光经过所述第二隔离器（414）输出后进入所述波长转换单元（50）。

4.根据权利要求3所述的激光系统，其特征在于，所述目标脉冲参数还包括目标脉冲能量，所述控制单元（14）根据所述目标脉冲能量控制所述第一激励光源（311）、所述第二激励光源（316）和所述第三激励光源（411）输出的光的能量。

5.根据权利要求1所述的激光系统，其特征在于，所述波长转换单元（50）包括依次设置在所述第一光放大器（30）输出的光的光路上的LBO晶体（511）、第一CLBO晶体（512）、第四分色镜（513）、第二CLBO晶体（514）和第三CLBO晶体（515），所述第四分色镜（513）将经过所述第一CLBO晶体（512）的光透射进入所述第二CLBO晶体（514），并将经过所述第二光放大器（40）放大后的所述第二脉冲光反射进入所述第二CLBO晶体（514）。

6.根据权利要求1所述的激光系统，其特征在于，所述第一脉冲光产生装置（10）还包括第一脉冲监视器（113），所述第二脉冲光产生装置（20）还包括第二脉冲监视器（213），激光系统还包括第三脉冲监视器（13）；所述第一脉冲监视器（113）用于监测所述第一脉冲光的第一脉冲参数；所述第二脉冲监视器（213）用于监测所述第二脉冲光的第二脉冲参数；所述第三脉冲监视器（13）用于监测所述第三脉冲光的第三脉冲参数；

其中，所述第一脉冲参数和所述第二脉冲参数均包括重复频率、脉冲宽度、波长和脉冲能量；

所述第三脉冲参数均包括重复频率、脉冲宽度和脉冲能量。

7.根据权利要求6所述的激光系统，其特征在于，所述目标脉冲参数还包括目标波长，所述控制单元（14）根据所述目标波长控制所述第二驱动装置（214）调节所述第二脉冲电流的电流大小。

8.根据权利要求7所述的激光系统，其特征在于，所述第二脉冲监视器（213）包括基准激光器、光纤耦合器和光电探测器，所述光纤耦合器用于将所述基准激光器输出的基准光束和待监测的脉冲光输入到所述光电探测器，所述光电探测器将基准光束和待监测的脉冲光形成的拍频信号输入至所述控制单元（14），所述控制单元（14）将所述拍频信号输入至储备池计算待监测的脉冲光的波长与预设波长的波长差，并根据所述波长差控制所述第二驱动装置（214）调节所述第二脉冲电流的电流大小，所述第一脉冲监视器（113）和所述第二脉冲监视器（213）的结构相同。

9.一种激光控制方法，其特征在于，应用于如权利要求1至8任一项所述的激光系统，包括：

接收输入的第三脉冲光的目标脉冲参数，所述目标脉冲参数包括目标重复频率和目标脉冲宽度；

根据所述目标脉冲参数控制第一驱动装置（114）调节第一脉冲电流的重复频率和脉冲宽度，以及根据所述目标脉冲参数控制第二驱动装置（214）调节第二脉冲电流的重复频率和脉冲宽度。

10.根据权利要求9所述的激光控制方法，其特征在于，还包括：

接收基准光束和待监测的脉冲光形成的拍频信号；

将所述拍频信号在时间上排序后输入到储备池与输出权重矩阵相乘获得输出标签值；

根据所述输出标签值确定待监测的脉冲光的波长与预设波长的波长差；

根据所述波长差控制所述第二驱动装置（214）调节所述第二脉冲电流的电流大小，通过调节所述第二脉冲电流的电流大小来调整所述第二脉冲光的波长；

其中，所述储备池的训练过程包括：

将不同波长下的待监测的脉冲光与基准光束得到的拍频信号作为训练信号并为所述训练信号设置预设标签值；

将所述训练信号在时间上进行排序得到一维时间信号；

将所述一维时间信号输入至储备池计算得到输出信息的输出状态；

采用线性回归方法计算所述输出状态和所述预设标签值之间的输出权重矩阵。