CN116845684A - 基于风机干扰补偿的准分子激光器恒能量控制方法、装置及激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光刻机光源技术领域，具体涉及基于风机干扰补偿的准分子激光器恒能量控制方法、装置及激光器。所述方法包括：获取当前脉冲的输出能量，干扰补偿模块提取对应风机的干扰信号，预估同一burst内下一脉冲的干扰补偿电压；获取激光器输出的目标能量，能量控制模块根据当前脉冲的输出能量和对应干扰信号，进行PI控制：当前脉冲位于所属burst的超调部分时，输出下一burst相同位置脉冲的电压增量，调节下一burst相同位置脉冲的输入电压；当前脉冲位于所属burst的非超调部分时，输出同一burst内下一脉冲的电压增量，结合对应干扰补偿电压，调节同一burst内下一脉冲的输入电压。本发明能够考虑其风机的振动干扰，从而保证了输出单脉冲能量稳定性以及剂量稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及光刻机光源技术领域，具体涉及基于风机干扰补偿的准分子激光器恒能量控制方法、装置及激光器。
背景技术
作为光刻机的光源，准分子激光器输出激光的特性会影响光刻机加工的重要参数，而激光特性中最重要的就是激光的能量、波长和线宽，而其中激光器输出激光的能量稳定性直接影响着光刻机关键尺寸的控制，所以在激光器设计过程中，控制能量稳定是很重要的一部分。
准分子激光器是气体激光器，有多种工作模式，包括恒能量模式，指输出能量稳定在目标值附近的一种模式；恒高压模式，指输入高压保持不变；外高压模式，指激光器的输入高压由外部提供。而每一种工作模式又有不同的放电模式，包括连续出光模式以及burst(猝发序列)出光模式，其中连续出光模式指的是进行相同时间间隔的脉冲出光，这种模式由于长时间连续出光，容易降低激光腔体的寿命，多用于测试，而在正式工作期间主要的放电方式就是burst模式。准分子激光器在光刻过程中，一般应用在猝发(burst)模式下，burst模式准分子激光脉冲恒定，准分子激光器输出一组脉冲(包含n个脉冲，又称一个burst、一个猝发信号)激光后，会间隔一段时间，再输出一组脉冲激光。由于准分子激光器在Burst模式下，各组脉冲之间具有时间间隔，导致在相同激励电压下，每组脉冲的前几个脉冲的能量会比后面的脉冲的能量高，这就是能量超调现象。
准分子激光器在Burst模式下的能量模型是一个十分复杂的非线性模型，还会受到工作气体状态、放电电压、温度等多种因素的影响，所以准分子激光器的能量模型还属于时变模型。针对非线性时变模型，传统的控制方法往往很难有好的控制效果。
由于准分子激光器能量稳定性决定了集成电路光刻加工过程中条纹关键尺寸的加工精度，因此能量控制的好坏是决定准分子激光器是否可用于光刻系统的关键。激光器工作过程中需要保证输出能量的稳定，以使得相对应的光刻机在曝光过程中能够稳定工作，为了描述激光输出稳定性的优劣，有以下两个常用的指标，分别为单脉冲能量稳定性(用于评价能量稳定性)以及剂量精度(用于评价剂量稳定性)。一般工况下，能量稳定性需要在15％以下，剂量精度在0.5％以下，有的光刻企业重视能量稳定性，而有的光刻企业更重视剂量精度。
为了保证准分子激光器的能量稳定和剂量精度满足要求，实际中会采用基于PI(比例积分)的反馈控制，该算法原理上是针对准分子激光器实际能量输出值与期望值的差进行比例积分运算，通过调整对应的PI参数，实现能量稳定和剂量精度的控制。但是现有的PI控制算法仅仅是针对输出脉冲的超调现象进行调节，调节因其余原因产生的输出不稳定现象的能力较弱。由此，现有的PI控制算法无法保证良好的能量稳定性和剂量精度。
准分子激光器构造复杂，在其工作过程中，必然会产生干扰。这种干扰会影响到激光器的能量稳定性以及Dose(剂量)稳定性，进而影响光刻的质量。如果能降低这种干扰的影响，那么就能减小能量稳定性控制的难度，提高激光器性能，进而提高光刻机的工作质量及产量。
这种干扰是固定频率、可测量且保持不变的信号。与此同时，激光器的输出能量受激光器输入电压的直接影响，输入电压的改变会直接体现在输出能量上。而干扰补偿正是基于干扰信号不变且可测量来组成的自动控制，其主要控制结构为前馈控制，具有处理速度快、及时有效，对于处理固定的干扰分量可以起到良好的效果。
激光器输出能量中的干扰信号为固定频率的风机干扰信号，风机干扰与风机转速一致，可以确定风机干扰的频率值，但是由于风机转速并不十分稳定，会有一些抖动，因此其频率也会有一定的波动。除此之外，由于无法确定激光器工作时干扰信号的相位，所以即使已知干扰信号的频率，也不能直接利用该频率生成模拟信号进行控制。
综上，现有技术的激光器能量控制算法中，没有可以考虑激光器风机干扰进行控制的恒能量控制的方法。激光器风机振动带来的干扰信号势必影响激光器能量输出的稳定性指标，从而影响光刻的质量。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，克服现有的技术的不足，提供基于风机干扰补偿的准分子激光器恒能量控制方法、装置及激光器，能够在控制激光器输出脉冲能量的同时，考虑其风机的振动干扰，从而保证了输出单脉冲能量稳定性以及剂量稳定性。
为达到上述技术目的，一方面，本发明提供一种基于风机干扰补偿的准分子激光器恒能量控制方法，包括：
获取当前脉冲的输出能量，干扰补偿模块提取对应风机的干扰信号，预估同一burst内下一脉冲的干扰补偿电压；
获取激光器输出的目标能量，能量控制模块根据当前脉冲的输出能量和对应干扰信号，进行PI控制：
当前脉冲位于所属burst的超调部分时，输出下一burst相同位置脉冲的电压增量，调节下一burst相同位置脉冲的输入电压；
当前脉冲位于所属burst的非超调部分时，输出同一burst内下一脉冲的电压增量，结合对应干扰补偿电压，调节同一burst内下一脉冲的输入电压。
其中，所述干扰补偿模块，包括多组滤波器，每组滤波器包括至少一个陷波滤波器和对应超前滤波器；
所述获取当前脉冲的输出能量，干扰补偿模块提取对应风机的干扰信号，预估同一burst内下一脉冲的干扰补偿电压，具体包括：
针对每组滤波器：
获取当前脉冲的输出能量，陷波滤波器对当前脉冲进行滤波，提取对应风机的干扰信号；
超前滤波器根据提取的当前脉冲干扰信号，预估同一burst下一脉冲的干扰信号；
将各组预估到的下一脉冲的干扰信号叠加后，计算对应干扰补偿电压。
其中，所述陷波滤波器对当前脉冲进行滤波，提取对应风机的干扰信号，具体包括：
当前脉冲为所属burst的首脉冲时，利用首脉冲对应的输出能量初始化陷波滤波器输入参数，得到对应的输出结果；
当前脉冲为所属burst的非首脉冲时，利用当前脉冲对应的输出能量、同一burst内上一个脉冲的输出结果及输出能量，设置陷波滤波器输入参数，得到对应的输出结果；
将当前脉冲的输出能量减去对应陷波滤波器的输出结果，得到当前脉冲提取的干扰信号幅值。
其中，所述超前滤波器根据提取的当前脉冲干扰信号，预估同一burst下一脉冲的干扰信号，具体包括：
当前脉冲为所属burst的首脉冲时，利用当前脉冲提取的干扰信号幅值初始化超前滤波器输入参数，得到下一脉冲预估的干扰信号幅值；
当前脉冲为所属burst的非首脉冲时，利用当前脉冲对应干扰信号幅值、同一burst内上一个脉冲提取的干扰信号幅值和预估的干扰信号幅值，得到下一脉冲预估的干扰信号幅值。
其中，所述当前脉冲位于所属burst的超调部分时，输出下一burst相同位置脉冲的电压增量，调节下一burst相同位置脉冲的输入电压，具体包括：
将当前脉冲的输出能量减去能量目标值，得到当前脉冲的能量差值；
将当前脉冲的能量差值减去当前脉冲的干扰信号幅值，得到当前脉冲的比例调节项；
通过当前脉冲的比例调节项计算输出下一burst相同位置脉冲的电压增量；
将下一burst相同位置脉冲的电压增量加入至当前脉冲的输入电压，得到下一burst相同位置脉冲的输入电压。
其中，所述当前脉冲位于所属burst的非超调部分时，输出同一burst内下一脉冲的电压增量，结合对应干扰补偿电压，调节同一burst内下一脉冲的输入电压，具体包括：
根据当前脉冲的输出能量和对应干扰信号，分别计算得到同一burst内下一脉冲的能量电压增量和剂量电压增量；
将所述能量电压增量和剂量电压增量加权求和得到同一burst内下一脉冲的电压增量；
将同一burst内下一脉冲的电压增量和对应干扰补偿电压加入至当前脉冲的输入电压，得到同一burst内下一脉冲的输入电压。
其中，所述根据当前脉冲的输出能量和对应干扰信号，计算得到同一burst内下一脉冲的能量电压增量，具体包括：
将当前脉冲的输出能量减去能量目标值，得到当前脉冲的能量差值；
将当前脉冲的能量差值减去当前脉冲的干扰信号幅值，得到当前脉冲的能量比例调节项；
通过当前脉冲的能量比例调节项计算输出同一burst内下一脉冲的能量电压增量。
其中，所述根据当前脉冲的输出能量和对应干扰信号，计算得到同一burst内下一脉冲的剂量电压增量，具体包括：
将当前脉冲的输出能量减去对应干扰信号幅值，从而计算在当前脉冲的剂量值；
将当前当前脉冲的剂量值减去目标剂量后，计算当前脉冲的剂量积分调节项；
通过当前脉冲的剂量积分调节项计算输出同一burst内下一脉冲的剂量电压增量。
另一方面，本发明提供一种基于风机干扰补偿的准分子激光器恒能量控制装置，包括：
干扰补偿模块，用于获取当前脉冲的输出能量，提取对应风机的干扰信号，预估同一burst内下一脉冲的干扰补偿电压；
能量控制模块，用于获取激光器输出的目标能量，根据当前脉冲的输出能量和对应干扰信号，进行PI控制：
当前脉冲位于所属burst的超调部分时，输出下一burst相同位置脉冲的电压增量，调节下一burst相同位置脉冲的输入电压；
当前脉冲位于所属burst的非超调部分时，输出同一burst内下一脉冲的电压增量，结合对应干扰补偿电压，调节同一burst内下一脉冲的输入电压。
第三方面，本发明还提供一种准分子激光器，包括放电腔和控制模块，
所述放电腔包括风机；
所述控制模块包括如权利要求9所述的恒能量控制装置，对输出能量进行控制。
在本发明中，通过干扰补偿模块提取风机的干扰信号，然后针对性的对风机干扰信号进行补偿。能量控制模块在控制输出能量的同时解决了干扰信号的影响，提高了输出脉冲能量稳定性和剂量稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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它的附图。
图1为本申请实施例的方法流程示意图；
图2为本申请实施例的控制算法逻辑框图；
图3为本申请实施例的控制算法工作流程图；
图4为本申请实施例中1kHz恒能量10mJ与现有PI算法的频域幅值对比图；
图5为本申请实施例中2kHz恒能量10mJ与现有PI算法的频域幅值对比图；
图6为本申请实施例中4kHz恒能量10mJ与现有PI算法的频域幅值对比图；
图7为本申请实施例中单腔准分子激光器的结构示意图；
图8为本申请实施例中双腔准分子激光器的结构示意图。
具体实施方式
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。
激光器工作过程中需要保证输出能量的稳定，以使得相对应的光刻机在曝光过程中能够稳定工作，为了描述输出能量稳定性的优劣，有以下两个常用的指标，分别为单脉冲能量稳定性以及剂量稳定性。
其中描述单脉冲能量稳定性的指标为相对标准差σ，具体如公式(1)所示。通常单脉冲能量稳定性好坏采用3σ来衡量。这是因为在概率分布上，在±3σ内的数据占整体数据的99.73％，因此在随机误差中，认为±3σ内可以包含几乎所有的数据，也就是说3σ的值越小，该组数据稳定性越好。σ表达式为：
其中N表示计算用到的脉冲数量，Ei表示第i个脉冲的输出能量，Et表示恒能量模式下输出能量的目标值。
在分析激光器输出能量稳定性时，一般取N为单个burst的长度，然后分别对每个burst求其标准差，取其最大值作为这一组数据的能量稳定性。
而另外一个描述能量稳定性的参数为剂量精度，剂量指的是一定数量的脉冲能量之和，如公式(2)所示，而剂量精度Hj的定义如公式(3)所示：
其中Doset为目标剂量值，Dosej为位置j开始的剂量。
剂量的稳定性通过剂量精度衡量，是针对每个burst进行的，首先计算burst内每个脉冲位置起始的剂量精度，如果该位置到burst末尾不足Nslit个点，则不进行计算。然后取每个burst内剂量精度绝对值的最大值作为该burst的剂量精度，综合所有burst的剂量精度来衡量整体的剂量稳定性。
针对3σ值指标，要解决的就是首脉冲超调以及单脉冲能量随机抖动的问题，使输出能量保持在目标值附近。激光器的输出能量与当前的放电高压直接相关，且单脉冲的放电高压均可控，也就是说可以通过控制当前脉冲的放电高压来控制激光器的输出能令从而使其稳定。
实施例一
如图1所示，本申请提供了于风机干扰补偿的准分子激光器恒能量控制方法，包括：
101、获取当前脉冲的输出能量，干扰补偿模块提取对应风机的干扰信号，预估同一burst内下一脉冲的干扰补偿电压；
102、获取激光器输出的目标能量，能量控制模块根据当前脉冲的输出能量和对应干扰信号，进行PI控制：
当前脉冲位于所属burst的超调部分时，输出下一burst相同位置脉冲的电压增量，调节下一burst相同位置脉冲的输入电压；
当前脉冲位于所属burst的非超调部分时，输出同一burst内下一脉冲的电压增量，结合对应干扰补偿电压，调节同一burst内下一脉冲的输入电压。
在本实施例中，通过干扰补偿模块提取风机的干扰信号，然后针对性的对风机干扰信号进行补偿。能量控制模块在控制输出能量的同时包含了干扰信号的影响，提高了输出脉冲能量稳定性和剂量精度。
如图2和3所示，所述干扰补偿模块，包括多组滤波器，每组滤波器包括至少一个陷波滤波器和对应超前滤波器。
在本实施例中，设计了多组滤波器，每组滤波器包括一个陷波滤波器及对应的一个超前滤波器。这是由于风机振动的干扰信号有多阶(一般包括一阶干扰信号和二阶干扰信号)，多组滤波器可以分别针对不同频率进行干扰补偿，每组滤波器对应多阶干扰信号中的一种。在实际工作中为了便于控制，给每组滤波器均增加了使能信号，使得可以按照需求开启其中任意一个或者多个滤波器。
所述101，具体包括：
针对每组滤波器：
1011、获取当前脉冲的输出能量，陷波滤波器对当前脉冲进行滤波，提取对应风机的干扰信号；具体地：
10111、构建陷波滤波器，设置陷波滤波参数，针对激光器输出的各burst的每个脉冲，进行滤波：
101111、当前脉冲为所属burst的首脉冲时，利用首脉冲对应的输出能量初始化陷波滤波器输入参数，得到对应的输出结果；
101112、当前脉冲为所属burst的非首脉冲时，利用当前脉冲对应的输出能量、同一burst内上一个脉冲的输出结果及输出能量，设置陷波滤波器输入参数，得到对应的输出结果；
在10111中，所述陷波滤波器的系统函数为：
公式(4)中，ωn为陷波频率，ξ1、ξ2为衰减常数。
本实施例中，风机振动干扰信号为余弦信号，风机振动干扰信号特性包括激光器工作频率和干扰信号频率等。
根据陷波滤波器的系统函数，采用双线性畸变法得到陷波数字滤波器系统函数：
公式(5)中，T为对应采样时间。
为了保证采集结果的纯净，将陷波滤波器设计为宽度约2Hz，陷波深度约20dB，即令ξ1＝0.02，ζ2＝0.001，陷波数字滤波器系统函数为：
公式(6)中，T，ωn的值由激光器工作频率和干扰信号频率决定。
在得到陷波数字滤波器系统函数后，可以设置陷波滤波参数。由于激光器在工作时输出的激光多为burst模式，所以陷波滤波器需要在每个burst开始的时候重新初始化。所述陷波滤波参数为：an1＝1，
101111、当前脉冲为所属burst的首脉冲(当前burst中第一个脉冲)时，所述陷波滤波器的输出结果为：
公式(7)中，xn1、xn2、yn1、yn2都为输入参数，令xn1＝xn2＝Em,1,yn1＝yn2＝Em,1，Em,1为第m个burst的首脉冲的输出能量。
101112、当前脉冲为所属burst的非首脉冲(当前burst中第二至最后一个脉冲)时，所述陷波滤波器的输出结果为：
公式(8)，令xn2＝xn1，xn1＝Em,i-1，yn2＝yn1，yn1＝ynm,i-1，Em,i为第m个burst的第i个脉冲的输出能量。
10112、将当前脉冲的输出能量减去对应陷波滤波器的输出结果，得到当前脉冲提取的干扰信号幅值：
em,i＝Em,i-ynm,i(9)
公式(9)中，em,i为第m个burst内第i个脉冲的干扰信号幅值。陷波滤波器的输出结果是滤除掉了干扰信号的原始信号，因此需要利用原始信号减去陷波滤波器滤波结果，以获得所需要的干扰信号。
当然当得到最后一个脉冲的干扰信号幅值后，此时因为各burst之间的间隔，根据程序的设定，会停止下一脉冲的提取流程。然后直至下一burst的首脉冲到来，重新初始化返回1011。
由于已知干扰信号是由风机振动引起的，可以直接采用该值作为陷波滤波器的中心频率，这可以直接提取出准确的干扰频率。
1012、超前滤波器根据提取的当前脉冲干扰信号，预估同一burst下一脉冲的干扰信号。
具体地：
10121、通过双线性畸变法将超前滤波器的系统函数转化为超前数字滤波器系统函数。
所述超前滤波器的系统函数为：
公式(10)中，dl、dh为衰减系数，ωl为低截止频率，ωh为高截止频率。
所述超前数字滤波器系统函数为：
公式(11)中，T为对应采样时间。
10122、设置超前滤波器的超前度数，根据超前度数计算超前数字滤波器系统函数中的高截止频率和低截止频率；所述超前度数计算公式为：
公式(12)中，fi为干扰信号频率，fs为激光器工作重复频率。
所述根据超前度数计算超前数字滤波器系统函数中的高截止频率和低截止频率，通过下式实现：
公式(13)中，a＝ωh-ωl，b＝ωlωh，Y＝tan(deg)；s＝ejω。
所述干扰信号频率为风机转速对应的实际频率，即：
公式(14)中，n为风机转速，单位为rpm。fi为干扰信号频率的一倍频，并对其倍乘后得到二倍频和三倍频，并更新滤波器参数。从而更新后的滤波器可以针对二倍频和三倍频进行提取和预估。
在本实施例中，通过更改dl、dh、ωl、ωh这四个参数，可以更改所需频率的相位返回值，及超前的度数。为了便于计算参数值，同时保证系统不出现负增益，我们将dl，dh均设置为1，然后通过deg与中心频率来计算ωl与ωh。根据s＝ejω，带入超前滤波器的系统函数，来计算频率与相位的关系。经过计算推导可得到公式(13)。可以根据公式(13)解出a与b的值，然后任意选取一组能够满足同时满足a与b的值的ωl，ωh的值。公式(11)中的ωl、ωh由公式(12)、(13)和(14)进行求解计算。在实际工作过程中，为了便于参数的设计，采用公式(13)的第一组解即可。
10123、构建超前滤波器，设置超前滤波参数，针对各陷波滤波器中当前脉冲提取的干扰信号幅值，通过对应超前滤波器进行滤波：
所述超前滤波参数设置为：
101231、当前脉冲为所属burst的首脉冲时，利用当前脉冲提取的干扰信号幅值初始化超前滤波器输入参数，得到下一脉冲预估的干扰信号幅值。
当前脉冲为所属burst的首脉冲时，下一脉冲预估的干扰信号幅值为：
公式(15)中，x1、x2、y1、y2都为超前滤波器输入参数，令x1＝x2＝em,1,y1＝y2＝em,1，em,1为第m个burst的首脉冲的提取的干扰信号幅值。
101232、当前脉冲为所属burst的非首脉冲时，利用当前脉冲对应干扰信号幅值、同一burst内上一个脉冲提取的干扰信号幅值和预估的干扰信号幅值，得到下一脉冲预估的干扰信号幅值。
当前脉冲为所属burst的非首脉冲时，下一脉冲预估的干扰信号幅值为：
公式(16)中，令x2＝x1，x1＝em,i-1，y2＝y1，y1＝e′m,i-1，em,i为为第m个burst的第i个脉冲的提取的干扰信号幅值。
1013、将各组预估到的下一脉冲的干扰信号叠加后，计算对应干扰补偿电压。具体地：
10131、将每组中预估的下一脉冲的干扰信号反向乘以输入电压与输出能量比值，得到每组电压增量；
10132、将每组电压增量进行叠加，得到下一脉冲电压增量，即补偿电压。
将e′m,i+1反向乘以dv/de后，即可得到下一脉冲的电压增量，如公式(17)所示：
ΔHVem，i+1＝-e′ m,i+1×dv/de(17)
公式(17)中，dv/de为输入电压与输出能量比值关系。
在本实施例中，激光器的输出脉冲能量信号的采集以及电压信号的控制均由能量采集卡完成，能量采集卡的核心工作芯片为一块zynq-3060芯片，其内部由Arm与FPGA相结合，其能量信号会通过FPGA进行采集，通过模数转换变为数字信号后输入到Arm模块中。因此可采用C语言编写相应的程序来实现我们的算法。
综上，干扰补偿模块中的陷波滤波器提取了风机振动产生的干扰信号，得到了干扰信号幅值；干扰补偿模块中的超前滤波器根据干扰信号幅值，超前预估了下一脉冲的干扰信号，得到了预估的下一脉冲的电压增量。因此，下面的步骤将得到的干扰信号幅值和预估的下一脉冲的电压增量加入至PI控制算法中，用于控制各脉冲的输入电压，从而控制各脉冲的输出能量值。
如图2和3所示，所述102，具体包括：
1021、所述当前脉冲位于所属burst的超调部分时(i<x，当前脉冲位置i位于第x个脉冲位置前，x为burst内超调部分的脉冲个数)：
10211、将当前脉冲的输出能量减去能量目标值，得到当前脉冲的能量差值；
ΔEm,i＝Em,i-Et(18)
公式(18)中，ΔEm,i表示第m个burst内第i个位置脉冲的能量差值，Em,i表示第m个burst内第i个位置脉冲的输出能量值，Et表示激光器输出脉冲的能量目标值。
10212、将当前脉冲的能量差值减去当前脉冲的干扰信号幅值，得到当前脉冲的比例调节项；
10213、通过当前脉冲的比例调节项计算输出下一burst相同位置脉冲的电压增量；
公式(19)中，ΔHVm+1,i为第m+1个burst内第i个位置脉冲的电压增量；dvde表示电压增量与能量增量的比值，它能够代表激光器电压和能量的比例关系，从而将计算出的能量值转换为相应的电压值；kpe1是比例系数，kie1是积分系数；所述当前脉冲的比例调节项为ΔEm,i-em,i。
10214、将下一burst相同位置脉冲的电压增量加入至当前脉冲的输入电压，得到下一burst相同位置脉冲的输入电压。
HVm+1,i＝HVm,i+ΔHVm+1,i(i<x) (20)
公式(20)中，HVm+1,i表示第m+1个burst内第i个位置脉冲的输入电压，HVm,i表示第m个burst内第i个位置脉冲的输入电压。
1022、当前脉冲位于所属burst的非超调部分时(N>i≥x，N为burst内脉冲总个数)：
10221、根据当前脉冲的输出能量和对应干扰信号，分别计算得到同一burst内下一脉冲的能量电压增量和剂量电压增量；具体地：
102211、将当前脉冲的输出能量减去能量目标值，得到当前脉冲的能量差值；如公式(18)所示；
102212、将当前脉冲的能量差值减去当前脉冲的干扰信号幅值，得到当前脉冲的能量比例调节项；所述当前脉冲的比例调节项为ΔEm,i-em,i。
102213、通过当前脉冲的能量比例调节项计算输出同一burst内下一脉冲的能量电压增量。
公式(21)中，ΔHVEm,i+1为第m个burst内第i+1个位置脉冲的能量电压增量；kpe2是比例系数，kie2是积分系数。
102214、将当前脉冲的输出能量减去对应干扰信号幅值，从而计算在当前脉冲的剂量值；
公式(22)中，Dosem(j)代表第m个burst内第i个位置脉冲的剂量值。
102215、将当前当前脉冲的剂量值减去目标剂量后，计算当前脉冲的剂量积分调节项；102216、通过当前脉冲的剂量积分调节项计算输出同一burst内下一脉冲的剂量电压增量。
ΔDosem(i)＝Dosem(i)-Doset＝Dosem(i)-Et×Nslit(23)
公式(23)中，为第m个burst内第i个位置脉冲的剂量积分调节项；ΔDosem(i)为第i个位置脉冲的剂量比例调节项，等于第i个位置脉冲的剂量值与剂量目标值的差值；Doset为剂量目标值，kDp为比例系数，kDI为积分系数；ΔHVdm,i+1为第m个burst内第i+1个位置脉冲的剂量电压增量。
10222、将所述能量电压增量和剂量电压增量加权求和得到同一burst内下一脉冲的电压增量；
在本实施例中，需要将剂量稳定性控制算法和能量稳定性控制算法中burst内控制生成的电压增量进行耦合，调节剂量电压增量和能量电压郑亮的占比以得到最合适的输入电压。
10223、将同一burst内下一脉冲的电压增量和对应干扰补偿电压加入至当前脉冲的输入电压，得到同一burst内下一脉冲的输入电压。
HVm,i+1＝HVm,i+a·ΔHVEm,i+1+b·ΔHVdm,i+1+ΔHVem,i+1(N>i≥x) (25)
公式(25)中，HVm,i+1为第m个burst内第i+1个位置脉冲的输入电压，HVm,i为第m个burst内第i个位置脉冲的输入电压，a和b表示权重，a+b＝1。
在本实施例中，当前脉冲的位置刚好为x位置时，其输入电压直接取上一脉冲的输入电压，即，HVm,i＝HVm,i-1。
下面将本实施例所述的恒能量控制算法运用至激光器的工作状态中，进行实验。
恒能量模式下，为了保证其它因素不会影响测试结果，选择了激光器能稳定工作的恒能量10mJ作为测试时的工况。同样的，再频域对比时选择将多组数据混合在同一张图像中，取其最大值进行对比。除此之外，本实施例所述的恒能量控制算法的目的是提高恒能量模式下，输出能量的剂量精度和3σ值这两个指标，因此也对两个指标的结果进行计算对比。
首先是1kHz的实验结果，其频域对比如图4所示，其中“未开启干扰补偿代表”现有技术中的PI控制算法，“开启干扰补偿”代表本实施例所述的恒能量控制算法。由图4可知，除了恒能量控制算法性质带来的幅值很小的波峰，还有很明显的固有干扰带来的频域分量，分别在83.59Hz和166Hz处，开启干扰补偿后，也就是采用本实施例所述的恒能量控制算法后，两个频域分量的幅值分别由0.02667降低至0.01515，降低了约43％，以及由0.005939降低至0.003974，降低了约33％。
表1为1kHz恒能量信号的剂量稳定性的对比结果，可以看到，在五组实验中，剂量稳定性均有明显的提升，最低提升约6％，最高提升约24％。表2为能量稳定性3σ值，可以看到，在使用了所述能量控制算法之后，所有的3σ值均保持在5％以下。
表1
表2
/>
在2kHz重复频率下，其频域对比如图5所示，同样可以看到，除了恒能量控制算法性质带来的幅值很小的波峰，还有很明显的固有干扰带来的频域分量，分别在83.59Hz和160Hz处在使用干扰补偿后，两个频域分量的幅值分别由0.006257降低至0.004659，降低了约26％，以及由0.007508降低至0.004802，降低了约36％。在频率升高后，二倍频的干扰信号略有偏移，但幅值仍有足够程度的降低。
表3为2kHz恒能量信号的剂量稳定性的对比结果，可以看到，在五组实验中，剂量稳定性均有明显的提升，最低提升约14％，最高提升约34％。表4为能量稳定性3σ值，同样可以看到，在使用了干扰补偿算法之后，所有的3σ值均保持在5％以下。
表3
表4
在4kHz重复频率下，其频域对比如图6所示，同样可以看到，除了恒能量控制算法性质带来的幅值很小的波峰，还有很明显的固有干扰带来的频域分量，分别在99.38Hz和160Hz处，在使用恒能量控制算法后，两个频域分量的幅值分别由0.003644降低至0.002313，降低了约36.5％，以及由0.002537降低至0.001808，降低了约29％。可以看到，在4kHz时，干扰频率出现了偏移，这是因为在4kHz时，低频的干扰信号分量信息变少，不容易采集和计算，且容易和恒能量控制算法造成的频域分量混合，但是低频部分的异常峰值仍然可视为由风机振动所引起的，并且恒能量控制算法仍能取得预期效果。
表5为4kHz恒能量信号的剂量稳定性的对比结果，可以看到，在五组实验中，剂量稳定性均有明显的提升，最低提升约10％，最高提升约44％。表6为能量稳定性3σ值，同样可以看到，在使用了干扰补偿算法之后，所有的3σ值均保持在5％以下。
表5
表6
综上所述，在激光器常用的1kHz，2kHz，4kHz的burst出光模式，恒能量10mJ下，经过多组实验进行验证，干扰补偿算法可以降低频域幅值20％以上，并且在使用本实施例所述的恒能量控制算法后，能量稳定性3σ值均能维持在5％以下。与此同时，能量和剂量稳定性也在使用该算法后有一定程度的提升，这两项指标的提高说明了本实施例所述的恒能量控制算法能够有效地降低固有干扰对能量带来的影响。
实施例二
如图2所示，本申请实施例还提供了一种基于风机干扰补偿的准分子激光器恒能量控制装置，包括：
干扰补偿模块，用于获取当前脉冲的输出能量，提取对应风机的干扰信号，预估同一burst内下一脉冲的干扰补偿电压；
能量控制模块，用于获取激光器输出的目标能量，根据当前脉冲的输出能量和对应干扰信号，进行PI控制：
当前脉冲位于所属burst的超调部分时，输出下一burst相同位置脉冲的电压增量，调节下一burst相同位置脉冲的输入电压；
当前脉冲位于所属burst的非超调部分时，输出同一burst内下一脉冲的电压增量，结合对应干扰补偿电压，调节同一burst内下一脉冲的输入电压。
激光器的能量信号的采集以及电压信号的控制均由能量采集卡完成，由此可知，本实施例所述的装置为能量采集卡。能量采集卡的核心工作芯片为一块zynq-3060芯片，其内部由Arm与FPGA相结合，其能量信号会通过FPGA进行采集，通过模数转换变为数字信号后输入到Arm模块中。因此可以采用C语言编写相应的程序来实现上述的算法。
本实施例所述的基于风机干扰补偿的准分子激光器恒能量控制装置功能如上述方法所述，在此就不再赘述。
实施例三
如图7所示，本发明还公开了一种单腔准分子激光器，其具有一个线宽压窄模块300，一个放电腔400，输出耦合镜500，检测模块600，控制模块700。放电腔400中的工作电极包括阴极401和阳极402，另外放电腔内还设置有风机403。激光器的阴极401和阳极402对工作气体进行励激放电以产生激光，在放电过程中产生的金属氟化物颗粒污染会降低脉冲激光系统的性能，而高速旋转风机403对两电极之间的区域进行气体的清扫，以使污染物远离放电区域，提高放电性能。控制模块700包括对风机403进行控制的如上述实施例二所公开的恒能量控制装置，对单腔激光器输出能量进行控制。
实施例四
如图8所示，本发明还公开了一种双腔准分子激光器，其与实施例三的区别在于有两个放电腔，第一放电腔1400和第二放电腔2400，第一光路转折模块800，第二光路转折模块900，光路反转模块1000。第一放电腔1400的结构与第二放电腔2400的结构基本相同，第二放电腔2400对来自第一放电腔的激光进行放大。两个放电腔中的风机403相同，控制模块700包括对两个放电腔中的风机403都进行控制的如上述实施例二所公开的恒能量控制装置，对双腔激光器输出能量进行控制。
应该明白，公开的过程中的步骤的特定顺序或层次是示例性方法的实例。基于设计偏好，应该理解，过程中的步骤的特定顺序或层次可以在不脱离本公开的保护范围的情况下得到重新安排。所附的方法权利要求以示例性的顺序给出了各种步骤的要素，并且不是要限于所述的特定顺序或层次。
为了使本揭示内容的叙述更加详尽与完备，上文针对本发明的实施方式与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本发明具体实施例的唯一形式。实施方式中涵盖了多个具体实施例的特征以及用以建构与操作这些具体实施例的方法步骤与其顺序。然而，亦可利用其它具体实施例来达成相同或均等的功能与步骤顺序。
在上述的详细描述中，各种特征一起组合在单个的实施方案中，以简化本公开。不应该将这种公开方法解释为反映了这样的意图，即，所要求保护的主题的实施方案需要比较清楚地在每个权利要求中所陈述的特征更多的特征。相反，如所附的权利要求书所反映的那样，本发明处于比所公开的单个实施方案的全部特征少的状态。因此，所附的权利要求书特此清楚地被并入详细描述中，其中每项权利要求独自作为本发明单独的优选实施方案。
为使本领域内的任何技术人员能够实现或者使用本发明，上面对所公开实施例进行了描述。对于本领域技术人员来说；这些实施例的各种修改方式都是显而易见的，并且本文定义的一般原理也可以在不脱离本公开的精神和保护范围的基础上适用于其它实施例。因此，本公开并不限于本文给出的实施例，而是与本申请公开的原理和新颖性特征的最广范围相一致。
上文的描述包括一个或多个实施例的举例。当然，为了描述上述实施例而描述部件或方法的所有可能的结合是不可能的，但是本领域普通技术人员应该认识到，各个实施例可以做进一步的组合和排列。因此，本文中描述的实施例旨在涵盖落入所附权利要求书的保护范围内的所有这样的改变、修改和变型。此外，就说明书或权利要求书中使用的术语“包含”，该词的涵盖方式类似于术语“包括”，就如同“包括，”在权利要求中用作衔接词所解释的那样。此外，使用在权利要求书的说明书中的任何一个术语“或者”是要表示“非排它性的或者”。
本领域技术人员还可以了解到本发明实施例列出的各种说明性逻辑块(illustrative logical block)，单元，和步骤可以通过电子硬件、电脑软件，或两者的结合进行实现。为清楚展示硬件和软件的可替换性(interchangeability)，上述的各种说明性部件(illustrative components)，单元和步骤已经通用地描述了它们的功能。这样的功能是通过硬件还是软件来实现取决于特定的应用和整个系统的设计要求。本领域技术人员可以对于每种特定的应用，可以使用各种方法实现所述的功能，但这种实现不应被理解为超出本发明实施例保护的范围。
本发明实施例中所描述的各种说明性的逻辑块，或单元都可以通过通用处理器，数字信号处理器，专用集成电路(ASIC)，现场可编程门阵列或其它可编程逻辑装置，离散门或晶体管逻辑，离散硬件部件，或上述任何组合的设计来实现或操作所描述的功能。通用处理器可以为微处理器，可选地，该通用处理器也可以为任何传统的处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可以通过计算装置的组合来实现，例如数字信号处理器和微处理器，多个微处理器，一个或多个微处理器联合一个数字信号处理器核，或任何其它类似的配置来实现。
本发明实施例中所描述的方法或算法的步骤可以直接嵌入硬件、处理器执行的软件模块、或者这两者的结合。软件模块可以存储于RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM或本领域中其它任意形式的存储媒介中。示例性地，存储媒介可以与处理器连接，以使得处理器可以从存储媒介中读取信息，并可以向存储媒介存写信息。可选地，存储媒介还可以集成到处理器中。处理器和存储媒介可以设置于ASIC中，ASIC可以设置于用户终端中。可选地，处理器和存储媒介也可以设置于用户终端中的不同的部件中。
在一个或多个示例性的设计中，本发明实施例所描述的上述功能可以在硬件、软件、固件或这三者的任意组合来实现。如果在软件中实现，这些功能可以存储与电脑可读的媒介上，或以一个或多个指令或代码形式传输于电脑可读的媒介上。电脑可读媒介包括电脑存储媒介和便于使得让电脑程序从一个地方转移到其它地方的通信媒介。存储媒介可以是任何通用或特殊电脑可以接入访问的可用媒体。例如，这样的电脑可读媒体可以包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁性存储装置，或其它任何可以用于承载或存储以指令或数据结构和其它可被通用或特殊电脑、或通用或特殊处理器读取形式的程序代码的媒介。此外，任何连接都可以被适当地定义为电脑可读媒介，例如，如果软件是从一个网站站点、服务器或其它远程资源通过一个同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字用户线(DSL)或以例如红外、无线和微波等无线方式传输的也被包含在所定义的电脑可读媒介中。所述的碟片(disk)和磁盘(disc)包括压缩磁盘、镭射盘、光盘、DVD、软盘和蓝光光盘，磁盘通常以磁性复制数据，而碟片通常以激光进行光学复制数据。上述的组合也可以包含在电脑可读媒介中。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、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，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于风机干扰补偿的准分子激光器恒能量控制方法，其特征在于，包括：
获取当前脉冲的输出能量，干扰补偿模块提取对应风机的干扰信号，预估同一burst内下一脉冲的干扰补偿电压；
获取激光器输出的目标能量，能量控制模块根据当前脉冲的输出能量和对应干扰信号，进行PI控制：
当前脉冲位于所属burst的超调部分时，输出下一burst相同位置脉冲的电压增量，调节下一burst相同位置脉冲的输入电压；
当前脉冲位于所属burst的非超调部分时，输出同一burst内下一脉冲的电压增量，结合对应干扰补偿电压，调节同一burst内下一脉冲的输入电压。
2.根据权利要求1所述的基于风机干扰补偿的准分子激光器恒能量控制方法，其特征在于，所述干扰补偿模块，包括多组滤波器，每组滤波器包括至少一个陷波滤波器和对应超前滤波器；
所述获取当前脉冲的输出能量，干扰补偿模块提取对应风机的干扰信号，预估同一burst内下一脉冲的干扰补偿电压，具体包括：
针对每组滤波器：
获取当前脉冲的输出能量，陷波滤波器对当前脉冲进行滤波，提取对应风机的干扰信号；
超前滤波器根据提取的当前脉冲干扰信号，预估同一burst下一脉冲的干扰信号；
将各组预估到的下一脉冲的干扰信号叠加后，计算对应干扰补偿电压。
3.根据权利要求2所述的基于风机干扰补偿的准分子激光器恒能量控制方法，其特征在于，所述陷波滤波器对当前脉冲进行滤波，提取对应风机的干扰信号，具体包括：
当前脉冲为所属burst的首脉冲时，利用首脉冲对应的输出能量初始化陷波滤波器输入参数，得到对应的输出结果；
当前脉冲为所属burst的非首脉冲时，利用当前脉冲对应的输出能量、同一burst内上一个脉冲的输出结果及输出能量，设置陷波滤波器输入参数，得到对应的输出结果；
将当前脉冲的输出能量减去对应陷波滤波器的输出结果，得到当前脉冲提取的干扰信号幅值。
4.根据权利要求2所述的基于风机干扰补偿的准分子激光器恒能量控制方法，其特征在于，所述超前滤波器根据提取的当前脉冲干扰信号，预估同一burst下一脉冲的干扰信号，具体包括：
当前脉冲为所属burst的首脉冲时，利用当前脉冲提取的干扰信号幅值初始化超前滤波器输入参数，得到下一脉冲预估的干扰信号幅值；
当前脉冲为所属burst的非首脉冲时，利用当前脉冲对应干扰信号幅值、同一burst内上一个脉冲提取的干扰信号幅值和预估的干扰信号幅值，得到下一脉冲预估的干扰信号幅值。
5.根据权利要求1所述的基于风机干扰补偿的准分子激光器恒能量控制方法，其特征在于，所述当前脉冲位于所属burst的超调部分时，输出下一burst相同位置脉冲的电压增量，调节下一burst相同位置脉冲的输入电压，具体包括：
将当前脉冲的输出能量减去能量目标值，得到当前脉冲的能量差值；
将当前脉冲的能量差值减去当前脉冲的干扰信号幅值，得到当前脉冲的比例调节项；
通过当前脉冲的比例调节项计算输出下一burst相同位置脉冲的电压增量；
将下一burst相同位置脉冲的电压增量加入至当前脉冲的输入电压，得到下一burst相同位置脉冲的输入电压。
6.根据权利要求1所述的基于风机干扰补偿的准分子激光器恒能量控制方法，其特征在于，所述当前脉冲位于所属burst的非超调部分时，输出同一burst内下一脉冲的电压增量，结合对应干扰补偿电压，调节同一burst内下一脉冲的输入电压，具体包括：
根据当前脉冲的输出能量和对应干扰信号，分别计算得到同一burst内下一脉冲的能量电压增量和剂量电压增量；
将所述能量电压增量和剂量电压增量加权求和得到同一burst内下一脉冲的电压增量；
将同一burst内下一脉冲的电压增量和对应干扰补偿电压加入至当前脉冲的输入电压，得到同一burst内下一脉冲的输入电压。
7.根据权利要求6所述的基于风机干扰补偿的准分子激光器恒能量控制方法，其特征在于，所述根据当前脉冲的输出能量和对应干扰信号，计算得到同一burst内下一脉冲的能量电压增量，具体包括：
将当前脉冲的输出能量减去能量目标值，得到当前脉冲的能量差值；
将当前脉冲的能量差值减去当前脉冲的干扰信号幅值，得到当前脉冲的能量比例调节项；
通过当前脉冲的能量比例调节项计算输出同一burst内下一脉冲的能量电压增量。
8.根据权利要求6所述的基于风机干扰补偿的准分子激光器恒能量控制方法，其特征在于，所述根据当前脉冲的输出能量和对应干扰信号，计算得到同一burst内下一脉冲的剂量电压增量，具体包括：
将当前脉冲的输出能量减去对应干扰信号幅值，从而计算在当前脉冲的剂量值；
将当前当前脉冲的剂量值减去目标剂量后，计算当前脉冲的剂量积分调节项；
通过当前脉冲的剂量积分调节项计算输出同一burst内下一脉冲的剂量电压增量。
9.一种基于风机干扰补偿的准分子激光器恒能量控制装置，其特征在于，包括：
干扰补偿模块，用于获取当前脉冲的输出能量，提取对应风机的干扰信号，预估同一burst内下一脉冲的干扰补偿电压；
能量控制模块，用于获取激光器输出的目标能量，根据当前脉冲的输出能量和对应干扰信号，进行PI控制：
当前脉冲位于所属burst的超调部分时，输出下一burst相同位置脉冲的电压增量，调节下一burst相同位置脉冲的输入电压；
当前脉冲位于所属burst的非超调部分时，输出同一burst内下一脉冲的电压增量，结合对应干扰补偿电压，调节同一burst内下一脉冲的输入电压。
10.一种准分子激光器，包括放电腔和控制模块，其特征在于，包括：
所述放电腔包括风机；
所述控制模块包括如权利要求9所述的恒能量控制装置，对输出能量进行控制。
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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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