KR20030081471A - 압전 구동기를 갖춘 레이저 파장 제어 유닛 - Google Patents

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KR20030081471A
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자크로버트엔.
룰존에이.
팔렌샤트프레데릭에이.
포멘코프이고르브이.
알고츠존엠.
립콘쟈콥피.
샌드스트롬리차드엘.
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Abstract

고속 파장 보정 기능을 갖춘 전기 방전 레이저가 개시되었다. 고속 파장 보정 장비는 적어도 하나의 압전 구동기와 고속 파장 측정 시스템(104)과 고속 피드백 응답 시간을 포함한다. 바람직한 실시예에서, 수밀리미터의 저속 시간 프레임, 약 1 내지 5 밀리초의 중속 시간 프레임 및 수 마이크로초의 초고속 프레임상에서 파장을 제어하기 위해 장비가 제공된다. 바람직한 기술은 튜닝 미러를 사용하여 레이저 파장을 튜닝하기 위해 초고속 압전 구동기와 비교적 저속인 스테퍼 모터의 조합을 포함한다. 초고속 파장 제어는 압전 구동기와의 조합으로 압전 로드 셀에 제공된다. 바람직한 실시예는 파장 측정치, 고속 진동 제어, 로드 셀 및 액티브 댐핑 모듈(320)을 사용한 액티브 댐핑, 및 이력 버스트 데이터를 기초로 하여 피드 포워드 알고리즘을 사용한 트랜지언트 반전에 기초하여 고속 피드백 제어를 제공한다.

Description

압전 구동기를 갖춘 레이저 파장 제어 유닛{LASER WAVELENGTH CONTROL UNIT WITH PIEZOELECTRIC DRIVER}
집적회로 제조를 위한 광원
가스 방전 엑시머 레이저의 중요한 이용은 집적회로 제조를 위해 양질의 광원을 제공하는 것이다. 이들 광원은 반도체 웨이퍼 제조 프로세스에서 포토레지스트를 선택적으로 노광시키기 위해 스테퍼 머신 및 스캐너 머신에 의해 이용된다. 반도체 웨이퍼 제조 프로세스에서, 스테퍼 머신 및 스캐너 머신의 광학기구는 협대역 파장을 지닌 특정 레이저 빔을 위해 설계된다. 엑시머 레이저의 출력 빔은 통상적으로 거의 가우시안 분포를 이루는 "중심" 파장("라인 센터" 파장으로 일컬어짐) 주변에 분포된 초협대역 파장으로 이루어 진다. 크립콘 플루오라이드(KrF) 및 아르곤 플루오라이드(ArF)는 그 출력 빔은 소망하는 협대역 파장을 생성하기 위해 "라인 내로우잉"된다. 레이저 센터 라인 파장은 시간에 대해 드리프트하고, 따라서, 피드백 네트워크는 통상적으로 레이저의 파장을 검출하기 위해 그리고 소망하는 범위내에서 파장을 제어하기 위해 채용된다.
종래기술의 파장 제어
레이저의 파장을 검출 및 조정하기 위해 사용된 피드백 네트워크의 한 유형에서, 격자 및 에탈론은 각각 레이저로부터 방사된 광의 일부분을 수광한다. 격자로부터 반사된 광의 대역의 공간위치는 코오스 정도에 대한 중심라인 파장을 결정한다. 에탈론은 레이저 광에 의한 파괴적 및 생간적 간섭에 기인하여 어둡고 밝은 레벨의 동심원 대역을 갖는 간섭 패턴을 생성한다. 동심원 대역은 중앙 밝기부를 둘러싼다. 동심원 대역중의 하나의 직경은 0.01-0.03pm 범위내와 같은 정밀한 정도로 레이저의 중심라인 파장을 측정하기 위해 사용된다.
측정된 파장값을 사용하여 레이저를 파장 튜닝하기 위한 다양한 피드백 방법이 공지되어 있다. 통상적으로 튜닝은 레이저 출력을 라인 내로우잉하는 동일한 디바이스에서 발생한다. 이 디바이스는 라인 내로우잉 패키지(LNP) 또는 라인 내로우잉 모듈로 불린다. 엑시머 레이저를 라인 내로우잉 및 튜닝하기 위한 대표적인 기술은 레이저 빔의 일부가 LNP를 통과하는 레이저의 방전 캐비티의 뒷부분에 윈도우를 제공하는 것이다. 거기서, 상기 빔의 부분은 프리즘 빔 익스팬더에 의해 확대되고 레이저의 광대력 스펙트럼의 선택된 협대역부분을 증폭되는 방전 챔버로 보내진다. 레이저는 통상적으로 빔이 격자를 조사하는 각도를 변경시킴으로써 튜닝된다. 이것은 격자의 위치를 조정하거나 빔 경로에서 미러를 조정함으로써 행해진다. 빔의 파장은 각각의 펄스에 대해 측정되고 에러 신호가 계산되며 에러를 최소화하기 위해 격자 또는 미러를 위치시키기 위한 피드백 신호로서 사용된다. 이들 종래의 파장 제어 기술은 비교적 긴 시간 주기 동안에 대해 소망하는 범위내로평균 파장 값을 유지시키는 데에 효과적이다. 그러나, 이들 기술은 약 3 내지 30 밀리초 또는 약 1-3 밀리초 이하인 짧은 시간 주기에서 파장을 제어하기엔 매우 비효율적이다. 종래의 파장 제어 피드백 기술은 파장의 시프트를 검출하기 위해 그리고 조명각을 조정하기 위해 요구되는 시간인 수 밀리초의 응답시간을 갖는다.
파장 처프
집적회로 제조를 위한 광원으로서 사용된 엑시머 레이저를 위한 동작 모드는 "버스트" 모드 동작으로 알려져 있다. 이 모드에서, 레이저 빔은 0.125초에서 (이 경우) 2000Hz인 펄스율로 예를들어 250 펄스인 "버스트"로 실리콘 웨이퍼상에 다이 스폿을 조명한다. 레이저는 그후 약 0.2초 동안 "오프"인 한편 리소그래피 머신은 다음 버스트가 다음 다이 스폿을 조명하도록 하기 위해광학 성분을 이동시킨다. 이 시퀀스는 웨이퍼의 모든 다이 스폿이 조명될 때 까지 계속되고 그후 레이저는 약 1분 동안 오프되는 한편 새로운 웨이퍼가 적재된다. 도 1은 1000Hz에서 작동하는 레이저로부터 펄스의 버스트 동안 중심라인 파장 편이를 예시하는 그래프(10)이다. 특히, 도 1은 약 35밀리초의 시간 주기에서 소망하는 파장 출력으로부터 약 +0.1pm 내지 약 -.09 pm의 파장 편이를 지시한다. 이러한 유형의 파장 편이는 파장 "처프(chirp)"라 칭한다. 이들 처프는 매우 예측가능한 데, 펄스의 다수의 버스트 동안(항 상 버스트의 시작부에서) 동시에 온다. 도 1에 도시된 바와 같이, 파장 처프 후에, 파장 출력은 고속으로 외관상 그리고 비순서적으로 발생하지만 약 0.05pm 미만의 최대 진폭을 지닌 파장 편이로 된다. 출원인은 펄스의 버스트의 시작부 근처의 상기 파장 처프는 주로 레이저의 방전 영역내에서의 음향 교란을 변경시킴에 기인하는 것으로 생각한다. 변화 패턴은 레이저 가스의 온도에 의해 영향을 받는다. 이들 시프트는 수 밀리초 범위의 시간 주기 동안 발생한다. 종래 파장 보정 기술은 펄스의 각각의 버스트의 시작부 근방에서 크고 갑작스런 파장 편이를 적절하게 보정하지 못한다.
진동
통상적인 종래 기술의 파장 보정 기술은 버스트에서 발생하는 고속으로 발생하는(고주파수로) 파장 편이를 보정하는 데에 적합하지 않다. 고주파수 파장 편이는 LNP 자체내에 그것들을 포함하는 레이저 광학 성분의 진동에 의해 주로 야기되는 것으로 믿어진다. 대부분의 진동 유형 시프트는 주로 레이저의 회전 팬과 그 모터 드라이브 및 레이저의 주기적 전기 방전이 그 원인일 수 있다. 진동 모드는 LNP 및 그 구성성분을 포함하는 다양한 레이저 구조의 공진 조건에 의해 증폭된다.
에너지 처프
버스트 모드에서 동작하는 엑시머 레이저는 파장 처프와 유사한 펄스 에너지 처프를 산출한다. 종래기술 방법은 펄스 에너지 처프를 최소하는 것에 관해 개시되어왔다. 그 한 방법은 본 발명자들의 동료들인, "Advanced Krypton Fluoride Eximer Laser for Microlithography, SPIE Vol. 1674, "Optical/Laser Microlithography V, (1992)473-484, 참조 480에 설명되어 있다.
필요로 되는 것은 수 마이크로초 내지 약 5 밀리초 범위의 단 및 초단 시간 주기 동안 가스 방전 레이저의 파장을 제어하는 것이다.
본 발명은 레이저에 관한 것으로, 상세히는 레이저에서 파장 편이를 보정하는 것에 관한 것이다.
도 1은 종래 기술에서, 레이저로부터의 펄스의 버스트 동안 파장 드리프트에 대한 측정치를 나타낸 그래프.
도 2a-d는 종래 기술에서, 레이저로부터의 펄스의 4개의 순차 버스트 동안 파장 드리프트에 대한 측정치를 나타낸 그래프.
도 3은 저 응답 스테퍼 모터를 사용한 보정된 파장 출력을 갖는 레이저로부터의 펄스의 4개의 순차 버스트 동안 파장 드리프트에 대한 측정치를 나타낸 그래프.
도 4, 4a 및 4b는 고속 및 정밀한 파장 제어를 제공하는 제안된 기술을 나타낸 도.
도 5는 파장계를 나타낸 도.
도 5a 및 5b는 파장이 계산되는 방법을 도시한 도.
도 6은 광 다이오드 어레이의 표면을 묘사하는 도.
도 6a는 도 6의 광 다이오드 어레이의 표면에 격자 및 에탈론 이미지가 나타나는 법을 나타내는 도.
도 7은 파장 계산 하드웨어 장치를 나타내는 도.
도 8 및 8a는 고속 구동기 모듈 및 제어 모듈을 나타내는 도.
도 9는 피드백 제어 알고리즘 흐름도.
도 10은 테스트 결과를 나타내는 도.
도 11은 피드포워드 제어 알고리즘의 흐름도.
도 12는 테스트 결과를 나타내는 도.
도 13a 및 13b은 테스트 결과를 나타내는 도.
도 14a, 14b 및 14c는 바람직한 실시예의 특징을 나타내는 도.
도 15는 미러 위치 검출기를 갖춘 실시예.
본 발명은 고속 파장 보정 기능을 갖춘 전기 방전 레이저를 제공한다. 고속 파장 보정 장비는 적어도 하나의 압전 드라이브 및 고속 파장 측정 시스템 및 고속 피드백 응답 시간을 포함한다. 바람직한 실시예에서, 장비는 수 밀리초의 저속 시간 프레임상에, 약 1 내지 5 밀리초의 중속 시간 프레임상에 및 수십 마이크로초의 초고속 시간 프레임상에 파장을 제어하는 데에 제공된다. 바람직한 기술은 튜닝 미러를 이용한 레이저 파장의 튜닝을 위해 비교적 저속 스테퍼 모터 및 초고속 압전 구동기의 조합을 포함한다. 스테퍼 모터와 압전 구동기의 조합으로 저속 및 중속으로 파장을 제어하는 바람직한 제어 기술(초고속 파장 모니터를 이용하여)이 설명된다. 초고속 파장 제어는 압전 구동기와 조합하여 압전 로드 셀이 제공된다. 바람직한 실시예는 (1) 파장 측정에 기초한 고속 피드백 제어, (2) 고속 진동 제어, (3) 로드 셀을 이용한 액티브 댐핑 및 액티브 댐핑 모듈, (4) 이력 버스트 데이터에 기초한 피드 포워드 알고리즘을 이용한 트랜지언트 반전(inversion)을 제공한다. 바람직한 실시예는 현재 조건에 피드 포워드 알고리즘을 응용한다. 다른 바람직한 실시예는 파장 프리튜닝 및 액티브 파장 튜닝을 허용하기 위해 튜닝 미러 위치를 측정한다.
바람직한 실시예의 상세한 설명
파장 편이
도 2a, 2b, 2c, 2d는 각각 그래프 16, 18, 20, 22이고, 이것들은 레이저로부터의 펄스의 순차 버스트 동안 파장 편이를 도시한다. 그래프 16, 18, 20, 22는 특정 레이저로부터의 파장 처프의 파장 드리프트의 패턴 또는 형태가 버스트--버스트에 의한 것과 매우 유사하다는 것을 나타낸다. 60 펄스 동안 평균된 데이터는 그래프 16, 18, 20, 22에서 실선으로 나타내었다. 이들 데이터는 버스트의 맨처음 30 ms 동안 비교적 예측가능한 파장 처프와 버스트 전체에서 비교적 비순서적인 작은 파장 편이를 보여준다.
종래 기술의 스테퍼 모터에 의한 처프 보정
도 3의 그래프 26은 종래 기술의 스테퍼 모터를 사용하여 보정된 그 파장 출력을 갖는 레이저로부터 펄스의 버스트 동안의 파장 편이를 도시한다. 그래프 26의 원형 표시부 28는 도 1의 그래프 10의 원형 표시부 12에 대해, 레이저의 파장 처프 주기 동안 파장 드리프트 크기의 상당한 감소를 나타낸다. 특히, 그래프 26에 도시된 파장 처프 주기 동안 최대 파장 편이의 크기는 16-22차트(도 2a-d)에 도시돈 보정되지않은 예에서의 거의 ±0.2와 비교할 때 약 0.05pm이다.
스테퍼 모터 제어 라인(29)은 레이저 튜닝을 위해 튜닝 미러 위치를 제어하는 스테퍼 모터가 버스트의 초기에 풀 스텝업을 하고, 뒤이어 약 4 펄스에서 1/2 스텝다운되고 뒤이어 약 36 펄스에서 또다시 1/2 스텝다운되는 것을 나타내고 있다.
제1 바람직한 실시예
본 발명의 제1 바람직한 실시예의 주요 특징은 도 4에 도시되어 있다. 이 실시예는 집적회로 제조를 위한 광원으로서 유용한 KrF 엑시머 레이저를 도시한다. 이 시스템은 전기 방전이 레이저 제어기(102)에 의해 제어된 펄스 파워 시스템(36)에 의해 4,000Hz 까지의 속도로 일어나는 두 개의 신장된 전극(도시되지 않음) 사이에 모터 구동 팬으로 순환되는 레이저 가스를 함유하는 레이저 챔버(34)를 포함한다. 출력 커플러(38) 및 LNP(40)에 의해 정의된 공진 캐비티는 레이저 빔(42)을 산출한다. 레이저 빔(42)의 일부는 소망 범위내로 펄스 파워를 유지하기 위해 펄스 파워 유닛(36)의 피드백 제어를 위해 레이저 제어기(102)에 펄스 파워 에너지 측정치를 제공하는 초고속 파장계(104)에 의해 모니터링된다. 파장계(104)는 레이저 빔의 중심라인 파장을 측정하고, 출력 빔의 중심라인 파장을 소망 범위내로 제어하기 위해 격자(16)상에 레이저 빔의 확대부의 조명각을 제어하는 튜닝 미러(14)의 위치를 조정하기 위해 스테퍼 모터(82) 및 PZT 구동기(80)(도 4a에 도시됨)를 제어하기 위해 피드백 신호를 이용하는 LNP프로세서에 피드백 신호를 제공한다. 본 실시예는 고주파 진동(주로 팬 및 그 모터와 방전에 의해 야기됨)을 탐지하는 PZT 로드 셀(89)을 포함하고, 고주파 진동에 의해 야기된 작은 고주파 파장 편이를 댐핑시키기 위해 대응하는 고주파 제어 신호를 PZT 구동기(80)에 제공하도록 프로그래밍된 LNP프로세서(106)에 피드백 신호를 제공한다. 본 실시예의 주요 특징은 하기에 상세히 설명된다.
고속 파장계
샘플링된 출력 빔의 부분
도 5는 파장계 유닛(120), 절대 파장 기준 교정 유닛(190), 및 파장계 프로세서(197)의 레이아웃을 도시한다. 이들 유닛의 광학장비는 펄스 에너지, 파장 및 대역폭을 측정한다. 이들 측정치는 펄스 에너지와 파장을 소망 범위내로 유지하기 위해 피드백 회로에 사용된다. 이 장비는 레이저 오퍼레이터에 의해 특정되는 경우 레이저 시스템 제어 프로세서(102)로부터의 명령으로 원자적 기준 소스를 참조함으로써 스스로 교정한다.
도 4 및 5에 도시된 바와 같이, 레이저 출력 빔(42)은 부분적으로 반사 미러(170)를 교차하며, 이것은 출력 빔으로서 빔 에너지의 약 95.5%를 통과시키고, 펄스 에너지, 파장 및 대역폭 측정치를 위해 약 4.5%를 반사시킨다.
펄스 에너지
반사된 빔의 약 4%는 초당 4,000 내지 6,000 펄스율로 발생하는 개별 펄스의 에너지를 측정할 수 있는 초고속 광 다이오드를 포함하는 에너지 검출기(172)로 미러(171)에 의해 반사된다. 이 펄스 에너지는 약 5mJ이고, 검출기(69)의 출력은 개별 펄스의 에너지 및 "펄스 윈도우"라 불리는, 펄스의 그룹의 집적된 에너지를 제어하기 위해 저장된 펄스 에너지 데이터를 기초로하여 미래 펄스의 펄스 에너지를 정밀하게 제어하기 위해 레이저 방전 전압을 조정하는 특정한 알고리즘을 이용하는 컴퓨터 제어기에 제공한다. (펄스 윈도우는 통상적으로 펄스의 버스트내의 일련의 펄스이다. 예로서, 펄스 윈도우는 60개 연속 펄스일 수 있다. 슬라이딩 윈도우는 최근 펄스를 포함하도록 슬라이딩하는 특정 갯수의 펄스에 의한 펄스 윈도우이다.)
선형 광 다이오드 어레이
선형 광 다이오드 어레이(180)의 감광면은 도 6에 상세히 도시되어 있다. 상기 어레이는 개별적인 광 다이오드 집적회로 및 이와 연계된 샘플 및 홀드 판독회로를 포함한다. 광 다이오드는 전체 길이 25.6mm(약 1인치)에 대해 25 마이크로미터 피치로 있다. 각각의 광 다이오드는 500 마이크로미터 길이이다.
상기와 같은 광 다이오드 어레이는 여러 소스에서 이용할 수 있다. 바람직한 제품으로는 Hamamatsu사의 제품이 있다. 바람직한 실시예에서, 출원인은 4,000Hz 이상의 속도로 판독될 수 있는 1024 픽셀 스캐닝을 완료하는 FIFO 기준으로 최대 4 x 106픽셀/초의 속도로 판돌될 수 있는 모델 S3903-1024Q를 이용한다. PDA는 2 x 106픽셀/초 동작을 위해 설계되었지만 출원인은 더욱 고속으로 즉 4 x 106픽셀/초의 속도로오버클록킹될 수 있음을 알았다. 4,000Hz 이상의 펄스율에 대해, 출원인은 동일 PDA를 사용할 수 있지만 단지 그 일부(즉 픽셀의 약 60%는 통상적으로 각각의 스캔에서 판독됨)만을 이용한다.
거친 파장 측정
미러(171)를 통과하는 빔의 약 4%는 미러(173)에 의해, 슬릿(177)을 통하여 미러(174), 및 미러(175)에 그리고, 미러(174)에 그리고 에쉘 격자(176)에 반사한다. 빔은 458.4mm의 초점길이를 갖는 렌즈(178)에 의해 시준된다. 격자(176)로부터 반사된 광은 렌즈(178)를 다시 통하고, 미러(174)로부터 다시 반사되고 그후 미러(179)로부터 반사되고 도 6a의 상부에 도시된 픽셀 600 내지 픽셀 950의 영역에서 1024-픽셀 광 다이오드 어레이(180)의 좌측상에 포커싱된다(픽셀 0-599는 정밀 파장 측정 및 대역폭을 위해 보류된다). 광 다이오드 어레이상의 빔의 공간 위치는 출력 빔의 상대적 명목 파장에 대한 거친(coarse) 측정이다. 예로서, 도 6a에 도시된 바와 같이, 약 193.350 pm의 파장 범위의 광은 픽셀 750 및 그 이웃 픽셀에 포커싱된다.
거친 파장의 교정
파장계 모듈(120)의 거친 파장 광학기기는 광 다이오드 어레이(180)의 좌측상에 약 0.25 mm x 3 mm의 정방형 이미지를 산출한다. 10 또는 11개의 조명된 광 다이오드는 수광된 조명의 강도에 비례하는 신호를 발생하고 이들 신호는 판독되어 파장계 제어기(197)의 프로세서에 의해 디지털화된다. 이러한 정보를 이용하고 보간 알고리즘 제어기(197)은 이미지의 중심라인을 계산한다.
(픽셀로 측정된) 그 위치는 두 교정 계수를 이용하여 거친 파장 값으로 변환되고 위치와 파장간에 선형관계가 있는 것으로 가정한다. 이들 교정 계수는 하기에 설명되는 바와 같이 원자적 파장 기준 소스를 참조하여 결정된다. 예를들어, 이미지 위치와 파장간의 관계는 다음 알고리즘이 될 수 있다.
λ=(2.3 pm / 픽셀) P + 191,625 pm
여기서, P = 거친 이미지 중앙 위치이다.
대안으로, "+()P2"와 같은 2차항이 추가되는 것이 바람직한 경우엔 추가의 정밀한 방법이 추가될 수 있다.
정밀한 파장 측정
에탈론 스펙트럼계가 정밀한 파장 및 대역폭 측정을 위해 제공된다. 도 5에 도시된 바와 같은 미러(173)를 통과하는 빔의 약 95%는 입력부에 있는 디퓨저상의 렌즈(183)를 통하여 미러(182)에서 반사하여 에탈론 어셈블리(184)에 반사한다. 빔 출구 에탈론(184)은 에탈론 어셈블리의 458.4 mm 초점길이를 갖는 렌즈에 의해 포커싱되고 도 5에 도시된 바와 같은 두 미러를 반사한 후 선형 광 다이오드 어레이(180)의 우측 및 중간에 갑섭무늬를 산출한다. 파장계는 실시간으로 파장 및 대역폭을 측정해야 한다. 레이저 반복율은 4,000Hz 내지 6,000Hz이기 때문에, 경제적이고 컴팩트한 처리 전자 장비를 갖춘 소망하는 성능을 얻기 위해 이성적으로 정확하지만 연산적으로 집중적인 알고리즘을 사용하는 것이 필요하다. 계산 알고리즘은 부동 소숫점에 반대되는 정수 연산을 사용하며, 수학적 연산은 계산시 (제곱근, 사인 및 로그등을 사용하지 않은) 효율적이어야 한다.
바람직한 실시예에 사용된 바람직한 알고리즘의 특정 상세사항이 하기에 설명된다. 도 5b는 선형 광 다이오드 어레이(180)에 의해 측정된 전형적인 에탈론 프린지 신호를 나타내는 도시된 바와 같은 곡선이다. 중앙 피크는 높이가 다른 것 보다 낮게 도시되었다. 상이한 파장의 광이 에탈론을 입사함에 따라, 중앙 피크는 상승 및 하강하고, 때때로 제로로 간다. 이 관점은 파장 측정에 적합치 않은 중앙 피크를 표현한다. 기타 피크는 파장의 변화에 응답하여 중앙 피크를 향하거나 이로부터 멀어지고, 따라서 이들 피크의 위치는 파장을 측정하는 데에 사용될 수 있고, 한편 그 폭은 레이저의 대역폭을 측정하는 데에 사용될 수 있다. 도 5b에 각각이 데이터 윈도우로 표기된 두 영역이 도시되어 있다. 데이터 윈도우는 중앙 피크에 가장 가까운 프린지가 통상적으로 분석을 위해 사용되도록 위치된다. 그러나, 파장 변화가 프린지를 중앙 피크에 지나치게 가까이 이동시키는 경우(이것은 왜곡 및 에러가 생기게 함), 제1 피크는 데이터 윈도우의 외부이고, 제2 피크는 데이터 윈도우의 내부이고, 소프트웨어는 중앙 모듈(197)의 프로세서가 제2 파장을 사용하게 한다. 역으로, 중앙 피크로부터 데이터 윈도우 외부로 현재 피크를 이동시키기 위해 파장을 편이시키는 경우 소프트웨어는 데이터 윈도우내의 내부 프린지로 점프하게 된다.
4,000Hz 내지 6,000Hz의 범위까지의 반복율로 각각의 펄스에 대한 대역폭을 초고속으로 계산하기 위해, 본 실시예는 도 7에 나타난 하드웨어를 사용한다. 이 하드웨어는 아리조나주 피닉스에 사무실을 둔 모토롤라사 제품인 모델 MPC 823인 프로세서(400), 캘리포니아주 산 호세에 사무실을 둔 알러타 제품인 모델 EP 6016QC240인 프로그래머블 로직 디바이스(402), 실행 및 데이터 메모리 뱅크(404), 테이블 형태로 광다이오드 어레이 데이터의 임시저장을 위해 특수 초고속 RAM(406), 메모리 버퍼로서 동작하는 4X1024 픽셀 RAM 메모리 뱅크(408), 및 아날로그-디지털 변환기(410)를 포함한다.
미국특허 제 5,025,446호, 5,978,394호에 설명된 바와 같이, 종래기술의 디바이스는 중심라인 파장 및 대역폭을 측정하기 위해 에탈론(184)과 광다이오드 어레이(180)에 의해 산출된 간섭 프린지를 표현하는 대량의 PDA 데이터 픽셀 강도 데이터를 분석하는 데에 필요로 된다. 컴퓨터 프로세서에 의해서도 시간이 많이걸리는 프로세스이므로 약 400 픽셀 강도 값은 검사를 위해 분석되고 파장 및 대역폭에 대한 계산을 위해 에탈론 프린지를 설명한다. 본 발명의 바람직한 실시예는 파장 정보를 계산하는 프로세서와 병렬로 동작하는, 중요한 프린지를 찾기위한 프로세서를 제공함으로써 상기 프로세스를 매우 고속을 행해지게 한다. 이러한 기본 기술은 픽셀 데이터가 산출됨에 따라 PDA 픽셀 데이터로부터 프린지 데이터 테이블을 연속적으로 산출하기 위해 도 7에 도시된 바와 같이 프로그래머블 로직 디바이스(402)를 사용하는 것이다. 로직 디바이스(402)는 관심있는 프린지 데이터를 나타내는 프린지 데이터의 셋트를 식별한다. 중앙 파장 및 대역폭의 계산이 필요로 되는 경우, 마이크로프로세서는 관심있는 식별된 픽셀로부터 데이터를 단순히 취하여 중앙 파장 및 대역폭에 대해 필요한 값을 계산한다. 이 프로세스는 약 10인 인수 정도 만큼 마이크로프로세서를 위한 계산시간을 감소시킨다.
중심 파장 및 대역폭의 계산 프로세스에서의 특정 단계들은 다음과 같다.
1) 2.5 MHz에서 동작하도록 클록킹된 PDA(180)를 이용하고, PDA(180)는 프로세서에 의해 4,000Hz의 스캔 속도로 픽셀 1 내지 600으로부터 데이터를 수집하도록 그리고 100Hz의 속도로 픽셀 1 내지 1028을 판독하도록 명령된다.
2) PDA(180)에 의해 산출된 아날로그 픽셀 강도 데이터는 아날로그-디지털 변환기(410)에 의해 아날로그 강도 값을 디지털 8비트 값(0 내지 255)으로 변환되고 디지털 데이터는 광다이오드 어레이(180)의 각각의 픽셀에서의 강도를 나타내는 8비트 값으로 RAM 버퍼(408)에 임시 저장된다.
3) 프로그래머블 로직 디바이스(402)는 프린지를 찾기 위해 거의 실시간 기준으로 연속적으로 RAM 버퍼(408) 밖으로 통과하는 데이터를 분석하고, RAM 메모리(406)내의 모든 데이터를 저장하고, 각각의 펄스에 대한 모든 프린지를 식별하고, 각각의 펄스에 대한 프린지의 테이블을 산출하고 RAM 메모리(406)에 상기 테이블을 저장하고, 각각의 펄스에 대한 두개 프린지로 된 최선의 셋트를 더욱 분석하기 위해 식별한다. 로직 디바이스(402)에 사용된 이 기술은 아래와 같다.
A) PLD(402)는 최소 픽셀 강도 값의 트랙을 추적하는 한편 강도 임계를 초과하는 지를 결정하기 위해 버퍼(408)를 통해 들어오는 각각의 픽셀을 분석한다. 임계값이 초과된다면 이것은 프린지 피크가 다가옴을 지시한다. PLD는 "상승 에지" 픽셀 수로서 제1 픽셀 상기 임계값을 식별하고 "상승 에지"픽셀 이전의 픽셀의 최소 픽셀 값을 저장한다. 이 픽셀의 강도값은 프린지의 "최소"로서 식별된다.
B) PLD(402)는 프린지의 피크를 탐색하기 위해 후속하는 픽셀 강도 값을 모니터한다. 그것은 강도값이 임계강도값 이하로 내려갈 때 까지 최고 강도값을 추적한다.
C) 임계값 이하의 값을 갖는 픽셀이 발견되면, PLD는 그것을 하강 에지 픽셀 번호로서 식별하고 그 최대 값을 저장한다. PLD는 그후 하강 에지 픽셀 번호에서 상승 에지 픽셀 번호를 감산함으로써 프린지의 "폭"을 계산한다.
D) 상승 에지 픽셀 번호, 최대 프린지 강도, 최소 프린지 강도 및 프린지의 폭인 네개 값은 RAM 메모리 뱅크(406)의 프린지 섹션의 순환 테이블에 저장된다. 25개 까지의 프린지를 표현하는 데이터는 대부분의 펄스가 두 개 윈도우에서 2 내지 5 프린지를 산출할 수 있을 지라도 각각의 펄스에 대해 저장될 수 있다.
E) PLD(402)는 각각의 펄스에 대해 각각의 펄스를 위한 "최량"인 두 개의 프린지를 식별하도록 프로그래밍된다. 이것은 400 내지 599 윈도우내에서 제1 프린지를 그리고 0 내지 199 윈도우내에서 최종 프린지를 식별함으로써 행해진다.
(1) 픽셀 데이터의 수집, 및 (2) 픽셀 에 대한 프린지의 순환 테이블의 형성을 위해 펄스후에 필요한 전체시간은 단지 200 마이크로초이다. 이 기술의 주요한 시간 절약 이점은 프린지 데이터가 판독되거나, 디지털화되거나 저장됨에 따라 발생한다. 두 개의 최량의 프린지가 특정 펄스에 대해 식별되면, 마이크로프로세서(400)는 RAM 메모리 뱅크(406)로부터 두 프린지의 영역에 미가공 픽셀 데이터를 유지시키고 그 데이터로부터 대역폭 및 중앙 파장을 계산한다. 이 계산은 아래와 같다.
에탈론 프린지의 대표적 형태가 도 18b에 도시되어 있다. PLD의 종래 작동에 기초하여 프린지는 거의 픽셀 180에서 최대를 갖는 프린지와 거의 픽셀 450에서 최대를 갖는 프린지는 마이크로프로세서(400)에 의해 식별되어진다. 이들 두 최대치 근방에 위치하는 픽셀 데이터는 프린지의 위치 및 형태를 한정하기 위해 마이크로프로세서(400)에 의해 분석되어진다. 이것은 다음과 같이 행해진다.
A) 반 최대치는 차이값을 2로 나누는 프린지 최대치로부터 프린지 최소치를 감산하고 그 결과를 프린지 최소치에 가산함으로써 결정된다. 두 개의 프린지의 각각의 상승 에지 및 하강 에지에 대해 두 픽셀 값은 반 최대치 이하 및 이상에 가장 근사한 값들을 갖는다. 마이크로프로세서(400)는 1/32 픽셀을 이용하여 도 18b에 도시된 바와 같은 D1 및 D2의 엔드 포인트를 정의하기 위해 각각의 경우에두 픽셀 값들 사이에 보외연산을 행한다. 이들 값으로부터 순환형 프린지의 내부 직경(D1) 및 외부 직경(D2)이 결정된다.
정밀한 파장 계산
정밀한 파장 계산은 거친 파장 측정된 값을 사용하여 행해지고 그 측정값은 D1 및 D2이다.
파장을 위한 이 기본 등식은,
λ = (2*n*d/m) cos(R / f) (1)
여기서, λ는 피코미터로 나타낸, 파장,
n은 약 1.0003인 에탈론의 내부 굴절율이고,
d는 +/-1 ㎛로 제어된, KrF 레이저에 대해 약 1542㎛인 에탈론 간격이고 ArF 레이저에 대해 약 934㎛인 에탈론 간격이고,
m은 오더이고, 약 12440인, 프린지 피크에서의 정수 개 파장 갯수
R은 프린지 반경, 130 내지 280 PDA 픽셀, 픽셀은 25 미크론이고,
f는 렌즈로부터 PDA 평면으로의 초점거리를 나타낸다.
cos 항을 확장하고 고차항을 폐기하는 것은 무시할 수 있을 정도의 작은 결과를 산출한다.
λ = (2*n*d/m) [ 1 - (1/2)(R / f)2] (2)
직경 D = 2*R인 항에 대해 상기 등식을 다시 쓰면,
λ = (2*n*d/m) [ 1 - (1/8)(D / f)2] (3)
이다.
파장계의 주요 목적은 D로부터 λ를 계산하는 것이다. 이것은 f, n, d 및 m을 아는 것이 필요로 된다. n 및 d는 에탈론에게 고유하기 때문에 이것들을 단일한 교정 상수 ND로 조합한다. 순 비율을 위해 D의 유닛을 매칭시키기위해 픽셀의 유닛으로 f를 또다른 교정 상수인 FD로 한다. 정수 오더 m은 파장에 좌우되어 변동하고 그 프린지 쌍을 선택한다. m은 본 목적에 대해 충분히 정확한, 거친 프린지 파장을 이용하여 결정된다.
상기 등식에 대해 여러 장점은 모든 큰 수는 그 값이 양이라는 것이다. WCM의 마이크로제어기는 거의 32비트의 정밀도를 유지하면서 상기 계산을 실행할 수 있다. FRAC 항을 대괄호로 나타내었다.
FRAC = [ 1 - (1/8)(D / FD)2] (4)
내부적으로 FRAC는 그 기수점(radix point)를 최상위 유효비트의 좌측에 갖는 부호화되지 않은 32 비트 값으로서 표현된다. FRAC는 항상 1 보다 약간 작으므로, 최대 정밀도를 얻을 수 있다. FRAC는 {560 ~ 260} 픽셀의 D 범위에 대해 [1 - 120E-6] 로 부터 [1 - 25E-6] 까지의 범위에 있다.
ND 교정치가 입력되면, 파장계는 펨토미터(fm) = 10^-15 미터 = 0.001pm의내부 파장 단위로 2ND = 2*ND인 내부 부호화되지 않은 64 비트 값을 계산한다. 내부적으로 파장 λ는 파장에 대해 FWL로서 표현되고 또한 fm 단위로 표현된다. 등식을 이들 변수들의 항으로 다시 쓰면 다음과 같다.
FWL = FRAC * 2ND / m (5)
산술식은 FWL을 산출하는 FRAC를 fm 단위 기수점 시프트를 처리한다. 본 발명들은 CWL로 명명된 공지된 거친 파장으로 플러깅하고 등식을 전개함으로써 m을 fm 단위를 이용하여 구한다.
m = 최근사 정수(FRAC * 2ND/CWL) (6)
최근사 정수를 취하는 것은 거친 파장에 대해 최근사 정밀 파장이 도달될 때 까지 종래 기존 체계로 FSRs를 감산하거나 가산하는 것과 등가이다. 등식 (4)를 풀고 그후 등식 (6)을 풀고 그후 등식 (5)을 풀음으로써 파장을 계산한다. 본 발명자들은 내부 및 외부 직경에 대해 개별적으로 WL을 계산한다. 그 평균은 라인 중심 파장이고, 그 차이는 라인폭이다.
대역폭 계산
레이저의 대역폭은 (λ2-λ1)/2 로서 계산된다. 고정 보정 인수가 트루 레이저 대역폭에 가산되는 에칼론 피크의 인트린직 폭을 설명하기 위해 인가된다. 수학적으로, 디컨볼루션 알고리즘은 측정 폭으로부터 에칼론 피크의 인트린직 폭을을 제거하기 위한 방법이지만, 이것은 지나치게 연산 집중적이고, 따라서 고정 보정 인수(Δλε)가 감산되고, 이것은 충분한 정확도를 제공한다. 그러므로, 대역폭은,
Δλε 는 에탈론 상세규격 및 트루 레이저 대역폭 모두에 좌우된다. 이것은 상기 출원에 대해 0.1-1 pm의 범위에 있다.
펄스 에너지의 피드백 제어
상기한 바와 같이 각각의 펄스의 펄스 에너지의 측정에 기초하여, 후속 펄스의 펄스 에너지는 소망하는 펄스 에너지를 유지하기 위해 또한 본 명세서에 통합된 발명의 명칭이 엑시머 레이저를 위한 펄스 에너지 제어인 미국특허 제 6,005,879호에 설명된 펄스의 특정 갯수의 소망하는 전체 집적된 주입량을 유지하기 위해 제어된다.
중심라인 파장의 제어
본 발명의 바람직한 실시예에서, 중심라인 파장을 제어하고 중심라인 에러(CLE)를 감소시키기 위해 여러기술이 조합된다. 이들 기술은 모두 미러(14)의 피벗 위치를 제어하기 위해 압전 구동기(80)를 이용한다. 이들 기술은 (1)고속 피드백 제어, (2)진동 탐지 및 취소, (3)액티브 댐핑, 및 (4)고속 트랜지언트 반전을포함한다. 이들 기술은 하기에 설명된다.
파장의 고속 피드백 제어
레이저의 파장은 본 명세서에 통합된 발명의 명칭이 엑시머 레이저를 위한 파장 시스템인 미국특허 제 5,978,394호에 설명된 종래기술에 공지되고 측정된 파장값을 사용하여 피드백 장치로 제어될 수 있다. 본출원인은 튜닝 미러의 초고속 이동을제공하기 위해 압전 구동기를 이용하는 파장 튜닝을 위한 기술을 제공한다. 이들 기술의 일부는 본 명세서에 통합되고 2000년 6월 30일 출원되고 발명의 명칭이 레이저를 위한 대역폭 제어인 미국특허 출원 제 608,543호에 설명되어 있다. 도 4a 및 4b는 상기 출원에서 추출되고 그 기술의 주요 엘리먼트를 도시한다. 압전 스택은 초고속 미러 조정에 이용되고 저속 조정은 레버 아암을 작동시키는 종래 기술의 스테퍼 모터에 의해 제공된다. 압전 스택은 레버 아암의 받침점의 위치를 조정한다.
고속 미러 조정
도 4, 4a, 4b는 미러(14)의 초고속 조정을 허용하는 장치를 도시한다. 이 실시예는 상기한 스테퍼 모터 시스템에 비해 고속이지만 펄스-펄스 조정에 대해서는 초고속은 아니다. 지시된 바와 같이, 미러(14)를 이동시키기 위해 약 7ms를 필요로 하는 미러의 위치조정에 관한 이전의 방법은 2000Hz에서 펄스-펄스 파장 보정이 불가능하다. 상기 이전 기술에서, 레버 아암은 스테퍼 위치 이동과 비교하여 미러 이동에서 1 대 26.5 감소를 산출하기 위해 피벗 축 둘레를 피벗한다. 종래기술의 스테퍼는 1/2 인치(12.7mm)의 전체 주행 및 6000 스텝을 가져서 각각의 스텝은약 2 미크론의 간격을 갖는다. 1-26.5 감소에 의해, 한 스텝은 통상적으로 레이저 파장의 파장을 약 1.0pm 변경시킨다. 도 4a에 도시된 고속 기술에서, 압전 스택(80)은 레버 아암의 피벗 위치에 가산되었다. 바람직한 압전 스택은 독일 발트브론 소재의 Physik Instrumente GmBh사 제품인 모델 P-840.10이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 특징을 도시한다. 미러(14)의 위치의 큰 변화는 26.5 대 1 레버 아암(84)을 통해 스테퍼 모터에 의해 산출된다. 이 경우에 압전 드라이브(80)의 단부에 있는 다이아몬드 패드는 레버 아암(84)의 지렛대 지점에 콘택트 구형 툴링 볼에 제공된다. 미러 장착부(86)와 레버 아암(84)의 최상부간의 콘택트에는 85로 도시된 바와 같이 미러 장착부상에 장착된(장착된 것들 중 단지 두 부분만이 도시됨) 4개의 구형 볼 베어링과 레버 아암상의 도우 핀이 설치된다. 압전 드라이브(80)는 압전 장착부(80A)를 구비한 LNP 프레임에 장착되고 스테퍼 모터는 스테퍼 모터 장착부(82A)를 갖춘 프레임에 장착된다. 미러(14)는 3개의 알루미늄 구를 사용하여 3-포인트 장착부가 구비된 미러 장착부(86)에 장착되고, 그것들 중 단 하나의 구가 도 8에 도시되어 있다. 3개 스프링(14A)은 그에 대해 미러를 유지하기 위해 압착력을 인가한다. 본 실시예는 LNP 내부의 환경으로부터 압전 드라이브를 격리시키기 위해 드럼 만곡부(88)를 갖춘 벨로우(87)를 포함한다. 이러한 격리는 압전소자에 대한 UV 충격을 방지하고 압전 재료로부터 가스형태로 나오는 것에 의해 야기될 수 있는 오염을 방지한다. 본 실시예는 하기에 설명되는 바와 같은 피드백 고주파 진동 신호를 제공하기 위해 PZT 스택(80)의 최상부 근방에 장착된 로드셀(89)을 포함한다.
이 스택은 20 볼트의 구동 전압 변경으로 약 3 미크론의 선형 조정을 산출하게 된다. 이 범위는 스테퍼 모터의 약 ± 20 스텝( 40 절대 스텝)과 등가이다.
이 스택은 0.1 밀리초 미만으로 신호를 제어하기 위해 응답하고 상기 시스템은 4000Hz(0.25 밀리초 간격)의 주파수에서 갱신된 신호에 응답할 수 있다. 파장계는 이전 펄스로부터의 데이터에 기초하여 각각의 펄스 이전에 피드백 신호를 제공하기에 충분할 정도의 고속으로 된다. 대안으로, 피드백 데이터는 4kHz로 파장 보정하기 위해 충분한 시간을 허용하기 위해 이전 펄스 이전에 있는 하나이상의 펄스(바로 그 이전 펄스가 아님)를 기초로 할 수 있고 현재 펄스 뒤의 세번째 펄스는 7 밀리초의 지연시간을 가졌던 종래기술에 대해 7 개선사항 인자를 제공한다. 따라서, 더욱 고속인 피드백 제어가 이루어 질 수 있다. 단순한 피드백 제어 알고리즘이 도 9에 설명된다. 이 알고리즘에서 파장은 각각의 펄스에 대해 측정되고 최종 4개 펄스 및 최종 3개 펄스에 대한 평균 파장이 계산된다. 어느 한 평균이 0.02pm 미만 만큼 타겟 파장으로부터 벗어난다면, 어떠한 조정도 행해지지 않는다. 두 평균이 모두 0.02pm 이상 만큼 타겟 파장으로부터 벗어난다면, 파장 보정을 제공하기위해 압전 스택에 의해 미러 어셈블리에 대한 조정이 행해진다. 두 평균 중 어느 것이 사용되는 것이어야 하는 지는 최종 조정이 행해진 후 얼마만큼의 시간이 흘렀는 가에 의해 정해진다. 압전 스택은 스택이 그 범위의 30 내지 70 퍼센트(대안으로 45 내지 55 퍼센트와 같은 기타 범위가 30 내지 70 퍼센트 범위 값 대신에 사용될 수 있다)로 진행함에 따라 스테퍼 모터를 스탭핑함으로써 그 제어범위내에 유지된다. 스테퍼 모터는 스텝을 완료하는 데에 약 7ms를 필요로 하기 때문에,알고리즘은 스테퍼 모터 스텝 동안 수 압전 조정을 행할 수 있다. 대안으로, 도 9 알고리즘 대신에, 통상적인 비례 알고리즘이 도 11의 "L" 영역을 위해 설명되는 바와 같이 사용될 수 있다. 도 11의 알고리즘은 "고속 트랜지언트 반전"으로 이름붙인 단락에서 설명된다. 바람직하게, 그러나, 초기 CLE 트랜지언트(도 1에 도시된 30 펄스 트랜지언트와 같은)반복하는 것을 레이저가 경험하는 것으로 "버스트" 모드로 동작하는 경우, 이력 버스트 패턴 플러스 피드백 제어를 기초로 한 제1 트랜지언트 반전의 조합은 최선의 결과를 가져온다.
진동 제어
본 바람직한 실시예는 주로 회전 팬 및 그 모터 구동기 및 전기 방전에 기인하여 레이저 장비(특히 광학 컴포넌트)의 저진폭, 고주파수 진동-유형 교란에 기인한 중심라인 파장 편이의 피드백 제어를 제공한다. 본 바람직한 실시예에서, 압전 로드셀(89)(대략 0.25 인치 직경 X 0.02 인치)이 도 8에 도시된 바와 같이 PZT 스택(80)의 최상부 가까이에 위치된다. 상기 로드셀은 바람직하게 미국특허 제 5,656,882호(본 명세서에 참조문헌으로 통합됨)에 설명된 바와 같이 패키징된다. 이 로드셀은 구형 콘택트(90)와 드럼 특징부(88) 사이에 위치된다.
본 실시예에서, 피에조세라믹 센서의 두 주요 측으로의 전기 연결은 절연 구리 트레이스를 통해 달성된다. 대안으로, 피에조세라믹 재료의 베어 피스는 피에조세라믹 재료의 전기적 도전표면으로의 전기 연결 수단(예로서, 30 AWG 구리 와이어)과 함께 로드 셀로서 이용된다. 로드 센서는 상기 구형 콘택트(90), 드럼 플렉서(88) 및 스테퍼 모터 레버(84)와 피에조세라믹 스택을 통해 Rmax홀더에 힘이 인가된다. 이들 힘은 상기한 진동-유형 교란으로부터 생기는 힘을 포함한다.
PZT 로드 셀(89)은 PZT 스택에 의해 인가된 힘에 응답하여 또는 Rmax홀더(84)의 진동에 또는 연결 구조체에 응답하여 수십 볼트를 산출한다. 상기 센서는 약 100kHz를 초과하는 주파수에서 진동 또는 힘을 용이하게 측정할 수 있다. 상기 센서는 0.01뉴우톤(0.00225 파운드력)의 작은 힘을 탐지할 수 있다.
액티브 댐핑
도 8의 실시예에서 로드 셀(89)은 라인 중심 안정도를 개선시키도록 구조적 진동을 감소시키기 위해 액티브 댐핑 모듈9320)과 PZT 스택(80)과 연계하여 사용된다. 더욱 상세히는, 액티브 댐핑은 중심 파장 에러(통상적으로 그 평균이 "30 펄스 이동 평균"으로 불리는, 데이터의 30 펄스 "윈도우"로부터 수집된 파장 데이터를 기초로 계산된다)파장을 감소시키기 위해 적용디고 30 펄스 이동 표준 변위가 계산된다. 도 8a에서, 로드 센서(89)는 인가된 로드 또는 진동에 비례하는 전하(330)를 방출한다. 이 전하는 신호를 전하에 비례하는 전압으로 변환함으로써 신호를 컨디셔닝하는 데에 사용된 충전 증폭기 회로(신호 컨디셔너를 갖춘)(332)에 공급된다. 이러한 충전 증폭기 회로의 상세사항은 "Introduction to Signal Conditioning for ICP and Charge Piezoelectric Sensors" 로 명명된 PCB Piezotronics Inc. 의 기술 지원 문서 또는 진동 센서 설계 및 그 구현체를 다루는 유사한 명령 매뉴얼에서 찾을 수 있다.
전압 신호(331)는 캘리포니아 시미 밸리 소재의 Innovative Integration Inc.사의 모델 SBC67인 프로세서(333)에 공급된다. 이 프로세서는 아날로그 입력 및 출력 성능을 특징으로 하는 고성 독립형 디지털 신호 프로세서 단일 보드 컴퓨터이다. 전압 신호(331)는 아날로그 입력부에 공급된다. 이 아날로그 입력은 그후 적절한 알고리즘으로 프로세서에 의해 사용되는 디지털 신호로 변환되어, 아날로그 출력 신호(334)로 변환되는 디지털 출력 신호를 생성한다. 아날로그 출력 신호(334)는 그후 LNP 프로세서(106)로부터 오는 중심 파장 제어 신호와 합산되고 PZT 스택에 명령 신호로서 인가된다.
소프트웨어 필터(피드백 제어 알고리즘)는 표준 선형 직교 가우시안 연구법을 이용하여 설계될 수 있고, 압전 스택 액추에이터 제어 전압이 스택 액추에이터 디바이스 또는 증폭기 한계치를 초과하지 않도록 한다. 클로우즈된 피드백 루프의 액추에이터 전압은 구조체에 진동과 연계된 로드 센서 신호(89)에 대항하기 위해 계산된다. 여러 유형의 제어 필터는 액티브 댐핑 구조에 적용될 수 있다. 본 실시예의 경우, 단일 액추에이터/센서 쌍 및 제어되어야 할 수 개의 일정간격(주파수에서)을 이룬 모드, 협대역 필터는 관련있는 자연 주파수에서의 위상 및 이득이 조합을 제공하고, 한편 거의 또는 전혀 어떠한 피드백도 부가하지 않으며, 안정성을 향상시킨다. 이러한 제어 연구법은 포지티브 포지션 피드백으로 불린다. 이러한 제어 연구법은 AIAA Journal, Vol. 28, pp. 717-724, 1990에 Fanson, J.L., 및 Caughty, T.K.,에 의한 "Positive Position Feedback Control for Large Space Structures,"에 설명되어 있다. 이러한 제어 연구법은 위치 액추에이터에 힘 피드백 문제에 관해 적용된다. 제어 설계는 특정 응용분야를 위해 조정되어야 한다. 바람직한 기술은 미국 매사추세츠주 캠브리지 소재의 Active Control Experts, Inc.사 제조의 스마트 ID 시스템 식별 소프트웨어와 같은 소프트웨어 패키지를 이용하여 전달함수로부터 상태-공간 플랜트 모델을 생성하는 것이다. 필터(또는 제어기)는 Fanson(상기 참조) 및 The Control Handbook, William S. Levine, Editor, CRC Press 1996에 제공된 바와 같은 기술 및 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 설계된다.
본 출원인은 상기와 같은 교란의 소스를 알기 위해 연구해왔으며 파장 편이의 고속 컴포넌트는 비순서적으로 나타나는 지속하는 교란에 의해 야기됨을 알았다. 이들 컴포넌트의 대부분은 블로우어에 의해 야기된다. 최대 1500Hz까지 여러 공진을 일으키고, 더욱 고주파수로 하나의 유효 외부층을 더한다. 출원인의 테스트는 여기된 주파수가 블로우어 속도의 함수로서 크게 시프트되지 않음을 보여주었다. 그러나, 다양한 주파수에서의 교란의 진폭은 블로우어 속도에 의해 영향을 받는다.
레이저 시스템의 모달 식별은 진동하는 시스템의 컴포넌트를 결정하기 위해 실험 데이터와 함께 사용된다. 모달 식별은 주어진 주파수에서 주파수의 개괄적 형태를 결정하기 위해 레이저의 시스템의 상이한 부분의 변위에 대한 매핑을 포함한다. 가속도계, 응력 게이지, PZT 응력 센서, 및 로드 셀은 관심있는 다양한 주파수에서 시스템의 모달 응답을 구성하는 데에 사용되었다. 상기 시스템의 모달 응답은 탐지되었던 일정 주파수(44Hz, 178Hz, 590Hz, 및 900-1000Hz)에 대해 결정되었다. 본 출원인은 테스팅된 특정 레이저에 대해, 44Hz 모드는 LNP의 캔틸레버된 주파수을 표현하고 178Hz 진동은 LNP 벤딩 및 트위스팅에 기인한다는 것을 결정하였다고. 590Hz 모드는 LNP 구조의 대응 부분이 반대(브리딩 모션)로 진동하는 LNP의 복소 이동을 표현한다. 이 모드는 2682Hz에서 구조 모드의 앨리어싱된 주파수이다. 이 클러스터에 위치된 구조 모드는 미러 어셈블리의 특정 설계의 함수로서 변동할 수 있다.
본 출원인은 중심 파장 편차의 약 50%는 챔버의 블로우어에 의해 랜덤하게 여기된 1100Hz 내지 1200Hz 사이의 구조 공지 셋트에 의한다는 1200Hz되었다는 것을 알았다. 본 실시예에서, 이들 모드는 약 20kHz의 고속 샘플속도로 동작하는 PZT 스택 드라이브트레인에서 로드 셀(89)에 의해 측정된 힘의 피드백을 통해, PZT 스택에 의해, 집합적으로 액티브하게 제어되었다. 이 샘플링 속도는 상기한 파장계로 이용가능한 피드백 신호 보다 약 20배의 고속이다. 액티브 피드백을 위해선제어되는 모드의 주파수 보다 적어도 약 10x 고속으로 샘플링될 수 있는 피드백 센서 신호를 갖는 것이 바람직하다. 이상적으로, 에러의 중심 파장에 상관된 고 대역폭 측정 신호는 피드백 측정으로서 이용가능하게 된다. 이 시점에서, PZT 로드 셀은 피드백을 위해 이용된다.
PZT 로드 셀은 매우 강건하고 시스템에서 작은 힘에 의해 부여된 필요조건을 충족시키기에 충분할 정도로 센시티브하고, 액티브 댐핑 피드백에 대한 고대역폭 "언제나 온(always on)" 신호를 제공한다. "언제나 온" 특징은 광 측정의 피드백을 통해 달성된 교란 거절 제어와는 상이하게 버스트의 시작에서 트랜지언트 제어기다이나믹스에 의한 문제점을 임의로 제거한다.
상기한 바와 같이, 구현된 피드백 제어 솔루션은 도 8에 도시된 바와 같이 PZT 스택 액추에이터 및 로드 셀(89)로 이루어 진다. 이 고주파 피드백 제어 시스템은 바람직하게 충분히 클린 피드백 및 피드포워드 신호를 획득하도록 설계되고 미국 특허 제 5,656,882호에 설명된 기술을 이용하여 프로세서에 의해 합성된 제어신호를 보정 액추에이터 신호로 변환하도록 설계된, 프리-증폭기 및 포스트-증폭기를 포함한다. 액추에이터는 힘을 미러상에 부여하고, 이것은 파장 편이에 의해 야기된 감소된 진동에 의한 결과인 교란을 반대 또는 상쇄시키도록 작용한다.
출원인에 의해 수행된 액추얼 테스트는 상기 피드백 진동 제어가 파장 에러 오토스펙트럼을 0.037 pm RMS 로부터 약 0.029 pm RMS로 약 20% 감소되었음을 나타내었다. 또한, 출원인에 의해 수행된 액추얼 테스트는 상기 피드백 진동 제어가 이동-윈도우 표준 편차가 0.048 pm RMS 로부터 약 0.030 pm RMS로 약 33% 감소되었음을 나타내었다
도 12 및 도 13a 및 13b는 액티브 댐핑 진동 제어가 구현된 도 8의 실시예에 알맞는 레이저로부터의 액추얼 테스트 데이터를 도시한다. 도 12의 그래프는 오픈 및 클로우즈된 액티브 댐핑 제어 루프로 2100 반복율로 획득된(pm/V 스케일 인수가 포함되지 않음) 파장 에러 오토스펙트럼의 플롯이다. 그래프 13a1, 2, 및 3 및 13b1, 2, 및 3는 2100 Hz 반복율로 다수의 버스트로부터 계산된 이동-윈도우 데이터의 플롯이다. 이들 그래프는 타겟 및 평균 표준 편차로부터의 라인 중심 에러, 평균 파장 편차를 도시한다. 13a플롯은 오픈 루프이고 13b 플롯은 클로우즈된 루프이다. 이 차트는 클로우즈된 루프 구성에 의한 표준 편차에서의 감소를 나타낸다.
고속 트랜지언트 반전
본 발명의 바람직한 실시예는 고속 트랜지언트 반전(피드포워드 알고리즘으로도 불림)을 포함한다. 이들 기술은 도 1 및 도 2a-d에 도시된 바와 같은 공지된 버스트 동작 패턴을 기초로 레이저 오퍼레이터에 의해 코딩될 수 있는 알고리즘을 포함한다. 대안으로, 이 알고리즘은 레이저 제어가 상기 차트에 도시된 바와 같은 버스트 패턴을 탐지하고 그후 시프트를 최소화하거나 방지하기 위해 파장 편이의 예측에 미러(14)의 조정을 제공하기 위해 제어 파라미터를 수정하도록 적응될 수 있다.
적응성 피드포워드 기술은 PZT 스택을 사용하여 처프의 결과를 반전시키고 하나이상의 이전 버스트로부터의 데이터로부터, 소프트웨어에서 주어진 반복율로 처프의 모델을 재구축하는 것을 포함한다.
처프 반전을 적절하게 설계하기 위해, 두 정보 피스가 필요하다. (1) PZT 스택의 펄스 응답, 및(2) 처프의 형태. 각각의 반복율을 위해, PZT 스택의 펄스 응답에 의한 처프 파형의 디컨볼루션은 제어 펄스의 시퀀스를 산출하게되고, 이것들은, PZT 스택에 인가되는 경우(적절한 사인으로), 처프를 상쇄시키게 된다. 이 연산은 반복율의 셋트에서의 작용 분석을 통해 오프라인으로 행해질 수 있다. 데이터 시퀀스는 펄스 번호 및 반복율에 의해 인덱스된 테이블에 저장될 수 있다. 이 테이블은 동작 동안 참조될 수 있고 데이터의 적절한 셋트가 적응성 피드포워드 반전을 제공하기 위해 이용될 수 있다. 또한, 사실 바람직하지만, 매시간 반복율이 변경되는 동작의 시작시에 수 개의 버스트를 이용하여 거의 실시간으로 처프 형태 모델을 획득할 수 있다. 처프 형태 모델은 및 마찬가지로 가능한 PZT 펄스 응답은 연속적으로 또는 데이터간의 누적된 측정 데이터에 기초하여 N-버스트마다 갱신될 수 있다.
테스트 결과
도 9는 도 8의 실시예에 맞는 레이저로부터의 액추얼 테스트 데이터를 도시한다. 이 그래프는 평균 30 펄스 윈도우인 타겟 파장으로부터의 편차에 대한 플롯이다. 이 편차는 약 0.05pm으로부터 약 0.005pm으로 감소된다.
적응 범칙의 유도
불가피하게, 레이저의 수명 동안 고속 트랜지언트에서 변동이 있게된다. 상기한 바와 같이, 이것은 적응성 제어 방법을 이용하여 수용될 수 있다. 각각의 버스트 후에, 라인 중심 에러 데이터는 분석디고 보정 신호는 다음 버스트를 위한 에러를 감소시키도록 조정된다. 이러한 방식으로, 시스템은 시간 변동에 연속적으로 적응한다. 도 14a는 그 개념을 나타낸다. 버스트 동안, 고속 트랜지언트 반전 알고리즘은 레이저 펄스와 동기화되고 서보 명령 신호 구동 압전 구동기(80)에 부가된 상쇄 파형을 출력한다. 버스트의 끝에서, 라인 중심 에러 정보는 다음 버스트상에서 성능을 개선시킬 상쇄 파형에 대한 변경을 계산하는 데에 사용된다.
두 반전 신호는 두 성분으로 나뉘어진다. 도 14b는 통상적인 반전 파형을 도시한다. 점선의 좌측에 있는 파형부(u[k])는 처음 수 펄스동안 인가된 전압을나타내고 트랜지언트를 반전시킨다. 점선의 우측에 있는 신호의 나머지(uDC)는 전방단 처프 트랜지언트 후에 관측된 일정한 오프셋트를 취소시킨다.
적응법칙은 다음 방식으로 유도된다. 일반적으로, 라인 중심 에러 e[t] 는, 트랜지언트 d[t], 및 고속 트랜지언트 반전의 결과 y[t]로 이루어 진다.
e[t] = d[t] - y[t]
이고, 여기서 t는 펄스 수이다. 상쇄 파형의 결과는 다음과 같이 주어진다.
여기서 u[t]는 버스트의 초기부분에 대한 상쇄 파형이고, uDC는 버스트의 나머지에 대해 인가된 일정한 고속 트랜지언트 반전이고, h[t]는 라인 중심 에러의 펄스 응답(PZT 스택에 기인하여)이고, g[t]는 버스트의 끝에서 u[k]의 인가의 끝으로부터의 간격 동안 인가된 단위 전압에 대한 라인 중심 에러의 응답이다. 최소화되어야 할 객체 함수 J는 다음과 같이 정의된다.
여기서 N은 버스트내의 펄스의 수이다. 취소파형에 대한 J의 도함수, u[t] 및 uDC는 다음과 같이 계산된다.
적응법칙은 객체함수 J를 감소시키는 작용을 하는 방향으로 단계를 취하도록 선택된다.
여기서 적응 파라미터, μ는 수렴 성능을 위해 수렴율을 트레이드하도록 조정된다. μ의 작은 값은 알고리즘에 저속 수렴율을 제공하지만, 비상관 교란에 대한 안정성 및 감도를 개선시킨다. μ의 큰 값은 낮은 안정성 및 열악한 노이즈 감도로 고속 컨버젼스를 가져다 준다. 정량 g[t] 및 h[t]는 시스템의 모델로부터 직접 계산되거나 반복하여 펄스 또는 스텝을 이 시스템에 인가하여 그 결과를 평균함으로써 측정된다. g[t] 및 h[t]는 액추에이터에도 전압을 인가하는, 저역 서보에 의한 효과를 반드시 포함하여야 한다. g[t] 및 h[t]에 대한 데이터는 클로우즈된 상기 서보 루프에 의해 획득된다.
적응성 이득 g[t] 및 h[t]의 획득은 시스템으로부터 시스템으로의 다이나믹스의 변동을 수용하도록 조정되어야 한다. 일반적으로, 이 프로세스는 자동화될수 있고 공장 및 현장에서의 서비스 교정에서 포함되어 있는 프로세스이다.
이 경우에 댐핑(상기한 바와 같은)은 시스템에서 약간 댐핑된 모드에 감응하는 도 8에 도시된 로드 셀(89)과 같은, 적절한 센서를 이용하여 용이하게 부가될 수 있다. 이 전압은 도 14c에 도시된 바와 같이 스택에 인가된 추가적인 전압을 계산하기 위해 필터를 통하여 공급된다. 필터의 다이나믹스는 경성으로 댐핑된 모드가 에너지를 갖는 경우 주파수 범위에서 정격 피드백을 인가하도록 설계된다.
단일 스텝에서 반전 상쇄
단일 스텝에서 상쇄 파형을 계산하는 것도 가능하다. 상기한 기술을 이용하여 시스템 노이즈에 의한 역영향을 받을 수 있다. 그러므로, 이것은 반전(inversion) 프로세스가 안정성을 유지하기 위해 약간 저속으로 될 것을 필요로 한다. 단일 스텝에서 상쇄 파형을 계산함에 의해 노이즈 문제를 해결할 수 있고 반전으로 하여금 더욱 고속으로 성능 향상되도록 수렴할 수 있게 한다.
라인 중심 에러는 전방 단 처프 및 노이즈라 할 수 있는 기타 원인의 조합 결과가 된다. 본 실시예에서, 이것을 동시에 보정한다. 상기한 바와 같은 처프부를 결정하고 로드 셀(89)를 모니터링하여 에러의 노이즈부를 평가한다. 이들 입력에 의해 구동 전압이 각각의 펄스에 대해 계산되어 라인 중심 에러를 최소화한다. 그 해는 하기에서 수학적으로 설명된다. 그것은 최소화되어야 할 객체 함수 J를 정의하고, PZT 구동 전압 u에 대한 그것의 부분 도함수를 취하고 u에 대해 해를구함으로써 계산된다. 취소되어야 할 처프 신호, d,와 액추에이터에 제어 전압u을 인가함에 의한 결과로서 생기는 신호간의 에러는,
e = d - Hu
로 주어지고, 여기서 H는 시스템의 측정된 임펄스 응답이다. 최소화하려고 하는, 이 에러의 2차 코스트는,
J = (d - Hu)T(d - Hu) +uTu 이다.
여기서, 등식의 우측으로부터 2번째 항은 제어 효과를 마비시키고 알고리즘의 수치적 컨디셔닝을 증대시키기 위해 추가된 추가의 가중치 항이다.
이전 수식을 전개하고 u에 대해 그 도함수를 구하면,
제어신호에 대해 풀면,
u = (HTH +I)-1HTd 이다.
스칼라 항는 이전 등식에서 수행되어야 하는 반전의 수치적 컨디셔닝을 개선시키기 위해 선택된다. 외관상으로 더욱 분명한 반전 해 u = H-1는 d에 대한 노이즈 평가치에 기인하여 만족스런 결과를 산출하지 않음을 알 수 있고, 때때로 단일 해가 될 수 있다. 또한, 그내부의 프로세스는 비선형이고 반전 기술에 더욱 포함된 이것의 사용은 상기한 적응성 알고리즘에 의해 사용된 것을 병렬화한다. 조합에서 사용된, 이 직접 반전은 취소 신호의 초기 추정치를 제공하고 진정한 "최선"의 상쇄 파형을 달성하기 위해 더욱 적은 적응 스텝들을 필요로 하게 된다.
주기적 교란에 대한 적응성 피드 포워드
상기한 바와 같이, 본 발명의 주제인 엑시머 레이저는 펄스 기준으로 레이저로부터 방사하는 광의 파장을 측정하는 파장계를 포함한다. 이 측정된 파장은 라인 중심 에러를 산출하기위해 소망하는 셋트 포인트로부터 감산된다. 라인 중심 에러는 레이저의 라인 내로우잉 패키지(40)에서 PZT 스택(80)을 구동시키기 위해 사용되고 증폭되는 전압 신호를 산출하는 도 4의 부재번호 106으로 도시된 바와 같은 제어기 의해 초래된다. 스택은 레이저로부터 나오는 파장을 직접 제어하도록 설계된 LNM 내부에 광학기구를 이동시킨다.
펄스 반복율과 연관된 나이퀴스트 주파수는 4000Hz에 대해 그 반복율이 반인 2000Hz로 된다. PZT 제어기(106)에 대한 통상적인 대역폭은 상기 2000Hz 나이퀴스트 주파수의 약 10% 정도이다(즉, 1/20 펄스 반복율 또는 약 200Hz). 이것보다 고속으로 일어나는 교란은 제어되지 않으며 라인 중심 에러에 나타난다. 고 주파수에러의 그러한 한나의 소스는 레이저 캠버를 통해 가스를 순환시키는 데에 사용된 블로우어에 의해 야기된 음향 교란이다. 이 블로우어는 블로우어가 회전함에 따라 챔버내에서 가스를 교란시키는 다수의 블레이드(통상적으로 23개)를 갖는다. 이것은 블로우어 블레이드 패시지 주파수와 동기화된 챔버로 파를 셋트업시킨다. 이들 파는 레이저 빔이 라인 내로우잉 패키지로 입력하는 방향을 수정하고 이에의해 협대역 에러가 레이저의 파장 출력에서 나타난다.
통상적으로, 블레이드 패시지 주파수는 PZT 파장 피드백 제어에 의해 달성가능한 대역폭의 최고치의 밖에 있다. 이 제어는 이들 고속 교란을 격퇴할 어떠한 능력도 없다.
본 명세서에 설명된 특징들은 교란을 취소시키기 위해 적응성 피드 포워드 제어를 채용한다. 블레이드 패시지 주파수에 동기화된 정현 신호는 필터를 통과하고 LNP 스택 전압에 부가된다. 제어 로직은 라인 중심 에러를 모니터하고 블로우어로부터 협대역 교란이 취소될 때 까지 필터 파라미터를 조정한다. 필터 제어 로직을 유도하기 위한 방법은 공지되어 있다. 예를들어 필터링된 LMS 알고리즘이 본 실시예에서 이용된다.
블로우어 블레이드 패시지에 동기화된 정현 신호를 획득하기 위해, 위상 동기 루프가 사용될 수 있다. 블레이드 패시지 주파수에 동기화된 신호는 직접적으로 이용할수는 없지만, 블로우어 축 회전에 동기화된 신호는 이용가능하다. 한 비결은 주파수를 축 회전 주파수로부터 블레이드 패시지 주파수로 스텝업시키기 위해 위상 동기 루프를 사용하는 것이다. 출력신호는 전압 제어 발진기(VCO)에 의해 발생된다. VCO의 스퀘어파 출력은 블로우어상의 블레이드의 수와 동일한 값 만큼 VCO의 주파수를 스텝다운시키는 스텝다운 카운터를 통과한다. 블로우어 축에 동기화된 스퀘어파 및 상기 신호는 에러 신호를 산출하기 위해 위상 비교기를 통과한다. 이 신호는 필터링되고 VCO에 재공급된다. 보상 필터의 다이나믹스는 시스템을 안정화시키고 위상 에러를 제로로 구동시키도록 조정된다. 이 시스템의 출력은 소망하는 바 대로 블레이드 패시지 주파수에 정현 동기화된다.
PZT의 응답은 블로우어 블레이드 반복율 보다 훨씬 고속이어서 PZT는 블레이드 효과를 상쇄시키기에 필요한 바와 같이 작용한다. 블레이드 교란은 속성상 음향이므로 그 효과는 레이저 가스 온도에 의해 변동되고 따라서 이 기술이 적용되는 경우 가스 온도는 모니터링되고 적절한 보정 인자가 인가된다.
프리드라이브 제어를 위한 미러 위치 검출기
상기한 바와 같이, 중심 라인 파장은 도 4에 도시된 바와 같은 파장계(104)에서 행해진 중심 라인 파장 측정치를 이용하여 피드백 제어 시스템에서 제어된다. 이 장치는 정밀한 결과를 제공하기 위해 최근의 이력 데이터를 필요로 한다. 레이저가 작동하지 않는 경우 레이저 조건은 변경하며 따라서 파장은 유휴 주기 후에 맨처음의 수 개 펄스 동안 상세히 지정될 수 없다. 또한, 몇몇 경우에 사용자는 동작 동안 파장을 변경시키길 원할 수 있어서 새로운 파장에서 처음의 수 개 펄스는 상세히 지정될 수 없다. 미러(14)의 프리드라이브를 위한 종래 기술은 필요한 파장 조정을 달성하기 위해 스테퍼 모터(82) 또는 PZT(80)에 의해 필요로 되는 움직임을 측정하는 것이다. 이것은 정확하지 못하다.
이러한 문제에 대한 하나의 해결책은 미러 위치 센서를 제공하는 것이다. 미러 위치를 검출하는 한 기술은 본 명세서에 참조문헌으로 통합되어 있고 본 출원인에게 양도된 미국특허 제 6,192,064호에 설명되어 있다.
다른 바람직한 위치 센서 기술은 하기에 설명된다.
PZT(80)에 대해 인가된 전압은 요구되는 프리-드라이브 양과 교정 상수간의 함수이다. 교정 상수는 PZT 전압과 중심 파장간의 선형관계가 수립되어 있는 테스트로부터 유도된다. 불행히도, PZT 전압과 Rmax 위치(및 중심 파장)간의 관계는 PZT 액추에이터에서의 히스테리시스의 존재에 기인하여 선형이 아니다. LNM에서 사용된 PZT 액추에이터의 히스테리시스는 최대 +/- 10% 까지의 위치지정 에러를 생성한다. 0.8pm 프리드라이브 이동을 위해, 다음 버스트의 시작에서 중심 파장 에러(프리드라이브에 기인한)는 +/- 0.08pm 이다. 중심 파장 에러 평균 및 시그마를 위한 고객 스펙은 통상적으로 0.05pm 범위에 있기때문에, 10 펄스 전용 스펙은 프리-드라이브에 기인한 위치지정 에러의 발행을 방해하기 위해 고객과 협상되었다. 10 펄스 내에, 파장 서보는 각각의 펄스 후에 파장계에 의해 제공된 데이터를 이용하여 상기 스펙 범위내로 감소시킬 수 있다. 위치 센서는 프리-드라이브 동안 Rmax위치 지정 정확도를 개선시키기 위해 LNM에 부가될 수 있다. 버스트간에도, 계속적으로 이용가능한 위치 데이터로, 프리드라이브 이동은 피드백 제어하에 수향될 수 있고, 다음 버스트의 시작에서 파장 에러에 의한 PZT 히스테리시스의 큰 효과를 제거한다. 이러한 고 성능 레벨은 시스템으로 하여금 본래의 고객 스펙을 충족시킬 수 있게 한다.
도 15의 스켓치는 위치 센서를 위해 가능한 한 위치를 도시한다. 하기에 설명되는(유도성, 용량성, 또는 광반사성) 비접촉식 위치 센서 유형은 움직이는 물체상의 한 위치를 목표로 한다. 이상적으로는 이 "타겟"은 알루미늄 Rmax홀더상의 어딘가 일수 있다. 위치 센서에 더욱 양호한 타겟을 제공하기 위해 Rmax홀더에 대해 행해진 수정은 유익할 수 있다. 상기 도시된 위치 센서상의 연결되지 않은 리드는 전원공급장치에 연결될 수 있고 기존의 레이저 전자장비에 내장되거나 센서 공급장치에 의해 제공될 수 있는 몇몇 신호 컨디셔닝 하드웨어에 연결될 수 있다. 적절하게 처리된, 센서 신호는 프로세서(106) 또는 제어기(102)와 같은 파장 제어 유닛중의 하나에 연결될 수 있다. 센서 본체부는 LNP(LNM) 벽에 고정될 수 있다.
위치 센서의 필요한 범위 및 레졸루션은 레이저의 광학 필요조건으로부터 또는 파장계의 범위 및 레졸루션으로부터 계산될 수 있다. 파장계는 레이저 광의 중심 파장을 측정하기 때문에, 비례 상수는 광 파장과 Rmax홀더의 위치사이에 계산되어져야 한다.
실증 실험예에서, PZT상의 7 볼트 입력은 파장계에서 1pm 파장 편이를 산출한다.
PZT에의 6.72V 피크-피크 저 주파수 정현파 입력은 레이저 간섭계 출력상에 1.12V 피크-피크 정현파를 산출하고 여기서 레이저는 PZT에 가장 근접한 Rmax의 한측에 겨냥되고 레이저 간섭계 이득은 0.5 마이크로미터/볼트로 세팅된다.
따라서;
센서 유형 유도성(에디 전류) 용량성 광 섬유 레이저
제조자 Kaman Instrumentation Capacitec Philtec Keyence
웹 사이트 Kaman Instrumentation. com Capacitec.com Philtec.com Keyence.com
부품# SMU 9000/15N HPB 계열(HPB-40) D63 LC-2420
스태틱 레졸루션 2 나노미터 2.5 나노미터 10 나노미터 10 나노미터
범위 250 마이크로미터 380 마이크로미터 20 마이크로미터 200 마이크로미터
이점 소형 패키지,제조자는 레졸루션과 범위를 교체할 수 있다. 소형 패키지,넓은 선형 범위 초소형 센서 헤드, 양호한 고주파 성능 양호한 고주파 성능, 양호한 선형성
단점 금속 타겟을 필요로 함 타겟은 용량적으로 접지되고, 파티클에 감응함. 저 레졸루션 및 범위 저 레졸루션, 둔중한 전자장비
첨부 파일 Kaman_SMU9000.pdf Capacitec_Button.mht Philtec_D63.pdf Keyence_Ic.pdf
상기 표 1은 4개의 변위 센서 유형을 도시한다. 각각의 센서의 더욱 상세한 설명에 대해 표 1에 명명된 첨부 파일을 참조한다. 표 1에 도시된 선택사항으로부터, Kaman Instrumentation으로부터의 유도 센서는 바람직한 필요조건을 충족시키도록 된다. SMU 9000/15N은 레졸루션이 0.25nm이고 그 범위가 25 마이크로미터인 응용분야에 사용되었고, 범위와 레졸루션간의 교환에서 잠재적 유연성을 나타낸다. SMU 9000/15N의 대역폭이 10kHz인 동안 유도성 센서의 다이나믹 레졸루션은 헤르쯔 단위에서 신호의 주파수에 대한 제곱근에 비례하여 증가한다(즉, 더욱 열화된다).
기타 강제적인 용량성 센서 옵션은 ADE(ade.com) 및 Lion Precision(lion precision.com)에 의해 제공된다. 두 제조자는 모두 Kaman사의 유도성 센서에 필적할 수 있는 제품을 제공한다.
센서 에러 보상
측정의 정확도에 영향을 미칠 수 있고 보상되어야 할 센서 에러에 대한 3개 소스가 있다. 이들 에러의 소스에는 센서 비선형성, 열 불안정성/팽창, 및 작은 Rmax각도 근사화 에러가 있다. 센서 비선형성 및 작은 각도 근가화 에러는 센서 교정 프로세저를 사용하여 함께 보상될 수 있다. 센서는 필요로 되는 데로 센서의 소망 범위에 대해 교정의 다수 포인트로서 사용하여, 파장계에 대해 교정될 수 있다. 고차 다항식 곡선부 또는 다수의 선형적으로 보간된 포인트를 사용하여, Rmax의 운동역학에 의해 부과된 비선형성을 포함하는 센서의 비선형 특징은 상당히 감소될 수 있다. 표 1에 있는 센서는 초고감도 반복성을 갖기 때문에, 선형성에서의 크기 개선 정도가 상기의 방식으로 달성될 수 있다. 센서내의 열 변화에 의해 야기된 에러 및 타겟은 현재 온도를 기초로 하여 센서 신호를 조정하고 온도 센서를 부가함으로써 감소된다.
...............................................
본 발명의 다수의 기타 실시예는 레이저 시스템에서 또는 반도체, 전자장비, 광학 또는 의료 시장에서의 서브시스템 또는 주요장비의 다른 부분에서 동일한 또는 유사한 목적을 달성하기 위해 개발될 수 있다. 고려되는 센서는 (레이저의 파장의 안정성, 파장 및 그 표준 유도체가 대표적인 성능 미터법인 경우에) 성능 미터법과 적절히 또는 충분히 상관되어 진다. 또한, 센서는 레졸루션, 정확도, 간도 및 신호 대역폭을 포함하는, 적절한 특성을 가질 것이 필요로 된다. 고려되는 기타 센서는 레이저의 컴포넌트 또는 구조체에서 응역을 측정하기 위한 응력 센서를 포함한다. 용량성, 유도성 및 광학 변위 센서를 포함하는 다양한 위치 센서도 고려될 수 있다. 적절한 경우엔 가속 센서도 고려된다. 또한, 광신호를 고속으로 측정할 수 있는 센서는 진동을 감소시키는 데에 사용될 수 있고 파장 안정도를 향상시킨다.
기타 액추에이터도 스테퍼 모터 또는 PZT 스택을 대체 또는 증대시키기 위해 고려될 수 있다. 이것들은 전자기 및 유도성 모터와 회전 피에조세라믹 모터를 포함한다. 미러(14) 이외의 조명 각 제어 유닛은 미러(14)를 대신하여 또는 미러에 추가하여 사용될 수 있다. 스테퍼 모터는 도 8의 구동기(80) 보다 다욱 큰 각도 제어를 위해 구성된 제2 압전 구동기로 대체될 수 있다. 예를들어, 제2 압전 구동기는 격자를 피벗시키기 위해 사용될 수 있고 미러(14)를 제어하기 위한 상기한 몇몇 제어는 격자의 피벗 위치를 제어하는 데에 사용될 수 있다. 격자는 미러(14) 보다 훨씬 무겁기 때문에 제어 시스템은 격자의 저속 피벗 응답을 위해 설계될 수 있다. 스테퍼 모터(또는 기타 유사한 구동기)도 격자를 피벗시키기 위해 구성될수 있었다. 하나이상의 프리즘은 격자상에서 조명 각을 변화시키기 위해 피벗될 수 있다. 미러 응답은 그 질량을 감소시킴으로써 스피드가 상승될 수 있다. 하나의 바람직한 기술은 알루미늄으로 제작된 미러 장착대를 위한 경량 세라믹 재료를 사용하는 것이다.
또한, 대안 프로세서 또는 액티브 댐핑 모듈 솔루션이 고려된다. 예를들어, 모든 프로세싱은 모든 신호 컨디셔닝, 전력 전자장비, 및 제어기 프로세싱, 제어기 구현, 데이터 로깅 및 기타 필요사항을 처리하도록 설계된 단 하나의 시스템을 사용하여 수행될 있다.
그러므로, 첨부된 특허청구범위는 본 발명의 진정한 사상 및 범위에 속하는 모든 변경 및 수정을 그 내부에 포함한다.

Claims (24)

  1. 전기 방전 레이저에 의해 산출된 레이저 빔의 중심 파장을 제어하기위한 정밀한 파장 제어부를 갖춘 전기 방전 레이저에 있어서,
    A) 레이저 챔버;
    B) 상기 챔버내에 포함되고, 빔 방향에서 롱 디멘젼을 정의하는 방전 영역을 형성하고, 일정 거리만큼 분리된 신장된 형태의 아노드와 신장된 형태의 캐소드를 포함하는, 신장된 형태의 전극 구조체;
    C) 상기 챔버내에 함유된 레이저 가스;
    D) 상기 챔버내에서 그리고 상기 방전 영역을 통하여 상기 레이저를 순환시키기 위한 팬; 및
    E) 1) 상기 중심 파장을 측정하기 위한 파장계,
    2) a) 확대된 빔을 산출하기 위해 상기 챔버내에 산출된 레이저 빔의 일부분을 확대시키도록 구성된 빔 익스팬더,
    b) 격자, 및
    c) i) 압전 구동기, 및 ii) 상기 압전 구동기를 제어하도록 구성된 적어도 하나의 피드백 제어 시스템을 포함하고, 상기 격자상에 상기 확대된 빔의 조명각을 조정하기 위한 조명각 제어 유닛을 포함하는 파장 선택 유닛,
    을 포함하는 정밀 파장 제어 시스템;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 방전 레이저.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 조명각 제어 유닛은 튜닝 미러를 포함하고 상기 압전 구동기는 상기 미러의 위치를 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는 전기 방전 레이저.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 피드백 제어 시스템은 상기 파장계에 의해 제공된 측정치를 기초로 하여 상기 압전 구동기를 제어하도록 구성된 전자 장비를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 방전 레이저.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 조명각 제어 유닛에 작용하는 힘을 모니터링하기 위한 로드 셀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 방전 레이저.
  5. 제4 항에 있어서, 상기 조명각 제어 유닛은 미러인 것을 특징으로 하는 전기 방전 레이저.
  6. 제5 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 피드백 제어 시스템은 상기 로드 셀에 의한 측정치를 기초로 하여 상기 압전 구동기를 제어하도록 구성된 전자 장비를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 방전 레이저.
  7. 제4 항에 있어서, 상기 로드 셀로부터의 측정치를 기초로 하여 상기 조명각제어 유닛의 움직임을 감쇠시키기 위한 액티브 댐핑 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 방전 레이저.
  8. 제1 항에 있어서, 상기 레이저의 버스트 모드 동작과 연관된 트랜지언트에 파장을 최소화 또는 상쇄시키기 위한 반전 함수를 계산하기 위한 알고리즘이 구성되어 있는 프로세서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 방전 레이저.
  9. 제2 항에 있어서, 상기 조명각 제어 유닛은 스테퍼 모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 방전 레이저.
  10. 제8 항에 있어서, 상기 조명각 제어 유닛은 초기 발생 처프의 형태를 인식하기 위한 인식 알고리즘으로 프로그래밍된 프로세서를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 방전 레이저.
  11. 제1 항에 있어서, 상기 조명각 제어 유닛은 2 밀리초 미만의 시간 주기로 미러 조정을 행하도록 구성된 것을 특징으로 하는 전기 방전 레이저.
  12. 제1 항에 있어서, 상기 조명각 제어 유닛은 500 마이크로초 미만의 시간 주기로 미러 조정을 행하도록 구성된 것을 특징으로 하는 전기 방전 레이저.
  13. 제12 항에 있어서, 상기 조명각 제어 유닛은 외부 스핀들을 갖는 스테퍼 모터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 방전 레이저.
  14. 제13 항에 있어서, 상기 조명각 제어 유닛은 상기 외부 스핀들의 선형 이동이 확대되지 않도록 하기 위해 피벗축 둘레로 피벗된 레버 암을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 방전 레이저.
  15. 제1 항에 있어서, 상기 액티브 처프 완화 수단은 거친 파장 제어를 위한 스테퍼 모터와 미세한 파장 제어를 위한 압전 구동기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 방전 레이저.
  16. 제8 항에 있어서, 상기 컴퓨터 프로그램은 상기 프로그램이 소망 범위내의 파장을 갖는 레이저 빔을 산출하기 위해 상기 튜닝 미러에 대한 필요한 조정을 인식할 수 있게 하는 인식 알고리즘을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 방전 레이저.
  17. 전기 방전 레이저에 의해 산출된 레이저 빔의 중심 파장을 제어하기 위한 정밀한 파장 제어부를 갖춘 전기 방전 레이저에 있어서,
    A) 레이저 챔버;
    B) 상기 챔버내에 포함되고, 빔 방향에서 롱 디멘젼을 정의하는 방전 영역을형성하고 일정 거리만큼 분리된 신장된 형태의 아노드와 신장된 형태의 캐소드를 포함하는, 신장된 형태의 전극 구조체;
    C) 상기 챔버내에 함유된 레이저 가스;
    D) 상기 챔버내에서 그리고 상기 방전 영역을 통하여 상기 레이저를 순환시키기 위한 팬;
    E) 상기 중심라인 파장을 측정하기 위한 파장계;
    F) 적어도 하나의 압전 구동기를 포함하는 파장 튜닝 매커니즘; 및
    G) 파장 처프를 능동적으로 제어하기 위해 상기 파장계로부터의 측정 정보를 사용하여 상기 튜닝 매커니즘을 제어하기 위한 피드백 제어 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 방전 레이저.
  18. 제17 항에 있어서, 상기 튜닝 매커니즘은 버스트의 초기 부분에서 발생하는 처프를 완화시키기 위해 펄스의 버스트에 앞서 튜닝 미러의 위치를 조정하기 위한 조정 매커니즘과 튜닝 미러를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 방전 레이저.
  19. 제18 항에 있어서, 상기 조정 매커니즘은 초기에 나타나는 처프의 형태를 인식하기 위해 인식 알고리즘으로 프로그래밍된 프로세서를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 방전 레이저.
  20. 제17 항에 있어서, 상기 튜닝 매커니즘은 거친 튜닝을 위한 스테퍼 모터와미세 튜닝을 위한 압전 구동기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 방전 레이저.
  21. 전기 방전 레이저에 의해 산출된 레이저 빔의 중심 파장을 제어하기 위한 정밀한 파장 제어부를 갖춘 전기 방전 레이저에 있어서,
    A) 레이저 챔버;
    B) 상기 챔버내에 포함되고, 빔 방향에서 롱 디멘젼을 정의하는 방전 영역을 형성하고 일정 거리만큼 분리된 신장된 형태의 아노드와 신장된 형태의 캐소드를 포함하는, 신장된 형태의 전극 구조체;
    C) 상기 챔버내에 함유된 레이저 가스;
    D) 상기 챔버내에서 그리고 상기 방전 영역을 통하여 상기 레이저를 순환시키기 위한 팬;
    E) 중심라인 파장을 측정하기 위한 파장계;
    F) 튜닝 미러 및 이 튜닝 미러를 구동시키기 위한 압전 구동기를 포함하는 파장 튜닝 매커니즘;
    G) 파장 처프를 능동적으로 제어하기 위해 상기 파장계로부터의 측정 정보를 사용하여 상기 튜닝 매커니즘을 제어하기 위한 피드백 제어 시스템;
    H) 상기 튜닝 미러의 진동을 측정하도록 구성된 로드 셀; 및
    I) 상기 로드 셀로부터의 신호에 기초하여 상기 파장 튜닝 매커니즘을 제어하기 위한 피드백 제어 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 방전 레이저.
  22. 파장 선택 격자를 갖는 라인 내로우잉된 레이저를 위한 진동 제어 시스템에 있어서,
    A) 상기 격자 유닛상에서의 조명각을 제어하기 위한 조명각 제어 유닛;
    B) 상기 제어 유닛을 구동시키기 위한 압전 구동기 유닛; 및
    C) 상기 제어 유닛상에서의 힘을 모니터링하고 상기 압전 구동기 유닛에 피드백 신호를 제공하기 위한 압전 로드 셀 모니터링 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 진동 제어 시스템.
  23. 제22 항에 있어서, 상기 조명각 제어 유닛은 피벗가능한 미러를 포함하는 것을 특징으로 하는 진동 제어 시스템.
  24. 제22 항에 있어서, 상기 조명각 제어 유닛은 피벗가능한 격자를 포함하는 것을 특징으로 하는 진동 제어 시스템.
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