准分子激光器剂量精度控制方法和系统及准分子激光器

摘要

本发明公开了一种准分子激光器剂量精度控制方法及系统。该方法至少包括如下步骤：S3：判断脉冲位置是否大于预设值n，如果小于等于则进入S4；如果大于则进入S5；S4：进行单脉冲能量稳定性控制计算，得到放电腔的当前放电电压Vi j,用于控制放电腔；然后进入S6；S5：进行剂量精度控制计算，得到放电腔的当前放电电压Vi j，用于控制放电腔；然后进入S6；S6：基于当前放电电压Vi j调整放电腔的放电电压。本发明能够抑制单脉冲能量和剂量引起的波动，保证激光器工作过程中的剂量精度要求。

说明书

技术领域

本发明涉及一种准分子激光器剂量精度控制方法，同时涉及一种准分子激光器剂量精度控制系统，还涉及一种相应的准分子激光器，属于准分子激光器技术领域。

背景技术

由于预热、气体退化或更新、以及运行时间等因素影响,准分子激光器总会存在单脉冲能量波动和平均脉冲能量漂移,除此之外还有能量超调(overshot)现象。激光器出光能量的随机波动，在光刻机工作过程中容易造成曝光线条不均匀，降低良品率，提升企业生产成本。同时，受激光器内部气体寿命的限制，出光能量稳定性会随着脉冲数目的增加，更加难以控制，无法保证生产要求的剂量精度。因此，为提高准分子激光器出光剂量精度，需要精确合理的设计控制算法，使准分子激光器能够在满足剂量精度要求的条件下长时间工作。

在申请人早先提交的中国专利申请(公开号：CN113783099A)中，公开了一种基于深度GRU的准分子激光器剂量控制方法及装置。该方法选取在准分子激光器每发出一个爆发模式的激光脉冲能量序列后的时间间隔中，利用深度门控循环网络判断当前爆发模式与上一个爆发模式的激光脉冲能量损失函数的滑动平均值差的绝对值是否小于阈值；若大于则更新深度门控循环网络的训练参数，得出剂量控制参数的更新值，应用到下一个激光爆发模式的剂量精度控制中；若小于则将当前爆发模式剂量精度控制使用的剂量控制参数，应用到下一个激光爆发模式的剂量精度控制中。该方法针对不同的目标能量、重复频率具有很强的适应性，能够很好的控制准分子激光器的剂量精度，有效控制激光脉冲能量的剂量稳定性。

发明内容

本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种准分子激光器剂量精度控制方法。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种准分子激光器剂量精度控制系统。

本发明所要解决的又一技术问题在于提供一种相应的准分子激光器。

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，提供一种准分子激光器剂量精度控制方法，包括以下步骤：

S3：判断脉冲位置是否大于预设值n，如果小于等于则进入步骤S4；如果大于则进入步骤S5；

S4：进行单脉冲能量稳定性控制计算，得到放电腔的当前放电电压V

S5：进行剂量精度控制计算，得到放电腔的当前放电电压V

S6：基于当前放电电压V

其中较优地，所述剂量精度控制计算，包括随着猝发信号的增加而使放电腔的放电电压增大的变量，以及在一个猝发信号中，随着脉冲位置的增加，使放电腔的放电电压增大的变量。

其中较优地，所述剂量精度控制计算，是基于用于抑制当前脉冲的能量波动的能量波动电压变化值和用于抑制当前脉冲的剂量波动的剂量波动电压变化值进行计算。

其中较优地，所述剂量波动电压变化值根据前一个脉冲位置的剂量差值以非线性放大或缩小的方式进行调整；所述能量波动电压变化值根据前一个脉冲位置的能量差值以非线性放大或缩小的方式进行调整。

其中较优地，所述剂量精度控制计算，还基于预先确定的当前脉冲电压进行计算，所述当前脉冲电压是根据试放电的实测电压和出光能量计算得到的。

其中较优地，所述当前脉冲电压是预设值，并且在同一种工况下，保持不变。

其中较优地，所述当前脉冲电压，在同一种工况下，采取如下方法获得：

a.预估当前气体条件下，在期望出光能量处对应的预估放电电压范围；

b.在所述预估放电电压范围内设定步长，采取增量式方法，在每个步长的电压的位置进行放电，对每个猝发的后面多个脉冲出光能量取平均值，得到能量平均值；

c.选取步骤b中的能量平均值中最接近期望能量值，得到与该最接近期望能量值所对应的放电电压，作为当前气体条件下的下一个脉冲的当前脉冲电压。

其中较优地，所述单脉冲能量稳定性控制计算中，在同一个猝发信号中，放电腔放电电压的增量，以实际出光能量与期望出光能量的差值为指数。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种准分子激光器剂量精度控制系统，包括：高压放电组件、放电腔、激光参数测量组件以及剂量精度控制器，

其中，所述剂量精度控制器接收到预先设置的期望脉冲能量，根据前述准分子激光器剂量精度控制方法，生成对放电腔的放电电压信号，发送给所述高压放电组件；所述高压放电组件发出激励电压给所述放电腔，由所述放电腔发射出激光，并且由所述激光参数测量组件检测所述放电腔的出光能量值，并反馈给所述剂量精度控制器。

根据本发明实施例的第三方面，提供一种准分子激光器，其中包括前述准分子激光器剂量精度控制系统。

与现有技术相比较，本发明具有以下技术效果：基于放电输出能量过程的控制算法，考虑了不同脉冲位置和气体寿命对放电出光过程的影响，利用反馈方式对激励电压进行非线性计算，抑制单脉冲能量和剂量引起的波动，避免由于单脉冲能量的突变造成放电电压的剧烈变化，保证激光器工作过程中的剂量精度要求。

附图说明

图1为本发明实施例提供的准分子激光器剂量精度控制系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中，准分子激光器在恒压模式下的一个猝发内的脉冲序列的出光能量示例图；

图3A为本发明实施例提供的准分子激光器剂量精度控制方法的流程框图；

图3B为本发明实施例中，准分子激光器剂量精度控制方法的逻辑示意图；

图4为本发明实施例中，准分子激光器剂量精度控制方法的实际效果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容进行详细具体的说明。

需要说明的是，本发明可以用于双腔激光器,也可以用于单腔激光器。在用于双腔激光器的时候，本发明实施例提供的准分子激光器剂量精度控制方法可以用于调整功率放大放电腔的放电电压；在用于单腔激光器的时候，只有一个放电腔，所以本发明实施例提供的准分子激光器剂量精度控制方法是调整该放电腔的放电电压。以下描述仅以本发明应用于单腔激光器的场景进行描述，但这并不构成对本发明保护范围的任何限制。

如图1所示，以单腔准分子激光器为例，本发明实施例提供的准分子激光器剂量精度控制系统包括高压放电组件1、放电腔2、激光参数测量组件3以及剂量精度控制器4。

剂量精度控制器4接收到预先设置的期望脉冲能量101，根据本发明实施例提供的准分子激光器剂量精度控制方法，生成对放电腔的放电电压信号，发送给高压放电组件1；高压放电组件1发出激励电压103给放电腔2，由放电腔2发射出激光，并且由激光参数测量组件3检测所述放电腔2的出光能量值，反馈给剂量精度控制器4。这样，以反馈机制，实现对实时出光剂量的精确控制。

众所周知，准分子激光器的出光通常为猝发(Burst)模式，在恒定激励电压下，一个猝发内有多个脉冲，例如2000个脉冲位置。各个脉冲位置的典型的出光能量趋势如图2所示意。由图2可知，在一个猝发内的出光序列中，位于前面的脉冲位置上的出光能量，强于后面的脉冲位置的出光能量；而且后面的脉冲位置的出光能量逐渐稳定。由此可知，在猝发工作模式下，准分子激光器的出光能力和脉冲位置有关。

而且，如前述，随着准分子激光器内部气体的消耗，出光能量也会随之改变。因此，为了提高准分子激光器出光能量稳定性和剂量精度，本发明率先提出一种兼顾不同气体条件导致的出光能量变化和不同脉冲位置导致的出光能量变化的准分子激光器剂量精度控制方法。

如图3A所示，该准分子激光器剂量精度控制方法至少包括以下步骤：

S1：对当前猝发序列进行计数；

假设当前猝发为第i个猝发，对猝发序列进行计数是使i＝i+1。

S2：对单脉冲的脉冲位置计数；

假设当前猝发为第i个猝发的第j个脉冲，对单脉冲的脉冲位置计数是令j＝j+1。在此假设一个猝发内有N个脉冲，则j≦N,n

S3：判断脉冲位置是否大于预设值n，如果小于等于则进入步骤S4；如果大于则进入步骤S5；

S4：进行单脉冲能量稳定性控制计算，得到放电腔的当前放电电压V

S5：进行剂量精度控制计算，得到放电腔的当前放电电压V

S6：基于当前放电电压V

S7：判断是否在同一猝发内的脉冲，如果是，则返回步骤S2；如果不是同一猝发内的脉冲则返回步骤S1。

结合图3B，以及式(1)所示，本发明实施例提供的准分子激光器剂量精度控制方法包括两部分：在一个猝发信号内，在前n个脉冲的能量稳定性控制和在后续脉冲的脉冲剂量精度控制。由此，基于前一个猝发中位置对应的脉冲的电压，利用前n个脉冲能量稳定性控制方法，使得当前猝发信号中前面n个的脉冲位置上的出光能量能快速稳定到接近预设期望脉冲能量；利用脉冲剂量精度控制，在n个脉冲之后的脉冲位置上，综合考虑后续脉冲位置和气体消耗对出光能力的影响，从而对反馈计算的电压起到放大作用，使准分子激光器的剂量精度不因气体消耗而下降。

下面先介绍第一部分：对前n个脉冲能量稳定性控制步骤。

对每个猝发内的前n个脉冲采取独立的控制方法，不同于对后续脉冲的控制方法。其中，n根据激光器出光能量的特性预先进行选取。在前n个脉冲中，在第i+1个burst中第j个脉冲的放电腔放电电压为：

其中，V

由上式可见，单脉冲能量稳定性控制计算的过程中，在前后两个猝发信号中，放电腔放电电压的增量，以实际出光能量与期望出光能量的差值为指数。因此，当在第i+1个猝发的第j个脉冲的实际出光能量小于预期出光能量时，通过式(2)计算得到的在第i+2个猝发的第j+1个脉冲的放电腔放电电压就会增大；反之，当在第i+1个猝发的第j个脉冲的实际出光能量大于预期出光能量时，通过式(2)计算得到的在第i+2个猝发的j个脉冲的放电腔放电电压就会减小。这样就根据不同猝发信号内的前n个脉冲的实际出光能量对放电腔放电电压进行反馈控制，使得放电腔的出光能量快速稳定到预期出光能量附近。

这种控制方法利用了准分子激光器的出光特点：如图2所示，在一个猝发内，前面n个脉冲73(假设图2中脉冲72为第n个脉冲)的出光能量通常都高于预期出光能量，采用式(1)就会在前面的脉冲(例如图2中脉冲73)快速趋于稳定。。

下面，介绍对第n个脉冲之后的脉冲剂量精度控制。

由图2可知，在第n个脉冲(图2中脉冲72)之后的后续脉冲(例如图2中脉冲71)的出光能量相对稳定。但在稳定状态下，单脉冲能量基本保持在预期出光能量附近上下仍然有波动。而且，随着气体退化，在准分子激光器出光较长时间后，出光能量会随着猝发信号的增加而下降。针对这个出光特性，本发明实施例中的剂量精度控制计算，包括两个变量：1)随着猝发序列的增加而使放电腔的放电电压增大的变量，以及2)在一个猝发中，随着脉冲位置的增加，使放电腔的放电电压增大的变量。

如式(1)所示，当前脉冲电压V

同一种工况下，采取如下方法获得当前脉冲电压V

a.预估当前气体条件下，在期望出光能量处对应的放电腔的控制电压(放电电压)的上下限，即预估放电电压范围；

b.在预估放电电压范围内设定电压间隔(步长)，采取增量式方法，在每个步长的电压的位置进行放电，假设放电X个猝发(X为预设值，例如X＝100)，对每个猝发的后Y个脉冲(Y为预设值，例如Y＝200)出光能量取平均值，得到能量平均值；

c.选取步骤b中的能量平均值中最接近期望能量值，得到与该最接近期望能量值所对应的放电电压，作为当前气体条件下的下一个脉冲的当前脉冲电压。

通常，当前脉冲电压V

由于所考虑的剂量精度和单脉冲能量稳定性相关，因此在控制一个猝发信号的剂量精度的同时，需要兼顾单脉冲(在一个猝发信号内的各个脉冲)能量波动和剂量波动。对于同一猝发信号内，j＞n的脉冲序列中的第j+1个脉冲，利用能量波动电压变化值δV

用于抑制当前脉冲的能量波动的能量波动电压变化值δV

其中，δV

由于激光器的出光模式是离散出光，该积分值err

err

其中T为放电腔的出光能量的能量传感器的采样周期。

由式(3)和(4)可以见出，能量波动电压变化值δV

同理，用于抑制剂量波动的电压变化值δV

其中，δV

err

由式(5)和(6)可见，剂量波动电压变化值δV

同一个猝发内部，脉冲位置靠后，对应的气体出光能力相对较弱。同理，对于不同的猝发数列，其位置越靠后，出光能力越弱。综合考虑脉冲位置和气体寿命的影响，在第i个猝发的第j个脉冲对应的放电腔的放电电压为：

其中，α为单脉冲能量稳定性控制和剂量精度控制的分配系数(预设值)；β

其中，c

在连续出光的过程中，由式(7)和(9)可知，随着猝发序列的增加(即i值的增加)，放电腔的放电电压的增量大致为指数增长；由式(7)和(8)可知，在一个猝发中，随着脉冲位置的增加，放电腔的放电电压的增量大致为倍数增长。由此可见，本发明中对气体退化导致的出光剂量减少进行快速补偿(例如指数级变化)；对单脉冲能量波动和平均脉冲能量漂移以及能量超调的补偿则是相对前者的慢速的补偿(例如倍数级变化)，因此兼顾了两种原因导致的出光能量变化，从而可以获得更高的剂量精度控制效果。

为验证本发明实施例提供的准分子激光器剂量精度控制方法的技术效果，通过仿真分析可以得到，工作状况不变的情况下(例如，248nm KrF准分子激光器模型工作在4KHz的重复频率下，目标能量设置为10mJ)，能够使能量稳定性和剂量稳定性通过调整参数达到最佳控制效果，由图4可知，使得每个猝发信号的剂量精度被控制在0.3％以下。

综上所述，本发明实施例提供的准分子激光器剂量精度控制方法，基于放电输出能量过程的控制算法，考虑了不同脉冲位置和气体寿命对放电出光过程的影响，利用反馈方式对激励电压进行非线性计算，同时抑制单脉冲能量和剂量引起的波动，避免由于单脉冲能量的突变造成放电电压的剧烈变化，保证激光器工作过程中的剂量精度要求。

上面对本发明所提供的准分子激光器剂量精度控制方法和系统及准分子激光器进行了详细的说明。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。