阅读说明：本技术 一种光束调整装置、稳定光束的装置和方法 (Light beam adjusting device, device and method for stabilizing light beam ) 是由 李平欣 李蒙 赵峰 于 2018-08-31 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种光束调整装置、稳定光束的装置和方法,包括：初始调整单元和实时调整单元,所述初始调整单元进行初始调整,所述实时调整单元进行实时调整。采用初始调整单元和实时调整单元实现光束的自动初始参数整定及自动实时光束位置和指向的补偿或校正。稳定光束的装置和方法利用到所述光束调整装置,可同时实现在初始装配过程中对光束的位置和指向的调整和运作过程中对光束的位置和指向偏差的实时校正。通过实现初始参数自动整定,避免了操作者在光束传输路径中频繁查看和调整；同一设备同时调整光束位置和指向,并使初始调整和实时调整相结合,降低了装置在光路中的安装精度要求。(The invention provides a light beam adjusting device, a device and a method for stabilizing light beams, which comprise the following steps: the device comprises an initial adjusting unit and a real-time adjusting unit, wherein the initial adjusting unit performs initial adjustment, and the real-time adjusting unit performs real-time adjustment. The automatic initial parameter setting of the light beam and the automatic real-time compensation or correction of the position and the direction of the light beam are realized by adopting the initial adjusting unit and the real-time adjusting unit. The apparatus and method for stabilizing a light beam can simultaneously achieve the adjustment of the position and orientation of the light beam during the initial assembly process and the real-time correction of the position and orientation deviation of the light beam during the operation process by using the light beam adjusting apparatus. By realizing automatic setting of initial parameters, frequent checking and adjustment of an operator in a light beam transmission path are avoided; the same equipment simultaneously adjusts the position and the direction of the light beam, combines the initial adjustment and the real-time adjustment, and reduces the installation precision requirement of the device in the light path.)

一种光束调整装置、稳定光束的装置和方法

技术领域

本发明涉及半导体领域，特别涉及一种光束调整装置、稳定光束的装置和方法。

背景技术

半导体制造中的投影光刻技术是利用光学系统把掩模版上的图形精确地投影曝光到涂过光刻胶的硅片上，投影光刻技术的基本原理是光源通过照明单元形成满足要求的高均匀照明视场固定在掩模台上的掩模版，掩模版上有所需的光刻图形，投影物镜将被照明掩模图形无像差的成像到固定在工件台上的基片上，引起硅片表面的光刻胶感光。通过显影，在光刻胶上得到曝光的光刻胶图形，再通过刻蚀、去胶等后续工艺，将曝光的光刻胶图形转移到硅片上，得到所需的微细结构。

如图1所示，光束传输系统从激光器1中出射光束进入扩束器2，之后通过可动反射镜机构3、反光镜4和光束探测器5之后进入基础照明系统6，光刻曝光时要求照明系统有非常好的稳定性(远心、均匀性)，这些由基础照明系统来实现，光束通过基础照明系统内的反射镜入射到掩模7上，将掩模7上的几何图案转印到硅片8上。然而激光光束进入到照明系统之前，由于激光器本身的不稳定性、地基振动及光束传输路径中气体抖动等都会造成光束在传输方向与位置上的漂移，因此需要实时监视并校正光束的漂移。

如图2所示，中国发明CN201010256374中提到了一种用压电电机调整2个反光镜分别补偿光束的位置和指向的漂移方案，发明中每个反光镜可以调整Rx、Ry两个自由度，但该方案在实施时两个反射镜的初始位置和角度需要人工寻找和确定，因为单个反射镜L1或L2无法实现光束位置和指向的调整，且单个反射镜同时影响位置和指向，为了实现对L1和L2的同时控制来调整光束位置和指向，必然对L1和L2反射镜的安装有着严格的要求。

如图3所示，另一中国发明CN201010582736中提出了一种利用三个可进行直线和旋转运动的反射镜配合近场和远场探测器进行光束位置和指向调整的方案，若该方案的实施例中仅采用一个反射镜装置进行旋转和直线运动来调整光束的位置和指向，则同样要求光路中反射镜的承载结构有较高的安装精度，以实现光束位置和指向的解耦，但若采用多个反射镜装置均进行直线和旋转运动则提高了系统的复杂性，控制系统在计算多个反射镜的运动类型和运动量时控制算法将会非常复杂。

因此，急需提供一种光束调整装置、稳定光束的装置和方法，以改善现有技术中设备安装要求严格，设备运动算法复杂以及光路中的光束易偏移的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种稳定光束的装置和方法，以改善现有技术中激光器的不稳定性、地基振动及光束传输路径中气体抖动等造成光束在传输方向与位置上漂移的问题。

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种光束调整装置，包括：反射镜、反射镜安装座、初始调整单元和微动调整单元，所述初始调整单元连接所述反射镜安装座，所述反射镜通过微动调整单元安装在反射镜安装座上，所述初始调整单元驱动反射镜安装座运动，所述微动调整单元驱动反射镜相对反射镜安装座运动。

可选的，所述初始调整单元驱动所述反射镜安装座倾斜运动，具体包括：

光束初始位置调整机构，驱动所述反射镜安装座绕X方向运动；

光束初始指向调整机构，驱动所述反射镜安装座绕Y方向运动。

可选的，所述微动调整单元包括三个压电执行器，每个所述压电执行器具有沿反射镜安装座的法向方向的自由度。

可选的，所述三个压电执行器呈等腰三角形或等边三角形设置。

可选的，每个所述压电执行器与所述反射镜之间用柔性连接器进行连接。

可选的，所述微动调整单元还包括位置传感器，用于检测各个压电执行器的运动量。

本发明还提供一种稳定光束的装置，设于光源发生器与光源使用设备之间，所述稳定光束的装置包括：光束稳定探测装置、控制器及所述的光束调整装置，所述光束调整装置的输入端接收所述光源发生器输出的输入端光束，经所述光束调整装置调整后出射的输出端光束入射至所述光源使用设备，所述光束稳定探测装置探测所述输出端光束信号发送给所述控制器，所述控制器根据接收的探测信号计算所述输出端光束的位置和指向，并根据目标光束的要求控制所述光束调整装置对所述输入端光束进行调整。

可选的，所述稳定光束的装置还包括第一分光镜和第二分光镜，所述光束稳定探测装置包括第一探测器及第二探测器；所述输出端光束入射至第一分光镜，被分成第一反射光和第一透射光，第一透射光入射至第一探测器，第一反射光入射至第二分光镜，被分成第二反射光和第二透射光，所述第二反射光入射至所述光源使用设备，所述第二透射光入射至第二探测器，所述控制器读取所述第一探测器和所述第二探测器探测的信号。

可选的，所述第一探测器用于探测所述输出端光束在Y方向的位置；所述第二探测器用于探测所述输出端光束在X方向的位置。

可选的，所述控制器内设置有存储设备，存放所述初始调整单元初始化或复位反射镜安装座位置时的调整参数、以及所述微动调整单元校正输出端光束与目标光束之间位置和指向偏差时所依据的差异校正模型，所述差异校正模型包括所述微动调整单元的若干调整方式和调整量，以及调整后对应的输出端光束的位置和指向。

本发明还提供一种稳定光束的方法，其特征在于，采用所述的稳定光束的装置，

步骤1：在安装所述稳定光束的装置时，按照目标光束的位置和指向要求，结合所述光束稳定探测装置的探测信号，控制所述初始调整单元驱动反射镜安装座运动；

步骤2：在光源使用设备工作时，所述光束稳定探测装置探测所述输出端光束并反馈给所述控制器，所述控制器比较所述输出端光束与目标光束之间的位置和指向偏差，控制所述微动调整单元驱动反射镜相对反射镜安装座运动以校正所述位置和指向偏差。

可选的，将完成安装后所述初始调整单元的调整参数存储至控制器，在停机再启动或复位时，控制所述初始调整单元根据存储的调整参数自动调整所述反射镜安装座的位置。

可选的，所述步骤1包括以下步骤：

步骤S11：结合所述第一探测器的探测信号，控制所述初始调整单元驱动反射镜安装座绕X方向运动，使得光束的光轴位于所述第一探测器的基准位置，所述第一探测器的基准位置为所述第一探测器的中心或所述第一探测器上预定义的某一特定位置；

步骤S12：结合所述第二探测器的探测信号，控制所述初始调整单元驱动反射镜安装座绕Y方向运动，使得光束的光轴位于所述第二探测器的基准位置，所述第二探测器的基准位置为所述第二探测器的中心或所述第二探测器上预定义的某一特定位置。

可选的，在步骤S12之后还包括：

步骤S13：判断调整后的输出端光束的位置和指向是否满足目标光束的要求，否则返回重复执行步骤S11、S12。

可选的，所述步骤2包括以下步骤：

步骤S21：在光束使用设备工作时，所述第一探测器和第二探测器探测所述输出端光束并反馈给控制器，所述控制器比较所述输出端光束在所述第一探测器上的位置相对所述第一探测器的基准位置的偏差，以及比较所述输出端光束在所述第二探测器上的位置相对所述第二探测器的基准位置的偏差；

步骤S22：计算校正偏差所需的所述微动调整单元的调整方式和调整量，并控制所述微动调整单元执行调整。

可选的，所述步骤S22具体包括，在所述控制器中存储有一差异校正模型，所述差异校正模型包括微动调整单元的若干调整方式、调整量，以及调整后所对应的光束位置和光束指向的调整量，根据所述差异校正模型计算校正所述偏差所需的微动调整单元的的调整方式和调整量，并控制所述微动调整单元执行运动。

可选的，所述步骤S11中所述初始调整单元驱动反射镜安装座绕X方向运动的运动角度θ_RX满足：

其中Y₁为所述第一透射光入射至所述第一探测器上的实际位置，Y₀为所述第一探测器的基准位置，D为所述光束调整装置与所述第一探测器在Y方向上的距离；

步骤S12中所述初始调整单元驱动反射镜安装座绕Y方向运动的运动角度θ_RY满足：

其中X₁为所述第二透射光入射至所述第二探测器上的实际位置，X₀为所述第二探测器的基准位置，L为所述光束调整装置与所述第二探测器在X方向上的距离。

可选的，所述微动调整单元包括三个压电执行器，所述三个压电执行器呈三角形分布连接于所述反射镜与所述反射镜安装座之间。

可选的，所述三个压电执行器分别为第一压电执行器、第二压电执行器和第三压电执行器，所述第一压电执行器位于所述反射镜安装座的Y方向中轴线上，第二压电执行器和第三压电执行器关于Y方向中轴线对称分布，所述三个压电执行器的调整方式包括所述第一压电执行器、第二压电执行器和第三压电执行器沿相同方向移动相同的位移时，所述反射镜反射的光束沿Z方向运动；所述第一压电执行器不动，所述第二压电执行器和第三压电执行器朝相同方向移动，所述反射镜反射的光束绕X方向运动；所述第一压电执行器不动，所述第二压电执行器和第三压电执行器沿相反方向移动时，所述反射镜反射的光束绕Y方向运动。

在本发明所提供的光束调整装置、稳定光束的装置和方法中，光束调整装置包括：初始调整单元和微动调整单元，所述初始调整单元对光束进行大范围的粗调，所述微动调整单元对光束进行小范围的精调。所述稳定光束的装置和方法利用到所述光束调整装置，可同时实现在初始装配或停机复位时对光束的位置和指向的调整和运作过程中对光束的位置和指向偏差的实时校正。

本发明中可以只有一个光束调整装置，且同时具备初始调整和实时调整的能力，通过控制算法解耦位置和指向的调整，降低了装置的安装和调整精度要求，提高了装调效率。

进一步的，本发明结合使用两个测量装置分别在近端测量光束位置和在远端测量光束指向，按照先调整位置再调整指向的方法可无需在人员直接观察光束的情况下完成光束稳定装置的初始参数整定。

附图说明

图1为本发明实施例提供的曝光系统结构示意图：

图2为本发明实施例提供的专利CN201010256374方案示意图；

图3为本发明实施例提供的专利CN201010582736方案示意图；

图4为本发明实施例提供的稳定光束的装置结构示意图；

图5为本发明实施例提供的光束调整装置示意图；

图6为本发明实施例提供的微动调整光束过程示意图；

图7为本发明实施例提供的反射镜绕X方向运动示意图；

图8为本发明实施例提供的反射镜绕Y方向运动示意图；

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

如图5所示，本发明提供了一种光束调整装置42，包括：反射镜、反射镜安装座420、初始调整单元和微动调整单元，所述初始调整单元连接所述反射镜安装座420，所述反射镜通过微动调整单元安装在反射镜安装座420上，所述初始调整单元驱动反射镜安装座420运动，用于初始安装或复位时调整所述反射镜出射的输出端光束至基准位置；所述微动调整单元驱动反射镜相对反射镜安装座420运动，实时调整所述输出端光束的实际位置使其保持在基准位置。

稳定光束的装置和方法利用到所述光束调整装置42，可同时实现在初始装配过程中对光束的位置和指向的调整和运作过程中对光束的位置和指向偏差的实时校正。通过实现初始参数自动整定，避免了操作者在光束传输路径中频繁查看和调整；同一设备同时调整光束位置和指向，并使初始调整和实时调整相结合，降低了装置在光路中的安装精度要求。

具体的，所述初始调整单元包括：光束初始位置调整机构421，驱动所述反射镜安装座420绕X自由度运动以调整光束位置；光束初始指向调整机构422，驱动所述反射镜安装座420绕Y自由度运动以调整光束指向。所述光束初始位置调整机构421调整光源发生器41发射出光束的初始位置状态，所述光束初始指向调整机构422调整光源发生器41发射出光束的初始指向状态。

进一步的，微动调整单元包括三个压电执行器，每个所述压电执行器可进行Z自由度运动。较佳的，所述压电执行器配套设置有柔性连接器，所述压电执行器通过所述柔性连接器连接反射镜，三个压电执行器的运动不存在干涉和机械约束。所述微动调整单元还包括位置传感器，用于检测各个压电执行器的运动量。

如图4所示，本发明提供了一种稳定光束的装置，包括：设于光源发生器41与光源使用设备之间，所述稳定光束的装置包括：光束稳定探测装置、控制器46及上述的光束调整装置42，所述光束调整装置42的输入端接收所述光源发生器41输出的输入端光束，经所述光束调整装置42调整后出射的输出端光束入射至所述光源使用设备，所述光束稳定探测装置探测所述输出端光束信号发送给所述控制器46，所述控制器46根据接收的探测信号计算所述输出端光束的位置和指向，并根据目标光束的要求控制所述光束调整装置42对所述输入端光束进行调整。

进一步的，所述稳定光束的装置还包括第一分光镜431、第二分光镜432及反射镜，所述光束稳定探测装置包括第一探测器44以及第二探测器45；所述光束调整装置42接收所述光源发生器41出射的输入端光束，经所述光束调整装置42调整后出射的输出端光束入射至第一分光镜431，产生第一反射光和第一透射光，第一透射光入射第一探测器44，第一反射光经反射镜反射至第二分光镜432，产生第二反射光和第二透射光，所述第二反射光入射至所述光源使用设备，所述第二透射光入射至第二探测器45，所述第一探测器44将收到的所述第一透射光的信息传递至所述控制器46，所述第二探测器45将收到的所述第二透射光的信息传递至所述控制器46，所述控制器46依据接收到的信息控制所述光束调整装置42调整所述输入端光束的位置和方向。

在一个实施例中，所述第一探测器44用于探测输出端光束在Y方向的位置，所述第一探测器44设置在光路的近端，即更靠近光源发生器41的位置，所述第一探测器44的探测面与理想入射光轴垂直；所述第二探测器45用于探测输出端光束在X方向的位置，所述第二探测器45设置在光路的远端，即更靠近光源使用设备的位置，第二探测器45的探测面与理想入射光轴平行。可选的，所述第一探测器44和第二探测器45是线性传感器，还可以是四象限传感器、电荷耦合元件传感器或互补金属氧化物半导体传感器。

进一步的，所述控制器46内设置有存储设备，用于存放初始调整单元初始化或复位反射镜位置的调整参数信息和微动调整单元校正实际光束与目标光束之间位置和指向偏差时所依据的差异校正模型，所述差异校正模型包括微动调整单元的若干调整方式和调整量，以及调整后对应的输出端光束的位置和指向的调整量。

具体的，所述光束调整装置42、第一探测器44和第二探测器45设备由控制器46控制。所述控制器46控制所述光束调整装置42进行大行程初始调整和小行程微动实时调整。如图7、8所示，大行程初始调整通过控制光束初始位置调整机构421和光束初始指向调整机构422，使反射镜安装座420绕X和Y向运动实现；如图6所示，小行程微动实时调整通过控制微动调整单元，使反射镜沿Z向、绕X及绕Y向运动实现。所述光源发生器41可选为激光器，初始时反射镜安装座420的Z向位置靠安装保证，在光束使用过程中通过微动调整单元实时调整，以纠正激光器出射脉冲光不稳定导致的光束偏移。

本发明还提供了一种使用上述稳定光束装置的稳定光束的方法，包括以下步骤：

步骤1：将所述稳定光束的装置安装在光源发生器41与光源使用设备之间的光路中，在安装时按照目标光束的位置和指向要求，结合所述光束稳定探测装置的探测信号，控制所述初始调整单元驱动反射镜安装座420运动，对光束的位置和指向按要求初始化；

步骤2：在光源使用设备工作时，所述光束稳定探测装置探测所述输出端光束并反馈给所述控制器46，所述控制器46比较所述输出端光束与目标光束之间的位置和指向偏差，控制所述微动调整单元驱动反射镜相对反射镜安装座420运动以校正所述位置和指向偏差。

将完成安装后所述初始调整单元的调整参数存储至控制器，在停机再启动或复位时，控制所述初始调整单元根据存储的调整参数自动调整所述反射镜安装座的位置。

具体的，步骤1中所述初始化方法包括以下步骤：

步骤S11：结合所述第一探测器44的探测信号，控制所述光束初始位置调整机构421驱动反射镜安装座420绕X方向运动，使得光束的光轴位于所述第一探测器44的基准位置，所述第一探测器的基准位置为所述第一探测器44的中心或所述第一探测器44上预定义的某一特定位置。

初始调整时微动调整单元保持不动，默认微动调整单元的压电执行器处在行程中间位置且反射镜相对于三个电压执行器的平面是平行的。

光束初始位置调整机构421驱动反射镜安装座420绕X方向运动的同时控制器获取第一探测器44的读数，预先可设定当光束的位置位于第一探测器44的中心或事先定义好的某一特定位置(选择使用的探测器类型不同对应的位置会存在差异)时传感器读数为Y₀，光束初始位置调整机构421运动过程的示意图见图7。

步骤S12：结合所述第二探测器45的探测信号，控制所述光束初始指向调整机构422驱动反射镜安装座420绕Y方向运动，使得光束的光轴位于所述第二探测器45的基准位置，所述第二探测器的基准位置为所述第二探测器45的中心或所述第二探测器45上预定义的某一特定位置。

保持步骤S11的结果不动，控制器控制光束初始指向调整机构422的同时获取第二探测器45的读数，预先可设定光束的光轴位于第二探测器45的中心或事先定义好的某一特定位置时传感器读数为X₀，光束初始指向调整机构422运动过程的示意图见图8。

步骤S13：判断调整后的输出端光束的位置和指向是否满足目标光束的要求，否则重复执行步骤S11、S12。

进一步的，步骤S11中所述光束初始位置调整机构421驱动所述反射镜安装座420绕X方向旋转的旋转量θ_RX满足：其中所述第一透射光的光轴打在所述第一探测器44上的实际位置为Y₁，所述第一探测器44的基准位置为Y₀，所述光束调整装置42与所述第一探测器44之间在Y方向上的距离为D；

步骤S12中所述光束初始指向调整机构422驱动所述反射镜安装座420绕Y方向旋转的旋转量θ_RY满足：

其中所述第二透射光的光轴打在所述第二探测器45上的实际位置为X₁，所述第二探测器45的基准位置为X₀，所述光束调整装置42与所述第二探测器45之间在X方向上的距离为L。

接着，步骤3中所述实时调整方法包括以下步骤：

步骤S21：保持初始调整单元不动，定义装调时确认的第一探测器44和第二探测器45探测光束的基准位置Y₀、X₀为目标光束分别在第一探测器44和第二探测器45上的读数，将该基准位置Y₀、X₀与光束调整装置出射的光束在第一探测器44和第二探测器45上的测量读数Y_act、X_act做比较；

步骤S22：计算校正所述偏差所需的微动调整单元的调整方式和调整量，并控制所述微动调整单元执行调整。

可选的，在控制器46中存储有一差异校正模型，所述差异校正模型由微动调整单元中三个压电执行器的若干调整方式、调整量，以及调整后所对应的光束位置和光束指向的调整量拟合而成。根据所述差异校正模型计算校正所述偏差所需的三个压电执行器的调整方式和调整量，并控制三个压电执行器以及其连接的柔性机构运动执行。

可选的，预设一定的偏差容许量，在进行步骤S22之前判断计算得到的输出端光束相对目标光束的偏差是否超过偏差容许量，若是则执行步骤S22。

在光束被使用过程中，所述控制器46通过读取所述第一探测器44和第二探测器45的读数实时光束的实际位置作为反馈信号，重复执行步骤S21和S22，实现对光束做闭环调整，使得光束保持在基准位置。

进一步的，所述微动调整单元包括三个压电执行器，分别为第一压电执行器4201、第二压电执行器4202和第三压电执行器4203，三个压电执行器呈三角形分布安装于所述反射镜安装座上，其中所述第一压电执行器4201位于所述反射镜安装座的Y方向中轴线上，第二压电执行器4202和第三压电执行器4203关于Y方向中轴线对称分布；

所述三个压电执行器的调整方式包括所述第一压电执行器4201、第二压电执行器4202和第三压电执行器4203朝相同方向移动相同的位移时，所述反射镜反射的光束朝Z向运动；所述第一压电执行器4201不动，所述第二压电执行器4202和第三压电执行器4203朝相同方向移动相同的位移时，所述反射镜反射的光束绕X向运动；所述第一压电执行器4201不动，所述第二压电执行器4202和第三压电执行器4203朝相反方向移动相同的位移时，所述反射镜反射的光束绕Y向运动。

综上，在本发明所提供的光束调整装置、稳定光束的装置和方法中，光束调整装置包括：初始调整单元和微动调整单元，所述初始调整单元进行初始调整，所述微动调整单元进行实时调整。所述稳定光束的装置和方法利用到所述光束调整装置，可同时实现在初始装配过程中对光束的位置和指向的调整和运作过程中对光束的位置和指向偏差的实时校正。

本发明中可以只有一个光束调整装置，且同时具备初始调整和实时调整的能力，通过控制算法解耦位置和指向的调整，降低了装置的安装和调整精度要求，提高了装调效率。

进一步的，本发明结合使用两个测量装置分别在近端测量光束位置和在远端测量光束指向，按照先调整位置再调整指向的方法可无需在人员直接观察光束的情况下完成光束稳定装置的初始参数整定。

上述实施例仅用于示例性地说明发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何所属技术领域的技术人员，在不违背本发明的精神及范畴下，均可对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，而仍属于本发明的保护范围之内。