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。

如图1所示，本发明的实施例提供的双腔激光器(以下简称：激光器)控制系统用于控制双腔准分子激光器发出稳定的激光出光脉冲(以下简称：脉冲或脉冲信号)。该激光器控制系统包括能量控制模块101、执行/检测模块102、主振荡放电腔104、功率放大放电腔105、以及能量传感器103。其中，能量控制模块101向执行/检测模块102发出延时指令和电压控制指令，执行/检测模块102检测到延时并向能量控制模块101发出延时指令，并向主振荡放电腔(以下简称：MO腔)104和功率放大放电腔(以下简称：PA腔)105分别发出电压控制信号。能量传感器103检测到PA腔发出的激光的能量信号，反馈给能量控制模块101，实现闭环控制。

参考图2a和2b所示的双腔准分子激光器猝发模式出光特性，双腔准分子激光器的工作模式一般为猝发脉冲模式。猝发模式下，具有多个脉冲簇202，相邻的脉冲簇202之间具有猝发间隔203。猝发间隔203的时长可以设定，通常均为20ms以上，但是如果猝发间隔203的时长设定为0，那么激光器工作在连续模式(图中没画出)。猝发间隔到来后，激光器不出光。每一个猝发信号202内包括多个激光脉冲(以下简称：脉冲)201。图2a中只示意性表示出了第一猝发信号202a和第二猝发信号202b。猝发信号内脉冲的脉冲数和脉冲频率可以设定。脉冲频率是指猝发信号内的激光出光频率一般为1kHz到6kHz之间。图中脉冲的能量大小为示意图不代表真实大小。

能量控制模块101接收到来自能量传感器103的能量信号12。能量信号12为模拟量信号。如图2b所示，能量传感器103位于出光口，进行激光能量检测，并将激光能量信号以模拟量方式发送给能量控制模块101。能量传感器103内置的光电二极管将一个激光脉冲201转为多个电压信号204。由于激光脉冲201时间很短，光电二极管的电压很小，所以电压信号204具有时间短、电压低的特点。能量传感器103内置了放大电路，用于对电压信号204进行放大，以及定时电路，用于对电压信号204进行延时(约20us)。经过放大和延时处理后的能量信号12被传递到能量控制模块101。

结合图3所示，能量控制模块101包括高速信号处理模块304和信号计算控制模块309，两者可以由两个独立的CPU处理器完成或位于单独的CPU处理器内。

高速信号处理模块304包括模数转换模块301、高频滤波模块302以及峰值查找模块303。在本实施例中，峰值查找模块303中嵌入了信号计算控制模块309。

其中，模数转换模块301是高速模数转换芯片，将输入的能量信号12转换成数字信号，输出给高频滤波模块302。高频滤波模块302包括梳状滤波器和无限冲激响应滤波器，用于过滤掉数字信号中的1兆赫兹以上的频率成分，并输出滤波信号给峰值查找模块303。峰值查找模块303的逻辑流程图如图4所示。峰值查找模块303是事件触发，例如当检测到滤波信号上升沿(例如检测到滤波信号的电压大于等于0.5v时)，启动定时器，计时预设时间(例如15微秒)。并且，同时开始查找电压最大值，直到定时结束。在定时结束时，将预设时间内的电压最大值(峰值)输出，以作为当前激光脉冲的能量值。同时，运行一次信号计算控制模块309，对双腔电压和时延进行一次控制。之后，等待电压下降(例如电压小于0.3v)，此时结束当前激光脉冲的处理。由此，在每个猝发信号内的激光脉冲进行一次对双腔电压和时延的控制，以提高控制精度和稳定性。

信号计算控制模块309包括能量处理模块305、猝发信号识别模块308以及控制算法模块307，用于计算并发送电压和延时信号11。电压和延时信号11内包含三个信号：触发延时信号、主振荡放电腔电压信号和功率放大放电腔电压信号。

其中能量处理模块305将来自峰值查找模块303的电压最大值作为电压信号，根据下式，转化为当前激光脉冲能量值，并输出给控制算法模块307：

y＝a*x+b

其中x为来自峰值查找模块303的电压信号，单位毫伏；y为当前激光脉冲能量值，单位毫焦；a、b为线性系数，需要根据实际情况确定。本实施例中，a、b取值如下表：

其中猝发信号识别模块308的识别流程图如图5所示。猝发信号识别模块308用于进行猝发信号的识别和脉冲计数。具体而言，在信号计算控制模块309被触发时，猝发信号识别模块308首先进行初始化。在初始化阶段，将脉冲序号清零，将猝发信号序号清零，并将总脉冲数清零。完成初始化之后，在一个猝发信号(例如第一猝发信号201)内，第一个脉冲到来时，将猝发信号序号加1(例如，在第100号猝发信号时，猝发信号序号从99加到100)，将脉冲。然后判断脉冲时间间隔是否大于预设时长(本实施例中为20毫秒)，如果没有达到，即当前猝发信号还没有结束，需要继续进行脉冲计数；如果达到20ms，即当前猝发信号结束了，返回并对猝发信号序号加1。

在猝发信号还没结束的期间内，对脉冲序号加1并且对总脉冲数加1。因为前述初化后，将脉冲序号已清零，所以在每一个猝发信号的时长内，脉冲序号总是从0开始增加，例如从0到1000。总脉冲数，只是在初始化阶段被清零，但是在每个猝发信号到达时并未清零，所以总脉冲数在不断增加。

猝发信号识别模块308会产生脉冲序号、猝发信号的序号和总脉冲数，输出给控制算法模块307。猝发信号的序号(用i表示)、脉冲序号(用j表示)和总脉冲数(用p表示)用于控制算法模块307的时序实现。

如前述，控制算法模块307的输入包括：来自猝发信号识别模块308的脉冲序号、猝发信号的序号和总脉冲数；来自执行/检测模块102的测得延时信号13；来自能量处理模块305的当前激光脉冲能量值。控制算法模块307的输出信号11包含主振荡放电腔电压信号、功率放大放电腔电压信号以及触发延时信号。测得延时是执行/检测模块102检测得到的功率放大放电腔和主振荡放电腔之间的实际的延时。

功率放大放电腔电压信号控制电路如图6所示。预设的能量目标信号604和来自能量处理模块305的测得能量信号603(即，当前激光脉冲能量值)被输入到加法器61，计算出两者的误差信号63，并输出到均值锁定控制器608和剂量控制器607。

误差值e₆₃与测得能量值E₆₀₃、能量目标值E₆₀₄满足以下等式：

e₆₃＝E₆₀₄-E₆₀₃

其中，e₆₃表示能量误差计算模块610的输出误差信号63的值；E₆₀₃表示测得能量信号603的值；E₆₀₄表示能量目标信号604的值。

下面介绍均值锁定控制器608的工作步骤。在猝发模式下，即使在相同能量下，每个猝发信号内脉冲的电压也不同，因此每个猝发信号202内的多个猝发信号内脉冲的均值电压也不同。如图7a所示，其中均值线72为1000个猝发信号内脉冲在相同脉冲位置的均值散点，可以观察到猝发信号内脉冲的脉冲电压71随着脉冲位置在逐渐增加。如图7b所示，猝发信号701、猝发信号702、猝发信号703中，新的猝发信号产生后脉冲电压71将会回到最低点。猝发信号内脉冲的第一脉冲73为最低点。如果没有均值锁定，则双腔准分子激光器需要比较长的稳定过程。本发明的实施例中，通过快速找到每个猝发信号内脉冲的均值电压，加快了响应速度。另外，可以理解，猝发信号识别，可以是单独的硬件来实现，也可以利用软件来实现。

均值锁定控制器608实现对每个猝发信号内脉冲的均值电压的均值锁定的方法实现包括两个步骤：均值计算以及误差闭环控制。

均值锁定控制器608进行误差均值计算的公式如下：

其中，k∈总脉冲数p，e_63(j，k)表示在第k个猝发信号中的第j个脉冲的误差值；e_608(j，i)表示位于第i个猝发信号中的第j个猝发信号内脉冲的前1000个猝发信号内脉冲的误差和。可以理解，在本实施例中取的是前1000个猝发信号内脉冲的误差和，也可以根据脉冲频率设定为其他值。通常，脉冲频率为1kHz时，取1000为适宜的。

基于前述误差均值计算结果，均值锁定控制器608进行均值误差电压计算的公式如下：

v_608(j，i)＝v_608(j，i-1)+Kp*(e_608(j，i-1)-e_608(j，i-2))+Ki*e_608(j，i-1) j＜N

V_608(j，i)＝v_608(j-1，i) j＞＝N

v₆₀₈＝v_608(j，i)

上述等式中，v_608(j，i)为在第i个猝发信号中的第j个脉冲的均值电压，(是v₆₀₈在第i个猝发信号中的第j个脉冲的值)，N一般为在30～500之间预先选定的固定值，Kp、Ki分别为PI控制算法的比例系数和积分系数(通过实验确定)。由于均值电压是基于PI控制(Proportional Integral Control)算法计算的，所以其控制精度有所提高，有利于提高激光出光稳定性。

下面介绍剂量控制器607的计算过程。剂量精度是半导体光刻用高重频准分子激光器的重要指标。剂量控制器607实现了最直接的剂量精度控制，其计算步骤分为剂量误差计算和剂量误差闭环两个步骤。

剂量误差计算式如下，获得剂量误差求和：

其中，Dose_(j，i)为在第i个猝发信号中的第j个猝发信号内脉冲的剂量误差均值，l∈总脉冲数p，e_63(j，k)表示在第i个猝发信号中的第l个猝发信号内脉冲的误差值，Ns为一个剂量内的脉冲个数。

剂量电压信号v₆₀₇的计算方法如下：

v_607(j-1，i)＝v_608(j-1，i) j＜N-1

v_607(j，i-1)＝v_607(j，i-1) j>＝N-1

v_607(j，i)＝v_607(j-1，i)+Kp*(Dose_(j-1，i)-Dose_(j-2，i))+Ki*Dose_(j-1，i)

v₆₀₇＝v_607(j，i)

其中：v_607(j，i)表示在第i个猝发信号中的第j个猝发信号内脉冲的基于PI控制算法的剂量误差控制的结果(即，v₆₀₇在第i个猝发信号中的第j个脉冲的值)，Kp、Ki分别为PI控制方法中的比例系数和积分系数(通过实验确定)。当j＜N-1时均值锁定控制器608起作用，使得剂量控制器607的输出v₆₀₇与均值锁定控制器608的输出v₆₀₈相同，即剂量控制器607不起作用。当j＞＝N-1时均值锁定控制器608不起作用，使得剂量控制器607的输出v_607(j，i)为经过PI控制的信号，以提高稳定性。N表示一个猝发信号内某个脉冲的序号。

延时补偿模块612用于进行延时补偿。因为延时抖动会对激光器脉冲能量产生严重干扰，所以需要针对延时偏离最佳延时的情况专门设计延时补偿。延时补偿模块612由延时误差计算和PI控制器构成。PI调节器是一种线性控制器，其根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例和积分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。

延时误差计算模块612的输入为最佳延时601和来自执行/检测模块102的测得延时信号13，通过加法器62得到延时误差64，延时误差64通过PI控制器609得到延时电压信号v₆₀₉。

延时误差64的计算公式如下：

T_e64＝T₆₀₂-T₆₀₁

其中，T_e64为延时误差，T₆₀₁为预先设定的最佳延时；T₆₀₂为来自执行/检测模块102的测得延时信号13的值。

延时PI控制器609的输出延时电压信号v₆₀₉的计算公式如下：

其中v_609(j，i)为PI控制器609在第i个猝发信号的第j个脉冲的结果(即，v₆₀₉在第i个猝发信号的第j个脉冲),K_p0、K_i0分别为PI控制中的比例系数和积分系数，为在第i个猝发信号的第j-1个脉冲的延时误差。

剂量控制器607、均值锁定控制器608、PI控制器609这三个控制器的输出，通过加法器64组合到一起，作为功率放大放电腔电压信号v₆₁₁输出，其关系满足以下等式

v₆₁₁＝v₆₀₇+v₆₀₈+v₆₀₉

其中v₆₁₁为功率放大放电腔电压信号，v₆₀₇、v₆₀₈、v₆₀₉为剂量控制器607输出的剂量电压信号、均值锁定控制器608输出的均值电压信号、PI控制器609输出的延时电压信号。这三者均是独立利用PI控制得到的，用于控制功率放大放电腔电压信号，所以能够提高功率放大放电腔的激光出光能量的稳定性。

下面介绍对主振荡放电腔电压的控制方法。本发明实施例的主振荡放电腔电压调节可以扩展能量调节范围，且可以缩小主振荡放电腔和功率放大放电腔之间的电压差，通过缩小电压差可以增强激光出光能量的稳定性。

主振荡放电腔电压控制见图8，包含功率放大放电腔均值计算模块902、限制幅值模块903、主振荡放电腔误差计算模块904以及主振荡放电腔PI控制器(MO PI控制器)905。

其中功率放大放电腔均值计算模块902，其输入为功率放大放电腔的电压信号611(结合图6所示)，其按照下式计算后500个脉冲的功率放大放电腔电压均值(在本实施例中预设为500个脉冲，也可以预设为其它数量的脉冲)，并输出给限制幅值模块903：

其中k为脉冲序列序号，是基于脉冲总数p的脉冲序号。为功率放大放电腔均值计算模块902的输出信号中的第k个脉冲，v_611k为功率放大放电腔电压信号的第k次的结果。

限制幅值模块903的输入为主振荡放电腔电压901和功率放大放电腔电压均值v₉₀₂，其对主振荡放电腔电压901进行幅值限制。这是因为功率放大放电腔105的电压均值不能距离其最小电压或最大电压太近，这样功率放大放电腔的电压才可以正常调节(可调节范围)。例如，假设功率放大放电腔的电压范围为1300V到2000V，那么功率放大放电腔的电压均值最低应该为1400V左右，电压最高值应该在1900V左右。限制幅值模块903的工作模式为：

v₉₀₃＝v₉₀₁ B＞v₉₀₁＞A

v₉₀₃＝A v₉₀₁＜A

v₉₀₃＝B v₉₀₁＞B

其中v₉₀₃为限制幅值模块903的输出(限幅电压)，v₉₀₁为输入，A、B分别为可以设定的功率放大放电腔的电压下限值和电压上限值。利用限制幅值模块903，使得主振荡放电腔的电压在合适的范围内，不因为工作气体消耗等原因而过大或过小。从而有利于解决准分子激光器随着放电腔内气体消耗导致出光能力下降(即，相同电压下出光能量降低)的问题。

主振荡放电腔误差计算模块904，根据输入的的计算公式如下：

v₉₀₄＝v₉₀₂-v₉₀₃

其中，v₉₀₄为主振荡放电腔误差计算模块904输出的电压信号；v₉₀₂为功率放大放电腔均值计算模块902输出的电压信号，v₉₀₃为限制幅值模块903输出的电压信号。

MO PI控制器905的计算公式如下：

其中，j∈p，为脉冲序列序号，是基于脉冲总数p的脉冲序号。K_p1、K_i1分别为PI控制的比例系数和积分系数，v_904(j-1)为主振荡放电腔误差计算模块904输出的第j-1个脉冲的电压信号,v_905(j)为MO PI控制器905输出的第j个脉冲的电压信号。在此，利用MO PI控制器905进一步提高主振荡放电腔的出光激光能量稳定性。可以理解，在此并不限定使用MO PI控制器905进行闭环控制，也可以采用其他的闭环控制方法。

下面介绍电压和延时信号11中触发延时的计算。如图9所示，根据主振荡放电腔和功率放大放电腔的放电之间的实际放电延时(测得延时信号13)与最佳延时(例如35ns)的延时误差，以及当前触发延时1001，计算得到最终触发延时1008。通过实验可以测定达到最佳延时(例如35ns)所需要的触发延时1001，关系满足下面二次关系式

T(v₆₁₁，v₉₀₁)＝e*v₆₁₁ ²+d*v₉₀₁ ²+c*v₆₁₁+b*v₉₀₁+a

其中a、b、c、d、e均为二次多项式系数，当双腔放电之间的实际触发延时为T时，将会满足最佳延时(例如35ns)。实际中不同激光器参数会不一样。

由于受到双腔内部温度和电气特性等影响，上述公式存在偏差，所以需要进行闭环修正。通过加法器1007将开环触发延时和闭环触发延时相加并输出最终触发延时1008。本发明通过开环和闭环结合的办法，快速消除延时偏差。

如图9所示，闭环触发延时1006的计算过程是：通过加法器1004将测得延时信号13和最佳延时1002相减得到延时误差，将延时误差经过低通滤波1005后经PI控制器1006处理。其中最佳延时信号1002为根据双腔电气特性预先设定的值。加法器1004满足如下关系式：

T₁₀₀₄＝T₁₃-T₁₀₀₂

其中T₁₀₀₄表示加法器1004的延时误差，T₁₃表示实际测得延时，T₁₀₀₂表示预设的最佳延时。

低通滤波器1005满足如下关系式：

T_1005(j)＝(1-a)T_1005(j-1)-aT₁₀₀₂

a＝1/(1+f_s)

其中f_s为激光脉冲的频率，T_1005(j)为低通滤波器1005的第j次输出。

PI控制器1006的输出满足如下关系式：

T_1006(j)＝T_1005(j-1)+K_p2*(T_1005(j-1)-T_1005(j-2))+K_i2*T₁₀₀₅(j-1)

其中，T_1006(j)表示PI控制器1006的输出信号的第j个脉冲；K_p2、K_i2分别为PI控制的比例系数和积分系数，T_1005(j-i)为低通滤波器1005输出信号T₁₀₀₅的第j-1个脉冲。

以上提到的数值仅仅举例说明，均可根据实际的激光器的性能进行设定。通过能量控制模块101对执行/检测模块102的控制，包括对双腔之间放电延时控制以及对双腔的电压控制，解决了双腔准分子激光器的延时干扰、激光脉冲能量和电压的非线性关系和消除了能量扰动，实现了能量稳定输出。

下面介绍本发明实施例的工作原理。

如图2a-2b所示，在每个猝发信号期间，能量控制模块101对主振荡放电腔和功率放大放电腔进行本发明的能量控制。如图3所示，能量控制模块101从能量传感器103获得能量信号，从中查找到电压最大值，输出给能量处理模块305。能量处理模块305将电压值作线性计算，作为测得能量603输出到能量误差计算模块610。如图6所示，能量误差计算模块610基于预设的能量目标值，利用加法器61计算出能量误差，输出给剂量控制器607和均值锁定控制器608。均值锁定控制器608利用PI控制计算出均值电压，得到均值电压控制信号。

同时，剂量控制器607基于前述能量误差，利用PI控制计算出剂量控制信号。而且，延时补偿模块612中，利用延时PI控制器609，基于实际测得的(执行/检测模块102测得的)测得延时信号13与最佳延时信号601之间的误差，计算延时控制信号。均值电压控制信号、剂量控制信号、延时控制信号共同被输入到加法器64以形成功率放大放电腔电压信号611。由于这三者均是PI控制方法计算得到的，可以提高控制精度进而提高功率放大放电腔的出光稳定性。

如图8所示，基于功率放大放电腔电压信号611的均值，对主振荡放电腔电压信号901进行幅值限制，以使功率放大放电腔电压信号被限定在预设的可调节电压范围内，从而实现功率放大放电腔电压可调。这样就可以避免由于工作气体被消耗导致准分子激光器在相同电压下的出光能量下降。

更进一步，利用PI控制和闭环控制，使得主振荡放电腔电压与功率放大放电腔电压均值之间的误差被精确控制，以提高主振荡放电腔电压的稳定性。

如图9所示，前述计算得到的功率放大放电腔电压信号611和主振荡放电腔电压信号901被用于计算开环延时，再结合采用PI控制算法，基于测得延时信号13与最佳延时1002的误差，得到的闭环延时，计算得到最终触发延时1008。

结合图1和图3所示，控制算法模块307计算得到前述的功率放大放电腔电压信号611、主振荡放电腔电压信号901以及最终触发延时1008(三者合起来简称为：电压和延时信号11)，并发送电压和延时信号11给执行/检测模块102。执行/检测模块将电压和延时信号11内的主振荡放电腔电压信号901进行放大，并对主振荡放电腔104施加放大后的高压。因此，主振荡放电腔104内气体受高压发电后激发产生激光。经过一段时间(最终触发延时1008)，执行/检测模块102才对功率放大放电腔105施加将功率放大放电腔电压信号611放大后的高压。因此，功率放大放电腔105内气体受高压放电后激发产生激光。经过能量控制模块101的延时控制，可以保证主振荡放电腔104、功率放大放电腔105产生的激光同时到达出光口(达到最佳延时的效果)。通过对双腔的电压信号的控制，就可以调节激光器脉冲能量的大小。

综上所述，本发明实施例的双腔准分子激光器，具有以下技术优势：

1)利用功率放大放电腔电压信号均值锁定、对主振荡放电腔电压信号进行限幅以及对主振荡放电腔电压的闭环调整，扩大出光能量调节范围，解决了由于放电腔内气体消耗导致的出光能力下降问题；

2)对功率放大放电腔电压信号、主振荡放电腔电压信号以及触发延时分别进行闭环控制，提高了控制精度和出光能量稳定性；

3)对触发延时进行开环控制和闭环控制相结合的方式，进一步提高了延时控制的速度，加快响应；

4)均值锁定控制器与剂量控制器的结合，即能满足光刻精度需要也能扩展能量调节范围。

上面对本发明进行了详细的说明。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。