一种准分子激光器谱线宽度切换能量控制方法及系统与流程

本发明属于光刻用准分子激光光源控制，具体涉及一种准分子激光器谱线宽度切换能量控制方法及系统。

背景技术：

1、准分子激光器是光刻曝光系统的主力光源，其输出光谱的展宽程度以谱线宽度表征。光刻曝光在一次扫描中依次加工不同的图形层，部分图形层需要较窄的谱线宽度以提高成像对比度，另一部分图形层需要较宽的谱线宽度以换取更大的焦深，因而曝光系统按图形层向激光器下发不同的谱线宽度目标值，目标值在一次扫描中按层发生阶跃。承担谱线宽度调整的谱带宽度可变部为机械或光学致动型部件，其行程与稳定过程跨越若干个脉冲。

2、谱线宽度的改变同时改变出光能量与出光能力，即同一放电电压下的出光能量随谱线宽度移动，每单位放电电压变化所能带来的能量变化也随谱线宽度移动。现有的准分子激光器能量控制均为基于实测能量偏差的事后反馈：公开号为cn109638629b的专利文献按脉冲在脉冲序列中的位置分两段建立数学模型计算放电电压；公开号为cn113783097a的专利文献在剂量比例积分之外增加以能量误差乘扰动系数得到的扰动前馈，并把比例增益与积分增益拟合为出光能力的多项式，而其出光能力由历史放电电压与出光能量数据经滤波滑动估计得到，且该文献所称出光能力定义为电压增量与出光能量增量之比，与本发明所称出光能力互为倒数。上述方案的修正量均须待能量偏差出现之后方能给出，在谱线宽度目标值发生阶跃切换时，出光能量随谱带宽度可变部的行程推进而逐脉冲偏离设定值，偏差出现之后才由反馈环逐脉冲拉回，落入剂量滑动窗的脉冲因而带入与切换事件同步的系统性偏差；其被控对象增益或为固定值、或存在若干脉冲的估计滞后，难以在切换瞬态上使闭环等效开环增益保持恒定。

3、在气体老化辨识方面，公开号为cn104332806b的专利文献区分恒脉冲能量输出模式与恒工作电压模式，分别以维持同一能量所需工作电压的逐渐升高、同一电压下输出脉冲能量的逐渐下降表征气体老化，并据以确定部分换气与卤素气体注入的时机与剂量。该方案直接以工作电压或输出脉冲能量的原始序列作为观测量，未考虑控制系统自身为其他目的施加的确定性偏移对该序列的污染。在谱线宽度频繁切换的运行工况下，切换引起的阶跃偏移会混入老化观测量，使据此得到的老化速率失真。

技术实现思路

1、为克服上述现有技术的不足，本发明旨在提供一种准分子激光器谱线宽度切换能量控制方法及系统，以解决谱线宽度目标值切换过程中出现能量瞬变、控制器增益随谱线宽度工作点漂移、以及切换引起的电压偏移污染气体老化辨识这三个技术问题。

2、本发明实施例的第一方面提供一种准分子激光器谱线宽度切换能量控制方法，所述方法包括：

3、在多个谱线宽度设定点上以同一放电电压测定出光能量与出光能力，拟合得到出光能量对谱线宽度的偏导数与出光能力对谱线宽度的偏导数，以所述多个谱线宽度设定点中与初始谱线宽度目标值相对应的设定点处标定所得的出光能力为出光能力估计值，所述初始谱线宽度目标值为谱线宽度目标指令序列中的首个目标值，所述出光能力为出光能量随放电电压的变化率；

4、接收所述谱线宽度目标指令序列，取本脉冲与前一脉冲的谱线宽度目标值之差为谱线宽度变化量，按所述谱线宽度目标值改变输出光谱的展宽程度；

5、在谱线宽度目标值变更的同一脉冲上确定前馈电压补偿量，所述前馈电压补偿量为所述出光能量对谱线宽度的偏导数与所述谱线宽度变化量之积的负值除以前一脉冲的所述出光能力估计值所得；

6、在所述同一脉冲上以所述出光能力对谱线宽度的偏导数与所述谱线宽度变化量之积修正所述出光能力估计值，并按修正后的出光能力估计值归一化剂量控制与能量控制的增益；

7、逐脉冲测定出光能量，以所述剂量控制与所述能量控制按归一化后的增益根据已测得的所述出光能量给出的反馈电压分量与前馈电压分量之和为放电电压设定值，所述前馈电压分量为所述前馈电压补偿量与分配系数之积，所述分配系数不大于一，且自谱线宽度目标值变更的脉冲起单调不减直至取值为一，按所述放电电压设定值触发放电，输出本脉冲。

8、在一些实施例中，所述在多个谱线宽度设定点上以同一放电电压测定出光能量与出光能力，包括：

9、在每一谱线宽度设定点上将谱带宽度可变部稳定于该谱线宽度设定点，测定实际谱线宽度并等待所述实际谱线宽度与该谱线宽度设定点之差落入预设容差带后判定实际谱线宽度到位，在同一放电电压下发射一组脉冲并取该组脉冲的出光能量平均值，以及在以所述同一放电电压为中心的预设电压区间内改变放电电压后按出光能量随放电电压的线性回归取该谱线宽度设定点处的出光能力，所述谱带宽度可变部为改变输出光谱展宽程度的执行部。

10、在一些实施例中，所述拟合得到出光能量对谱线宽度的偏导数与出光能力对谱线宽度的偏导数，为对各谱线宽度设定点处的出光能量与出光能力分别作线性拟合或分段线性拟合，在分段线性拟合时按当前谱线宽度目标值所在区段取局部斜率，并在换气或更换窄带化模块后重新测定与重新拟合，所述窄带化模块为承担光谱压窄功能的色散光学组件。

11、在一些实施例中，所述前馈电压补偿量按下式确定，

12、

13、式中，为前馈电压补偿量，为出光能量对谱线宽度的偏导数，为本脉冲的谱线宽度变化量，为前一脉冲的出光能力估计值；所述分配系数取一，所述前馈电压补偿量在谱线宽度目标值再次变更前保持不变。

14、在一些实施例中，所述修正所述出光能力估计值，为按下式修正，

15、

16、式中，为本脉冲的出光能力估计值，为前一脉冲的出光能力估计值，为出光能力对谱线宽度的偏导数，为本脉冲的谱线宽度变化量；所述归一化剂量控制与能量控制的增益，为按下式取比例增益与积分增益，

17、

18、式中，为比例增益，为积分增益，与为与被控对象增益无关的整定常数，为修正后的本脉冲出光能力估计值。

19、在一些实施例中，所述剂量控制与所述能量控制的增益包括比例增益与积分增益；所述方法还包括测定实际谱线宽度，在谱线宽度目标值变更后的预设脉冲数内将所述剂量控制的积分增益降为按修正后的出光能力估计值归一化所得取值的预设比例且保留积分累积值，所述剂量控制的比例增益不作降额，在脉冲计数达到所述预设脉冲数且所述实际谱线宽度与所述谱线宽度目标值之差在连续预设判稳脉冲数内均落入预设容差带内后将所述积分增益恢复，所述预设脉冲数不小于谱带宽度可变部的行程时间与脉冲重复频率之积，所述谱带宽度可变部为改变输出光谱展宽程度的执行部，所述脉冲重复频率为激光器单位时间内输出的脉冲个数。

20、在一些实施例中，还包括测定谱带宽度可变部的归一化到位轮廓，所述分配系数在谱线宽度目标值变更后的各脉冲上取所述归一化到位轮廓在该脉冲上的对应取值，所述归一化到位轮廓在谱带宽度可变部动作完成时取值为一，所述谱带宽度可变部为改变输出光谱展宽程度的执行部。

21、在一些实施例中，还包括自基准点起累计所述前馈电压补偿量得到累计前馈电压补偿量，累计所述出光能量对谱线宽度的偏导数与所述谱线宽度变化量之积得到累计能量变化量，在所述反馈电压分量随出光能量变动、放电电压随所述反馈电压分量变化的恒能量运行模式下以所述放电电压设定值减去所述累计前馈电压补偿量所得序列作为气体老化辨识的输入，在所述反馈电压分量与所述前馈电压分量均停止更新并保持为进入该模式前的取值、放电电压锁定于固定值的恒电压运行模式下以所述出光能量减去所述累计能量变化量所得序列作为气体老化辨识的输入，对气体老化辨识的输入作趋势辨识得到老化速率，并由所述老化速率外推得到气体老化辨识的输入到达预设限值所需的剩余脉冲数，以所述剩余脉冲数低于预设余量作为换气判据，所述基准点为累计的起算脉冲，取上一次换气完成时、上一次测定与拟合完成时或者上一次运行模式变更完成时所对应的脉冲。

22、本发明实施例的第二方面提供一种准分子激光器谱线宽度切换能量控制系统，包括：

23、灵敏度标定模块，在多个谱线宽度设定点上以同一放电电压测定出光能量与出光能力，拟合得到出光能量对谱线宽度的偏导数与出光能力对谱线宽度的偏导数，并以所述多个谱线宽度设定点中与初始谱线宽度目标值相对应的设定点处标定所得的出光能力为出光能力估计值，所述初始谱线宽度目标值为谱线宽度目标指令序列中的首个目标值，所述出光能力为出光能量随放电电压的变化率；

24、谱线宽度指令解析模块，接收所述谱线宽度目标指令序列，取本脉冲与前一脉冲的谱线宽度目标值之差作为谱线宽度变化量；

25、谱带宽度可变部，按所述谱线宽度目标值改变输出光谱的展宽程度；

26、前馈补偿模块，在谱线宽度目标值变更的同一脉冲上确定前馈电压补偿量，所述前馈电压补偿量为所述出光能量对谱线宽度的偏导数与所述谱线宽度变化量之积的负值除以前一脉冲的所述出光能力估计值所得；

27、出光能力估计与增益归一化模块，在所述同一脉冲上以所述出光能力对谱线宽度的偏导数与所述谱线宽度变化量之积修正所述出光能力估计值，并按修正后的出光能力估计值归一化剂量控制部与能量控制部的增益；

28、激光参数测量模块，逐脉冲测定出光能量；

29、剂量控制部与能量控制部，按归一化后的增益根据已测得的所述出光能量给出反馈电压分量；

30、放电电压合成模块，以所述反馈电压分量与前馈电压分量之和为放电电压设定值，所述前馈电压分量为所述前馈电压补偿量与分配系数之积，所述分配系数不大于一，且自谱线宽度目标值变更的脉冲起单调不减直至取值为一；

31、高压放电模块，按所述放电电压设定值产生脉冲高压；

32、激光器腔体，收容工作气体，所述工作气体在所述脉冲高压激励下放电，输出本脉冲。

33、在一些实施例中，所述剂量控制部与所述能量控制部的增益包括比例增益与积分增益；所述系统还包括气体老化辨识模块，其中：

34、所述激光参数测量模块还测定实际谱线宽度，所述剂量控制部在谱线宽度目标值变更后的预设脉冲数内将积分增益降为按修正后的出光能力估计值归一化所得取值的预设比例且保留积分累积值，所述剂量控制部的比例增益不作降额，在脉冲计数达到所述预设脉冲数且所述实际谱线宽度与所述谱线宽度目标值之差在连续预设判稳脉冲数内均落入预设容差带内后恢复所述积分增益，所述预设脉冲数不小于所述谱带宽度可变部的行程时间与脉冲重复频率之积，所述脉冲重复频率为激光器单位时间内输出的脉冲个数；

35、所述气体老化辨识模块自基准点起累计所述前馈电压补偿量得到累计前馈电压补偿量，累计所述出光能量对谱线宽度的偏导数与所述谱线宽度变化量之积得到累计能量变化量，在所述反馈电压分量随出光能量变动、放电电压随所述反馈电压分量变化的恒能量运行模式下以所述放电电压设定值减去所述累计前馈电压补偿量所得序列作为气体老化辨识的输入，在所述反馈电压分量与所述前馈电压分量均停止更新并保持为进入该模式前的取值、放电电压锁定于固定值的恒电压运行模式下以所述出光能量减去所述累计能量变化量所得序列作为气体老化辨识的输入，对气体老化辨识的输入作趋势辨识得到老化速率，并由所述老化速率外推得到气体老化辨识的输入到达预设限值所需的剩余脉冲数，以所述剩余脉冲数低于预设余量作为换气判据，所述基准点为累计的起算脉冲，取上一次换气完成时、上一次测定与拟合完成时或者上一次运行模式变更完成时所对应的脉冲。

36、本发明的有益效果包括：

37、一、前馈电压补偿量由谱线宽度目标指令的变化量与标定偏导数直接算出，不必等待能量偏差出现，并按分配系数随谱带宽度可变部的到位过程逐拍施加，使切换脉冲及其后行程窗口内的能量偏差由完整的线宽耦合跳变降至标定残差量级，能量随时间的曲线在切换点附近保持平直，落入剂量滑动窗的脉冲不再带入与切换事件同步的系统性偏差。

38、二、出光能力估计值与控制器增益在同一拍上同步归一化，闭环等效开环增益不随谱线宽度工作点漂移，切换前后的稳定裕度与收敛速度一致；整定常数与被控对象增益解耦后，控制器只需按期望的闭环动态特性整定一次，不必为每一个谱线宽度档位单独整定并存储一套参数。

39、三、在谱带宽度可变部的行程窗口内压低积分作用，并按归一化到位轮廓逐拍分配前馈量，使行程期间的残余失配不被积分器累积成反向的过量修正，避免了可变部到位后的二次超调，能量恢复过程单调、所需脉冲数随之减少。

40、四、把控制系统自己显式施加、量值精确已知的补偿量从气体老化辨识的输入中扣除，使指令引起的变化与气体状态引起的变化在同一观测量上得以分离，老化速率的估计回到只由气体状态决定的正确基础上，换气触发既不因假上升而提前，也不因往复切换的相互抵消而滞后。