基于放电出光时间差的激光器状态监控系统及监控方法与流程

1.本发明涉及激光技术领域，尤其是基于放电出光时间差的激光器状态监控系统及监控方法。


背景技术：

2.duv光刻中通常采用准分子激光器系统作为光源，随着光刻光源的持续运行，激光器腔内气体的卤素在使用过程中慢慢被消耗，含量不断下降，会降低光刻光源的输出能量和放电稳定性。另外，mopa结构准分子激光器系统，其输出激光脉冲能量、光谱等特征参数对于两腔体放电时间的间隔极其敏感，需要迅速调节双腔放电时间并同步放电。尤其是光刻光源通常工作在burst模式下，即持续脉冲输出一段时间、停顿一段时间这样间隔的运行状态，当工作状态从空闲状态转变为发送重复脉冲状态时，腔内气体状态在开始时刻会发生较大改变，此时光刻光源的性能就发生了很大的变化，会严重影响mopa双腔的同步特性，调节时间大幅增加。
3.因此在光刻光源中需要对激光器状态进行在线判断，然而，准分子激光器在使用过程中，其放电电压高达几十千伏，而且其出光脉冲较窄，通过放电出光时间差在线判断激光器状态一直是个难题；且在准分子激光器放电瞬间，存在极强的电磁干扰，这也为放电出光时间差的测量增大了难度。


技术实现要素：

4.为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明提供基于放电出光时间差的激光器状态监控系统，能够精确的测量准分子激光器的放电信号与出光信号之间的放电出光时间差。
5.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，包括：
6.基于放电出光时间差的激光器状态监控系统，包括：放电信号采样模块、出光信号采样模块、时间测量模块；
7.所述放电信号采样模块用于对激光器的放电信号stop1
′
进行采样处理，采样得到放电信号stop1；
8.所述出光信号采样模块用于对激光器的出光信号stop2
′
进行采样处理，采样得到出光信号stop2。
9.所述放电信号采样模块的输出端和所述出光信号采样模块的输出端分别与时间测量模块的两个输入端相连接，将采样得到的放电信号stop1和出光信号stop2分别发送至时间测量模块；
10.所述时间测量模块对采样得到的放电信号stop1和采样得到的出光信号stop2之间进行时间差测量，得到放电出光时间差。
11.所述放电信号采样模块包括：第一电压比较器、光耦隔离器、反相器、d1触发器、d2触发器、d3触发器；
12.第一电压比较器的同向输入端与电位器相连接，输入通过电位器调节的阈值电压
u1；第一电压比较器的反向输入端输入激光器的放电信号stop1
′
；第一电压比较器的输出端与光耦隔离器的输入端相连接；光耦隔离器的输出端与d1触发器的时钟端相连接；光耦隔离器的输出端还与反相器的输入端相连接；反相器的输出端与d3触发器的时钟端相连接；d1触发器的反向输出端与d2触发器的时钟端相连接；d2触发器的输出端与d3触发器的输入端相连接；d3触发器的输出端即为放电信号采样模块的输出端，d3触发器的输出信号即为放电信号采样模块采样得到的放电信号stop1。
13.所述出光信号采样模块包括：第二电压比较器、d4触发器、三极管；
14.第二电压比较器的反向输入端与电位器相连接，输入通过电位器调节的阈值电压u2；第二电压比较器的同向输入端输入激光器的出光信号stop2
′
；第二电压比较器的输出端与d4触发器的时钟端相连接；d4触发器的输入端连接电源；d4触发器的输出端与三极管的基极相连接，三极管的集电极与d4触发器的清零端相连接；d4触发器的输出端即为出光信号采样模块的输出端，d4触发器的输出信号即为出光信号采样模块采样得到的出光信号stop2。
15.系统还包括：触发信号采样模块；
16.所述触发信号采样模块用于采集激光触发信号start
′
，并将激光触发信号start
′
发送至时间测量模块中，作为时间测量模块的触发信号start，所述时间测量模块以该触发信号start作为时间差测量的基准，即当触发信号start来临时，时间测量模块开始对采样得到的放电信号stop1和出光信号stop2之间进行时间差测量。
17.本发明还提供了一种应用于所述基于放电出光时间差的激光器状态监控系统的监控方法，固定激光器的放电电压，改变激光腔内气体状态即改变激光腔内气体的卤素含量，分别测量不同卤素含量所对应的放电出光时间差，得到该放电电压下的卤素含量与放电出光时间差之间的函数关系。
18.卤素含量与放电出光时间差之间的函数关系为：
19.卤素含量低于卤素含量阈值p1时，卤素含量与放电出光时间差呈反比关系，即卤素含量越大，放电出光时间差越小；
20.卤素含量等于卤素含量阈值p1时，放电出光时间差的值为极小值；
21.卤素含量高于卤素含量阈值p1时，卤素含量与放电出光时间差呈正比关系，即卤素含量越大，放电出光时间差越大。
22.固定激光腔内气体状态即固定激光腔内气体的卤素含量，改变激光器的放电电压，分别测量不同放电电压所对应的放电出光时间差，得到该卤素含量下的放电电压与放电出光时间差之间的函数关系。
23.放电电压与放电出光时间差之间的函数关系为：
24.放电电压与放电出光时间差呈反比关系，即放电电压越大，放电出光时间差越小。
25.激光器在使用过程中，监控系统持续测量放电出光时间差，激光器状态的监控过程如下所示：
26.s11，随着激光器的使用，放电出光时间差的值开始逐渐下降，下降至极小值min(δt)；
27.s12，随着激光器的进一步使用，放电出光时间差下降至极小值min(δt)后，放电出光时间差的值开始逐渐上升；
28.s13，随着激光器的继续使用，当放电出光时间差的值上升至时间差阈值t1时，对激光腔内的气体进行换气。
29.激光器在使用过程中，监控系统持续测量放电出光时间差，激光器状态的监控过程如下所示：
30.s21，随着激光器的使用，放电出光时间差的值开始逐渐下降，下降至极小值min(δt)；此时，根据卤素含量与放电出光时间差的函数关系，得到放电出光时间差的极小值min(δt)所对应的卤素含量为p
min(δt)
；
31.s22，随着激光器的进一步使用，放电出光时间差下降至极小值min(δt)后，放电出光时间差的值开始逐渐上升；此时，根据卤素含量为p
min(δt)
下的放电电压与放电出光时间差之间的函数关系，调节放电电压，使得放电出光时间差保持稳定；
32.s23，随着激光器的继续使用，当放电出光时间差的值上升至时间差阈值t1时，对激光腔内的气体进行换气；
33.步骤s21中，通过固定激光器的放电电压，改变激光腔内气体状态即改变激光腔内气体的卤素含量，分别测量不同卤素含量所对应的放电出光时间差，得到该放电电压下的卤素含量与放电出光时间差之间的函数关系；
34.步骤s22中，通过固定激光腔内气体状态即固定激光腔内气体的卤素含量，改变激光器的放电电压，分别测量不同放电电压所对应的放电出光时间差，得到该卤素含量下的放电电压与放电出光时间差之间的函数关系。
35.本发明的优点在于：
36.(1)本发明的监控系统能够精确的测量准分子激光器的放电信号与出光信号之间的放电出光时间差。
37.(2)在光刻光源中，放电出光时间差与卤素含量、放电电压存在函数关系，由于卤素含量、放电电压的不同会造成放电出光时间差的变化，通过本发明的监控系统，精确的测量出放电出光时间差，从而能够得到放电出光时间差与卤素含量、放电电压之间准确的函数关系。
38.(3)本发明基于放电出光时间差与卤素含量、放电电压之间的函数关系，通过对腔内气体进行换气以及对放电电压进行调节，从而稳定激光器状态。
39.(4)在放电电压固定时，对放电出光时间差进行精准的时间测量有助于对气体配比进行定量分析。
40.(5)利用放电出光时间差判断激光器状态，方便mopa双腔的快速同步，并且可以确定腔内气体的更换时间或者施加补偿电压的时间；在同步装置中，精确的时间测量，可以为各设备的触发时序提供一个时间基准信号，来保证各设备之间实现高精度的时间同步。
附图说明
41.图1为本发明的基于放电出光时间差的激光器状态监控系统的整体示意图。
42.图2为放电信号采样模块中的信号时序图。
43.图3为出光信号采样模块中的信号时序图。
44.图4为触发信号、放电信号、出光信号的信号时序图。
45.图5为卤素含量与放电出光时间差之间的关系图。
46.图6为卤素含量与放电出光时间差之间的关系图。
47.图7为放电信号采样模块的电路示意图。
48.图8为出光信号采样模块的电路示意图。
具体实施方式
49.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
50.由图1所示，本发明的基于放电出光时间差的激光器状态监控系统，包括：触发信号采样模块1、放电信号采样模块2、出光信号采样模块3、时间测量模块4。
51.所述触发信号采样模块1用于采集激光触发信号start
′
，并将激光触发信号start
′
发送至时间测量模块4中，作为时间测量模块4的触发信号start。
52.所述放电信号采样模块2用于接收准分子激光器的放电信号stop1
′
，并对准分子激光器的放电信号stop1
′
进行采样处理，采样得到放电信号stop1。
53.所述出光信号采样模块3用于接收准分子激光器的出光信号stop2
′
，并对准分子激光器的出光信号stop2
′
进行采样处理，采样得到出光信号stop2。
54.所述放电信号采样模块2的输出端和所述出光信号采样模块3的输出端分别与时间测量模块4的两个输入端相连接；所述放电信号采样模块2采样得到的放电信号stop1和所述出光信号采样模块3采样得到的出光信号stop2分别输入至时间测量模块4的两个输入端。
55.所述时间测量模块4对放电信号stop1与出光信号stop2之间的时间差进行测量，得到放电出光时间差；所述时间测量模块4以时间测量模块4的触发信号start作为时间差测量的基准，即当触发信号start来临时，时间测量模块4开始进行放电信号stop1与出光信号stop2之间的时间差测量。
56.所述放电信号采样模块2用于接收准分子激光器的放电信号stop1
′
，并对准分子激光器的放电信号进行采样处理，采样得到放电信号stop1。所述放电信号采样模块2包括：第一电压比较器21、光耦隔离器22、反相器23、d1触发器24、d2触发器25、d3触发器26。
57.本实施例中，由图7所示，第一电压比较器21的同向输入端与电位器相连接，输入通过电位器调节的阈值电压u1；第一电压比较器21的反向输入端输入准分子激光器的放电信号stop1
′
；第一电压比较器21的输出端与光耦隔离器22的输入端相连接；由图7所示，光耦隔离器22的输出端与d1触发器24的时钟端相连接；光耦隔离器22的输出端还与反相器23的输入端相连接，反相器23的输出端与d3触发器26的时钟端相连接；d1触发器24的反向输出端与d2触发器25的时钟端相连接；d2触发器25的输出端与d3触发器26的输入端相连接；d3触发器26的输出端即为放电信号采样模块2的输出端，d3触发器26的输出信号即为放电信号采样模块2采样得到的放电信号stop1。
58.由图2所示，准分子激光器的放电信号stop1
′
输入至第一电压比较器21的反向输入端，第一电压比较器21的同向输入端输入通过电位器调节的阈值电压u1，第一电压比较器21的输出端输出信号q1，当放电信号stop1
′
低于该阈值电压u1时，即视为放电信号
stop1
′
到来，当放电信号stop1
′
来临时，随着放电信号stop1
′
的电压降低直至低于阈值电压u1后，此时信号q1从低电平信号转变为高电平信号；信号q1输入至光耦隔离器22，光耦隔离器22的输出端输出信号q2；信号q2输入至d1触发器24的时钟端，当准分子激光器的放电信号stop1
′
来临时，信号q2为一个高电平信号，且信号q2的高电平脉冲宽度即为放电信号stop1
′
低于阈值电压u1的持续时间，d1触发器24的反向输出端输出信号此时信号为一个低电平信号；信号输入至d2触发器25的时钟端，在信号的上升沿来临时，d2触发器25的输出端输出信号q4，此时信号q4为一个持续的高电平信号；信号q4输入至d3触发器26的输入端，信号q2还经过反相器23输入至d3触发器26的时钟端，在信号q2的下降沿来临时，d3触发器26的输出端的输出信号q5，此时信号q5为一个高电平信号，该高电平信号即为放电信号采样模块2采样得到的放电信号stop1。
59.所述出光信号采样模块3用于接收准分子激光器的出光信号stop2
′
，并对准分子激光器的出光信号进行采样处理，采样得到出光信号stop2。所述出光信号采样模块3包括：第二电压比较器31、d4触发器32、三极管33；
60.本实施例中，由图8所示，第二电压比较器31的反向输入端与电位器相连接，输入通过电位器调节的阈值电压u2；第二电压比较器31的同向输入端输入准分子激光器的出光信号stop2
′
；第二电压比较器31的输出端与d4触发器32的时钟端相连接；d4触发器32的输入端连接 3.3v的电源；d4触发器32的输出端即为出光信号采样模块3的输出端，d4触发器32的输出信号即为出光信号采样模块3采样得到的出光信号stop2；且d4触发器32的输出端与三极管33的基极相连接，三极管33的集电极与d4触发器32的清零端相连接。
61.由图3所示，准分子激光器的出光信号stop2
′
输入第二电压比较器31的同向输入端，第二电压比较器31的反向输入端输入通过电位器调节的阈值电压u2，第二电压比较器31输出端输出信号q6，当出光信号stop2
′
超过该阈值电压u2后，即视为出光信号stop2
′
到来，当出光信号stop2
′
来临时，随着出光信号stop2
′
的电压升高直至超过该阈值电压u2后，信号q6从低电平信号转变为高电平信号，且信号q6的高电平脉冲宽度即为出光信号stop2
′
超过阈值电压u2的持续时间；信号q6输入至d4触发器32的时钟端，当准分子激光器的出光信号stop2
′
来临时，d4触发器32的输出端输出信号q7，此时信号q7为高电平信号，三极管33导通，三极管33的集电极连接至到d4触发器32的清零端，此时d4触发器32输出端的输出信号q7为低电平信号，即d4触发器32输出端的输出信号q7维持了一个短时间的高电平，即信号q7的沿变与d4触发器32的时钟端端输入信号q6的沿变相同，且信号q7即为出光信号采样模块3采样得到的出光信号stop2；
62.激光触发信号start
′
、时间测量模块4的触发信号start、准分子激光器的放电信号stop1
′
、准分子激光器的出光信号stop2
′
、放电信号采样模块2采样得到的放电信号stop1、出光信号采样模块3采样得到的出光信号stop2的时序图由图4所示，时间测量模块4对放电信号stop1与出光信号stop2之间的时间差进行测量，得到放电信号stop1与出光信号stop2之间的时间差值即放电出光时间差。
63.本实施例中，时间测量模块4采用时间测量芯片tdc
‑
gp2。
64.由图1所示，本发明的基于放电出光时间差的激光器状态监控系统，还包括单片机。
65.所述单片机与时间测量模块4相连接，且单片机通过spi通讯方式对时间测量模块4进行复位。
66.在激光器运行的过程中，时间测量模块4实时将未处理的时间间隔数据res_x发送给单片机，单片机将未处理的时间间隔数据为转换实际时间即放电出光时间差δt，本实施例中，放电出光时间差δt≈res_x*65ps，即时间测量分辨率为65ps。
67.在光刻光源中，放电信号与出光信号之间的时间差值即放电出光时间差与腔内气体的卤素含量和放电电压存在函数关系。卤素含量和放电电压的不同造成放电出光时间差的变化，在固定放电电压时，对放电出光时间差进行精准的时间测量有助于对腔内气体卤素含量进行定量分析，利用放电出光时间差判断腔内气体状态即气体的卤素含量，可以确定气体更换时间或者施加补偿电压的时间，且针对mopa结构准分子激光器，还可以方便mopa双腔快速同步。
68.基于本发明的监控系统，可以对激光器进行测试，分别得到某放电电压下的卤素含量与放电出光时间差之间的函数关系，以及某卤素含量下的放电电压与放电出光时间差之间的函数关系。具体测试方式如下所示：
69.固定激光器的放电电压，改变腔内气体状态即改变腔内气体的卤素含量，分别测量不同卤素含量所对应的放电出光时间差，得到该放电电压下的卤素含量与放电出光时间差之间的函数关系。
70.由图5所示，卤素含量与放电出光时间差之间的函数关系为：
71.卤素含量低于卤素含量阈值p1时，卤素含量与放电出光时间差呈反比关系，即卤素含量越大，放电出光时间差越小；
72.卤素含量等于卤素含量阈值p1时，放电出光时间差的值为极小值；
73.卤素含量高于卤素含量阈值p1时，卤素含量与放电出光时间差呈正比关系，即卤素含量越大，放电出光时间差越大。
74.固定腔内气体状态即固定腔内气体的卤素含量，改变激光器的放电电压，分别测量不同放电电压所对应的放电出光时间差，得到该卤素含量下的放电电压与放电出光时间差之间的函数关系。
75.由图6所示，放电电压与放电出光时间差之间的函数关系为：
76.放电电压与放电出光时间差呈反比关系，即放电电压越大，放电出光时间差越小。
77.基于本发明的监控系统和测试结果，可以对激光器的状态进行监控，本实施例中列举了三种监控方式，分别如下所示：
78.第一种、
79.激光器在使用过程中，连续触发激光器输出激光，监控系统持续测量放电出光时间差，激光器状态的监控过程为：
80.s11，激光器刚开始运行时，由于腔内气体的卤素含量合适，此时放电出光时间差维持在一个较高的值；随着激光器的使用，由于腔内气体的卤素在使用过程中慢慢被消耗，卤素含量不断下降，此时放电出光时间差的值开始逐渐下降，且下降至极小值min(δt)；
81.s12，随着激光器的进一步使用，腔内气体的卤素含量进一步减小，放电出光时间差下降至极小值min(δt)后，此时放电出光时间差的值开始逐渐上升；
82.s13，随着激光器的继续使用，放电出光时间差的值上升至时间差阈值t1，此时激
光器输出的激光能量已经降低到一个临界值，放电稳定性也大幅度下降，已经不能满足激光输出的要求，此时对激光器的腔内气体进行自动换气操作，使得腔内气体的卤素含量维持在一个合适的值。
83.第二种、
84.激光器在使用过程中，连续触发激光器输出激光，监控系统持续测量放电出光时间差，激光器状态的监控过程为：
85.s21，激光器刚开始运行时，由于腔内气体的卤素含量合适，此时放电出光时间差维持在一个较高的值；随着激光器的使用，由于腔内气体的卤素在使用过程中慢慢被消耗，卤素含量不断下降，此时放电出光时间差的值开始逐渐下降，下降至极小值min(δt)；此时，根据卤素含量与放电出光时间差的函数关系，得到放电出光时间差的极小值min(δt)所对应的卤素含量为p
min(δt)
；
86.s22，随着激光器的进一步使用，腔内气体的卤素含量进一步减小，放电出光时间差下降至极小值min(δt)后，放电出光时间差的值开始逐渐上升；此时，根据卤素含量为p
min(δt)
下的放电电压与放电出光时间差之间的函数关系，调节放电电压，使得放电出光时间差保持稳定，通过调节放电电压，补偿由于腔内气体状态改变而改变的放电出光时间差。
87.s23，随着激光器的继续使用，放电出光时间差的值上升至时间差阈值t1，此时激光器输出的激光能量已经降低到一个临界值，放电稳定性也大幅度下降，已经不能满足激光输出的要求，此时对激光器的腔内气体进行自动换气操作，使得腔内气体的卤素含量维持在一个合适的值。
88.第三种、
89.激光器为mopa双腔结构的激光器，包括主振腔即mo腔和功率放大腔即pa腔；激光器的工作状态为突发模式，即持续触发激光器输出激光一段时间后，再停止触发激光器一段时间，且重复此运行状态；
90.激光器在此工作状态的使用过程中，分别对mo腔和pa腔进行监控。
91.mo腔的监控过程如下所示：
92.s31，监控系统持续测量mo腔的放电信号stop1
mo
和mo腔的出光信号stop2
mo
之间的时间差即mo腔的放电出光时间差；
93.s32，随着激光器的使用，mo腔的放电出光时间差的值开始逐渐下降，下降至极小值min(δt
mo
)，此时根据卤素含量与放电出光时间差的函数关系，得到mo腔的放电出光时间差的极小值min(δt
mo
)所对应的卤素含量为
94.s33，随着激光器的进一步使用，mo腔的放电出光时间差下降至极小值min(δt
mo
)后，mo腔的放电出光时间差的值开始逐渐上升；此时，根据卤素含量为下的放电电压与放电出光时间差之间的函数关系，调节放电电压，使得mo腔的放电出光时间差保持稳定；
95.s34，随着激光器的继续使用，当mo腔的放电出光时间差的值上升至mo腔的时间差阈值t1
mo
时，对mo腔内的气体进行换气；
96.激光器在此工作状态的使用过程中，pa腔的监控过程如下所示：
97.s41，监控系统持续测量pa腔的放电信号stop1
pa
和pa腔的出光信号stop2
pa
之间的
时间差即pa腔的放电出光时间差；
98.s42，随着激光器的使用，pa腔的放电出光时间差的值开始逐渐下降，下降至极小值min(δt
pa
)；此时,根据卤素含量与放电出光时间差的函数关系，得到pa腔的放电出光时间差的极小值min(δt
pa
)所对应的卤素含量为
99.s43，随着激光器的进一步使用，pa腔的放电出光时间差下降至极小值min(δt
pa
)后，pa腔的放电出光时间差的值开始逐渐上升；此时，根据卤素含量为下的放电电压与放电出光时间差之间的函数关系，调节放电电压，使得pa腔的放电出光时间差保持稳定；
100.s44，随着激光器的继续使用，当pa腔的放电出光时间差的值上升至pa的时间差阈值t1
pa
时，对pa腔内的气体进行换气。
101.针对mopa双腔结构的激光器，激光器的工作状态为突发模式，当工作状态从空闲状态转变为发送重复脉冲状态时，腔内气体状态在开始时刻会发生较大改变，会严重影响mopa双腔的同步特性，使得mo腔和pa腔的同步调节时间大幅增大，通过本发明的监控系统对激光器状态的监控，持续测量mo腔和pa腔的放电出光时间差，以判断mo腔和pa腔的腔内气体状态，由于mo腔的种子光束必须在pa腔粒子数发生反转期间通过其放电区域，即当mo腔先于pa腔放电，种子光束才能被放大，并且只有在mo腔和pa腔的放电时间差满足某个特定的值时，激光器会输出最大的脉冲能量，当监控系统测量得到mo腔和pa腔的放电出光时间差偏离特定值时，可以先通过卤素含量与放电出光时间差之间的函数关系，得到此时的腔内气体状态即卤素含量，再通过该卤素含量下的放电电压与放电出光时间差之间的函数关系，调节放电电压，补偿由于两个腔内气体状态改变而改变的放电时间差，从而调节mo腔和pa腔的放电时间差，保证激光器输出最大脉冲能量，大幅减小同步调节时间。
102.针对mopa双腔结构的激光器，可采用两个监控系统进行分别对mo腔和pa腔的出光放电时间差进行测量，也可采用一个监控系统实现mo腔和pa腔的出光放电时间差的分别测量，由于mo腔与pa腔不是一起放电出光的，因此可通过配置寄存器选择对mo腔和pa腔的出光放电时间差进行测量。
103.以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。