[发明专利]高重频ArF准分子激光器脉冲能量控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及准分子激光器领域，特别是用作光刻光源的高重频ArF准分子激光器（1k~4kHz），具体涉及一种高重频ArF准分子激光器脉冲能量控制系统。

背景技术

193nmArF准分子激光器是90nm节点以下集成半导体器件光刻生产的主流光源，ArF浸没式技术更是将光刻节点缩小至22nm。目前，国际上先进的光刻光源和光刻机技术都掌握在日、美等发达国家手里，我国的光刻生产设备以及高端集成电路器件基本上全部依赖进口。并且，在关键技术和器件的引进上，还面临着发达国家的阻碍。为改变集成电路生产领域的受制于人的局面，我国在“十一五”期间启动了“极大规模集成电路制造装备与成套工艺专项”，其中就包括高重频、能量稳定性高的光刻光源的研制。

高重频ArF准分子激光器连续运行时，高压快放电使卤素气体转变为稳定的化合物，卤素气体浓度逐渐降低，激光输出能量明显下降。光刻过程中，激光器光源的脉冲能量稳定性直接影响着集成芯片电路关键尺寸的控制。要提高光刻质量，对激光器脉冲能量进行实时调节是必需的。传统的能量稳定控制方法是通过补充卤素气体或者部分换气来延缓能量的下降趋势，但使用这种方法对高重频运行的激光器每个脉冲能量进行实时调节时很有难度的。因为：首先，补气调节响应速度慢，不适合高重频下应用；其次，单次补气量不易控制，精度不高；最后，高重频运行的激光器，气体老化速度很快，频繁的补气或换气将会造成生产成本的提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种高重频ArF准分子激光器脉冲能量的高速、高精度控制系统。本发明设计了能量稳定闭环控制回路，提出一种放电电压实时调节PI控制算法，从控制电源的角度进行脉冲能量稳定控制。

本发明的技术方案如下：

高重频ArF准分子激光器脉冲能量控制系统，其特征在于：包括有热释电探测器、运算放大电路、峰值保持电路、主控电路、PI控制算法，所述的主控电路的主控制器为内置A/D转换模块的单片机，所述的峰值保持电路包括有正峰值保持电路和负峰值保持电路，所述的热释电探测器将光信号转化为电脉冲信号后经运算放大电路进行放大，再经峰值保持电路分别对放大后的电脉冲信号进行正、负峰值保持跟踪，再通过单片机内置的A/D转换模块转化为数字信号；单片机将正、负峰值转化后的数字量相加后得到单次脉冲能量值对应的数字量，单片机利用PI控制算法计算出下次脉冲放电所需要的参考电压数字信号后，单片机通过SPI串行通信将数字信号传送至D/A转换模块转化为模拟量后作用于高重频ArF准分子激光器使用的全固态脉冲电源中的高压直流电源或可控谐振充电模块；所述的PI控制算法的表达式如下：

其中， 为直流电源输出电压，为单次能量偏差（即实测的脉冲能量值与设定的目标脉冲能量值的差值，目标脉冲能量值在单片机程序中设定，），为能量偏差的积分，为比例系数，为积分系数，为脉冲输出能量对直流电源输出电压的导数。

所述的PI控制算法表达式中的、的值由matlab仿真结果得知：、的值分别为0.2、0.02时调节效果较好，所以=0.2，=0.02。

所述的热释电探测器的探头的响应波长为0.15~3um，响应频率高达5kHz，可测量范围15uJ~10J。

所述的运算放大电路的运算放大器为AD548。

所述的峰值保持电路的主芯片为PKD01。

所述的单片机为PIC16F873A单片机。

所述的D/A转换模块的芯片为高速数模转换芯片DA7731。

本发明的优点是：

本发明的控制系统要求响应速度快，整个闭环控制过程在1ms以内完成。将PI控制理论应用于高重频ArF准分子激光器脉冲能量的控制，提出了调节激光器电源电压的PI算法，提高了控制的精度。本发明比补气调节更适用于高重频准分子激光器，有利于节约气体，降低光刻生产的成本。

附图说明

图1 为本发明涉及的全固态脉冲电源的结构框图。

图2 为本发明涉及的脉冲能量闭环控制回路示意图。

图3 为本发明的电路图。

图4 为本发明的PI算法的matlab仿真验证示意图。

具体实施方式