KR102503754B1 - 엑시머 레이저 펄스 에너지 안정성 제어 방법 및 시스템 - Google Patents

엑시머 레이저 펄스 에너지 안정성 제어 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

엑시머 레이저 펄스 에너지 안정성 제어 방법에 관한 것으로, 해당 방법은, 우선 하나의 펄스 시퀀스 중 제n개 펄스의 에너지 측정값을 취득하며; 그 후에 에너지 측정값과 에너지 설정값 간의 차이값을 계산하며; 해당 시퀀스의 제z개 펄스를 경계점으로 하여, n이 z보다 작은 정정수일 때, 제1 수학 모델에 의하여 다음 펄스의 방전 전압값을 계산하며; n이 z-1보다 큰 정수일 때, 제2 수학 모델에 의하여 다음 펄스의 방전 전압값을 계산하며; 마지막으로 계산한 방전 전압값에 의하여 다음 펄스를 생성하는 것을 포함한다. 제어 방법은 각 펄스 시퀀스 중의 에너지 오버슈트 현상과 하나의 펄스 시퀀스 중 모든 펄스 에너지의 안정성을 효과적으로 제어할 수 있다. 제어 방법을 기반으로 하는 제어 시스템은, 고압 방전 모듈（1）, 레이저 캐비티（2）, 레이저 파라미터 측량 모듈（3）과 에너지 안정 제어기（9）를 포함하고, 구조가 간단하며, 소량의 에너지를 분리해내기만 하면 시스템에 대한 에너지 안정성 제어를 구현할 수 있다.

Description

엑시머 레이저 펄스 에너지 안정성 제어 방법 및 시스템
본 발명은 엑시머 레이저 기술분야에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로 말하면, 엑시머 레이저 펄스 에너지 안정성 제어 방법 및 해당 제어 방법을 실시하는 제어 시스템에 관한 것이다.
193nmArF 엑시머 레이저 장치는 디프자외선 특징 응용 지향의 펄스식 기체 레이저 장치로서, 고반복 주파수, 큰 에너지, 짧은 파장, 좁은 선폭의 특징을 갖고 있고, 우수한 마이크로전자 포토 리소그래피 시스템용 레이저 광원이다. 엑시머 레이저 장치가 방출하는 레이저는 펄스 형식으로 방출하는 것이고, 전하의 변화 또는 작동 기체의 변질로 인하여, 펄스와 펄스 간의 에너지는 차이가 존재하며, 아울러 레이저 펄스의 에너지와 설정된 기대 펄스 에너지도 일정한 편차가 존재한다. 반도체 포토 리소그래피 공정에서, 이러한 편차의 누적 결과는 포토 리소그래피 과정에 과도 노출 또는 노출 부족으로 나타나, 가공된 선이 거칠게 한다. 포토 리소그래피의 정밀도가 허용 범위 내에 있게 하기 위하여, 엑시머 레이저 펄스 에너지의 안정성은 반드시 훌륭하게 제어되어야 한다. 에너지 안정성의 제어를 해결하는 것은 엑시머 레이저 장치 연구 개발 과정의 포인트이다.
레이저 장치 동작 과정에서, 기체 온도, 기체 퇴화 또는 업데이트 및 동작 시간 등 요소의 영향으로 인하여, 엑시머 레이저 장치는 언제나 단일 펄스 에너지의 파동, 평균 펄스 에너지의 드리프트와 단일 펄스 에너지의 오버슈트가 발생한다. 이러한 현상은 모두 레이저 장치의 정량 안정성과 에너지 안정성에 영향을 미친다. 에너지의 오버슈트는 burst 모드 하에서, 한 그룹의 펄스와 한 그룹의 펄스의 시간 간격 내에, 기체가 방전하지 않는 상태에 처하기 때문에 동일한 방전 고압 하에서 각 그룹의 처음 몇개 펄스가 기타 펄스보다 아주 높은 것을 가리킨다. 단일 펄스 에너지 파동과 에너지값 오버슈트는 엑시머 레이저 장치 고유의 특성이고, 단순하게 레이저 장치 자체의 광학 특성을 개선시켜 이러한 현상을 개선하기는 비교적 어렵고, 반드시 필요한 제어 알고리즘을 사용하여야 한다.
상기 문제를 감안하여, 본 발명에서는 펄스가 소재하는 펄스 시퀀스 중의 위치를 기반으로 두 구간으로 나누어 피드백 제어를 진행하는 기술방안을 제공한다.
본 발명의 목적은 하기 기술 조치를 통하여 구현할 수 있다.
본 발명의 제1 방면에서는 엑시머 레이저 장치가 복수 그룹의 펄스 시퀀스를 방출하고, 각 그룹의 펄스 시퀀스가 복수의 펄스를 포함하며, 각 상기 펄스의 에너지 크기는 대응되는 펄스의 방전 전압값을 제어하는 것을 통하여 조절하고, 상기 방전 전압값은 PI 제어 알고리즘을 통하여 산출하는 엑시머 레이저 펄스 에너지 안정성 제어 방법을 제공하는 바, 상기 제어 방법은, 상기 제m개 펄스 시퀀스 중 제n개 펄스의 에너지 측정값을 취득하며;
상기 에너지 측정값과 에너지 설정값 간의 차이값을 계산하며;
n이 z보다 작은 정수일 때, 제1 수학 모델에 의하여 상기 제m개 펄스 시퀀스 중 제(n+1)개 펄스의 방전 전압값을 계산하며;
n이 (z-1)보다 큰 정수일 때, 제2 수학 모델에 의하여 상기 제m개 펄스 시퀀스 중 제(n+1)개 펄스의 방전 전압값을 계산하며;
상기 방전 전압값에 의하여 제m개 펄스 시퀀스 중 제(n+1)개 펄스를 생성하는 것을 포함하며;
그 중에서, m은 1보다 큰 정수이다.
바람직하게는, 상기 제1 수학 모델은 식(1)에 표시된 바와 같으며,
Figure 112021091149270-pct00001
(1)
그 중에서,
Figure 112021091149270-pct00002
는 제(m-1)개 펄스 시퀀스 중 제(n+1)개 펄스의 에너지 측정값과 에너지 설정값 간의 차이값이며;
Figure 112021091149270-pct00003
는 제1 내지 (m-1)개 펄스 시퀀스 중 제(n+1)개 펄스의 에너지 측정값 각각과 에너지 설정값과의 차이값의 총합이고, PKp1은 PI 제어 알고리즘의 비례 파라미터이며, PK1은 PI 제어 알고리즘의 적분 파라미터이고, PT1은 PI 제어 알고리즘의 제어 주기 파라미터이다.
더욱 바람직하게는, 상기 제1 수학 모델의 증분 형식은 식(2)에 표시된 바와 같으며,
Figure 112021091149270-pct00004
(2)
그 중에서,
Figure 112021091149270-pct00005
는 제m개 펄스 시퀀스 중의 제(n+1)개 펄스의 방전 전압값과 제(m-1)개 펄스 시퀀스 중 제(n+1)개 펄스의 방전 전압값 간의 변화량이며;
Figure 112021091149270-pct00006
는 제(m-1)개 펄스 시퀀스 중 제(n+1)개 펄스의 에너지 측정값과 에너지 설정값 간의 차이값이며;
Figure 112021091149270-pct00007
는 제(m-2)개 펄스 시퀀스 중 제(n+1)개 펄스의 에너지 측정값과 에너지 설정값 간의 차이값이며; PKp1은 PI 제어 알고리즘의 비례 파라미터이며, PK1은 PI 제어 알고리즘의 적분 파라미터이고, PT1은 PI 제어 알고리즘의 제어 주기 파라미터이며;
그렇다면 제m개 펄스 시퀀스 중 제(n+1)개 펄스의 방전 전압값은 식(3)에 표시된 바와 같으며,
Figure 112021091149270-pct00008
(3)
그 중에서,
Figure 112021091149270-pct00009
는 제(m-1)개 펄스 시퀀스 중 제(n+1)개 펄스의 방전 전압값이다.
바람직하게는, 상기 제2 수학 모델은 식(4)에 표시된 바와 같으며,
Figure 112021091149270-pct00010
(4)
그 중에서,
Figure 112021091149270-pct00011
는 제m개 펄스 시퀀스 중 제n개 펄스의 에너지 측정값과 에너지 설정값 간의 차이값이며;
Figure 112021091149270-pct00012
는 제m개 펄스 시퀀스 중 제(z+1) 내지 n개 펄스의 에너지 측정값 각각과 에너지 설정값과의 차이값의 총합이며; Kp1은 PI 제어 알고리즘의 비례 파라미터이며, K1은 PI 제어 알고리즘의 적분 파라미터이고, T1은 PI 제어 알고리즘의 제어 주기 파라미터이다.
더욱 바람직하게는, 상기 제2 수학 모델의 증분 형식은 식(5)에 표시된 바와 같으며,
Figure 112021091149270-pct00013
(5)
그 중에서, n은 z보다 큰 정수이고,
Figure 112021091149270-pct00014
는 제m개 펄스 시퀀스 중의 제(n+1)개 펄스의 방전 전압값과 제m개 펄스 시퀀스 중 제n개 펄스의 방전 전압값 간의 변화량이며;
Figure 112021091149270-pct00015
는 제m개 펄스 시퀀스 중 제(n-1)개 펄스의 에너지 측정값과 에너지 설정값 간의 차이값이며;
Figure 112021091149270-pct00016
는 제m개 펄스 시퀀스 중 제n개 펄스의 에너지 측정값과 에너지 설정값 간의 차이값이며; KP1은 PI 제어 알고리즘의 비례 파라미터이며, K1은 PI 제어 알고리즘의 적분 파라미터이고, T1은 PI 제어 알고리즘의 제어 주기 파라미터이며;
그렇다면 제m개 펄스 시퀀스 중 제(n+1)개 펄스의 방전 전압값은 식(6)에 표시된 바와 같으며,
Figure 112021091149270-pct00017
(6)
그 중에서,
Figure 112021091149270-pct00018
는 제m개 펄스 시퀀스 중 제n개 펄스의 방전 전압값이다.
더욱 바람직하게는, 산출한
Figure 112021091149270-pct00019
가 제1 전압 역치보다 클 때, 상기 제m개 펄스 시퀀스 중 제(n+1)개 펄스의 방전 전압값이 제1 전압 역치와 같도록 제어하거나,
산출한
Figure 112021091149270-pct00020
가 제2 전압 역치보다 작을 때, 상기 제m개 펄스 시퀀스 중 제(n+1)개 펄스의 방전 전압값이 제2 전압 역치와 같도록 제어한다.
더욱 바람직하게는, 산출한
Figure 112021091149270-pct00021
가 제3 전압 역치보다 클 때, 제1 수학 모델에 대하여, 제m개 펄스 시퀀스 중 제(n+1)개 펄스의 방전 전압값이 제(m-1)개 펄스 시퀀스 중 제(n+1)개 펄스의 방전 전압값에 제3 전압 역치를 더한 것과 같도록 제어하고, 제2 수학 모델에 대하여, 제m개 펄스 시퀀스 중 제(n+1)개 펄스의 방전 전압값이 제m개 펄스 시퀀스 중 제n개 펄스의 방전 전압값에 제3 전압 역치를 더한 것과 같도록 제어하며; 및/또는
산출한
Figure 112021091149270-pct00022
가 제4 전압 역치보다 작을 때, 제1 수학 모델에 대하여, 제m개 펄스 시퀀스 중 제(n+1)개 펄스의 방전 전압값이 제(m-1)개 펄스 시퀀스 중 제(n+1)개 펄스의 방전 전압값에 제4 전압 역치를 더한 것과 같도록 제어하고, 제2 수학 모델에 대하여, 제m개 펄스 시퀀스 중 제(n+1)개 펄스의 방전 전압값이 제m개 펄스 시퀀스 중 제n개 펄스의 방전 전압값에 제4 전압 역치를 더한 것과 같도록 제어한다.
더욱 바람직하게는, 상기 z는 10~100 간의 정수이다.
본 발명의 제2 방면에서는 엑시머 레이저 펄스 에너지 안정성 제어 시스템을 제공하는 바, 상기 시스템은,
설정된 방전 전압값에 의하여 펄스 고압을 생성하는 고압 방전 모듈;
캐비티 내부에 작동 기체가 있고, 상기 작동 기체는 상기 펄스 고압 전기 충격을 받아 이를 트리거시켜 제1 레이저 펄스를 생성하게 하는 레이저 장치 캐비티;
상기 제1 레이저 펄스는 이를 통과한 후 작동을 위한 제2 레이저 펄스와 다음 제1 레이저 펄스의 방전 전압값을 계산하기 위한 제3 레이저 펄스로 구분되는 레이저 파라미터 측량 모듈;
상기 제3 레이저 펄스의 에너지값을 취득하고, 다음 제1 레이저 펄스의 방전 전압값을 계산하고, 또한 상기 방전 전압값을 상기 고압 방전 모듈로 전송하는 에너지 안정 제어기를 포함한다.
바람직하게는, 상기 레이저 파라미터 측량 모듈은 분광기와 에너지 탐지기를 포함하며, 상기 제1 레이저 펄스는 분광기를 통과한 후 작동을 위한 제2 레이저 펄스와 다음 제1 레이저 펄스의 방전 전압값을 계산하기 위한 제3 레이저 펄스로 구분되고, 상기 제3 레이저 펄스는 상기 에너지 탐지기를 통과한 후 전기 신호로 전환되어 에너지 안정 제어기로 전송되며; 그리고
상기 제2 레이저 펄스의 에너지와 상기 제3 레이저 펄스의 에너지 비율은 (90~95)%:(10~5)%이다.
종래 기술에 비하여, 본 발명에서 제공하는 펄스가 소재하는 펄스 시퀀스 중의 위치를 기반으로 구간을 나누어 피드백 제어를 진행하는 방법은, 각 펄스 시퀀스의 처음 몇개 펄스 에너지가 심각하게 오버슈트하는 현상을 효과적으로 제어할 수 있고, 아울러 겸하여 하나의 펄스 시퀀스 중 모든 펄스 에너지의 안정성을 제어하여, 레이저 장치가 방출하는 모든 레이저 펄스 에너지가 일정한 수준으로 안정되게 하여, 반도체 포토 리소그래피에 필요한 정밀도 요구에 도달하고, 해당 제어 방법은 간단하고 제어 효과가 선명하며, 해당 방법을 기반으로 하는 제어 시스템은 구조가 간단하여, 방출된 레이저 펄스에서 소량의 에너지를 분리해내기만 하면 바로 시스템 전체에 대한 에너지 안정성 제어를 구현할 수 있다.
도1은 본 발명의 실시예에서 제공하는 레이저 장치의 Burst 작동 모드 하의 발광 에너지 분포도이다.
도2는 본 발명의 실시예에서 제공하는 제어 방법을 기반으로 제어한 후의 발광 에너지 분포도이다.
도3은 본 발명의 실시예에서 제공하는 엑시머 레이저 펄스 에너지 안정성 제어 시스템의 구조블럭도이다.
도4는 본 발명의 실시예에서 제공하는 레이저 파라미터 측량 모듈의 구조 블럭도이다.
본 출원의 목적, 기술방안 및 장점을 더욱 잘 이해하도록 하기 위하여, 첨부된 도면과 아래 실시예를 참조하여 본 출원에 대하여 진일보로 상세한 설명을 진행하도록 한다. 여기에 기재된 구체적인 실시예는 단지 본 발명의 해석에 불과하고 본 출원을 제한하지 않은 것이 이해하여야 할 것이다.
본 개시의 내용의 서술이 더욱 상세하고 완전하게 하기 위하여, 아래 본 발명의 실시방식과 구체적인 실시예에 대하여 설명을 위한 기술을 진행하며; 하지만 이는 본 발명의 구체적인 실시예를 실시 또는 적용하는 유일한 형식이 아니다. 실시방식에는 복수의 구체적인 실시예의 특징 및 이러한 구체적인 실시예를 구성 및 조작하기 위한 방법 단계와 그 순서가 포함된다. 하지만 또한 기타 구체적인 실시예를 이용하여 동일하거나 또는 균등한 기능과 단계 순서를 구현할 수 있다.
엑시머 레이저 장치는 반도체 포토 리소그래피의 응용 시나리오에서는 레이저 장치의 Burst 작동 모드를 기반으로 하는 바, 즉 레이저 장치가 한 시퀀스의 레이저 펄스를 출력한 후, 작동을 정지하는 하나의 시간 간격, 즉 Burst 간격이 존재하는 바, 그 후 계속하여 다른 한 시퀀스의 레이저 펄스를 출력하며, 이로써 도출하며; 도1에 도시된 것은 본 발명의 실시예에서 제공하는 레이저 장치의 Burst 작동 모드 하의 발광 에너지 분포도로서, 12는 레이저 장치의 발광 펄스 시퀀스를 표시하고, 11은 Burst 간격을 표시하며; Burst 간격11이 존재함으로써, 레이저 장치의 방전 고압이 불변하는 상황 하에서, 각 레이저 펄스 시퀀스의 앞 몇개 펄스의 에너지가 모두 추후 펄스보다 아주 높은 바, 도면 중의 13에 도시된 바와 같으며, 당업계에서 해당 현상을 에너지 오버슈트로 정의한다. 에너지 오버슈트 현상이 존재함으로써, 방전 고압이 불변하는 상황 하에서, 레이저 장치 발광 에너지의 안정성은 반도체 에칭의 에너지 안정성에 대한 요구를 만족시키기 아주 어렵다.
펄스의 에너지 크기는 대응되는 펄스의 방전 전압값을 제어하는 것을 통하여 조절할 수 있고, 당업계에서는 방전 전압값을 일반적으로 PI 제어 알고리즘을 통하여 산출한다. 그러므로, 본 발명에서는 펄스가 소재하는 펄스 시퀀스 중의 위치를 기반으로 구간을 나누어 피드백 제어를 진행하는 방법을 제출하는 바, 구체적으로는 우선 제m개 펄스 시퀀스 중 제n개 펄스의 에너지 측정값을 취득하며; 그 후 해당 에너지 측정값과 에너지 설정값 간의 차이값을 계산하며; n이 z보다 작은 정수일 때, 제1 수학 모델에 의하여 제m개 펄스 시퀀스 중 제(n+1)개 펄스의 방전 전압값을 계산하며; n이 (z-1)보다 큰 정수일 때, 제2 수학 모델에 의하여 제m개 펄스 시퀀스 중 제(n+1)개 펄스의 방전 전압값을 계산하며; 마지막으로 산출한 방전 전압값에 의하여 제m개 펄스 시퀀스 중 제(n+1)개 펄스를 생성하는 것을 포함한다. z는 펄스 시퀀스 중 에너지 오버슈트 현상이 발생한 펄스 번호이고, 동일한 엑시머 레이저 장치의 Burst 간격에 대하여, 다른 펄스 시퀀스 중 에너지 오버슈트 현상이 발생하는 펄스 번호는 기본상 동일하고, 펄스 에너지 테스트 실험에 의하여 대량 데이터를 취득한 후, 적합한 z값을 취득할 수 있으며, 본 발명의 일부 실시방식에 의하면, z값은 10~100 간의 정수이고, 진일보로, 일반적인 z값은 15~35 사이인 바, 예를 들면 본 발명의 다른 일부 실시예 중에서는 바람직하게는 z가 20일 때 제어를 진행하고, 각 펄스 시퀀스의 제1~20개 펄스의 방전 전압값에 대하여 제1 수학 모델을 사용하여 계산하고, 각 펄스 시퀀스의 제20개 펄스 후의 펄스의 방전 전압값에 대하여 제2 수학 모델을 사용하여 계산한다.
본 발명의 일부 실시방식에 의하면, 제1 수학 모델을 구성하는 기초는 과거 펄스 시퀀스 중 번호가 동일한 펄스의 방전 전압값과 발광 에너지값을 참조하였기 때문에, 제2열부터 시작하여, 각 열의 앞 z개 펄스의 방전 전압값에 대한 계산은 모두 과거 펄스 시퀀스 중 동일한 번호의 펄스의 방전 전압값과 발광 에너지값을 참조할 수 있고, 제1열의 앞 z개 펄스의 방전 전압값에 대해서는 대량 실험 데이터의 기초 상에서 적합한 평균값을 선택하여 설정할 수 있다. 구체적으로 말하면, 레이저 장치의 에너지 설정값을
Figure 112021091149270-pct00023
로 표시하고, 레이저 장치 발광 시 제m개 펄스 시퀀스 중 제n개 펄스의 에너지 측정값을
Figure 112021091149270-pct00024
로 표시하면, 해당 펄스의 에너지 측정값과 에너지 설정값 간의 차이값은
Figure 112021091149270-pct00025
로 표시하고, 해당 차이값에 의하여 PI 제어 알고리즘을 사용하여 구성한 제1 수학 모델은 수학식1에 표시된 바와 같으며,
Figure 112021091149270-pct00026
수학식1에서,
Figure 112021091149270-pct00027
는 제(m-1)개 펄스 시퀀스 중 제(n+1)개 펄스의 에너지 측정값과 에너지 설정값 간의 차이값이며;
Figure 112021091149270-pct00028
는 제1 내지 (m-1)개 펄스 시퀀스 중 제(n+1)개 펄스의 에너지 측정값 각각과 에너지 설정값과의 차이값의 총합이고, PKp1은 PI 제어 알고리즘의 비례 파라미터이며, PK1은 PI 제어 알고리즘의 적분 파라미터이고, PT1은 PI 제어 알고리즘의 제어 주기 파라미터이며; 해당 제1 수학 모델을 통하여, 제1 내지 (m-1)개 펄스 시퀀스 중 제(n+1)개 펄스의 에너지 측정값과 에너지 설정값 간의 차이값을 알게 되면, 제m개 펄스 시퀀스 중 제(n+1)개 펄스의 방전 전압값을 산출할 수 있다.
제어 알고리즘을 구현하는 과정에서,
Figure 112021091149270-pct00029
의 존재로 인하여, 대량의 메모리를 차지하고, 또한 쉽게 적분 포화 현상이 발생하여 구현하기 쉽지 않다. 그러므로 공학 구현에서, PI 피드백 제어 알고리즘의 증분 형식을 사용하여 구현하는 바, 구현 공식은 하기 수학식2에 표시된 바와 같으며,
Figure 112021091149270-pct00030
수학식2에서,
Figure 112021091149270-pct00031
는 제m개 펄스 시퀀스 중의 제(n+1)개 펄스의 방전 전압값과 제(m-1)개 펄스 시퀀스 중 제(n+1)개 펄스의 방전 전압값 간의 변화량이며;
Figure 112021091149270-pct00032
는 제(m-1)개 펄스 시퀀스 중 제(n+1)개 펄스의 에너지 측정값과 에너지 설정값 간의 차이값이며;
Figure 112021091149270-pct00033
는 제(m-2)개 펄스 시퀀스 중 제(n+1)개 펄스의 에너지 측정값과 에너지 설정값 간의 차이값이며; PKp1은 여전히 PI 제어 알고리즘의 비례 파라미터이며, PK1은 여전히 PI 제어 알고리즘의 적분 파라미터이고, PT1은 여전히 PI 제어 알고리즘의 제어 주기 파라미터이며; 제m개 펄스 시퀀스 중 제(n+1)개 펄스의 방전 전압값은 수학식3에 표시된 바와 같으며,
Figure 112021091149270-pct00034
수학식3에서,
Figure 112021091149270-pct00035
는 제(m-1)개 펄스 시퀀스 중 제(n+1)개 펄스의 방전 전압값이다.
본 발명의 다른 일부 실시방식에 의하면, 제2 수학 모델을 구성하는 기초는 지난 펄스 시퀀스와 펄스가 소재하는 시퀀스 중의 위치에 상관없이 단지 동일한 시퀀스 중 과거 펄스의 방전 전압값과 발광 에너지 값을 참조하기만 하면 되고, 하나의 PI 피드백 제어 알고리즘을 형성하며, 구성한 제2 수학 모델은 수학식4에 표시된 바와 같으며,
Figure 112021091149270-pct00036
수학식4에서,
Figure 112021091149270-pct00037
는 제m개 펄스 시퀀스 중 제n개 펄스의 에너지 측정값과 에너지 설정값 간의 차이값이며;
Figure 112021091149270-pct00038
는 제m개 펄스 시퀀스 중 제(z+1) 내지 n개 펄스 시퀀스 중의 에너지 측정값 각각과 에너지 설정값과의 차이값의 총합이며; Kp1은 해당 모델 중 PI 제어 알고리즘의 비례 파라미터이며, K1은 해당 모델 중 PI 제어 알고리즘의 적분 파라미터이고, T1은 해당 모델 중 PI 제어 알고리즘의 제어 주기 파라미터이며; 해당 제2 수학 모델을 통하여, 동일한 펄스 시퀀스 중 제(z+1) 내지 n개 펄스의 에너지 측정값과 에너지 설정값 간의 차이값을 알게 되면, 해당 펄스 시퀀스 중 제(n+1)개 펄스의 방전 전압값을 산출할 수 있다.
마찬가지로, 제어 알고리즘을 구현하는 과정에서,
Figure 112021091149270-pct00039
의 존재로 인하여, 대량의 메모리를 차지하고, 또한 쉽게 적분 포화 현상이 발생하여 구현하기 쉽지 않다. 그러므로 공학 구현에서, PI 피드백 제어 알고리즘의 증분 형식을 사용하여 구현하는 바, 구현 공식은 하기 수학식5에 표시된 바와 같으며,
Figure 112021091149270-pct00040
수학식5에서,
Figure 112021091149270-pct00041
는 제m개 펄스 시퀀스 중의 제(n+1)개 펄스의 방전 전압값과 제m개 펄스 시퀀스 중 제n개 펄스의 방전 전압값 간의 변화량이며;
Figure 112021091149270-pct00042
는 제m개 펄스 시퀀스 중 제(n-1)개 펄스의 에너지 측정값과 에너지 설정값 간의 차이값이며;
Figure 112021091149270-pct00043
는 해당 모델 중 제m개 펄스 시퀀스 중 제n개 펄스의 에너지 측정값과 에너지 설정값 간의 차이값이며; Kp1은 여전히 해당 모델 중 PI 제어 알고리즘의 비례 파라미터이며, K1은 여전히 해당 모델 중 PI 제어 알고리즘의 적분 파라미터이고, T1은 PI 제어 알고리즘의 제어 주기 파라미터이다.
설명하여야 할 바로는, 취득한 것이 제m개 펄스 시퀀스 중 제z개 펄스의 에너지 측정값이면, 상기 정의에 의하여 z가 (z-1)보다 크기 때문에, 제m개 펄스 시퀀스 중 제(z+1)개 펄스의 방전 전압값은 수학식4 즉 제2 수학 모델에 의하여 산출하고, 하기 수학식6에 표시된 바와 같으며,
Figure 112021091149270-pct00044
취득한 것이 제m개 펄스 시퀀스 중 제(z-1)개 펄스의 에너지 측정값이면, 상기 정의에 의하여 (z-1)가 z보다 작기 때문에, 제m개 펄스 시퀀스 중 제z개 펄스의 방전 전압값은 수학식1 즉 제1 수학 모델에 의하여 산출하고, 하기 수학식7에 표시된 바와 같으며,
Figure 112021091149270-pct00045
수학식6에서 수학식7을 빼면, 바로 제m개 펄스 시퀀스 중 제(z+1)개 펄스의 방전 전압값의 증분 형식을 취득할 수 있는 바, 하기 수학식8에 표시된 바와 같으며,
Figure 112021091149270-pct00046
그러면, 수학식8이 수학식5와 같지 않기 때문에, 제m개 펄스 시퀀스 중 제(z+1)개 펄스의 방전 전압값의 증분 형식은 수학식5를 통하여 표시할 수 없어, 수학식5에서 n은 z보다 큰 정수여야 한다.
그렇다면 n이 z보다 큰 정수일 때, 제m개 펄스 시퀀스 중 제(n+1)개 펄스의 방전 전압값은 수학식9에 표시된 바와 같으며,
Figure 112021091149270-pct00047
수학식9에서,
Figure 112021091149270-pct00048
는 제m개 펄스 시퀀스 중 제n개 펄스의 방전 전압값이다.
실제 구현 과정에서, 레이저의 방전 전압값은 고압 모듈 장치 고유 속성의 제한을 받는 바, 최대치와 최소치 제한이 존재하기 때문에, 두 구간의 제어 알고리즘에 장치 고유 속성에 부합되는 제1 전압 역치와 제2 전압 역치를 설정하고, 산출한
Figure 112021091149270-pct00049
가 제1 전압 역치보다 클 때, 제m개 펄스 시퀀스 중 제(n+1)개 펄스의 방전 전압값이 제1 전압 역치와 같게 제어하고, 해당 제1 전압 역치에 의하여 제m개 펄스 시퀀스 중 제(n+1)개 펄스를 생성하며; 그리고 산출한
Figure 112021091149270-pct00050
가 제2 전압 역치보다 작을 때, 제m개 펄스 시퀀스 중 제(n+1)개 펄스의 방전 전압값이 제2 전압 역치와 같게 제어하고, 해당 제2 전압 역치로 제m개 펄스 시퀀스 중 제(n+1)개 펄스를 생성한다.
증분 형식으로 모의 계산을 진행할 때, 에너지가 급격하게 변화하여 시스템의 불안정을 초래하거나 또는 시스템에 대한 손상을 초래하는 것을 방지하기 위하여, 구현 과정에 펄스와 펄스 간의 변화량에 대하여 제3 전압 역치와 제4 전압 역치를 설정하고, 산출한
Figure 112021091149270-pct00051
가 제3 전압 역치보다 클 때, 제1 수학 모델에 대하여, 제m개 펄스 시퀀스 중 제(n+1)개 펄스의 방전 전압값이 제(m-1)개 펄스 시퀀스 중 제(n+1)개 펄스의 방전 전압값에 제3 전압 역치를 더한 것과 같도록 제어하고, 제2 수학 모델에 대하여, 제m개 펄스 시퀀스 중 제(n+1)개 펄스의 방전 전압값이 제m개 펄스 시퀀스 중 제n개 펄스의 방전 전압값에 제3 전압 역치를 더한 것과 같도록 제어하며; 산출한
Figure 112021091149270-pct00052
가 제4 전압 역치보다 작을 때, 제1 수학 모델에 대하여, 제m개 펄스 시퀀스 중 제(n+1)개 펄스의 방전 전압값이 제(m-1)개 펄스 시퀀스 중 제(n+1)개 펄스의 방전 전압값에 제4 전압 역치를 더한 것과 같도록 제어하고, 제2 수학 모델에 대하여, 제m개 펄스 시퀀스 중 제(n+1)개 펄스의 방전 전압값이 제m개 펄스 시퀀스 중 제n개 펄스의 방전 전압값에 제4 전압 역치를 더한 것과 같도록 제어한다.
본 발명의 일 구체적인 실시예에서, 레이저 장치의 발광 주파수는 4kHz이고, 각 레이저 펄스 시퀀스 중에 375개 펄스를 포함하며, 레이저 장치 에너지 안정성 제어기의 에너지 설정값은 10mJ이고, 위에서 소개한 제어 방법을 통하여 취득한 에너지 분포도는 도2에 도시된 바와 같으며, 도2와 도1를 비교하면 원래의 펄스 시퀀스 중의 에너지 오버슈트 현상이 아주 잘 억제되었고, 또한 각 펄스 시퀀스17 중의 각 펄스의 에너지 값이 모두 대략 10mJ로 제어되었다고 알 수 있다. 그리고 계산을 통하여 펄스 에너지의 상대적 표준차가 1.6%인 것을 취득하는 바, 에너지 안정성이 아주 훌륭하게 제어되었다.
그러므로, 본 발명에서 제공하는 펄스가 소재하는 펄스 시퀀스 중의 위치를 기반으로 구간을 나누어 피드백 제어를 진행하는 방법은, 각 펄스 시퀀스의 처음 몇개 펄스 에너지가 심각하게 오버슈트하는 현상을 효과적으로 제어할 수 있고, 아울러 겸하여 하나의 펄스 시퀀스 중 모든 펄스 에너지의 안정성을 제어하여, 레이저 장치가 방출하는 모든 레이저 펄스 에너지가 일정한 수준으로 안정되게 하여, 반도체 포토 리소그래피에 필요한 정밀도 요구에 도달하고, 해당 제어 방법은 간단하고 제어 효과가 선명하다.
본 발명의 다른 방면에서는 상기 제어 방법을 기반으로 하는 제어 시스템을 제공하는 바, 도3에 도시된 제어 시스템의 구조 블럭도를 참조하면, 해당 제어 시스템은, 고압 방전 모듈1, 레이저 장치 캐비티2, 레이저 파라미터 측량 모듈3과 에너지 안정 제어기9를 포함하며; 그중에서 고압 방전 모듈1은 설정된 방전 전압값4에 의하여 펄스 고압5을 생성하고, 레이저 장치 캐비티2 내부에 작동 기체가 있고, 해당 작동 기체는 해당 펄스 고압5 전기 충격을 받으면, 레이저 장치 캐비티2를 트리거시켜 레이저 펄스6를 생성하게 하며; 레이저 파라미터 측량 모듈3의 본 시스템에서의 메인 역할은 레이저 장치의 단일 펄스 에너지를 탐지하고, 에너지 제어기9의 작동을 위하여 참조를 제공하는 것이며, 도4에 도시된 본 발명의 실시예에서 제공하는 레이저 파라미터 측량 모듈3의 구조 블럭도를 참조하면, 레이저 파라미터 측량 모듈3은 분광기16와 에너지 탐지기15를 포함하며, 레이저 펄스6는 분광기16을 통과한 후 작동을 위한 레이저 펄스7와 다음 레이저 펄스6의 방전 전압값을 계산하기 위한 레이저 펄스14로 구분되고, 레이저 펄스14는 에너지 탐지기15 상에 조사되고, 전기 신호8로 전환되어 에너지 안정 제어기9로 전송되며; 에너지 안정 제어기9는 전기 신호8를 통하여 레이저 펄스14의 에너지 값을 채집하고, 비례 환산을 거쳐 레이저 펄스7의 에너지를 취득하며, 또한 해당 에너지 값과 에너지 설정값10에 대하여 비교하고, 위에서 소개한 제어 방법에 의하여 다음 레이저 펄스6의 방전 전압값4을 계산하며, 그 후 해당 방전 전압값4을 고압 방전 모듈1로 전송하여, 레이저 펄스7의 에너지를 제어함으로써, 그 에너지 값이 최대한 에너지 설정값10과 일치하도록 하고, 나아가 레이저 장치의 발광 에너지7가 에너지 설정값10에 안정되도록 함과 아울러 레이저 장치의 Burst 모드 하의 에너지 오버슈트13 현상을 소멸시킨다.
본 발명의 일부 실시방식에 의하면, 레이저 펄스7의 에너지와 레이저 펄스14의 에너지 비율은 (90~95)%:(10~5)%이고, 레이저 펄스6 에너지의 (10~5)%를 분리해내면 시스템 에너지 안전성에 대한 제어를 만족시킬 수 있다.
본 발명에서 제공하는 상기 제어 시스템은 구조가 간단하여, 방출된 레이저 펄스에서 소량의 에너지를 분리해내기만 하면 바로 시스템 전체에 대한 에너지 안정성 제어를 구현할 수 있다.
본 발명은 해당 바람직한 실시방식을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 바람직한 실시방식이 단지 본 발명을 설명하기 위한 것에 불과하여 본 발명의 보호범위에 한정하는 것이 아니고, 본 발명의 정신과 원칙 범주 내에서 모든 변형, 균등한 대체, 변경 등은 모두 본 발명의 청구보호 범위 내에 포함되어야 한다는 점을 이해하여야 한다.

Claims (8)

  1. 엑시머 레이저 장치가 복수 그룹의 펄스 시퀀스를 방출하고, 각 그룹의 펄스 시퀀스가 복수의 펄스를 포함하며, 각 상기 펄스의 에너지 크기는 대응되는 펄스의 방전 전압값을 제어하는 것을 통하여 조절되는 것이고, 상기 방전 전압값은 PI 제어 알고리즘을 통하여 산출되는 엑시머 레이저 펄스 에너지 안정성 제어 방법에 있어서, 상기 제어 방법은,
    제m개 펄스 시퀀스 중 제n개 펄스의 에너지 측정값을 취득하며;
    상기 에너지 측정값과 에너지 설정값 간의 차이값을 계산하며;
    상기 n이 z보다 작은 정수일 때, 제1 수학 모델에 의하여 상기 제m개 펄스 시퀀스 중 제n+1개 펄스의 방전 전압값을 계산하며, 상기z는 10~100간의 정수이며;
    상기 n이 z-1보다 큰 정수일 때, 제2 수학 모델에 의하여 상기 제m개 펄스 시퀀스 중 제n+1개 펄스의 방전 전압값을 계산하며;
    상기 방전 전압값에 의하여 제m개 펄스 시퀀스 중 제n+1개 펄스를 생성하는 것을 포함하며;
    그 중에서, 상기 m은 1보다 큰 정수이며;
    상기 제1 수학 모델은 <수학식1>에 표시된 바와 같으며,
    <수학식1>
    Figure 112022108940190-pct00053

    여기에서,
    Figure 112022108940190-pct00054
    는 제m-1개 펄스 시퀀스 중 제n+1개 펄스의 에너지 측정값과 에너지 설정값 간의 차이값이며;
    Figure 112022108940190-pct00055
    는 제1 내지 m-1개 펄스 시퀀스 중 제n+1개 펄스의 에너지 측정값 각각과 에너지 설정값과의 차이값의 총합이고, PKp1은 PI 제어 알고리즘의 비례 파라미터이며, PK1은 PI 제어 알고리즘의 적분 파라미터이고, PT1은 PI 제어 알고리즘의 제어 주기 파라미터이며,
    상기 제1 수학 모델의 증분 형식은 <수학식2>에 표시된 바와 같으며,
    <수학식2>
    Figure 112022108940190-pct00056

    여기에서,
    Figure 112022108940190-pct00057
    는 제m개 펄스 시퀀스 중의 제n+1개 펄스의 방전 전압값과 제m-1개 펄스 시퀀스 중 제n+1개 펄스의 방전 전압값 간의 변화량이며;
    Figure 112022108940190-pct00058
    는 제m-1개 펄스 시퀀스 중 제n+1개 펄스의 에너지 측정값과 에너지 설정값 간의 차이값이며;
    Figure 112022108940190-pct00059
    는 제m-2개 펄스 시퀀스 중 제n+1개 펄스의 에너지 측정값과 에너지 설정값 간의 차이값이며; PKp1은 PI 제어 알고리즘의 비례 파라미터이며, PK1은 PI 제어 알고리즘의 적분 파라미터이고, PT1은 PI 제어 알고리즘의 제어 주기 파라미터이며;
    상기 제m개 펄스 시퀀스 중 제n+1개 펄스의 방전 전압값은 <수학식3>에 표시된 바와 같으며,
    <수학식3>
    Figure 112022108940190-pct00060

    여기에서,
    Figure 112022108940190-pct00061
    는 제m-1개 펄스 시퀀스 중 제n+1개 펄스의 방전 전압값이고,
    상기 산출한
    Figure 112022108940190-pct00079
    가 제1 전압 역치보다 클 때, 상기 제m개 펄스 시퀀스 중 제n+1개 펄스의 방전 전압값이 제1 전압 역치와 같도록 제어하거나,
    상기 산출한
    Figure 112022108940190-pct00080
    가 제2 전압 역치보다 작을 때, 상기 제m개 펄스 시퀀스 중 제n+1개 펄스의 방전 전압값이 제2 전압 역치와 같도록 제어하는 것을 특징으로 하는 엑시머 레이저 펄스 에너지 안정성 제어 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 제2 수학 모델은 <수학식4>에 표시된 바와 같으며,
    <수학식4>
    Figure 112021091149270-pct00062

    여기에서,
    Figure 112021091149270-pct00063
    는 제m개 펄스 시퀀스 중 제n개 펄스의 에너지 측정값과 에너지 설정값 간의 차이값이며;
    Figure 112021091149270-pct00064
    는 제m개 펄스 시퀀스 중 제z+1 내지 n개 펄스의 에너지 측정값 각각과 에너지 설정값과의 차이값의 총합이며; Kp1은 PI 제어 알고리즘의 비례 파라미터이며, K1은 PI 제어 알고리즘의 적분 파라미터이고, T1은 PI 제어 알고리즘의 제어 주기 파라미터인 것을 특징으로 하는 엑시머 레이저 펄스 에너지 안정성 제어 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제2 수학 모델의 증분 형식은 <수학식5>에 표시된 바와 같으며,
    <수학식5>
    Figure 112021091149270-pct00065

    여기에서, n은 z보다 큰 정수이고,
    Figure 112021091149270-pct00066
    는 제m개 펄스 시퀀스 중의 제n+1개 펄스의 방전 전압값과 제m개 펄스 시퀀스 중 제n개 펄스의 방전 전압값 간의 변화량이며;
    Figure 112021091149270-pct00067
    는 제m개 펄스 시퀀스 중 제n-1개 펄스의 에너지 측정값과 에너지 설정값 간의 차이값이며;
    Figure 112021091149270-pct00068
    는 제m개 펄스 시퀀스 중 제n개 펄스의 에너지 측정값과 에너지 설정값 간의 차이값이며; KP1은 PI 제어 알고리즘의 비례 파라미터이며, K1은 PI 제어 알고리즘의 적분 파라미터이고, T1은 PI 제어 알고리즘의 제어 주기 파라미터이며;
    상기 제m개 펄스 시퀀스 중 제n+1개 펄스의 방전 전압값은 <수학식6>에 표시된 바와 같으며,
    <수학식6>
    Figure 112021091149270-pct00069

    여기에서,
    Figure 112021091149270-pct00070
    는 제m개 펄스 시퀀스 중 제n개 펄스의 방전 전압값인 것을 특징으로 하는 엑시머 레이저 펄스 에너지 안정성 제어 방법.
  5. 삭제
  6. 제3항 또는 제4항에 있어서, 산출한
    Figure 112022108940190-pct00073
    가 제3 전압 역치보다 클 때, 상기 제1 수학 모델에 대하여, 제m개 펄스 시퀀스 중 제n+1개 펄스의 방전 전압값이 제m-1개 펄스 시퀀스 중 제n+1개 펄스의 방전 전압값에 제3 전압 역치를 더한 것과 같도록 제어하고, 상기 제2 수학 모델에 대하여, 제m개 펄스 시퀀스 중 제n+1개 펄스의 방전 전압값이 제m개 펄스 시퀀스 중 제n개 펄스의 방전 전압값에 제3 전압 역치를 더한 것과 같도록 제어하며; 또는
    산출한
    Figure 112022108940190-pct00074
    가 제4 전압 역치보다 작을 때, 상기 제1 수학 모델에 대하여, 제m개 펄스 시퀀스 중 제n+1개 펄스의 방전 전압값이 제m-1개 펄스 시퀀스 중 제n+1개 펄스의 방전 전압값에 제4 전압 역치를 더한 것과 같도록 제어하고, 상기 제2 수학 모델에 대하여, 제m개 펄스 시퀀스 중 제n+1개 펄스의 방전 전압값이 제m개 펄스 시퀀스 중 제n개 펄스의 방전 전압값에 제4 전압 역치를 더한 것과 같도록 제어하는 것을 특징으로 하는 엑시머 레이저 펄스 에너지 안정성 제어 방법.
  7. 엑시머 레이저 펄스 에너지 안정성 제어 시스템에 있어서, 상기 시스템은,
    설정된 방전 전압값에 의하여 펄스 고압을 생성하는 고압 방전 모듈;
    캐비티 내부에 작동 기체가 있고, 상기 작동 기체는 상기 펄스 고압의 전기 충격을 받아 이를 트리거시켜 제1 레이저 펄스를 생성하게 하는 레이저 장치 캐비티;
    상기 제1 레이저 펄스는 이를 통과한 후 작동을 위한 제2 레이저 펄스와 다음 제1 레이저 펄스의 방전 전압값을 계산하기 위한 제3 레이저 펄스로 구분되는 레이저 파라미터 측량 모듈; 및
    상기 제3 레이저 펄스의 에너지값을 취득하고, 제1항의 제어 방법에 의하여 다음 제1 레이저 펄스의 방전 전압값을 계산하고, 상기 방전 전압값을 상기 고압 방전 모듈로 전송하는 에너지 안정 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 엑시머 레이저 펄스 에너지 안정성 제어 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 레이저 파라미터 측량 모듈은 분광기와 에너지 탐지기를 포함하며, 상기 제1 레이저 펄스는 상기 분광기를 통과한 후 작동을 위한 제2 레이저 펄스와 다음 제1 레이저 펄스의 방전 전압값을 계산하기 위한 제3 레이저 펄스로 구분되고, 상기 제3 레이저 펄스는 상기 에너지 탐지기를 통과한 후 전기 신호로 전환되어 상기 에너지 안정 제어기로 전송되며; 그리고
    상기 제2 레이저 펄스의 에너지와 상기 제3 레이저 펄스의 에너지 비율은 (90~95)%:(10~5)%인 것을 특징으로 하는 엑시머 레이저 펄스 에너지 안정성 제어 시스템.
KR1020217025104A 2019-02-19 2019-02-26 엑시머 레이저 펄스 에너지 안정성 제어 방법 및 시스템 KR102503754B1 (ko)

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