專(zhuān)利名稱(chēng)：光束轉(zhuǎn)向和采樣設(shè)備及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公開(kāi)的內(nèi)容涉及光學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及光學(xué)系統(tǒng)的控制方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
控制典型是光束的電磁束在光學(xué)領(lǐng)域中是公知的。通常必需對(duì)光束的一部 分采樣以用于之后的控制目的。這典型地涉及到一些種類(lèi)的探測(cè)器和反饋環(huán)。 光束被典型地檢測(cè)其偏移和角度。在現(xiàn)有技術(shù)中，舉例而言，為了控制光束， 當(dāng)前在此系統(tǒng)中的透鏡有時(shí)連同轉(zhuǎn)向鏡一起使用。典型地，舉例而言，系統(tǒng)有 兩個(gè)轉(zhuǎn)向鏡和兩個(gè)探測(cè)器。在已知的系統(tǒng)中，這種設(shè)置使得一個(gè)探測(cè)器只觀察 因第一轉(zhuǎn)向鏡的傾斜而弓l起的光束變化。但是之后發(fā)現(xiàn)僅僅基于第二轉(zhuǎn)向鏡的 傾斜f碟二探測(cè)器輸出信號(hào)是不可能的。換句話說(shuō)，這種設(shè)置有不^^迎的反 饋，使得反饋復(fù)雜化并且?guī)缀醪豢赡苋コ械慕徊骜詈?cross coupling)。舉 例而言，當(dāng)輸入光束的位置或角度發(fā)生變化時(shí)，這被第一探測(cè)器讀取到的非零 讀數(shù)捕獲而第二探測(cè)器的讀數(shù)保持不變，第一轉(zhuǎn)向鏡將不得不移動(dòng)以去除非零 的讀數(shù)。這導(dǎo)致輸出光束角度的改變將會(huì)被第二探測(cè)器探測(cè)到，又會(huì)引起校正 信號(hào)被施加到第二轉(zhuǎn)向鏡。即i頓統(tǒng)仔細(xì)地調(diào)節(jié)以達(dá)到穩(wěn)定，轉(zhuǎn)向鏡和探測(cè)器 相對(duì)位置的改變也需要完全的重新調(diào)節(jié)，而且可能甚至?xí)斐刹豢赡艿姆€(wěn)定調(diào) 節(jié)的結(jié)構(gòu)。特別地，基于被插AiS鏡的焦點(diǎn)長(zhǎng)度只有在轉(zhuǎn)向鏡和探測(cè)器之間為 一個(gè)特定的距離處放置一個(gè)探測(cè)器只鄉(xiāng)見(jiàn)察到因一個(gè)轉(zhuǎn)向鏡傾斜導(dǎo)致的變化的 布置。這通常是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，并且已經(jīng)被不希望地證明幾乎不可能去除它 所有的錯(cuò)誤，或者需要在應(yīng)用場(chǎng)所重新配置，而這需要光學(xué)布局的改變。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，f吏用失巨陣轉(zhuǎn)換控制技術(shù)^l辯禹驅(qū)動(dòng)光束轉(zhuǎn)向/采樣系統(tǒng)中的
轉(zhuǎn)向鏡的致動(dòng)器的操作。轉(zhuǎn)向鏡致動(dòng)器的解耦允許進(jìn)一步的校準(zhǔn)技術(shù)以識(shí)別物 理結(jié)構(gòu)和重新配置結(jié)構(gòu)的方法。校準(zhǔn)更進(jìn)一步允許對(duì)光束位置采樣的固定采樣 模塊放置在相對(duì)致動(dòng)器的任意位置。因此，通過(guò)使用矩陣轉(zhuǎn)換解耦控制，可能 幾乎去除所有錯(cuò)誤的系統(tǒng)不僅能通過(guò)工廠調(diào)整提供，之后如果需要，也可以在 現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)。
根據(jù)本發(fā)明，兩個(gè)虛擬變量被構(gòu)造用于反饋控制的目的，^變量與獨(dú)立 的反饋環(huán)關(guān)聯(lián)，以非交叉耦合的方式操作。因此，這些變量的每一個(gè)都分別地 被標(biāo)識(shí)為一個(gè)并且只有一個(gè)轉(zhuǎn)向鏡，以使一個(gè)轉(zhuǎn)向鏡的狀態(tài)的改變(例如，傾 斜)不影響其他變量。因此，每個(gè)反饋環(huán)能獨(dú)立地操作。虛擬變量一般不對(duì)應(yīng) 于光束指向和偏移，雖然其可以被用來(lái)計(jì)算所述的指向和偏移。
此系統(tǒng)可用于例如半導(dǎo)體制造的光刻設(shè)備，典型地提供紫外線形式的光束 以曝光晶片上的抗蝕劑。這只是一個(gè)應(yīng)用實(shí)例。當(dāng)前的系統(tǒng)和方法可以應(yīng)用在 任何類(lèi)型的準(zhǔn)直光束處理包括例如激光(相干的)但不限于此。當(dāng)前的方法和 設(shè)備通常可用于具有連續(xù)或脈沖光束，紅外線到紫外線的波長(zhǎng)，較大或較小直 徑的光束的光學(xué)系統(tǒng)以及不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。示例的應(yīng)用包括波長(zhǎng)多路復(fù)用技術(shù) 和多路分解信號(hào)技術(shù)，能量分離和監(jiān)控，光束測(cè)量和監(jiān)控，激光切割，機(jī)械加 工或外科手術(shù)，干涉測(cè)量，以及多通道光的管理。


圖1表示本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)的一個(gè)例子的方框圖。 圖2表示使用兩個(gè)反饋環(huán)的反饋控制方法的方框圖。
圖3表示圖1系統(tǒng)的光軸。
具體實(shí)施例方式
當(dāng)前的光束轉(zhuǎn)向采樣系統(tǒng)，用于兩受控平面之一，如圖1所示。舉例而言，
其描述了在x—z平面中的系統(tǒng)?？刂骗h(huán)(未顯示)包括兩個(gè)附加的致動(dòng)器，每
一個(gè)對(duì)應(yīng)于一個(gè)轉(zhuǎn)向鏡，和兩個(gè)附加的探測(cè)器，用于在y-z平面中相似的控制。 簡(jiǎn)而言之，此描述將其本身限制到一個(gè)這樣的平面，但擴(kuò)展到另一個(gè)平面是常 規(guī)的并且以在此描述的相同的方法完成。圖1中所有的光學(xué)元件都是傳統(tǒng)的并 且適合安裝在光具座(Optical bench)或其他的支承上。在一個(gè)具體實(shí)施例中， 探測(cè)器Detl、 Det2安裝在與其他光學(xué)元件分開(kāi)的單獨(dú)支持元件上。在一個(gè)具體 實(shí)施例中，Detl、 Det2源于傳統(tǒng)四分光電探測(cè)器的四個(gè)部分。也可以使用位置
感應(yīng)光電探測(cè)器或其他翻的光電探測(cè)器。轉(zhuǎn)向鏡是R1， R2，，都被在圖l 中描述的平面中的適當(dāng)?shù)木苤聞?dòng)器Al， A2驅(qū)動(dòng)。輸入光束(所示的平行虛 線描述其光束寬度)在輸入平面內(nèi)。還提供有光束分離器BS1， BS2。在輸出平 面處提供主光束(從探測(cè)器上的入射部分分開(kāi))。鏡子R3被定位于引導(dǎo)光束到 探測(cè)器Det2。如果在圖l中定，巨離A， B， C， D， E， F， G和H (其中D是 光束分離器BS1和聚焦透鏡Ll之間沿光軸的距離，而D+F同樣是光束分離器 BS1和聚焦透鏡L2之間的距離)，3gl竟Ll和透鏡L2的焦距分別為ft和f2，反 射角度到轉(zhuǎn)移耦合系數(shù)T=flb^，并且轉(zhuǎn)向鏡Rl和R2的角度為A禾Q &，光束 分別相對(duì)于光軸的位置和角度是Xout和汰nit，作為光束輸入位置Xin和光束角 度f(wàn)tn的函數(shù)通過(guò)下式給出
<formula>formula see original document page 6</formula>
同樣地，在兩個(gè)探測(cè)器的致動(dòng)元件中的每一個(gè)處光束位置&， X2艦下式
給出:
其中:
<formula>formula see original document page 6</formula>并且:<formula>formula see original document page 6</formula>
如果定義兩個(gè)新的:
U禾口V，如下式:
<formula>formula see original document page 7</formula>
那么:
<formula>formula see original document page 7</formula>
而且可以使用與&沒(méi)有沖突的A來(lái)控制u。同樣地，能使用與A沒(méi)有沖突 的&來(lái)控制控制v。由此，u， v是通過(guò)兩個(gè)轉(zhuǎn)向鏡控制的兩個(gè)沒(méi)有交叉耦合的
虛擬變量。
以上等式對(duì)應(yīng)于控制系統(tǒng)方框圖，在圖2中被顯示。圖2的控制系統(tǒng)接收
作為輸入的光束參數(shù)如Xin， &。該控制系統(tǒng)通常以模擬電子電路實(shí)現(xiàn)，或通常 以數(shù)字電路通過(guò)可編程微處理器或微控制器實(shí)現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明公開(kāi)的內(nèi)容給這
種設(shè)備編程是常規(guī)的。圖2中的每個(gè)方框或節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)函數(shù)，帶有的節(jié)點(diǎn)為
求和節(jié)點(diǎn)?？刂戚敵鲂盘?hào)&和^通常被控制系統(tǒng)傳輸以用于驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向鏡致動(dòng)器，
以此提供閉環(huán)反饋控制。因?yàn)榭刂骗h(huán)增益Gu (s)和Gv (s)遠(yuǎn)大于l，對(duì)于任
意的Xm和^者P有U二V^，且X^二6UH)。
在另一個(gè)具體實(shí)施例中，控制環(huán)使用下列方法實(shí)現(xiàn)。通過(guò)下式給出對(duì)光束 位置誤差進(jìn)行校正所需要的反射鏡角度變化
<formula>formula see original document page 7</formula>
其中偏差(設(shè)定點(diǎn))值由下式給出:
<formula>formula see original document page 7</formula>
其中xo脇和^r效是所需要的光束位置和指在輸出平面。這些偏差的最大值 由探測(cè)器的可用的檢測(cè)量程限制。鏡子R1，和R2的角度變化(傾斜)被轉(zhuǎn)換 成致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)脈沖的估計(jì)數(shù)字，ailP弁-kLAak弁給出，其中kL是全局增 益常數(shù)，用來(lái)加速或減慢環(huán)，#是適當(dāng)?shù)闹聞?dòng)器的占位符，并且k井是所述致動(dòng)器的將致動(dòng)，置與向致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)器提供的信號(hào)相關(guān)聯(lián)的增益常數(shù)。
該光束采樣系統(tǒng)中的誤差的主要來(lái)源例如是位置一傳感探測(cè)器Detl、 Det2 的散粒噪聲和約翰森噪聲，用于數(shù)字化探測(cè)器輸出信號(hào)的傳統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(未 顯示)中的量化錯(cuò)誤，溫度改變時(shí)，光束采樣系統(tǒng)的物理未對(duì)準(zhǔn)，以及驅(qū)動(dòng)鏡 子R1， R2的致動(dòng)器A1， A2的最小增量運(yùn)動(dòng)。所有的這些誤差來(lái)源可以被容易 地引回到Xl和x2，期各被加入到具有增益的u和v求和節(jié)點(diǎn)中 ju = i ^g—r+z +,十<formula>formula see original document page 8</formula>
假定在Xl和X2中相等并且獨(dú)立波動(dòng)&C，輸出光束位置和角度中的波動(dòng)^Xout 和湖。ut，由下式給出
<formula>formula see original document page 8</formula>
致動(dòng)器的Al ， A2最小步進(jìn)的大小3Z^eo導(dǎo)致的輸出誤差和由下式給出:<formula>formula see original document page 8</formula>其中dMM是在致動(dòng)器的螺桿和光學(xué)元件中心之間的杠桿臂。致動(dòng)器是例如
驅(qū)動(dòng)的螺桿，例如Picomotor1^， New Focus公司出售的壓電致動(dòng)器。最后，輸 出對(duì)分量BS1， BS2， R3， Ll， L2， Detl和Det2的扭矩和轉(zhuǎn)移敏感。假定光束 采樣系統(tǒng)的溫度均勻，這些誤差可以忽略。然而，光^131^光束分離器BS1 和BS2被轉(zhuǎn)移一個(gè)距離dBS:<formula>formula see original document page 8</formula>
其中tBS是針光束分離器的厚度，0>是入射光束的角度，WFS是光束分離
器的材料的折射系數(shù)。該轉(zhuǎn)移隨周?chē)i的改變而變化:
其中他是光束分離器材料的熱膨脹系數(shù)，導(dǎo)致的誤差為:
峰值系統(tǒng)溫度變化了zfT。
將&和x2關(guān)聯(lián)于u和v的矩陣變換可以在系統(tǒng)制造時(shí)被設(shè)置，但是裝配中 即使是很小的變化也會(huì)在反饋環(huán)之間引入很大的交叉耦合。因此，可以l柳原
位的校準(zhǔn)程序，但是這不是被要求的。校準(zhǔn)M使得^和X2歸零開(kāi)始(或至少
驗(yàn)證光束在位置探測(cè)器Detl、 Det2的線性范圍內(nèi))，并且施加給定的角度變化到 齡轉(zhuǎn)向鏡R1， R2，分別為z^，應(yīng)。控制系統(tǒng)將會(huì)記錄四個(gè)量因A改變而 弓胞的Xl的改變血u ，因A改變而弓胞的x2的改變z)x21 ，因&改變而引起的
^的改變Z(Xl2，因^改變而引起的X2的改變zk22。現(xiàn)在校準(zhǔn)矩陣可iM下式計(jì) 算<formula>formula see original document page 9</formula>
以及如上面的:
校7銜呈序可合并過(guò)濾，艮哆次改變角度和對(duì)結(jié)果求平均值，并且遞歸，即 1OT反饋環(huán)在校準(zhǔn)嘗試之間使U和V歸零。
一旦系統(tǒng)被安裝并且校準(zhǔn)，并且位置和角度偏差設(shè)置為零，輸出光束^l絵
被驅(qū)向光軸，Xof^f力。光軸由探測(cè)器Detl、 Det2的物理位置定義，如透鏡 Ll， L2的成像，并且如圖3所示。圖3表示光軸被定義為穿過(guò)兩個(gè)探測(cè)器中心
h和l2的圖像的直線。如果M和探測(cè)器的相關(guān)位置上的對(duì)準(zhǔn)容限為血align，光 束圖像的位置將會(huì)被偏移JIl^Xaign/M和ZlI2^Xa]ign/M，其中假定放大倍
率m二m尸M2。這些偏移量將會(huì)在輸出平面導(dǎo)iel大的位置和角度變化，血^
和Z^，os,由下式給出<formula>formula see original document page 10</formula>當(dāng)前系統(tǒng)和控制信號(hào)處理造成兩個(gè)獨(dú)立的滿足高性能需求的反饋環(huán)。_M 的場(chǎng)校準(zhǔn)可以在安裝之后執(zhí)行并且之后可以定期地執(zhí)行。
本發(fā)明公幵的內(nèi)容包括兩W由(兩個(gè)轉(zhuǎn)向鏡分別有一個(gè)軸)中的控制。光 束指向和轉(zhuǎn)移系統(tǒng)(第二軸在兩個(gè)轉(zhuǎn)向鏡的每一個(gè)上)的第三軸和第四軸的下 面程序是相同的。整個(gè)效果是對(duì)于轉(zhuǎn)向鏡的兩個(gè)傾斜軸，同時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)控制環(huán)
用于u，力和U2， v2。在此公開(kāi)的內(nèi)容中，致動(dòng)器A1， A2如圖所示被平行設(shè) 置，但這并不是受限制的。致動(dòng)器的上述的校準(zhǔn)程序和/或軟件控制可以用于映 射致動(dòng)器(兩個(gè)，或四4^括用于轉(zhuǎn)向鏡的第二軸的那些)至,個(gè)控制變量u,，
V!和U2， V2中的每一個(gè)。
在此公開(kāi)的內(nèi)容是用于說(shuō)明而不是用于限制；本領(lǐng)域技術(shù)人員參照本發(fā)明 公開(kāi)的內(nèi)容而做出進(jìn)一步的改進(jìn)將會(huì)是顯而易見(jiàn)的，并且落在附加的權(quán)利要求 的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種設(shè)備，包括第一轉(zhuǎn)向反射器，光束入射在其上；第二轉(zhuǎn)向反射器，從第一轉(zhuǎn)向反射器反射的光束入射在其上；第一光束分離器，從第二轉(zhuǎn)向反射器反射的光束入射在其上；第二光束分離器，從第一光束分離器反射的光束入射在其上；第一探測(cè)器，從第一光束分離器反射的光束入射在其上；以及第二探測(cè)器，被第二光束分離器透射的光束入射在其上；其中為這兩個(gè)探測(cè)器的輸出信號(hào)的函數(shù)的第一值指示第一轉(zhuǎn)向反射器的狀態(tài)，而為這兩個(gè)探測(cè)器的輸出信號(hào)的函數(shù)的第二值指示第二轉(zhuǎn)向反射器的狀態(tài)。
2、 如權(quán)利要求1的設(shè)備，進(jìn)一步包括耦合在探測(cè)器和轉(zhuǎn)向反射器之間的控 制器，由此該控制器響應(yīng)于第一值和第二值而分別:t也改變第一和第二轉(zhuǎn)向反射 器的狀態(tài)。
3、 如權(quán)利要求1的設(shè)備，其中每一個(gè)轉(zhuǎn)向反射器包括耦合到致動(dòng)器的反射器。
4、 如權(quán)利要求3的設(shè)備，其中^轉(zhuǎn)向反射器具有耦合到反射器的第二致 動(dòng)器以使該反射器傾斜到一個(gè)基本上垂直于第一致動(dòng)器使所述反射器傾斜的方 向的方向。
5、 如權(quán)利要求l的設(shè)備，其中被第一光束分離器透射的光束被導(dǎo)出所述設(shè)備o
6、 如權(quán)利要求1的設(shè)備，進(jìn)一步包括定位成反射被第二光束分離器娜到 第二探測(cè)器的光束的第三反射器。
7、 如權(quán)利要求2的設(shè)備，其中該控制器包括兩個(gè)控制環(huán)， 一個(gè)控制環(huán)與第 一tt和第二i直中的一個(gè)相關(guān)聯(lián)。
8、 如權(quán)利要求1的設(shè)備，其中第一值和第二值的每一個(gè)都是入射到所述設(shè) 備上的光束的偏移和角度的函數(shù)。
9、 如權(quán)利要求2的設(shè)備，其中該控制器包括用于校正所述設(shè)備的裝置。
10、 如權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步比較定位劇每光束聚焦至悌一探測(cè)器的 第一透鏡和定位劇各光束聚焦至U第二探測(cè)器的第二透鏡。
11、 一種操作具有兩個(gè)轉(zhuǎn)向反射器的光學(xué)設(shè)備的方法，包括步驟 將連續(xù)地從兩個(gè)轉(zhuǎn)向反射器反射的光束分離； 將分光束分離為兩個(gè)部分； 檢測(cè)二次分光束的第一部分； 檢測(cè)二次分光束的第二部分；獲取來(lái)自兩次檢測(cè)步驟中的為輸出信號(hào)的函數(shù)的第一值，該第一值指示第 一轉(zhuǎn)向反射器的狀態(tài)；以及獲取來(lái)自兩次檢測(cè)步驟中的為輸出信號(hào)的函數(shù)的第二值，織二值指示第 二轉(zhuǎn)向反射器的狀態(tài)。
12、 如權(quán)利要求ll的方法，進(jìn)一步包括步驟 響應(yīng)于第一值和第二值分另哋控制第一和第二轉(zhuǎn)向反射器的狀態(tài)。
13、 如權(quán)利要求ll的方法，進(jìn)一步包括ffiil致動(dòng)器改變旨轉(zhuǎn)向反射器的 狀態(tài)的步驟。
14、 如權(quán)禾腰求13的方法，進(jìn)一步包括提供與齡轉(zhuǎn)向反射器相關(guān)聯(lián)的第 二致動(dòng)器以使轉(zhuǎn)向反射器傾斜至捶直于第一致動(dòng)器使所述反射器傾斜的方向的 方向。
15、 如權(quán)利要求ll的方法，進(jìn)一步包括將從第一分光步驟中分離的光束的 一部分向外導(dǎo)出的步驟。
16、 如權(quán)利要求ll的方法，進(jìn)一步包括在檢測(cè)二次分光光束之前將該二次 分光光束的第二部分反射的步驟。
17、 如權(quán)利要求12的方法，所述控制包括 提供兩個(gè)控制環(huán)， 一個(gè)控制環(huán)與第一值和第二值中的一個(gè)相關(guān)聯(lián)。
18、 如權(quán)利要求ll的方法，其中第一值和第二值的每一個(gè)都是入射至l傑一 轉(zhuǎn)向反射器的光束的偏移和角度的函數(shù)。
19、 如權(quán)利要求ll的方法，進(jìn)一步包括校正光學(xué)設(shè)備的步驟。
20、 如權(quán)利要求11的方法，進(jìn)一步包括在檢測(cè)光束之前聚焦該光束的步驟。
全文摘要
在光(光學(xué))束轉(zhuǎn)向/采樣系統(tǒng)中，使用矩陣變換控制技術(shù)來(lái)去耦合驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向反射鏡的制動(dòng)器的操作。該控制技術(shù)使用兩個(gè)虛擬變量，每一個(gè)具有以非交叉耦合方式操作的相關(guān)聯(lián)的獨(dú)立的反饋環(huán)，每一個(gè)變量和兩個(gè)轉(zhuǎn)向反射鏡之一相關(guān)聯(lián)。
文檔編號(hào)G03F7/20GK101371181SQ200780002545
公開(kāi)日2009年2月18日 申請(qǐng)日期2007年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月20日
發(fā)明者A·D·費(fèi)里納斯, E·D·格林 申請(qǐng)人:波科海姆技術(shù)公共有限公司