專利名稱：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的探測器和反饋環(huán)。 光束被典型地檢測其偏移和角度。在現(xiàn)有技術(shù)中，舉例而言，為了控制光束， 當前在此系統(tǒng)中的透鏡有時連同轉(zhuǎn)向鏡一起使用。典型地，舉例而言，系統(tǒng)有 兩個轉(zhuǎn)向鏡和兩個探測器。在已知的系統(tǒng)中，這種設(shè)置使得一個探測器只觀察 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碟二探測器輸出信號是不可能的。換句話說，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，當輸入光束的位置或角度發(fā)生變化時，這被第一探測器讀取到的非零 讀數(shù)捕獲而第二探測器的讀數(shù)保持不變，第一轉(zhuǎn)向鏡將不得不移動以去除非零 的讀數(shù)。這導(dǎo)致輸出光束角度的改變將會被第二探測器探測到，又會引起校正 信號被施加到第二轉(zhuǎn)向鏡。即i頓統(tǒng)仔細地調(diào)節(jié)以達到穩(wěn)定，轉(zhuǎn)向鏡和探測器 相對位置的改變也需要完全的重新調(diào)節(jié)，而且可能甚至會造成不可能的穩(wěn)定調(diào) 節(jié)的結(jié)構(gòu)。特別地，基于被插AiS鏡的焦點長度只有在轉(zhuǎn)向鏡和探測器之間為 一個特定的距離處放置一個探測器只鄉(xiāng)見察到因一個轉(zhuǎn)向鏡傾斜導(dǎo)致的變化的 布置。這通常是一個復(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 所有的錯誤，或者需要在應(yīng)用場所重新配置，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)動光束轉(zhuǎn)向/采樣系統(tǒng)中的
轉(zhuǎn)向鏡的致動器的操作。轉(zhuǎn)向鏡致動器的解耦允許進一步的校準技術(shù)以識別物 理結(jié)構(gòu)和重新配置結(jié)構(gòu)的方法。校準更進一步允許對光束位置采樣的固定采樣 模塊放置在相對致動器的任意位置。因此，通過使用矩陣轉(zhuǎn)換解耦控制，可能 幾乎去除所有錯誤的系統(tǒng)不僅能通過工廠調(diào)整提供，之后如果需要，也可以在 現(xiàn)場校準。
根據(jù)本發(fā)明，兩個虛擬變量被構(gòu)造用于反饋控制的目的，^變量與獨立 的反饋環(huán)關(guān)聯(lián)，以非交叉耦合的方式操作。因此，這些變量的每一個都分別地 被標識為一個并且只有一個轉(zhuǎn)向鏡，以使一個轉(zhuǎn)向鏡的狀態(tài)的改變(例如，傾 斜)不影響其他變量。因此，每個反饋環(huán)能獨立地操作。虛擬變量一般不對應(yīng) 于光束指向和偏移，雖然其可以被用來計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。這只是一個應(yīng)用實例。當前的系統(tǒng)和方法可以應(yīng)用在 任何類型的準直光束處理包括例如激光(相干的)但不限于此。當前的方法和 設(shè)備通?？捎糜诰哂羞B續(xù)或脈沖光束，紅外線到紫外線的波長，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)用包括波長多路復(fù)用技術(shù) 和多路分解信號技術(shù)，能量分離和監(jiān)控，光束測量和監(jiān)控，激光切割，機械加 工或外科手術(shù)，干涉測量，以及多通道光的管理。


圖1表示本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)的一個例子的方框圖。 圖2表示使用兩個反饋環(huán)的反饋控制方法的方框圖。
圖3表示圖1系統(tǒng)的光軸。
具體實施例方式
當前的光束轉(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)包括兩個附加的致動器，每
一個對應(yīng)于一個轉(zhuǎn)向鏡，和兩個附加的探測器，用于在y-z平面中相似的控制。 簡而言之，此描述將其本身限制到一個這樣的平面，但擴展到另一個平面是常 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。在一個具體實施例中， 探測器Detl、 Det2安裝在與其他光學(xué)元件分開的單獨支持元件上。在一個具體 實施例中，Detl、 Det2源于傳統(tǒng)四分光電探測器的四個部分。也可以使用位置
感應(yīng)光電探測器或其他翻的光電探測器。轉(zhuǎn)向鏡是R1， R2，，都被在圖l 中描述的平面中的適當?shù)木苤聞悠鰽l， A2驅(qū)動。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(從探測器上的入射部分分開)。鏡子R3被定位于引導(dǎo)光束到 探測器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ftn的函數(shù)通過下式給出
<formula>formula see original document page 6</formula>
同樣地，在兩個探測器的致動元件中的每一個處光束位置&， 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&沒有沖突的A來控制u。同樣地，能使用與A沒有沖突 的&來控制控制v。由此，u， v是通過兩個轉(zhuǎn)向鏡控制的兩個沒有交叉耦合的
虛擬變量。
以上等式對應(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現(xiàn)，或通常 以數(shù)字電路通過可編程微處理器或微控制器實現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明公開的內(nèi)容給這
種設(shè)備編程是常規(guī)的。圖2中的每個方框或節(jié)點代表一個函數(shù)，帶有的節(jié)點為
求和節(jié)點?？刂戚敵鲂盘?amp;和^通常被控制系統(tǒng)傳輸以用于驅(qū)動轉(zhuǎn)向鏡致動器，
以此提供閉環(huán)反饋控制。因為控制環(huán)增益Gu (s)和Gv (s)遠大于l，對于任
意的Xm和^者P有U二V^，且X^二6UH)。
在另一個具體實施例中，控制環(huán)使用下列方法實現(xiàn)。通過下式給出對光束 位置誤差進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)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 由探測器的可用的檢測量程限制。鏡子R1，和R2的角度變化(傾斜)被轉(zhuǎn)換 成致動器的驅(qū)動脈沖的估計數(shù)字，ailP弁-kLAak弁給出，其中kL是全局增 益常數(shù)，用來加速或減慢環(huán)，#是適當?shù)闹聞悠鞯恼嘉环?，并且k井是所述致動器的將致動，置與向致動器驅(qū)動器提供的信號相關(guān)聯(lián)的增益常數(shù)。
該光束采樣系統(tǒng)中的誤差的主要來源例如是位置一傳感探測器Detl、 Det2 的散粒噪聲和約翰森噪聲，用于數(shù)字化探測器輸出信號的傳統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(未 顯示)中的量化錯誤，溫度改變時，光束采樣系統(tǒng)的物理未對準，以及驅(qū)動鏡 子R1， R2的致動器A1， A2的最小增量運動。所有的這些誤差來源可以被容易 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中相等并且獨立波動&C，輸出光束位置和角度中的波動^Xout 和湖。ut，由下式給出
<formula>formula see original document page 8</formula>
致動器的Al ， A2最小步進的大小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是在致動器的螺桿和光學(xué)元件中心之間的杠桿臂。致動器是例如
驅(qū)動的螺桿，例如Picomotor1^， New Focus公司出售的壓電致動器。最后，輸 出對分量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)移隨周圍纟鵬的改變而變化:
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)制造時被設(shè)置，但是裝配中 即使是很小的變化也會在反饋環(huán)之間引入很大的交叉耦合。因此，可以l柳原
位的校準程序，但是這不是被要求的。校準M使得^和X2歸零開始(或至少
驗證光束在位置探測器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)?？刂葡到y(tǒng)將會記錄四個量因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?，F(xiàn)在校準矩陣可iM下式計 算<formula>formula see original document page 9</formula>
以及如上面的:
校7銜呈序可合并過濾，艮哆次改變角度和對結(jié)果求平均值，并且遞歸，即 1OT反饋環(huán)在校準嘗試之間使U和V歸零。
一旦系統(tǒng)被安裝并且校準，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兩個探測器中心
h和l2的圖像的直線。如果M和探測器的相關(guān)位置上的對準容限為血align，光 束圖像的位置將會被偏移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>當前系統(tǒng)和控制信號處理造成兩個獨立的滿足高性能需求的反饋環(huán)。_M 的場校準可以在安裝之后執(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(兩個轉(zhuǎn)向鏡分別有一個軸)中的控制。光 束指向和轉(zhuǎn)移系統(tǒng)(第二軸在兩個轉(zhuǎn)向鏡的每一個上)的第三軸和第四軸的下 面程序是相同的。整個效果是對于轉(zhuǎn)向鏡的兩個傾斜軸，同時產(chǎn)生兩個控制環(huán)
用于u，力和U2， v2。在此公開的內(nèi)容中，致動器A1， A2如圖所示被平行設(shè) 置，但這并不是受限制的。致動器的上述的校準程序和/或軟件控制可以用于映 射致動器(兩個，或四4^括用于轉(zhuǎn)向鏡的第二軸的那些)至,個控制變量u,，
V!和U2， V2中的每一個。
在此公開的內(nèi)容是用于說明而不是用于限制；本領(lǐng)域技術(shù)人員參照本發(fā)明 公開的內(nèi)容而做出進一步的改進將會是顯而易見的，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；其中為這兩個探測器的輸出信號的函數(shù)的第一值指示第一轉(zhuǎn)向反射器的狀態(tài)，而為這兩個探測器的輸出信號的函數(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，進一步包括耦合在探測器和轉(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，其中每一個轉(zhuǎn)向反射器包括耦合到致動器的反射器。
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 動器以使該反射器傾斜到一個基本上垂直于第一致動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，進一步包括定位成反射被第二光束分離器娜到 第二探測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控制環(huán)， 一個控制環(huán)與第 一tt和第二i直中的一個相關(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，進一步比較定位劇每光束聚焦至悌一探測器的 第一透鏡和定位劇各光束聚焦至U第二探測器的第二透鏡。
11、 一種操作具有兩個轉(zhuǎn)向反射器的光學(xué)設(shè)備的方法，包括步驟 將連續(xù)地從兩個轉(zhuǎn)向反射器反射的光束分離； 將分光束分離為兩個部分； 檢測二次分光束的第一部分； 檢測二次分光束的第二部分；獲取來自兩次檢測步驟中的為輸出信號的函數(shù)的第一值，該第一值指示第 一轉(zhuǎn)向反射器的狀態(tài)；以及獲取來自兩次檢測步驟中的為輸出信號的函數(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，進一步包括ffiil致動器改變旨轉(zhuǎn)向反射器的 狀態(tài)的步驟。
14、 如權(quán)禾腰求13的方法，進一步包括提供與齡轉(zhuǎn)向反射器相關(guān)聯(lián)的第 二致動器以使轉(zhuǎn)向反射器傾斜至捶直于第一致動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，進一步包括在檢測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 提供兩個控制環(huán)， 一個控制環(huán)與第一值和第二值中的一個相關(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，進一步包括在檢測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)來去耦合驅(qū)動轉(zhuǎn)向反射鏡的制動器的操作。該控制技術(shù)使用兩個虛擬變量，每一個具有以非交叉耦合方式操作的相關(guān)聯(lián)的獨立的反饋環(huán)，每一個變量和兩個轉(zhuǎn)向反射鏡之一相關(guān)聯(lián)。
文檔編號G03F7/20GK101371181SQ200780002545
公開日2009年2月18日 申請日期2007年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月20日
發(fā)明者A·D·費里納斯, E·D·格林 申請人:波科海姆技術(shù)公共有限公司