CN102931569B - 准分子激光器的自动温控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种准分子激光器的温控系统，所述准分子激光器具有第一腔体模块和第二腔体模块，第一腔体模块和第二腔体模块均包括放电腔、磁压缩器和固体开关，所述温控系统包括用于对所述两个磁压缩器进行冷却的冷却系统、用于对所述两个放电腔进行温度控制的腔体温控系统和用于对所述两个固体开关进行冷却的冷却系统。本发明能够自动、准确的控制放电腔内气体温度，从而确保激光器具有较高的能量转换效率和能量稳定性，并且能大幅度降低热机时间，提高激光器使用寿命。

Description

准分子激光器的自动温控系统

技术领域

本发明涉及一种自动温控系统，适用于气体激光器，尤其适用于准分子激光器及其双腔结构。

背景技术

准分子激光器是一种面向紫外特征应用的常规气体激光器，具有波长短、高重频和可定标放大的特点，是优秀的光刻用激光光源。

传统的放电泵浦准分子激光器采用单腔结构设计。随着光刻技术的发展，要求光源具有更窄的光谱宽度(线宽)、更高的重复频率以及更高的平均功率。而传统的单腔结构设计难以同时满足这三方面的要求。

为了有效地实现光谱宽度窄化和激光功率提高，双腔结构被引入到激光器的设计中。其基本思想是使线宽压窄和提高激光输出功率在不同的气体放电模块(种子腔、放大腔)中得以实现。其工作过程如下：种子腔产生具有一定重复频率的种子光，实现极窄带宽、高品质的低功率激光震荡辐射；放大腔实现种子光入射后的脉冲能量放大。基于双腔结构设计的激光器具备了光刻光源所必需的窄化光谱控制和较高单脉冲能量的输出特性。

准分子激光器的能量转换效率较低，输入的大部分电能都转化为热量。与此同时，工作气体的快速循环需要由风机的高速运转来驱动，从而产生更多的热量。这些热量若不能及时散出，将会使工作气体的温度快速升高。而工作气体的温度对激光器能量转换效率和能量稳定性都有很大影响，实践证明，工作气体具有一个最佳温度(或者最佳温度范围)，在该温度下，激光器具有较高的能量转换效率和能量稳定性。

传统的用于准分子激光器的温控系统采用冷却水直接通过热交换器的方式，没有温度控制反馈系统，因此无法准确控制腔内气体温度。并且没有腔壁加热系统，因此激光器需要较长的热机时间。

发明内容

(一)要解决的技术问题

对于准分子激光器，在其放电腔中，尤其是在高重频的放电腔中，为了保证激光能量稳定性，必须控制工作气体在某一恒定温度；为保证较高的能量转换效率，必须控制工作气体的温度恒定在一个最佳温度。

为了使激光器达到能量稳定的状态，需要较长的热机时间，以便其工作气体能达到并稳定在最佳温度。此过程不仅浪费时间，而且会降低激光器的使用寿命。因此，必须采取措施减少热机时间。

为解决上述问题，本发明提出一种带有温度反馈系统的水冷系统，并且辅之以电加热功能，从而实现放电腔内气体温度的自动、准确控制，并尽可能降低热机时间。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提出一种准分子激光器的温控系统，所述准分子激光器具有第一腔体模块和第二腔体模块，第一腔体模块和第二腔体模块均包括放电腔、磁压缩器和固体开关，所述温控系统包括：用于对所述两个磁压缩器进行冷却的冷却系统；用于对所述两个放电腔进行温度控制的腔体温控系统；用于对所述两个固体开关进行冷却的冷却系统。

根据本发明的一种具体实施方式，所述用于对所述两个磁压缩器进行冷却的冷却系统包括用于对所述磁压缩器进行冷却的变压器油、提供冷却水的管道以及利用所述冷却水对所述变压器油进行冷却的油水换热器；所述用于对所述两个放电腔进行温度控制的腔体温控系统包括热交换器和热交换器的提供冷却水的管道；所述用于对所述两个固体开关进行冷却的冷却系统包括用于提供冷却水的管道；

根据本发明的一种具体实施方式，所述用于对所述两个磁压缩器进行冷却的冷却系统的提供冷却水的管道、所述腔体温控系统的提供冷却水的管道以及所述用于对所述两个固体开关进行冷却的冷却系统的提供冷却水的管道作为支管道，其分别连接于主管道，该主管道与水冷机进行连接。

根据本发明的一种具体实施方式，其特征在于，所述支管道的前端具有出水活门，其用于对支管道的通断进行控制。

根据本发明的一种具体实施方式，所述支管道的末端具有止回阀，其用于防止水流回流。

根据本发明的一种具体实施方式，所述腔体温控系统还包括温度传感器、控制器以及设置于所述提供冷却水的管道上的流量自动调节阀门；所述温度传感器用于实时监测腔体内的气体温度，并把温度数据传送给控制器；所述控制器用于根据所述温度数据并结合其内部存储的目标温度值进行逻辑运算，产生控制信号并将控制信号发送给流量自动调节阀门；所述流量自动调节阀门根据接收到的控制信号对冷却水流量进行自动调节。

根据本发明的一种具体实施方式，所述两个放电腔还包括电加热器。

根据本发明的一种具体实施方式，所述电加热器布置在腔壁的内部，用于加热腔壁，从而间接加热放电腔内的气体。

根据本发明的一种具体实施方式，所述电加热器的表面包覆导热绝缘材料。

根据本发明的一种具体实施方式，所述两个放电腔分别为主振荡腔和功率放大腔，或者主振荡腔和功率振荡腔，或者在主振荡腔和基于功率放大腔的环形腔。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明的准分子激光器的温控系统能够自动、准确的控制放电腔内气体温度，从而确保激光器具有较高的能量转换效率和能量稳定性，并且能大幅度降低热机时间，提高激光器使用寿命。

附图说明

图1是具有种子腔和放大腔的准分子激光器的一个实施例的结构示意图；

图2是图1所示的实施例的温控系统的结构示意图；

图3是本发明的实施例的磁压缩器的冷却系统的示意图；

图4是本发明的实施例的放电腔的基本结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

典型的单腔结构的放电泵浦准分子激光器主要是由固体开关(SSS)、磁压缩器(MSG)和放电腔(DC)构成。其中，固体开关主要用于将直流电压转换为高频率、窄脉宽的电脉冲，电脉冲传到磁压缩器的输入端。磁压缩器用于将电压脉冲的振幅提高，并将其宽度降低。磁压缩器输出端的高压脉冲进入放电腔的主要电极。放电腔提供持续不断的新鲜的工作气体，并接受高压脉冲放电产生激光。

准分子激光器的双腔结构设计主要分为三类：主振荡腔—功率放大腔结构(MOPA)、主振荡腔—功率振荡腔结构(MOPO)以及在主振荡腔—功率放大腔结构基础上发展出来的环形腔结构(MOPRA)。

图1是具有主振荡腔和功率放大腔的准分子激光器MOPA系统的结构示意图。如图1所示，其具有双腔结构，该双腔结构包括MO模块(主振荡腔模块)1和PA模块(功率放大腔模块)2，MO模块1和PA模块2均具有放电腔、磁压缩器和固体开关，图中标记3a是MO模块1的放电腔，标记3b是PA模块2的放电腔；标记4a是MO模块1的磁压缩器，标记4b是PA模块2的磁压缩器；标记13a是MO模块1的固体开关，标记13b是PA模块2的固体开关。

图1中的标记9、标记10、标记11、标记12是MOPA系统的其他光学模块。

图2是图1所示的本发明的实施例的温控系统的结构示意图。在该实施例中，激光器的温控系统包括所述磁压缩器4a、4b的冷却系统，准分子激光器的磁压缩器4a、4b内部具有高压元件，工作时产生高压和大量的热量。对于高压高热元件，风冷散热方式能力不够，水冷散热又具有很大潜在风险，因此选用绝缘液体进行浸没冷却。如图3所示，磁压缩器的冷却系统主要包括变压器油6、油泵7、油水换热器8以及用于提供变压器油和油水换热器的冷却水的管道等。变压器油6对磁压缩器内部的高压高热元件进行浸没冷却，吸热后的变压器油6通过油管被油泵7泵入到油水换热器8，并与油水换热器8内的冷却水进行热交换，经冷却后的变压器油6重新注入到磁压缩器。在图2中，所述标号7a、7b是油泵，所述标号8a、8b是油水换热器。

由于浸没自然对流的冷却能力有限，为强化冷却能力，可将油管的进出口布置在高压高热元件的附近，利用油泵的动力形成浸没强迫对流。

在该实施例中，激光器的温控系统还包括MO模块1和PA模块2的放电腔3a、3b的腔体温控系统，腔体温控系统包括温度传感器21a、21b，控制器22a、22b，热交换器34、热交换器34的提供冷却水的管道以及设置于所述管道上的流量自动调节阀门23a、23b。温度传感器21a、21b实时监测腔体内的气体温度，并把温度数据传送给控制器22a、22b，控制器22a、22b根据所述温度数据并结合其内部存储的目标温度值进行逻辑运算，产生控制信号并将控制信号发送给流量自动调节阀门23a、23b，该自动调节阀门23a、23b根据接收到的控制信号对冷却水流量进行自动调节，从而完成对腔体内气体温度的控制。

所述主振荡腔或功率放大腔均为放电腔，图4是该实施例的放电腔的基本结构示意图，如图4所示，放电腔由密封的腔体31、放电电极32、风机33、热交换器34和电加热器35组成。腔体31由具有一定厚度的腔壁包围而成，用于提供机械支持和构成气体循环的流道。电加热器35布置在腔壁的内部，用于加热腔壁，从而间接加热工作气体。电加热器35的表面包覆导热绝缘材料，以避免与腔壁发生短路，并能较好的导热。热交换器34和风机33布置在腔体31的内部，分别用于冷却循环气体和提供气体循环的动力。

对于具有上述放电腔的激光器，在激光器启动之前，事先启动电加热器35，以对腔体31的腔壁进行加热，以使腔体31内的放电气体的温度尽快达到最佳温度，从而减少启动时间，并降低电极损伤。

此外，当激光器短暂停顿时，也启动电加热器35对腔体31的腔壁进行加热，以使腔体内的气体维持在最佳温度，为激光器的再次启动做好准备。

当激光器正常运行时，放电产生的热量被风机33所产生高速气流带走，并与热交换器34内的冷却水进行热交换，从而热量被散出。通过控制冷却水的流量，可以精确控制腔体31内的气体的温度。

在该实施例中，激光器还包括固体开关13a和13b，激光器温控系统还包括固体开关13a、13b的水冷系统，水冷系统包括提供冷却水的管道，其采用串联或并联方式连接。

在该实施例中，激光器的温控系统还包括主管道，主管道与水冷机进行连接，提供整个温控系统所需的冷却水，且其上可装有过滤器17，对冷却水进行过滤，以免长时间运行后堵塞管道。在过滤器17后还具有一个电磁阀门18，用于控制主进水管的通断。且主管道上还可设有流量计19，监测冷却水实际流量。

在该实施例中，所述主管道分别连接于各支管道，支管道包括腔体温控系统的水冷管道、磁压缩器的冷却系统的水冷管道，以及固体开关的水冷管道，各支管道的前端均具有一个出水活门20a～20e，其通断由出水活门20a～20e控制。

在该实施例中，激光器的温控系统还包括止回阀24a、24b、24c、24d、24e，分别位于各支管道的末端，其作用是防止各支路水流的回流。

对于具有双腔结构的准分子激光器，双腔结构的布局主要分水平布置(平行或串联)和垂直布置两种。水平布置方案结构松散、占地面积很大，安装、使用均不方便；垂直布置方案结构紧凑、占地面积小，便于安装和使用。一般采用垂直布置，并且整机外部设计有半封闭机壳。因此还可以在机壳内部设置风扇，采用风冷方式对双腔结构进行辅助散热。

以上实施例仅说明了具有主振荡腔和功率放大腔的激光器。但是，根据本发明，无论准分子激光器采用哪种双腔结构，图2所示的激光器的温控系统均能适用。也就是说，本发明的温控系统可出应用于MOPO或MOPRA准分子激光器。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种准分子激光器的温控系统，所述准分子激光器具有第一腔体模块和第二腔体模块，第一腔体模块和第二腔体模块均包括放电腔、磁压缩器和固体开关，其特征在于，所述温控系统包括：

用于对所述两个磁压缩器进行冷却的冷却系统；

用于对所述两个放电腔进行温度控制的腔体温控系统；

用于对所述两个固体开关进行冷却的冷却系统；

所述用于对所述两个磁压缩器进行冷却的冷却系统包括用于对所述磁压缩器进行冷却的变压器油、提供冷却水的管道以及利用所述冷却水对所述变压器油进行冷却的油水换热器；

所述用于对所述两个放电腔进行温度控制的腔体温控系统包括热交换器和热交换器的提供冷却水的管道；

所述用于对所述两个固体开关进行冷却的冷却系统包括用于提供冷却水的管道；

所述用于对所述两个磁压缩器进行冷却的冷却系统的提供冷却水的管道、所述腔体温控系统的提供冷却水的管道以及所述用于对所述两个固体开关进行冷却的冷却系统的提供冷却水的管道作为支管道，其分别连接于主管道，该主管道与水冷机进行连接。

2.如权利要求1所述的准分子激光器的温控系统，其特征在于，所述支管道的前端具有出水活门，其用于对支管道的通断进行控制。

3.如权利要求1所述的准分子激光器的温控系统，其特征在于，所述支管道的末端具有止回阀，其用于防止水流回流。

4.如权利要求1所述的准分子激光器的温控系统，其特征在于，所述腔体温控系统还包括温度传感器、控制器以及设置于所述提供冷却水的管道上的流量自动调节阀门；

所述温度传感器用于实时监测腔体内的气体温度，并把温度数据传送给控制器；

所述控制器用于根据所述温度数据并结合其内部存储的目标温度值进行逻辑运算，产生控制信号并将控制信号发送给流量自动调节阀门；所述流量自动调节阀门根据接收到的控制信号对冷却水流量进行自动调节。

5.如权利要求1所述的准分子激光器的温控系统，其特征在于，所述两个放电腔还包括电加热器。

6.如权利要求5所述的准分子激光器的温控系统，其特征在于，所述电加热器布置在腔壁的内部，用于加热腔壁，从而间接加热放电腔内的气体。

7.如权利要求5所述的准分子激光器的温控系统，其特征在于，所述电加热器的表面包覆导热绝缘材料。

8.如权利要求1-7中任一项所述的准分子激光器的温控系统，其特征在于，所述两个放电腔分别为主振荡腔和功率放大腔，或者主振荡腔和功率振荡腔，或者主振荡腔和基于功率放大腔的环形腔。