CN103092229B - 激光器温度稳定控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光器温度稳定控制系统，包括位于激光器的放电腔腔体内部的放电区出气口处的第一温度传感器、位于放电腔腔体内部的放电区进气口处的第二温度传感器、位于腔体内壁的第三温度传感器、位于热交换系统和腔体冷却系统的出水管道内的第四温度传感器和第五温度传感器。第一至第五传感器分别用于检测放电腔内放电区出气口、放电腔内放电区进气口、放电腔腔体、各出水管道内的冷却水的温度，且均通过线路与ADRC连接，以将温度传感器检测的温度信号传送给ADRC。ADRC根据各温度信号来控制热交换系统、腔体冷却系统的进水管道上的流量调节阀，以及控制所述电加热器，从而实现对激光器的温度控制。本发明可以提高准分子气体激光器系统的温度稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及气体激光器技术领域，具体涉及激光器温度稳定控制系统，特别是准分子气体激光器的温度稳定控制系统。
背景技术
准分子气体激光器是工作在紫外波段的脉冲气体激光器，目前，用于大规模集成电路的激光光刻技术突破45nm分辨率，是当前光刻光源的主流选择。
放电腔是准分子气体激光器的核心部件，主要包括放电电极、气体循环系统和散热系统，其综合运转性能决定着激光器的高压放电能力、激光输出质量和整体运转效率。
激光器的性能在一定程度上取决于放电腔的工作温度。作为激光工作增益介质的工作气体需要最佳温度范围，在该温度范围内，激光器具有较高的能量转换效率和输出能量稳定性。
在准分子气体激光器工作时，高压气体放电及风机运转导致腔内温度升高，若不能有效的控制温度，采取相应散热措施，会导致激光输出下降，激光器能量转换效率和能量稳定性也会受到很大影响。
图1为传统的温度稳定控制系统结构原理图。1为放电腔，2为放电电极，3为热交换系统，4为流量调节阀门，5为进水管道，6为出水管道，7为冷却系统，8为温度传感器，9为PID(Proportion IntegrationDifferentiation)控制器。
如图1所示，准分子气体激光器包括有放电腔1，放电腔1包括放电电极2等部件，传统的温度稳定控制系统包括热交换系统3和冷却系统7。热交换系统3用于吸收放电腔1内的热量，并通过进水管道5从冷却系统7输入冷却水，通过出水管道6向冷却系统7输出被加热的水，从而将热量排出放电腔1外；冷却系统7将由热交换系统3的出水管道6输出的被加热的水进行冷却，并将冷却水输出到热交换系统3的进水管道5，以向热交换系统3循环输入冷却水。在热交换系统3的进水管道5上安装有流量调节阀门4，在放电腔1内部放电区附近安装有一个温度传感器8，该温度传感器8检测放电腔1内气体温度并将该温度信号发送给PID控制器9，PID控制器9接收该温度信号并据此对流量调节阀门4进行控制，以控制输入到热交换系统3的冷却水流量，从而控制热交换器3的热交换效率，以对放电腔1内气体的温度进行控制。
PID控制器9由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。PID控制器由参考输入与被调量的误差、误差的积分、误差的微分三者的“线性组合”来产生控制信号。
准分子气体激光器工作时，大部分输入电能转化为热量，同时放电腔内风机旋转也会产生很多热量，使放电腔1内的温度升高，温度传感器8实时检测放电腔内工作气体温度，并将温度信号传递给PID控制器9，PID控制器9根据实测数据进行运算处理，将控制信号发送给流量调节阀门4，流量调节阀门4根据接收到的控制信号通过进水管道5调节热交换系统3与冷却系统7冷却水流量，从而控制气体温度。
然而，图1所示的放电腔内温度稳定控制系统由于温度传感器响应时间的限制，因此其工作温度稳定性不高，不能满足激光器实现高的能量转换效率。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明所要解决的技术问题是当前准分子气体激光器系统的温度控制能力不足，不能实现激光器高的能量转换效率。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提出一种激光器温度稳定控制系统，用于对激光器的工作温度进行控制，所述激光器包括放电腔，所述放电腔内纳有工作气体，工作气体在放电区放电时会产生热量，所述激光器温度稳定控制系统包括热交换系统和冷却系统，所述热交换系统用于吸收放电腔内的热量，并通过进水管道从冷却系统输入冷却水，通过出水管道向冷却系统输出被加热的水，从而将热量排出放电腔外；所述冷却系统用于将由热交换系统的出水管道输出的被加热的水进行冷却，并将冷却水输出到热交换系统的进水管道，以向热交换系统循环输入冷却水，在所述热交换系统的进水管道上还安装有流量调节阀门，所述激光器温度稳定控制系统还包括第一温度传感器和ADRC，其中：
所述第一温度传感器安装于所述放电腔内部的放电区出气口处，用于检测该放电腔内的放电区出气口处的温度并将该温度信号发送给所述ADRC；所述ADRC用于接收该温度信号并据此对所述流量调节阀门进行控制，以调节输入到热交换系统的冷却水流量。
根据本发明的一种具体实施方式，系统还包括腔体冷却系统，该腔体冷却系统安装于所述放电腔的外围，用于降低放电腔的腔体温度，并且，该腔体冷却系统也通过进水管道和出水管道从冷却系统中接收冷却水，排放经加热的水，在该进水管道上也设置有流量调节阀门，该流量调节阀门也由所述ADRC控制，以调节输入到该腔体冷却系统的冷却水流量。
根据本发明的一种具体实施方式，系统还包括电加热器，其用于在所述激光器启动之前或激光器短暂停顿时对放电腔进行加热，并且，该电加热器也由ADRC控制，以调节放电腔的腔体温度。
根据本发明的一种具体实施方式，所述电加热器的加热的最高温度不超过45℃。
根据本发明的一种具体实施方式，在所述放电腔内的放电区进气口处设置一个第二温度传感器，其用于实时检测放电腔内放电区进气口的工作气体温度，并将温度信号传递给ADRC，所述ADRC还根据该温度信号来控制热交换系统、腔体冷却系统的进水管道上的流量调节阀，以及控制所述电加热器，从而实现对激光器的温度控制。
根据本发明的一种具体实施方式，还包括第三温度传感器，其设置于放电腔内壁，用于检测放电腔的腔体温度，并将温度信号传递给ADRC，所述ADRC还根据该温度信号来控制热交换系统、腔体冷却系统的进水管道上的流量调节阀，以及控制所述电加热器，从而实现对激光器的温度控制。
根据本发明的一种具体实施方式，还包括分别用于检测热交换系统和腔体冷却系统的出水管道内冷却水的第四温度传感器和第五温度传感器，该第四、第五温度传感器也将温度信号传递给ADRC，所述ADRC还根据该温度信号来控制热交换系统、腔体冷却系统的进水管道上的流量调节阀，以及控制所述电加热器，从而实现对激光器的温度控制。
(三)有益效果
本发明通过采用自抗扰控制器代替常规PID控制器，同时控制流量调节阀门、电加热器，从而提高了激光系统的温度稳定性及高频放电气体流动均匀性，增强放电电极的寿命。
附图说明
图1为传统的用于准分子气体激光器的温度稳定控制系统的结构示意图；
图2为本发明的用于准分子气体激光器的温度稳定控制系统的结构示意图；
图3为ADRC控制器结构图。
具体实施方式
本发明的用于准分子气体激光器的温度稳定控制系统对传统的温度稳定控制系统进行了改进。如前所述，准分子气体激光器包括有放电腔，放电腔内包括放电电极等部件，传统的温度稳定控制系统包括热交换系统和冷却系统。热交换系统用于吸收放电腔内的热量，并通过进水管道从冷却系统输入冷却水，通过出水管道向冷却系统输出被加热的水，从而将热量排出放电腔外；冷却系统将由热交换系统的出水管道输出的被加热的水进行冷却，并将冷却水输出到热交换系统的进水管道，以向热交换系统循环输入冷却水。
如前所述，在热交换系统的进水管道上安装有流量调节阀门，在放电腔内部(放电区出气口处)安装有一个温度传感器，该温度传感器检测放电腔内气体温度并将该温度信号发送给PID控制器，PID控制器接收该温度信号并据此对流量调节阀门进行控制，以调节输入到热交换系统的冷却水流量，从而控制热交换系统的热交换效率，以对放电腔内气体的温度进行控制。
根据本发明的一个主要方面，温度稳定控制系统采用自抗扰控制器(Active Disturbances Rejection Controller，ADRC)来代替传统的PID控制器，ADRC是一种改进型非线性PID控制器结构，其采用特殊的“非线性”效应，把系统的未建模动态和未知外扰作用都归结于对系统的“总扰动”而进行估计并给予补偿。ADRC控制器的结构如图3所示。ADRC主要由三部分组成：跟踪微分器(Tracking-Differentiator，TD)、扩张状态观测器(Extended State Observer，ESO)和非线性状态误差反馈控制率(NonlinearState Error Feedback，NLSEF)。图3中，v(t)为给定输入信号，e(t)为误差信号，u(t)为被控对象的输入信号，w(t)为干扰信号，y(t)为被控对象的输出信号，z(t)为状态估计信号，I为单位矩阵，b0为变化中间值。与PID相比，它具有超调低、收敛速度快、精度高、抗干扰能力强及算法简单等特点，在控制对象的参数发生变化或有不确定性扰动时具有较强的自适应性和鲁棒性。
在本发明的ADRC控制系统中(见图3)，被控对象的输入u(t)为温度传感器8检测到的放电腔内放电区出气口工作气体温度、温度传感器14检测到的放电腔内放电区进气口工作气体温度、温度传感器15检测到的放电腔的腔体温度、温度传感器16检测到的出水管道10内的冷却水温度及温度传感器17检测到的出水管道6内的冷却水的温度；被控对象的输出y(t)为实际的电加热器12的控制参数、实际的流量调节阀13控制参数、实际的流量调节阀4控制参数；ADRC控制器的输入v(t)为给定的电加热器12的最优控制参数、给定的流量调节阀13最优控制参数、给定的流量调节阀4最优控制参数。
根据本发明的另一个方面，温度稳定控制系统还包括腔体冷却系统，该腔体冷却系统安装于放电腔外围，用于降低放电腔的腔体温度。腔体冷却系统可由腔体冷却装置及腔体冷却装置内的冷却水构成，并且，与位于放电腔内部的热交换系统类似，腔体冷却系统也通过进水管道和出水管道从冷却系统中接收冷却水，排放经加热的水。并且，在其进水管道上也设置有流量调节阀门。该流量调节阀门也由所述ADRC控制，以调节输入到腔体冷却系统的冷却水流量。
腔体冷却系统布置在腔体外围，可使散热面积更大，冷却更均匀。因此可以较好的实现腔体降温。
根据本发明的另一方面，温度稳定控制系统还包括电加热器，电加热器用于在激光器启动之前或激光器短暂停顿时对放电腔进行加热，以使放电腔体尽快达到最佳温度，减少启动预热时间。电加热器可安装于腔体内壁，其加热温度的最高温度优选为限定在45℃。所述电加热器也由ADRC控制。具体来说，ADRC可以控制电加热器的开通及关断时间，以调节放电腔的腔体温度。
根据本发明的第三方面，除了设置于放电腔内部的放电区出气口区域的温度传感器之外，在放电腔内放电区的进气口处也设置一个温度传感器。为了方便说明，将放电腔内部的放电区出气口的温度传感器称为第一温度传感碞，将放电区进气口处的温度传感器称为第二温度传感器。第二温度传感器实时检测放电腔内放电区进气口处的工作气体温度，并将温度信号传递给ADRC。
根据本发明的第四方面，还包括第三温度传感器，其设置于放电腔内壁，用于检测放电腔的腔体温度，并将温度信号传递给ADRC；
根据本发明的第五方面，还包括用于检测热交换系统和腔体冷却系统的出水管道内冷却水的温度传感器，在此分别称为第四温度传感器和第五温度传感器，第四、第五温度传感器也将温度信号传递给ADRC。
根据本发明的第六方面，ADRC接收各温度传感器(例如第一至第五温度传感器中的至少一个或多个)输入的各个温度信号，将各温度信号转换为温度测量结果，并根据温度测量结果来分别控制热交换系统、腔体冷却系统的进水管道上的流量调节阀，以及控制电加热器，从而实现对激光器的温度控制。
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。
图2为本发明的一个实施例的温度稳定控制系统。如图2所示，该实施例的温度稳定控制系统也应用于准分子气体激光器，该激光器同样包括放电腔1，放电腔1的内部具有放电电极2。在放电腔1的内部还具有热交换系统3，热交换系统一般设于放电腔内部
此外，在放电腔的外围设置有腔体冷却系统11，腔体冷却系统11可有效降低放电腔腔体温度，使散热面积更大，冷却更均匀。
该实施例的温度稳定控制系统还包括一个位于放电腔1外部的冷却系统，腔体冷却系统11和热交换系统3分别通过各自的进水管道和出水管道与该冷却系统连接。如图2所示，冷却系统7分别通过进水管道5和19为热交换系统3和腔体冷却系统11提供冷却水，热交换系统3和腔体冷却系统11则分别通过出水管道6和10向冷却系统7排出被加热的水，由此在热交换系统3和腔体冷却系统11内部和冷却系统中形成循环。
该实施例的温度稳定控制系统包括有多个温度传感器和一个ADRC18，温度传感器包括位于放电腔腔体内部的放电区气体出气口处的第一温度传感器8、位于放电腔腔体内部的放电区进气口处的第二温度传感器14、位于腔体外壁的第三传感器15、位于出水管道10内的第四传感器16和位于出水管道6内的第五传感器17。第一至第五传感器分别用于检测放电腔内放电区出气口放电腔内放电区进气口、放电腔1、出水管道10内的冷却水以及出水管道6内的冷却水的温度。上述第一至第五传感器均通过线路与ADRC 18连接，以将温度传感器检测的温度信号传送给ADRC。
本发明的温度稳定控制系统还包括一个位于腔壁内的电加热器12，该电加热器用于在激光器启动之前或激光器短暂停顿时对腔体进行加热以使气体温度尽快达到最佳温度，减少启动时间。并且所述进水管道5、19上均安装一个流量调节阀门13。电加热器12和流量调节阀13均通过线路与ADRC 18连接。电加热器的开通及关断时间能够接受ADRC 18的控制，从而控制加热的功率和时间；流量调节阀门13能够接受ADRC 18的控制，从而调节进水管道输送的冷却水的流量，以便控制热交换系统3或腔体冷却系统11的冷却效率。
本据本发明，所述ADRC 18控制电加热器12在激光器启动之前或激光器短暂停顿时对腔体进行加热，以使放电腔体尽快达到最佳温度，减少启动预热时间。
ADRC 18根据温度传感器检测到的各个温度信号进行运算处理。具体来说，ADRC 18根据第三温度传感器15测得的温度自动调节电加热器12，根据第一温度传感器8、第二温度传感器14、第四温度传感器16自动调节流量调节阀门13，根据第一温度传感器8、第二温度传感器14、第五温度传感器17自动调节流量调节阀门4。
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 (3)
1.一种激光器温度稳定控制系统，用于对激光器的工作温度进行控制，所述激光器包括放电腔，所述放电腔内容纳有工作气体，工作气体在放电区放电时会产生热量，所述激光器温度稳定控制系统包括热交换系统和冷却系统，所述热交换系统用于吸收放电腔内的热量，并通过进水管道从冷却系统输入冷却水，通过出水管道向冷却系统输出被加热的水，从而将热量排出放电腔外；所述冷却系统用于将由热交换系统的出水管道输出的被加热的水进行冷却，并将冷却水输出到热交换系统的进水管道，以向热交换系统循环输入冷却水，其特征在于：
在所述热交换系统的进水管道上还安装有流量调节阀门，所述激光器温度稳定控制系统还包括第一温度传感器、第二温度传感器、腔体冷却系统、电加热器和ADRC，其中：
所述第一温度传感器安装于所述放电腔内部的放电区出气口处，用于检测该放电腔内的放电区出气口处的温度并将温度信号发送给所述ADRC；
所述第二温度传感器设置在所述放电腔内的放电区进气口处，用于检测该放电腔内放电区进气口的工作气体温度，并将温度信号传递给ADRC；
所述腔体冷却系统安装于所述放电腔的外围，用于降低放电腔的腔体温度，并且，该腔体冷却系统也通过进水管道和出水管道从冷却系统中接收冷却水，排放经加热的水，在该腔体冷却系统的进水管道上也设置有流量调节阀门；
所述电加热器用于在所述激光器启动之前或激光器短暂停顿时对放电腔进行加热，并且，该电加热器加热的最高温度不超过45℃，由ADRC控制，以调节放电腔的腔体温度；
所述ADRC用于接收所述第一温度传感器和第二温度传感器所检测的温度信号并据此对所述热交换系统和腔体冷却系统的流量调节阀门进行控制，以分别调节输入到热交换系统和腔体冷却系统的冷却水流量，以及控制所述电加热器，从而实现对激光器的温度控制。
2.如权利要求1所述的激光器温度稳定控制系统，其特征在于，还包括第三温度传感器，其设置于放电腔内壁，用于检测放电腔的腔体温度，并将温度信号传递给ADRC，所述ADRC还根据该温度信号来控制热交换系统、腔体冷却系统的进水管道上的流量调节阀，以及控制所述电加热器，从而实现对激光器的温度控制。
3.如权利要求2所述的激光器温度稳定控制系统，其特征在于，还包括分别用于检测热交换系统和腔体冷却系统的出水管道内冷却水的第四温度传感器和第五温度传感器，该第四、第五温度传感器也将温度信号传递给ADRC，所述ADRC还根据该温度信号来控制热交换系统、腔体冷却系统的进水管道上的流量调节阀，以及控制所述电加热器，从而实现对激光器的温度控制。
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