CN104516378A - 激光光源传输腔室的温控与净化控制方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光光源的传输腔室内的温控与净化控制系统，包括：设置在光路传输通道的模块腔体之前的二级调压阀，用于调节待进入模块腔体的通道中的气体压力；设置在光路传输通道的气体净化装置和模块腔体之间的毛细管，用于保证光路传输腔室气压与外界气压有微正压；以及设置在光路传输通道的模块腔体之后的节流阀，且每个模块腔体之后对应设置一个所述的节流阀，用于调节各模块腔室与环境大气压的压差。本发明还公开了相应的温控与净化控制方法。本发明的装置和方法通过控制腔体与外界的压差恒定，同时通过加热器和热交换器实现腔体的精确温度控制，从而满足激光光源对于传输腔室内气体的压力和温度的高精确性和稳定性需求。

Description

激光光源传输腔室的温控与净化控制方法和系统

技术领域

本发明属于激光光源技术领域，具体涉及一种激光光源中传输腔体气体压力和温度的控制方法和系统。

背景技术

激光由激光光源经过激励源将低能态粒子送到高能态，经过粒子数反转和谐振腔放大而产生。例如Arf准分子激光是目前应用较为广泛的一种激光，其是Arf准分子激光是浸没式光刻机的重要组成部分。Arf准分子激光通过激光光源被激发产生，具体是Arf准分子激光器内充有两种按一定比例混合的惰性气体和卤素气体，这种被称为“受激聚物”的混合气体可以在远紫外光谱区产生激射脉冲。准分子激光器输出的光波波长取决于“受激聚物”的元素组成状况。

激光光源中，光路传输各腔室气体的压力和温度对激光的稳定性和精确性至关重要。一方面，需要准确控制光路传输各腔室气体的压力，使其高于外界气体的压力，以保证氮气的浓度。同时腔体的气体压力既不能过高，也不能有过大波动，以免产生光学元件的变形，影响光路传输。另外，还需要分别对光路传输腔室气体和光路传输腔室进行温度控制，以免温度的变化导致激光的面形和位置产生误差，影响光路精度。

专利文献US6504860公开了一种针对气体放电激光器的净化监控系统，其中的密封容器或腔体中含有LNP2分子激光组件、高电压组件、高压电缆、输出耦合器和波长计。这些密封容器或腔体都只有氮气进气口与氮气出气口两个接口，气源的氮气通入氮气净化模块，通过过滤器通入分配盘。分配盘内有流量控制阀，用于控制通往各个组件的氮气流。在流经各容器或腔体之后，净化气体被引导回到氮气清洗模块的流监视器单元，流监视器单元对返回的净化气体进行监视，如果流量监测值小于一个预定值，流监视器单元会发出警报。

上述系统具备气体流量控制功能、气体净化功能和初步的温度调节功能，但是其监控的物理量是流量而不是气压，也缺乏对于腔体的温度控制，与激光光源特别是ArF光源的温控与净化系统的需求还有很大差距，传输腔室的气体压力和温度稳定性不够高，难以满足类似目前对激光光源的要求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种激光光源的传输腔室内的温控与净化控制系统和方法，通过减压阀、毛细管和节流阀的组合使用使腔体与外界的压差恒定，同时通过加热器和热交换器实现腔体的精确温度控制，从而满足激光光源对于传输腔室内气体的压力和温度的高精确性和稳定性需求。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种激光光源的传输腔室内的温控与净化控制系统，用于实现激光光源中传输腔室内的各模块腔体的气体压力和温度的精确稳定控制，该系统包括：

设置在光路传输通道的模块腔体之前的二级调压阀5，用于调节待进入模块腔体的通道中的气体压力；

其特征在于，该系统还包括：

设置在光路传输通道的气体净化装置和模块腔体之间的毛细管，且每个模块腔体之前对应设置一个所述的毛细管，用于保证光路传输腔室气压与外界气压有微正压；以及

设置在光路传输通道的模块腔体之后的节流阀，且每个模块腔体之后对应设置一个所述的节流阀，用于调节各模块腔室与环境大气压的压差。

作为本发明的改进，所述系统还包括设置在光路传输通道的模块腔体之前的热交换器，其中通入工艺冷却水以与待进入模块腔体的腔室气体进行热交换，实现腔室气体温度的调节。

作为本发明的改进，还包括与所述热交换器配套形成循环回路的用于调节回路中工艺冷却水流量的循环泵，以及用于给回路中工艺冷却水加热的加热器24。

作为本发明的改进，所述系统还包括设置在每个模块腔体上的工艺冷却水管道，通过其中循环流动的工艺冷却水，以用于对各模块腔体中的气体进行冷却，并通过精确控制工艺冷却水的流量实现对模块腔体温度的精确控制。

作为本发明的改进，还包括与所述工艺冷却水管道相连并由此形成循环回路的水泵、过滤器和流量和伺服阀，其分别用于泵送、过滤和调节工艺冷却水流量，从而使得工艺冷却水形成循环流动，并通过精确调节工艺冷却水流量调节模块腔体与其热交换热量，实现温度精确控制。

作为本发明的改进，还包括分流板和集流板，分别用于将管路的PCW分流和给三个模块腔体降温后的PCW集流；管路经分流板后分为三路管道，分别与线宽压窄腔体、MOPA传输模块腔体、光束整形模块腔体外焊接的PCW管道连接，PCW经集流板集流后在PCW回收处回收。

按照本发明的另一方面，提供一种激光光源的传输腔室内的温控与净化控制方法，用于实现激光光源中传输腔室内的各模块腔体的气体压力和温度的精确稳定控制，其特征在于，该方法包括：

在光路传输通道的气体净化装置和模块腔体之间设置毛细管，且每个模块腔体之前对应设置一个所述的毛细管，通过该毛细管使得光路传输腔室气压与外界气压有微正压；

在光路传输通道的模块腔体之后设置节流阀，且每个模块腔体之后对应设置一个所述的节流阀，通过该节流阀调节各模块腔室与环境大气压的压差。

作为本发明的改进，还包括在光路传输通道的模块腔体之前设置热交换器，通过该热交换器通入循环流动的工艺冷却水以与待进入模块腔体的腔室气体进行热交换，实现腔室气体温度的调节。

作为本发明的改进，还包括在每个模块腔体上设置的工艺冷却水管道，通过其中循环流动的工艺冷却水，以用于对各模块腔体中的气体进行冷却，并通过精确控制工艺冷却水的流量实现对模块腔体温度的精确控制。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)在腔室气体通道中设置有毛细管和节流阀，以其作为节流稳压元件，通过减压阀、毛细管和节流阀的组合使用使腔体与外界的压差恒定。经过精确的计算，本发明使用毛细管作为关键元件实现了精密的微正压控制，简化了系统的结构，提升了系统的可靠性，降低了系统的成本。

(2)在腔室气体通道中设置有换流器，利用工艺冷却介质对待进入模块腔体内的气体进行温度控制，从而精确控制气体温度。

(3)在模块腔体上设置换热装置，并通过循环流动的工艺冷却介质对模块腔体的温度进行精确控制。

(4)本发明的系统和方法通过准确控制光路传输各腔室气体的压力，使其高于外界气体的压力，以保证氮气的浓度。同时为了实现ArF光源温度控制，本发明引入温度控制机制，分别对光路传输腔室气体和光路传输腔室进行温度控制，以免温度的变化导致激光的面形和位置产生误差，影响光路精度。

附图说明

图1为按照本发明实施例所构建的一种激光光源的传输腔室内的温控与净化控制系统的结构示意图；

图2为按照本发明实施例所构建的一种激光光源的传输腔室内的温控与净化控制方法中具体通过工艺冷却介质对线宽压窄腔体温度进行控制的流程示意图；

图3为按照本发明实施例所构建的一种激光光源的传输腔室内的温控与净化控制系统中模块腔体上PCW管路绕制图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：隔膜阀1，颗粒过滤器2，净化器3，气压计4，二级调压阀5，压力传感器6，流量计7，热交换器8，压力传感器10，温度传感器11，毛细管13-1、毛细管13-2、毛细管13-3，调节线宽压窄模块腔体14、MOPA传输模块腔体15和光束整形模块腔体16，节流阀17-1、节流阀17-2、节流阀17-3，氮气排出口20，水泵21，过滤器22，循环泵23，加热器24，液体温度传感器25，手动调压阀26，液体温度传感器32，分流板33，集流板35，温度传感器34-1、第2温度传感器34-2和第3温度传感器34-3，PCW回收处40

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

按照本发明实施例所构建的激光光源的传输腔室内的温控与净化控制系统，如图1所示。本实施例中优选以ArF准分子激光光源作为光源进行说明，但是本发明的系统和方法不限于上述激光光源。

本发明的系统引入了两个控制部分：ArF光源净化与气压控制部分和ArF光源温度控制部分。ArF光源净化与气压控制部分用以实现光路传输腔室内气压控制、光路净化和相关环境参数的检测；ArF光源温度控制部分用于控制进入腔室气体温度和三个模块腔体的温度。

在光路净化与气压控制部分中，FAB厂供应的氮气首先通过隔膜阀1进入腔室通道，隔膜阀1选用手动控制的二位二通阀，阀的两个状态位控制氮气的通入与否。

在腔室通道中要先后经过气体净化装置、压力调节装置、和三个模块腔体。气体净化装置主要为颗粒过滤器2和净化器3，用于消除保护气体氮气中的固体和气体污染物。如果通入光路传输腔室的氮气自身有污染，会降低净化质量，因此必须使经过过滤后的氮气的纯净度≥99.9995％。压力调节装置有二级调压阀5，用于调节腔室通道中的气体压力；第1毛细管13-1、第2毛细管13-2、第3毛细管13-3，分别用于保证光路传输腔室气压与外界气压有微正压；第1节流阀17-1、第2节流阀17-2、第3节流阀17-3，用于调节各模块腔室与环境大气压的压差；最后气体分别进入三个模块腔体，三个模块腔体分别为线宽压窄模块腔体14、MOPA传输模块腔体15和光束整形模块腔体16。氮气排出口20用于末端的氮气排出，直接排放至空气中。

净化器3之后装有气压计4，用以检测进入腔室通道气体的气压；二级调压阀5之间设置第一压力传感器6，用于分级调节腔室通道中气体的压力；二级调压阀5后设置流量计7，用于检测腔室通道中气体的流量；第1、第2和第3毛细管入口处的设置第二压力传感器10，用于保证通入的保护气体气压是相对稳定的。腔体的气压变化会导致里面的光学元件产生变形和位置误差，因此必须保证通入的保护气体气压是相对稳定的，稳定值在20mBar±4mBar。

为了保证光路传输腔室气压与外界气压有微正压ΔPr，ΔPr＝20mBar±4mBar/长期，本方案中在光路传输腔室的进出气口分别设置第1毛细管13-1、第2毛细管13-2、第3毛细管13-3和第1节流阀17-1、第2节流阀17-2、第3节流阀17-3。第1、第2、第3毛细管和第1、第2、第3节流阀的参数应满足如下经验公式和条件：

$l_i\≥62.5\frac{\mathrm{\π}{d_i}^4}{\mathrm{\μQ}}$

m_i≥8mm²

其中，i＝1，2，3；氮气流量Q＝3.33×10^(-6)m³/s，25℃下氮气的粘度系数μ＝175.44×10-7Pa·s。因此，根据上式，选择第i毛细管内径d_i为0.5mm，l_i长度为1000mm，选择第i节流阀阀口截面积m_i≥8mm²。

ArF光源温度控制部分包含腔室气体温度控制装置和三个模块腔体温度控制装置。腔室气体温度控制装置用于控制进入三个模块腔体氮气的温度。腔室气体温度控制装置主要包含热交换器8，用于将PCW与腔室气体进行热交换，调节腔室气体温度；循环泵23，用于调节与腔室气体热交换的热交换器环路PCW(工艺冷却水)流量；加热器24，用给热交换器环路PCW加热；手动调压阀26，用于调节热交换器环路PCW与PCW回收处40的压差；PCW回收处40用于回收PCW；

第1、第2和第3毛细管入口处安装有气体温度传感器11，用于检测进入毛细管的气体温度；加热器24之后装有第1液体温度传感器25，用于检测热交换器环路PCW温度，用于反馈调节加热器加热功率；

循环泵23、加热器24、第1液体温度传感器25所在的液体环路为热交换器环路PCW，用于调节UPW与腔室气体热交换的功率。此处的循环泵23为定量泵，保证热交换器环路PCW流量稳定。通过手动调节手动调压阀26使得该环路的压力与手动调压阀26出口的压力形成稳定的压差，保证在循环泵23作用下形成独立的液体环路。

三个模块腔体温度控制装置用于调节线宽压窄模块腔体14、MOPA传输模块腔体15和光束整形模块腔体16的腔体温度。如图1所示，入口处PCW(工艺冷却水)作为冷源，用于冷却三个模块腔体；水泵21用于给PCW增压；过滤器22用于给PCW过滤，防止工艺冷却水中有固体杂物；流量伺服阀31用于调节PCW流量，通过精确调节PCW流量可以调节三个模块腔体与PCW的热交换热量，进而达到控制温度的目的；分流板33和集流板35分别用于将管路的PCW分流和给三个模块腔体降温后的PCW集流；管路经分流板33后分为三路管道，分别与线宽压窄腔体、MOPA传输模块腔体、光束整形模块腔体外焊接的PCW管道连接，PCW经集流板35集流后在PCW回收处40回收。

分流板33前安装有第2液体温度传感器32，用于检测进入三个模块腔体的PCW温度；由于三个模块腔体均需要进行温度控制，且不同的腔体对温度敏感性不同，因此选择在三个模块腔体内壁设置了第1温度传感器34-1、第2温度传感器34-2和第3温度传感器34-3，分别用于检测三个模块腔体内部的温度。

ArF光源的腔室温度是直接影响ArF准分子激光性能的重要因素，不同腔室对温度控制要求不同。线宽受线宽压窄腔体14的温度影响明显，其温度变化导致腔室内光学零件的面形和位置误差，过大的温度变化会引起光栅畸变，严重影响激光的线宽，因此需要对该腔室内的温度进行精确控制。此外，ArF光源的MOPA传输模块腔体15、光束整形模块腔体16等均会产生大量的热量，直接导致ArF光源性能的恶化，需要采用热传导方式将其热量释放掉。本发明只对线宽压窄腔体14进行闭环温度控制，其它腔体的温度稳定性要求比线宽压窄腔体14低，在线宽压窄腔体14满足系统温度要求时，其它腔体也能满足温度稳定性需求。因此，本发明只将第1温度传感器34-1用于闭环控制，通过第1温度传感器34-1反馈调节流量伺服阀31的流速来控制PCW与线宽压窄腔体热交换功率，进而达到精确控制线宽压窄腔体温度的目的。

所述通入的氮气气源优选满足如下条件：压力10Bar-14Bar，流量80Nl/h-120Nl/h。所述的PCW(工艺冷却水)优选满足如下指标：温度10℃-18℃，温度稳定性<1℃/h，流量大小<26L/H，压力>60Kpa。

PCW管道绕制后焊接在线宽压窄模块腔体14、MOPA传输模块腔体15和光束整形模块腔体16管壁上，绕制方法如图3所示，三个模块腔体分别为2.4L的圆柱体，内部尺寸为Φ120*230mm，壁厚为10mm，腔体外缠绕水管,PCW管道外径6mm，内径4mm，缠绕圈数为10圈，PCW管道采用焊接方式与腔体外侧连接，PCW管道及腔体材料均为304不锈钢。

按照指标要求在氮气进入模块腔体前其温度稳定性需维持在22±0.5℃/5分钟，线宽压窄腔体的内部温度稳定性要维持在22±0.1℃/5分钟、±0.2℃/长期。

本发明实施例所构建的一种用于同时控制腔室气体和腔室内壁的温度控制方法，通过精确调节热交换器环路PCW内加热器24的功率来控制热交换器内腔室气体和热交换器环路PCW热交换速率，进而精确控制气体温度传感器11处腔室气体的温度；通过流量伺服阀31调节调节PCW流量来调节PCW与三个模块腔体热交换速率，进而精确控制三个模块腔体腔壁的温度，此处只对三个模块腔体中的线宽压窄模块腔体进行温度反馈控制，同时通过计算PCW的温度相对扰动作为线宽压窄模块腔体温度控制的前馈信号有效的提高温度控制方法的鲁棒性。

如图2所示，本实施例中优选以通过冷却介质流量控制线宽压窄腔体温度为例，描述所提供的温度控制方法，具体如下：

(一)、气体初始条件判断步骤：采集流量计7的流量值F_a(k)和第二压力传感器10的压力值P_a(k)，k为采样序列。判断如果F_a(k)＞10^-5m³/s且P_a(k)＞25mBbar，是则进行步骤(二)，否则继续本步骤；

(二)、初始参数设置步骤：设置气体温度设定值T_aset＝22.00℃和线宽压窄腔体14腔室14温度设定值T_cset＝22.00℃，热交换器环路PCW初始设定值T_hset(0)＝22.30℃；

(三)、计算气体温度偏差步骤：计算气体温度偏差e_a(k)＝T_aset-T_a(k)，其中，T_a(k)为气体温度传感器11的采样值；

(四)、计算热交换器环路PCW温度设定值步骤：热交换器环路PCW温度设定值

T_hset(k)＝T_hset(k-1)+ΔT_hset(k)；

热交换器环路PCW温度设定值增量ΔT_hset(k)，ΔT_hset(k)和气体温度偏差e_a(k)的关系满足如下公式：

$\mathrm{\&Delta;}{T}_{\mathrm{hset}}\left(k\right)=\mathrm{PB}[\mathrm{\&Delta;}{e}_a\left(k\right)+\frac{T}{T_i}{e}_a\left(k\right)];$

其中，比例系数PB＝2.3％，积分时间T_i＝46s，采样周期T＝12s，气体温度偏差变化值Δe_a(k)＝e_a(k)-e_a(k-1)。

(五)、PID控制器参数设置步骤。设置PID控制器的设定值为T_hset(k)，其比例系数PB_h＝22.5％，积分周期T_hi＝156s，微分周期T_hd＝67s。

所述的PID控制器为一种高速、高精度的PID调节器，其温度采样周期为0.1s，用于对第1液体温度传感器25进行采样，温度信号分辨率为0.01℃，输出为PWM(占空比)信号用于控制加热器24的加热功率。

(六)、计算液体温度相对扰动步骤。液体温度扰动其中T_w(k)为第2液体温度传感器32温度采样值，为第2液体温度传感器处温度平均滤波值，且

${\stackrel{\&OverBar;}{T}}_w\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{T}_w\left(j\right)& k<m\\ \underset{j=k-m}{\overset{k-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{T}_w\left(j\right)& k\&GreaterEqual;m\end{array}\right.;$

(七)、计算线宽压窄腔体温度偏差步骤。线宽压窄腔体温度偏差为

e_c(k)＝T_cset-T_c(k)；

其中，T_c(k)为第1温度传感器34-1温度采样值。

(八)、流量伺服阀流量调节步骤。流量伺服阀驱动电流

I_p(k)＝I_p(k-1)+ΔI_p(k)；

其中，流量伺服阀驱动电流增量ΔI_p(k)的计算公式为：

ΔI_p(k)＝(K_cp+K_cd)Δe_c(k)-K_cdΔe_c(k-1)+K_wpΔe_w(k)+K_wie_w(k)；

其中，第1比例系数K_cp＝4.3，第2比例系数K_wp＝0.8，微分系数K_cd＝2.2，积分系数K_wi＝0.6；线宽压窄腔体温度偏差变化率Δe_c(k)＝e_c(k)-e_c(k-1)，液体温度扰动变化率Δe_w(k)＝e_w(k)-e_w(k-1)。最后将I_p(k)经模数转换送至流量伺服阀31，以调节阀口开度。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种激光光源的传输腔室内的温控与净化控制系统，用于实现激光光源中传输腔室内的各模块腔体的气体压力和温度的精确稳定控制，该系统包括：

设置在光路传输通道的模块腔体之前的二级调压阀(5)，用于调节待进入模块腔体的通道中的气体压力；

其特征在于，该系统还包括：

设置在光路传输通道的气体净化装置和模块腔体之间的毛细管，且每个模块腔体之前对应设置一个所述的毛细管，用于保证光路传输腔室气压与外界气压有微正压；以及

设置在光路传输通道的模块腔体之后的节流阀，且每个模块腔体之后对应设置一个所述的节流阀，用于调节各模块腔室与环境大气压的压差。

2.根据权利要求1所述的激光光源的传输腔室内的温控与净化控制系统，其中，所述系统还包括设置在光路传输通道的模块腔体之前的热交换器(8)，其中通入工艺冷却水以与待进入模块腔体的腔室气体进行热交换，实现腔室气体温度的调节。

3.根据权利要求2所述的激光光源的传输腔室内的温控与净化控制系统，其中，还包括与所述热交换器(8)配套形成循环回路的用于调节回路中工艺冷却水流量的循环泵(23)，以及用于给回路中工艺冷却水加热的加热器(24)。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的激光光源的传输腔室内的温控与净化控制系统，其中，所述系统还包括设置在每个模块腔体上的工艺冷却水管道，通过其中循环流动的工艺冷却水，以用于对各模块腔体中的气体进行冷却，并通过精确控制工艺冷却水的流量实现对模块腔体温度的精确控制。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的激光光源的传输腔室内的温控与净化控制系统，其中，还包括与所述工艺冷却水管道相连并由此形成循环回路的水泵(21)、过滤器(22)和流量伺服阀(31)，其分别用于泵送、过滤和调节工艺冷却水流量，从而使得工艺冷却水形成循环流动，并通过精确调节工艺冷却水流量调节模块腔体与其热交换热量，实现温度精确控制。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的激光光源的传输腔室内的温控与净化控制系统，其中，还包括分流板(31)和集流板(35)，分别用于将管路的PCW分流和给三个模块腔体降温后的PCW集流，管路经分流板(33)后分为三路管道，分别与线宽压窄腔体、MOPA传输模块腔体、光束整形模块腔体外焊接的PCW管道连接，PCW经集流板(35)集流后在PCW回收处(40)回收。

7.一种激光光源的传输腔室内的温控与净化控制方法，用于实现激光光源中传输腔室内的各模块腔体的气体压力和温度的精确稳定控制，其特征在于，该方法包括：

在光路传输通道的气体净化装置和模块腔体之间设置毛细管，且每个模块腔体之前对应设置一个所述的毛细管，通过该毛细管使得光路传输腔室气压与外界气压有微正压；

在光路传输通道的模块腔体之后设置节流阀，且每个模块腔体之后对应设置一个所述的节流阀，通过该节流阀调节各模块腔室与环境大气压的压差。

8.根据权利要求7所述的激光光源的传输腔室内的温控与净化控制方法，其中，还包括在光路传输通道的模块腔体之前设置热交换器(8)，通过该热交换器通入循环流动的工艺冷却水以与待进入模块腔体的腔室气体进行热交换，实现腔室气体温度的调节。

9.根据权利要求7或8所述的激光光源的传输腔室内的温控与净化控制方法，其中，还包括在每个模块腔体上设置的工艺冷却水管道，通过其中循环流动的工艺冷却水，以用于对各模块腔体中的气体进行冷却，并通过精确控制工艺冷却水的流量实现对模块腔体温度的精确控制。