一种快充气型微正压保护系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种快充气型微正压保护系统，包括：经依次顺序连接的第一开关阀2、第一减压阀3和第二减压阀4分为两条支路，其中，一条支路经第一流量计5与毛细管6一端相连，另一支路经第二流量计7与第二开关阀8一端相连，毛细管6另一端和第二开关阀8另一端接过滤器9的一端，过滤器9另一端与目标腔体10一端相连，目标腔体10另一端与节流部件14相连，其中，所述目标腔体10为密封腔体，其内壁上布置有测量腔内压力的压力传感器11、用于测量腔内气体纯度的成分检测仪12、以及过压保护阀13。本发明实现了微正压保护系统初始化过程的快速充气功能，缩短了系统的初始化时间，同时还保证目标腔体在工作过程中的微正压稳定。
【专利说明】一种快充气型微正压保护系统
【技术领域】
[0001]本发明属于气体微正压控制系统领域，更具体地，涉及一种快充气型微正压保护系统。
【背景技术】
[0002]在激光器及光刻机的相关技术中，密封腔体的压力及清洁度是重要的环境影响因素，将直接影响激光器及光刻机工作的稳定性以及相干器件的工作寿命，是激光器与光刻器安全可靠运行必不可少的保证。
[0003]例如，在ArF光刻机的光路传输系统中，空气中含有的氧气对ArF波段的光源的吸收强度较高，会减少传输到光刻机的光源的能量，同时空气中的碳氢化合物等气体在ArF波段光源的作用下还会污染系统中的光学元件，影响系统的使用寿命，所以系统中必须控制类似于碳氢化合物等污染气体的含量，通常可以通过向在密封腔体中充满对激光吸收率较低的高纯度气体如高纯氮气等来保持密封腔体内的洁净、干燥状态。
[0004]对密封腔体提供一个稳定的气流，使得腔体内部气压P与外部环境气压Pn保持一定的正压差ΛΡ2，ΔΡ2 = P-Pno密封腔体处于正压环境，可以减少系统外部的颗粒污染物等进入系统的概率，但是同时光路中精密光学零件在过大的正压差或气压波动条件下均会导致变形和位置误差，进而影响ArF准分子激光的线宽性能，外界环境压力的波动会影响系统的正压差，所以必须对系统的正压差及压力波动范围进行精确控制。
[0005]专利文献US6504860介绍了气体放电激光器中需要对密封容器或腔体进行微正压控制，但未介绍具体的控制方法。现有技术中对密封腔体的微正压控制主要是针对系统正常工作时进行，并没有对系统的初始建立过程进行要求，但是在密封腔体的容积较大，同时对内部气体的纯度要求高时，系统的流量较小会导致系统的初始化过程时间较长。
【发明内容】
[0006]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种快充气型微正压保护系统，其目的在于实现微正压保护系统初始化过程的快速充气，此外还能够准确控制系统微正压，由此解决现有技术中微正压保护系统初始化时间长、控制不准确的技术问题，并尤其适用于激光光刻的应用领域。
[0007]为实现上述目的，本发明提供了一种快充气型微正压保护系统，该系统包括:气体经依次顺序连接的第一开关阀、第一减压阀和第二减压阀，然后分为两条支路，其中，一条支路经第一流量计与毛细管一端相连，另一支路经第二流量计与第二开关阀一端相连，毛细管另一端和第二开关阀另一端共同汇接于过滤器的一端，过滤器另一端与目标腔体一端相连，目标腔体另一端与节流部件相连，其中，所述目标腔体为密封腔体，其内壁上布置有测量腔内压力的压力传感器、用于测量腔内气体纯度的成分检测仪、以及过压保护阀。
[0008]由进气口进入的气体依次流经第一开关阀、第一减压阀、第二减压阀、第一流量计、毛细管、过滤器、目标空腔以及节流部件后经出气口排出，形成快充气型微正压保护系统正常工作时的微正压控制气路；由进气口进去的气体依次流经第一开关阀、第一减压阀、第二减压阀、第二流量计、第二开关阀、过滤器、目标空腔以及节流部件后经出气口排出，形成快充气型气体微正压控制系统初始化时的快速充气气路，去除目标腔体中原有的污染气体。
[0009]作为进一步优选的，所述快充气型微正压保护系统还包括控制器，该控制器包括开关阀控制模块、数据采集模块以及节流阀控制模块，其中开关阀控制模块与第一开关阀和第二开关阀相连，输出用于控制第一开关阀和第二开关阀开或关的控制信号，数据采集模块与第一流量计、第二流量计、压力传感器和成分检测仪相连，用于分别采集经第一流量计测量得到的第一支路气体流量，经第二流量计采集得到的第二支路气体流量、经压力传感器采集得到的目标腔体内压力值以及经成分检测仪采集得到的腔内气体纯度值；节流阀控制模块与节流部件相连，用于输出控制节流部件流阻变化的控制信号。
[0010]作为进一步优选的，所述节流部件可选用节流阀或通流截面可调的节流孔。
[0011] 作为进一步优选地，所述节流部件的流阻Rl按如下方式进行控制:R1 = AP2/L1，其中ΛΡ2为系统正压差，LI为第一支路气体流量。
[0012]作为进一步优选地，所述毛细管的流阻值被设定为ΘΑ-ΒΚΡ()_Ρ'」，其中α为外
A LI
界大气压强与标准大气压的差值，B为系统允许的正压差阈值，LI为第一支路气体流量，PO为毛细管入口处压强，Pn为外界大气压强。
[0013]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，缩短了微正压保护系统的初始化时间，同时保证了系统在整个工作过程中目标腔体正压差的稳定。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是本发明的快充气型微正压保护系统的结构示意图；
[0015]图2是具有控制器的快充气型微正压保护系统的结构示意图；
[0016]图3是快充气型微正压保护系统的工作流程图；
[0017]图4是控制器的结构示意图。
[0018]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:1-入气口、
2-第一开关阀、3-第一减压阀、4-第二减压阀、5-第一流量计、6-毛细管、7-第二流量计、8-第二开关阀、9-过滤器、10-目标腔体、11-压力传感器、12-成分检测仪、13-过压保护阀、14-节流部件、17-控制器、20-开关阀控制模块、21-数据采集模块、22-节流阀控制模块
【具体实施方式】
[0019]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。
[0020]实施例一
[0021]图1为快充气型微正压控制系统的结构示意图，包括经依次串联连接的第一开关阀2、第一减压阀3和第二减压阀4，然后进而分为两条支路，其中，一条支路经第一流量计5与毛细管6 —端相连，另一支路经第二流量计7与第二开关阀8 —端相连，毛细管6另一端和第二开关阀8另一端共同汇接于过滤器9的一端，过滤器9另一端与目标腔体10 —端相连，目标腔体10另一端与节流部件14相连；其中，所述目标腔体10为密封腔体，其内壁上布置有测量腔内压力的压力传感器11、用于测量腔内气体纯度的12、以及过压保护阀13 ;所述第一开关阀2为快充气型微正压控制的总开关阀，用于控制气体的通断；所述第一减压阀3用于将降低压强，第二减压阀4用于稳定压强的波动范围；所述第一流量计5用于测量微正压系统正常工作的气压腔体腔内气体流量，毛细管6用于微正压系统自动反馈调整目标腔体10与外界气压的压强差；过滤器10用于过滤气体中的杂质；节流部件14可选用节流阀或通流截面可调的节流孔。
[0022]当使用时，上述快充气型微正压保护系统可以形成两条工作气路，其中，由进气口I进入的气体(如氮气)依次流经第一开关阀2、第一减压阀3、第二减压阀4、第二流量计
7、第二开关阀8、过滤器9、目标空腔10以及节流部件14后经出气口 15排出，形成快充气型微正压控制系统初始化时的快速充气气路，用于去除目标腔体中原有的污染气体；由进气口 I进入的气体依次流经第一开关阀2、第一减压阀3、第二减压阀4、第一流量计5、毛细管6、过滤器9、目标空腔10以及节流部件14后经出气口 15排出，形成快充气型微正压保护系统正常工作时的微正压控制气路，对气压腔体正压差进行控制。
[0023]本发明工作过程如下:启动快充气型微正压保护系统，进入快充气状态:同时打开第一开关阀2和第二开关阀8，气体(如氮气)从进气口 I进入，由于进入系统的气体压力大小及波动范围的不确定，因此气体通过第一开关阀2后，依次经过第一减压阀3降压、第二减压阀4稳压后再经第二流量计7、第二开关阀8、以及过滤器9过滤进入目标腔体10 ；第二开关阀8打开，由于第二开关阀8的流阻明显小于毛细管6的流阻，绝大多数气体经第二流量计7和第二开关阀8进入气压腔体10，此时快速充气气路的流量较大，调节节流部件14以增大其流阻Rl，使得气压腔体10与外界的压差仍然维持在正常工作时的正压差附近，当微量氧分析仪12测量得到气压腔体10内的杂质(如氧气含量)小于预定值时，关闭第二开关阀8，此时，快速充气气路关闭。由于微正压控制气路流量较小，需再次调节节流部件14增大其流阻Rl以维持气压腔体内的稳定气压值，此后，快充气型微正压保护系统进入正常工作状态:气体(如氮气)从进气口 I依次经过第一减压阀3降压、第二减压阀4稳压后，再经第一流量计5进入毛细管6，其中，毛细管6具有自动反馈调节功能，其流阻为一定值，可自行调整目标腔体10与外界的正压强差，当外界压强突然增高时，目标腔体10与外界的正压差立即减小，流经毛细管的流量减小，使得毛细管6两端压降减小，毛细管6出口处压强增大，从而导致目标腔体10内的压强升高，此时目标腔体10与外界的正压差又增加，进而使得腔体与外界的正压差保持稳定；当外界压强减小时，目标腔体10与外界的正压差增大，流经毛细管的流量增大，使得毛细管6两端压降增大，毛细管6出口处压强减小，从而导致目标腔体10内的压强减小，此时，目标腔体10与外界的正压差又减小，进而使得腔体与外界的正压差保持稳定。
[0024]为了达到系统应用所要求的调节精度，同时达到快速调节的目的，本发明中还针对节流部件流阻、毛细管流阻等工作参数的选择做了进一步的研究，并且以下经过实际对比测试和验证后所获得的参数设计同样作为本发明的关键改进所在。
[0025]具体而言，可以将系统简化以求出目标腔体的压差与流量和各个部件之间的流阻的关系，方便控制系统进行相应的控制。
[0026]假设节流部件14的流阻为R1，毛细管6的流阻为R2，流经第一支路的气体流量为LI，第二支路的气体流量为L2，如图中所示P为目标腔体10内的绝对压强为P，外界大气压强为Pn，毛细管6入口处压强为PO。毛细管6的压降为ΛΡ1，系统正压差为ΛΡ2，该系统所需要控制的正压差为ΛΡ2，即当外界压强？<变化时始终控制正压差ΛΡ2保持在精度允许范围内。
[0027]当系统处于快速充气阶段时，第一支路因有污染气体需要排出不能将其关闭，此时流经目标腔体10和节流部件14的气体流量为L1+L2，由于毛细管6的流阻R2远大于第二开关阀8的流阻，使得第一支路的气体流量LI远小于第二支路的气体流量L2，LI相比于L2其大小可忽略不 计，此时，系统正压差ΛΡ2满足:ΛΡ2 = R1.(L1+L2) ^ Rl *L2，对于快充气型微正压保护系统，其要求控制的正压差ΛΡ2为已知量，第二流量计7的读数值即为第二支路的气体流量L2，根据上述正压差ΛΡ2表达式可知，调节快速充气阶段的节流部件14的流阻Rl使得Rl = AP2/L2。
[0028]当系统进行正常工作时，第二支路关闭，第二支路流量L2为0，系统正压差ΛΡ2 =Rl.LI，由于快充气型微正压保护系统的正压差ΛΡ2为已知量，第一流量计5的读数值即为第一支路气体流量LI，再次调节节流部件14的流阻Rl使其满足Rl = Λ P2/L1，这样就保证了微正压值Λ Ρ2始终保持稳定，之后，若外界气压波动，则该系统中的毛细管6的自动反馈调节可以持续维持正压差值ΛΡ2的稳定。
[0029]搭建该快充气型微正压保护系统时，毛细管6和节流部件14可以依据系统所需要控制的正压差范围来进行设计选择。毛细管6的压降ΛΡ1以及系统正压差ΛΡ2表达式分别为:
[0030]ΔΡ1 = PO-P = R2.LI (I)
[0031]ΛΡ2 = P-P气=Rl.LI (2)
[0032]由表达式(I)、⑵可知此时第一支路流量LI为:
[0033]
【权利要求】
1.一种快充气型微正压保护系统，其特征在于，包括:气体经依次顺序连接的第一开关阀(2)、第一减压阀(3)和第二减压阀(4)，然后分为两条支路，其中，一条支路经第一流量计(5)与毛细管(6) —端相连，另一支路经第二流量计(7)与第二开关阀(8) —端相连，毛细管出)另一端和第二开关阀(8)另一端共同汇接于过滤器(9)的一端，过滤器(9)另一端与目标腔体(10) —端相连，目标腔体(10)另一端与节流部件(14)相连，其中，所述目标腔体(10)为密封腔体，其内壁上布置有测量腔内压力的压力传感器(11)、用于测量腔内气体纯度的成分检测仪(12)、以及过压保护阀(13)。
2.如权利要求1所述的快充气型微正压保护系统，其特征在于，所述快充气型微正压保护系统还包括控制器(17)，该控制器(17)包括开关阀控制模块(20)、数据采集模块(21)以及节流阀控制模块(22)，其中开关阀控制模块(20)与第一开关阀(2)和第二开关阀(8)相连，输出用于控制第一开关阀(2)和第二开关阀(8)开或关的控制信号，数据采集模块(21)与第一流量计(5)、第二流量计(7)、压力传感器(11)和成分检测仪(12)相连，用于分别采集经第一流量计(5)测量得到的第一支路气体流量LI，经第二流量计(7)采集得到的第二支路气体流量L2、经压力传感器(11)采集得到的目标腔体内压力值P以及经成分检测仪(12)采集得到的腔内气体纯度值；节流阀控制模块(22)与节流部件(14)相连，用于输出控制节流部件(14)流阻变化的控制信号。
3.如权利要求1或2所述的快充气型微正压保护系统，其特征在于，所述节流部件为节流阀或通流截面可调的节流孔。
4.如权利要求1-3任意一项所述的快充气型微正压保护系统，其特征在于，所述节流部件的流阻Rl按如下方式进行控制:R1 = AP2/L1，其中ΛΡ2为系统正压差，LI为第一支路气体流量。
5.如权利要求1-4任意一项所述的快充气型微正压保护系统，其特征在于，所述毛细管的流阻值被设定为(MHP0-R )，其中A为外界大气压强与标准大气压的差值，B为系
A.LI统允许的正压差阈值，LI为第一支路气体流量，PO为毛细管入口处压强，Pn为外界大气压强。
【文档编号】G05D16/20GK103970159SQ201410204253
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年5月15日 优先权日:2014年5月15日
【发明者】李小平, 雷敏, 冯加云, 方宇翔 申请人:华中科技大学