提升水冷系統溫度控制精度的實驗研究

【摘 要】光刻機環境溫度控制要求水冷系統的溫控精度高（±0.01℃）、響應速度快。本文對影響溫控精度的各種因素進行研究分析，并基于目前±0.1℃的水冷系統，提出增加制冷旁通、水冷旁通、增大冷卻水供應流量、降低加熱功率等改進措施，并進行實驗研究。研究結果表明：改進后系統的溫控精度達到±0.01℃、對外流量與系統響應速度不發生變化。

【關鍵詞】水冷系統；溫度控制；旁通回路；壓縮機制冷

【Abstract】The environment temperature control of lithography requires high-precision（±0.01℃）， rapid respond of cooling water circuit system. After studying on influence factors of temperature control， on the basis of ±0.1℃ cooling water circuit system， bring forward optimizing measures： adding refrigeration bypass， adding water circuit bypass， increasing cooling water flux， decreasing the heat power， and the experiment result shows that the precision of the system is ±0.01℃ and the export flux and the respond speed keep unchanging.

【Key words】Cooling water circuit system； Temperature control； Refrigeration compressor； The bypass circuit

0 引言

為保證光刻線寬和套刻精度滿足指標要求，光刻機投影鏡頭的溫度需要十分穩定，要求能夠長時間穩定在±0.01℃，在短期內（<1小時）溫度穩定性可達±0.005℃。投影物鏡的溫度控制是通過超精密水冷系統提供的冷卻水和投影物鏡的直接熱交換實現，為保證投影物鏡的溫度要求，水冷系統的溫控精度要求達到±0.01℃。

光刻機內部工件臺、掩模臺運動過程中電機會發熱，單工件臺型光刻機的電機發熱功率合計在2.5kW左右。如果熱量不能及時帶出將影響光刻機內部環境的溫度，從而影響投影物鏡的溫度并且影響工作臺與掩模臺的運行精度。因此，水冷系統還需向電機提供冷卻水進行熱交換帶出熱量。工件臺、掩模臺是斷續運動，運行時電機會突然產生大量熱量，這需要水冷系統快速響應，通過快速降低冷卻水溫度將熱量帶出。

目前基于壓縮機制冷系統開發的水冷系統溫控精度在±0.1℃，需要進行優化改進提高精度，并保持溫控的快速響應性。

1 改進前水冷系統

1.1 水冷系統介紹

水冷系統原理如圖1所示：包括循環水回路、冷卻水回路，循環水回路包括：水泵、水箱、加熱器、制冷系統、電磁閥、溫度、壓力、流量傳感器、液位開關等元件，其中壓縮機制冷系統實現對熱負荷的制冷、加熱器平衡制冷偏差實現溫控精度。溫度控制系統的目標是快速將循環水出水口溫度控制到目標范圍內，根據當前溫度與目標溫度主控單元通過控制算法計算出加熱、制冷的輸出量，并通過電氣硬件控制制冷器與加熱器工作將溫度穩定，然后水泵將循環水輸送至外部溫控對象。

蒸汽壓縮制冷系統如圖1所示：制冷系統由壓縮機、膨脹閥、蒸發器、冷凝器、氣液分離器、干燥過濾器和示液鏡等組成，在壓縮機與膨脹閥的作用下制冷劑進行氣、液狀態的轉換并實現熱量的轉移，在蒸發器內制冷劑吸收循環水熱量后由液態轉換為氣態，在冷凝器內制冷劑的熱量被冷卻水吸收后由氣態轉換為液態。制冷量的調節通常是通過調節壓縮機的供電頻率、調節膨脹閥的開度或開關頻率實現。考慮熱負荷的變化不大選擇定頻式壓縮機，膨脹閥是冷量調節的關鍵元件，其響應速度和分辨率決定冷量調節的響應速度與大小。相對于熱力膨脹閥，電子膨脹閥具有易調節、高分辨率等特點，選用DANFOSS AKV10-5電子膨脹閥。

1.2 實驗方案與結果

實驗時制冷系統與模擬熱負載連接，模擬負載主要由加熱器與管道水箱組成，加熱器最大功率3kW，通過PLC的PWM對其進行控制，最終模擬0～3kW熱負載、20W/s功率梯度的工況。

溫度控制系統選擇泰康TAJ9513Z型號壓縮機，制冷功率為3.5kW。選擇ZL26-30D型恒力板式換熱器作為冷凝器，選用ZL26-32D型恒力板式換熱器作為蒸發器。水箱體積20L、4bar時水泵輸出流量為60L/min的，加熱器的功率為1.5kW。連接熱負荷后溫度控制曲線如圖2所示。出水口溫度的控制精度為±0.1℃。

圖2 改進前溫度控制曲線圖

2 影響分析

電子膨脹閥實現制冷量的調節是一個比較復雜的過程，電子膨脹閥通斷PWM占空比會影響壓縮機的出口壓力從而影響蒸發溫度，PWM占空比也影響制冷劑的流量，并且PWM占空比變化時制冷劑回路需要花費幾十秒才能進入穩定狀態。因此壓縮機制冷調節屬于低頻、寬頻調節信號，無法消除熱負荷功率梯度產生的高頻干擾，調節制冷量過程中的制冷系統自身會產生寬頻干擾，并通過蒸發器傳遞到循環水。電加熱器采用電阻通電發熱的原理，通電時間直接決定加熱功率，具有響應速度快、易于控制等特點，在系統中起到平衡制冷超調，其自身會產生高頻干擾。

2.1 壓縮機制冷系統的影響

在原制冷系統增加上旁通回路與熱氣旁通閥。電子膨脹閥PWM輸出相同時，由于有旁通制冷系統的高壓值更小，系統易實現更低PWM的輸出，即制冷量的調節范圍更大。實驗結果：高壓報警設定在15bar時，原制冷系統的最小PWM輸出為30%，制冷功率為1kW；增加旁通后最小PWM輸出為15%，制冷功率為200W左右，并且PWM變化過程中壓力變化更易趨向穩定。

2.2 循環水流量的影響

加熱器進、出口水溫與功率滿足下式：

P=F×ΔT×4200=F×T■-T■×4200

P——加熱功率（w）；F——流量（L/s）；ΔT——溫差（℃）； T■——入口溫度（℃）；T■——出口溫度（℃）。加熱功率P相同時流量F增加一倍，溫差ΔT將降低一倍。因此，平衡制冷時加熱器產生的功率波動P干擾相同時，水溫干擾幅值T干擾將降低一倍。

2.3 水箱體積的影響

除儲存水防止揮發消耗及為水泵提供水外，水箱還具有混溫與勻溫作用。通過流道設計水箱內部形成湍流后，內部水可以充分混合實現各點溫度相同。

V——水箱容積（L）；F——流量（L/s）；t——干擾周期（s）。

當V>F×t，表示一個干擾周期的循環水上、下溫度偏差可以在水箱內部進行混溫相互抵消。當V

3 改進措施與實驗結果

4bar時水泵輸出流量增加到120L/min的，溫控系統增加旁通回路與流量調節閥并分流60L/min。蒸發器設計時循環水側的流量改為120L/min，制冷系統增加旁通回路及DANFOSS熱氣旁通閥KVC12。加熱功率降低至500W。水箱體積不變、其它保持不變。改進后溫度控制系統如圖3所示。

制冷系統增加旁通后調節電子膨脹閥過程中制冷劑狀態趨進穩定，不會壓力、流量劇烈變化的現象，冷量變化平穩。PWM輸出從15%到100%之間變化制冷系統都很穩定，最小制冷功率由原來1kW降低到200W左右。

最小制冷功率降低后加熱功率由1.5kW降低到0.5kW，有效地提高加熱調節的分辨率，利于系統微量調節。通過第3章節的分析，水泵流量的增加1倍后加熱器調節精度可以提高1倍。水泵流量增加后，水箱的容積V>F×t，水箱仍能起到混溫消除加熱器高頻干擾的作用。

此外，進水口的水與旁通水進行混溫，降低了外界溫控對象引入的溫度波動，更加利于溫度控制系統的調節。由于水箱體積保持不變，改進后溫控系統的響應速度不會發生變化。最終溫控系統的溫控精度達到±0.01℃、對外流量與響應速度不變。

圖4 改進后溫度控制曲線圖

4 結論

壓縮機制冷系統調節冷量時易于引起干擾、波動，基于此的溫度控制系統難以實現精密溫控。本文對系統進行分析并提出改進措施，首先增加制冷旁通來提高制冷系統的穩定性，其次降低加熱功率并提高流量來提升加熱量的精密調節與加熱器的溫控精度，最后系統管路增加旁通保證系統對外輸出流量不變。實驗結果表明改進系統后溫控精度達到±0.01℃、對外流量與系統響應速度不發生變化。

【參考文獻】

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[2]姚漢民，胡松，刑延文.光學投影曝光微納加工技術[M].北京工業大學出版社，2006.

[責任編輯：王迎迎]