CN102243441B - 温度控制装置、应用其的投影曝光装置及温度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种温度控制装置，用以控制一元件的温度。温度控制装置沿气体流向包括减压阀、涡流管、喷嘴。减压阀连接至气体输入接口，气体经过气体输入接口进入温度控制装置，减压阀调节气体气压并输出。涡流管包括入口、冷端和热端，入口连接至减压阀，涡流管处理气体后，分别从冷端和热端输出气体。喷嘴连接至冷端，输出气体对元件进行喷吹。控制器电性连接至减压阀，用以控制减压阀的输出的气体气压。一种具有温度控制装置的投影曝光装置及温度控制方法也一并提出。本发明提出的温度控制装置能够控制任何利用冷气流进行温度控制的元件，方法简洁，应用灵活。

Description

温度控制装置、应用其的投影曝光装置及温度控制方法

技术领域

本发明涉及一种温度控制装置及方法，且特别涉及一种光刻设备中的掩模温度控制装置及方法。

背景技术

光刻的制造方法使用到掩模，掩模的结构通常为石英基板上附着带有图形模版的铬层。光刻的过程为紫外光照射到掩模上，部分光透过掩模，部分光被铬层吸收，少量光被掩模反射，透过掩模的紫外光经过特定的成像系统在硅片表面形成需要的图像。在某些光刻工艺过程中，特别是后道封装的光刻工艺过程，曝光剂量很大，掩模上的铬层吸收很大的曝光能量，引起掩模温度的大幅升高。掩模的温度升高会造成掩模的热膨胀，带来曝光图像模版的变形，从而直接影响光刻的精度。因此在大曝光剂量的光刻过程中，掩模的温度需要得到有效控制。

光刻设备中，一种常用的温度控制方式为使用气体喷吹，例如美国发明US6153877中提出的一种投影曝光装置，使用喷吹洁净空气的方式对掩模进行温度控制。此装置需要较为复杂的温度控制和空气输送装置，同时进行温度控制的空气为常温空气，无法适用于掩模局部大热负荷的状况。在发明US6809793中提出了另一种控制掩模温度的方法，使用多个传感器监测掩模的温度，然后通过控制曝光时间来限制掩模的温升，该方法会降低产率，同时适用的曝光工艺过程也受到限制。

在局部大热负荷部件冷却的应用中，涡流管制冷是一种较为有效的方式。如文献“基于AT89C52单片机的涡流管控制系统”中提出的，涡流管制冷量的自动控制可通过采用步进电机驱动涡流管热端节流阀，改变节流阀的开度来实现。这种控制方式需要复杂的电机驱动控制系统；同时，在降低气体温度时，冷端气体流量同时也相应减小了，无法实现降温效果的最大化；由于大部分气体从热端排出，气体的有效利用率较低。

发明内容

本发明提出一种用于温度控制的装置及温度控制方法，结构简洁，使用灵活，能解决上述技术问题。

为了达到上述目的，本发明提出一种温度控制装置，用以控制一元件的温度。温度控制装置包括：减压阀，连接至气体输入接口，气体经过气体输入接口进入温度控制装置，减压阀调节气体气压并输出；涡流管，包括入口、冷端和热端，入口连接至减压阀，涡流管处理气体后，分别从冷端和热端输出气体；喷嘴，连接至冷端，输出气体对元件进行喷吹；以及控制器，电性连接至减压阀，用以控制减压阀的输出的气体气压。

进一步说，温度控制装置还包括温度传感器，设置于元件附近，用以测量元件的温度，温度传感器连接至控制器，控制器依据温度测量值控制减压阀输出气体的气压。

进一步说，温度控制装置还包括气体过滤器，连接在减压阀与涡流管之间，以滤除气体中的杂质颗粒。

进一步说，温度控制装置还包括两位两通电磁阀，连接在气体输入接口与减压阀之间，以实现气源的接通和切断。

进一步说，上述元件为曝光过程中的掩模。

进一步说，上述气体为压缩气体。

本发明还提出一种具有温度控制装置的投影曝光装置，用以控制掩模的温度，沿光路依次包括：照明模块，输出紫外光；掩模台，承载上述掩模，紫外光由上述掩模的图形区通过；投影物镜；硅片台，承载硅片，投影物镜将紫外光投影至硅片上，对硅片进行曝光；温度控制装置，包括：减压阀，连接至气体输入接口，气体经过气体输入接口进入温度控制装置，减压阀调节气体气压并输出；涡流管，包括入口、冷端和热端，入口连接至减压阀，涡流管处理气体后，分别从冷端和热端输出气体；喷嘴，连接至冷端，输出气体对掩模进行喷吹；以及控制器，电性连接至减压阀，用以控制减压阀的输出的气体气压。

进一步说，喷嘴的个数为两个，对称设置在掩模的图形区的侧上方。

进一步说，喷嘴为扁型，宽度大于掩模的图形区。

进一步说，温度控制装置还包括温度传感器，设置于掩模附近，用以测量掩模的温度，温度传感器连接至控制器，控制器依据温度测量值控制减压阀输出气体的气压。

进一步说，温度传感器的数目与掩模上图形区的数目相同。

本发明还提供一种温度控制方法，用以控制一元件的温度，包括以下步骤：

测量元件的温度；当所测量到的温度与设定点的偏差值大于阈值，则根据偏差值计算并控制减压阀输出气体的气压；涡流管对减压阀输出的气体进行处理，从冷端将气体喷吹至元件，以降低元件的温度。

本发明还提供一种温度控制方法，用以控制曝光投影装置中掩模的温度包括以下步骤：根据曝光参数，计算并控制减压阀输出气体的气压；涡流管对减压阀输出的气体进行处理，从冷端将气体喷吹至掩模，以降低所述掩模的温度。

本发明所揭露温度控制装置能够用于任何利用冷气流进行温度控制的元件，特别适用于曝光投影装置中的掩模的温度控制。利用控制器控制减压阀输出的气体压力，从而控制涡流管冷端的输出气体温度和流量，所述温度控制方法简洁。同一套温度控制装置能够灵活采用开环或闭环的温度控制方法。

附图说明

图1所示为本发明较佳实施例的温度控制装置的结构示意图；

图2a所示为应用温度控制装置的投影曝光装置的正视图；

图2b所示为应用温度控制装置的投影曝光装置的右视图。

图3所示为本发明较佳实施例中温度控制装置的温度传感器与掩模位置关系示意图；

图4a所示为本发明较佳实施例中温度控制装置的喷嘴与掩模的位置关系主视示意图；

图4b所示为本发明较佳实施例中温度控制装置的喷嘴与掩模的位置关系俯视示意图；

图5所示为本发明较佳实施例中的第一种温度控制方法流程图；

图6所示为本发明较佳实施例中的第二种温度控制方法流程图；

图7所示为本发明较佳实施例中温度控制装置的控制参数标定方法流程图。

具体实施方式

为了更好的了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

图1所示为本发明较佳实施例的温度控制装置的结构示意图。

温度控制装置所包含的元件主要有：压缩气体输入接口1、两位两通电磁阀2、减压阀3、过滤器4、喷嘴5、涡流管6、节流阀7、排气口消声器8、压力传感器9、至少一个温度传感器10、控制器11。本实施例中，温度控制装置的控制对象是掩模12，本发明所述的温度控制装置及方法可具体应用于任何利用冷气流进行温度控制的控制对象，例如硅片、光学镜片或其它发热的部件，本实施例中仅针对掩模12进行叙述。

温度控制装置所使用的气体较佳为压缩气体。按照压缩气体的流向来看，气体接入口1、两位两通电磁阀2、减压阀3、气体过滤器4、涡流管6依次连接，气体由装置的气体接入口1进入温度控制装置，依次通过上述元件。

两位两通电磁阀2实现气体气源的接通和切断。减压阀3对气体进行压力控制后，将气体送入气体过滤器4，以滤除气体中的杂质颗粒，用以满足特定对象的洁净度需求。

接下来，气体进入涡流管6。涡流管6包括入口、冷端和热端，涡流管6的冷端连接至喷嘴5。气体从入口进入涡流管6并经过涡流管6处理后，冷端输出的气体通过喷嘴5，对掩模12进行喷吹，实现掩模12的温度控制。涡流管6热端输出的气体通过排气口消声器8排出。

涡流管6的入口能够连接压力传感器9，用以实现对涡流管6入口气体压力的监控。涡流管6热端与排气口消声器8之间可以接入节流阀7，用以对涡流管6冷、热端气体输出比例进行调整，实现涡流管6冷端输出气体和掩模12温度控制需求的最优匹配。

减压阀3、涡流管6、控制器11构成了本发明提出的温度控制装置的核心，为了更好的实现温度控制，温度控制装置中还包括多个辅助部件，本领域技术人员能够得知，本实施例中两位两通电磁阀2实现气源的接通和切断功能也可通过减压阀3输出为零来实现切断，输出不为零而实现接通；气体过滤器4的设置也是为了满足特定对象的洁净度需求，因此，可以根据需要决定是否设置。

控制器11电性连接至两位两通电磁阀2、减压阀3、涡流管6、压力传感器9，以控制这些元件的开通、关闭、增压或减压。

本发明中温度控制装置以涡流管6处理控制温度所需的气体，可同时实现气体流量和温度的控制。

通过涡流管6内部的结构，使进入涡流管6的气体分离为温度高于入口和温度低于入口的两部分，分别由涡流管6的热端和冷端导出。冷端出口的低温气体为所需的温度控制用气体。涡流管6冷端出口的气体温度和流量的控制方法为：改变涡流管6的入口气体压力，入口气体压力越高，冷端输出气体流量越大，冷端气体温度越低。这种控制方法符合掩模12温度控制的需求，所以使用控制涡流管6入口压力的方式进行气体流量和温度的控制。

减压阀3用来控制涡流管6入口气体压力。减压阀3根据控制器11提供的电信号，将减压阀3入口的气体压力调整到指定值后由出口输出，从而实现涡流管6入口的气体压力控制。

图2a所示为应用温度控制装置的投影曝光装置的正视图；图2b所示为应用温度控制装置的投影曝光装置的右视图。

请同时参考图2a～2b，投影曝光装置包括顶部照明模块13，用于输出紫外光(365nm波长或其它谱线)；放置在掩模台15上的掩模12；投影物镜16；硅片台18和放置在其上的硅片17；以及用于掩模12和硅片17对准的对准模块14。投影曝光装置实现将掩模12上的图形投影到硅片17上的过程。

掩模12在接受曝光光照时会吸收光照能量，造成掩模12的温度升高。以后道封装步进投影光刻机为例，典型的掩模12接受光照的面积为45mm×45mm，掩模面上的光照强度为3.2W/cm²，若掩模12图形区透光面积所占比例为10％，掩模12铬层对光的吸收率为90％，则可计算得出掩模12图形区中的热负荷为52.5W。在小区域内上述量级的热负荷会造成掩模12温度的大幅升高，从而造成掩模12的变形，直接影响光刻的精度。

上述热量无法通过自然冷却进行控制，需要通过强制对流冷却的方式进行控制。本发明中的方法采用气体喷嘴5位于照明模块13和掩模12之间，利用压缩气体喷吹的方式对掩模进行冷却。

针对掩模12上不同的热负荷，所需压缩气体的流量和温度也应做相应调整，以便将掩模12温度控制在可接受范围内。掩模12热负荷增大，所需气体流量增大，所需气体温度降低；掩模12热负荷减小，所需气体流量减小，所需气体温度升高。

图3所示为温度控制装置与掩模位置关系示意图。

请结合参考图2a～3，由于在光刻过程中，掩模12的图形区是通光区域，不能有其它部件阻挡在光的路径中，同时，由于掩模12会被更换，所以无法对掩模12进行直接接触进行温度测量，因此如何准确而不影响光刻工艺的设置温度传感器10需要进行考虑。

本实施例中，温度传感器10放置在掩模12下方的掩模台15中。由于掩模12和掩模台15直接接触，掩模12的热量会通过热传导的方式传递到掩模台15，因此可通过测量掩模台15的温度间接推断掩模12的温度。

若掩模12上有多个图形区，则可安装多个温度传感器10分别测量这些图形区的温度，在掩模温度控制的算法中只需取其中较大值即可。

图4a所示为本发明较佳实施例中温度控制装置的碰嘴与掩模的位置关系主视示意图。图4b所示为本发明较佳实施例中温度控制装置的碰嘴与掩模的位置关系俯视示意图。

请同时参考图3～4b，由于掩模12的图形区下方通常有保护膜将其与外界隔离，参见图3所示，因此气流无法从掩模12下表面对掩模12进行冷却。掩模图形区的正上方是通光区域，不能有其它部件阻挡在光的路径中。同时，掩模12的定位精度很高，因此要求气流的冲击对掩模12位置精度的影响最小化。

针对上述要求，提出了一种气流喷嘴5的形式和布置方式。在应用于如图2所示的投影曝光装置中时，气流喷嘴5安装在照明模块13下方，避让开对准模块14，喷嘴5设置在掩模12的图形区侧上方，以不干涉光束的路径为原则。喷嘴5和掩模12的相对位置参见图3a～3b。喷嘴5的形状为扁型，喷嘴5的宽度略大于图形区，以使得吹出的气体能够覆盖掩模12的图形区。

喷嘴5的数目较佳的为两个，对称布置在掩模12的图形区上方两侧，喷嘴5与水平方向的夹角在30°至60°之间，气流倾斜向下吹到掩模12上表面，两股气流在掩模图形区中心相交。喷嘴5的宽度略大于图形区，沿图形区中心对称布置。

上述喷嘴5的布置方式有如下有益效果：气流能够覆盖整个图形区；在图形区中心，即掩模12温度最高处，对流换热系数最高，有利于掩模12散热；气流对称布置，气流冲击对掩模12施加的水平力互相抵消，对掩模12位置精度的影响最小。

图5所示为本发明较佳实施例中的第一种温度控制方法流程图。请结合参考图1和图5。

步骤S201：初始化温度控制装置一一设置减压阀3输出为零，开启电磁阀2，检测温度传感器10和压力传感器9是否正常。

步骤S202：由至少一个温度传感器10对掩模12的温度进行测量，将温度测量值T_reticle传递至控制器11。

步骤S203：计算掩模温度和设定点T_setp的偏差值ΔT，ΔT＝T_reticle-T_setp。

步骤S204：判断偏差值ΔT是否大于阈值T0，当判断结果为否，则进入步骤S205，当判断结果为是，则进入步骤S206。

步骤S205：设置减压阀3的输出气体气压为零。

步骤S206：根据偏差值ΔT通过特定的控制算法计算所需的涡流管6入口气体压力值，并传递控制信号至减压阀3以控制减压阀3的输出气体压力为计算得到的涡流管6入口气体压力值。控制算法可根据温度控制精度的需求采用不同的算法，例如PID控制或分区开关控制。算法的控制参数，即温度测量值对应于减压阀3压力设定值的关系，可以由实际测量进行标定，标定方法将在后面进行详述。

步骤S207：减压阀3输出适合的气体至涡流管6。

步骤S208：延时一特定时间。

步骤S209：判断是否终止控制，若判断结果为是，则终止控制流程，若判断结果为否，则执行S202。

在图5所示的温度控制方法中，掩模12的温度控制采用闭环控制，执行步骤S202～S209完成一个闭环控制周期。控制器11根据压力传感器9的测量值，对温度控制装置的状态进行监控。

图6所示为本发明较佳实施例中的第二种温度控制方法流程图。请结合参考图1和图6。

掩模12的温度控制可以采用开环控制的方法，温度控制装置的硬件无需变动。具体的实施流程如图6所示：

步骤S301与S302：初始化温度控制装置，包括设置减压阀3输出为零，开启电磁阀2，检测压力传感器9是否正常。初始化成功后装置待命，等待曝光批次的开始。

步骤S303与S304：曝光批次开始后，控制器11获取曝光参数，包括掩模透过率、图形区大小、曝光光强、曝光时间，然后控制器11根据获取的曝光参数计算相应的涡流管6入口压力和气体喷吹时间，等待该批次的曝光开始。

步骤S305：曝光开始后，减压阀3根据控制器11的设置输出特定压力的气体，经涡流管6处理后带走掩模12吸收的热量；

步骤S306与S307：判断是否喷吹超过特定时间，当超过特定时间后，控制器11设置减压阀3输出为零以切断气体输出。

接下来判断该曝光批次、整个曝光是否结束等，以循环执行上述步骤或者关闭整个温度控制装置。

图6所示的温度控制方法可以看作是使用开环控制，可以无需用来测量掩模12温度的传感器，能适用于对温度控制精度要求一般的应用。

图7所示为本发明较佳实施例中温度控制装置的控制参数标定方法流程图。

温度控制装置的标定流程如图7所示，分为温度控制装置的标定、掩模温度特性的标定以及控制参数的标定。

温度控制装置标定的过程为：调节涡流管6热端节流阀7至一定开度，改变减压阀3的设置值以改变涡流管6的入口压力，同时测量涡流管6冷端出口的气体温度和流量，由此得出在节流阀7特定开度下的涡流管6出口温度与流量随涡流管6入口压力变化的特性。若此特性无法满足温度控制需求，则改变节流阀7的开度后，再次测试。若特性满足温度控制的需求，则进入掩模温度特性标定。

掩模温度特性标定的过程为：在测试掩模的下表面贴附多个温度传感器用于测量掩模各部分的温度，改变照射到掩模上的光照强度，测量掩模下表面的温度分布，由此获得掩模在不同光照强度下的温度升高特性。

控制参数的标定过程为：开启对掩模的温度控制，改变光照强度或光照的占空比，测量掩模下表面不同位置的温度，判断温度控制是否满足需求，如不满足需求，则调整控制参数后再次测试。

本发明所揭露温度控制装置能够用于任何利用冷气流进行温度控制的元件，特别适用于曝光投影装置中的掩模的温度控制。利用控制器控制减压阀送出的气体压力，从而控制涡流管冷端的输出气体的温度和流量，方法简洁。利用同一套温度控制装置，能够灵活采用开环或闭环的温度控制。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (11)

1.一种温度控制装置，用以控制一元件的温度，其特征在于，包括：

减压阀，连接至气体输入接口，气体经过所述气体输入接口进入所述温度控制装置，减压阀调节气体气压并输出；

涡流管，包括入口、冷端和热端，所述入口连接至所述减压阀，所述涡流管处理气体后，分别从所述冷端和热端输出气体；

喷嘴，连接至所述冷端，输出气体对所述元件进行喷吹；

压力传感器，连接至所述涡流管的入口，用以实现对涡流管入口气体压力的监控；

排气口消声器，所述涡流管热端输出的气体通过所述排气口消声器排出，涡流管热端与排气口消声器之间接入节流阀，用以对涡流管冷、热端气体输出比例进行调整；

温度传感器，设置于所述元件附近，用以测量所述元件的温度，所述温度传感器连接至控制器，所述控制器依据温度测量值控制减压阀输出气体的气压；以及

控制器，电性连接至所述减压阀，压力传感器，用以控制所述减压阀的输出的气体气压。

2.根据权利要求1所述的温度控制装置，其特征在于，还包括：

气体过滤器，连接在所述减压阀与涡流管之间，以滤除气体中的杂质颗粒。

3.根据权利要求1所述的温度控制装置，其特征在于，还包括：

两位两通电磁阀，连接在所述气体输入接口与减压阀之间，以实现气源的接通和切断。

4.根据权利要求1所述的温度控制装置，其特征在于，所述元件为曝光过程中的掩模。

5.根据权利要求1所述的温度控制装置，其特征在于，所述气体为压缩气体。

6.一种具有温度控制装置的投影曝光装置，用以控制掩模的温度，其特征在于，沿光路依次包括：

照明模块，输出紫外光；

掩模台，承载上述掩模，紫外光由所述掩模的图形区通过；

投影物镜；

硅片台，承载硅片，所述投影物镜将紫外光投影至所述硅片上，以对所述硅片进行曝光；以及

温度控制装置，包括：

减压阀，连接至气体输入接口，气体经过所述气体输入接口进入温度控制装置，减压阀调节气体气压并输出；

涡流管，包括入口、冷端和热端，所述入口连接至所述减压阀，所述涡流管处理气体后，分别从所述冷端和热端输出气体；

喷嘴，连接至所述冷端，输出气体对所述掩模进行喷吹；

压力传感器，连接至所述涡流管的入口，用以实现对涡流管入口气体压力的监控；

排气口消声器，所述涡流管热端输出的气体通过所述排气口消声器排出，涡流管热端与排气口消声器之间接入节流阀，用以对涡流管冷、热端气体输出比例进行调整；

温度传感器，设置于所述元件附近，用以测量所述元件的温度，所述温度传感器连接至控制器，所述控制器依据温度测量值控制减压阀输出气体的气压；以及

控制器，电性连接至所述减压阀，压力传感器，用以控制所述减压阀的输出的气体气压。

7.根据权利要求6所述的具有温度控制装置的投影曝光装置，其特征在于，所述喷嘴的个数为两个，对称设置在所述掩模的图形区的侧上方。

8.根据权利要求6所述的具有温度控制装置的投影曝光装置，其特征在于，所述喷嘴为扁型，宽度大于所述掩模的图形区。

9.根据权利要求6所述的具有温度控制装置的投影曝光装置，其特征在于，所述温度传感器的数目与所述掩模上图形区的数目相同。

10.一种温度控制方法，应用于温度控制装置中，用以控制曝光投影装置中掩模的温度，该温度控制装置包括涡流管、减压阀、电磁阀、至少一温度传感器、控制器及压力传感器，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：初始化温度控制装置——设置减压阀输出为零，开启电磁阀，检测温度传感器和压力传感器是否正常；

步骤二：由温度传感器对所述掩模的温度进行测量，将温度测量值T_reticle传递至控制器；

步骤三：计算掩模温度和设定点温度T_setp的偏差值ΔT，ΔT＝T_reticle-T_setp；

步骤四：判断偏差值ΔT是否大于阈值T0，当判断结果为否，则设置减压阀的输出气体压力为零，当判断结果为是，则根据偏差值ΔT通过特定的控制算法计算所需的涡流管入口气体压力值，并传递控制信号至减压阀以控制减压阀的输出气体压力为计算得到的涡流管入口气体压力值，减压阀输出适合的气体至涡流管，延时一特定时间，判断是否终止控制，若判断结果为是，则终止控制流程，若判断结果为否，则返回步骤二。

11.一种温度控制方法，应用于温度控制装置中，用以控制曝光投影装置中掩模的温度，该温度控制装置包括涡流管、减压阀、电磁阀、至少一温度传感器、控制器及压力传感器，其特征在于，包括以下步骤：

初始化温度控制装置，包括设置减压阀输出为零，开启电磁阀，检测压力传感器是否正常，初始化成功后装置待命，等待曝光批次的开始；

曝光批次开始后，控制器获取曝光参数，包括掩模透过率、图形区大小、曝光光强、曝光时间，然后控制器根据获取的曝光参数计算相应的涡流管入口压力和气体喷吹时间，等待该批次的曝光开始；

曝光开始后，减压阀根据控制器的设置输出特定压力的气体，经涡流管处理后带走掩模吸收的热量；

判断是否喷吹超过特定时间，当超过特定时间后，控制器设置减压阀输出为零以切断气体输出；

判断该曝光批次、整个曝光是否结束，以循环执行上述步骤或者关闭整个温度控制装置。