CN103836596B - 一种高功率汞灯灯室装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种高功率汞灯灯室装置，其特征在于，包括：灯室，上冷却水套，椭球反射镜冷却水套，抽排风管，冷却水自动流量调节阀，抽排风自动流量调节阀以及智能流量控制系统；所述上冷却水套与椭球反射镜冷却水套连接，将汞灯局部封闭在其中；所述抽排风管形成特定风道；所述智能流量控制系统自动控制冷却水自动流量调节阀及抽排风自动流量调节阀。

Description

一种高功率汞灯灯室装置

技术领域

本发明涉及光刻曝光技术领域，尤其涉及一种光刻曝光光源用高功率汞灯灯室装置。

背景技术

在半导体制造领域中，随着曝光产率和制造效率的提高，常常需要使用达上千瓦甚至更高功率的汞灯光源。为了保证曝光光源运行稳定，需要对灯室内部环境进行冷却。目前，业内应用在光刻机等光学设备上的高功率汞灯灯室装置主要采用风冷或风冷加水冷的冷却方式。

在小功率光源灯室中主要采用风冷有效散热，如专利CN183905、US5626416和JP062156等都是利用风机产生气流，加以合理的风道设置，达到冷却目的，该方法一般只用于千瓦以下的光源。

美国专利US5626416汞灯灯室装置中的冷却系统如图1所示，其灯室装置冷却系统包括：平面反射镜11、汞灯12、上倒流罩13和下倒流罩15、汞灯固定座16、风机17、椭球反射镜18、外壳19。冷却风从灯室底部通过倒流罩对灯室及汞灯电极进行冷却。这种汞灯灯室装置仅采用风冷，冷却效果有限，而且有大量冷却风吹到汞灯灯泡表面，使汞灯运行不稳定。

更高功率的灯室会采用风冷加液冷的形式。中国专利CN100587330C的灯室结构如图2所示，其冷却系统包括：风机21和25、汞灯22、椭球反射镜23、冷却水套24。椭球反射镜与冷却水套之间留有一定的间隙，冷却风从该间隙中吹过，风冷液冷共同作用达到散热目的。其冷却水套由水管焊接到金属罩壳而成，故换热面积仅是水管掠过的狭长条，若焊接工艺把握不佳，造成虚焊，将会减小实际换热面积，且灯室内部管路接头多，漏液风险增加。同时该种方法易将冷风直接吹到灯泡表面，影响光源稳定性。

中国专利201210055989.7亦阐述了一种运用风冷加水冷冷却的灯室装置，如图3所示，31为汞灯，32为椭球反射镜，33导热胶，34为出水管接头，35为冷却水套，36为入水接头，37为汞灯夹持机构，38为冷却风扇。该灯室椭球反射镜冷却水套采用了一种中空结构的水套，冷却水充斥其间，冷却水套与椭球反射镜之间通过导热胶粘结，故换热面覆盖整个椭球反射镜。水套顶部均布数个出水口，底部均布数个进水口，冷却水自下而上流动带走热量，由于出入水口均布，故温度分布较均匀。冷却风源（亦是灯室冷却风源）置于椭球反射镜正下方，若光源采用汞灯，则对汞灯夹持机构做了挡风设计，有效地控制了吹入汞灯灯泡表面的风量，利于汞灯激发到高功率工作状态。但是该冷却水套具有内外两层水套壁，质量大占用空间大；进口处和出口处管路接头过多，造成灯室内部空间局促；同时管接头数量多，也就增大了冷却水渗漏的风险。

实践及汞灯生产厂家资料数据表明，汞灯两级需要强迫冷却到200℃以下，汞灯灯泡则必须维持在700℃以上才能将汞灯激发到高功率工作状态。椭球反射镜表面膜层工作温度必须控制在150℃以下。

随着光刻精度的不断提高，光刻机对使用环境的要求越来越苛刻，光刻机各分系统的散热量必须要严控，灯室作为光刻机发热大户，其对外散热量的控制显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提出一种大功率汞灯灯室装置，配有风冷和水冷，用于4500W及以上更高功率的汞灯，提高汞灯的安全性和可靠性。

本发明提出一种高功率汞灯灯室装置，其特征在于，包括：灯室，上冷却水套，椭球反射镜冷却水套，抽排风管，冷却水自动流量调节阀，抽排风自动流量调节阀以及智能流量控制系统；所述上冷却水套与椭球反射镜冷却水套连接，将汞灯局部封闭在其中；所述抽排风管形成特定风道；所述智能流量控制系统自动控制冷却水自动流量调节阀及抽排风自动流量调节阀。

较优地，所述智能流量控制系统还包括流量传感器和温度传感器，根据传感器传输的数据控制冷却水及抽排风流量。

较优地，所述冷却水系统各管路的接口设置在灯室外。

较优地，所述上冷却水套和椭球反射镜冷却水套分别设置冷却水进出口。

较优地，所述抽排风管在灯室内部分为三路，分别对应两路压缩空气和灯室外框与冷却水套之间空间。

较优地，所述椭球反射镜冷却水套粘接在汞灯的椭球反射镜上。

较优地，所述上冷却水套为阶梯型圆柱状整体。

较优地，所述上冷却水套为圆锥台。

较优地，所述汞灯两极分别配有干燥压缩气体，阳极冷却喷嘴固定在上冷却水套上，阴极冷却喷嘴通过支架固定在灯室底板上。

较优地，所述汞灯的阴极设计为带有散热翅片的结构。

与现有技术相比，本发明有如下优点：

1．由于具有上下两层冷却水套结构，在局部封闭空间内消耗热量，提高应对汞灯爆灯的能力；

2．液路和抽排风设置流量传感器和自动流量调节阀，灯室内部相应部位设置温度传感器，智能控制系统通过对传感器传回数据的分析，通过流量调节阀自动控制液路及抽排流量大小，稳定灯室内部温度，利于汞灯维持最佳工作状态；

3．液路各主要管路接头部分设置在灯室外，减少在灯室内部漏液概率，提高汞灯的可靠性；

4.两路干燥压缩气体处设置对应的抽排，形成特定风道，减少吹过汞灯灯泡的风量，提高汞灯的稳定性。

附图说明

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。

图1-3为现有汞灯灯室结构示意图；

图4为本发明高功率汞灯灯室装置结构示意图；

图5为本发明高功率汞灯灯室装置液路及抽排风流量控制示意图；

图6为本发明高功率汞灯灯室装置汞灯阴极结构示意图；

图7为汞灯灯室温度测量温度传感器设置示意图；

图8为本发明另一实施例上冷却水套结构示意图。

具体实施方式

下面详细说明本发明的具体实施例。

本发明高功率汞灯灯室装置结构如图4所示，包括冷却风流量调节阀及流量传感器1，冷却风抽排管2，上冷却水套3，椭球反射镜冷却水套4，冷却水流量调节阀及流量传感器5，冷却水出口分流块6，冷却水入口分流块7，安装托板8，上部开设数个透风孔以及温度传感器9。其中冷却风流量调节阀及流量传感器1，冷却水流量调节阀及流量传感器5，冷却水出口分流块6，冷却水入口分流块7位于灯室外部环境柜内。

椭球反射镜冷却水套4的尺寸大小由椭球反射镜本身大小决定，同时椭球反射镜两焦点焦距决定了灯室空间尺寸大小及上冷却水套3的高度及直径。椭球反射镜通过导热胶与椭球反射镜冷却水套4粘结牢固，并整体固定至安装托板8上，这种设计有重复定位功能，利于更换。上冷却水套3为一个阶梯型圆柱状整体，通过焊接加工制造完成。水套3取阶梯圆柱状是为了更好的“贴近”光锥，提高换热能效。抽排风管2的管路进入灯室后分为3路，如图中箭头所示，一路于灯室顶部开口抽取灯室大环境风流，一路插入上冷却水套3中间阶梯处，与灯室阳极冷却压缩气体对应，一路插入安装托板8透风孔，与灯室阴极冷却压缩气体对应，最终形成3路内部风道。

汞灯阳极与阴极压缩气体从灯室外壁引入，通过软管及喷嘴对两极冷却。阳极冷却喷嘴固定在上冷却水套3上，阴极冷却喷嘴通过支架固定在灯室底板上。

图中不带尾箭头表示灯室内部风流向，带尾箭头表示冷却水流向，水流经冷却水入口分流块7分流后进入上下两个水套，然后经冷却水出口分流块6汇总后排出。汞灯发出的光经过椭球反射镜反射，汇聚到灯室上部焦点位置，即灯室出光口在上部。

如图4所示，温度传感器9（图中实心小黑框）选取了灯室内部有代表性的6处位置布置，分别置于灯室上盖板外侧靠近出光口处，上冷却水套3外壁，安装托板8，灯室上部面板外侧，椭球反射镜冷却水套4外壁进灯泡处，灯室下部面板外侧，用于检测灯室内外部温度。

本发明采用上下两层冷却水套，将汞灯“包裹”起来。汞灯两极分别配有两路干燥压缩气体，对汞灯两极进行强迫冷却。灯室抽排处设置对应于压缩气体流向的管路，形成特定风流，减少吹过灯泡表面的风量。抽排管在内部分为三路，分别对应两路压缩空气和灯室外框与冷却水套之间空间，进一步冷却灯室内部环境，减少从灯室外框传递出去的热量。

本发明高功率汞灯灯室装置液路及抽排风流量控制如图5所示，灯室冷却水路和抽排风路设置流量传感器，灯室上冷却水套、椭球反射镜冷却水套和灯室外框与冷却水套之间空间分别布置温度传感器，设置一闭环反馈控制系统，通过对传感器传回灯室内部数据、流量数据以及汞灯各运行参数的分析，自动控制液路及抽排流量大小，稳定灯室内部温度，以利于汞灯维持在最佳工作状态。

液路各主要管路接头布置在灯室外部，环境控制柜内，降低在灯室内部的漏液风险，进一步提高灯室的安全性和可靠性。

此外，为了增强散热效果，可以将汞灯的阴极设计为带有散热翅片的结构，如图6所示，进一步增大散热面积，控制汞灯电极温度。

表1为现有高功率汞灯灯室装置与本发明高功率汞灯灯室装置设置温度传感器进行测量的对照表。温度传感器的设置如图7所示，并在相同位置处实验测得数据如下：

表1

由实验数据可以看出，灯室经过改造后，从灯室四壁（上盖板除外）传递到外部的热量减少，尤其是灯室上半部分。灯室面板温度稳定在35℃以下，低于人体体温。而灯室出光口外壁温度亦有明显下降。

此外，为了进一步节省灯室内部空间，降低灯室重量，上冷却水套3也可以设计成圆锥台结构，如图8所示。

本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims (9)

1.一种高功率汞灯灯室装置，其特征在于，包括：灯室，上冷却水套，椭球反射镜冷却水套，抽排风管，冷却水自动流量调节阀，抽排风自动流量调节阀以及智能流量控制系统；所述上冷却水套与椭球反射镜冷却水套连接，将汞灯局部封闭在其中；所述抽排风管形成特定风道，所述抽排风管在灯室内部分为三路，分别对应两路压缩空气和灯室外框与冷却水套之间空间；所述智能流量控制系统自动控制冷却水自动流量调节阀及抽排风自动流量调节阀。

2.根据权利要求1所述的高功率汞灯灯室装置，其特征在于所述智能流量控制系统还包括流量传感器和温度传感器，根据传感器传输的数据控制冷却水及抽排风流量。

3.根据权利要求1所述的高功率汞灯灯室装置，其特征在于所述冷却水系统各管路的接口设置在灯室外。

4.根据权利要求1所述的高功率汞灯灯室装置，其特征在于所述上冷却水套和椭球反射镜冷却水套分别设置冷却水进出口。

5.根据权利要求1所述的高功率汞灯灯室装置，其特征在于所述椭球反射镜冷却水套粘接在汞灯的椭球反射镜上。

6.根据权利要求1所述的高功率汞灯灯室装置，其特征在于所述上冷却水套为阶梯型圆柱状整体。

7.根据权利要求1所述的高功率汞灯灯室装置，其特征在于所述上冷却水套为圆锥台。

8.根据权利要求1所述的高功率汞灯灯室装置，其特征在于所述汞灯两极分别配有干燥压缩气体，阳极冷却喷嘴固定在上冷却水套上，阴极冷却喷嘴通过支架固定在灯室底板上。

9.根据权利要求1所述的高功率汞灯灯室装置，其特征在于所述汞灯的阴极设计为带有散热翅片的结构。