CN107664263B - 一种气浴装置及控制方法和应用 - Google Patents

一种气浴装置及控制方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种气浴装置及控制方法和应用，该装置包括供气装置、冷却水供水装置和气浴末端装置，供气装置和气浴末端装置之间设有压力调节装置，冷却水供水装置与气浴末端装置之间设有温度调节装置，气浴末端装置内设有气路通道和水路通道，气路通道的入口与压力调节装置连接，气路通道的气路出口靠近水路通道并与气浴末端装置的工作面连通；水路通道的入口与温度调节装置的出口连接，水路通道的出口与冷却水供水装置的入口连接，气路通道和水路通道的孔径均小于0.1mm。本发明通过压力调节装置和温度调节装置实现闭环控制，通过微流道形式的气路通道和水路通道，且在气浴末端装置内进行热交换，提高了气浴的温度、压力的均匀性和稳定性。

Description

一种气浴装置及控制方法和应用
技术领域
本发明涉及光刻机领域，具体涉及一种气浴装置及控制方法和应用。
背景技术
传统的气浴控制方法一般采用常压送风，为了保证气浴出口的压力稳定性和均匀性，通常在气浴末端装置中设置静压腔结构101并安装过滤器或滤布102进行气浴过滤增压，同时在出口采用格栅或百叶窗结构103进行气浴导向，如图1所示。为了使气浴末端出口与进口压差稳定，需保证静压腔厚度达到一定尺寸，再加上过滤器、格栅或百叶窗的厚度，导致气浴末端装置整体厚度尺寸较大。
在空间布局比较紧凑的条件下，该气浴末端装置难以安装或安装位置距离气浴对象较远。如图2所示，为传统气浴控制方法原理图。包括常压空气供气装置201、换热器装置202、第一气浴末端装置203、固定装置204、曝光装置205、第二气浴末端装置206、硅片207、运动台208和冷却水供水装置209。常压空气供气装置201提供常压空气至换热器装置202，并在换热器装置202中与冷却水供水装置209提供的高精度冷却水进行热交换，经过温控后的气浴气体送入第一气浴末端装置203和第二气浴末端装置206，对曝光装置205、硅片207和运动台208等进行气浴温度和压力控制。由于第一气浴末端装置203和第二气浴末端装置206的结构尺寸较大，因此气浴末端出口位置距离曝光中心(即硅片207的中心)较远，气浴气体容易发生流场紊乱，造成气浴温度和压力的稳定性和均匀性难以控制。
如图2中所示，区域A表示被控对象空间外围区域，包括环境柜等；区域B表示被控对象空间附件区域，包括曝光区域等空间紧凑区域。传统气浴控制方法中，为使常压空气与高精度冷却水达到所需的换热效率，换热器装置202尺寸较大且放置于区域A中，距离气浴末端装置较远。温控后的气体从换热器装置202运送到气浴末端装置一203和气浴末端装置二206，容易受外界影响发生温度漂移，且该过程的温度控制属于开环控制，进一步降低了气浴温度控制的稳定性和均匀性。
发明内容
本发明提供了一种气浴装置及控制方法和应用，以解决现有技术中存在的气浴末端出口位置距离曝光中心较远以及温控后的气体容易受外界影响发生温度漂移，而导致的气浴温度和压力的稳定性和均匀性差的问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种气浴装置，包括供气装置、冷却水供水装置和气浴末端装置，所述供气装置和气浴末端装置之间设有压力调节装置，所述冷却水供水装置与所述气浴末端装置之间设有温度调节装置，所述气浴末端装置内设有气路通道和水路通道，所述气路通道的入口与所述压力调节装置连接，气路通道的气路出口靠近所述水路通道并与所述气浴末端装置的工作面连通；所述水路通道的入口与所述温度调节装置的出口连接，水路通道的出口与所述冷却水供水装置的入口连接，所述气路通道和所述水路通道的孔径均小于0.1mm。
进一步的，所述供气装置为压缩气体供气装置，所述供气装置与所述压力调节装置之间还设有空气过滤装置。
进一步的，所述空气过滤装置与所述压力调节装置之间还设有初级热交换装置。
进一步的，所述压力调节装置包括压力控制器和压力传感器，所述压力控制器的入口连接所述供气装置的出口，压力控制器的出口连接所述气路通道的入口，所述压力传感器分别连接所述气路通道的气路出口和所述压力控制器，检测所述气路出口的压力并反馈至所述压力控制器。
进一步的，所述温度调节装置包括温度控制器和温度传感器，所述温度控制器的入口连接所述冷却水供水装置的出口，温度控制器的出口连接水路通道的入口，所述温度传感器设有两个，两端分别连接所述气路通道的入口和所述温度控制器，以及气路通道的出口和所述温度控制器。
进一步的，所述水路通道为多层环形通道，所述多层环形通道首尾相通且相邻两层之间设有垂向落差。
进一步的，所述气路通道包括多个同心环形通道，每个所述同心环形通道设于所述多层环形通道的相邻两层之间。
进一步的，每个所述同心环形通道包括若干与所述气路通道入口连通的环形通道，所述气路出口设于每个所述环形通道对应所述气浴末端装置工作面的一侧，所述气路出口的压力相同且靠近所述水路通道。
进一步的，所述气路出口沿所述环形通道均匀分布，且相邻气路出口之间的距离小于10倍所述气路通道的孔径。
进一步的，所述气路通道和水路通道集成于一块板中。
本发明还提供一种气浴控制方法，包括以下步骤：
S1：冷却水供水装置提供的冷却水经过温度调节装置后从水路通道的入口进入气浴末端装置内并沿水路通道流通，供气装置提供的气体经过压力调节装置后从气路通道的入口进入气浴末端装置内，沿气路通道流通，并通过气路出口与水路通道进行热交换后从气浴末端装置的工作面排出至待气浴对象；
S2：所述压力调节装置实时检测气路出口的气压，并进行调节，确保气浴压力处于稳定状态；所述温度调节装置实时检测气路出口的气体温度，并进行调节，确保气浴温度处于稳定状态。
进一步的，所述供气装置为压缩气体供气装置，提供压缩气体。
进一步的，还包括，所述压缩气体首先经过空气过滤装置进行过滤，再经过初级热交换装置进行初级温控后进入压力调节装置进行压力调节。
进一步的，所述压缩气体进入气浴末端装置后沿两个相反的方向进入每个环形通道中。
进一步的，具体为，通过压力传感器检测气浴末端装置的工作面对应的气路出口的气压，并将检测的数据反馈至压力控制器，通过压力控制器对压缩气体的压力进行调节；通过温度传感器分别检测气路通道入口和气浴末端装置的工作面对应的气路出口的温度，并将检测的数据反馈至温度控制器，通过温度控制器对冷却水的温度进行调节。
本发明还提供一种光刻装置，包括曝光装置、硅片和运动台，还包括如上所述的气浴装置，所述气浴装置安装在曝光装置的底部，对曝光装置、硅片和运动台进行气浴。
本发明提供的气浴装置及控制方法和应用，通过在供气装置和气浴末端装置之间设置压力调节装置，对气路出口的气压进行实时检测和调节，保证气浴压力的稳定性，通过在冷却水供水装置与所述气浴末端装置之间设置温度调节装置，对气路通道入口和气路出口的温度进行实时检测和调节，保证气浴温度的稳定性，采用上述闭环控制的方法提高了气浴温度控制的稳定性和均匀性；水路通道和所述气路通道的孔径均小于0.1mm，即采用微流道形式，该种微流道的局部压阻即可保证气浴末端装置内外部的压差，无需设置静压腔和过滤器，从而大大减小气浴末端装置的厚度与尺寸，提高了结构紧凑性，在狭窄空间下可以灵活布置在离待气浴对象较近的位置，降低了气浴的压力和温度的控制难度；气体和冷却水在气浴末端装置内进行热交换，避免温控后的气体在较远物理距离下传输，容易受外界影响发生温度漂移，进一步提高了气浴的温度、压力的均匀性和稳定性。
附图说明
图1是现有技术中气浴末端装置的结构示意图；
图2是现有技术中气浴控制方法原理图；
图3是本发明气浴装置的结构示意图；
图4是本发明水路通道的横截面示意图；
图5是本发明水路通道和气路通道的纵截面示意图；
图6是本发明气路通道的横截面示意图；
图7是本发明气浴末端装置工作面上气路出口的分布图；
图8是本发明提供的光刻装置的结构示意图。
图1-2中所示：101、静压腔结构；102、过滤器或滤布；103、格栅或百叶窗结构；201、常压空气供气装置；202、换热器装置；203、第一气浴末端装置；204、固定装置；205、曝光装置；206、第二气浴末端装置；207、硅片；208、运动台；209、冷却水供水装置；
图3-8中所示：1、供气装置；2、冷却水供水装置；3、气浴末端装置；31、气路通道；32、水路通道；33、工作面；34、气路出口；35、环形通道；4、压力调节装置；41、压力控制器；42、压力传感器；5、温度调节装置；51、温度控制器；52、温度传感器；6、待气浴对象；7、空气过滤装置；8、初级热交换装置；9、曝光装置；10、硅片；11、运动台。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细描述：
如图3-8所示，本发明提供一种气浴装置，包括供气装置1、冷却水供水装置2和气浴末端装置3，所述供气装置1和气浴末端装置3之间设有压力调节装置4，所述冷却水供水装置2与所述气浴末端装置3之间设有温度调节装置5，所述气浴末端装置3内设有气路通道31和水路通道32，所述气路通道31的入口与所述压力调节装置4连接，气路通道31的气路出口靠近所述水路通道32并与所述气浴末端装置3的工作面33(即与待气浴对象6对应的一面)连通；所述水路通道32的入口与所述温度调节装置5的出口连接，水路通道32的出口与所述冷却水供水装置2的入口连接，所述水路通道32和所述气路通道31的孔径均小于0.1mm。具体的，冷却水供水装置2提供的冷却水经过温度调节装置5后从水路通道32的入口进入气浴末端装置3内并沿水路通道32流通，供气装置1提供的气体经过压力调节装置4后从气路通道31的入口进入气浴末端装置3内，沿气路通道31流通，并通过气路出口34与水路通道32进行热交换后从气浴末端装置3的工作面33排出至待气浴对象6(如硅片等)；通过压力调节装置4，对气路出口34的气压进行实时检测和调节，保证气浴压力的稳定性，通过温度调节装置5对气路通道31入口和气路出口34的温度进行实时检测和调节，保证气浴温度的稳定性，采用上述闭环控制的方法提高了气浴温度控制的稳定性和均匀性；水路通道32和所述气路通道31的孔径均小于0.1mm，即采用微流道形式，该种微流道的局部压阻即可保证气浴末端装置3内外部的压差，无需设置静压腔和过滤器，从而大大减小气浴末端装置的厚度与尺寸，提高了结构紧凑性，在狭窄空间下可以灵活布置在离待气浴对象6较近的位置，降低了气浴的压力和温度的控制难度，气体和冷却水在气浴末端装置3内进行热交换，避免温控后的气体在较远物理距离下传输，容易受外界影响发生温度漂移。
优选的，所述供气装置1为压缩气体供气装置，所述供气装置1与所述压力调节装置4之间还设有空气过滤装置7。优选的，所述空气过滤装置7与所述压力调节装置4之间还设有初级热交换装置8。需要说明的是，由于气路通道31采用微流道形式，内部存在压阻，采用压缩气体供气装置提供压缩空气压力大，可以更好地促进气体在气路通道31中的流通；压缩气体供气装置提供压缩空气首先经过空气过滤装置7进行过滤，再经过初级热交换装置8进行初级温控后进入压力调节装置4进行压力调节。
优选的，所述压力调节装置4包括压力控制器41和压力传感器42，所述压力控制器41的入口连接所述供气装置1的出口，压力控制器4的出口连接所述气路通道的入口，所述压力传感器42分别连接所述气路通道31的气路出口34和所述压力控制器41，检测所述气路出口34的压力并反馈至所述压力控制器41，通过压力控制器41对内部的压缩空气进行压力调节，保证气路出口34的压力处于稳定状态，采用上述闭环控制方式相比传统的开环控制方式大大提高了气浴温度控制的稳定性和均匀性。
优选的，所述温度调节装置5包括温度控制器51和温度传感器52，所述温度控制器51的入口连接所述冷却水供水装置2的出口，温度控制器51的出口连接水路通道32的入口，所述温度传感器52设有两个，两端分别连接所述气路通道31的入口和温度控制器51，以及气路通道31的出口和所述温度控制器51。具体的，温度传感器52分别实时检测气路通道31入口处和气路出口34处的气体温度，并将检测到的数据反馈至温度控制器51，温度控制器51对其内部的冷却水进行温度调节，保证气路出口34的温度处于稳定状态，采用上述闭环控制方式相比传统的开环控制方式大大提高了气浴温度控制的稳定性和均匀性。
如图4-5所示，所述水路通道32为多层环形通道，所述多层环形通道首尾相通且相邻两层之间设有垂向落差。图5所示的水路通道32为两层环形通道，两层环形通道之间设有垂向落差，冷却水从上层环形通道中进入，并从下层环形通道中排出至冷却水供水装置2中。
如图5-7所示，所述气路通道31包括多个同心环形通道，每个所述同心环形通道设于所述多层环形通道的相邻两层之间，即气路通道31与水路通道32相间设置，保证热交换的均匀性和充分性。图6中所示为一个同心环形通道，该同心环形通道设于上、下两层环形通道中间。优选的，每个所述同心环形通道包括若干与所述气路通道31入口连通的环形通道35，所述压缩气体进入气浴末端装置3后沿两个相反的方向进入每个环形通道35中；所述气路出口34设于每个所述环形通道35对应所述气浴末端装置3工作面33的一侧，所述气路出口34的压力相同且靠近所述水路通道32，与水路通道32进行热交换后从气浴末端装置3的工作面33排出至待气浴对象上。优选的，所述气路出口34沿所述环形通道35均匀设置，且相邻气路出口34之间的距离小于10倍所述气路通道31的孔径。如图7所示，多条环形通道35上的气路出口34覆盖整个工作面33，气路出口34之间的距离小于10倍气路通道31的孔径，以便形成均匀的出风面。
优选的，所述气路通道31和水路通道32集成于一块板中。
气路通道31和水路通道32的微流道孔径根据气路通道31和水路通道32流体热交换规律进行设计。以单一圆形微通道为例，其热交换控制方程如下：
连续性方程：
动量方程：
能量方程：
式中，u，v，w分别为x，y，z方向速度分量；p—压力；T—温度；g—重力加速度；μ—流体动力粘性系数；a—流体热扩散系数；ρ—流体密度；S—内热源项。
圆形微通道中，雷诺系数Re定义为：
式中，u—微通道内流体平均速度；μ—流体动力粘性系数；de—微流道直径；ρ—流体密度。
流动阻力系数定义为：
式中，Δp—微通道进出口压力差；L—微通道长度。
热换Nu数定义为：
式中，q—加热热流密度；tw—微通道壁面平均温度；tf—微通道内流体平均温度，λ—流体导热系数。
壁面摩擦系数Cf定义为：
式中，tw—壁面摩擦力。
需要说明的是，各个气路通道31的孔径、长度的设计应匹配保证各气路出口34具有相同的压阻。
本发明还提供一种气浴控制方法，包括以下步骤：
S1：冷却水供水装置2提供的冷却水经过温度调节装置5后从水路通道32的入口进入气浴末端装置3内并沿水路通道32流通，供气装置1提供的气体经过压力调节装置4后从气路通道31的入口进入气浴末端装置3内，气路通道31包括多个同心环形通道，每个所述同心环形通道包括若干与所述气路通道31入口连通的环形通道35，所述压缩气体进入气浴末端装置3后沿两个相反的方向进入每个环形通道35中，沿气路通道31流通，并通过气路出口与水路通道32进行热交换后从气浴末端装置3的工作面33排出至待气浴物体6上；所述供气装置1为压缩气体供气装置，提供压缩气体，所述压缩气体首先经过空气过滤装置7进行过滤，再经过初级热交换装置8进行初级温控后经过压力调节装置4进行压力调节。
S2：所述压力调节装置4实时检测气路出口34的气压，并进行调节，确保气浴压力处于稳定状态；所述温度调节装置5实时检测气路出口34的气体温度，并进行调节，确保气浴温度处于稳定状态。具体的，通过压力传感器42检测气浴末端装置3的工作面33对应的气路出口34的气压，并将检测的数据反馈至压力控制器41，通过压力控制器41对压缩气体的压力进行调节；通过温度传感器52分别检测气路通道31入口和气浴末端装置3的工作面33对应的气路出口34的温度，并将检测的数据反馈至温度控制器51，通过温度控制器51对冷却水的温度进行调节。
如图8所示，本发明还提供一种光刻装置，包括曝光装置9、硅片10和运动台11，运动台11承载硅片10运动至曝光区域进行曝光，该光刻装置还包括上述的气浴装置，所述气浴装置安装在曝光装置9的底部位置，对曝光装置9、硅片10和运动台11进行高精度气浴。
综上所述，本发明提供的气浴装置及控制方法和应用，通过在供气装置1和气浴末端装置3之间设置压力调节装置4，对气路出口34的气压进行实时检测和调节，保证气浴压力的稳定性，通过在冷却水供水装置2与所述气浴末端装置3之间设置温度调节装置5，对气路通道31入口和气路出口34的温度进行实时检测和调节，保证气浴温度的稳定性，采用上述闭环控制的方法提高了气浴温度控制的稳定性和均匀性；水路通道32和所述气路通道31的孔径均小于0.1mm，即采用微流道形式，该种微流道的局部压阻即可保证气浴末端装置3内外部的压差，无需设置静压腔和过滤器，从而大大减小气浴末端装置3的厚度与尺寸，提高了结构紧凑性，在狭窄空间下可以灵活布置在离待气浴对象6较近的位置，降低了气浴的压力和温度的控制难度；气体和冷却水在气浴末端装置3内进行热交换，避免温控后的气体在较远物理距离下传输，容易受外界影响发生温度漂移，进一步提高了气浴的温度、压力的均匀性和稳定性。
虽然说明书中对本发明的实施方式进行了说明，但这些实施方式只是作为提示，不应限定本发明的保护范围。在不脱离本发明宗旨的范围内进行各种省略、置换和变更均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (16)

1.一种气浴装置，包括供气装置、冷却水供水装置和气浴末端装置，其特征在于，所述供气装置和气浴末端装置之间设有压力调节装置，所述冷却水供水装置与所述气浴末端装置之间设有温度调节装置，所述气浴末端装置内设有气路通道和水路通道，所述气路通道的入口与所述压力调节装置连接，气路通道的气路出口靠近所述水路通道并与所述气浴末端装置的工作面连通；所述水路通道的入口与所述温度调节装置的出口连接，水路通道的出口与所述冷却水供水装置的入口连接，所述气路通道和所述水路通道的孔径均小于0.1mm。
2.根据权利要求1所述气浴装置，其特征在于，所述供气装置为压缩气体供气装置，所述供气装置与所述压力调节装置之间还设有空气过滤装置。
3.根据权利要求2所述气浴装置，其特征在于，所述空气过滤装置与所述压力调节装置之间还设有初级热交换装置。
4.根据权利要求1所述气浴装置，其特征在于，所述压力调节装置包括压力控制器和压力传感器，所述压力控制器的入口连接所述供气装置的出口，压力控制器的出口连接所述气路通道的入口，所述压力传感器分别连接所述气路通道的气路出口和所述压力控制器，检测所述气路出口的压力并反馈至所述压力控制器。
5.根据权利要求1所述气浴装置，其特征在于，所述温度调节装置包括温度控制器和温度传感器，所述温度控制器的入口连接所述冷却水供水装置的出口，温度控制器的出口连接水路通道的入口，所述温度传感器设有两个，两端分别连接所述气路通道的入口和所述温度控制器，以及气路通道的出口和所述温度控制器。
6.根据权利要求1所述气浴装置，其特征在于，所述水路通道为多层环形通道，所述多层环形通道首尾相通且相邻两层之间设有垂向落差。
7.根据权利要求6所述气浴装置，其特征在于，所述气路通道包括多个同心环形通道，每个所述同心环形通道设于所述多层环形通道的相邻两层之间。
8.根据权利要求7所述气浴装置，其特征在于，每个所述同心环形通道包括若干与所述气路通道入口连通的环形通道，所述气路出口设于每个所述环形通道对应所述气浴末端装置工作面的一侧，所述气路出口的压力相同且靠近所述水路通道。
9.根据权利要求8所述气浴装置，其特征在于，所述气路出口沿所述环形通道均匀分布，且相邻气路出口之间的距离小于10倍所述气路通道的孔径。
10.根据权利要求1所述气浴装置，其特征在于，所述气路通道和水路通道集成于一块板中。
11.一种气浴控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：冷却水供水装置提供的冷却水经过温度调节装置后从水路通道的入口进入气浴末端装置内并沿水路通道流通，供气装置提供的气体经过压力调节装置后从气路通道的入口进入气浴末端装置内，沿气路通道流通，并通过气路出口与水路通道进行热交换后从气浴末端装置的工作面排出至待气浴对象；
S2：所述压力调节装置实时检测气路出口的气压，并进行调节，确保气浴压力处于稳定状态；所述温度调节装置实时检测气路出口的气体温度，并进行调节，确保气浴温度处于稳定状态。
12.根据权利要求11所述气浴控制方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述供气装置为压缩气体供气装置，提供压缩气体。
13.根据权利要求12所述气浴控制方法，其特征在于，所述步骤S1中，还包括，所述压缩气体首先经过空气过滤装置进行过滤，再经过初级热交换装置进行初级温控后进入压力调节装置进行压力调节。
14.根据权利要求13所述气浴控制方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述压缩气体进入气浴末端装置后沿两个相反的方向进入每个环形通道中。
15.根据权利要求12所述气浴控制方法，其特征在于，所述步骤S2中，通过压力传感器检测气浴末端装置的工作面对应的气路出口的气压，并将检测的数据反馈至压力控制器，通过压力控制器对压缩气体的压力进行调节；通过温度传感器分别检测气路通道入口和气浴末端装置的工作面对应的气路出口的温度，并将检测的数据反馈至温度控制器，通过温度控制器对冷却水的温度进行调节。
16.一种光刻装置，包括曝光装置、硅片和运动台，其特征在于，还包括如权利要求1-10中任一项所述的气浴装置，所述气浴装置安装在曝光装置的底部，对曝光装置、硅片和运动台进行气浴。
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