CN112180689A - 温控装置及半导体设备 - Google Patents

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CN112180689A CN201910594450.0A CN201910594450A CN112180689A CN 112180689 A CN112180689 A CN 112180689A CN 201910594450 A CN201910594450 A CN 201910594450A CN 112180689 A CN112180689 A CN 112180689A
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刘连军
张洪博
郝保同
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Abstract

本发明涉及一种温控装置，包括环状气浴室及供气组件，所述环状气浴室套设于一光学组件外，所述供气组件通过所述环状气浴室向所述光学组件提供一设定温度范围的气体，以使所述光学组件表面的温度介于所述设定温度范围内。进一步，通过所述环状气浴室分成的主腔体、吹扫腔及抽排腔，所述吹扫腔吹扫气体并由所述抽排腔抽出，使光学组件免受外界环境污染。本发明缩短了对光学组件的温控时间，并有利于延长光学组件的使用寿命。

Description

温控装置及半导体设备
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种温控装置及半导体设备。
背景技术
光刻机是大规模、超大规模集成电路制造的核心设备，光刻机对投影物镜内部环境的要求极高，尤其是温度的稳定性与均匀性要求。由于长时间进行激光曝光，投影物镜内部温度随曝光时间而变化，投影物镜内部温度的变化会造成焦面漂移，导致曝光线条畸变和像散，严重降低曝光线条的质量。因此，投影物镜内部温度控制是保证光刻机曝光线条质量的关键技术。
为了对光刻机投影物镜内部温度进行控制，通常是在投影物镜外部安装一个温控装置，以对投影物镜的内部温度进行间接控制。目前常用的传热原理为自然对流和热辐射，都是换热效率比较低的传热手段，换热效果并不理想，并且物镜温控时间长，使首次开启温控或者设备维护之后恢复整机性能的时间较长。另外，由于物镜的顶部镜片及底部镜片长期接触外界环境，容易被周围的粉尘和杂质污染。
发明内容
本发明的目的在于提供一种温控装置及半导体设备，能够克服投影物镜温控时间长，对投影物镜的温度调控效率低的问题。
为了达到上述目的，本发明提供了一种温控装置，包括环状气浴室及供气组件，所述环状气浴室套设于一光学组件外，所述供气组件通过所述环状气浴室向所述光学组件提供一设定温度范围的气体，以使所述光学组件表面的温度介于所述设定温度范围内。
可选的，所述温控装置还包括套设于所述光学组件外的水套，所述水套的侧壁中设置有水流通道，所述水流通道中流通有所述设定温度范围的冷却水。
可选的，所述水套的侧壁与所述光学组件之间的间隙构成所述环状气浴室，所述供气组件位于所述环状气浴室的一侧并向所述环状气浴室中提供所述设定温度范围的气体。
可选的，所述环状气浴室套设于所述水套外，若干第一出风口贯穿所述环状气浴室的内壁及所述水套的侧壁，所述供气组件向所述环状气浴室中提供所述设定温度范围的气体，所述设定温度范围的气体通过所述第一出风口到达所述光学组件的表面。
可选的，所述环状气浴室通过横向调节挡板分隔为主腔体及位于所述主腔体两端的副腔体，所述光学组件的顶部低于所述主腔体的顶部，且所述光学组件的底部高于所述主腔体的底部，若干第二出风口贯穿所述主腔体的内壁，所述供气组件向所述主腔体中提供所述设定温度范围的气体，所述设定温度范围的气体通过所述第二出风口到达所述光学组件的表面。
可选的，所述副腔体通过纵向调节挡板分隔为吹扫腔和抽排腔，所述吹扫腔与所述抽排腔沿纵向相对设置，若干第三出风口贯穿所述吹扫腔的内壁，若干第四出风口贯穿所述抽排腔的内壁，所述供气组件向所述吹扫腔中提供所述设定温度范围的气体，所述设定温度范围的气体通过所述第三出风口到达所述光学组件的表面后，通过所述第四出风口进入所述抽排腔内，并从所述抽排腔内抽出。
可选的，所述吹扫腔的内壁上设置有多个沿横向平行设置的导向板，以使所述设定温度范围的气体通过所述第三出风口后平行流出。
可选的，所述环状气浴室呈圆环形，所述吹扫腔与所述抽排腔均呈半圆环形。
可选的，所述环状气浴室的内壁上设置有滤布及覆盖所述滤布的网孔板，所述网孔板上设置有多个网孔。
可选的，所述温控装置还包括抽气组件，所述抽气组件连接所述抽排腔，以将所述抽排腔内的气体抽出。
可选的，所述供气组件包括温控器、过滤器及流量调节器，所述温控器将气体调节至所述设定温度范围并传送至所述过滤器中，所述过滤器用于对所述设定温度范围的气体进行过滤并传送至所述环状气浴室中，所述流量调节器用于调节供应至所述环状气浴室中所述设定温度范围的气体的流量。
可选的，所述过滤器包括化学过滤器和/或粒子过滤器。
可选的，所述光学组件为投影物镜。
本发明还提供了一种半导体设备，包括光学组件及如上所述的温控装置。
本发明通过所述环状气浴室向所述光学组件提供一设定温度范围的气体，以气浴方式控制所述光学组件的表面温度，缩短了对光学组件的温控时间。进一步的，通过在环状气浴室的顶部和底部均设置吹扫腔与抽排腔，使所述吹扫腔吹出的气体由所述抽排腔抽出，从而在所述光学组件表面形成气体保护层，使其免受外界环境的污染，延长了光学组件的使用寿命。
附图说明
图1为一种投影物镜水套温控原理示意图；
图2为投影物镜水套温控时间曲线图；
图3为本发明实施例提供的温控装置示意图；
图4为本发明实施例提供的吹扫腔与抽排腔气流示意图；
图5为本发明另一实施例提供的温控装置示意图；
图6为本发明又一实施例提供的温控装置示意图；
图中：101-投影物镜；102-水套；103-循环水；104-温度传感器；105-空气层；106-温度控制单元；
210-供气组件；211-温控器；212-过滤器；213-流量调节器；214-供气管路；215温度传感器；220-环状气浴室；221-主腔体；222-副腔体；222a-吹扫腔；222b-抽排腔；223-横向调节挡板；224-纵向调节挡板；225-滤布；226-网孔板；227-导向板；230-光学组件；240-抽气组件；
301-光学组件；302-水套；303-环状气浴室；304-第一风机；
401-光学组件；402-水套；403-环状气浴室；404-第二风机。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
如图1所示，其为一种投影物镜水套温控原理示意图，对投影物镜101通过水套的方式进行温控，在所述投影物镜101的外部设置有水套102，所述投影物镜101与水套102之间并非完全贴合，在二者中间具有一层5-10mm的空气层105，通过TCU(温度控制单元)控制循环水103的温度，循环水103进入水套102，通过水套102对所述投影物镜101实现温度控制，投影物镜101内部的温度传感器104用作温度控制的闭环反馈，可以将投影物镜101内部的温度实时反馈给温度控制单元。此种方案由于投影物镜101和水套102之间是相对密封的，即投影物镜101的顶部与底部均与水套102密封，仅露出投影物镜101的顶部镜镜片及底部镜片，故而空气层105中的空气并非流动的，因此对应的换热效果并不理想。通过循环水对温度进行温度控制，实际上就是通过控制循环水的温度和流量的方法使投影物镜101的温度稳定，此种方法的传热原理为自然对流和热辐射，都是换热效率比较低的传热手段，会造成首次开启温控或者PM(设备维护)之后恢复整机性能的时间比较长，此种方案的投影物镜温度稳定时间大约在4～6小时，具体见图2所示，其为投影物镜水套温控时间曲线图，图中的横坐标为时间，纵坐标为物镜温度。另外，由于投影物镜的顶部镜镜片及底部镜片长期接触外界环境，容易被周围的粉尘和杂质污染。
基于此，本发明提出了一种温控装置，用于对一光学组件211进行温度控制，主要采用气浴方式进行温控，通过气体的对流使光学组件211的表面降温。如图3所示，所述温控装置包括环状气浴室220及供气组件210，所述环状气浴室220套设于一光学组件230外，所述供气组件210通过所述环状气浴室220向所述光学组件230提供一设定温度范围的气体，以使所述光学组件230表面的温度介于所述设定温度范围内。
所述环状气浴室220环绕设置于所述光学组件230外侧，所述供气组件210通过所述环状气浴室220向所述光学组件230表面211吹风，以控制所述光学组件230的表面温度。
进一步的，所述环状气浴室220通过横向调节挡板223分隔为主腔体221及位于所述主腔体221两端的副腔体222，所述光学组件230的顶部低于所述主腔体221的顶部，且所述光学组件230的底部高于所述主腔体221的底部，若干第二出风口贯穿所述主腔体221的内壁，所述供气组件210向所述主腔体221中提供所述设定温度范围的气体，所述设定温度范围的气体通过所述第二出风口到达所述光学组件230的表面。
具体的，所述环状气浴室220环绕设置于所述光学组件230的外侧，并沿所述光学组件230的轴向沿伸，且所述环状气浴室220的顶部和底部均高出所述光学组件230，并由所述横向调节挡板223分离成主腔体221及两端的副腔体222，所述横向调节挡板223可以在所述主腔体221与所述副腔体222之间调节，以改变所述主腔体221、两端的所述副腔体222各自的体积。
若干所述第二出风口均匀设置于所述主腔体221的内壁，以通过所述第二出风口进行出风。所述供气组件210向所述主腔体221中提供所述设定温度范围的气体，通过所述主腔体221上的若干第二出风口从四周向所述光学组件230的表面吹风，且所述主腔体221吹出的气体向所述光学组件230的顶部及底部的方向排出，从而对所述光学组件230进行降温。
进一步的，所述副腔体222通过纵向调节挡板224分隔为吹扫腔222a和抽排腔222b，所述吹扫腔222a与所述抽排腔222b沿纵向相对设置，若干第三出风口贯穿所述吹扫腔222a的内壁，若干第四出风口贯穿所述抽排腔222b的内壁，所述供气组件210向所述吹扫腔222a中提供所述设定温度范围的气体，所述设定温度范围的气体通过所述第三出风口到达所述光学组件230的表面后，通过所述第四出风口进入所述抽排腔222b内，并从所述抽排腔222b内抽出。
光学组件230的顶部及底部设置有镜片，所述吹扫腔222a吹出的气体由所述抽排腔222b抽出，从而在所述光学组件230的顶部及底部形成朝同一方向的“气帘”，如图4所示，以保护所述光学组件230的镜片免受外界粉尘的污染。
进一步的，所述吹扫腔222a的内壁上设置有多个沿横向平行设置的导向板227，以使所述设定温度范围的气体通过所述第三出风口后平行流出。由于所述吹扫腔222a吹出的风容易发散，在所述吹扫腔222a的内壁上设置多个导向板227，对位于所述环状气浴室220顶部和底部的吹扫腔222a的出风风向进行导向，使其垂直出风，从而更有利于对所述光学组件230的顶部及底部表面形成保护层，防止所述光学组件230受到外界环境的污染。
进一步的，继续参阅图3及图4，所述环状气浴室220呈圆环形，所述吹扫腔222a与所述抽排腔222b均呈半圆环形。具体实施时，所述环状气浴室220也可以为其他形状，由于所述光学组件230呈圆柱形，将所述环状气浴室220设置成圆环形，使所述环状气浴室220的形状与所述光学组件230的形状匹配，有利于对所述光学组件230进行均匀降温。本实施例中，所述吹扫腔222a与所述抽排腔222b各自为半圆环形，且体积相同。
进一步的，所述环状气浴室220的内壁上设置有滤布225及覆盖所述滤布的网孔板226，所述网孔板226上设置有多个网孔。具体的，所述滤布225铺设于所述环状气浴室220的内壁上，所述网孔板226覆盖于所述滤布225上，这样，从所述环状气浴室220吹出的风依次经过所述滤布225及所述网孔板226，有利于使出风均匀，从而对所述光学组件230进行均匀降温。
进一步的，所述温控装置还包括抽气组件240，所述抽气组件240连接所述抽排腔222b，以将所述抽排腔222b内的气体抽出。具体的，所述抽气组件240可以为风机、厂务抽排等，主要用于提供负压，进行吸风，从而将所述抽排腔222b内的气体抽出。这样，由于环状气浴室220的顶部和底部都设置有吹扫腔222a和抽排腔222b，且所述吹扫腔222a与所述抽排腔222b沿纵向相对设置，所述吹扫腔222a吹出的气体由所述抽排腔222b抽出，即一半吹扫，一半抽排，在所述光学组件230的顶部及底部的表面形成“气帘”，以对所述光学组件230的顶部和底部裸露于外界环境的镜片起到保护作用。
进一步的，所述供气组件包括温控器211、过滤器212及流量调节器213，所述温控器211将气体调节至所述设定温度范围并传送至所述过滤器212中，所述过滤器212用于对所述设定温度范围的气体进行过滤并传送至所述环状气浴室220中，所述流量调节器213用于调节供应至所述环状气浴室220中所述设定温度范围的气体的流量。
本实施例中，所述温控器211为精密空调，且所述温控器211设置于环境控制柜中，用于将厂务空气的温度精密控制到一设定温度，所述设定温度的范围为0.002-0.1摄氏度之间，例如0.01摄氏度，使输入的气体能够控制在所述设定温度。并且，所述光学组件230上设置有温度传感器215，所述温度传感器215将检测的温度数值传递至所述温控器211，形成闭环反馈。
优选的，所述过滤器212为化学过滤器和/或粒子过滤器。本实施例中，将经过所述温控器211进行温度调控后的气体，通过所述过滤器212后，能够将经过温控的气体过滤成为洁净的气体，后续再将经过温控的洁净气体输送至所述环状气浴室220内。
进一步的，所述供气组件还包括供气管路214，所述供气管路214将厂务气体依次经过所述温控器211经所述过滤器212后分成三条支路，一条支路连接所述主腔体221，另外两条支路分别连接位于所述主腔体221顶部及底部的两个吹扫腔222a，从而通过三条所述支路各自向所述主腔体221及两个所述吹扫腔222a供气，且每条所述支路上均设置有所述流量调节器213，以调节各支路中气体的流量。本实施例中，所述流量调节器213为蝶阀，蝶阀可起到切断和节流的作用，从而可以调节各个支路中气体的流量。
进一步的，本实施例中，所述光学组件230为投影物镜。
所述温控装置还包括套设于所述光学组件外的水套，所述水套的侧壁中设置有水流通道，所述水流通道中流通有所述设定温度范围的冷却水。
进一步的，所述水套的侧壁与所述光学组件之间的间隙构成所述环状气浴室，所述供气组件位于所述环状气浴室的一侧并向所述环状气浴室中提供所述设定温度范围的气体。
参阅图5所示，在图1的物镜温控基础上，在所述光学组件301的顶部环绕设置环形气浴室303，所述环形气浴室303的底壁设置有若干出风口(图中未示出)，在所述环形气浴室302的上方设置有第一风机304，所述第一风机304用于增强空气流动，将所述环形气浴室303内的气体经过所述出风口从所述光学组件301的顶部吹向所述光学组件301的底部后排出，使所述水套302与所述光学组件301之间的自然对流或者辐射换热的传热方式，改为强制对流的传热方式，提高了换热效率。
进一步的，所述环状气浴室套设于所述水套外，若干第一出风口贯穿所述环状气浴室的内壁及所述水套的侧壁，所述供气组件向所述环状气浴室中提供所述设定温度范围的气体，所述设定温度范围的气体通过所述第一出风口到达所述光学组件的表面。
参阅图6所示，在图1的物镜温控基础上，在所述水套402的外部设置环状气浴室403，在所述环状气浴室403上设置第二风机404，通过所述第二风机404向所述环状气浴室403内送风。并且，在所述水套402上设置若干第一出风口(图中未示出)，使所述环状气浴室403内的气体通过所述水套402上的第一出风口从周围吹扫所述光学组件401的外壁，并从所述光学组件401的顶部及底部排出，以使所述水套402起到换热的作用，同时吹扫气体起到了强制换热的效果。
本发明还提供了一种半导体设备，包括光学组件及如上所述的温控装置。通过采用所述温控装置，能够实现对所述光学组件进行温度控制。
光学组件采用投影物镜为例，通过多次实验验证，采用本发明的温控装置后，对于投影物镜的温控时间能够控制在40min左右，大大缩短了物镜温度的稳定时间，从而进一步缩短了产品的PM时间。并且，本发明的温控装置也解决了投影物镜的镜片污染问题，延长了物镜的使用寿命。
综上，在本发明实施例提供的温控装置中，本发明通过所述环状气浴室向所述光学组件提供一设定温度范围的气体，以气浴方式控制所述光学组件的表面温度，缩短了对光学组件的温控时间。进一步的，通过在环状气浴室的顶部和底部均设置吹扫腔与抽排腔，使所述吹扫腔吹出的气体由所述抽排腔抽出，从而在所述光学组件表面形成气体保护层，使其免受外界环境的污染，延长了光学组件的使用寿命。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种温控装置，其特征在于，包括环状气浴室及供气组件，所述环状气浴室套设于一光学组件外，所述供气组件通过所述环状气浴室向所述光学组件提供一设定温度范围的气体，以使所述光学组件表面的温度介于所述设定温度范围内。
2.如权利要求1所述的温控装置，其特征在于，所述温控装置还包括套设于所述光学组件外的水套，所述水套的侧壁中设置有水流通道，所述水流通道中流通有所述设定温度范围的冷却水。
3.如权利要求2所述的温控装置，其特征在于，所述水套的侧壁与所述光学组件之间的间隙构成所述环状气浴室，所述供气组件位于所述环状气浴室的一侧并向所述环状气浴室中提供所述设定温度范围的气体。
4.如权利要求2所述的温控装置，其特征在于，所述环状气浴室套设于所述水套外，若干第一出风口贯穿所述环状气浴室的内壁及所述水套的侧壁，所述供气组件向所述环状气浴室中提供所述设定温度范围的气体，所述设定温度范围的气体通过所述第一出风口到达所述光学组件的表面。
5.如权利要求1所述的温控装置，其特征在于，所述环状气浴室通过横向调节挡板分隔为主腔体及位于所述主腔体两端的副腔体，所述光学组件的顶部低于所述主腔体的顶部，且所述光学组件的底部高于所述主腔体的底部，若干第二出风口贯穿所述主腔体的内壁，所述供气组件向所述主腔体中提供所述设定温度范围的气体，所述设定温度范围的气体通过所述第二出风口到达所述光学组件的表面。
6.如权利要求5所述的温控装置，其特征在于，所述副腔体通过纵向调节挡板分隔为吹扫腔和抽排腔，所述吹扫腔与所述抽排腔沿纵向相对设置，若干第三出风口贯穿所述吹扫腔的内壁，若干第四出风口贯穿所述抽排腔的内壁，所述供气组件向所述吹扫腔中提供所述设定温度范围的气体，所述设定温度范围的气体通过所述第三出风口到达所述光学组件的表面后，通过所述第四出风口进入所述抽排腔内，并从所述抽排腔内抽出。
7.如权利要求6所述的温控装置，其特征在于，所述吹扫腔的内壁上设置有多个沿横向平行设置的导向板，以使所述设定温度范围的气体通过所述第三出风口后平行流出。
8.如权利要求6所述的温控装置，其特征在于，所述环状气浴室呈圆环形，所述吹扫腔与所述抽排腔均呈半圆环形。
9.如权利要求6所述的温控装置，其特征在于，所述环状气浴室的内壁上设置有滤布及覆盖所述滤布的网孔板，所述网孔板上设置有多个网孔。
10.如权利要求6所述的温控装置，所述温控装置还包括抽气组件，所述抽气组件连接所述抽排腔，以将所述抽排腔内的气体抽出。
11.如权利要求2-6中任一项所述的温控装置，其特征在于，所述供气组件包括温控器、过滤器及流量调节器，所述温控器将气体调节至所述设定温度范围并传送至所述过滤器中，所述过滤器用于对所述设定温度范围的气体进行过滤并传送至所述环状气浴室中，所述流量调节器用于调节供应至所述环状气浴室中所述设定温度范围的气体的流量。
12.如权利要求11所述的温控装置，其特征在于，所述过滤器包括化学过滤器和/或粒子过滤器。
13.如权利要求1所述的温控装置，其特征在于，所述光学组件为投影物镜。
14.一种半导体设备，其特征在于，包括光学组件及如权利要求1-10中任一项所述的温控装置。
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