CN116841137A - 气浴装置、温控系统以及曝光设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气浴装置、温控系统以及曝光设备，其涉及光刻机技术领域。该气浴装置包括温控本体及匀流件；温控本体设有一次匀化流道及与一次匀化流道分别连通的进气口和出气口；匀流件设于一次匀化流道内，匀流件形成有温控区及与温控区连通的二次匀化流道，二次匀化流道与一次匀化流道连通；一次匀化流道用于使气体形成层流流场；二次匀化流道用于减小温控区中不同位置的流速差值，并使温控区内的流场以层流形式出现，从进气口流至出气口，减小气流扰动对成像质量的影响。本发明改进了气浴装置的结构，通过两级流速匀化、气流流场控制，实现了微环境高精度温度控制，温控温度波动小，局部温度更均匀，有效降低了温控区的流速差值和温差。

Description

气浴装置、温控系统以及曝光设备

技术领域

本发明涉及光刻机技术领域，尤其涉及一种气浴装置、温控系统以及曝光设备。

背景技术

随着社会的发展与进步，对于芯片的集成度要求越来越高，集成电路与半导体产业随之也迎来了技术更新的挑战。特别是在光刻机这类精密及超精密加工和测量领域，微环境的温度稳定性对于系统加工精度的影响十分重要，研究微环境高精度温度控制方法，研发相应的高效可靠恒温气浴装置，对于整个光刻系统的成像质量至关重要。

现有光刻曝光设备的温控装置主要包括环状气浴室及供气组件，环状气浴室套设于一光学组件外，供气组件通过环状气浴室向光学组件提供一设定温度范围的气体，以使光学组件表面的温度介于设定温度范围内。但是，这种传统的气浴温控方式，由于其结构的限制，其气体流场往往是不均匀的，局部温度不均匀，这会造成气浴场内部中心气流往边缘扩散的气体流动问题，影响气浴流场温度控制的稳定性和温度控制的极限能力。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种气浴装置，旨在提高温控区内气体温度的均匀性。

为实现上述目的，本发明提出一种气浴装置，包括温控本体和匀流件；

所述温控本体设有一次匀化流道及与所述一次匀化流道分别连通的进气口和出气口；

所述匀流件设于所述一次匀化流道内，所述匀流件形成有温控区及与所述温控区连通的二次匀化流道，所述二次匀化流道与所述一次匀化流道连通；

所述一次匀化流道用于对经所述进气口流入的气体进行第一次气体流场匀化处理，使气体形成层流流场并导流至所述匀流件；

所述二次匀化流道用于对流入的气体进行第二次气体流场匀化处理，以减小所述温控区中不同位置的流速差值，并使所述温控区内的流场以层流形式出现，从所述进气口流至所述出气口，减小气流扰动对成像质量的影响。

可选地，所述匀流件呈环状设置，以形成圆形的所述温控区；所述匀流件的周壁上开设有多个间隔设置且孔径不同的导流孔，以形成多个所述二次匀化流道。

可选地，以所述进气口与所述出气口的中心连线为轴线，多个所述导流孔均沿所述轴线的方向延伸设置，且多个所述导流孔的孔径沿垂直于所述轴线的方向自所述温控区的中心向两侧由小至大分布。

可选地，所述一次匀化流道为曲线形流道，所述一次匀化流道包括与所述进气口连通的进气段及与所述出气口连通的出气段，所述进气段与所述出气段呈对称设置，所述进气段的流道宽度自所述进气口向所述匀流件呈逐渐增大的趋势，所述出气段的流道宽度自所述匀流件向所述出气口呈逐渐减小的趋势。

可选地，所述进气口中安装有进气阀，所述出气口中安装有出气阀，所述出气阀的孔径大于所述进气阀的孔径的2.5倍以上；其中，所述出气阀内设有止回阀，以减小所述出气阀内的气体回流至所述温控区，防止紊流现象对成像质量的不良影响。

可选地，所述温控本体的材质为聚四氟乙烯；和/或所述匀流件的材质为锡青铜。

为实现上述目的，本发明还提出一种温控系统，包括进气管路、进液管路、气液热交换器、微环境温控单元以及出气管路；

所述进气管路适于通入气体；

所述进液管路适于通入液体；

所述气液热交换器的进气端与所述进气管路连通，所述气液热交换器的进液端与所述进液管路连通；所述气液热交换器用于使气体与液体进行热交换，以控制气体的温度；

所述微环境温控单元为如上所述的气浴装置，所述气浴装置的进气口与所述气液热交换器的出气端连通；

所述出气管路与所述气浴装置的出气口连通；

所述气浴装置包括温控本体和匀流件；

所述温控本体设有一次匀化流道及与所述一次匀化流道分别连通的进气口和出气口；

所述匀流件设于所述一次匀化流道内，所述匀流件形成有温控区及与所述温控区连通的二次匀化流道，所述二次匀化流道与所述一次匀化流道连通；

所述一次匀化流道用于对经所述进气口流入的气体进行第一次气体流场匀化处理，使气体形成层流流场并导流至所述匀流件；

所述二次匀化流道用于对流入的气体进行第二次气体流场匀化处理，以减小所述温控区中不同位置的流速差值，并使所述温控区内的流场以层流形式出现，从所述进气口流至所述出气口，减小气流扰动对成像质量的影响。

可选地，所述进液管路上设有液体温控器，所述液体温控器与所述气液热交换器循环连通，所述液体温控器的出液端与所述气液热交换器的进液端之间的管路上设有液体流量控制器及第一温度传感器，所述液体流量控制器用于控制液体流量，所述第一温度传感器用于检测液体的温度。

可选地，所述气浴装置的进气口与所述气液热交换器的出气端之间的管路上设有用于检测流向所述气浴装置的气体温度的第二温度传感器，所述气浴装置上设有用于检测所述气浴装置内的气体温度的第三温度传感器及用于检测所述气浴装置内的气体压力的压力传感器，所述出气管路上设有单向阀。

为实现上述目的，本发明还提出一种曝光设备，应用于芯片制备工艺，包括如上所述的温控系统，所述温控系统包括微环境温控单元、进气管路、进液管路、气液热交换器以及出气管路；

所述进气管路适于通入气体；

所述进液管路适于通入液体；

所述气液热交换器的进气端与所述进气管路连通，所述气液热交换器的进液端与所述进液管路连通；所述气液热交换器用于使气体与液体进行热交换，以控制气体的温度；

所述微环境温控单元为如上所述的气浴装置，所述气浴装置的进气口与所述气液热交换器的出气端连通；

所述出气管路与所述气浴装置的出气口连通。

在本发明的技术方案中，该气浴装置包括温控本体及匀流件；温控本体设有一次匀化流道及与一次匀化流道分别连通的进气口和出气口；匀流件设于一次匀化流道内，匀流件形成有温控区及与温控区连通的二次匀化流道，二次匀化流道与一次匀化流道连通；一次匀化流道用于使气体形成层流流场；二次匀化流道用于减小温控区中不同位置的流速差值，并使温控区内的流场以层流形式出现，从进气口流至出气口，减小气流扰动对成像质量的影响。可以理解，本发明通过将通入的气体先后经一次匀化和二次匀化处理，其中一次匀化使气体形成了层流流场，进入到匀流件，再二次匀化使气体流量更稳定，减小了温控区不同位置的流速差值，并使温控区内的流场以层流形式出现，有效提高了温控区内气体温度的均匀性，显著避免了曝光设备中气浴场内部中心气流往边缘扩散的气体流动问题，从而极大地提升了气浴流场温度控制的稳定性和温度控制的极限能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明气浴装置一实施例的结构示意图；

图2为本发明气浴装置一实施例的主视图；

图3为图2中A-A处的剖面图；

图4为本发明气浴装置一实施例中匀流件的结构示意图；

图5为本发明气浴装置一实施例中匀流件的主视图；

图6为图5中B-B处的剖面图；

图7为本发明温控系统一实施例的系统结构框图。

附图标号说明：

10、温控本体；20、匀流件；10a、一次匀化流道；10b、进气口；10c、出气口；20a、温控区；20b、二次匀化流道；20b1、导流孔；AB、轴线；10a1、进气段；10a2、出气段；30、进气阀；40、出气阀；100、微环境温控单元；200、进气管路；300、进液管路；400、气液热交换器；500、出气管路；310、液体温控器；320、液体流量控制器；330、第一温度传感器；210、第二温度传感器；220、气体流量控制器；230、流量计；110、第三温度传感器；120、压力传感器；510、单向阀。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义为，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案，或B方案，或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种气浴装置，可适用于精密及超精密加工和测量等领域，尤其是光刻曝光设备，此处不限。

参照图1至图3，在本发明一实施例中，该气浴装置包括温控本体10及匀流件20；温控本体10设有一次匀化流道10a及与一次匀化流道10a分别连通的进气口10b和出气口10c；匀流件20设于一次匀化流道10a内，匀流件20形成有温控区20a及与温控区20a连通的二次匀化流道20b，二次匀化流道20b与一次匀化流道10a连通；一次匀化流道10a用于使气体形成层流流场；二次匀化流道20b用于减小温控区20a中不同位置的流速差值，并使温控区20a内的流场以层流形式出现，从进气口10b流至出气口10c，减小气流扰动对成像质量的影响。

根据功能需求和性能需求，需要对微环境进行温度控制，气浴装置需要与外界进行隔热和隔气处理。本实施例中，温控本体10可呈中空的圆柱状等，其材质可优选为聚四氟乙烯，聚四氟乙烯的换热效率远低于金属材质的换热效率，能够起到对微环境温控系统整体保温效果，进一步降低环境温度变化对系统内部微环境温控区20a的影响。匀流件20可呈圆环状或中空的椭圆柱状等，其内部可形成圆形的温控区20a。匀流件20的材质可优选为锡青铜，锡青铜的换热效率高，可以进一步降低二次匀化流道20b进入到温控区20a的温度差。

可以理解，本发明通过将通入的气体先后经一次匀化和二次匀化处理，其中一次匀化使气体形成了层流流场，进入到匀流件20，再二次匀化使气体流量更稳定，减小了温控区20a不同位置的流速差值，并使温控区20a内的流场以层流形式出现，有效提高了温控区20a内气体温度的均匀性，显著避免了曝光设备中气浴场内部中心气流往边缘扩散的气体流动问题，从而极大地提升了气浴流场温度控制的稳定性和温度控制的极限能力。

为进一步地减少温控区20a流速差值和温差差值，以提升温度控制效果，参照图1至图6，在一实施例中，匀流件20的周壁上开设有多个间隔设置且孔径不同的导流孔20b1，以形成多个二次匀化流道20b。

本发明通过两级流速匀化、气流流场控制，实现了温控区20a的气体流速差值小，温差小的目的。其中，温控区20a的不同位置的温差小，匀流件20不同位置气孔大小不同控制了流速大小，流场以层流形式由进气口10b流至出气口10c，防止了紊流现象对成像质量的不良影响。该气浴装置的结构简单紧凑、温控精度高、稳定性好，具有极高的科研或商业应用价值。

更进一步地，主要参照图3，以进气口10b与出气口10c的中心连线为轴线AB，多个导流孔20b1均沿轴线AB的方向延伸设置，且多个导流孔20b1的孔径沿垂直于轴线AB的方向自温控区20a的中心向两侧由小至大间隔均匀分布。

具体而言，如图6所示，匀流件20内部分布孔径大小不同的导流孔20b1，每个导流孔20b1内部设计有导流整形流道，各导流孔20b1的具体孔径大小和数量可设置为：直径2mm，数量2个；直径2.5mm，数量16个；直径3mm，数量32个；直径4mm，数量40个；各导流孔20b1之间的距离为4mm×4mm（水平方向和高度方向）。

一方面，匀流件20的作用在于，使从温控本体10的气流通过孔径不同的导流孔20b1进入到温控区20a内，进一步减小温控区20a不同位置的流速差值；另一方面，通过导流孔20b1的整型流道不同的流道曲线，使温控区20a内的流场以层流形式出现，从进气口10b一端流至出气口10c一端，减小气流扰动对成像质量的影响。

本发明通过温控本体10的流道和匀流件20不同孔径大小的导流孔20b1，实现了气浴流体的两级流场匀化，从而降低了温控区20a气体流速差值和温差。

匀流件20的径向均匀分布有大小不同的导流孔20b1，由中心向外侧其孔径越来越大，并且导流孔20b1内部通过曲线整型流道对气流进行流场曲线控制和流速大小控制。

主要参照图3，在一实施例中，一次匀化流道10a可为曲线形流道，一次匀化流道10a可包括与进气口10b连通的进气段10a1及与出气口10c连通的出气段10a2，进气段10a1与出气段10a2呈对称设置，进气段10a1的流道宽度自进气口10b向匀流件20呈逐渐增大的趋势，出气段10a2的流道宽度自匀流件20向出气口10c呈逐渐减小的趋势。

本实施例中，气体经过温控本体10的曲线形流道进行第一次气体流场匀化，使气体形成层流流场，进入到匀流件20。温控本体10的曲线形流道的作用是使进气口10b进入的积聚的高流速气体扩散到匀流件20的表面，形成流速差值小的均匀气流。

为方便通入气体及排出气体，参照图1及图3，在一实施例中，进气口10b处可安装有进气阀30，出气口10c处可安装有出气阀40，出气阀40的孔径大于进气阀30的孔径。如此，可以防止气体回流，避免回流气体对匀流件20内部的温控区20a的流场造成不稳定的影响。

本实施例中，出气阀40的孔径可大于进气阀30的孔径的2.5倍以上，以达到较好的防止气体回流的效果。此处，不限定进气阀30和出气阀40具体的孔径值。

此外，出气阀40内还可配置有止回阀，以进一步减小出气阀40内的气体回流至温控区20a，有效防止紊流现象对成像质量的不良影响。

本发明还提出一种温控系统，可应用于曝光设备等，此处不限。

结合图1、图3及图7，在本发明一实施例中，该温控系统包括微环境温控单元100、进气管路200、进液管路300、气液热交换器400以及出气管路500；进气管路200适于通入气体；进液管路300适于通入液体；气液热交换器400的进气端与进气管路200连通，气液热交换器400的进液端与进液管路300连通；气液热交换器400用于使气体与液体进行热交换，以控制气体的温度；其中，微环境温控单元100为上述的气浴装置，气浴装置的进气口10b与气液热交换器400的出气端连通；出气管路500与气浴装置的出气口10c连通。

本实施例中，液体为冷却液，可优选水，此处不限。

需要说明，微环境温控单元100需要保证温控单元周围环境温度精确稳定，因而需要整体系统密闭，高精度稳定的气体通过进气阀30进入该密闭空间，实现了微环境的恒温控制，但整个温控系统有注气、气体回收的过程，因此需要考虑注入的气体量与温控装置回收的气体流量之间的静差值，使通过该密闭空间的温控气体的流量微大于这个静差值。

本发明通过采用上述方案对进入气浴装置的进气阀30的空气进行温度和流量控制，气体通过气液热交换器400进行气体温度的精确控制。值得一提的是，热交换器是对流传热和热传导的一种工业应用，是一种可以将热量从热流体传递到冷流体用以满足规定工艺要求的装置。根据工况、介质、温度以及压力的不同，热交换器的结构和类型也不同。按照操作过程可以分为间壁式、直接接触式和蓄热式三大类。本实施例中，气液热交换器400控制被控气体的出口温度是通过控制换热量来实现的。

由于本发明提出的温控系统包括上述气浴装置的所有实施例的所有方案，因此，至少具有与上述气浴装置相同的技术效果，此处不一一阐述。

为进一步地提升温度控制的精确性及稳定性，参照图7，在一实施例中，进液管路300上可设置用于控制液体温度的液体温控器310，液体温控器310与气液热交换器400循环连通，液体温控器310的出液端与气液热交换器400的进液端之间的管路上可设置液体流量控制器320及第一温度传感器330，液体流量控制器320用于控制液体流量，第一温度传感器330用于检测液体的温度。进气管路200上可设置气体流量控制器220，以用于控制气体流量。

本实施例中，液体温控器310可采用恒温循环水机，此处不做限定。

在实际应用过程中，在恒温循环水机设定了中间介质水的温度后，被控气体的温度调节只能通过调节热交换的气体流量和中间介质的流量来实现。由于中间介质水的比热容大，所以调节液体流量的液体流量控制器320对温度产生较大的波动，因此对温度小范围的调节，应该由气体流量控制器220来实现。

本发明通过间接的控制方式对气流温度进行控制，考虑到水的比热容较大，抗热干扰能力强，容易控制其温度，通过控制恒温循环水机的循环水温，从而间接控制气体温度。液体通过控制恒温循环水机后温度达到稳定，而气体通过气液热交换器400与温度稳定的液体进行热交换，从而间接地达到目标温度。

基于上述实施例，进一步地，结合图1、图3及图7，气浴装置的进气口10b与气液热交换器400的出气端之间的管路上可设置用于检测流向气浴装置的气体温度的第二温度传感器210，气浴装置上可设置用于检测气浴装置内的气体温度的第三温度传感器110及用于检测气浴装置内的气体压力的压力传感器120，出气管路500上可设置单向阀510。

本实施例中，进入进气阀30的气体通过第二温度传感器210进行检测，并通过流量计230进行气体流量控制，以保证进气阀30的进气温度和流量的稳定。其中，微环境温控单元100通过第三温度传感器110和压力传感器120进行测量和标定，保证微环境温控单元100的整体温度和气流恒定。单向阀510保证整体气流的单向性，有效防止气体回流，从而防止回流的气体对温控区20a产生紊流影响。

本发明还提出一种曝光设备，应用于芯片制备工艺，该曝光设备包括温控系统，该温控系统的具体结构参照上述实施例，由于本发明提出的曝光设备包括上述温控系统的所有实施例的所有方案，因此，至少具有与上述温控系统相同的技术效果，此处不一一阐述。

以上所述仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1. 一种气浴装置，其特征在于，包括：

温控本体，设有一次匀化流道及与所述一次匀化流道分别连通的进气口和出气口；以及

匀流件，设于所述一次匀化流道内，所述匀流件形成有温控区及与所述温控区连通的二次匀化流道，所述二次匀化流道与所述一次匀化流道连通；

所述一次匀化流道用于对经所述进气口流入的气体进行第一次气体流场匀化处理，使气体形成层流流场并导流至所述匀流件；

所述二次匀化流道用于对气体进行第二次气体流场匀化处理，以减小所述温控区中不同位置的流速差值，并使所述温控区内的流场以层流形式出现，从所述进气口流至所述出气口，减小气流扰动对成像质量的影响。

2.如权利要求1所述的气浴装置，其特征在于，所述匀流件呈环状设置，以形成圆形的所述温控区；所述匀流件的周壁上开设有多个间隔设置且孔径不同的导流孔，以形成多个所述二次匀化流道。

3.如权利要求2所述的气浴装置，其特征在于，以所述进气口与所述出气口的中心连线为轴线，多个所述导流孔均沿所述轴线的方向延伸设置，且多个所述导流孔的孔径沿垂直于所述轴线的方向自所述温控区的中心向两侧由小至大分布。

4.如权利要求1所述的气浴装置，其特征在于，所述一次匀化流道为曲线形流道，所述一次匀化流道包括与所述进气口连通的进气段及与所述出气口连通的出气段，所述进气段与所述出气段呈对称设置，所述进气段的流道宽度自所述进气口向所述匀流件呈逐渐增大的趋势，所述出气段的流道宽度自所述匀流件向所述出气口呈逐渐减小的趋势。

5.如权利要求1~4任一项所述的气浴装置，其特征在于，所述进气口中安装有进气阀，所述出气口中安装有出气阀，所述出气阀的孔径大于所述进气阀的孔径的2.5倍以上；其中，所述出气阀内设有止回阀，以减小所述出气阀内的气体回流至所述温控区，防止紊流现象对成像质量的不良影响。

6.如权利要求1所述的气浴装置，其特征在于，所述温控本体的材质为聚四氟乙烯；和/或所述匀流件的材质为锡青铜。

7.一种温控系统，其特征在于，包括：

进气管路，适于通入气体；

进液管路，适于通入液体；

气液热交换器，所述气液热交换器的进气端与所述进气管路连通，所述气液热交换器的进液端与所述进液管路连通；所述气液热交换器用于使气体与液体进行热交换，以控制气体的温度；

微环境温控单元，所述微环境温控单元为如权利要求1~6任意一项所述的气浴装置，所述气浴装置的进气口与所述气液热交换器的出气端连通；以及

出气管路，与所述气浴装置的出气口连通。

8.如权利要求7所述的温控系统，其特征在于，所述进液管路上设有液体温控器，所述液体温控器与所述气液热交换器循环连通，所述液体温控器的出液端与所述气液热交换器的进液端之间的管路上设有液体流量控制器及第一温度传感器，所述液体流量控制器用于控制液体流量，所述第一温度传感器用于检测液体的温度。

9.如权利要求7所述的温控系统，其特征在于，所述气浴装置的进气口与所述气液热交换器的出气端之间的管路上设有用于检测流向所述气浴装置的气体温度的第二温度传感器，所述气浴装置上设有用于检测所述气浴装置内的气体温度的第三温度传感器及用于检测所述气浴装置内的气体压力的压力传感器，所述出气管路上设有单向阀。

10.一种曝光设备，应用于芯片制备工艺，其特征在于，包括如权利要求7~9任一项所述的温控系统。