冷却装置及应用该冷却装置的光刻机

摘要

本发明公开了一种冷却装置及应用该冷却装置的光刻机，该冷却装置包括：至少一水套，冷却对象设置于该水套内，所述水套包括水套体和水管，所述水管包括内管和外管，所述水管的一端设置有第一接头，用于实现水流的回转；设置于冷却对象附近的至少一温度传感器，用于监测所述冷却对象的温度；通过分流急流管与水管连通的分流急流板，该分流急流管上设置有调节阀；通过传输管与该分流急流板连通的循环水控制单元以及用于接收所述温度传感器感测值的温度控制单元。本发明利用内管和外管设置，使流体动力产生的扰动力在管内相互平衡和抑制，以此减少冷却水管对冷却对象，将原来分别作用于冷却对象的力，改为相互作用在内部的力。

权利要求

1.一种冷却装置，包括：

至少一水套，冷却对象设置于该水套内，所述水套包括水套体和缠绕在所述水套体外壁的水管，所述水管包括内管和套设在所述内管上的外管，所述内管上设置有3～4个翅片，所述翅片与水管的轴线平行或以螺旋形布置，所述内管和所述翅片采用柔性材料制作，所述外管为金属管，所述水管的一端设置有第一接头，用于实现水流的回转；

至少一设置于所述冷却对象附近的温度传感器，所述温度传感器用于监测所述冷却对象的温度；

通过分流急流管与所述水管连通的分流急流板，该分流急流板通过该分流急流管向所述水管提供循环水并接收该水管内的回流水，该分流急流管上设置有调节阀；

通过传输管与该分流急流板连通的循环水控制单元，用于控制循环水的温度，并通过该传输管向该分流急流板提供循环水；

用于接收所述温度传感器感测值的温度控制单元，所述温度控制单元根据冷却对象的温度值调整该循环水控制单元提供的循环水的温度和调节阀的打开程度。

2.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述冷却装置包括两个水套，分别为第一水套和第二水套，所述第一、第二水套均包括一水套体和缠绕在所述水套体外壁的一水管，所述分流急流板分别向所述第一、第二水套的水管提供循环水。

3.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述水管的截面为圆形或椭圆形。

4.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述翅片的外径小于所述外管的内径。

5.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述内管和外管中的水流流通面积相等。

6.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述第一接头采用顶部被削去的克莱因瓶接头，其包括：第一内管和第一外管，所述第一内管与内管连通，所述第一外管与外管连通。

7.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述水管通过第二接头分别与进水管和回水管连接。

8.如权利要求7所述的冷却装置，其特征在于，所述第二接头为顶部和底部均被削去的克莱因瓶接头，其包括第二内管和第二外管，所述第二内管的一端与水管的内管连接，另一端与回水管连接；所述第二外管的一端与水管的外管连接，另一端与进水管连接。

9.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述水管通过一连接弹簧焊接在所述冷却对象上。

10.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述冷却对象为物镜，该物镜包括多个镜片，所述水管在所述水套体上不均匀分布，所述水管依据所述多个镜片的散热功率而疏密分布。

11.一种光刻机，其特征在于，所述光刻机的投影物镜上设有权利要求1～10中任一项所述的冷却装置。

12.如权利要求11所述的光刻机，其特征在于，所述光刻机的掩模运动台和硅片运动台的微动台上均设置有所述冷却装置。

说明书

冷却装置及应用该冷却装置的光刻机

技术领域

[0001] 本发明涉及集成电路制造领域，特别涉及一种冷却装置及应用该冷却装置的光刻机。

背景技术

[0002] 光刻设备是一种将所需图案应用到衬底上，通常是衬底的目标部分上的机器。例如，可以将光刻设备用在集成电路（IC）的制造过程中。在这种情况下，可以将掩模或掩模版的图案形成装置用于生成所述IC的单层的电路图案。图案成像是通过把图案成像到提供到衬底上的辐射敏感材料层（抗蚀剂）上进行的。通常，单独的衬底将包含被连续曝光的相邻目标部分的网络。常规的光刻设备包括：步进机，在所述步进机中，通过将全部图案依次曝光到所述目标部分上来辐射每一个目标部分；以及扫描机：在所述扫描机中，通过辐射束沿给定方向（“扫描”方向）扫描所述图案、同时沿与该方向平行或反向平行的方向扫描所述衬底来辐射每一个目标部分。当然，也可以通过将图案压印到衬底的方式从图案形成装置将图案形成到衬底上。而高精度和高分辨率作为光刻技术当前瞄准的目标，需要光刻设备的各部件之间相互精确定位，例如保持图案形成装置（例如掩模）的掩模版台、投影系统和保持衬底的衬底台。除了掩模版台和衬底台的定位外，投影系统也面临这种需要。在当前设备中的投影系统包括承载结构，例如透镜座架（透射光的情形）或反射镜框架（反射光的情形），和包括多个光学元件，例如透镜元件、反射镜等。

[0003] 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。透镜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象散，严重降低曝光线条的质量。

[0004] 目前，存在一种光刻机投影物镜的温控装置，该装置将进水管和出水管分别焊接在物镜镜筒外壁上，然后通入冷却水在物镜曝光时进行冷却和温控。其受力的机械模型如图1所示，进水管和出水管分别通过一种高刚度的连接弹簧2焊接与冷却对象1相连接，当通入冷却水之后，外部冷却水压力和流量的波动产生流体的扰动力F，通过进水管和出水管分别作用在冷却对象1上。尽管进水管和出水管相互临近布置和安置，但实质上，无相互抵消和抑制扰动力的效果和功能。又由于现有技术中物镜、硅片（置于工件台微动台上）和掩模（置于掩模台微动台上）是影响光刻分辨率和套刻的三大分系统，都是置于光刻机的内部世界，采用上述方法进行冷却，扰动直接冲击光刻机内部世界，在高频（200Hz以上的频率范围中）引起对物镜、工件台微动台和掩模台微动台的振动扰动较大，影响光刻机的光刻效果。

发明内容

[0005] 本发明提供一种冷却装置及应用该冷却装置的光刻机，以解决现有技术中光刻机投影物镜的温控装置对光刻机系统内部扰动较大的问题。

[0006] 为解决上述技术问题，本发明提供一种冷却装置，包括：

[0007] 至少一水套，冷却对象设置于该水套内，所述水套包括水套体和缠绕在所述水套体外壁的水管，所述水管包括内管和套设在所述内管上的外管，所述水管的一端设置有第一接头，用于实现水流的回转；

[0008] 至少一设置于冷却对象附近的温度传感器，所述温度传感器用于监测所述冷却对象的温度；

[0009] 通过分流急流管与水管连通的分流急流板，该分流急流板通过该分流急流管向水管提供循环水并接收该水管内的回流水，该分流急流管上设置有调节阀；

[0010] 通过传输管与该分流急流板连通的循环水控制单元，用于控制循环水的温度，并通过该传输管向该分流急流板提供循环水；

[0011] 用于接收所述温度传感器感测值的温度控制单元，所述温度控制单元根据冷却对象的温度值调整该循环水控制单元提供的循环水的温度和调节阀的打开程度。

[0012] 作为优选，在所述的冷却装置中，所述冷却装置包括两个水套，分别为第一水套和第二水套，所述第一、第二水套均包括一水套体和缠绕在所述水套体外壁的一水管，所述分流急流板分别向第一、第二水套的水管提供循环水。

[0013] 作为优选，在所述的冷却装置中，所述水管的截面为圆形或椭圆形。

[0014] 作为优选，在所述的冷却装置中，所述水管的内管为柔性软管，外管为金属管。

[0015] 作为优选，在所述的冷却装置中，所述内管上设置有3～4个翅片，所述翅片与水管的轴线平行或以螺旋形布置。

[0016] 作为优选，在所述的冷却装置中，所述翅片的外径小于所述外管的内径。

[0017] 作为优选，在所述的冷却装置中，所述内管和外管中的水流流通面积相等。

[0018] 作为优选，在所述的冷却装置中，所述第一接头采用顶部被削去的克莱因瓶接头，其包括：第一内管和第一外管，所述第一内管与内管连通，所述第一外管与外管连通。

[0019] 作为优选，在所述的冷却装置中，所述水管通过第二接头分别与进水管和回水管连接。

[0020] 作为优选，在所述的冷却装置中，所述第二接头为顶部和底部均被削去的克莱因瓶接头，其包括第二内管和第二外管，所述第二内管的一端与水管的内管连接，另一端与回水管连接；所述第二外管的一端与水管的外管连接，另一端与进水管连接。

[0021] 作为优选，在所述的冷却装置中，所述水管通过一连接弹簧焊接在所述冷却对象上。

[0022] 作为优选，在所述的冷却装置中，所述冷却对象为物镜，该物镜包括多个镜片，所述水管在所述水套体上不均匀分布，所述水管依据所述多个镜片的散热功率而疏密分布。

[0023] 本发明还提供一种光刻机，所述光刻机的投影物镜上设有所述的冷却装置。

[0024] 作为优选，在所述的光刻机中，所述光刻机的掩模运动台和硅片运动台的微动台上均设置有所述冷却装置。

[0025] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明将冷却用的水管分为内外两层，外管作为进水管，内管作为回水管，利用内管和外管流量、压力基本相等的性质，将流体动力产生的扰动力在管内相互平衡和抑制，以此减少冷却水管对冷却对象，将原来分别作用于冷却对象的力，改为相互作用在内部的力。

附图说明

[0026] 图1为现有技术中冷却装置机械模型示意图；

[0027] 图2为本发明一具体实施方式中光刻机的结构示意图；

[0028] 图3为本发明一具体实施方式中冷却装置的结构示意图；

[0029] 图4为本发明一具体实施方式中冷却装置的机械模型示意图；

[0030] 图5为本发明一具体实施方式中冷却装置应用于物镜时的结构示意图；

[0031] 图6a～6d为本发明一具体实施方式中冷却装置中水管的截面示意图；

[0032] 图7～9分别为本发明一具体实施方式中冷却装置中水管的结构示意图。

[0033] 图1中：1-冷却对象、2-连接弹簧。

[0034] 图2～9中：10-照射系统、20-投影系统、30-掩模运动台、40-硅片运动台、50-对准装置、60-冷却装置、70-连接弹簧。

[0035] 100-冷却对象、110-第一镜片、120-第二镜片、150-第三镜片；

[0036] 200-水套、210-第一水套、220-第二水套、230-水管、231-内管、232-外管、233-翅片、240-第一接头；

[0037] 300-温度传感器、400-分流急流管、410-调节阀、420-第二接头、500-分流急流板、600-循环水控制单元、700-温度控制单元。

具体实施方式

[0038] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用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。

[0039] 本发明的光刻机如图2所示，其主要包括：

[0040] 照射系统10，用于发射和调节辐射束；其采用电磁辐射作为辐射源，辐射方式包括紫外辐射、远紫外辐射和粒子束辐射。其中，紫外辐射可以采用波长为365nm、248nm、193nm、157nm或者126nm的紫外光作为光源，也可以采用波长为5-20nm的远紫外光作为光源，当然也可以采用离子束或者电子束。

[0041] 投影系统20，为折射型光学系统、反射型光学系统、反射折射型光学系统、磁性型光学系统、电磁型光学系统和静电型光学系统中的一种或多种。

[0042] 掩模，即图案形成装置，能够将图案在辐射束的横截面上赋予辐射束、以便在衬底的目标部分上形成图案的任何装置。通常，图案包含相移特征或辅助特征。也就是说，被赋予辐射束的图案将与在目标部分上形成的器件中的特定的功能层相对应。

[0043] 进一步的，所述图案形成装置可以是透射式或反射式。图案形成装置包括掩模、可编程反射镜阵列以及可编程液晶显示(LCD)面板。所述掩模采用二元掩模类型、交替型相移掩模类型、衰减型相移掩模类型中的一种或多种。其中，所述可编程反射镜阵列的工作原理为：采用小反射镜的矩阵布置，可以独立地倾斜每一个小反射镜，以便沿不同方向反射入射的辐射束。所述倾斜的反射镜把图案赋予到被反射镜阵列反射的辐射束。

[0044] 掩模运动台30，包括支撑结构，该支撑结构以依赖于图案形成装置的取向、光刻设备的设计以及图案形成装置是否保持在真空环境中等其他条件的方式保持图案形成装置。所述支撑结构可以采用机械、真空或其他夹持技术来保持图案形成装置。当然，支撑结构可以是框架或台，例如，所述支撑装置可以根据需要成为固定的或可移动的。支撑结构可以确保图案形成装置位于所需的位置上。

[0045] 硅片运动台40（或称工件台），硅片运动台40的功能是携带硅片并运动到指定的位置（工位处）进行相应工序的操作。所述光刻机可以是具有两个（双台)或更多硅片运动台40，并行地使用附加的硅片运动台40和/或支撑结构。

[0046] 对准装置50，其功能是完成对硅片和掩模的水平位置对准。辐射束入射到掩模并被图案化。穿过掩模后，辐射束通过投影系统20，所述投影系统20将辐射束聚焦到衬底的目标部分上。通过定位装置和位置传感器例如干涉仪器件、线性编码器或电容传感器的帮助，精确地移动工件台，以便将不同的目标部分定位于所述辐射束的路径中。

[0047] 进一步的，光刻机还包括一微环境控制系统，用于控制投影曝光区域的环境压力（真空度）、温度和污染物。其主要包括冷却装置60，该冷却装置60不仅仅可以用于投影系统中的物镜，而且可以用于主基板以及掩模运动台30和硅片运动台40的微动台中。

[0048] 请参照图3，并结合图4～9，本实施例中的冷却装置60包括：

[0049] 至少一水套200，冷却对象100设置于该水套200内，所述水套200包括水套体和缠绕在所述水套体外壁的水管230，所述水管230包括内管231和套设在所述内管231上的外管232，所述水管230的一端设置有第一接头240，用于实现水流的回转；

[0050] 设置于冷却对象100附近的至少一温度传感器300，所述温度传感器300用于监测所述冷却对象100的温度；

[0051] 通过分流急流管400与水管230连通的分流急流板500，该分流急流板500通过该分流急流管400向水管230提供循环水并接收该水管230内的回流水，该分流急流管400上设置有调节阀410；

[0052] 通过传输管与该分流急流板500连通的循环水控制单元600，用于控制循环水的温度，并通过该传输管向该分流急流板500提供循环水；

[0053] 用于接收所述温度传感器300感测值的温度控制单元700，所述温度控制单元700根据冷却对象100的温度值调整该循环水控制单元600提供的循环水的温度和调节阀410的打开程度。

[0054] 本实施例中，以投影系统20中的投影物镜作为冷却对象100，请继续参照图3，进一步的，所述冷却装置60包括第一水套210和第二水套220，所述第一、第二水套210、220均包括一水套体和缠绕在所述水套体外壁的水管230，所述分流急流板500分别向第一、第二水套210、220的水管230提供循环水。

[0055] 具体地，水管230的外管232为一种金属刚性水管，其内管231为一种柔性水管。所述第一接头240采用顶部被削去的克莱因瓶接头，其包括：第一内管和第一外管，所述第一内管与内管231连通，所述第一外管与外管232连通。当水管230中的水流到冷却对象100末端时，外管232中的水进入到第一接头240中，依次通过第一外管和第一内管后，回流到内管231中。

[0056] 所述水管230通过第二接头420分别与进水管和回水管连接，且水管230与分流急流管400之间也通过第二接头420连接。具体地，所述第二接头420为顶部和底部均被削去的克莱因瓶接头，为Y型接头，其包括第二内管和第二外管，所述第二内管的一端与水管230的内管231连接，另一端与回水管连接；所述第二外管的一端与水管230的外管232连接，另一端与进水管连接。

[0057] 第一水套210和第二水套220中，水管230的入口与出口分布在其各自水套体邻近投影物镜的法兰盘的一侧。以第一水套210为例，分流急流板500通过分流急流管400向该第一水套210的水管230提供循环水，从而冷却该第一水套210内部的投影物镜。同时接收该水管230的回流水管的回流水。该分流急流管400上设置有调节阀410，用于调节该水管230的出流水管中的循环水的流量，从而调节该第一水套210与该投影物镜的热交换值，进而调节对该投影物镜的冷却效果。

[0058] 如图5所示，为投影物镜上的冷却装置60的水管230在水套体上的分布示意图。由于该第一水套210和第二水套220上水管230的排列方式相似，以水管230在第一水套210上的分布方式为例，说明水管230的分布方式。由于通常投影物镜包括多个镜片，如图5所示的第一镜片110、第二镜片120、第三镜片150。

[0059] 在曝光过程中，镜片会吸收激光的热量而发热，但激光透过空气时散热量非常小，所以该投影物镜内部的热源主要来自镜片。为了调整该投影物镜的光学参数，镜片在该投影物镜内的位置分布不均匀，且由于镜片的聚焦能力不同使得不同镜片的吸热能力不同，因此，该投影物镜内部的镜片发热是不均匀的。图5中，该第一镜片110的散热功率最大，该第二镜片120的散热功率次之，

[0060] 该第三镜片150的散热功率最小，该水管230依据该第一、第二、第三镜片110、120、150的散热功率而疏密分布。具体的，与该第一镜片110相对的水管230的分布密度最大，这部分水管230之间的间隙为l1；与该第二镜片120相对的水管230的分布密度次之，这部分水管230之间的间隙为l2；与该第三镜片150相对的水管230的分布密度最小，这部分水管230之间的间隙为l3。该水管230之间的间隙l1、l2、l3值依次增大。本发明的投影物镜的冷却装置60按照镜片的散热量的不同对水管230进行疏密布局，在该投影物镜散热量较大的区域，水管缠绕较密集，而在该投影物镜散热量较小的区域，水管230缠绕较稀疏，这样可以使水套200在该投影物镜散热大的区域带走更多的热量，而在该投影物镜散热小的区域带走较少的热量，更易于保证该投影物镜内部温度的整体均匀性。

[0061] 如图6a～6d所示，所述水管230有两层结构，外部为一种金属刚性水管，内部为一种柔性水管，水管230截面形状可以为圆型或椭圆形，或者其它适合流体冷却的形状。以圆形为例，如图6a所示，外管232流道截面呈一圆环形，内管流道截面为一圆形，其两者内管231截面积A同外管232截面积B基本相等，以保证流体具有相同的流通路径和连续的流量贯穿。此外，如图6c和图6d所示，在内管231的外形还可以包含一种三点布置或四点布置，即，在内管231上设置翅片233，所述翅片233为内管231的一种径向柔性支撑。这种导流的翅片
233可以同轴线相平行的布置，也可以是螺旋形布置。进一步的，翅片233和内管231为同体柔性材料，且翅片233的外径小于外管232内径，并使两者之间有一定的间隙。

[0062] 请重点参照图4，进一步的，所述水管230通过一连接弹簧70固定在冷却对象100上。具体地，由于进水管即外管232内携有流体质量，可视为一个质量体，其底部通过焊接或装配同冷却对象100相连接。外管232内有一软管，软管具备一定的导热和传导的性质，软管内部通有回水，该回水具有一定质量。同时软管由于自身的柔性、并同外管有一定的连接（翅片233），其内外都有流体和压力，自身是较佳的弹簧和阻尼系统。当外管流体的压力和流量发生扰动时，内管的流体以相反的方向流过内管，其流体的压力和流量也在发生扰动，两者相互平衡、相互抑制，以此减少整体冷却装置对冷却对象的扰动力和振动值。

[0063] 如图7～9所示，本发明的内外双层冷却水管的布置和连接方式有多种。水管230呈直线状态、蛇形或者螺旋状态设置在冷却对象100上。具体地，其由上自下依次，可以此分为三端。顶部为第一接头240；中段为水管230，底部为第二接头420。当然，水管230的末端与第一接头240连接。所述第一接头240的第一内管与内管231连接，进一步的，第一内管与内管231之间可以采用快速接头或者具有可旋转功能的密封接头连接。同样地，第一接头240的第一外管与外管232之间采用快速接头或具螺旋形锥形密封接头连接。水管230的另一端与第二接头420连接，具体地，第二外管的一端与外管231连接，第二外管的另一端同进水管连接；第二内管的一端与内管231连接，另一端同出水管连接。其中，第二外管与外管232、第二内管与内管231之间的连接方式与第一外管与外管232以及第一内管与内管231之间的连接方式相同，此处不再赘述。

[0064] 需要说明的是，本发明中内、外管231、232作为水管230，采用第一接头240和第二接头420两种克莱因瓶接头进行水流控制，其组成的内外流场并不局限在直线、蛇形和螺旋形状态，其可以折弯和组合成各种状态和形状，包括S型、椭圆形、平面螺旋形或体育场跑道形中的一种或多种。

[0065] 综上，本发明的冷却装置60及应用该冷却装置60的光刻机，该冷却装置60包括：至少一水套200，冷却对象100设置于该水套200内，所述水套200包括水套体和缠绕在所述水套体外壁的水管230，所述水管230包括内管231和套设在所述内管231上的外管232，所述水管230的一端设置有第一接头240，用于实现水流的回转；设置于冷却对象100附近的至少一温度传感器300，所述温度传感器300用于监测所述冷却对象100的温度；通过分流急流管400与水管230连通的分流急流板500，该分流急流板500通过该分流急流管400向水管230提供循环水并接收该水管230内的回流水，该分流急流管400上设置有调节阀410；通过传输管与该分流急流板500连通的循环水控制单元600，用于控制循环水的温度，并通过该传输管向该分流急流板500提供循环水；用于接收所述温度传感器300感测值的温度控制单元700，所述温度控制单元700根据冷却对象100的温度值调整该循环水控制单元600提供的循环水的温度和调节阀410的打开程度。本发明将冷却用的水管230分为内外两层，外管232作为进水管，内管231作为回水管，利用内管231和外管232流量、压力基本相等的性质，[0066] 将流体动力产生的扰动力在管内相互平衡和抑制，以此减少冷却水管230对冷却对象100（如物镜、微动台的扰动），将原来分别作用于冷却对象100的力，改为相互作用在内部的力。

[0067] 显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。