一种气压控制装置.pdf

本发明涉及一种气体压力控制装置，它用于将输入的压缩气体调节并稳定在所需的压力和流量。它包括供气回路和排气回路，供气回路具有减压阀、毛细管和作为供气回路旁路的单向安全阀和精度控制阀，排气回路具有毛细管。藉由上述装置能够提供气压控制精度高、流量稳定的气流，对气压的调节作用依靠装置自身元件调节来实现，不需要外部的控制单元输出控制信号进行控制；系统结果简单，可靠性高，不需要外部动力就能运行，在光刻设备故障时，也能对气压腔体不间断的供气。

1、  一种气压控制装置，它包括供气回路和排气回路，其特征在于：供气回路具有减压阀(4)、毛细管(6)和作为供气回路旁路的单向安全阀(7)和精度控制阀(8)，排气回路具有毛细管(11)。

2、  根据权利要求1所述的气压控制装置，其特征在于：供气回路毛细管(6)和排气回路毛细管(10)具有不同的直径、长度。

3、  根据权利要求1或2所述的气压控制装置，其特征在于：所述精度控制阀(8)包括由阀盖(73)、阀体(74)、阀座(75)组成的精度控制阀外壳，进气口(70)，释放口(71)、(72)，由下阀座(711)、止回球(712)、过滤片(713)、挡圈(714)、定心套(715)、密封圈(716)组成的下部模块，以及由上阀座(721)、止回球(722)、过滤片(723)、挡圈(724)、定心套(725)、密封圈(726)组成的上部模块。

一种气压控制装置
技术领域
本发明涉及一种气体压力控制装置，它用于将输入的压缩气体调节并稳定在所需的压力和流量。它用在生产中，如在集成电路制造中对投影物镜内部气体压力和流量进行调节的装置。
背景技术
在超大规模集成电路光学光刻中，决定微细图形最细线宽的主要因素是光刻设备的光刻工作分辨力，而光刻分辨力主要由投影光刻物镜的分辨力决定。随着大规模集成电路器件集成度的提高，愈来愈要求高光刻工作分辨力，即要求光刻物镜的数值孔径NA愈来愈大(目前NA已达到0.6～0.7)，同时工作波长也愈来愈短(波长λ已短到248nm和193nm)。由于物镜数值孔径NA的增大和波长λ的缩短，使物镜变得十分复杂，对构成物镜的透镜光学材料、透镜加工精度，以及间隔精度要求大大提高，同时对环境温度、气压要求变得非常严格，环境条件变化对成像质量的影响已达到不能忽略的地步。
物镜内部稳定的气体压力对于光刻机的性能是很重要的。同时为了避免物镜被污染，可以采用对物镜提供一个稳定的气流，并使物镜内部气压与外部环境中的大气保持一定的过压，防止外部环境中的大气进入物镜内部，避免物镜被污染。在对光学系统(如物镜)供气过程中，温度和压力是非常重要的参数。为了保证光刻机光刻过程中的性能，必须保证物镜内部环境的温度、气压的稳定性及控制精度。在光刻机中，由一套气压控制系统来为物镜提供纯净的、压力调节过的气体。
图1是目前在工业生产中使用的气压控制系统结构图(参见中国专利ZL01132509.7)。所述的气压控制系统主要由以下部分构成：控制单元A、压力传感器B、气源系统C、气动机构D、气压腔体E和信号处理电路F。压力传感器B将气压腔体E内部的气体压力检测出来，将压力信号经过信号处理电路F的转换，送往控制单元A。控制单元A根据预先设定值与压力传感器B检测值比较，输出一个气压控制信号至气动机构D。气动机构D根据控制单元A输出的控制信号来控制最终输出气体的压力。本系统的控制精度主要取决于气动机构D对气压的调节精度和控制单元A的控制算法。一般的，气动机构D为一伺服、比例阀门。
在上述控制系统中，气压的调节是通过控制单元A根据采用的控制算法输出一个控制信号控制气动机构D来完成的。如果将上述设备用于对集成电路制造设备光刻机的物镜供气，上述的控制装置有如下的不足：
(1)由于气动机构D自身的控制精度的影响，其气压调节速度过快，不能平稳的调节气压和气流的变化，无法满足光刻过程中对气流高稳定性、低流量的要求。
(2)控制系统过于复杂，需要专用的控制器对压力传感器B的信号处理及输出控制信号，且控制系统需要外部动力来维持系统的运行。当系统的信号采集、信号处理、信号传输几个部分任何一处出现问题，系统不能正常运行，可靠性低。
发明内容
针对上述气压控制装置存在的不足，本发明提供一种新的低压高精度气压控制装置。
实现上述发明目的的解决方案是，本发明的气压控制装置在于具有两个独立的回路：供气回路，排气回路。其中，供气回路由减压阀、降压毛细管、安全阀及连接管路构成，排气回路由毛细管及连接管路构成。
对于上述气压控制装置各部分的作用和工作原理描述如下：气源系统提供的压缩气体经初步的处理后，由本发明装置气供气回路的供气入口进入装置内部的供气回路，经过减压阀的初步降压后，输出设定气压范围(初始压力)的气体。气源所提供的气体压力在供气过程中也会不断变化，减压阀内部调节系统根据气源提供的压缩气体压力的变化来自动调节，保证输出的气体压力(初始压力)在设定范围之内。减压阀输出的气体进入毛细管。进入毛细管内部的气体的压力在毛细管内随毛细管长度的增加线性的下降。毛细管的长度、直径参数可以由所需要地气压(最终压力)来确定。选用不同长度、直径的毛细管，可以得到不同气压和流量要求的气体。由供气回路毛细管调节后的气体提供给气压腔体，在光刻设备中气压腔体为物镜。在毛细管与气压腔体之间的管路旁路有一个单向安全阀和一个精度控制阀。根据输出气体压力(最终压力)的大小，将输出压力分为三个区：过压保护区，精度调节区，正常工作区。对应于不同的分区，单向安全阀和精度控制阀处于不同的工作状态。当气源发生故障或其它扰动导致输出气体压力(最终压力)在过压保护区内，输出气体的压力可能会造成气压腔体压力波动。此时单向安全阀打开，精度控制阀关闭，使输出气体压力(最终压力)迅速的降低，保护气压腔体的安全；当输出气体压力(最终压力)在精度调节区，单向安全阀关闭，精度控制阀打开，使输出气体压力(最终压力)稳定在气压腔体所要求的压力精度范围内；当输出气体压力(最终压力)在正常工作区，单向安全阀和精度控制阀均处于关闭状态，保证对气压腔体正常供气。
在气压腔体内部循环后的气体通过排气回路经由毛细管、出气口直接排放到外部大气中。排气回路毛细管对排出气体起到阻压、限流作用，使气压腔体内部气体与外部环境空气保持一定的压差。
本发明气压控制装置能够提供气压控制精度高、流量稳定的气流，对气压的调节作用依靠装置自身元件调节来实现，不需要外部的控制单元输出控制信号进行控制；系统结果简单，可靠性高，不需要外部动力就能运行，在光刻设备故障时，也能对气压腔体不间断的供气。
附图说明
图1是已知的压力控制系统结构图；
图2是依据本发明实施例的供气系统结构图；
图3是本发明气压控制装置的结构示意图；
图4是定直径毛细管内部气体压力关于毛细管长度的变化曲线。变化规律满足线性关系；
图5是本发明所述的精度控制阀的剖面图。
具体实施例
进行供气调节的系统包括气源、对所述的气源输入的压缩气体进行压力和流量调节的气压控制装置、由所述气压控制装置供气的气压腔体。
气源提供的压缩气体由导管输入所述气压控制装置。所述的气压控制装置对输入的压缩气体进行压力和流量的调节。经过所述气压控制装置调节后的气体经导管输入到所述的气压腔体。所述气压控制装置由供气回路和排气回路构成。其中，供气回路用来向所述的气压腔体供气。排气回路用来排除在所述气压腔体内部循环后的废气。所述的气压腔体有一进气口和一排气口。气体在所述气压腔体内部循环后由排气口经导管输入所述的气压控制装置，经所述气压控制装置的排气回路直接排放到外部大气中。
下面结合附图和发明人给出的具体实施例，对本发明作进一步的描述。
实施例1
图2为依据本发明实施例的供气系统结构图。如图2所示，气源GS提供的压缩气体经导管直接输入气压控制装置GSU。压缩气体的压力在3-14×10⁵Pa范围内。气压控制装置GSU中具有能对输入的压缩气体的压力和流量进行调节的元件。气压控制装置GSU中通常还有其它元件如颗粒过滤器。图3为本发明气压控制装置的结构图。参阅图3，可以看到本发明所述气压控制装置100包括两个回路：供气回路，排气回路。供气回路包括气源供气入口1、手动开关阀2、压力传感器3、减压阀4、颗粒过滤器5、毛细管6和作为供气回路旁路的单向安全阀7、精度控制阀8、T形接头9以及连接这些部件的管路，排气回路包括毛细管11和排气出口12。
压缩气体从所述气压控制装置100的供气入口1输入，经过手动开关阀2后再进入减压阀4。压力传感器3检测从供气入口1输入的压缩气体的压力，并将压力信号传送到外部的监视器。经过减压阀4降压后的气体的成为低压气体，上述减压阀4输出气体的压力(初始压力)可以根据要求进行设定。由上述减压阀4降压后的气体经颗粒过滤器5过滤后，进入毛细管6。由上述颗粒过滤器5过滤后的气体的压力在毛细管6内部沿长度方向线性下降。毛细管6内部气体压力在毛细管6内沿毛细管长度方向的分布如图4所示。经毛细管6降压、限流后的气体由导管输入给气压腔体10。在毛细管6与气压腔体10之间有一个单向安全阀7、一个精度控制阀8和一个T形接头9，精度控制阀8与T形接头通过螺纹配合连接。
从图5中可以看到精度控制阀8进气口70，释放口71、72，由下阀座711、止回球712、过滤片713、挡圈714、定心套715、密封圈716组成的下部模块和由上阀座721、止回球722、过滤片723、挡圈724、定心套725、密封圈726组成的上部模块，以及由阀盖73、阀体74、阀座75组成的精度控制阀8外壳。阀盖73与阀体74、阀体74与阀座75之间通过螺栓配合连接。系统正常工作时，下阀座711与止回球712之间、上阀座721与止回球722之间均气密接触，压力控制装置内部气体与外界气体隔绝。止回球712用来消除系统瞬间供气流量突变产生的气体膨胀冲击，止回球722在系统输出压力(最终压力)超出气压腔体10要求范围时打开，保证提供给气压腔体10的压力保持在精度范围内。
单向安全阀7和精度控制阀8相配合来保证气压腔体10的安全和气压控制精度。根据本发明装置输出压力(最终压力)大小，将输出压力分为三个区：过压保护区，精度调节区，正常工作区。对应于不同的分区，单向安全阀7和精度控制阀8处于不同的工作状态。当气源故障或其它扰动导致输出气体压力(最终压力)在过压保护区内，输出气体的压力可能会造成气压腔体内部压力波动。此时精度控制阀8关闭，单向安全阀7打开，使输出气体压力(最终压力)迅速的降低，保护气压腔体10的安全；当输出气体压力(最终压力)在精度调节区，单向安全阀7关闭，精度控制阀8打开，使输出气体压力(最终压力)稳定在气压腔体10所要求的压力精度范围内；当输出气体压力(最终压力)在正常工作区，单向安全阀7和精度控制阀8均处于关闭状态，保证对气压腔体10正常供气。
在气压腔体10内部循环后的气体由导管经过本发明装置的排气回路排放至外部的大气中。本发明的排气回路由毛细管11、排气出口12及连接管路构成。所述的毛细管11具有阻压、限流作用，将气压腔体10内部气体和外部环境大气隔开，使气压腔体10内部和外部能保持一个稳定压力差。