一种换热冷却装置以及光刻机的制作方法

本实用新型涉及一种半导体设备领域，特别是涉及一种换热冷却装置以及光刻机。

背景技术：

半导体器件的三维工艺中，常常需要对半导体器件进行加热和冷却处理。其中，在对加热后的器件进行快速冷却时，需要使用到换热冷却装置。传统的换热冷却装置中的换热盘大多是由铜或铝制成，换热盘与需要换热冷却的部件接触，通过换热盘换热面上的管道中具有一定压力的冷却介质将热量带走，从而达到冷却的目的。

但是，研究发现，现有的换热冷却装置对于需冷却部件，由于需冷却部件与管道接触面积有限，很难达到快速换热冷却的效果，导致产率较低。

另外，对于大于160℃的需冷却部件，由于温度接近或超出传统的冷却介质的蒸发点，只能使用空气作为冷却介质，但是空气在高温下，金属管道会被空气中的氧气腐蚀氧化，造成管道的损坏，导致现有的换热冷却装置对大于160℃的需冷却部件，没有有效的冷却介质对其进行换热冷却。

此外，现有的换热冷却装置在使用过程中，还存在换热冷却装置的导热不均匀的问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的之一在于，提供一种换热冷却装置，可以对需冷却部件进行快速冷却，从而提高产率。

本实用新型的另一目的在于，提供一种换热冷却装置，在需冷却部件的温度大于160℃时采用有效的冷却介质。

本实用新型的再一目的在于，提供一种换热冷却装置，有利于均匀的冷却需冷却部件，并且将热量传导到换热冷却装置外。

为实现上述目的，本实用新型的第一方面提供了一种换热冷却装置，所述换热冷却装置包括壳体以及设置于由所述壳体限定的腔室内的中间夹层，所述中间夹层为网状支架结构，所述腔室和所述网状支架结构共同构成冷却介质流通的通道。

可选的，所述网状支架结构是由多个立体支架均匀堆叠组成。

可选的，所述立体支架为四面体支架或六面体支架。

可选的，所述网状支架结构包括多层子结构，每层子结构具有相互平行的两个表面。

可选的，所述四面体支架是由六根长度相同的横梁连接而成的棱锥状结构。

可选的，所述壳体和中间夹层由3D打印机一体打印形成，或者，所述壳体和中间夹层各自由3D打印机打印形成后再进行组装。

可选的，所述壳体包括相对设置的上壁和下壁以及与所述上壁和下壁连接的侧壁，所述上壁和/或下壁面向需冷却部件。

可选的，还包括冷却介质输入管道和冷却介质输出管道，所述冷却介质输入管道的一端和冷却介质输出管道的一端均连接在所述侧壁上。

可选的，所述侧壁的高度小于等于15mm。

可选的，所述壳体包括内壁以及套设于所述内壁外的壳体，所述内壁和壳体连接构成所述腔室，所述内壁面向需冷却部件。

可选的，还包括冷却介质输入管道和冷却介质输出管道，所述冷却介质输入管道的一端连接所述上壁，所述冷却介质输出管道的一端连接所述下壁。

可选的，所述壳体的内表面与壳体的外表面的距离小于等于15mm。

可选的，所述中间夹层与所述壳体固定连接。

可选的，还包括冷却介质供给机构，所述冷却介质供给机构用以向所述腔室提供冷却介质。

可选的，所述冷却介质供给机构为氮气供给机构和/或惰性气体供给机构。

可选的，所述壳体和中间夹层的材质是钛合金或不锈钢。

本实用新型第二方面提供了一种光刻机，包括以上所述的换热冷却装置。

可选的，所述光刻机还包括一干涉仪，所述换热冷却装置用于冷却所述干涉仪。

可选的，所述光刻机还包括一干涉仪物镜水套，所述换热冷却装置用于冷却所述干涉仪物镜水套。

本实用新型与现有技术相比具有实质性特点和进步，具体表现在以下几个方面：

1.本实用新型所提供的换热冷却装置中腔室内的中间夹层为网状支架结构，腔室和网状支架结构共同构成冷却介质流通的通道，使得壳体与需冷却部件接触的面积都为换热冷却的通路接触面积，与现有技术相比增加了换热冷却面积，加快了对需冷却部件的换热冷却速率，从而提高了产率。

2.本实用新型所提供的换热冷却装置对于需冷却部件的温度在小于或等于160℃时使用现有的冷却介质，需冷却部件的温度大于160℃时使用氮气或惰性气体作为换热冷却介质，更加有利于提高换热冷却的速度，从而进一步的提高了生产率。同时，实现了需冷却部件的温度大于160℃时，相较于现有技术存在有效的冷却介质。

3.本实用新型所提供的换热冷却装置中的中间夹层是由多个立体支架均匀堆叠组成的网状支架结构，使得热量在传导过程中不断的在固体与冷却介质之间传递，将需冷却部件与壳体接触面上的热量均匀地传导到冷却装置外。

附图说明

图1是本实用新型实施例一的包含侧壁的壳体和具有一层子结构的中间夹层的立体示意图；

图2a是本实用新型实施例一的具有一层子结构的中间夹层的结构示意图；

图2b是本实用新型实施例一的立体支架的示意图；

图3是本实用新型实施例一的换热冷却装置的中间夹层具有三层子结构的截面示意图；

图4是本实用新型实施例一的换热冷却装置的冷却介质在腔室内的流通方向示意图。

附图标记说明：

100-壳体；101-上壁；102-下壁；103-侧壁；

200-中间夹层；210-子结构；211-立体支架；211a-横梁；

310-冷却介质输入管道；320-冷却介质输出管道。

具体实施方式

研究发现，现有的换热冷却装置所使用的换热盘的材质是导热性能强的金属材料例如铜或铝等，在换热盘与需冷却部件的接触面上，只有换热盘上的管路中的冷却介质在不断的换热，但是与需冷却部件接触的换热盘本身无法快速换热，使得热量大量累积，并传导到换热盘的其他部分，其中部分热量直接转换到周围的环境中导致周围环境温度较高，还有部分热量直接传导到与之连接的其他机构上，影响了它们的正常运行。

另外，还发现，现有的换热冷却装置对不同温度的需冷却部件使用不同的冷却介质。需冷却部件的温度在大于25℃且小于或等于90℃时，使用常温的水作为冷却介质，通过管路中循环流通的常温的具有一定压力的水带走与之接触的需冷却部件表面的热量，从而达到换热冷却的目的，冷却速率通常为15℃/min～20℃/min(即15摄氏度每分钟～20摄氏度每分钟)。需冷却部件的温度大于90℃且小于或等于160℃时，使用常温的氟化剂(如galden)作为冷却介质，通过管路中循环流通的常温的具有一定压力的氟化剂带走与之接触的需冷却部件表面的热量，从而达到换热冷却的目的，冷却速率通常为15℃/min。需冷却部件的温度大于160℃时，使用常温的空气作为冷却介质，通过管路中循环流通的常温的具有一定压力的空气带走与之接触的需冷却部件表面的热量，从而达到换热冷却的目的，冷却速率通常为5℃/min。但是，使用这三种冷却介质换热冷却所需的时间都比较长，即这三种冷却介质不能快速换热冷却，造成生产率低下。

此外，需冷却部件的温度大于160℃时，如果使用水作为冷却介质，不仅提供很大的压力进行循环，并且水在循环过程中容易气化，造成管路炸裂；如果使用氟化剂做冷却介质，因需冷却温度太高，接近或超过氟化剂的沸点175℃，换热冷却过程中会带来污染，并且导致氟化剂碳化甚至堵塞管路；如果使用现有的冷却介质空气时，因需冷却温度太高，管路表面很容易被空气中的氧气腐蚀氧化，造成管道的损坏。由上可知，温度在大于160℃时，需要一种有效的冷却介质来进行换热冷却。

基于上述研究，本实用新型的换热冷却装置中，中间夹层是由多个立体支架均匀堆叠组成的网状支架结构中均匀的流通冷却介质，有利于提高换热冷却的速度。进一步的，需冷却部件的温度小于或等于160℃时，使用现有的冷却介质，需冷却部件的温度大于160℃时，使用氮气或惰性气体作为换热冷却介质，更加有利于提高换热冷却的速度，从而提高了生产率。另外，中间夹层在换热冷却过程中，冷却介质将中间夹层的均匀堆叠组成的网状支架结构中缓慢扩散地热量带走，有效地降低了换热冷却装置对周围环境的温度影响，以及其对与之连接的机构的温度影响。

以下结合附图和具体实施例对本实用新型的一种换热冷却装置以及光刻机作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本实用新型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、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。

实施例一

图1是本实施例的包含侧壁的壳体和具有一层子结构的中间夹层的立体示意图。如图1所示，本实施例公开了一种换热冷却装置，所述换热冷却装置包括壳体100以及设置于由所述壳体100限定的腔室内的中间夹层200，所述腔室与所述中间夹层200共同构成冷却介质流通的通道。所述中间夹层200与所述壳体100固定连接。

由上可知，本实施例中多个立体支架均匀堆叠形成均匀网状支架结构，在壳体的腔室内构成了冷却介质流通的通道，使得壳体与需冷却部件接触的面积都为换热冷却通路的接触面积，与现有技术相比增加了换热冷却面积，加快了对需冷却部件的换热冷却速率，从而提高了产品生产率。当然也可以非对称的重叠，形成不均匀的子结构。

继续参考图1，所述壳体100例如是圆盘状，包括相对设置的上壁101和下壁102以及与所述上壁101和下壁102连接的侧壁103。实际运用时，可以是所述上壁101面向需冷却部件，比如上壁101上承载一需冷却部件(如晶圆)；也可以是所述下壁102面向需冷却部件，比如需冷却部件(如晶圆)上方设置一个换热冷却装置；还可以是一个换热冷却装置的上壁承载一需冷却部件，同时需冷却部件上方也设置一个换热冷却装置，即两个换热冷却装置中间夹设一需冷却部件。本实施例中的换热冷却装置例如是对晶圆键合工艺过程中的晶圆及其加热装置进行换热冷却处理，晶圆的换热冷却较佳地需要两个换热冷却装置，晶圆(例如是12英寸)的两个表面各自与一个换热冷却装置的上壁或下壁接触换热。换热冷却装置中壳体的上壁和下壁的形状例如是与晶圆的形状相同为圆形，上壁和下壁的尺寸至少与例如是晶圆的两个圆形表面的尺寸相同都是12英寸。

所述需冷却部件的整个上表面与壳体100的上壁101或下壁102完全接触，即，需冷却部件的整个上表面的每个点到壳体100与需冷却部件接触的上壁101或下壁102的距离为零；或者，所述需冷却部件的整个下表面与壳体100的上壁101或下壁102完全接触，即，需冷却部件的整个下表面的每个点到壳体100与需冷却部件接触的上壁101或下壁102的距离为零。所述壳体100例如是圆盘状结构，较佳的，壳体的上壁或下壁的尺寸大于或者等于与其接触的需冷却部件例如是晶圆的上表面或下表面的尺寸。所述侧壁103的高度小于等于15mm，例如是15mm、12mm、10mm、8mm或6mm等。所述壳体的上壁101和下壁102的壁厚优选相同。

请继续参阅图2a和2b，如图2a和2b所示，所述中间夹层200为网状支架结构。所述网状支架结构是由多个立体支架211均匀堆叠组成。所述立体支架211例如是为四面体支架或六面体支架。本实施例中的立体支架为四面体支架。

所述网状支架结构可以包括一层或多层子结构。图2a是本实施例的具有一层子结构的中间夹层的结构示意图。需要说明的是，虽然图2a中仅示意性的表示出一层子结构的中间夹层，但实际上，所述网状支架结构可以是包括多层子结构210，例如是包括三层(参考图3)或四层子结构210，实际应用时也可以根据实际工况需要进行层数的变动。可以理解的是，当侧壁的高度不变，随着中间夹层的子结构的层数增加，壳体和中间夹层的抗压屈服强度增加。其中每层子结构210可以是具有相互平行的两个表面，所述四面体支架是由六根长度相同的横梁211a连接而成的棱锥状结构。

所述壳体100和中间夹层200由3D打印机一体打印形成，或者，所述壳体100和中间夹层200各自由3D打印机打印形成后再进行组装。采用3D打印技术，有利于形成尺寸较小的壳体100和中间夹层200。

所述壳体100和中间夹层200的材质均为钛合金或不锈钢。以采用圆盘状的壳体为例，当壳体的上壁和下壁的尺寸为12英寸，侧壁的厚度为15mm，中间夹层的子结构的层数为4层(且4层子结构均匀堆叠)，壳体和中间夹层的材质均为不锈钢时，试验模拟表明该壳体和中间夹层的抗压屈服强度为50Mpa(即壳体和中间夹层的1平方厘米可以最大承受50千克的重量)，也就是说，所述壳体和中间夹层可以承受很大的重量的承载物，并对其进行换热冷却。

另外，对不同材料的密度ρ、比热Cp和导热系数k进行分析。实验发现，相较于现有技术，壳体和中间夹层由不锈钢制成，壳体和中间夹层升高的温度较其他材料升高的温度高。在腔室内的中间夹层内，其吸收较少量热量时，温度升高较明显，常温的冷却介质进入腔室内的中间夹层时，由于温差较大，可以快速的换热冷却。

图3是本实施例的换热冷却装置的中间夹层具有三层子结构的截面示意图。如图所示，所述换热冷却装置还包括冷却介质输入管道310和冷却介质输出管道320，所述冷却介质输入管道310的一端和冷却介质输出管道320的一端均连接在所述侧壁103上。优选的，所述冷却介质输入管道310和冷却介质输出管道320连接在侧壁的相向位置上。所述冷却介质输入管道310还可以包括多个输入支路，冷却介质输出管道320还可以包括多个输出支路，所述多个输入支路和多个输出支路分别设置在侧壁上的任意不同的位置。

进一步的，所述换热冷却装置还包括冷却介质供给机构(图3中未示出)，所述冷却介质供给机构用以向所述腔室提供冷却介质。所述冷却介质供给机构例如为氮气供给机构和/或惰性气体供给机构。

图4是本实施例的换热冷却装置的冷却介质在腔室内的流通方向示意图。如图所示，冷却介质从冷却介质输入管道310进入腔室后，沿着中间夹层中的每个四面体的缝隙中流通，形成多个流通通路，最后从冷却介质输出管道排出，整个过程中带走了从隔热盘与需冷却部件接触面传导到腔室内的中间夹层中的热量。

经实验模拟了解到：当需冷却部件的温度小于或等于160℃，且冷却介质是现有的水或者氟化剂时，冷却速率最大可达到60℃/min，相较于现有技术换热冷却速度得到提升，从而提高了产品的生产率。当需冷却部件的温度大于常温且冷却介质是氮气时，换热冷却速率的范围通常在15℃/min～20℃/min之间。由上可知，对于大于常温的需冷却部件，在换热冷却过程中的冷却介质均可以使用氮气，即实现了大于常温的部件在换热冷却过程中冷却介质的通用。

由上可知，在换热冷却装置中，中间夹层固定连接在壳体内的腔室中，冷却介质输入管道的一端和冷却介质输出管道的一端均连接在所述侧壁上的不同位置，冷却介质供给机构通过冷却介质输入管道用以向腔室内提供冷却介质。冷却介质以一定的压力进入腔室，在腔室的中间夹层的缝隙形成冷却介质循环的多个通路中流通，然后从冷却介质输出管道流出。

本实施例的中间夹层由多个立体支架均匀堆叠组成的网状支架结构，在腔室内构成冷却介质流通的通道，使得壳体与需冷却部件接触的面积都为换热冷却通路的接触面积，与现有技术相比增加了换热冷却面积，加快了对需冷却部件的换热冷却速率，从而提高了产率。进一步的，在需冷却部件的温度在大于25℃且小于或等于90℃时，优选的，使用水作为冷却介质，冷却速率最大通常可达到60℃/min；在需冷却部件的温度在大于90℃且小于或等于160℃时，优选的，使用氟化剂作为冷却介质，冷却速率最大通常可达到60℃/min；在需冷却部件的温度大于160℃时，使用氮气或惰性气体作为冷却介质，冷却速率的范围通常在15℃/min～20℃/min之间，相较于现有技术，大大缩短了需冷却部件的换热冷却速率，减少了需冷却部件换热冷却时间，从而提高生产率。同时，实现了需冷却部件的温度大于160℃时有可以使用的冷却介质氮气或惰性气体，以及大于常温的需冷却部件在换热冷却过程中冷却介质的通用。

实施例二

本实施例公开了一种光刻机，可以包括如实施例一所述的换热冷却装置，用于冷却晶圆。

进一步的，所述光刻机还可以包括一干涉仪以及用于冷却干涉仪的换热冷却装置。所述干涉仪例如是长方体结构，所述换热冷却装置例如是对光刻机干涉仪的需冷却结构进行换热冷却处理，且需要换热冷却装置的数量是一个。所述壳体的上壁和下壁例如是与所述干涉仪需冷却的上表面或下表面形状和尺寸相同的长方体。所述冷却介质输入管道和冷却介质输出管道的位置较佳的在换热盘的同一个侧壁上，当然冷却介质输入管道和冷却介质输出管道也可以连接在不同侧壁的不同位置上。

进一步的，所述光刻机还包括一干涉仪物镜水套以及用于冷却干涉仪物镜水套的换热冷却装置。所述干涉仪物镜水套例如是圆柱体结构，所述换热冷却装置例如是对光刻机干涉仪的需冷却结构进行换热冷却处理，且需要换热冷却装置的数量是一个。所述换热冷却装置的壳体包括内壁以及套设于所述内壁外的壳体，所述内壁和壳体连接构成所述腔室，所述内壁面向待冷却部件。所述壳体的内壁位于所述干涉仪物镜水套的外壁的外侧，与干涉仪物镜水套的外壁接触，并壳体的内壁的形状与干涉仪物镜水套的外壁形状相同，尺寸基本相同。所述外壳内壁的内表面与壳体的外表面的距离例如是小于或等于15mm。

所述用于冷却干涉仪物镜水套的换热冷却装置还包括冷却介质输入管道和冷却介质输出管道。所述冷却介质输入管道的一端连接所述上壁，所述冷却介质输出管道的一端连接所述下壁，或者，所述冷却介质输入管道的一端和冷却介质输出管道的一端均连接在所述上壁，或者，所述冷却介质输入管道的一端和冷却介质输出管道的一端均连接在所述下壁。

上述是以冷却晶圆、干涉仪和干涉仪物镜水套为例进行了说明，但应认识到，上述换热冷却装置还可以用于冷却其他需冷却部件。

综上所述，采用本实用新型的换热冷却装置相较于现有装置，可以进行快速换热冷却，以提高产率，另外，使得大于160℃的需冷却部件在换热冷却过程中有可以使用的冷却介质，同时有效地降低了换热冷却装置对周围环境的温度影响，其对与之连接的机构的温度影响。

上述描述仅是对本实用新型较佳实施例的描述，并非对本实用新型范围的任何限定，本实用新型领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。