Brevet FR2481820A1 — publié le 19811106

:iM 1820 La présente invention se rapporte à un dispositif d'équilibrage de température pour des appareils photon lithographiques ou des dilatometres dans lesquels on exige une constance thermique élevée de l'objet à irradier e8 à mesutirer qui se trouve à lintërieur deune chambre ainsi que des ensembles de construction dépendant de la température et prévus A Ilintérieur de cette chambreo Dans le domaine de la lithographie les exigences en ce qui concerne la précision des champs de travail et la grandeur des objets (gabarits ou puces pour circuits imprimés) à irradier augmentent en permanence. On veut par exemple créer des structures de quelques micromètres d9une reproductibilité de 0,1 Em et des gabarits ou des puces pour des circuits imprimés pouvant atteindre 17,5 cm. De ce fait on exige une constance thermique de l'objet à ir- radier de 0,05 K et davantage. En ce qui concerne le système de mesure optique du parcours les exigences sont également élevées étant donné que la dilatation relative du miroir de référence par rapport au miroir de mesure se répercute directement sur la reproductibilité et crée des erreurs supplémentaires Lorsqu'il seagit deobjets présentant une dimension d'environ 17,5 cm, un dilatomètre dune précision maximale de Ca = to 8K ne peut satisfaire à ces exigences que lorsqu'un état de température uniforme peut être obtenu à l'intérieur de lobjeto En conséquence il est nécessaire que la chambre contenant l'objet présente également une constance de température élevée. Dans tous les cas la chambre est en contact avec l.air ambiant l'entourant et avec des éléments de cons- truction mécaniques constituant des sources de chaleur tels que, par exemple, fdes moteurs, des lampes, le système de mesure de trajet le plus souvent un système a laser, et, de plus, lorsqu'il s'agit dappareils à faisceau électron 25.nique la chambre subit l'influence des lentilles parcou- rues par le courant électrique et d'au moins une pompe à vide pousséo L.orsju:OI e lbant le bilan thermique pour les ap- pareils connus, on constate que la chaleur délivrée par la chabre a un systeme de température est égale à la chaleur absorbée par la chambre à partir de l'air ambiant plus la valeur a Qv provenant des éléments de construc- tion contenant des sources de chaleur et qui sont en contact avec la chambre. Qv représente la chaleur engen- drée par les éléments de consLruction. Dans des appareils lithographiques, cette chaleur est comprise entre 100 et 200 W. La partie restante (1-a)Qv est transmise principa- lement à l'air ambiant. On obtient pour une température T1 de la chambre T = P T + T + Qva - 1 p+ l 2 p+l 3 (p+l) W 3 1 W12 avec p - W13 W12: Valeur de transfert thermique entre la Watt chambre et le système d'équilibrage de température W13: Valeur de transfert thermique entre Watt l'air et la chambre T1: Température de la chambre [K T2: Température du milieu d'équilibrage de température [K] T: Température de l'air ambiant [K Il ressort que dans le cas o a n'est pas suffisam- ment petit par rapport à 1 et p n'est pas suffisamment grand par rapport à 1, des variations A Qvdues à des modifica- tions de régime de Qv, et des variations de température t T3 à l'intérieur du local, peuvent se répercuter sur la chambre de façon que la constance thermique exigé ne soit pas obtenue malgré l'équilibrage de la température de la chambre. 248 1820 Sous des conditions réelles: p = 10 (contact thermique dix fois supérieur entre la chambre et le système d'équilibrage de la tempéra- ture qu'entre la chambre et ltair ambiant) W13= 2 att (Valeur de transfert thermique d'une chambre K isolée thermiquement par rapport à l'air ambiant et présentant une surface d'envi- ron 2 m2) a = 0,2 (environ 20 % de la chaleur Qv engendrée à lPinté- rieur des éléments de construction sont transmis à la chambre; la partie restante est absorbée par l'air ambiant), - on obtient, lors d'une variation lente de + 1 K de la température régnant à l'intérieur du local et lors d'une variation également lente de seulement + 10 W, déjà une variation de la température de la chambre de 0,2 K. 50 % de cette valeur sont dus selon l'équation 1 à des varia- tions de Qv et les autres 50 % sont dus aux variations de température de l'air ambiant. L'équation 1 montre qu'une augmentation de p amélio- re en général la constance thermique de la chambre. Cepen- dant,si l'augmentation de p est obtenue uniquement par une amélioration de l'isolation de la chambreon réduit en effet l'influence exercée par la température de l"air ambiant T3, mais non l'influence de la chaleur de dissipa- tion Qv du fait que W12 est beaucoup plus grand que W13. L'amélioration de l'isolation de la chambre est en outre limitée par les exigences d'accessibilité et des éléments faisant saillie hors de la chambre comme, par exemple, le système de visualisation de sorte qu'il est déjà difficile d'obtenir la valeur indiquée de 2 Wat$ K- Une augmenta- tion de p résultant d'une augmentation de W12 provoque aussi bien une réduction de l'influence de la chaleur de dissipation Qv que de l'influence exercée par la tempé- rature ambiante du local et présente des difficultés ana- logues aux cas précédents. Ceci ressort notamment du fait iut p es; cirectelelnt p';.,Jo t lonnel au i'apportL eit'e la su.rface [o'ine par le e-ntact thermique du systèrme d'équi- librage de la c5mp6rature avec la chambre et la surface de la chambre. Ce rapport ne peut cependant pas être approché à volonté de la valeur 1 au moins dans les cas oh la chaleur est dissipée par un liquide d'équilibrage de température s'écoulant à l'intérieur d'un système de tubes qui est en contact avec la chambre. Lorsqu'on utilise de l'air en tant que fluide d'équilibrage de la tempéra- lo0 ture il est, en effet, possible d'obtenir la valeur 1 pour le rapport de surfaces cité mais le rapport de p reste inférieur aux valeurs obtenues par un liquide d'équilibrage de température étant donné que la valeur de transfert thermique est inférieure pour l'air. ' Un inconvénient de poids des appareils connus réside dans le fait qu'une proportion importante de la chaleur dissipée Qv est absorbée par le circuit d'équilibrage de température et provoque des variations de température AT2 du fluide d'équilibrage. Ces variations doivent être addi- tionnées directement aux variations initiales parce qu'elles s'ajoutent selon l'équation 1 sans être amorties de façon sensible. Cet effet se produit particulièrement lorsque la chambre est soumise à un rayonnement thermique impor- tant ce qui est le cas notamment pour des appareils à faisceau électronique, tandis qu'il existe dans des appa- reils photo-lithographiques encore d'autres sources de chaleur supplémentaires qui, d'une façon ou d'une autre, sont en contact avec la chambre comme par exemple une pompe à vide poussé et des lentilles parcourues partiellement par un courant électrique. Il est également à noter que des composants électroniques à haute fréquence sont placés de plus en plus à proximité de l'appareil et sont partiel- lement en contact avec la chambre afin d'obtenir des connexions électriques courtes. La chaleur développée par ces composants est faible mais elle peut atteindre la même valeur que celle résultant de l'air ambiant. Il res- sort de ce qui précède que la solution du problème ne - ) consiste pas dans une augmentation plus importante de po Le système d'équilibrage de température et d'iso- lation suivant l'invention permet de réduire de façon importante la répercussion sur la chambre de la chaleur dissipée Qv due aux sources de chaleuro La présente invention a pour objet d'isoler la chaleur de dissipation engendrée Qv de la chambre et de la dériver à l'endroit même o elle est produiteo Ces problèmes sont résolus conformément à l'inven- tion du fait que la plus grande partie de la chaleur Qv produite par les sources de chaleur est transférée à un système d'équilibrage de température séparé qui est dé- couplé thermiquement du système d'équilibrage de tempé- rature de la chambre et que la chambre est isolée thermi- quement non seulement par rapport à l'air ambiant, comme il est connu par ltétat de la technique antérieur, mais également par rapport aux éléments de construction conte- nant les sources de chaleuro La constance de température de ce système d'équilibrage de température séparé peut 9tre moins bonne que celle du système d'équilibrage de la chambre mais elle devrait 8tre meilleure que la constance de la température du local 9cest-à-dire meilleure que 1 K afin de réduire les répercussions subsistantes et produites par les éléments de construction contenant les sources de chaleur de dissipation0 Diverses autres caractéristiques de linvention ressortent d'ailleurs de la description détaillée qui suit. Une forme de réalisation de l'objet de leinvention est représentée schématiquement, a titre d9exemple non limitatif, au dessin annexée O Une chambre métallique 1 destinée à recevoir un objet a irradier et raccordée, par!jintermédiaire d9un système de tubes 2 contenant un liquide d9équilibrage de température, à un système d'alimentation 3 par exemple un therîDostat, est en contact mecanique avec les ensembles de construction 4.qui contiennent les sources de chaleur de dissipation telles que par exemple des moteurs de 248 1820 commande, par ' int:rmindiaire de barrières thermiques 5 par exemple ern céramique ou en d'autres matières non conductriceSde i'etélectricité. Un deuxième système de tubes 6, qui. assure un bon contact thermique avec les ensembles 3 de construction 4 et contient également un liquide d'équi- librage de temperature, est raccordé à un deuxième sys- tème d'alimentation 7 qui n'est pas couplé thermiquement avec le premier système d'alimentation 3. L'avantage d'un dispositif d'équilibrage de tempé- rature réalisé suivant la solution proposée par na présen- te invention réside dans le fait que la partie principale de la chaleur de dissipation Qv est absorbée]par le sys- tème d'équilibrage de température grossier 6, 7 Ce sys- tème d'équilibrage et les barrières thermiques 3 ont pour effet de produire une décharge thermique dans le circuit fermé 2, 3 qui de ce fait peut fonctionner en tant que système d'équilibrage de température précis ass'rant de faibles écarts de réglage et une constance thermique élevée. Sous ces conditions il est possible, conformiment à l'équa- tion 1, d'amener non seulement T2 à une constance qui est plus élevée que celle obtenue par les dispositifs d'équi- librage de température connus mais également dr'abaisser le facteur a, apparaissant dans le troisième membre, à une grandeur de l'ordre de 1 5v. Ce n'est qu'après que des améliorations de l'isolation 8 de la chambre peuvent être envisagées. REVENDICATION0 Dispositif d'équilibrage de température notamment pour appareils photo-lithographiques comportant une cham- bre de préférence en métal, destinée à recevoir des objets à irradier et qui est couplée thermiquement avec un sys- tème de tubes métalliques contenant un liquide d'équili- brage de température, caractérisé en ce que le système de tubes est divisé en deux systèmes partiels indépendants et largement découplés thermiquement tout en étant race cordés chacun à un système d'alimentation (3, 7) autonome de façon que l'un des systèmes de tubes (2) assure un bon contact thermique avec la chambre (1) et forme avec un système d'alimentation autonome (3) un système d'équili- brage de température précis tandis que l'autre système de tubes (6) est en bon contact thermique avec les éléments de construction (4) contenant les sources de chaleur de dissipation, telles que par exemple les moteurs de commande, et qui doivent être accouplés à la chambre (1), ce système de tubes (6) formant avec un deuxième système d'alimenta- tion autonome (7) un système d'équilibrage de température grossier dont la constance de température peut 8tre moins bonne que celle du système d'équilibrage de température précis mais doit être meilleure que 1 K et en ce que les éléments de construction (4) contenant les sources de chaleur de dissipation sont couplés avec la chambre (1) par l'intermédiaire de corps (5) thermiquement isolants.