CN100565352C - 用于光刻机浸没控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于光刻机浸没控制装置。由注液腔和回收腔向外依次设置有环状的流场缓冲腔、密封结构和干燥腔。流场缓冲腔实时对曝光流场进行补偿，减少液体回流发生几率与强度；密封结构采用亲憎水表面特性处理与张力槽结构设计相结合方式，在垂直衬底方向上张力槽截面为向外倾斜的三角形，衬底运动牵拉的液体将在张力槽内形成回流，抑制液体泄漏；干燥腔内填充高吸水性物质、连通负压，实时排走可能存在的液滴残余。同时，液体输送方式采用正压供液、回收端自由流动，避免注液与回收压力不协调导致的流场波动。

Description

用于光刻机浸没控制装置

技术领域

本发明是涉及一种用于光刻机浸没控制装置。

背景技术

现代光刻设备以光学光刻为基础，它利用光学系统把掩膜版上的图形精确地投影并曝光到涂过光刻胶的衬底(如：硅片)上。它包括一个激光光源、一个光学系统、一块由芯片图形组成的投影掩膜版、一个对准系统和一个覆盖光敏光刻胶的衬底。

浸没式光刻系统在投影透镜和衬底之间的缝隙中填充某种液体，通过提高该缝隙中介质的折射率(n)来提高投影透镜的数值孔径(NA)，从而提高光刻的分辨率和焦深。

有人曾提出通过将衬底完全浸没在液体中，以实现将液体填充在投影装置的末端元件和衬底之间的间隙。其中一种方案(例如参见美国专利US2004075895)，将衬底和衬底台浸没在液池中，这意味着在扫描曝光期间内必须加速大量的液体。这需要额外的或更大功率的电机，硅片的装夹和定位也变得困难，而且液体中的紊流可能导致不希望有的且不可预测的效果。另外一种方案(例如参见中国专利200480038343.1，以及美国专利US2007279608(A1))，在衬底台设置回收槽，浸没液体流经衬底而后自然流入衬底槽中实现液体回收。由于缺乏有效密封，在步进-扫描光刻设备中，衬底的高速扫描运动，会导致填充液体在边界发生飞溅，从而使得光刻设备某些部件无法正常工作，比如，监测硅片位置的干涉仪等；同时，自由液面的波动及飞溅会引起次声波，引发振动，影响光刻机的正常运行。

有人提出了另外一类解决方案，即将液体限定在衬底上方和投影装置的末端元件之间的局部区域内。如果缺乏有效密封，该方案将导致填充流场边界液体泄漏，泄漏的液体将在光刻胶或Topcoat表面形成水迹，严重影响曝光质量。目前该方案的密封结构，一般采用气密封或液密封构件环绕投影透镜组末端元件和硅片之间的缝隙流场。在所述密封构件和硅片的表面之间，气密封技术(例如参见中国专利200310120944.4，美国专利US2007046916)通过施加高压气体在环绕填充流场周边形成气幕，将液体限定在一定流场区域内。液密封技术(例如参见中国专利200410055065.2，美国专利US2007126999)则利用与填充流体不相溶的第三方液体(通常是磁流体或水银等)，环绕填充流场进行密封。

这些密封元件存在一些共有的问题：

(1)由于采用正压供液、负压回收，二者压力不易协调，易造成填充流场压力波动及干扰力产生，并导致液体中的紊流及一些不希望有的且不可预测的效果；

(2)衬底运动过程中，由于流体的易变形性，通过分子内聚力使部分粘附在衬底表面上的流体质点与衬底一起运动，有时会在曝光流场内形成液体再循环。液体再循环将使得曝光过程的液体温升、污染物(如光刻胶内PAG成份)不断累积，流场中的漩涡也会使的液体中含有的微小气泡聚合成大气泡，当辐射光束穿过再循环区域进行投影时就会导致象差，影响曝光成像质量。

(3)衬底高速扫描运动过程，可能引起周围空气卷吸到流场中，形成气泡，导致曝光时过程中光线发生散射，影响成像质量；

除此之外，现有的气密封方式采用气幕施加在填充流体周围，造成流场边缘的不稳定性，在衬底高速步进和扫描过程中，可能导致液体泄漏及密封气体卷吸到流场中；同时，填充液体及密封气体回收时将形成气液两相流，由此引发振动，影响曝光系统稳定工作。液密封方式对密封液体有十分苛刻的要求，在确保密封性能要求的同时，还必须保证密封液体与填充液体不相互溶解、与光刻胶(或Topcoat)及填充液体不相互扩散。在衬底高速运动过程中，外界空气或密封液体一旦被卷入或溶解或扩散到填充液体中，都会对曝光质量产生负面的影响。

发明内容

本发明目的是提供一种用于光刻机浸没控制装置，在衬底和投影装置的末端元件之间填充液体及实施有效密封的同时，避免由于注液与回收压力不协调导致的流场波动、有害干扰力的产生，并减少流场液体回流的几率及强度。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

在投影透镜组和衬底之间设置的浸没控制装置。所述的浸没控制装置：包括密封构件、上端盖、注液管道和回收管道，其中：

1)密封构件：

从中心向外依次开有注液腔、回收腔、注液缓冲腔、回收缓冲腔、流场缓冲腔、1-10组内表面进行亲憎水处理的张力槽和干燥腔；

注液腔和回收腔均为弧度为40-170°的环形圆柱结构互不连通；

注液缓冲腔和回收缓冲腔互不连通，注液缓冲腔和回收缓冲腔的下表面距离密封构件下表面1-20mm，弧度分别与注液腔和回收腔相同的环形圆柱结构，注液缓冲腔和回收缓冲腔外侧面向外分别开有注液通道和回收通道；

流场缓冲腔为连续环形圆柱结构，上方开有垂直衬底的缓冲腔通孔；

1-10组内表面进行亲憎水处理的张力槽，为同心圆的环形结构，过浸没控制装置中心、垂直衬底方向上截面为向外倾斜的三角形；

干燥腔为连续环形圆柱结构，上方开有垂直衬底且连接负压气体的干燥腔通孔，内部填充高吸水性的干燥腔填充物；

2)上端盖：

为环状结构，垂直于衬底方向开有注液排气通道、该孔向下与注液缓冲腔相通；平行于衬底方向，在注液腔一侧，开有环形圆柱状缓冲溢流槽，开槽弧度与注液腔相同，该槽向外与流场缓冲腔相通；

3)注液管道和回收管道：

注液管道插入注液通道，与注液缓冲腔连通；回收管道插入回收通道，与回收缓冲腔连通。

所述的回收腔与回收缓冲腔之间设置环形圆柱状的回收挡板，距离回收缓冲腔下表面1-20mm；注液缓冲腔及回收缓冲腔与流场缓冲腔之间设置环形圆柱状的缓冲腔挡板，缓冲腔挡板顶部比回收腔挡板顶部高1-25mm。

所述的注液腔、回收腔、流场缓冲腔、张力槽和干燥腔由密封构件的下表面向上延伸。

所述的张力槽的向外倾斜的三角形钝角为100-170°。

本发明具有的有益效果是：

(1)液体输送方式采用正压供液、回收端自由流动，回收通道设置在浸没控制装置内接近衬底的位置，可防止注液与回收压力和流量不协调导致的流场波动及干扰力产生，并避免采用浸没控制装置外部液体回收方式导致的边界液体泄漏与飞溅，维持流场的稳定性。

(2)在曝光区域流场外围采用流场缓冲腔设计，衬底步进扫描运动过程中，实时的对曝光区内的流场进行补偿，减少了液体回流发生的几率与强度，控制由此带来的液体温升、污染物累积以及微气泡聚合，并有利于浸没液体的即时更新。

(3)流场缓冲腔可隔离曝光区域流场和外层的密封结构，使衬底步进扫描时从外层的密封结构中卷吸进来的气泡在缓冲腔内释放，避免外部气泡进入曝光区域。在衬底做高速扫描运动时，流场缓冲腔具有补偿浸没液体牵拉变形的功能。

(4)浸没控制装置下表面采用亲憎水表面特性处理与张力槽结构设计相结合，形成较高张力梯度，阻止衬底步进和扫描行程中浸没液体的泄漏。在衬底运动过程中，张力槽的结构可促使密封结构中的液体回流到流场缓冲腔中，有利于流场的密封。

(5)浸没控制装置外围的干燥腔内填充高吸水及亲水性物质，并在上端连接负压气体，将可能存在的残余液滴实时的吸取并蒸发，避免了在衬底上残留水迹。

附图说明

图1是本发明与投影透镜组相装配的简化示意图。

图2是本发明的爆炸剖面视图。

图3是本发明的俯视爆炸图。

图4是本发明的仰视图。

图5是表征本发明液体供给与回收的P-P剖面视图。

图6是图5的流场缓冲腔局部放大图。

图7是本发明流场缓冲腔仰视局部放大图。

图8是本发明的流场密封结构图。

图9是本发明泄漏液滴排除及干燥结构图。

图中：1、投影透镜组，2、浸没控制装置，2A、密封构件，2B、上端盖，2C、注液管道，2D、回收管道，3、衬底，4A、注液缓冲腔，4B、注液排气通道，4C、注液腔，4D、注液通道，5A、回收腔，5B、回收挡板，5C、回收缓冲腔，5D、回收通道，6A、流场缓冲腔，6B、缓冲腔挡板，6C、缓冲腔通孔，6D、缓冲溢流槽，6E、溢流回收槽，7A、张力槽，7B、张力槽憎水面，7C、张力槽亲水面，7D、憎水工作面，8A、干燥腔，8B、干燥腔通孔，8C、干燥腔填充物，8D、填充物排孔，9、缝隙流场，10、液膜，11、液滴，12、装配孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，表示了本发明实施方案的浸没控制装置与投影透镜组的装配，本装置可以在分步重复或者步进扫描式等光刻设备中应用。在曝光过程中，从光源(图中未给出)发出的光(如：ArF或F2准分子激光)通过对准的掩膜版(图中未给出)、投影透镜组1和充满浸没液体的透镜一硅片间缝隙场，对衬底3表面的光刻胶进行曝光。

如图2、图3、图4，表示了本发明实施方案的浸没控制装置，包括密封构件2A、上端盖2B、注液管道2C和回收管道2D，其中：

1)密封构件2A：

从中心向外依次开有注液腔4C、回收腔5A、注液缓冲腔4A、回收缓冲腔5C、流场缓冲腔6A、1-10组内表面进行亲憎水处理的张力槽7A和干燥腔8A；

注液腔4C和回收腔5A均为弧度为40-170°的环形圆柱结构互不连通；

注液缓冲腔4A和回收缓冲腔5C互不连通，注液缓冲腔4A和回收缓冲腔5C的下表面距离密封构件2A下表面1-20mm，弧度分别与注液腔4C和回收腔5A相同的环形圆柱结构，注液缓冲腔4A和回收缓冲腔5C外侧面向外分别开有注液通道4D和回收通道5D；

流场缓冲腔6A为连续环形圆柱结构，上方开有垂直衬底3的缓冲腔通孔6C；

1-10组内表面进行亲憎水处理的张力槽7A，为同心圆的环形结构，过浸没控制装置2中心、垂直衬底3方向上截面为向外倾斜的三角形；

干燥腔8A为连续环形圆柱结构，上方开有垂直衬底3且连接负压气体的干燥腔通孔8B，内部填充高吸水性的干燥腔填充物8C；

2)上端盖2B：

为环状结构，垂直于衬底3方向开有注液排气通道4B、该孔向下与注液缓冲腔4A相通；平行于衬底3方向，在注液腔4C一侧，开有环形圆柱状缓冲溢流槽6D，开槽弧度与注液腔4C相同，该槽向外与流场缓冲腔6A相通；通过装配孔12与密封构件2A相连接；

3)注液管道2C和回收管道2D：

注液管道2C插入注液通道4D，与注液缓冲腔4A连通；回收管道2D插入回收通道5D，与回收缓冲腔5C连通。

所述的回收腔5A与回收缓冲腔5C之间设置环形圆柱状的回收挡板5B，距离回收缓冲腔5C下表面1-20mm；注液缓冲腔4A及回收缓冲腔5C与流场缓冲腔6A之间设置环形圆柱状的缓冲腔挡板6B，缓冲腔挡板6B顶部比回收腔挡板5B顶部高1-25mm。

所述的注液腔4C、回收腔5A、流场缓冲腔6A、张力槽7A和干燥腔8A由密封构件2A的下表面向上延伸。

所述的张力槽7A的向外倾斜的三角形钝角为100-170°。

本发明实施方案的浸没控制装置2按其功能由四个部分组成：

浸没供给与回收结构4A-4D、5A-5D，其构造成在衬底3和投影装置的末端元件之间填充及回收液体；

流场缓冲结构6A-6E，其构造成隔离缝隙流场9和密封结构，对缝隙流场9进行补偿，并排走外界可能卷吸进来的气体；

密封结构7A-7D，其构造成在衬底3和投影装置的末端元件之间的液体实施密封，避免泄漏，并促使流进张力槽7A的液体回流到流场缓冲腔6A内；

干燥结构8A-8D，其构造为在浸没控制装置外围将可能泄漏出来的液滴实时吸取，并干燥衬底3表面。

如图5所示，表示了本发明液体供给及回收原理图。液体输送方式采用正压供液、回收端自由流动。流场初始化中，液体在一定压力下由注液管道2C进入注液缓冲腔4A，并从注液腔4C出口同时进入缝隙流场9及流场缓冲腔6A，在注液缓冲腔4A上方设置有注液排气通道4B，用于排除注液管路中的气体。随着流场缓冲腔6A的液位不断上升，流场缓冲腔6A内的液体对缝隙流场9的背压不断增大，并最终达到一个平衡点，此时从注液腔4C出口注入的液体不再进入流场缓冲腔6A，而是全部漫过回收挡板5B，流入回收缓冲腔5C，最终自由流出回收管道2D实现回收。

如图6、图7所示，表示了本发明流场缓冲腔侧视及仰视原理图。当衬底3运动的时候，由于流体的易变形性，通过分子内聚力使部分粘附在衬底3表面上的流体质点与衬底3一起运动，缝隙流场9内远离衬底3的液体进入回收腔5A，靠近衬底3的液体则由于衬底3牵拉作用而进入流场缓冲腔6A。液体的进入提升了流场缓冲腔6A的液位，当液位高于缓冲腔挡板6B时，流场缓冲腔6A内的液体，处在注液腔一侧的先进入缓冲溢流槽6D，并经有溢流回收槽6E流入回收缓冲腔5C实现回收，处在回收缓冲腔5C一侧的液体则直接漫过缓冲腔挡板6B进入回收缓冲腔5C实现回收。同时，部分衬底3牵拉进流场缓冲腔6A的液体将沿着流场缓冲腔6A外壁向注液腔4C方向流动，从而实现了对注液腔4C出口处液体的动态补偿。如果缺乏流场缓冲腔6A结构，衬底3牵拉出的液体不仅会直接冲击密封构件2A，影响密封的有效性；而且，衬底牵拉出的液体由于运动受到密封构件2A的阻碍，将可能在缝隙流场9底部形成回流，由此导致一系列问题。流场缓冲腔6A将衬底运动牵拉出的动态液体导引到注液腔4C出口及回收缓冲腔5C，在控制缝隙流场9回流的发生几率与强度同时，增强了密封结构的有效性。流场缓冲腔6A上方开有缓冲腔通孔6C，当外界气体卷吸进流场缓冲腔6A时，将由缓冲腔通孔6C及时排走。

如图8(a)、(b)所示，表示了本发明的流场密封结构。本发明的密封结构采用张力槽结构设计和表面亲憎水相结合的方式，张力槽7A的结构有利于液体回流到流场内部。张力槽7A截面结构为三角形，三角形向浸没控制装置外部倾斜，图中的虚线表示张力槽亲水性面7C，实线表示憎水性工作面7D。当液体运动贴近至张力槽亲水面7C的时候，由于液体倾向于浸润亲水性的张力槽亲水面7C，因而将沿着斜边向上流动，并在上方受到阻碍形成内部回流，从而阻碍液体的进一步向外渗出。同时，当液体流经张力槽亲水性面7C与憎水性工作面7D交点的时候，由于液体在亲憎水交界处形成张力梯度突变，液体运动受到强烈阻碍；而缝隙流场中间部分液体仍有向外运动趋势，液膜10的弯曲程度越来越大，由于表面张力有使液体表面收缩到最小的趋势，此时起到了类似弹性膜的作用，迫使边界液面往回流。在本实施中，可以通过一些辅助设计来增强密封的可靠性，比如：采用多组张力槽设计，由于每个张力槽对外泄的液体具有阻挡作用，液体流经每一组张力槽时，都具有较高的压力损失，因而能较为有效的降低液体流速，确保密封的有效性。

如图9所示，表示了本发明泄漏液滴排除及干燥结构。浸没单位外围设置干燥腔8A，干燥腔8A上方开至少一个干燥腔通孔8B，连通负压，干燥腔外边侧下表面相比于内侧下表面高1-10mm。干燥腔8A内填充高吸水的干燥腔填充物8C(如亲水性多孔介质、海绵等)，干燥腔填充物8C的上表面中心位置往下表面外侧分布大量填充物排孔8D(比如孔径0.5-1.5mm)。由于干燥腔通孔8B处连通负压，外界气体将在干燥腔8A下方外边缘处将形成一气幕，迫使可能溢出的液滴11进入到干燥腔8A内部，并伴随流动气体而较快蒸发。

Claims (2)

1.一种用于光刻机浸没控制装置，在投影透镜组(1)和衬底(3)之间设置的浸没控制装置(2)；其特征在于所述的浸没控制装置(2)：包括密封构件(2A)、上端盖(2B)、注液管道(2C)和回收管道(2D)，其中：

1)密封构件(2A)：

从中心向外依次开有注液腔(4C)、回收腔(5A)、注液缓冲腔(4A)、回收缓冲腔(5C)、流场缓冲腔(6A)、1-10组内表面进行亲憎水处理的张力槽(7A)和干燥腔(8A)；

注液腔(4C)和回收腔(5A)均为弧度为40-170°的环形圆柱结构互不连通；

注液缓冲腔(4A)和回收缓冲腔(5C)互不连通，注液缓冲腔(4A)和回收缓冲腔(5C)的下表面距离密封构件(2A)下表面1-20mm，弧度分别与注液腔(4C)和回收腔(5A)相同的环形圆柱结构，注液缓冲腔(4A)和回收缓冲腔(5C)外侧面向外分别开有注液通道(4D)和回收通道(5D)；

流场缓冲腔(6A)为连续环形圆柱结构，上方开有垂直衬底(3)的缓冲腔通孔(6C)；回收腔(5A)与回收缓冲腔(5C)之间设置环形圆柱状的回收挡板(5B)，距离回收缓冲腔(5C)下表面1-20mm；注液缓冲腔(4A)及回收缓冲腔(5C)与流场缓冲腔(6A)之间设置环形圆柱状的缓冲腔挡板(6B)，缓冲腔挡板(6B)顶部比回收挡板(5B)顶部高1-25mm；

1-10组位于浸没控制装置下表面的张力槽(7A)，为同心圆的环形结构，过浸没控制装置(2)中心、垂直衬底(3)方向上截面为向外倾斜的三角形缺口，三角形缺口中的靠近环形结构中心的表面(7B)是憎水性的，三角形缺口中的远离环形结构中心的表面(7C)是亲水性的，以及该张力槽的连接相邻三角形缺口的下表面(7D)是憎水性的；

干燥腔(8A)为连续环形圆柱结构，上方开有垂直衬底(3)且连接负压气体的干燥腔通孔(8B)，内部填充高吸水性的干燥腔填充物(8C)；

2)上端盖(2B)：

为环状结构，垂直于衬底(3)方向开有注液排气通道(4B)、该孔向下与注液缓冲腔(4A)相通；平行于衬底(3)方向，在注液腔(4C)一侧，开有环形圆柱状缓冲溢流槽(6D)，开槽弧度与注液腔(4C)相同，该槽向外与流场缓冲腔(6A)相通；缓冲溢流槽(6D)和回收缓冲腔(5C)通过溢流回收槽(6E)连通；

当浸液的液位高于缓冲腔挡板(6B)时，在注液腔一侧，流场缓冲腔(6A)内的液体先进入缓冲溢流槽(6D)，并经有溢流回收槽(6E)流入回收缓冲腔(5C)实现回收；

3)注液管道(2C)和回收管道(2D)：

注液管道(2C)插入注液通道(4D)，与注液缓冲腔(4A)连通；回收管道(2D)插入回收通道(5D)，与回收缓冲腔(5C)连通；

所述的注液腔(4C)、回收腔(5A)、流场缓冲腔(6A)、张力槽(7A)和干燥腔(8A)由密封构件(2A)的下表面向上延伸。

2.根据权利要求1所述的一种用于光刻机浸没控制装置，其特征在于：所述的张力槽(7A)的向外倾斜的三角形缺口的钝角为100-170°。

Images