CN101443276A - 一种生产超高纯水的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及生产超高纯水，具体是用于浸没式光刻加工的超纯水的系统和方法。本发明一实施方式中，提供了可以持续提供超纯水以供应浸没式光刻设备的独立完整的使用点水箱(point－of－use cabinet)。本发明也涉及能为浸没式光刻设备提供具有预定折射率的材料的系统和方法。

Description

一种生产超高纯水的方法和装置

技术领域

本发明涉及生产超高纯水的方法和装置。具体说，本发明涉及用于浸没式光刻加工的超纯水的生产。此外，本发明还涉及可以持续提供超纯水以供应浸没式光刻设备的独立完整的使用点水箱(point-of-use cabinet)内的超纯水的生产。本发明也涉及能为浸没式光刻设备提供具有预定折射率的材料的系统和方法。

发明背景

半导体设备因包括越来越多的组件而变得越来越复杂。导致这种复杂性增加的一个明显因素是光刻技术的进步，使人们能够印刷更小的特征结构。数年来，作为半导体设备的主要生产技术的光刻技术已经遇到许多物理障碍。实际上，自20世纪80年代中期以来，人们曾经预计，作为可行的生产技术，光刻技术的终结指日可待。然而，每当光刻技术接近极限时，就会出现新的技术，使该技术的使用寿命得以延长。现在，利用浸没式光刻技术甚至能够进一步显著延长光刻技术的有效性。

光刻技术需要用到光束，使其透过掩膜，并使涂覆在半导体晶片上的光敏材料曝光，从而产生具体所需的层，例如晶体管触点。曝光和产生整个IC层后，除去(如冲洗掉)光敏材料的当前可溶部分；留下IC层的负像。然后可以进行进一步加工，如离子注入或淀积，然后除去剩下的光致抗蚀层。如上所述，光学系统的限制已经接近使用极限很多年了。具体说，光刻系统具有分辨极限；即可以实现由以下瑞利等式确定的最小特征尺寸：

W＝k1λ/NA

其中，k1是分辨率，λ是曝光辐射的波长，NA是数值孔径。线宽收缩时，曝光波长也收缩。

例如，半导体设备的技术发展水平从1980以来即具有1.2μm或更大的线宽，采用汞灯的G线输出(λ＝436nm)可以获得。而产生0.8μm线宽则需要引入汞灯的I线输出(λ＝365nm)。当线宽缩小到350nm时，可以采用氟化氪(KrF)受激准分子激光器(λ＝248nm)的曝光辐射源，可以通过产生130nm线宽来持续利用。更普遍地，90nm线宽则需要引入氟化氩(ArF)受激准分子激光器(λ＝193nm)。甚至可以用氟(F2)受激准分子激光器(λ＝157nm)产生更小的线宽，但仍有许多技术上的挑战留待攻克。例如，由于小于193nm的波长会被透镜材料吸收，通常是被溶凝硅石吸收，因而需要将光学曝光系统变为全反射光学系统。全反射透镜曝光系统代表着新设备的显著成本以及新技术问题有待解决。

尽管曝光波长减小了，透镜设计改良能增加曝光系统透镜的NA。例如，20世纪80年代中期，NA值通常约为0.4，而最近则可以获得大于0.8的NA值。当利用空气作为透镜和晶片之间的介质时，NA的物理极限是1，而实际极限接近0.9。

瑞利等式中的第三个要素k1是多个变量的复合因子，包括光刻胶品质、离轴照明、分辨增强和光学近似修正。虽然有人认为k1因子的实际下限约为0.25，但随着系统的改进，它还是不断下降。

利用上述限制，可以采用以下瑞利等式来计算193nm曝光系统的分辨率极限：

W＝(0.25 x 193)/0.9＝54nm

因此，高度优化的ArF曝光系统可能足以产生65nm的线宽，但不能产生预测的45nm线宽。与157nm和更短波长的曝光系统有关的技术挑战使得非常需要扩展利用193nm曝光系统。

能够延长193nm系统使用寿命的潜在方法是采用浸没式光刻。浸没式光刻在投影透镜和晶片之间加入薄层介质，例如水，以便印上更窄的线条。具体来讲，可以通过采用除空气以外的介质来增加瑞利等式中的NA。如上所述，当用空气作为透镜和晶片间的介质时，NA的物理极限是1。这是因为NA由以下等式确定：

NA＝nsinα＝d/(2/f)

其中，n是透镜周围介质的折射率，α是透镜的受光角。任何角度的正弦值总是≤1，而空气的n＝1，因此，空气基系统的物理极限是1。然而，通过采用折射率大于1的介质，就有可能增加NA。然而，除了更高的折射率外，该介质还必须在193nm处具有低光学吸收性，能与光刻胶和透镜材料兼容，并且是均质的和无污染的。超纯水满足所有这些要求；其折射率n≈1.47，在高达6mm的工作距离时其吸收率<5％，能与光刻胶和透镜兼容，且具有均质和无污染的性质。通过使用超纯水和假设sinα为0.9，然后可以根据以下瑞利等式计算193nm浸没式光刻的分辨率极限：

W＝k1λ/nsinα＝(0.25 x 193)/(1.47 x.9)＝37nm

因此，用超纯水作为透镜和晶片间的介质能够扩展193nm系统。由于水的折射率与溶凝硅石透镜材料的折射率非常接近，因而它从透镜进入水中比它进入空气基系统所产生的光线偏折小，因此还能获得其它优点。这使得可能通过构造能够收集更多光线的更大透镜来增加NA。

然而，为了使该项技术有效，水介质必须是超纯水且必须满足许多要求，如，基本上没有污染，没有颗粒杂质或溶解气体、气泡，温度和厚度均匀。

本领域仍然需要改进提供超纯水的技术，具体用于浸没式光刻来形成完整电路。

发明概述

本发明提供了供应超纯水以满足用于浸没式光刻的需求的设备和方法。

此外，本发明还涉及供应超纯水的系统，其包括流控制，其中超纯水满足浸没式光刻的需求。

此外，本发明还涉及能供应超纯水且可容纳于单个空箱中以便递送到浸没式光刻设备的系统。

附图简要说明

图1是本发明装置的一实施方式的示意图。

图2是本发明一实施方式的示意图，其中，通过光刻设备支持箱将超纯水提供给浸没式光刻设备。

图3是本发明一实施方式的示意图，其中，超纯水被直接供应到浸没式光刻设备。

图4是本发明一实施方式的示意图，其中，超纯水与其它流体相结合。

图5是本发明另一实施方式的示意图，其中，超纯水与其它流体相结合。

发明详述

有许多方法可以纯化水，包括过滤、反渗透、去离子、脱气和曝光于紫外线下。这些加工工艺中的每种能解决不同的纯化需要。例如，采用过滤除去颗粒物(particulate mater)和杂质。可以用不同的过滤器来过滤不同粒度的颗粒和杂质，并且可用于多步纯化工艺中，以确保完全除去颗粒和杂质。

扩散是分子从较高浓度区段向较低浓度区段的运动。渗透包括水通过半透膜从较低浓度向较高浓度扩散的过程。膜能让水通过却阻挡离子和大分子通过，如细菌、热原和无机固体，直到膜两边获得相等浓度。反渗透用压力驱动水抵抗天然渗透流向，即从较高浓度向较低浓度。换句话说，可通过施加压力和推动水穿透能阻断离子和大分子通过的膜而将反渗透用于纯化水。利用反渗透的一个例子是淡化海水。然而，反渗透无法排除大部分溶解气体。有许多因素会影响反渗透作用，包括给水参数、压力、pH、LSI(朗格利尔(Langlier)饱和指数)、膜参数、温度、SDI(淤泥密度指数)和浊度。

利用去离子作用，让水通过离子交换树脂床或柱来纯化阳离子(正电荷如钠(Na+)、钙(Ca++)和镁(Mg++))和阴离子(负电荷如氯(Cl-)、硫酸根(SO4-)和碳酸氢根(HCO3-))。阳离子树脂包含用来交换正电荷离子的氢(H+)，而阴离子树脂包含用来交换负电荷离子的氢氧根(OH-)。然后所释放的氢和氢氧根结合形成水分子。可以在独立的床内进行去离子，此时反应是独立的，且通常是不完全的，或者在混合床内进行，此时反应同时发生，得到的水实质上不含离子。去离子作用能够很好地除去溶解的固体和气体离子。

采用脱气技术来除去水中的气体。采用膜接触器，如微孔中空纤维膜使液相和气相直接接触。这些膜是疏水性的，因而水不会流出各孔。操作时，水会流到膜外侧，而气体会流到中空纤维内侧，然后可以被除去。脱气能很好地除去气体，例如氧气和二氧化碳。

还可以通过曝光于紫外线下来纯化水。这种曝光会产生臭氧，它是高效的氧化剂。臭氧可用于消灭藻类、病毒和细菌，产生无害的副产品。此外，臭氧还能分解其它化学物质，作为絮状物来悬浮溶解的固体，以便经过滤轻易地将它们除去。臭氧的另一优点是它能氧化氯和溴的组合，将它们从水中除去。

可用作浸没式光刻介质的水必须是超纯的，还必须可以容易地供应到光刻设备。具体来讲，超纯水必须在非常严格的容许规格内，以便达到浸没式光刻系统所需的性能水平。例如，超纯水应该具有恒定的折射率，粒子浓度小于0.1um。此外，超纯水应该不含气泡，具有热稳定性(ΔT～0.05K)。可以由工艺操作者确定具体的浸没式光刻加工所需的具体参数。本发明的系统和方法能够提供满足上述任何参数的超纯水。

本发明能稳定持续地将超纯水供应到浸没式光刻设备，由此帮助保证持续可重复的光刻过程。本发明提供了按浸没式光刻所需的水平提供水的设备和方法，还提供了可以容纳全部必需纯化单元的单箱。具体说，本发明包括多个纯化单元的组合，其中每个纯化单元均提供了满足浸没式光刻所需的超纯度的不同纯化功能。

例如，本发明一实施方式如图1所示，其中单箱100中容纳了许多不同的纯化单元。如图1所示为预滤器101、反渗透单元102、去离子抛光器103、紫外线单元104、第二过滤器105、脱气装置106和超滤器107。其它元素包括储存容器110和泵120。在图1所示的实施方式中，将可由当地供水系统提供的原始水引入箱100，首先由过滤器101过滤。然后通过反渗透单元102处理预过滤水，除去一些离子和大分子，然后运送到浸没式光刻设备所需的储存容器110。如果需要，可以将储存容器110中的水泵送到去离子抛光器103，以除去溶解的固体和气体离子。然后该去离子水经紫外线单元104处理，以除去其它杂质，且可以由第二过滤器105除去悬浮溶解的固体。然后由脱气装置106对经加工的水进行脱气，最后用超滤器107过滤后流出箱100，作为超纯水准备好用于浸没式光刻设备。如果需要，如在预定时间段后，如果浸没式光刻设备不需要时，反渗透单元102和储存容器110还能将水从箱100排到合适的排水沟。

如图1所示的实施方式只是示出的纯化单元的一种配置，还可以采用其它配置。例如，预滤器或反渗透器可以安装在箱100的外部，经原始加工的水可以储存在远离箱100的容器内，直到浸没式光刻设备需要。

图2和3显示了本发明的不同配置。具体说，在图2所示的实施方式中，超纯水离开箱100后首先递送经过光刻支持箱200，再被引入浸没式光刻设备300。如图3所示的实施方式将超纯水从箱100直接引入浸没式光刻设备300。设备中还可以包括其它操作控制元件，例如，压力和温度控制设备、流体流速控制设备、阀(手动、切断、气动)、混合器或搅拌器、流量限制器、止逆阀、流量计和pH探测器。

在本发明另一方面，可以往超纯水中加入掺杂剂来进一步改变折射率和提供具体的线宽性能。为了产生效果，水仍然必须满足上述要求，此外，还要提供流量控制设备和混合工具来满足浸没式光刻的需求，并维持持续介质以获得持续可重复的光刻结果。

具体说，本发明提供了为浸没式光刻加工供应水和一种或多种掺杂剂的装置和方法。该系统包括针对超纯水和针对每种掺入的掺杂剂的流量控制器。流量控制器可以是能够测量和控制每种掺入流体的具体体积的任何设备或系统。此外，本发明的装置和方法具有混合能力，保证能够在递送到浸没式光刻设备前充分和适当地混合流体。

可以选择当与超纯水结合后能满足折射率的掺杂剂。掺杂剂必须能够与超纯水兼容和混合，还必须满足如上所述用于浸没式光刻中的任何介质的要求，即193nm处光学吸收低，能与光刻胶和透镜材料兼容，均质和无杂质。

图4显示了本发明的一实施方式，其中将多种流体，包括超纯水提供到浸没式光刻设备300。具体说，图4包括针对每种待掺入流体，如超纯水和其它流体如掺杂剂的流量控制器400。掺杂剂在进入它们各自的流量控制器400前可以先经纯化。流量控制器400能测量和控制所掺入的每种流体的具体体积，使它们满足浸没式光刻设备对所需掺入流体的要求。

图5显示了本发明的另一实施方式，其中包括混合设备500，它能混合从流量控制器400流出的流体，然后将它们递送到浸没式光刻设备300。

通过采用本发明的装置和方法，可以持续产生满足浸没式光刻需求的超纯水。此外，通过在单箱，如使用点水箱内提供所有的纯化单元，可以更便利和以更经济地方式提供超纯水。

可以预期，技术人员根据上面的描述和实施例可以容易地知道本发明的其它实施方式和变型，请理解这类实施方式和变型同样包括在如附加权利要求书所提出的本发明范围内。

Claims (22)

1.一种为浸没式光刻设备提供超纯水的系统，所述系统包括：

与供水系统流体相通的预滤器；

与预滤器流体相通的反渗透单元；

与反渗透单元流体相通的去离子单元；

与去离子单元流体相通的紫外线单元；

与紫外线单元流体相通的过滤器；

与过滤器流体相通的脱气装置；和

与脱气装置流体相通的超滤器；

其中超纯水从超滤器排出系统，可用于浸没式光刻设备。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统容纳于单箱中。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述箱是使用点水箱。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：

与反渗透单元流体相通的储存容器；和

与储存容器和去离子单元流体相通的泵。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述系统容纳于单箱中。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述箱是使用点水箱。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述去离子单元、紫外线单元、过滤器、脱气装置和超滤器均容纳于单箱中。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述箱是使用点水箱。

9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述反渗透单元和超滤器与系统排水沟流体相通。

10.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述储存容器与系统排水沟流体相通。

11.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括将掺杂剂加入超纯水的工具。

12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述工具包括流量控制器。

13.如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述工具还包括混合工具。

14.一种用于浸没式光刻过程的超纯水的制备方法，所述方法包括：

经预过滤处理供应的水以获得预过滤水；

经反渗透处理预过滤水以除去离子和大分子；

经紫外线处理来自反渗透加工的水以除去杂质和悬浮固体；

经过滤处理来自紫外线加工的水以获得过滤水；

经脱气处理过滤水来获得脱气的水；

经超滤处理来自脱气加工的水获得超纯水。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括：

储存来自反渗透加工的水，直到浸没式光刻加工需要使用。

16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括：

将掺杂剂加入超纯水。

17.一种为浸没式光刻设备提供具有具体预定折射率的介质的系统，所述系统包括：

超纯水源；

至少一种掺杂剂材料源；和

将超纯水和至少一种掺杂剂材料混合以获得介质的工具。

18.如权利要求17所述的系统，其特征在于，所述混合工具包括针对超纯水和所述至少一种掺杂剂材料中每种材料的独立流量控制器。

19.如权利要求18所述的系统，其特征在于，所述工具还包括混合工具。

20.一种为浸没式光刻设备提供具有具体预定折射率的介质的方法，所述方法包括：

提供精确量的超纯水；和

将精确量的至少一种掺杂剂材料加入超纯水以获得介质。

21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，采用针对超纯水和所述至少一种掺杂剂材料中每种材料的独立流量控制器进行所述加入操作。

22.如权利要求20所述的系统，其特征在于，还包括：

将超纯水和至少一种掺杂剂材料进行混合。

Images