CN102880016A - 用于浸没式光刻机的阶梯式自适应气体密封装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于浸没式光刻机的阶梯式自适应气体密封装置。该气体密封装置是在投影透镜组和衬底之间的装置，由上构件、下构件和旋转构件组成。在光刻扫描过程中，伴随衬底高速运动对浸没液体的牵拉作用，浸没流场的边界形态会发生迅速变化。该装置内部采用多层阶梯式气密封结构，从中心向外部气密封压力逐渐升高，并且根据衬底的运动方向及速度大小实时调整各层气体的密封压力大小，从而抑制外围气密封压力不足导致浸没液体的泄漏，及内部气密封压力过大导致的气泡卷吸，实现液体的自适应气体密封。同时，在该装置外部采用旋转气流辅助密封，进一步提高了气体密封的可靠性与稳定性。

Description

用于浸没式光刻机的阶梯式自适应气体密封装置

技术领域

本发明涉及一种用浸没式光刻机的密封装置，特别是涉及一种用于浸没式光刻机的阶梯式自适应气体密封装置。

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曝光到涂过光刻胶的衬底（如：硅片）上。它包括一个紫外光源、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（Immersion Lithography）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。

通常采用的方案将液体限制在衬底上方和投影装置的末端元件之间的局部区域内。如果缺乏有限密封，该方案将导致填充流场边界液体的泄漏，泄漏的液体在光刻胶或Topcoat表面干燥后将形成水迹，严重影响曝光成像质量。目前该方案的密封结构，一般采用气密封构件环绕投影透镜组末端元件和衬底之间的缝隙流场。在密封构件和衬底的表面之间，气密封技术（例如参见中国专利ZL200310120944.4和美国专利US2007046916）通过施加高压气体在环绕填充流场周边形成气幕，将液体限制在一定流场区域内。

但上述密封元件存在一些不足：

（1）衬底高速运动状态中，由于分子附着力的作用，靠近衬底的液体将随衬底发生牵拉运动，并由此导致流场边界形态发生变化。这种变化在不同边界位置均不一样，主要表现在动态接触角大小的变化。即：与衬底运动方向相同的前进接触角将变大，而与衬底运动方向相反的后退接触角将变小。前进接触角变大，使得外界气体更易被卷吸到流场中形成气泡，从而影响流场的均一性和曝光成像质量；后退接触角变小，使得边界液体更容易牵拉到流场外围导致液体泄漏，并由此形成一系列缺陷（如：水迹）。

（2）通常采用的均压气密封方式无法对流场边界进行自适应补偿，这是因为较小的气密封压力将使得在后退接触角处位置变得更加容易泄漏，而较大的气密封压力将增加在前进接触角处得液体气泡卷吸的可能性，最佳的密封气体压力分布伴随着流场边界的高速动态变化而瞬时改变。然而，也有一些密封专利（例如参加中国专利ZL200810164176.5和ZL200910096971.X）采用非均压气密封或采用旋转的方式进行缝隙流场的自适应密封，虽然提高了密封的效果，但仍存在一些不足：衬底高速复杂运动过程中，缝隙流场处于紊流状态。由此带来了压力和流动的不稳定，不及时有效地释放带来的压力波动，将不断叠加会给装置带来振动问题，进而影响到曝光质量；此外这些方法未充分考虑衬底极端恶劣工况下（如瞬时高加速度和急停工况）所带来的严重后果（如液滴泄漏）的辅助补救措施。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于浸没式光刻机的阶梯式自适应气体密封装置，根据流场边界的形态变化，实时调整不同气密封通道中密封气体的压力，从而获得高度稳定的边界流场，以提升曝光的质量。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明包括在投影透镜组、密封装置和衬底，密封装置设置在投影透镜组和衬底之间。所述的密封装置为阶梯式自适应气体密封装置，包括下构件、上构件和旋转构件；其中：

1）下构件：下构件为环状柱体，圆周方向等距开有10~18个扇形多层的气密封通道，并且每个气密封通道为5~8层；气密封通道下部开有倾斜气密封腔；在气密封通道外围设有等距分布的回气通道，回气通道的下部设有回气腔，回气腔内填充吸水性多孔介质；在下构件圆周外壁开有环状的旋转凹槽；

2）上构件：上构件为环状柱体，下表面圆周方向开有与下构件环状柱体的扇形多层的气密封通道相应个数的扇形的气流缓冲腔，对应紧贴与下构件2A环状柱体的扇形多层的气密封通道，每个气流缓冲腔的上方均开有与气流缓冲腔连通的注气通道；注气通道位于最外层的气密封通道之外；

3）旋转构件：旋转构件为环状柱体，贯穿上下表面等距开有8~10个倾斜旋转气流通道；在中心圆周内壁设有环状的旋转凸台，旋转凸台与下构件环状柱体的环状的旋转凹槽镶嵌配合。

所述的扇形多层的气密封通道，从中心向外部方向，每层气密封通道的宽度逐渐增大，递增宽度在0.5~1mm。

所述的倾斜气密封腔，从中心向外倾斜角度β为20~40度。

所述的倾斜旋转气流通道从上表面外部向下表面中心呈倾斜分布，倾斜角度与衬底夹角γ为60~80度，并且上表面气孔与下表面的气孔在圆周方向上下两气孔圆心角度θ为20~40度。

本发明具有的有益效果：

（1）根据流场边界的形态变化，自动调节不同气密封通道中的密封气体压力，从而确保流场的高度稳定性；为进一步提高衬底运动速度和生产效率创造了有利条件。

（2）衬底高速运动不同状态下，可避免前进接触角处因密封气体流量过大导致边缘流场气泡卷吸，以及后退接触角处因密封气体压力不足引起液体泄漏，有效控制了浸没式光刻中两大缺陷。

（3）在外围设置的旋转气体密封辅助手段，有效控制在恶劣工况下（如瞬时高加速度和急停工况）的液滴泄漏问题，进一步提高气体密封与流场的稳定性与可靠性。

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是本发明旋转构件的结构图。

图4是本发明工作表面的仰视图。

图5是本发明图2的P-P剖视图。

图6是表征衬底静止状态下工作原理图。

图7是表征衬底由中心向外部运动时密封原理图。

图8是表征衬底由外部向中心运动时密封原理图。

图9是表征旋转气密封的辅助密封原理图。

图中：1、投影透镜组，2、阶梯式自适应气体密封装置，2A、下构件，2B、上构件，2C、旋转构件，3、衬底，4A、气密封通道，4B、注气通道，4C、倾斜旋转气流通道，5A、倾斜气密封腔，5B、气流缓冲腔， 5C、旋转凸台，6A、回气通道，7A、回气腔，8A、旋转凹槽，9、吸水性多孔介质，10、浸没流场，11、密封通道气体压力场。

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、图2、图3、图4、图5所示，本发明包括在投影透镜组1、密封装置和衬底3，密封装置设置在投影透镜组1和衬底3之间。所述的密封装置为阶梯式自适应气体密封装置2，包括下构件2A、上构件2B和旋转构件2C；其中：

1）下构件2A：下构件2A为环状柱体，圆周方向等距开有10~18个扇形多层的气密封通道4A，并且每个气密封通道为5~8层；气密封通道下部开有从内至外扩大的倾斜气密封腔5A；在气密封通道外围设有等距分布的回气通道6A，回气通道6A的下部设有回气腔7A，回气腔7A内填充吸水性多孔介质9；在下构件2A圆周外壁开有环状的旋转凹槽8A；

2）上构件2B：上构件2B为环状柱体，下表面圆周方向开有与下构件2A环状柱体的扇形多层的气密封通道4A相应个数的扇形的气流缓冲腔5B，对应紧贴与下构件2A环状柱体的扇形多层的气密封通道4A，每个气流缓冲腔5B的外侧上方均开有与气流缓冲腔5B连通的注气通道4B，注气通道4B位于最外层的气密封通道4A之外；

3）旋转构件2C：旋转构件2C为环状柱体，贯穿上下表面等距开有8~10个倾斜旋转气流通道4C；在中心圆周内壁设有环状的旋转凸台5C，旋转凸台5C与下构件2A环状柱体的环状的旋转凹槽8A镶嵌配合。

所述的扇形多层的气密封通道4A，从中心向外部方向，每层气密封通道的宽度逐渐增大，递增宽度在0.5~1mm。

所述的倾斜气密封腔5A，从中心向外倾斜角度β为20~40度。

所述的倾斜旋转气流通道4C从上表面外部向下表面中心呈倾斜分布，倾斜角度与衬底夹角γ为60~80度，并且上表面气孔与下表面的气孔在圆周方向上下两气孔圆心角度θ为20~40度。

如图1所示，示意性表示了本发明实施方案的阶梯式自适应气体密封装置2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—衬底3间缝隙流场，对衬底3表面的光刻胶进行曝光。

本发明的工作原理如下：

密封气体进入注气通道4B后，流经气流缓冲腔5B，然后流经多层气密封通道4A，最后作用在浸没流场10的弯液面上。由于气体流经通道的压力损失随着通道宽度的减小而增大，所以从中心向外部各层气密封通道内的气体压力不断升高，呈阶梯式分布；并且在最外部气体流经倾斜旋转气流通道4C，在气流的后推力冲击下，旋转构件开始旋转从而产生从外部向中心分布的旋转气幕。当缝隙流场边界随着运动而发生变化，改变多层气密封通道的气体流量，进而实时相应改变各层气密封通道内的压力；结合外部的旋转气幕，最终达到稳定的气体密封的状态，确保密封的可靠性与稳定性。

图6所示，在衬底3静止状态时，作用在浸没流场10边界的密封气体均匀且密封通道压力场11稳定。由于气体流经通道的压力损失随着通道宽度的减小而增大，所以从中心向外部气密封通道内的气体压力不断升高。在浸没流场10边界的弯液面处，来自由气体密封通道4A的气体压力，与由浸没单元注液装置注液压力传递而来的浸没流场10的压力结合液体自身的表面张力共同达到平衡。

图7所示，在衬底3由中心向外部高速运动时，由于液体的分子附着力的作用，表面张力、气密封压力与浸没流场10压力的平衡被破坏。衬底3的牵拉作用浸没流场10向外运动，处于紊流状态下的浸没流场10获得较高动能与压力波动向外围运动，由于从内至外扩大的倾斜气密封腔5A的作用，较高动能与压力波动得以及时有效释放。由于各层气密封通道4A宽度从中心向外呈递增，气体流经通道的压力损失随着通道宽度的减小而增大，所以从中心向外部气密封通道内的气体压力不断升高。再之每突破一层气密封通道4A时，在总注入气体流量不变的情况下，使得外部未封堵的气密封通道4A内气体流量增大，气体密封压力进一步升高，密封通道的气体压力场11阶梯式分布正如图7所示，密封效果进一步提高。伴随着不同的衬底的牵拉速度和注液压力，密封气体的流量与压力自适应变化，并且在旋转构件2C中的旋转气幕的共同作用下，控制液体因受到衬底3牵拉作用导致的泄漏，确保了浸没流场10的稳定性。

图8所示，在衬底3由外部向中心运动，浸没流场10边界的动态接触角迅速增大。如果中心位置处保持较高的气密封压力，将极易导致气泡的卷吸的发生，从而影响浸没流场10的均一性，造成曝光成像缺陷。浸没流场10液体受到衬底3的牵拉运动，浸没流场10获得一定动能向中心运动，每释放一层气密封通道4A时，在总注入气体流量不变的情况下，使得外部的气密封通道4A内气体流量减少，内部流场边缘处气体密封压力将相对降低，此时密封通道的气体压力场11阶梯式分布正如图8所示，保证密封效果的同时又避免了气泡的卷吸。最终形成在浸没流场10的密封气体的压力自适应降低，抑制了气密封压力过大对浸没流场10形成冲击以及气泡卷吸的发生。

图9所示，在衬底扫描过程中遇到极端恶劣工况下（如瞬时高加速度和急停工况）所带来的严重后果（如液滴泄漏）。本设计的外围旋转构件2C将提供辅助密封作用，将泄漏的液滴配合填充在回气腔7A的吸水性多孔介质9经过负压回气通道6A，得到有效的回收吸附，保证了气密封的有效性与可靠性。

Claims (4)

1. 一种用于浸没式光刻机的阶梯式自适应气体密封装置，包括投影透镜组（1）、密封装置和衬底（3），密封装置设置在投影透镜组（1）和衬底（3）之间；其特征在于：所述的密封装置为阶梯式自适应气体密封装置（2），包括下构件（2A）、上构件（2B）和旋转构件（2C）；其中：

1）下构件（2A）：下构件（2A）为环状柱体，圆周方向等距开有10~18个扇形多层的气密封通道（4A），并且每个气密封通道为5~8层；气密封通道下部开有倾斜气密封腔（5A）；在气密封通道外围设有等距分布的回气通道（6A），回气通道（6A）的下部设有回气腔（7A），回气腔（7A）内填充吸水性多孔介质（9）；在下构件（2A）圆周外壁开有环状的旋转凹槽（8A）；

2）上构件（2B）：上构件（2B）为环状柱体，下表面圆周方向开有与下构件（2A）环状柱体的扇形多层的气密封通道（4A）相应个数的扇形的气流缓冲腔（5B），对应紧贴与下构件（2A）环状柱体的扇形多层的气密封通道（4A），每个气流缓冲腔（5B）的上方均开有与气流缓冲腔（5B）连通的注气通道（4B）；注气通道(4B)位于最外层的气密封通道(4A)之外；

3）旋转构件（2C）：旋转构件（2C）为环状柱体，贯穿上下表面等距开有8~10个倾斜旋转气流通道（4C）；在中心圆周内壁设有环状的旋转凸台（5C），旋转凸台（5C）与下构件（2A）环状柱体的环状的旋转凹槽（8A）镶嵌配合。

2. 根据权利要求1所述的一种用于浸没式光刻机的阶梯式自适应气体密封装置，其特征在于：所述的扇形多层的气密封通道（4A），从中心向外部方向，每层气密封通道的宽度逐渐增大，递增宽度在0.5~1mm。

3. 根据权利要求1所述的一种用于浸没式光刻机的阶梯式自适应气体密封装置，其特征在于：所述的倾斜气密封腔（5A），从中心向外倾斜角度β为20~40度。

4. 根据权利要求1所述的一种用于浸没式光刻机的阶梯式自适应气体密封装置，其特征在于：所述的倾斜旋转气流通道（4C）从上表面外部向下表面中心呈倾斜分布，倾斜角度与衬底夹角γ为60~80度，并且上表面气孔与下表面的气孔在圆周方向上下两气孔圆心角度θ为20~40度。

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