CN104035290B - 一种用于浸没式光刻机的气密封和两级多孔气液回收装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于浸没式光刻机的气密封和两级多孔气液回收装置。包括在投影物镜组和硅片之间安装的气密封及气液隔离装置，其包括浸没单元下端盖和基体；浸没单元下端盖上开有中心锥孔、镜头注液口、镜头回收口、气液分离腔、第二级回收腔、气体注入腔，流场多级缓冲结构、气体缓冲槽以及内、中、外密封槽；浸没单元基体上开有中心通孔、镜头注液腔、镜头回收腔、气体回收腔、基体第二级回收腔、基体气体注入腔和液体回收腔。本发明中的镜头回收结构可回收光刻过程中产生的大量废液，实现流场的快速更新；两级多孔结构可回收液体，维持流场边界的稳定，实现气液分离以及实现流场的初步密封；并采用气密封结构防止液体泄漏。

Description

一种用于浸没式光刻机的气密封和两级多孔气液回收装置

技术领域

本发明涉及一种流场密封与注液回收装置，特别是涉及一种用于浸没式光刻机的气密封和两级多孔气液回收装置。

背景技术

光刻机是制造超大规模集成电路的核心装备之一，现代光刻机以光学光刻为主，它利用光学系统把掩膜版上的图形精确地投影并曝光在涂过光刻胶的硅片上。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涂有光敏光刻胶的硅片。

浸没式光刻（ImmersionLithography）设备通过在最后一片投影物镜与硅片之间填充某种高折射率的液体，相对于中间介质为气体的干式光刻机，提高了投影物镜的数值孔径（NA），从而提高了光刻设备的分辨率和焦深。在已提出的下一代光刻机中，浸没式光刻对现有设备改动最小，对现在的干式光刻机具有良好的继承性。目前常采用的方案是局部浸没法，即将液体限制在硅片上方和最后一片投影物镜的下表面之间的局部区域内，并保持稳定连续的液体流动。在步进-扫描式光刻设备中，硅片在曝光过程中进行高速的扫描运动，这种运动会将曝光区域内的液体带离流场，从而引起泄漏，泄漏的液体会在光刻胶上形成水迹，影响曝光质量。已有的气密封装置在回收过程中都存在气液两相流的问题，将两者放在一起回收将会引起管路的振动，从而严重影响曝光质量。因此，浸没式光刻技术中必须重点解决回收过程中由气液两相流引起的振动问题。

目前已有的解决方案中，重点解决的问题是填充液体的密封问题，采用气密封或液密封构件环绕投影物镜组末端元件和硅片之间的缝隙流场。气密封技术是在环绕填充流场的圆周周边上，通过施加高压气体形成环形气幕，将填充液体限定在一定的圆形区域内。液密封技术则是利用与填充液体不相容的第三方液体（通常是磁流体或水银等），环绕填充流场进行密封。但是存在以下不足：

(1)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。

(2)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，在硅片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一起回收时将形成气液两相流，由此引发振动，影响曝光系统的稳定工作。

发明内容

为了解决局部浸没式光刻技术中的缝隙流场密封问题，本发明的目的在于提供一种用于浸没式光刻机的气密封和两级多孔气液回收装置，在流场边缘使用气密封结构防止液体泄漏，在第一级多孔回收结构中采用多孔介质达到气液分离的目的以避免气液两相流。

本发明采用的技术方案如下：

本发明包括在浸没式光刻机中的投影物镜组和硅片之间安装的气密封及气液隔离装置，气密封及气液隔离装置包括浸没单元下端盖、浸没单元基体；其中：

1）浸没单元下端盖：

在浸没单元下端盖开有中心锥孔，中心锥孔的小端位于浸没单元下端盖下表面，中心锥孔大端锥面与浸没单元下端盖上表面之间两侧对称开有弧形槽口结构的镜头注液口和镜头回收口，浸没单元下端盖上表面从中心锥孔向外依次开有环形凹槽结构的气液分离腔、第二级回收腔和气体注入腔，气液分离腔的环形凹槽底部间隔均布开有小孔，构成第一级多孔回收结构；第二级回收腔的环形凹槽底部间隔均布开有小孔，构成第二级多孔回收结构；气体注入腔的环形凹槽底部开有一圈沿圆周间隔均布的小孔，构成气密封通孔结构，浸没单元下端盖下表面开有与气密封通孔结构相通的气密封环形槽，气密封通孔结构与气密封环形槽共同构成下端盖的气密封结构；镜头注液口与气液分离腔之间、气液分离腔与第二级回收腔之间以及第二级回收腔与气体注入腔之间的浸没单元下端盖上表面分别开有环形槽结构的内密封槽、中密封槽、外密封槽；第一级多孔回收结构靠近中心内侧的浸没单元下端盖下表面开有环形槽结构的流场多级缓冲结构，第一级多孔回收结构和第二级多孔回收结构之间的浸没单元下端盖下表面开有环形槽结构的气体缓冲槽；

2)浸没单元基体：

在浸没单元基体上开有与浸没单元下端盖中心锥孔相通的中心通孔，浸没单元基体下表面两侧对称开有弧形槽结构的镜头注液腔和镜头回收腔，镜头注液腔和镜头回收腔分别与镜头注液口和镜头回收口相通，镜头注液腔和镜头回收腔分别经镜头注液通道以及镜头回收通道与外部的注液及液体回收系统相连通；浸没单元基体下表面从中心通孔向外依次开有环形槽结构的气体回收腔、基体第二级回收腔和基体气体注入腔，气体回收腔的环形槽内两侧对称设有弧形槽结构的液体回收腔；气体回收腔的环形槽口上设有挡板，挡板上开有沿圆周间隔均布的腰形通槽，腰形通槽的长度方向沿中心通孔径向方向，气体回收腔和液体回收腔之间的挡板上开有液体通口，气体回收腔和液体回收腔之间通过液体通口相通，中心通孔两侧开有分别与镜头注液腔和镜头回收腔相通的弧形通槽；气体回收腔、基体第二级回收腔和基体气体注入腔分别与浸没单元下端盖的气液分离腔、第二级回收腔和气体注入腔对应相通。气体回收腔和液体回收腔通过浸没单元基体内部的通道分别与外界的气体回收系统和液体回收系统相连接，基体气体注入腔通过浸没单元基体内部的管道与外界的气体注入系统相连接。

所述的气液分离腔中填充有多孔介质。

所述的多孔介质为海绵或玻璃珠。

所述的内密封槽、中密封槽和外密封槽中填充有密封填料。

所述的密封填料为密封胶或O型圈。

所述的浸没单元下端盖和浸没单元基体外部之间通过螺钉紧固连接。

所述的流场多级缓冲结构由多个环形槽构成。

本发明具有的有益效果是：

1、在浸没单元外侧采用气密封结构，利用气体形成的气幕防止液体被牵拉出去，从而达到密封的效果。

2、本装置具有两种回收结构，第一种为镜头回收，带走光刻过程中产生的废液以及微小颗粒，以实现流场的快速更新。第二种为两级多孔结构，第一级多孔结构回收较多的液体，同时维持流场边界的稳定，第二级多孔结构回收越过第一级多孔回收结构的少量液体，两级多孔回收结构通过回收功能分别起到维持边缘流场的稳定以及实现边缘流场的初步密封的功能。

3、第一级多孔回收结构、气液分离腔、多孔介质、气体回收腔以及液体回收腔共同配合可以实现气液分离，从而减小气液两相流的振动。

4、流场多级缓冲结构可以维持注液流量波动情况下的流场稳定。

5、气体缓冲槽可以实现对气密封注入的气体的缓冲，从而减小气体对流场稳定的扰动，使流场保持一个稳定的状态。

6、镜头注液腔、镜头注液口构成了折线形的注液通道，有益于减缓浸没液体的流速，减小对投影透镜组的冲击。

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是本发明气密封及气液隔离装置的爆炸剖面图。

图3是本发明的浸没单元下端盖上表面的立体视图。

图4是浸没单元下端盖下表面的立体视图。

图5是浸没单元基体下表面的立体视图。

图6是浸没单元基体下表面隐藏挡板的立体视图。

图7是浸没单元基体上表面的立体视图。

图8是本发明的半剖视图。

图中：1、投影透镜组，2、气密封及气液隔离装置，2A、浸没单元下端盖，2B、浸没单元基体，3、硅片，4A、镜头注液口，4B、镜头注液腔，5A、镜头回收口，5B、镜头回收腔，6A、气液分离腔，6B、气体回收腔，7B、液体回收腔，7A、第二级回收腔，8B、基体第二级回收腔，8A、气体注入腔，9B、基体气体注入腔，9A、内密封槽，10A、流场多级缓冲结构，10B、液体通口，11、浸没液体，12A、第一级多孔回收结构，12B、挡板，13A、气体缓冲槽，13B、腰形通槽，14A、第二级多孔回收结构，15A、气密封通孔结构，16A、气密封环形槽，17A、中密封槽，18A、外密封槽，14B、镜头注液通道，15B、镜头回收通道。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的具体实施过程。

如图1所示，本发明包括在浸没式光刻机中的投影物镜组1和硅片3之间安装的气密封及气液隔离装置2，气密封及气液隔离装置2安装在投影物镜组1和硅片3之间，气密封及气液隔离装置2开有中心通孔，气密封及气液隔离装置2的主要功能是将浸没液体11限制在投影物镜组1的正下方，从投影物镜组1发出的光线穿过气密封及气液隔离装置2的中心通孔后进入缝隙流场，即要经过浸没液体11照射在硅片3上，完成曝光过程，浸没液体的折射率要比空气高，从而能够提高光刻系统的数值孔径和分辨率。

如图2所示，上述的气密封及气液隔离装置2包括浸没单元下端盖2A、浸没单元基体2B。其中：

1）浸没单元下端盖2A：

如图3、图4、图8所示，在浸没单元下端盖2A开有中心锥孔，中心锥孔的小端位于浸没单元下端盖2A下表面，中心锥孔大端锥面与浸没单元下端盖2A上表面之间两侧对称开有弧形槽口结构的镜头注液口4A和镜头回收口5A，浸没单元下端盖2A上表面从中心锥孔向外依次开有环形凹槽结构的气液分离腔6A、第二级回收腔7A和气体注入腔8A，气液分离腔6A的环形凹槽底部间隔均布开有小孔，构成第一级多孔回收结构12A；第二级回收腔7A的环形凹槽底部间隔均布开有小孔，构成第二级多孔回收结构14A；气体注入腔8A的环形凹槽底部开有一圈沿圆周间隔均布的小孔，构成气密封通孔结构15A，浸没单元下端盖2A下表面开有与气密封通孔结构15A相通的气密封环形槽16A，气密封通孔结构15A与气密封环形槽16A共同构成下端盖的气密封结构。

如图8所示，镜头注液口4A与气液分离腔6A之间、气液分离腔6A与第二级回收腔7A之间以及第二级回收腔7A与气体注入腔8A之间的浸没单元下端盖2A上表面分别开有环形槽结构的内密封槽9A、中密封槽17A、外密封槽18A；如图4、图8所示，第一级多孔回收结构12A靠近中心内侧的浸没单元下端盖2A下表面开有环形槽结构的流场多级缓冲结构10A，第一级多孔回收结构12A和第二级多孔回收结构14A之间的浸没单元下端盖2A下表面开有环形槽结构的气体缓冲槽13A。

2）浸没单元基体2B：

如图5、图6、图7、图8所示，在浸没单元基体2B上开有与浸没单元下端盖2A中心锥孔相通的中心通孔，浸没单元基体2B下表面两侧对称开有弧形槽结构的镜头注液腔4B和镜头回收腔5B，镜头注液腔4B和镜头回收腔5B分别与镜头注液口4A和镜头回收口5A相通，镜头注液腔4B和镜头回收腔5B分别经镜头注液通道14B以及镜头回收通道15B与外部的注液及液体回收系统相连通；镜头注液腔4B、镜头注液口4A构成了折线形的注液通道，有益于减缓浸没液体的流速，减小对投影透镜组1的冲击。

如图7、图8所示，浸没单元基体2B下表面从中心通孔向外依次开有环形槽结构的气体回收腔6B、基体第二级回收腔8B和基体气体注入腔9B，气体回收腔6B的环形槽内两侧对称设有弧形槽结构的液体回收腔7B。

如图5、图6所示，气体回收腔6B的环形槽口上设有挡板12B，挡板12B上开有沿圆周间隔均布的腰形通槽13B，腰形通槽13B的长度方向沿中心通孔径向方向，气体回收腔6B和液体回收腔7B之间的挡板12B上开有液体通口10B，气体回收腔6B和液体回收腔7B之间通过液体通口10B相通，挡板12B上开有分别与镜头注液腔4B和镜头回收腔5B相通的弧形通槽；气体回收腔6B、基体第二级回收腔8B和基体气体注入腔9B分别与浸没单元下端盖2A的气液分离腔6A、第二级回收腔7A和气体注入腔8A对应相通。

气液分离腔6A中填充有多孔介质，优选的多孔介质为海绵或玻璃珠。

内密封槽9A、中密封槽17A和外密封槽18A中填充有密封填料，优选的密封填料为密封胶或O型圈。

浸没单元下端盖2A和浸没单元基体2B外部之间通过螺钉紧固连接，浸没单元下端盖2A和浸没单元基体2B之间各个接触面均为环形平面，各部分的环形面紧贴在一起。浸没单元下端盖2A、浸没单元基体2B相互贴合，在贴合处圆环状的内密封槽9A、中密封槽17A、外密封槽18A起到密封作用，在浸没单元下端盖2A、浸没单元基体2B的外部用螺钉紧固。

流场多级缓冲结构10A由同轴的多个环形槽依次排列而成，对进入流场的浸没液体有初步的束缚作用，避免浸没液体流量的突变而发生大量液体泄漏，如图4所示，采用三道环形槽排列而成。

本发明中，镜头注液口4A和镜头注液腔4B相连，构成的垂直注液、水平流入的镜头注液通道；镜头回收口5A和镜头回收腔5B连通，构成的水平回收、垂直流出的镜头回收通道。气液分离腔6A，气体回收腔6B与液体回收腔7B连通。气液分离腔6A，气体回收腔6B以及液体回收腔7B连通，再加上第一级多孔回收结构12A，构成第一级回收通道。第二级回收腔7A与基体第二级回收腔8B连通，构成第二级回收通道。气体注入腔8A与基体气体注入腔9B连通，构成注气通道。基体气体注入腔9B通过管道与注气系统连接，注入气体，实现气体的注入。气体回收腔6B和液体回收腔7B通过浸没单元基体2B内部的通道分别与外界的气体回收系统和液体回收系统相连接。各通道之间相互独立，通过独立的管道实现注液、回收或注气。

第一级多孔回收结构12A、第二级多孔回收结构14A以及气密封通孔结构15A中的小孔均为微孔结构。

本发明的实施工作过程如下：

如图1所示，给出了气密封及气液隔离装置2在光刻系统中的位置。曝光过程中，光线通过掩模板、投影物镜组1和由浸没液体填充形成的缝隙流场11，照射在硅片3的光刻胶上，对硅片3进行曝光，将掩模版上的图形准确的转移到硅片的光刻胶上。浸没单元基体2B连接在位姿调整机构上，用于调整气密封及气液隔离装置2的空间位置和姿态。

如图8所示，硅片静止时，管路中的液体通过浸没单元基体2B内部的镜头注液通道14B流入镜头注液腔4B，随后流入镜头注液口4A，液体流进镜头区域，从而形成浸没流场。镜头注液腔4B以及镜头注液口4A形成了折线型的注液通道，减缓了液体的流速，减小了浸没液体对投影透镜组1的冲击。由于流场多级缓冲结构10A的作用，在浸没液体流量发生突变时，流体不易瞬间冲出流场多级缓冲结构10A。随着液体向外流动，会经过第一级多孔回收结构12A。

如图8所示，通过外部的回收系统分别给浸没单元基体2B上的镜头回收腔4B、气体回收腔6B，基液体回收7B加上负压。镜头回收口5A带走光刻过程中产生的大量废液以及微小颗粒，以实现流场的快速更新。第一级多孔回收结构12A通过回收作用维持住流场边缘的稳定性。第一级多孔回收结构12A回收到的为气液两相流，气液两相流经过气液分离腔6A后被其中的多孔介质分为气体和液体，如图8所示，气体经气体回收腔6B而排出浸没单元，液体经液体通口10B进入液体回收腔7B而排出浸没单元。气液两相流的分离有助于减小气液两相流产生的振动。

如图8所示，当硅片扫描时，基体第二级回收腔8B加上负压，通过第二级多孔回收结构14A回收被硅片牵拉出来的液体。外界的注气系统通过基体2B内部的管道向基体气体注入腔9B注入气体，气体经气密封环形槽16A注入，气体流经气体缓冲槽13A，在气体缓冲槽13A的作用下，气体形成稳定的气幕，从而对浸没流场边界进行密封。同时，在气体注入腔8A的均布作用下，密封气体的流速会降低，压力增大，从而能够很好地约束流场中的液体，允许光刻系统具有更高的扫描和步进速度。

综合来说，本发明采用两种液体回收结构：第一种为镜头回收，回收光刻过程中产生的大量废液，实现流场的快速更新。第二种采用两级多孔结构回收液体。第一级回收较多的液体，维持流场边界的稳定，同时实现气液分离，第二级回收越过第一级的少量液体。此外，本发明采用气密封结构防止液体泄漏。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于浸没式光刻机的气密封和两级多孔气液回收装置，包括在浸没式光刻机中的投影物镜组(1)和硅片(3)之间安装的气密封及气液隔离装置(2)，其特征在于：气密封及气液隔离装置(2)包括浸没单元下端盖(2A)、浸没单元基体(2B)；其中：

1）浸没单元下端盖(2A)：

在浸没单元下端盖(2A)开有中心锥孔，中心锥孔的小端位于浸没单元下端盖(2A)下表面，中心锥孔大端锥面与浸没单元下端盖(2A)上表面之间两侧对称开有弧形槽口结构的镜头注液口（4A）和镜头回收口（5A），浸没单元下端盖(2A)上表面从中心锥孔向外依次开有环形凹槽结构的气液分离腔（6A）、第二级回收腔（7A）和气体注入腔（8A），气液分离腔（6A）的环形凹槽底部间隔均布开有小孔，构成第一级多孔回收结构（12A）；第二级回收腔（7A）的环形凹槽底部间隔均布开有小孔，构成第二级多孔回收结构（14A）；气体注入腔（8A）的环形凹槽底部开有一圈沿圆周间隔均布的小孔，构成气密封通孔结构（15A），浸没单元下端盖(2A)下表面开有与气密封通孔结构（15A）相通的气密封环形槽（16A），气密封通孔结构（15A）与气密封环形槽（16A）共同构成下端盖的气密封结构；

镜头注液口（4A）与气液分离腔（6A）之间、气液分离腔（6A）与第二级回收腔（7A）之间以及第二级回收腔（7A）与气体注入腔（8A）之间的浸没单元下端盖(2A)上表面分别开有环形槽结构的内密封槽（9A）、中密封槽（17A）、外密封槽（18A）；第一级多孔回收结构（12A）靠近中心内侧的浸没单元下端盖(2A)下表面开有环形槽结构的流场多级缓冲结构（10A），第一级多孔回收结构（12A）和第二级多孔回收结构（14A）之间的浸没单元下端盖(2A)下表面开有环形槽结构的气体缓冲槽（13A）；

2)浸没单元基体（2B）：

在浸没单元基体（2B）上开有与浸没单元下端盖(2A)中心锥孔相通的中心通孔，浸没单元基体（2B）下表面两侧对称开有弧形槽结构的镜头注液腔（4B）和镜头回收腔（5B），镜头注液腔（4B）和镜头回收腔（5B）分别与镜头注液口（4A）和镜头回收口（5A）相通，镜头注液腔（4B）和镜头回收腔（5B）分别经镜头注液通道（14B）以及镜头回收通道（15B）与外部的注液及液体回收系统相连通；

浸没单元基体（2B）下表面从中心通孔向外依次开有环形槽结构的气体回收腔（6B）、基体第二级回收腔（8B）和基体气体注入腔（9B），气体回收腔（6B）的环形槽内两侧对称设有弧形槽结构的液体回收腔（7B）；

气体回收腔（6B）的环形槽口上设有挡板（12B），挡板（12B）上开有沿圆周间隔均布的腰形通槽（13B），腰形通槽（13B）的长度方向沿中心通孔径向方向，气体回收腔（6B）和液体回收腔（7B）之间的挡板（12B）上开有液体通口（10B），气体回收腔（6B）和液体回收腔（7B）之间通过液体通口（10B）相通，中心通孔两侧开有分别与镜头注液腔（4B）和镜头回收腔（5B）相通的弧形通槽；气体回收腔（6B）、基体第二级回收腔（8B）和基体气体注入腔（9B）分别与浸没单元下端盖(2A)的气液分离腔（6A）、第二级回收腔（7A）和气体注入腔（8A）对应相通；气体回收腔（6B）和液体回收腔（7B）通过浸没单元基体（2B）内部的通道分别与外界的气体回收系统和液体回收系统相连接，基体气体注入腔（9B）通过浸没单元基体（2B）内部的管道与外界的气体注入系统相连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于浸没式光刻机的气密封和两级多孔气液回收装置，其特征在于：所述的气液分离腔（6A）中填充有多孔介质。

3.根据权利要求2所述的一种用于浸没式光刻机的气密封和两级多孔气液回收装置，其特征在于：所述的多孔介质为海绵或玻璃珠。

4.根据权利要求1所述的一种用于浸没式光刻机的气密封和两级多孔气液回收装置，其特征在于：所述的内密封槽（9A）、中密封槽（17A）和外密封槽（18A）中填充有密封填料。

5.根据权利要求4所述的一种用于浸没式光刻机的气密封和两级多孔气液回收装置，其特征在于：所述的密封填料为密封胶或O型圈。

6.根据权利要求1所述的一种用于浸没式光刻机的气密封和两级多孔气液回收装置，其特征在于：所述的浸没单元下端盖(2A)和浸没单元基体(2B)外部之间通过螺钉紧固连接。

7.根据权利要求1所述的一种用于浸没式光刻机的气密封和两级多孔气液回收装置，其特征在于：所述的流场多级缓冲结构（10A）由多个环形槽构成。