CN104238277A - 一种浸没式光刻机及其流场维持方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种浸没式光刻机及其流场维持方法，其结构包括主框架、从上至下依次固定于所述主框架上的照明系统、投影物镜以及硅片台，所述硅片台上放置有涂有感光光刻胶的硅片，所述投影物镜与所述硅片之间填充有浸液，所述投影物镜与所述硅片之间还设有浸没限制机构，所述浸没限制机构上设有浸液供给开口、抽取开口以及气密封气体进口，所述浸液供给开口为浸液提供补给；所述抽取开口连接至分立的负压源，为浸液提供抽排负压；所述气密封气体进口包括第一气密封气体进口和第二气密封气体进口，所述第一气密封气体进口和第二气密封气体进口分别连接至分立的正压源，为浸液提供供气正压。本发明通过两个气密封气体进口的配合，以减少曝光缺陷。

Description

一种浸没式光刻机及其流场维持方法

技术领域

本发明涉及半导体光刻设备领域，尤其涉及一种浸没式光刻机及其流场维持方法。

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模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。浸没式光刻是指在曝光镜头与硅片之间充满水（或更高折射的浸没液体）以取代传统干式光刻技术中对应的空气，由于水的折射率比空气大，这就使得透镜组数值孔径增大，进而可获得更加小的特征线宽。

但由于浸没式光刻需要在镜头与硅片之间填充液体，这就带来了很多新的技术难题。例如，浸没流场的维持取决于扫描曝光时的动态弯液面控制，而动态（后退）弯液面接触角较小时，连续的液膜会被硅片从浸没流场中拉伸出来，拉伸出来的液膜在蒸发制冷作用下使得硅片瞬间降温，由于硅片吸盘上的吸附固定点难以达到足够的刚度，硅片瞬间降温后会收缩变形，最终在实际的光刻生产中产生光学投影缺陷。

液膜蒸发是邻近表面分子热运动的结果，由于蒸发失去了动能较大的分子，使分子运动的平均动能减小而降低了液面温度。如图1所示，液面蒸发时，质流M_A的方向总是从液面指向气体，而热流q的方向则可从液面到气体，也可从气体到液面，当热流q的方向从液面到气体时液膜A蒸发冷却，满足下式：

$T_0-T_W=\frac{1}{c_p\mathrm{\ρ}{\mathrm{Le}}^{2/3}}\frac{r}{R_A}(\frac{p_{A,w}}{T_w},\frac{p_{A,\∞}}{T_0})$

式中，T₀和T_W分别是液膜A上方气流和液膜A表面温度，ρ、c_p、Le为气流的物性，R_A为蒸发液体（水蒸气）的气体常数，P_A,w为液面处水蒸气的分压力，P_A,∞为气流中水蒸气的分压力与气流的相对湿度相关。

研究表明，如图2所示，气密封气体相对湿度与液膜降温基本呈线性关系，气体相对湿度增加时，蒸发制冷导致液膜表面温度下降逐渐减小。因此，提高液膜上方气流相对湿度是减小液膜蒸发制冷的一种有效途径。

针对上述问题，目前有两种方式，一种为“液密封”技术，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。然而，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、与光刻胶及填充液体不相互扩散，在硅片高速运动过程中，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影响，而且，液封方案需要复杂液体管路，制造及加工难度较大。

另一种为“气密封”方案，通过施加高压气体环绕在流场周边形成气幕，将液体限定在一定流场区域内；为减小液膜蒸发制冷，采用相对湿度较大的空气作为“气密封”气体。然而，现有“气密封”方案一方面存在湿空气通过气密封喷嘴后到达硅片表面上方时，气体湿度下降过大的问题；另一方面，气密封产生的气流还会影响到基台附近的大气压强、温度以及湿度等，由于折射率与环境参数存在如下关系：

n＝1+(2.8793*10^-7*P)/(1+0.003671*T)-3.6*10^-8*P_W

式中，P为大气压，T为温度，Pw为水蒸气分压，因此，当环境参数波动时，由于折射率的变化，激光干涉仪光路上不同点的波长会发生变化，从而引起多普勒频移，产生光程差，这对于干涉仪等位置测量系统的稳定性极为不利。

发明内容

本发明提供一种浸没式光刻机及其流场维持方法，以解决现有浸没式光刻机气体湿度下降过大且密封气体溢出后对干涉仪等位置测量系统产生干扰的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种浸没式光刻机，包括主框架、从上至下依次固定于所述主框架上的照明系统、投影物镜以及硅片台，所述硅片台上放置有涂有感光光刻胶的硅片，所述投影物镜与所述硅片之间填充有浸液，所述投影物镜与所述硅片之间还设有浸没限制机构，所述浸没限制机构上设有浸液供给开口、抽取开口以及气密封气体进口，所述浸液供给开口为浸液提供补给；所述抽取开口连接至分立的负压源，为浸液提供抽排负压；所述气密封气体进口包括第一气密封气体进口和第二气密封气体进口，所述第一气密封气体进口和第二气密封气体进口分别连接至分立的正压源，为浸液提供供气正压。

较佳地，所述第一气密封气体进口中的气体流动方向与所述硅片的表面之间的夹角为45°至70°。

较佳地，所述第二气密封气体进口中的气体流动方向与所述硅片的表面之间的夹角为70°至90°。

较佳地，所述第一气密封气体进口包括第一缓冲结构和设于所述第一缓冲结构底部的喷嘴。

较佳地，所述喷嘴的轴向与所述硅片的上表面之间的夹角为45°至70°。

较佳地，所述第二气密封气体进口的外侧还设有凸起结构。

较佳地，所述凸起结构的下表面的宽度大于0.05mm，且所述凸起结构的下表面与所述硅片的上表面之间的距离小于0.1mm。

较佳地，所述凸起结构的横截面为矩形或梯形。

较佳地，所述抽取开口的上部还设有第二缓冲结构。

较佳地，所述抽取开口设于所述浸液供给开口与所述第一气密封气体进口之间。

较佳地，所述抽取开口为狭缝或多个离散的开口。

较佳地，所述离散的开口的形状为圆形、矩形、椭圆形或三角形中的一种或多种。

较佳地，所述第一气密封气体进口与所述第二气密封气体进口为狭缝。

本发明还提供了一种浸没式光刻机的流场维持方法，应用于如上所述的浸没式光刻机中，其步骤包括：

S1：开启所述抽取开口连接的负压源进行抽排；

S2：开启所述第二气密封气体进口连接的正压源，供给湿气密封气体；

S3：开启所述第一气密封气体进口连接的正压源，供给湿气密封气体。

较佳地，采用第一加湿器控制所述第一气密封气体进口供给的气体湿度。

较佳地，所述第一气密封气体进口供给的气体的湿度大于80%。

较佳地，采用第二加湿器控制所述第二气密封气体进口供给的气体湿度。

较佳地，所述第二气密封气体进口供给的气体湿度大于所述第一气密封气体进口供给的气体湿度。

较佳地，所述第一气密封气体进口和第二气密封气体进口供给的气体温度与扫描时流场的控制温度相同。

较佳地，所述抽取开口的抽排量为所述第一气密封气体进口的供给流量与所述第二气密封气体进口的供给流量的和。

较佳地，所述第二气密封气体进口的供给流量为所述第一气密封气体进口的供给流量的5%～15%之间。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明提供的浸没式光刻机及其流场维持方法，其结构包括主框架、从上至下依次固定于所述主框架上的照明系统、投影物镜以及硅片台，所述硅片台上放置有涂有感光光刻胶的硅片，所述投影物镜与所述硅片之间填充有浸液，所述投影物镜与所述硅片之间还设有浸没限制机构，所述浸没限制机构上设有浸液供给开口、抽取开口以及气密封气体进口，所述浸液供给开口为浸液提供补给；所述抽取开口连接至分立的负压源，为浸液提供抽排负压；所述气密封气体进口包括第一气密封气体进口和第二气密封气体进口，所述第一气密封气体进口和第二气密封气体进口分别连接至分立的正压源，为浸液提供供气正压。本发明按特定的比例分配第一气密封气体进口和第二气密封气体进口中的进气流量及密封气体抽排流量，利用第二气密封气体进口对密封气体湿度进行补偿，从而有效控制液膜上方气流的相对湿度，进而减小液膜蒸发制冷。

附图说明

图1为液面蒸发时各流体热量的流动方向示意图；

图2为相对湿度与液膜降温关系曲线图；

图3为本发明一具体实施方式的浸没式光刻机的结构示意图；

图4为本发明一具体实施方式的浸没式光刻机中浸没限制机构的下表面平面图；

图5为图4的A-B面剖视图；

图6为本发明一具体实施方式的浸没式光刻机中浸没限制机构的控制方式示意图。

图3-6中：100-主框架、200-照明系统、300-投影物镜、400-硅片台、500-硅片、600-浸液、700-浸没限制机构、710-浸液供给开口、720-抽取开口、721-第二缓冲结构、730-第一气密封气体进口、731-第一缓冲结构、732-喷嘴、740-第二气密封气体进口、750-凸起结构、800-干涉仪、900-掩模版。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明提供的浸没式光刻机，请参考图3至图6，包括主框架100、从上至下依次固定于所述主框架100上的照明系统200、投影物镜300以及硅片台400，所述硅片台400上放置有涂有感光光刻胶的硅片500，所述投影物镜300与所述硅片500之间填充有浸液600，所述投影物镜300与所述硅片500之间还设有浸没限制机构700，所述浸没限制机构700上设有浸液供给开口710、抽取开口720以及气密封气体进口，所述浸液供给开口710为浸液600提供补给，具体地，所述浸液供给开口710可以被用作浸液600流入流场的进口，也可被用作对流场边缘弯液面在扫描过程中进行浸液600补偿的进口；所述抽取开口720连接至分立的负压源（图中未示出），为浸液600提供抽排负压；所述气密封气体进口包括第一气密封气体进口730和第二气密封气体进口740，所述第一气密封气体进口730和第二气密封气体进口740分别连接至分立的正压源（图中未示出），为浸液600提供供气正压。工作时，硅片台400带动硅片500作高速的扫描、步进动作，所述浸液限制机构700根据硅片台400的运动状态，在投影物镜300的视场范围内，提供一个稳定的浸液流场，同时保证流场与外界的密封，保证浸液600不泄漏，掩模版900上集成电路的图形通过照明系统200和投影物镜300，浸液600以成像曝光的方式，转移到涂有感光光刻胶的硅片500上，从而完成曝光。

较佳地，请重点参考图5，所述第一气密封气体进口730中的气体流动方向与所述硅片500的表面之间的夹角为45°至70°，较佳地，所述第一气密封气体进口730包括第一缓冲结构731和设于所述第一缓冲结构731底部的喷嘴732，所述第一缓冲结构731是相对于喷嘴732而言的较大空间，能够抑制气体通过所述喷嘴732流出之前的压力波动。所述喷嘴732的轴向与所述硅片500的上表面之间的夹角（α）为45°至70°，使得气密封气体以45°至70°之间某一角度吹向硅片500表面；所述第二气密封气体进口740中的气体流动方向与所述硅片500的表面之间的夹角（β）为70°至90°，使得气密封气体以70°至90°之间某一角度吹向硅片500表面，所述第一气密封气体进口730和所述第二气密封气体进口740进行这样的角度设置，有利于将湿空气向内吹。所述第一气密封气体进口730和第二气密封气体进口740为狭缝，也可以是多个离散的开口，开口可以是圆形、方形、矩形、长椭圆形、三角形等中的一种或多种。较佳地，第一气密封气体进口730的宽度小于第二气密封气体进口740的宽度，使得第一气密封气体进口730中的气体以较大的速度喷出。例如，第一气密封气体进口730的狭缝的宽度大于0.04mm，小于0.1mm；所述第二气密封气体进口740的狭缝宽度大于0.15mm。

参见图4所示，其显示了本发明浸没限制机构700的下表面平面图。在图4的情形中，浸没限制机构700是与X、Y轴夹角为45°角的正方形，然而，还可以是在水平面上形成的任何形状，例如圆形。

较佳地，请参考图4至图6，所述第二气密封气体进口740的外侧还设有凸起结构750，具体地，所述凸起结构750的下表面的宽度大于0.05mm，且所述凸起结构750的下表面与所述硅片500的上表面之间的距离小于0.1mm，以对外界空气达到更好地隔离。本实施例中，所述凸起结构750为连续的凸起，所述凸起结构750用于限制气密封气体的溢出以避免对干涉仪800等位置测量系统测量产生干扰的问题，具体地，所述凸起结构750的横截面为矩形或梯形，当然，其中包括正方形、长方形、直角梯形以及等腰梯形等。

较佳地，如图5和图6所示，所述抽取开口720的上部还设有第二缓冲结构721，所述第二缓冲结构721为相对于抽取开口720下部的较大空间，能够减缓气液两相回收时的振动。

较佳地，请继续参考图4至图6，所述抽取开口720为设于所述浸液供给开口710与所述第一气密封气体进口730之间的多个离散的开口，所述开口的直径或宽度大于0.3mm，抽取开口720的形状可为圆形、矩形、椭圆形或三角形中的一种或多种；较佳地，所述抽取开口720也可为狭缝，所述狭缝的宽度大于0.2mm，以达到更好地抽排。

本发明还提供了一种浸没式光刻机的流场维持方法，应用于如上所述的浸没式光刻机中，请参考图3至图6，其步骤包括：

S1：开启所述抽取开口720连接的负压源进行抽排，具体地，所述抽取开口720的抽排量由气液回收单元控制；

S2：先开启所述第二气密封气体进口740连接的正压源，供给湿气密封气体，这样能防止先开启所述第一气密封气体进口730时卷入外界干空气；

S3：开启所述第一气密封气体进口730连接的正压源，供给湿气密封气体，具体地，所述第二气密封气体进口740和第一气密封气体进口730的供给流量由气体供给单元控制。

需要说明的是，在S1至S3步骤中，所述浸液供给开口710中的浸液600供给量由浸液供给单元实时调节。

较佳地，请重点参考图6，为了避免气密封喷嘴732到达硅片500表面上方时，气体湿度下降过大的问题，采用第一加湿器控制所述第一气密封气体进口730供给的气体湿度，其中，所述气体的湿度大于80%，温度与扫描时流场的控制温度相同，以保持硅片500和浸液600的恒温。

较佳地，请继续参考图6，采用第二加湿器控制所述第二气密封气体进口740供给的气体湿度，其中，所述气体的湿度大于所述第一气密封气体进口730供给的气体湿度，也就是说，所述第二气密封气体进口740供给的气体湿度最优为100%或略小于100%，但必需大于所述第一气密封气体进口730供给的气体湿度，从而对第一气密封气体进口730下降的气体湿度进行补偿，更好的控制气体湿度，同样的，温度与扫描时流场的控制温度相同。

较佳地，按特定的比例分配第一气密封气体进口730和第二气密封气体进口740进气流量及密封气体抽排流量，请继续参考图6，所述抽取开口720的抽排量为所述第一气密封气体进口730的供给流量与所述第二气密封气体进口740的供给流量的和，以实现供给和抽排平衡，隔绝外部气体混入，且所述第二气密封气体进口740的供给流量为所述第一气密封气体进口730的供给流量的5%～15%之间，否则流量太大不利于密封，流量太小不利于补偿所述第一气密封气体进口730下降的气体湿度。

表1给出五组流量数据选取方案，

表1

	第一组	第二组	第三组	第四组	第五组
						Qe(l/min)	40	55	70	90	115
Qs1(l/min)	37	50	64	80	100
						Qs2(l/min)	3	5	6	10	15

在以上几组方案中，能够有效控制液膜上方气流的相对湿度，进而减小液膜蒸发制冷，即，能够很好的控制液膜表面的温度。

综上所述，本发明提供的浸没式光刻机及其流场维持方法，其结构包括主框架100、从上至下依次固定于所述主框架100上的照明系统200、投影物镜300以及硅片台400，所述硅片台400上放置有涂有感光光刻胶的硅片500，所述投影物镜300与所述硅片500之间填充有浸液600，所述投影物镜300与所述硅片500之间还设有浸没限制机构700，所述浸没限制机构700上设有浸液供给开口710、抽取开口720以及气密封气体进口，所述浸液供给开口710为浸液600提供补给；所述抽取开口720连接至分立的负压源，为浸液600提供抽排负压；所述气密封气体进口包括第一气密封气体进口730和第二气密封气体进口740，所述第一气密封气体进口730和第二气密封气体进口740分别连接至分立的正压源，为浸液600提供供气正压。本发明按特定的比例分配第一气密封气体进口730和第二气密封气体进口740中的进气流量及密封气体抽排流量，利用第二气密封气体进口740对密封气体湿度进行补偿，利用第二气密封气体进口740外侧的凸起结构750限制气密封气体溢出，将浸液流场气密封进气湿度、流量，气密封抽排流量，气密封气体的溢出三者综合考虑作为控制参量，更有效地去除硅片500表面拉伸出或泄漏出的薄层液膜或液滴，通过提高液膜上方气体湿度能有效降低硅片500蒸发制冷变形、通过限制气密封气体的溢出能更有效的减小密封气体对干涉仪800等位置测量系统的干扰，从而减少曝光缺陷。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (21)

1.一种浸没式光刻机，包括主框架、从上至下依次固定于所述主框架上的照明系统、投影物镜以及硅片台，所述硅片台上放置有涂有感光光刻胶的硅片，所述投影物镜与所述硅片之间填充有浸液，其特征在于，

所述投影物镜与所述硅片之间还设有浸没限制机构，所述浸没限制机构上设有浸液供给开口、抽取开口以及气密封气体进口，所述浸液供给开口为浸液提供补给；

所述抽取开口连接至分立的负压源，为浸液提供抽排负压；

所述气密封气体进口包括第一气密封气体进口和第二气密封气体进口，所述第一气密封气体进口和第二气密封气体进口分别连接至分立的正压源，为浸液提供供气正压。

2.如权利要求1所述的浸没式光刻机，其特征在于，所述第一气密封气体进口中的气体流动方向与所述硅片的表面之间的夹角为45°至70°。

3.如权利要求2所述的浸没式光刻机，其特征在于，所述第二气密封气体进口中的气体流动方向与所述硅片的表面之间的夹角为70°至90°。

4.如权利要求1所述的浸没式光刻机，其特征在于，所述第一气密封气体进口包括第一缓冲结构和设于所述第一缓冲结构底部的喷嘴。

5.如权利要求4所述的浸没式光刻机，其特征在于，所述喷嘴的轴向与所述硅片的上表面之间的夹角为45°至70°。

6.如权利要求1所述的浸没式光刻机，其特征在于，所述第二气密封气体进口的外侧还设有凸起结构。

7.如权利要求6所述的浸没式光刻机，其特征在于，所述凸起结构的下表面的宽度大于0.05mm，且所述凸起结构的下表面与所述硅片的上表面之间的距离小于0.1mm。

8.如权利要求6所述的浸没式光刻机，其特征在于，所述凸起结构的横截面为矩形或梯形。

9.如权利要求1所述的浸没式光刻机，其特征在于，所述抽取开口的上部还设有第二缓冲结构。

10.如权利要求1所述的浸没式光刻机，其特征在于，所述抽取开口设于所述浸液供给开口与所述第一气密封气体进口之间。

11.如权利要求10所述的浸没式光刻机，其特征在于，所述抽取开口为狭缝或多个离散的开口。

12.如权利要求11所述的浸没式光刻机，其特征在于，所述离散的开口的形状为圆形、矩形、椭圆形或三角形中的一种或多种。

13.如权利要求1所述的浸没式光刻机，其特征在于，所述第一气密封气体进口与所述第二气密封气体进口为狭缝。

14.一种浸没式光刻机的流场维持方法，其特征在于，应用于如权利要求1所述的浸没式光刻机中，其步骤包括：

S1：开启所述抽取开口连接的负压源进行抽排；

S2：开启所述第二气密封气体进口连接的正压源，供给湿气密封气体；

S3：开启所述第一气密封气体进口连接的正压源，供给湿气密封气体。

15.如权利要求14所述的流场维持方法，其特征在于，采用第一加湿器控制所述第一气密封气体进口供给的气体湿度。

16.如权利要求14所述的流场维持方法，其特征在于，所述第一气密封气体进口供给的气体的湿度大于80%。

17.如权利要求14所述的流场维持方法，其特征在于，采用第二加湿器控制所述第二气密封气体进口供给的气体湿度。

18.如权利要求14所述的流场维持方法，其特征在于，所述第二气密封气体进口供给的气体湿度大于所述第一气密封气体进口供给的气体湿度。

19.如权利要求14所述的流场维持方法，其特征在于，所述第一气密封气体进口和第二气密封气体进口供给的气体温度与扫描时流场的控制温度相同。

20.如权利要求14所述的流场维持方法，其特征在于，所述抽取开口的抽排量为所述第一气密封气体进口的供给流量与所述第二气密封气体进口的供给流量的和。

21.如权利要求14所述的流场维持方法，其特征在于，所述第二气密封气体进口的供给流量为所述第一气密封气体进口的供给流量的5%～15%之间。