CN104570617B - 基于动态压力检测的浸没流场自适应密封方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于动态压力检测的浸没流场自适应密封方法。在浸没式光刻系统中投影透镜组和待曝光硅片衬底之间的浸没单元内部进行的密封方法，通过在回收流道和气密封通道之间周向布置一圈压力传感器来实现流场泄漏状况的实时监测和气密封装置注气量的自适应控制。本发明通过对回收流道与气密封通道中间区域的压力进行检测，实现对浸没流场泄漏状况的实时监测；并且将此信号反馈给气密封装置，气密封装置依据此信号实时的改变其进气量，进行动态的自适应密封，保证了最佳的密封效果的同时，降低了过高的气密封压力导致的前进接触角处的液体卷吸气泡的问题及硅片所受应力过大等问题，同时减少了气体的损耗，较大程度的优化气密封装置的性能。

Description

基于动态压力检测的浸没流场自适应密封方法

技术领域

本发明涉及一种浸没流场的密封方法，尤其涉及一种基于动态压力检测的浸没流场自适应密封方法。

背景技术

现代光刻设备以光学光刻为基础，利用光学系统把掩膜版上的图形精确地投影曝光到涂覆有光刻胶的衬底（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。

浸没式光刻系统通过在投影透镜和衬底之间的缝隙中填充某种高折射率的液体，来提高投影透镜的数值孔径，从而提高光刻的分辨率和焦深。通常采用的方案是将液体限制在衬底上方和投影装置的末端元件之间的有限区域内。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，这种高速运动产生的剪切作用会把缝隙内填充的液体带离缝隙，即导致液体的泄漏。泄漏的液体在光刻胶表面干燥后将形成水迹，严重影响曝光成像质量。

针对该问题，传统的解决方案是在投影透镜末端元件和衬底之间采用气密封装置环绕整个缝隙流场，气密封装置通过施加高压气体在环绕缝隙流场周边形成气幕，将液体限制在一定流场区域内（参见中国专利ZL200310120944.4和美国专利US2007046916）。

但是传统气密封的密封方式存在一些不足：传统气密封方式对浸没流场进行密封，由于是常压密封，当扫描速度提高时，需要提高气密封压力来保证密封效果。但是较高的气密封压力虽然控制了液体泄漏问题，但是耗能较大，并且增加了前进接触角处液体气泡卷吸的可能性；同时，缝隙流场周边过高的压力会造成浸没式光刻系统的硅片衬底等所受应力过高，导致曝光质量降低，造成曝光缺陷。

另外，传统的浸没式光刻系统在运行时，无法对其内部的浸没流场流动状态及泄漏状态进行监测，从而对浸没流场流动状态的认知和控制造成了很大的阻碍。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于动态压力检测的浸没流场自适应密封方法。通过在浸没单元的回收流道和气密封通道之间布置一圈压力传感器来获得流场周边的压力变化，从而对浸没流场的泄漏状况进行监测，同时将此信号反馈给气密封装置，通过反馈控制实现对浸没流场的自适应动态密封。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明在浸没式光刻系统中投影透镜组和待曝光硅片衬底之间的浸没单元内部进行的密封方法，通过在回收流道和气密封通道之间周向布置一圈压力传感器来实现流场泄漏状况的实时监测和气密封装置注气量的自适应控制。

所述压力传感器实时得到回收流道与气密封通道间局部区域的压力值，根据液滴对气流的绕流作用会导致液滴周围局部区域的压力发生变化这点，推断当压力发生突变即增大时，说明此局部区域的浸没流场发生了泄漏，并且泄漏程度与压力突变数值成正比，由此，能实现对浸没流场泄漏状况的实时监测。

所述压力传感器得到的浸没流场泄漏状况的实时监测值，作为反馈信号输入气密封装置中，气密封装置依据此反馈信号对其注气量进行调节：初始的注气为低压注气，泄漏发生时传感器压力激增超过阈值，气密封装置收到信号加大注气量，变为高压注气，增强密封效果，高压注气结束后自动切换回低压注气，从而降低了光刻机运行时，整个浸没流场周边的密封压力，同时能够始终维持浸没流场边界的稳定，实现对传统的常压气密封方法的优化。

所述压力传感器用于检测局部压力，当流场边界稳定无泄漏发生时，压力传感器感知的压力较小甚至为负压；在流场发生泄漏的瞬间，流场边界稳定性被破坏，有浸没液体进入压力传感器下方的局部区域，液体对气流会产生绕流作用，改变了无泄漏时气密封气流的走向，使得压力发生激增；并且泄漏液体越多，绕流越严重，测得压力越高；由此，能得到传感器检测压力值与流场泄漏状况的对应关系，实现对流场流动状态的实时监测。

所述压力传感器位于回收流道和气密封通道之间，压力传感器位置距离回收流道外边界1～15mm，同时距离气密封通道内侧边界5～15mm。

所述低压注气，其注气量的判断方法为，在此注气量下0.1mm高度的液滴对应产生的压力的陡升值应该大于压力传感器分辨率。

所述高压注气时间应该设定为传感器到气密封注气口的距离与扫描速度的比值。

本发明具有的有益效果是：

1)本发明提供了一种对浸没流场泄漏状况进行实时监测的方法，解决了传统的气密封方法无法获知流场流动及泄漏状况的问题。

2)本发明将检测获得的信号反馈给气密封装置，气密封装置依据此信号实时的改变其进气量，在泄漏发生时加大注气量增强密封效果，在边界恢复稳定后减少注气量降低损耗，进行动态的自适应密封，保证了最佳的密封效果。从而降低了过高的气密封压力导致的前进接触角处的液体卷吸气泡的问题，以及硅片所受应力过大等问题，同时减少了气体的损耗，较大程度的优化气密封装置的性能。

附图说明

图1是浸没单元与投影透镜组装配的简化示意图。

图2是本发明应用于浸没单元后的仰视图。

图3是表征流场无泄漏时传感器下方局部区域的气流状态。

图4是表征流场发生泄漏时传感器下方局部区域的气流状态。

1、投影透镜组；2、浸没单元，2A、注液流道，2B、回收流道，2C、气密封通道；3、硅片衬底；4、压力传感器；5、浸没流场，5A、浸没流场稳定时流场边界，5B、浸没流场的泄漏液滴；6、气密封气体。

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，表明了发明实施方案中涉及的浸没单元与投影透镜组的装配，本发明可以在分步重复或者步进扫描式光刻设备中使用。在曝光过程中，从光源（图中未给出）发出的光（如：ArF或KrF准分子激光）通过对准的掩膜板（图中未给出）、投影透镜组1和充满浸没液体的透镜-衬底间的缝隙流场，对硅片衬底3表面的光刻胶进行曝光。

如图1、图2所示，通过在回收流道2B和气密封通道2C之间周向布置一圈压力传感器4来实现浸没流场5泄漏状况的实时检测和气密封装置通气量的自适应控制。所述压力传感器4实时得到回收流道2B与气密封通道2C间局部区域的压力值，根据液滴对气流的绕流作用会导致液滴周围局部区域的压力发生变化这点，推断当压力发生突变即增大时，说明此局部区域的浸没流场发生了泄漏，并且泄漏程度与压力突变数值成正比，由此，能实现对浸没流场泄漏状况的实时监测。

所述压力传感器4得到的浸没流场泄漏状况的实时监测值，作为反馈信号输入气密封装置中，气密封装置依据此反馈信号对其注气量进行调节：初始的注气为低压注气，泄漏发生时传感器压力激增超过阈值，气密封装置收到信号加大注气量，变为高压注气，增强密封效果，高压注气结束后自动切换回低压注气，从而降低了光刻机运行时，整个浸没流场周边的密封压力，同时能够始终维持浸没流场边界的稳定，实现对传统的常压气密封方法的优化。

所述压力传感器4用于检测局部压力；当流场边界稳定无泄漏发生时，压力传感器感知的压力较小甚至为负压；在流场发生泄漏的瞬间，流场边界稳定性被破坏，有浸没液体进入压力传感器下方的局部区域，液体对气流会产生绕流作用，改变了无泄漏时气密封气流的走向，使得压力发生激增；并且泄漏液体越多，绕流越严重，测得压力越高；由此，能得到传感器检测压力值与流场泄漏状况的对应关系，实现对流场流动状态的实时监测。

所述压力传感器4位于回收流道2B和气密封通道2C之间，压力传感器4位置距离回收流道2B外边界1～15mm，同时距离气密封通道2C内侧边界5～15mm。

所述低压注气，其注气量的判断方法为，在此注气量下0.1mm高度的液滴对应产生的压力的陡升值应该大于压力传感器分辨率。

所述高压注气时间应该设定为传感器到气密封注气口的距离与扫描速度的比值。

当浸没式光刻机工作时，浸没流场中的液体由注液流道2A进入流场，再由回收流道2B流出，完成流场的更新并同时起到了一定的流场密封的作用。然而由于浸没光刻机工作时浸没流场的下表面（硅片衬底3）存在高速的扫描运动，因此由于流体的对壁面的粘性附着，流场内部会产生极大的剪切作用，最终导致浸没流场6的边界稳定性被破坏而发生泄漏。通常采用气密封的方法解决浸没流场泄漏的问题。而传统的气密封方法为常压密封，在密封效果和整机性能等综合来看存在一定的局限。

本发明具体的工作原理如下：

如图3、图4所示，在无泄漏时，浸没流场稳定，此时流场边界如图3中浸没流场稳定时流场边界5A所示；同时回收流道2B和气密封通道2C之间的环形区域内充满了低压注气的气密封气体6，这些气流由于流道形状的限制，在靠近浸没单元下表面的局部区域会形成漩涡，降低了此局部区域的压力，甚至形成负压；而当浸没流场发生泄漏时，会有浸没液体流入回收流道2B与气密封通道2C之间的环形区域，使得气密封气体在经过浸没流场的泄漏液滴5B时会发生一种绕流现象，导致此局部区域的压力升高；并且，当浸没流场的泄漏液滴5B越大时，绕流现象越明显，此局部区域的压力越高。

由此，便选择在回收流道2B和气密封通道2C之间的浸没单元2的下表面布置压力传感器4，实时感测此局部区域的压力变化。当压力值稳定时，就说明浸没流场的边界稳定，没有泄露发生；当某处的压力值突然升高时，就可以判断浸没流场在此处发生了泄漏，实现对流场泄漏状况的实时监测。

可以将这个能判断泄漏状况的信号利用起来，反馈给气密封装置，用以控制气密封装置注气量实现自适应性密封。当浸没流场无泄漏发生时，气密封装置一直保持低压注气，压力传感器感测的压力较为稳定；但若流场边界发生破裂有流体溢出时，测得的压力会突然升高超过压力阈值便会激发信号，此时气密封装置接收到了这个信号，便会切换到高压注气，提高浸没流场周边压力，使泄漏出来的液体在脱离浸没单元区域之前，回到浸没流场整体中，防止曝光缺陷的发生。并且高压注气设定有固定的注气时间，时间到达后，气密封装置重新切换到低压注气，维持浸没流场的稳定。此处高压注气时间应该设定为传感器到气密封注气口的距离与扫描速度的比值，也是液滴从传感器位置运动到气密封注气口所需时间，即为有效的高压密封作用时间。

上述提到的初始的低压注气，其注气量的定义方法为，在此注气量下0.1mm高度的液滴对应产生的压力的陡升值应该大于压力传感器分辨率。否则当泄露液滴很小时，气流的绕流所产生的压力变化过小，导致无法被压力传感器识别，造成误差。

同时应该注意的是，压力传感器布置在回收流道2B和气密封通道2C之间的环形区域内，但是离两侧边界都不易过近。在回收流道2B一侧，因为流场的下表面存在较强的剪切作用，使得流场边界呈现前进和后退弯月面。在后退弯月面位置，其尾部会进入回收流道2B和气密封通道2C间的环形区域，因此，如果传感器紧贴回收流道一侧，所测结果并不准确，应使压力传感器至少距离回收流道边界1mm及以上的距离。在靠近气密封通道一侧，传感器也应保持距离，原因是由于从传感器感知出泄漏发生，到气密封增大通气量将泄漏排除存在一个时间上的延迟，如果传感器离气密封通道过近，会导致气密封还未来得及加强密封作用，泄漏液滴便脱离了浸没单元的区域附着到衬底上，导致曝光缺陷。因此，传感器的位置应距离气密封通道内侧边界5mm及以上的距离较为适宜。

Claims (6)

1.一种基于动态压力检测的浸没流场自适应密封方法，其特征在于：在浸没式光刻系统中投影透镜组(1)和待曝光硅片衬底(3)之间的浸没单元(2)内部进行的密封方法，通过在回收流道(2B)和气密封通道(2C)之间周向布置一圈压力传感器(4)来实现流场泄漏状况的实时监测和气密封装置注气量的自适应控制；

所述压力传感器(4)实时得到回收流道(2B)与气密封通道(2C)间局部区域的压力值，根据液滴对气流的绕流作用会导致液滴周围局部区域的压力发生变化这点，推断当压力发生突变即增大时，说明此局部区域的浸没流场发生了泄漏，并且泄漏程度与压力突变数值成正比，由此，能实现对浸没流场泄漏状况的实时监测。

2.根据权利要求1所述的一种基于动态压力检测的浸没流场自适应密封方法，其特征在于：所述压力传感器(4)得到的浸没流场泄漏状况的实时监测值，作为反馈信号输入气密封装置中，气密封装置依据此反馈信号对其注气量进行调节：初始的注气为低压注气，泄漏发生时传感器压力激增超过阈值，气密封装置收到信号加大注气量，变为高压注气，增强密封效果，高压注气结束后自动切换回低压注气，从而降低了光刻机运行时，整个浸没流场周边的密封压力，同时能够始终维持浸没流场边界的稳定，实现对传统的常压气密封方法的优化。

3.根据权利要求1所述的一种基于动态压力检测的浸没流场自适应密封方法，其特征在于：所述压力传感器(4)用于检测局部压力，当流场边界稳定无泄漏发生时，压力传感器感知的压力较小甚至为负压；在流场发生泄漏的瞬间，流场边界稳定性被破坏，有浸没液体进入压力传感器下方的局部区域，液体对气流会产生绕流作用，改变了无泄漏时气密封气流的走向，使得压力发生激增；并且泄漏液体越多，绕流越严重，测得压力越高；由此，能得到传感器检测压力值与流场泄漏状况的对应关系，实现对流场流动状态的实时监测。

4.根据权利要求1所述的一种基于动态压力检测的浸没流场自适应密封方法，其特征在于：所述压力传感器(4)位于回收流道(2B)和气密封通道(2C)之间，压力传感器(4)位置距离回收流道(2B)外边界1～15mm，同时距离气密封通道(2C)内侧边界5～15mm。

5.根据权利要求2中所述一种基于动态压力检测的浸没流场自适应密封方法，其特征在于：所述低压注气，其注气量的判断方法为，在此注气量下0.1mm高度的液滴对应产生的压力的陡升值应该大于压力传感器分辨率。

6.根据权利要求2所述的一种基于动态压力检测的浸没流场自适应密封方法，其特征在于：所述高压注气时间应该设定为传感器到气密封注气口的距离与扫描速度的比值。