CN104570618A - 基于亲疏水交替表面的浸没流场密封方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于亲疏水交替表面的浸没流场密封方法。包括两级亲疏水密封：第一级亲疏水密封位于浸没单元的回收流道与浸没单元外缘边界之间，且靠近回收流道；第二级亲疏水密封位于浸没单第一级亲疏水密封的疏水环和浸没单元外缘边界之间，靠近浸没单元外缘边界。采用两级亲疏水密封，对流场边界处发生外溢的浸没液体和独立的泄漏液滴均能很好的进行密封；不存在气流不均匀、压力集中、前进弯月面卷吸气泡等问题，并能减少由气密封引入的系统振动；同时可以降低气密封方法在整体流场密封中所占比例，在保证曝光质量的前提下，提高光刻机的扫描速度，进而提高光刻系统的产能；本发明可直接用在现有的光刻机上，简化系统结构，降低制造成本。

Description

基于亲疏水交替表面的浸没流场密封方法

技术领域

本发明涉及一种浸没流场的密封方法，尤其涉及一种基于亲疏水交替表面的浸没流场密封方法。

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（Immersion Lithography）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（NA），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或Topcoat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）。但这种气密封的密封方式存在一些不足：

1)气体密封边界流动不均匀、压力集中等问题，气流不均匀一方面不利于液体密封，在扫描过程中引起泄漏；另一方面可能产生气泡，若气泡进入曝光场，将影响成像质量；同时，填充液体及密封气体回收时将形成气液两相流，由此引发系统振动，影响曝光系统稳定工作。

2)使用气密封方式对浸没流场进行密封，当扫描速度提高时，需要同时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得液体气泡卷吸的可能性；同时，缝隙流场周边过高的压力会对浸没式光刻系统的一些部件如投影物镜等造成损害，导致曝光质量降低，造成曝光缺陷。

除气密封方法之外，另一种可行的办法便是通过改变硅片衬底的表面亲疏水特性对浸没流场进行密封。其具体的实施方式是在衬底上整体附着疏水性涂层，增大衬底表面的接触角，从而使附着其上的浸没流场弯月面形状改变，呈现向内收缩的趋势，以减少浸没流场的泄漏。但是此方法对浸没式光刻扫描速度的提高贡献相当有限，通常还是配合气密封方法共同使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于亲疏水交替表面的浸没流场密封方法。通过在浸没单元下表面施加两级由亲水面和疏水面的交界面形成的密封环，有效阻止衬底高速运动下浸没流场的泄漏问题，达到很好的密封效果。

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的下表面进行浸没流场密封的方法，包括第一级亲疏水密封以及第二级亲疏水密封，其中：

1)第一级亲疏水密封位于浸没单元的回收流道与浸没单元外缘边界之间，第一级亲疏水密封靠近回收流道；

2)第二级亲疏水密封位于浸没单元第一级亲疏水密封的疏水环和浸没单元外缘边界之间，第二级亲疏水密封靠近浸没单元外缘边界。

所述第一级亲疏水密封及第二级亲疏水密封均为利用亲疏水交替表面对浸没液体润湿特性的突变实现密封；所述的第一级亲疏水密封能够对冲出回收区域而发生外溢的浸没液体及牵拉形成的泄漏液滴进行拦截密封，起到主要的密封作用，同时能够辅助回收；所述的第二级亲疏水密封位于第一级亲疏水密封的外侧，在硅片衬底的扫描运动下，能够将部分逃逸出第一级亲疏水密封的第二级密封处的泄漏液滴再次束缚在浸没单元的下表面，防止其脱离浸没单元而造成泄漏，实现两次密封，起到进一步的保障作用。

所述第一级亲疏水密封及第二级亲疏水密封都是利用亲疏水表面对流体的吸附能力上的差异来实现密封，当流体流过亲水面与疏水面相交的界面时，流体分别受到亲水表面的吸附力和疏水表面的排斥力，其合力形成一个与运动方向相反的阻力，从而起到对流场的密封作用。

所述第一级亲疏水密封到回收流道回收孔外边缘的距离为1～5mm；所述第一级亲疏水密封的亲水环的宽度覆盖从第一级亲疏水密封到注液流道外侧边缘的整个区域，第一级亲疏水密封的疏水环、第二级亲疏水密封的亲水环和第二级亲疏水密封的疏水环三者的宽度相等。

本发明具有的有益效果：

1)用基于亲疏水交替表面的流场密封方法对浸没流场进行密封，可避免气密封方法带来的气流不均匀、压力集中、前进弯月面处流体卷吸气泡等问题，解决了扫描速度提高时过高的气密封压力对浸没式光刻系统各部件的损害，同时降低了由于气密封带来的系统振动问题。

2)衬底高速运动状态下，本发明不但能通过第一级密封对流场整体的外溢行为及大部分由后退弯月面牵拉出来的泄漏液滴进行密封，并且能通过第二级密封，对少量从第一级密封中逃逸出来的泄漏液滴再次进行密封，第二级密封将这些泄漏液滴束缚在浸没单元的下表面，防止其脱离浸没单元而造成泄漏；相对于传统的气密封方法，本发明提供的密封方式能起到更好的密封效果，在保证曝光质量的前提下，提高光刻机的扫描速度。

3)本发明提供的密封方法可直接实施在现有的浸没式光刻机中，不需要改变浸没式光刻机各部件的结构，节省人力物力；同时，相对于传统的气密封方法，能降低系统整体的造价及使用成本，并节约能源。

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 是表征衬底运动时第一级密封工作原理图。

图4 是表征衬底运动时第二级密封工作原理图。

1、投影透镜组；2、浸没单元，2A、注液流道，2B、回收流道，2C、浸没单元外缘边界；3、硅片衬底；4、第一级亲疏水密封，4A、亲水环，4B、疏水环； 5、第二级亲疏水密封，5A、亲水环，5B、疏水环；6、浸没流场，6A、第一级密封处浸没流场边界，6B、第二级密封处的泄漏液滴。

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，对衬底3表面的光刻胶进行曝光。

如图1、图2所示，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的下表面进行浸没流场密封的方法，包括第一级亲疏水密封4以及第二级亲疏水密封5，其中：

1)第一级亲疏水密封4位于浸没单元2的回收流道2B与浸没单元外缘边界2C之间，第一级亲疏水密封4靠近回收流道2B；

2)第二级亲疏水密封5位于浸没单元2第一级亲疏水密封4的疏水环4B和浸没单元外缘边界2C之间，第二级亲疏水密封5靠近浸没单元外缘边界2C。

所述第一级亲疏水密封4及第二级亲疏水密封5均为利用亲疏水交替表面对浸没液体润湿特性的突变实现密封；所述的第一级亲疏水密封4能够对冲出回收区域而发生外溢的浸没液体及牵拉形成的泄漏液滴进行拦截密封，起到主要的密封作用，同时能够辅助回收；所述的第二级亲疏水密封5位于第一级亲疏水密封4的外侧，在硅片衬底的扫描运动下，能够将部分逃逸出第一级亲疏水密封4的第二级密封处的泄漏液滴6B再次束缚在浸没单元2的下表面，防止其脱离浸没单元2而造成泄漏，实现两次密封，起到进一步的保障作用，使整个浸没式光刻系统能适应更高的扫描速度，提高产能。

所述第一级亲疏水密封4及第二级亲疏水密封5都是利用亲疏水表面对流体的吸附能力上的差异来实现密封，当流体流过亲水面与疏水面相交的界面时，流体分别受到亲水表面的吸附力和疏水表面的排斥力，其合力形成一个与运动方向相反的阻力，从而起到对流场的密封作用。

所述第一级亲疏水密封4到回收流道2B回收孔外边缘的距离为1～5mm；所述第一级亲疏水密封4的亲水环4A的宽度覆盖从第一级亲疏水密封4到注液流道2A外侧边缘的整个区域，第一级亲疏水密封4的疏水环4B、第二级亲疏水密封5的亲水环5A和第二级亲疏水密封5的疏水环5B三者的宽度相等。

本发明的工作原理如下：

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，浸没流场6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。其泄漏形式可能是流场整体的动能过大而导致的大量液体冲出回收区域造成的泄漏，也可能是浸没流场的后退弯月面局部区域因为粘性牵拉形成液膜最终断裂为独立的液滴滞留在硅片衬底3上造成的泄漏。

本发明采用了亲疏水交替表面的密封方法。当流体流过亲水面(如玻璃表面)与疏水面(如聚四氟乙烯涂覆表面)相交的界面时，流体分别受到亲水表面的吸附力和疏水表面的排斥力，其合力形成一个与运动方向相反的阻力，从而起到对流场的密封作用。同时，采用两级密封相结合的方式，第一级亲疏水密封4与回收流道2B共同作用，能有效防止流场整体的惯性失稳而导致的大量液体的泄漏，并且对衬底牵拉形成的泄漏液滴也起到较好的密封作用；第二级亲疏水密封5起到进一步的保障作用，能将更高扫描速度下从第一级密封中逃逸出来的泄漏液滴束缚在浸没单元2的下表面，防止其脱离浸没单元2而滞留在硅片衬底3上导致曝光缺陷。

图3示意性的表征了衬底向上运动时，第一级亲疏水密封4的工作原理。从浸没流场6的边界的形态可以看出，垂直于硅片衬底3扫描方向上的流场边界形态较为稳定，即回收流道2B在此局部位置对流场进行了充分的回收；而在平行于硅片衬底3扫描方向上的流场边界，其形态发生了明显的改变，浸没流场6中的流体发生了泄漏，说明此时回收流道2B已不足以完成流场密封工作，第一级亲疏水密封4便发挥了作用。可以看出泄漏的浸没流体在第一级亲疏水密封的界面的位置被拦截了下来。

同时，第一级亲疏水密封4位置在回收流道2B之外，但应靠近回收流道2B，否则可能使浸没流场发生外溢的液体获得更高的动能，导致难以密封；但第一级亲疏水密封4不易过于贴近回收流道2B，以防回收流道处将要被回收的液体在亲水环4A的吸附力作用下发生外溢，产生负面效果。综上所述，第一级亲疏水密封4到回收流道回收孔外边缘的距离应在1～5mm之间较为适宜，防止密封环无法充分体现其密封效果。

图4示意性的表征了衬底向上运动时，第二级亲疏水密封5的工作原理。通过前面回收流道2B与第一级亲疏水密封4的共同作用，浸没流场中的液体已经能够较好的被密封在浸没单元2与硅片衬底3之间。但随硅片衬底3扫描速度的提高，浸没流场6的下表面受到的剪切作用越来越强，可能会有少量的浸没液体在粘性牵拉的作用下突破第一级密封的束缚，发生“逃逸”，如图中所示的第二级密封处的泄漏液滴6B。此时便可通过本发明设置的第二级亲疏水密封5对其进行再次拦截。当液滴运动到第二级密封的亲水环5A时，首先会受到亲水面的吸附力，形成与运动方向相反的粘性阻力，降低其速度；当液滴接触到交界面时，又会受到疏水环5B的排斥作用，最终会停留在交界面的内侧。通过这种密封方式便可将所有泄漏液滴很好的束缚在浸没单元2的下表面，防止其因脱离浸没单元2而附着在硅片衬底3上造成曝光缺陷。

Claims (4)

1.一种基于亲疏水交替表面的浸没流场密封方法，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)的下表面进行浸没流场密封的方法，包括第一级亲疏水密封(4)以及第二级亲疏水密封(5)，其中：

1)第一级亲疏水密封(4)位于浸没单元(2)的回收流道(2B)与浸没单元外缘边界(2C)之间，第一级亲疏水密封(4)靠近回收流道(2B)；

2)第二级亲疏水密封(5)位于浸没单元(2)第一级亲疏水密封(4)的疏水环(4B)和浸没单元外缘边界(2C)之间，第二级亲疏水密封(5)靠近浸没单元外缘边界(2C)。

2.根据权利要求1中所述的一种基于亲疏水交替表面的浸没流场密封方法，其特征在于：所述第一级亲疏水密封(4)及第二级亲疏水密封(5)均为利用亲疏水交替表面对浸没液体润湿特性的突变实现密封；所述的第一级亲疏水密封(4)能够对冲出回收区域而发生外溢的浸没液体及牵拉形成的泄漏液滴进行拦截密封，起到主要的密封作用，同时能够辅助回收；所述的第二级亲疏水密封(5)位于第一级亲疏水密封(4)的外侧，在硅片衬底(3)的扫描运动下，能够将部分逃逸出第一级亲疏水密封(4)的第二级密封处的泄漏液滴(6B)再次束缚在浸没单元(2)的下表面，防止其脱离浸没单元(2)而造成泄漏，实现两次密封，起到进一步的保障作用。

3.根据权利要求1中所述的一种基于亲疏水交替表面的浸没流场密封方法，其特征在于：所述第一级亲疏水密封(4)及第二级亲疏水密封(5)都是利用亲疏水表面对流体的吸附能力上的差异来实现密封，当流体流过亲水面与疏水面相交的界面时，流体分别受到亲水表面的吸附力和疏水表面的排斥力，其合力形成一个与运动方向相反的阻力，从而起到对流场的密封作用。

4.根据权利要求1中所述的一种基于亲疏水交替表面的浸没流场密封方法，其特征在于：所述第一级亲疏水密封(4)到回收流道(2B)回收孔外边缘的距离为1～5mm；所述第一级亲疏水密封(4)的亲水环(4A)的宽度覆盖从第一级亲疏水密封(4)到注液流道(2A)外侧边缘的整个区域，第一级亲疏水密封(4)的疏水环(4B)、第二级亲疏水密封(5)的亲水环(5A)和第二级亲疏水密封(5)的疏水环(5B)三者的宽度相等。