CN104749893A - 一种极紫外光刻设备投影系统的环境控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种极紫外光刻设备投影系统的环境控制装置，包括腔体结构、气体供给装置、泵组以及监测装置，其中，气体供给装置可存放、净化处理气体，并调节控制气体质量流量；泵组可对腔体结构抽真空，维持腔体结构真空环境；监测装置用于监测腔体结构真空度、腔体结构内组分的分压，其特征在于：所述腔体结构包括主腔室、工件台腔室以及连接通道，所述各腔室之间相互隔离，连接通道两端分别采用可拆密封连接于主腔室和工件台腔室。本发明的极紫外光刻设备投影系统的环境控制装置可运用于EUV辐射光刻设备中，有效控制光源腔、主腔室及工件台腔室的环境。采用气流隔离的方式，有效防止了不同设备区的交叉污染，起到保护设备的作用；同时，这种气流隔离的密封方式，可有效提高光束的透射率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造装备技术领域，特别地涉及一种极紫外光刻设备投影系统的环境控制装置。
背景技术
极紫外投影光刻（Extreme Ultraviolet Lithography）采用波长为13.5nm的极紫外光，适用于22nm及以下特征尺寸的超大规模集成电路的工业化生产。而任何物质对该波段具有强烈的吸收作用，为减少EUV能量损失，EUV光刻设备采用高真空环境系统。腔室真空度因腔室具体用途而不同。此外，水分子和碳氢化合物在EUV下发生分解，引起光学元件表面氧化和碳沉积，从而导致反射率下降。因此，腔室间的隔离装置尤为重要。
腔室隔离目前主要采取薄膜及气流隔离两种方案。薄膜隔离可实现腔室间完全物理隔离，但EUV透过率仅为50%，而气流隔离可大大降低对EUV的吸收，又可保证对污染物的抑制效果。
发明内容
本发明提出一种极紫外光刻设备投影系统的环境控制装置，一方面可有效抑制不同区域间的交叉污染，另一方面可有效减少对EUV的吸收。
本发明提出一种极紫外光刻设备投影系统的环境控制装置，包括腔体结构、气体供给装置、泵组以及监测装置，其中，气体供给装置可存放、净化处理气体，并调节控制气体质量流量，泵组可对腔体结构抽真空，维持腔体结构真空环境，监测装置用于监测腔体结构真空度、腔体结构内组分的分压，其特征在于：所述腔体结构包括主腔室、工件台腔室以及连接通道，所述各腔室之间相互隔离，连接通道两端分别可拆密封连接于主腔室和工件台腔室。
优选地，所述主腔室具有抽排口，位于主腔室的腔壁使腔内的气流远离投影系统的镜片的位置。
优选地，所述工件台腔室具有抽排口以及惰性气体管道；所述惰性气体管道一侧与工件台腔室的腔壁相连，另一侧与透光孔相连；所述惰性气体管道下壁高于硅片表面1-10mm，最优为2mm；所述抽排口与惰性气体管道相对设置，所述抽排口低于所述惰性气体管道。
优选地，所述惰性气体采用氩气、氢气、氧气、氮气或混合气体。
优选地，所述惰性气体为氩气与氢气的混合气体，其中氩气为79%-39%，氢气为21%-61%。
优选地，所述连接通道具有抽排口，均布于连接通道壁面。
优选地，所述连接通道的长度L与连接通道内的平均压强P的乘积控制在1-3Pa*m。
优选地，所述气体供给装置包括储存装置、纯化装置以及真空微调阀，气体存放于储存装置中，通过纯化装置处理后，进入工件台腔室中，并通过真空微调阀控制其质量流量。
优选地，所述泵组通过分流装置分别与各腔室回路相连；所述分流装置与各腔室之间具有电离真空计和真空阀门，通过所述电离真空计测量各腔室的真空度，通过所述真空阀门控制各腔室的真空度。
优选地，所述泵组通过自动程序控制单元进行控制。
优选地，所述监测装置包括两个四级质谱计，由一台计算机控制，分别监测主腔室和工件台腔室中碳氢化合物、水分子的分压。
本发明的极紫外光刻设备投影系统的环境控制装置可运用于EUV辐射光刻设备中，有效控制光源腔、主腔室及工件台腔室的环境。采用气流隔离的方式，有效防止了不同设备区的交叉污染，起到保护设备的作用；同时，这种气流隔离的密封方式，可有效提高光束的透射率。本发明环境控制装置可使用于低真空环境，可实现污染物的抑制因子≥104，EUV透过率≥60%；采用单一惰性气体即可实现污染物抑制因子及EUV透过率指标；工件台腔室与主腔室分腔体设计，腔体间相对位置及连接方式较灵活。
附图说明
关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。
图1为本发明环境控制装置整体结构示意图；
图2为本发明环境控制装置光路通道结构示意图；
图3为本发明环境控制装置二维模型示意图；
图4为本发明环境控制装置抑制因子随质量流量的变化曲线图；
图5为本发明环境控制装置EUV通光率随质量流量的变化曲线图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。
为减少环境对光源的吸收，EUV光刻设备曝光系统采用高真空环境。不同设备区，真空环境不同，如光源腔、主腔室（包括投影物镜、掩模台、照明系统等）及工件台腔室真空度及污染物控制指标不同。
图1为本发明环境控制装置结构示意图，该装置主要包括腔体结构以及气体供给装置、泵组、监测装置。腔体结构包括主腔室1、工件台腔室2、连接通道3。
主腔室1为圆筒形，腔体材料为不锈钢（SUS304/SUS316）或其它低释气率材料，腔室真空度为10-6~10-4mbar，腔体壁厚为5mm。腔体壁厚依据真空容器壳体计算公式求解或者查表确定。
外压圆筒形壳体壁厚，按稳定性条件计算，其壁厚为式1：
（式1）
式中，S0——圆筒计算壁厚，mm；Di——圆筒内径，mm；P——外压设计压力，MPa；L——圆筒计算长度，mm；Et——材料温度为t时的弹性模量，MPa。
圆筒的实际壁厚应为式2：
（式2）
式中，S0——圆筒计算壁厚，mm；C——壁厚附加量，mm。
主腔室1有一个或两个抽排口，抽排口采用法兰连接，法兰孔直径为200mm（不小于所配泵组法兰孔的直径或依据管道流导进行计算，管道流导不小于抽排量），分别位于腔壁一侧或两侧。抽排口具体位置依光源腔内镜片位置而定，使得腔内气流远离镜片。
工件台腔室2为圆筒形，腔体材料为不锈钢（SUS304/SUS316）或其它低释气率材料，腔室真空度为10--4~10-1mbar，腔体壁厚为5mm。腔体壁厚计算方法同主腔室1。
工件台腔室2有1个抽排口，抽排口采用法兰连接，法兰孔直径为150mm。抽排口正对惰性气体管道19出口，垂向调节范围推荐为±2cm，从而增大惰性气流的抽排量。抽排口与惰性气体管道19相对设置，抽排口低于惰性气体管道19。
惰性气体管道19位于工件台腔室2内部，进气口连接于腔体壳体，排气口连接于通光孔处，均采用可拆密封连接。惰性气体管道19位于工件台腔室2内，管道横截面为长方形，横截面宽由光孔决定，横截面高度为10~40mm，建议高度14mm。管道上壁紧贴工件台腔室上表面，管道下壁与工件台间的距离由工件台的位置控制，为减少EUV的损失，硅片表面与惰性气体管道下壁距离为1~10mm，建议高度2mm。惰性气体的气流速度及管道高度由皮赫数Pe决定。皮赫数为平流速度与扩散速度之比，若皮赫数Pe>> 1，表示流速大，扩散十分緩慢，扩散云团尺度几乎不变，扩散云团可视为一凝结云团被带往下游。Pe控制在20~40内，具体可根据腔室内污染物的分压进行实时调节。
皮赫数计算公式为：
(式6)
其中，v为惰性气体的速度，h为惰性气体管道横截面高度，D为污染物在惰性气体中的扩散系数。
图2为本发明连接通道3的结构示意图，连接通道3的外形结构可由主腔室1和工件台腔室2的相对位置决定，材料为不锈钢（SUS304/SUS316）或其它低释气率材料，壁厚不小于3mm，两端采用可拆密封方式连接于主腔室和工件台腔室。参见图1，光孔截面A、B可为圆形、方形或其它满足光源视场的形状，该实施例中采用方形；抽排口均布于连接通道壁面，抽排口截面C可为圆形、方形或其他满足需求的形状，该实施例中采用方形。
光孔尺寸、抽排口尺寸、连接通道真空度p及连接通道长L间存在如下关系：
（式3）
其中，——连接通道内的压力变化值，mbar；-时间，秒（s）；a——光孔宽，m；b——光孔高，m；L——连接通道长，m；c1——B截面的流导，m3/min；c2——C截面的流导，m3/min；c3——A截面的流导，m3/min；p1——B截面的真空度，mbar；p2——C截面的真空度，mbar；p3——A截面的真空度，mbar。
（式4）
其中，e——自然对数的底数；α——惰性气体对EUV的吸收系数，1/（mbar*m）；P——连接通道真空度p，mbar；L——同上。
式5为分子流时矩形管道的流导:
(式5)
式中，c、d——分别为矩形两边长，m； l21——抽排管道21长，m；Kj——形状系数，可查表。
光孔、抽排口形状不同时，上述公式略有不同。该实施例中，惰性气体为氩气，若使EUV透过率为90%，连接通道3的长度L与连接通道3内的平均压强P的乘积控制在1-3Pa*m。
真空机组采用分子泵机组，可根据腔室真空度不同分别配备真空机组或者采用分流装置共用一组真空机组。该实施例中，工件台腔室、连接通道及主腔室共用一组真空机组，该真空机组由涡轮分子泵5、前级真空泵4组成，二者间有一前置真空阀门6连接，前置真空由一热传导真空计10测量；分子泵进气口连接至分流装置。主腔室1、连接通道3、工件台腔室2分别由真空阀门7、8、9连接到分流装置。分子泵机组极限真空为10-9mbar。高真空插板阀6、7、8、9的工作真空度为103-10-7mbar，其中阀6为电动控制，阀7、8、9为手动控制。
真空泵组依据腔室真空度、漏气量进行设计，分流装置流通横截面尺寸依据流导进行设计。
分子流时圆管流导的计算公式为式7：
（式7）
式中，L,D——圆管的长度和直径，m。
气体供给装置包括储存装置16、纯化装置17、真空微调阀18，分别用于存放气体、纯化处理气体及调节气体的质量流量。
各腔室抽排管道管径d由气体量、管道及各元件的流导计算。各腔室真空度可通过改变管道通流面积进行调节，如改变真空阀门的开度。
主腔室1、连接通道3、工件台腔室2真空度分别由电离真空计11、12、13测量。主腔室1、工件台腔室2内组分气体的分压由四级质谱计15、14监测，并由一台计算机控制，采集处理数据。质谱计14管口与工件台腔室2壁接口位于惰性气体管道入口一侧，并在其下方位置。质谱计15管口与主腔室1腔壁接口靠近主腔室上壁。
惰性气体采用氩气、氢气、氧气、氮气或混合气体等。若采用氩气与氢气的混合气体时，建议混合比为：氩气为79%-39%，氢气为21%-61%。
通过自动程序控制单元，控制泵组的开启与关闭工作：
启动时，按压启动钮→前置泵启动，同时前置阀打开→粗抽开始→当热传导真空计读数达10pa时分子泵启动→约2~3分钟后分子泵转动正常。
关闭时，按压停止钮→分子泵降速→前置阀关闭→机械泵停止→数秒后机械泵被放气→待分子泵完全停转后停止。
通过真空阀门7、8、9调节主腔室1、连接通道3、工件台腔室2的真空度，以达到性能指标。
通过四级质谱计14、15监测主腔室1、工件台腔室2中碳氢化合物、水分子的分压，通过真空微调阀18调节惰性气体的质量流量，从而控制主腔室1中碳氢化合物、水分子的分压，以达到性能指标。
这里通过商用仿真软件，分析了本发明装置对污染物的抑制作用，并计算了相应条件下的EUV透过率。其中，主腔体直径1.06m，腔体高为1.37m，有两个抽排口，抽排口直径均为20cm，抽排口中心距离主腔体顶部46.8cm。工件台腔体直径1.06m，腔体高为20.8cm，有一个抽排口，抽排口直径15cm，抽排口中心距离工件台腔体底部10.6cm；惰性气体管道焊接于工件台腔体内壁，进气口位于腔体壳体壁，排气口位于通光孔处，管道高1.4cm，管道与工件台Z向距离为2mm。通光孔宽1cm，两腔体连接管道长10cm，有两个抽排口。为简化计算，这里将装置简化为二维模型，如图3所示。
主腔室1出口压力为4.5pa，两腔室连接通道3抽排口压力为4.5pa，工件台腔室2出口压力为5pa，碳氢化合物释放速率为 1014molecules/(s*cm2)，惰性气体采用氩气。
图4为本发明环境控制装置抑制因子随质量流量的变化曲线图；图5为本发明环境控制装置EUV通光率随质量流量的变化曲线图。从图4、图5中可以看出，当氩气质量流量为0.3g/s时，该装置对污染物的抑制因子即可达到104，此时对应的EUV透光率高达80%。
本发明环境控制装置可使用于低真空环境，可实现污染物的抑制因子≥104，EUV透过率≥60%；采用单一惰性气体即可实现污染物抑制因子及EUV透过率指标；工件台腔室与主腔室分腔体设计，腔体间相对位置及连接方式较灵活。
本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。
Claims (11)
1. 一种极紫外光刻设备投影系统的环境控制装置，包括腔体结构、气体供给装置、泵组以及监测装置，其中，气体供给装置可存放、净化处理气体，并调节控制气体质量流量；泵组可对腔体结构抽真空，维持腔体结构真空环境；监测装置用于监测腔体结构真空度、腔体结构内组分的分压，其特征在于：所述腔体结构包括主腔室、工件台腔室以及连接通道，所述各腔室之间相互隔离，连接通道两端分别可拆密封连接于主腔室和工件台腔室。
2. 如权利要求1所述的极紫外光刻设备投影系统的环境控制装置，其特征在于：所述主腔室具有抽排口，位于主腔室的腔壁使腔内的气流远离投影系统的镜片的位置。
3. 如权利要求1所述的极紫外光刻设备投影系统的环境控制装置，其特征在于：所述工件台腔室具有抽排口以及惰性气体管道；所述惰性气体管道一侧与工件台腔室的腔壁相连；所述惰性气体管道下壁高于硅片表面1-10mm；所述抽排口与惰性气体管道相对设置，所述抽排口低于所述惰性气体管道。
4. 如权利要求3所述的极紫外光刻设备投影系统的环境控制装置，其特征在于：所述惰性气体采用氩气、氢气、氧气、氮气或混合气体。
5. 如权利要求4所述的极紫外光刻设备投影系统的环境控制装置，其特征在于：所述惰性气体为氩气与氢气的混合气体，其中氩气为79%-39%，氢气为21%-61%。
6. 如权利要求1所述的极紫外光刻设备投影系统的环境控制装置，其特征在于：所述连接通道具有抽排口，均布于连接通道壁面。
7. 如权利要求6所述的极紫外光刻设备投影系统的环境控制装置，其特征在于：所述连接通道的长度L与连接通道内的平均压强P的乘积控制在1-3Pa*m。
8. 如权利要求1所述的极紫外光刻设备投影系统的环境控制装置，其特征在于：所述气体供给装置包括储存装置、纯化装置以及真空微调阀，气体存放于储存装置中，通过纯化装置处理后，进入工件台腔室中，并通过真空微调阀控制其质量流量。
9. 如权利要求1所述的极紫外光刻设备投影系统的环境控制装置，其特征在于：所述泵组通过分流装置分别与各腔室回路相连；所述分流装置与各腔室之间具有电离真空计和真空阀门，通过所述电离真空计测量各腔室的真空度，通过所述真空阀门控制各腔室的真空度。
10. 如权利要求9所述的极紫外光刻设备投影系统的环境控制装置，其特征在于：所述泵组通过自动程序控制单元进行控制。
11. 如权利要求1所述的极紫外光刻设备投影系统的环境控制装置，其特征在于：所述监测装置包括两个四级质谱计，由一台计算机控制，分别监测主腔室和工件台腔室中碳氢化合物、水分子的分压。
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