CN104793466A

CN104793466A - 一种用于浸没式光刻机的流体限制机构

Info

Publication number: CN104793466A
Application number: CN201410024987.0A
Authority: CN
Inventors: 赵丹平; 聂宏飞; 张洪博; 张崇明
Original assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Current assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Priority date: 2014-01-20
Filing date: 2014-01-20
Publication date: 2015-07-22

Abstract

本发明提供一种用于浸没式光刻机的流体限制机构，所述用于浸没式光刻机的流体限制机构在原有流体限制机构中增加了浸液密封装置，该浸液密封装置通过开口向外吹气，在流体限制机构与投影物镜之间形成空气射流，在自由液面上方，形成了阻挡外界空气接触自由液面的气“帘”，防止了由于浸液接触到外界空气，而影响浸没式光刻机曝光质量的情况。

Description

一种用于浸没式光刻机的流体限制机构

技术领域

本发明涉及一种光刻领域，尤其涉及一种用于浸没式光刻机的流体限制机构。

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膜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。

传统的浸没式光刻机结构如图1所示，在该装置中，主框架1支撑一照明系统2、一投影物镜4和一硅片台8，硅片台8上放置有一涂有感光光刻胶的硅片7。该浸没式光刻机结构，将浸液（水）5填充在投影物镜4和硅片7之间缝隙内。工作时，硅片台8带动硅片7作高速的扫描、步进动作，流体限制机构根据硅片台8的运动状态，在投影物镜4的视场范围内，提供一个稳定的浸液流场，同时保证浸液5与外界的密封，保证浸液5不泄漏。掩膜版3上集成电路的图形通过照明系统2、投影物镜4和浸液5以成像曝光的方式，转移到涂有感光光刻胶的硅片7上，从而完成曝光。

现有流体限制机构见美国专利US20070126999、US7710541、中国专利CN102221788，如图2所示，现有流体限制机构中，浸没头6的外轮廓形式不一，但其内部轮廓，即开口是与投影物镜4下端的几何形状41匹配的锥形结构。供液设备供给的浸液通过浸没头6内浸液供给流道流出后填充投影物镜4和硅片7之间缝隙，浸液5通过浸没头6内浸液回收流道流出后，由气液回收设备回收。因此，在物镜4和硅片7之间狭缝内形成了浸液流场，要求浸液流场中的液体处于持续流动状态，无回流，且液体的成分、压力场、速度场、温度场瞬态和稳态变化小于一定范围。

浸没头6下表面与硅片7间存在一定高度的间隙，为了防止液流场中的液体从此间隙中泄漏，浸没头6内设计有进气结构620供给压缩空气，形成朝向硅片7表面的气体射流。气流形成的压力增加区域形成了阻挡液场中液体泄漏的气“帘”，气体或者气液混合体通过抽排结构610抽排出去，实现了流场密封。

浸没头6中的开口与投影物镜4间存在一般为1mm到3mm的间隙，所以在投影物镜4和硅片7之间狭缝内形成的浸液流场的上方，存在宽为1mm到3mm的环形自由液面51，此自由液面51与外界空气（如工件台气浴）直接接触。

然而，现有流体限制机构中自由液面51与外界空气（如工件台气浴）的直接接触会引起两个问题：自由液面51液体的蒸发冷却问题和自由液面51液体的污染问题。

自由液面51液体的蒸发是液场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。液膜蒸发冷却满足下式

T_{0} - T_{W} = \frac{1}{c_{p} ρ {Le}^{2 / 3}} \frac{r}{R_{A}} (\frac{p_{A, w}}{T_{w}} - \frac{p_{A, \infty}}{T_{0}})

式中，T₀和T_W分别是液膜上方气体和液体表面温度，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，自由液面51上方气体相对湿度与自由液面51降温基本呈线性关系，自由液面51上方气体相对湿度小时，蒸发制冷导致自由液面51温度下降较大，影响浸液5的温度稳定性，影响浸液5折射率，进而影响曝光性能。

此外，与自由液面51相接触的外界空气（工件台气浴），洁净度一般为ISO3或ISO2，空气相对湿度小于65%，空气中100nm以上的颗粒小于1000个/立方米，空气中颗粒、硫化物、氮化物、二氧化碳、含硅物质等污染物浓度较高，为ppb级别；如果这些污染通过自由液面51进入流场内，将会产生一系列不利因素，例如产生颗粒、气泡等导致的曝光缺陷、污染镜头下表面（lens cloudy）等。

发明内容

本发明提供一种用于浸没式光刻机的流体限制机构，以解决自由液面与外界空气直接接触而影响浸没式光刻机的曝光质量的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于浸没式光刻机的流体限制机构，所述流体限制机构，用于形成光刻机工件台的浸没式曝光工作环境，所述流体限制机构包括有浸液密封装置，用于在浸液上方阻挡外界环境对所述浸没式曝光工作环境的影响。

可选的，所述浸液密封装置包括有一个开口，所述开口用于向外吹气，在投影物镜与所述流体限制机构的缝隙内形成气流，并向远离所述浸液的方向流动，所述气流在所述缝隙处形成对所述浸液的密封气帘。

可选的，所述浸液密封装置包括有二个开口，分别为第一开口和第二开口，所述第一开口用于向外吹气，形成气流，使所述气流在所述流体限制机构和投影物镜间的缝隙中流动，形成对所述浸液的密封气帘，所述第二开口用于向内抽回所述气流。

进一步的，所述向外吹的气体为超洁净湿空气，所述超洁净湿空气的湿度为85%以上，所述超洁净湿空气的洁净度为ISO1。

进一步的，所述流体限制机构内中还设有进气结构，所述进气结构与供气设备连接，用于向出气开口提供气源。

进一步的，所述开口形状为圆形、方形、矩形、长椭圆形、三角形或者为封闭形状的狭缝。

进一步的，所述开口的数量为多个，所述多个开口等间隔排列围成圆形或者方形。

进一步的，所述第一开口比所述第二开口更靠近所述浸液的上表面。

进一步的，所述第一开口设置在所述流体限制机构的斜坡上或者设置在所述流体限制机构上表面的平台上。

进一步的，所述第二开口设置在所述流体限制机构的斜坡上或者设置在所述流体限制机构上表面的平台上。

进一步的，所述浸液密封装置还包括有阻挡单元，所述阻挡单元设置于所述第二开口的外侧，用于固态阻挡密封。

进一步的，所述阻挡单元为凸起结构。

进一步的，所述凸起结构在所述流体限制机构上表面的平台上围成方形或者圆形。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的用于浸没式光刻机的流体限制机构在原有流体限制机构中增加了浸液密封装置，该浸液密封装置通过开口向外吹气，在流体限制机构与投影物镜之间形成空气射流，在自由液面上方，形成了阻挡外界空气接触自由液面的气“帘”，防止了由于浸液接触到外界空气，而影响浸没式光刻机曝光质量的情况。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1为现有技术中浸没式光刻机的结构示意图；

图2为现有技术中流体限制机构的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的用于浸没式光刻机的流体限制机构的仰视图；

图4为本发明实施例一提供的用于浸没式光刻机的流体限制机构的俯视图；

图5为图4中AB面的剖视图；

图6为本发明实施例二提供的用于浸没式光刻机的流体限制机构的俯视图；

图7为图6中CD面的剖视图。

在图1至图7中，

1：主框架；2：照明系统；3：掩膜版；4：投影物镜；41：投影物镜下端的几何形状；42：投影物镜下端；5：浸液；51：自由液面；6：浸没头（流体限制机构）；61：斜面；62：平面；610：抽排结构；620：进气结构；630、650：第一开口；640、660：第二开口；670：凸起结构；7：硅片；8：硅片台；9：激光干涉仪光路；10：激光干涉仪。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的用于浸没式光刻机的流体限制机构作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明的核心思想在于，提供一种用于浸没式光刻机的流体限制机构，所述用于浸没式光刻机的流体限制机构在原有流体限制机构中增加了浸液密封装置，该浸液密封装置通过开口向外吹气，在流体限制机构与投影物镜之间形成空气射流，在自由液面上方，形成了阻挡外界空气接触自由液面的气“帘”，防止了由于浸液接触到外界空气，而影响浸没式光刻机曝光质量的情况。

请参考图1至图7，图1为现有技术中浸没式光刻机的结构示意图；图2为现有技术中流体限制机构的结构示意图；图3为本发明实施例提供的用于浸没式光刻机的流体限制机构的仰视图；图4为本发明实施例一提供的用于浸没式光刻机的流体限制机构的俯视图；图5为图4中AB面的剖视图；图6为本发明实施例二提供的用于浸没式光刻机的流体限制机构的俯视图；图7为图6中CD面的剖视图。

实施例一

如图3至图5所示，本发明实施例提供一种用于浸没式光刻机的流体限制机构，所述浸没式光刻机包括照明系统2、掩膜版3、投影物镜4、流体限制机构和硅片7，所述流体限制机构设置于所述投影物镜4与硅片7之间，所述掩膜版3上集成电路的图形通过所述照明系统2、投影物镜4和流体限制机构中的浸液5，以成像曝光的方式转移到所述硅片7上，从而完成曝光。

其中，所述流体限制机构用于形成光刻机工件台的浸没式曝光工作环境，其包括有浸液密封装置，用于在浸液5上方阻挡外界环境对所述浸没式曝光工作环境的影响。

进一步的，所述浸液密封装置包括有二个开口，分别为第一开口630和第二开口640，所述第一开口630用于向外吹气，形成气流，使所述气流在所述流体限制机构和投影物镜4间的缝隙中流动，形成对所述浸液5的密封气帘，所述第二开口640用于向内抽回所述气流。

请重点参考图3，如图3所示，所述流体限制机构的上表面为平面62，其内侧面为斜面61，所述第一开口630和第二开口640均设置于靠近所述斜面61处，所述第一开口630中的喷气口和第二开口640中的抽取口均位于所述斜面61上。

请重点参考图4，如图4所示，所述第一开口630中的喷气口为一封闭形状的狭缝。优选的，所述喷气口为环形的狭缝，所述环形狭缝的圆心位于所述流体限制机构的中轴上，在本实施例中，所述狭缝的宽度大于0.02mm，且小于0.4mm。

所述第二开口640中的抽取口在本实施例中可以为一封闭形状的狭缝。优选的，所述抽取口为环形的狭缝，所述环形狭缝的圆心位于所述流体限制机构的中轴上，所述抽取口的宽度大于0.2mm。

所述第二开口640中的抽取口在本实施例中也可以为多个离散的小开口。优选的，所述抽取口呈环形，所述多个离散的小开口等间隔设置，并围成所述环形抽取口，所述环形抽取口的圆点位于所述流体限制机构的中轴上，所述多个离散的小开口的宽度均大于0.3mm，这些离散的小开口可以是从圆形、方形、矩形、长椭圆形、三角形等中选出的一个或多个。

进一步的，所述第一开口中的喷气口与第二开口中的抽取口之间的间隔大于3mm，且小于10mm。

请重点参考图1和图5，如图1和图5所示，所述第一开口630连接至分立的正压源，以产生期望的供气正压。第一开口630供给的气体要求为超洁净湿空气，供气的洁净度要求控制在ISO1以上，即供气中100nm以上的颗粒要求小于10个/立方米，供气硫化物、氮化物、二氧化碳、含硅物质等分子污染物浓度要求达到ppt级，供气相对湿度要求达到85%以上。另一方面，第一开口630供给的气体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，P_w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9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，这对于激光干涉仪10等位置测量系统的稳定性极为不利，所以将第二开口640连接至分立的负压源，以产生期望的抽排负压，抽取第一开口630供给的气体。

在自由液面51上方，第一开口630形成朝向投影物镜下端的几何形状41的超洁净湿空气射流，射流形成的压力增加区域形成了阻挡浸液流场中自由液面51与外界空气接触的气“帘”，减小了自由液面51液体的蒸发冷却和自由液面51液体的污染；第二开口640的抽排作用，防止了超洁净湿空气对激光干涉仪10等位置测量系统测量的干扰。

由于气体射流的速度沿射程变化满足如下关系式：

\frac{v_{m}}{v_{0}} = \frac{0.48}{\frac{as}{d} + 0.147}

式中，v_m表示射流轴心速度,单位m/s；v₀表示射流出口速度,单位m/s；a表示紊流系数；s表示射流射程,单位m；d表示狭缝宽度,单位m。

因此为确保形成足够大的压力增加区域，要求气体射流到达投影物镜下端的几何形状41附近时速度大于0.2m/s，并且第二开口640的抽取流量Q₆₄₀需要比第一开口630的供气流量Q₆₃₀略小。下表给出了几组流量数据优选方案：

	第一组	第二组	第三组
				Q₆₃₀(l/min)	3.00	3.50	4.00
Q₆₄₀(l/min)	2.95	3.45	3.95

表1

进一步的，所述流体限制机构中还设有浸液供给流道和浸液回收流道，所述浸液供给流道和浸液回收流道的外端分别与供液设备和气液回收设备连接，其内端均与所述流体限制机构的内空间相通，所述流体限制机构中还设有进气结构620，所述进气结构620与供气设备连接，其用于向所述硅片7表面喷出压缩空气形成气体射流，所述气体射流包围并阻挡所述流体限制机构与所述硅片7之间的浸液5向外流散，所述流体限制机构中还设有抽排结构610，所述抽排结构610位于所述进气结构620的内侧，其用于将所述流体限制机构与所述硅片7之间的浸液5抽排入所述气液回收设备中。通过上述结构，在物镜4和硅片7之间狭缝内形成了浸液流场，在本实施例中，浸液流场中的液体处于持续流动状态，无回流，且液体的成分、压力场、速度场、温度场瞬态和稳态变化小于一定范围，符合浸没式光刻的要求。

进一步的，所述流体限制机构的外侧结构成方形，所述进气结构620中位于所述流体限制机构下表面的喷气口为一封闭形状的狭缝。优选的，所述喷气口为方形的狭缝，所述方形狭缝的中点位于所述流体限制机构的中轴上，在本实施例中，所述狭缝的宽度大于0.04mm，且小于0.1mm。

进一步的，所述抽排结构610中位于所述流体限制机构下表面的抽排口在本实施例中可以为一封闭形状的狭缝。优选的，所述抽排口为方形的狭缝，所述方形狭缝的中点位于所述流体限制机构的中轴上，所述狭缝的宽度大于0.2mm。

另外，所述抽排结构610中位于所述流体限制机构下表面的抽排口在本实施例中也可以为多个离散的小开口。优选的，所述抽排口呈方形，所述多个离散的小开口等间隔设置，并围成所述方形抽排口，所述方形抽排口的中点位于所述流体限制机构的中轴上，所述多个离散的小开口的宽度均大于0.3mm，这些离散的小开口可以是从圆形、方形、矩形、长椭圆形、三角形等中选出的一个或多个。

在本实施例中，所述流体限制机构即为浸没头6。

实施例二

本实施例与实施例一中技术方案相比，其区别在于所述第一开口和第二开口在所述流体限制机构中设置的位置不同，其余结构均与实施例一的对应结构相同，在此便不再赘述。

如图6和图7所示，在本实施例中，所述流体限制机构的上表面为平面62，其内侧面为斜面61，所述第一开口650和第二开口660均设置于所述流体限制机构内靠近所述平面62处，所述第一开口650中的喷气口和第二开口660中的抽取口均位于所述平面62上。

请重点参考图6，如图6所示，所述第一开口650中的喷气口为一封闭形状的狭缝。优选的，所述喷气口为方形的狭缝，所述方形狭缝的中心位于所述流体限制机构的中轴上，在本实施例中，所述狭缝的宽度大于0.1mm，且小于2mm。

所述第二开口660中的抽取口在本实施例中可以为一封闭形状的狭缝。优选的，所述抽取口为方形的狭缝，所述方形狭缝的圆心位于所述流体限制机构的中轴上，所述抽取口的宽度大于0.3mm。

所述第二开口660中的抽取口在本实施例中也为多个离散的小开口。优选的，所述抽取口呈方形，所述多个离散的小开口等间隔设置，并围成所述方形抽取口，所述环形抽取口的中点位于所述流体限制机构的中轴上，所述多个离散的小开口的宽度均大于0.5mm，这些离散的小开口可以是从圆形、方形、矩形、长椭圆形、三角形等中选出的一个或多个。

进一步的，所述第一开口650中的喷气口与第二开口660中的抽取口之间的间隔大于10mm。

进一步的，所述平面62上还设有凸起结构670，所述凸起结构670位于所述第二开口660的外侧，其用于阻挡外界空气进入到所述投影物镜4与流体限制机构之间的空间内。

进一步的，所述凸起结构670在所述平面62上围成一方形，所述凸起结构670的中点位于所述开口的中轴上。

进一步的，所述凸起结构670与所述投影物镜下端42之间的间隙宽度为0.3mm-1mm。

请重点参考图1和图7，如图1和图7所示，所述第一开口650连接至分立的正压源，以产生期望的供气正压。第一开口650供给的气体与第一开口630相同，要求为超洁净湿空气,供气的洁净度要求控制在ISO1以上，供气相对湿度要求达到85%以上。同时，为防止第一开口650供给的气体影响到基台附近的大气压强、温度以及湿度等，第二开口660应连接至分立的负压源，以产生期望的抽排负压，抽取第一开口650供给的气体。所述凸起结构670能够阻挡外界空气进入流体限制机构的上表面，即平面62与投影物镜下端42间的空间内，加强自由液面51与外界空气的隔离效果。

在自由液面51上方，第一开口650形成朝向投影物镜下端42的超洁净湿空气射流，射流形成的压力增加区域形成了阻挡液场中自由液面51与外界空气接触的气“帘”，同时，由于凸起结构670的阻挡，减小了自由液面51液体的蒸发冷却和自由液面51液体的污染；第二开口660的抽排作用，防止了超洁净湿空气对激光干涉仪10等位置测量系统测量的干扰。

第一开口650气体射流同样满足上文中气体射流的速度沿射程变化关系式，为确保形成足够大的压力增加区域，要求气体射流到达投影物镜下端42附近时速度大于0.3m/s。此外，为避免过大的作用力对物镜带来不良影响，要求气体射流对物镜的作用力小于特定值，在本实施例中，要求气体射流对投影物镜下端的作用力小于0.01N，即所述第一开口650供气流量上限约为76l/min，并且第二开口660的抽取流量Q₆₆₀需要比第一开口650供气流量Q₆₅₀略小，下表给出了几组流量数据优选方案：

	第一组	第二组	第三组
				Q₆₅₀(l/min)	20.00	25.00	30.00
Q₆₆₀(l/min)	19.95	24.95	29.95

表2

可以想到的是，分别将第一开口设置在斜面61上，将第二开口设置在平面62，也可达到本发明所起到的效果，故本发明亦包括该实施例。

进一步的，在上述两个实施例中，在所述浸没式光刻机工作时，将其附近的空气湿度提高到85%以上，将其附近的空气洁净度提高到ISO1，以彻底解决自由液面与外界空气直接接触而影响浸没式光刻机的曝光质量的问题。

显然，本领域的技术人员可以对本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，倘若本发明的这些改动和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种用于浸没式光刻机的流体限制机构，所述流体限制机构，用于形成光刻机工件台的浸没式曝光工作环境，其特征在于，所述流体限制机构包括有浸液密封装置，用于在浸液上方阻挡外界环境对所述浸没式曝光工作环境的影响。

2.如权利要求1所述的流体限制机构，其特征在于，所述浸液密封装置包括有一个开口，所述开口用于向外吹气，在投影物镜与所述流体限制机构的缝隙内形成气流，并向远离所述浸液的方向流动，所述气流在所述缝隙处形成对所述浸液的密封气帘。

3.如权利要求1所述的流体限制机构，其特征在于，所述浸液密封装置包括有二个开口，分别为第一开口和第二开口，所述第一开口用于向外吹气，形成气流，使所述气流在所述流体限制机构和投影物镜间的缝隙中流动，形成对所述浸液的密封气帘，所述第二开口用于向内抽回所述气流。

4.如权利要求3所述的流体限制机构，其特征在于，所述第一开口比所述第二开口更靠近所述浸液的上表面。

5.如权利要求3所述的流体限制机构，其特征在于，所述第一开口设置在所述流体限制机构的斜坡上或者设置在所述流体限制机构上表面的平台上。

6.如权利要求4所述的流体限制机构，其特征在于，所述第二开口设置在所述流体限制机构的斜坡上或者设置在所述流体限制机构上表面的平台上。

7.如权利要求3所述的流体限制机构，其特征在于，所述浸液密封装置还包括有阻挡单元，所述阻挡单元设置于所述第二开口的外侧，用于固态阻挡密封。

8.如权利要求7所述的流体限制机构，其特征在于，所述阻挡单元为凸起结构。

9.如权利要求2或3所述的流体限制机构，其特征在于，所述向外吹的气体为超洁净湿空气。

10.如权利要求9所述的流体限制机构，其特征在于，所述超洁净湿空气的湿度为85%以上。

11.如权利要求9所述的流体限制机构，其特征在于，所述超洁净湿空气的洁净度为ISO1。

12.如权利要求2或3所述的流体限制机构，其特征在于，所述流体限制机构内中还设有进气结构，所述进气结构与供气设备连接，用于向出气开口提供气源。

13.如权利要求2或3所述的流体限制机构，其特征在于，所述开口形状为圆形、方形、矩形、长椭圆形、三角形或者为封闭形状的狭缝。

14.如权利要求13所述的流体限制机构，其特征在于，所述开口的数量为多个，所述多个开口等间隔排列围成圆形或者方形。

15.如权利要求8所述的流体限制机构，其特征在于，所述凸起结构在所述流体限制机构上表面的平台上围成方形或者圆形。