CN104950586A - 一种浸液限制机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种浸液限制机构，将浸液限制在投影物镜和硅片之间，包括水平供液通道、出液通道、气液回收通道、供气通道及垂直供液通道，水平供液通道和出液通道水平设置，所述垂直供液通道、气液回收通道和供气通道的出口由内向外依次排列于浸液限制机构的底部，所述水平供液通道、垂直供液通道分别连接至供液设备，所述出液通道和气液回收通道分别连接至气液回收设备，所述供气通道连接至供气设备，设于所述浸液限制机构底部的供气通道开口的宽度为十微米级。本发明通过增大供气通道的开口宽度，避免形成“气刀”结构，从而解决边缘曝光时的液滴飞溅问题；通过设置垂直供液通道，提供有碰撞风险时朝向浸液限制机构底部的排斥力，从而减小扰动。

Description

一种浸液限制机构

技术领域

本发明涉及光刻设备领域，尤其涉及一种浸液限制机构。

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。

浸没式光刻机的结构如图1所示，在该装置中，照明系统2、投影物镜4和硅片台8依次固定于主框架1上，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5（如水）填充在投影物镜4和硅片7之间的缝隙内。工作时，硅片台8带动硅片7作高速的扫描、步进动作，浸液限制机构（浸没头）6根据硅片台8的运动状态，在投影物镜4的视场范围，提供一个稳定的浸液流场，同时保证流场与外界的密封，保证液体不泄漏。掩模版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。

其中浸液限制机构6的结构如图2所示，浸液限制机构6将浸液5限制在投影物镜4和硅片7之间的缝隙内。具体地，浸液限制机构6包括相对设置的供液通道61和出液通道62、气液回收通道63以及供气通道64，所述供液通道61与供液设备相连，向供液通道61中通入浸液5；所述出液通道62和气液回收通道63分别连接至气液回收设备，浸液从所述出液通道62流出后，由气液回收设备回收；所述供气通道64连接至供气设备。由于投影物镜4和硅片7之间的狭缝内形成了浸液流场，且要求浸液流场中的浸液5处于持续流动状态，无回流，因此，为了防止流场中的浸液5从此间隙中泄漏，浸液限制机构6内设有供气通道64供给压缩空气，而供气通道64在浸液限制机构6底部的开口较窄，会形成朝向硅片7上表面的“气刀”。“气刀”形成的压力增加区域形成了阻挡浸液流场中浸液5泄漏的气“帘”，气体或者气液混合体通过气液回收通道63抽排出去，从而实现流场密封。

但是，为了实现浸液限制机构6将浸液5限制在投影物镜4和硅片7之间的缝隙内，浸液限制机构6下表面与硅片7上表面间隙“GAP”应足够的小，小的间隙有利于工件台高速步进扫描运动状态下流场的密封。通常，浸液限制机构6下表面与硅片7上表面间隙“GAP”为100μm左右。然而，非常小的浸液限制机构6下表面与硅片7上表面间隙“GAP”带来了另外一个问题，即浸液限制机构6与硅片7或硅片台8碰撞的风险大大增加。

为减小上述风险，一种方法是通过将供气通道64形成的“气刀”的部分气体导引至气液回收通道63，在浸液限制机构6下表面与硅片7上表面间隙“GAP”形成气流。将浸液限制机构6保持在间隙中流动的气体层上。通过利用这种气体轴承在浸液限制机构6下表面与硅片7上表面间隙“GAP”提供的间距，浸液限制机构6可获得一定防止碰撞的安全性。

但是，利用气体轴承方案至少存在以下两方面问题：

1.“气刀”结构在边缘曝光时易造成液滴飞溅问题（Water Splashing）；

2.气体为可压缩流体，气体流速过高时浸液限制机构受到的扰动较大，浸液限制机构存在振动问题（Slurping Noise）。

发明内容

本发明提供一种浸液限制机构，以解决现有的浸液限制机构的上述问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种浸液限制机构，将浸液限制在投影物镜和硅片之间，包括水平供液通道、出液通道、气液回收通道以及供气通道，还包括垂直供液通道，所述水平供液通道和出液通道水平设置，所述垂直供液通道、气液回收通道和供气通道的出口由内向外依次排列于浸液限制机构的底部，所述水平供液通道、垂直供液通道分别连接至供液设备，所述出液通道和气液回收通道分别连接至气液回收设备，所述供气通道连接至供气设备，设于所述浸液限制机构底部的供气通道开口的宽度为十微米级。

较佳地，所述垂直供液通道、气液回收通道和供气通道三者位于浸液限制机构的底部的开口将浸液限制机构底部由内向外依次分为第一平面、第二平面、第三平面和第四平面，所述第二平面与硅片上表面之间的距离小于所述第三平面与硅片上表面之间的距离。

较佳地，所述第一平面与所述第二平面处于同一水平面，所述第四平面与硅片上表面之间的距离大于等于所述第三平面与硅片上表面之间的距离。

较佳地，所述第二平面的宽度为2～5mm，所述浸液限制机构的总质量为1kg，所述第一平面的宽度大于5mm。

较佳地，所述垂直供液通道、气液回收通道和供气通道位于浸液限制机构底部的开口均为狭缝或多个离散开口。

较佳地，所述离散开口的形状为圆形、矩形、椭圆形或三角形中的一种或多种。

较佳地，位于浸液限制机构底部的所述垂直供液通道开口的宽度为0.1～0.2mm；位于浸液限制机构底部的所述气液回收通道开口的宽度大于0.2mm；位于浸液限制机构底部的所述供气通道开口的宽度大于1mm。

较佳地，所述浸液限制机构与主基板非刚性连接。

较佳地，所述垂直供液通道的控制系统包括传感器、闭环控制单元和流量调节单元，所述传感器与流量调节单元均设于所述垂直供液通道内，所述传感器和流量调节单元分别与所述闭环控制单元相连。

较佳地，所述流量调节单元采用磁悬浮离心泵或两通流量调节阀。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.本发明利用供气设备向供气通道中通入超洁净湿空气，由于增大了供气通道位于浸液限制机构的底部的开口的宽度，避免气流向硅片上表面的冲击力过大，从而解决边缘曝光时的液滴飞溅问题；

2.本发明通过增设垂直供液通道，在浸液限制机构的底部形成第一至第四平面，第二平面与硅片上表面形成间隙GAP2，间隙GAP2中为不可压缩的液体层，通过调节垂直供液通道的流速能够提供有碰撞风险时向浸液限制机构的排斥力，在避免浸液限制机构的底部与硅片碰撞的同时，能够减小浸液限制机构受到的扰动；

3.本发明对垂直供液通道进行伺服控制，闭环控制单元通过传感器的反馈值，精确的控制垂直供液通道中浸液的流动速度和压力，保证碰撞时向浸液限制机构提供足够大的排斥力。

附图说明

图1为浸没式光刻机的结构示意图；

图2为现有的浸液限制机构的结构示意图；

图3为本发明一具体实施方式的浸液限制机构的结构示意图；

图4为本发明一具体实施方式的浸液限制机构的底部结构示意图；

图5为本发明一具体实施方式的浸液限制机构的受力关系示意图；

图6为本发明一具体实施方式的浸液限制机构与主基板的连接关系示意图；

图7为本发明实施例1的浸液限制机构中垂直供液通道的控制系统示意图；

图8为本发明实施例2的浸液限制机构中垂直供液通道的控制系统示意图。

图1-2中：1-主框架、2-照明系统、3-掩模版、4-投影物镜、5-浸液、6-浸液限制机构、61-供液通道、62-出液通道、63-气液回收通道、64-供气通道、7-硅片、8-硅片台；

图3-8中：100-投影物镜、200-硅片、300-浸液、400-浸液限制机构、410-水平供液通道、420-出液通道、430-气液回收通道、440-供气通道、450-垂直供液通道、451-传感器、452-闭环控制单元、453-磁悬浮离心泵、454-两通流量调节阀、460-第一平面、470-第二平面、480-第三平面、490-第四平面、500-主基板、510-连接件、520-重力补偿机构、530-电机。

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清晰易懂，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。

请参考图3至图4，本发明提供的浸液限制机构400，将浸液300限制在投影物镜100和硅片200之间，包括水平供液通道410、出液通道420、气液回收通道430以及供气通道440，还包括垂直供液通道450，所述水平供液通道410和出液通道420相对设置，且均水平设置于浸液限制机构400的顶部，以实现浸液的循环流动；所述垂直供液通道450、气液回收通道430和供气通道440的出口由内向外依次排列于浸液限制机构400的底部，所述水平供液通道410、垂直供液通道450分别连接至供液设备，请重点参考图3，所述水平供液通道410连接至水平注液单元，所述垂直供液通道450连接至垂直注液单元，二者分别控制；所述出液通道420和气液回收通道430分别连接至气液回收设备；所述供气通道440连接至供气设备，所述供气通道440位于浸液限制机构400底部的开口，其宽度为十微米级，当供气设备向供气通道440中通入压缩气体时，由于供气通道440位于浸液限制机构400底部的开口的宽度较大，能够有效避免由于供气通道底部开口过窄而引起的流向硅片上表面的空气的冲击力过大的问题，进而解决了边缘曝光时液滴飞溅的问题。

较佳地，请继续参考图3和图4，所述垂直供液通道450、气液回收通道430和供气通道440三者位于浸液限制机构400的底部的开口将浸液限制机构400的底部由内向外依次分为第一平面460、第二平面470、第三平面480和第四平面490，本发明通过增设垂直供液通道450，第二平面470与硅片200上表面之间的距离GAP2中为不可压缩的液体层，通过调节垂直供液通道450的流速，在有碰撞风险时就能够提供朝向浸液限制机构400的排斥力，在避免浸液限制机构400的底部与硅片200碰撞的同时，能够减小浸液限制机构400受到的扰动。所述第二平面470与硅片200上表面之间的距离GAP2小于所述第三平面480与硅片200上表面之间的距离GAP1，且差值应大于100μm，请重点参考图3，也就是说，第二平面470低于第三平面480，进一步降低浸液限制机构400与硅片200发生碰撞的风险。

请重点参考图4，本实施例中，所述浸液限制机构400的底面是与X、Y轴夹角均为45°角的正方形，然而，本发明对浸液限制机构400底面的形状不进行限定，其可以应用至在水平面上形成的任何形状，例如圆形。

具体地，所述垂直供液通道450位于浸液限制机构400的底部的开口可以是细长的狭缝，期望狭缝的宽度为0.1至0.2mm之间；还可以是多个离散的小开口，这些离散的开口可以是从圆形、方形、矩形、长椭圆形、三角形等中选出的一个或多个，每个开口的直径或宽度期望为0.1mm至0.2mm之间，各开口间距期望为0.2mm至0.3mm之间。垂直供液通道450连接至浸液供给设备分立的垂直注液单元，以产生期望的垂直注液流量和压力。

所述气液回收通道430位于浸液限制机构400的底部的开口可以是细长的狭缝，期望狭缝的宽度大于0.2mm；还可以是多个离散的小开口，这些离散的开口可以是从圆形、方形、矩形、长椭圆形、三角形等中选出的一个或多个，每个开口的直径或宽度期望大于0.3mm。所述气液回收通道430连接至分立的负压源，以产生期望的抽排负压。

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，连续的水膜会被硅片200从浸液流场中拉伸出来，拉伸出来的液膜在蒸发致冷作用下使得硅片200瞬间降温，为防止蒸发致冷，浸液限制机构400下表面最外侧设置用于提供超洁净湿空气（Extreme Clean Humid Air）的供气通道440，其结构可以是细长的狭缝，期望狭缝的宽度为大于1mm；还可以是多个离散的小开口，这些离散的开口可以是从圆形、方形、矩形、长椭圆形、三角形等中选出的一个或多个，每个开口的直径或宽度期望大于1mm，各开口间距期望大于2mm。供气通道440连接至分立的正压源，以产生期望的供气正压。

请重点参考图3，所述第二平面470与硅片200上表面之间流动的是液体层；所述第三平面480与硅片200上表面之间流动的是气体层，假设第二平面470与硅片200上表面之间填充的浸液300的密度为ρ、动力粘度为μ、硅片200以速度v0运动，所述第二平面470与硅片200上表面之间的距离GAP2的高度为h，第二平面470的宽度（垂直供液通道450在浸液限制机构400的底部的开口与气液回收通道430在浸液限制机构400的底部的开口之间的距离）为l。

则浸液300流动时，考虑定常、连续、不可压的N-S方程：

$-\frac{\∂p}{\∂x}+\mathrm{\μ}\frac{{\∂}^2{v}_x}{\∂y^2}=0$

硅片200上表面边界采用无滑移边界条件：

$\left\{\begin{array}{c}y=0,v_x=\±v_0\\ y=h,v_x=0\end{array}\right.$

其中，

+v₀表示硅片200运动方向与第二平面470与硅片200上表面之间填充的浸液300的流动方向同向；

-v₀表示硅片200运动方向与第二平面470与硅片200上表面之间填充的浸液300的流动方向反向。

可得到第二平面470与硅片200上表面之间填充的浸液300的速度分布：

$v_x=\frac{\mathrm{\Δp}}{2\mathrm{\μl}}(\mathrm{hy}-y^2)\±v_0(1-\frac{y}{h})$

设所述第二平面470外围的周长为B，可得到第二平面470与硅片200上表面之间填充的浸液300的流量q_v为：

$q_v={\∫}_0^h{v}_x\mathrm{Bdy}=\frac{\mathrm{Bh}}{2}(\frac{\mathrm{\Δp}{h}^2}{6\mathrm{\μl}}\±v_0)$

从而可得到第二平面470与硅片200上表面之间填充的浸液300的平均速度为：

$v=\frac{\mathrm{\Δp}{h}^2}{12\mathrm{\μl}}\±\frac{v_0}{2}$

若不考虑硅片200的运动，则

$\mathrm{\Δp}=\frac{12\mathrm{\μLv}}{h^2}$

其中，Δp为驱动液体流动的压力。

而上述的第二平面470与硅片200上表面之间填充的浸液300的液体流动的压力Δp也就形成了第二平面470与硅片200上表面间的排斥力，排斥力大小与GAP2的高度h、第二平面470的宽度l的关系如图5所示，较佳地，所述第二平面470的宽度为2～5mm，所述浸液限制机构400的总质量为1kg，所述第一平面460的宽度大于5mm。由图5可知，当h为25μm，l为2mm时，浸液限制机构400受到的排斥力为8N，当h为25μm，l为3.5mm时，浸液限制机构400受到的排斥力为24N，当h为25μm，l为5mm时，浸液限制机构400受到的排斥力为50N；所述第一平面460的宽度大于5mm能够防止垂直供液通道450中过多的浸液300倒流至投影物镜100下方的流场中。较佳地，所述第一平面460与所述第二平面470处于同一水平面，所述第四平面490与硅片200上表面之间的距离大于等于所述第三平面480与硅片200上表面之间的距离。

较佳地，请重点参考图6，所述浸液限制机构400与主基板500非刚性连接，以确保所述浸液限制机构400在碰撞风险较大时能够被排斥力抬起，具体地，浸液限制机构400与连接件510刚性连接，重力补偿机构520和电机530分别与所述主基板500刚性连接，利用重力补偿机构520和电机530自身组件之间的非刚性连接关系实现浸液限制机构400与主基板500之间的非刚性连接。

实施例1

较佳地，请重点参考图7，所述垂直供液通道450的控制系统包括传感器451、闭环控制单元452和流量调节单元，本实施例中，所述流量调节单元采用磁悬浮离心泵453，使用时，所述磁悬浮离心泵453可设有回流通道，如图7中所示。所述传感器451与流量调节单元均设于所述垂直供液通道450内，所述传感器451和流量调节单元分别与所述闭环控制单元452相连。具体地，当第二平面470与硅片200上表面间的距离减小时（即：浸液限制机构400与硅片200或工件台产生碰撞风险时），垂直供液通道450的注液阻力（负载）增加，若保持注液的功率不变将会导致注液流量流速的下降，这不利于第二平面470与硅片200上表面之间的液体层产生足够的排斥力。因此，垂直供液通道450的注液过程可采用无轴承磨损以及密封破损的磁悬浮离心泵453注液。基于磁悬浮的原理，磁悬浮离心泵453的叶轮悬浮（无接触）在密封的泵壳内并且由电机的磁场驱动，其中磁悬浮离心泵453的叶轮和壳体都要求由耐化学腐蚀和无金属、颗粒等污染释放的高纯度的全氟烷氧基树脂（PFA）制造，或磁悬浮离心泵453的叶轮和壳体均包含高纯度PFA涂层或内衬，与磁性转子一起构成磁悬浮离心泵453的头部；传感器451采集垂直供液通道450中浸液300的流动速度或压力，反馈给闭环控制单元452，闭环控制单元452通过电子调节所述磁悬浮离心泵453的转子速度，精确的控制垂直供液通道450中浸液300的流动速度和压力。

实施例2

较佳地，请重点参考图8，本实施例与实施例1的区别点在于：所述流量调节单元采用两通流量调节阀454，使用时，所述两通流量调节阀454可设有回流通道，如图8中所示。具体地，所述两通流量调节阀454的阀体由耐化学腐蚀和无金属、颗粒等污染释放的高纯度PFA或PTFE（聚四氟乙烯）制造，两通流量调节阀454中与浸液300接触部分要求由耐化学腐蚀和无金属、颗粒等污染释放的高纯度PFA制造；传感器451采集垂直供液通道450中浸液300的流动速度或压力，反馈给闭环控制单元452，闭环控制单元452通过电子调节与两通流量调节阀454连接的驱动器来调节两通流量调节阀454的开度，精确的控制垂直供液通道450中浸液300的流动速度和压力。

较佳地，表1中分别给出了各进出口流量值，其中，Q1为垂直供液通道450中流体的流量值；Q2为气液回收通道430中流体的流量值；Q3为供气通道440中流体的流量值。

表1

	第一组	第二组	第三组
				Q1(l/min)	0.98	1.31	1.64
Q2(l/min)	40	55	70
				Q3(l/min)	37	50	64

上述三组数值均能够在确保形成足够大的合适的排斥力的同时，防止气液回收通道430中产生过大的相对硅片200的吸引力，同时也能保证流场的密封。

综上所述，本发明提供的一种浸液限制机构400，将浸液300限制在投影物镜100和硅片200之间，包括水平供液通道410、出液通道420、气液回收通道430以及供气通道440，还包括垂直供液通道450，水平供液通道410和出液通道450水平设置，所述垂直供液通道450、气液回收通道430和供气通道440的出口由内向外依次排列于浸液限制机构400的底部，所述水平供液通道410、垂直供液通道450分别连接至供液设备，所述出液通道420和气液回收通道430分别连接至气液回收设备，所述供气通道440连接至供气设备，所述供气通道440位于浸液限制机构400的底部开口的宽度为十微米级。本发明通过增大供气通道440的开口宽度，避免形成“气刀”结构，从而解决边缘曝光时的液滴飞溅问题；通过设置垂直供液通道450，提供有碰撞风险时朝向浸液限制机构400底部的排斥力，从而减小扰动。

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 (10)

1.一种浸液限制机构，将浸液限制在投影物镜和硅片之间，包括水平供液通道、出液通道、气液回收通道以及供气通道，其特征在于，还包括垂直供液通道，所述水平供液通道和出液通道水平设置，所述垂直供液通道、气液回收通道和供气通道的出口由内向外依次排列于浸液限制机构的底部，所述水平供液通道、垂直供液通道分别连接至供液设备，所述出液通道和气液回收通道分别连接至气液回收设备，所述供气通道连接至供气设备，设于所述浸液限制机构底部的供气通道开口的宽度为十微米级。

2.如权利要求1所述的浸液限制机构，其特征在于，所述垂直供液通道、气液回收通道和供气通道三者位于浸液限制机构底部的开口将浸液限制机构的底部由内向外依次分为第一平面、第二平面、第三平面和第四平面，所述第二平面与硅片上表面之间的距离小于所述第三平面与硅片上表面之间的距离。

3.如权利要求2所述的浸液限制机构，其特征在于，所述第一平面与所述第二平面处于同一水平面，所述第四平面与硅片上表面之间的距离大于等于所述第三平面与硅片上表面之间的距离。

4.如权利要求2所述的浸液限制机构，其特征在于，所述第二平面的宽度为2～5mm，所述浸液限制机构的总质量为1kg，所述第一平面的宽度大于5mm。

5.如权利要求1所述的浸液限制机构，其特征在于，所述垂直供液通道、气液回收通道和供气通道位于浸液限制机构底部的开口均为狭缝或多个离散开口。

6.如权利要求5所述的浸液限制机构，其特征在于，所述离散开口的形状为圆形、矩形、椭圆形或三角形中的一种或多种。

7.如权利要求5所述的浸液限制机构，其特征在于，位于浸液限制机构底部的所述垂直供液通道开口的宽度为0.1～0.2mm；位于浸液限制机构底部的所述气液回收通道开口的宽度大于0.2mm；位于浸液限制机构底部的所述供气通道开口的宽度大于1mm。

8.如权利要求1所述的浸液限制机构，其特征在于，所述浸液限制机构与主基板非刚性连接。

9.如权利要求1所述的浸液限制机构，其特征在于，所述垂直供液通道的控制系统包括传感器、闭环控制单元和流量调节单元，所述传感器与流量调节单元均设于所述垂直供液通道内，所述传感器和流量调节单元分别与所述闭环控制单元相连。

10.如权利要求9所述的浸液限制机构，其特征在于，所述流量调节单元采用磁悬浮离心泵或两通流量调节阀。