CN107561865B - 一种流体抽排装置和一种浸没式光刻机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种流体抽排装置，用于将浸没头中浸液流场边缘的气液混合物抽排至气液回收设备，所述流体抽排装置包括依次连接的第一抽排管、雾化腔和第二抽排管，所述气液混合物经所述第一抽排管进入雾化腔中雾化，雾化后再经由所述第二抽排管进入气液回收设备，所述流体抽排装置能将进入所述流体抽排装置的各向异性的气液两相流转变为各向同性的“雾化状”单相流，保持所述流体抽排装置中各处压力平稳；本发明还公开了一种浸没式光刻机，设有上述流体抽排装置，所述浸没式光刻机的浸液流场稳定、流场密封效果好，有效防止浸液流场抽排处的气液混合物在管路中产生气液两相“水塞”现象，提高了曝光质量。

Description

一种流体抽排装置和一种浸没式光刻机

技术领域

本发明涉及光刻领域，具体涉及一种流体抽排装置和一种浸没式光刻机。

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(或更高折射率的浸没液体)形成浸液流场，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。

请参见图1，一种浸没式光刻机，包括主框架1、设置在所述主框架1上的照明系统2、掩膜版3、物镜4和硅片台8，以及浸液流场形成装置，所述硅片台8上放置有涂有感光光刻胶的圆形的硅片7，所述浸液流场形成装置将浸液填充在所述物镜4和硅片7之间缝隙内。工作时，所述硅片台8带动所述硅片7作高速的扫描、步进动作，所述浸液流场形成装置根据所述硅片台8的运动状态，在物镜4视场范围内，提供一个稳定的浸液流场5，同时保证所述浸液流场5与外界的密封，保证浸液不泄漏。所述掩膜版3上集成电路的图形通过所述照明系统2和所述物镜4，浸液以成像曝光的方式，转移到所述硅片7上，从而完成曝光。

请参见图2，所述浸液流场形成装置包括浸没头6、以及与浸没头6相连的供液设备9、气体供给设备10和气液回收设备11，所述浸没头6的内部轮廓是与所述物镜4的镜头几何形状匹配的锥形结构，所述浸没头6设置在所述物镜4和硅片7之间并围绕所述物镜4，所述浸没头6内部设有连接所述供液设备9的浸液供给流道610、连接所述气液回收设备11的浸液回收流道611、设置在所述浸液供给流道610和浸液回收流道611下方并围绕所述物镜4的供气回路和集气回路，以所述物镜4为中心，所述集气回路设置在所述供气回路内侧，所述供气回路包括围绕所述物镜4的供气腔621、一端连通所述供气腔621另一端连接所述气体供给设备10的供气管路622，环绕所述物镜4且连通所述供气腔621和所述浸没头6下表面的供气口620，所述集气回路包括围绕所述物镜4的气液回收腔631、环绕所述物镜4且连通所述气液回收腔631和所述浸没头6下表面的气液抽排口630、以及一端连通所述气液回收腔631另一端连接所述气液回收设备11的气液抽排管632；

所述供液设备9供给的浸液通过所述浸没头6内所述浸液供给流道610流出后填充所述物镜4和所述硅片7之间的缝隙，浸液通过所述浸没头6内所述浸液回收流道611流出后，由所述气液回收设备11回收，因此，在所述物镜4和所述硅片7之间的狭缝内形成了浸液流场5，所述浸液流场5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。

所述浸没头6下表面与所述硅片7间存在一定高度的间隙，为了防止所述浸液流场5中的液体从此间隙中泄漏，所述气体供给设备10通过所述供气管路622向所述浸没头6内的所述供气腔621供给压缩空气，压缩空气在所述供气腔621内缓冲后，通过所述供气口620喷出，形成朝向硅片表面的“气刀”，“气刀”形成的压力增加区域形成了阻挡液场中液体泄漏的气“帘”，所述浸液流场5边缘的气液混合物通过所述气液抽排口630抽排至所述气液回收腔631，气液混合物在所述气液回收腔631中缓冲后，被所述气液回收设备11经所述气液抽排管632抽排出所述浸没头6，从而实现了所述浸液流场5密封。

浸没光刻的一个重要问题是经所述气液抽排管632排出的气液两相流是各向异性的，且具有不稳定的流动特性，气液两相流被输送至光刻机外部排废，若不采取任何特殊处理，由于气液两相流的流速不同，管路边界条件突变等原因，气液两相管路中会生成“水塞”，从而阻止主流体的流动。所述阻塞往往是瞬间产生的，类似于阀门的迅速关闭。阻塞产生一次，就相当产生一次“类关阀”水锤，所述水塞与刚性阀门不一样，刚性阀门关一次再打开需一定时间，而且可以人为控制，所述水塞则会在压力复杂变化的管道中迅速形成和溃灭，短时间内(几秒或几十秒)可能形成多次阻塞和开通，产生一系列多源生成波及其反射波的叠加。叠加的结果可能产生两种情况，一种是互相消弱，一是互相加强，甚至发生共振。在诸波出现共振的情况下，就可能使管路中的压力值升值到原来压力的几倍甚至几十倍。这将导致浸液流场5中压力不稳定，对投射在硅片7上的构图图像质量有严重影响，造成曝光缺陷；另外，“水塞”严重时还会导致浸液流场5边缘密封失效，发生浸液泄漏使光刻机无法工作。

发明内容

本发明提供了一种流体抽排装置，用以解决传统的浸没式光刻机气液两相流在抽排管路内易形成“水塞”并迅速溃灭，使得管路中压力不稳定，进而影响浸液流场中压力不稳定，影响曝光质量的问题。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种流体抽排装置，用于将浸没头中浸液流场边缘的气液混合物抽排至气液回收设备，所述流体抽排装置包括依次连接的第一抽排管、雾化腔和第二抽排管，所述气液混合物经所述第一抽排管进入雾化腔中雾化，雾化后再经由所述第二抽排管进入气液回收设备，从浸液流场抽排出的气液两相流经过所述第一抽排管进入所述雾化腔，所述雾化腔将气液两相流雾化处理成“雾化状”单相流，经过所述第二抽排管抽排至所述气液回收设备，将气液两相流处理成“雾化状”单相流有效防止管路中产生气液两相“水塞”现象，保持浸液流场中的压力稳定，所述气液两相流和“雾化状”单相流均为气液混合物。

作为优选，所述雾化腔包括左右开口的腔室以及分别设置在所述腔室上下方的第一超声波板和第二超声波板，气液两相流流入所述腔室，经过所述第一超声波板和第二超声波板雾化处理形成“雾化状”单相流。

作为优选，所述腔室内设有至少一组第一导流肋阵列，所述第一导流肋阵列之间独立且平行设置，所述第一导流肋阵列沿所述气液混合物的流动方向设置，所述第一导流肋阵列中各导流肋平行间隔设置，且各导流肋的高度小于所述腔室的厚度但大于所述腔室厚度的一半，所述第一导流肋阵列对进入所述雾化腔的气液两相流进行分流和各向同性处理，保持压力稳定。

作为优选，当所述腔室内设有至少两组所述第一导流肋阵列时，各个所述第一导流肋阵列沿所述气液混合物的流动方向平行间隔设置。

作为优选，所述第二抽排管的内径大于所述第一抽排管的内径。

作为优选，所述流体抽排装置还包括第一导流机构，所述第一导流机构为漏斗形，包括大端和小端，所述第一导流机构的大端连通所述雾化腔进液的一端，小端连通所述第一抽排管，所述第一导流机构对进入所述雾化腔的气液两相流进行分流和各向同性处理。

作为优选，所述第一导流机构的内壁上设有第二导流肋阵列，所述第二导流肋阵列中各导流肋沿着所述气液混合物的流动方向设置成发散形态，所述第二导流肋阵列对气液两相流进行分流和各向同性处理，有利于气液两相流在所述雾化腔内充分混合。

作为优选，所述流体抽排装置还包括第二导流机构，所述第二导流机构为漏斗形，包括大端和小端，所述第二导流机构的大端连通所述雾化腔出液的一端，小端连通所述第二抽排管，所述第二导流机构对流出所述雾化腔的“雾化状”单相流进行分流和各向同性处理。

作为优选，所述第二导流机构的内壁上设有第三导流肋阵列，所述第三导流肋阵列中各导流肋沿着所述气液混合物的流动方向设置成聚拢形态，所述第三导流肋阵列对“雾化状”单相流进行分流和各向同性处理。

作为优选，所述第二抽排管内部为毛细管束，外部为保温材料，采用毛细管的方式抽排，不仅能使抽排的距离更远，还能维持抽排压力恒定。

作为优选，所述第二抽排管的内部填充有若干毛细管。

作为优选，所述流体抽排装置还包括连接于所述第二抽排管和气液回收设备之间的第三抽排管路，所述第三抽排管的内部填充有若干毛细管。

作为优选，所述第二抽排管内部填充的毛细管与所述第三抽排管内部填充的毛细管相同。

作为优选，所述第三抽排管上设有负压调节阀。

作为优选，所述第三抽排管的外部包裹有保温材料。

作为优选，所述第一抽排管的长度小于等于0.3m，所述第一抽排管的长度较小，不稳定的各向异性的气液两相流在所述第一抽排管内尚未产生不利影响时即被输送到所述雾化腔内进行雾化处理。

作为优选，所述流体抽排装置还包括供气装置，所述供气装置包括供气管路和供气设备，所述供气设备通过所述供气管路与所述雾化腔连通。

作为优选，所述供气装置还包括设置在所述供气管路上的气体流量控制阀，用于调节供气设备提供的气体流量大小。

作为优选，所述流体抽排装置还包括表面活性剂注入装置，所述表面活性剂注入装置包括表面活性剂供给管路和表面活性剂注入设备，所述表面活性剂注入设备通过所述表面活性剂供给管路连通所述雾化腔。

作为优选，所述表面活性剂注入装置还包括设置在所述表面活性剂供给管路上的表面活性剂流量控制阀，用于调节表面活性剂供给设备提供的表面活性剂流量大小。

与现有技术相比，本发明具有以下特征：本发明所述流体抽排装置结构简单，占用体积小，并且能将进入所述流体抽排装置的各向异性的气液两相流转变为各向同性的“雾化状”单相流，保持所述流体抽排装置中各处压力平稳，有效防止气液混合物在管路中产生气液两相“水塞”现象，且采用“毛细管束”抽排方法，抽排距离远，且抽排途中抽排压力稳定。

本发明还提供了一种浸没式光刻机，包括主框架、从上至下依次固定在所述主框架上的照明系统、掩膜版、物镜、硅片台以及浸液流场形成装置，所述硅片台上设置涂有感光光刻胶的硅片，所述浸液流场形成装置在所述物镜和所述硅片台之间填充浸液形成浸液流场，其特征在于，还包括上述流体抽排装置。

与现有技术相比，本发明具有以下特征：所述浸没式光刻机浸液流场稳定、流场密封效果好，有效防止浸液流场抽排处的气液混合物在管路中产生气液两相“水塞”现象，提高了曝光质量。

附图说明

图1是现有技术中光刻设备的结构示意图；

图2是现有技术中浸液光刻设备的结构示意图；

图3是本发明实施例1的流体抽排装置的结构示意图；

图4是本发明实施例1的流体抽排装置与浸没式光刻机的连接示意图；

图5是本发明实施例1的第一导流肋阵列的结构示意图；

图6是本发明实施例1的第一导流肋阵列、第二导流肋阵列和第三导流肋阵列的结构示意图；

图7是本发明实施例1的第二抽排管路的结构示意图；

图8是本发明实施例2的流体抽排装置的结构示意图。

图1～2中所示：1-主框架、2-照明系统、3-掩膜版、4-物镜、5-浸液流场、6-浸没头、7-硅片、8-硅片台、9-供液设备、10-气体供给设备、11-气液回收设备、610-浸液供给流道、611-浸液回收流道、620-供气口、621-供气腔、622-供气管路、630-气液抽排口、631-气液回收腔、632-气液抽排管；

图3～8中所示：6-浸没头、640-第一抽排管、641-第一导流机构、6412-第二导流肋阵列、6420-腔室、6421-第一超声波板、6422-第二超声波板、6423-第一导流肋阵列、644-第二导流机构、6442-第三导流肋阵列、645-第二抽排管、6450-毛细管、646-第三抽排管、6461-负压调节阀、647-气液回收设备、6481-表面活性剂供给管路、6482-表面活性剂注入设备、6483-表面活性剂流量控制阀、6491-供气管路、6492-供气设备、6493-气体流量控制阀。

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明显易懂，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。

本发明提供一种流体抽排装置，可以满足疏导浸没式光刻机抽排出的气液两相流稳定流入气液回收装置，有效防止气液两相流在管路中产生气液两相“水塞”现象，提高了曝光质量。

实施例1

参见图3和图4，一种流体抽排装置，连接所述浸没头6和气液回收设备647用于将浸没头6中浸液流场边缘的气液两相流抽排至所述气液回收设备647，所述流体抽排装置包括依次连接的第一抽排管640、第一导流机构641、雾化腔、第二导流机构644、第二抽排管645和第三抽排管646，所述第一抽排管640连接所述浸没头6，所述浸液流场边缘的气液两相流经所述气液抽排管抽排出所述浸没头6，进入所述第一抽排管640，从而进入所述流体抽排装置。

参见图5和图6，图3中A-B位置和C-D位置处剖面结构，所述雾化腔包括左右开口的腔室6420以及分别设置在所述腔室6420上下方的第一超声波板6421和第二超声波板6422，所述腔室6420下方的内壁上设置一组第一导流肋阵列6423，所述第一导流肋阵列6423沿气液两相流的流动方向设置，同时雾化处理过程中所述雾化腔内压力易保持稳定；所述第一导流肋阵列6423中各导流肋平行间隔设置，且与所述腔室6420上方的内壁不接触，各导流肋的高度h小于所述腔室6420的厚度H但大于H/2，所述第一导流肋阵列6423对气液两相流进行分流和各向同性处理，有利于所述第一超声波板6421和第二超声波板6422将气液两相流雾化处理成“雾化状”单相流。

参见图6，图3中C-D位置处剖面结构，所述第一导流机构641呈漏斗状，包括小端和大端，所述小端连通所述第一抽排管640，所述大端连通所述雾化腔进液的一端，所述第一导流机构641内设有第二导流肋阵列6412，所述第二导流肋阵列6412中各导流肋沿着所述气液两相流的流动方向设置成发散形态，所述第二导流肋阵列6412对气液两相流进行分流和各向同性处理，有利于气液两相流在所述雾化腔内充分混合，所述第二导流肋阵列6412与所述第一导流肋阵列6423间有一定间隙，彼此不连接成整体；所述第二导流机构644呈漏斗状，包括大端和小端，所述大端连通所述雾化腔出液的一端，所述小端连通所述第二管路645，所述第二导流机构644内设置第三导流肋阵列6442，所述第三导流肋阵列6442中各导流肋沿着所述气液两相流的流动方向设置成聚拢形态，所述第三导流肋阵列6442对“雾化状”单相流进行分流和各向同性处理，当所述第二管路645外径远大于第一抽排管640外径，所述第二导流机构644的小端与所述第一导流机构641的小端的口径不同。

参见图7，图3中E-F位置处剖面结构，所述第二抽排管645内部由一束毛细管6450组成，毛细管6450的内径较小，可以是毫米级或白微米级。“雾化状”单相流进入所述第二抽排管路645后将在各毛细管6450内彻底变为稳定的各向同性流动，将使抽排过程中抽排压力持续恒定、稳定。

所述第三抽排管646内部是与所述第二抽排管645内部相同的毛细管，外部包裹保温棉或其它保温材料，为防止光刻机本体外部环境波动的影响，第三抽排管646上还设有负压调节阀6461，用于调节抽排负压的大小。

所述第一抽排管640的长度约0.3m或更短，长度较小，不稳定的各向异性的气液两相流在所述第一抽排管640内尚未产生不利影响时即被输送到所述第一导流机构641进行分流和各向同性处理，经所述第一导流机构641处理的气液两相流进一步在所述雾化腔内被所述第一超声波板6421和第二超声波板6422进行超声波雾化处理，在所述雾化腔内被处理成的“雾化状”单相流再经所述第二导流机构644进行分流和各向同性处理后，“雾化状”单相流由第二抽排管路645进行输送，第二抽排管路645与第三抽排管646连接，经所述负压调节阀6461调节所述气液回收设备647提供的负压源的大小合适，“雾化状”单相流经所述第三抽排管646抽排至所述气液回收设备647内，将气液两相流处理成了“雾化状”单相流将有效防止“水塞”现象，且采用“毛细管束”抽排，不仅能抽排至更远距离，且抽排压力恒定、稳定。

实施例2

参见图8，实施例2与实施例1的区别在于，所述雾化腔内设置两组所述第一导流肋阵列6423，所述第一导流肋阵列6423对气液两相流进行分流和各向同性处理，两组所述第一导流肋阵列6423间有一定间隙，彼此不连接成整体，两组所述第一导流肋阵列6423分别与所述第二导流肋阵列6412、所述第三导流肋阵列6442间有间隙，彼此不连接成整体。

所述流体抽排装置还包括表面活性剂注入装置和供气装置，所述表面活性剂注入装置包括表面活性剂供给管路6481、表面活性剂注入设备6482和表面活性剂流量控制阀6483，所述表面活性剂供给管路6481一端连通所述表面活性剂注入设备6482，另一端连通所述雾化腔，且所述表面活性剂供给管路6481的管口设置在所述第二导流肋阵列6412与所述第一导流肋阵列6423间的间隙处，所述表面活性剂流量控制阀6483设置在所述表面活性剂供给管路6481上用于调节表面活性剂注入设备6482提供的表面活性剂流量大小，所述供气装置包括供气管路6491、供气设备6492和气体流量控制阀6493，所述供气管路6491一端连通所述供气设备6492，另一端连通所述雾化腔，且所述供气管路6491的管口设置在两组所述第一导流肋阵列6423间的间隙处，所述气体流量控制阀6493设置在所述供气管路6491上用于调节供气设备6492提供的气体流量大小。

所述表面活性剂注入装置供给的微量表面活性剂，具有固定的亲水基团，在气液两相流中水滴的表面定向排列，并能使水滴表面张力显著下降；水滴表面张力的显著下降将更加有利于在所述雾化腔内，大水滴被所述第一超声波板6421和第二超声波板6422打碎成小水滴，小水滴进一步被超声波雾化处理成“雾化状”单相流。

所述供气装置中供给的一定流量的气体有利于降低气液两相流中液相的比例，即降低单位体积流量内水滴的比例，水滴比例的下降更有利于所述第一超声波板6421和第二超声波板6422将所述雾化腔内气液单相流雾化处理成“雾化状”单相流。

Claims (20)

1.一种流体抽排装置，用于将浸没头中浸液流场边缘的气液混合物抽排至气液回收设备，其特征在于，所述流体抽排装置包括依次连接的第一抽排管、雾化腔及第二抽排管，所述气液混合物经所述第一抽排管进入雾化腔中雾化，雾化后再经由所述第二抽排管进入气液回收设备。

2.根据权利要求1所述的流体抽排装置，其特征在于，所述雾化腔包括左右开口的腔室以及分别设置在所述腔室上下方的第一超声波板和第二超声波板。

3.根据权利要求2所述的流体抽排装置，其特征在于，所述雾化腔腔室的内壁设有至少一组第一导流肋阵列，所述第一导流肋阵列沿所述气液混合物的流动方向设置，所述第一导流肋阵列中各导流肋平行间隔设置，且各导流肋的高度小于所述腔室的厚度但大于所述腔室厚度的一半。

4.根据权利要求3所述的流体抽排装置，其特征在于，当所述腔室内设有至少两组所述第一导流肋阵列时，各个所述第一导流肋阵列沿所述气液混合物的流动方向平行间隔设置。

5.根据权利要求1所述的流体抽排装置，其特征在于，所述第二抽排管的内径大于所述第一抽排管的内径。

6.根据权利要求1或5所述的流体抽排装置，其特征在于，所述流体抽排装置还包括第一导流机构，所述第一导流机构为漏斗形，包括大端和小端，所述第一导流机构的大端连通所述雾化腔进液的一端，小端连通所述第一抽排管。

7.根据权利要求6所述的流体抽排装置，其特征在于，所述第一导流机构的内壁上设有第二导流肋阵列，所述第二导流肋阵列中各导流肋沿着所述气液混合物的流动方向设置成发散形态。

8.根据权利要求6所述的流体抽排装置，其特征在于，所述流体抽排装置还包括第二导流机构，所述第二导流机构为漏斗形，包括大端和小端，所述第二导流机构的大端连通所述雾化腔出液的一端，小端连通所述第二抽排管。

9.根据权利要求8所述的流体抽排装置，其特征在于，所述第二导流机构的内壁上设有第三导流肋阵列，所述第三导流肋阵列中各导流肋沿着所述气液混合物的流动方向设置成聚拢形态。

10.根据权利要求1所述的流体抽排装置，其特征在于，所述第二抽排管的内部填充有若干毛细管。

11.根据权利要求10所述的流体抽排装置，其特征在于，所述流体抽排装置还包括连接于所述第二抽排管和气液回收设备之间的第三抽排管路，所述第三抽排管的内部填充有若干毛细管。

12.根据权利要求11所述的流体抽排装置，其特征在于，所述第二抽排管内部填充的毛细管与所述第三抽排管内部填充的毛细管相同。

13.根据权利要求11所述的流体抽排装置，其特征在于，所述第三抽排管上设有负压调节阀。

14.根据权利要求11所述的流体抽排装置，其特征在于，所述第三抽排管的外部包裹有保温材料。

15.根据权利要求1所述的流体抽排装置，其特征在于，所述第一抽排管的长度小于等于0.3m。

16.根据权利要求1所述的流体抽排装置，其特征在于，所述流体抽排装置还包括供气装置，所述供气装置包括供气管路和供气设备，所述供气设备通过所述供气管路与所述雾化腔连通。

17.根据权利要求16所述的流体抽排装置，其特征在于，所述供气装置还包括设置在所述供气管路上的气体流量控制阀。

18.根据权利要求1所述的流体抽排装置，其特征在于，所述流体抽排装置还包括表面活性剂注入装置，所述表面活性剂注入装置包括表面活性剂供给管路和表面活性剂注入设备，所述表面活性剂注入设备通过所述表面活性剂供给管路连通所述雾化腔。

19.根据权利要求18所述的流体抽排装置，其特征在于，所述表面活性剂注入装置还包括设置在所述表面活性剂供给管路上的表面活性剂流量控制阀。

20.一种浸没式光刻机，包括主框架、从上至下依次固定在所述主框架上的照明系统、掩膜版、物镜和硅片台，以及浸液流场形成装置，所述硅片台上设置涂有感光光刻胶的硅片，所述浸液流场形成装置在所述物镜和所述硅片台之间填充浸液形成浸液流场，其特征在于，所述浸液流场形成装置中设有如权利要求1～19任一所述的流体抽排装置。