一种液膜蒸发功率的测试装置及方法
技术领域
本发明属于光刻机液膜领域,更具体地,涉及一种液膜蒸发功率的测试装置及方法。
背景技术
浸没式光刻技术中个,需要在光刻机投影物镜最后一个透镜的下表面与硅片上的光刻胶之间充满高折射率的液体,因此,针对浸没式扫描投影光刻机,高速扫描运动会在晶圆上方形成液膜或液滴,液膜或液滴存在于晶圆表面,由于浸没式光刻环境的缺陷,液膜的蒸发过程自然形成,液膜的蒸发会产生热量变化,液膜蒸发功率过大的话会使晶圆产生热变形,影响光刻质量。液膜蒸发功率的测试极其必要,可以根据测试的结果与蒸发功率指标的比较,再确定设计需求是否实现。
申请号为201811424373.6的专利申请公开了一种用于全息干涉研究液体垂直液膜蒸发的实验装置以及方法。申请号为201811424373.6的专利申请主要是按照双波长全息干涉原理对干涉条纹进行反演得到液膜蒸发后的相应的温湿度场分布,只能知道蒸发后热的分布情况,不能定量地去分析液膜蒸发的热量变化,也不能反应蒸发的快慢。
因此,需要开发一种能够准确、高效、低成本的液膜蒸发功率的测试装置及方法。
发明内容
针对现有技术的缺陷,本发明的目的在于提供一种液膜蒸发功率的测试装置及方法,能够在线实时测量液膜的质量变化,旨在解决现有技术中没有准确、高效、能在线实时测量的低成本液膜测量装置和测量方法。
为实现上述目的,本发明提供了一种液膜蒸发功率的测试装置,其包括温湿度测试箱,支撑架,固定架,浸没头位姿调节机构,浸没头,模拟物镜,压力敏感元件和天平,其中,天平设置在温湿度测试箱内,晶圆设置在天平上,天平用于测量晶圆上液膜重量的变化量,晶圆上悬置有浸没头,浸没头中心处的空腔内设置有模拟物镜,模拟物镜用于模拟光刻过程中物镜,模拟物镜镜头处设置有多个压力敏感元件,用于测量物镜工作范围处水压和气压的大小,模拟物镜下表面与晶圆上表面之间充满超纯水,浸没头悬挂在浸没头位姿调节机构上,浸没头位姿调节机构活动连接在固定架的顶部上,能沿着固定架顶部左右滑动,固定架侧壁与支撑架活动连接,以能沿着支撑架上下升降,进而带动浸没头上下升降,最终实现模拟物镜相对晶圆上下升降,浸没头中设置了气路和液路的注入和回收管路,用于给模拟物镜和晶圆间模拟出光刻时候的工作状态和工作环境,支撑架和设置在支撑架上的部件均位于温湿度测试箱内,温湿度测试箱用于模拟光刻过程中的湿度和温度环境。
进一步的,多个压力敏感元件具有奇数个,且数量大于5,其中一个设置在模拟物镜的镜头中心处,余下的沿着以镜头中心为圆心的圆周均匀设置。
进一步的,支撑架的垂直壁上设置有竖直齿条,固定架侧壁上设置有齿轮,齿轮通过齿轮连接盘设置在固定架上,齿轮与竖直齿条相啮合,以能通过旋拧齿轮连接盘进而带动竖直齿条上下升降,最终实现浸没头位姿调节机构和浸没头上下粗调。
进一步的,浸没头通过螺钉设置于浸没头位姿调节机构上,螺钉头部沉入浸没头的沉孔内,并且在螺钉头部处的螺杆上穿套有压缩弹簧,工作时,通过旋拧螺钉,从而改变压缩弹簧的压缩量,实现浸没头相对晶圆的高度的精细调整。
进一步的,通过水平注液水路、垂直注液水路将超纯水注入浸没头,通过垂直回收水路和水平回收水路将超纯水回收,第一注气气路和第二注气气路与浸没头的进气口连接,用于向浸没头正下方吹气,以提供气体流量和气体湿度均可调节的空气,第一残液回收和第二残液回收分别与浸没头两侧相连通,用于收集被气体吹入的区域外侧超纯水。
进一步的,在浸没头上靠近晶圆的位置处设置有压力传感器,压力传感器用来监测气路中气体在浸没头出口处的压力。
进一步的,在浸没头位姿调节机构通过气动滑轨可活动连接在固定架的顶部上,以能沿着固定架进行一维运动,从而带动模拟物镜沿着晶圆的直径方向移动。
按照本发明的另一个方面,还提供一种采用如上装置进行种液膜蒸发功率的测试装置及方法,其采用如下公式计算蒸发功率:
P=Δm×ΔH
P为液膜的蒸发功率,单位为W,Δm为前后采样点残留液膜蒸发的质量变化,单位为g,ΔH为水在恒定温度下的汽化热,其为定值。测量获得前后采样点天平检测质量变化ΔM,前后采样点气体对晶圆的压力变化ΔF
g,前后采样点动态液体对晶圆的压力变化为ΔF
l,有
进一步的,其包括如下步骤:
(1)旋拧齿轮连接盘,调节固定盘相对地面高度,
(2)开启天平,进行调零,将测量设置为间隔称量,定好采样周期,在天平上平稳放置洁净的晶圆,并使晶圆与浸没头对心,
(3)旋拧螺钉,调节浸没头与晶圆之间的垂直高度,使其达到设定值h,
(4)调节注气流量和湿度至设定值Qg和Hg,从而模拟浸没式光刻注气环境,调节超纯水注液流量Ql至设定值,并使液体温度达到设定值Tl且温度稳定性满足要求,从而模拟浸没式光刻时液体环境,
(5)打开固定架上的气动滑轨,使浸没头位姿调节机构沿着滑轨可以进行滑动,控制浸没头位姿调节机构按既定路径进行一维运动,从而带动浸没头进行一维扫描,进而模拟出浸没光刻一维扫描环境,
(6)启动天平进行测量,实时监测总质量的变化,直至天平的显示读数不再发生变化,可视作液膜蒸发完毕,停止测量,进行数据处理,得出液膜蒸发功率。
进一步的,步骤(2)中,对洁净的晶圆进行接触角处理后再放置在天平7上。
通过本发明所构思的以上技术方案,与现有技术相比,能够取得下列有益效果:
本发明能够模拟浸没式光刻机的注液注气环境,能够模拟一维扫描工况,且便于进行实时测量液膜蒸发过程中的总质量变化,进行处理分析后可得液膜的蒸发功率的大小。
附图说明
图1为本发明实施例的一种液膜蒸发功率测试装置示意图;
图2为本发明实施例中实现高度粗调节的固定架的局部结构图;
图3为本发明实施例中实现高度细调节的浸没头的局部结构图;
图4为本发明实施例中的模拟物镜处压力敏感元件的布置示意图;
图5为本发明实施例中的浸没头位姿调节机构的扫描路径图。
在所有附图中,相同的附图标记自始至终表示相同的结构或者元件,其中:
1—温湿度测试箱;2—水平注液水路;3—垂直注液水路;4—第一残液回收;5—第一注气气路;6—压力传感器;7—天平;8—晶圆;9—超纯水;10—压力敏感元件;11—模拟物镜;12—浸没头;13—第二注气气路;14—第二残液回收;15—垂直回收水路;16—水平回收水路;17—支撑架;18—固定架;19—浸没头位姿调节机构;1201—螺钉;1202—压缩弹簧;1701—竖直齿条;1801—齿轮;1802—齿轮连接盘。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
本发明提供了一种液膜蒸发功率的测试装置与方法,可适用于浸没式光刻机扫描形成的液膜蒸发功率测试。本发明认为液膜质量的变化是由于液膜的蒸发,而液膜蒸发会与周围环境进行热交换,本发明通过测量液膜的质量变化来定量液膜蒸发功率的大小,而且根据从开始蒸发到质量不再变化的时间,可以反映出液膜蒸发进行的快慢。
图1为依照本发明的一种液膜蒸发功率测试方法的装置示意图。温湿度测试箱1可控制温度稳定在设定数值,湿度稳定在设定范围。压力传感器6用来监测气路中气体在浸没头出口处的压力。天平7能够称量出液膜蒸发时的总质量变化。晶圆8是符合标准的无瑕疵的晶圆。超纯水9是通过浸没头12注液注气形成的局部区域,形成温度流场。压力敏感元件10用来监测超纯水9的压力。模拟物镜11下表面与晶圆8上表面之间充满超纯水。浸没头12是浸没式光刻机必不可少的部件,内部有气液管路。支撑架17主要用来支撑固定架18,两者通过齿轮齿条连接,竖直齿条1701设置在支撑架17上,齿轮1801设置在固定架18上,通过旋拧齿轮连接盘1802,齿轮1801啮合竖直齿条1701转动,带动固定架18相对支撑架17进行上下运动,实现固定架18高度的粗调节,如图2所示,图2为本发明实施例中实现高度粗调节的固定架的局部结构图。固定架18主要是用来连接浸没头位姿调节机构19,两者通过气动滑轨连接,通气后浸没头位姿调节机构19可在支撑架18上滑动。浸没头位姿调节机构19主要用于悬吊浸没头12,它由电机驱动,使其能按既定路径进行运动,从而带动浸没头12一起进行一维扫描运动。浸没头12与浸没头位姿调节机构19通过螺钉1201以及压缩弹簧1202连接,通过旋拧螺钉1201,从而改变压缩弹簧1202的压缩量,实现浸没头12相对晶圆8的高度的细调整,如图3所示,图3为本发明实施例中实现高度细调节的浸没头的局部结构图。超纯水系统用来提供可调流量与可调压力的一定温度的超纯水,通过水平注液水路2、垂直注液水路3将超纯水注入浸没头12,再通过垂直回收水路15和水平回收水路16将超纯水回收给超纯水系统。注气平台可以提供气体流量和气体湿度均可调节的空气,通过第一注气气路5和第二注气气路13与浸没头12的进气口连接,实现向浸没头12正下方吹气的功能。第一残液回收4和第二残液回收14用于收集被气体吹入管路中的区域外侧超纯水。以上注气和注液都是为了模拟真实的浸没流场环境,是维持流场所需要的,本发明中蒸发功率的测试是需要在注气和注液条件下进行的。
模拟物镜11上的压力敏感元件10的布置位置如图4所示,图4为本发明实施例中的模拟物镜处压力敏感元件的布置示意图,用于检测动态超纯水施加给晶圆的压力,压力敏感元件可以为压电陶瓷。
图4中压力敏感元件一共为7个,在模拟物镜镜头处正中心设置一个,其余6个以镜头中心为原点、沿着圆周方向均匀布置。在实际工程时间中,还可以设置9个压力敏感元件、5个压力敏感元件,或者11个压力敏感元件等等。
浸没头位姿调节机构19附近装有电机可以驱动气动滑轨做一维扫描运动,加速度a,峰值速度νmax、行程L,扫描路径如图5,图5为本发明实施例中的浸没头位姿调节机构的扫描路径图,其中,最外围的圆圈表示晶圆,最外围圆圈中的正方形和正方形内的圆形组成的组合图形表示浸没头和模拟物镜,由图可知,浸没头是沿着气动滑轨做直线运动的。
本发明提供了一种在线液膜蒸发功率的测试方法,下面具体阐述本发明测试方法的依据和测试流程:
水在恒定温度下的汽化热ΔH是定值,单位为J/g。假设单位时间内残留液膜蒸发的质量为Δm,单位为g。则液膜的蒸发功率(即单位时间内的液膜蒸发吸收热量)为:P=Δm×ΔH,单位为W。
根据蒸发功率测量指标P<P0以及上述公式可得:
质量变化率为
由于需要动态监测液膜蒸发功率的数值,所以采样时间为t,t为单位时间。
即有,若测得质量变化率Δm<Δm0,则满足蒸发功率测量指标需求。
通过天平7可测得晶圆8与液膜的总质量变化ΔM,
浸没头内部存在注气和注液用于维持液膜,同时注气和注液也会对晶圆施加压力,并反应在天平上,影响了用天平测量液膜蒸发带来的质量变化,所以需要排除这两者的干扰。由于注气注液压力在时间和空间的分布都不相同,所以需要实时采样在晶圆上方分布均匀的敏感元件,以检测注气注液对晶圆的压力,对采样数据,进行处理得到准确的实际压力值,并在求解每个采样点的蒸发功率时剔除这两个压力值的影响。
已知浸没头12上有一圈小气孔,均布n个,每个气孔直径均为d
g,通过压力传感器6可测得的该采样时刻注气气路5临近出口压强p
1和注气气路13临近出口压强p
2,则该采样时刻气路出口压力
前后采样时刻的气路出口压力变化为ΔF
g,已知液体会被限制在注液回收气路内,由此可得液膜面积S
l,由压力敏感元件10得到同一时刻的7个点的压强值p
3、p
4、p
5、p
6、p
7、p
8、p
9,将该7个点的压强值相加之和除以7,处理后得到该采样时刻局部超纯水整体压强近似值
从而得到该采样时刻动态液体对晶圆8的压力
前后采样时刻动态液体对晶圆8的压力变化为ΔF
l,压力敏感元件的采样和天平数据的采样同步,且间隔为单位时间,从而有
与
进行比较,从而确定液膜的蒸发功率是否满足指标需求。从公式
中可知,为了求解实时的蒸发功率数值,在数据处理中除去了注液和注气对晶圆的压力变化带来的干扰。其中,各个参数的含义分别是:
Δm:前后采样点残留液膜蒸发的质量变化
ΔM:前后采样点天平检测质量变化
ΔFg:前后采样点气体对晶圆的压力变化
ΔFl:前后采样点动态液体对晶圆的压力变化
ΔH:恒定温度下的汽化热
P0:参考蒸发功率
在本发明的一个实施例中,浸没式光刻机扫描牵拉形成的液膜的蒸发功率测试方法:
(1)将晶圆8用乙醇擦拭干净,并做接触角处理;
(2)旋拧齿轮连接盘1802,调节固定盘18相对地面高度;
(3)开启精密天平7,调零,将测量设置为间隔称量,定好采样周期;
(4)在天平7上平稳放置好晶圆8,并使晶圆8与浸没头12对心;
(5)旋拧螺钉1201,调节浸没头12与晶圆8之间的垂直高度,使其达到设定值h;
(6)开启注气平台,调节注气流量和湿度至设定值Qg和Hg,从而模拟浸没式光刻注气环境;
(7)开启超纯水系统,调节注液流量Ql至设定值,并使液体温度达到设定值Tl且温度稳定性满足要求(ΔTl≤Tv,其中各个参数的含义是·········),从而模拟浸没式光刻时液体环境;
(8)打开固定架18上的气动滑轨,使浸没头位姿调节机构19沿着滑轨可以进行滑动;
(9)控制电机使浸没头位姿调节机构19按既定路径进行一维运动,从而带动浸没头12进行一维扫描,从而模拟出浸没光刻一维扫描环境;
(10)启动天平7进行测量,实时监测总质量的变化;
(11)直至天平7的显示读数不再发生变化,一段时间后,可视作液膜蒸发完毕,停止测量;
(12)将测试数据导出并进行运算和滤波分析,得出数据结果;将处理后的数据参与公式换算,得出液膜蒸发功率。
实际上,本发明所提供的一种液膜蒸发功率的测试装置及方法,还可以用来进行浸没头不运动时的液膜研究性实验。通过调节注气平台提供的气体流量和气体湿度,改变液膜的厚度,本测试方法可从这些因素方面去设计测试方案,从而得出哪个因素影响较显著,哪个因素影响较小,以及这些因素的参数值如何设置能使液膜蒸发最快。
例如,不同注气流量和不同注气湿度情况下普通液膜的蒸发功率测试方法:
(1)将晶圆8用乙醇擦拭干净,并做接触角处理;
(2)旋拧齿轮连接盘1802,调节固定盘18相对地面高度;
(3)开启精密天平7,调零,将测量设置为间隔称量,定好采样周期;
(4)在天平7上平稳放置好晶圆8,并使其与浸没头12对心;
(5)在晶圆8上放置一内径为dc厚度为hc的圆环,其下表面与晶圆8上表面紧密贴合,将圆环与浸没头12对心;
(6)旋拧螺钉1201,调节浸没头12与晶圆8之间的垂直高度h',使其不变;
(7)调节注气平台的注气流量和湿度为Qg'和Hg',将其设置为实验的第一组数值;
(8)向圆环内部缓慢注入超纯水使其填满圆环内部,液膜厚度至hc;
(9)开启注气平台,并使天平7启动测量;直至天平7的显示读数不再发生变化,可视作液膜蒸发完毕,停止测量;
(10)重新调节注气流量和注气湿度为Qg”和Hg”,将其设置为实验的第二组数值;
(11)将晶圆8取出用乙醇洗净,重新平稳放在天平7的秤盘上,使其与浸没头12对心;将之前的圆环擦拭干净,平稳放置在晶圆8上,并使其与浸没头12对心;
(12)重复第8步至第9步;
(13)若注气流量和注气湿度需设置多组数值,可调节第10步中的数值设置,再重复第11步至第12步,将测试数据导出并进行运算和滤波分析,得出数据结果;
(14)将处理后的数据参与公式换算,得出液膜蒸发功率,并做方差显著性分析,得出相应结论,如,不同注气流量和不同注气湿度对液膜蒸发功率的影响以及两者间的影响有无相关性。
本发明提供的一种液膜蒸发功率的测试装置能模拟光刻机一维扫描运动,能够在线实时测量液膜的质量变化。本发明使用包含天平的测试装置采集液膜的质量变化。通过天平的固定采样周期采集到晶圆和液膜的总质量数据,直至数据不再发生变化,从而得到液膜质量变化情况。
本发明提供的一种液膜蒸发功率的测试方法,尤其适用于浸没式光刻机扫描牵拉形成的液膜。本发明所述的蒸发功率针对的是液膜蒸发所造成的总热量变化。针对浸没式光刻机扫描牵拉形成的液膜,通过采集液膜的质量变化情况,再根据液膜在恒定温度下的汽化热,可得出液膜的蒸发功率。此方法将测试热量转化成了测试质量,测试结果更为明显,数据将更易处理与分析。
本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。