CN112684673A - 一种浸没流场的压力测量装置及压力测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种浸没流场的压力测量装置及压力测量方法，包括壳体和多个压力检测器，壳体具有模拟浸没光刻机中末端物镜的外形和尺寸，壳体具有朝向衬底的镜底面和朝向浸没控制单元的镜侧面，镜底面呈平面形状，镜侧面呈倾斜环形柱面形状；压力检测器的检测面与镜底面平齐。模拟浸没式光刻机中浸没流场的形状和浸液的流动参数，对浸没流场的压力进行测量，特别是对曝光光束传播路径上的浸没流场的压力进行测量，以检验和评估浸没控制单元的结构及流体供应和回收参数是否满足曝光要求。采用预先使用易溶气体填充测压孔的方法，避免压力检测器检测面附近的气泡干扰压力测量的精度。

Description

一种浸没流场的压力测量装置及压力测量方法

技术领域

本发明涉及一种浸没式光刻技术领域，尤其是涉及一种用于测量浸没流场压力的测量装置及其测量方法。

背景技术

光刻机是制造超大规模集成电路的核心装备之一，它利用光学系统把掩膜版上的电路图案精确地投影在涂覆光刻胶的衬底上并使光刻胶曝光改性，从而在衬底上留下电路图案信息。它包括激光光源、投影物镜系统、包含电路图案的投影掩膜版和涂有光敏光刻胶的衬底。

相对于中间介质为气体的干式光刻机，浸没式光刻(Immersion Lithography)设备通过在最后一片投影物镜与衬底之间填充某种高折射率的液体(称为浸没液体或浸液)，通过提高该缝隙液体介质的折射率(n)来提高投影物镜的数值孔径(NA)，从而提高光刻设备的分辨率和焦深。在现在的主流光刻技术中，由于浸没式光刻相对早期的干式光刻具有良好的继承性，所以受到广泛应用。而对于浸没液体的填充，目前广泛采用的方案是局部浸没法，也即使用浸液供给回收装置将液体限制在最后一片投影物镜的下表面和衬底上表面之间的局部区域内。保持浸没液体在曝光区域内的光学一致性和透明度，是保障浸没式光刻曝光质量的关键。为此，现有技术方案往往通过设置浸没控制单元对浸液进行注液和回收实现浸液的持续更新，将光化学污染物、局部热量、微纳气泡等及时带离核心曝光区域，以确保浸没液体的高度纯净均一。浸没控制单元环绕设置于末端投影物镜的径向外侧，并且位于衬底的上方；浸没控制单元具有浸液供给开口和浸液回收开口，通过浸液供给开口向物镜和衬底间的间隙提供浸液，通过浸液回收开口从物镜和衬底间的间隙回收浸液，浸液在物镜和衬底之间的间隙中持续流动形成浸没流场。

然而通过注液和回收实现浸没流场的持续更新的方式会引起浸没流场的波动，浸没流场的压力波动会改变浸液的光学性质，导致浸液的光学均匀性降低，进而造成曝光质量降低。投影物镜的下表面距离衬底的高度较小，典型值为3mm左右；浸没流场的直径典型值为50至80mm；因此，浸没流场是一个小尺寸的扁平形流场。为了保证曝光光束的传播路径上的浸液都保持良好的压力特性，还需要对浸没流场中的多个位置进行压力检测以评价整个浸没流场的压力均匀性。另外，浸没流场的压力典型值在0～200Pa范围，波动幅值的典型值约为30～100Pa，数值较小。浸没流场的小尺寸、多点测量需求、以及压力数值小的特点，使浸没流场的压力检测成为一个难题。

发明内容

本发明为解决现有浸没式光刻机存在着通过注液和回收实现浸没流场的持续更新的方式会引起浸没流场的波动，浸没流场的压力波动会改变浸液的光学性质，导致浸液的光学均匀性降低，进而造成曝光质量降低等现状而提供的一种可有效对浸没流场中的多个位置进行压力检测以评价整个浸没流场的压力均匀性，以有效保证曝光光束的传播路径上的浸液都保持良好的压力特性的浸没流场的压力测量装置及压力测量方法。

本发明为解决上述技术问题所采用的具体技术方案为：一种浸没流场的压力测量装置，其特征在于：包括壳体和多个压力检测器，壳体具有模拟浸没光刻机中末端物镜的外形和尺寸，壳体具有朝向衬底的镜底面和朝向浸没控制单元的镜侧面，镜底面呈平面形状，镜侧面呈倾斜环形柱面形状；镜底面具有开口，压力检测器的检测面设置于所述开口内。采用模拟末端物镜的壳体，并在壳体上安装多个压力检测器，模拟浸没光刻机真实流场环境进行压力检测，可有效对浸没流场中的多个位置进行压力检测以评价整个浸没流场的压力均匀性，以有效保证曝光光束的传播路径上的浸液都保持良好的压力特性。

作为优选，所述的压力检测器的检测面与镜底面平齐。使检测面上没有引压孔，避免引压孔形成的空腔干扰浸没流场的形状，提高检测评价整个浸没流场的压力均匀性，提高曝光质量。

作为优选，所述的压力检测器采用检测面直径小于或等于15mm的压力传感器。提高采集到的镜底面附近的压力作为浸没流场压力的表征参数可靠有效性。

作为优选，所述的压力检测器采用感压芯片，感压芯片位于镜底面上的测压孔的朝向壳体内部的一端。提高可允许在镜底面上布置更多的压力测量点，提高实现对浸没流场在空间范围内更精细的压力测量；减小流场压力在检测面上的平均效应，从而提高压力测量的精度。

作为优选，所述的感压芯片采用检测面尺寸范围为小于1.5mm×1.5mm的感应检测面尺寸。减小流场压力在检测面上的平均效应，提高压力测量的精度。

作为优选，所述的浸没控制单元具有允许曝光光束通过的中心通孔，曝光光束穿过浸没控制单元中心通孔内部的浸没流场，曝光光束穿过浸没流场的范围落入中心围界的内部；所述压力检测器分别设置在中心围界的中心和顶点处。

作为优选，所述的中心围界的边的中点处设有压力检测器。提高评估浸没控制单元的结构及流体供应和回收参数是否满足曝光要求的检测评估可靠有效性。

作为优选，在距离中心通孔壁面5～22mm的范围内设有压力检测器。提高对中心通孔内部的浸没流场实现更大覆盖范围的压力检测和评估有效性。

本发明申请的另一个发明目的在于提供一种浸没流场压力测量装置的压力测量方法，其特征在于：包括如下检测步骤

A1.将上述技术方案之一所述的压力测量装置设置在浸没控制单元的内侧和衬底的上方，使压力测量装置、衬底和浸没控制单元之间的形成相互位置关系与浸没式光刻机中对应位置关系的相同；

A2.经浸没控制单元的主注液口提供易溶气体，经浸没控制单元的主回收口和密封抽排口抽排易溶气体，使易溶气体保持流动一段时间，使易溶气体流动填充压力测量装置和衬底之间的空间；

A3.经浸没控制单元的主注液口提供浸没液体，经主回收口和密封抽排口抽排浸没液体；保持浸没液体流动一段时间，使浸没流场中可能存在的易溶气体的气泡完全溶解于浸没液体中，保证压力传感器的检测元件或者感压芯片完全接触浸没液体；

A4.使用上述技术方案之一所述的压力检测装置测和记录浸没流场的压力。

作为优选，所述的浸没液体采用超纯水，所述易溶气体采用二氧化碳。

本发明的有益效果是：可有效对浸没流场中的多个位置进行压力检测以评价整个浸没流场的压力均匀性，以有效保证曝光光束的传播路径上的浸液都保持良好的压力特性。本发明申请模拟浸没式光刻机中浸没流场的形状和浸液的流动参数，对浸没流场的压力进行测量，特别是对曝光光束传播路径上的浸没流场的压力进行测量，以检验和评估浸没控制单元的结构及流体供应和回收参数是否满足曝光要求；本发明的压力测量装置具有与浸没式光刻机中投影物镜相似或相同的形状，在镜底面上设置压力检测面，使用小尺寸的压力传感器或者感压芯片多点布置和测量，充分检测反映浸没流场的压力特性；采用预先使用易溶气体填充测压孔的方法，避免压力检测器检测面附近的气泡干扰压力测量的精度；充分保证浸没流场压力检测的可靠性，以及评估浸没流场压力特性的有效性。

附图说明：

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

图1是本发明浸没流场的压力测量装置的空间设置示意图。

图2是本发明浸没流场的压力测量装置实施例一的结构示意图。

图3是本发明浸没流场的压力测量装置实施例二的结构示意图。

图4是本发明浸没流场的压力测量装置实施例三的结构示意图。

图5是本发明浸没流场的压力测量装置中气泡干扰压力的测量原理示意图。

图6是本发明浸没流场的压力测量装置中压力测量方法的测量原理示意图。

具体实施方式

实施例A：

图1、图2所示的实施例中，一种浸没流场的压力测量装置，其特征在于：包括壳体和多个压力检测器，壳体具有模拟浸没光刻机中末端物镜的外形和尺寸，壳体具有朝向衬底的镜底面和朝向浸没控制单元的镜侧面，镜底面呈平面形状，镜侧面呈倾斜环形柱面形状；镜底面具有开口，压力检测器的检测面设置于所述开口内；压力检测器的检测面与镜底面平齐。压力检测器采用检测面直径小于或等于15mm的压力传感器。

实施例B：

图3所示的实施例中，压力检测器采用感压芯片141，感压芯片位于镜底面上的测压孔的朝向壳体内部的一端。感压芯片采用检测面尺寸范围为小于1.5mm×1.5mm的感应检测面尺寸。感压芯片141可以采用压阻式感压芯片。其他同实施例1相同。

实施例C：

图4所示的实施例中，浸没控制单元具有允许曝光光束通过的中心通孔31，曝光光束穿过浸没控制单元中心通孔内部的浸没流场，曝光光束穿过浸没流场的范围落入中心围界的内部；所述压力检测器分别设置在中心围界的中心和顶点处。进一步的，在中心围界的边的中点处还安装设有压力检测器。进一步的，在距离中心通孔壁面5～22mm的范围内还安装设有压力检测器。其他同实施例1相同。

实施例D：

图6所示的实施例中，一种浸没流场压力测量装置的压力测量方法，其特征在于：包括如下检测步骤

A1.将上述实施例之一所述的压力测量装置设置在浸没控制单元的内侧和衬底的上方，使压力测量装置、衬底和浸没控制单元之间的形成相互位置关系与浸没式光刻机中对应位置关系的相同；

A2.经浸没控制单元的主注液口提供易溶气体，经浸没控制单元的主回收口和密封抽排口抽排易溶气体，使易溶气体保持流动一段时间，使易溶气体流动填充压力测量装置和衬底之间的空间；

A3.经浸没控制单元的主注液口提供浸没液体，经主回收口和密封抽排口抽排浸没液体；保持浸没液体流动一段时间，使浸没流场中可能存在的易溶气体的气泡完全溶解于浸没液体中，保证压力传感器的检测元件或者感压芯片完全接触浸没液体；

A4.使用上述实施例之一所述的压力检测装置测和记录浸没流场的压力。

浸没液体采用超纯水，所述易溶气体采用二氧化碳。

上述各实施例更具体的实施方式如下：

1)实施例一

如图1和图2所示，本发明涉及的一种浸没流场的压力测量装置1，压力测量装置1具有接近光刻机中最接近衬底的一片投影物镜的外形和尺寸，特别地，具有与光刻机中最接近衬底的投影物镜相同形状和尺寸的镜底面111和镜侧面112。压力测量装置1的位置设置方式模拟浸没式光刻机中的情形，将压力测量装置1设置于浸没控制单元3的内侧，与浸没控制单元3的中心通孔31同轴设置，镜底面111朝向衬底2；使镜底面111距离衬底2的距离在2.5～3.5mm之间，使浸没控制单元3的底面距离衬底2的距离在0.05～0.3mm之间；经浸没控制单元3的主注液口4向压力测量装置1和衬底3之间的间隙空间提供浸液，经浸没控制单元3的主回收口5从压力测量装置1和衬底2之间的间隙空间回收浸液，还经浸没控制单元3底面的密封抽排口6从浸没控制单元3与衬底2之间的间隙中回收浸液，并且在密封抽排口6处形成气液界面71；在浸没控制单元3的提供和回收浸液的作用下，浸液在压力测量装置1和衬底2之间的间隙中形成浸没流场7，浸没流场7的形状和浸液的流动参数与浸没式光刻机中的情形类似或者相同。装载衬底2的衬底台21可以是静止的，也可以是与浸没式光刻机中类似的可以携带衬底进行平面运动的，以便评价在衬底运动情况下的浸没流场的压力特性。

压力测量装置1具有由下壳体11和上壳体12组成的壳体，下壳体11具有平面形状的镜底面111和具有倾斜环形柱面形状的镜侧面112；在下壳体11上设置多个压力传感器13，并且使压力传感器13的检测面133与镜底面111平齐，压力传感器13的供电及信号引线经引线口121导出壳体。压力传感器13直接采集浸没流场的压力，由于浸没流场7的高度尺寸在2.5～3.5mm之间，高度较小，流场中沿高度方向的压力梯度小，因此，以压力传感器13采集到的镜底面111附近的压力作为浸没流场7的压力的表征参数。镜底面11的直径通常在30～50mm范围，优选地，压力传感器13的检测面133直径不超过15mm，例如德国HELM公司的HM系列压力传感器是可选的型号。优选地，压力传感器13可以选择齐平膜式压力传感器，使检测面133上没有引压孔，避免引压孔形成的空腔干扰浸没流场7的形状。

使用本发明的浸没流场的压力测量装置，可以将压力测量装置作为末端物镜的替代物置于浸没控制单元的内侧，配合浸没控制单元和衬底形成浸没流场，采集压力测量装置中压力检测器的压力测量数值，作为评估浸没流场压力特性的参数。

2)实施例二

如图3所示，压力测量装置1的壳体内部设置测压板卡14，测压板卡14上具有感压芯片141及其附属电路，下壳体11的镜底面111上有多个测压孔113，感压芯片141设置在测压孔113朝向壳体内部的一端。其余实施方式同实施例一。

感压芯片141可以采用压阻式感压芯片，优选的是检测面尺寸小于1.5mm×1.5mm范围的感压芯片，感压芯片小尺寸的特点允许在镜底面111上布置更多的压力测量点，能够实现对浸没流场在空间范围内更精细的压力测量；并且，感压芯片小尺寸的检测面，可以大幅减小流场压力在检测面上的平均效应，从而提高压力测量的精度。

3)实施例三

如图4的浸没控制单元仰视图所示，浸没控制单元3具有允许曝光光束通过的中心通孔31，在中心通孔31的径向外侧环形布置密封抽排口6，密封抽排口对浸液回收，从而将浸液限制在气液界面71径向内侧的空间内；在中心通孔31的对侧分别设置主注液口4和主回收口5，分别提供和回收浸液，使浸没流场中的浸液主要沿一个方向流动；通常，浸没式光刻机中的曝光光束轮廓呈矩形形状，曝光光束穿过中心通孔31的范围落在中心围界72的内部，因此，需要对中心围界72内部的浸没流场的压力进行精密的测量和调控。使用本发明的压力测量装置，模拟浸没式光刻机中的浸没流场并对其压力进行测量，以评估浸没控制单元3的结构及流体供应和回收参数是否满足曝光要求。在本实施例中，压力测量装置1的镜底面上至少设置5个压力检测点15，每个压力检测点15使用一个压力传感器13或者一个感压芯片141测量流场压力；压力检测点15包括1个位于中心围界72中心的中心检测点15a和4个位于中心围界72四个顶点处的顶点检测点15b；根据流体压力通常沿流动方向减小的规律，可以认为中心围界72内部的压力不高于的中心检测点15a和顶点检测点15b检测到的压力的最大值；只要在中心检测点15a和顶点检测点15b检测到的压力大小和波动幅值符合曝光要求，即认为中心围界72内部的压力均满足曝光要求。采用本实施例的压力检测点设置方式，可以用较少的压力检测器件获得足以充分评估浸没流场压力特性的参数。其余实施方式同实施例一或实施例二。

优选地，压力测量装置的镜底面还包括位于中心围界72的边的中点处的中点检测点15c，可以更精细地测量和评价中心围界72内部的流场压力，特别中点检测点15c是可以与所在边两端的顶点检测点15b构成一条直线上的三个压力检测点，能够根据流线上的压降规律相互校验三个压力检测点的测量结果，如果出现某个检测点的压力测量值明显偏离按照压降规律预测的数值，则认为该测量值异常；因此，设置中点检测点15c提高了压力测量结果的可靠性。更优地，压力测量装置的镜底面还包括位于中心通孔31壁面附近的边缘检测点15d，例如距离中心通孔31壁面5～22mm的范围内设置的边缘检测点15d，压力检测点15d可以配合检测点15a、15b和15c实现对中心通孔31内部的浸没流场更大覆盖范围的压力检测和评估。

4)实施例四

如前所述，使用本发明的浸没流场的压力测量装置，可以将压力测量装置作为末端物镜的替代物置于浸没控制单元的内侧，配合浸没控制单元和衬底形成浸没流场，直接采集浸没流场的压力数值。更进一步地，为了提高压力测量的精度，可以采用本实施例所描述的压力测量方法。

如图5所示，压力测量装置的镜底面上可能形成气泡造成对压力测量的干扰。如图5(a)所示，为了避免对浸没流场中浸液的流动造成过多的干扰，压力传感器13的检测面133与镜底面111的装配公差往往设置为朝向下壳体11内部的负公差，在检测面133与镜底面111之间的高度差内可能形成气泡114，气泡114可能发生不期望和不可控的跳动、脱落等现象，对浸没流场产生压力扰动。由于浸没流场的压力数值较小，为了获得足够高的测量精度，会采用齐平膜式压力传感器以外类型的压力传感器13，有的压力传感器13的检测元件132与检测面133之间具有空腔131，空腔131中可能会束缚空气，降低压力传感器13的测量精度。又如图5(b)所示的，感压芯片141与镜底面111之间的测压孔113也会存在束缚空气，造成压力测量精度降低的问题。

如图6所示，本实施例采用一种压力测量方法，使用本发明公开的压力测量装置，包括如下压力测量步骤：

A1：将压力测量装置1设置在浸没控制单元3的内侧和衬底2的上方，使压力测量装置1、衬底2和浸没控制单元3之间的相互位置关系与浸没式光刻机中的相同；

A2：如图6(a)所示，经浸没控制单元3的主注液口4提供易溶气体GS，经主回收口5和密封抽排口6抽排易溶气体GS，使易溶气体GS流动填充压力测量装置1和衬底2之间的空间，特别是填充压力传感器检测面上的空腔，或者感压芯片141附近的测压孔113；易溶气体GS是易溶于浸没液体的气体，例如使用超纯水作为浸没液体时使用二氧化碳气体作为易溶气体GS；使易溶气体GS保持流动一段时间，典型地保持流动超过1min，使其充分替代空气填充压力测量装置1和衬底2之间的空间；

A3：如图6(b)所示，经浸没控制单元3的主注液口4提供浸没液体LQ，经主回收口5和密封抽排口6抽排浸没液体LQ；保持浸没液体LQ流动一段时间，典型地保持流动超过3min，使浸没流场中可能存在的易溶气体GS的气泡完全溶解于浸没液体LQ中，保证压力传感器的检测元件或者感压芯片完全接触浸没液体LQ，从而保证压力检测的精度；

A4：使用压力检测装置1检测和记录浸没流场的压力。

在本发明位置关系描述中，出现诸如术语“内”、“外”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示方位或者位置关系的为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了方便描述实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上内容和结构描述了本发明产品的基本原理、主要特征和本发明的优点，本行业的技术人员应该了解。上述实例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都属于要求保护的本发明范围之内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种浸没流场的压力测量装置，其特征在于：包括壳体和多个压力检测器，壳体具有模拟浸没光刻机中末端物镜的外形和尺寸，壳体具有朝向衬底的镜底面和朝向浸没控制单元的镜侧面，镜底面呈平面形状，镜侧面呈倾斜环形柱面形状；镜底面具有开口，压力检测器的检测面设置于所述开口内。

2.按照权利要求1所述的浸没流场的压力测量装置，其特征在于：所述压力检测器的检测面与镜底面平齐。

3.按照权利要求1所述的浸没流场的压力测量装置，其特征在于：所述的压力检测器采用感压芯片，感压芯片位于镜底面上的测压孔的朝向壳体内部的一端。

4.按照权利要求1所述的浸没流场的压力测量装置，其特征在于：所述的压力检测器采用检测面直径小于或等于15mm的压力传感器。

5.按照权利要求3所述的浸没流场的压力测量装置，其特征在于：所述的感压芯片采用检测面尺寸范围为小于1.5mm×1.5mm的感应检测面尺寸。

6.按照权利要求1所述的浸没流场的压力测量装置，其特征在于：所述的浸没控制单元具有允许曝光光束通过的中心通孔，曝光光束穿过浸没控制单元中心通孔内部的浸没流场，曝光光束穿过浸没流场的范围落入中心围界的内部；所述压力检测器分别设置在中心围界的中心和顶点处。

7.按照权利要求6所述的浸没流场的压力测量装置，其特征在于：所述的中心围界的边的中点处设有压力检测器。

8.按照权利要求6所述的浸没流场的压力测量装置，其特征在于：在距离中心通孔壁面5～22mm的范围内设有压力检测器。

9.一种浸没流场压力测量装置的压力测量方法，其特征在于：包括如下检测步骤

A1.将权利要求1～8之一所述的压力测量装置设置在浸没控制单元的内侧和衬底的上方，使压力测量装置、衬底和浸没控制单元之间的形成相互位置关系与浸没式光刻机中对应位置关系的相同；

A2.经浸没控制单元的主注液口提供易溶气体，经浸没控制单元的主回收口和密封抽排口抽排易溶气体，使易溶气体保持流动一段时间，使易溶气体流动填充压力测量装置和衬底之间的空间；

A3.经浸没控制单元的主注液口提供浸没液体，经主回收口和密封抽排口抽排浸没液体；保持浸没液体流动一段时间，使浸没流场中可能存在的易溶气体的气泡完全溶解于浸没液体中，保证压力传感器的检测元件或者感压芯片完全接触浸没液体；

A4.使用权利要求1～8之一所述的压力检测装置测和记录浸没流场的压力。

10.按照权利要求9所述的浸没流场压力测量装置的压力测量方法，其特征在于：所述的浸没液体采用超纯水，所述易溶气体采用二氧化碳。

Images