CN113138537A - 一种用于浸没式光刻机的浸液供给回收装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于浸没式光刻机的浸液供给回收装置。所述装置具有第一抽排开口和第二抽排开口，使大部分浸液经第一抽排开口被抽吸，大部分密封气体经第二抽排开口被抽吸，使第一抽排开口和第二抽排开口中都具有较稳定的气液比例和流型；抽排开口和注气开口之间设置缓冲腔，使弯液面在向外运动时压缩缓冲腔；缓冲腔受压缩后会增强气密封压力，提高气密封对弯液面的约束效果。

Description

一种用于浸没式光刻机的浸液供给回收装置

技术领域

本发明涉及浸没式光刻机技术领域，一种用于浸没式光刻机的浸液供给回收装置。

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，现代光刻机以光学光刻为主，它利用光学系统把掩膜版上的图形精确地投影并曝光在涂覆光刻胶的衬底上。它包括一个激光光源、一个投影物镜系统、一块由芯片图形组成的投影掩膜版、一个对准系统和一个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(ImmersionLithography)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，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，浸没式光刻对现有设备改动最小，且对现在的干式光刻机具有良好的继承性，所以受到广泛关注。对于浸没液体的填充，目前广泛采用的方案是局部浸没法，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注液和回收实现浸没流场的实时更新，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。

如图1所示，浸没式光刻机中浸液供给回收装置2设置于投影物镜系统1和衬底3之间，浸没液体由浸液供给系统5提供动力，经由浸液供给回收装置2注入投影物镜系统1和衬底3之间的空间，并且被浸液回收系统6经由浸液供给回收装置2抽排。浸没液体填充投影物镜系统1和衬底3之间的空间形成浸没流场4。浸没液体的折射率大于空气，相对于干式光刻机，由于浸没流场4的存在，浸没式光刻机中投影物镜系统1和衬底3之间的光路介质折射率提高，携带集成电路图形信息的激光光束穿过投影物镜系统1和浸没流场4后可以在衬底3上形成尺寸更小的集成电路图形。

如图2和图3所示，浸液供给回收装置2的中心具有允许激光通过的圆形通孔21，圆形通孔21具有适应投影物镜系统1下端面形状的上大下小的圆台形状。浸液供给回收装置2中设置浸液供给通道22和浸液回收通道23，由浸液供给系统5提供的浸没液体流经浸液供给通道22进入浸没流场4，然后经浸液回收通道23被浸液回收系统6抽排。浸液供给回收装置2和衬底3之间存在一个最小厚度在0.1mm至1mm范围的缝隙。为了避免浸没液体从该缝隙向外围环境泄漏，浸液供给回收装置2的下端面沿圆形通孔21的周向布置有线度在0.2mm～2mm范围内的抽排开口24，抽排开口24的一端与浸没流场4相通，另一端与抽排腔25相通。抽排开口24可是不连续的圆形或矩形等形状的小孔，也可以是一圈连续的狭长缝隙。抽排腔25是一个圆环形腔体，与多个抽排开口24相通，并与密封抽排通道26相通。浸液回收系统6施加负压，使得浸没流场4中的浸没液体经过抽排开口24汇聚到抽排腔25中，然后经过密封抽排通道26被浸液回收系统6回收。由于浸液回收系统6的抽排作用，浸液液体与外围气体在抽排开口24附近形成了一圈弯液面41。为了避免浸液液体从浸没流场4中泄漏并残留在衬底3上造成污染，以及避免浸没液体向内过度回退造成气泡卷入浸没流场4，需要控制弯液面41的位置和形状稳定。优选地，始终保持弯液面41与抽排开口24接触，保证抽排开口24中始终同时存在液体流和气体流，避免出现振动冲击大的气体流中液滴飞溅或者液体流中气体冒泡的情况，能够改善浸液供给回收装置2的振动特性。

在抽排开口24、抽排腔25以及密封抽排通道26中，受气体和液体抽排量的影响，流道中的气体和液体具有某些分布特征，这些分布特征被称为气液两相流的流型。例如图4所示的，在圆形流道中，当气体的抽排量相对于液体抽排量较小时，气体以小气泡的形状存在于液体中，这种流型称之为泡状流，如图4(a)所示；当气体的抽排量稍大时，许多小气泡聚并形成子弹形状的大气泡，这种流型称之为弹状流，如图4(b)所示；当气体的抽排量相对液体抽排量较大时，气体和液体的流动发生分层，气体占据轴线附近，液体占据壁面附近，形成环状流，如图4(c)所示。不同流型的气液两相流具有不同的振动和热力学特性，其中气液分布相对均匀的泡状流和环状流具有相对平滑的振动和传热特性，相对容易控制，是较为期望获得的流型。

浸没式光刻机的投影物镜系统和浸液供给回收装置是固定的，在对衬底进行曝光的过程中，需要沿特定的路径移动衬底使集成电路图案在衬底上完整成形。浸液供给回收装置与衬底之间存在缝隙，浸液供给回收装置朝向衬底的端面上设置有抽排开口，用于将浸没液体约束在浸液供给回收装置端面于衬底之间，不会大面积遗留在衬底上造成污染；浸没流场与外围气体在所述缝隙内形成气液界面，也称之为弯液面。浸没式光刻机移动衬底的速度直接影响其产率，是衡量光刻机性能的主要指标。但衬底相对于浸液供给回收装置发生相对运动将导致浸没流场受到定向的牵拉。在衬底高速运动的过程中，这种牵拉运动的影响是明显的，可能导致浸液密封失效，浸液泄漏；可能导致浸液中卷入气泡，影响曝光光路；或者浸液回收通道中的气液两相流流型发生改变，导致其振动特性和热传导特性发生改变，最终影响到曝光质量。

发明内容

由于浸没式光刻机中衬底的运动速度较高，而调节浸液供给和回收参数(压力和流量等)的响应速度较慢，所以在大部分的衬底曝光过程中，浸液供给和回收的参数是固定的，这种设定不利于适应衬底对浸没流场的牵拉运动。为了增强浸没流场弯液面约束功能对衬底运动的适应性，本发明提供了一种用于浸没式光刻机的浸液供给回收装置，通过设置第一抽排开口和第二抽排开口，使大部分浸液经第一抽排开口被抽吸，大部分密封气体经第二抽排开口被抽吸，使第一抽排开口和第二抽排开口中都具有较稳定的气液比例和流型；通过在第二抽排开口和注气开口之间设置缓冲腔，使浸没流场弯液面在沿径向向外移动时压缩缓冲腔的容积，导致注气开口与抽排开口之间气流流道的截面积减小，流动阻力增大，压力提高，从而获得更大的气密封压力，起到更强的约束弯液面效果。

本发明采用的技术方案如下：

本发明包括主体、第一抽排开口、第二抽排开口、注气开口以及缓冲腔，所述主体朝向衬底的一面从径向内侧到外侧依次分别周向布置第一抽排开口、第二抽排开口以及注气开口；所述第一抽排开口和所述第二抽排开口之间具有沿径向向外截面扩大的流道；所述第二抽排开口与所述注气开口之间具有与所述第二抽排开口连通并位于其末端的缓冲腔。

进一步的，所述第一抽排开口附近的负压略弱于所述第二抽排开口附近的负压。

进一步的，浸没流场中的流动处于稳定状态时，没有浸液流入所述第二抽排开口，没有密封气体流入所述第一抽排开口。

进一步的，所述注气开口到所述浸液供给回收装置外边缘的距离至少是所述注气开口到所述抽排开口的距离的4倍。

进一步的，所述缓冲腔具有适应弯液面形状的弯曲边缘。

进一步的，所述抽排开口与所述注气开口之间的端面具有到衬底的最小距离。

进一步的，第一抽排开口和第二抽排开口之间的端面具有台阶结构。

本发明具有第一抽排开口和第二抽排开口，使大部分浸液经第一抽排开口被抽吸，大部分密封气体经第二抽排开口被抽吸，使第一抽排开口和第二抽排开口中都具有较稳定的气液比例和流型。使第一抽排开口和第二抽排开口之间的流道具有沿径向向外增大的宽度，使弯液面沿径向向外运动时受到阻碍，同时又不会完全固定弯液面的上接触线导致其易被撕裂。抽排开口和注气开口之间设置缓冲腔，使弯液面在向外运动时压缩缓冲腔；缓冲腔受压缩后会增强气密封压力，提高气密封对弯液面的约束效果。设计注气开口到第二抽排开口的流道流阻显著小于注气开口到外部开放环境的流道流阻，使来自注气开口的密封气体大部分流向缓冲腔和第二抽排开口，一方面可以更高效率地利用密封气流，另一方面可以增大缓冲腔对衬底运动速度的适应范围。

附图说明

图1为本发明与投影物镜系统以及衬底相装配的简化示意图；

图2为一种浸液供给回收装置工作原理示意图；

图3为图2的仰视示意图；

图4为圆形流道中气液两相流的典型流型；

图5为本发明涉及的一种浸液供给回收装置结构示意图；

图6为图5的仰视示意图；

图7为缓冲腔的工作原理示意图；

图8为本发明的另外两种实施例。

具体实施方式

图5和图6示出了本发明涉及的浸液供给回收装置2的一种实施例。为简明计，图5仅示出了浸液供给回收装置2一侧的截面。浸液供给回收装置2朝向衬底的一面从径向内侧到外侧依次分别周向布置第一抽排开口28、第二抽排开口29以及注气开口27。对第一抽排开口28和第二抽排开口29施加负压使其抽取流体，设置第一抽排开口28附近的负压略微弱于第二抽排开口29附近的负压，维持弯液面41在第一抽排开口28和第二抽排开口29之间。经注气开口27向浸液供给回收装置2和衬底3之间的空间供给密封气体，所述密封气体可以是干燥空气、湿空气、氮气或者混合了二氧化碳气体的空气，经注气开口27流出的密封气体的典型流速为15～30m/s。密封气流提高了浸没流场4外围的气体压力，能够对弯液面41向径向外侧方向的运动起到阻挡作用，因此也被称为气密封。第二抽排开口29与注气开口27之间设置缓冲腔272。在本实施例中，缓冲腔272是一个连通所有第二抽排开口29的环形腔体，它具有匀化各抽排开口24附近压力分布的基本功能。

图7解释了本发明的工作原理。如图7(a)所示，在浸没流场4内部及外围气密封的流体流动达到稳定，且衬底3静止条件下，弯液面41位于第一抽排开口28和第二抽排开口29之间，可以使第一抽排开口28中具有纯液相流，第二抽排开口29中具有纯气相流，从而避免形成气液两相流及其引起的振动和热扰动。为了进一步增强弯液面41维持于第一抽排开口28和第二抽排开口29之间的稳定性，设置第一抽排开口28和第二抽排开口29之间的过渡端面281为倾斜形状，使其到衬底3的距离沿径向向外逐渐增大。由于使弯液面41的表面积扩大需要提供额外的作用力，所以弯液面41在过渡端面281下方沿径向向外运动将受到阻力。弯液面41与过渡端面281相交形成上接触线411，弯液面41与衬底3相交形成下接触线412。不同于抽排开口或者利用尖锐固体边缘钉扎弯液面接触线等方法，在约束有效的状态下上接触线411是允许滑移的，这将使得上接触线411与下接触线412之间的距离不会被拉伸得过大，防止弯液面41被撕裂导致浸液泄漏。

如图7(b)所示，当衬底3沿图中自左向右的运动速度v过大时，弯液面41可能会脱离过渡端面281的约束，沿径向向外运动直到被第二抽排开口29抽排；反之，当衬底3的沿图中自右向左的运动速度v过大时，弯液面41可能会脱离过渡端面281的约束，沿径向向内运动，并导致密封气体被第一抽排开口28抽排。弯液面41被第二抽排开口29抽排时会压缩缓冲腔272，增强气密封的约束效果。如图7(b)和图7(c)所示，当衬底3沿图中自左向右的方向运动时，衬底3牵拉运动使得更多的浸没液体流向第二抽排开口29；同时，衬底3同时牵拉弯液面41沿径向向外方向运动，弯液面41压缩了缓冲腔272的空间，使得密封气体流向第二抽排开口29的流道截面变小，流动阻力增大，从而使密封气流的压力提高，流速也随之提高；密封气体压力和流速的提高增大了对弯液面41的约束能力。

注气开口27的径向内侧具有内端面271，径向外侧具有外端面273。由于吹拂弯液面41的底部对于约束其运动更为有效，所以设置内端面271具有浸液供给回收装置2各端面中距离衬底3的最小距离，这样可以使密封气流尽可能低地吹拂弯液面41。为了更高效地利用密封气流，应当使密封气体流向抽排开口24的流动阻力显著小于流向浸液供给回收装置2外部环境的流动阻力。简单的设计方法是使内端面271的宽度显著小于外端面273的宽度。另一方面，缓冲腔272的存在进一步减小了密封气流流向抽排开口24的流动阻力。在一种实施例中，内端面271宽度是外端面273宽度的1/4，来自注气开口27中大约50％的密封气流流向了抽排开口24；而加入宽6mm、高3mm的缓冲腔272后，有大约70％的密封气流流向了抽排开口24。

如图8所示，可以缓冲腔272与注气开口27相邻的侧壁设置为弧形形状，可以更好地引导密封气体的流动，避免密封气流在缓冲腔中形成漩涡引起压力脉动；也可以影响弯液面41形成更稳定的形状。类似地，可以设计过渡端面281具有弯曲形状，使其对越接近第二抽排开口29的弯液面具有越强的约束能力。在另一种实施例中，过渡端面281上设置了多个台阶结构，台阶结构的尖锐边缘对上接触线411具有钉扎效果，可以减轻弯液面受随机扰动引起的震荡，增强弯液面的稳定性。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于浸没式光刻机的浸液供给回收装置，包括主体、第一抽排开口、第二抽排开口、注气开口以及缓冲腔，其特征在于：所述主体朝向衬底的一面从径向内侧到外侧依次分别周向布置第一抽排开口、第二抽排开口以及注气开口；所述第一抽排开口和所述第二抽排开口之间具有沿径向向外截面扩大的流道；所述第二抽排开口与所述注气开口之间具有与所述第二抽排开口连通并位于其末端的缓冲腔。

2.根据权利要求1所述的一种用于浸没式光刻机的浸液供给回收装置，其特征在于：所述第一抽排开口附近的负压略弱于所述第二抽排开口附近的负压。

3.根据权利要求2所述的一种用于浸没式光刻机的浸液供给回收装置，其特征在于：浸没流场中的流动处于稳定状态时，没有浸液流入所述第二抽排开口，没有密封气体流入所述第一抽排开口。

4.根据权利要求4或5所述的一种用于浸没式光刻机的浸液供给回收装置，其特征在于：所述注气开口到所述浸液供给回收装置外边缘的距离至少是所述注气开口到所述抽排开口的距离的4倍。

5.根据权利要求1所述的一种用于浸没式光刻机的浸液供给回收装置，其特征在于：所述缓冲腔具有适应弯液面形状的弯曲边缘。

6.根据权利要求1～5中任一权利要求所述的一种用于浸没式光刻机的浸液供给回收装置，其特征在于：所述抽排开口与所述注气开口之间的端面具有到衬底的最小距离。

7.根据权利要求1所述的一种用于浸没式光刻机的浸液供给回收装置，其特征在于：第一抽排开口和第二抽排开口之间的端面具有台阶结构。

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