CN113138541B - 一种具有新型抽排腔的浸液供给回收装置 - Google Patents

一种具有新型抽排腔的浸液供给回收装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有新型抽排腔的浸液供给回收装置。本发明包括抽排开口、抽排腔以及密封抽排通道，所述的抽排腔通过多个与抽排开口与浸没流场连通，不同抽排腔连通的抽排开口沿周向交叉排布；抽排腔至少有两个，每个抽排腔分别通过一个密封抽排通道与浸液回收系统连通；各个抽排腔与密封抽排通道的连通点沿抽排腔周向均匀布置。本发明通过将浸液抽排开口交叉引入多个抽排腔再被密封抽排通道抽排的方法，使不同的抽排腔和密封抽排通道始终同时处理高流量负载和低流量负载的抽排开口，改善了浸液回收通道的负载均衡能力，提高了维持浸没流场密封的稳定性、抑制气液两相流型改变所引发的振动特性和热传导特性波动问题，从而提高曝光质量。

Description

一种具有新型抽排腔的浸液供给回收装置
技术领域
本发明涉及浸没式光刻机中的浸液供给回收装置，特别是涉及一种具有新型抽排腔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(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，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。
同时，为有效维持控制该缝隙中浸没流场边界的完整性，现有装置往往采用弯液面束缚与高压气体密封相结合的技术方案。即在回收流道所限制的浸没流场圆周上，通过施加正压密封气体形成环形气幕(例如参见中国专利ZL200310120944.4和美国专利US2007046916)，将填充液体限定在一定的圆形或菱形流场区域内。然而浸液回收通道介于浸没流场与外界气体(自然流动的常压气体或气密封装置产生的正压气体)之间，在采用负压回收浸没液体的过程中，浸液回收通道内不可避免地将形成气液两相流。气液两相流动不稳定，特别是施加了为保证浸没液体有效回收的正压密封气流，将会加剧两相流在浸液回收通道及管路中的湍动，而且其流动与相变过程伴随着微纳气泡的产生与溃灭。这都将会导致振动的发生与传导，冲击投影物镜的末端元件和衬底上方之间的浸没流场；相变的过程也会导致在浸液回收通道中发生液相的蒸发冷却，导致温度场的不均匀性增加；而且在浸没式光刻系统中，两相流动所诱发的管路振动强度大、幅频特性复杂，很难将其与整机彻底隔离，将会影响曝光质量。
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。
图2和图3示出的浸液供给回收装置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，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的周向布置有直径在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，需要控制弯液面41的位置和形状稳定。
衬底3的品质对于污染物十分敏感，为了确保浸没液体不发生泄漏，抽排开口24具备较强的抽排能力，通常在抽排浸没液体的同时也会吸入外围气体。外围气体可以是环境空气，也可以在抽排开口24外围设置密封气体供给结构，向浸没流场4的外围提供正压的气流，增强对弯液面41的密封能力。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。
在图3所示的一种浸液供给回收装置2，抽排腔25与一个密封抽排通道26连通。由于流体流动沿程阻力的存在，距离连通点越远的抽排开口24的抽排能力越弱，因此浸液供给回收装置2对远端的弯液面41约束能力较弱。图5是另一种浸液供给回收装置2，抽排腔25与4个密封抽排通道26A～26D相通。受浸液回收系统6的调节，可以使4个密封抽排通道26A～26D与抽排腔25的连通点的压力均等。4个连通点均布在抽排腔25的周向上，减小了抽排开口24与连通点之间的最大距离，改善了各个抽排开口24的带负载能力均匀性。
光刻机的投影物镜系统1和浸液供给回收装置2是固定的，在对衬底3进行曝光的过程中，需要移动衬底3使集成电路图案在衬底上完整成形。图6展示了衬底3运动对浸没流场4的牵拉作用。衬底3沿图中自左向右的方向运动，由于摩擦力的存在使浸没液体受到一个向右的作用力，在运动方向的下游形成后退侧弯液面41A，在运动方向的上游形成前进侧弯液面41C；浸没液体更多地流向后退侧抽排开口24A，更少地流向前进侧抽排开口24C。衬底3的运动使得进入4个密封抽排通道26A～26D中的浸液流量呈如图7所示的情形，后退侧密封抽排通道26A承担了较高的浸液流量负载，前进侧密封抽排通道26C承担了较小的浸液流量负载。而当衬底3以相反的方向运动时，浸液流量负载不均衡的情况正好相反。
移动衬底的速度直接影响光刻机的产率，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，对密封抽排通道的负载引入扰动。在衬底高速运动的过程中，这种扰动的影响是明显的，可能导致浸液密封失效，浸液泄漏，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
为了改善局部浸没式光刻技术中的衬底运动引起浸液供给回收装置的密封抽排通道流量负载发生扰动，导致浸液供给回收装置的密封、振动及热传导特性恶化等问题，本发明提供了一种具有新型抽排腔的浸液供给回收装置，通过将浸液抽排开口交叉引入多个抽排腔再被密封抽排通道抽排的方法，使不同的抽排腔和密封抽排通道始终同时处理高流量负载和低流量负载的抽排开口，改善了浸液回收通道的负载均衡能力，提高了维持浸没流场密封的稳定性、抑制气液两相流型改变所引发的振动特性和热传导特性波动问题，从而提高曝光质量。
本发明采用的技术方案如下：
本发明包括抽排开口、抽排腔以及密封抽排通道，所述的抽排腔通过多个抽排开口与浸没流场连通，不同抽排腔连通的抽排开口沿周向交叉排布；抽排腔至少有两个，每个抽排腔分别通过一个密封抽排通道与浸液回收系统连通；
作为优选，各个抽排腔与密封抽排通道的连通点沿抽排腔周向均匀布置。
作为优选，所述抽排开口沿抽排腔周向均匀布置。
作为优选，所述抽排腔的垂直于腔内流体流动方向的截面线度至少是所述抽排开口直径的5倍。
作为优选，所述抽排开口的直径在0.2mm到2mm之间。
作为优选，所述抽排腔的垂直于腔内流体流动方向的截面线度大于2mm。
作为优选，所述的抽排腔为环形。
作为优选，所述密封抽排通道与所述抽排腔的连通点位于所述浸没流场沿衬底运动方向的最长弦上。
本发明具有的有益效果是：
(1)本发明包括至少两个抽排腔，将周向排布的抽排开口交叉引入不同的抽排腔，各个抽排腔的浸液抽排能力有差异；在衬底运动引入流量负载扰动的工况中，各个抽排腔始终同时处理高流量负载的抽排开口和低流量负载的抽排开口，使得对应的各个密封抽排通道中的浸液抽排流量负载波动或者气液比例波动减小。
(2)浸液抽排流量负载波动或者气液比例波动减小，可以改善抽排开口对浸没流场弯液面的约束能力，提高防止浸液泄漏的稳定性；可以稳定密封抽排通道中气液两相流的流型，稳定其传热性能。
(3)抽排腔与密封抽排通道的连通点附近的抽排开口具有较强的带负载能力，将不同抽排腔的连通点在周向上均匀布置，优选地，布置于流量负载大的抽排开口附近，可以相互补偿回收腔的抽排能力在空间上分布的不均匀程度，增强抽排腔的负载均衡能力。
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为本发明涉及的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(a)、4(b)、4(c)为圆形流道中气液两相流的典型流型；
图5为常规的抽排腔结构示意图；
图6为衬底牵拉运动示意图；
图7为衬底牵拉运动引起的流量负载不均衡示意图；
图8为本发明实施例1的结构示意图；
图9为实施例1的衬底牵拉运动工况下的流量负载示意图；
图10为本发明实施例2的结构示意图。
具体实施方式
实施例1、如图8所示，一种具有新型抽排腔的浸液供给回收装置，浸液供给回收装置2内部具有两个抽排腔，分别为内抽排腔25A和外抽排腔25B。内抽排腔25A与内抽排密封通道26A的连通点位于附图右侧，因此与内抽排腔25A连通的抽排开口24中靠右侧的抽排能力较强，而靠左侧的抽排能力较弱；外抽排腔25B与外抽排密封通道26B的连通点位于附图左侧，因此与外抽排腔25B连通的抽排开口24中靠左侧的抽排能力较强，而靠右侧的抽排能力较弱。两个相邻的抽排开口24分别与内抽排腔25A和外抽排腔25B相连通。由于内抽排腔25A和外抽排腔25B的相互补偿作用，可以认为各个抽排开口24的抽排能力是均匀分布的。
如图9所示，当衬底3自画面左侧向画面右侧运动时，画面右侧的抽排开口24的浸液流量负载较高，而画面左侧的抽排开口24的浸液流量负载较低。因为内抽排腔25A和外抽排腔25B所连通的抽排开口24交叉均匀排布，高负载和低负载的抽排开口24中的浸液被均匀分配至内密封抽排通道26A和外密封抽排通道26B。与图7对比可知，图9所示的流量负载分配原理在衬底3运动时具有更好的负载均衡特性。
为了降低抽排开口24的抽排能力沿程分布的不均匀性，抽排腔25相对于抽排开口24应当具有较小的流动阻力。根据流道截面积越大，流动阻力越小的原理，在本发明所述的浸液供给回收装置2中，设计抽排腔的垂直于腔内流体流动方向的截面线度至少是所述抽排开口直径的5倍，且满足截面线度大于2mm，可以获得较好的抽排能力分布均匀性。
实施例2、如图10所示，进一步改善抽排能力分布均匀性的方法是增加密封抽排通道26的数量。设置4个抽排腔25A～25D，抽排开口24均匀分配与4个抽排腔25A～25D连通，4个抽排腔25A～25D与4个抽排密封通道26A～26D的连通点均匀分布在抽排开口24的周向上。4个抽排腔相较于2个抽排腔的设计，每个抽排腔25连通的抽排开口24更少，因此抽排开口24的抽排能力分布均匀性也更好。
抽排腔25与密封抽排通道26的连通点的分布还应当适应衬底3的运动方向。因为连通点附近的抽排开口24具有较强的带负载能力，所以连通点适宜分布在浸液回收流量负载较大的位置。这种位置一般是浸没流场沿衬底3运动方向的最长弦上，例如对于图8而言，衬底3沿画面的左右水平方向运动，则浸没流场圆形轮廓的水平方向上的直径是衬底3运动方向上的最长弦，将内密封抽排通道26A和外密封抽排通道26B与对应抽排腔的连通点布置在该直径的两端，可以更好地适应衬底的左右运动。而对于实施例2而言，四个密封抽排通道26A～26D的连通点对称布置于与水平方向成45°的两条直径方向上，可以更好地适应两个45°方向上的衬底运动。
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 (8)

1.一种具有新型抽排腔的浸液供给回收装置，包括抽排开口、抽排腔以及密封抽排通道，其特征在于：所述的抽排腔通过多个抽排开口与浸没流场连通，不同抽排腔连通的抽排开口沿周向交叉排布；抽排腔至少有两个，每个抽排腔分别通过一个密封抽排通道与浸液回收系统连通。
2.根据权利要求1所述的具有新型抽排腔的浸液供给回收装置，其特征在于：所述各个抽排腔与密封抽排通道的连通点沿抽排腔周向均匀布置。
3.根据权利要求1所述的具有新型抽排腔的浸液供给回收装置，其特征在于：所述抽排开口沿抽排腔周向均匀布置。
4.根据权利要求1所述的具有新型抽排腔的浸液供给回收装置，其特征在于：所述抽排腔的垂直于腔内流体流动方向的截面线度至少是所述抽排开口直径的5倍。
5.根据权利要求1-3任一项所述的具有新型抽排腔的浸液供给回收装置，其特征在于：所述抽排开口的直径在0.2mm到2mm之间。
6.根据权利要求1-3任一项所述的具有新型抽排腔的浸液供给回收装置，其特征在于：所述抽排腔的垂直于腔内流体流动方向的截面线度大于2mm。
7.根据权利要求1所述的具有新型抽排腔的浸液供给回收装置，其特征在于：所述的抽排腔为环形。
8.根据权利要求1所述的具有新型抽排腔的浸液供给回收装置，其特征在于：所述密封抽排通道与所述抽排腔的连通点位于所述浸没流场沿衬底运动方向的最长弦上。
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