CN202886842U - 一种用于浸没式光刻机的旋转滚子密封装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于浸没式光刻机的旋转滚子密封装置。旋转滚子密封装置是在投影透镜组和衬底之间的装置，由内构件、外构件、端盖和滚子组成。在光刻扫描过程中，浸没液体伴随衬底高速运动的牵拉作用，将产生与衬底运动方向一致的液体流动。该装置采用旋转滚子密封结构，通过动态调节滚子的旋转速度与方向，使得外围浸没液体获得抵抗衬底运动带来的流动。本实用新型可有效抵抗衬底牵拉运动产生的向外泄漏动能，在结合外围气体密封下进一步增强抑制液体泄漏的能力；此外本实用新型在浸没液体边界处可有效抵抗密封气体带来的冲击压力，并抑制气密封压力过大导致的液体边界气泡卷吸，从而有助于实现浸没流场密封的可靠性与稳定性。

Description

一种用于浸没式光刻机的旋转滚子密封装置

技术领域

本实用新型涉及一种用浸没式光刻机的密封装置，特别是涉及一种用于浸没式光刻机的旋转滚子密封装置。 

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。它包括一个紫外光源、一个光学系统、一块由芯片图形组成的投影掩膜版、一个对准系统和一个覆盖光敏光刻胶的衬底。 

浸没式光刻（Immersion Lithography）系统在投影透镜和衬底之间的缝隙中填充某种液体，通过提高该缝隙中介质的折射率（n）来提高投影透镜的数值孔径（NA），从而提高光刻的分辨率和焦深。 

通常采用的方案将液体限制在衬底上方和投影装置的末端元件之间的局部区域内。如果缺乏有限密封，该方案将导致填充流场边界液体的泄漏，泄漏的液体在光刻胶或Topcoat表面干燥后将形成水迹，严重影响曝光成像质量。目前该方案的密封结构，一般采用气密封构件环绕投影透镜组末端元件和衬底之间的缝隙流场。在密封构件和衬底的表面之间，气密封技术（例如参见中国专利ZL200310120944.4和美国专利US2007046916）通过施加高压气体在环绕填充流场周边形成气幕，将液体限制在一定流场区域内。但上述密封元件存在一些不足： 

（1）衬底高速运动状态中，由于分子附着力的作用，靠近衬底的液体将随衬底发生牵拉运动，并由此导致流场边界形态发生变化。这种变化在不同边界位置均不一样，主要表现在动态接触角大小的变化。即：与衬底运动方向相同的前进接触角将变大，而与衬底运动方向相反的后退接触角将变小。前进接触角变大，使得外界气体更易被卷吸到流场中形成气泡，从而影响流场的均一性和曝光成像质量；后退接触角变小，使得边界液体更容易牵拉到流场外围导致液体泄漏，并由此形成一系列缺陷（如：水迹）。

（2）通常采用的高压气密封方式无法控制流场边界的稳定性。因为较高的气密封压力虽然使得在后退接触角处位置控制了液体泄漏问题，但是需要消耗较大的外界能量来提供这么高的气密封压力。此外，较高的气密封压力增加了前进接触角处得液体气泡卷吸的可能性，因此将气密封压力控制在较小的范围，有助于提高系统的稳定性。 

为了获得更加优化的效果，现有一些密封专利（例如参见中国专利ZL200810164176.5和ZL200910096971.X）采用非均压气密封或采用机构旋转的方式进行缝隙流场的自适应密封。这些方式虽然提高了密封的效果，但仍存在一些不足。如在衬底高速复杂运动过程中，易导致浸没流场的压力等参数的不稳定和快速波动，若不能实时有效控制硅片运动带来的不利影响，流动的不稳定性将不断叠加并引发系统振动问题，甚至有可能导致曝光缺陷。 

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种用于浸没式光刻机的旋转滚子密封装置，通过调节旋转滚子的不同运行方式，使得流场边界的液体产生一定的动能。这种外加式的流动一方面可抵抗衬底牵拉运动产生的向外泄漏动能，在结合外围气体密封下抑制液体泄漏效果更佳。另一方面，在流场边界处可有效抵抗密封气体带来的冲击，由此抑制气密封压力过大导致的液体边界气泡卷吸。这将有助于实现浸没流场密封的可靠性与稳定性，并由此提升曝光的质量。 

为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案如下： 

本实用新型包括投影透镜组、旋转滚子密封装置和衬底，旋转滚子密封装置设置在投影透镜组和衬底之间。所述的旋转滚子密封装置包括内构件、外构件、端盖和滚子；其中：

1）内构件：内构件为正多边形环状柱体，共有6~10个外侧面，每外侧面均开有包络滚子的弧面，环状柱体中心开有阶梯形孔，环状柱体上表面周边与中心大阶梯孔形成环状凸台，环状凸台外侧为环形槽；

2）外构件：外构件为正多边形环状柱体，有与内构件正多边形环状柱体外侧面相应的内侧面，外构件内侧面与内构件的外侧面对应开有包络滚子的弧面，外构件上面在靠近弧面的周边开有环状凸台，在环状凸台外的外构件圆周方向开有等距布置的10~20个环形注气通孔；

3）端盖：端盖为环状柱体，贯穿端盖上下表面开有8~16个环形回气通孔，端盖底面分别与内构件的环状凸台和外构件的环状凸台紧固连接在一起形成回气腔，回气通孔位于回气腔的正上方，回气腔内填充吸水性多孔介质，端盖中心孔与内构件中心阶梯孔连通；

4）滚子：滚子为圆柱体，每个滚子部分包络在内构件的弧面和外构件的弧面之间，每个滚子未包络部分的一侧露在内构件和外构件下表面外，每个滚子未包络部分的另一侧露在回气腔内。

所述的包络滚子的内构件正多边形环状柱体的弧面和外构件正多边形环状柱体弧面构成的包络弧面，其包络直径和滚子的直径相同，均为10~15mm。 

本实用新型具有的有益效果： 

（1）根据衬底运动引起浸没流场的速度和形态变化规律，实时调整旋转滚子的转速与旋转方向；由此带动外围浸没液体产生不同形式的液体动能，有效抵抗衬底运动引起的液体泄漏及流场边界密封气体带来的冲击，提升了浸没流场的稳定性。

（2）衬底高速运动状态下，可避免前进接触角处因密封气体压力不足引起的液体泄漏，以及后退接触角处因密封气体压力过大导致流场边缘气泡卷吸，有效控制了浸没式光刻缺陷的两大来源。 

（3）通过控制旋转滚子的运动方式，带动浸没液体产生与衬底运动方向相反的动能，大幅抵消了由衬底高速运动形成的浸没液体向外泄漏动能，为降低外围气密封压力创造了有利条件，并由此节省了外界气体密封的能量。 

附图说明

图1是本实用新型与投影透镜组相装配的简化示意图。 

图2是本实用新型工作表面的仰视图。 

图3是本实用新型P-P剖视图。 

图4是表征衬底运动时，滚子处于非工作状态下原理图。 

图5是表征衬底由中心向外部运动时密封原理图。 

图6是表征衬底由外部向中心运动时密封原理图。 

图中：1、投影透镜组，2、旋转滚子密封装置，2A、内构件，2B、外构件，2C、端盖，2D、滚子，3、衬底，4A、弧面，4B、弧面，4C、回气通孔，5A、环状凸台，5B、环状凸台，6B、注气通孔，6C、回气腔，7、浸没流场，8、吸水性多孔介质，9、浸没流场速度矢量，10、密封气体。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。 

如图1、图2、图3所示，本实用新型包括投影透镜组1、旋转滚子密封装置和衬底3，旋转滚子密封装置设置在投影透镜组1和衬底3之间。所述的旋转滚子密封装置2包括内构件2A、外构件2B、端盖2C和滚子2D；其中： 

1）内构件2A：内构件2A为正多边形环状柱体，共有6~10个外侧面，每外侧面均开有包络滚子2D的弧面4A，环状柱体中心开有阶梯形孔，环状柱体上表面周边与中心大阶梯孔形成环状凸台5A，环状凸台5A外侧为环形槽；

2）外构件2B：外构件2B为正多边形环状柱体，有与内构件2A正多边形环状柱体外侧面相应的内侧面，外构件2B内侧面与内构件2A的外侧面对应开有包络滚子2D的弧面4B，外构件2B上面在靠近弧面4B的周边开有环状凸台5B，在环状凸台5B外的外构件2B圆周方向开有等距布置的10~20个环形注气通孔6B；

3）端盖2C：端盖2C为环状柱体，贯穿端盖2C上下表面开有8~16个环形回气通孔4C，端盖2C底面分别与内构件2A的环状凸台5A和外构件2B的环状凸台5B紧固连接在一起形成回气腔6C，回气通孔4C位于回气腔6C的正上方，回气腔6C内填充吸水性多孔介质8，端盖2C中心孔与内构件2A中心阶梯孔连通；

4）滚子2D：滚子2D为圆柱体，每个滚子部分包络在内构件2A的弧面4A和外构件2B的弧面4B之间，每个滚子2D未包络部分的一侧露在内构件2A和外构件2B下表面外，每个滚子2D未包络部分的另一侧露在回气腔6C内。

所述的包络滚子2D的内构件2A正多边形环状柱体的弧面4A和外构件2B正多边形环状柱体弧面4B构成的包络弧面，其包络直径和滚子2D的直径相同，均为10~15mm。 

如图1示意性表示了本实用新型实施方案的旋转滚子密封装置2与投影透镜组1的装配，本装置可以在分步重复或者步进扫描式等光刻设备中应用。在曝光过程中，从光源（图中未给出）发出的光（如：ArF或F₂准分子激光）通过对准的掩膜版（图中未给出），投影透镜组1和充满浸没液体的透镜—衬底3间缝隙流场，对衬底3表面的光刻胶进行曝光。 

本实用新型的工作原理如下： 

滚子2D包络在内构件2A正多边形环状柱体的滚子弧面4A与外构件2B正多边形环状柱体的滚子弧面4B之间。由于液体分子的附着力和粘性作用，滚子2D通过外界电机（图中未给出）的驱动旋转，使得附近浸没液体获得一定的动能。通过调节外界电机的转速与方向，控制滚子2D的转速与方向，从而实时带动附近浸没液体获得不同形式的动能。通过转子运动形成的液体流动，可有效抵抗衬底牵拉运动产生的向外泄漏动能；与此同时，密封气体流经注气通孔6B，作用在浸没流场7的弯液面上，进一步增强了对浸没流场的密封。此外，本装置同样能使浸没流场7边界处的浸没液体获得一定的动能，可有效抵抗密封气体带来的冲击压力，从而抑制气密封压力过大导致的浸没流场7边界气泡卷吸。有助于实现浸没流场密封的可靠性与稳定性。最终达到稳定的气体密封的状态，确保密封的可靠性与稳定性。

如图4所示，在衬底3中心向外部高速运动时，滚子处于静止状态。由于液体的分子附着力的作用，衬底3的牵拉作用促使浸没流场7向外运动。密封气体通过注气通孔6B后作用在浸没流场7边界弯液面上，在浸没流场7边界的弯液面处，来自由气体密封通道6B的气体压力，与由浸没单元注液装置注液压力传递而来的浸没流场7的流动压力结合液体自身的表面张力共同达到平衡。在边界弯液面附近处得浸没流场速度矢量9如图中所示。 

如图5所示，在衬底3由中心向外部高速运动时，由于液体的分子附着力的作用，表面张力、气密封压力与浸没流场7的压力三者之间平衡被破坏。调节外界电机（图中未给出）的转速与方向，实时带动滚子2D旋转速度与方向。旋转方向为滚子2D底端的线速度与衬底运动速度相反，使得滚子2D附近的浸没液体获得一定的速度与动能，与衬底牵拉运动产生的动能互相得以有效抵消，浸没流场边界附近处速度矢量9如图中所示。并且，密封气体10流经注气通孔6B后，作用在浸没流场7的弯液面上。在两者的作用下，有效的控制了后退接触角因密封条件不足而产生的液体泄漏问题，达到密封的稳定状态。由于衬底牵拉运动产生的动能得以有效抵消，所以所需密封气体10的压力将得到有效的降低，节省了外界提供密封压力的能量。滚子2D旋转时，粘附在滚子表面的稀少液滴在负压的作用下，随着气流夹带作用通过包络的弧面4A与弧面4B微小缝隙到达回气腔6C，在回气腔6C中填充吸水性多孔介质8，实现气液的分离，气体则从回气通孔4C被回收。 

如图6所示，衬底3由外部向中心运动，使浸没流场7获得较高动能向中心运动，浸没流场7边界的动态接触角迅速增大。若此时边界位置保持较高的气密封压力的冲击，将极易导致气泡的卷吸并造成曝光成像缺陷。密封气体流经注气通孔6B后，最终作用在浸没流场7的弯液面上。通过实时带动滚子2D旋转速度与方向，使得旋转方向为滚子2D底端的线速度与密封气体冲击流向相反，此时滚子2D附近的浸没液体获得一定的速度与动能，浸没流场边界处速度矢量9如图中所示，提高了浸没流场7边界处抵抗高压密封气体10的能力；由此保证密封效果的同时又有效避免了气泡的卷吸。同样，气流最终通过回气腔6C，在回气腔6C中填充吸水性多孔介质8，实现气液的分离，液体被吸收，气体顺着回气通孔4C回收。 

由此可见，通过电机实时调节滚子2D的转速与方向，不仅获得了可靠的浸没流场密封，同时有效降低了密封气体的压力要求。解决了在后退接触角因密封条件不足而产生液体泄漏的基础上，有效控制了高压密封气体引起的流场边界气泡卷吸。 

Claims (2)

1.一种用于浸没式光刻机的旋转滚子密封装置，包括投影透镜组（1）、旋转滚子密封装置和衬底（3），旋转滚子密封装置设置在投影透镜组（1）和衬底（3）之间；其特征在于：所述的旋转滚子密封装置（2）包括内构件（2A）、外构件（2B）、端盖（2C）和滚子（2D）；其中：

1）内构件（2A）：内构件（2A）为正多边形环状柱体，共有6~10个外侧面，每外侧面均开有包络滚子（2D）的弧面（4A），环状柱体中心开有阶梯形孔，环状柱体上表面周边与中心大阶梯孔形成环状凸台（5A），环状凸台（5A）外侧为环形槽；

2）外构件（2B）：外构件（2B）为正多边形环状柱体，有与内构件（2A）正多边形环状柱体外侧面相应的内侧面，外构件（2B）内侧面与内构件（2A）的外侧面对应开有包络滚子（2D）的弧面（4B），外构件（2B）上面在靠近弧面（4B）的周边开有环状凸台（5B），在环状凸台（5B）外的外构件（2B）圆周方向开有等距布置的10~20个环形注气通孔（6B）；

3）端盖（2C）：端盖（2C）为环状柱体，贯穿端盖（2C）上下表面开有8~16个环形回气通孔（4C），端盖（2C）底面分别与内构件（2A）的环状凸台（5A）和外构件（2B）的环状凸台（5B）紧固连接在一起形成回气腔（6C），回气通孔（4C）位于回气腔（6C）的正上方，回气腔（6C）内填充吸水性多孔介质（8），端盖（2C）中心孔与内构件（2A）中心阶梯孔连通；

4）滚子（2D）：滚子（2D）为圆柱体，每个滚子部分包络在内构件（2A）的弧面（4A）和外构件（2B）的弧面（4B）之间，每个滚子（2D）未包络部分的一侧露在内构件（2A）和外构件（2B）下表面外，每个滚子（2D）未包络部分的另一侧露在回气腔（6C）内。

2.根据权利要求1所述的一种用于浸没式光刻机的旋转滚子密封装置，其特征在于：所述的包络滚子（2D）的内构件（2A）正多边形环状柱体的弧面（4A）和外构件（2B）正多边形环状柱体弧面（4B）构成的包络弧面，其包络直径和滚子（2D）的直径相同，均为10~15mm。

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