一种用于浸没式光刻机的气密封及水平和垂直注液回收装置

摘要

本发明公开了一种用于浸没式光刻机的气密封及水平和垂直注液回收装置。在浸没式光刻机中的投影物镜组和硅片之间置有本发明装置；包括浸没单元下端盖、浸没单元基体、垂直注液孔板、焊接盖板和注气盖板，浸没单元下端盖、垂直注液孔板及注气盖板安装在浸没单元基体下表面，浸没单元基体上表面开有气和液的流道，流道通过焊接盖板密封覆盖。本发明能满足浸没式光刻系统中缝隙流场的密封、液体的注入回收、核心流场的流速均一以及缝隙流场稳定更新的要求；采用气密封结构和垂直注液回收结构实现缝隙流场的密封，采用特殊的水平注液及回收结构保证了核心流场的流速均一性要求并降低水平回收由于气液两相流产生的振动和噪声。

说明书

技术领域

本发明涉及一种流场密封与注液回收装置，特别是涉及一种用于浸没式光刻机的气密封及水平和垂直注液回收装置。

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过光刻胶的硅片上。它包括一个激光光源、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涂有光敏光刻胶的硅片。

浸没式光刻(ImmersionLithography)设备通过在最后一片投影物镜与硅片之间填充某种高折射率的液体，相对于中间介质为气体的干式光刻机，提高了投影物镜的数值孔径(NA)，从而提高了光刻设备的分辨率和焦深。在已提出的下一代光刻机中，浸没式光刻对现有设备改动最小，对现在的干式光刻机具有良好的继承性。目前常采用的方案是局部浸没法，即将液体限制在硅片上方和最后一片投影物镜的下表面之间的局部区域内，并保持稳定连续的液体流动。在步进-扫描式光刻设备中，硅片在曝光过程中进行高速的扫描运动，这种运动会将曝光区域内的液体带离流场，从而引起泄漏，泄漏的液体会在光刻胶上形成水迹，影响曝光质量。已有的气密封装置在回收过程中都存在气液两相流的问题，将两者放在一起回收将会引起管路的振动，从而严重影响曝光质量。因此，浸没式光刻技术中必须重点解决回收过程中由气液两相流引起的振动问题。

目前已有的解决方案中，重点解决的问题是填充液体的密封问题，采用气密封或液密封构件环绕投影物镜组末端元件和硅片之间的缝隙流场。气密封技术是在环绕填充流场的圆周周边上，通过施加高压气体形成环形气幕，将填充液体限定在一定的圆形区域内。液密封技术则是利用与填充液体不相容的第三方液体(通常是磁流体或水银等)，环绕填充流场进行密封。但是存在以下不足：

(1)液密封方式对密封液体有十分苛刻的要求，在确保密封性能要求的同时，还必须保证密封液体与填充液体不相互溶解、与光刻胶(或Topcoat)及填充液体不相互扩散。在衬底高速运动过程中，外界空气或密封液体一旦被卷入或溶解或扩散到填充液体中，都会对曝光质量产生负面的影响。

(2)现有的气密封方式采用气幕施加在填充流体周围，造成流场边缘的不稳定，在硅片高速步进和扫描过程中，可能导致液体泄漏及密封气体卷吸到流场中；同时，填充液体及密封气体一起回收时将形成气液两相流，由此引发振动，影响曝光系统的稳定工作。

发明内容

为了解决局部浸没式光刻技术中的缝隙流场密封问题，本发明的目的在于提供一种用于浸没式光刻机的气密封及水平和垂直注液回收装置，在流场边缘使用气密封结构防止液体泄漏，采用水平注液结构满足注液出口流速的均匀性要求，采用水平回收结构通过水平回收引流流道结构减小回收口高度进而减小水平回收气液两相流引起的振动和噪声，采用垂直注液回收结构进行缝隙流场密封及污染控制。

本发明采用的技术方案如下：

在浸没式光刻机中的投影物镜组和硅片之间置有本发明气密封及水平和垂直注液回收装置；所述气密封及水平和垂直注液回收装置包括浸没单元下端盖、浸没单元基体、垂直注液孔板、焊接盖板和注气盖板，浸没单元下端盖、垂直注液孔板及注气盖板安装在浸没单元基体下表面，浸没单元基体上表面开有气和液的流道，流道通过焊接盖板密封覆盖。

所述的浸没单元基体包括：在浸没单元基体上开有中心锥孔，浸没单元基体下表面从中心锥孔向外依次开有方形槽结构的垂直注液腔、方形槽结构的垂直回收腔、放置浸没单元下端盖的外正八边形内正方形凹槽和环形槽结构的注气腔；浸没单元基体上表面上开有均为条形凹槽结构的一条水平注液流道、一条水平回收流道、两条注气流道、两条垂直注液流道和四条垂直回收流道，各个流道外端均与浸没单元基体侧面各自的流道进出口相通；

垂直注液腔在方形槽其中两个对角点处开有垂直注液孔，垂直注液腔经两个垂直注液孔分别与两条垂直注液流道相通；垂直回收腔的方形槽四边中点处向外延伸，并均开有垂直回收孔，垂直回收腔经四个垂直回收孔分别与四条垂直回收流道相通；注气腔上开有两个注气孔，浸没单元基体下表面开有一弯曲凹槽结构的注气流道，两个注气孔和该注气流道间隔均布在注气腔环形槽的圆周上；注气腔经浸没单元基体下表面的注气流道与浸没单元基体侧面该注气流道对应的流道进出口相通，注气腔分别经两个注气孔与浸没单元基体上表面的两条注气流道相通；水平注液流道和水平回收流道分别位于浸没单元基体中心锥孔的两侧并与浸没单元基体中心锥孔相通。

所述的水平注液流道靠近浸没单元基体中心锥孔处的过渡结构为引流阶梯，水平注液流道靠近浸没单元基体中心锥孔一侧的流道内设有分流结构，分流结构为锯齿状分流结构或者凹半圆状分流结构。

所述的水平回收流道经与锥孔斜面平行的水平回收引流流道后与浸没单元基体中心锥孔相通。

所述的浸没单元下端盖包括：浸没单元下端盖外边沿呈正八边形，浸没单元下端盖开有与浸没单元基体中心通孔相通的方形中心通孔，方形中心通孔与浸没单元下端盖外边沿之间的浸没单元下端盖下表面设有圆角方形的液体密封凸台，液体密封凸台与靠近方形中心通孔的浸没单元下端盖下表面之间开有沿液体密封凸台内边沿圆角方形阵列的垂直回收方孔阵列。

所述的垂直回收方孔阵列包括沿液体密封凸台内边沿圆角方形台阶间隔均布的一圈方孔，方孔一半开在液体密封凸台上，方孔的另一半开在液体密封凸台台阶下的浸没单元下端盖下表面上，形成垂直回收方孔阵列的阶梯状结构。

所述的垂直回收方孔阵列与所述浸没单元基体上的垂直回收腔相通，浸没单元下端盖外边沿与所述浸没单元基体上的外正八边形内正方形凹槽的外边沿相契合。

所述的垂直注液孔板包括：垂直注液孔板上表面开有方形凹槽，方形凹槽底面沿着圆角方形间隔均布有垂直注液圆孔阵列，垂直注液圆孔阵列即沿圆角方形间隔均布的一圈圆形微孔；垂直注液圆孔阵列与垂直注液腔相通。

所述的焊接盖板包括：焊接盖板为扁平结构，焊接盖板通过焊接封盖在注气腔、水平注液流道，水平回收流道、三条注气流道、两条垂直注液流道、四条垂直回收流道上。

所述的注气盖板包括：注气盖板沿其边沿的圆周间隔均布有注气圆孔阵列，注气圆孔阵列与浸没单元基体下表面的注气腔配合相通。

本发明具有的有益效果是：

在浸没单元外侧采用气密封结构，利用气体对缝隙流场密封，同时对硅片起到温度补偿作用。

本装置采用的水平注液结构采用锯齿形和凹半圆形的分流结构，可以获得较好的出口流速分布，保证核心流场的流速均匀性。

本装置采用的水平回收结构采用水平回收引流流道结构减小回收口高度进而减小水平回收气液两相流引起的振动和噪音。

本装置加入的垂直注液结构可有效补偿由于垂直气液回收带走的浸没液体，使垂直气液回收不至于对核心流场产生过大高度方向的速度影响。

本装置采用的垂直气液回收结构采用的方形阶梯孔结构相对于圆孔结构，回收气液两相流，密封缝隙流场的效果更好。

本装置各部件装配采用焊接工艺，相对于螺钉连接以及胶接密封内部流道的效果更好。

附图说明

图1是本发明与投影透镜组相装配的简化示意图。

图2是本发明气密封及水平和垂直注液回收装置的爆炸视图。

图3是本发明的锯齿状分流结构的立体视图。

图4是本发明的凹半圆状分流结构的立体视图。

图5是浸没单元下端盖立体视图。

图6是浸没单元下端盖上方孔处的局部放大图。

图7是浸没单元垂直注液孔板立体视图。

图8是浸没单元垂直注液孔板上圆孔处的局部放大图。

图9是浸没单元基体下表面的立体视图。

图10是浸没单元基体上表面的立体视图。

图11是浸没单元俯视图。

图12是图11中垂直回收流道部分的B-B剖视图。

图13是图11中垂直注液流道部分的A-A剖视图。

图14是图11中注气流道部分的C-C剖视图。

图15是浸没单元装配体的全剖视图。

图16是图15中X区域的局部放大图。

图17是锯齿状分流结构的出口流速偏角分布图示。

图18是凹半圆状分流结构的出口流速偏角分布图示。

图19是各分流结构的速度均匀性图示。

图20是气液两相流体积分数分布图示。

图21是水平回收出口处气液两相流体积分布图示。

图中：1、投影透镜组，2、气密封及水平和垂直注液回收装置，2A、浸没单元下端盖，2B、浸没单元基体，2C、垂直注液孔板，2D、焊接盖板，2E、注气盖板，3E、注气圆孔阵列，3、硅片，3A、垂直回收方孔阵列，4A、液体密封凸台，3C、方形凹槽，4C、垂直注液圆孔阵列，3B、垂直注液腔，4B、外正八边形内正方形凹槽，5B、垂直回收腔，6B、注气腔，7B、垂直注液孔，8B、垂直回收孔，9B、注气孔，10B、注气流道，11、浸没液体，11B、水平注液流道，12B、水平回收流道，13B、垂直注液流道，14B、垂直回收流道，15B、引流阶梯，16B、锯齿状分流结构，17B、凹半圆状分流结构，18B、水平回收引流流道。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的具体实施过程。

如图1所示，本发明包括在浸没式光刻机中的投影物镜组1和硅片3之间安装气密封及水平和垂直注液回收装置2，气密封及水平和垂直注液回收装置2开有中心通孔，气密封及水平和垂直注液回收装置2的主要功能是将浸没液体11限制在投影物镜组1的正下方，从投影物镜组1发出的光线穿过气密封及水平和垂直注液回收装置2的中心通孔后进入缝隙流场，即要经过浸没液体11照射在硅片3上，完成曝光过程，浸没液体的折射率要比空气高，从而能够提高光刻系统的数值孔径和分辨率。

如图2所示，上述的气密封及水平和垂直注液回收装置2包括浸没单元下端盖2A、浸没单元基体2B、垂直注液孔板2C、焊接盖板2D和注气盖板2E，浸没单元下端盖2A和垂直注液孔板2C一起安装在浸没单元基体2B下表面，安装后的底面再通过注气盖板2E密封覆盖，浸没单元基体2B上表面开有气和液的流道，流道通过焊接盖板2D密封覆盖。上述各个零件装配面贴合后通过焊接进行连接，使得此装置具有较好的密封作用。其中：

1)浸没单元基体2B：

如图2所示，在浸没单元基体2B上开有中心锥孔，如图9所示，浸没单元基体2B下表面从中心锥孔向外依次开有方形槽结构的垂直注液腔3B、方形槽结构的垂直回收腔5B、放置浸没单元下端盖2A的外正八边形内正方形凹槽4B和环形槽结构的注气腔6B；如图10所示，浸没单元基体2B上表面上开有均为条形凹槽结构的一条水平注液流道11B、一条水平回收流道12B、两条注气流道10B、两条垂直注液流道13B和四条垂直回收流道14B，各个流道外端均与浸没单元基体2B侧面各自的流道进出口相通，流道进出口为M6螺纹孔。

如图9所示，垂直注液腔3B在方形槽一条对角线两端点处开有垂直注液孔7B，垂直注液腔3B经两个垂直注液孔7B分别与两条垂直注液流道13B相通，如图13所示；垂直回收腔5B的方形槽四边中点处向外延伸，并均开有垂直回收孔8B，垂直回收腔5B经四个垂直回收孔8B分别与四条垂直回收流道14B相通，如图12所示；注气腔6B上开有两个注气孔9B，浸没单元基体2B下表面开有一弯曲凹槽结构的注气流道10B，两个注气孔9B和该注气流道10B间隔均布在注气腔6B环形槽的圆周上；注气腔6B经浸没单元基体2B下表面的注气流道10B与浸没单元基体2B侧面该注气流道10B对应的流道进出口相通，如图14所示。注气腔6B分别经两个注气孔9B与浸没单元基体2B上表面的两条注气流道10B相通；水平注液流道11B和水平回收流道12B分别位于浸没单元基体2B中心锥孔的两侧并与浸没单元基体2B中心锥孔相通。

如图10所示，水平注液流道11B靠近浸没单元基体2B中心锥孔处的过渡结构为引流阶梯15B，水平注液流道11B靠近浸没单元基体2B中心锥孔一侧的流道内有两种分流结构，分别为锯齿状分流结构16B及凹半圆状分流结构17B，分流结构采用焊接工艺和流道装配。如图3所示，锯齿状分流结构16B的截面由等腰三角形依次排列而成；如图4所示，凹半圆状分流结构17B由直角三角形以其中一直角边排列而成，斜边为1/4凹圆弧。通过和其他形式的分流结构进行对比，发现采用此两种分流结构对于水平注液流道11B出口流速均匀性有较大改善，锯齿状分流结构的出口流速偏角分布如图17所示，凹半圆状分流结构的出口流速偏角分布如图18所示，各分流结构的速度均匀性如图19所示。

水平回收流道12B经水平回收引流流道18B后与浸没单元基体2B中心锥孔相通，这样降低了水平回收口高度。采用引流结构降低水平回收口高度可以有效提高水平回收过程中液相所占比重，进而减小由于气液两相流产生的振动及噪音，气液两相流体积分数分布如图20所示，水平回收出口处气液两相流体积分布如图21所示。

2)浸没单元下端盖2A

如图2、图3所示，浸没单元下端盖2A外边沿呈正八边形，浸没单元下端盖2A开有与浸没单元基体2B中心通孔相通的方形中心通孔，方形中心通孔与浸没单元下端盖2A外边沿之间的浸没单元下端盖2A下表面设有圆角方形的液体密封凸台4A，液体密封凸台4A与靠近方形中心通孔的浸没单元下端盖2A下表面之间开有沿液体密封凸台4A内边沿圆角方形阵列的垂直回收方孔阵列3A。

如图5和图6所示，垂直回收方孔阵列3A包括沿液体密封凸台4A内边沿圆角方形台阶间隔均布的一圈方孔，方孔一半开在液体密封凸台4A上，方孔的另一半开在液体密封凸台4A台阶下的浸没单元下端盖2A下表面上，形成垂直回收方孔阵列3A的阶梯状结构。而阶梯状方形回收结构相对于圆形回收结构以及方形回收结构其防泄漏能力更好，可以有效提高光刻机的临界扫描速度。

垂直回收方孔阵列3A与所述浸没单元基体2B上的垂直回收腔5B相通，浸没单元下端盖2A外边沿与所述浸没单元基体2B上的外正八边形内正方形凹槽4B的外边沿相契合。

3)垂直注液孔板2C：如图7和图8所示，垂直注液孔板2C上表面开有方形凹槽3C，方形凹槽3C底面沿着圆角方形均布阵列有垂直注液圆孔阵列4C，垂直注液圆孔阵列4C即沿圆角方形间隔均布的一圈圆形微孔；垂直注液圆孔阵列4C与垂直注液腔3B相通，如图16所示；垂直注液孔板2C为扁平结构，垂直注液孔板2C与垂直注液腔3B通过焊接装配。

4)焊接盖板2D：焊接盖板2D为扁平结构，焊接盖板2D通过焊接封盖在环形槽结构的注气腔6B、水平注液流道11B，水平回收流道12B、三条注气流道10B、两条垂直注液流道13B、四条垂直回收流道14B上。

5)注气盖板2E：注气盖板2E沿其边沿的圆周间隔均布有注气圆孔阵列3E，注气圆孔阵列3E与浸没单元基体2B下表面的环形槽结构的注气腔6B配合相通。

浸没单元下端盖2A、浸没单元基体2B、垂直注液孔板2C、焊接盖板2D及注气盖板2E之间是通过焊接工艺进行连接。

本发明的实施工作过程如下：

如图1所示，给出了气密封、水平注液回收及垂直注液回收装置2在光刻系统中的位置。曝光过程中，光线通过掩模板、投影物镜组1和由浸没液体填充形成的缝隙流场11，照射在硅片3的光刻胶上，对硅片3进行曝光，将掩模版上的图形准确的转移到硅片的光刻胶上。浸没单元基体2B连接在位姿调整机构上，用于调整气密封及水平和垂直注液回收装置2的空间位置和姿态。

如图2、图10、图11、图15所示，硅片静止时，管路中的液体通过浸没单元基体2B内部的水平注液流道11B流经锯齿状分流结构16B，经过锯齿状分流结构16B的分流以及定向后流向引流阶梯15B，液体流进镜头区域，从而形成浸没流场。水平注液流道11B和引流阶梯15B形成了折线阶梯形的注液通道，减缓了液体的流速，减小了浸没液体对投影透镜组1的冲击。由于锯齿状分流结构16B的作用，在浸没液体通过弯折90°的水平注液流道11B后仍然能够保持在注液口宽度方向上浸没液体流动方向和速度大小的均一性，流体不易出现冲击中心锥孔后沿着锥面在浸没单元基体上表面溢流的风险。随着液体向外流动，通过水平注液结构注入的液体将会被水平回收结构所回收。

如图11、图15所示，通过外部的回收系统分别给浸没单元基体2B上的水平回收流道12B、垂直回收流道14B加上负压。由水平回收流道12B和水平回收引流流道18B组成的水平回收结构带走光刻过程中产生的大量废液以及微小颗粒，以实现流场的快速更新。在浸没单元下端盖2A的下表面上的垂直回收方孔阵列3A通过回收作用维持住流场边缘的稳定性，是流场防泄漏功能的关键性部件。垂直回收方孔阵列3A回收到的为气液两相流，气液两相流进入方形槽结构的垂直回收腔5B后，通过在方形槽的四边中点处向外开有的四个垂直回收孔8B吸收进入垂直回收流道14B，最后通过负压抽排流出浸没单元。

如图15所示，当硅片扫描时，外界的注气系统通过外部管路向基体2B内部的注气流道10B注入饱和湿空气，气体经过注气孔9B后进入环形槽结构的注气腔6B，最后通过注气盖板上沿圆周均布的注气圆孔阵列3E进入缝隙流场起到对缝隙流场的气密封作用。在环形槽结构的注气腔6B的均布作用下，密封气体的流速会降低，压力增大，从而能够很好地约束流场中的液体，允许光刻系统具有更高的扫描和步进速度。

综合来说，本发明采用两种注液回收结构：第一种为水平注液回收，水平回收结构主要回收光刻过程中由水平注液注入并流经浸没单元后产生的大量废液，实现流场的快速更新。第二种为垂直注液回收，垂直回收主要回收由垂直注液的液体，起到维持流场边缘稳定性及缝隙流场防泄漏的作用。此外，本发明采用气密封结构也具有防止液体泄漏的作用。

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，在本发明的精神和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。