用于浸没式光刻机的柔性密封和自适应回收装置

摘要

本发明公开了一种用于浸没式光刻机的柔性密封和自适应回收装置。所述装置是安放在投影透镜组和硅片之间的装置，由注液回收构件和随动盘片组成，用于约束浸没液体流场边界。当液体由于硅片高速运动对随动盘片产生冲击时，随动盘片会顺着运动方向产生一定的偏移，从而缓减流场边界压力，并增多回收口数量加速回收；反之，当硅片高速运动使得流场一侧压力减小时，该侧的柔性密封盘片也会顺着运动方向产生一定的偏移，进行压力补偿，并减少回收口数量减少同侧的液体回收量。通过自适应的调整回收孔与流场接触的数量可以实现液体的自适应回收，有效地提高了回收效率并减少了回收带来的振动和噪声。

权利要求

1.一种用于浸没式光刻机的柔性密封和自适应回收装置，包括在投影透镜组(1)和衬底(3)之间设置的液体柔性密封和自适应回收装置(2)；其特征在于：所述的液体柔性密封和自适应回收装置包括浸没单元上端盖(2E)、浸没单元腔体(2D)、浸没单元工作头(2C)和至少一片随动盘片组成；其中：

1)浸没单元上端盖(2E)：

开有提供注液腔(5A)、回收腔(6A)、第一、第二注气压力缓冲腔(7A、8A)各自对外连接通道管路；

2)浸没单元腔体(2D)：

由中心孔向外依次开有互不连通的腔体，即分别开有阶梯形的注液腔(5A)、回收腔(6A)和相间分布的第一、第二注气压力缓冲腔(7A、8A)，四个腔体分别垂直向上通过浸没单元上端盖(2E)的对应通道与外界供水供气系统连接；

3)浸没单元工作头(2C)：

提供浸没单元腔体(2D)中注液腔(5A)、回收腔(6A)和第一、第二注气压力缓冲腔(7A、8A)四个腔体与衬底上表面工作空间的连接通道以及液体回收通道；

由中心孔向外依次开有互不连通的孔阵列通道，分别是开有与注液腔(5A)个数相对应的注液孔阵列(5B)，环形的回收槽(10)，与回收腔(6A)面积相对应的上表面向内倾斜的回收孔阵列(6B)，与回收槽(10)相连通的由内通向浸没单元工作头(2C)外侧的回收通道(11)，相间分布的与第二注气压力缓冲腔(8A)相对应的第二注气孔阵列(8B)，与第一注气压力缓冲腔(7A)相对应的第一和第三注气孔阵列(7B、7C)，浸没单元工作头(2C)下表面径向开有滚动导轨安装槽(13)和与第一和第三注气孔阵列(7B、7C)相连通的垂直随动盘片外侧的环形导向槽(9)；

第一，由在同一半径上均匀分布通孔组成注液孔阵列(5B)，孔垂直于浸没单元工作面，注液孔阵列(5B)上方与注液腔(5A)相通；

第二，由在不同半径上均匀分布通孔组成回收孔阵列(6B)，孔垂直于浸没单元工作面，回收孔阵列(6B)的上端面从外向内倾斜并进行憎水处理，与注液腔(6A)相通；

第三，液体回收槽(10)是分布在回收孔阵列内侧注液孔阵列外侧之间的环形连续槽，四周有回收通道(11)与回收槽(10)相连，回收槽(10)边缘低于回收孔阵列(6B)上端面的内侧边缘；

第四，由在不同半径上均匀分布通孔组成第一、第三注气孔阵列(7B、7C)， 孔的方向垂直于浸没单元工作面，注气孔阵列(8B)下表面与导向槽(9)相通，该导向槽(9)与浸没单元工作面呈45°角，注气孔阵列(7B、7C)上表面与第一注气压力缓冲腔(7A)相通；

第五，由在不同半径上均匀分布通孔组成第二注气孔阵列(8B)，孔的方向垂直于浸没单元工作面，注气孔阵列(8B)下表面与导向槽(9)相通，该导向槽(9)与浸没单元工作面呈45°角，注气孔阵列(8B)上表面与第二注气压力缓冲腔(8A)相通；

4)随动盘片：

为环状片，上表面为平面，进行过憎水处理的下表面向外向下倾斜，外边缘向内弯曲，外边缘外侧与水平面呈135°，通过安装在滚动导轨安装槽(13)内的滚动导轨与浸没单元工作头(2C)相连。

2.根据权利要求1所述的浸没式光刻机系统中的浸没液体柔性密封和自适应回收装置，其特征在于：所述的随动盘片与浸没单元工作头可相对运动，随动盘片的个数与衬底扫描路径与速度有关，所述的第二注气压力缓冲腔(8A)的个数及分布与随动盘片的个数及分割边界有关。

3.根据权利要求1所述的浸没式光刻机系统中的浸没液体柔性密封和自适应回收装置，其特征在于：所述的浸没单元上端盖(2E)、浸没单元腔体(2D)、浸没单元工作头(2C)，三部分构件之间的结合面为平面，采用黏结或者螺栓紧固连接；随动盘片通过安装在滚动导轨安装槽(13)内的滚动导轨与浸没单元工作头(2C)相连。

说明书

用于浸没式光刻机的柔性密封和自适应回收装置

技术领域

[0001] 本发明是涉及浸没式光刻(Immersion Lithography)系统中的流场密封及回收控制的装置，特别是涉及一种用于浸没式光刻机的柔性密封和自适应回收装置。

背景技术

[0002] 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并曝光到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。

[0003] 浸没式光刻系统在投影透镜和硅片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。目前常采用的方案是将液体限定在硅片上方和投影装置的末端元件之间的局部区域内。在步进-扫描式光刻设备中，硅片在曝光过程中高速的进行扫描运动，这种高速运动将把填充液体带离缝隙，即会导致液体泄漏。泄漏的液体将在光刻胶或Topcoat表面形成水迹，严重影响曝光质量。因此，浸没式光刻技术中必须重点解决填充液体的密封问题。

[0004] 目前该方案的密封结构，一般采用气密封或液密封构件环绕投影透镜组末端元件和硅片之间的缝隙流场。在所述密封构件和硅片的表面之间，气密封技术(例如参见中国专利200310120944.4，美国专利US10/705816)通过施加高压气体在环绕填充流场周边形成气幕，将液体限定在一定流场区域内。液密封技术(例如参见中国专利200410055065.2，美国专利US60/742885)则利用与填充流体不相溶的第三方液体(通常是磁流体或水银等)，环绕填充流场进行密封。

[0005] 这些密封和液体回收元件存在一些不足：

[0006] (1)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性，在衬底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回收时将形成气液两相流，由此引发振动，影响曝光系统稳定工作。

[0007] (2)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。

[0008] (3)由于采用正压供液、负压回收，二者压力不易协调，易造成流场压力波动使构件产生振动。

[0009] (4)硅片高速运动状态下，由于分子内聚力的作用，靠近硅片的液体将随硅片运动，并由此导致流场边界形态迅速发生变化；这种变化在不同边界位置均不一样，通常采用的均压气密封方式无法对流场边界进行自适应补偿。

发明内容

[0010] 本发明的目的是提供一种用于浸没式光刻机的柔性密封和自适应回收装置。

[0011] 为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

[0012] 本发明包括在投影透镜组和衬底之间设置的液体柔性密封和自适应回收装置。所述的液体柔性密封和自适应回收装置包括浸没单元上端盖、浸没单元腔体、浸没单元工作头和至少一片随动盘片组成；其中：

[0013] 1)浸没单元上端盖：

[0014] 开有提供注液腔、回收腔、第一、第二注气压力缓冲腔各自对外连接通道管路；

[0015] 2)浸没单元腔体：

[0016] 由中心孔向外依次开有互不连通的腔体，即分别开有阶梯形的注液腔、回收腔和相间分布的第一、第二注气压力缓冲腔，四个腔体分别垂直向上通过浸没单元上端盖的对应通道与外界供水供气系统连接；

[0017] 3)浸没单元工作头：

[0018] 提供浸没单元腔体中注液腔、回收腔和第一、第二注气压力缓冲腔四个腔体与衬底上表面工作空间的连接通道以及液体回收通道；

[0019] 由中心孔向外依次开有互不连通的孔阵列通道，分别是开有与注液腔个数相对应的注液孔阵列，环形的回收槽，与回收腔面积相对应的上表面向内倾斜的回收孔阵列，与回收槽相连通的由内通向浸没单元工作头外侧的回收通道，相间分布的与第二注气压力缓冲腔相对应的第二注气孔阵列，与第一注气压力缓冲腔相对应的第一和第三注气孔阵列，浸没单元工作头下表面径向开有滚动导轨安装槽和与第一和第三注气孔阵列相连通的垂直随动盘片外侧的环形导向槽；

[0020] 第一，由在同一半径上均匀分布通孔组成注液孔阵列，孔垂直于浸没单元工作面，注液孔阵列上方与注液腔相通；

[0021] 第二，由在不同半径上均匀分布通孔组成回收孔阵列，孔垂直于浸没单元工作面，回收孔阵列的上端面从外向内倾斜并进行憎水处理，与注液腔相通；

[0022] 第三，液体回收槽是分布在回收孔阵列内侧注液孔阵列外侧之间的环形连续槽，四周有回收通道与回收槽相连，回收槽边缘低于回收孔阵列上端面的内侧边缘；

[0023] 第四，由在不同半径上均匀分布通孔组成第一、第三注气孔阵列，

[0024] 4)随动盘片：

[0025] 为环状片，上表面为平面，进行过憎水处理的下表面向外向下倾斜，外边缘向内弯曲，外边缘外侧与水平面呈135°，通过安装在滚动导轨安装槽内的滚动导轨与浸没单元工作头相连。

[0026] 所述的随动盘片与浸没单元工作头可相对运动，随动盘片的个数与衬底扫描路径与速度有关，所述的第二注气压力缓冲腔的个数及分布与随动盘片的个数及分割边界有关。

[0027] 所述的浸没单元上端盖、浸没单元腔体、浸没单元工作头，三部分构件之间的结合面为平面，采用黏结或者螺栓紧固连接；随动盘片通过安装在滚动导轨安装槽内的滚动导轨与浸没单元工作头相连。

[0028] 本发明具有的有益效果是：

[0029] (1)回收端内部采用毛细管回收液体，其由内至外的排列方式形成一个圆环，而随动盘片的上端面顶在回收孔阵列下端面，当流场局部压力变大，慢慢向外推动随动盘片的时候越来越多的回收孔接触到流场进行回收，这样就又减小了内部压力，随动盘片由于外侧气体作用发生向内侧的位移，接触到流场的回收孔减少，流场内液体又增多，压力又变大，又将随动盘片往外推，从而形成一个动态平衡，通过调节外侧气体压力的大小可以控制流场内部压力。

[0030] (2)由于流场的边界是由两片随动盘片控制，边界与刚性物体接触，因此流场边界相对于气密封产生的流场边界来说是非常稳定的。另一方面，由于液体大部分被随动盘片包围，减少了与气体的接触，因此可以有效的减少界面气泡的卷吸挟带。

[0031] (3)在衬底高速扫描过程中，流场压力的不均匀态导致局部区域压力过高，这时随动盘片可以扩大此区域的容积，形成压力的缓冲，抑制局部压力突变。在衬底趋于或处于静止状态过程中，随动盘片发生的位移将减小此区域的容积。相当于边界是一个相对的自由液面，不会出现注液口压力较高导致无法注液，而且不会出现由于边界压力过大导致液体从缝隙中挤出的情况。

[0032] (4)在回收过程，当流场边界没有覆盖整个回收孔阵列时，气体就会代替部分液体进入回收腔，降低了回收效率。在这种自适应回收方式中回收孔一直被液体或者随动盘片覆盖，不会暴露在空气中，在有效提高回收效率的同时，减少了振动和噪声。

[0033] (5)回收孔阵列上端面向内倾斜并进行憎水处理，有利于回收液体汇聚到液体回收槽中，并且不会在回收孔上端积聚过多液体，有效减小机械振动。液体回收通道布置在回收孔阵列上端面以下有利于液体自然流出浸没单元进行回收，使得回收控制变得简单。

附图说明

[0034] 图1是本发明与投影透镜组相装配的简化示意图。

[0035] 图2是本发明的爆炸剖面视图。

[0036] 图3是本发明的浸没单元工作头上视图。

[0037] 图4是浸没单元腔体的等轴侧视图。

[0038] 图5是本发明表征柔性密封控制的局部放大剖面视图。

[0039] 图6是本发明表征回收控制的局部放大剖面视图。

[0040] 图中：1、投影透镜组，2、液体柔性密封和自适应回收装置，2A、随动盘片，2B、随动盘片，2C、浸没单元工作头，2D、浸没单元腔体，2E、浸没单元上端盖，3、衬底，4A、滚动导轨，4B、滚动导轨，5A、注液腔，5B、注液孔阵列，6A、回收腔，6B、回收孔阵列，7A、第一注气压力缓冲腔，7B、第一注气孔阵列，7C、第三注气孔阵列，8A、第二注气压力缓冲腔，8B、第二注气孔阵列，9、导向槽，10、回收槽，11、回收通道，12、缝隙流场，13、滚动导轨安装槽。

具体实施方式

[0041] 下面结合附图和实施例详细说明本发明的具体实施过程。

[0042] 如图1-图6所示，本发明包括在投影透镜组1和衬底3之间设置的液体柔性密封和自适应回收装置2。所述的液体柔性密封和自适应回收装置包括浸没单元上端盖2E、浸没单元腔体2D、浸没单元工作头2C和至少一片随动盘片组成；其中：

[0043] 1)浸没单元上端盖2E：

[0044] 开有提供注液腔5A、回收腔6A、第一、第二注气压力缓冲腔7A、8A各自对外连接通道管路；

[0045] 2)浸没单元腔体2D：

[0046] 由中心孔向外依次开有互不连通的腔体，即分别开有阶梯形的注液腔5A、回收腔6A和相间分布的第一、第二注气压力缓冲腔7A、8A，四个腔体分别垂直向上通过浸没单元上端盖2E的对应通道与外界供水供气系统连接；

[0047] 3)浸没单元工作头2C：

[0048] 提供浸没单元腔体2D中注液腔5A、回收腔6A和第一、第二注气压力缓冲腔7A、8A四个腔体与衬底上表面工作空间的连接通道以及液体回收通道；

[0049] 由中心孔向外依次开有互不连通的孔阵列通道，分别是开有与注液腔5A个数相对应的注液孔阵列5B，环形的回收槽10，与回收腔6A面积相对应的上表面向内倾斜的回收孔阵列6B，与回收槽10相连通的由内通向浸没单元工作头2C外侧的回收通道11，相间分布的与第二注气压力缓冲腔8A相对应的第二注气孔阵列8B，与第一注气压力缓冲腔7A相对应的第一和第三注气孔阵列7B、7C，浸没单元工作头2C下表面径向开有滚动导轨安装槽13和与第一和第三注气孔阵列7B、7C相连通的垂直随动盘片外侧的环形导向槽9；

[0050] 第一，由在同一半径上均匀分布通孔组成注液孔阵列5B，孔垂直于浸没单元工作面，注液孔阵列5B上方与注液腔5A相通；

[0051] 第二，由在不同半径上均匀分布通孔组成回收孔阵列6B，孔垂直于浸没单元工作面，回收孔阵列6B的上端面从外向内倾斜并进行憎水处理，与注液腔6A相通；

[0052] 第三，液体回收槽10是分布在回收孔阵列内侧注液孔阵列外侧之间的环形连续槽，四周有回收通道11与回收槽10相连，回收槽10边缘低于回收孔阵列6B上端面的内侧边缘；

[0053] 第四，由在不同半径上均匀分布通孔组成第一、第三注气孔阵列7B、7C，孔的方向垂直于浸没单元工作面，注气孔阵列8B下表面与导向槽9相通，该导向槽9与浸没单元工作面呈45°角，注气孔阵列7B、7C上表面与第一注气压力缓冲腔7A相通；

[0054] 第五，由在不同半径上均匀分布通孔组成第二注气孔阵列8B，孔的方向垂直于浸没单元工作面，注气孔阵列8B下表面与导向槽9相通，该导向槽9与浸没单元工作面呈45°角，注气孔阵列8B上表面与第二注气压力缓冲腔8A相通；

[0055] 4)随动盘片：

[0056] 为环状片，上表面为平面，进行过憎水处理的下表面向外向下倾斜，外边缘向内弯曲，外边缘外侧与水平面呈135°，通过安装在滚动导轨安装槽13内的滚动导轨与浸没单元工作头2C相连。

[0057] 所述的随动盘片与浸没单元工作头可相对运动，其个数与衬底扫描路径与速度有关，所述的第二注气压力缓冲腔8A的个数及分布与随动盘片的个数及分割边界有关。

[0058] 所述的浸没单元上端盖2E、浸没单元腔体2D、浸没单元工作头2C，三部分构件之间的结合面为平面，采用黏结或者螺栓紧固连接；随动盘片通过安装在滚动导轨安装槽13内的滚动导轨与浸没单元工作头2C相连。随动盘片和滚动导轨数量可根据工况需要适当增多，随动盘片为一包围缝隙流场的整体时是本发明的一个特例。一般情况下采用两片随动盘片对于静态和一维高速扫描过程均有比较好的效果；

[0059] 图1示意性地表示了本发明实施方案的液体柔性密封和自适应回收装置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(如氟化氪或氟化氩准分子激光)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-衬底间缝隙场12，对衬底3表面的光刻胶进行曝光。浸没单元上端盖2E、浸没单元腔体2D、浸没单元工作头2C，三部分构件之间的结合面为平面，连接方式依照具体的工况要求采用粘接或者螺栓紧固。随动盘片2A、2B与浸没单元工作头2C之间通过滚动导轨4A、4B连接，随动盘片2A、2B的驱动方式依据具体的工况要求采用弹簧或者串联气缸等均可，本实施例中采用气体驱动。

[0060] 图1、图2、图3所示，浸没单元由随动盘片2A、2B、浸没单元工作头2C、浸没单元腔体2D和浸没单元上端盖2E四部分组成。浸没液体由注液腔5A、5B进入并充满透镜组1与衬底3之间的缝隙流场12，沿途经过由毛细管组成的回收孔阵列6B，流入低于回收孔阵列6B上端面的回收槽10，以及回收通道11进行回收。同时气体通过第一注气压力缓冲腔7A从第一、第三注气孔阵列7B、7C喷出，沿导向槽9从外侧注气推动随动盘片2A、2B沿滚动导轨4A、4B向浸没单元中心运动，从而将缝隙流场12囊括在两随动盘片2A、2B内，起到密封效果。

[0061] 图3、图4所示，来自气源管路的高压气体在通过第一、第三注气孔阵列7B、7C前会经过圆周连续的第一注气压力缓冲腔7A，第一注气压力缓冲腔7A在抑制气源脉动的同时，能够在圆周方向上均衡高压气场压力，使得第一、第三注气孔阵列7B、7C获得较为一致的初始注入压力。第一、第三注气孔阵列7B、7C吹出的气体通过与水平方向呈45°的导向槽9后垂直的作用在随动盘片2A、2B的边缘，使随动盘片2A、2B受到指向浸没单元中心的力。另一股来自气源管路的高压气体通过第二注气压力缓冲腔8A后抑制了气源脉动，并使得第二注气孔阵列8B获得较为一致的注气压力，从第二注气孔阵列8B中吹出的气体同样也经过与水平方向呈45°的导向槽9。第二注气孔阵列8B在径向上的分布比第一、第三注气孔阵列7B、7C多，并且导向槽9在与第二注气孔阵列8B对应的位置上均有增加导向槽数量。因为从第二注气孔阵列8B中吹出的气体主要用于随动盘片2A、2B由于流场压力过高被撑开后防止液体从两侧流出，因此注气的压力也相对较大。另外，外侧导向槽9中吹出的气体可减少衬底3表面滞留的液体。

[0062] 图5所示，液体从注液孔阵列5B进入到浸没单元工作头2C的下表面与衬底3之间的缝隙内，填充满投影透镜组1的底部与衬底3之间的间隙，形成缝隙流场12。缝隙流场12不断向外扩张，当流场边界与回收孔阵列6B接触时，液体从回收孔阵列6B内侧开始被不断吸入浸没单元内。由于与缝隙流场12接触的回收孔数量比较少，对于缝隙流场12来说液体的注入量大于液体的回收量，缝隙流场12依旧保持向外扩张趋势。缝隙流场12的边界与随动盘片2A、2B接触，在水平方向上给了随动盘片2A、2B一个向外的力，通过调节回收腔6A内的压力以增大回收量，以及通过调节从第一、第三注气孔阵列7B、7C吹出气体作用在随动盘片2A、2B上的作用力，可以使流场处于一种动态平衡。由于随动盘片2A、2B内侧经过憎水处理，虽然衬底3与随动盘片2A、2B之间存在缝隙，但是由于液体的表面张力作用，在压力不是很大的情况下，流场边界会保持一定的弧线，不会发生泄漏。衬底3沿箭头所示方向进行高速扫描过程时，会带着缝隙流场12中的一部分液体沿箭头高速运动，由于随动盘片2A、2B在流场运动方向有阻碍作用。如果随动盘片2A、2B固定不动，那么势必会在一侧产生局部高压，另一侧产生局部低压，过高的相对运动速度和压力将会撕扯流场边界，使其破裂，使得液体从缝隙中流出。而在本发明中，由于随动盘片2A、2B能够沿滚动导轨4A、
4B在衬底3的运动方向上有一定的相对运动，对衬底3的高速扫描运动有一定的缓冲作用，使得流场局部压力不至于过高。当硅片3的高速扫描运动结束时，随动盘片2A、2B由于导向槽吹出气体的作用，又将流场回复到浸没单元中心，从而实现了硅片高速扫描过程中的流场密封。

[0063] 图5、图6所示，如前所述，当衬底3在高速扫描过程中，会出现一侧压力变高，一侧压力变低，随之而来的是一侧液体增多，一侧液体减少。液体增多一侧如不加大回收量就会出现泄漏，液体减少一侧如不减少回收量就会使该侧液体更少，甚至吸入空气。在本发明中，随动盘片2A、2B上端面与回收孔阵列6B直接接触，可控制回收量的大小。衬底3沿如图示方向运动时，会使一侧随动盘片向外运动，更多的回收孔与缝隙流场12接触，回收量增大；另一侧随动盘片向内运动，与缝隙流场12接触的回收孔数量减少，回收量减小了。由于回收孔阵列6B的上端面向内倾斜，并进行了憎水处理，回收的液体到达回收孔的上端时会向内侧倾泻，进入回收槽10，最终由回收通道11流出浸没单元。回收通道11的入口压力与回收槽中液体多少相关，从而自适应的调节回收通道11中的流量，实现了对硅片高速扫描情况下的自适应回收。另外这种结构有效地实现了气液两相的分离，减少了由于气泡在水中破裂而带来的振动和噪声。

[0064] 综上所述，本发明区别于文献中已有的液体流场的气体密封控制结构和液体密封控制结构，提供了一种用于浸没式光刻机的柔性密封和自适应回收控制装置。通过由随动盘片2A、2B与浸没单元之间的相对运动，有效地缓冲了硅片瞬时高速扫描对流场带来的影响。随动盘片2A、2B在高速扫描过程中自适应的增多或减少回收孔与缝隙流场的接触数量进行自适应回收，回收孔阵列6B上端面向内倾斜使液体由于重力作用流入回收槽10，回收通道11的入口压力与回收槽中液体多少相关，从而自适应的调节回收通道11中的流量。