CN112684666A - 一种抑制气液两相流压力脉动和振动的浸液供给回收装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种抑制气液两相流压力脉动和振动的浸液供给回收装置。本发明密封抽排腔连通密封抽排口，密封抽排腔还与密封抽排流路连通，密封抽排系统与密封抽排流路连通并向密封抽排流路提供真空源，密封抽排口从第三间隙中抽取浸没液体，同时抽取浸没液体径向外侧的气体；辅助供气流路与密封抽排腔连通，经辅助供气流路向密封抽排腔提供湿性气体。本发明能够适应密封抽排口抽取的气液比例变化对气液两相流流型造成的影响，抑制密封抽排腔以及密封抽排流路中的压力脉动和振动；使用湿性气体经辅助供气流路向密封抽排腔供给，抑制液体的蒸发产生的温降，提高浸没液体和光刻机的温度稳定性；进而提高光刻机的曝光质量。

Description

一种抑制气液两相流压力脉动和振动的浸液供给回收装置

技术领域

本发明属于技术领域，涉及一种抑制气液两相流压力脉动和振动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，它利用光学系统把掩膜版上的电路图案精确地投影在涂覆光刻胶的衬底上并使光刻胶曝光改性，从而在衬底上留下电路图案信息。它包括激光光源、投影物镜系统、包含电路图案的投影掩膜版和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，由于浸没式光刻相对早期的干式光刻具有良好的继承性，所以受到广泛应用。而对于浸没液体的填充，目前广泛采用的方案是局部浸没法，也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和图2所示，浸没式光刻机中投影物镜系统具有距离衬底2最近的末端物镜1，末端物镜1和衬底2之间形成第一间隙11；环绕末端物镜1设置浸液供给回收装置3，浸液供给回收装置3向第一间隙11内提供浸没液体LQ，浸液供给回收装置3具有中心通孔31以供来自末端物镜1的曝光激光束穿过；当携带电路图案信息的曝光激光束穿过末端物镜1后，进入浸没液体LQ，穿过浸没液体LQ后投射在衬底2上；对于浸没式光刻机中常用的波长为193nm的曝光激光束，浸没液体LQ可以采用超纯水，超纯水对于193nm激光的折射率大于空气，因此相对于干式光刻机，浸没式光刻机的曝光激光束穿过末端物镜1和浸没液体LQ后可以汇聚为更小尺度的曝光靶区，从而在衬底上形成更小尺度的电路图案，从而提高光刻机的曝光分辨率。为了避免浸液供给回收装置3将振动和热扰动传递到末端物镜1以干扰其光学性质，设置浸液供给回收装置3不与末端物镜1相接触，于是在末端物镜1和浸液供给回收装置3之间形成第二间隙12。由于现有的浸没式光刻机在曝光过程中按照扫描步进原理相对于末端物镜1来移动衬底3，使得曝光激光束扫描式地将单幅电路图案投射到衬底2的单个靶区中，并步进式地将相同的电路图案投射到衬底2的多个靶区中；由于衬底2会发生相对于末端物镜1的运动，而浸液供给回收装置3相对于末端物镜1静止，因此衬底2会发生相对于浸液供给回收装置3的运动，衬底2与浸液供给回收装置3存在第三间隙13。

由于曝光过程中激光束会加热浸没液体LQ，衬底2上的光刻胶发生光化学反应可能产生污染物释放到浸没液体LQ中，浸没液体LQ的温度和洁净度的改变将导致其光学性质改变；因此设置浸液供给回收装置3驱动浸没液体LQ持续地流动更新以维持其温度和洁净度，具体来说，浸液供给回收装置3中设置朝向第二间隙12的主注液口4，使用浸液供给系统LS经主注液口4向第二间隙12提供浸没液体LQ；浸液供给回收装置3中设置朝向第二间隙12并且位于主注液口4对侧的主抽排口5，使用主抽排系统VM经主抽排口5抽排浸没液体LQ；大部分浸没液体LQ自主注液口4流入第二间隙12，随后流入第一间隙11，然后第一间隙11和第二间隙12中的浸没液体被主抽排口5抽排；还有一部分浸没液体LQ会流入第三间隙13中，为了避免大量浸没液体LQ遗留在衬底2表面上导致衬底2形成光刻缺陷，以及避免浸没液体LQ浸湿其他部件造成损坏，浸液供给回收装置3在朝向衬底2的表面设置密封抽排口6，密封抽排口6可以是一圈均匀排布的小孔或者环形的缝隙，使用密封抽排系统VC经密封抽排口6将第三间隙13中的浸没液体LQ抽走排出。衬底2在扫描和步进运动过程中会牵拉浸没液体LQ，为了避免衬底2高速运动时过度牵拉浸没液体LQ导致其脱离密封抽排口6的约束，在浸液供给回收装置3中密封抽排口6的径向外侧设置气密封口7，使用气体供给系统AS经气密封口7向第三间隙13供给气体流，在气体流的提高压强和吹扫作用下，密封抽排口6对于浸没液体LQ的约束能力也增强。主抽排口5和密封抽排口6将浸没液体LQ完全抽排，浸没液体LQ和外围气体之间形成了弯液面20，弯液面20所包围的浸没液体空间即为浸没流场。

如图1、图2和图3所示，第三间隙13中的浸没液体经密封抽排口6被抽排，随后进入密封抽排腔61，密封抽排腔61连通多个密封抽排口6，例如在图2中密封抽排腔61是一个环形腔体，密封抽排腔61还与密封抽排流路62连通；密封抽排腔61中的浸没液体经密封抽排流路62被抽排至密封抽排系统VC。由气体供给系统AS供给的气体伴随着浸没液体被一同抽排进入密封抽排口6以及后续的流路，形成气液两相流。气液两相流动会引起显著的振动，其振动强度随气液比例的不同而不同；如图3所示，随着流路中气体相对液体的体积流量越来越大，气体的体积占比越来越高，气液两相流的流型会从图3(a)的泡状流逐渐向图3(b)所示的弹状流甚至图3(c)所示的环状流转变；不同流型的气液两相流具有不同的振动特性，一般地，液相体积占比显著高的泡状流和气相占比显著高的环状流具有较平稳的压力特性，而气液两相占比相差不大的弹状流振动较为剧烈。在浸没式光刻机中，由于衬底2会发生相对于浸液供给回收装置3的运动，衬底2牵拉浸没液体会造成被密封抽排口6抽取的浸液量发生改变，可能会出现密封抽排口6仅抽排少量浸没液体而抽排大量气体，或者密封抽排口6基本全部抽排浸没液体的情况，这种对浸没液体抽排量的改变会造成密封抽排腔61中出现压力脉动和振动剧烈的流型，而且密封抽排腔61中气液两相流流型转变过渡的过程也会引入额外的流体压力脉动和振动。密封抽排腔61以及密封抽排流路62中的流体压力脉动会影响密封抽排口6附近的负压导致对弯液面20的约束能力下降，振动会影响浸液供给回收装置3的定位精度，振动还会传递至投影物镜以及衬底影响其定位精度，这些因素最终将导致曝光质量的降低。

发明内容

本发明的目的就是提供一种抑制气液两相流压力脉动和振动的浸液供给回收装置,用于抑制密封抽排腔和密封抽排流路中的气液两相流压力脉动和振动。

本发明环绕于末端物镜的径向外侧，浸液供给回收装置的底面朝向衬底并且与衬底之间形成第三间隙，包括密封抽排口、密封抽排腔和密封抽排流路；密封抽排口位于浸液供给回收装置朝向衬底的底面；密封抽排腔连通密封抽排口；密封抽排腔还与密封抽排流路连通；密封抽排系统与密封抽排流路连通并向密封抽排流路提供真空源；密封抽排口从第三间隙中抽取浸没液体，同时抽取浸没液体径向外侧的气体；还包括辅助供气流路，辅助供气流路与密封抽排腔连通，经辅助供气流路向密封抽排腔提供气体。

所述辅助供气流路向密封抽排腔提供的气体的体积流量大于经密封抽排口抽排的浸没液体的体积流量的10倍。

所述辅助供气流路向密封抽排腔提供的气体的流量大于10SLPM。

至少两条所述密封抽排流路与密封抽排腔连通，辅助供气流路与密封抽排腔的连通位置在相邻的两条密封抽排流路密封抽排腔的连通位置的中间位置。

两条所述密封抽排流路分别于密封抽排腔与扫描方向平行的直径两端与密封抽排腔连通，两条辅助供气流路分别于密封抽排腔与扫描方向垂直的直径两端与密封抽排腔连通。

四条所述密封抽排流路分别于密封抽排腔与扫描方向平行和垂直的直径两端与密封抽排腔连通，在相邻的两条密封抽排流路的中间位置各设置一条辅助供气流路与密封抽排腔连通。

还包括辅助气体腔，辅助气体腔与辅助气体流路连通，经过辅助气体腔向辅助供气流路以及密封抽排腔提供气体。

所述辅助供气腔是与密封抽排腔相似的环形，辅助供气流路是多个均匀排布的通孔。

供气腔与气密封口连通，供气腔还与所述密封抽排流路连通，经过供气腔向辅助供气流路以及密封抽排腔提供气体。

所述的辅助供气流路提供的是含有浸没液体蒸气的湿气体。

经所述辅助供气流路向密封抽排腔提供气体是相对湿度大于80％的湿空气。

本发明设置辅助供气流路向密封抽排腔中供给气体，增大密封抽排腔中气体的体积占比，使密封抽排腔中的气液两相流流型更加稳定，能够适应密封抽排口抽取的气液比例变化对气液两相流流型造成的影响，从而抑制密封抽排腔以及密封抽排流路中的压力脉动和振动，进而提高光刻机的曝光质量；使用湿性气体经辅助供气流路向密封抽排腔供给，可以提高密封抽排腔中气液两相流的气体湿度，抑制液体的蒸发产生的温降，提高浸没液体和光刻机的温度稳定性，进而提高光刻机的曝光质量。

附图说明

图1为浸液供给回收装置及浸没流场的纵向剖视示意图；

图2为浸液供给回收装置的仰视示意图；

图3为气液两相流的流型示意图；

图4为本发明实施例一的结构示意图；

图5为本发明实施例二的结构示意图；

图6为本发明实施例三的结构示意图；

图7为本发明实施例四的结构示意图；

图8为本发明实施例五的结构示意图。

具体实施方

实施例一

如图4所示，一种抑制气液两相流压力脉动和振动的浸液供给回收装置，浸液供给回收装置3环绕于末端物镜1的径向外侧，浸液供给回收装置3的底面朝向衬底2并且与衬底2之间形成第三间隙13；浸液供给回收装置3包括密封抽排口6、密封抽排腔61和密封抽排流路62；密封抽排口6位于浸液供给回收装置3朝向衬底2的底面，密封抽排口6可以是缝隙，或者多个小孔；密封抽排腔61连通一个或多个密封抽排口6；密封抽排腔61还与密封抽排流路62连通；密封抽排系统VC与密封抽排流路62连通并向密封抽排流路62提供真空源；密封抽排口6从第三间隙13中抽取浸没液体，同时抽取浸没液体径向外侧的气体；浸没液体和气体被密封抽排口6同时抽排后进入密封抽排腔61，并随后经密封抽排流路62被密封抽排系统VC抽排；浸液供给回收装置3还具有辅助供气流路63，辅助气源64向辅助供气流路63提供气体，辅助供气流路63与密封抽排腔61连通；辅助供气流路63持续向密封抽排腔61提供气体，这样，即使密封抽排口6抽取的液体和气体的量发生变化，也可以趋向于保持密封抽排腔61中的液体和气体的体积占比，期望的是维持密封抽排腔61中气体的体积占比显著超过液体的体积占比，可以使密封抽排腔61中的气体和液体趋向于分层流动，气体趋向于占据腔体的内核而液体趋向于占据腔体的壁面，气体和液体的分层流动有利于抑制气液相互冲击造成的压力脉动和振动。因此，使用本发明的浸液供给回收装置，在衬底2相对于浸液供给回收装置3运动，牵拉浸没液体导致密封抽排口6抽取的气液比例改变时，密封抽排腔61中的气液两相流流型仍然是稳定的，有利于抑制密封抽排过程中造成的压力脉动和振动，有利于提高曝光质量。

经一个或多个密封抽排口6从第三间隙13中抽取的浸没液体总流量一般在0.5SLPM～1.5SLPM(SLPM，标准升每分钟)范围内，通常在弯液面20径向外侧提供20～40倍于浸没液体的体积流量的气体伴随浸没液体被密封抽排口6一同抽排，保证衬底2静止状态下气体对弯液面20提供足够大的阻挡力而又不至于过度吹扫弯液面20；当衬底2运动时，牵拉浸没液体造成弯液面20向径向内侧或外侧移动，造成浸没液体对密封抽排口6的覆盖面积过小或过大，导致密封抽排口6抽取的气液比例改变；经辅助供气流路63向密封抽排腔61提供大于10倍于浸没液体的体积流量的气体，优选的是流量大于5SLPM的气体，更优的是流量大于10SLPM的气体，增加密封抽排腔61中气体的体积占比，使密封抽排腔61中的气液两相流在密封抽排口6抽取的气液比例变化时能够更好地维持流型稳定，促进密封抽排腔61中的气体和液体趋向于分层流动，从而抑制压力脉动和振动。

实施例二

如图5所示，在曝光激光束投射到衬底的期间，衬底进行图中上下方向的扫描运动21，衬底在扫描运动21中具有较高的运动速度；由于弯液面20在平行于扫描方向的直径两端受到的液体挤压作用力最大，附近的弯液面20较容易破裂；设置密封抽排流路62a和62b，分别在密封抽排腔61平行于扫描方向的直径两端与密封抽排腔61连通，可以使附近的密封抽排口6具有更强的抽排能力以及对弯液面20的约束能力。

设置辅助气体流路63a和63b，分别在密封抽排腔61垂直于扫描方向的直径两端与密封抽排腔61连通，配合密封抽排流路62a和62b的设置，可以更好地引导辅助气体流完全流过密封抽排腔61，以适应不同位置的密封抽排口6出现的抽排气液比例改变的情况。

其余实施方式与实施例一相同。

实施例三

如图6所示，除扫描运动21外，衬底在非曝光时间内还会进行图中左右方向的步进运动22；衬底的步进运动22会造成弯液面20在平行于步进方向的直径两端受到的液体挤压作用力较大，附近的弯液面20较容易破裂；设置密封抽排流路62a、62b、62c和62d，分别在密封抽排腔61平行和垂直于扫描方向的直径两端与密封抽排腔61连通，可以使附近的密封抽排口6具有更强的抽排能力以及对弯液面20的约束能力。

设置辅助气体流路63a、63b、63c和63d，分别相邻两路密封抽排流路62的中间位置与密封抽排腔61连通，可以更好地引导辅助气体完全流过密封抽排腔61，以适应不同位置的密封抽排口6出现的抽排气液比例改变的情况。

其余实施方式与实施例一相同。

实施例四

如图7所示，设置辅助气体腔65，辅助气源64经辅助气源流路66与辅助气体腔65连通并向腔体中提供辅助气体；辅助气体腔65通过辅助供气流路63与密封抽排腔61连通。优选地，辅助气体腔65设置为与密封抽排腔61相似的环形，辅助供气流路63可以是一个环形缝隙，也可以是多个均匀排布的通孔。在本实施例中，辅助气体首先基本均匀分散到辅助气体腔65中，再基本均匀流入密封抽排腔61的各个密封抽排口6附近，从而及时与密封抽排口6抽入的气体和液体混合，及时地对密封抽排腔61中的气液两相流流型进行调节，以更好地抑制两相流流型改变带来的压力脉动和振动。

其余实施方式与实施例一相同。

实施例五

如图8所示，浸液供给回收装置3中具有供气腔71，供气腔71与气密封口7连通，气体供给系统AS经密封气体供给流路67向供气腔71提供密封气体；供气腔71通过辅助供气流路63与密封抽排腔61连通。辅助供气流路63可以是一个环形缝隙，也可以是多个均匀排布的通孔。使用气体供给系统AS同时向第三间隙和密封抽排腔61供给气体，在实现本发明所述的稳定气液两相流流型效果的同时，可以减少气体源的数量，降低流路复杂性。

实施例六

经辅助供气流路63向密封抽排腔61提供的辅助气体是含有浸没液体蒸气的湿气体，优选的是被浸没液体蒸气饱和的湿气体，例如在使用超纯水作为浸没液体时，使用饱和湿空气或者相对湿度大于80％的空气作为辅助气体向密封抽排腔61供给。经辅助供气流路63向密封抽排腔61提供湿气体，可以提高密封抽排腔61以及下游的密封抽排流路62中气体的相对湿度，抑制气液两相流中液体的蒸发，从而抑制因为液体蒸发而导致的温度降低，以提高浸没液体、浸液供给回收装置3以及衬底等其他部件的温度稳定性，有利于保证曝光质量。优选地，经辅助供气流路63向密封抽排腔61提供的辅助气体是含有浸没液体蒸气的湿气体，还经气密封口7向第三间隙提供含有浸没液体蒸气的湿气体；更优的是还经气密封口7向第三间隙提供被浸没液体蒸气饱和的湿气体，例如经气密封口7向第三间隙提供饱和湿空气或者相对湿度大于80％的空气。优选地，经辅助供气流路63向密封抽排腔61提供的湿性的辅助气体具有大于10SLPM的流量，以更好地提高密封抽排腔61中的气体湿度从而抑制液体的蒸发。

以上内容和结构描述了本发明产品的基本原理、主要特征和本发明的优点，本行业的技术人员应该了解。上述实例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都属于要求保护的本发明范围之内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (11)

1.一种抑制气液两相流压力脉动和振动的浸液供给回收装置，环绕于末端物镜的径向外侧，浸液供给回收装置的底面朝向衬底并且与衬底之间形成第三间隙，其特征在于：包括密封抽排口、密封抽排腔和密封抽排流路；密封抽排口位于浸液供给回收装置朝向衬底的底面；密封抽排腔连通密封抽排口；密封抽排腔还与密封抽排流路连通；密封抽排系统与密封抽排流路连通并向密封抽排流路提供真空源；密封抽排口从第三间隙中抽取浸没液体，同时抽取浸没液体径向外侧的气体；还包括辅助供气流路，辅助供气流路与密封抽排腔连通，经辅助供气流路向密封抽排腔提供气体。

2.如权利要求1所述的浸液供给回收装置，其特征在于：所述辅助供气流路向密封抽排腔提供的气体的体积流量大于经密封抽排口抽排的浸没液体的体积流量的10倍。

3.如权利要求1所述的一种浸液供给回收装置，其特征在于：所述辅助供气流路向密封抽排腔提供的气体的流量大于10SLPM。

4.如权利要求1所述的浸液供给回收装置，其特征在于：至少两条所述密封抽排流路与密封抽排腔连通，辅助供气流路与密封抽排腔的连通位置在相邻的两条密封抽排流路密封抽排腔的连通位置的中间位置。

5.如权利要求3所述的浸液供给回收装置，其特征在于：两条所述密封抽排流路分别于密封抽排腔与扫描方向平行的直径两端与密封抽排腔连通，两条辅助供气流路分别于密封抽排腔与扫描方向垂直的直径两端与密封抽排腔连通。

6.如权利要求3所述的浸液供给回收装置，其特征在于：四条所述密封抽排流路分别于密封抽排腔与扫描方向平行和垂直的直径两端与密封抽排腔连通，在相邻的两条密封抽排流路的中间位置各设置一条辅助供气流路与密封抽排腔连通。

7.如权利要求1所述的浸液供给回收装置，其特征在于：还包括辅助气体腔，辅助气体腔与辅助气体流路连通，经过辅助气体腔向辅助供气流路以及密封抽排腔提供气体。

8.如权利要求6所述的浸液供给回收装置，其特征在于：所述辅助供气腔是与密封抽排腔相似的环形，辅助供气流路是多个均匀排布的通孔。

9.如权利要求1所述的浸液供给回收装置，其特征在于：供气腔与气密封口连通，供气腔还与所述密封抽排流路连通，经过供气腔向辅助供气流路以及密封抽排腔提供气体。

10.如权利要求1至9任意权利要求所述的浸液供给回收装置，其特征在于：所述的辅助供气流路提供的是含有浸没液体蒸气的湿气体。

11.如权利要求11所述的一种浸液供给回收装置，其特征在于：经所述辅助供气流路向密封抽排腔提供气体是相对湿度大于80％的湿空气。

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