一种浸液限制机构及温度补偿方法与流程

本发明涉及光刻机技术领域，具体涉及一种浸液限制机构及温度补偿方法。

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模板上的图形精确地投影曝光到涂过光刻胶的衬底(如基底)上。浸没式光刻是指在曝光镜头与基底之间充满水(或更高折射的浸没液体)以取代传统干式光刻技术中对应的空气。由于水的折射率比空气大，可以使透镜组的数值孔径增大，进而可获得更加小的特征线宽。

现有浸没式光刻机的结构如图1所示，在该装置中，主框架1’支撑一照明系统2’、一投影物镜4’和一基底台8’，基底台8’上放置一涂有感光光刻胶的基底7’。该浸没式光刻机将浸液(如水)5填充在投影物镜4’和基底7’之间缝隙内。工作时，基底台8’带动基底7’作高速的扫描、步进动作，浸液限制机构包括根据基底台8’的运动状态，在投影物镜4’的视场范围，提供一个稳定的浸液流场，同时保证浸液流场与外界隔绝，保证液体不泄漏。掩模板3’上集成电路的图形通过照明系统2’、投影物镜4’和浸液流场以成像曝光的方式，转移到涂有感光光刻胶的基底7’上，完成曝光过程。该浸没式光刻机涉及的浸没系统工作原理如图2所示，通过浸液限制机构中的浸没头6’，将浸液5’限制在投影物镜4’和基底7’之间缝隙内。该浸没式光刻机内还设置供液设备9’，向浸没头6供给浸液5’。在供液设备9’中设有液体压力、流量控制单元，将浸液供给的压力、流量限制在一定范围内；此外在供液设备9’中设置水污染处理单元，将水中污染处理至符合浸液污染要求；供液设备9’中还设有温度控制单元，将供水 处理至符合浸液温度要求。该浸没式光刻机内还设有供气设备10’和气液回收设备11’，用于超洁净湿空气补偿及气液回收。在供气设备10’和气液回收设备11’中设有超洁净湿空气压力、流量控制单元，将供气的压力、流量控制在一定范围之内；供气设备10’和气液回收设备11’中还设有气液回收压力、流量控制单元，将气液回收的压力和流量控制在一定范围之内；在供气设备10’和气液回收设备11’中还设有超洁净湿空气污染控制单元，将超洁净湿空气中污染处理至符合要求；在供气设备10’和气液回收设备11’中还设有超洁净湿空气温度和湿度控制单元，将超洁净湿空气处理至符合温度和湿度要求。

现有浸液限制机构的一般结构如图2所示，浸没头6’的外轮廓形式不一，但内部轮廓基本都是与镜头几何形状匹配的锥形结构。供液设备9’供给的浸液5’通过浸没头6’内的浸液供给流道流出后填充投影物镜4’和基底7’之间缝隙，浸液5’通过浸没头6’内的浸液回收流道流出后，由气液回收设备11’回收。浸液5’在投影物镜4’和基底7’之间狭缝内形成浸液流场，要求浸液流场中的液体处于持续流动状态，无回流，且液体的成分、压力场、速度场、温度场瞬态和稳态变化均小于一定范围。

从图2中看出，浸没头6’的下表面与基底7’间存在一定高度的间隙，为了防止浸液流场中的浸液5’从此间隙中泄漏，供气设备10’通过供气管路622’向浸没头6’内的供气腔621’供给压缩空气，如图2所示，压缩空气在供气腔621’内缓冲后，通过供气腔621’底部的供气口620’喷出，形成朝向基底表面的“气刀”。“气刀”形成了阻挡浸液流场中浸液5’泄漏的气“帘”，浸液流场边缘的气液混合物通过气液抽排口630’抽排至气液回收腔631’中，气液混合物在气液回收腔631’中缓冲后，被气液回收设备11’经抽排管路632’抽排出浸没头6’，从而实现了浸液流场的密封效果。

为了保证密封效果，“气刀”供气量和气液抽排负压较大，抽排流量和流速同样较大，由于“气刀”供气量较大，气液混合物中的气体处于不饱和状态，由于抽排流速较大，气液混合物在气液回收腔631’及抽排管路632’内涡旋流动， 气液混合物中的大液滴在抽排过程中会不断相互碰撞或与气液回收腔631’的壁面碰撞，在碰撞过程中气液混合物中的大液滴转化为小液滴，小液滴继续不断相互碰撞，部分小液滴会雾化至直接蒸发，还有一部分小液滴继续不断与气液回收腔631’的壁面碰撞并在气液回收腔631’的壁面形成液膜，薄的液膜在抽排过程中继续蒸发。由于浸液5’须持续供给和抽排，所以在气液回收腔631’的内部壁面持续发生液体蒸发。浸液5’在蒸发相变过程中须不断吸收汽化潜热；例如，在一个大气压下，1kg的水变成蒸汽要吸收2256kj的热量。

浸没液体不断蒸发吸热将使浸没头6’温度下降，经实验，在不进行温度补偿时，气液回收过程中的蒸发制冷会导致浸没头6’温度下降1℃以上，局部温度下降会超过2℃。浸没头6’温度下降后会影响浸液5’的温度稳定性，从而影响浸液5’的折射率，进而最终影响设备曝光性能。

针对上述问题，现有的方法在浸没头的结构上布置若干电阻式加热器或电加热器或温度传感器等进行温度控制与补偿。然而上述方案至少存在以下几方面问题：一是浸没头上没有足够的空间用来布置足够多的加热器、温度传感器及其引线；二是单个加热器仅可控制浸没头“单点”温度，难以实现浸没头整体温度均匀性；三是不能较好地将冷源(即气液回收腔)与其它部件隔离，难以防止“漏冷”；四是加热器与气液回收腔的壁面间热阻较大，难以实现直接的温度补偿，热补偿效率低下。

技术实现要素：

本发明提供了一种浸液限制机构及温度补偿方法，以解决上述技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种浸液限制机构，设于投影物镜和基底之间，包括浸没头，所述浸没头上由外到内依次设有供气腔和气液回收腔，所述供气腔与第一供气设备连通，用于形成对所述浸液密封的气帘，所述气液回收腔包括由内至外同轴设置的内腔体和外腔体，所述内腔体通过抽排管与气液回收设备连通，用于抽排气液混合物，所述外腔体通过进气管 与第二供气设备连通，所述第二供气设备提供的气体与所述内腔体外壁、外腔体内壁接触后冷凝放热。

进一步的，所述进气管套设于所述抽排管外周。

进一步的，所述第二供气设备包括依次连接的压缩空气供给设备、加湿器和调节阀，将加湿后的压缩空气通入所述外腔体内。

进一步的，所述外腔体上还设有出气管，所述出气管通过负压阀连通所述气液回收设备。

进一步的，所述第二供气设备包括依次连接的冷凝气体供给设备和调节阀，将冷凝气体通入所述外腔体内。

进一步的，所述外腔体上还设有出气管，所述出气管通过负压阀连通所述冷凝气体供给设备。

进一步的，所述进气管和出气管间隔分布。

进一步的，所述供气开口呈圆形或方形或矩形或长椭圆形或三角形，所述供气开口的直径或宽度为0.1～0.2mm。

进一步的，所述内腔体的外壁与所述外腔体的内壁之间设有若干翅片，为所述内腔体提供径向支撑。

进一步的，所述翅片沿平行于所述内腔体的轴线方向分布或呈螺旋形分布。

进一步的，所述冷凝气体是水蒸气、烃蒸气、烃类蒸气的混合物或氨蒸气。

进一步的，所述浸没头的横截面呈圆形或多边形。

进一步的，所述供气腔的横截面呈圆形或多边形。

进一步的，所述供气腔设有与所述浸没头底面连通的供气狭缝，气体从所述供气狭缝中吹出，在所述浸没头与所述基底之间形成气帘，所述供气缝隙的宽度为0.1～0.2mm。

进一步的，所述供气腔设有与所述浸没头底面连通的若干供气开口，相邻所述供气开口之间的距离为0.2～0.3mm。

进一步的，所述内腔体和外腔体的纵截面均呈圆形或多边形。

进一步的，所述内腔体和外腔体的横截面均呈圆形或多边形。

进一步的，所述内腔体设有与所述浸没头底面连通的抽排狭缝，所述抽排缝隙的宽度大于0.2mm。

进一步的，所述内腔体设有与所述浸没头底面连通的若干抽排开口，所述抽排开口呈圆形或方形或矩形或长椭圆形或三角形，所述抽排开口的直径或宽度大于0.3mm。

进一步的，所述浸没头由航空铝或钢材料制成。

本发明还提供一种浸液限制机构的温度补偿方法，在用于抽取气液混合物的抽排腔之外套设冷凝腔，在冷凝腔内通入气体，使所述气体与所述抽排腔的外壁、所述冷凝腔的内壁接触后冷凝放热。

进一步的，所述冷凝腔内气体的流动方向与所述抽排腔内气液混合物的流动方向相反，形成逆流换热。

进一步的，所述气体为加湿后的压缩空气。

进一步的，所述气体为冷凝气体。

进一步的，所述冷凝气体是水蒸气、烃蒸气、烃类蒸气的混合物或氨蒸气。

本发明提供一种浸液限制机构及温度补偿方法，与现有技术相比存在以下优点：

(1)通过设置包括内腔体和外腔体的气液回收腔，内腔体用于气液混合物的抽排，外腔体用于冷凝气体供给，通过冷凝放热的方法对发生蒸发制冷现象的内腔体进行热补偿，外腔体包覆内腔体，可以对内腔体进行可全面的热补偿，增大了热补偿的面积，提高了热补偿效率；

(2)外腔体将内腔体与其他部位进行了热隔离，降低了制冷“冷源”(即内腔体)作用在浸没头其余部位上的制冷功率；

(3)外腔体的冷凝入口与内腔体的出口位置相对应，使外腔体内冷凝气体的流动方向与内腔体内气液混合物的流动方向相反，形成逆流换热，实现呈非均匀分布的热补偿功率对应呈非均匀分布的制冷功率，极大提高了整个浸没头 温度控制的均匀性；

(4)直接在内层壁上进行热补偿，减小了热补偿路径上的热阻，大大提高了热补偿效率；

(5)不采用多个加热器及其引线等电气元件，提高了浸液限制机构的可靠性。

附图说明

图1是现有浸没式光刻机的结构示意图；

图2是现有浸液限制机构的结构示意图；

图3是本发明实施例1浸液限制机构的结构示意图；

图4是图3的a-a处的剖视图；

图5a、5b分别是本发明实施例1气液回收腔的结构示意图；

图6是本发明实施例1中气液回收腔内的气体流动示意图；

图7是本发明实施例2中气液回收腔内的气体流动示意图。

图1-2中所示：1’、主框架；2’、照明系统；3’掩模板；4’、投影物镜；5’、浸液；6’、浸没头；620’、供气口；621’、供气腔；622’、供气管路；630’、气液抽排口；631’、气液回收腔；632’、抽排管路；7’、基底；8’、基底台；9’、供液设备；10’、供气设备；11’、气液回收设备；

图3-7中所示：4、投影物镜；5、浸液；6、浸没头；62、供气腔；621、供气口；63、气液回收腔；631、内腔体；632、外腔体；633、气液抽排口；634、冷凝出口；635、冷凝入口；636、内层壁；637、外层壁；638、翅片；7、基底；8、第二供气设备；9、气液回收设备；10、抽排管；11、进气管；12、加湿器；13、调节阀；14、负压阀；15、冷凝气体供给设备；16、冷凝液回收设备。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细描述。

实施例1

如图3-4所示，本发明提供一种浸液限制机构，设于投影物镜4和基底7之间，根据基底台的运动状态，在投影物镜4的视场范围，提供一个稳定的浸液流场，同时保证浸液流场与外界隔绝，保证液体不泄漏。本浸液限制机构包括浸没头6，优选的，所述浸没头6的横截面呈圆形或多边形，本实施例中，浸没头6的横截面呈正方形，如图4所示。所述浸没头6上由外到内依次设有供气腔62和气液回收腔63，即气液回收腔63设在供气腔62的外周，所述供气腔62与第一供气设备(图中未标出)的出口连通，且与所述浸没头6的底面通过若干供气口621连通，用于形成对所述浸液密封的气帘；所述气液回收腔63包括内至外包同轴设置的内腔体631和外腔体632，其中内腔体631由内层壁636围成，外腔体632由外层壁637围成，所述内腔体631通过抽排管10与气液回收设备9连通，用于抽排气液混合物，所述外腔体632通过进气管11与第二供气设备8连通，所述第二供气设备8提供的气体与所述内腔体631外壁、外腔体632内壁接触后冷凝放热。具体的，内腔体631和外腔体632的数量可以为一个或多个，内腔体631之间相互独立，每个外腔体632与一个内腔体631对应，包覆于该内腔体631外侧，通过设置包括内腔体631和外腔体632的气液回收腔63，分别用于气液混合物的抽排和冷凝气体供给，通过冷凝放热的方法对发生蒸发制冷现象的内腔体631进行热补偿，外腔体632包覆内腔体631，可以对内腔体631进行可全面的热补偿，增大了热补偿的面积，提高了热补偿效率。

优选的，所述供气腔62的横截面呈圆形或多边形，本实施例中，供气腔62的横截面呈圆形，若干所述供气口621为连续型供气口，且在所述浸没头6的底面形成圆形或多边形的缝隙，如图4中所示为圆形缝隙，所述缝隙的宽度为0.1～0.2mm。若干所述供气口621也可以为离散型供气口，相邻供气口621之间的距离为0.2～0.3mm，若干所述供气口621呈圆形或方形或矩形或长椭圆形或三角形，所述供气口621的直径或宽度为0.1～0.2mm。具体的，第一供气设备向浸 没头6内的供气腔62供给气体，所述气体优选为压缩空气，压缩空气在供气腔62内缓冲后，通过供气腔底部的供气口621喷出，形成朝向基底表面的“气刀”，阻挡浸液流场中的浸液5泄漏。

优选的，所述内腔体631和外腔体632的横截面均呈圆形或多边形，本实施例中，内腔体631和外腔体632的横截面均呈圆形，内腔体631和外腔体632的纵截面均呈圆形或多边形，本实施例中为正方形，如图5a所示，且内腔体631的截面积同外腔体632的截面积之比恒定，以保证内腔体631同外腔体632具有相同的流通路径和连续的流量贯穿。如图3所示，内腔体631下方设有气液抽排口633，用于抽排浸没头6边缘的气液混合物。优选的，所述气液抽排口633可为连续型气液抽排口，例如缝隙，且在所述浸没头6的底面形成圆形或多边形的缝隙，如图3中所示为圆形缝隙，所述缝隙的宽度大于0.2mm。所述气液抽排口633也可以为若干呈圆形或方形或矩形或长椭圆形或三角形的开口，所述开口的直径或宽度大于0.3mm。

继续参照图6，进一步的，所述内腔体631的出口与气液回收设备9的入口通过抽排管10连通，所述外腔体632的冷凝入口635与第二供气设备8通过进气管11连接，所述进气管11套设于所述抽排管10外周，当然进气管11也可设于所述抽排管10的旁边，优选的，所述第二供气设备8与所述进气管11之间还依次连有加湿器12和调节阀13。所述外腔体632上还设有与冷凝入口635间隔分布的冷凝出口634，所述冷凝出口634设有出气管，所述出气管通过负压阀14连通所述气液回收设备9。具体的，加湿器13对来自第二供气设备8的气体(优选为压缩空气)加湿，加湿后的湿压缩空气经调节阀13调节流量后通过进气管11向外腔体632供给加湿过的压缩空气，湿的压缩空气按图6所示流动方向流至冷凝出口634排出经负压阀14调节后至气液回收设备9中。

如图5b所示，所述内层壁636和外层壁637之间设有若干翅片638，为内层壁636提供径向支撑，若干所述翅片638呈平行于内腔体632的轴线方向分布或呈螺旋形分布。需要说明的是，本实施例所述结构除采用传统机械加工方 法加工外，还可采用3d打印技术制成传统机械加工方法难以实现的更为复杂的内部结构。

请继续参照图6，所述内腔体631的出口和所述外腔体632的冷凝入口635均设有两个，均沿x轴排列，且两个所述内腔体631的出口之间及两个所述外腔体632的冷凝入口635之间分别关于y轴对称分布，所述外腔体632的冷凝出口634也设有两个，沿y轴排列，且关于x轴对称。冷凝气体从左右两侧的冷凝入口635进入外腔体632，沿上下两侧流动至冷凝出口634后排出至气液回收设备9中；同时气液混合物从气液抽排口633进入内腔体631后沿左右两侧流动至内腔体631的出口后通过抽排管10抽排至气液回收设备9中。由于内腔体631和内层壁636上持续发生的液体蒸发制冷功率越远离出口越小，蒸发制冷功率呈不均匀分布，而外腔体632内的冷凝气体的饱和度越远离冷凝入口635越小，导致冷凝放热功率逐渐降低，因此冷凝放热功率同样呈不均匀分布。由于内腔体631的出口位置与外腔体632的冷凝入口位置相对应，因此外腔体632内的压缩空气流动方向与内腔体631内的气液混合物流动方向相反，形成逆流换热，即呈逐渐降低的制冷功率分布正好对应于呈逐渐降低的加热功率分布；以非均匀分布的热补偿功率对应补偿非均匀分布的制冷功率，极大提高了整个浸没头温度控制的均匀性。

优选的，所述浸没头6由航空铝或钢材料制成，因此浸没头6的导热率远远大于环绕内腔体631的外腔体632内的压缩气体的导热率，因此外腔体632起到了很好的绝热隔热作用，被包裹的内腔体631内气液混合物的制冷功率难以“泄漏”至浸没头6的其它部位，有利于对浸没头6的整体温度均匀性的有效控制。具体的，外腔体631的热阻如下式所述：

式中，r热阻表示内层壁636与外层壁637间的热阻，单位℃/w；d表示内层壁636与外层壁637间的距离，单位m；a表示内层壁636与外层壁637间的 传热面积，单位m²；λ表示内层壁636与外层壁637间的热传导系数，单位w/m℃。若没有外腔体632，则相当于外腔体632位置处热传导系数λ为浸没头6的材料如航空铝或钢等的热传导系数，一般为100-200w/m℃或20-50w/m℃。而本发明外腔体632中以湿压缩空气为主，其导热系数小于0.5w/m℃。可见，设置外腔体632后r热阻将增大百倍甚至以上，环绕内腔体631形成的外腔体632起到了很好的保温作用，防止内腔体631内的制冷功率“泄漏”，有利于浸没头6的整体温度均匀性的有效控制。

实施例2

如图7所示，与实施例1不同的是，本实施例中，所述内腔体631的出口与气液回收设备9的入口通过抽排管10连通，所述外腔体632的冷凝入口635与冷凝气体供给设备15通过进气管11连接，所述进气管11套设于所述抽排管10的外周，所述冷凝出口634通过出气管和冷凝液回收设备16的入口连通，即单独设立冷凝气体供给设备15为外腔体632提供冷凝气体，优选的，所述冷凝气体为水蒸气、烃蒸气、烃类蒸气的混合物或氨蒸气，同时设置单独的冷凝液回收设备16对外腔体632中的冷凝液进行回收，所述冷凝气体供给设备15与所述进气管11之间还连有调节阀13，所述冷凝出口634和冷凝液回收设备16的入口之间还设有负压阀14。具体的，冷凝气体供给设备15中的冷凝气体经调节阀13调节流量后通过进气管11通入到外腔体632内，冷凝气体按图7所示流动方向流至冷凝出口634，并经负压阀14回收至冷凝液回收设备16中。优选的，冷凝气体从左右两侧的冷凝入口635进入外腔体632，沿上下两侧流动至冷凝出口634后，通过出气管排出至冷凝液回收设备16中；同时气液混合物从气液抽排口633进入内腔体631后沿左右两侧流动至内腔体631的出口后通过抽排管10抽排至气液回收设备9中。由于内腔体631和内层壁636上持续发生的液体蒸发制冷功率越远离出口越小，蒸发制冷功率呈不均匀分布，而外腔体632内的冷凝气体的饱和度越远离冷凝入口635越小，导致冷凝放热功率逐渐降低， 因此冷凝放热功率同样呈不均匀分布。由于内腔体631的出口位置与外腔体632的冷凝入口位置相对应，因此外腔体632内的压缩空气流动方向与内腔体631内的气液混合物流动方向相反，形成逆流换热，即呈逐渐降低的制冷功率分布正好对应于呈逐渐降低的加热功率分布；以非均匀分布的热补偿功率对应补偿非均匀分布的制冷功率，极大提高了整个浸没头温度控制的均匀性。

综上所述，本发明提供一种浸液限制机构及温度补偿方法，与现有技术相比存在以下优点：

(1)通过设置包括内腔体631和外腔体632的气液回收腔63，内腔体631用于气液混合物的抽排，外腔体632用于冷凝气体供给，通过冷凝放热的方法对发生蒸发制冷现象的内腔体631进行热补偿，外腔体632包覆内腔体631，可以对内腔体631进行可全面的热补偿，增大了热补偿的面积，提高了热补偿效率；

(2)外腔体632将内腔体631与其他部位进行了热隔离，降低了制冷“冷源”作用在浸没头6其余部位上的制冷功率；

(3)外腔体632的冷凝入口635与内腔体631的出口位置相对应，使外腔体632内冷凝气体的流动方向与内腔体631内气液混合物的流动方向相反，形成逆流换热，实现呈非均匀分布的热补偿功率对应呈非均匀分布的制冷功率，极大提高了整个浸没头6温度控制的均匀性；

(4)直接在内层壁636上进行热补偿，减小了热补偿路径上的热阻，大大提高了热补偿效率；

(5)不采用多个加热器及其引线等电气元件，提高了浸液限制机构的可靠性。

虽然说明书中对本发明的实施方式进行了说明，但这些实施方式只是作为提示，不应限定本发明的保护范围。在不脱离本发明宗旨的范围内进行各种省略、置换和变更均应包含在本发明的保护范围内。