一种用于浸没式光刻机的微流道气液分离回收装置的制作方法

本发明属于微流道气液两相分离回收装置技术领域，涉及一种用于浸没式光刻机的微流道气液分离回收装置。

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覆光刻胶的硅片上。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。

相对于中间介质为气体的干式光刻机，浸没式光刻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，通过提高该缝隙介质的折射率(n)来提高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，所以受到广泛关注。对于浸没液体的充填，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。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基础。为此，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曝光区域，以确保浸没液体的高度纯净均一。

同时，为有效维持控制该缝隙中浸没流场边界，现有装置往往采用弯液面控制+气体密封的技术方案。即在环绕缝隙流场的圆周周边上，通过施加高压密封气体形成环形气幕，将填充液体限定在一定的圆形或菱形流场区域内。然而回收流道介于浸没流场与外界气体(自然流动的常压气体或气密封装置产生的高压气)之间，在采用负压回收浸没液体的过程中，回收流道内不可避免地将形成气液两相流。气液两相流极易不稳定，特别是为了保证浸没液体的有效收集而施加的高压密封气流，将会加剧两相流在回收流道及管路中的湍动，而且其流动与相变过程伴随着气泡的产生与溃灭。这都将会导致振动的发生，冲击投影物镜的末端元件和衬底上方之间的缝隙流场；而且在浸没式光刻系统中，两相流动所诱发的管路振动强度大、幅频特性复杂，很难将其与整机彻底隔离，将会严重影响曝光质量。

目前的回收结构中，一般采用微孔阵列回收或回收流道底部安装规则多孔板的方式将气液两相混合回收(例如参见中国专利200810121872.8和美国专利us8446563b2)。这种方式虽然可以对气液两相流动起到整流和均匀混合的作用，但是对抑制气液两相所引发的振动作用有限。而且气液流量比不同将会导致两相流型的显著变化，增加了回收难度，所引发的管路振动更加复杂多样，难以通过隔振消除。而且，有人(例如参见中国专利200510093924.1)通过在浸没单元外部的回收管路设置气液分离腔或者分离支管，将回收后的气液两相混合物分离回收利用。但是这种方法的气液分离位置距离气液两相流形成源头远，并不能对回收流道内的气液两相流动所引发的振动起到有效的抑制作用。近几年，nikon公司(例如参见美国专利us2012/0257179a1和us8634055b2)改进了回收流道结构，设计一级和二级回收腔和多分支回收流道，利用多孔部件将各个回收腔互相分离，通过控制气相和液相是否通过相应的多孔部件实现气体和液体的分通道回收。此方法虽然能将绝大部分气液两相混合物分离并有效减小振动，但是在硅片连续扫描过程中，难以保证动态弯液面的稳定性控制，而且此实施方法对于浸没控制单元改动较大，采用单一的多孔部件，导致其结构复杂，制造以及加工难度较大，难以在小尺寸的浸液维持装置内实现如此复杂的流道设计，从而限制了该方案在实际应用中的可行性。

技术实现要素：

本发明的目的就是提供一种用于浸没式光刻机的微流道气液分离回收装置。

本发明包括硅片衬底、注液通道、浸没流场、缝隙流场、液体回收模块、气液回收模块和密封气体供给模块。所述的注液通道、浸没流场、液体回收模块、气液回收模块和密封气体供给模块设置在浸没式光刻机的浸没单元内浸没单元上盖板与浸没单元下盖板之间，投影透镜组底部镜头与浸没单元中部浸没流场内流体相接触。缝隙流场设置在硅片衬底上表面与浸没单元下底面之间。液体回收模块包括回收排孔、液体回收缓冲腔、液体回收流道和一级液体真空回收系统；气液回收模块包括气液回收流道、液体回收腔、气体回收腔、复合多孔介质、二级液体真空回收系统和气体真空回收系统；密封气体供给模块包括密封气体注入腔、密封气体缓冲腔、气密封排孔和密封气体处供给理系统。

所述的浸没单元整体为圆柱形，其圆心为浸没流场；以浸没流场为圆心由内而外分布有液体回收模块的回收排孔、气液回收模块的复合多孔介质和密封气体供给模块的气密封排孔；气液回收模块的复合多孔介质底面与浸没单元下盖板底面有高度差，作为气液回收模块的气液回收流道。填充有复合多孔介质的气液回收流道位于回收排孔和气密封排孔之间；浸没流场设置在浸没单元中部，为上大下小的圆台型流场，沿浸没流场侧面设置有圆环形注液通道，用于将浸液处理系统供给的浸没液体经外连接管路从注液通道连续地注入形成浸没流场。浸没流场与硅片衬底之间有缝隙，浸没流场中的浸没液体流入该缝隙形成缝隙流场。

所述的液体回收模块、气液回收模块和密封气体供给模块均为垂直于硅片衬底设置的圆环柱。液体回收模块底部为回收排孔，回收排孔与缝隙流场中浸没液体相触；回收排孔上面为液体回收缓冲腔，液体回收缓冲腔上面为液体回收流道；液体回收流道与一级液体真空回收系统通过软管连接。

所述的气液回收模块底部为气液回收流道，气液回收流道与缝隙流场的边沿浸没液体相触；气液回收流道上面为复合多孔介质，复合多孔介质分为中间内层多孔介质回收圈，和两个分别设置在内层多孔介质回收圈内外环的外层多孔介质回收圈；内层多孔介质回收圈与浸没单元上盖板组成的空腔作为液体回收腔；两个外层多孔介质回收圈与浸没单元上盖板或浸没单元下盖板组成的两个空腔作为两个气体回收腔。液体回收腔与二级液体真空回收系统通过软管连接，实现浸没液体的回收；两个气体回收腔均与气体真空回收系统通过软管连接，实现密封气体的回收。

所述的密封气体供给模块底部为密封气体注入腔，密封气体注入腔设置在缝隙流场的边沿位置；密封气体注入腔上面为密封气体缓冲腔，密封气体缓冲腔上面为气密封排孔；气密封排孔与密封气体处理供给系统通过软管连接。

所述的回收排孔的单回收口孔径为0.5～1mm,排数为2～8排。

所述的气液回收流道宽度为5～8mm。

所述的内层多孔介质回收圈与两个外层多孔介质回收圈上表面齐平；液体回收腔设置在内层多孔介质回收圈的上顶面；两个气体回收腔分别设置两个外层多孔介质回收圈不与内层多孔介质回收圈贴合的两侧面。

所述的内层多孔介质回收圈上表面高于两个外层多孔介质回收圈；液体回收腔设置在内层多孔介质回收圈的上顶面；两个气体回收腔分别设置两个外层多孔介质回收圈的上顶面。

所述的内层多孔介质回收圈采用表面亲水性的材料；外层多孔介质回收圈为表面疏水性的材料。

所述的外层多孔介质回收圈的下端面非水平面，与水平面成10～45°的夹角α。

所述的内层多孔介质回收圈的厚度大于两外层回收圈的厚度。

本发明采用基于复合多孔介质填充的浸没液体和密封气体分离回收装置，在保证有效流场密封维持的同时，通过将气液分离、分通道回收，可有效减小由于气液两相混合回收所引起的回收流道和输运管道振动及其对缝隙流场的冲击，显著减少浸没流场的波动，从而提高硅片扫描曝光的质量。通过将气液快速分离、分通道回收，本发明可显著减少由于气液混合流动所导致的液体蒸发冷却危害，从而有效维持曝光过程中的工作温度场恒定。相比于传统的阵列孔回收方式，本发明所采用的微米级孔径流道的多孔介质显著增大了浸没流场有效回收面积，结合气密封作用，从而将注液束缚于浸没区域，防止其脱离浸没单元而发生泄漏，可实现更加稳定高效地注液回收，在保证曝光质量的前提下，可提高光刻机的扫描速度。

附图说明

图1为本发明与投影透镜组相装配的简化示意图；

图2为本发明的一种使用状态结构示意图；

图3为本发明的另一种使用状态结构示意图；

图4为图1中浸没单元的仰视结构示意图；

图5a为实施例一中复合多孔介质的结构示意图；

图5b为实施例二中复合多孔介质的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细的说明。

如图1所示，浸没式光刻机中浸没单元2位于投影透镜组1下底面，硅片衬底3位于浸没单元2下底面，硅片衬底3上表面与浸没单元2下底面之间有缝隙流场6。

如图2和3所示，一种用于浸没式光刻机的微流道气液分离回收装置，包括硅片衬底3、注液通道4、浸没流场5、缝隙流场6、液体回收模块、气液回收模块和密封气体供给模块。注液通道4、浸没流场5、液体回收模块、气液回收模块和密封气体供给模块设置在浸没式光刻机的浸没单元2内浸没单元上盖板2a与浸没单元下盖板2b之间，投影透镜组1底部镜头与浸没单元中部浸没流场5内流体相触。缝隙流场6设置在硅片衬底3上表面与浸没单元2下底面之间。

液体回收模块包括回收排孔7a、液体回收缓冲腔7b、液体回收流道7c和一级液体真空回收系统v1；气液回收模块包括气液回收流道8a、液体回收腔8b、气体回收腔8c、复合多孔介质9、二级液体真空回收系统v2和气体真空回收系统v3；密封气体供给模块包括密封气体注入腔10a、密封气体缓冲腔10b、气密封排孔10c和密封气体处理供给系统12。

如图4所示，浸没单元2整体为圆柱形，其圆心为浸没流场5；以浸没流场5为圆心由内而外分布有液体回收模块的回收排孔7a、气液回收模块的复合多孔介质9和密封气体供给模块的气密封排孔10c；气液回收模块的复合多孔介质9底面与浸没单元下盖板2b底面有高度差，作为气液回收模块的气液回收流道8a。填充有复合多孔介质9的气液回收流道8a位于回收排孔7a和气密封排孔10c之间；其中，回收排孔7a的单回收口孔径为0.5～1mm,排数为2～8排，气液回收流道8a宽度为5～8mm。

浸没流场5设置在浸没单元2中部，为上大下小的圆台型流场，沿浸没流场5侧面设置有圆环形注液通道4，用于将浸液处理系统11供给的浸没液体经外连接管路从注液通道4连续地注入形成浸没流场5。浸没流场5与硅片衬底3之间有缝隙，浸没流场5中的浸没液体流入该缝隙形成缝隙流场6。

液体回收模块、气液回收模块和密封气体供给模块均为垂直于硅片衬底3设置的圆环柱。液体回收模块底部为回收排孔7a，回收排孔7a与缝隙流场6中浸没液体相触；回收排孔7a上面为液体回收缓冲腔7b，液体回收缓冲腔7b上面为液体回收流道7c；液体回收流道7c与一级液体真空回收系统v1通过软管连接，达到回收浸没液体的目的。

气液回收模块底部为气液回收流道8a，气液回收流道8a与缝隙流场6的边沿浸没液体相触；气液回收流道8a上面为复合多孔介质9，复合多孔介质9分为中间内层多孔介质回收圈9a，和两个分别设置在内层多孔介质回收圈9a内外环的外层多孔介质回收圈9b；内层多孔介质回收圈9a与浸没单元上盖板2a组成的空腔作为液体回收腔8b；两个外层多孔介质回收圈9b与浸没单元上盖板2a或浸没单元下盖板2b组成的两个空腔作为两个气体回收腔8c。液体回收腔8b与二级液体真空回收系统v2通过软管连接，实现浸没液体的回收；两个气体回收腔8c均与气体真空回收系统v3通过软管连接，实现密封气体的回收。

沿气体流动方向，密封气体供给模块底部为密封气体注入腔10a，密封气体注入腔10a设置在缝隙流场6的边沿位置；密封气体注入腔10a上面为密封气体缓冲腔10b，密封气体缓冲腔10b上面为气密封排孔10c；气密封排孔10c与密封气体处理供给系统12通过软管连接，实现密封气体的输入。

气液回收模块有两种实现模式：

实施例一，如图5a所示，气液回收流道8a上面为复合多孔介质9，复合多孔介质9分为中间内层多孔介质回收圈9a，和两个分别设置在内层多孔介质回收圈9a内外环的外层多孔介质回收圈9b；内层多孔介质回收圈9a与两个外层多孔介质回收圈9b上表面齐平；液体回收腔8b设置在内层多孔介质回收圈9a的上顶面；两个气体回收腔8c分别设置两个外层多孔介质回收圈9b不与内层多孔介质回收圈9a贴合的两侧面。两个气体回收腔8c与气体真空回收系统v3相连，高度与内层多孔介质回收圈9a与之贴合的侧面相同。

实施例二，如图5b所示，气液回收流道8a上面为复合多孔介质9，复合多孔介质9分为中间内层多孔介质回收圈9a，和两个分别设置在内层多孔介质回收圈9a内外环的外层多孔介质回收圈9b；内层多孔介质回收圈9a上表面高于两个外层多孔介质回收圈9b；液体回收腔8b设置在内层多孔介质回收圈9a的上顶面；两个气体回收腔8c分别设置两个外层多孔介质回收圈9b的上顶面。

上述两种设计方案中，相比于内层多孔介质回收圈9a，在结构设计上外层多孔介质回收圈9b的下端面非水平面，而是与水平面成一夹角α，范围为10～45°，此设计将有利于气体的通过而一定程度上抑制液体被吸收进此外层多孔介质。内层多孔介质回收圈9a采用表面亲水性的材料(透水介质)，即与浸没液体的静态接触角小于40°。内层多孔介质回收圈9a材料表面可通过亲水性涂层处理来达到所需要的亲水性效果，其具有的特性为：其内部孔径较小，平均孔径范围在1μm到90μm之间且远小于回收流道尺寸；材料孔隙率较高，并大于50％；内层多孔介质回收圈9a所用材料采用多孔金属、多孔玻璃、多孔塑料、多孔陶瓷、海绵状材料或者具有化学刻蚀孔的层状材料等。外层多孔介质回收圈9b采用表面疏水性的材料(憎水介质)，与浸没液体的静态接触角大于90°。相比于内层多孔介质回收圈9a，外层多孔介质回收圈9b具有如下的特征：内部孔径较大，但最大孔径应该小于150μm，且小于回收流道尺寸；孔隙率小于内层多孔介质，且小于40％。

内层多孔介质回收圈9a的厚度t1大于两外层回收圈9b的厚度t2,且该三层回收圈之间采用物理挤压接触，在合适条件下，气体和液体可在两不同多孔介质接触面之间自由流动，接触面的介质不均匀性对于流体流动的阻碍作用可以忽略。

工作过程：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。在曝光的过程中，从光源(图中未给出)发出的光(arf或者f2准分子激光)通过对准的掩膜版(图中未给出)、投影透镜组和充满浸没液体的透镜-衬底间的缝隙流场，对工作台硅片衬底上表面的光刻胶进行曝光。

当浸没式光刻机工作时，将浸液处理系统供给的浸没液体经外连接管路从注液通道连续地注入投影透镜组和硅片衬底之间的曝光区域，形成浸没流场；之后浸没液体流经浸没单元基体与硅片衬底之间的缝隙形成缝隙流场。最后，浸没液体被施加负压的回收排孔和气液回收流道所回收，形成流动通路。

内层多孔介质上端面出口与液体回收腔相通，并与液体真空回收系统(负压源)相接，此负压源均压小于该亲水多孔介质起泡压，从而气体难以被吸入该多孔介质，只有液相可以顺利通过。同时根据孔径毛细力计算公式p＝2σcosθ/r(σ为气液间表面张力，θ为液体与多孔介质材料表面接触角，r为多孔介质材料内部等效圆孔半径)，内层多孔介质中毛细力相比于外两层疏水性多孔介质，其对液体具有更强的吸附作用，所以对渗入孔隙的液体将具有更强的束缚作用。当液体流经亲水性的内层多孔介质和疏水的外两层多孔介质的接触界面时，流体分别受到亲水表面的吸附力和疏水表面的排斥力，其合力所形成的阻力将阻碍液体由内层多孔介质向两边的外层多孔介质流动，所以在负压源所施加的负压力作用下，液体将沿着总体向上的方向被回收。外两层多孔介质与气体回收腔相通，并与气体真空回收系统(回收负压源)相连，气体在该负压作用下流经多孔介质进入气体回收腔，从而最终实现气液分离回收。在内层多孔介质回收圈被液体润湿、孔径被占据的情况下，形成一个“液封”作用，导致气体难以再次经过该回收流道，而从旁边扩散流出。

密封气体处理供给系统的密封气体依次通过密封气体注入腔和密封气体缓冲腔以及气密封排孔，在气液回收流道外围形成气幕,以防止缝隙流场的液体泄漏并辅助回收。大部分的浸没液体在一级液体真空回收系统的回收负压作用下，经由回收排孔进入回收缓冲腔,最后经由浸没单元上盖板内部的液体回收流道排出。液体回收流道排液口通过软管与一级液体真空回收系统相连接，在负压回吸的作用下被吸走。其余未被回收排孔吸收的浸没液体在二级液体真空回收系统作用下被内层多孔介质回收圈吸收后进入液体回收腔中被回收。混杂的气体在气体真空回收系统作用下，经由气液回收流道中的外层多孔介质回收圈进入气体回收腔中被回收。

硅片衬底周期性地在浸没流场下部进行高速扫描运动，以投影透镜组中轴线为中心，主要分为靠近中心的扫描运动和远离中心的返回运动。当硅片衬底由外部向中心做高速径向运动时，由于浸没液体对硅片衬底的粘性附着作用，其将会随硅片衬底一起向左运动，使得缝隙流场向内部迁移。与此同时，气液界面逐渐远离气液回收流道入口，结合浸没单元合适的尺寸设计，此过程中该缝隙流场的右边界可一直保持在回收排孔和气液回收流道之间运动。因此，同向运动的密封气体对该缝隙流场边界的冲击将会大大减小并难以形成强烈的气液两相流，使得浸没液体可主要通过回收排孔回收，密封气体可全部通过气液回收流道回收，达到了气液分离回收的目的。

硅片衬底由中心向外部高速运动时，在分子内聚力的作用下，硅片衬底将会对该缝隙流场中的液体形成强有力的牵拉作用，并导致部分浸没液体来不及被内层回收排孔回收而流入气液回收流道。在外层气液回收流道底部，由左向右运动的浸没液体与由右向左鼓吹的密封气体碰撞并伴随着气泡的产生与溃灭，形成剧烈的气液两相流。内层多孔介质回收圈的下端面距离浸没单元下盖板下表面的距离为1～3mm。在内层多孔介质顶部回收负压的吸力与多孔介质的孔隙毛细力共同作用下，该气液两相流中的液体将会渗吸到内层多孔介质中。二级液体真空回收系统所施加的负压压差足够大，以便能够及时连续地将该液体从多孔介质吸入到液体回收腔中。但同时控制压差低于该亲水性内层多孔介质回收圈材料的起泡压(液体和亲水性孔径间的毛细管力)，以阻止气体冲破已润湿的孔隙空间而穿过内层多孔介质回收圈进入回收腔中。该多孔介质材料的孔隙率应大于50％，以减小多孔介质固体骨架对液体的阻流作用，防止流体通过该介质孔径时动量突变而产生过多的压力损失，有利于保证足够的回收效率。

同时调整密封气体真空回收系统的回收负压，使其高于疏水性的外层多孔介质回收圈的起泡压，且小于二级液体真空回收系统的回收负压。结合该多孔介质的疏水特性和孔径特性，该回收负压所施加的吸力不足以将浸没液体吸入该多孔介质孔隙空间内，因此只有气体可以通过该多孔介质进入外层气体回收腔中被回收。对于外层多孔介质回收圈，即使液体被吸入该多孔介质内部，由于重力作用等影响也不会轻易渗流进入外层气体回收腔，而是会掉落到回收流道下部然后再被吸入到内层多孔介质回收圈中回收。通过这种回收装置可以将气液两相分开回收，有效抑制回收流道及管路内气液两相混合回收引发的振动以及对缝隙流场的干扰作用。