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浸没式光刻中浸液控制单元的液体供给及密封研究

作　者: 陈文昱
导　师: 傅新；杨华勇
学　校: 浙江大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 浸没式光刻浸液控制单元非接触式密封气密封临界速度
分类号: TN305.7
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
下　载: 62次
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内容摘要

本论文以浸没式光刻中的浸液控制单元的液体供给及密封为主要研究对象,针对浸液控制单元的曝光流场流动状态以及浸液控制单元与硅片之间的缝隙流场动态密封技术展开研究,对浸液控制单元及液体供给系统进行设计、制造、优化和集成,为研制满足工程化需要的浸没式光刻机浸液供给系统提供技术储备。论文首先建立了浸液控制单元缝隙流场的注液、流动和回收过程的数值仿真模型,对了不同注液条件下流场的流动状态与更新过程进行了仿真分析,确定了恒压双侧对称注液的浸液控制单元注液方式；其次,对浸液控制单元的缝隙流场动态密封进行了实验研究,在获得流场状态与更新效率等密封所需参数的基础上,建立了浸液控制单元非接触动态密封条件下硅片的临界运动速度预测模型,对硅片临界扫描速度进行了分析预测,其结果与实验测试结果基本吻合,以此为基础,提出了浸液控制单元流场动态密封的优化设计方法；最后,以优化设计方法为指导,设计了非接触密封结构,研制出多种不同结构的浸液控制单元试验样机,并与光刻机主机企业SMEE合作,完成了浸液控制单元及液体供给系统在浸没式光刻机实验系统上的集成和测试,结果表明浸液控制单元的动态密封性能可满足200mm/s硅片扫瞄速度的动态密封要求,所研制的浸没式光刻液体供给系统,可满足浸液控制单元液体注入与回收压力的稳定性控制要求。本论文第一章主要介绍了在半导体生产领域广为应用的光学平板印刷术基本原理,及其演变历程和未来的发展方向,并着重介绍了其中具有巨大潜力的下一代光刻技术——浸没式光刻技术。结合国内外的现有文献资料,分析和归纳了浸没式光刻技术的研究热点与技术难题,介绍了主要研发机构的进展,确定了以浸没式光刻中的液体控制单元的液体供给及密封为主要对象的研究方向。本论文第二章详细介绍了浸没控制系统的运动实验平台的硬件结构与控制系统构架,并设计制造了浸没液体的管路系统,实现了具有可控流量压力的浸没液体注入、密封气体注入、以及气液混合物的回收过程。通过研究浸没式曝光过程中的流场需求,设计了具有双层气体密封和气液混合物回收的基本结构的液体控制单元,初步实现了浸液控制单元的主体结构,为后面的结构设计优化提供实验条件。本论文第三章讨论了流体注入对浸液控制单元密封流场影响。以保护流场光学特性为根本目的,在浸液控制单元结构优化过程中,考察了不同的液体注入角度与注液口数量下的流场内部流体流线分布,以及流场压力分布和速度分布。通过对于注液过程的分析和抽象,建立了浸液控制单元缝隙流场的注液、流动、回收过程的数值仿真模型,分析了不同注液条件下浸没液体的流动状态与更新过程。本论文第四章分析了浸液控制单元非接触动态密封条件下硅片的临界运动速度的预测方法。通过实验结果的研究,对浸没液体注入、曝光流场更新、浸没液体回收等区域进行分段处理,结合试验确定节流系数的数值,建立了硅片临界运动速度模型。利用甘油和去离子水按照一定组成配比混合而成的不同黏度液体,试验验证了模型的可靠性。此模型可作为浸液控制单元设计的有益工具,为浸没系统的总体设计提供依据,同时为高折射率、低吸收率的浸没液体的选择提供参考数据。本论文第五章详细介绍了浸液控制单元样机在流道结构、密封结构、气液混合物回收结构、浸没液体注入方式、以及样机安装镜头夹持等方面进行的改进和优化。说明了浸液控制单元以先功能实现、而后性能优化为主要特点的研发过程,实现了浸没液体全周连续回收口和全周连续气密封结构,完成同合作单位的浸没式光刻试验平台集成和测试。本论文第六章为结论与展望,说明了论文的主要及进展、本课题的主要创新点、以及课题还需要进一步完善和深入研究的内容。

全文目录

致谢  5-7
摘要  7-9
英文摘要  9-12
目次  12-15
1 绪论  15-41
  1.1 半导体与晶体管  15-18
  1.2 光学平板印刷术的发展  18-21
  1.3 光学平板印刷术的光学原理  21-25
  1.4 下一代光刻技术  25-28
    1.4.1 极紫外光刻技术  25-26
    1.4.2 电子束直写  26
    1.4.3 电子束投影光刻技术  26-27
    1.4.4 离子束投影光刻技术  27
    1.4.5 浸没式光刻技术  27-28
  1.5 浸没式光刻技术的发展  28-38
    1.5.1 浸没式光刻技术的原理  28-30
    1.5.2 研究热点与技术难题  30-31
    1.5.3 浸没式光刻的技术方案  31-33
    1.5.4 主要研发机构及其研究进展  33-35
    1.5.5 浸没式光刻中液体传送系统研究热点  35-36
    1.5.6 浸没式光刻的产业化历程  36-38
  1.6 本课题主要研究内容  38-39
  1.7 本章小结  39-41
2 浸液控制单元及管路系统等相关实验设备的设计和搭建  41-53
  2.1 浸没式光刻浸液系统运动试验平台介绍  41-44
    2.1.1 运动试验平台硬件结构  41-43
    2.1.2 运动试验平台软件构架  43-44
  2.2 浸没式光刻浸液系统管路介绍  44-49
    2.2.1 浸没液体注入管路(蓝色)  44-47
    2.2.2 密封气体注入管路(红色)  47
    2.2.3 气液混合物回收管路(黑色)  47-49
  2.3 浸没式光刻浸液控制单元基本结构介绍  49-52
  2.4 本章小结  52-53
3 流体注入对浸液控制单元密封流场影响的研究  53-81
  3.1 研究流体注入对流场影响的意义  53-54
  3.2 实验参数确定与装置说明  54-57
  3.3 浸没流场动力学模型的建立  57-58
  3.4 浸没流场流线分布(Stream pattern)与流场更新周期的讨论  58-65
  3.5 浸没流场速度分布(velocity distribution)分析  65-69
  3.6 镜头表面的正应力(Normal pressure)分析  69-74
  3.7 镜头表面的切应力(Shear pressure)分析  74-78
  3.8 本章小结  78-81
4 浸液控制单元动态密封的临界速度预测  81-91
  4.1 流体注入回收模型的建立  81-84
  4.2 实验装置与模型参数确定  84-85
  4.3 模型中结构损耗系数的实验测定  85-86
  4.4 流体"注射-回收"模型的实验验证  86-89
  4.5 本章小结  89-91
5 浸液控制单元的综合设计与实验研究  91-103
  5.1 浸液控制单元样机的发展历程  91-93
  5.2 浸液控制单元密封结构的改进  93-99
    5.2.1. 浸液控制单元流道结构的加工方法改进  93-94
    5.2.2. 浸液控制单元密封结构的改进  94-96
    5.2.3. 浸液控制单元回收结构的改进  96-97
    5.2.4. 浸液控制单元注液方式的改进  97-98
    5.2.5. 浸液控制单元的安装与镜头夹持  98-99
  5.3 浸液控制单元的工作性能测试  99-101
    5.3.1 改变回收腔中负压的流体密封测试  99-100
    5.3.2 改变气密封压力的流体密封测试  100-101
    5.3.3 改变硅片表面特性的流体密封测试  101
  5.4 本章小结  101-103
6 结论与展望  103-109
参考文献  109-117
攻读博士学位期间主要的研究成果及荣誉  117-119
  发表或录用的学术论文  117-118
  发明专利和实用新型专利  118-119
  奖励及荣誉  119
  承担或参与科研项目  119

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