浸沒式光刻氣泡夾帶與流動動力問題研究

摘 要:本文結合FLUENT仿真分析與氣密封浸液單元的實測過程對浸沒式光刻過程中出現的氣泡夾帶及流動動力問題進行了研究。

關鍵詞:浸沒式光刻氣泡流動動力

中圖分類號:TP273文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)08(a)-0092-02

光學光刻已經在半導體制造工業中應用了幾十年，然而光學光刻的極限分辨率約50nm，不能滿足未來45nm和32nm節點的要求。浸沒式光刻為下一代光刻工藝的首選之一，浸沒式光刻在投影透鏡和硅片間的縫隙內注入一種高折射率液體來替代原有的氣體介質，增大的介質折射率使分辨率提高，從而可使光學光刻延伸至45nm以下。浸沒式光刻工藝中，在彎液面的液相擴張的時間里可能會挾帶空氣，從而產生自由或者附著的氣泡。除此之外，當硅片對于透鏡和液體的彎液面作相對運動的時候，透鏡和硅片之間的縫隙可能會出現滯留的水膜，或者將會有液滴沉降在硅片表面上[1]。盡管浸沒式光刻所采用的填充液體具有十億級的純凈度，沉降在表面的微小液滴仍能夠在蒸發后留下100納米級的顆粒，這些都會對成像過程造成不良影響[2]。

在浸沒式光刻中，浸沒液體內的氣泡會使光反射和折射，從而影響光刻質量并降低產量，因此如何避免注液過程中浸沒液中夾帶的氣泡是浸沒式光刻的難點之一，本文對此進行了專門研究。

1 實驗裝置及仿真方法

光刻一般分兩部分，首先是用輻照方法將掩膜板上的圖形轉移到光敏材料上(光刻膠)，然后用光刻膠作為掩膜通過刻蝕工藝將光刻膠上的圖形轉換到其他薄膜材料或者基片上形成結構件。浸沒式光刻是指在曝光鏡頭和硅片之間充滿水(或液體)而不是空氣[3]，圖1是本文所用的浸沒單元剖面示意圖，此浸沒單元與液體注入和回收裝置相連接，為硅片和透鏡之間的縫隙提供連續的浸沒液體。

浸沒液體通過四組注液孔分別或者同時被注入，進液速度可以調節。為了保證液體被完全吸收，在注液口的外圍設置兩層環形的浸液回收腔，兩層浸液回收腔分別連接一臺功率可調的真空泵。浸沒單元最外層為氣密封氣體注入腔，進一步降低了液體在邊緣泄漏的可能性。

當硅片在運動時，浸沒液體必須被控制在與透鏡大小基本相同的很小范圍之內。這意味著氣液兩相的接觸面必須被前進和后退接觸線(接觸線指空氣、浸沒液體和硅片三者接觸面)限定在透鏡邊緣。當硅片快速運動和有加速度時接觸面會更加難以控制。

從以上分析可以看出，浸沒液體傳送及控制系統(以下簡稱浸液系統)是光刻實現過程的一項關鍵技術。

浸沒式光刻的另一個關鍵技術是表面殘留液滴的處理和消除在透鏡和硅片間的縫隙內產生氣泡。

流場仿真同樣是本文的主要研究手段，采用了CFD軟件FLUENTTM對縫隙流動過程進行了流場仿真分析，建立了二維的計算流體力學(CFD)模型來仿真液體的注入過程，從而研究了硅片—液體和透鏡—液體之間接觸角和硅片表面特性對液面形成的影響。

2 接觸角及表面特性對液面的影響

2.1 仿真結果

浸沒液體夾帶氣泡的過程如圖2所示。圖為液體以1m/s的速度流經一個深500nm、寬500nm的凹槽時液面變化的二維仿真過程。液體流過此凹槽前接觸角明顯小于90°，為親水特性，液體流經此凹槽的過程中接觸角慢慢變大，逐步趨向180°，在液體完全到達底部之前，液面越過此凹槽，這樣就在凹槽底部留下一部分空氣產生氣泡。圖2(a)液面在親水表面逐漸接近凹槽，圖2(b)在流經此凹槽并向凹槽內注液時，接觸角漸漸大于90°，表現出疏水特征，圖2(c)液面到達凹槽對面導致彎液面破裂，從而產生氣泡。

當接觸角變化時，這種情況也會隨之改變，通過仿真可以發現很小的角度變化會導致結果的不同。例如，在凹槽深500nm，寬1000nm時，當接觸角為60°時液體會完全充滿凹槽，而當接觸角增加至70°時，凹槽內就會產生氣泡。圖3(a)是接觸角為60°時液面情況，從圖中可以看到凹槽內充滿液體。圖3(b)是接觸角為70°時液面情況，此時凹槽內沒有充滿液體，在凹槽的右下部分有少量氣體存在。圖3(c)是接觸角為120°時液面情況，顯然在凹槽的下半部分都是氣體。

2.2 實驗結果

表面特性對液體中氣泡夾帶的影響可通過實驗得到證明，圖4(a)為鍍MgF2薄膜的玻璃表面，即超疏水表面，液體以一定速度注入時的液面情況，從圖片中可以非常清楚的看到液面中的氣泡。圖4(b)為鍍TiO2薄膜的玻璃表面即超親水表面，液體以一定速度注入時的液面情況，此時液面非常完整，看不到液面有氣泡存在。

仿真結果和實驗結果都表明，接觸角越大越容易引入氣泡，即疏水表面比親水表面更容易引入氣泡。

3 縫隙流彎液面特性

硅片表面的液滴殘留可能會導致浸沒液體中出現氣泡挾帶的現象。液滴越大引入氣泡的可能性也越大，這種情況一般出現在前次曝光掃描過程中殘留液滴與下一次曝光掃描的縫隙流前彎液面相遇時。高速掃描比低速掃描更容易形成氣泡。

硅片勻速運動情況下導致縫隙流彎液面運動失效在表面形成液滴有三種情況:彎液面溢出縫隙、牽拉過厚液面、牽拉過薄液面，這里的彎液面溢出是指浸沒液體從透鏡和硅片之間的縫隙溢出。對彎液面溢出的失效情況進行建模，從而可以預測導致彎液面溢出的臨界速度。

當浸沒液體沒有附著在透鏡上，而且是被硅片的運動牽拉出了縫隙的范圍，彎液面的溢出就發生了。彎液面所在縫隙流的壓力分布如圖5所示。在硅片的運動方向上，縫隙流的壓力分布呈上升趨勢。出現了縫隙流體左側彎液面的液體壓力低于環境壓力，而右側彎液面的液體壓力高于環境壓力的現象，這種縫隙流體左右兩側的壓力差需要由浸沒液體張力來維持。

硅片運動形成的庫埃特流速度分布說明了存在從左向右的純液流，這個純液流存在的壓力梯度會在光刻系統透鏡下方激發一個從右向左等效液流。當縫隙流邊界彎液面的曲率半徑不能足夠小到維持壓力升高帶來的影響時，就會導致彎液面溢出。彎液面溢出的臨界速度出現在彎液面后退和前進方向上的壓力躍升恰好同液體滯后現象導致的壓力差平衡的時候。在穩定狀態下，此過程可以用公式(1)表示:

(1)

其中為流體表面張力;是縫隙流回退端彎液面的曲率半徑，是縫隙流前進端彎液面的曲率半徑，h是透鏡和硅片間的縫隙高度，μ是浸沒液體的黏度，D是透鏡的直徑，Vw是硅片的運動速度。

公式中的參變量粘滯壓降系數Kv，是一個沒有量綱的常數，具體數值和流道情況有關。以上公式僅在硅片勻速運動情況下適用，加速和減速運動將會引起相當大的附加壓力。

4結語

通過對浸沒式光刻裝置液體注入過程中物理特性研究發現，浸液單元內縫隙流類似于兩個平行板間的壓差－剪切流。采用CFD仿真，創建了適于本浸沒單元注入過程的二維模型。并通過實驗驗證，結果吻合良好，驗證了仿真的正確性，仿真和實驗結果表明:表面接觸角越大，越容易產生氣泡;粗糙表面比光滑表面更容易產生氣泡;透鏡和硅片之間的縫隙流內存在壓差，這個壓力差可能導致縫隙流的溢出或者固體表面的滯留水滴;表面接觸角越大，固體表面運動時縫隙流溢出的臨界速度也越大。

參考文獻

[1]Werner Tabarelli，Ernst W L bach. Apparatus for the Photolithographic Manufacture of Integrated Circuit Elements.European Patent Office. EP0023231A1. 1981，2.

[2]A.Abdo，G.Nellis， et al.Optimizing the fluid dispensing process for immersion lithography.J.Vac.Sci.Technol.B 2004，22(6):3454-3458.

[3]So-Yeon Baek，A.Wei，et al.Simulation of the coupled thermal optical effects for liquid immersion micro-nano-lithography.Proceeding of SPIE Optical Microlithography XVII.5377:415-427.