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表面理化改性对浸没流场自由界面约束作用的研

作者2019-03-27 10:17未知
半导体行业需求的日益增长,使得浸没式光刻技术需在保证良品率的前提下不断提高自身的产能。然而浸没流场自由界面在硅片的高速扫描牵拉下极易失稳,导致泄漏,形成曝光缺陷。因此,浸没流场自由界面的约束与动态密封至关重要。为此,本文借鉴了微流体及仿生学领域的表面理化改性技术,研究匀质表面化学改性、非匀质表面化学梯度以及物理结构梯度等因素对浸没流场自由界面动态特性及稳定性的影响,旨在丰富浸没流场自由界面控制策略,为浸没控制单元的结构及表面属性优化设计提供理论参考与依据。本文对浸没流场自由界面的研究与控制分别从三个方面进行:1)对现有结构进行表面属性优化,争取最优的气液界面约束性能。通过浸没流场模拟实验,对流场上边界不同位置的润湿属性进行改进,得到其润湿属性、形貌特性与扫描速度之间的关联,总结了气液界面动力学特性的关键影响参数,并对其进行归一化处理,得到基于形貌特性的气液界面稳定性判据,验证了合理的润湿性改进对气液界面约束特性的优化作用。2)利用亲疏水交界线形成的能量势垒,对流场气液界面进行约束密封。系统性研究流体气液界面在亲疏水交替表面的运动机理,揭示了固体表面微观亲疏水过渡态的本征属性对流体宏观气液界面动态行为特性的影响机制,阐明了其关键参数的求解手段,为亲疏水交替密封方法的密封带参数设计提供发表指导;3)提出基于物理结构梯度的液滴定向输运方法,作为现有密封方式失效时的补救措施。通过对液滴内部流动及界面力进行系统性的理论分析,得到弱疏水模式下液滴定向回归的条件判据,为浸没控制单元液滴回收结构的结构参数及表面属性优化设计提供依据。论文主要研究内容包括:1.匀质化学改性对自由界面动态特性的优化借助固体表面化学改性手段,对现有结构部件进行表面润湿性改进,以期流场气液界面在扫描牵拉作用下获得更为优秀的动力学表现。文章通过缝隙流场模拟实验,发现对流场上边界润湿属性的改进,会影响流场尾部形貌及气液界面稳定性,进而影响临界扫描速度。同时,通过对流场尾部形貌参数进行系统性分析对比,总结了流场气液界面动力学特性的关键影响因素,为流场上接触线在流场尾部方向上的脱离点位置。通过对脱离点间宽度进行归一化处理,得到了基于尾部形貌特性的流场稳定性判据,验证了恰当的润湿属性改进对气液界面约束特性的优化作用,同时可将判据用于各种工况下浸没流场气液界面动态行为及稳定性的预测。此外,针对侧壁面疏水处理的情况,提出流场动态特性的附加影响因素,侧壁面附着角度。此角度会在影响脱离点宽度的基础上,进一步改变气液界面脊线的曲率,从而改变整个界面的形貌特性及对应动态特性发展趋势,最终对流场稳定性造成影响。以上结论深化了我们对缝隙流场动态行为特性的认知,验证了表面润湿改性对气液界面动态特性的优化作用,同时为浸没控制单元的结构特性与材料表面属性的合理配置提供了理论发表指导与依据。2.非匀质化学梯度对流体自由界面的约束作用鉴于现有理论对亲疏水交替表面上流体自由界面动态行为解释的不足,借助于亲疏水交界面下悬挂液滴的实验研究,以及与传统的定接触角铺展行为和定接触线生长行为的对比分析,揭示了亲疏水交界线对流体气液界面实现约束的微观作用机制。研究阐明流体三相接触线在微观亲疏水过渡区域内的铺展机理,是定接触角铺展行为和定接触线生长行为交替运行的结果,指出接触线微观钉扎位置的偏离是影响气液界面宏观动态特性的关键因素,并通过参数化仿真研究对其进行验证。随后,基于气液界面表观接触角与固体表面本征接触角之间的平衡方程,建立悬挂液滴最大接触半径预测模型,其模型思路可扩展到浸没流场接触线微观钉扎位置的求解。最后,对亲疏水交界线用于缝隙流场气液界面约束的可行性进行验证。本研究为亲疏水交替密封方法的密封带参数设计提供发表指导。3.基于物理结构梯度改进的残余液滴回收方法本文指代的物理结构梯度改进,为在主体流场的外围局部区域施加一个平行-类楔形组合缝隙结构,从而在流场径向方向形成高度梯度,实现从主体流场脱离出来的独立液滴的定向回收,避免累积型的曝光缺陷。针对组合缝隙结构中的液滴定向回归行为,区分了自发性回归和周期性振动下受迫回归两种行为模式。通过界面力计算给出液滴自发性回归的条件判据。此外,将周期性振动模式下液滴的动态特性分析扩展到弱疏水范畴。深入分析了此模式下液滴气液界面的界面力、内部的流动以及最终液滴的运动方式之间的关联,指出了影响液滴回归与否的关键时刻点。基于此时刻液滴内部压力分布特性,将液滴内部流动方程与界面力方程联立,获得周期性振动模式下液滴定向回归的条件判据。此手段为浸没控制单元液滴回收结构的结构参数和表面属性优化设计提供依据。同时,恰当的残余液滴回收控制和浸没流场气液界面约束控制相结合,能为浸没式光刻技术良好、稳定的运行提供双重保障。

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