浸没流场动态润湿行为与残留液渍控制的基础研究

How to improve the scan speed without sacrificing the imaging quality is an important challenge faced by immersion lithography. The key point is to avoid residual droplets on the wafer surface during wafer motion which will lead to exposure defects. As the research of dynamic wetting for immersion lithography is the basis of residual droplets controlling, the project will focus on the fundamental research of both dynamic wetting behavior and control method of residual droplets. Firstly, the influences of multiphase material characteristics and surface microstructure on the distribution of interfacial tension are investigated. The boundary slip behavior together with viscous shear character of liquid confined in micro-gap under pulling and wetting are also revealed. With the complicated environment involves multiphase interfacial tension, viscous shear force, inertial force, internal and external pressure field, the dynamic equilibrium mechanism of gas-liquid interface is studied to establish the dynamic wetting model. Then, the mechanism which makes the gas-liquid interface break down, and the influence rule of different interfacial wetting conditions on the behavior of residual droplets are indicated. Finally, methods to prevent the liquid loss by changing different wetting conditions are proposed. This project will provide fundamental theories and methods to the improvement of scan speed and productivity for immersion lithography machine and give a basic support to the development and independent innovation in immersion lithography technology of China.

如何在保证曝光质量的前提下提高扫描速度，是浸没式光刻技术面临的重要挑战，其关键在于避免高速扫描过程中硅片表面残留液渍进而引发曝光缺陷。浸没流场动态润湿行为的研究是实现残留液渍有效控制的基础。为此，本项目将开展浸没流场动态润湿行为与残留液渍控制的基础研究。研究多相介质特性与表面微观形态对界面力分布的影响规律，揭示牵拉润湿界面滑移与缝隙流场粘性剪切特性，研究多相界面力、粘性剪切力、惯性力及内外压力场等综合作用下的自由边界动态平衡机理，建立动态润湿模型，进而揭示自由边界破裂机理，以及不同界面润湿条件对残留液渍行为的影响规律，并以此研究通过控制润湿条件避免残留液渍的方法，为浸没式光刻机扫描速度与产能的提高提供基础理论与方法依据，同时为我国浸没式光刻技术的发展与自主创新提供基础支撑。

浸没式光刻是目前集成电路制程中实现45nm以下线宽曝光的主流技术。如何在保证曝光质量的前提下尽可能地提高硅片扫描速度，是提高浸没式光刻机整机产率的关键，也是浸没式光刻机技术发展面临的主要挑战：扫描曝光过程中，浸没液体与硅片之间发生高速动态润湿行为，由于受粘性剪切作用，浸没流场自由界面易失稳破裂，泄漏的浸没液体将在硅片表面残留液渍，引发曝光缺陷。. 为此，本项目开展浸没流场动态润湿行为与残留液渍控制方法研究。首先，通过表面特性与形貌对界面力分布及其约束特性的影响规律、粘性剪切作用下的界面牵拉规律与浸没流场分布、浸没流场自由界面动态平衡机理与动态润湿模型、浸没流场自由界面钉扎机理与残留液渍回收特性等基础研究，揭示浸没流场动态润湿行为规律、界面失稳机理与约束特性。进而，提出基于单向能量势垒的浸没流场自由界面约束与残留液渍控制新方法，实现浸液系统核心部件-浸没控制单元的创新设计，形成了浸没流场约束的自主技术。最终，成果应用于02专项国产光刻机浸液系统，使其扫描速度从120mm/s提升至600mm/s，接近国外同类产品主流机型水平（500mm/s~900mm/s）。. 基于上述研究工作，发表相关SCI论文13篇（均为第一标注，其中：第一作者6篇，通讯作者7篇，JCR Q1分区5篇，最高影响因子9.227，平均影响因子3.477，他引40次）。发表于物理流体领域权威期刊《Physics of Fluids》的论文，被美国物理学会评为Highlights Paper，并被其主页及近十家国外科技网站正面新闻报道。发表于物理学顶级期刊《Physical Review Letters》的论文，被物理学年度十大进展评选机构Physcisworld 以及英国皇家物理学会网站Phys.org新闻报道。此外，项目组成员总计获授权发明专利6项。. 项目执行期间，项目负责人晋升为浙江大学教授，入选2018年度教育部“青年长江学者”，受邀担任02专项国产光刻机浸液系统副总设计师、SCI期刊《Flow Measurement and Instrumentation》编委，并作为Guest Managing Editor组织发表了SCI特刊《Flow Control》。项目培养博士毕业生4人、硕士毕业生2人。