摘 要

浸没式光刻机是目前市场上最高端的主流光刻机，是迄今为止在45nm以下的集成电路生产线上唯一得到广泛使用的半导体制造设备。它是通过在光刻机投影物镜最后一个镜片与硅片之间填充一层浸没液以达到提高光刻的焦深和分辨率的目的。浸没系统的浸液温度是影响其性能指标的关键因素，本文主要研究并设计了浸没式光刻注液控制回路的方案和结构，为浸液温度的控制提供硬性条件，主要内容包括：

（1）论文以浸没系统的浸没液为研究对象，综合考虑了浸没液温度、压力、流量、洁净度等需求指标，设计了注液控制回路的原理图，确定了注液控制回路的温度控制方案。

（2）提出了基于载热体回流的液-液换热的浸液温控方式，分析比较了直接温控和间接温控的优缺点，建立了将流量控制和加热功率控制的组合温控方式，有效的提高了温控系统的惯性，改善了控制系统的特性。

（3）根据循环水管路用于降温和升温两种极端情况，确定了流量伺服阀和加热器的型号。根据能量守恒和热交换器的模型得出加热器功率和伺服阀开度与输入的UPW和PCW以及设定值之间的关系，通过MATLAB仿真得到流量伺服阀的开度和加热器的大小。然后固定流量伺服阀的流量不变，基于PID的串级控制调节加热器的功率，来提高该系统调温的精度。最后基于AMESIM仿真确定了回路流量以及压力的稳定性。

（4）在原理图的基础上进行了浸液温控实验装置的结构设计，包括机械结构总体框架设计、注液控制回路布局设计以及电气结构设计，为投影物镜浸没部分的水平注液和垂直注液提供物理保障。

关键词：浸没式光刻机；热交换；注液控制回路；温控装置

Abstract

The immersion lithography machine is currently the most advanced lithography machine on the market, and it is the only widely used semiconductor manufacturing equipment in an integrated circuit production line below 45 nm. It is used to increase the depth and resolution of lithography by filling a layer of immersion liquid between the last lens of the projection objective of the projection lithography machine and the silicon wafer. The immersion temperature is a key to its performance index. This paper mainly designs the principal and structure of the immersion lithography liquid injection control loop, and provides a hardware condition for the immersion liquid temperature control, The main content of the paper includes:

(1)The paper takes the immersion liquid of the immersion system as the research object, comprehensively considers the requirements of the temperature, pressure, flow, cleanliness of the immersion liquid, and designs the principal of the liquid injection control loop, and determines the temperature control scheme of the liquid injection control loop.

(2)A liquid temperature control scheme for liquid-liquid heat exchange based on heat carrier reflux was proposed. The advantages and disadvantages of direct temperature control and indirect temperature control were analyzed and compared. The temperature control established by combining the flow control and the heating power control effectively improves the inertia of the temperature control system and improves the characteristics of the control system.

(3)The determination about the type of the flow servo and heater was based on the two extremes of cooling circuit and temperature increase. According to the energy conservation and heat exchanger model, we can get the relationship between the input of UPW and PCW. Through the MATLAB simulation, the opening of the flow servo valve and the size of the heater are obtained. we could improve the accuracy of the system temperature by regulating the power of the heater. Finally based on AMESIM simulation, the loop flow and pressure stability was determined.

(4)Based on the principal, the structural design of the control device was carried out, including the overall framework design of the mechanical structure, the layout design of the injection liquid control circuit, and the electrical structure design, providing an indemnification about the horizontal injection and vertical injection of the immersed part of the projection objective.

Keywords：Immersion lithography machine; heat exchange; liquid injection control circuit; temperature control device

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题来源和研究背景及意义 1

1.1.1 课题来源 1

1.1.2 课题的研究背景及意义 1

1.2 浸没式光刻技术的国内外研究现状 2

1.3 浸液温度控制国内外研究现状 3

1.3.1 高精度温度控制技术的研究进展 3

1.3.2 浸液温度控制装置的研究现状 4

1.4 本文的主要研究内容 6

第2章 注液控制回路的设计需求 7

2.1 浸没式光刻机及其温控原理 7

2.1.1 光刻机工作原理 7

2.1.2 浸液温控原理 8

2.2 功能性需求描述 8

2.3 其他需求 9

2.4 本章小结 9

第3章 注液控制回路方案设计 10

3.1 原理图设计 10

3.1.1 PCW和UPW回路设计 10

3.2 浸没式光刻注液控制回路动作时序分析 11

3.2.1 PCW注液控制回路时序分析 11

3.2.2 UPW注液控制回路时序分析 12

3.3 回路设计的优缺点以及关键回路的确定 12

3.4 本章小结 14

第4章 关键元器件的选型及回路仿真分析 15

4.1 关键元器件参数的选型及计算 15

4.1.1 热交换器选型 15

4.1.2 增压泵选型 18

4.1.3 加热器选型 19

4.1.4 流量伺服阀的选型 21

4.1.5 温度传感器的选型 23

4.1.6 管道选型 24

4.1.7 其他元器件的选型 24

4.2 回路压力流量稳定性理论及仿真分析 24

4.3 实验装置方案设计 28

4.4 本章小结 29

第5章 注液控制回路结构设计 30

5.1 机械结构设计 30

5.1.1 浸液温控回路装置的总体框架设计 30

5.1.2 关键元器件的模型建立 32

5.1.3 阀件模型的建立 32

5.1.4 浸液温控回路机械结构的详细设计 32

5.1.5 紧固件结构设计 34

5.1.6 接口结构设计 35

5.2 电气结构设计 35

5.2.1 电控机柜模块设计 36

5.2.2 人机交互模块设计 36

5.3 总装结构图 37

5.4 本章小结 37

第6章 环境影响及经济性分析 39

6.1 环境影响分析 39

6.2 经济性分析 39

第7章 总结与展望 40

7.1 全文总结 40

7.2 研究展望 40

参考文献 42

致谢 44

绪论

课题来源和研究背景及意义

课题来源

本项课题得到以下科研项目的资助：02专项国家重大科技专项极的子课题：“温度控制系统产品的研发”。（编号：2017ZX02101003-003）

课题的研究背景及意义

每一次科技的变革，都加快了人类发展的进程。二十一世纪初期，人类逐渐跨入了信息时代，半导体技术的发展将是推动此次科技变革的全新力量。而半导体产业的迅速发展得益于元器件外形尺寸的微型化，制造成本的低廉化以及性能的卓越化^[1]。1965年，Intel的创始人之一Gordon Moore在对半导体行业进行观察后并对此做了相关总结，提出了一条著名的理论——“摩尔定律”来预测半导体行业的发展，这一理论也成了整个硅芯片行业遵循的不二法门^[2]。而光刻技术作为半导体生产的核心技术，其快速发展是保证“摩尔定律”生命得以延续的主要原因之一。

集成电路(IC, Integrated Circuit)的不断发展要求单块芯片上集成越来越多的电子元器