Constrângerea de uniformitate a temperaturii în procesarea fotorezistenței
Unitățile de control al temperaturii revelatorului fotorezist pentru litografie cu semiconductor necesită uniformitate de ± 0,5 grade în fluidul de revelator care iese din secțiunea de încălzire. Temperatura ne-uniformă provoacă variații ale vitezei de reacție a dezvoltatorului, producând variații critice de dimensiune pe placă. Structura fluxului de fluid care intră în încălzitor determină cât de bine se amestecă energia termică după trecerea prin secțiunea de încălzire PFA. Analiza cantitativă de la sistemele de litografie cu 22 de piste arată că modelele de încălzire PFA care încorporează generatoare de turbulență la intrare reduc grosimea stratului limită laminar din aval cu 60% până la 70%, realizând uniformitatea necesară la 150 mm de la ieșirea încălzitorului față de 350 mm pentru modelele de intrare netede.
Dezvoltarea stratului limită laminar și amestecarea termică
Când fluidul de dezvoltare intră într-un tub neted al încălzitorului PFA, starea de lipsă-de alunecare la perete creează un strat limită laminar care crește de-a lungul căii de curgere. Profilul de viteză laminar complet dezvoltat produce o distribuție parabolică în care fluidul din centru se mișcă de două ori viteza medie în timp ce fluidul din apropierea peretelui se mișcă lent. Acest profil de viteză creează profile de temperatură corespunzătoare atunci când căldura este aplicată pe perete. Grosimea stratului limită termic δ_th urmează δ_th=4.64 × x × Re^(-0,5) × Pr^(-0,33), unde x este distanța de la intrare. Pentru fluxul de revelator fotorezistent tipic (Re 1200, Pr 7, 80 de grade), stratul limită termic ajunge la centrul tubului la 280 mm de intrarea în secțiunea încălzită. Înainte de această distanță, există un miez central de fluid care nu a intrat în contact cu peretele încălzit, producând diferențe radiale de temperatură de 1,5 grade până la 2,0 grade.
Mecanisme de generare a turbulențelor la intrare
Prizele de încălzire PFA proiectate cu mixere statice sau palete elicoidale forțează fluidul de revelat într-o mișcare de rotație care perturbă dezvoltarea stratului limită. Modelarea computațională a dinamicii fluidelor a unui încălzitor PFA cu diametrul de 25 mm cu patru palete de intrare elicoidale de pornire arată componenta vitezei tangențiale de 0,8 m/s adăugată la viteza axială de 1,2 m/s. Numărul de turbii rezultat de 0,67 creează fluxuri secundare care transportă continuu fluidul de la peretele încălzit către centru și înapoi. Măsurătorile velocimetriei laser Doppler confirmă faptul că grosimea stratului limită laminar la 100 mm de la ieșirea paletei este de 0,8 mm, comparativ cu 2,3 mm pentru o intrare netedă la aceeași distanță. Stratul limită mai subțire înseamnă că fluidul încălzit ajunge mai repede în centru, reducând lungimea de intrare termică de la 280 mm la 110 mm.
Scăderea presiunii schimb-pentru generarea de turbulențe
Turbulența generată la intrare pentru a îmbunătăți uniformitatea temperaturii consumă energie de pompare prin creșterea căderii de presiune. Pentru un tub neted de încălzire PFA la Re 1200, căderea de presiune este de 0,8 kPa pe metru. Adăugarea paletelor de admisie elicoidale crește căderea de presiune la 2,1 kPa pe metru, o creștere cu 162%. Modelele de turbionare joasă-care folosesc patru palete cu unghi de 30 de grade produc turbulențe moderate (numărul turbulenței 0,4) cu o cădere de presiune de 1,4 kPa pe metru și o lungime de intrare termică de 170 mm, ceea ce poate fi suficient pentru ansambluri mai scurte de încălzire. Creșterea necesară a căderii de presiune trebuie echilibrată cu înălțimea disponibilă a pompei. Pentru modernizari, inginerii ar trebui să verifice dacă pompa de circulație existentă poate furniza suplimentar 0,6 până la 1,3 kPa fără cavitație sau reducere a debitului.
Interacțiunea grosimii peretelui cu amestecarea termică
Grosimea peretelui PFA nu afectează direct turbulența fluidului, ci influențează capacitatea proiectantului de încălzire de a încorpora caracteristici de turbulență. Tuburile PFA cu pereți-groși (2,5 mm până la 3,0 mm) pot fi turnate cu palete elicoidale integrale ca parte a structurii PFA, eliminând necesitatea unor promotori de turbulență metalici separati care ar putea introduce contaminare. PFA cu pereți subțiri (1,5 mm) nu are rezistența mecanică pentru a susține paletele turnate, necesitând mixere separate introduse care creează cădere de presiune suplimentară și locuri potențiale de generare a particulelor. Pentru aplicațiile fotorezistente în care contaminarea cu particule trebuie să rămână sub 0,03 particule per ml la 0,1 µm, paletele integrale turnate în pereți PFA de 2,2 mm până la 2,5 mm reprezintă construcția preferată, deoarece suprafața continuă de PFA elimină interfețele metalice-polimerului.
Performanță de uniformitate prin proiectarea admisiei
| Configurația admisiei încălzitorului | PFA Grosimea peretelui | Număr de vârtej | Căderea de presiune (kPa/m) | Lungimea de intrare termică (mm) | Omogenitate de temperatură la ieșire de 200 mm |
|---|---|---|---|---|---|
| Intrare netedă cu gura clopot | 2,0 mm | 0 | 0.8 | 280 | ±0,8 grade până la ±1,1 grade |
| Helix cu 4 porniri, palete de 30 de grade | 2,2 mm | 0.4 | 1.4 | 170 | ±0,5 grade până la ±0,7 grade |
| Helix cu 4 porniri, palete de 45 de grade | 2,2 mm | 0.67 | 2.1 | 110 | ±0,3 grade până la ±0,4 grade |
| Helix cu 6 porniri, palete de 45 de grade | 2,5 mm | 0.85 | 2.9 | 85 | ±0,2 grade până la ±0,3 grade |
| Mixer static introdus (tip Koflo{0}}) | 1,8 mm | 0.5 | 2.4 | 130 | ±0,4 grade până la ±0,6 grade |
Compatibilitate chimică a dezvoltatorului cu caracteristicile Turbulenței
Materialul oricărui dispozitiv de turbulență introdus trebuie să se potrivească cu chimia dezvoltatorului. Dezvoltatorii de hidroxid de tetrametilamoniu la o concentrație de 2,38% sunt foarte corozivi pentru aluminiu și unele oțeluri inoxidabile. Paletele turnate cu PFA-elimină complet problemele de compatibilitate chimică. Pentru modelele care necesită mixere introduse, titan sau oțel inoxidabil acoperit cu PFA- sunt singurele materiale acceptabile. Eșecuri în câmp au apărut din cauza dezvoltatorilor de fluoropolimeri care atacă malaxoarele din oțel inoxidabil 316L, eliberând ioni de fier și crom care modifică activitatea dezvoltatorului. Când specificați încălzitoare PFA pentru dezvoltatorii fotorezist, solicitați ca toate suprafețele umede, inclusiv orice caracteristici de generare a turbulențelor, să fie fabricate din PFA sau titan, fără oțel inoxidabil expus.
Ghid de specificații pentru sistemele de litografie pe șenile
Pentru menținerea uniformității de ± 0,5 grade în controlul temperaturii dezvoltatorului fotorezistent, specificați încălzitoare PFA cu palete de intrare elicoidale turnate care ating un număr de turbionare de cel puțin 0,5. Grosimea necesară a peretelui pentru paletele turnate este de minim 2,2 mm, ceea ce oferă, de asemenea, o barieră chimică adecvată pentru 2,38% TMAH la 80 de grade. Solicitați de la furnizor validarea dinamicii fluidelor computaționale sau a vitezometriei laser Doppler, care să arate lungimea de intrare termică prevăzută pentru diametrul specific al tubului și debitul aplicației. Pentru noile modele de sistem, amplasați încălzitorul astfel încât să existe cel puțin 150 mm de țeavă dreaptă între ieșirea încălzitorului și punctul de detectare a temperaturii, permițând amestecarea termică completă înainte de măsurare. Pentru aplicațiile de modernizare în care capacitatea existentă a pompei limitează scăderea presiunii la 1,5 kPa/m, designul paletei de 30 de grade oferă o uniformitate acceptabilă pentru majoritatea proceselor de litografie, menținând în același timp un debit adecvat. Când solicitați oferte, specificați tipul de dezvoltator, concentrația și intervalul de debit, astfel încât furnizorul să poată dimensiona caracteristicile de turbulență în mod corespunzător, deoarece geometria paletei optimizată pentru o condiție de debit poate fi ineficientă pentru altele.
