מגבלת אחידות הטמפרטורה בעיבוד Photoresist
יחידות בקרת טמפרטורת מפתח Photoresist עבור ליתוגרפיה מוליכים למחצה דורשות אחידות של ±0.5 מעלות על פני נוזל המפתח היוצא מקטע החימום. טמפרטורה לא -אחידה גורמת לשינויים בקצב התגובה של המפתח, מה שיוצר וריאציות של מימד קריטי על פני הרקיק. המבנה של זרימת הנוזל הנכנסת למחמם קובע באיזו מידה מתערבבת אנרגיה תרמית לאחר מעבר דרך מדור חימום PFA. ניתוח כמותי ממערכות ליתוגרפיה של 22 מסלולים מראה שתכנוני מחממי PFA המשלבים מחוללי טורבולנס בכניסה מפחיתים את עובי שכבת הגבול הלמינרית במורד הזרם ב-60% עד 70%, ומשיגים אחידות נדרשת בתוך 150 מ"מ מיציאת המחמם לעומת 350 מ"מ עבור עיצובי כניסה חלקים.
פיתוח שכבת גבול למינרית וערבוב תרמי
כאשר נוזל מפתחים נכנס לצינור מחמם PFA חלק, מצב ללא-החלקה בקיר יוצר שכבת גבול למינרית שצומחת לאורך נתיב הזרימה. פרופיל המהירות הלמינארי המפותח במלואו מייצר התפלגות פרבולית שבה הנוזל במרכז נע פי שניים מהמהירות הממוצעת בעוד הנוזל ליד הקיר נע לאט. פרופיל מהירות זה יוצר פרופילי טמפרטורה מתאימים כאשר חום מופעל על הקיר. עובי שכבת הגבול התרמית δ_th עוקב אחר δ_th=4.64 × x × Re^(-0.5) × Pr^(-0.33), כאשר x הוא המרחק מהכניסה. עבור זרימת מפתח photoresist טיפוסית (Re 1200, Pr 7, 80 מעלות), שכבת הגבול התרמית מגיעה למרכז הצינור במרחק של 280 מ"מ מהכניסה לחלק המחומם. לפני המרחק הזה, קיימת ליבה מרכזית של נוזל שלא יצרה קשר עם הקיר המחומם, ויוצרת הפרשי טמפרטורה רדיאליים של 1.5 מעלות עד 2.0 מעלות.
מנגנוני יצירת מערבולות בכניסה
כניסות תנור PFA שתוכננו עם מערבלים סטטיים או שבבים סליליים מאלצים את נוזל המפתח לתנועה סיבובית המשבשת את התפתחות שכבת הגבול. דוגמנות דינמיקת נוזלים חישובית של מחמם PFA בקוטר 25 מ"מ עם ארבעה-שבבי כניסה סליליים מתחילים מראה רכיב מהירות משיק של 0.8 מ"ש שנוסף למהירות הצירית של 1.2 מ"ש. מספר המערבולת המתקבל של 0.67 יוצר זרימות משניות המעבירות נוזלים ברציפות מהקיר המחומם למרכז ובחזרה. מדידות מהירות דופלר בלייזר מאשרות שעובי שכבת הגבול הלמינרית ב-100 מ"מ מיציאת השבט הוא 0.8 מ"מ, בהשוואה ל-2.3 מ"מ עבור כניסה חלקה באותו מרחק. שכבת הגבול הדקה יותר פירושה שנוזל מחומם מגיע למרכז מוקדם יותר, ומפחית את אורך הכניסה התרמית מ-280 מ"מ ל-110 מ"מ.
סחר בירידה בלחץ-כבוי ליצירת מערבולות
המערבולת שנוצרת בכניסה לשיפור אחידות הטמפרטורה צורכת אנרגיית שאיבה באמצעות ירידת לחץ מוגברת. עבור צינור מחמם PFA חלק ב-Re 1200, ירידת הלחץ היא 0.8 kPa למטר. הוספת שבבי כניסה סליליים מגבירה את ירידת הלחץ ל-2.1 kPa למטר, עלייה של 162%. עיצובים של מערבולות-נמוכות המשתמשות בארבעה שבבים עם זווית של 30 מעלות מייצרים מערבולת מתונה (מספר מערבולה 0.4) עם ירידת לחץ של 1.4 kPa למטר ואורך כניסה תרמית של 170 מ"מ, מה שעשוי להספיק למכלולי מחממים קצרים יותר. יש לאזן את עליית מפל הלחץ הנדרשת מול ראש המשאבה הזמין. לצורך שיפוץ לאחור, על המהנדסים לוודא שמשאבת הסחרור הקיימת יכולה לספק את ה-0.6 עד 1.3 קילו-פ"א הנוספים ללא קוויטציה או הפחתת זרימה.
אינטראקציה של עובי קיר עם ערבוב תרמי
עובי דופן ה-PFA אינו משפיע ישירות על מערבולת הנוזל, אלא משפיע על יכולתו של מעצב המחמם לשלב תכונות של מערבולות. ניתן לעצב צינורות PFA עבים- (2.5 מ"מ עד 3.0 מ"מ) עם שבבים סליליים אינטגרליים כחלק ממבנה ה-PFA, מה שמבטל את הצורך במקדמי טורבולנס מתכת נפרדים שעלולים להכניס זיהום. PFA דק-דפנות (1.5 מ"מ) חסר את החוזק המכני לתמוך בשבבים מעוצבים, המצריך מיקסרים מוכנסים נפרדים היוצרים ירידת לחץ נוספת ואתרי יצירת חלקיקים פוטנציאליים. עבור יישומי photoresist שבהם זיהום החלקיקים חייב להישאר מתחת ל-0.03 חלקיקים למ"ל ב-0.1 מיקרומטר, שבבים אינטגרליים יצוקים בקירות PFA בגודל 2.2 מ"מ עד 2.5 מ"מ מייצגים את המבנה המועדף, שכן משטח ה-PFA הרציף מבטל ממשקי מתכת-פולימריים.
ביצועים אחידים על ידי Inlet Design
| תצורת כניסת מחמם | עובי קיר PFA | מספר מערבולת | ירידה בלחץ (kPa/m) | אורך כניסה תרמית (מ"מ) | אחידות טמפרטורה ביציאה של 200 מ"מ |
|---|---|---|---|---|---|
| פתח פעמון חלק | 2.0 מ"מ | 0 | 0.8 | 280 | ±0.8 מעלות עד ±1.1 מעלות |
| סליל 4 התחלות, שבשבת 30 מעלות | 2.2 מ"מ | 0.4 | 1.4 | 170 | ±0.5 מעלות עד ±0.7 מעלות |
| סליל 4 התחלות, שבשבת 45 מעלות | 2.2 מ"מ | 0.67 | 2.1 | 110 | ±0.3 מעלות עד ±0.4 מעלות |
| סליל 6 התחלות, שבשבת 45 מעלות | 2.5 מ"מ | 0.85 | 2.9 | 85 | ±0.2 מעלות עד ±0.3 מעלות |
| מיקסר סטטי הוכנס (סוג-Koflo) | 1.8 מ"מ | 0.5 | 2.4 | 130 | ±0.4 מעלות עד ±0.6 מעלות |
תאימות כימיה למפתחים עם תכונות טורבולנס
החומר של כל מכשיר טורבולנס המוכנס חייב להתאים לכימיה של המפתח. מפתחי Tetramethylammonium hydroxide בריכוז של 2.38% הם מאכלים מאוד לאלומיניום וחלק מהפלדות אל חלד. PFA-שבשבת יצוקה מבטלת לחלוטין את חששות התאימות הכימית. עבור עיצובים המצריכים מיקסרים מוכנסים, פלדת אל חלד בציפוי טיטניום או PFA- הם החומרים המקובלים היחידים. כשלי שדה התרחשו ממפתחי פלואורפולימר שתקפו מערבלי נירוסטה 316L, ושחררו יוני ברזל וכרום שמשנים את פעילות המפתחים. כאשר מציינים מחממי PFA עבור מפתחי פוטו-רזיסט, דרשו שכל המשטחים הרטובים, כולל כל תכונות של יצירת טורבולנס, יהיו מיוצרים מ-PFA או טיטניום, ללא פלדת אל-חלד חשופה.
הנחיות מפרט עבור מערכות ליטוגרפיה מסילה
לשמירה על אחידות של ±0.5 מעלות בבקרת טמפרטורת מפתח photoresist, ציין מחממי PFA עם שבבי כניסה סליל מעוצבים ומשיגים מספר סחרור של לפחות 0.5. עובי הדופן הנדרש עבור שבשבות מעוצבות הוא מינימום 2.2 מ"מ, מה שמספק גם מחסום כימי הולם עבור 2.38% TMAH ב-80 מעלות. בקש מהספק דינמיקת נוזלים חישובית או אימות מהירות דופלר לייזר המציג את אורך הכניסה התרמית החזוי לקוטר הצינור וקצב הזרימה הספציפיים של היישום. עבור תכנוני מערכת חדשים, אתר את המחמם כך שלפחות 150 מ"מ של צינור ישר קיים בין מוצא המחמם לנקודת חישת הטמפרטורה, מה שמאפשר ערבוב תרמי מלא לפני המדידה. עבור יישומים מחודשים שבהם קיבולת המשאבה הקיימת מגבילה את ירידת הלחץ ל-1.5 kPa/m, עיצוב השבשבת של 30 מעלות מספק אחידות מקובלת לרוב תהליכי הליטוגרפיה תוך שמירה על זרימה נאותה. בעת בקשת הצעות מחיר, ציין את סוג המפתח, הריכוז וטווח קצב הזרימה כך שהספק יוכל להתאים את מאפייני הטורבולנס, שכן גיאומטריית שבשבת המותאמת לתנאי זרימה אחד עלולה להיות לא יעילה באחרים.
