Omezení stejnoměrnosti teploty ve fotorezistovém zpracování
Jednotky pro řízení teploty fotorezistové vývojky pro polovodičovou litografii vyžadují rovnoměrnost ±0,5 stupně napříč kapalinou vývojky vycházející z ohřívací sekce. Nerovnoměrná teplota způsobuje změny v rychlosti reakce vývojky, což vede ke kritickým rozměrovým odchylkám na plátku. Struktura proudění tekutiny vstupující do ohřívače určuje, jak důkladně se tepelná energie promíchá po průchodu ohřívací sekcí PFA. Kvantitativní analýza z 22 stopových litografických systémů ukazuje, že konstrukce ohřívačů PFA obsahující generátory vstupní turbulence snižují tloušťku laminární hraniční vrstvy po proudu o 60 % až 70 %, čímž je dosaženo požadované rovnoměrnosti do 150 mm od výstupu ohřívače oproti 350 mm pro hladké konstrukce sání.
Vývoj laminární hraniční vrstvy a tepelné míchání
Když vývojka vstoupí do hladké trubice ohřívače PFA, neklouzavý stav na stěně vytvoří laminární hraniční vrstvu, která roste podél dráhy toku. Plně vyvinutý laminární rychlostní profil vytváří parabolické rozložení, kde se tekutina ve středu pohybuje dvojnásobkem průměrné rychlosti, zatímco tekutina u stěny se pohybuje pomalu. Tento rychlostní profil vytváří odpovídající teplotní profily, když je teplo aplikováno na stěnu. Tloušťka tepelné mezní vrstvy δ_th následuje δ_th=4.64 × x × Re^(-0,5) × Pr^(-0,33), kde x je vzdálenost od vstupu. Pro typický proud fotorezistové vývojky (Re 1200, Pr 7, 80 stupňů) dosáhne tepelná mezní vrstva středu trubky ve vzdálenosti 280 mm od vstupu vyhřívané sekce. Před touto vzdáleností existuje centrální jádro tekutiny, které se nedostalo do kontaktu s vyhřívanou stěnou, což vytváří radiální teplotní rozdíly 1,5 stupně až 2,0 stupně.
Mechanismy generování turbulencí na vstupu
Vstupy ohřívače PFA navržené se statickými mixéry nebo spirálovými lopatkami nutí vývojku do rotačního pohybu, který narušuje vývoj mezní vrstvy. Výpočtové modelování dynamiky tekutin ohřívače PFA o průměru 25 mm se čtyřmi -startovacími spirálovými vstupními lopatkami ukazuje tangenciální složku rychlosti 0,8 m/s přičtenou k axiální rychlosti 1,2 m/s. Výsledné číslo víření 0,67 vytváří sekundární toky, které nepřetržitě transportují tekutinu od ohřáté stěny do středu a zpět. Laserová Dopplerova měření rychlosti potvrzují, že tloušťka laminární mezní vrstvy ve vzdálenosti 100 mm od výstupu lopatky je 0,8 mm ve srovnání s 2,3 mm pro hladký vstup ve stejné vzdálenosti. Tenčí mezní vrstva znamená, že ohřátá tekutina se dostane do středu dříve, čímž se zkrátí délka tepelného vstupu z 280 mm na 110 mm.
Pressure Drop Trade{0}}Off for Turbulence Generation
Turbulence generované na vstupu pro zlepšení rovnoměrnosti teploty spotřebovává čerpací energii prostřednictvím zvýšeného poklesu tlaku. Pro hladkou trubku ohřívače PFA u Re 1200 je tlaková ztráta 0,8 kPa na metr. Přidání spirálových vstupních lopatek zvyšuje tlakovou ztrátu na 2,1 kPa na metr, což je 162% nárůst. Konstrukce s nízkým vířením využívající čtyři lopatky s úhlem 30 stupňů vytvářejí mírné turbulence (číslo víru 0,4) s tlakovou ztrátou 1,4 kPa na metr a délkou vstupu tepla 170 mm, což může být dostatečné pro kratší sestavy ohřívačů. Požadované zvýšení tlakové ztráty musí být vyváženo podle dostupné dopravní výšky čerpadla. U retrofitů by měli technici ověřit, že stávající oběhové čerpadlo může dodat dalších 0,6 až 1,3 kPa bez kavitace nebo snížení průtoku.
Interakce tloušťky stěny s tepelným mícháním
Tloušťka stěny PFA neovlivňuje přímo turbulenci tekutin, ale ovlivňuje schopnost konstruktéra ohřívače začlenit prvky turbulence. Silnostěnné trubice PFA (2,5 mm až 3,0 mm) mohou být tvarovány s integrálními spirálovitými lopatkami jako součást struktury PFA, čímž se eliminuje potřeba samostatných promotorů kovové turbulence, které by mohly způsobit kontaminaci. Tenkostěnný PFA (1,5 mm) postrádá mechanickou pevnost pro podporu lisovaných lopatek, což vyžaduje samostatné vložené mixéry, které vytvářejí další pokles tlaku a potenciální místa pro tvorbu částic. Pro fotorezistní aplikace, kde kontaminace částicemi musí zůstat pod 0,03 částicemi na ml při 0,1 µm, představují lisované integrální lopatky ve stěnách PFA 2,2 mm až 2,5 mm preferovanou konstrukci, protože souvislý povrch PFA eliminuje kov{12}}polymerní rozhraní.
Jednotný výkon podle designu vtoku
| Konfigurace vstupu ohřívače | Tloušťka stěny PFA | Spirálové číslo | Pokles tlaku (kPa/m) | Délka tepelného vstupu (mm) | Rovnoměrnost teploty na výstupu 200 mm |
|---|---|---|---|---|---|
| Hladký vstup hrdla | 2,0 mm | 0 | 0.8 | 280 | ±0,8 stupně až ±1,1 stupně |
| 4-startová šroubovice, 30 stupňové lopatky | 2,2 mm | 0.4 | 1.4 | 170 | ±0,5 stupně až ±0,7 stupně |
| 4-startová šroubovice, lopatky 45 stupňů | 2,2 mm | 0.67 | 2.1 | 110 | ±0,3 stupně až ±0,4 stupně |
| Šestistartová šroubovice, lopatky 45 stupňů | 2,5 mm | 0.85 | 2.9 | 85 | ±0,2 stupně až ±0,3 stupně |
| Vložený statický mixér (typ Koflo{0}}) | 1,8 mm | 0.5 | 2.4 | 130 | ±0,4 stupně až ±0,6 stupně |
Kompatibilita vývojářské chemie s funkcemi Turbulence
Materiál jakéhokoli vloženého turbulentního zařízení musí odpovídat chemii vývojky. Vývojky na bázi hydroxidu tetramethylamonného v koncentraci 2,38 % jsou vysoce korozivní pro hliník a některé nerezové oceli. Lisované lopatky PFA- zcela odstraňují obavy z chemické kompatibility. Pro konstrukce vyžadující vložené mixéry jsou jedinými přijatelnými materiály titan nebo PFA-potažená nerezová ocel. Došlo k selháním v terénu, protože vývojky fluoropolymerů napadly mixéry z nerezové oceli 316L a uvolnily ionty železa a chrómu, které změnily aktivitu vývojky. Při specifikaci ohřívačů PFA pro vývojky fotorezistů požadujte, aby všechny smáčené povrchy včetně jakýchkoli prvků pro vytváření turbulencí byly vyrobeny z PFA nebo titanu, bez vystavené nerezové oceli.
Pokyny pro specifikace pro systémy litografie kolejí
Pro zachování rovnoměrnosti ±0,5 stupně při řízení teploty fotorezistové vývojky specifikujte ohřívače PFA s lisovanými spirálovitými vstupními lopatkami dosahujícími počtu víření alespoň 0,5. Požadovaná tloušťka stěny pro lisované lopatky je minimálně 2,2 mm, což také poskytuje dostatečnou chemickou bariéru pro 2,38 % TMAH při 80 stupních. Vyžádejte si od dodavatele výpočetní dynamiku tekutin nebo ověření laserové Dopplerovy velocimetrie s uvedením předpokládané délky tepelného vstupu pro konkrétní průměr trubky a průtokovou rychlost aplikace. U nových konstrukcí systému umístěte ohřívač tak, aby mezi výstupem ohřívače a bodem snímání teploty bylo alespoň 150 mm rovné trubky, což umožní úplné tepelné promíchání před měřením. Pro aplikace modernizace, kde stávající kapacita čerpadla omezuje pokles tlaku na 1,5 kPa/m, poskytuje 30stupňová konstrukce lopatky přijatelnou rovnoměrnost pro většinu litografických procesů při zachování adekvátního průtoku. Při vyžádání cenových nabídek specifikujte typ vývojky, koncentraci a rozsah průtoku, aby dodavatel mohl vhodně dimenzovat prvky turbulence, protože geometrie lopatek optimalizovaná pro jednu podmínku proudění může být u jiných neúčinná.
