Испаритель для сухих вакуумных резисторов

 

Использование: при нанесении покрытий в вакууме, в частности - в технологии нанесения фотои электроночувствительных резистов. Цель изобретения - повышение производительности испарителя, увеличение скорости испарения и экономия испаряемого материала. Сущность изобретения: испаритель содержит тигель, в дне которого расположена втулка с отверстием, нагреватель, размещенный в отверстии втулки,крышку с выступом, на дне тигля выполнены 1-4 концентрических ребра со сквозными отверстиями по высоте и отношением ширины концентрических ребер к промежутку между ними 0,8-1,2. На крышке , имеющей возможность перемещения относительно втулки и перекрытия выходных каналов, выполнены концентрические выступы , расположенные над промежутками между ребрами, а нагреватель выполнен в виде источника инфракрасного излучения, 9 ил,

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з С 23 С 14!24

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (), 3, Ы (21) 4860294/21 (22) 14.08.90 (46) 30.04.93, Бюл. № 16 (71) Научно-исследовательский институт вакуумного электронного машиностроения (72) А,С,Акашкин, В.М.Ветошкин, В.П.Мандрыгин, А.М.Русинов (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1093014, кл. С 23 С 14/24, 1982. (54) ИСПАРИТЕЛЬ ДЛЯ СУХИХ ВАКУУМНЫХ РЕЗИСТОВ (57) Использование: при нанесении покрытий в вакууме, в частности — в технологии нанесения фото- и электроночувствительных резистов. Цель изобретения — повышение производительности испарителя, Изобретение относится к области нанесения вакуумных покрытий для микроэлектроники, в частности технологии нанесения вакуумных фото- и электроночувствительных реэистов, используемых в литографии субмикронного разрешения.

Цель изобретения — повышение производительности испарителя путем сокращения времени выхода на рабочий режим, увеличение скорости испарения и экономия испаряемого материала.

Перемещение прогреваемой крышки можно осуществить, например, с помощью электромагнита, установив его над крышкой, а в крышке предусмотреть кольцо из магнитомягкого материала, Повышение скорости испарения, а следовательно, и производительности определяется тем, что введение ребер на дне тигля значительно увеличивает площадь контакта испаряемого материала со стенками и одно„,ЯХ,, 1812237 А1 увеличение скорости испарения и экономия испаряемого материала. Сущность изобретения: испаритель содержит тигель, в дне которого расположена втулка с отверстием, нагреватель, размещенный в отверстии втулки, крышку с выступом, на дне тигля выполнены 1-4 концентрических ребра со сквозными отверстиями по высоте и отношением ширины концентрических ребер к промежутку между ними 0,8 — 1,2. На крышке, имеющей возможность перемещения относительно втулки и перекрытия выходных каналов, выполнены концентрические выступы, расположенные над промежутками между ребрами, а нагреватель выполнен в виде источника инфракрасного излучения,9 ил, временно улучшает равномерность прогрева резиста в объеме между ребрами. Низкая теплопроводность материала в данном случае практически не сказывается, так как резист находится в узких щелях между ребрами. Отверстия в ребрах предназначены для вывода испаряемых молекул из объема тигля в вакуумную камеру и направления их на подложки, Отверстия располагают равномерно по линии центра ребер. Расчеты и проведенные испытания по равномерности нанесения показывают, что при расстоянии от испарителя до подложек 200 мм отверстия достаточно располагать через каждые 600, при этом в каждом ребре будет по шесть отверстий.

Концентрические выступы на крышке, расположенные в промежутках между ребрами, могут иметь, например, треугольный профиль и служат для направления потока пара в пространстве над отверстиями. Для

1812237 того, чтобы молекулы пара попали в отверстия. им необходимо изменить направление движения на противоположное, тем самым исключается выброс на подложки крупных частиц резиста. Пары резиста, попавшие в . отверстия, перемещаясь, многократно отражаются.от разогретых стенок, дробятся и превращаются в молекулярный поток.

Диаметр отверстий в ребрах определяется, исходя из условия режима молекулярного течения паров резиста через отверстия; 1 /d»1, где 1 — длина свободного пробега молекул; d — диаметр отверстия.

fl ри давлении паров резиста в объеме тигля, равном 1 Па, длина свободного пробега молекул составляет в среднем 5 мм, Для выполнения соотношения (/d»1 и исходя из технологических возможностей изготовле ния, диаметр отверстий целесообразно выбирать в диапазоне 0,5-0,8 мм.

Для определения соотношения между шириной ребер на дне тигля и промежутками между ними решалась задача стационарной теплопроводности для оребренной стенки rio методике, изложенной в работе

Корепанов Е.В. Приближенный метод рас. чета стационарной теплопередачи через стенку с односторонним оребрением. Гидродинамика течений с тепломассообменом.

Межвузовский сб. научных трудов. Ижевск, ИМИ, 1988; вып.2, с,65-70. При этом учитывались следующие требования: — обеспечение равномерного прогрева резиста (перепад температуры не должен превышать 5 С): — обеспечение максимального объема загрузки для длительной работы испарителя без ухудшения равномерности прогрева и скорости испарения.

Приближенное решение задачи стационарной теплопроводности для оребренной стенки (фиг.1) может быть получено на основе однороднйх аналитических решений для ребер высотой h и толщиной др для участка, заключенного между ребрами длиной о и толщиной дс, а также баланса теплоты в узловых точках, расположенных под ребрами: точки 0,1,2,3,4. Задача теплопроводности ребра (фиг,2) записывается в виде . с1 „12 г (1) — /x =î =0

dt ох (2)

t/õ=h - тс (3) где m =2цс/ imp;

2»

gc — тепловой поток от стенок ребра;

А — коэффициент теплопроводности материала ребер др- толщина ребер.

Решение системы уравнений (1)-(3)

h2m2 2

t to -(1-.х h)

2 (За)

Плотность теплового потока в основании ребра цс = д- /х-ь = k m h (4) г сГх

Задача теплопроводности для промежутков между стенками ребер — . = mc (5)

d т/у-о — = Тп .. (6)

: t/qb Tn+t, Р)

15 где п с =gc/ Ядс -толщина дна в промежутке между ребрами;

Тп — температура ребра в начале участка;

Тп+1 — температура ребра в конце участ20 ка.

Решение задачи (5)-(7): п г г 2

1=-Тп+1+(Тп-Тп+1) + ()(8)

6 2,2 b

25 Плотность теплового потока в начале (у=Ь) и в конце (у=0) участка вычисляются соответственно по выражениям х „РЬ

g/x = — P „- -Tn+t ) (g)

b 2

212

g/х-b = фп - Тп+ + ) (10)

Баланс теплоты в и-й узловой точке равен

0х-О - Gx""Ь = Gp

35 M 2 2 где 0 -о= > P-Тп+1 2 ) (1")

2„2

Gx-Ь= b pn+Tn+t+

40 р= k kpm mК откуда Тп-1 "2Tn+Тп+1 = m hb ++mc b,(12)

2 4 22 с где и = 1,2,...,N, N — число ребер.

Решение уравнения (12) дает значения

45 температуры в узловых точках, Распределение температуры по высоте и-го ребра можно получить по формуле (За), подставив вместо тп температуру Т. Температурное поле участка между ребрами вычисляется по

50 формуле (8). Некоторые результаты расчетов приведены на фиг.5, где дана зависимость относительного изменения температуры в основании последнего ребра (4-ro) ребра от отношения ширины между

55 Ь ребрами к ширине ребер (д-) при разных

Р температурах тп в основании оребренной стенки.

Приведенные зависимости получены при следующих исходных данных: толщина

1812237 ребер 3 и 4 мм; тепловой поток g - 10

Вт/см и 30 Вт/см2, температура в начале оребренной стенки То = 175 С и 2400С. Для обеспечения процесса испарения на всей поверхности тигля необходимо, чтобы температура в основании четвертого ребра отличалась от температуры в точке 0 не более чем на 3 — 5 С или 3 при температуре 175 С и на 2 при температуре 240 С. Зто условие обеспечивается, если отношение .b/äð находится в пределах 0,8-1,2 или, в среднем, когда толщина ребер равна расстоянию между ребрами. Отсутствие зависимости полученного условия от теплофизических параметров испаряемого материала определяется тем; что при установившемся режиме зависимость температуры между ребрами линейна и зависит лишь от установившейся температуры ограничивающих стенок.

Результаты расчетов приведены на фиг.б, где на графиках 1,2 показано относительно распределение температуры по дну тигля при плотности теплового потока о от поверхности тигля 30 Вт/см, обеспечивающего условия нагрева по примеру 2 описания и температурах То в точке (2 = О, Y = О) соответственно 240 С и 260 С, Там же на графиках 3,4 показано изменение температуры по высоте четвертого ребра на дне тигля относительно температуры в основании ребра. Анализ результатов расчета показывает, что температура в основании четвертого ребра (точка 4 на графике) отличается от температуры в точке О не более чем на 2, а температура вершины ребра не более чем на 0,2 отличается от температуры в основании ребра. .Тепловая расчетная схема испарителя представлена на фиг.7. На ее основе математическая модель описывается линейным уравнением теплопроводности

Ск p,— — = Й(— + — + — -), М= 1.2 (13).

dT 02Т 1 dT (PT Р "dr аР

Используя численный метод решения, получим результаты перепада температуры по толщине резиста вдоль радиуса. При расстоянии между ребрами более 4 мм перепад температур превышает 50С. Расстояние между ребрами менее 2 мм затрудняет засыпку реэиста, уменьшает объем загрузки тигля.

Для повышения производительности испарителя при разогреве до заданной температуры нагреватель изготавливается, например, в виде кварцевой лампы накаливания, которая размещается в отверстии втулки. Инфракрасное и видимое излучение лампы поглощается стенками

45 ности теплового потока от поверхности тигля g =30 Вт/см и изменение температуры по высоте четвертого ребра на дне тигля относительно температуры в основании ре50 бра; на фиг.7 — тепловая расчетная схема испарителя; а) без ребер: б) с кольцевыми ребрами, на фиг,8- зависимость температуры тигля от времени нагрева для прототипа

1 и предлагаемого испарителя 2; на фиг.9—

55 расчетное распределение температуры в

30 отверстия во втулке и дном тигля. Теплопередача от лампы к стенкам тигля происходит беэынерционно. Незначительная масса и теплоемкость нагревательного элемента обуславливают минимальное (+1 С) отклонение температуры испарителя при выходе на заданный режим.

Зкономия испаряемого материала происходит за счет исключения непроизводительного расхода в течение времени выхода испарителя на заданный режим, времени смены подложек и охлаждения испарителя.

Зто достигается управлением потока пара испаряемого реэиста путем перемещения прогреваемой крышки, например, с помощью электромагнита и кольца из магнитомягкого материала на внешней стороне крышки. Верхняя крышка испарителя изготавливается с возможностью перемещения относительно втулки и поджимается, например, пружиной к ребрам тигля. При этом выступ в крышке с шириной по основанию, равной ширине промежутков между ребрами, на дне тигля перекрывает доступ паров резиста в выходные отверстия. Испарение материала проводится после выхода испарителя на заданный температурный режим и установки под испарителем подложек после перемещения прогреваемой крышки и открытия доступа в отверстия парам резиста.

На фиг.1 показан общий вид испарителя; на фиг.2 — оребренная стенка испарителя для решения задачи стационарной теплопроводности; на фиг.3 — модель ребра для решения задачи теплопроводности ребра; на фиг.4 — модель промежутка между ребрами для решения задачи его теплопроводности," на фиг.5 — график относительного изменения температуры в основании последнего (4-го) ребра от отношения ширины между ребрами к ширине ребра при разных температурах и основании оребренной стенки; на фиг.б — относительное распределение температуры по дну тигля при плотобъеме тигля загруженного испарителя для прототипа 1 и предлагаемого испарителя 2..Испаритель состоит из тигля 1, в центральной части которого расположена втулка

1812237

2 с отверстием, а на дне выполнены концентрические ребра 3 с отверстиями 4 по центру ребер прогреваемой крышки 5, на внутренней стороне которой соосно ребрам на дне тигля выполнены концентрические выступы 6; например, треугольной формы, расположенные над промежутками ребер 3, устройства перемещения 7 крышки, например, электромагнитного нагревателя 8, выполненного, например в виде кварцевой, лампы накаливания, размещенной в отверстии втулки 2 на уровне тигля 1. Испаряемый материал 9 загружается между ребрами тигля..

Испаритель работает следующим обра. зом.

Испаряемое вещество 9 загружают на дно тигля 1 между ребрами 3, После загруз- ки тигель закрывают крышкой 5, при этом веяхйяя крышка с помощью устройства перемещения крышки 7 поджимается к тиглю

1 ° а выступы крышки входят в промежутки между ребрами 3 на дне тигля. Подачей напряжения на нить накала нагревателя 8 осуществляется разогрев тигля 1 и всего испарителя в целом, Нагрев тигля проводит-. ся инфракрасным и видимым излучением, поглощенным внутренними стенками и, дном тигля. Ввиду тОго, что втулка 2, тигель

1 и ребра 3 конструктивно выполнены едиными из металла с высокой теплот1роводностью, например сплавов алюминия и меди, прогрев испарителя происходит безынерционно со скоростью 20-40 С/мин в зави-.

cMMoc é от подводимой

Испаряемый материал 9, находящийся меж- ду ребрами 3, прогревается равномерно со всех сторон. До достижения заданной температуры и установки подложек под испари-. тель испарения материала не происходит, так как выходные отверстия 4 перекрыты выступами 6 в крышке 5. При достижении заданной температуры устройство перемещения крышки 7 поднимает крышку 5. Вы-ступы 6 при этом выходят из промежутков между ребрами 3, открывая доступ парам . испаряемого материала в отверстия 4. Пары испаряемого материала 9, перемещаясь в виде молекулярного потока в отверстия 4, направляются на подложку. При достижении заданной толщины напыляемой пленки

- устройство перемещения крышки 7 возвращает крышку в исходное положейие. выступы 6 снова входят в промежутки между ребрами 3, перекрывая доступ парам испаряемого материала в выходные отверстия 4.

После смены подложек, например в установках с непрерывным вакуумным циклом нанесения пленки, новый цикл нанесения начинается не с разогрева тигля, а с поднятия крышки 5 устройством перемещения 7.

Температуры тигля 1 при этом поддерживается постоянной и на нижнем пределе возможных значений. Крышка 5 в процессе напыления прогревается через сквозные от10 верстия втулки 2.

Таким образом, предлагаемый испаритель по сравнению с прототипом позволяет обеспечить более высокую производительность процесса нанесения пленок. эконо15 мию испаряемого материала, а также автоматизировать процесс нанесения вакуумных резистов и увеличить эффективность использования при непрерывном цикле нанесения в составе модуля нанесения гибко20

ro автоматизированного комплекса вакуумной литографии. Дополнительное повышение производительности нанесениярезиста достигается тем, что с применениЕм: данного испарителя исключаются непроизводительные потери времени, связанные с загрузкой испарителя и разгерметизацией установки при загрузке. Конструктивное rioстроение испарителя позволяет провести не только управление, но и оптимизацию и .

30 коррекцию диаграммы направлейностй па - . ров испаряемого материала за счет измене- ния места расположения выходных отверстий, вплоть до получения ленточного источника паров резиста для случая равномерного перемещения подложек под испарителем.

Формула изобретения

Испаритель для сухих вакуумных резистов, содержащий тигель, в дне которого

45 материала, на дне тигля выполнены концентрические ребра в количестве от 1 до 4 со сквозными по высоте ребра отверстиями, расположенными равномерно по линии центра ребра, с отношением ширины ребра к расстоянию между ними 0,8-1,2, крышка выполнена с возможностью перемещения вдоль вертикальной оси втулки и имеет концентрические выступы, расположенные над промежутками между ребрами, а нагрева-. тель выполнен в виде источника инфракрас-; ного излучения.

40 расположена втулка с отверстием, нагреватель, размещенный в отверстии втулки, крышку, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности процесса нанесения покрытия и экономии

1812237

1812237

Я

0nmuëàëüíàÿ g

ОЬЛОСЛЬ

1812237

1812237

100

10 20 ЗО ФО . 50 60 . Ю Й(чин) Фиг 8

Р(мм) Составитель A,Àêàøêèí

Техред M.Ìoðãåíòàë Корректор M. Куль

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101

Заказ 1560 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5