フォトレジスト現像液温度制御ユニットで±0.5度の均一性を維持するために、入口PFAヒーター乱流の生成は下流の層流境界層の厚さにどのような影響を与えますか?

フォトレジスト処理における温度均一性の制約

半導体リソグラフィー用のフォトレジスト現像液温度制御ユニットでは、加熱セクションから出る現像液全体にわたって±0.5度の均一性が必要です。 -温度が不均一であると現像液の反応速度にばらつきが生じ、ウェーハ全体に限界寸法のばらつきが生じます。ヒーターに入る流体の流れの構造によって、PFA 加熱セクションを通過した後に熱エネルギーがどの程度完全に混合されるかが決まります。 22 トラック リソグラフィ システムからの定量分析では、入口乱流発生器を組み込んだ PFA ヒーター設計により下流の層流境界層の厚さが 60% ～ 70% 減少し、滑らかな入口設計の場合は 350mm であるのに対し、ヒーター出口から 150mm 以内で必要な均一性が達成されることが示されています。

層流境界層の開発と熱混合

現像液が滑らかな PFA ヒーター チューブに入ると、壁に滑りがない状態により、流路に沿って成長する層状の境界層が形成されます。{0}完全に開発された層流速度プロファイルは放物線状の分布を生成し、中心の流体は平均速度の 2 倍で移動し、壁近くの流体はゆっくりと移動します。この速度プロファイルは、壁に熱が加えられたときに対応する温度プロファイルを作成します。熱境界層の厚さ δ_th は、δ_th=4.64 × x × Re^(-0.5) × Pr^(-0.33) に従います。ここで、x は入口からの距離です。一般的なフォトレジスト現像液の流れ (Re 1200、Pr 7、80 度) では、熱境界層は加熱セクションの入口から 280 mm のところでチューブの中心に到達します。この距離より前には、加熱された壁に接触していない流体の中心核が存在し、1.5 度から 2.0 度の半径方向の温度差が生じます。

入口における乱流発生メカニズム

静的ミキサーまたは螺旋羽根を使用して設計された PFA ヒーター入口は、現像液に回転運動を強制し、境界層の現像を妨げます。 4 つの-スタート螺旋入口羽根を備えた直径 25 mm の PFA ヒーターの数値流体力学モデルでは、1.2 m/s の軸方向速度に 0.8 m/s の接線方向速度成分が追加されていることが示されています。結果として生じる渦数 0.67 は、加熱された壁から中心に向かって流体を連続的に輸送する二次流れを生成します。レーザードップラー流速測定によると、ベーン出口から 100mm の位置での層流境界層の厚さは 0.8mm であるのに対し、同じ距離にある滑らかな入口では 2.3mm であることが確認されています。境界層が薄いということは、加熱された流体がより早く中心に到達することを意味し、熱入口の長さが 280 mm から 110 mm に短縮されます。

乱流発生に対する圧力損失のトレードオフ-

温度の均一性を向上させるために入口で乱流が発生すると、圧力降下の増加によりポンピング エネルギーが消費されます。 Re 1200 の滑らかな PFA ヒーター チューブの場合、圧力損失は 1 メートルあたり 0.8 kPa です。螺旋状入口羽根を追加すると、圧力損失が 162% 増加の 2.1 kPa/m に増加します。角度 30 度の 4 つの羽根を使用した低渦流設計は、1 メートルあたり 1.4 kPa の圧力損失と 170 mm の熱入口長さで中程度の乱流 (渦数 0.4) を生成します。これは、短いヒーター アセンブリには十分である可能性があります。必要な圧力損失の増加は、利用可能なポンプヘッドとのバランスをとる必要があります。改修の場合、エンジニアは既存の循環ポンプがキ​​ャビテーションや流量減少なしに追加の 0.6 ～ 1.3 kPa を供給できることを確認する必要があります。

熱混合による肉厚の相互作用

PFA の壁の厚さは流体の乱流に直接影響しませんが、ヒーターの設計者が乱流の特徴を組み込む能力に影響します。厚肉 PFA チューブ（2.5 mm ～ 3.0 mm）は、PFA 構造の一部として一体型螺旋羽根を備えて成形できるため、汚染を引き起こす可能性のある別個の金属乱流促進剤が不要になります。-薄壁の PFA (1.5 mm) は成形ベーンをサポートするための機械的強度に欠けており、追加の圧力降下と潜在的な粒子発生場所を生み出す別個の挿入ミキサーが必要です。粒子汚染が 0.1 μm で 1 mL あたり 0.03 粒子未満に維持されなければならないフォトレジスト用途の場合、連続 PFA 表面により金属-ポリマー界面が排除されるため、2.2 mm ～ 2.5 mm の PFA 壁に成形された一体型ベーンが好ましい構造となります。

注入口設計による均一性性能

乱流機能との開発者の化学的互換性

挿入される乱流デバイスの材質は、現像剤の化学的性質と一致する必要があります。濃度 2.38% の水酸化テトラメチルアンモニウム現像液は、アルミニウムおよび一部のステンレス鋼に対して非常に腐食性があります。 PFA- 成形ベーンにより、化学的適合性の問題が完全に解消されます。インサートミキサーが必要な設計の場合、チタンまたは PFA- コーティングされたステンレス鋼のみが許容される材料です。現場での障害は、フッ素ポリマー現像剤が 316L ステンレス鋼ミキサーを攻撃し、現像剤の活性を変化させる鉄とクロムのイオンを放出することで発生しています。フォトレジスト現像液用の PFA ヒーターを指定する場合は、乱流生成機能を含むすべての濡れた表面が PFA またはチタンで製造され、ステンレス鋼が露出していないことを要求します。

トラックリソグラフィーシステムの仕様ガイダンス

フォトレジスト現像液の温度制御で ±0.5 度の均一性を維持するには、少なくとも 0.5 の渦数を達成する成型螺旋状入口羽根を備えた PFA ヒーターを指定してください。成形ベーンに必要な壁の厚さは最小 2.2 mm で、これは 80 度で 2.38% TMAH に対して適切な化学バリアも提供します。サプライヤーに数値流体力学またはレーザードップラー流速測定の検証を依頼し、アプリケーションの特定のチューブ直径と流量に対する予測される熱入口長を示します。新しいシステム設計の場合は、測定前に完全に熱混合できるように、ヒーター出口と温度検出点の間に少なくとも 150 mm の直線パイプが存在するようにヒーターを配置します。既存のポンプ容量により圧力降下が 1.5 kPa/m に制限される改修用途の場合、30 度のベーン設計により、適切な流量を維持しながら、ほとんどのリソグラフィー プロセスで許容可能な均一性が得られます。ある流れ条件に対して最適化されたベーンの形状は他の流れ条件では効果がない可能性があるため、見積もりを依頼する場合は、現像剤の種類、濃度、流量範囲を指定して、サプライヤーが乱流機能のサイズを適切に設定できるようにします。