Испаритель для сухих вакуумных резисторов

)з С 23 АВТОРС У СВИДЕТЕЛ льский институт вамашиностроенияетошкин, В.П.Мандьство СССР4/24, 1982.Я СУХИХ ВАКУУМ покрынологии витель- овышеителя. нанесении сти - в тех ктроночувст ретения - и ости испа ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССР(54) ИСПАРИТЕЛЬ ДЛНЫХ РЕЗИСТОВ(57) Использование; притий в вакууме, в частнонанесения фото- и эленых резистов. Цель иэоние производительн 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 испарлемого материала.Перемещение прогреваемой крышки можно осуществить, например, с помощью электромагнита, установив его над крышкой, а в крышка 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 одноувеличение скорости испарения и экономия испаряемого матеоиала. 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, Низкал 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,М направления их на подложки, Отверстия,д)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 60 О, 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 отверстилми. Длятого, чтобы молекулы пара попали в отверстия. им необходимо изменить направление движения на противоположное, тем самым исключается выброс нэ 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: Об 1, где 1.-длина свободного пробега молекул; д - диаметр отверстия.При давлении паров резиста в объеме тигля, равном 1 Па, длина свободного пробега молекулсоставляет в среднем 5 мм, Для выполнения соотношения .Й 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 по методике, изложенной в работе Корепнов 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 Ь и толщиной др для участка, заключенного между ребрами длиной Ь 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 .2- /х:О -0бтбх(2)т/х=Ь - то (3)где в =2 цс/ ядр;2дс - тепловой поток от стенок ребра; А - коэффициент теплопроводности материала ребердр- толщина ребер.Решение системы уравнений (1)-(3)2 в 2т =. то - -- (1 -. х Ь)2(За)Плотность теплового потока в основании ребрадс= Л.д - /х-Ь= Л, в Ь, (4)гсГхЗадача теплопроводности для промежутковмежду стенками ребер- = вс (5)дут/-О=Тп . (6)й/Ь =Тп+1, Р) 15 где вс =дс/ Лдс -толщина дна в промежутке между ребрами,"Тп - температура ребра в начале участка;Т+1 - температура ребра в конце участ ка.Решение задачи (5)-(7);в 2 Ь 2 21.= Тп+1 + (Тп - Тп+1) +( ) (8)6 2 Ьг Ь 25 Плотность теплового потока в начале (у=Ь) ив конце (у=0) участка вычисляются соответственно по вйражениямх 2 Ь 2д/,-= -(Т.-Т"1)(д)Ь . 2212д/х-Ь = т-,(Тп - Тп+1 +1 (10)2 30 Баланс теплоты в и-й узловой точке равенОх"О - Ох-Ь = ОР,35у 22гдеОхо Ь Т -Т+1 2 1 (11)в ЬОх-ь= Ь (Тп+Тп+1+ 2 )40 Ор= Юрв Ь,откуда Тп-2 Тп+Тп+1 = в пЬ .+вс Ь,(12)2 ОО 22сгде и = 1,2М, й - число ребер.Решение уравнения (12) дает значения45 температуры в узловых точках, Распределение температуры по высоте и-го ребра можно получить по формуле (За), подставиввместо то температуру Т. Температурное поле участка между ребрами вычисляется по50 формуле (8). Некоторые результаты расчетов приведены на фиг.5, где дана зависимость. относительного изменениятемпературы в основании последнего ребра(4-го) ребра от отношения ширины между55 Ьребрами к ширине ребер (д-) при разныхРтемпературах то в основании оребреннойстенки.Приведенные зависимости полученыпри следующих исходных данных: толщинаребер 3 и 4 мм; тепловой поток цс - 10 Вт/см и 30 Вт/см 2, температура в начале оребренной стенки То = 175 С и 2400 С. 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 1750 С и на 2 при температуре 240 С. Зто условие обеспечивается, если отношение Ь/др находится в пределах 0,8-1,2 или, в среднем, когда толщина ребер равна расстоянию между ребрами. Отсутствие зависимости полученного условия от тепло- физических 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 9 от поверхности тигля 30 Вт/см, обеспечивающего условия нагрева по примеру 2 описания и температурах То в точке (Е = О, У = 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 20, а температура вершины ребра не более чем на 0,20/, отличается от температуры в основании ребра..Тепловая расчетная схема испарителя представлена на фиг.7. На ее основе математическая модель описывается линейным уравнением теплопроводностиСк Ъ - = Ьс( - + - + - -), 1=1,2 (13).(Я СТ 1 ДТ С 2 Тс 1 г (г 2 г ог д 2Используя численный метод решения, получим результаты перепада температуры по толщине резиста вдоль радиуса. При расстоянии между ребрами более 4 мм перепад температур превышает 50 С, 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 видекварцевой лампы накаливания, которая размещается в отверстии втулки. Инфракрасное и видимое излучение лампы поглощается стенками40 45 ности теплового потока от поверхности тигля 9 = 30 Вт/см и изменение температуры по высоте четвертого ребра на дне тигля относительно температуры в основании ре бра; на фиг.7 - тепловая расчетная схемаиспарителя; 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 5 10 15 20 25 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 втулка2 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, выполненнбго, 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 образом.Испаряемое вещество 9 загружают на дно тигля 1 между ребрами 3, После загруз- ки тигель закрывают крышкой 5, при этом верхййя 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 теплопроводностью, например сплавов алюминия и меди, прогрев испарителя происходит безынерционно со скоростью 20-40 С/мин в зависимости от подводимойИспаряемый материал 9, находящийся меж-ду ребрами 3, прогревается равномерно со всех сторон. До достижения заданной температуры и установки подложек под испаритель 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 испаряембго 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 от 10 верстия втулки 2. Таким образом, предлагаемый испаритель по сравнению с прототипом позволяет обеспечить более высокую производительность процесса нанесения пленок. эконо мию испаряемого материала, а также автоматизировать процесс нанесения вакуумных резистов и увеличить эффективность использования при непрерывном цикле нанесения в составе модуля нанесения гибко 20 го автоматизированного комплекса вакуумной литографии, Дополнительное повышение производительности нанесения резиста достигается тем, что с применениЕм: данного испарителя исключаются непроизводительные потери времени, связанные с загрузкой испарителя и разгерметизацией установки при загрузке, Конструктивное построение испарителя позволяет провести не только управление, но и оптимизацию и . 30 коррекцию диаграммы направлейностй па- . ров испаряемого материала за счет изменения места расположения выходных отверстий, вплоть до получения ленточного источника паров резиста для случая равномерного перемещения подложек под испарителем.ф о рмул а 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, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения производительности процесса нанесения покрытия и экономии1812237 20 10 Ю Ймиц ФО . Т Р(м стэвитель А,Акашкихред М.Моргентал Корректор М. Куль дак аз 1560ВНИИПИ Тираж Подписноесударственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ С 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 водственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 10