Ванна инфракрасного нагрева жидких технологических сред в технологии микроэлектроники

Баранов Валентин Владимирович,

доктор технических наук, профессор, научный руководитель,

Шлыкевич Алексей Александрович,

аспирант кафедры проектирования информационно-компьютерных систем.

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники.

В технологии микроэлектроники на различных этапах производства применяются ванны химической обработки пластин. Инфракрасный нагрев (ИК-нагрев) технологических сред обладает рядом преимуществ, которые позволяют повысить технико-экономические и эксплуатационные свойства процессов, в которых он применяется.

Нагрев технологической среды в предлагаемой конструкции ванны осуществляется посредством инфракрасного излучения (ИК излучения). Основой ванны (рис. 1) будет являться реактор (1) из кварцевого стекла. Реактор представляет собой полуцилиндр, так как обрабатываемые пластины будут погружаться в него сверху. Выбор кварцевого стекла также не случаен. Он обусловлен наибольшей прозрачностью этого материала для инфракрасного спектра излучения при оптимальном сочетании других эксплуатационных параметров. Реактор установлен на фторопластовые опоры, вдоль него расположены лампы инфракрасного спектра свечения (2). Такое расположение ламп также выбрано на основании создания равномерного температурного поля по всему объему ванны, а также необходимости создания внутри ламп нормального вольфрамо-галогенного цикла, к тому же лампы, расположенные вдоль реактора, упрощают эксплуатацию модуля. Лампы подключены параллельно и запитаны через трансформатор от сети переменного тока ~220 В. Трансформатор преобразует его в напряжение питания ламп 36 В. Для уменьшения рассеивания мощности ламп применены рефлекторы (3) из алюминия. Этот материал для рефлекторов обладает наилучшим соотношением «цена/качество» среди всех других материалов. Температура жидкости отслеживается термопарой (6), помещённой в защитный кожух из фторопласта. Термопара конструктивно объединена с крышкой (5).

Рис. 1. Ванна нагрева технологических сред: 1– кварцевый реактор; 2 – ИК излучатели; 3 – рефлекторы; 4 – внешний корпус устройства; 5 – фторопластовая крышка с вмонтированной в неё термопарой 6.

В качестве источников ИК излучения в подобного рода устройствах наиболее широко применяемыми и обладающими наилучшим соотношением эксплуатационных характеристик являются лампы инфракрасного нагрева типа ГЛН (галогенные лампы нагрева). При выборе ламп учитываем небольшие габаритные размеры всего устройства, а также достаточную среднюю продолжительность горения. Напряжение питания для ламп, применяемых в разрабатываемом модуле, равно 36 В. Это обусловлено требованиями техники безопасности при работе с электронагревательным оборудованием на химических участках, данный уровень питающего напряжения является допустимым. Выбираем лампы КГТ 220-600. Для выбранной лампы при 36 В питающего напряжения максимум излучения придется на длину волны 2 мкм. Максимальная спектральная интенсивность равна 1 Вт/(ср∙мкм). При понижении питающего напряжения снижается потребляемая мощность модуля (мощность одной лампы – 70Вт, потребляемый ток – 1A), что лучшим образом сказывается на его эксплуатационных характеристиках. Выбранная лампа КГТ 220-600 при напряжении питания 36 В имеет температуру кварцевой оболочки около 370 К, что также положительным образом сказывается на эксплуатационных свойствах лампы [1]. Учитывая, что в разрабатываемом модуле лампы располагаются рядом друг с другом, необходимо заметить, что температура кварцевой оболочки будет несколько выше определенной ранее. Однако вплоть до температур оболочки в 800 К при инженерных расчетах лучистого обмена излучение кварцевого стекла оболочки может не учитываться [2]. Низкая температура кварцевой оболочки и зоны токоввода обеспечивает безопасную эксплуатацию модуля, а также отсутствие необходимости применения принудительного охлаждения ламп, что упрощает конструкцию самого разрабатываемого модуля.

Важной проблемой при разработке устройства является достижение максимальной прозрачности стенок реактора для ИК излучения. В связи с этим, наиболее важными требованиями к реактору являются отсутствие в нем примесей, которые могут вызвать помутнение стенок реактора под влиянием излучения, а также химическая инертность по отношению к реагентам, участвующим в процессе. Наиболее полно удовлетворяют всем требованиям особо чистые кварцевые стекла, характеризуемые высокой термической и химической стойкостью, вакуумной плотностью и высокой прозрачностью по отношению к основной доле энергии, излучаемой большинством типов ИК нагревателей. Выбранная для разрабатываемого модуля лампа КГТ 220-600 имеет максимум излучения при длине волны 2 мкм, для изготовления корпуса ванны наилучшим образом походит кварцевое стекло типа КСП, являющееся абсолютно прозрачным для заданной длинны волны [1].

После анализа различных возможных форм реактора, можно сделать вывод о том, что форма параллелепипеда далеко не идеальна. В ней присутствуют «мертвые» зоны у нижних кромок реактора. Это объясняется тем, что обрабатываемые кремниевые пластины имеют круглую форму, а, следовательно, пространство ректора вокруг них никак не участвует в процессе отмывки. Лишние объемы реактива снижают в целом КПД установки и повышают расход реактива. В предлагаемой установке дно реактора выполнено в форме полуцилиндра. Такая форма с одной стороны позволяет избежать повышенного расхода реактива, а с другой – сократить количество мёртвых зон реактора.

Основным контролирующим температуру инструментом является термопара, которая находиться в защитном фторопластовом чехле. Наиболее оправданным будет применение сплавов хромель-копель либо хромель-алюмель. Для поддержания температуры на заданном уровне и с требуемой точностью предполагается использовать специальные регуляторы температуры.

Одним из важнейших конструктивных элементов ИК нагревателей, определяющим их КПД, тепловую инерционность и равномерную облученность объектов нагрева, является рефлектор. Среди известных металлов практическое значение для разрабатываемого модуля имеют медь и алюминий. При используемом максимуме излучения в 2 мкм коэффициенты отражения для этих материалов равны соответственно 98,6 и 97,2%. Однако, учитывая то, что алюминий превосходит любой металл по степени отражения в видимой области спектра, а также то, что он значительно более распространен и не дорог в эксплуатации, в разрабатываемой конструкции выбирается именно алюминий. Необходимая шероховатость для длины волны 2,0 мкм составляет R_z = 0,15 мкм, что вполне достигается методом выглаживания для рефлекторов простых форм.

Для защиты рефлекторов от неблагоприятных факторов окружающей среды их необходимо защитить без ухудшения отражательных свойств. Оптимальным в данном случае будет покрытие рефлекторов слоем диоксида кремния SiO₂. Напыление пленки этого материала производится в вакуумных печах. Второй рефлектор служит для отражения излучения, создаваемого внутренним рефлектором. Внешний корпус изделия будет выполнен из нержавеющей стали с содержанием титана марки 08Х18Н10Т.

Разработанная ванна ИК нагрева обладает большим, в сравнении с обычными ваннами, КПД использования рабочего раствора и отвечает требованиям современного производства изделий электронной техники. Данная ванна может использоваться на различных этапах производства интегральных схем, при выполнении операции обработки пластин в технологических растворах.

Литература

1.                   Зворыкин Д.Б., Прохоров Ю.И. Применение лучистого инфракрасного нагрева в электронной промышленности. – М.: Энергия, 1980. – 176 с.

2.                   Зворыкин Д.Б., Александрова А.Т., Байкальцев Б.П. Отражательные печи инфракрасного нагрева. – М.: Машиностроение, 1985. – 176 с.

3.         Дьяков В.И. Типовые расчеты по электрооборудованию. – М.: Машиностроение, 1985.

Поступила в редакцию 22.04.2013 г.