устройство охлаждения полупроводниковых пластин

Формула изобретения

Устройство охлаждения полупроводниковых пластин, содержащее корпус с периферийной пневмокамерой, соединенной с магистралью подачи газа или воздуха и с рабочей зоной с одной его внешней стороны для размещения пластины, сообщающейся с пневматической камерой посредством сопел, средства изменения расхода газа или воздуха, блок управления, датчики малых давлений, соединенные со средствами изменения расхода газа или воздуха через блок управления, отличающееся тем, что сопла периферийной пневмокамеры имеют наклон к центру, а центральное отверстие соединено с каналом отвода газа или воздуха, причем диаметр центрального отверстия больше суммарного диаметра всех сопел периферийной пневмокамеры.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано на литографических операциях при изготовлении полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.

Известно устройство для термообработки полупроводниковых пластин (SU 1799196), содержащее подложкодержатель, холодильник с полостью, соединенной со средствами для подачи хладагента, размещенный под подложкодержателем, и плоский резистивный нагреватель, размещенный между подложкодержателем и холодильником, полость в холодильнике выполнена в форме спиралевидного непрерывного канала квадратного сечения.

Недостатком данного устройства является возникновение механических напряжений в пленке фоторезиста, приводящих к деструктивным изменениям из-за температурных перепадов в местах неравномерного контакта пластины и подложкодержателя.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство для охлаждения полупроводниковых пластин (патент RU 2153209), содержащее корпус с центральной и периферийной пневмокамерами, соединенными с магистралями подачи газа или воздуха и с рабочей зоной с одной его внешней стороны для размещения пластины, сообщающейся с пневматическими камерами посредством сопел, средства изменения расходов газа или воздуха, блок управления, датчики малых давлений центральной и периферийной пневмокамер, соединенные со средствами изменения расхода газа или воздуха через блок управления.

Конструкция данного устройства неудачна с точки зрения физических законов теплообмена газовой прослойки и полупроводниковой пластины, поэтому для получения, например, перепадов температур менее 1^oС требует четыре раздельных пневмокамеры. В свою очередь, сложность изготовления и управления устройством определяется количеством пневмокамер. Чем больше количество пневмокамер, тем выше его стоимость.

Технической задачей является повышение эффективности процесса охлаждения полупроводниковой пластины и снижение стоимости устройства.

Поставленная задача достигается тем, что в устройстве охлаждения полупроводниковых пластин, содержащем корпус с периферийной пневмокамерой, соединенненной с магистралью подачи газа или воздуха и с рабочей зоной с одной его внешней стороны для размещения пластины, сообщающейся с пневматической камерой посредством сопел, средства изменения расхода газа или воздуха, блок управления, датчики малых давлений, соединенные со средствами изменения расхода газа или воздуха через блок управления, новым является то, что сопла переферийной пневмокамеры имеют наклон к центру, а центральное отверстие соединено с каналом отвода газа или воздуха, причем диаметр центрального отверстия больше суммарного диаметра всех сопел периферийной пневмокамеры.

В случае прототипа воздух или газ, двигаясь от центра к краю, в результате теплообмена с пластиной нагревается. Одновременно уменьшается скорость его течения за счет трения и увеличения объема, который газ или воздух заполняет, растекаясь между рабочей поверхностью устройства и пластиной с увеличением радиуса. Таким образом, в центре теплообмен проходит значительно интенсивней, уменьшаясь к краю за счет двух факторов: уменьшения разности температур за счет нагрева газа и охлаждения пластины и за счет снижения скорости течения газа. Поэтому необходимо применять дополнительные ряды отверстий, через которые подается дополнительные потоки газа, и увеличивать количество пневмокамер, т.к. дополнительными потоками необходимо управлять независимо. Большое количество рядов отверстий увеличивает вероятность возникновения турбулентных завихрений на стыке потоков, образуемых разными рядами отверстий, что приводит к непредсказуемой картине интенсивности теплообмена по радиусу пластин и снижает эффективность процесса охлаждения.

У предлагаемой конструкции воздух или газ, двигаясь от края к центру, в результате теплообмена с пластиной нагревается. Но одновременно увеличивается скорость его течения за счет уменьшения объема, который газ или воздух заполняет, растекаясь между рабочей поверхностью устройства и пластиной. Таким образом, в предлагаемой конструкции снижение интенсивности теплообмена из-за нагрева газа по ходу его движения компенсируется увеличением конвективной составляющей в процессе теплообмена за счет увеличения скорости его течения.

На фиг.1 схематично представлено предлагаемое устройство охлаждения полупроводниковых пластин на пневмовихревой газовой или воздушной прослойке; на фиг. 2 - представлена конфигурация рабочей поверхности; на фиг.3 - представлены зависимости температуры от времени в виде графиков для обоих устройств с использованием только одной камеры: центральной - для прототипа и периферийной - для заявляемого устройства.

Устройство охлаждения полупроводниковых пластин содержит корпус 1 с центральным отверстием 2, соединенным с каналом отвода газа или воздуха 10, и периферийной пневмокамерой 3, соединенной с магистралью подачи газа или воздуха 9 и с рабочей зоной с одной его внешней стороны для размещения полупроводниковой пластины 4, сообщающейся с переферийной пневматической камерой посредством сопел 11, блок управления 7, датчик малых разряжений 5, датчики малых давлений 6, соединенные со средствами изменения расхода газа или воздуха 8 через блок управления 7.

Устройство работает следующим образом.

В периферийную камеру подают избыточное давление путем изменения расхода газа или воздуха в соответствующей магистрали, а в центральном канале создается разряжение таким образом, чтобы расход газа или воздуха, который подают в переферийную камеру, и степень разряжения в центральном канале лежали в диапазоне соотношений, определяемых экспериментально для конкретного диаметра полупроводниковой пластины, конфигурации и диаметра воздухоподводящих сопел, исходя из минимального разброса температуры по радиусу пластины во время процесса охлаждения. Истекая через воздухоподводящие сопла периферийной пневмокамеры, газ или воздух образует вихревой поток, на который помещается полупроводниковая пластина. Вихревой поток, обтекая пластину, от края к центру нагревается. При этом разность температур между пластиной и потоком снижается, что снижает интенсивность теплообмена между пластиной и газом. Такое снижение интенсивности теплообмена компенсируется уменьшением площади теплообмена пластины вследствие уменьшения радиуса пластины по мере продвижения газа или воздуха от края к центру и увеличением скорости течения газа. При помещении полупроводниковой пластины на газовую прослойку, образованную вихревым потоком, изменяется давление в пневмокамере и центральном канале и температура истекаемого газа. Датчик малых разряжений 5 центрального канала и датчик малых давлений 6 периферийной пневмокамеры выдают значения давления или разряжения газа или воздуха на устройство управления, которое пересчитывает эти значения в расходы и, сравнивая их соотношение с заданным, выдает управляющее воздействие на средства изменения расходов газа или воздуха или разряжения 8, поддерживая таким образом заданное соотношение расхода газа или воздуха в периферийной пневмокамере и разряжения в центральном канале.

Таким образом, изменение направления движения воздуха позволяет компенсировать уменьшение интенсивности теплообмена за счет прогрева газа или воздуха уменьшением площади теплообмена и увеличением скорости движения газа по мере продвижения газа или воздуха к центру.

Пример. Для иллюстрации преимущества предлагаемого устройства перед прототипом приведены результаты экспериментов по охлаждению модели полупроводниковой пластины диаметром 100 мм. Конфигурация рабочей поверхности для обоих устройств одинаковая (фиг.2). Диаметр центрального отверстия 7 мм, диаметр периферийных отверстий 0,5 мм. Диаметр, на котором расположены периферийные отверстия для прототипа 76 мм, для заявляемого устройства 94 мм. На фиг. 3 для большей наглядности представлена зависимость температуры от времени в виде графиков для обоих устройств с использованием только одной камеры: центральной - для прототипа и периферийной - для заявляемого устройства. На каждом графике представлены данные для четырех точек замера (на радиусах: 0, 15, 30, 45 мм). Верхний график - для устройства-прототипа, когда воздух подается в центральную пневмокамеру (расход 0.00135 ³/с) и двигается от центра к периферии. Нижний график - для заявляемого устройства, когда воздух подается в периферийную пневмокамеру (расход 0.00415 м³/c) и выдувается по направлению к центру.

В таблице приведены максимальные разницы температур для прототипа и заявляемого устройства.

Как видно из приведенного примера, предлагаемое устройство охлаждения полупроводниковых пластин позволяет:

- получить меньший разброс температур во время охлаждения пластины по сравнению с прототипом без усложнения конструкции, т.е. повысить эффективность процесса охлаждения;

- снизить стоимость устройства;

- снизить затраты на управления.