Выбор дозатора для установки центрифугирования
Валерия Утгоф, инженер-технолог по микроэлектронике
v.utgof@dipaul.ru
При изготовлении изделий микроэлектроники центрифугирование является наиболее простым и многофункциональным методом поштучной жидкостной обработки образцов. Особенности данного метода заключаются в его универсальности, низкой стоимости оборудования и большом количестве различных вариантов обработки, реализуемых на одной установке — благодаря ее конструкции и большому набору возможных опций.
Основное применение метод жидкостной обработки находит в процессе фотолитографии, а также в качестве различных межоперационных стадий. Наиболее широко центрифугирование распространено в операциях травления, сушки, отмывки, очистки подложек, а также нанесения различных слоев. Помимо этого одним из ключевых применений является использование центрифуг в процессе фотолитографии на этапах нанесения и проявления фоторезиста. Кроме того, в центрифуге может проводиться очистка с помощью модуля мегазвуковой обработки, что позволяет удалять частицы субмикронного размера с тонких пластин или чувствительных структур.
По производительности установки центрифугирования можно разделить на лабораторные установки с преимущественно ручным методом нанесения рабочего вещества, полуавтоматические производственные установки и полностью автоматизированные установки с кассетной загрузкой, используемые в серийном производстве. В настоящий момент среди российских пользователей наибольшим спросом пользуются лабораторные установки с ручной и полуавтоматической подачей рабочих веществ, поскольку они универсальны, просты в эксплуатации и недороги. Оборудование для данного сегмента широко представлено немецкой компанией APT, дистрибьюторами продукции которой является компания «Диполь».
В общем случае модельный ряд установок центрифугирования компании APT можно разделить по типу подачи веществ на несколько стандартных конфигураций:
• Ручные/комбинированные. Центрифуги серии Spin150i и Spin200i могут быть скомбинированы с различными типами подачи рабочих веществ и в общем случае предназначены для экспериментального лабораторного применения.
• Полуавтоматические. Центрифуги серии Polos 200 Advanced с куполообразной крышкой, конструкция которых рассчитана на определенный автоматизированный процесс. Эти центрифуги, как правило, оснащаются одной или несколькими линиями подачи вещества и предназначаются для серийного проведения определенных операций.
• Автоматические. Установки серии Spin process station представляют собой полноценную рабочую станцию, действующую в автоматическом режиме. Корпус центрифуги встраивается в столешницу вытяжного шкафа, а сама установка может быть оснащена различными модулями подачи реактивов и газов. Такие установки изготавливаются на заказ под конкретные нужды заказчика и обладают высокой производительностью.
Рис. 1. Автоматическая станция центрифугирования Spin process station со встроенной системой подачи реактивов
Способ подачи вещества — это ключевой момент в выборе конфигурации центрифуги, а потому мы хотели бы более подробно познакомить читателей с различными вариантами систем подачи реагентов. В общем случае подбор системы подачи рабочего вещества определяется следующими факторами: тип и дозировка реагента, необходимая точность дозировки и повторяемость процесса, требуемая производительность.
Рис. 2. Центрифуга Polos 200 Advanced с куполообразной крышкой
Ручная подача веществ с помощью шприцов
К самым простым способам нанесения рабочего вещества относится нанесение при помощи шприцов. Шприц монтируется по центру крышки центрифуги, и подача осуществляется вручную. Стандартный объем шприца составляет 30 см³ и варьируется по требованию заказчика. В случае использования одновременно нескольких рабочих веществ возможна подача из трех шприцов с использованием специальной насадки. Такой способ нанесения рабочего вещества наиболее удобен, если центрифуга эксплуатируется в лабораториях или на пилотных производствах. Естественно, этот способ наиболее экономичен за счет низкой стоимости используемых инструментов и малого расхода рабочего вещества. Также следует отметить, что благодаря небольшому размеру инструментов обеспечивается ощутимая экономия рабочего пространства. В то же время работа в ручном режиме всегда сильно зависима от навыков оператора, что достаточно ощутимо влияет на стабильность и повторяемость результатов процесса. Ручной режим работы тоже негативно отражается на времени, затраченном оператором на выполнение всей процедуры, то есть на производительности. В случае если есть необходимость промывки или травления образцов, данный метод подачи проигрывает автоматизированным методам, поскольку малый объем шприцов позволяет работать только с небольшим количеством реактива.
Рис. 3. Центрифуга Spin150i с набором шприцов для ручной подачи веществ
Система автоматической подачи Opus
Конструкция системы автоматической подачи Opus включает поршневой насос, который обеспечивает прецизионную дозировку вещества. Система представлена тремя моделями, различающимися максимальным объемом подаваемой порции — 10, 20 или 50 мл. Кроме этого, система позволяет задавать скорость подачи рабочего вещества. Все части Opus, контактирующие с химическими веществами, выполнены из химически инертных материалов. Система имеет автоматизированную функцию отмывки, а также собственный контроллер, но при желании может быть подключена к панели управления центрифуги Spin150i/Spin200i. Подобный способ нанесения рабочего вещества наиболее предпочтителен при использовании центрифуги в условиях мелко- и среднесерийных производств. Наличие в комплекте адаптеров с различной резьбой позволяет использовать систему подачи Opus для R&D-центров и пилотных производств, поскольку в таких случаях требуется частая замена реактивов. В качестве емкостей для реактивов могут выступать как стандартные стеклянные/пластиковые бутылки, так и специализированная пластиковая тара. Подача в автоматическом режиме позволяет добиваться хорошей повторяемости результатов обработки. Поскольку управление системой подачи выполняется с контроллера и может быть внесено в рецепт, после отладки процесса не требуется непосредственного участия оператора, что не только оптимизирует его работу, но и экономит время. В собранном виде устройство подачи достаточно компактно и не занимает много места на рабочей поверхности. Благодаря функции промывки линии подачи, которая запускается нажатием одной кнопки, проводить техническое обслуживание такой системы достаточно просто. Стоимость самой системы невелика, а небольшой объем элементов подачи позволяет экономить реактивы. Несмотря на удобство автоматизированного нанесения, в связи с отграничением подаваемой порции вещества данная система не предназначена для нанесения большого количества реактивов, и, соответственно, ограниченно применяется в таких процессах, как травление образцов или отмывка.
Рис. 4. Центрифуга Spin150i, оснащенная автоматической системой подачи рабочего вещества Opus
Основные особенности центрифуг APT:
• бесшовный корпус из полипропилена/политетрафторэтилена;
• крышка, оснащенная электромагнитным замком;
• регулируемая скорость вращения от 0 до 12 000 об/мин;
• вращение по часовой и против часовой стрелки;
• съемная панель управления с сенсорным дисплеем;
• простое пошаговое программирование рецептов;
• возможность подключения большого числа линий для подачи реагентов, а также для продувки сжатым воздухом или азотом;
• возможность оснащения дополнительными форсунками, расположенными в чаше центрифуги;
• возможность оснащения модулем мегазвуковой очистки.
Система автоматической подачи Dispense Vessel
Система подачи вещества Dispense Vessel состоит из рабочей емкости, полностью выполненной из политетрафторэтилена (PTFE), и набора трубок. Принцип действия заключается в создании в рабочей емкости системы избыточного давления путем напуска сжатого воздуха или азота, благодаря которому реактив вытесняется в линию подачи из емкости (например, бутылки), где он находится. Реактив подается по трубке к пневматическому клапану, который установлен на центрифуге и управляется при помощи специального контроллера. Такая конструкция предоставляет возможность работать с большими объемами вещества, что делает данную систему очень востребованной при серийном изготовлении средних и крупных партий продукции, но в пределах ограничений, накладываемых производительностью одной центрифуги. Благодаря автоматизации система позволяет достичь высокой повторяемости результатов. Управление с контроллера и внесение шага подачи вещества в рецепт, как и в случае с системой Opus, делает Dispense Vessel очень удобной для использования оператором. Система выполнена их химически стойкого материала PTFE, что расширяет спектр используемых реактивов и предусматривает работу с химически агрессивными средами. Значительный внутренний объем устройства вмещает достаточно большое количество реактива, а значит, можно сократить время, затрачиваемое на замену или пополнение его запаса. Однако такая объемная система сравнима по габаритам с самой установкой центрифугирования, и это необходимо учитывать при размещении установки в небольшом пространстве (например, при работе в вытяжном шкафу). Также данная система подачи, в виду своей более основательной конструкции, менее гибкая в плане работы с различными реактивами и, соответственно, не столь удобна для применения в экспериментальных процессах. Поскольку данный способ подачи предполагает присутствие сжатого воздуха/азота, рабочее пространство должно быть снабжено технологической линией подачи, и, что немаловажно, подобную линию следует оснастить фильтром, ведь для правильной работы требуется, чтобы поступающий воздух/азот был чистым. Стоимость такой сложной автоматизированной системы со всеми необходимыми комплектующими достаточно высока и сравнима со стоимостью основного блока центрифуги.
Рис. 5. Система автоматической подачи рабочего вещества Dispense Vessel
В результате сравнения вышеперечисленных плюсов и минусов различных способов подачи, а также опираясь на собственный опыт сотрудничества с заказчиками, мы рекомендуем следующие базовые конфигурации центрифуг:
• для большинства лабораторных экспериментальных применений, а также для стадии нанесения фоторезиста — центрифуги серии Spin150i/Spin200i с ручной подачей веществ с помощью шприца или же в комбинации шприцевой подачи и автоматической системы Opus;
• для операций травления, отмывки, проявления фоторезиста — центрифуги серии Spin150i/Spin200i с автоматической системой Dispense Vessel;
• для работы с химически агрессивными средами — центрифуги серии Spin150i/Spin200i и Polos 200 Advanced в исполнении из материала PTFE с автоматической системой Dispense Vessel;
• для использования в серийном производстве — автоматические станции центрифугирования Spin process station со встроенной системой подачи реактивов.
