Курицын Д.В.
РАЗРАБОТКА МНОГОЗОННОГО КЕРАМИЧЕСКОГО НАГРЕВАТЕЛЯ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛАСТИН *
Аннотация:
в статье представлен анализ конструктивных особенностей и материалов многозонного керамического нагревателя, предназначенного для прецизионного температурного контроля при обработке полупроводниковых пластин. Исследованы ключевые требования к термической однородности нагревательной поверхности, механической прочности и химической стойкости в условиях технологических процессов микроэлектроники.
Ключевые слова:
многозонный нагреватель, термообработка, нитрид алюминия, теплопроводность, термическая стабильность, микроэлектроника
Современные технологии микроэлектроники предъявляют строгие требования к термообработке полупроводниковых пластин, поскольку точность температурного режима определяет стабильность параметров интегральных схем и качество фотолитографических процессов. В частности, процессы сушки фоторезиста требуют нагрева пластин до температуры порядка 100–350 °C, при этом малейшие флуктуации температурного поля могут привести к вариациям толщины и неоднородности полимерного слоя. Поддержание однородности нагрева во всей области обработки критически важно для минимизации термомеханических напряжений в пластинах, предотвращения деградации материалов и повышения воспроизводимости технологических процессов.Ранее в составе установок термообработки широко применялись металлические нагреватели, в частности, нагревательные элементы на основе нихромовой спирали, расположенной на металлической подложке из алюминиевого сплава Д16. Однако такое решение обладает рядом значительных недостатков, включая длительный период выхода на рабочий режим, неравномерное распределение тепла и высокую чувствительность к окислению и деградации нагревательных элементов. В связи с этим в последние годы внимание разработчиков сосредоточено на применении керамических нагревательных элементов, обеспечивающих более равномерное распределение температуры за счет высокой теплопроводности материала подложки.Использование многозонного нагрева позволяет динамически корректировать температурный профиль в зависимости от расположения полупроводниковой пластины и параметров технологического процесса. Это особенно важно при увеличении диаметра пластин, когда неравномерность распределения теплового потока может привести к существенным отклонениям характеристик конечного устройства. Таким образом, выбор материала подложки нагревателя является ключевым фактором для достижения высокой стабильности и точности термообработки.Среди материалов, применяемых в нагревательных системах, наибольший интерес представляют алюмооксидная керамика (Al₂O₃), нитрид алюминия (AlN), карбид кремния (SiC) и алюминиевый сплав Д16. Каждый из этих материалов обладает уникальными характеристиками, влияющими на теплопередачу, механическую прочность и химическую стойкость нагревательной системы.Алюминиевый сплав Д16 обладает высокой теплопроводностью, однако его существенным недостатком является высокий коэффициент термического расширения, который может вызывать значительные термомеханические напряжения в процессе циклического нагрева и охлаждения. Кроме того, алюминий подвержен окислению при длительном нагреве, что ограничивает его эксплуатационный ресурс в высокотемпературных условиях.В качестве основы для проектируемого блока был выбран ранее созданный блок термообработки, применяемый в кластерных системах нанесения и проявления резистивных плёнок, разработанный ОАО «НИИПМ» (г. Воронеж) (рис. 1). В этом блоке в качестве нагревательного элемента использовалась нихромовая спираль (рисунок 2). Такое решение обеспечивает равномерный нагрев, однако требует значительного времени, что становится недопустимым при повышении производительности установок.Рисунок 1. Блок термообработки.Рисунок 2. Нагревательный элемент.Для устранения недостатков нагревателя с нихромовой спиралью предлагается другая конструкция блока (рисунок 3) с плоским керамическим нагревателем (рисунки 4 и 5). Для обеспечения чистоты процесса в конструкции оставлена крышка 1, аккумулирующая плита 2, механизм герметизации 3, механизм подъёма для плавного перемещения пластины (или фотошаблона) 4.Непосредственно тепловая часть нагревателя представляет собой сборку из 4 плоских керамических нагревателей и подложки из нитрида алюминия. Рисунок 3. Предварительная конструкция блока.Рисунок 4. Нагревательный элемент с подложкой.Рисунок 5. Нагревательный элемент без подложки.Исследование конструкции проводилось в CAD SolidWorks в модуле SolidWorks Simulation.На рисунках 6 и 7 приведены примеры моделирования температуры в плите. При выделяемой мощности 500 Вт с каждого нагревателя плита разогревается до 300 градусов приблизительно за 140 секунд.Рисунок 6. Зондирование подложки при мощности 500 Вт.Рисунок 7. График набора температуры.Исследование равномерности распределения температуры. На каждом нагревателе добавим термическую нагрузку – температуру 300°С.Рисунок 8. Распределение температуры по поверхности для 300°.Для задубливания и сушки применяют температуру 90-120°С, поэтому промоделируем распределение на температуре 120°. Рисунок 9. Распределение температуры по поверхности для 120°.Из результатов на рисунке 8 видно, что неравномерность температуры наблюдается на поверхности вблизи с отверстиями для подъёмного механизма при температуре 300°, а при 120° распределение температуры выглядит почти идеальным (рисунок 9). На основе проведенных исследований планируется корректировка и модернизация конструкции.Анализ материалов подложки показал, что наилучшим вариантом для нагревательной системы является нитрид алюминия. Хотя он и является дорогим материалом, по совокупности эксплуатационных характеристик он значительно превосходит большинство альтернатив. Его высокая теплопроводность, термостойкость, низкий коэффициент теплового расширения, химическая инертность и стабильность в условиях чистых помещений делают его оптимальным выбором для применения в качестве термораспределяющей подложки в высокоточных нагревательных системах. Именно сочетание этих параметров обеспечивает надёжную и равномерную термообработку полупроводниковых пластин, чего невозможно достичь при использовании более дешёвых, но менее устойчивых материалов. Карбид кремния (SiC) также представляет собой перспективный материал для термонагревательных систем. Однако его высокая жёсткость, хрупкость и крайне сложная механическая обработка существенно увеличивают стоимость изготовления. Кроме того, из-за полупроводниковой природы и ограниченной доступности высокооднородных керамических заготовок, карбид кремния чаще используется в специальных и дорогостоящих решениях, например, в вакуумных или плазменных установках, где критична экстремальная термостойкость. Сплав алюминия Д16 подвержен окислению и имеет высокий коэффициент термического расширения, а нитрид алюминия демонстрирует высокие характеристики по долговечности и устойчивости к химическим средам.Применение AlN в качестве подложки позволяет повысить энергоэффективность системы за счет минимизации тепловых потерь, а также увеличить срок службы нагревателя благодаря высокой стабильности характеристик в течение длительного времени эксплуатации, в отличии от Д16, который может изменять свои свойства под воздействием температуры.Заключение. Рассмотрены ключевые аспекты разработки многозонного керамического нагревателя для термообработки полупроводниковых пластин в диапазоне температур 100–350°C. Проведен анализ конструктивных решений, направленных на повышение равномерности распределения температуры, улучшение стабильности и долговечности нагревательных элементов. Показано, что применение керамических материалов вместо традиционных металлических нагревателей, в частности, на основе Д16, позволяет значительно повысить качество термообработки за счет более высокой теплопроводности и устойчивости материала к агрессивным средам.На основе сравнительного анализа материалов подложки обоснован выбор нитрида алюминия, обеспечивающего оптимальное сочетание теплопроводности, термической стабильности и механической прочности.
Номер журнала Вестник науки №5 (86) том 3
Ссылка для цитирования:
Курицын Д.В. РАЗРАБОТКА МНОГОЗОННОГО КЕРАМИЧЕСКОГО НАГРЕВАТЕЛЯ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛАСТИН // Вестник науки №5 (86) том 3. С. 1581 - 1590. 2025 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/23188 (дата обращения: 17.07.2025 г.)
Вестник науки © 2025. 16+