Halbleitertechnik

In einer Weiterentwicklung unseres CFD-Solvers für Phasenübergänge von Luftfeuchte haben wir diesen so erweitert, dass er Phasenübergänge für beliebige Flüssigkeiten darstellen kann. Damit läßt sich die Verdampfung des Lösungsmittels beispielsweise in einem Spin-Coater (Rotationsbeschichtungsmaschine) räumlich und zeitlich aufgelöst beschreiben, sodass Weiterentwicklung und Optimierungen solcher Systeme jetzt auch auf Basis von Simulationen vorangetrieben werden können.

Der Solver ist einsetzbar für alle instationären Fragestellungen in denen Phasenübergänge (Verdampfung, Kondensation, ...) von Flüssigkeiten wichtig sind - zB diverse Druckverfahren, Chemical Vapour Deposition (zur Herstellung von Diamant-, Siliciumcarbid-, Titannitrid- oder ähnlichen Beschichtungen), Extraktionsprozesse, Trockungsprozesse, Herstellung verschiedener Pharmazeutika und so weiter. Beispielhaft zeigen wir den Einsatz in der Fotolitographie mit einem Spin-Coater:

Vergleich der Wirbelmuster aus einem Experiment und der CFD Simulation.

Die Fotolithographie ist ein zentrales Verfahren in der Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik. Dabei wird, sehr vereinfacht dargestellt, ein Trägermaterial, in der Regel ein hochreiner Siliziumwaver, in vielen Wiederholungen mit verschiedenen Substanzen beschichtet. Dabei ist es für die Qualität entscheidend, dass die Beschichtung mit äußerst gleichmäßiger Schichtdicke erfolgt. Im dominierenden Verfahren, der Rotationsbeschichtung wird der Waver in rasche Rotation versetzt während in der Mitte des Wavers flüssiger, sogenannter Photoresist aufgegeben wird. Dieser wird von der Rotation nach außen geschleudert während das enthaltene Lösungsmittel verdampft und so der Lack fixiert wird.



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Durch die schnelle Rotation, die komplexen Luftstömungen um den Waver und die Geschwindigkeit mit der das Lösungsmittel verdampft entsteht ein komplexes System, das die Gleichmäßigkeit der Beschichtung beeinflusst. Das Bild ganz oben zu diesem Artikel zeigt so ein System, auf der linken Seite ein Photo aus einem Experiment [1] und auf der rechten Seite unsere Simulation dazu (siehe auch Video der Wirbel auf einer rotierenden Platte). Die axial-symmetrische Grundstruktur von Spin-Coatern bewirkt unterschiedliche Verdampfungsraten des Lösungsmittels, was wiederum die Viskosität des Photoresists beeinflusst und damit zu Unregelmäßigkeiten in der Beschichtung führt. Eben dieser Verdampfungsprozess wird von unserem Solver beschrieben und hilft so, bestehende Technik weiterzuentwicklen und zu optimieren.

Das obenstehende Video zeigt die ersten Sekunden eines Beschichtungsprozesses in einem Spin-Coater in der Draufsicht in Zeitlupe. Auf der rechten Seite des Videos ist die Rotation des Wavers inklusive des Hochspinnens visualisiert; auf der linken Seite wird das Abdampfen des Lösungsmittels (der Restanteil an nicht verdampftem Lösungsmittel) gezeigt. Dabei ist deutlich zu sehen wie das Lösungsmittel an den Rändern des Wavers durch die dort vorherrschende schnellere Strömungsgeschwindigkeit der Umgebungsluft, schneller verdampft.


[1] Gauthier et al., "Axisymmetric propagating vortices in the flow between a stationary and a rotating disk enclosed by a cylinder" in J. Fluid. Mech. (1999), vol. 386, p. 111