Πώς συγκρίνεται η αντίσταση στο κρύο ενός θερμαντήρα PTFE με την αντίστασή του στο ζεστό και γιατί έχει σημασία;

Ο καθαρισμός RCA είναι η βασική χημική διαδικασία δύο-βημάτων που απογυμνώνει μια γκοφρέτα πυριτίου σε μια ατομικά άψογη επιφάνεια, έτοιμη για την κατασκευή τρανζίστορ δισεκατομμυρίων-δολαρίων που ακολουθεί. Το SC1 (υδροξείδιο του αμμωνίου/υπεροξείδιο του υδρογόνου) χρησιμοποιείται για την αφαίρεση οργανικών σωματιδίων, το SC2 (υδροχλωρικό οξύ/υπεροξείδιο του υδρογόνου) για την αφαίρεση μεταλλικών ιόντων. Και τα δύο λουτρά θερμαίνονται στους 70-80 βαθμούς και είναι πολύ διαβρωτικά και οξειδωτικά. Ο θερμαντήρας εμβάπτισης μέσα σε αυτές τις ζωτικής σημασίας δεξαμενές καθαρισμού πρέπει να είναι μια απόρθητη ακρόπολη χημικής καθαρότητας, που δεν επιτρέπει σε κανένα μεταλλικό ιόν ή σωματίδιο να επιστρέψει στη γκοφρέτα. Το PTFE και το PFA υψηλής καθαρότητας είναι τα υλικά που ικανοποιούν αυτή τη μέγιστη απαίτηση.

Διαδικασία καθαρισμού RCA: Λουτρά SC1 και SC2
Το RCA clean, που αναπτύχθηκε από τον Werner Kern στα εργαστήρια RCA τη δεκαετία του 1970, παραμένει το χρυσό πρότυπο για τον προ{1}}καθαρισμό πλακών διάχυσης στην κατασκευή ημιαγωγών. Η διαδικασία αποτελείται από δύο διαδοχικά ζεστά χημικά λουτρά:

SC1 (Standard Clean 1) Μίγμα υδροξειδίου του αμμωνίου (NH 4 OH). υπεροξείδιο του υδρογόνου (H 2 O 2 ); απιονισμένο νερό (DI). συνήθως σε αναλογία 1:1:5. Το μπάνιο θερμαίνεται στους 70-80oC. Το SC1 είναι αλκαλικό (pH ~ 10-11) και σημαντικά οξειδωτικό. Αφαιρεί οργανικά υπολείμματα, σωματίδια και ορισμένα μέταλλα με οξείδωση σε συνδυασμό με επιφανειακή χάραξη. Το υπεροξείδιο του υδρογόνου αποσυντίθεται εύκολα σε υψηλή θερμοκρασία και έτσι κάνει το μπάνιο χημικά επιθετικό και βραχύβιο.

SC2 (Standard Clean 2): Μίγμα υδροχλωρικού οξέος (HCl), υπεροξειδίου του υδρογόνου (H2O2) και DI νερού συνήθως σε αναλογία 1:1:6. Επίσης θερμαίνεται στους 70-80 βαθμούς. Το SC2 είναι έντονα οξειδωτικό και όξινο (pH≈1−2). Εξαλείφει τα ιόντα αλκαλίων και μετάλλων μεταπτώσεως (π.χ. σίδηρο, χαλκό, νικέλιο, χρώμιο) που παραμένουν στην επιφάνεια της γκοφρέτας μετά το SC1.

Οι γκοφρέτες πλένονται με υπερκαθαρό νερό μετά από κάθε στάδιο. Η συνδυασμένη διαδικασία SC1/SC2 έχει ως αποτέλεσμα μια επιφάνεια πυριτίου που έχει ένα λεπτό χημικό οξείδιο για προστασία και πολύ χαμηλά επίπεδα μόλυνσης από σωματίδια και μέταλλα, συνήθως<1010 atoms/cm2 for metals and no particles larger than 0.1 µm.

Αυτό απαιτεί τη θέρμανση αυτών των μπανιέρων. Οι χημικές αντιδράσεις είναι πολύ αργές σε θερμοκρασία δωματίου και η αποτελεσματικότητα καθαρισμού είναι χαμηλή. Οι αντιδράσεις εκτελούνται με βέλτιστο ρυθμό στους 70-80 βαθμούς και η επιφάνεια του πλακιδίου είναι καλά ρυθμισμένη. Αλλά οι υψηλές θερμοκρασίες επιταχύνουν τη διάσπαση του υπεροξειδίου του υδρογόνου και τη διαβρωτικότητα των χημικών ουσιών. Ο θερμαντήρας εμβάπτισης πρέπει να είναι ανθεκτικός σε αυτό το περιβάλλον χωρίς να μολύνει το λουτρό.

Γιατί το βιομηχανικό πρότυπο για τα λουτρά SC1 και SC2 είναι ένας θερμαντήρας PTFE (PFA)
Η εφαρμογή ημιαγωγού καθαρισμού θερμαντήρα PTFE SC1 SC2 απαιτεί ένα υλικό χημικά αδρανές σε ισχυρά αλκάλια (SC1) και ισχυρά οξέα (SC2) και σε συμπυκνωμένο υπεροξείδιο του υδρογόνου σε υψηλές θερμοκρασίες. Ο καλύτερος τρόπος για την παροχή αυτής της υπηρεσίας είναι μέσω υπερφθοροαλκοξυ (PFA), ενός επεξεργάσιμου τήγματος φθοροπολυμερούς παρόμοιο με το PTFE. Δεδομένου ότι ο όρος χρησιμοποιείται γενικά, οι θερμαντήρες στη βιομηχανία ημιαγωγών ονομάζονται συχνά "θερμαντήρες PTFE" ακόμη και αν είναι το PFA που διαβρέχεται.

Χημική αντοχή σε αλκαλικά και όξινα οξειδωτικά λουτρά
Το PFA είναι πλήρως συμβατό με τις χημικές χημικές ουσίες SC1 και SC2:

Αντοχή SC1: Το υδροξείδιο του αμμωνίου είναι μια ισχυρή βάση. Το υπεροξείδιο του υδρογόνου είναι ένα ισχυρό οξειδωτικό. Το μείγμα είναι εξαιρετικά διαβρωτικό για τα περισσότερα μέταλλα και πολλά πολυμερή. Το PFA δεν έδειξε επιδείνωση, οίδημα ή απώλεια βάρους μετά από παρατεταμένη επαφή με θερμαινόμενο SC1.

Αντοχή στο SC2: Ο ανοξείδωτος χάλυβας, το τιτάνιο και ακόμη και ορισμένα κράματα νικελίου προσβάλλονται γρήγορα από υδροχλωρικό οξύ στους 70-80 βαθμούς. Το PFA είναι ανθεκτικό στο HCl και στην οξειδωτική δράση του H2O2.

Σε σύγκριση με τους μεταλλικούς θερμαντήρες, μια θήκη PFA δεν εισάγει απολύτως κανένα μεταλλικό ιόν στο μπάνιο. Αυτό είναι ζωτικής σημασίας επειδή οποιοδήποτε ιόν σιδήρου, νικελίου, χρωμίου ή χαλκού που εκπλένεται από μια θερμάστρα θα αποτεθεί ξανά στην επιφάνεια της πλακέτας κατά τον καθαρισμό, υπονομεύοντας τον στόχο της φάσης αφαίρεσης μετάλλου SC2.

Παραγωγή σωματιδίων εξαιρετικά-λείας μη-πορώδους επιφάνειας
Το PFA εξωθείται ή υποβάλλεται σε μηχανική επεξεργασία με λεία, μη{0}}πορώδη επιφάνεια επιφάνειας (γενικά Ra ~ 0,5 μm). Δεν απελευθερώνονται σωματίδια ή νιφάδες από την επιφάνεια στο λουτρό. Οι μεταλλικοί θερμαντήρες, ωστόσο, μπορούν να αναπτύξουν κοιλότητες ή κλίμακα οξειδίου που μπορεί να ρίξει μικρά σωματίδια. Εάν η επίστρωση είναι σε κίνδυνο, οι θερμαντήρες μετάλλων με επίστρωση PTFE{{5} (λεπτό στρώμα φθοριοπολυμερούς πάνω από έναν μεταλλικό πυρήνα) μπορούν ακόμα να παράγουν σωματίδια. Το συμπαγές περίβλημα PFA είναι ομοιογενές και δεν χωρίζεται σε στρώματα.

Πλήρως αποστραγγιζόμενο, ρωγμή-Δωρεάν σχεδίαση
Οι θερμαντήρες εμβάπτισης PFA για χρήση σε εφαρμογές ημιαγωγών κατασκευάζονται χωρίς ρωγμές. Οποιαδήποτε ρωγμή, ραφή ή νεκρό πόδι- στο συγκρότημα του θερμαντήρα θα διατηρούσε υπολείμματα καθαριστικών χημικών ή υγρασίας, τα οποία θα μπορούσαν να μολύνουν τα επόμενα λουτρά ή να αναπτύξουν βακτήρια (σε ξεβγάλματα με νερό DI). Οι βρεγμένες επιφάνειες του θερμαντήρα είναι λείες, συνεχείς και πλήρως αποστραγγιζόμενες. Η φλάντζα στερέωσης είναι συνήθως υψηλής-καθαρότητας PFA ή ηλεκτρογυαλισμένος ανοξείδωτος χάλυβας και βρίσκεται πάνω από τη στάθμη του υγρού. Ένα στεγανοποιητικό χείλος PFA εμποδίζει το μέταλλο να έρθει σε επαφή με χημικά.

Σημείωση καθαρότητας: Συναρμολόγηση Cleanroom, Test & Double Bagging
Για χρήση σε λουτρά SC1 και SC2, ο θερμαντήρας PFA πρέπει να παράγεται και να συσκευάζεται κάτω από πολύ καθαρές συνθήκες. Το ακόλουθο πρωτόκολλο είναι συμβατικό για εξοπλισμό ημιαγωγών:

Περιβάλλον συναρμολόγησης Η συναρμολόγηση του θερμαντήρα πραγματοποιείται σε καθαρό δωμάτιο κλάσης ISO 5 (Κλάση 100) ή καλύτερης στρωτής ροής. Όλο το προσωπικό της συναρμολόγησης φορά ρούχα καθαρισμού (κουνελάκια, γάντια, μάσκες προσώπου) και τηρεί τους αυστηρούς κανονισμούς για την αποφυγή εισαγωγής σωματιδίων.

Testing of particle and metal ions: After installation the heater is flushed with ultra pure water. The rinse water is tested for particle counts (e.g., ≥0.1 µm particles per cm² of wetted surface) and for extractable metal ions using ICP-MS (inductively coupled plasma mass spectrometry). Typical acceptability criteria: < 10 particles >0,1 µm/cm^2 < 1 μέρος-ανά-δισεκατομμύριο οποιουδήποτε μετάλλου μετάπτωσης.

Διπλή συσκευασία: Η καθαρή, στεγνή και ελεγμένη θερμάστρα σφραγίζεται σε μια πρώτη καθαρή εσωτερική σακούλα από πολυαιθυλένιο, ασφαλές για ESD, χαμηλά-σωματίδια. Η εσωτερική σακούλα είναι θερμικά σφραγισμένη. Ο θερμαντήρας τοποθετείται στη συνέχεια σε μια δεύτερη, καθαρή εξωτερική σακούλα και σφραγίζεται ξανά. Και οι δύο σακούλες φέρουν τον σειριακό αριθμό του θερμαντήρα, την ημερομηνία πιστοποίησης καθαριότητας και οδηγίες χειρισμού (π.χ. "Ανοιχτό μόνο σε καθαρό δωμάτιο").

Εξωτερική συσκευασία: Ο θερμαντήρας σε διπλή σακούλα τοποθετείται σε δοχείο αποστολής με επένδυση αφρού για να ελαχιστοποιηθεί η μηχανική βλάβη.

Η θερμάστρα παρέχεται στον πελάτη σε σφραγισμένες δίδυμες σακούλες. Ο θερμαντήρας εισάγεται στο fab cleanroom μέσω μιας διέλευσης-ή του χώρου εσώρουχων. Στην είσοδο στο καθαρό δωμάτιο αφαιρείται η εξωτερική σακούλα και η εσωτερική σακούλα ανοίγει μόνο στο σημείο εγκατάστασης μέσα στον υγρό πάγκο. Αυτή η αυστηρή προσέγγιση εγγυάται ότι ο θερμαντήρας δεν μολύνει το λουτρό SC1 ή SC2.

Λειτουργίες σχεδίασης θερμαντήρα για υπηρεσία SC1 / SC2.
Αιτία απαίτησης χαρακτηριστικών
Διαβρεγμένη ουσία Στερεό PFA (υπερφθοροαλκοξυ) ή PTFEC Χημική αδρανής, χαμηλή παραγωγή σωματιδίων, χωρίς μεταλλικά ιόντα
Πυκνότητα περιβλήματος watt < 5 W/cm2 (κανονική 3-4 W/cm2) Αποτρέπει τον τοπικό βρασμό και τη θερμική αλλοίωση του θερμαντικού στοιχείου H 2 O 2 Πλήρως ενθυλακωμένο κράμα νικελίου-χρωμίου (NiCr) Ανθεκτικό στη διάβρωση μέσα στο κλειστό περίβλημα PFA.
Ψυχρή ζώνη (δεν θερμαίνεται) Μήκος πάνω από τη στάθμη του υγρού Μεγαλύτερο ή ίσο με 150 mm Αποτρέπει την ξηρή-πυρκαγιά Προστατεύει το τοίχωμα της δεξαμενής από τη θερμότητα όταν πέφτει η στάθμη του υγρού
Φλάντζα στερέωσης PFA ή ηλεκτρογυαλισμένο 316L SS (πάνω από υγρό)Χημική αντοχή. εάν είναι μέταλλο, αφαιρούνται από αναθυμιάσεις
Φινίρισμα επιφάνειας Ra=0.5 μm μέγ., χωρίς ρωγμές ή νήματα σε βρεγμένο μονοπάτι Αποτρέπει τη δημιουργία-υπολειμμάτων και την παγίδευση σωματιδίων
Cable Flexible PFA jacket, cleanroom-grade insulation Ανθεκτικό στις πιτσιλιές στα χημικά Χαμηλή απαέρια
Κιβώτιο ακροδεκτών Εξωτερικός υγρός πάγκος, σφραγισμένος κατά IP65 ή καλύτερα Προστατεύει τις ηλεκτρικές συνδέσεις από διαβρωτικούς καπνούς
Ο ρόλος της σταθερής, καθαρής θερμότητας στον καθαρισμό της γκοφρέτας
Ο θερμαντήρας PFA χρησιμοποιείται για να δώσει σταθερή και ομοιόμορφη θερμότητα στα λουτρά SC1 και SC2. Η θερμοκρασία στο λουτρό ρυθμίζεται συνήθως από έναν ελεγκτή PID με ένα θερμοστοιχείο επικαλυμμένο με PFA ή με έγκλειστο PFA. Το σημείο ρύθμισης διατηρείται εντός ±0,5 μοιρών. Αυτή η σταθερότητα είναι πολύ σημαντική γιατί:

Αποδοτικότητα SC1: Το λουτρό SC1 ανυψώνει τα σωματίδια και δημιουργεί ένα ρυθμισμένο στρώμα διοξειδίου του πυριτίου στη σωστή θερμοκρασία (70–80 μοίρες). Πολύ κρύο και δεν αφαιρούνται όλα τα σωματίδια. Εάν είναι υπερβολικά ζεστό, το υπεροξείδιο αποσυντίθεται πολύ γρήγορα, γεγονός που μειώνει τη διάρκεια ζωής του μπάνιου και μπορεί να τραχύνει την επιφάνεια της γκοφρέτας.

Αποδοτικότητα SC2: Η θερμοκρασία είναι ένας παράγοντας στην κινητική της αποβολής μεταλλικών ιόντων. Μια σταθερή, ομοιογενής θερμοκρασία μπάνιου παρέχει αναπαραγώγιμη, προβλέψιμη αφαίρεση μετάλλου για μια πλήρη παρτίδα γκοφρέτες.

Μακροζωία στο μπάνιο: Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία, τόσο πιο γρήγορα διασπάται το υπεροξείδιο του υδρογόνου. Ο θερμαντήρας μπορεί να διατηρήσει το σημείο ρύθμισης με ακρίβεια, χωρίς υπέρβαση, ελαχιστοποιώντας τα απόβλητα υπεροξειδίου και παρατείνοντας τη διάρκεια ζωής του μπάνιου.

Ο θερμαντήρας PFA είναι ένα χημικά ήσυχο, χωρίς σωματίδια-νησί ζεστασιάς που δεν συνεισφέρει παρά την ακριβή, καθαρή θερμότητα που απαιτείται για την εξαγωγή κάθε τελευταίου ατόμου ρύπων από την άψογη επιφάνεια της γκοφρέτας.

Σύγκριση με άλλα υλικά θερμαντήρα στο SC1/SC2
Υλικό SC1 (Alkaline Oxidising) SC2 (Acidic Oxidising) Metal Ion Release Generation of Particles Fab Acceptance
Καλό PFA/PTFE SolidExcellent NoneStandard Πολύ χαμηλό
Καλός χαλαζίας (αργή χάραξη με SC1) Καλός (Χάραξη SC2 με την πάροδο του χρόνου) Κανένας (αλλά πιθανά σωματίδια πυριτικού) Μέτρια (απελευθέρωση σωματιδίων χαρακτικής επιφάνειας) Εύθραυστο ( περιορισμένο )
Τιτάνιο Κακό (καθιστά τιτανικά, διαβρωτικά) Κακή (κοκκίδα σε HCl/H2O2) Απελευθερώνει ιόντα Ti Υψηλά Δεν χρησιμοποιείται
Φθοριούχο πολυβινυλιδένιο (PVDF) Καλό για SC1, περιορισμένο στους 80 βαθμούς SC2 εξαιρετικό, αλλά χαμηλότερο όριο θερμοκρασίας Κανένα Μέτριο Χαμηλότερη βαθμολογία θερμοκρασίας
Οι θερμαντήρες χαλαζία έχουν χρησιμοποιηθεί σε ορισμένους υγρούς πάγκους ημιαγωγών στο παρελθόν, αλλά είναι ευάλωτοι στη χάραξη τόσο από το SC1 όσο και από το SC2, ειδικά στους 80 βαθμούς. Κατά τη χάραξη, σωματίδια πυριτίου απελευθερώνονται στο λουτρό και η επιφάνεια του θερμαντήρα τραχύνεται, παρέχοντας θέσεις για τη συλλογή σωματιδίων. Ο χαλαζίας είναι επίσης εύθραυστος και μπορεί να σπάσει από θερμικό σοκ. Οι θερμαντήρες PFA είναι πιο ανθεκτικοί, έχουν μεγαλύτερη διάρκεια ζωής και έχουν βελτιωμένη απόδοση σωματιδίων.

Συμπέρασμα: Το Ultra-Pure Heart of a R CA Clean
Ο εμβαπτιζόμενος θερμαντήρας PFA είναι η βασική πηγή θερμότητας για τη διαδικασία καθαρισμού γκοφρετών RCA, εξαιρετικά-καθαρός και αδιαπέραστος από χημικά, διευκολύνοντας άμεσα τη δημιουργία των πιο προηγμένων μικροτσίπ στον κόσμο. Το περίβλημα PFA δεν απελευθερώνει μεταλλικά ιόντα και δεν παράγει σχεδόν καθόλου σωματίδια, ενώ αντέχει τα εξαιρετικά διαβρωτικά και οξειδωτικά λουτρά SC1 και SC2 στους 70–80 βαθμούς. Ο ίδιος ο θερμαντήρας δεν μολύνει το εξαιρετικά-καθαρό περιβάλλον καθαρισμού χάρη στην-ελεύθερη, πλήρως αποστραγγιζόμενη σχεδίαση και τη διάταξη καθαρού δωματίου με διπλή-σακούλα. Αυτή η σταθερή, καθαρή θερμότητα δημιουργεί ομοιόμορφες, άψογα καθαρές επιφάνειες γκοφρέτας{11}}το θεμέλιο για κάθε επόμενη διαδικασία φωτολιθογραφίας, χάραξης και εναπόθεσης.

Η ατομική τελειότητα ενός τσιπ πυριτίου ξεκινά με την καθαρότητα του ζεστού χημικού λουτρού που το καθαρίζει. Στις δεξαμενές SC1 και SC2, σε κάθε προηγμένο εργοστάσιο ημιαγωγών, ο θερμαντήρας PFA δεν προσθέτει τίποτα άλλο παρά ζεστασιά, διατηρώντας διακριτικά την καθαριότητα που επιτρέπει σε δισεκατομμύρια τρανζίστορ να λειτουργούν χωρίς ούτε ένα θανατηφόρο ελάττωμα.