Как се използват PTFE нагреватели за нагряване на SC1 и SC2 почистващи бани в полупроводникови фабрики?

RCA clean е основната дву-етапна химическа процедура, която отстранява силиконова пластина до атомно безупречна повърхност, готова за последващото производство на транзистор за милиард-долара. SC1 (амониев хидроксид/водороден пероксид) се използва за отстраняване на органични частици, SC2 (солна киселина/водороден пероксид) за отстраняване на метални йони. И двете бани се нагряват до 70-80 градуса и са силно корозивни и окисляващи. Потопяемият нагревател в тези жизненоважни резервоари за почистване трябва да бъде непревземаема цитадела с химическа чистота, която не позволява никакви метални йони или частици обратно върху пластината. PTFE и неговата относителна висока чистота PFA са материалите, които отговарят на това максимално изискване.

RCA процес на почистване: бани SC1 и SC2
RCA clean, разработен от Вернер Керн в RCA Laboratories през 70-те години на миналия век, остава златният стандарт за пред-дифузионно почистване на пластини при производството на полупроводници. Процедурата се състои от две последователни горещи химически бани:

SC1 (Standard Clean 1) Смес от амониев хидроксид (NH 4 OH); водороден пероксид (H 2 O 2 ); дейонизирана (DI) вода; обикновено в съотношение 1:1:5. Банята се загрява до 70-80oC. SC1 е алкален (pH ~ 10-11) и значително окисляващ. Отстранява органични остатъци, частици и определени метали чрез окисление, комбинирано с повърхностно ецване. Водородният прекис се разлага лесно при висока температура и по този начин прави банята химически агресивна и краткотрайна.

SC2 (Стандартно почистване 2): Смес от солна киселина (HCl), водороден пероксид (H2O2) и DI вода обикновено в съотношение 1:1:6. Също така се загрява до 70-80 градуса. SC2 е силно оксидиращ и кисел (pH≈1−2). Той елиминира йони на алкални и преходни метали (напр. желязо, мед, никел, хром), останали на повърхността на пластината след SC1.

Вафлите се измиват с ултрачиста вода след всеки етап. Комбинираният процес SC1/SC2 води до силиконова повърхност, която има тънък химически оксид за защита и много ниски нива на замърсяване с частици и метали, обикновено<1010 atoms/cm2 for metals and no particles larger than 0.1 µm.

Това налага отоплението на тези вани. химичните реакции са твърде бавни при стайна температура и ефективността на почистване е ниска. Реакциите се извършват с оптимална скорост при 70-80 градуса и повърхността на вафлата е добре кондиционирана. Но високите температури ускоряват разграждането на водородния пероксид и корозивността на химикалите. Потопяемият нагревател трябва да е устойчив на тази среда, без да замърсява ваната.

Защо индустриалният стандарт за бани SC1 и SC2 е PTFE (PFA) нагревател
PTFE нагревател SC1 Приложението на SC2 за почистване на полупроводници изисква материал, химически инертен към силни основи (SC1) и силни киселини (SC2) и към концентриран водороден пероксид при повишени температури. Най-добрият начин за предоставяне на тази услуга е чрез перфлуороалкокси (PFA), флуорополимер, който може да се стопи, подобен на PTFE. Тъй като терминът се използва общо, нагревателите в полупроводниковата индустрия често се наричат ​​"PTFE нагреватели", дори ако PFA е намокрен.

Химическа устойчивост на алкални и киселинни окислителни бани
PFA е напълно съвместим с химикалите SC1 и SC2:

SC1 устойчивост: Амониевият хидроксид е силна основа. Водородният пероксид е мощен окислител. Сместа е силно корозивна за повечето метали и много полимери. PFA не показва влошаване, оток или загуба на тегло след продължителен контакт с нагрят SC1.

Устойчивост на SC2: Неръждаема стомана, титан и дори някои никелови сплави бързо се атакуват от солна киселина при 70-80 градуса. PFA е устойчив на HCl и на окислителния ефект на H₂O₂.

В сравнение с металните нагреватели, PFA обвивката не въвежда абсолютно никакви метални йони във ваната. Това е от решаващо значение, тъй като всеки йон на желязо, никел, хром или мед, излужен от нагревател, ще се отложи отново върху повърхността на пластината по време на почистване, подкопавайки целта на фазата на отстраняване на метала SC2.

Производство на ултра{0}}гладка непо{1}}пореста повърхност
PFA е екструдиран или обработен с гладка, непореста повърхност (обикновено Ra ? 0,5 ​​µm). От повърхността във ваната не се отделят частици или люспи. Металните нагреватели обаче могат да образуват точкова или оксидна нагар, която може да отдели малки частици. Ако покритието е нарушено, металните нагреватели с PTFE- покритие (тънък слой от флуорополимер върху метална сърцевина) все още могат да произвеждат частици. Твърдата PFA обвивка е хомогенна и не се разделя на слоеве.

Напълно дренируем, дизайн-без пукнатини
PFA потопяеми нагреватели за използване в полупроводникови приложения са конструирани без пукнатини. Всяка пукнатина, шев или мъртъв-крак в модула на нагревателя ще задържи остатъчни почистващи химикали или влага, които могат да замърсят последващи бани или да развият бактерии (при изплаквания с DI вода). Намокрените повърхности на нагревателя са гладки, непрекъснати и напълно дренируеми. Монтажният фланец обикновено е PFA с висока-чистота или електрополирана неръждаема стомана и е над нивото на течността. PFA уплътнение предпазва метала от контакт с химикали.

Бележка за чистота: Сглобяване в чиста стая, тест и двойно опаковане
За използване във вани SC1 и SC2 нагревателят PFA трябва да бъде произведен и опакован при много чисти условия. Следният протокол е конвенционален за полупроводниково оборудване:

Среда за сглобяване Сглобяването на нагревателя се извършва в чиста стая с ламинарен поток по ISO клас 5 (клас 100) или по-добра. Целият монтажен персонал носи облекло за чисти помещения (костюми на зайчета, ръкавици, маски за лице) и се придържа към строгите разпоредби, за да избегне въвеждането на частици.

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 част-на-милиард всеки преходен метал.

Двойно опаковане: Чистият, сух и тестван нагревател е запечатан в първа чиста вътрешна торба от ESD безопасен полиетилен с ниско-частици. Вътрешната торба е термично запечатана. След това опакованият нагревател се поставя във втори, чист външен плик и се запечатва отново. И двете торбички са маркирани със серийния номер на нагревателя, датата на сертифициране за чистота и инструкции за работа (напр. „Отворете само в чиста стая“).

Външна опаковка: Нагревателят в двойна торба е поставен в контейнер за транспортиране, облицован с пяна, за да се минимизират механичните повреди.

Нагревателят се доставя на клиента в запечатани двойни торби. Нагревателят се вкарва във фабричната чиста стая през-преходна зона или зона за халати. При влизане в чистата стая външната торба се отстранява, а вътрешната торба се отваря само в точката на монтаж вътре в мократа маса. Този стриктен подход гарантира, че нагревателят не замърсява ваната SC1 или SC2.

Характеристики на дизайна на нагревателя за услуга SC1 / SC2.
Причина за изискване на функцията
Овлажнено вещество Твърд PFA (перфлуороалкокси) или PTFEC Химически инертен, ниско производство на частици, без метални йони
Плътност във ватове на обвивката < 5 W/cm2 (нормално 3-4 W/cm2) Предотвратява локално кипене и термично влошаване на H 2 O 2 Нагревателен елемент Напълно капсулована никел-хромова (NiCr) сплав Устойчива на корозия вътре в затворената PFA обвивка.
Студена зона (не се нагрява) Дължина над нивото на течността По-голяма или равна на 150 mm Предотвратява сух-огън Предпазва стената на резервоара от топлина, когато нивото на течността спадне
Монтажен фланец PFA или електрополиран 316L SS (над течността) Химическа устойчивост; ако е метал, отстранете изпаренията
Повърхностно покритие Ra=0.5 µm макс., без пукнатини или нишки в намокрения път Предотвратява натрупването-на остатъци и улавянето на частици
Гъвкава PFA обвивка на кабела, изолация от-клас за чисти помещения Устойчив на пръски химикали Слабо отделяне на газове
Клемна кутия Външен мокър стенд, запечатан до IP65 или по-добър Предпазва електрическите връзки от корозивни изпарения
Ролята на стабилната, чиста топлина при почистването на вафли
PFA нагревателят се използва за осигуряване на стабилна и равномерна топлина на ваните SC1 и SC2. Температурата във ваната обикновено се регулира от PID контролер с термодвойка с покритие от PFA или PFA. Зададената точка се поддържа в рамките на ±0,5 градуса. Тази стабилност е много важна, защото:

SC1 ефективност: SC1 банята повдига частиците и изгражда регулиран слой силициев диоксид при правилната температура (70–80 градуса). Твърде студено и не всички частици са отстранени. Ако е прекалено горещо, пероксидът се разлага твърде бързо, което намалява живота на банята и може да направи повърхността на вафлата груба.

SC2 ефективност: Температурата е фактор в кинетиката на елиминирането на метални йони. Постоянната, хомогенна температура на банята осигурява възпроизводимо, предвидимо отстраняване на метала за пълна партида вафли.

Дълготрайност на банята: Колкото по-висока е температурата, толкова по-бързо се разгражда водородният пероксид. Нагревателят може да поддържа зададената точка прецизно, без превишаване, минимизирайки отпадъците от пероксид и удължавайки живота на ваната.

Нагревателят PFA е химически тих, свободен от частици{0}}остров топлина, който не допринася нищо освен прецизната, чиста топлина, необходима за извличане на всеки последен атом замърсители от безупречната повърхност на вафлата.

Сравнение с други нагревателни материали в SC1/SC2
Материал SC1 (алкално окисляване) SC2 (киселинно окисляване) Освобождаване на метални йони Генериране на частици Fab Acceptance
Добър PFA/PTFE Плътен Отличен Няма Стандартен Много нисък
Кварц Добър (бавно ецване с SC1)Добър (SC2 ецване с течение на времето)Няма (но потенциални силикатни частици)Умерено (освобождаване на частици от повърхностно ецване)Чуплив (ограничен)
Титан Лош (прави титанати, корозивни) Лош (питинг в HCl/H2O2) Освобождава Ti йони Силно Не се използва
Поливинилиден флуорид (PVDF) Добър за SC1, ограничен до 80 градуса SC2 страхотен, но по-ниска температурна граница Няма Умерено По-ниска температурна оценка
Кварцовите нагреватели са били използвани в някои полупроводникови мокри пейки в миналото, но са уязвими на ецване от SC1 и SC2, особено при 80 градуса. По време на ецване, силициевите частици се освобождават във ваната и повърхността на нагревателя се грапави, осигурявайки места за събиране на частици. Кварцът също е крехък и може да се счупи от термичен удар. PFA нагревателите са по-здрави, имат по-дълъг живот и имат подобрена производителност на частици.

Заключение: ултра{0}}чистото сърце на R CA Clean
Потопяемият нагревател PFA е ключовият източник на топлина за процеса на почистване на пластини RCA, ултра-чист и химически непроницаем, директно улесняващ създаването на най-модерните микрочипове в света. PFA обвивката не отделя никакви метални йони и не произвежда почти никакви частици, докато издържа на силно корозивните и оксидиращи SC1 и SC2 бани при 70–80 градуса. Самият нагревател не замърсява ултра-чистата почистваща среда благодарение на-свободния от пукнатини, напълно отводняващ се дизайн и сглобяването на чиста стая с двоен-плик. Тази стабилна, чиста топлина създава равномерни, безупречно чисти повърхности на пластини-основата за всяка следваща процедура по фотолитография, ецване и отлагане.

Атомното съвършенство на силициевия чип започва с чистотата на горещата химическа баня, която го почиства. В резервоарите SC1 и SC2, във всяка усъвършенствана полупроводникова фабрика, PFA нагревателят добавя само топлина, дискретно запазвайки чистотата, която позволява на милиарди транзистори да функционират без нито един фатален дефект.