ความต้านทานความเย็นของเครื่องทำความร้อน PTFE เปรียบเทียบกับความต้านทานความร้อนอย่างไร และเหตุใดจึงมีความสำคัญ

การทำความสะอาด RCA เป็นขั้นตอนพื้นฐานทางเคมีสองขั้นตอน-ที่จะลอกแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนออกไปจนถึงพื้นผิวที่ไม่มีมลทินใดๆ พร้อมสำหรับการผลิตทรานซิสเตอร์มูลค่านับพันล้าน-ดอลลาร์ที่ตามมา SC1 (แอมโมเนียมไฮดรอกไซด์/ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์) ใช้เพื่อกำจัดอนุภาคอินทรีย์, SC2 (กรดไฮโดรคลอริก/ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์) เพื่อกำจัดไอออนของโลหะ อ่างทั้งสองได้รับความร้อนถึง 70-80 องศา และมีฤทธิ์กัดกร่อนและออกซิไดซ์สูง เครื่องทำความร้อนแบบจุ่มภายในถังทำความสะอาดที่สำคัญเหล่านี้จะต้องเป็นป้อมปราการที่มีความบริสุทธิ์ทางเคมีที่ไม่อาจต้านทานได้ โดยไม่ยอมให้มีไอออนหรืออนุภาคของโลหะกลับเข้าไปในแผ่นเวเฟอร์ PTFE และ PFA สัมพัทธ์ที่มีความบริสุทธิ์สูงเป็นวัสดุที่ตรงตามข้อกำหนดสูงสุดนี้

กระบวนการทำความสะอาด RCA: ห้องอาบน้ำ SC1 และ SC2
RCA clean ซึ่งพัฒนาโดย Werner Kern ที่ RCA Laboratories ในปี 1970 ยังคงเป็นมาตรฐานทองคำสำหรับ-การทำความสะอาดแผ่นเวเฟอร์แบบแพร่กระจายในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ ขั้นตอนประกอบด้วยการอาบเคมีร้อนสองครั้งติดต่อกัน:

SC1 (มาตรฐานการทำความสะอาด 1) ส่วนผสมของแอมโมเนียมไฮดรอกไซด์ (NH 4 OH); ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ (H 2 O 2 ); น้ำปราศจากไอออน (DI); โดยทั่วไปในอัตราส่วน 1:1:5 อ่างน้ำอุ่นถึง 70-80oC SC1 มีความเป็นด่าง (pH ~ 10-11) และออกซิไดซ์อย่างมีนัยสำคัญ ช่วยขจัดสารอินทรีย์ตกค้าง อนุภาค และโลหะบางชนิดโดยการเกิดออกซิเดชันร่วมกับการกัดผิว ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์สลายตัวได้ง่ายที่อุณหภูมิสูง และทำให้อ่างมีฤทธิ์รุนแรงทางเคมีและมีอายุการใช้งานสั้น

SC2 (มาตรฐานสะอาด 2): ส่วนผสมของกรดไฮโดรคลอริก (HCl), ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ (H2O2) และน้ำ DI โดยปกติในอัตราส่วน 1:1:6 ยังอุ่นได้ถึง 70-80 องศา . SC2 มีฤทธิ์ออกซิไดซ์และเป็นกรดอย่างเข้มข้น (pHγ1−2) ช่วยกำจัดไอออนของโลหะอัลคาไลและทรานซิชัน (เช่น เหล็ก ทองแดง นิกเกิล โครเมียม) ที่หลงเหลืออยู่บนพื้นผิวเวเฟอร์หลังจาก SC1

เวเฟอร์จะถูกล้างด้วยน้ำบริสุทธิ์พิเศษหลังทุกขั้นตอน กระบวนการ SC1/SC2 ที่รวมกันส่งผลให้พื้นผิวซิลิคอนมีสารเคมีออกไซด์บางๆ สำหรับการป้องกัน และการปนเปื้อนของอนุภาคและโลหะในระดับต่ำมาก โดยทั่วไป<1010 atoms/cm2 for metals and no particles larger than 0.1 µm.

ต้องใช้ความร้อนจากอ่างเหล่านี้ ปฏิกิริยาเคมีจะช้าเกินไปที่อุณหภูมิห้องและประสิทธิภาพในการทำความสะอาดต่ำ ปฏิกิริยาจะดำเนินการในอัตราที่เหมาะสมที่สุดที่ 70-80 องศา และพื้นผิวเวเฟอร์มีการปรับสภาพอย่างดี แต่อุณหภูมิสูงจะเร่งการสลายไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์และการกัดกร่อนของสารเคมี เครื่องทำความร้อนแบบแช่จะต้องทนต่อสภาพแวดล้อมนี้โดยไม่ปนเปื้อนในอ่างอาบน้ำ

เหตุใดมาตรฐานอุตสาหกรรมสำหรับอ่าง SC1 และ SC2 จึงเป็นเครื่องทำความร้อน PTFE (PFA)
การใช้งานเซมิคอนดักเตอร์ทำความสะอาดเครื่องทำความร้อน PTFE SC1 SC2 ต้องการวัสดุเฉื่อยทางเคมีต่อด่างแก่ (SC1) และกรดแก่ (SC2) และต่อไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์เข้มข้นที่อุณหภูมิสูง วิธีที่ดีที่สุดในการให้บริการนี้คือการใช้เพอร์ฟลูออโรอัลคอกซี (PFA) ซึ่งเป็นฟลูออโรโพลีเมอร์ที่ละลายในกระบวนการผลิตได้คล้ายกับ PTFE เนื่องจากคำนี้ใช้โดยทั่วไป เครื่องทำความร้อนในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์จึงมักถูกเรียกว่า "เครื่องทำความร้อน PTFE" แม้ว่าจะเป็น PFA ที่ถูกทำให้เปียกก็ตาม

ความทนทานต่อสารเคมีต่ออ่างอัลคาไลน์และกรดออกซิไดซ์
PFA เข้ากันได้อย่างสมบูรณ์กับสารเคมี SC1 และ SC2:

ความต้านทาน SC1: แอมโมเนียมไฮดรอกไซด์เป็นเบสที่แข็งแกร่ง ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์เป็นตัวออกซิไดซ์ที่มีศักยภาพ ส่วนผสมนี้มีฤทธิ์กัดกร่อนสูงกับโลหะส่วนใหญ่และโพลีเมอร์หลายชนิด PFA ไม่มีการเสื่อมสภาพ อาการบวมน้ำ หรือน้ำหนักลดลงหลังจากการสัมผัสกับ SC1 ที่ได้รับความร้อนเป็นเวลานาน

ความต้านทานต่อ SC2: สแตนเลส ไทเทเนียม และแม้แต่โลหะผสมนิกเกิลบางชนิดก็ถูกกรดไฮโดรคลอริกโจมตีอย่างรวดเร็วที่อุณหภูมิ 70-80 องศา PFA สามารถทนต่อ HCl และผลการออกซิไดซ์ของ H₂O₂

เมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องทำความร้อนโลหะ ปลอก PFA จะไม่นำไอออนของโลหะเข้าไปในอ่างอย่างแน่นอน นี่เป็นสิ่งสำคัญเนื่องจากไอออนของเหล็ก นิกเกิล โครเมียม หรือทองแดงที่ถูกชะออกจากเครื่องทำความร้อนจะสะสมใหม่บนพื้นผิวเวเฟอร์ในระหว่างการทำความสะอาด ซึ่งบ่อนทำลายเป้าหมายของขั้นตอนการขจัดโลหะ SC2

การผลิตอนุภาคบนพื้นผิวที่มีรูพรุน-เรียบเป็นพิเศษ-
PFA ได้รับการอัดรีดหรือกลึงด้วยพื้นผิวเรียบ{0}}และไม่มีรูพรุน (โดยทั่วไปคือ Ra ? 0.5 µm) ไม่มีอนุภาคหรือสะเก็ดหลุดออกจากพื้นผิวเข้าสู่อ่างอาบน้ำ อย่างไรก็ตาม เครื่องทำความร้อนโลหะสามารถพัฒนาระดับรูพรุนหรือออกไซด์ที่สามารถหลั่งอนุภาคขนาดเล็กได้ หากการเคลือบเสียหาย เครื่องทำความร้อนโลหะเคลือบ PTFE- (ชั้นบางของฟลูออโรโพลีเมอร์เหนือแกนโลหะ) ยังคงสามารถผลิตอนุภาคได้ เปลือก PFA ที่เป็นของแข็งนั้นเป็นเนื้อเดียวกันและไม่แยกออกเป็นชั้นๆ

ระบายน้ำได้เต็มที่ รอยแยก-ออกแบบฟรี
เครื่องทำความร้อนแบบจุ่ม PFA สำหรับการใช้งานด้านเซมิคอนดักเตอร์ถูกสร้างขึ้นโดยไม่มีรอยแยก รอยแตกร้าว ตะเข็บ หรือขาที่ตายแล้ว-ในชุดเครื่องทำความร้อนจะคงสารเคมีทำความสะอาดหรือความชื้นที่หลงเหลืออยู่ ซึ่งอาจปนเปื้อนในอ่างอาบน้ำในภายหลังหรือทำให้แบคทีเรียเติบโต (ในการล้างด้วยน้ำ DI) พื้นผิวที่เปียกของเครื่องทำความร้อนมีความเรียบ ต่อเนื่อง และสามารถระบายออกได้ทั้งหมด หน้าแปลนติดตั้งมักจะเป็น PFA ที่มีความบริสุทธิ์สูง- หรือเหล็กกล้าไร้สนิมขัดเงาด้วยไฟฟ้า และอยู่เหนือระดับของเหลว ซีลปาก PFA ช่วยให้โลหะไม่สัมผัสกับสารเคมี

หมายเหตุเกี่ยวกับความบริสุทธิ์: การประกอบห้องคลีนรูม การทดสอบ และการบรรจุถุงสองชั้น
สำหรับการใช้งานในอ่าง SC1 และ SC2 จะต้องผลิตเครื่องทำความร้อน PFA และบรรจุหีบห่อภายใต้สภาพแวดล้อมที่สะอาดมาก โปรโตคอลต่อไปนี้เป็นเรื่องปกติสำหรับอุปกรณ์เกรดเซมิคอนดักเตอร์:

สภาพแวดล้อมการประกอบ การประกอบเครื่องทำความร้อนดำเนินการในห้องปลอดเชื้อที่มีการไหลแบบลามิเนต ISO คลาส 5 (คลาส 100) หรือดีกว่า เจ้าหน้าที่ประกอบทุกคนสวมเสื้อผ้าสำหรับห้องคลีนรูม (ชุดกระต่าย ถุงมือ หน้ากากอนามัย) และปฏิบัติตามกฎระเบียบที่เข้มงวดเพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้อนุภาคเข้าไป

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 ส่วน-ต่อ-พันล้านโลหะทรานซิชันใดๆ

การบรรจุถุงสองชั้น: เครื่องทำความร้อนที่สะอาด แห้ง และผ่านการทดสอบแล้วจะถูกปิดผนึกไว้ในถุงชั้นในที่สะอาดถุงแรกซึ่งมีโพลีเอทิลีนอนุภาคต่ำ-ที่ปลอดภัยต่อ ESD กระเป๋าด้านในปิดผนึกด้วยความร้อน เครื่องทำความร้อนแบบถุงจะถูกใส่ลงในถุงชั้นนอกที่สะอาดและปิดผนึกอีกครั้ง ถุงทั้งสองใบจะมีหมายเลขซีเรียลของเครื่องทำความร้อน วันที่รับรองความสะอาด และคำแนะนำในการจัดการ (เช่น "เปิดเฉพาะในห้องปลอดเชื้อ")

บรรจุภัณฑ์ด้านนอก: วางเครื่องทำความร้อนในถุงคู่ลงในภาชนะขนส่งที่บุโฟมเพื่อลดความเสียหายทางกล

เครื่องทำความร้อนจะจัดส่งให้กับลูกค้าในถุงคู่ที่ปิดสนิท เครื่องทำความร้อนถูกนำเข้าไปในห้องปลอดเชื้อ Fab ผ่านช่องทาง-หรือบริเวณที่คลุม เมื่อเข้าสู่ห้องปลอดเชื้อ ถุงด้านนอกจะถูกถอดออก และถุงด้านในจะเปิดเฉพาะที่จุดติดตั้งภายในม้านั่งเปียกเท่านั้น วิธีการที่เข้มงวดนี้รับประกันว่าเครื่องทำความร้อนจะไม่ปนเปื้อนอ่าง SC1 หรือ SC2

คุณสมบัติการออกแบบเครื่องทำความร้อนสำหรับบริการ SC1 / SC2
เหตุผลความต้องการคุณสมบัติ
สารเปียก PFA ที่เป็นของแข็ง (เพอร์ฟลูออโรอัลคอกซี) หรือ PTFE สารเคมีเฉื่อย, การผลิตอนุภาคต่ำ, ไม่มีไอออนของโลหะ
ความหนาแน่นวัตต์ของเปลือก < 5 W/cm2 (ปกติ 3-4 W/cm2)ป้องกันการเดือดเฉพาะที่และการเสื่อมสภาพเนื่องจากความร้อนขององค์ประกอบความร้อน H 2 O 2 โลหะผสมนิกเกิล-โครเมียม (NiCr) ที่ห่อหุ้มอย่างเต็มที่ ทนต่อการกัดกร่อนภายในเสื้อแจ็คเก็ต PFA ที่ปิดอยู่
เขตเย็น (ไม่ร้อน)ความยาวเหนือระดับของเหลว มากกว่าหรือเท่ากับ 150 มม.ป้องกันไฟไหม้แห้ง- ปกป้องผนังถังจากความร้อนเมื่อระดับของเหลวลดลง
หน้าแปลนยึด PFA หรือ electropolished 316L SS (เหนือของเหลว) ทนต่อสารเคมี ถ้าเป็นโลหะให้กำจัดควันออก
ผิวสำเร็จ Ra สูงสุด=0.5 µm ไม่มีรอยแตกหรือเกลียวในเส้นทางเปียก ป้องกันการเกิด-สารตกค้างและการดักจับของอนุภาค
สายเคเบิล แจ็คเก็ต PFA ที่ยืดหยุ่นได้ ฉนวนเกรด-สำหรับห้องคลีนรูม ทนต่อสารเคมีกระเซ็น ปล่อยก๊าซต่ำ
กล่องขั้วต่อ ม้านั่งเปียกภายนอก ปิดผนึกด้วย IP65 หรือดีกว่า ปกป้องการเชื่อมต่อไฟฟ้าจากควันที่มีฤทธิ์กัดกร่อน
บทบาทของความร้อนบริสุทธิ์ที่เสถียรในการทำความสะอาดแผ่นเวเฟอร์
เครื่องทำความร้อน PFA ใช้เพื่อให้ความร้อนสม่ำเสมอและสม่ำเสมอแก่อ่าง SC1 และ SC2 โดยปกติอุณหภูมิในอ่างจะถูกควบคุมโดยตัวควบคุม PID ที่มีเทอร์โมคัปเปิลเคลือบ PFA หรือหุ้มด้วย PFA ค่าที่ตั้งไว้จะถูกเก็บไว้ภายใน ±0.5 องศา ความมั่นคงนี้มีความสำคัญมากเนื่องจาก:

ประสิทธิภาพของ SC1: อ่าง SC1 ยกอนุภาคและสร้างชั้นซิลิคอนไดออกไซด์ที่ได้รับการควบคุมที่อุณหภูมิที่เหมาะสม (70–80 องศา) เย็นเกินไปและอนุภาคบางส่วนไม่ได้ถูกกำจัดออกไป หากมีความร้อนมากเกินไป เปอร์ออกไซด์จะสลายตัวเร็วเกินไป ซึ่งจะทำให้อายุการใช้งานของอ่างลดลงและอาจทำให้พื้นผิวแผ่นเวเฟอร์หยาบได้

ประสิทธิภาพของ SC2: อุณหภูมิเป็นปัจจัยหนึ่งในจลนศาสตร์ของการกำจัดไอออนของโลหะ อุณหภูมิอ่างที่สม่ำเสมอและเป็นเนื้อเดียวกันช่วยให้สามารถขจัดโลหะซ้ำและคาดการณ์ได้สำหรับเวเฟอร์ทั้งชุด

อายุการใช้งานของอ่างอาบน้ำ: ยิ่งอุณหภูมิสูงเท่าไร ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ก็จะสลายตัวเร็วขึ้นเท่านั้น เครื่องทำความร้อนสามารถรักษาค่าที่ตั้งไว้ได้อย่างแม่นยำ โดยไม่เกินกำหนด ลดการสูญเสียเปอร์ออกไซด์และยืดอายุการอาบน้ำ

เครื่องทำความร้อน PFA เป็นเกาะแห่งความอบอุ่นที่ปราศจากอนุภาค-ซึ่งไร้สารเคมีซึ่งไม่ได้มีส่วนช่วยอะไรนอกจากความร้อนบริสุทธิ์ที่แม่นยำซึ่งจำเป็นในการดึงสิ่งปนเปื้อนทุกอะตอมสุดท้ายออกจากพื้นผิวที่ไร้ตำหนิของแผ่นเวเฟอร์

เปรียบเทียบกับวัสดุทำความร้อนอื่นๆ ใน SC1/SC2
วัสดุ SC1 (ออกซิไดซ์ด้วยอัลคาไลน์) SC2 (ออกซิไดซ์ด้วยกรด) ปล่อยไอออนของโลหะ การสร้างอนุภาค การยอมรับ Fab
ดี PFA/PTFE Solidดีเยี่ยม ไม่มีมาตรฐาน ต่ำมาก
ควอตซ์ ดี (กัดกร่อนช้าด้วย SC1) ดี (กัดกร่อน SC2 เมื่อเวลาผ่านไป) ไม่มี (แต่อาจมีอนุภาคซิลิเกต) ปานกลาง (ปล่อยอนุภาคกัดผิว) เปราะบาง (จำกัด)
ไทเทเนียม ไม่ดี (ทำให้ไททาเนต มีฤทธิ์กัดกร่อน) ไม่ดี (เป็นรูใน HCl/H2O2) ปล่อย Ti ไอออน สูง ไม่ได้ใช้
โพลีไวนิลิดีนฟลูออไรด์ (PVDF) เหมาะสำหรับ SC1 จำกัดไว้ที่ 80 องศา SC2 ดีเยี่ยม แต่ขีดจำกัดอุณหภูมิต่ำกว่า ไม่มี ปานกลาง ระดับอุณหภูมิต่ำกว่า
เครื่องทำความร้อนแบบควอตซ์ถูกนำมาใช้ในม้านั่งเปียกแบบเซมิคอนดักเตอร์บางชนิดในอดีต แต่มีความเสี่ยงที่จะถูกกัดกร่อนจากทั้ง SC1 และ SC2 โดยเฉพาะที่ 80 องศา ในระหว่างการกัด อนุภาคซิลิกาจะถูกปล่อยลงในอ่าง และพื้นผิวเครื่องทำความร้อนจะหยาบขึ้น ทำให้เกิดพื้นที่ในการสะสมอนุภาค ควอตซ์ยังเปราะและสามารถแตกหักจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิแบบฉับพลันได้ เครื่องทำความร้อน PFA มีความทนทานมากขึ้น มีอายุการใช้งานยาวนานขึ้น และปรับปรุงประสิทธิภาพของอนุภาค

บทสรุป: หัวใจอันบริสุทธิ์-ของ R CA Clean
เครื่องทำความร้อนแบบจุ่ม PFA เป็นแหล่งความร้อนที่สำคัญสำหรับกระบวนการทำความสะอาดแผ่นเวเฟอร์ RCA ซึ่งมีความบริสุทธิ์-เป็นพิเศษและสารเคมีไม่ผ่านเข้าไปได้ ซึ่งอำนวยความสะดวกโดยตรงในการสร้างไมโครชิปที่ล้ำสมัยที่สุดในโลก เปลือก PFA ไม่ปล่อยไอออนของโลหะใดๆ และแทบไม่สร้างอนุภาคใดๆ เลย ขณะทนต่ออ่าง SC1 และ SC2 ที่มีฤทธิ์กัดกร่อนและออกซิไดซ์สูงที่อุณหภูมิ 70–80 องศา ตัวทำความร้อนไม่ปนเปื้อนสภาพแวดล้อมในการทำความสะอาด-ที่บริสุทธิ์เป็นพิเศษ เนื่องจากไม่มีรอยแยก- การออกแบบที่ระบายออกได้เต็มที่ และส่วนประกอบในห้องคลีนรูมพร้อม-ถุงสองชั้น ความร้อนบริสุทธิ์ที่เสถียรนี้จะสร้างพื้นผิวเวเฟอร์ที่สม่ำเสมอและสะอาดไร้ที่ติ-เป็นรากฐานสำหรับขั้นตอนการพิมพ์หิน การแกะสลัก และการทับถมทุกขั้นตอนที่ตามมา

ความสมบูรณ์แบบระดับอะตอมของชิปซิลิคอนเริ่มต้นจากความบริสุทธิ์ของอ่างเคมีร้อนที่ทำความสะอาดชิป ในถัง SC1 และ SC2 ในทุกโรงงานเซมิคอนดักเตอร์ขั้นสูง เครื่องทำความร้อน PFA ไม่ได้เพิ่มอะไรนอกจากความอบอุ่น รักษาความสะอาดอย่างสุขุมรอบคอบซึ่งช่วยให้ทรานซิสเตอร์หลายพันล้านตัวทำงานได้โดยไม่มีข้อบกพร่องร้ายแรงแม้แต่ข้อเดียว