كيف يمكن مقارنة المقاومة الباردة لسخان PTFE بمقاومته الساخنة، ولماذا يهم؟

يعد تنظيف RCA إجراءً كيميائيًا أساسيًا يتكون من -خطوتين يتم من خلاله تجريد شريحة السيليكون إلى سطح نظيف ذريًا، استعدادًا لتصنيع الترانزستور الذي تبلغ قيمته-مليار دولار بعد ذلك. يستخدم SC1 (هيدروكسيد الأمونيوم/بيروكسيد الهيدروجين) لإزالة الجزيئات العضوية، ويستخدم SC2 (حمض الهيدروكلوريك/بيروكسيد الهيدروجين) لإزالة الأيونات المعدنية. يتم تسخين كلا الحمامين إلى 70-80 درجة ويكونان شديدي التآكل والأكسدة. ويجب أن يكون السخان الغاطس الموجود داخل خزانات التنظيف الحيوية هذه بمثابة قلعة منيعة للنقاء الكيميائي، بحيث لا يسمح بعودة أي أيونات أو جزيئات معدنية إلى الرقاقة. إن PTFE وPFA النسبي عالي النقاء هما المواد التي تلبي هذا الحد الأقصى من المتطلبات.

عملية تنظيف RCA: حمامات SC1 وSC2
يظل تنظيف RCA، الذي طوره Werner Kern في RCA Laboratories في السبعينيات، هو المعيار الذهبي لتنظيف الرقاقة المسبقة-في تصنيع أشباه الموصلات. يتكون الإجراء من حمامين كيميائيين ساخنين متتاليين:

SC1 (تنظيف قياسي 1) خليط من هيدروكسيد الأمونيوم (NH 4 OH)؛ بيروكسيد الهيدروجين (H 2 O 2 )؛ الماء منزوع الأيونات (DI)؛ عادة بنسبة 1:1:5. يتم تسخين الحمام إلى درجة حرارة 70-80 درجة مئوية. SC1 قلوي (الرقم الهيدروجيني ~ 10-11) ومؤكسد بشكل ملحوظ. فهو يزيل المخلفات العضوية والجسيمات وبعض المعادن عن طريق الأكسدة مع النقش السطحي. يتحلل بيروكسيد الهيدروجين بسهولة عند درجة حرارة عالية، مما يجعل الحمام عدوانيًا كيميائيًا وقصير العمر.

SC2 (التنظيف القياسي 2): خليط من حمض الهيدروكلوريك (HCl)، بيروكسيد الهيدروجين (H2O2) وماء DI عادة بنسبة 1:1:6. يسخن أيضًا إلى 70-80 درجة. SC2 مؤكسد وحمض بشكل مكثف (الرقم الهيدروجيني ≈1−2). فهو يزيل أيونات القلويات والمعادن الانتقالية (مثل الحديد والنحاس والنيكل والكروم) المتبقية على سطح الرقاقة بعد SC1.

يتم غسل الرقائق بالماء عالى النقاء بعد كل مرحلة. ينتج عن عملية SC1/SC2 المدمجة سطح سيليكون يحتوي على أكسيد كيميائي رقيق للحماية ومستويات منخفضة جدًا من تلوث الجسيمات والمعادن، عادةً<1010 atoms/cm2 for metals and no particles larger than 0.1 µm.

وهذا يتطلب تسخين هذه الأحواض. تكون التفاعلات الكيميائية بطيئة للغاية في درجة حرارة الغرفة وتكون فعالية التنظيف منخفضة. يتم تنفيذ التفاعلات بالمعدل الأمثل عند 70-80 درجة ويكون سطح الرقاقة مكيفًا جيدًا. لكن درجات الحرارة المرتفعة تسرع من تحلل بيروكسيد الهيدروجين وتآكل المواد الكيميائية. يجب أن يكون السخان الغاطس مقاومًا لهذه البيئة دون تلويث الحمام.

لماذا يعتبر معيار الصناعة لحمامات SC1 وSC2 هو سخان PTFE (PFA).
يتطلب تطبيق تنظيف أشباه الموصلات لسخان PTFE SC1 SC2 مادة خاملة كيميائيًا للقلويات القوية (SC1) والأحماض القوية (SC2) وبيروكسيد الهيدروجين المركز في درجات حرارة مرتفعة. أفضل طريقة لتقديم هذه الخدمة هي عن طريق البيرفلوروألكوكسي (PFA)، وهو بوليمر فلورو قابل للمعالجة ومذاب يشبه PTFE. نظرًا لاستخدام المصطلح بشكل عام، غالبًا ما تسمى السخانات في صناعة أشباه الموصلات "سخانات PTFE" حتى لو كانت PFA مبللة.

المقاومة الكيميائية للحمامات القلوية والحمضية المؤكسدة
PFA متوافق تمامًا مع كيمياء SC1 وSC2:

مقاومة SC1: هيدروكسيد الأمونيوم قاعدة قوية. بيروكسيد الهيدروجين هو مؤكسد قوي. يعتبر هذا الخليط شديد التآكل لمعظم المعادن والعديد من البوليمرات. لم يُظهر PFA أي تدهور أو وذمة أو فقدان في الوزن بعد التلامس المطول مع SC1 الساخن.

مقاومة SC2: يتم مهاجمة الفولاذ المقاوم للصدأ والتيتانيوم وحتى بعض سبائك النيكل بسرعة بواسطة حمض الهيدروكلوريك عند درجة حرارة 70-80 درجة. PFA مقاوم لحمض الهيدروكلوريك والتأثير المؤكسد لـ H₂O₂.

بالمقارنة مع السخانات المعدنية، فإن غمد PFA لا يدخل أي أيونات معدنية على الإطلاق إلى الحمام. يعد هذا أمرًا بالغ الأهمية لأن أي الحديد أو النيكل أو الكروم أو النحاس المتسرب من المدفأة سوف يترسب مرة أخرى على سطح الرقاقة أثناء التنظيف، مما يقوض هدف مرحلة إزالة المعدن SC2.

إنتاج جسيمات سطحية فائقة النعومة وغير مسامية-
يتم بثق PFA أو تصنيعه بسطح أملس وغير مسامي- (بشكل عام Ra ? 0.5 ميكرومتر). لا يتم إطلاق أي جزيئات أو رقائق من السطح إلى الحمام. ومع ذلك، يمكن للسخانات المعدنية أن تتطور إلى حفر أو مقياس أكسيد يمكن أن يتخلص من الجزيئات الصغيرة. إذا تم اختراق الطلاء، فإن السخانات المعدنية المطلية بـ PTFE- (طبقة رقيقة من البوليمر الفلوري فوق قلب معدني) لا تزال قادرة على إنتاج الجسيمات. غمد PFA الصلب متجانس ولا ينفصل إلى طبقات.

تصميم خالٍ من الشقوق وقابل للتصريف بالكامل-.
يتم إنشاء سخانات الغمر PFA للاستخدام في تطبيقات أشباه الموصلات بدون شقوق. أي صدع أو درز أو ساق ميتة-في مجموعة المدفأة قد تحتفظ بمواد كيميائية للتنظيف أو رطوبة متبقية، الأمر الذي قد يلوث الحمامات اللاحقة أو ينمو البكتيريا (في شطف مياه DI). تكون الأسطح المبللة للسخان ناعمة ومستمرة وقابلة للتصريف تمامًا. عادة ما تكون شفة التثبيت عالية النقاء -PFA أو الفولاذ المقاوم للصدأ المصقول كهربائيًا وتكون أعلى من مستوى السائل. يمنع ختم الشفاه PFA المعدن من ملامسة المواد الكيميائية.

ملاحظة النقاء: تجميع غرف الأبحاث، والاختبار، والتعبئة المزدوجة
للاستخدام في حمامات SC1 وSC2، يجب إنتاج سخان PFA وتعبئته في ظروف نظيفة جدًا. البروتوكول التالي تقليدي لمعدات درجة أشباه الموصلات:

بيئة التجميع يتم تنفيذ تجميع السخان في فئة ISO 5 (الفئة 100) أو في غرفة نظيفة ذات تدفق صفحي أفضل. يرتدي جميع أفراد التجميع ملابس غرف الأبحاث (بدلات الأرنب، والقفازات، وأقنعة الوجه) ويلتزمون باللوائح الصارمة لتجنب دخول الجسيمات.

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 ميكرومتر/سم^2 < جزء واحد - لكل - مليار من أي فلز انتقالي.

التعبئة المزدوجة: يتم تغليف السخان النظيف والجاف والمختبر في أول كيس داخلي نظيف من مادة البولي إيثيلين الآمنة على البيئة والتنمية المستدامة ومنخفضة الجسيمات. الحقيبة الداخلية مختومة حرارياً. يتم بعد ذلك وضع السخان المعبأ في كيس خارجي ثاني نظيف وإغلاقه مرة أخرى. تم وضع علامة على كلا الحقيبتين بالرقم التسلسلي للسخان، وتاريخ شهادة النظافة، وتعليمات التعامل (على سبيل المثال، "مفتوح فقط في غرف الأبحاث").

التغليف الخارجي: يتم وضع السخان في كيس مزدوج في حاوية شحن مبطنة بالرغوة لتقليل الأضرار الميكانيكية.

يتم توفير السخان للعميل في أكياس مزدوجة محكمة الغلق. يتم جلب المدفأة إلى غرفة الأبحاث الصناعية من خلال ممر-أو منطقة ارتداء الملابس. عند الدخول إلى غرفة الأبحاث، تتم إزالة الكيس الخارجي ويتم فتح الكيس الداخلي فقط عند نقطة التثبيت داخل المقعد المبلل. يضمن هذا النهج الصارم عدم تلويث السخان لحمام SC1 أو SC2.

ميزات تصميم السخان لخدمة SC1 / SC2.
سبب متطلبات الميزة
مادة مبللة صلبة PFA (بيرفلوروألكوكسي) أو PTFECكيميائية خاملة، إنتاج جسيمات منخفض، لا توجد أيونات معدنية
كثافة واط الغمد < 5 واط / سم 2 (عادي 3 - 4 واط / سم 2) يمنع الغليان المحلي والتدهور الحراري لعنصر التسخين H 2 O 2 سبائك النيكل والكروم المغلفة بالكامل (NiCr) مقاومة للتآكل داخل سترة PFA المغلقة.
المنطقة الباردة (غير مسخنة)الطول فوق مستوى السائل أكبر من أو يساوي 150 مم يمنع الجفاف-النار يحمي جدار الخزان من الحرارة عند انخفاض مستوى السائل
شفة التركيب PFA أو 316L SS (فوق السائل) المقاومة الكيميائية؛ إذا كان المعدن، من الأبخرة إزالتها
تشطيب السطح Ra=0.5 ميكرومتر كحد أقصى، لا توجد شقوق أو خيوط في المسار المبلل يمنع تراكم المخلفات واحتجاز الجسيمات
سترة كابل مرنة من مادة PFA، درجة العزل في غرف الأبحاث -مقاومة للرذاذ والمواد الكيميائية، وانخفاض إطلاق الغازات
صندوق طرفي مقعد رطب خارجي، محكم الإغلاق وفقًا لمعيار IP65 أو أفضل، يحمي التوصيلات الكهربائية من الأبخرة المسببة للتآكل
دور الحرارة النقية والمستقرة في تنظيف الرقاقات
يتم استخدام سخان PFA لإعطاء حرارة ثابتة وموحدة للحمامات SC1 وSC2. عادة ما يتم تنظيم درجة الحرارة في الحمام بواسطة وحدة تحكم PID مع مزدوجة حرارية مغلفة بـ PFA أو مغلفة بـ PFA. يتم الاحتفاظ بنقطة الضبط ضمن ±0.5 درجة. وهذا الاستقرار مهم جدًا للأسباب التالية:

كفاءة SC1: يرفع حمام SC1 الجزيئات ويبني طبقة ثاني أكسيد السيليكون المنظمة عند درجة الحرارة المناسبة (70-80 درجة). بارد جدًا ولا تتم إزالة جميع الجزيئات. إذا كان الجو حارًا جدًا، فإن البيروكسيد يتحلل بسرعة كبيرة، مما يقلل من عمر الحمام وقد يؤدي إلى خشونة سطح الرقاقة.

كفاءة SC2: تعتبر درجة الحرارة عاملاً في حركية التخلص من أيونات المعادن. توفر درجة حرارة الحمام الثابتة والمتجانسة إزالة معدنية قابلة للتكرار ويمكن التنبؤ بها لمجموعة كاملة من الرقاقات.

طول عمر الحمام: كلما ارتفعت درجة الحرارة، كلما كان تحلل بيروكسيد الهيدروجين أسرع. يمكن للسخان الحفاظ على نقطة الضبط بدقة، دون تجاوز الحد، مما يقلل من نفايات البيروكسيد ويطيل عمر الحمام.

إن سخان PFA عبارة عن جزيرة دافئة هادئة كيميائيًا وخالية من الجسيمات- ولا تساهم إلا بالحرارة الدقيقة والنقية اللازمة لاستخراج كل ذرة أخيرة من الملوثات من سطح الرقاقة الخالي من العيوب.

المقارنة مع مواد السخان الأخرى في SC1/SC2
المادة SC1 (الأكسدة القلوية) SC2 (الأكسدة الحمضية) إطلاق الأيونات المعدنية توليد الجسيمات قبول Fab
جيد PFA/PTFE، صلب، ممتاز، غير قياسي، منخفض جدًا
كوارتز جيد (حفر بطيء مع SC1) جيد (حفر SC2 مع مرور الوقت) لا شيء (ولكن جزيئات السيليكات المحتملة) معتدل (اطلاق جسيمات الحفر السطحي) هش (محدود)
تيتانيوم سيء (يصنع تيتانات، مسبب للتآكل) ضعيف (تأليب حمض الهيدروكلوريك/H2O2) يطلق أيونات Ti عالية غير مستخدم
فلوريد البولي فينيلدين (PVDF) جيد لـ SC1، يقتصر على 80 درجة SC2 رائع، ولكن حد درجة الحرارة أقل لا يوجد متوسط ​​تصنيف درجة الحرارة المنخفضة
تم استخدام سخانات الكوارتز في بعض المقاعد الرطبة شبه الموصلة في الماضي ولكنها معرضة للحفر بواسطة SC1 وSC2، خاصة عند 80 درجة. أثناء الحفر، يتم إطلاق جزيئات السيليكا في الحمام ويتم خشونة سطح السخان، مما يوفر مواقع لجمع الجسيمات. الكوارتز أيضًا هش ويمكن أن ينكسر من الصدمة الحرارية. تعتبر سخانات PFA أكثر قوة، ولها عمر أطول ولها أداء محسن للجسيمات.

الاستنتاج: القلب النقي-النقي لـ R CA Clean
يعد السخان الغاطس PFA مصدر الحرارة الرئيسي لعملية تنظيف رقاقة RCA، وهو فائق النقاء- ولا يمكن اختراقه كيميائيًا، مما يسهل بشكل مباشر إنشاء الرقائق الدقيقة الأكثر تقدمًا في العالم. لا يطلق غمد PFA أي أيونات معدنية ولا ينتج أي جزيئات تقريبًا بينما يتحمل حمامات SC1 وSC2 شديدة التآكل والأكسدة عند درجة حرارة 70-80 درجة. لا يلوث السخان في حد ذاته بيئة التنظيف فائقة النقاء-بفضل التصميم الخالي من الشقوق والقابل للتصريف بالكامل وتجميع غرفة الأبحاث مع التعبئة- المزدوجة. تعمل هذه الحرارة النقية المستقرة على إنشاء أسطح رقاقة موحدة ونظيفة خالية من العيوب-وهي الأساس لكل إجراءات الطباعة الحجرية الضوئية والحفر والترسيب اللاحقة.

يبدأ الكمال الذري لشريحة السيليكون بنقاء الحمام الكيميائي الساخن الذي ينظفها. في خزانات SC1 وSC2، في كل مصنع لأشباه الموصلات المتقدمة، لا يضيف سخان PFA سوى الدفء، ويحافظ على النظافة التي تسمح لمليارات الترانزستورات بالعمل دون عيب مميت واحد.