Hvordan brukes PTFE-varmere til å varme opp SC1- og SC2-rensebadene i halvlederfabrikker?

RCA-rengjøringen er den grunnleggende to-kjemiske prosedyren som striper en silisiumplate ned til en atomisk plettfri overflate, klar for milliardtransistorproduksjonen som følger med-dollar. SC1 (ammoniumhydroksid/hydrogenperoksid) brukes til å fjerne organiske partikler, SC2 (saltsyre/hydrogenperoksid) for å fjerne metallioner. Begge badene er oppvarmet til 70-80 grader og er sterkt etsende og oksiderende. El-varmeren i disse vitale rengjøringstankene må være en ugjennomtrengelig festning av kjemisk renhet, som ikke tillater noen metallioner eller partikler tilbake på waferen. PTFE og dets relative PFA med høy renhet er materialene som oppfyller dette maksimale kravet.

RCA-rengjøringsprosess: SC1- og SC2-bad
RCA-rensen, utviklet av Werner Kern ved RCA Laboratories på 1970-tallet, er fortsatt gullstandarden for pre-rengjøring av fordiffusjonswafer i halvlederfabrikasjon. Prosedyren består av to påfølgende varme kjemiske bad:

SC1 (Standard Clean 1) En blanding av ammoniumhydroksid (NH 4 OH); hydrogenperoksid (H202); avionisert (DI) vann; vanligvis i forholdet 1:1:5. Badet varmes opp til 70-80oC. SC1 er alkalisk (pH ~ 10-11) og betydelig oksiderende. Den fjerner organiske rester, partikler og visse metaller ved oksidasjon kombinert med overflateetsing. Hydrogenperoksidet brytes lett ned ved høy temperatur og gjør dermed badet kjemisk aggressivt og kortvarig.

SC2 (Standard Clean 2): En blanding av saltsyre (HCl), hydrogenperoksid (H2O2) og DI-vann vanligvis i forholdet 1:1:6. Også oppvarmet til 70-80 grader. SC2 er intenst oksiderende og sur (pH≈1−2). Det eliminerer alkali- og overgangsmetallioner (f.eks. jern, kobber, nikkel, krom) som er igjen på waferoverflaten etter SC1.

Skivene vaskes med ultrarent vann etter hvert trinn. Den kombinerte SC1/SC2-prosessen resulterer i en silisiumoverflate som har et tynt kjemisk oksid for beskyttelse og svært lave nivåer av partikkel- og metallforurensning, vanligvis<1010 atoms/cm2 for metals and no particles larger than 0.1 µm.

Dette krever oppvarming av disse karene. kjemiske reaksjoner er for trege ved romtemperatur og rengjøringseffektiviteten er lav. Reaksjonene utføres med optimal hastighet ved 70-80 grader og waferoverflaten er godt kondisjonert. Men de høye temperaturene akselererer nedbrytningen av hydrogenperoksid og korrosiviteten til kjemikaliene. El-patronen må være motstandsdyktig mot dette miljøet uten å forurense badekaret.

Hvorfor industristandarden for SC1- og SC2-bad er en PTFE (PFA)-varmer
PTFE-varmer SC1 SC2-rengjøring av halvledere krever et materiale som er kjemisk inert overfor sterke alkalier (SC1) og sterke syrer (SC2) og for konsentrert hydrogenperoksid ved høye temperaturer. Den beste måten å tilby denne tjenesten på er ved hjelp av perfluoralkoksy (PFA), en smeltebearbeidbar fluorpolymer som ligner PTFE. Siden begrepet brukes generisk, kalles varmeovner i halvlederindustrien ofte «PTFE-varmere» selv om det er PFA som fuktes.

Kjemisk motstand mot alkaliske og syreoksiderende bad
PFA er fullt kompatibel med SC1- og SC2-kjemiene:

SC1-motstand: Ammoniumhydroksid er en sterk base. Hydrogenperoksid er et kraftig oksidasjonsmiddel. Blandingen er svært etsende for de fleste metaller og mange polymerer. PFA viste ingen forverring, ødem eller vekttap etter langvarig kontakt med oppvarmet SC1.

Motstand mot SC2: Rustfritt stål, titan og til og med noen nikkellegeringer blir raskt angrepet av saltsyre ved 70-80 grader. PFA er motstandsdyktig mot HCl og mot den oksiderende effekten av H2O2.

Sammenlignet med metallvarmere, introduserer en PFA-kappe absolutt ingen metallioner i badekaret. Dette er avgjørende fordi ethvert jern-, nikkel-, krom- eller kobberion som utvaskes fra en varmeovn vil avsettes på nytt på waferoverflaten under rengjøring, og undergraver målet med SC2-metallfjerningsfasen.

Ultra-jevn ikke-porøs overflatepartikkelproduksjon
PFA er ekstrudert eller maskinert med en glatt, ikke-porøs overflatefinish (vanligvis Ra ? 0,5 ​​µm). Ingen partikler eller flak frigjøres fra overflaten til badekaret. Metallvarmere kan imidlertid utvikle groper eller oksidbelegg som kan avgi små partikler. Hvis belegget er kompromittert, kan PTFE-belagte metallvarmere (tynt lag av fluorpolymer over en metallkjerne) fortsatt produsere partikler. Den faste PFA-kappen er homogen og skiller seg ikke i lag.

Fullt drenerbar, -fri design
PFA-dykkvarmere for bruk i halvlederapplikasjoner er konstruert uten sprekker. Eventuelle sprekker, sømmer eller døde-ben i varmeapparatet vil holde på gjenværende rengjøringskjemikalier eller fuktighet, som kan forurense påfølgende bad eller vokse bakterier (i DI-vannskyllinger). De fuktede overflatene på varmeren er glatte, kontinuerlige og helt drenerbare. Monteringsflensen er vanligvis høy-renhet PFA eller elektropolert rustfritt stål og er over væskenivået. En PFA-leppetetning hindrer metallet i å komme i kontakt med kjemikalier.

Renhetsmerknad: Renromsmontering, test og dobbel bagging
For bruk i SC1- og SC2-bad må PFA-varmeren produseres og pakkes under svært rene forhold. Følgende protokoll er konvensjonell for utstyr av halvlederkvalitet:

Monteringsmiljø Varmeapparatet utføres i et ISO klasse 5 (klasse 100) eller bedre renrom med laminær strømning. Alt monteringspersonell bruker renromsklær (kanindresser, hansker, ansiktsmasker) og overholder strenge regler for å unngå innføring av partikler.

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 del-per-milliard av ethvert overgangsmetall.

Dobbel pose: Den rene, tørre og testede varmeren er forseglet i en første ren indre pose med ESD-sikker, lav-partikkelpolyetylen. Innerposen er termisk forseglet. Varmeapparatet i pose plasseres deretter i en andre, ren ytre pose og forsegles igjen. Begge posene er merket med varmeapparatets serienummer, datoen for renslighetssertifisering og håndteringsinstruksjoner (f.eks. "Åpen kun i renrom").

Ytre emballasje: Varmeren i dobbel pose er plassert i en skumforet fraktbeholder for å minimere mekanisk skade.

Varmeapparatet leveres til kunden i forseglede tvillingsposer. Varmeapparatet bringes inn i det flotte renrommet gjennom en passasje-gjennom eller et kappeområde. Ved inngangen til renrommet fjernes den ytre posen og den innvendige posen åpnes kun ved monteringspunktet inne i våtbenken. Denne strenge tilnærmingen garanterer at varmeren ikke forurenser SC1- eller SC2-badet.

Varmeelementdesignfunksjoner for SC1 / SC2 Service.
Funksjonskrav Årsak
Fukt stoff Fast PFA (perfluoralkoksy) eller PTFECemisk inert, lav partikkelproduksjon, ingen metallioner
Mantelwatttetthet < 5 W/cm2 (normal 3-4 W/cm2)Forhindrer lokal koking og termisk forringelse av H 2 O 2 VarmeelementFullt innkapslet nikkel-krom (NiCr) legering Korrosjonsbestandig inne i den vedlagte PFA-kappen.
Kald sone (ikke oppvarmet) Lengde over væskenivå Større enn eller lik 150 mm Forhindrer tørr-brann Beskytter tankveggen mot varme når væskenivået faller
Monteringsflens PFA eller elektropolert 316L SS (over væske) Kjemisk motstand; hvis metall, fra røyk fjernet
Overflatefinish Ra=0.5 µm maks., ingen sprekker eller gjenger i fuktet bane. Forhindrer oppbygging- av rester og fanger av partikler
Kabel Fleksibel PFA-kappe, renroms-isolasjon Sprutbestandig mot kjemikalier Lav utgassing
Koblingsboks Ekstern våtbenk, forseglet til IP65 eller bedre Beskytter elektriske koblinger mot etsende røyk
Rollen til stabil, ren varme i wafer-rengjøring
PFA-varmeren brukes til å gi stabil og jevn varme til SC1- og SC2-badene. Temperaturen i badekaret reguleres vanligvis av en PID-kontroller med et PFA-belagt eller PFA-innkapslet termoelement. Settpunktet holdes innenfor ±0,5 grader. Denne stabiliteten er veldig viktig fordi:

SC1-effektivitet: SC1-badet løfter partikler og bygger et regulert silisiumdioksidlag ved riktig temperatur (70–80 grader). For kaldt og ikke alle partiklene fjernes. Hvis det er for varmt, brytes peroksidet for raskt ned, noe som reduserer badets levetid og kan gjøre waferoverflaten ru.

SC2-effektivitet: Temperatur er en faktor i kinetikken for eliminering av metallioner. En konstant, homogen badtemperatur gir reproduserbar, forutsigbar metallfjerning for en hel batch med wafere.

Badets levetid: Jo høyere temperatur, jo raskere brytes hydrogenperoksidet ned. Varmeren kan opprettholde settpunktet nøyaktig, uten å overskride, minimere peroksidavfall og forlenge badets levetid.

PFA-varmeren er en kjemisk stillegående, -fri øy av varme som ikke bidrar med annet enn den nøyaktige, rene varmen som trengs for å trekke ut hvert siste atom av forurensninger fra skivens feilfrie overflate.

Sammenligning med andre varmeelementer i SC1/SC2
Materiale SC1 (alkalisk oksiderende) SC2 (syreoksiderende) Metallion-frigjøring av partikler Fab-aksept
God PFA/PTFE SolidUtmerket IngenStandard Veldig lav
Kvarts God (sakte etsning med SC1)God (SC2-etsing over tid) Ingen (men potensielle silikatpartikler)Moderat (frigjøring av overflateetsende partikler)Skjør (begrenset)
Titan Dårlig (gjør titanater, etsende) Dårlig (pitting i HCl/H2O2) Frigjør Ti ioner HøyIkke brukt
Polyvinylidenfluorid ( PVDF ) Bra for SC1, begrenset til 80 grader SC2 flott, men lavere temperaturgrense Ingen Moderat Lavere temperaturvurdering
Kvartsvarmere har blitt brukt i noen halvlederbenker tidligere, men er sårbare for etsing av både SC1 og SC2, spesielt ved 80 grader. Under etsing frigjøres silikapartikler i badet og varmeoverflaten blir ru, noe som gir steder for partikkeloppsamling. Kvarts er også sprø og kan bryte fra termisk sjokk. PFA-varmere er mer robuste, har lengre levetid og har forbedret partikkelytelse.

Konklusjon: Det ultra-rene hjertet til en R CA Clean
PFA-dykkvarmeren er nøkkelvarmekilden for renseprosessen for RCA-wafer, ultra-ren og kjemisk ugjennomtrengelig, noe som gjør det direkte lettere å lage verdens mest avanserte mikrobrikker. PFA-kappen frigjør ingen metallioner og produserer nesten ingen partikler mens den tåler de svært korrosive og oksiderende SC1- og SC2-badene ved 70–80 grader. Varmeren i seg selv forurenser ikke det ultra-rene rengjøringsmiljøet takket være den spreke-frie, fullt drenerbare designen og renromsmonteringen med dobbel-pose. Denne stabile, rene varmen skaper jevne, feilfritt rene waferoverflater -grunnlaget for hver påfølgende fotolitografi, etsing og avsetningsprosedyre.

Den atomære perfeksjonen til en silisiumbrikke starter med renheten til det varme kjemiske badet som renser den. I SC1- og SC2-tankene, i alle avanserte halvlederfabrikker, tilfører PFA-varmeren ikke annet enn varme, og bevarer diskret renheten som lar milliarder av transistorer fungere uten en eneste fatal defekt.