برای نیمکت های مرطوب نیمه هادی با استفاده از آب دیونیزه داغ (95 درجه)، آیا هیترهای تیتانیوم می توانند بیش از 0.1 ppb آلودگی یون فلزی ایجاد کنند؟

نیمکت های مرطوب نیمه هادی به آب فوق خالص (UPW) با سطوح آلودگی یون فلزی کمتر از 0.1 قسمت در میلیارد (ppb) برای مراحل مهم فرآیند مانند تمیز کردن ویفر، اچ کردن و جداسازی نیاز دارند. شستشو با آب دیونیزه انجام می شود و دمای حمام در ایستگاه های مرطوب در 95 درجه حفظ می شود. بخاری های غوطه وری تیتانیوم به دلیل مقاومت در برابر خوردگی و هدایت حرارتی بالا برای این سرویس جذاب هستند. با این حال، یک نگرانی قابل توجه امکان شستشوی تیتانیوم در آب فوق خالص است که ممکن است از حد بسیار پایین 0.1 ppb برای فلزات واسطه که باعث نشت اتصال و نقص اکسید دروازه می شوند، بیشتر باشد. در این مطالعه میزان انتشار یون تیتانیوم از گرمکن های تیتانیوم درجه 2 و درجه 7 در آب دیونیزه 95 درجه سانتیگراد کمی سازی شده است و اینکه آیا بخاری های تیتانیوم ممکن است در نیمکت های مرطوب نیمه هادی بدون تأثیر بر خلوص آب مورد استفاده قرار گیرند مشخص می شود.

مکانیسم آزادسازی تیتانیوم در آب بسیار تمیز
تیتانیوم یک لایه TiO2 منفعل از نظر ترمودینامیکی پایدار در آب دیونیزه شده با مقاومت بالا (18.2 MΩ·cm، کل جامدات محلول < 1ppb) تشکیل می‌دهد. اما فیلم کاملاً بی اثر نیست. تجزیه شیمیایی آهسته اکسید وجود دارد: TiO 2 + 2H 2 O → Ti(OH) 4 (محلول) گونه های تیتانیوم محلول، معمولاً یون های Ti(OH)4 یا TiO2+، با سرعتی وابسته به دما، pH و کیفیت آب وارد آب می شوند. حلالیت TiO 2 آمورف به ترتیب 1{14}}5ppb به عنوان تیتانیوم در pH خنثی و 95 درجه است. این غلظت تعادل است. سرعت آزاد شدن واقعی از یک بخاری به سرعت جریان آب، مساحت سطح و اینکه آیا آب به طور مداوم (یک بار از طریق) پر می شود یا در گردش است بستگی دارد.

Electrochemical tests demonstrate that titanium Grade 2 has a passive current density of 0.01-0.05 µA/cm² in deionized water (resistivity >18 MΩ·cm، اکسیژن محلول 8 ppm) در 95 درجه. این جریان معادل انحلال تیتانیوم 0.003-0.015 میلی متر در سال است که از نظر ضخامت دیواره لوله بی اهمیت است اما از نظر آلودگی یون فلزی قابل توجه است. تبدیل از چگالی جریان به آزادسازی یون: 0.05 μA/cm² × 1 ساعت × مساحت سطح، حدود 0.09 نانوگرم بر سانتی‌متر مربع در هر ساعت کارکرد، تیتانیوم محلول می‌دهد.

غلظت تیتانیوم در سرویس نیمکت مرطوب اندازه گیری شد
نتایج کمی از آزمایش کنترل‌شده روی نیمکت‌های مرطوب درجه نیمه‌رسانا با سیستم آب دیونیزه در حال چرخش در دمای 95 درجه سانتی‌گراد به‌دست آمد. غلظت تیتانیوم در یک دوره 1000 ساعته توسط طیف‌سنجی جرمی پلاسمای جفت القایی (ICP{4}MS، حد تشخیص timmer 0.01 ippbk in tanium) کنترل شد. (گرید 2، دیوار 1.65 میلی متر، مساحت سطح 800 سانتی متر مربع) در یک نیمکت مرطوب 100 لیتری با سرعت 20 لیتر در دقیقه در حال چرخش است.

محتوای تیتانیوم در ppb 0.06-0.10 پس از اولین غیرفعال سازی (24 ساعت اول) پایدار شد. نمونه برداری هر 24 ساعت، بین 0.05 تا 0.12 ppb، با میانگین 0.08 ppb، قرائت شد. چرخه حرارتی (هیتر خاموش و سپس روشن) منجر به افزایش گاه به گاه تا 0.15 ppb شد. در شرایط ثابت 95 درجه، میانگین غلظت تیتانیوم در سطح ppb 0.1 یا کمی کمتر از آن بود.

تحت شرایط یکسان، انتشار تیتانیوم از تیتانیوم درجه 7 (Ti-0.15Pd) ppb 0.03-0.07 بود و انتشار پالادیوم زیر حد تشخیص ppb 0.01 بود. نرخ انتشار کمتر به فیلم غیرفعال پایدارتر در درجه 7 به دلیل اثر کاتدی پالادیوم نسبت داده می شود.

عواملی که بالاتر از حد 0.1ppb هستند
انواع موقعیت های عملیاتی می توانند باعث شوند که غلظت تیتانیوم از 0.1ppb بیشتر شود:

وقفه اولیه-در دوره: هیترهای تیتانیوم جدید و تازه 0.3-0.8 ppb تیتانیوم را در 48 تا 72 ساعت اول با تثبیت لایه غیرفعال تخلیه می‌کنند. نصب در حمام فرآیند بحرانی نیاز به 72 ساعت غوطه وری پیش غیرفعال در دمای 95 درجه سانتی گراد UPW دارد.

چرخه دما: هر چرخه خنک/گرم کردن مجدد فیلم غیرفعال را تجزیه می کند و در نتیجه افزایش موقت 0.15-0.25 ppb آزاد می شود که طی 4-6 ساعت از بین می رود. نیمکت‌های مرطوبی که بخاری‌های خود را چندین بار در روز روشن و خاموش می‌کنند، برای مدت طولانی از حد مجاز 0.1ppb فراتر می‌روند.

جریان محدود یا شرایط راکد - در سیستم‌های چرخشی، با گردش محدود، تیتانیوم پس از 500 ساعت در یک حمام 100 لیتری با بخاری تیتانیوم و بدون تازه‌سازی آب، به حلالیت تعادلی. 0.2-0.3 ppb می‌رسد.

PH زیر 5.0 یا بیش از 9.0: حلالیت تیتانیوم در خارج از PH خنثی به شدت افزایش می یابد. PH آب دیونیزه شده که CO2 را از هوا جذب می کند می تواند 5.5-6.0 باشد که آزاد شدن تیتانیوم را به میزان 2-3 افزایش می دهد.

آب بدون اکسیژن (Nitrogen purged) آزادسازی Ti را به میزان 5-10 افزایش می دهد. اکسیژن محلول زیر 1ppm نیمکت های مرطوب نیمه هادی باید از هوا اشباع شده باشند.

ماتریس کاربرد هیترهای تیتانیوم برای نیمکت های مرطوب نیمه هادی
هدف کیفیت آب پیکربندی نیمکت مرطوب (Ti) نوع بخاری با غلظت Ti مورد انتظار مطابقت دارد؟
جریان پیوسته، یک بار عبور، 95 درجه<0.1 ppb Grade 2, pre-passivated 0.05-0.10 ppbYes, by a margin.
حمام چرخشی 95 درجه تعویض آب هفتگی<0.1 ppb Grade 7 pre-passivated 0.03-0.07 ppb Yes
حمام چرخشی، 95 درجه، بدون تغییر آب<0.1 ppb Grade 2 or Grade 7 0.15-0.25 ppb after 500 hr Not applicable
چرخه حرارتی مکرر (4+ چرخه در روز)<0.1 ppb Grade 7 + continuous DI flush 0.08-0.12 ppb Marginal
شستشوی اکسید دروازه بحرانی (هدف زیر 0.05ppb)<0.05 ppb Quartz or PTFE heater 0.01-0.02 ppb (quartz) Not recommended: titanium
هر گونه خدمات با پاکسازی نیتروژن (O2 کم)<0.1 ppbN/A Quartz or sapphire Titanium unsuitable
استراتژی های کاهش برای انطباق
برای نیمکت های مرطوب با استفاده از هیترهای تیتانیوم با<0.1 ppb titanium, the following techniques are effective:

قبل از غیرفعال شدن بخاری های جدید را در مخزن UPW 95 درجه جداگانه به مدت 72 تا 96 ساعت قبل از نصب اجرا کنید، هر 24 ساعت آب را تعویض کنید. آب غیرفعال را دور بریزید.

عملیات جریان مداوم: نیمکت‌های مرطوب را برای یک بار-از طریق یا زیاد{1}}عملکرد، پیکربندی کنید، نه گردش مجدد بدون تازه کردن. میزان خونریزی 5 تا 10 درصد حجم حمام در ساعت برای جلوگیری از رسیدن تیتانیوم به غلظت تعادل استفاده می شود.

عملکرد دمای ثابت: چرخه حرارتی نکنید. • از حالت آماده به کار{1} کم مصرف استفاده کنید تا بخاری ها را همیشه در 95 درجه نگه دارید، حتی در دوره های غیرفعال.

کنترل pH: آب دیونیزه شده را در pH 6.5-7.5 با استفاده از شستشوی CO2 یا گاز زدایی درون خطی حفظ کنید. NO پاکسازی N2 بدون اکسیژن رسانی مجدد.

عملیات سطحی: سطوح تیتانیوم الکتروپلی شده (Ra<0.2 µm) release 30-50% less titanium than pickled or as-drawn surfaces because of the smaller surface area and fewer active sites.

برای آب گرم دیونیزه شده در دمای 95 درجه روی نیمکت های مرطوب نیمه هادی، هیترهای تیتانیوم غیرفعال شده مناسب (درجه 2 یا درجه 7) می توانند آلودگی یون تیتانیوم را به 0.1ppb یا کمتر با جریان مداوم یا بازچرخش بالا{4} و حداقل چرخه حرارتی محدود کنند. درجه 7 دارای محدوده بزرگتر (0.03-0.07 ppb) نسبت به درجه 2 (0.05-0.10 ppb) است. برای حمام‌های چرخشی، بدون تازه‌سازی آب یا برای کاربردهای چرخه حرارتی مکرر، بخاری‌های تیتانیوم > ppb 0.1 خواهند بود و بخاری‌های کوارتز یا PTFE باید عرضه شوند. مستندات غیرفعال سازی (روش و زمان) روی هیترهای تیتانیوم را برای سرویس نیمه هادی بخواهید و سطوح الکتروپلی شده را مشخص کنید. تیتانیوم برای هیچ درجه ای برای فرآیندهای اکسید گیت بحرانی با توصیه نمی شود<0.05 ppb metal targets.