Czy w przypadku mokrych ławek półprzewodnikowych wykorzystujących gorącą wodę dejonizowaną (95 stopni) czy tytanowe grzejniki mogą powodować zanieczyszczenie jonami metali przekraczające 0,1 ppb?

Mokre stanowiska do półprzewodników wymagają ultraczystej wody (UPW) o poziomie zanieczyszczenia jonami metali < 0,1 części na miliard (ppb) do kluczowych etapów procesu, takich jak czyszczenie płytek, trawienie i usuwanie izolacji. Płukanie odbywa się wodą dejonizowaną, a temperatura kąpieli w stacjach mokrych utrzymywana jest na poziomie 95 stopni. Tytanowe grzałki zanurzeniowe są atrakcyjne dla tej usługi ze względu na ich odporność na korozję i wysoką przewodność cieplną. Jednakże poważnym problemem jest możliwość wymywania tytanu do ultraczystej wody, która może być większa niż bardzo niska granica 0,1 ppb dla metali przejściowych, która powoduje wyciek na złączach i defekty tlenku bramki. W tym badaniu określono ilościowo szybkość uwalniania jonów tytanu z grzejników tytanowych klasy 2 i 7 w wodzie dejonizowanej o temperaturze 95 stopni C oraz określono, czy grzejniki tytanowe mogą być stosowane w mokrych stanowiskach półprzewodnikowych bez wpływu na czystość wody.

Tytanowy mechanizm zwalniający w ultra czystej wodzie
Tytan tworzy termodynamicznie stabilną pasywną warstwę TiO2 w wodzie dejonizowanej o wysokiej-oporności (18,2 MΩ·cm, całkowita ilość rozpuszczonych substancji stałych < 1 ppb). Ale film nie jest całkowicie obojętny. Następuje powolny rozkład chemiczny tlenku: TiO 2 + 2H 2 O → Ti(OH) 4 (rozpuszczalny) Rozpuszczone formy tytanu, zwykle jony Ti(OH)₄ lub TiO²⁺, przedostają się do wody z szybkością zależną od temperatury, pH i jakości wody. Rozpuszczalność amorficznego TiO2 jest rzędu 1-5 ppb w przeliczeniu na tytan przy obojętnym pH i temperaturze 95°C. Jest to stężenie równowagowe; rzeczywista szybkość uwalniania z podgrzewacza zależy od natężenia przepływu wody, powierzchni oraz tego, czy woda jest stale uzupełniana (pojedynczy przepływ), czy też krąży.

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, rozpuszczony tlen 8 ppm) w temperaturze 95 stopni. Prąd ten odpowiada rozpuszczaniu tytanu w ilości 0,003-0,015 mm/rok, co jest nieistotne w odniesieniu do grubości ścianki rury, ale znaczne w odniesieniu do zanieczyszczenia jonami metali. Konwersja z gęstości prądu na uwalnianie jonów: 0,05 μA/cm² × 1 godzina × pole powierzchni daje około 0,09 ng/cm² rozpuszczonego tytanu na każdą godzinę pracy.

Stężenie tytanu mierzone w pracy na mokrej ławce
Wyniki ilościowe uzyskano w wyniku kontrolowanych testów na mokrych stanowiskach do produkcji półprzewodników z systemem recyrkulacyjnej wody dejonizowanej w temperaturze 95°C. Stężenie tytanu monitorowano przez okres 1000 godzin za pomocą spektrometrii masowej w plazmie indukcyjnie sprzężonej (ICP-MS, granica wykrywalności 0,01 ppb) w tytanowej grzałce zanurzeniowej o mocy 4 kW (klasa 2, ścianka 1,65 mm, powierzchnia 800 cm2). praca na 100-litrowym mokrym stanowisku z recyrkulacją przy 20 l/min.

Zawartość tytanu ustabilizowała się na poziomie 0,06–0,10 ppb po pierwszej pasywacji (pierwsze 24 godziny). Próbkowanie co 24 godziny dawało odczyty od 0,05 do 0,12 ppb, średnio 0,08 ppb. Cykle termiczne (wyłączenie i włączenie grzejnika) powodowały sporadyczne wzrosty do 0,15 ppb. W stałych warunkach 95 stopni średnie stężenie tytanu było na poziomie 0,1 ppb lub nieco poniżej.

W tych samych warunkach uwalnianie tytanu z tytanu klasy 7 (Ti-0,15Pd) wynosiło 0,03-0,07 ppb, a uwalnianie palladu było poniżej granicy wykrywalności wynoszącej 0,01 ppb. Niższą szybkość uwalniania przypisuje się bardziej stabilnej warstwie pasywnej w klasie 7 ze względu na katodowy efekt palladu.

Czynniki przekraczające limit 0,1 ppb
Różne sytuacje operacyjne mogą spowodować, że stężenie tytanu przekroczy 0,1 ppb:

Początkowy okres-przerwy: nowe, świeże grzejniki tytanowe wyładują 0,3-0,8 ppb tytanu w ciągu pierwszych 48–72 godzin, gdy warstwa pasywna ustabilizuje się. Instalacja w krytycznych łaźniach procesowych wymaga 72-godzinnej wstępnej pasywacji zanurzeniowej w temperaturze 95oC UPW.

Cykl temperaturowy: Każdy cykl chłodzenia/ponownego nagrzewania niszczy warstwę pasywną, powodując przejściowy wzrost uwalniania o 0,15-0,25 ppb, który zanika w ciągu 4-6 godzin. Mokre ławki, w których grzejniki włączają się i wyłączają wiele razy dziennie, przez dłuższy czas przekraczają granicę 0,1 ppb.

ograniczony przepływ lub warunki stagnacji – w systemach z recyrkulacją, przy ograniczonym obrocie, tytan gromadzi się do równowagowej rozpuszczalności. 0.2-0.3 ppb po 500 godzinach w 100-litrowej kąpieli z tytanowym podgrzewaczem i bez odświeżania wody.

Skoki pH poniżej 5,0 lub powyżej 9,0: Rozpuszczalność tytanu jest znacznie zwiększona poza neutralnym pH. Wartość pH wody dejonizowanej, która pochłania CO2 z powietrza, może wynosić 5,5–6,0, co zwiększa uwalnianie tytanu 2–3 razy.

Woda odtleniona (oczyszczona azotem) zwiększa uwalnianie Ti 5-10-krotnie. Rozpuszczony tlen poniżej 1 ppm Mokre stanowiska do półprzewodników powinny być nasycone powietrzem.

Matryca zastosowań grzejników tytanowych do mokrych stołów półprzewodnikowych
Konfiguracja mokrej ławki Docelowa jakość wody (Ti) Typ podgrzewacza Oczekiwane stężenie Ti Zgodne?
ciągły przepływ, jednorazowy, 95 stopni<0.1 ppb Grade 2, pre-passivated 0.05-0.10 ppbYes, by a margin.
Kąpiel z recyrkulacją, cotygodniowa wymiana wody 95 stopni<0.1 ppb Grade 7 pre-passivated 0.03-0.07 ppb Yes
Kąpiel z recyrkulacją, 95 stopni, bez podmiany wody<0.1 ppb Grade 2 or Grade 7 0.15-0.25 ppb after 500 hr Not applicable
Częste cykle termiczne (4+ cykli/dzień)<0.1 ppb Grade 7 + continuous DI flush 0.08-0.12 ppb Marginal
Krytyczne płukanie tlenkiem bramki (cel poniżej 0,05 ppb)<0.05 ppb Quartz or PTFE heater 0.01-0.02 ppb (quartz) Not recommended: titanium
Dowolna usługa z przedmuchiwaniem azotem (niska zawartość O2)<0.1 ppbN/A Quartz or sapphire Titanium unsuitable
Strategie łagodzące w celu zapewnienia zgodności
Do mokrych ławek z grzejnikami tytanowymi<0.1 ppb titanium, the following techniques are effective:

Pasywacja-przed instalacją Nowe grzejniki należy uruchamiać w oddzielnym zbiorniku UPW o temperaturze 95 stopni na 72–96 godzin przed instalacją, wymieniając wodę co 24 godziny. Utylizować wodę pasywacyjną.

Praca z ciągłym przepływem: skonfiguruj mokre stanowiska do pracy z jednorazowym-przepływem lub z dużym-upuszczaniem, a nie do recyrkulacji bez odświeżania. Aby zapobiec osiągnięciu przez tytan stężenia równowagi, stosuje się szybkość upustu wynoszącą 5 do 10% objętości kąpieli/godzinę.

Praca w stałej temperaturze: Nie poddawać cyklowi termicznemu. • Używaj trybu czuwania przy niskim-poborze mocy, aby utrzymywać grzejniki na poziomie 95 stopni przez cały czas, nawet w okresach nieaktywności.

Kontrola pH: Utrzymuj wodę dejonizowaną na poziomie pH 6,5-7,5 za pomocą płukania CO2 lub odgazowywania na linii. NIE usuwa się N2 bez ponownego natleniania.

Obróbka powierzchniowa: Elektropolerowane powierzchnie tytanowe (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.

W przypadku gorącej wody dejonizowanej o temperaturze 95 stopni na mokrych stanowiskach półprzewodnikowych odpowiednie pasywowane grzejniki tytanowe (klasa 2 lub klasa 7) mogą ograniczyć zanieczyszczenie jonami tytanu do 0,1 ppb lub mniej przy ciągłym przepływie lub recyrkulacji z dużym-upuszczaniem i minimalnymi cyklami termicznymi. Stopień 7 ma większy zakres (0,03-0,07 ppb) niż Stopień 2 (0,05-0,10 ppb). W przypadku kąpieli z recyrkulacją, bez odświeżania wodą lub w zastosowaniach z częstymi cyklami termicznymi, grzejniki tytanowe będą > 0,1 ppb i należy dostarczyć grzejniki kwarcowe lub PTFE. Poproś o dokumentację pasywacji (metoda i czas) grzejników tytanowych do obsługi półprzewodników i określ powierzchnie elektropolerowane. Tytan nie jest zalecany do żadnego gatunku w krytycznych procesach tlenku bramki<0.05 ppb metal targets.