Per als bancs humits de semiconductors que utilitzen aigua desionitzada calenta (95 graus), els escalfadors de titani poden provocar una contaminació d'ions metàl·lics superior a 0,1 ppb?

Els bancs humits de semiconductors requereixen aigua ultrapura (UPW) amb nivells de contaminació d'ions metàl·lics de < 0,1 parts per mil milions (ppb) per a etapes crucials del procés, com ara la neteja, el gravat i l'eliminació d'hòsties. L'esbandida es fa amb aigua desionitzada i les temperatures del bany a les estacions humides es mantenen a 95 graus. Els escalfadors d'immersió de titani són atractius per a aquest servei per la seva resistència a la corrosió i alta conductivitat tèrmica. Tanmateix, una preocupació important és la possibilitat de lixiviació de titani a l'aigua ultrapura, que pot ser superior al límit molt baix de 0,1 ppb per als metalls de transició que causen fuites de la unió i defectes d'òxid de la porta. En aquest estudi es quantifica la taxa d'alliberament d'ions de titani dels escalfadors de titani de grau 2 i grau 7 en aigua desionitzada a 95 graus C i es determina si els escalfadors de titani es poden utilitzar en bancs humits de semiconductors sense afectar la puresa de l'aigua.

Mecanisme d'alliberament de titani en aigua ultra neta
El titani forma una pel·lícula de TiO2 passiva termodinàmicament estable en aigua desionitzada d'alta -resistència (18,2 MΩ·cm, sòlids dissolts totals < 1 ppb). Però la pel·lícula no és del tot inert. Hi ha una lenta degradació química de l'òxid: TiO 2 + 2H 2 O → Ti(OH) 4 (soluble) Les espècies de titani dissoltes, normalment ions Ti(OH)₄ o TiO²⁺, entren a l'aigua a una velocitat que depèn de la temperatura, el pH i la qualitat de l'aigua. La solubilitat del TiO 2 amorf és de l'ordre d'1-5 ppb com a titani a pH neutre i 95 graus. Aquesta és la concentració d'equilibri; la velocitat d'alliberament real d'un escalfador depèn del cabal d'aigua, de la superfície i de si l'aigua es reomple contínuament (una vegada) o es circula.

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, oxigen dissolt 8 ppm) a 95 graus. Aquest corrent equival a una dissolució de titani de 0,003-0,015 mm/any, poc important pel que fa al gruix de la paret del tub però considerable pel que fa a la contaminació d'ions metàl·lics. Conversió de la densitat de corrent a l'alliberament d'ions: 0,05 μA/cm² × 1 hora × àrea superficial dóna al voltant de 0,09 ng/cm² de titani dissolt cada hora de funcionament.

Concentració de titani mesurada en servei de banc humit
Els resultats quantitatius es van obtenir a partir de proves controlades en bancs humits de grau semiconductor amb un sistema d'aigua desionitzada amb recirculació a 95 C. La concentració de titani es va controlar durant un període de 1.000 hores mitjançant espectrometria de masses de plasma acoblada inductivament (ICP-MS, límit de detecció 0,01 ppb) en una immersió de paret de 4 kW, 6 mm d'escalfador de titani (immersió de 4 kW, 1,5 mm de titani). 800 cm2 de superfície) funcionant en un banc humit de 100 litres amb recirculació a 20 L/min.

El contingut de titani es va establir a 0,06–0,10 ppb després de la primera passivació (primeres 24 hores). El mostreig cada 24 h va donar lectures entre 0,05 i 0,12 ppb, amb una mitjana de 0,08 ppb. El cicle tèrmic (escalfador apagat i encès) va provocar augments ocasionals de 0,15 ppb. En la condició constant de 95 graus, la concentració mitjana de titani era del nivell de 0,1 ppb o una mica per sota.

En les mateixes condicions, l'alliberament de titani del titani de grau 7 (Ti-0,15Pd) era de 0,03-0,07 ppb i l'alliberament de pal·ladi estava per sota del límit de detecció de 0,01 ppb. La menor taxa d'alliberament s'atribueix a la pel·lícula passiva més estable del grau 7 a causa de l'efecte catòdic del pal·ladi.

Factors que estan per sobre del límit de 0,1 ppb
Una varietat de situacions operatives poden provocar que la concentració de titani superi els 0,1 ppb:

El període d'interrupció inicial-: els escalfadors de titani nous i nous descarreguen 0,3-0,8 ppb de titani en les primeres 48-72 hores a mesura que la pel·lícula passiva s'estabilitza. La instal·lació en banys de procés crític requereix una prepassivació d'immersió de 72 hores a 95oC UPW.

Cicle de temperatura: cada cicle de refredament/reescalfament trenca la pel·lícula passiva donant lloc a un augment transitori de l'alliberament de 0,15-0,25 ppb que es desapareix en 4-6 hores. Els bancs humits que encenen i apaguen els seus escalfadors moltes vegades al dia superen el límit de 0,1 ppb durant llargs períodes de temps.

flux limitat o condicions estancades: en sistemes de recirculació, amb una rotació limitada, el titani s'acumula fins a una solubilitat d'equilibri. 0.2-0.3 ppb després de 500 hores en un bany de 100 litres amb un escalfador de titani i sense refresc de l'aigua.

Excursions de pH per sota de 5,0 o superiors a 9,0: la solubilitat del titani augmenta molt fora del pH neutre. El pH de l'aigua desionitzada que absorbeix CO2 de l'aire pot ser de 5,5-6,0, la qual cosa augmenta l'alliberament de titani en un factor de 2-3.

L'aigua desoxigenada (purgada amb nitrogen) augmenta l'alliberament de Ti en un factor de 5-10. Oxigen dissolt per sota d'1 ppm Els bancs humits de semiconductors haurien d'estar saturats d'aire.

Matriu d'aplicació d'escalfadors de titani per a bancs humits de semiconductors
Configuració del banc humit Objectiu de qualitat de l'aigua (Ti) Tipus d'escalfador Concentració de Ti esperada Compleix?
flux continu, un cop passat, 95 graus<0.1 ppb Grade 2, pre-passivated 0.05-0.10 ppbYes, by a margin.
Bany recirculat canvi d'aigua setmanal de 95 graus<0.1 ppb Grade 7 pre-passivated 0.03-0.07 ppb Yes
Bany recirculat, 95 graus, sense canvi d'aigua<0.1 ppb Grade 2 or Grade 7 0.15-0.25 ppb after 500 hr Not applicable
Cicles tèrmics freqüents (4+ cicles/dia)<0.1 ppb Grade 7 + continuous DI flush 0.08-0.12 ppb Marginal
Esbandida d'òxid de la porta crítica (objectiu inferior a 0,05 ppb)<0.05 ppb Quartz or PTFE heater 0.01-0.02 ppb (quartz) Not recommended: titanium
Qualsevol servei amb purga de nitrogen (baix O2)<0.1 ppbN/A Quartz or sapphire Titanium unsuitable
Estratègies de mitigació per al compliment
Per a bancs humits amb escalfadors de titani amb<0.1 ppb titanium, the following techniques are effective:

Pre-passivació Executeu escalfadors nous en un dipòsit UPW de 95 graus separat durant 72-96 hores abans de la instal·lació, canviant l'aigua cada 24 hores . Eliminar l'aigua de passivació.

Funcionament de flux continu: configureu bancs humits per a una operació-de purga alta o alta-, no per a la recirculació sense actualització. S'utilitza una velocitat de sagnat del 5 al 10% del volum del bany/hora per evitar que el titani arribi a la concentració d'equilibri.

Funcionament a temperatura constant: no fer cicles tèrmics. • Utilitzeu el mode d'espera de baixa potència-per mantenir els escalfadors a 95 graus tot el temps, fins i tot durant els períodes inactius.

Control del pH: Mantingueu l'aigua desionitzada a pH 6,5-7,5 mitjançant la neteja de CO2 o la desgasificació en línia. Purga de NO N2 sense reoxigenació.

Tractament superficial: superfícies de titani electropolit (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.

Per a aigua desionitzada calenta a 95 graus en bancs humits de semiconductors, els escalfadors de titani passivats adequadament (grau 2 o grau 7) poden limitar la contaminació d'ions de titani a 0,1 ppb o menys amb un flux continu o una recirculació de sagnada alta - i un cicle tèrmic mínim. El grau 7 té un rang més gran (0,03-0,07 ppb) que el grau 2 (0,05-0,10 ppb). Per als banys recirculats, sense refresc d'aigua o per a aplicacions freqüents de cicles tèrmics, els escalfadors de titani seran > 0,1 ppb i s'han de subministrar escalfadors de quars o PTFE. Demanar documentació de la passivació (mètode i temps) en escalfadors de titani per servei de semiconductors i especificar superfícies electropolides. El titani no es recomana per a cap grau per a processos crítics d'òxid de porta amb<0.05 ppb metal targets.