Чи можуть титанові нагрівачі спричиняти забруднення іонами металу, що перевищує 0,1 частки на мільярд, для вологих стендів із використанням гарячої деіонізованої води (95 градусів)?

Напівпровідникові мокрі стенди потребують надчистої води (UPW) з рівнями забруднення іонами металу < 0,1 часток на мільярд (ppb) для важливих етапів процесу, таких як очищення пластин, травлення та зняття. Ополіскування здійснюється деіонізованою водою, а температура ванни у вологих станціях підтримується на рівні 95 градусів. Титанові занурювальні нагрівачі привабливі для цієї служби через їх стійкість до корозії та високу теплопровідність. Однак серйозне занепокоєння викликає можливість вилуговування титану в надчисту воду, яка може перевищувати дуже низьку межу 0,1 частки на мільярд для перехідних металів, які спричиняють витік з’єднання та дефекти оксиду затвора. У цьому дослідженні кількісно визначено швидкість вивільнення іонів титану з титанових нагрівачів класу 2 і класу 7 у деіонізованій воді при температурі 95 градусів С і визначено, чи можна використовувати титанові нагрівачі в напівпровідникових мокрих стендах без впливу на чистоту води.

Титановий механізм вивільнення в ультрачистій воді
Титан утворює термодинамічно стабільну пасивну плівку TiO2 у деіонізованій воді з високим-питомим опором (18,2 МОм·см, загальний вміст розчинених твердих речовин < 1 ppb). Але плівка не зовсім інертна. Існує повільний хімічний розпад оксиду: TiO 2 + 2H 2 O → Ti(OH) 4 (розчинний) Розчинені види титану, як правило, іони Ti(OH)₄ або TiO²⁺, надходять у воду зі швидкістю, яка залежить від температури, pH і якості води. Розчинність аморфного TiO 2 становить близько 1-5 ppb як титан за нейтрального pH і 95 градусів. Це рівноважна концентрація; фактична швидкість виділення з нагрівача залежить від швидкості потоку води, площі поверхні та від того, чи вода постійно поповнюється (одноразово) чи циркулює.

Electrochemical tests demonstrate that titanium Grade 2 has a passive current density of 0.01-0.05 µA/cm² in deionized water (resistivity >18 МОм·см, розчинений кисень 8 ppm) при 95 градусах. Цей струм еквівалентний розчиненню титану 0,003-0,015 мм/рік, несуттєвий щодо товщини стінки трубки, але значний щодо забруднення іонами металу. Перетворення щільності струму на виділення іонів: 0,05 мкА/см² × 1 година × площа поверхні дає близько 0,09 нг/см² розчиненого титану кожну годину роботи.

Концентрація титану, виміряна на мокрому стенді
Кількісні результати були отримані в результаті контрольованого випробування на вологих стендах класу напівпровідників із системою рециркуляції деіонізованої води при 95 C. Концентрацію титану контролювали протягом 1000 годин за допомогою мас-спектрометрії з індуктивно пов’язаною плазмою (ICP-MS, межа виявлення 0,01 ppb) у титановому занурювальному нагрівачі потужністю 4 кВт (клас 2, стінка 1,65 мм, площа поверхні 800 см2), що працює в 100-літровому мокрому столі з рециркуляцією при 20 л/хв.

Вміст титану став стабільним на рівні 0,06–0,10 ppb після першої пасивації (перші 24 години). Відбір проб кожні 24 години показав значення від 0,05 до 0,12 ppb, із середнім значенням 0,08 ppb. Термічний цикл (нагрівач вимкнений, а потім увімкнений) призводив до випадкового підвищення до 0,15 ppb. При постійній температурі 95 градусів середня концентрація титану була на рівні 0,1 ppb або трохи нижче.

За тих же умов вивільнення титану з титану 7 класу (Ti-0,15Pd) становило 0,03-0,07 ppb, а виділення паладію було нижче межі виявлення 0,01 ppb. Нижча швидкість вивільнення пояснюється більш стабільною пасивною плівкою на Grade 7 через катодний ефект паладію.

Фактори, які перевищують ліміт 0,1 ppb
Ряд робочих ситуацій може призвести до того, що концентрація титану може перевищувати 0,1 ppb:

Початковий-період перерви: нові свіжі титанові нагрівачі викидають 0,3-0,8 ppb титану протягом перших 48-72 годин, коли пасивна плівка стабілізується. Встановлення у критичних технологічних ваннах вимагає 72-годинного попереднього занурення у 95oC UPW.

Температурні цикли: кожен цикл охолодження/повторного нагрівання руйнує пасивну плівку, що призводить до тимчасового збільшення виділення на 0,15-0,25 часток на мільярд, яке зникає протягом 4-6 годин. Вологі лави, які вмикають і вимикають обігрівачі багато разів на день, перевищують межу 0,1 частки на мільярд протягом тривалого часу.

обмежений потік або застійні умови – у рециркуляційних системах з обмеженим обертом титан досягає рівноважної розчинності. 0.2-0.3 ppb після 500 годин у 100-літровій ванні з титановим нагрівачем і без оновлення води.

Збій рН нижче 5,0 або вище 9,0: розчинність титану значно підвищується за межами нейтрального рН. Рівень рН деіонізованої води, яка поглинає CO2 з повітря, може становити 5,5-6,0, що збільшує виділення титану в 2-3 рази.

Дезоксигенована вода (очищена азотом) збільшує вивільнення Ti в 5-10 разів. Розчинений кисень нижче 1 ppm Напівпровідникові вологі стенди повинні бути насиченими повітрям.

Матриця застосування титанових нагрівачів для напівпровідникових мокрих стендів
Конфігурація Wet Bench Цільова якість води (Ti) Тип нагрівача Очікувана концентрація Ti Відповідає?
безперервний потік, один раз, 95 градусів<0.1 ppb Grade 2, pre-passivated 0.05-0.10 ppbYes, by a margin.
Рециркуляційна ванна 95 градусів щотижня зміна води<0.1 ppb Grade 7 pre-passivated 0.03-0.07 ppb Yes
Рециркуляційна ванна, 95 градусів, без заміни води<0.1 ppb Grade 2 or Grade 7 0.15-0.25 ppb after 500 hr Not applicable
Часті термоцикли (4+ циклів/день)<0.1 ppb Grade 7 + continuous DI flush 0.08-0.12 ppb Marginal
Критичне промивання оксиду затвора (цільове значення нижче 0,05 ppb)<0.05 ppb Quartz or PTFE heater 0.01-0.02 ppb (quartz) Not recommended: titanium
Будь-яке обслуговування з продувкою азотом (низький O2)<0.1 ppbN/A Quartz or sapphire Titanium unsuitable
Стратегії пом'якшення для відповідності
Для мокрих лав використовують титанові нагрівачі з<0.1 ppb titanium, the following techniques are effective:

Попередня-пасивація Запустіть нові нагрівачі в окремому резервуарі 95 градусів UPW протягом 72-96 годин перед встановленням, змінюючи воду кожні 24 години. Утилізуйте пасивовану воду.

Робота безперервного потоку: налаштуйте мокрі столи для одноразової-або високої-зливу, а не рециркуляції без оновлення. Щоб запобігти досягненню рівноважної концентрації титану, використовується швидкість виділення від 5 до 10% об’єму ванни/год.

Робота при постійній температурі: не використовуйте термічний цикл. • Використовуйте-режим очікування з низьким енергоспоживанням, щоб постійно підтримувати нагрівачі на рівні 95 градусів, навіть у періоди неактивності.

Контроль рН: підтримуйте деіонізовану воду на рівні рН 6,5-7,5 за допомогою очищення CO2 або вбудованої дегазації. Очищення NO N2 без реоксигенації.

Обробка поверхні: електрополіровані титанові поверхні (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.

Для гарячої деіонізованої води з температурою 95 градусів на вологих напівпровідникових стендах відповідним чином пасивовані титанові нагрівачі (клас 2 або 7) можуть обмежити забруднення іонами титану до 0,1 часток на мільярд або нижче за безперервного потоку або високої -рециркуляції стравлювання та мінімального теплового циклу. Ступінь 7 має більший діапазон (0,03-0,07 ppb), ніж клас 2 (0,05-0,10 ppb). Для рециркуляційних ванн, без оновлення води або для частих термічних циклів, титанові нагрівачі будуть > 0,1 ppb, і слід постачати кварцові або PTFE нагрівачі. Попросіть документацію щодо пасивації (спосіб і час) на титанових нагрівачах для обслуговування напівпровідників та вкажіть електрополіровані поверхні. Титан не рекомендований для будь-якої марки для критичних оксидних процесів<0.05 ppb metal targets.